(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンシステムであって、
再循環排気ガスだけを受け入れてこれを圧縮して圧縮された再循環排気ガスにするよう構成された第１の圧縮機を有し、
リッチエアだけを受け入れてこれを圧縮して圧縮酸化体を発生させるよう構成された第２の圧縮機を有し、
前記圧縮再循環排気ガス及び前記圧縮酸化体を別々に受け入れて燃料流を化学量論的に燃焼させるよう構成された燃焼チャンバを有し、前記圧縮再循環排気ガスは、燃焼温度を加減する希釈剤としての役目を果たし、
前記第１の圧縮機に結合され、前記燃焼チャンバからの放出物を受け入れて前記再循環排気ガスを発生させると共に前記第１の圧縮機を少なくとも部分的に駆動するよう構成された膨張機を有する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記リッチエアは、３０重量％〜５０重量％の酸素濃度を有する、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記リッチエアは、３０重量％〜５０重量％の酸素濃度が得られるよう周囲空気と混合される、
請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記リッチエアは、メンブレン分離、圧力スイング吸着、温度スイング吸着及びこれらの任意の組み合わせから得られる、
請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記リッチエアは、空気分離ユニットの廃棄流から得られる、
請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記廃棄流は、５０重量％〜７０重量％の酸素濃度を有する、
請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記再循環排気ガスは、１０重量％〜２０重量％のＣＯ2濃度を有する、
請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記燃料流は、天然ガス、メタン、ナフサ、ブタン、プロパン、合成ガス、ディーゼル、ケロシン、航空燃料、石炭由来燃料、生物燃料、酸素化炭化水素供給原料又はこれらの組み合わせから成る群から選択される、
請求項１記載のシステム。
【請求項９】
ＣＯ2流及び実質的に窒素ガスを含む残留流を発生させるよう前記圧縮再循環排気ガスから取られると共にＣＯ2分離器で処理されたパージ流を更に有する、
請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
動力を発生させる方法であって、
再循環排気ガスだけを主圧縮機で圧縮して圧縮再循環排気ガスを発生させるステップを有し、
リッチエアだけを入口圧縮機で圧縮して圧縮酸化体を発生させるステップを有し、
前記圧縮再循環排気ガスと前記圧縮酸化体を別々に燃焼チャンバに送るステップと、
前記圧縮酸化体及び燃料を燃焼チャンバ内で且つ前記圧縮再循環排気ガスの存在下で化学量論的に燃焼させ、それにより放出流を生じさせるステップを有し、前記圧縮再循環排気ガスは、前記放出流の温度を加減するようになった希釈剤として作用し、
前記放出流を膨張機で膨張させて前記主圧縮機を少なくとも部分的に駆動すると共に前記再循環排気ガスを発生させ、そして前記主圧縮機を少なくとも部分的に駆動するステップを有する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記リッチエアは、３０重量％〜５０重量％の酸素濃度を有する、
請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記リッチエアは、３０重量％〜５０重量％の酸素濃度が得られるよう周囲空気と混合される、
請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記再循環排ガスは、１０重量％〜２０重量％のＣＯ2濃度を有する、
請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記リッチエアは、空気分離ユニットの廃棄流から得られ、前記廃棄流は、５０重量％〜７０重量％の酸素濃度を有する、
請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
一体型システムであって、
ガスタービンシステムを有し、前記ガスタービンシステムは、
再循環排ガスを受け入れてこれを圧縮して圧縮された再循環排ガスにするよう構成された第１の圧縮機を有し、
リッチエアを受け入れてこれを圧縮して圧縮酸化体を発生させるよう構成された第２の圧縮機を有し、前記リッチエアは、３０重量％〜５０重量％の酸素濃度を有し、
前記圧縮再循環排ガス及び前記圧縮酸化体を別々に受け入れて燃料流を化学量論的に燃焼させるよう構成された燃焼チャンバを有し、前記圧縮再循環排ガスは、燃焼温度を加減する希釈剤としての役目を果たし、
前記第１の圧縮機に結合され、前記燃焼チャンバからの放出物を受け入れて前記再循環排ガスを発生させると共に前記第１の圧縮機を少なくとも部分的に駆動するよう構成された膨張機を有し、
排ガス再循環システムを有し、前記排ガス再循環システムは、
蒸気ガスタービンに連絡可能に結合された排熱回収蒸気発生器を有し、前記排熱回収蒸気発生器は、前記再循環排ガスを前記膨張機から受け入れて前記蒸気発生器内で動力を発生させる蒸気を生じさせるよう構成されており、
前記排熱回収蒸気発生器から受け取った前記再循環排ガスを冷却して前記再循環排ガスから凝縮水を除去するよう構成された１つ又は２つ以上の冷却ユニットを有し、
前記第１の圧縮機への注入前に前記再循環排ガスの温度を増大させて前記圧縮された再循環排ガスをもたらすよう構成されたブースト圧縮機を有する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項１６】
前記ブースト圧縮機は、前記再循環排ガス流の圧力を１７ｐｓｉａ〜２１ｐｓｉａの圧力まで増大させる、
請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記再循環排ガスは、１５重量％〜２０重量％のＣＯ2濃度を有する、
