(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼システムであって、
高濃度二酸化炭素（ＣＯ2）ストリームと、
前記高濃度ＣＯ2ストリームの全体の流量を調節し、前記高濃度ＣＯ2ストリームを流量を持つ一次希釈ストリームと流量を持つ二次希釈ストリームとに分割するように構成される少なくとも一つのＣＯ2流量調節デバイスであって、さらに前記高濃度ＣＯ2ストリームの全体の流量とは無関係に前記一次希釈ストリーム流量を調節するように構成される前記少なくとも一つの流量調節デバイスと、
流量を持つ酸素供給ストリームと、
前記酸素供給ストリームの流量を調節するように構成された少なくとも一つの酸素流量調節デバイスと、
前記一次希釈ストリームと前記酸素供給ストリームとを混合し、流量と酸素対ＣＯ2比を持つ酸素付加ストリームを生成するように配置された混合デバイスと、
流量と組成を持つ燃焼燃料ストリームと、
少なくとも一次燃焼ゾーンとバーンアウトゾーンから成る燃焼器であって、前記一次燃焼ゾーンの中で、化学量論的状態に近いがわずかにリッチ状態で高温生成物ストリームを生成するために充分な火炎温度と一次滞留時間とで、前記酸素付加ストリームと前記燃焼燃料ストリームを混合して燃焼させるように構成される燃焼器とを含むシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記高温生成物ストリームよりも低温度を持つ燃焼生成物ストリームを生成するために、前記バーンアウトゾーンの中で、前記高温生成物ストリームを前記二次希釈ストリームで希釈するように前記燃焼器が構成されるシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、
前記一次燃焼ゾーンの中で化学量論的状態に近い燃焼を生成するために、前記燃焼燃料ストリームの流量に応じて前記酸素供給ストリームの流量を調節するように構成される第１のコントローラと、
燃焼器平均速度と、前記燃焼器の吹き消え限界と、おおよその平衡状態で燃焼生成物ストリームを生成するのに充分な前記燃焼器内での前記一次滞留時間との間で充分なマージンを提供するように構成される、一次燃焼ゾーンの火炎温度を生成するために、前記一次希釈ストリームの流量を制御することによって、前記酸素付加ストリームの酸素対ＣＯ2比を調節するように構成される第２のコントローラとを含む制御システムをさらに含むシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、
前記燃焼生成物ストリームを膨張させ、前記燃焼生成物ストリームよりも温度が低い膨張生成物ストリームを生成するように構成される膨張デバイスをさらに含むシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムであって、
前記制御システムは、前記制御システムとＣＯ2流量調節デバイスと操作可能に接続されて、前記燃焼生成物ストリームの温度を測定し、前記制御システムに信号を送信するように構成される少なくとも一つの温度センサーをさらに含み、前記燃焼システムを出た後の位置で所望の温度の二次燃焼生成物ストリームを生成するために、前記制御システムは前記燃焼生成物ストリームの温度に基づいて前記二次希釈ストリームの流量を調節するように構成されるシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、
前記膨張デバイスの出口から空間を置いて離れた位置で、前記膨張生成物ストリームの中に位置し、前記膨張生成物ストリームの中の酸素含有量を測定し、前記制御システムに信号を送信するように構成される少なくとも一つの酸素センサーをさらに含み、前記制御システムは前記酸素付加ストリーム中の酸素と前記燃焼燃料ストリーム中の燃料との酸素対燃料比を調節するように構成され、前記膨張生成物ストリーム中の酸素含有量がほとんどゼロに近く、酸素の割合が少量だけ増加した場合には、前記膨張生成物ストリーム中の酸素含有量が測定可能となることによって示される実質的に化学量論的な燃焼を達成するシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、
前記膨張デバイスを所望の負荷状態に維持するために、前記燃焼燃料ストリームの流量を制御するように構成される少なくとも一つの負荷コントローラをさらに含むシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、
前記二次希釈ストリームの流量は、前記高濃度ＣＯ2ストリームおよび前記二次希釈ストリームの流路中の少なくとも一つの流量制限体による圧力降下に基づいて受動的に制御されるシステム。
【請求項９】
請求項６に記載のシステムであって、
少なくとも一つの温度センサーと少なくとも一つの酸素アナライザー、
前記一次希釈ストリームを制御するための第１の流量コントローラ、
酸素供給流量を制御するための第２の流量コントローラ、
燃焼燃料流量を制御するための第３の流量コントローラ、および
前記二次希釈ストリームを制御するための第４の流量コントローラに操作可能に接続されている中央コントローラをさらに含むシステム。
【請求項１０】
請求項４に記載のシステムであって、
前記燃焼生成物ストリームは、実質的に水と二酸化炭素（ＣＯ2）を含み、前記高濃度ＣＯ2ストリームは少なくとも部分的に前記膨張生成物ストリームのＣＯ2部分を含むシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記膨張生成物ストリームのＣＯ2部分の少なくとも一部は、オイル増進回収（ＥＯＲ）のために利用されるシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記オイル増進回収（ＥＯＲ）のために利用される前に、前記燃焼生成物ストリーム中の酸素含有量を低減するように構成される、燃焼後触媒作用装置をさらに含むシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記燃焼燃料ストリームを、前記燃焼器へ入れるように構成される第１の部分と、前記燃焼器を迂回し、オイル増進回収注入ストリームを生成するために、前記燃焼後触媒作用装置の上流で前記膨張生成物ストリームと混合するように構成される第２の部分とに分割するように構成される、前記燃焼燃料ストリームに沿ったストリーム分割器をさらに含むシステム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記酸素付加ストリームを生成するために、前記一次希釈ストリームと前記酸素供給ストリームを混合するように構成された、前記燃焼器の上流に位置する第１の混合ゾーンをさらに含むシステム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムであって、
触媒をさらに含み、前記触媒は前記一次燃焼ゾーンに添加され、燃焼反応に触媒作用を及ぼすシステム。
【請求項１６】
請求項１４に記載のシステムであって、
前記酸素付加ストリームと前記燃焼燃料ストリームとを混合してほぼ同時に燃焼されるように、前記一次燃焼ゾーンの上流と前記一次燃焼ゾーンの中からなる群から選択される場所で、前記酸素付加ストリームと前記燃焼燃料ストリームとを事前混合するように構成される第２の混合ゾーンをさらに含むシステム。
【請求項１７】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記バーンアウトゾーンは、前記燃焼器のライナーを冷却および急冷するように構成される一連の孔を含む受動的な希釈ゾーンと；前記燃焼生成物ストリームと混合するために、前記二次希釈ストリームを前記燃焼器に能動的に配送するように構成される少なくとも一つの急冷ポートを含む能動希釈ゾーンと；バーンアウトゾーンを介して温度パターンを能動的に制御する一連の段階的冷却ポートと；それらの組み合わせのいずれかからなる群から選択される特徴を含むシステム。
【請求項１８】
請求項９に記載のシステムであって、
前記酸素付加ストリームは、５体積パーセントの酸素から４０体積パーセントの酸素を含有し、前記酸素付加ストリームの残りの部分は、９５体積パーセントのＣＯ2から９９．９体積パーセントのＣＯ2を含むシステム。
【請求項１９】
請求項９に記載のシステムであって、
流量と組成を持つ高品質燃料ガスストリームと、
前記燃焼燃料ストリームを生成するために、前記燃料ガスストリームと混合するように構成される、流量と組成を持つ低発熱量燃料ガスストリームをさらに含むシステム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムであって、
