(57)【要約】  作動流体としてＣＯ２およびＨ２Ｏ燃焼生成物と混合されたＮ２を主に用いた高圧／低圧比ブレイトン電力サイクルを使用する電力生産方法が提供される。高圧は８０ｂａｒ〜５００ｂａｒの範囲内にありうる。圧力比は１．５〜１０の範囲にありうる。天然ガス燃料は、ほぼ化学量論量の加圧された予熱空気を用いて第１の高圧燃焼器内で燃焼されることができ、正味の燃焼ガスは、加熱された高圧リサイクルＮ２＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏストリームと混合されることができ、そのストリームは、混合ガス温度を、シャフトパワーを生成する第１のパワータービンに対する最大入口温度のために必要とされる値まで緩和する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力生産システムであって、
第１の燃焼ストリームを生成するために、第１のリサイクルストリームの存在下で第１の燃料ストリームおよび第１の空気ストリームを燃焼させるように構成された第１の燃焼器と、
前記第１の燃焼ストリームを膨張させるように構成された第１のタービンと、
前記第１のタービンから第１の放出ストリームの少なくとも一部分を受取るように構成された第１の熱交換器であって、
前記第１の空気ストリームおよび前記第１の放出ストリームから生成される前記第１のリサイクルストリームの少なくとも一部分を加熱するために、前記第１の放出ストリームの前記部分を使用するように構成される、第１の熱交換器と、
第２の燃焼ストリームを生成するために、前記第１の放出ストリームから生成される第２のリサイクルストリームの存在下で第２の燃料ストリームおよび第２の空気ストリームを燃焼させるように構成された第２の燃焼器と、
前記第２の燃焼ストリームを膨張させるように構成された第２のタービンと、
前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを加熱するように構成された第２の熱交換器とを備える電力生産システム。
【請求項２】
前記第２の熱交換器は、前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを加熱するために、前記第２のタービンから第２の放出ストリームを使用するように構成される請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項３】
前記第２の熱交換器は、前記第１のリサイクルストリームの第２の部分を加熱するようにさらに構成される請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項４】
第３の燃焼ストリームを生成するために、前記第２のタービンから受取られる第２の放出ストリームの存在下で第３の燃料ストリームおよび第３の空気ストリームを燃焼させるように構成された第３の燃焼器と、
前記第３の燃焼ストリームを膨張させるように構成された第３のタービンとをさらに備える請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項５】
前記第２の熱交換器は、前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを加熱するために、前記第３のタービンから第３の放出ストリームを使用するように構成される請求項４に記載の電力生産システム。
【請求項６】
前記第２の熱交換器は、前記第３の空気ストリームを加熱するようにさらに構成される請求項５に記載の電力生産システム。
【請求項７】
前記第２の熱交換器は、前記第１のリサイクルストリームの第２の部分を加熱するようにさらに構成される請求項５に記載の電力生産システム。
【請求項８】
前記第１のリサイクルストリームを圧縮するように構成されたリサイクル圧縮機をさらに備える請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項９】
前記第１の放出ストリームの第２の部分は、前記第２の燃焼器に送られる(direct)請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項１０】
前記第２の熱交換器から、冷却された放出ストリームを受取るように構成されたスクラバをさらに備える請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項１１】
前記スクラバは、ＣＯ２吸着システムを備える請求項１０に記載の電力生産システム。
【請求項１２】
前記第１の空気ストリームおよび前記第２の空気ストリームを生成するために、給送空気ストリームを圧縮するように構成された空気圧縮機システムをさらに備える請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項１３】
前記空気圧縮機システムは、前記第１の空気ストリームを圧縮するように構成された第１の空気圧縮機および前記第２の空気ストリームを圧縮するように構成された第２の空気圧縮機を備える請求項１２に記載の電力生産システム。
【請求項１４】
前記第２の空気圧縮機は、前記第１の空気圧縮機が前記第１の空気ストリームを圧縮する前に前記第１の空気ストリームを圧縮するようにさらに構成される請求項１３に記載の電力生産システム。
【請求項１５】
前記空気圧縮機システムは、前記第１の燃焼器および前記第２の燃焼器内で実質的に化学量論的な燃焼をもたらすために、前記第１の空気ストリームの流量および前記第２の空気ストリームの流量を制御するように構成される請求項１３に記載の電力生産システム。
【請求項１６】
前記空気圧縮機システムは、前記第１の燃焼器および前記第２の燃焼器内で燃焼において最大約５％の過剰のＯ２をもたらすために、前記第１の空気ストリームの流量および前記第２の空気ストリームの流量を制御するように構成される請求項１５に記載の電力生産システム。
【請求項１７】
前記第１の燃料ストリームおよび前記第２の燃料ストリームは、圧縮された炭化水素ガスを含む請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項１８】
前記圧縮された炭化水素ガスはメタンを含む請求項１７に記載の電力生産システム。
【請求項１９】
前記第１の空気ストリームおよび前記第２の空気ストリームは、圧縮された周囲空気を含む請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項２０】
前記第１のリサイクルストリームおよび前記第２のリサイクルストリームは、分子ベースで５０％より多いＮ２を含む請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項２１】
前記第１の熱交換器を通して送られる前記第１の放出ストリームの部分から液体ストリームを除去するように構成された分離器をさらに備える請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項２２】
約１，３００℃〜約１，５００℃のタービン温度で運転するときに、少なくとも約６０％の、低位発熱量ベースの正味の発電効率で運転するように構成される請求項１に記載の電力生産システム。
【請求項２３】
電力を生成するための方法であって、
第１の燃焼ストリームを生成するために、第１のリサイクルストリームの存在下で第１の燃料ストリームおよび第１の空気ストリームを燃焼させること、
第１のタービン内の前記第１の燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、前記第１のタービンを回転させ、電力を生成する、膨張させること、
前記第１のタービンから第１の放出ストリームの少なくとも一部分を第１の熱交換器に送ること、
前記第１の放出ストリームの前記部分を使用することであって、それにより、前記第１の熱交換器によって第１の空気ストリームおよび前記第１の放出ストリームから生成される前記第１のリサイクルストリームの少なくとも一部分を加熱する、使用すること、
第２の燃焼ストリームを生成するために、前記第１の放出ストリームから生成される第２のリサイクルストリームの存在下で第２の燃焼器内で第２の燃料ストリームおよび第２の空気ストリームを燃焼させること、
第２のタービン内で前記第２の燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、電力を生成するように前記第２のタービンを回転させる、膨張させること、
前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを第２の熱交換器に送ること、および、
前記第２の熱交換器によって前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを加熱することを含む方法。
【請求項２４】
前記第２の熱交換器によって前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを加熱することは、前記空気ストリームおよび前記リサイクルストリームを加熱するために前記第２のタービンから第２の放出ストリームを使用することを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２の熱交換器によって前記第１のリサイクルストリームの第２の部分を加熱することをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
第３の燃焼ストリームを生成するために、前記第２のタービンから受取られる第２の放出ストリームの存在下で第３の燃焼器内で第３の燃料ストリームおよび第３の空気ストリームを燃焼させること、および、
