(57)【要約】【課題】極低温空気分離プラントを必要とせずに燃料の燃焼用に酸素を提供する。【解決手段】本願発明は、イオン輸送膜（ＩＴＭ）ユニットを利用する電力生成のためのシステムおよび方法に関する。空気ストリームおよび燃料ストリームがＩＴＭユニットを通過することができ、それによって燃料が少なくとも部分的に酸化または燃焼して、二酸化炭素を含有する出口ストリームを形成する。二酸化炭素ストリームを、圧縮および膨張することで電力生成することが可能となる。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力生成のためのシステムであって：
再循環二酸化炭素を含む作動流を膨張させてタービン排気ガスストリームを生成しかつ電力を生成するように構成された電力生成タービンと；
酸素含有ストリームを提供するように構成される酸素含有ストリーム源と；
燃料を前記タービン排気ガスストリームに入力するように構成される燃料源と；
前記入力燃料を有する前記タービン排気ガスストリームを受けるように構成され、かつ前記酸素含有ストリームを受けるように構成されるイオン輸送膜システム（ＩＴＭ）であって、前記ＩＴＭは、酸素を前記酸素含有ストリームから前記タービン排気ガスストリームに拡散するのに効果的であり、前記入力燃料とともに、前記入力燃料の少なくとも一部を少なくとも部分的に燃焼させ、かつ加熱二酸化炭素含有ストリームを提供する、ＩＴＭと、および
前記二酸化炭素含有ストリームからの熱を前記再循環二酸化炭素を含む前記作動流へ伝達させるように構成される復熱式熱交換器と、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記復熱式熱交換器からの前記二酸化炭素含有ストリームを受け、かつ実質的に純粋な二酸化炭素ストリームを出力するように構成される、分離器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記実質的に純粋な二酸化炭素の少なくとも一部を圧縮するように構成され、かつ前記再循環二酸化炭素を提供するように構成される、少なくとも１つの圧縮器を更に備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記二酸化炭素含有ストリームからの熱に加えて前記再循環二酸化炭素を含む前記作動流へ熱を付加するように構成される少なくとも１つの追加の熱源をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＩＴＭから上流の前記酸素含有ストリームを加熱するように構成される酸素含有ストリーム予熱器と、および前記ＩＴＭから上流の前記タービン排気ストリームを加熱するように構成されるタービン排気ガスストリーム予熱器の一方または両方をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記酸素含有ストリーム源は空気である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記酸素含有ストリーム源がガスタービンからの排気ガスストリームである、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記電量生成タービンが直列の少なくとも２つのタービンを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記システムが少なくとも第１のＩＴＭおよび第２のＩＴＭを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ＩＴＭが、チューブ形状の拡散膜を備え、前記拡散膜が前記酸素含有ストリームと接触するように構成される外側表面と、および前記入力燃料と前記タービン排気ガスストリームを接触させるように構成される内側表面を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
チューブ形状の前記拡散膜が、開放された上流端とおよび閉鎖された下流端を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ＩＴＭが、チューブ形状の前記拡散膜の内部に位置する内側金属チューブを備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ＩＴＭはチューブ形状の外側金属チューブを備え、かつ前記外側金属チューブがチューブ形状の前記拡散膜を取り囲みかつ同心にある、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ＩＴＭが外側圧力容器を備える、請求項１０に記載の電力生成システム。
【請求項１５】
電力生成のための方法であって、前記方法が：
電力生成タービン内部の再循環二酸化炭素を含有する作動流を膨張させてタービン排気ガスストリームを生成し、電力を生成する工程と；
酸素含有ストリーム源から酸素含有ストリームを提供する工程と；
燃料源からの燃料を前記タービン排気ガスストリームに入力して、混合タービン排気ガス／燃料ストリームを形成する工程と；
イオン輸送膜システム（ＩＴＭ）に、前記酸素含有ストリームおよび前記混合タービン排気ガス／燃料ストリームを通過させる工程であって、前記ＩＴＭは、前記酸素含有ストリームからの酸素を、前記混合タービン排気ガス／燃料ストリームに効果的に拡散させて、前記混合タービン排気ガス／燃料ストリームの内部の前記燃料の少なくとも一部を少なくとも部分的に燃焼させ、かつ加熱二酸化炭素含有ストリームを提供する、工程と；および
前記電力生成タービン内部の前記再循環二酸化炭素を含む前記作動流を膨張させる工程の前に、前記加熱二酸化炭素含有ストリームからの熱を用いて、復熱式熱交換器の内部の前記再循環二酸化炭素を含む前記作動流を加熱する工程
を含む方法。
【請求項１６】
前記二酸化炭素含有ストリームを精製して実質的に純粋な二酸化炭素ストリームを提供する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの圧縮器の内部で実質的に純粋な二酸化炭素の少なくとも一部を圧縮して、前記再循環二酸化炭素を形成する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記再循環二酸化炭素の少なくとも一部が超臨界状態にある、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
再循環二酸化炭素を含む前記作動流が、約２００バール以上の圧力を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記加熱二酸化炭素含有ストリーム以外に由来する熱源からの付加熱を用いて、前記再循環二酸化炭素を含む前記作動流を加熱する工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
酸素含有ストリーム、および前記ＩＴＭから上流の前記タービン排気ガスストリームの一方または両方を加熱する工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記酸素含有ストリーム源が空気である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記酸素含有ストリーム源は、ガスタービンからの排気ガスストリームである、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記電力生成タービンは、直列の少なくとも２つのタービンを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記システムは、少なくとも第１のＩＴＭおよび第２のＩＴＭを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記ＩＴＭは、チューブ形状の拡散膜を備え、前記拡散膜は、前記酸素含有ストリームと接触するように構成される外側表面と、前記入力燃料と前記タービン排気ガスストリームを接触させるように構成される内側表面を備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
チューブ形状の前記拡散膜は、開放された上流端と、および閉鎖された下流端を有する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ＩＴＭは、チューブ形状の前記拡散膜の内部に位置する内側金属チューブを備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記ＩＴＭは、チューブ形状の前記拡散膜を囲み、かつ同心の外側金属チューブを備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記ＩＴＭは、外側圧力容器を備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記タービン排気ガスストリームは、約８０バール以下の圧力を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項３２】
前記酸素含有ストリームは１０バールを超えない圧力を有する、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力生成のためのシステムおよび方法に関する。具体的には、酸素イオン輸送膜を介する酸素の拡散によって、燃料燃焼に使用する酸素が少なくとも部分的に提供される電力生成を実行できる。
【背景技術】
【０００２】
