(57)【要約】  熱機関を運転する際に使用するためのエネルギー発生システムおよび方法が開示される。このエネルギー発生方法は、CO2ガスをCOガスとO2ガスとに還元する段階と、COガスとO2ガスとを反応させて、COガスを燃焼させ、実質的に純粋なCO2出口ガスを生み出す段階と、CO2出口ガスを熱機関に、熱-仕事生成プロセスにおける作動ガスとして供給する段階とを含む。
2013540933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機関を運転する際に使用するためのエネルギー発生システムであって、
外部エネルギー源からエネルギーを供給され、CO2をCOとO2とに還元するように構成され動作可能である還元ユニットであって、CO2を投入するための前記熱機関のガス出口に付随するガス入口を有し、COおよびO2ガス出口を有する、還元ユニットと、
前記COガスおよび前記O2ガスを受け入れるための前記還元ユニットの前記出口に接続されたガス入口を含む複数のガス入口、CO2作動流体を受け入れるためのガス入口、ならびに前記熱機関のガス入口に接続可能なガス出口を備える燃焼器であって、前記COガスと前記O2ガスとの間の反応を引き起こし、これにより前記COガスを燃焼させてCO2ガスを形成し、前記ガス出口を通じて、実質的に純粋なCO2ガスを供給して前記熱機関を駆動するように構成され動作可能である、燃焼器と
を具備し、
これにより、CO2の前記還元を介して前記外部エネルギー源によって駆動される前記熱機関を運転する、
エネルギー発生システム。
【請求項２】
前記燃焼器は、前記熱機関の前記ガス出口に付随し、前記熱機関によって排出される前記CO2の少なくとも一部を受け入れるように構成された追加の入口をさらに備える請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記燃焼器の前記1つまたは複数の入口に接続された、CO2を圧縮して前記圧縮されたCO2の少なくとも一部を前記燃焼器に供給するように構成され動作可能である、1つまたは複数の圧縮機を備える請求項1または2に記載のシステム。
【請求項４】
前記圧縮機は、前記熱機関の前記ガス入口にも接続され、前記圧縮されたCO2の少なくとも一部を前記熱機関内に導入するように構成され動作可能である請求項3に記載のシステム。
【請求項５】
前記CO2還元ユニットの前記ガス入口に接続されている、前記熱機関によって排出されるCO2を圧縮し、前記圧縮されたCO2の少なくとも一部を前記CO2還元ユニットに供給するように構成された、第2の圧縮機を備える請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記熱機関に接続された発電機を備え、前記発電機は前記熱機関によって発生する仕事を電力に変換するように構成され動作可能である請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記発電機は、前記圧縮機に接続され、前記圧縮機は前記発電機によって駆動され、これにより作動流体を閉ループサイクル内で循環させるために必要な電力を供給する請求項3から5のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記CO2還元ユニットの前記出口と前記燃焼器の前記入口との間で相互接続された混合室を備え、前記混合室はO2およびCOを受け入れて、COとO2との混合気を前記燃焼器に供給するように構成され動作可能である請求項1から7のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記熱機関は、ガスタービン、蒸気タービン、および内燃機関のうちの少なくとも1つを備える請求項1から8のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
複数の熱力学的サイクルを含む複合サイクルとして構成される請求項1から9のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記複合サイクルは、第1のサイクルと第2のサイクルとを含み、前記第1のサイクルは熱機関を備え、前記第2のサイクルはランキンタービンを備える請求項10に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第2のサイクルは、前記熱機関の出口に接続された、少なくとも1つのCO2入口および1つのCO2出口を有する熱回収ユニット(HRU)を備え、前記HRUは前記熱機関によって排出されたCO2からの少なくとも一部の熱を、前記第2のサイクル内で循環している流体に伝えるように構成され動作可能である請求項11に記載のシステム。
【請求項１３】
前記HRUは、前記CO2排ガスの熱を利用して水を蒸気に転換するか、または蒸気を加熱する蒸気発生器と、前記蒸気発生器の出口に接続された少なくとも1つの蒸気タービンとを備える請求項12に記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも1つの蒸気タービンは、前記蒸気タービンによって駆動される第2の発電機に接続される請求項13に記載のシステム。
【請求項１５】
前記還元ユニットは、CO2と水または蒸気との混合気をO2と合成ガス(COとH2との混合気)に還元するように構成され動作可能であり、
前記燃焼器は、合成ガスとO2とを反応させてCO2と水蒸気との前記混合気を生成するように構成され動作可能であり、
前記熱機関は、CO2と水蒸気との前記混合気を含む前記燃焼器からのガス放出によって駆動される請求項1から14のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第2のサイクルは、前記蒸気タービンから排出蒸気を凝縮して復水を生成するように構成され動作可能である復水器を備える請求項10から15のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記蒸気タービンに接続され、前記蒸気タービンによって駆動される中間冷却圧縮機を備え、前記中間冷却圧縮機は前記熱機関によって排出される流体を冷却することによって、かつ前記復水器内に生成される水の少なくとも一部との熱交換を介して、前記燃焼器に、または前記蒸気機関に送られる前記流体を圧縮するように構成され動作可能である請求項16に記載のシステム。
【請求項１８】
前記外部エネルギー源は、太陽エネルギー駆動のCO2解離反応器を備える、前記還元ユニットに接続された太陽熱受熱器を具備する請求項1から17のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記燃焼器の前記追加の入口に接続され、前記流体を前記燃焼器に供給する前に前記追加の入口を横断する流体を予熱するように構成され動作可能である、太陽熱受熱器を備える請求項2から18のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
少なくとも前記燃焼器の前記追加の入口および前記燃焼器の前記ガス出口に接続された太陽熱受熱器を備え、前記太陽熱受熱器は前記燃焼器と平行な、または前記燃焼器の上流にある流体を加熱するように構成され動作可能である請求項1から18のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記太陽熱受熱器の上流に配置された流量コントローラを備え、前記流量コントローラは前記太陽熱受熱器が前記燃焼器と平行に配置されたときに前記太陽熱受熱器または前記燃焼器のいずれかに向けられる流れの部分を決定するように構成され動作可能である請求項20に記載のシステム。
【請求項２２】
前記太陽熱受熱器は、前記燃焼器に付随する一次圧縮機の出口に接続され、前記太陽熱受熱器は前記一次圧縮機を出る圧縮された流体を加熱するように構成され動作可能である請求項18から21のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記還元ユニットは、
前記HRUから、CO2またはCO2と蒸気もしくは水との前記混合気である前記流体を受け入れるための緩衝材貯蔵モジュールと、
前記緩衝材貯蔵モジュールから前記流体を受け入れ、CO2をCOとO2とに還元するか、またはCO2および蒸気もしくは水の前記混合気を合成ガスとO2とに還元するように構成され動作可能である還元反応器と、
前記緩衝材貯蔵モジュールから前記還元反応器への前記流体の流れを調節する流体調節器と、
前記還元反応器を出るCOまたは合成ガスを圧縮し、圧縮されたCOまたは合成ガスを前記燃焼器に供給するように構成され動作可能である第1の圧縮機と、前記還元反応器を出るO2を圧縮し、圧縮されたO2を前記燃焼器に供給するように構成され動作可能である第2の圧縮機と
を備える請求項1から22のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記緩衝材貯蔵モジュールは、CO2またはCO2と水もしくは蒸気との混合気を外部供給源から受け入れる請求項23に記載のシステム。
【請求項２５】
蒸気タービンに動力を供給する蒸気サイクルを運転するためのシステムであって、
外部エネルギー源からエネルギーを供給され、CO2をCOとO2とに還元するように構成され動作可能である還元ユニットであって、CO2を受け入れるように構成されたガス入口を有し、COおよびO2ガス出口を有する、還元ユニットと、
前記還元ユニットからCOを受け入れるように構成された第1のガス入口、前記還元ユニットからO2を受け入れるように構成された第2のガス入口、および前記還元ユニットの前記ガス入口に付随するガス出口を有する燃焼器であって、前記COガスと前記O2ガスとを反応させ、これにより前記COガスを燃焼させてCO2ガスを形成し、実質的に純粋なCO2燃焼排ガスを前記還元ユニットに供給するように構成され動作可能である、燃焼器と、
前記燃焼器の前記出口に接続された熱回収ユニット(HRU)であって、少なくとも1つの入口および1つの出口を備え、前記燃焼器内に発生した前記CO2からの少なくとも一部の熱を前記蒸気サイクルで循環している水および/または蒸気に伝え、それにより、前記蒸気サイクルに動力を供給し、前記蒸気タービンを駆動するように構成され動作可能である、熱回収ユニット(HRU)と
を具備するシステム。
【請求項２６】
