(57)【要約】  本明細書で開示されるのは、排気流中のＣＯ２排出量を低減する方法及びこれを利用した工業プラントである。一実施形態では、燃焼流中の排出量を低減する方法は、排気流を生成するステップと、流を圧縮するステップとを含む。圧縮排気流の第１の流れは、生成ステップにリサイクルされ、第２の流れがＣＯ２分離システムに提供される。【選択図】      図１
2013530815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気流中のＣＯ２排出量を低減する方法であって、
排気流を生成するステップと、
前記排気流を圧縮するステップと、
前記圧縮排気流の第１の流路を前記生成ステップにリサイクルするステップと、
前記圧縮排気流の第２の流れからＣＯ２を分離して、液体ＣＯ２流と実質的にＣＯ２の無い排気流とを生成するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記排気流が燃焼プロセスで生成する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記排気流が、石炭又は天然ガス使用の発電プラント、石油使用ボイラー、或いはセメント又は鋼鉄製造所で生成する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記排気流が、天然ガス使用の発電プラントで生成する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
ＣＯ２が、深冷分離装置、ＣＯ２選択膜技術、吸着プロセス、吸収プロセス、ダイアフラム又はこれらの組合せを用いて前記圧縮排気流の第２の流れから分離される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
ＣＯ２が、深冷分離装置を用いて前記圧縮排気流の第２の流れから分離される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記排気流が約５気圧未満の圧力まで圧縮される、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記排気流が約１気圧〜約４気圧の圧力まで圧縮される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記圧縮排気流の約５０％までが前記第１の流路においてリサイクルされる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
ＣＯ２を含む排気流と製品とを製造するための工業プラントであって、
ＣＯ２を含む排気流と製品とを製造する製造アセンブリと、
圧縮機と、
前記圧縮機を前記製造アセンブリに動作可能に結合する再循環ラインと、
ＣＯ２分離装置と
を備える、工業プラント。
【請求項１１】
前記製造アセンブリが電力を生成する、請求項１０記載の工業プラント。
【請求項１２】
前記製造アセンブリが、燃焼プロセスを介して電力を生成する、請求項１１記載の工業プラント。
【請求項１３】
前記プロセスが天然ガスを燃焼する、請求項１２記載の工業プラント。
【請求項１４】
前記ＣＯ２分離装置が、深冷分離装置、ＣＯ２選択膜技術、吸着プロセス、吸収プロセス、ダイアフラム、又はこれらの組合せを備える、請求項１０記載の工業プラント。
【請求項１５】
前記ＣＯ２分離装置が深冷分離装置を備える、請求項１４記載の工業プラント。
【請求項１６】
ＣＯ２を含む排気流を生成する天然ガス複合サイクル発電プラントであって、
セミオープン燃焼サイクルと、
クローズ蒸気サイクルと、
ＣＯ２分離装置と、
前記セミオープン燃焼サイクル及び前記クローズ蒸気サイクルの下流側に動作可能に配置された少なくとも１つの圧縮機と
を備えており、前記圧縮機が、（ｉ）該圧縮機を前記セミオープン燃焼サイクルと流体接続する再循環ライン及び（ｉｉ）前記圧縮機を前記ＣＯ２分離装置に流体接続する導管に結合される、プラント。
【請求項１７】
前記再循環ラインに対して動作可能に配置される少なくとも１つの第２の圧縮機を更に備える、請求項１６記載のプラント。
【請求項１８】
前記セミオープン燃焼サイクルが、燃焼器及び膨張器を備え、前記再循環ラインが、前記膨張器の入口に流体接続される、請求項１７記載のプラント。
