JP2020097941A - 二酸化炭素循環作動流体を用いる高効率発電システムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＣＯ2循環流体と組み合わせて高効率燃焼器を用いる発電のための方法およびシステムを提供する。【解決手段】酸化剤と再利用ＣＯ2流の存在下で第１の燃焼器で燃料を燃焼させて少なくとも約１２ＭＰａおよび約８００℃の存在下で第１の燃焼器排気流を形成し、第１のタービン全体にわたり第１の燃焼器排気流を膨張させて第１のタービン排気流を形成し、第２の燃焼器で第１のタービン排気流を加熱させて第２の燃焼器排気流を形成し、第２のタービン全体にわたり第２の燃焼器排気流を膨張させて第２のタービン排気流を第２のタービンから出力させることで第２のタービン排気流と第１の燃焼器排気流との圧力比が少なくとも２０とし、再生熱交換器で第２のタービン排気流を冷却して冷却したタービン排気流を形成し、冷却したタービン排気流からＣＯ2の少なくとも一部を分離して再利用ＣＯ2流を形成し、再利用ＣＯ2流を圧縮して第１の燃焼器に通す。【選択図】図１３

Description

本発明は、燃料を高効率で燃焼させて発生させたエネルギーを伝達するのに循環流体を使用することによる、電力などの動力を発生するためのシステムおよび方法に関する。特に、本システムおよび方法は、循環流体として二酸化炭素を使用することができる。
非炭素動力源が開発および配備されているが、化石燃料が今後１００年間の世界の所要電力の大半を供給し続けると推定される。しかしながら、化石燃料および／または好適なバイオマスの燃焼による既知の発電方法は、エネルギーコストの上昇によって、また、二酸化炭素（ＣＯ２）および他の排出物生成の増加によって悩まされている。地球温暖化は、先進国および発展途上国による炭素排出量増加の壊滅的な結果であり得るとの見方が強まっている。太陽光エネルギーや風力は、近いうちに化石燃料の燃焼に置き換わり得るようには思われず、原子力には核拡散および核廃棄物処理の両方に関連する危険性がある。
現在、化石燃料または好適なバイオマスから発電する従来の手段においては、ＣＯ２を隔離場所に輸送するために高圧で回収しなければならないことによる負担が増えている。しかしながら、現在の技術では、ＣＯ２回収にとって最善の設計でさえも非常に低い熱効率しか得られないため、この要求を満たすことは難しいことが明らかになっている。さらに、ＣＯ２の回収を実現するための資本コストは高く、その結果、大気中にＣＯ２を排出するシステムと比較して発電コストが著しく高くなる。したがって、ＣＯ２排出量を減少する、および／または生成されたＣＯ２の隔離し易さを改善することができる高効率発電のためのシステムおよび方法の必要性が当技術分野においてますます高まっている。
本発明は、循環流体（例えば、ＣＯ２循環流体）と組み合わせて高効率燃焼器（例えば、浸み出し冷却式燃焼器）を用いる発電のための方法およびシステムを提供する。特に、循環流体およびあらゆる燃焼生成物を含む高圧高温の流体流が生成されるように、燃料および燃焼のための酸化剤と共に循環流体を燃焼器に導入することができる。流体流は、タービンなどの発電装置内に導入することができる。有利なことに、タービン前後の圧力比（すなわち、タービン出口圧力に対するタービン入口圧力の比）が約１２未満になるように、タービンにおける膨張中に流体流を比較的高圧に維持することができる。次いで、流体流の成分を分離するために流体流をさらに処理することができ、この処理には、流体流を熱交換器に通すことが含まれ得る。特に、循環流体（その少なくとも一部を流体流から再利用してもよい）を、同じ熱交換器に通して、循環流体を燃焼器に導入する前に加熱することができる。そのような実施形態では、熱交換器において、タービン排気と熱交換器の高温端における再利用流体との間の温度差がほんのわずかであるように、熱交換器を（例えば、低位熱源の選択によって）動作させることが有用であり得る。
特定の実施態様では、本発明は、低資本コストで高効率に発電することができ、さらに隔離のためにパイプライン圧力で実質的に純粋なＣＯ２を生成することもできる発電システムを提供する。また、ＣＯ２を発電システムに再利用してもよい。
本発明のシステムおよび方法は、多種多様な燃料源を使用可能であることを特徴とする。例えば、本発明に従って使用される高効率燃焼器は、気体燃料（例えば、天然ガスまたは石炭由来ガス）、液体燃料（例えば、炭化水素、瀝青）および固体燃料（例えば、石炭、亜炭、石油コークス）を利用することができる。別途本明細書に記載されているように、さらなる燃料を使用することができる。
他の実施様態では、本発明の方法およびシステムは、ＣＯ２の回収を行わない従来の石炭火力発電所の最高効率を超えることができるという点で特に有用である。そのような従来の発電所では、瀝青炭を用い、１．７水銀柱インチ（約５．８ｋＰａ）の復水器圧力で、最大約４５％の効率（低位発熱量すなわち「ＬＨＶ」）を得ることができる。本システムは、そのような効率を超えることができると共に、所要圧力での隔離または他の廃棄処分のためにＣＯ２を輸送することもできる。
さらに別の態様では、本発明は、同様の燃料を用いる従来の技術と比較して、発電システムの物理的なサイズおよび資本コストを低下させることができる。よって、本発明の方法およびシステムは、発電システムに関連する建設費を著しく低下させることができる。
またさらに、本発明の方法およびシステムは、使用および／または生成されたＣＯ２、特に燃料中に存在する炭素に由来するＣＯ２を実質的に１００％回収することができる。特に、ＣＯ２は、パイプライン圧力で乾燥した精製ガスとして得ることができる。さらに、本発明は、他の使用および／または廃棄処分のために他の燃料と燃焼由来の不純物とを別々に回収することができる。
特定の一実施態様では、本発明は、ＣＯ２などの循環流体の使用を組み込んだ発電方法に関する。具体的な実施形態では、本発明による発電方法は、炭素含有燃料、Ｏ２、およびＣＯ２循環流体を浸み出し冷却式燃焼器に導入することを含むことができる。具体的には、少なくとも約８ＭＰａ（好適には、少なくとも約１２ＭＰａ）の圧力および少なくとも約２００℃（好適には、少なくとも約４００℃）の温度でＣＯ２を導入することができる。本方法は、ＣＯ２含有燃焼生成物流を提供するために燃料を燃焼させることをさらに含むことができる。特に、燃焼生成物流は、少なくとも約８００℃の温度を有することができる。さらに、本方法は、発電するために燃焼生成物流をタービン全体に膨張させることを含むことができ、タービンは、燃焼生成物流を受容するための入口と、ＣＯ２含有タービン排出流を放出するための出口とを有する。好適には、出口におけるタービン排出流に対する入口における燃焼生成物流の圧力比を約１２未満にすることができる。具体的な実施形態では、ＣＯ２を、少なくとも約１０ＭＰａの圧力、少なくとも約２０ＭＰａの圧力、少なくとも約４００℃の温度、または少なくとも約７００℃の温度で燃焼器に導入することが望ましいこともある。さらなる可能な処理パラメータを本明細書に記載する。
一部の実施形態では、ＣＯ２循環流体を、Ｏ２および炭素含有燃料のうちの一方または両方との混合物として、浸み出し冷却式燃焼器に導入することができる。他の実施形態では、ＣＯ２循環流体を、浸み出し冷却式燃焼器内に形成された１つ以上の浸み出し流体供給路を通して導かれる浸み出し冷却流体のすべてまたは一部として浸み出し冷却式燃焼器に導入することができる。具体的な実施形態では、ＣＯ２循環流体を、浸み出し流体としてのみ燃焼器内に導くことができる。
燃焼は、具体的には、実際の燃焼温度を特徴としてもよい。例えば、少なくとも約１，５００℃の温度で燃焼を行うことができる。他の実施形態では、約１，６００℃〜約３，３００℃の温度で燃焼を行うことができる。
本発明はまた、Ｏ２流中のＯ２の純度を特徴としてもよい。例えば、一部の実施形態では、周囲空気が有用であることもある。しかしながら、具体的な実施形態では、酸素含有量を精製して高めることが有益であり得る。例えば、Ｏ２を、Ｏ２のモル濃度が少なくとも８５％である流れとして供給することができる。さらなる具体的な濃度を本明細書に記載する。
具体的な実施形態では、燃焼生成物流は、少なくとも約１，０００℃の温度を有することができる。さらに、燃焼生成物流は、燃焼器に導入されるＣＯ２の圧力の少なくとも約９０％または燃焼器に導入されるＣＯ２の圧力の少なくとも約９５％である圧力を有することができる。
一部の実施形態では、タービン出口におけるタービン排出流に対するタービン入口における燃焼生成物流の圧力比を約１．５〜約１０または約２〜約８にすることができる。さらなる可能な比を本明細書に提供する。
本発明は、燃焼室に導入される具体的な材料の比を特徴としてもよい。例えば、燃焼室に導入される燃料中の炭素に対するＣＯ２循環流体中のＣＯ２のモル比を約１０〜約５０または約１０〜約３０にすることができる。さらなる可能な比を本明細書に提供する。
本発明は、タービン排出流中のＣＯ２の少なくとも一部を再利用し、燃焼器内に再導入することができるという点をさらに特徴としてもよい。ＣＯ２の少なくとも一部を、例えばパイプラインを通して（隔離または他の廃棄処分などのために）本システムから排出してもよい。
具体的な実施形態では、タービン排気流中のＣＯ２は、気体の状態であり得る。特に、タービン排気流は７ＭＰａ以下の圧力を有することができる。
他の実施形態では、本発明の方法は、タービン排気流を、タービン排気流を冷却し、かつ約２００℃未満の温度を有するＣＯ２循環流体流を供給する少なくとも１つの熱交換器に通すことをさらに含むことができる。これは、１種以上の二次成分（すなわち、ＣＯ２以外の成分）の除去を容易にすることができる条件下でＣＯ２循環流体流を供給するのに有用であり得る。具体的な実施形態では、これは、タービン排気流を、一連の少なくとも２つの熱交換器に通すことを含むことができる。より具体的には、一連の熱交換器の中の第１の熱交換器は、タービン排気流を受容し、かつその温度を低下させることができ、第１の熱交換器は、少なくとも約９００℃の温度に耐える高温合金で形成されている。
本発明の方法はまた、上記のように、ＣＯ２に加えて循環流体流中に存在する１種以上の二次成分を除去するために、ＣＯ２循環流体流に対して１つ以上の分離ステップを行うことを含むことができる。具体的には、１種以上の二次成分は水を含んでいてもよい。
本発明の方法はまた、ＣＯ２流を加圧することを含んでもよい。例えば、燃焼生成物流の膨張およびタービン排気流の冷却後に、この流れを燃焼器に戻して再利用するために加圧することが有益であり得る。具体的には、本方法は、少なくとも約８ＭＰａの圧力までＣＯ２循環流体流を加圧するために、ＣＯ２循環流体流を１つ以上の圧縮機（例えば、ポンプ）に通すことを含むことができる。これは、ＣＯ２循環流体流を加圧するために、ＣＯ２循環流体流を一連の少なくとも２つの圧縮機に通すことをさらに含むことができる。特定の実施形態では、ＣＯ２循環流体流を、少なくとも約１５ＭＰａの圧力まで加圧することができる。別途本明細書に記載されているように、さらなる圧力範囲が望ましいこともある。他の実施形態では、加圧したＣＯ２循環流体流を、具体的には、超臨界流体の状態で供給することができる。一部の実施形態では、隔離（または、既に上述したように、他の廃棄処分）のために、加圧したＣＯ２循環流体流中のＣＯ２の少なくとも一部を加圧されたパイプラインに導入することができる。
加圧することに加えて、本発明の方法はまた、燃焼器内に再導入（すなわち、ＣＯ２循環流体流を再利用）するために、先に冷却したＣＯ２循環流体流を加熱することを含むことができる。一部の実施形態では、これは、加圧したＣＯ２循環流体流を、少なくとも約２００℃、少なくとも約４００℃、または少なくとも約７００℃の温度まで加熱することを含むことができる。特定の実施形態では、加圧したＣＯ２循環流体流を、約５０℃以下の差だけタービン排気流の温度よりも低い温度まで加熱することができる。さらなる可能な温度範囲を本明細書に提供する。具体的には、そのような加熱することは、加圧したＣＯ２循環流体流を、タービン排気流を冷却するために使用される同じ熱交換器（複数可）に通すことを含むことができる。そのような加熱することはまた、外部源からの熱（すなわち、熱交換器から再回収された熱以外）の投入を含むことができる。具体的な実施形態では、加熱することは、Ｏ２分離ユニットから取り出した熱の使用を含むことができる。好適には、この追加的な熱は、熱交換器ユニットの低温端で（または、一連の熱交換器が使用されている場合には、一連の熱交換器の中の最も高い温度範囲にわたって動作している熱交換器の前に）導入される。
特定の実施形態では、本発明は、燃焼生成物流の性質を特徴とすることができ、これにより、複数のタービンを任意で実装することが可能になる。例えば、一部の実施形態では、燃焼生成物流は、１種以上の可燃成分（例えば、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、ＮＨ３およびそれらの組み合わせからなる群から選択される成分）を含む還元流体であり得る。これを、Ｏ２と使用される燃料との比によって制御してもよい。一部の実施形態では、燃焼生成物流の蒸気は、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、およびＳＯ２などの完全に酸化された成分、ならびに上に列挙した還元された成分を含有していてもよい。実現される実際の組成は、浸み出し燃焼器への供給に使用される、Ｏ２と燃料との比によって決まり得る。より具体的には、そのような実施形態にいおて使用されるタービンは、それぞれが入口および出口を有する２つ以上のユニットを備えることができる。具体的な実施形態では、各ユニットの入口における動作温度が実質的に同じになるように、タービンユニットを動作させることができる。これは、第１のタービンユニット（または、３つ以上のユニットが使用されている場合には先行するタービンユニット）の出口において、ある量のＯ２を流体流に添加することを含むことができる。Ｏ２の供給によって、１種以上の可燃成分の燃焼を可能にすることができ、これにより、一連のタービンにおいて次のタービンへ流入する前に、流れの温度が上昇される。これにより、循環流体の存在下で、燃焼ガスから生成される電力を最大にすることができる。
他の実施形態では、タービン排気流は、酸化流体であり得る。例えば、タービン排気流は、過剰な量のＯ２を含んでいてもよい。
一部の実施形態では、本発明は、様々な流れの状態を特徴とすることができる。例えば、燃焼生成物流をタービン全体に膨張させるステップの後、タービン排気流は、気体の状態になり得る。このガスを少なくとも１つの熱交換器に通して、ＣＯ２をあらゆる二次成分から分離するために気体のタービン排気流を冷却することができる。その後、分離したＣＯ２の少なくとも一部を加圧して超臨界流体状態に変え、同じ熱交換器（複数可）に再び通して、燃焼器内で再利用するためにＣＯ２を加熱することができる。具体的な実施形態では、膨張するステップから熱交換器（または一連の熱交換器が使用される場合には第１の熱交換器）に流入するタービン排気流の温度と、燃焼器内で再利用するために同じ熱交換器から流出する加熱し、加圧した超臨界流体ＣＯ２の温度との温度差を約５０℃未満にすることができる。
上記のように、燃料燃焼器から流出する流体流は、ＣＯ２循環流体、ならびに燃焼生成物などの１種以上のさらなる成分を含んでいてもよい。一部の実施形態では、ＣＯ２の少なくとも一部を再利用し、それを燃料燃焼器に再導入することが有用であり得る。よって、循環流体は、再利用流体であり得る。当然のことながら、外部源からのＣＯ２を循環流体として使用することができる。タービン排気をエコノマイザ熱交換器で冷却してもよく、取り出した熱を使用して、高圧再利用ＣＯ２を加熱することができる。熱交換器の低温端を出る冷却されたタービン排気は、Ｈ２Ｏ、ＳＯ２、ＳＯ３、ＮＯ、ＮＯ２、Ｈｇ、およびＨＣｌなどの燃料または燃焼プロセス由来の成分を含有することができる。さらなる実施形態では、これらの成分を好適な方法を用いて流れから除去することができる。この流れ中の他の成分は、Ｎ２、アルゴン（Ａｒ）、および過剰Ｏ２などの燃料または酸化剤由来の不活性気体不純物を含んでいてもよい。これらを、別個の好適なプロセスによって除去してもよい。さらなる実施形態では、タービン排気を冷却した際にＣＯ２の液相が形成し得ないように、タービン排気の圧力を、利用可能な冷却手段の温度において、タービン排気中のＣＯ２の凝縮圧力よりも低くしなければならない。これは、このことにより、水の凝縮を可能にする最少量の水蒸気を含有する気体ＣＯ２から液体として水を効率的に分離することが可能になるためである。さらなる実施形態では、ここで、精製されたＣＯ２を、燃焼器への供給燃料中の炭素に由来する酸化された炭素に相当する流体中のＣＯ２の少なくとも一部と共に加圧して、高圧再利用ＣＯ２循環流体流を生成することができ、これを、隔離のために加圧されたパイプラインに導入することができる。タービン排気流が高圧であることから、最小限のさらなる処理または圧縮で、ＣＯ２を、燃焼プロセスから直接、加圧されたパイプライン内に移動させることができることは、大気圧（すなわち、約０．１ＭＰａ）に近い圧力でＣＯ２が回収される、または大気に放出される従来の方法に勝る明らかな利点である。さらに、これまで知られている方法よりも効率的かつ経済的な方法で、本発明による隔離のためにＣＯ２を移動してもよい。
理想的には臨界圧を超えて熱交換器に流入する再利用ＣＯ２流体の比熱は高く、温度が上昇するにつれて低下する。最も低い温度レベルの熱の少なくとも一部が、外部源から得られることが特に有益である。これは、例えば、凝縮時に熱を出す低圧蒸気供給であり得る。さらなる実施形態では、この熱源は、再利用ＣＯ２流に熱を提供するために使用される伝熱流体の密閉サイクル流による圧縮熱の中間冷却および抽出を行わない断熱モードでにおいて、酸化剤を燃焼器に供給する深冷空気分離装置で使用される空気圧縮機の動作に由来するものであってもよい。
一実施形態では、本発明による発電方法は、以下のステップを含むことができる。すなわち：
燃料、Ｏ２、およびＣＯ２循環流体を燃焼器に導入するステップであって、ＣＯ２を少なくとも約８ＭＰａの圧力および少なくとも約２００℃の温度で導入する、導入するステップ；
ＣＯ２含有燃焼生成物流を提供するために燃料を燃焼させるステップであって、燃料生成物流が少なくとも約８００℃の温度を有する、燃焼させるステップ；
発電するために燃焼生成物流をタービン全体に膨張させるステップであって、タービンが、燃焼生成物流を受容するための入口と、ＣＯ２含有タービン排気流を放出するための出口とを有し、出口におけるタービン排気流に対する入口における燃焼生成物流の圧力比が約１２未満である、膨張させるステップ；
冷却したタービン排気流を供給するためにタービン排気流を熱交換ユニットに通すことによって、熱をタービン排気流から取り出すステップ；
精製し冷却したタービン排気流を供給するために、ＣＯ２に加えて冷却したタービン排気流中に存在する１種以上の二次成分を冷却したタービン排気流から除去するステップ；
超臨界ＣＯ２循環流体流を供給するために、精製し冷却したタービン排気流を、ＣＯ２臨界圧を超える圧力まで第１の圧縮機で圧縮するステップ；
その密度が少なくとも約２００ｋｇ／ｍ３になる温度まで超臨界ＣＯ２循環流体流を冷却するステップ；
燃焼器への流入に必要な圧力までＣＯ２循環流体を加圧するために、超臨界高密度ＣＯ２循環流体を第２の圧縮機に通すステップ；
取り出した熱を使用してＣＯ２循環流体の温度を上昇させるように、超臨界高密度高圧ＣＯ２循環流体を同じ熱交換ユニットに通すステップ；
燃焼器への再利用のための熱交換ユニットから流出するＣＯ２循環流体の温度とタービン排気流の温度との差が約５０℃未満になるように、追加量の熱を超臨界高密度高圧ＣＯ２循環流体に供給するステップ；ならびに
加熱した超臨界高密度ＣＯ２循環流体を燃焼器に再利用するステップ。
特定の実施形態では、本システムおよび方法は、既存の電力システムおよび方法（例えば、従来の石炭火力発電所、原子炉、および従来のボイラシステムを利用し得る他のシステムおよび方法）と組み合わせるのに特に有用であり得る。よって、一部の実施形態では、本発明の方法は、上述の膨張させるステップと取り出すステップとの間に、タービン排気流を第２の熱交換ユニットに通すことを含むことができる。そのような第２の熱交換ユニットは、汽力発電システム（例えば、石炭火力発電所および原子炉を含む、従来のボイラシステム）に由来する１つ以上の流れを加熱するために、タービン排気流からの熱を使用することができる。次いで、このように加熱した蒸気流を１つ以上のタービンに通して発電することができる。従来の電力システム（例えば、ボイラ）の構成要素を通して再循環させることによって、タービンから流出する流れを処理することができる。
さらなる実施形態では、本発明の方法は、以下のうちの１つ以上を特徴としてもよい。すなわち：
タービン排気流をその露点未満の温度まで冷却すること；
タービン排気流を周囲温度冷却媒体に接触させてさらに冷却すること；
Ｈ２ＳＯ４、ＨＮＯ３、ＨＣｌ、および水銀のうちの１種以上を含む溶液を形成するために、１種以上の二次成分と共に水を凝縮すること；
冷却したタービン排気流を約１５ＭＰａ未満の圧力まで加圧すること；
熱交換ユニットに通す前に超臨界高密度高圧ＣＯ２循環流体流から生成ＣＯ２流を取り出すこと；
燃料として部分燃焼生成物の流れを使用すること；
ＣＯ２循環流体の存在下でＯ２を用いて炭素含有燃料を酸素と共に燃焼させることであって、炭素含有燃料、Ｏ２、およびＣＯ２循環流体を、炭素含有燃料が部分的にのみ酸化されて、不燃焼性成分、ＣＯ２、ならびにＨ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、およびＮＨ３のうちの１種以上を含む部分的に酸化された燃焼生成物流を生成するような比で提供する、燃焼させること；
部分的に酸化された燃焼生成物流の温度が、流れの中の不燃焼性成分のすべてが固体粒子の形態であるのに十分に低くなるような比で、炭素含有燃料、Ｏ２、およびＣＯ２循環流体を提供すること；
部分的に酸化された燃焼生成物流を１つ以上のフィルタに通すこと；
不燃焼性成分の残留量を、部分的に酸化された燃焼生成物の約２ｍｇ／ｍ３未満まで減少させるために、フィルタを使用すること；
燃料として石炭、亜炭、または石油コークスを使用すること；
ＣＯ２を含むスラリーとして微粒燃料を提供すること。
さらなる実施形態では、本発明を、以下のステップを含む発電方法に関するものとして説明してもよい。すなわち、
炭素含有燃料、Ｏ２、およびＣＯ２循環流体を浸み出し冷却式燃焼器に導入するステップであって、ＣＯ２を少なくとも約８ＭＰａの圧力および少なくとも約２００℃の温度で導入する、導入するステップ；
ＣＯ２含有燃焼生成物流を提供するために燃料を燃焼させるステップであって、燃料生成物流が少なくとも約８００℃の温度を有する、燃焼させるステップ；
発電するために燃焼生成物流をタービン全体に膨張させるステップであって、タービンが、燃焼生成物流を受容するための入口と、ＣＯ２含有タービン排気流を放出するための出口とを有し、出口におけるタービン排気流に対する入口における燃焼生成物流の圧力比が約１２未満である、膨張させるステップ；
タービン排気流を、タービン排気流から熱を取り出してＣＯ２循環流体流を提供する一連の少なくとも２つの熱交換器に通すステップ；
ＣＯ２に加えて循環流体流中に存在する１種以上の二次成分をＣＯ２循環流体流から除去するステップ；
ＣＯ２循環流体流を、ＣＯ２循環流体の圧力を少なくとも約８ＭＰａまで上昇させ、かつ循環流体中のＣＯ２を気体の状態から超臨界流体状態に変える一連の少なくとも２つの圧縮機に通すステップ；ならびに
超臨界ＣＯ２循環流体を、取り出した熱を使用してＣＯ２循環流体の温度を少なくとも約２００℃（または、任意で、約５０℃以下の差だけタービン排気流の温度よりも低い温度）まで上昇させる同じ一連の少なくとも２つの熱交換器に通すステップ。これは、具体的には、外部熱源（すなわち、熱交換器（複数可）にタービン排気流を通すことに直接由来しない熱源）からの追加的な熱の導入を含んでもよい。
さらなる実施形態では、本発明は、ＣＯ２を大気に放出することなく、炭素含有燃料の燃焼により高効率に発電する方法を提供することを特徴としてもよい。具体的には、本方法は、以下のステップを含むことができる。すなわち：
炭素含有燃料、Ｏ２、および再利用ＣＯ２循環流体を、規定の化学量論比で浸み出し冷却式燃焼器に導入するステップであって、ＣＯ２を少なくとも約８ＭＰａの圧力および少なくとも約２００℃の温度で導入する、導入するステップ；
ＣＯ２含有燃焼生成物流を提供するために燃料を燃焼させるステップであって、燃料生成物流が少なくとも約８００℃の温度を有する、燃焼させるステップ；
発電するために燃焼生成物流をタービン全体に膨張させるステップであって、タービンが、燃焼生成物流を受容するための入口と、ＣＯ２含有タービン排気流を放出するための出口とを有し、出口におけるタービン排気流に対する入口における燃焼生成物流の圧力比が約１２未満である、膨張させるステップ；
タービン排気流を、タービン排気流から熱を取り出してＣＯ２循環流体流を提供する一連の少なくとも２つの熱交換器に通すステップ；
ＣＯ２循環流体流を、ＣＯ２循環流体の圧力を少なくとも約８ＭＰａまで上昇させ、かつ循環流体中のＣＯ２を気体の状態から超臨界流体状態に変える一連の少なくとも２つの圧縮機に通すステップ；
ＣＯ２循環流体流を分離ユニットに通すステップであって、化学量論的に必要な量のＣＯ２を再利用し、かつ燃焼器まで導き、大気に放出することなくあらゆる過剰なＣＯ２を取り出す、通すステップ；ならびに
再利用ＣＯ２循環流体を、取り出した熱を使用して、燃焼器内への導入前にＣＯ２循環流体の温度を少なくとも約２００℃（または、任意で、約５０℃以下の差だけタービン排気流の温度よりも低い温度）まで上昇させる同じ一連の少なくとも２つの熱交換器に通すステップ；
ここでは、燃焼効率は５０％超であり、前記効率は、生成される正味電力と、発電のために燃焼される炭素含有燃料の総低位発熱量熱エネルギーとの比として計算する。
別の実施態様では、本発明は、発電システムを提供するものとして説明することができる。具体的には、本発明による発電システムは、浸み出し冷却式燃焼器と、発電タービンと、少なくとも１つの熱交換器と、少なくとも１つの圧縮機とを備えることができる。
具体的な実施形態では、浸み出し冷却式燃焼器は、炭素含有燃料、Ｏ２、およびＣＯ２循環流体流を受容するための少なくとも１つの入口を有することができる。燃焼器は、ＣＯ２循環流体の存在下で燃料を燃焼させ、かつ規定の圧力（例えば、少なくとも約８ＭＰａ）および温度（例えば、少なくとも約８００℃）のＣＯ２含有燃焼生成物流を提供する少なくとも１つの燃焼段をさらに有することができる。
発電タービンは、燃焼器に流体連通させることができ、燃焼生成物流を受容するための入口と、ＣＯ２含有タービン排気流を放出するための出口とを有することができる。タービンは、出口におけるタービン排気流に対する入口における燃焼生成物流の圧力比が約１２未満になるように、圧力降下を制御するように構成することができる。
少なくとも１つの熱交換器を、タービン排気流を受容するために、タービンに流体連通させることができる。熱交換器（複数可）は、熱をタービン排気流からＣＯ２循環流体流まで伝達させることができる。
少なくとも１つの圧縮機を、少なくとも１つの熱交換器に流体連通させることができる。圧縮機（複数可）は、ＣＯ２循環流体流を所望の圧力まで加圧するように構成することができる。
上記に加えて、本発明による発電システムは、少なくとも１つの熱交換器と、少なくとも１つの圧縮機との間に配置された、１つ以上の分離装置をさらに備えることができる。そのような分離装置（複数可）は、ＣＯ２に加えてＣＯ２循環流体中に存在する１種以上の二次成分を除去するために有用であり得る。
またさらに、本発電システムは、熱を生成する１つ以上の構成要素を含むＯ２分離ユニットを備えることができる。よって、本発電システムはまた、熱をＯ２分離ユニットから燃焼器の上流にあるＣＯ２循環流体まで伝達させる１つ以上の伝熱構成要素を備えることができる。任意で、本発電システムは、外部熱源を備えることができる。これは、例えば、凝縮時に熱を出す低圧蒸気供給であり得る。よって、本発電システムは、熱を蒸気から燃焼器の上流にあるＣＯ２循環流体まで伝達させる、１つ以上の伝熱構成要素を含むことができる。
さらなる実施形態では、本発明の発電システムは、以下のうちの１つ以上を含んでいてもよい。すなわち：
ＣＯ２循環流体流をＣＯ２臨界圧を超える圧力まで圧縮するように構成された第１の圧縮機；
ＣＯ２循環流体流を燃焼器への流入に必要とされる圧力まで圧縮するように構成された第２の圧縮機；
ＣＯ２循環流体流をその密度が約２００ｋｇ／ｍ３超となる温度まで冷却するように構成された冷却装置；
熱を外部源から燃焼器の上流かつ第２の圧縮機の下流にあるＣＯ２循環流体まで伝達させる１つ以上の伝熱構成要素；
浸み出し冷却式燃焼器の上流にそこに流体連通して配置された第２の燃焼器；
第２の燃焼器と浸み出し冷却式燃焼器との間に配置された１つ以上のフィルタまたは分離装置；
流動媒体で微粒子燃料材料のスラリーを形成するための混合装置；
固体燃料を微粒子化するための粉砕装置。
他の実施形態では、本発明は、以下を含み得る発電システムを提供することができる。すなわち：
燃料、ＣＯ２循環流体、および酸化剤を供給するための１つ以上の噴射器；
