(57)【要約】本発明は、圧縮器が使用されない、開放熱力学サイクルにおいて超臨界二酸化炭素を利用する方法およびシステムに関する。いくつかの実施形態において、超臨界二酸化炭素を利用する方法は、動力を発生させるためにタービンに送られるガスを生成するために、酸素、燃料、および予熱されリサイクルされる超臨界二酸化炭素を燃焼させることと、タービンに送られるリサイクルされる超臨界二酸化炭素を予熱するために、タービンからの排気ガスを使用することと、二酸化炭素流を提供するために、一連の二組の凝縮器および分離器に排気ガスを通過させることとを含み、ポンプを使用することによって、リサイクルされる超臨界二酸化炭素が二酸化炭素流から発生させられる。ポンプのための動力は、タービンによって提供され、タービンは、発電機にも動力を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開放熱力学サイクルにおいて超臨界二酸化炭素を利用する方法であって、該方法は、
酸素と、燃料と、予熱されリサイクルされる超臨界二酸化炭素とを燃焼させ、燃焼させられたガスを生成することと、
該燃焼させられたガスを膨張させ、動力と膨張させられたガスとを生成することと、
リサイクルされる超臨界二酸化炭素を該膨張させられたガスを用いて加熱し、該予熱されリサイクルされる超臨界二酸化炭素と、二酸化炭素を含む排気ガスとを生成することと、
該排気ガスを凝縮し、該排気ガスから少なくとも一部の水を除去することと、
該排気ガスから二酸化炭素を液化し、液化された二酸化炭素を生成することと、
該液化された二酸化炭素を加圧し、該リサイクルされる超臨界二酸化炭素を生成することと、
該リサイクルされる超臨界二酸化炭素から過剰な超臨界二酸化炭素の一部を除去することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記膨張させることは、前記燃焼させられたガスを膨張させ、機械動力を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加圧することは、ポンプを使用することによって行われ、前記方法は、
前記機械動力を使用し、該ポンプに動力を供給すること
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記膨張させることは、前記燃焼させられたガスを膨張させ、電力を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記液化された二酸化炭素から残存する排気ガスを分離することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
残存する排気ガスを前記分離することは、分離された排気ガスを生成し、前記方法は、
該分離された排気ガスを膨張させ、動力を生成すること
をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記加圧することは、ポンプを使用することによって行われ、前記方法は、
前記分離された排気ガスを前記膨張させることによって生成される前記動力を使用し、該ポンプに動力を供給すること
をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記膨張させることは、前記燃焼させられたガスを膨張させ、動力を生成することを含み、前記方法は、
該燃焼させられたガスを該膨張させることによって生成される該動力を使用し、前記ポンプに動力を供給すること
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記分離された排気ガスを前記膨張させることによって生成される前記動力を前記使用し、前記ポンプに動力を供給することと、前記燃焼させられたガスを該膨張させることによって生成される前記動力を該使用し、該ポンプに動力を供給することとは、同じシャフトを使用することによって行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記リサイクルされる超臨界二酸化炭素は、圧縮器なしに生成される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
発明およびその様々な実施形態は、機械動力、電力、またはその両方、および商用グレードのｓＣＯ２製品を生成する開放熱力学サイクルにおける作動流体として超臨界二酸化炭素（ｓＣＯ２）を利用する方法およびシステムに関連する。特に、発明およびその様々な実施形態は、圧縮器の必要性なしに作動流体としてｓＣＯ２を使用する開放熱力学サイクルの使用に関連し、それは、簡易性および熱効率の利点を提供する。
【背景技術】
【０００２】
（関連分野の説明）
