(57)【要約】  ケミカルループ装置と超臨界ＣＯ２サイクルとを結合するためのシステムおよび方法が提供される。システムは、燃料反応器と、空気反応器と、圧縮機と、第１および第２の熱交換器と、タービンと、を含む。燃料反応器は、燃料および酸素担体を加熱するように構成されており、改質または燃焼燃料および還元された酸素担体をもたらす。空気反応器は、空気流を介して、還元された酸素担体を再酸化させるように構成されている。空気流、燃料、および酸素担体は、空気反応器および燃料反応器に入る前に、一連の予熱器を介して加熱される。圧縮機は、ＣＯ２流の圧力を増加させて超臨界ＣＯ２流を形成するように構成されている。第１および第２の熱交換器は、超臨界ＣＯ２流を加熱するように構成され、タービンは、加熱された超臨界ＣＯ２流を膨張させて電力を生成するように構成されている。
2021528586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケミカルループ装置と超臨界ＣＯ２サイクルとを結合するためのシステムであって、
燃料源から燃料を受け取るように構成された燃料入口、および酸素担体を受け取るように構成された担体入口を有する、燃料反応器であって、前記燃料反応器が、前記燃料を前記酸素担体と反応させるように構成されており、改質燃料または燃焼燃料および還元された酸素担体をもたらす、燃料反応器と、
前記燃料反応器と流体連通する空気反応器であって、前記空気反応器が、空気源から空気流を受け取るように構成された空気流入口を有し、前記空気反応器が、前記燃料反応器から前記還元された酸素担体を受け取り、前記空気流を介して前記還元された酸素担体を再酸化して、低酸素空気をもたらすように構成されており、前記空気反応器が、前記再酸化された酸素担体の第１の部分を前記燃料反応器に戻すように構成されている、空気反応器と、
ＣＯ２供給源からＣＯ２流を受け取るように構成されたＣＯ２の入口を有する圧縮機であって、前記圧縮機が、前記ＣＯ２流の圧力を増加させるように構成されており、それにより、高圧超臨界ＣＯ２流を形成する、圧縮機と、
前記圧縮機および前記燃料反応器と流体連通する第１の熱交換器であって、前記第１の熱交換器が、前記超臨界ＣＯ２流を受け取って加熱するように構成され、かつ前記燃料反応器からの前記改質燃料または燃焼燃料の少なくとも一部を受け取るように構成されており、前記改質燃料または燃焼燃料からのエネルギーが、前記超臨界ＣＯ２流を加熱するために使用される、第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器および前記空気反応器と流体連通する第２の熱交換器であって、前記第２の熱交換器が、前記第１の熱交換器から受け取った超臨界ＣＯ２流を受け取ってさらに加熱するように構成され、かつ前記空気反応器から前記低酸素空気および前記再酸化された酸素担体の第２の部分を受け取るように構成されており、前記低酸素空気および前記再酸化された酸素担体の前記第２の部分が、前記超臨界ＣＯ２流を加熱するために使用される、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器と流体連通するタービンであって、前記タービンが、前記第２の熱交換器から前記超臨界ＣＯ２流を受け取り、前記超臨界ＣＯ２を膨張させるように構成されており、前記超臨界ＣＯ２の前記膨張により電力を生成し、前記タービンが、前記膨張した超臨界ＣＯ２の出口を備える、タービンと、を備え、
前記膨張した超臨界ＣＯ２が、前記燃料源からの前記燃料および前記空気源からの前記空気流を、それらが前記燃料反応器と前記空気反応器にそれぞれ送出される前に、加熱するために使用される、システム。
【請求項２】
前記タービンと流体連通し、前記タービンから、前記膨張した超臨界ＣＯ２の第１の部分を受け取るように構成された第１の導管と、
前記タービンと流体連通し、前記タービンから、前記膨張した超臨界ＣＯ２の第２の部分を受け取るように構成された第２の導管と、
前記第１の導管、前記空気源、および前記空気反応器と流体連通する空気予熱器であって、前記空気予熱器が、前記空気反応器への前記空気流の送出前に、前記膨張した超臨界ＣＯ２の前記第１の部分の前記エネルギーを使用して前記空気流を加熱するように構成されている、空気予熱器と、
前記第２の導管、前記燃料源、および前記燃料反応器と流体連通する第１の燃料予熱器であって、前記第１の燃料予熱器が、前記燃料反応器への燃料流の送出前に、前記膨張した超臨界ＣＯ２の前記第２の部分の前記エネルギーを使用して前記燃料流を加熱するように構成されている、第１の燃料予熱器と、をさらに備え、
前記膨張した超臨界ＣＯ２のそれぞれの部分による、前記空気予熱器における前記空気流および前記第１の燃料予熱器における前記燃料流の前記加熱が、ＣＯ２のそれぞれの低圧流をもたらす、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記空気予熱器および前記第１の燃料予熱器と流体連通する冷却器であって、前記冷却器が、前記空気予熱器および前記第１の燃料予熱器からＣＯ２の前記それぞれの低圧流を受け取り、前記受け取った低圧ＣＯ２を冷却するように構成されている、冷却器と、
前記冷却器および前記圧縮機と流体連通する第３の導管であって、前記第３の導管が、前記冷却された低圧ＣＯ２を受け取り、前記冷却された低圧ＣＯ２を前記圧縮機に移送するように構成されている、第３の導管と、を備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記燃料反応器、前記第１の燃料予熱器、および前記第１の熱交換器と流体連通する第２の燃料予熱器をさらに備え、前記第２の燃料予熱器が、
前記第１の燃料予熱器から送出された前記燃料流と、前記燃料反応器から、前記改質燃料または燃焼燃料の少なくとも一部と、を受け取ることと、
前記燃料反応器への前記燃料流の前記送出の前に、前記改質燃料または燃焼燃料からのエネルギーを介して前記燃料流をさらに加熱することと、を行うように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記燃料反応器と流体連通する固体予熱器をさらに備え、前記固体予熱器が、前記燃料反応器から、前記改質燃料または燃焼燃料の一部を受け取り、前記燃料反応器への前記酸素担体の送出の前に、前記改質燃料または燃焼燃料の前記エネルギーを使用して前記酸素担体を加熱するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記燃料反応器が、前記改質燃料または燃焼燃料から、前記還元された酸素担体を分離するように構成された気固分離器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
約８００℃〜約１１００℃の温度範囲で前記燃料反応器を動作させるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記空気反応器が、前記低酸素空気から、再酸化された酸素担体を分離するように構成された気固分離器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
約９００℃〜約１２００℃の温度範囲で前記空気反応器を動作させるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記圧縮機が、中間冷却段を有する多段圧縮機であり、前記中間冷却段が、前記超臨界ＣＯ２サイクルの低圧側からのＣＯ２の圧縮および前記超臨界ＣＯ２サイクルの高圧側への前記圧縮されたＣＯ２の移送を可能にする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記燃料反応器における反応後に得られる燃料が、改質燃料であり、前記システムが、
前記固体予熱器および前記第１の熱交換器と流体連通する燃料冷却器であって、前記燃料冷却器が、前記固体予熱器および前記第１の熱交換器から前記改質燃料を受け取り、前記受け取った改質燃料をほぼ周囲温度まで冷却するように構成されている、燃料冷却器と、
前記燃料冷却器と流体連通する第２の圧縮機であって、前記第２の圧縮機が、前記燃料冷却器から受け取った前記周囲温度の改質燃料を圧縮するように構成されている、第２の圧縮機と、
前記第２の圧縮機および前記タービンと流体連通する燃焼室であって、前記燃焼室が、前記第２の圧縮機から受け取った、前記圧縮された改質燃料を燃焼させてＣＯ２の流れおよび水蒸気を生成し、前記生成されたＣＯ２の流れおよび水蒸気を前記タービンに供給するように構成されている、燃焼室と、をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項１２】
前記タービンおよび前記燃料冷却器の下流と流体連通するガス処理装置であって、前記ガス処理装置が、前記タービンから受け取った前記ＣＯ２および水蒸気の流れを、前記タービンから受け取った低圧ＣＯ２流から分離するように構成されている、ガス処理装置をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
