JP2023113778A - 二酸化炭素作動流体を用いた電力生成のためのシステムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】二酸化炭素作動流体を用いた電力生成のためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】燃焼器３０２と、燃焼器３０２に流体接続しているタービン３０３と、タービン３０３と発電接続している発電機３０４と、タービン３０３と流体接続している熱交換器３００と、熱交換器３００からの流れを受け入れるように配列され、かつＣＯ２を備えるリサイクル流を出力するように配列された少なくとも１つのユニットと、ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分３６６、および任意選択的に前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分３３８の圧力を上昇させるように構成された少なくとも１つのポンプ３２９、３６７と、ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分３３８が熱交換器３００の少なくとも一部をバイパスするように構成されるように配列されたバイパス圧縮機３３６とを備える電力生成システム。【選択図】図３

Description

本開示は、二酸化炭素作動流体を用いた電力生成のためのシステムおよび方法に関する。
電力生成における作動流体として（特に、超臨界形態における）ＣＯ２を用いることは、電力生成のための非常に効率の高い方法であることが示されている。たとえば、参照によって本明細書に組み込まれる開示であるアラム（Ａｌｌａｍ）他に対する米国特許第８，５９６，０７５号を参照すると、これは、実質的に大気への任意の流れの放出がゼロである復熱式酸素燃焼ブレイトンサイクル発電システムにおける直接加熱ＣＯ２作動流体の使用を説明するものである。プロセス効率を高めるために、そのようなシステムおよび方法は、一般に、約４００℃の温度未満の大量の熱入力を用いてきた。この余分な低温熱入力は、復熱式熱交換器における熱伝達中、高圧リサイクルＣＯ２流および低圧タービン排気流に関するより低い絶対温度の比熱比における急速な上昇を補償するために用いられている。
たとえば、３００バールのリサイクルＣＯ２圧および３０バールのタービン排気圧を考慮すると、７００℃の復熱式熱交換器の高温端部におけるＣＯ２に関する比熱比は１．０３２であり、一方、１００℃の低温端部付近の比は１．９４５である。この増加は、タービン排気流が、復熱装置熱交換器の低温端部において、合計リサイクル高圧ＣＯ２流プラス燃料ガス燃焼に必要な酸素の温度を上昇させるために必要な熱の約半分超過を提供するために十分な熱含量をもはや有さないことを意味する。
上述されている欠点は、従来、上述されているように熱を追加するための様々な手段を用いて補償されてきた。しかしながら、追加の熱を提供するための既知の方法は、大量の電力消費を必要とすること、追加の装置の必要性に起因する費用増加、およびプロセス複雑性の増加を含む様々な欠点を有する。たとえば、既知のシステムは、空気分離プラントから電力生成システムへ追加の加熱を提供しているが、そのような追加の加熱源を用いることは、特に急速な電力変化の要望がある時、特殊な制御を必要とし得る。したがって、当技術分野において、改善された効率を有する電力生成のための更なるシステムおよび方法、具体的には、たとえば二酸化炭素などの作動流体を用いる電力サイクルにおいて必要とされ得る追加の加熱を提供する方法を提供するシステムおよび方法の必要性が未だ存在する。
本開示は、二酸化炭素（ＣＯ２）作動流体が用いられる電力生成のためのシステムおよび方法に関する。作動流体として用いられるＣＯ２流は、圧縮され、反応器における燃焼（たとえば、炭化水素燃料または他の燃料物質の燃焼）の熱で加熱され、タービンにおいて電力生成のために膨張させられ、復熱式熱交換器において冷却され、（たとえば、水、過剰な二酸化炭素、または他の物質の除去によって）精製され、その後、復熱式熱交換器における加熱によって圧縮およびリサイクルされるリサイクルＣＯ２流である。いくつかの実施形態において、燃料内に存在する水素および炭素の燃焼の結果生じる液体水および高圧ＣＯ２は、電力サイクルからの別々の生成物として提供され得る。本システムおよび方法は、特に復熱式熱交換器の低温端部において、熱交換システムの構成と混合されたＣＯ２流圧縮システムの構成に関して特に定義され得る。そのような構成は、ガス流の断熱圧縮によって生じる外部供給熱を一切必要とせず、既知の電力サイクルにおいて示される効率を有利に実現および超過することができる。
１つ以上の実施形態において、復熱式熱交換器は、第１の高温端部セクションを有してよい。この高温端部セクションは、累進的に冷える、（冷却されている）タービン出口流および（加熱されている）リサイクルＣＯ２流が概ね等しい、たとえば２つの流れが約２℃乃至約２０℃の範囲内の温度差を有する点まで伸長する機能長さにわたり定義され得る。この点は、復熱式熱交換器の「ピンチポイント」と定義され得る。復熱式熱交換器のこのセクションにおける温度差は、既定の高温端部温度差から始まるが、高圧リサイクルＣＯ２流および冷却タービン出口流の比熱比がより低い温度で増加するとともに、高温端部セクションの機能長さにわたり変化する。
