(57)【要約】      （修正有）【課題】二酸化炭素を除去するシステムおよび方法を提供する。【解決手段】二酸化炭素（ＣＯ2）除去システム１１２は、外部熱伝達装置１３０を備える。そのシステムはまた、外部熱伝達装置に流体連通状態で結合された磁気熱伝達装置１４０を備える。そのシステムはさらに、磁気熱伝達装置に流体連通状態で結合された極低温ＣＯ2捕獲システム１６０を備える。【選択図】図２
2013029304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素（ＣＯ2）除去システム（１１２）であって、
外部熱伝達装置（１３０）と、
前記外部熱伝達装置に流体連通状態で結合された磁気熱伝達装置（１４０）と、
前記磁気熱伝達装置に流体連通状態で結合された極低温ＣＯ2捕獲システム（１６０）と
を備えたＣＯ2除去システム。
【請求項２】
前記外部熱伝達装置（１３０）が、流体の流れをおよそ３５℃から−４℃の間の温度で前記磁気熱伝達装置（１４０）に導くように構成された、請求項１記載のＣＯ2除去システム（１１２）。
【請求項３】
前記磁気熱伝達装置（１４０）が、
冷媒熱交換器（１４２）と、
前記冷媒熱交換器に流体連通状態で結合された外部磁気冷凍装置（１４４）と
を備えた、請求項１記載のＣＯ2除去システム（１１２）。
【請求項４】
前記外部磁気冷凍装置（１４４）が、磁気熱量効果を利用して冷媒から熱を除去するように構成された、請求項３記載のＣＯ2除去システム（１１２）。
【請求項５】
前記冷媒熱交換器（１４２）が、前記外部熱伝達装置（１３０）から流体の流れを受け取られ、熱を前記流体の流れから前記冷媒に伝達するように構成された、請求項４記載のＣＯ2除去システム（１１２）。
【請求項６】
前記極低温ＣＯ2捕獲システム（１６０）が、
前記磁気熱伝達装置（１４０）に流体連通状態で結合された圧縮機（１６２）と、
前記圧縮機に流体連通状態で結合された熱交換器（１６４）と、
前記熱交換器に流体連通状態で結合されており、前記熱交換器と協働しておよそ−６０℃未満の温度を有する流体の流れを作り出すように構成された膨張装置（１６６）と
を備えた、請求項１記載のＣＯ2除去システム（１１２）。
【請求項７】
前記極低温ＣＯ2捕獲システム（１６０）が、実質的に固相のＣＯ2（１７０）を前記流体の流れから除去するように構成された遠心分離機（１６８）をさらに備えた、請求項６記載のＣＯ2除去システム（１１２）。
【請求項８】
少なくとも１つの燃焼装置（１０２）と、
外部熱伝達装置（１３０）、前記外部熱伝達装置に流体連通状態で結合された少なくとも１つの磁気熱伝達装置（１４０）、および、前記磁気熱伝達装置に流体連通状態で結合された少なくとも１つの極低温ＣＯ2捕獲システム（１６０）を備えた二酸化炭素（ＣＯ2）除去システム（１１２）と
を備えた燃焼施設（１００）。
【請求項９】
前記外部熱伝達装置（１３０）が、流体の流れをおよそ３５℃から−４℃の間の温度で前記少なくとも１つの磁気熱伝達装置（１４０）に導くように構成された、請求項８記載の燃焼施設（１００）。
【請求項１０】
前記磁気熱伝達装置（１４０）が、
冷媒熱交換器（１４２）と、
前記冷媒熱交換器に流体連通状態で結合された外部磁気冷凍装置（１４４）と
を備えた、請求項８記載の燃焼施設（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の主題は、一般に化石燃料火力発電所に関し、より詳細には、磁気冷凍装置を介して、関連する燃焼排気流から二酸化炭素を除去するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知の化石燃料火力発電所は、化石燃料を空気と燃焼させ、二酸化炭素（ＣＯ2）を含む燃焼排気を発生する。これら公知の発電所の多くは、公知の方法を用いてＣＯ2の少なくとも一部を除去する。公知の方法の中には、燃料ガス化システムでの転化を含む、燃焼前の捕獲を容易にするために用いられる方法もある。