作動流として二酸化炭素を用いることにより炭素系燃料または炭化水素系燃料の燃焼に利用する電力生成のためのシステムおよび方法が、米国特許第８，５９６，０７５号（Ａｌｌａｍ等）に記載される。この文献は、参照として本願明細書に組込まれる。そのようなシステムおよび方法では、作動流として二酸化炭素を用いる高圧復熱式ブライトンシステムを利用しており、ここでは実質的に純粋な酸素を高圧（例えば約２００バール〜４００バール）、高温（例えば約６００℃〜約１６００℃）で燃料の燃焼のために用いる。いくつかの実施例において、燃料は天然ガス（例えば、メタンを主成分とする炭化水素の混合ガス）、および／または、石炭、バイオマスおよび／または残留石油の精製製品、例えば重質残油画分または石油コークス等を部分酸化したものに由来する燃料であってもよい。そのような圧力・温度下での燃焼生成物ストリームは、約２０バール〜約４０バールの出口圧力でタービンを横切って膨張する。その後、膨張ストリームは（復熱式熱交換器等を用いて）冷却され、水または他の不純物を取り除くように処理されて、実質的に純粋な二酸化炭素ストリームを提供する。これは、燃焼器へ再循環される前に圧縮されかつ（復熱式熱交換器内部のタービン出口ストリームに対して）予熱されてもよい。任意に、二酸化炭素の全部または一部を、例えば米国特許公報第８，８６９，８８９号（Ｐａｌｍｅｒ等）に記載されるようなオイルの増進回収等、隔離用および／または二次利用のために取り除いてもよい。この文献の内容は参照によって本願明細書に組込まれる。そのような電力サイクルは、実質的に生成される二酸化炭素を捕捉することによって高効率な電力生成を提供することができる。例えば、天然ガスを燃焼させるそのような電力生成サイクルで３００バールの圧力、１１５０℃の温度のタービン入口ストリームを提供し、かつ３０バールの圧力のタービン出口ストリームを提供することにより、完全な炭素の捕捉をした状態で約５９％の正味効率（より低い発熱量を基準とする）を示すことができる。一部には約４００℃未満の温度の第２の熱入力を導入することにより、本システムで使用される、高圧と低圧における低温度の二酸化炭素の比熱間の大きな差を相殺し、この高効率性が達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そのような電力サイクルに関し鍵となる条件は、大容量の実質的に純粋な、高圧化された気体状態の酸素である。上記条件下で３００ＭＷの電力生成プラントを稼働させるには、極低温の空気分離プラントから生成される９９．５％純度の酸素を３０バールの最低圧で１日当たり約３５００メトリックトン（ＭＴ／Ｄ）一般に必要とする。酸素プラントを設けると、上記の電力生成システムの稼働に係る資本コストが非常に増加し、また、電力生成サイクルを稼働している期間中は大容量の電力を消費する。上記の如くそのようなシステムおよび方法は、燃焼生成物ストリームから再補足されない熱付加をすることによって効率増を提供してきた。いくつかの実施形態では、付加熱は、極低温酸素生成プロセス中の入口空気ストリームの圧を増加させる圧縮器によって生成される断熱、また、二酸化炭素再循環圧縮の少なくとも一部に由来する熱に由来してもよい。しかしながら、それでもなお、実質的に完全な炭素捕捉を伴う高効率性を達成し得、さらに資本の支出および稼働コストを低減して実行可能な電力生成サイクルを要する課題が当該技術分野には残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、極低温空気分離プラントを必要とすることなく、酸素によって燃料燃焼を提供できる電力生成のためのシステムおよび方法に関する。１つまたは複数の実施形態において、酸素はイオン輸送を介して空気ストリーム（または他の相対的に低酸素濃度のストリーム）に由来することができる。例えば、約７５０℃より高温で稼働するペロブスカイトまたはブラウンミレライト結晶構造を有する特定の混合酸素セラミック部材は、高酸素活性係数領域から低酸素活性係数領域へ酸素を拡散する能力を有する。混合酸素セラミック部材は、酸素イオンが通常存在するであろう結晶格子内に空格子点があるように選択することができる。これは、例えば、一価、二価、または三価の金属酸化物を混合することにより、結晶構造の安定性が維持される結晶格子の分散性を達成することができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明のシステムおよび方法によれば、高効率なオキシ燃料燃焼のために必要と考えられてきた１つまたは複数の装置の必要性を削減することが可能である。例えば、高純度酸素を提供するための極低温空気分離ユニット、および／または電力生成に関する膨張の前の圧縮された作動流を加熱するための高圧オキシ燃料燃焼器等である。そのような装置の削減によって、装置コストおよび稼働コストの両方を削減する有意性を提供することが可能である。本発明の電力サイクルは、非常に低温で電力生成タービンを稼働できるため、タービンブレードおよび内部タービンケーシング内部の内部二酸化炭素冷却ストリームを削減可能にし、それによってタービンの効率性を上げ、かつ資本コストの削減をすることができる。
【０００６】
１つまたは複数の実施形態において、本システムおよび方法は、燃料ガスをタービン排出圧でシステムに導入することにより、高圧燃料ガス圧縮器の必要性を排することができる。例えば、約３０バールの圧力で天然ガスパイプラインから直接天然ガス燃料を提供することができる。
【０００７】
また、更なる実施形態において、本システムおよび方法は、燃焼器内部の断熱フレーム温度を制御するために、供給される酸素の分離希釈の必要性を排することができる。例えば、既知のシステムでは酸素ストリームと二酸化炭素を混合することができ、これには別個の二酸化炭素と酸素の圧縮トレインおよび復熱式熱交換器の内部の別個のストリームを必要とすることがある。しかし本発明の実施形態によれば、二酸化炭素と酸素の圧縮トレインは必要ない。
【０００８】
例示的な実施形態において、燃料燃焼は、低圧空気から、二酸化炭素タービン排気ガスストリーム等の希釈剤と任意に混合された燃焼ストリームを流す燃焼空間へ酸素移動することにより達成することができる。必要に応じて付加熱の入力を提供するのに好適な１つまたは複数の装置を備えることができる。例えば、タービン排気ガスの熱量および温度を利用して低温の熱入力を提供するのにガスタービンを用いることができる。ガスタービン入口ストリームの温度制限が原因となって、広範囲の温度冷却および保護コーティング技術が利用されたとしても、ガスタービンの排気には、約１２％〜約１５％モーラの酸素濃度が一般に含まれているだろう。そのため、大気圧に近い加熱空気ストリームを使用する代わりに、またはそれに加えて、高温ガスタービン排気ガスを、酸素イオン輸送膜（ＩＴＭ）へ、酸素含有低圧、高温を供給するのに使用することができる。ＩＴＭ燃焼器を出る高温酸素枯渇ガスの排気を、必要に応じて低温熱入力に提供するように利用してもよい。
【０００９】
二酸化炭素タービン排気ガスを加熱するＩＴＭ加熱器の使用は、タービン排気ガスが復熱式熱交換器の高温端に入る前に、タービン排気ガスの温度を上昇させるのに役立つ。高圧タービン入口ストリームは、復熱式熱交換器の高温端を出ることができ、またそれ以上加熱されることなくタービンに入ることができる。タービン入口最高温度は、熱交換器の設計部品の構成、設計費用、および法的規制要件に基づいて、復熱式熱交換器に関し許容し得る最高温度によって規定される。約２００バールから約４００バールの高い稼働圧に基づき、かつ現在利用可能な最高温度の合金を用いてＨＥＡＴＲＩＣ拡散接合小型高圧熱交換器等の現在の最良設計を用いることにより、約７５０℃〜約８５０℃のタービン入口温度が現在可能であり、かつより高温の合金を用いることによって、さらにより高温を達成することができると予想される。
【００１０】
１つまたは複数の実施形態において、電力生成サイクルの効率は、復熱式熱交換器の設計制限によって課される温度制限においてサイクルを稼働させることによって最大化することができる。例えば、タービンの入口温度に関する約７５０℃〜約８５０℃の稼働温度範囲は、現在のところブレードまたは内部ケーシング（ただし、内部に適用される保護コーティングを施すことがあり得る）の内部冷却をすることなく高圧タービン稼働用の上限であり得る。約１１００℃〜１２００℃の一般的な上限範囲から約７５０℃〜８５０℃の下限範囲までのタービン入口温度を減じることにより、固定されたタービン入口フローの電力出力が著しく低下する。驚くべきことに、これによって本発明による電力生成サイクルの全体的な熱効率の対応する大幅な低下をもたらすことはない。そのような熱効率は、現在の部品設計の制限および最適化された性能に基づき、約５２％〜約５４％（ＬＨＶ基準）の範囲内に存在することができる。本明細書で記載されるような条件下でシステムを稼働させることにより、燃料ガス燃焼に由来する二酸化炭素の１００％近くを捕捉する能力を保持することができる。ガスタービンの統合によって、電力生成サイクルに電力を供給するため、ＩＴＭ燃焼器に入る燃料ガスから１００％二酸化炭素の捕捉を可能とする。ガスタービン燃料入口からの二酸化炭素は、通常大気中に放出されるだろう。これにより、本システムと任意に統合される最大サイズのガスタービン用の全体的な二酸化炭素捕捉量が約６０％〜約７０％の範囲に減少する。
【００１１】
いくつかの実施形態において、本システムおよび方法は、電力生成のための最大達成可能効率を提供する第２のＩＴＭ加熱器を有する中間加熱工程を利用して、２ステージタービンシステムを提供することができる。電力生成に使用されるタービンは、中間圧力で排出する第１タービンを有する２ステージユニットであってもよい。次に、第２ステージタービンで最終タービンの排出圧まで膨張する前に、ＩＴＭ燃料ガス燃焼器を用いて、排気ガスストリームを高温まで再加熱することができる。
【００１２】
１つまたは複数の実施形態において、高温セラミック酸素イオン輸送膜は、酸素を、酸素含有ストリーム（好ましくは、加熱ストリームおよび好ましくは低圧ストリーム）から燃料構成要素（例えば、メタン、水素、一酸化炭素、高分子量炭化水素、およびこれらの混合物）および任意に二酸化炭素（このストリームは過熱されてもよくかつ高圧であってもよい）を含むストリームへ移動させるのに用いることができる。その結果移動した酸素は燃料を酸化して熱を生成し、かつ二酸化炭素と水の生成物を生成する。放出された熱は二酸化炭素と燃焼生成物の温度を上昇させる。必要に応じて、ＩＴＭは１つまたは複数の燃料成分を部分的にのみ燃焼または酸化するように構成されていてもよい。例えば、炭素質燃料は、部分的に燃焼または酸化され、部分酸化生成物として少なくとも一酸化炭素を形成してもよい。
