(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力生産方法であって、
ＣＯ２仕事流が、繰り返される電力生産のための膨張、冷却、圧縮、加熱、および燃焼にかけられる第１の電力生産サイクルを稼働させることと、
前記第１の電力生産サイクルからの圧縮されたＣＯ２仕事流の少なくとも一部が、前記第１の電力生産サイクルとは独立している熱源で加熱され、電力生産のために膨張され、前記第１の電力生産サイクル内のＣＯ２仕事流と再び組み合わされる第２の電力生産サイクルを稼働させることと、
を備える、電力生産方法。
【請求項２】
前記第１の電力生産サイクルの稼働において、
前記電力生産のための膨張が、第１の分量の電力を生産するために第１のタービンを横切って前記ＣＯ２仕事流を膨張させることを備え、
前記冷却が、復熱式熱交換器内で前記ＣＯ２仕事流から熱を取り出すことを備え、
前記圧縮が、少なくとも１つの圧縮器で前記ＣＯ２仕事流を圧縮することを備え、
前記加熱が、前記復熱式熱交換器内の取り出された熱を用いて前記ＣＯ２仕事流を加熱することを備え、
前記燃焼が、燃焼器内の圧縮されたＣＯ２仕事流を過熱することを備える、
請求項１に記載の電力生産方法。
【請求項３】
前記第１の電力生産サイクル内での前記加熱が、前記第２の電力生産サイクル内のＣＯ２仕事流に提供される熱を受け取ることを含む、請求項１または請求項２に記載の電力生産方法。
【請求項４】
前記第２の電力生産サイクル内の熱源が、燃焼熱源、太陽熱源、核熱源、地熱熱源、および産業廃熱源のうち１つ以上である、請求項１または請求項２に記載の電力生産方法。
【請求項５】
前記第２の電力生産サイクルからの膨張された仕事流が、前記圧縮の後かつ前記燃焼の前に前記第１の電力生産サイクル内のＣＯ２仕事流に熱を付加するために用いられる、請求項１または請求項２に記載の電力生産方法。
【請求項６】
前記第１の電力生産サイクル内のＣＯ２仕事流と再び組み合わされる前記第２の電力生産サイクルからのＣＯ２仕事流が、
前記第１の電力生産サイクル内での前記冷却の後かつ前記圧縮の前の入力、
前記圧縮の後かつ前記加熱の前の入力、
前記第１の電力生産サイクル内での前記加熱の最中の入力、
のうち１つ以上である、請求項１または請求項２に記載の電力生産方法。
【請求項７】
電力生産サイクルの効率を改善するための方法であって、前記方法が、
前記電力生産サイクルを稼働させることであって、それにより、圧縮された再循環されるＣＯ２は、炭素質燃料が再循環されるＣＯ２を備える排気流を生産するために酸化剤を用いて燃焼される燃焼器を通され、前記排気流は、電力を生産して再循環されるＣＯ２を備えるタービン排気流を形成するためにタービンを横切って膨張され、前記タービン排気流は復熱式熱交換器内で冷却され、冷却されたタービン排気流は、前記再循環されるＣＯ２を分離するために分離器を通され、前記再循環されるＣＯ２は圧縮され、前記圧縮された再循環されるＣＯ２は、前記タービン排気流に接して前記復熱式熱交換器を通じる通過により加熱されることと、
前記タービン排気流から利用可能である加熱のレベルを上回って前記圧縮された再循環されるＣＯ２にさらなる加熱を付加することであって、前記さらなる加熱は、前記圧縮された再循環されるＣＯ２の一部を取り出すことにより提供されることと、前記電力生産サイクルとは独立している熱源で圧縮された再循環されるＣＯ２の取り出された部分を加熱することと、取り出されかつ加熱された圧縮された再循環されるＣＯ２から前記電力生産サイクル内の圧縮された再循環されるＣＯ２の残りの部分に熱を伝達することと、
を備える、方法。
【請求項８】
その中の圧縮された再循環されるＣＯ２に熱を伝達するために、前記取り出されかつ加熱された圧縮された再循環されるＣＯ２を前記復熱式熱交換器に通すことを備える、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記復熱式熱交換器内の圧縮された再循環されるＣＯ２の残りの部分とその後組み合わされる再循環されるＣＯ２副流を加熱するために、前記取り出されかつ加熱された圧縮された再循環されるＣＯ２を二次熱交換器に通すことを備える、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
電力を生産するために第２のタービンを横切って前記取り出されかつ加熱された圧縮された再循環されるＣＯ２を膨張させることを備える、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
電力生産システムであって、
ＣＯ２流を少なくとも約１００バール（１０ＭＰａ）の圧力に圧縮するように構成された圧縮器と、
前記圧縮器から下流にある燃焼器と、
前記燃焼器から下流かつ前記圧縮器から上流にある第１のタービンと、
前記圧縮器から流れを受け入れ、前記タービンから別個の流れを受け入れるように位置付けられ、かつ、前記流れの間で熱を伝達するように構成された第１の熱交換器と、
前記圧縮器から下流にある第２のタービンと、
前記圧縮器から流れを受け入れ、熱源から別個の流れを受け入れるように位置付けられた第２の熱交換器と、
を備える、電力生産システム。
【請求項１２】
前記第２の熱交換器により受け入れられる別個の流れのための熱源が、燃焼熱源、太陽熱源、核熱源、地熱熱源、および産業廃熱源のうち１つ以上である、請求項１１に記載の電力生産システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ＣＯ２循環流体を利用する電力生産サイクルをその効率において改善することができる、電力生産システムおよび方法を提供する。特に、電力生産サイクルからの圧縮されたＣＯ２流は、独立している熱源で加熱し、追加の電力を生産して電力生産サイクルに追加の加熱を提供するために膨張させることができる。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス燃料を用いて現在使用されている最もありふれた電力サイクルは、熱回収蒸気発電機（ＨＲＳＧ）と組み合わされたガスタービン（ＧＴ）である。そのようなシステムは、高度な蒸気ランキンサイクル電力生成システム（ＨＲＳＧに加えて蒸気タービン）が、高温のタービン排気熱を利用してさらなる電力生成のための蒸気を形成する、天然ガス火力複合サイクル（ＮＧＣＣ）と呼ばれることがある。ＮＧＣＣユニットは、典型的には、主に天然ガス燃料を利用する電力生成の効率的な方法であると理解されている。ＮＧＣＣユニットの使用において、燃焼に由来する全てのＣＯ２、水蒸気、および窒素酸化物（ＮＯｘ）は大気に通気される。
【０００３】