燃料を燃焼させ、かつ少なくとも約８００℃の温度および少なくとも約４ＭＰａ（好適には、少なくとも約８ＭＰａ）の圧力の排気流体流を提供する、少なくとも１つの燃焼段を有する浸み出し冷却式燃焼器；
入口および出口を有し、かつ流体流が膨張するにつれて電力が生成される発電タービンであって、タービンが、流体流の出口に対する入口の圧力比が約１２未満になるように、流体流を所望の圧力に維持するように設計される、発電タービン；
タービン出口を出る流体流を冷却し、かつＣＯ２循環流体を加熱するための熱交換器；ならびに
回収または廃棄処分のために、熱交換器から流出する流体流をＣＯ２および１種以上のさらなる成分に分離するための１つ以上の装置。さらなる実施形態では、本発電システムはまた、流体流から分離されたＣＯ２の少なくとも一部を加圧されたパイプラインの中に輸送するための１つ以上の装置を含んでいてもよい。
具体的な実施形態では、本発明によるシステムは、石炭火力発電所や原子炉などの従来の発電システムに組み込まれた本明細書に記載されているような１つ以上の構成要素を含んでいてもよい。例えば、電力システムは、２つの熱交換ユニット（例えば、主熱交換ユニットおよび二次熱交換ユニット）を備えることができる。主熱交換ユニットは、実質的に、別途本明細書に記載されているようなユニットとすることができ、二次熱交換ユニットは、熱をタービン排気流から１つ以上の蒸気流（例えば、従来の発電システムに関連するボイラ由来）まで伝達させて蒸気流を過熱するために有用なユニットとすることができる。よって、本発明による発電システムは、タービンと主熱交換ユニットとの間に、それらに流体連通して配置された二次熱交換ユニットを備えてもよい。本発電システムは、同様に、少なくとも１つの蒸気流を介して二次熱交換ユニットに流体連通するボイラを備えることができる。またさらに、本発電システムは、二次熱交換ユニットから少なくとも１つ蒸気流を受容するための入口を有する、少なくとも１つの追加的な発電タービンを備えることができる。よって、本システムを、主発電タービンと二次発電タービンとを備えるものとして説明してもよい。主発電タービンは、本発明の燃焼器に流体連通したタービンであってもよい。二次発電タービンは、蒸気流、特に、主発電タービンからの排気流からの熱で過熱される過熱した蒸気流に流体連通したタービンであってもよい。従来の発電システムからの１つ以上の構成要素に組み込まれたそのようなシステムは、特に、図１２および実施例２に関して本明細書に説明される。主発電タービンおよび二次発電タービンの語の使用は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、単に説明を明確にするために使用されている。
本発明の別の実施態様では、冷却中のタービン排気流からの伝熱によって熱交換器の高温端で外部流を加熱してもよく、その結果、高圧再利用流は熱交換器を出て、より低温で燃焼器に流入する。この場合、燃焼器で燃焼される燃料の量をタービン入口温度が維持されるように増加してもよい。燃焼された追加の燃料の発熱量は、熱交換器に与えられる追加の熱負荷に等しい。
一部の実施形態では、本発明は、主にＣＯ２循環流体の循環から軸動力を生成するプロセス装置を提供することを特徴とすることができる。さらなる実施形態では、本発明は、特定の条件が満たされ得るプロセスを提供する。具体的な実施形態では、本発明は、以下の動作のうちの１つ以上またはそのような動作を行うために有用な装置をさらに特徴としてもよい。すなわち：
ＣＯ２循環流体をＣＯ２の臨界圧を上回る圧力まで圧縮すること；
必要な出力タービン入口温度、例えば、約５００℃超（または、本明細書に記載されているような他の温度範囲）を達成するためにＣＯ２富化超臨界再利用流体を混合するための装置により、固体、液体、または気体の炭化水素燃料を実質的に純粋なＯ２中で直接燃焼させること；
軸動力の生成と共に、燃焼生成物および再利用ＣＯ２富化流体で形成された超臨界流をタービンで膨張させることであって、特に約２ＭＰａを超え、かつ周囲温度冷却手段を使用した場合に矛盾しない温度まで流体を冷却した際にＣＯ２液相が現れる圧力よりも低い圧力（例えば、約７．３〜７．４ＭＰａ）まで膨張させる、膨張させること；
タービン排気を冷却し、かつ熱を再利用ＣＯ２富化超臨界流体まで伝達させる熱交換器にタービン排気を導入すること；
熱交換器を出るＣＯ２含有流を周囲温度冷却手段に接触させて冷却すること、および少なくとも微濃度のＣＯ２を含有する水液相と少なくとも微濃度の水蒸気を含有する気体ＣＯ２相とを分離すること；
ＳＯ２、ＳＯ３、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｏ２、および／またはＨｇに関与する反応が生じ、その結果、流れの中に存在する９８％超の硫黄がＨ２ＳＯ４に変換され、流中に存在する９０％超の窒素酸化物がＨＮＯ３に変換され、流中の８０％超の水銀が可溶性水銀化合物に変換されるように、気体ＣＯ２と液体の水または弱酸相とを密に接触させた状態で所望の滞留時間（例えば、最大１０秒）を可能にするように水分離を行うこと；
気液相分離により主に気相中にＮ２、Ａｒ、およびＯ２が残った状態でＣＯ２凝固点に近い温度まで冷却することによって、気体ＣＯ２相から非凝縮性成分（Ｎ２、Ａｒ、およびＯ２など）を分離すること；
精製した気体ＣＯ２流を、周囲温度冷却手段によって冷却することにより高密度のＣＯ２流体（例えば、少なくとも約２００ｋｇ／ｍ３、好ましくは少なくとも約３００ｋｇ／ｍ３、またはより好ましくは少なくとも約４００ｋｇ／ｍ３の密度を有する）が得られる圧力までガス圧縮機で圧縮すること；
高密度のＣＯ２超臨界流体（例えば、少なくとも約２００ｋｇ／ｍ３、好ましくは少なくとも約３００ｋｇ／ｍ３、またはより好ましくは少なくとも約４００ｋｇ／ｍ３の密度を有する）を形成するために、周囲温度冷却手段で圧縮したＣＯ２を冷却すること；
高密度ＣＯ２流体をＣＯ２の臨界圧を超える圧力まで圧縮機で圧縮すること；
高圧ＣＯ２流を２つの別個の流れ、すなわち、熱交換器の低温端に流出する１つの流れと、約２５０℃未満の温度で利用可能な外部加熱源を用いて加熱するもう１つの流れとに分離すること；
熱交換器の高温端に流入するタービン排気流の温度と、同じ熱交換器の高温端を出る再利用ＣＯ２循環流体の温度との差が約５０℃未満（または本明細書に記載されているような他の温度閾値）になるように、効率的な伝熱（任意の外部熱源の使用を含む）を容易にすること；
ＣＯ２循環流体を、約８ＭＰａ〜約５０ＭＰａの圧力（または本明細書に記載されているような他の圧力範囲）まで圧縮すること；
燃料の自己着火温度よりも低く、かつ約１，２００℃〜３，５００℃の断熱火炎温度（または本明細書に記載されているような他の温度範囲）が得られるようにその割合が調整されている、単一の流体流（または粉末状の固体燃料を使用する場合にはスラリー）を形成するために、Ｏ２流を再利用ＣＯ２循環流体流の少なくとも一部および炭素含有燃料流と混合すること；
約５００℃〜１，６００℃の範囲の温度（または本明細書に記載されているような他の温度範囲）の混合した流体流を形成するために、再利用ＣＯ２循環流体の少なくとも一部を燃焼生成物と混合すること；
約２ＭＰａ〜約７．３ＭＰａの圧力（または本明細書に記載されているような他の圧力範囲）を有するタービン排気流を生成すること；
深冷Ｏ２装置の１つ以上の空気圧縮機（特に断熱モード）および／またはＣＯ２圧縮機（特に断熱モード）の動作に由来する圧縮熱を用いて高圧ＣＯ２循環流体流の一部を外部から加熱することであって、熱が、好適な伝熱流体（ＣＯ２流体それ自体を含む）の循環によって伝達される、加熱すること；
当量の追加の燃料をバーナで燃焼させながら１つ以上の外部流体流を熱交換器で加熱することであって、１つ以上の外部流体流が、熱交換器で過熱することができる蒸気を含んでいてもよい、加熱すること；
再利用ＣＯ２循環流体流の一部を外部から加熱するために、外部源から提供された蒸気を凝縮することによって供給された熱を使用すること；
外部から提供された流体流を加熱するための熱を提供するために、熱交換器でＣＯ２含有流（熱交換器の低温端を出る）を冷却すること；
Ｏ２のモル濃度が少なくとも約８５％（または本明細書に記載されているような他の濃度範囲）であるＯ２供給流を提供すること；
燃焼器を出て、タービンに流入する総ガス流（すなわち燃焼生成物流）中のＯ２濃度が約０．１％モル超になるように燃焼器を動作させること；
１つのみの発電タービンを使用するように発電プロセスを行うこと；
１つのみの燃焼器を使用して燃焼器内に投入される炭素含有燃料を実質的に完全に燃焼させるように発電プロセスを行うこと；
燃焼器に流入するＯ２流中のＯ２の量が燃焼器に流入する燃料流の化学量論的燃焼のために必要な量よりも少なくなるように、ひいては、燃焼生成物流中のＨ２および一酸化炭素（ＣＯ）のうちの一方または両方が生成されるように燃焼器を動作させること；ならびに
それぞれが規定の出口圧力を有する２つ以上のタービンを用いてプロセスを行うことであって、Ｈ２およびＣＯのうちの一方または両方が第１のタービン（および該当する場合、一連のタービンの中の最終タービンを除くその後のタービン）を出る排気流中に存在し、第２以降のタービンの入口の前にＯ２流を添加して、第２以降のタービンのそれぞれの動作温度を、最後のタービンからの出口流中に過剰、すなわち、約０．１％モル超の過剰なＯ２が生じる、より高い値まで上昇させることによってＨ２およびＣＯの一部またはすべてを燃焼させる、プロセスを行うこと。
さらなる実施形態では、本発明は、以下のうちの１つ以上を提供してもよい。すなわち：
タービン排気流がその露点未満の温度まで冷却されるように、ＣＯ２循環流体を熱交換システムで冷却中のタービン排気流に接触させて加熱すること；
タービン排気流を周囲温度冷却媒体に接触させて冷却すること、そして燃料およびＨ２ＳＯ４、ＨＮＯ３、ＨＣｌを含む燃焼由来の不純物ならびに溶液中のイオン性化合物の形態のＨｇや他の金属などの他の不純物と共に水を凝縮すること；
精製したＣＯ２循環流体を、第１の圧縮機で、その臨界圧を超えるが１０ＭＰａ未満の圧力まで圧縮すること；
循環流体を、その密度が６００ｋｇ／ｍ３を超える点まで冷却すること；
高密度ＣＯ２循環流体を、システムにおける圧力降下に打ち勝ち、かつ燃焼室にＣＯ２循環流体を供給するのに必要な圧力まで圧縮機で圧縮すること；
燃料流中の炭素の燃焼によって生成されたＣＯ２の実質的にすべてを含有する生成物ＣＯ２流を除去することであって、ＣＯ２流を、第１の圧縮機または第２の圧縮機の排気流のいずれか一方から取り出す、除去すること；
ＣＯ２循環流体と熱交換器の高温端におけるタービン排気との温度差が５０℃未満になるように、熱交換器に直接、あるいはＣＯ２循環流体の一部を含む側流を加熱することによって、冷却中のタービン排気流の露点を超える温度レベルでさらなる量の熱をＣＯ２循環流体に供給すること；
Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、ＮＨ３および不燃焼性残渣を含む流れを生成するために、浸み出し冷却式燃焼器内で、Ｏ２で部分的に酸化された不燃焼性残渣を有する炭素含有燃料を含む燃料を使用することであって、燃焼器にＣＯ２循環流体の一部を供給して、部分的に酸化された燃焼生成物を、灰が濾過システムによって出口流体流から完全に除去することができる固体粒子として存在する５００℃〜９００℃の温度まで冷却する、使用すること；
側流を１０℃〜５０℃の別々に加熱されたＣＯ２循環流体流と再混合する点で、冷却中のタービン排気と加熱中のＣＯ２循環流体流との間に温度差を与えること；
水と不純物との分離前にタービン排気流を冷却する際に液体ＣＯ２が生成されないように、熱交換器の低温端を出るタービン排気流の圧力を提供すること；
従来のボイラシステムおよび原子炉に関連する汽力発電システムに由来する複数の蒸気流を過熱するために、タービン排気流の少なくも一部を使用すること；
さらなる低レベルの熱を、発電所などの外部蒸気源から取り出した１つ以上の圧力レベルの蒸気として循環ＣＯ２流に与えること；
汽力発電所の復水器を出る凝縮物の少なくとも一部を加熱するために、熱交換器システムの低温端を出る膨張機排気流を使用すること；
開放サイクルガスタービンの高温排気から循環ＣＯ２流のためにさらなる低レベルの熱を提供すること；
完全燃焼のために、燃料として、ＣＯ２を加えた部分的に酸化された石炭由来ガスを第２の燃焼器に通すこと；
燃料の一部をＣＯ２、Ｈ２Ｏ、およびＳＯ２を含む酸化生成物へと酸化し、かつ残りの燃料をＨ２、ＣＯ、およびＨ２Ｓを含む成分へと酸化するようなＯ２と燃料との比で、単一の燃焼器を動作させること；
第１のタービンの排気流にＯ２を注入させることで、第２のタービンによる膨張前に中間圧流をより高い温度まで再加熱するために還元された成分を燃焼させる、必要な総圧力比を超えて２つのタービンを動作させる工程、
上記の実施形態に加えて、本発明は、本明細書に説明される本発明のシステムおよび方法の要素およびステップを、効率を（例えば、低位発熱量（ＬＨＶ）ベースで測定して）驚くほど高め得る、かつ発電の単位当たりのコストを著しく低減した発電を提供し得るだけでなく、ＣＯ２作動流体を用いた従来のシステムおよび方法を含むエネルギー生産のための既知のシステムおよび方法に関連する資本コストを有益に低減し得る、様々な組み合わせで利用することができるという点で特に有用である。そのような利点を提供し得る、本発明によるシステムおよび方法の特定の非限定的な例には、以下のことが含まれる。
一部の実施形態では、複数のタービンを使用することができる。その具体的な例では、２つのタービンを使用することができ、本システムは、２つのタービンの間で炭化水素または炭素質燃料を酸素燃焼させるように構成することができる。そのようなマルチタービンの実施形態は、介在する燃焼器の下流にあるタービンの入口温度を高めるために有用であり得る。３つ以上のタービンを備えるマルチタービンの実施形態では、２つ以上の介在する燃焼器を含んでもよい。さらに、特定の実施形態では、マルチタービンシステムにおけるタービンおよび燃焼器の数を等しくして、各タービンにおける膨張の前に燃焼を実行するようにすることができる（例えば、それぞれのステップの後にタービンによる膨張が続く、２つの燃焼ステップ）。以下では、２つのタービンの例示的な実施形態に関連して、マルチタービンの実施形態のさらなる利点を論ずるが、そのような議論は、直列で、または並列に動作し得る３つ、４つ、またはさらに多くのタービンを備えるマルチタービンの実施形態まで拡張し得ること、また、各タービンにおける膨張の前の燃焼だけでなく、介在する燃焼のみも包含することを理解されたい。さらなる実施形態では、半径流タービンの配列を用いてもよい。
一部の実施形態では、２段タービンシステムにおける第２のタービンは、大気圧付近の排気圧力を有することができる。そのような排気圧力は、同様に大気圧付近である、正味のＣＯ２生成物を提供することができる。よって、そのような排気圧力は、システムにおける固定流量の再利用ＣＯ２に対して発電出力を最大にするのに有益であり得る。特に、このことにより、タービンシステム全体の圧力比を最大にすることができる。
一部の実施形態では、第２のタービン入口は、第１のタービンを出る全流量によって規定することができる。他の実施形態では、第２のタービン入口は、第１のタービン排気流の一部によって少なくとも部分的に規定することができる。例示的な実施形態として、第２のタービンの流れは、１つ以上の燃焼器で使用される全燃料の燃焼由来の正味のＣＯ２生成物を含むことができる。
一部の実施形態では、第１のタービンを高圧タービンとすることができる。そのため、第２のタービンの出口温度を一定の温度に保ちながら、高圧力タービンの発電出力を最大にするために、高圧タービン入口温度を取り得る最も高い値に固定させることが有用であり得る。例えば、一定の温度を、再生熱交換器の最大動作温度によってその設計圧力に固定することができ、この圧力を、再利用ＣＯ２燃焼器および第１のタービンの入口圧力の圧力のうちの一方または両方によって固定することができる。
一部の実施形態では、再利用ＣＯ２流を高温まで加熱し、最初燃焼器を通さずに、第１のタービンに通してもよい。次いで、第１のタービンからの排気を燃焼器に投入することができ、この燃焼器の形成する排気が第２の燃焼器に投入される。特に、第１のタービンの入口温度は、第１のタービンからの再利用ＣＯ２流の出口温度と等しい下限を有してもよい。
一部の実施形態では、高圧再利用ＣＯ２流を加熱するために必要な、第２のタービン排気流における過剰な熱は、第１および第２の燃焼器に流入する、あるいは単一の燃焼器が２段タービン中に介在する実施形態における単一の燃焼器に流入する、酸素および燃料ガス流を予め加熱するために利用することができる。
一部の実施形態では、酸素生産装置由来の酸素流を１バール（０．１ＭＰａ）以上の圧力でＣＯ２と混合して、燃料燃焼のための希釈された酸化剤を形成することができる。特に、この酸化剤流を、第１および第２のタービンの一方または両方からの排気のすべてまたは一部と接触させて圧縮および予熱することができ、また第１または第２の燃焼器に必要な酸化剤の少なくとも一部を形成するように輸送することができる。
一部の実施形態では、液体の水の分離後の大気圧付近の再利用ＣＯ２を約６バール（０．６ＭＰａ）〜約１０バール（１ＭＰａ）の範囲にある、ＣＯ２の凝固圧力を超える圧力まで圧縮し、ＣＯ２を液化することができ、それにより、再利用ＣＯ２システムが高圧になるまでポンピングすることができ、その結果、再利用圧縮機のポンプ出力要求量を低減することができる。ＣＯ２を液化するために冷凍するための作用剤を、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）とすることができる。特に、パイプラインシステム内への輸送のために高圧までポンピングされるＬＮＧは、ＣＯ２の冷凍と同時に、低温から大気付近の温度まで加熱され得る。任意で、第２のタービンは、約６バール（０．６ＭＰａ）〜約８バール（０．８ＭＰａ）の圧力で排気することができ、ひいては、ＣＯ２再利用圧縮機の必要性をなくす。
さらなる実施形態は、様々な図に関して説明されているように、および／または本明細書に提供されている本発明の詳細な説明に開示されているように、本発明によって包含されている。
このように、本発明を大まかに説明してきたが、ここで、添付の図面を参照する。図面は、必ずしも原寸に比例していない。
本開示の特定の実施形態により使用され得る浸み出し冷却式燃焼装置の概略図である。 本開示の特定の実施形態で使用され得る燃焼装置内の浸み出し部材の壁の例示的な断面の概略図である。 本開示の特定の実施形態で使用され得る燃焼装置の浸み出し部材アセンブリのための高温締まり嵌めプロセスの概略図である。 本開示の特定の実施形態による有用であり得る燃焼生成物汚染物質除去装置の概略図である。 本開示の一実施形態による電力サイクルを示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による分離ユニットを通るＣＯ２循環流体の流れを示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による加圧ユニット内の一連の２つ以上の圧縮機またはポンプを用いた加圧を示すフローチャートである。 ３つの個々の熱交換器が直列で使用される本開示の一実施形態による熱交換ユニットを示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による、還元モードにおいて直列で動作する２つのタービンを利用するタービンユニットを示すフローチャートである。 ２つの燃焼器を用いた本発明の一実施形態による発電のためのシステムおよび方法を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による発電のためのシステムおよび方法の具体的な例を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による、従来の石炭燃焼ボイラが組み込まれた発電のためのシステムおよび方法の別の例を示すフローチャートである。 ２つの燃焼器を有する、直列で動作する２つのタービンを含む本開示による発電のためのシステムおよび方法のさらなる実施形態例を示すフローチャートである。
本発明について、様々な実施形態を参照しながら以下により詳細に説明する。これらの実施形態は、本開示を徹底的かつ完全なものにし、かつ、本発明の範囲を当業者に十分に伝える目的で提供するものである。実際、本発明は、多くの様々な形態で実施してよく、本明細書に説明する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い。そうではなく、これらの実施形態は、本開示が該当する法的要件を満たすために提供するものである。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（前記）（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかに別の意を示していない限り、複数の指示物を含む。
本発明は、高効率燃料燃焼器（浸み出し冷却式燃焼器など）および関連する循環流体（ＣＯ２循環流体など）を用いた発電のためのシステムおよび方法を提供する。適当な燃料、任意の必要な酸化剤、および効率的な燃焼に有用であり得る任意の関連材料と共に、循環流体を燃焼器に供給する。具体的な実施形態では、本方法は、非常に高温（例えば、約１，６００℃〜約３，３００℃の範囲、または本明細書に開示されているような他の温度範囲）で動作する燃焼器を用いて行うことができ、循環流体の存在は、燃焼器から流出する流体流の温度を緩和するように作用し得て、流体流を発電のためのエネルギー伝達に利用することができるようにする。具体的には、燃焼生成物流を少なくとも１つのタービン全体に膨張させて発電することができる。膨張させたガス流を冷却して、この流れから水などの各種成分を除去することができ、膨張させたガス流から取り出した熱を使用して、ＣＯ２循環流体を加熱することができる。次いで、精製した循環流体流を、燃焼器によって再利用するために加圧および加熱することができる。必要に応じて、燃焼生成物流からのＣＯ２の一部（すなわち、酸素の存在下で炭素含有燃料を燃焼させることによって生成されたＣＯ２から生じる）を、ＣＯ２パイプラインへの移動などの隔離または他の廃棄処分のために取り出すことができる。本システムおよび方法は、具体的なプロセスパラメータおよび構成要素を利用して、特に大気へのＣＯ２の放出を回避しながら本システムおよび方法の効率を最大にすることができる。特に本明細書に説明されているように、循環流体は、循環流体としてＣＯ２を使用することによって例示されている。ＣＯ２循環流体を使用することは、本発明による有利な実施形態であるが、そのような開示は、特に明記しない限り、必ずしも本発明に使用し得る循環流体の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
特定の実施形態では、本発明による発電システムは、主にＣＯ２を含む循環流体を使用することができる。換言すると、燃焼器内への投入直前の循環流体の化学的性質は、循環流体が主にＣＯ２を含むというような性質である。この意味で、「主に」という言葉は、流体が少なくとも約９０モル濃度％、少なくとも約９１モル濃度％、少なくとも約９２モル濃度％、少なくとも約９３モル濃度％、少なくとも約９４モル濃度％、少なくとも約９５モル濃度％、少なくとも約９６モル濃度％、少なくとも約９７モル濃度％、少なくとも約９８モル濃度％、または少なくとも約９９モル濃度％のＣＯ２を含むことを意味し得る。燃焼器に投入される直前の循環流体は、好適には、実質的にＣＯ２のみを含む。この意味で、「実質的に〜のみ」という語句は、少なくとも約９９．１モル濃度％、少なくとも約９９．２５モル濃度％、少なくとも約９９．５モル濃度％、少なくとも約９９．７５モル濃度％、少なくとも約９９．８モル濃度％または少なくとも約９９．９モル濃度％のＣＯ２を意味することができる。燃焼器では、ＣＯ２を、燃料、任意の酸化剤、および燃料燃焼によるあらゆる派生物に由来し得る１種以上のさらなる成分と混合することができる。よって、本明細書で燃焼生成物流として表現し得る、燃焼器から流出する循環流体は、Ｈ２Ｏ、Ｏ２、Ｎ２、Ａｒ、ＳＯ２、ＳＯ３、ＮＯ、ＮＯ２、ＨＣｌ、Ｈｇなどのより少量の他の物質、およびさらなる可燃物を含む、燃焼プロセスに由来し得る微量の他の成分（例えば、灰または液状の灰などの微粒子）と共に、ＣＯ２を含んでいてもよい。以下にさらに詳しく説明するように、流体流の性質が還元性または酸化性のいずれかであり得るように燃焼プロセスを制御することができ、それにより、具体的に示す利点を得ることができる。
本発明のシステムおよび方法には、本明細書に説明するように、好適な燃料の燃焼に有用な１つ以上の燃焼器を組み込むことができる。好適には、本発明によって使用される少なくとも１つの燃焼器は、比較的高い燃焼温度で燃料を実質的に完全に燃焼させ得る高効率燃焼器である。高温燃焼は、燃料を実質的に完全に燃焼させるのに、ひいては効率を最大にするのに特に有用であり得る。様々な実施形態では、高温燃焼は、少なくとも約１，２００℃、少なくとも約１，３００℃、少なくとも約１，４００℃、少なくとも約１，５００℃、少なくとも約１，６００℃、少なくとも約１，７５０℃、少なくとも約２，０００℃、少なくとも約２，５００℃、または少なくとも約３，０００℃の温度における燃焼を意味することができる。さらなる実施形態では、高温燃焼は、約１，２００℃〜約５，０００℃、約１，５００℃〜約４，０００℃、約１，６００℃〜約３，５００℃、約１，７００℃〜約３，２００℃、約１，８００℃〜約３，１００℃、約１，９００℃〜約３，０００℃、または約２，０００℃〜約３，０００℃の温度における燃焼を意味することができる。
本発明に従って様々な燃焼器を使用してもよい。一部の実施形態では、本システムおよび方法において単一の燃焼器のみを使用してもよい。一部の実施形態では、複数の燃焼器を使用してもよく、複数の膨張タービンと組み合わせて直列で、または並行して運転させてもよい。１つの燃焼器または複数の燃焼器を利用する複数タービンの実施形態の利点については、そのようなシステムおよび方法の例示的な実施形態に関して本明細書で詳述する。柔軟性のおかげで、本開示により使用されうる燃焼器は、本発明が包含するいくつかの実施形態による温度および圧力の様々な条件下で機能するように構成される任意の燃焼器を含む。本開示による有用な燃焼器は、高温燃焼を含む本明細書に説明される温度および圧力において燃焼するように構成される任意の燃焼器を含むことができる。非限定的な例として、有用な燃焼器は、冷却媒体（例えば、本開示の一部の実施形態では、再利用ＣＯ２流）と共に冷却用に構成されるライナを備える任意の燃焼器であってもよい。例示的な冷却手段は、スロット、穴、裏側冷却、およびトリップストリップのうちの１つ以上を通る冷却媒体の通路を含んでもよい。
特定の実施形態では、浸み出し冷却式燃焼器を用いてもよい。本発明で使用し得る浸み出し冷却式燃焼器の一例は、２０１０年２月２６日に出願の米国特許出願第１２／７１４，０７４号に説明されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。一部の実施形態では、本発明による有用な浸み出し冷却式燃焼器は、１つ以上の熱交換ゾーン、１種以上の冷却流体、および１種以上の浸み出し流体を含んでいてもよい。浸み出し冷却は、燃焼器の腐食、汚損、および浸食を防止するのに有用であり得、そのような燃焼条件が存在する場合、特に望ましい。
特定の一実施態様では、本発明による有用な浸み出し冷却式燃焼器は、浸み出し部材によって少なくとも部分的に画定された燃焼室を備えることができ、ここで、浸み出し部材は、圧力格納部材によって少なくとも部分的に取り囲まれている。燃焼室は、入口部分と、対向する出口部分とを有することができる。燃焼室の入口部分は、燃焼室内で燃焼温度で燃焼して燃焼生成物を生成する炭素含有燃料を受容するように構成することができる。燃焼室は、燃焼生成物を出口部分に向けて導くようにさらに構成することができる。浸み出し部材は、燃焼生成物と浸み出し部材との相互作用を緩和するために、浸み出し物質をそこを通して燃焼室に向けて導くように構成することができる。加えて、浸み出し物質を燃焼室に導入して、燃焼生成物の所望の出口温度を達成してもよい。特定の実施形態では、浸み出し物質は、循環流体を少なくとも部分的に含むことができる。燃焼室の壁は、ＣＯ２および／またはＨ２Ｏなどの浸み出し物質を、そこを通して導きかつそれらを流す多孔質材料の層で覆われていてもよい。