発電のための化石燃料燃焼は、典型的に、作動流体として水に依存する熱力学サイクルを使用する。従って、圧縮器なしに、作動流体としてｓＣＯ２を利用し、向上させられた簡易性および熱効率で動力を提供する熱力学サイクルが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
（発明の簡単な説明）
概して、本発明は、機械動力、電力、またはその両方、および商用グレードのｓＣＯ２製品を生成するために、圧縮器なしに作動する、作動流体として超臨界二酸化炭素（ｓＣＯ２）を利用する開放熱力学サイクルに関する。いくつかの実施形態において、ｓＣＯ２を利用する方法は、動力を発生させるためにタービンに送られるガスを生成するために、酸素、燃料、および予熱されリサイクルされるｓＣＯ２を燃焼させることと、タービンに送られるリサイクルされる超臨界二酸化炭素を予熱するために、タービンからの排気ガスを使用することと、二酸化炭素流を提供するために、一連の二組の凝縮器および分離器に排気ガスを通過させることとを含み、タービンによって動力を供給されるポンプを使用することによって、リサイクルされる超臨界二酸化炭素が二酸化炭素流から発生させられる。
【０００４】
いくつかの実施形態において、タービンからの排気ガスは、二酸化炭素流を提供し、リサイクルされる超臨界二酸化炭素が二酸化炭素流から発生させられ、タービンからの排気ガスは、タービンからの他の排気ガスを含む。これらの他の排気ガスは、二酸化炭素から分離され、膨張器において膨張させられ、さらに、ｓＣＯ２を発生させるために使用されるポンプに動力を提供する。いくつかの実施形態において、タービンと、膨張器と、ｓＣＯ２を発生させるために使用されるポンプとに共通な単一のシャフトが使用される。加えて、商用グレードのｓＣＯ２製品として過剰なｓＣＯ２は、システムから除去され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、発明の一実施形態に従う過程の過程フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
（発明の詳細な説明）
本発明は、添付の図面を参照して、以下でより完全に説明される。発明は、特定の実施形態と組み合わせて説明されるが、発明は、幅広い種類の仕様に適用されることができるということが理解されるべきであり、発明の趣旨および範囲内に含まれ得る場合、代替、修正、および同等物を対象とすることが意図されている。従って、以下の説明は、（例えば、「好ましくは」または「例えば」という用語の使用によって）いくつかの実施形態が説明されるという点において例示的であるが、発明は、この説明において具体的に記載されていない他の実施形態を含むので、この説明は、発明の実施形態のみを限定または規定すると見なされるべきでない。さらに、この説明全体における「発明」という用語の使用は、広範に使用され、説明の任意の特定の部分が、発明が作られ得るかまたは使用され得る唯一の様式であるということを意味するように意図されていない。
【０００７】
概して、本発明は、圧縮器なしに開放熱力学サイクルにおいて超臨界二酸化炭素（ｓＣＯ２）を利用する方法およびシステムに関する。いくつかの実施形態において、作動流体としてｓＣＯ２を利用する方法およびシステムは、動力を発生させるためにタービンに送られるガスを生成するために、酸素、燃料、および予熱されリサイクルされるｓＣＯ２を燃焼させることと、タービンに送られるリサイクルされる超臨界二酸化炭素を予熱するために、タービンからの排気ガスを使用することと、二酸化炭素流を提供するために、一連の凝縮器および分離器に排気ガスを通過させることとを含み、タービンによって動力を供給されるポンプを使用することによって、リサイクルされる超臨界二酸化炭素が二酸化炭素流から発生させられる。
【０００８】
熱力学サイクルは、機械動力、電力、またはその両方を生成し得、特定の圧力および純度において、商用グレードのｓＣＯ２を生成し得る。発明の一定の実施形態において、開放熱力学サイクルは、圧縮器を利用しない。従って、そのようなサイクルは、他の構成と比較して、簡易性および熱効率の本質的な利点を有する。
【０００９】
いくつかの実施形態において、タービンからの排気ガスは、リサイクルされる超臨界二酸化炭素が発生させられる二酸化炭素流だけでなく、タービンからの他の排気ガスも含む。これらの他の排気ガスは、凝縮器および分離器の下流で二酸化炭素から分離され、膨張器において膨張させられ、膨張器も、ｓＣＯ２を発生させるために使用されるポンプに動力を提供する。いくつかの実施形態において、タービンと、膨張器と、ｓＣＯ２を発生させるために使用されるポンプとに共通な単一のシャフトが使用される。加えて、商用グレードのｓＣＯ２製品として過剰なｓＣＯ２は、システムから除去され得る。
【００１０】
図１は、発明の一実施形態に従う過程の過程フロー図である。具体的に、図１は、作動流体としてｓＣＯ２を利用するが、圧縮器の必要性のない開放熱力学サイクル１００を示す。
【００１１】