第３のタービン内で前記第３の燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、電力を生成するように前記第３のタービンを回転させる、膨張させることをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の熱交換器によって前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを加熱することは、前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを加熱するために前記第３のタービンから第３の放出ストリームを使用することを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の熱交換器によって前記第３の空気ストリームを加熱することをさらに含む請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２の熱交換器によって前記第１のリサイクルストリームの第２の部分を加熱することをさらに含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
リサイクル圧縮機によって前記第１のリサイクルストリームを圧縮することをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の放出ストリームの第２の部分を前記第２の燃焼器に送ることをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
冷却された放出ストリームを前記第２の熱交換器からスクラバへ送ることをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
スクラバはＣＯ２吸着システムである請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の空気ストリームおよび前記第２の空気ストリームを生成するために、空気圧縮機システムによって給送空気ストリームを圧縮することをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項３５】
前記空気圧縮機システムによって前記給送空気ストリームを圧縮することは、第１の空気圧縮機によって前記第１の空気ストリームを圧縮することおよび第２の空気圧縮機によって前記第２の空気ストリームを圧縮することを含む請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記空気圧縮機システムによって前記給送空気ストリームを圧縮することは、前記第１の空気圧縮機によって前記第１の空気ストリームを圧縮する前に前記第２の空気圧縮機によって前記第１の空気ストリームを圧縮することを含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記空気圧縮機システムによって前記第１の空気ストリームの流量および前記第２の空気ストリームの流量を制御することであって、それにより、前記第１の燃焼器および前記第２の燃焼器内で実質的に化学量論的な燃焼をもたらす、制御することをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記空気圧縮機システムによって前記第１の空気ストリームの流量および前記第２の空気ストリームの流量を制御することであって、それにより、前記第１の燃焼器および前記第２の燃焼器内で燃焼において最大約５％の過剰のＯ２をもたらす、制御することをさらに含む請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の燃料ストリームおよび前記第２の燃料ストリームは、圧縮された炭化水素ガスを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項４０】
前記圧縮された炭化水素ガスはメタンを含む請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記第１の空気ストリームおよび前記第２の空気ストリームは、圧縮された周囲空気を含む請求項２３に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１のリサイクルストリームおよび前記第２のリサイクルストリームは、分子ベースで５０％より多いＮ２を含む請求項２３に記載の方法。
【請求項４３】
分離器によって、前記第１の熱交換器を通して送られる前記第１の放出ストリームの部分から液体ストリームを除去することをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項４４】
電力は、約１，３００℃〜約１，５００℃のタービン温度で運転するときに、少なくとも約６０％の、低位発熱量ベースの正味の発電効率で運転される請求項２３に記載の方法。
【請求項４５】
電力生産システムであって、
空気ストリームを供給するように構成された空気供給部と、
燃料ストリームを供給するように構成された燃料供給部と、
分子ベースで５０％より多いＮ２である燃焼ストリームを生成するためにリサイクルストリームの存在下で前記燃料ストリームおよび前記空気ストリームを燃焼させるように構成された燃焼器であって、
前記空気供給部および前記燃料供給部は、最大約５％の過剰のＯ２を有する実質的に化学量論的な燃焼を前記燃焼器内でもたらすように構成された比で前記空気ストリームおよび前記燃料ストリームを供給するように構成される、燃焼器と、
前記燃焼ストリームを膨張させるように構成されたタービンと、
前記タービンから放出ストリームの少なくとも一部分を受取るように構成された熱交換器であって、
前記空気ストリームおよび前記放出ストリームから生成される前記リサイクルストリームの少なくとも一部分を加熱するために、前記放出ストリームの前記部分を使用するように構成される、熱交換器とを備える電力生産システム。
【請求項４６】
第２の燃焼ストリームを生成するために、前記放出ストリームから生成される第２のリサイクルストリームの存在下で第２の燃料ストリームおよび第２の空気ストリームを燃焼させるように構成された第２の燃焼器と、
前記第２の燃焼ストリームを膨張させるように構成された第２のタービンと、
前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを加熱するように構成された第２の熱交換器とをさらに備える請求項４５に記載の電力生産システム
【請求項４７】
分子ベースで５０％より多いＮ２である燃焼ストリームを生成するためにリサイクルストリームの存在下で燃焼器内で燃料ストリームおよび空気ストリームを燃焼させることであって、
前記燃料ストリームと前記空気ストリームの比は、最大約５％の過剰のＯ２を有する実質的に化学量論的な燃焼をもたらすように制御される、燃焼させること、
タービン内の前記燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、前記タービンを回転させ、電力を生成する、膨張させること、
前記タービンから放出ストリームの少なくとも一部分を熱交換器に送ること、および、
前記放出ストリームの前記部分を使用することであって、それにより、前記熱交換器によって前記空気ストリームおよび前記放出ストリームから生成される前記リサイクルストリームの少なくとも一部分を加熱する、使用することを含む方法。
【請求項４８】
第２の燃焼ストリームを生成するために、前記放出ストリームから生成される第２のリサイクルストリームの存在下で第２の燃焼器内で第２の燃料ストリームおよび第２の空気ストリームを燃焼させること、
第２のタービン内で前記第２の燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、電力を生成するように前記第２のタービンを回転させる、膨張させること、
前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを第２の熱交換器に送ること、および、
前記第２の熱交換器によって前記第２の空気ストリームおよび前記第２のリサイクルストリームを加熱することをさらに含む請求項４７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、空気中での燃料の燃焼によるＮ２作動流体を使用する電力生産(power production)のための高効率な方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー要求が世界中で増大し続けているため、さらなる電力生産プロセスについての絶えず増加するニーズが存在する。天然ガス燃料または炭化水素留出燃料を使用する発電のための現行の高効率な方法は、ブレイトンサイクルガスタービンおよびランキンサイクル蒸気システムを備える天然ガスコンバインドサイクル（ＮＧＣＣ）システムである。商業的に入手可能な最大のガスタービンは、ＩＳＯ（国際標準化機構）の条件において約５６％〜約６０％の範囲の低位発熱量効率で、約４５０ＭＷ（メガワット）〜約５５０ＭＷ（メガワット）の範囲内のＮＧＣＣシステムの電力出力(power output)が可能である。石炭燃焼ボイラに蒸気発生器を加えたものを使用する現行の単一トレインユニットが入手可能であり、それは、１，０００ＭＷより大きい電力出力を有することができ、現行の最良のボイラ設計および材料によって達成可能な最大蒸気条件に基づいて最大約４５％の正味の発電効率を与える。単一蒸気タービンを有する原子炉は、１，０００ＭＷより大きい電力出力で利用可能である。
【０００３】
