(57)【要約】  本発明の技術は、発電し、かつメタンハイドレートからメタンを回収するためのシステム及び方法に関する。システムは、発電するように構成された低排出発電所を含み、低排出発電所からの排気ガスは、窒素と二酸化炭素とを含むガス混合物を与える。システムはまた、ガス混合物からの窒素及び二酸化炭素をメタンハイドレート内に注入することによってメタンハイドレートからメタンを回収するように構成されたメタン回収デバイスを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電しメタンハイドレートからメタンを回収するシステムであって、
発電するように構成され、発電所からの排気ガスが窒素と二酸化炭素とを含むガス混合物を提供する低排出発電所と、
前記ガス混合物からの前記窒素及び前記二酸化炭素を該メタンハイドレート内に注入することによって、メタンハイドレートからメタンを回収するように構成されたメタン回収システムと、を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記ガス混合物内の前記二酸化炭素を、前記窒素から分離するように構成された二酸化炭素分離システムを備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記メタン回収システムは、前記二酸化炭素及び前記窒素を前記メタンハイドレート内に別々に注入することによって、前記メタンを該メタンハイドレートから回収するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記メタン回収システムは、前記二酸化炭素と前記窒素とを含む前記ガス混合物を該ガス混合物内の該窒素を該二酸化炭素から分離することなく、前記メタンハイドレート内に注入することによって、前記メタンを該メタンハイドレートから回収するように構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記メタン回収システムは、前記メタンハイドレート内への前記ガス混合物の注入の前に該ガス混合物内の前記窒素対前記二酸化炭素の比率を調節するように構成されることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記低排出発電所は、
燃焼器内の前記ガス混合物の燃焼後に該ガス混合物からエネルギを抽出することによって機械的エネルギを提供するように構成された膨脹機タービンと、
前記膨脹機タービンによって提供された前記機械的エネルギから電気を発生させるように構成された発電機と、備えている、
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４、又は請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンの少なくとも一部分が、燃料として前記燃焼器内に流入することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記低排出発電所は、コンバインドサイクル発電所を備えていることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記コンバインドサイクル発電所は、
燃焼器内の前記ガス混合物の燃焼後に該ガス混合物からエネルギを抽出することによって機械的エネルギを与えるように構成された膨脹機タービンと、
前記膨脹機タービンからの排気ストリームを用いてボイラーを加熱することによって蒸気を発生するように構成された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、
前記ＨＲＳＧによって発生した前記蒸気からエネルギを抽出することによって機械的エネルギを与えるように構成された蒸気タービンと、
前記膨脹機タービンと前記蒸気タービンとによって与えられた前記機械的エネルギから電気を発生させるように構成された発電機と、を備えている、
ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンの少なくとも一部分が、燃料として前記燃焼器内に流入することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ガス混合物の一部分が、前記低排出発電所に再循環されることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４から請求項６、又は請求項８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ガス混合物からの前記二酸化炭素及び前記窒素の前記メタンハイドレート内への注入の前に該ガス混合物を冷却するための冷却器を備えていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４から請求項６、請求項８、又は請求項１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記低排出発電所は、実質的に化学量論的に均衡した条件で作動するように構成され、
前記排気ガスの少なくとも一部分が、前記低排出発電所まで再循環される、
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４から請求項６、請求項８、請求項１１、又は請求項１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
発電しメタンハイドレートからメタンを回収する方法であって、
発電所からの排気ガスが窒素と二酸化炭素とを含むガス混合物を与える低排出発電所を通じて電力を生成する段階と、
前記ガス混合物からの前記窒素及び前記二酸化炭素を前記メタンハイドレート内に注入することによってメタンハイドレートからメタンを回収する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記ガス混合物を前記二酸化炭素及び前記窒素に分離する段階と、
前記二酸化炭素及び前記窒素を前記メタンハイドレート内に別々に注入する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ガス混合物を、該ガス混合物内の前記窒素を前記二酸化炭素から分離することなく前記メタンハイドレート内に注入する段階を含むことを特徴とする請求項１４又は請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記ガス混合物を前記メタンハイドレート内に注入する前に該ガス混合物内の前記窒素対前記二酸化炭素の比率を調節する段階を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記低排出発電所を通じて前記電力を生成する段階は、
燃焼器内の前記ガス混合物の燃焼後に該ガス混合物から抽出されたエネルギを使用して膨脹機タービンを通じて機械的エネルギを与える段階と、
前記膨脹機タービンによって与えられた前記機械的エネルギを使用して発電機を通じて電気を発生させる段階と、を含む、
ことを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンの少なくとも一部分を燃料として前記燃焼器内に流入させる段階を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記低排出発電所を通じて前記電力を生成する段階は、
燃焼器内の前記ガス混合物の燃焼後に該ガス混合物から抽出されたエネルギを使用して膨脹機タービンを通じて機械的エネルギを与える段階と、
前記膨脹機タービンからの排気ストリームを用いてボイラーを加熱することによって熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を通じて蒸気を発生させる段階と、
前記ＨＲＳＧによって発生した前記蒸気から抽出されたエネルギを使用して蒸気タービンを通じて機械的エネルギを与える段階と、
前記膨脹機タービンと前記蒸気タービンとによって与えられた前記機械的エネルギを使用して発電機を通じて電気を発生させる段階と、を含む、
ことを特徴とする請求項１４から請求項１６、又は請求項１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンの少なくとも一部分を燃料として前記燃焼器内に流入させる段階を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ガス混合物からの前記窒素及び前記二酸化炭素を前記メタンハイドレート内に注入することによって該メタンハイドレートから前記メタンを回収する段階は、
前記メタンハイドレートを前記窒素と接触させることによって該メタンハイドレートの温度を上昇させる段階と、
前記メタンハイドレート内の前記メタンに取って代わる前記二酸化炭素に該メタンハイドレートを接触させることによって該メタンハイドレートから該メタンを分離する段階と、を含む、
