JP2014515800A - 低エミッションタービンシステムにおける二酸化炭素捕捉システム及び方法 - Google Patents

Abstract

低エミッションタービンシステムにおいて動力を発生させると共に排出物から二酸化炭素を捕捉して回収するシステム、方法及び装置が提供される。１つ又は２つ以上の実施形態では、排出物を冷却し、圧縮し、そして分離して二酸化炭素含有流出物流及び窒素含有生成物流を生じさせる。

Description

本発明の実施形態は、低エミッション動力発生又は発電に関する。特に、本発明の実施形態は、低エミッションタービンシステム内での効率向上及びコスト削減のために二酸化炭素捕捉を行う方法及び装置に関する。

〔関連出願の説明〕
本願は、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３７号（発明の名称：SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS）、２０１１年３月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／４６６，３８４号（発明の名称：LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS HAVING A MAIN AIR COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO）、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３０号（発明の名称：LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS IMCORPORATING INLET COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO）、２０１１年３月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／４６６，３８５号（発明の名称：METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION ON A FIXED GEOMETRY GAS TURBINE SYSTEM AND APPARATUS AND SYSTEMS RELATED THERETO ）、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３１号（発明の名称：SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS）、２０１１年３月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／４６６，３８１号（発明の名称：METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO ）及び２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３５号（発明の名称：METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO）の優先権主張出願であり、これら米国特許仮出願の両方を参照により引用し、これらの記載内容全体を本明細書の一部とする。

本願は、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３６号（発明の名称：SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS）、２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０３９号（発明の名称：SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION COMBINED TURBINE SYSTEMS）及び２０１１年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５４２，０４１号（発明の名称：LOW EMISSION POWER GENERATION SYSTEMS AND METHODS INCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION）に関し、これら米国特許仮出願の全てを参照により引用し、これらの記載内容全体を本明細書の一部とする。

本項は、本発明の例示の実施形態と関連している場合のある当該技術分野の種々の態様を紹介するものである。この説明は、本発明の特定の態様の良好な理解を容易にする技術内容の枠組みの提供を助けるものと考えられる。従って、本項は、このような見方で読まれるべきであり、必ずしも本項の記載内容が先行技術である旨の承認として読まれるべきではないことは理解されるべきである。

多くの産油国は、電力需要における強い国内成長を経験しており、石油・原油の貯留層からの石油・原油の回収を向上させるために石油・原油の回収増進（ＥＯＲ）に関心がある。２つの通常のＥＯＲ技術としては、貯留層圧力維持のための窒素（Ｎ₂）注入及びＥＯＲ用の混和性フラッディングのための二酸化炭素（ＣＯ₂）注入が挙げられる。また、温室効果ガス（ＧＨＧ）エミッションに関する世界的な懸念が存在する。多くの国におけるキャップ・アンド・トレード（cap-and-trade）政策の実施と組み合わさったこの懸念により、ＣＯ₂エミッションの減少が、これらの国及び炭化水素産出システムを稼働させている会社にとって優先事項となっている。

ＣＯ₂エミッションを減少させる幾つかの対策は、溶剤、例えばアミンを用いた燃料脱炭又は燃焼後捕捉を含む。しかしながら、これら解決策の両方は、費用が高くつく上に発電効率が悪く、その結果、発電量は低く、燃料需要が高く、しかも国内電力需要を満たす上での電気のコストが高い。特に、酸素、ＳＯ_X及びＮＯ_X化合物の存在により、アミン溶剤吸収の利用は、極めて問題となっている。別の対策は、複合サイクルにおけるオキシ燃料ガスタービンの使用である（例えば、この場合、ガスタービンブレイトンサイクルからの排（廃）熱は、ランキンサイクルにおいて蒸気を生じさせると共に追加の動力を生じさせるよう捕捉される）。しかしながら、このようなサイクルで動作可能な商業的に入手できるガスタービンは存在せず、高純度酸素を生じさせるのに必要な動力は、プロセスの全体的効率を著しく低下させる。

さらに、地球規模の天候変化及び二酸化炭素エミッションの影響に関する懸念が増大している状態で、発電所からの二酸化炭素エミッションを最小限に抑えることに重点が置かれている。ガスタービン複合サイクル発電プラントは、効率が良く、しかも原子力発電又は石炭発電技術と比較すると低コストである。しかしながら、ガスタービン発電プラントの排出物から二酸化炭素を捕捉することは、次の理由、即ち、（ａ）排出物スタック中の二酸化炭素の濃度が低いこと、（ｂ）処理されることが必要なガスの量（体積）が大きいこと、（ｃ）排出物流の圧力が低いこと、（ｄ）排出物流中に存在する酸素の量が多いこと、（ｅ）ＣＯ₂捕捉システムに入る前に煙道ガスの追加の冷却が必要であること及び（ｆ）煙道ガスを冷却後に水で飽和させ、それによりＣＯ₂捕捉システムの再沸器デューティが増大することのために費用が極めて高くつく。これら要因の全ての結果として、二酸化炭素捕捉のコストが高い。

したがって、減少したコストでのＣＯ₂捕捉及び回収方式が組み込まれた低エミッション高効率動力発生プロセスが依然として相当に要望されている。

本明細書において説明する低エミッション動力発生システムでは、典型的な天然ガス複合サイクル（ＮＧＣＣ）プラントにおいて逃がされる低エミッションガスタービンからの排ガスは、これとは異なり、分離されて回収される。本発明の装置、システム及び方法は、発電を行うために酸化剤及び炭化水素燃料を用いる開放ブレイトンサイクルを二酸化炭素分離プロセスと組み合わせる。排ガスを冷却し、圧縮し、そして分離してＣＯ₂を効率的に捕捉する。