前記還元ユニットは、CO2と水または蒸気との混合気をO2と合成ガス(COとH2との混合気)に還元することを含み、
前記燃焼器内の前記反応は、合成ガスとO2とを反応させてCO2と水または蒸気との前記混合気を生成することを含む、
請求項25に記載のシステム。
【請求項２７】
発電するためのパワープラントであって、
高温蒸気を受け入れるための入口、ならびに前記高温蒸気に比べて温度および圧力が低い蒸気および/または水を排出するための出口を有する蒸気タービンを備える蒸気サイクルであって、前記蒸気タービンは、蒸気を中に通すことによって動力の供給を受ける、蒸気サイクルと、
前記燃焼器の排気からの少なくとも一部の熱を前記蒸気タービンによって排出される前記水および/または蒸気に伝え、これにより、前記蒸気サイクルに動力を供給し、前記蒸気タービンを駆動するための請求項25または26に記載のシステムと、
前記蒸気タービンに付随する、前記蒸気タービンによって生じる仕事を使用して電気を発生させるように構成された発電機とを備えるパワープラント。
【請求項２８】
空気中で燃料を燃焼させ、前記蒸気タービンに入る前に空気中の前記燃焼の少なくとも1つの燃焼生成物からの少なくとも一部の熱を前記水および/または蒸気に伝えるための燃料燃焼器をさらに備える請求項27に記載のパワープラント。
【請求項２９】
前記燃料は、石炭または天然ガスを含む請求項28に記載のパワープラント。
【請求項３０】
熱機関を運転する際に使用するための方法であって、
(a)CO2ガスをCOガスとO2ガスとに還元する段階と、
(b)前記COガスと前記O2ガスとを反応させて、前記COガスを燃焼させ、実質的に純粋なCO2出口ガスを生み出す段階と、
(c)前記CO2出口ガスを前記熱機関に、熱-仕事生成プロセスにおける作動ガスとして供給する段階と
を含む方法。
【請求項３１】
(d)前記熱機関によって排出されるCO2ガスをさらなる還元のために還元ユニットに送る段階と、
(e)前記先行する段階を繰り返す段階と
をさらに含み、
したがって、前記熱機関から排出される前記CO2を再利用してCOおよびO2を生成することにより前記熱機関運転の閉ループサイクルを発生させる、
請求項30に記載の方法。
【請求項３２】
前記熱機関から排出されるCO2ガスの少なくとも一部を、前記サイクル内の作動流体として使用するために燃焼させることを含む請求項30または31に記載の方法。
【請求項３３】
CO2をCOとO2とに還元する段階は、太陽エネルギーを使用して実行される請求項30から32のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
CO2をCOとO2とに還元する段階は、外部源から供給される追加のCO2ガスを使用して実行される請求項30から33のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記熱機関によって発生する仕事を使用して前記熱機関に接続されている発電機を駆動することによって電力を発生させる段階を含む請求項30から34のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
COとO2の混合気を生成するために、前記燃焼の前に前記COおよび前記O2を混合する段階を含む請求項30から35のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記熱機関から排出された前記CO2ガスから熱を回収する段階を含む請求項30から36のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記CO2排出ガスからの熱を使用して蒸気を加熱するか、または水を蒸気に転換する段階を含む請求項37に記載の方法。
【請求項３９】
前記蒸気を使用することによって少なくとも1つの蒸気タービンを駆動する段階を含む請求項38に記載の方法。
【請求項４０】
前記蒸気タービンで発生する仕事を使用することによって発電する段階を含む請求項39に記載の方法。
【請求項４１】
前記CO2排出ガスからの前記熱によって動力を供給されるランキンサイクルで前記蒸気をリサイクルする段階を含む請求項37から40のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
CO2を圧縮する段階と、前記圧縮されたCO2の少なくとも一部を前記燃焼における作動流体として使用する段階とを含む請求項30から41のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記熱機関を使用し、前記圧縮されたCO2の少なくとも一部を前記熱機関に供給することによって少なくとも1つの圧縮機を駆動する段階を含む請求項42に記載の方法。
【請求項４４】
前記熱機関によって排出される前記CO2ガスの少なくとも一部を、CO2またはCO2と水の還元のために前記還元ユニットに送る段階を含む請求項30から43のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
CO2と水または蒸気との混合気は、合成ガス(COとH2の混合気)と分離されたO2とに還元され、
合成ガスはO2と反応して、CO2と水との混合気を生成し、
CO2と水または蒸気との前記混合気は、前記熱機関に供給され、
前記熱機関から排出されるCO2と水または蒸気との前記混合気は、前記還元ユニットに送られ、さらに還元される、
請求項30から44のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
蒸気タービンに動力を供給する蒸気サイクルを運転する際に使用するための方法であって、
(a)CO2ガスをCOガスとO2ガスとに還元する段階と、
(b)前記COガスと前記O2ガスとを反応させて、前記COガスを燃焼させ、実質的に純粋なCO2出口ガスを生み出す段階と、
(c)前記CO2出口ガスを熱回収ユニット(HRU)に送り、前記出口ガスの少なくとも一部の熱を前記蒸気タービンへの動力となるように伝え、前記HRUから排出されるCO2をCOガスとO2ガスとにさらに還元し、次いで、前記COガスを燃焼させ、これにより、閉ループで動作させることを可能にする段階と
を含む方法。
【請求項４７】
CO2と水または蒸気との混合気は、合成ガス(COとH2の混合気)とO2とに還元され、
合成ガスとO2とが反応して、CO2と水との混合気を生成し、
CO2と水または蒸気との前記混合気は、前記HRUに送られ、
前記HRUから排出されるCO2と水または蒸気との混合気は、前記還元ユニットに送られ、さらに還元される、
請求項46に記載の方法。
【請求項４８】
発電するためのパワープラントであって、
高温蒸気を受け入れるための入口、ならびに前記高温蒸気に比べて圧力および温度が低い蒸気および/または水を排出するための出口を有する蒸気タービンを備える蒸気サイクルであって、前記蒸気タービンは蒸気を中に通すことによって動力の供給を受ける、蒸気サイクルと、
炭素系燃料のオキシ燃料燃焼を実行し、CO2と水または蒸気との混合気である排ガスを生成するように構成された第1の燃料燃焼器であって、外部供給源から前記燃料を受け入れるための燃料取り入れ口、酸素を受け入れるための酸素取り入れ口、および前記排ガスを排出するための出口を有する、第1の燃料燃焼器と、
前記燃焼器の排ガスから少なくとも一部の熱を前記蒸気タービンによって排出される前記水および/または蒸気に伝え、これにより、前記蒸気サイクルに動力を供給し、前記蒸気タービンを駆動するように構成された熱回収ユニット(HRU)と、
前記HRUを出る前記燃焼器の排ガスを受け入れ、CO2と水または蒸気との前記混合気を合成ガス(COとH2との混合気)とO2に還元するように構成された還元ユニットであって、前記O2を前記第1の燃料燃焼器内に再導入するための酸素出口、および前記合成ガスを排出するための合成ガス出口を有する、還元ユニットと、
前記還元ユニットによって排出される前記合成ガスを受け入れ、貯蔵するための合成ガス貯蔵ユニットと、
前記蒸気タービンに付随する、前記蒸気タービンによって生じる仕事を使用して配電網で使用するための電気を発生させるように構成された発電機と
を備えるパワープラント。
【請求項４９】
空気中で第2の燃料を燃焼させるための第2の燃料燃焼器と、
空気中の前記燃焼の少なくとも1つの燃焼生成物からの少なくとも一部の熱を前記蒸気タービンによって排出される前記水および/または蒸気に伝えるための第2のHRUと
をさらに備える請求項48に記載のパワープラント。
【請求項５０】
前記第1および第2の燃料のうちの少なくとも一方は、石炭または天然ガスを含む請求項48または49に記載のパワープラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、クリーン燃料の燃焼を使用することによるエネルギー発生システムおよびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力産業が直面している困難な課題の1つは、燃料の燃焼中に発生する温室効果ガスを捕捉することである。より具体的には、大きな難題が二酸化炭素(CO2)の捕捉であるのは、この分子構造が燃焼時に放出される主要な温室効果ガスであるからである。
【０００３】
CO2の捕捉のための技術がいくつか存在する。これらは、一般に、3つのグループ、すなわち、燃焼後捕捉、オキシ燃料燃焼(oxy-fuel combustion)、および燃焼前捕捉に分けられる。
【０００４】
燃焼後捕捉では、CO2は、燃料が燃焼した後の燃焼排ガスから分離される。これは、いくつかの方法で実行することができるが、最も概括的な成熟技術では、モノエタノールアミン(MEA)、ジグリコールアミン(DGA)などの1級アミン、ジエタノールアミン(DEA)、ジイソプロピルアミン(DIPA)などの2級アミン、トリエタノールアミン(TEA)およびメチルジエタノールアミン(MDEA)などの3級アミンを含むアミン類による化学吸着を利用する。冷却アンモニアの使用も、近年導入された。CO2は、溶媒中に吸収された後、ストリッピングおよび圧縮が行われ、溶媒は、再生される。この方法は、多くのエネルギーを必要とし、したがって、CO2の捕捉には高いコストがかかる。
【０００５】
オキシ燃料燃焼では、燃料の燃焼に空気の代わりに純酸素(O2)を使用する。この方法では、CO2が豊富に含まれる燃焼排ガスが生成し、CO2の捕捉が比較的容易になる。この技術の弱点は、空気からCO2を分離するために使用される、空気分離ユニットが高価であり、多くのエネルギーを消費するため、パワープラントの効率が低下することである。