電力生産における作業流体としての（特に超臨界形態にある）ＣＯ２の利用が、電力生産のための非常に効率的な方法であると示されてきた。例えば、アラム（Allam）他に対する米国特許第８，５９６，０７５号を参照されたく、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれており、大気への任意の流れの事実上ゼロの排出を伴う、復熱される酸素−燃料ブレイトンサイクル電力生成システム内での直接加熱されるＣＯ２作業流体の使用を記載している。以前は、間接的な加熱源および１つ以上の熱交換器を用いる中間加熱での電力生産のために繰り返し圧縮および膨張される密閉サイクル内での作業流体としてＣＯ２を利用することができることが提唱されてきた。例えば、ヘルド（Held）に対する米国特許第８，７８３，０３４号を参照されたい。
【０００４】
そのような電力生産方法において効率を増加させるために、様々な手段が追求されてきた。例えば、高温のガス圧縮を介してまたは外部熱源を通じて等の、復熱式熱交換器の最適化が追求されてきた。ＣＯ２サイクルの最適化は、度々、タービン電力出力を最大化することに焦点を合わせてきた。そのような努力にもかかわらず、大気への任意の流れ（例えば、ＣＯ２、ＮＯｘ、および他の燃焼に関係する生成物）の排出を制限または実質的に回避しつつ、増加された効率および電力出力を伴う電力生産システムおよび方法に関する分野において必要性があり続ける。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、電力生産サイクル内で利用される設備内での著しい変化の必要性を伴わずに電力生産容量を同時に増加させつつ、仕事流としてＣＯ２を利用する電力生産サイクルの効率を最大化することができる、電力生産のためのシステムおよび方法に関する。効率における改善は、内部熱交換を通じて復熱することができる加熱を超えて作業流体流に追加の加熱を供給することにより実現することができ、その追加の加熱は、電力生産サイクルとは独立している外部熱源により供給される。特に、独立している熱源は、電力生産サイクルからの高圧再循環ＣＯ２流の少なくとも一部を加熱するために用いることができ、そのように加熱された流れは、再循環ＣＯ２仕事流の追加の加熱を達成する様々な様式で電力生産サイクルに再合流させることができる。有利なことに、そのように加熱された再循環ＣＯ２流は、追加の電力生産のために、かつ、追加の設備の要求を回避する圧力で一次電力生産サイクルに再合流するために、そのように加熱された再循環ＣＯ２流を調節するために膨張させることができる。
【０００６】
いくつかの実施形態では、本開示は、このように、再循環されるＣＯ２流が、繰り返される圧縮、加熱、燃焼、電力生産のための膨張、および冷却にかけられる第１の電力生産サイクルと、第１の電力生産サイクルからの圧縮されたＣＯ２が、第１の電力生産サイクルとは独立している熱源で加熱され、電力生産のために膨張され、第１の電力生産サイクル内の再循環されるＣＯ２流と再び組み合わされる第２の電力生産サイクルと、を備える電力生産方法を提供する。特に、燃焼から上流の第１の電力生産サイクル内で実行される加熱は、第２の電力生産サイクル内の圧縮された再循環されるＣＯ２に提供される熱を受け取ることを含み得る。例えば、第１の電力生産サイクル内での加熱は、再循環されるＣＯ２流を冷却するタービン排出流に接して復熱式熱交換器を通すことを備え得、第２の電力生産サイクル内で加熱される圧縮されたＣＯ２流は、第１の電力生産サイクル内の再循環されるＣＯ２流に追加の加熱を分与するために、復熱式熱交換器（またはその特定の分節またはユニット）を通すことができる。別の非限定的な例として、第１の電力生産サイクルは二次熱交換器を含み得、第２の電力生産サイクル内で加熱される圧縮されたＣＯ２流は、第１の電力生産サイクル内の再循環ＣＯ２流の一部に接して二次熱交換器を通すことができ、その後、その一部は、復熱式熱交換器を通過する前、最中、または後に、残りの再循環されるＣＯ２流と再び組み合わせることができる。
【０００７】
第２の電力生産サイクル内の熱源は、本明細書に記載されているように圧縮されたＣＯ２流を加熱するのに十分である流れに加熱を分与するように構成された任意の機器または機器の組み合わせを備え得、それにより、圧縮されたＣＯ２流は熱の所望の質および分量を達成する。非限定的な例として、第２の電力生産サイクル内の熱源は、燃焼熱源、太陽熱源、核熱源、地熱熱源、および産業廃熱源のうち１つ以上であり得る。その熱源は、熱交換器、熱ポンプ、電力生産機器、および、必要な熱を形成、提供、または送達するのに適切な要素の任意のさらなる組み合わせ（例えば、配管および同様のもの）を含み得る。
【０００８】
別の例示的な実施形態では、本開示による電力生産の方法は、第１の分量の電力を生産するために第１のタービンを横切って循環されるＣＯ２を備える仕事流を膨張させることと、復熱式熱交換器内の仕事流から熱を取り出すことと、仕事流を圧縮することと、復熱式熱交換器内の取り出された熱を用いて仕事流を再加熱することと、燃焼器内の圧縮された仕事流を過熱することと、を含む第１のサイクルを実行することを備え得る。本方法は、第１のサイクルからの圧縮された仕事流が、燃焼器および復熱式熱交換器とは独立している熱源で加熱され、第２の分量の電力を生産するために第２のタービンを横切って膨張される、入れ子式のサイクルを実行することも備え得る。特に、入れ子式のサイクルからの膨張された仕事流は、圧縮の後かつ過熱の前に第１のサイクル内の仕事流に熱を付加するために用いることができる。
【０００９】
他の実施形態では、本開示は、電力生産サイクルの効率を改善するための方法を提供することができる。非限定的な例として、そのような方法は、電力生産サイクルを稼働させることを備え得、それにより、圧縮された再循環されるＣＯ２は、炭素質燃料が再循環されるＣＯ２を備える排気流を生産するために酸化剤を用いて燃焼される燃焼器を通され、その排気流は、電力を生産して再循環されるＣＯ２を備えるタービン排気流を形成するためにタービンを横切って膨張され、そのタービン排気流は復熱式熱交換器内で冷却され、冷却されたタービン排気流は、再循環されるＣＯ２を分離するために分離器を通され、その再循環されるＣＯ２は圧縮され、圧縮された再循環されるＣＯ２は、タービン排気流に接して復熱式熱交換器を通過することにより加熱される。そのような方法は、タービン排気流から利用可能である加熱のレベルを上回って圧縮された再循環されるＣＯ２にさらなる加熱を付加することであって、そのさらなる加熱は、圧縮された再循環されるＣＯ２の一部を取り出すことにより提供されることと、電力生産サイクルとは独立している熱源で圧縮された再循環されるＣＯ２の取り出された部分を加熱することと、取り出されかつ加熱された圧縮された再循環されるＣＯ２から電力生産サイクル内の圧縮された再循環されるＣＯ２の残りの部分に熱を伝達することと、をさらに備え得る。より特別には、そのような方法は、その中の圧縮された再循環されるＣＯ２に熱を伝達するために、取り出されかつ加熱された圧縮された再循環されるＣＯ２を復熱式熱交換器に通すことを備え得る。代替的に、または加えて、そのような方法は、復熱式熱交換器内の圧縮された再循環されるＣＯ２の残りの部分とその後組み合わされる再循環されるＣＯ２副流を加熱するために、取り出されかつ加熱された圧縮された再循環されるＣＯ２を二次熱交換器に通すことを備え得る。いくつかの実施形態では、そのような方法は、電力を生産するために取り出されかつ加熱された圧縮された再循環されるＣＯ２を第２のタービンを横切って膨張させることを備え得る。
