(57)【要約】  炭化水素回収プロセス中の、酸素燃料ベースの低排出発電のための方法およびシステムが提供される。あるシステムは、プレナムであって、燃焼後のガス成分の変更によって、所望の化学状態が達成されるように構成されるプレナムを含む。別のシステムは、制御燃料ストリームを改質して、制御燃料ストリームに比較して水素の増加によって特徴付けられる、改質された制御燃料ストリームを生成する水蒸気改質装置を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素燃料ガスタービンシステムであって、
酸素ストリームと、
二酸化炭素ストリームと、
制御燃料ストリームと、
前記酸素ストリーム、前記二酸化炭素ストリーム、および前記制御燃料ストリームを受容し、および、前記制御燃料ストリーム、前記二酸化炭素ストリーム、および前記酸素ストリームを燃焼させ、実質的に二酸化炭素と水を含む、ガス状燃焼ストリームを生成するように構成される燃焼ユニットであって、前記ガス状燃焼ストリームの温度は、少なくとも１８００度（カ氏）である燃焼ユニットと、
前記ガス状燃焼ストリームを受容し、前記ガス状燃焼ストリームを膨張させ、および、前記膨張したガス状燃焼ストリームをタービン排出ストリームとして排出するように構成されるタービンであって、前記タービン排出ストリームの温度は、少なくとも１２００度（カ氏）であるタービンと、
前記タービン排出ストリームを受容する前記タービンと、流体連通するプレナムであって、前記タービン排出ストリームの少なくとも１つの成分が、平衡に向かうように化学反応し、および、実質的に中間生成物を平衡生成物に変換する滞留時間を、供給するように構成される前記プレナムとを含むシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記ガス状燃焼ストリームが膨張した場合に、前記タービンは発電するように構成されるシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記ガス状燃焼ストリームからの前記二酸化炭素の少なくとも一部が、石油増進回収のために使用されるシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記タービン排出ストリームのそれぞれの成分の濃度が、前記それぞれの成分の平衡濃度よりも大きいが１０％未満になるまで化学反応が進むように、前記滞留時間があらかじめ定められるシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記それぞれの成分は、酸素であるシステム。
【請求項６】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記それぞれの成分は、一酸化炭素であるシステム。
【請求項７】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記それぞれの成分は、炭化水素中間体であるシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムにおいて、
前記炭化水素中間体は、未燃炭化水素であるシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記未燃炭化水素は、ホルムアルデヒドであるシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記タービンの出口における、前記タービン排出ストリームのそれぞれの成分の少なくともあらかじめ定められたパーセンテージが、前記プレナムの出口で平衡生成物に変換されるように、前記滞留時間があらかじめ定められるシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記あらかじめ定められたパーセンテージは、５０％であるシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記あらかじめ定められたパーセンテージは、７５％であるシステム。
【請求項１３】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記あらかじめ定められたパーセンテージは、９０％であるシステム。
【請求項１４】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記それぞれの成分は、酸素であるシステム。
【請求項１５】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記それぞれの成分は、一酸化炭素であるシステム。
【請求項１６】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記それぞれの成分は、炭化水素中間体であるシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムにおいて、
前記炭化水素中間体は、未燃炭化水素であるシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記未燃炭化水素は、ホルムアルデヒドであるシステム。
【請求項１９】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記タービン排出ストリームのそれぞれの成分が、石油増進回収プロセスに使用されることに適切になるまで、前記それぞれの成分が化学反応するように、前記滞留時間があらかじめ定められるシステム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムにおいて、
前記それぞれの成分は、酸素であって、前記酸素の濃度が１０ｐｐｍ以下であるシステム。
【請求項２１】
請求項１９に記載のシステムにおいて、
前記それぞれの成分は、一酸化炭素であって、前記一酸化炭素の濃度は１０００ｐｐｍ以下であるシステム。
【請求項２２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記滞留時間は、実質的に０．１秒から１０秒の間であるシステム。
【請求項２３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記滞留時間は、実質的に０．１秒と２秒の間であるシステム。
【請求項２４】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記滞留時間は、１秒以上であるシステム。
【請求項２５】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記プレナムの中心線は、実質的に１０メートルから３０メートルの間であるシステム。
【請求項２６】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記プレナムの中心線の長さは、３０メートル以上であるシステム。
【請求項２７】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記タービンが作用する前の前記ガス状燃焼ストリームの圧力は、実質的に１２バールと１８バールとの間であるシステム。
【請求項２８】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記ガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に１９００度（カ氏）と２７００度（カ氏）との間であるシステム。
【請求項２９】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記ガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に２２００度（カ氏）と２５００度（カ氏）との間であるシステム。
【請求項３０】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記ガス状燃焼ストリームの実質的に７０パーセントから８０パーセントは、二酸化炭素であるシステム。
【請求項３１】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記タービン排出ストリームの圧力は、実質的に１バールであるシステム。
【請求項３２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記タービン排出ストリームの圧力は、実質的に１バールから２バールの間であるシステム。
【請求項３３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記タービン排出ストリームの温度は、１２００度（カ氏）から１８００度（カ氏）の間であるシステム。