これら公知の燃焼前の方法は、燃料源をガス化システムに限定し、相当の設備投資を必要とし、運転コストを増加させる。他の公知の方法では、酸素燃焼が用いられる。酸素燃焼では、燃焼において、圧縮した空気ではなく高濃度とした酸素ガスが使われるため、ＣＯ2濃度の高い燃焼排気を生成する。高濃度のＣＯ2によって従来の回収がより簡単なるため、ＣＯ2濃度の高い燃焼排気によって、ＣＯ2の除去が容易になる。これら公知の酸素燃焼の方法もまた、相当の設備投資を必要とし、補助動力の消費が増えることを含め、運転コストを増加させる。さらに、別の公知の方法では、燃焼排気からＣＯ2を分離する少なくとも１つの方法を一般的に使用する、燃焼後の捕獲方法が用いられる。燃焼後のＣＯ2分離および除去のこのような公知の方法には、化学溶剤除去、物理溶媒除去、吸着、および薄膜を利用するものもあるが、これらの方法のいずれも、ＣＯ2の燃焼排気からの分離を促進する物質に燃焼排気を接触させる必要がある。これら公知の燃焼後の方法もまた、相当の設備投資を必要とし、補助動力の消費が増えることを含めて、運転コストを増加させる。
【０００３】
燃焼後のＣＯ2分離および除去の別の公知の方法は、燃焼排気を上流側で冷却する従来からある何らかの方法と少なくとも組み合わせた極低温ＣＯ2捕獲である。これら公知の極低温ＣＯ2捕獲方法の中には、少なくとも、ブレイトンサイクルを用いた方法、つまり、燃焼排気を圧縮してから膨張させる方法もある。しかしながら、ほぼ室温まで冷却された燃焼排気を用いる公知の極低温ＣＯ2捕獲方法を用いるには、燃焼排気の圧縮装置に相当の補助動力使用量を必要とする。また、圧縮後に燃焼排気は加熱されており、燃焼排気の膨張に先立って、ＣＯ2の凝縮および除去が十分に容易となるように燃焼排気の温度を下げるのに、冷媒に基づく相当の量の冷却エネルギーを使用する必要がある。さらに、燃焼排気流から除去されたＣＯ2の割合は、燃焼排気の温度の関数になっている。例えば、燃焼排気温度が低下すると、除去されるＣＯ2の割合は増加しつつ、それを達成するためのエネルギーコストは増加する。そのため、極低温ＣＯ2捕獲のためのこの公知の構成は、それに伴う成績係数（ＣＯＰ）の値、つまり、熱を除去するのに使用されるエネルギーに対する燃焼排気から除去される熱の割合が、比較的小さくなる。燃焼排気から熱を除去するのに使用される比較的大きなエネルギーと、燃焼排気を圧縮するのに使用されるエネルギーとは共に、関連する施設の運転コストに重大な影響を与える。
【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２０１０／０２１２３２７号明細書
【発明の概要】
【０００５】
一態様において、二酸化炭素（ＣＯ2）除去システムが提供される。そのＣＯ2除去システムは、外部熱伝達装置を備える。ＣＯ2除去システムはまた、外部熱伝達装置に流体連通状態で結合された磁気熱伝達装置を備える。ＣＯ2除去システムはさらに、磁気熱伝達装置に流体連通状態で結合された極低温ＣＯ2捕獲システムを備える。
【０００６】
別の態様では、燃焼施設が少なくとも１つの燃焼装置を備える。燃焼施設はまた、二酸化炭素（ＣＯ2）除去システムを備える。そのＣＯ2除去システムは、外部熱伝達装置を備える。ＣＯ2除去システムはまた、外部熱伝達装置に流体連通状態で結合された少なくとも１つの磁気熱伝達装置を備える。ＣＯ2除去システムはさらに、磁気熱伝達装置に流体連通状態で結合された少なくとも１つの極低温ＣＯ2捕獲システムを備える。
【０００７】
さらに別の態様では、二酸化炭素（ＣＯ2）を流体の流れから除去する方法が提供される。その方法は、流体の流れを磁気熱伝達装置に導くステップを含む。その方法はまた、磁気熱伝達装置を介して流体の流れから熱を除去するステップを含む。その方法はさらに、流体の流れを極低温ＣＯ2捕獲システムに導くステップを含む。
