(57)【要約】  本発明の一態様によれば、二酸化炭素（ＣＯ2）流からＣＯ2を凝縮する方法が提供される。その方法は（ｉ）ＣＯ2流を圧縮及び冷却して、第１の温度まで冷却される部分冷却ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は（ｉｉ）部分冷却ＣＯ2流を磁気熱量冷却により第２の温度まで冷却して、冷却ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は更に（ｉｉｉ）冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を凝縮して凝縮ＣＯ2流を形成する工程を含む。二酸化炭素（ＣＯ2）流からＣＯ2を凝縮するシステムも提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素（ＣＯ2）流からＣＯ2を凝縮する方法であって、
（ｉ）前記ＣＯ2流を圧縮及び冷却して、第１の温度まで冷却される部分冷却ＣＯ2流を形成する工程と、
（ｉｉ）前記部分冷却ＣＯ2流を磁気熱量冷却により第２の温度まで冷却して、冷却ＣＯ2流を形成する工程と、
（ｉｉｉ）前記冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を凝縮して、凝縮ＣＯ2流を形成する工程とを含む、方法。
【請求項２】
工程（ｉｉｉ）は前記冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を約２０バールから約６０バールの範囲の圧力で凝縮する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
工程（ｉｉｉ）は前記冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を約２０バールから約４０バールの範囲の圧力で凝縮する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記第１の温度は約５℃から約３５℃の範囲にある、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記第２の温度は約０℃から約−２５℃の範囲にある、請求項１記載の方法。
【請求項６】
工程（ｉ）は前記ＣＯ2流を１つ又は複数の熱交換器を備える１つ又は複数の冷却段を使用して冷却する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記凝縮ＣＯ2流の一部を、前記ＣＯ2流を冷却するのに使用される１つ又は複数の冷却段へ循環させる工程を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
工程（ｉ）は１つ又は複数の膨張器で前記ＣＯ2流を膨張させることにより、前記ＣＯ2流を前記第１の温度まで冷却する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
工程（ｉｉ）はロータリー式磁気熱量冷却装置を使用して前記部分冷却ＣＯ2流を冷却する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
ポンプを使用して前記凝縮ＣＯ2流の圧力を増加させ、圧縮ＣＯ2流を形成する工程を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
二酸化炭素（ＣＯ2）流からＣＯ2を凝縮する方法であって、
（ｉ）第１の熱交換器を備える第１の冷却段で前記ＣＯ2流を冷却し、第１の部分冷却ＣＯ2流を形成する工程と、
（ｉｉ）前記第１の部分冷却ＣＯ2流を圧縮し、第１の圧縮ＣＯ2流を形成する工程と、
（ｉｉｉ）第２の熱交換器を備える第２の冷却段で前記第１の圧縮ＣＯ2流を冷却し、第２の部分冷却ＣＯ2流を形成する工程と、
（ｉｖ）前記第２の部分冷却ＣＯ2流を圧縮して第２の圧縮ＣＯ2流を形成する工程と、
（ｖ）第３の熱交換器を備える第３の冷却段で前記第２の圧縮ＣＯ2流を第１の温度まで冷却し、部分冷却ＣＯ2流を形成する工程と、
（ｖｉ）磁気熱量冷却により前記部分冷却ＣＯ2流を第２の温度まで冷却し、冷却ＣＯ2流を形成する工程と、
（ｖｉｉ）前記冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を前記第２の温度で凝縮し、それにより前記冷却ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮して凝縮ＣＯ2流を形成する工程とを含む、方法。
【請求項１２】
前記凝縮ＣＯ2流の一部を、前記第３の熱交換器へ循環させる工程を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記第３の冷却段は膨張器を備え、工程（ｖ）は前記膨張器で前記第２の圧縮ＣＯ2流を膨張させることにより前記ＣＯ2流を第１の温度まで冷却する工程を更に含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記第３の冷却段は第４の熱交換器を備え、前記方法は前記凝縮ＣＯ2流の一部を前記第４の熱交換器へ循環させる工程を更に含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
二酸化炭素（ＣＯ2）流からＣＯ2を凝縮するシステムであって、
（ｉ）前記ＣＯ2流を受け取るように構成された１つ又は複数の圧縮段と、