前記高品質燃料ガスストリームを制御するための第５の流量コントローラと、
前記低発熱量燃料ガスストリームを制御するための第６の流量コントローラと、
前記第５の流量コントローラおよび前記第６の流量コントローラと操作可能に接続され、前記燃焼燃料ストリームの流量および組成を制御し、燃焼温度を調節し、火炎燃え切りを避けるように構成される総和コントローラとをさらに含むシステム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のシステムであって、
前記燃焼生成物ストリームの組成物の炭化水素の量を測定し、および少なくとも前記第６の流量コントローラと操作可能に接続され、前記燃焼器の中の火炎の吹き消えを避けるために、前記低発熱量燃料ガスの量を制御するように構成される少なくとも一つの炭化水素アナライザーをさらに含むシステム。
【請求項２２】
請求項１９に記載のシステムであって、
前記低発熱量燃料ガスストリームおよび前記高品質燃料ガスストリームと混合し、前記燃焼燃料ストリームを形成するように構成される、流量と組成を持つ高濃度ＣＯ2補給ストリームをさらに含み、実質的に一定流量で一定組成の前記燃焼燃料ストリームを生成するために、それぞれのストリームの流量を調節するように構成される総和コントローラと操作可能に接続された第７の流量コントローラと、前記高濃度ＣＯ2補給ストリームが操作可能に接続されているシステム。
【請求項２３】
燃焼制御方法であって、
それぞれのストリームが流量と組成を持つ、高濃度ＣＯ2ストリーム、酸素供給ストリーム、および燃焼燃料ストリームを供給する工程と、
前記高濃度ＣＯ2ストリームを、それぞれのストリームが流量を持つ一次希釈ストリームと二次希釈ストリームに分割する工程と、
前記高濃度ＣＯ2ストリームの全体の流量とは無関係に前記一次希釈ストリームの流量を調節する工程と、
酸素付加ストリームを形成するために、前記一次希釈ストリームと前記酸素供給ストリームとを混合する工程と、
化学量論的状態に近いがわずかにリッチ状態で、燃焼生成物ストリームを生成するために、前記酸素付加ストリームと前記燃焼燃料ストリームとを燃焼器の一次燃焼ゾーンで燃焼させる工程とを含む方法。
【請求項２４】
請求項２３の方法であって、
前記燃焼生成物ストリームの酸素含有量を検出する工程と、
前記検出された酸素含有量を使用して、前記燃焼生成物ストリームが実質的に化学量論的になるまで前記酸素供給ストリームの流量を調節する工程をさらに含む方法。
【請求項２５】
請求項２４の方法であって、
前記燃焼生成物ストリームの温度を検出する工程と、
前記検出された温度を使用して燃焼の温度を調節するために、前記燃焼器のバーンアウトゾーンへの前記二次希釈ストリームの流量を調節する工程をさらに含む方法。
【請求項２６】
請求項２５の方法であって、
高品質燃料ガスストリーム、低発熱量燃料ガスストリーム、および前記一次希釈ストリームを供給する工程と、
前記燃焼燃料ストリームを形成するために、前記高品質燃料ガスストリームを前記低発熱量燃料ガスストリームおよび前記一次希釈ストリームと混合する工程とをさらに含む方法。
【請求項２７】
請求項２６の方法であって、
前記高濃度ＣＯ2ストリーム、前記酸素供給ストリーム、前記高品質燃料ガスストリーム、前記低発熱量燃料ガスストリーム、および前記一次希釈ストリームの流量を流量コントローラで制御する工程をさらに含み、前記流量コントローラは中央コントローラと操作可能に接続されている方法。
【請求項２８】
請求項２３の方法であって、
前記酸素付加ストリームと前記燃焼燃料ストリームとを前記燃焼器の前記一次燃焼ゾーンの中で事前混合する工程をさらに含む方法。
【請求項２９】
請求項２３の方法であって、
触媒を前記一次燃焼ゾーンに添加して燃焼反応に触媒作用を及ぼす工程をさらに含む方法。
【請求項３０】
請求項２６の方法であって、
前記燃焼生成物ストリーム中の未反応炭化水素の量を検出する工程と、
前記燃焼生成物ストリーム中の未反応炭化水素の量に基づいて、前記低発熱量燃料ガスストリームの流量を制御する工程をさらに含む方法。
【請求項３１】
請求項２６の方法であって、
前記高品質燃料ガスストリーム、前記低発熱量燃料ガスストリーム、および前記一次希釈ストリームのそれぞれの流量を制御することによって、前記燃焼燃料ストリームの流量および組成を実質的に一定に維持する工程をさらに含む方法。
【請求項３２】
燃焼器システムであって、
実質的に炭化水素と二酸化炭素（ＣＯ2）とを含有し、初期燃料対ＣＯ2比を持つ燃焼燃料ストリームと、
実質的に酸素と二酸化炭素（ＣＯ2）とを含有する酸素付加ストリームであって、最適な等量比を満たすように構成される混合された燃料対酸素比を持ち、および、最適な燃焼温度を提供するように構成される混合された初期ＣＯ2対燃料比を持つ燃焼器入口ストリームを生成するために、前記燃焼燃料ストリームと前記酸素付加ストリームとが混合される酸素付加ストリームと、
実質的に二酸化炭素（ＣＯ2）を含有する希釈ストリームと、
実質的に水と二酸化炭素を含有する高温生成物ストリームを生成するために、前記燃焼器入口ストリームを燃焼するように構成される燃焼器であって、温度および最終的なＣＯ2対燃料比を持つ燃焼生成物ストリームを生成するために、前記高温生成物ストリームが前記希釈ストリームと混合される燃焼器を含むシステム。
【請求項３３】
請求項３２に記載のシステムであって、
前記炭化水素は、実質的にメタンを含み、燃料対酸素比は０．９：１モル酸素対モル燃料から１．１：１モル酸素対モル燃料であるシステム。
【請求項３４】
請求項３２に記載のシステムであって、
前記炭化水素は、実質的にメタンを含み、前記最終的なＣＯ2対燃料比は２０：１のモルＣＯ2対モル燃料から２５：１のモルＣＯ2対モル燃料であるシステム。
【請求項３５】
請求項３２に記載のシステムであって、
流量と組成を持つ高品質燃料ガスストリームと、
流量と組成を持つ低発熱量燃料ガスストリームと、
前記燃焼燃料ストリームを生成するために、前記高品質燃料ガスストリームと前記低発熱量燃料ガスストリームとを混合し、前記燃焼燃料ストリームの一定の初期燃料対ＣＯ2比を維持するように構成される高濃度ＣＯ2補給ストリームとをさらに含むシステム。
【請求項３６】
請求項３５に記載のシステムであって、
流量と組成を持つ酸素供給ストリームと、
前記酸素付加ストリームを形成するために、前記酸素供給ストリームと混合されるように構成される、流量と組成を持つ高濃度ＣＯ2混合ストリームをさらに含むシステム。
【請求項３７】
請求項３６に記載のシステムであって、
前記燃焼生成物ストリームの温度を測定するように構成される少なくとも一つの温度センサーであって、前記燃焼生成物ストリームの温度を使用し、前記高濃度ＣＯ2混合ストリーム、前記高濃度ＣＯ2補給ストリーム、前記希釈ストリーム、およびそれらの組み合わせのいずれかからなる群から選択されるストリームの流量を演算して燃焼温度を調節する少なくとも一つの温度センサーと、
前記燃焼生成物ストリームの組成物中の酸素量を測定するように構成される少なくとも一つの酸素アナライザーであって、前記燃焼生成物ストリーム中の酸素量を使用し、前記酸素供給ストリームの流量を最適化して実質的に化学量論的燃焼を達成する少なくとも一つの酸素アナライザーと、
前記燃焼生成物ストリームの組成物中の炭化水素の量を測定するように構成される少なくとも一つの炭化水素アナライザーであって、前記燃焼生成物ストリームの組成物中の炭化水素量を使用し、前記酸素供給ストリームの流量を最適化して実質的に化学量論的燃焼を達成する少なくとも一つの炭化水素アナライザーをさらに含むシステム。
【請求項３８】
請求項３７に記載のシステムであって、
前記希釈ストリームと操作可能に接続され、前記燃焼生成物ストリームの温度を最適化するように、前記希釈ストリームの流量を能動的に制御するように構成される流量コントローラをさらに含むシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００８年１０月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／１０５，３３１号の利益を主張する。
本発明の実施形態は、燃焼生成物を制御するための方法およびシステムに関する。より具体的には、酸素燃料タイプの燃焼反応において、実質的に化学量論的燃焼を得る方法およびシステムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
