(57)【要約】      （修正有）【課題】発生システムおよび方法の全体効率を上げるために必要な追加熱としてのＣＯ２圧縮機からの圧縮熱の一部の使用を提供する。【解決手段】エコノマイザー熱交換器部分２７および２６の間から冷却タービン排気流５１の一部を回収し、単段または多段断熱圧縮機２８で圧縮および加熱した後、エコノマイザー熱交換器２７の高温端に再度入り、その流れは熱交換器２７および熱交換器２６を通り冷却されることにより、流れ５１の流量は、高温エコノマイザー熱交換器２９の入口において流れ６５および６６の間の著しく小さい温度差を達成するために最大化される。また、熱交換器２４で冷却するために、主再循環圧縮機排出流４８と合流する。ＣＯ２圧縮によって供給される追加熱は、動力発生システムにおける効率の向上をもたらす。【選択図】図３
2020076398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再循環ガス流を加熱するための方法であって、前記方法は、
加熱された排気ガス流を回収熱交換器に通し、そこから熱を回収して冷却されたガス流を形成することと、
前記冷却されたガス流を少なくとも第１の画分および第２の画分に分離することと、
前記冷却されたガス流の第１の画分を圧縮し、圧縮された第１の画分ガス流を形成することと、
前記ガス流の第２の画分を圧縮し、それにより前記ガス流の第２の画分に熱を添加して圧縮された第２の画分ガス流を形成することと、
前記圧縮された第１の画分ガス流および前記圧縮された第２の画分ガス流をまとめ、まとめられた再循環ガス流を形成することと、
前記まとめられた再循環ガス流を、前記圧縮された第１の画分ガス流の圧力よりも大きく、かつ前記圧縮された第２の画分ガス流の圧力よりも大きい圧力までポンプで加圧することと、
を含み、
前記まとめられた再循環ガス流は、前記加熱された排気ガス流から回収された熱、および前記ガス流の第２の画分に添加された熱を用いて加熱される、方法。
【請求項２】
前記圧縮された第２の画分ガス流が１００℃乃至４００℃の温度にあるように、前記ガス流の第２の画分に熱が添加される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記まとめられた再循環ガス流は、１００バール（１０ＭＰａ）乃至５００バール（５０ＭＰａ）の圧力までポンプで加圧される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ガス流の第２の画分を圧縮することは、中間冷却のない多段圧縮を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ガス流の第２の画分に添加された熱を回収することと、
前記ポンプで加圧することの後に前記まとめられた再循環ガス流に前記熱を提供することと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記回収熱交換器は、直列の少なくとも２つの熱交換器または少なくとも２つの熱交換部分を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ポンプで加圧することの後に前記まとめられた再循環ガス流に熱を添加することであって、その添加された熱は、空気分離ユニットおよびガスタービンの一方または両方から得られること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記方法は、前記まとめられた再循環ガス流を、前記加熱された排気ガス流から回収された熱、および前記ガス流の第２の画分に添加された熱を用いて加熱した後に、前記まとめられた再循環ガス流を、酸素を用いて燃料を燃焼させる燃焼器まで送って燃焼生成物流を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
動力を発生させる方法であって、前記方法は、
圧縮されたＣＯ２含有流をタービンに通して前記ＣＯ２含有流を膨張させ、動力を発生させ、かつタービン排気流を形成することと、
前記タービン排気流から熱を回収することと、
前記タービン排気流を分割し、第１のタービン排気部分および第２のタービン排気部分を形成することと、
前記第１のタービン排気部分を圧縮し、主再循環ＣＯ２流を形成することと、
前記第２のタービン排気部分を圧縮し、そこに熱を添加して副再循環ＣＯ２流を形成することと、
前記主再循環ＣＯ２流および前記副再循環ＣＯ２流をまとめ、まとめられた再循環ＣＯ２流を形成することと、
前記まとめられた再循環ＣＯ２流を圧縮することと、
を含み、
前記まとめられた再循環ＣＯ２流は、前記タービン排気流から回収された熱、および前記第２のタービン排気部分に添加された熱を用いて加熱される、方法。
【請求項１０】
前記ＣＯ２含有流は、５００℃乃至１，７００℃の温度、および１００バール（１０ＭＰａ）乃至５００バール（５０ＭＰａ）の圧力を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記タービンの圧力比は５乃至１２である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記タービン排気流からの熱は、回収熱交換器内で回収される、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記副再循環ＣＯ２流が１００℃乃至４００℃の温度にあるように、前記第２のタービン排気部分に熱が添加される、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２のタービン排気部分を圧縮することは、圧縮機段の間に中間冷却のない多段圧縮を含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の主題は、さらなる熱源を用いる熱交換器における再循環ＣＯ２流の少なくとも一部の追加熱により達成される、望ましい効率で動作する電気などの動力発生システムおよび方法に関する。具体的には、さらなる熱源からの熱は少なくとも部分的に、再循環ＣＯ２流の少なくとも一部の圧縮から得ることができる。
【背景技術】
【０００２】
燃料の燃焼による従来の動力発生手段は典型的に、高効率な動力発生および炭素回収（例えば、隔離または他の使用のため）を同時に達成する能力を欠いている。炭素回収を伴う高効率な動力発生の分野における刊行物の１つであるＡｌｌａｍらの米国特許第８，５９６，０７５号は、作動流体としてＣＯ２を用いる密閉サイクル燃焼システムにおいて望ましい効率を提供する。そのようなシステムは具体的には、高温タービン排気からの熱を用いる回収熱交換器における再循環ＣＯ２流の加熱ならびにタービン排気以外の熱源からのさらなる熱の添加の広く認められた有用性から利益を得る。そのような進歩にも関わらず、当該技術分野では今なお、ＣＯ２および他の燃料および燃焼由来不純物の回収と共に効率の向上をもたらす改良された動力発生システムおよび方法の必要性が高まっている。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、効率が向上した動力発生システムおよび方法を提供する。本システムおよび方法は、作動流体としてＣＯ２を利用することができ、ＣＯ２および他の燃料および燃焼由来不純物を回収するように構成することができる。本改良は、高温タービン排気からの熱による再循環ＣＯ２流の伝熱加熱も利用する高圧酸素燃料燃焼システムおよび方法における再循環ＣＯ２流への低温レベルの加熱の導入に関して認められた。低温レベルの加熱は、本明細書では「追加熱」という用語で表すことができる。従って当然ながら、追加熱は高温タービン排気以外の熱源からの低温レベルの加熱である。言い換えると、追加熱は高温タービン排気から回収した熱ではない。本開示は具体的には、燃料のみからの熱の加熱能力を超える動力発生出力を提供し、従って有利な効率の向上をもたらす密閉サイクルまたは部分密閉サイクル酸素燃料燃焼システムおよび方法において追加熱を入手および伝達させる手段に関する。
