(57)【要約】本開示は、低濃度の炭化水素流を酸化させて、電力生産システムへ追加のエネルギーを付与することができるシステムおよび方法に関する。この酸化は、炭化水素を実質的に燃焼させることなく実行することができる。この方法では、さもなければ費用の掛かる分離処理を経ることが必要とされることになる低濃度の炭化水素流を、電力生産のシステムおよび方法を改善するために効率的に利用することができる。当該システムおよび方法は、特に、石油増進回収処理または従来の炭化水素回収処理などの炭化水素回収処理で産出され得るものなどの、有意な量の二酸化炭素を含む低濃度の炭化水素流を利用することができる。【選択図】図１
2019515170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力生産のための方法であって、
密閉式または半密閉式電力生産サイクルを実行するステップであって、
ＣＯ２が、電力生産のために繰り返し圧縮かつ膨張される作業流体として循環しており、
電力生産のため前記作業流体を圧縮した後であって前記作業流体を膨張させる前に、第１の燃料供給源を燃焼器で燃焼して前記作業流体を加熱し、
復熱式熱交換器を使用して、前記作業流体の加熱のための燃焼熱を再捕捉する、
ステップと、
第２の燃料供給源を使用して前記燃焼器の外側に形成される熱で前記作業流体を加熱するステップであって、前記熱が、再捕捉された燃焼熱に加えられ、前記第２の燃料供給源が、前記燃焼器の外側に形成される熱を提供するために、実質的な燃焼を伴うことなく酸化される低濃度の炭化水素流である、
ステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素の濃度が、前記炭化水素の爆発下限界（ＬＥＬ）未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、触媒により酸化させる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の燃料を、ＣＯ２作業流体の存在下で、前記燃焼器で酸素を用いて燃焼させて排気流を形成し、
前記燃焼器からの排気流を、タービンで膨張させて発電を行い、タービン排気流を形成し、
前記タービン排気流を、前記復熱式熱交換器で冷却し、
前記復熱式熱交換器を出たタービン排気流を、前記作業流体から少なくとも水を除去するように精製し、
前記作業流体の少なくとも一部を、圧縮器で圧縮し、
前記圧縮した作業流体の少なくとも一部を、前記復熱式熱交換器に戻すことにより、前記圧縮した作業流体を、前記タービン排気流から回収した熱で加熱し、
前記加熱し、圧縮した作業流体を、前記燃焼器に再循環させる、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記低濃度の炭化水素流を、前記作業流体を前記圧縮機で圧縮した後であって前記作業流体を前記復熱式熱交換器に戻す前に、前記作業流体に添加する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、前記復熱式熱交換器の中で酸化させる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、前記作業流体と、前記燃焼器に酸素を提供する酸素流とのうちの１つまたは両方との熱交換のために構成されたさらなる熱交換器で酸化させる、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記低濃度の炭化水素流を、前記復熱式熱交換器において、前記圧縮した作業流体と組み合わせる、請求項４〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記圧縮した作業流体の一部を、酸素と組み合わせて低濃度の酸素流を形成し、前記低濃度の炭化水素流を、前記低濃度の酸素流と組み合わせる、請求項４〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記低濃度の炭化水素流と組み合わせた前記低濃度の酸素流を、前記復熱式熱交換器に通し、前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を酸化させる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記低濃度の炭化水素流と組み合わせた前記低濃度の酸素流を、さらなる熱交換器に通し、前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を酸化させる、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記低濃度の炭化水素流を、酸化反応器に投入する、請求項４〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化反応器を出た反応流を、前記復熱式熱交換器に投入する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記酸化反応器を出た反応流を、電力生産のためのさらなるタービンに投入する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記タービン排気流の一部を、前記酸化反応器に投入して前記さらなるタービンに投入される反応流に含める、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記低濃度の炭化水素流が、石油増進回収処理の生成物である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
電力生産システムであって、
密閉式または半密閉式電力生産サイクルを実行するように構成された電力生産部であって、
圧縮したＣＯ２作業流体の存在下で、第１の燃料を燃焼するように構成された燃焼器と、
前記圧縮したＣＯ２作業流体を膨張させて膨張したＣＯ２作業流体を提供するように構成されたタービンと、
前記膨張したＣＯ２作業流体を圧縮して圧縮したＣＯ２作業流体を提供するように構成された圧縮機と、
前記タービンを出た膨張したＣＯ２作業流体から前記圧縮機を出た圧縮したＣＯ２作業流体まで熱を伝達するように構成された復熱式熱交換器と、
前記燃焼器以外の電力生産部の構成要素に、低濃度の炭化水素流を投入するように構成された１つまたは複数の投入と
を含む、
電力生産部を含む、
電力生産システム。
【請求項１８】
前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を前記復熱式熱交換器に投入するように構成されている、請求項１７に記載の電力生産システム。
【請求項１９】
第２の熱交換器をさらに含み、前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を前記第２の熱交換器に投入するように構成されている、請求項１７または１８に記載の電力生産システム。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を、前記ＣＯ２作業流体を含むラインに投入するように構成されている、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の電力生産システム。
【請求項２１】
前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を、前記復熱式熱交換器の下流かつ前記圧縮機の上流にあるラインへ投入するように構成されている、請求項２０に記載の電力生産システム。
【請求項２２】
酸化反応器をさらに含み、前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を前記酸化反応器に投入するように構成されている、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の電力生産システム。
【請求項２３】
前記酸化反応器が、触媒型酸化反応器である、請求項２２に記載の電力生産システム。
【請求項２４】
前記酸化反応器が、前記復熱式熱交換器に投入される反応流を産出するように構成されている、請求項２２に記載の電力生産システム。
【請求項２５】
前記酸化反応器が、前記復熱式熱交換器の上流で膨張した前記ＣＯ２作業流体の一部を受領するように構成されている、請求項２２に記載の電力生産システム。
【請求項２６】
前記酸化反応器から反応流を受領するように構成されている第２のタービンをさらに含む、請求項２５に記載の電力生産システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、エネルギー生産のために様々なガス流を酸化し得るシステムおよび方法に関する。ガス流は、具体的には、炭化水素、および１つまたは複数の希釈剤を含み得る。酸化を介して生産されたエネルギーは、たとえば電力生産のシステムまたは方法に付与することができる。
【背景技術】
【０００２】