請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
前記リッチエアは、３０重量％〜５０重量％の酸素濃度が得られるよう周囲空気と混合される、
請求項１５記載のシステム。
【請求項１９】
前記リッチエアは、メンブレン分離、圧力スイング吸着、温度スイング吸着及びこれらの任意の組み合わせから得られる、
請求項１５記載のシステム。
【請求項２０】
前記空気分離ユニットは、５０重量％〜７０重量％の酸素濃度を有する廃棄流を有し、前記廃棄流は、実質的に前記リッチエアを提供する、
請求項１９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、コンバインドサイクル発電システムにおける低エミッション発電に関する。特に、本発明の実施形態は、二酸化炭素（ＣＯ2）製造及び捕捉を促進するよう燃料を燃焼させる方法及び装置に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、２０１０年７月２日に出願された米国特許出願第６１／３６１，１６９号（発明の名称：Systems and Methods for Controlling Combustion of a Fuel）、２０１０年７月２日に仮出願された米国特許仮出願第６１／３６１，１７０号（発明の名称：Low Emission Triple-Cycle Power Generation Systems and Methods）、２０１０年７月２日に仮出願された米国特許仮出願第６１／３６１，１７３号（発明の名称：Low Emission Triple-Cycle Power Generation Systems and Methods）、２０１０年７月２日に仮出願された米国特許仮出願第６１／３６１，１７８号（発明の名称：Stoichiometric Combustion of Enriched Air With Exhaust Gas Recirculation）及び２０１０年７月２日に仮出願された米国特許仮出願第６１／３６１，１８０号（発明の名称：Low Emission Power Generation Systems and Methods）に関連した発明内容を含む。
【背景技術】
【０００３】
本項は、本発明の例示の実施形態と関連している場合のある当該技術分野の種々の観点を紹介するものである。この説明は、本発明の特定の観点の良好な理解を容易にする技術内容の枠組みの提供を助けるものと考えられる。従って、本項は、このような見方で読まれるべきであり、必ずしも本項の記載内容が先行技術である旨の承認として読まれるべきではないことは理解されるべきである。
【０００４】
地球規模の天候の変化及びＣＯ2エミッションの影響に対する懸念が増大している状態で、発電所からのＣＯ2捕捉に重点が置かれている。多くの国におけるキャップ・アンド・トレード（cap-and-trade）政策の実施と組み合わさったこの懸念により、ＣＯ2エミッションの減少が、これらの国及び他の国並びに炭化水素を産出システムを稼働させている会社にとって優先事項となっている。
【０００５】
ガスタービンコンバインドサイクル発電プラントは、効率がかなり高く、他の技術、例えば石炭や核と比較すると、かかるガスタービンコンバインドサイクル発電プラントを比較的低コストで稼働させることができる。しかしながら、ガスタービンコンバインドサイクルプラントの排出物からＣＯ2を捕捉することは、幾つかの理由で困難な場合がある。例えば、処理されなければならない多量のガスと比較して、排出物中のＣＯ2の濃度は低いのが一般的である。また、排出物をＣＯ2捕捉システムに導入する前に追加の冷却が必要である場合が多く、排出物は、冷却後水で飽和状態になる場合があり、それによりＣＯ2捕捉システムにおける再沸器のデューティが増大する。他の通常の要因としては圧力が低いこと、排出物中に含まれる場合が多い酸素の量が多いことが挙げられる。これら要因の全ての結果として、ガスタービンコンバインドサイクル発電プラントからのＣＯ2捕捉のコストは高い。
【０００６】
コンバインドサイクルシステムにおいてＣＯ2エミッションを減少させる少なくとも１つの対策は、化学量論的燃焼及び排ガス再循環を含む。従来型排ガス再循環システム、例えば天然ガスコンバインドサイクル（ＮＧＣＣ）では、排ガスの再循環成分を周囲空気と混合させてガスタービンの圧縮機区分中に導入する。ＮＧＣＣの排ガス中の典型的なＣＯ2濃度は、約３％〜４％であるが、排ガス再循環により４％を超えて増大する場合がある。作用を説明すると、従来型ＮＧＣＣシステムは、燃料の適当な化学量論的燃焼を行うのに空気取り入れ量の約４０％を必要とするに過ぎず、空気量の残りの６０％は、温度を加減して排気物を次の膨張機への導入に適した温度まで冷却する希釈剤としての役目を果たす。排ガスの一部分を再循環させることにより、排ガス中のＣＯ2濃度が増大し、これを次に燃焼システムにおける希釈剤として用いることができる。
【０００７】
しかしながら、ＣＯ2の分子量、比熱、マッハ数効果等に起因して、圧縮機区分にも膨張機区分にもいずれにもそれほどの改造を行わないで、標準型ガスタービンは、排ガスからガスタービンの圧縮区分で許容できるＣＯ2の濃度に関して制限される。例えば、標準型ガスタービンの圧縮区分に再循環される排ガス中のＣＯ2含有量に関する制限は、約２０重量％ＣＯ2である。
【０００８】
さらに、典型的なＮＧＣＣシステムは、隔離又は石油・原油の回収増進（ＥＯＲ）のためにＣＯ2を抽出する目的で排ガスの膨張を介して生じる動力の何分の一かを必要とする低圧排ガスを生じさせ、それによりＮＧＣＣの熱的効率が減少する。さらに、ＣＯ2抽出のための機器は、大型であり且つ高価であり、周囲圧力ガスをＥＯＲ又は隔離に必要な圧力まで高めるのに幾つかの圧縮段が必要である。かかる欠点は、他の化石燃料、例えば石炭の燃焼と関連した低圧排ガスからの燃焼後炭素捕捉に特有である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