【００１３】
１つまたは複数の実施形態において、二酸化炭素ストリームは第１または第２タービンのいずれかに由来するタービン出口ストリームであってもよく、拡散される酸素を含む燃料含有成分の燃焼により、ＩＴＭユニット内を加熱させた後、復熱式熱交換器に入る戻りストリームとなる。
【００１４】
１つまたは複数の実施形態において、加熱された第１の二酸化炭素ストリームは間接熱伝達で第２の高圧二酸化炭素ストリームへ通過し、それによって第２の二酸化炭素ストリームの温度を上昇させることができる。
【００１５】
１つまたは複数の実施形態において、第２の二酸化炭素ストリームは第１の電力生成タービンに送ることができる。
【００１６】
１つまたは複数の実施形態において、第１のまたは第２の電力生成タービン排出ストリームは、システムの最低圧力で、第１の二酸化炭素ストリームを全体的にまたは部分的に提供するのに使用される。
【００１７】
いくつかの実施形態において、電力生成のためのシステムおよび方法は、純粋な酸素ストリームの存在下で燃料を燃焼させ、電力サイクル内の循環作動流へ熱を提供するように構成することができる。そのようなシステムおよび方法は、以下の１つまたは複数の記載によって特徴付けられ、任意の順序または数で組み合わせることが可能である。
【００１８】
酸素は、酸素イオン輸送膜システムを横切る拡散によって提供することができる。
【００１９】
酸素は、予熱した空気ストリームから拡散することができる。
【００２０】
酸素は、電力サイクル内の作動流の予熱ストリームに拡散することができ、作動流は、純粋酸素と反応して酸化することができる成分を含有して、燃焼熱を放出する。
【００２１】
ＩＴＭユニットに入る前に供給空気ストリームおよび供給作動流の両方を予熱するための手段を備えることができる。
【００２２】
タービン電力発電ユニットを使用して電力サイクル内で循環作動流から電力を生成するための手段を備えることができる。
【００２３】
循環作動流は、二酸化炭素であってもよい。
【００２４】
作動流として二酸化炭素を使用する電力サイクルは、タービン排気ガスストリームと混合された気体の燃料ガスを、実質的な純粋酸素を用いて燃焼させることを特に包含して実行でき、実質的な純粋酸素は、タービン排気ガスをより高温まで予熱するため酸素イオン輸送膜システムを介して拡散する。
【００２５】
タービン入口フローを加熱しつつ、加熱タービン排気ガスを冷却するように、復熱式熱交換器を使用することができる。
【００２６】
二酸化炭素作動流は大気温度近くまで冷却可能であり、かつ凝縮水を分離できる。
【００２７】
冷却された浄化タービン排気ガスストリームをタービン排出圧からタービン入口圧へ再循環させる圧縮システムを用いることができる。
【００２８】
正味の二酸化炭素生成物ストリームは、燃料ガスストリームに存在する炭素の酸化に由来しており、かつ圧縮器の入口圧力と出口圧力の間の任意の圧力で引き出すことができる。
【００２９】
冷却タービン排気ガスストリームから熱が提供されるのに加えて、再循環圧縮二酸化炭素ストリームへ付加熱を入力するために、追加の熱源を備えることができる。
【００３０】
タービン入口圧力は、約２００バール〜約４００バールであり得る。
【００３１】
タービン出口圧力は、約２０バール〜約４０バールであり得る。
【００３２】
酸素イオン輸送膜への酸素含有供給ストリームは空気であり得る。
【００３３】
酸素イオン輸送膜への酸素含有供給ストリームはガスタービン排気ガス流であり得る。
【００３４】
酸素含有供給ストリームの圧力は１．４バール以下であり得る。
【００３５】
タービンは、２ステージユニットであってもよく、第１ステージタービンからの排出ストリームが第１の酸素イオン輸送膜燃焼器で加熱されて、第２ステージタービンへの入口となり、かつ第２ステージタービンの排出ガスが第２の酸素イオン輸送膜燃焼ユニットで加熱されて復熱式熱変換器の高温端に入る入口タービン排出ガスストリームとなる。
【００３６】
第２ステージタービンの入口圧は約７０バール〜約１２０バールの範囲内にあり得る。
【００３７】
大気温度に近いタービン排気ガスの一部は、復熱式熱交換器内で再利用されかつ第１のまたは単一のタービン入口温度まで加熱されてもよく、その後、タービン排気ガスに付加されてその温度を上昇させ、かつ酸素含有ストリームおよびタービン排気ガスストリームの両方に関するＩＴＭ燃焼器の入口温度を変動させることができる。
【００３８】
酸素イオン輸送膜の形状は、チューブの外側に低圧酸素含有ガスを有しかつチューブの内側にタービン排気ガスと燃料ガスストリームを有する、円形の断面形状のチューブの形状とすることができる。
【００３９】
ＩＴＭチューブは、下流端部で閉鎖していてもよく、かつ加熱タービン排気ガス生成物がそれを通って除去される内側チューブを備えていてもよい。
【００４０】
酸素含有ストリームは、ＩＴＭチューブと同心に配置されかつＩＴＭチューブを囲うように配置されるチューブの内部を流れることができる。
【００４１】
３つの同心チューブは、圧力容器の内部に収容される３つのチューブシートのうち１つに封止された状態で互いに垂直に配置され、当該圧力容器は、加熱タービン排気ガスストリームを有する空間を画定する上部チューブシートと、入口タービン排気ガスストリームを有する空間を画定する中間チューブシートと、および酸素含有入口ストリームを有する空間を画定する下部チューブシートを備える。
【００４２】
外側の同心酸素含有チューブは開放端としてもよく、それによって枯渇酸素含有ストリームが圧力容器内に排出されかつ上方に通過して下部チューブシートの下方で除去される。
【００４３】
いくつかの実施形態において、電力生成のためのシステムは：再循環二酸化炭素を含む作動流を膨張させてタービン排気ガスストリームを生成し、かつ電力を生成するように構成された電力生成タービンと；酸素含有ストリームを提供するように構成された酸素含有ストリーム源と；タービン排気ガスストリームへ燃料を入力するように構成された燃料源と；入力燃料を有するタービン排気ガスストリームを受けるように構成されかつ酸素含有ストリームを受けるように構成されるイオン輸送膜システム（ＩＴＭ）であって、前記ＩＴＭが、少なくとも部分的に入力燃料の少なくとも一部を少なくとも部分的に燃焼させ、かつ加熱二酸化炭素ストリームを提供するために、酸素含有ストリームから入力燃料を有するタービン排気ガスストリームへ酸素を効果的に拡散する、ＩＴＭと；および、二酸化炭素含有ストリームから再循環二酸化炭素を含有する作動流へ熱を伝達させるように構成される復熱式熱交換器を備えることを特徴とする。
【００４４】
本システムはさらに任意の順序または数で組合せ可能な以下の１つまたは複数の記述に関して規定することができる。
【００４５】
本システムは復熱式熱交換器から二酸化炭素含有ストリームを受け取り、実質的に純粋な二酸化炭素ストリームを出力させるように構成される分離器を更に備えることができる。
【００４６】
本システムは実質的に純粋な二酸化炭素の少なくとも一部を圧縮し、再循環二酸化炭素を提供するように構成される少なくとも１つの圧縮器を更に備えることができる。
【００４７】
本システムは二酸化炭素含有ストリームから伝達された熱に加えて、再循環二酸化炭素を含む作動流に熱を付加するように構成される少なくとも１つの追加の熱源を更に備えることができる。
【００４８】
本システムはＩＴＭから上流の酸素含有ストリームを加熱するように構成される酸素含有ストリーム予熱器と、ＩＴＭから上流のタービン排気ガスストリームを加熱するように構成されるタービン排気ガスストリーム予熱器の一方または両方を更に備えることができる。
【００４９】
酸素含有ストリーム源は空気であり得る。
【００５０】
酸素含有ストリーム源はガスタービンからの排気ガスストリームであり得る。
【００５１】
電力生成タービンは直列の少なくとも２つのタービンを備えることができる。
【００５２】
本システムは少なくとも第１のＩＴＭおよび第２のＩＴＭを備えることができる。
【００５３】
ＩＴＭはチューブ形状の拡散膜を備えることができ、当該拡散膜は、酸素含有ストリームと接触するように構成される外側表面と、入力燃料とタービン排気ガスストリームを接触させるように構成される内側表面を有することができる。
【００５４】
チューブ形状の拡散膜は、開放した上流端と、閉鎖した下流端を有することができる。
【００５５】
ＩＴＭはチューブ形状の拡散膜の内部に配置される内側金属チューブを備えることができる。
【００５６】
ＩＴＭはチューブ形状の拡散膜を囲うようにかつ拡散膜と同心の外側金属チューブを備えることができる。
【００５７】
ＩＴＭは外圧容器を備えることができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、電力生成のための方法は：電力生成タービン内の再循環二酸化炭素を含む作動流を膨張させてタービン排気ガスストリームを生成して電力を生成する工程と；酸素含有ストリーム源から酸素含有ストリームを提供する工程と；燃料を燃料源からタービン排気ガスストリームへ入力して、混合タービン排気ガス／燃料ストリームを形成する工程と；酸素含有ストリームおよび混合タービン排気ガス／燃料ストリームをイオン輸送膜システムに通過させる工程であって、当該イオン輸送膜システムは、混合タービン排気ガス／燃料ストリームにおける燃料の少なくとも一部を少なくとも部分的に燃焼させまたは酸化させ、加熱二酸化炭素含有ストリームを提供するために、酸素含有ストリームから混合タービン排気ガス／燃料ストリームに酸素を効果的に拡散させる、工程と；および電力生成タービン内部の再循環二酸化炭素を含む作動流を膨張させる前に、加熱二酸化炭素含有ストリームに由来する熱を用いて復熱式熱交換器内の再循環二酸化炭素を含む作動流を加熱させる工程を包含する。
【００５９】
本方法は、任意の順番または数で組合せ可能な以下の１つまたは複数の言及に関してさらに定義することができる。
【００６０】
