(57)【要約】【課題】二酸化炭素圧縮システムを提供すること。【解決手段】本システムは、二酸化炭素含有ガス流を連続して圧縮するために直列に配置される複数の圧縮機段（１、２、３、４、５、６）を含む。直列配置圧縮機段の少なくともいくつかの間には、段間熱交換器（１５、２１、３０、３２、３４）が、圧縮ガス流から廃熱を除去し、前記熱をエネルギー変換ユニット（５０）の方へ移送するために提供され、そこでは廃熱の少なくとも一部が、回収され、機械的エネルギーに変換される。【選択図】  図３
2013119856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に配置される少なくとも第１の圧縮機段及び第２の圧縮機段と、前記第１の圧縮機段から前記第２の圧縮機段に流れ込む二酸化炭素を含有する圧縮ガスを受け取り、廃熱をそれから除去するように配置される１つ以上の段間熱交換器とを含む二酸化炭素圧縮システムであって、
前記廃熱の少なくとも一部が回収され、機械的エネルギーに変換されるエネルギー変換ユニットを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記エネルギー変換ユニット及び前記１つ以上の段間熱交換器を通って延びる流体経路を特徴とし、冷却流体が、二酸化炭素を含有する前記圧縮ガスから廃熱を除去する前記１つ以上の段間熱交換器中を循環し、エネルギーをそれから回収するために膨張及び圧縮プロセスを通じて前記エネルギー変換ユニットで処理される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記エネルギー変換ユニットは、前記冷却流体を前記１つ以上の段間熱交換器から受け取り、前記冷却流体を膨張させてエネルギーをそれから回収し、シャフトを駆動するように配置される膨張器と、前記膨張器に流体接続され、前記膨張冷却流体を凝縮するように配置される凝縮器と、前記凝縮器に流体結合され、前記凝縮冷却流体の圧力を増加させるように配置されるポンプとを含むことを特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
１つ以上の熱交換ユニットと、作動流体のための流体経路であって、前記流体経路は、前記熱交換ユニット及び前記エネルギー変換ユニットを通って延び、前記作動流体は、前記熱交換ユニットで熱を受け取り、エネルギーをそれから回収するために膨張及び圧縮プロセスを通じて前記エネルギー変換ユニットで処理される、作動流体のための流体経路と、前記１つ以上の段間熱交換器及び前記１つ以上の熱交換ユニットを通って延びる１つ以上の冷却流体経路であって、二酸化炭素を含有する前記圧縮ガスから廃熱を除去し、前記除去した廃熱を前記熱交換ユニットの前記作動流体に移送するための１つ以上の冷却流体経路とを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記エネルギー変換ユニットは、前記作動流体を前記熱交換ユニットから受け取り、前記作動流体を膨張させてエネルギーをそれから回収し、シャフトを駆動するように配置される膨張器と、前記膨張器に流体接続され、前記膨張作動流体を凝縮するように配置される凝縮器と、前記凝縮器に流体接続され、前記凝縮作動流体を前記１つ以上の熱交換ユニットにポンピングするように配置されるポンプとを含むことを特徴とする、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記エネルギー変換ユニットは、ランキンサイクルシステムを含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
前記ランキンサイクルシステムは、有機ランキンサイクルであることを特徴とする、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
複数の直列配置圧縮機段を特徴とし、それぞれの段間熱交換器は、直列配置圧縮機段の対間に配置され、それぞれの流体経路は、冷却流体を前記段間熱交換器中で循環させ、前記段間熱交換器を通って循環する二酸化炭素を含有する圧縮ガスから廃熱を除去するために各前記段間熱交換器に提供され、前記流体経路は、前記段間熱交換器からの前記冷却流体がエネルギーをそれから回収するために前記エネルギー変換ユニットで処理されるように、前記エネルギー変換ユニットと流体連通する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のシステム。
【請求項９】
複数の直列配置圧縮機段を特徴とし、それぞれの段間熱交換器は、直列配置圧縮機段の対間に配置され、それぞれの流体経路は、冷却流体を前記段間熱交換器中で循環させ、前記段間熱交換器を通って循環する二酸化炭素を含有する圧縮ガスから廃熱を除去するために各前記段間熱交換器に提供され、前記段間熱交換器の少なくともいくつかは、それぞれの熱交換ユニットと組み合わされ、前記熱交換ユニットは、前記冷却流体によって除去した廃熱が、前記熱交換ユニットで作動流体に移送されるように配置され、前記作動流体は、エネルギーをそれから回収するために前記エネルギー変換ユニットで処理される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１０】
ポンピング部を特徴とする、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１１】