またさらなる実施態様では、内側浸み出し部材２３３２は、浸み出し部材２３０の入口部分２２２Ａから出口部分２２２Ｂまで延在していてもよい。一部の場合では、内側浸み出し部材２３３２の穿孔された多孔質構造は、浸み出し流体２１０が燃焼室２２２の実質的に長さ全体に導かれるように、入口部分２２２Ａから出口部分２２２Ｂまで実質的に完全に（軸方向に）延在していてもよい。すなわち、燃焼室２２２の実質的に長さ全体が浸み出し冷却されるように、内側浸み出し部材２３３２の実質的に全体が、穿孔された多孔質構造を有するように構成されていてもよい。より詳細には、一部の実施態様では、穿孔／孔の面積を積算したものが、内側浸み出し部材２３３２の表面積に実質的に等しくてもよい。また他の実施態様では、内側浸み出し部材２３３２から燃焼室２２２の中まで、浸み出し物質が実質的に一様に分布する（すなわち、浸み出し物質２１０の流れまたは存在が欠如している「デッドスポット」が存在しない）ように、穿孔／孔は適当な密度で離間されていてもよい。一例では、１平方インチ（約６４５平方ミリメートル）の内側浸み出し部材２３３２は、約６２，５００個／ｉＮ２の孔を得るために、１平方インチ当たり２５０×２５０のオーダーで穿孔／孔の配列を含んでいてもよく、そのような穿孔／孔は、約０．００４インチ（約０．１ｍｍ）で離間されている。総壁面積に対する孔面積の比（多孔率（％））は、例えば、約５０％であってもよい。孔の配列は、浸み出し部材を横切る流量に対する所望の圧力降下などの他のシステム設計パラメータに適合させるために、広範囲にわたって変えることができる。いくつかの例では、約１０％〜約８０％の多孔率を有する１インチ当たり約１０×１０〜約１０，０００×１０，０００の配列サイズを利用することができる。
この多孔質浸み出し層を通る、また任意で追加的に設けた層を通る、浸み出し物質の流れは、燃焼器からの所望の総流出流体流出口温度を達成するように構成することができる。一部の実施形態では、さらに本明細書に説明するように、そのような温度を、約５００℃〜約２，０００℃の範囲にすることができる。この流れはまた、浸み出し部材を、浸み出し部材を形成している材料の最大許容動作温度よりも低い温度まで冷却するように機能し得る。浸み出し物質はまた、壁を腐食、汚損、またはそれ以外の方法で損傷し得る、燃料中のあらゆる液体もしくは固体の灰物質または他の汚染物質の衝突を防止するように機能してもよい。そのような場合、偶発的な放射熱を、多孔質浸み出し部材を通して半径方向外側に伝導させ、次いで多孔質層構造の表面から浸み出し層を半径方向内側に通る流体への対流伝熱によって妨害し得るように、妥当な熱伝導率を有する浸み出し部材の材料を使用することが望ましいこともある。そのような構成は、多孔質浸み出し部材の温度をそのために使用される材料の設計範囲内に維持しながら、浸み出し部材を通して導かれる流れのその後の部分を約５００℃〜約１，０００℃などの望ましい範囲の温度まで加熱可能にし得る。多孔質浸み出し部材に適した材料には、例えば、多孔質セラミック、耐火性金属繊維マット、穴が穿設された円筒状部分、および／または焼結金属層もしくは焼結金属粉末が含まれてもよい。浸み出し部材の第２の機能は、燃焼器に沿った長手方向だけではなく、浸み出し流体の実質的に一様な半径方向内側への流れを確保して、燃焼室の長さに沿った一様な軸方向の流れを促進しながら、浸み出し流体流と燃焼生成物との良好な混合を達成することであってもよい。浸み出し部材の第３の機能は、燃焼生成物内の灰または他の汚染物質の固体および／または液体粒子が、浸み出し層の表面に衝突し、かつ閉塞または他の損傷を引き起こさないように緩衝部分を提供するかそれ以外の方法で妨害するために、半径方向内側への希釈流体の速度を達成することであり得る。例えば、残留する不活性不燃焼性残渣を有する石炭などの燃料を燃焼させる場合にのみ、そのような要因が重要となり得る。浸み出し部材を取り囲む燃焼器の圧力容器の内壁を覆って、燃焼器内の高温の浸み出し流体流を隔離してもよい。
本発明によって使用することができる燃焼装置の一実施形態が図１に概略的に示されており、燃焼装置は一般に符号２２０で示されている。この例では、燃焼装置２２０は、石炭などの粒子状固体を燃焼させて燃焼生成物を生成するように構成されていてもよいが、本明細書に開示されているような任意の他の好適な可燃性炭素含有材料も燃料として使用してもよい。燃焼室２２２は、浸み出し部材２３０によって画定されていてもよく、浸み出し部材２３０は、浸み出し流体をそこを通して燃焼室２２２内に導くように（すなわち、浸み出し冷却を容易にするように、および／または燃焼生成物と浸み出し部材２３０との相互作用を緩和するように）構成されている。当業者であれば、入口部分２２２Ａと、対向する出口部分２２２Ｂとを有する実質的に円筒状の燃焼室２２２を画定するために、浸み出し部材２３０を実質的に円筒状にし得ることを理解するであろう。浸み出し部材２３０は、圧力格納部材２３３８によって少なくとも部分的に取り囲まれていてもよい。燃焼室２２２の入口部分２２２Ａは、一般に符号２５０で示されている混合装置から燃料混合物を受容するように構成されていてもよい。他の実施形態では、そのような混合装置は存在していなくてもよく、燃焼器内に投入される１種以上の材料を、独立した入口から別々に添加してもよい。特定の実施形態によれば、燃焼室２２２内で燃料混合物を特定の燃焼温度で燃焼させて燃焼生成物を生成することができ、ここでは、燃焼室２２２は、燃焼生成物を出口部分２２２Ｂに向かって導くようにさらに構成されている。熱除去装置２３５０（例えば、図２を参照）を圧力格納部材２３３８に関連させ、その温度を制御するように構成してもよい。特定の場合には、熱除去装置２３５０は、圧力格納部材２３３８に対向する壁２３３６によって少なくとも部分的に画定された伝熱ジャケットを備えていてもよく、ここでは、液体を、その間に画定された水循環ジャケット２３３７内に循環させてもよい。一実施形態では、循環させる液体は水であってもよい。
よって、特定の一実施態様では、多孔質内側浸み出し部材２３３２は、浸み出し物質２１０が内側浸み出し部材２３３２の内面に対して実質的に直角（９０°）に燃焼室２２２に流入するように浸み出し流体を燃焼室２２２内に導くように構成されている。他の利点の中でも、内側浸み出し部材２３３２に対して実質的に直角に浸み出し物質２１０を導入することにより、液体もしくは固体のスラグ滴または他の汚染物質あるいは高温燃焼流体の渦を内側浸み出し部材２３３２の内面から離れるように導くという効果を容易にするかそれ以外の方法で高め得る。液体もしくは固体のスラグ滴間の接触をなくすことにより、滴または粒子と固体の壁との接触時に生じることが従来技術で知られる、前記滴が合体して大きな滴または塊になることを防止し得る。内側浸み出し部材２３３２に対して実質的に直角に浸み出し物質２１０を導入することにより、内側浸み出し部材に衝突して損傷させ得る内側浸み出し部材に垂直な、かつこれに近接する十分な速度を有する燃焼流体渦の形成を防止するという効果を容易にするかそれ以外の方法で高め得る。そのような場合、浸み出し物質／流体２１０を内側浸み出し部材２３３２まで、そしてそこを通して燃焼室２２２の中まで輸送することに関して、「多岐管」効果を得るように（すなわち、供給が実質的に一様に分布するように）、外側浸み出し部材２３３１、圧力格納部材２３３８、伝熱ジャケット２３３６および／または断熱層２３３９は、個々にまたは組み合わせて構成されていてもよい。すなわち、浸み出し物質２１０の内側浸み出し部材２３３２への一様な供給を得るように外側浸み出し部材２３３１、圧力格納部材２３３８、伝熱ジャケット２３３６および／または断熱層２３３９を構成することによって、浸み出し物質２１０の燃焼室２２２内への実質的に一様な（流量、圧力、または任意の他の好適かつ適当な尺度の点で）供給を達成してもよく、あるいは、燃焼室２２２内において浸み出し物質２１０が実質的に一様に分布するように、内側浸み出し部材２３３２の外面の周りへの浸み出し物質２１０の供給を特にカスタマイズおよび構成してもよい。そのような実質的に一様な分布によって、そうでない場合に燃焼流体流を含む一様でない浸み出し流の相互作用によって形成され得、かつその頂点が内側浸み出し部材に衝突して損傷させ得る、高温燃焼流体渦の形成が防止され得る。
混合装置２５０（存在する場合）は、炭素質燃料２５４を富化酸素２４２および循環流体２３６と混合して燃料混合物２００を形成するように構成することができる。炭素質燃料２５４は、固体炭素質燃料、液体炭素質燃料、および／または気体炭素質燃料の形態で提供してもよい。富化酸素２４２は、約８５％を超えるモル純度を有する酸素であってもよい。例えば、富化酸素２４２は、例えば極低温空気分離プロセスなどの当技術分野で知られる任意の空気分離システム／技術によって供給してもよく、あるいは高温イオン輸送膜酸素分離プロセス（空気から）を実装することもできる。循環流体２３６は、本明細書に記載されているように、二酸化炭素であってもよい。炭素質燃料２５４が粉末状石炭２５４Ａなどの粒子状固体である場合、混合装置２５０は、粒子状固体炭素質燃料２５４Ａを流動化物質２５５と混合するようにさらに構成されてもよい。一実施態様によれば、粒子状固体炭素質燃料２５４Ａは、約５０ミクロン〜約２００ミクロンの平均粒径を有していてもよい。さらに別の実施態様によれば、流動化物質２５５は、約４５０ｋｇ／ｍ３〜約１１００ｋｇ／ｍ３の密度を有する水および／または液体ＣＯ２を含んでいてもよい。より詳細には、流動化物質２５５は、粒子状固体炭素質燃料２５４Ａと協働して、例えば、約２５重量％〜約５５重量％の粒子状固体炭素質燃料２５４Ａを有するスラリー２５０Ａを形成してもよい。酸素２４２は、燃焼室２２２への導入前に燃料２５４および循環流体２３６と混合するものとして図１に示されているが、一部の場合では、必要または所望に応じて、酸素２４２を燃焼室２２２に別々に導入してもよい。
いくつかの実施態様では、混合装置２５０は、例えば、円筒状燃焼室２２２の入口部分２２２Ａに関連した浸み出し部材２３０の端壁２２３の周りに配置された離間した噴射ノズルの配列（図示せず）を含んでもよい。燃料／燃料混合物を燃焼室２２２内にこのように噴射することにより、例えば、噴射される燃料混合物入口流の表面積を大きくし、ひいては、輻射による、噴射される燃料混合物入口流への急速な伝熱を容易にし得る。このようにして、噴射される燃料混合物の温度を燃料の発火点まで急速に上昇させてもよく、このようにして、コンパクトな燃焼を生じさせてもよい。燃料混合物の噴射速度は、例えば、約１０ｍ／秒〜約４０ｍ／秒の範囲であってもよいが、これらの値は、特定の噴射ノズルの構成などの多くの要因によって決まるのであってよい。そのような噴射装置は、多くの異なる形態を取ってもよい。例えば、噴射装置は、例えば、その直径が約０．５ｍｍ〜約３ｍｍの範囲である穴の配列を含んでいてもよく、ここでは、噴射される燃料は、約１０ｍ／ｓ〜約４０ｍ／ｓの速度でそこから噴射される。
より詳細に図２に示すように、燃焼室２２２は、浸み出し部材２３０によって画定することができ、浸み出し部材２３０は、圧力格納部材２３３８によって少なくとも部分的に取り囲まれていてもよい。一部の場合では、圧力格納部材２３３８はさらに、伝熱ジャケット２３３６によって少なくとも部分的に取り囲まれてよく、ここで、伝熱ジャケット２３３６は、圧力格納部材２３３８と協働してその間に１つ以上のチャネル２３３７を画定することができ、チャネル２３３７を通して低圧水流を循環させてもよい。このようにして、蒸発機構によって、循環水を使用して、例えば、約１００℃〜約２５０℃の範囲にある、圧力格納部材２３３８の選択された温度を制御および／または維持してもよい。一部の実施態様では、断熱層２３３９を、浸み出し部材２３０と圧力格納部材２３３８との間に配置してもよい。
一部の場合では、浸み出し部材２３０は、例えば、外側浸み出し部材２３３１と、内側浸み出し部材２３３２とを含んでいてもよく、内側浸み出し部材２３３２は、外側浸み出し部材２３３１の、圧力格納部材２３３８とは反対の側に配置されており、燃焼室２２２を画定している。外側浸み出し部材２３３１は、例えば、ステンレス鋼およびニッケル合金を含む鋼や鋼合金などの任意の好適な高耐熱材料から作られていてもよい。一部の場合では、外側浸み出し部材２３３１は、断熱層２３３９に隣接するその表面から内側浸み出し部材２３３２に隣接するその表面までそこを通って延在する、第１の浸み出し流体供給路２３３３Ａを画定するように構成されていてもよい。第１の浸み出し流体供給路２３３３Ａは、一部の場合では、圧力格納部材２３３８、伝熱ジャケット２３３６および／または断熱層２３３９によって画定された第２の浸み出し流体供給路２３３３Ｂに対応していてもよい。よって、第１の浸み出し流体供給路２３３３Ａおよび第２の浸み出し流体供給路２３３３Ｂは、協働して、そこを通して浸み出し流体を内側浸み出し部材２３３２まで導くように構成されていてもよい。一部の場合では、例えば、図１に示すように、浸み出し流体２１０は、循環流体２３６を含んでいてもよく、それに関連する同じ供給源から得られてもよい。第１の浸み出し流体供給路２３３３Ａおよび第２の浸み出し流体供給路２３３３Ｂは、浸み出し流体２１０を内側浸み出し部材２３３２を通して燃焼室２２２内まで導くような十分な供給量および十分な圧力で浸み出し流体２１０（すなわち、ＣＯ２）を輸送するために、必要に応じて断熱されていてもよい。本明細書に開示されているような浸み出し部材２３０および関連の浸み出し流体２１０を含むそのような手段によって、燃焼装置２２０を、別途本明細書に開示されている比較的高い圧力および比較的高い温度で動作させることができる。
この点に関して、内側浸み出し部材２３３２は、例えば、多孔質セラミック材料、穿孔材料、積層材料、２次元にランダムに配向させ、かつ３次元に並べた繊維からなる多孔質マット、あるいは本明細書に開示されているような必要とされる特性、すなわち内側浸み出し部材２３３２を通して浸み出し流体を受容しかつ導くための複数の流路もしくは孔または他の好適な開口部２３３５を呈する、任意の他の好適な材料またはそれらの組み合わせで作られていてもよい。そのような浸み出し冷却式システムに好適な多孔質セラミックおよび他の材料の非限定的な例には、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、相転移強化ジルコニウム、銅、モリブデン、タングステン、銅浸透タングステン、タングステン被覆モリブデン、タングステン被覆銅、各種高温ニッケル合金、およびレニウムシースもしくはレニウムコートの材料が含まれる。好適な材料の供給元には、例えば、ＣｏｏｒｓＴｅｋ，Ｉｎｃ．（コロラド州ゴールデン）（ジルコニウム）、ＵｌｔｒａＭｅｔＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｌｕｔｉｏｎｓ(カリフォルニア州パコイマ)（耐火性金属被覆）、ＯｒｓａｍＳｙｌｖａｎｉａ（マサチューセッツ州ダンバーズ）（タングステン／銅）、およびＭａｒｋｅＴｅｃｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（ワシントン州ポートタウンゼンド）（タングステン）が含まれる。そのような浸み出し冷却式システムに好適な穿孔材料の例には、上記材料および供給元（例えば、当製造技術分野で知られている方法を用いて本来非多孔質である構造を穿孔することによって穿孔端部構造が得られる材料および供給元）のうちのすべてが含まれる。好適な積層材料の例には、上記材料および供給元（例えば、当製造技術分野で知られている方法を用いて所望の端部多孔率を達成するような方法で非多孔質もしくは部分多孔質構造体を積層することによって積層端部構造が得られる材料および供給元）のうちのすべてが含まれる。
図３Ａおよび図３Ｂは、燃焼装置２２０の一実施態様では、燃焼室２２２を画定する構造が、浸み出し部材２３０と、圧力格納部材２３３８または浸み出し部材２３０と圧力格納部材２３３８との間に配置された断熱層２３３９などの周囲構造との「高温」締まり嵌めによって形成され得ることを示す。例えば、比較的「低温である」場合には、浸み出し部材２３０は、周囲の圧力格納部材２３３８に対して半径方向および／または軸方向に、より小さくなるように寸法決めされていてもよい。そのため、圧力格納部材２３３８の中に挿入された場合、半径方向および／または軸方向の間隙がその間に存在していてもよい（例えば、図３Ａを参照）。当然のことながら、そのような寸法の違いによって、浸み出し部材２３０の圧力格納部材２３３８への挿入を容易にしてもよい。しかしながら、例えば、動作温度に向けて加熱された場合、浸み出し部材２３０は、半径方向および／または軸方向に膨張して前述の間隙を減少または排除するように構成されていてもよい（例えば、図３Ｂを参照）。その際、軸方向および／または半径方向の締まり嵌めが、浸み出し部材２３０と圧力格納部材２３３８との間に形成されてもよい。外側浸み出し部材２３３１および内側浸み出し部材２３３２を含む浸み出し部材２３０を含む場合では、そのような締まり嵌めにより、内側浸み出し部材２３３２を圧縮下に置いてもよい。多孔質セラミックなどの好適な耐高温性脆性材料を内側浸み出し部材２３３２に使用してもよい。
内側浸み出し部材２３３２がこのように構成された状態で、浸み出し物質２１０は、浸み出し物質２１０が燃焼室２２２内の内側浸み出し部材２３３２のすぐ隣に緩衝層２３１（すなわち「蒸気の壁」）を形成するように、内側浸み出し部材２３３２を通って導かれる、例えば、二酸化炭素（すなわち、循環流体２３６と同じ供給源に由来）を含んでいてもよく、ここでは、緩衝層２３１は、内側浸み出し部材２３３２と液化不燃焼性成分との相互作用および燃焼生成物に伴う熱を緩和するように構成されていてもよい。すなわち、一部の場合では、浸み出し流体２１０は、例えば、少なくとも燃焼室２２２内の圧力で内側浸み出し部材２３３２を通って輸送することができ、ここでは、燃焼室２２２内への浸み出し流体２１０（すなわちＣＯ２流）の流量は、浸み出し流体２１０を燃焼生成物と混合しかつそれを冷却して、その後の下流プロセスの入口要件に対して十分な温度（すなわち、タービンは、例えば、約１，２２５℃の入口温度を必要とし得る）の出口流体混合物を形成するのに十分であるが、出口流体混合物は、燃料中のスラグ滴または他の汚染物質を流体または液体の状態に維持するのに十分に高いままである。燃料の不燃焼性成分が液体の状態であることにより、例えば、そのような分離のために実装されている任意の除去システムを閉塞させたりそれ以外の方法で損傷させたりする可能性が低い液体の形態、好適には、自由に流動する低粘性形態の燃焼生成物からのそのような汚染物質の分離を容易にしてもよい。実際には、そのような要件は、用いられる固体炭素質燃料（すなわち、石炭）の種類および燃焼プロセスで形成されるスラグの特定の特性などの様々な要因によって決まり得る。すなわち、燃焼室２２２内の燃焼温度は、炭素質燃料中のあらゆる不燃焼性成分が燃焼生成物内で液化されるような温度にすることができる。
よって、特定の実施態様では、多孔質内側浸み出し部材２３３２は、燃焼室２２２を画定する内側浸み出し部材２３３２の表面の周りに流体障壁または緩衝層２３１を形成するために、燃焼室２２２の中に半径方向内側に浸み出し流体を導くように構成されている（例えば、図２を参照）。内側浸み出し部材２３３２の表面もまた、燃焼生成物によって加熱される。そのため、内側浸み出し部材２３３２を通る浸み出し流体２１０が加熱される一方で、多孔質内側浸み出し部材２３３２が同時に冷却され、その結果、燃焼室２２２を画定する内側浸み出し部材２３３２の表面の温度が、例えば、最高燃焼温度範囲の約１，０００℃になるように、多孔質内側浸み出し部材２３３２は、好適な熱伝導率を有するように構成されていてもよい。よって、内側浸み出し部材２３３２と協働して浸み出し流体２１０によって形成される流体障壁または緩衝層２３１は、内側浸み出し部材２３３２と高温燃焼生成物とスラグまたは他の汚染物質粒子との相互作用を緩和し、このようにして、内側浸み出し部材２３３２の接触、汚損、または他の損傷を緩和する。さらに、所望の温度（例えば、約５００℃〜約２，０００℃）で、燃焼室２２２の出口部分２２２Ｂの周りで浸み出し流体２１０と燃焼生成物との出口混合物を調整するような方法で、浸み出し流体２１０を、内側浸み出し部材２３３２を介して燃焼室２２２に導入してもよい。
よって、具体的な実施形態では、燃焼装置２２０は、本明細書に記載されているような比較的高い動作温度で燃料２５４の比較的完全な燃焼をもたらすことができる高効率な浸み出し冷却式燃焼装置として構成されていてもよい。そのような燃焼装置２２０は、一部の場合では、１種以上の冷却流体および／または１種以上の浸み出し流体２１０を実装していてもよい。燃焼装置２２０に関連して、さらなる構成要素も実装されていてもよい。例えば、Ｎ２およびＯ２を分離するために空気分離装置が設けられていてもよく、空気分離装置からＯ２を受容し、かつＯ２を、ＣＯ２循環流体、および高密度ＣＯ２流体でスラリー化されたガス、液体、超臨界流体、もしくは固体の微粒燃料を含む燃料流と合わせるために、燃料噴射装置が設けられていてもよい。
別の実施態様では、浸み出し冷却式燃焼装置２２０は、加圧した燃料流を燃焼装置２２０の燃焼室２２２内に噴射するための燃料噴射器を備えていてもよく、ここでは、燃料流は、処理済炭素質燃料２５４と、流動化媒体２５５（本明細書で論じられているような循環流体２３６を含んでいてもよい）と、酸素２４２とを含んでいてもよい。酸素（富化されたもの）２４２およびＣＯ２循環流体２３６を、均質な超臨界混合物として合わせることができる。存在する酸素の量は、燃料を燃焼させ、かつ所望の組成を有する燃焼生成物を生成するのに十分であればよい。燃焼装置２２０はまた、燃料流ならびに燃焼室２２２を画定する多孔質浸み出し部材２３０の壁を通して燃焼空間に流入する浸み出し流体２１０を受容するための高圧高温燃焼空間として構成された燃焼室２２２を備えていてもよい。浸み出し流体２１０の供給量を使用して、燃焼装置出口部分／タービン入口部分温度を所望の値に制御してもよい、および／または浸み出し部材２３０を、浸み出し部材２３０を形成している材料に適合可能な温度まで冷却してもよい。浸み出し部材２３０を通して導かれる浸み出し流体２１０は、燃焼室２２２を画定する浸み出し部材２３０の表面で流体／緩衝層を提供し、ここでは、流体／緩衝層によって、特定の燃料燃焼により生じる灰または液体スラグの粒子が浸み出し部材２３０の露出した壁と相互作用するのを防止してもよい。
燃焼室２２２は、燃焼が生じる圧力よりも大きな圧力で、燃焼室２２２内に燃料流（および循環流体２３６）を噴射するかそれ以外の方法で導入することができるようにさらに構成されていてもよい。燃焼装置２２０は、燃焼室２３０を画定する浸み出し部材２３０を少なくとも部分的に取り囲んでいる圧力格納部材２３３８を備えていてもよく、ここでは、断熱部材２３３９を圧力格納部材２３３８と浸み出し部材２３０との間に配置することができる。一部の場合では、水循環ジャケット２３３７を画定するジャケット付き水冷却システムなどの熱除去装置２３５０を、圧力格納部材２３３８に係合させてもよい（すなわち、燃焼装置２２０の「シェル」を形成している圧力格納部材２３３８の外側）。燃焼装置２２０の浸み出し部材２３０に接続した状態で実装される浸み出し流体２１０は、例えば、微量のＨ２Ｏおよび／またはＮ２もしくはアルゴンなどの不活性ガスと混合したＣＯ２にすることができる。浸み出し部材２３０は、例えば、多孔質金属、セラミック、複合体マトリックス、積層状マニホールド、任意の他の好適な構造またはそれらの組み合わせを含んでいてもよい。一部の実施態様では、より詳細に本明細書に記載されているように、燃焼室２２２内における燃焼により、高圧高温燃焼生成物流を生成することができ、その後に、その流れをそれに関する膨張のためにタービンなどの発電装置に導いてもよい。
本明細書に開示されているような燃焼装置の実施形態によって実装される比較的高い圧力は、生成されたエネルギーを集中させて、最小体積で比較的高い強度にし、原則として比較的高いエネルギー密度を生じさせるように機能してもよい。比較的高いエネルギー密度により、このエネルギーの下流処理を低圧力である場合よりも効率的な方法で行うことができ、ひいては本技術が実現可能になる。本開示の実施態様は、このようにして、既存の発電所よりも桁外れに大きい（すなわち１０〜１００倍）エネルギー密度を提供し得る。エネルギー密度が高まると、プロセス効率が上昇するだけでなく、設備の大きさおよび質量を減少させ、ひいては、設備のコストを低下させることによって、熱エネルギーから電気へのエネルギー変換を実行するために必要な設備コストも低下させる。
本明細書に別途論じられているように、本発明の方法およびシステムで使用される燃焼装置は、様々な異なる炭素含有燃料源の燃焼にとって有用であり得る。具体的な実施形態では、燃焼生成物流中に液体もしくは固体の不燃焼性物質が含まれないように、炭素含有燃料を実質的に完全に燃焼させることができる。しかしながら、一部の実施形態では、本発明で使用し得る固体の炭素含有燃料（例えば、石炭）では、不燃焼性物質が生じるのであってもよい。具体的な実施形態では、燃焼装置は、固体の炭素含有燃料中の不燃焼性成分を燃焼プロセスの間に液化させる燃焼温度を達成するという能力を備えていてもよい。そのような場合、液化不燃焼性成分を除去するための装置を適用してもよい。除去するために、例えば、サイクロン分離器、衝突分離器、もしくは環状に配置された段階的な耐火性粒状フィルタの床、またはそれらの組み合わせを用いてもよい。特定の実施形態では、例えば、図４に示す分離装置２３４０などの一連のサイクロン分離器によって、高温循環流体流から液滴を除去してもよい。一般に、本開示によって実装されるそのようなサイクロン分離器の実施態様は、燃焼生成物／出口流体流およびそれらに伴う液化不燃焼性成分を受容するように構成された入口遠心分離装置１００Ａと、実質的にそこから除去された液化不燃焼性成分を有する燃焼生成物／出口流体流を排出するように構成された出口遠心分離装置１００Ｂとを含む、複数の直列に配置された遠心分離装置１００を備えていてもよい。各遠心分離装置１００は、中央捕集器パイプ２の周りに並列に動作可能に配置された複数の遠心分離要素またはサイクロン１を備え、ここでは、各遠心分離要素またはサイクロン１は、燃焼生成物／出口流体流から液化不燃焼性成分の少なくとも一部を除去し、かつ液化不燃焼性成分の除去部分を排液溜め２０まで導くように構成されている。そのような分離装置２３４０は、高圧で動作するように構成されていてもよく、そのため、遠心分離装置および排液溜めを収容するように構成された耐圧ハウジング１２５をさらに備えていてもよい。そのような実施態様によれば、耐圧ハウジング１２５は、同様に燃焼装置２２０を取り囲んでいる圧力格納部材２３３８の延長部分であってもよく、あるいは耐圧ハウジング１２５は、燃焼装置２２０に関連づけられた圧力格納部材２３３８に係合することができる別個の部材であってもよい。いずれの場合も、出口流体流を介して分離装置２３４０が受ける高温のために、耐圧ハウジング１２５はまた、そこから熱を除去するためにそこに動作可能に係合されたその中を循環する液体を有する伝熱ジャケットなどの散熱システム（図示せず）も備えていてもよい。一部の実施態様では、熱回収装置（図示せず）は、伝熱ジャケットに動作可能に係合されていてもよく、ここでは、熱回収装置は、伝熱ジャケット内に循環される液体を受容し、かつその液体から熱エネルギーを回収するように構成されていてもよい。
特定の実施形態では、図４に示す（スラグ除去）分離装置２３４０は、燃焼装置２２０に対して、そこからの出口流体流／燃焼生成物を受容するために、その出口部分２２２Ｂ付近において、直列に配置されるように構成することができる。その中に液体スラグ（不燃焼性成分）滴を含む燃焼装置２２０からの浸み出し冷却された出口流体流を、円錐形のレデューサ１０を介して入口遠心分離装置１００Ａの中央捕集装置２Ａに流入するように導くことができる。一実施態様では、分離装置２３４０は、３つの遠心分離装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃを備えていてもよい（ただし、当業者であれば、そのような分離装置は、必要または所望に応じて１つ、２つ、３つ、またはそれ以上の遠心分離装置を備え得ることを理解するはずである）。この場合、直列に動作可能に配置された３つの遠心分離装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、３段サイクロン分離装置を提供する。各遠心分離装置は、例えば、対応する中央捕集器パイプ２の円周の周りに配置された複数の遠心分離要素（サイクロン１）を備える。入口遠心分離装置１００Ａの中央捕集装置２Ａおよび中央捕集器パイプ２ならびに中間遠心分離装置１００Ｃはそれぞれ、その出口端で密閉されている。そのような場合、出口流体流は、各遠心分離装置１００の遠心分離要素（サイクロン１）のそれぞれに対応する分岐チャネル１１内に導かれる。分岐チャネル１１は、各サイクロン１の入口端に係合して、その接線方向の入口を形成するように構成されている（これにより、例えば、サイクロン１に流入する出口流体流を螺旋流の中でサイクロン１の壁と相互作用させる）。次いで、各サイクロン１からの出口チャネル３を、各遠心分離装置１００の中央捕集器パイプ２の入口部分の中に経路指定する。出口遠心分離装置１００Ｂでは、出口流体流（そこから実質的に分離された不燃焼性成分を有する）を、その後、「浄化された」出口流体流を変換装置に関連するプロセスなどのその後のプロセスに導くことができるように、出口遠心分離装置１００Ｂの中央捕集器パイプから捕集器パイプ１２および出口ノズル５を介して導く。よって、例示的な三段サイクロン分離構成によって、例えば、出口流体流中に質量換算で５ｐｐｍ未満になるまでスラグを除去することができる。
分離装置２３４０の各段では、分離された液体スラグを、サイクロン１のそれぞれから排液溜め２０に向かって延在する出口管４を介して導く。次いで、分離された液体スラグを、そこからの成分の除去および／または回収のために排液溜め２０および耐圧ハウジング１２５から延在する出口ノズルまたはパイプ１４内に導く。スラグの除去の達成に際して、液体スラグを、水冷却部分６を通すか、そうでない場合は高圧の冷水接続を有する部分を通して導いてもよく、ここでは、水との相互作用によって、液体スラグを凝固および／または粒状化させる。次いで、凝固されたスラグと水の混合物を、容器（捕集装置）７内で、特に減圧後に好適な弁９によって除去することができるスラグ／水の流体混合物に分離すると共に、別個のライン８を介してあらゆる残留ガスを除去してもよい。一部の実施形態では、順番に動作する関連のシステムと共に一対の容器によって、本システムの連続的な動作を可能にすることができる。