【請求項３４】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記タービン排出ストリームの温度は、１３５０度（カ氏）から１７００度（カ氏）の間であるシステム。
【請求項３５】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記二酸化炭素ストリームは、前記燃焼ユニットに受容される前に、１つまたは複数のコンプレッサーで圧縮されるシステム。
【請求項３６】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記プレナムは、熱回収蒸気発生器と流体連通するシステム。
【請求項３７】
請求項３６に記載のシステムにおいて、
前記熱回収蒸気発生器は、発電するように構成されるシステム。
【請求項３８】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記プレナムは、前記タービンと直接結合するシステム。
【請求項３９】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記酸素ストリームは、空気分離装置を使用して生成されるシステム。
【請求項４０】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記制御燃料ストリームは、二酸化炭素浸水貯留層および炭化水素燃料供給パイプラインの少なくとも１つから生成されるシステム。
【請求項４１】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記二酸化炭素ストリームは、前記ガス状燃焼ストリームの７０パーセントから１００パーセントの二酸化炭素を含むシステム。
【請求項４２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記二酸化炭素ストリームは、油井から生成されるシステム。
【請求項４３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記二酸化炭素ストリームは、前記酸素燃料ガスタービンシステムの起動時には、主に第１の供給源から生成され、および、前記二酸化炭素ストリームは、前記酸素燃料ガスタービンシステムが継続して運転される間は、主に第２の供給源から生成されるシステム。
【請求項４４】
請求項４３に記載のシステムにおいて、
前記第１の供給源は油井であり、前記第２の供給源は前記ガス状燃焼ストリームであるシステム。
【請求項４５】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記二酸化炭素ストリームは、前記燃焼ユニットに受容される前に、実質的に１２から１８バール（ゲージ圧）の間に圧縮されるシステム。
【請求項４６】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記プレナムは、水蒸気改質装置と流体連通し、前記水蒸気改質装置は、前記プレナム排出ストリームからの熱を使用し、前記制御燃料ストリームの水とメタンを、水素と一酸化炭素に改質するように構成されるシステム。
【請求項４７】
請求項４６に記載のシステムにおいて、
前記水蒸気改質装置は、熱回収蒸気発生器と流体連通し、および熱回収蒸気発生器の上流に位置するシステム。
【請求項４８】
請求項４６に記載のシステムにおいて、
前記水蒸気改質装置は、熱交換器と触媒を含むシステム。
【請求項４９】
ガス状燃焼ストリームを生成するように構成される燃焼ユニットと、
前記ガス状燃焼ストリームを受容し、前記ガス状燃焼ストリームを膨張させ、および、前記膨張したガス状燃焼ストリームをタービン排出ストリームとして排出するように構成されるタービンであって、前記タービン排出ストリームの温度は、少なくとも１２００度（カ氏）であるタービンと、
前記タービン排出ストリームを受容し、前記タービン排出ストリームから熱を除去し、熱を改質装置供給ストリームに伝えて、改質装置生成ストリームを生成するように構成される水蒸気改質装置とを含む酸素燃料ガスタービンシステムシステム。
【請求項５０】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
前記改質装置供給ストリームは、少なくとも制御燃料ストリームの一部を含むシステム。
【請求項５１】
請求項５０に記載のシステムにおいて、
前記改質装置供給ストリームは、蒸気を含むシステム。
【請求項５２】
請求項５１に記載のシステムにおいて、
前記改質装置供給ストリームは、二酸化炭素を含むシステム。
【請求項５３】
請求項５０に記載のシステムにおいて、
前記燃焼ユニットは、酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、および複合された燃料ストリームを受容するように構成され、前記複合された燃料ストリームは、前記制御燃料ストリームおよび前記改質装置生成ストリームの混合物を含むシステム。
【請求項５４】
請求項５３に記載のシステムにおいて、
前記燃焼ユニットは、前記酸素ストリーム、前記二酸化炭素ストリーム、および前記複合された燃料ストリームを燃焼させ、前記ガス状燃焼ストリームを生成するように構成されるシステム。
【請求項５５】
請求項５０に記載のシステムにおいて、
前記改質装置生成ストリームの一部は、さらに変化して分離され、水素リッチストリームと酸化炭素リッチストリームとを生成するシステム。
【請求項５６】
請求項５５に記載のシステムにおいて、
前記燃焼ユニットは、酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、および複合された燃料ストリームを受容するように構成され、前記複合された燃料ストリームは、前記制御燃料ストリームと前記酸化炭素リッチストリームとの混合物を含むシステム。
【請求項５７】
請求項５６に記載のシステムにおいて、
前記複合された燃料ストリームは、さらに、Ｈ2リッチストリームの一部を含むシステム。
【請求項５８】
請求項５５に記載のシステムにおいて、
前記水素リッチストリームは、製品として販売することに適切であり、または、異なるプロセスに配管されるシステム。
【請求項５９】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
さらに、前記タービン排出ストリームを冷却するために、改質装置は、熱回収蒸気発生器に結合されるシステム。
【請求項６０】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
さらに、改質装置の上流に位置するプレナムを含み、前記プレナムは、前記タービン排出ストリームのそれぞれの成分が、平衡に向かうように化学反応し、実質的に中間生成物を平衡生成物に変換する、滞留時間を供給するように構成されるシステム。
【請求項６１】
請求項６０に記載のシステムにおいて、
さらに、前記改質装置の下流に位置する熱回収蒸気発生器を含むシステム。
【請求項６２】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
さらに、改質装置の下流に結合するプレナムを含み、前記プレナムは、前記タービン排出ストリームのそれぞれの成分が、平衡に向かうように化学反応し、実質的に中間生成物を平衡生成物に変換する、滞留時間を供給するように構成されるシステム。
【請求項６３】
請求項６２に記載のシステムにおいて、
さらに、前記プレナムの下流に位置する熱回収蒸気発生器を含むシステム。
【請求項６４】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
改質装置と前記タービンの排出ノズルとの間の距離は、５メーター未満であるシステム。
【請求項６５】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
改質装置と前記タービンの排出ノズルとの間の滞留時間は、０．１秒未満であるシステム。
【請求項６６】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
前記ガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に１９００度（カ氏）から２７００度（カ氏）の間であるシステム。
【請求項６７】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
前記水蒸気改質装置は、熱回収蒸気発生器と流体連通し、熱回収蒸気発生器の上流に位置するシステム。
【請求項６８】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
前記水蒸気改質装置は、前記タービンと直接結合するシステム。