前記ポンピング部は、前記直列配置圧縮機段の最後の１つから流れる二酸化炭素を含有する圧縮ガスを受け取り、廃熱をそれから除去するように配置されるさらなる熱交換器と、前記さらなる熱交換器から二酸化炭素を含有する圧縮ガスを受け取り、二酸化炭素を含有するガスを配送導管に配送するように配置されるポンプとを含むことを特徴とする、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
冷却流体を前記さらなる熱交換器を通って循環させて前記最後の圧縮機段と前記ポンプとの間で二酸化炭素を含有する圧縮ガスから廃熱を除去するために提供されるさらなる流体経路を特徴とし、前記さらなる流体経路は、前記さらなる熱交換器を出る前記冷却流体を前記エネルギー変換ユニットに配送するように配置される、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
冷却流体を前記さらなる熱交換器を通って循環させて前記最後の圧縮機段と前記ポンプとの間で二酸化炭素を含有する圧縮ガスから廃熱を除去するために提供されるさらなる流体経路と、廃熱を前記さらなる熱交換器中を循環する前記冷却流体から前記作動流体に移送するように配置されるさらなる熱交換ユニットとを特徴とする、請求項４及び請求項１１記載のシステム。
【請求項１４】
前記エネルギー変換ユニットは、電気エネルギー発生機を駆動するように配置されることを特徴とする、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１５】
前記エネルギー変換ユニットは、機械的エネルギーを前記圧縮機段の１つ以上に直接供給するように配置されることを特徴とする、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１６】
前記エネルギー変換ユニットは、機械的パワーを前記ポンプに供給するように配置されることを特徴とする、請求項１１、請求項１２又は請求項１３記載のシステム。
【請求項１７】
二酸化炭素圧縮方法であって、
二酸化炭素含有ガスを複数の圧縮機段を通って流し、
１つの圧縮機段から次の圧縮機段に流れる圧縮二酸化炭素含有ガスから廃熱を除去し、
前記二酸化炭素含有ガスから除去した前記廃熱の少なくとも一部を回収し、機械的エネルギーに変換する
ことを含む方法。
【請求項１８】
前記廃熱は、ランキンサイクルによって機械的エネルギーに変換される、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記熱は、有機ランキンサイクルによって機械的エネルギーに変換される、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記機械的エネルギーは、少なくとも部分的に前記圧縮機段の１つ以上にパワーを供給するために使用される、請求項１７、請求項１８又は請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記機械的エネルギーは、少なくとも部分的に電気エネルギーに変換される、請求項１７乃至請求項２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
１つ以上のさらなる熱交換器及びポンプを含むポンピング部で前記二酸化炭素含有ガスを冷却し、ポンピングすることをさらに含む、請求項１７乃至請求項２１のいずれか１項記載の方法。
【請求項２３】
前記ポンピング部の前記さらなる熱交換器が除去した前記熱の少なくとも一部を回収し、機械的エネルギーに変換することをさらに含む、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記機械的エネルギーは、少なくとも部分的に前記ポンピング部の前記ポンプにパワーを供給するために使用される、請求項２２又は請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記廃熱は、冷却流体によって除去され、前記冷却流体は、膨張器で膨張して熱を機械的エネルギーに変換する、請求項１７乃至請求項２４のいずれか１項記載の方法。
【請求項２６】
前記廃熱は、冷却流体を用いて除去され、熱は、前記冷却流体から作動流体に移送され、前記作動流体は、膨張器で膨張して熱を機械的エネルギーに変換する、請求項１７乃至請求項２４のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示する実施形態は、大量の二酸化炭素（ＣＯ2）若しくは二酸化炭素を含有するガス混合物を圧縮するため及び／又は圧縮し、液化するためのシステム並びに方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素は、化石燃料の燃焼又は脱炭プロセスなどの、様々な工業プロセスで生成される。二酸化炭素の捕獲、輸送及び貯蔵は、二酸化炭素放出量の低減に寄与する。
【０００３】
いくつかの二酸化炭素圧縮又は圧縮及び液化プロセスが、開発され、使用されている。それらは普通、直列配置圧縮段及び中間冷却を使用する。二酸化炭素の流れ又は二酸化炭素を含む混合物の流れは、二酸化炭素又は二酸化炭素混合物の圧力が徐々に増加するように、直列に配置される圧縮段を通って連続して流れる。１つの圧縮段を出る圧縮された二酸化炭素又は二酸化炭素を含有する混合物は、熱をそれから除去するために、次の圧縮段に入る前に段間熱交換器で冷却される。最後の圧縮段を出る圧縮された二酸化炭素又は二酸化炭素を含有する混合物の流れは結局、最終的に冷却され、液化され、クライオポンプによって最終圧力までポンピングされる。いくつかの場合には、二酸化炭素又は二酸化炭素を含有する混合物は、ガス状の高密度状態にされるが、しかし液化されない。
【０００４】
