(57)【要約】  本発明は、燃料（例えば炭素質燃料）の酸素焚き燃焼のために高圧酸素を提供する深冷空気分離方法に関する。本空気分離方法は、ＣＯ２などの作動流体を利用する密閉サイクル発電方法に直接組み込むことができる。有利なことに、本空気分離方法により空気圧縮段階の間で中間冷却が不要となり、それどころか、さらなる熱供給が有利となるさらなる方法のプロセス工程の中に断熱圧縮熱を再循環させる工程を提供することができる。【選択図】図１
2019533130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口空気流を第１の圧縮機で圧縮して少なくとも３．５バールの圧力および１５０℃超の温度を有する圧縮された入口空気流を形成する工程と、
前記圧縮された入口空気流を２５℃未満の温度まで冷却する工程と、
前記圧縮された入口空気流中に存在するあらゆる二酸化炭素および水の少なくとも９０モル％を除去することによって前記圧縮された入口空気流を精製し、このようにして精製された入口空気流を形成する工程と、
前記精製された入口空気流を第１の部分および第２の部分に分割する工程と、
前記精製された入口空気流の前記第１の部分をさらに圧縮して、約２０バール〜約９０バールの圧力を有する中圧の精製された空気流と、前記中圧の精製された空気流の前記圧力よりも大きい圧力を有する約７０バール〜約１５０バールの圧力を有する高圧の精製された空気流とを形成する工程と、
前記中圧の精製された空気流および前記高圧の精製された空気流を熱交換器で冷却する工程と、
前記高圧の精製された空気流の第１の画分を第１の発電用タービンで膨張させて第１の膨張および精製された空気流を形成する工程と、
前記高圧の精製された空気流の第２の画分を第２の発電用タービンで膨張させて第２の膨張および精製された空気流を形成する工程と、
前記中圧の精製された空気流を第３の発電用タービンで膨張させて第３の膨張および精製された空気流を形成する工程と、
前記第１の膨張および精製された空気流、前記第２の膨張および精製された空気流、前記第３の膨張および精製された空気流および前記精製された入口空気流の前記第２の部分を蒸留塔に通して、実質的に純粋な液体酸素の出口流および窒素を含む廃流を形成する工程と、
前記実質的に純粋な液体酸素の出口流を１５０バール超の圧力まで圧縮する工程と、
前記熱交換器において前記実質的に純粋な液体酸素の出口流を前記中圧の精製された空気流および前記高圧の精製された空気流と接触させて−１０℃超の温度まで加熱して、実質的に純粋な高圧酸素ガスの出口流を形成する工程と
を含む、酸素を生成するための方法。
【請求項２】
前記圧縮された入口空気流を冷却する工程は、前記圧縮された入口空気流からの熱を発電用サイクルからの作動流体流に伝達する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧縮された入口空気流からの熱を前記発電用サイクルからの前記作動流体流に伝達することによって前記圧縮された入口空気流を第１の低下温度まで冷却する工程を含み、かつ前記圧縮された入口空気流を冷却水流と接触させて第２のさらなる低下温度まで冷却する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記精製する工程は、前記圧縮された入口空気流を二床式吸着システムに通す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記精製された入口空気流の前記第１の部分は、前記精製された入口空気流の約２５モル％〜約７５モル％を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記中圧の精製された空気流は、前記精製された入口空気流の前記第１の部分の約３０モル％〜約５０モル％を含み、かつ前記高圧の精製された空気流は、前記精製された入口空気流の前記第１の部分の約７０モル％〜約５０モル％を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記精製された入口空気流の前記第２の部分を前記蒸留塔に通す前に、前記精製された入口空気流の前記第２の部分を窒素を含む前記廃流の一部と接触させて冷却する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の発電用タービンで膨張される前記高圧の精製された空気流の前記第１の画分を約−２０〜約−４０℃の温度範囲で熱交換器から回収する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の発電用タービンで膨張される前記高圧の精製された空気流の前記第２の画分を約−１６０〜約−１７０℃の温度範囲で前記熱交換器から回収する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第３の発電用タービンで膨張される前記中圧の精製された空気流を約−８０〜約−１２０℃の温度範囲で前記熱交換器から回収する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記蒸留塔は二重カラム蒸留システムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記実質的に純粋な液体酸素の出口流を約２００バール〜約５００バールの圧力まで圧縮する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
再循環ＣＯ２作動流体流の存在下で燃料を実質的に純粋な高圧酸素ガス流と共に燃焼器で燃焼させて１５０バール超の圧力のＣＯ２を含む燃焼生成物流を形成する工程と、
前記ＣＯ２を含む燃焼生成物流をタービンで膨張させてタービン排気流を形成して発電する工程と、
復熱式熱交換器においてタービン排気流から熱を除去する工程と、
前記タービン排気流からＣＯ２を分離して前記再循環ＣＯ２作動流体流を形成する工程と、
前記再循環ＣＯ２作動流体流を圧縮する工程と、
前記復熱式熱交換器において前記タービン排気流から除去した前記熱を用いて前記再循環ＣＯ２作動流体流の少なくとも一部を加熱すると共に添加される熱を用いて前記再循環ＣＯ２作動流体流の少なくとも一部を加熱する工程と、
前記再循環ＣＯ２作動流体流を前記復熱式熱交換器から前記燃焼器に移す工程と、
入口空気流を第１の圧縮機で圧縮して少なくとも３．５バールの圧力および１５０℃超の温度を有する圧縮された入口空気流を形成し、
前記圧縮された入口空気流が冷却されるように前記圧縮された入口空気流からの熱を前記再循環ＣＯ２作動流体流の少なくとも一部を加熱するために前記添加される熱として使用し、
前記圧縮された入口空気流を精製して精製された入口空気流を形成し、
前記精製された入口空気流を第１の部分および第２の部分に分割し、
前記精製された入口空気流の前記第１の部分を圧縮して約２０バール〜約９０バールの圧力を有する中圧の精製された空気流と、前記中圧の精製された空気流の前記圧力よりも大きい圧力を有する約７０バール〜約１５０バールの圧力を有する高圧の精製された空気流とを形成し、
前記中圧の精製された空気流および前記高圧の精製された空気流を熱交換器で冷却し、
前記高圧の精製された空気流の第１の画分を第１の発電用タービンで膨張させて第１の膨張および精製された空気流を形成し、
前記高圧の精製された空気流の第２の画分を第２の発電用タービンで膨張させて第２の膨張および精製された空気流を形成し、
前記中圧の精製された空気流を第３の発電用タービンで膨張させて第３の膨張および精製された空気流を形成し、
前記第１の膨張および精製された空気流、前記第２の膨張および精製された空気流、前記第３の膨張および精製された空気流および前記精製された入口空気流の前記第２の部分を蒸留塔に通して実質的に純粋な液体酸素の出口流および窒素を含む廃流を形成し、
前記実質的に純粋な液体酸素の出口流を１５０バール超の圧力まで圧縮し、かつ
前記熱交換器において前記実質的に純粋な液体酸素の出口流を前記中圧の精製された空気流および前記高圧の精製された空気流と接触させて−１０℃超の温度まで加熱して前記実質的に純粋な高圧酸素ガスを形成する
という方法によって実質的に純粋な高圧酸素ガス流を形成する工程と
を含む、発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧液体酸素流を生成するための方法およびシステムに関する。特に、例えば発電システムなどの異なるまたは関連する方法またはシステムで使用するための高圧気体酸素流を提供するために本方法およびシステムを使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
