(57)【要約】  炭化水素の回収プロセスにおいて低エミッション発電のための方法及びシステムが提供される。一システムは、圧縮再循環排ガスの存在下において圧縮酸化体及び燃料を化学量論的に燃焼させると共に放出物を膨張機で膨張させるよう構成されたガスタービンシステムを有し、膨張機は、ガス状排出物流を発生させると共に主圧縮機を少なくとも部分的に駆動するよう構成されている。ブースト圧縮機が、ガス状排出物流を受け入れてこの圧力を増大させ、そしてこれを蒸発式冷却塔中に注入するのが良く、蒸発式冷却塔は、低相対湿度を有する窒素排ガスを蒸発冷却媒体として用いるよう構成されている。次に、冷却されたガス状排出物流を圧縮し、そしてかかるガス状排出物流を、化学量論的燃焼温度を加減する希釈剤としてシステム中に再循環させる。
2013537596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型システムであって、
圧縮再循環排ガスの存在下において圧縮酸化体及び燃料を化学量論的に燃焼させるよう構成された燃焼チャンバを備えるガスタービンシステムを有し、前記圧縮再循環排ガスは、前記燃焼チャンバ内における燃焼温度を加減するのに役立ち、前記燃焼チャンバは、放出物を膨張機に差し向け、前記膨張機は、ガス状排出物流を発生させると共に主圧縮機を少なくとも部分的に駆動するよう構成され、
少なくとも１つの一体型冷却ユニットを備えた排ガス再循環システムを有し、前記少なくとも１つの一体型冷却ユニットは、前記主圧縮機への注入前に前記ガス状排出物を冷却して前記圧縮再循環排ガスを発生させ、
パージ流を介して前記圧縮再循環排ガスに流体結合され、ガス膨張機で膨張させられるべき主として窒素に富んだガスから成る残留流を放出して窒素排ガスを発生させるよう構成されたＣＯ2分離器を有し、前記窒素排ガスは、前記ガス状排出物を冷却するよう前記少なくとも１つの一体型冷却ユニット中に注入される、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
少なくとも１つの追加の冷却ユニットを更に有し、前記追加の冷却ユニットは、前記少なくとも１つの一体型冷却ユニットに流体結合され、前記追加の冷却ユニットは、前記ガス状排出物を約１０５°Ｆ（４０．６℃）の温度まで冷却する、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記残留流に流体結合され、前記残留流の温度を減少させて前記残留流から凝縮水を抽出するよう構成された残留冷却ユニットを更に有する、
請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの一体型冷却ユニットは、蒸発式冷却ユニットであり、前記蒸発式冷却ユニットは、
窒素排ガス及び低温給水を受け入れるよう構成された第１のコラムを有し、窒素排ガスは、前記低温給水の一部分を蒸発させて前記低温給水を冷却すると共に冷却された放出水を生じさせ、
前記低温放出水及び前記ガス状排出物を受け入れるよう構成された第２のコラムを有し、前記低温放出水と前記ガス状排出物との相互作用により、前記ガス状排出物が冷却される、
請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの一体型冷却ユニットは、前記加圧再循環流の温度を約１００°Ｆ（３７．８℃）以下まで減少させる、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
冷却水は、前記第２のコラム中に導入される前にポンプで加圧される、
請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記第２のコラムは、更に、前記加圧再循環流から所与の量の水を凝縮してこれを抽出するよう構成されている、
請求項４記載のシステム。
【請求項８】
前記パージ流に流体結合され、前記ＣＯ2分離器中への導入に先立って前記パージ流の温度を減少させるよう構成された熱交換器を更に有する、
請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記ガス状排出物流の圧力を前記主圧縮機中への注入前に約１７ｐｓｉａ〜約２１ｐｓｉａの圧力まで増大させるようになったブースト圧縮機を更に有する、
請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
動力を発生させる方法であって、
燃焼チャンバ内で且つ圧縮再循環排ガスの存在下において圧縮酸化体及び燃料を化学量論的に燃焼させ、それにより放出物流を発生させるステップを有し、前記圧縮再循環排ガスは、前記放出物流の温度を加減するようになった希釈剤として作用し、
前記放出物流を膨張機で膨張させて主圧縮機を少なくとも部分的に駆動してガス状排出物流を発生させるステップを有し、
前記ガス状排出物流を少なくとも１つの一体型冷却ユニット中に差し向けるステップを有し、
前記ガス状排出物流を前記少なくとも１つの一体型冷却ユニットで冷却し、その後、前記ガス状排出物流を前記主圧縮機中に注入して前記圧縮再循環排ガスを発生させるステップを有し、
前記圧縮再循環排ガスの一部分をパージ流によりＣＯ2分離器に差し向けるステップを有し、前記ＣＯ2分離器は、主として、ガス膨張機で膨張させられるべき窒素に富んだガスから成る残留流を放出すると共に窒素排ガスを発生させるよう構成されており、
前記窒素排ガスを前記少なくとも１つの一体型冷却ユニット中に注入して前記ガス状排出物流を冷却するステップを有する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記加圧再循環ガスを最終の一体型冷却ユニットの前に配置された少なくとも１つの予備冷却ユニットで約１０５°Ｆ（４０．６℃）の温度まで冷却するステップを更に有し、前記少なくとも１つの予備冷却ユニットは、前記最終一体型冷却ユニットに流体結合されている、
請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記残留流を前記ＣＯ2分離器に流体結合された残留冷却ユニットで冷却するステップと、前記残留流から凝縮水を抽出するステップとを更に有する、
請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記窒素排ガス及び低温給水を前記少なくとも１つの一体型冷却ユニットの第１のコラム内に受け取るステップと、
前記低温給水の一部分を蒸発させて前記低温給水を冷却すると共に低温放出水を発生させるステップと、
前記冷却放出水及び前記ガス状排出物流を前記少なくとも１つの一体型冷却ユニットの第２のコラム内に受け取るステップと、
前記ガス状排出物流を前記冷却放出水で約１００°Ｆ（３７．８℃）よりも低い温度まで冷却するステップと、を更に有する、
請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記冷却放出水を前記第２のコラム中への導入前にポンプで加圧するステップを更に有する、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第２のコラム内の前記加圧再循環流から所与の量の水を凝縮してこれを抽出するステップを更に有する、
請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
パージ流の温度を熱交換器で減少させるステップを更に有し、前記熱交換器は、前記パージ流に流体結合され、前記パージ流の温度を前記ＣＯ2分離器中への導入に先立って減少させるよう構成されている、
請求項１０記載の方法。
【請求項１７】
コンバインドサイクル発電システムであって、
圧縮再循環排ガスの存在下で圧縮酸化体及び燃料を化学量論的に燃焼させるよう構成された燃焼チャンバを有し、前記燃焼チャンバは、放出物を膨張機に差し向け、前記膨張機は、ガス状排出物流を発生させて主圧縮機を駆動するよう構成されており、