【請求項６９】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
前記水蒸気改質装置は、熱交換器と触媒を含むシステム。
【請求項７０】
酸素燃料ガスタービンシステムを使用するための方法であって、
酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、および制御燃料ストリームを供給する工程と、
前記酸素ストリーム、前記二酸化炭素ストリーム、および前記制御燃料ストリームを燃焼させて、ガス状燃焼ストリームを生成する工程と、
タービンで前記ガス状燃焼ストリームを膨張させて、膨張したガス状燃焼ストリームを形成する工程と、
実質的な化学平衡に到達するように、前記膨張したガス状燃焼ストリームに滞留時間を与える工程と、を含み、滞留時間は、前記膨張したガス状燃焼ストリームを前記滞留時間の間、保持するように構成されるプレナムによって提供される方法。
【請求項７１】
請求項７０に記載の方法において、
さらに、タービンで前記ガス状燃焼ストリームを膨張させる工程には、発電する工程が含まれる方法。
【請求項７２】
請求項７０に記載の方法において、
さらに、前記ガス状燃焼ストリームから二酸化炭素を抽出し、前記二酸化炭素を石油増進回収プロセスに適用する方法。
【請求項７３】
請求項７０に記載の方法において、
前記滞留時間は、実質的に０．１秒と１０秒の間である方法。
【請求項７４】
請求項７０に記載の方法において、
前記滞留時間は、実質的に０．１秒と２秒の間である方法。
【請求項７５】
請求項７０に記載の方法において、
前記滞留時間は、１秒以上である方法。
【請求項７６】
請求項７０に記載の方法において、
前記プレナムの中心線の長さは、実質的に１０メートルから３０メートルの間である方法。
【請求項７７】
請求項７０に記載の方法において、
前記プレナムの中心線の長さは、３０メートル以上である方法。
【請求項７８】
請求項７０に記載の方法において、
前記燃焼工程は、実質的に、１９００度（カ氏）から２７００度（カ氏）の間の温度を有するガス状燃焼ストリームを生成する方法。
【請求項７９】
請求項７０に記載の方法において、
前記燃焼工程では、実質的に、２２００度（カ氏）から２５００度（カ氏）の間の温度を有するガス状燃焼ストリームを生成する方法。
【請求項８０】
請求項７０に記載の方法において、
前記燃焼工程では、実質的に７０パーセントから８０パーセントの二酸化炭素の組成物を含む、ガス状燃焼ストリームを生成する方法。
【請求項８１】
請求項７０に記載の方法において、
さらに、前記燃焼工程前に、前記二酸化炭素ストリームを圧縮する工程を含む方法。
【請求項８２】
請求項７０に記載の方法において、
さらに、滞留時間を提供する工程の後に、前記膨張したガス状燃焼から、熱回収蒸気発生器を使用して、発電する工程を含む方法。
【請求項８３】
請求項７０に記載の方法において、
さらに、滞留時間を提供する工程の後に、前記膨張したガス状燃焼ストリームから除去された熱を使用して、メタンを改質する工程を含み、前記メタンは水素と一酸化炭素に改質される方法。
【請求項８４】
酸素燃料ガスタービンシステムを使用する方法であって、
酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、制御燃料ストリーム、および改質された制御燃料ストリームを供給する工程と、
前記酸素ストリーム、前記二酸化炭素ストリーム、および前記改質された制御燃料ストリームを燃焼させ、温度が少なくとも１８００度（カ氏）のガス状燃焼ストリームを生成する工程と、
タービンで前記ガス状燃焼ストリームを膨張させて、膨張したガス状燃焼ストリームを形成する工程と、
前記膨張したガス状燃焼ストリームから除去された熱を使用して、前記制御燃料ストリームを改質し、改質された制御燃料ストリームを形成する工程と、を含み、前記改質された制御燃料ストリームは、前記制御燃料ストリームと比較して水素の増加によって特徴付けられる方法。
【請求項８５】
請求項８４に記載の方法において、
さらに、タービンで前記ガス状燃焼ストリームを膨張させる工程に、発電する工程を含む方法。
【請求項８６】
請求項８４に記載の方法において、
前記燃焼工程では、実質的に、１９００度（カ氏）から２７００度（カ氏）の間の温度を有するガス状燃焼ストリームを生成する方法。
【請求項８７】
請求項８４に記載の方法において、
前記燃焼工程では、実質的に、２２００度（カ氏）から２５００度（カ氏）の間の温度を有するガス状燃焼ストリームを生成する方法。
【請求項８８】
請求項４９に記載のシステムにおいて、
改質装置は、水蒸気改質装置および自動熱改質装置からなる群から選択されるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、その全体が参照によって本明細書に援用される、２００９年９月１日に出願された「低排出発電および炭化水素回収のシステムおよび方法（ＬＯＷ  ＥＭＩＳＳＩＯＮ  ＰＯＷＥＲ  ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＨＹＤＲＯＣＡＲＢＯＮ  ＲＥＣＯＶＥＲＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ）」という名称の、米国仮特許出願第６１／２３８，９７１号の利益を主張する。
【０００２】
（発明の技術分野）
本発明の実施形態は、炭化水素回収プロセス中の低排出発電に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、酸素燃料の燃焼によって生成される、高タービン排出温度を使用し、（ｉ）燃焼器後のガス成分の変換を促進して、所望の化学状態が達成されるようにし、および（ｉｉ）制御燃料ストリームを改質して、水素の増加によって特徴付けられる改質された制御燃料ストリーム生成する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
このセクションでは、例示的な本発明の実施形態に関連する技術のさまざまな態様を紹介する。この議論によって、本発明の特定の態様を、よりよく理解するための手助けとなる構成を、提供することができるものと信じる。したがって、このセクションは、この観点から読まれるべきであって、必ずしも従来技術を紹介するものではないことを理解すべきである。
多くの炭化水素の回収強化作業は、以下のタイプである圧力維持法とミシブル攻法とのいずれか一つに分類できる。圧力維持法の作業では、貯留層の少なくとも最低圧力を維持するために、窒素などの不活性ガスが、主にガス貯留層に注入され、逆行凝縮を防ぎ、および全体の回収率を上げる。ミシブル攻法の作業では、二酸化炭素などのミシブルガスが、液体と混合させるために主に液体貯留層に注入されて、それらの粘度を低下させ、および圧力を増加させて、回収率を改善する。
【０００４】
多くの石油産油国は、力強い国内の電力需要の成長を経験し、および、その貯留層からの石油回収を改善するために、石油増進回収（ＥＯＲ）に興味を持っている。２つのＥＯＲ技術に共通に含まれるのは、ＥＯＲのための、貯留層圧力維持法での窒素（Ｎ2）注入と、ミシブル攻法での二酸化炭素（ＣＯ2）注入である。それと同時に、温室効果ガス（ＧＨＧ）の排出に関する世界的懸念である。ＣＯ2の排出を低減する、多くの国々のキャップ・アンド・トレード政策の導入と関連する、この関心事は、炭化水素生産システムをそこで稼働させる会社ばかりではなく、これらおよび他の国々にとっても最重要なことである。
ＣＯ2の排出を低減するいくつかのアプローチには、燃料の脱炭素化、または、燃焼後の捕捉がある。しかしながら、これらの解決法の両方とも高価であり、および発電効率を低減させるので、結果として、電力生産が低下し、燃料需要が増加し、および、国内の電力需要を満たすための電力コストが増加する。別のアプローチは、複合サイクルの酸素燃料ガスタービン（たとえば、ガスタービンブレイトンサイクルからの排熱が、蒸気を生成するために使用され、ランキンサイクルで追加的なパワーを生成する）である。しかしながら、高純度酸素を生成するために要求されるパワーは、全体のプロセス効率を著しく低減させる。幾つかの研究によってこれらの工程が比較され、および、それぞれのアプローチのいくつかの利点が示された。例えば、ＢＯＬＬＡＮＤ、ＯＬＡＶ，およびＵＮＤＲＵＭ、ＨＥＮＲＩＥＴＴＥらの「ガスタービン発電プラントからのＣＯ2の除去（Ｒｅｍｏｖａｌ  ｏｆ  ＣＯ2  ｆｒｏｍ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｌａｎｔｓ）」、および、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｅｒｇｙ．ｓｉｎｔｅｆ．ｎＯ／ｐｕｂｌ／ｘｅｒｇｉ／９８／３／３ａｒｔ−８−ｅｎｇｅｌｓｋ．ｈｔｍ（１９９８）で見つけられる、ＳＩＮＴＥＦ  Ｇｒｏｕｐの「燃焼前および燃焼後の方法の評価（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｒｅ−  ａｎｄ  ｐｏｓｔ−ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄｓ）」を参照。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それにもかかわらず、低排出、高効率発電および炭化水素回収プロセスに対して、実質的な需要がさらにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