当該技術分野における要望についての上述の説明は、網羅的ではなく、代表的であるに過ぎない。１つ又は２つ以上のかかる要望又は当該技術分野における他の幾つかの関連の欠点に取り組む技術は、コンバインドサイクル発電システムにおける発電に利益をもたらす。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、発電システムを改良する一体型システム及び方法に関する。幾つかの具体化例では、本発明は、第１の圧縮機、第２の圧縮機、燃焼チャンバ及び膨張機を有するガスタービンシステムを提供する。第１の圧縮機は、再循環排気ガスを受け入れてこれを圧縮して圧縮された再循環排気ガスにするよう構成されているのが良い。第２の圧縮機は、リッチエアを受け入れてこれを圧縮して圧縮酸化体を発生させるよう構成されているのが良い。燃焼チャンバは、圧縮再循環排気ガス及び圧縮酸化体を受け入れて燃料流を化学量論的に燃焼させるよう構成されているのが良い。圧縮再循環排気ガスは、燃焼温度を加減する希釈剤としての役目を果たす。膨張機は、更に、圧縮チャンバからの放出物を受け入れて再循環排気ガスを発生させるよう構成されているのが良い。膨張機は、第１の圧縮機を少なくとも部分的に駆動するよう第１の圧縮機に結合されているのが良い。
【００１１】
追加的に又は代替的に、本発明は、動力を発生させる方法を提供する。例示の方法は、ａ）再循環排気ガスを主圧縮機で圧縮して圧縮された再循環排気ガスを発生させるステップを有し、ｂ）リッチエアを入口圧縮機で圧縮して圧縮された酸化体を発生させるステップを有し、ｃ）圧縮酸化体及び燃料を燃焼チャンバ内で且つ圧縮再循環排気ガスの存在下で化学量論的に燃焼させ、それにより放出流を生じさせるステップを有し、圧縮再循環排気ガスは、放出流の温度を加減するようになった希釈剤として作用し、ｄ）放出流を膨張機で膨張させて主圧縮機を少なくとも部分的に駆動すると共に再循環排気ガスを発生させ、そして主圧縮機を少なくとも部分的に駆動するステップを有する。
【００１２】
さらに追加的に又は代替的に、本発明は、一体型発電システムを提供する。例示の一体型発電システムは、ガスタービンシステムと排ガス再循環システムの両方を有する。ガスタービンシステムは、第１の圧縮機、第２の圧縮機、燃焼チャンバ及び膨張機を有するのが良い。第１の圧縮機は、再循環排ガスを受け入れてこれを圧縮して圧縮された再循環排ガスにするよう構成されているのが良い。第２の圧縮機は、リッチエアを受け入れてこれを圧縮して圧縮酸化体を発生させるよう構成されているのが良く、リッチエアは、約３０重量％〜約５０重量％の酸素濃度を有する。燃焼チャンバは、圧縮再循環排ガス及び圧縮酸化体を受け入れて燃料流を化学量論的に燃焼させるよう構成されているのが良く、圧縮再循環排ガスは、燃焼温度を加減する希釈剤としての役目を果たす。膨張機は、圧縮チャンバからの放出物を受け入れて再循環排気ガスを発生させるよう構成されているのが良い。膨張機は、更に、第１の圧縮機を少なくとも部分的に駆動するよう第１の圧縮機に結合されているのが良い。排ガス再循環システムは、排熱回収蒸気発生器、１つ又は２つ以上の冷却ユニット及びブースト圧縮機を有するのが良い。排熱回収蒸気発生器は、蒸気ガスタービンに連絡可能に結合されているのが良い。排熱回収蒸気発生器は、再循環排ガスを膨張機から受け入れて蒸気発生器内で動力を発生させる蒸気を生じさせるよう構成されているのが良い。１つ又は２つ以上の冷却ユニットは、排熱回収蒸気発生器から受け取った再循環排ガスを冷却して再循環排ガスから凝縮水を除去するよう構成されているのが良い。ブースト圧縮機は、第１の圧縮機への注入前に再循環排ガスの温度を増大させて圧縮された再循環排ガスをもたらすよう構成されているのが良い。
【００１３】
本発明の上述の利点及び他の利点は、実施形態の非限定的な例に関する以下の詳細な説明及び図面を参照すると、明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の１つ又は２つ以上の実施形態に従って低エミッション発電を行うと共にＣＯ2回収具合を高める例示の一体型システムを示す図である。
【図２】本発明の１つ又は２つ以上の実施形態に従って低エミッション発電を行うと共にＣＯ2回収具合を高める別の例示の一体型システムを示す図である。
【図３】本発明の１つ又は２つ以上の実施形態に従って低エミッション発電を行うと共にＣＯ2回収具合を高める別の例示の一体型システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明の項において、本発明の特定の実施形態を好ましい実施形態と関連して説明する。しかしながら、以下の説明が本発明の特定の実施形態又は特定の使用に特有である範囲まで、これは、例示目的にのみ行われ、例示の実施形態についての説明を提供するに過ぎない。したがって、本発明は、以下に説明する特定の実施形態には限定されず、それどころか、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれるあらゆる変形例、改造例及び均等例を含む。
【００１６】
本明細書において用いられる種々の用語について以下に定義する。特許請求の範囲の記載に用いられている用語が以下において定義されていない場合、関連分野における当業者が少なくとも１つの印刷された刊行物又は発行された特許に反映されているようにその用語には最も広い定義が与えられるべきである。
【００１７】
本明細書で用いられている「天然ガス」という用語は、原油田（随伴ガス）又は地下ガス貯留地層（非随伴ガス）から得られた他成分ガスを意味している。天然ガスの組成及び圧力は、千差万別であると言える。典型的な天然ガス流は、主要成分としてメタン（ＣＨ4）を含み、即ち、天然ガス流の５０ｍｏｌ％以上がメタンである。天然ガス流は、エタン（Ｃ2Ｈ6）、これよりも分子の高い炭化水素（例えば、Ｃ3〜Ｃ20炭化水素）、１種類又は２種類以上の酸性ガス（例えば、硫化水素、二酸化炭素）又はこれらの任意の組み合わせを更に含む場合がある。天然ガスは、微量の汚染要因物、例えば水、窒素、硫化鉄、蝋、原油又はこれらの任意の組み合わせを更に含む場合がある。
【００１８】