多くの産業プロセスは、ある含有量の可燃性である炭化水素物質を含んでいる気体の流れからもたらされる。多くの例では、このような流れは、炭化水素、ならびにこの炭化水素を汚染または希薄するとみなされ得る１つまたは複数のさらなる物質を含み、よってそれらの有用性が限定される場合がある。二酸化炭素は、特に石油産業の様々な態様において、炭化水素ガスと共によく見いだされているさらなる物質の例である。たとえば、地質からもたらされる未加工の天然ガスは、多くの場合、有意な量の二酸化炭素を含んでいる。反対に、地質から回収された二酸化炭素は、多くの場合、有意な量の炭化水素ガスを含んでいる。またさらに、石油増進回収（ＥＯＲ）法で回収した採ガスは、多くの場合、炭化水素ガスおよび二酸化炭素の混合物を含む。上述の例などのガス流の組み合わせは、概して、これら構成成分を分離、すなわち、燃焼に適し得る実質的に純粋な炭化水素流を提供するため、および／またはＥＯＲでの使用、もしくは隔離、もしくは他の最終的な用途に適し得る実質的に純粋な二酸化炭素を提供するために、特定の処理を必要とする。よって、炭化水素含有流を利用するためさらなる選択肢を有することが有用である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
１つまたは複数の実施形態では、本開示は、電力生産に有用なシステムおよび方法を提供することができる。特に、本システムおよび方法は、流れの中の炭化水素が実質的に燃焼することなく酸化されることにより、電力生産サイクルに追加のエネルギーを付与するように、低濃度の炭化水素流を処理するように構成することができる。
【０００４】
１つまたは複数の実施形態では、本開示は、電力生産のための方法であって、
リサイクルＣＯ２流の存在下で、燃焼器で酸素を用いて炭素質燃料を燃焼して、ＣＯ２を含む燃焼生成流を形成するステップと、
燃焼生成物流をタービンで膨張させて、発電し、タービン排気流を形成するステップと、
タービン排気流を、復熱式熱交換器で冷却するステップと、
冷却したタービン排気流から、存在する水を除去して、リサイクルＣＯ２流を形成するステップと、
リサイクルＣＯ２流の少なくとも一部を圧縮するステップと、
任意に、リサイクルＣＯ２流の一部を転用し、酸素と転用した一部を組み合わせた後に、上記燃焼を行うステップと、
圧縮したリサイクルＣＯ２流を復熱式熱交換器に戻すことにより、圧縮したリサイクルＣＯ２流を、タービン排気流から回収した熱で加熱するステップと、
低濃度の炭化水素流中の炭化水素が実質的に燃焼することなく酸化される条件下で、低濃度の炭化水素流を投入するステップと、
加熱し、圧縮したリサイクルＣＯ２流を燃焼器に向けるステップと
を含む、方法を提供することができる。
【０００５】
１つまたは複数のさらなる実施形態では、電力生産のための方法は、任意の数および順序で組み合わせることのできる以下の記載のうちの１つまたは複数に関連させて、さらに定義することができる。
【０００６】
低濃度の炭化水素流は、炭化水素流がリサイクルＣＯ２流および酸素のうちの１つまたは両方と熱交換するように構成されている復熱式熱交換器またはさらなる熱交換器の中で酸化されるように、投入することができる。
【０００７】
低濃度の炭化水素流は、上記通過ステップの前に、圧縮したリサイクルＣＯ２流と組み合わせることができる。
【０００８】
低濃度の炭化水素流は、復熱式熱交換器で、圧縮したリサイクルＣＯ２流と組み合わせることができる。
【０００９】
低濃度の炭化水素流は、さらなる熱交換器で、圧縮したリサイクルＣＯ２流と組み合わせることができる。
【００１０】
リサイクルＣＯ２流の一部を転用し、酸素と組み合わせて、低濃度の酸素流を形成することができ、低濃度の炭化水素流は、この低濃度の酸素流と組み合わせることができる。
【００１１】
低濃度の炭化水素流と組み合わせた低濃度の酸素流を、復熱式熱交換器またはさらなる熱交換器に通し、ここで低濃度の炭化水素流中の炭化水素を酸化させることができる。
【００１２】
低濃度の炭化水素ガスは、石油増進回収処理の生成物である。
【００１３】
１つまたは複数の実施形態では、本開示は、密閉式または半密閉式ブレイトンサイクル（ＣＯ２が作業流体として使用され；炭素質燃料が第１の燃料供給源として使用され、作業流体を加熱するために燃焼され；かつ復熱式熱交換器を、燃焼熱を再捕捉するために使用する）を実行するステップと、低濃度の炭化水素流を第２の燃料供給源として、密閉式または半密閉式のブレイトンサイクルに添加し、低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、実質的に燃焼することなく酸化させてさらなる熱を提供するステップとを含む、電力生産のための方法を提供することができる。
【００１４】
１つまたは複数の実施形態では、本開示は、１つまたは複数の炭化水素および１つまたは複数の希釈剤を含む廃棄流を準備するステップと、密閉式または半密閉式ブレイトンサイクルに廃棄流を投入することにより、廃棄流中の炭化水素を実質的に燃焼することなく酸化させるステップとを含む、廃棄流を処理するための方法を提供することができる。
【００１５】
１つまたは複数の実施形態では、電力生産のための方法は、密閉式または半密閉式の電力生産サイクルを実行するステップを含み、ここでＣＯ２が、電力生産のため繰り返し圧縮および膨張される作業流体として循環し；電力生産のため作業流体を圧縮した後であって作業流体を膨張させる前に、第１の燃料供給源を燃焼器で燃焼して作業流体を加熱し、復熱式熱交換器を使用して、作業流体を加熱するための燃焼熱を再捕捉する。本方法は、第２の燃料供給源を使用する燃焼器の外側に形成される熱で作業流体を加熱するステップをさらに含むことができ、上記加熱は、再捕捉された燃焼熱に加えられ、上記第２の燃料供給源は、燃焼器の外側に形成される熱を提供するために実質的な燃焼を用いることなく酸化される低濃度の炭化水素流である。
【００１６】
１つまたは複数のさらなる実施形態では、電力生産のための方法は、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１つまたは複数と関連させて、さらに定義することができる。
【００１７】
低濃度の炭化水素流中の炭化水素の濃度は、炭化水素の爆発下限界（ＬＥＬ）未満とすることができる。
【００１８】
低濃度の炭化水素流中の炭化水素は触媒により酸化させることができる。
【００１９】
本方法は、特に、以下のステップを含むことができる：第１の燃料を、ＣＯ２作業流体の存在下で酸素を用いて燃焼させて、排気流を形成する；燃焼器からの排気流をタービンで膨張させて発電を行い、タービン排気流を形成する；タービン排気流を復熱式熱交換器で冷却する；復熱式熱交換器を出たタービン排気流を、作業流体から少なくとも水を除去するように精製する；作業流体の少なくとも一部を圧縮機で圧縮する；圧縮した作業流体の少なくとも一部を復熱式熱交換器に戻すことにより、圧縮した作業流体を、タービン排気流から回収した熱で加熱する；および加熱し、圧縮した作業流体を、燃焼器に再循環させる。
【００２０】
低濃度の炭化水素流を、作業流体を圧縮機で圧縮した後であって作業流体を復熱式熱交換器に戻す前に、作業流体に添加することができる。
【００２１】
低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、復熱式熱交換器の中で酸化させることができる。
【００２２】
低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、作業流体と、燃焼器に酸素を提供する酸素流とのうちの１つまたは両方との熱交換のために構成されているさらなる熱交換器で、酸化させることができる。
【００２３】
低濃度の炭化水素流を、復熱式熱交換器において、圧縮した作業流体と組み合わせることができる。
【００２４】
圧縮した作業流体の一部を、酸素と組み合わせて、低濃度の酸素流を形成することができる。ここで低濃度の炭化水素流を、この低濃度の酸素流と組み合わせる。
【００２５】
低濃度の炭化水素流と組み合わせた低濃度の酸素流を、復熱式熱交換器に通すことができ、ここで低濃度の炭化水素流中の炭化水素が酸化される。
【００２６】
低濃度の炭化水素流と組み合わせた低濃度の酸素流を、さらなる熱交換器に通すことができ、ここで低濃度の炭化水素流中の炭化水素が酸化される。
【００２７】
低濃度の炭化水素流を、酸化反応器に投入することができる。
【００２８】
酸化反応器を出た反応流を、復熱式熱交換器に投入することができる。
【００２９】
酸化反応器を出た反応流は、電力生産のためにさらなるタービンに投入される。
【００３０】
タービン排気流の一部を、酸化反応器に投入して、さらなるタービンに投入される反応流に含めることができる。
【００３１】
低濃度の炭化水素流は、石油増進回収処理の生成物とすることができる。１つまたは複数の実施形態では、本開示は、電力生産のためのシステムであって、
密閉式または半密閉式のブレイトンサイクルを実行するように構成された電力生産部であって、
リサイクルＣＯ２流の存在下で炭素質燃料を燃焼するように構成された燃焼器と、
燃焼器以外の部品の構成要素に低濃度の炭化水素流を投入するように構成された１つまたは複数の投入と
