(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスタービンシステム（１２）と第２のガスタービンシステム（１６）とを有する発電システムであって、
前記第１のガスタービンシステム（１２）が、
炭素ベース燃料を実質的に含まない主として水素からなる第１の燃料流（１４）を燃焼するように構成された第１の燃焼室（２２）と、
圧縮酸化剤の第１の部分（２６）を前記第１の燃焼室（２２）に供給するように構成された第１の圧縮機（２４）と、
前記第１の燃焼室（２２）からの第１の排出（３０）を受け取り、第１の排気（３２）および電気エネルギーを発生するように構成された第１のタービン（２８）と、を備え、
前記第２のガスタービンシステム（１６）が、
第２の燃料流（１８）を燃焼して第２の排出（４０）を発生するように構成された第２の燃焼室（３４）であって、前記第１のガスタービンシステム（１２）の前記第１の圧縮機（２４）が圧縮酸化剤の第２の部分（３６）を前記第２の燃焼室に供給するように構成されている第２の燃焼室（３４）と、
前記第２の燃焼室（３４）からの前記第２の排出を受け取って、第２の排気（４２）および電気エネルギーを発生するように構成された第２のタービン（３８）と、
二酸化炭素を含む前記第２の排出（４２）を受け取り、再循環流（４６）を前記第２の燃焼室（３４）に排出し、かつスプリット流（４８）を、二酸化炭素を回収するように適合された分離器システム（５０）に排出するように構成された第２の圧縮機（４４）と、を備える、発電システム。
【請求項２】
前記分離器システム（５０）が、スプリット流から熱を回収するように構成された熱交換器（１３０）と、二酸化炭素リッチな流れおよび二酸化炭素希薄な流れを発生するように構成された二酸化炭素分離器（１３４）とを備える請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記熱交換器（１３０）が、前記二酸化炭素分離器（１３４）からの前記二酸化炭素希薄な流れとの交換時に、前記スプリット流（４８）から熱を回収するように構成された相互交換器を備える請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記二酸化炭素分離器（１３４）がメンブレンユニットを備える請求項２又は３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の排気（３２）から熱を回収して、蒸気の第１の部分（６６）を発生するように構成された第１の熱回収蒸気発生器（５６）と、前記第２の排気（４２）から熱を回収して、蒸気の第２の部分（７２）を発生するように構成された第２の熱回収蒸気発生器（６２）とを更に備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
水素発生システム（１０２）を更に備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記水素発生システム（１０２）が、化石ベース燃料を改質して、水素を含む改質物（１１０）を発生するように構成された改質区域（１０４）を備える請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記水素発生システム（１０２）が、さらに熱交換器（１１２）と水素分離器（１２０）とを備える請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記水素分離器（１２０）が圧力スイング吸着を採用する請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
炭素ベース燃料を実質的に含まない水素リッチな流れを燃焼し、二酸化炭素を実質的に含まない排気を排出するように構成された第１のタービンシステム（１２）と、
炭素ベース燃料を燃焼し、二酸化炭素リッチな圧縮流を、二酸化炭素を回収するように適合された二酸化炭素分離器（１３４）に排出するように構成された第２のタービンシステム（１６）とを備える発電システムであって、前記第１のタービンシステム（１２）内の圧縮機が前記第２のタービンシステム（１６）に空気を供給するように構成され、