【０００４】
いくつかの実施形態では、本開示は、再循環ＣＯ２流の存在下および高圧下における酸素中での燃料（例えば、炭素または炭素質燃料）の燃焼、次いで動力を発生するタービンによる生成物ガスの膨張、および回収熱交換器（先に圧縮された再循環ＣＯ２流を加熱する）におけるタービン排気の冷却により達成される、望ましい効率で動作する電気などの動力発生システムおよび方法に関する。例えば少なくとも部分的に再循環ＣＯ２流の少なくとも一部の圧縮から得られる熱であってもよい追加熱を用いる熱交換器における再循環ＣＯ２流の少なくとも一部の追加熱によって、改良された動力発生効率を得ることができる。
【０００５】
各種実施形態では、ＣＯ２が作動流体として利用される密閉サイクルまたは部分密閉サイクルシステムを用いて動力発生を達成することができる。そのようなシステムでは、酸化剤として実質的に純粋な酸素を用いて化石燃料（例えば、天然ガス）または化石燃料由来の燃料（例えば、石炭または他の固体炭素質燃料由来の合成ガス）を燃焼器で完全に燃焼させて、主にＣＯ２、Ｈ２Ｏ、過剰なＯ２からなり、かつＳＯ２、ＮＯｘ、ＨｇおよびＨＣｌなどの燃料または酸化剤中の酸化成分由来のある量の不純物からなる酸化流を得る。不燃性灰分を含む石炭、亜炭または石油コークスなどの固体化石燃料を単段または多段システムでの部分酸化により気体燃料に変換してもよい。そのようなシステムは、例えば部分酸化反応器を備えていてもよい。あるいは、例えば、そのようなシステムは、部分酸化反応器と、灰分および揮発性無機成分除去システムとを備えていてもよい。そのようなシステムは、動力発生システムの燃焼器における酸素を用いた燃料ガスの燃焼をさらに含む。予熱した再循環ＣＯ２流を燃焼器において燃料ガス燃焼由来の燃焼生成物と混合する。別途本明細書に記載されている条件下での動作に適したあらゆる燃焼器を使用してもよく、任意の手段により再循環ＣＯ２流を燃焼器に導入して燃焼によりさらに加熱し、かつ所望であればクエンチし、それにより出口流の温度を制御してもよい。いくつかの実施形態では、ＰＯＸ反応器および燃焼器の一方または両方は、単に例示のためのものであるが、反応または燃焼空間の周りにトランスピレーション冷却壁を利用してもよく、予熱した再循環ＣＯ２流はその壁を通過して壁を冷却すると共にクエンチし、それにより出口流の温度を制御してもよい。トランスピレーション流は、再循環ＣＯ２と高温の燃焼燃料ガス流との良好な混合を促進する。但し、他の種類の燃焼器を使用してもよく、本開示は、トランスピレーション冷却式燃焼器の使用に限定されない。特定の燃料の種類が上に例示されているが、当然ながら燃焼器において他の燃料（例えば、水素）を利用してもよい。同様に、追加熱の使用から生じる利点を部分的または全体的に非燃焼加熱を利用するシステムに適用してもよい。例えば、米国特許出願公開第２０１３／０１１８１４５号（その開示内容が参照により本明細書に組み込まれる）に記載されているようなソーラーシステムの使用も本開示によって包含される。
【０００６】
燃焼器を離れる１つにまとめられた燃焼生成物および予熱した再循環ＣＯ２は、動力発生タービンの入口に必要な温度を有する。ＣＯ２動力サイクルは、いくつかの実施形態では５〜１２のタービン圧力比を使用するが、他の実施形態では、複数の膨張タービンを利用する場合などに、より大きな圧力比（例えば、少なくとも２０）を使用することができる。いくつかの実施形態では、約１００バール（１０ＭＰａ）〜約５００バール（５０ＭＰａ）のタービン入口圧力を使用することができる。燃焼器に供給される酸素は、実質的に純粋なＯ２であってもＣＯ２で希釈されたＯ２のいずれであってもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２およびＣＯ２の混合は、燃焼反応の断熱火炎温度を制御するのに有用であり得る。非限定的な例として、１つにまとめられたＯ２／ＣＯ２流中のＯ２モル濃度は、約１０％〜約５０％、約１５％〜約４０％または約２０％〜約３０％であってもよい。高温タービン排気をエコノマイザー熱交換器で冷却し、次いでこれにより高圧ＣＯ２再循環流を予熱する。
【０００７】
本システムの効率的な動作は、熱交換の最適化に大きく依存している。高効率を達成するために、例えば約１００℃〜約４００℃の温度レベルの大量の追加熱を熱交換器の低温端において高圧再循環流に添加することができる。この低温レベルの熱は、いくつかの実施形態では、深冷酸素プラントの空気圧縮機から得てもよく、この圧縮機は、全体または部分的に高圧力比断熱モードでそれらの圧力範囲で動作させることができるため、圧縮空気の温度が排出段階で約１００℃〜約４００℃の範囲内の温度点まで上昇され、従って、圧縮空気流から加圧された再循環ＣＯ２プロセス流への熱の伝達を容易に達成することができる。例えば、エコノマイザー熱交換器において高圧ＣＯ２再循環流から回収された側流を冷却圧縮空気に接触させて、約１００℃〜約４００℃の所要温度まで加熱することができる。そのような酸素燃料の燃焼、低レベルの熱の生成および低レベルの熱の伝達のためのシステムおよび方法については、米国特許第８，５９６，０７５号、米国特許第８，７７６，５３２号、米国特許第８，９８６，００２号、米国特許第９，０６８，７４３号、米国特許出願公開第２０１０／０３０００６３号、米国特許出願公開第２０１２／００６７０５４号、米国特許出願公開第２０１２／０２３７８８１号および米国特許出願公開第２０１３／０１０４５２５号に説明されており、それらの開示内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００８】
本開示は、約１００℃〜約４００℃の温度の熱を再循環ＣＯ２高圧流に導入するためのさらなる手段を提供し、このようにしてエコノマイザー熱交換器の有効性を高め、かつ本熱伝達手段が組み込まれた動力発生システムおよび方法の全体効率を高める。具体的には、本開示は、本動力発生システムおよび方法の全体効率を高めるために必要な追加熱として再循環ＣＯ２圧縮機からの圧縮熱の一部の使用を提供する。
【０００９】
作動流体として高圧ＣＯ２を用いる動力発生サイクルの性能を最適化するための提案が以前になされた。例えば、Ｂｒｙａｎｔら（「An Analysis and Comparison of the Simple and Recompression Supercritical CO2 Cycles（単純かつ再圧縮式の超臨界ＣＯ２サイクルの分析および比較」）、コロラド州ボールダーでの「supercritical CO2 power cycle workshop（超臨界ＣＯ２動力発生サイクルワークショップ）」において２０１１年５月に発表）（その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる）は、作動流体としてＣＯ２を用いる回収熱交換器を使用する動力発生のためのブレイトンサイクルについて述べている。この論文は、動作パラメータに関して２つのサイクルの効率について定めており、第２のサイクルが第１の単純なサイクルよりも高い効率を与える条件を示している。