（ｉｉ）前記１つ又は複数の圧縮段と流体連通する１つ又は複数の冷却段であって、前記１つ又は複数の圧縮段と前記１つ又は複数の冷却段の組み合わせは前記ＣＯ2流を第１の温度まで圧縮及び冷却し、部分冷却ＣＯ2流を形成するよう構成される、冷却段と、
（ｉｉｉ）前記部分冷却ＣＯ2流を受け取り、前記部分冷却ＣＯ2流を第２の温度まで冷却して冷却ＣＯ2流を形成するよう構成された磁気熱量冷却段と、
（ｉｖ）前記冷却ＣＯ2流のＣＯ2の一部を前記第２の温度で凝縮し、それにより前記冷却ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮して凝縮ＣＯ2流を形成するよう構成された凝縮段とを備える、システム。
【請求項１６】
前記磁気熱量冷却段は磁気熱量冷却装置及び熱交換器を備え、
前記熱交換器は前記１つ又は複数の冷却段及び前記１つ又は複数の圧縮段と流体連通する、請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記凝縮ＣＯ2流を受け取り、前記凝縮ＣＯ2流の圧力を増加させるよう構成されたポンプを更に備える、請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
前記１つ又は複数の冷却段は膨張器を更に備える、請求項１５記載のシステム。
【請求項１９】
前記１つ又は複数の冷却段は空気、水、又はそれらの組み合わせを使用して前記ＣＯ2流を冷却するよう構成された１つ又は複数の熱交換器を備える、請求項１５記載のシステム。
【請求項２０】
前記凝縮ＣＯ2流の一部を前記１つ又は複数の冷却段へ循環させるよう構成された循環ループを更に備える、請求項１５記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は磁気熱量冷却を使用する二酸化炭素（ＣＯ2）凝縮の方法及びシステムに関する。より詳細には、本開示は磁気熱量冷却を使用する中間冷却圧縮及びポンプトレーンにおけるＣＯ2凝縮の方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素を含む燃料の燃焼に基づく発電プロセスは通常、副産物としてＣＯ2を生成する。気体混合物からのＣＯ2の捕捉若しくは分離を行いＣＯ2が周囲に放出されるのを防ぐ、及び／又はＣＯ2を発電プロセス若しくは他のプロセスで利用することが望ましい。更に、分離されたＣＯ2を液化／凝縮して分離されたＣＯ2の移動及び保管を容易にすることが望ましい。ＣＯ2の圧縮、液化及びポンプトレーンが、望ましい最終使用への適用のため、ＣＯ2を液化するのに使用されてもよい。しかし、ＣＯ2の凝縮／液化の方法はエネルギーが集中する可能性がある。
【０００３】
よって、ＣＯ2を凝縮する効率的な方法及びシステムが必要となる。更に、中間冷却圧縮及びポンプトレーンにおけるＣＯ2の凝縮のための効率的な方法及びシステムが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００７７７５２号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様により、二酸化炭素（ＣＯ2）流からＣＯ2を凝縮する方法が提供される。その方法は（ｉ）ＣＯ2流を圧縮及び冷却して、第１の温度まで冷却される部分冷却ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は（ｉｉ）部分冷却ＣＯ2流を磁気熱量冷却により第２の温度まで冷却して、冷却ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は（ｉｉｉ）冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を第２の温度で凝縮して、凝縮ＣＯ2流を形成する工程を含む。
【０００６】
本発明の他の態様により、二酸化炭素（ＣＯ2）流からＣＯ2を凝縮する方法が提供される。その方法は（ｉ）第１の熱交換器を備える第１の冷却段でＣＯ2流を冷却し、第１の部分冷却ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は（ｉｉ）第１の部分冷却ＣＯ2流を圧縮し、第１の圧縮ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は更に（ｉｉｉ）第２の熱交換器を備える第２の冷却段で第１の圧縮ＣＯ2流を冷却し、第２の部分冷却ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は更に（ｉｖ）第２の部分冷却ＣＯ2流を圧縮して第２の圧縮ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は更に（ｖ）第３の熱交換器を備える第３の冷却段で第２の圧縮ＣＯ2流を第１の温度まで冷却し、部分冷却ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は更に（ｖｉ）磁気熱量冷却により部分冷却ＣＯ2流を第２の温度まで冷却し、冷却ＣＯ2流を形成する工程を含む。その方法は更に（ｖｉｉ）冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を第２の温度で凝縮し、凝縮ＣＯ2流を形成する工程を含む。
【０００７】