図１は、圧縮プロセスの開始点（Ｓ）及び終点（Ｅ）が例示される二酸化炭素のエンタルピー−圧力図を示す。使用するプロセスに応じて、点Ｓから点Ｅに移動するためにいくつかの可能性がある。図１は、３つの代替二酸化炭素圧縮プロセスを表す３つの曲線Ａ、Ｂ及びＣを概略的に例示する。曲線の水平部分は、前の圧縮によって生じた熱を少なくとも部分的に除去し、ガス密度を増加させるための段間冷却フェーズであり、そこでは熱が、次の圧縮段に入る前に１つの圧縮段からの二酸化炭素の流れから除去される。
【０００５】
曲線Ａは、段間冷却及び液化を組み合わせるプロセスを示す。ガスは、初めに複数の圧縮段階（例では５）及び段間冷却に沿って圧縮される。圧縮ガスは、液化され、最終的に超臨界条件（点Ｅ）まで再膨張する。
【０００６】
曲線Ｂは、連続する圧縮及び段間冷却段階によって超臨界点Ｅを達成するプロセスを示す。
【０００７】
曲線Ｃは、二酸化炭素又は二酸化炭素含有流れが、条件Ｅ１を達成するまで圧縮され、冷却されて、そこからポンピングによって最終点Ｅに達するプロセスを示す。
【０００８】
図２は、先行技術による二酸化炭素圧縮システムの概略図を例示する。システムの主要構成要素だけが、図で示される。Ｃ１〜Ｃ６のラベルを付けた複数の直列配置圧縮機段は、圧縮機駆動装置ＣＤ、例えば電気モーターによって駆動される。各圧縮機段（図示する例では６）は通常、遠心圧縮機を含む。二酸化炭素（又は二酸化炭素を含有するガス混合物）は、ＩＮにおいて第１の圧縮機段Ｃ１に供給され、前記第１の圧縮機段を出て第２の圧縮機段Ｃ２に入り、以下同様に行われる。各圧縮機段では、二酸化炭素は、圧力を入口圧力から出口圧力まで増加させるために圧縮フェーズにさらされる。直列配置圧縮機段の各対間には、段間冷却が、提供される。これは、ＩＣ１、ＩＣ２、…ＩＣ５のラベルを付けたそれぞれの段間熱交換器（中間冷却器）によって概略的に表される。下流の圧縮機段Ｃ６が配送する圧縮二酸化炭素は、最終熱交換器ＩＣ６でさらに冷却される。環境に応じて、さらなる処理段階が、例えば圧縮された超臨界二酸化炭素又はそれを含有する混合物を液化するために行われてもよい。図２で示す圧縮プロセスの終わりでの二酸化炭素の最終圧力は、典型的には、例えば劣化オイル又はガス貯蔵器でのパイプライン輸送又は再注入について約１８０〜２００バールである。二酸化炭素圧縮及び液化プラントでの典型的な流量は、最大６０ｋｇ／ｓまでである。これは、圧縮機及びポンプを駆動するための電力消費が著しく高いことを示唆している。加えて、段間冷却熱交換器中で冷却流体（通常は水）を循環させ、冷却流体から熱を除去するために、さらなる電力が必要とされる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
二酸化炭素圧縮システムの総合エネルギー効率を改善するために、２つ以上の直列配置二酸化炭素圧縮機段と、冷却流体を用いて第１の圧縮機段から第２の圧縮機段に流れる圧縮ガス流から廃熱を除去するように配置される段間熱交換器とを含むシステムが、提供される。本システムはさらに、前記冷却流体から回収した廃熱の少なくとも一部を有用なパワー、例えば機械的又は電気的パワーに変換するエネルギー変換ユニットを含む。エネルギー変換ユニットが生成する有用なパワーは、圧縮システムの１つ以上の構成要素、デバイス又は部分に電気的又は機械的パワーを直接供給するために使用できる。
【００１０】
次の記述からより明らかとなるように、本明細書で開示する二酸化炭素圧縮システムは、二酸化炭素だけでなく、二酸化炭素に加えて他のガス状成分、例えばメタン又は他の炭化水素を含有するガス流もまた処理するのに適している。二酸化炭素に言及するときはいつでも、これは、他に指定がない限り、他のガスに加えて主成分として二酸化炭素を含有する混合物などの、二酸化炭素を含有する混合物もまた包含すると理解すべきである。
【００１１】
いくつかの実施形態によると、
直列に配置される少なくとも第１の二酸化炭素圧縮機段及び第２の二酸化炭素圧縮機段と、
前記第１の二酸化炭素圧縮機段から前記第２の二酸化炭素圧縮機段に流れ込む二酸化炭素を含有する圧縮ガスを受け取り、廃熱をそれから除去するように配置される１つ以上の段間熱交換器と、
前記廃熱の少なくとも一部が回収され、機械的エネルギーに変換されるエネルギー変換ユニットと
を含む二酸化炭素圧縮システム（すなわち、二酸化炭素又はおそらく他の成分と組み合わせて二酸化炭素を含有するガス状混合物を処理するためのシステム）が、提供される。
【００１２】
上で述べたように、二酸化炭素圧縮機段は、二酸化炭素又は二酸化炭素を含有する混合物を処理する圧縮機段として理解されるものとする。
【００１３】
いくつかの実施形態によると、本システムは、前記エネルギー変換ユニット及び前記１つ以上の段間熱交換器を通って延びる流体経路を含む。冷却流体は、二酸化炭素を含有する前記圧縮ガスから廃熱を除去する前記１つ以上の段間熱交換器中を循環し、エネルギーをそれから回収するために前記エネルギー変換ユニットで膨張及び圧縮プロセスを通じて処理される。
【００１４】
いくつかの実施形態では、エネルギー変換ユニットは、前記冷却流体を前記１つ以上の段間熱交換器から受け取り、冷却流体を膨張させてエネルギーをそれから回収し、シャフトを駆動するように配置される膨張器と、膨張器に流体接続され、膨張冷却流体を凝縮するように配置される凝縮器と、凝縮器に流体結合され、前記凝縮冷却流体の圧力を増加させるように配置されるポンプとを含む。
【００１５】
さらなる実施形態によると、本システムは、１つ以上の熱交換ユニットと、作動流体のための流体経路であって、流体経路は、熱交換器ユニット及びエネルギー変換ユニットを通って延び、作動流体は、熱交換ユニットで熱を受け取り、エネルギーをそれから回収するためにエネルギー変換ユニットで膨張及び圧縮プロセスを通じて処理される、作動流体のための流体経路と、二酸化炭素を含有する圧縮ガスから廃熱を除去し、除去した廃熱を熱交換ユニットの作動流体に移送するための、段間熱交換器及び熱交換ユニットを通って延びる１つ以上の冷却流体経路とを含む。