本明細書で用いられる「化学量論的燃焼」という用語は、燃料及び酸化剤を含む所与の量の反応体及び反応体の全体積が生成物を形成するために用いられる場合、反応体を燃焼させることによって生じる所与の量の生成物を有する燃焼反応を意味している。本明細書で用いられる「実質的に化学量論的燃焼」という表現は、燃焼用燃料と化学量論的比に必要な酸素の約±１０％又はより好ましくは化学量論的比に必要な酸素の約±５％の範囲の酸素のモル比を有する燃焼反応を意味している。例えば、メタンに関する燃料と酸素の化学量論比は、１：２（ＣＨ4＋２Ｏ2＞ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ）である。プロパンの燃料と酸素の化学量論比は、１：５であろう。実質的に化学量論的燃焼を測定する別のやり方は、供給される酸素と化学量論的燃焼に必要な酸素の比としてであり、例えば、約０．９：１から約１．１：１であり、より好ましくは約０．９５：１から約１．０５：１である。
【００１９】
本明細書で用いられる「流（流れ）」は、所与の量の流体を意味している。ただし、流という用語の使用は、移動中に所与の量の流体（例えば、速度又は質量流量を有する）を意味している。しかしながら、「流」という用語は速度、質量流量又は流を包囲する特定形式の導管を必要とするわけではない。
【００２０】
本明細書において開示されるシステム及びプロセスの実施形態は、超低エミッション発電を行うと共に石油・原油の回収増進（ＥＯＲ）又は隔離用途のためのＣＯ2を生じさせるために利用されるのが良い。本明細書において開示する実施形態によれば、空気と燃料の混合物を化学量論的に又は実質的に化学量論的に燃焼させて再循環排ガスの流れと混合するのが良い。一般に燃焼生成物、例えばＣＯ2を含む再循環排ガスの流れは、化学量論的燃焼及び次の膨張機に入る排ガスの温度を制御し又は違ったやり方で加減する希釈剤として使用可能である。リッチエアを用いた結果として、再循環排ガスは、増大したＣＯ2含有量を有することができ、それにより、膨張機は、入口温度及び吐き出し温度が同一であるとすると高い膨張比で動作することができ、それにより生じる動力が著しく増大する。
【００２１】
化学量論的条件又は実質的に化学量論的条件（例えば、「僅かにリッチ」の燃焼）における商用ガスタービンでの燃焼は、過剰酸素除去のコストをなくす上で有利であると言える。さらに、僅かにリーンの燃焼により、排出物流中の酸素含有量を一段と減少させることができる。排出物を冷却し、冷却された排出物流から水を凝縮して除去することによって、比較的高い含有量のＣＯ2排出物流を生じさせることができる。再循環排ガスの一部分を閉鎖ブレイトンサイクルにおいて温度加減のために利用することができるが、残りのパージ流をＥＯＲ用途に用いることができると共に／或いは硫黄酸化物（ＳＯX）、窒素酸化物（ＮＯX）及び／又は大気中に放出されるＣＯ2がほとんどなく又は全くない状態で動力を生じさせることができる。このプロセスの結果として、３つの別々のサイクルで動力が得られると共に追加のＣＯ2が製造される。
【００２２】
次に図を参照すると、図１は、１つ又は２つ以上の実施形態に従ってコンバインドサイクル構成を用いて発電及びＣＯ2回収を行う例示の一体型システム１００の略図である。少なくとも１つの実施形態では、発電システム１００は、動力を生じさせる閉鎖ブレイトンサイクルとして特徴付けられるガスタービンシステム１０２を有するのが良い。ガスタービンシステム１０２は、シャフト１０８を介して膨張機１０６に結合された第１の又は主圧縮機１０４を有するのが良く、それにより、膨張機１０６により生じた機械的エネルギーの一部分が主圧縮機１０４を駆動することができる。ガスタービンシステム１０２は、標準型ガスタービンであって良く、この場合、主圧縮機１０４及び膨張機１０６は、それぞれ、圧縮機側端部及び膨張機側端部を形成する。しかしながら、他の実施形態では、主圧縮機１０４及び膨張機１０６は、システム１０２内における個別化されたコンポーネントであっても良い。
【００２３】
ガスタービンシステム１０２は、ライン１１２を介して導入されてライン１１４内の圧縮酸化体と混合された燃料を燃焼させるよう構成された燃焼チャンバ１１０を更に有するのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ライン１１２内の燃料は、任意適当な炭化水素ガス又は液体、例えば天然ガス、メタン、エタン、ナフサ、ブタン、プロパン、合成ガス、ディーゼル、ケロシン、航空燃料、石炭由来燃料、生物燃料、酸素化炭化水素供給原料又はこれらの組み合わせを含むのが良い。ライン１１４内の圧縮酸化体は、燃焼チャンバ１１０に流体結合され、供給酸化体１２０を圧縮するようになった第２の又は入口圧縮機１１８から導かれるのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ライン１２０内の供給酸化体は、大気、リッチ（酸素に富む）エア又はこれらの組み合わせを含むのが良い。ライン１１４内の酸化体が大気及びリッチエアの混合物を含む場合、リッチエアは、大気との混合前か混合後かのいずれかに入口圧縮機１１８によって圧縮されるのが良い。リッチエアは、約３０重量％、約３５重量％、約４０重量％、約４５重量％又は約５０重量％の全体的酸素濃度を有するのが良い。
【００２４】
リッチエアは、幾つかの源から得られるのが良く、かかる源としては、リッチエアを生じさせるよう入口圧縮機１１８の上流側で種々の技術を実施することが挙げられる。例えば、リッチエアは、例えばメンブレン分離、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、窒素プラント副生物流及び／又はこれらの組み合わせのような分離技術から得られるのが良い。空気は又、圧力維持又は他の目的で窒素を生じさせる空気分離ユニット（ＡＳＵ）、例えば極低温ＡＳＵから得られても良い。ＡＳＵからの廃棄流（reject stream ）は、酸素に富んでいるのが良く、約５０重量％〜約７０重量％の全体的酸素含有量を有する。この廃棄流をリッチエアの少なくとも一部分として使用することができ、次に、必要ならば、未処理大気で希釈して用途に望ましい酸素濃度を得ることができる。
【００２５】