実質的な量の二酸化炭素を大気へ排出しない発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、発電および二酸化炭素の効率的な回収に関する。より詳細には、本発明は、ガスタービン排気圧縮／再循環と二酸化炭素分離／回収との統合に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素を含有する燃料（例えば化石燃料）を燃焼する発電システムは、燃焼時に炭素がＣＯ２に変換されるので、副生成物として二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する。発電システムからの、例えばガスタービンの排気からの二酸化炭素（ＣＯ２）の除去または回収は通常、排気の低いＣＯ２含有量および低い（周囲）圧力により、経済的でない。したがって、残念ながら、ＣＯ２を含有する排気は、一般には大気に解放され、海洋、鉱山、油井、地質塩貯留層などの中に捕捉されない。炭素含有燃料に依拠する発電システム（例えばガスタービン）から排出されるＣＯ２の経済的な回収を提供する技法が求められている。
【特許文献１】米国特許第２００５／０１２６１５６号公報
【特許文献２】米国特許第６，８３２，４８５号公報
【特許文献３】米国特許第６，４３０，９１６号公報
【特許文献４】米国特許第６，２６０，３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様では、発電システムが、炭素ベース燃料を実質的に含まない主として水素からなる第１の燃料流を燃焼するように構成された第１の燃焼室を備える第１のガスタービンシステムを含む。また、第１のガスタービンシステムは、圧縮酸化剤の第１の部分を第１の燃焼室に供給するように構成された第１の圧縮機と、第１の燃焼室からの第１の排出を受け取り、第１の排気および電気エネルギーを発生するように構成された第１のタービンとを含む。さらに、発電システムは、第２の燃料流を燃焼して第２の排出を発生するように構成された第２の燃焼室を備える第２のガスタービンシステムを含む。第１のガスタービンシステムの第１の圧縮機が、圧縮酸化剤の第２の部分を第２の燃焼室に供給するように構成されている。また、第２のタービンシステムは、第２の燃焼室からの第２の排出を受け取って、第２の排気および電気エネルギーを発生するように構成された第２のタービンと、二酸化炭素を含む第２の排出を受け取るように構成された第２の圧縮機とを含む。また、第２の圧縮機は、再循環流を第２の燃焼室に排出し、かつスプリット流を、二酸化炭素を回収するように適合された分離器システムに排出するように構成される。
【０００５】
さらに別の態様では、発電システムが、炭素ベース燃料を実質的に含まない水素リッチな流れを燃焼し、二酸化炭素を実質的に含まない排気を排出するように構成された第１のタービンシステムを含む。また、発電システムは、炭素ベース燃料を燃焼し、二酸化炭素リッチな圧縮流を、二酸化炭素を回収するように適合された二酸化炭素分離器に排出するように構成された第２のタービンシステムを含む。第１のタービンシステム内の圧縮機が第２のタービンシステムに空気を供給するように構成されている。この発電システムは、実質的な量の二酸化炭素を大気へ排出しない。
【０００６】
別の態様では、方法が、第１のタービンシステム内で水素と圧縮酸化剤の第１の部分とを燃焼して、二酸化炭素を実質的に含まない第１のタービンシステムからの第１の排気を排出することを含む。この方法は、第１のタービンシステムから第２のタービンシステムに圧縮空気の第２の部分を導入し、第２のタービンシステム内で炭素ベース化合物を燃焼し、二酸化炭素を含む第２の排気を発生することを含む。さらに、この方法は、第２のタービンシステムの第２の排気を第２のタービンシステム内で内部再循環して、第２のタービンシステム内部で二酸化炭素を濃縮し、二酸化炭素分離器で第２の排気から二酸化炭素を回収することを含む。
【０００７】