上記に加えて、米国特許公報第２０１１／０１７９７９９号は、高濃度酸素雰囲気の存在下で燃焼され、したがって、高純度酸素源の装備を必要とする炭素質または炭化水素燃料を使用する高圧低圧比電力サイクルを開示する。燃焼生成物は、熱交換器内でタービン排気ストリームに接して加熱された高温で高圧で高純度のＣＯ２のリサイクルによって冷却される。
【０００４】
上記で見られるように、本分野において既存の技術および出現する技術は、燃焼のために複数のサイクルの使用ならびに高純度材料の装備を必要としうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、最大５００ＭＷまたはさらにそれ以上の、単一トレインからの電力出力を提供しうる、空気中で燃焼される天然ガスまたは留出燃料を使用する電力システムについての必要性が存在したままである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
電力生産のための目下述べるシステムおよび方法は、高効率な電力生産を提供するのに非常に有用であり、また、以下の特徴の１つまたは複数を示しうる。
【０００７】
開示されるシステムおよび方法は、従来のＮＧＣＣシステムより低い最大タービン温度によって、従来のＮＧＣＣシステムに匹敵する効率を達成しうる。
【０００８】
開示されるシステムおよび方法は、従来のＮＧＣＣシステムと同等のタービン温度によって、従来のＮＧＣＣシステムより高い効率を達成しうる。
【０００９】
開示されるシステムおよび方法は、従来のＮＧＣＣシステムより著しく低い資本コストを有しうる。
【００１０】
開示されるシステムおよび方法は、単一の作動流体を利用しうる。
【００１１】
開示されるシステムおよび方法は、タービン（複数可）を駆動するために蒸気システム以外の手段を利用しうる。
【００１２】
開示されるシステムおよび方法は、ＮＧＣＣシステムより著しくコンパクトでありうる。
【００１３】
開示されるシステムおよび方法は、ＮＧＣＣ排ガス内の約３％濃度より著しく高い排ガス内のＣＯ２の濃度を有する可能性があるため、ＣＯ２は、適切な除去システムを使用してより容易に捕捉されうる。
【００１４】
開示されるシステムおよび方法は、高純度酸素を必要とするのではなく、低コストオキシダント源として空気を利用しうる。
【００１５】
開示されるシステムおよび方法は、過剰の不活性ガス（大気に排出されうる）の生成をもたらしうるほぼ化学量論的燃焼条件を実現しうる。
【００１６】
開示されるシステムおよび方法は、電力生産時に、不活性ガスを含む高圧ストリームを、１つまたは複数のタービンにわたってそのストリームを膨張させることによって利用しうる。
【００１７】
開示されるシステムおよび方法は、電力生産プロセスを運転する方法を提供することができ、その方法において、燃焼器内の酸素の消費後に残る加圧された過剰の不活性ガスが、膨張して大気圧になり、さらなる電力の最大限の生産を伴うのに十分な高圧低圧比で、化石燃料が、閉サイクルにおけるほぼ化学量論的条件で空気中において高圧で燃焼されうる。
【００１８】
上記に対してさらに、一実施形態では、本開示は、電力生産システムを提供する。電力生産システムは、第１の燃焼ストリームを生成するために、第１のリサイクルストリームの存在下で第１の燃料ストリームおよび第１の空気ストリームを燃焼させるように構成された第１の燃焼器と、第１の燃焼ストリームを膨張させるように構成された第１のタービンと、第１のタービンから第１の放出ストリームの少なくとも一部分を受取るように構成された第１の熱交換器を備えることができる。第１の熱交換器は、第１の空気ストリームおよび第１の放出ストリームから生成される第１のリサイクルストリームの少なくとも一部分を加熱するために、第１の放出ストリームの部分を使用するように構成されうる。電力生産システムはまた、第２の燃焼ストリームを生成するために、第１の放出ストリームから生成される第２のリサイクルストリームの存在下で第２の燃料ストリームおよび第２の空気ストリームを燃焼させるように構成された第２の燃焼器と、第２の燃焼ストリームを膨張させるように構成された第２のタービンと、第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを加熱するように構成された第２の熱交換器とを備えることができる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、第２の熱交換器は、第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを加熱するために、第２のタービンから第２の放出ストリームを使用するように構成されうる。第２の熱交換器は、第１のリサイクルストリームの第２の部分を加熱するようにさらに構成されうる。電力生産システムは、第３の燃焼ストリームを生成するために、第２のタービンから受取られる第２の放出ストリームの存在下で第３の燃料ストリームおよび第３の空気ストリームを燃焼させるように構成された第３の燃焼器と、第３の燃焼ストリームを膨張させるように構成された第３のタービンとをさらに備えることができる。第２の熱交換器は、第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを加熱するために、第３のタービンから第３の放出ストリームを使用するように構成されうる。第２の熱交換器は、第３の空気ストリームを加熱するようにさらに構成されうる。第２の熱交換器は、第１のリサイクルストリームの第２の部分を加熱するようにさらに構成されうる
【００２０】
いくつかの実施形態では、リサイクル圧縮機は、第１のリサイクルストリームを圧縮するように構成されうる。第１の放出ストリームの第２の部分は、第２の燃焼器に送られることができる。電力生産システムは、第２の熱交換器から、冷却された放出ストリームを受取るように構成されたスクラバをさらに備えることができる。スクラバは、ＣＯ２吸着システムを備えることができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、電力生産システムは、第１の空気ストリームおよび第２の空気ストリームを生成するために、給送空気ストリームを圧縮するように構成された空気圧縮機システムをさらに備えることができる。空気圧縮機システムは、第１の空気ストリームを圧縮するように構成された第１の空気圧縮機および第２の空気ストリームを圧縮するように構成された第２の空気圧縮機を備えることができる。第２の空気圧縮機は、第１の空気圧縮機が第１の空気ストリームを圧縮する前に第１の空気ストリームを圧縮するようにさらに構成されうる。空気圧縮機システムは、第１の燃焼器および第２の燃焼器内で実質的に化学量論的な燃焼をもたらすために、第１の空気ストリームの流量および第２の空気ストリームの流量を制御するように構成されうる。たとえば、空気圧縮機システムは、第１の燃焼器および第２の燃焼器内で燃焼において最大約５％の過剰のＯ２をもたらすために、第１の空気ストリームの流量および第２の空気ストリームの流量を制御するように構成されうる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、第１の燃料ストリームおよび第２の燃料ストリームは、圧縮された炭化水素ガスを含むことができる。圧縮された炭化水素ガスはメタンを含むことができる。第１の空気ストリームおよび第２の空気ストリームは、圧縮された周囲空気を含むことができる。第１のリサイクルストリームおよび第２のリサイクルストリームは、分子ベースで５０％より多いＮ２を含むことができる。電力生産システムは、第１の熱交換器を通して送られる第１の放出ストリームの部分から液体ストリームを除去するように構成された分離器をさらに備えることができる。さらに、電力生産システムは、約１，３００℃〜約１，５００℃のタービン温度で運転するときに、少なくとも約６０％の、低位発熱量ベースの正味の発電効率で運転するように構成されうる。
【００２３】
別の実施形態では、電力を生成するための方法が提供される。方法は、第１の燃焼ストリームを生成するために、第１のリサイクルストリームの存在下で第１の燃料ストリームおよび第１の空気ストリームを燃焼させること、第１のタービン内の第１の燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、第１のタービンを回転させ電力を生成する、膨張させること、第１のタービンから第１の放出ストリームの少なくとも一部分を第１の熱交換器に送ること、および、第１の放出ストリームの部分を使用することであって、それにより、第１の熱交換器によって第１の空気ストリームおよび第１の放出ストリームから生成される第１のリサイクルストリームの少なくとも一部分を加熱する、使用することを含むことができる。方法は、第２の燃焼ストリームを生成するために、第１の放出ストリームから生成される第２のリサイクルストリームの存在下で第２の燃焼器内で第２の燃料ストリームおよび第２の空気ストリームを燃焼させること、第２のタービン内で第２の燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、電力を生成するように第２のタービンを回転させる、膨張させること、第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを第２の熱交換器に送ること、および、第２の熱交換器によって第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを加熱することを含むことができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、第２の熱交換器によって第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを加熱することは、空気ストリームおよびリサイクルストリームを加熱するために第２のタービンから第２の放出ストリームを使用することを含むことができる。