(57)【要約】  低エミッションタービンシステム中の酸化剤供給量を制御して化学量論的又は実質的に化学量論的燃焼条件を維持するシステム、方法及び装置が提供される。１つ又は２つ以上の実施形態では、このような制御は、燃焼チャンバへの酸化剤の一貫した質量流量の送り出しを保証する方法又はシステムによって達成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型のシステムであって、
圧縮再循環流の存在下で１種類又は２種類以上の酸化剤と１種類又は２種類以上の燃料を燃焼させるよう構成された燃焼チャンバを有し、前記燃焼チャンバが第１の放出物流を膨張機に差し向けてガス状排出物流を生じさせ且つ主圧縮機を少なくとも部分的に駆動するガスタービンシステムと、
前記１種類又は２種類以上の酸化剤を圧縮して圧縮された酸化剤流を前記燃焼チャンバに差し向けるよう構成された入口圧縮機と、
排ガス再循環システムと、を備え、
前記主圧縮機は、前記ガス状排出物流を圧縮し、それにより圧縮状態の再循環流を生じさせ、
前記燃焼チャンバ内における反応条件は、化学量論的又は実質的に化学量論的である、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記１種類又は２種類以上の酸化剤を前記入口圧縮機への導入前に冷却するよう構成された１つ又は２つ以上の冷却装置を更に含む、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記１種類又は２種類以上の酸化剤は、周囲条件よりも少なくとも約２０°Ｆ（−６．７℃）低い温度まで冷却される、
請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記冷却装置からの冷却状態の酸化剤を受け水滴を前記酸化剤流から前記入口圧縮機への前記酸化剤流の導入前に除去するよう構成された分離器を更に含む、
請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記冷却装置は、冷却流体として冷媒を用いる熱交換器である、
請求項２記載のシステム。
【請求項６】
前記１種類又は２種類以上の酸化剤の圧力を前記入口圧縮機への導入前に増大させるよう構成されたブロワを更に含む、
請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記ブロワは、可変周波数駆動装置によって制御される、
請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記入口圧縮機は、入口案内ベーンを有する、
請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記入口圧縮機は、前記入口圧縮機から過剰の酸化剤を放出するよう構成された弁が設けられているベント流を更に有する、
請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記弁は、前記入口圧縮機からの前記過剰酸化剤を前記入口圧縮機の吐出圧力よりも低い圧力で放出するよう構成されている、
請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
動力を発生させる方法であって、
１種類又は２種類以上の酸化剤を入口圧縮機内で圧縮して圧縮酸化剤を生じさせるステップと、
圧縮再循環排ガスの存在下において前記圧縮酸化剤及び少なくとも１種類の燃料を燃焼チャンバ内で燃焼させ、それにより放出物流を生じさせるステップと、
前記放出物流を膨張機内で膨張させて主圧縮機を少なくとも部分的に駆動すると共にガス状排出物流を生じさせるステップと、
前記ガス状排出物流を排ガス再循環システムに差し向けるステップと、を含み、前記主圧縮機は、前記ガス状排出物流を圧縮し、それにより圧縮状態の再循環流を生じさせ、
前記燃焼チャンバ内における反応条件は、化学量論的又は実質的に化学量論的である、
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記１種類又は２種類以上の酸化剤を前記入口圧縮機に導入する前に前記１種類又は２種類以上の酸化剤を冷却装置内で冷却するステップを更に含む、
請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記１種類又は２種類以上の酸化剤は、周囲条件よりも少なくとも約２０°Ｆ（−６．７℃）低い温度まで冷却される、
請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記冷却装置からの冷却状態の酸化剤を受け取ると共に分離器内で水滴を前記酸化剤流から前記入口圧縮機への前記酸化剤流の導入前に除去するステップを更に含む、
請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記冷却装置は、冷却流体として冷媒を用いる熱交換器である、
請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
ブロワを用いて前記１種類又は２種類以上の酸化剤の圧力を前記入口圧縮機への導入前に増大させるステップを更に含む、
請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記ブロワは、可変周波数駆動装置によって制御される、
請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記入口圧縮機は、入口案内ベーンを有する、