比較的高温の燃焼生成物流と共に（すなわち、不燃焼性成分を比較的低粘性の液体形態に維持するのに十分な温度で）分離装置２３４０を実装することができるため、一部の場合では、燃焼生成物／出口流体流およびそれに関連する液化不燃焼性成分のうちの１つに曝される分離装置２３４０の表面が、高耐温性、高耐腐食性、および低熱伝導率のうちの少なくとも１つを有するように構成された材料で作られていることが望ましいこともある。そのような材料の例には、酸化ジルコニウムおよび酸化アルミニウムが含まれ得るが、そのような例は、いかなる方法によっても本発明を限定するものではない。そのため、特定の実施態様では、分離装置２３４０は、液化不燃焼性成分を燃焼生成物／出口流体流から実質的に除去し、かつ不燃焼性成分を、少なくとも排液溜め２０から除去するまでは低粘性の液体形態に維持するように構成することができる。当然のことながら、非固体燃料が使用され、かつ燃焼生成物流中に不燃焼性物質が含まれていない実施形態では、スラグ分離器の追加が不要になり得る。
一部の実施形態では、分離装置２３４０を使用して、石炭などの不燃焼性固体残渣を生成する任意の燃料の燃焼による粒子状固体灰残渣を分離してもよい。例えば、石炭を所望の大きさ（例えば、１重量％未満の粒子炭または微粉炭が１００μｍを超える大きさの粒子を含むような大きさ）まで粉砕し、かつ液体ＣＯ２でスラリー化することができる。具体的な実施形態では、液体ＣＯ２を約−４０℃〜約−１８℃の温度にすることができる。スラリーは、約４０重量％〜約６０重量％の石炭を含んでいてもよい。次いで、スラリーを、所要の燃焼圧力まで加圧することができる。図１を参照すると、再利用流２３６を、燃焼器２２０内への流入様式に関して分割することができる。第１の部分（流れ２３６ａ）を、混合装置２５０を介して燃焼器２２０に投入することができ、第２の部分（流れ２３６ｂ）を、浸み出し冷却層２３０に通すことによって燃焼器２２０に投入することができる。上述のように、還元性ガス混合物（例えば、Ｈ２、ＣＨ４、ＣＯ、Ｈ２Ｓ、および／またはＮＨ３を含む）の生成を引き起こすＯ２と燃料との比を用いてバーナ２２０を動作させることができる。浸み出し冷却層２３０を通って燃焼器に流入する流れ２３６の一部を使用して、燃焼ガスとＣＯ２循環流体との混合物を、実質的に灰凝固温度よりも低い温度（例えば、約５００℃〜約９００℃の範囲）まで冷却することができる。分離装置２３４０からの総ガス流５を濾過装置に通すことができ、それにより、残留する固体の灰粒子レベルを非常に低い値（例えば、フィルタを通るガスの約２ｍｇ／ｍ３未満）まで減少させる。次いで、この浄化したガスを、第２の燃焼器で燃焼させることができ、そこでは、さらなる部分の再利用流体流２３６で希釈することができる。そのような実施形態では、再利用流体流２３６を、必要に応じて２つの燃焼器間に分配することができる。
本発明による燃料として、任意の炭素含有材料を使用してもよい。特に、本発明の方法およびシステムに使用される酸素を燃料とする燃焼装置によって高圧および高温が維持されるという理由から、有用な燃料には、各種等級および種類の石炭、木、油、燃料油、天然ガス、石炭系燃料ガス、タールサンドからのタール、瀝青、バイオマス、藻類、可燃性と指定された固体廃棄物、アスファルト、使用済タイヤ、ディーゼル、ガソリン、ジェット燃料（ＪＰ−５、ＪＰ−４）、炭化水素材料のガス化または熱分解により得られたガス、エタノール、固体、および液体バイオ燃料が含まれるが、これらに限定されない。これは、従来技術のシステムおよび方法からの重要な脱却とみなし得る。例えば、石炭などの固体燃料の燃焼のための既知技術のシステムは、天然ガスなどの非固体燃料の燃焼のためのシステムとはかなり異なる設計を必要とする。
燃料は、十分な流量および燃焼室内の圧力を超える圧力で燃焼装置内に噴射できるように好適に処理することができる。そのような燃料は、周囲温度または高温で適当な流動性および粘性を有する液体、スラリー、ゲルまたはペースト形態であってもよい。例えば、燃料は、約３０℃〜約５００℃、約４０℃〜約４５０℃、約５０℃〜約４２５℃または約７５℃〜約４００℃の温度で提供してもよい。任意の固体燃料材料を、粉砕もしくは破砕またはそれ以外の方法で処理して、必要に応じて粒径を減少させてもよい。必要に応じて、流動化またはスラリー化媒体を添加して好適な形態を達成し、かつ高圧ポンプ圧縮のための流れの要件を満たすことができる。当然のことながら、流動化媒体は、燃料の形態（すなわち、液体または気体）によっては必要でない場合もある。同様に、一部の実施形態では、循環される循環流体を流動化媒体として使用してもよい。
本発明による有用な燃焼器に好適な浸み出し流体には、蒸気壁を形成するように内側ライナーを通って十分な量および圧力で流れることができるあらゆる流体を含むことができる。本実施形態では、ＣＯ２は、形成された蒸気壁が良好な断熱特性ならびに可視光およびＵＶ光吸収特性を有するという点で、理想的な浸み出し流体であり得る。ＣＯ２は超臨界流体として使用することができる。浸み出し流体の他の例には、Ｈ２Ｏ、下流から再利用される冷却した燃焼生成ガス、酸素、水素、天然ガス、メタン、および他の軽質炭化水素が含まれる。特に、燃料を燃焼器の始動時に浸み出し流体として使用して、主燃料源の噴射前に燃焼器内の適当な動作温度および圧力を達成してもよい。また、燃料を浸み出し流体として使用して、主燃料として石炭からバイオマスに切り替える場合などの主燃料源間の切替え時に燃焼器の動作温度および圧力を調整してもよい。一部の実施形態では、２種以上の浸み出し流体を使用することができる。さらに、燃焼器に沿った異なる位置で、異なる浸み出し流体を使用することができる。例えば、第１の浸み出し流体を高温熱交換ゾーンで使用することができ、第２の浸み出し流体を低温熱交換ゾーンで使用することができる。浸み出し流体を、浸み出し流体が蒸気壁を形成している燃焼室の温度および圧力条件に合わせて最適化することができる。この例では、浸み出し流体は、予熱した再利用ＣＯ２である。
一実施態様では、本発明は発電方法を提供する。具体的には、本方法は、好適には、本明細書に記載されているように、本方法によって再利用されるＣＯ２循環流体を利用する。本発明の方法はまた、非限定的な例として、浸み出し冷却式燃焼器を含む高効率燃焼器を利用する。さらなる燃焼器も同様に使用してもよい。特に、本発明は、本開示に照らして有用であると認識されうるあらゆる種類の燃焼器を包含することを意図している。特定の実施形態では、本方法は一般に、図５に示すフローチャートに関して説明することができる。そこに示されているように、燃焼器２２０が設けられており、その中に様々な投入口が設けられている。炭素含有燃料２５４およびＯ２２４２（必要に応じて）を、循環流体２３６（本実施形態ではＣＯ２）と共に燃焼器２２０に導入することができる。破線で示されている混合装置２５０は、この構成要素が任意に存在することを示している。具体的には、２つまたは３つの材料すべて（燃料、Ｏ２、およびＣＯ２循環流体）の任意の組み合わせを、燃焼器２２０内への導入前に混合装置２５０で合わせてもよい。図５には単一の燃焼器が示されているが、本明細書でさらに説明するように、本開示によるシステムおよび方法では複数の燃焼器を利用してもよいことを理解されたい。よって、以下の議論は単一の燃焼器を参照してなされているかもしれないが、開示された動作条件を、同じサイクルにおいて、２つ以上の燃焼器に対して独立に適用してもよいことを理解されたい。
様々な実施形態では、燃焼器に投入される材料が、発電方法の望ましい効率的な動作を容易にすることができる特定の物理的特性を呈することが望ましいことがある。例えば、特定の実施形態では、ＣＯ２循環流体中のＣＯ２を規定の圧力および／または温度で燃焼器に導入することが望ましいことがある。具体的には、燃焼器に導入されるＣＯ２が少なくとも約８ＭＰａの圧力を有することが有益であり得る。さらなる実施形態では、燃焼器に導入されるＣＯ２を、少なくとも約１０ＭＰａ、少なくとも約１２ＭＰａ、少なくとも約１４ＭＰａ、少なくとも約１５ＭＰａ、少なくとも約１６ＭＰａ、少なくとも約１８ＭＰａ、少なくとも約２０ＭＰａ、少なくとも約２２ＭＰａ、少なくとも約２４ＭＰａ、または少なくとも約２５ＭＰａの圧力にすることができる。他の実施形態では、圧力を、約８ＭＰａ〜約５０ＭＰａ、約１２ＭＰａ〜約５０ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約５０ＭＰａ、約２０ＭＰａ〜約５０ＭＰａ、約２２ＭＰａ〜約５０ＭＰａ、約２２ＭＰａ〜約４５ＭＰａ、約２２ＭＰａ〜約４０ＭＰａ、約２５ＭＰａ〜約４０ＭＰａ、または約２５ＭＰａ〜約３５ＭＰａにすることができる。さらに、燃焼器に導入されるＣＯ２が少なくとも約２００℃の温度を有することが有益であり得る。さらなる実施形態では、燃焼器に導入されるＣＯ２を、少なくとも約２５０℃、少なくとも約３００℃、少なくとも約３５０℃、少なくとも約４００℃、少なくとも約４５０℃、少なくとも約５００℃、少なくとも約５５０℃、少なくとも約６００℃、少なくとも約６５０℃、少なくとも約７００℃、少なくとも約７５０℃、少なくとも約８００℃、少なくとも約８５０℃、または少なくとも約９００℃の温度にすることができる。
一部の実施形態では、燃焼器に導入される燃料を特定の条件下で提供することが望ましいことがある。例えば、特定の実施形態では、炭素含有燃料を規定の圧力および／または温度で燃焼器に導入することが望ましいことがある。一部の実施形態では、炭素含有燃料を、ＣＯ２循環流体の条件と同じであるか実質的に同様の条件下で燃焼器に導入することができる。「実質的に同様の条件」という語句は、本明細書に説明されている基準条件パラメータ（例えば、ＣＯ２循環流体の条件パラメータ）の５％以内、４％以内、３％以内、２％以内、または１％以内である条件パラメータを意味することができる。特定の実施形態では、炭素含有燃料を、燃焼器内への導入前にＣＯ２循環流体と混合してもよい。そのような実施形態では、炭素含有燃料およびＣＯ２循環流体が、同じまたは実質的に同様の条件（具体的には、ＣＯ２循環流体に関して説明されている条件を包含し得る）下にあると予測される。他の実施形態では、炭素含有燃料を、ＣＯ２循環流体とは別々に燃焼器に導入してもよい。そのような場合、炭素含有燃料をなおＣＯ２循環流体に関して説明されているような圧力で導入してもよい。一部の実施形態では、炭素含有燃料を、燃焼器への導入前に、ＣＯ２循環流体の温度とは異なる温度に維持することが有用であり得る。例えば、炭素含有燃料を、約３０℃〜約８００℃、約３５℃〜約７００℃、約４０℃〜約６００℃、約４５℃〜約５００℃、約５０℃〜約４００℃、約５５℃〜約３００℃、約６０℃〜約２００℃、約６５℃〜約１７５℃、または約７０℃〜約１５０℃の温度で燃焼器に導入することができる。
他の実施形態では、燃焼器に導入されるＯ２を特定な条件下で提供することが望ましいことがある。そのような条件は、Ｏ２の提供方法に付随するものであってもよい。例えば、Ｏ２を特定の圧力で提供することが望ましいことがある。具体的には、燃焼器に導入されるＯ２が少なくとも約８ＭＰａの圧力を有することが有益であり得る。さらなる実施形態では、燃焼器に導入されるＯ２は、少なくとも約１０ＭＰａ、少なくとも約１２ＭＰａ、少なくとも約１４ＭＰａ、少なくとも約１５ＭＰａ、少なくとも約１６ＭＰａ、少なくとも約１８ＭＰａ、少なくとも約２０ＭＰａ、少なくとも約２２ＭＰａ、少なくとも約２４ＭＰａ、少なくとも約２５ＭＰａ、少なくとも約３０ＭＰａ、少なくとも約３５ＭＰａ、少なくとも約４０ＭＰａ、少なくとも約４５ＭＰａ、または少なくとも約５０ＭＰａの圧力にすることができる。Ｏ２の提供は、深冷Ｏ２濃縮器、Ｏ２輸送分離器、またはＯ２を周囲空気から分離するためのＯ２イオン輸送分離器などの任意の同様の装置などの空気分離器（または酸素分離器）の使用を包含することができる。別々にまたはそれらと組み合わせたＯ２の提供は、上述のように、所望の圧力を達成するためにＯ２を加圧することを含むことができる。そのような作用によってＯ２を加熱させることができる。一部の実施形態では、Ｏ２を、本質的にガスを加圧することによって達成される温度とは異なる所望の温度にすることが望ましいことがある。例えば、Ｏ２を３０℃〜約９００℃、約３５℃〜約８００℃、約４０℃〜約７００℃、約４５℃〜約６００℃、約５０℃〜約５００℃、約５５℃〜約４００℃、約６０℃〜約３００℃、約６５℃〜約２５０℃、または約７０℃〜約２００℃の温度で燃焼器に提供することが望ましいことがある。一部の実施形態では、ＣＯ２循環流体および／または炭素含有燃料の条件と同じであるか実質的に同様の条件下でＯ２を燃焼器に導入することができる。これは、燃焼器内への導入前に各種成分を混合することよって生じてもよく、あるいは燃焼器内への導入のためにＯ２を用意する具体的な方法によって生じてもよい。特定の実施形態では、Ｏ２がＣＯ２循環流体流と同じ温度で提供され得るような規定のモル比で、Ｏ２をある量のＣＯ２と合わせてもよい。例えば、このような組み合わせは、ＣＯ２を超臨界圧にしながら、１００℃未満の温度で行うことができる。これにより、ＣＯ２の希釈作用に起因して、純粋なＯ２だけを加熱することに関わる燃焼の危険性を排除する。そのような混合物は、約１：２〜約５：１、約１：１〜約４：１、または約１：１〜約３：１のＣＯ２／Ｏ２比にすることができる。
一部の実施形態では、燃焼器に供給されるＯ２を実質的に精製する（すなわち、空気中に本来存在する他の成分に対するＯ２のモル含有量の点で向上させる）ことが有用であり得る。特定の実施形態では、Ｏ２は、約５０モル％超、約６０モル％超、約７０モル％超、約８０モル％超、約８５モル％超、約９０モル％超、約９５モル％超、約９６モル％超、約９７モル％超、約９８モル％超、約９９モル％超、または約９９．５モル％超の純度を有することができる。他の実施形態では、Ｏ２は、約８５モル％〜約９９．６モル％、約８５モル％〜約９９モル％、約９０モル％〜約９９モル％、約９０モル％〜約９８モル％、または約９０モル％〜約９７モル％のモル純度を有することができる。燃料中の炭素からＣＯ２をすべて回収すると、少なくとも約９９．５モル％の範囲のより高純度の使用に有利である。
ＣＯ２循環流体は、Ｏ２および炭素含有燃料と共に、燃焼器の入口で燃焼器に導入することができる。しかしながら、浸み出し冷却式燃焼器に関して上述したように、ＣＯ２循環流体も、浸み出し冷却式燃焼器内に形成された１つ以上の浸み出し流体供給路を通して浸み出し部材内に導かれる浸み出し冷却流体のすべてまたは一部として浸み出し冷却式燃焼器に導入することができる。一部の実施形態では、ＣＯ２循環流体を、燃焼器の入口で（すなわち、Ｏ２および燃料と共に）燃焼器に導入することができ、ＣＯ２循環流体も、浸み出し冷却流体のすべてまたは一部として浸み出し部材を通して燃焼器に導入することができる。他の実施形態では、ＣＯ２循環流体は、浸み出し冷却流体のすべてまたは一部として浸み出し部材を通してのみ燃焼器に導入することができる（すなわち、ＣＯ２は、Ｏ２および燃料と共に燃焼器入口に導入されない）。
一部の実施形態では、本発明を、燃焼室に導入される様々な成分の比に関して特徴づけてもよい。最大燃焼効率を達成するために、高温で炭素含有燃料を燃焼させることが有用であり得る。しかしながら、燃焼温度および燃焼器を出る燃焼生成物流の温度は、規定のパラメータの範囲内で制御しなければならないことがある。この目的のために、電力に変換することができるエネルギー量を最大にすると共に、燃焼温度および／またはタービン入口温度を所望の範囲内で制御することもできるように燃料に対する特定の比でＣＯ２循環流体を提供することが有用であり得る。具体的な実施形態では、これを、ＣＯ２循環流体流と燃料中の炭素との比を調整することによって達成することができる。より詳細に本明細書に説明されているように、所望の比は、所望のタービン入口温度ならびに熱交換器の高温端における入口流と出口流との温度差によって影響を受ける可能性がある。この比は、具体的には、炭素含有燃料中に存在する炭素に対するＣＯ２循環流体中のＣＯ２のモル比として表現することができる。燃焼器に導入されるＣＯ２のモル量を決定するために、一部の実施形態では、燃焼器に提供されるＣＯ２の全含有量（すなわち、燃料およびＯ２ならびに浸み出し冷却流体として使用されるあらゆるＣＯ２と共に入口で導入される）が計算に含まれる。しかしながら、具体的な実施形態では、この計算は、燃焼器入口で導入されるＣＯ２のモル量にのみ基づいていてもよい（すなわち、浸み出し冷却流体として使用されるあらゆるＣＯ２を除外する）。ＣＯ２が浸み出し冷却流体としてのみ燃焼器に導入される実施形態では、この計算は、浸み出し冷却流体として燃焼器に導入されるＣＯ２の含有量に基づく。よって、この比を、燃焼器に投入される燃料中の炭素に対する燃焼器入口に投入されるＣＯ２のモル含有量として表現してもよい。あるいは、この比を、燃焼器に投入される燃料中の炭素に対する、浸み出し冷却流体を通して燃焼器に投入されるＣＯ２のモル含有量として表現してもよい。
特定の実施形態では、燃焼器に導入される燃料中の炭素に対するＣＯ２循環流体のモル比は、約１０〜約５０（すなわち、燃料中の炭素１モル当たり約１０モルのＣＯ２〜燃料中の炭素１モル当たり約５０モルのＣＯ２）にすることができる。さらなる実施形態では、燃料中の炭素に対する循環流体中のＣＯ２の比を、約１５〜約５０、約２０〜約５０、約２５〜約５０、約３０〜約５０、約１５〜約４５、約２０〜約４５、約２５〜約４５、約３０〜約４５、約１５〜約４０、約２０〜約４０、約２５〜約４０、または約３０〜約４０にすることができる。他の実施形態では、燃料中の炭素に対する循環流体中のＣＯ２の比を、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２０、少なくとも約２５、または少なくとも約３０にすることができる。
炭素含有燃料中に存在する炭素に対する燃焼器に導入されるＣＯ２のモル比は、全体的なシステムの熱効率に対する重要な影響を有し得る。この効率に対する影響はまた、熱交換器、水分離器、および加圧装置を含む、本システムのさらなる構成要素の設計および機能によって影響を受けることもある。本明細書に説明されている本システムおよび方法の様々な要素の組み合わせにより、本明細書に説明されている具体的なＣＯ２／Ｃ比で高い熱効率の達成が可能となる。本明細書に説明されている様々な要素を備えていない以前から知られているシステムおよび方法は典型的に、本明細書において達成される効率に近い効率を達成するために、本発明で使用されるＣＯ２／Ｃモル比よりも著しく低いＣＯ２／Ｃモル比を必要とする。しかしながら、本発明は、既知の技術で使用することができるＣＯ２／Ｃモル比を大きく超えるＣＯ２／Ｃモル比の使用を可能にするＣＯ２の再利用のための非常に有効なシステムおよび方法を特定している。さらに、本発明による高いＣＯ２／Ｃモル比の使用は、燃焼流中の不純物を希釈するために有利である。よって、システムの構成要素に対する不純物（例えば、塩化物および硫黄）の腐食または浸食作用は大幅に減少する。現在のところ、高塩化物および／または高硫黄石炭は既知のシステムでは使用することができない。それは、そのような石炭（ＨＣｌおよびＨ２ＳＯ４を含む）からの燃焼生成物はあまりに腐食性および侵食性が高く、発電所の構成要素は耐えることができないためである。多くの他の不純物（例えば、固体灰粒子や、鉛、ヨウ素、アンチモン、および水銀などの成分を含有する揮発性材料）は、高温で発電所の構成要素に対して深刻な内部損傷も引き起こし得る。再利用ＣＯ２の希釈作用は、発電所の構成要素に対するそのような不純物の有害作用を大きく改善または排除することができる。次いで、ＣＯ２／Ｃモル比の選択では、効率および発電所構成要素の浸食および腐食に対する効果ならびにＣＯ２再利用システムの構成要素および機能の設計の複合的な検討が必要となり得る。本発明は、ＣＯ２の非常に効率的な再利用、ひいては、既知技術によって予測することができなかった高い熱効率を併せたＣＯ２／Ｃモル比の増加を可能にする。このように、高いＣＯ２／Ｃモル比により、少なくとも前述の利点がもたらされる。
同様に、燃焼器に導入されるＯ２の含有量を制御することが有用であり得る。これは、特に、燃焼器の動作の性質に依存し得る。本明細書により詳細に説明されているように、本発明の方法およびシステムは、完全酸化モード、完全還元モード、またはこれら両方の変形における動作を可能にすることができる。完全酸化モードでは、燃焼器に提供されるＯ２の量は、好適には、少なくとも、炭素含有燃料の完全な酸化を達成するのに必要な化学量論量である。特定の実施形態では、提供されるＯ２の量は、少なくとも約０．１モル％、少なくとも約０．２５モル％、少なくとも約０．５モル％、少なくとも約１モル％、少なくとも約２モル％、少なくとも約３モル％、少なくとも約４モル％、または少なくとも約５モル％だけ上記化学量論量を上回る。他の実施形態では、提供されるＯ２の量は、約０．１モル％〜約５モル％、約０．２５モル％〜約４モル％、または約０．５モル％〜約３モル％だけ上記化学量論量を上回る。完全還元モードでは、燃焼器に提供されるＯ２の量は、好適には、炭素含有燃料を成分Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、およびＮＨ３に変換するのに必要な化学量論量に、少なくとも約０．１モル％、少なくとも約０．２５モル％、少なくとも約０．５モル％、少なくとも約１モル％、少なくとも約２モル％、少なくとも約３モル％、少なくとも約４モル％、または少なくとも約５モル％の過剰量を加えた量である。他の実施形態では、提供されるＯ２の量は、約０．１モル％〜約５モル％、約０．２５モル％〜約４モル％、または約０．５モル％〜約３モル％だけ上記化学量論量を上回る。
本発明の方法は、一部の実施形態では、プロセスにおける様々な工程の全体にわたるＣＯ２の物理状態に関して特徴づけることができる。ＣＯ２は、材料の物理的条件に応じた様々な状態で存在しているものとして認識される。ＣＯ２は、０．５１８ＭＰａかつ−５６．６℃の三重点を有するが、ＣＯ２はまた、７．３８ＭＰａかつ３１．１℃の臨界圧および温度も有する。この臨界点を超えると、ＣＯ２は、超臨界流体として存在し、本発明は、サイクル中の特定の点でＣＯ２を指定の状態に維持することによって発電効率を最大にする能力を実現している。具体的な実施形態では、燃焼器に導入されるＣＯ２は、好適には、超臨界流体の形態である。
発電システムまたは方法の効率は典型的に、本システムまたは方法に投入されるエネルギーに対する本システムまたは方法によって出力されるエネルギーの比を表現するものと理解される。発電システムまたは方法の場合、効率は、燃焼して電気（または電力）を生成する燃料の総低位発熱量熱エネルギーに対する顧客グリッドに出力される電気または電力（例えば、メガワットまたはＭＷ）の比として表現することが多い。そこで、この比を、システムまたは方法の正味効率（ＬＨＶに基づく）と呼んでもよい。この効率は、精製された酸素の生成（例えば、空気分離装置による）、加圧されたパイプラインに輸送するためのＣＯ２の加圧、およびエネルギー投入を必要とする他のシステムまたは方法条件を含む、内部システムまたは方法プロセスに必要なすべてのエネルギーを考慮に入れることができる。
様々な実施形態では、本発明のシステムおよび方法は、ＣＯ２の臨界圧を上回る圧力で実質的に純粋なＯ２中で炭素含有燃料を燃焼させて（すなわち、燃焼器中で）、燃焼生成物流を生成するサイクルにおいて、作動流体として主にＣＯ２を利用することができる。この流れをタービン全体に膨張させ、次いで、再生熱交換器に通す。熱交換器では、タービン排気が超臨界状態の再利用ＣＯ２循環流体を予熱する。この予熱した再利用ＣＯ２循環流体を燃焼器に投入し、そこで、炭素含有燃料の燃焼からの生成物と混合して、規定の最高タービン入口温度の総流量を得る。本発明は、優れた効率を提供することができる。これは、少なくとも部分的には、再生熱交換器の高温端で温度差を最小にすることの有益さを認めているためである。この最小化は、低温度レベルの熱源を使用して、燃焼器への導入前に再利用ＣＯ２の一部を加熱することによって達成することができる。これらの低温度レベルにおいて超臨界ＣＯ２の比熱および密度は非常に高く、このように追加で加熱することで、タービン排気流によってＣＯ２をより高い温度まで予熱することができ、これにより、再生熱交換器の高温端における温度差を著しく減少させることができる。有用な低温熱源は、具体的な実施形態では、断熱的に動作する深冷空気分離装置に使用される空気圧縮機または従来のガスタービンからの高温排気流である。本発明の具体的な実施形態では、再生熱交換器の高温端における温度差は約５０℃未満、好適には、約１０℃〜約３０℃の範囲である。低い圧力比（例えば、約１２未満）の使用は、効率を上げることができるさらなる要因である。低い圧力比に加えて、作動流体としてＣＯ２を使用することで、冷却したタービン排気の圧力を再利用圧力まで上昇させる際のエネルギー損失を低下させる。さらなる利点は、燃料からほぼ１００％の炭素回収率でさらなる寄生電力消費をほとんど生じさせずに、パイプライン圧力（典型的には約１０ＭＰａ〜約２０ＭＰａ）でＣＯ２の超臨界圧力を超える高圧流体としてＣＯ２に変換される量の燃料中の炭素を生成することができる点である。そのようなシステムおよび方法のパラメータは、さらにより詳細に本明細書にさらに説明されている。さらに、本開示のシステムおよび方法のの基本的な例をさらに上回る効率およびコスト削減を提供するために、燃焼器、タービン、および熱交換器の様々な組み合わせを特定することができる。そのような組み合わせの特定の例示的な実施形態を本明細書に説明するが、本発明、特に、既知の技術を超える明白な利点をもたらし得るそのいくつかの構成要素の性質の完全な説明を提供するために、本システムおよび方法の基本的な要素に関して本発明を以下にまず説明する。その後、本発明から生じるシステム要素および動作条件の適当な組み合わせにより実現され得る、本開示のシステムおよび方法のさらなる利点をさらなる実施形態において例示する。
図５に戻ると、Ｏ２２４２およびＣＯ２循環流体２３６と共に燃焼器２２０に導入される炭素含有燃料２５４を燃焼させて燃焼生成物流４０を得る。具体的な実施形態では、燃焼器２２０を浸み出し冷却式燃焼器または上述のようなものなどの任意のさらなる好適な燃焼器とすることができる。燃焼温度は、具体的なプロセスパラメータ、例えば、使用される炭素含有燃料の種類、燃焼器に導入される燃料中の炭素に対するＣＯ２のモル比、および／または燃焼器に導入されるＯ２に対するＣＯ２のモル比に応じて変わり得る。具体的な実施形態では、燃焼温度は、浸み出し冷却式燃焼器の説明に関して上述したような温度である。特に好ましい実施形態では、本明細書に説明されているような約１，３００℃を上回る燃焼温度は有利であり得る。
燃焼器を出る燃焼生成物流が所望の温度を有するように燃焼温度を制御することも有用であり得る。例えば、燃焼器を出る燃焼生成物流が、少なくとも約７００℃、少なくとも約７５０℃、少なくとも約８００℃、少なくとも約８５０℃、少なくとも約９００℃、少なくとも約９５０℃、少なくとも約１，０００℃、少なくとも約１，０５０℃、少なくとも約１，１００℃、少なくとも約１，２００℃、少なくとも約１，３００℃、少なくとも約１，４００℃、少なくとも約１，５００℃、または少なくとも約１，６００℃の温度を有することが有用であり得る。一部の実施形態では、燃焼生成物流は、約７００℃〜約１，６００℃、約８００℃〜約１，６００℃、約８５０℃〜約１，５００℃、約９００℃〜約１，４００℃、約９５０℃〜約１，３５０℃または約１，０００℃〜約１，３００℃の温度を有していてもよい。
上述のように、発電サイクル全体にわたるＣＯ２の圧力は、電力サイクル効率を最大にするための重要なパラメータとなり得る。燃焼器に導入される材料が具体的に定義されている圧力を有することが重要であり得るが、燃焼生成物流が規定の圧力を有することも重要であり得る。具体的には、燃焼生成物流の圧力は、燃焼器に導入されるＣＯ２循環流体の圧力に関係させることができる。具体的な実施形態では、燃焼生成物流の圧力を、燃焼器に導入されるＣＯ２、すなわち、循環流体の圧力の少なくとも約９０％にすることができる。さらなる実施形態では、燃焼生成物流の圧力は、燃焼器に導入されるＣＯ２の少なくとも約９１％、少なくとも約９２％、少なくとも約９３％、少なくとも約９４％、少なくとも約９５％、少なくとも約９６％、少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、または少なくとも約９９％にすることができる。