結合されたケミカルループ装置および超臨界ＣＯ２サイクルを使用した電力生成のための方法であって、
燃料源からの燃料流および空気源からの空気流を加熱することと、
前記燃料流および酸素担体を燃料反応器に導入することであって、前記燃料反応器が、第１の反応条件下で動作して、改質燃料または燃焼燃料および還元された酸素担体をもたらす、導入することと、
前記空気流を空気反応器に導入することと、
前記燃料反応器から、前記還元された酸素担体を前記空気反応器に移送することであって、前記空気反応器が第２の反応条件下で動作して、前記還元された酸素担体を再酸化し、低酸素空気をもたらす、移送することと、
前記再酸化された酸素担体の第１の部分を前記燃料反応器に移送して戻すことと、
ＣＯ２流を圧縮機に導入することであって、前記圧縮機が、前記ＣＯ２流の圧力を増加させて超臨界ＣＯ２流を形成するように構成されている、導入することと、
前記圧縮機からの前記超臨界ＣＯ２流と前記燃料反応器からの前記改質燃料または燃焼燃料との両方を第１の熱交換器に移送することであって、前記第１の熱交換器が、前記改質燃料または燃焼燃料からの熱を超臨界ＣＯ２流に移送するように動作する、移送することと、
ａ）前記第１の熱交換器からの超臨界ＣＯ２流、ｂ）前記空気反応器からの前記低酸素空気、およびｃ）前記空気反応器からの前記再酸化された酸素担体の第２の部分を第２の熱交換器に移送することであって、前記第２の熱交換器は、前記低酸素空気および前記再酸化された酸素担体からの熱を前記超臨界ＣＯ２流に移送するように動作する、移送すること、
タービンによって、前記第２の熱交換器から、前記超臨界ＣＯ２流を受け取ることであって、前記タービンが、前記超臨界ＣＯ２流を膨張させて電力を生成する条件下で動作する、受け取ることと、を含み、
前記膨張した超臨界ＣＯ２は、前記燃料源からの燃料および前記空気源からの前記空気流を、それらが前記燃料反応器と前記空気反応器にそれぞれ送出される前に、加熱するために使用される、方法。
【請求項１４】
前記膨張した超臨界ＣＯ２の第１の部分を前記タービンから第１の導管に移送することと、
前記膨張した超臨界ＣＯ２の第２の部分を前記タービンから第２の導管に移送することと、
空気予熱器によって、前記第１の導管から前記膨張した超臨界ＣＯ２の前記第１の部分を受け取ることと、
第１の燃料予熱器によって、前記第２の導管から前記膨張した超臨界ＣＯ２の前記第２の部分を受け取ることと、をさらに含み、
前記空気予熱器が、前記膨張した超臨界ＣＯ２の前記第１の部分のエネルギーを前記空気流に移送して前記空気流を加熱するように構成され、前記第１の燃料予熱器が、前記膨張した超臨界ＣＯ２の第２の部分のエネルギーを前記空気流に移送して前記燃料流を加熱するように構成されており、それにより、前記膨張した超臨界ＣＯ２のそれぞれの部分からのエネルギーの移送が、低圧ＣＯ２のそれぞれの流れをもたらす、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
冷却器によって、前記空気予熱器および前記第１の燃料予熱器から前記低圧ＣＯ２のそれぞれの流れを受け取ることであって、前記冷却器は、前記受け取った低圧ＣＯ２を冷却する条件で動作する、受け取ることと、
前記冷却された低圧ＣＯ２を前記冷却器から第３の導管に移送することと、
前記冷却された低圧ＣＯ２を前記第３の導管から前記圧縮機に移送することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃料流を前記第１の燃料予熱器から第２の燃料予熱器に移送することと、
前記第２の燃料予熱器によって、前記燃料反応器から前記改質燃料または燃焼燃料の少なくとも一部を受け取ることと、
前記改質燃料または燃焼燃料からのエネルギーを前記燃料流に移送することによって、前記第２の燃料予熱器内で前記燃料流を加熱することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料反応器への前記酸素担体の送出の前に、固体予熱器を介して前記酸素担体を加熱することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記固体予熱器によって、前記燃料反応器から前記改質燃料または燃焼燃料の一部を受け取ることであって、前記固体予熱器が、前記酸素担体に前記改質燃料または燃焼燃料のエネルギーを移送することによって前記酸素担体を加熱する、受け取ることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃料流がサワーガス燃料を含み、前記酸素担体がカルシウムベースの材料であり、前記サワーガス燃料と前記カルシウムベースの材料との間の反応により、前記サワーガス燃料内の硫黄の少なくとも一部が前記燃料流から除去される、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記還元された酸素担体および前記改質燃料または燃焼燃料を前記燃料反応器から気固分離器に移送することと、
前記気固分離器において、前記改質燃料または燃焼燃料から前記還元された酸素担体を分離することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料反応器が約８００℃〜約１１００℃の温度範囲で動作し、前記空気反応器が約９００℃〜約１２００℃の温度範囲で動作する、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記再酸化された酸素担体および前記低酸素空気を前記空気反応器から気固分離器に移送することと、
前記気固分離器において、前記低酸素空気から前記再酸化された酸素担体を分離することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
前記圧縮機が、前記超臨界ＣＯ２サイクルの低圧側からのＣＯ２の圧縮および前記超臨界ＣＯ２サイクルの高圧側への圧縮されたＣＯ２の移送を可能にする中間冷却段を含む多段圧縮機である、請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
前記超臨界ＣＯ２サイクルの前記低圧側が、約４５バール〜約９０バールの圧力範囲で動作し、前記超臨界ＣＯ２サイクルの前記高圧側が、約２００バール〜約５００バールの圧力範囲で動作する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記タービンによって受け取られる前記超臨界ＣＯ２の温度が、約４００℃〜約１０００℃の範囲にある、請求項１３に記載の方法。
【請求項２６】
前記燃料反応器における反応から生じる前記燃料は改質燃料であり、前記方法が、
燃料冷却器において、前記固体予熱器および前記第１の熱交換器から受け取った前記改質燃料を冷却することと、
第２の圧縮機において、前記燃料冷却器から受け取った、前記冷却された改質燃料を圧縮することと、
燃焼室において、前記第２の圧縮機から受け取った、前記圧縮された改質燃料を燃焼させて、ＣＯ２および水蒸気の流れを産生することと、
前記産生されたＣＯ２および水蒸気の流れを前記タービンに供給することと、をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
ガス処理装置において、前記タービンから受け取った前記ＣＯ２および水蒸気の流れを、前記タービンから受け取った低圧ＣＯ２流から分離することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、超臨界ＣＯ２サイクルおよびケミカルループ燃焼に関するシステムおよび方法に関する。具体的には、本開示は、超臨界ＣＯ２サイクルとケミカルループ燃焼装置とを結合するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーの必要性が高まり続けるにつれて、需要の増加に対応するために非在来型エネルギー資源の使用も高まっている。よく知られているエネルギー源（例えば、石炭、天然ガス）が引き続き価値を有する一方で、非在来型石油資源および非在来型天然ガス資源などの他のエネルギー源が、エネルギー需要の増加に対応するために使用されている。かかる非在来型資源の１つがサワーガスであり、これは、かなりの濃度の硫化水素（Ｈ２Ｓ）を含む天然ガスである。Ｈ２Ｓは、サワーガスの処理中に、Ｈ２Ｓの腐食性がシステムの機械部品を損傷する可能性があり、Ｈ２Ｓの処理が、大気汚染物質であるＳＯ２の産生をもたらし得るので、問題が生じる。
【０００３】
燃焼は電力生成の分野で一般的に使用される反応であり、サワーガスを燃料として使用するように変更することができる。しかしながら、燃焼反応、具体的には直接燃焼反応により、サワーガス燃料に関連する同じ腐食および汚染問題が依然として生じる。サワーガスの燃焼に関連する過度の腐食と汚染を回避するには、ガス流から硫黄化合物を実質的に除去するために、サワーガスの前処理または「甘味化」が必要である。ただし、この「甘味化」プロセスには通常非常に費用がかかる。
【０００４】