請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
前記入口圧縮機から過剰の酸化剤を逃がすステップを更に含む、
請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記過剰酸化剤は、前記入口圧縮機から前記入口圧縮機の吐出圧力よりも低い圧力で逃がされる、
請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記圧縮再循環流は、前記ガス状排出物流を補充し又はこれに取って代わる蒸気冷却剤を含む、
請求項１記載のシステム。
【請求項２２】
前記蒸気冷却剤を提供する水再循環ループを更に含む、
請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
蒸気冷却剤を前記圧縮再循環流に加えて前記ガス状排出物流を補充し又はこれに取って代わるようにするステップを更に含む、請求項１１記載の方法。
【請求項２４】
前記蒸気冷却剤を提供するための水再循環ループを更に含む、
請求項２３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、低エミッション動力発生又は発電に関する。特に、本発明の実施形態は、低エミッションタービンシステムの燃焼チャンバへの酸化剤への供給量を制御して化学量論的又は実質的に化学量論的燃焼条件を達成して維持する方法及び装置に関する。
【０００２】
本願は、２０１１年３月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／４６６，３８４号（発明の名称：LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS HAVING A MAIN AIR COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO）及び２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３０号（発明の名称：LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS IMCORPORATING INLET COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO）の優先権主張出願であり、これら米国特許仮出願の両方を参照により引用し、これらの記載内容全体を本明細書の一部とする。
【０００３】
〔関連出願の説明〕
本願は、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３６号（発明の名称：SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS）、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３７号（発明の名称：SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS）、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３９号（発明の名称：SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION COMBINED TURBINE SYSTEMS）、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０４１号（発明の名称：LOW EMISSION POWER GENERATION SYSTEMS AND METHODS INCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION）、２０１１年３月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／４６６，３８１号（発明の名称：METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO ）、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３５号（発明の名称：METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO）、２０１１年３月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／４６６，３８５号（発明の名称：METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION ON A FIXED GEOMETRY GAS TURBINE SYSTEM AND APPARATUS AND SYSTEMS RELATED THERETO ）、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３１号（発明の名称：SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS）に関し、これら米国特許仮出願の全てを参照により引用し、これらの記載内容全体を本明細書の一部とする。
【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態様を紹介するものである。この説明は、本発明の特定の態様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】