復熱式熱交換器の第２のセクションは、累進的に冷える、温度がタービン排気流の水の露点と概ね等しい点まで伸長する機能長さにわたり、上記定義のピンチポイントから伸長する。この点は、復熱式熱交換器の「露点」として定義され得る。実際、燃焼反応器において用いられる燃料ガスは、酸素と燃焼すると水を形成する水素を大きな比率で含有してよい。その結果、タービン排気は、約４％乃至約７％モル濃度の水蒸気含有量を含有することが予想され得る。復熱式熱交換器のこの第２の温度のセクションにおいて、低圧タービン排気に対する高圧リサイクルＣＯ２流の比熱比は、急速に増加する。好適には、このセクションにおいて、高圧リサイクルＣＯ２流の流量は、正の温度差を維持するために大幅に低減される。好適には、このセクションにおける高圧リサイクルＣＯ２流の流量は、総リサイクル高圧ＣＯ２流量の約４０％乃至約７０％の範囲まで低減される。加熱している高圧リサイクルＣＯ２流と冷却しているタービン排気流との間の最大温度差は、いくつかの実施形態において、約２℃乃至約２０℃の範囲内であってよい。
復熱式熱交換器の第３のセクションは、累進的に冷える、熱交換器の低温端部まで伸長する機能長さにわたる上記定義の露点から伸長する。タービン排気の水蒸気成分（たとえば、燃料ガス内に存在する水素の燃焼によって生じる水）の凝縮を実現するための冷却は、合計リサイクルＣＯ２流（ならびに燃焼に必要な酸素）を、復熱式熱交換器のタービン排気露点の温度に非常に近い温度に（たとえば、約２℃乃至約２０℃の範囲内の温度差に収まるまで）加熱するために必要なエネルギを提供する大量の熱を放出する。実際、タービン排気の蒸気含有量の８０％乃至９５％以上が、復熱式熱交換器の第３のセクションにおいて凝縮し、合計リサイクルＣＯ２流および酸素流が第３のセクションにおいて加熱されることを可能とするために十分な追加の熱を提供する。復熱式熱交換器のセクション３において、大部分がＣＯ２である低圧タービン排気流に対する高圧ＣＯ２流の増加する比熱比値によって、温度差は、最初、タービン排気が冷却し水蒸気のバルク部分が凝縮すると同時にこのセクションにおいて増加し、次に、復熱装置熱交換器の低温端部において、２℃乃至２０℃の範囲内の定義されたピンチ温度差まで減少する。
復熱式熱交換器の最適設計のための要件は、復熱式熱交換器の第２および第３のセクションの設計とともに、ＣＯ２リサイクル圧縮機システム構成に基づいて実行可能な解決策のための要件を更に定義し得る。
リサイクルＣＯ２流プラス燃焼に必要な酸素流の総流量は、いずれも、復熱式熱交換器の第３の最低温セクションにおいて、タービン排気流の露点に近い温度アプローチまで加熱される。いくつかの実施形態において、リサイクルＣＯ２流の約３０％乃至約５０％は、復熱式熱交換器の第２のセクションにおいて加熱される、合計ＣＯ２リサイクル流の残りの約５０％乃至約７０％プラス任意選択的に酸素を残して、この時点で熱交換器から除去される。合計加熱ＣＯ２流の一部を引き抜くことは、セクション２で加熱されている高圧リサイクルＣＯ２プラス酸素の残りの流量が、復熱式熱交換器のこのセクションにおける定義された最小の正の温度差を十分に維持することを確実にする。いくつかの実施形態において、引き抜かれたＣＯ２流は、酸素流の少なくとも一部を含有してよい。
復熱式熱交換器の最適動作をもたらすために、セクション２と３との間で復熱式熱交換器から除去されるリサイクルＣＯ２流および酸素流の画分の温度を上昇させ、これらの流れを、復熱式熱交換器のセクション１のタービン出口点を定めるピンチポイントにおけるリサイクルＣＯ２流プラス酸素流温度に対応する温度で、セクション１と２との間で復熱式熱交換器へ戻すことが特に有利であり得る。この温度上昇を実現するために、リサイクルＣＯ２流プラス酸素流の総流量を、タービン入口圧まで圧縮し、圧縮機出口が、復熱式熱交換器のセクション１へ流入するリサイクルＣＯ２流および酸素流の入口温度に対応するより高い必要な温度であるように、これらの流れを断熱的に圧縮することが有用であり得る。第３および第２のセクションの接合部で復熱式熱交換器から除去される高圧リサイクルＣＯ２流および任意選択的に酸素流の総流量は、タービン排気露点付近および未満の温度であってよい。バイパス圧縮機段の排出圧および入口温度は定められているので、これは、約８０バール乃至約１４０バール、好適には約９５バール乃至約１１５バールであり得るバイパス圧縮機の入口圧を定めてよい。この流れは、断熱外部圧縮機段においてタービン入口圧に圧縮される。バイパス圧縮機は、リサイクルＣＯ２圧縮システムの一部として組み込まれ得る高効率断熱圧縮段である単一段であってよい。この高温ＣＯ２圧縮段の出口温度は、高圧リサイクルＣＯ２流および復熱式熱交換器の第２のセクションにおいて加熱された酸素流の少なくとも一部の温度と概ね同じである。任意選択的に、燃料の燃焼に必要な酸素は、復熱式熱交換器内の個別の通路においてセクション３へ流入する前にバイパスＣＯ２流と混合され得る。圧縮されたバイパスＣＯ２＋Ｏ２流は、高圧リサイクルＣＯ２流とは別の通路において復熱式熱交換器の第１のセクションを通過する。あるいは、バイパス流は、Ｏ２を追加されないリサイクルＣＯ２流の一部であってよく、この場合、バイパス流は、第１の復熱装置段の入口点において一致する温度でリサイクル高圧ＣＯ２流に追加され得る。