【００１０】
Ｂｒｙａｎｔらの第１の単純なサイクルは図１に示されている。このサイクルでは、ほぼ断熱性の非中間冷却型圧縮機１で圧縮されたライン７内の高温ＣＯ２を回収熱交換器４でさらに加熱する。次いで、高温ＣＯ２はライン８を通って加熱器３に移動し、そこでは、酸素１３を用いて燃料１４を燃焼させてＣＯ２を直接加熱するか、いくつかの外部加熱手段により加熱する。次いで、さらに加熱されたＣＯ２はライン９を通って動力発生用タービン２に移動し、そこでは、低圧力を生成する軸仕事まで膨張される（矢印１５によって図示されている）。タービン排気流１０は回収熱交換器４に移動し、そこで冷却されて高圧再循環流に熱を放出する。次いで、タービン排気は予冷器５で冷却され、そこで熱はライン１２から出る冷却流１１に引き渡され、その後、最後にライン６内の圧縮機１に再び入る。
【００１１】
Ｂｒｙａｎｔの第２のサイクルは図２に示されており、第２の圧縮段１６の追加以外は図１に示すサイクルと同じである。第２の圧縮段１６では、予冷器５の前の回収熱交換器４ａの出口において、低圧戻り回路を離れる低圧タービン排気流１７の一部は圧縮機１６においてその高温条件下で圧縮され、ライン１８を通って離れる。この流れは、その対応する温度の４ａを離れる主高圧再循環流と混合された後、回収熱交換器４ｂに入り、熱交換器部分４ｂにおいて高温タービン排気流１０と接触して加熱される。さらなる圧縮の効果は、主ＣＯ２圧縮機の入口温度よりも高い高温のＣＯ２流をその入口流として回収する第２の圧縮機からの大量の熱を回収熱交換器に注入することである。
【００１２】
Ｂｒｙａｎｔらの教示は、熱投入が回収熱交換器４ａの第１段を迂回するという欠点を明らかにしている。熱交換器４ａにおいて冷却される低圧タービン排気流と比較して熱交換器４ａにおいて加熱される高圧ＣＯ２流のより大きな比熱は、熱交換器４ａにおける高圧流への熱の伝達を最大化して小さい温度差を達成しなければならないことを意味している。加熱および圧縮されたＣＯ２流が熱交換器４ａを迂回してしまうため、これは達成されない。最大効率のために必要なことは、圧縮されたＣＯ２が熱交換器において冷却され、かつ高圧ＣＯ２流への利用可能な熱の伝達が増加する高温ガス圧縮システムを設けることである。本開示は一つとして、この欠点を克服するための手段に関する。
【００１３】
図１および図２に示すＢｒｙａｎｔらのサイクルは、高温ＣＯ２圧縮のための公知の先行技術を表しているが、それらは、高い排出温度を与える中間冷却器を有しない主ＣＯ２圧縮機を使用する単純なブレイトンサイクル構成での使用にのみ適している。また、これにより回収熱交換器４ａを離れる冷却タービン排気流も高温になるため、予冷熱交換器に引き渡される熱も高温である。従って、最適な主圧縮機入口圧力がＣＯ２の臨界圧に近い状態で２〜４の範囲であることが分かっているこの高温圧縮サイクルにおける低い圧力比においてのみ最適効率が達成されることは明らかである。当該システムでは、圧力比が高いために過剰な熱損失が生じる。図１および図２に示すＢｒｙａｎｔらのサイクルは、圧縮機入口ライン６における液体水分離およびその後の周囲冷却手段に接触させる熱交換器５での冷却の存在などのシステムの詳細の説明も欠いている。
【００１４】
図２に示すＢｒｙａｎｔらのサイクルは、いくつかのさらなる限界を有する。例えば、再圧縮式の主圧縮機は段の間に中間冷却器のない動作において本質的に断熱性であるため、Ｂｒｙａｎｔらのサイクル効率は、圧力比が大きくなるにつれて著しく低下する。Ｂｒｙａｎｔらによって報告されている研究から、７５０℃のタービン入口温度にとって最適な圧力比は、１００バールのタービン入口圧力では２．２であり、２５０バールのタービン入口圧力では３．３であることが分かる。低い圧力比は、所与の動力出力のために当該システムにおいて非常に多いＣＯ２流量を必要とし、これは資本コストの上昇に繋がる。一方、本開示は、高効率および低資本コストで得られる高い圧力比および高いタービン入口圧力を有するサイクルを提供する。
【００１５】
本開示に係る有用なシステムおよび方法は、約５〜約３０などの約５以上の圧力比を利用することができる。いくつかの実施形態では、圧力比は約５〜約１２の範囲であると好ましい。本システムおよび方法は、中間冷却される主ＣＯ２再循環圧縮システムを利用することもできる。高い圧力比は、７．３８ＭＰａのＣＯ２臨界圧を超えるタービン入口圧力およびこの圧力よりも低いタービン出口圧力に有利である。これらのより高い圧力比により、正味電力出力１ｋＷ当たりの著しくより低いＣＯ２循環率において天然ガス燃料システムの５０％〜６０％という高効率が得られる。本開示に係る有用なシステムおよび方法は、好ましくは、例えば１００℃超、特に約１００℃〜約４００℃または約１００℃〜約３００℃の範囲の温度レベルの非常に大きな投入量の追加熱も利用する。本開示のシステムおよび方法は、この追加熱として主再循環ＣＯ２圧縮機からの圧縮熱の一部を利用するという点で特に有利である。
【００１６】
いくつかの実施形態では、本開示は動力発生方法を提供する。例えば、本方法は、圧縮および加熱された再循環ＣＯ２流を燃焼器に送る工程、燃焼器において再循環ＣＯ２流の存在下で酸素を用いて燃料を燃焼させてＣＯ２含有流を生成する工程、ＣＯ２含有流をタービンに通してＣＯ２含有流を膨張させ、動力を発生させ、かつＣＯ２を含むタービン排気流を形成する工程、ＣＯ２を含むタービン排気流から熱を回収する工程、冷却されたタービン排気流を分割して第１のタービン排気部分および第２のタービン排気部分を形成する工程、第１のタービン排気部分から水を分離して主再循環ＣＯ２流を形成する工程、主再循環ＣＯ２流を圧縮する工程、第２のタービン排気部分を圧縮機段の間で中間冷却なしで断熱的に圧縮して加熱および圧縮された第２のタービン排気部分を形成する工程、加熱および圧縮された第２のタービン排気部分から熱を回収する工程、冷却および圧縮された第２のタービン排気部分から水を分離して副再循環ＣＯ２流を形成する工程、主再循環ＣＯ２流と副再循環ＣＯ２流を１つにまとめて総再循環ＣＯ２流を形成する工程、総再循環ＣＯ２流を冷却して高密度ＣＯ２流を形成する工程、第２の圧縮段において流体ポンプを用いて総再循環ＣＯ２流を圧縮する工程、タービン排気流から回収した熱を用いて総再循環ＣＯ２流を加熱する工程、および加熱および圧縮された第２のタービン排気部分から回収した熱を用いて総再循環ＣＯ２流をさらに加熱して圧縮および加熱された再循環ＣＯ２流を形成する工程の各種組み合わせ含むことができる。いくつかの実施形態では、副再循環ＣＯ２流からの熱の回収後に２つの圧縮されたＣＯ２流を１つにまとめることができ、次いで、１つにまとめられた流れを冷却し、その後に液体水を分離することができる。いくつかの実施形態では、第２のタービン排気流を１つ以上の段の間で熱を伝達させながら多段圧縮してもよい。例えば、第２のタービン排気流は、非冷却圧縮段（ｘ）および中間冷却圧縮段（ｙ）（ここで、ｘおよびｙは独立して１以上、２以上または３以上の整数（例えば、１〜５または２〜４）であってもよい）を含む多段圧縮に供してもよい。いくつかの実施形態では、第２のタービン排気流をｘ回の非冷却圧縮段において中間値まで加圧（および加熱）してもよく、加圧ガスを利用して回収熱交換器に圧縮熱を供給して冷却することができ、冷却されたガスを脱水することができ、このガスを第１のタービン排気流と合流させる前に、送り戻して残りのｙ回の中間冷却圧縮段に供することができる。
【００１７】