【００１６】
本明細書で開示する主題のいくつかの例となる実施形態では、エネルギー変換ユニットは、熱交換ユニットから作動流体を受け取り、作動流体を膨張させてエネルギーをそれから回収し、シャフトを駆動するように配置される膨張器と、膨張器に流体接続され、膨張作動流体を凝縮するように配置される凝縮器と、凝縮器に流体接続され、凝縮作動流体を熱交換ユニットにポンピングするように配置されるポンプとを含む。
【００１７】
エネルギー変換ユニットは、ランキン（Ｒａｎｋｉｎｅ）サイクルシステム及び特に有機ランキンサイクルを含むことができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、本システムは、複数の直列配置二酸化炭素圧縮機段を含む。それぞれの段間熱交換器は、直列配置二酸化炭素圧縮機段の対間に配置されてもよい。直列配置圧縮機段の各対間には、１つ以上の段間熱交換器が配置できる。しかしながら、いくつかの実施形態では、段間熱交換器は、圧縮機段の並びに沿ったいくつかの位置で省略できる。その上、各段間熱交換器は、廃熱回収配置を備えていてもよいが、しかしこれは、必須でない。例えば、いくつかの場合には、１つ以上の段間熱交換器は、廃熱をエネルギー変換ユニットに移送する流体以外の流体を用いて冷却されてもよい。廃熱がシステムの特定の熱交換器から回収されるかどうかはとりわけ、エネルギー回収ユニットの種類、ガス状二酸化炭素含有流れの速度、熱が二酸化炭素含有ガス流からそれを通じて除去される熱交換器の入口及び出口での温度範囲に依存する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、それぞれの流体経路は、前記冷却流体を前記段間熱交換器中で循環させ、前記段間熱交換器の各々を通って循環する二酸化炭素を含有する圧縮ガスから廃熱を除去するために各前記段間熱交換器に提供される。
【００２０】
流体経路は、段間熱交換器からの冷却流体がエネルギーをそれから回収するためにエネルギー変換ユニットで処理されるように、エネルギー変換ユニットと流体連通している。
【００２１】
さらなる実施形態では、本システムは、複数の直列配置二酸化炭素圧縮機段を含むことができる。それぞれの段間熱交換器は、直列配置二酸化炭素圧縮機段の対間に配置できる。それぞれの流体経路は、冷却流体を段間熱交換器中で循環させ、前記段間熱交換器を通って循環する二酸化炭素を含有する圧縮ガスから廃熱を除去するために各段間熱交換器に提供できる。段間熱交換器の少なくともいくつかは、それぞれの熱交換ユニットと組み合わされる。熱交換ユニットは、前記冷却流体によって除去した廃熱が、前記熱交換ユニットで作動流体に移送されるように配置され、前記作動流体は、エネルギーをそれから回収するために前記エネルギー変換ユニットで処理される。
【００２２】
本システムはさらに、二酸化炭素ポンピング部を含むことができ、そこでは直列配置圧縮機段の最後の１つを出る二酸化炭素を含有する圧縮ガスは、さらに冷却され、最終的に所望の最終圧力までポンピングされる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ガス状二酸化炭素含有流れは、液化し、ポンピングし、最終的に膨張させることができる。他の実施形態では、流体は、液化及びその後のポンピングフェーズを経由することなく、必要とされる通りの超臨界条件に至るまで処理される。基本的には廃熱は、システムの熱交換器の１つ以上から回収され、有用なエネルギーに変換される。この一般的な概念は、当業者に周知の様々な圧縮又は圧縮及び液化プロセス、システム並びにデバイスのいずれか一つで具体化できる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、二酸化炭素ポンピング部は、直列配置二酸化炭素圧縮機段の最後の１つから流れる二酸化炭素を含有する圧縮ガスを受け取り、廃熱をそれから除去するように配置されるさらなる熱交換器を含む。その上、ポンプが、前記さらなる熱交換器から二酸化炭素を含有する圧縮ガスを受け取り、二酸化炭素を含有するガスを配送導管に配送するようにポンピング部に配置される。
【００２５】
さらなる流体経路が、冷却流体をポンピング部でさらなる熱交換器を通って循環させ、前記最後の二酸化炭素圧縮機段と前記ポンプとの間で二酸化炭素を含有する圧縮された又は液化された流体から廃熱を除去するために提供でき、前記さらなる流体経路は、前記さらなる熱交換器を出る前記冷却流体を前記エネルギー変換ユニットに配送するように配置される。
【００２６】
さらなる態様によると、本明細書で開示する主題はまた、二酸化炭素圧縮方法にも関係する。本方法は、二酸化炭素から成る、又は二酸化炭素及び適宜メタン若しくは他の炭化水素などの他の追加のガス状成分を含有するガス流を圧縮するため及び／又は圧縮し、液化するために使用できる。本方法は、１つ以上の二次的流体成分を主成分、すなわち二酸化炭素から分離し、除去することを提供することができる。本方法は、圧縮又は圧縮及び液化プロセスに沿って１つ以上の段階でガス流から熱を除去し、例えば適切な変換サイクルを使用するエネルギー変換ユニットを用いて、前記除去した廃熱を有用なパワーに変換することを提供する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、本方法は、次の段階、