多くの産油国は、電力需要における強い国内成長を経験しており、石油・原油の貯留層からの石油・原油の回収を向上させるために石油・原油の回収増進（ＥＯＲ）に関心がある。２つの通常のＥＯＲ技術としては、貯留層圧力維持のための窒素（Ｎ2）注入及びＥＯＲ用の混和性フラッディングのための二酸化炭素（ＣＯ2）注入が挙げられる。また、温室効果ガス（ＧＨＧ）エミッションに関する世界的な懸念が存在する。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、これらの国及び炭化水素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】
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、費用が高くつ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上での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、アミン溶剤吸収の利用は、極めて問題となっている。別の対策は、複合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、このような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。
【０００７】
さらに、地球規模の天候の変化及び二酸化炭素エミッションの影響に関する懸念が増大している状態で、発電所からの二酸化炭素エミッションを最小限に抑えることに重点が置かれている。ガスタービン複合サイクル発電プラントは、効率が良く、しかも原子力発電又は石炭発電技術と比較すると低コストである。ガスタービン複合サイクルプラントの排出物から二酸化炭素を捕捉することは、次の理由、即ち、（ａ）排気筒中のＣＯ2の濃度が低いこと、（ｂ）処理される必要のあるガスの量が多いこと、（ｃ）排出物流の圧力が低く且つ排出物流中に存在する酸素の量が多いことにより費用が極めて高くつく。これら要因の全ての結果として、複合サイクル発電プラントからのＣＯ2捕捉のコストは高い。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、低エミッションで高効率の動力発生及びＣＯ2捕捉又は製造プロセスに関する相当な必要性が依然として存在する。
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本明細書で説明する複合サイクル発電プラントでは、典型的な天然ガス複合サイクル（ＮＧＣＣ）プラントにおいてガス抜きされる低エミッションガスタービンからの排ガスは、これとは異なり、冷却されてガスタービン主圧縮機入口に再循環される。過剰圧縮新鮮空気ではなく再循環排ガスが、燃焼の生成物を膨張機内の材料限度まで冷却するために用いられる。本発明の装置、システム、および方法によって、低エミッションガスタービンが、広い範囲の周囲状況にわたって、化学量論的燃焼のような好ましい燃焼態様を維持できる。１つ又は２つ以上の実施形態では、化学量論的燃焼を排ガス再循環と組み合わせることによって、再循環ガス中のＣＯ2の濃度を増大させる一方で過剰Ｏ2の存在を最小限に抑え、これらの両方により、ＣＯ2回収が容易になる。１つ又は２つ以上の実施形態では、本明細書において説明する低エミッションタービンシステムは、酸化剤として空気を採用する。
【００１０】
本発明は、低エミッションタービンシステム内の酸化剤供給量を制御して化学量論的又は実質的に化学量論的燃焼条件を維持するシステム、方法及び装置に関する。１つ又は２つ以上の実施形態では、このような制御は、燃焼チャンバへの酸化剤の一貫した質量流量の送り出しを保証する方法又はシステムによって達成される。例示としては、酸化剤供給物を冷やして一定の温度（及び密度及び体積）を維持し、可変周波数駆動装置を備えたブロワを用いて酸化剤供給物の一定密度を維持し、そして入口圧縮機に設けられた入口案内ベーン（羽根）を用いて燃焼チャンバに供給される酸化剤の一定体積を維持する方法及びシステムが挙げられるがこれらには限定されない。
【００１１】
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】
【００１２】
【図１】低エミッション動力発生及びＣＯ2回収率の向上のための一体型システムを示す図である。
【図２】低エミッション動力発生及びＣＯ2回収率の向上のための一体型システムを示す図であり、酸化剤供給物が入口圧縮機に入る前に冷やされる状態を示す図である。
【図３】低エミッション動力発生及びＣＯ2回収率の向上のための一体型システムを示す図であり、可変周波数駆動装置付きのブロワを用いて入口圧縮機への酸化剤供給物の密度を維持する状態を示す図である。
【図４】低エミッション動力発生及びＣＯ2回収率の向上のための一体型システムであって、入口案内ベーン及び入口圧縮機に設けられたブローダウン弁を有する一体型システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