【０００６】
燃焼前捕捉では、燃料は、CO2との反応により、燃焼前に部分的に酸化され、合成ガス(COと水素との混合気)を生成する。次いで、合成ガスを(水性ガス転化反応を介して)転化し、水素とCO2が豊富に存在するガスを発生する。次いで、CO2を水素から分離し、水素を燃焼させて水蒸気のみを遊離する。この技術の弱点は、機器のコストが高いこと、また燃料の部分酸化およびO2の発生によるエネルギー損失があることである。
【０００７】
CO2は、捕捉された後、大気中に放出されないように再利用するか、または隔離する必要がある。化学および食品産業では、世界中のパワープラントが発生させるCO2のうちのごくわずかしか消費しないので、これらのCO2の残りは、永久的貯蔵のために地層内に注入する必要がある。この手法は調査されており、場所によっては実証済みですらあるが、貯蔵の長期的安全性に関しては問題がある。さらに、この手法は、本質的に、CO2の形で炭素を捨て、リサイクルしない。長期的観点から、また世界中の埋蔵されている石炭であっても炭素の量は限られているとすれば、この手法では、利用可能な天然資源を最適に利用するとはいえない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際出願第PCT/IL2009/000743号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
当技術分野では、効率の損失および運転コストの増大を負担することなく反応生成物をリサイクルしながら燃料を燃焼することができる新規性のあるシステムおよび方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、実質的に純粋な二酸化炭素(CO2)燃焼排ガス流を得ることが内在的である効率の高い発電サイクルを提示する。本発明の技術では、燃料としての一酸化炭素(CO)のオキシ燃料燃焼を作動流体としてのCO2の使用と組み合わせる。この燃焼は、タービン(例えば、ガスタービン)または内燃機関などの多くの熱/燃焼機関で行うことができる。
【００１１】
この関係において、本発明のこの概念で使用される「熱機関」という用語は、熱を仕事および/または電気に変換する任意のエンジンを指す。熱は、一般的に、燃料燃焼、太陽輻射、地熱エネルギー、核反応、または他の熱源に由来しうる。
【００１２】
発生した燃焼排ガスは、実質的に純粋なCO2を含むが、プロセスを実質的に変更することなく大規模なシステムでは周囲の大気への、または周囲の大気からのある程度の漏れが生じうる。燃焼排ガス中のその結果生じるCO2の体積割合は、おおよそ85%から99%超までの範囲内とすることができる。CO2の少なくとも一部は、熱機関(例えば、ガスタービン)内にリサイクルすることができ、これを(例えば、ガスタービンにおいて空気の代わりに)作動流体として使用することができる。
【００１３】
さらに、CO2は、システムの唯一の燃焼生成物であるので、従来のCO2捕捉のための解決手段に典型的な大きなコストなしで、これをエンジンから排出された後に隔離することができる。
【００１４】
本発明によれば、熱機関から出るCO2の少なくとも一部は、COおよびO2にリサイクルされる。これは、気相中のCO2の熱化学および/または触媒プロセスおよび/または電気化学還元、光触媒法、または電気分解などのいくつかの方法により実行されうる。CO2をCOとO2とに還元することで、空気分離ユニット(ASU)がなくても、オキシ燃料燃焼に必要なO2が得られる。それでも、補助ASUが本発明のシステムにO2の補給源として組み込まれうるが、それは、システム内での損失、またはシステム内に漏れる可能性のある、雰囲気ガス(例えば、窒素)の分離があるからである。
【００１５】
本発明のシステムでは、CO2の知られている還元技術を使用することができる。例えば、このような電気化学還元技術は、本出願の発明者らの1人によって開発され、参照により本明細書に組み込まれている国際出願番号第PCT/IL2009000743号で説明されている技術を含む。光電気、触媒、電気分解、および熱化学的プロセスを使用する、CO2の解離のためのさまざまな他の方法も使用することができる。
【００１６】
特許文献１で説明されている技術のいくつかの実施形態によれば、CO2からCOおよびO2への還元では、熱陰極または光電陰極と陽極とを備え、電子を放出するように構成され動作可能である電子源と反応ガス分子(CO2および/またはH2O)を解離するのに十分なエネルギーを有する電界を発生させるための電界発生器とを使用する。陰極と陽極とは、反応ガス室内の解離電子付着(DEA)機構を介した解離電子反応ガス分子による電子間の相互作用を引き起こすように構成され動作可能である反応ガス室を画成する所定の距離のところで相隔てて並ぶ。必要なエネルギーを有する電子は、分子を生成化合物(O2、およびCOおよび/またはH2)に解離する。熱陰極の使用を考えると、システムは、熱エネルギーを電子源に供給しそれにより電子源の温度を高くし、熱陰極から熱電子放出を発生させるように構成され動作可能である熱エネルギー源を備える。熱陰極は、前記電界発生器または陰極と陽極との間に電位を印加し、陰極のポテンシャル障壁を低くし、放出電子の数を増やすように動作可能な別の電界発生器に関連付けられたものとすることができる。熱陰極は、保護被膜とともに形成され、CO2、CO、O-、およびO2を含むガス環境への曝露から保護することができる。保護被覆は、酸化物層を備えることもできる。保護被覆は、陰極の仕事関数を小さくすることによってトンネル現象を介して電子透過を可能にするように構成されうる。
【００１７】
そこで、本発明の広範な一態様により、熱機関を運転する際に使用するためのエネルギー発生システム(発電エンジンまたはプラント)が実現される。このシステムは、外部エネルギー源からエネルギーを供給され、CO2をCOとO2とに還元するように構成され動作可能である還元ユニットであって、CO2を投入するための熱機関のガス出口に付随するガス入口を有し、COおよびO2ガス出口を有する、還元ユニットと、COガスおよびO2ガスを受け入れるための前記還元ユニットの出口に接続されたガス入口を含む複数のガス入口、CO2作動流体を受け入れるためのガス入口、ならびに熱機関のガス入口に接続可能なガス出口を備える燃焼器であって、前記COガスと前記O2ガスとの間の反応を引き起こし、これによりCOガスを燃焼させてCO2ガスを形成し、前記ガス出口を通じて、実質的に純粋なCO2ガスを供給して熱機関を駆動するように構成され動作可能である、燃焼器とを具備し、これにより、このシステムはCO2の還元を介して前記外部エネルギー源によって駆動される熱機関を運転する。
【００１８】
熱機関は、ガスタービン、蒸気タービン、および内燃機関のうちの少なくとも1つを備えることができる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、燃焼器は、熱機関のガス出口に付随し、熱機関によって排気されるCO2の少なくとも一部を受け入れるように構成された追加の入口をさらに備える。
【００２０】
好ましくは、システムは、燃焼器の1つまたは複数の入口に接続された、CO2を圧縮して圧縮されたCO2の少なくとも一部を燃焼器に供給するように構成され動作可能である1つまたは複数の圧縮機を備える。圧縮機は、熱機関のガス入口にも接続することができ、圧縮機は圧縮されたCO2の少なくとも一部を熱機関内に導入するように構成され動作可能である。
【００２１】
システムは、CO2還元ユニットのガス入口に接続されている、熱機関によって排気されるCO2を圧縮し、圧縮されたCO2の少なくとも一部をCO2還元ユニットに供給するように構成された追加の(第2の)圧縮機を備えることができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、システムは、熱機関に接続された発電機を備える。発電機は、熱機関によって発生する仕事を電力に変換するように構成され動作可能である。
【００２３】
発電機を圧縮機とともに使用して作動流体を閉ループサイクルで循環させるために必要な電力を供給することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、システムは、CO2還元ユニットの出口と燃焼器の入口との間で相互接続された混合室を備える。混合室は、O2およびCOを受け入れて、COとO2との混合気を燃焼器に供給するように構成され動作可能である。
【００２５】
いくつかの実施形態では、システムは、複数の熱力学的サイクルを含む複合サイクルとして構成される。複合サイクルは、第1のサイクルと第2のサイクルとを含み、第1のサイクルは熱機関を備え、第2のサイクルはランキンタービンを備える。第2のサイクルは、熱機関の出口に接続された、少なくとも1つのCO2入口および1つのCO2出口を有する熱回収ユニット(HRU)を備えることができる。HRUは、熱機関によって排気されたCO2からの少なくとも一部の熱を、第2のサイクル内で循環している流体に伝えるように構成され動作可能である。HRUは、CO2排ガスの熱を利用して水を蒸気に転換するか、または蒸気を加熱する蒸気発生器と蒸気発生器の出口に接続された少なくとも1つの蒸気タービンとを備えることができる。少なくとも1つの蒸気タービンは、蒸気タービンによって駆動される第2の発電機に接続されうる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、還元ユニットは、CO2と水または蒸気との混合気をO2と合成ガス(COとH2との混合気)に還元するように構成され動作可能であり、燃焼器は、合成ガスとO2とを反応させてCO2と水蒸気との混合気を生成するように構成され動作可能であり、熱機関は、CO2と水蒸気との混合気を含む燃焼器からのガス放出によって駆動される。
【００２７】
いくつかの実施形態では、第2のサイクルは、蒸気タービンから排出蒸気を凝縮して復水を生成するように構成され動作可能である復水器を備える。システムは、蒸気タービンに接続され、蒸気タービンによって駆動される中間冷却圧縮機を備えることができ、中間冷却圧縮機は、熱機関によって排出される、流体を冷却することによって、復水器内に生成される水の少なくとも一部との熱交換を介して燃焼器に、または蒸気機関に送られる流体を圧縮するように構成され動作可能である。