ここで開示されるシステムおよび方法は、深冷Ｏ２プラントにおいて断熱圧縮された空気から、またはリサイクルＣＯ２流の断熱圧縮部分からの間接熱伝達を用いて外部供給された熱を有するシステムを含めて、少なくとも、リサイクルされた二酸化炭素作動流体流を用いる従来技術のシステムと同様に高い全体効率を有利に示し得る。本システムおよび方法は、少なくとも、断熱ＣＯ２リサイクルおよび深冷酸素プラント空気圧縮および関連する高圧熱交換器を必要とする熱伝達システムの全ての排除を含む利点を提供する。これは、大幅なコスト節減、より単純で小型のプラント配置、およびより単純な制御システムをもたらし得る。また、本システムおよび方法は、深冷空気分離プラント電力要件が１５％乃至２０％低減されることを可能にし、標準的な空気圧縮機を有する空気分離プラントの資本コストが大幅に低くなる。同様に、ＣＯ２圧縮トレーンは簡略化され得る。本明細書で説明されるようなシステムおよび方法を用いる商業プラントの全体コストは、断熱圧縮機ガス冷却器およびそれらの配管および他のシステムの排除によって大幅に低くすることができ、配置計画は、面積および複雑性が大幅に低減される。全体電力システム効率における好影響、および生成される電力のコストにおける大幅な低減が存在する。
１つ以上の実施形態において、本開示は特に、電力生成の方法に関する。そのような方法は、約２００バール乃至約５００バールの圧力の高圧リサイクルＣＯ２流を燃焼器内へ受け渡し、約７００℃乃至約１，６００℃の温度の混合ガス流を生成するために、酸化剤流内の炭化水素燃料の燃焼によって生じた燃焼生成物と上記高圧ＣＯ２流とを混合することと、膨張された混合ガス流を形成するために、電力生成タービンにおいて混合ガス流を約１バール乃至約５０バールの圧力に膨張させることと、冷却混合ガス流を形成するために、燃焼器に渡されたリサイクルＣＯ２流に熱を伝達することによって、膨張された混合ガス流を復熱装置熱交換器において冷却することと、冷却混合ガス流から水を分離し、リサイクルＣＯ２流を形成することと、圧縮機において、リサイクルＣＯ２流を約６５バール乃至約９０バールの圧力に圧縮することと、約０．５より大きい比重を有するほぼ周囲温度の冷却高密度ＣＯ２流を提供するために、圧縮リサイクルＣＯ２流を冷却することと、バイパスＣＯ２流を引き出し、別の段においてこの流れを約８０バール乃至約１４０バール、好適には約９５バール乃至約１１５バールの圧力に圧縮することと、高圧リサイクルＣＯ２流を形成するために、残りのリサイクルＣＯ２流を約２００バール乃至約５００バールの圧力に更に圧縮することと、高圧リサイクルＣＯ２流およびバイパスＣＯ２流を復熱装置熱交換器内へ受け渡すことと、熱交換器のバイパスセクションの上流で熱交換器からバイパスＣＯ２流を引き出し、断熱バイパスＣＯ２圧縮機においてバイパスＣＯ２流を約２００バール乃至約５００バールの圧力に圧縮し、高圧リサイクルＣＯ２流を形成するために、そのように加熱されたバイパスＣＯ２流を、熱交換器のバイパスセクションより下流で復熱装置熱交換器においてリサイクルＣＯ２流と混合することと、高圧リサイクルＣＯ２流を燃焼器へ再循環させることとを備えてよい。更なる実施形態において、この方法は、任意の数および順序で混合され得る以下の文のいずれか１つ以上に関連して定義され得る。
バイパスＣＯ２の量は、約２℃乃至約２０℃である復熱装置熱交換器のバイパスセクションにおける正の最小温度差をもたらすために十分である。
バイパス圧縮機の入口流およびバイパス圧縮機の出口流の温度は、約２℃乃至約２０℃である復熱装置熱交換器のバイパスセクションにおける正の最小温度差をもたらすように選択される。
バイパス圧縮機の入口温度は、約８０バール乃至約１４０バールである。
方法は、酸化剤流を形成するために、空気分離プラントからの酸素流を高圧リサイクルＣＯ２流の一部と混合することを更に備える。
方法は、酸化剤流を形成するために、空気分離プラントからの酸素流をバイパスＣＯ２流と混合することを更に備える。
方法は、高圧リサイクルＣＯ２流への個別の通路において、酸化剤流に復熱装置熱交換器を通過させることを更に備える。
合計リサイクルＣＯ２流は、リサイクル圧縮機後部冷却器を通過し、ここで、その密度が少なくとも０．５Ｋｇ／リットルに増加すると、ほぼ周囲温度まで冷却される。
冷却合計リサイクルＣＯ２流は、複数の個別の流れに分割される。
リサイクルＣＯ２流からの第１の分割流は、多段ポンプにおいてタービン入口圧に圧縮され、復熱装置熱交換器において加熱される。