特定のタイプの燃焼反応であるケミカルループ燃焼（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｌｏｏｐｉｎｇ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ、ＣＬＣ）は、「甘味化」前処理の必要性を排除し、ＣＯ２捕捉システムにも使用することができる。在来型ＣＬＣプロセスにおいて、酸素担体が空気と燃料との間の酸素の中間搬送体として機能し、したがって空気と燃料とが互いに直接接触するのを防止する。典型的には、固体金属酸化物酸素担体は、燃料反応器内の燃料流を酸化させるために使用される。これにより、ＣＯ２およびＨ２Ｏの産生をもたらす。次いで、還元型酸素担体は、空気反応器に移送され、そこで、空気と接触し、その初期状態に再酸化され、次いで、さらなる燃焼反応のために燃料反応器に戻される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＬＣプロセスは、直接燃焼プロセスよりも優れているにもかかわらず、エネルギーを産生する能力の点で依然として非効率的である。加えて、ＣＬＣプロセスは従来、電力を産生するために蒸気サイクルに結合する必要があった。したがって、サワーガスの燃焼を電力生成と組み合わせる、費用効果が高くエネルギー効率の良いシステムが必要とされている。さらに、特に水不足の環境において、水の量を低減して、エネルギー変換効率の高いサワーガスを燃焼させるためのプロセスが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願は、ケミカルループ装置と超臨界ＣＯ２サイクルとを結合するためのシステムおよび方法を説明する。第１の態様によれば、ケミカルループ装置と超臨界ＣＯ２サイクルとを結合するためのシステムが提供され、システムは、燃料源から燃料を受け取るように構成されている燃料入口と、酸素担体を受け取るように構成されている担体入口と、を有する、燃料反応器を含む。燃料反応器は、燃料を酸素担体と反応させるように構成されており、改質または燃焼燃料および還元された酸素担体をもたらす。それらのシステムはまた、燃料反応器と流体連通する空気反応器を含む。空気反応器は、空気源から空気流を受け取るように構成された空気流入口を有し、燃料反応器から、還元された酸素担体を受け取るように構成されている。空気反応器はまた、空気流を介して、還元された酸素担体を再酸化させるように構成されており、低酸素空気をもたらす。空気反応器はまた、再酸化された酸素担体の第１の部分を燃料反応器に戻すように構成されている。
【０００７】
システムは、ＣＯ２供給源からＣＯ２流を受け取るように構成されたＣＯ２入口を有する圧縮機をさらに含む。圧縮機は、ＣＯ２流の圧力を増加させるように構成されており、それにより、高圧超臨界ＣＯ２流を形成する。システムはまた、圧縮機および燃料反応器と流体連通する第１の熱交換器も含む。第１の熱交換器は、超臨界ＣＯ２流を受け取って加熱するように構成されており、かつ燃料反応器から改質または燃焼燃料の少なくとも一部を受け取るように構成されている。改質または燃焼燃料からのエネルギーは、超臨界ＣＯ２流を加熱するために使用される。また、システムには、第１の熱交換器および空気反応器と流体連通する第２の熱交換器も含まれる。第２の熱交換器は、第１の熱交換器から受け取った超臨界ＣＯ２流を受け取り、さらに加熱するように構成されている。第２の熱交換器はまた、空気反応器から、低酸素空気および再酸化された酸素担体の第２の部分を受け取るように構成されている。低酸素空気および再酸化された酸素担体の第２の部分からのエネルギーは、第２の熱交換器内の超臨界ＣＯ２流を加熱するために使用される。
【０００８】
システムはまた、第２の熱交換器と流体連通するタービンも含む。タービンは、第２の熱交換器から超臨界ＣＯ２流を受け取り、超臨界ＣＯ２を膨張させるように構成されており、その結果、超臨界ＣＯ２の膨張により、電力を生成する。タービンはまた、膨張した超臨界ＣＯ２の出口を含む。膨張した超臨界ＣＯ２は、燃料源からの燃料および空気源からの空気流を、それらが燃料反応器と空気反応器にそれぞれ送出される前に、加熱するために使用される。
【０００９】
さらなる態様によれば、システムは、タービンと流体連通し、タービンから、膨張した超臨界ＣＯ２の第１の部分を受け取るように構成された第１の導管を含むことができる。システムはまた、タービンと流体連通し、タービンから、膨張した超臨界ＣＯ２の第２の部分を受け取るように構成された第２の導管も含むことができる。システムはまた、空気予熱器および第１の燃料予熱器も含むことができる。空気予熱器は、第１の導管、空気源、および空気反応器と流体連通する。空気予熱器は、空気反応器に空気流を送出する前に、膨張した超臨界ＣＯ２の第１の部分のエネルギーを使用して空気流を加熱するように構成されている。第１の燃料予熱器は、第２の導管、燃料源、および燃料反応器と流体連通しており、第１の燃料予熱器は、燃料反応器への燃料流の送出前に、膨張した超臨界ＣＯ２の第２の部分のエネルギーを使用して、燃料流を加熱するように構成されている。膨張した超臨界ＣＯ２のそれぞれの部分による、空気予熱器における空気流および第１の燃料予熱器における燃料流の加熱は、ＣＯ２のそれぞれの低圧流をもたらす。
【００１０】
さらなる態様によれば、システムは、空気予熱器および第１の燃料予熱器と流体連通する冷却器を含む。冷却器は、空気予熱器および第１の燃料予熱器からＣＯ２のそれぞれの低圧流を受け取り、受け取った低圧ＣＯ２を冷却するように構成されている。システムは、冷却器および圧縮機と流体連通する第３の導管をさらに含むことができる。第３の導管は、冷却された低圧ＣＯ２を受け取り、冷却された低圧ＣＯ２を圧縮機に移送するように構成されている。
【００１１】
別の態様によれば、システムは、燃料反応器、第１の燃料予熱器および第１の熱交換器と流体連通する第２の燃料予熱器をさらに含むことができる。第２の燃料予熱器は、第１の予熱器から送出された燃料流と、燃料反応器から、改質または燃焼燃料の少なくとも一部と、を受け取るように構成されている。第２の燃料予熱器はまた、燃料反応器への燃料流の送出の前に、改質または燃焼燃料からのエネルギーを介して燃料流をさらに加熱するように構成されている。
【００１２】
別の態様によれば、システムは、燃料反応器と流体連通する固体予熱器をさらに含む。固体予熱器は、燃料反応器から、改質または燃焼燃料の一部を受け取り、燃料反応器への酸素担体の送出の前に、改質または燃焼燃料のエネルギーを使用して酸素担体を加熱するように構成されている。
【００１３】
別の態様によれば、燃料反応器は、改質または燃焼燃料から、還元された酸素担体を分離するように構成された気固分離器を備える。別の態様によれば、システムは、約８００℃〜約１１００℃の温度範囲で燃料反応器を動作させるように構成されたコントローラを含む。
【００１４】
別の態様によれば、空気反応器は、低酸素空気から、再酸化された酸素担体を分離するように構成された気固分離器を備える。別の態様によれば、システムは、約９００℃〜約１２００℃の温度範囲で空気反応器を動作させるように構成されたコントローラを含む。
【００１５】
さらなる態様によれば、圧縮機は、中間冷却段を有する多段圧縮機である。中間冷却段により、超臨界ＣＯ２サイクルの低圧側からＣＯ２を効率的に圧縮し、超臨界ＣＯ２サイクルの高圧側に、圧縮されたＣＯ２を移送することができる。
【００１６】
燃料反応器における反応後に得られる燃料が改質燃料である別の態様によれば、システムは、固体予熱器および第１の熱交換器と流体連通する燃料冷却器をさらに備える。燃料冷却器は、固体予熱器および第１の熱交換器から改質燃料を受け取り、受け取った改質燃料をほぼ周囲温度まで冷却するように構成されている。システムは、燃料冷却器と流体連通する第２の圧縮機をさらに備えることができ、第２の圧縮機は、燃料冷却器から受け取った、周囲温度の改質燃料を圧縮するように構成されている。システムは、第２の圧縮機およびタービンと流体連通する燃焼室をさらに備えることができ、燃焼室は、第２の圧縮機から受け取った、圧縮された改質燃料を燃焼させてＣＯ２および水蒸気の流れを形成し、生成されたＣＯ２および水蒸気の流れをタービンに供給するように構成されている。さらなる態様によれば、システムは、タービンと流体連通し、燃料冷却器の下流にあるガス処理装置をさらに備えることができ、ガス処理装置は、タービンから受け取ったＣＯ２および水蒸気の流れを、タービンから受け取った低圧ＣＯ２流から分離するように構成されている。
【００１７】