第１のコラム及び第２のコラムを備えた蒸発式冷却塔を有し、前記第２のコラムは、前記主圧縮機内での圧縮前に前記ガス状排出物流を受けてこれを冷却し、それにより前記圧縮再循環排ガスを発生させるよう構成されており、
パージ流を介して前記圧縮再循環排ガスに流体結合され、主として、ガス膨張機で膨張させられるべき窒素に富んだガスから成る残留流を放出して窒素排ガスを発生させるよう構成されたＣＯ2分離器を有し、前記窒素排ガスは、前記第１のコラム中に注入されて冷却用給水を蒸発させてこれを冷却し、それにより冷却された水を放出し、前記冷却水は、前記第２のコラム中に注入されて前記ガス状排出物流を冷却する、
ことを特徴とするコンバインドサイクル発電システム。
【請求項１８】
前記残留流に流体結合され、前記残留流の温度を減少させて前記残留流から凝縮水を抽出するよう構成された凝縮器を更に有する、
請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記蒸発式冷却塔は、前記冷却水を加圧して前記冷却水を前記第２のコラム中に注入し、それにより前記加圧再循環ガスを冷却するよう構成されたポンプを更に有する、
請求項１７記載のシステム。
【請求項２０】
前記第２のコラムは、直接接触型冷却器である、
請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
前記第２のコラムは、多段直接接触型冷却器である、
請求項２０記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、コンバインドサイクル発電システムにおける低エミッション発電に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、２０１０年７月２日に出願された米国特許仮出願第６１／３６１，１７６号（発明の名称：STOICHIOMETRIC COMBUSTION WITH EXHAUST GAS RECIRCULATION AND DIRECT CONTACT COOLER）の権益主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。
【０００３】
本願は、２０１０年７月２日に出願された米国特許出願第６１／３６１，１６９号（発明の名称：Systems and Methods for Controlling Combustion of a Fuel）、２０１０年７月２日に仮出願された米国特許仮出願第６１／３６１，１７０号（発明の名称：Low Emission Triple-Cycle Power Generation Systems and Methods）、２０１０年７月２日に仮出願された米国特許仮出願第６１／３６１，１７３号（発明の名称：Low Emission Triple-Cycle Power Generation Systems and Methods）、２０１０年７月２日に仮出願された米国特許仮出願第６１／３６１，１７８号（発明の名称：Stoichiometric Combustion of Enriched Air With Exhaust Gas Recirculation）及び２０１０年７月２日に仮出願された米国特許仮仮出願第６１／３６１，１８０号（発明の名称：Low Emission Power Generation Systems and Methods）に関連した発明内容を含む。
【背景技術】
【０００４】
本項は、本発明の例示の実施形態と関連している場合のある当該技術分野の種々の観点を紹介するものである。この説明は、本発明の特定の観点の良好な理解を容易にする技術内容の枠組みの提供を助けるものと考えられる。従って、本項は、このような見方で読まれるべきであり、必ずしも本項の記載内容が先行技術である旨の承認として読まれるべきではないことは理解されるべきである。
【０００５】
地球規模の天候の変化及びＣＯ2エミッションの影響に対する懸念が増大している状態で、発電所からのＣＯ2捕捉に重点が置かれている。多くの国におけるキャップ・アンド・トレード（cap-and-trade）政策の実施と組み合わさったこの懸念により、ＣＯ2エミッションの減少が、これらの国及び他の国並びに炭化水素を産出システムを稼働させている会社にとって優先事項となっている。
【０００６】
ガスタービンコンバインドサイクル発電プラントは、効率がかなり高く、他の技術、例えば石炭や核と比較すると、かかるガスタービンコンバインドサイクル発電プラントを比較的低コストで稼働させることができる。しかしながら、ガスタービンコンバインドサイクルプラントの排出物からＣＯ2を捕捉することは、幾つかの理由で困難な場合がある。例えば、処理されなければならない多量のガスと比較して、排出物中のＣＯ2の濃度は低いのが一般的である。また、排出物をＣＯ2捕捉システムに導入する前に追加の冷却が必要である場合が多く、排出物は、冷却後水で飽和状態になる場合があり、それによりＣＯ2捕捉システムにおける再沸器のデューティが増大する。他の通常の要因としては圧力が低いこと、排出物中に含まれる場合が多い酸素の量が多いことが挙げられる。これら要因の全ての結果として、ガスタービンコンバインドサイクル発電プラントからのＣＯ2捕捉のコストは高い。
【０００７】
ＣＯ2エミッションを減少させる幾つかの対策は、溶剤、例えばアミンを用いた燃料脱炭又は燃焼後捕捉を含む。しかしながら、これら解決策の両方は、費用が高く付く上に発電効率が悪く、その結果、発電量は低く、燃料需要が高く、しかも国内電力需要を満たすのに電気のコストが高い。特に、酸素、ＳＯX及びＮＯX化合物の存在により、アミン溶剤吸収の使用は、極めて問題となっている。別の対策は、コンバインドサイクルにおけるオキシ燃料ガスタービンの使用である（例えば、この場合、ガスタービンブレイトンサイクルからの排（廃）熱は、ランキンサイクルにおいて蒸気を生じさせると共に追加の動力を生じさせるよう捕捉される）。しかしながら、かかるサイクルで動作可能な商業的に入手できるガスタービンは存在せず、高純度酸素を生じさせるのに必要な動力は、プロセスの全体的効率を著しく低下させる。幾つかの研究がこれらプロセスを比較し、各対策の利点のうちの幾つかを示している。これについては、例えば、URL: http://www.energy.sintef.no/publ/xergi/98/3/3art-8-engelsk.htm (1998)に見受けられるボーランド（BOLLAND），オラブ（OLAV）及びアンドラム（UNDRUM），アンリエット（HENRIETTE），「リムーバル・オブ・ＣＯ2・フロム・ガス・タービン・パワー・プランツ：エバリュエーション・オブ・プリ・アンド・ポストコンバッション・メソッズ（Removal of CO2 from Gas Turbine Power Plants: Evaluation of pre- and post-combustion methods）」，エスアイエヌティーイーエフ・グループ（SINTEF Group）を参照されたい。
【０００８】
ＣＯ2エミッションを減少させる他の対策としては、例えば天然ガスコンバインドサイクル（ＮＧＣＣ）における化学量論的排ガス再循環が挙げられる。従来型ＮＧＣＣシステムでは、燃料の適度な化学量論的燃焼を可能にするのに空気取り入れ量の約４０％しか必要とせず、これに対し、空気取り入れ量の残りの６０％は、温度を加減すると共に排ガスを冷却して次の膨張機中への導入に適するようにするのに役立つが、不都合なことに、除去するのが困難な過剰酸素副生物を発生させもする。典型的なＮＧＣＣは、低圧排ガスを生じさせ、これには、隔離又はＥＯＲのためにＣＯ2を取り出すのに得た電力のうちの何分の一かが必要であり、それによりＮＧＣＣの熱効率が低下する。さらに、ＣＯ2取り出しのための機器は、大型であり且つ費用が高く付き、周囲圧力ガスをＥＯＲ又は隔離に必要な圧力にするのに幾つかの圧縮段が必要である。かかる問題は、他の化石燃料、例えば石炭の燃焼と関連した低圧排ガスからの燃焼後炭素捕捉に特有である。
