JP2017533371A - 発電システム及び方法からの低圧液体二酸化炭素の生成 - Google Patents

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Abstract

本開示は、低圧液体ＣＯ２ストリームを提供するシステム及び方法に関する。特に、本開示は、作動流体として主にＣＯ２を用いる発電プロセスからのリサイクルＣＯ２ストリームなどの高圧ＣＯ２ストリームを分流させることができ、これにより、その一部を膨張させ、熱交換器内で冷却ストリームとして用いて高圧ＣＯ２ストリームの残りの部分を冷却することができ、次いで、該残りの部分を、ＣＯ２蒸気と混合された形態であってよい低圧ＣＯ２ストリームを形成するべく膨張させることができる、システム及び方法を提供する。このシステム及び方法は、燃焼からの正味ＣＯ２を容易に輸送することができる液体の形態で提供するために使用することができる。【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、液体二酸化炭素を生成するためのシステム及び方法に関する。特に、液体二酸化炭素は、発電システム及び方法、具体的には、作動流体として二酸化炭素を用いるシステム及び方法で生成された二酸化炭素から形成される二酸化炭素の低圧ストリームとすることができる。
二酸化炭素回収隔離（ｃａｒｂｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ：ＣＣＳ）は、二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する任意のシステム又は方法の重要な考慮事項である。これは、化石燃料又は他の炭化水素含有材料の燃焼による発電に特に関連がある。ＣＣＳを達成可能ないくつかの発電方法が提案されている。ＣＣＳを伴う高効率発電の分野での１つの公開であるＡｌｌａｍらの米国特許第８，５９６，０７５号は、リサイクルＣＯ２ストリームを使用する閉サイクル酸素燃料燃焼システムにおける望ましい効率をもたらす。このようなシステムでは、ＣＯ２は、高圧の比較的高純度のストリームとして取り込まれる。
ＣＯ２廃棄に関する現在の提案は、１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）〜２５０ｂａｒ（２５ＭＰａ）の圧力の高密度の超臨界流体として高圧パイプラインでの輸送をしばしば必要とする。このようなパイプラインは、高額の資本支出を必要とする。パイプで送られるＣＯ２は、深部塩水帯水層などの地下地層中に隔離されるか、又は、石油増進回収（ＥＯＲ）などの経済的利点のために用いられる場合がある。
ＥＯＲのためのＣＯ２の使用は、石油資源に恵まれた地域の広い範囲にわたってそれが利用可能であることを必要とする。これは、該地域にわたって延びるパイプラインのネットワークの大規模使用を必要とするであろう。これは、多くの使用、特に沖合油田において、法外な費用がかかることになる。したがって、沖合石油生産プラットフォームへの送達がより容易であろう液体の形態のバルク量のＣＯ２（例えば、発電システム及び方法から生成される）を提供することが有用であろう。発電設備から集めたＣＯ２の他の有益な使用は、ＣＯ２を液化された形態で提供できる場合に想像することができる。
本開示は、液体ＣＯ２の生成に有用なシステム及び方法を提供する。開示されるシステム及び方法は、任意のソースからのＣＯ２を利用することができる。しかしながら、このシステム及び方法は、高圧ＣＯ２ストリーム、特に、周囲温度に近い高圧ＣＯ２ストリームを生成するシステム及び方法に関連して特に有益な場合がある。本発明のシステム及び方法は、実質的に高純度を有する、特に、低レベルの酸素、窒素、及び希ガス（例えば、アルゴン）を有する液体ＣＯ２を生成できるという点でさらに有益である。
特定の実施形態では、液体ＣＯ２を生成するのに用いることができるＣＯ２ソースは、発電システム、特に、酸素燃料燃焼システム及び方法、より具体的には、ＣＯ２作動流体を使用する燃焼方法とすることができる。ＣＯ２ストリームを得ることができる発電のためのシステム及び方法が、米国特許第８，５９６，０７５号、米国特許第８，７７６，５３２号、米国特許第８，９５９，８８７号、米国特許第８，９８６，００２号、米国特許第９，０６８，７４３号、米国特許公開第２０１０／０３０００６３号、米国特許公開第２０１２／００６７０５４号、米国特許公開第２０１２／０２３７８８１号、及び米国特許公開第２０１３／０２１３０４９号に記載されており、参照によりその開示の全体が本明細書に組み込まれる。
一部の実施形態では、本開示は、低圧液体二酸化炭素（ＣＯ２）ストリームを生成するための方法に関する。このような方法は、約６０ｂａｒ（６ＭＰａ）以上、約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上、又は本明細書で別に開示される圧力範囲内の圧力の高圧ＣＯ２ストリームをもたらすことを含んでよい。方法は、高圧ＣＯ２ストリームの一部を分流させ、該一部を膨張させて、冷媒として有用であり得る冷却ストリームを形成することをさらに含んでよい。例えば、冷却ストリームは、約−２０℃以下の温度又は本明細書で別に開示される温度範囲内であってよい。方法は、高圧ＣＯ２ストリームを冷却ストリームと熱交換する関係性をもって熱交換器に通すことによって高圧ＣＯ２ストリームを約５℃以下の温度（好ましくは約−１０℃以下）に冷却することをさらに含んでよい。方法は、約６ｂａｒ（０．６ＭＰａ）に低下された圧力の低圧ＣＯ２ストリームを形成するべく高圧ＣＯ２ストリームを膨張させることをさらに含んでよい。方法は、低圧ＣＯ２ストリームを、そこから蒸気ストリームを分離して低圧液体ＣＯ２ストリームをもたらすのに有効な分離器に通すことをさらに含んでよい。
さらなる実施形態では、本開示は、低圧液体二酸化炭素（ＣＯ２）ストリームの生成に有用なシステムに関する。一部の実施形態では、このようなシステムは、高圧ＣＯ２ストリームを提供するように適合された１つ以上の構成要素、１つ以上の熱交換器、１つ以上の膨張器（例えば、弁）、１つ以上の分離器、及び１つ以上の蒸留器を備えてよい。限定ではない例において、本開示に係るシステムは、高圧ＣＯ２ストリームを通すように適合された配管と、高圧ＣＯ２ストリームを冷却フラクションとバルクストリームに分流させるように適合されたディバイダと、高圧ＣＯ２ストリームの冷却フラクションを膨張させ冷却するように適合された膨張器と、バルク高圧ＣＯ２ストリームを膨張され冷却された温められる高圧ＣＯ２ストリームの冷却フラクションに対向させて冷却するように適合された熱交換器と、二相低圧ＣＯ２ストリームを形成するべくバルク高圧ＣＯ２ストリームを膨張させ冷却するように適合された膨張器と、二相低圧ＣＯ２ストリームから蒸気フラクションを除去するように適合された分離器と、非ＣＯ２成分の少なくとも一部を除去し、低圧液体ＣＯ２ストリームをもたらすように適合された蒸留器とを備えてよい。
さらに他の実施形態では、本開示は、発電プロセスからの高圧ＣＯ２ストリームから低圧液体二酸化炭素（ＣＯ２）ストリームを生成するための方法に関する。一部の実施形態では、このような方法は、ＣＯ２を含む燃焼器流出ストリームを形成するべく、約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力及び約４００℃以上の温度で酸素及びリサイクルＣＯ２ストリームが存在する燃焼器内で炭素質燃料又は炭化水素燃料を燃焼させることを含むことができる。燃焼器流出ストリームは、特に約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の圧力であってよい。燃焼器流出ストリームは、特に約８００℃〜約１，６００℃の温度であってよい。方法は、出力を発生させ、約５０ｂａｒ（５ＭＰａ）以下の圧力のＣＯ２を含むタービン流出ストリームを形成するべく、燃焼器流出ストリームをタービン内で膨張させることをさらに含んでよい。タービン流出ストリームは、特に約２０ｂａｒ（２ＭＰａ）〜約４０ｂａｒ（４ＭＰａ）の圧力であってよい。方法は、加熱リサイクルＣＯ２ストリームに熱が伝達される状態で、熱交換器内でタービン流出ストリームを冷却することをさらに含んでよい。冷却は、周囲温度付近などの約８０℃以下の温度へであってよい。方法はまた、タービン排気ストリームを周囲冷却手段に対向させてさらに冷却することと、凝縮水を分離器内で分離することとを含んでよい。方法は、高圧ＣＯ２ストリームを形成するべくタービン出口圧力からのＣＯ２を約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力にポンプで加圧することをさらに含んでよい。