本発明のシステム及び方法では、低エミッションガスタービンの燃焼チャンバを出た排ガスを膨張機内で膨張させ、そして熱回収ユニット（ＨＲＵ）に通し、それにより動力及び蒸気を発生させる。次に、排ガスを冷却し、圧縮し、そしてＣＯ₂分離プロセスにおいて分離してＣＯ₂流出物流及び水素と窒素を含む生成物流を生じさせる。回収したＣＯ₂を石油・原油回収増進のために炭化水素中に注入しても良く、隔離しても良く、貯蔵しても良く、販売しても良く又は逃がしても良い。生成物流を膨張させてこれを逃がす前に追加の動力を発生させ、炭化水素貯留中の圧力維持のために用い又はシステム内のどこか他の場所で用いても良い。排出物流を冷却すると共に圧縮することによって、分離機器を小型化することができ、分離プロセスの効率を向上させることができる。

本発明の上述の利点及び他の利点は、実施形態の非限定的な例に関する以下の詳細な説明及び図面を参照すると、明らかになろう。

ＣＯ₂分離方式を備えた低エミッション動力発生システムを示す図である。 燃焼器を用いた排出物及び生成物流の補充加熱によるＣＯ₂分離方式を備えた低エミッション動力発生システムを示す図である。

以下の詳細な説明の項において、本発明の特定の実施形態を好ましい実施形態と関連して説明する。しかしながら、以下の説明が本発明の特定の実施形態又は特定の使用に特有である範囲まで、これは、例示目的にのみ行われ、例示の実施形態についての説明を提供するに過ぎない。したがって、本発明は、以下に説明する特定の実施形態には限定されず、それどころか、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれるあらゆる変形例、改造例及び均等例を含む。

本明細書において用いられる種々の用語について以下に定義する。特許請求の範囲の記載に用いられている用語が以下において定義されていない場合、関連分野における当業者が少なくとも１つの印刷された刊行物又は発行された特許に反映されているようにその用語には最も広い定義が与えられるべきである。

本明細書で用いられている「天然ガス」という用語は、原油井（随伴又は付随ガス）又は地下ガス貯留地層（非随伴ガス）から得られた多成分ガスを意味している。天然ガスの組成及び圧力は、千差万別であると言える。典型的な天然ガス流は、主要成分としてメタン（ＣＨ₄）を含み、即ち、天然ガス流の５０ｍｏｌ％以上がメタンである。天然ガス流は、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、これよりも分子量の高い炭化水素（例えば、Ｃ₃〜Ｃ₂₀炭化水素）、１種類又は２種類以上の酸性ガス（例えば、硫化水素）又はこれらの任意の組み合わせを更に含む場合がある。天然ガスは、微量の汚染物質、例えば水、窒素、硫化鉄、蝋、原油又はこれらの任意の組み合わせを更に含む場合がある。

本明細書で用いられる「化学量論的燃焼」という用語は、燃料及び酸化剤を含む所与の量の反応体及び反応体の全体積が生成物を形成するために用いられる場合に反応体を燃焼させることによって生じる所与の量の生成物を含む燃焼反応を意味している。本明細書で用いられる「実質的に化学量論的燃焼」という表現は、約０．９：１〜約１．１：１、より好ましくは約０．９５：１〜約１．０５：１という燃焼用燃料と酸素のモル比を有する燃焼反応を意味している。本明細書において、「化学量論的」という用語は、別段の指定がなければ「化学量論的」条件と「実質的に化学量論的」条件の両方を含むことを意味している。

本明細書で用いられる「流（又は流れ）」は、所与の量の流体を意味している。ただし、「流」という用語の使用は、運動中の所与の量の流体（例えば、速度又は質量流量を有する）を意味している。しかしながら、「流」という用語は速度、質量流量又は「流」を包囲する特定形式の導管を必要とするわけではない。

本明細書において開示するシステム及びプロセスの実施形態は、低エミッション電力及び石油・原油の回収増進（ＥＯＲ）又は隔離用途のためのＣＯ₂を生じさせるために利用できる。本明細書において開示する実施形態によれば、圧縮酸化剤（代表的には空気）と燃料の混合物を燃焼させ、排ガスを膨張させて動力を発生させる。次に、排ガスを冷却し、圧縮し、そして分離してＣＯ₂を捕捉すると共に酸素及び窒素を含む生成物流を生じさせる。ＥＯＲ用途では、ＣＯ₂は、通常超臨界条件下で産出油井中に又はこれに隣接して注入される。ＣＯ₂は、加圧剤として働くと共に地下原油中に溶かされると、油の粘度を著しく減少させて油が地中を通って取り出しウェルまで迅速に流れることができるようにする。本明細書において説明するシステム及びプロセスは、様々な量の酸素及び窒素を含む場合のある生成物流を発生させる。生成物流を用いると追加の動力を発生させることができ、しかも種々の目的に使用することができ、このような目的としては、圧力維持用途が挙げられる。圧力維持用途では、不活性ガス、例えば窒素を圧縮して炭化水素貯留層中に注入し、それにより貯留層中に元の圧力を維持し、かくして石油・原油回収増進を図ることができる。本明細書において開示するシステムの結果として、経済的に効果的なレベルでの動力の発生及び追加のＣＯ₂の生成又は捕捉が行われる。