作動流体としての二酸化炭素と共に化石燃料の燃焼を利用する発電のためのシステムおよび方法が米国特許第８，５９６，０７５号に記載されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。そのようなシステムおよび方法は、高圧（例えば、約２００バール〜５００バール）および高温下での化石燃料の燃焼のために実質的に純酸素を利用する。いくつかの例では、化石燃料は、天然ガス（すなわち、主にメタンからなる炭化水素ガス混合物）および／または石炭の部分酸化により生じる化石燃料、バイオマスおよび／または例えば重質残油留分または石油コークスなどの残留する石油精製生成物であってもよい。化石燃料であるかに関わらず高圧気体酸素が大量に必要とされる。そのようなシステムおよび方法は、燃焼生成物流から回収されない熱を発電機に添加することにより効率向上を提供することが分かっている。一態様では、添加される熱は、深冷酸素生成プロセスにおいて入口空気流の圧力を増加させる圧縮機および／または二酸化炭素再循環圧縮機によって生成される断熱圧縮熱に由来していてもよい。
【０００３】
大気は複数の異なる気体成分、主に窒素および酸素だけではなく、希ガス（例えばアルゴン）、メタン、水蒸気および二酸化炭素などの微量の他の物質も含む。空気分離方法およびシステム（すなわち、「空気分離ユニット」「空気分離プラント」または「ＡＳＵ」）により、大気の成分のうちの１種以上を分離して精製された形態で得ることができる。深冷蒸留（例えば、深冷空気分離サイクル）、膜分離、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）および真空圧力スイング吸着法（ＶＰＳＡ）ならびに高温酸素イオン輸送セラミック混合酸化物膜システムにおける空気からの酸素の分離などの、空気分離プロセスのために使用される公知の技術が存在する。利用可能な方法のうち深冷蒸留は空気を高純度および高圧でその成分に分離するのに特に有利である。
【０００４】
ポンプ移送液体酸素サイクルは、高圧酸素を生成するために利用される例示的な深冷空気分離サイクルのうちの１つである。例えば、深冷空気分離サイクルのために利用されるポンプ移送液体酸素サイクルは、高圧空気もしくは窒素の相補的な流れの冷却および／または凝縮により高圧液体酸素を周囲温度まで加熱するために、高圧液体酸素を熱交換器を通して運ぶように構成された液体酸素ポンプを備えていてもよい。
【０００５】
工業プロセスのための大規模な酸素生成が１００年以上にわたって実施されているが、これまで使用されてきた最も高い酸素圧は、ほんの約１００バールに近づいたところである。３００バール超の圧力の高圧ガスボンベのために酸素が生成されているが、一般に低い流量のためのこの生成プロセスは、液体酸素をポンプで圧縮し、次いでその後に例えば周囲空気または熱水により外部から供給される熱を使用して間接的に加熱される熱交換器により液体酸素を周囲温度まで間接的に加熱する小型の往復ポンプを利用する。従って、例えば発電システムおよび方法において酸化剤として使用するのに適した高圧酸素の生成のためのさらなるシステムおよび方法が当該技術分野においてなお必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は様々な態様において、例えば燃料の酸素焚き燃焼が組み込まれた発電システムなどの１つ以上のさらなるプロセスで使用するための高圧酸素流を生成するのに有用な深冷空気分離プロセスに関する。生成される酸素は、好ましくは気体または超臨界状態である。特にそのような燃焼は、例えばＣＯ２作動流体などの作動流体を用いる密閉サイクル発電プロセスで行われ得る。本開示の様々な態様に係る空気分離プロセスは、多くの特定の利点によって特徴づけることができる。例えば、本空気分離プロセスは有利には、深冷空気分離プロセスにおいて高効率ポンプ移送液体酸素サイクルを利用して約２００バール〜約５００バールの圧力の周囲温度酸素を生成するための低コストプロセスを提供することができる。いくつかの態様では、空気分離ユニットと発電システムとを一体化させるために、本深冷空気分離プロセスには断熱空気圧縮機が組み込まれていてもよい。本開示の別の態様によれば、本プロセスは、最適な熱交換領域および総酸素コストに基づく全体的に最適なサイクル効率を得るために、高圧コンパクト熱交換器と一体化された高圧空気供給流の膨張タービンの膨張部分の構成を利用する工程を含んでもよい。
【０００７】
一態様によれば、本システムおよび方法は、深冷空気分離サイクルから２つの異なる圧力で酸素の２つの別個の流れを生成する工程を提供することができる。酸素の第１の流れは、発電システムの燃焼器に使用するための約２００バール〜約５００バールの範囲の圧力の酸素生成のために利用することができる。いくつの態様によれば、酸素の第２の流れは、発電システムの燃焼器で使用される燃料ガス流を生成するように構成された重質燃料の部分酸化反応器に使用するための約３０バール〜約１５０バールの範囲の圧力の酸素生成のために利用することができる。
【０００８】
いくつかの態様では、本システムおよび方法は、深冷空気分離ユニットに含められる前置吸着器付き空気精製ユニットで利用される再活性化窒素流の所望の加熱を行うために、発電システムにおける二酸化炭素再循環圧縮プロセスからの廃熱を利用する工程を提供してもよい。
【０００９】
いくつかの態様では、本開示は、精製された高圧酸素を生成するのに適した空気分離方法に関するものであってもよい。例えば、そのような方法は、Ｌｉｎｄｅ二重カラム（ｄｏｕｂｌｅ  ｃｏｌｕｍｎ）蒸留システムにおいて部分的に液化された空気流を少なくとも生成物液体酸素流および低圧窒素流に分離する工程、液体酸素の圧力を液体酸素ポンプで約２００バール〜５００バールまで上昇させる工程、入口空気流を第１の空気圧縮機で少なくとも５バールの圧力まで圧縮する工程、圧縮された入口空気流を第１の熱交換器に通して、入口空気流を圧縮することによって生成された断熱圧縮熱の少なくとも一部を移動させて発電サイクルの作動流体流を加熱する工程、圧縮された空気流を直接水冷式充填塔において冷却する工程、冷却および圧縮された空気流を吸着システムに通して精製および冷却および圧縮された空気流を生成する工程、精製および冷却および圧縮された空気流を第１の精製および圧縮された空気流および第２の精製および圧縮された空気流に分割する工程、低圧蒸留塔からの低圧窒素流の一部をほぼ周囲温度まで加熱する低圧熱交換器において第２の精製および圧縮された空気流をその液化温度に近い温度まで冷却する工程、冷却された第２の精製および圧縮された空気流を高圧蒸留塔の底部に供給する工程、第１の精製および圧縮された空気流を２つの部分に分割する工程、第１の精製および圧縮された空気流の第１の部分を圧縮して約８０バール〜１２５バールの圧力の第１の高圧の精製された空気流を生成する工程、第１の精製および圧縮された空気流の第２の部分を圧縮して約５０バール〜８０バールの圧力の第２の高圧の精製された空気流を生成する工程、高圧液体酸素流および低圧窒素流の残りの部分をほぼ周囲温度まで加熱する高圧熱交換器において第１の高圧の精製された空気流および第２の高圧の精製された空気流を冷却する工程、第２の高圧の精製された空気流を高圧熱交換器で約−８０℃〜−１２０℃の温度までさらに冷却する工程、第２の高圧の精製された空気流全体を高圧熱交換器から除去し、それを第１の発電用タービンにおいて高圧蒸留塔の圧力まで膨張させ、かつ全排気流を高圧カラムの下側部分に供給する工程、約−２０℃〜−４０℃の温度の第１の高圧の精製された空気流の第１の部分の一部を高圧熱交換器から回収し、それを第２の発電用タービンにおいて低圧蒸留塔の圧力まで膨張させ、かつ全排気流を粗製酸素供給点に近い位置で低圧カラムに供給する工程、第１の高圧の精製された空気流の第１の部分の残りの部分を−１６０℃〜−１７０℃の温度で高圧熱交換器の出口から除去する工程、第１の高圧の精製された空気流の第１の部分の残りの部分を高圧過冷却器において全廃窒素流と接触させてさらに５℃〜１０℃冷却する工程、および高圧過冷却器から排出された第１の高圧の精製された空気流の第１の部分の冷却された残りの部分を第３の発電用タービンで高圧蒸留塔の圧力まで膨張させ、かつ全排気流を高圧カラムの下側部分に供給する工程の任意の組み合わせを含むことができる。
【００１０】