を含む、電力生産部を含む、システムを提供することができる。
【００３２】
一部の実施形態では、電力生産システムは、密閉式または半密閉式の電力生産サイクルを実行するように構成された電力生産部であって、圧縮したＣＯ２作業流体の存在下で第１の燃料を燃焼するように構成された燃焼器と；膨張したＣＯ２作業流体を提供するために圧縮したＣＯ２作業流体を膨張させるように構成されたタービンと；圧縮したＣＯ２作業流体を提供するために膨張したＣＯ２作業流体を圧縮するように構成された圧縮機と；タービンを出た膨張したＣＯ２作業流体から圧縮機を出た圧縮したＣＯ２作業流体に熱を伝達するように構成された復熱式熱交換器と；燃焼器以外の電力生産部の構成要素に低濃度の炭化水素流を投入するように構成された１つまたは複数の投入とを備える、電力生産部を含むことができる。
【００３３】
１つまたは複数のさらなる実施形態では、電力生産システムは、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１つまたは複数に関連させて、さらに定義することができる。
【００３４】
投入は、低濃度の炭化水素流を復熱式熱交換器に投入するように構成することができる。
【００３５】
電力生産システムは、第２の熱交換器をさらに含むことができ、投入は、低濃度の炭化水素流を第２の熱交換器に投入するように構成することができる。
【００３６】
投入は、低濃度の炭化水素流を、ＣＯ２作業流体を含むラインに投入するように構成することができる。
【００３７】
投入は、低濃度の炭化水素流を、復熱式熱交換器の下流であって圧縮器の上流のラインに投入するように構成することができる。
【００３８】
電力生産システムは、酸化反応器をさらに含むことができ、投入は、低濃度の炭化水素流を酸化反応器に投入するように構成することができる。
【００３９】
酸化反応器は、触媒型酸化反応器とすることができる。
【００４０】
酸化反応器は、復熱式熱交換器に投入される反応流を産出するように構成することができる。
【００４１】
酸化反応器は、復熱式熱交換器の上流で膨張したＣＯ２作業流体の一部を受領するように構成することができる。
【００４２】
電力生産システムはさらに、酸化反応器からの反応流を受領するように構成された第２のタービンを含むことができる。
【００４３】
本発明は、限定するものではないが、以下の実施形態を含む。
【００４４】
実施形態１：電力生産のための方法であって、
密閉式または半密閉式電力生産サイクルを実行するステップであって、
ＣＯ２が、電力生産のために繰り返し圧縮かつ膨張される作業流体として循環しており、
電力生産のため前記作業流体を圧縮した後であって前記作業流体を膨張させる前に、第１の燃料供給源を燃焼器で燃焼して前記作業流体を加熱し、
復熱式熱交換器を使用して、前記作業流体の加熱のための燃焼熱を再捕捉する、
ステップと、
第２の燃料供給源を使用して前記燃焼器の外側に形成される熱で前記作業流体を加熱するステップであって、前記熱が、再捕捉された燃焼熱に加えられ、前記第２の燃料供給源が、前記燃焼器の外側に形成される熱を提供するために、実質的な燃焼を伴うことなく酸化される低濃度の炭化水素流である、ステップと
を含む、方法。
【００４５】
実施形態２：前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素の濃度が、炭化水素の爆発下限界（ＬＥＬ）未満である、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００４６】
実施形態３：前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、触媒により酸化させる、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００４７】
実施形態４：前記第１の燃料を、ＣＯ２作業流体の存在下で、前記燃焼器で酸素を用いて燃焼して排気流を形成し、
前記燃焼器からの排気流を、タービンで膨張させて発電を行い、タービン排気流を形成し、
前記タービン排気流を、前記復熱式熱交換器で冷却し、
前記復熱式熱交換器を出たタービン排気流を、前記作業流体から少なくとも水を除去するように精製し、
前記作業流体の少なくとも一部を、圧縮器で圧縮し、
前記圧縮した作業流体の少なくとも一部を、前記復熱式熱交換器に戻すことにより、前記圧縮した作業流体を、前記タービン排気流から回収した熱で加熱し、
前記加熱し、圧縮した作業流体を、前記燃焼器に再循環させる、
上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００４８】
実施形態５：前記低濃度の炭化水素流を、前記作業流体を前記圧縮機で圧縮した後であって前記作業流体を前記復熱式熱交換器に戻す前に、前記作業流体に添加する、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００４９】
実施形態６：前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、前記復熱式熱交換器の中で酸化させる、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５０】
実施形態７：前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、前記作業流体と、前記燃焼器に酸素を提供する酸素流とのうちの１つまたは両方との熱交換のために構成されたさらなる熱交換器で酸化させる、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５１】
実施形態８：前記低濃度の炭化水素流を、前記復熱式熱交換器において、前記圧縮した作業流体と組み合わせる、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５２】
実施形態９：前記圧縮した作業流体の一部を、酸素と組み合わせて低濃度の酸素流を形成し、前記低濃度の炭化水素流を、前記低濃度の酸素流と組み合わせる、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５３】
実施形態１０：前記低濃度の炭化水素流と組み合わせた低濃度の酸素流を、前記復熱式熱交換器に通し、前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を酸化させる、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５４】
実施形態１１：前記低濃度の炭化水素流と組み合わせた低濃度の酸素流を、さらなる熱交換器に通し、前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を酸化させる、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５５】
実施形態１２：前記低濃度の炭化水素流を、酸化反応器に投入する、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５６】
実施形態１３：前記酸化反応器を出た反応流を、前記復熱式熱交換器に投入する、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５７】
実施形態１４：前記酸化反応器を出た反応流を、電力生産のためにさらなるタービンに投入する、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５８】
実施形態１５：前記タービン排気流の一部を、前記酸化反応器に投入して、前記さらなるタービンに投入される反応流に含める、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００５９】
実施形態１６：前記低濃度の炭化水素流が、石油増進回収処理の生成物である、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の方法。
【００６０】
実施形態１７：電力生産システムであって、
密閉式または半密閉式電力生産サイクルを実行するように構成された電力生産部であって、
圧縮したＣＯ２作業流体の存在下で、第１の燃料を燃焼するように構成された燃焼器と、
膨張したＣＯ２作業流体を提供するために、前記圧縮したＣＯ２作業流体を膨張させるように構成されたタービンと、
圧縮したＣＯ２作業流体を提供するために、前記膨張したＣＯ２作業流体を圧縮するように構成された圧縮機と、
前記タービンを出た膨張したＣＯ２作業流体から前記圧縮機を出た圧縮したＣＯ２作業流体に熱を伝達するように構成された復熱式熱交換器と、
前記燃焼器以外の電力生産部の構成要素に、低濃度の炭化水素流を投入するように構成された１つまたは複数の投入と
を含む、
電力生産部
を含む、電力生産システム。
【００６１】
実施形態１８：前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を前記復熱式熱交換器に投入するように構成されている、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の電力生産システム。