本発明の更に他の態様により、二酸化炭素（ＣＯ2）流からＣＯ2を凝縮するシステムが提供される。そのシステムは（ｉ）ＣＯ2流を受け取るように構成された１つ又は複数の圧縮段を含む。そのシステムは更に（ｉｉ）１つ又は複数の圧縮段と流体連通する１つ又は複数の冷却段であって、１つ又は複数の圧縮段と１つ又は複数の冷却段の組み合わせはＣＯ2流を第１の温度まで圧縮及び冷却し、部分冷却ＣＯ2流を形成するよう構成される、冷却段を含む。そのシステムは更に（ｉｉｉ）部分冷却ＣＯ2流を受け取り、部分冷却ＣＯ2流を第２の温度まで冷却して冷却ＣＯ2流を形成するよう構成された磁気熱量冷却段を含む。そのシステムは更に（ｉｖ）冷却ＣＯ2流のＣＯ2の一部を第２の温度で凝縮し、それにより冷却及び圧縮されたＣＯ2流からＣＯ2を凝縮して凝縮ＣＯ2流を形成するよう構成された凝縮段を含む。
【０００８】
本発明の他の実施形態、態様、特徴及び利点は以下の詳細な説明、添付の図面及び追加の請求項より当業者に明らかになるであろう。
【０００９】
本発明のこれらの及び他の特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明が添付の図面を参照して読まれる場合により良く理解されるであろう。添付の図面において、同じ符号は同じ部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による、ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮する方法のフローチャートである。
【図２】本発明の一実施形態による、ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮する方法のフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態による、ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮するシステムのブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による、ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮するシステムのブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による、ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮するシステムのブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態による、ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮するシステムのブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による、ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮するシステムのブロック図である。
【図８】本発明の一実施形態による、ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮するシステムのブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態による、ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮するシステムのブロック図である。
【図１０】ＣＯ2のための圧力対温度の図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に詳細に議論するように、本発明の実施形態はＣＯ2凝縮に適した方法及びシステムを含む。前に言及した通り、ＣＯ2を液化して送り出すことは高いエネルギー入力を必要とする。例えば、約６０バールの圧力が２０℃でＣＯ2を液化するのに必要となり得る。いくつかの実施形態では、中間の磁気冷却工程は有利にＣＯ2の温度を０℃未満に低下させ、全体のシステムの必要な労力を大幅に減らす。いくつかの実施形態では、磁気熱量冷却システムの性能の係数に応じて、約１０％から約１５％の全体の効率の改善が本明細書に記載された方法及びシステムを用いて可能となり得る。
【００１２】
近似の言語が、明細書及び請求項全体に使用されるものとして、関連する基本的な機能を変化させずに許容範囲内で変化可能な定量的表現を変更するために適用可能である。したがって、例えば「約」等の１つ又は複数の用語により修正される値は、特定される正確な値に制限されない。いくつかの事例では、近似の言語は値を計測するための計器の正確さに対応してもよい。
【００１３】
以下の明細書及び請求項において、単一の形式の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈において明らかに単数の意味を指示しない限り、複数のものも含む。
【００１４】
図１及び３に示すように、一実施形態では、ＣＯ2流から二酸化炭素を凝縮する方法１０が提供される。本明細書で使用される「ＣＯ2流」という用語は、天然ガス、バイオマス、ガソリン、ディーゼル燃料、石炭、油頁岩、燃料油、タールサンド及びそれらの組み合わせのような燃料の加工の結果排出されるＣＯ2と気体の混合流を指す。いくつかの実施形態では、ＣＯ2流はガスタービンから排出されるＣＯ2流を含む。特定の実施形態では、ＣＯ2流は石炭又は天然ガス燃焼による発電所から排出されるＣＯ2と気体の混合体を含む。
【００１５】