低排出、高効率発電および炭化水素回収プロセスが、「低排出発電および炭化水素回収のシステムおよび方法」という名称のＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３８２４７号に記載されており、これは、２００８年３月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／０７２，２９２号、および２００９年２月１８日に出願された米国特許仮出願第６１／１５３，５０８号（参照によってこれらの全体が本明細書に援用される）の利益を主張する。本発明は、ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３８２４７号の方法およびシステムの改良を構成する。
さらに詳しくは、本発明の一実施形態は、酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、制御燃料ストリーム、燃焼ユニット、タービン、およびプレナムを含む。燃焼ユニットは、酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、および制御燃料ストリームを受容し、燃焼するように構成されて、実質的に二酸化炭素と水を含むガス状燃焼ストリームを生成する。ガス状燃焼ストリームの温度は、少なくとも１８００度（カ氏）である。タービンは、ガス状燃焼ストリームを受容し、ガス状燃焼ストリームを膨張させ、および、膨張したガス状燃焼ストリームを、タービン排出ストリームとして排出するように構成される。タービン排出ストリームの温度は、少なくとも１２００度（カ氏）である。プレナムは、タービン排出ストリームを収容するタービンと流体連通する。プレナムは、タービン排出ストリームの少なくとも１つの成分が、平衡に向かうように化学反応し、実質的に中間生成物を平衡生成物に変換するための、滞留時間を供給するように構成される。
【０００７】
本発明の別の実施形態は、燃焼ユニット、タービン、および水蒸気改質装置を含む。燃焼ユニットは、ガス状燃焼ストリームを生成するように構成される。タービンは、ガス状燃焼ストリームを受容し、ガス状燃焼ストリームを膨張させ、および、膨張したガス状燃焼ストリームを、タービン排出ストリームとして排出するように構成される。タービン排出ストリームの温度は、少なくとも１２００度（カ氏）である。水蒸気改質装置は、タービン排出ストリームおよび制御燃料ストリームを受容し、タービン排出ストリームから熱を除去し、および、熱を改質装置供給ストリームに伝えて、改質装置生成ストリームを生成するように構成される。
本発明のさらに別の実施形態は、酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、および制御燃料ストリームを提供する工程と；酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、および制御燃料ストリームを燃焼させて、ガス状燃焼ストリームを生成する工程と；タービンでガス状燃焼ストリームを膨張させて、膨張したガス状燃焼ストリームを形成する工程と；および、実質的な化学平衡に到達するように、膨張したガス状燃焼ストリームに滞留時間を与える工程と、を含み、該滞留時間は、膨張したガス状燃焼ストリームを滞留時間の間保持するように構成されるプレナムによって提供される。
【０００８】
本発明のさらにまた別の実施形態は、酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、制御燃料ストリーム、および改質された制御燃料ストリームを提供する工程と；酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、および改質された制御燃料ストリームを燃焼させ、ガス状燃焼ストリームを生成する工程と；タービンでガス状燃焼ストリームを膨張させて、膨張したガス状燃焼ストリームを形成する工程と、；および、膨張したガス状燃焼ストリームから除去された熱を使用して、制御燃料ストリームを改質し、改質された制御燃料ストリームを形成する工程と、を含む。ガス状燃焼ストリームの温度は、少なくとも１８００度（カ氏）である。改質された制御燃料ストリームは、制御燃料ストリームと比較して水素の増加によって特徴付けられる。
本発明の前述した利点および他の利点は、以下の詳細な説明、および、実施形態による非限定的な例を示す図面を参照することによって、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の１つまたは複数の態様と関連して実施される、低排出発電および炭化水素回収のための、酸素燃料ベースのシステムを示す。
【図２】本発明の１つまたは複数の態様と関連して実施される、タービンおよび熱回収蒸気発生器の構成を示す。
【図３】本発明の１つまたは複数の態様と関連して実施される、低排出発電および炭化水素回収のための、酸素燃料ベースのシステムを示す。
【図４】本発明の実施形態による、低排出発電および炭化水素回収のための酸素燃料ベースのシステムを示す。
【図５】本発明の別の実施形態による、低排出発電および炭化水素回収のための酸素燃料ベースのシステムを示す。
【図６Ａ】本発明のさらに他の実施形態による、低排出発電および炭化水素回収のための酸素燃料ベースのシステムを示す。
【図６Ｂ】本発明のさらに他の実施形態による、低排出発電および炭化水素回収のための酸素燃料ベースのシステムを示す。
【図７】本発明の実施形態による酸素燃料ガスタービンシステムの使用方法のフローチャートを示す。
【図８】本発明の別の実施形態による酸素燃料ガスタービンシステムの使用方法のフローチャートを示す。
【図９】圧力、温度および等量比のさまざまな範囲にわたる、ガス状燃焼ストリーム中の酸素の平衡濃度（モル分率）を示す。
【図１０】温度および等量比のさまざまな範囲にわたる、ガス状燃焼ストリーム中の、一酸化炭素（ＣＯ）の平衡濃度（モル分率）を示す。
【図１１】４０ｍｓという限られた滞留時間後の、圧力、温度および等量比のさまざまな範囲にわたる、ガス状燃焼ストリーム中の酸素の酸素濃度（モル分率）を示す。
【図１２】火炎温度と等量比のさまざまな範囲に対して、反応が１０％平衡内に進行するまでに要求される、滞留時間を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（定義）
本明細書で使用する場合、「ひとつ（ａ）」または「ひとつ（ａｎ）」の要素とは、１つまたは複数の要素をいう。このように、用語「ひとつ（ａ）」（またはひとつ（ａｎ）」）、「１つまたは複数の（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ」、および「少なくとも１つ（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ」は、明細書において特に制限が記載されていない場合には、同義で使われ得る。
本明細書で使用する場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」は、この用語の前に挙げられた対象と、この用語の後に挙げられた１つ又はそれ以上の要素とをつなぐために用いられる非制限的なつなぎ用語（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｔｅｒｍ）であり、つなぎ用語の後に列挙された１つ又は複数の要素だけが必ずしもその対象を構成する要素ではない。
【００１１】
本明細書で使用する場合、用語「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」「含む（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」および「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」と同一の非制限的な意味である。
本明細書で使用する場合、用語「含む（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｈａｓ）」および「含む（ｈａｖｅ）」は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」と同一の非制限的な意味である。