ことを特徴とする請求項１４から請求項１６、請求項１８、又は請求項２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンから不純物を除去する段階を含むことを特徴とする請求項１４から請求項１６、請求項１８、請求項２０、又は請求項２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
コンバインドサイクル発電所からのガス混合物を使用してメタンハイドレートからメタンを回収するためのシステムであって、
窒素と二酸化炭素とを含み燃焼器を出るガス混合物からエネルギを抽出することによって機械的エネルギを提供するように構成された膨脹機タービンと、
前記膨脹機タービンからの前記ガス混合物を用いてボイラーを加熱することによって蒸気を発生させるように構成された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、
前記ＨＲＳＧによって発生した前記蒸気からエネルギを抽出することによって機械的エネルギを与えるように構成された蒸気タービンと、
前記膨脹機タービンと前記蒸気タービンとによって与えられた前記機械的エネルギから電気を発生させるように構成された発電機と、
前記ガス混合物内の前記メタンから前記二酸化炭素を分離するように構成された分離システムと、
メタンハイドレートからメタンを前記ガス混合物からの前記窒素及び前記二酸化炭素を該メタンハイドレート内に注入することによって回収するように構成され、該メタンハイドレートから回収された該メタンの少なくとも一部分が、燃料として前記燃焼器内に流入するメタン回収システムと、備えている、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２５】
前記膨脹機タービンは、実質的に化学量論的に均衡した条件で作動するように構成され、
前記ガス混合物の少なくとも一部分が、前記燃焼器まで再循環される、
ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全体が引用によって本明細書に組み込まれる２０１３年３月８日出願の「発電及びメタンハイドレートからのメタン回収」という名称の米国特許出願第６１／７７５、１６８号の優先権利益を主張するものである。
【０００２】
本発明の開示は、一般的に、発電及びメタンハイドレートからのメタン回収の統合に関する。より具体的には、本発明の開示は、発電所を通じて電力を発生させて発電所からの排気ガスを使用してメタンハイドレートからメタンを回収するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
この節は、本発明の技術の例示的な実施形態に関連付けることができる当業技術の様々な態様を紹介することを意図している。この説明は、本発明の技術の特定の態様の理解を深めるためのフレームワークを与えるのを補助すると考えられる。従って、この節は、この観点から読むべきであり、必ずしも従来技術の受容としてのものではないことを理解しなければならない。
【０００４】
大量のメタンが、現在、メタンハイドレートの形態で永久凍土領域に含まれている。多くの場合に、メタンハイドレートからメタンを回収するが望ましいと考えられる。メタンハイドレートからメタンを回収するいくつかの技術が探究されている。１つの技術に従って、メタンは、熱刺激を通じてメタンハイドレートから回収される。これは、パイプラインを通して高温水をハイドレート層の中に注入することによって達成することができる。別の技術は、真空デバイスを使用して減圧を通じてメタンハイドレートからメタンを分離することを伴っている。これに加えて、別の技術は、メタンハイドレートを不安定にさせる抑制剤を使用してメタンハイドレートからメタンを分離することを伴っている。
【０００５】
Ｌｅｅ他に付与された米国特許第７，９８８，７５０号明細書は、窒素及び二酸化炭素ガスを含有するガス混合物をメタンハイドレートに追加することによってメタンハイドレートからメタンガスを回収する方法を説明している。具体的には、メタンハイドレート内のメタンがガス混合物と反応し、ガス混合物は、メタンハイドレート内のメタンを置換し、従って、メタンが放出される。更に、窒素及び二酸化炭素を含有するガス混合物は、工場から得られる燃焼排気である場合がある。しかし、燃焼排気は、水、硫黄、及び様々な他のガス成分のような窒素及び二酸化炭素以外のガス成分を含む場合がある。すなわち、浄化装置を使用してメタンハイドレート内への燃焼排気の注入の前に余分のガス成分を燃焼排気から除去することにより環境を保護することができる。一部の場合には、燃焼排気からのガス成分を除去することは、運転費用の有意な増加をもたらし、従って、メタンハイドレートからのメタンの回収の収益性を低くする。
【０００６】
従来のガスタービンエンジンは、多くの場合に、シャフトを通じてタービン膨脹機に機械的にリンクされるタービン圧縮機を有する。タービン圧縮機は、タービン圧縮機によって摂取された空気の流れを圧縮するのに使用することができる。圧縮空気は、その後に燃焼器に通される。燃焼器では、燃料が注入され、かつ点火されて連続火炎を生成する。火炎からの高圧排気ガスは、タービン膨脹機に流入され、タービン膨脹機は、排気ガスからそれが膨張する時に機械的エネルギを発生させる。タービン圧縮機にシャフトを通じて伝達される機械的エネルギは、空気の圧縮を推進するのに使用される。追加の機械的エネルギが、摂取された空気を圧縮するのに使用される量を上回って生成され、他の目的のために、例えば、電気を発生させるために取り入れられる。火炎温度は、燃焼器缶の冶金学的限界を超える可能性があり、従って、余剰量の空気が、多くの場合に冷却を与えるために使用される。しかし、この装置は、窒素酸化物（ＮＯx）のようなより多い量の汚染物質を生じる場合がある。
【０００７】
他の使用のための排気ガスからの二酸化炭素の捕捉は、いくつかの理由で問題になる場合がある。例えば、従来のガスタービンの排気ガスの二酸化炭素の低い濃度が存在し、非常に多量のガスを処理しなければならない。排気ガスはまた、比較的低い圧力、例えば、約１０５０キロパスカル（ｋＰａ）及び比較的高い温度、例えば、約４２５度摂氏（℃）から約７００℃でのものである場合がある。更に、排気ガスは、ＣＯ2抽出又は使用を妨げる場合がある多量の酸素を含有する場合がある。最後に、排気ガスは、冷却から水で飽和状態になる場合があり、これは、ＣＯ2抽出システムにおける再沸騰機負荷を増大させる可能性がある。
【０００８】
例えば、ガスタービンに統合された燃焼器内の燃料の燃焼は、温度が、既存の器具類のための燃焼器内で一般的に高すぎるので、膨脹機を出る排気ガスの温度をモニタすることによって制御することができる。全負荷時に、典型的なガスタービンは、望ましい燃焼ガス又は排気ガス温度に到達するために、いくつかの燃焼器に導入される燃料の量を調節する。
【０００９】
しかし、燃焼器に導入される酸化剤の量の制御も、目的が排気ガスから二酸化炭素（ＣＯ2）を捕捉することである時には望ましい可能性がある。現在の二酸化炭素捕捉技術は、いくつかの理由で高価である。例えば、排気ガス中の二酸化炭素の低圧及び低濃度がある。しかし、炭素二酸化物濃度は、燃焼工程を実質的に化学量論的条件下で作動させることにより、約４％から１０％を超えるまで有意に増大させることができる。更に、排気ガスの一部分は、空気の代わりに燃焼の生成物を冷却するための希釈剤として燃焼器まで再循環させることができる。
【００１０】
増強された排気ガスは、例えば、ガスタービンの排気から直接に他のシステムによる使用に向けて捕捉することができる。しかし、ガスタービンが個別の供給源から酸化剤を供給されている場合に、ガスタービンのタービン圧縮機内の排気ガスを圧縮し、圧縮ガスを冷却剤として燃焼器まで再循環し、その後に再循環流れの制御中に高圧抽気流れを捕捉することがより有効である場合がある。多くの研究は、排気ガスの一部分を燃焼器まで再循環させる概念を検証している。
【００１１】
例えば、Ｅａｒｎｅｓｔに付与された米国特許第４，２７１，６６４号明細書は、排気ガス再循環を有するタービンエンジンを開示している。このエンジンは、開ループブレイトンサイクルで作動する主出力タービンを有する。主出力タービンへの給気は、ブレイトンタービンの排気ガスから熱エネルギを導出する閉ループランキンサイクルのタービンによって独立に駆動される圧縮機によって与えられる。排気ガスの一部分は、部分負荷作動中に圧縮機入口内に再循環される。しかし、再利用排気ガスのための追加の用途は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第７，９８８，７５０号明細書
【特許文献２】米国特許第４，２７１，６６４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の技術の例示的な実施形態は、メタンハイドレートから電力を発生させてメタンを回収するためのシステムを提供する。システムは、電力を発生するように構成された低排出発電所を含み、低排出発電所からの排気ガスは、窒素及び二酸化炭素を含むガス混合物を与える。システムはまた、ガス混合物からの窒素及び二酸化炭素をメタンハイドレート内に注入することによってメタンハイドレートからメタンを回収するように構成されたメタン回収デバイスを含む。
【００１４】