【請求項１９】
前記オープン燃焼サイクルの上流側に動作可能に配置される入口空気圧縮機を更に備え、前記再循環ラインが、前記空気圧縮機と前記オープン燃焼サイクルとの間に動作可能に配置されるバルブに流体接続される、請求項１６記載のプラント。
【請求項２０】
前記バルブと前記オープン燃焼サイクルとの間に動作可能に配置される中間冷却器を更に備える、請求項１９記載のプラント。
【請求項２１】
少なくとも１つの熱交換器を更に備える、請求項１６記載のプラント。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記再循環ラインに対して動作可能に配置される、請求項２１記載のプラント。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記第１の圧縮機又は前記ＣＯ２分離装置、或いは両方に対して動作可能に配置される、請求項２１記載のプラント。
【請求項２４】
少なくとも１つの他の天然ガス複合サイクル発電プラントに対して動作可能に配置される、請求項１６記載のプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、燃焼流中のＣＯ２排出量の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界規模の汚染問題は、より厳しい排出量基準をたらした。これらの基準は、電力産業で生成する、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量を規制している。特に、二酸化炭素は、温室効果ガスとして認識されており、大気に放出される二酸化炭素の濃度を低減するために種々の技術が実装される結果となった。
【０００３】
このような発電所からのＣＯ２排出量を低減するのに現在利用されている一般的に認められた３つの方法がある。第１の方法は、空気との燃焼後に排出ガスからＣＯ２を捕捉することであり、ここで燃焼中に生成されるＣＯ２は、吸収プロセス、吸着プロセス、薄膜、ダイアフラム、極低温プロセス、又はこれらの組合せによって排出ガスから除去される。この方法は、一般に燃焼後捕捉と呼ばれ、通常は、発電所の大気への排出ガスからＣＯ２排出量を低減することに焦点を当てている。第２の方法は、燃料の炭素含有量を低減することを含む。この方法において、燃料は、燃焼の前に最初にＨ２とＣＯ２に転化される。従って、ガスタービンへの流入前に燃料の炭素含有物を取り込むことが可能となり、すなわち、ＣＯ２の形成が回避される。第３の方法は、酸素燃料プロセスを含む。この方法において、空気に対する酸化剤として純粋な酸素が使用され、これにより結果として二酸化炭素及び水からなる煙道ガスを生じる。
【０００４】
燃焼後ＣＯ２捕捉プロセスの主な欠点は、ＣＯ２部分圧力が煙道ガス中に極めて低い（通常は、天然ガス使用の発電プラントで３〜４体積％）ことである。スタックでのＣＯ２濃度及びひいては部分圧力は、ガスタービンの圧縮機への煙道ガスの部分的再循環によって増大させることができる（この点に関して、例えば、米国特許第５８３２７１２号及び国際公開第２００９／０９８１２８号参照）が、それでも依然としてかなり低いままである（約６〜１０体積％）。また、純粋な空気と比べて煙道ガスの等エントロピー指数（比熱比としても知られる）が幾分低いことに起因して、排出ガス再循環が利用されるときの天然ガス使用発電プラントにおいて出力及び効率的に不利になることが予想される。同じ理由から、ガスタービン圧縮機において煙道ガスと空気の混合物を圧縮することは理想的ではない。これらの要因は、発電コストを有意に増大させる。実際に、ＣＯ２捕捉のコストは、一般に、炭素捕捉、貯蔵、輸送、及び隔離の全体コストの４分の３を占めると推定される。
【０００５】
結果として、コスト効果のあるＣＯ２除去技術に対する必要性が引き続き存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５８３２７１２号
【特許文献２】国際公開第２００９／０９８１２８号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、排気流中のＣＯ２排出量を低減する方法が提供される。本方法は、排気流を生成するステップと、流を圧縮するステップとを含む。圧縮流の第２の流路が分離装置に提供され、ここでＣＯ２が圧縮排気流から分離され、実質的にＣＯ２の無い排気流と液体ＣＯ２の流とを提供する。