複数の二酸化炭素圧縮機段、すなわち二酸化炭素又は二酸化炭素含有ガス状混合物を圧縮するための圧縮機段を通って二酸化炭素含有ガスを流す段階と、
１つの二酸化炭素圧縮機段から次の二酸化炭素圧縮機段に流れる圧縮二酸化炭素含有ガスから廃熱を除去する段階と、
前記二酸化炭素含有ガスから除去した前記廃熱の少なくとも一部を回収し、機械的エネルギーに変換する段階と
を含む。
【００２８】
本明細書で開示する方法のいくつかの有利な実施形態では、廃熱は、ランキンサイクル、特に有機ランキンサイクルによって機械的エネルギーに変換される。
【００２９】
上記の簡潔な記述は、後に続く詳細な説明がより良く理解でき、当技術分野への現在の寄与がより良く認識できるように本発明の様々な実施形態の特徴を説明している。もちろん本発明には、以下で述べることになり、添付のクレームで説明することになる他の特徴がある。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態は、それらの応用において次の記述で説明される又は図面で例示される構成の詳細及び構成要素の配置に限定されないことがわかる。本発明は、他の実施形態の可能性があり、様々な方法で実施し、実行することができる。また、本明細書で用いる用語及び術語は、記述目的のためであり、限定すると見なすべきでないことも理解すべきである。
【００３０】
そのため、当業者は、本開示が基づいている構想が、本発明のいくつかの目的を実行するために他の構造、方法、及び／又はシステムを設計するための基礎として容易に利用できることを認識することになる。従って、クレームは、そのような等価な構成が本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、そのような等価な構成を含むと見なされることが重要である。
【００３１】
本発明の開示される実施形態のより完全な理解及びそれらの付随する利点の多くは、添付の図面に関連して考えると、次の詳細な説明を参照することによってより良く理解され容易に得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】二酸化炭素のエンタルピー−圧力図を例示する図である。
【図２】先行技術による圧縮システムを概略的に例示する図である。
【図３】本明細書で開示する主題による圧縮及び液化システムの５つの実施形態を例示する図である。
【図４】本明細書で開示する主題による圧縮及び液化システムの５つの実施形態を例示する図である。
【図５】本明細書で開示する主題による圧縮及び液化システムの５つの実施形態を例示する図である。
【図６】本明細書で開示する主題による圧縮及び液化システムの５つの実施形態を例示する図である。
【図７】本明細書で開示する主題による圧縮及び液化システムの５つの実施形態を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
例となる実施形態の次の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なる図面での同じ参照番号は、同じ又は同様の要素を識別する。加えて、図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、次の詳細な説明は、本発明を限定もしない。その代わり、本発明の範囲は、添付のクレームによって定義される。
【００３４】
明細書全体にわたって「一実施形態」又は「実施形態」又は「いくつかの実施形態」への言及は、実施形態に関連して述べる特定の特徴、構造又は特性が、開示する主題の１つ以上の実施形態に含まれることを意味する。それ故に、明細書全体にわたって様々な場所で「一実施形態では」又は「実施形態では」又は「いくつかの実施形態では」という語句が出現するが、必ずしも同じ実施形態に言及していない。さらに、特定の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態で任意の適切な方法で組み合わされてもよい。
【００３５】
次の説明では、通常二酸化炭素の圧縮に言及することになる。しかしながら、同じ原理、方法及びデバイスは、二酸化炭素を含有するガス混合物、例えばメタン又は他の炭化水素などの他のガス状成分と組み合わせて主成分として二酸化炭素を含有する混合物を処理するために使用できると理解されるものとする。
【００３６】
今から図３を参照して、二酸化炭素圧縮システムの第１の実施形態が、開示される。本システムは、全体として１０のラベルを付けられている。この実施形態では、システム１０は、複数の直列配置圧縮機段を含み、各圧縮機段は、遠心圧縮機などの、１つ以上の圧縮機を含む。いくつかの実施形態では、各圧縮機段は、単一の遠心圧縮機を含むことができる。図３で示す例となる実施形態は、１から６のラベルを付けた６つの直列配置圧縮機段を含み、各々が、１つの圧縮機を含む。
【００３７】
圧縮機段１から６は、７で概略的に表される圧縮機駆動装置によって共通して駆動される。他の実施形態では、２つ以上の駆動装置が、提供されてもよい。図３の図形表示では、４つの圧縮機段は、対を成す。向かい合って配置された圧縮機段の各対は、共通シャフトによって駆動される。ギアボックスは、様々なシャフトを圧縮機駆動装置７に接続する。他の実施形態も、もちろん可能である。
【００３８】
二酸化炭素は、９において第１の圧縮機段１に入り、１１において前記第１の圧縮機段を出る。流路１３は、圧縮機段１の出口側から圧縮機段２の入口側に延びる。流体経路１３に沿って第１の段間冷却器１５が、提供される。前記段間冷却器は、以下では段間熱交換器１５として示されることになる。段間熱交換器１５を横断する流体経路１３を通って流れる二酸化炭素は、パイプ１７を通って流れる冷却流体、例えば水によって冷却される。いくつかの実施形態では、水は、約３０℃で段間熱交換器１５に入り、約１００〜１１０℃で熱交換器１５を出ることができる。これらの値は、ほんの一例としてのものであり、本明細書で開示する主題の範囲を限定すると考えないものとする。