別の例示的な実施形態は、メタンハイドレートから電力を発生させてメタンを回収する方法を提供する。本方法は、低排出発電所を通じて電力を生成する段階を含み、低排出発電所からの排気ガスは、窒素及び二酸化炭素を含むガス混合物を与える。本方法はまた、ガス混合物からの窒素及び二酸化炭素をメタンハイドレート内に注入することによってメタンハイドレートからメタンを回収する段階を含む。
【００１５】
別の例示的な実施形態は、コンバインドサイクル発電所からのガス混合物を使用してメタンハイドレートからメタンを回収するためのシステムを提供する。システムは、燃焼器を出るガス混合物からエネルギを抽出することによって機械的エネルギを与えるように構成された膨脹機タービンを含み、ガス混合物は、窒素と二酸化炭素を含む。システムはまた、膨脹機タービンからのガス混合物を用いてボイラーを加熱することによって蒸気を発生させるように構成された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、ＨＲＳＧによって発生された蒸気からエネルギを抽出することによって機械的エネルギを与えるように構成された蒸気タービンと、膨脹機タービン及び蒸気タービンによって与えられた機械的エネルギから電気を発生させるように構成された発電機とを含む。システムは、更に、ガス混合物内のメタンから二酸化炭素を分離するように構成された分離システムと、ガス混合物からの窒素及び二酸化炭素をメタンハイドレート内に注入することによってメタンハイドレートからメタンを回収するように構成されたメタン回収システムとを含む。メタンハイドレートから回収されたメタンの少なくとも一部分は、燃料として燃焼器内に流入する。
【００１６】
本発明の技術の利点は、以下の詳細説明及び添付図面を参照することによってより深く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】メタンハイドレートから電力を発生させてメタンを回収するための開発の概略図である。
【図２】電気を発生させ窒素（Ｎ2）及び二酸化炭素（ＣＯ2）を含む希釈ガス混合物を発生させるのに使用することができるコンバインドサイクル発電所の工程流れ図である。
【図３】低排出発電をメタンハイドレートからのメタン回収と統合するシステムの工程流れ図である。
【図４】温度、圧力、及び窒素モル分率の関数としてＮ2／ＣＯ2ハイドレート形成曲線を示すグラフである。
【図５】低排出発電をメタンハイドレートからのメタン回収と統合する別のシステムの工程流れ図である。
【図６】メタンハイドレート地層からメタンを回収するためのパイプライン構成の斜視図である。
【図７】メタンハイドレート地層からメタンを回収するための別のパイプライン構成の斜視図である。
【図８】発電及びメタンハイドレートからのメタン回収の方法の工程流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の詳細説明の節において、本発明の技術の特定の実施形態を説明する。しかし、以下の説明が本発明の技術の特定の実施形態又は特定の使用に特定である範囲において、これは、例示的な目的のみに対するものであるように意図しており、単に例示的な実施形態の説明を提供するものである。従って、この技術は、以下に説明する特定の実施形態に限定されず、むしろ添付の特許請求の真の精神及び範囲に含まれる全ての代替物、修正物、及び均等例を含む。
【００１９】
最初に、参照を簡単にするために、この出願に使用されるある一定の用語及びこの関連に使用される時のそれらの意味を列挙する。本明細書に使用する用語が以下に定義されない限り、それには、当業者が少なくとも１つの刊行物又は交付済み特許に反映されているとしてその用語に与えた最も広い定義が与えられるべきである。更に、同じか又は類似の目的に役立つ全ての均等物、同義語、新しい開発、及び用語又は技術は、本発明の特許請求の範囲内であるものとして考えられるので、本発明の技術は、以下に示す用語の使用によって制限されない。
【００２０】
「コンバインドサイクル発電所」は、一般的に開放ブレイトンサイクル及びランキンサイクルの組合せである。コンバインドサイクル発電所は、典型的には蒸気タービン及びガスタービンの両方を使用して電力を発生するが、水及び蒸気以外の他の作業流体をランキンサイクルに使用することができる。コンバインドサイクルガス／蒸気発電所は、一般的に、ガス又は蒸気単独の発電所よりも高いエネルギ変換効率を有する。コンバインドサイクル発電所の効率は、真発熱量（ＬＨＶ）の５０％から６０％という高さとすることができる。コンバインドサイクルの高効率化は、蒸気タービンとのガスタービンの組合せの相乗的利用から生じる。典型的には、コンバインドサイクル発電所は、ガスタービン排気からの熱を利用して水を沸騰させて蒸気を発生させる。典型的なコンバインドサイクル発電所内のボイラーは、熱回収ボイラー（ＨＲＳＧ）と呼ぶことができる。発生された蒸気は、コンバインドサイクル発電所において蒸気タービンを推進するのに利用される。ガスタービン及び蒸気タービンは、独立した発電機に別々に動力を供給するのに利用することができ、又はこれに代えて、蒸気タービンは、単一発電機を共通の駆動軸を通じて共同で駆動するためにガスタービンと組み合わせることができる。
【００２１】
本明細書で使用する時に、「圧縮機」は、流体又は作業流体の圧力を増大させるように設計されたあらゆるタイプの機器を含み、かついずれか１つのタイプ又は類似の又は異なるタイプの圧縮機器の組合せを含む。圧縮機はまた、取りわけ、モータ及び駆動システムのような圧縮機に関連付けられた補機を含むことができる。圧縮機は、例えば、直列の１つ又はそれよりも多くの圧縮段階を利用することができる。例えば、例示的な圧縮機は、例えば、往復動及び回転圧縮機のような容積式タイプ及び遠心及び軸流圧縮機のような動的タイプなどを含むことができるがこれらに限定されない。例えば、圧縮機は、本明細書でより詳細に説明するように、ガスタービンエンジン内の第１の段階とすることができる。
【００２２】
本明細書で使用する時に、「冷却」は、広義には、あらゆる適切な量によるなどで物質の温度及び／又は内部エネルギを下げ及び／又は落とすことを指す。冷却は、少なくとも約１℃、少なくとも約５℃、少なくとも約１０℃、少なくとも約１５℃、少なくとも約２５℃、少なくとも約５０℃、及び／又は少なくとも約１００℃などのような温度降下を含むことができる。冷却は、蒸気発生、温水加熱、冷却水、空気、冷却剤、他の処理ストリーム（統合）、及びその組合せのようなあらゆる適切な熱吸収源を使用することができる。１つ又はそれよりも多くの冷却源は、望ましい出口温度に到達するために結合及び／又はカスケード接続することができる。冷却段階は、あらゆる適切なデバイス及び／又は機器を有する冷却ユニットを使用することができる。一実施形態に従って、冷却は、１つ又はそれよりも多くの熱交換器でのような間接熱交換を含むことができる。熱交換器は、シェルアンドパイプ、プレートアンドフレーム、逆流、順流、及び／又は延長面などのようなあらゆる適切な設計を含むことができる。これに代えて、冷却は、処理ストリームに直接に噴霧される液体のような蒸発（気化熱）冷却及び／又は直接熱交換を使用することができる。
【００２３】
「極低温」は、約−５０℃又はそれよりも低い温度を指す。
【００２４】
「希釈剤」は、燃料を燃焼させるためにガスタービンに給送される酸化剤の濃度を下げるために使用されるガスである。希釈剤は、窒素、二酸化炭素、燃焼排気、又はあらゆる数の他のガスの過剰分とすることができる。実施形態において、希釈剤はまた、燃焼器への冷却を提供することができる。
【００２５】
「当量比」は、比率が化学量論的である時に燃料対燃焼器に入る酸素の質量比率を燃料対酸素の質量比率で割り算したものを指す。二酸化炭素及び水を形成する燃料及び酸素の完全燃焼は、１の当量比を有することになる。例えば、燃料よりも多くの酸素を有するリーン過多の混合物は、１未満の当量比を示すことになり、一方、例えば、酸素よりも多くの燃料を有するリッチ過多の混合物は、１よりも大きい当量比を示すことになる。
【００２６】
「例示的」は、「実施例、事例、又は例証として役立つ」を意味するために専ら本明細書で使用する。「例示的」として本明細書に説明するいずれの実施形態も、他の実施形態に優って好ましい又は有利とは解釈しないものとする。
【００２７】
「地層」は、あらゆる有限の地下領域である。地層は、１つ又はそれよりも多くの炭化水素含有層、１つ又はそれよりも多くの非炭化水素含有層、あらゆる地下地質学的地層の上層土及び／又は下層土を含むことができる。「上層土」及び／又は「下層土」は、当該の地層の上方又は下方の地質学的物質である。
【００２８】
「燃料」は、ガスタービンに動力を供給するために酸化剤と共に燃焼することができるあらゆる数の炭化水素を含む。そのような炭化水素には、天然ガス、処理済み天然ガス、灯油、ガソリン、又はあらゆる数の他の天然又は合成炭化水素を含むことができる。一実施形態において、油田からの天然ガスは、浄化されてタービンに動力を供給するのに使用される。別の実施形態において、例えば、蒸気改質工程において炭化水素を処理することによって作成された改質ガスは、タービンに動力を供給するのに使用することができる。