燃焼器を出る燃焼生成物流の化学組成は、使用される炭素含有燃料の種類に応じて変わり得る。重要なことに、以下により詳細に説明するように、燃焼生成物流は、燃焼器またはさらなるサイクルに再利用および再導入されるＣＯ２を含む。さらに、大気への放出を含まない隔離または他の廃棄処分のために、過剰なＣＯ２（燃料の燃焼によって生成されるＣＯ２を含む）をＣＯ２循環流体から（特に、ＣＯ２パイプラインに直接移動させるのに好適な圧力で）取り出すことができる。さらなる実施形態では、燃焼生成物流は、水蒸気、ＳＯ２、ＳＯ３、ＨＣｌ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｈｇ、過剰なＯ２、Ｎ２、Ａｒ、および場合により燃焼される燃料中に存在し得る他の汚染物質のうちの１種以上を含んでいてもよい。本明細書に説明されているプロセスなどによって除去されない限り、燃焼生成物流中に存在するこれらの物質はＣＯ２循環流体流中に残り得る。ＣＯ２に加えて存在するそのような物質を、本明細書では「二次成分」ともいう。
図５に示すように、燃焼生成物流４０をタービン３２０に導くことができ、ここでは、燃焼生成物流４０を膨張させて発電する（例えば、電気を生成する発電機（図示せず）によって）。タービン３２０は、燃焼生成物流４０を受容するための入口と、ＣＯ２含有タービン排気流５０を放出するための出口とを有することができる。単一のタービン３２０が図５に示されているが、２つ以上のタービンを使用してもよく、複数のタービンが直列で接続されているか、場合により１つ以上のさらなる構成要素、例えば、さらなる燃焼構成要素、圧縮構成要素、または分離構成要素などによって分離されていることが理解される。別途本明細書に提供されるさらなる開示に加えて、特に、実施例３に説明する例示的な実施形態に照らして、このようなマルチタービンの実施形態に関連する利点を認識することができる。
ここでも、プロセスパラメータをこのステップで厳密に制御してサイクル効率を最大にしてもよい。既存の天然ガス発電所の効率は、タービン入口温度に非常に依存している。例えば、約１，３５０℃と同程度に高い入口温度を可能にするタービン技術を達成するために大きなコストをかけて大規模な作業が行われている。タービン入口温度が高くなる程、発電所の効率は高くなるが、タービンも高価になり、場合によってはその寿命は短くなる。高値を支払い、かつ寿命が短くなるというリスクも有することに尻込みしている公益事業もある。本発明は、一部の実施形態では、そのようなタービンを利用してなおさらに効率を上げることができるが、そのようなことは必要ではない。具体的な実施形態では、上述のように、本システムおよび方法は、非常に低い範囲のタービン入口温度を使用しながら所望の効率を達成することができる。よって、本発明は、同じ燃料を用いて同じ効率を達成するために必要であると当技術分野で認識されている温度よりも著しく低いものであり得る本明細書に説明されているような規定の温度でタービン入口に燃焼生成物流を提供しながら、本明細書に説明されているような具体的な効率を達成することを特徴としてもよい。
上記のように、燃焼器２２０を出る燃焼生成物流４０は、好適には、燃焼器２２０に流入するＣＯ２循環流体２３６の圧力に非常に近い圧力を有する。よって、具体的な実施形態では、燃焼生成物流４０は、流れの中に存在するＣＯ２が超臨界流体状態にあるような温度および圧力にある。燃焼生成物流４０をタービン３２０全体に膨張させると、流れの圧力は低下する。好適には、燃焼生成物流４０の圧力がタービン排気流５０の圧力に対して規定の比にあるように、この圧力降下を制御する。特定の実施形態では、タービン出口におけるタービン排気流に対するタービン入口における燃焼生成物流の圧力比は、約１２未満である。これは、出口圧力（Ｏｐ）に対する入口圧力（Ｉｐ）の比（すなわち、Ｉｐ／Ｏｐ）として定義することができる。さらなる実施形態では、圧力比は、約１１未満、約１０未満、約９未満、約８未満、または約７未満にすることができる。他の実施形態では、タービンにおける出口圧力に対する入口圧力の比を、約１．５〜約１２、約２〜約１２、約３〜約１２、約４〜約１２、約２〜約１１、約２〜約１０、約２〜約９、約２〜約８、約３〜約１１、約３〜約１０、約３〜約９、約３〜約９、約４〜約１１、約４〜約１０、約４〜約９、または約４〜約８にすることができる。
具体的な実施形態では、タービン排気流が、流れの中のＣＯ２がもはや超臨界流体状態ではなく、気体の状態であるような条件下にあることが望ましいことがある。例えば、気体の状態でＣＯ２を提供することにより、あらゆる二次成分の除去を容易にすることができる。一部の実施形態では、タービン排気流は、ＣＯ２が超臨界状態にある圧力よりも低い圧力を有する。好適には、タービン排気流は、約７．３ＭＰａ未満、約７ＭＰａ以下、約６．５ＭＰａ以下、約６ＭＰａ以下、約５．５ＭＰａ以下、約５ＭＰａ以下、約４．５ＭＰａ以下、約４ＭＰａ以下、約３．５ＭＰａ以下、約３ＭＰａ以下、約２．５ＭＰａ以下、約２ＭＰａ以下、または約１．５ＭＰａ以下である圧力を有する。他の実施形態では、タービン排気流の圧力は、約１．５ＭＰａ〜約７ＭＰａ、約３ＭＰａ〜約７ＭＰａ、または約４ＭＰａ〜約７ＭＰａにすることができる。好適には、タービン排気流の圧力は、流れが遭遇する冷却（例えば周囲冷却）温度でＣＯ２凝縮圧力よりも低い。よって、本発明によれば、タービン３２０の下流（および、好適には、加圧装置６２０の上流）のＣＯ２を気体の状態に維持し、かつ液体ＣＯ２が形成し得る条件に到達させないことが好ましい。
上述の優先的な圧力比を利用することから生じる利点に加えて、本発明のシステムおよび方法において複数のタービンを利用した場合、さらなる利点を提供することができる。特に、上記の圧力比は、一連のタービンの中の単一のタービンのみに適用されてもよい。上記圧力範囲の下端で排出するように、その系の１つ以上のさらなるタービンを適合させてもよい。例えば、ＣＯ２の超臨界圧力以下の圧力または１．５ＭＰａ以下でタービンが排出する実施形態では、タービンまたは複数のタービンは、周囲圧力付近または周囲圧力である圧力で流れを排出するように適合されてもよい。
燃焼生成物流をタービンに通すことで若干温度が低下し得るが、タービン排気流は典型的に、燃焼生成物流中に存在するあらゆる二次成分の除去を妨げ得る温度を有する。例えば、タービン排気流は、約５００℃〜約１，０００℃、約６００℃〜約１，０００℃、約７００℃〜約１，０００℃、または約８００℃〜約１，０００℃の温度を有していてもよい。燃焼生成物流が比較的高温であるため、タービンがそのような温度に耐えることができる材料で形成されていることが有益であり得る。また、タービンが、燃焼生成物流中に存在し得る種類の二次物質に対する良好な耐化学性を示す材料を含むことも有用であり得る。
よって、一部の実施形態では、タービン排気流５０を、タービン排気流５０を冷却しかつ規定の範囲の温度を有するＣＯ２循環流体流６０を提供する少なくとも１つの熱交換器４２０に通すことが有用であり得る。具体的な実施形態では、熱交換器４２０（または２つ以上の熱交換器が使用されている場合には一連の熱交換器の中の最終の熱交換器）を出るＣＯ２循環流体６０は、約２００℃未満、約１５０℃未満、約１２５℃未満、約１００℃未満、約９５℃未満、約９０℃未満、約８５℃未満、約８０℃未満、約７５℃未満、約７０℃未満、約６５℃未満、約６０℃未満、約５５℃未満、約５０℃未満、約４５℃未満、または約４０℃未満の温度を有する。
上記のように、タービン排気圧力が、燃焼生成物流の圧力と特定の比にある圧力を有すると有益であり得る。具体的な実施形態では、タービン排気流を、本システムのさらなる構成要素をなんら通さずに、本明細書に説明されている１つ以上の熱交換器に直接通す。よって、圧力比も、熱交換器（または一連の熱交換器が使用されている場合には第１の熱交換器）の高温端に流入する流れの圧力に対する燃焼器を流出する際の燃焼生成物流の圧力の比に関して表現してもよい。ここでも、この圧力比は、好適には、約１２未満である。さらなる実施形態では、熱交換器に流入する流れに対する燃焼生成物流の圧力比は、約１１未満、約１０未満、約９未満、約８未満、または約７未満にすることができる。他の実施形態では、この圧力比を、約１．５〜約１０、約２〜約９、約２〜約８、約３〜約８、または約４〜約８にすることができる。
他の実施形態では、タービン排気流（またはその一部）を、熱交換器に通す前に、燃焼器へ、次いで１つ以上のさらなるタービン（および、任意で、１つ以上のさらなる燃焼器）へ直接通してもよい。本明細書に説明されているような一連のタービンの中のあるタービンの排気流を、タービンの入口流よりも低温にしてもよいことをさらに理解されたい。
浸み出し冷却式燃焼器の使用により、高熱燃焼が可能となるが、本発明のシステムおよび方法は、本システムに関連するコストを下げ、熱交換器（複数可）の寿命を延ばし、かつ本システムの性能および信頼性を向上させるのに十分に低い温度でタービン排気流を熱交換器（または一連の熱交換器）に提供することも可能であることを特徴とすることができる。具体的な実施形態では、本発明によるシステムまたは方法における熱交換器にとって最も高い動作温度は、約１，１００℃未満、約１，０００℃未満、約９７５℃未満、約９５０℃未満、約９２５℃未満、または約９００℃未満である。
特定の実施形態では、熱交換器４２０が、タービン排気流５０を受容し、それを所望の温度に冷却するための少なくとも２つの熱交換器を直列で含むことが特に有用であり得る。使用される熱交換器の種類は、熱交換器に流入する流れの条件に応じて変わり得る。例えば、タービン排気流５０は、上述したように比較的高温であってもよく、よって、タービン排気流５０を直接受容する熱交換器が、極限条件に耐えるように設計された高性能材料で形成されていることが有用であり得る。例えば、一連の熱交換器の中の第１の熱交換器は、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）合金または同様の材料を含んでいてもよい。好適には、一連の熱交換器の中の第１の熱交換器は、少なくとも約７００℃、少なくとも約７５０℃、少なくとも約８００℃、少なくとも約８５０℃、少なくとも約９００℃、少なくとも約９５０℃、少なくとも約１，０００℃、少なくとも約１，１００℃、または少なくとも約１，２００℃の一貫した動作温度に耐えることができる材料を含む。また、熱交換器のうちの１つ以上が、燃焼生成物流中に存在し得る二次物質の種類に対する良好な耐化学性を示す材料を含むことが有用であり得る。ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）合金は、ＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能であり、一部の実施形態は、オーステナイト系ニッケル−クロム系合金を含むことができる。有用であり得る合金の例には、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６００、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６０１、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６０１ＧＣ、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６０３ＸＬ、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６１７、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６２５、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６２５ＬＣＦ、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６８６、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６９０、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６９３、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７０６、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７１８、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７１８ＳＰＦ（商標）、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７２２、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７２５、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７４０、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）Ｘ−７５０、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７５１、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）ＭＡ７５４、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）ＭＡ７５８、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７８３、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）９０３、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）Ｎ０６２３０、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）Ｃ−２７６、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）Ｇ−３、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）ＨＸ、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）２２が含まれる。好ましい熱交換器の設計例は、上記合金のうちの１種などの高温材料で製造された板の中にケミカルミーリングされたフィンを備えた拡散接合型小型平板熱交換器である。好適な熱交換器には、商品名ＨＥＡＴＲＩＣ（登録商標）で入手可能（米国テキサス州ヒューストンのＭｅｇｇｉｔｔから入手可能）なものを含むことができる。
一連の熱交換器の中の第１の熱交換器は、好適には、一連の熱交換器の中に存在する１つ以上のさらなる熱交換器をより従来の材料、例えば、ステンレス鋼で形成することができるように熱をタービン排気流から十分に伝達させることができる。具体的な実施形態では、少なくとも２つの熱交換器または少なくとも３つの熱交換器を直列で使用して、タービン排気流を所望の温度に冷却する。複数の熱交換器を直列で使用する有用性は、特に、燃焼器内への導入前に、循環流体を再加熱するためにタービン排気流からＣＯ２循環流体に熱を伝達することに関する以下の説明から理解することができる。
一部の実施形態では、本方法およびシステムは、単一段の燃焼方法またはシステムであることを特徴としてもよい。これは、上記浸み出し冷却式燃焼器などの高効率燃焼器の使用によって達成することができる。基本的に、燃料を完全に燃焼させるために一連の燃焼器を提供することが不要になるように、燃料を単一の燃焼器で実質的に完全に燃焼させることができる。よって、一部の実施形態では、本発明の方法およびシステムを、浸み出し冷却式燃焼器が唯一の燃焼器であるようなものとして表現することができる。さらなる実施形態では、本方法およびシステムは、排気流を熱交換器の中に通す前に、単一の浸み出し冷却式燃焼器においてのみ燃焼が生じるようなものとして表現することができる。またさらなる実施形態では、本方法およびシステムは、タービン排気流をさらなる燃焼器に通さずに熱交換器の中に直接通すようなものとして表現することができる。
冷却後、少なくとも１つの熱交換器４２０から流出するＣＯ２循環流体流６０をさらなる処理に供して、燃料の燃焼によりＣＯ２循環流体流６０中に残留するあらゆる二次成分を分離することができる。図５に示すように、循環流体流６０を１つ以上の分離装置５２０に導くことができる。以下にさらに詳細に説明するように、本発明は、ＣＯ２を大気に放出することなく炭素含有燃料の燃焼によって発電するための高効率な方法を提供することができることを特に特徴とすることができる。これは、少なくとも部分的に、発電サイクルで循環流体としての炭素含有燃料の燃焼により生成されたＣＯ２を使用することによって達成することができる。ただし、一部の実施形態では、連続燃焼および循環流体としてのＣＯ２の再利用により、本システムにＣＯ２の蓄積が生じることがある。そのような場合、ＣＯ２の少なくとも一部（例えば、炭素含有燃料の燃焼により生じたＣＯ２の量にほぼ等しい量）を循環流体から取り出すことが有用であり得る。そのように取り出したＣＯ２は、任意の好適な方法によって処分することができる。具体的な実施形態では、以下にさらに説明するように、好適な手段によって、隔離または廃棄処分のためにＣＯ２をパイプラインまで導いてもよい。
パイプラインに流入するＣＯ２がパイプラインのために使用される炭素鋼の腐食を防止するために実質的に水を含有しないということをＣＯ２パイプラインシステム仕様の要件にすることができる。「湿った」ＣＯ２をステンレス鋼ＣＯ２パイプラインの中に直接投入することができるが、これは必ずしも可能ではなく、実際には、コストの問題のために、炭素鋼パイプラインを使用することがより望ましいことがある。よって、特定の実施形態では、ＣＯ２循環流体中に存在する水（例えば、炭素含有燃料の燃焼時に生成され、かつ燃焼生成物流、タービン排気流、およびＣＯ２循環流体流中に残存する水）を、冷却したＣＯ２循環流体流から液相として大部分を除去することができる。具体的な実施形態では、これは、ガス混合物を周囲温度冷却手段で達成される最低温度まで冷却した場合にガス混合物中に存在するＣＯ２が液化される点よりも低い圧力でＣＯ２循環流体（例えば、気体の状態）を提供することによって達成することができる。例えば、ＣＯ２循環流体は、特に、そこから二次成分を分離する間に７．３８ＭＰａ未満の圧力で提供することができる。低い周囲温度範囲または実質的に周囲温度よりも低い温度で冷却手段が使用される場合には、なおより低い圧力が必要となり得る。これにより、液体として水を分離することができ、分離装置を出る精製したＣＯ２循環流６５の汚染も最小にする。これにより、タービン排気圧力を、タービン排気ガスの臨界圧よりも低い値に制限することもできる。実際の圧力は、利用可能な周囲冷却手段の温度に依存し得る。例えば、３０℃で水の分離が生じる場合、７ＭＰａの圧力により、ＣＯ２凝縮圧力に対して０．３８ＭＰａの余地が可能となる。一部の実施形態では、熱交換器を出て分離装置に流入するＣＯ２循環流体は、約２ＭＰａ〜約７ＭＰａ、約２．２５ＭＰａ〜約７ＭＰａ、約２．５ＭＰａ〜約７ＭＰａ、約２．７５ＭＰａ〜約７ＭＰａ、約３ＭＰａ〜約７ＭＰａ、約３．５ＭＰａ〜約７ＭＰａ、約４ＭＰａ〜約７ＭＰａ、または約４ＭＰａ〜約６ＭＰａの圧力で提供してもよい。他の実施形態では、圧力はタービン出口における圧力と実質的に同じであってもよい。
具体的な実施形態では、水の分離後の精製したＣＯ２循環流６５は、水蒸気を含まないか水蒸気を実質的に含んでいない。一部の実施形態では、精製したＣＯ２循環流を、モル換算で１．５％未満、モル換算で１．２５％未満、モル換算で１％未満、モル換算で０．９％未満、またはモル換算で０．８％未満、モル換算で０．７％未満、モル換算で０．６％未満、モル換算で０．５％未満、モル換算で０．４％未満、モル換算で０．３％未満、モル換算で０．２％未満、またはモル換算で０．１％未満の量だけ水蒸気を含むものとして特徴づけることができる。一部の実施形態では、精製したＣＯ２循環流体流は、モル換算で約０．０１％〜約１．５％、モル換算で約０．０１％〜約１％、モル換算で約０．０１％〜約０．７５％、モル換算で約０．０１％〜約０．５％、モル換算で約０．０１％〜約０．２５％、モル換算で約０．０５％〜約０．５％、またはモル換算で約０．０５％〜約０．２５％の量だけ水蒸気を含むことができる。
上に定義されている温度および圧力条件でＣＯ２循環流体を提供して、水などの二次成分の分離を容易にすることが非常に有利であり得る。換言すると、本発明は特に、分離前のＣＯ２循環流体中のＣＯ２および水が分離を容易にする所望の状態にあるようにＣＯ２循環流体を所望の条件下に維持することを提供することができる。上述したような圧力でＣＯ２循環流体を提供することによって、流れの中の水が液体の状態にあり、そのために気体のＣＯ２からより容易に分離可能である点まで流体流の温度を低下させることができる。
特定の実施形態では、精製したＣＯ２循環流体が完全または実質的に水を含有しないように、さらなる乾燥条件を提供することが望ましいことがある。上記のように、材料の相の違いに基づくＣＯ２循環流体からの水の分離は、少量（すなわち低濃度）の水をＣＯ２循環流体中に残し得る。一部の実施形態では、ＣＯ２循環流体がその中に残留している微量の水を有し続けることを許容される場合もある。他の実施形態では、ＣＯ２循環流体をさらなる処理に供して、残留する水のすべてまたは一部の除去を促進することが有用であり得る。例えば、乾燥剤による乾燥器または本開示に照らして好適な他の手段によって低濃度の水を除去してもよい。
ここでも、規定の圧力でＣＯ２循環流体を分離装置に提供することは、電力サイクルの効率を最大にするために特に有益であり得る。具体的には、ＣＯ２循環流体を規定の圧力範囲で提供することにより、気相中の精製したＣＯ２循環流体を最小の総電力消費で高圧に圧縮することができる。以下に説明するように、精製したＣＯ２循環流体の一部を燃焼器に再利用することができ、かつ一部を必要なパイプライン圧力（例えば、約１０ＭＰａ〜約２０ＭＰａ）で供給することができるように、そのような加圧が必要とされ得る。これは、上述のように、膨張タービンの出口に対する入口の圧力比を最小にするという利点をさらに示している。これは、全体的なサイクル効率を上げ、かつ水および他の二次成分をＣＯ２循環流体から分離するために、タービンからの排気圧力を上記の望ましい範囲にすることを可能にする役割も果たす。
分離装置５２０を通るＣＯ２循環流体の流れの一実施形態が図６に示されている。そこに示されているように、熱交換器からのＣＯ２循環流体流６０を、水を使用してＣＯ２循環流体６０から熱をさらに除去し、かつ混合相ＣＯ２循環流体６１を排出する冷水熱交換器５３０（または任意の同様に機能する装置）に通すことができ、ここでは、ＣＯ２はガスのままであり、ＣＯ２循環流体中の水は液相に変換されている。例えば、ＣＯ２循環流体６０を冷水熱交換器５３０に通すことにより、ＣＯ２循環流体を約５０℃未満、約５５℃未満、約４０℃未満、約４５℃未満、約４０℃未満、または約３０℃未満の温度まで冷却することができる。好適には、ＣＯ２循環流体の圧力は、冷水熱交換器５３０に通すことによって実質的に変化しない。混合相ＣＯ２循環流体６１は水分離装置５４０に導かれ、ここで、液体水流６２ａが分離器５２０から排出される。富化ＣＯ２循環流体流６２ｂも、水分離装置５４０から流出する。この富化流は、精製したＣＯ２循環流体流６５として分離器５２０から直接排出することができる。他の実施形態では（破線によって表されている流れおよび構成要素によって示されているように）、以下により詳細に説明するように、さらなる二次成分の除去のために、富化されたＣＯ２循環流体流６２ｂを１つ以上のさらなる分離装置５５０に導いてもよい。具体的な実施形態では、水の除去後に、ＣＯ２循環流体のあらゆるさらなる二次成分を除去することができる。次いで、ＣＯ２循環流体が、精製されたＣＯ２循環流体６５として１つ以上のさらなる分離装置から流出する。しかしながら、一部の実施形態では、最初に、水の除去前に１種以上の二次成分を除去するために混合相ＣＯ２循環流体６１を導き、次いで、部分的に精製した流れを水分離装置５４０に導いてもよい。本開示を検討した当業者であれば、望ましいものとなり得る分離器の様々な組み合わせを想到し得、すべてのそのような組み合わせは、本発明によって組み込まれることが意図されている。
上記のように、ＣＯ２循環流体は、水に加えて、燃料由来、燃焼由来、および酸素由来不純物などの他の二次成分を含有していてもよい。そのような二次成分も、水の分離と同時およびその前後に、冷却した気体のＣＯ２循環流体から除去することができる。例えば、水蒸気に加えて、ＳＯ２、ＳＯ３、ＨＣｌ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｈｇなどの二次成分および過剰なＯ２、Ｎ２およびＡｒを除去することができる。ＣＯ２循環流体のこれらの二次成分（不純物または汚染物質として認識されることが多い）を、適当な方法（例えば、米国特許出願公開第２００８／０２２６５１５号および欧州特許出願第１９５２８７４号および第１９５３４８６号に定義されている方法、これらの開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる）を用いて、冷却したＣＯ２循環流体からすべてを除去することができる。ＳＯ２およびＳＯ３を硫酸に１００％変換することができ、９５％超のＮＯおよびＮＯ２を硝酸に変換することができる。ＣＯ２循環流体中に存在するあらゆる過剰なＯ２を、燃焼器への任意の再利用のために、富化流として分離することができる。存在するあらゆる不活性ガス（例えば、Ｎ２およびＡｒ）を低圧力で大気に排出することができる。よって、特定の実施形態では、燃焼される燃料中の炭素に由来するＣＯ２を最終的に高密度の純粋な流れとして輸送することができるようにＣＯ２循環流体を精製することができる。具体的な実施形態では、精製したＣＯ２循環流体は、少なくとも９８．５モル％、少なくとも９９モル％、少なくとも９９．５モル％、または少なくとも９９．８モル％の濃度でＣＯ２を含むことができる。さらに、ＣＯ２循環流体は、ＣＯ２パイプライン内に直接投入するために、所望の圧力、例えば、少なくとも約１０ＭＰａ、少なくとも約１５ＭＰａ、または少なくとも約２０ＭＰａで提供することができる。
上記を要約すると、一実施形態では、好適な燃焼器２２０でＯ２２４２およびＣＯ２循環流体２３６の存在下で炭素含有燃料２５４を燃焼させると、比較的高い温度および圧力を有する燃焼生成物流４０を形成することができる。比較的大量のＣＯ２を含むこの燃焼生成物流４０をタービン３２０に通して燃焼生成物流４０を膨張させ、それによりこの流れの圧力を低下させ、発電することができる。タービン３２０の出口を出るタービン排気流５０は、圧力は低下しているが、なお比較的高温のままである。燃焼生成物流中に汚染物質および不純物が存在するため、ＣＯ２循環流体を本システムに再利用する前にそのような汚染物質および不純物を分離することが有益である。この分離を達成するために、タービン排気流５０を１つ以上の熱交換器４２０に通して冷却する。二次生成物（例えば、水ならびにあらゆる他の汚染物質および不純物）の分離を上述のように達成することができる。ＣＯ２循環流体を燃焼器に再利用するために、ＣＯ２循環流体に対して、再加熱および再加圧の両方を行う必要がある。特定の実施形態では、本発明は、同時に汚染物質（例えば、ＣＯ２）を大気中に排出するのを防止しながら、発電サイクルの効率を最大にするための具体的なプロセスステップの実施を特に特徴とすることができる。これは、特に、分離装置から流出する冷却および精製したＣＯ２循環流体の再加熱および再加圧に関して理解することができる。
図５にさらに示すように、１つ以上の分離装置５２０を出る精製したＣＯ２循環流体６５を、１つ以上の加圧装置６２０（例えば、ポンプまたは圧縮機など）に通して、精製したＣＯ２循環流体６５の圧力を上昇させることができる。特定の実施形態では、精製したＣＯ２循環流体６５を、少なくとも約７．５ＭＰａまたは少なくとも約８ＭＰａの圧力まで圧縮することができる。一部の実施形態では、燃焼器２２０への導入のために、単一の加圧装置を使用して、精製したＣＯ２循環流体の圧力を本明細書に説明されている所望の圧力まで上昇させることができる。
具体的な実施形態では、加圧装置６２０内の一連の２つ以上の圧縮機（例えば、ポンプ）を用いて加圧を行うことができる。１つのそのような実施形態が図７に示されており、ここでは、精製したＣＯ２循環流体６５を第１の圧縮機６３０に通して、精製したＣＯ２循環流体６５を第１の圧力（好適にはＣＯ２の臨界圧を超える）まで圧縮し、そのようにして流れ６６を形成する。流れ６６を、熱（例えば、第１の圧縮機の加圧作用によって生成された熱）を取り出し、かつ、好適にはほぼ周囲温度の、流れ６７を形成する冷水熱交換器６４０に導くことができる。流れ６７を、ＣＯ２循環流体を第１の圧力よりも大きい第２の圧力まで加圧するために使用される第２の圧縮機６５０に導くことができる。以下に説明するように、第２の圧力は、燃焼器に投入される（または再利用される）ＣＯ２循環流体にとって望ましい圧力と実質的に同様にすることができる。