別の態様によれば、結合されたケミカルループ装置および超臨界ＣＯ２サイクルを使用した電力生成のための方法が提供される。この方法において、燃料源からの燃料流および空気源からの空気流が加熱される。燃料流および酸素担体は燃料反応器に導入され、燃料反応器は第１の反応条件下で動作して、改質または燃焼燃料および還元された酸素担体をもたらす。空気流は空気反応器に導入され、還元された酸素担体は、燃料反応器から空気反応器に移送される。空気反応器は第２の反応条件下で動作して、還元された酸素担体を再酸化し、低酸素空気をもたらす。再酸化された酸素担体の第１の部分は、燃料反応器に移送されて戻される。ＣＯ２流は圧縮機に導入され、圧縮機は、ＣＯ２流の圧力を増加させて超臨界ＣＯ２流を形成するように構成されている。圧縮機からの超臨界ＣＯ２流と燃料反応器からの改質または燃焼燃料との両方が第１の熱交換器に移送され、第１の熱交換器は、改質または燃焼燃料からの熱を超臨界ＣＯ２流に移送するように動作する。第１の熱交換器からの超臨界ＣＯ２流、空気反応器からの低酸素空気、および空気反応器からの再酸化された酸素担体の第２の部分は、すべて第２の熱交換器に移送され、第２の熱交換器は、低酸素空気および再酸化された酸素担体からの熱を超臨界ＣＯ２流に移送するように動作する。第２の熱交換器からの超臨界ＣＯ２流は、タービンによって受け取られ、タービンは、超臨界ＣＯ２を膨張させて電力を生成するための条件下で動作する。膨張した超臨界ＣＯ２は、燃料源からの燃料および空気源からの空気流を、それらが燃料反応器と空気反応器にそれぞれ送出される前に、加熱するために使用される。
【００１８】
別の態様によれば、膨張した超臨界ＣＯ２の第１の部分は、タービンから第１の導管に移送され、膨張した超臨界ＣＯ２の第２の部分は、タービンから第２の導管に移送される。次いで、第１の導管からの膨張した超臨界ＣＯ２の第１の部分は、空気予熱器によって受け取られ、次いで、第２の導管からの膨張した超臨界ＣＯ２の第２の部分は、第１の燃料予熱器によって受け取られる。空気予熱器は、膨張した超臨界ＣＯ２の第１の部分のエネルギーを空気流に移送して空気流を加熱するように構成されている。第１の燃料予熱器は、膨張した超臨界ＣＯ２の第２の部分のエネルギーを燃料流に移送して燃料流を加熱するように構成されている。膨張した超臨界ＣＯ２のそれぞれの部分からのエネルギーの移送は、低圧ＣＯ２のそれぞれの流れをもたらす。
【００１９】
さらなる態様によれば、空気予熱器および第１の燃料予熱器からの低圧ＣＯ２のそれぞれの流れは、冷却器によって受け取られ、冷却器は、受け取った低圧ＣＯ２を冷却する条件で動作する。冷却された低圧ＣＯ２は、冷却器から第３の導管に移送され、次いで、冷却された低圧ＣＯ２は、第３の導管から圧縮機に移送される。
【００２０】
別の態様によれば、燃料流は、第１の燃料予熱器から第２の燃料予熱器に移送され、第２の燃料予熱器は、燃料反応器から改質または燃焼燃料の少なくとも一部を受け取る。燃料流は、改質または燃焼燃料からのエネルギーを燃料流に移送することによって、第２の燃料予熱器内で加熱される。
【００２１】
別の態様によれば、酸素担体は、燃料反応器への酸素担体の送出の前に、固体予熱器を介して加熱される。さらなる態様によれば、固体予熱器は、燃料反応器から改質または燃焼燃料の一部を受け取り、固体予熱器は、改質または燃焼燃料のエネルギーを酸素担体に移送することによって酸素担体を加熱する。
【００２２】
別の態様によれば、燃料流はサワーガス燃料を含み、酸素担体はカルシウムベースの材料である。サワーガス燃料とカルシウムベースの材料との間の反応により、サワーガス燃料内の硫黄の少なくとも一部が燃料流から除去される。
【００２３】
別の態様によれば、還元された酸素担体および改質または燃焼燃料は、燃料反応器から気固分離器に移送され、気固分離器において、還元された酸素担体は、改質または燃焼燃料から分離される。
【００２４】
別の態様によれば、燃料反応器は、約８００℃〜約１１００℃の温度範囲で動作し、空気反応器は、約９００℃〜約１２００℃の温度範囲で動作する。
【００２５】
別の態様によれば、再酸化された酸素担体および空気反応器からの低酸素空気は、気固体分離器に移送され、気固体分離器において、再酸化された酸素担体は、低酸素空気から分離される。
【００２６】
別の態様によれば、圧縮機は、超臨界ＣＯ２サイクルの低圧側からのＣＯ２の圧縮および超臨界ＣＯ２サイクルの高圧側への圧縮されたＣＯ２の移送を可能にする、中間冷却段を含む多段圧縮機である。さらなる態様によれば、超臨界ＣＯ２サイクルの低圧側は、約４５バール〜約９０バールの圧力範囲で動作し、超臨界ＣＯ２サイクルの高圧側は、約２００バール〜約５００バールの圧力範囲で動作する。
【００２７】
別の態様によれば、タービンが受け取った超臨界ＣＯ２の温度は、約４００℃〜約１０００℃の範囲にある。
【００２８】
燃料反応器における反応から生じる燃料が改質燃料である別の態様によれば、固体予熱器および第１の熱交換器から受け取った改質燃料は、燃料冷却器で冷却される。次いで、冷却された改質燃料は、第２の圧縮機で圧縮される。次いで、圧縮された改質燃料を燃焼室で燃焼させて、ＣＯ２および水蒸気の流れを産生し、次いで、産生されたＣＯ２および水蒸気の流れをタービンに供給する。さらなる態様によれば、タービンから受け取ったＣＯ２および水蒸気の流れは、ガス処理装置を介して、タービンから受け取った低圧ＣＯ２流から分離される。
【００２９】
これらおよび他の態様、特徴、ならびに利点は、本発明の特定の実施形態の付随する説明、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】１つ以上の実施形態による、ケミカルループ装置に結合された超臨界ＣＯ２サイクルを含む例示的なシステムの概略図を表示する。
【図２】１つ以上の実施形態による、超臨界ＣＯ２サイクルの高圧側および低圧側の動作範囲を含む、ＣＯ２の圧力および温度の状態図を表示する。
【図３】１つ以上の実施形態による、ケミカルループ装置に結合された超臨界ＣＯ２サイクルを含む別の例示的なシステムの概略図を表示する。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本出願は、ケミカルループ燃焼装置と超臨界ＣＯ２サイクルとを結合するためのシステムおよび方法を説明する。本出願は、従来のシステムに関連するエネルギー変換効率および過剰な水の使用についての課題を対象とし、とりわけ、かかる技術的な課題に対する解決策を提供する。
【００３２】
１つ以上の実施形態において、システムは、空気反応器および燃料反応器を備えるケミカルループ燃焼装置を備える。燃料反応器は、燃料源から燃料を受け取り、酸素担体を受け取る。燃料反応器は、受け取った燃料および酸素担体を加熱するように構成されている。結果として、燃料は、酸化（燃焼）または改質され、それぞれ、燃焼燃料または改質燃料、および還元された酸素担体をもたらす。空気反応器は、空気源から空気流を受け取り、燃料反応器から還元された酸素担体を受け取る。空気反応器は、還元された酸素担体と空気流との間の反応を介して、還元された酸素担体を再酸化するように構成されている。この反応はまた、低酸素空気流ももたらす。次いで、再酸化された酸素担体の第１の部分は、追加の反応のために燃料反応器に移送し戻される。
【００３３】
システムは、ＣＯ２供給源からＣＯ２流を受け取り、高圧超臨界ＣＯ２流を形成するためにＣＯ２流の圧力を増加させるように構成されている圧縮機をさらに備える。超臨界ＣＯ２流は、第１の熱交換器に搬送され、そこで、改質燃料／燃焼燃料流からのエネルギーは、超臨界ＣＯ２流を加熱するために使用される。次いで、超臨界ＣＯ２流は、第２の熱交換器に搬送され、そこで、低酸素空気流からのエネルギーおよび空気流からの再酸化された酸素担体の第２の部分は、超臨界ＣＯ２流をさらに加熱するために使用される。加熱された超臨界ＣＯ２流は、第２の熱交換器からタービンに搬送され、そこで、タービンは、超臨界ＣＯ２流を膨張させて電力を生成するように構成されている。次いで、膨張した超臨界ＣＯ２流は、燃料流および空気流を、それらが燃料反応器と空気反応器にそれぞれ送出される前に、加熱するために使用される。
【００３４】
したがって、本システムおよび方法は、超臨界ＣＯ２サイクルが、ケミカルループサイクルに入ってくる流れを予熱するための熱を提供し、超臨界ＣＯ２サイクルが、ケミカルループサイクルを出る流れから熱を除去するように、ケミカルループサイクルと一体化されている超臨界ＣＯ２サイクルを提供する。換言すると、本システムにおいて、第１の熱力学的システム（超臨界ＣＯ２サイクル）の高温流体は、第２の熱力学的システム（ケミカルループサイクル）の低温側と熱交換し、一方、第１の熱力学的システムの低温流体は、第２の熱力学的システムの高温側から熱を受け取る。
【００３５】
したがって、本システムおよび方法は、従来のシステムと比較して、１）超臨界ＣＯ２サイクルとケミカルループ燃焼サイクルとの間の相乗作用を最大化し、２）より高いエネルギー効率を提供し、３）動作の柔軟性を増加させ、４）より低い資本支出を提供し、５）燃料がサワーガス燃料である実施形態を含めて、増加した電力出力を提供する。加えて、本システムおよび方法において、ＣＯ２が水と蒸気ではなく第１の熱力学的システムで電力を産生するための媒体として使用されるため、以前のシステムよりも水の使用量が少なくなる。さらに、本システムの効率の増加により、例えば、ＣＯ２排出の制約がある発電プラントでの使用が可能になる。
【００３６】