さらなる実施形態では、本開示は動力発生システムを提供する。例えば、本システムは、燃焼器、動力発生タービン、１つ以上の熱交換器、１つ以上の熱交換器を通る第１の冷却流路、１つ以上の熱交換器を通る加熱流路、１つ以上の熱交換器を通る第１の冷却流路と連通する流れ分離器、流れ分離器と連通する第１の圧縮機、１つ以上の熱交換器を通る第２の冷却流路、圧縮機と連通する第２の冷却流路、１つ以上の水分離器、第２の圧縮機およびポンプを備えることができる。具体的には、１つ以上の熱交換器を通る加熱流路は、ポンプの下流であって燃焼器の上流にあり、１つ以上の熱交換器を通る加熱流路は、第１の冷却流路および第２の冷却流路が１つ以上の熱交換器を通る状態で加熱構成にある。いくつかの実施形態では、第１の冷却流路および第２の冷却流路は、別個かつ独立した水分離構成要素および／またはポンプ構成要素により画定することができる。２つ以上の熱交換器が使用されている場合、熱交換器は直列であってもよい。
【００１８】
いくつかの実施形態では、本開示は、再循環ガス流を加熱する方法に関するものであってもよい。一例として、そのような方法は、ガス流がＴ１よりも低い温度Ｔ２に冷却されるように圧力Ｐ１および温度Ｔ１のガス流Ｇを回収熱交換器に通す工程、ガス流Ｇを第１の画分Ｇ１および第２の画分Ｇ２に分離する工程、ガス流画分Ｇ１をＰ１よりも大きい圧力Ｐ２まで圧縮する工程、ガス流画分Ｇ２をＰ１よりも大きい圧力Ｐ３まで圧縮してガス流画分Ｇ２をＴ２よりも高い温度Ｔ３に加熱する工程、圧縮されたガス流画分Ｇ２から熱を回収する工程、ガス流画分Ｇ１およびガス流画分Ｇ２を１つにまとめて１つにまとめられた再循環ガス流ＧＣを形成する工程、再循環ガス流ＧＣをＰ２よりも大きく、かつＰ３よりも大きい圧力Ｐ４までポンプで加圧する工程、および冷却ガス流Ｇによりガス流ＧＣが加熱されるように再循環ガス流ＧＣを回収熱交換器に通す工程を含むことができ、ここでは、圧縮されたガス流画分Ｇ２から回収した熱を圧力Ｐ４までポンプで加圧した後に再循環ガス流ＧＣに添加する。さらなる実施形態では、再循環ガス流の加熱方法は、以下の記載のいずれか１つ以上をそれらの任意の組み合わせで含んでもよい。
【００１９】
温度Ｔ３は約１００℃〜約４００℃であってもよい。
【００２０】
ガス流画分Ｇ１の圧力Ｐ２およびガス流画分Ｇ２の圧力Ｐ３はそれぞれ別々に約４０バール（４ＭＰａ）〜約１００バール（１０ＭＰａ）であってもよい。
【００２１】
再循環ガス流ＧＣの圧力Ｐ４は、約１００バール（１０ＭＰａ）〜約５００バール（５０ＭＰａ）であってもよい。
【００２２】
ガス流Ｇの総質量に基づくガス画分Ｇ１：ガス画分Ｇ２の質量比は、約５０：５０〜約９９：１であってもよく、約５０：５０〜約９０：１０であってもよく、約５０：５０〜約７０：３０であってもよく、あるいは約７０：３０〜約９０：１０であってもよい。
【００２３】
回収熱交換器を通り、かつ圧縮されたガス画分Ｇ２から熱を受け取った後の再循環ガス流ＧＣはＴ１の５０℃以内である温度Ｔ４を有していてもよい。
【００２４】
ガス流画分Ｇ２を中間冷却のない多段圧縮により圧縮することができる。
【００２５】
ガス流画分Ｇ２から熱を回収した後、ガス流画分Ｇ２をガス流画分Ｇ１と１つにまとめる前にさらに圧縮することができる。
【００２６】
回収熱交換器は、３つの熱交換器または３つの熱交換部分を直列に含んでいてもよい。そのような実施形態では、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３の温度関係で、温度範囲Ｒ１で動作する第１の熱交換器または熱交換部分、温度範囲Ｒ２で動作する第２の熱交換器または熱交換部分、および温度範囲Ｒ３で動作する第３の熱交換器または熱交換部分において熱を伝達させることができる。
【００２７】
ガス流Ｇを、第１の熱交換器または熱交換部分と第２の熱交換器または熱交換部分との間で分離することができる。
【００２８】
ガス流Ｇを、第２の熱交換器または熱交換部分と第３の熱交換器または熱交換部分との間で分離することができる。
【００２９】
圧縮されたガス流画分Ｇ２から回収した熱を、第３の熱交換器または熱交換部分および第２の熱交換器または熱交換部分のうちの一方または両方において再循環ガス流ＧＣに添加することができる。
【００３０】
本方法は、圧力Ｐ４までポンプで加圧した後に再循環ガス流ＧＣに熱を添加する工程をさらに含むことができる。そのような実施形態では、添加される熱は、空気分離ユニットおよびガスタービンの一方または両方から得ることができる。
【００３１】
本方法は、加熱された再循環ガス流ＧＣを回収熱交換器から酸素を用いて燃料を燃焼させる燃焼器まで送って燃焼生成物流を形成する工程をさらに含むことができる。
【００３２】
ガス流Ｇはタービン排気流であってもよい。
【００３３】
いくつかの実施形態では、本開示はさらに動力発生方法に関するものであってもよい。一例として、本方法は、燃焼器において再循環ＣＯ２流の存在下で酸素を用いて燃料を燃焼させてＣＯ２含有燃焼流を生成する工程、ＣＯ２含有燃焼流をタービンに通してＣＯ２含有燃焼流を膨張させ、動力を発生させ、かつタービン排気流を形成する工程、タービン排気流から熱を回収する工程、タービン排気流を分割して第１のタービン排気部分および第２のタービン排気部分を形成する工程、第１のタービン排気部分から水を分離して主再循環ＣＯ２流を形成する工程、主再循環ＣＯ２流を圧縮する工程、第２のタービン排気部分を圧縮して加熱および圧縮された第２のタービン排気部分を形成する工程、加熱および圧縮された第２のタービン排気部分から熱を回収する工程、冷却および圧縮された第２のタービン排気部分から水を分離して副再循環ＣＯ２流を形成する工程、主再循環ＣＯ２流と副再循環ＣＯ２流とを１つにまとめて１つにまとめられた再循環ＣＯ２流を形成する工程、１つにまとめられた再循環ＣＯ２流を圧縮する工程、１つにまとめられた再循環ＣＯ２流をタービン排気流から回収した熱を用いて加熱する工程、および１つにまとめられた再循環ＣＯ２流を加熱および圧縮された第２のタービン排気部分から回収した熱を用いてさらに加熱する工程を含むことができる。さらなる実施形態では、本方法は、以下の記載のうちの１つ以上を任意の組み合わせで含んでもよい。
【００３４】
ＣＯ２含有燃焼流は、約５００℃〜約１，７００℃の温度および約１００バール（１０ＭＰａ）〜約５００バール（５０ＭＰａ）の圧力を有していてもよい。
【００３５】
タービンの圧力比は約５〜約１２であってもよい。
【００３６】
当該熱は、３つ以上の部分または３つ以上の個々の熱交換器を含む回収熱交換器においてタービン排気流から回収してもよい。
【００３７】
１つにまとめられた再循環ＣＯ２流をタービン排気流から回収した熱を用いて加熱する工程および１つにまとめられた再循環ＣＯ２流を加熱および圧縮された第２のタービン排気部分から回収した熱を用いてさらに加熱する工程は、回収熱交換器で行ってもよい。
【００３８】
タービン排気流の総質量に基づく第１のタービン排気部分：第２のタービン排気部分の質量比は、約５０：５０〜約９９：１であってもよい。
【００３９】
加熱および圧縮された第２のタービン排気部分から回収した熱は、約１００℃〜約４００℃の温度範囲であってもよい。
【００４０】
主再循環ＣＯ２流および第２のタービン排気部分は、約４０バール（４ＭＰａ）〜約１００バール（１０ＭＰａ）の圧力まで独立して圧縮することができる。
【００４１】
タービン排気流から回収した熱を用いた加熱工程およびを加熱および圧縮された第２のタービン排気部分から回収した熱を用いたさらなる加熱工程の後に１つにまとめられた再循環ＣＯ２流は、タービン排気流の温度の５０℃以内である温度を有していてもよい。