具体的な実施形態では、精製したＣＯ２循環流体を気体の状態から超臨界流体の状態に変換するように、第１の圧縮機６３０を使用して、精製したＣＯ２循環流体６５の圧力を上昇させることができる。具体的な実施形態では、精製したＣＯ２循環流体を、第１の圧縮機６３０で、約７．５ＭＰａ〜約２０ＭＰａ、約７．５ＭＰａ〜約１５ＭＰａ、約７．５ＭＰａ〜約１２ＭＰａ、約７．５ＭＰａ〜約１０ＭＰａ、または約８ＭＰａ〜約１０ＭＰａの圧力まで加圧することができる。次いで、第１の圧縮機６３０から流出する流れ６６（超臨界流体状態にある）を、さらにより大きな圧力までより効率的にポンプ圧縮することができる高密度流体を形成するのに十分な温度までＣＯ２循環流体を冷却することができる冷水熱交換器６４０（または任意の同様に機能する装置）に通す。これは、循環流体として使用される再利用される大量のＣＯ２を考慮すると重要である。超臨界流体状態の大量のＣＯ２をポンプ圧縮することは本システムでは著しいエネルギー流出になり得る。しかしながら、本発明は、ＣＯ２の密度を高め、そのようにして、再利用のために燃焼器にポンプ圧送される超臨界ＣＯ２の総体積を減少させることによって提供することができる有益な効率の上昇を実現する。具体的な実施形態では、ＣＯ２循環流体は、冷水熱交換器６４０からの排出後（および加熱のために熱交換装置４２０に通す前）に少なくとも約２００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約２５０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約３００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約３５０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約４００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約４５０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約５００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約５５０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約６００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約６５０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約７００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約７５０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約８００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約８５０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約９００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約９５０ｋｇ／ｍ３、または少なくとも約１，０００ｋｇ／ｍ３の密度で提供することができる。さらなる実施形態では、上記密度は、約１５０ｋｇ／ｍ３〜約１，１００ｋｇ／ｍ３、約２００ｋｇ／ｍ３〜約１，０００ｋｇ／ｍ３、約４００ｋｇ／ｍ３〜約９５０ｋｇ／ｍ３、約５００ｋｇ／ｍ３〜約９００ｋｇ／ｍ３、または約５００ｋｇ／ｍ３〜約８００ｋｇ／ｍ３であってもよい。
具体的な実施形態では、流れ６６を冷水熱交換器６４０に通すことにより、ＣＯ２循環流体を約６０℃未満、約５０℃未満、約４０℃未満、または約３０℃未満の温度まで冷却することができる。他の実施形態では、流れ６７として冷水熱交換器６４０を出るＣＯ２循環流体の温度を、約１５℃〜約５０℃、約２０℃〜約４５℃、または約２０℃〜約４０℃にすることができる。第２の圧縮機６５０に流入する流れ６７中のＣＯ２循環流体は、ＣＯ２循環流体の燃焼器への導入のために流れを本明細書に説明されているような所望の圧力までエネルギー効率良くポンプ圧縮するのを容易にする条件下にあることが好ましい。例えば、加圧した超臨界ＣＯ２循環流体流７０を、少なくとも約１２ＭＰａ、少なくとも約１５ＭＰａ、少なくとも約１６ＭＰａ、少なくとも約１８ＭＰａ、少なくとも約２０ＭＰａ、または少なくとも約２５ＭＰａの圧力までさらに加圧することができる。一部の実施形態では、加圧した超臨界ＣＯ２循環流体流７０を、約１５ＭＰａ〜約５０ＭＰａ、約２０ＭＰａ〜約４５ＭＰａ、または約２５ＭＰａ〜約４０ＭＰａの圧力までさらに加圧することができる。上記温度下で動作することができ、かつ記載の圧力を達成することができる、高圧多段ポンプなどの任意の種類の圧縮機を使用することができる。
１つ以上の加圧装置６２０を出る加圧したＣＯ２循環流体流７０を、タービン排気流５０を冷却するために先に使用した熱交換器に戻すことができる。図５に示すように、加圧したＣＯ２循環流体流７０を、最初に、ＣＯ２パイプライン流体流８０およびＣＯ２循環流体流８５（流れの中に存在するＣＯ２の実際の量を除いてＣＯ２循環流体流７０と実質的に同じである）を形成する分流器７２０に通してもよい。よって、一部の実施形態では、加圧したＣＯ２循環流体流中のＣＯ２の少なくとも一部を、隔離のために加圧されたパイプラインに導入する。ＣＯ２循環流体流から除去され、かつパイプライン（または他の隔離または廃棄処分手段）に導かれるＣＯ２の量は、燃焼温度を制御するために燃焼器に導入されるＣＯ２の所望の含有量および燃焼器から流出する燃焼排気流中に存在するＣＯ２の実際の含有量に応じて変わり得る。一部の実施形態では、上述したように取り出されるＣＯ２の量は、実質的に、燃焼器内の炭素含有燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２の量にすることができる。
高効率動作を達成するために、加圧装置６２０を出るＣＯ２循環流体を、超臨界流体がさらにより低い比熱を有する温度まで加熱することが有益であり得る。これは、比較的低い温度範囲にわたる非常に大きな熱の投入を提供することに相当する。再利用ＣＯ２循環流体の一部をさらに加熱するための外部熱源（例えば、比較的低い温度の熱源）の使用により、熱交換装置４２０を、タービン排気流５０と、熱交換装置４２０（または一連の２つ以上の熱交換器が使用されている場合には第１の熱交換器）の高温端における再利用ＣＯ２循環流体流２３６との温度差が小さい状態で動作させることができる。具体的な実施形態では、加圧したＣＯ２循環流体を１つ以上の熱交換器に通すことは、加圧したＣＯ２循環流体流を、加圧したＣＯ２循環流体流を燃焼器に投入するための所望の温度に加熱するのに有用であり得る。特定の実施形態では、加圧したＣＯ２循環流体流を、ＣＯ２循環流体流を燃焼器に投入する前に、少なくとも約２００℃、少なくとも約３００℃、少なくとも約４００℃、少なくとも約５００℃、少なくとも約６００℃、少なくとも約７００℃、または少なくとも約８００℃の温度に加熱する。一部の実施形態では、加熱は、約５００℃〜約１，２００℃、約５５０℃〜約１，０００℃、または約６００℃〜約９５０℃の温度であってもよい。
図８は、熱交換装置４２０の一実施形態を示し、ここでは、３つの個々の熱交換器を直列で使用して、タービン排気流５０から熱を取り出し、二次成分を除去するのに適した条件下でＣＯ２循環流体流れ６０を提供すると同時に、ＣＯ２循環流体流２３６の燃焼器内への再利用および導入前に、加圧した超臨界ＣＯ２循環流体流７０（または８５）に熱を添加する。以下にさらに説明するように、本システムおよび方法は、その効率および／または出力を高めるように従来の電力システム（例えば、石炭火力発電所）に組み込まれたものであってもよい。よって、一部の実施形態では、二次熱交換装置も使用されている（図１２に示されている）そのような改良型では、以下に説明するような熱交換装置４２０を、主熱交換装置と呼ぶこともある。よって、二次熱交換装置は、例えば、蒸気流を過熱するために使用される１つ以上の熱交換器にすることができる。主熱交換装置および二次熱交換装置という用語の使用は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、単に説明を明確にするために使用されている。
図８の実施形態では、タービン排気流５０は、最初に第１の熱交換器４３０を通ることより一連の熱交換器４２０に流入して、タービン排気流５０の温度よりも低い温度を有する流れ５２を提供する。第１の熱交換器４３０は、一連の熱交換器の中で最も高温の流れ、すなわち、タービン排気流５０を受容し、よって、一連の熱交換器４２０において最も高い温度範囲の熱を伝達するため、高温熱交換器と呼んでもよい。上述のように、比較的高温のタービン排気流５０を受容する第１の熱交換器４３０は、特殊合金または、上記温度に耐えるのに適した熱交換器を製造するのに有用な他の材料を含むことができる。第１の熱交換器４３０（２つ以下または４つ以上の個々の熱交換器が使用されている他の実施形態にも適用することができる）に通すことによって、タービン排気流５０の温度を著しく低下させることができる。一部の実施形態では、第１の熱交換器４３０を出る流れ５２の温度を、少なくとも約１００℃、少なくとも約２００℃、少なくとも約３００℃、少なくとも約４００℃、少なくとも約４５０℃、少なくとも約５００℃、少なくとも約５５０℃、少なくとも約５７５℃、または少なくとも約６００℃だけタービン排気流５０の温度よりも低くすることができる。具体的な実施形態では、流れ５２の温度は、約１００℃〜約８００℃、約１５０℃〜約６００℃、または約２００℃〜約５００℃であってもよい。好ましい実施形態では、第１の熱交換器４３０を出る流れ５２の圧力は、タービン排気流５０の圧力と実質的に同様である。具体的には、第１の熱交換器４３０を出る流れ５２の圧力を、タービン排気流５０の圧力の少なくとも９０％、少なくとも９１％、少なくとも９２％、少なくとも９３％、少なくとも９４％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、少なくとも９９％、少なくとも９９．５％、または少なくとも９９．８％にすることができる。
第１の熱交換器４３０を出る流れ５２を第２の熱交換器４４０に通して、第２の熱交換器４４０に流入する流れ５２の温度よりも低い温度を有する流れ５６を生成する。第２の熱交換器４４０は、中間温度範囲（すなわち、第１の熱交換器４３０よりも低いが、第３の熱交換器４５０よりも高い温度範囲）の熱を伝達するため、中間温度熱交換器と呼んでもよい。一部の実施形態では、第１の流れ５２と第２の流れ５６との温度差を、タービン排気流５０と第１の熱交換器４３０を出る流れ５２との温度差よりも実質的に小さくすることができる。一部の実施形態では、第２の熱交換器４４０を出る流れ５６の温度を、第２の熱交換器４４０に流入する流れ５２の温度よりも約１０℃〜約２００℃、約２０℃〜約１７５℃、約３０℃〜約１５０℃、または約４０℃〜約１４０℃だけ低くすることができる。具体的な実施形態では、流れ５６の温度は、約７５℃〜約６００℃、約１００℃〜約４００℃、または約１００℃〜約３００℃であってもよい。ここでも、第２の熱交換器４４０を出る流れ５６の圧力を、第２の熱交換器４４０に流入する流れ５２の圧力と実質的に同様であることが好ましいことがある。具体的には、第２の熱交換器４４０を出る流れ５６の圧力を、第２の熱交換器４４０に流入する流れ５２の圧力の少なくとも９０％、少なくとも９１％、少なくとも９２％、少なくとも９３％、少なくとも９４％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、少なくとも９９％、少なくとも９９．５％、または少なくとも９９．８％にすることができる。
第２の熱交換器４４０を出る流れ５６を第３の熱交換器４５０に通して、第３の熱交換器４５０に流入する流れ５６の温度よりも低い温度を有するＣＯ２循環流体流れ６０を生成する。第３の熱交換器４５０は、一連の伝熱器４２０の最も低い温度範囲の熱を伝達するため、低温熱交換器と呼んでもよい。一部の実施形態では、第３の熱交換器４５０を出るＣＯ２循環流体流れ６０の温度は、第３の熱交換器４５０に流入する流れ５６の温度よりも、約１０℃〜約２５０℃、約１５℃〜約２００℃、約２０℃〜約１７５℃、または約２５℃〜約１５０℃だけ低くすることができる。具体的な実施形態では、流れ６０の温度は、約４０℃〜約２００℃、約４０℃〜約１００℃、または約４０℃〜約９０℃であってもよい。ここでも、第３の熱交換器４５０を出るＣＯ２循環流体流れ６０の圧力が第３の熱交換器４５０に流入する流れ５６の圧力と実質的に同様であることが好ましいことがある。具体的には、第３の熱交換器４５０を出るＣＯ２循環流体流れ６０の圧力を、第３の熱交換器４５０に流入する流れ５６の圧力の少なくとも９０％、少なくとも９１％、少なくとも９２％、少なくとも９３％、少なくとも９４％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、少なくとも９９％、少なくとも９９．５％、または少なくとも９９．８％にすることができる。
上述のように、第３の熱交換器４５０を出る（ひいては、一般に熱交換装置４２０を出る）ＣＯ２循環流体流れ６０を、１つ以上の分離装置５２０に導くことができる。また、上述のように、ＣＯ２循環流体流を１つ以上の種類の分離に供して、流れから二次成分を除去することができ、次いで、これを、再利用される循環流体（場合により、ＣＯ２パイプラインまたは大気への放出を伴わない隔離もしくは廃棄処分のための他の手段の中に投入するために分離されたＣＯ２の一部を有する）として燃焼器に戻すために加圧する。
図８に戻ると、燃焼器２２０に投入する前に、元々熱交換器によって取り出された熱を使用して加圧したＣＯ２循環流体流７０に熱を与えることができるように、加圧したＣＯ２循環流体流７０（または、図５に示すように最初に分離装置に通す場合には８５）を同じ一連の３つの熱交換器に戻すことができる。典型的には、３つの熱交換器（４５０、４４０、および４３０）を通すことによって、加圧したＣＯ２循環流体流７０に与えられた熱は、上述のように熱交換器によって取り出した熱の量に比較的に比例し得る。
一部の実施形態では、本発明は、熱交換器の低温端（または一連の熱交換器の中の最後の熱交換器）に出入りする流れの温度差を特徴としてもよい。図８を参照すると、これは、具体的には流れ６０および７０の温度差に関していてもよい。熱交換器の低温端（または一連の熱交換器の中の最後の熱交換器）における上記流の温度差は、具体的にはゼロよりも大きく、かつ約２℃〜約５０℃、約３℃〜約４０℃、約４℃〜約３０℃、または約５℃〜約２０℃の範囲であってもよい。
一部の実施形態では、加圧したＣＯ２循環流体流７０を、一連の３つの熱交換器に直接通すことができる。例えば、加圧したＣＯ２循環流体流７０（すなわち、比較的低い温度）を、第３の熱交換器４５０に通して温度が上昇した流れ７１を形成することができ、これを第２の熱交換器４４０に直接通して温度が上昇した流れ７３を形成することができ、これを第１の熱交換器４３０に直接通して、燃焼器２２０に導くことができる高温の加圧したＣＯ２循環流体流２３６を形成することができる。
しかしながら、特定の実施形態では、本発明は、再利用ＣＯ２循環流体の温度をさらに上昇させる外部熱源の使用を特徴とすることができる。例えば、図８に示すように、加圧したＣＯ２循環流体流れ７０を第３の熱交換器４５０に通した後、形成された流れ７１を、第２の熱交換器４４０に直接通す代わりに、流れ７１を２つの流れ７１ｂおよび７２ａに分割する分割構成要素４６０に通すことができる。そうでない場合は上記のとおり、流れ７１ｂを第２の熱交換器４４０に通すことができる。流れ７２ａを、熱交換器自体によって与えられた熱に加えてさらなる量の熱を加圧したＣＯ２循環流体流れ７０に与えるために使用することができる副加熱器４７０に通すことができる。
第２の熱交換器４４０および副加熱器４７０に導かれる流れ７１からの加圧したＣＯ２循環流体の相対量は、本システムの動作条件および燃焼器２２０に投入するための加圧したＣＯ２循環流体流の所望の最終温度に応じて変わり得る。特定の実施形態では、第２の熱交換器４４０に導かれる流れ７１ｂと副加熱器４７０に導かれる流れ７２ａとにおけるＣＯ２モル比は、約１：２〜約２０：１（すなわち、流れ７２ａ中のＣＯ２２モルにつき流れ７１ｂ中のＣＯ２を約１モル〜流れ７２ａ中のＣＯ２１モルにつき流れ７１ｂ中のＣＯ２を約２０モル）にすることができる。さらなる実施形態では、第２の熱交換器４４０に導かれる流れ７１ｂ中のＣＯ２と副加熱器４７０に導かれる流れ７２ａ中のＣＯ２とのモル比を、約１：１〜約２０：１、約２：１〜約１６：１、約２：１〜約１２：１、約２：１〜約１０：１、約２：１〜約８：１、または約４：１〜約６：１にすることができる。
副加熱器は、ＣＯ２循環流体に熱を与えるのに有用な任意の装置を含むことができる。一部の実施形態では、副加熱器によって与えられるエネルギー（すなわち、熱）を、外部源から本システムに投入することができる。しかしながら、本発明による特定の実施形態では、サイクル中の１つ以上の時点で生成される廃熱を利用することによって、サイクルの効率を高めることができる。例えば、燃焼器に投入するためのＯ２の生成によって熱を生成することができる。既知の空気分離装置は、分離プロセスの副生成物として熱を生成することができる。さらに、Ｏ２を上述のような高い圧力で提供することは有用であり得、ガスのそのような加圧によっても副生成物として熱を生成することができる。例えば、深冷空気分離プロセスの動作によってＯ２を生成してもよく、このプロセスにおいて、冷却状態を保つ周囲温度まで効率的に加熱される液体酸素をポンプ圧縮することによって酸素が加圧される。そのような深冷ポンプ圧縮酸素装置は、２つの空気圧縮機を有することができ、その両方を、高温の加圧した空気を外部源によって加熱される流れ（例えば図８の流れ７２ａ）の温度に近い温度および／またはそれよりも高い温度まで冷却することができるように、段間冷却なしに断熱的に動作させることができる。既知の技術の場では、副生成物の熱を除去するために二次冷却システムが必要になるため、そのような熱を利用しない、あるいは実際にはシステム上において排出物になり得る。しかしながら、本発明では、冷却剤を使用して空気分離プロセスから生成熱を取り出し、熱を図８に示されている副加熱器に提供してもよい。他の実施形態では、副加熱器自体を空気分離装置（または関連装置）とすることができ、ＣＯ２循環流体（例えば図８の流れ７２ａ）自体を空気分離装置上またはそれに関連する冷却システムを通して直接循環させて、空気分離プロセスで生成された熱を取り出すことができる。より具体的には、ＣＯ２圧縮機を断熱的に動作させ、かつ高圧ＣＯ２循環流体の一部を加熱するように圧縮熱を伝達させる循環伝熱流体に接触させて最終冷却器で圧縮熱を除去することによって、あるいは再利用される高圧ＣＯ２循環流体流（例えば図８の流れ７２ａ）に直接熱を伝達することによって、添加される熱を得ることができる。さらに、そのような熱の添加は、図８に関して説明されている位置に必ずしも限定されるものではないが、ＣＯ２循環流体から二次成分を分離した後の任意の時点で（ただし好適には、ＣＯ２循環流体を、燃焼器内への投入口の直接上流にある熱交換器に通す前に）サイクルに投入することができる。当然のことながら、好適な凝縮温度の蒸気の供給または従来の開放サイクルガスタービンからの高温排気ガスを用いるなどの、発電サイクルで生成された廃棄物を利用するあらゆる同様の方法も本開示によって包含される。
副加熱器４７０によって与えられる熱の量は、使用される材料および装置ならびに燃焼器２２０に投入するためにＣＯ２循環流体流２３６に対して達成される最終温度に応じて変えることができる。一部の実施形態では、副加熱器４７０は、流れ７２ａの温度を少なくとも約１０℃、少なくとも約２０℃、少なくとも約３０℃、少なくとも約４０℃、少なくとも約５０℃、少なくとも約６０℃、少なくとも約７０℃、少なくとも約８０℃、少なくとも約９０℃、または少なくとも約１００℃だけ事実上上昇させる。他の実施形態では、副加熱器４７０は、流れ７２ａの温度を、約１０℃〜約２００℃、約５０℃〜約１７５℃、または約７５℃〜約１５０℃だけ事実上上昇させる。具体的な実施形態では、副加熱器４７０は、流れ７２ａの温度を、熱交換器４４０を出る流れ７３の温度の少なくとも約１５℃以内、少なくとも約１２℃、少なくとも約１０℃以内、少なくとも約７℃以内、または少なくとも約５℃以内で上昇させる。
さらなる熱源のこのような添加によって、第３の熱交換器４５０を出る流れ７１を、流れの中のＣＯ２の全量が第２の熱交換器４４０を通して導かれる場合に流れ７１を加熱するために第２の熱交換器４４０で利用可能な熱の能力を超えて過熱することができる。流れを分割することによって、第２の熱交換器４４０で利用可能な熱を、流れ７１ｂ中のＣＯ２循環流体の部分的な含有量に完全に与えることができると共に、副加熱器４７０から利用可能な熱を、流れ７２ａ中のＣＯ２循環流体の部分的な含有量に完全に与えることができる。よって、代替の分割方法を利用する際の第１の熱交換器４３０に流入する合わせられた流れの温度は、上述のように、分割して別々に加熱する代わりに流れ７１中のＣＯ２循環流体の全量が第２の熱交換器４４０に導かれる場合に、第２の熱交換器４４０から流出する流れ７３の温度よりも高くなり得ることが分かる。一部の実施形態では、分割方法によって得られる熱の上昇は、ＣＯ２循環流体流２３６が燃焼器に流入する前に十分に加熱されているか否かを限定するのに十分に大きくなり得る。
図８に示すように、分割器４６０を出る流れ７１ｂを第２の熱交換器４４０に通して流れ７３を形成し、これを、流れ７３と副加熱器４７０から排出される流れ７２ｂとを合わせる混合機４８０に導く。次いで、合わせた流れ７４を第１の熱交換器４３０に通して、ＣＯ２循環流体を第１の熱交換器４３０に流入する際のタービン排気流の温度に実質的に近い温度まで加熱する。第１の熱交換器の高温端における流体流のこの温度の近さは、２つ以下または４つ以上の熱交換器が使用される本発明のさらなる実施形態に適用することができ、かつＣＯ２循環流体がタービンからの排出後に通る第１の熱交換器に適用することができる。第１の熱交換器の高温端において流体流のこの温度の近さを達成する能力は、所望の効率レベルを達成するための本発明の重要な特徴となり得る。特定の実施形態では、タービンから一列に並んだ（すなわち、タービンにおける膨張後に）第１の熱交換器に流入するタービン排気流の温度と燃焼器に再利用するために熱交換器を出るＣＯ２循環流体流の温度と差は、約８０℃未満、約７５℃未満、約７０℃未満、約６５℃未満、約６０℃未満、約５５℃未満、約５０℃未満、約４５℃未満、約４０℃未満、約３５℃未満、約３０℃未満、約２５℃未満、約２０℃未満、または約１５℃未満にすることができる。
上記から分かるように、タービン排気流５０と再利用ＣＯ２循環流体流２３６との熱交換器４２０（または図８に示すような一連の熱交換器の中の第１の熱交換器４３０）の高温端における温度差を精密に制御することによって、本発明のシステムおよび方法の効率を大きく促進することができる。好ましい実施形態では、この温度差は５０℃未満である。理論に縛られるものではないが、本発明によれば、再利用ＣＯ２循環流体を加熱するために利用可能な熱（例えば、１つ以上の熱交換器でタービン排気流から取り出される熱）は、再利用ＣＯ２循環流体の総ての流れを十分に加熱するのに不十分であり得ることが分かった。本発明は、既に上に説明したように、流れ７１ｂが熱交換器４４０に流入し、流れ７２ａが、外部熱源４７０を出る流れ７２ｂの温度を、熱交換器４４０を出る流れ７３の温度に実質的に近い温度まで上昇させるさらなる外部源の熱を提供する外部熱源４７０に流入するように流れ７１を分割することによって、これを克服することができることが分かった。次いで、流れ７２ｂおよび７３を合わせて流れ７４を形成する。流れ７１ｂ（および流れ７２ａ）の流量は、熱交換器４４０の低温端における温度差によって制御することができる。流れ５６の温度を可能な限り低くし、次いで熱交換器４４０の低温端温度差を最小にすることによって、上記熱の不十分さを克服するために必要な外部熱の量を最小にすることができる。燃焼生成物から生じる流れ５６中に存在する水蒸気は、流れ５６の組成およびその圧力に依存する温度でその露点に達する。この温度よりも低い場合、水の凝縮により、流れ５６と流れ６０との有効なｍＣｐが大きく上昇し、かつ総再利用流れ７０を加熱するのに必要なすべての熱が流れ７１に提供される。熱交換器４４０を出る流れ５６の温度は、好適には流れ５６の露点の約５℃以内にすることができる。流れ５６と７１との熱交換器４４０の低温端における温度差は、好適には少なくとも約３℃、少なくとも約６℃、少なくとも約９℃、少なくとも約１２℃、少なくとも約１５℃、少なくとも約１８℃、または少なくとも約２０℃にすることができる。
図５に戻ると、膨張タービン３２０を通った後の高温タービン排気流５０を受容する少なくとも１つの熱交換器４２０に関して説明したように、ＣＯ２循環流体２３６を燃焼器２２０に再利用する前に予熱することができる。サイクルの効率を最大にするために、高温ガス入口経路および大きな圧力が加えられるタービン翼の利用可能な構造材に適合する可能な限り高い入口温度、ならびにシステムの動作圧力に適合する熱交換器４２０で許容可能な最高温度で膨張タービン３２０を動作させることが有用であり得る。タービン入口流の高温入口経路およびタービン翼の第１の列を任意の有用な手段によって冷却することができる。一部の実施形態では、高圧再利用ＣＯ２循環流体の一部を用いて効率を最大にすることができる。具体的には、より低温のＣＯ２循環流体（例えば、約５０℃〜約２００℃の範囲）を、熱交換器の低温端４２０前にサイクルから、または一連の複数の熱交換装置が利用されている場合には熱交換器４２０内の中間時点から（例えば、図８の流れ７１、７２ａ、７１ｂ、７２ｂ、７３、または７４から）取り出すことができる。翼冷却流体をタービン翼の穴から排出させ、タービン流の中に直接投入することができる。
本明細書に説明されている浸み出し冷却式燃焼器などの高効率バーナの動作により、過剰な酸素濃度（例えば、約０．１モル％〜約５モル％の範囲）を有する酸化性ガスである燃焼ガスを生成することができる。あるいは、燃焼器により、ある濃度のＨ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、およびＮＨ３のうちの１種以上を有する還元性ガスである燃焼ガスを生成することができる。これは、本発明によれば、１つのみのタービン装置または一連のタービン装置（例えば、２つ、３つ、またはそれ以上の装置）を備えた電力タービンの使用が可能になるという点で特に有益である。有益なことに、一連の装置を用いる具体的な実施形態では、装置のすべてを同じ入口温度で動作させることができ、かつ所与の第１のタービン供給圧力と全体の圧力との比に対して電力出力を最大にすることができる。
還元モードで直列で動作する２つのタービン３３０、３４０を利用するタービン装置３２０の一例が図９に示されている。そこに示されているように、燃焼生成物流４０は第１のタービン３３０に導かれる。そのような実施形態では、上述のように、燃焼生成物流４０は、その中に１種以上の可燃成分を含む還元性ガスになるように（例えば、使用される燃料、使用されるＯ２の量、および燃焼器の動作条件の制御により）設計されている。燃焼生成物流４０を第１のタービン３３０全体に膨張させて発電し（例えば、ここに図示してはいない、発電機に関連している）、第１の排気流４２を形成する。第２のタービン３４０への導入前に、所定の量のＯ２を第１のタービン排気流４２に添加して、第１のタービン排気流４２中に存在する可燃性成分を燃焼させることができる。このことにより、第２のタービン装置３４０における入口温度を第１のタービン装置３３０の入口温度と実質的に同じ値まで上昇させると共に、過剰な酸素が残る。例えば、第１のタービン装置３３０からの排気流４２の温度を約５００℃〜約１，０００℃の範囲にしてもよい。還元モードの場合、この温度の排気流４２にＯ２を添加することにより、過剰な燃料ガスを、第１のタービン装置３３０に流入する前の燃焼器２２０から流出する燃焼生成物流４０と実質的に同じ温度範囲である約７００℃〜約１，６００℃の範囲の温度まで燃焼させることによって、流れの中のガスを加熱することができる。換言すると、２つのタービンのそれぞれの入口における動作温度は実質的に同じである。具体的な実施形態では、タービンの入口における動作温度は、約１０％以下、約９％以下、約８％以下、約７％以下、または約６％、約５％以下、約４％以下、約３％以下、約２％以下、または約１％以下だけ異なる。さらなるタービン装置のための同様の再熱工程も、残留燃料が残る程度まで達成することができる。必要であれば、酸素が供給される燃焼空間に好適な触媒を用いて燃焼を強化することができる。複数のタービンと、任意で、複数の燃焼器とを利用する、本開示によるそのようなシステムおよび方法の利点を以下にさらに説明する。特定の実施形態では、高温高圧加熱流体（例えば、本明細書に説明されているタービン排気流）を従来のランキンサイクル発電所の蒸気過熱サイクルに導入することによるなどして、本明細書に説明されているような電力サイクルを既存の発電所に組み込むように使用することができる。これは、石炭火力発電所あるいは沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）または加圧水型原子炉（ＰＷＲ）熱サイクルを有する原子力発電所にすることができる。これにより、蒸気を既存のシステムで生成される過熱した蒸気の最高温度よりもはるかに高い温度まで過熱することによって、蒸気ランキン発電所の効率および電力出力を効果的に高める。原子力発電所の蒸気条件は一般に最高約３２０℃であるが、微粉炭燃焼ボイラの場合、蒸気温度の最高温度は現在では約６００℃である。本発明のシステムおよび方法において熱交換により可能な過熱を用いて、蒸気温度を７００℃超まで上昇させることができる。蒸気を過熱するために燃焼させるさらなる燃料が、凝縮される蒸気の量を増加させずに蒸気系発電所における追加の電力に変換されるため、これにより、熱エネルギーの追加の軸動力への直接変換が生じる。二次熱交換装置を設けることによってこれを達成してもよい。例えば、別途本明細書に説明されているように、本発明の方法およびシステムに関して説明されているタービン排気流を、主熱交換装置に通す前に二次熱交換装置を通して導くことができる。上述のように、二次熱交換装置で得られた熱を使用してボイラからの蒸気を過熱することができる。過熱した蒸気を１つ以上のタービンに導いて発電することができる。次いで、別途本明細書に説明されているように、二次熱交換装置を通った後のタービン排気流を主熱交換装置に導くことができる。そのようなシステムおよび方法は、実施例２に説明されており、かつ図１２に示されている。さらに、上述のように、最終蒸気タービンの入口からの低圧蒸気を回収し、再利用ＣＯ２循環流体の一部を加熱するために、これを使用することができる。具体的な実施形態では、熱交換装置の低温端（例えば、一部の実施形態では約８０℃の温度）を出るＣＯ２循環流体流を用いた脱気前に、汽力発電所からの凝縮物を中間温度まで加熱することができる。この加熱は通常、最終ＬＰ蒸気タービン段への入口から回収された抽気蒸気を使用するため、本発明の側流加熱に関する欠陥による汽力発電所効率に対する正味効果は、凝縮物の予熱によって補償され、これにより抽気蒸気を節約する。