本方法は、二酸化炭素含有ストリームを浄化して実質的に純粋な二酸化炭素ストリームを提供する工程を更に備えることができる。
【００６１】
本方法は、少なくとも１つの圧縮器内の実質的に純粋な二酸化炭素の少なくとも一部を圧縮して再循環二酸化炭素を形成する工程を更に含むことができる。
【００６２】
再循環二酸化炭素の少なくとも一部は、超臨界状態であってもよい。
【００６３】
再循環二酸化炭素を含む作動流は約２００バール以上の圧力であってもよい。
【００６４】
本方法は、加熱二酸化炭素含有ストリームに由来するもの以外の源に由来する付加熱を用いて再循環二酸化炭素を含む作動流を加熱する工程をさらに含んでもよい。
【００６５】
本方法は、酸素含有ストリームおよびＩＴＭから上流のタービン排気ガスの一方または両方を加熱する工程をさらに含んでもよい。
【００６６】
酸素含有ストリーム源は空気であり得る。
【００６７】
酸素含有ストリーム源はガスタービンからの排気ガスストリームであり得る。
【００６８】
電力生成タービンは直列の少なくとも２つのタービンを備えることができる。
【００６９】
本方法は少なくとも第１のＩＴＭおよび第２のＩＴＭを使用する工程を含んでもよい。
【００７０】
ＩＴＭは、チューブ形状の拡散膜を備えることができ、当該拡散膜は酸素含有ストリームと接触するように構成された外側表面と、および入力燃料とタービン排気ガスストリームを接触させるように構成された内側表面を有する、拡散膜を備えることができる。
【００７１】
拡散膜はチューブ形状を有し、上流端が解放されかつ下流端が閉鎖していてもよい。
【００７２】
ＩＴＭはチューブ形状の拡散膜の内部に配置される内側金属チューブを備えることができる。
【００７３】
ＩＴＭはチューブ形状の拡散膜を囲うようにかつ拡散膜と同心に配置される外側金属チューブを備えることができる。
【００７４】
ＩＴＭは外圧容器を備えることができる。
【００７５】
タービン排気ガスストリームは約８０バール以下の圧力を有することができる。
【００７６】
酸素含有ストリームは１０バール未満の圧力であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１ａ】図１ａは、本願の実施形態に係る電力生成のためのシステムおよび方法の概略図である。
【図１ｂ】図１ｂは、本願の実施形態に係る電力生成のためのシステムおよび方法の概略図である。
【図１ｃ】図１ｃは、本願の実施形態に係る電力生成のためのシステムおよび方法の概略図である。
【図２】図２は、本願の実施形態に係る電力生成のためのシステムおよび方法の概略図である。
【図３】図３は、本願の実施形態に係るイオン輸送膜タービン排気ガス加熱器の部分断面図である。
【図４】図４は、図３のイオン輸送膜タービン排気ガス加熱器の一部の部分断面図である。
【図５】図５は、本願の実施形態に係るＩＴＭ加熱器のチューブ配置におけるチューブの部分断面図である。
【図６】図６は、本願の実施形態に係るＩＴＭ加熱器の壁部の部分断面図である。
【図７】図７は、本願の実施形態に係る電力生成システムおよび方法の概略図である。
【図８】図８は、本願の実施形態に係る電力生成システムおよび方法の概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７８】
本開示は、添付図面を参照して以下でより十分に説明され、添付の図面には、本開示のすべての実装ではなくいくつかの実装が示される。実際、本開示の様々な実装形態は多くの異なる形式で表現されることがあり、本明細書に記載の実装形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの例示的な実装形態は、この開示が徹底的かつ完全であり、かつ開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されている。例えば、他に指示がない限り、第１、第２などであるとして記載されているものは、特定の順序を意味すると解釈されるべきではない。また、何かが他の何かの上にあると説明されることがあり（他に示されない限り）、代わりに下にあることがあり、逆もまた同様である。同様に、他の何かの左側にあると説明されているものは、代わりに右側にある可能性があり、その逆も同様である。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを指示しない限り、複数の指示対象を含む。全体を通して、同じ参照番号は同じ要素を指す。
【００７９】
本開示はイオン輸送膜燃焼器を利用する電力生成システムおよび方法に関する。そのようなＩＴＭ燃焼器は電力生成システムおよび方法を提供する様々な装置と組み合わせることができる。本開示による電力生成システムに含まれ得る非限定的な要素の実施例は、米国特許番号第８，５９６，０７５号、第８，７７６，５３２号、第８，９５９，８８７号、第８，９８６，００２号、第９，０６８，７４３号、第９，４１６，７２８号、第９，５４６，８１４号、米国公開公報第２０１２／００６７０５４号、および第２０１３／０２１３０４９号において記載され、これらは参照により本願明細書に組込まれる。従って、本願明細書において記載されるシステムおよび方法は、上記文献において開示される実施形態のいかなる組合せをも包含することができる。
【００８０】
二酸化炭素を作動流として利用するオキシ燃料の燃焼方法では、高効率な電力生成に、酸素を生成するための別個の極低温空気分離プラントを必要とし得る。これは、通常７００℃以上に予熱した約２０％〜約３０％の制御されたモル濃度で燃焼器に送達しなければならない。酸素は二酸化炭素と希釈され、これには、独立した酸素／二酸化炭素圧縮器トレインが必要となるか、または代替え的に、燃焼圧力で純粋酸素を送達する、より複雑な極低温空気分離プラントが莫大な高電力消費と共に必要となる。また、そのようなサイクルにおいて燃料として使用されるメタンは、高圧圧縮器を使用して約３０５バールの圧力まで圧縮しなければならない。
【００８１】
本発明の１つまたは複数の実施形態において、１つまたは複数のそのような装置に関する条件はＩＴＭ燃焼器を用いて除去可能であり、また置換することができる。また、本開示は、様々な電力生成サイクルであって、ＩＴＭ燃焼器が単一の酸素生成源として、および／または単一の燃焼装置として利用される電力生成サイクルを提供し、また、ＩＴＭ燃焼器が他の酸素源（例えば極低温空気分離ユニット）と組合せることができ、および／または１つ以上の異なる燃焼器と組合せることができるサイクルを提供する。ＩＴＭ燃焼器は、閉鎖サイクルシステム、半閉鎖サイクルシステム、または開放サイクルシステムにおいて使用することができる。
【００８２】
例示的な実施形態を図１ａに示す。イオン輸送膜（ＩＴＭ）ユニット１８４は、７００℃を超える温度で稼働し、熱（Ｑ）を電力生成サイクル１９３に提供するのに利用される。電力生成サイクル１９３は、作動流（例えば水、二酸化炭素、または窒素）が発電用に繰り返し加熱および冷却される何等かのサイクルであってもよい。電力生成サイクル１９３は、任意の回数の加熱および冷却ステージを含むことができ、かつ任意の回数の圧縮および膨張ステージを含むことができる。図示するように、ＩＴＭユニット１８４は空気入口ストリーム１７８および燃料ガスストリーム１１２（例えば、メタン）を備える。ＩＴＭユニット１８４の内部には、酸素１０５が空気流１７８から燃料ガスストリーム１１２へ拡散しかつ、燃料ガスは燃焼する。任意で、燃料ガスストリーム１１２は二酸化炭素等の不活化ガスと希釈されてもよい。好ましくは、空気入口ストリーム１７８中の酸素の大部分（例えば５０モル％超、７０モル％超、または８０モル％超）は、ＩＴＭユニット１８４の内部で分離され、枯渇空気ストリーム１７９がＩＴＭユニットを出る。燃焼生成物ストリーム１８１は、（実質的には二酸化炭素と水のみを含むことができるか、または更に不純物を含むことができ、それは使用される燃料に依存するのであるが）ＩＴＭユニット１８４を出て、燃焼生成物ストリームは電力生成タービンを通過することができ、排出されるか、または他の周知技術によって処理され得る。図１ａで示されるシステムは、ＩＴＭユニット１８４から閉鎖型電力生成システムへの熱供給に特に有用である。
【００８３】
更なる例示的な実施形態を図１ｂに示す。ＩＴＭユニット１８４は半閉鎖システムに利用される。図示するように、作動流１８０がＩＴＭユニットを直接通過するように、ＩＴＭ１８４は電力生成サイクル１９３と組合せている。実施例のように、作動流システムは二酸化炭素を含んでいてもよいし、或いは実質的に完全な二酸化炭素から形成されてもよい。ＩＴＭユニットは、空気入口ストリーム１７８および燃料ガスストリーム（例えば、メタン）１１２を備えていてもよく、それらはＩＴＭユニットに直接注入され、または作動流１８０に付加されてもよい。更に、ＩＴＭユニット１８４の内部では、酸素１０５が、空気ストリーム１７８から燃料ガスストリーム１１２および作動流１８０の混合流へ拡散することによって、燃料ガスが燃焼される。枯渇空気ストリーム１７９はＩＴＭユニットを出て、かつ燃料生成ストリーム１８１はＩＴＭユニット１８４を出て更に電力生成サイクル１９３内部で利用される。
【００８４】
１つまたは複数の実施形態において、図１ｂで示されるシステムは、ＩＴＭユニットの機能を改良変更できる更なる要素を備えていてもよい。いくつかの実施形態では、ＩＴＭユニットは実質的に酸素を供給するためだけに稼働することができる。例えば、二酸化炭素作動流および空気ストリームはＩＴＭユニットを通過して、ガス燃料の燃焼用の燃焼器に入り得る酸素／二酸化炭素ストリームの混合流を提供する。他の実施形態においては、ＩＴＭユニットは予熱器として実質的に機能することができる。例えば、空気ストリーム、二酸化炭素作動流、および燃料ガスストリームはＩＴＭユニットを通過することにより、二酸化炭素作動流は、付加された燃料ガスおよび（例えば空気分離ユニットに由来する）酸素を有する燃焼器へ入る前に、予熱される。そのような実施形態では、（例えば、復熱式熱交換器等の）更なる加熱装置をＩＴＭユニットの上流および／または下流に配置することができる。図１ｃは、そのような実施形態の概略図である。図１ｃでは、任意の熱交換器１０１ａ、ＩＴＭユニット１８４、任意の別の熱交換器１０１ｂ、そして燃焼器１０２を作動流１８０が順次通過していき、燃焼生成物ストリーム１８１を排出する。このように、図１ｃの１つまたは複数の実施形態では、図１ｂに関して説明されたシステムとの組合せが可能であることが示されている。