【０００９】
コンバインドサイクル発電プラントにおける排ガス圧縮機の能力及び効率は、再循環排ガスの入口温度及び組成により直接的な影響を受ける。従来、排ガスは、直接接触型冷却器内の再循環水との直接的な接触により冷却されている。再循環水を幾つかの方法で冷却することができ、かかる方法としては、熱交換器を用いて熱を再循環冷却用水に捨てる方法、空冷フィン型熱交換器を用いる方法又は従来型冷却塔による蒸発式冷却による方法が挙げられる。しかしながら、これら方法による冷却は、特に温かい気候において周囲空気条件により制限される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ボーランド（BOLLAND），オラブ（OLAV）及びアンドラム（UNDRUM），アンリエット（HENRIETTE），「リムーバル・オブ・ＣＯ2・フロム・ガス・タービン・パワー・プランツ：エバリュエーション・オブ・プリ・アンド・ポストコンバッション・メソッズ（Removal of CO2 from Gas Turbine Power Plants: Evaluation of pre- and post-combustion methods）」，エスアイエヌティーイーエフ・グループ（SINTEF Group）（URL: http://www.energy.sintef.no/publ/xergi/98/3/3art-8-engelsk.htm (1998)）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
当該技術分野における要望についての上述の説明は、網羅的ではなく、代表的であるに過ぎない。１つ又は２つ以上のかかる要望又は当該技術分野における他の幾つかの関連の欠点に取り組む技術は、コンバインドサイクル発電システムにおける発電に利益をもたらす。
【００１２】
本発明は、発電システムを改良する一体型システム及び方法に関する。幾つかの具体化例では、本発明は、ガスタービンシステム、排ガス再循環システム及びＣＯ2分離器を有利には一体にしたものから成る一体型システムを提供する。ガスタービンシステムは、圧縮再循環排ガスの存在下において圧縮酸化体及び燃料を化学量論的に燃焼させるよう構成された燃焼チャンバを有するのが良い。圧縮再循環排ガスは、燃焼チャンバ内における燃焼温度を加減するのに役立つ。燃焼チャンバは、放出物を膨張機に差し向け、膨張機は、ガス状排出物流を発生させると共に主圧縮機を少なくとも部分的に駆動するよう構成されている。膨張機からのガス状排出物流は、少なくとも１つの一体型冷却ユニットを備えた排ガス再循環システムに差し向ける。少なくとも１つの一体型冷却ユニットは、主圧縮機への注入前にガス状排出物を冷却して圧縮再循環排ガスを発生させる。ＣＯ2分離器は、パージ流を介して圧縮再循環排ガスに流体結合されており、ＣＯ2分離器は、主として窒素に富んだガスから成る残留流を放出するよう構成されている。構成されている。窒素排ガスをガス膨張機で膨張させて窒素排ガスを発生させるのが良い。窒素排ガスは、ガス状排出物を冷却するよう少なくとも１つの一体型冷却ユニット中に注入される。少なくとも１つの一体型冷却ユニットは、冷却効果のうちの少なくとも何割かが窒素排ガスの一体的使用によって高められている点において一体型である。
【００１３】
追加的に又は代替的に、本発明は、動力を発生させる方法を提供する。例示の方法は、ａ）燃焼チャンバ内で且つ圧縮再循環排ガスの存在下において圧縮酸化体及び燃料を化学量論的に燃焼させ、それにより放出物流を発生させるステップを有し、圧縮再循環排ガスは、放出物流の温度を加減するようになった希釈剤として作用し、ｂ）放出物流を膨張機で膨張させて主圧縮機を少なくとも部分的に駆動してガス状排出物流を発生させるステップを有し、ｃ）ガス状排出物流を少なくとも１つの一体型冷却ユニット中に差し向けるステップを有し、ｄ）ガス状排出物流を少なくとも１つの一体型冷却ユニットで冷却し、その後、ガス状排出物流を主圧縮機中に注入して圧縮再循環排ガスを発生させるステップを有し、ｅ）圧縮再循環排ガスの一部分をパージ流によりＣＯ2分離器に差し向けるステップを有し、ＣＯ2分離器は、主として、ガス膨張機で膨張させられるべき窒素に富んだガスから成る残留流を放出すると共に窒素排ガスを発生させるよう構成されており、ｆ）窒素排ガスを少なくとも１つの一体型冷却ユニット中に注入してガス状排出物流を冷却するステップを有する。
【００１４】
さらに追加的に又は代替的に、本発明のシステムは、燃焼チャンバ、蒸発式冷却塔及びＣＯ2分離器を含むのが良い。燃焼チャンバは、圧縮再循環排ガスの存在下で圧縮酸化体及び燃料を化学量論的に燃焼させるよう構成されているのが良い。燃焼チャンバは、放出物を膨張機に差し向け、膨張機は、ガス状排出物流を発生させて主圧縮機を駆動するよう構成されている。蒸発式冷却塔は、第１のコラム及び第２のコラムを有するのが良い。第２のコラムは、主圧縮機内での圧縮前にガス状排出物流を受けてこれを冷却し、それにより圧縮再循環排ガスを発生させるよう構成されているのが良い。ＣＯ2分離器は、パージ流を介して圧縮再循環排ガスに流体結合されているのが良く、ＣＯ2分離器は、ガス膨張機で膨張させられるべき主として窒素に富んだガスから成る残留流を放出して窒素排ガスを発生させるよう構成されているのが良く、窒素排ガスは、第１のコラム中に注入されて冷却用給水を蒸発させてこれを冷却し、それにより冷却された水を放出し、冷却水は、第２のコラム中に注入されてガス状排出物流を冷却する。
【００１５】
本発明の上述の利点及び他の利点は、実施形態の非限定的な例に関する以下の詳細な説明及び図面を参照すると、明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の１つ又は２つ以上の実施形態に従って低エミッション発電を行うと共にＣＯ2回収具合を高める例示の一体型システムを示す図である。
【図２】本発明の１つ又は２つ以上の実施形態に従って圧縮前に排ガスを冷却する例示の冷却ユニットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の詳細な説明の項において、本発明の特定の実施形態を好ましい実施形態と関連して説明する。しかしながら、以下の説明が本発明の特定の実施形態又は特定の使用に特有である範囲まで、これは、例示目的にのみ行われ、例示の実施形態についての説明を提供するに過ぎない。したがって、本発明は、以下に説明する特定の実施形態には限定されず、それどころか、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれるあらゆる変形例、改造例及び均等例を含む。
【００１８】
本明細書において用いられる種々の用語について以下に定義する。特許請求の範囲の記載に用いられている用語が以下において定義されていない場合、関連分野における当業者が少なくとも１つの印刷された刊行物又は発行された特許に反映されているようにその用語には最も広い定義が与えられるべきである。
【００１９】
本明細書で用いられる「化学量論的燃焼」という用語は、燃料及び酸化剤を含む所与の量の反応体及び反応体の全体積が生成物を形成するために用いられる場合、反応体を燃焼させることによって生じる所与の量の生成物を有する燃焼反応を意味している。本明細書で用いられる「実質的に化学量論的燃焼」という表現は、燃焼用燃料と化学量論的比に必要な酸素の約±１０％又はより好ましくは化学量論的比に必要な酸素の約±５％の範囲の酸素のモル比を有する燃焼反応を意味している。例えば、メタンに関する燃料と酸素の化学量論比は、１：２（ＣＨ4＋２Ｏ2＞ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ）である。プロパンの燃料と酸素の化学量論比は、１：５であろう。実質的に化学量論的燃焼を測定する別のやり方は、供給される酸素と化学量論的燃焼に必要な酸素の比としてであり、例えば、約０．９：１から約１．１：１であり、より好ましくは約０．９５：１から約１．０５：１である。