上記一般的な発電方法（すなわち、電力サイクル）を、本明細書に説明されているような好適な発電システムを用いて本発明によって実施することができる。一般に、本発明による発電システムは、本発電方法に関連して本明細書に説明されている構成要素のいずれかを備えていてもよい。例えば、発電システムは、Ｏ２およびＣＯ２循環流体の存在下で炭素含有燃料を燃焼させるための燃焼器を備えていてもよい。具体的には、燃焼器は、本明細書に説明されているような浸み出し冷却式燃焼器であってもよい。しかしながら、別途本明細書に説明されている条件下で動作することができる他の燃焼器も使用することができる。燃焼器を、具体的には、それが動作する燃焼条件ならびに燃焼器自体の特定の構成要素に関連して特徴づけてもよい。一部の実施形態では、本システムは、炭素含有燃料（および場合により、流動化媒体）、Ｏ２およびＣＯ２循環流体を提供するための１つ以上の噴射器を備えていてもよい。本システムは、液体スラグ除去のための構成要素を備えていてもよい。燃焼器は、固体の灰粒子をガスから効果的に濾過することができる温度で燃料ガスを生成してもよく、ガスをクエンチＣＯ２と混合し、かつ第２の燃焼器で燃焼させることができる。燃焼器は、本明細書に説明されているような圧力および温度でＣＯ２を含む燃焼生成物流を提供するために、ＣＯ２循環流体の存在下で炭素含有燃料を燃焼させる少なくとも１つの燃焼段階を含むことができる。
本システムは、燃焼器に流体連通した発電タービンをさらに含んでもよい。タービンは、燃焼生成物流を受容するための入口と、ＣＯ２含有タービン排気流を放出するための出口とを有することができる。流体流が膨張すると発電することができ、本明細書に説明されているように、タービンは、流体流を所望の圧力比（Ｉｐ／Ｏｐ）に維持するように設計されている。
本システムは、タービン排気流を受容しかつ流れを冷却して冷却したＣＯ２循環流体流を形成するために、タービンに流体連通した少なくとも１つの熱交換器をさらに備えることができる。同様に、燃焼器に投入されるＣＯ２循環流体を加熱するために少なくとも１つの熱交換器を使用することができる。熱交換器（複数可）を、具体的には、本明細書に説明されているような具体的な条件下における動作を可能にするそれらの構造材に関して特徴づけてもよい。
本システムはまた、回収または廃棄処分のために、熱交換器から流出するＣＯ２循環流体流をＣＯ２および１種以上のさらなる成分に分離するための１つ以上の装置も備えることができる。具体的には、本システムは、ＣＯ２循環流体流から水（または本明細書に説明されている他の不純物）を分離するための手段を備えていてもよい。
本システムは、少なくとも１つの熱交換器に流体連通した（および／または１つ以上の分離装置に流体連通した）、精製したＣＯ２循環流体を圧縮するための１つ以上の装置（例えば、圧縮機）をさらに備えることができる。さらに、本システムは、ＣＯ２循環流体を、２つの流れ、すなわち、熱交換器を通って燃焼器内に流入する１つの流れと、加圧されたパイプライン（またはＣＯ２の隔離および／または廃棄処分のための他の手段）の中に輸送するためのもう１つの流れに分離するための手段を備えることができる。
一部の実施形態では、さらなる構成要素が本システムに含まれていてもよい。例えば、本システムは、Ｏ２を燃焼器の中（または噴射器もしくはＯ２を１種以上のさらなる材料と混合するための同様の装置の中）に輸送するためのＯ２分離装置を備えていてもよい。一部の実施形態では、空気分離装置によって熱を生成してもよい。よって、本システムが、空気分離装置から燃焼器の上流にあるＣＯ２循環流体流まで熱を伝達する１つ以上の伝熱構成要素さらに備えることが有用であり得る。さらなる実施形態では、本発明によるシステムは、本発電サイクルおよび発電方法に関連して別途本明細書に説明されているあらゆるすべての構成要素を備えていてもよい。
さらなる実施形態では、本発明は、燃焼時に不燃焼性残渣を残す燃料（石炭など）を用いた発電に特に有用なシステムおよび方法を包含する。特定の実施形態では、図４に示されている汚染物質除去装置などの適当な装置を用いてそのような不燃焼性物質を燃焼生成物流から除去することができる。しかしながら、他の実施形態では、図１０に示されているような複数の燃焼器システムおよび方法を用いて不燃焼性物質を処理することが有用であり得る。
図１０に示すように、石炭燃料２５４を粉砕装置９００に通して微粉炭を得ることができる。他の実施形態では、石炭燃料２５４を微粒子化状態で得ることができる。具体的な実施形態では、石炭は、約１０μｍ〜約５００μｍ、約２５μｍ〜約４００μｍ、または約５０μｍ〜約２００μｍの平均粒径を有していてもよい。他の実施形態では、石炭は、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、または９９．５％超の石炭粒子が約５００μｍ、４５０μｍ、４００μｍ、３５０μｍ、３００μｍ、２５０μｍ、２００μｍ、１５０μｍ、または１００μｍ未満の平均的大きさを有する点において表現してもよい。微粉炭を流動化物質と混合してスラリーの形態の石炭を得ることができる。図１０では、微粉炭と、再利用ＣＯ２循環流体からのＣＯ２副回収物６８とを混合機９１０で合わせる。図１０では、ＣＯ２副回収物６８を流れ６７から取り出し、それを超臨界高密度状態のＣＯ２循環流体を得るために処理している。具体的な実施形態では、石炭スラリーを形成するために使用されるＣＯ２は約４５０ｋｇ／ｍ３〜約１，１００ｋｇ／ｍ３の密度を有することができる。より詳細には、ＣＯ２副回収物６８は、粒子炭と協働して、例えば、約１０重量％〜約７５重量％、または約２５重量％〜約５５重量％の粒子炭を有するスラリー２５５を形成してもよい。さらに、スラリーを形成するために使用される副回収物６８からのＣＯ２は、約０℃未満、約−１０℃未満、約−２０℃未満、または約−３０℃未満の温度であってもよい。さらなる実施形態では、スラリーを形成するために使用される副回収物６８からのＣＯ２は、約０℃〜約−６０℃、約−１０℃〜約−５０℃、または約−１８℃〜約−４０℃の温度であってもよい。
微粉炭／ＣＯ２スラリー２５５を、混合機９１０からポンプ９２０を介して部分酸化燃焼器９３０まで移動させる。本明細書に説明されているように、空気２４１を精製したＯ２に分離する空気分離装置３０を用いて、Ｏ２流を形成する。Ｏ２流を、部分酸化燃焼器９３０に導かれるＯ２流２４３と、燃焼器２２０に導かれるＯ２流２４２とに分割する。図１０の実施形態では、ＣＯ２流８６を、部分酸化燃焼器９３０を冷却するために使用される再利用ＣＯ２循環流体流８５から取り出す。さらなる実施形態では、部分酸化燃焼器９３０を冷却するために使用されるＣＯ２を流れ８６の代わりに流れ２３６から取り出してもよく、あるいは、ＣＯ２を流れ８６および流れ２３６の両方から取り出してもよい。好適には、取り出されるＣＯ２の量は、灰が安全に除去することができる固体の形態で存在するように流れ２５６の温度を冷却するのに十分である。別途本明細書に説明されているように、石炭を部分的にのみ酸化してＨ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、およびＮＨ３のうちの１種以上と共にＣＯ２を含む部分的に酸化された燃焼生成物流２５６を生成するような比でＣＯ２、石炭、およびＯ２を部分酸化燃焼器９３０に提供する。ＣＯ２、石炭、およびＯ２もまた、部分的に酸化された燃焼生成物流２５６の温度が、流れ２５６中に存在する灰のすべてが１つ以上のサイクロン分離器および／またはフィルタによって容易に除去することができる固体粒子の形態である程に十分に低くなるような所要の比で、部分酸化燃焼器９３０に導入する。図１０の実施形態は、フィルタ９４０を介した灰除去を示す。具体的な実施形態では、部分的に酸化された燃焼流れ２５６の温度を、約１，１００℃未満、約１，０００℃未満、約９００℃未満、約８００℃未満、または約７００℃未満にすることができる。さらなる実施形態では、部分的に酸化された燃焼流２５６の温度を、約３００℃〜約１，０００℃、約４００℃〜約９５０℃、または約５００℃〜約９００℃にすることができる。
濾過した部分的に酸化された燃焼流２５７を、別途本明細書に説明されているように、浸み出し冷却式燃焼器にすることができる第２の燃焼器２２０内に直接投入することができる。この投入はＯ２流２４２および再利用ＣＯ２循環流体流２３６と共に行う。別途本明細書に説明されているのと同様に、この時点の燃焼は進行することができる。部分的に酸化された燃焼流２５６中の可燃性材料を、Ｏ２およびＣＯ２の存在下で、燃焼器２２０で燃焼させて燃焼流４０を得る。この流れをタービン３２０全体に膨張させて（例えば、発電機１２０９によって）発電する。タービン排気流５０を熱交換装置４２０（図８に関して説明されているような一連の熱交換器であってもよい）に通す。ＣＯ２循環流体流６０を冷水熱交換器５３０に通して流れ６１を形成し、流れ６１を、流れ６２中の二次成分（例えば、Ｈ２Ｏ、ＳＯ２、ＳＯ４、ＮＯ２、ＮＯ３、およびＨｇ）の除去のために分離器５４０に通す。分離器５４０は、以下に図１２に関して説明されているカラム１３３０と実質的に同様であってもよい。好適には、分離器５４０は、不純物が水と反応して、容易に除去される物質（例えば、酸）を生成することができるように、十分な滞留時間を有する接触器を提供する反応器を備える。精製したＣＯ２循環流体流６５を第１の圧縮機６３０に通して流れ６６を形成し、これを冷水熱交換器６４０で冷却して、超臨界高密度ＣＯ２循環流体６７を得る。上述のように、流れ６７の一部を、混合機９１０で流動化媒体として使用される流れ６８として取り出して石炭スラリー流２５５を形成することができる。そうでない場合は、超臨界高密度ＣＯ２循環流体流６７を圧縮機６５０でさらに加圧して、加圧した超臨界高密度ＣＯ２循環流体流７０を形成する。流れ７０中のＣＯ２の一部を、図５および図１１に関して本明細書に説明されているような時点７２０で取り出して、流れ８０をＣＯ２パイプラインまたは他の隔離手段に提供してもよい。ＣＯ２の残りの部分は加圧された超臨界高密度ＣＯ２循環流体流８５として進行し、その一部を、上述のように、部分酸化燃焼器９３０の冷却のために使用される流れ８６として取り出してもよい。そうでない場合は、流れ８５を熱交換器４２０（または図８に関して説明されているような一連の熱交換器）に再度通して流れを加熱し、かつ最終的に、燃焼器２２０への投入のために再利用ＣＯ２循環流体流２３６を形成する。上述のように、外部熱源を熱交換装置４２０と組み合わせて使用して所要の効率を得てもよい。同様に、流れの温度および圧力、ならびにタービン装置３２０、熱交換装置４２０、分離装置５２０、および圧縮装置６３０に関する他の動作条件などの別途本明細書に説明されているような他のシステムおよび方法のパラメータを図１０によるシステムおよび方法に適用することができる。
上記の開示は、当技術分野においてこれまで開示されたことのない、予想以上の高効率を提供し得る本開示のシステムおよび方法のうちのいくつかの要素を示してきた。驚くべきことに、本発明は、ＣＯ２作動流体を利用して本明細書に説明される密閉発電サイクルの任意の点で誘導された温度および／または圧力降下を利用することにより、大幅な追加的な利益を得ることができるという点でさらに有益である。膨張機および燃焼器の具体的な組み合わせは、直列でまたは並列に動作するように適合させることができ、燃焼器における流体の加熱および／または膨張機における流体の冷却が任意である、様々な条件を包含することができ、密閉サイクルのうちの１つ以上のセグメント内に配置させて、これまで認識されていない方法で、利用可能なエネルギーを回収することができる。
特定の実施形態では、例えば、本開示のシステムおよび方法は、１つ以上のさらなるタービンを利用することにより所与の固定高圧再利用ＣＯ２流量および圧力に対して電力出力を最大にするように適合されるタービンシステムを備えることができる。具体的な実施形態では、さらなるタービンのうちの１つ以上は、第１のタービンからの排気流の一部またはすべてを取り込むことができる。第１のタービンからの流れを、任意で、第２の酸素燃焼燃焼器を用いて再加熱することができ、再加熱された流れを、１つ以上のさらなるタービンにより大気圧付近まで膨張させることができる。１つ以上のさらなる膨張機からの流れを使用して、使用される全冷却流量の少なくとも一部に再利用高圧ＣＯ２流を加熱することを提供することができる。
第２のタービン（または一連のタービンの中のその後のタービン）の入口圧力を、第１のタービン（または一連のタービンの中のすぐ上流のタービン）の排気圧力から、配管およびタービンの間に介在するあらゆる燃焼器による圧力降下を除することによって画定することができる。さらに、第２のタービン（または一連のタービンの中のその後のタービン）の排気温度を、最も高圧のタービンの入口流の圧力によって画定された圧力における再生熱交換器の最大設計温度によって画定することができる。
一実施形態では、２つのタービンを使用してもよく、そして第１のタービンからのすべての流れを再加熱し、第２の介在する燃焼器において純粋な酸素との炭化水素および／または炭素質気体燃料の燃焼生成物と混合することができ、次いで、第２のタービンにおいて膨張させ、追加的な軸動力を産み出すことができる。再生熱交換器の設計条件によって第２のタービンの出口温度が固定されているため、第２のタービンの出口圧力が決まると第２のタービンの入口温度も同様に固定される。
一部の実施形態では、本開示のシステムおよび方法で使用される１つ以上のタービンを、タービンの軸動力から機械的エネルギーを（つまり、発電ではなく）提供するように適合することができる。よって、１つ以上のタービンは、本システムおよび方法の１つ以上のさらなる構成要素（例えば、圧縮機、ポンプ、空気分離ユニット）と機械的動作接続状態にあってもよい。例えば、複数のタービンは、発電機を含む１つ以上のさらなる構成要素と機械的接続状態にある主ギヤボックスなどと機械的接続状態にあってもよい。別の例では、複数のタービンはそれぞれ別個に、タービンからの軸動力を利用する単一の構成要素と機械的接続状態にあってもよい。他の実施形態では、機械的動作接続をさらなるシステムまたは方法と組み合わせて使用することができる。特に、機械的回転からの電力供給の恩恵を受けるあらゆる産業システムまたは方法を、本開示のシステムおよび方法と組み合わせてもよい。
さらなる実施形態では、タービンの排気圧力が大気圧付近となるように動作させることにより、第２のタービン（または、３つ以上のタービンを使用する場合、さらなるタービン）の電力出力を最大にすることができる。具体的には、これにより、再生熱交換器、周囲冷却器、および液体の水の分離器の構成要素を通る発電サイクル全体の圧力降下が可能になる。圧力は、好適には、再利用ＣＯ２圧縮機において大容積流量を避けるために、０．９バール（０．０９ＭＰａ）超であってもよい。
一部の実施形態では、本開示による単一の多段タービンを使用してもよい。他の実施形態では、複数の単一段のタービンを使用してもよい。
第２のタービンの出口温度を固定することにより、入口温度を、第１のタービン出口圧力および第２のタービン圧力比により画定させることができる。一般に、ここで第１のタービン入口温度を、設計、材料、および寿命に関する考慮事項と矛盾しない、可能な限り最も高い値で固定することができることが分かっており、これはつまり、単一のタービンの場合に比べて第１のタービン電力出力をかなり大きくすることができることを意味している。この理由は、今やすべての第１のタービン出口流が第２のタービンに入ることから、第１のタービン出口流は再生熱交換器をもはや通過せず、再生熱交換器のための設計上の考慮事項によってもたらされる第１のタービン出口温度にはもはや温度の制約は存在しないためである。第２のタービン入口温度を、第１の温度流のすべてが第２のタービンに流入する場合に第２のタービン入口流を直接燃焼することにより加熱する第２の酸素燃焼燃焼器から生じる第１のタービン排気温度よりも高くすることができる。第１の燃焼器への再利用ＣＯ２入口温度および第２のタービン出口温度は、単一および２つのタービンの場合、第２のタービンに入る第１のタービン排気流のすべてによって規定されるように、事実上同じである。第１のタービンの電力出力は、しかしながら、第１の燃焼器においてより多くの気体燃料の酸素燃焼で入口温度を高めることによりかなり増加する。２つのタービンの場合の燃焼される追加的な燃料の値は、ほぼ１００％の効率で軸動力に変換される。この結果、単一のタービンシステムに比べて、２つのタービンシステムの全電力出力および効率が著しく高まる。２つのタービンシステムの設置機器および費用における増分は、基本的に単一のタービンの場合を取り、第２のタービンおよび燃焼器を加え、そこに圧力を大気圧付近から単一のタービンの場合の冷却されたタービン出口圧力まで高めるための追加的な再利用圧縮機を加える。これは、最大２８０％である電力出力における増加に比べて大きな費用増分ではない。あるシステムの代表的な実際のプロセス設計の数字を用いると、天然ガス燃料を用いる効率は、すべてのＣＯ２が大気圧で生成される場合、ＩＳＯの条件で（低位発熱量ベースで）５８．５％〜６２％の範囲にある。ＣＯ２正味生成物を３００バール（３０ＭＰａ）まで圧縮することにより、圧縮機およびタービンの効率に主として依存して、これらの効率は約１．８パーセントだけ下がる。
第２の燃焼器における追加的な燃料および酸素は第２のタービン流を増やし、その結果、再生熱交換器において高圧力再利用ＣＯ２の加熱に必要なタービン流の量が使用されると、他の加熱負荷に利用可能な少量の追加的なタービン排気流が生じる。この追加的な少量の流れでは、典型的には、すべての第１のタービン流が第２のタービンへと通る場合、全第２のタービン流の４％〜８％の範囲にある。タービン排気温度にあるこの流れを、２つのタービンで使用される燃料および第２の燃焼器で使用される酸化剤を予熱するために使用することができる。なお、第１の燃焼器で使用される酸化剤は一般に、ＣＯ２で希釈され、再生熱交換器で加熱される。
２つのタービンシステムは低温度レベルの熱を使用して、深冷空気分離装置への空気供給の少なくとも一部の断熱圧縮に一般に由来する高圧力ＣＯ２再利用流の加熱に寄与することができるが、他の熱源もまた包含される。一部の実施形態では、余分の第２のタービン排気流に存在する熱エネルギーの一部を使用して、この低温度レベル再利用ＣＯ２加熱負荷の少なくとも一部を提供してもよい。第２のタービンが大気圧付近の排気圧力で動作することは、第１の燃焼器のために必要な酸素の一部が酸素発生装置から大気圧付近で生成できることを意味している。次いで、１５％〜４０％モルのＯ２の組成を与える液体の水分離に続いて、酸素を再利用ＣＯ２とほぼ大気圧で混合することができ、次いで、これを第１の燃焼器システムによる圧力降下に等しい圧力増分で、ＣＯ２高圧力再利用流の排気圧力まで圧縮する。これにより、燃焼器に必要なより高い圧力での空気分離装置からの酸素生産に代替策を提供できる。
一部の実施形態では、第２のタービンの流量を、第１および第２の燃焼器で使用される燃料に存在する酸化炭と等量のＣＯ２含有量を有する量に制限することができる。この場合、全第２の排気流を大気圧付近で再生熱交換器における別個の一式の経路に通すことができる。再生熱交換器の低温端を出た後、これを大気中に放出することができる。正味ＣＯ２生成物を廃棄のために回収する場合、これを高圧力再利用ＣＯ２圧縮機の吸込圧力まで圧縮し、その点から、廃棄用パイプラインシステムへの輸送のために再生熱交換器に入る再利用圧力までの任意の圧力で生成することができる。
２つのタービンシステムの一部の実施形態では、全第１のタービン流は、大気圧付近の排気圧力を有する第２のタービンを通ることができる。そのような実施形態を、ＬＮＧ受入ターミナルから高圧力ガスパイプラインシステム内へ、天然ガスを輸送するために使用される加圧液体天然ガス加熱設備に組み込んでもよい。単一のタービンを使用するそのようなシステムは、米国特許出願第１３／６６６，５２２号に説明されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。そのような実施形態では、液体の水分離後の、第２のタービンからの大気圧付近のＣＯ２を、約６バール（０．６ＭＰａ）〜約１０バール（１ＭＰａ）の範囲にある圧力まで圧縮することができ、これは、ＣＯ２凍結圧力である５．１８バール（０．５１８ＭＰａ）よりも大きい。次いで、ＣＯ２ガスを乾燥剤による乾燥機で−５６℃未満の露点まで乾燥させ、液化用熱交換器内に送り、ここで、高圧天然ガスの流れに典型的には、約４０バール（４ＭＰａ）〜約７０バール（７ＭＰａ）の範囲にある圧力および約−１６０℃〜約−１４０℃の範囲にある温度を有する入口条件で接触させて液化させる。天然ガスは、ＣＯ２入口温度から約１０℃〜約２０℃まで接近した温度でＣＯ２液化装置を出る。液化ＣＯ２は、多段遠心力ポンプで必要なＣＯ２再利用圧力までポンプ圧縮される。この装置から正味ＣＯ２生成物を液体ＣＯ２として約６バール（６ＭＰａ）〜１０バール（１ＭＰａ）の圧力で生成することができる。この液体ＣＯ２は、廃棄または原油増進回収のための使用のために容易に送出することができる。そのような使用法は、Ｐａｌｍｅｒらの米国特許出願公開第２０１２／００６７５６８号に説明されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。原油増進回収で使用する場合、Ｏ２および不活性ガス含有量を、必要な純度仕様を満たすようなｐｐｍのオーダーに収まるように調整することができる。このシステムの特定の変形は、再生熱交換器、周囲冷却器、および水分離における冷却の後、ＣＯ２圧縮機が不要となるように、約６．５バール（０．６５ＭＰａ）〜約１０．５バール（１．０５ＭＰａ）の範囲にある排気圧力で第２のタービンを作動させることである。第２のタービンの入口温度は、低圧力比のために低下する。これらの実施形態は両方とも、ＣＯ２圧縮電力の大幅な低下、ならびに高圧低温の天然ガスの温度をパイプライン輸送のための周囲温度付近まで昇温するための液中燃焼用水槽ヒーター内で通常消費される天然ガスの節約に起因して、極めて高い効率を提供することができる。
実施例
本発明を、具体的な実施例に関して以下にさらに説明する。本実施例は、本発明の特定の実施形態を例示するために提供するものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
実施例１
再利用ＣＯ２循環流体を用いたメタン燃焼による発電のためのシステムおよび方法
本発明によるシステムおよび方法の具体的な一例を図１１に示す。以下の説明は、コンピュータモデリングを用いて、具体的な条件下における具体的なサイクルに関して本システムを説明するものである。
このモデルでは、浸み出し冷却式燃焼器２２０への導入前に、混合機２５２で、１３４℃の温度および３０．５ＭＰａの圧力のメタン（ＣＨ４）燃料流２５４を、８６０℃の温度および３０．３ＭＰａの圧力（よって、超臨界流体状態）の再利用ＣＯ２循環流体流２３６と合わせる。空気分離装置３０を使用して１０５℃の温度および３０．５ＭＰａの圧力の濃縮されたＯ２２４２を得る。空気分離装置は、本プロセスで使用するために取り出される熱（Ｑ）も生成する。燃焼器２２０で、Ｏ２２４２をメタン燃料流２５４およびＣＯ２循環流体２３６と合わせるが、ここでは、燃焼が行われ、１１８９℃の温度および３０ＭＰａの圧力の燃焼生成物流４０が得られる。ＣＯ２、Ｏ２、およびメタンを、約３５：２：１のモル比（すなわち、ｌｂｍｏｌ／ｈｒ−ポンドモル／時間）で提供する。本実施形態における燃焼は、３４４，９３５Ｂｔｕ／時（３６３，９３２ｋＪ／時）の工率のエネルギー投入を使用する。
燃焼生成物流４０をタービン３２０全体に膨張させて、８８５℃の温度および５ＭＰａの圧力のタービン排気流５０（タービン排気流中のＣＯ２５０は気体の状態である）を生成する。燃焼生成物流４０をタービン３２０全体に膨張させると、毎時８３．５キロワット（ｋＷ／時）の工率で発電する。
次いで、タービン排気流５０を一連の３つの熱交換器に通して、二次成分の除去のために流れを連続的に冷却する。第１の熱交換器４３０に通して、２３７℃の温度および５ＭＰａの圧力の流れ５２を生成する。流れ５２を第２の熱交換器４４０に通して１２３℃の温度および５ＭＰａの圧力の流れ５６を生成する。流れ５６を第３の熱交換器４５０に通して８０℃の温度および５ＭＰａの圧力の流れ６０を生成する。
再利用ＣＯ２循環流体を一連の熱交換器に通した後、流れ６０を、冷水熱交換器５３０に通してさらに冷却する。２４℃の温度の水（Ｃ）を冷水熱交換器５３０に循環させて、ＣＯ２循環流体流６０を２７℃の温度まで冷却し、このようにしてＣＯ２循環流体流中に存在するあらゆる水を凝縮させる。次いで、液体の水を除去し、かつ流れ６２ａとして排出するように、冷却したＣＯ２循環流体流６１を水分離装置５４０に通す。「乾燥した」ＣＯ２循環流体流６５を３４℃の温度および３ＭＰａの圧力で水分離装置５４０から排出させる。
次に、乾燥したＣＯ２循環流体流６５（気体の状態のままである）を２工程加圧スキームで第１の圧縮装置６３０に通す。ＣＯ２循環流体流を８ＭＰａまで加圧し、これにより、ＣＯ２循環流体流の温度も７８℃まで上昇させる。これは、５．２２ｋＷ／時の電力入力を必要とする。次いで、この超臨界流体ＣＯ２循環流体流６６を第２の冷水熱交換器６４０に通し、ここで、超臨界流体ＣＯ２循環流体流６６を２４℃の温度の水で冷却して、２７℃の温度、８ＭＰａの圧力、および７６２ｋｇ／ｍ３の密度の冷却した超臨界流体ＣＯ２循環流体流６７を生成する。次いで、この流れを第２の圧縮装置６５０に通して、６９℃の温度および３０．５ＭＰａの圧力の加圧したＣＯ２循環流体流７０を形成する。これは、８．２３ｋＷ／時の電力入力を必要とする。この流れをパイプライン分割器７２０に通し、これにより、１ｌｂｍｏｌのＣＯ２を流れ８０を介して加圧されたパイプラインに導き、３４．１ｌｂｍｏｌのＣＯ２を、燃焼器２２０への投入前にＣＯ２循環流体流を再加熱するための一連の３つの熱交換器に流れ８５として戻す。
加圧したＣＯ２循環流体流８５を第３の熱交換器４５０に通して１１４℃の温度および３０．５ＭＰａの圧力の流れ７１を形成する。２７．３ｌｂｍｏｌのＣＯ２を流れ７１ｂとして第２の熱交換器４４０に導き、６．８ｌｂｍｏｌのＣＯ２を流れ７２ａにおいて副加熱器４７０を通して導くように、流れ７１を分割器４６０に通す。流れ７１ｂおよび流れ７２ａは、それぞれ、１１４℃の温度および３０．５ＭＰａの圧力を有する。副加熱器４７０は、空気分離装置３０からの熱（Ｑ）を使用して、さらなる熱をＣＯ２循環流体流に提供する。流れ７１ｂを第２の熱交換器４４０に通すと、２２４℃の温度および３０．５ＭＰａの圧力の流れ７３を生成する。流れ７２ａを副加熱器４７０に通すと、同様に２２４℃の温度および３０．４ＭＰａの圧力である流れ７２ｂを形成する。流れ７３および７２ｂを混合機４８０で合わせて、２２４℃の温度および３０．３ＭＰａの圧力の流れ７４を形成する。次いで、流れ７４を第１の熱交換器４３０に通して、燃焼器２２０内に再投入するための８６０℃の温度および３０．０ＭＰａの圧力の再利用ＣＯ２循環流体流２３６を得る。
上記モデル化されたサイクルの効率は、上述のように、メタン燃料のＬＨＶおよびシステム内へのさらなるエネルギー投入に対する生成されたエネルギーに基づいて計算した。モデル化された条件下では、約５３．９％の効率を達成した。これは、そのような優れた効率を達成すると同時に、ＣＯ２（特に、炭素含有燃料の燃焼により生じるＣＯ２）の大気放出を防止することができるという点で特に驚くべきことである。
実施例２
再利用ＣＯ２循環流体を使用するように改良した微粉炭発電所による発電のためのシステムおよび方法
本発明によるシステムおよび方法の別の具体的な例を図１２に示す。以下の説明は、数学的モデリングを用いて、具体的な条件下における具体的なサイクルに関して本システムを説明するものである。このモデルは、従来の微粉炭火力発電所に、本明細書に説明されているようなシステムおよび方法を組み込むことが可能であることを示す。