本発明のこれらおよびその他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照しながら読めば、より良く理解されよう。図面中、同様の符号は、図面を通じて同様の部品を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の技法は、圧縮酸化剤の共通供給源を共有するように発電システム内で動作する２つ以上の例示的なガスタービンシステムを提供する。その結果、１つまたは複数のタービンシステムによって発生される二酸化炭素（ＣＯ２）の回収において用いられる、１つまたは複数のタービンシステム内の圧縮容量を自由にすることができる。一実施例では、第１のタービンシステム内の圧縮機が、（管路を通して）第１のタービンシステム内の燃焼室に、かつ第２のタービンシステム内の燃焼室に酸化剤を供給し、第２のタービンシステム内の圧縮機を自由にする。以下に論じるように、この自由になった圧縮容量は、１つまたは複数のガスタービンの排気からの二酸化炭素（ＣＯ２）および他の成分の分離および回収に採用することができる。回収されたＣＯ２は、例えば、製品として販売されることも、他のプロセスでの供給物として現場で消費されることもある。さらに、そのようなＣＯ２の回収は、発電システムから環境に放出されるＣＯ２の量を減少することができる。さらに、以下に論じるように、炭化水素燃料の（例えば蒸気による）改質がガスタービンシステムの動作と統合されて、環境に放出されるＣＯ２量をさらに減少する。
【０００９】
いくつかの構成では、少なくとも１つのタービンシステム（すなわち第１のタービンシステム）が、水素を燃焼することができ、したがって二酸化炭素を実質的に有さない排気を排出する。さらに、水素供給は、例えば炭素ベース燃料（例えば天然ガス、プロパンなど）を改質することによって局所的に発生させることもできる。別のタービンシステム（すなわち第２のタービンシステム）は、炭化水素または炭素ベース燃料を燃焼することができ、したがって二酸化炭素を有する排気を排出する。示されるように、第２のタービンシステム内の自由になった圧縮機を利用して、第２のタービンの排気からのＣＯ２の分離および回収を容易にし、最終的に第２のタービンシステムからの放出物質を減少することができる。有利には、全体の結果として、実質的な量のＣＯ２を環境に放出することなく天然ガスなど炭素ベース燃料を消費する発電システムを得ることができる。ここでも、回収されたＣＯ２は経済的な利益を提供することができ、例えば販売される、またはその場所で消費される。
【００１０】
最後に、この論述は、一方が主として水素を燃焼し、他方が炭素ベース燃料を燃焼する２つのタービンシステムに焦点を当てる場合があるが、本発明の技法を用いた両方のタービンシステムが炭素ベース燃料を燃焼する場合もあることを重視すべきである。そのような場合、やはりＣＯ２放出を減少することができ、すなわち特定の構成によっては半分以下になる。さらに、本発明の技法は、３つ以上のタービンシステムの採用、炭化水素を燃焼する１つのタービンシステムから同じく炭化水素を燃焼する別のタービンシステム内の圧縮機へのＣＯ２を有する排気の供給などを含めた様々なプロセス構成を包含する。
【００１１】
次に図面を見ると、図１は、水素供給１４のために構成された第１のガスタービンシステム１２と、炭化水素供給１８（例えば天然ガス、プロパンなど）のために構成された第２のガスタービンシステム１６とを有する例示的な発電システム１０を示す。図示される実施形態では、酸化剤は、酸化剤管路２０を通して第１のガスタービンシステム１２から第２のガスタービンシステム１６に供給される。
【００１２】
この実施例では、第１のタービンシステム１２は、第１の燃料流（炭素ベース燃料を実質的に含まない主として水素からなる水素供給１４）を燃焼するように構成された第１の燃焼室２２と、圧縮酸化剤の第１の部分２６を第１の燃焼室２２に供給するように構成された第１の圧縮機２４と、第１の燃焼室２２からの第１の排出３０を受け取り、第１の排気３２および電気エネルギーを発生するように構成された第１のタービン２８とを含む。また、例示的な発電システム１０は、第２の燃料流（炭化水素供給１８）を燃焼するように構成された第２の燃焼室３６を有する第２のガスタービンシステム１６を含むことができ、第１のガスタービンシステム１２の第１の圧縮機２２は、第２の燃焼室３４に酸化剤２０（圧縮酸化剤の第２の部分３６）を供給するように構成される。さらに、第２のタービンシステム１６は、第２の燃焼室３４からの第２の排出４０を受け取って第２の排気４２および電気エネルギーを発生するように構成された第２のタービン３８と、二酸化炭素を含む第２の排出４０を受け取って、再循環流４６を第２の燃焼室３４に排出し、かつスプリット流４８を、スプリット流４８から二酸化炭素を回収するように適合された分離器システム５０に排出するように構成された第２の圧縮機４４とを含むことができる。