【００３９】
第２の圧縮機段２に入る冷却された二酸化炭素は、１９において前記圧縮機段２を出て、第２の段間熱交換器２１を通って流れ、冷却された二酸化炭素は、第３の圧縮機段３に入る。
【００４０】
２３及び２４は、第２の圧縮機段２の出口を段間熱交換器２１に及び段間熱交換器２１を第３の圧縮機段３の入口に接続する流体経路を示す。段間熱交換器１５と同様に、また段間熱交換器２１も、パイプ２５を通って流れる冷却流体、例えば冷水の流れによって冷却される。
【００４１】
同様に、第３の圧縮機段３から配送される二酸化炭素の流れは、段間熱交換器３０に入り、そこでそれは、冷却流体の流れを用いて冷却され、第４の圧縮機段４に入る。さらなる段間熱交換器３２が、第４の圧縮機段４と第５の圧縮機段５との間に提供され、さらなる段間熱交換器３４が、第５の圧縮機段５の出口と第６の圧縮機段６の入口との間に提供される。熱は、各段間熱交換器について図３の図で示すように、例えば３０℃でそれぞれの段間熱交換器に入り、二酸化炭素の圧縮レベルに依存する温度で出る冷却流体、例えば冷水の流れによって両方の段間熱交換器３２及び３４で除去される。本明細書で開示するすべての温度値は、ほんの一例であり、本開示の範囲を限定するものと考えるべきではないことに留意されたい。
【００４２】
最後の圧縮機段６が配送する二酸化炭素は、さらなる熱交換器３６を通って流れ、それを通って冷却流体を流して熱を除去させ、二酸化炭素を例えば図１での点Ｅ１が表す超臨界条件に至らせる。さらなる熱交換器３６を出る二酸化炭素は、所望の最終圧力を達成するまで（図１での点Ｅを参照）二酸化炭素をポンピングするために駆動装置、例えば電気モーター４０が駆動するポンプ３８に供給される。
【００４３】
本システムは、圧縮二酸化炭素流から二酸化炭素以外の流体を除去することを目的とする分離器を備えていてもよい。これらの分離器は、当業者には周知であり、明瞭にするために図面には示さない。
【００４４】
段間熱交換器１５、３０及び３２について図式的に示すように、高温で段間熱交換器を出る冷却流体は、冷却流体から熱を除去し、回収するために４２、４４及び４６のラベルが付いたそれぞれの熱交換ユニットを通過する。熱交換ユニットの同様の配置が、段間熱交換器２１、３４及びさらなる熱交換器３６中を循環する冷却流体から熱を除去するために用意される。それらの段間熱交換器２１、３４及び３６を熱交換ユニットに接続する流体経路並びにそれぞれの熱交換ユニットは、明瞭にするために図示しない。いくつかの実施形態では、段間熱交換器２１、３４及びさらなる熱交換器３６が除去した廃熱は、熱交換ユニットによって回収されるのではなく、単に排出されてもよい。さらなる実施形態では、また段間熱交換器３０が除去した廃熱は、熱交換ユニット４４によって回収されるのではなく分散される可能性もある。
【００４５】
熱交換ユニット４２、４４及び４６を通って流れる冷却流体は、作動流体の流れによって冷却され、それは、二酸化炭素から除去した廃熱の少なくとも一部を回収し、機械的パワーに変換するためにエネルギー変換ユニット５０で処理される。
【００４６】
図示する例では、単一の流路５２が、作動流体をすべての熱交換ユニット４２、４４及び４６を通って循環させるために提供される。各熱交換ユニット４２、４４及び４６では、熱は、段間熱交換器１５、３０及び３２から来る冷却流体から除去され、回収された熱は、流体経路５２中を循環する作動流体に移送される。前記作動流体は、例えば約３０℃で最初の熱交換ユニット４２に入り、例えば約１５０℃で最後の熱交換ユニット４６を出る。数値は、ほんの一例としてのものであり、本開示の範囲を限定すると解釈すべきでない。
【００４７】
流体経路５２及びエネルギー変換ユニット５０中を循環する作動流体は、例えば有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）でよく使用される有機流体である。
【００４８】
同様の配置を熱交換器２１、３４及び３６から熱を回収するために用意できるが、明瞭にするために省略している。
【００４９】
図３で示す実施形態では、エネルギー変換ユニット５０は、膨張器５３、例えばタービンを含む。タービン５３のシャフト５４は、負荷を回転させるように配置される。図３で示す例では、前記負荷は、発電機５６を含む。タービン５３の流れの出口は、流路６０を通って凝縮器５８に接続され、流路６０は、凝縮器５８を通ってポンプ６２まで延びる。作動流体は、冷却流体、例えば水を用いて凝縮器５８で冷却され、凝縮され、凝縮作動流体は、再び流路５２へポンピングされる。凝縮器５８は、流路６０を流れる冷却流体から廃熱を除去するために水若しくは空気によって又は任意の他の適切な方法で冷却できる。それ故に、作動流体は、流体経路５２、タービン５３、凝縮器５８及びポンプ６２を通って循環する。
【００５０】
このように述べられたエネルギー変換ユニット５０は従って、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）デバイス又はシステムとして設計され、そこでは有機作動流体は、熱交換ユニット４２、４４、及び４６を通って流れるとき、例えば１５０℃まで加熱され、次いでタービン５３で膨張して、負荷、例えば発電機５６を駆動するために使用される機械的パワーを生成する。膨張有機流体は次いで、凝縮器５８で再び凝縮され、ポンプ６２によってポンピングされて所要の圧力で最初の熱交換ユニット４２に入る。