１つ以上の実施形態では、本開示に係る酸素を生成するための方法は、入口空気流を第１の圧縮機で圧縮して少なくとも３．５バールの圧力および１５０℃超の温度を有する圧縮された入口空気流を形成する工程と、圧縮された入口空気流を２５℃未満の温度まで冷却する工程と、圧縮された入口空気流中に存在するあらゆる二酸化炭素および水の少なくとも９０モル％を除去することによって圧縮された入口空気流を精製し、このようにして精製された入口空気流を形成する工程と、精製された入口空気流を第１の部分および第２の部分に分割する工程と、精製された入口空気流の第１の部分をさらに圧縮して、約２０バール〜約９０バールの圧力を有する中圧の精製された空気流と、中圧の精製された空気流の圧力よりも大きい圧力を有する約７０バール〜約１５０バールの圧力を有する高圧の精製された空気流とを形成する工程と、中圧の精製された空気流および高圧の精製された空気流を熱交換器で冷却する工程と、高圧の精製された空気流の第１の画分を第１の発電用タービンで膨張させて第１の膨張および精製された空気流を形成する工程と、高圧の精製された空気流の第２の画分を第２の発電用タービンで膨張させて第２の膨張および精製された空気流を形成する工程と、中圧の精製された空気流を第３の発電用タービンで膨張させて第３の膨張および精製された空気流を形成する工程と、第１の膨張および精製された空気流、第２の膨張および精製された空気流、第３の膨張および精製された空気流および精製された入口空気流の第２の部分を蒸留塔に通して、実質的に純粋な液体酸素の出口流および窒素を含む廃流を形成する工程と、実質的に純粋な液体酸素の出口流を１５０バール超の圧力まで圧縮する工程と、熱交換器において実質的に純粋な液体酸素の出口流を中圧の精製された空気流および高圧の精製された空気流と接触させて−１０℃超の温度まで加熱して実質的に純粋な高圧酸素ガスの出口流を形成する工程とを含むことができる。
【００１１】
さらなる実施形態では、本方法は、任意の数および順序で組み合わせることができる以下の記載のうちの任意の１つ以上に関して定めることができる。
【００１２】
圧縮された入口空気流を冷却する工程は、圧縮された入口空気流からの熱を発電用サイクルからの作動流体流に伝達する工程を含むことができる。
【００１３】
圧縮された入口空気流からの熱を発電用サイクルからの作動流体流に伝達することによって圧縮された入口空気流を第１の低下温度まで冷却することができ、かつ圧縮された入口空気流を冷却水流と接触させて第２のさらなる低下温度まで冷却することができる。
【００１４】
精製する工程は、圧縮された入口空気流を二床式吸着システムに通す工程を含むことができる。
【００１５】
精製された入口空気流の第１の部分は、精製された入口空気流の約２５モル％〜約７５モル％を含むことができる。
【００１６】
中圧の精製された空気流は、精製された入口空気流の第１の部分の約３０モル％〜約５０モル％を含むことができ、高圧の精製された空気流は、精製された入口空気流の第１の部分の約７０モル％〜約５０モル％を含む。
【００１７】
本方法は、精製された入口空気流の第２の部分を蒸留塔に通す前に、精製された入口空気流の第２の部分を窒素を含む廃流の一部と接触させて冷却する工程を含むことができる。
【００１８】
第１の発電用タービンで膨張される高圧の精製された空気流の第１の画分は、約−２０〜約−４０℃の温度範囲で熱交換器から回収することができる。
【００１９】
第２の発電用タービンで膨張される高圧の精製された空気流の第２の画分は、約−１６０〜約−１７０℃の温度範囲で熱交換器から回収することができる。
【００２０】
第３の発電用タービンで膨張される中圧の精製された空気流は、約−８０〜約−１２０℃の温度範囲で熱交換器から回収することができる。
【００２１】
蒸留塔は二重カラム蒸留システムを備えることができる。
【００２２】
実質的に純粋な液体酸素の出口流は、約２００バール〜約５００バールの圧力まで圧縮することができる。
【００２３】
別の態様では、発電システムは、発電で使用されるように構成された高圧気体酸素流を提供する一体化された空気分離プロセスを備えてもよい。より具体的には、発電プロセスは、燃料、Ｏ２および循環ＣＯ２作動流体を燃焼器に導入する工程と、燃料を燃焼させて作動流体を含む燃焼生成物流を得る工程と、燃焼生成物流をタービンで膨張させて発電する工程と、タービン排気流を一次熱交換ユニットに通すことによりタービン排気流から熱を回収して冷却されたタービン排気流を得る工程と、冷却されたタービン排気流から作動流体だけでなく冷却されたタービン排気流中に存在する１種以上の二次成分も除去して精製および冷却されたタービン排気流を得る工程であって、その少なくとも大部分は作動流体である工程と、作動流体を圧縮機システムで圧縮する工程と、燃料中に存在する炭素を含有する圧縮されたＣＯ２流を回収する工程と、回収された熱を使用して作動流体の温度を上昇させるように作動流体を同じ一次熱交換ユニットに通す工程と、さらなる量の外部で生成された熱（好ましくは約４００℃などの中程度の温度レベル）を作動流体に供給する工程と、作動流体を燃焼器に再循環させる工程とを含んでもよい。
【００２４】
特に一体化された空気分離プロセスは、２．５〜１２の圧力比を有して非冷却部と共に動作する第１および第２の空気圧縮機で空気を圧縮する工程と、非冷却部からの圧縮された空気の断熱圧縮熱の少なくとも一部を循環ＣＯ２作動流体流に伝達する工程であって、伝達される熱は発電プロセスにおいて作動流体に供給されるさらなる量の熱の少なくとも一部を含む工程と、精製および圧縮された空気を生成物Ｏ２およびＮ２流と接触させて極低温冷却する工程と、空気を１つ以上の蒸留塔で分離させて液体Ｏ２流および窒素流を形成する工程と、液体Ｏ２流をポンプで圧縮して燃焼器に導入されるＯ２の少なくとも一部を得る工程とを含むことができる。
【００２５】
さらなる実施形態では、発電するための方法は、再循環ＣＯ２作動流体流の存在下で燃料を実質的に純粋な高圧酸素ガス流と共に燃焼器で燃焼させて１５０バール超の圧力のＣＯ２を含む燃焼生成物流を形成する工程と、ＣＯ２を含む燃焼生成物流をタービンで膨張させてタービン排気流を形成して発電する工程と、復熱式熱交換器においてタービン排気流から熱を除去する工程と、タービン排気流からＣＯ２を分離して再循環ＣＯ２作動流体流を形成する工程と、再循環ＣＯ２作動流体流を圧縮する工程と、復熱式熱交換器においてタービン排気流から除去した熱を用いて再循環ＣＯ２作動流体流の少なくとも一部を加熱すると共に、添加される熱を用いて再循環ＣＯ２作動流体流の少なくとも一部を加熱する工程と、再循環ＣＯ２作動流体流を復熱式熱交換器から燃焼器に移す工程と、入口空気流を第１の圧縮機で圧縮して少なくとも３．５バールの圧力および１５０℃超の温度を有する圧縮された入口空気流を形成し、圧縮された入口空気流が冷却されるように圧縮された入口空気流からの熱を再循環ＣＯ２作動流体流の少なくとも一部を加熱するために添加される熱として使用し、圧縮された入口空気流を精製して精製された入口空気流を形成し、精製された入口空気流を第１の部分および第２の部分に分割し、精製された入口空気流の第１の部分を圧縮して約２０バール〜約９０バールの圧力を有する中圧の精製された空気流と、中圧の精製された空気流の圧力よりも大きい圧力を有する約７０バール〜約１５０バールの圧力を有する高圧の精製された空気流とを形成し、中圧の精製された空気流および高圧の精製された空気流を熱交換器で冷却し、高圧の精製された空気流の第１の画分を第１の発電用タービンで膨張させて第１の膨張および精製された空気流を形成し、高圧の精製された空気流の第２の画分を第２の発電用タービンで膨張させて第２の膨張および精製された空気流を形成し、中圧の精製された空気流を第３の発電用タービンで膨張させて第３の膨張および精製された空気流を形成し、第１の膨張および精製された空気流、第２の膨張および精製された空気流、第３の膨張および精製された空気流および精製された入口空気流の第２の部分を蒸留塔に通して実質的に純粋な液体酸素の出口流および窒素を含む廃流を形成し、実質的に純粋な液体酸素の出口流を１５０バール超の圧力まで圧縮し、かつ熱交換器において実質的に純粋な液体酸素の出口流を中圧の精製された空気流および高圧の精製された空気流と接触させて−１０℃超の温度まで加熱して実質的に純粋な高圧酸素ガスを形成するという方法によって実質的に純粋な高圧酸素ガス流を形成する工程とを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本開示の実施形態に係る、発電システムと一体化させることができる高圧酸素を生成するように構成された深冷空気分離ユニットの概略フローチャートを示す。