【００２９】
用語「ガス」は、「蒸気」と交換可能に使用され、液体又は固体状態と区別されるガス状態の物質又は物質の混合物として定義される。同様に、用語「液体」は、ガス又は固体と区別される液体状態の物質又は物質の混合物を意味する。
【００３０】
「ガスタービンエンジン」は、ブレイトンサイクルで作動する。排気ガスが大気に通気される場合に、これは開放ブレイトンサイクルといわれ、一方、排気ガスの再循環は、閉鎖ブレイトンサイクルを示している。本明細書で使用する時に、「ガスタービン」は、典型的には、圧縮機区画と、いくつかの燃焼器と、膨脹機タービン区画とを含む。圧縮機は、酸化剤を圧縮するのに使用することができ、酸化剤は、燃料と混合されて燃焼器に向けられる。燃料及び酸化剤の混合物は、その後に、高温燃焼ガスを生成するために点火される。燃焼ガスは、膨脹機タービン区画に向けられ、膨脹機タービン区画は、圧縮機に動力を供給し、並びに負荷に動力を供給するのに有用な仕事を生成するエネルギを燃焼ガスから抽出する。本明細書に説明する実施形態において、酸化剤は、外部の圧縮機によって燃焼器に供給することができ、外部の圧縮機は、ガスタービンエンジンのシャフトに機械的にリンクされる場合もあれば、そうでない場合もある。更に、実施形態において、圧縮機区画は、冷却剤として燃焼器に供給することができる再循環排気ガスのような希釈剤を圧縮するのに使用することができる。
【００３１】
「熱交換器」は、特にあらゆる構造体、例えば、一般的に熱交換器と呼ばれるデバイスを含む大雑把に１つ媒体から別の媒体に熱を伝達することができるあらゆるデバイスを意味する。熱交換器として「直接熱交換器」と「間接熱交換器」が挙げられる。従って、熱交換器は、プレートアンドフレーム、シェルアンドチューブ、螺旋、ヘアピン、コア、コアアンドケトル、二重パイプ、又はあらゆる他のタイプの公知の熱交換器とすることができる。「熱交換器」はまた、あらゆるコラム、タワー、ユニット、又は１つ又はそれよりも多くのストリームの通過を可能にし、かつ冷却剤及び１つ又はそれよりも多くの給送ストリームの１つ又はそれよりも多くの管路間の直接及び間接熱交換器に影響を与えるようになった他の構成を指すことができる。
【００３２】
「熱回収蒸気発生器」又は「ＨＲＳＧ」は、熱を高温ガスストリームから回収する熱交換器又はボイラーである。それは、工程に使用するか又は蒸気タービンを駆動するのに使用することができる蒸気を生成する。ＨＲＳＧの一般的な用途は、ガスタービンからの高温排気がＨＲＳＧに給送されて蒸気を発生させ、これが、次に、蒸気タービンを駆動するコンバインドサイクル発電所にある。この組合せは、ガスタービン又は蒸気タービン単独よりも効率的に電気を発生する。
【００３３】
本明細書で使用する時に、「ハイドレート」は、基本的なフレームワークを形成するホスト化合物と、水素結合及びファンデルワールス力などのような分子間の相互作用によってホストフレームワーク内に保持されるゲスト合成物とで作られた合成物である。ハイドレートはまた、ホスト−ゲスト錯体、包接化合物、及び付加物と呼ぶことができる。本明細書で使用する時に、「クラスレート」、「クラスレートハイドレート」、及び「ハイドレート」は、ホスト化合物として水から作られた基本的なフレームワークを有するハイドレートを示すために使用される交換可能な用語である。ハイドレートは、氷のように見え、かつ水分子がケージのような構造を「ハイドレート形成成分」の周りに形成する時に形成される結晶性固体である。
【００３４】
「ハイドレート形成成分」は、圧力上昇及び／又は温度低減時にハイドレートを形成する天然ガスを含む石油流体内の合成物又は分子を指す。例示的なハイドレート形成成分は、取りわけ、炭化水素（メタン、エタン、プロパン、ブタンガス、ネオペンタン、エチレン、プロピレン、イソブチレン、サイクロプロペイン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、及びベンゼンなどを含むがこれらに限定されない。ハイドレート形成成分はまた、取りわけ、酸素、窒素、硫化水素、二酸化炭素、二酸化硫黄、及び塩素のような非炭化水素を含むことができる。本明細書に説明する実施形態により、メタンで形成されるハイドレートは、「メタンハイドレート」と称する。メタンハイドレートは、例えば、北極におけるような永久凍土領域において頻繁に発生する場合がある。
【００３５】
「炭化水素」は、主として元素水素及び炭素を含む有機化合物であるが、窒素、硫黄、酸素、金属、又はあらゆる数の他の要素が少量で存在することができる。本明細書で使用する時に、炭化水素は、一般的に、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2、Ｃ2Ｈ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3異性体、Ｃ4異性体、及びベンゼンなどのような生の天然ガスに見られる成分を指す。
【００３６】
「天然ガス」は、原油田から得られるか又は地下ガス担持地層からの多成分ガスを指す。天然ガスの組成及び圧力は、有意に変わる可能性がある。典型的な天然ガスストリームは、メタン（ＣＨ4）を主要成分として含有し、すなわち、天然ガスストリームの５０モル％超はメタンである。天然ガスストリームはまた、エタン（Ｃ2Ｈ4）、分子量がより高い炭化水素（例えば、Ｃ3−Ｃ20炭化水素）、１つ又はそれよりも多くの酸性ガス（例えば、二酸化炭素又は硫化水素）、又はそのあらゆる組合せを含有することができる。天然ガスはまた、水、窒素、硫化鉄、ワックス、原油、又はそのあらゆる組合せのような少量の汚染物質を含有する可能性がある。天然ガスストリームは、実施形態において、毒として働く可能性がある合成物を除去するように使用前に実質的に浄化される場合がある。
【００３７】
「酸化剤」は、燃料を燃焼させるためにガスタービンエンジンの燃焼器内に流入することができるガス混合物である。本明細書で使用する時に、酸化剤は、二酸化炭素（ＣＯ2）、窒素（Ｎ2）、空気、及び燃焼排気などを含む希釈剤としてのあらゆる数の他のガスと混合される酸素である場合がある。オゾン、過酸化水素、及びＮＯxなどを含む酸化性物質として機能する他のガスが、酸素に加えて酸化剤混合物に存在する場合がある。
【００３８】
「圧力」は、容積の壁にガスによって単位面積当たりに作用する力である。圧力は、ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）として示すことができる。「大気圧」は、空気の局所圧力を指す。「絶対圧力」（ｐｓｉａ）は、大気圧（標準状態での１４．７ｐｓｉａ）＋ゲージ圧（ｐｓｉｇ）の和を指す。「ゲージ圧」（ｐｓｉｇ）は、局所大気圧よりも大きい圧力のみを示すゲージによって測定された圧力を指す（すなわち、０ｐｓｉｇのゲージ圧は、１４．７のｐｓｉａの絶対圧力に対応する）。用語「蒸気圧」は、通常の熱力学的な意味を有する。与えられた圧力での封入システム内の純粋成分に関して、成分蒸気圧は、システム内の全圧に本質的に等しい。
【００３９】
用語「永久凍土」は、永久凍結大地、すなわち、連続的に長期間にわたって０℃よりも低い温度にある自然発生物質を指す。凍結大地のそのような層は、温度に基づいて専ら示されている。湿気の一部又は全部は、水の化学組成又は毛細管力による凍結点の低下に基づいて不凍結とすることができる。しかし、殆どの永久凍土は、氷によって固められる。水に加えて、永久凍土は、あらゆる数の他の物質を貯蔵することができる。例えば、永久凍土は、メタン及び／又は二酸化炭素をハイドレートの形態で貯蔵することができる。永久凍土は、平均年間気温が０℃又はそれよりも冷たい気候において形成しかつ存在する。そのような気候は、一般的に、長い低温の冬及び短い比較的乾燥した冷夏によって特徴付けられる。永久凍土は、従って、北極、亜寒帯、及び南極大陸に広がっている。
【００４０】
材料の数量又は量又はその特定の特性に関連して使用される時の「実質的」は、材料又は特性が与えることが意図された効果をもたらすのに十分である量を指す。許容可能な偏差の正確な程度は、一部の場合に特定の状況に依存する場合がある。
【００４１】
概要
本明細書に説明する実施形態は、低排出発電のメタンハイドレートからのメタンの回収との統合のためのシステム及び方法を提供する。そのような実施形態により、Ｎ2及びＣＯ2を含むガス混合物が、発電中に低排出発電所から発生される。ガス混合物は、例えば、永久凍土領域においてメタンハイドレートに閉じ込められたメタンを回収するのに使用される。一部の実施形態において、回収されたメタンは、その後に、低排出発電所の燃料として使用され、従って、発電及びメタン回収システムの統合が得られる。
【００４２】
発電及びメタンハイドレートからのメタン回収のためのシステム
図１は、発電し、かつメタンハイドレートからメタンを回収するための開発１００の概略図である。様々な実施形態において、開発１００は、例えば、北極又は亜寒帯のような永久凍土領域に位置する。開発１００は、メタン回収システム１０４と統合された低排出発電所１０２を含む。
【００４３】