【０００８】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、図面を通して、類似の符号が類似の部品を表す添付の図面を参照しつつ、以下の詳細な記載を読むことでより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示のガスタービン発電施設の概略図である。
【図２】図１に示すガスタービン発電施設で使用できる例示の極低温二酸化炭素（ＣＯ2）除去システムの概略図である。
【図３】図２に示す極低温ＣＯ2除去システムを組み立てる際に使用できる例示の方法を示す流れ図である。
【００１０】
特に示されていない限り、本明細書で提供される図面は、本発明の発明の主要な特徴を図示することが意図されている。これら主要な発明の特徴は、本発明の１つまたは複数の実施形態を含む多種多様なシステムに適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本発明を実施するに足る通常の当業者によって知られる従来からの特徴のすべてを含むことは意図されていない。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の明細書および特許請求の範囲において、多くの用語が参照され、それらは次の意味を持つように定義される。
【００１２】
単数により表現される「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈上明確に示されている場合を除き、そのものが複数である場合への言及も含む。
【００１３】
「任意に」または「任意で」とは、後に記載される事象または状況が、現れる可能性があるし現れない可能性もあることを意味し、また、その記載は、事象が発生する場合および発生しない場合の両方の例を含むことを意味する。
【００１４】
近似を表す文言が、明細書および特許請求の範囲を通じて使用される場合、その文言は、関連する基本的な機能に変化をもたらすことなく許容される範囲内で変化する可能性のある何らかの定量的表現を修飾するために用いられることがある。したがって、「約」および「実質的」などの用語によって修飾される値は、明示される値だけに限定されるものではない。少なくとも、近似を表す文言は、値を測定する機器の精度に相当する場合がある。明細書および特許請求の範囲を通じて、範囲限界は、組み合わされて、および／または、置き換え可能とされていてもよく、そのような範囲は、文脈または文言によって示されている場合を除き、同一のものとされ、その範囲に含まれるすべての部分範囲を含む。
【００１５】
本明細書に記載される例示のシステムおよび方法は、極低温ＣＯ2除去システムの上流に効率の良い熱除去装置を追加的に提供することで、公知の二酸化炭素（ＣＯ2）除去システムの不利益を克服する。より具体的に言うと、エネルギー効率の良い磁気熱伝達装置を用いて、高温の流体を、ＣＯ2を凍結させて流体から除去するブレイトンサイクルを用いた極低温ＣＯ2除去システムに導入される前に冷却する。このような磁気熱伝達装置によって、ブレイトンサイクルの圧縮工程の規模の縮小が容易になるとともに、ブレイトンサイクルの圧縮部分において必要なエネルギー消費の削減が容易になり、公知のＣＯ2除去システムと比較して、本ＣＯ2除去システム全体の成績係数（ＣＯＰ）が増加する。事前の磁気熱伝導に応じた極低温ＣＯ2捕獲システムでの効率の増加によって、その熱伝導がない場合と比較して、システムによるエネルギー消費の削減が容易になる。さらに、極低温ＣＯ2捕獲システムの圧縮工程によるそのようなエネルギー消費の削減は、磁気熱伝達装置を運転するのに使用される追加のエネルギー資源を十分に上回る。そのため、ＣＯ2除去システム全体の運転は、エネルギー消費に関してはより効率が良くなり、関連する運転コストは減少する。
【００１６】