【００８５】
いくつかの実施形態において、本開示によるシステムおよび方法は図２に関し記載され得る。図２は、復熱式熱交換器の内部で加熱された、高圧二酸化炭素ストリームを膨張させる単一タービンを示している。タービン排気ガスストリームは、高圧二酸化炭素ストリームを加熱する復熱式熱交換器に入る前に、ＩＴＭ加熱器で加熱される。
【００８６】
図２に示す様に、ＩＴＭユニット２８４は、約１．２５バールの圧力、約７５０℃の温度でＩＴＭユニットに入る予熱された空気入口ストリーム２７８を備えていてもよい。ＩＴＭユニット２８４の内部には、約３０バールの圧力、約７５０℃の温度で予熱タービン排出ストリーム２８０が供給されており（これには、例えば少なくとも９８モル％、少なくとも９９モル％、または少なくとも９９．５モル％の実質的な二酸化炭素のみが含有していてもよい）、また、予熱タービン排出ストリーム２８０は、熱交換器２０１の内部で約５５０℃の温度に予熱された約３０バールの圧力のメタンストリーム２１２と混合される。ＩＴＭユニット２８４において、タービン排出フロー２８０およびメタンストリーム２１２は、混合二酸化炭素／メタンストリームとして特徴付けることができる。メタンストリーム２１２は、高圧圧縮器を必要とすることなく、天然ガスパイプラインのストリーム２１２から直接取り込まれる。いくつかの実施形態では、（例えば、天然ガス、または他の炭素系ガス燃料等の）様々なメタン流が提供されてもよく、また本システムはメタン圧縮器を備えていてもよいことが想到される。ＩＴＭユニット２８４の内部では酸素が低圧空気ストリーム２７８から高圧二酸化炭素／メタンストリームに有意に拡散されるが、これは、例えば１０−１５バール未満の範囲内で、約７５０℃の入口温度と約１０２０℃の出口温度の温度範囲で、二酸化炭素／メタン側において非常に低い平衡酸素濃度を有するためである。
【００８７】
図２で示される実施形態では、酸素供給に関し設計点は、供給空気ストリーム２７８中の酸素のうち９０％がＩＴＭユニット２８４中の膜を横切って拡散して、１０２０℃で枯渇空気出口ストリーム２７９が出ていくことにあり、ここで１０２０℃は、ＩＴＭユニットに入るメタンが全て酸化されて二酸化炭素と水となった加熱二酸化炭素流２８１に関する出口温度と実質的に同じである。好ましくは、ＩＴＭユニット２８４に入る入口流（例えば、空気、二酸化炭素およびメタン）は、約７００℃以上（例えば、約７００℃〜約１２００℃、約７００℃〜約１０００℃、または約７００℃〜約８５０℃）の温度であることが望ましく、その理由はＩＴＭユニット内で使用されるペロブスカイト混合酸素セラミック膜の結晶格子内における酸素イオンの流動性が、より高温であることが望ましいためである。（約１．３バールの圧力、約６８２．６℃の温度の）空気ストリーム２７４および（約３０バールの圧力、約５０６．５℃の温度の）二酸化炭素タービン排出ストリーム２０９を、実施形態で使用される最大７５０℃のＩＴＭ入口温度まで加熱するには、ＩＴＭ予熱熱交換器２８３を備える。１つまたは複数の実施形態において、タービン２０９は、１バール〜約１００バール、１バール〜約８０バール、１バール〜約６０バール、または１バール〜約４０バールの出口圧力を有することができる。例えば、出口圧力は、約１バール〜約８０バール、約５バール〜約７０バール、約１０バール〜約６０バール、約１５バール〜約５０バール、または約２０バール〜約４０バールであってもよい。枯渇空気ストリーム２７５および二酸化炭素／水ストリーム２８２は、約８４０℃で予熱器２８３から排出される。
【００８８】
約２９．７バールの圧力で、二酸化炭素／水ストリーム２８２が復熱式熱交換器２０１内で冷却されて、約７５℃の温度でストリーム２１３として排出される。このストリームは、充填区域２１４ならびにポンプ２１６、間接式水冷却器２１７および流体ストリーム２１９、２２０および２２１を備える水循環システムを有する直接接触式冷却器２１５内の循環水によって、約２０℃までさらに冷却される。直接接触式冷却器２１５は、分離器として機能して、メタン燃焼で生成された超過した水を分離し、ここで超過した水は流れ２１８として排出する。そのため、直接接触式冷却器２１５は、冷却排出ストリームとして実質的に純粋な二酸化炭素（例えば、少なくとも９５モル％、少なくとも９８モル％、少なくとも９９モル％、または少なくとも９９．５モル％の二酸化炭素）を提供することができる。冷却排出二酸化炭素ストリームは、分割される。メタンの酸化によって生成された二酸化炭素に由来する正味の二酸化炭素生成物流２６１は、処分のため取り出される。特に、正味の二酸化炭素は、隔離目的、石油増進回収目的、販売目的、または他の最終消費者向けに取り出すことができる。残りの二酸化炭素再循環ストリーム２２２は、２段式の二酸化炭素再循環圧縮器で圧縮されて、（ここで、第１ステージの圧縮器２５９を出たストリーム２３８は、第２ステージの圧縮器２２５を通過する前に中間冷却器２６０で冷却されて）約７０バールの圧力で第２ステージの排出ストリーム２２７を生成する。約５１℃の温度、約７０バールの圧力で第２ステージ排出ストリーム２２７の一部２３５が取り出され、断熱圧縮器２３６の内部で約３０４バールの圧力、約１８３．２℃の温度で圧縮され、流れ２３７として排出する。後述するが、断熱圧縮器２３６は付加される熱源として機能して、熱交換器２０１内のストリーム２３０において二酸化炭素再循環ストリームに付加熱を提供することができる。ストリーム２２７の残りの部分は、高濃度、超臨界の二酸化炭素ストリームであるストリーム２２８を生成する水冷却熱交換器２２６の内部で約１８℃の温度まで冷却される。このストリームは、多段遠心ポンプ２２９の内部で約３０４バールまで圧縮される。１つまたは複数の実施形態において、多段遠心ポンプ２２９を出る再循環二酸化炭素の圧力は、約１５０バール以上、約２００バール以上、約２５０バール以上、または約３００バール以上（例えば、約１５０〜約５００バール、約２００〜約４５０バール、約２５０〜約４００バール）とすることができる。そのような圧力を考慮すると、タービン２０３の内部で膨張する作動流は、上述した任意の範囲と実質的に同一の圧力であってもよい。約３７℃の温度の排出ストリーム２３０は、約８４０℃の温度の復熱式熱交換器に入る冷却加熱二酸化炭素／水ストリーム２８２に対して、復熱式熱交換器２０１の内部で約８００℃の温度まで加熱される。高温二酸化炭素圧縮器排出ストリーム２３７は熱交換器２０１に入り、そこでストリーム２３０中の主要二酸化炭素再循環ストリームと混合されて、電力サイクルにおける高効率性を達成するのに必要な低温外部提供型の熱入力源を提供する。３つのステージの二酸化炭素圧縮器２５９、２２５および２３６は、全て、タービン２０３と同一シャフト上に配置される単一の二酸化炭素圧縮器の一部であり、二酸化炭素圧縮器はタービンによって駆動する。トータルの二酸化炭素再循環ストリーム２１０は（これは二酸化炭素を含む作動流として定義することができるが）、復熱式熱交換器２１０の内部で約８００℃まで加熱され、発電器２０４を駆動する電力生成タービン２０３へ供給される。約８４０℃の温度の枯渇空気ストリーム２７５は、約４５℃の温度の空気入力ストリーム２７３に対して、熱交換器２７７の内部で冷却され、約５５℃の温度の冷却枯渇空気ストリーム２７６として出て、大気中に排出される。入力空気ストリーム２７０は、電気モータ２７２によって駆動する空気送風機２７１の内部で約４５℃の温度で約１．４バールの圧力に圧縮される。本願明細書の他の箇所で記載されているように、所望の圧力を維持するためには、入口空気が２０バール以下、１５バール以下、１０バール以下、５バール以下、または２バール以下の圧力まで圧縮されるのが望ましいが、これは空気流に対しＩＴＭを通過するタービン排気ガス排気ストリーム（例えば二酸化炭素／メタンストリーム）の圧力に依存する。
【００８９】
８００℃のタービン２０３の入口温度の値は３００バールの稼働圧力での熱交換器２０１の温度制限に依拠して変化し得る。復熱式熱交換器２０１の高温端部域での最大設計応力値に依拠して、高圧二酸化炭素圧が約２００バール〜約４００バールの範囲内にあり、かつタービンの入口温度が約７００℃〜約８５０℃の温度範囲内に存在し得る。タービン入口の８００℃の温度値は、タービンブレードおよび高圧ケーシング内で温度を制限するために冷却フローを提供する必要はないことを意味している。これにより、内部燃焼器が無いことと相まってタービンは単純化され、二酸化炭素を膨張させる高温と低温の冷却二酸化炭素を混合によって引き起こされる効率の損失無しに、非常に安価なユニットが得られる。
【００９０】
任意に、再循環二酸化炭素ストリーム２８５が、二酸化炭素再循環圧縮器ストリーム２２２から取り出され、電気モータ２９０によって駆動する低圧比送風機２８６内で圧縮されてもよい。この排出ストリーム２８７は、復熱式熱交換器２０１内部で８００℃に加熱されてストリーム２８８として排出され、かつこのストリーム２８８がタービン排気ガスストリーム２０９と混合して温度を上昇させる。このストリームの機能によって、ＩＴＭユニット２８４および予熱交換器２８３への熱入力を調整して、空気およびタービン排気ガスＩＴＭ入力ストリーム２７８および２８０の温度を変化させ、ＩＴＭ膜の性能に適するようにすることができる。いくつかの実施形態では、ＩＴＭで生成される熱は、様々な製品を提供するのに利用することができる。例えば、熱の少なくとも一部は、ステムまたは他の熱駆動型副産物の生成に用いることができる。
【００９１】
図２に関連して記載される装置は、熱交換器、ポンプ、圧縮器、タービン、冷却器等、前述の米国特許番号第８，５９６，０７５号、第８，７７６，５３２号、第８，９５９，８８７号、第８，９８６，００２号、第９，０６８，７４３号、第９，４１６，７２８号、第９，５４６，８１４号、米国公開公報第２０１２／００６７０５４号、および第２０１３／０２１３０４９号において記載され、これらは参照により本願明細書に組込まれ、そのような要素は本願実施形態のいずれかに利用され得る。