低排出発電所１０２は、準閉鎖ブレイトンサイクル発電所、又は準閉鎖ブレイトンサイクル及びランキンサイクルを含むコンバインドサイクル発電所とすることができる。低排出発電所１０２がコンバインドサイクル発電所である場合に、準閉鎖ブレイトンサイクルの膨脹機タービンからの排気ストリームは、ランキンサイクル発電所に動力を供給するのに使用することができる熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）内の水又は他の熱伝達流体を沸騰させるために使用することができる。ランキンサイクル発電所では、蒸気又は他の気化ガスは、タービンを駆動してより多くの電気を発生するのに使用することができる。
【００４４】
本明細書に説明する実施形態により、低排出発電所１０２からの排気ガスは、大部分のＮ2及びＣＯ2を含むガス混合物を供給する。低排出発電所１０２からのガス混合物は、矢印１０６によって示すようにメタン回収システム１０４に給送される。
【００４５】
メタン回収システム１０４は、矢印１１０によって示すようにガス混合物をメタンハイドレート地層１０８に注入する注入システムを含む。様々な実施形態において、ガス混合物をメタンハイドレート地層１０８に注入すると、メタンハイドレートからのメタンの放出がもたらされる。具体的には、ガス混合物内の二酸化炭素は、メタンハイドレート内のメタンと入れ替わる。更に、ガス混合物内の窒素は、メタンハイドレートの温度を増大させることによってメタンハイドレートからのメタンの放出を補助する。放出されたメタンは、矢印１１２によって示すようにメタン回収システム１０４に戻される。
【００４６】
一部の実施形態において、メタン回収システム１０４はまた、ガス混合物を、二酸化炭素ストリーム及び窒素ストリームに分離する分離システムを含む。二酸化炭素ストリーム及び窒素ストリームは、その後に、メタンハイドレート地層１０８に別々に注入することができる。
【００４７】
メタン回収システム１０４を通じて回収されたメタンは、メタンハイドレート地層１０８又は周囲の永久凍土からの土又は水のような何らかの量の不純物を含む場合がある。従って、メタンは、矢印１１６によって示すように、分離施設１１４に流すことができる。分離施設１１４は、矢印１１８によって示すように、不純物をメタンから除去し、例えば、不純物を尾鉱堆積池のような別の目的地に送ることができる。浄化されたメタンは、矢印１２０によって示すように、その後に最終メタン製品として売却することができる。
【００４８】
様々な実施形態において、浄化されたメタンの一部分は、矢印１２２によって示すように分離施設１１４から低排出発電所１０２に送られる。メタンは、その後に、低排出発電所１０２のガスタービンエンジンの燃料として使用される。更に、一部の実施形態において、メタン回収システム１０４を通じて回収されたメタンは、実質的に純粋であり、かつ分離施設１１４内で浄化されることなく低排出発電所１０２のガスタービンエンジンの燃料として使用することができる。そのような実施形態において、回収されたメタンは、矢印１２４によって示すように、直接にメタン回収システム１０４から低排出発電所１０２まで流すことができる。
【００４９】
図１のブロック図は、開発１００が図１に示す構成要素の全てを含むことになることを示すように意図していない。更に、開発１００は、特定の実施の詳細に応じて、図１には示されていないあらゆる数の追加の構成要素を含むことができる。
【００５０】
図２は、電気２０２を生成し、かつＮ2及びＣＯ2を含む希釈ガス混合物を発生させるのに使用することができるコンバインドサイクル発電所２００の工程流れ図である。様々な実施形態において、コンバインドサイクル発電所２００は、低排出発電所１０２として開発１００内に実施することができる。更に、様々な実施形態において、コンバインドサイクル発電所２００は、例えば、膨脹機タービン２０６と、例えばＨＲＳＧ２０８を含むランキンサイクルとを含む準閉鎖ブレイトンサイクルを含む。
【００５１】
コンバインドサイクル発電所２００内では、酸化剤２１０及び燃料ガス２１２は、燃焼されるように燃焼器２１４に給送される。圧縮希釈剤ストリーム２１６はまた、燃料ガス２１２及び酸化剤２１０の総量を下げるために燃焼器２１４に給送され、それによって燃焼工程は、燃焼器２１４又は膨脹機タービン２０６を過熱することなくほぼ化学量論的状態で実行することができる。その結果、燃焼工程において生成されるＯ2及びＣＯの量は減少し、燃焼器を出る高温排気ガス２１８は、ＣＯ及びＮＯxのような一部分の微量ガスに加えて殆どＣＯ2、Ｈ2Ｏ、及びＮ2を含む。
【００５２】
酸化剤２１０圧力及び燃料ガス２１２圧力は、圧力を上昇させ、燃焼器２１４での圧縮希釈剤ストリーム２１６の注入圧力に適合するように、例えば圧縮機を使用して、増大させられる。燃焼器２１４からの高温排気ガス２１８は、膨脹機タービン２０６に流され、膨脹機タービン２０６は、高温排気ガス２１８のエネルギを使用してシャフト２２０を回す。シャフト２２０は、機械的エネルギを圧縮機タービン２２４に供給してブレイトンサイクルが完了される。シャフト２２０はまた、機械的エネルギを発電機２２２に供給して電気２０２を生成することができる。発電機２２２は、膨脹機タービン２０６からのシャフト２２０に直接に結合するのがよく、又はギアボックス、クラッチ、又は他のデバイスを介してシャフト２２０に結合するのがよい。
【００５３】
膨脹機タービン２０６から、高温排気ガス２１８は、ＨＲＳＧ２０８に流される。ＨＲＳＧ２０８は、高温排気ガス２１８からのエネルギで水ストリーム２２４を沸騰させて蒸気２２６を生成させることができる。生成された蒸気２２６は、蒸気タービン２２８を駆動してシャフト２３０を回すために使用することができる。蒸気タービン２２８を出た後に、得られた低圧蒸気２３２は、ＨＲＳＧ２０８に供給される水ストリーム２２４として使用されるように冷却及び凝縮することができる。
【００５４】
蒸気タービン２２８からのシャフト２３０は、電気２０２を生成するために機械的エネルギを発電機２３４に供給することができ、又は圧縮機のような他のデバイスに動力を供給するのに使用することができる。発電機２３４は、蒸気タービン２０６からシャフト２２８に直接に結合しても、又はギアボックス、クラッチ、又は他のデバイスを介してシャフト２３０に結合してもよい。更に、図２に示す実施形態において、膨脹機タービン２０６及び蒸気タービン２２８は、別々の発電機２２２及び２３４に結合される。しかし、膨脹機タービン２０６及び蒸気タービン２２８を、直接又は間接に関わらず、１つの共通発電機に結合してもよいことが理る。
【００５５】
ＨＲＳＧ２０８を出る高温ガスストリーム２３６は、冷却器２３８に流される。冷却器２３８は、高温ガスストリーム２３６を冷却し、燃焼工程内に形成された水蒸気を凝縮させ、これを別の水ストリーム２４０として除去可能にする。水ストリーム２４０の除去後に、冷却されたガス混合物２４２は、燃焼器２１４の冷却を補助するために圧縮希釈剤ストリーム２１６を燃焼器２１４に給送する前に再圧縮のために圧縮機２４４に給送される。希釈剤ストリーム２１６としての高温ガスストリーム２３６の再利用は、コンバインドサイクル発電所２００におけるブレイトンサイクルを部分的に閉じ、従って、準閉鎖ブレイトンサイクルになる。
【００５６】
燃料ガス２１２及び酸化剤２１０が、燃焼を維持するためにコンバインドサイクル発電所２００に連続的に給送される時に、希釈剤ストリーム２１６の一部分２４６は、連続的に除去される。希釈剤ストリーム２１６は、大部分のＮ2及びＣＯ2を含むことができる。本明細書に説明する実施形態により、コンバインドサイクル発電所２００を出る希釈剤ストリーム２１６は、本明細書で更に説明するように、メタンハイドレートからメタンを回収するのに使用される。
【００５７】
図２の工程流れ図は、コンバインドサイクル発電所２００が図２に示す構成要素の全てを含むことになることを示すように意図していない。更に、コンバインドサイクル発電所２００は、特定の実施の詳細に応じて、図２には示されていないあらゆる数の追加の構成要素を含むことができる。
【００５８】
図３は、低排出発電をメタンハイドレートからのメタン回収と統合するシステム３００の工程流れ図である。様々な実施形態において、システム３００は、低排出発電所１０２及びメタン回収システム１０４として開発１００内で実施される。システム３００は、ガスタービンエンジン３０２とＨＲＳＧ３０４を利用するランキンサイクルとを利用する準閉鎖ブレイトンサイクルを含むコンバインドサイクル発電所を使用して低排出発電を行う。これに加えて、システム３００は、メタンハイドレートからメタンを放出するためにコンバインドサイクル発電所からの排気ガスを使用することによってメタンハイドレートからのメタン回収を行う。
【００５９】
図３に示すように、空気３０６及び燃料ガス３０８が、準閉鎖ブレイトンサイクル内で燃焼されるように燃焼器３１０に給送される。空気３０６は、図３に示す実施形態では酸化剤として使用されるが、あらゆる他の適切なタイプの酸化剤もシステム３００に関連して使用することができることは理解されるものとする。
【００６０】