【図２】本開示の実施形態に従って生成された酸素中での燃料の燃焼のために構成された発電サイクルの概略フローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付の図面を参照しながら本開示のいくつかの態様についてより完全に説明する。図面には本開示の実施形態の全てではないがいくつかが示されている。実際には、本開示の様々な実施形態は多くの異なる形態で表すことができ、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、本開示を徹底的かつ完全なものとし、かつ当業者に本開示の範囲を十分に伝えるために、これらの例示的な実施形態は提供されている。例えば、特に明記しない限り、第１または第２などと記載されているあるものは特定の順序を意味しているものとして解釈されるべきできはない。また、あるものが他のものの上にあると記載されている場合があるが、（特に明記しない限り）代わりにその下にあってもよく、その逆もまた同様であり、同様に他のものの左にあると記載されているあるものは代わりに右にあってもよく、その逆もまた同様である。本明細書および添付の特許請求の範囲において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対象を含む。同様の符号は全体を通して同様の要素を指す。
【００２８】
本開示の態様は、高圧酸素を生成するための空気分離プロセスに関する。別の態様によれば、システムおよび方法は発電プロセスのために高圧気体酸素流を提供してもよい。いくつかの態様では、発電システムは典型的には１メガワット（ＭＷ）の設定された正味電気出力当たり１日当たり約１１〜１２メートルトン（ＭＴ／Ｄ）の酸素流量を必要とすることがある。例えば、作動流体としてＣＯ２を用いる３００ＭＷの天然ガス発電システムは典型的な運転条件下で約３５００ＭＴ／Ｄの酸素流量を必要とすることが見込まれる。いくつかの態様では、ＣＯ２動力タービンと一体化されている燃焼器は、酸化剤媒体として２５モル％の純粋なＯ２と７５％のＣＯ２との混合物を利用する。純粋なＯ２のこの希釈により適度に中程度の燃焼温度が確実に得られ、この希釈は燃焼後の低い一酸化炭素レベルおよび低い過剰酸素という要件に一致している。必要な混合ガス（すなわち、ＣＯ２とＯ２とのガス混合物）は約２００バール〜約５００バールの範囲のタービン入口圧力で生成しなければならない。また、いくつの態様によれば、混合ガスはＣＯ２再循環エコノマイザー熱交換器において高圧で約６００℃〜８００℃の範囲の温度まで予め加熱してもよい。Ｏ２が最大１００バールの従来の圧力レベルで生成される場合、低圧のＯ２を同じ低圧のＣＯ２と混合し、次いでその後に、典型的には単相の高密度ＣＯ２＋Ｏ２混合物を生成するＣＯ２＋Ｏ２ガス圧縮機および水冷式熱交換器、その後に高圧ポンプを備えることができる別個のＣＯ２圧縮トレインにおいて所要の燃焼圧力まで圧縮しなければならない。さらに、ＣＯ２＋Ｏ２ガス圧縮機は約１５０バール超の吐出圧力を必要とする。正確な吐出圧力は、ＣＯ２＋Ｏ２ガス混合物がその臨界圧を超える温度まで混合流を冷却するために使用される冷却水の温度によって決まる。ＣＯ２＋Ｏ２ガス混合物の臨界圧は純粋なＣＯ２ガスと比較して高い。
【００２９】
先に述べたように、本開示の態様は、発電プロセスを用いて発電するのに十分に大きな所要の流量で約２００バール〜５００バールの範囲の圧力を有する高圧Ｏ２を生成することによって有意な利点を提供することができる。本開示のシステムおよび方法は特に、発電システムおよび方法に使用するために必要な流量および少なくとも１５０バール、少なくとも１８０バールまたは少なくとも２００バール（例えば、いくつかの実施形態では最大約６００バール）の圧力の酸素を提供するために構成されている。より詳細には、酸素は約１５０バール〜約６００バール、約１８０バール〜約５５０バールまたは約２００バール〜約５００バールの圧力で生成することができる。
【００３０】
本明細書に記載されている酸素調製システムおよび方法を利用する発電サイクルの一態様によれば、ＣＯ２＋Ｏ２圧縮機トレインおよびポンプは除外してもよい。別の例示的な態様では、空気圧縮機からの望ましい熱の組み込みを容易にするために、空気分離ユニットはタービンおよびエコノマイザー熱交換器に隣接して設置されていてもよい。さらに、空気分離ユニットをタービンおよびエコノマイザー熱交換器に隣接して配置することにより、有利にはより短い長さおよび／またはより小さい直径を有する高圧酸素運搬ラインを設けることができる。
【００３１】
本明細書に記載されている圧力のＯ２を生成するために、一態様によれば、本システムは、例えばＬｉｎｄｅ（登録商標）二重カラムシステムなどの二重カラムシステムを備えた従来の深冷空気蒸留システムを利用する。二重カラムシステムは、部分的に液体である空気供給物を気体窒素流および酸素高含有液体流に分離させるために約５．４バールの圧力で動作する底部（すなわち高圧カラム）を備えていてもよい。高圧底部カラムは、少なくとも２．５バール、少なくとも３バールまたは少なくとも５バール、例えば約３バール〜約５０バール、約３．５バール〜約１０バールまたは約４バール〜約８バールの圧力で動作することができる。いくつかの態様では、窒素流は高圧カラムの上部から離れてもよく、いくつかの態様では約１．３バールの圧力で動作することができる二重カラムシステムの上部（すなわち低圧カラム）の液溜めの液面の上に配置された熱交換器において凝縮されてもよい。低圧上部カラムは、２．５バール未満または２バール未満、例えば１バール〜約２．４バール、約１バール〜約２．２バールまたは約１バール〜約２バールの圧力で動作することができる。
【００３２】
低圧カラムの底部蒸留部を離れる全液体Ｏ２流は下方に移動し、リボイラー凝縮器を通り、そこで液体Ｏ２流の一部は蒸発し、液体Ｏ２流の残りの部分は低圧カラムの液溜め内に集まる。高圧カラムの上部蒸留部を離れる窒素ガスの凝縮によりリボイラー凝縮器において形成される液体Ｎ２は、二重カラムシステムの低圧カラムおよび高圧カラムの両方において還流として使用される。高圧カラムの基部を離れる酸素高含有液体流は、低圧カラムの中間点のすぐ近くで供給される。還流窒素流および濃縮液体酸素流はどちらも、蒸気の生成を最小限に抑えるために弁の圧力を下げる前に、低圧カラムの上部から出る廃窒素を利用してそれらのそれぞれの飽和温度未満まで過冷却する過冷却器を通る。一態様によれば、低圧カラムの下側部分は、発電プロセスで利用する場合に最適な効率のために望ましい純度まで酸素を濃縮する。例えば、本開示に従って調製される酸素流の純度は、再循環ＣＯ２流および正味ＣＯ２生成物流における不活性アルゴンの濃度を減少させるために９８％超のＯ２、９９％超のＯ２または９９．５％超のＯ２（モル％）であってもよく、これは発電システムへの全燃料供給物における酸素：炭素の比によって固定されている。９８％（モル）の最小酸素純度の制限は特に、作動流体としてＣＯ２を用いる密閉サイクルにおける不活性アルゴンまたは窒素の量を制限する必要性を特徴とする酸素プラントと発電システムとの一体化を目的としたものである。他の酸素燃料サイクルはこの制限を有していなくてもよく、従って、本明細書で考慮される最小の９８モル％未満の酸素純度を使用してもよい。より低い酸素純度を用いるこの事例では、主空気圧縮機のための最小吐出圧力を３．５バール程にも低くすることができることを認識すべきである。一態様によれば、ポンプ式液体酸素システムにとって望ましい特性は、液体酸素としての全生成物酸素流を低圧カラムの液溜めから回収して、多段遠心もしくは往復酸素ポンプを用いて所要の圧力の液体酸素流を送出する能力である。別個のアルゴンおよび／または純ガス抽出、複数のリボイラーおよび／または複数の連結されたカラム構成を設けることを含むことができるより複雑な蒸留構成が可能である。
【００３３】
本開示の態様によって対処されるいくつかの複雑な問題としては、別途本明細書に記載されているように実質的に高圧を有し得る液体酸素流を効率的にほぼ周囲温度まで加熱すること、およびプラントの周りでの全熱収支を達成するために必要な大量の極低温冷却を与えることが挙げられる。従って、本開示の一態様は有利には、酸素流を生成するために必要な全空気流を約２バール以上、約３．５バール以上または約５バール以上（例えば、いくつかの実施形態では最大約５０バールまで）の圧力まで圧縮する第１の空気圧縮機の利用を含む。特定の実施形態では、圧縮機は全空気流を約２バール〜約２０バール、約３．５バール〜約１５バール、約４バール〜約１０バールまたは約５バール〜約６バールの初期圧力まで圧縮してもよい。そのような圧力範囲まで圧縮された入口空気流は、本明細書では低圧流と定めることができる（すなわち、当該流れは圧縮されるが、本明細書に記載されている他の流れに対して低い圧力であることを示す）。この空気圧縮機は有利には、各段の間に中間冷却を有しない断熱空気圧縮機として構成されている。その出口温度は、好ましくは１５０℃超であり、より好ましくは２００℃超（例えば、いくつかの実施形態では最大約６００℃）である。例えば、出口温度は約１６０℃〜約５００℃、約１９０℃〜約４００℃または約２１０℃〜約３５０℃であってもよい。