【００２０】
本明細書で用いられる「流（流れ）」は、所与の量の流体を意味している。ただし、流という用語の使用は、移動中に所与の量の流体（例えば、速度又は質量流量を有する）を意味している。しかしながら、「流」という用語は速度、質量流量又は流を包囲する特定形式の導管を必要とするわけではない。
【００２１】
本明細書において開示されるシステム及びプロセスの実施形態は、超低エミッション発電を行うと共に石油・原油の回収増進（ＥＯＲ）又は隔離用途のためのＣＯ2を生じさせるために利用されるのが良い。本明細書において開示する実施形態によれば、空気と燃料の混合物を化学量論的に又は実質的に化学量論的に燃焼させて再循環排ガスの流れと混合するのが良い。一般に燃焼生成物、例えばＣＯ2を含む再循環排ガスの流れは、化学量論的燃焼及び次の膨張機に入る排ガスの温度を制御し又は違ったやり方で加減する希釈剤として使用可能である。富化空気を用いた結果として、再循環排ガスは、増大したＣＯ2含有量を有することができ、それにより、膨張機は、入口温度及び吐き出し温度が同一であるとすると高い膨張比で動作することができ、それにより生じる動力が著しく増大する。
【００２２】
化学量論的条件又は実質的に化学量論的条件（例えば、「僅かにリッチ」の燃焼）における商用ガスタービンでの燃焼は、過剰酸素除去のコストをなくす上で有利であると言える。さらに、僅かにリーンの燃焼により、排出物流中の酸素含有量を一段と減少させることができる。排出物を冷却し、冷却された排出物流から水を凝縮して除去することによって、比較的高い含有量のＣＯ2排出物流を生じさせることができる。再循環排ガスの一部分を閉鎖ブレイトンサイクルにおいて温度加減のために利用することができるが、残りのパージ流をＥＯＲ用途に用いることができると共に／或いは硫黄酸化物（ＳＯX）、窒素酸化物（ＮＯX）及び／又は大気中に放出されるＣＯ2がほとんどなく又は全くない状態で電力を発生させることができる。パージ流又はその一部分が発電のために送られると、その結果として、３つの別々のサイクルで動力が得られると共に追加のＣＯ2が製造される。
【００２３】
排ガス圧縮機の能力及び効率は、再循環排ガスの入口運動の影響を直接的に受けるので、圧縮に先立って再循環排ガスの温度を低くすることが有利であると言える。したがって、本発明の実施形態は、排ガス圧縮機の前に配置された冷却ユニット内で蒸発式冷却媒体として相対湿度の低い窒素ベント流を用いる。乾燥窒素ガスは、再循環排ガスを冷却するようになった水の流れを蒸発させてこれを冷却するよう構成されているのが良く、それにより低温の排ガスを圧縮機中に注入し、能力をこれに追加することができるようにすることによってその効率を高める。理解できるように、これは、幾つかの理由で有利であると言える。例えば、吸入温度が低いということは、吐き出し温度が低いということに他ならず、それにより低エネルギーＣＯ2分離プロセスに必要な冷却を軽減することができる。さらに、追加の冷却ユニットは、再循環排ガスから追加の量の水を除去することができ、それによりＣＯ2分離システムにおける再沸器のデューティが減少する。
【００２４】
次に図を参照すると、図１は、１つ又は２つ以上の実施形態に従ってコンバインドサイクル構成を用いて発電及びＣＯ2回収を行う例示の一体型システム１００の略図である。少なくとも１つの実施形態では、発電システム１００は、動力を生じさせる閉鎖ブレイトンサイクルとして特徴付けられるガスタービンシステム１０２を有するのが良い。ガスタービンシステム１０２は、共通シャフト１０８又は任意の機械的、電気的若しくは他の動力結合手段を介して膨張機１０６に結合された第１の又は主圧縮機１０４を有するのが良く、それにより、膨張機１０６により生じた機械的エネルギーの一部分が主圧縮機１０４を駆動することができる。ガスタービンシステム１０２は、標準型ガスタービンであって良く、この場合、主圧縮機１０４及び膨張機１０６は、それぞれ、圧縮機側端部及び膨張機側端部を形成する。しかしながら、他の実施形態では、主圧縮機１０４及び膨張機１０６は、システム１０２内における個別化されたコンポーネントであっても良い。
【００２５】
ガスタービンシステム１０２は、ライン１１２を介して導入されてライン１１４内の圧縮酸化体と混合された燃料を燃焼させるよう構成された燃焼チャンバ１１０を更に有するのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ライン１１２内の燃料は、任意適当な炭化水素ガス又は液体、例えば天然ガス、メタン、エタン、ナフサ、ブタン、プロパン、合成ガス、ディーゼル、ケロシン、航空燃料、石炭由来燃料、生物燃料、酸素化炭化水素供給原料又はこれらの組み合わせを含むのが良い。ライン１１４内の圧縮酸化体は、燃焼チャンバ１１０に流体結合され、供給酸化体１２０を圧縮するようになった第２の又は入口圧縮機１１８から導かれるのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ライン１２０内の供給酸化体は、酸素を含有した任意適当なガス（気体）、例えば空気、酸素に富んだ空気、酸素が乏しい空気、純粋酸素又はこれらの組み合わせを含むのが良い。
【００２６】
以下に詳細に説明するように、燃焼チャンバ１１０は、主としてＣＯ2及び窒素成分を有する排ガス循環流を含むライン１４４内の圧縮再循環排ガスも又受け入れるのが良い。ライン１４４内の圧縮再循環排ガスは、主圧縮機１０４から導かれるのが良く、かかる圧縮再循環排ガスは、燃焼生成物の温度を加減することによって、ライン１１４内の圧縮酸化体及びライン１１２内の燃料の化学量論的又は実質的に化学量論的燃焼を容易にするのに役立つようになっている。理解できるように、排ガスを再循環させることは、排ガス中のＣＯ2濃度を増大させるのに役立ち得る。
【００２７】
ライン１１６内の排ガスをライン１４４内の圧縮再循環排ガスの存在下においてライン１１２内の燃料及びライン１１４内の圧縮酸化体の燃焼生成物として発生させることができる。少なくとも１つの実施形態では、ライン１１２内の燃料は、主として天然ガスであるのが良く、それにより蒸発した水、ＣＯ2、窒素、窒素酸化物（ＮＯX）及び硫黄酸化物（ＳＯX）の体積部分を含むのが良い放出ガス又は排ガスがライン１１６内に生じる。幾つかの実施形態では、未燃焼燃料又は他の化合物の僅かな部分も又、燃焼平衡上の問題に起因してライン１１６内の排ガス中に存在する場合がある。ライン１１６内の排ガスが膨張機１０６中で膨張すると、それにより主圧縮機１０４、発電機又は他の設備を駆動するための機械的動力が生じると共に更にライン１４４内の圧縮再循環排ガスの流れ込みに起因して生じる増大したＣＯ2含有量を有するガス状排出物流１２２が生じる。膨張機１０６は、主圧縮機１０４に加えて又はこの代替手段として使用のための動力又は電力を発生させることができる。例えば、膨張機１０６は、電気を発生させることができる。
【００２８】
発電システム１００は、排ガス再循環（ＥＧＲ）システム１２４を更に有するのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ＥＧＲシステム１２４は、蒸気ガスタービン１２８に流体結合された排熱回収蒸気発生器（排熱回収ボイラ又は排熱回収熱交換器とも言う）（ＨＲＳＧ）１２６又はこれに類似した装置を有するのが良い。少なくとも１つの実施形態では、ＨＲＳＧ１２６と蒸気ガスタービン１２８の組み合わせは、動力を生じさせる閉鎖ランキンサイクルとして特徴付けることができる。ＨＲＳＧ１２６及び蒸気ガスタービン１２８は、ガスタービンシステム１０２と組み合わさった状態で、コンバインドサイクル発電プラント、例えば天然ガスコンバインドサイクル（ＮＧＣＣ）プラントの一部をなすことができる。ガス状排出物流１２２をＨＲＳＧ１２６に送るのが良く、その目的は、ライン１３０を介して蒸気を発生させると共にライン１３２内に冷却された排ガスを生じさせることにある。一実施形態では、ライン１３０内の蒸気を蒸気ガスタービン１２８に送って追加の電力を発生させるのが良い。