特に、高圧ＣＯ２ストリームは、約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）〜約５００ｂａｒ（５０ＭＰａ）又は約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の圧力であってよい。冷却されたタービン流出ストリームからのＣＯ２は、第１の圧力に圧縮され、その密度を増加させるべく冷却され、次いで、上記の範囲内の第２のより大きい圧力にポンプで加圧されてよい。高圧ＣＯ２ストリームの一部は、燃焼器に戻る前に熱交換器に戻して、冷却するタービン流出ストリームに対向させて加熱することができる。圧縮後に且つ燃焼器に入る前に、ストリームにさらなる加熱が適用されてもよく、このようなさらなる加熱は、タービン流出ストリーム以外のソースからもたらされる。高圧ＣＯ２ストリームの一部（該一部は、燃焼で生成された任意の正味ＣＯ２を含むことができる）は、例えば、冷媒を用いて熱交換器内などで約５℃以下の温度に冷却することができる。冷媒は、該一部を約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）以下であるがＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力に膨張させることによって冷却フラクションとして使用することができる高圧ＣＯ２ストリームの一部を含んでよい。冷却フラクションは、約０℃以下又は約−２０℃以下の温度とすることができる。特定の実施形態では、高圧ＣＯ２ストリームの冷却フラクションは、約−５５℃〜約０℃の温度に冷却されてよい。熱交換器内でＣＯ２冷却フラクションに対向して冷却される高圧ＣＯ２ストリームの一部は、低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するべく圧力が約６ｂａｒ（０．６ＭＰａ）（好ましくは、ＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力を常に維持する）に下がるように膨張させることができる。特に、冷却された高圧ＣＯ２ストリームの一部は、約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）以下であるがＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力に膨張されてよい。
上述の方法は、さらなる要素をさらに備えてよい。例えば、タービン流出ストリームの冷却は、特に、約７０℃以下又は約６０℃以下の温度へであってよい。１つの熱交換器又は複数の熱交換器が用いられてよい。例えば、エコノマイザ熱交換器の後に冷水熱交換器が用いられてよい。冷却後に、方法はまた、少なくとも水を除去するべく、ＣＯ２を含むタービン流出ストリームを１つ以上の分離器に通すことを含んでよい。さらに、前記ポンプで加圧するステップの前に、方法は、ＣＯ２を含むタービン流出ストリームを約８０ｂａｒ（８ＭＰａ）までの圧力（例えば、約６０ｂａｒ（６ＭＰａ）〜約８０ｂａｒ（８ＭＰａ）の圧力）に圧縮することを含んでよい。さらに、方法は、ストリームを冷水熱交換器内で冷却することなどによってＣＯ２を含むタービン流出ストリームの密度を増加させることを含んでよい。密度は、例えば、約６００ｋｇ／ｍ３以上、約７００ｋｇ／ｍ３以上、又は約８００ｋｇ／ｍ３以上に増加されてよい。タービン流出ストリームは、ストリームの密度を増加させる前に圧縮されてよい。
方法は、熱交換器内でのバルク高圧ＣＯ２ストリームの前記冷却後に且つ前記膨張前に、バルク高圧ＣＯ２ストリームをリボイラーに通すことをさらに含んでよい。リボイラーは、特に、蒸留器（例えば、ストリッピング塔）と組み合わされてよい。したがって、リボイラーは、蒸留器に加熱を提供してよい。
方法は、バルク低圧液体ＣＯ２ストリームのさらなる処理を含んでよい。例えば、低圧液体ＣＯ２ストリームは、液相及び蒸気相を含む二相材料であってよい。したがって、方法は、低圧液体ＣＯ２ストリームを、低圧液体ＣＯ２ストリームから蒸気ストリームを分離するのに有効な分離器に通すことを含んでよい。一部の実施形態では、蒸気ストリームは、分離器を通過した低圧液体ＣＯ２ストリームの重量の約８％まで（特に、約４％まで又は約６％まで）を含んでよい。一部の実施形態では、蒸気ストリームは、重量の約１％〜約７５％のＣＯ２を含んでよい。一部の実施形態では、蒸気ストリームは、重量の約２５％〜約９９％のＮ２、Ｏ２、及びアルゴン（又はさらに不活性ガス）の組み合わせを含んでよい。方法はまた、残りの低圧液体ＣＯ２ストリーム（例えば、蒸気相を引き出した後の）をストリッピング塔（上述のリボイラーを含んでよい）などの蒸留器に通すことを含んでよい。
蒸留ステップ後に、液体ＣＯ２は、その圧力を所望の値に増加させるべくポンプへ送られてよい。ポンプからの低温吐出ストリームは、冷媒を生み出すべく膨張させられる高圧ＣＯ２の冷却デューティを補うために、リボイラーの上流の熱交換器へ送られてよい。ストリッピング蒸留塔からの温められた冷媒ＣＯ２及び／又はオーバーヘッドストリームは、高圧ＣＯ２ストリームが発生させられたシステムと適合する圧力の流れを吐出する圧縮機へ送られてよい。分離器からの蒸気相ストリームはまた、さらなる分離プロセスを行うシステムへ送られてよい。代替的に、蒸気相ストリームは排気されてよい。
本開示に従って提供される低圧液体ＣＯ２ストリームは、特に、ごく僅かな非常に低い酸素濃度を有してよい。一部の実施形態では、低圧液体ＣＯ２ストリームは、約２５ｐｐｍ以下、特に約１０ｐｐｍ以下の酸素成分を有してよい。低圧液体ＣＯ２ストリームはまた、窒素及びアルゴンなどの同様に低濃度の不活性ガスを有してよい。
限定ではない例として、本開示は以下の実施形態に関係することができる。このような実施形態は、全体として本開示のより広い性質の例示となることを意図される。
一部の実施形態では、本開示は、低圧液体ＣＯ２ストリームを生成するための方法を提供することができる。例えば、このような方法は、ＣＯ２を含む燃焼器流出ストリームを形成するべく、約１００ｂａｒ（１００ＭＰａ）以上の圧力及び約４００℃以上の温度でリサイクルＣＯ２ストリームが存在する燃焼器内で炭素質燃料又は炭化水素燃料を酸素と燃焼させることと、出力を発生させ、約５０ｂａｒ（５ＭＰａ）以下の圧力のＣＯ２を含むタービン流出ストリームを形成するべく、燃焼器流出ストリームをタービン内で膨張させることと、冷却されたタービン流出ストリームを形成するべく、タービン流出ストリームを第１の熱交換器内で冷却することと、高圧ＣＯ２ストリームを形成するべく、冷却されたタービン流出ストリームからのＣＯ２を約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力にポンプで加圧することと、高圧ＣＯ２ストリームをバルク部分と冷却部分に分流させることと、高圧ＣＯ２ストリームの冷却部分をその温度を約−２０℃以下に低下させるべく膨張させることと、高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分を第２の熱交換器に通して高圧ＣＯ２ストリームの膨張した冷却部分に対向させることによって高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分を約５℃以下の温度に冷却することと、低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するべく、冷却された高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分を約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）以下であるがＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力に膨張させることと、を含むことができる。さらなる実施形態では、このような方法は、以下の文のうちの１つ以上を含んでよく、該文は、任意の数及び任意の組み合わせで組み合わされてよい。さらに、このような方法は、本明細書に別に記載される任意のさらなる要素を含んでよい。
燃焼器流出ストリームは、約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の圧力とすることができる。
燃焼器流出ストリームは、約８００℃〜約１，６００℃の温度とすることができる。
ＣＯ２を含むタービン流出ストリームは、約２０ｂａｒ（２ＭＰａ）〜約４０ｂａｒ（４ＭＰａ）の圧力とすることができる。
タービン流出ストリームは、熱交換器内で約８０℃以下の温度に冷却することができる。