ケミカルループ燃焼装置と超臨界ＣＯ２サイクルとを結合するために参照されるシステムおよび方法は、ここで、添付の図面を参照してより完全に説明され、図面には、システムおよび方法の１つ以上の例示された実施形態および／または装置が示される。本出願のシステムおよび方法は、例示された実施形態および／または装置に何ら限定されるものではない。添付の図面に示されるようなシステムおよび方法は、本出願のシステムおよび方法の単なる例示であり、これは、当業者によって理解されるように様々な形態で具体化され得ることが理解されるべきである。本明細書に開示されるいずれの構造および機能の詳細も、システムおよび方法を限定するものとして解釈されるべきではなく、当業者に、システムおよび方法を実装するための１つまたは複数の手法を教示するための代表的な実施形態および／または構成として提供されることを理解されたい。
【００３７】
図１は、１つ以上の実施形態による、ケミカルループ装置に結合された超臨界ＣＯ２サイクルを含む例示的なシステム１００の図を表示する。システム１００は、燃料源１０２と、少なくとも１つの導管を介して燃料源１０２から燃料を受け取る燃料反応器１０４と、を含む。少なくとも１つの実施形態において、燃料源１０２は、１つ以上のサワーガス田とすることができ、したがって、燃料は、酸性除去装置を出る高レベルのＨ２Ｓまたは酸性ガス流を含むサワーガス燃料とすることができる。
【００３８】
１つ以上の実施形態において、燃料は、一般的な気体燃料（例えば、天然ガス、サワーガス、酸性ガス）、液体燃料（例えば、重質燃料油、油残留物、タール、原油、原油副産物もしくは留出物）、または固体燃料（例えば、石炭および石油コークス）のうちの任意のタイプとすることができる。少なくとも１つの実施形態において、燃料は、化石燃料ベースまたは炭素含有燃料、バイオマスまたはバイオ燃料などの再生可能ベースの燃料、または化石燃料と再生可能燃料との組み合わせとすることができる。少なくとも１つの実施形態において、燃料は、任意のタイプの原料油の改質またはガス化から発生する合成ガスとすることができる。燃料は、システムに直接供給するか、乳化するか、またはスラリーに入れることができる。システムは、腐食の問題を軽減するために広範囲の洗浄または低温での動作が必要な、難燃性の燃料または硫黄含有量が高い燃料に対して特に効率的であり得る。図１に示すように、少なくとも１つの実施形態において、燃料源１０２からの燃料は、導管１０６および１０８を介して燃料反応器１０４に移送される。１つ以上の実施形態において、燃料は、導管１０８を介して燃料反応器１０４に移送される前に、少なくとも１つの燃料予熱器に移送される。図１の例示的なシステム１００に示すように、少なくとも１つの実施形態において、燃料は、燃料を加熱するために最初に燃料源１０２から第１の燃料予熱器１１０に移送される。次いで、加熱された燃料は、第１の燃料予熱器１１０から導管１０６を介して第２の燃料予熱器１１２に移送され、さらに加熱される。燃料は、第２の燃料予熱器１１２で追加的に加熱した後、第２の燃料予熱器１１２から、燃料入口を介して燃料反応器１０４に流体接続された導管１０８を介して燃料反応器１０４に移送される。
【００３９】
燃料反応器１０４はまた、酸素担体源１１４から酸素担体を受け取るように構成されている。酸素担体は、燃料反応器１０４の酸素担体入口と流体接続している導管１１６を介して、供給源１１４から燃料反応器１０４に移送することができる。酸素担体は、一般に固体粒子である。例えば、少なくとも１つの実施形態において、酸素担体は、ＣａＣＯ３粒子などのカルシウムベースの材料であり得る。１つ以上の実施形態において、酸素担体は、ＣａＯもしくはマグネシウムベースの材料、またはアルカリ土類金属、もしくは酸化銅などの遷移金属の組み合わせとすることができる。硫黄含有燃料の場合、１つ以上の実施形態において、アルカリ土類金属を使用して、ＣａＳおよびＣａＳＯ４などの亜硫酸塩中の硫黄および硫酸塩の形態で硫黄を捕捉することが好ましい。１つ以上の実施形態において、酸素担体は、燃料反応器に入る前に、最初に、酸素担体源１１４から固体予熱器１１８に移送されて加熱され、固体予熱器１１８は、燃料反応器１０４と流体接続している。次いで、加熱された酸素担体は、固体予熱器１１８から導管１１６を介して燃料反応器に移送することができる。
【００４０】
燃料反応器１０４は、一般に、燃料および酸素担体を受け取るための中空内部を画定するハウジングによって画定される。燃料反応器は、燃料および酸素担体を酸化（燃焼）または改質する条件で動作するように構成され、それにより、燃焼燃料流または改質燃料流、ならびに還元された酸素担体をそれぞれもたらす。燃料は、燃料反応器の温度と燃料の組成に応じて、この反応器を介して酸化（燃焼）または改質することができる。換言すると、燃料反応器は、改質燃料流を産生する「改質」モード、または燃焼燃料流を産生する「燃焼」モードのいずれかで動作することができる。例えば、酸素担体がＣａＳＯ４を含む実施形態において、ＣａＳＯ４酸素担体は燃料と反応して、改質燃料流または燃焼燃料流、ＣａＳ（還元された酸素担体）、およびＣＯ２を産生する。燃料がＨ２Ｓ（例えば、サワーガス燃料）などの硫黄化合物を含み、酸素担体がＣａＣＯ３である実施形態において、ＣａＣＯ３の少なくとも一部はＣａＯに分解され、燃料の硫黄成分とさらに反応して、還元された酸素担体としてＣａＳを産生する。
【００４１】
次いで、改質燃料流（または燃焼燃料流）および還元された酸素担体は、互いに分離されて、別々に燃料反応器１０４を出る。１つ以上の実施形態において、サイクロンなどの固気分離器は、改質（または燃焼）燃料流を低酸素担体から分離するために使用することができる。
【００４２】
燃料反応器１０４は、特定の温度範囲で燃料反応器を動作させるように構成されたコントローラ（図示せず）をさらに含むことができる。例えば、１つ以上の実施形態において、コントローラは、約８００℃〜約１１００℃の温度範囲で、または少なくとも１つの実施形態において、約８５０℃〜約９５０℃の温度範囲で燃料反応器を動作させるように構成されている。燃料反応器の温度範囲に関して、「約」という用語は、範囲の両端がプラスまたはマイナス５％で変動する可能性があることを示す。
【００４３】
システム１００は、空気源１２０と、導管１２４を介して空気源１２０から空気流を受け取る入口を有する空気反応器１２２と、をさらに含む。空気反応器１２２は、一般に、燃料反応器１０４から空気流および還元された酸素担体を受け取るための中空内部を画定するハウジングによって画定される。図１に示すように、１つ以上の実施形態において、空気源１２０からの空気流は、導管１２４を介して空気反応器１２２に移送される前に、空気予熱器１２６に移送される。空気反応器１２２はまた、導管１２８を介して燃料反応器１０４から、還元された酸素担体（例えば、ＣａＳ）を受け取るように構成されている。
【００４４】
空気反応器１２２において、空気流は、還元された酸素担体を酸化し、再酸化された酸素担体および低酸素空気流をもたらす。燃料反応器から受け取った還元された酸素担体がＣａＳを含む実施形態において、その後の再酸化された酸素担体はＣａＳＯ４を含む。次いで、再酸化された酸素担体および低酸素空気流は、空気反応器１２２を出る。空気反応器１２２は、特定の温度範囲で空気反応器１２２を動作させるように構成されたコントローラ（図示せず）をさらに含むことができる。例えば、１つ以上の実施形態において、コントローラは、約９００℃〜約１２００℃の温度範囲で、または少なくとも１つの実施形態において、約１０５０℃〜約１１５０℃の温度範囲で空気反応器を動作させるように構成されている。空気反応器の温度範囲に関して、「約」という用語は、範囲の両端がプラスまたはマイナス５％で変動する可能性があることを示す。特定の実施形態において、空気反応器１２２の温度を制御する同じコントローラが燃料反応器１０４の温度を制御するが、少なくとも１つの実施形態において、燃料反応器１０４および空気反応器１２２は、別々のコントローラを有することができる。燃料反応器１０４および空気反応器１２２が別々のコントローラを有する特定の実装形態において、燃料反応器コントローラの出力（すなわち、温度変化）は、空気反応器コントローラの入力とすることができ、かつ／または空気反応器コントローラの出力は、燃料反応器コントローラの入力とすることができる。したがって、この実装形態において、空気反応器および燃料反応器のコントローラは、連動して動作することができ、その結果、一方の反応器で実施された温度変化は、対応する温度変化が（必要に応じて）その反応器で行うことができるように、他方の反応器のコントローラに送信された信号をもたらすことができる。
【００４５】
１つ以上の実施形態において、低酸素空気流および再酸化された酸素担体は、サイクロンなどの固気分離器を介して互いに分離され、別々に空気反応器１２２を出ることができる。図１に示すように、１つ以上の実施形態において、再酸化された酸素担体の第１の部分は、導管１３０を介して空気反応器１２２を出て、導管１３０は再酸化された酸素担体の第１の部分を燃料反応器１０４に送出し戻す。燃料反応器１０４が受け取った、再酸化された酸素担体は、受け取った燃料との反応に再び含まれる。さらに、１つ以上の実施形態において、再酸化された酸素担体の第２の部分は、導管１３２を介して空気反応器１２２を出ることができる。低酸素空気流は、導管１３４を介して空気反応器１２２を出る。