【００１２】
本明細書で使用する場合、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」と同一の非制限的な意味である。
本明細書で使用する場合、用語「等量比」とは、燃焼器に入る酸素に対する燃料の質量比を、比が化学量論的である場合の、酸素に対する燃料の質量比で除したものをいう。
本明細書で使用する場合、「化学量論的」混合物とは、燃料および酸化剤から成る一体積の反応物と、反応物の全体積が生成物を形成するために使用される場合の、該反応物を燃焼することによって形成される一体積の生成物を含む混合物である。
【００１３】
（詳細な説明）
以下の詳細な説明のセクションでは、好ましい実施形態に関連する、特定の本発明の実施形態が記載される。しかしながら、以下の記載は、本発明の特定の実施形態または特定の使用を特定するものであって、例示的な目的だけを意図し、単に例示的な実施形態の記載を提供するものである。したがって、本発明は以下に記載される特定の実施形態には限定されず、むしろ、添付の特許請求の範囲の真の精神および範囲に含まれる、すべての代替形態、修正形態、および均等形態を含む。
低排出、高効率炭化水素回収プロセスは、２００８年３月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／０７２，２９２号、および２００９年２月１８日に出願された米国特許仮出願第６１／１５３，５０８号の利益を主張する、「低排出発電および炭化水素回収のシステムおよび方法（ＬＯＷＥＭＩＳＳＩＯＮＰＯＷＥＲＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮＡＮＤＨＹＤＲＯＣＡＲＢＯＮＲＥＣＯＶＥＲＹＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＳ）」という名称のＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３８２４７号に記載される。
【００１４】
図１を参照すると、本発明の１つまたは複数の態様と関連して実施される、低排出発電および炭化水素回収のための、酸素燃料ベースのシステム１００が提供される。システム１００は、通常、酸素ストリーム１０８、二酸化炭素ストリーム１１０、および、炭化水素ベースの燃料ストリーム（ＨＣ）などの制御燃料ストリーム１１２を生成するために、酸素（Ｏ2）供給源１０２、二酸化炭素（ＣＯ2）供給源１０４および制御燃料供給源１０６をそれぞれ含む。少なくとも１つの実施形態では、ＣＯ2ストリーム１１０は、昇圧コンプレッサー１１８などのコンプレッサーを使用して、圧縮されてもよい（たとえば、１２〜１８バール（ゲージ圧）の間の圧力）。別の実施形態では、ＣＯ2ストリーム１１０は、すでに圧力がかかったＣＯ2供給源によって特徴づけられてもよい。ストリーム１０８、１１０、および１１２は、燃焼ユニット１２０に供給され（すなわち、受容され）、燃焼されて、ガス状燃焼ストリーム１２２を生成する。一般的に、ガス状燃焼ストリーム１２２は、１２バールから１８バールの間の圧力の、二酸化炭素（ＣＯ2）と水（Ｈ2Ｏ）を含む。さらに詳しくは、ガス状燃焼ストリーム１２２は、少なくとも一つの実施形態では、７０パーセントから８０パーセントがＣＯ2であってもよい。しかしながら、ガス状燃焼ストリーム１２２は、特定用途の設計基準に適合する、適切な濃度（単数または複数）および適切な圧力（単数または複数）の、すべての成分を含んでもよい。さらに、ガス状燃焼ストリーム１２２の温度は、印加されるＣＯ2ストリーム１１０の比率によって調節される。たとえば、一実施形態では、ガス状燃焼ストリーム１２２の温度は、１８００度（カ氏）以上である。少なくとも一つの他の実施形態では、ガス状燃焼ストリーム１２２の温度は、実質的に１９００度（カ氏）から２７００度（カ氏）である。なお別の実施形態では、ガス状燃焼ストリーム１２２の温度は、実質的に２２００度（カ氏）から２５００度（カ氏）である。しかしながら、ガス状燃焼ストリーム１２２の温度は、特定用途の設計基準から結果として生じる、いかなる適切な温度であってもよい。
【００１５】
一般的に、ガス状燃焼ストリーム１２２は、タービン１２４に受容され、タービン１２４で膨張する。少なくとも１つの実施形態では、タービン１２４は、タービン１２４でのストリーム１２２の膨張によって、タービン１２４に結合する発電機１２６によって発電される電力などを、発電するように構成される。膨張したストリーム１２２は、次にタービン排出ストリーム１２８として排出される。少なくとも１つの実施形態では、タービン排出ストリーム１２８の圧力は、実質的に１バールに等しい。別の実施形態では、タービン排出ストリーム１２８の圧力は、実質的に１バールから２バールである。しかしながら、タービン排出ストリーム１２８は、特定用途の設計基準から結果として生じる、いかなる適切な圧力であってもよい。同様に、少なくとも一つの実施形態では、タービン排出ストリーム１２８の温度は、実質的に１２００度（カ氏）から１８００度（カ氏）の間である。少なくとも一つの他の実施形態では、タービン排出ストリーム１２８の温度は、実質的に１３５０度（カ氏）から１７００度（カ氏）の間である。しかしながら、タービン排出ストリーム１２８は、特定用途の設計基準から結果として生じる、いかなる適切な温度であってもよい。
【００１６】
以下の段落で記載されるように、排出ストリーム１２８は、特定用途の設計基準を満たす、１つまたは複数の追加のデバイスおよび／または構造とともに実装されてもよい。図１に示すように、ストリーム１２８は、図２で詳細に記載される、電力を生成するために、しばしば補助電力と称する、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１３０に受容される。ＨＲＳＧは、通常、温度が低減されたガス排出ストリーム１３２を排出／通過させる。
多様な冷却技術（たとえば、１４０）および圧縮技術（たとえば、１４２）が、特定用途の設計基準に適合するように、ガス排出ストリーム１３２またはガス排出ストリーム１３２の成分に適用されてもよい。たとえば、燃焼排気ガス冷却１４０は、結果として生じるストリーム１５２中のＣＯ2濃度がストリーム１３２中のＣＯ2濃度よりも大きくなるように、ストリーム１３２から水（Ｈ2Ｏ）１５０を分離するように実装されてもよい。結果として得られるストリーム１５２のすべてまたは一部は、次に圧縮され（たとえば、コンプレッサー１４２によって）および／または他の方法で、石油増進回収（ＥＯＲ）１６０などの、１つまたは複数の工程に使用されるように構成される。同様に、結果として得られるストリーム１５２のすべて、または一部（たとえば、７０％〜１００％）は（圧縮され、または他の方法で）、ＣＯ2ストリーム１１０として再循環させてもよい。
【００１７】
図２は、本発明の１つまたは複数の態様と関連して実施される、タービン１２４および熱回収蒸気発生器１３０の構成２００を示す。図２に示すように、熱回収蒸気発生器１３０は、タービン排出ストリーム１２８と接触する、蒸気２０４を生成するための熱交換器（たとえば、蒸気コイル）２０２を含んでもよい。蒸気２０４は、蒸気タービン２１０で膨張し、発電する。蒸気タービン排出ストリーム２０４’は、さらに、復水器であり得るシステム２０８で、蒸気凝縮、水補充、ガス抜き等が実施され、および、ポンプされて（たとえば、ポンプ２０６によって）、再び熱交換器２０２に入る前に高圧になる。発電機２１２は、蒸気タービン２１０の蒸気２０４の膨張によって電力を生成するように、蒸気タービン２１０と結合していてもよい。
図３を参照すると、本発明の１つまたは複数の態様と関連して実施される、低排出発電および炭化水素回収としての酸素燃料ベースのシステム３００が示される。システム３００は、同様に、例示的な酸素供給源１０２、二酸化炭素供給源１０４および制御燃料供給源１０６とともに、図１に示されるシステム１００に実装されてもよい。さらに詳しくは、図３示される実施形態では、空気分離装置（ＡＳＵ）システム３０２は、酸素ストリーム１０８を生成するために使用される。窒素（Ｎ2）は、ＡＳＵを使用して生成されてもよく、および、貯留層圧力維持法の窒素注入などの、１つまたは複数の相補的なプロセスに使用されてもよい。
【００１８】
同様に、制御燃料ストリーム１１２は、二酸化炭素浸水貯留層（油井など）３０４および／または炭化水素燃料供給ライン３０６から生成されてもよい。少なくとも１つの実施形態では、二酸化炭素ストリーム１１０も、油井３０４から生成されてもよい。当然のことながらシステム３００では、システム３００を起動する間は、二酸化炭素ストリーム１１０として一つの供給源（たとえば、ストリーム１５２）を利用し、および、システム３００が継続して動作する間は第２の供給源（たとえば、貯留層／油井３０４）を利用すること、またはその逆を選択することが可能である。