図１は、電力に変換される熱エネルギーを放出する少なくとも１つの燃焼過程を用いる例示の発電施設１００の概略図である。例示の実施形態では、施設１００は、極低温二酸化炭素除去システムを用いた化石燃料火力発電所であり、より具体的には、例示のガスタービン発電所１００であり、本明細書ではガスタービン施設１００と呼ばれる。あるいは、本明細書で記載される方法および装置は、石炭火力発電所ボイラー、石油火力発電所ボイラー、および／またはバイオ燃料火力ボイラーを含むがそれらに限定されることのない、適切な構成とされた従来からの何らかの発電施設で用いられてもよい。またあるいは、本明細書で記載される方法および装置は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ならびに、バイオ燃料およびその誘導体を燃焼するエンジンなどの往復エンジンを含むがそれらに限定されることのない、適切な構成とされた従来からの何らかの発電装置で用いられてもよい。ガスタービン施設１００は、明示したもの以外に多くの構成要素を有していてもよいことは理解されたい。さらに、いくつかの実施形態においては、ガスタービン施設１００は、石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）施設を含むがそれに限定されることのない、さらに大きな施設の一部であってもよい。
【００１７】
例示の実施形態においては、ガスタービン施設１００は、ガスタービンエンジン組立品１０２を備える。ガスタービンエンジン組立品１０２は、少なくとも１つの燃料供給源１０４と、少なくとも１つの空気供給源１０６とに流体連通状態で結合されている。燃料供給源１０４は、燃料導管１０８を介してガスタービンエンジン組立品１０２に流体連通状態で結合されている。燃料供給源１０６は、空気導管１１０を介してガスタービンエンジン組立品１０２に流体連通状態で結合されている。ガスタービン施設１００はまた、高温燃焼排気排出管１１４を介してガスタービンエンジン組立品１０２に流体連通状態で結合された極低温二酸化炭素（ＣＯ2）除去システム１１２を備える。ガスタービン施設１００はさらに、低温燃焼排気排出管１１８および排気筒プレナム１２０を介して極低温二酸化炭素除去システム１１２に流体連通状態で結合された排出排気筒１１６を備える。
【００１８】
運転の際、ガスタービン組立品１０２は、空気と燃料（いずれも図示せず）とを混合し、高温の燃焼ガス（図示せず）を生成し、燃焼ガス内の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。次いで、その回転エネルギーは、ガスタービン施設１００内の少なくとも１つの補助負荷（図示せず）、および／または、送電網（図示せず）に送られる電気エネルギーに変換される。高温の燃焼ガスは、冷却されて流体の流れ、つまり、第１の濃度のＣＯ2を含む高温の燃焼排気流１２２を形成する。高温の燃焼排気流１２２は、極低温ＣＯ2除去システム１１２に導かれ、そこでＣＯ2の大部分は燃焼排気から除去される。低温の燃焼排気流１２４は、第１の濃度のＣＯ2よりも相当に低い第２の濃度のＣＯ2を含む状態で排出排気筒１１６に導かれる。低温の燃焼排気流１２４はまた、窒素（Ｎ2）、酸素（Ｏ2）、およびアルゴン（Ａｒ）を含む。
【００１９】
図２は、（図１に示す）ガスタービン発電施設１００で使用できる極低温ＣＯ2除去システムの概略図である。例示の実施形態では、極低温ＣＯ2除去システム１１２は、高温の燃焼排気流１２２を、（図１に示す）ガスタービンエンジン組立品１０２、ならびに、石炭火力および石油火力発電所ボイラーを含むがそれらに限定されない、従来からの何らかの化石燃料火力発電装置から受け取られる。石炭などの原料を燃焼するこれらの発電装置においては、粒子状物質を除去するための一般的な方法が採用されており、高温の燃焼排気流１２２を極低温ＣＯ2除去システム１１２に導く前に、その気流から粒子が実質的に除去される。
【００２０】