本明細書で用いられている「天然ガス」という用語は、原油井（随伴又は付随ガス）および／又は地下ガス貯留地層（非随伴ガス）から得られた多成分ガスを意味している。天然ガスの組成及び圧力は、千差万別であると言える。典型的な天然ガス流は、主要成分としてメタン（ＣＨ4）を含み、即ち、天然ガス流の５０ｍｏｌ％より多くがメタンである。天然ガス流は、エタン（Ｃ2Ｈ6）、これよりも分子量の高い炭化水素（例えば、Ｃ3〜Ｃ20炭化水素）、１種類又は２種類以上の酸性ガス（例えば、硫化水素）又はこれらの任意の組み合わせを更に含む場合がある。天然ガスは、微量の汚染物質、例えば水、窒素、硫化鉄、蝋、原油又はこれらの任意の組み合わせを更に含む場合がある。
【００１６】
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に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含む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、約０．９：１〜約１．１：１、より好ましくは約０．９５：１〜約１．０５：１の等量比を有する燃焼反応を意味している。本明細書において、「化学量論的」という用語は、別段の指定がなければ「化学量論的」条件と「実質的に化学量論的」条件の両方を含むことを意味している。
【００１７】
本明細書で用いられる「流（又は流れ）」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、運動中の所与の量の流体（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。
【００１８】
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可能である。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燃焼させると同時に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、燃焼温度及び次の膨張機に入る煙道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。
【００１９】
ほぼ化学量論的条件における燃焼（又は「僅かにリッチ（濃厚）」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。煙道ガスを冷却すると共に凝縮を行うことにより流れから水を除去することによって、比較的高いＣＯ2含有量の流れ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大気中に放出されるＳＯX、ＮＯX又は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。例えば、パージ流をＣＯ2分離器内で処理するのが良く、ＣＯ2分離器は、窒素富化ガスを放出するようになっており、このような窒素富化ガスを次にガス膨張機内で膨張させると、追加の機械的動力を生じさせることができる。本明細書において開示するシステムの利用の結果として、動力の発生及び経済的に一層効率的なレベルでの追加のＣＯ2の製造又は捕捉が得られる。しかしながら、化学量論的条件からの逸脱を回避するためには燃焼器に供給される酸化剤の量を厳密に制御しなければならない。本発明は、このような制御を達成するためのシステム及び方法を提供する。
【００２０】
１つ又は２つ以上の実施形態では、本発明は、入口圧縮機、ガスタービンシステム及び排ガス再循環システムを含む一体型システムに関する。ガスタービンシステムは、圧縮再循環流の存在下において１種類又は２種類以上の酸化剤及び１種類又は２種類以上の燃料を燃焼させるよう構成された燃焼チャンバを含む。入口圧縮機は、１種類又は２種類以上の酸化剤を圧縮し、圧縮状態の酸化剤流を燃焼チャンバに差し向け、ここでは、燃焼の反応条件は、化学量論的又は実質的に化学量論的である。燃焼チャンバは、第１の放出物流を膨張機に差し向けてガス状排出物流を生じさせると共に主圧縮機を少なくとも部分的に駆動し、主圧縮機は、ガス状排出物流を圧縮し、それにより圧縮状態の再循環流を生じさせる。
【００２１】
１種類又は２種類以上の実施例では、システムは、１種類又は２種類以上の酸化剤を入口圧縮機への導入前に冷却するよう構成された１つ又は２つ以上の冷却装置を更に含む。例えば、酸化剤は、周囲空気温度よりも少なくとも約５°Ｆ（−１５℃）、少なくとも約１０°Ｆ（−１２．２℃）、少なくとも約１５°Ｆ（−９．４℃）、少なくとも約２０°Ｆ（−６．７℃）、少なくとも約２５°Ｆ（−３．９℃）、少なくとも約３０°Ｆ（−１．１℃）、少なくとも約３５°Ｆ（１．７℃）、少なくとも約４０°Ｆ（４．４４℃）低い温度まで冷却されるのが良い。同じ又は他の実施形態では、冷却装置に入る酸化剤と冷却装置から出る酸化剤との温度差は、少なくとも約５°Ｆ（−１５℃）、少なくとも約１０°Ｆ（−１２．２℃）、少なくとも約１５°Ｆ（−９．４℃）、少なくとも約２０°Ｆ（−６．７℃）、少なくとも約２５°Ｆ（−３．９℃）、少なくとも約３０°Ｆ（−１．１℃）、少なくとも約３５°Ｆ（１．７℃）、少なくとも約４０°Ｆ（４．４℃）である。１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却装置は、トリム冷却器又は類似の装置及びこれらの組み合わせであっても良い。更に、冷却装置は、このような用途に適した任意の公知の冷却流体、例えば冷水若しくは海水又は冷媒、例えば非ハロゲン化炭化水素、フルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、無水アンモニア、プロパン、二酸化炭素、プロピレン等を採用することができる。或る特定の実施形態では、システムは、冷却装置からの冷却状態の酸化剤を受け取ると共に水滴を酸化剤流から入口圧縮機への酸化剤流の導入前に除去するよう構成された分離器を更に含むのが良い。分離器は、意図した使用に適した任意の装置であって良く、例えばベーンパック、メッシュパッド又は他の曇り防止装置である。