方法は、第２の熱交換器によって第１のリサイクルストリームの第２の部分を加熱することをさらに含むことができる。方法は、第３の燃焼ストリームを生成するために、第２のタービンから受取られる第２の放出ストリームの存在下で第３の燃焼器内で第３の燃料ストリームおよび第３の空気ストリームを燃焼させること、および、第３のタービン内で第３の燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、電力を生成するように第３のタービンを回転させる、膨張させることをさらに含むことができる。第２の熱交換器によって第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを加熱することは、第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを加熱するために第３のタービンから第３の放出ストリームを使用することを含むことができる。方法は、第２の熱交換器によって第３の空気ストリームを加熱することをさらに含むことができる。同様に、方法は、第２の熱交換器によって第１のリサイクルストリームの第２の部分を加熱することを含むことができる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、方法は、リサイクル圧縮機によって第１のリサイクルストリームを圧縮することをさらに含むことができる。方法はまた、第１の放出ストリームの第２の部分を第２の燃焼器に送ることをさらに含むことができる。さらに、方法は、冷却された放出ストリームを第２の熱交換器からスクラバへ送ることを含むことができる。スクラバはＣＯ２吸着システムを備えることができる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、方法は、第１の空気ストリームおよび第２の空気ストリームを生成するために、空気圧縮機システムによって給送空気ストリームを圧縮することをさらに含むことができる。空気圧縮機システムによって給送空気ストリームを圧縮することは、第１の空気圧縮機によって第１の空気ストリームを圧縮することおよび第２の空気圧縮機によって第２の空気ストリームを圧縮することを含むことができる。空気圧縮機システムによって給送空気ストリームを圧縮することは、第１の空気圧縮機によって第１の空気ストリームを圧縮する前に第２の空気圧縮機によって第１の空気ストリームを圧縮することを含むことができる。さらに、方法は、空気圧縮機システムによって第１の空気ストリームの流量および第２の空気ストリームの流量を制御することであって、それにより、第１の燃焼器および第２の燃焼器内で実質的に化学量論的な燃焼をもたらす、制御することを含むことができる。たとえば、方法は、空気圧縮機システムによって第１の空気ストリームの流量および第２の空気ストリームの流量を制御することであって、それにより、第１の燃焼器および第２の燃焼器内で燃焼において最大約５％の過剰のＯ２をもたらす、制御することを含むことができる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、第１の燃料ストリームおよび第２の燃料ストリームは、圧縮された炭化水素ガスを含むことができる。圧縮された炭化水素ガスはメタンを含むことができる。第１の空気ストリームおよび第２の空気ストリームは、圧縮された周囲空気を含むことができる。第１のリサイクルストリームおよび第２のリサイクルストリームは、分子ベースで５０％より多いＮ２を含むことができる。方法はまた、分離器によって、第１の熱交換器を通して送られる第１の放出ストリームの部分から液体ストリームを除去することを含むことができる。さらに、電力は、約１，３００℃〜約１，５００℃のタービン温度で運転するときに、少なくとも約６０％の、低位発熱量ベースの正味の発電効率で運転されうる。
【００２８】
電力生産システムのさらなる実施形態が提供される。電力生産システムは、空気ストリームを供給するように構成された空気供給部と、燃料ストリームを供給するように構成された燃料供給部と、分子ベースで５０％より多いＮ２である燃焼ストリームを生成するためにリサイクルストリームの存在下で燃料ストリームおよび空気ストリームを燃焼させるように構成された燃焼器とを備えることができる。空気供給部および燃料供給部は、最大約５％の過剰のＯ２を有する実質的に化学量論的な燃焼を燃焼器内でもたらすように構成された比で空気ストリームおよび燃料ストリームを供給するように構成されうる。電力生産システムは、燃焼ストリームを膨張させるように構成されたタービンと、タービンから放出ストリームの少なくとも一部分を受取るように構成された熱交換器とをさらに備えることができる。熱交換器は、空気ストリームおよび放出ストリームから生成されるリサイクルストリームの少なくとも一部分を加熱するために、放出ストリームの部分を使用するように構成されうる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、電力生産システムは、第２の燃焼ストリームを生成するために、放出ストリームから生成される第２のリサイクルストリームの存在下で第２の燃料ストリームおよび第２の空気ストリームを燃焼させるように構成された第２の燃焼器と、第２の燃焼ストリームを膨張させるように構成された第２のタービンと、第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを加熱するように構成された第２の熱交換器とをさらに備えることができる。
【００３０】
電力を生産するための方法のさらなる実施形態が提供される。方法は、分子ベースで５０％より多いＮ２である燃焼ストリームを生成するためにリサイクルストリームの存在下で、燃焼器内で燃料ストリームおよび空気ストリームを燃焼させることを含むことができ、燃料ストリームと空気ストリームの比は、最大約５％の過剰のＯ２を有する実質的に化学量論的な燃焼をもたらすように制御される。方法は、タービン内の燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、タービンを回転させ電力を生成する、膨張させること、タービンから放出ストリームの少なくとも一部分を熱交換器に送ること、および、放出ストリームの部分を使用することであって、それにより、熱交換器によって空気ストリームおよび放出ストリームから生成されるリサイクルストリームの少なくとも一部分を加熱する、使用することをさらに含むことができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、方法は、第２の燃焼ストリームを生成するために、放出ストリームから生成される第２のリサイクルストリームの存在下で第２の燃焼器内で第２の燃料ストリームおよび第２の空気ストリームを燃焼させること、第２のタービン内で第２の燃焼ストリームを膨張させることであって、それにより、電力を生成するように第２のタービンを回転させる、膨張させること、第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを第２の熱交換器に送ること、および、第２の熱交換器によって第２の空気ストリームおよび第２のリサイクルストリームを加熱することをさらに含むことができる。
【００３２】
本開示の実施形態の理解を支援するために、必ずしも一定比例尺で描かれていない添付図面に対してここで参照が行われる。図面は、例示に過ぎず、本開示を制限するものとして解釈されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本開示の実施形態による、３つのタービンを含む１つの電力生産システムおよびその運転方法を示すフロー図である。
【図２】本開示の別の実施形態による、２つのタービンを含む１つの電力生産システムおよびその運転方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本開示は、ここで種々の実施形態に対する参照を通して以降でより完全に述べられる。これらの実施形態は、本開示が、徹底的かつ完全であり、また、本開示の範囲を当業者に完全に伝達するように提供される。実際には、本開示は、多くの異なる形態で具現化されることができ、本明細書で述べる実施形態に限定されるものとして解釈されるべきでなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように提供される。本明細書で使用されるように、単数形「ある(a)」、「ある(an)」、「その(the)」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数の指示物を含む。
【００３５】
ある実施形態では、本開示は、知られている電力生産システムおよび方法に優る明白な利点を提供する方法およびシステムを備える。たとえば、種々の実施形態では、本開示は、以下のものの１つまたは複数を実現しうる。以下のものとは、
・ブレイトンサイクルであって、空気と共に燃料を燃焼させ、サイクル内の主な成分が窒素である、ブレイトンサイクルにおいて、無灰ガス燃料（たとえば、天然ガスなど）または無灰液体燃料（たとえば、留出燃料など）を使用した電力(electric power)の発生、
・高効率を達成するために別個のランキン蒸気サイクルがないこと、
・現行の最良のガスタービンコンバインドサイクルシステムとほぼ同じ（またはそれよりよい）、低位発熱量(lower heating value)（ＬＨＶ）ベースの正味の効率での電力の生産、
・システムが比較的コンパクトなフォームファクタを規定し、また、比較的少なく費用がかかることを可能にする場合がある高圧、