【００４６】
空気反応器１２２および燃料反応器１０４は、導管１２８および１３０を介して互いに流体接続している。さらに、（それぞれ導管１２８および１３０を介して）燃料反応器１０４と空気反応器１２２との間の還元された酸素担体および再酸化された酸素担体の循環は、燃料反応器１０４が吸熱反応器であり、空気反応器１２２が発熱反応器であるように、燃料反応器１０４および空気反応器１２２の温度管理に寄与する。
【００４７】
図１を引き続き参照すると、システム１００は、ＣＯ２供給源１３８からＣＯ２流を受け取るための入口を有する圧縮機１３６を含む超臨界ＣＯ２サイクルをさらに備える。ＣＯ２供給源１３８は、最初にシステムを充填し、システムから漏れて失われたＣＯ２を補充するＣＯ２補充を提供するために使用することができる。圧縮機１３６は、ＣＯ２流の圧力を増加させて高圧超臨界ＣＯ２流を形成するように構成することができる。超臨界ＣＯ２は、ＣＯ２がその臨界温度（およそ３１℃）およびその臨界圧力（およそ７３．８バール）以上である、ＣＯ２の流体状態である。ＣＯ２の圧力および温度の状態図を図２に示す。
【００４８】
１つ以上の実施形態において、ＣＯ２供給源１３８からシステムに送出されたＣＯ２の温度は周囲温度とすることができ、したがって、ＣＯ２の臨界温度よりも上または下とすることができる。システムへの充填を開始するとき、ＣＯ２供給源１３８からシステムに送出されるＣＯ２は、ＣＯ２の臨界圧力よりも下とすることができる。次いで、システムが完全に充填されると、ＣＯ２の圧力は、臨界圧力値を超えて上昇することができる。１つ以上の実施形態において、ＣＯ２のインライン補充は、動作圧力で行うことができ、動作圧力は、外部装置（例えば、ポンプ、圧縮機または膨張弁）によって制御することができる。
【００４９】
１つ以上の実施形態において、圧縮機１３６は、中間冷却段を備えた、または備えていない多段圧縮機である。圧縮機１３６は、超臨界ＣＯ２サイクルの低圧側から超臨界ＣＯ２サイクルの高圧側に移送されるＣＯ２を圧縮することができる。１つ以上の実施形態において、超臨界ＣＯ２サイクルの低圧側は、約４５バール〜約９０バールの圧力範囲で動作し、少なくとも１つの実施形態において、約７５バール〜約８０バールの圧力範囲で動作する。１つ以上の実施形態において、超臨界ＣＯ２サイクルの高圧側は、約２００バール〜約５００バールの圧力範囲で動作し、少なくとも１つの実施形態において、約３００バール〜約４００バールの圧力範囲で動作する。超臨界サイクルの低圧側は、約−４０℃〜約＋７０℃のほぼ周囲温度で動作する。超臨界サイクルの高圧側は、約４００℃〜約１２００℃の温度範囲で動作する。超臨界ＣＯ２サイクルの高圧側および低圧側の動作範囲を図２の状態図に示す。高圧側および低圧側の圧力範囲に関して、「約」という用語は、範囲の両端がプラスまたはマイナス５％で変動する可能性があることを示す。少なくとも１つの実施形態において、圧縮機１３６は、超臨界ＣＯ２サイクルの圧力範囲を制御するように構成されたコントローラ（図示せず）を含むことができる。１つ以上の実施形態において、システム１００は、本システムの流体および／または成分の温度および圧力を測定するための１つ以上のセンサを含むことができることを理解されたい。
【００５０】
少なくとも１つの実施形態において、ＣＯ２圧縮は、ＣＯ２臨界圧力を超えたＣＯ２を圧縮するために、多段圧縮機を介して第１のステップで行われ、続いて、所望の超臨界ＣＯ２圧力に到達するために、濃厚相ポンプを介して第２のステップで行われる。ＣＯ２圧縮機および濃厚ポンプは、直接流体連通するか、またはより良好な動作性および制御を可能にするための中間バッファタンクを有することができる。
【００５１】
上記のように、圧縮機１３６は、ＣＯ２流の圧力を増加させて超臨界ＣＯ２流を形成するように構成されている。圧縮機１３６はまた、第１の熱交換器１４０と流体連通している。次いで、圧縮機１３６からの超臨界ＣＯ２流は、導管１４２を介して第１の熱交換器１４０に搬送することができる。第１の熱交換器１４０において、超臨界ＣＯ２流は、改質（または燃焼）燃料流から移送される熱によって加熱される。具体的には、第１の熱交換器１４０はまた、一連の導管を介して燃料反応器１０４と流体連通している。
【００５２】
図１の実施形態で例示するように、燃料反応器での反応の結果として生じる改質（または燃焼）燃料は、導管１４４を介して燃料反応器を出て、改質（または燃焼）燃料の少なくとも第１の部分は導管１４５に移送され、導管１４５は、第２の燃料予熱器１１２と流体連通している。
【００５３】
より具体的には、第１の部分の改質（または燃焼）燃料は、導管１４４から導管１４５を介して第２の燃料予熱器１１２に移送され、次いで、予熱器１１２内の改質（または燃焼）燃料は、燃料流が燃料反応器１０４に入る前に、燃料流に熱を移送するために使用される。改質（または燃焼）燃料および燃料流は、改質（または燃焼）燃料と燃料流との間に直接接触がないように、（例えば、固体壁を介して）第２の燃料予熱器１１２内で分離されていることを理解されたい。
【００５４】
次いで、改質（または燃焼）燃料は、第２の燃料予熱器１１２から導管１４８を介して第１の熱交換器１４０に移送される。第１の熱交換器１４０において、改質（または燃焼）燃料のエネルギーが超臨界ＣＯ２流に移送され、それにより、超臨界ＣＯ２流を加熱する。再び、改質（または燃焼）燃料および超臨界ＣＯ２流は、改質（または燃焼）燃料および超臨界ＣＯ２流との間に直接接触がないように、第１の熱交換器１４０内で分離されていることを理解されたい。超臨界ＣＯ２流に熱を移送した後、改質（または燃焼）燃料の第１の部分は、導管１５０を介して第１の熱交換器１４０を出て、システムを出る。１つ以上の実施形態において、導管１５０を介してシステムを出る改質（または燃焼）燃料の第１の部分は、改質（または燃焼）燃料が燃料反応器１０４における完全燃焼の結果であった場合に、ＣＯ２除去のためにさらに処理することができる。少なくとも１つの実施形態において、導管１５０を介してシステムを出る改質（または燃焼）燃料は、変換される（すなわち、蒸気を使用してＣＯをＣＯ２に変換させ、より多くの水素を産生する）かつ／または水素分離のために精製することができるか、または蒸気または電力を生成するために電力を生成ブロックでさらに使用することができる。
【００５５】
少なくとも１つの実施形態において、改質（または燃焼）燃料の第２の部分は、導管１４４から、固体予熱器１１８と流体連通している導管１４６に移送される。固体予熱器１１８は、酸素担体が燃料反応器１０４に入る前に、改質（または燃焼）燃料の第２の部分から酸素担体に熱を移送するように構成されている。少なくとも１つの実施形態において、酸素担体および改質（または燃焼）燃料の第２の部分は、改質（または燃焼）燃料と酸素担体との間に直接接触がないように、固体予熱器１１８内で分離されている。少なくとも１つの実施形態において、酸素担体および改質（または燃焼）燃料の第２の部分は、改質（または燃焼）燃料と酸素担体との間に直接接触があるように、固体予熱器１１８内で密着している。そのような構成において、固体／気分離器（例えば、サイクロン）を使用して、気体状の改質（または燃焼）燃料流から酸素担体固体流を分離する。酸素担体への熱の移送後、改質（または燃焼）燃料の第２の部分は、固体予熱器１１８を出て、導管１５１を介してシステム１００からパージすることができる。１つ以上の実施形態において、導管１５１でシステムを出た改質（または燃焼）燃料は、導管１５０の改質（または燃焼）燃料流と合流することができるか、または別々にシステムを出ることができる。次いで、いずれの構成においても、導管１５１から出る改質（または燃焼）燃料は、改質（または燃焼）燃料が燃料反応器１０４における完全燃焼の結果であった場合に、ＣＯ２除去のためにさらに処理することができる。少なくとも１つの実施形態において、導管１５１を介してシステムを出る改質（または燃焼）燃料は、変換される（すなわち、蒸気を使用してＣＯをＣＯ２に変換させ、より多くの水素を産生する）かつ／または水素分離のために精製することができるか、または蒸気または電力を生成するために電力生成ブロックでさらに使用することができる。
【００５６】
超臨界ＣＯ２サイクルに戻ると、加熱された超臨界ＣＯ２流は、導管１５２を介して第１の熱交換器１４０を出る。導管１５２はまた、超臨界ＣＯ２流が導管１５２から第２の熱交換器１５４に移送されるように、第２の熱交換器１５４と流体連通している。
【００５７】