【００１０】
１つ以上の実施形態では、電力生産方法は、ＣＯ２仕事流が、繰り返される電力生産のための膨張、冷却、圧縮、加熱、および燃焼にかけられる第１の電力生産サイクルを稼働させることと、第１の電力生産サイクルからの圧縮されたＣＯ２仕事流の少なくとも一部が、第１の電力生産サイクルとは独立している熱源で加熱され、電力生産のために膨張され、第１の電力生産サイクル内のＣＯ２仕事流と再び組み合わされる第２の電力生産サイクルを稼働させることと、を備え得る。特に、そのような電力生産方法は、以下のうち何れか１つ以上が当てはまり得ることにおいて特徴付けることができる：前記電力生産のための膨張は、第１の分量の電力を生産するために第１のタービンを横切ってＣＯ２仕事流を膨張させることを備えること；前記冷却は、復熱式熱交換器内のＣＯ２仕事流から熱を取り出すことを備えること；前記圧縮は、少なくとも１つの圧縮器でＣＯ２仕事流を圧縮することを備えること；前記加熱は、復熱式熱交換器内の取り出された熱を用いてＣＯ２仕事流を加熱すること；前記燃焼は、燃焼器内の圧縮されたＣＯ２仕事流を過熱することを備えること。
【００１１】
上記に付言すると、その電力生産方法は、以下のうち何れか１つ以上が当てはまり得ることにおいて定義することができる：第１の電力生産サイクル内の前記加熱は、第２の電力生産サイクル内のＣＯ２仕事流に提供される熱を受け取ることを含むこと；第２の電力生産サイクル内の熱源は、燃焼熱源、太陽熱源、核熱源、地熱熱源、および産業廃熱源のうち１つ以上であること；第２の電力生産サイクルからの膨張された仕事流は、圧縮の後かつ燃焼の前に第１の電力生産サイクル内のＣＯ２仕事流に熱を付加するために用いられること。
【００１２】
なおさらに、その電力生産方法は、第１の電力生産サイクル内のＣＯ２仕事流と再び組み合わされる第２の電力生産サイクルからのＣＯ２仕事流が、第１の電力生産サイクル内での前記冷却の後かつ前記圧縮の前の入力、前記圧縮の後かつ前記加熱の前の入力、第１の電力生産サイクル内での前記加熱の最中の入力、のうち１つ以上であることにおいて定義することができる。
【００１３】
さらなる実施形態では、本開示は、電力生産システムを提供することもできる。特別な実施形態では、電力生産システムは、ＣＯ２流を少なくとも約１００バール（１０ＭＰａ）の圧力に圧縮するように構成された圧縮器と、圧縮器から下流にある燃焼器と、燃焼器から下流かつ圧縮器から上流にある第１のタービンと、圧縮器から流れを受け入れ、タービンから別個の流れを受け入れるように位置付けられ、かつ、その流れの間で熱を伝達するように構成された第１の熱交換器と、圧縮器から下流にある第２のタービンと、圧縮器から流れを受け取り、熱源から別個の流れを受け取るように位置付けられた第２の熱交換器と、を備え得る。
【００１４】
いくつかの実施形態では、（ガスタービン等の）外部熱源は、ＣＯ２を作業流体として用いる電力システムと統合することができる。いくつかの実施形態では、外部熱源に由来する流れ（例えば、ガスタービンからの排気流）は、加熱する高圧再循環ＣＯ２流に接して冷却することができる。随意に、外部熱源に由来する流れは、炭素質燃料の燃焼を介してさらに加熱することができる。いくつかの実施形態では、外部熱源により加熱された高圧再循環ＣＯ２流は、電力生産タービン内で膨張させることができる。タービンからの排出物は、（実施例に記載されているアラムサイクル等の）独立型電力生産サイクル内のＣＯ２循環圧縮器の入口、中間、または出口圧力に対応するように構成することができる一方で、タービン入口温度は、独立型電力生産サイクル内のＣＯ２ポンプの排出圧力に対応することができる。いくつかの実施形態では、外部熱源により加熱された高圧再循環ＣＯ２流は、約４００℃乃至約１５００℃、好ましくは約７００℃乃至約１３００℃の温度に加熱することができる。そのような温度範囲内での熱の提供は、本明細書に記載されている改善を達成するために特に有益であり得る。
【００１５】
他の実施形態では、昇温での補助タービン排出流は、５００℃を上回る比熱と比較して、約２００バール（２０ＭＰａ）乃至約４００バール（４０ＭＰａ）の圧力範囲内でのＣＯ２の遥かにより高い比熱に起因して、環境温度から５００℃までの温度範囲内のＣＯ２を加熱するのに要求される追加の熱を提供するために用いることができる。より低温範囲内でのそのような熱の付加は、明細書中で別様に記載されているように、高圧再循環ＣＯ２流に提供される加熱から具体的に描写することができる。より低温範囲内での熱の付加は、燃焼サイクルの効率を改善する際に有用であり得るが、より低温範囲内での熱の付加は、より大きい温度範囲内での加熱の付加と必ずしも組み合わせる必要はない。もし所望であれば、２５０℃を下回る温度範囲内での高圧再循環ＣＯ２流の追加の加熱は、システムに要求される酸素を提供する、極低温空気分離プラントの断熱式主空気圧縮器に由来する熱を用いて有益であり得る。
【００１６】
現在開示されているシステムおよび方法は、設備の１つ以上の部品を共有することができるようにシステムを組み合わせる能力が提供されていることにおいて、いくつかの実施形態において有益である。その組み合わせは、増加されたエネルギー生産を提供すること、および、増加されたＫｗ容量に関連して資本支出における低減を提供することを含む、多数の利益を提供することができる。そのうえ、その組み合わせは、特定の重複する稼働温度範囲に必ずしも限定されない。むしろ、任意の温度範囲内で稼働するシステムは、有益に、（本明細書に概して記載されているように）仕事流としてＣＯ２を利用する電力生産サイクルと組み合わされ、所望の改善を達成することができる。
【００１７】
このようにして、先の一般的な用語で本開示を記載してきたため、必ずしも縮尺どおりに描かれていない添付の図面に対してここで参照が行われることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本開示による電力生産の例示的なシステムおよび方法の流れ線図である。
【図２】本開示の例示的な実施形態による、ガスタービンおよびＣＯ２サイクルを組み合わせる電力生産のシステムおよび方法の流れ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本願の主要部は、ここでその例示的な実施形態を参照して下文により十分に記載されることになる。こうした例示的な実施形態は、この開示が完全かつ完璧であることになり、当業者に主要部の範囲を十分に伝えることになるように記載されている。実際に、その主要部は、多くの異なる形態で具現することができ、本明細書に明記されている実施形態に限定されると解釈するべきではなく、むしろ、こうした実施形態は、この開示が適用可能な法的要件を満たすことになるように提供されている。明細書中で、かつ添付の請求の範囲内で用いられる際に、「一」、「一つ」、「その」という単数形は、その文脈が別様に明確に規定しない限り複数の指示物を含む。