【００２８】
システムは、太陽エネルギー駆動のCO2解離反応器を備える、還元ユニットに接続された太陽熱受熱器を具備する外部エネルギー源を使用することができる。
【００２９】
システムは、燃焼器の追加の入口に接続され、流体を燃焼器に供給する前に追加の入口を横断する流体を予熱するように構成され動作可能である太陽熱受熱器を備えることができる。
【００３０】
システムは、少なくとも燃焼器の追加の入口および燃焼器のガス出口に接続された太陽熱受熱器を備えることができる。太陽熱受熱器は、燃焼器と平行な、または燃焼器の上流にある流体を加熱するように構成され動作可能である。システムは、太陽熱受熱器の上流に配置された流量コントローラを備えることができる。流量コントローラは、太陽熱受熱器が燃焼器と平行に配置されたときに、太陽熱受熱器または燃焼器のいずれかに向けられる流れの部分を決定するように構成され動作可能である。太陽熱受熱器は、燃焼器に付随する一次圧縮機の出口に接続することができ、太陽熱受熱器は一次圧縮機を出る圧縮された流体を加熱するように構成され動作可能である。
【００３１】
いくつかの実施形態では、還元ユニットは、HRUから、CO2またはCO2と蒸気もしくは水との前記混合気である流体を受け入れるための緩衝材貯蔵モジュールと、緩衝材貯蔵モジュールから流体を受け入れ、CO2をCOとO2とに還元するか、またはCO2および蒸気もしくは水との混合気を合成ガスとO2とに還元するように構成され動作可能である還元反応器と、前記緩衝材貯蔵モジュールから前記還元反応器への流体の流れを調節する流体調節器と、第1および第2の圧縮機であって、第1の圧縮機は前記還元反応器を出るCOまたは合成ガスを圧縮し、圧縮されたCOまたは合成ガスを前記燃焼器に供給するように構成され動作可能であり、第2の圧縮機は前記還元反応器を出るO2を圧縮し、圧縮されたO2を前記燃焼器に供給するように構成され動作可能である、第1および第2の圧縮機とを備える。緩衝材貯蔵モジュールは、CO2またはCO2と水もしくは蒸気との混合気を外部供給源から受け入れることができる。
【００３２】
本発明の別の広範な態様によれば、蒸気タービンに動力を供給する蒸気サイクルを運転するためのシステムが実現され、このシステムは、
外部エネルギー源からエネルギーを供給され、CO2をCOとO2とに還元するように構成され動作可能である還元ユニットであって、CO2を受け入れるように構成されたガス入口を有し、COおよびO2ガス出口を有する、還元ユニットと、
前記還元ユニットからCOを受け入れるように構成された第1のガス入口、前記還元ユニットからO2を受け入れるように構成された第2のガス入口、および還元ユニットのガス入口に付随するガス出口を有する、燃焼器であって、前記COガスと前記O2ガスとを反応させ、これによりCOガスを燃焼させてCO2ガスを形成し、実質的に純粋なCO2燃焼排ガスを前記還元ユニットに供給するように構成され動作可能である、燃焼器と、
前記燃焼器の出口に接続され、少なくとも1つの入口および1つの出口を備え、前記燃焼器内に発生した前記CO2からの少なくとも一部の熱を蒸気サイクルで循環している水および/または蒸気に伝え、それにより、蒸気サイクルに動力を供給し、蒸気タービンを駆動するように構成され動作可能である熱回収ユニット(HRU)と
を具備する。
【００３３】
還元ユニットは、CO2と水または蒸気との混合気をO2と合成ガス(COとH2との混合気)に還元することを含むことができる。燃焼器内の反応は、合成ガスとO2とを反応させてCO2と水または蒸気との前記混合気を生成することを含みうる。
【００３４】
本発明のさらに別の態様によれば、発電するためのパワープラントが実現され、このパワープラントは、
高温蒸気を受け入れるための入口、ならびに高温蒸気に比べて温度および圧力が低い蒸気および/または水を排出するための出口を有する蒸気タービンを備える蒸気サイクルであって、蒸気タービンは蒸気を中に通すことによって動力の供給を受ける、蒸気サイクルと、
前記燃焼器の排気からの少なくとも一部の熱を前記蒸気タービンによって排出される前記水および/または蒸気に伝え、これにより、前記蒸気サイクルに動力を供給し、蒸気タービンを駆動するための上述のシステムと、
前記蒸気タービンに付随する、前記蒸気タービンによって生じる仕事を使用して電気を発生させるように構成された発電機と
を備える。
【００３５】
パワープラントは、空気中で燃料を燃焼させ、前記蒸気タービンに入る前に空気中の前記燃焼の少なくとも1つの燃焼生成物からの少なくとも一部の熱を前記水および/または蒸気に伝えるための燃料燃焼器をさらに備えることができる。燃料は、石炭または天然ガスを含みうる。
【００３６】
本発明のさらに他の態様によれば、熱機関を運転する際に使用するための方法が提供され、この方法は、
(a)CO2ガスをCOガスとO2ガスとに還元する段階と、
(b)前記COガスと前記O2ガスとを反応させて、COガスを燃焼させ、実質的に純粋なCO2出口ガスを生み出す段階と、
(c)前記CO2出口ガスを熱機関に、熱-仕事生成プロセスにおける作動ガスとして供給する段階と
を含む。
【００３７】
熱機関によって排出されるCO2ガスは、さらなる還元のために還元ユニットにさらに送られ、先行する段階を繰り返すことができ、したがって、熱機関から排出されるCO2を再利用してCOおよびO2を生成することにより熱機関運転の閉ループサイクルを発生させることができる。
【００３８】
熱機関から排出されるCO2ガスの少なくとも一部は、サイクル内の作動流体として使用するために燃焼させることができる。
【００３９】
CO2をCOとO2とに還元する段階は、太陽エネルギーを使用して実行することができる。
【００４０】
CO2をCOとO2とに還元する段階は、外部供給源から供給される追加のCO2ガスを使用することによって実行することができる。
【００４１】
この方法は、熱機関で発生する仕事を使用して熱機関に接続されている発電機を駆動することによって電力を発生させることを含みうる。
【００４２】
COは、COとO2との混合気を生成するために、燃焼の前にO2と混合させることができる。
【００４３】
熱機関から排出される前記CO2ガスからの熱は、回収することができる。CO2排ガスからの熱は、蒸気を加熱するために、または水を蒸気に転換するために使用することができる。蒸気を使用して少なくとも1つの蒸気タービンを駆動することができる。前記蒸気タービンで発生する仕事を発電に使用することができる。蒸気は、前記CO2排ガスからの熱によって動力を供給されるランキンサイクルでリサイクルすることができる。
【００４４】
CO2を圧縮し、前記圧縮されたCO2の少なくとも一部を燃焼における作動流体として使用することができる。前記熱機関を使用することによって少なくとも1つの圧縮機を駆動し、前記圧縮されたCO2の少なくとも一部を熱機関に供給することができる。
【００４５】
熱機関によって排出されるCO2ガスの少なくとも一部をCO2(またはCO2と水)還元ユニットに送り、CO2またはCO2と水の還元を行うことができる。
【００４６】
CO2と水または蒸気との混合気を合成ガス(COとH2の混合気)と分離されたO2とに還元することができる。合成ガスはO2と反応して、CO2と水との混合気を生成する。CO2と水または蒸気との混合気を熱機関に供給する。熱機関から排出されるCO2と水または蒸気との混合気を還元ユニットに送り、さらに還元する。
【００４７】
本発明のさらに別の広範な態様によれば、蒸気タービンに動力を供給する蒸気サイクルを運転する際に使用するための方法が提供され、この方法は、
(a)CO2ガスをCOガスとO2ガスとに還元する段階と、
(b)前記COガスと前記O2ガスとを反応させて、COガスを燃焼させ、実質的に純粋なCO2出口ガスを生み出す段階と、
(c)前記CO2出口ガスを熱回収ユニット(HRU)に送り、前記出口ガスの少なくとも一部の熱を蒸気タービンへの動力となるように伝える段階と、
(d)前記HRUから排出されるCO2をCOガスとO2ガスとにさらに還元し、次いで、COガスを燃焼させることを可能にし、したがって、閉ループで動作させる段階と
を含む。
【００４８】
本発明のさらに他の広範な態様によれば、発電するためのパワープラントが実現され、このパワープラントは、
高温蒸気を受け入れるための入口、ならびに高温蒸気に比べて圧力および温度が低い蒸気および/または水を排出するための出口を有する蒸気タービンを備える蒸気サイクルであって、蒸気タービンは蒸気を中に通すことによって動力の供給を受ける、蒸気サイクルと、
炭素系燃料のオキシ燃料燃焼を実行し、CO2と水または蒸気との混合気である排ガスを生成するように構成された第1の燃料燃焼器であって、外部供給源から前記燃料を受け入れるための燃料取り入れ口、酸素を受け入れるための酸素取り入れ口、および前記排ガスを排出するための出口を有する、第1の燃料燃焼器と、
前記燃焼器の排ガスからの少なくとも一部の熱を前記蒸気タービンによって排出される前記水および/または蒸気に伝え、これにより、前記蒸気サイクルに動力を供給し、蒸気タービンを駆動するように構成された熱回収ユニット(HRU)と、
HRUを出る前記燃焼器の排ガスを受け入れ、CO2と水または蒸気との前記混合気を合成ガス(COとH2との混合気)とO2に還元するように構成された還元ユニットであって、前記O2を前記第1の燃料燃焼器内に再導入するための酸素出口、および前記合成ガスを排出するための合成ガス出口を有する、還元ユニットと、
前記還元ユニットによって排出される前記合成ガスを受け入れ、貯蔵するための合成ガス貯蔵ユニットと、
前記蒸気タービンに付随する、前記蒸気タービンによって生じる仕事を使用して配電網で使用するための電気を発生させるように構成された発電機と
を備える。
【００４９】
パワープラントは、空気中で第2の燃料を燃焼させるための第2の燃料燃焼器と、空気中の前記燃焼の少なくとも1つの燃焼生成物からの少なくとも一部の熱を前記蒸気タービンによって排出される前記水および/または蒸気に伝えるための第2のHRUとを備えることができる。第1および第2の燃料のうちの少なくとも一方は、石炭または天然ガスを含みうる。
【００５０】