いくつかの実施形態では、ＣＯ2流は更に窒素、二酸化窒素、酸素又は水蒸気の１つ以上を含む。いくつかの実施形態では、ＣＯ2流は更に不純物又は汚染物質を含み、その例は、これに限らないが、窒素、二酸化窒素、硫黄酸化物、一酸化炭素、硫化水素、未燃焼炭化水素、粒子状物質、及びそれらの組み合わせを含む。特定の実施形態では、ＣＯ2流は実質的に不純物又は汚染物質が無い。特定の実施形態では、ＣＯ2流は本質的に二酸化炭素を含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、ＣＯ2流の不純物又は汚染物質の量は約５０モルパーセント未満である。いくつかの実施形態では、ＣＯ2流の不純物又は汚染物質の量は約２０モルパーセント未満である。いくつかの実施形態では、ＣＯ2流の不純物又は汚染物質の量は約１０モルパーセントから約２０モルパーセントの範囲内にある。いくつかの実施形態では、ＣＯ2流の不純物又は汚染物質の量は約５モルパーセント未満である。
【００１７】
図３に示すように、一実施形態では、その方法はＣＯ2流１０１を炭化水素加工、燃焼、気化、又は同様の発電所（不図示）から受け取ることを含む。図１及び３に示すように、工程１１において、方法１０はＣＯ2流１０１を圧縮及び冷却し、部分冷却ＣＯ2流２０１を形成することを含む。いくつかの実施形態では、ＣＯ2流１０１は１つ又は複数の圧縮段１２０を用いて圧縮されてもよい。いくつかの実施形態では、ＣＯ2流は１つ又は複数の冷却段１１０を用いて冷却されてもよい。
【００１８】
いくつかの実施形態では、ＣＯ2流１０１は、図３の１２０で示すように、１つ又は複数の圧縮段を用いることにより望ましい圧力まで圧縮されてもよい。図３に示すように、いくつかの実施形態では、圧縮段１２０は例えば１２１及び１２２等の１つ又は複数の圧縮器を含んでもよい。尚、図３において、２つの圧縮器１２１及び１２２は例示的な実施形態のみとして示され、実際の圧縮器の数とそれらの個々の構成は望まれる最終結果に応じて変化してもよい。一実施形態では、ＣＯ2流１０１は磁気冷却及び圧縮工程１２及び１３のそれぞれに望ましい圧力及び温度まで圧縮されてもよい。いくつかの実施形態では、ＣＯ2流１０１は磁気冷却工程１２の前に約１０バールから約６０バールの範囲内の圧力まで圧縮されてもよい。特定の実施形態では、ＣＯ2流１０１は磁気冷却工程１２の前に約２０バールから約４０バールの範囲内の圧力まで圧縮されてもよい。
【００１９】
いくつかの実施形態では、ＣＯ2流１０１は、図３の１１０で示されるように、１つ又は複数の冷却段を使用することにより望ましい温度まで冷却されてもよい。図３に示すように、いくつかの実施形態では、冷却段１１０は更に、１１１、１１２、１１３のような１つ又は複数の熱交換器を含んでもよい。尚、図３において、３つの熱交換器１１１、１１２、１１３は例示的な実施形態のみとして示され、実際の熱交換器の数とそれらの個々の構成は望まれる最終結果に応じて変化してもよい。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の熱交換器が冷却媒体を使用して冷却されてもよい。いくつかの実施形態では、図３の１１５で示されるように、１つ又は複数の熱交換器が冷却空気、冷却水又はその両方を使用して冷却されてもよい。いくつかの実施形態では、冷却段は更に圧力に影響せずに排ガス流１０１を冷却するための１つ又は複数の中間冷却器を含んでもよい。
【００２０】
尚、図３において冷却段１１０と圧縮段１２０の構成は例示的な実施形態のみとして示され、実際の構成は望まれる最終結果に応じて変化してもよい。例えば、いくつかの実施形態では、方法は圧縮器１２１（不図示）のＣＯ2流を圧縮する前に熱交換器１１１においてＣＯ2流を冷却することを含んでもよい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、図８に示すように、方法は更にＣＯ2流を１つ又は複数の膨張器１２３で膨張させることにより、ＣＯ2流１０１を第１の温度まで冷却することを含む。いくつかの実施形態では、方法はＣＯ2流１０１を約２０バールより大きい絶対圧力レベルから約２０バールの圧力レベルまで低下させ、それによりＣＯ2流１０１の温度を空気又は水冷却により達することができる値より低い値まで低下させる膨張工程を含む。いかなる理論にも制約されずに、膨張工程を使用することにより、磁気熱量冷却工程１２の全体の負荷が減少すると考えられ、その理由は部分冷却ＣＯ2流の磁気熱量工程への入り口温度は膨張工程が無い場合の入り口温度より低いためである。いくつかの実施形態では、膨張工程において抽出される仕事は更に磁気熱量冷却工程１２に使用されてもよい。
【００２２】
一実施形態では、ＣＯ2流１０１は磁気冷却及び凝縮工程１２及び１３に望ましい温度及び圧力まで冷却されてもよい。図３に示すように、一実施形態において、方法はＣＯ2流１０１を圧縮及び冷却して部分冷却ＣＯ2流２０１を形成することを含む。図８に示すように、一実施形態において、方法は更にＣＯ2流を１つ又は複数の膨張器１２３で膨張させることによりＣＯ2流１０１を第１の温度まで冷却して、部分冷却ＣＯ2流２０１を形成することを含んでもよい。
【００２３】
一実施形態において、方法は部分冷却ＣＯ2流２０１を第１の温度まで冷却することを含む。いくつかの実施形態において、部分冷却ＣＯ2流２０１は、磁気冷却工程１２の前に、約５℃から約３５℃までの範囲の温度まで冷却されてもよい。特定の実施形態において、部分冷却ＣＯ2流２０１は、磁気冷却工程１２の前に、約１０℃から約２５℃までの範囲の温度まで冷却されてもよい。
【００２４】
追加の磁気冷却工程が無い場合、前に言及した通り、部分冷却ＣＯ2流２０１のＣＯ2は通常約２０℃から約２５℃の範囲の温度で液化される。凝縮温度は冷却水又は冷却空気であり得る冷却媒体の温度により決定される。図１０に示すように、約２０℃から約２５℃の範囲の凝縮温度で、約６０バールの絶対圧力がＣＯ2を液化するのに必要となる。対照的に、ＣＯ2流を約−２５℃から約０℃の範囲の温度まで冷却することにより、部分冷却ＣＯ2流２０１からＣＯ2を凝縮するための低い圧力が有利に使用されてもよい。