【００２０】
本開示は、仕事流としてＣＯ２を利用する第１の電力生産サイクルが、同じＣＯ２仕事流の少なくとも一部を追加の電力生産および／または熱生産を結果的にもたらす追加の処理にかけることができる第２の、つまり入れ子式の電力生産サイクルと組み合わせることができるシステムおよび方法を提供する。そのようなシステムおよび方法では、高効率を達成することができる。特に、第１の電力生産サイクル内での復熱式熱交換を改善することができる一方で、さらなる電力生産を同時に達成することができる。第２の電力生産サイクル内での追加の処理は、第１の電力生産サイクル内で利用される任意の加熱とは独立している熱源での加熱を含み得る。第２の電力生産サイクルの第１の電力生産サイクルとの組み合わせは、少なくとも部分的に、機械類の１つ以上の部品を両方のサイクル内で利用することができるようにサイクルを重ね合わせる能力のために有益であり得る。例えば、第１の電力生産サイクル内で利用される圧縮器は、第２の電力生産サイクル内の圧縮器として用いることもできる。そのため、本開示は、復熱式熱交換器の最適化を同時に行いつつ、少なくとも増加された電力出力の利益を提供するために共有型ターボ機械類を利用する、少なくとも１つの直接的に加熱されるＣＯ２の流れおよび少なくとも１つの間接的に加熱されるＣＯ２の流れの組み合わせに関連して特徴付けることができる。間接的に加熱されるＣＯ２の流れは、いくつかの実施形態では、直接的に加熱される流れからのＣＯ２の少なくとも一部を備える。そのため、単一の再循環ＣＯ２流は、本明細書に定義されているような高圧流を形成するために圧縮にさらし、間接的に加熱される流れと直接的に加熱される流れとに分流し、各々の加熱工程の後に再び組み合わせることができる。代替的には、単一の再循環ＣＯ２流は、高圧流を形成するために圧縮にさらすことができ、高圧再循環ＣＯ２流の一部は、間接的に加熱されるＣＯ２流を形成するために間接的に加熱することができ、間接的に加熱されるＣＯ２流は、直接的な加熱にさらされる全体の再循環ＣＯ２流を形成するために残りの再循環ＣＯ２流と組み合わせることができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、第１の電力生産サイクルからの高圧流（例えば、高圧再循環ＣＯ２流）は、第２の電力生産サイクル内の独立している熱源により加熱することができる。その後、加熱された流れは、電力生産に適している膨張器に供給することができる。その後、膨張された流れは、冷却されたタービン排気流からの復熱を通じて利用可能である加熱を超えて第１の電力生産サイクルに加熱を有益に分与することができる様々な様式で、第１の電力生産サイクルに戻って挿入することができる。第２の電力生産サイクル内の膨張器からの排出圧力は、挿入地点に関する適切な圧力で膨張された流れを第１の電力生産サイクルに挿入することができるように適合させることができる。このようにして第１の電力生産サイクルに提供される加熱は、様々な様式で付加することができる。例えば、第２の電力生産サイクルからの膨張された流れは、高圧再循環ＣＯ２が第１の電力生産サイクル内の燃焼器への進入に先立って再加熱されている復熱式熱交換器内の加熱流として直接的に（部分的にまたは全部）用いることができる。代替的には、第２の電力生産サイクルからの膨張された流れは、間接的に―例えば、さらなる熱交換器内で加熱流として用いることができ、それにより、別個の流れが、復熱式熱交換器内での加熱流としての使用のために加熱される。
【００２２】
本開示による第１の電力生産サイクルとして有用な電力生産サイクルは、ＣＯ２（特に超臨界ＣＯ２―つまりｓＣＯ２）が仕事流の中で用いられる任意のシステムおよび方法を含み得る。非限定的な例として、参照により本明細書に組み込まれている、アラム（Allam）他に対する米国特許第８，５９６，０７５号は、再循環ＣＯ２流が直接的に加熱されて電力生産において用いられるシステムおよび方法を記載している。具体的には、その再循環ＣＯ２流は、高温および高圧で提供され、炭素質燃料が酸素中で燃焼される燃焼器に提供され、電力を生産するためにタービンを横切って膨張され、熱交換器内で冷却され、水および任意の他の不純物を除去するために浄化され、加圧され、タービン排気から取られた熱を用いて再加熱され、サイクルを繰り返すために再び燃焼器に通過される。そのようなシステムおよび方法は、全ての燃料および燃焼由来の不純物、余分のＣＯ２、および水は液体または固体（例えば、灰）として除去され、任意の流れの事実上ゼロの環境排出があることにおいて有益である。本システムおよび方法は、例えば、再循環ＣＯ２流が再加圧された後かつ燃焼の前に、低温レベル（すなわち、５００℃未満）の熱入力の使用を通じて高効率を達成する。
【００２３】
第１の電力生産サイクルとして有用な電力生産サイクルは、上記に記載されているよりも多くの工程または少ない工程を含み得、高圧再循環ＣＯ２流が電力生産のために膨張され、さらなる電力生産のために再び再循環される任意のサイクルを概して含み得る。本発明で用いられる際に、高圧再循環ＣＯ２流は、少なくとも１００バール（１０ＭＰａ）、少なくとも２００バール（２０ＭＰａ）、または少なくとも３００バール（３０ＭＰａ）の圧力を有し得る。高圧再循環ＣＯ２流は、いくつかの実施例では、約１００バール（１０ＭＰａ）乃至約５００バール（５０ＭＰａ）、約１５０バール乃至約４５０バール（４５ＭＰａ）、または約２００バール（２０ＭＰａ）乃至約４００バール（４０ＭＰａ）の圧力を有し得る。そのため、本明細書での高圧再循環ＣＯ２流への言及は、先の範囲内の圧力でのＣＯ２流であり得る。そのような圧力は、ＣＯ２を備える高圧仕事流等の、本明細書に記載されている他の高圧流への言及にも当てはまる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、本開示による電力生産方法は、第１の電力生産サイクルを第２の電力生産サイクルと組み合わせることを備え得る。特に、第１の電力生産サイクルは、再循環されるＣＯ２流が繰り返される圧縮、加熱、燃焼、電力生産のための膨張、および冷却にかけられるサイクルであり得る。第２の電力生産サイクルは、第１の電力生産サイクルからの圧縮された再循環されるＣＯ２が、第１の電力生産サイクルとは独立している熱源で加熱され、電力生産のために膨張され、第１の電力生産サイクル内の再循環されるＣＯ２流と再び組み合わされるサイクルであり得る。
【００２５】