本発明を理解するために、また本発明をどのように実用できるかを示すために、添付図面を参照しつつ、限定されない例のみを使って実施形態を説明することにする。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】COが燃焼燃料として使用され、CO2が作動ガスである、本発明に基づくシステムで熱機関をどのように運転するかの例を示す大まかな概略ブロック図である。
【図１Ｂ】COが燃焼燃料として使用され、CO2が作動ガスである、本発明に基づくシステムで熱機関をどのように運転するかの例の異なる構成を示す大まかな概略ブロック図である。
【図１Ｃ】COが燃焼燃料として使用され、CO2が作動ガスである、本発明に基づくシステムで熱機関をどのように運転するかの例の異なる構成を示す大まかな概略ブロック図である。
【図１Ｄ】COが燃焼燃料として使用され、CO2が作動ガスである、本発明に基づくシステムで熱機関をどのように運転するかの例の異なる構成を示す大まかな概略ブロック図である。
【図２Ａ】合成ガス(COとH2との混合気)が燃焼燃料として使用され、その一方で、CO2と水との混合気が作動ガスとして使用される、熱機関を運転するための本発明のシステムの例を示す概略ブロック図である。
【図２Ｂ】合成ガス(COとH2との混合気)が燃焼燃料として使用され、その一方で、CO2と水との混合気が作動ガスとして使用される、熱機関を運転するための本発明のシステムの例の異なる構成を示す概略ブロック図である。
【図２Ｃ】合成ガス(COとH2との混合気)が燃焼燃料として使用され、その一方で、CO2と水との混合気が作動ガスとして使用される、熱機関を運転するための本発明のシステムの例の異なる構成を示す概略ブロック図である。
【図３】蒸気タービンに動力を供給する、蒸気サイクルを運転するように構成された本発明のシステムの概略ブロック図である。
【図４Ａ】本発明によるシステムの可能な構成の概略ブロック図である。
【図４Ｂ】本発明によるシステムの可能な構成の概略ブロック図である。
【図５】本発明によるシステムの可能な構成の概略ブロック図である。
【図６】本発明によるシステムの可能な構成の概略ブロック図である。
【図７】本発明によるシステムの可能な構成の概略ブロック図である。
【図８】本発明によるシステムの可能な構成の概略ブロック図である。
【図９】本発明によるシステムの可能な構成の概略ブロック図である。
【図１０】蒸気を発生し、過熱するための熱の一部が空気中での石炭燃焼によってもたらされ、その熱の残りはCOをクリーンなO2(オキシ燃料燃焼)と燃焼させることによってもたらされ、両方ともCO2還元ユニットから発生する、本発明の技術を蒸気ランキンサイクルを利用する発電プラントでどのように使用するかを示す概略図である。
【図１１】蒸気を発生し、過熱するための熱の一部が空気中での石炭燃焼によってもたらされ、残りの熱は石炭をCO2解離プラントによって供給されるクリーンなO2(オキシ燃料燃焼)と燃焼させることによってもたらされる、本発明の技術を蒸気ランキンサイクルを利用する発電プラントでどのように使用するかを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図1Aを参照し、本発明のエネルギー発生システム10の概括的ブロック図が示されている。システム10は、熱機関14を運転するように構成され、外部エネルギー源25(例えば、太陽エネルギーもしくは核エネルギー)からエネルギーを供給されるCO2還元ユニット16と、燃焼器12とを備える。還元ユニット16は、CO2をCOとO2とに還元するように構成され、CO2を投入するためのガス入口11と、COガス出口23と、O2ガス出口24とを備える。燃焼器12は、COのオキシ燃料燃焼を行うように構成され、COガスおよびO2ガスを受け入れるように、CO2還元ユニット16の出口23および24に接続されたガス入口と、熱機関14のガス入口に接続可能なガス(CO2)出口21とを有する。燃焼器12を出るCO2は、COの発熱燃焼によりある熱を有する。このような加熱されたCO2が熱機関14内に導入され、そこで、熱が、仕事に変換され、例えば、力学的回転エネルギーの形態に変換される。次いで、CO2は、ガス出口15を介して熱機関14を出て、次いで、還元ユニット16のガス入口11に入る前に圧縮機19によって圧縮されうる。したがって、この構成では、熱機関14の閉ループ運転が行われ、CO2の還元を介して投入されるエネルギーによって駆動される。
【００５３】
燃焼器12は、COをO2と反応させ、CO2作動流体の流れを発生させることによってCOを燃焼するように構成され動作可能である。出口21を介して燃焼器12を出る流れは、実質的に純粋なCO2ガスである。したがって、実質的に純粋なCO2ガスが熱機関14内の作動流体として使用される。典型的には、熱機関14がガスタービンである場合、燃焼器12から出て来る作動流体の望ましい運転温度は、800℃から1400℃までである。
【００５４】
いくつかの実施形態では、熱機関は、熱機関によって発生する仕事を電力に変換するように構成され動作可能である発電機20に接続される。
【００５５】
いくつかの実施形態では、発電機(熱機関または異なる要素に接続された発電機20である)は、圧縮機19に接続可能である。圧縮機19は発電機によって駆動され、これにより流体を閉ループシステム内で循環させるために必要な電力を供給する。
【００５６】
いくつかの実施形態では、システムは、複数の熱力学的サイクルを含む複合サイクルとして構成される。複合サイクルは、熱機関14を備える上側サイクルと、熱回収ユニット(HRU)17とを備える下側サイクルとを具備することができる。この場合、熱機関出口15から出るCO2は、HRU17内に導入され、その中で、CO2排ガスからの残留熱が、さらに以下で説明されるように蒸気を発生させるために使用される。熱機関14を出るCO2ガスは、熱機関14の出口15からHRU17内に導入され、HRU17から圧縮機19内に排出され、システム内でCO2をリサイクルする。
【００５７】
そこで、本発明のシステムおよび方法は、環境にCO2を増やすことなくエネルギー発生のために大規模に使用することができる低コスト、高効率のサイクルを実現する。このプロセスは、CO2を作動流体として使用し、COおよびO2を燃焼させることを伴うが、その際に、隔離し、燃料にリサイクルするためにほとんどCO2からなる排ガスを迂回させる(つまり、CO2体積割合は約80〜90%から99%超までの範囲内とすることができる)。
【００５８】
本発明の技術では、プロセスで発生した酸素のオキシ燃料燃焼をこれもまたプロセスで発生する燃料(CO)の特定の選択とともに使用する。
【００５９】
COは有毒ガスであるが、その発生に近い位置で、通常は、原位置での使用により、多くの工業プロセスにおいてプロセスガスとして広く使用されている。本発明のシステムおよび方法は、COおよびO2がクリーンエネルギー源(例えば、太陽エネルギー)を使用して生成されるCO2のクリーンなリサイクルプロセスを利用して、熱および/または電気の形のエネルギーを発生させるが、運転コストの増大および空気分離を介したO2発生に付随するエネルギーの激しい消費を伴わない。
【００６０】
次に図1Bを参照し、図1Aのエネルギー発生システム10の非限定的な一実施形態が例示されている。図1Bに例示されているシステム10'は、概括的には、図1Aのシステムと似ているが、いくつかの付加的要素を含んでいる。図1Bの例において、出口15を通して(場合によってはHRU17を通って)熱機関14を出る排出CO2は、ノード30で2つの部分に分割される。第1の部分は、上で説明されているように、入口11を介して(例えば、圧縮機19を通った後に)還元ユニット16内に導入されるが、第2の部分は、ガス入口13を介して燃焼器12内に直接送り込まれる。ガス入口13を介して燃焼器12に達したCO2は、燃焼器12の壁を望ましい運転温度まで冷却するために使用され、次いで、COとO2との燃焼によって発生したCO2と混合される。燃焼器12を出た後、熱機関14の運転に適した温度で熱機関14に入る。
【００６１】
適宜、熱機関の排出CO2の第2の部分は、ノード32で2つの流れにさらに分割され、第1の流れは、上で説明されているようにガス入口13を介して燃焼器12に送られ、第2の流れは、導管9を介して熱機関14に送られる。もし存在すれば、導管9を介して移動する熱機関14へのCO2の流れも、燃焼器12によって熱機関14に供給されるCO2の温度を下げるために用いられる。
【００６２】
システム10は、CO2入口13を介して燃焼器12に接続されている一次圧縮機18も備えることができ、約4バールから約40バールまでの範囲内の必要な圧力により圧縮されたCO2を発生させるように構成され動作可能であるものとしてよい。一次圧縮機18は、圧縮されたCO2の少なくとも一部を燃焼器12に供給することができる。適宜、圧縮機18は、発電機(熱機関または異なる要素に接続された発電機20である)から電力を供給される。
【００６３】
いくつかの実施形態では、一次圧縮機18は、破線で表されているように燃焼器12のCO2入口13と熱機関入口21の両方に接続される。この場合、一次圧縮機18は、圧縮されたCO2の一部を燃焼器12に供給し、圧縮されたCO2の一部を熱機関14に直接供給する。圧縮機18および/または二次圧縮機19の動作を制御することによって、熱機関14によって還元ユニット16および燃焼器12に排出されるCO2の流れを調節し、これにより、機関14に入るCO2作動ガスの温度および圧力の制御を行うことができる。
【００６４】
いくつかの実施形態では、ノード30で分割されたCO2の流れの第1および第2の部分、ならびにノード32で分割された第1および第2の流れの程度は、圧縮機18および19の動作によって制御されうる。適宜、または代替的に、二方弁がノード30および32の一方または両方に存在し、ノード30で分割されたCO2の流れの第1および第2の部分とノード32で分割された第1および第2の流れの程度をさらに制御することができる。
【００６５】
上で説明されているように、第1および第2の部分ならびに第1および第2の流れの調節により、機関14に入るCO2作動ガスの温度および圧力を制御することができる。この調節は、手動でも自動でもよい。調節が自動である場合、システム10は、制御ユニット(図示せず)、温度センサー(図示せず)、および圧力センサー(図示せず)を備える。温度および圧力センサーは、例えば、燃焼器12の出口のところ、および熱機関14の入口21のところにセットされ、それぞれ、燃焼器12を出て、熱機関14に入るCO2の温度および圧力を測定するように構成される。