【００２５】
一実施形態において、図１及び３に示すように、方法は更に、工程１２において、部分冷却ＣＯ2流２０１を磁気熱量冷却により第２の温度まで冷却し、冷却ＣＯ2流３０２を形成することを含む。一実施形態において、図３に示すように、方法は磁気熱量冷却工程２００を使用して部分冷却ＣＯ2流２０１を冷却することを含む。
【００２６】
いくつかの実施形態において、磁気熱量冷却工程２００は熱交換器２１２と外部の磁気熱量冷却装置２１１を含む。いくつかの実施形態において、図３に示すように、磁気熱量冷却装置２１１は熱交換器２１２を冷却するよう構成される。
【００２７】
一実施形態において、磁気熱量冷却装置２１１は低温及び高温の熱交換器と、永久磁石アセンブリ又は誘導コイル磁石アセンブリと、磁気熱量材料の再生器と熱伝導流体サイクルとを含む。一実施形態において、熱伝導流体は流体ポンプ（不図示）により再生器及び熱交換器を通して送り出される。
【００２８】
一実施形態において、磁気熱量冷却装置は活性の磁気再生サイクル（ＡＭＲ）で動作し、反転の熱伝導流を有する磁気熱量再生器の連続した磁化及び消磁により熱伝導流体に冷却能を提供する。いくつかの実施形態において、磁気熱量再生器の連続する磁化及び消磁は、再生器が磁気システムの穴を通過する回転の設定により提供され得る。いくつかの他の実施形態において、磁気熱量再生器の連続する磁化及び消磁は往復する線形装置により提供され得る。例示的な磁気アセンブリ及び磁気熱量冷却装置は２００９年２月２５日付で出願された米国特許出願第１２／３９２，１１５号に記載され、本明細書の教示と直接矛盾しない限り、如何なる及び全ての目的のために参照により本明細書に援用される。
【００２９】
いくつかの実施形態において、高温の熱交換器の熱は周囲環境に伝達されてもよい。いくつかの他の実施形態において、高温の熱交換器の熱は、以下に詳しく説明するように、液体ＣＯ2の送出の後、凝縮され液化されたＣＯ2の戻り流に伝達されてもよい。
【００３０】
前に言及した通り、磁気熱量冷却段は更に熱交換器２１２を含み、磁気熱量冷却装置２１１が熱交換器２１２を冷却するよう構成される。一実施形態において、熱交換器２１２は１つ又は複数の冷却段１１０と１つ又は複数の圧縮段１２０と流体連通する。一実施形態において、熱交換器２１２は凝縮及び冷却工程１１の後に発生した部分冷却ＣＯ2流２０１と流体連通する。
【００３１】
いくつかの実施形態において、磁気熱量冷却装置２１１は部分冷却ＣＯ2流２０１が第２の温度まで冷却されるよう熱交換器２１２を冷却するように構成される。一実施形態において、第２の温度は約０℃から約−２５℃の範囲にある。一実施形態において、第２の温度は約５℃から約−２０℃の範囲にある。前に言及した通り、磁気熱量冷却段の部分冷却ＣＯ2流を冷却する工程１３の結果、冷却ＣＯ2流が形成される。
【００３２】
いくつかの実施形態において、磁気熱量冷却装置２１１は部分冷却ＣＯ2流２０１が第２の温度まで冷却されるよう熱交換器２１２を冷却するよう構成され、その結果ＣＯ2が冷却ＣＯ2流から凝縮する。いくつかの実施形態において、前に言及した通り、方法はＣＯ2流１０１を約２０バールから約４０バールの範囲の圧力まで圧縮することを含む。図１０に示すように、４０バールの圧力レベルで、ＣＯ2は５℃の温度で凝縮する。更に、図１０に示す通り、２０バールの圧力レベルで、ＣＯ2は−２０℃の温度で凝縮する。
【００３３】
一実施形態において、方法は更に、工程１３において、第２の温度で冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を凝縮し、それにより冷却したＣＯ2流からＣＯ2を凝縮し凝縮ＣＯ2流３０２を形成することを含む。一実施形態において、方法は約２０バールから約６０バールの範囲の圧力で、冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を凝縮することを含む。一実施形態において、方法は約２０バールから約４０バールの範囲の圧力で、冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を凝縮することを含む。したがって、いくつかの実施形態において、本発明の方法は有利に低圧でＣＯ2の凝縮を可能にする。
【００３４】
いくつかの実施形態において、方法は部分冷却ＣＯ2流を冷却して冷却ＣＯ2流を形成する工程１２と、冷却ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮する工程１３を同時に行うことを含む。いくつかの他の実施形態において、方法は部分冷却ＣＯ2流を冷却して冷却ＣＯ2流を形成する工程１２と、冷却ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮する工程１３を順に行うことを含む。
【００３５】
図３に示すように、いくつかの実施形態において、熱交換器２１２で部分冷却ＣＯ2流２０１から冷却ＣＯ2流が生成されてもよい。そのような実施形態では、図３に示すように、冷却ＣＯ2流からのＣＯ2の一部は発熱体自体において凝縮し、凝縮ＣＯ2流３０２を形成する。
【００３６】
いくつかの他の実施形態において、図４に示すように、熱交換器２１２において冷却ＣＯ2流３０１が部分冷却ＣＯ2流２０１から生成される。方法は更に、図４に示すように、冷却ＣＯ2流３０１を凝縮器２１３へ移動させることを含む。そのような実施形態では、図４に示すように、冷却ＣＯ2流３０１からのＣＯ2の一部は凝縮器２１３内で凝縮し、凝縮したＣＯ2流３０２を形成する。