【００９２】
図３、図４、図５および図６は、１つまたは複数の実施形態におけるＩＴＭユニット（またはＩＴＭ燃焼器）を示す。ＩＴＭ膜の形状に関しては、簡単な円形チューブの使用をベースにしており、チューブの周囲には低圧空気が存在する一方で、チューブの内側には３０バールのタービン排気ガスとメタン燃料を有している。セラミック製のＩＴＭチューブが、文献に記載されているペロブスカイト混合酸化物材料から作製することができる。例えば、Ｒｅｐａｓｋｙ  ｅｔ  ａｌ．，  ＩＴＭ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：  Ｓｃａｌｅ−Ｕｐ  Ｔｏｗａｒｄ  Ｃｌｅａｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇ  Ｃｏａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇ，  ＰＡ，  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １５−１８，  ２０１２，  ａｎｄ  Ｕ．Ｓ．  Ｐａｔ．  Ｎｏ．  ５，４４７，５５５  ｔｏ  Ｙｅ  ｅｔ  ａｌ等の開示が、本願明細書に組込まれる。
【００９３】
図３および図６に示されるように、チューブは、チューブ外面上に固体のペロブスカイトセラミックの非常に薄い不透過拡散層３１７を有する多孔質ペロブスカイト層３１８を備える。低圧空気側とチューブ内の高圧二酸化炭素／メタンタービン排気ガスプラス燃料との間の平衡酸素イオン濃度の差によって、７５０℃〜１０２０℃の温度範囲で、酸素イオンがこの薄層３１７を横断して拡散する。ＩＴＭは、金属イオンを横切る電子移動により短絡電気化学セルとして機能することにより空気界面で酸素分子のイオン化を提供し、一方で酸素分子はそれらの電子を諦め、二酸化炭素／メタンの界面でセラミック拡散層の外に出る。拡散速度は、以下のように計算される：
【００９４】
【数１】
2019532219.tif 000003
【００９５】
ここで、Ｄは拡散速度を示し、Ｐ１およびＰ２は、膜の空気側と二酸化炭素／メタン側におけるそれぞれの酸素の平衡分圧であり、ｔはペロブスカイトの固体拡散層の厚さを示す。
【００９６】
図３は、圧力容器と統合したイオン輸送膜システムの例示的構成図の１つを示す。ＩＴＭは、様々なストリームの流体のための、かつ拡散膜を横断する酸素の拡散のための複数の同心のチューブを備える。図５は下方断面図である。複数のチューブが、拡散膜チューブ３０８によってそれぞれ分離された外側金属チューブ３０９と、内側金属チューブ３０７を備えており、拡散膜チューブ３０８は他で記載したようにペロブスカイトのセラミック材料で作製される。外側金属チューブ３０９と拡散膜チューブ３０８の間には、外側環状空間３１０が設けられ、かつ内側金属チューブ３０７と拡散膜チューブ３０８の間には内側環状空間３１１が設けられる。内側金属チューブ３０７は、上部チューブシート３０２から吊り下げられ、拡散膜チューブ３０８は、中間チューブシート３０４から吊り下げられ、かつ外側金属チューブ３０９は下部チューブシート３０６から吊り下げられる。
【００９７】
二酸化炭素／メタン供給ストリーム３１４ａは７５０℃の温度でノズル３１４から空間３０３に入りかつ内側金属チューブ３０７ａおよび３０７ｂの間、およびそれぞれの拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂの間の内側環状空間３１１ａおよび３１１ｂを介して下流に流れる。加熱空気ストリーム３１３ａは約７５０℃の温度でノズル３１３から空間３０５に入り、拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂの間、およびより大径の外側金属チューブ３０９ａおよび３０９ｂの間の外側環状空間３１０ａおよび３１０ｂを介して下流に流れる。外側環状空間３１０ａおよび３１０ｂは開放端を有している。拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂは下方端３０８ｃおよび３０８ｄをそれぞれ封止している。混合加熱二酸化炭素／メタンストリームは、各拡散膜チューブの下方端に向かって移動し、拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂの内部の中心に位置する内側金属チューブ３０７ａおよび３０７ｂの下方端に入る。酸素は、ペロブスカイトの不透過層３１７を介して拡散し、かつメタン／二酸化炭素ストリーム３１４ａに含まれるメタンを酸化する。メタン／二酸化炭素ストリーム３１４ａはノズル３１４を介して入り、燃焼により熱を放出してメタン／二酸化炭素ストリームの温度を１０２０℃まで上昇させる。枯渇高温空気ストリーム３１２ａは、下方の、外側金属チューブ３０９ａおよび３０９ｂの開放端を介して、内部断熱された圧力容器３３０のベース領域３１６へ放出され、かつ圧力容器３３０の内部の空間３１７を介して上方に通過し、かつ下部チューブシート３０６の直下のノズル３１２から排出される。この配置により、温度が大気温度から上昇するため、拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂ、内側金属チューブ３０７ａおよび３０７ｂ、および外側金属チューブ３０９ａおよび３０９ｂが下方へ自由に膨張できるようになる。拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂ、内側金属チューブ３０７ａおよび３０７ｂを横断する圧力降下のため、上部チューブシート３０２はそれを横切って非常に低い圧力差を有する。上部チューブシート３０２は、内側金属チューブ３０７ａおよび３０７ｂの重量を支えさえすればよい。上部チューブシート３０２の上面は断熱されていなければならず、一方で下面は断熱されておらず、上部チューブシートがノズル３１４から空間３０３に入る二酸化炭素／メタン流の温度である約７５０℃の温度で確実に維持される。上部チューブシート３０２の内側金属チューブ３０７ａおよび３０７ｂの貫通は、チューブシートを不当に加熱する１０２０℃の出口流を防ぐために、断熱カラーを有していなければならない。上部チューブシート３０２の上方の収集空間および出口パイプ３１５は、両方とも内部が断熱されている。
【００９８】
下部チューブシート３０６は、空気を含む外側金属チューブ３０９ａおよび３０９ｂの重量を支えるだけである。外側空気金属チューブ３０９ａおよび３０９ｂおよび空間３１７のシェル側フローを介しての圧力降下により、それは、最小圧力差を有する。それの稼働温度は、７５０℃（ノズル３１３からの空気入力ストリーム）〜１０２０℃（ノズル３１２を介して出る枯渇空気出口ストリーム）の間の範囲である。下部チューブシート３０６の下部は、約７５０℃の温度に維持するように断熱されていてもよい。最も高負荷の中間チューブシート３０４は、約７５０℃の平均温度で、約３０バールの圧力差を受ける。本実施例は、ノズル３１３および３１４内の空気および二酸化炭素／メタン入力ストリームが、それぞれ約７５０℃の温度と仮定している。この温度は、拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂのより低い初期酸素拡散速度を犠牲にすることで、また結果としてチューブ長さの増加またはチューブ数の増加を犠牲にすることで、実現可能なチューブシートの設計を可能にするためにこの温度を下げることができる。本設計において重要な特徴は、７５０℃の温度の中間チューブシート３０４に拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂを封止する方法である。封止手段は、拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂと金属中間チューブシート３０４の間の膨張係数の有意な差を調整しなければならない。図４に示すように、これらの目的は、中間チューブシート３０４にシール溶接される拡散膜チューブ３０８を囲む断熱金属カラー３２１を用いることにより、達成され得る。セラミックチューブ３０８とカラー３２１の間のジョイント３２０は、金属合金の厚さを用いて充填されており、金属合金は、二酸化炭素／水および空気入口温度の７５０℃においては融点より低いが、しかし温度が上がるにつれて非常に延性があり容易かつ可逆的に変形可能であるため、カラーとセラミックチューブとの間の膨張差によってセラミックチューブに有意な応力をかけることなく、または漏えい経路を設けることなく調整することができる。好適材料は銀または場合によっては約１０００℃以上の融点を有する金ニッケルまたはパラジウムニッケルの合金である。以前の記述では、特定された温度がＩＴＭユニット２８４の全体の入口温度および出口温度を示す点に留意されたい。実際には、同心のチューブ設計によって、空間３１０内の入口空気ストリームとシェル側空間３１７の戻り空気ストリームの間の熱伝達を可能にする。同様に内側金属チューブ３０７ａおよび３０７ｂを通過する加熱二酸化炭素ストリームによって、環状空間３１１内を下方に通過する入口ストリーム３１３に熱伝達する。
【００９９】
ＩＴＭユニットに関しては他の形状を採用することも可能である。例えば、以前から様々な構成が、酸素生成、燃料ガス燃焼器、および水素と一酸化炭素合成ガス生成の分野で使用されるＩＴＭユニットを発展させてきた。また、２つの内側金属チューブ３０７ａおよび３０７ｂ、２つの拡散膜チューブ３０８ａおよび３０８ｂ、および２つの外側金属チューブ３０９ａおよび３０９ｂに関連する前述した記載の一方で、ＩＴＭユニットはそれぞれのチューブのうち、ただ１つを備えていてもよく、またそれぞれのチューブのうち３つ以上を備えていてもよい。
【０１００】