リサイクルＣＯ２流の第２の分割流は、約２０％乃至約３０％モル濃度の酸素および約８０％乃至約７０％モル濃度のＣＯ２を有する酸化剤流を形成するために酸素流と混合され、任意選択的にタービン入口圧に圧縮され、その後、加熱のために復熱装置熱交換器を通過する。
第３の分割流は、多段ポンプにおいて約８０バール乃至約１４０バールの圧力に圧縮され、復熱装置熱交換器の第３段において加熱され、復熱装置熱交換器の第２のセクションと第３のセクションとの間の接合部において、乃至タービン放出流に対して約２℃乃至約２０℃の温度アプローチで除去される。第３の分割流は、タービン入口システム圧と等しい吐出圧を有する断熱圧縮機においてタービン入口圧に断熱圧縮され、第３の分割流は、冷却タービン排気流と加熱リサイクルＣＯ２流との間の温度差が約２℃乃至約２０℃である点において、第１のセクションと第２のセクションとの間で、復熱装置熱交換器へ再挿入される。
第３の分割ＣＯ２流は、約１０％から約２０％までのモル酸素濃度を有する酸化剤流を形成し、酸化剤流およびバイパス流を同時に形成するために、酸素流と混合される。
酸素は、単一のバイパス圧縮機を用いて合計酸化剤流を形成するためにリサイクルＣＯ２流と混合され、
少なくとも０．５ｋｇ／リットルの密度で後部冷却器から離れる合計ＣＯ２リサイクル圧縮機放出流は２つの部分に分割され、
第１の部分は、多段ポンプにおいてタービン入口システム圧に圧縮され、復熱装置熱交換器において加熱され、
多段ポンプにおいてバイパス圧縮機入口圧に圧縮された第２の部分は、復熱装置熱交換器の第３のセクションへ流入する前にリサイクルＣＯ２圧縮機によって生じた圧縮熱に接して熱交換器において加熱され、
酸素流は、復熱装置熱交換器のセクション３へ流入する酸化剤流を形成するためにバイパスＣＯ２流と混合され、
復熱装置熱交換器のセクション３へ流入する酸化剤流の温度は、復熱装置熱交換器の低温端部温度差を最小限にするように調整され、
酸化剤流は、１０％と２０％との間のＯ２モル濃度を有し、
酸化剤流は、冷却タービン放出流と加熱流との間の温度差が約２℃乃至約２０℃である、セクション２と３との間で復熱装置熱交換器から離れ、
酸化剤流は、断熱圧縮され、冷却タービン放出流と加熱流との間の温度差が約２℃乃至約２０℃であるセクション２と３との間で復熱装置熱交換器へ再流入する
という条件のうちの１つ以上が当てはまる。
復熱装置熱交換器のセクション２から流出するタービン放出流は、その水の露点である。
１つ以上の実施形態において、燃料に含有される炭素の燃焼により形成される生成物ＣＯ２は、直接冷却器から流出するタービン放出と復熱装置熱交換器へ流入する高圧リサイクルＣＯ２流との間の圧力における圧縮ガス状または超臨界生成物として生成される。
本発明は、限定を伴わず、以下の実施形態を含む。
実施形態１：電力生成の方法であって、燃焼流を形成するために、燃焼器において約１００バール乃至約５００バールの圧力のリサイクルＣＯ２流の存在下で燃料を酸化剤流と燃焼させることと、電力を生成しタービン排気流を形成するために、タービンにおいて燃焼流をより低い圧力に膨張させることと、異なる温度範囲で動作する複数のセクションを有する熱交換器において、タービン排気流を冷却することと、実質的に純粋なＣＯ２流を形成するために、タービン排気を精製することと、実質的に純粋なＣＯ２流を第１の部分および第２の部分に分離することと、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分および第２の部分を増加された圧力までポンプすることと、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分および第２の部分の温度を上昇させるために、それらを熱交換器に個別に通過させることと、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分をリサイクルＣＯ２流として燃焼器へ受け渡すことと、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を燃焼器へ受け渡すこととを備える、方法であり、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションより上流で、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を引き出すこと、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分の圧力および温度を上昇させることにより実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分を形成するために、圧縮機において実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を処理すること、および熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションより下流で、実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分を熱交換器へ流入させることによって、熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションをバイパスする、方法。