このセクションでは、技術のさまざまな態様を紹介することが意図され、その技術は例示的な本開示の実施形態と関連している。この議論によって、本発明の特定の態様をより良く理解することを促進するためのフレームワークを提供する助けとなることを信じる。したがって、このセクションはこの観点から読まれるべきであり、必ずしも従来技術を認めるものではないことを理解するべきである。
ＣＯ2の排出を低減するいくつかのアプローチでは、燃料からの炭素除去または燃焼後の捕捉を含む。しかしながら、これらの解決法の両方とも高価であり、発電効率を低減させるので、結果として発電量が低下し、燃料の需要が増大し、国内の電力需要を満たすための電力を生産するコストが増大する。別のアプローチは、複合サイクルの酸素燃料ガスタービンである。しかしながら、そのようなサイクルで動作できるガスタービンは市販されていない。
【０００３】
独自の酸素燃料構想は、純粋な酸素による炭化水素の燃焼に基づくが、それは非常に高温になる。該高温は燃焼器の寿命問題につながり、すすを生成する多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）の発生にもつながる。これらの問題への数多くの解決法が、さまざまな成功レベルを持って試みられてきており、その中にはタービンの中を通るマスフローガスとして、空気の代わりに二酸化炭素を使用することも含まれる。しかしながら、このアプローチおよび他のアプローチでは、いまだ市販されていない特殊なタービン装置が必要とされる。
米国特許第５，７２４，８０５号は、酸素／二酸化炭素混合物と混合された炭化水素によって、燃料が供給されるガスタービンを含む電力プラントを開示する。しかしながら、この開示によればＯ2／ＣＯ2混合物は空気よりも多くのＯ2を含有するので、非常に高温で燃焼し、より少ない一酸化炭素（ＣＯ）を生成するために燃焼ガスを時間をかけて徐冷させることができる大きな燃焼器チャンバが必要とされる。このように、’８０５参考文献の技法が実施されるためには、特殊な、非標準的な燃焼器が使用されなけらばならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、燃焼生成物ストリームの温度および組成を効率的に制御する、方法およびシステムに対して、いまだに大きな必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の概要）
本発明の一実施形態は、燃焼制御システムを開示する。該燃焼制御システムは、少なくとも一次燃焼ゾーンとバーンアウトゾーンから成る燃焼器と；高濃度二酸化炭素（ＣＯ2）供給源（希釈供給源）と；ＣＯ2対酸素比を持つ、酸素とＣＯ2を実質的に含有する酸素付加ストリームを生成するために、高濃度ＣＯ2ストリームの少なくとも第１の部分（一次希釈流）と混合されるように構成される酸素供給ストリームと；流量と組成を持つ燃焼燃料ストリームを含む。該システムは、温度と組成を持つ燃焼生成物ストリームを形成するために、希釈供給源の第２の部分（二次希釈）が添加される、一次燃焼ゾーンとバーンアウトゾーンの中で、酸素付加ストリームと燃焼燃料ストリームを混合して燃焼させるように構成される燃焼器と；燃焼器を出た後の燃焼生成物ストリームの温度を測定するように構成される少なくとも一つの温度センサーであって、燃焼器の出口で所望の温度を得るために、燃焼生成物ストリームの温度が二次希釈の流量を調節するために使用される少なくとも一つの温度センサーと；燃焼生成物ストリームの組成物中の酸素の量を測定するように構成される少なくとも一つの酸素アナライザーであって、実質的に化学量論的燃焼を達成するために、燃焼生成物の酸素の量が酸素供給ストリームの流量を調節するために使用される少なくとも一つの酸素アナライザーをさらに含む。
【０００６】
いくつかの実施形態では、燃焼燃料ストリームは、少なくとも高品質燃料ガスストリームと、低発熱量燃料ガスストリームと、オプションの高濃度補給ストリームとを含んでいてもよい。燃焼の温度を調節して火炎燃え切り（ｆｌａｍｅ  ｂｕｒｎｏｕｔ）を回避するように、燃焼燃料ストリームの流量および組成を制御する、それぞれのストリームのための流量コントローラと接続された総和コントローラに、それぞれのストリームが動作可能に接続されてもよい。いくつかの実施形態では、それぞれのストリームは、中央制御システムによって制御される流量コントローラと操作可能に接続されていてもよい。
さらに追加の実施形態では、燃焼器は、高濃度ストリームの第１の部分と酸素供給ストリームを混合して酸素付加ストリームを形成するように構成される第１の混合ゾーンと；燃焼生成物ストリームを生成する燃焼反応を中で行うように構成される一次燃焼ゾーンと；高濃度ストリームの第２の部分を燃焼器に配送して燃焼器と燃焼生成物ストリームの温度を調節するように構成されるバーンアウトゾーンとを含んでもよい。１つの例示的な実施形態では、触媒は、燃焼反応に触媒作用を及ぼすように、初期高温燃焼ゾーンに添加される。別の代替の実施形態では、第２の混合ゾーンは、酸素付加ストリームと燃焼燃料ストリームを事前混合し、あるいは該ストリームを燃焼反応で同時に混合するように構成されてもよい。
【０００７】
本発明の別の実施形態は燃焼制御方法を開示する。該方法は、高濃度ストリーム、酸素供給ストリーム、および燃焼燃料ストリームを供給する工程であって、それぞれのストリームが流量と組成を持つ工程と；少なくとも高濃度ストリームの第１の部分と酸素供給ストリームを混合して酸素付加ストリームを生成する工程と；酸素付加ストリームと燃焼燃料ストリームを燃焼器の中で燃焼させて流量と組成を持つ燃焼生成物ストリームを生成する工程と；燃焼生成物ストリームの酸素含有量を検出する工程と；燃焼生成物ストリームが実質的に化学量論的になるまで、酸素供給ストリームの流量を調節する工程を含む。
【０００８】
本発明の第３の実施形態では、燃焼システムが提供される。該燃焼システムは、実質的に炭化水素と二酸化炭素（ＣＯ2）を含有し初期ＣＯ2対燃料比を持つする燃焼燃料ストリームと；実質的に酸素と二酸化炭素（ＣＯ2）を含有する酸素付加ストリームであって、所望の等量比（酸化剤対化学量論的燃料比に対して、実際の酸化剤対燃料比として比が規定される）を満たすように規定された酸素対混合燃料比と、一次燃焼ゾーンの中で所望の燃焼温度を提供するように規定された混合初期燃料対ＣＯ2比を持つ、燃焼反応物ストリームを生成するために、該燃焼燃料ストリームと該酸素付加ストリームが混合される、酸素付加ストリームと；実質的に二酸化炭素（ＣＯ2）を含有する二次希釈ストリームと；実質的に水と二酸化炭素を含有する一次燃焼生成物を生成するために、燃焼器入口ストリームを燃焼するように構成される燃焼器であって、温度と最終的なＣＯ2燃料比を持つ燃焼生成物ストリームを生成するために該一次燃焼生成物が二次希釈ストリームと混合される燃焼器を含む。
前述および他の本発明の利点は、実施形態の非限定的な例である、以下の詳細な説明および図面を検討することによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本発明のある実施形態による、４つの代替可能な例示的制御概略図を示すである。
【図１Ｂ】本発明のある実施形態による、４つの代替可能な例示的制御概略図を示すである。
【図１Ｃ】本発明のある実施形態による、４つの代替可能な例示的制御概略図を示すである。
【図１Ｄ】本発明のある実施形態による、４つの代替可能な例示的制御概略図を示すである。
【図１Ｅ】本発明のある実施形態による、４つの代替可能な例示的制御概略図を示すである。
【図２】図１Ａ〜図１Ｅの代替の例示的システムで使用されるように構成された、例示的燃焼器の概略図を示す図である。
【図３】図１Ａ〜図１Ｅのシステムを動作させる方法の例示的フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（詳細な説明）
以下の詳細な説明のセクションでは、本発明の特定の実施形態が好ましい実施形態と関連して記述される。しかしながら、以下の記載は本発明の特定の実施形態または特定の使用に固有であるという限りにおいて、以下の記載は例示的な目的だけであることが意図され、単に例示的な実施形態の記載である。したがって、本発明は以下の特定の実施形態に限定されるわけではなく、むしろ、本発明は添付の特許請求範囲の真の精神および範囲内にある、すべての代替形態、変更形態、および均等形態を含む。
【００１１】