【０００８】
工業プラントも提供される。本プラントは、ＣＯ２を含む排気流と製品とを製造する製造アセンブリを備え、更に圧縮機、再循環ライン、及び二酸化炭素分離システムを備える。圧縮機は、ＣＯ２を含む排気流を受け取り、圧縮排気ガスを生成する。圧縮機は、圧縮排気ガスの第１の流路を製造アセンブリの上流側点まで再循環するよう構成された第１の導管を含む。圧縮機は更に、圧縮排気ガスの第２の流路をＣＯ２分離システムに提供するよう構成された第２の導管を含む。ＣＯ２分離システムは、圧縮排気ガスを受け取り、実質的にＣＯ２の無い排気流と液体ＣＯ２の流とを生成するよう構成される。
【０００９】
天然ガス複合サイクル発電プラントも提供される。本プラントは、セミオープン燃焼サイクルと、クローズ蒸気サイクルとを備え、作動時にはＣＯ２を含む排気流を生成する。本プラントは更に、燃焼サイクル及び蒸気サイクルの下流側に少なくとも１つの圧縮機と、ＣＯ２分離装置とを備える。圧縮機は、該圧縮機をオープン燃焼サイクルと流体接続する再循環ラインに結合される。圧縮機はまた、ＣＯ２分離装置に流体接続される。
【００１０】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態による天然ガス複合サイクル発電プラントの概略図。
【図２】別の実施形態による天然ガス複合サイクル発電プラントの概略図。
【図３】別の実施形態による天然ガス複合サイクル発電プラントの概略図。
【図４】別の実施形態による天然ガス複合サイクル発電プラントの概略図。
【図５】更に別の実施形態によるカスケードプラントの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書で開示されるあらゆる組成範囲は、包括的なものであり、組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％まで」、又はより具体的には、「約５重量％〜約２０重量％」の範囲は、端点を含み且つ範囲の全ての中間値を含む）。重量レベルは、別途記載のない限り、組成全体の重量に基づいて提供され、比もまた重量ベースで提供される。その上、用語「組合せ」は、配合、混合、反応生成物、及び同様のものを包含する。更に、用語「第１の」、「第２の」及び同様の用語は、本明細書においていかなる順序、数量、又は重要度を表すものではなく、ある要素を他の要素と区別するために使用されている。
【００１３】
「１つの」といった用語は、本明細書においては数量の限定を表すものではなく、言及された品目の少なくとも１つが存在することを表している。数量と関連して使用される修飾語句「約」とは、記載された値を包含し且つ文脈により示された意味を有する（例えば、特定の数量の測定に伴うある程度の誤差を含む）。本明細書で使用される接尾辞「ｓ」は、修飾される用語の単数形と複数形の両方を含み、これによりその用語の１つ又はそれ以上を含むことを意図する（例えば、流は、１つ又はそれ以上の流を含むことができる）。
【００１４】
本明細書全体にわたる「一実施形態」、「別の実施形態」、「ある実施形態」などに対する言及は、その実施形態に関連して記述された特定の要素（例えば、特徴部、構造、及び／又は特性）が、本明細書に記載された少なくとも一実施形態に含まれ、他の実施形態にも存在する場合があり、又は存在しない場合があることを意味している。これに加えて、記載される本発明の特徴部は、様々な実施形態では何らかの好適な様態で組合せることができる点を理解されたい。
【００１５】
本明細書では、例えば、発電プラントの排出量流におけるＣＯ２を低減するための方法及びシステムが提供される。本発明の方法は、排気ガス再循環だけでなく、排気ガスの圧縮も利用する。重要なことには、排気ガスの圧縮は、ガスタービン圧縮機への導入及び／又は純粋空気との混合の前に行われる。そのため、純粋な空気と比べて排出ガスの比熱比が低いことに起因して、他の場合には排出ガス再循環が利用される天然ガス使用の発電プラントにおいて予想される出力及び効率上の不利点が最小にされ、又は排除することもできる。
【００１６】