・システムが、５００ＭＷより大きい電力出力を有する単一トレインユニットならびに比較的コンパクトなユニットを提供するようにカスタマイズされうること、
・圧縮予熱空気ストリーム内での燃料のほぼ化学量論的燃焼を使用することによってＣＯ２の濃度が１０％〜１２％モル濃度の範囲内にあるベントガスからのＣＯ２捕捉の容易さ、
・Ｎ２ガスが豊富であるリサイクルストリームによって緩和される排気温度で燃焼器を運転することによって排ガスの低ＮＯＸを達成すること
である。
【００３６】
特定の実施形態では、本開示は、蒸気サイクルまたは酸素プラントなしで空気／クリーン燃料ブレイトンサイクル電力システムの運転を実現し、現行のコンバインドサイクルユニットより低い資本コストを与えることができ、同時に、効率の犠牲が実質的になくかつ排ガス中のＣＯ２の濃度がたとえば約１０％以上のモル濃度である。いくつかの実施形態では、システムは、アミンＣＯ２スクラビングシステムを使用して、大気に排出される排ガスからさらなるＣＯ２を除去することができる。
【００３７】
本開示は、図１に示すシステムの実施形態を参照してここで述べられることになり、その実施形態は、本開示を制限するものであると意図されず、むしろ、例示的な実施形態を示すために提供される。大まかに言えば、図１は、電力を生産するように構成されたブレイトンサイクルの実施形態を示す。システムは、第１の燃焼器３、第２の燃焼器４、および第３の燃焼器３４を含むことができる。燃焼器３、４、３４のそれぞれは、それぞれ、各燃焼ストリーム（第１の燃焼ストリーム２７、第２の燃焼ストリーム２３、第３の燃焼ストリーム３６）を生成するために、燃料ストリーム（第１の燃料ストリーム２６、第２の燃料ストリーム２４、第３の燃料ストリーム３７）を受取り、加熱圧縮空気ストリーム（第１の加熱圧縮空気ストリーム５１、第２の加熱圧縮空気ストリーム２１、第３の加熱圧縮空気ストリーム３８）と共に燃焼させることができる。燃焼ストリーム２７、２３、３６は、それぞれ、第１のタービン５、第２のタービン６、および第３のタービン３５に供給され、タービンは、燃焼ストリームを膨張させて、電力に変換されうる回転運動を生成する。たとえば、タービン５、６、３５は、発電機４５に、直接的にまたは間接的に結合されうる。
【００３８】
効率を上げるために、システムは、第１の熱交換器２および第２の熱交換器１を含むことができる。第１のタービン５からの放出ストリーム２８の部分５８は、第１の熱交換器２を通して送られて、第１の圧縮空気ストリーム３０を暖め、それにより、第１の加熱圧縮空気ストリーム５１を形成することができる。第１の熱交換器２はまた、第１の燃焼器３に提供される第１のリサイクルストリーム５７を暖めることができる。第１のリサイクルストリーム５７は、第１の燃焼器３内の温度を減少させ、それにより、第１の空気ストリーム５１と一緒の第１の燃料ストリーム２６の燃焼においてＮＯＸの生成を低減するように機能することができる。第１のリサイクルストリーム５７はまた、第１の燃焼器３を出る燃焼ストリーム２７の温度を、第１のタービン５の最大入口温度であるかまたはそれより低い温度まで減少させるように機能することができる。第１のリサイクルストリーム５７はまた、第１のタービン５からの第１の放出ストリーム２８の部分を、第１の熱交換器２およびクーラ８内で冷却すること、分離器９内で液体ストリーム３１を分離する(separate out)こと、分離されたストリーム１５の部分５９をリサイクル圧縮機５３内で圧縮すること、および圧縮分離されたストリーム４９の部分６０を、第１の熱交換器を通して戻るように送ることによって形成されうる。第１のリサイクルストリーム５７はまた、圧縮分離されたストリーム４９の残りの部分１６を含むことができ、残りの部分１６は、加熱圧縮分離されたストリーム５０を形成するために第２の熱交換器１内で加熱された。
【００３９】
第２の熱交換器１は、第３のタービン３５からの放出ストリーム３９によって加熱されうる。特に、第２のタービン６からの放出ストリーム１８は、第３の燃焼器３４を通して送られることができ、第３の燃焼器３４からの燃焼ストリーム３６は、第３のタービン３５に供給されうる。そのため、第２のタービン６からの放出ストリーム１８は、加熱され、燃焼ガスと結合されて、第２のタービン６からの放出ストリームより比較的高い温度にある場合がある第３の燃焼ストリーム３６を形成することができ、したがって、第３のタービン３５は、第２のタービンから放出ストリームを直接受取る場合より高い効率で運転することができる。第３のタービン３５からの放出ストリーム３９は、その後、第２の熱交換器１に送られ、冷却された放出ストリーム１９は、その後、大気に放出されうる。あるいは、示すように、冷却された放出ストリーム１９は、ベントガス９９を大気に送る前にＣＯ２および／または他のガスを除去するように構成されたスクラバ９７（たとえば、ＣＯ２吸着システム）を通して送られることができる。
【００４０】
第２の熱交換器１は、加熱圧縮分離されたストリーム５０を形成するために圧縮分離されたストリーム４９の残りの部分１６を加熱するために使用されることができ、加熱圧縮分離されたストリーム５０は、第１の熱交換器２内で加熱される圧縮分離されたストリーム４９の他の部分６０と結合(combine)されることができる。第２の熱交換器１はまた、第２の燃焼器４を通して送られる第２のリサイクルストリーム４０を形成するために、分離されたストリーム１５の残りの部分１７を加熱するために使用されることができ、第２のリサイクルストリーム４０は、第２の燃焼器４内の温度を減少させ、それにより、第２の空気ストリーム２１と一緒の第２の燃料ストリーム２４の燃焼においてＮＯＸの生成を低減するように機能することができる。第２のリサイクルストリーム４０はまた、第２の燃焼器４を出る燃焼ストリーム２３の温度を、第２のタービン６の最大入口温度であるかまたはそれより低い温度まで減少させるように機能することができる。いくつかの実施形態では、第１のタービン５からの第１の放出ストリーム２８の残りの部分２２はまた、第１のタービンを出た後で冷却されることなく、加熱されることなく、またはその他の方法で処理されることなく、第２の燃焼器４を通してリサイクルされうる。放出ストリーム２８の残りの部分２２は、燃焼空気ストリームおよび燃料ストリームからの窒素、アルゴン、および他の不活性非燃焼性成分が、燃焼生成物として送出されるかまたは空気ストリームまたは燃料ストリーム内に存在するＣＯ２のほとんどおよび水の一部と共に、ストリーム９９として大気に排出されることを可能にし、システム内へのそれらの成分の蓄積を防止するのに役立つ。第１のタービン５は、高い入口圧力および低い圧力の比で運転することができ、高い放出圧力をもたらす。関連する燃焼器４、３４を有する第２のタービン６および第３のタービン３５ならびに第２の熱交換器１の目的は、放出ストリーム２８の残りの部分２２内の圧力エネルギーが、総合的な電力生産およびプロセスの効率を増加させるために効率的に利用されることを可能にすることである。第２の熱交換器１はまた、第２の燃焼器４および第３の燃焼器３４にそれぞれ送られる第２の空気ストリーム２１および第３の空気ストリーム３８に熱を提供することができる。
【００４１】
燃焼器３、４、３４に供給される圧縮加熱された空気ストリーム５１、２１、３８にさらに関して、システムは、いくつかの実施形態では電気モータ５４によって駆動されうる、または、タービン５、６、３５の１つまたは複数に機械的に結合されうる、第１の空気圧縮機１０、第２の空気圧縮機１１、および第３の空気圧縮機４２を含む空気圧縮機システムを含むことができる。第３の空気圧縮機４２は、給送空気ストリーム１２（たとえば、周囲空気）を受取り、給送空気ストリームを圧縮することができる。第３の空気圧縮機４２によって圧縮される給送ストリーム１２の第１の部分４８は、第２の熱交換器１を通して送られて、第３の燃焼器３４に供給される加熱圧縮された空気ストリーム３８を形成することができる。第３の空気圧縮機４２によって圧縮される給送ストリーム１２の第２の部分４７は、第２の空気圧縮機１１に送られることができる。第２の空気圧縮機１１によって圧縮される空気ストリーム４７の第１の部分２０は、第２の熱交換器１を通して送られて、第２の燃焼器４に供給される加熱圧縮された空気ストリーム２１を形成することができる。第２の空気圧縮機１１によって圧縮される空気ストリーム４７の第２の部分１４は、第１の空気圧縮機１０によって受取られることができる。第１の空気圧縮機１０によって圧縮される空気ストリーム３０は、第１の熱交換器２を通して送られて、第１の燃焼器３に供給される第１の空気ストリーム５１を形成することができる。
【００４２】