【００２９】
ライン１３２内の冷却排ガスを主圧縮機１０４に戻る再循環ループをなして様々な装置及び／又は設備のうちの任意のものに送ることができる。幾つかの具体化例では、図１に示されているように、再循環ループは、ライン１３２内の冷却排ガスの温度を減少させて冷却再循環ガス流１４０を発生させるよう構成された第１の冷却ユニット１３４を含むのが良い。第１の冷却ユニット１３４は、例えば、接触型冷却器、トリム冷却器、蒸発式冷却ユニット又はこれらの任意の組み合わせであって良い。第１の冷却ユニット１３４は又、水ドロップアウト流１３８を介してライン１３２内の冷却排ガスから凝縮水の一部分を除去するようになっているのが良い。少なくとも１つの実施形態では、ライン１４１を介してＨＲＳＧ１２６に送られるのが良く、それによりライン１３０内に追加の蒸気の発生のための水源が得られる。他の実施形態では、水ドロップアウト流１３８を介して回収された水は、他の下流側の用途、例えば補足的熱交換プロセスに用いることができる。
【００３０】
１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却再循環ガス流１４０は、冷却ユニット１３４に流体結合されたブースト圧縮機１４２に差し向けられるのが良い。ライン１３２内の冷却排ガスを冷却ユニット１３４で冷却することにより、ブースト圧縮機１４２内の冷却再循環ガス流１４０を圧縮するのに必要な動力を減少させることができる。従来型ファン又はブロワシステムとは対照的に、ブースト圧縮機１４２は、冷却再循環ガス流１４０の全体的密度を増大させ、それによりライン１４５内の加圧再循環ガスを下流側に差し向けるよう構成されているのが良く、この場合、ライン１４５内の加圧再循環ガスは、体積流量が同一の場合、増大した質量流量を有する。これは、主圧縮機１０４が体積流量に関して制限されているので有利であると言え、より多くの質量流量を主圧縮機１０４中に差し向けると、その結果として、高い吐き出し圧力が得られ、それにより、かかる高い吐き出し圧力は、膨張機１０６前後の高い圧力比に変わる。膨張機１０６の前後に生じる圧力比が高いと、入口温度を高くすることができ、従って膨張機１０６の出力及び効率を増大させることができる。理解できるように、これは、ライン１１６内のＣＯ2に富む排ガスが一般に高い比熱容量を維持しているので有利であると言える。
【００３１】
主圧縮機１０４の吸引圧力は、その吸引温度の関数なので、より低い吸引温度は、質量流量が同一出る場合に主圧縮機１０４を作動させるのに必要な動力が少ないであろう。したがって、ライン１４５内の加圧再循環ガスをオプションとして第２の冷却ユニット１３６に差し向けることができる。第２の冷却ユニット１３６は、例えば、接触型冷却器、トリム冷却器、蒸発式冷却ユニット又はこれらの任意の組み合わせであって良い。少なくとも１つの実施形態では、第２の冷却ユニット１３６は、ライン１４５内の加圧再循環ガスに対するブースト圧縮機１４２により生じた圧縮熱の少なくとも一部分を除去するようになった後置冷却器としての役目を果たすことができる。第２の冷却ユニット１３６は又、水ドロップアウト流１４３を経て追加の凝縮水を抽出することができる。１つ又は２つ以上の実施形態では、水ドロップアウト流１３８，１４３は、集まって流れ１４１になることができ、かかる流れは、ＨＲＳＧ１２６内にライン１３０を経て追加の流れを生じさせるようＨＲＳＧ１２６に送られても良く又は送られなくても良い。第２の冷却ユニット１３６での冷却を実施した後、ライン１４５内の加圧再循環ガスを第３の冷却ユニット２００に差し向けるのが良い。第１、第２及び第３の冷却ユニット１３４，１３６，２００としか図示されていないが、理解されるように、種々の用途に合うよう任意個数の冷却ユニットを使用することができ、これは本発明の範囲から逸脱しない。例えば、単一の冷却ユニットを幾つかの実施形態において用いることができる。
【００３２】
以下に詳細に説明するように、第１及び第２の冷却ユニットと同様、第３の冷却ユニット２００は、流れ２１４を介して主圧縮機１０４中に注入される前にライン１４５内の加圧再循環ガスの温度を一段と減少させるよう構成された蒸発式冷却ユニットであるのが良い。しかしながら、他の実施形態では、冷却ユニット１３４，１３６，２００のうちの１つ又は２つ以上は、機械式冷凍システムであって良く、これは本発明の範囲から逸脱しない。主圧縮機１０４は、第３の冷却ユニット２００から受け取ったライン２１４内の加圧再循環ガスを名目上、燃焼チャンバ内圧力の又はこれよりも高い圧力まで圧縮するよう構成されているのが良い。理解できるように、ブースト圧縮機１４２での圧縮後に第２の冷却ユニット１３６と第３の冷却ユニット２００の両方でライン１４５内の加圧再循環ガスを冷却することにより、主圧縮機１０４中への排ガスの体積質量流量を増大させることができる。その結果、これにより、ライン１４５内の加圧再循環ガスを所定の圧力まで圧縮するのに必要な動力の大きさを減少させることができる。
【００３３】
図１は、排ガス再循環ループ中に３つの冷却ユニット及びブースト圧縮機を示しているが、理解されるべきこととして、これらユニットの各々は、ライン１３２内の冷却された排ガスの質量流量を減少させるようになっている。上述したように、例えばブースト圧縮機による質量流量の減少は、温度の減少と同様、有利である。本発明は、排ガス再循環ループ内における排ガスの冷却を促進するよう発電システム１００内の一体化に関し、それにより幾つかの具体化例では、排ガス再循環ループを本明細書において更に説明するように、ＨＳＲＧシステム１４６と主圧縮機１０４との間の単一冷却ユニットに単純化することができる。
【００３４】
少なくとも１つの実施形態では、パージ流１４６をライン１４４内の圧縮再循環ガスから回収し、次にＣＯ2分離器１４８内で処理し、それによりライン１５０を介して高い圧力状態にあるＣＯ2を捕捉するのが良い。ライン１５０内の分離されたＣＯ2を販売のために利用することができ、ＣＯ2を必要とする別のプロセスに用いることができ且つ／或いは圧縮して石油・原油の回収増進（ＥＯＲ）、隔離又は別の目的のための陸上リザーバ中に注入することができる。排ガス再循環システム１２４の装置と組み合わされるライン１１２内の燃料の化学量論的又は実質的に化学量論的燃焼に鑑みて、パージ流１４６中のＣＯ2分圧を従来型ガスタービン排出物中のＣＯ2分圧よりも極めて高くすることができる。その結果、ＣＯ2分離器１４８における炭素捕捉は、低エネルギー分離プロセスであり、例えばエネルギーをそれほど用いない溶剤であるのが良い。少なくとも１つの溶剤は、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）であり、これは、ＳＯX及びＮＯXを吸収し、これらを有用な化合物、例えば硫化カリウム（Ｋ2ＳＯ3）、硝酸カリウム（ＫＮＯ3）及び単純な肥料に変換する。ＣＯ2捕捉のための炭酸カリウムを用いる例示のシステム及び方法は、同日出願の米国特許出願（発明の名称：Low Emission Triple-Cycle Power Generation Systems and Methods）に見受けられ、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容全体を本発明と矛盾しない程度まで本明細書の一部とする。
【００３５】