以下に詳細に説明するように、燃焼チャンバ１１０は、主としてＣＯ2及び窒素成分を有する排ガス循環流を含むライン１４４内の圧縮再循環排ガスも又受け入れるのが良い。ライン１４４内の圧縮再循環排ガスは、主圧縮機１０４から導かれるのが良く、かかる圧縮再循環排ガスは、燃焼生成物の温度を加減することによって、ライン１１４内の圧縮酸化体及びライン１１２内の燃料の化学量論的又は実質的に化学量論的燃焼を容易にするのに役立つようになっている。理解できるように、排ガスを再循環させることは、排ガス中のＣＯ2濃度を増大させるのに役立ち得る。
【００２６】
ライン１１６内の排ガスをライン１４４内の圧縮再循環排ガスの存在下においてライン１１２内の燃料及びライン１１４内の圧縮酸化体の燃焼生成物として発生させることができる。少なくとも１つの実施形態では、ライン１１２内の燃料は、主として天然ガスであるのが良く、それにより蒸発した水、ＣＯ2、窒素、窒素酸化物（ＮＯX）及び硫黄酸化物（ＳＯX）の体積部分を含むのが良い放出ガス又は排ガスがライン１１６内に生じる。幾つかの実施形態では、未燃焼燃料又は他の化合物の僅かな部分も又、燃焼平衡上の問題に起因してライン１１６内の排ガス中に存在する場合がある。ライン１１６内の排ガスが膨張機１０６中で膨張すると、それにより主圧縮機１０４、発電機又は他の設備を駆動するための機械的動力が生じると共に更にライン１４４内の圧縮再循環排ガスの流れ込みに起因して生じる増大したＣＯ2含有量を有するガス状排出物がライン１２２に生じる。幾つかの実施形態では、膨張機１０６は、他の目的に用いることができる追加の機械的動力をもたらすようになっているのが良い。
【００２７】
発電システム１００は、排ガス再循環（ＥＧＲ）システム１２４を更に有するのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ＥＧＲシステム１２４は、蒸気ガスタービン１２８に流体結合された排熱回収蒸気発生器（排熱回収ボイラ又は排熱回収熱交換器とも言う）（ＨＲＳＧ）１２６又はこれに類似した装置を有するのが良い。少なくとも１つの実施形態では、ＨＲＳＧ１２６と蒸気ガスタービン１２８の組み合わせは、動力を生じさせる閉鎖ランキンサイクルとして特徴付けることができる。ＨＲＳＧ１２６及び蒸気ガスタービン１２８は、ガスタービンシステム１０２と組み合わさった状態で、コンバインドサイクル発電プラント、例えば天然ガスコンバインドサイクル（ＮＧＣＣ）プラントの一部をなすことができる。ガス状排出物流１２２をＨＲＳＧ１２６に送るのが良く、その目的は、ライン１３０を介して蒸気を発生させると共にライン１３２内に冷却された排ガスを生じさせることにある。一実施形態では、ライン１３０内の蒸気を蒸気ガスタービン１２８に送って追加の電力を発生させるのが良い。
【００２８】
ライン１３２内の冷却排ガスを第１の冷却ユニット１３４に送るのが良く、第１の冷却ユニットは、ライン１３２内の冷却排ガスの温度を減少させて冷却再循環ガス流１４０を発生させるようになっている。第１の冷却ユニット１３４は、例えば、接触型冷却器、トリム冷却器、蒸発式冷却ユニット又はこれらの任意の組み合わせであって良い。第１の冷却ユニット１３４は又、水ドロップアウト流１３８を介してライン１３２内の冷却排ガスから凝縮水の一部分を除去するようになっているのが良い。少なくとも１つの実施形態では、ライン１４１を介してＨＲＳＧ１２６に送られるのが良く、それによりライン１３０内に追加の蒸気の発生のための水源が得られる。他の実施形態では、水ドロップアウト流１３８を介して回収された水は、他の下流側の用途、例えば補足的熱交換プロセスに用いることができる。
【００２９】
１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却再循環ガス流１４０は、冷却ユニット１３４に流体結合されたブースト圧縮機１４２に差し向けられるのが良い。ライン１３２内の冷却排ガスを冷却ユニット１３４で冷却することにより、ブースト圧縮機１４２内の冷却再循環ガス流１４０を圧縮するのに必要な動力を減少させることができる。従来型ファン又はブロワシステムとは対照的に、ブースト圧縮機１４２は、冷却再循環ガス流１４０の全体的密度を増大させ、それによりライン１４５内の加圧再循環ガスを下流側に差し向けるよう構成されているのが良く、この場合、ライン１４５内の加圧再循環ガスは、体積流量が同一の場合、増大した質量流量を有する。これは、主圧縮機１０４が体積流量に関して制限されているので有利であると言え、より多くの質量流量を主圧縮機１０４中に差し向けると、その結果として、高い吐き出し圧力が得られ、それにより、かかる高い吐き出し圧力は、膨張機１０６前後の高い圧力比に変わる。膨張機１０６の前後に生じる圧力比が高いと、入口温度を高くすることができ、従って膨張機１０６の出力及び効率を増大させることができる。理解できるように、これは、ライン１１６内のＣＯ2に富む排ガスが一般に高い比熱容量を維持しているので有利であると言える。
【００３０】
主圧縮機１０４の吸引圧力は、その吸引温度の関数なので、より低い吸引温度は、質量流量が同一出る場合に主圧縮機１０４を作動させるのに必要な動力が少ないであろう。したがって、ライン１４５内の加圧再循環ガスをオプションとして第２の冷却ユニット１３６に差し向けることができる。第２の冷却ユニット１３６は、例えば、接触型冷却器、トリム冷却器、蒸発式冷却ユニット又はこれらの任意の組み合わせであって良い。少なくとも１つの実施形態では、第２の冷却ユニット１３６は、ライン１４５内の加圧再循環ガスに対するブースト圧縮機１４２により生じた圧縮熱の少なくとも一部分を除去するようになった後置冷却器としての役目を果たすことができる。第２の冷却ユニット１３６は又、水ドロップアウト流１４３を経て追加の凝縮水を抽出することができる。１つ又は２つ以上の実施形態では、水ドロップアウト流１３８，１４３は、集まって流れ１４１になることができ、かかる流れは、ＨＲＳＧ１２６内にライン１３０を経て追加の流れを生じさせるようＨＲＳＧ１２６に送られても良く又は送られなくても良い。
【００３１】