本明細書において説明するシステム及び方法では、１種類又は２種類以上の酸化剤を圧縮して燃焼チャンバ内で１種類又は２種類以上の燃料と合流させる。酸化剤は、任意の酸素含有流体、例えば周囲空気、酸素富化空気、実質的に純粋な酸素又はこれらの組み合わせを含むのが良い。１種類又は２種類以上の酸化剤を１つ又は２つ以上の圧縮機内で圧縮するのが良い。各圧縮機は、単段のものであっても良く多段のものであっても良い。多段圧縮機では、オプションとして、高い総合圧縮比及び高い総合動力出力を得ることができるよう段間冷却を採用するのが良い。圧縮機は、本明細書において説明するプロセスに適した任意形式のものであって良く、好ましくは、高信頼性且つ効率的でありしかも高圧縮比を得ることができる。このような圧縮機としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、往復圧縮機又は二軸スクリュー圧縮機及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらには限定されない。１つ又は２つ以上の実施形態では、１つ又は複数の酸化剤圧縮機は、軸流圧縮機である。燃料は、天然ガス、付随（随伴）ガス、ディーゼル、燃料油、ガス化石炭、コークス、ナフサ、ブタン、プロパン、エタン、メタン、合成ガス、ケロシン、航空燃料、生物燃料、酸素添加炭化水素原料油、ビチューメン、任意他の適当な炭化水素含有ガス若しくは液体、水素又はこれらの組み合わせを含むのが良い。さらに、燃料は、不活性成分を含むのが良く、このような不活性成分としては、Ｎ₂又はＣＯ₂が挙げられるが、これらには限定されない。幾つかの実施形態では、燃料は、本明細書において説明するプロセスによって捕捉されるＣＯ₂の注入により石油・原油回収増進から利益を得ている炭化水素貯留層によって少なくとも部分的に供給可能である。燃焼チャンバ内の燃焼条件は、リーンであっても良く、化学量論的若しくは実質的に化学量論的であっても良く又はリッチであっても良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、燃焼条件は、化学量論的又は実質的に化学量論的である。

幾つかの実施形態では、高圧流は、燃焼プロセス中の冷却剤として使用できる。このような実施形態では、蒸気の追加により、システムにおける動力及びサイズの要件が緩和されるが、水再循環ループの追加が必要になる。さらに、別の実施形態では、燃焼チャンバへの圧縮酸化剤供給物は、アルゴンを含むのが良い。例えば、酸化剤は、約０．１〜約５．０体積％アルゴン、約１．０〜約４．５体積％アルゴン、約２．０〜約４．０体積％アルゴン、約２．５〜約３．５体積％アルゴン又は約３．０体積％のアルゴンを含むのが良い。

燃焼チャンバ内における酸化剤と燃料の燃焼により、排出物流が生じ、次にこれを膨張させる。排出物流は、燃焼生成物を含み、その組成は、用いられる燃料及び酸化剤の組成に応じて様々であろう。１つ又は２つ以上の実施形態では、燃焼チャンバからの放出排出物流は、蒸発水、ＣＯ₂、ＣＯ、酸素、窒素、アルゴン、窒素酸化物（ＮＯ_X）、硫黄酸化物（ＳＯ_X）、硫化水素（Ｈ₂Ｓ）、炭化水素又はこれらの組み合わせを含む場合がある。１つ又は２つ以上の膨張機の各々は、単段のものであっても良く、多段のものであっても良い。各膨張機は、本明細書において説明するプロセスに適した任意形式の膨張機であって良く、このような膨張機としては、軸流膨張機若しくは遠心膨張機又はこれらの組み合わせが挙げられるが、これらには限定されない。各膨張機は、好ましくは、効率的でありしかも高い膨張比をもたらすことができる。排出物流の膨張により、動力が生じ、このような動力は、１つ又は２つ以上の圧縮機又は発電機を駆動するために使用できる。本発明の１つ又は２つ以上の実施形態では、膨張機は、共通シャフト若しくは他の機械的、電気的又は他の動力結合手段により酸化剤圧縮機に結合され、酸化剤圧縮機は、膨張機によって少なくとも部分的に駆動されるようになっている。他の実施形態では、酸化剤圧縮機は、速度増大又は減少装置、例えばギアボックスの有無にかかわらず電気モータに機械的に結合され又は蒸気タービンに機械的に結合可能である。酸化剤圧縮機、燃焼チャンバ及び膨張機は、まとめて考慮すると、開放ブレイトンサイクルとして特徴付けできる。

膨張後、ガス状排出物流を幾つかの実施形態においては熱回収ユニット（ＨＲＵ）内で冷却するのが良い。ＨＲＵは、膨張機流出物流を冷却するよう設計された任意の装置又はプロセスであって良く、例えば、１つ又は２つ以上の排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（「排熱回収ボイラ」又は「排熱回収熱交換器」と呼ばれる場合もある）、プロセス熱回収ユニット、非水性蒸発ユニット又はこれらの組み合わせである。ＨＲＵは、他のプロセスに用いるため、例えば、蒸留ユニット用に原油を加熱するため、ランキンサイクル発電システム用に蒸気又は非水性蒸気を加熱するため又はこれらの組み合わせを行うために熱を発生させるよう構成されているのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ＨＲＵは、ＨＲＳＧである。ＨＲＳＧは、排出物流中の残留熱を利用して蒸気を発生させるよう構成されているのが良い。ＨＲＳＧにより生じる蒸気は、種々の目的に使用でき、例えば、ランキンサイクルにおいて蒸気タービン発電機を駆動するため又は淡水化のために使用できる。１つ又は２つ以上の実施形態では、ＨＲＳＧは、排ガスの二次点火を可能にする１つ又は複数のダクトバーナを有するのが良い。このような二次点火により、蒸気発生量を増大させ、従って動力発生量を増大させることができるだけでなく、排出物中の酸素の少なくとも一部を燃焼させることによって排出物流中のＣＯ₂濃度を増大させることができる。排出物流からＣＯ₂を捕捉して回収するコストは、排出物流中のＣＯ₂濃度が増大するにつれて減少する。