方法は、少なくとも水を除去するべく、冷却されたＣＯ２を含むタービン流出ストリームを１つ以上の分離器に通すことをさらに含むことができる。
方法は、酸素及びリサイクルＣＯ２ストリームのうちの一方又は両方を熱交換器内でタービン流出ストリームに対向させて加熱することをさらに含むことができる。
高圧ＣＯ２ストリームは、約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の圧力とすることができる。
高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分は、約−５５℃〜約０℃の温度に冷却することができる。
方法は、高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分の冷却後に且つ高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分の膨張前に、高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分をリボイラーに通すことをさらに含むことができる。
リボイラーは、ストリッピング塔内とすることができる。
方法は、低圧液体ＣＯ２ストリームを、低圧液体ＣＯ２ストリームから蒸気ストリームを分離するのに有効な分離器に通すことをさらに含むことができる。
蒸気ストリームは、分離器を通過した低圧液体ＣＯ２ストリームの重量の約８％までを含むことができる。
蒸気ストリームは、重量の約１％〜約７５％のＣＯ２と、重量の約２５％〜約９９％のＮ２、Ｏ２、及びアルゴンのうちの１つ以上を含むことができる。
方法は、残りの低圧液体ＣＯ２ストリームをストリッピング塔へ通すことをさらに含むことができる。
ストリッピング塔を出る低圧液体ＣＯ２ストリームは、約２５ｐｐｍ以下の酸素成分を有することができる。
方法は、低圧液体ＣＯ２ストリームを少なくとも約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）の圧力にポンプで加圧することを含むことができる。
方法は、ポンプで加圧された液体ＣＯ２ストリームをＣＯ２パイプラインに送達することを含むことができる。
方法は、ストリッピング塔からのオーバーヘッド蒸気を、第２の熱交換器を出る高圧ＣＯ２ストリームの冷却部分と混合することをさらに含むことができる。
方法は、ストリッピング塔からのオーバーヘッド蒸気と第２の熱交換器を出る高圧ＣＯ２ストリームの冷却部分との混合物を、冷却されたタービン流出ストリームに加えることをさらに含むことができる。
さらに例示的な実施形態では、本開示は、低圧液体ＣＯ２ストリームを生成するように構成されたシステムを提供することができる。例えば、システムは、高圧ＣＯ２ストリームを第１の部分と第２の部分に分流させるように構成されたスプリッタと、高圧ＣＯ２ストリームの第１の部分を膨張させ冷却するように構成された第１の膨張器と、高圧ＣＯ２ストリームの第２の部分を、膨張器を出る冷却された高圧ＣＯ２ストリームの第１の部分に対向させて冷却するための熱交換器と、低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するべく冷却された高圧ＣＯ２ストリームの第２の部分を膨張させるように構成された第２の膨張器と、を備えることができる。さらなる実施形態では、このようなシステムは、以下の文のうちの１つ以上を含んでよく、該文は、任意の数及び任意の組み合わせで組み合わされてよい。さらに、このようなシステムは、本明細書に別に記載される任意のさらなる要素を含んでよい。
第１の膨張器は、高圧ＣＯ２ストリームの第１の部分を約−２０℃以下の温度に冷却するように構成することができる。
熱交換器は、高圧ＣＯ２ストリームの第２の部分を約５℃以下の温度に冷却するように構成することができる。
第２の膨張器は、冷却された高圧ＣＯ２ストリームの第２の部分を約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）以下であるがＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力に膨張させるように構成することができる。
システムは、組み合わされたストリッピング塔及びリボイラーをさらに備えることができる。
ストリッピング塔は、第２の膨張器から下流のラインにあることができ、リボイラーは、熱交換器から下流且つ第２の膨張器から上流のラインにあることができる。
システムは、第２の膨張器から下流且つストリッピング塔から上流に配置される液体／蒸気分離器をさらに備えることができる。
システムは、熱交換器から高圧ＣＯ２ストリームの第１の部分を受け入れるように構成された圧縮機をさらに備えることができる。
システムは、ＣＯ２を含む燃焼器流出ストリームを形成するべく約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力及び約４００℃以上の温度でリサイクルＣＯ２ストリームが存在する燃焼器内で炭素質燃料又は炭化水素燃料を酸素と燃焼させるように構成された燃焼器と、出力を発生させ、ＣＯ２を含むタービン流出ストリームを形成するべく、燃焼器流出ストリームを膨張させるように構成されたタービンと、タービン流出ストリームを冷却するように構成されたさらなる熱交換器と、高圧ＣＯ２ストリームを形成するべく、冷却されたタービン流出ストリームからのＣＯ２を加圧するように構成されたポンプと、をさらに備えることができる。
本発明は、限定ではなしに以下の実施形態を含む。
実施形態１：低圧液体二酸化炭素（ＣＯ２）ストリームを生成するための方法であって、ＣＯ２を含む燃焼器流出ストリームを形成するべく、約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力及び約４００℃以上の温度でリサイクルＣＯ２ストリームが存在する燃焼器内で炭素質燃料又は炭化水素燃料を酸素と燃焼させることと、出力を発生させ、約５０ｂａｒ（５ＭＰａ）以下の圧力のＣＯ２を含むタービン流出ストリームを形成するべく、燃焼器流出ストリームをタービン内で膨張させることと、冷却されたタービン流出ストリームを形成するべく、タービン流出ストリームを第１の熱交換器内で冷却することと、高圧ＣＯ２ストリームを形成するべく、冷却されたタービン流出ストリームからのＣＯ２を約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力にポンプで加圧することと、高圧ＣＯ２ストリームをバルク部分と冷却部分に分流させることと、高圧ＣＯ２ストリームの冷却部分を、その温度を約−２０℃以下に低下させるべく膨張させることと、高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分を第２の熱交換器に通して高圧ＣＯ２ストリームの膨張した冷却部分に対向させることによって高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分を約５℃以下の温度に冷却することと、低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するべく、冷却された高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分を約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）以下であるがＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力に膨張させることと、を含む方法。