第１及び第２の冷却ユニット１３４，１３６だけが図示されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の用途に合うよう任意個数の冷却ユニットを採用できることは理解されよう。事実、本発明では、ライン１３２内の冷却排ガスが排ガス再循環ループと関連していて、例えば全体として同日出願の米国特許出願（発明の名称：Stoichiometric Combustion with Exhaust Gas Recirculation and Direct Contact Cooler）に記載されている蒸発式冷却ユニットに更に差し向けられる実施形態が想定され、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容を本発明とは矛盾しない程度まで本明細書の一部とする。本明細書において説明するように、排ガス再循環システムは、排ガスを燃焼チャンバ中への注入のために主圧縮機に提供するようになった任意の種々の機器を含むのが良い。
【００３２】
主圧縮機１０４は、ライン１４５内の加圧再循環ガスを受け入れてこれを名目上、燃焼チャンバ１１０の圧力の状態にある又はこれよりも高い圧力まで圧縮するよう構成されているのが良い。理解できるように、ブースト圧縮機１４２での圧縮後における第２の冷却ユニット１３６におけるライン１４５内の加圧は再循環ガスを冷却することにより、主圧縮機１０４中への排ガスの体積質量流量を増大させることができる。その結果、これは、ライン１４５内の加圧再循環ガスを所定の圧力まで圧縮するのに必要な動力の大きさを減少させることができる。
【００３３】
少なくとも１つの実施形態では、パージ流１４６をライン１４４内の圧縮再循環排ガスから回収し、次にＣＯ2分離器１４８内で処理し、それによりライン１５０を介して高い圧力状態にあるＣＯ2を捕捉するのが良い。ライン１５０内の分離されたＣＯ2を販売のために利用することができ、ＣＯ2を必要とする別のプロセスに用いることができ且つ／或いは圧縮して石油・原油の回収増進（ＥＯＲ）、隔離又は別の目的のための陸上リザーバ中に注入することができる。排ガス再循環システム１２４の装置と組み合わされるライン１１２内の燃料の化学量論的又は実質的に化学量論的燃焼に鑑みて、パージ流１４６中のＣＯ2分圧を従来型ガスタービン排出物中のＣＯ2分圧よりも極めて高くすることができる。その結果、ＣＯ2分離器１４８における炭素捕捉は、低エネルギー分離プロセスであり、例えばエネルギーをそれほど用いない溶剤であるのが良い。少なくとも１つの溶剤は、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）であり、これは、ＳＯX及びＮＯXを吸収し、これらを有用な化合物、例えば硫化カリウム（Ｋ2ＳＯ3）、硝酸カリウム（ＫＮＯ3）及び単純な肥料に変換する。ＣＯ2捕捉のための炭酸カリウムを用いる例示のシステム及び方法は、同日出願の米国特許出願（発明の名称：Low Emission Triple-Cycle Power Generation Systems and Methods）に見受けられ、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容全体を本発明と矛盾しない程度まで本明細書の一部とする。
【００３４】
また、本質的にＣＯ2が減少し、主として窒素から成る残留流１５１をＣＯ2分離器１４８から導くのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、残留流１５１をガス膨張機１５２に導入して動力又は電力を発生させると共にライン１５６を介して膨張減圧状態のガス又は排ガスを生じさせるのが良い。膨張機１５２は、例えば、動力発生窒素膨張機であるのが良い。図示のように、ガス膨張機１５２は、オプションとして、共通シャフト１５４又は他の機械的、電気的若しくは他の動力結合手段を介して入口圧縮機１１８に結合されても良く、それにより、ガス膨張機１５２により生じた動力又は電力の一部分が入口圧縮機１１８を駆動することができる。しかしながら、システム２００の始動中及び／又は通常の作動中、ガス膨張機１５２が入口圧縮機１１８を作動させるのに所要の動力の全てを供給することができない場合、少なくとも１つのモータ１５８、例えば電気モータをガス膨張機１５２と相乗的に用いるのが良い。例えば、モータ１５８は、システム１００の通常の作動中、モータ１５８がガス膨張機１５２からの動力不足分を供給することができるよう適当なサイズのものであるのが良い。しかしながら、他の実施形態では、ガス膨張機１５２は、動力を他の用途に提供するために使用でき、化学量論的圧縮機１１８には直接的には結合されていない。例えば、膨張機１５２により生じる動力と圧縮機１１８の要件との間には実質的な不整合が存在する場合がある。かかる場合、膨張機１５２は、要求する動力が低い（又は高い）小型（又は大型）圧縮機（図示せず）を駆動するようになっているのが良い。
【００３５】
主として乾燥窒素ガスから成るライン１５６内の膨張減圧ガスをガス膨張機１５２から放出するのが良い。少なくとも１つの実施形態では、ガス膨張機１５２と入口圧縮機１１８とＣＯ2分離器の組み合わせは、開放ブレイトンサイクル又はシステム１００の第３の動力発生コンポーネントとして特徴付けることができる。残留流１５１中の窒素ガスを膨張させる例示のシステム及び方法並びにその変形例は、同日出願の米国特許出願（発明の名称：Low Emission Triple-Cycle Poser Generation Systems and Methods）に見受けられ、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容を本発明と矛盾しない程度まで本明細書の一部とする。
【００３６】
次に図２を参照すると、１つ又は２つ以上の実施形態に従ってコンバインドサイクル構成を用いた発電及びＣＯ2回収のための例示の一体型システム２００の別の略図が示されている。図２のシステム２００は、図１のシステム１００と実質的に同一であり、従って、これについては詳細には説明せず、同一の要素は、同一の参照符号に対応している。しかしながら、図２のシステム２００では、システム１００のガス膨張機１５２に代えて、残留流１５１を圧縮し、ライン１６０を経て圧縮排ガスを生じさせるよう構成された下流側圧縮機１５８が使用されるのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ライン１６０内の圧縮排ガスは、圧力維持用途のためのリザーバ内への注入に適している場合がある。メタンガスが一般に炭化水素ウェル中に再注入されてウェル圧力を維持する用途では、残留流１５１を圧縮することは、有利であると言える。例えば、これとは異なり、ライン１６０内の加圧窒素ガスを炭化水素ウェル中に注入し、残留メタンガスを販売し又は違ったやり方で関連用途における燃料として用いても良く、例えば、ライン１１２内で燃料を提供する。