本明細書で使用する場合に用語「化学量論的燃焼」とは、ある量の炭化水素（たとえば、燃料）とある量の酸素がある燃焼反応をいい、該酸素の量はすべてまたはほとんどすべての量の炭化水素を燃焼または焼いて、酸素と炭化水素がほとんど残っていない燃焼生成物を生成するのに十分な量である。
本明細書で使用する場合に用語「一次滞留時間」とは、燃焼器の中で、圧力と温度の局地的状態が、おおよそ平衡状態の燃焼生成物ストリーム生成するために、要求される時間である。
【００１２】
本開示の実施形態は、ガスタービンで酸素燃料を燃焼するために設計された、燃焼プロセスおよびシステムを提供する。本発明の好ましい実施形態は、すすを生成する多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）の発生、並びに酸素および一酸化炭素（すなわち不完全燃焼による類似した生成物）などの問題のある燃焼生成物の生成等の高温度での酸素燃料の燃焼に関連している問題に取り組む。燃焼システム設計の１つの例示的な実施形態は、少なくとも一次希釈と二次希釈に分割される高濃度二酸化炭素（ＣＯ2）ストリーム、および一次希釈と混合して実質的に酸素（Ｏ2）と二酸化炭素（ＣＯ2）を含有する酸素付加ストリーム（すなわち、「合成空気」）を生成するように構成される酸素供給ストリームを含む。システムは、燃焼燃料ストリームと燃焼器をさらに含み、該燃焼器は、少なくとも一次燃焼ゾーンとバーンアウトゾーンから成り、燃焼燃料ストリームと酸素付加ストリームを混合し、実質的に化学量論的燃焼反応で燃焼させて、実質的に水（蒸気）とＣＯ2を含有する一次燃焼生成物ストリームを生成するように構成される。さらに、一次燃焼生成物ストリームは二次希釈で希釈されて、二次燃焼生成物ストリームを生成する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、高圧力燃焼（たとえば、約１０気圧より大きい）プロセスが利用されてもよいことに注意するべきである。一次燃焼ゾーンの断熱火炎温度は、酸素付加ストリームを生成する場合の酸素と混合されるＣＯ2の比を変化させることによって制御することができる。燃焼生成物ストリームの温度は、燃焼器の出口で、燃焼生成物の所望の温度または他の特性を得るために独立して制御されてもよい。このように、いくつかの実施形態では、システムは燃焼生成物ストリームを測定するための温度センサーを含み、燃焼生成物ストリーム中のＣＯ2割合量は該燃焼生成物ストリームの温度を下げるために増加され、または該温度を上げるために減少されてもよい。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態では、「合成空気」（たとえば、酸素付加ストリーム）を生成するためにＣＯ2と酸素は混合される。酸素と混合されるＣＯ2の量によって、一次燃焼生成物ストリームの温度を制御する方法が提供され、燃焼生成物の組成制御の補助をするために別の可変範囲も提供される。燃焼器の設計では、ＣＯ2をバーンアウトゾーンに追加的に供給する冷却ポートを含んでもよく、高温燃焼による燃焼器缶への影響を防ぐ。システムの追加の実施形態では、燃焼器に入る炭化水素の量を測定し、燃焼に必要な酸素の適切な量を演算して制御する制御システムを含む。制御システムは燃焼生成物の計測によるフィードバックも利用して酸素供給ストリーム流量コントローラを更新し、酸素付加ストリームに適切な量の酸素を供給して所望の燃焼が達成されることを確実にする。燃焼後の触媒ステップはオプションで提供されてもよく、燃焼器に使用される炭化水素混合物に応じて要求されてもよい。この触媒ステップによって一次燃焼生成物ストリームの中の酸素は減少し、オイル増進回収（ＥＯＲ）施設の深刻な腐食問題を避けるために要求される低レベルまで下がる。
【００１５】
本発明のいくつかの実施形態では、開示されたシステムの利益および利点を提供する酸素燃料燃焼システムを動作させる方法を含む。たとえば、１つの実施形態では、燃焼燃料ストリームを酸素付加ストリームと混合し、これらのストリームを燃焼器の中で燃焼させて燃焼生成物ストリームを生成することを含む。燃焼燃料と酸素付加ストリームは事前混合され、または混合と燃焼が同時に実施されてもよく、およびいくつかの実施形態ではさまざまなストリームの組成および流量に応じた触媒が含まれてもよい。該方法は、燃焼生成物ストリームの温度および／または組成を検出または検知し、燃焼が実質的に化学量論的状態になるまで、燃焼燃料ストリームと酸素付加ストリームの少なくとも一つの流量を調節することをさらに含む。
【００１６】
本開示の方法およびシステムは、ガスタービンバーナ燃焼システムを含むさまざまな用途で利用されてもよい。ガスタービンは、単一シャフト、マルチシャフトシステムで動作する一体化されたタービン、または外部バーナを有する非一体化システムであってもよく、ならびに特定のシステムの温度、量、および他の変動要因によるが、さらに独立したコンプレッサーおよび高温エキスパンダーを利用してもよい。該方法およびシステムは、都合良く燃焼効率を上げる（たとえば、未燃焼の量または部分的に燃焼した燃料および／または酸素を低減する）ために、および、全負荷状態にわたってタービン入口温度をうまく制御するために利用されてもよい。
【００１７】
開示されたシステムおよび方法の少なくとも一つの利点は、米国特許出願番号６１／０７２，２９２号に開示されている、超低排出発電システムおよびプロセスなどの、酸素燃料／コジェネレーションタイプのシステムを有する市販のガスタービン燃焼缶形システムを使用できるという柔軟性があることである。酸素付加ストリームを生成するために、酸素と混合されるＣＯ2の量を制御することによって、一次燃焼生成物ストリームの温度および組成も制御することができる。開示されたシステムおよび方法の用途では、ガスタービンのための新しい燃焼器缶を開発する必要性を回避することができ、該システムの「規格品」のガスタービン燃焼器技術の使用が認められる。
【００１８】
利用される燃焼器は、酸素と炭化水素が還元性雰囲気において温度を抑えるために蒸気を使用して反応する、ガス化プロセスに使用される燃焼器と類似している。本発明では、温度を抑えるために蒸気の代わりにＣＯ2が使用される。蒸気を使用することは高価であり、燃焼生成物の中に追加的な水素を形成することにもなり、本発明のサイクルには望まれない。ＣＯ2を酸素と混合することによって、燃焼ライナーを冷却するために空気の代わりにＣＯ2が使用される既存のガスタービンに、使用されるものと類似するより従来型の拡散タイプの燃焼器を使用することもできる。化学量論的状態に近い燃焼は、過剰な酸素を除去するコストを削減するために好ましい。
【００１９】
本発明の実施形態は追加の利点を提供する。本発明のシステムおよび方法では、操作者または自動システムは、燃焼生成物ストリームの温度とは独立して一次燃焼ゾーンの温度を制御でき、ならびに燃焼生成物の中の腐食性一酸化炭素および酸素の量を制限するなどして、燃焼生成物を制御できるので、該腐食性成分の除去が要求されるオイル増進回収（ＥＯＲ）運転に燃焼生成物を使用することができる。さらに、開示されたシステムおよび方法では、入手可能な燃料ガスの質の変化に適応できる。たとえば、低品質ガス貯留部またはＣＯ2ブレークスルー（ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）後の貯留部などからの、低発熱量（たとえば、４０パーセント（％）未満のメタン）燃料ガスが供給される場合には、システムおよび方法は酸素付加ストリーム中の酸素の比率を調節および／または高品質燃料ガスまたはスパイキング燃料ガス（たとえば、水素ガス）の添加または量を増加させることができるので、燃焼プロセスは適切な燃焼生成物ストリームの温度および組成を維持する。
【００２０】