【００６６】
具体的に例示されてはいないが、制御ユニットは、典型的には、コンピュータシステムであり、このコンピュータシステムは、とりわけ、温度および圧力センサーに接続され、燃焼器12を出るか、または熱機関14に入るCO2の温度および圧力を示すデータを受信するように構成された入力ポート、メモリユーティリティ、適切なアルゴリズムを適用することによって測定された温度および圧力データを処理し分析して、測定された温度および圧力値と所望の値(または所望の温度および圧力範囲)との間の関係を決定し、CO2が所望の温度(または所望の温度範囲内)および所望の圧力(または所望の圧力範囲内)で燃焼器を出るようにするために必要な第1および第2の部分ならびに第1および第2の流れの程度を計算し、これらの結果を示す制御データを生成するように構成された処理ユーティリティなどの構造部分を備える。また、制御システムは、処理ユニットから制御信号/データを受信し、圧縮機18および19を操作するように構成されたコントローラ、ならびにノード30および32のところの弁をしかるべく備え(もし存在すれば)、ノード30および32で適切な流れ分離を行う。
【００６７】
図1Cを参照し、クリーン発電で使用するための本発明のシステム100の非限定的な例の概略ブロック図が例示されている。システム100は、COをO2とともに燃焼させ、実質的に純粋なCO2を反応生成物として供給するように構成され動作可能である。この反応生成物は、さらなる精製を行うことなくすぐに隔離できる。
【００６８】
いくつかの実施形態では、システム100は、CO2還元ユニット16と燃焼器12との間に置かれた混合室140を備える、混合室140は、還元ユニット16の各出口24および23からO2およびCOを受け入れて、COとO2との混合気を燃焼器12に供給するように構成され動作可能である。したがって、O2およびCOは、燃焼器12に入る前に混合することができる。混合は、COとO2とが一緒になって燃焼する燃焼器12内で直接実行されて、CO2を発生し、次いで、このCO2は、圧縮機18からの圧縮されたCO2と混合され、CO2の高温の流れを生じる(典型的な温度は約800℃〜1400℃の範囲内である)ことに留意されたい。
【００６９】
この構成では、システム100は、ガスタービン110を備える上側サイクル(図1A〜1Bの熱機関14に対応する)と蒸気ランキンタービン212を備える下側サイクル115とを有する複合サイクルを具備する。燃焼器12を出るCO2の高温の圧縮された流れは、タービン110を動作させ、発電機20を駆動し、発電する。ガスタービン出口15からのCO2は、タービン110から水/蒸気などの別の媒体に残留熱を伝えるために熱回収ユニット(HRU)を備える蒸気ランキンボトミングサイクル115内に導入される。圧縮機18には、HRUから放出されるCO2の一部または全部が供給される。
【００７０】
この特定の例では、HRUは、CO2の熱を利用して蒸気135を発生させる蒸気発生器114を備え、適宜、CO2-水熱交換器116をさらに備える。蒸気発生器114内に発生した、場合によっては、過熱もされた蒸気を使用して蒸気タービン212に動力を与え、発電機120を駆動し、発電を行う。タービン212からの排出蒸気は、復水器118内で凝縮され、ポンプ117(例えば、送水ポンプ)を用いて熱交換器116に送り込まれる。蒸気発生器114から出て来るCO2からの廃熱を使用して、水-CO2熱交換器116内のポンプで送り込まれた水を加熱する。熱交換器116から出て来るCO2 134の少なくとも一部は、燃料燃焼のために作動流体として圧縮機18内に導入される。HRU CO2放出の一部132は、CO2還元ユニット16内でリサイクルされる。
【００７１】
図1Dを参照し、全体的に200と示される、エネルギー発生システムの一部の別の構成の概略ブロック図が例示されている。システム200は、概括的に、図1Cの上で説明されているシステム100に類似しているが、蒸気タービン212に接続され、蒸気タービン212によって駆動される中間冷却CO2圧縮機210が加えられている点が異なる。熱交換器211は、210においてCO2圧縮時に発生する廃熱を使用して蒸気発生器114内に導入する前にCO2を冷却し、水を予熱する。これは、圧縮機210の効率を改善しながら、熱交換器116を補助する。中間冷却CO2圧縮機210は、蒸気タービンサイクルの復水の少なくとも一部を使用することによって中間冷却される。中間冷却CO2圧縮機210は、圧縮されたCO2を発生させるように構成され動作可能である。
【００７２】
次に、図2Aを参照し、合成ガス(COとH2との混合気)を燃焼燃料として、CO2と水(ガス状)の混合気を作動ガスとして使用することによって、熱機関14を運転するためのエネルギー発生システム40を実現する、本発明の非限定的な一例の概略ブロック図が例示されている。エネルギー発生システム40は、外部エネルギー源25(例えば、太陽エネルギーもしくは核エネルギー)からエネルギーを供給されるCO2-水還元ユニット42と、燃焼器12とを備える。
【００７３】
還元ユニット42は、CO2と水との混合気をO2とCOとH2との混合気(合成ガス)とに還元するように構成され、したがって、CO2と水の混合気を還元ユニット内に投入するためのガス入口44と、合成ガス出口46と、O2ガス出口24とを備える。燃焼器12は、合成ガスのオキシ燃料燃焼を行うように構成され、O2と合成ガスとを受け入れるように還元ユニット42の出口46および24に接続されたガス入口と熱機関14のガス入口に接続可能なガス(CO2-水混合気)出口50を有する。燃焼器12を出るCO2-水混合気は、合成ガスの発熱燃焼があるため加熱される。このような加熱されたCO2-水混合気が熱機関14内に導入され、そこで、熱の一部が、仕事に変換され、例えば、力学的回転エネルギーおよび/または電気の形態に変換される。次いで、排出CO2-水混合気は、還元ユニット42のガス入口44に接続されている、ガス出口52を介して熱機関14を出る。そのため、システム40では、熱機関14は、還元ユニット42のガス入口44および燃焼器12のガス出口50に接続され、これにより、エネルギー源25からCO2および水の還元ユニット内への外部エネルギー投入によって駆動される、熱機関14の閉ループ動作が行われる。熱機関14は、発電機20が電気を発生させるように動作しうる。
【００７４】
図1A〜図1Bのシステム10のように、システム40は、HRU17を備える下側サイクルに付随し、閉ループシステム内で流体を循環させるための圧縮機19を備えることができる。さらに、システム40は、燃焼器42から排出されるCO2-水混合気の一部を熱機関14内に送るためのダクトおよび少なくとも1つの圧縮機を備えるものとしてよい。
【００７５】
図2Bを参照し、図2Aのシステム40の構成の特定の、ただし非限定的な、一例であるシステム100'が例示されている。システム100'は、CO2に加えて水蒸気を含む作動流体を循環させることよってクリーンな電力を発生させる。水の体積割合は、数パーセントからおおよそ50%までと異なりうる。次いで、CO2に加えて水蒸気を含む作動流体を燃焼器12内に導入する。燃焼生成物が、ガスタービン110(図1A〜図1Bおよび図2Aの熱機関14に対応する)を動作させ、これが、発電機20を回転動作させ、発電する。ガスタービン出口15は、CO2と蒸気の混合気を排出し、これらは、タービン110から水/蒸気などの別の媒体に残留熱を伝えるために蒸気発生器/熱回収ユニット(HRU)114を備える、蒸気ランキンボトミングサイクル115内に導入される。蒸気ランキンボトミングサイクル115において、CO2と蒸気との混合気の熱を使用して、蒸気発生器114内で蒸気を発生し、場合によっては過熱する。ボトミングサイクル115は、蒸気135の供給を受ける蒸気タービン212を備える。蒸気タービン212は、発電機120を駆動し、電気を発生させる。タービン212からの排出蒸気は、復水器118内で凝縮され、熱交換器116内にポンプ117を用いて送られ、適宜導入される。蒸気発生器114から出て来るCO2-水混合気からの廃熱を使用して、水-CO2熱交換器116内のポンプで送り込まれた水を予熱する。蒸気ランキンボトミングサイクルCO2-水放出の一部132の水を排ガス（大半がCO2と蒸気）から分離し、CO2-水還元ユニット42内に導入する。次いで、リサイクルプロセスは、COとO2へのCO2解離、さらにはH2とO2への水の解離の両方を含む。この場合、COとH2の混合気(合成ガス)は、還元ユニットの出口46を介して混合室140内に導入されるが、O2は、還元ユニットの出口24を介して混合室140内に導入される。したがって、合成ガスは、燃焼器12内に導入されることによってエンジン内の燃料として使用することができ、そこで、CO2と水の解離で発生するO2と一緒に燃焼する。熱交換器116から出て来るCO2と蒸気の混合気134'の別の部分を圧縮機18内に導入し、燃料燃焼器12内の作動流体およびガスタービン110内の作動流体として使用できる。
【００７６】
図2Cは、図2Aのシステム40の構成の別の特定の、ただし非限定的な、例を表すシステム200'を示している。システム200'は、システム200'が蒸気タービン212に接続され、蒸気タービン212によって駆動される中間冷却CO2&水圧縮機210を備えるという点で図2Bの上で説明されているシステム200と異なる。熱交換器211は、210においてCO2および水の圧縮時に発生する廃熱を使用して蒸気発生器114内に導入する前にCO2と水の混合気を冷却し、水を予熱する(図1Dの例と類似する)。これは、圧縮機210の効率を改善しながら、熱交換器116を補助する。システム200'の他のすべての構造および動作の詳細は、上で説明されているシステム200と類似している。
【００７７】