上述するように、本願明細書において記載されているＩＴＭユニットと協働する電力生成サイクルは、作動流を含むストリームの圧縮、燃焼、および／または膨張に利用可能な追加の要素を備えることができる。１つまたは複数の実施形態において、燃料を燃焼するように構成されたＩＴＭユニットを備える電力生成サイクルは、ガスタービンを備えることができる。そのような実施形態において、ガスタービンに由来する排気ガスはＩＴＭユニット内部で酸素源として使用することができ、かつ所望の効率値を提供するのに必要な低い値の熱入力（例えば４００℃未満の温度）の全部または一部を提供するのに使用することができる。
【０１０１】
図７は、ＩＴＭユニットとガスタービンを組合せる電力生成サイクルの例示的な実施形態に関する。図７に示すように、単一ステージのタービン排気ガスはＩＴＭ加熱器内部を通過し、ＩＴＭ加熱器がガスタービンからの高温酸素含有排気ガスを利用して、ＩＴＭ膜を介して拡散する酸素の全部または一部を提供する。図７に示すように、空気入口ストリーム５４０および天然ガス燃料フロー５４１を有するガスタービン５４２は、発電機５４３を駆動する。使用可能なガスタービンの非限定的な実施例には、ＧＥ６Ｆ．０３ガスタービンがある。本実施形態において、ガスタービン５４２は約１．０３バールの圧力、約６０１℃の温度の排気ガスストリーム５７４を有する。このストリームは予熱構成空気フローストリーム５８９と混合し、かつ混合ストリーム５９１は約５９５．２℃の温度で熱交換器５８５に入る。ストリーム５９１は、ＩＴＭ燃焼器５８４のペロブスカイト膜を通って拡散する９０％酸素に基づく十分な酸素含有量を有しており、タービン排気ガスストリームのメタンを燃焼させる。空気ストリーム５８９は、電気モータ５８８によって駆動する空気送風機５８７から生成され、空気ストリーム５８９は、入力ストリーム５８６および約４５℃の温度、約１．４バールの圧力の空気排出ストリーム５９０を有しており、これらはその後、熱交換器５４５の内部で冷却ガスタービン排気ガスストリーム５７５に対して加熱される。また、３００バールの再循環二酸化炭素ストリーム５４６の一部は、約１８３．２℃の温度でストリーム５９２を生成する熱交換器５４５の内部で加熱され、凡そ同温の二酸化炭素圧縮器排出フロー５３７と混合し、全二酸化炭素バイパスフローストリーム５４４を生成し、復熱式熱交換器５０１へ入り、主高圧二酸化炭素再循環フローと再接続する。ガスタービン排気ガスは、６つの熱交換器区域を通過して圧力をガスタービン出口の１．０３バールから熱交換器５４５の出口の０．６８バールまで低下させる。ストリーム５４７は、電気モータ５４９により駆動する送風機５４８で約１．０２バールの圧力に圧縮され、かつタービン排気ガス５７６が大気中に排出される。
【０１０２】
ＩＴＭ加熱器５８４は、約７９７℃の予熱酸素入口ストリーム５７８を受け取り、かつ、約５５０℃の温度で復熱式熱交換器５０１を出てきた予熱メタンストリーム５１２と予め混合された約７５０℃の温度の予熱二酸化炭素タービン入口ストリーム５８０を受け取る。メタンストリーム５１２は天然ガスパイプラインのストリーム５１１から、高圧圧縮器を必要とすることなく、直接取り出す。そのような混合は、ＩＴＭ燃焼器への７００℃超の所望の入口温度を下回る二酸化炭素ガスを冷却すると思われるメタンと二酸化炭素の間の改質反応を回避し、急速な酸素拡散をするのに利用することができる。熱交換器５８３、５８５および５９６は、ＩＴＭ燃焼器５８４の入口で約５０６．５℃の温度で二酸化炭素タービン５０３を出る二酸化炭素タービン排出ガスストリーム５０９の温度を、最大で約７５０℃の温度まで上昇させるのに役立つ。一方、ガスタービン排気ガス＋空気ストリーム５９１の温度は、約５９７℃から約７９７℃に上昇する。二酸化炭素タービン出力ストリーム５０９は、熱交換器５９６を通過してストリーム５５０を形成し、熱交換器５８３を通過してストリーム５１２と合流するストリーム５８０を形成する。ストリーム５８１はＩＴＭ燃焼器５８４を出ると、熱交換器５８３を通って戻り、ストリーム５８２として出て、熱交換器５０１に入る。またストリーム５７９はＩＴＭ燃焼器５８４を出ると、熱交換器５８３を通って戻り、ストリーム５５２として出て、熱交換器５８５を通過して、ストリーム５５１として出て、熱交換器５９６を通過して、ストリーム５７５として出る。
【０１０３】
二酸化炭素タービン出口フローストリーム５８２は、約５０６．５℃の温度から約８４０℃の温度まで予め加熱された復熱式熱交換器５０１に入る。酸素枯渇ガスタービン排気ガス＋枯渇空気ストリーム５７５は、約５２０℃の温度で３００バールの二酸化炭素＋空気予熱器５４５に入り、所望の効率値を達成するのに必要な低温付加熱および空気ストリーム５９０を予熱するのに必要な熱を供給する。
【０１０４】
二酸化炭素タービン出口フローストリーム５８２は、復熱式熱交換器５０１をストリーム５１３として出て、水冷却器５１４で更に冷却され、その後、充填区域を有する直接接触式冷却器５１５の内部の循環水に対して、さらにポンプ５１６、間接水式冷却器５１７、およびフローストリーム５１９、５２０および５２１を備える水循環システム内部の循環水に対して冷却される。メタン燃焼によって生成した超過水は、ストリーム５１８として出る。冷却排出二酸化炭素ストリームは分岐する。メタン酸化によって生成した二酸化炭素に由来する正味の二酸化炭素生成物ストリーム５６１は、処分用に取り除かれる。残りの二酸化炭素再循環ストリーム５２２は、第１ステージ圧縮器５５９および第２ステージ圧縮器５２５を有する２段階二酸化炭素再循環圧縮器の内部で圧縮される。第１ステージ圧縮器５５９が出ていくストリームは、第２ステージ圧縮器５２５を通過する前に中間冷却器５６０内部で冷却されるストリーム５２８と分岐して、第２ステージ排出ストリーム５２７を生成する。第１ステージ圧縮器５５９からの排出の別の部分（ストリーム５３５）は、断熱圧縮器５３６の内部で取り除かれかつ圧縮されて、ストリーム５３７し、ストリーム５３７はストリーム５９２と組合されて全二酸化炭素バイパスフローストリーム５４４を形成する。第２ステージ圧縮器５２５を出るストリーム５２７は、水冷却熱交換器５２６の内部で冷却されて、超臨界高密度二酸化炭素ストリームであるストリーム５２８を生成する。このストリームは、多段遠心ポンプ５２９の内部で圧縮される。多段遠心ポンプ５２９を出るストリームは、排出ストリーム５３０と再循環二酸化炭素ストリーム５４６に分割される。排出ストリーム５３０は、二酸化炭素タービン出口フローストリーム５８２に対し復熱式熱交換器５０１の内部で加熱されて、全二酸化炭素バイパスフローストリーム５４４と混合されて、ストリーム５１０を形成し、発電機５０４を駆動する二酸化炭素タービン５０３を８００℃で通過する。
【０１０５】
ガスタービンを付加した場合、ガスタービンを含まない電力生成サイクルと同じ全体効率で正味の電力出力が有意に増加する。いくつかの実施形態では、既存のガスタービン複合型サイクル発電所は、作動流として再循環二酸化炭素を利用し、かつ本願明細書に記載されるＩＴＭユニットをも備える、電力生成サイクルに修復することが可能である。これによって、電力の出力を増加させ、かつ将来の二酸化炭素排出規制を遵守するため、電気１ｋＷｈ当たりの二酸化炭素排出量を最大６５％削減するのに利用可能である。
【０１０６】
本願で提案されるシステムの熱効率性は、ステージ間での再加熱を伴う２段階式二酸化炭素タービンを用いることにより有意に改善される。第１ステージタービンは、例えば、約８００℃の温度、約３００バールの圧力において復熱式熱交換器から直接その入口フローを取得する。第２ステージタービン排出フローは、予め２つの別個のＩＴＭ加熱器で順番に加熱された、約８１５℃の温度、約３０バールの圧力の復熱に入る。２段階システムにおいて、第２タービン入口温度は、加熱された３０バールのタービン排気ガスに対し、中間圧力熱交換器の内部で約１０００℃に上昇することができる。これよりも高い温度については、最大許容中間圧力の選択により、中間再加熱器を設計において許容され得る。いくつかの実施形態において、選択される中間圧力は約７０バール〜約１２０バールの範囲内に設定される。特定の場合では、選択される中間圧力は約９５バールであることができる。第２のＩＴＭ加熱器は、再加熱からの３０バールの第２ステージタービン出口フローを約８１５℃に上昇させる。
【０１０７】
図８において、本願のさらなる実施形態を例示的に示す。図８では、ＩＴＭ加熱器の内部で加熱されるタービン排出ガスフローと、２つのタービン入口ストリームを加熱するのに使用する加熱排出ガスストリームの両方を備える２つのステージタービンシステムである。そのようにして、本システムおよび方法は、複数のタービンおよび／または複数のＩＴＭ加熱器と協働することができる。さらに必要に応じて、ＩＴＭ加熱器は、個々の加熱器においてより低温での負荷を可能とするために、並行に利用することができる。
【０１０８】
一般に、約３００バール〜約３０バールの全圧比にわたり、２つのタービンを直列に稼働させることによって効率を高めることができる。図８では、第１のタービン６０３が約３００バールの入口圧および約８００℃の温度を伴って稼働しており、その際入口ストリームが復熱式熱交換器６０１から直接くる。タービンは約７０バールから約１２０バールの範囲内で出口圧を有する。この圧力範囲は、このストリームが熱交換器の内部で約１０００℃まで加熱可能にするのに十分な程低く、かつ一般に約３０バールで排出する第２ステージタービン６３２の電力出力を最大化するのに十分な程高い出口圧力を可能とするように選択される。ＨＥＡＴＲＩＣ熱交換器に代表される拡散結合型熱交換器の製造方法と併せて現在のニッケル高含有合金を使用することにより、この温度／圧力の組合せが可能となる。第１ステージの非常に高い入口圧力および出口圧力を伴ったこの圧力比によって、未冷却の第１ステージを、３００Ｍｗ以上の大容量電力出力システム用の軸ブレード型タービンの構成でなく、ラジアル流入型遠心ホイールの設計とすることもできる。結果における実施例に関して、第１ステージタービンフローは、７．５ミリオンｌｂ／ｈｒ（３．４ミリオンｋｇ／ｈｒ）である。入口体積流入量は、約２４７００ｍ３／ｈｒであり、２９０ＭＷの正味の電力出力に対して１メートル未満の直径の遠心タービンホイールをもたらす。より小さなサイズのプラントにおいては、第１ステージの単一のラジアル流入タービンホイールの使用が特に好ましい。約６５０℃〜約７５０℃の温度におけるストリーム中の第１ステージタービン出口フローは、熱交換器６４８の内部で約９００℃〜約１１００℃の温度まで加熱され、かつこれは、第２ステージタービン６３２へのストリーム６３９における入口フローである。熱は、約９００℃〜約１１００℃の温度に予め加熱された第２ステージタービン６３２からの排出二酸化炭素フロー（約３０バールの圧力）によって提供される。熱交換器を出る第２ステージタービン出口フローは、その後、第１ステージタービン二酸化炭素入口ストリームを約８００℃に加熱する復熱式熱交換器に入る前に、第２のＩＴＭ加熱器の内部で約８１０℃〜約８５０℃の温度に加熱される。