【００６２】
実施形態１９：第２の熱交換器をさらに含み、前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を前記第２の熱交換器に投入するように構成されている、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の電力生産システム。
【００６３】
実施形態２０：前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を、前記ＣＯ２作業流体を含むラインに投入するように構成されている、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の電力生産システム。
【００６４】
実施形態２１：前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を、前記復熱式熱交換器の下流かつ前記圧縮機の上流にあるラインへ投入するように構成されている、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の電力生産システム。
【００６５】
実施形態２２：酸化反応器をさらに含み、前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を前記酸化反応器に投入するように構成されている、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の電力生産システム。
【００６６】
実施形態２３：前記酸化反応器が、触媒型酸化反応器である、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の電力生産システム。
【００６７】
実施形態２４：前記酸化反応器が、前記復熱式熱交換器に投入される反応流を産出するように構成されている、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の電力生産システム。
【００６８】
実施形態２５：前記酸化反応器が、前記復熱式熱交換器の上流で膨張したＣＯ２作業流体を受領するように構成されている、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の電力生産システム。
【００６９】
実施形態２６：前記酸化反応器から反応流を受領するように構成されている第２のタービンをさらに含む、上述または後述のいずれかの実施形態に記載の電力生産システム。
【００７０】
このように、上記の一般的な用語で本開示を説明してきたが、添付の図面を参照されたい。これら図面は必ずしも尺度通りに描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】低濃度の炭化水素流を電力生産プラントの様々な構成部に投入できる、本開示の実施形態に係る電力生産プラントに関する流れ図である。
【図２】低濃度の炭化水素流を、再利用される作業流体流に投入する、本開示の実施形態に係る電力生産プラントに関する流れ図である。
【図３】低濃度の炭化水素流を、追加の熱交換器に投入する、本開示の実施形態に係る電力生産プラントに関する流れ図である。
【図４】低濃度の炭化水素流を、低濃度の酸化剤流と組み合わせる、本開示の実施形態に係る電力生産プラントに関する流れ図である。
【図５】低濃度の炭化水素流を、触媒型反応器に投入する、本開示の実施形態に係る電力生産プラントに関する流れ図である。
【図６】低濃度の炭化水素流を、タービンから下流かつ熱交換器から上流にあるタービン排気流に投入する、本開示の実施形態に係る電力生産プラントに関する流れ図である。
【図７】低濃度の炭化水素流を、タービン排気流を含む触媒型反応器に投入し、次に第２のタービンを介して膨張させる、本開示の実施形態に係る電力生産プラントに関する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
さて、本発明は、本明細書中以下でより完全に説明されている。本発明は、しかしながら、多くの異なる形態で例示されてもよく、本明細書中に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではなく；むしろ、これら実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、当業者に本発明の範囲を完全に伝達するように提供されている。本明細書および特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が特段他の意味を明記しない限り、複数形を含む。
【００７３】
１つまたは複数の実施形態では、本開示は、低濃度の炭化水素流を、電力生産用のエネルギーを追加するために実質的に燃焼させることなく酸化させる、電力生産のためのシステムおよび方法を提供する。本システムおよび方法は、他の方法では、有用な物質（たとえば炭化水素の精製流および／または１つもしくは複数の希釈剤の精製流）を提供するために高価かつ時間がかかる分離を行うことを必要とする流れの、低コストで効率的な利用を可能にする。
【００７４】
本明細書中使用される低濃度の炭化水素流は、微量を超える１つまたは複数の炭化水素および少なくとも１つの希釈剤を含む流れを意味することが理解されている。低濃度の炭化水素流は、炭化水素の酸化を介した望ましい加熱レベルを提供するのに適した炭化水素の濃度を含むことができる。低濃度の炭化水素流中の炭化水素の濃度は、低濃度の炭化水素流が爆発下限界（ＬＥＬ）未満である量の炭化水素を含むという点でのみ限定されている。特に、この流れにおける低濃度の炭化水素の濃度は、低濃度の炭化水素流を本明細書中さらに記載されているリサイクルＣＯ２流と混合した後で、ＬＥＬ未満とすることができる。
【００７５】
低濃度の炭化水素流に存在する炭化水素は、好ましくは気体の状態である。存在し得る炭化水素の非限定的な例として、Ｃ１〜Ｃ１０化合物が挙げられ得る。好ましくは、低濃度の炭化水素流は、Ｃ１〜Ｃ４化合物を含む；しかしながら、特に、低濃度の炭化水素流が加圧される際に、Ｃ５〜Ｃ１０の化合物が存在してもよい。特定の実施形態では、低濃度の炭化水素流は、少なくともメタンを含む。一部の実施形態では、低濃度の炭化水素流は、天然ガスを含む。
【００７６】
低濃度の炭化水素流に存在する希釈剤は、上述の範囲内に炭化水素の濃度を希釈するように作用するいずれかの物質とすることができる。特定の実施形態では、希釈剤は、ＣＯ２を含み得る。存在し得る希釈剤の他の非限定的な例は、窒素、水、Ｈ２Ｓ、および酸素を含んで存在してもよい。一部の実施形態では、希釈剤は、主にＣＯ２を含み（すなわち希釈剤の５０容量％超がＣＯ２）、希釈剤は、特に、約６０容量％以上、約７５容量％以上、約８０容量％以上、約９０容量％以上、約９５容量％以上、約９８容量％以上、約９９容量％以上、約９９．５容量％以上、または約９９．８容量％以上のＣＯ２を含み得る。たとえば、希釈剤は、約６０容量％〜約９９．９容量％、約７５容量％〜約９９．８容量％、または約８０容量％〜約９９．５容量％のＣＯ２を含み得る。
【００７７】
低濃度の炭化水素流は、産業廃棄物、反応生成物、炭化水素生成流（たとえば天然ガス井または油井由来）などを含むいずれの供給源からももたらすことができる。必要に応じて、このような供給源由来の炭化水素流は、具体的に、炭化水素流へのＣＯ２（または他の希釈剤）の添加を介して希釈することができる。たとえば、廃棄流は、ＬＥＬ超の濃度で炭化水素を含む場合があり、このような流れは、さらなる希釈剤の添加を介して本開示に従い使用されてもよい。上記に加えて、天然の形成物から回収されたＣＯ２は、多くの場合、ある含有量の天然ガスまたは気体の炭化水素の他の混合物を含む。一部の実施形態では、低濃度の炭化水素流は、たとえばその開示が参照によって本明細書に援用されているＰａｌｍｅｒらに対する米国特許第８，８６９，８８９号に記載されている方法などの、石油増進回収（ＥＯＲ）法から生じ得る。ＥＯＲ法は、概して、実質的に純粋な物質である使用可能な流れを提供するために分離すべきである物質の混合物を含む生成物の流れをもたらす。ＣＯ２がＥＯＲで使用される場合、生成される物質は、特に、炭化水素生成物からＣＯ２を分離するように処理しなければならない。Ｐａｌｍｅｒらに対する上述の特許では、ＣＯ２および炭化水素の混合物は、関連する電力生産方法の燃料供給源の一部として使用され得る。このような方法では、組み合わせたＣＯ２および炭化水素の混合物は、概して、実質的に純粋な炭化水素燃料の流れと併せて、燃焼される燃焼器へと向けられる。このような方法は、低いＢＴＵを含有する燃料を燃焼できる専用の燃焼器を必要とし、特定の炭化水素濃度（ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）の流れのみを使用することに限定されており（燃焼器で炎の安定性を維持するため）、かつ、単一のプラントで処理され得るＣＯ２を多く含む炭化水素の総流量に限定される。さらに、ＥＯＲ由来のＣＯ２および気体の炭化水素といったこのような流れの成分の相対的な濃度は、有意な変動が起こり得るため、このような方法は、燃焼器で実質的に一定した炎の温度を達成することが困難であるという点で、妨げがある。