図3を参照し、図1A〜図1Bに示されているシステム10に概括的に類似しているシステム10'の概略ブロック図が例示されているが、この例では、燃焼器12から出て来る加熱されたCO2 21は、蒸気ランキンサイクル115を駆動するために使用される。燃焼器12を出るCO2の高温の圧縮された流れは、蒸気発生器17として構成された熱回収ユニット(HRU)を備える、蒸気ランキンサイクル115内に導入される。圧縮機19には、HRUから放出されるCO2の一部または全部が供給されうる。この特定の例では、HRUは、CO2の熱を利用して蒸気135を発生させる蒸気発生器17を備える。蒸気発生器17内に発生した、場合によっては、過熱もされた蒸気を使用して蒸気タービン212に動力を与え、発電機120を駆動し、発電を行う。タービン212からの排出蒸気は、復水器118内で凝縮され、ポンプ117(例えば、送水ポンプ)を用いて送り込まれる。蒸気発生器17から出て来るCO2からの廃熱を使用して、ポンプで送り込まれた水を加熱する。この構成は、例えば、既存のパワープラントを改造するために使用することも可能であり、そこで燃焼される燃料(例えば、石炭)の一部または全部が、CO2還元プロセスで使用されるクリーンエネルギー源(例えば、太陽エネルギー)で置き換えられる。
【００７８】
図3の例は、CO2作動ガスがCO燃料とO2とに還元され、次いで、再びCO燃料のオキシ燃料燃焼によって形成される、サイクルに関するものである。システム10'は、CO2-水作動ガスが合成ガス燃料とO2とに還元され、次いで、合成ガス燃料とO2は燃焼によって再結合され、CO2-水作動ガスを生成するサイクルとも連携することに留意されたい。このようなサイクルは、図2A、図2B、および図2Cで説明されている。
【００７９】
図4Aを参照し、全体的に300と示される、システムの一部の別の構成の概略ブロック図が例示されている。図4Aの例では、太陽熱受熱器310が燃焼器12内に導入されるCO2を予熱するために使用されるように示されている。太陽熱受熱器310は、圧縮機18の放出出口および燃焼器12の入口に接続され、燃焼器12内に導入する前に圧縮ガスを予熱するために使用される。太陽熱受熱器310は、当技術分野で知られている典型的な太陽熱受熱器であってよい。
【００８０】
具体的に図示されていないが、同じ太陽熱受熱器または別の太陽熱受熱器を、太陽エネルギー駆動CO2解離反応器を備えるCO2還元ユニット16に接続することができる。
【００８１】
したがって、システム300は、燃焼器12と、ガスタービン110と、ガスタービン110に付随する圧縮機18と、混合室140と、蒸気ランキンボトミングサイクル115と、少なくとも1つの太陽熱受熱器310とを備える。
【００８２】
図4Bを参照し、全体的に300'と示される、システムの一部の別の構成の概略ブロック図が例示されている。システム300'は、太陽熱受熱器310が燃焼器12に並列に接続されるという点でシステム300(図4A)と異なる。2ポート弁31などの流量制御ユニットが使用され、一方は燃焼器12の入口に接続され、他方は圧縮機18の出口に接続され、太陽熱受熱器310または燃焼器12のいずれかに向けられる流れの部分を制御する。これらの部分は、太陽エネルギーが利用可能であるかどうかに基づき決定されうる。さらに、これらの部分は、ガスタービン110内に導入されるCO2作動ガスの温度に影響を与えるために燃焼器12に入るCO2を加熱する必要性に応じて選択されうる。そのような場合、温度センサー(図示せず)を燃焼器12内に配置するか、または燃焼器の出口のところに配置して、燃焼器12から排出されるCO2の温度を測定することができる。したがって、弁31の動作は、温度センサーによって測定された温度に応じて制御されうる。燃焼器12から排出されるCO2の温度が所望の温度(または所望の温度範囲)より高い場合、弁は、燃焼器内に入るCO2の直接の流れを増やし、太陽熱受熱器310に向かうCO2の流れを減らすように制御され、これにより、より冷たいCO2を燃焼器12内に導入することができる。逆に、燃焼器12から排出されるCO2の温度が所望の温度(または所望の温度範囲)より低い場合、弁は、燃焼器内に入るCO2の直接の流れを減らし、太陽熱受熱器310に向かうCO2の流れを増やすように制御され、これにより、加熱されたCO2を燃焼器12内に導入することができる。弁31の操作は、使用者によって行われ、および/または事前に適切にプログラムされた制御システム(図示せず)によって自動的に実行されうる。上で説明されているように、このような制御システムは、燃焼器12を出るCO2の温度を示すデータを受け取るために温度センサーに接続されている入力ポートと、メモリユーティリティと、処理ユーティリティであって、測定されたデータを処理し分析して所望の温度条件との関係(所望の温度値または所望の温度範囲)を判定し、燃焼器を出るCO2の温度が所定の条件を満たすようにするために太陽熱受熱器310および燃焼器12に送られるべきCO2の流れの部分の程度を決定し、これらの結果を示す制御信号を発生させるように構成された処理ユーティリティと、処理ユニットから制御信号を受け取り、弁31をしかるべく操作し、適切な部分を太陽熱受熱器310および燃焼器12に送るように構成されたコントローラ/操作ユニットとを備える。
【００８３】
図5を参照し、全体的に400と示される、システムの一部の別の構成の概略ブロック図が例示されている。システム400は、太陽熱受熱器310を使用して、燃焼器12内に導入されるCO2を予熱するという点で上で説明されているシステム200(図1D)と異なる。したがって、システム400は、太陽熱受熱器310と、燃焼器12と、ガスタービン110と、ガスタービン110に付随する圧縮機18と、蒸気タービン212に付随する中間冷却圧縮機210と、混合室140と、蒸気発生器114および蒸気タービン212とを備える蒸気ランキンボトミングサイクル115とを具備する。
【００８４】
図6を参照し、全体的に500と示される、システムのさらに別の構成の概略ブロック図が例示されている。システム500は、外部エネルギー源25(例えば、太陽エネルギー)から動力を供給されるCO2還元ユニット16を備える。CO2還元ユニット16は、反応器560内でCO2をCOとO2とに転換するリサイクルモジュールとして動作する。反応器560内に導入されるCO2は、流量調節器562を介して緩衝材貯蔵タンク568から来る。緩衝材貯蔵タンク568は、入口510を介して蒸気ランキンボトミングサイクルを加熱するために使用されるCO2、また適宜、入口567を介して化石燃料プラントからの流れなどのCO2補給源からの供給を受ける。反応器560からのO2出口は、圧縮機564によって圧縮され、混合室140内へのO2の流れを調節するO2緩衝材貯蔵タンク566内に貯蔵される。反応器560からのCO出口は、圧縮機563によって圧縮され、混合室140内へのCOの流れを調節するCO緩衝材貯蔵タンク565内に貯蔵される。タービン110が動作に要する時間と持続時間は、CO2還元ユニット16が動作する期間と異なる可能性がある。CO2用の貯蔵タンク568、および/またはCO用の貯蔵タンク565とO2用の貯蔵タンク566による流量調節により、ガスタービン110への作動ガスの流れをタービン110を動作させるのに要する時間および持続時間に設定することができる。CO2還元ユニット16は、外部エネルギー源25によって駆動される。適宜、外部エネルギー源は、太陽エネルギーを還元ユニット16を動作させるために使用される仕事および/または電力に変換する太陽エネルギー変換器を備える。このような変換器は、太陽時間しか動作しえない(1日8〜12時間程度)。それに加えて、CO2還元ユニット16も、ガスタービン110および蒸気タービン212のうちの少なくとも一方から動力を供給され、異なる期間(例えば、日光の利用可能率が低いとき)に還元ユニット16eを動作させることができる。ガスタービン110および/または蒸気タービン212による還元ユニット16へのエネルギー供給は、1日当たり最大24時間まで延長することができ、外部エネルギー源と併せて、またはそれの代わりに使用することができる。
【００８５】
システム500は、ガスタービン110から排出されるCO2を再利用して自燃料を生成する密閉サイクルを実現する。したがって、システム500は、燃焼器12と、ガスタービン110と、ガスタービン110に付随する圧縮機18と、混合室140と、蒸気ランキンボトミングサイクル115と、CO2還元ユニット16とを備え、これは適宜外部エネルギー源25(例えば、太陽エネルギー)によって電力を供給される。
【００８６】
図7を参照し、全体的に600と示される、システムのさらに別の構成の概略ブロック図が例示されている。システム600は、それぞれ図1Dおよび5のシステム200および400と同じ構成を使用する、燃焼器に、さらに圧縮機18に供給されるCO2を圧縮するための中間冷却CO2圧縮機210の導入の点で上で説明されているシステム500(図6)と異なる。したがって、システム600は、燃焼器12と、ガスタービン110と、圧縮機18と、蒸気タービン212に付随する中間冷却圧縮機210と、混合室140と、蒸気ランキンボトミングサイクル115と、CO2還元ユニット16とを備え、これは適宜外部エネルギー源25(例えば、太陽エネルギー)によって電力を供給される。
【００８７】
図8を参照し、全体的に700と示される、システムのさらに別の構成の概略ブロック図が例示されている。システム700は、それぞれ図4Aおよび5のシステム300および400と同じ構成を使用する、燃焼器12に導入する前の、CO2を予熱する太陽熱受熱器310の導入の点でシステム500(図6)と異なる。したがって、システム700は、燃焼器12と、ガスタービン110と、ガスタービン110に付随する圧縮機18と、混合室140と、蒸気ランキンボトミングサイクル115と、太陽熱受熱器310と、CO2還元ユニット16とを備え、これは適宜外部エネルギー源25(例えば、太陽エネルギー)によって電力を供給される。
【００８８】
図9を参照し、全体的に800と示される、システムの別の構成例の概略ブロック図が例示されている。システム800は、燃焼器12に導入する前の、CO2を予熱する太陽熱受熱器310の導入の点でシステム600(図7)と異なる。したがって、システム800は、燃焼器12と、ガスタービン110と、蒸気タービン212に付随する中間冷却圧縮機210と、混合室140と、蒸気ランキンボトミングサイクル115と、太陽熱受熱器310と、圧縮機18と、CO2還元ユニット16とを備え、これは適宜外部エネルギー源25(例えば、太陽エネルギー)によって電力を供給される。
【００８９】