【０１０９】
約３００バールの圧力、約８００℃の温度の再循環二酸化炭素ストリーム６４５は、第１ステージタービン６０３に入り、約９５バール、約６９１℃でストリーム６３４として出ていく。それは、熱交換器６４８の内部で約１０１０℃に加熱されて、ストリーム６３９として第２ステージタービン６３２を通過して、約３０バール、約７９９℃のストリーム６３１として出ていく。このストリームは、復熱式熱交換器６０１の内部で予め加熱された約３０バールの圧力、約５５０℃の温度のメタンストリーム６１２の量６５２と混合した後に、第１ステージＩＴＭ燃焼器６４７に入る。メタンストリーム６１２は、天然ガスパイプラインのストリーム６１１から、高圧圧縮器を必要とせずに直接取り出す。メタンは、約１．２バールの圧力、約７５０℃の温度の予熱された空気ストリーム６４３から拡散する純粋酸素を用いて、ＩＴＭ燃焼器６４７の内部で燃焼される。枯渇空気ストリーム６４４および第２ステージタービン６３２からの加熱タービン出口ストリーム６５４は、約１０２０℃の温度でＩＴＭ燃焼器６４７を出ていき、かつ熱交換器６４８に入って第２ステージタービン６３２用のタービン入口フローストリーム６３９に関し予熱を提供する。
【０１１０】
冷却タービン排出フロー６０９は約７００℃の温度で熱交換器６４８を出て、約５５０℃の温度、約３０バールの圧力のメタンストリーム６１２の量６５３と混合され、混合ストリーム６５５を形成する。空気入口ストリーム６４２（約１．３バールの圧力、約６６６℃の温度）およびストリーム６５５は、予熱器６４６の内部で加熱されて約７５０℃に加熱される。加熱二酸化炭素ストリーム６８０および加熱空気ストリーム６７８は予熱器６４６を出て、ＩＴＭ加熱器６８４の設計を最適化する目的で急速酸素拡散を確実にするのに十分な高温でＩＴＭ加熱器６８４に入る。燃焼されかつ加熱された二酸化炭素ストリーム６８１および枯渇空気ストリーム６７９は、ＩＴＭ加熱器６８４を出て、その後、予熱器６４６を通過して要求される必要な予熱を提供する。
熱交換器６４６の内部で約７５０℃に加熱された予熱空気ストリーム６７８は分割され、その結果、ストリームの一部がＩＴＭ燃焼器６８４の内部に酸素を提供し、残りのストリーム６４３は第１のＩＴＭ燃焼器６４７の内部で酸素を提供する。全枯渇空気ストリームが熱交換器６４６、６４８からストリーム６５６、ストリーム６３３としてそれぞれ出ていき、ストリーム６７５として合流し、予熱熱交換器６７７に入り、約５５℃のストリーム６７６として大気中に排出される。入口空気ストリーム６７０は、電気モータ６７２によって圧縮器６７１の内部で約１．４バールの圧力まで圧縮される。圧縮器６７１からの排出ストリーム６７３は、熱交換器６７７の内部で約６６６℃に加熱されて、ストリーム６４２として出ていく。
【０１１１】
加熱二酸化炭素排出ストリーム６８２は、約８１５℃の温度で予熱器６４６を出ていき、復熱式熱交換器６０１に入り、約７５℃に冷却され、ストリーム６６１として出ていく。ストリーム６６１からの副流６５８は、熱交換器６５０を通過し、約２５℃でストリーム６５７として出ていく。ストリーム６５７は（約２９バールの圧力の）全二酸化炭素流６８０と再結合し、こうして形成された全二酸化炭素／水ストリーム６９０は、充填向流部６２４を備える直接接触型水冷却器６１５に入る。熱交換器６５０は、約７０℃の温度の第２ステージ二酸化炭素再循環圧縮器６２５の排出６９２から取られた約５１℃の温度、約７０バールの圧力の入口二酸化炭素ストリーム６５１を有している。このストリームは、全二酸化炭素再循環フローの約５％を備えており、電気モータ６４９によって駆動する圧縮器６４０の内部で、約２２７℃の温度、約９６バールの圧力で圧縮される。排出ストリーム６４１が第２ステージタービン６３２に入り、中間冷却を行う。第２ステージタービン６３２の稼働温度には、タービンブレードおよび内部ケーシングの内部冷却を使用すること、ならびに高温の内部に保護コーティングが必要となることに留意されたい。ウォーターポンプ６１６および循環ライン６１９、６２０および６２１を有する間接式水冷却器６１７を備える水冷却器６１５と関連する水循環システムがある。メタン燃焼生成物から形成される正味の液体水生成物ストリーム６１８は、直接接触型冷却器６１５の基部を出ていく。
【０１１２】
冷却二酸化炭素ストリーム６２２は水冷却器６１５から約１８℃の温度で出ていき、２つのストリームに分割される。正味の二酸化炭素生成物ストリーム６９１は、約１８℃の温度、約２９バールの圧力で本システムを出ていく。約２９バールの冷却二酸化炭素ストリームのバルクは、第１ステージ二酸化炭素再循環圧縮器６５９の内部で約５１℃の温度、約４５バールの圧力で圧縮される。排出流は２つのパートに分割される。全二酸化炭素ストリーム６２２の約５９．４％は、第２ステージ中間冷却器６６０で約１８℃に冷却されてストリーム６３８を形成し、第２ステージ二酸化炭素再循環圧縮器６２５に入る。全二酸化炭素ストリーム（ストリーム６３５として）の約３５．６％は、約１８３．２℃、約３０５バールの圧力の出口ストリーム６３７を有する第３ステージ二酸化炭素圧縮器に入り、その後、復熱式熱交換器６０１の内部で約３００バール、約１８３℃の主二酸化炭素再循環ストリーム６３０と接続する。前述のように、第３ステージ二酸化炭素圧縮器６３６は付加熱源として機能することができ、それによって加熱ストリーム６３７が熱交換器６０１の内部で再循環二酸化炭素ストリーム６３０に軽度の加熱を提供する。付加熱は、ＩＴＭ６８４からの排気ガスストリーム６８２に由来する熱を使用して、再循環二酸化炭素ストリーム６３０を復熱することに付与される。二酸化炭素再循環圧縮器ステージ６５９、６２５および６３６は、全てが単一の圧縮器トレインであって、単一圧縮器トレインは、２つのステージタービン６０３および６３２からのシャフト延長によって駆動され、２つのステージタービンは単一タービンケーシングまたはアセンブリの内部にそれ自体が存在する。タービンは発電機６８２を駆動する。約５１℃の温度の第２ステージ圧縮器６２５から排出フローストリーム６９２が、ストリーム６５１と残った二酸化炭素再循環フローストリーム６２７に分割し、ストリーム６５１は、最初のストリーム６２２のフローのうちの約５％を含み、タービン６３２用の冷却ストリーム６４１となる。このストリーム６２７は、水冷却器６２６の内部で約１８℃に冷却されて、約８３０ｋｇ／ｍ３の密度の超臨界二酸化炭素ストリーム６２８を形成する。超臨界高密度二酸化炭素流体は、多段階遠心ポンプ６２９において、約３０４バール、約３７℃までポンプされる。その後、ストリーム６３０が出て、復熱式熱交換器６０１に入り、第１タービン入口フローの主要部となるように加熱される。
【０１１３】
当該技術分野に関する通常の知識を有する当業者であれば、実際には、必要なバイパスライン、ベントライン、パージガスライン、さらに制御バルブ、ベント、計装ラインおよび他の必要なシステムが本願明細書のプロセスに追加されることにより、全稼働モデルを容易にし、かつユニットの稼働条件の安全性を確実にすることは明らかだろう。例えば、スタートアップの期間中は、１つまたは複数の熱交換器および／または１つ以上のタービンを稼働条件の設定画定が達成されるまでバイパスしておくことが望ましい（稼働条件とは、例えば稼働温度、圧力、流速等である）。
【０１１４】
以下の表は、ＡＳＵから直接３０５バールの圧力で酸素を生成するＩＳＯ条件で稼働する極低温空気分離システムを有する従来の二酸化炭素サイクル電力システムの規範事例と、事例１、２および３（図２、図７および図８に示されるシステムにそれぞれ対応）を比較している。全ての事例において、３００バールの圧力でタービンに入る全二酸化炭素フローは、７．５×１０６ｌｂ／ｈｒ（７７２８６．０８ｋｇモル／ｈｒ）であり、かつ第１タービン入口圧は、３００バールである。単一ステージタービンは、３０バールの出口圧を有する。２つのステージタービンは、９５バールの第１ステージ出口圧を有し、（これは第２ステージタービンの入口圧と凡そ一致する）、さらに３０バールの第２ステージタービンの出口圧を有する。燃料は純粋なメタンである。全ての二酸化炭素生成物は、２９バールの圧力で生成される。事例１、２および３に関して正味のタービンシャフト出力の１％の発電機と変圧器損失がかかる。
【０１１５】
【表１】
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【０１１６】
これまでの記載および関連する図面に提示された教示の恩恵を受けて、当業者は、本発明の多くの修正および他の実施形態に関し想到し得る。従って本発明は開示された特定の実施形態に限定されるべきではなく、修正や他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれる意図があることを理解し得る。本明細書では特定の用語が使用されているが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用されており、限定の目的では使用されていない。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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