【００３７】
図３を参照すると、１つ又は２つ以上の実施形態に従ってコンバインドサイクル構成を用いた発電及びＣＯ2回収のための例示の一体型システム３００の別の略図が示されている。図３のシステム３００は、図１及び図２のそれぞれのシステム１００，２００と実質的にほぼ同じであり、従って、システム３００については詳細には説明せず、同一の要素は、同一の参照符号に対応している。図示のように、システム３００は、図１を参照して説明したような動力発生窒素ガス膨張機１５２と図２を参照して説明した圧力維持下流側圧縮機１５８のハイブリッド構成として特徴付けることができる。１つ又は２つ以上の実施形態では、残留流１５１を分流するのが良く、それにより残留流１５１の第１の部分をガス膨張機１５２に差し向け、それと同時に残留流１５１の第２の部分をライン１６２経由で下流側圧縮機１５８に差し向ける。少なくとも１つの実施形態では、第１及び第２の部分のそれぞれの体積質量流量を操作すると、残留流１５１の所定の及び／又は所望の量をいずれかの場所に提供して動力発生を最大にすることができる。
【００３８】
ライン１１４内の圧縮酸化体としてリッチエアを用いてブースト圧縮機１４２内で排ガスを圧縮することにより、発電システム１００は、排ガス中のＣＯ2の高い濃度を達成することができ、それにより効果的なＣＯ2分離及び捕捉が可能になる。本明細書において開示する実施形態は、ライン１１６内の排ガス中のＣＯ2の濃度を約１０重量％から約２０重量％までの範囲のＣＯ2濃度に効果的に増大させることができる。かかるＣＯ2濃度を達成するため、燃焼チャンバ１１０は、ライン１１２内の燃料とライン１１４内の圧縮酸化体の流入混合物を化学量論的に又は実質的に化学量論的に燃焼するようになっているのが良く、この場合、ライン１１４内の圧縮酸化体は、約３０重量％、約３５重量％、約４０重量％、約４５重量％又は約５０重量％の全体的酸素濃度を有するリッチエアを含む。
【００３９】
膨張機１０６の入口温度及びコンポーネント冷却要件に適合するよう化学量論的燃焼の温度を加減するためにライン１４４内の圧縮再循環排ガスから導いたＣＯ2含有量が増大した排ガスの一部分を希釈剤として燃焼チャンバ１１０中に注入するのが良い。本発明の実施形態は、本質的に、ライン１１６内の排ガスから過剰酸素をなくすことができ、それと同時にそのＣＯ2濃度を約２０重量％まで増大させることができる。したがって、ライン１２２内のガス状排出物は、約３．０重量％以下の酸素、約１．０重量％以下の酸素、約０．１重量％以下の酸素又はそれどころか約０．００１重量％以下の酸素を有することができる。
【００４０】
ＣＯ2濃度を増大させた場合の少なくとも１つの利点は、膨張機１０６を入口温度及び吐き出し温度が同一である場合に高い膨張比で動作させることができ、それにより膨張機が増大した動力を発生させるということにある。これは、周囲空気中に見受けられる窒素に対してＣＯ2の熱容量が高いことに起因している。１つ又は２つ以上の実施形態では、膨張機１０６の膨張比を約１０重量％及び約２０重量％のＣＯ2再循環流に対応してそれぞれ約１７．０から約２０．０まで増大させることができる。約３５重量％酸素を有するリッチエアを用いた実施形態は、ＣＯ2再循環流中に約２０重量％を達成するために使用できる。
【００４１】
再循環ガス中のＣＯ2の濃度を増大させた場合の他の利点としては、ＣＯ2分離のために用いられる抽出パージ流１４６中のＣＯ2の濃度が増大することが挙げられる。パージ流１４６は、そのＣＯ2濃度の増大に鑑みて、ＣＯ2の所要の量を抽出するためには同じほど多量である必要がない。例えば、ＣＯ2分離のために抽出を取り扱う機器は、小型であって良く、かかる機器としては、その配管、熱交換器、弁、吸収器塔等が挙げられる。さらに、ＣＯ2の濃度の増大により、ＣＯ2除去技術の性能が向上する場合があり、かかる技術としては、エネルギーをそれほど用いない溶剤を採用した低エネルギー分離プロセスの使用が挙げられるが、これはその他の点においては使えない。その結果、ＣＯ2を捕捉する資本的支出を劇的に減少させることができる。
【００４２】
次に、システム１００の例示の作動の詳細について説明する。理解できるように、本明細書において開示する実施形態においての任意のものの種々のコンポーネントで達成され又は生じる特定の温度及び圧力は、多くの要因のうちでとりわけ、用いられる酸化体の純度及び膨張機、圧縮機、冷却器等の特定の製造メーカ及び／又はモデルに応じて変わる場合がある。したがって、本明細書において説明する特定のデータは、例示に過ぎず、本発明の唯一の解釈として認識されるべきでないことは理解されよう。一実施形態では、入口圧縮機１１８は、約２８０ｐｓｉａ〜約３００ｐｓｉａの圧力でライン１１４内に圧縮酸化体を提供する化学量論的圧縮機として構成されるのが良い。しかしながら、最高約７５０ｐｓｉａ以上の圧力を生じさせると共に消費することができる航空機転用形ガスタービン技術も又本発明に含まれる。
【００４３】
主圧縮機１０４は、再循環排ガスを再循環させると共にこれを圧縮して名目上、燃焼チャンバ１１０の圧力よりも高い圧力又は燃焼チャンバ１１０の圧力の状態のライン１４４内の圧縮再循環排ガスにし、この再循環排ガスの一部分を燃焼チャンバ１１０内における希釈剤として用いるよう構成されているのが良い。燃焼チャンバ１１０内で必要な希釈剤の量は、膨張機１０６の化学量論的燃焼又は特定のモデル若しくは設計に用いられる酸化体の純度に依存する場合があるので、リング状に配置された熱電対及び／又は酸素センサ（図示せず）を燃焼チャンバ及び／又は膨張機と関連して配置するのが良い。作用を説明すると、熱電対及びセンサは、燃焼生成物を所要の膨張機入口温度まで冷却する希釈剤としての排ガスの所要量を求める際に使用できるよう１つ又は２つ以上の流れの組成及び／又は温度を測定するようになっているのが良い。熱電対により検出された熱要件及び酸素センサにより検出された酸素レベルに応答して、需要にマッチするようライン１４４内の圧縮再循環ガス及び／又はライン１１４内の圧縮酸化体の体積質量流量を操作し又は制御することができる。燃料を燃焼させることによって生じる排ガスの組成を制御するシステム及び方法の例示の実施形態及び詳細な説明は、同日出願の米国特許出願（発明の名称：Systems and methods for Controlling Combustion of a Fuel）に見受けられ、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容全体を本発明と矛盾しない程度まで本明細書の一部とする。