排出ガスの圧縮はまた、排出ガスの圧力を増大させ、及びひいては体積を低減させる役割を果たす。圧縮排気ガスの再循環により、排気ガス中のＣＯ２濃度が増大する。結果として、排気ガスからのＣＯ２の除去が簡素化され、非圧縮排気流と比べて圧縮排気流からＣＯ２を凍結するのに必要なエネルギーを少なくすることができるので、ＣＯ２の除去を行うのに必要なエネルギー消費量は、非圧縮排気ガスからのＣＯ２除去に伴うエネルギー消費量と比べて低減される。最終的に、ＣＯ２は、大気圧よりも高いかこれに等しいが、ＣＯ２の三重点での圧力よりも低い圧力で極低温分離される。次いで、除去されたＣＯ２は、圧縮されずにその最終圧力でポンプ送給することができる。
【００１７】
結果として、本明細書で開示される方法及びプラントは、排気流からのＣＯ２除去による従来の方法及びプラントよりも少なくとも１０％少ない、又は少なくとも２０％少ない、或いは少なくとも３０％少ないエネルギーを使用することができる。これらのエネルギー節減は、高温の排気ガスから熱を回収するような本方法及び／又はプラントの実施形態では更に最大化することができる。
【００１８】
本方法は、ＣＯ２を含む排気流を生成するステップを含む。排気流は、圧縮及びリサイクルされてＣＯ２濃度が増大する。一般的には、排気流の圧力増加を最小限にする何らかの圧縮量を用いることができ、厳密な量は、ＣＯ２の初期濃度、排気流中の他の成分、利用されるのが望ましいＣＯ２分離機構、及び同様のものによって決定付けることができる。他方、ＣＯ２分離機構が深冷分離装置を含む実施形態では、排気ガスは、ＣＯ２の三重点（すなわち、約５気圧）以下の圧力まで圧縮することは望ましくない。
【００１９】
圧縮排気流の第１の流路は、生成ステップまで再循環される。第１の流路において再循環される圧縮排気流の特定の量は、望ましい排気ガス中のＣＯ２濃度の増大に基づいて選択することができる。一般的には、排気流中のＣＯ２濃度の増大は、圧縮排気流の少なくとも約１０％、又は約２０％、又は約３０％、又は約４０％、又は最大で約５０％が生成ステップに再循環されるときに見られると予想できる。
【００２０】
圧縮排気流の第２の流路が分離装置に提供され、ここでＣＯ２が圧縮排気流から分離されて、実質的にＣＯ２の無い排気流と液体ＣＯ２とを提供する。分離装置は、望ましくは「ＣＯ２凍結ユニット」とも一般に呼ばれる深冷分離装置を備え、単独で使用されるか、或いは、ＣＯ２選択膜技術、収着プロセス（吸着及び／又は吸収）、ダイアフラム、及び同様のものなどの他のＣＯ２分離プロセスと組合せて使用される。このような方法並びにその動作パラメータは、当業者にはよく知られている。好適な薄膜技術の実施例及びこれらの利用の詳細は、Ｆｉｎｋｅｎｒａｔｈによる米国特許公開２００８／０１０４９５８及び２００８／０１２７６３２で開示されており、これら公開特許は、本明細書の教示と矛盾しない範囲で引用により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
幾つかの実施形態では、１つ又はそれ以上の深冷分離装置を用いて、排気流からＣＯ２を除去する。ＣＯ２を除去するための深冷分離装置は、当該技術分野において公知であり、多くのものが商業的に入手可能であり、これらの何れも本方法において利用することができる。当業者には周知のように、深冷分離装置は、圧縮排気流から固体としてＣＯ２を「凍結」することにより作動する。次いで、「雪様」のＣＯ２が集められ、圧縮されて溶融される。次いで、溶融したＣＯ２は、貯蔵又は使用するための最終圧力までポンプにより圧縮される。
【００２２】
本方法がもたらすコスト及びエネルギー節減に起因して、有利には、本方法は、ＣＯ２を含む排気流を生成する工業プロセス及びプラントに導入される。更に、本方法は、主発電システムとの統合を必要としないので、既存の発電プラント及び将来の発電プラント全てにおいて実施が容易である。幾つかの実施形態では、このような工業プラントは、必要に応じて主発電システムと統合することができる熱交換器を組み込むことができる。このような統合は、工業プラントの他の構成要素を駆動するのに必要な出力要件の低減をもたらし、更に、ＣＯ２分離構成要素のエネルギーを自立可能にするのを助けることができる。
【００２３】