図6〜図9の例において、システムは、CO2をCOとO2とに還元することと、COとO2とを反応させてCO2を生成することとに基づく。しかし、図6〜図9のシステム構成は、システムがCO2と水または蒸気との混合気を合成ガスとO2とに還元することと、合成ガスとO2とを反応させてCO2と水または蒸気との混合気を生成することとに基づくように修正されうることに留意されたい。このようなプロセスは、図2A〜図2Cを参照しつつ上で詳細に説明されている。図6〜図9のシステムがこうして修正された場合、緩衝材貯蔵タンク568は、CO2と水との混合気を貯蔵し、場合によってはCO2と水との少なくとも一部の混合気を入口567を介して受け入れるように構成される。反応器560は、CO2と水との混合気を合成ガスとO2とに還元するように構成される。CO貯蔵タンク565は、合成ガスを貯蔵し、混合室または燃焼器に流れ込む合成ガスの流量を調節するように構成される。
【００９０】
次に、図10を参照すると、蒸気ランキンサイクルを使用する発電プラント900で本発明の原理がどのように使用されうるかを説明する一例が挙げられている。ここで、蒸気を発生し、過熱するための熱の一部は、クリーンなO2とともにCOを燃やすことによって得られ、O2もCOもCO2解離反応器560内で生成され、熱の残りは適宜燃料(例えば、石炭)を空気中で燃やすことによって得られる。
【００９１】
発電プラント900は、適宜標準の燃料(例えば、石炭もしくは天然ガス)燃焼器と蒸気発生器902と、COオキシ燃料燃焼器および蒸気発生器12と、CO2貯蔵タンク906と、CO2還元ユニット16と、蒸気ランキンサイクル115とを備える。したがって、発電プラント900は、図3の上で説明されているシステム10'に類似するCO2、CO、およびO2の第1のサイクルを運転するためのシステムを備える。蒸気ランキンサイクル115を実行するための他のシステムが、図1C〜図1D、図4A〜図4B、図5〜図9を参照しつつ上で説明されており、これらは、燃料燃焼器902を適宜備えることもできる。CO2へのCOのオキシ燃料燃焼を含む、第1のサイクルを運転するためのシステムは、HRU17aを介して蒸気ランキンサイクル115を実行するためにシステムに熱を供給する。標準の燃料燃焼器902は、もし存在すれば、HRU17bを介して蒸気ランキンサイクル115を実行するためにシステムに熱を供給する。
【００９２】
プラント900の使用により、空気中の燃料(石炭もしくは天然ガスなど)燃焼を使用する必要性が減じる(か、またはそうする必要すらなくなる)。概して、空気中の燃料燃焼からの排気の流れは、主に、すす、N2、O2、CO2、H2Oの混合気であり、SO2およびNOxなどのさまざまな有害副産物を少量含む。すす、SO2、およびNOxは、通常、燃料燃焼器902の放出スタック内で洗浄されて除去される。CO2を他の混合成分、特にN2とO2から分離するのは、非常にコストのかかる非効率なプロセスである。燃焼器12内のCOのオキシ燃料燃焼は、ほぼクリーンなCO2の流れを生成し（N2またはNOxが生成されず）、すすおよびSO2もかなり少なく、したがって洗浄は比較的容易である。洗浄の後、他の排ガスからCO2を分離する必要はない。したがって、オキシ燃料燃焼であるプラント900内の燃焼の一部は、空気中で燃料を燃やすことによって発生する有害生成物の放出量を低減する。
【００９３】
蒸気ランキンサイクル115では、蒸気135は、燃焼器12によって発生する蒸気および/または水と高温のCO2との間のHRU17aを介した熱交換によって、さらには燃焼器902内の標準の燃料燃焼によって発生する蒸気135と加熱された燃焼生成物との間のHRU17bを介した熱交換によって、過熱される。HRU17aおよび17bは、逐次的または並列に動作しうる。次いで、蒸気135が、配電網904に電気を供給する発電機120と接続されているタービン212内に導入される。蒸気135は、タービン212内に熱エネルギーの一部を放出し、蒸気または蒸気/水混合形態でタービン212から排出される。次いで、この混合気は、復水器118内で100%液体の水に凝縮され、ポンプで、送水ポンプ117内のタービンによって必要とされる圧力まで高められ、HRU17aおよびHRU17bに再度送られて再び加熱される。HRU17aは、図1A〜1BのHRU17に類似しており、図1C〜図1D、図3、図4A〜図4B、図5〜図9を参照しつつ上で述べられているように、蒸気発生器114および/または水-CO2熱交換器116を備えることができる。上で述べたように、CO2還元ユニット16は、例えば、国際出願第PCT/IL2009/000743号で説明されているように、知られている好適な種類のものであってよい。
【００９４】
パワープラント900は、CO2-水作動ガスが合成ガス燃料とO2とに還元され、次いで、合成ガス燃料とO2は燃焼によって再結合され、CO2-水作動ガスを生成するサイクルとも連携することに留意されたい。このようなサイクルは、図2A、図2B、および図2Cを参照しつつ上で説明されている。
【００９５】
次に、図11を参照し、蒸気ランキンサイクルを使用する発電プラント920における本発明の原理の使用例が示されている。プラント920では、蒸気を発生し過熱するための熱の一部または全部を、CO2および水解離プラントで生成される、クリーンな(純度約90%以上の)O2とオキシ燃料燃焼器922内で燃料(石炭など)を燃やすことによって供給する。適宜、熱の残りを、第2の標準の燃料燃焼器902内で、空気中で燃料(例えば、石炭もしくは天然ガス)を燃やすことによって直列に、または並列に供給する。
【００９６】
プラント920と図10の上で説明されているプラント900との違いは、プラント900のCO2燃焼器12がプラント920における燃料燃焼器922によって置き換えられる点である。燃焼器922では、燃料(石炭もしくは天然ガスなど)は実質的に純粋な酸素と反応する(オキシ燃料燃焼)。燃料は、外部貯槽(例えば、石炭貯蔵設備、または天然ガス貯蔵タンク)から燃焼器に供給され、CO2(またはCO2と水)解離反応器内では生成されない。オキシ燃料燃焼の生成物は、大半がCO2とH2Oとからなる高温混合気であり、その熱をHRU17a(上で説明されているHRU17と類似している)を介して蒸気ランキンサイクル115に伝える。次いで、CO2と水をCO2-水還元ユニット42(図2A〜図2Cで説明されている)に送り、そこで合成ガス(COとO2との混合気)とO2への解離を実行する。CO2と水の貯蔵908を使用して、還元ユニット42へのCO2と水の流量を制御することができる。還元ユニット42における解離プロセスの後、酸素がO2貯蔵タンク566に移され、燃料燃焼器922内で燃料(例えば、石炭)のオキシ燃料燃焼に使用される。還元ユニット42内で生成されるCOとH2との混合気は、合成ガス貯蔵タンク924に送られ、別の燃料、すなわち、例えば、輸送用の液体燃料(例えば、メタノール、ディーゼル、またはケロシンベースの航空燃料)の生産などの他の用途にさらに使用される。図10のプラント900と同様に、プラント920を使用すると、プラント920内の燃焼の少なくとも一部がオキシ燃料燃焼であるため空気中で燃料を燃やすことによって生成される有害生成物の放出も低減される。
【００９７】
したがって、本発明は、さまざまな用途で使用することができる、新規性のある、効果的な発電システムを実現する。当業者であれば、付属の特許請求の範囲において、および付属の特許請求の範囲によって定められた範囲から逸脱することなくすでに説明されているような本発明の実施形態にさまざまな修正および変更を加えられることを容易に理解するであろう。
【符号の説明】
【００９８】
9  導管
10  エネルギー発生システム
10'  システム
11  ガス入口
12  燃焼器
13  ガス入口
14  熱機関
15  ガス出口、熱機関出口
16  還元ユニット
16e  還元ユニット
17  熱回収ユニット(HRU)
17a  HRU
17b  HRU
18  一次圧縮機
19  圧縮機
20  発電機
21  CO2出口
23  COガス出口
24  O2ガス出口
25  外部エネルギー源
30  ノード
31  2ポート弁
32  ノード
40  エネルギー発生システム
42  CO2-水還元ユニット
44  ガス入口
46  合成ガス出口
50  ガス出口
52  ガス出口
100  システム
100'  システム
110  ガスタービン
114  蒸気発生器
115  蒸気ランキンボトミングサイクル、下側サイクル
116  水-CO2熱交換器
117  ポンプ
118  復水器
120  発電機
132  HRU CO2放出の一部
134  CO2
134'  CO2と蒸気の混合気
135  蒸気
140  混合室
200  システム
200'  システム
210  中間冷却CO2&水圧縮機
211  熱交換器
212  蒸気ランキンタービン
300  システム
300'  システム
310  太陽熱受熱器
400  システム
500  システム
510  入口
560  反応器
562  流量調節器
563  圧縮機
564  圧縮機
565  CO緩衝材貯蔵タンク
566  O2緩衝材貯蔵タンク
567  入口
568  緩衝材貯蔵タンク
600  システム
700  システム
800  システム
900  発電プラント
902  燃料燃焼器と蒸気発生器
904  配電網
906  CO2貯蔵タンク
908  CO2と水の貯蔵
920  発電プラント
922  オキシ燃料燃焼器
【図１Ａ】
2013540933.tif 000003
【図１Ｂ】
2013540933.tif 000004
【図１Ｃ】
2013540933.tif 000005
【図１Ｄ】
2013540933.tif 000006
【図２Ａ】
2013540933.tif 000007
【図２Ｂ】
2013540933.tif 000008
【図２Ｃ】
2013540933.tif 000009
【図３】
2013540933.tif 000010
【図６】
2013540933.tif 000011
【図７】
2013540933.tif 000012
【図４Ａ】
2013540933.tif 000013
【図４Ｂ】
2013540933.tif 000014
【図５】
2013540933.tif 000015
【図８】
2013540933.tif 000016
【図９】
2013540933.tif 000017
【図１０】
2013540933.tif 000018
【図１１】
2013540933.tif 000019
【国際調査報告】
2013540933.tif 000020
2013540933.tif 000021