【００２２】
同じ又は他の実施形態では、本発明の一体型システムは、１種類又は２種類以上の酸化剤の圧力を入口圧縮機への導入前に増大させるよう構成されたブロワを更に含むのが良い。或る特定の実施形態では、ブロワは、可変周波数駆動装置によって制御されるのが良い。
【００２３】
本発明の別の実施形態では、入口圧縮機は、入口案内ベーンを有する。入口案内ベーンは、静止状態であっても良く、調節可能であっても良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、入口案内ベーンは、調節可能である。同じ又は他の実施形態では、入口圧縮機は、入口圧縮機から過剰の酸化剤を放出するよう構成された弁が設けられているベント流を更に有するのが良い。ベント流は、ベント流の流量を変化させることができるよう構成された弁又は他の装置、例えばブローダウン弁を備えるのが良い。
【００２４】
１つ又は２つ以上の実施形態では、本発明は又、動力を発生させる方法を提供する。このような方法は、１種類又は２種類以上の酸化剤を入口圧縮機内で圧縮して圧縮酸化剤を生じさせるステップと、圧縮再循環排ガスの存在下において且つ化学量論的又は実質的に化学量論的な条件下において圧縮酸化剤及び少なくとも１種類の燃料を燃焼チャンバ内で燃焼させ、それにより放出物流を生じさせるステップと、放出物流を膨張機内で膨張させて主圧縮機を少なくとも部分的に駆動すると共にガス状排出物流を生じさせるステップと、ガス状排出物流を排ガス再循環システムに差し向けるステップとを含む。主圧縮機は、ガス状排出物流を圧縮し、それにより圧縮状態の再循環流を生じさせる。
【００２５】
１つ又は２つ以上の実施形態では、本発明の方法は、１種類又は２種類以上の酸化剤を入口圧縮機に導入する前に１種類又は２種類以上の酸化剤を冷却装置内で冷却するステップを更に含む。例えば、酸化剤は、周囲空気温度よりも少なくとも約５°Ｆ（−１５℃）、少なくとも約１０°Ｆ（−１２．２℃）、少なくとも約１５°Ｆ（−９．４℃）、少なくとも約２０°Ｆ（−６．７℃）、少なくとも約２５°Ｆ（−３．９℃）、少なくとも約３０°Ｆ（−１．１℃）、少なくとも約３５°Ｆ（１．７℃）、少なくとも約４０°Ｆ（４．４℃）低い温度まで冷却されるのが良い。同じ又は他の実施形態では、冷却装置に入る酸化剤と冷却装置から出る酸化剤との温度差は、少なくとも約５°Ｆ（−１５℃）、少なくとも約１０°Ｆ（−１２．２℃）、少なくとも約１５°Ｆ（−９．４℃）、少なくとも約２０°Ｆ（−６．７℃）、少なくとも約２５°Ｆ（−３．９℃）、少なくとも約３０°Ｆ（−１．１℃）、少なくとも約３５°Ｆ（１．７℃）、少なくとも約４０°Ｆ（４．４℃）である。同じ又は他の実施形態では、本発明の方法は、冷却装置からの冷却状態の酸化剤を受け取ると共に分離器内で水滴を酸化剤流から入口圧縮機への酸化剤流の導入前に除去するステップを更に含む。
【００２６】
１つ又は２つ以上の実施形態では、本発明の方法は、ブロワを用いて１種類又は２種類以上の酸化剤の圧力を入口圧縮機への導入前に増大させるステップを更に含む。ブロワは、可変周波数駆動装置によって制御されるのが良い。
【００２７】
１つ又は２つ以上の実施形態では、入口圧縮機は、入口案内ベーンを有するのが良い。同じ又は他の実施形態では、本発明の方法は、例えばブローダウン弁を備えたベント流によって入口圧縮機から過剰の酸化剤を逃がすステップを更に含むのが良い。
【００２８】
次に図を参照すると、本発明の種々の実施形態は、図１に示された基本的ケースを参照すると最も良く理解できる。図１は、改良型燃焼後ＣＯ2捕捉プロセスを提供するよう構成された動力発生システム１００を示している。少なくとも１つの実施形態では、動力発生システム１００は、閉鎖ブレイトンサイクルとして特徴付けできるガスタービンシステム１０２を含むのが良い。一実施形態では、ガスタービンシステム１０２は、共通シャフト１０８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膨張機１０６に結合された第１又は主圧縮機１０４を有するのが良く、それにより膨張機によって生じた機械的エネルギーの一部分が圧縮機１０４を駆動することができる。シャフト１０８は、任意の機械的、電気的又は他の動力結合手段であって良く、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。膨張機１０６は、他の使用のためにも、例えば第２又は入口圧縮機１１８に動力供給するために動力を発生させることができる。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、標準型ガスタービンの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。
【００２９】