熱力学サイクル１００において、高圧力の燃料１０４および酸素１０２は、燃焼器１０６における燃焼反応において結合される。酸素１０２は、濃縮酸素または純酸素を提供する任意の種類の過程から生じ得る。いくつかの実施形態において、濃縮酸素は、９５容量％より高い純度である。燃料１０４は、気体、液体、または気体の燃料と液体の燃料との混合物であり得るが、固体を含むべきでない。熱力学サイクル１００の燃焼温度を制限するために、酸素１０２および燃料１０４に加えて、加熱されリサイクルされるｓＣＯ２１５８も燃焼器１０６に追加される。
【００１２】
燃焼から生じるかもしくは燃焼させられたガス１０８、または燃焼器排気ガスは、燃焼器１０６から出て、タービン１１０に入り、それは、タービン１１０において膨張させられて、膨張させられたガス１１４またはタービン排気ガスを生成する。その結果、タービン１１０は、動力を発生させ、発生させられた動力は、共通のシャフト１６０によって、電気を生成するための発電機１１２とポンプ１５２との両方に動力を供給するために使用されることができる。言い換えると、タービン１１０は、機械動力、電力、またはその両方を生成することができる。
【００１３】
膨張させられたガス１１４は、伝熱式熱交換器１１６に入り、伝熱式熱交換器１１６において、リサイクルされるｓＣＯ２１５６は、予熱され、予熱されリサイクルされるｓＣＯ２１５８として燃焼器１０６に導入される。膨張させられたガス１１４は、伝熱式熱交換器１１６において冷却され、伝熱式熱交換器１１６からの冷却された排気ガス１１８は、水および凝縮可能物凝縮器１２０に入り、水および凝縮可能物凝縮器１２０において、冷却された排気ガス１１８における水および他の濃縮可能物が凝縮され、分離器１２８に通される。分離器１２８は、ＣＯ２の液化温度より高い温度で、水および凝縮可能物のうちの大部分を流れ１３０として除去する。分離器１２８からのガス１３２は、ＣＯ２凝縮器１３４に入り、ＣＯ２凝縮器１３４において、ＣＯ２が液化される。
【００１４】
熱遮断システム１２６は、水および凝縮可能物凝縮器１２０における使用のための、ＣＯ２凝縮器１３４からの冷却媒体を提供するために使用される。熱遮断システム１２６は、乾燥空気、湿潤蒸発式、チラーベース、廃棄冷熱エネルギー源ベース、河川貫流、海水貫流、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。冷却媒体は、冷却媒体供給管１２４と帰還管１２２とを使用することによって、水および凝縮可能物凝縮器１２０に再循環され、熱を水および凝縮可能物凝縮器１２０から熱遮断システム１２６に輸送する。同様に、冷却媒体は、冷却媒体供給管１３６と帰還管１３８とを使用することによって、ＣＯ２凝縮器１３４に再循環され、熱をＣＯ２凝縮器１３４から熱遮断システム１２６に輸送する。
【００１５】
ＣＯ２凝縮器１３４からの液化されたＣＯ２および残存する排気ガス１４０は、ＣＯ２分離器１４２に通される。ＣＯ２分離器１４２は、液体のＣＯ２１５０を排気ガス１４４から分離する。液体のＣＯ２１５０は、ポンプ１５２に通され、ポンプ１５２は、リサイクルされるｓＣＯ２１５６を伝熱式熱交換器１１６に提供するために液体のＣＯ２を加圧し、伝熱式熱交換器１１６において、予熱されたｓＣＯ２１５８を燃焼器１０６に提供するために、熱が、膨張させられたガスまたはタービン排気ガス１１４からリサイクルされるｓＣＯ２１５６に渡される。ポンプ１５２は、ｓＣＯ２から（従って、リサイクルされるｓＣＯ２から、および熱力学サイクルから）過剰なＣＯ２を除去するために、抽出流１５４を使用するということが認識されるべきである。抽出流１５４は、販売可能なｓＣＯ２を提供することができ、所望されるｓＣＯ２圧力および純度を提供することを意図されている。過程１００において、圧縮器は、不要であるということが認識されるべきである。
【００１６】
ＣＯ２分離器１４２からの排気ガス１４０は、膨張器１４６において膨張させられ、膨張器１４６からの排気ガス１４８は、大気に排出される。膨張器１４６は、共通シャフト１６０に動力を供給するための動力を発生させる。共通シャフト１６０は、タービン１１０と、発電機１１２と、ポンプ１５２とに共通であるということが認識されるべきである。従って、タービン１１０と、発電機１１２と、膨張器１４６と、ポンプ１５２との動作速度は、それらのそれぞれの効率を最大化するために、異なり得るということが認識されるべきである。よって、共通シャフト１６０は、速度変更ギアも含み得る。
【００１７】
いくつかの実施形態において、以下の条件が使用され得る。
【表１】
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【図１】
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【国際調査報告】
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