図４を参照すると、本発明の実施形態による、低排出発電および炭化水素回収のための酸素燃料ベースのシステム４００の図が示されている。システム４００は、システム１００および／またはシステム３００にプレナム４０２が実装されてもよい。プレナム４０２は、タービン１２４と流体連通し、少なくとも一つの実施形態では、タービン排出ストリーム１２８を受容するタービン１２４と、直接結合してもよい。同様にプレナム４０２は、熱回収蒸気発生器と流体連通してもい。プレナム４０２は、タービン排出ストリーム１２８のそれぞれの成分が化学反応を継続できる、滞留時間を供給するように構成される。
【００１９】
発電用途に使用される、従来の非酸素燃料高圧燃焼器では、ガスは、タービンに入る前に、燃焼器に短時間（たとえば、４０ｍｓ）だけ滞留する。反応速度は温度が低くなると小さくなるので、ガスがタービンの膨張器を通過することで冷却されて、反応は効果的に「凍結」される。該システムでは、反応は平衡に達することはできず、および、該システムの下流では化学反応は測定可能速度では継続しない。本発明は、通常は反応を促進するには十分な温度を有する、高温のタービン排出ストリームを生成するように、酸素燃料燃焼システムの温度、圧力およびガス組成物を構成する。タービン排出ストリーム（たとえば、１２８）のぞれぞれの成分が、プレナム４０２を出た後に、所望の反応状態になるように到達する、または実質的に到達するまで、該それぞれの成分が反応を継続する、適切な滞留時間を提供するように、本発明に記載されるプレナム４０２は、設計されて実装される。結果として得られるプレナム排出ストリーム４０４は、パイプラインまたは他の特定用途の特定の組成設計基準を満たすように、次に続くプロセス（たとえば、ＥＯＲ）で使用される。
【００２０】
一実施形態では、タービン排出ストリーム１２８の少なくとも１つの成分が、反応が実質的に平衡に到達する（すなわち、１つまたは複数の中間生成物が、実質的に平衡生成物に変換される）まで、化学反応を継続するように、滞留時間があらかじめ決定される。少なくとも１つの実施形態では、実質的な平衡は、タービン排出ストリーム１２８のそれぞれの成分（たとえば、酸素、一酸化炭素、炭化水素中間体、未燃炭化水素中間体、ホルムアルデヒド、および／または同種のもの）の濃度が、それぞれの成分の平衡濃度よりも大きいが１０％未満になる、化学反応点であると考えられてもよい。
なお別の実施形態では、タービン１２４の出口で、タービン排出ストリーム１２８のそれぞれの成分（たとえば、酸素、一酸化炭素、炭化水素中間体、未燃炭化水素中間体、ホルムアルデヒド、および／または同種のもの）の少なくともあらかじめ定められたパーセンテージ（たとえば、５０％、７５％、９０％等）が、プレナム４０２の出口で平衡生成物に変換されるように、滞留時間があらかじめ定められてもよい。
【００２１】
または、タービン排出ストリーム１２８の少なくとも１つの成分が化学反応して、該それぞれの成分（単数または複数）が石油増進回収プロセスでの使用に適切になるように、滞留時間があらかじめ定められてもよい。少なくとも１つ該実施形態では、それぞれの成分は、酸素および一酸化炭素を含んでもよく、並びに、該成分は、酸素の濃度が１０ｐｐｍ以下、および一酸化炭素の濃度が、１００万分の１０００ｐｐｍ以下の場合に、石油増進回収プロセスでの使用に適切になるように決定されてもい。
本発明の１つまたは複数の実施形態は、実質的に０．１秒から１０秒の間である滞留時間を提供する、プレナム４０２を含んでもよい。別の実施形態では、プレナム４０２は、実質的に０．１秒から２秒の間である滞留時間を提供してもよい。なお別の実施形態では、プレナム４０２は、１秒を越える滞留時間を提供してもよい。しかしながら、プレナム４０２は、特定用途の設計基準に適合する、すべての適切な滞留時間を提供するように構成される。
【００２２】
滞留時間は、本質的にプレナム４０２を通過するガス速度とプレナム４０２の容積の関数であることが、本明細書から理解されるであろう。このように、プレナム４０２の容積は、タービン排出ストリーム１２８の密度を知ることによって、所望の滞留時間を達成するように決定される。少なくとも１つの実施形態では、プレナム４０２の断面積は一定であり、中心線の長さ４０６（図２に図示される）は、実質的に１０メートルから３０メートルの間である。なお別の実施形態では、プレナム４０２の断面積は一定であり、中心線の長さ４０６は３０メーター以上である。しかしながら、プレナムは、特定用途の設計基準に適合する、すべての適切な容積、形状（不規則な形状を含む）および／または中心線の長さ４０６であってもよい。
したがって、図４は、特に、タービン排出ストリーム（たとえば、１２８）のぞれぞれの生成が、所望の化学組成物（すなわち、反応状態）に到達する（あるいは実質的に到達する）まで反応を継続する、適切な滞留時間を提供するように設計され、実装されるプレナム（たとえば、４０２）を含む、本発明の実施形態４００を示す。
【００２３】
図５は、前述のシステム（たとえば、１００、３００および４００）と同様に実装されることができる、別の酸素燃料ベースのシステム５００を示す。さらに詳しくは、システム５００は、熱交換器と触媒とを、それ自体が含む水蒸気改質装置５０２を含む。水蒸気改質装置５０２は、水蒸気改質装置または自動熱改質装置などの、特定用途の設計基準に適合する、任意の好適な種類の改質装置である。水蒸気改質装置５０２は、タービン排出ストリーム１２８、制御燃料ストリーム１１２の少なくとも一部、および水供給源５０８からの水ストリーム５０６を受容するように構成される。一般的に、改質装置５０２への入力物は、改質装置供給ストリームと称してもよく、および、少なくとも一つの実施形態では、蒸気および／または二酸化炭素を含む。タービン排出ストリーム１２８からの熱は、水ストリーム５０６と制御燃料ストリーム１１２（たとえば、制御燃料ストリーム１１２のメタン）との間の吸熱、触媒蒸気改質反応を促進し、改質された制御燃料ストリーム５０４を生成する。一般的に、改質装置５０２の出力物を、改質装置生成ストリームと称する。一実施形態では、改質装置生成ストリームは、さらに、変化して分離され、水素リッチストリームおよび／または二酸化炭素リッチストリーム（図示せず）を生成する。水素リッチストリームは適切に販売され、または異なるプロセスに配管されてもよい。
【００２４】
改質された制御燃料ストリーム５０４は、通常、制御燃料ストリーム１１２と比較して、水素の増加によって特徴付けられ、および一実施形態では、実質的に水素と一酸化炭素から成る。改質された制御燃料ストリーム５０４は、次に、図１の制御燃料ストリーム１１２に代わって、燃焼ユニット１２０に供給される。少なくとも１つの実施形態では、改質された制御燃料ストリーム５０４は、燃料制御ストリーム１１２からの初期の炭化水素燃料の一部、水素リッチストリームの一部、二酸化炭素リッチストリームの一部、および／またはそれらの組み合わせを含む。
一般的に水蒸気改質装置５０２は、タービン１２４と流体連通し、および少なくとも一つの実施形態では改質装置５０２は、直接、タービン１２４と結合してもよい。さらに、本発明の１つまたは複数の実施形態では、熱回収蒸気発生器１３０と流体連通し、および熱回収蒸気発生器１３０の上流に位置する水蒸気改質装置５０２を含む。すなわち、熱回収蒸気発生器１３０は、改質装置排出ガス５１０を受容する。
【００２５】
図６Ａは、同様に、前述のシステム（たとえば、１００、３００、４００および５００）が実装されてもよい、さらに別の酸素燃料ベースのシステム６００を示す。さらに詳しくは、システム６００は、プレナム４０２と水蒸気改質装置５０２を含む。図示されるように、プレナム４０２は、タービン１２４と流体連通してもよく、および、先に記載されたように、システム４００と接続されて動作してもよい。同様に、熱交換器と触媒を装置自体が含む改質装置５０２は、プレナム４０２と流体連通してもよく、および、たとえば、制御燃料ストリーム１１２のメタンと、水ストリーム５０６の水から、水素と一酸化炭素を生成して改質するように、プレナム排出ストリーム４０４からの熱を使用するように構成されてもよい。１つまたは複数の実施形態では、改質装置排出ガス５１０は、次に、改質装置５０２の下流に位置する熱回収蒸気発生器１３０に供給される。
このように、少なくとも一つの実施形態では、システム４００と接続して記載されたプレナム４０２、および、システム５００と接続して記載された水蒸気改質装置５０２は、特定用途の設計基準に適合するように、単一システム（たとえば、６００）に好都合に実装されてもよい。
【００２６】