【００３７】
いくつかの実施形態において、方法はＣＯ2流１０１のＣＯ2の少なくとも約９５重量パーセントを凝縮させ、凝縮ＣＯ2流３０２を形成することを含む。いくつかの実施形態において、方法はＣＯ2流１０１のＣＯ2の少なくとも約９０重量パーセントを凝縮させ、凝縮ＣＯ2流３０２を形成することを含む。いくつかの実施形態において、方法はＣＯ2流１０１のＣＯ2の５０重量パーセントから約９０重量パーセントを凝縮させ、凝縮ＣＯ2流３０２を形成することを含む。いくつかの実施形態において、方法はＣＯ2流１０１のＣＯ2の少なくとも約９９重量パーセントを凝縮させ、凝縮ＣＯ2流３０２を形成することを含む。
【００３８】
いくつかの実施形態において、前に言及した通り、ＣＯ2流１０１は更に二酸化炭素に加えて１つ又は複数の要素を含む。いくつかの実施形態において、方法は更に、磁気熱量冷却（工程１２）及びＣＯ2凝縮（工程１３）の工程の後に希薄流（点線の矢印２０２で示される）を生成することを選択的に含む。「希薄流」２０２という用語は、ＣＯ2の含有量がＣＯ2流１０１のＣＯ2の含有量より低い流れを指す。いくつかの実施形態において、前に言及した通り、ＣＯ2流のほとんど全てのＣＯ2は工程１３で凝縮される。そのような実施形態では、希薄なＣＯ2流は実質的にＣＯ2を含まない。いくつかの他の実施形態において、前に言及した通り、ＣＯ2流の一部は工程１３において凝縮しなくてもよく、希薄流は凝縮されないＣＯ2と気体の混合物を含んでもよい。
【００３９】
いくつかの実施形態において、希薄流２０２は工程１３で凝縮できない１つ又は複数の凝縮不可能な要素を含んでもよい。いくつかの実施形態において、希薄流２０２は１つ又は複数の液体要素を含んでもよい。そのような実施形態において、希薄流は更に気液分離器と流体連通するように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、希薄流２０２は窒素、酸素又は二酸化硫黄の１つ以上を含んでもよい。
【００４０】
いくつかの実施形態において、方法は更に工程１１の前にＣＯ2流１０１を除湿することを含んでもよい。いくつかの実施形態において、方法は工程１１の後及び工程１２の前に部分冷却ＣＯ2流２０１を除湿することを含んでもよい。いくつかの実施形態において、システム１００は更にＣＯ2流１０１と流れが連通する（不図示）ように構成された除湿器を含んでもよい。
【００４１】
いくつかの実施形態において、方法は更に凝縮したＣＯ2流３０２を、ＣＯ2流を冷却するのに使用される１つ又は複数の冷却段へ循環させることを含む。図５に示されるように、方法は更に凝縮したＣＯ2流を、循環ループ３０３を経由して熱交換器１１３に循環させることを含む。そのような実施形態において、方法は更に、磁気熱量冷却工程１２の前に部分冷却ＣＯ2流２０１を更に冷却するために、凝縮ＣＯ2流が循環して戻る回復工程を含む。いくつかの実施形態において、回復工程は磁気熱量工程の効率を高めることができる。
【００４２】
いくつかの実施形態において、凝縮ＣＯ2流の熱交換器１１３への回復は部分冷却ＣＯ2流２０１をＣＯ2の凝縮に必要な温度より下まで冷却することになり得る。いくつかの実施形態において、図５に示すように、方法は更に部分冷却ＣＯ2流２０１のＣＯ2を凝縮し、回復した凝縮ＣＯ2流５０１を形成することを含んでもよい。
【００４３】
いくつかの実施形態において、図３に示すように、方法は更にポンプ３００を使用して凝縮ＣＯ2流３０２の圧力を増加することを含む。回復工程を含む実施形態において、図５に示すように、方法は更にポンプ３００を用いて回復した凝縮ＣＯ2流５０１の圧力を増加させることを含んでもよい。いくつかの実施形態において、方法は凝縮ＣＯ2流３０２又は回復した凝縮ＣＯ2流５０２の圧力をＣＯ2の分離又は最終使用に望ましい圧力まで増加することを含む。いくつかの実施形態において、方法は凝縮ＣＯ2流３０２又は回復した凝縮ＣＯ2流５０２の圧力を約１５０バールから約１８０バールの範囲の圧力まで増加することを含む。
【００４４】
いくつかの実施形態において、方法は更に、送り出し工程の後、圧縮ＣＯ2流４０１を生成することを含む。いくつかの実施形態において、方法は更に、送り出し工程の後、超臨界ＣＯ2流４０１を生成することを含む。いくつかの実施形態において、前に言及した通り、圧縮ＣＯ2流４０１は改良された油回収、ＣＯ2の保管又はＣＯ2の分離のために使用されてもよい。
【００４５】
いくつかの実施形態において、図３から９に示されるように、二酸化炭素（ＣＯ2）流１０１からＣＯ2を凝縮するためのシステム１００が提供される。一実施形態において、システム１００はＣＯ2流１０１を受け取るよう構成された１つ又は複数の圧縮段１２０を含む。システム１００は更に１つ又は複数の圧縮段１２０と流体連通する１つ又は複数の冷却段１１０を含む。一実施形態において、１つ又は複数の圧縮段１２０と１つ又は複数の冷却段１１０の組み合わせは、ＣＯ2流１０１を第１の温度まで圧縮及び冷却して部分冷却ＣＯ2流２０１を形成するよう構成される。
【００４６】
一実施形態において、システム１００は更に部分冷却ＣＯ2流２０１を受け取り、部分冷却ＣＯ2流２０１を第２の温度まで冷却して冷却ＣＯ2流３０１を形成するように構成された磁気熱量冷却段２００を含む。前に言及した通り、磁気熱量冷却段２００は更に熱交換器２１２を含み、磁気熱量冷却装置２１１が熱交換器２１２を冷却するよう構成される。一実施形態において、熱交換器２１２は１つ又は複数の冷却段１１０及び１つ又は複数の圧縮段１２０と流体連通する。