また、本質的にＣＯ2が減少し、主として窒素から成る残留流１５１をＣＯ2分離器１４８から導くのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、残留流１５１をガス膨張機１５２に導入して動力又は電力を発生させると共にライン１５６を介して膨張減圧状態のガスを生じさせるのが良い。膨張機１５２は、例えば、動力発生窒素膨張機であるのが良い。図示のように、ガス膨張機１５２は、オプションとして、共通シャフト１５４又は他の機械的、電気的若しくは他の動力結合手段を介して入口圧縮機１１８に結合されても良く、それにより、ガス膨張機１５２により生じた動力又は電力の一部分が入口圧縮機１１８を駆動することができる。しかしながら、他の実施形態では、ガス膨張機１５２は、動力を他の用途に提供するために使用でき、化学量論的圧縮機１１８には直接的には結合されていない。例えば、膨張機１５２により生じる動力と圧縮機１１８の要件との間には実質的な不整合が存在する場合がある。かかる場合、膨張機１５２は、要求する動力が低い小型圧縮機（図示せず）を駆動するようになっているのが良い。変形例として、膨張機は、より多くの動力を必要とする大型圧縮機を駆動するようになっていても良い。
【００３６】
主として乾燥窒素ガスから成るライン１５６内の膨張した減圧ガスをガス膨張機１５２から放出するのが良い。以下に詳細に説明するように、結果として生じる乾燥窒素は、第３の冷却ユニット２００内における水の流れの蒸発及び冷却を容易にするのに役立ち、それによりライン１４５内の加圧再循環ガスを冷却することができる。少なくとも１つの実施形態では、ガス膨張機１５２と入口圧縮機１１８とＣＯ2分離器の組み合わせは、開放ブレイトンサイクル又はシステム１００の第３の動力発生コンポーネントとして特徴付けることができる。
【００３７】
特にブースト圧縮機１４２からの排ガスによる加圧が追加される本明細書において説明している発電システム１００は、排ガス中におけるＣＯ2の高い濃度を達成することができるよう具体化でき、それにより効率的なＣＯ2分離及び捕捉が可能になる。例えば、本明細書において開示する実施形態は、純粋メタン燃料で排ガス流中のＣＯ2の濃度を約１０体積％以上に又は一層濃厚なガスでこれ以上に効果的に増大させることができる。これを達成するため、燃焼チャンバ１１０は、ライン１１２内の燃料とライン１１４内の圧縮酸化体の流入混合物を化学量論的に燃焼させるようになっているのが良い。膨張機１０６の入口温度及びコンポーネント冷却要件に適合するよう化学量論的燃焼の温度を加減するために圧縮再循環流１４４から導いた排ガスの一部分を希釈剤として燃焼チャンバ１１０中に注入するのが良い。過剰空気又は酸化体を燃焼チャンバ内に導入して温度を加減する従来のやり方と比較して、再循環排ガスの使用は、燃焼チャンバ１１０から出る酸素の量を大幅に減少させる。このため、本発明の実施形態は、本質的に、排ガスから過剰酸素をなくすことができ、それと同時にそのＣＯ2濃度を増大させることができる。したがって、ライン１２２内のガス状排出物流は、約３．０体積％以下の酸素、約１．０体積％以下の酸素、約０．１体積％以下の酸素又はそれどころか約０．００１体積％以下の酸素を有することができる。
【００３８】
次に、システム１００の例示の作動の詳細について説明する。理解できるように、本明細書において開示する実施形態においての任意のものの種々のコンポーネントで達成され又は生じる特定の温度及び圧力は、多くの要因のうちでとりわけ、用いられる酸化体の純度及び膨張機、圧縮機、冷却器等の特定の製造メーカ及び／又はモデルに応じて変わる場合がある。したがって、本明細書において説明する特定のデータは、例示に過ぎず、本発明の唯一の解釈として認識されるべきでないことは理解されよう。例えば、一実施形態では、入口圧縮機１１８は、約２８０ｐｓｉａ〜約３００ｐｓｉａの圧力でライン１１４内に圧縮酸化体を提供する化学量論的圧縮機として構成されるのが良い。しかしながら、最高約７５０ｐｓｉａ以上の圧力を生じさせると共に消費することができる航空機転用形ガスタービン技術も又本発明に含まれる。
【００３９】
主圧縮機１０４は、再循環排ガスを再循環させると共にこれを圧縮して名目上、燃焼チャンバ１１０の圧力よりも高い圧力又は燃焼チャンバ１１０の圧力の状態の圧縮再循環流１４４にし、この再循環排ガスの一部分を燃焼チャンバ１１０内における希釈剤として用いるよう構成されているのが良い。燃焼チャンバ１１０内で必要な希釈剤の量は、膨張機１０６の化学量論的燃焼又は特定のモデル若しくは設計に用いられる酸化体の純度に依存する場合があるので、リング状に配置された熱電対及び／又は酸素センサ（図示せず）を燃焼チャンバ及び／又は膨張機と関連して配置するのが良い。例えば、熱電対及び／又は酸素センサは、燃焼チャンバ１１０の出口、膨張機１０６の入口及び／又は膨張機１０６の出口に設けられるのが良い。作用を説明すると、熱電対及びセンサは、燃焼生成物を所要の膨張機入口温度まで冷却する希釈剤としての排ガスの所要量を求める際に使用できるよう１つ又は２つ以上の流れの組成及び／又は温度を測定するようになっているのが良い。追加的に又は代替的に、熱電対及びセンサは、燃焼チャンバ１１０中に注入されるべき酸化体の量を測定するようになっているのが良い。したがって、熱電対により検出された熱要件及び酸素センサにより検出された酸素レベルに応答して、需要にマッチするようライン１４４内の圧縮再循環ガス及び／又はライン１１４内の圧縮酸化体の体積質量流量を操作し又は制御することができる。熱電対及び／又は酸素センサと電気的連絡状態にあるのが良い任意適当な流量制御システムによって体積質量流量を制御することができる。
【００４０】
少なくとも１つの実施形態では、化学量論的又は実質的に化学量論的燃焼中、約１２〜１３ｐｓｉａの圧力降下が燃焼チャンバ１１０の前後に生じる場合がある。ライン１１２内の燃料及びライン１１４内の圧縮酸化体の燃焼により、約２０００°Ｆ（１０９３℃）〜約３０００°Ｆ（１６４９℃）の温度及び２５０ｐｓｉａ〜約３００ｐｓｉａの圧力を生じさせることができる。ライン１４４内の圧縮再循環ガスから導き出されたＣＯ2に富む排ガスの質量流量の増大及び比熱容量の増大に鑑みて、膨張機１０６前後に高い圧力比を達成することができ、それにより入口温度を高くすると共に膨張機１０６の出力を増大させることができる。
【００４１】
膨張機１０６から出るガス状排出物流１２２は、周囲圧力又は周囲圧力に近い圧力を示すことができる。少なくとも１つの実施形態では、ガス状排出物流１２２は、約１３〜１７ｐｓｉａの圧力を有するのが良い。ガス状排出物流１２２の温度は、約１２２５°Ｆ（６６３℃）から約１２７５°Ｆ（６９１℃）までの範囲にあり、その後このガス状排出物流は、ＨＲＳＧ１２６を通過し、それによりライン１３０内に蒸気を発生させると共にライン１３２内に冷却された排ガスを発生させる。
【００４２】
次の幾つかの段落は、図１に示された例示の具体化例を説明している。上述したように、図１は、種々の考えられる組み合わせを説明するために排ガス再循環ループと関連した多数の数値を示している。しかしながら、理解されるべきこととして、本明細書において説明する本発明は、かかる要素の全ての組み合わせを必要とするわけではなく、以下の特許請求の範囲及び／又は本願の優先権を主張した後の出願の特許請求の範囲により定められる。例えば、多数の冷却ユニットが図１に示されているが、窒素ベント流と関連した冷却剤を利用する直接接触型冷却ユニット（以下において冷却ユニット２００として説明する）は、単一の冷却ユニットにより十分な冷却を提供することができる。幾つかの具体化例では、冷却ユニット２００は、ブースタ圧縮機の利点も提供するのに十分な冷却を提供することができる。
【００４３】
図１の例示の具体化例の説明を続けると、１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却ユニット１３４は、ライン１３２内の冷却された排ガスの温度を減少させることができ、それにより約３２°Ｆ（０℃）〜約１２０°Ｆ（４９℃）の温度を有する冷却再循環ガス流１４０が得られる。理解できるように、かかる温度は、主として地球上の特定の場所における特定の季節の際の湿球温度に応じて変動する場合がある。
【００４４】