実施形態２：燃焼器流出ストリームは、約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の圧力である、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態３：燃焼器流出ストリームは、約８００℃〜約１，６００℃の温度である、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態４：ＣＯ２を含むタービン流出ストリームは、約２０ｂａｒ（２ＭＰａ）〜約４０ｂａｒ（４ＭＰａ）の圧力である、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態５：タービン流出ストリームは熱交換器内で約８０℃以下の温度に冷却される、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態６：少なくとも水を除去するべく、冷却されたＣＯ２を含むタービン流出ストリームを１つ以上の分離器に通すことをさらに含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態７：酸素及びリサイクルＣＯ２ストリームのうちの一方又は両方を熱交換器内でタービン流出ストリームに対向させて加熱することをさらに含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態８：高圧ＣＯ２ストリームは、約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の圧力である、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態９：高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分は、約−５５℃〜約０℃の温度に冷却される、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１０：高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分の前記冷却後に且つ高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分の前記膨張前に、高圧ＣＯ２ストリームのバルク部分をリボイラーに通すことをさらに含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１１：リボイラーはストリッピング塔内にある、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１２：低圧液体ＣＯ２ストリームを、低圧液体ＣＯ２ストリームから蒸気ストリームを分離するのに有効な分離器に通すことをさらに含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１３：蒸気ストリームは、分離器を通過した低圧液体ＣＯ２ストリームの重量の約８％までを含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１４：蒸気ストリームは、重量の約１％〜約７５％のＣＯ２と、重量の約２５％〜約９９％のＮ２、Ｏ２、及びアルゴンのうちの１つ以上を含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１５：残りの低圧液体ＣＯ２ストリームをストリッピング塔へ通すことをさらに含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１６：ストリッピング塔を出る低圧液体ＣＯ２ストリームは、約２５ｐｐｍ以下の酸素成分を有する、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１７：低圧液体ＣＯ２ストリームを少なくとも約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）の圧力にポンプで加圧することを含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１８：ポンプで加圧された液体ＣＯ２ストリームをＣＯ２パイプラインに送達することを含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態１９：ストリッピング塔からのオーバーヘッド蒸気を、第２の熱交換器を出る高圧ＣＯ２ストリームの冷却部分と混合することをさらに含む、上記又は下記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態２０：混合物を、冷却されたタービン流出ストリームに加えることをさらに含む、上記実施形態のいずれかに記載の方法。
実施形態２１：低圧液体二酸化炭素（ＣＯ２）ストリームを生成するように構成されたシステムであって、高圧ＣＯ２ストリームを第１の部分と第２の部分に分流させるように構成されたスプリッタと、高圧ＣＯ２ストリームの第１の部分を膨張させ冷却するように構成された第１の膨張器と、高圧ＣＯ２ストリームの第２の部分を、膨張器を出る冷却された高圧ＣＯ２ストリームの第１の部分に対向させて冷却するための熱交換器と、低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するべく冷却された高圧ＣＯ２ストリームの第２の部分を膨張させるように構成された第２の膨張器と、を備えるシステム。
実施形態２２：第１の膨張器は、高圧ＣＯ２ストリームの第１の部分を約−２０℃以下の温度に冷却するように構成される、上記又は下記実施形態のいずれかに記載のシステム。
実施形態２３：熱交換器は、高圧ＣＯ２ストリームの第２の部分を約５℃以下の温度に冷却するように構成される、上記又は下記実施形態のいずれかに記載のシステム。
実施形態２４：第２の膨張器は、冷却された高圧ＣＯ２ストリームの第２の部分を約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）以下であるがＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力に膨張させるように構成される、上記又は下記実施形態のいずれかに記載のシステム。
実施形態２５：組み合わされたストリッピング塔及びリボイラーをさらに備える、上記又は下記実施形態のいずれかに記載のシステム。
実施形態２６：ストリッピング塔は第２の膨張器から下流のラインにあり、リボイラーは熱交換器から下流且つ第２の膨張器から上流のラインにある、上記又は下記実施形態のいずれかに記載のシステム。
実施形態２７：第２の膨張器から下流且つストリッピング塔から上流に配置される液体／蒸気分離器をさらに備える、上記又は下記実施形態のいずれかに記載のシステム。
実施形態２８：熱交換器から高圧ＣＯ２ストリームの第１の部分を受け入れるように構成された圧縮機をさらに備える、上記又は下記実施形態のいずれかに記載のシステム。
実施形態２９：ＣＯ２を含む燃焼器流出ストリームを形成するべく約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力及び約４００℃以上の温度でリサイクルＣＯ２ストリームが存在する燃焼器内で炭素質燃料又は炭化水素燃料を酸素と燃焼させるように構成された燃焼器と、出力を発生させ、ＣＯ２を含むタービン流出ストリームを形成するべく、燃焼器流出ストリームを膨張させるように構成されたタービンと、タービン流出ストリームを冷却するように構成されたさらなる熱交換器と、高圧ＣＯ２ストリームを形成するべく、冷却されたタービン流出ストリームからのＣＯ２を加圧するように構成されたポンプと、をさらに備える、上記実施形態のいずれかに記載のシステム。
本開示のこれらの及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を以下で簡潔に説明される添付図と併せて読むと明らかとなるであろう。本発明は、このような特徴又は要素が本明細書での特定の実施形態の説明において明示的に組み合わされるかどうかに関係なく、上記の実施形態のうちの２、３、４、又はそれ以上の任意の組み合わせ、並びに本開示に記載の任意の２、３、４、又はそれ以上の特徴又は要素の組み合わせを含む。開示される発明の任意の分離可能な特徴又は要素が、その種々の態様及び実施形態のいずれかにおいて、文脈上他の意味に明白に規定される場合を除き、組み合わせ可能となることを意図されたものとして見られるように、本開示は、全体論的に読まれることを意図される。
ここで、必ずしも縮尺通りに描かれていない付属の添付図の参照を行う。
低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するための本開示のいくつかの実施形態に係るシステムの流れ図である。 発電プロセスから抽出される高圧ＣＯ２ストリームの一部を使用する低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するための本開示のいくつかの実施形態に係るシステムの流れ図である。
本発明の主題が、その例示的な実施形態を参照して以下でより十分に説明される。これらの例示的な実施形態は、本開示が十分且つ完全となり、主題の範囲が当業者に十分に伝わるように説明される。実際は、この主題は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように提供される。本明細書及び付属の請求項において用いられる場合の単数形の「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」は、文脈上他の意味に明白に規定される場合を除き複数の指示対象を含む。