本発明の１つ又は２つ以上の実施形態では、ＨＲＵを出たガス状排出物流は、１つ又は２つ以上の冷却ユニットに送られるのが良く、このような１つ又は２つ以上の冷却ユニットは、排出物流の温度を減少させるよう構成されている。冷却ユニットは、排ガスの温度を減少させるのに適した任意形式の装置であって良く、例えば、例えば直接接触型冷却器、トリム冷却器、機械的冷凍ユニット又はこれらの組み合わせである。幾つかの実施形態では、冷却ユニットは、ＤＣＣである。冷却ユニットは又、水ドロップアウト流を介して排出物流から凝縮水の一部分を除去するよう構成されているのが良い。幾つかの実施形態では、水ドロップアウト流は、追加の蒸気の発生のための水源となるようＨＲＵに送られるのが良い。

ガス状排出物流は、ＨＲＵ及び／又は冷却ユニットによりいったん冷却されると、圧縮機又はブロワに送られるのが良く、このような圧縮機又はブロワは、排出物流の圧力を増大させ、それにより圧縮排出物流を生じさせるよう構成されている。１つ又は２つ以上の実施形態では、排出物圧縮機の出口のところの排出物流の圧力は、約１５０〜約４５０ｐｓｉａ、約２００〜約４００ｐｓｉａ又は約２５０〜約３５０ｐｓｉａであるのが良い。排出物流を冷却して圧縮することは、処理されなければならないガスの量が多いこと及び通常ＣＯ₂捕捉の高いコストの原因となっている排出物流の圧力が低いことに関連した問題を解決するのに役立ち、かくして、本発明のシステムにおけるＣＯ₂捕捉及び回収を効率的にし且つ費用効果を良くする。

排出物流の圧縮後、幾つかの実施形態では、オプションとして補助燃焼器又は他の加熱装置を用いて圧縮排出物流を加熱することが望ましい場合がある。幾つかの実施形態では、燃焼器が圧縮排出物流を約１１００〜約１７００°Ｆ（５９３．３〜９２６．７℃）、約１１５０〜約１６５０°Ｆ（６２１．１〜８９８．９℃）、約１２００〜約１６００°Ｆ（６４８．９〜８７１．１℃）、約１２５０〜約１５５０°Ｆ（６７６．７〜８４３．３℃）又は約１３００〜約１５００°Ｆ（７０４．４〜８１５．６℃）の温度まで加熱するよう用いられるのが良い。理解されるように、追加の燃焼器の使用に当たり、追加の燃料が必要になり、排気物燃焼器に供給される燃料は、上述したように主燃焼チャンバに供給される燃料と同じであっても良く、これとは異なっていても良い。幾つかの実施形態では、燃料は、非炭素系燃料源、例えば水素であるのが良い。補助燃焼器の必要とする酸化剤は、別個の酸化剤流を経て供給されるのが良く、或いは、酸化剤の追加の供給が不必要であるように十分な酸化剤が圧縮排出物流中に存在するのが良い。

圧縮排出物流が補助加熱器又は他の装置内で加熱されるにせよそうでないにせよいずれにせよ、圧縮機又は燃焼器を出た圧縮排出物流を次に熱交換器に送るのが良く、この熱交換器は、圧縮排出物流を冷却する一方で熱を別のプロセス流に供給するよう構成されている。幾つかの実施形態では、圧縮排出物流は、以下に詳細に説明するようにＣＯ₂分離器を出た生成物流と熱を交換するのが良い。幾つかの場合、圧縮排出物流の追加の冷却が望ましい場合があり、この場合、熱交換器を出た排出物流を補助冷却ユニット、例えばトリム冷却器に差し向けるのが良い。

１つ又は２つ以上の実施形態では、次に、圧縮排出物流を１つ又は２つ以上の分離器に送り、このような分離器内において、ＣＯ₂と他の地球温暖化ガスが排出物流から分離される。ＣＯ₂分離プロセスは、加圧排ガスを分離し、結果としてＣＯ₂を含む流出物流及び窒素と酸素を含む生成物流が得られるように設計されている任意適当なプロセスであるのが良い。排ガスの成分を分離することにより、排出物中の種々の成分を種々の仕方で取り扱うことができる。理想的には、分離プロセスは、排出物中の地球温暖化ガスの全て、例えばリッチＣＯ₂流中のＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ_X、ＳＯ_X等を隔離し、排出物成分の残部、例えば窒素、酸素、アルゴン等をリーンＣＯ₂中に残す。しかしながら、実際には、分離プロセスは、リーン流から地球温暖化ガスの全てを引き出すことができず、幾つかの非地球温暖化ガスが生成物流中に残存する場合がある。所望の結果を達成するよう設計された任意適当な分離プロセスを利用することができる。１つ又は２つ以上の実施形態では、分離プロセスは、酸素不敏感性プロセスである。このような分離プロセスの例としては、高温炭酸カリウム（「ホットポット（hot pot）」）分離プロセス、アミン分離、分子ふるい分離、メンブレン分離、吸着反応速度論的分離、制御凍結ゾーン分離及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらには限定されない。幾つかの実施形態では、ＣＯ₂分離器は、ホットポット分離プロセスを利用する。本発明の１つ又は２つ以上の実施形態では、分離プロセスは、高い圧力状態で（即ち、周囲よりも高い圧力状態で）作用し、生成物流を加圧状態に保つよう構成されている。このようにプロセスに加わる圧力を維持することにより、小型の分離機器の採用が可能であり、分離効率を向上させることができ、しかも生成物流からの一層多くのエネルギーの取り出しが可能である。幾つかの実施形態では、ＣＯ₂分離プロセスは、生成物流の出口圧力若しくは出口温度又はこれら両方を最大にするよう選択されると共に構成されている。