【００７８】
現在、ＣＯ２から炭化水素を分離するために、有意なエネルギーおよび費用が必要とされている。未加工の天然ガスの生産の場合、フィールドから生成された低濃度の炭化水素は、概して、長鎖炭化水素（天然ガスの液体、またはＮＧＬ）を除去するため乾燥、蒸留され、Ｈ２Ｓおよび他の不純物の除去を介して好ましくなり、ＣＯ２を取り除くために吸着塔を介して送られる。次に、清浄にした天然ガスは、たとえば電力生産による消費などの下流での消費のためにパイプラインに送られ、清浄なＣＯ２が放出され、隔離され、かつ／または利用される（たとえばさらなるＥＯＲのため）。ＣＯ２をＥＯＲで使用する場合、生成した油と併せて生成される注入したＣＯ２の一部は、多くの場合、形成物へのＣＯ２の再注入を可能にするために分離されなければならない少量の気体の炭化水素を含む。このＣＯ２を多く含む炭化水素ガスは、生成した油から分離されなければならず、同様に、乾燥し、蒸留させてＮＧＬを除去しなければならない。次にこのガスを、フィールドの中に再注入するために再度圧縮しなければならない。これらの処理は、大量のエネルギーおよび消耗品を必要とし、この処理に関する高い資本コストおよび運営コストをもたらしている
【００７９】
本開示のシステムおよび方法は、既存の電力生産システムおよび方法にエネルギーを加えるために、低濃度の炭化水素流の低コストで効率的な使用を可能にする。たとえば、低濃度の炭化水素流を、炭素質燃料を燃焼させて大気圧超に加圧してもよいまたは加圧しなくてもよい流れに熱をもたらすシステムおよび方法に投入することができる。同様に、低濃度の炭化水素流は、作業流体が、繰り返し加熱および冷却、ならびに／または繰り返し加圧および膨張を行うように循環している１つまたは複数のシステムに、適用することができる。このような作業流体は、たとえば、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＮ２のうちの１つまたは複数を含むことができる。
【００８０】
本開示のシステムおよび方法は、燃焼することなく低濃度の炭化水素流の取りこまれた炭化水素の発熱量を取り出すことにより、フィールドでの問題を克服することができる。代わりに、高温の電力生産システムおよび方法の固有の条件を、低濃度の炭化水素流におけるこれら炭化水素の熱的酸化を促進するために利用することができる。たとえば、酸化は、熱交換器で起こり得る。このことにより、既存の電力サイクルは、最小限処理を修正することでこれら低濃度の炭化水素流を利用することができ、これら流れの著しい高流量を利用することができ、かつ、外部の熱供給源に関する特定の機器および必要性を排除することにより、総合的なサイクルを単純化することができる。
【００８１】
電力生産において作業流体としてのＣＯ２（特に超臨界形態でのＣＯ２）の利用は、電力生産に高効率な方法であるように示されている。たとえば、Ａｌｌａｍらに対する米国特許第８，５９６，０７５号を参照されたい。この開示は、参照により本明細書に援用されており、大気への流れの放出が実質的にゼロである酸素―燃料の再熱ブレイトンサイクルの発電システムにおける直接加熱したＣＯ２作業流体の使用を説明している。以前より、間接的な熱供給源および１つまたは複数の熱交換器を使用した中間的加熱を用いた電力生産のためにＣＯ２が繰り返し圧縮および膨張される密閉式サイクルで、ＣＯ２を作業流体として利用し得ることが提案されていた。たとえば、Ｈｅｌｄらに対する米国特許第８，７８３，０３４号を参照されたい。この開示は参照により本明細書に援用されている。よって、一部の実施形態では、低濃度の炭化水素流は、このようなサイクルを介した電力生産の効率を上げるために、閉鎖式または半閉鎖式のブレイトンサイクルへの投入として使用することができる。
【００８２】
本明細書中記載の低濃度の炭化水素流を使用できる電力生産のシステムおよび方法のさらなる例が、Ｐａｌｍｅｒらに対する米国特許第９，０６８，７４３号、Ａｌｌａｍらに対する米国特許第９，０６２，６０８号、Ｐａｌｍｅｒらに対する米国特許第８，９８６，００２号、Ａｌｌａｍらに対する米国特許第８，９５９，８８７号、Ｐａｌｍｅｒらに対する米国特許第８，８６９，８８９号、およびＡｌｌａｍらに対する米国特許第８，７７６，５３２号に開示されている。これら開示は参照により本明細書に援用されている。非限定的な例として、低濃度の炭化水素流を使用可能な電力生産システムは、燃焼器でＣＯ２循環流体の存在下でＯ２を用いて燃料を燃焼するように構成することができ、ここで好ましくは、ＣＯ２は、ＣＯ２を含む燃焼生成流を提供するために、少なくとも約１２ＭＰａ（たとえば約１２ＭＰａ〜約６０ＭＰａ）の圧力および少なくとも約４００℃（たとえば約４００℃〜約１，２００℃）の温度で導入され、好ましくは、燃焼生成流は、少なくとも約８００℃（たとえば約１，５００℃）の温度を有する。このような電力生産システムは、さらに、以下のうちの１つまたは複数を特徴とすることができる。
【００８３】
燃焼生成物流は、約１ＭＰａ以上（約１ＭＰａ〜約７．５ＭＰａ）の放出圧力で、タービンを通して膨張させて、発電を行い、ＣＯ２を含むタービン放出流（ｓｔｅａｍ）を提供することができる。
【００８４】
タービン放出流を復熱式熱交換器部に通し、冷却した放出流を提供することができる。
【００８５】
冷却したタービン放出流を、ＣＯ２以外の１つまたは複数の二次的な成分（特に存在する何等かの水および／またはＳＯｘおよび／またはＮＯｘ）を除去するように処理して、特にはリサイクルＣＯ２流であり得る精製した放出流を提供することができる。
【００８６】
リサイクルＣＯ２流を、特にはＣＯ２が超臨界である圧力まで圧縮することができる。
【００８７】
超臨界のＣＯ２を、冷却して、リサイクルＣＯ２流の密度を（好ましくは少なくとも約２００ｋｇ／ｍ３に）上げることができる。
【００８８】
高密度のリサイクルＣＯ２流を、（たとえば上述のように）燃焼器への投入に適した圧力に圧縮（ｐｕｍｐ）することができる。
【００８９】
加圧したリサイクルＣＯ２流を、タービン放出流から回収した熱を使用する復熱式熱交換器に通すことにより加熱することができる。
【００９０】
加圧したリサイクルＣＯ２流の全てまたは一部を、燃焼器へと再利用する前に、タービン放出流から回収されていない熱を用いて、さらに加熱することができる（好ましくは、さらなる加熱は、復熱式熱交換器に通す前、通す間、または通した後のうちの１つ以上で提供される）。
【００９１】
加熱し、加圧したリサイクルＣＯ２流を、燃焼器の中へ通すことができる。
【００９２】
１つまたは複数の実施形態では、本明細書中記載の低濃度の炭化水素流の投入に適した電力生産システムは、炭素質燃料の完全燃焼（ｔｈｒｏｕｇｈ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）以外の方法（または炭素質燃焼の燃焼を加えた炭素質燃料の完全燃焼以外の方法）を介して加熱するように構成することができる。非限定的な一例として、太陽光発電を使用して、燃焼器での炭素質燃料の燃焼に由来する熱の投入を補う、またはこれと置き換えることができる。他の加熱手段も同様に使用することができる。一部の実施形態では、４００℃以下の温度のＣＯ２リサイクル流への任意の形態の熱の投入を、使用することができる。たとえば、約４００℃超であり得る、凝縮蒸気、ガスタービン排気、断熱的に圧縮したガス流、および／または他の熱い流体流を使用してもよい。
【００９３】
１つまたは複数の実施形態では、電力生産プラントは、図１に示されている構成部のいくつかの組み合わせを含んでもよい（しかしながら、さらなる構成部も同様に含まれる場合があることが理解されている）。この中を見ると、電力生産プラント１０（または電力生産部）は、燃料供給部５０からの燃料（たとえば炭素質燃料）と、酸化剤供給部６０（たとえば、実質的に純粋な酸素を生産する空気分離部または空気分離プラント（ＡＳＵ））からの酸素とを受領するように構成された燃焼器１００を含むことができる。複数の燃料供給ライン（５２、５４）が、例示されている；しかしながら、単一の燃料供給ラインのみを使用してもよく、または２超の燃料供給ラインを使用してもよい。同様に、単一の酸化剤ライン６２のみが例示されているが、複数の酸化剤ラインを使用してもよい。燃料は、リサイクルＣＯ２流の存在下で、酸化剤を用いて燃焼器で燃焼される。ライン１０２の燃焼生成物流は、複合型の発電機１１５で発電を行うために、タービン１１０を通して膨張される。燃焼器１００およびタービン１１０は、別々の構成部として例示されているが、一部の実施形態では、タービンは、燃焼器を含むように構成され得ることが理解されている。言い換えると、単一のタービン部は、燃焼区域および膨張区域を含んでもよい。よって、燃焼器への流れの通過の本明細書中の論述は、燃焼および膨張のために構成されているタービンへの流れの通過として読み取られてもよい。
【００９４】