本明細書で記載される原理を導入することから恩恵を受けることができる工業プラントの実施例は、石炭火力発電所、石油使用ボイラー、セメント又は鋼鉄製造所、その他などの燃焼プロセスを含む。一般的には、このようなプラントは、ＣＯ２を含む排気流と製品とを製造する製造アセンブリを備える。このようなプラントは更に、圧縮機、再循環ライン、及び二酸化炭素分離システムを備えるのが望ましい。圧縮機は、ＣＯ２を含む排気流を受け取り、圧縮排気ガスを生成する。圧縮機は、製造アセンブリの上流ポイントへの圧縮排気流の第１の流路を再循環するよう構成された第１の導管を備える。圧縮機は更に、ＣＯ２分離システムへの圧縮排気ガスの第２の流路を提供するよう構成される第２の導管を備える。ＣＯ２分離システムは、圧縮排気ガスを受け取り、実質的にＣＯ２の無い排気流及び液体ＣＯ２の流を生成するよう構成される。
【００２４】
本明細書で記載される方法及び原理を導入することから恩恵を受けることができる工業プラントの１つの特定の態様は、例えば、天然ガス複合サイクル発電プラントのような天然ガス発電プラントを含む。図１は、天然ガス複合サイクル発電プラントの一実施形態の概略図である。
【００２５】
プラント１００は、第１の２次圧縮機１０２、天然ガス入口１３４、燃焼器１０４、及び膨張器１０６を備えるセミオープン燃焼サイクル１０１と、蒸気タービン１０８及び発電器１１０を備えたクローズ蒸気サイクル１０３を含む。セミオープン燃焼サイクル１０１及びクローズ蒸気サイクルは、同じシャフト上に搭載され、よって、図１に示すように機械的に接続されるが、流体的には接続されない。
【００２６】
プラント１００は更に、熱交換器１１６を備える。熱交換器１１６は、膨張器１０６及び蒸気タービン１０８と流れ連通している。作動時には、膨張器１０６から排出される比較的高温の排気流は、熱交換器１１６を通じて送られる。高温の排気流からの熱エネルギーは、例えば、幾つかの実施形態では熱回収蒸気発生器すなわちＨＲＳＧなどの熱交換器１１６を通って流れる作動流体に伝達され、蒸気タービン１０８において出力を更に生成するのに使用される蒸気を発生する。幾つかの実施形態では、熱交換器１１６は、非接触式熱交換器であり、すなわち、ここではクローズ蒸気サイクル１０３からの水又は蒸気は、導管１２０を介して熱交換器１１６の管体（図示せず）に提供されて該管体を通って流れ、セミオープン燃焼サイクル１０１からの排気ガスは、導管１１８を介して熱交換器１１６内の管体（図示せず）に提供されて該管体を通って流れる。
【００２７】
凝縮器１１２は、蒸気タービン１０８から下流側に位置付けられ、温度を下げることにより蒸気タービン１０８から放出される蒸気を水に変換することができる。ポンプ１１４はまた、凝縮器１１２の下流側で利用されて、熱交換器１１６に流入する前に水の圧力を高めることができる。
【００２８】
冷却された排気ガスが熱交換器１１６から流出し、第１の圧縮機１１８に提供される。図１に示す実施形態では、第１の圧縮機１１８の下流側では圧縮排気ガスの第１の流れが、導管１２０を通ってセミオープン燃焼サイクル１０１に、より詳細には第２の圧縮機１０２に再循環して戻される。幾つかの実施形態では、圧縮排気流の約２０体積％、又は約３０体積％、又は約４０体積％まで、或いは約５０体積％までがリサイクルされ、第２の圧縮機１０２において空気と共にオープン燃焼サイクル１０１に流入する。第１の圧縮機１０２に入る前に排気流を圧縮することにより、作動流体中のＣＯ２濃度が増大し、これによりＣＯ２分離ユニット１２２におけるＣＯ２分離の駆動力が増大する。
【００２９】
圧縮排気ガスの第２の流れは、第１の圧縮機１１８から導管１２４を介してＣＯ２分離ユニット１２２に提供される。幾つかの実施形態では、ＣＯ２分離ユニット１２２は、ＣＯ２深冷分離装置を備え、単独で使用されるか、或いは、ＣＯ２選択膜技術、収着プロセス（吸着及び／又は吸収）、ダイアフラム、及び同様のものなどの他のＣＯ２分離プロセスと組合せて使用される。ＣＯ２薄膜技術は、例えば、米国特許公開２００８／０１３４３６６０において開示され、当該特許公開は、引用により全体が本明細書に組み込まれる。
【００３０】
ＣＯ２分離ユニット１２２は、実質的にＣＯ２の無い排気ガスを生成して導管１２６から放出され、凍結ＣＯ２が収集され、圧縮され、溶融されてポンプ１２８に送給され、ここで超臨界圧力までポンプで圧縮されて導管１３０を介して輸送される。