【００３４】
高温吐出空気流を直接または間接的に冷却し、圧縮熱を外部で生成された熱の少なくとも一部を提供する密閉サイクルＣＯ２発電システムに伝達することができ、これにより発電システムの効率が高められる。圧縮された入口空気の低圧流を１００℃未満、８０℃未満または７０℃未満、例えば約３０℃〜約１００℃、約３５℃〜約９０℃または約４０℃〜約８０℃の温度まで低下させるように、圧縮された入口空気の低圧流は十分な量の熱を発電サイクルに伝達することができる。次いで、圧縮および冷却された空気流を、例えば冷却水などの周囲冷却手段および／または空気分離プラントから吐出された好ましくは水を含まない廃窒素流と直接接触させることによってその温度を低下させてある冷水流と接触させて周囲温度未満まで冷却する。このように生成された低圧入口空気流は、２５℃未満、２０℃未満、１５℃未満または１０℃未満、例えば約−１０℃〜約２０℃、約−５℃〜約１５℃または約０℃〜約１０℃の温度であってもよい。
【００３５】
次いで、冷却および圧縮された全空気流を空気精製システムに通す。いくつかの実施形態では、好適な精製システムは、空気流が空気分離プラントにおいてその液化温度まで冷却される前にそこから水、ＣＯ２および微量の炭化水素を除去する固体のペレット化された吸着剤が充填された切替え容器を含む。他の精製システムが本開示に係る使用のために同様に包含される。精製システムは好ましくは入口空気流中に存在するあらゆるＣＯ２および／またはあらゆる水および／またはあらゆる炭化水素の少なくとも一部を除去するように構成されている。例えば、ＣＯ２、水または炭化水素のうちの任意の１種以上を最初の入口空気流中に存在する量に対して、少なくとも７５モル％、少なくとも９０モル％、少なくとも９５モル％または少なくとも９９モル％減少させてもよい。従って、精製された空気流は、ＣＯ２、水または炭化水素（あるいは周囲空気中に存在することが当然に見込まれ得るＮＯｘまたはＣＯなどの望ましくは除去することができるあらゆるさらなる不純物）のうちのどの１種以上も実質的に含んでいないようにすることができる。実質的に含んでいないとは、精製された空気流中に存在する上記物質が１モル％未満、０．５モル％未満または０．１モル％未満であることを意味することができる。
【００３６】
精製された空気流は２つ以上の部分に分割することができる。精製された空気流の分割された部分はさらに圧縮するか、入口空気流が最初に圧縮されていた実質的に同じ圧力のままにすることができる。精製された空気流は実質的に同等に分割することができるか、あるいは一方の部分がより大きな比率の精製された空気流を含有していてもよい。
【００３７】
精製された空気流の少なくとも一部は少なくとも空気圧縮機で圧縮される。例えば、１つ以上の圧縮機は、精製システムを離れる全空気流の約１０モル％〜約９０モル％、約２５モル％〜約７５モル％または約３５モル％〜約５０モル％を含む精製された空気流の第１の部分を圧縮するように構成されていてもよい。例示的な一実施形態では、第１の空気圧縮機は、精製された空気流の第１の部分を約２０バール〜約９０バール、約３５バール〜約８５バールまたは約５０バール〜約８０バールの圧力に圧縮することができる。そのような圧力範囲の空気流を中圧空気流と定めることができる。精製された空気の第１の部分の約３０モル％〜約５０モル％を占める量の中圧で圧縮された空気は、上述のように熱交換器に移すことができる。精製された空気の第１の部分の約７０モル％〜約５０モル％を占める量の中圧で圧縮された空気は、最大約７０バール〜約１５０バール、約７５バール〜約１４０バールまたは約８０バール〜約１２５バールの圧力への圧縮のために第２の空気圧縮機に移すことができる。このさらに圧縮された量の精製された空気の第１の部分を高圧空気流と定めることができる。
【００３８】
「低圧空気流」「中圧空気流」および「高圧空気流」という相対的用語が本明細書で使用されているが、当然ながら、相対的用語は本明細書に記載されている圧力範囲によって区別される。
【００３９】
精製および圧縮および冷却された空気流の第１の部分から形成される中圧の精製された空気流および高圧の精製された空気流（高圧空気圧縮機を通る間に加熱されている）を高圧熱交換器に通し、そこで中圧の精製された空気流および高圧の精製された空気流は、熱を多段遠心もしくは往復酸素ポンプを離れる高圧液体酸素流に伝達して、圧縮された酸素流を加熱流と冷却流との間で最小の温度差を有する効率的な方法でほぼ周囲温度まで加熱する。
【００４０】
いくつかの実施形態では、全ての精製された空気流を圧縮して中圧の精製された空気流および高圧の精製された空気流を形成してもよい。別の態様によれば、精製および圧縮および冷却された空気流の第２の部分は低圧熱交換器で冷却してもよい。精製および圧縮および冷却された空気流の第２の部分は低圧空気流のままにすることができ（すなわち、入口空気流が最初に圧縮された際の圧力範囲のままである）、第２の部分は、精製システムを離れる全空気流の約１０モル％〜約９０モル％、約２５モル％〜約７５モル％または約５０モル％〜約６５モル％を含むことができる。第２の部分は、低圧蒸留塔の上部からの廃窒素の一部をほぼ周囲温度まで加熱しながら、低圧熱交換器において精製された空気流のおよそ液化温度まで冷却することができる。次いで、冷却された空気流は空気供給物の一部として高圧蒸留塔の基部に入る。廃窒素流の残りの部分を高圧空気／酸素熱交換器で加熱してもよい。廃窒素流のためのこれらの２つの熱交換器間での画分分割は、冷却流と加熱流との最も低い経済的な温度差と共に低圧熱交換器および高圧熱交換器における最低出口空気温度を達成するという必要性によって固定されている。
【００４１】
いくつかの態様では、膨張タービンは、高度に精製された高圧気体酸素生成物流を生成するために所望の大量の極低温レベルの冷却を与えてもよい。第１の膨張タービンは、高圧空気圧縮機からの第１の精製および冷却および圧縮された空気流の一部を膨張させるように構成されていてもよい。より詳細には、高圧の精製された空気流の第１の画分は第１のタービン入口流を形成することができ、例えば約−２０℃〜約−４０℃の温度の高圧熱交換器からの側流（ｓｉｄｅ−ｄｒａｗ）として高圧の精製された空気流から取り出すことができる。一態様では、第１のタービンは、二重カラム蒸留システムの低圧カラムの圧力と実質的に同様の出口圧力を有する単段もしくは多段遠心膨張タービンであってもよい。さらに、高圧の精製された空気流からの第１の画分の膨張された部分は、粗製液体酸素供給点に隣接する二重カラム蒸留システムの低圧カラムの中に導入してもよい。いくつの態様によれば、第１のタービン流量は高圧の精製された空気流の約１０％〜約５０％、約１５％〜約４０％または約２０％〜約３５％であってもよい。従って、高圧の精製された空気流の残りの部分（すなわち第２の画分）は、高圧の精製された全空気流の約５０％〜約９０％、約６０％〜約８５％または約６５％〜約８０％を含んでもよい。高圧の精製された空気流の残りの部分（すなわち第２の画分）は、高圧熱交換器において加温用の高度に精製された高圧酸素流および廃窒素流の少なくとも一部と接触させて冷却してもよい。いくつかの態様では、高圧の精製された空気流の第２の画分は、約−１６０℃〜約−１７０℃の温度で高圧熱交換器から出てもよい。一態様では、第２の画分を全廃窒素流が横切る熱交換器に通すことによって、第２の画分を約５℃〜約１０℃のさらなる量だけ過冷却してもよい。さらに冷却することにより、特に高密度超臨界低温空気流を膨張させるように設計された第２のタービンにおける高圧の圧縮された空気流の第２の画分の膨張中に形成される液体空気の割合を最大化するのを助ける。第２のタービンは、軸動力として高圧の精製された空気流の第２の画分から内部エネルギーを取り出すことにより膨張時に形成される液体空気の割合を最大化する。タービン排気流は高圧蒸留塔の基部に入り、そこで高圧カラムへの全空気供給物の一部になる。高圧の精製された空気流の第２の画分が膨張された際に形成される液体空気の割合を最大化することにより、高圧の精製された空気流の全流量を最小にし、かつ高圧空気圧縮機によって消費される動力の量を最小限に抑える。タービンにおいて高圧の精製された空気流の第２の画分の膨張後に形成されるフラッシュ蒸気留分は、タービン出口流量の２％未満であってもよい。