実施形態２：実質的に純粋なＣＯ２流は、第１の部分および第２の部分に分離する前に、多段圧縮機を通して処理される、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態３：熱交換器は、各々が連続的に低くなる温度範囲で動作する第１のセクション、第２のセクション、および第３のセクションを少なくとも備える、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態４：実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、熱交換器の第２のセクションをバイパスし、熱交換器の第１のセクションおよび第３のセクションにおいて加熱される、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態５：実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分は、熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションより下流で、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分と混合されることによって、熱交換器へ流入する、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態６：実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分は、実質的に純粋なＣＯ２流の第３の部分を形成するために分割され、実質的に純粋なＣＯ２流の第３の部分は、酸化剤流を形成するために酸素流と混合される、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態７：実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分が酸化剤流として熱交換器から流出するように、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分が熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションをバイパスする前に酸素流と混合される、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態８：実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分が酸素流と混合した後かつ実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分が熱交換器を通過する前、混合された酸素流を含む実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、熱交換器において加熱される、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態９：燃焼流は、約７００℃乃至約１，６００℃の温度であること、タービン排気流は、約１バール乃至約５０バールの圧力であること、上記精製することは、タービン排気流から水を分離することを備えること、上記ポンプすることの前に、実質的に純粋なＣＯ２流は、多段圧縮機において約６５バール乃至約９０バールの圧力に圧縮されること、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分は、約１００バール乃至約５００バールの圧力にポンプされること、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、約８０バール乃至約１４０バールの圧力にポンプされること、圧縮機において実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を処理することは、圧力を約２００バール乃至約５００バールに上昇させることを備えることという条件のうちの１つ以上が満たされる、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態１０：熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションをバイパスする実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分の量は、約２℃乃至約２０℃である、熱交換器の少なくとも１つのセクションにおける正の最小温度差をもたらすために十分である、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態１１：熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションより上流にある実