ガスタービンシステム１０２は、圧縮酸化剤１１４と混合された燃料流１１２を燃焼させるよう構成された燃焼チャンバ１１０を更に含むのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、燃料流１１２は、任意適当な炭化水素のガス又は液体、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（バイオ燃料）、酸素化炭化水素原料油又はこれらの組み合わせを含むのが良い。圧縮酸化剤１１４は、燃焼チャンバ１１０に流体結合されると共に供給酸化剤１２０を圧縮するようになった第２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、供給酸化剤１２０は、酸素を含有した任意適当なガス（気体）、例えば空気、酸素に富んだ空気又はこれらの組み合わせを含むことができる。
【００３０】
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煙道ガスを含む圧縮再循環流１４４も又受け入れるのが良い。圧縮再循環流１４４を主圧縮機１０４から導くのが良く、このような圧縮再循環流は、圧縮酸化剤１１４及び燃料流１１２の燃焼を容易にするのに役立ち、更に作業流体中のＣＯ2濃度を増大させるようになっている。膨張機１０６の入口に差し向けられる放出物流１１６を圧縮再循環流１４４の存在下において燃料流１１２及び圧縮酸化剤１１４の燃焼生成物として生じさせることができる。少なくとも１つの実施形態では、燃料流１１２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）の体積部分を含む放出物１１６が生じる。幾つかの実施形態では、未燃焼燃料１１２又は他の化合物の僅かな部分も又、燃焼平衡上の制限に起因して放出物１１６中に存在する場合がある。放出物流１１６が膨張機１０６中で膨張すると、それにより主圧縮機１０４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増大したＣＯ2含有量を有するガス状排出物流１２２が生じる。
【００３１】
動力発生システム１００は、排ガス再循環（ＥＧＲ）システム１２４を更に含むのが良い。図示のＥＧＲシステム１２４は、種々の装置を含むが、図示の構成例は、例示であるに過ぎず、本明細書に記載した目的を達成するために排ガス１２２を再循環させて主圧縮機に戻す任意のシステムを使用することができる。１つ又は２つ以上の実施形態では、ＥＧＲシステム１２４は、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呼ばれる）（ＨＲＳＧ）１２６又はこれに類似した装置を含むのが良い。ガス状排出物流１２２をＨＲＳＧ１２６に送るのが良く、その目的は、蒸気１３０の流れ及び冷却排ガス１３２を生じさせることにある。オプションとして、蒸気１３０を蒸気ガスタービン（図示せず）に送って追加の電力を発生させるのが良い。このような構成では、ＨＲＳＧ１２６と蒸気ガスタービンの組み合わせは、閉鎖ランキンサイクルとして特徴付け可能である。ＨＲＳＧ１２６及び蒸気ガスタービンは、ガスタービンシステム１０２と組み合わさった状態で、複合サイクル発電プラント、例えば天然ガス複合サイクル（ＮＧＣＣ）プラントの一部をなすことができる。
【００３２】
１つ又は２つ以上の実施形態では、ＨＲＳＧ１２６を出た冷却状態の排ガス１３２は、少なくとも１つの冷却ユニット１３４に送られるのが良く、このような少なくとも１つの冷却ユニットは、冷却排ガス１３２の温度を減少させて冷却状態の再循環ガス流１４０を生じさせるよう構成されている。１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却ユニット１３４は、本明細書においては、直接接触型冷却器（ＤＣＣ）であると考えられるが、任意適当な冷却装置、例えば直接接触型冷却器、トリム冷却器、機械的冷凍ユニット又はこれらの組み合わせであっても良い。冷却ユニット１３４は又、水ドロップアウト流（図示せず）を介して凝縮水の一部分を除去するよう構成されているのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却排ガス流１３２を冷却ユニット１３４に流体結合されたブロワ又はブースト圧縮機１４２に差し向けられるのが良い。このような実施形態では、圧縮排ガス流１３６は、ブロワ１４２を出て冷却ユニット１３４に差し向けられる。
【００３３】
ブロワ１４２は、冷却排ガス流１３２の圧力を増大させるよう構成されているのが良く、その後、冷却排ガス流１３２は、主圧縮機１０４中に導入される。１つ又は２つ以上の実施形態では、ブロワ１４２は、冷却排ガス流１３２の全体的密度を増大させ、それにより体積流量が同一の場合に増大した質量流量を主圧縮機１０４に差し向ける。主圧縮機１０４は、代表的には体積流量が制限されているので、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、主圧縮機１０４からの吐出圧力が高くなる場合があり、それにより膨張機１０６前後の圧力比が高くなる。膨張機１０６前後で生じる高い圧力比により、入口温度を高くすることができ、従って膨張機１０６の電力及び効率が増大する。これは、ＣＯ2リッチ放出物１１６が一般に高い比熱容量を維持するので有利であることが言える。したがって、冷却ユニット１３４及びブロワ１４２は、組み込まれた場合、各々ガスタービンシステム１０２の作動を最適化し又は向上させるよう構成できる。
【００３４】
主圧縮機１０４は、ブースト圧縮機１４２から受け取った冷却再循環ガス流１４０を圧縮して、燃焼チャンバ１１０の圧力よりも名目上、高い圧力まで圧縮するよう構成されているのが良く、それにより圧縮された再循環流１４４が生じる。少なくとも１つの実施形態では、パージ流１４６を圧縮再循環流１４４から取り出し、次にＣＯ2分離器又は他の装置（図示せず）内で処理し、ＣＯ2を捕捉するのが良い。分離されたＣＯ2を販売のために利用することができ、二酸化炭素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に陸上リザーバ中に注入することができる。