【００５１】
本配置は、段間熱交換器１５、２１、３０、３２、３４の少なくともいくつか及びさらなる熱交換器３６が二酸化炭素流から除去した廃熱の一部を回収し、それを機械的エネルギー及び最終的には発電機５６によって電気エネルギーに変換することを可能にする。計算によると、この配置は、５〜１０％の範囲で、例えば約７％のエネルギー節約を達成できる。
【００５２】
今から図４を参照して、二酸化炭素圧縮システムのさらなる実施形態が、開示される。本システムは、全体として１００のラベルを付けられている。この例となる実施形態では、システム１００は、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、及び１０６のラベルが付いた６つの圧縮機段を含む。図４で概略的に示す１つ以上の共通駆動装置１０７は、圧縮機段１０１〜１０６の直列配置圧縮機を駆動するために使用される。２つ以上の駆動装置１０７が、提供されてもよい。各圧縮機段は、１つ以上の圧縮機、例えば遠心圧縮機を含むことができる。圧縮機段１０１〜１０６は、対で配置でき、圧縮機段の各対は、共通シャフトによって駆動される。３つのシャフトは、異なる回転速度で回転することができる。
【００５３】
それぞれの段間熱交換器は、直列配置圧縮機段１０１〜１０６の各対間の段間冷却器として作動するように提供される。より具体的には、圧縮機段１０１と１０２との間には第１の段間熱交換器１１１が、提供される。第２の段間熱交換器１１２は、第２の圧縮機段１０２と第３の圧縮機段１０３との間に配置される。第３の段間熱交換器１１３は、第３の圧縮機段１０３と第４の圧縮機段１０４との間に配置される。第４の段間熱交換器１１４は、第４の圧縮機段１０４と第５の圧縮機段１０５との間に配置される。最後に、第５の段間熱交換器１１５は、第５の圧縮機段１０５と第６の圧縮機段１０６との間に配置される。
【００５４】
二酸化炭素は、１１７において第１の圧縮機段１０１に入り、１１９において最後の圧縮機段１０６を出る。最後の圧縮機段１０６を出る二酸化炭素は、最後の圧縮機段１０６の下流にあるステーションで冷却され、さらに超臨界条件まで圧縮される。前記ステーションは、第６の圧縮機段１０６とポンプ１２３との間に配置されるさらなる熱交換器１２１を概略的に含み、それから超臨界条件にある二酸化炭素が、１２４において配送される。ポンプは、ポンプ駆動装置１２５、例えば電気モーターによって駆動される。
【００５５】
５つの段間熱交換器１１１〜１１５及びさらなる熱交換器１２１は、二酸化炭素から廃熱を除去するために提供され、その目的のために前記熱交換器を通って冷却流体を循環させる。分配器１２７が提供され、それから冷却流体が、パイプ１２９、１３０、１３１、１３２、１３３、１３４を介してそれぞれの熱交換器１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１２１に配送される。
【００５６】
熱交換器１１１〜１１５、１２１を出る冷却流体は次いで、２つの収集器１３７及び１３８によって集められ、パイプ１３９を流れ、それは、加熱された冷却流体を膨張器、例えばエネルギー変換ユニット１４３のタービン１４１に配送する。タービン１４１のシャフト１４２は、冷却流体によって回収した熱の少なくとも一部を利用して負荷、例えば電力を生成するための発電機１４５を駆動する。膨張冷却流体は次いで、凝縮器１４８を横断する流体経路１４７を通って流れ、その凝縮器から冷却され、凝縮された流体は、ポンプ１４９に配送される。ポンプ１４９は、冷却され凝縮された冷却流体を、分配器１２７に配送する前に最終圧力までポンピングする。凝縮器１４８は、流路１４７を流れる冷却流体から廃熱を除去するために水若しくは空気によって又は任意の他の適切な方法で冷却できる。
【００５７】
図３の実施形態と異なり、図４を参照して今から開示する実施形態では、段間冷却熱交換器１１１〜１１５及びさらなる熱交換器１２１から熱を除去する冷却流体は、エネルギー変換ユニット１４３が行うエネルギー変換サイクルで使用するのと同じ作動流体、すなわち例えば有機ランキンサイクルデバイスのための有機流体である。段間冷却器から熱を除去し、エネルギー変換ユニットのタービンを作動させるために同じ流体を使用することは、熱損失を低減し、システムの総合効率を増加させる。
【００５８】
図５は、本明細書で開示する主題によるシステムのさらなる実施形態を例示する。同じ参照番号は、図４で示すのと同じ又は等価な部品を示す。それらの部品は、再び述べることはない。
【００５９】
図５のシステムは、ポンプ１２３が電気的駆動装置１２５によって駆動されずに、エネルギー変換ユニット１４３のタービン１４１によって直接駆動されるので、図４のシステムと異なる。従って、この実施形態では、タービン１４１での冷却流体の膨張によって回収した機械的パワーは、システムの構成要素を直接駆動するためにシャフト１４２を介して使用される。図４では、反対に、タービン１４１が生成した機械的エネルギーは、電気エネルギーを生成するために使用され、それは次に、ポンプ駆動装置１２５を駆動するために使用できる。
【００６０】
同じ手法はまた、図３の実施形態でも使用できる。その場合にもまた、エネルギー変換ユニット５０で回収した機械的パワーは、発電機５６を駆動するのではなくポンプ３８を直接駆動するために使用できる。
【００６１】