ライン１１２のタービン排気は、熱交換器１２０で冷却され、水（ライン１３２）が、分離器１３０で分離されて、ライン１３５の実質的に純粋なリサイクルＣＯ２流が生成される。必要に応じて、実質的に純粋なＣＯ２の流れの一部は、プラントから回収されてもよく、かつ／またはプラントの他の部分に転用されてもよい（たとえばタービンを冷却するため）。リサイクルＣＯ２流は、多段階の圧縮機で圧縮される。例示されるように、多段階の圧縮機は、第１の段階１４０、第２の段階１６０、および中間冷却器１５０を含む。任意に、１つまたは複数のさらなる圧縮機またはポンプを追加してもよい。ライン１６５の圧縮したリサイクルＣＯ２流は、熱交換器１２０を介して燃焼器１００に戻される。例示されるように（および以下でさらに論述されるように）、低濃度の炭化水素流１７０を、電力生産サイクルに導入することができる。流れ１７０は、一般的に、電力生産部１０の構成要素へ低濃度の炭化水素流を投入するように構成された１つまたは複数の投入として示されている。これは、図１の右の余白の実線の矢印により例示されている。低濃度の炭化水素流１７０は、特には、燃焼器１００へ投入から除外されてもよい。
【００９５】
上述の電力生産サイクルの中で、ライン１３５およびライン１６５のうちの１つまたは両方のリサイクル流（主に清浄なＣＯ２からなる）を、輸送ＣＯ２部分、希釈ＣＯ２部分、およびリサイクルＣＯ２流に分割することができる。希釈ＣＯ２部分に分割されるＣＯ２の割合は、ＡＳＵからの実質的に純粋な酸素と混合し、望ましいＯ２／ＣＯ２比での燃焼酸化剤を提供するために何が必要とされるかにより、決定される。低濃度の炭化水素流１７０は、リサイクルＣＯ２流（たとえば、ライン１３５および／もしくはライン１６５の流れ、ならびに／またはライン１３５および／もしくはライン１６５から取られた副流）と直接混合することができる。この混合物で使用されるリサイクルＣＯ２流の量は、必要なリサイクル回路を介した質量流量を維持するために十分であり、低濃度の炭化水素流の質量流量に応じて変動する（このことはまた、低濃度の炭化水素流の流量の変化を操作するための機構をも提供する）。タービン排気流からのＣＯ２の残りは、洗浄され、下流での利用または隔離に関するパイプラインに送られる輸送ＣＯ２部分となる。
【００９６】
輸送ＣＯ２部分および希釈ＣＯ２部分の流れは、電力サイクルの典型的な作動で共に圧縮（ｃｏｍｐｒｅｓｓおよびｐｕｍｐ）されてもよい（すなわち、輸送ＣＯ２部分の最終的な用途に応じたいずれかの方法の組み合わせで圧縮されてもよい）。一実施形態では、これらの流れは、ＣＯ２精製部（たとえば冷却および蒸留を使用する）に送られて、過剰なＯ２およびいずれかの不活性な物質を除去し、望ましい圧力の高純度のＣＯ２の流れを作製してもよい。次に、希釈ＣＯ２部分は、流入したＯ２と混合するために送られ、燃焼器で必要とされる高圧の酸化剤を形成する。別の実施形態では、希釈ＣＯ２部分は、必要とされるこの不純物の除去を用いることなくＯ２の混合に直接送ることができる。輸送ＣＯ２部分は、下流での隔離または利用に関するパイプラインに送られる。
【００９７】
一実施形態では、リサイクルＣＯ２流は、低濃度の炭化水素流１７０と混合した後に、燃焼器投入圧力（たとえば一部の実施形態では約３００ｂａｒ）に圧縮することができる。図２に例示されているように、炭化水素供給源１７１からの低濃度の炭化水素は、ライン１７２を通って流れ、ライン１３５に投入される。また、ライン１７１の低濃度の炭化水素は、復熱式熱交換器１２０の下流、ならびに、圧縮機１４０および／または圧縮機１６０の上流のリサイクルＣＯ２作業流体を含むライン１３５に投入される。これは、低濃度の炭化水素流１７０に存在する炭化水素および他の非ＣＯ２種によるこれらの流れの汚染を予防するために、輸送ＣＯ２部分および希釈ＣＯ２部分とは別に行うことができる。これは、全く別々の回転器具を使用して、または、ギア内蔵型圧縮機で実現可能な同一の回転器具の別々のホイールを使用して達成することができる。次に、混合した低濃度の炭化水素／リサイクルＣＯ２流（ここでは、約３００ｂａｒの圧力および大気温度をわずかに超える温度）が、第１の熱交換器のトレーン１２０に送られ、ライン１１２のタービン排気流と接触させて加熱される。特段他の記載がない限り、図２に例示されている他の構成部が、図１に関連して記載されている。
【００９８】
流れが、熱交換器のトレーン１２０を介して、タービン排気に近い温度に加熱されると、低濃度の炭化水素流１７０を介して投入された炭化水素は、実質的に燃焼することなく熱的酸化を経る。熱的酸化は、この条件が持続型の炎の形成を可能にしない点で、実質的な燃焼を用いることなく行われる。よって、実質的な燃焼が存在しないことは、必ずしも、何等かの燃焼が起こることを排除するものではなく、低濃度の炭化水素流を介して提供されるパーセンテージの小さい（たとえば５容量％未満）の炭化水素化合物が燃焼してもよく、その代わりに低濃度の炭化水素流を介して提供される実質的に全て（たとえば少なくとも９５容量％）の炭化水素化合物が熱的酸化を受ける。一部の実施形態では、熱的酸化は、低濃度の炭化水素流を介して提供される炭化水素化合物の燃焼が全く存在しない中で行われてもよい。この熱的酸化は、第１の復熱式熱交換器で起こってもよく、かつ／またはこれらの反応を容易にするための専用の別の熱交換器で起こってもよい。一部の実施形態では、熱的酸化は、復熱式熱交換器の専用の経路の中で行うことができる。
【００９９】
これらの酸化反応は、電力サイクルの燃焼器が過度のＯ２と共に作動すると、実質的に少ない濃度ではあるが高い分圧の、リサイクルＣＯ２流に存在する残余のＯ２をもたらすという事実により、使用可能である。たとえば、ライン１３５および／またはライン１６５のリサイクルＣＯ２流は、約０．０１容量％〜約１０容量％、約０．１容量％〜約８容量％、または約０．２容量％〜約５容量％の濃度のＯ２を有してもよい。このＯ２の存在下では、低濃度の炭化水素流からリサイクルＣＯ２流へ投入される取り込んだ炭化水素（およびＨ２Ｓなどの他の種類の希釈剤）は、徐々に加熱されると、電力サイクルの熱交換器のチャネルの中で酸化し始める。
【０１００】
低濃度の炭化水素流とリサイクルＣＯ２流の混合物は、好ましくは、この混合物の総炭化水素含有量が、爆発下限界（ＬＥＬ）未満であり、存在する化合物の中の特定の混合物に応じて変動し得るように制御されている。よって、一部の実施形態では、低濃度の炭化水素流およびリサイクルＣＯ２流の混合物は、少なくとも０．１容量％、少なくとも０．５容量％、少なくとも１容量％、または少なくとも２容量％の最少炭化水素濃度を有することができ、低濃度の炭化水素流およびリサイクルＣＯ２流の混合物は、上述のように、ＬＥＬ未満である最大炭化水素濃度を有することができる。非限定的な例として、主にＣＯ２およびメタンを含む混合物は、５容量％未満（たとえば約０．０１容量％〜４．９５容量％）の最大メタン含有量を有してもよい。
【０１０１】
燃焼に関する条件は、十分な割合での燃料および酸化剤の両方と点火供給源の組み合わせを必要とすることが、理解されている。燃料の濃度がＬＥＬ未満である場合、酸化剤に対する燃料の比は、燃焼に不十分である。様々な炭化水素に関するＬＥＬの値の例は、以下の通りである（すべてのパーセンテージは容量ベースである）：ブタン（１．８％）；一酸化炭素（１２．５％）；エタン（３．０％）；エタノール（３．３％）；エチレン（２．７％）；ガソリン（１．２％）；メタン（５．０％）；メタノール（６．７％）；およびプロパン（２．１％）。既知のＬＥＬ値に基づき、リサイクルＣＯ２流と混合された特定の物質または複数の物質に関して炭化水素の濃度が総合的なＬＥＬ未満であることを確実にするために、実質的に純粋な炭化水素の燃料および混合した炭化水素の燃料のＬＥＬを計算することが可能である。よって、この混合した流れにおける炭化水素の濃度は低濃度（すなわち混合物のＬＥＬ未満）であるため、「燃焼」は起こらない。この工程は、単純に、炭化水素をＣＯ２および水に酸化し、リサイクルＣＯ２流に関する顕熱を提供し、これにより高グレードのタービン排気熱を、さらに保存して熱交換器で下流において使用することができる。この追加的な熱はまた、電力サイクルの復熱式熱交換器のトレーンを最適化するために使用される低グレードの熱の供給源に関する必要性を低減する。すなわち、非タービン由来の熱供給源として、ＡＳＵの主空気圧縮機および／または高温ガス圧縮サイクルから熱を捕捉することを必要としなくてもよい。
【０１０２】
この工程からのライン１１２のタービン排気は、たとえば図１に示されるものなどの、典型的な電力生産サイクルの構成においてみられる第１の熱交換器１２０で冷却される。しかしながら、これは、次に、低濃度の炭化水素流から生じるいずれかのＳＯｘおよび／またはＮＯｘ種（たとえば、Ｈ２Ｓなどの硫黄含有化合物の酸化により形成される硫酸塩もしくは亜硫酸塩、および／または、窒素の酸化により形成される硝酸塩もしくは亜硝酸塩）を除去するためにアップグレードされた改良版の直接接触型冷却器に送られる。このことに関する例示的な工程は、この開示が参照により本明細書中に援用されている、２０１６年１０月２０日に出願の米国特許出願番号第１５／２９８，９７５号に記載されている。次に、清浄にしたタービン排気は、希釈ＣＯ２部分、輸送ＣＯ２部分、およびリサイクルＣＯ２流に分割され、この工程は、電力サイクルに投入される追加的な低濃度の炭化水素流を用いて反復される。