【００３１】
天然ガス複合サイクル発電プラント１００は、当該技術分野で公知のように作動され、従って、約６００°Ｆ（３１６℃）〜約１３００°Ｆ（７０４℃）の温度を有する排気流を生成する。オープン燃焼サイクル１０１から放出される排気流は、熱交換器１１６を通って送られ、排気流からの熱エネルギーの大部分がクローズ蒸気サイクル１０３に移送され、作動流体が送られて蒸気を生成し、これを利用して蒸気タービン１０８及び発電器１１０を駆動することができる。他の実施形態では、排気流は、廃棄される熱を有用な目的に利用することなく単に冷却することができ、及び／又は別のプロセスにリンクされて、蒸気又は高温水の形態で熱を提供することもできる。
【００３２】
熱交換器１１６は、排気流の作動温度を約７５°Ｆ（２４℃）〜約２４８°Ｆ（１２０℃）の温度まで低下させることができる。幾つかの実施形態では、熱交換器１１６は、排気流の作動温度をおよそ１００°Ｆ（３８℃）の温度まで低下させることができる。
【００３３】
次いで、比較的低温の乾燥排気流が第１の圧縮機１１８において圧縮される。必要であれば、排気流を第１の圧縮機１１８に提供する前に、熱交換器、湿潤洗浄機、又は同様のものに排気流を通過させることにより更に温度を低下させることができる。幾つかの実施形態では、このような熱交換器／湿潤洗浄機（図示せず）を用いて、排気ガス中に存在する水を凝縮し、並びに排気流の温度を低下（例えば、約４０℃まで）させることができ、必要とされる圧縮パワーが低減されるようにする。
【００３４】
第１の圧縮機１１８を利用して、そこを通って送られる排気流の作動圧力を、熱交換器１１６から放出される排気流の作動圧力よりも約４又は５倍までの圧力に高めることが望ましい。その上、排気流を第１の圧縮機１１８を通って送ることにより、排気流の温度が上昇するようになる。そのため、幾つかの実施形態では、排気流が第１の圧縮機１１８から放出されると、該排気流は、任意選択的に熱交換器又は湿潤洗浄機を通って流れ、排気流の温度を低下させることができる。
【００３５】
このような熱交換器は、必要に応じて導管１２４又は導管１２０に対して動作可能に配置することができる。導管１２４に対して動作可能に配置されると、このような熱交換器又は湿潤洗浄機により排気流の作動温度を低下させることができ、これは、ＣＯ２分離ユニット１２２を作動させるのに有利とすることができる。
【００３６】
第１の圧縮機１１８から放出されたＣＯ２過濃な排気流は、導管１２４を介してＣＯ２分離ユニット１２２に流入する。上述のように、ＣＯ２分離ユニット１２２は、ＣＯ２深冷分離装置を備え、単独で使用されるか、或いは、ＣＯ２選択膜技術、収着プロセス（吸着及び／又は吸収）、ダイアフラム、及び同様のものなどの他のＣＯ２分離プロセスと組合せて使用される。
【００３７】
ＣＯ２凍結ユニットは、先進冷媒プロセス、好ましくは混合冷媒サイクルを含み、これは、大気圧以上であるがＣＯ２の三重点の圧力よりも低い圧力で排気流の温度を−１５０℃まで低下させてＣＯ２を凍らせることができる。ＣＯ２が凍結すると、ＣＯ２は、実質的にＣＯ２の無い排気流から分離される。その後、固体ＣＯ２が集められ、例えば、排気流から低温熱を用いて溶融される。ＣＯ２が液体状態になると、輸送、隔離、及び再注入の目的で必要とされる超臨界圧力にポンプで圧縮される。
【００３８】
図２は、別の実施形態による例示的な天然ガス複合サイクル発電プラント２００の概略図である。図１に関連して上述した構成要素に加えて、プラント２００は、再循環ライン２２０内の排気ガスを更に圧縮するために追加の第３の圧縮機２３０を備える。また、圧縮されたリサイクル排気ガスは、膨張器２０６への入口にて圧縮空気と組み合わされる。
【００３９】
膨張器２０６への入口における圧縮空気の導入プロセスは、膨張器のブレードを冷却させ、圧縮機からの空気の分流を低減又は排除する働きをすることができる。すなわち、第１の圧縮機２１８から流出する排気ガスの圧力が、ＣＯ２分離ユニット２２２内で許容可能な圧力によってＣＯ２の三重点の圧力、すなわち約５気圧に制限されるので、燃焼器２０４の後で膨張器２０６の前にセミオープン燃焼サイクル２０１に再循環され加えられる排気ガスの圧力は、膨張器２０６内の圧力、例えば、約２０〜４０気圧と実質的に等しい圧力まで高められなければならず、そうでなければ導管２２０内の流れが反転することなる。圧縮排気ガスはまた、膨張器２０６のブレードを冷却し、この冷却目的で圧縮機２０２から空気を分流する必要性を低減又は排除することができる。結果として、この実施形態は、セミオープン燃焼サイクル２０１に対する不利点の更なる低減を可能にすることができる。