圧縮希釈剤ストリーム３１２も、燃焼工程に利用される空気３０６及び燃料ガス３０８の総量を下げるために燃焼器３１０に給送される。これは、燃焼工程を過熱なしでほぼ化学量論的状態で実行することを可能にすることができる。その結果、燃焼工程において生成されるＯ2及びＣＯの量は減少し、燃焼器を出る高温排気ガス３１４は、一部分の微量ガスに加えて大部分のＣＯ2、Ｈ2Ｏ、及びＮ2を含む。
【００６１】
空気３０６圧力及び燃料ガス３０８圧力は、圧力を上昇させ、燃焼器３１０での圧縮希釈剤ストリーム３１２の注入圧力に適合するように、例えば圧縮機を使用して増大させられるのがよい。例えば、図３に示す実施形態により、空気３０６は、空気圧縮機３１６内で圧縮される。更に、空気圧縮機３１６は、１つ又はそれよりも多くの圧縮段階を含むことができ、かつ空気の温度を段階間で低減するために１つ又はそれよりも多くの中間冷却器を含むことができる。更に、１つよりも多い圧縮段階が含まれる時に、個々の段階は、共通ケーシング内に構成されるか又は共通シャフト又は他の駆動手段によって駆動される場合もあれば、そうでない場合もある。圧縮空気３０６は、その後に、燃焼されるように燃焼器３１０内に給送される。
【００６２】
燃焼器３１０から、高温排気ガス３１４は、ガスタービンエンジン３０２の膨脹機タービン３２２に流され、膨脹機タービン３２２は、高温排気ガス３１４のエネルギを使用してシャフト３２４を回す。シャフト３２４は、発電機３２６に機械的エネルギを供給して電気３２８を生成する。発電機３２６を、膨脹機タービン３２２からシャフト３２４に直接に結合しても、ギアボックス、クラッチ、又は他のデバイスを介してシャフト３２４に結合してもよい。
【００６３】
膨脹機タービン３２２から、高温排気ガス３１４は、コンバインドサイクル発電所のランキンサイクル内のＨＲＳＧ３０４に流される。ＨＲＳＧ３０４は、水ストリーム３３０を沸騰させて、高温排気ガス３１４からのエネルギで蒸気３３２を生成させる。様々な実施形態において、発生された蒸気３３２は、蒸気タービンを駆動するのに使用され、蒸気タービンは、蒸気３３２のエネルギを使用してシャフトを回す。シャフトは、電気を発生するために機械的エネルギを発電機に供給することができる。
【００６４】
ＨＲＳＧ３０４を出る高温ガスストリーム３３４は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）送風器３３６に流される。ＥＧＲ送風器３３６は、高温ガスストリーム３３４を圧縮して、得られた圧縮ガスストリーム３３８をＥＧＲ冷却器３４０内に給送する。ＥＧＲ冷却器３４０は、圧縮ガスストリーム３３８を冷却し、希釈剤ストリーム３４２が生成される。高温ガスストリーム３３４を冷却すると、水も凝縮して排出することができ、希釈剤ストリーム３４２が乾燥する。
【００６５】
希釈剤ストリーム３４２は、その後に、圧縮機３４４内に給送される。圧縮機３４４は、希釈剤ストリーム３４２を圧縮し、圧縮希釈剤ストリーム３１２が生成される。図３に示す実施形態において、圧縮機３４４は、シャフト３２４に結合され、シャフト３２４の回転によって与えられた機械的エネルギは、圧縮機３４４を駆動するのに使用される。
【００６６】
圧縮機３４４から、圧縮希釈剤ストリーム３１２は、燃焼器３１０の冷却を補助するために燃焼器３１０に給送される。圧縮希釈剤ストリーム３１２としての高温ガスストリーム３３４の再利用は、コンバインドサイクル発電所におけるブレイトンサイクルを部分的に閉じ、従って、準閉鎖ブレイトンサイクルになる。
【００６７】
空気３０６及び燃料ガス３０８が、燃焼工程を維持するために燃焼器３１０に連続的に給送される時に、圧縮希釈剤ストリーム３１２の少なくとも一部分は、連続的に除去される。例えば、希釈剤ストリーム３１２の一部分は、大部分のＮ2及びＣＯ2を含むガス混合物３４６として除去することができる。
【００６８】
本明細書に説明する実施形態により、ガス混合物３４６は、燃焼された後に燃焼器３１０から抽出され、膨脹機タービン３２２を駆動するのに使用することができる。例えば、ガス混合物３４６は、約２２０６キロパスカル（ｋＰａ）及び４２７℃で膨脹機タービン３２２から抽出することができる。ガス混合物３４６は、その後に、冷却器３４８を使用して冷却され、かつ任意的に蒸気３３２をＨＲＳＧ３０４内で生成するのに使用される。
【００６９】
ガス混合物３４６が冷却器３４８内で冷却された後に、ガス混合物３４６は、メタン回収システム３５０に流される。メタン回収システム３５０は、ガス混合物３４６をメタンハイドレート地層に注入する注入システムを含む。ガス混合物３４６がメタンハイドレート地層に注入された状態で、ガス混合物３４６は、メタン３５２をメタンハイドレートから放出させてメタン回収システム３５０を通じて回収することを可能にする。
【００７０】
具体的には、一部の実施形態において、ガス混合物３４６は、ガス混合物３４６のハイドレート形成圧力よりも低い圧力でメタンハイドレート地層に注入される。そのような実施形態において、ガス混合物３４６は、メタンよりも高いハイドレート形成圧力を有するので、ガス混合物３４６は、メタンハイドレートの温度を増大させ、メタン３５２は、メタンハイドレートから逃げることができる。他の実施形態において、ガス混合物３４６は、ガス混合物３４６のハイドレート形成圧力よりも高い圧力でメタンハイドレート地層に注入される。そのような実施形態において、二酸化炭素は、メタンよりも低いハイドレート形成圧力を有するので、ガス混合物３４６内の二酸化炭素は、メタンハイドレート内のメタン３５２に優先的に取って代わり、メタン３５２が、メタンハイドレート地層から分離される。
【００７１】
放出されたメタン３５２は、その後に、メタン回収システム３５０を通じて表面にポンピングされる。様々な実施形態において、メタン３５２は、最終メタン製品としてシステム３００から運び出される。更に、一部の実施形態において、メタン３５２の少なくとも一部分は、ガスタービンエンジン３０２の燃料ガス３０８として使用される。
【００７２】
図３のブロック図は、システム３００が図３に示す構成要素の全てを含むことになることを示すように意図していない。更に、システム３００は、特定の実施の詳細に応じて、図３には示されていないあらゆる数の追加の構成要素を含むことができる。
【００７３】
様々な実施形態において、図３のシステム３００のコンバインドサイクル発電所を出るガス混合物３４６は、約８９％の窒素と１１％の二酸化炭素とを含む。一部の場合には、図４に関して上述したように、ガス混合物をメタンハイドレート地層に注入する前に、ガス混合物３４６内の二酸化炭素に窒素の比率を調節することが望ましい場合がある。
【００７４】
図４は、温度、圧力、及び窒素モル分率の関数としてＮ2／ＣＯ2ハイドレート形成曲線４００を示すグラフである。グラフ４００のｘ軸４０２は、摂氏（℃）の温度を表し、温度値は、−２０℃から１５℃の範囲である。グラフ４００のｙ軸４０４は、ポンド／平方インチ絶対圧力（ｐｓｉａ）の圧力を表し、圧力値は、０ｐｓｉ（０ｋＰａ）から５，０００ｐｓｉ（３４，４７４ｋＰａ）の範囲である。
【００７５】
図４に示す各ハイドレート形成曲線は、特定の窒素モル分率でのガス混合物３４６のハイドレート形成特性を表している。窒素モル分率は、ガス混合物３４６内の窒素のモルをガス混合物３４６内の窒素及び二酸化炭素のモルの和、すなわち、ガスの総モルで割り算したものである。ハイドレート形成曲線４０６は、０．９の窒素モル分率を表している。ハイドレート形成曲線４０８は、０．８の窒素モル分率を表している。ハイドレート形成曲線４１０は、０．７の窒素モル分率を表している。ハイドレート形成曲線４１２は、０．６の窒素モル分率を表している。ハイドレート形成曲線４１４は、０．５の窒素モル分率を表している。ハイドレート形成曲線４１６は、０．４の窒素モル分率を表している。ハイドレート形成曲線４１８は、０．３の窒素モル分率を表している。ハイドレート形成曲線４２０は、０．２の窒素モル分率を表している。ハイドレート形成曲線４２２は０．１の窒素モル分率を表し、ハイドレート形成曲線４２４は０の窒素モル分率を表している。比較により、ハイドレート形成曲線４２６は、純粋メタンを表している。
【００７６】
図４に示すように、ガス混合物３４６の窒素モル分率の調節は、メタンのハイドレート形成特性と比較したガス混合物３４６のハイドレート形成特性の調節を可能にする。窒素のハイドレート形成圧力は、メタンのハイドレート形成圧力よりも高く、一方、二酸化炭素のハイドレート形成圧力は、メタンのハイドレート形成圧力よりも低い。更に、ガス混合物３４６のハイドレート形成圧力は、特定の実施の詳細に応じてメタンのハイドレート形成圧力の上又は下のいずれかであることが望ましい場合がある。従って、ガス混合物３４６の窒素モル分率は、ガス混合物３４６の望ましいハイドレート形成圧力に基づいて増加又は低減することができる。
【００７７】
図５は、低排出発電をメタンハイドレートからのメタン回収と統合する別のシステム５００の工程流れ図である。同じ番号を付した要素は、図３のシステム３００に関して説明したものである。図５のシステム５００は、図３のシステム３００と類似のものである。しかし、図５のシステム５００によれば、ガス混合物３４６内の二酸化炭素及び窒素は、別々にメタンハイドレート地層に注入される。
【００７８】