ＣＯ₂流出物流は、種々の用途に使用できる。例えば、流出物流を石油・原油回収増進（ＥＯＲ）のために炭化水素貯留中に注入することができ又は炭素隔離又は貯蔵のために貯留層に差し向けることができる。流出物流は又、販売することができ、逃がすことができ又は焼尽させることができる。１つ又は２つ以上の実施形態では、流出物流の少なくとも一部分を再循環させて主燃焼チャンバに入る酸化剤に合流させることができ又は直接燃焼チャンバに加えて、これが次の膨張機に入る燃焼物及び排ガスの温度を制御し又は違ったやり方で加減することができる希釈剤として作用するようにする。

オプションとして、１つ又は２つ以上の実施形態では、主として窒素及び酸素を含む（場合によっては、空気が主燃焼器又は補助燃焼器内で酸化剤として用いられる場合、アルゴンを含む）ＣＯ₂分離器からの生成物流を分離器から上述の熱交換器に差し向けるのが良く、ここで生成物流は、圧縮排出物流を冷却するために使用されるのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、熱交換器を通る生成物流及び圧縮排出物流の流れは、向流生成物流を熱交換器中に通すことは、生成物流を一段と加熱するのに役立ち、膨張機内における追加の動力発生が可能である。

さらに、オプションとして、補助燃焼器又は他の加熱装置を用いて生成物流を更に加熱することができる。理解されるように、追加の燃焼器の使用に当たっては追加の燃料が必要になろう。炭素含有燃料が燃焼器内で用いられる場合、生成物流から回収することができない追加のＣＯ₂が生じるであろう。したがって、幾つかの実施形態では、生成物燃焼器内で用いられる燃料は、非炭素系燃料源、例えば水素であるのが良い。補助燃焼器の必要とする酸化剤は、別個の酸化剤流を経て供給されるのが良く、或いは、酸化剤の追加の供給が不必要であるように十分な酸化剤が圧縮排出物流中に存在するのが良い。

生成物流は、分離器、熱交換器又は燃焼器を出ると、膨張機に差し向けられるのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、膨張機は、生成物流を受け入れてこのようなガスをほぼ周囲圧力状態で出力するよう構成されているのが良い。当業者であれば理解されるように、膨張機は、動力を発生させ、発生した動力は、上述したシステム内に又は外部に位置する任意形態の１つ又は２つ以上の圧縮機又は発電機を少なくとも部分的に駆動するために用いられるのが良い。好都合には、１つ又は２つ以上の実施形態では、生成物膨張機は、共通シャフト又は他の機械的、電気的若しくは他の動力カップリングを介して排出物圧縮機を少なくとも部分的に駆動するのが良い。

１つ又は２つ以上の実施形態では、生成物流は、膨張後に１つ又は２つ以上の熱回収ユニット（ＨＲＵ）、例えば１つ又は２つ以上の排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を通過するのが良い。１つ又は２つ以上のＨＲＵは、生成物流中の残留熱を利用して水蒸気又は他の非水性蒸気を発生させるよう構成されているのが良い。１つ又は２つ以上のＨＲＳＧにより生じる水蒸気又は他の蒸気は、種々の目的に使用でき、例えば、ランキンサイクル中の蒸気タービン発電機を駆動するため又は淡水化のために使用できる。さらに、１つ又は２つ以上のＨＲＵを出る生成物流中に残留熱が残っている場合、システムは、この熱を非蒸気作業流体に伝達するよう構成された１つ又は２つ以上の熱交換器を更に備えているのが良い。このような実施形態では、非蒸気作業流体は、オプションとして、ランキンサイクル中の膨張機を駆動するために使用されるのが良い。

生成物流は、全体として又は部分的に種々の用途に使用できる。例えば、生成物流を圧力維持のために炭化水素貯留層中に注入することができる。また、生成物流を販売することでき又は逃がすことができる。１つ又は２つ以上の実施形態では、圧力維持が実行可能なオプションでない場合（又は、生成物流の一部分だけが圧力維持に必要な場合）、生成物流を膨張又は別の方法で冷却し、そして本明細書において説明するシステム中の冷凍手段となるよう用いることができる。例えば、冷却状態の生成物流は、冷凍作用をもたらしてシステム内の１つ又は２つ以上の圧縮機の吸い込み温度を減少させ又はシステム内の１つ又は２つ以上の冷却ユニット内で用いられる水を冷やすよう使用できる。

他の実施形態では、生成物流の全て又は一部が圧力維持に用いられない場合、その代わりに、生成物流を加熱して追加の動力をシステム内のどこか他の場所で使えるよう又は販売できるよう生じさせることができる。生成物流を加熱する幾つかの方法、例えば熱交換器内での排出物流と生成物流の公差型交換又は追加の熱を生成物流に供給するための補助燃焼器の使用について上述した。他の考えられる方法としては、生成物流を加熱するためにＨＲＵ内に加熱コイルを用いること、触媒を用いて生成物流中に存在するＣＯを燃焼させること又は冷却のために生成物流を用いた結果として提供される加熱（即ち、生成物流が冷却作用を他の流れ又は装置に提供したときに、流れそれ自体が加熱されること）が挙げられる。