【００４２】
第２のタービン排気部分は、圧縮機段の間で中間冷却なしで断熱的に圧縮することができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、本開示に係る動力発生システムは、燃焼流を排出するように構成された燃焼器、燃焼流を受け取って膨張させてタービン排気流を形成するように構成された動力発生タービン、タービン排気流を受け取るように構成された回収熱交換器、冷却されたタービン排気流を第１のガス流および第２のガス流に分離するように構成された流れ分離器、第１のガス流を受け取って圧縮するように構成された第１の圧縮機、第２のガス流を受け取って圧縮するように構成された第２の圧縮機、第１の圧縮機および第２の圧縮機の下流に配置された、１つにまとめられた第１のガス流および第２のガス流を加圧するように構成されたポンプ、タービン排気流を通過させるように構成された回収熱交換器を通る第１の流路、１つにまとめられた加圧された第１のガス流および第２のガス流を通過させるように構成された回収熱交換器を通る第２の流路、圧縮された第２のガス流を通過させるように構成された回収熱交換器を通る第３の流路を備えることができ、ここでは、第１の流路および第３の流路は第２の流路を加熱するように構成されている。さらなる実施形態では、本システムは、以下の記載のいずれか１つ以上を任意の組み合わせで含んでもよい。
【００４４】
回収熱交換器は、一連の３つ以上の熱交換器または一連の３つ以上の加熱部分を含んでもよい。
【００４５】
本システムは、第１のガス流および第２のガス流の一方または両方から少なくとも水を分離するように構成された１つ以上の分離器をさらに備えることができる。
【００４６】
第１の圧縮機は多段中間冷却圧縮機をを含んでもよい。
【００４７】
第２の圧縮機は圧縮機段の間に中間冷却を有しない断熱性多段圧縮機をを含んでもよい。
【００４８】
本開示について上記一般的な用語で説明してきたが、以下では添付の図面を参照する。なお、図面は必ずしも縮尺通りではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】先行技術の動力発生サイクルのフローチャートである。
【図２】さらなる先行技術の動力発生サイクルのフローチャートである。
【図３】再循環ＣＯ２流を圧縮するため、および回収熱交換器への投入のためにそこから熱を得るための複数の圧縮機を備えた、本開示の例示的な実施形態に係る動力発生システムおよび方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本主題についてその例示的な実施形態を参照しながらより完全に説明する。本開示を徹底的かつ完全なものにし、本主題の範囲を当業者に十分に伝えるために、これらの例示的な実施形態について説明する。実際には、本主題を多くの異なる形態で実施してもよく、本明細書に記載されている実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、本開示が適用可能な法的要件を満たすために、これらの実施形態を示す。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されている単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（前記）（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかに別の意を示していない限り、複数の指示物を含む。
【００５１】
本開示は、主としてＣＯ２を作動流体として用いて動力発生を行うシステムおよび方法に関する。具体的には、本プロセスは、高圧再循環ＣＯ２流および燃料の燃焼により生じる燃焼生成物の混合物を膨張させる高圧／低圧比タービンを使用する。あらゆる化石燃料、特に炭素質燃料を使用することができる。非限定的な例としては、天然ガス、圧縮ガス、燃料ガス（例えば、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２ＳおよびＮＨ３のうちの１種以上を含む）および同様の可燃性ガスが挙げられる。必要なシステム要素を組み込むことにより、固体燃料、例えば、石炭、亜炭、石油コークス、ビチューメン、バイオマスなど、または強粘液燃料も使用することができる。例えば、部分酸化燃焼器を使用して、固体または強粘液燃料を実質的に固体粒子を含まない燃料ガスに変換することができる。全ての燃料および酸化された状態の燃焼由来不純物、例えば硫黄化合物、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈｇなどは、大気に実質的または完全に放出することなく廃棄するために、本動力発生サイクルから分離することができる。先に述べたように、他の燃料も利用することができる。燃焼プロセスにおいて純粋な酸素を酸化剤として使用することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に別途記載されている比で酸素をＣＯ２で希釈して燃焼温度を調整してもよい。
【００５２】
高温タービン排気を使用して高圧再循環ＣＯ２流を部分的に予熱する。この加熱工程と組み合わせて、ＣＯ２圧縮機の圧縮エネルギーから得ることができる追加熱を用いて、再循環ＣＯ２流をさらに加熱することができる。ＣＯ２圧縮機の動作条件は、本明細書にさらに記載されているように変えることができる。例えば、いくつかの実施形態では、周囲冷却手段に対する通常の温度差よりも高いＣＯ２圧縮機入口温度を利用すると有利であり得る。ＣＯ２圧縮機に入る流れの最低入口温度は、例えば動作条件下でおよそ水露点であってもよい。いくつかの実施形態では、ＣＯ２圧縮機は約５０℃〜約２５０℃の入口温度を有していてもよい。任意で、ＣＯ２圧縮から入手可能な熱に加えて、約４００℃未満の温度レベルの熱を供給する他の加熱手段を使用することができる。そのような手段は、中間冷却なしで部分的または完全に断熱モードで動作する深冷空気分離プラントの空気圧縮機から伝達される熱を含んでもよい。そのような熱を利用する場合、空気圧縮機は断熱段において２．５超の圧力比で動作できることが好ましい。
【００５３】
本開示によれば、特に約４００℃未満（例えば、約１００℃〜約４００℃の範囲）の温度レベルで供給される本明細書に定義されている追加熱を用いることにより動力発生効率を改善できることが発見された。追加熱を供給することにより、約３００バール（３０ＭＰａ）の典型的な高圧タービン入口におけるＣＯ２の比熱と、約３０バール（３ＭＰａ）の典型的な低圧タービン排気圧力におけるＣＯ２の比熱との大きな差を克服することができる。この差は以下に示す表において明らかである。
【表１】
2020076398.tif 000003
【００５４】
本開示に係る動力発生方法は特に、効率の向上をもたらすことができる一連の工程を含むことができる。本方法は、圧縮および加熱された再循環ＣＯ２流を燃焼器に送る工程を含むことができる。圧縮および加熱された再循環ＣＯ２流は、以下にさらに説明するように形成することができる。燃焼器において再循環ＣＯ２流の存在下で酸化剤（例えば、任意でＣＯ２で希釈された少なくとも９８％または少なくとも９９％純度の酸素）を用いて燃料を燃やして、ＣＯ２含有流を生成することができる。燃焼器からのＣＯ２含有流は、約５００℃以上の温度（例えば、約５００℃〜約１，７００℃または約８００℃〜約１，６００℃）および約１００バール（１０ＭＰａ）以上の圧力（例えば、約１００バール（１０ＭＰａ）〜約５００バール（５０ＭＰａ））を有していてもよい。ＣＯ２含有流をタービンに通してＣＯ２含有流を膨張させ、動力を発生させ、かつＣＯ２を含むタービン排気流を形成することができる。１２未満または１０未満（例えば、約５〜約１２）のタービン圧力比でＣＯ２含有流を膨張させることができる。他の実施形態では、米国特許出願公開第２０１３／０２１３０４９号に記載されているように（この開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる）複数のタービンを利用する場合などに、本明細書に記載されている高い圧力比を使用することができる。