次に図を参照すると、図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の実施形態による、４つの代替可能な例示的な制御概略図を示す。特に、図１Ａは基本的な例示的システムである。システム１００は、少なくとも一次希釈ストリーム１０２ａと二次希釈ストリーム１０２ｂに分かれる高濃度二酸化炭素（ＣＯ2）ストリーム１０２と、ある酸素対ＣＯ2比を持つ酸素付加ストリーム１０６を生成するために、一次希釈ストリーム１０２ａと混合されてもよい酸素供給ストリーム１０４とを含む。燃焼燃料ストリーム１０８も供給され、それは実質的にメタン（ＣＨ4）から成っていてもよく、または供給源によるが、軽質炭化水素、重質炭化水素、水素（Ｈ2）、および二酸化炭素などの不活性ガスの混合物を含んでもよい。燃焼器（たとえば、燃焼器缶）１１０も供給され、好ましい実施形態では、それは一次燃焼ゾーン１１０ａとバーンアウトゾーン１１０ｂの２つの部分に分割され、少なくとも酸素付加ストリーム１０６と燃焼燃料ストリーム１０８とを受容し、酸素付加ストリーム１０６と燃焼燃料ストリーム１０８を一次燃焼ゾーン１１０ａで混合して所望の火炎温度で燃焼させ、燃焼器の中の一次滞留時間は高温生成物ストリーム（図示せず）を平衡近傍状態で生成するには十分であり、次に高温生成物ストリームをバーンアウトゾーン１１０ｂの中で二次希釈ストリームによって希釈して燃焼生成物ストリーム１１２ａを生成し、それが膨張生成物ストリーム１１２ｂを生成するために負荷コントローラ１１１’に操作可能に接続される膨張デバイス１１１（たとえば、ガスタービンまたは高温エキスパンダー）に供給されてもよいように構成される。膨張生成物ストリーム１１２ｂは、少なくとも高濃度ストリーム１０２の一部を形成するストリーム１１３と、オイル増進回収（ＥＯＲ）、滞溜、または別の目的のために使用されてもよい二次ストリーム１２８を形成するために分割されてもよい。システム１００は、燃焼生成物ストリーム１１２ａまたは膨張生成物ストリーム１１２ｂの温度および酸素含有量を、それぞれ測定するように構成される、少なくとも一つの温度センサー１１４と酸素アナライザー１２６をさらに含む。温度センサー１１４の温度データは、二次希釈ストリーム１０２ｂの流量を制御し、燃焼生成物ストリーム１１２ａの温度を調節するために使用される。酸素供給１０４の流量は、燃焼燃料供給１０８の流量に比例して調節される。酸素アナライザー１２６の酸素データは、実質的に化学量論的燃焼が達成されるまで、燃焼燃料供給１０８に対する酸素供給ストリーム１０４の流量の割合因子を調節するために使用される。
【００２１】
さらに図１を参照すると、システム１００は、一次希釈ストリーム１０２ａを制御するための第１の流量コントローラ１１６ａと、酸素供給ストリーム１０４を制御するための第２の流量コントローラ１１８と、燃焼燃料ストリーム１０８を制御するための第３の流量コントローラ１２０と、二次希釈ストリーム１０２ｂを制御するための第４の流量コントローラ１１６ｂと操作可能に接続されている中央コントローラ１１５をさらに含む。中央コントローラ１１５は、燃焼生成物ストリーム１１２ａまたは膨張生成物ストリーム１１２ｂ中の未燃焼酸素の量を判定し、これらの測定値を酸素供給ストリーム１０４の流量を制御するために使用する、温度センサー１１４および酸素センサー１２６に接続されていてもよい。中央コントローラ１１５は、負荷状態の変化に応じて所望の化学量論を維持するために、燃焼燃料ストリーム１０８および酸素供給ストリーム１０４の流量を制御してもよい。
【００２２】
高濃度二酸化炭素（ＣＯ2）ストリーム（すなわち「希釈供給ストリーム」）１０２は、都合の良いどのような供給源から供給されてもよい。たとえば、少なくとも希釈供給ストリーム１０２の一部は、再循環ストリーム１１３を介して膨張生成物ストリーム１１２ｂの少なくとも一部を流用し、または分割することにより供給されてもよい。しかしながら、システム１００は、外部パイプラインネットワーク、高濃度ガス井戸、ガス処理プラント、または他の供給源などの高濃度の別の供給源の近くに配置されてもよい。さらに、再循環ストリーム１１３は、未反応酸素または炭化水素などの潜在的に危険性があるまたは望ましくない成分を除去するために、膜、分子篩、吸収、吸着、または他のシステムのような濾過システムなどのいくつかの処理を含んでもよい。特に、酸素アナライザーが膨張生成物ストリーム１１２ｂに高濃度の酸素が含まれることを検出した場合には、膨張生成物ストリーム１１２ｂを、二次希釈ストリーム１０２ｂのように、希釈するために使用するべきではない。同様に、高濃度の未反応炭化水素は、燃焼器１１０によって異なるが受け入れることもできず、二次希釈ストリーム１０２ｂとして使用される前に、除去または分離される必要がある場合がある。しかしながら、燃焼生成物ストリーム１１２ａは実質的に化学量論的燃焼が実施され、約３．０体積パーセント（体積％）未満の酸素、または約１．０体積％未満の酸素、または約０．１体積％未満の酸素、またはさらに約０．００１体積％未満の酸素と、約３．０体積パーセント（体積％）未満の炭化水素、または約１．０体積％未満の炭化水素、または約０．１体積％未満の炭化水素、またはさらに約０．００１体積％未満の炭化水素を含有するべきであることが好ましく、意図される。
【００２３】
二次ストリーム（すなわち「残余ストリーム」）１２８は、高濃度二酸化炭素を必要とする別のプロセスに使用するために販売されてもよく、またはオイル増進回収（ＥＯＲ）、滞溜、または別の目的のために圧縮されて地表貯留部に注入されてもよい。再循環ストリーム１１３と同様に、ストリーム１２８は、窒素酸化物（ＮＯｘ）または酸素のような潜在的不純物または反応物を除去するために、使用前にいくつかの調節が必要な場合がある。もう一度述べるが、ストリーム１０４は実質的に窒素を含有せず、ストリーム１１２ａは実質的に化学量論的に燃焼されるので、約３．０体積パーセント（体積％）未満の酸素、または約１．０体積％未満の酸素、または約０．１体積％未満の酸素、またはさらに約０．００１体積％未満の酸素と、約３．０体積パーセント（体積％）未満のＮＯx、または約１．０体積％未満のＮＯx、または約０．１体積％未満のＮＯx、またはさらに約０．００１体積％未満のＮＯxを含有すべきであることが好ましく、意図される。
【００２４】
酸素供給ストリーム１０４は、高純度の酸素を供給する空気分離ユニット（ＡＳＵ）または他のプロセスまたはシステムによって提供されてもよい。分離された窒素は、米国特許出願番号６１／０７２，２９２号に開示されている窒素注入井などの別の関連するプロセスで使用されてもよい。１つの例示的な実施形態では、酸素供給ストリーム１０４は、残りの部分にアルゴンを含む約９０体積％から約９９．９体積％の酸素を含有してもよく、微量の窒素および二酸化炭素を含有してもよい。別の例示的な実施形態では、酸素供給ストリームは、約４体積％から約５体積％のアルゴンと約０．２体積％未満の二酸化炭素を含む約９５体積％から約９６体積％の酸素を含有してもよい。
【００２５】
中央コントローラ１１５は、流量および組成などのデータ入力を受け入れ、たとえば、流量を調節するために使用できるバルブ、ポンプ、コンプレッサー、およびその他のデバイスを介して流量を制御する信号を送信するように構成される、いずれかのタイプの制御システムであってもよい。１つの例示的な実施形態では、中央コントローラ１１５は、キーボードおよびマウスなどのユーザ入力装置、モニタおよびスピーカなどのユーザ出力装置を備えるプログラム可能なコンピューターを含んでもよく、能動メモリ（ＲＡＭ）を使用して動作してもよく、ハードディスクドライブ、光学式ドライブ、ネットワークドライブ、およびＬＡＮ、ＷＡＮ、Ｗｉ−Ｆｉを介したデータベース、または他の外部ネットワークに操作可能に接続されてもよい。
【００２６】
流量コントローラ１１６ａ、１１６ｂ、１１８、および１２０は、中央コントローラ１１５からの信号を受信して処理するためのプログラム可能な自動コントローラを含んでもよく、実質的にガス状のストリームの流量を増減させる流量バルブまたはベーン、ベント、または他の手段に操作可能に接続されてもよい。さらに、例示的な一実施形態では、流量コントローラ１１６ａ、１１６ｂ、１１８、および１２０は、流量センサーおよび／または組成物センサーに操作可能に接続されてもよく、それらは流量コントローラによって制御されるそれぞれのストリームの流量の変化を検証するなどのために追加的なデータ入力ができる。火炎安定性および効果的な制御を維持するために、コントローラ１１６ａ、１１６ｂ、１１８、および１２０のいずれか、またはすべてに高速コントローラを利用することが有益である。
【００２７】
流量コントローラ１１６ｂは、前述のような能動センサーであってもよいが、例示的な一実施形態では、二次希釈ストリーム１０２ｂの流量を制御できなくともよい。たとえば、燃焼器１１０は、燃焼器１１０の中で希釈と温度を制御するように設計された特定のパターンおよび大きさの孔を持つ、一つ以上の冷却ポート（たとえば、希釈孔）を有するライナーを含んでもよい。それ故に、二次希釈ストリーム１０２ｂの流量は、主として燃焼器１１０の冷却ポートのハードウェア設計および希釈供給ストリーム１０２の圧力、温度および組成に依存する。さらに、運転停止、二次希釈ストリーム１０２ｂの汚染、または他のいくつかの理由がある場合に、流量コントローラ１１６ｂは、二次希釈１０２ｂの流量を止めるためにさらに有益である。いくつかの実施形態では、中央コントローラ１１５は、温度センサー１１４および酸素アナライザー１２６などの特定のセンサーに対しては、多数決投票方式（ｔｗｏ  ｏｕｔ  ｏｆ  ｔｈｒｅｅ  ｖｏｔｉｎｇ  ）をさらに含んでもよい。中央コントローラ１１５を含む制御システムは、システム１００を制御できなくなった場合に下流の機械を保護するために、少なくとも一つの安全保護装置および／または運転停止ロジックならびに警報を備えるように構成されてもよい。