【００４２】
約５０バール〜約８０バールの圧力の空気圧縮機からの中圧の精製された空気流を高圧熱交換器において加温用の高度に精製された高圧酸素流および廃窒素流の少なくとも一部と接触させて約−８０℃〜約−１２０℃の温度まで冷却する。次いでそれは第３の膨張タービンに入り、そこで冷却されて仕事を生成し、その出口流は全供給空気流の一部として高圧カラムの基部に入る。中圧の精製された空気流のタービン排気流は、その入口圧力および温度に応じて最大１５％の液体空気を有していてもよい。
【００４３】
上記型の酸素プラントは、燃焼のために酸素のみを必要とする天然ガス燃料を用いる場合に、密閉サイクルＣＯ２作動流体を含む発電システムとの一体化に適している。また、石炭などの重質燃料あるいは重質石油精製残留物またはバイオマスは、それ以外で必要とされ得る圧力よりも著しく低い圧力で動作する様々なガス化装置型を用いてそれらを効率的に気体燃料に変換するために部分酸化を行うなどのさらなるプロセス工程のための燃料として使用することができる。深冷空気分離プラントから２つの異なる圧力で酸素の２つの別個の流れを生成するには、２つの別個の液体酸素ポンプを設けることが必要になる。第１の主要部は、発電システムの燃焼器で使用するための２００バール〜５００バールの圧力範囲の酸素を生成するためのものである。第２の非主要部は、発電システムの燃焼器における最終用途のために燃料ガス流を生成するように設計された重質燃料部分酸化反応器で使用するための３０バール〜１５０バールの圧力範囲の酸素を生成するためのものである。この場合、２つの別個の高圧酸素流を高圧熱交換器でほぼ周囲温度まで加熱し、本システムの残りの特徴は、従来通りに一般に単一の酸素圧システムのために上に定められているパラメータの範囲内で修正および最適化されたプロセス条件を用いることである。
【００４４】
２つの高圧空気流、２つの気体空気膨張タービン、高圧液体空気膨張タービンおよび２つの熱交換器間で分割される廃窒素加熱流を有する一方が高圧であって他方が低圧である２つの平行な熱交換器の構成により、圧縮機動力を最小にする最適な熱交換システムが得られる。
【００４５】
一態様によれば、高圧酸素を加熱し、かつ空気を冷却するように構成された望ましい高圧熱交換器は、少なくとも５００バールの圧力に耐えるようにさらに構成されていてもよい。いくつかの態様では、高圧熱交換器は、高圧熱交換器を含む材料の酸化を含み得る突発故障を引き起こすことなく酸素通過時の異物混入により生じ得る発火に耐えるのを可能にするような十分に大きな比質量を有するように構成されていてもよい。例えば、高圧熱交換器は、発火源が存在する場合に純酸素中で難燃性である金属で構築されていてもよい。いくつかの態様では、好適な金属としてはステンレス鋼および／または高ニッケル合金が挙げられる。別の態様によれば、高圧熱交換器は、コンパクトプレートフィン熱交換器に典型的な十分に大きな表面積：体積比を有していてもよい。１つの例示的な高圧熱交換器は、特に高圧酸素流を安全かつ効率的な方法で深冷温度から周囲温度まで加熱するという提案される役割のために、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，３６０，５６１号に記載されているようなＨＥＡＴＲＩＣ（登録商標）社によって提供されているものであってもよい。さらに、１つの例示的な高圧熱交換器は、米国特許第６，３６０，５６１号に記載されている安全機能を含むステンレス鋼製ＨＥＡＴＲＩＣ（登録商標）拡散接合型コンパクト熱交換器であってもよい。本明細書に記載されているいくつかの例示的な高圧熱交換器がＨＥＡＴＲＩＣ社によって提供されているが、当業者は、異なる販売業者から提供されている他のコンパクト熱交換器を本明細書に記載されている様々な態様において利用し得ることを理解している。
【００４６】
本開示に係るシステムおよび方法の例示的な実施形態が図１に示されている。図１は特定の動作パラメータに関して記載されているが、当然ながら動作パラメータは例示であって、別途本明細書に記載されているようにさらなる動作パラメータを包含することができる。図１に示すように、入口空気流２４を断熱性軸流圧縮機３０において少なくとも５．７バールの圧力まで圧縮してもよい。但し、入口空気流２４の圧力は、本明細書に記載されている他の流れに対して低圧空気流とみなされる程十分に低くすることができる。圧縮された入口空気は、約２２４℃および／または少なくとも２２４℃の温度の流れ２５として断熱性軸流圧縮機３０から出て、高圧熱交換器２９を通る。高圧熱交換器２９を使用して様々な流れを加熱することができる。この図示されている実施形態では、別途本明細書に記載されているように、高圧熱交換器２９は、約３２０バールの圧力を有し、かつＣＯ２発電サイクルにおいてＣＯ２高圧ポンプ吐出から約５０℃の温度で取り出される入口二酸化炭素（ＣＯ２）流２７を加熱する。より詳細には、高圧熱交換器２９は入口ＣＯ２流２７を約２２１℃まで加熱し、この流れは出口ＣＯ２流２８として高圧熱交換器を離れる。これは、主空気圧縮機３０における空気の断熱圧縮熱の約８０％をＣＯ２発電サイクルに伝達し、発電サイクルの効率を高める。さらに、熱の回収は燃焼サイクルにおいて９０％超の効率の正味動力生成に変換され、これは従来の中間冷却式空気圧縮と比較して断熱圧縮の１５％の動力上昇も補償する。軸流空気圧縮機３０は、従来の中間冷却式軸流圧縮機および遠心空気圧縮機の設置費用と比較して圧縮機の設置および／または配管時の大きな費用節約を与えてもよい。そのような費用節約は、大きい（すなわち１０００ＭＴ／日を超える）酸素プラントを用いる場合に得られる。
【００４７】
圧縮された空気流２６は、約５５℃の温度で高圧熱交換器２９を離れ、直接水冷式充填塔７４に入る。ライン２６からの空気流は直接水冷式充填塔７４において約８℃まで冷却され、ライン３６の中に冷却および圧縮された空気流として離れる。特に、直接水冷式充填塔７４は２つの充填部分を有する。直接水冷式充填塔７４の上部７４ａには約７℃の冷水流３１が供給される。この例示的な実施形態では、冷水流３１は、充填塔７２において入口冷却水流４１を廃窒素（Ｎ２）流４３と直接接触させることによって生成される。廃窒素流４３（好ましくは水含有量が僅かであるか全く含有していない）は、深冷空気分離プラントから供給され、廃窒素流が充填塔７２において入口冷却水流４１に接触した場合、窒素流は加湿され、廃流４２として大気に排出される。
【００４８】
直接水冷式充填塔７４の底部７４ｂは、第２の冷却水入口流７３をさらに受け取る。その底部は、空気流２６を第２の冷却水入口流７３の温度に近づけるために予め冷却するようにさらに構成されている。この構成は、出口空気流３６を３５℃の周囲温度であっても１５℃未満にほぼ維持することができるため、高い周囲温度において特に有用である。冷却水は流れ３７に含められて直接水冷式充填塔７４を離れ、所望どおりに再循環させることができる。
【００４９】
出口空気流３６は、効率的な水デミスター部を介して直接水冷式充填塔７４を離れ、二重吸着床５０ａおよび５０ｂを有する吸着システム５０に入り、そこで二酸化炭素、水、および微量の炭化水素が除去される。出口空気流３６は弁３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄのセットを通って吸着システム５０に入る。二重吸着床５０ａおよび５０ｂは連続的に動作し、流れ４４中の窒素の圧力が約１．３バールまで上昇するように送風機７５を通る流れ４４中の窒素によって再生される。窒素流４４は、二床式吸着システム５０における吸着剤の再生のために加熱器７６によって約７５℃まで加熱される。加熱器７６は一態様によれば、ＣＯ２再循環圧縮機吐出流からの少なくとも一部の廃熱を使用する。二床式吸着システム５０は、加熱器７６を迂回する迂回ライン４８を利用して冷却される。
【００５０】
再生窒素流４９は、出口空気流３６とは逆に流れて弁４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄのセットを通って二床式吸着システム５０に入る。追加または代わりとして、使用済みの窒素は廃棄ライン５１を介して大気に排出される。二床式吸着システム５０を離れる空気流５２は２つの流れに分かれる。一態様によれば、第１の空気流部分５４（空気流５２の約４７モル％を占める）は、約５．５バールの圧力で第１の空気ブースター中間冷却式多段遠心空気圧縮機３２に入り、約６８．９バールの圧力まで圧縮される。上に記載したように、第１の空気流部分５４は、精製システム（例えば二床式吸着システム５０）を離れる全空気流の約１０モル％〜約９０モル％、約２５モル％〜約７５モル％または約３５モル％〜約５０モル％を含むことができる。