例示の実施形態では、極低温ＣＯ2除去システム１１２は、例えば外部冷却の熱交換器１３０といった外部熱伝達装置を備える。熱交換器１３０は、冷却水導管１３４を介して冷却水供給源１３２に流体連通状態で結合されたシェルアンドチューブ式の熱交換器である。冷却水導管１３４は、冷却水が熱交換器１３０内を通過するように導く複数の水配管（図示せず）を有する。熱交換器１３０は、熱交換器１３０内を通過するように導かれた高温の燃焼排気から凝縮した水蒸気を導くように構成された凝縮水排水導管１３６を有する。高温の燃焼排気流１２２からは、熱の大部分が冷却水に移動され、熱交換器１３０から第１の冷却燃焼排気流１３８が導かれる。第１の冷却燃焼排気流１３８は、極低温ＣＯ2除去システム１１２の近傍における室温に実質的に等しい温度となっている。例えば、限定されることはないが、北米や欧州では、室温状態は、およそ摂氏３５℃（およそ華氏９５°Ｆ）からおよそ摂氏−４℃（およそ華氏２５°Ｆ）の範囲である可能性があり、より一般的な温度範囲は、およそ摂氏２０℃（およそ華氏６８°Ｆ）からおよそ摂氏０℃（およそ華氏３２°Ｆ）である。
【００２１】
また、例示の実施形態では、極低温ＣＯ2除去システム１１２は、外部冷却の熱交換器１３０に流体連通状態で結合された磁気熱伝達装置１４０を備える。磁気熱伝達装置１４０は、冷媒導管１４６を介して外部磁気冷凍装置１４４に流体連通状態で結合されたシェルアンドチューブ型の冷媒熱交換器１４２を有する。冷媒導管１４６は、冷媒を冷媒熱交換器１４２内を通過するように導く複数の冷媒配管（図示せず）を有する。冷媒熱交換器１４２は、冷媒熱交換器１４２内を通過するように導かれた冷却された燃焼排気から凝縮した水蒸気を導くように構成された凝縮水排水導管１４８を有する。
【００２２】
外部磁気冷凍装置１４４は、磁気熱量効果を利用して熱を第１の冷却燃焼排気流１３８から除去する。本明細書で使用される場合、磁気熱量効果とは、磁気熱材料の磁気相転移に伴うエントロピー変化を言うものであり、磁気熱材料の冷却は、磁気熱材料のこのようなエントロピー変化から生じる温度変化を用いることで促進される。例示の実施形態においては、使用される磁気熱材料はガドリニウム（Ｇｄ）合金である。あるいは、冷凍装置１４４は、本明細書に記載されるように装置１４４を運転することができ、かつ、ランタン（Ｌａ）合金、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）合金を含むがそれらに限定されない何らかの磁気熱作用のある材料を使用してもよい。磁気冷凍装置１４４の代替の実施形態の中には、異なる段階毎に異なる磁気熱材料および／または異なる構成を備えた多段式の磁気冷凍機を備えるものがあってもよい。
【００２３】
例えば、限定されるわけではないが、Ｇｄ5（Ｓｉ2Ｇｅ2）が、磁気冷凍装置１４４内で使用され、その磁気熱材料の温度は、磁界に入ると上昇し、磁界から出ると低下する。より具体的に言うと、Ｇｄ5（Ｓｉ2Ｇｅ2）では２つの状態が交互に起こる。第１の状態は、キューリー温度、つまり、磁性材料が熱によって常磁性となる温度の近傍で磁界を磁気熱材料に印加することで、高い磁性配向度が作り出されている低磁気エントロピー状態である。第２の状態は、低い磁性配向度、つまり、磁界を磁気熱材料から除去することで作り出される実質的にランダム配向となっている高磁気エントロピー状態である。磁界が除去されると、磁気熱材料は、第１の状態で発生した熱を周囲環境に移動させ、磁界に曝される前に材料が有していた温度よりも低い温度となる。
【００２４】
高磁気エントロピー状態と低磁気エントロピー状態との間でのこのような転移は、それぞれが低格子エントロピー状態および高格子エントロピー状態となる間での転移として明白であり、それによって、磁気熱材料が磁化および消磁したときに、それぞれにおいて磁気熱材料は温度上昇および温度低下することになる。そのため、磁気熱材料の磁化および消磁を交互に行う過程は、実質的に可逆な断熱過程であり、実質的に等エントロピーである。さらに、磁界の印加と除去とを連続して行うことで、磁界によって、磁気熱材料を連続的に冷却することが容易にできる。
【００２５】