次に図を参照すると、図１は、燃焼後のＣＯ₂の分離及び捕捉を可能にするよう構成された動力発生システム１００を示している。少なくとも１つの実施形態では、動力発生システム１００は、共通シャフト１０８又は他の機械的、電気的又は他の動力結合手段を介して膨張機１０６に結合された圧縮機１１８を有するのが良く、それにより膨張機１０６により生じた機械的エネルギーの一部分が圧縮機１１８を駆動することができるようになっている。膨張機１０６は、他の用途のためにも、例えば別の圧縮機、発電機等に動力供給するために動力を発生させることができる。圧縮機１１８及び膨張機１０６は、それぞれ標準型ガスタービンの圧縮機側端部及び膨張機側端部を形成することができる。しかしながら、他の実施形態では、圧縮機１１８及び膨張機１０６は、システム内の個別化されたコンポーネントであっても良い。

システム１００は、圧縮酸化剤１１４と混合される燃料流１１２を燃焼させるよう構成された主燃焼チャンバ１１０を更に備えているのが良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、燃料流１１２は、任意適当な炭化水素ガス又は液体であって良く、例えば天然ガス、メタン、エタン、ナフサ、ブタン、プロパン、合成ガス、ディーゼル、ケロシン、航空燃料、石炭由来燃料、生物（バイオ）燃料、ビチューメン、酸素添加炭化水素原料油又はこれらの組み合わせを含む。燃料流１１２は、水素を更に含むのが良い。圧縮酸化剤１１４は、主燃焼チャンバ１１０に流体結合されると共に供給物酸化剤１２０を圧縮するようになった圧縮機１１８から導き出されたものであるのが良い。本明細書の説明では供給物酸化剤１２０が周囲空気であることが前提とされているが、酸化剤は、任意適当な酸素含有ガスであって良く、例えば空気、酸素に富む空気、実質的に純粋な酸素又はこれらの組み合わせである。１つ又は２つ以上の実施形態では、圧縮機１１８、燃焼チャンバ１１０及び膨張機１０６は、まとめて考慮すると、開放ブレイトンサイクルとして特徴付けできる。

放出排出物流１１６が燃料流１１２と圧縮酸化剤１１４の燃焼の生成物として生じ、そして膨張機１０６の入口に差し向けられる。少なくとも１つの実施形態では、燃料流１１２は、主として、天然ガスであるのが良く、それにより、蒸発水、ＣＯ₂、ＣＯ、酸素、窒素、窒素酸化物（ＮＯ_X）及び硫黄酸化物ＳＯ_Xの体積部分を含む放出物１１６が生じる。幾つかの実施形態では、未燃焼燃料１１２又は他の化合物の僅かな部分も又、燃焼平衡限度に起因して放出物１１６中に存在する場合がある。放出排出物流１１６が膨張機１０６を通って膨張すると、放出物流は、圧縮機１１８又は他の設備を駆動する機械的動力を発生させると共にガス状排出物流１２２を生じさせる。

ガス状排出物流１２２は、膨張機１０６から排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１２６に差し向けられ、このＨＲＳＧは、ガス状排出物流１２２中の残留熱を用いて蒸気１３０及びガス状排出物流１３２を生じさせる。ＨＲＳＧは、図１に例示されているが、上述した任意適当な熱回収ユニット（ＨＲＵ）を使用できることに注目されたい。幾つかの実施形態では、ＨＲＳＧ１２６は、排ガスの二次点火を可能にするダクトバーナシステム（図示せず）を備えており、排気物中のＣＯ₂の濃度が増大する。ＨＲＳＧ１２６により生じる蒸気１３０は、種々の用途を有し、例えば、蒸気タービン発電機をランキンサイクルで駆動することによって追加の動力を生じさせるため又は淡水化のために使用できる。

ガス状排気物１３２を少なくとも１つの冷却ユニット１３４に送るのが良く、このような少なくとも１つの冷却ユニットは、ガス状排気物１３２の温度を減少させると共に冷却状態の排出物流１４０を生じさせる。１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却ユニット１３４は、本明細書では、直接接触型冷却器（ＤＣＣ）であると見なされるが、任意適当な冷却装置、例えば直接接触型冷却器、トリム冷却器、機械的冷凍ユニット又はこれらの組み合わせであっても良い。冷却ユニット１３４は又、水ドロップアウト流１３６を経て凝縮水の一部分を除去するよう構成されているのが良い。

１つ又は２つ以上の実施形態では、冷却排出物流１４０を冷却ユニット１３４に流体結合された排気物圧縮機１４２に差し向けるのが良い。圧縮機１４２は、冷却排出物流１４０を分離する前に冷却排出物流１４０の圧力を増大させるよう構成されているのが良く、それにより圧縮状態の排出物流１４４が生じる。圧縮排出物流１４４は、圧縮機１４２から熱交換器１５２に差し向けられ、ここで、圧縮排出物流は、冷却流体と熱を交換することによって冷却され、それにより圧縮状態の排出物流１５４が生じる。１つ又は２つ以上の実施形態では、熱交換器１５２内に用いられる冷却流体は、以下に詳細に説明する分離器１６２からの生成物流１６４である。