非限定的な例として、電力生産システム１００およびその使用の方法が図１に例解されている。そこでは、第１の電力生産サイクル１１０が、炭素質燃料給送分１１２および酸化剤給送分１１４が、発電機１４５で電力を生産するためにタービン１２０内で膨張される高圧、高温の燃焼生成物流１１７を形成するために、再循環ＣＯ２流１４３の存在下で燃焼される燃焼器１１５を含む。高温でのタービン１２０からの排気流１２２は、凝縮された生成物１３２（例えば、水）およびそこから出る実質的に純粋な再循環ＣＯ２流１３３をもって分離器１３０を通じて通過される低圧、低温ＣＯ２流１２７を生産するために、復熱式熱交換器１２５内で冷却される。実質的に純粋な再循環ＣＯ２流１３３は、第１の部分再循環ＣＯ２流１３８および第２の部分再循環ＣＯ２流１５１に分流される高圧再循環ＣＯ２流１３７を形成するために、圧縮器１３５内で圧縮される。第１の部分再循環ＣＯ２流１３８は、冷却するタービン排気流１２２に接して加熱される復熱式熱交換器１２５に通過される。
【００２６】
第２の電力生産サイクルは、例えば、高温、高圧の排気流１６２を生産するガスタービンであり得る熱源１６０を含む。加熱された排気流１６２は、第１の電力生産サイクル１１０から取り出された加熱する第２の部分再循環ＣＯ２流１５１に接して冷却される熱交換器１５５を通じて通過される。熱源１６０は単一の要素として例解されているが、複数の熱源を用いることができることが理解される。例えば、２つ以上のガスタービンを並列式に用いることができるか、または異なる種類の熱源の組み合わせ（例えば、廃熱源と組み合わされたガスタービン）を用いることができる。熱交換器１５５を出る冷却された流れ１５７は、例解されているように通気することができる。他の実施形態では、冷却された流れを１つ以上の処理にかけることができるか、および／または、冷却された流れ１５７を再び加熱されることになる熱源１６０に再循環させることができる。
【００２７】
熱源１６０は、十分に高い温度で流れを提供するように適合された任意の源であってよい。特に、その熱源は、第１の電力生産サイクルとは独立しているものとして特徴付けることができる。独立している熱源は、電力生産サイクルの外側にあり、そのため他に電力生産サイクルに関与しない熱源であってよい。例えば、図１では、単一の燃焼器１１５が例解されている。第２の燃焼器の付加は、さらなる熱源であると理解されることになるだろうが、第２の燃焼器は循環されるＣＯ２流を直接的に加熱することになるだろうし、燃焼を通じる熱の生産は電力生産サイクルのさらなる要素の稼働パラメータに直接的に影響することになるだろうために、電力生産サイクルから独立している外部熱源または熱源であると考慮されることはないだろう。図１で見られるように、再循環されるＣＯ２流は熱源１６０により決して直接的に加熱されないため、熱源１６０は第１の電力生産サイクル１１０から独立している。むしろ、熱源１６０は、熱交換器１５５を通じて向流により再循環されるＣＯ２流に間接的に付加される加熱を提供する。非限定的な例として、再循環されるＣＯ２流に間接的な加熱を提供する独立している熱源は、燃焼熱源（例えば、ガスタービン）、太陽熱源、核熱源、地熱熱源、または産業廃熱源のうち１つ以上であり得る。さらなる実施形態では、実質的に非加熱式であるが、熱生成要素と組み合わされる源を用いてエネルギーを供給することができる。例えば、回転要素（例えば、風力タービン）を熱ポンプと連結することができる。
【００２８】
図１に戻ると、熱交換器１５５内での加熱の後に、加熱された第２の部分再循環ＣＯ２流１４１は、発電機１７０で電力を生産するためにタービン１６５を横切って膨張される。タービン排気流１４２は、第１の部分再循環ＣＯ２流１３８にさらなる加熱を分与する様々な方法で用いることができる。図１に例解されているように、タービン排気流１４２は、第１の部分再循環ＣＯ２流１３８をさらに加熱するために復熱式熱交換器１２５を通じて通過される。復熱式熱交換器の熱端部に入るタービン排気流１４２が示されているが、タービン排気流１４２は、タービン排気流１４２の実際の温度に基づいて、適切な加熱レベルで復熱式熱交換器１２５に入力することができることが理解される。さらに、いくつかの実施形態では、タービン排気流１４２を熱交換器１２５に戻すことはできない。むしろ、流れ１４２は、再循環ＣＯ２流１３３および低温ＣＯ２流１２７の一方または両方に入力することができる。単一の復熱式熱交換器１２５が例解されているが、異なる温度範囲で稼働する複数の復熱式熱交換器を用いることができ、前記複数の復熱式熱交換器のうち何れか１つ以上に流れ１４２を入力することができる。
【００２９】
他の実施形態では、タービン排気流１４２は、復熱式熱交換器１４２への進入に先立って第１の部分再循環ＣＯ２流１３８と組み合わせることができる。そのような実施形態では、例えば、第２の部分再循環ＣＯ２流１５１および／または加熱された第２の部分再循環ＣＯ２流１４１にさらなる圧縮を提供することができる。
【００３０】
なおさらなる実施形態では、タービン排気流１４２は、（図１には例解されていない）別個の熱交換器を通過することができる。第１の部分再循環ＣＯ２流１３８は、復熱式熱交換器への進入に先立って別個の熱交換器を通過させることができる。適切な加熱範囲での復熱式熱交換器を通じる通過の最中に取られた第１の部分再循環ＣＯ２流１３８からの副流は、別個の熱交換器を通じて取り出して通過させることができ、その後、加熱された副流は、適切な加熱範囲で第１の部分再循環ＣＯ２流と再び組み合わせることができる。復熱式熱交換器１２５を出る加熱された再循環ＣＯ２流１４３の全部または一部は、さらなる加熱のために別個の熱交換器を通過させることができる。こうした例示的な実施形態では、第２の電力生産サイクル内で提供される熱は、ただタービン排気流１２２だけから利用可能である加熱のレベルを超えて、第１の部分再循環ＣＯ２流１３８にさらなる加熱を付加する。その後、加熱された再循環ＣＯ２流１４３は燃焼器１１５に入力される。
【００３１】
第２の電力生産サイクル１５０からのタービン排気流１４２は、復熱式熱交換器１２５を通じる通過により冷却され、例解されているような、分離器１３０を出る実質的に純粋な再循環ＣＯ２流１３３と再び組み合わされる再循環ＣＯ２流１４４として、その冷端部を出る。有益なことに、第２の電力生産サイクル１５０内のタービン１６５は、再循環ＣＯ２流が再び組み合わされる第１の電力生産サイクル内の地点においてタービン排気流１４２が要求される圧力に十分に近いような所望の膨張比をもって稼働させることができる。いくつかの実施形態では、復熱式熱交換器１２５を出る再循環ＣＯ２流１４４は、さらなる冷却が有益であるような温度にあり得る。そのような冷却は、例えば、再循環ＣＯ２流１４４がより低圧で流れ１２７と組み合わされるときに、分離器１３０内で起こり得る。代替的には、再循環ＣＯ２流１４４は、（図１には示されていない）付加される冷却器を通過することができる。