第３の燃焼器３４が、第３の空気圧縮機４２によって圧縮される空気ストリーム３８を受取り、第２の燃焼器４が、第３の空気圧縮機と第２の空気圧縮機１１の両方によって圧縮される空気ストリーム２１を受取り、第１の燃焼器３が、第３の空気圧縮機、第２の空気圧縮機、および第１の空気圧縮機によって圧縮される空気ストリーム５１を受取る、このシリアルな圧縮機構成のせいで、燃焼器への空気の供給が変動する場合がある。特に、燃焼器に入る空気の流量は、第１の燃焼器３において最大であり、第３の燃焼器３４において最小であり、第２の燃焼器４において第１の燃焼器についての空気の流量と第３の燃焼器についての空気の流量との中間であるとすることができる。さらに、第１の燃焼器３および第２の燃焼器４によってそれぞれ受取られる燃料ストリーム２６、２４は、燃料圧縮機によって圧縮されない場合がある第３の燃焼器３４に供給される燃料ストリーム３７と比較して、電気モータ７７によって駆動されうる燃料圧縮機７によって燃料の燃料ストリーム２５が圧縮されるため、比較的高い圧力にあるとすることができる。したがって、燃料ストリーム２６、２４、３７および加熱圧縮された空気ストリーム５１、２１、３８は、所望の空燃比を実現するように制御されうる。たとえば、流量は、実質的に化学量論的燃焼を実現するように構成されうる。燃焼器３、４、３４のそれぞれに対する燃料ストリーム２６、２４、３７のそれぞれの流量は、タービン５、６、３５のそれぞれについて必要とされる入口温度を与えるために、ほぼ化学量論的な条件で燃焼しかつリサイクル流と混合されるときに、十分な熱を提供するように別々に制御される。空気ストリーム５１、２１、３８は、燃焼器３、４、３４内で燃料ストリーム２６、２４、３７から燃料のほぼ化学量論的な燃焼を与えるために、１つまたは複数の場所で（たとえば、ストリーム４８、２０、３０で）別々に制御される。リサイクルストリーム５７、４０の流量は、タービン５、６、３５に提供される燃焼ストリーム２７、２３、３６の必要とされる流量を与えるために、１つまたは複数の場所で（たとえば、ストリーム６０、１６、１７で）別々に制御される。そのため、空気供給部（たとえば、空気ストリーム５１、２１、３８を燃焼器３、４、３４に供給するように構成された１つまたは複数の構成要素）および／または、燃料供給部（たとえば、燃料ストリーム２６、２４、３７を燃焼器３、４、３４のそれぞれに供給するように構成された１つまたは複数の構成要素）は、燃焼器において実質的に化学量論的な燃焼（たとえば、最大約５％の過剰のＯ２を有する）をもたらすように構成された比で空気ストリームおよび燃料ストリームを供給するように構成されうる。この点に関して、周囲空気を含む空気ストリームの実質的に化学量論的な燃焼を使用することによって、燃焼に起因する過剰の不活性ガス（たとえば、Ｎ２およびＡｒ）は、閉システムから除去され、大気に排出されうる。たとえば、第３の燃焼器３４を出て、第３のタービン３５に入るストリーム３６は、高圧（たとえば、２０ｂａｒ（２ＭＰａ）〜６０ｂａｒ（６ＭＰａ））および高温を示し、不活性ガスの大多数の濃度を含むことができる。膨張後、ストリーム３９およびストリーム１９はそれぞれ、大気圧のまたは大気圧に近い低圧を有することができる。示された方法で、ストリームは、上述したように、１つまたは複数のタービンにわたって膨張して、電力を生成し、不活性ガスを大気に排出する前に不活性ガスの圧力を実質的に大気の圧力に減少させる。図１のシステムの運転のさらなる説明が、以下に提供される。しかし、温度、圧力、燃料、ガスなどが例のために提供されることが理解させるべきである。したがって、システムの運転は、幾つかの実施形態で提供される例と１つまたは複数の点で異なる場合がある。
【００４３】
図１のシステムは、複数のリサイクルストリーム５７、４０、２２、１８を通して燃焼器に提供される作動流体として、ＣＯ２およびＨ２Ｏ燃焼生成物と混合されたＮ２を主に使用しうる高圧／低圧比ブレイトン電力サイクルにおいて熱交換器２、１（たとえば、節減器）を使用しうる。窒素は、リサイクルストリーム５７、４０、２２、１８の１つまたは複数における主要な成分（たとえば、モル濃度ベースで５０％より大きいＮ２）を構成することができる。燃焼器３内の高圧は、約６０ｂａｒ（６ＰＭａ）より大きい、約８０ｂａｒ（８ＰＭａ）より大きい、または約１２０ｂａｒ（１２ＰＭａ）より大きいとすることができる、あるいは、約８０ｂａｒ（８ＰＭａ）〜約５００ｂａｒ（５０ＰＭａ）、１００ｂａｒ（１０ＰＭａ）〜約４５０ｂａｒ（４５ＰＭａ）、または２００ｂａｒ（２０ＰＭａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＰＭａ）の範囲内にあるとすることができる。タービン５、６、３５のそれぞれの前後の圧力比は、約４〜約１２、約５〜約１１、または約７〜約１０の範囲内にあるとすることができる。炭化水素を含む燃料ストリーム２６は、第１の加熱圧縮された空気ストリーム５１からのほぼ化学量論的量の酸素を用いて、第１の高圧燃焼器３内で燃焼されうる。燃料ストリームは、好ましくは、メタン（すなわち、天然ガス）などの、周囲条件においてガスである炭化水素を含む。しかし、液化石油ガス(liquefied petroleum gas)（ＬＰＧ）などの他の炭化水素が使用されうる。そのため、燃料ストリームは、圧縮された炭化水素ガス（たとえば、Ｃ１〜Ｃ４炭化水素ガスの任意の組合せ）を含むことができる。なおさらに、留出燃料が使用されうる。具体的には、ガソリン、ディーゼル、灯油、軽油、およびジェット燃料などの石油留出から得られる任意の液体燃料が使用されうる。より一般的には、適した液体燃料は、Ｃ５〜Ｃ７０、Ｃ６〜Ｃ５０、Ｃ７〜Ｃ３０、またはＣ８〜Ｃ２０炭化水素を含む石油留出分とすることができる。正味の燃焼ガスは、リサイクルストリーム５７と混合されることができ、それが、燃焼ストリーム２７の温度を、第１のタービン５の最大入口温度にあるかまたはそれより低い値まで緩和する。第１のリサイクルストリーム５７の部分６０は、第１のタービン５から受取られる放出ストリーム２８の部分５８からの熱を使用して第１の熱交換器２内で予熱されうる。タービン５、６、および３５の高い入口圧力と入口温度および低い圧力比は、放出温度が、比較的高い、通常、４００℃〜８００℃の範囲内にあるとすることができることを意味する。タービン放出ストリーム２８、１８、および３９内に存在する熱は、熱交換器１、２で回復されて、高い効率が達成され、電力出力が最大にされうる。
【００４４】
第１のタービン５によって受取られる燃焼ストリーム２７の温度は、少なくとも約５００℃、少なくとも約７００℃、または少なくとも約９００℃とすることができる、あるいは、その温度は、約９００℃〜約１，６００℃、約１，０００℃〜約１，５００℃、または約１，１００℃〜約１，４００℃の範囲内とすることができる。第１のタービン５において約４〜約１２、約５〜約１１、約７〜約１０の高圧と低圧の比を使用することは、約６．７ｂａｒ（０．６７ＰＭａ）〜約１２５ｂａｒ（１２．５ＰＭａ）、１２ｂａｒ（１．２ＰＭａ）〜約１００ｂａｒ（１０ＰＭａ）、１５ｂａｒ（１．５ＰＭａ）〜約７５ｂａｒ（７．５ＰＭａ）、または２０ｂａｒ（２ＰＭａ）〜約５７ｂａｒ（５．７ＰＭａ）の範囲内の放出ストリーム２８の放出圧をもたらすことができる。Ｎ２＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏを含む場合がある第１の燃焼器３からの燃焼ストリーム２７の部分は、最終的に大気に放出されうる。第１の燃焼器３からの燃焼ストリーム２７の一部分は、第２のリサイクルストリーム４０による温度緩和によって第２の燃焼器４内で再加熱された後に、第２のタービン６で膨張されうる。第２のリサイクルストリーム４０および第２の空気ストリーム２１は、第２の熱交換器１内で第３のタービン３５からの放出ストリーム３９によって、約２００℃〜約８００℃、約３００℃〜約６００℃、または約４５０℃〜約５５０℃の温度に加熱されうる。
【００４５】
任意選択で、高効率を達成するために、第２の燃焼器４からの燃焼ストリーム２３は、第３の燃焼器３４が第２のタービン６と第３のタービン３５との間にある状態で、第３のタービン３５を通して流されて、燃焼ストリームが大気圧まで膨張されるときに燃焼ストリームからの電力出力が最大にされうる。第２のタービン６および第３のタービン３５は、実質的に等しい圧力比を使用することができる。燃焼ストリーム２７、２３、３６のそれぞれは、約５００℃〜約１，８００℃、約９００℃〜約１，６００℃、または約１，１００℃〜約１，４００℃にあるとすることができる。第２の燃焼器４に提供され、また任意ン選択で、第３の燃焼器３４に提供される第２のリサイクルストリーム４０、および、第２および第３の燃焼器用の加熱圧縮された空気ストリーム２１、３８は、第２の熱交換器１内で第３のタービン３５からの放出ストリーム３９に接して予熱される。第３のタービン３５からの放出ストリーム３９は、冷却された排気ストリーム１９として放出される前に第２の熱交換器１内で１００℃未満に冷却されうる。排気ストリーム１９は、好ましくは、約５％より多い、約８％より多い、または約１０％より多いモル濃度ＣＯ２含量を有することができる。この点に関して、排気ストリーム１９に比較的高いＣＯ２含量を持たせることによって、スクラバ９７の使用が容易になる場合がある。本明細書で使用されるように、スクラバは、あるストリームの規定された成分の除去、より具体的には、ＣＯ２、ＳＯＸ、およびＮＯＸなどの汚染物質の除去のために構成された任意の装置またはシステムを包含しうる。特に、ＣＯ２吸着および除去のための任意の適したシステムが、スクラバとして使用されうる。使用されうる溶媒ベースシステムの非制限的な例は、ＢＥＮＦＩＥＬＤ（商標）プロセス（ＵＯＰ，ＬＬＣ）で使用されるアルカリ炭酸塩、ＥＣＯＮＡＭＩＮＥ  ＦＧ  ＰＬＵＳ（商標）プロセス（Ｆｌｕｏｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）で使用されるアルコールアミン、ＲＥＣＴＩＳＯＬ（登録商標）プロセス（Ｌｕｒｇｉ，ＧＭＢＨ）で使用されるアルコール、ジオール、およびエーテル、ならびに、ＳＥＬＥＸＯＬ（商標）溶媒（Ｔｈｅ  Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ）を含む。膜ベースシステムまたは吸着システムなどの他のシステムもまた使用されうる。したがって、スクラバ９７は、ＣＯ２含量を低減し、ベントガス９９を大気に送る。除去されたＣＯ２は、隔離するため、または、他の方法で使用するために捕捉されうる。他の実施形態では、排気ストリーム１９は、浄化システムを通して排気ストリームを送ることなく、大気に送られることができる。
【００４６】