【００２８】
温度センサー１１４は単一センサーであってもよく、または、正確な温度測定値を確保するために、燃焼生成物ストリーム１１２ａまたは膨張生成物ストリーム１１２ｂの中および周囲に、冗長性のある予備センサーまたはアレイセンサーを追加的に含んでもよい。選択されたセンサーは、高耐熱性を有し、華氏約２，０００度（°Ｆ）以上、または約２，２００°Ｆ以上の温度で有効に動作することができるべきであるが、いずれかの種類の適切な温度センサーが使用されてもよい。記述される発明システム１００のいくつかの例示的な実施形態では、温度センサー１１４はデータを直接流量コントローラ１１６ｂに送信してもよく、またはデータを、その後に流量コントローラ１２０の応答を制御する中央コントローラ１１５に送信してもよい。または、温度センサー１１４は、データを直接燃焼燃料ストリーム流量コントローラ１２０に送信してもよい。さらにおよびまたは、温度センサー１１４は排気口近くの燃焼器１１０の中側からデータを取得し、または出力後のバーンアウトゾーン１１０ｂの下流の燃焼生成物ストリーム１１２ａおよび膨張生成物ストリーム１１２ｂに沿った複数の場所でデータを取得し、または、それらのいくつかの組み合わせでデータを取得してもよい。ストリーム１１２ａおよび１１２ｂの温度は、特定の動作パラメーターの中で制限されるべきであり、それは使用中の装置、燃焼燃料ストリームおよび使用可能な他の入力ストリームの種類、残余ストリーム１２８の使い道、および他の要因に強く依存する。
【００２９】
一般に、一次燃焼ゾーン１１０ａの温度は、ＮＯxの生成を避けるために約３，５００°Ｆ未満であるべきであり、ほとんどの市販の燃焼器１１０は該温度を超えると動作できないが、燃焼器１１０の材料がより高温度で動作することができ、システム１００に窒素が存在しない場合には、この制限はより高い温度に設定されてもよい。エキスパンダー１１１の入口での温度は、好ましくは約２，５００°Ｆ未満である。該高温は、すすを生成する望ましくない多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）の形成の一因でもある。しかしながら、一次燃焼ゾーン１１０ａの温度は、火炎燃え切りを避けるために充分に高くなければならならず、それは一次燃焼ゾーンに進入した反応物の温度および特定の燃料１０８から得られる発熱量に基づいて、ＣＯ2に対する酸素の比を調整することによって実施され、および、オイル増進回収（ＥＯＲ）またはシステム１００の希釈に使用される前に、制限的な調整が要求される膨張生成物ストリーム１１２ｂを生成するために、実質的にすべての酸素（Ｏ2）および炭化水素を効率的に燃焼させるために充分に高くなければならならない（たとえば、化学量論的燃焼温度）。多くの場合に、燃焼生成物ストリーム１１２ａの好ましい温度は、少なくとも約１，５００°Ｆから高くても約２，５００°Ｆの範囲であり、または少なくとも約１，６００°Ｆから高くても約１，９００°Ｆの範囲である。燃焼反応物の中に改良された構成材料がなく、窒素が存在するために上限を上げる場合を除いて、多くの場合に、一次燃焼ゾーンの中の好ましい断熱火炎温度は、少なくとも２，４５０°Ｆから高くても３，５００°Ｆの範囲である。
【００３０】
酸素アナライザー１２６は単一センサーであってもよく、正確な測定を確保するために、複数の場所に冗長性のある追加のセンサー、または様々なアレイセンサーを含んでもよい。たとえば、中央コントローラ１１５および／または酸素供給ストリーム流量コントローラ１１８の１つにフィードバックするように、複数のラムダセンサーまたは広域ジルコニアＯ2センサーが使用されてもよい。ラムダセンサーが使用される場合には、燃焼生成物ストリーム１１２ａの酸素含有量の化学量論的係数が１．０未満から１．０を超える間で変化するように、酸素供給ストリーム１０４中の酸素と燃焼燃料ストリーム１０８中の燃料との比をディザ（ｄｉｔｈｅｒ）させるように中央コントローラ１１５が構成されてもよい。ディザリングプロセスは、内燃機関に対して自動車産業で使用されているものと類似している。いずれの場合にも、燃焼生成物ストリームの酸素含有量は低いことが好ましく、約３．０体積パーセント（体積％）未満から、約１．０体積％未満、約０．１体積％未満、約０．００１体積％未満の範囲が好ましい。次に酸素の量が非常に大い場合には、酸素供給ストリーム１０４の流量が低減される。これによって順に火炎温度を下げることができ、上記で論じたように、燃焼燃料ストリーム１０８の流量の調節が要求される。
【００３１】
図１Ｂは、図１Ａに示すように基本的な例示的なシステムを示すが、さらに生成物ストリーム１１２ａおよび１１２ｂを処理または調整するように構成される追加的な、オプションの特徴を含む。このように、図１Ｂは、図１Ａを参照することによってより良く理解されるであろう。システム１４０は、図１Ａに関する開示されたすべての特徴を含むが、さらには、流量と組成を持つ生成物ストリーム１１２ａおよび１１２ｂ並びに燃焼燃料バイパスストリーム１４２の中の酸素および一酸化炭素含有量を低減するように構成される燃焼後触媒作用装置１４６と、燃焼燃料バイパスストリーム１４２の流量を制御するための流量コントローラ１４４とを含む。酸素アナライザー１２６は、中央コントローラ１１５を介して直接的または間接的に、流量コントローラ１４４と操作可能に接続されていてもよい。以下でさらに論じるように、燃焼燃料バイパスストリーム１４２が分割され、またはストリーム１２８がループする特定の実施形態では、追加の流量コントローラおよび酸素アナライザー（図示せず）が、要求されてもよい。
【００３２】
触媒作用装置１４６は、単一デバイス、または直列または並列に接続された複数のデバイスであってもよいが、好ましくは動作させるためにわずかなパワーしか必要としない小さなデバイスである。特に、触媒作用装置１４６は、排気規制を満たすために、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ’ｓ）で通常使用される、一酸化炭素低減触媒および／または酸素還元触媒であってもよい。該システムは、一般に大量の酸素を除去するように設計されてはいないが、大量の酸素が膨張生成物ストリーム１１２ｂに残る場合には、膨張生成物ストリーム１１２ｂは、圧縮され、オイル増進回収（ＥＯＲ）に注入される前に、触媒作用装置１４６の中を一回以上通って再循環される必要がある場合がある。このように、いくつかの実施形態では、圧縮注入装置の腐食を避け、および貯留部の中に残る炭化水素と反応できる酸素の注入による貯留部の酸敗を避けるように、注入ストリーム１２８の酸素が充分に少ないことを確認する（たとえば、約０．５体積パーセント（体積％）未満または約０．１体積％未満の酸素）ために、別の酸素アナライザー（図示せず）が触媒作用装置１４６の後に必要である場合がある。
【００３３】
燃焼燃料バイパスストリーム（たとえば、燃焼燃料ストリームの第２の部分）１４２は、再利用フローストリーム１１３が膨張生成物ストリーム１１２ｂから分割される場所から下流で、膨張生成物ストリーム１１２ｂと混合するように構成され、好ましくは触媒作用装置１４６の上流で導入され、酸素除去効率を改善するために追加的な炭化水素が触媒作用装置１４６で使用されてもよい。しかしながら、いくつかの代替実施形態では、バイパスストリーム１４２は、触媒作用装置１４６の前および後で、分割および導入されてもよい。ＥＯＲストリーム１２８が折り返して触媒作用装置１４６に戻る実施形態では、触媒作用装置１４６に折り返して戻る前に、バイパスストリーム１４２の一部をＥＯＲストリーム１２８の中に導入することが都合がよい。好都合なことに、バイパスストリーム１４２は、圧縮および貯留部に注入される前に、ＥＯＲストリーム１２８中の酸素の体積パーセントを低減するように構成され、実質的に圧縮および注入装置の腐食を避け、注入貯留部の中に残る炭化水素の酸化を避ける。
【００３４】