図５のシステム５００により、ガス混合物３４６が冷却器３４８内で冷却された後に、ガス混合物３４６は、メタン分離システム５０２に流される。分離システム５０２は、二酸化炭素５０４を、ガス混合物３４６内の窒素５０６から分離する。一部の実施形態において、分離システム５０２は、例えばアミン分離工程又は炭酸カリウム分離工程のようなＣＯ2分離工程を通じてこれを達成する。
【００７９】
二酸化炭素５０４及び窒素５０６は、その後に、別々のストリームとしてメタン回収システム３５０に流入することができる。メタン回収システム３５０は、二酸化炭素５０４及び窒素５０６を、メタンハイドレート地層に別々に注入する注入システムを含むことができ、又は２つのストリーム５０４及び５０６をターゲット濃度まで配合することができる。二酸化炭素５０４及び窒素５０６がメタンハイドレート地層に注入される時に、二酸化炭素５０４及び窒素５０６は、メタン３５２をメタンハイドレートから放出させてメタン回収システム３５０を通じて回収することを可能にする。具体的には、窒素は、メタンよりも高いハイドレート形成圧力を有するので、窒素５０６は、メタンハイドレートの温度を増大させ、メタン３５２は、メタンハイドレートからより容易に逃げることができる。更に、二酸化炭素は、メタンよりも低いハイドレート形成圧力を有するので、二酸化炭素５０４は、メタンハイドレート内のメタン３５２に優先的に取って代わり、メタン３５２は、メタンハイドレート地層から分離する。
【００８０】
図５の工程流れ図は、システム５００が図５に示す構成要素の全てを含むことになることを示すように意図していない。更に、システム５００は、特定の実施の詳細に応じて、図５には示されていないあらゆる数の追加の構成要素を含むことができる。
【００８１】
図６は、メタンハイドレート地層からメタンを回収するパイプライン構成６００の斜視図である。パイプライン構成６００は、矢印６０４によって示すように、二酸化炭素及び窒素をメタンハイドレート地層に注入する注入パイプライン６０２を含む。パイプライン構成６００はまた、矢印６０８によって示すように、メタンハイドレートからメタンを回収する産出パイプライン６０６を含む。図６に示す実施形態により、注入パイプライン６０２及び産出パイプライン６０６は、北から南及び東から西の両方に走っている。
【００８２】
一部の実施形態において、注入パイプライン６０２を通して、二酸化炭素及び窒素をメタンハイドレート地層に注入すると、メタンハイドレート地層内のメタンが放出される。放出されたメタンは、その後に、矢印６１０によって示すように、産出パイプライン６０６の方向に移動し、産出パイプライン６０６を通じて回収される。
【００８３】
図７は、メタンをメタンハイドレート地層から回収する別のパイプライン構成７００の斜視図である。パイプライン構成７００は、矢印７０４によって示すように、二酸化炭素及び窒素をメタンハイドレート地層に注入する注入パイプライン７０２を含む。パイプライン構成７００はまた、矢印７０８によって示すように、メタンハイドレートからメタンを回収する産出パイプライン７０６を含む。図７に示す実施形態により、注入パイプライン７０２及び産出パイプライン７０６は、北から南及び東から西の両方に走る複数の分岐を含む。
【００８４】
二酸化炭素及び窒素が注入パイプライン７０２を通してメタンハイドレート地層に注入される時に、二酸化炭素及び窒素は、矢印７１０によって示すように、メタンハイドレート地層を通って移動することができる。これは、メタンハイドレート地層内のメタンを放出させることができる。放出されたメタンは、その後に、矢印７１２によって示すように、産出パイプライン７０６の方向に移動し、産出パイプライン７０６を通じて回収される。
【００８５】
図６及び図７の概略図は、図６及び図７に示すパイプライン構成６００及び７００が本明細書に説明する実施形態によって使用することができる唯一のパイプライン構成であることを示すように意図していない。むしろ、メタンハイドレート地層内の窒素及び二酸化炭素の分配及びメタンハイドレート地層からのメタンの回収をもたらすあらゆる適切なタイプのパイプライン構成を本明細書に説明する実施形態に従って使用することができる。例えば、一部の実施形態において、図６及び図７のパイプライン構成６００及び７００の各々は、二酸化炭素及び窒素をメタンハイドレート地層に別々に注入する２つの注入パイプライン６０２及び７０２を含む。
【００８６】
発電及びメタンハイドレートからのメタン回収の方法
図８は、発電及びメタンハイドレートからのメタン回収の方法８００の工程流れ図である。方法８００は、図２、図３、及び図５に関して説明したシステム２００、３００、又は５００のいずれかによって実施することができる。更に、方法８００は、図２、図、及び図５に関して説明したシステム２００、３００、又は５００のあらゆる変形、又は発電をメタンハイドレートからのメタン回収と統合することができるあらゆる適切な代替システムによって実施することができる。更に、方法８００は、例えば、北極、亜寒帯、又は南極大陸のようなメタンハイドレート地層を含む永久凍土環境において実施することができる。
【００８７】
方法８００は、電力が低排出発電所を通じて生成されるブロック８０２で始まる。低排出発電所からの排気ガスは、窒素及び二酸化炭素を含むガス混合物を与える。
【００８８】
様々な実施形態において、低排出発電所を通じて電力を生成する段階は、燃焼器内のガス混合物の燃焼後にガス混合物から抽出されたエネルギを使用して機械的エネルギをガスタービンエンジンの膨脹機タービンを通じて提供する段階と、膨脹機タービンによって与えられた機械的エネルギを使用して発電機を通じて電気を発生させる段階とを含む。更に、様々な実施形態において、低排出発電所を通じて電力を生成する段階はまた、膨脹機タービンからの排気ストリームを用いてボイラーを加熱することによってＨＲＳＧを通じて蒸気を発生させる段階と、ＨＲＳＧによって発生された蒸気から抽出されたエネルギを使用して機械的エネルギを蒸気タービンを通じて提供する段階と、蒸気タービンによって与えられた機械的エネルギを使用して発電機を通じて電気を発生させる段階とを含む。一部の実施形態において、１つの共通発電機が、膨脹機タービン及び蒸気タービンによって与えられた機械的エネルギから電気を生成するのに使用され、一方、他の実施形態において、別々の発電機が使用される。
【００８９】
ブロック８０４で、ガス混合物からの窒素及び二酸化炭素をメタンハイドレートに注入することによってメタンハイドレートからメタンを回収する。一部の実施形態において、ガス混合物を二酸化炭素及び窒素に分離し、二酸化炭素及び窒素をメタンハイドレートに別々に注入する。他の実施形態において、混合物内の窒素をガス二酸化炭素から分離することなくガス混合物をメタンハイドレート内に注入する。一部の場合には、ガス混合物内の窒素対二酸化炭素の比率は、ガス混合物をメタンハイドレート内に注入する前に調節される。例えば、ガス混合物の窒素モル分率は、図４に関して上述したように調節することができる。
【００９０】
一部の実施形態において、回収されたメタンの少なくとも一部分は、低排出発電所の燃料ガスとして使用される。更に、一部の実施形態において、回収されたメタンは、メタンと共にメタンハイドレートから回収されたあらゆる不純物を除去するために分離施設を通じて浄化される。例えば、そのような不純物は、メタンハイドレートからの水又は周囲の永久凍土からの土を含むことができる。
【００９１】
図８の工程流れ図は、方法８００の工程がいずれかの特定の順番で実行されることになること又は方法８００の工程の全てがどの場合にも含められることになることを示すように意図していない。更に、あらゆる数の追加の工程を特定の実施の詳細に応じて方法８００に含めることができる。例えば、一部の実施形態において、ガス混合物内の窒素及び二酸化炭素は、メタンハイドレート内に注入される前に冷却される。これは、窒素及び二酸化炭素が接触時にメタンハイドレートを溶融するのを防止することができる。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成27年9月8日(2015.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電しメタンハイドレートからメタンを回収するシステムであって、
発電するように構成された準閉鎖ブレイトンサイクル発電所であって、該準閉鎖ブレイトンサイクル発電所からの排気ガスが窒素と二酸化炭素とを含むガス混合物を提供する準閉鎖ブレイトンサイクル発電所と、
前記ガス混合物からの前記窒素及び前記二酸化炭素を該メタンハイドレート内に注入することによって、メタンハイドレートからメタンを回収するように構成されたメタン回収システムと、を備えている、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記ガス混合物内の前記二酸化炭素を、前記窒素から分離するように構成された二酸化炭素分離システムを備えている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記メタン回収システムは、前記二酸化炭素及び前記窒素を前記メタンハイドレート内に別々に注入することによって、前記メタンを前記メタンハイドレートから回収するように構成されている、