【００３２】
上記に例示されているような第２の電力生産サイクルにより提供される追加の加熱は、復熱式熱交換器に入るタービン排気および復熱式熱交換器を出る再循環ＣＯ２流の異なる比熱容量のために、さもなければ復熱式熱交換器の熱端部に存在する温度差を低減または排除するのに特に有用であり得る。本明細書におけるシステムおよび方法は、さらなる加熱として熱の必要な分量および質を提供することにより、そのような利益を達成するように適合されている。第２の電力生産システム内のタービンに入る再循環ＣＯ２流の知られている流量、圧力、および温度に基づいて、第２の電力生産システム内のタービンを出る再循環ＣＯ２流が、第１の電力生産サイクル内の復熱式熱交換器により必要とされる最小の熱の分量および温度を提供することを可能にする膨張比を選択することができる。
【００３３】
上記に記載されているようなシステムおよび方法は、第１の電力生産サイクル内で入れ子状になっている熱力学的閉回路を創出する。入れ子式のサイクル内のガス混合物は、両方のサイクルがポンプ設備、ならびに所望であれば凝縮設備を共有することができるために、再循環ＣＯ２の直接点火流と相互作用させておかれる。例えば、図１に流れ１３３と組み合わされている流れ１４４が示されているものの、流れ１４４は、代替的に、分離器１３０への進入に先立って、かつ／または（図１には例解されていない）凝縮器への進入に先立って、流れ１２７と組み合わせることができる。
【００３４】
第１の電力生産サイクルおよび第２の電力生産サイクルのそれぞれは、電力生産のために独立して実行することができ得る。しかしながら、それらの組み合わせは格別の利益を提供する。図１に示されているような第１の電力生産サイクルでは、利点は、圧縮の後かつ燃焼器への通過の前に再循環ＣＯ２流を再加熱する際の使用のために、タービン排気から著しい量の熱を復熱する能力である。しかしながら、復熱式熱交換器の熱端部を出る再循環ＣＯ２流の温度を、復熱式熱交換器の熱端部に入るタービン排気の温度に十分に近くあるように上昇させる十分な熱を付加する能力により、効率が制限されることがある。追加の加熱の入力の必要性は、アラム（Allam）他に対する米国特許第８，５９６，０７５号で特定されており、（例えば、約５００℃未満の温度にある）低位熱の様々な考えられる源が特定されている。本開示は、第１の電力生産サイクル内で用いられる一次設備への著しい変化の必要性を伴わずに電力生産における著しい増加を同時に提供しつつ、要求される復熱器効率を達成するのに必要とされる追加の加熱を提供するために、外部の熱の源（すなわち、第１の電力生産サイクルとは完全に独立している熱）を用いることができることにおいて、そのようなシステムおよび方法をさらに改善する。特別な実施形態では、本開示は、仕事流として再循環ＣＯ２流を利用する電力生産サイクル内への既存の電力ステーション／設備の統合を具体的に提供する。
【００３５】
いくつかの実施形態では、本システムおよび方法は、電力生産サイクルの効率を改善するために適合させることができる。この目的に向けて、電力生産サイクルは、他に第１の電力生産サイクルに関連して本明細書に記載されているように稼働させることができる。そのために効率が典型的に改善される電力生産サイクルは、それによりＣＯ２を備える作業流体が少なくとも圧縮、加熱、膨張、および冷却の段階を通じて繰り返し循環される任意の電力生産サイクルを含み得る。様々な実施形態では、そのために効率を改善することができる電力生産サイクルは、以下の工程の組み合わせを含み得る：
・少なくとも約５００℃または少なくとも約７００℃（例えば、約５００℃乃至約２０００℃または約６００℃乃至約１５００℃）の温度、および、少なくとも約１００バール（１０ＭＰａ）または少なくとも約２００バール（２０ＭＰａ）（例えば、約１００バール（１０ＭＰａ）乃至約５００バール（５０ＭＰａ）または約１５０バール（１５ＭＰａ）乃至約４００バール（４０ＭＰａ））の圧力で燃焼生成物流を提供するための、再循環されるＣＯ２流の存在下での酸化剤を用いる炭素質燃料の燃焼；
・電力生産のためのタービンを横切る（例えば、上記に特筆されているような圧力にある）高圧の再循環されるＣＯ２流の膨張；
・復熱式熱交換器内における、（例えば、上記に特筆されているような圧力にある）高温の再循環されるＣＯ２流の、特にタービン排出流の冷却；
・凝縮器内での１つ以上の燃焼生成物（例えば、水）の凝縮であって、その燃焼生成物は、特に、膨張および冷却されている燃焼生成物流内に存在する、凝縮；
・再循環されるＣＯ２流を形成するために、ＣＯ２から水および／またはさらなる物質を分離すること；
・随意に、流れ密度を増加させるために中間冷却を用いて多数の段階において実行される、再循環されるＣＯ２流を高圧（例えば、上記に特筆されているような圧力）に圧縮すること；および
・圧縮された再循環されるＣＯ２流を復熱式熱交換器内で加熱すること、特に、冷却するタービン排気流に接して加熱すること。
【００３６】
上記に特筆されているように、電力生産サイクルの改善された効率は、特に、タービン排気流から利用可能である加熱（例えば、熱交換器内での復熱式加熱）のレベルを上回って、圧縮された再循環されるＣＯ２にさらなる加熱を付加することにより達成することができる。本開示は、電力生産サイクルから再循環されるＣＯ２流の一部を利用することにより、そのようなさらなる加熱を達成する。有利なことに、少なくとも電力生産サイクル内で用いられるのと同じ圧縮設備を利用して、電力生産サイクルに入れ子式のサイクルを付加することができる。特に、圧縮された再循環されるＣＯ２の一部を取り出し、電力生産サイクルとは独立している熱源で圧縮された再循環されるＣＯ２の取り出された部分を加熱し、取り出されかつ加熱された圧縮された再循環されるＣＯ２から電力生産サイクル内の圧縮された再循環されるＣＯ２の残りの部分に熱を伝達することにより、さらなる加熱を提供することができる。そのため、入れ子式のサイクルは、図１に関連して記載されている第２の電力生産サイクルと実質的に同様であり得る。
【００３７】
さらなる実施形態では、本開示は電力生産システムにも関する。特に、そのようなシステムは、本明細書に記載されているようにＣＯ２流を高圧に圧縮するように構成された１つ以上のポンプまたは圧縮器を備え得る。本システムは、圧縮されたＣＯ２流を少なくとも第１の部分ＣＯ２流および第２の部分ＣＯ２流に分割するように構成された１つ以上の弁または分流器を備え得る。本システムは、高温タービン排出流に接して第１の部分ＣＯ２流を加熱するように構成された第１の熱交換器（つまり複数の区画を備える熱交換ユニット）と、外部の（または独立している）熱源からの加熱された流れに接して第２の部分ＣＯ２流を加熱するように構成された第２の熱交換器と、を備え得る。本システムは、電力を生産するために第１の部分ＣＯ２流を膨張させるように構成された第１のタービンと、電力を生産するために第２の部分ＣＯ２流を膨張させるように構成された第２のタービンと、を備え得る。本システムは、加熱された第２の部分ＣＯ２流から第１の部分ＣＯ２流に熱を伝達するように構成された１つ以上の伝達要素を備え得る。本システムは、第１の部分ＣＯ２流の存在下で酸化剤中の炭素質燃料を燃焼させるように構成された燃焼器を備え得る。