圧力３０．５ＭＰａのＯ２流１０５６を、３０．５ＭＰａの圧力の炭素含有燃料１０５５（例えば、部分的な酸化によって生成された石炭由来ガス）および３０．５ＭＰａの圧力のＣＯ２循環流体流１０５３と共に、浸み出し冷却式燃焼器２２０に導入する。熱（Ｑ）を生成することができる空気分離器または同様の装置からＯ２を受容してもよく、これをシステムで使用するために取り出して、例えば、膨張のために蒸気を生成するか、または冷却したＣＯ２循環流体流に熱を添加することができる。燃焼器２２０における燃料の燃焼により、１，１５０℃の温度および３０．０ＭＰａの圧力の燃焼生成物流１０５４を生成する。この流れをタービン３２０（一般に、主発電タービンともいう）全体に膨張させて、発電機１２０９を駆動することによって発電する。７７５℃の温度および約３．０ＭＰａの圧力の膨張タービン排気流１００１を、熱交換器１１００の高温端に導入し、そこで、タービン排気流１００１からの熱を使用して、従来の微粉炭火力発電所１８００で生成される高圧蒸気流１０３１および中間圧蒸気流１０３２を過熱する。ボイラ給水１８１０および石炭１８１０を発電所１８００に投入して、石炭１８１０の燃焼によって蒸気流１０３１および１０３２を生成する。熱交換器内への熱の伝達により、蒸気流１０３１および１０３２を約５５０℃の温度〜約７５０℃の温度に過熱して、蒸気流１０３３および１０３４を形成し、これらを以下に説明するように発電所に戻す。この方法により、ほぼ大気圧で石炭を燃やす従来の発電所の大型の蒸気ボイラで高価な高温合金を使用するという必要性なしに、非常に高い蒸気温度を達成する。蒸気流１０３３および１０３４を、三段タービン１２００（一般に、二次発電タービンともいう）で膨張させて、発電機１２１０を駆動する。復水器１２２０でタービン１２００から流出する蒸気１０３５を凝縮する。処理した凝縮物１０３６を給水ポンプ１２３０で高圧になるまでポンプで圧縮し、次いで、上述のように、熱交換器１１００の中に排出するために石炭燃焼ボイラ１８００で蒸発および過熱する。このシステムを使用して、既存の石炭火力発電所の電力出力および効率を上昇させる。
熱交換器１００は、典型的には６１７合金などの高温の高ニッケル含有合金で構築された、ケミカルミーリングされた通路を有するＨｅａｔｒｉｃ型の拡散接合型平板熱交換器であり、顕著な蒸気過熱および酸化性条件下における動作を可能にする高圧力および高温度に対応することができる。この熱交換器は、すべての流体に対する高い熱伝達係数を有する高効率伝熱装置である。
図１２に示すシステムおよび方法の残りの部分は、別途本明細書に説明されているシステムおよび方法に構造および動作の点で類似している。具体的には、膨張タービン排気流１００１を、熱交換器１１００で冷却し、５７５℃の温度である排気流１０３７として熱交換器１１００の低温端を出る。次いで、この流れ１０３７を第２の熱交換器１３００に通し、そこで、９０℃の温度および２．９ＭＰａの圧力まで冷却して、流れ１０３８を形成する。この流れを、第３の熱交換器１３１０内の発電所復水器１２３０からの凝縮物１０５７の一部に接触させて４０℃の温度までさらに冷却して流れ１０３９を形成し、これを冷水熱交換器１３２０内の冷却水に接触させて２７℃の温度までさらに冷却して、２．８７ＭＰａの圧力の流れ１０４０を形成する。熱交換器１３００は、Ｈｅａｔｒｉｃ型の３１０ステンレス鋼製拡散接合型装置であってもよい。
３０℃の冷却した流れ１０４０を、流入ガスと洗浄用弱酸との間で接触する逆流を与える逆流弱酸循環流を提供する循環ポンプ１３４０を備えた充填カラム１３３０の基部に供給する。ＳＯ２、ＳＯ３、ＮＯ、およびＮＯ２をＨＮＯ３およびＨ２ＳＯ４に変換し、復水および任意の他の水溶性成分と共に液体に吸収させる。カラム１３３０からの正味液体生成物をライン１０４２で除去し、圧力を大気圧まで低下させ、分離器１３６０に流入させる。溶解したＣＯ２をライン１０４３で蒸発させ、ポンプ１３５０を用いて２．８５ＭＰａの圧力まで圧縮し、流れ１０４４として流して、カラム１３３０の上部を出る流れ１０４５に合流させる。これらの合わせた流れは、燃焼器に再利用されるＣＯ２循環流体を形成する。希釈したＨ２ＳＯ４およびＨＮＯ３水溶液は、流れ１０４６として分離器１３６０の基部を出る。その濃度は、接触カラム１３３０における燃料組成および温度によって決まる。なお、硝酸は存在するあらゆる水銀と反応してこの不純物を完全に除去するため、酸流１０４６中に硝酸が存在することが好ましい。
開示内容が参照により本明細書に組み込まれる欧州特許出願第１９５２８７４(Ａ１)号に示されているように、圧縮機１３８０に流入する再利用ＣＯ２循環流体流を、最初に乾燥剤による乾燥器で約−６０℃の露点まで乾燥した後、精製して、低温度分離スキームを用いてＯ２、Ｎ２およびＡｒを除去する。
８．５ＭＰａの圧力で圧縮機１３８０を出る圧縮した再利用ＣＯ２循環流体流１０４７を、冷水熱交換器１３７０内の２７℃の冷却水に接触させて冷却し、高密度の超臨界ＣＯ２流体流１０４８を形成し、これをポンプ１３９０で３０．５ＭＰａの圧力および７４℃の温度までポンプ圧縮して、高圧の再利用ＣＯ２循環流体流１０５０を形成する。ＣＯ２の一部をＣＯ２生成物流１０４９として流れ１０５０から除去して、隔離するか、そうでない場合は、大気に排出することなく廃棄処分する。この実施形態では、ＣＯ２生成物流１０４９を約２０ＭＰａの所要のパイプライン圧力まで圧力を低下させ、ＣＯ２パイプラインの中に輸送する。
高圧の再利用ＣＯ２循環流体流（ここでは、流れ１０５１）の残りの部分は、熱交換器の低温端１３００に流入する。７４℃の高密度の超臨界流体であるこの流れは、相当量の低位熱を受容して、それを２３７℃の温度の非常に低い比熱を有する流体に変換しなければならない。この実施形態では、そのような低位熱は、従来の発電所の低圧蒸気タービンに流入する蒸気流からＯ２流１０５６を供給する深冷酸素装置内の空気圧縮機から生じた断熱圧縮熱と共に回収された、０．６５ＭＰａの圧力のＬＰ蒸気流１０５２によって提供される。低圧蒸気は、流れ１３０１として熱交換器１３００から流出する。場合により、熱のすべてを、最大３．８ＭＰａの圧力で石炭火力発電所からのいくつかの利用可能な蒸気流を用いて提供することができる。このエネルギーも、上述のように、空気分離装置によって生成された熱（Ｑ）から提供することができる。再利用ＣＯ２流の一部を側流加熱することにより、熱交換器の低温端１３００で必要とされる熱の大部分が提供され、かつ熱交換器の高温端１３００におけるわずか約２５℃の小さな温度差熱を可能にし、これにより全体的効率を上昇させる。
高圧高温の再利用ＣＯ２循環流体流１０５３は、５５０℃の温度で熱交換器１３００を流出し、燃焼器２２０に流入し、そこで、上述のように、９７モル％の酸素流１０５６を含む天然ガス流１０５５（この実施形態では）の燃焼により生じた燃焼ガスを冷却して燃焼生成物流１０５４を生成するために使用される。この実施形態では、７４℃の温度でポンプ排気流１０５０から回収されたＣＯ２流１０５８を用いて、タービン高温経路および第１の列のタービン翼を冷却する。上記システムを、純粋なＣＨ４によってシミュレートされる天然ガス燃料を用いる独立型発電所として動作させる場合、再利用ＣＯ２流１０５３は、約７５０℃の温度で燃焼器に流入し、タービン排気１００１は、約７７５℃の温度で熱交換器１３００に流入する。
この実施形態における独立型電力システムの効率は５３．９％（ＬＨＶ）である。この数字は、深冷Ｏ２装置および天然ガス供給およびＣＯ２圧縮機の電力消費を含む。燃料が、２７．９２Ｍｊ／ｋｇの発熱量を有する、シミュレートされる石炭である場合（例えば、第１の燃焼器および濾過装置で除去した灰で部分的に酸化された後、第２の燃焼器で燃料ガスおよびＣＯ２混合物を燃焼させる）、効率は５４％（ＬＨＶ）になる。どちらの場合も、燃料中の炭素から生じた実質的に１００％のＣＯ２が２０ＭＰａのパイプライン圧力で生成される。
上に説明し、かつ石炭燃料を用いて図１２に例示されているシステムおよび方法は、以下に説明する具体的なパラメータを有する発電所に適用されるものとして特徴づけることができる。本発明による微粉炭火力発電所に改造した効果は、以下のように計算する：
蒸気条件
ＨＰ蒸気：１６．６ＭＰａ、５６５℃、流量：４７３．１４ｋｇ／秒
ＬＰ蒸気：４．０２ＭＰａ、５６５℃、流量：３７１．６２ｋｇ／秒
正味電力出力：４９３．７Ｍｗ
既存の発電所のため石炭：１２５６．１ＭＷ
正味効率（ＬＨＶ）：３９．３１％
ＣＯ２回収率：０％
既存の発電所に本システムおよび方法が組み込まれた改造型発電所：
ＣＯ２電力システム正味電力出力：３７１．７ＭＷ
既存の発電所の正味電力：６３９．１ＭＷ
総正味電力：１０１０．８ＭＷ
ＣＯ２電力システムのための石炭：１０５３．６ＭＷ
既存の発電所のため石炭：１２５６．１ＭＷ
全体的正味効率（ＬＨＶ）：４３．７６％
ＣＯ２回収率：４５．６％＊
＊この例では既存の発電所からＣＯ２が全く回収されないことに留意されたい。
実施例３
複数の膨張ステップを用いる、再利用ＣＯ２循環流体を用いたメタン燃焼による発電のためのシステムおよび方法
タービンのそれぞれの入口流を予熱するために酸化剤として純粋な酸素を用いて天然ガスを燃焼させる２つの燃焼器を有する、直列の２つのタービンを備える、本開示の実施形態によるシステムおよび方法を図１３に示す。第２の膨張タービンの存在は、再生熱交換器の熱負荷を事実上同じに保ちながら、全タービンシステムの圧力比を著しく高める。図示の実施形態は、（本明細書に説明されたような）外部で生成された熱を約１５０℃〜４００℃の範囲にある温度レベルで再生熱交換器において再利用高圧ＣＯ２流に投入することによってもたらされる効率の増加からさらに恩恵を受ける。この追加的な熱の熱源は、深冷空気分離装置の主空気圧縮機の断熱圧縮熱である。
この例で説明される実施形態を、以下の利点によって定義することができる。２つのタービンを直列で使用して、１００バール〜６００バールの範囲にある高圧で加熱された高圧再利用ＣＯ２流を２０よりも大きい圧力比で膨張させる。好適には、第２のタービンの排気圧力は、１．５バール未満であり、場合により約１．１バールである。他の実施形態では、３つ以上のタービンを使用することによりそのような圧力降下を達成してもよい。２つのタービンは、炭化水素または炭素質燃料を純粋な酸素中で燃焼することにより予熱される入口流を有する。他の実施形態では、各膨張ステップの前に燃焼が必要でないこともある。第２のタービンは、その入口流を、予熱する第２の燃焼器からの燃焼生成物と共に、第１のタービンの排気流の少なくとも一部から得ている。第２のタービン最大の出口温度は、再生熱交換器を構築するために使用される材料の最大許容温度によって再生熱交換器の高温端および第１のタービンの燃焼器に入る高圧力再利用ＣＯ２流の圧力で固定される。第１のタービンからの全流量を第２の燃焼器の入口流として使用する場合、第１および第２のタービンの電力出力を最大にするために、第１のタービンの入口温度を、その構築に使用される材料の特性に基づいて可能な限り高くすることができる。第１のタービンからの全流量を第２の燃焼器の入口流として使用する場合、第１の燃焼器への所与の入口圧力および再利用高圧力ＣＯ２温度かつ所与の出口圧力および規定された第２のタービンの出口温度で、第１に加え第２のタービンから利用可能な電力出力を最大にする必要性により、第１のタービンの圧力比が固定される。第１のタービンの入口圧力および第２のタービンの出口圧力が規定されると、第１のタービンの入口温度および圧力のそれぞれが第１のタービンの異なる最適圧力比をもたらす。第２のタービンからの出口流の少なくとも一部を使用して、第１の燃焼器に入る高圧再利用ＣＯ２流の予熱に使用される再生熱交換器における熱負荷の少なくとも一部を供給する。一般に、第１の燃焼器への高圧再利用ＣＯ２および酸素の流れを加熱するために、再生熱交換器を通すのに必要な量を超える過剰な第２のタービン出口流が存在する。第２の燃焼器のための酸素に加え、第１および第２の燃焼器のための天然ガスの予熱の少なくとも一部のためにこれを使用する。
本開示による発電システムの例示的な実施形態を図１３に示す。図１３における参照番号は、図１３に示されている要素のみと関係する。図１〜図１２のうちの１つ以上における類似の参照番号の存在は、同様の要素を参照することを意図していない。
図１３のシステムは、高温ＣＯ２富化流体流６７および５７を受け入れ、かつ電力出力６８を生成する発電機５を駆動する共通の軸上にこの場合設置されている、直列な２つのタービン３および４を備える。タービン３入口流６７は、２９５バールの圧力および１１５４℃の温度である。入口流６７は、３０３．４バールおよび７３５℃の再利用ＣＯ２流５６と共に、２５．６モル％のＯ２および７４．４％のＣＯ２を含む酸化剤流５２を３０４．２バールおよび７３５℃で用いて、天然ガス流４４（この場合純粋なメタンの特性でシミュレートしている）を２０４℃および３０４．４バールで燃焼することにより、燃焼器１で加熱されてきている。全再利用ＣＯ２にＣＯ２＋Ｏ２酸化剤中のＣＯ２希釈液を加えたものは、ＣＨ４燃料の完全な酸化によって生成されるＣＯ２よりも２９．２倍多い。タービン１を出る、３０バールおよび７４６℃の排気流３７は、２つの部分に分割される。流れ３６は、３０バールおよび３１６℃の酸素流３５と混合し、３０バールおよび２０４℃のメタン流４０を燃焼させる、合わせられた酸化剤流３９を提供する。燃焼生成物を第２の部分の流れ３８で冷却され、タービン４に入口流５７を２９．１バールおよび１２６９℃で供給する。１．１バールおよび７３８℃のタービン出口流５８を再生熱交換器１４および１３で冷却し、流れ６０として出す。この流れは、流れ５８、供給流の予熱に使用される流れ７１と合わせ、１．０４バールの圧力および７９℃である。これを直接接触式冷水装置９で１７．２℃まで冷却し、流れ６３として出す。水およびＣＯ２の間の直接接触に使用される充填部の基部を出る液体の水は、９の基部に集まり、ポンプ７５により冷水装置１０を通して塔９の頂部までポンプ圧送される。電力サイクルによって生成される正味の生成水は、流れ６２として除去される。出口流６３を、入口流６４および出口流６５が３０バールの圧力である中間冷却器８で分離される２つのユニット、すなわち、中間冷却される６および中間冷却器のない７として示されている、多段軸流／遠心力圧縮機システムで圧縮する。これらの２つの別個のＣＯ２再利用圧縮機要素は、ガスタービンと発電機との共通の駆動軸上に直接設置されている。これは、タービンにかかる制動荷重を提供して、システムトリップアウト後の圧力でシステムが停止する際、過速度を阻止する。５７．５バールおよび９３．３℃の圧縮機７出口流１２を用いて、３０５バールの熱交換器７６のポンプ１１からの出口を５４．４℃から７３．９℃に加熱する。５７．５バールの出口ＣＯ２流を６０℃まで冷却し、熱交換器１２においてさらに冷却および凝縮し、ポンプ１１への液体ＣＯ２供給流を形成する。再生熱交換器１３へのＣＯ２入口を加熱することにより、流れ６０がその露点よりも確実に高くなる。なお、これらの温度および対応するＣＯ２圧力である５７．５バールは、システムのＩＳＯの条件に関係する。より高い周囲温度では、圧縮機７の排気圧力が約５７．５バールから最大１００バールの範囲で固定されるが、すべてのこれらの場合において、ＣＯ２は高密度であり、多段遠心力ポンプ１１に適する。ポンプ１１排気流４７は、２つの流れに分かれる。流れ４６は、３０５バールおよび１５．５℃の酸素流２７と混合し、プレヒーター１５および７３で２５２℃の温度まで加熱される酸化剤流４５を形成し、再生熱交換器１４で加熱されて、高圧酸化剤流５２を形成する。流れ４８は、同様に２つの流れに分かれる。多い方の高圧再利用ＣＯ２流５３を１３および１４で加熱し、加熱された再利用流５２を形成する。少ない方の流れ４９は、低温再生熱交換器１３を迂回し、熱交換器１５において空気流２４に接触させて１８５℃の流れ５０に加熱される。空気流２４は、入口空気流２３を圧縮機１６で５．７バールおよび２２６℃まで断熱圧縮されてきたものである。流れ５０は、加熱されたＣＯ２流５４に合流し、合わせられた流れ５５は、１４でさらに加熱され、加熱された再利用ＣＯ２流５６を形成する。７９．４℃で１５を出る冷却された空気流２５を直接接触式冷水装置１７で冷却し、すべての水およびＣＯ２を除去する熱スイング吸着器１８に通す。ほとんどの空気流２９は、深冷空気分離装置２０の保冷槽に入る。残りの部分３０は、５段の一体に適合された空気圧縮機１９に入り、ここで、２つの加圧空気流、すなわち６０バールの３１および１００バールの３２を生成し、これらもさらに保冷槽に入り、生成物酸素流、すなわち、３０バールの３４および３０５バールの２７を周囲温度付近まで加熱するために使用される。第２のタービン排気流５８は、２つの部分に分かれる。主要部分７７は、再生熱交換器１３および１４において再利用ＣＯ２流および酸化剤流を予熱するために必要とされる。残りの部分６９は、予熱用熱交換器７３および２２を連続して通過する。ユニット２２は、４０バールおよび１５℃の全メタン供給流４３を予熱するために使用される。全メタン供給流４３は、燃焼器２において燃料として使用される部分４１と、中間冷却圧縮機２１で３０４．５バールまで圧縮され、流れ４２としてプレヒーター２２に輸送される部分７８とに分かれる。１．０４バールで流れ６０から、または３０４．９バールで蒸気４８から、あるいは圧縮機６および７の任意の段間圧力で、酸化メタン流７７に由来する正味ＣＯ２生成物流６６を生成することができる。
代替的な実施形態では、空気分離器からのすべての酸素を、３２バールの圧力で得ることができる。燃焼器１のためのＯ２を、流れ６５から得たＣＯ２と混合し、追加的な圧縮機で３０５バールまで圧縮する。次いで、これを上述のように予熱し、酸化剤流５２として使用する。残りのＯ２流を、流れ３５として予熱し燃焼器２に輸送する。
さ らなる代替的な実施形態では、空気分離器からの燃焼器２のための酸素の一部を３０バールで輸送することができ、１．２バールの燃焼器１のために必要な部分を取得して、流れ６３から得たＣＯ２の一部と混合することができる。次いで、酸化剤混合物を多段圧縮機で３０５バールまで圧縮して、同様に１５、７３および１４において加熱する。
タービン１の入口温度を高めたことの効果を下記の表で見ることができる。この表は、空気分離装置から燃焼器１のためのＯ２を１．２バールの圧力で生成し、流れ６５からの１バールのＣＯ２と混合し、中間冷却式多段圧縮機で３０５バールまで圧縮した場合に基づいている。この表は、純粋なメタンを燃料として用いる、ＩＳＯの条件に基づいており、正味のＣＯ２生成物が１バールの圧力であり、燃料燃焼に由来するすべての水が１７．２℃の液体として生成される。すべてのこれらのケースは、２９５バールのタービン１入口圧力および３０バールの出口圧力、ならびに２９．１バールのタービン２入口圧力および１．１バールの出口圧力に基づいている。
Figure 2020097941
本発明が属する当技術分野の当業者であれば、上記説明および関連する図面に示されている教示の利点を有する本発明の多くの修正および他の実施形態を思いつくであろう。したがって、本発明は、開示されている具体的な実施形態に限定されるものではなく、修正および他の実施形態が、添付の特許請求の範囲の範囲に含まれるものであることを理解されたい。具体的な用語が本明細書に用いられているが、それらは、単に一般的かつ記述的な意味で使用されており、限定のためのものではない。

Claims (27)

  1. 発電方法であって、
    酸化剤および再利用ＣＯ２流の存在下で第１の燃焼器において、炭化水素または炭素質燃料を燃焼させて、少なくとも約１２ＭＰａおよび少なくとも約８００℃の存在下で第１の燃焼器排気流を形成する工程と、
    第１のタービン全体にわたり前記第１の燃焼器排気流を膨張させて、第１のタービン排気流を形成する工程と、
    第２の燃焼器において、前記第１のタービン排気流を加熱させて、第２の燃焼器排気流を形成する工程と、
    第２のタービン全体にわたり前記第２の燃焼器排気流を膨張させて、第２のタービン排気流を前記第２のタービンから出力させることにより、前記第２のタービン排気流と前記第１の燃焼器排気流との圧力比が、少なくとも２０となる、工程と、
    再生熱交換器において、前記第２のタービン排気流を冷却して、冷却したタービン排気流を形成する、工程と、
    前記冷却したタービン排気流からＣＯ２の少なくとも一部を分離して、前記再利用ＣＯ２流を形成する、工程と、
    前記再利用ＣＯ２流を圧縮する工程と、および
    前記再利用ＣＯ２流を前記第１の燃焼器に通す工程と、
    を包含する方法。
  2. 発電システムであって、
    再利用ＣＯ２流の存在下で燃料を燃焼させるように適合され、少なくとも約１２ＭＰａの圧力で第１の燃焼器排気流を提供する、第１の燃焼器と、
    前記第１の燃焼器と作動構成にあり、前記第１の燃焼器排気流を受け入れるように適合される入口および第１のタービン排気流を排出するように適合される出口を備える、第１のタービンと、
    前記第１のタービンと作動構成にあり、前記第１のタービン排気流を受け入れるように適合される入口および第２の燃焼器排気流を排出するように適合される出口を備える、第２の燃焼器と、
    前記第２の燃焼器と作動構成にあり、前記第２の燃焼器排気流を受け入れるように適合される入口および第２のタービン排気流を排出するように適合される出口を備える第２のタービンであって、前記第２のタービンの前記出口に対する前記第１のタービンの前記入口の前記圧力比が少なくとも約２０となるように、前記第１および第２のタービンがそれぞれの流れを膨張させるように適合される、第２のタービンと、
    前記第２のタービンと作動構成にある再生熱交換器であって、前記再生熱交換器が、前記第２のタービン排気流を受け入れ、そこから前記再利用ＣＯ２流に熱を伝達するように適合される、再生熱交換器と、
    前記再生熱交換器と作動構成にあり、前記再利用ＣＯ２流を少なくとも約１２ＭＰａの圧力まで加圧するように適合される、少なくとも１つの圧縮機と、
    を備える、発電システム。
  3. 前記第１の燃焼器が、約１２ＭＰａ〜約６０ＭＰａの圧力存在下で、前記第１の燃焼器排気流を提供するように適合される、
    請求項２に記載の発電システム。
  4. 前記第２のタービンが、前記第２のタービン排気流を約０．１５ＭＰａ未満の圧力で提供するように適合される、
    請求項２に記載の発電システム。
  5. 請求項２に記載の発電システムであって、前記再生熱交換器の上流に配置され、前記第２のタービン排気流の一部を分流するように適合される分流器をさらに備える、
    請求項２に記載の発電システム。
  6. 前記第２のタービン排気流の前記分流された一部を受け入れ、１つ以上のさらなる流れを加熱するように適合される、１つ以上のさらなる熱交換器をさらに備える、
    請求項５に記載の発電システム。
  7. 前記少なくとも１つの圧縮機が、前記再利用ＣＯ２流を少なくとも約５．７５ＭＰａの圧力まで圧縮するように適合される多段圧縮機と、前記圧力を少なくとも約１２ＭＰａまで高めるように適合されるポンプとを備える、
    請求項２に記載の発電システム。
  8. 多段圧縮機が、中間冷却される少なくとも２つの装置を含む第１の圧縮機を備える、
    請求項７に記載の発電システム。
  9. 前記多段圧縮機が、第２の圧縮機を備える、
    請求項８に記載の発電システム。
  10. 前記第１の圧縮機および前記第２の圧縮機の間に中間冷却器をさらに含む、
    請求項９に記載の発電システム。
  11. 前記圧縮再利用ＣＯ２流を前記第２のタービン排気流に接触させて加熱するために前記再生熱交換器を通すように、前記少なくとも１つの圧縮機が前記再生熱交換器と作動構成にある、
    請求項２に記載の発電システム。
  12. 前記加熱された圧縮再利用ＣＯ２流を前記第１の燃焼器に通すように、前記再生熱交換器が前記第１の燃焼器と作動構成にある、
    請求項１１に記載の発電システム。
  13. 前記再生熱交換器と作動構成にあり、前記再利用ＣＯ２流の少なくとも一部に異なる熱源から追加的な熱を提供するように適合される伝熱要素をさらに備える、
    請求項１１に記載のシステム。
  14. 前記追加的な熱の前記熱源が空気分離装置である、
    請求項１３に記載の発電システム。
  15. 液化用熱交換器をさらに備える、請求項２に記載の発電システム。
  16. 前記液化用熱交換器が、前記圧縮再利用ＣＯ２流および高圧液体天然ガス（ＬＮＧ）の流れを熱交換関係に位置付けて、前記圧縮再利用ＣＯ２流を液化し、前記ＬＮＧ流の前記温度を高めるように適合される、
    請求項１５に記載の発電システム。
  17. 前記第１および第２のタービンのうちの一方または両方を、前記システムの１つ以上のさらなる構成要素と機械的動作接続状態にし、前記機械的作動構成が、前記第１および第２のタービンのうちの一方または両方によって提供される軸動力を前記１つ以上のさらなる構成要素へと機械的に伝達するように適合される、
    請求項２に記載の発電システム。
  18. 前記１つ以上のさらなる構成要素が、圧縮機、ポンプ、または空気分離装置である、
    請求項１７に記載の発電システム。
  19. 前記第１および第２のタービンのうちの一方または両方が、１つ以上の半径流タービンを含む、
    請求項２に記載の発電システム。
  20. 発電方法であって、
    酸化剤および再利用ＣＯ２流の存在下で第１の燃焼器において、炭化水素または炭素質燃料を燃焼させて、少なくとも約１２ＭＰａおよび少なくとも約８００℃の存在下で第１の燃焼器排気流を形成する工程と、
    第１のタービン全体にわたり前記第１の燃焼器排気流を膨張させて、第１のタービン排気流を形成する工程と、
    第２の燃焼器において、前記第１のタービン排気流を加熱させて、第２の燃焼器排気流を形成する工程と、
    第２のタービン全体にわたり前記第２の燃焼器排気流を膨張させて、第２のタービン排気流を前記第２のタービンから出力させることにより、前記第２のタービン排気流と前記第１の燃焼器排気流との圧力比が、少なくとも２０となる、工程と、
    再生熱交換器において、前記第２のタービン排気流を冷却して、冷却したタービン排気流を形成する、工程と、
    前記冷却したタービン排気流からＣＯ２の少なくとも一部を分離して、前記再利用ＣＯ２流を形成する、工程と、
    前記再利用ＣＯ２流を圧縮する工程と、および
    前記再利用ＣＯ２流を前記第１の燃焼器に通す工程と、
    を包含する方法。
  21. 発電システムであって、
    再利用ＣＯ２流の存在下で燃料を燃焼させるように適合され、少なくとも約１２ＭＰａの圧力で第１の燃焼器排気流を提供する、第１の燃焼器と、
    前記第１の燃焼器と作動構成にあり、前記第１の燃焼器排気流を受け入れるように適合される入口および第１のタービン排気流を排出するように適合される出口を備える、第１のタービンと、
    前記第１のタービンと作動構成にあり、前記第１のタービン排気流を受け入れるように適合される入口および第２の燃焼器排気流を排出するように適合される出口を備える、第２の燃焼器と、
    前記第２の燃焼器と作動構成にあり、前記第２の燃焼器排気流を受け入れるように適合される入口および第２のタービン排気流を排出するように適合される出口を備える第２のタービンであって、前記第２のタービンの前記出口に対する前記第１のタービンの前記入口の前記圧力比が少なくとも約２０となるように、前記第１および第２のタービンがそれぞれの流れを膨張させるように適合される、第２のタービンと、
    前記第２のタービンと作動構成にある再生熱交換器であって、前記再生熱交換器が、前記第２のタービン排気流を受け入れ、そこから前記再利用ＣＯ２流に熱を伝達するように適合される、再生熱交換器と、
    前記再生熱交換器と作動構成にあり、前記再利用ＣＯ２流を少なくとも約１２ＭＰａの圧力まで加圧するように適合される、少なくとも１つの圧縮機と、
    を備える、発電システム。
  22. 前記第１の燃焼器が、約１２ＭＰａ〜約６０ＭＰａの圧力存在下で、前記第１の燃焼器排気流を提供するように適合される、
    請求項２に記載の発電システム。
  23. 前記第２のタービンが、前記第２のタービン排気流を約０．１５ＭＰａ未満の圧力で提供するように適合される、
    請求項２に記載の発電システム。
  24. 請求項２に記載の発電システムであって、前記再生熱交換器の上流に配置され、前記第２のタービン排気流の一部を分流するように適合される分流器をさらに備える、
    請求項２に記載の発電システム。
  25. 前記第２のタービン排気流の前記分流された一部を受け入れ、１つ以上のさらなる流れを加熱するように適合される、１つ以上のさらなる熱交換器をさらに備える、
    請求項５に記載の発電システム。
  26. 前記少なくとも１つの圧縮機が、前記再利用ＣＯ２流を少なくとも約５．７５ＭＰａの圧力まで圧縮するように適合される多段圧縮機と、前記圧力を少なくとも約１２ＭＰａまで高めるように適合されるポンプとを備える、
    請求項２に記載の発電システム。
  27. 多段圧縮機が、中間冷却される少なくとも２つの装置を含む第１の圧縮機を備える、
    請求項７に記載の発電システム。
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