【００５５】
タービン排気流を処理して、燃料の燃焼により生じた燃焼生成物および正味ＣＯ２を除去することができる。この目的のために、タービン排気流を熱交換器に通して冷却することができる。本明細書に記載されている温度および圧力条件下での使用に適したあらゆる熱交換器を利用することができる。いくつかの実施形態では、熱交換器は、一連の少なくとも２つ、少なくとも３つまたはさらにそれ以上のエコノマイザー熱交換器を含むことができる。少なくとも２つの部分、少なくとも３つの部分（またはさらにそれ以上の部分）を有する単一の熱交換器を使用してもよい。例えば、熱交換器は、異なる温度範囲にわたって動作する少なくとも３つの熱交換部分を有するものと称してもよい。以下に記載するように再循環ＣＯ２流の加熱のために、タービン排気流から回収した熱を利用することができる。
【００５６】
タービン排気流を２つ以上の部分に分割することができる。第１の部分は、タービン排気流の総質量流量の５０％以上、７０％以上または９０％以上（但し１００％未満）を含むことができる。第１のタービン排気部分を、好ましくは熱交換器を離れた後に水露点未満である温度で冷却する。第１のタービン排気部分を分離器に通して水を除去することができ、かつさらに処理して他の燃焼生成物または不純物を除去することができる。得られた流れは主再循環ＣＯ２流と称すことができ、段の間に中間冷却を有する多段圧縮機などにおいてこの流れを圧縮することができる。好ましくは、主再循環ＣＯ２流を約４０バール（４ＭＰａ）〜約１００バール（１０ＭＰａ）の圧力まで圧縮する。いくつかの実施形態では、主再循環ＣＯ２流を約６０バール（６ＭＰａ）〜約１００バール（１０ＭＰａ）または約６７バール（６．７ＭＰａ）〜約８０バール（８ＭＰａ）の圧力まで圧縮する。
【００５７】
タービン排気流の第２の部分を圧縮して加熱および圧縮された第２のタービン排気部分を形成することができる。第２のタービン排気部分は、第１の部分に存在しないタービン排気の残り（例えば、タービン排気流の総質量流量の５０％以下、３０％以下または１０％以下（但し０％超））を含むことができる。好ましくは、第２のタービン排気部分は、第２および第３の熱交換部分（例えば、高温から冷温に移動する一連の第２および第３の熱交換器、言い換えると、最低温度と中間温度との間で動作する熱交換器）の間でタービン排気から回収することができる。第２のタービン排気部分を好ましくは圧縮して約１００℃〜約４００℃の範囲の温度および約４０バール（４ＭＰａ）〜約１００バール（１０ＭＰａ）の圧力を達成する。いくつかの実施形態では、圧力は約６０バール（６ＭＰａ）〜約１００バール（１０ＭＰａ）または約６７バール（６．７ＭＰａ）〜約８０バール（８ＭＰａ）であってもよい。第２のタービン排気部分を熱交換器に再導入することができ、好ましくは中温熱交換器の高温端から低温熱交換器の低温端に送ることができる。冷却された第２のタービン排気部分は水露点未満の温度である温度であってもよく、冷却された流れを１つ以上の分離器に通して水およびあらゆる他の不純物を除去することができる。残りの流れは副再循環ＣＯ２流であり、これを主再循環ＣＯ２流と１つにまとめることができる。そのように１つにまとめられた流れは様々な時点のものであってもよい。例えば、主再循環ＣＯ２流を低温熱交換器に通した後であって分離器に通す前に、タービン排気の冷却された第２の部分に添加することができる。あるいは、水分離後またはサイクルの別の時点で主再循環ＣＯ２流および副再循環ＣＯ２流を１つにまとめることができる。原油の二次回収での使用または隔離などのために、燃焼により生じる正味ＣＯ２をこの時点で回収することができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、第２のタービン排気部分は多段圧縮を使用して圧縮することができ、ここでは、先の段の間で中間冷却は行わず、その後に後の段の間で中間冷却を行う。上に別途記載されているように、非冷却段から出る第２のタービン排気部分の圧縮および加熱されたガスを熱交換器に導入することができ、そのように冷却された流れを第１のタービン排気部分と１つにまとめる前に中間冷却圧縮に供することができる。非冷却段数（ｘ）および中間冷却段数（ｙ）は独立して、１以上、２以上または３以上（例えば、１〜５または２〜４）であってもよい。
【００５９】
総再循環ＣＯ２流（主再循環ＣＯ２流および副再循環ＣＯ２流から形成される）を、燃焼器に送るのに適した圧力までポンプで加圧することができる。好ましくは、総再循環ＣＯ２流を１００バール（１０ＭＰａ）以上または約２００バール（２０ＭＰａ）以上、例えば約１００バール（１０ＭＰａ）〜約５００バール（５０ＭＰａ）の圧力までポンプで加圧する。次いで、圧縮された再循環ＣＯ２流を熱交換器に送り戻して加熱する。圧縮された再循環ＣＯ２流をタービン排気流から回収した熱（タービン排気流中に残留する燃焼熱として特徴づけることができる）を用いて加熱する。但し、タービン排気流中の熱は、タービン排気流と熱交換器の高温端における加熱および圧縮された再循環ＣＯ２流との間の小さい温度差を達成するのには不十分である。本開示によれば、圧縮された第２のタービン排気部分からの熱を追加熱として使用して、タービン排気流と、熱交換器を離れ、かつ燃焼器に入る加熱および圧縮された再循環ＣＯ２流との温度差を小さくすることができる。追加熱は再圧縮熱として特徴づけることができ、タービン排気中に存在する燃焼熱とは別のものである。追加熱の使用は、タービン排気流と、熱交換器を離れ、かつ燃焼器に入る加熱および圧縮された再循環ＣＯ２流との温度差を、約５０℃以下、約４０℃以下または約３０℃以下、例えば約１０℃〜約５０℃または約２０℃〜約４０℃まで小さくするのに有利であり得る。
【００６０】
いくつかの実施形態では、再圧縮熱と組み合わせるかその代わりとする他の手段により、追加熱を供給することができる。例えば、外部熱源により加熱されたＣＯ２を利用することができる。そのような外部熱源は、例えば、地熱源から回収されたＣＯ２またはパイプラインから回収されたＣＯ２などであってもよい。そのような実施形態では、タービン排気流の分割は不要であってもよく、加熱されたＣＯ２を上記再圧縮熱と同じように本システムに投入することができる。さらなるＣＯ２を正味ＣＯ２生成物と共に本システムから回収することができ、熱源に戻すことができる。そのような方法で、動力発生システムの完全に外側にある外部熱源から再循環されるＣＯ２を追加熱として利用することができる。あるいは、追加熱の一部または全てはガスタービン排気からのものであっても濃縮流からのものであってもよい。
【００６１】
本開示に係るシステムの例示的な実施形態は図３に示されている。本実施形態を規定のパラメータを利用する燃焼方法の例示的な実施形態に関して説明する。従って、特定の温度および圧力は特定の動作条件に基づいて変わってもよい。
【００６２】