【００５１】
第１の空気流部分５４は、第１の空気ブースター中間冷却式多段遠心空気圧縮機３２を通った後に、水冷却器３２ａにおいて冷却され、分割される。出口空気流６０は全空気流５２の約１５．８モル％を含む。出口空気流６０は第１の空気流部分５４からの空気の約３０モル％〜約５０モル％を含むことができ、かつ約２０バール〜約９０バール、約３５バール〜約８５バールまたは約５０〜約８０バールの圧力であってもよい。従って出口空気流６０は、別途本明細書において定義されているように中圧空気流とみなすことができる。第１の空気流部分５４中に存在していた全空気流５２の残りの約３１．２モル％は第２の空気ブースター遠心空気圧縮機３３（例えば、単一の遠心圧縮機ホイール）で約１０３．４バールの圧力まで圧縮され、冷却された空気流５９として第２の空気ブースター中間冷却式遠心空気圧縮機３３を離れる。冷却された空気流５９は第１の空気流部分５４からの空気の約５０モル％〜約７０モル％を含むことができ、約７０バール〜約１５０バール、約７５バール〜約１４０バールまたは約８０〜約１２５バールの圧力であってもよい。従って、冷却された空気流５９は、別途本明細書において定義されているように高圧空気流とみなすことができる。一態様によれば、第１の空気ブースター遠心空気圧縮機３２および第２の空気ブースター遠心空気圧縮機３３は、主空気圧縮機３０と共に単一の電気モータ３１によって駆動されてもよい。
【００５２】
第１の空気ブースター遠心空気圧縮機３２および第２の空気ブースター遠心空気圧縮機３３をそれぞれ離れ、かつ全空気流５２の約４７％を含む圧縮された空気流５９、６０は高圧熱交換器１６に入る。全空気流５２の残りの５３％を含み、かつ約５．５バールの圧力を有する第２の空気流部分５３は低圧熱交換器１７に入る。第２の空気流部分５３は、例えば全空気流５２の約１０モル％〜約９０モル％、約２５モル％〜約７５モル％または約４０〜約６０モル％を含むことができる。一態様によれば、高圧熱交換器１６は、米国特許第６，３６０，５６１号に記載されている安全機能を有して設計されているステンレス鋼またはニッケル合金製ＨＥＡＴＲＩＣ（登録商標）拡散接合型コンパクト熱交換器などであってもよく、低圧熱交換器１７はアルミニウム製プレートフィンユニット熱交換器であってもよい。
【００５３】
部分的に上に記載されているように、全空気流５２は分割され、冷却され、かつ部分的に液化されて流れ６８、６９を形成し、これらの流れは最終的に高圧カラム２の基部に入り、このカラムは、いくつかの態様では、従来では高純度９９．５％酸素の生成のために使用される従来の二重蒸留塔であってもよい。高圧カラム２の上部はリボイラー凝縮器３を介して低圧カラム１に連結されている。従って、高圧カラム２は下側カラムであってもよく、低圧カラム１は上側カラムであってもよい。上側低圧カラム１は１．２５バールの平均圧力で動作し、粗製酸素供給流１０および還流窒素流６（どちらも下側高圧カラム２から受け取られる）を純酸素液体生成物流１１および廃窒素流５に分離し、これらは低圧カラム１の上部から離れる。
【００５４】
高圧カラム２は生成物気体純窒素流７７を供給し、この流れは高圧カラム２の上部を離れ、リボイラー凝縮器３で凝縮される。出口液体窒素流８は２つの部分に分割される。流れ７は高圧カラム２に還流を供給し、流れ７０は弁７０ａを通って低圧カラム１に還流を供給した後に、最終的に流れ６になる。高圧カラム２からの底部生成物流９は、流れ６８および６９を介して供給される高圧カラム２への空気供給物中の酸素の実質的に全てを含有する液体流である。いくつの態様によれば、過冷却器４は、粗製酸素出口流９および低圧カラム還流液体窒素流７０を過冷却すると共に、その飽和温度で低圧カラム１を離れる廃窒素流５を約−１７４℃まで加熱する。いくつかの態様では、粗製酸素出口流９および低圧カラム還流７０は、低圧カラム１の中に移動する前に圧力降下弁９ａおよび７０ａにおいてそれぞれ膨張される。
【００５５】
いくつかの態様では、リボイラー凝縮器３は、凝縮窒素から放出される熱を使用して下方に流れる液体酸素流７１を沸騰させるようにさらに構成されている。ボイラー冷却器３の開放端を有する基部を離れる酸素の出口流は、液溜めにおけるレベル制御により低圧カラム１の基部を離れる液体酸素生成物およびその下に流れる液体流とは逆に流れてカラム内を上に流れる蒸気流の混合物を含む。一態様によれば、液体酸素生成物流１１は、電気モータ１３によって駆動することができる多段遠心ポンプ１２で約３２５バールまで圧縮してもよい。いくつかの態様では、液体酸素を新しい液体酸素生成物流１１を介して低圧カラム１から除去するには、二重カラムシステム（すなわち、低圧カラム１および高圧カラム２）の周りで熱収支を維持することが必要になる。高圧カラム２に入る全空気供給物（すなわち空気流６８および６９）の約２３％が液体空気であり、全空気供給物の７７％が約−１７３℃のその飽和温度および約５．３８バールの圧力の空気である場合に熱収支は維持される。
【００５６】
約−１６７．７℃の温度および約３２０バールの圧力で多段遠心ポンプ１２を離れる高圧液体酸素生成物流１４は高圧熱交換器１６で加熱される。加熱された高圧酸素生成物流１５は約１８．３℃の温度で高圧熱交換器１６を離れることができる。例えば、酸素生成物流１５は−１０℃超、０℃超または５℃超（例えば最大５０℃）の温度であってもよい。より詳細には、その温度は約−５℃〜約５０℃、約０℃〜約４０℃または約５℃〜約３０℃であってもよい。
【００５７】
いくつかの態様では、本空気分離プロセスのための冷却は、実質的に膨張タービンにおいて圧縮された空気流中の内部エネルギーの除去＋圧縮された空気流の圧力が蒸留システムの圧力に対して減少した場合に生成される冷却によって得ることができる。約１０３．４バールの圧力を有する高圧空気流５９は、高圧熱交換器１６において約−２９℃まで冷却される。空気流５９の第１の画分６３（例えば、全空気流５２の約８％を占める）は、連続的に配置されている２つの遠心膨張段を含むことができ、かつ発電機１９を駆動する第１の膨張タービン１８を通る。約−１８９℃の温度および約１．２５バールの圧力を有するタービン排気流６４は低圧カラム１に入り、そこにおよそ隣接する場所で粗製酸素供給流１０が低圧カラムに入る。上に記載したように、第１の膨張タービン１８を形成する２つの遠心膨張段を通る流量は、空気流５９の約１０％〜約５０％、約１５％〜約４０％または約２０％〜約３５％であってもよい。
【００５８】
空気流５９の第２の画分６５（例えば、全空気流５２の約２３．２％を占める）は高圧熱交換器１６において約−１６５℃まで冷却される。いくつかの態様では、第２の画分流６５はその後に熱交換器６６において約−１７３℃まで冷却される。その後に冷却された部分６７は熱交換器６６を離れ、廃窒素流５を約−１６９℃まで加熱する。いくつの態様によれば、加熱された廃窒素流５６は熱交換器６６を離れ、第１の廃窒素流５７および第２の廃窒素流５８に分割される。第１の廃窒素流５７は空気供給物の約５７．８％を含み、かつ低圧熱交換器１７で加熱され、第２の廃窒素流５８は、空気供給物の約２１．６％を含み、かつ高圧熱交換器１６において加熱される。第１の廃窒素流５７は約８．８℃の温度の第１の加熱された廃窒素流４５として低圧熱交換器１７から出て、第２の廃窒素流５８は、約１８．３℃の温度の第２の加熱された廃窒素流４６として高圧熱交換器１６から出る。一態様では、第１の加熱された廃窒素流４５および第２の加熱された廃窒素流４６は１つにまとめられて、１つにまとめられた加熱された廃窒素流４７を形成してもよく、そこから廃窒素流４３を充填塔７２に通すために回収し、そこから窒素流４４を送風機７５に通すために回収する。
【００５９】
熱交換器６６を離れる冷却された空気流６７は、発電機２２を駆動するように構成することができる第２の膨張タービン２０に入る。第２の膨張タービン２０は、入口空気流６８を約５．４バールの圧力で排出するように設計されていてもよい。いくつの態様によれば、第２の膨張タービン２０は、その入口において高密度超臨界圧縮空気により動作し、かつ約１％の蒸気および９９％の液体からなる入口空気流６８を排出するように構成されている遠心膨張ホイールを備えていてもよい。
【００６０】