【００４７】
前に言及した通り、いくつかの実施形態において、熱交換器２１２は部分冷却ＣＯ2流２０１のＣＯ2の一部を凝縮し凝縮ＣＯ2流３０２を形成するよう構成される。いくつかの他の実施形態において、システム１００は更に冷却ＣＯ2流３０１のＣＯ2の一部を第２の温度で凝縮し、それにより冷却ＣＯ2流３０１からＣＯ2を凝縮して凝縮ＣＯ2流３０２を形成するように構成される凝縮段２１３を含む。
【００４８】
いくつかの実施形態において、システム１００は更に凝縮ＣＯ2流３０２を受け取り凝縮ＣＯ2流３０２の圧力を増加するよう構成されたポンプ３００を含む。いくつかの実施形態において、システムは更に凝縮ＣＯ2流３０２の一部を１つ又は複数の冷却段１１０へ循環させるよう構成された循環ループ３０３を含む。
【００４９】
上述のことに留意して、本発明のいくつかの例示的な実施形態によるＣＯ2流からＣＯ2を凝縮するシステム及び方法が、本明細書に更に記載される。図２及び３を参照して、一実施形態において、ＣＯ2流１０１から二酸化炭素を凝縮する方法２０が提供される。一実施形態では、方法は工程２１において、第１の熱交換器１１１を含む第１の冷却段においてＣＯ2流１０１を冷却して第１の部分冷却ＣＯ2流１０２を形成することを含む。一実施形態では、方法は工程２２において、第１の圧縮器１２１で第１の部分冷却ＣＯ2流１０２を圧縮して第１の圧縮ＣＯ2流１０３を形成することを含む。一実施形態では、方法は工程２３において、第２の熱交換器１１２を含む第２の冷却段で第１の圧縮ＣＯ2流１０３を冷却し第２の部分冷却ＣＯ2流１０４を形成することを含む。一実施形態において、方法は工程２４において、第２の圧縮器１２２で第２の部分冷却ＣＯ2流１０４を圧縮して第２の圧縮ＣＯ2流１０５を形成することを含む。一実施形態において、方法は工程２５において、第３の熱交換器１１３を備える第３の冷却段で第２の圧縮ＣＯ2流１０５を第１の温度まで冷却して部分冷却ＣＯ2流２０１を形成することを含む。
【００５０】
一実施形態では、方法２０は工程２６において、磁気熱量冷却段２００を使用する磁気熱量冷却により部分冷却ＣＯ2流２０１を第２の温度まで冷却し冷却ＣＯ2流（不図示）を形成することを含む。いくつかの実施形態において、磁気熱量冷却段２００は熱交換器２１２と外部の磁気熱量冷却装置２１１を含む。いくつかの実施形態では、図３に示すように、磁気熱量冷却装置２１１は熱交換器２１２を冷却するよう構成される。
【００５１】
一実施形態では、方法は工程２７において、冷却ＣＯ2流のＣＯ2の少なくとも一部を第２の温度で凝縮し、それにより冷却ＣＯ2流からＣＯ2を凝縮して凝縮ＣＯ2流３０２を形成することを含む。いくつかの実施形態において、前に言及した通り、冷却ＣＯ2流が熱交換器２１２内の部分冷却ＣＯ2流２０１から生成される。そのような実施形態において、図３に示すように、冷却ＣＯ2流からのＣＯ2の一部が発熱体自体の内部で凝縮し、凝縮ＣＯ2流３０２を形成する。
【００５２】
いくつかの実施形態において、図３に示すように、方法は更にポンプ３００を使用して凝縮ＣＯ2流３０２の圧力を増加させることを含む。いくつかの実施形態において、方法は更にポンプ工程の後に圧縮ＣＯ2流４０１を生成することを含む。いくつかの実施形態において、前に言及した通り、圧縮ＣＯ2流４０１は改良された油回収、ＣＯ2の保管又はＣＯ2の分離のために使用されてもよい。
【００５３】
図４を参照して、一実施形態において、ＣＯ2流１０１からＣＯ2を凝縮する方法及びシステムが提供される。この方法及びシステムは図３に示したシステム及び方法と同様であるが、更にこの方法は図４に示すような冷却ＣＯ2流３０１を凝縮器２１３に移動させることを含むことが加えられている。そのような実施形態では、図４に示すように、冷却ＣＯ2流３０１からのＣＯ2の一部が凝縮器２１３内で凝縮し、凝縮ＣＯ2流３０２を形成する。
【００５４】
図５を参照すると、一実施形態において、ＣＯ2流１０１からＣＯ2を凝縮する方法及びシステムが提供される。この方法及びシステムは図３に示したシステム及び方法と同様であるが、更にこの方法は凝縮ＣＯ2流３０２の一部を、循環ループ３０３を経由して第３の熱交換器１１３へ循環させることを含むことが加えられている。いくつかの実施形態において、前に言及した通り、凝縮ＣＯ2流の熱交換器１１３への回復は、第２の圧縮ＣＯ2流１０５をＣＯ2の凝縮に必要な温度より下に冷却することになり得る。いくつかの実施形態において、図５に示すように、方法は更に第２の圧縮ＣＯ2流１０５のＣＯ2を凝縮し、回復した凝縮ＣＯ2流５０１を形成することを含んでよい。
【００５５】
図６を参照し、一実施形態において、ＣＯ2流１０１からＣＯ2を凝縮する方法及びシステムが提供される。この方法及びシステムは図４に示したシステム及び方法と同様であるが、更にこの方法は凝縮ＣＯ2流の一部を、循環ループ３０３を経由して第３の熱交換器１１３へ循環させることを含むことが加えられている。いくつかの実施形態において、前に言及した通り、凝縮ＣＯ2の熱交換器１１３への回復は第２の圧縮ＣＯ2流１０５をＣＯ2の凝縮に必要な温度より下に冷却することになり得る。いくつかの実施形態において、図６に示すように、方法は更に第２の圧縮ＣＯ2流１０５のＣＯ2を凝縮し、回復した凝縮ＣＯ2流５０１を形成することを含む。
【００５６】