本開示は、低圧液体二酸化炭素（ＣＯ２）の生成に適合されたシステム及び方法に関する。このシステム及び方法は、特に、非液体ＣＯ２（例えば、気体ＣＯ２又は超臨界ＣＯ２）を含むストリームを取り入れ、非液体ＣＯ２の少なくとも一部を液体ＣＯ２に変換するように適合されてよい。取入ストリームは僅かな液体ＣＯ２を含んでいてよいが、取入ストリームは、好ましくは、重量の約２５％以下、約１０％以下、約５％以下、又は約２％以下の液体ＣＯ２を含む。
本開示に従って生成される液体ＣＯ２は、固体ＣＯ２の実質的な形成を好ましくは回避するために、生成される液体ＣＯ２の圧力が５０ｂａｒ（５ＭＰａ）未満であるがＣＯ２の三重点圧力を上回るという点で、低圧で生成することができる。一部の実施形態では、生成される液体ＣＯ２は、約６ｂａｒ（０．６ＭＰａ）、特に、約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）〜約６ｂａｒ（０．６ＭＰａ）、約２５ｂａｒ（２．５ＭＰａ）〜約６ｂａｒ（０．６ＭＰａ）、又は約１５ｂａｒ（１．５ＭＰａ）〜約６ｂａｒ（０．６ＭＰａ）に下げられた圧力とすることができる。生成される液体ＣＯ２の温度は、好ましくは、所与の圧力での飽和温度の範囲内である。例えば、温度は、約５℃〜約−５５℃、約−５℃〜約−５５℃、又は約−１５℃〜約−５５℃の範囲内とすることができる。
本開示のいくつかの実施形態に係る液体ＣＯ２を生成する方法は、一般に、取入ストリームからのＣＯ２の冷却及び膨張を含むことができる。取入ストリームのソースに応じて、方法は１つ以上の圧縮ステップを含んでよい。好ましい実施形態において、取入ＣＯ２は、約６０ｂａｒ（６ＭＰａ）以上、約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上、又は約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）以上の圧力とすることができる。他の実施形態では、取入ＣＯ２の圧力は、約６０ｂａｒ（６ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の範囲内とすることができる。取入ＣＯ２の温度は、１０℃を上回っていてもよく、又は約１０℃〜約４０℃、約１２℃〜約３５℃、又は約１５℃〜約３０℃の範囲内であってよい。一部の実施形態では、取入ＣＯ２は、ほぼ周囲温度とすることができる。
液体ＣＯ２の生成に有用な本開示に係るシステム及び方法の一実施形態が図１に示される。図で分かるように、高圧ＣＯ２ストリーム２４は、水冷却器５０（高圧ＣＯ２ストリームの実際の温度に応じて随意的であってよい）を通ることによって冷却されてよい。高圧ＣＯ２ストリーム２４は、次いで、スプリッタ６８（又はストリームを分流させるように構成された他の適切なシステム要素）を用いて第１の部分と第２の部分に分流されて、高圧ＣＯ２サイドストリーム５７をもたらし、これは冷却ＣＯ２ストリーム５６を形成するべく弁５８又は他の適切な装置などを通して膨張させることができる。残りの高圧ＣＯ２ストリーム６２は、熱交換器１０を通る際に冷却ＣＯ２ストリーム５６によって冷却され、冷却ＣＯ２ストリーム５６はＣＯ２ストリーム３３として出ていく。熱交換器１０の低温端を出る冷却された高圧ＣＯ２ストリーム５１は、約５℃以下、約０℃以下、約−１０℃以下、又は約−２０℃以下（例えば、約５℃〜約−４０℃又は約０℃〜約−３５℃）の温度とすることができる。冷却された高圧ＣＯ２ストリーム５１は、液体ＣＯ２ストリームを形成するべく膨張させることができる。図１に例示されるように、冷却された高圧ＣＯ２ストリーム５１は最初にリボイラー５２を通り、リボイラー５２は、図１のストリッピング塔５３の一部であり、したがってその内部での蒸留のための加熱を供給し、これはさらに後述する。リボイラーの通過はこのように随意的であってよい。リボイラー５２を出ていく高圧ＣＯ２ストリーム５５は、前述の範囲内の温度及び圧力の低圧液体ＣＯ２ストリーム３５を形成するべく膨張させられる。図１では、ストリーム５５は、弁４８を通して膨張させられるが、圧縮されたＣＯ２ストリームを膨張させるのに有用な任意の装置が用いられてよい。例えば、膨張装置は、タービンなどの仕事を生じるシステムとすることができ、これは、ＣＯ２のエンタルピーを入口と出口の間で低下させ、出口温度をさらに下げる。
低圧ＣＯ２ストリーム（例えば、約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）以下であるがＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力）を形成するべく高圧ＣＯ２ストリームを膨張させること（例えば、約６０ｂａｒ（６ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の範囲から）は、結果的に、弁（又は他の膨張装置）へのＣＯ２ストリーム入力と同じ総エンタルピーを有するガスと液体との混合物で形成された二相生成物ストリームを生じることができる。弁（又は上記の例示的な代替的な実施形態によるタービン）を出ていく二相混合物の温度は、特に、低減された圧力での液体の飽和温度とすることができる。図１では、弁５８を出るストリーム５６と弁４８を出るストリーム３５は両方とも二相ストリームであってよい。弁４８を出る二相低圧ＣＯ２ストリーム３５は、分離器９を通って、ＣＯ２蒸気フラクションストリーム４９及びＣＯ２液体フラクションストリーム３６をもたらしてよい。
入力高圧ＣＯ２ストリームが酸素燃焼発電システムから生じる実施形態では、低圧液体ＣＯ２ストリームから分離することができる蒸気フラクションは、酸素源及び燃料源（例えば、天然ガス）中に存在する不活性ガス（例えば、窒素、過剰Ｏ２、及びアルゴンなどの希ガス）のバルクを含有することになる。限定ではない例として、酸素燃焼発電プロセスは、燃焼器に流入する１％過剰酸素ストリームで実施されてもよく、酸素ストリームは、およそ９９．５％の酸素及び０．５％のアルゴンで形成される。結果的に生じる正味ＣＯ２生成物は、濃度２％のＯ２及び濃度１％のアルゴンを含むことができる。
本開示によれば、弁を通じた例えば１０ｂａｒ（１ＭＰａ）の圧力への膨張時の温度への、間接冷却手段による上記に例示されるような発電システムからのＣＯ２生成物の冷却は、結果的におよそ４％のフラッシュ蒸気フラクションを生じる。種々の実施形態において、蒸気フラクションは、総液体ＣＯ２ストリーム（例えば、図１のストリーム３５）の重量の約６％まで、約５％まで、又は約４％までであってよい。蒸気ストリーム（例えば、図１のストリーム４９）は、重量の約１％〜約７５％のＣＯ２と、重量の約２５％〜約９９％のＮ２、Ｏ２、及びアルゴン（又は他の不活性ガス）の組み合わせとを含むことができる。さらなる実施形態では、蒸気ストリームは、重量の約６０％以上、約６５％以上、又は約７０％以上のＮ２、Ｏ２、及びアルゴン（又は他の不活性ガス）の組み合わせを含むことができる。フラッシュ蒸気フラクション（例えば、図１の分離器９を出ていくストリーム４９）は、大気へ排気されてもよく、又は取り込まれてよい。蒸気フラクションの除去が不活性アルゴン及び／又は窒素（燃焼される天然ガス及び／又は石炭由来の燃料ガス中に存在する場合がある、及び低温空気分離プラントから派生した酸素ストリーム中に存在する場合がある）の蓄積を防ぐことになるので、フラッシュ蒸気ストリームの生成は、入力ＣＯ２ストリームが酸素燃焼プロセスから派生される実施形態では有益である。フラッシュ蒸気フラクションを形成するために、高圧ＣＯ２ストリーム（例えば、図１のストリーム６２）を膨張の前に約−３０℃以下又は約−３３℃以下の温度に冷却することが有用であり得る。入力高圧ＣＯ２ストリームが不活性ガス（随意的に酸素）を実質的に又は完全に欠くことができるソースから生じる実施形態では、フラッシュ蒸気フラクションを形成する必要がない場合がある。酸素燃料発電プロセスにおける大量のＮ２フラクションを有する天然ガス燃料を用いる実施形態では、ストリーム４９中のＣＯ２の最小限の損失でストリーム４９中のＯ２及びアルゴンを伴うＮ２のバルクの除去を保証するために、ストリーム５１が冷却される温度を調節することが有用であり得る。
好ましくは、入力ＣＯ２ストリームからのＯ２及びアルゴン（及び他の不活性ガス）の濃度の大部分は、ＣＯ２液体フラクションストリーム（例えば、図１のストリーム３６）がほんの微量の濃度の、例えば、重量の約１％以下、重量の約０．５％以下、又は重量の約０．２％以下のＮ２、Ｏ２、及びアルゴンを有するように、フラッシュ蒸気フラクションにおいて除去される。この微量の濃度のＮ２、Ｏ２、及びアルゴンは、蒸留装置（例えば、図１のストリッピング塔５３）を用いることなどによってＣＯ２液体フラクションストリームからストリッピングすることができる。図１の例示とは代替的に、ストリッピング区域は、フラッシュ分離器の下部に取り付けられてよい。ストリッピング塔を使用する実施形態では、高圧ＣＯ２ストリーム（例えば、図１のストリーム５１）の一部又はすべてから残りの利用可能な熱を引き出すために、リボイラー（上述の図１の構成要素５２）を含めることができる。このような加熱は、正味液体ＣＯ２生成物（図１のストリーム５４）中の酸素濃度を減少させるために必要な液体対蒸気比をもたらすように変えることができる。正味液体ＣＯ２ストリーム中の酸素濃度は、約２５ｐｐｍ以下、約２０ｐｐｍ以下、又は約１０ｐｐｍ以下とすることができる。