例示の実施形態においては、外部磁気冷凍装置１４４は、所定の間隔をおいて互いに離間して配向された複数の固定永久磁石（図示せず）を有する。あるいは、外部磁気冷凍装置１４４は、固定永久磁石と組み合わせて、または、固定永久磁石の代わりに、少なくとも１つの電磁石（図示せず）を有する。このような電磁石は超伝導磁石を有していてもよく、超伝導磁石は高い磁界強度を有する。このように磁界強度が高ければ、冷凍装置１４４の冷却出力密度を増加させるのを容易に行うことができ、装置１４４の冷却効果が増加する。超伝導電磁石を用いることで冷凍装置１４４の運転効率を増加すれば、発電施設１００全体の電力消費を減らすこともまた容易に行うことができ、それにより、施設１００の運用に関連する経済的な効率が容易に向上する。
【００２６】
外部磁気冷凍装置１４４はまた、永久磁石によって作り出される磁界にＧｄ5（Ｓｉ2Ｇｅ2）を出し入れする移動機構を備える。冷媒は、冷媒管１４６を介して、冷却されたＧｄ5（Ｓｉ2Ｇｅ2）の近傍に導かれ、冷媒の熱がＧｄ5（Ｓｉ2Ｇｅ2）へと移動し、Ｇｄ5（Ｓｉ2Ｇｅ2）の温度が上昇して冷媒の温度が低下する。冷却された冷媒は、冷媒熱交換器１４２内を通過するように導かれて第１の冷却燃焼排気流から熱を移動させ、第２の冷却燃焼排気流１５０の温度がおよそ−５０℃（−５８°Ｆ）からおよそ−６０℃（−７６°Ｆ）の間となる。
【００２７】
さらに、例示の実施形態では、極低温ＣＯ2除去システム１１２は、磁気熱伝達装置１４０に流体連通状態で結合された極低温ＣＯ2捕獲システム１６０を備える。極低温ＣＯ2捕獲システム１６０は、冷媒熱交換器１４２に流体連通状態で結合された、第２の冷却燃焼排気流１５０を受け取られる圧縮機１６２を備える。圧縮機１６２は、第２の冷却燃焼排気流１５０を圧縮して加熱する。極低温ＣＯ2捕獲システム１６０はまた、圧縮機１６２に流体連通状態で結合された中間冷却器１６４を有しており、そこで、圧縮の結果として第２の冷却燃焼排気流１５０に移動した熱が除去される。極低温ＣＯ2捕獲システム１６０はさらに、中間冷却器１６４に流体連通状態で結合された膨張機器１６６を有しており、そこで、第２の冷却燃焼排気流１５０の温度はおよそ−１００℃（−１４８°Ｆ）まで低下させられる。実施形態の中には、膨張機器１６６は、有益な仕事および／または電力を発生させるように使用することができるターボ機械となっているものもある。第２の冷却燃焼排気流１５０内のＣＯ2は、昇華することができない。つまり、気相から液相を飛び越えて固相へと転移する。極低温ＣＯ2捕獲システム１６０はまた、膨張機器１６６に流体連通状態で結合された遠心分離機１６８を備える。遠心分離機１６８は、廃棄および／または隔離のために、ならびに、燃焼排気流１５０の構成物質、つまり、Ｏ2およびＡｒを含んだＮ2濃度の高い低温の流れ１７２を残すために、固体のＣＯ2１７０を分離する。Ｎ2濃度の高い低温の流れ１７２は、中間冷却器１６４に導かれ、圧縮後の第２の冷却燃焼排気流１５０から流れ１７２への熱が容易に移動してきて低温の燃焼排気流１２４を生成する。
【００２８】
例示の実施形態では、極低温ＣＯ2捕獲システム１６０は、ブレイトンサイクルを用いており、単体でおよそ２から３の範囲のＣＯＰを有する。第１の冷却燃焼排気流１３８から熱を移動するのに必要な仕事量は、極低温ＣＯ2捕獲全体の経済性に対して非常に限定されたものとなっている。しかしながら、磁気熱伝達装置１４０によって第１の冷却燃焼排気流１３８から熱を移動させるのが容易になり、第２の冷却燃焼排気流１５０の温度はおよそ−５０℃（−５８°Ｆ）からおよそ−６０℃（−７６°Ｆ）の間となる。そのため、圧縮機１６２に必要な規模およびエネルギー消費を減少させることができ、極低温ＣＯ2捕獲システム１６０全体のＣＯＰがおよそ５から６の範囲に増加する。磁気熱伝達装置１４０を備えた極低温ＣＯ2捕獲システム１６０の効率が増加することは、装置１４０がない場合と比較して、システム１６０によるエネルギー消費を削減するのが容易になる。極低温ＣＯ2捕獲システム１６０によるエネルギー消費の削減は、磁気熱伝達装置１４０を運転するのに使用される追加のエネルギー資源を十分に上回る。そのため、極低温ＣＯ2除去システム１１２およびガスタービン施設１００の全体の運用は、エネルギー消費という点においてより効率的となり、施設１００の運転経費は減少する。