図３の実施形態では、７２８℃および３０バール（３ＭＰａ）のタービン排気流５５は、直列の３つのエコノマイザー熱交換器２９、２７および２６を通り、４６℃および２９バール（２．９ＭＰａ）の流れ４６として離れる。熱交換器２９を高温熱交換器として特徴づけてもよく、熱交換器２７を中温熱交換器として特徴づけてもよく、熱交換器２６を低温熱交換器として特徴づけてもよい。当然ながら、「高温」、「中温」および「低温」という用語は、３つの熱交換器の互いに対する動作温度範囲を記述するためのものである。流れ４６は水冷式熱交換器５８で１７．２℃まで冷却され、復水流５６は相分離器５３で分離される。塔頂ＣＯ２ガス流６１は相分離器５３を離れ、二段遠心ＣＯ２再循環圧縮機２１（段１）および２２（段２）に入り、そこで、第１段圧縮機２１からの排出流４４は中間冷却器２３で１７．２℃まで冷却され、流れ４５として排出され、次いで、第２段圧縮機２２で圧縮されて８０バール（８ＭＰａ）の流れ４８が形成される。この主再循環圧縮機排出流４８は流れ４７と合流し、１つにまとめられた流れ６９は水冷式熱交換器２４で２２．７℃の温度まで冷却される。他の実施形態では、この温度は１０℃〜約３０℃の範囲であってもよい。復水６８は相分離器６７で分離され、超臨界状態にあり、かつ８５０Ｋｇ／ｍ３の高密度を有する総再循環ＣＯ２流４９が生成される。燃焼器においてＣＯ２に変換された燃料ガス中の炭素と当量の正味生成物ＣＯ２流６２は、隔離または原油の二次回収における使用などのために、本システムから除去される（図示のとおり冷却後、または冷却前）。
【００６３】
総再循環ＣＯ２流４９は熱交換器７０において１７．２℃の温度まで冷却され、次いで、３０５バール（３０．５ＭＰａ）の出口圧力を有する多段遠心ポンプ２５に入り、高圧ＣＯ２再循環流５０が形成され、直列の３つのエコノマイザー熱交換器２６、２７および２９で加熱され、７２５℃および３０２バール（３０．２ＭＰａ）の温度の流れ５４として離れる。流れ５４は、９９．５％のＯ２流４１を用いる天然ガス流４０（どちらも３２０バール（３２ＭＰａ）である）の直接燃焼により、燃焼器３０で１１５４℃まで加熱される。例示的な実施形態では、燃料ガスとして純粋なＣＨ４を用いてモデリングを行った。再循環ＣＯ２および燃焼生成物５７の混合流は３０バール（３ＭＰａ）の出口圧力を有する出力タービン３１に入り、タービン排気流５５として出る。
【００６４】
上記表に見られるように、３００バール（３０ＭＰａ）および３０バール（３ＭＰａ）におけるＣＯ２の比熱差は、温度が１０００Ｋ（７２７℃）から低下するにつれて上昇する。この差を考慮して、タービン排気流５５と再循環ＣＯ２流５４との非常に小さい温度差を達成するために追加熱が必要となり、そのような追加熱を、例えば「低温」エコノマイザー熱交換器２６および／または「中温」エコノマイザー熱交換器２７において供給することできる。本開示によれば、例示的な実施形態では、約２９バール（２．９ＭＰａ）〜約８０バール（８ＭＰａの圧力）まで圧縮される再循環ＣＯ２流の一部の断熱圧縮熱を利用することにより、追加熱を供給することができる。
【００６５】
図３の例示的な実施形態に戻ると、２つのエコノマイザー熱交換器部分２７および２６の間で１３８℃の温度の冷却タービン排気流５１の一部を回収し、単段または多段断熱圧縮機２８で圧縮して２４６℃および８０バール（８ＭＰａ）の流れ５２を生成することができる。圧縮および加熱された流れ５２はエコノマイザー熱交換器２７の高温端に再度入り、その流れは熱交換器２７および熱交換器２６を通り、そこで冷却されて５４℃の流れ４７として離れる。作動流３４によって供給される圧縮機２８内の圧縮熱全体がこのようにして高圧再循環ＣＯ２流に伝達され、これにより高温端の温度差が小さくなるため、この熱投入量は燃焼器３０において運ばれる燃焼熱と当量である。流れ５１の流量は、高温エコノマイザー熱交換器２９の入口において流れ６５および６６の間の著しく小さい温度差を達成するために最大化される。流れ６５および６６の間のこの温度差は、好ましくは約５０℃以下、約４０℃以下、約３０℃以下、約２０℃以下、特に約１０℃〜約５０℃または約２０℃〜約４０℃である。上に述べたように、熱交換器２４で２２．７℃に冷却するために、流れ４７は主再循環圧縮機排出流４８と合流する。上記のようにＣＯ２圧縮によって供給される追加熱は、動力発生システムにおける効率の向上をもたらす。
【００６６】
他の熱源（例えば、ガスタービン排気または濃縮流）の低温レベルの熱を追加熱として利用することができることに留意されたい。図３の例示的な実施形態は深冷空気分離プラント８１の主気流４２ａを含み、主気流４２ａは、５．７バール（０．５７ＭＰａ）および２２３℃まで断熱的に圧縮されて流れ４２としてエコノマイザー熱交換器２７の高温端に入り、かつ５４℃の流れ４３として熱交換器２６を離れる。いくつかの実施形態では、流れ４２は流れ４２ｂから生じてもよく、これはガスタービン８３から得られる熱として図示されている。図３に図示されていないが、いくつかの実施形態では、８０バール（８ＭＰａ）および周囲温度のＯ２流を空気分離プラントから供給することができ、流れ４９からのＣＯ２と混合して２５モル％のＯ２を得、これを３２０バール（３２ＭＰａ）まで圧縮した後、エコノマイザー熱交換器２７、２６および２９で７２５℃まで加熱することができる。実際には、このＣＯ２＋Ｏ２圧縮機は、ＣＯ２再循環圧縮機のために図示されているように高温ガス圧縮機部分を特徴とすることもできる。図３では、冷却水入口流は流れ３８、５９、７２および３６として表されており、それぞれの出口流は流れ３９、６０、７４および３７として表されている。圧縮機への電源入力は要素３２および３４として図３に図示されており、そのような電源入力は電気によるものであってもタービン駆動によるものであってもよい。ＣＯ２ポンプの電源入力は要素３３として図示されている。タービン軸出力は発電機６３からの要素６４として図示されている。
【００６７】
記載されている例示的な実施形態を、５８．５％の正味効率（ＬＨＶ基準）が得られる、実際の機械効率、熱交換器の温度差および圧力降下を用いて、ＡＳＰＥＮモデリングソフトウェアで評価した。この計算は、燃焼器３０への５００ＭＷの熱投入に基づいていた。
【００６８】
本開示のシステムおよび方法は燃焼システムおよび動力発生方法に特に適用可能であり得るが、ガス流の効率的な加熱へのより幅広い適用も包含される。従って、いくつかの実施形態では、本開示はガス流の加熱方法、特に再循環ガス流の加熱方法に関するものであってもよい。再循環ガス流は、任意で圧縮および膨張段を含む加熱および冷却段を連続的に循環するあらゆるガス流であってもよい。
【００６９】
本開示に係る加熱工程に供することができるガス流Ｇは、あらゆるガスであってもよいが、ガス流Ｇは、少なくとも約１０質量％、少なくとも約２５質量％、少なくとも約５０質量％、少なくとも約７５質量％または少なくとも約９０質量％のＣＯ２などであるＣＯ２を含むと特に有利であり得る。再循環ガス流Ｇは特に、高い温度Ｔ１（例えば、約５００℃〜約１７００℃）および所望の量の圧縮熱を形成することができる圧力Ｐ１（例えば約４０バール（４ＭＰａ）未満の圧力）であってもよい。圧力Ｐ１および温度Ｔ１のガス流Ｇを、例えば回収熱交換器を通して冷却することができる。好ましくは、冷却工程は、ガス流ＧをＴ１未満である温度Ｔ２まで冷却するような工程である。いくつかの実施形態では、一連の複数の熱交換器（例えば、２、３個またはそれ以上の熱交換器）または複数の熱交換部分を含む熱交換器あるいはそれらの組み合わせを用いて冷却工程を行うことができる。個々の熱交換器（または熱交換部分）は、異なる温度範囲（この範囲は重複していてもよい）の熱を交換することができる。複数の熱交換器および／または熱交換部分の使用により、流れを異なる温度範囲で添加または回収することができる。