さらなる実施形態では、生成物液体ＣＯ２ストリーム５４は、ＣＯ２パイプラインへ送達するために熱交換器１０内で（又はさらなる熱交換器内で又はさらなる手段によって）高圧にポンプで加圧し、加熱することができる。生成物液体ＣＯ２ストリームは、特に、約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）〜約２５０ｂａｒ（２５ＭＰａ）の圧力にポンプで加圧されてよい。
図１に戻ると、ストリッピング塔５３を出ていく頂部生成物６３は、必要に応じて弁６４内などで圧力がさらに低減され、次いで、ＣＯ２ストリーム３３と合流されてよい。合流されたストリームは、戻り高圧ＣＯ２ストリーム２１をもたらすべく圧縮機３４内で圧縮されてもよく、戻り高圧ＣＯ２ストリーム２１は、例えば、入力高圧ＣＯ２ストリーム２４と合流されてもよく、又はさらなるＣＯ２含有ストリーム（図２参照）に加えられてよい。
低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するための上記の実施形態は、正味低圧ＣＯ２ストリーム（例えば、図１のストリーム３５）中のＣＯ２の重量の約９５％以上、約９６％以上、又は約９７％以上を低圧液体ＣＯ２ストリームとして除去できるという点で経済的に望ましい場合がある。前述の実施形態では、正味ＣＯ２生成物の重量の約１．５％〜約２．５％は、合流されたＮ２、Ｏ２、及びアルゴンストリーム（例えば、図１のストリーム４９）と共に大気へ排気されてもよく、したがって、約９７．５％〜約９８．５％のＣＯ２除去効率をもたらす。前述の方法が作動流体としてＣＯ２を用いる閉サイクル発電システムに関連して実施される実施形態では、それらの分圧及び濃度をできるだけ低く保つために不活性成分を除去することが望ましいので、ストリーム４９は好ましくは大気へ排気される。随意的に、ストリーム５９は、弁６０内での減圧後に、ストリーム５９が排気される前に、ストリーム６２を冷却するための付加的な冷凍をもたらすべく熱交換器１０内の通路の組を通して経路設定することができる。
入力高圧ＣＯ２ストリーム２４の使用は、高圧ＣＯ２ストリームに間接冷却をもたらす独特の能力を提供する。上記の実施形態に関係して説明されるように、間接冷却は、ほぼ周囲温度の高圧ＣＯ２ストリームの一部を分流させ、次いで、高圧ＣＯ２ストリームのこの分流された一部を約−２０℃以下、約−３０℃以下、又は約−４０℃以下（例えば、およそ−４０℃〜約−５５℃）の温度に膨張させることによってもたらすことができる。これは、高圧ＣＯ２ストリーム２４の圧力が、約２０ｂａｒ（２ＭＰａ）未満、約１０ｂａｒ（１ＭＰａ）未満、又は約８ｂａｒ（０．８ＭＰａ）未満（例えば、約２０ｂａｒ（２ＭＰａ）〜約５ｂａｒ（０．５ＭＰａ）又は約１２ｂａｒ（１．２ＭＰａ）〜約５ｂａｒ（０．５ＭＰａ）、特に約５．５５ｂａｒ（０．５５５ＭＰａ））に下がるように減少させることによって達成することができる。結果的に生じる液体＋蒸気のストリーム（例えば、図１のストリーム５６）は、次いで、熱交換器内でバルク高圧ＣＯ２ストリームを間接的に冷却するのに用いられる。
本開示のシステム及び方法は、参照によりその開示の全体が本明細書に組み込まれる米国特許第８，５９６，０７５号で開示されたシステムなどの、ＣＯ２作動流体を使用する発電方法と組み合わせて用いられたときに特に有益である。特に、このようなプロセスは、高圧リサイクルＣＯ２ストリームと、燃料の燃焼から生じる燃焼生成物との混合物を膨張させる、高圧／低圧比タービンを用いることができる。任意の化石燃料、特に炭素質燃料が用いられてよい。好ましくは、燃料は気体燃料であるが、非気体燃料は必ずしも除外されない。限定ではない例としては、天然ガス、圧縮ガス、燃料ガス（例えば、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、及びＮＨ３のうちの１つ以上を含む）及び同様の可燃性ガスがある。固体燃料、例えば、石炭、亜炭、石油コークス、ビチューメンなどが、必要なシステム要素を組み込んだ状態で（固体又は重液燃料を気体形態に変換するために部分酸化燃焼器又はガス化装置などを使用して）同様に用いられてよい。液体炭化水素燃料も用いられてよい。純酸素を、燃焼プロセスにおいて酸化剤として用いることができる。高温タービン排気が、高圧リサイクルＣＯ２ストリームを部分的に予熱するのに用いられる。リサイクルＣＯ２ストリームはまた、本明細書でさらに述べるようにＣＯ２圧縮機の圧縮エネルギーから派生した熱を用いて加熱される。すべての燃料と、硫黄化合物、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈｇなどの燃焼により生じた不純物は、大気へ放出せずに廃棄するために分離することができる。ＣＯ２圧縮トレインが含まれ、ＣＯ２圧縮トレインは最小限の増分電力消費を保証する高効率ユニットを備える。ＣＯ２圧縮トレインは、特に、リサイクルＣＯ２燃料圧縮機流をもたらすことができ、これは、一部は燃焼器にリサイクルし、一部は入力高圧ＣＯ２ストリームとして液体ＣＯ２生成要素に導くことができる。
例えば図２は、本明細書に記載の最小限の範囲内の酸素成分を有する低圧液体の形態の一次燃料中の炭素から誘導された正味ＣＯ２生成物を生成するべく本明細書に記載の要素と組み合わされた発電システムを例示する。このようなシステムの一実施形態が図２に関連して以下の実施例で説明される。
総ＣＯ２正味生成物流の量は、用いられる燃料の性質に応じて変えることができる。天然ガス燃料を用いる実施形態では、総ＣＯ２正味生成物流は、総リサイクルＣＯ２燃料圧縮機流の約２．５％〜約４．５％（例えば、約３．５％）とすることができる。典型的な瀝青炭（例えば、Ｉｌｌｉｎｏｉｓ Ｎｏ．６）を使用する実施形態では、総ＣＯ２正味生成物流は、総リサイクルＣＯ２燃料圧縮機流の約５％〜約７％（例えば、約６％）とすることができる。冷凍のために用いられるリサイクルＣＯ２の量は、正味ＣＯ２生成物流の重量の約１５％〜約３５％又は約２０％〜約３０％の範囲内（例えば、約２５％）とすることができる。
一部の実施形態では、参照によりその開示の全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１３／０１０４５２５号で説明されるような様態で液化天然ガス（ＬＮＧ）を冷凍源として用いることができる。特定の実施形態では、ＬＮＧは、（例えば、約２０ｂａｒ（２ＭＰａ）〜約４０ｂａｒ（４ＭＰａ）の圧力での）ＣＯ２タービン排気の凝縮温度に近い温度に加熱することができる。水分離器を出ていくタービン排気流は、加熱されることになる高圧ＬＮＧから派生した冷凍を用いて液化される前に、乾燥剤入りの乾燥機内で約−５０℃を下回る露点に乾燥させることができる。液体ＣＯ２は、次いで、多段遠心ポンプを用いて約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の圧力にポンプで加圧することができる。高圧天然ガスは、通常、これらの圧力でのＣＯ２の飽和温度に近い５℃を用いると、約−２３℃（約２０ｂａｒ（２ＭＰａ）でエコノマイザ熱交換器を出ていくタービン排気に関して）〜約０℃（約４０ｂａｒ（４ＭＰａ）でエコノマイザ熱交換器を出ていくタービン排気に関して）の範囲内の温度となる。この低温の高圧天然ガスは、約６ｂａｒ（０．６ＭＰａ）〜約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）の圧力範囲内の液体ＣＯ２を生成するべく膨張させる前に約６０ｂａｒ（６ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の高圧ＣＯ２を予め冷却するのに用いることができる。この冷凍は、液体ＣＯ２生成物の必要とされる圧力への膨張時に結果的に重量の約５０％〜約８０％の（Ｏ２＋Ｎ２＋Ａｒ）を含有するガスフラクションを生じる冷却された正味ＣＯ２生成物の温度を与えるべく、上述の高圧ＣＯ２の膨張から派生したさらなる冷凍によって補うことができる。この効果は、冷凍のためにリサイクルされなければならないさらなるＣＯ２の量を顕著に減少させることである。
実施例