【００２９】
極低温ＣＯ2除去システム１１２の別の実施形態の中には、直列とされた磁気熱伝達装置１４０および極低温ＣＯ2捕獲システム１６０の組合せを複数備えるものがあってもよい。また、極低温ＣＯ2除去システム１１２の別の実施形態の中には、極低温ＣＯ2捕獲システム１６０の前に、直列とされた複数の磁気熱伝達装置１４０を備えるものがあってもよい。さらに、極低温ＣＯ2除去システム１１２の別の実施形態の中には、磁気熱伝達装置１４０の後に、直列とされた複数の極低温ＣＯ2捕獲システム１６０を備えるものがあってもよい。また、極低温ＣＯ2除去システム１１２の別の実施形態の中には、磁気熱伝達装置１４０およびＣＯ2除去システム１１２の何らかの組合せを備えるものがあってもよい。
【００３０】
ＣＯ2除去システム１１２の運転において、燃焼による粒子状副産物を実質的に除去する高温の燃焼排気流１２２は、外部冷却の熱交換器１３０に導かれる。高温の燃焼排気流１２２に含まれる水蒸気の少なくとも一部は、高温の燃焼排気がほぼ室温へと冷却されて第１の冷却燃焼排気流１３８を形成するときに除去される。第１の冷却燃焼排気流１３８は、磁気熱伝達装置１４０に導かれる。排気流１３８は、およそ３５℃（およそ９５°Ｆ）からおよそ−４℃（２５°Ｆ）の範囲の温度条件である可能性があり、より一般的な温度範囲は、およそ２０℃（６８°Ｆ）からおよそ０℃（３２°Ｆ）である。第１の冷却燃焼排気流１３８に含まれる残りの水蒸気の少なくとも一部は、燃焼排気がおよそ−５０℃（−５８°Ｆ）からおよそ−６０℃（−７６°Ｆ）へと冷却されて第２の冷却燃焼排気流１５０を形成するときに除去される。
【００３１】
また、ＣＯ2除去システム１１２の運転の際、第２の冷却燃焼排気流１５０は、極低温ＣＯ2捕獲システム１６０、つまり、圧縮機１６２に導かれ、そこで排気流１５０は圧縮されて加熱される。第２の冷却燃焼排気流１５０は、さらに中間冷却器１６４に導かれ、そこで圧縮の結果として第２の冷却燃焼排気流１５０に移動した熱が除去される。第２の冷却燃焼排気流１５０は、さらに膨張機器１６６に導かれ、そこで排気流１５０の温度はおよそ−１００℃（−１４８°Ｆ）まで低下させられる。第２の冷却燃焼排気流１５０中のＣＯ2は固相に転移し、遠心分離機１６８は廃棄および／または隔離のために固体のＣＯ2１７０を分離する。Ｎ2濃度の高い低温の流れ１７２は、中間冷却器１６４に導かれ、圧縮後の第２の冷却燃焼排気流１５０から流れ１７２への熱の移動を促進し、低温の燃焼排気流１２４を生成する。
【００３２】
図３は、（図２に示す）極低温ＣＯ2除去システム１１２を組み立てる際に使用できる例示の方法２００を示す流れ図である。例示の実施形態では、（図２に示す）外部冷却の熱交換器１３０が、例えば、（図１に示す）ガスタービンエンジン組立品１０２といったＣＯ2供給源に流体連通状態で結合される（２０２）。また、（図２に示す）磁気熱伝達装置１４０が、外部冷却の熱交換器１３０に流体連通状態で結合される（２０４）。さらに、（図２に示す）極低温ＣＯ2捕獲システム１６０が、磁気熱伝達装置１４０に流体連通状態で結合される（２０６）。
【００３３】