図７を参照し、一実施形態において、ＣＯ2流１０１からＣＯ2を凝縮するための方法及びシステムが提供される。この方法及びシステムは図３に示されたシステム及び方法と同様であるが、更にこの方法は圧縮ＣＯ2流４０１の一部を、循環ループ４０３を経由して第３の熱交換器１１３へ循環させることを含むことが加えられている。いくつかの実施形態において、前に言及した通り、圧縮ＣＯ2流４０１の第３の熱交換器１１３への回復は第２の圧縮ＣＯ2流１０５をＣＯ2の凝縮に必要な温度より下に冷却することになり得る。いくつかの実施形態において、図７に示すように、方法は更に第２の圧縮ＣＯ2流１０５のＣＯ2を凝縮して回復した凝縮ＣＯ2流５０１を形成することを含んでもよい。
【００５７】
図８を参照し、一実施形態において、ＣＯ2流１０１からＣＯ2を凝縮する方法及びシステムが図示される。この方法及びシステムは図３に示されたシステム及び方法と同様であるが、更にこの方法は第３の熱交換器１１３で第３の部分冷却ＣＯ2流１０６を形成することを含むことが加えられている。図８に示すように、方法は更に、磁気熱量冷却工程の前に、１つ又は複数の膨張器１２３で第３の部分冷却ＣＯ2流１０６を膨張させることにより第３の部分冷却ＣＯ2流１０６を第１の温度まで冷却し、部分冷却ＣＯ2流２０１を形成することを含む。
【００５８】
図９を参照すると、一実施形態において、ＣＯ2流１０１からＣＯ2を凝縮する方法及びシステムが図示される。この方法及びシステムは図８に示されたシステム及び方法と同様であるが、第３の冷却段は第４の熱交換器１１４を含み、方法は更に圧縮ＣＯ2流４０１の一部を、循環ループ４０３を経由して第４の熱交換器１１４へ循環させることを含むことが加えられている。方法は更に膨張工程の後に第４の部分冷却ＣＯ2流１０７を形成することと、第４の部分冷却ＣＯ2流１０７を第４の熱交換器１１４へ移動させることを含む。いくつかの実施形態において、前に言及した通り、圧縮ＣＯ2流４０１の第４の熱交換器１１４への回復は第４の部分冷却ＣＯ2流１０７をＣＯ2の凝縮に必要な温度より下に冷却することになり得る。いくつかの実施形態において、図９に示すように、方法は更に第４の部分冷却ＣＯ2流１０７を凝縮して回復した凝縮ＣＯ2流５０１を形成することを含んでもよい。
【００５９】
前に言及した通り、有利なことに本発明のいくつかの実施形態は、超臨界ＣＯ2を低温まで冷却し、その後、例えば蒸気圧縮のような従来の冷却方法を通して利用可能な圧力より低い圧力で凝縮を行うことを可能にする。いかなる理論にも制約されず、超臨界ＣＯ2の圧縮は液体ＣＯ2を送り出すことより非効率であり得ると考えられている。よって、いくつかの実施形態において、方法は非効率なＣＯ2圧縮工程の罰則を減少する。いくつかの実施形態において、方法は、圧縮及び送り出しシステムの効率を改良することにより、ＣＯ2の液化及び送り出しの全体の罰則を減少させることができる。いくつかの実施形態において、磁気熱量冷却段は罰則を１０％以上減少させることができる。いくつかの実施形態において、磁気熱量冷却段は罰則を２０％以上減少させることができる。いくつかの実施形態において、本明細書に記載するように、１つ又は複数の方法の実施形態を使用することにより、全体の設備の効率を改良することができる。
【００６０】
更に、有利なことに本発明のいくつかの実施形態はＣＯ2圧縮及び液化システムの操作性の範囲を改良できる。従来のＣＯ2圧縮及び液化システムにおいては、冷却空気又は冷却水の周囲温度は操作性の範囲を制限し得る。超臨界ＣＯ2はＣＯ2の臨界温度である約３２℃より高い温度で液化し得ない。よって、周囲温度が３０℃より高い場合、ＣＯ2の液化は更なる外部冷却が無いと困難であり得る。有利なことにいくつかの実施形態において、磁気冷却工程はＣＯ2を未臨界範囲まで冷却することを可能にし、それにより如何なる周囲条件の下でも圧縮及び液化システムを操作可能にできる。
【００６１】
この明細書が使用する例は、最良の形態を含む本発明を開示するため、また任意の当業者が、任意の装置又はシステムの製造及び使用と任意の包含された方法の実行を含む本発明を実施できるようにするためのものである。本発明の特許可能な範囲は請求項により規定され、当業者に発生する他の例を含んでもよい。そのような他の例は、それらの例が請求項の文字通りの言語と異ならない構造的要素を有するか、又はそれらの例が請求項の文字通りの言語と実体の無い相違点を有する同等の構造的要素を有する場合、請求項の範囲内であることが意図される。
【符号の説明】
【００６２】
１０１  ＣＯ2流／排ガス流
１０２  第１の部分冷却ＣＯ2流
１０３  第１の圧縮ＣＯ2流
１０４  第２の部分冷却ＣＯ2流
１０５  第２の圧縮ＣＯ2流
１０６  第３の部分冷却ＣＯ2流
１０７  第４の部分冷却ＣＯ2流
１１０  冷却段
１１１  第１の熱交換器
１１２  第２の熱交換器
１１３  第３の熱交換器
１１４  第４の熱交換器
１２０  圧縮段
１２１、１２２  圧縮機
１２３  膨張器
２０１  部分冷却ＣＯ2流
２０２  希薄流
２１１  磁気熱量冷却装置
２１２  熱交換器
２１３  凝縮器
３００  ポンプ
３０１  冷却ＣＯ2流
３０２  冷却ＣＯ2流／凝縮ＣＯ2流
３０３、４０３  循環ループ
４０１  圧縮ＣＯ2流／超臨界ＣＯ2流
５０１、５０２  回復した凝縮ＣＯ2流
【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６】
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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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【国際調査報告】
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