本明細書で開示される主題を例示するために記載され、限定するものとして解釈されない以下の実施例によって、本開示の実施形態がさらに例示される。以下は、図２で例示される組み合わされた発電システム及び方法、並びに低圧液体ＣＯ２を生成するためのシステム及び方法の一実施形態を説明する。
図２で見られるように、約４０ｂａｒ（４ＭＰａ）の天然ガス燃料ストリーム４２（この実施例では純メタンである）が、圧縮機４４内で約３２０ｂａｒ（３２ＭＰａ）に圧縮されて、圧縮された天然ガス燃料ストリーム４３をもたらし、これは次に燃焼室１に入って、重量の約７７％の希釈剤ＣＯ２と混合された重量の約２３％の酸素を含む、予熱された酸化剤ストリーム３８の中で燃焼する。例示される実施形態では、総酸素量は、化学量論的燃焼のために必要とされるよりもおよそ１重量％多い酸素を含有する。燃焼生成物は、燃焼器１内で、約３０４ｂａｒ（３０．４ＭＰａ）及び約７０７℃の加熱されたリサイクルＣＯ２ストリーム３７によって希釈される。約１１５３℃の温度で燃焼器流出ストリーム３９がタービン２の入口に入り、タービンは、発電機３及びメインＣＯ２リサイクル圧縮機４に結合されている。
燃焼器流出ストリーム３９は、タービン２内で膨張されて、約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）及び約７４７℃のタービン流出ストリーム４５を生成し、これは次に、エコノマイザ熱交換器１５を通り、約５６℃に冷却されて、冷却されたタービン流出ストリーム１６として出ていく。冷却されたタービン流出ストリーム１６は、水冷却器７内の冷却水に対向させて周囲温度付近にさらに冷却される（図２のストリーム１７）。冷却されたタービン流出ストリーム１７は分離器６を通り、そこで液体水ストリーム１８が気体ＣＯ２オーバーヘッドストリーム１９から分離され、気体ＣＯ２オーバーヘッドストリーム１９自体は、別個の流れ（図２のストリーム２２及び２０）に分流される。
気体ＣＯ２オーバーヘッドバルクストリーム２２はＣＯ２リサイクル圧縮機４に入り、ＣＯ２リサイクル圧縮機４は、中間冷却器５と共に動作し、周囲温度の気体ＣＯ２オーバーヘッドバルクストリーム２２（タービン流出ストリーム４５から派生する）を、約２８．２ｂａｒ（２．８２ＭＰａ）から約６３．５ｂａｒ（６．３５ＭＰａ）の圧力へ、すなわち、圧縮されたＣＯ２ストリーム２３へ圧縮する。
気体ＣＯ２オーバーヘッドフラクションストリーム２０は、低温空気分離プラント１４によって生成される９９．５％Ｏ２ストリーム２８（約２８ｂａｒ（２．８ＭＰａ）の圧力である）を希釈するのに用いられる。合流されたストリーム２０及び２８は、低圧酸化剤ストリーム２６を形成し、低圧酸化剤ストリーム２６は、中間冷却器１２を備えた圧縮機１１内で約３２０ｂａｒ（３２ＭＰａ）（ストリーム２７）に圧縮される。高圧酸化剤ストリーム２７は、エコノマイザ熱交換器内で加熱されて、約３０４ｂａｒ（３０．４ＭＰａ）及び約７０７℃の予熱された酸化剤ストリーム３８として出ていく。
約１１０℃の第１のサイドストリーム３２は、加熱高圧リサイクルＣＯ２流から採取され、サイド熱交換器１３内で伝熱流体（サイド熱交換器にストリーム３０として入り、ストリーム２９として出る）に対向させて約１５４℃に加熱され（図２のストリーム３１）、伝熱流体は、低温空気分離プラント（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ）１４内の空気圧縮機から圧縮熱を除去する。ＡＳＵは、大気エアフィード４０と、大気へ排気される廃棄窒素流出ストリーム４１を有する。
約４００℃の温度の第２のサイドストリーム６１は、加熱高圧リサイクルＣＯ２ストリームから採取され、タービン２内で内部冷却のために用いられる。
約６３．５ｂａｒ（６．３５ＭＰａ）及び約５１℃の圧縮されたＣＯ２ストリーム２３は、熱交換器４６内で冷却水に対向させて冷却されて、約８２０ｋｇ／ｍ３の密度を有する約１７．５℃のストリーム４７をもたらし、ストリーム４７は多段遠心ポンプ８内で約３０５ｂａｒ（３０．５ＭＰａ）の圧力に加圧される。ポンプ吐出流は二部に分流される。
ポンプ吐出流からの高圧リサイクルＣＯ２ストリーム２５は、エコノマイザ熱交換器１５を通り、そこから第１のサイドストリーム及び第２のサイドストリームが（上述のように）採取される流れとして機能する。
ポンプ吐出流からのストリーム２４は、天然ガス中の炭素から誘導された正味ＣＯ２生成物ストリームを含む。ストリーム２４は、好ましくは、冷凍の際に用いられるさらなるＣＯ２成分を含むことができる。さらなるＣＯ２成分は、重量の約５０％まで、重量の約４０％まで、又は重量の約３０％までのリサイクルＣＯ２とすることができる。一部の実施形態では、さらなるＣＯ２成分は、重量の約５％〜約４５％、重量の約１０％〜約４０％、又は重量の約１５％〜約３５％のリサイクルＣＯ２とすることができる。
高圧ＣＯ２ストリーム２４は、水冷却器５０内で周囲温度付近に冷却され、二部に分流される。高圧ＣＯ２フラクションストリーム５７は、弁５８内で約８．２ｂａｒ（０．８２ＭＰａ）に減圧されて冷却ＣＯ２ストリーム５６を形成し、これは約−４５℃の温度の二相混合物である。冷却ＣＯ２ストリーム５６は、熱交換器１０を通り、そこで蒸発し、周囲温度付近に加熱されて、ＣＯ２ストリーム３３として出ていく。
高圧正味ＣＯ２生成物ストリーム６２は、熱交換器１０に直接通され、そこで冷却ＣＯ２ストリーム５６に対向させて約−３８℃の温度に冷却され、冷却された高圧正味ＣＯ２生成物ストリーム５１として出ていく。このストリームは、次いで、ストリッピング塔５３の下部にある小さいリボイラー５２を通り、ストリーム５５として出ていく。このストリームは、弁４８内で約１０ｂａｒ（１ＭＰａ）に減圧されて二相正味ＣＯ２生成物ストリーム３５を形成し、これは次に、分離器９を通る。
分離器９の頂部を出るオーバーヘッド蒸気ストリーム４９は、二相正味ＣＯ２生成物ストリーム３５の流れの重量の約４％を含み、且つ、重量の約３０％がＣＯ２で、重量の約７０％がＯ２及びアルゴンの組み合わせで形成される。オーバーヘッド蒸気ストリーム４９は、弁６０内で減圧され、次いで、大気へ排気される（図２のストリーム５９）。随意的に、ストリーム５９は、熱交換器１０内で、付加的な冷凍をもたらす周囲温度付近に加熱することができ、次いで、排気ストリームを浮揚性にするべく周囲温度よりも高くなるようにさらに加熱される。
約１０ｂａｒ（１ＭＰａ）の圧力で分離器９を出る液体ＣＯ２ストリーム３６は、二相正味ＣＯ２生成物ストリーム３５の流れの重量の約９６％を含む。ストリーム３６はストリッピング塔５３の頂部に送られる。
ストリッピング塔５３の底部を出るのは低圧液体ＣＯ２生成物ストリーム５４であり、これは、発電システムへの一次燃料フィード中の炭素から生成された正味ＣＯ２を含む。例示される実施形態では、ストリーム５４は、１０ｐｐｍを下回る酸素成分を有する。
ストリッピング塔５３を出る頂部生成物ストリーム６３は、弁６４内で約８ｂａｒ（０．８ＭＰａ）に減圧され、ＣＯ２ストリーム３３に加えられる。合流されたストリーム３３及び６３は、圧縮機３４内で約２８．５ｂａｒ（２．８５ＭＰａ）に圧縮される。ＣＯ２圧縮機３４内で圧縮された吐出ストリーム２１は、気体ＣＯ２オーバーヘッドバルクストリーム２２と混合され、ＣＯ２圧縮機４及びポンプ８内で約３０５ｂａｒ（３０．５ＭＰａ）まで戻るように圧縮される。
上記の実施例において、特定の値（例えば、温度、圧力、及び相対比）は、本開示の例示的な実施形態の稼働条件を例示するために提供される。このような値は本開示の限定となることを意図されず、このような値は、本明細書で提供される全体的な説明に照らして、さらなる稼働実施形態に到達するように本明細書で別に開示される範囲内で変更されてよいことが理解される。
本明細書で開示される主題の多くの修正及び他の実施形態が、上記の説明及び関連する図面で提示される教示の利益を有するこの主題が属する技術分野の当業者に思い浮かぶであろう。したがって、本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されないことと、修正及び他の実施形態が付属の請求項の範囲内に含まれることを意図されることが理解される。特定の用語が本明細書で採用されるが、それらは単に総称的及び記述的意味で用いられ、限定するためではない。

Claims (29)

  1. 低圧液体二酸化炭素（ＣＯ２）ストリームを生成するための方法であって、
    ＣＯ２を含む燃焼器流出ストリームを形成するべく、約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力及び約４００℃以上の温度でリサイクルＣＯ２ストリームが存在する燃焼器内で炭素質燃料又は炭化水素燃料を酸素と燃焼させることと、