【０１０３】
一部の実施形態では、リサイクルＣＯ２流および低濃度の炭化水素流は、リサイクルＣＯ２流を、酸化反応の促進に適した温度に加熱した後に、第１の熱交換器のトレーンの中で混合することができる。あるいは（または組み合わせて）、リサイクルＣＯ２流および低濃度の炭化水素流は、さらなる別の熱交換器の中で混合することができる。これにより、これら反応を、温度が酸化反応を起こすのに不十分であり得る熱交換器のトレーンの低温部で起こらないようにすることができる。よって、リサイクルＣＯ２流は、第１の温度区域で熱交換器に投入されてもよく、低濃度の炭化水素流は、第２のより高い温度区域で熱交換器に投入されてもよく、ここでリサイクルＣＯ２流の温度は、低濃度の炭化水素流中の炭化水素化合物の酸化を促進するために十分である。例として、図３において、任意の第２の熱交換器１６７（または補足的な熱交換器）が例示されている。ライン１６５から取られた副流１６６は、第２の熱交換器１６７に投入され、炭化水素供給源１７１から受領されるライン１７２の低濃度の炭化水素流の酸化により加熱されるように、第２の熱交換器１６７を介してリサイクルＣＯ２流の一部に向かう。次に、リサイクルＣＯ２流の加熱した流れは、復熱式熱交換器１２０に投入される。
【０１０４】
一部の実施形態では、低濃度の炭化水素流は、組み合わせた流れの温度が酸化反応を持続させるのに十分であるように、第１の熱交換器（またはあるいは別の専用の熱交換器）の中の適切な位置で、酸素および希釈ＣＯ２部分の混合物から形成される、酸化剤流に導入することができる。酸化剤流を使用することにより、リサイクルＣＯ２流中の酸素の分圧と比較して、このような流れに存在する酸素のより高い分圧により、これら反応の速度を上げる（および必要とされる滞留時間を減少させる）ようにすることができる。たとえば、図４を参照すると、ライン１６５ａの希釈ＣＯ２部分は、ライン１６５から取られており、酸化剤供給源６０からのライン６２の酸化剤と混合されて、低濃度の酸化剤流を形成する（たとえば、約５／９５〜約４０／６０、または約１０／９０〜約３０／７０のＯ２／ＣＯ２比を有する）。低濃度の酸化剤流は、ライン１１２の冷却タービン放出流と接触させる熱交換器１２０に通すことにより、加熱してもよい。よって、低濃度の炭化水素流の全てまたは一部は、熱交換器１２０に通す前または通す間に、低濃度の酸化剤流に投入されてもよい。図４に例示されるように、低濃度の炭化水素供給源１７１からの低濃度の炭化水素を、ＣＯ２がライン１６５ａに添加されるポイントから下流のライン６２の低濃度の酸化剤流へ投入するために、ライン１７２に通す。
【０１０５】
一部の実施形態では、酸化剤流の一部を、第１の熱交換器のトレーン（または代わりに別の専用の熱交換器）の上流または中のいずれかで、低濃度の炭化水素流およびリサイクルＣＯ２流の混合物に導入してもよい。このような添加は、酸素の分圧を上げ、酸化反応速度を上げるように作用し得る。
【０１０６】
一部の実施形態では、熱交換器の領域で触媒を使用してもよく、ここで酸化は、酸化反応を促進し、完全な酸化を確保するために行われるべきである。非限定的な例として、一般的に使用される水性ガスシフトの触媒（たとえば、Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、およびＣｕＯなどの様々な金属酸化物）を使用してもよい。同様に、混合したリサイクルＣＯ２流および低濃度の炭化水素流に必要なＯ２の分圧を低下させるように適合した他の触媒を、使用してもよい。
【０１０７】
さらに、触媒を介した酸化は、第１の熱交換部１２０とは別の専用の反応器で行うことができる。図５に例示されているように、任意の酸化反応器１８０を使用することができ、低濃度の炭化水素流の全てまたは一部を、この酸化反応器に直接投入することができる。特に、低濃度の炭化水素供給源１７１からの低濃度の炭化水素は、ライン１７２を通って、熱を生成するために炭化水素を酸化させる酸化反応器１８０に通される。さらに任意に、酸化剤を、ライン６２から流れ６２ａで（または酸化剤供給源６０から直接）取ることができ、酸化反応器１８０に投入することができる。酸化反応器１８０における低濃度の炭化水素流の酸化は、ＣＯ２およびＨ２Ｏから実質的に構成されている（潜在的に無視できる量の残留炭化水素を含む）化学物質を有し得る反応流１８２を生成することができる。反応流１８２は、酸化反応の結果として温度が上昇すると予測されており、よって加熱された反応流を、適切な温度界面で熱交換器１２０に投入することができる。一部の実施形態では、リサイクルＣＯ２流（たとえばライン１３５および１６５のうちの１つまたは両方からのリサイクルＣＯ２流）の一部を、低濃度の炭化水素流および／または反応流１８２に添加してもよい。図５でわかるように、（ライン１６５から取られた）ライン１６５ｂのＣＯ２は、ライン１６５ｂ’を介して低濃度の炭化水素流を含むライン１７２に投入することができ、かつ／またはライン１６５ｂ’’を介して反応流１８２に投入することができる。このような添加は、酸化反応器１８０の酸化反応の温度の調節、および／または第１の復熱式熱交換器のトレーン１２０に導入する前の反応流１８２自体の温度の調節に有用とすることができる。この方法で、低濃度の炭化水素流は、基本的に、ＡＳＵおよび／または熱いガスの再圧縮サイクルからの復熱を利用するなどの他の外部の熱の供給源に加えることができる、またはこれと置き換えることができる復熱式熱交換器１２０への追加のための「外部の熱」と考慮され得る低グレードの熱供給源として使用することができる。このような作動方法は、輸送のため追加的なＣＯ２を提供し、さらには電力サイクルの燃焼器の燃料の需要を弱めつつ、電力サイクルの復熱式熱交換器のトレーンのＵＡの必要性（ＵＡ  ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ）を低減することにより効率を向上させるために有用とすることができる。
【０１０８】
一部の実施形態では、低濃度の炭化水素流は、炭化水素の酸化が、タービン排気流を「過熱（ｓｕｐｅｒ−ｈｅａｔ）」できるように、タービン排気流と混合させてもよい。図６に例示されるように、低濃度の炭化水素供給源１７１からの低濃度の炭化水素は、熱交換器１２０から上流のライン１１２のタービン排気に直接、ライン１７２を介して投入することができる。これは、熱交換器１２０に通すことにより、リサイクルＣＯ２流による復熱に利用可能な熱量を増やすように作用し得る。酸化剤流６２からの酸化剤は、このような実施形態では、タービン排気に残る酸素濃度および低濃度の炭化水素流１７０の化学的性質に応じてタービン排気流に投入されてもよい。このような任意の実施形態は図６に例示されており、ここでライン６２ｂの酸化剤は、ライン６２から（または酸化剤供給源６０から直接）タービン排気ライン１１２へ通される。酸化剤ライン６２ａは、ライン１７２の低濃度の炭化水素が投入されるポイントの上流でタービン排気ライン１１２に入ることが示されているが、酸化剤ライン６２ａはライン１７２の低濃度の炭化水素が投入されるポイントの下流でタービン排気ライン１１２に入ってもよく、または酸化剤ライン６２ａは、タービン排気ライン１１２に入る前に低濃度の炭化水素との混合のためライン１７２に直接接続してもよいことが、理解されている。
【０１０９】
さらなる任意の実施形態では、図７に例示されているように、ライン１１２のタービン排気の一部は、低濃度の炭化水素供給源１７１からライン１７２で送達される低濃度の炭化水素と組み合わせるために、酸化反応器１９０（上述の１つまたは複数の触媒を含み得る）へとライン１１２ａで転用することができる。さらに任意に、酸化剤供給源６０からの酸化剤を、酸化反応器１９０に投入してもよい。ライン１１２ａは、復熱式熱交換器１２０の上流かつタービン１１０から下流にある、膨張したＣＯ２作業流体の一部を転用するように構成することができる。酸化反応器１９０を出たライン１９２の反応生成物流は、ライン１１２のタービン排気の温度を超える温度に上昇し、追加の発電のためさらなるタービン１９５（すなわち、二次的なタービンまたは捕足のタービン）を通してさらに膨張させることができる。流れ１９７におけるタービン排気は、復熱式熱交換器１２０に入る前に、ライン１１２のタービン排気と再度組み合わせることができ、これを他の目的に利用してもよく、または排出させてもよい。
【０１１０】
本明細書中記載の実施形態のいずれかでは、低濃度の炭化水素流は、低濃度の炭化水素流の流量または組成の変化に対応するために、別の燃料を補充してもよい。たとえば、ある含有量の天然ガスを、低濃度の炭化水素流と混合してもよい。
【０１１１】
本明細書中開示のシステムおよび方法は、利用される器具（たとえば燃焼器および／またはタービン）の基本的な性質の変更を必要とせずに、低ＢＴＵ燃料と高効率の電力生産システムの統合に有益である。アップグレードを必要とせずにこの方法で低濃度の炭化水素流を利用する能力は、ＧＰＵの必要性の低下もしくは排除、および／またはＣＯ２の回収の増大などの、有意な経済利益および処理の利益を提供する。