【００３８】
本開示のシステムは、一次電力生産システムおよび二次電力生産システムとしての構成に関連して特徴付けることができ、その２つのシステムは、別個の熱源および少なくとも１つの共有型圧縮要素（および随意に少なくとも１つの共有型凝縮要素）を有する。例えば、本開示によるシステムは、本明細書に記載されているようにＣＯ２流を高圧に圧縮するように構成された圧縮器と、圧縮器から下流にある燃焼器と、燃焼器から下流かつ圧縮器から上流にある第１のタービンと、圧縮器から流れを受け取り、タービンから別個の流れを受け取るように位置付けられた第１の熱交換器と、を含む一次電力生産システムを備え得る。随意に、第１の熱交換器から下流かつ圧縮器から上流に分離器を位置付けることができる。さらに随意に、圧縮器から上流かつ第１の熱交換器から下流に圧縮器を位置付けることができる。本開示によるシステムは、一次電力生産システムからの圧縮器と、圧縮器から下流にある第２のタービンと、圧縮器から流れを受け取り、外部の（または独立している）熱源から別個の流れを受け取るように位置付けられた第２の熱交換器と、を含む二次電力生産システムも備え得る。本システムは、圧縮器から下流かつ第１の熱交換器および第２の熱交換器のそれぞれから上流にある１つ以上の弁または分流器をさらに備え得る。
【実施例】
【００３９】
本開示の実施形態は、現在開示されている主要部を例解するように明記されかつ限定的であるものと解釈されることのない、以下の実施例によりさらに例解されている。下記は、図２に例解されているように、入れ子式のＣＯ２サイクルを利用する電力生産システムおよび方法の実施形態を記載している。
【００４０】
電力生産サイクルは、アラム（Allam）他に対する米国特許第８，５９６，０７５号に記載されているように、循環するＣＯ２仕事流を利用する電力生産サイクルとのガスタービンの組み合わせに基づいてモデル化されたものであり、前記電力生産サイクルは、本明細書ではアラムサイクルと呼ばれている。産業用ガスタービンは、技術開発の長い歴史に加えて大規模で世界的な製造能力を有する、効率的、低資本費用で信頼性のあるシステムである。アラムサイクルは、典型的に約１００バール（１０ＭＰａ）と約２００バール（２０ＭＰａ）との間にあるパイプライン圧力で、実質的に純粋な生成物としての天然ガスから丸ごとのＣＯ２生産物を捕捉するという利点を有する同じ資本費用でのＮＧＣＣシステムとおおよそ同じ効率を提供する。例示的な実施形態では、ＮＧＣＣプラントの全体の蒸気電力システムを排除し、アラムサイクルからのＣＯ２作業流体を用いて追加の電力生成のための熱を提供するために熱ガスタービン排気を利用することに加え、最大効率を達成するために要求される低温熱入力をアラムサイクル内に提供することにより、ガスタービンはアラムサイクルと統合される。この組み合わせは、設備容量のＫｗ当たりのより低い資本費用も提供しつつ、統合システムについての高効率を維持することを可能にする。いくつかの実施形態では、本開示の組み合わせは、統合システムについての総合効率における実質的に意味のない降下を伴うことがある。しかしながら、他の実施形態では、総合効率における降下が実質的に全くないことがある。なおさらなる実施形態では、本開示の組み合わせは、統合システムについての総合効率における増加を可能にすることができる。本開示の様々な実施形態では、資本支出における低減は有益な結果でもあり得る。
【００４１】
手短に言えば、例示的な実施形態では、ガスタービンからの熱排気は、アラムサイクルＣＯ２再循環圧縮ユニットからの追加の流れとして取られた高圧（例えば、３００バール（３０ＭＰａ）乃至５００バール（５０ＭＰａ））ＣＯ２の流れを加熱するＨＲＳＧと同様の熱回収ユニットを通される。加熱されたＣＯ２は、アラムサイクルＣＯ２ポンプの入口圧力に、または、ＣＯ２サイクル圧縮器の入口圧力または中間圧力に対応する排出圧力を有する電力生産タービンを通される。その後、約２００℃乃至約５００℃の範囲内の温度を有する、補助タービンからの排出流は、アラムサイクル内の高圧再循環ＣＯ２流のための低温レベル加熱に加えて、ガスタービン排気熱交換器内で要求される追加の加熱を提供するために用いられる。随意に、断熱的に極低温酸素プラントの主空気圧縮器を稼働させることにより、全体の高圧ＣＯ２流への追加の低位熱入力があり得る。これは、ガスタービンおよびアラムサイクル燃焼器への全体の天然ガス入力を予熱するために、補助膨張器排出流の一部を解放する。随意に、ガスタービン排気は、ガスタービン排気中の残留酸素含有分を利用する追加の燃料ガス点火で、温度において上昇させることができる。これは、高圧ＣＯ２流がガスタービン排気加熱器内でより高温に加熱されることになるために、補助電力タービンの入口温度および電力出力を増加させる。随意に、約３００℃乃至約５００℃の範囲内の温度にあるアラムサイクル高圧タービンにより要求される冷却流は、主アラムサイクルタービン排気流よりむしろ補助タービン排気流を用いて加熱することができる。補助ガスタービン入口温度は、約５００℃乃至約９００℃の範囲内にあり得る。こうした温度においては、タービン羽根のための特別な内部または薄膜冷却または被覆剤が必要とされることは全くない。
【００４２】
統合システムの例示的な実施形態が図２に示されており、例解されている例示的なモデルは、下記の表１（表中、全ての計算は燃料ガスとして純粋メタン（ＣＨ４）を用いることに基づいている）に示されている別個の性能特性を有するＧＥ７ＦＢガスタービンおよびアラムサイクル電力プラントの統合に基づいている。
【表１】
0006746689.tif 000002
【００４３】
図２を参照すると、ＩＳＯ条件で稼働するＧＥ  ７ＦＢガスタービン１は、ガスタービンの圧縮器に入る空気入力流６４、および、ガスタービンの燃焼器２に入る天然ガス流３を有する。ガスタービンは、連結された発電機５から１８３．１５ＭＷの電力出力６を生産する。加熱された出口流２９および通気することができる冷却された排出流３４を生産するように、３０５バール５０℃の高圧ＣＯ２再循環流３８を予熱するために、熱交換器５８を通じて通過される加熱された流れ２８を生産する追加の天然ガス流２７を加熱することにより、６２４℃にあるガスタービン排気４を燃焼器２６内で加熱することができる。全体のシステムの効率は、補助高圧タービン７の入口温度を増加させるために７ＦＢガスタービン排気中の追加の燃料を燃やすことによっては変化されない。高圧ＣＯ２再循環流３８は、電気式モータ５６に連結される、アラムサイクルＣＯ２ポンプ５５の排出物からの追加の流れとして取られる。タービン７は、送出電力流９を生産する発電機８に連結される。考慮される特定の事例について、タービン７は、３０バール（３ＭＰａ）の出口圧力および３００バール（３０ＭＰａ）の入口圧力をもって特定されている。噴燃器２６中の７ＦＢ排気への熱入力は６５．７ＭＷである。これは、７ＦＢ排気流４が６２４℃から７５０℃まで加熱されることを結果的にもたらす。出口流６６は４５７℃にあり、３０バール（３ＭＰａ）の排出圧力は、この流れを、冷却に次いで、２９バール（２．９ＭＰａ）の入口圧力を有するアラムサイクル二段再循環ＣＯ２圧縮器１８内で再圧縮することを可能にする。タービン７についての最も都合の良い出口圧力は、冷却水／環境冷却条件に応じて、２９バール（２．９ＭＰａ）の入口から６７バール（６．７ＭＰａ）乃至８０バール（８．０ＭＰａ）の出口である、再循環ＣＯ２圧縮器１８についての入口、中間、および出口圧力に対応する。