二酸化炭素（ＣＯ2）除去システム用の上記の磁気熱伝達装置は、このようなＣＯ2除去システムの効率を増加させるための費用対効果に優れた方法を提供する。具体的には、本明細書に記載される装置、システム、および方法は、極低温ＣＯ2除去システムの上流に効率の良い熱除去装置を追加的に提供する。より具体的に言うと、エネルギー効率の良い磁気熱伝達装置を用いて、高温の流体を、ＣＯ2を凍結させて流体から除去するブレイトンサイクルを用いた極低温ＣＯ2除去システムに導入される前に冷却する。このような磁気熱伝達装置によって、ブレイトンサイクルの圧縮工程の規模の縮小および必要なエネルギー消費の削減が容易になり、公知のＣＯ2除去システムと比較して本ＣＯ2除去システム全体の成績係数（ＣＯＰ）が増加する。事前の磁気熱伝導に応じた極低温ＣＯ2捕獲システムでの効率の増加によって、その熱伝導がない場合と比較して、システムによるエネルギー消費の削減が容易になる。さらに、極低温ＣＯ2捕獲システムの圧縮工程によるエネルギー消費の削減は、磁気熱伝達装置を運転するのに使用される追加のエネルギー資源を十分に上回る。そのため、ＣＯ2除去システム全体の運転は、エネルギー消費においてより効率が良くなり、関連する運転コストは減少する。
【００３４】
ＣＯ2除去システム用の磁気熱伝達装置のための装置、システム、および方法の例示の実施形態は、上記で詳細に説明されている。装置、システム、および方法は、本明細書に記載される特定の実施形態に限定されることはなく、むしろ、システムの構成要素、および／または、方法のステップは、本明細書に記載される他の構成要素および／またはステップから独立または分離して用いられてもよい。例えば、システムおよび方法はまた、他の回転システムおよび方法と組み合わせて用いられてもよく、本明細書に記載されるＣＯ2除去システム用の磁気熱伝達装置だけで実施するように限定されていない。むしろ、例示の実施形態は、他の多くの冷却システムおよび物質除去システムの用途と組み合わせて実施および利用することができる。
【００３５】
本発明の様々な実施形態の具体的な特徴は、一部の図面には示されていても他の図面には示されていないことがあるが、これは便宜上のためだけである。さらに、上記記載において「一実施形態」を参照することは、記載される特徴をも包含する追加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈されることが意図されたものではない。本発明の本質に従い、図面の何らかの特徴は、何らかの他の図面の何らかの特徴と組み合わされて言及および／または特許請求されてもよいのである。
【００３６】
本書では、最良の形態を含めて、本発明を開示し、また、何らかの装置またはシステムを製作または使用すること、ならびに、何らかの包含された方法を実施することを含めて当業者が本発明を実施できるように、実施例を用いて本発明を開示している。本発明の特許請求可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者の思い付く他の例を含む可能性がある。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的な要素を有するか、特許請求の範囲の文言とはわずかにしか異ならない同等の構造的な要素を有する場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３７】
１００  ガスタービン発電施設
１０２  ガスタービンエンジン組立品
１０４  燃料供給源
１０６  空気供給源
１０８  燃料導管
１１０  空気導管
１１２  極低温二酸化炭素除去システム
１１４  高温燃焼排気排出管
１１６  排出排気筒
１１８  低温燃焼排気排出管
１２０  排気筒プレナム
１２２  高温の燃焼排気流
１２４  低温の燃焼排気流
１３０  外部冷却の熱交換器
１３２  冷却水供給源
１３４  冷却水管
１３６  凝縮水排水管
１３８  第１の冷却燃焼排気流
１４０  磁気熱伝達装置
１４２  冷媒熱交換器
１４４  外部磁気冷凍装置
１４６  冷媒管
１４８  凝縮水排水管
１５０  第２の冷却燃焼排気流
１６０  極低温ＣＯ2捕獲システム
１６２  圧縮機
１６４  中間冷却器
１６６  膨張機器
１６８  遠心分離機
１７０  固相のＣＯ2
１７２  Ｎ2濃度の高い低温の流れ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2013029304000001.pdf