燃焼器３、４、３４のそれぞれに送出される加熱圧縮された空気ストリーム５１、２１、３８からの空気の量は、燃料２６、２４、３７の完全な燃焼に必要とされる化学量論的量と比較して、約５％未満、約３％未満、または約２％未満の、あるいは、約０．１％〜約５％、約０．１５％〜約４％、または約０．２５％〜約３％の範囲の正味の過剰のＯ２濃度を有する、Ｏ２のほぼ化学量論的な濃度に制限されうる。加熱圧縮された空気ストリーム５１、２１、３８によって燃焼器３、４、３４に送出される空気に関してこうした化学量論的濃度を使用し、Ｏ２が枯渇した燃焼生成物ストリームをリサイクルすることによって、開示されるサイクルは、ＮＧＣＣプラントで使用される従来のガスタービンと区別される。従来のガスタービンは、圧縮された空気ストリームを使用して、燃焼器で生成される燃焼ガスを希釈し、それにより、必要とされるタービン入口温度を達成することができる。通常、全圧縮空気の約２／３が燃焼をバイパスし、これは、排ガス中に、通常、約１４％のＯ２および約３％のＣＯ２をもたらす。対照的に、本開示によるシステムは、第１の燃焼器３における燃焼および第１のタービン５における膨張によって生成される分離されたストリーム１５であって、第１の熱交換器２およびクーラ８で冷却され、凝縮された水ストリーム３１を除去された後に得られる、分離ストリーム１５をもたらすことができ、分離ストリーム１５は、典型的なガスタービンシステムについての約２％〜約４％と比較して、通常、約６％〜約１５％、約８％〜約１４％、または約１０％〜約１２％の範囲内のＣＯ２含量を有する。
【００４７】
有利には、ＣＯ２除去の場合、第１のタービン５からの放出ストリーム２８から得られる圧縮分離されたストリーム４９は、第１の熱交換器２における冷却、セパレータ９における水の除去、およびリサイクル圧縮機５３における圧縮後に、約５ｂａｒ（０．５ＰＭａ）〜約１５０ｂａｒ（１５ＰＭａ）または６．５ｂａｒ（０．６５ＰＭａ）〜約１２４ｂａｒ（１２．４ＰＭａ）の好ましい圧力範囲でかつほぼ大気温度で入手可能である。ＣＯ２のこの高い分圧は、ＣＯ２除去の資本コストを減少させ、除去効率の増加を可能にする。たとえば、燃料燃焼によって生成される全ＣＯ２ストリームの約５０％〜約８０％、約５５％〜約７５％、または約６０％〜約７０％は、好ましくは約１５ｂａｒ（１．５ＭＰａ）〜約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）でかつほぼ大気温度で、（Ｎ２＋Ａｒ）、ＣＯ２、過剰のＯ２、および気相残留水を含むことができるこの圧縮分離されたストリーム４９内で利用可能でありうる。全ＣＯ２ストリームの残りの部分は、大気圧で、かつ、約７％〜約１５％、約８％〜約１４％、または約１０％〜約１２％の範囲内の乾式モル濃度で、分離されたストリーム１５の残りの部分１７であって、圧縮分離されたストリーム４９と同じ成分を含むことができる、残りの部分１７において利用可能である。
【００４８】
本明細書で述べるシステムは、２つまたは３つの圧力レベルで空気を供給する多段空気圧縮機（第１の空気圧縮機１０、第２の空気圧縮機１１、および第３の空気圧縮機４２を備える）、および、リサイクルストリーム５７、４０、２２、１８の１つまたは複数を燃焼器３、４、３４の１つまたは複数に循環させることができる別個の高圧低圧比リサイクル圧縮機５３を備えることができる。空気圧縮機１０、１１、４２は、電気的に（たとえば、電気モータ５４によって）駆動されうる、または、タービン５、６、および３５からのシャフトパワーの少なくとも一部によって駆動されうる。空気圧縮機１０、１１、４２およびリサイクル圧縮機５３は、任意選択で、単一ドライブシステムによって駆動される単一システムとして連結されうる。あるいは、空気圧縮機１０、１１、４２および／またはリサイクル圧縮機５３は、分離され、独立に駆動されうる。
【００４９】
第１の熱交換器２は、約４００℃〜約1,２００℃、約５００℃〜約１，０００℃、または約６００℃〜約８００℃の範囲内の温度で、第１のタービン５を出て第１の熱交換器２に入る高圧タービン放出ストリーム２８の冷却を実現するように構成されうる。放出ストリーム２８によって第１のタービン５から逃がされる熱は、第１のリサイクルストリーム５７の少なくとも一部分６０を加熱するために使用されうる。全体システムの高い効率は、放出ストリーム２８の温度と加熱された第１のリサイクルストリーム５７の温度との間で比較的小さな温度差を達成することによって大きく影響を受ける。圧縮分離されたストリーム４９の比熱は、第１のタービン５からの放出ストリーム２８の比熱より著しく高いとすることができ、また、放出ストリームの流量が（凝縮されたストリーム３１および分離されたストリーム１５の残りの部分１７のせいで）圧縮分離されたストリームの流量より高くても、第１の熱交換器２の前後に比較的小さな温度差をもたらすのに不十分な放出ストリーム流が存在する場合がある。
【００５０】
この問題を克服するために、圧縮分離されたストリーム４９の一部分１６は、第２の熱交換器１内で第３のタービン３５からの放出ストリーム３９に接して予熱されうる。圧縮分離されたストリーム４９の部分１６の流量は、第２の熱交換器１において、第３のタービン３５からの放出ストリーム３９の初期温度に対して、約４０℃未満、約３０℃未満、約２０℃未満、または約１０℃未満の温度差を部分１６の流量が持つことになるように構成されうる。それにより、第１の熱交換器２を通して送られる圧縮分離されたストリーム４９の部分６０の流量は、第１のタービン５からの放出ストリーム２８の流量に対してさらに低減されることができ、比較的小さな温度差が、同様に、第１のリサイクルストリーム５７と第１のタービンからの放出ストリームとの間で達成されることができる。加熱された流れ５０を形成するために、第２の熱交換器１内で予熱される圧縮分離されたストリーム４９の部分１６は、第１の加熱されたリサイクルストリーム５７を形成するために、第１の熱交換器２によって加熱される圧縮分離されたストリームの部分６０と結合されうる。第１の熱交換器２の下流で圧縮分離されたストリーム４９の部分６０と結合するものとして示されるが、加熱された流れ５０は、代わりに、第１の熱交換器の上流で、または、熱交換器内で２つのストリームが実質的に同じ温度を有する地点でこの部分と結合することができる。
【００５１】
分離されたストリーム１５の残りの部分１７は、リサイクル圧縮機５３をバイパスし、第２のリサイクルストリーム４０として、第２の熱交換器１を通って第２の燃焼器４へ進む。上述した構成は、約１０℃〜約４０℃の範囲内の、第１の熱交換器２を出る（また、第１の加熱されたリサイクルストリーム５７を少なくとも部分的に形成する）流れと第１のタービン５からのタービン排ガス２８との間の温度差をもたらしうる。熱交換器２、１は、いくつかの実施形態では、合金６１７などの高ニッケル合金を使用するマルチチャネル拡散接合式熱交換器（たとえば、Ｍｅｇｇｉｔ  ＰＬＣのＨｅａｔｒｉｃ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎからの）または真空ろう付け式ステンレス鋼板フィン熱交換器（たとえば、Ｃｈａｒｔ  ＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓまたはＳｕｍｉｔｏｍｏ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓからの）とすることができる。他の適した熱交換器が、同様に使用されうる。
【００５２】
好ましいシステムでは、放出ストリーム２８から形成される冷却され分離されたストリーム１５の一部分１７、放出ストリーム２８から形成される冷却され分離され加圧されたストリーム４９の一部分１６、および、第２の燃焼器４および第３の燃焼器３４用の空気ストリーム２１、３８は、第２の熱交換器１内で第３のタービン３５からの放出ストリーム３９に接して加熱される。第２のリサイクルストリーム４０（たとえば、第２の熱交換器１内で加熱された後の、冷却され分離されたストリーム１５の残りの部分１７）は、燃料ストリーム２４、加熱され圧縮された空気ストリーム２１（たとえば、加熱後の空気ストリーム２０）、およびタービン放出ストリーム２８のリサイクルされる部分２２と共に第２の燃焼器４に入る。燃料ストリーム２４は、燃料圧縮機７によって、第２のリサイクルストリーム４０の圧力に実質的に等しい圧力に圧縮されうる。第２の燃焼ストリーム２３は、第２のタービン６への入口ストリームに適した（たとえば、約９００℃〜約１，６００℃の範囲内の）温度で、第２の燃焼器４から放出される。
【００５３】
第１のタービン５からのタービン放出ストリーム２８の一部分５８は、第１の熱交換器２に送られて、第１の燃焼器３に供給される第１のリサイクルストリーム５７および空気ストリーム５１に熱を提供しうる。空気ストリーム５１および第１のリサイクルストリーム５７は、約４００℃〜約９００℃、好ましくは約６００℃〜約８００℃の温度に加熱されうる。第１の熱交換器２を通って流れた後、放出ストリーム２８は、１００℃未満とすることができる温度の冷却されたストリーム３３を形成する。冷却されたストリーム３３は、クーラ８によってさらに冷却されて、平均周囲温度に実質的に等しい温度の冷却されたストリーム３２を形成し、それにより、ストリームから液体が凝縮させられることができ、その液体は、セパレータ９によって液体ストリーム３１として除去されることができる。
【００５４】