【００４４】
タービン出口流６６は、最適な様式で高圧ＣＯ２流を予熱するためにシステム内に統合される。流れ６６は３つの部分に分かれる。流れ６５は、それが天然ガス流（３ａ乃至３、１４ａ乃至１４および２７ａ乃至２７）を４２５℃の出口温度に予熱するために用いられる熱交換器６８に入り、流れ６７として出る。流れ２５は、それが、アラムサイクルタービン１７のために４００℃で冷却流６２、加えて、中間地点で主熱交換器６１に入る、５９で４２４℃にある外部から加熱された再循環ＣＯ２流を生産するために、ＣＯ２ポンプ５５の排出流３５から取られた３００バール（３０ＭＰａ）５０℃のＣＯ２流３６を加熱するために用いられる熱交換器６０に入る。流れ３０は、中間地点で７ＦＢ排気冷却器５８に入り、より低温の部分内に追加の加熱を提供し、流れ３２として出る。補助ガスタービン排気流６６についてのこれら３つの別個の熱交換能率は、より低温にある３００バール（３０ＭＰａ）のＣＯ２流の比熱における大きい増加を補填し、全体の加熱する高圧ＣＯ２流により要求される能率に足りる。
【００４５】
極低温空気分離プラント８２は、３０バール（３ＭＰａ）の圧力および９９．５モル％の純度にある生成物酸素流４９を生産する。空気給送流８３は、両方とも電気式モータ７１により駆動される連結された昇圧空気圧縮器７０を用いて軸方向圧縮器６９内で断熱的に圧縮される。全体の給送空気流は、６９において５．７バール（０．５７ＭＰａ）に圧縮される。２２６℃にある空気出口７８は、出口流７５を与える熱交換器７３内で入口の３００バール（３０ＭＰａ）のＣＯ２流７４を５０℃から２２０℃に加熱するために用いられる。これは、加熱する高圧ＣＯ２流３８および３６に最低温レベルでさらなる熱入力を提供するために、それぞれ、熱交換器６０および５８内の中間地点に導入される、２つの流れ７６および７７に分かれる。主空気給送流８０、および、６５バール（６．５ＭＰａ）の圧力にある昇圧された空気流８１は、環境温度付近への冷却に次いで、ＡＳＵ８２に入る。
【００４６】
アラムサイクルシステムは、出力１５を生産する発電機１６に連結された関連する燃焼器１３を有するタービン１７を備える。天然ガス燃料流１１は、電気式モータ１０により駆動される二段中間冷却型圧縮器１２内で３２０バール（３２ＭＰａ）に圧縮される。天然ガスは６８において予熱される。タービンは、中間冷却器１９を有する２つの段を有する、主ＣＯ２再循環圧縮器１８に直接的に連結される。線２１内の入口圧力は２９バール（２．９ＭＰａ）であり、線２２内の排出圧力は６７バール（６．７ＭＰａ）である。排出流２２は、約０．８ｋｇ／リットルの密度を有するＣＯ２ポンプ入口流３９を与える熱交換器４０内で環境温度付近に冷却される。ポンプ排出物は、（主ＣＯ２再循環流３７に加えて）７ＦＢガスタービンの統合のために用いられる追加の流れ３６、３８および７４を提供する。天然ガス流１４の燃焼から生産される正味のＣＯ２は、パイプラインへの送達のための流れ８４として３０５バール（３０．５ＭＰａ）の圧力で排出される。アラムサイクルユニット６１の主復熱式熱交換器は、７２５℃にあるタービン排気流２４を、そこに付加される７ＦＢガスタービン統合システムからの流れ３３（流れ３３は、熱交換器６０からの流れ３１および熱交換器５８からの流れ３２および熱交換器６８からの流れ６７の組み合わせである）を有する６０℃の流れ４１に冷却する。組み合わされた流れ４２は、凝縮された液体水が分離され、流れ４６として出ていく、分離器４５に入る流れ４４を生産するために、冷却器４３内で環境温度付近に冷却される。２９バール（２．９ＭＰａ）にある流出ＣＯ２ガス流４７は、主再循環ＣＯ２圧縮器入口流２１、および、２５モル％のＯ２含有分を有する酸化剤流５０を生産するために純粋酸素流４９と混合する流れ４８に分かれる。この流れは、電気式モータ５２により駆動される（中間冷却器５４ａを有する）多段圧縮器５４内で３０５バール（３０．５ＭＰａ）に圧縮される。排出流５１は、再循環ＣＯ２流３７と一緒に、タービン１７の入口温度を約１１５０℃に加減するように、燃焼器１３に入る流れ２０および燃焼器排気流に入る流れ２３を形成するために、タービン排気流２４に接して熱交換器６１内で７１５℃に加熱される。
【００４７】
例示されている統合システムは、ガスタービン排気中で利用可能な熱の効率的な利用を結果的にもたらす、特定モデルのガスタービンを組み込んでいる。より大きいおよびより小さいガスタービンを用いることができる。例示されているモデルに基づく性能値が表２にある。
【表２】
0006746689.tif 000003
【００４８】
例示されているシステムは、それらの作業流体として環境空気を圧縮する既存の開放サイクルガスタービンユニットの統合のために用いることができる。それは、冷却されたタービン排気が、生産されたＣＯ２、水不活性物、および余分の酸素の除去に次いでガスタービン圧縮器給送分として用いられる状態で、酸素−燃料燃焼器を用いる密閉サイクルガスタービンにも同様に適用可能である。この種類のガスタービンについては、システムからのＣＯ２の事実上完璧な除去が可能である。従来の開放サイクルガスタービンについては、アラムサイクルに由来するＣＯ２のみを隔離のために除去することができる。
【００４９】
現在開示されている主要部の多くの修正および他の実施形態が、先の記載および関連する図面に提示されている教示の利益を有する、この主要部が属する専門技術に熟達している者に思い浮かぶことになる。従って、本開示は本明細書に記載されている特定の実施形態に限定されるべきではなく、修正および他の実施形態は添付の請求項の範囲内に含まれることを意図されていることを理解されたい。特定の用語が本明細書で使用されているが、それらは包括的かつ記載上の意味においてのみ用いられており、限定の目的のためには用いられていない。
【図１】
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【図２】
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