図６は、圧縮システムのさらなる実施形態を例示する。同じ参照番号は、図４及び図５で示すのと同じ又は等価な部品を示し、再び述べることはない。この実施形態では、エネルギー変換ユニット１４３中を循環する冷却流体は、図４及び図５で示すような並列ではなく直列で段間熱交換器１１１、１１３、及び１１４を横断して循環する。図示する実施形態では、その上、段間熱交換器１１２、１１５及びさらなる熱交換器１２１は、エネルギー変換ユニット１４３に接続されない。後の３つの述べた熱交換器は、別個の冷却回路によって冷却され、それは、熱をエネルギー変換ユニット１４３の方へ回収しない。他の実施形態では、二酸化炭素から除去した全廃熱が、エネルギー変換ユニット１４３で回収されるように、ポンプ１４９を熱交換器１１２、１１５及び１２１と直列に接続する別個の冷却流体経路が、提供される可能性がある。
【００６２】
図６の実施形態では、その上、図５の実施形態と同様に、冷却流体は、シャフト１４２を介してポンプ１２３を直接駆動するタービン１４１で膨張する。図示しない他の実施形態では、タービン１４１は、シャフト１４２を駆動するために使用される可能性があり、それは次に、発電機１４５又は異なる機械的負荷を回転するように駆動する。
【００６３】
二酸化炭素圧縮システムのさらなる実施形態が、図７で例示される。同じ参照番号は、図４で示すのと同じ又は等価な要素を示すために使用される。それらの要素は、再び開示することはない。
【００６４】
図４の実施形態と異なり、図７の実施形態では、段間熱交換器１１１〜１１５及びさらなる熱交換器１２１を出る冷却流体は、２つのタービン（膨張器）１４１Ａ、１４１Ｂの方へ別個に配送され、それらは、機械的パワーを生成して圧縮機段１０１〜１０６の圧縮機を駆動するために使用される。より具体的には、この実施形態では、段間熱交換器１１１、１１３、１１４から集められる冷却流体は、収集器１３７で集められ、第１のタービン１４１Ａに入る。段間熱交換器１１２、１１５及びさらなる熱交換器１２１から収集器１３８が集める冷却流体は、第２のタービン１４１Ｂに配送される。２つのタービン１４１Ａ及び１４１Ｂは、共通の機械的シャフト１４２によって接続できる。他の実施形態では、２つの別個の機械的シャフトが、各タービン１４１Ａ、１４１Ｂについて１つ提供されてもよい。図示しない、なおさらなる実施形態では、単一のタービンが、冷却流体の全部の流れのために使用でき、それは、その場合には、図４の実施形態で示すように１つの導管だけで収集できる。そのような場合には、単一のタービンは、機械的エネルギーを供給して圧縮機を駆動するために、単一の機械的シャフトによって圧縮機の列に接続されることになる。
【００６５】
エネルギー変換ユニット１４３が回収するパワーは、圧縮機段の組全体を駆動するのに必要とされるパワーのほんの一部だけであるので、圧縮機駆動装置１０７は、なお必要とされるが、しかし低減した量のパワーを消耗することになる。
【００６６】
本明細書で述べる主題の開示する実施形態は、図面で示され、いくつかの例となる実施形態に関連して綿密に且つ詳細に上で完全に述べられたが、多くの変更、変形、及び省略が、本明細書で説明する新規な教示、原理及び概念、並びに添付のクレームで列挙する主題の利点から実質的に逸脱することなく可能であることは、当業者には明らかであろう。それ故に、開示する新機軸の適切な範囲は、すべてのそのような変更、変形、及び省略を包含するように添付のクレームの最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。加えて、任意のプロセス又は方法段階の順序又は並びは、代替実施形態に従って変更され又は並べ直されてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１  圧縮機段
２  圧縮機段
３  圧縮機段
４  圧縮機段
５  圧縮機段
６  圧縮機段
７  圧縮機駆動装置
１０  二酸化炭素圧縮システム
１３  流路、流体経路
１５  第１の段間冷却器、段間熱交換器
１７  パイプ
２１  第２の段間熱交換器
２３  流体経路
２４  流体経路
２５  パイプ
３０  段間熱交換器
３２  段間熱交換器
３４  段間熱交換器
３６  さらなる熱交換器
３８  ポンプ
４０  電気モーター
４２  熱交換ユニット
４４  熱交換ユニット
４６  熱交換ユニット
５０  エネルギー変換ユニット
５２  流路、流体経路
５３  膨張器、タービン
５４  シャフト
５６  発電機
５８  凝縮器
６０  流路
６２  ポンプ
１００  二酸化炭素圧縮システム
１０１  圧縮機段
１０２  圧縮機段
１０３  圧縮機段
１０４  圧縮機段
１０５  圧縮機段
１０６  圧縮機段
１０７  共通駆動装置、圧縮機駆動装置
１１１  第１の段間熱交換器
１１２  第２の段間熱交換器
１１３  第３の段間熱交換器
１１４  第４の段間熱交換器
１１５  第５の段間熱交換器
１２１  さらなる熱交換器
１２３  ポンプ
１２５  ポンプ駆動装置、電気的駆動装置
１２７  分配器
１２９  パイプ
１３０  パイプ
１３１  パイプ
１３２  パイプ
１３３  パイプ
１３４  パイプ
１３７  収集器
１３８  収集器
１３９  パイプ
１４１  タービン
１４１Ａ  第１のタービン
１４１Ｂ  第２のタービン
１４２  シャフト
１４３  エネルギー変換ユニット
１４５  発電機
１４７  流体経路、流路
１４８  凝縮器
１４９  ポンプ
【図１】
2013119856.tif 000003
【図２】
2013119856.tif 000004
【図３】
2013119856.tif 000005
【図４】
2013119856.tif 000006
【図５】
2013119856.tif 000007
【図６】
2013119856.tif 000008
【図７】
2013119856.tif 000009
【外国語明細書】
2013119856000001.pdf