１つ又は２つ以上の実施形態によれば、ブースト圧縮機１４２は、冷却再循環ガス流１４０の圧力を約１７ｐｓｉａから約２１ｐｓｉａまでの範囲の圧力に高めるよう構成されているのが良い。ブースト圧縮機の追加の圧縮は、冷却ユニットの使用に加えて、密度は高く且つ質量流量が増大した再循環排ガスを主圧縮機１０４に提供する追加の方法であり、それにより同一又はほぼ同じ圧力比を維持しながら実質的に高い吐き出し圧力を得ることができる。排ガスの密度及び質量流量を一段と増大させるため、次に、ブースト圧縮機１４２から吐き出されたライン１４５内の加圧再循環ガスを第２及び第３の冷却ユニット１３６，２００で一段と冷却するのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、第２の冷却ユニット１３６は、ライン１４５内の加圧再循環ガスの温度を第３の冷却ユニット２００への差し向け前に約１０５°Ｆ（４０．６℃）に減少させるよう構成されているのが良い。以下に詳細に説明するように、第３の冷却ユニット２００は、ライン１４５内の加圧再循環ガスの温度を約１００°Ｆ（３７．８℃）よりも低い温度まで減少させるよう構成されているのが良い。
【００４５】
少なくとも１つの実施形態では、主圧縮機１０４から吐き出されたライン１４４内の圧縮再循環ガス及びパージ流１４６の温度は、圧力が約２８０ｐｓｉａの状態で約８００°Ｆ（４２７℃）であるのが良い。理解できるように、ブースト圧縮機１４２及び／又は１つ又は２つ以上の冷却ユニットの追加により、パージ流ライン１４６内のＣＯ2パージ圧力を増大させることができ、それにより、高いＣＯ2分圧に起因してＣＯ2分離器１４８の溶剤処理性能を向上させることができる。一実施形態では、ＣＯ2分離器１４８におけるガス処理プロセスでは、パージ流１４５の温度を約２５０°Ｆ（１２１℃）〜３００°Ｆ（１４９℃）に冷却する必要がある。これを達成するため、パージ流１４６を熱交換器１５８、例えば交差交換型熱交換器中に通すのが良い。ＣＯ2をＣＯ2分離器１４８内でパージ流１４６から抽出することにより、後には、パージ流１４６の高い圧力状態又はこれに近い圧力状態であり且つ約１５０°Ｆ（６６℃）の温度の飽和窒素に富む残留流１５１が残る。熱交換器１５８を図示のように残留流１５１に結合しても良く又は一体型システムの他の流れ又は施設に結合しても良い。残留流１５１に結合された場合、残留流を加熱すると、ガス膨張機１５２から得ることができる動力を増大させることができる。
【００４６】
上述したように、次にライン１５６内の膨張減圧ガスの状態に膨張させられる残留流１５１中の窒素を用いると、第３の冷却ユニット２００中に注入されるライン１４５内の加圧再循環ガスを冷却するようになった水を蒸発してこれを冷却することができ、この第３の冷却ユニットは、排ガス再循環ループ中における唯一の冷却ユニットであるのが良い。蒸発式冷却触媒として、窒素は、できるだけ乾燥していることが必要である。したがって、残留流１５１を残留流１５１を冷却するよう構成された第４の冷却ユニット１６０又は凝縮器中に差し向けるのが良く、それによりライン１６２を経て水の追加の部分を凝縮して抽出する。１つ又は２つ以上の実施形態では、第４の冷却ユニット１６０は、残留流１５１の温度を約１０５°Ｆ（４０．６℃）まで減少させるために標準型冷却用水で冷却される直接接触型冷却器であるのが良い。他の実施形態では、第４の冷却ユニット１６０は、トリム冷却器又は直接型熱交換器であっても良い。残留流１５１の結果として得られる水含有量は、約０．１重量％〜約０．５重量％であるのが良い。一実施形態では、流１６２により除去された水は、追加の蒸気を生じさせるようＨＲＳＧ１２６に送られるのが良い。他の実施形態では、流１６２中の水を処理して農業用水又は脱イオン水として用いることができる。
【００４７】
乾燥窒素ガスを第４の冷却ユニット１６０から流１６４経由で放出するのが良い。一実施形態では、パージ流１４６の冷却と関連した熱エネルギーを熱交換器１５８により抽出し、この熱交換器は、乾燥窒素ガス流１６４に流体結合されると共に膨張に先立って窒素ガスを再熱するよう構成されているのが良い。窒素ガスの再熱によって、約７５０°Ｆ（３９９℃）から約７９０°Ｆ（４２１℃）までの範囲の温度を有する乾燥加熱窒素流１６６を生じさせることができる。熱交換器１５８が気／気熱交換器である実施形態では、パージ流１４６と乾燥窒素ガス流１６４との間には「ピンチポイント（pinch point）」温度差が定められることになり、この場合、乾燥窒素ガス流１６４は、一般に、パージ流１４６の温度よりも約２５°Ｆ低い。
【００４８】
１つ又は２つ以上の実施形態では、次に、乾燥加熱窒素流１６６をガス膨張機１５２で膨張させるのが良く、オプションとして、上述したように化学量論的入口圧縮機１１８に動力を供給することができる。したがって、熱交換器１５８内で熱を交差交換することは、主圧縮機１０４から導き出された相当な量の圧縮エネルギーを捕捉し、これを用いてガス膨張機１５２から抽出された動力を最大にするようになっているのが良い。少なくとも１つの実施形態では、ガス膨張機１５２は、周囲圧力状態にあり又はこれに近い圧力状態にあり、しかも約１００°Ｆ（３７．８℃）から約１０５°Ｆ（４０．６℃）までの範囲にある温度の窒素膨張減圧ガスをライン１５６内に放出する。理解できるように、ライン１５６内の窒素膨張減圧ガスの結果として得られる温度は、一般に、排ガスの組成、パージガス１４６の温度及びガス膨張機１５２での膨張前の乾燥窒素ガス流１６０の圧力の関数であるのが良い。
【００４９】
測定可能な量の水を第４の冷却ユニット１６０内の残留流１５１から取り出すことができるので、次に、減少した流量の質量流量をガス膨張機１５２内で膨張させ、その結果、発電量が減少する。したがって、システム１００の始動中及び通常の作動中、ガス膨張機１５２が入口圧縮機１１８を作動させるのに必要な動力の全てを供給することができない場合、少なくとも１つのモータ１６８、例えば電気モータをガス膨張機１５２と相乗的に用いるのが良い。例えば、モータ１６８は、システム４００の通常の作動中、モータ１６８がガス膨張機１５２からの動力不足分を供給することができるよう適当なサイズのものであるのが良い。追加的に又は代替的に、モータ１６８は、ガスタービン１５２が入口圧縮機１１８により必要とされる動力よりも多くの動力を生じさせているときに発電機に変換可能なモータ／発電機として構成されても良い。
【００５０】
残留流１５１中の窒素ガスを膨張させる例示のシステム及び方法並びにその変形例は、同日出願の米国特許出願（発明の名称：Low Emission Triple-Cycle Poser Generation Systems and Methods）に見受けられ、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容を本発明と矛盾しない程度まで本明細書の一部とする。
【００５１】
次に図２を参照すると、図１に示されている第３の冷却ユニット２００の略図が示されている。上述したように、例示の第３の冷却ユニット２００は、排ガスリサイクルループ中に設けられる唯一のユニットであるのが良い。追加的に又は代替的に、第３の冷却ユニット２００及び他の機器、例えば図１に示されている機器のうち１つ又は２つ以上は、第３の冷却ユニット２００が３番目ではなく順序的に実際に１番目（又は２番目等）であるように任意適当な配置状態で構成されるのが良い。したがって、「第３」という順序を表す指示語が図１の特定の具体化例に関して用いられており、図２の冷却ユニット２００の特徴をシステム内で第３の冷却ユニットとして具体化することができるが、排ガス再循環ループ中の任意適当な位置に配置しても良いことは理解されるべきである。
【００５２】
１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却ユニット２００は、第２のコラム２０４に流体結合された第１のコラム２０２を有するのが良い。第１のコラム２０２は、ガス膨張機１５２（図１）からライン１５６内の窒素膨張減圧ガスを受け入れるよう構成されているのが良い。一実施形態では、ライン１５６内の窒素膨張減圧ガスは、第１のコラム２０２の底部のところ又はその近くで注入され、冷却塔を通って上昇し、ついには、窒素出口流２０６を経て頂部のところ又はその近くで放出される。少なくとも１つの実施形態では、窒素出口流２０６は、その内容物を大気中に放出することができ又は不活性ガスとして販売可能である。他の実施形態では、流２０６の窒素は、圧力維持又はＥＯＲ用途向きに加圧されるのが良い。