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分および熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションより下流で熱交換器へ流入する実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分は、約２℃乃至約２０℃である、熱交換器の少なくとも１つのセクションにおける正の最小温度差を提供するように構成されたそれぞれの温度を有する、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態１２：実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を処理する圧縮機は、約６５バール乃至約２６０バールの入口圧を有する、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態１３：酸化剤流を形成するために、空気分離プラントからの酸素流を、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分および第２の部分の１つと混合することを更に備える、任意の上記実施形態に記載の方法。
実施形態１４：複数の流れを受け入れるように構成され、出口を有する燃焼器と、燃焼器の出口と流体接続している入口を有し、出口を有するタービンと、電力の生成のために構成され、タービンと発電接続している発電機と、第１のセクション、第２のセクション、および最後のセクションを備える熱交換器であって、各セクションが複数の入口および出口を有し、各セクションが異なる温度範囲での動作のために構成され、第１のセクションが、タービンと流体接続している入口および出口を有する、熱交換器と、熱交換器の最後のセクションからの出口と流体接続しており、実質的に純粋なＣＯ２流の出力のための出口を有する分離器と、実質的に純粋なＣＯ２流を第１の部分および第２の部分に分割するために構成された分割器と、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分を受け入れ、その圧力を上昇させるように構成された第１のポンプであって、その第１のポンプが、熱交換器の最後のセクションの第１の入口と流体接続している出口を有する第１のポンプと、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を受け入れ、その圧力を上昇させるように構成された第２のポンプであって、その第２のポンプが、熱交換器の最後のセクションの第２の入口と流体接続している出口を有する第２のポンプと、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分が熱交換器の第２のセクションをバイパスするように構成されるように、熱交換器の最後のセクションの出口と流体接続する入口であって、その入り口が、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を受け入れるように構成される、入口と、熱交換器の第１のセクションにおける入口と流体接続している出口とを有するバイパス圧縮機とを備える電力生成システム。
外部熱源からの熱の追加を必要とする電力サイクルのフロー図である。 リサイクルＣＯ２流の一部が、圧縮バイパスを有する少なくとも１つの復熱式加熱段をバイパスする、本開示の実施形態に係る電力サイクルのフロー図である。 リサイクルＣＯ２流の一部が、圧縮バイパスを有する少なくとも１つの復熱式加熱段をバイパスする、本開示の追加の実施形態に係る電力サイクルのフロー図である。
ここで、本発明の主要部は、以下、その典型的な実施形態を参照してより詳しく説明される。これらの典型的な実施形態は、本開示が詳細かつ完全であり、当業者に主要部の範囲を十分に伝達するものとなるように説明される。実際、主要部は、多数の異なる形式で具体化されてよく、本明細書に記載される実施形態に限定されるものとして解釈されてはならず、むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法律の要求を満たすように提供される。本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられる際、単数形の「一」、「一つ」、「その」は、文脈がそうでない場合を明示しない限り、複数の指示物を含む。
本開示は、リサイクルＣＯ２流を作動流体として用いる電力生成のためのシステムおよび方法に関する。本開示に係る電力生成プラントに含まれ得る要素（およびそれらの動作方法）の非限定的な例は、米国特許第８，５９６，０７５号、米国特許第８，７７６，５３２号、米国特許第８，８６９，８８９号、米国特許第８，９５９，８８７号、米国特許第８，９８６，００２号、米国特許第９，０６２，６０８号、米国特許第９，０６８，７４３号、米国特許第９，４１０，４８１号、米国特許第９，４１６，７２８号、米国特許公開第２０１０／０３０００６３号、米国特許公開第２０１２／００６７０５４号、米国特許公開第２０１２／０２３７８８１号、および米国特許公開第２０１３／０２１３０４９号において説明され、これらの開示は、参照によって本明細書に組み込まれるものである。