第２の熱交換器１５４において、超臨界ＣＯ２流は、さらに加熱される。超臨界ＣＯ２流は、空気反応器１２２から送出された、再酸化された酸素担体の第２の部分および／または空気反応器１２２から送出された低酸素空気の流れから移送された熱を受け取る。図１の実施形態に示すように、低酸素空気流は、第２の熱交換器１５４と流体連通している導管１３４を介して空気反応器１２２を出る。同様に、再酸化された酸素担体の第２の部分は、第２の熱交換器１５４と流体連通している導管１３２を介して空気反応器１２２を出る。第２の熱交換器１５４において、低酸素空気流および／または再酸化された酸素担体の第２の部分からのエネルギーは、超臨界ＣＯ２流に移送されて、超臨界ＣＯ２流をさらに加熱する。第２の熱交換器１５４において、超臨界ＣＯ２流、低酸素空気流、および再酸化された酸素担体は、それらの間に直接接触がないように分離することができる。熱移送後、低酸素空気流は、導管１５６を介して第２の熱交換器１５４を出て、導管１５６は、システム１００の外に低酸素空気流を導く。同様に、再酸化された酸素担体の第２の部分は、導管１５８を介して第２の熱交換器１５４を出て、導管１５８は、システム１００の外に再酸化された酸素担体の第２の部分を導く。
【００５８】
図１の実施形態に示すように、第２の熱交換器１５４は、３つの流れを有する単一のマルチチャネル熱交換器とすることができる。少なくとも１つの実施形態において、第２の熱交換器は、１つが超臨界ＣＯ２流と再酸化された酸素担体の第２の部分との間にある熱交換器、もう１つが超臨界ＣＯ２流と低酸素空気流との間にある熱交換器である、並行して動作する２つの別々の熱交換器とすることができる。
【００５９】
加熱された超臨界ＣＯ２流は、タービン１６２と流体連通している導管１６０を介して第２の熱交換器１５４を出る。１つ以上の実施形態において、加熱された超臨界ＣＯ２流は、約４００℃〜約１２００℃の範囲の温度で、少なくとも１つの実施形態において、約５５０℃〜約８５０℃の範囲の温度で第２の熱交換器１５４を出る。熱交換器１５４を出る加熱された超臨界ＣＯ２流の温度範囲に関して、「約」という用語は、範囲の両端がプラスまたはマイナス５％で変動する可能性があることを示す。加熱された超臨界ＣＯ２流は、タービン１６２に入り、タービン１６２内で超臨界ＣＯ２流は、膨張する。タービン１６２における超臨界ＣＯ２流の膨張は、圧縮機１３６を駆動するために使用される電力を生成する。少なくとも１つの実施形態において、タービン１６２で生成された電力を使用して、発電機（図示せず）によって電気を生成することもできる。代替的または追加的に、タービン１６２で生成された電力を使用して、プロセス機器を駆動するための機械的電力を生成することができる。
【００６０】
超臨界ＣＯ２流の膨張およびタービン１６２による電力の生成は、周囲温度が（例えば、周囲温度がＣＯ２臨界点温度よりも下であるとき、または低圧ＣＯ２流温度を臨界点温度より下に低下させるために外部冷却を追加するとき）を許容するとき、ＣＯ２流の圧力を低下させ、特定の実施形態において、ＣＯ２流の圧力を臨界圧力値（およそ７３．８バール）よりも下に低下させることができる。そうでなければ、低圧ＣＯ２流は、超臨界状態のままである。減圧ＣＯ２流は、導管１６４を介してタービン１６２を出る。１つ以上の実施形態において、導管１６４は、減圧ＣＯ２流の第１の部分が導管１６６に入り、減圧ＣＯ２流の第２の部分が導管１６８に入るように、導管１６６と１６８とに分割される。導管１６６は、減圧ＣＯ２流の第１の部分が第１の燃料予熱器１１０で使用されて、燃料が燃料反応器１０４に入る前に燃料に熱を移送するように、第１の燃料予熱器１１０と流体連通している。同様に、導管１６８は、減圧ＣＯ２流の第２の部分が空気予熱器１２６で使用されて、空気が空気反応器に入る前に空気流に熱を移送するように、空気予熱器１２６と流体連通している。減圧ＣＯ２流の第１の部分は、導管１７０を介して第１の燃料予熱器１１０を出て、減圧ＣＯ２流の第２の部分は、導管１７２を介して空気予熱器１２６を出る。
【００６１】
導管１７０および１７２は両方とも導管１７４に供給され、その結果、減圧ＣＯ２流の両方の部分が導管１７４に移送される。次いで、導管１７４は、減圧ＣＯ２流を冷却器１７６に移送する。冷却器１７６において、減圧ＣＯ２流は、周囲温度近くまで冷却される。次いで、冷却されたＣＯ２流は、圧縮機１３６と流体連通している導管１７８を介して冷却器１７６を出る。したがって、冷却されたＣＯ２流は、導管１７８を介して、圧縮機１３６に移送されて戻され、超臨界ＣＯ２サイクルを完了する。換言すると、冷却されたＣＯ２流は、超臨界ＣＯ２サイクルを継続するために圧縮機１３６に戻されてリサイクルされる。
【００６２】
本出願のシステムおよび方法は、図１を参照して上で説明されているが、本システムおよび方法は、そのような構成に限定されるものではない。例えば、少なくとも１つの実施形態において、タービン１６２は、中圧ＣＯ２抽出点を有することができる。次いで、抽出された中圧ＣＯ２流は、より高い出力のためにタービン１６２に再導入される前に、空気反応器１２２または燃料反応器１０４の１つ、または導管１３２、１３４、および１４４のうちの１つ以上において再加熱することができる。この構成において、タービンは、単段再加熱のタービンと見なされる。他の実施形態は、２つの再加熱を備えたタービンを含むことができ、２つのＣＯ２流は、２つの異なる中間圧力で別々の抽出点を介してタービンを出る。２つのＣＯ２流は、タービンに注入されて、より多くの電力を産生する前に、両方とも再加熱される。
【００６３】
少なくとも１つの実施形態において、超臨界ＣＯ２サイクルは、その効率を改善するために、既存のＣＯ２サイクルにリサイクル圧縮機を追加することができる２つまたは３つの段階を含むことができる。
【００６４】
少なくとも１つの実施形態において、超臨界ＣＯ２サイクルは、ＣＯ２を高圧超臨界状態に圧縮することを可能にするＣＯ２濃厚相ポンプに直接結合された、または中間容器タンクを介して結合されたＣＯ２圧縮機を含むことができる。
【００６５】
１つ以上の実施形態において、超臨界ＣＯ２サイクルは、高圧−低温ＣＯ２流（導管１４２）と低圧−高温ＣＯ２流（導管１６４）との間で熱を交換する再生器を含むことができる。この実施形態において、再生器は、システム内の温度ピンチを減少させ、一方の側の熱交換器１４０および１５４、ならびに他方の側の空気予熱器１２６および第１の燃料予熱器１１０を支援するように設計されている。
【００６６】
少なくとも１つの実施形態において、高温ＣＯ２流（導管１６４）は、空気予熱器１２６に供給する前に、埋め込まれた熱交換器を通して燃料反応器１０４と直接熱交換することができる。同様に、少なくとも１つの実施形態において、高圧ＣＯ２流（導管１６０および／または導管１５２）は、空気反応器１２２内に埋め込まれた熱交換器を通して空気反応器１２２内でさらに加熱することができる。
【００６７】
図３は、１つ以上の実施形態による、ケミカルループ配置に結合された超臨界ＣＯ２サイクルを含む例示的なシステムの別の実施形態の概略図を開示する。図３に示すように、システム３００は、（いくつかの追加の機能を備えた）システム１００と比較して同様の構成を有し、システム１００およびシステム３００の共通の特徴は、システム１００（図１）を参照して上述したのと実質的に同じ方法で動作する。したがって、システム１００および３００に共通のシステムの態様は、図１でそれらを示すために使用されるのと同じ番号で図３に表示されている。
【００６８】
システム３００において、燃料反応器１０４は「改質モード」（すなわち、燃料流は燃料反応器内で燃焼ではなく改質される）で動作し、その結果、改質燃料流（例えば、合成ガス流）が産生される。改質燃料流は、導管１４４を介して燃料反応器１０４を出る。次いで、改質燃料流は、図１に示すのと同じ経路（すなわち、導管１４５および１４６）を通過した２つの部分に分割される。具体的には、改質燃料の第１の部分は、導管１４４から導管１４５を介して第２の燃料予熱器１１２に移送され、次いで、予熱器１１２内の改質燃料は、燃料流が燃料反応器１０４に入る前に、燃料流に熱を移送するために使用される。次いで、改質燃料は、第２の燃料予熱器１１２から導管１４８を介して第１の熱交換器１４０に移送される。第１の熱交換器１４０において、改質燃料のエネルギーが超臨界ＣＯ２流に移送され、それにより、超臨界ＣＯ２流を加熱する。超臨界ＣＯ２流に熱を移送した後、改質燃料の第１の部分は、導管１５０を介して第１の熱交換器１４０を出る。
【００６９】
同様に、改質燃料の第２の部分は、導管１４４から、固体予熱器１１８と流体連通している導管１４６に移送される。固体予熱器１１８は、酸素担体が燃料反応器１０４に入る前に、改質燃料の第２の部分から酸素担体に熱を移送するように構成されている。酸素担体に熱を移送した後、改質燃料の第２の部分は、導管１５１を介して固体予熱器１１８を出て、次いで、導管１４７に流れ込む。
【００７０】
したがって、改質燃料の両方の部分は、燃料反応器１０４を出た後、他の流れに熱を移送し、それにより、冷却される。次いで、導管１５０および１４７は、導管１４９に合流し、その結果、改質燃料の冷却された２つの流れが組み合わされて１つの流れに戻される。次いで、導管１４９は、（冷却器１７６と同様に）周囲条件で動作する燃料冷却器２０２に供給される。燃料冷却器２０２は、改質燃料の組み合わされた流れをほぼ周囲温度までさらに冷却するように構成されている。周囲温度の改質燃料は、導管１５７を介して燃料冷却器２０２を出て、圧縮機２０３に供給され、これにより、改質燃料流の圧力が増加する。