【０１１２】
本発明の多くの修正および他の実施形態が、本発明が上述の説明に提示されている教示の利点を有することを、本発明が属する分野の当業者は想起するであろう。よって本発明は、開示の特定の実施形態に限定すべきではなく、修正および他の実施形態が、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されていることを理解すべきである。特定の用語が本明細書中で使用されているが、これらは、単に一般的な意味および説明の意味で使用されており、限定を目的とするものではない。
【図１】
2019515170.tif 000003
【図２】
2019515170.tif 000004
【図３】
2019515170.tif 000005
【図４】
2019515170.tif 000006
【図５】
2019515170.tif 000007
【図６】
2019515170.tif 000008
【図７】
2019515170.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成30年2月20日(2018.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力生産のための方法であって、
密閉式または半密閉式電力生産サイクルを実行するステップであって、
ＣＯ２が、電力生産のために繰り返し圧縮かつ膨張される作業流体として循環しており、
電力生産のため前記作業流体を圧縮した後であって前記作業流体を膨張させる前に、第１の燃料供給源を燃焼器で燃焼して前記作業流体を加熱し、
復熱式熱交換器を使用して、前記作業流体の加熱のため燃焼熱を再捕捉する、
ステップと、
実質的な燃焼を伴うことなく酸化される第２の燃料供給源を使用して前記燃焼器の外側に形成される熱で前記作業流体を加熱するステップであって、前記熱が、再捕捉された燃焼熱に加えられ、前記第２の燃料供給源が、希釈剤および１つまたは複数の炭化水素を、前記１つまたは複数の炭化水素の爆発下限界（ＬＥＬ）未満である濃度で含む低濃度の炭化水素流である、ステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、触媒により酸化させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の燃料を、ＣＯ２作業流体の存在下で、前記燃焼器で酸素を用いて燃焼させて排気流を形成し、
前記燃焼器からの排気流を、タービンで膨張させて発電を行い、タービン排気流を形成し、
前記タービン排気流を、前記復熱式熱交換器で冷却し、
前記復熱式熱交換器を出たタービン排気流を、前記作業流体から少なくとも水を除去するように精製し、
前記作業流体の少なくとも一部を、圧縮器で圧縮し、
前記圧縮した作業流体の少なくとも一部を、前記復熱式熱交換器に戻すことにより、前記圧縮した作業流体を、前記タービン排気流から回収した熱で加熱し、
前記加熱し、圧縮した作業流体を、前記燃焼器に再循環させる、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記低濃度の炭化水素流を、前記作業流体を前記圧縮機で圧縮した後であって前記作業流体を前記復熱式熱交換器に戻す前に、前記作業流体に添加する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、前記復熱式熱交換器の中で酸化させる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を、前記作業流体と、前記燃焼器に酸素を提供する酸素流とのうちの１つまたは両方との熱交換のために構成されたさらなる熱交換器で酸化させる、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記低濃度の炭化水素流を、前記復熱式熱交換器で圧縮した作業流体と組み合わせる、請求項３〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記圧縮した作業流体の一部を、酸素と組み合わせて低濃度の酸素流を形成し、前記低濃度の炭化水素流を、前記低濃度の酸素流と組み合わせる、請求項３〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記低濃度の炭化水素流と組み合わせた前記低濃度の酸素流を、前記復熱式熱交換器に通し、前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を酸化させる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記低濃度の炭化水素流と組み合わせた前記低濃度の酸素流を、さらなる熱交換器に通し、前記低濃度の炭化水素流中の炭化水素を酸化させる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記低濃度の炭化水素流を、酸化反応器に投入する、請求項３〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化反応器を出た反応流を、前記復熱式熱交換器に投入する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化反応器を出た反応流を、電力生産のためにさらなるタービンに投入する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記タービン排気流の一部を、前記酸化反応器に投入して前記さらなるタービンに投入される反応流に含める、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記低濃度の炭化水素流が、石油増進回収処理の生成物である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
電力生産システムであって、
密閉式または半密閉式電力生産サイクルを実行するように構成された電力生産部であって、
圧縮したＣＯ２作業流体の存在下で、第１の燃料を燃焼するように構成された燃焼器と、
前記圧縮したＣＯ２作業流体を膨張させて膨張したＣＯ２作業流体を提供するように構成されたタービンと、
前記膨張したＣＯ２作業流体を圧縮して圧縮したＣＯ２作業流体を提供するように構成された圧縮機と、
前記タービンを出た膨張したＣＯ２作業流体から前記圧縮機を出た圧縮したＣＯ２作業流体まで熱を伝達するように構成された復熱式熱交換器と、
前記燃焼器以外の電力生産部の構成要素に、低濃度の炭化水素流を投入するように構成された１つまたは複数の投入であって、前記低濃度の炭化水素流が、希釈剤および１つまたは複数の炭化水素を、前記１つまたは複数の炭化水素の爆発下限界（ＬＥＬ）未満である濃度で含む、１つまたは複数の投入と
を含む、電力生産部を含む、
電力生産システム。
【請求項１７】
前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を前記復熱式熱交換器に投入するように構成されている、請求項１６に記載の電力生産システム。
【請求項１８】
第２の熱交換器をさらに含み、前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を前記第２の熱交換器に投入するように構成されている、請求項１６または１７に記載の電力生産システム。
【請求項１９】
前記１つまたは複数の投入が、前記ＣＯ２作業流体を含むラインへ前記低濃度の炭化水素流を投入するように構成されている、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の電力生産システム。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を、前記復熱式熱交換器の下流かつ前記圧縮機の上流にあるラインに投入するように構成されている、請求項１９に記載の電力生産システム。
【請求項２１】
酸化反応器をさらに含み、前記１つまたは複数の投入が、前記低濃度の炭化水素流を前記酸化反応器に投入するように構成されている、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の電力生産システム。
【請求項２２】
前記酸化反応器が、触媒型酸化反応器である、請求項２１に記載の電力生産システム。
【請求項２３】
前記酸化反応器が、前記復熱式熱交換器に投入される反応流を産出するように構成されている、請求項２１に記載の電力生産システム。
【請求項２４】
前記酸化反応器が、前記復熱式熱交換器の上流で膨張した前記ＣＯ２作業流体の一部を受領するように構成されている、請求項２１に記載の電力生産システム。
【請求項２５】
前記酸化反応器から反応流を受領するように構成されている第２のタービンをさらに含む、請求項２４に記載の電力生産システム。
【国際調査報告】
2019515170.tif 000010
2019515170.tif 000011