図１には、既知の高効率電力生成サイクルが示される。図に示されるように、３０４バールのＣＯ２流７が、マルチストリーム熱交換器１において７００℃に加熱される。ＣＯ２流７は、燃焼器２へ流入し、ここで、約２５％の酸素および７５％のＣＯ２モル濃度の組成および約３０４バールの圧力を有する酸化剤流８内で燃焼する、電気モータ６によって駆動される圧縮機５において約３０４バールの圧力および約２５１℃の温度に圧縮されたメタン流１２の燃焼によって生じる燃焼生成物と混合する。その結果生じる混合流１０は、約１１５０℃および約３００バールで、発電機４を駆動するタービン３へ流入し、約３０バールおよび約７２０℃に膨張させられ、流れ９として流出する。３０バールの流れは、熱を高圧ＣＯ２リサイクル流７に伝達する熱交換器１内で冷却し、約６５℃の温度で流れ１３として流出する。これは、充填部１４と、水流１９、２０、および２１を充填部の頂部へ向けるポンプ１６および間接水冷熱交換器１７を備える循環水部とを有する直接水冷却器１５において更に冷却される。ＣＨ４燃焼器流内で生成された過剰液体水１８は、充填塔１５の基部から除去される。冷却ＣＯ２流２２は分割され、主要部分２４は、第１段圧縮機５９、第２段圧縮機２５、および中間冷却器６０を含む２段中間冷却ＣＯ２圧縮機へ流入し、ここで、約６７．５バールに圧縮される。タービンは、熱交換器１内の適切な点で加熱リサイクル高圧ＣＯ２流から引き抜かれる冷却およびシールガス高圧ＣＯ２流８９を必要とする。
例示された電力サイクルは、大量の外部生成熱が４００℃未満の温度レベルで高圧ＣＯ２流へ供給されることを必要とする。この熱は、圧縮熱を供給する２つの供給源から得られる。第１は、空気流３９を受け入れ、電気モータ４１によって駆動される深冷空気分離プラント主要供給空気圧縮機４０からの５．７バールおよび２２６℃の断熱圧縮された空気流４２である。第２は、１３５度の温度で熱交換器１から得られ、圧縮機３６において２２６℃の流れ３７を生成するために６８バールに断熱圧縮されたＣＯ２３５の一部である。これら２つの流れは、熱交換器３４を通過し、ここで、３０４バールのＣＯ２流３１を５０℃から２２１℃に加熱する。冷却ＣＯ２流３８およびＣＯ２リサイクル圧縮機放出流６２は混合して合計ＣＯ２流２７を形成し、これは、１９．７℃の生成物流２８を生成するために冷却水熱交換器２６において冷却される。この高密度ＣＯ２超臨界流体の流れは、多段ポンプ２９において３０５バールに圧縮される。５０℃の放出流３０は、復熱式熱交換器１へ流入する主要部分３２と、冷却断熱圧縮流３７および４２に接して、対応する温度で熱交換器１内の主要高圧ＣＯ２流と再合流する流れ３３を生成する、熱交換器３４において２２１℃に加熱される副流３１とに分かれる。５６℃の冷却空気流４３は、深冷空気分離システムへ流入する。これは、直接空気冷却器と、水冷器と、５．６バールおよび１２℃の乾燥無ＣＯ２空気流を送給する切換えデュエルベッド熱再生性吸着ユニットとを有する空気冷却および精製ユニット４４を備える。この空気流４５の一部は、圧縮機４６において７０バールに圧縮され、合計空気流４８および４７は、ポンプ式液体酸素サイクル空気分離深冷システム４９へ流入する。空気分離器による生成物は、窒素排気流６０および３０バールの生成物酸素流５０であり、これは、ＣＯ２流６３の冷却部分と混合し、酸化剤流５１を生成するために直接空気冷却器１５から流出する。これは、電気モータ５３によって駆動されるＣＯ２／Ｏ２圧縮機５２において３０４バールに圧縮され、１５０バール圧の放出流５５は、水冷式熱交換器５４において２０℃に冷却され、ここで、約２５％のＯ２および約７５％のＣＯ２モル濃度の組成を有する高密度超臨界流体流５６を形成する。超臨界流５６は、多段ポンプ５７において３０５バールに昇圧される。その結果生じる酸化剤流５８は、熱交換器１において７００℃に加熱され、流れ８として流出し、燃焼器２へ流入する。燃料ガス供給流１１内に存在する炭素の燃焼によって生じる正味ＣＯ２生成物流６１は、流れ６１として冷却タービン排気流２３から除去される。
上記サイクルにおいて、合計リサイクル高圧ＣＯ２流の大部分３１は、サイクルに関する高効率への鍵である、復熱装置熱交換器１の高温端部および低温端部における低い温度差を実現するために、タービン排気流への追加の熱源を用いて加熱される。この場合、流れ３１は、合計リサイクル高圧ＣＯ２流の３７％である。しかし、本開示のシステムおよび方法は、外部供給熱源の必要性を有利に低減または排除することができる。むしろ、本開示の実施形態によると、復熱装置熱交換器１の一部をバイパスし、復熱装置熱交換器における最適な流量および温度の組み合わせを指定する高圧リサイクルＣＯ２流の断熱圧縮から直接得られた熱入力を用いて、高圧リサイクルＣＯ２流の必要な加熱を提供することが可能である。