図１Ｃは、図１Ｂの実施形態の説明に開示された特徴を含む、または含まなくともよい、図１Ａのシステムの第３の例示的な実施形態を示す。このように、図１Ｃは、図１Ａおよび図１Ｂを参照してよりよく理解されるであろう。システム１５０は、生成物ストリーム１１２ａおよび／または１１２ｂの組成物中の炭化水素量を測定するように構成される炭化水素アナライザー１５２と、流量コントローラ１５４によって制御される高品質燃料ガス供給１０８ａと、流量コントローラ１５６によって制御される低発熱量燃料ガス供給１０８ｂとを含む。流量コントローラ１５６は、炭化水素アナライザー１５２に直接接続されてもよく、および／または中央コントローラ１１５を介して接続されてもよい。中央コントローラ１１５と直接接続されてもよい、または酸素供給コントローラ１１８を介して接続されてもよい総和コントローラ１５８と、流量コントローラ１５４、１５６、およびオプションの１２０は操作可能に接続されてもよい。
【００３５】
高品質燃料ガスストリーム１０８ａは、実質的に純粋なメタン（たとえば、約９９体積％）を含んでいてもよく、または、水素、高級炭化水素（Ｃ3＋）またはそれらの組み合わせなどの「スパイク（ｓｐｉｋｉｎｇ）」燃料ガスを含んでもよい。高品質燃料ガスストリーム１０８ａの組成物は、システム１５０の要求、およびさまざまな燃料タイプの入手可能性に応じて主に変化するが、好ましくは大量の不活性ガス（たとえば、窒素、二酸化炭素等）または酸性ガス（たとえば、二酸化硫黄、硫化水素等）を含まない。高品質燃料ガスストリーム１０８ａは、すべての妥当な供給源から供給されてもよいが、非常に遠くから輸入されるよりも、好ましくは近隣のガス生成田から得られる。特に、ストリーム１０８ａが水素の場合には、近隣のガス生成田からのガス生成ストリームで実施される自己熱改質（ＡＴＲ）プロセスから供給されてもよい（図示せず）。
【００３６】
低発熱量燃料ガスストリーム１０８ｂは、約８０体積％未満のメタン、約６０体積％未満のメタン、約４０体積％未満のメタン、またはさらに約２０体積％未満のメタンを含んでいてもよい。低発熱量ストリーム１０８ｂは、エタンおよびプロパンなどの少量の重質炭化水素を含有してもよい。ほとんどの場合、ストリーム１０８ｂの残余の大部分は、二酸化炭素などの不活性ガスであるが、場合によっては、少量の窒素、硫化水素、ヘリウム、および他のガスが存在する。好ましくは、二酸化炭素以外のすべての非炭化水素と不活性ガスは、混合および燃焼する前にストリーム１０８ｂから分離される。
【００３７】
１つの例示的な実施形態では、２つの炭化水素含有ストリーム１０８ａおよび１０８ｂの流量と組成は、燃焼器１１０を動作させるために必要とされる酸素を演算するため、および酸素供給流量コントローラ１１８のための設定ポイントを提供するために使用される。演算によって、燃焼器１１０の化学量論的燃焼のために必要とされる酸素の量が提供される。ストリーム１０８ａおよびストリーム１０８ｂの供給源に依存するが、ストリームの流量および組成は、システム１５０の寿命に応じて変化してもよい。たとえば、低発熱量燃料ガス１０８ｂは、生産初期にはメタンを多く含有する（たとえば、約８０体積％よりも多い）ＥＯＲ井から供給されてもよい。このような場合には、ほとんど、またはまったく高品質燃料ガスストリーム１０８ａを通じた流れがなくともよい。しかしながら、ブレークスルーが発生する場合には、低発熱量燃料ガスストリーム１０８ｂからの流れのメタン含有量は非常に小さい（たとえば、約２０体積％未満）。このような場合には、高品質燃料ガスストリーム１０８ａの流量は増加し、炭化水素を燃焼燃料ストリーム１０８に添加する。
【００３８】
図１Ｄは、図１Ｂおよび図１Ｃの実施形態の説明に開示された特徴を含む、または含まなくとも良い、図１Ａのシステムの第４の例示的な実施形態を示す。このように、図１Ｄは、図１Ａ〜図１Ｃを参照してよりよく理解されるであろう。システム１６０は、流量および組成物を持つ高濃度ＣＯ2補給ストリーム１０８ｃと、それに操作可能に取り付けられた流量コントローラ１６２をさらに含む。ＣＯ2補給酸素供給ストリーム１０８ｃは、ストリーム１０８ａおよび１０８ｂと混合されてもよく、システム１６０の寿命にわたって実質的に一定の組成を有する燃焼燃料ガスストリーム１０８を生成する。アプローチはシステム１５０と類似しているが、燃焼器の物理的特徴は、特に１０８およびさらに可変組成である１０８ｂを含む燃焼燃料の組成用に設計される。ストリーム１０８ｃは膨張生成物ストリーム１１２ｂから分割されてもよいし、または別の供給源が起源であってもよい。
【００３９】
図１Ｅは、図１Ａ〜図１Ｄのシステムの第４の例示的な実施形態を示す。このように、図１Ｅは、図１Ａ〜図１Ｄを参照してよりよく理解されるであろう。システム１７０は、実質的に炭化水素および二酸化炭素（ＣＯ2）を含有し、初期燃料対ＣＯ2比を有する燃焼燃料ストリーム１０８と；実質的に酸素と二酸化炭素（ＣＯ2）を含有する酸素付加ストリーム１０６であって、該燃焼燃料ストリーム１０８と該酸素付加ストリーム１０６は混合されて、最適な等量比を満足させるように構成される混合された燃料対酸素比を有し、最適な燃焼温度を提供するように構成される混合された初期ＣＯ2対燃料比を有する燃焼器入口ストリーム１７２を形成する酸素付加ストリーム１０６と；二次希釈ストリーム１０２ｂと；燃焼器入口ストリーム１７２を燃焼させて実質的に水と二酸化炭素を含む高温生成物ストリーム１７４を生成するように構成される燃焼器１１０であって、該高温生成物ストリーム１７４は二次希釈ストリーム１０２ｂと混合され、ある温度と最終的なＣＯ2対燃料比を有する燃焼生成物ストリーム１１２ａを生成する燃焼器１１０とを含む。
【００４０】
いくつかの例示的な実施形態では、燃焼燃料ストリーム１０８中の炭化水素は実質的にメタンを含み、燃料対酸素のモル比は、約１．９：１のモル燃料対モル酸素から、約２．１：１のモル燃料対モル酸素、または約１．９５：１のモル燃料対モル酸素から、約２．０５：１のモル燃料対モル酸素の範囲である。これらのモル比は、０．９：１から約１．１：１の化学量論的比とおおよそ等価である。さらに例示的な実施形態では、燃焼燃料ストリーム１０８中の炭化水素は実質的にメタンを含み、最終的なＣＯ2対燃料比は、約１０：１のモルＣＯ2対モル燃料から約３０：１のモルＣＯ2対モル燃料、または約１５：１のモルＣＯ2対モル燃料から約２５：１のモルＣＯ2対モル燃料、または約２０：１のモルＣＯ2対モル燃料から約２３：１のモルＣＯ2対モル燃料の範囲である。
【００４１】
少なくとも一つの例示的な実施形態では、システム１７０は、ある流量と組成を有する高品質燃料ガスストリーム１０８ａと；ある流量と組成を有する低発熱量燃料ガスストリーム１０８ｂと；高品質燃料ガスストリーム１０８ａと低発熱量燃料ガスストリーム１０８ｂと混合するように構成され、燃焼燃料ストリーム１０８を形成し、燃焼燃料ストリーム１０８の初期燃料対ＣＯ2の比を一定に維持する、高濃度補給ストリーム１０８ｃをさらに含む。追加の実施形態は、ある流量と組成を有する酸素供給ストリーム１０４と；酸素供給ストリーム１０４と混合するように構成され、酸素付加ストリーム１０６を形成する、ある流量と組成を有する高濃度混合ストリーム１０２ａを含んでもよい。
【００４２】
さらにもう一つの例示的な実施形態では、システム１７０は、燃焼生成物ストリーム１１２ａの温度および／または膨張生成物ストリーム１１２ｂ（およびオプションで高温生成物ストリーム１７４）の温度を測定するように構成される少なくとも一つの温度センサー１１４であって、ストリーム１１２ａまたはストリーム１１２ｂの温度は、燃焼温度を調節するために、高濃度ＣＯ2混合ストリーム１０２ａ、高濃度ＣＯ2補給ストリーム１０８ｃ、および二次希釈ストリーム１０２ｂの少なくともいずれか一つの流量を演算することに使用される少なくとも一つの温度センサー１１４と；生成物ストリーム１１２ａおよび／または１１２ｂの組成中の酸素の量を測定するように構成される少なくとも一つの酸素アナライザー１２６であって、生成物ストリーム１１２ａ、生成物ストリーム１１２ｂ中の酸素の量は、実質的に化学量論的燃焼を達成するように酸素供給ストリーム１０４の流量を最適化するために使用される少なくとも一つの酸素アナライザー１２６と；生成物ストリーム１１２ａ、生成物ストリーム１１２ｂの組成中の炭化水素の量を測定するように構成される少なくとも一つの炭化水素アナライザー１５２であって、生成物ストリーム１１２ａ、生成物ストリーム１１２ｂの組成物中の炭化水素の量は、実質的に化学量論的燃焼するように、酸素供給ストリーム１０４の流量を最適化するために使用される少なくとも一つの炭化水素アナライザー１５２を含む。システム１７０は、ある負荷と該負荷を測定するように構成された負荷コントローラ１１１’を有するガスタービン１１１を含んでもよく、負荷の測定は、負荷の変化である混合された燃料対酸素の比を維持するために使用される。
【００４３】