【００１３】
図示される実施形態では、第１のタービンシステム１２は、一般に圧縮機２４と、タービン２８と、回転子５２とを含み、その回転子５２によってタービン２８が圧縮機２４を駆動する。また、第１のタービンシステムは、発電機５４と、第１の熱回収蒸気発生器（本明細書で以後、ＨＲＳＧと呼ぶ）５６とを備える。同様に、第２のタービンシステム１６は、一般に圧縮機４４と、タービン３８と、回転子５８とを含み、その回転子５８によってタービン３８が圧縮機４４を駆動する。また、第２のタービンシステム１６は、発電機６０と、第２の熱回収蒸気発生器（本明細書で以後、ＨＲＳＧと呼ぶ）６２とを備える。
【００１４】
動作時、例示的な圧縮機２４および４４は、静翼および回転ブレードの列を含む多段圧縮機である。圧縮機２４は、空気６４を導き入れて、圧縮空気流２０を生成する。圧縮空気流２０は、２つの流れに分割される。圧縮空気の第１の部分２６は、第１の燃焼室２２内に導入される。第１の燃焼室２２は、第１の燃料流１４と、圧縮酸化剤の第１の部分２６とを受け取るように構成される。第１の燃料流１４と酸化剤流２６とを事前混合して、第１の燃焼室２２内に注入することができる。いくつかの実施形態では、第１の燃料１４と圧縮酸化剤の第１の部分２６とを、第１の燃焼室２２内に別個に注入することができる。本明細書で説明する発電システムの様々な実施形態において、酸化剤は環境大気である。圧縮機２４からの圧縮酸化剤２０は、例えば酸素リッチな空気、酸素の少ない空気、および／または純粋な酸素など、酸素を含有する任意の他の適切な気体を含むこともできることを理解されたい。第１の燃焼室２２内での燃焼プロセスが、第１の排出流３０を発生する。
【００１５】
図示されるように、第１の燃焼室２２からの第１の排出流３０は、第１のガスタービン２８内に導入することができる。示されるように、発電システム１０は、第１のガスタービン２８に取り付けられた発電機５４を含む。第１のガスタービン２８内に供給される高温の第１の排出流３０の熱力学的膨張が、ガスタービン２８を駆動するための動力を生成し、次いでガスタービン２８が、発電機５４を通じて電気を発生する。この実施形態では、発電機５４からの電気は、適切な形態に変換することができ、分散電源ネットワークグリッド（図示せず）に提供される。第１のガスタービン２８からの膨張された第１の排気３２は、膨張された第１の排気流３２の熱含量を回収するための第１のＨＲＳＧ５６内に供給することができる。水流６４を第１のＨＲＳＧ５６内に供給することができ、次いで第１のＨＲＳＧ５６は、第１のガスタービン２８からの高温の膨張された第１の排気流３２から回収された熱を利用することによって、蒸気の第１の部分６６を少なくとも部分的に発生することができる。第１のＨＲＳＧ５６からの冷却された第１の排気６８は、大気中に出すことができる。
【００１６】
第１の燃焼室２２内に導入される第１の燃料流１４は、一般に、炭素成分を実質的に含まず、比較的高い水素濃度を含む場合がある。そのような品質の燃料の供給源として、パイプライン供給源、トラック供給源、チューブトレイラ供給源、容器（すなわち球状貯蔵装置）、気体または液体水素を貯蔵することが可能な水素貯蔵システムなどを挙げることができ、しかしそれらに限定されない。別法として、図２の例示的なシステムで示されるように、（例えば蒸気による）炭化水素の改質または他のプロセスによって現場で水素を発生させて、第１のタービンシステム１２のための第１の燃料流１４として使用することができる。
【００１７】
図１に示されるように、第１の圧縮機２４からの圧縮酸化剤の第２の部分３６は、第２のタービンシステム１６の第２の燃焼室３４内に導入される。また、第２の燃料流１８も第２の燃焼室３４内に導入されて、第２の排出流４０を生成することができる。第２の排出流４０は、一般に、第２のタービン３８内で膨張されて、第２の排気流４２を発生し、この排気流４２は、第２のＨＲＳＧ６２内に導入することができる。この実施形態では、第２のＨＲＳＧ６２は通常、閉ループＨＲＳＧであり、一般には流れが大気中に出されない。第２の排気流４２の熱含量は、水流７０によって回収することができ、蒸気の第２の部分７２を生成する。第１のＨＲＳＧ５６内で発生される蒸気の第１の部分６６と、第２のＨＲＳＧ６２内で発生される蒸気の第２の部分７２とを蒸気タービン７４内で使用して、例えば発電機７６を通じて電気エネルギーを発生することができる。