【００５３】
ライン１５６内の窒素膨張減圧ガスは、大気圧の状態又はこれに近い圧力状態にあることがあるので、第１のコラム２０２は、大気圧で又は大気圧に近い圧力状態で動作するようになっているのが良い。窒素が第１のコラム２０２を上っていくと、ライン２０８内の水又は冷却用給水の流れを第１のコラム２０２の頂部のところ又はその近くに注入するのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ライン２０８内の冷却用給水を局所的な水域、例えば湖、川又は海から得ることができる。したがって、一年のうちの時期及びシステム１００が配置されている特定の地理学的場所の周囲温度に応じて、ライン２０８内の冷却用給水を様々温度で注入することができるが、例えば、恐らくは約５０°Ｆ（１０℃）〜約１００°Ｆ（３７．８℃）で注入することができる。水が第１のコラム２０２を下っているとき、一部分は、乾燥窒素から熱エネルギーを吸収することによって蒸発し、それにより水を冷却すると共に冷却された水を流れ２１０により放出する。蒸発した水を窒素ガスで集めることができ、その結果、飽和窒素がライン２０６を経て放出される。ライン２０６内の窒素流の意図した使用に応じて、ライン２０６内の水蒸気は、任意適当な方法により除去することができる。
【００５４】
第２のコラム２０４は、冷却された水流２１０をその頂部のところ又はその近くで受け入れるよう構成されているのが良い。図示のように、第２のコラム２０４は又、第２の冷却ユニット１３６（図１）から放出されたライン１４５内の加圧再循環ガスをその底部のところ又はその近くで受け入れることができる。ライン１４５内の加圧再循環ガスの例示は、排ガス再循環ループ中の任意の排ガス流の代表である。加圧再循環流１４５を上述したように約１７ｐｓｉａから約２１ｐｓｉａまでの範囲の圧力で注入することができるので、これに対応して、適宜少なくとも１つのポンプ２１２又は類似の機構体を用いて冷却水流２１０を加圧することができる。ライン１４５内の冷却水流２１０及び加圧再循環ガスは、第２のコラム２０４を通って流れると、ライン１４５内の加圧再循環ガスは、冷却され、最終的には、流２１４を経て出て、次に主圧縮機１０４（図１）の吸引部に差し向けられる。幾つかの具体化例では、コラム２０４は、再循環流１４５と冷却水流２１０との相互作用を高めるよう多数の段又は接触面を有するのが良い。追加的に又は代替的に、所望ならば第１のコラム２０２、第２のコラム２０４又はこれら両方に代えて多数の塔を直列に又は並列に使用することができる。
【００５５】
ライン２１０内の水よりも全体として一般に温かい温度状態にある冷却用水戻りがライン２１６を経て第２のコラム２０４から出る。理解できるように、ライン１４５内の加圧再循環ガスを冷却すると、その結果として、ライン１４５内の加圧再循環ガスから引き出された水が凝縮する場合がある。この凝縮水を集めてライン２１６内の冷却用水戻りと共に放出するのが良く、それにより流２１４を経て出るライン１４５内のより乾燥した加圧再循環ガスが生じる。少なくとも１つの実施形態では、冷却用水戻りを再び送ってライン２０８を経て第１のコラム中に再導入するのが良い。しかしながら、他の実施形態では、冷却用水戻りは、局所水域に無害な状態で放出することができ又は灌漑用水として用いることができる。
【００５６】
図１と関連して上述したように、第３の冷却ユニット２００中に導入する前に、ライン１４５内の加圧再循環ガスを前もって第２の冷却ユニット１３６（図１）で約１０５°Ｆ（８７．２℃）の温度まで冷却するのが良い。第３の冷却ユニット２００でライン１４５内の加圧再循環ガスの受ける全体的冷却度は、第２のコラム２０４を通って流れる流２１０からの冷却水の流量で決まる場合がある。
【００５７】
本発明の実施形態を以下のシミュレートした実施例により更に説明することができる。シミュレートした実施例は、特定の実施形態に関するが、これら実施例は、本発明を何ら特定の観点によって制限するものとみなされてはならない。以下の表１は、流２１０中の水の例示の流量及び第３の冷却ユニット２００内における冷却プロセスに対するその影響を提供している。
表１
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【００５８】
表１から、ライン２１０内の水の流量が増大すると、ライン２０６を介する窒素流の出口温度も又水の量の増大による伝熱の直接的な結果として増大することが明らかなはずである。同様に、ライン２１０内の水の流量が増大すると、その結果として、ライン２１０内における水出口温度が増大する。その結果、ライン２１４を経て出る加圧再循環ガスの温度がライン２１０内の水の流量の増大に対して減少する。理解できるように、幾つかの変数がライン２１０を経て出る加圧再循環ガスの温度に影響を及ぼす場合があり、かかる変数としては、ライン１５６内の流入窒素排ガスの温度、ライン２０８内の冷却用給水の温度、塔の段の構成及び数等が挙げられるが、これらには限定されない。少なくとも１つの実施形態では、ライン２０８内の冷却用給水を約８０°Ｆ（２６．７℃）〜約８５°Ｆ（２９．４℃）の温度で第１のコラム２０２中に注入するのが良い。
【００５９】
以下の表には、冷却ユニット２００、例えば本明細書において説明した蒸発式冷却ユニットが採用されているシステムとかかる冷却ユニット２００がなしのシステムとの性能上の比較結果を提供している。
表２
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【００６０】
図２から明らかなはずであるように、サイクル入口冷却を含む実施形態、例えば第３の冷却ユニット２００を採用した実施形態は、コンバインドサイクル動力出力を増大させることができる。窒素膨張機からの動力出力の減少が生じる場合があるが、その減少分は、正味のガスタービン動力（即ち、膨張機１０６）の増大により埋め合わされる以上のものがあり、かかる増大は、ＣＯ2パージ圧力（即ち、主圧縮機１０４の吐出圧力）の増大をもたらす。さらに、全体的コンバインドサイクル動力出力を本明細書において説明している入口冷却を実施することによって約０．６％ｌｈｖ（低位発熱量）だけ増大させることができる。
【００６１】
本発明は又、本明細書において説明した蒸発式冷却ユニットに代えて第３の冷却ユニット２００として機械的冷凍システム（図示せず）を用いることを想定している。主圧縮機１０４の全所要圧縮動力を機械式冷凍システムの使用により適度に減少させることができるが、主圧縮機１０４を通る質量流量のこれに対応した減少が生じる場合があり、これは、生じる動力に悪影響を及ぼす。最適プロセスサイクル性能を得るためには、主圧縮機１０４の動力減少と膨張機１０６の動力発生との間にはトレードオフの関係が考慮されなければならない。さらに、追加の冷却機器のコストは、原価節約奨励金による解決が得られるよう考慮されるべきである。
【００６２】
本発明の技術には種々の改造及び変形形態が可能であるが、上述の例示の実施形態は、例示として示されているに過ぎない。再度確認的に理解されるべきこととして、本発明は、本明細書において開示された特定の実施形態に限定されるわけではない。もっとはっきりと言えば、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲に含まれる全ての改造例、均等例及び変形例を含む。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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