システム１００は、ＣＯ₂分離システムを更に備えている。１つ又は２つ以上の実施形態では、圧縮排出物流１５４は、ＣＯ₂分離器１６２に差し向けられる。ＣＯ₂分離器１６２は、圧縮排出物流１５４をＣＯ₂を含む流出物流１６６及び一般に窒素と酸素を含み、場合によってはアルゴンを含む生成物流１６４に分離するよう設計された種々の分離プロセスのうちの任意のものを採用することができる。例えば、分離器１６２は、化学分離プロセス、例えば高温炭酸カリウム（「ホットポット」）分離、アミン分離又は吸着剤、例えば分子ふるいを用いた分離を利用して圧縮排出物流１５４を分離するよう設計されているのが良い。他の分離プロセスとしては、メンブレンを用いた物理的分離、又は吸着反応速度論的分離又は制御凍結ゾーン分離のようなプロセスが挙げられる。幾つかの実施形態では、上述の分離方法の組み合わせを使用するのが良い。流出物流１６６は、種々の下流側用、例えば石油・原油回収増進（ＥＯＲ）のための炭化水素貯留層中への注入、炭素隔離、貯蔵、販売又は圧縮酸化剤１４４及び第１の燃料１１２の燃焼を容易にし、放出排出物流１１６中のＣＯ₂濃度を増大を容易にする希釈剤として用いるための燃焼チャンバ１１０への再循環に使用できる。流出物流１６６は又逃がし若しくは焼尽させても良い。１つ又は２つ以上の実施形態では、ＣＯ₂分離プロセスは、生成物流１６４の温度又は圧力を最大にするよう構成されているのが良い。

１つ又は２つ以上の実施形態では、分離器１６２を出た生成物流１６４は、オプションとして、追加の動力発生のために使用できる。例えば、生成物流１６４は、熱交換器１５２内で加熱するのが良く、熱交換器１５２は、熱を圧縮排出物流１４４から生成物流１６４に伝達するよう構成された熱交換器１５２内で加熱されるのが良い。生成物流１７０は、熱交換器１５２を出ると、次に、膨張機１７２に差し向けられるのが良い。生成物膨張機１７２により生じる動力は、種々の目的のために、例えば排気物圧縮機１４２又は１つ若しくは２つ以上の追加の圧縮機（図示せず）を少なくとも部分的に駆動するため又は発電機を駆動するために使用できる。幾つかの実施形態では、生成物流を圧力維持のために貯留層中に注入する場合、膨張機１７２は、パイプライン又は噴射圧縮機を駆動するよう用いられるのが良い。

１つ又は２つ以上の実施形態では、膨張機１７２を出た膨張後の生成物流１７４を追加の動力発生のために熱回収ユニット（図示せず）に差し向けるのが良い。生成物流１７４は、流出物流１６６と同様、これ又種々の用途に使用でき、このような用途としては、圧力維持、追加の動力発生、貯蔵又は逃がしが挙げられる。

次に図２を参照すると、システム２００として具体化されると共に説明される図１の動力発生システム１００の変形構成例が示されている。したがって、図２は、図１を参照すると最も良く理解できる。図２のシステム２００では、圧縮排出物流１４４及び生成物流１７０の補助的加熱は、それぞれ、燃焼器２１０，２２０によって行われる。特に、圧縮排出物流１４４は、補助燃焼器２１０に差し向けられ、この補助燃焼器は、燃料流２１４を燃焼させて熱を圧縮排出物流１４４に加えるよう構成されており、その結果、圧縮排出物流１４４の温度よりも高い温度を有する圧縮排出物流２１２が生じる。燃料流２１４は、燃料流１１２と同一の組成を有しても良く、これとは異なる組成を有しても良い。同様に、生成物流１７０も又、補助燃焼器２２０に差し向けられ、この補助燃焼器は、燃料流２２４を燃焼させて熱を生成物流１７０に加えるよう構成され、その結果、生成物流１７０の温度よりも高い温度を有する生成物流２２２が生じる。燃料流２２４は、燃料流１１２及び／又は燃料流２１４と同一の組成を有しても良く、これらとは異なる組成を有しても良い。幾つかの実施形態では、燃料流２２４は、非炭素系燃料、例えば水素を含む燃料を燃焼器２２０に供給する。１つ又は２つ以上の実施形態では、圧縮機１１８、燃焼チャンバ１１０、膨張機１０６、ＨＲＳＧ１２６、冷却ユニット１３４、排出物圧縮機１４２、生成物膨張機１７２及び補助燃焼器２１０，２２０のうちの一方又は両方のうちの１つ、幾つか又は全ての始動、作動及び作動停止をモニタすると共に制御するために単一の制御システムを使用することができる。

本発明は、種々の改造及び変形形態で実施できるが、上述の例示の実施形態は、例示として示されているに過ぎない。本明細書において説明した実施形態の特徴又は形態はどれも任意他の実施形態と又は多数の他の実施形態（実行可能な程度まで）組み合わせ可能であり、このような全ての組み合わせは、本発明の範囲に含まれるものである。さらに、本発明は、本明細書に開示した特定の実施形態に限定されるものではないことが理解されるべきである。確かに、本発明は、特許請求の範囲に記載された真の精神及び範囲に属する全ての変形例、改造例及び均等例を含む。

Claims (34)