【００１８】
第２の燃料流１８は、天然ガス、メタン、ナフサ、ブタン、プロパン、合成ガス、ディーゼル、灯油、航空燃料、石炭由来燃料、バイオ燃料、酸素化炭化水素供給原料、およびそれらの混合物など任意の適切な炭化水素気体および液体を含むことができる。一実施形態では、燃料は主として天然ガス（ＮＧ）であり、したがって第２の燃焼室３４からの第２の排出流４０は、水、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ２）、未燃焼燃料、およびその他の化合物を含む場合がある。
【００１９】
第２のＨＲＳＧ６２からの冷却された第２の排気流７８は、通常は水分分離器８０内に導入されて、第２の燃焼室３４内での燃焼プロセスで生成された水を分離する。水分分離器８０からの放出流８２は、一般には少なくともＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、および未燃焼炭化水素を含む。放出流８２は、通常は第２の圧縮機４４内で圧縮されて、圧縮流８４を発生する。動作時、始動後の初期動作段階中、圧縮流８４中のＣＯ２の濃度は実質的な量でない場合があり、したがって流れ全体を、再循環流４６として第２の燃焼室３４に戻して再循環させることができる。通常、この再循環操作は、圧縮流８４中のＣＯ２濃度を増加する。圧縮流８４中のＣＯ２濃度が所望のレベルに達したとき、スリップ流またはスプリット流４８を下流のＣＯ２分離器ユニット５０内に導入することができる。制御弁構成（図示せず）を採用して、ＣＯ２分離器へのスプリット流４８の分岐および導入を容易にすることができる。例えば、制御弁は、スプリット流を送る管路に配設することができ、制御弁の動作は、圧縮流８４中のＣＯ２の濃度を測定するオンライン計器またはセンサに結び付けられる。最後に、下流のＣＯ２分離器ユニット５０は、かなり高いＣＯ２濃度を有する放出流８６と、主としてＣＯ、未燃焼燃料、およびＮ２を有する希薄ＣＯ２流８８とを発生することができる。
【００２０】
図１に示されるこの例示的な実施形態では、実質的な二酸化炭素隔離が実現される。第１の燃焼室２２内で燃焼される燃料は実質的に純粋な水素である場合があるので、通常、第１の燃焼室２２内での燃焼プロセス中に二酸化炭素は生成されない。したがって、第１の燃焼室２２から発生される第１の排気３２は二酸化炭素を含まず、一般に、大気に出される冷却された第１の排気流６８は二酸化炭素を解放しない。第２の燃焼室３４内で生成された二酸化炭素は、濃縮二酸化炭素流８６として隔離することができ、これは捕捉しておく、または二酸化炭素の需要に応じて市場で販売することができる。
【００２１】
図２は、水素発生システム１０２を有する例示的な発電システム１００を示す。この実施例では、水素発生システム１０２が蒸気改質区域１０４を含むことができる。一般に、天然ガスなどの燃料１０６と蒸気１０８とが改質区域１０４内に導入されて、改質物の流れ１１０を生成する。
【００２２】
一般に、蒸気を用いた天然ガスなど炭化水素燃料の改質が水素を生成する。このプロセスは通常、エネルギー集約的であり（すなわち蒸気改質反応は吸熱性である）、改質プロセス全体中にかなりの熱が吸収される場合がある。天然ガスの実施例では、主成分はメタン（ＣＨ４）であり、２ステップ反応で蒸気と反応して水素を生成する。改質プロセスによって、反応（１）および（２）を経て天然ガスを水素に変換することができる。
【００２３】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  ⇒  ＣＯ＋３Ｈ２      （１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  ⇒  ＣＯ２＋Ｈ２        （２）