図６Ｂは、システム６００と同様に実装されてもよい、さらに別の酸素燃料ベースのシステム６５０を示す。さらに詳しくは、システム６５０は、水蒸気改質装置５０２の下流に結合したプレナム４０２、およびプレナム４０２の下流に位置した熱回収蒸気発生器１３０を含む。該実施形態では、改質装置５０２は、タービン１２４と直接流体連通、および／または、タービン１２４と直接結合してもよい。少なくとも１つの実施形態では、改質装置５０２とタービン１２４の排出ノズル（図示せず）との間の距離は、５メーター未満である。同様に、改質装置５０２とタービン１２４の排出ノズルとの間の滞留時間は、０．１秒未満であってもよい。しかしながら、特定用途の設計基準に適合する、すべての適切な距離および／またはすべての適切な滞留時間が、システム６５０に実装されてもよい。
【００２７】
図７を参照すると、本発明の実施形態による酸素燃料ガスタービンシステムで使用するための方法７００のフローチャートが提供される。方法７００は、（それぞれ）図１、図３、図４、図５および図６Ａに関連して先に記載された、システム１００、システム３００、システム４００、システム５００、システム６００および／またはシステム６５０、並びに／または、特定用途の設計基準に適合するすべての適切なシステムと、接続して有利に実装されてもよい。方法７００は、通常は、連続的に実施される複数のブロックまたは工程（たとえば、工程７０２、工程７０４、工程７０６、および同種のもの）を含む。当業者であれば理解するように、図７に示された工程の順番は例示であって、および、１つまたは複数の工程の順番は、本発明の精神および範囲内において修正されてもよい。加えて、方法７００の工程は、少なくとも１つが非連続（すなわち、非逐次的）な順番で、実施されてもよく、および特定用途の設計基準に適合するように、１つまたは複数の工程が省略されてもよい。ブロック７０２は、方法７００への入力点を示す。
【００２８】
ブロック７０４は、酸素ストリーム（たとえば、１０８）、二酸化炭素ストリーム（たとえば、１１０）、および制御燃料ストリーム（たとえば、１１２）を供給する工程を示す。
ブロック７０６は、二酸化炭素（ＣＯ2）を圧縮するオプション工程を示す。少なくとも１つの実施形態では、ＣＯ2は、１２から１８バール（ゲージ圧）の間で圧縮されてもよい。しかしながら、ＣＯ2は、特定用途の設計基準に適合する、いかなる適切な圧力に圧縮されてもよい。少なくとも１つの実施形態では、燃焼器（たとえば、１２０）でのＣＯ2の圧力は、実質的に、供給源（たとえば、１０４）でのＣＯ2圧力と同等であってもよい。該実施形態では、供給源を出た後の圧縮は不要である。
【００２９】
ブロック７０８は、酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、および制御燃料ストリームを燃焼させて、ガス状燃焼ストリームを生成する工程（たとえば、１２２）を示す。一般的に、ガス状燃焼ストリームは、１２バールから１８バールの間の圧力のＣＯ2と水を含む。さらに詳しくは、ガス状燃焼ストリームは、７０パーセントから８０パーセントがＣＯ2であってもよい。しかしながら、ガス状燃焼ストリームは、特定用途の設計基準に適合する、適切な濃度（単数または複数）および適切な圧力（単数または複数）の、すべての成分を含んでもよい。一実施形態では、ガス状燃焼ストリームの温度は、１８００度（カ氏）以上である。別の実施形態ではガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に１９００度（カ氏）と２７００度（カ氏）との間である。なお別の実施形態では、ガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に２２００度（カ氏）から２５００度（カ氏）の間である。しかしながら、ガス状燃焼ストリームの温度は、特定用途の設計基準に適合するすべての適切な温度であってもよい。
【００３０】
ブロック７１０は、タービン（たとえば、１２４）でガス状燃焼ストリームを膨張させ、膨張したガス状燃焼ストリーム（たとえば、タービン排出ストリーム１２８）を生成する工程を示す。膨張したガス状燃焼ストリームの温度は、類似する非酸素燃料ガスタービンシステムの排出温度よりも高い。少なくとも１つの実施形態では、膨張したガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に１２００度（カ氏）から１８００度（カ氏）の間である。少なくとも一つの他の実施形態では、膨張したガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に１３５０度（カ氏）から１７００度（カ氏）の間である。しかしながら、膨張したガスタービンストリームは、特定用途の設計基準から結果として生じる、すべての適切な温度であってもよい。
ブロック７１２は、タービン（すなわち、ブロック７１０）のガスストリームの膨張によって、発電するオプション工程を示す。
【００３１】
ブロック７１４は、膨張したガス状燃焼ストリームが、実質的な化学平衡などの、所望の化学状態に到達するための、滞留時間を提供する工程を示す。少なくとも１つの実施形態では、滞留時間の間、膨張したガス状燃焼ストリームを保持するように構成されたプレナム（たとえば、４０２）によって、該滞留時間が提供される。図４に関連して記載したように、プレナムは、所望の化学状態（たとえば、平衡、実質的な平衡、石油増進回収プロセス等のための適切な組成）が達成されるように、適切な滞留時間の間、膨張したガス状燃焼ストリームを保持するように構成されてもよい。たとえば、少なくとも一つの実施形態では、プレナムの中心線の長さは、実質的に１０メートルから３０メートルの間であってもよい。別の実施形態では、プレナムの中心線の長さは、３０メーター以上であってもよい。同様に、一実施形態では、滞留時間は、実質的に０．１０秒から１０秒の間であってもよい。別の実施形態では滞留時間は、実質的に０．１０秒から２秒の間であってもよい。なお別の実施形態では滞留時間は、１秒以上であってもよい。ブロック７１４から方法７００は、１つまたは複数のブロック７１６、７１８、７２０および／または７２２などのオプション工程のいずれかの番号（または、いずれでもない）を通って下に向かってもよい。
【００３２】
ブロック７１６は、滞留時間を提供する工程（すなわち、ブロック７１４）後の、膨張したガス状燃焼ストリームから、熱回収蒸気発生器（たとえば、１３０）を使用して、発電をするオプション工程を示す。
ブロック７１８は、膨張したガス状燃焼ストリームから除去された熱を使用して、制御燃料ストリーム（たとえば、メタン）から、たとえば、水素と一酸化炭素を生成するオプション工程を示す。
最後に、ブロック７２０およびブロック７２２は、それぞれ、オプション工程である、（たとえば、ガス状燃焼ストリームから）二酸化炭素を抽出する工程、および、石油増進回収プロセスに二酸化炭素を添加する工程を示す。
ブロック７２４は、方法７００からの出口を示す。
【００３３】
図８では、本発明の別の実施形態による酸素燃料ガスタービンシステムを、使用するための方法８００フローチャートが提供される。方法８００は、（それぞれ）図１、図３、図４、図５および図６Ａと関連して先に記載された、システム１００、システム３００、システム４００、システム５００、システム６００および／またはシステム６５０、並びに／または、特定用途の設計基準に適合するすべての適切なシステムに接続して有利に実装されてもよい。方法８００は、通常、連続的に実施される複数のブロックまたは工程（たとえば、８０２、８０４、８０６、および同種のもの）を含む。当業者であれば理解できるように、図８に示された工程の順番は例示であって、および、１つまたは複数の工程の順番は、本発明の精神および範囲内において修正されてもよい。加えて、方法８００の工程は、少なくとも１つが非連続（すなわち、非逐次的）な順番で、実施されてもよく、および、特定用途の設計基準に適合するように、１つまたは複数の工程が省略されてもよい。ブロック８０２は、方法８００への入力点を示す。
【００３４】
ブロック８０４は、酸素ストリーム（たとえば、１０８）、二酸化炭素ストリーム（たとえば、１１０）、制御燃料ストリーム（たとえば、１１２）、および改質された制御ストリーム（たとえば、５０４）を供給する工程を示す。
ブロック８０６は、二酸化炭素（ＣＯ2）を圧縮するオプション工程を示す。少なくとも１つの実施形態では、ＣＯ2は、１２から１８バール（ゲージ圧）の間で圧縮されてもよい。しかしながら、ＣＯ2は、特定用途の設計基準に適合する、いかなる適切な圧力に圧縮されてもよい。少なくとも１つの実施形態では、燃焼器（たとえば、１２０）でのＣＯ2の圧力は、実質的に、供給源（たとえば、１０４）でのＣＯ2圧力と同等であってもよい。該実施形態では、供給源を出た後の圧縮は不要である。
【００３５】