【００４０】
図３は、別の実施形態による例示的な天然ガス複合サイクル発電プラント３００の概略図である。図１に関連して上述した構成要素に加えて、プラント３００は、入口空気を圧縮されたリサイクル排気ガスの圧力と実質的に等しい圧力まで圧縮するために、追圧縮縮機３３２を備える。圧縮空気と圧縮されたリサイクル排気ガスは、バルブ３３６にて組み合わされた後、圧縮機３０２にてセミオープン燃焼サイクル３０１に導入される。
【００４１】
図４は、別の実施形態による例示的な工業プラントの概略図である。図３に関連して上述した構成要素に加えて、プラント４００は、中間冷却器４３８を備える。作動時には、圧縮空気と圧縮されたリサイクル排気ガスは、バルブ４３６にて組み合わされた後、中間冷却器４３８に導入される。中間冷却器４３８は、低圧の圧縮ガス混合気を第２の圧縮機４０２において更に圧縮する前にその温度を低下させるよう作動する。ガス混合気の温度が低下すると、第２の圧縮機４０２の圧縮仕事も減少する。従って、中間冷却されるガスタービンサイクルは、同じ圧縮比で中間冷却されないガスタービンサイクルよりも高効率を有するはずである。例示的な実施形態では、プラント４００は、オハイオ州Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｉｒｃｒａｆｔ  Ｅｎｇｉｎｅｓから入手可能なＬＭＳ１００を備えることができる。
【００４２】
図５は、別の実施形態の概略図である。より詳細には、図５は、カスケードプラント５００を示しており、ここでは、上流側プラント５４０と下流側プラント５４２の２つのガスタービン発電プラントが直列で構成される。図示の実施形態では、下流側プラント５４２は、第１の圧縮機５１８、導管５２０、及びＣＯ２分離ユニット５２２を備える。この構成の利点は、下流側プラント５４２の排気流中のＣＯ２の濃度及び分圧が、単一の天然ガス複合サイクル発電プラントに比べて高く、ＣＯ２分離プロセスを促進する。
【００４３】
上流側プラント５４０は、当該技術分野で知られるように動作し、従って、約６００°Ｆ（３１６℃）〜約１３００°Ｆ（７０４℃）の温度を有する排気流を生成する。セミオープン燃焼サイクル５０１から放出される排気流は、熱交換器５１６を通って送られ、排気流からの熱エネルギーの大部分がクローズ蒸気サイクル５０３に移送される。より詳細には、熱交換器５１６は、排気流の動作温度を約７５°Ｆ（２４℃）〜約２４８°Ｆ（１２０℃）の温度、又は約１００°Ｆ（３８℃）の温度まで低下させることができる。上流側プラント５４０、及びより詳細には熱交換器５１６からの排気流は、下流側プラント５４２に提供され、該下流側プラント５４２は、実質的に図１に関連して上述されたように動作する。
【００４４】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することを意図している。
【符号の説明】
【００４５】
１００  天然ガス複合サイクル発電プラント
１０１  セミオープン燃焼サイクル
１０２  第１の２次圧縮機
１０３  クローズ蒸気サイクル
１０４  燃焼器
１０６  膨張器
１０８  蒸気タービン
１１０  発電器
１１２  凝縮器
１１４  ポンプ
１１６  熱交換器
１１８  導管
１２０  導管
１２２  ＣＯ２分離ユニット
１２４  導管
１２６  導管
１２８  ポンプ
１３４  天然ガス入口
【図１】
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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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【国際調査報告】
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