第２のタービン６からの放出ストリーム１８は、任意選択で、第３の燃焼器３４内で予熱され、第３の燃焼器３４内で、第３の燃料ストリーム３７が、第３の加熱圧縮された空気ストリーム３８によって燃焼する。第２のタービン６を出る放出ストリーム１８の再加熱は、約６００℃〜約1,８００℃、約７００℃〜約１，７００℃、または約９００℃〜約１，６００℃の範囲内の、第３のタービン３５用の入口温度を達成することができ、第２のタービンからの放出ストリームより高い温度である作動流体を第３のタービンに提供することによって、サイクル効率を上げることになる。第３のタービン３５を出る放出ストリーム３９の温度は、第２の熱交換器１の最大設計温度によって制限される約２００℃〜約９００℃の範囲まで増加することができる。第１の熱交換器２を加熱するために、第１のタービン５からの放出ストリーム２８の一部分５８を使用する実施形態では、第３の燃焼器３４および第２のタービン６は、第３のタービン３５の前後で適切な圧力比を保証するために使用されうる。一般に、第３のタービン３５は、第２のタービン６より高い圧力比および低い出口温度を有することができる。第３のタービン３５の入口温度は、できる限り高く、たとえば、第３のタービン３５の最大入口温度によって制限される約１，０００℃〜約１，６００℃の範囲内にあるべきである。
【００５５】
熱交換器２、１は、温度および圧力の設計組合せに応じて、真空ろう付け式ステンレス鋼板フィン熱交換器または拡散接合式高ニッケル合金高圧熱交換器でありうる。こうしたユニットは、たとえば、Ｓｕｍｉｔｏｍｏ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ、Ｃｈａｒｔ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、またはＨｅａｔｒｉｃによって製造される。任意選択で、熱交換器２、１の一方または両方はまた、システムに給送される燃料２５の給送ストリームの一部または全てを予熱するために使用されうる。いくつかの実施形態では、熱交換器２、１は、第１のタービン５からの放出ストリーム２８の部分５８および第３のタービン３５からの放出ストリーム３９をそれぞれ使用して、熱交換器を通してそれぞれ受取られる他の流体のそれぞれを、約１００℃未満の温度から約３００℃〜約９００℃の温度まで、好ましくは約４５０℃〜約８００℃の温度まで加熱するように構成されうる。任意選択で、タービン５、６、３５の２つまたは３つは、各タービンのそれぞれの最適速度での運転を可能にするように各タービンにおいて異なる回転速度を可能にするために共通ドライブシャフトを介してまたはギアボックスを介して単一発電機４５に連結されうる。したがって、システムは、いくつかの実施形態では、電気を発生するために使用されうる。
【００５６】
以下に提供される表１〜４は、図１に示すシステムの運転中の、種々のストリーム１２、２８、２２、２３、５８、５１、１８、２４、１９、２７、３３、３２、３１、１５、２６、および２５ならびに第２の燃焼器４における例示的な運転パラメータを示す。運転パラメータは、８８．７％タービン効率および８５％圧縮機効率を仮定して、ＩＳＯ条件において０．４５３６ｋｍｏｌ／ｈｒの純粋メタン燃料を用いた運転に基づく。図表で示すいくつかの圧縮機は、中間冷却を有する多段ユニットとして計算された。他の補助電力需要は含まれない。ＬＨＶベースでのシステムの正味の効率は、約６０％であるように計算される。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
【表２】
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【００５９】
【表３】
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【００６０】
【表４】
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【００６１】
本明細書で開示されるシステムは、知られているＮＧＣＣシステムの効率に匹敵するかまたはそれより大きい効率が、著しく低いタービン温度を使用して達成されうる点で特に有益でありうる。そのため、本発明のシステムは、現行の技術より著しく低い最大タービン温度（たとえば、タービンのうちの任意のタービンを通る流体の最大温度）を使用し、それでも、知られているＮＧＣＣシステムの効率に匹敵するかまたはそれより大きい正味の発電効率を達成しうる。いくつかの実施形態では、システムおよび方法は、全てのタービン温度についてＮＧＣＣより高い効率を提供するものとして述べられうる。
【００６２】
以前は、効率の増加を達成するために、タービン運転温度を著しく増加させることが必要であった。たとえば、従来のＮＧＣＣシステムは、約５９％のＬＨＶベースの正味の効率を達成するために、約１，５００℃の最大タービン温度を使用した。６４％ほどに大きな値の効率に達するために、知られている技術は、１，７００℃の範囲で運転する超高温ガスタービンの使用を必要とした。比較すると、本明細書で開示される本システムは、約１，２７９℃のタービン温度を使用して、約６０％のＬＨＶベースの正味の効率を達成しうる。本開示のシステムの効率と既存のＮＧＣＣシステムの効率との間のさらなる比較は、種々のタービン運転温度について表５に示される。
【００６３】
【表５】
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【００６４】
そのため、一実施形態では、開示されるシステムは、より低い最大タービン温度を使用して、従来のＮＧＣＣシステムの効率に匹敵するかまたはそれより大きい効率を達成することができる。先に述べたように、タービン温度を下げて、高温に耐えるように構成された高価な材料についての必要性を低減することによってタービンのコストを低減することが望ましい場合がある。あるいは、本明細書で開示されるシステムは、従来のＮＧＣＣシステムの同じ最大温度で運転するが、比較的高い効率を達成することができる。たとえば、一実施形態では、目下開示されているシステムまたは方法は、約１，３００℃〜約１，５００℃のタービン温度で運転するときに、少なくとも約６０％の、低加熱値ベースの正味の発電効率で運転できる。他の実施形態では、本開示によるシステムまたは方法は、以下のうちの任意のものによる低加熱値ベースの正味の発電効率で、すなわち、約１，１００℃の温度において少なくとも約５５％、約１，２００℃の温度において少なくとも約５８％、約１，４００℃の温度において少なくとも約６３％、または約１，７００℃の温度において少なくとも約６８％で運転できる。特定の実施形態では、本開示によるシステムまたは方法は、約１，５００℃未満、約１，４００℃未満、または約１，３００℃未満であるタービン温度で運転するときに、少なくとも約６０％の、低加熱値ベースの正味の発電効率で運転できる。なおさらなる実施形態では、本開示によるシステムまたは方法は、約１，１００℃〜約１，３００℃のタービン温度で運転するときに、少なくとも約５５％の、低加熱値ベースの正味の発電効率で運転できる。
【００６５】
先に述べたように、第３のタービン３５および第３の燃焼器３４は、いくつかの実施形態ではオプションである。この点に関して、図２は、第３の燃焼器、第３のタービン、または第３の空気圧縮機を含まないシステムの実施形態を示す。システムは、述べる差を除いて、図１のシステムと実質的に同様であるとすることができる。示すように、第２のタービン６からの放出ストリーム１８’は、第３の燃焼器および第３のタービンを通って最初に進むことなく、第２の熱交換器１’に送られることができる。この実施形態では、放出ストリーム１８’は、第２のタービン６と大気との間の、第２の熱交換器１’（および任意の相互接続パイピングおよび／または機器）を通した圧力降下に等しい、大気を超える圧力にあるとすることができる。この実施形態では、スクラバが使用されないことに留意されたい。そのため、冷却された放出ストリーム１９'は、スクラバを通って最初に進むことなく、大気に放出されうる。しかし、スクラバシステムはまた、図１のシステムの実施形態で示すように、この実施形態で使用されうる。
【００６６】
第３のタービンが使用されないため、第３の燃焼器ならびにそれに関連する燃料および空気ストリームが存在しないとすることができる。したがって、空気圧縮機システムは、第３の空気圧縮機を使用せず、第２の熱交換器１’は、第３の空気ストリームを加熱しないとすることができる。そのため、給送空気ストリーム１２'は、第３の空気圧縮機によって最初に圧縮されるのではなく、第２の空気圧縮機１２’に直接提供されうる。他の点において、図２のシステムは、図１のシステムと実質的に同じであるとすることができる。
【００６７】
高圧低圧比の第１のタービンの使用であって、結合された１つまたは２つのさらなる電力タービン段で膨張されることによって燃焼生成物が得られ、加圧され予熱された空気をタービン入口温度を緩和するためのリサイクルストリームと共に使用するほぼ化学量論的燃焼を用いる、高圧低圧比の第１のタービンの使用は、約５５％〜約６５％の範囲内の効率を有するシステムをもたらすことができる。システムの高圧は、プラントが、比較的低い資本コストで比較的コンパクトなフォームファクタを規定することを可能にする場合がある。システムは、ベース負荷発電について５００ＭＷを超える単一トレイン電力出力のために設計されうる。システムはまた、５０％より大きいＬＨＶベースの熱効率が達成されうる、留出低硫黄燃料を使用する船舶推進ユニットなどの低出力用途で使用されうる。
【００６８】
本明細書で述べる開示の多くの変更形態および他の実施形態を、先の説明で提示された教示の利益を受ける、本開示が関連する当業者が思い付くである。したがって、本開示が特定の実施形態に制限されないこと、および、変更形態および他の実施形態が、添付特許請求の範囲内に含まれることを意図されることが理解される。特定の用語は、本明細書で使用されるが、制限するためではなく、一般的でかつ記述的な意味でだけ使用される。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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