【００４４】
少なくとも１つの実施形態では、化学量論的又は実質的に化学量論的燃焼中、約１２〜１３ｐｓｉａの圧力降下が燃焼チャンバ１１０の前後に生じる場合がある。ライン１１２内の燃料及びライン１１４内の圧縮酸化体の燃焼により、約２０００°Ｆ（１０９３℃）〜約３０００°Ｆ（１６４９℃）の温度及び２５０ｐｓｉａ〜約３００ｐｓｉａの圧力を生じさせることができる。上述したように、ライン１４４内の圧縮再循環ガスから導き出されたＣＯ2に富む排ガスの質量流量の増大及び比熱容量の増大に鑑みて、膨張機１０６前後に高い圧力比を達成することができ、それにより入口温度を高くすると共に膨張機１０６の出力を増大させることができる。
【００４５】
膨張機１０６から出るガス状排出物流１２２は、周囲圧力又は周囲圧力に近い圧力を示すことができる。少なくとも１つの実施形態では、ガス状排出物流１２２は、約１３〜１７ｐｓｉａの圧力を有するのが良い。ガス状排出物流１２２の温度は、約１２２５°Ｆ（６６３℃）から約１２７５°Ｆ（６９１℃）までの範囲にあり、その後このガス状排出物流は、ＨＲＳＧ１２６を通過し、それによりライン１３０内に蒸気を発生させると共にライン１３２内に冷却された排ガスを発生させる。１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却ユニット１３４は、ライン１３２内の冷却された排ガスの温度を減少させることができ、それにより温度が約３２°Ｆ（０℃）〜約１２０°Ｆ（４８．９℃）の冷却再循環ガス流１４０が生じる。理解できるように、かかる温度は、主として地球上の特定の場所における特定の季節の際の湿球温度に応じて変動する場合がある。
【００４６】
１つ又は２つ以上の実施形態によれば、ブースト圧縮機１４２は、冷却再循環ガス流１４０の圧力を約１７ｐｓｉａから約２１ｐｓｉａまでの範囲の圧力に高めるよう構成されているのが良い。その結果、主圧縮機１０４は、最終的には、密度が高く且つ質量流量が多い再循環排気物を受け入れてこれを圧縮し、それにより圧縮比を同一又はほぼ同じに維持しながら実質的に高い吐き出し圧力を可能にする。再循環排ガスの密度及び質量流量を一段と高めるためには、ブースト圧縮機１４２から吐き出されたライン１４５内の加圧再循環ガスを次に第２の冷却ユニット１３６で更に冷却するのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、第２の冷却ユニット１３６は、ライン１４５内の加圧再循環ガスの温度を主圧縮機１０４に差し向ける前に約１０５°Ｆ（４０．６℃）まで減少させるよう構成されているのが良い。
【００４７】
少なくとも１つの実施形態では、主圧縮機１０４から吐き出されたライン１４４内の圧縮再循環ガス及びその結果としてのパージ流１４６の温度は、圧力が約２８０ｐｓｉａの状態で約８００°Ｆ（４２７℃）であるのが良い。ブースト圧縮機１４２の追加及びリッチエアの化学量論的燃焼により、パージ流ライン１４６内のＣＯ2パージ圧力を増大させることができ、それにより、高いＣＯ2分圧に起因してＣＯ2分離器１４８の溶剤処理性能を向上させることができる。
【００４８】
本発明の実施形態を以下のシミュレートした実施例により更に説明することができる。シミュレートした実施例は、特定の実施形態に関するが、これら実施例は、本発明を何ら特定の観点によって制限するものとみなされてはならない。
【００４９】
ライン１１４内の圧縮酸化体としてリッチエアを用いた場合の優れた性能を説明するために、同一の周囲条件下においてガスタービンシステム１０２が同一である場合に標準型空気を用い、次に約３５重量％の酸素濃度を有するリッチエアを用いてシステム１００をシミュレートした。以下の表は、これら試験結果及び性能の評価を提供している。
表１
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【００５０】
表１から明らかであるはずのこととして、ライン１１４内の圧縮酸化体としてのリッチエアを含む実施形態の実施の結果として、膨張圧力比の増大及び膨張機１０６を通る質量流量の増大に起因して膨張機１０６の出力が増大する。さらに、主圧縮機１０４は、部分的に空気からＮ2成分の一部分の除去に起因して動力需要の僅かな増大を生じる場合があり、この増大は、入口圧縮機１１８内における空気圧縮動力の減少によって埋め合わされる以上のものがあり、その結果、必要な全圧縮動力が全体として減少する。理解できるように、酸素量が同一である場合に空気流の減少に鑑みて、入口圧縮機１１８は、所要の圧縮機動力の相当な減少を示すことができる。重要なこととして、表１は、コンバインドサイクル効率の約１．０％のアップリフトを反映したコンバインドサイクル電力出力の大幅な増大を示している。
【００５１】
本発明の技術には種々の改造及び変形形態が可能であるが、上述の例示の実施形態は、例示として示されているに過ぎない。再度確認的に理解されるべきこととして、本発明は、本明細書において開示された特定の実施形態に限定されるわけではない。もっとはっきりと言えば、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲に含まれる全ての改造例、均等例及び変形例を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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