図２は、図１Ａ〜図１Ｄの代替の例示的なシステムに使用されるように構成されてもよい、例示的な燃焼器の概略図を示す。このように、図２は、図１Ａ〜図１Ｄを参照してよりよく理解されるであろう。燃焼器システム２００は、第１の混合ゾーン２０２、第２の混合ゾーン２０４、初期高温度一次燃焼ゾーン２０５、バーンアウトゾーン２０６、およびオプションの燃料注入ノズル２０８ａおよび燃料注入ノズル２０８ｂを含む。高温生成物ストリーム（すなわち「一次燃焼生成物ストリーム」）２１２は、一次燃焼ゾーン２０５から生成される。いくつかの例示的な実施形態では、高圧力燃焼プロセス（たとえば、約１０気圧より大きい）が利用されてもよいことに注意されたい。
【００４４】
第１の混合ゾーン２０２は、一次希釈ストリーム１０２ａを酸素供給ストリーム１０４と混合し、酸素付加ストリーム１０６を形成するように構成される。第２の混合ゾーン２０４は、酸素付加ストリーム１０６と燃焼燃料ストリーム１０８を混合するように構成される。一実施形態では、ストリーム１０６とストリーム１０８は第２の混合ゾーン２０４で事前に混合されてもよく、次に一次燃焼ゾーン２０５の中に直接流れる。非事前混合と称する、別の実施形態では、拡散バーナタイプの配置にあるように、第２の混合ゾーン２０４および一次燃焼ゾーン２０５は重複し、混合と一次燃焼が同時に発生する。一次燃焼ゾーン２０５は、バーナ、火炎、および高温生成物ストリーム２１２を生成する燃焼反応自体を含む。バーンアウトゾーン２０６では、二次希釈ストリーム１０２ｂを燃焼器１１０に配送し、燃焼器１１０および燃焼生成物ストリーム１１２ａの温度を調節する。
【００４５】
燃焼器１１０のいくつかの例示的な実施形態では、バーンアウトゾーン２０６は、燃焼器１１０のライナーを冷却および急冷するように構成される一連の孔を有する受動的な希釈ゾーンと；一次燃焼生成物ストリーム２１２と混合するために、二次希釈ストリーム１０２ｂの少なくとも一部分を燃焼器１１０に能動的に配送するように構成される、少なくとも一つの急冷ポートを有する能動希釈ゾーンと；バーンアウトゾーン２０６を介して、温度パターンを能動的に制御する一連の段階的冷却ポートと；それらの組み合わせのいずれか１つを含む。さらに、バーンアウトゾーン２０６は、火炎の吹き消えの兆候である、燃焼器１１０の圧力オシレーションを測定して監視するために、圧力トランスデューサーまたは他のセンサー２１０を含んでもよい。酸素アナライザー（図示せず）も、酸素フィードバックループに別の入力を提供するために燃焼器１１０に含まれてもよい。
非事前混合配置の１つの例示的な実施形態では、燃焼燃料ストリーム１０８ａおよび１０８ｂは、それぞれのストリームの体積流量に基づいて構成される、分離したノズル２０８ａおよびノズル２０８ｂに導入されてもよく、または単一注入器の中を通って、混合して組み合わせられた燃焼燃料ストリーム１０８として注入されて混合されてもよい。
【００４６】
燃焼器１１０の中の酸素付加ストリーム１０６と燃焼燃料ストリーム１０８の組み合わせは、最小断熱火炎温度と火炎安定性を維持するように構成され、酸素付加ストリーム１０６中のすべて、またはほとんどすべての酸素を燃焼する（たとえば、化学量論的反応が好ましい）。発熱量という意味では、酸素付加ストリーム１０６は発熱量を持たず、高品質燃料ガスストリーム１０８ａは比較的高い値（たとえば、少なくとも５００イギリス熱単位毎標準立方フィート（ＢＴＵ／ｓｃｆ）から約９５０ＢＴＵ／ｓｃｆである）を持ち、低発熱量燃料ガスストリーム１０８ｂは比較的低い発熱量（たとえば、約１５０ＢＴＵ／ｓｃｆから約４５０ＢＴＵ／ｓｃｆ）を持つ。
燃焼器１１０は、標準的な外部燃焼器であってもよく、または、特別注文または修正された燃焼器であってもよい。適用できる燃焼器のタイプの例には、ｏｘｙＣｌａｕｓ（登録商標）バーナ、部分酸化（ＰＯＸ）バーナ、自己熱改質（ＡＴＲ）バーナ、およびガスタービン拡散燃焼器が挙げられる。それぞれのバーナタイプは、実質的にＣＯ2ストリームと連動するために、いくつかの変更が必要である場合があることに注意されたい。
【００４７】
１つの例示的な実施形態では、第２の混合ゾーン２０４並びにノズル２０８ａおよびノズル２０８ｂは、均質な混合物を得ることを保証するために、燃焼燃料ストリーム１０８と酸素付加ストリーム１０６とを激しい乱流として混合するように構成されてもよい。動作中は、一次燃焼ゾーン２０５は約２，２００℃までの温度を生成する。冷却ガス１０２ｂの添加によって、燃焼生成物ストリーム１１２ａは、バーンアウトゾーン２０６に入るにつれて、約１，４００℃まで冷却されることが期待される。追加の冷却ガス１０２ｂは、一種の「ガス外層（ｇａｓ  ｅｎｖｅｌｏｐｅ）」を形成するバーンアウトゾーン２０６の外壁を通じて導入されてもよく、燃焼器１１０の壁は火炎２０５よりも著しく冷却されることを維持する。１つの例示的な実施形態では、必要な場合には冷却ストリーム１０２ｂの炭化水素は除去され、すすの発生を最小にする。別の例示的な実施形態では、燃焼は、約１０気圧を超えるなどの大気圧よりも高い状態で発生する。反応によって、以下の式によって示されるように水（蒸気）と二酸化炭素が発生する（チャンバに入った二酸化炭素は一般に未反応のままである）：
ＣＨ4＋２Ｏ2＝２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2
【００４８】
図３は、図１Ａ〜図１Ｄのシステムの動作方法の例示的なフローチャートである。このように、図３は、図１Ａ〜図１Ｄを参照してよりよく理解されるであろう。方法３００はブロック３０２から始まり、次に３０４では、それぞれのストリームがある流量とある組成を有する、高濃度ＣＯ2ストリーム１０２、酸素供給ストリーム１０４、および燃焼燃料ストリーム１０８を供給し；３０６では、それぞれのストリームがある流量を有する、高濃度ＣＯ2ストリーム１０２を一次希釈ストリーム１０２ａと二次希釈ストリーム１０２ｂに分割し；３０８では高濃度ＣＯ2ストリームの全体の流量とは無関係に一次希釈ストリームの流量を調節し；３１０では、酸素付加ストリーム（すなわち、「合成空気」）１０６を生成するために、一次希釈ストリーム１０２ａと酸素供給ストリーム１０４とを混合し；３１２では、ある温度と組成を有する燃焼生成物ストリーム１１２ａを生成するために、酸素付加ストリーム１０６と燃焼燃料ストリーム１０８とを、燃焼器１１０の一次燃焼ゾーン１１０ａで燃焼させ；３１４では燃焼生成物ストリーム１１２ａの酸素含有量を検出し；３１６では燃焼生成物ストリーム１１２ａが実質的に化学量論的になるまで、検出された酸素含有量を使用して酸素供給ストリーム１０４の流量を調節することを含む。一実施形態では、方法３００は、３１４で燃焼生成物ストリーム１１２ａの温度を検出し、３１６で検出された温度を使用して、燃焼の温度を調節するために一次希釈ストリーム１０２ａの流量を調節することを含む。一実施形態では、該方法は、３１８で燃焼生成物ストリーム１１２ａの一部分をオイル増進回収（ＥＯＲ）プロセスに向けることを含む。
【実施例】
【００４９】
いくつかの例示的なガスストリームの組成を、単一ガス生成田または異なるガス生成田での生産の異なる段階におけるガスストリームの例として、以下の表に示す。表１では、生産井の生産開始時点または生産開始時点に近い時点での特定のストリーム組成および流量を示す。
【表１】
0005580320.tif 000002
表１：立ち上げ時
【００５０】
表２は、ＣＯ2ブレークスルー（ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）後の生産井の特定のストリームの組成および流量を示す。
【表２】
0005580320.tif 000003
表２：ブレークスルー後
【００５１】
本発明はさまざまな変更形態および代替形態が可能であり、上記で論じた例示的な実施形態は、ほんの一例として示したものである。しかしながら、当然のことながら、本発明はここに開示された特定の実施形態に限定されることを意図していない。実際、本発明は、添付の特許請求範囲の真の精神および範囲内にある、すべての代替形態、変更形態、および均等形態を含む。
【図１Ａ】
0005580320.tif 000004
【図１Ｂ】
0005580320.tif 000005
【図１Ｃ】
0005580320.tif 000006
【図１Ｄ】
0005580320.tif 000007
【図１Ｅ】
0005580320.tif 000008
【図２】
0005580320.tif 000009
【図３】
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