【００７０】
ガス流Ｇを第１の画分Ｇ１および第２の画分Ｇ２に分離することができる。そのような分離は、ガス流Ｇを温度Ｔ２またはＴ１とＴ２との間の中間温度Ｔｉｎｔまで冷却した後に行うことができる。温度Ｔ２は、例えば回収熱交換器の低温端の温度であってもよく（あるいは、熱交換器または熱交換部分は最低温度範囲にわたって動作し）、温度Ｔｉｎｔは、例えば、一連の３つ以上の熱交換器（または熱交換部分）における第２の熱交換器（または第２の熱交換部分）の低温端の温度であってもよい。好ましくは、第２のガス画分Ｇ２を第１のガス画分Ｇ１のさらなる冷却前に中間温度で回収することができる。ガス流画分Ｇ１を冷却した後、次いで、好ましくはＰ１よりも大きくてもよいより大きい圧力Ｐ２まで圧縮することができる。そのような圧縮は、例えば、中間冷却される多段圧縮機を用いて行うことができる。圧力Ｐ３は、例えば、約４０バール（４ＭＰａ）〜約１００バール（１０ＭＰａ）、約６０バール（６ＭＰａ）〜約１００バール（１０ＭＰａ）または約６７バール（６．７ＭＰａ）〜約８０バール（８ＭＰａ）であってもよい。
【００７１】
回収したガス流画分Ｇ２を別々に、同様に好ましくはＰ１よりも大きい圧力Ｐ３まで圧縮することができる。圧力Ｐ３は圧力Ｐ２と同じ範囲であってもよいが、Ｐ２およびＰ３は必ずしも同じである必要はない。いくつかの実施形態では、ガス流画分Ｇ２を中間冷却のない断熱圧縮を用いて圧縮してガス流画分Ｇ２をＴ２よりも高い温度Ｔ３まで加熱することができる。ガス流画分Ｇ２を中間温度Ｔｉｎｔで回収することができる実施形態では、Ｔ３は好ましくはＴｉｎｔよりも高い。圧縮されたガス流画分Ｇ２から熱を回収し、以下にさらに説明するように再循環ガス流へ追加熱として使用することができる。
【００７２】
圧縮熱をガス流画分Ｇ２から回収した後、ガス流画分Ｇ１およびガス流画分Ｇ２を１つにまとめて、１つにまとめられた再循環ガス流ＧＣを形成することができる。再循環ガス流ＧＣは、圧力Ｐ２および／またはＰ３と実質的に同様の圧力を有し、Ｐ２およびＰ３よりも大きい、より大きい圧力Ｐ４までポンプで加圧することができる。そのようなポンプ加圧は再循環ガス流ＧＣが高圧用途で利用される場合に望ましい。但し、いくつかの実施形態では、圧力Ｐ２および／またはＰ３が好適な場合もあり、さらなる圧縮は必要でないこともある。
【００７３】
冷却ガス流Ｇによりガス流ＧＣが加熱されるように、再循環ガス流ＧＣ（任意で圧力Ｐ４を有する）を回収熱交換器に送ることができる。圧縮されたガス流画分Ｇ２から回収した熱を再循環ガス流ＧＣに添加することができる。圧力Ｐ４へのポンプ加圧後にそのような追加熱を行うことができる。いくつかの実施形態では、回収熱交換器において追加熱を行うことができる。例えば、単一の回収熱交換器が使用される場合、圧縮されたガス流画分Ｇ２の熱を好適な時点で熱交換器に投入して所望の温度範囲で再循環ガス流ＧＣに追加熱を行うことができる。複数の熱交換器（または熱交換部分）が使用される実施形態では、圧縮されたガス流画分Ｇ２の熱をより低い温度の熱交換器（または熱交換部分）の１つ以上に添加することができる。例えば、圧縮中に、ガス流画分Ｇ２を約１００℃〜約４００℃の範囲の温度まで加熱することができ、圧縮されたガス流画分Ｇ２からの熱をこの温度範囲で動作する１つ以上の熱交換器（または熱交換部分）に添加することができる。図３では例えば、圧縮されたガス流画分Ｇ２は、熱交換器２９よりも低い温度範囲で動作する熱交換器２６および２７を通る流れ５２に匹敵する。一般に、図３に示すような一連の熱交換器は、別個の温度範囲（その範囲は重複していていもよい）でそれぞれ熱を伝達する３つの熱交換器を含む。図３の例では、熱交換器２９は温度範囲Ｒ１で動作するものとして特徴づけることができ、熱交換器２７は温度範囲Ｒ２で動作するものとして特徴づけることができ、熱交換器２６は温度範囲Ｒ３で動作するものとして特徴づけることができる。図示のとおり、熱交換器２９は一連の熱交換器の高温端にあり、かつ熱交換器２６は一連の熱交換器の低温端にあるため、一連の熱交換器の温度関係はＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３である。
【００７４】
圧縮されたガス流画分Ｇ２中の圧縮熱によって供給される追加熱の使用は、１つにまとめられた再循環ガス流ＧＣの温度を冷却前にガス流Ｇの温度に著しく近づけるのに有利であり得る。例えば、回収熱交換器を通り、かつ圧縮されたガス画分Ｇ２から熱を受け取った後の再循環ガス流ＧＣは、Ｔ１の５０℃以内である温度Ｔ４を有することができる。典型的には、回収熱交換器を通った後の再循環ガス流ＧＣの温度Ｔ４はＴ１未満のままである。そのような実施形態では、回収熱交換器を通り、かつ圧縮されたガス画分Ｇ２から熱を受け取った後の再循環ガス流ＧＣは、５０℃以下でＴ１未満である温度Ｔ４を有することができる。
【００７５】
Ｔ４からＴ１への接近は、１つ以上のさらなる熱源からの熱の添加によりさらに改良することができる。そのようなさらなる熱源は、本明細書に記載されているようにガス流を加熱するのに十分な熱を流れに与え、それによりガス流が所望の品質および量の熱を達成するように構成されたあらゆる装置または装置の組み合わせを備えることができる。非限定的な例として、さらなる熱源は、燃焼熱源、太陽熱源、核熱源、地熱源および産業廃棄物熱源のうちの１つ以上であってもよい。さらなる熱源は、熱交換器、熱ポンプ、動力発生装置、および必要な熱を形成、供給または輸送するのに適した要素（例えば、配管など）のあらゆるさらなる組み合わせを備えていてもよい。
【００７６】
再循環ガス流の加熱方法は、１つ以上の工程をさらに含むことができる。例えば、ガス流Ｇは、タービンから出る流れであってもよい。従って、ガス流Ｇの圧力Ｐ１は、タービンを通る前のガス流の初期の圧力Ｐ０未満であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｐ０はＰ４と実質的に同様（例えば、その１０％以内、５％以内または２％以内）であってもよい。いくつかの実施形態では、熱交換器の高温端から出た後（すなわち、熱交換器で再加熱された後およびＧ２からの追加圧縮熱を受け取った後）に、再循環ガス流ＧＣを過熱工程に供してもよい。例えば、再循環ガス流ＧＣを燃焼熱、太陽熱、核熱、地熱、産業廃棄物熱またはそれらの任意の組み合わせを用いて加熱することができる。いくつかの実施形態では、再循環ガス流ＧＣをそのように加熱し、次いで膨張および動力発生のためにタービンに通すことができる。次いで、タービンを離れる流れをガス流Ｇとして再度特徴づけてもよい。
【００７７】
本主題が属する技術分野の当業者であれば、上記説明および関連する図面に示されている教示の利益を有する本開示の主題の多くの修正および他の実施形態を思いつくであろう。従って、本開示は、本明細書に記載されている具体的な実施形態に限定されるものではなく、修正および他の実施形態が添付の特許請求の範囲に含まれるものであることを理解されたい。具体的な用語が本明細書に用いられているが、それらは、単に一般的かつ記述的な意味で使用されており、限定のためのものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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