請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記メタン回収システムは、前記二酸化炭素と前記窒素とを含む前記ガス混合物を該ガス混合物内の該窒素を該二酸化炭素から分離することなく前記メタンハイドレート内に注入することによって、前記メタンを該メタンハイドレートから回収するように構成されている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記メタン回収システムは、前記メタンハイドレート内への前記ガス混合物の注入の前に該ガス混合物内の前記窒素対前記二酸化炭素の比率を調節するように構成されている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記準閉鎖ブレイトンサイクル発電所は、
燃焼器内での前記ガス混合物の燃焼後に該ガス混合物からエネルギを抽出することによって、機械的エネルギを提供するように構成された膨脹機タービンと、
前記膨脹機タービンによって提供された前記機械的エネルギから電気を発生させるように構成された発電機と、を備えている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンの少なくとも一部分が、燃料として前記燃焼器内に流入する、
請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記準閉鎖ブレイトンサイクル発電所は、コンバインドサイクル発電所である、
請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記コンバインドサイクル発電所は、
燃焼器内の前記ガス混合物の燃焼後に該ガス混合物からエネルギを抽出することによって、機械的エネルギを提供するように構成された膨脹機タービンと、
前記膨脹機タービンからの排気ストリームを用いてボイラーを加熱することによって、蒸気を発生するように構成された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、
前記ＨＲＳＧによって発生した前記蒸気からエネルギを抽出することによって機械的エネルギを提供するように構成された蒸気タービンと、
前記膨脹機タービンと前記蒸気タービンとによって提供された前記機械的エネルギから電気を発生させるように構成された発電機と、を備えている、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンの少なくとも一部分が、燃料として前記燃焼器内に流入する、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ガス混合物の一部分が、前記準閉鎖ブレイトンサイクル発電所に再循環される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ガス混合物からの前記二酸化炭素及び前記窒素の前記メタンハイドレート内への注入の前に該ガス混合物を冷却する冷却器を備えている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記準閉鎖ブレイトンサイクル発電所は、実質的に化学量論的に均衡した条件で作動するように構成され、
前記排気ガスの少なくとも一部分が、前記準閉鎖ブレイトンサイクル発電所に再循環される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
発電しメタンハイドレートからメタンを回収する方法であって、
準閉鎖ブレイトンサイクル発電所で電力を生成する段階であって、該準閉鎖ブレイトンサイクル発電所からの排気ガスが窒素と二酸化炭素とを含む、電力を生成する段階と、
前記ガス混合物からの前記窒素及び前記二酸化炭素を前記メタンハイドレート内に注入することによって、メタンハイドレートからメタンを回収する段階と、を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記ガス混合物を前記二酸化炭素及び前記窒素に分離する段階と、
前記二酸化炭素及び前記窒素を前記メタンハイドレート内に別々に注入する段階と、を含む、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ガス混合物を、該ガス混合物内の前記窒素を前記二酸化炭素から分離することなく前記メタンハイドレート内に注入する段階を含む、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記ガス混合物を前記メタンハイドレート内に注入する前に該ガス混合物内の前記窒素対前記二酸化炭素の比率を調節する段階を含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記準閉鎖ブレイトンサイクル発電所で前記電力を生成する段階は、
燃焼器内の前記ガス混合物の燃焼後に該ガス混合物から抽出されたエネルギを使用して膨脹機タービンを介して機械的エネルギを提供する段階と、
前記膨脹機タービンによって提供された前記機械的エネルギを使用して発電機を通じて電気を発生させる段階と、を含む、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンの少なくとも一部分を燃料として前記燃焼器内に流入させる段階を含む、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記準閉鎖ブレイトンサイクル発電所で前記電力を生成する段階は、
燃焼器内の前記ガス混合物の燃焼後に該ガス混合物から抽出されたエネルギを使用して膨脹機タービンを通じて機械的エネルギを与える段階と、
前記膨脹機タービンからの排気ストリームを用いてボイラーを加熱することによって、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）で蒸気を発生させる段階と、
前記ＨＲＳＧによって発生した前記蒸気から抽出されたエネルギを使用して蒸気タービンを通じて機械的エネルギを提供する段階と、
前記膨脹機タービンと前記蒸気タービンとによって提供された前記機械的エネルギを使用して発電機を通じて電気を発生させる段階と、を含む、
請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンの少なくとも一部分を燃料として前記燃焼器内に流入させる段階を含む、
請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ガス混合物からの前記窒素及び前記二酸化炭素を前記メタンハイドレート内に注入することによって、該メタンハイドレートから前記メタンを回収する段階は、
前記メタンハイドレートを前記窒素と接触させることによって、該メタンハイドレートの温度を上昇させる段階と、
前記メタンハイドレート内の前記メタンに取って代わる前記二酸化炭素に該メタンハイドレートを接触させることによって、該メタンハイドレートから該メタンを分離する段階と、を含む、
請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記メタンハイドレートから回収された前記メタンから不純物を除去する段階を含む、
請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
コンバインドサイクル発電所からのガス混合物を使用してメタンハイドレートからメタンを回収するためのシステムであって、
窒素と二酸化炭素とを含み燃焼器を出るガス混合物からエネルギを抽出することによって、機械的エネルギを提供するように構成された膨脹機タービンと、
前記膨脹機タービンからの前記ガス混合物を用いてボイラーを加熱することによって、蒸気を発生させるように構成された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、
前記ＨＲＳＧによって発生した前記蒸気からエネルギを抽出することによって、機械的エネルギを提供するように構成された蒸気タービンと、
前記膨脹機タービンと前記蒸気タービンとによって提供された前記機械的エネルギから電気を発生させるように構成された発電機と、
前記ガス混合物内の前記メタンから前記二酸化炭素を分離するように構成された分離システムと、
前記ガス混合物からの前記窒素及び前記二酸化炭素を該メタンハイドレート内に注入することによって、メタンハイドレートからメタンを回収するように構成され、該メタンハイドレートから回収された該メタンの少なくとも一部分が、燃料として前記燃焼器内に流入するメタン回収システムと、備えている、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２５】
前記膨脹機タービンは、実質的に化学量論的に均衡した条件で作動するように構成され、
前記ガス混合物の少なくとも一部分が、前記燃焼器まで再循環される、
請求項２４に記載のシステム。
【国際調査報告】
2016517487.tif 000011
2016517487.tif 000012
2016517487.tif 000013