ブロック８０８は、酸素ストリーム、二酸化炭素ストリーム、および改質された制御燃料ストリームを燃焼させ、ガス状燃焼ストリームを生成する工程（たとえば、１２２）を示す。一般的に、ガス状燃焼ストリームは、１２バールから１８バールの間の圧力のＣＯ2および水（Ｈ2Ｏ）を含む。さらに詳しくは、ガス状燃焼ストリームは、７０パーセントから８０パーセントがＣＯ2であってもよい。しかしながら、ガス状燃焼ストリームは、特定用途の設計基準に適合する、適切な濃度（単数または複数）および適切な圧力（単数または複数）の、すべての成分を含んでもよい。一実施形態では、ガス状燃焼ストリームの温度は、１８００度（カ氏）以上である。少なくとも一つの他の実施形態ではガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に１９００度（カ氏）と２７００度（カ氏）との間である。なお別の実施形態では、ガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に２２００度（カ氏）から２５００度（カ氏）の間である。しかしながら、ガス状燃焼ストリームの温度は、特定用途の設計基準に適合するすべての適切な温度であってもよい。
【００３６】
ブロック８１０は、タービン（たとえば、１２４）のガス状燃焼ストリームを膨張させ、膨張したガス状燃焼ストリーム（たとえば、タービン排出ストリーム１２８）を生成する工程を示す。膨張したガス状燃焼ストリームの温度は、類似する非酸素燃料ガスタービンシステムの排出温度よりも高い。少なくとも１つの実施形態では、膨張したガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に１２００度（カ氏）から１８００度（カ氏）の間である。少なくとも一つの他の実施形態では、膨張したガス状燃焼ストリームの温度は、実質的に１３５０度（カ氏）から１７００度（カ氏）の間である。しかしながら、膨張したガスタービンストリームは、特定用途の設計基準から結果として生じる、すべての適切な温度であってもよい。
ブロック８１２は、タービン（すなわち、ブロック８１０）でのガスストリームの膨張によって、発電するオプション工程を示す。
【００３７】
ブロック８１４は、膨張したガス状燃焼ストリームから除去された熱を使用して、制御燃料ストリームを改質し、改質された制御燃料ストリームを形成する工程を示す。一般的に、改質された制御燃料ストリームは、制御燃料ストリームと比較すると、水素の増加によって特徴付けられてもよい。ブロック８１４から、方法８００は、１つまたは複数のブロック８１６、８１８、および／または８２０などのオプション工程のいずれかの番号（または、いずれでもない）を通って下に向かってもよい。
ブロック８１６は、改質工程（すなわち、ブロック８１４）後の、膨張したガス状燃焼ストリームから、熱回収蒸気発生器（たとえば、１３０）を使用して、発電をするオプション工程を示す。
ブロック８１８およびブロック８２０は、それぞれ、オプション工程であり、（たとえば、ガス状燃焼ストリームから）二酸化炭素を抽出する工程、および、石油増進回収プロセスに二酸化炭素を添加する工程プロセスを示す。
ブロック８２２は、方法８００からの出口を示す。
【００３８】
（シミュレーション）
図９、図１０、図１１および図１２を参照すると、シミュレーション結果を示す多くの図が提供される。当然のことながら、これらの図、および、それに続く対応する記載によって具体化される情報は、これに限定されるわけではないが、本発明に追加的な見識として、提供されることを宣言する。
まとめると、図９と図１０は、それぞれ、火炎温度、圧力（すなわち、実線によって示される１バール、破線によって示される１２バール、および点線によって示される３０バール）、および等量比（すなわち、Ｏ2に対するメタンの比が０．９５、１、１．０５および１．１）の範囲における、ＣＯ2ストリーム中のＯ2／メタン燃焼のための、Ｏ2とＣＯの平衡モル分率を示す。一般的には、平衡組成とは、長時間にわたってすべての種の濃度が一定である状態をいう。平衡での混合物の組成は、温度、圧力および組成物の組成に依存する。ＣＯ2ストリームがＥＯＲのために使用される、または、パイプラインで輸送される、酸素燃料燃焼器の場合には、Ｏ2およびＣＯの濃度は、できるだけ小さいことが望まれる。図９および図１０のグラフは平衡を示し、したがって、反応が平衡状態に進んだ場合には、Ｏ2およびＣＯ濃度は可能な限り小さい。
【００３９】
図９のグラフ９００に関しては、プロット９０２は圧力１バールでの等量比０．９５を示し、９０４は圧力１２バールでの等量比０．９５を示し、および９０６は圧力３０バールでの等量比０．９５を示す。同様に、プロット９１０は圧力１バールでの等量比１を示し、９１２は圧力１２バールでの等量比１を示し、および９１４は圧力３０バールでの等量比１を示す。プロット９２０は圧力１バールでの等量比１．０５を示し、９２２は圧力１２バールでの等量比１．０５を示し、および９２４は圧力３０バールでの等量比１．０５を示す。最後に、プロット９３０は圧力１バールでの等量比１．１を示し、９３２は圧力１２バールでの等量比１．１を示し、および９３４は圧力３０バールでの等量比１．１を示す。
【００４０】
図１０のグラフ１０００に関しては、プロット１００２は圧力１バールでの等量比１．１を示し、１００４は圧力１２バールでの等量比１．１を示し、および１００６は圧力３０バールでの等量比１．１を示す。同様に、プロット１０１０は圧力１バールでの等量比１．０５を示し、１０１２は圧力１２バールでの等量比１．０５を示し、および１０１４は圧力３０バールでの等量比１．０５を示す。プロット１０２０は圧力１バールでの等量比１を示し、１０２２は圧力１２バールでの等量比１を示し、および１０２４は圧力３０バールでの等量比１を示す。最後に、プロット１０３０は圧力１バールでの等量比０．９５を示し、１０３２は圧力１２バールでの等量比０．９５を示し、および１０３４は圧力３０バールでの等量比０．９５を示す。
既に述べたように、ガスタービンなどの発電デバイスに使用される従来の高圧燃焼器に対して、複雑な要素は、ガス状燃焼ストリームが、タービンに入る前に、４０ｍｓ程度の比較的短い時間だけ燃焼器の中に滞留するということである。その結果、ガスがタービンの膨張器を通ることで冷却されることによって、反応が抑えられるので、組成が「凍結」される。測定可能な速度で、反応が平衡方向に進行するために十分なエネルギーがない（すなわち低温度）。
【００４１】
図１１は、凍結Ｏ2濃度と平衡濃度との間の違いの大きさを示す。図１１では、カ氏１７００度および１気圧での等量比１で、Ｏ2モル分率が約０．００８に凍結されることを示す。それに対して、図９の同じ条件に対する平衡Ｏ2モル分率は、０．００１であるので約８倍小さい。
酸素燃料ガスタービンの提案構成では、温度、圧力および反応組成物は、演算される滞留時間にわたって、平衡方向へ反応が継続するように進めるために、十分に高い温度のタービン排出ストリームを生成するように構成される。たとえば、可能性があるタービン吸気口の温度である、１７５０ケルビン（カ氏２６９０度）が、グラフ９００、グラフ１０００およびグラフ１１００上で、「Ｂ」でラベルされた線によって示される。線「Ｂ」は、約３００ｐｐｍ〜５００ｐｐｍのＯ2平衡レベルを示す。しかしながら、グラフ１１００の線Ｂは、４０ｍｓ後の現実のＯ2濃度が、グラフ９００の対応する線Ｂによって示される、平衡レベルよりも大きい値の単位まで上昇することを示す。グラフ１１００の線ＢでのＯ2レベルは、１０００ｐｐｍ（１２バール、φ＝１．０）よりも大きいことが示される。Ｏ2の該濃度は、通常、パイプライン（すなわち、ダウンホール）用途では、容認できないほど高い。タービンでの膨張後に、該タービン排出温度は、約１２００ケルビンになることが見込まれる。化学反応が平衡に向かって進行することができる、システムにプレナムが組み込まれる場合には、グラフ１０００中で線「Ａ」で示される、Ｏ2モル分率は、０．００００１（１０ｐｐｍ）未満である。
【００４２】
図１２のグラフ１２００は、長い滞留時間によって、Ｏ2濃度が減少することを示す。グラフ１２００は、火炎中の酸素のピークレベルから、ピークレベルの１０％に低減されるまでに、Ｏ2に要求される時間（τ１０％）をプロットしている。たとえば、グラフ９００の線Ａによって示される１２００ケルビンのタービン排出温度では、要求される滞留時間は１秒を越える可能性がある。
本発明は、さまざまな修正形態および代替形態が可能であり、並びに、上記で論じた例示的な実施形態は、実施例としてのみ示される。本発明は、明細書に開示された特定の実施形態に限定されるものではないことを理解するべきである。実際、本発明は、添付の特許請求の範囲の真の精神および範囲に含まれる、すべての代替形態、修正形態、および均等物を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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