入ってくる燃料１０６の少なくとも一部分が、改質区域１０４内での改質プロセスによって変換されて、水素を発生する。改質反応（１）は通常、ニッケルなど適切な蒸気改質触媒の存在下で行われる。改質反応（１）は、一般には高い吸熱性のものであり、約８８６３０ＢＴＵ／モルの反応熱を有する。他の炭化水素燃料の改質反応も同様に吸熱性である。一酸化炭素と水とがさらに反応して、改質区域１０４内で二酸化炭素を生成する場合がある。これは、水性ガスシフト反応として知られている発熱反応（２）によって実現される場合がある。改質物の流れ１１０は、一般には少なくとも一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水素（Ｈ２）、未利用燃料、および水を含む。水素発生システム１０２は、熱交換器１１２および水素分離器１２０を含むことができる。改質物の流れ１１０は、熱交換器１１２を使用して約２００℃〜約４００℃の範囲内の温度まで冷却することができ、冷却された改質物の流れ１１８を発生する。他の例示的な温度範囲は、約２２５℃〜約３７５℃、および約２５０℃〜約３５０℃を含む。冷却された改質物の流れ１１８は、分離ユニット１２０内に導入することができ、この分離ユニット１２０が、冷却された改質物の流れ１１８から水素を分離して、水素リッチな蒸気１２４とオフガス流１２２とを生成する。
【００２４】
入ってくる燃料流１０６は、天然ガス、メタン、ナフサ、ブタン、プロパン、ディーゼル、灯油、航空燃料、石炭由来燃料、バイオ燃料、酸素化炭化水素供給原料、およびそれらの混合物など任意の適切な気体および液体を含むことができる。通例、いくつかの実施形態では、燃料は天然ガス（ＮＧ）である。
【００２５】
例示される実施形態では、熱交換器１１２は、改質物の流れ１１０から熱を抽出し、その熱を利用して水１１４から蒸気１１６を発生するように構成されている。水素分離器１２０からのオフガス１２２は、水、ＣＯ、ＣＯ２、未燃焼燃料、および水素を含む場合がある。いくつかの実施形態では、オフガス流１２２は、流れ１２６を通る補給燃料および空気などの酸化剤と混合され、バーナー１０８内に導入されて、改質区域１０４内での吸熱改質反応のための熱を発生する。図２に示される例示的な実施形態は、水素を生成するためのプロセスとして蒸気メタン改質を例示するが、自己熱改質、部分酸化、触媒部分酸化を含めた、しかしそれらに限定されない任意の他のプロセスを使用することもできる。
【００２６】
実質的に純粋な水素リッチな流れ１２４を生成するために水素を他の気体から分離するための技法には、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）、逆浸透、分子ふるい、メンブレン分離、および他の分離技法が含まれる場合がある。特にメンブレンを用いる際、水素選択メンブレン用に様々なポリマーを使用することができ、それらは例えば比較的低温で機能する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、水素分離器１２０は、低温分離技法を使用することができる。低温分離は、複数の分留および複数の生成物を回収することが重要であるときに使用することができる。一実施形態では、冷却された改質物の流れ１１８が、約９００ｐｓｉａまで圧縮され、次いで凝縮器を使用して室温まで冷却され、ＣＯ２を液化する。水素は、このプロセスから気体として回収することができ、一方、ＣＯ２は通常、凝縮器の底部から液体として除去される。
【００２８】
図２の例示実施形態では、バーナー１０８は、少なくとも水、ＣＯ２、ＣＯ、および窒素を含有する排気流１２８を発生するように構成されている。この実施形態では、排気流１２８は、第２のＨＲＳＧ６２に導入されて熱含量を回収し、膨張された第２の排気流４２と混合され、第２のタービンシステム１６内部で再循環されて、排気流１２８中のＣＯ２成分が分離される。
【００２９】
図２の実施形態に示されるように、ＣＯ２分離器ユニット５０は、熱交換器１３０およびＣＯ２分離器１３４を有する。二酸化炭素分離器１３４は、スプリット流４８からＣＯ２を分離するために、圧力スイング吸着、化学吸収、およびメンブレン分離などを含めた、しかしそれらに限定されない当技術分野で知られている様々な技法を適用することができる。スプリット流４８は、熱交換器１３０内に導入されて、温度を下げ、冷却されたスプリット流１３２を生成する。冷却されたスプリット流１３２は、ＣＯ２分離器１３４内に導入されて、ＣＯ２リッチな流れ１３６およびＣＯ２希薄な流れ１３８を発生する。ＣＯ２希薄な流れ１３８は、さらにＣＯ、Ｎ２、および無反応燃料を含む。ＣＯ２希薄な流れ１３８は、熱交換器１３０内に導入されて、スプリット流４８中の熱含量を回収して、加熱された希薄ＣＯ２流１４０を発生する。一実施形態では、加熱された希薄ＣＯ２流１４０は、第１の燃焼室１４内に導入されて、加熱された希薄ＣＯ２流１４０中の無反応燃料が利用される。