    出力を発生させ、約５０ｂａｒ（５ＭＰａ）以下の圧力のＣＯ２を含むタービン流出ストリームを形成するべく、前記燃焼器流出ストリームをタービン内で膨張させることと、
    冷却されたタービン流出ストリームを形成するべく、前記タービン流出ストリームを第１の熱交換器内で冷却することと、
    高圧ＣＯ２ストリームを形成するべく、前記冷却されたタービン流出ストリームからのＣＯ２を約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力にポンプで加圧することと、
    前記高圧ＣＯ２ストリームをバルク部分と冷却部分に分流させることと、
    前記高圧ＣＯ２ストリームの前記冷却部分を、前記冷却部分の温度を約−２０℃以下に低下させるべく膨張させることと、
    前記高圧ＣＯ２ストリームの前記バルク部分を第２の熱交換器に通して前記高圧ＣＯ２ストリームの前記膨張した冷却部分に対向させることによって前記高圧ＣＯ２ストリームの前記バルク部分を約５℃以下の温度に冷却することと、
    低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するべく、前記高圧ＣＯ２ストリームの前記冷却されたバルク部分を約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）以下であるがＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力に膨張させることと、
    を含む方法。
  2. 前記燃焼器流出ストリームは、約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の圧力である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記燃焼器流出ストリームは、約８００℃〜約１，６００℃の温度である、請求項３に記載の方法。
  4. 前記ＣＯ２を含むタービン流出ストリームは、約２０ｂａｒ（２ＭＰａ）〜約４０ｂａｒ（４ＭＰａ）の圧力である、請求項１に記載の方法。
  5. 前記タービン流出ストリームは、前記熱交換器内で約８０℃以下の温度に冷却される、請求項１に記載の方法。
  6. 少なくとも水を除去するべく、前記冷却されたＣＯ２を含むタービン流出ストリームを１つ以上の分離器に通すことをさらに含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記酸素及び前記リサイクルＣＯ２ストリームのうちの一方又は両方を前記熱交換器内で前記タービン流出ストリームに対向させて加熱することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記高圧ＣＯ２ストリームは、約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）の圧力である、請求項１に記載の方法。
  9. 前記高圧ＣＯ２ストリームの前記バルク部分は、約−５５℃〜約０℃の温度に冷却される、請求項１に記載の方法。
  10. 前記高圧ＣＯ２ストリームの前記バルク部分の前記冷却後に且つ前記高圧ＣＯ２ストリームの前記バルク部分の前記膨張前に、前記高圧ＣＯ２ストリームの前記バルク部分をリボイラーに通すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記リボイラーはストリッピング塔内にある、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記低圧液体ＣＯ２ストリームを、前記低圧液体ＣＯ２ストリームから蒸気ストリームを分離するのに有効な分離器に通すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記蒸気ストリームは、前記分離器を通過した前記低圧液体ＣＯ２ストリームの重量の約８％までを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記蒸気ストリームは、重量の約１％〜約７５％のＣＯ２と、重量の約２５％〜約９９％のＮ２、Ｏ２、及びアルゴンのうちの１つ以上を含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 残りの前記低圧液体ＣＯ２ストリームをストリッピング塔へ通すことをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  16. 前記ストリッピング塔を出る前記低圧液体ＣＯ２ストリームは、約２５ｐｐｍ以下の酸素成分を有する、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記低圧液体ＣＯ２ストリームを少なくとも約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）の圧力にポンプで加圧することを含む、請求項１５に記載の方法。
  18. 前記ポンプで加圧された液体ＣＯ２ストリームをＣＯ２パイプラインに送達することを含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記ストリッピング塔からのオーバーヘッド蒸気を、前記第２の熱交換器を出る前記高圧ＣＯ２ストリームの前記冷却部分と混合することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  20. 前記混合物を、前記冷却されたタービン流出ストリームに加えることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
  21. 低圧液体二酸化炭素（ＣＯ２）ストリームを生成するように構成されたシステムであって、
    前記高圧ＣＯ２ストリームを第１の部分と第２の部分に分流させるように構成されたスプリッタと、
    前記高圧ＣＯ２ストリームの前記第１の部分を膨張させ冷却するように構成された第１の膨張器と、
    前記高圧ＣＯ２ストリームの前記第２の部分を、前記膨張器を出る前記高圧ＣＯ２ストリームの前記冷却された第１の部分に対向させて冷却するための熱交換器と、
    低圧液体ＣＯ２ストリームを形成するべく前記高圧ＣＯ２ストリームの前記冷却された第２の部分を膨張させるように構成された第２の膨張器と、
    を備えるシステム。
  22. 前記第１の膨張器は、前記高圧ＣＯ２ストリームの前記第１の部分を約−２０℃以下の温度に冷却するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
  23. 前記熱交換器は、前記高圧ＣＯ２ストリームの前記第２の部分を約５℃以下の温度に冷却するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
  24. 前記第２の膨張器は、前記高圧ＣＯ２ストリームの前記冷却された第２の部分を約３０ｂａｒ（３ＭＰａ）以下であるがＣＯ２の三重点圧力を上回る圧力に膨張させるように構成される、請求項２１に記載のシステム。
  25. 組み合わされたストリッピング塔及びリボイラーをさらに備える、請求項２１に記載のシステム。
  26. 前記ストリッピング塔は、前記第２の膨張器から下流のラインにあり、前記リボイラーは、前記熱交換器から下流且つ前記第２の膨張器から上流のラインにある、請求項２５に記載のシステム。
  27. 前記第２の膨張器から下流且つ前記ストリッピング塔から上流に配置される液体／蒸気分離器をさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
  28. 前記熱交換器から前記高圧ＣＯ２ストリームの前記第１の部分を受け入れるように構成された圧縮機をさらに備える、請求項２１に記載のシステム。
  29. ＣＯ２を含む燃焼器流出ストリームを形成するべく、約１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）以上の圧力及び約４００℃以上の温度でリサイクルＣＯ２ストリームが存在する燃焼器内で炭素質燃料又は炭化水素燃料を酸素と燃焼させるように構成された燃焼器と、
    出力を発生させ、ＣＯ２を含むタービン流出ストリームを形成するべく、前記燃焼器流出ストリームを膨張させるように構成されたタービンと、
    前記タービン流出ストリームを冷却するように構成されたさらなる熱交換器と、
    高圧ＣＯ２ストリームを形成するべく、前記冷却されたタービン流出ストリームからのＣＯ２を加圧するように構成されたポンプと、
    をさらに備える、請求項２１に記載のシステム。
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