一態様では約６８．９バールの圧力を有し得る中圧空気流６０は、高圧熱交換器１６に入り、約−１０１℃の温度まで冷却される。出口高圧空気流６１は高圧熱交換器１６を離れ、発電機２３を駆動する第３の膨張タービン２１に入る。第３の膨張タービン２１では、出口高圧空気流６１の圧力を約５．４バールまで下げてもよい。一態様では、第３の膨張タービン排気流６２は低圧熱交換器１７からの出口空気流５５と一緒になり、１つにまとめられた空気流６９は高圧カラム２の基部に入る。
【００６１】
高圧酸素を形成するための例示的なシステムおよび方法は、燃料の燃焼のために高圧酸素の連続的な投入を必要とする発電システムおよび方法と共に使用するのに特に適している。より詳細には、ＣＯ２作動流体流を利用する発電システムおよび方法は、本明細書に記載されている酸素生成システムおよび方法と組み合わせることができる。従って、本開示はさらに、ＣＯ２作動流体の使用の中心となる様々な要素およびプロセス工程を組み込むことができる発電サイクルに関する。本開示に係る発電サイクルに含めることができる要素およびプロセス工程の非限定的な例は、米国特許第８，５９６，０７５号、米国特許第８，７７６，５３２号、米国特許第８，９５９，８８７号、米国特許第８，９８６，００２号、米国特許第９，０６８，７４３号、米国特許第９，４１６，７２８号、米国特許第９，５４６，８１４号、米国特許出願公開第２０１２／００６７０５４号および米国特許出願公開第２０１３／０２１３０４９号に記載されており、これらの開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００６２】
本開示に係る有用な発電サイクルは、ＣＯ２（特に、超臨界ＣＯ２すなわちｓＣＯ２）が仕事流に使用されるあらゆるシステムおよび方法を含むことができる。非限定的な例として、発電システムおよび方法は、再循環ＣＯ２流が高温および高圧で供給され、燃焼器に供給されるように構成することができ、ここでは、炭素質燃料を酸素中で燃焼させ、タービンで膨張させて動力を生成し、熱交換器で冷却し、精製して水およびあらゆる他の不純物を除去し、圧縮し、タービン排気から取り出された熱を用いて再加熱し、かつ再び燃焼器に通してサイクルを繰り返す。そのようなシステムおよび方法は、全ての燃料および燃焼由来の不純物、過剰なＣＯ２および水が液体もしくは固体（例えば灰）として除去され、あらゆる流れの大気への排出が実質的に皆無であるという点で有利である。本システムおよび方法は、再循環ＣＯ２流が再圧縮された後であって燃焼の前に例えば低い温度レベル（すなわち５００℃未満）の熱の投入を使用することにより高効率を達成する。
【００６３】
本開示に係る有用な発電サイクルは、上に記載されているものよりも多くの工程または少ない工程を含むことができ、高圧再循環ＣＯ２流を発電のために膨張させ、かつさらなる発電のために再び再循環させる任意のサイクルを一般に含むことができる。本明細書で使用される高圧再循環ＣＯ２流は、少なくとも１００バール、少なくとも１５０バール、少なくとも２００バールまたは少なくとも３００バールの圧力を有することができる。高圧再循環ＣＯ２流はいくつかの実施形態では、約１００バール〜約５００バール、約１５０バール〜約４５０バールまたは約２００バール〜約４００バールの圧力を有することができる。従って、本明細書において高圧再循環ＣＯ２流という場合、上記範囲内の圧力のＣＯ２流であればよい。そのような圧力は、ＣＯ２を含む高圧仕事流またはＣＯ２を含む燃焼器排気流などの本明細書に記載されている他の高圧流について言及する場合にも該当する。
【００６４】
非限定的な例として、発電システム１００およびその使用方法が図２に示されている。システム１００は燃焼器１１５備え、ここでは炭素質燃料供給物１１２を再循環ＣＯ２流１４３の存在下で高圧酸素流１５（本明細書に記載されているように生成される）と共に燃焼させて、高圧かつ高温の燃焼生成物流１１７を形成し、これをタービン１２０で膨張させて発電機１４５により発電する。高温のタービン１２０からの排気流１２２を復熱式熱交換器１２５で冷却させて低圧かつ低温のタービン排気流１２７を生成し、これを分離器１３０に通すと凝縮された生成物１３２（例えば水）および実質的に純粋な再循環ＣＯ２流１３３がそこから出る。実質的に純粋な再循環ＣＯ２流１３３を圧縮機１３５で圧縮させて高圧再循環ＣＯ２流１３７を形成し、これを第１の部分再循環ＣＯ２流１３８および第２の部分再循環ＣＯ２流２７に分割する。第１の部分再循環ＣＯ２流１３８を復熱式熱交換器１２５に通して、そこで冷却用タービン排気流１２２と接触させて加熱する。第２の部分再循環ＣＯ２流２７を熱交換器２９に通し、そこで上記のように圧縮された空気入口流２５と接触させて加熱する。このように、空気入口流２５の圧縮熱を熱交換器２９を介して逆流によって再循環ＣＯ２流２７に添加する。再循環ＣＯ２流２８の加熱された部分を復熱式熱交換器１２５に通して第１の部分再循環ＣＯ２流１３８をさらに加熱する。加熱された再循環ＣＯ２流２８が復熱式熱交換器の高温端に入るように示されているが、当然ながら加熱された再循環ＣＯ２流２８は、加熱された再循環ＣＯ２流２８の実際の温度に基づいて適当な加熱レベルの復熱式熱交換器１２５に投入してもよい。さらに、いくつかの実施形態では、加熱された再循環ＣＯ２流２８は復熱式熱交換器１２５に戻さなくてもよい。それどころか、加熱された再循環ＣＯ２流２８は再循環ＣＯ２流１３３および低温ＣＯ２流１２７のうちの一方または両方に投入してもよい。単一の復熱式熱交換器１２５が図示されているが、異なる温度範囲で動作する複数の復熱式熱交換器を使用し、加熱された再循環ＣＯ２流２８を前記複数の復熱式熱交換器のうちのいずれか１つ以上に投入してもよい。
【００６５】
他の実施形態では、加熱された再循環ＣＯ２流２８を復熱式熱交換器１２５への投入前に第１の部分再循環ＣＯ２流１３８と１つにまとめてもよい。そのような実施形態では、例えばさらなる圧縮を第２の部分再循環ＣＯ２流２７および／または加熱された再循環ＣＯ２流２８に与えてもよい。
【００６６】
なおさらなる実施形態では、タービン排気流１２２を別個の熱交換器（図２には示さず）に通してもよい。第１の部分再循環ＣＯ２流１３８を復熱式熱交換器への投入前に別個の熱交換器に通してもよい。適当な加熱範囲で復熱式熱交換器を通る間に取り出される第１の部分再循環ＣＯ２流１３８からの側流を回収して別個の熱交換器に通してもよく、次いで加熱された側流を適当な加熱範囲の第１の部分再循環ＣＯ２流１３８と再び１つにまとめることができる。復熱式熱交換器１２５から出る加熱された再循環ＣＯ２流１４３の全てまたは一部をさらなる加熱のために別個の熱交換器に通してもよい。これらの例示的な実施形態では、流れ２５中の圧縮された入口空気によって提供される熱は、タービン排気流１２２のみから利用可能な加熱レベルを超えるさらなる熱を第１の部分再循環ＣＯ２流１３８に添加してもよい。加熱された再循環ＣＯ２流１４３をその後に燃焼器１１５に投入してもよい。
【００６７】
熱交換器２９からの加熱された再循環ＣＯ２流２８は、復熱式熱交換器１２５に通して冷却し、再循環ＣＯ２流１４４としてその低温端から出て、これを図示のとおり圧縮機１３５から出る実質的に純粋な再循環ＣＯ２流１３７と再び１つにまとめる。
【００６８】
上に例示されているように、酸素生成システムにおける入口空気流の圧縮熱によって提供されるさらなる加熱は、そうしなければ復熱式熱交換器に入るタービン排気および復熱式熱交換器を出る再循環ＣＯ２流の異なる比熱容量により復熱式熱交換器の高温端に存在する温度差を減少または排除するのに特に有用であり得る。本明細書に記載されているシステムおよび方法は、必要な量および品質の熱をさらなる熱として与えることによってそのような利点を達成するように構成されている。特に酸素生成システム内の圧縮機３０は、約２．５：１２または約２．５：１０の圧縮比により断熱的に（中間冷却なしに）動作することができる。
【００６９】
本発明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発明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、本発明は開示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ことが意図されていることを理解されたい。本明細書において具体的な用語が用いられているが、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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【国際調査報告】
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