1. 動力発生システムであって、
   １種類又は２種類以上の酸化剤を受け入れて圧縮するよう構成された第１の圧縮機と、
   前記圧縮された酸化剤及び少なくとも１種類の第１の燃料を受け入れて燃焼させ、それにより排出物流を生じさせるよう構成された第１の燃焼チャンバと、
   前記第１の燃焼チャンバからの前記排出物流を受け入れてガス状排出物流を生じさせるよう構成された第１の膨張機と、
   前記ガス状排出物流を受け入れてこれを冷却し、蒸気を発生させるよう構成された熱回収蒸気ユニットと、
   前記ガス状排出物流を受け入れて一段と冷却するよう構成された第１の冷却ユニットと、
   前記ガス状排出物流を受け入れて圧縮するよう構成された第２の圧縮機と、
   前記圧縮排出物流を受け入れてＣＯ₂流出物流及び生成物流に分離するよう構成された分離器と、を備えている、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記第２の圧縮機からの前記圧縮排出物流を受け入れて前記圧縮排出物流を前記分離器に差し向ける前に前記圧縮排出物流を冷却するよう構成された熱交換器を更に備えている、
   請求項１記載のシステム。
3. 前記熱交換器は、前記分離器を出た前記生成物流と熱を交換することによって前記圧縮排出物流を冷却する、
   請求項２記載のシステム。
4. 前記熱回収ユニットは、排熱回収蒸気発生器である、
   請求項１記載のシステム。
5. 前記排熱回収蒸気発生器は、ダクトバーナを有する、
   請求項４記載のシステム。
6. 前記第２の圧縮機からの前記圧縮排出物流を受け入れて前記圧縮排出物流を前記熱交換器に差し向ける前に前記圧縮排出物流を加熱するよう構成された燃焼器を更に備えている、
   請求項２記載のシステム。
7. 前記熱交換器からの前記生成物流を受け入れて前記生成物流を膨張させるよう構成された第２の膨張機を更に備えている、
   請求項３記載のシステム。
8. 前記熱交換器からの前記生成物流を受け入れて前記生成物流を前記第２の膨張機に差し向ける前に前記生成物流を加熱するよう構成された燃焼器を更に備えている、
   請求項７記載のシステム。
9. 前記熱交換器からの前記圧縮排出物流を受け入れて前記圧縮排出物流を前記分離器に差し向ける前に前記圧縮排出物流を更に冷却するよう構成された第２の冷却ユニットを更に備えている、
   請求項２記載のシステム。
10. 前記分離器は、高温炭酸カリウム分離、アミン分離、分子ふるい分離、メンブレン分離、吸着反応速度論的分離、制御凍結ゾーン分離又はこれらの組み合わせから選択された分離プロセスを利用する、
    請求項１記載のシステム。
11. 前記分離器は、高温炭酸カリウム分離プロセスを利用する、
    請求項１０記載のシステム。
12. 前記生成物流は、酸素及び窒素を含む、
    請求項１記載のシステム。
13. 前記ＣＯ₂流出物流は、炭化水素貯留層中の石油・原油回収増進のために用いられる、
    請求項１記載のシステム。
14. 前記生成物流は、炭化水素貯留層中の圧力維持のために用いられる、
    請求項１２記載のシステム。
15. 前記燃焼器は、非炭素系燃料源を用いる、
    請求項８記載のシステム。
16. 前記燃料源は、水素を含む、
    請求項１５記載のシステム。
17. 動力を発生させる方法であって、
    １種類又は２種類以上の酸化剤を第１の圧縮機内で圧縮するステップと、
    前記圧縮された酸化剤及び少なくとも１種類の第１の燃料を第１の燃焼チャンバに供給するステップと、
    前記圧縮酸化剤及び前記少なくとも１種類の燃料を前記第１の燃焼チャンバ内で燃焼させて排出物流を生じさせるステップと、
    前記排出物流を第１の膨張機内で膨張させてガス状排出物流を生じさせるステップと、前記ガス状排出物流を熱回収ユニット内で冷却するステップと、
    前記ガス状排出物流を冷却ユニット内で更に冷却するステップと、
    前記ガス状排出物流を第２の圧縮機内で圧縮して圧縮された排出物流を生じさせるステップと、
    前記圧縮排出物流を分離してＣＯ₂を含む流出物流及び生成物流を生じさせるステップとを備えている、
    ことを特徴とする方法。
18. 前記圧縮排出物流を分離する前に前記圧縮排出物流を熱交換器内で冷却するステップを更に備えている、
    請求項１７記載の方法。
19. 前記圧縮排出物流は、前記生成物流と熱を交換することによって冷却される、
    請求項１８記載の方法。
20. 前記熱回収ユニットは、排熱回収蒸気発生器である、
    請求項１７記載の方法。
21. 前記排熱回収蒸気発生器は、ダクトバーナを有する、
    請求項２０記載の方法。
22. 前記圧縮排出物流を前記熱交換器に差し向ける前に前記圧縮排出物流を加熱するステップを更に備えている、
    請求項１８記載の方法。
23. 前記圧縮排出物流は、燃焼器内で加熱される、
    請求項２２記載の方法。
24. 前記熱交換器からの前記生成物流を受け入れて前記生成物流を第２の膨張機内で膨張させて動力を生じさせるステップを更に備えている、
    請求項１９記載の方法。
25. 前記熱交換器から前記生成物流を受け入れて前記生成物流を膨張させる前に前記生成物流を加熱するステップを更に備えている、
    請求項２４記載の方法。
26. 前記生成物流は、燃焼器内で加熱される、
    請求項２５記載の方法。
27. 前記熱交換器からの前記圧縮排出物流を受け入れて前記圧縮排出物流を分離する前に前記圧縮排出物流を更に冷却するステップを更に備えている、
    請求項１８記載の方法。
28. 前記圧縮排出物流は、高温炭酸カリウム分離、アミン分離、分子ふるい分離、メンブレン分離、吸着反応速度論的分離、制御凍結ゾーン分離又はこれらの組み合わせから選択された分離プロセスを用いて分離される、
    請求項１７記載の方法。
29. 前記圧縮排出物流は、高温炭酸カリウム分離プロセスを用いて分離される、
    請求項２８記載の方法。
30. 前記生成物流は、酸素及び窒素を含む、
    請求項１７記載の方法。
31. 前記流出物流を圧縮して前記圧縮流出物流を石油・原油回収増進のために炭化水素貯留層中に注入するステップを更に備えている、
    請求項１７記載の方法。
32. 前記膨張生成物流を圧力維持のために炭化水素貯留層に供給するステップを更に備えている、
    請求項２４記載の方法。
33. 前記燃焼器は、非炭素系燃料源を用いる、
    請求項２６記載の方法。
34. 前記燃料源は、水素を含む、
    請求項３３記載の方法。

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