【００３０】
気体の混合物から二酸化炭素を分離するために圧力スイング吸着（ＰＳＡ）を使用することができる。ＰＳＡ技法では、高い分圧で、固体分子ふるいが、二酸化炭素を他の気体よりも強く吸着することができる。その結果、高温で、二酸化炭素が気体の混合物から除去され、この混合物は吸着ベッドに通される。ベッドの再生は、減圧およびパージングによって達成される。臨界操作で一般的には、二酸化炭素の連続分離のために複数の吸着容器が使用され、他のベッドが再生される間に１つの吸着ベッドが使用される。
【００３１】
気体流から二酸化炭素を分離するための別の技法は、酸化カルシウム（ＣａＯ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはそれらの組合せなどの酸化物を使用する化学吸収である。一実施形態では、高圧および高温で、ＣＯ２がＣａＯによって吸収されて炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を生成し、それにより気体混合物からＣＯ２を除去する。吸収剤ＣａＯは、ＣａＣＯ３をＣａＯに再び改質することができるＣａＣＯ３のか焼（カルシネーション）によって再生される。
【００３２】
また、気体流から二酸化炭素を分離するためにメンブレン分離技術を使用することもできる。メンブレンプロセスは通常、吸収プロセスよりもエネルギー効率が良く、かつ操作が簡単である。高温二酸化炭素分離のために使用されるメンブレンは、ゼオライトおよびセラミックメンブレンを含み、これらはＣＯ２に対する選択性がある。しかし、メンブレン技術の分離効率は低く、メンブレン分離では二酸化炭素の完全な分離が実現されないことがある。一般に、メンブレン分離器は、圧力が高いほど効率良く働き、第２の圧縮機４４からのスプリット流４８から二酸化炭素を分離するためのメンブレン分離器の使用は、第２の圧縮機４４内での圧縮によって実現される高圧によって容易にされる。また、スプリット流４８からのＣＯ２の分離に利用可能なより高い圧力が、ＣＯ２分離器１３４のサイズを縮小し、それによりＣＯ２分離プロセスの実現性および経済性を向上する。
【００３３】
スプリット流８０からＣＯ２を分離するために使用されるさらに別の技法は、アミンを使用するＣＯ２の化学吸収を含む場合があり、しかしそれに限定されない。スプリット流４８は、アミンを使用する二酸化炭素の化学吸収を使用するのに適した温度まで冷却することができる。この技法は、アルカノールアミン溶剤に基づいており、この溶剤は、比較的低い温度で二酸化炭素を吸収する能力を有し、かつリッチな溶剤の温度を上昇することによって簡単に再生される。二酸化炭素リッチな流れ１３６は、リッチな溶剤の再生後に得られる。この技法で使用される溶剤には、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミン、およびメチルジエタノールアミンが含まれる場合がある。ＣＯ２を分離するための別の技法は、物理吸収である場合がある。ＣＯ２を有利に分離するために、ＣＯ２分離に関する上述した技法の全て、または任意の技法の組合せを使用することができることに留意されたい。
【００３４】
図１〜２に示される例示的な発電システムは、いくつかの利点を有する。例示的なシステムは、ＣＯ２分離と共にクリーンな発電を容易にする。システムから周囲に解放される唯一の排気流は、第１のＨＲＳＧ５６からの冷却された第１の排気流６８であり、この冷却された第１の排気流６８は、実質的にＣＯ２を含まない。したがって、この発電システムによって、より低い放出が実現される。第１の燃焼室１２２または水素発生システム１０２内での燃焼プロセスで発生されるＣＯ２は、ＣＯ２分離器を使用して分離され、分離されたＣＯ２は、油回収のために捕捉しておく、または二酸化炭素の需要に応じて市場で販売するのに適したものにすることができる。
【００３５】