【００３５】
本明細書において説明しているＥＧＲシステム１２４は、動力発生システム１００の作業流体中にＣＯ2の高い濃度を達成するよう具体化可能であり、それにより次の隔離、圧力維持又はＥＯＲ用途のための効果的なＣＯ2分離が可能である。例えば、本明細書において開示する実施形態は、煙道ガス排出物流中のＣＯ2の濃度を約１０体積％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、燃料流１１２と圧縮酸化剤１１４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。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。本発明の実施形態は、本質的に、作業流体から過剰酸素をなくすことができ、それと同時にそのＣＯ2組成を増量させることができる。したがって、ガス状排出物流１２２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％以下の酸素を含むことが可能である。
【００３６】
図示していない幾つかの実施形態では、高圧流も又、燃焼プロセスでは、再循環排ガスに代えて又はこれに加えて冷却剤として使用できる。このような実施形態では、蒸気の追加により、ＥＧＲシステムの電力及びサイズに関する要件が緩和される（又は、ＥＧＲシステム全体が不要になる）が、水再循環ループの追加が必要になる場合がある。
【００３７】
更に、図示されていない別の実施形態では、燃焼チャンバへの圧縮酸化剤供給物は、アルゴンを含むのが良い。例えば、酸化剤は、約０．１〜約５．０体積％のアルゴン、約１．０〜約４．５体積％のアルゴン、約２．０〜約４．０体積％のアルゴン、約２．５〜約３．５体積％のアルゴン又は約３．０体積％のアルゴンを含むのが良い。当業者であれば理解されるように、アルゴンを圧縮酸化剤供給物中に混入するには、主圧縮機と燃焼チャンバとの間に過剰ＣＯ2を再循環流から除去し、アルゴンを燃焼に適当な温度で燃焼チャンバに戻すよう構成された交差型熱交換器又はこれに類似した装置を主圧縮機と燃焼チャンバとの間に追加することが必要な場合がある。
【００３８】
図２〜図４は、燃焼チャンバ１１０に送られる酸化剤の量に対するより正確な制御を可能にするようになった図１の基準システム１００の改造例を示している。酸化剤供給量に対する制御の強化は、システム内又は外部環境内におけるどこか他の場所の変化とは無関係に化学量論的燃焼条件の一貫した維持を可能にする。
【００３９】
次に図２を参照すると、システム２００として具体化されると共に説明される図１の動力発生システム１００の変形実施形態が示されている。したがって、図２は、図１を参照すると最も良く理解できる。図２のシステム２００では、供給物酸化剤１２０は、入口圧縮機１１８に送られる前に冷やされる。入口圧縮機１１８を出る酸化剤の質量は、主として、入口圧縮機１１８に流入する酸化剤供給物の密度によって定められる。固定された入口幾何学的形状の場合、入口圧縮機１１８は、一般に、固定された量のガスを引き込む。酸化剤供給物１２０の温度を制御することによって、その密度を制御することができ、このことは、一定の体積では、酸化剤供給物の質量流量も又制御されるということを意味している。燃焼チャンバ１１０への酸化剤供給物１２０の質量流量が一定である場合、化学量論的条件を容易に維持することができる。図２に示されているように、酸化剤供給物１２０は、入口圧縮機１１８の上流側に位置した熱交換器２１０内で冷やされる。酸化剤供給物１２０の冷却は、流れ２１４の状態で提供される冷媒によって達成される。冷媒を採用した熱交換器が図示されているが、酸化剤を所望の温度に冷却するのに任意形式の冷却装置を採用することができる。例えば、他の冷却方法としては、冷却流体として冷水又は海水を用いる１つ又は２つ以上の熱交換器、機械的冷凍ユニット、直接接触型冷却器、トリム冷却器及びこれらの組み合わせが挙げられる。更に、意図した使用に適した任意公知の冷媒、例えば非ハロゲン化炭化水素、フルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、無水アンモニア、プロパン、二酸化炭素、プロピレン等を採用することができる。さらに、図２では１つの熱交換器２１０が図示されているが、２つ又は３つ以上の熱交換器又は他の冷却装置を特に多段圧縮機と関連して採用することができる（図示せず）。このような実施形態では、１つ又は２つ以上の冷却装置を圧縮機の各段相互間に組み込むことが望ましい場合がある。
【００４０】
本発明の１つ又は２つ以上の実施形態では、熱交換器２１０を出た冷やされた状態の酸化剤供給物１２０は、オプションとして、分離器２１２に差し向けられるのが良く、それによりこのような酸化剤供給物中に同伴されている場合のある凝縮水滴が除去される。分離器２１２は、水滴の除去に適した任意の装置であって良く、例えばベーンパック、メッシュパッド又は他の曇り防止装置である。酸化剤供給物流１２０は、分離器２１２から入口圧縮機１１８に差し向けられ、システム２００の残部は、上述した図１のシステム１００と同一の仕方で作動する。
【００４１】