【００７１】
改質燃料流は、導管１５９を介して圧縮機２０３を出て、次いで、導管１５９は、改質燃料流を燃焼室２０１に供給する。追加の燃料は、供給ライン１９０を通して燃焼室２０１に供給することができる。ライン１９０を通して供給される追加の燃料は、燃料源１０２から提供される燃料の一部とすることができるか、または別の燃料流とすることができる。ライン１９０を通して供給される燃料は、燃料源１０２の燃料に関して上で考察されるタイプ（複数可）の液体または気体燃料とすることができる。酸素は、導管１８０を介して燃焼室２０１に供給することができる。燃焼室２０１に供給された酸素は、改質燃料流（合成ガス流）の酸素燃焼点火を可能にする。したがって、燃焼室２０１における改質燃料流の燃焼は、ＣＯ２および水蒸気の生成をもたらす。１つ以上の構成において、導管１８０を介して燃焼室２０１に送出された酸素は、導管１５６および１５８の一方または両方からの熱の移送によって予熱することができる。少なくとも１つの構成において、導管１８０の酸素は、導管１３４から離れる導管からの熱の移送によってさらに予熱することができる。１つ以上の実施形態において、燃焼室２０１は、約１０００℃〜約２０００℃の温度範囲で動作する。少なくとも１つの実施形態において、燃焼室は、約１３００℃〜約１８００℃の温度範囲で動作する。１つ以上の実施形態において、燃焼室２０１の温度は、少なくとも部分的に、リサイクルＣＯ２流１８７の流量によって制御される。１つ以上の実施形態において、第２の熱交換器１５４からの導管１６０の超臨界ＣＯ２流もまた、燃焼室２０１に送られ、燃焼される。
【００７２】
煙道ガス（例えば、ＣＯ２および水蒸気）ならびに超臨界ＣＯ２流は、導管１６１を介して燃焼室２０１を出て、タービン１６２に供給される。タービンにおいて、ＣＯ２が膨張し、その圧力は減少する。次いで、煙道ガスおよび結果として生じる減圧ＣＯ２流は、図１のシステム１００内の減圧ＣＯ２流と実質的に同じ経路（複数可）を辿る。具体的には、煙道ガスおよび減圧ＣＯ２流の少なくとも一部は、タービン１６２を出て、空気予熱器１２６に供給され、そこで、空気反応器に空気が入る前に、空気流に熱を移送するために使用される。同様に、煙道ガスおよび減圧ＣＯ２流の別の部分は、タービン１６２を出て、第１の燃料予熱器１１０に供給され、そこで、燃料反応器に燃料が入る前に、燃料に熱を移送するために使用される。次いで、煙道ガスおよび減圧ＣＯ２流の両方の部分は、導管１７４内で再度組み合わされ、冷却器１７６に移送されて、周囲温度近くまで冷却される。次いで、冷却された煙道ガス／減圧ＣＯ２流は、導管１７８を介して冷却器１７６を出る。
【００７３】
引き続き図３を参照すると、次いで、導管１７８は、冷却された煙道ガス／減圧ＣＯ２流を、減圧ＣＯ２の主流から煙道ガス（水蒸気およびＣＯ２）を分離するように構成されているガス処理装置２０４に供給する。１つ以上の実施形態において、ガス処理装置２０４は、１つ以上の下流用途（例えば、ＣＯ２変換技術、ＣＯ２純度要件、ＣＯ２隔離）のために、指定された純度のＣＯ２流を提供するようにさらに構成することができる。オフガスおよび水は、導管１８３および／または１８４を介して処理装置２０４を出る。１つ以上の実施形態において、ガス処理装置２０４は、吸着ベースの装置、極低温タイプの装置、または酸素燃焼ＣＯ２捕捉技術で通常使用される任意のタイプの装置とすることができる。冷却された減圧ＣＯ２の主流は、導管１８７を介して処理装置２０４を出て、圧縮機１３６に戻る。導管１８７内の減圧ＣＯ２の流れの流量は、燃焼室２０１内の温度を指定された範囲内に維持するように調整することができる。したがって、導管１８７を介して、減圧ＣＯ２流は圧縮機１３６に移送されて戻され、超臨界ＣＯ２サイクルを完了する。換言すると、減圧ＣＯ２流は、超臨界ＣＯ２サイクルを継続するために圧縮機１３６に戻されてリサイクルされる。
【００７４】
１つ以上の実施形態において、タービン１６２を出る煙道ガスの温度が非常に高いため、導管１６０と導管１６４との間に熱結合がある。少なくとも１つの実施形態において、導管１６４は、蒸気発生または超臨界ＣＯ２に基づいてボトミングサイクルに熱を移送して、組み合わされたサイクルで電力を産生する熱結合を有することができる。少なくとも１つの実施形態において、導管１６４は、ガス処理装置２０４との熱結合を有することができる。
【００７５】
したがって、着目すべき態様において、本システムおよび方法は、超臨界ＣＯ２サイクルが、ケミカルループサイクルに入ってくる流れを予熱するための熱を提供し、超臨界ＣＯ２サイクルが、ケミカルループサイクルを出る流れから熱を除去するように、ケミカルループサイクルと一体化されている超臨界ＣＯ２サイクルを提供する。換言すると、本システムにおいて、第１の熱力学的システム（超臨界ＣＯ２サイクル）の高温流体は、第２の熱力学的システム（ケミカルループサイクル）の低温側と熱交換し、一方、第１の熱力学的システムの低温流体は、第２の熱力学的システムの高温側からの熱を受け取る。他のシステムは、ケミカルループサイクルを超臨界ＣＯ２サイクルと組み合わせているが、これらの他のシステムは、位置されている熱力学的システム内でのみ熱交換を行う熱交換器を備える。したがって、これらの他のシステムは、２つの熱力学的システム（ケミカルループサイクルと超臨界ＣＯ２サイクル）との間で大量の熱を交換することはなく、さらに、２つの熱力学的システム間で両方向に大量の熱を交換することはない。
【００７６】
上記の説明の大部分は、ケミカルループサイクルおよび超臨界ＣＯ２サイクルのためのシステムおよび方法を対象としてきたが、本明細書に開示されたシステムおよび方法は、参照されたシナリオをはるかに超えたシナリオ、状況、および設定で、同様に展開および／または実装することができる。このような実装形態および／または展開のいずれも、本明細書に記載のシステムおよび方法の範囲内であることをさらに理解されたい。
【００７７】
図面中の類似の数字が、いくつかの図を通して類似の要素を表すこと、および図に関連して説明され、示された構成要素および／またはステップの全てが、全ての実施形態または構成に必要とされるわけではないことをさらに理解されたい。さらに、本明細書において使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに別のことを示している場合を除き、複数形も含むものと意図する。本明細書における「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含有する）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（含む）」という用語およびそれらの変形は、本明細書で使用する際、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。
【００７８】
特許請求の範囲の要素を修飾するための特許請求の範囲における「第１の」、「第２の」、「第３の」などの順序を示す用語の使用は、それ自体では、別のものに関して１つの特許請求の範囲の要素の優先順位、先行、または順序、あるいは方法の動作が実行される時間的な順序を暗示するものではなくて、特定の名前を有する１つの特許請求の範囲の要素を同じ名前を有する別の要素と区別するための（ただし、順序を示す用語を使用するための）ラベルとしてのみ使用され、特許請求の範囲の要素を区別することに留意されたい。
【００７９】
上述の主題は、単に例示として提供されており、限定されるものと解釈されるべきではない。例解され、記載された例示的な実施形態および用途に従うことなく、かつ、以降の特許請求の範囲に記載されている本発明の真の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更が、本明細書に記載された主題に対して行われ得る。
【符号の説明】
【００８０】
１００  システム
１０２  燃料源
１０４  燃料反応器
１０６、１０８、１１６、１２４、１２８、１３０、１３２、１３４  導管
１１０  第１の燃料予熱器
１１２  第２の燃料予熱器
１１４  酸素担体源
１１８  固体予熱器
１２０  空気源
１２２  空気反応器
１２６  空気予熱器
１３６  圧縮機
１３８  供給源
１４０  第１の熱交換器
１４２、１４４〜１５２  導管
１５４  第２の熱交換器
１５６〜１６１  導管
１６２  タービン
１６４、１６６、１６８、１７０、１７２、１７４  導管
１７６  冷却器
１７８、１８０、１８３、１８７  導管
１９０  供給ライン
２０１  燃焼室
２０２  燃料冷却器
２０３  圧縮機
２０４  処理装置
２０４  ガス処理装置
３００  システム
【図１】
2021528586.tif 000003
【図２】
2021528586.tif 000004
【図３】
2021528586.tif 000005
【国際調査報告】
2021528586.tif 000006
2021528586.tif 000007