本明細書で開示する発電システムは、要求に応じて、改質器から出る改質物の流れからの水素の生成、および電気エネルギーの発生を制御する適応性を有する。開示される発電システム内で生成される水素は、いくつかの方法で利用することができる。生成された水素を燃焼器に再循環させて燃料として使用して、大気への二酸化炭素を含まない放出を実現することができる。生成された水素は、例えば液化プラントによって、気体状または液体状で貯蔵および搬送することもできる。また、生成された水素は、追加の電力を発生するために燃料電池での燃料として使用することもできる。
【００３６】
図３は、二酸化炭素分離と統合された発電のための例示的な方法１５０を示す。この方法は、ステップ１５２で示されるように、第１の燃料および空気を第１のタービンシステムに送り、圧縮空気、第１の排気、および電気エネルギーを発生することを含む。さらに、この方法は、ステップ１５４で示されるように、圧縮空気の一部および第２の燃料を第２のタービンシステムに送って、第２の排気および電気エネルギーを発生することを含む。第２の排気は、ステップ１５６で示されるように第２の排気流中のＣＯ２の濃度が増加するまで第２のタービンシステム内部で再循環される。ステップ１５８で示されるように、第２の排気流中の濃度があるレベルに達した後、スプリット流（またはスリップ流）が第２の圧縮機の出口から取られる。参照番号１６０で示される次のステップで、スプリット流がＣＯ２分離器内で処理されて、ＣＯ２リッチな放出流を発生する。さらに、この方法は、前の節で述べた改質プロセスを使用して、第１のタービンシステムのための水素リッチな燃料を発生することを含む。
【００３７】
本発明のいくつかの特徴のみを本明細書で例示して説明してきたが、当業者には多くの修正および変更が想定されよう。したがって、頭記の特許請求の範囲は、全てのそのような修正および変更を本発明の真の精神に入るものとして網羅することを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の技法の実施形態による、二酸化炭素分離システムと統合された例示的な発電システムの流れ図である。
【図２】本発明の技法の実施形態による、水素発生システムと統合された別の例示的な発電システムの流れ図である。
【図３】本発明の技法の実施形態による、発電と二酸化炭素回収とを統合するための例示的な方法のブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  発電システム
１２  第１のタービンシステム
１４  第１の燃料
１６  第２のタービンシステム
１８  第２の燃料
２０  圧縮酸化剤
２２  第１の燃焼室
２４  第１の圧縮機
２６  圧縮酸化剤の第１の部分
２８  第１のタービン
３０  第１の排出
３２  第１の排気
３４  第２の燃焼室
３６  圧縮酸化剤の第２の部分
３８  第２のタービン
４０  第２の排出
４２  第２の排気
４４  第２の圧縮機
４６  再循環流
４８  スプリット流
５０  ＣＯ２分離ユニット
５２  回転子
５４  発電機
５６  第１のＨＲＳＧ
５８  回転子
６０  発電機
６２  第２のＨＲＳＧ
６４  水
６６  蒸気の第１の部分
６８  冷却された第１の排気
７０  水
７２  蒸気の第２の部分
７４  蒸気タービン
７６  発電機
７８  冷却された第２の排気
８０  水分分離器
８２  水分分離器からの放出流
８４  第２の圧縮機４４からの圧縮流
８６  ＣＯ２リッチな流れ
８８  ＣＯ２希薄な流れ
１００  発電システム
１０２  水素発生システム
１０４  改質区域
１０６  燃料
１０８  バーナー
１１０  改質物
１１２  熱交換器
１１４  水
１１６  蒸気
１１８  冷却された改質物
１２０  水素分離器
１２２  オフガス
１２４  水素リッチな流れ
１２６  補給燃料および空気
１２８  バーナーからの排気ガス
１３０  熱交換器
１３２  冷却されたスプリット流
１３４  ＣＯ２分離器
１３６  ＣＯ２リッチな流れ
１３８  ＣＯ２希薄な流れ
１４０  加熱されたＣＯ２希薄な流れ
１５０  発電のための方法
１５２  第１のステップ
１５４  第２のステップ
１５６  第３のステップ
１５８  第４のステップ
１６０  第５のステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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