次に図３を参照すると、システム３００として具体化されると共に説明される図１の動力発生システム１００の変形構成例が示されている。したがって、図３は、図１を参照すると最も良く理解できる。図３のシステム３００では、供給物酸化剤１２０の圧力は、入口圧縮機１１８に供給される前にブロワ３１０によってブーストされる。ブロワ３１０を出た加圧酸化剤供給物３１２の圧力及び密度は、ブロワ３１０と関連して用いられる可変周波数駆動装置３１４によって一定レベルに維持される。このように、ブロワ３１０は、加圧酸化剤供給物３１２の所望の一定密度を達成するために供給物酸化剤１２０の条件に応じて様々な圧縮度を提供する。例えば、暖かい日において又は酸化剤供給物１２０が比較的高い温度状態にあるとき、可変周波数駆動装置３１４は、ブロワ３１０が寒い日に又は酸化剤供給物１２０が比較的低い温度状態にあるとき、より大きな圧縮度をもたらすよう調節可能である。可変周波数駆動装置３１４は、手動で又は自動的に調節可能である。当業者には明らかなように、酸化剤供給物１２０の変化している条件及び特性をモニタして可変周波数駆動装置をそれに応じて調節することができるようにするためにはセンサ又は他の装置（図示せず）が必要な場合がある。ブロワ３１０を出ると、加圧酸化剤供給物３１２は、入口圧縮機１１８に差し向けられ、システム３００の残部は、上述した図１のシステム１００と同じ仕方で作動する。
【００４２】
次に、図４を参照すると、システム４００として具体化されると共に説明される図１の動力発生システム１００の変形構成例が示されている。したがって、図４は図１を参照すると最も良く理解できる。図４のシステム４００では、入口案内ベーン４１０が入口圧縮機１１８を通る酸化剤の質量流量を制御するために入口圧縮機１１８の第１段に加えられている。入口案内ベーン４１０は、静止型であっても良く、可変型であっても良いが、好ましくはこれら入口案内ベーンが酸化剤供給物１２０の変化を計算に入れて調節できるよう可変である。入口案内ベーン４１０は、入口圧縮機１１８を通る質量流量の大まかな制御を可能にし、入口圧縮機１１８の作動点は、入口案内ベーン４１０の制御精度の下端が十分な空気を燃焼チャンバ１１０に提供するよう設計されるべきである。例えば、入口案内ベーンが２％の範囲内まで正確である場合、２％の追加の酸化剤を圧縮する必要がある。１つ又は２つ以上の実施形態では、酸化剤流量に対する細かい制御は、圧縮酸化剤１１４を燃焼チャンバ１１０に送る前に過剰の酸化剤（もしあれば）を逃がすためにブローダウン弁４１４を採用した圧縮機からベント流４１２を取り込むことによって実行可能である。このような実施形態では、過剰酸化剤は、オプションとして、入口圧縮機１１８の吐出圧力よりも低い圧力で逃がされるのが良い。システム４００の残部は、上述した図１のシステム１００と同じ仕方で作動する。ベント流４１２及びブローダウン弁４１４が最大の制御量を提供するよう入口案内ベーン４１０と関連して用いられることが好ましいが、１つ又は２つ以上の変形実施形態では、ベント流４１２及びブローダウン弁４１４は、オプションとして、入口圧縮機１１８内の唯一の流れ制御方法として入口案内ベーンに代えて採用可能である。
【００４３】
上述すると共に図２〜図４に示された実施形態に加えて、燃焼チャンバへの酸化剤の供給量を制御して化学量論的燃焼条件を維持する追加のシステム及び方法も又本発明において想定されており、１つ又は２つ以上のこのようなオプションは、別個に又は上述の実施形態のうちの１つ又は２つ以上と組み合わせて具体化できる。例えば、図２を参照して上述した仕方と同様な仕方で酸化剤供給物は、一定密度を維持するために冷却されるのではなく加熱されるのが良い。同じ又は他の実施形態では、システム内の空気オリフィスは、空気流量を調節するために可変幾何学的構造を有するのが良い。別の実施形態では、入口圧縮機を出て燃焼器に入る酸化剤供給物の温度を制御するためにオプションとしてバイパス制御方式を備えた１つ又は２つ以上の放出物冷却器を採用するのが良い。
【００４４】
１つ又は２つ以上の追加の実施形態では、システムは、酸素が僅かにリッチな状態で動作し、その結果周囲空気密度の減少に対応することができるよう設計されるのが良い。このような設計例では、周囲空気の密度が高い場合、過剰酸素をシステムから除去するのにダクトバーニング（duct burning）、触媒又は別の類似のオプションが必要である場合がある。
【００４５】
同じ又は他の実施形態では、図３に記載した仕方と類似した仕方でシステム全体を通じて可変駆動装置を採用することができる。例えば、ＥＧＲブロワ１４２と関連して又は入口圧縮機１１８それ自体上に可変駆動装置を用いることができる。１つ又は２つ以上の実施形態では、入口圧縮機１１８を作動させて圧縮機の速度を変化させることができ、圧縮機の直接的な制御を可能にするために蒸気駆動装置を用いるのが良い。
【００４６】
本発明は、種々の改造及び変形形態で実施できるが、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。本明細書において説明した実施形態の特徴又は形態はどれも任意他の実施形態と又は多数の他の実施形態（実行可能な程度まで）組み合わせ可能であり、このような全ての組み合わせは、本発明の範囲に含まれるものである。更に、本発明は、本明細書に開示した特定の実施形態に限定されるものではないことが理解されるべきである。確かに、本発明は、特許請求の範囲に記載された真の精神及び範囲に属する全ての変形例、改造例及び均等例を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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