図２に関して、本開示に係る電力サイクルの実施形態が示される。示されたサイクルは、約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）の圧力で酸素生成物流１５０を生成する深冷空気分離プラントを用いる。本開示のプロセスは、バイパス高圧リサイクルＣＯ２加熱器（たとえば図１の要素３４）および高温ＣＯ２圧縮段階（たとえば図１の要素３６）、ならびに断熱圧縮段階の要件を排除し得る。また、本開示のプロセスは、復熱装置熱交換器１００の中間セクションをバイパスするリサイクル高圧ＣＯ２流の一部を圧縮および加熱する高温リサイクルＣＯ２圧縮機１３６を含んでよい。
より具体的に図２を参照すると、約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）のＣＯ２流１０７は、第１のセクション１００－１、第２のセクション１００－２、および第３のセクション１００－３を有する（しかしながら、１つ以上の実施形態において、より多いまたは少ない数のセクションが用いられ得ることが理解される）マルチストリーム熱交換器１００において約７００℃（たとえば、約６２５℃乃至約９００℃、約６５０℃乃至約８５０℃、または約６７５℃乃至約８００℃など、６００℃以上、６２５℃以上、または６５０℃以上）に加熱される。ＣＯ２流１０７は、燃焼器１０２へ流入し、ここで、約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）の圧力の酸化剤流１０８内で燃焼する、電気モータ１０６によって駆動される圧縮機１０５において約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）および約２５１℃（たとえば、約２１５℃乃至約３７５℃、約２２５℃乃至約３２５℃、または約２３５℃乃至約３００℃など、２００℃以上、２１５℃以上、または２２５℃以上）に圧縮されたメタン流１１２から生じる燃焼生成物と混合する。酸化剤流１０８は、少なくとも酸素を備え、好適には、ＣＯ２で希釈された酸素を備えてよく、たとえば約１０％の酸素および約９０％のＣＯ２乃至約４０％の酸素および約６０％のＣＯ２のモル組成、好適には、約２５％の酸素および約７５％のＣＯ２モル濃度の組成例を有する。その結果生じる混合流１１０は、約１１５０℃（たとえば約８００℃乃至約１６００℃、約９００℃乃至約１５００℃、または約１０００℃乃至約１４００℃など、最大約１６００℃、最大約１５００℃、または最大約１４００℃）および約３００バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）で、（発電機１０４を駆動する）タービン１０３へ流入し、約３０バール（たとえば、約１バール乃至約６０バール、約１５バール乃至約５０バール、または約２０バール乃至約４０バールなど、６５バール未満、６０バール未満、または５０バール未満）および約７２０℃（たとえば、約４００℃乃至約１０００℃、約５００℃乃至約９００℃、または約６００℃乃至約８００℃など、８５０℃未満、８００℃未満、または７７５℃未満）に膨張させられ、流れ１０９として流出する。更なる実施形態において、タービン１０３の入口温度は、最高で、タービンに関して許可された最高動作温度であってよい。１つ以上の実施形態において、タービン出口圧は、既知のタービンポリトロピック効率を考慮して定義され得る。タービンは、熱交換器１００内の適切な点で加熱リサイクル高圧ＣＯ２流から引き抜かれる冷却高圧ＣＯ２流１８９を用い得る。
流れ１０９は、高圧ＣＯ２リサイクル流１０７へ熱を伝達する熱交換器１００において冷却し、約５６℃（たとえば、約３０℃乃至約８５℃、約３５℃乃至約８０℃、または約４０℃乃至約７０℃など、９０℃未満、８０℃未満、または７０℃未満）の温度で流れ１１３として流出する。流れ１１３は、充填部１１４と、充填部の頂部へ水流１１９、１２０、および１２１を向ける、ポンプ１１６および間接水冷熱交換器１１７とを備える循環水部とを有する直接水冷却器１１５において更に冷却される。ＣＨ４燃焼器において生成された過剰液体水流１１８は、充填塔１１５の基部から除去される。冷却ＣＯ２流１２２は、第１の圧縮機段１５９、第２の圧縮機段１２５、および中間冷却器１６３を含む２段中間冷却ＣＯ２圧縮機へ流入し、ここで、約６５バール（たとえば、約４５バール乃至約９５バール、約５０バール乃至約８０バール、または約５５バール乃至約７０バールなど、４０バール以上、４５バール以上、または５０バール以上）に圧縮される。合計出口流１６２は、水冷式熱交換器１２６において、約２０℃（約１０℃乃至約３０℃、約１２℃乃至約２８℃、または約１５℃乃至約２５℃）に冷却される。したがって、冷却器出口流１２８の密度は、約０．８ｋｇ／リットル（たとえば、約０．５ｋｇ／リットル乃至約１．５ｋｇ／リットルまたは約０．６ｋｇ／リットル乃至約１．２ｋｇ／リットル）に増加する。出口ＣＯ２流１２８は、２つの流れに分かれる。バイパスＣＯ２流１３８ａは、この時点で除去され、多段ポンプ１２７へ流入し、ここでその圧力は、約１１０バール（たとえば、約６０バール乃至約２００バール、約７０バール乃至約１９０バール、または約８０バール乃至約１８０バール）に上昇し、バイパス流１３８ｂとして流出する。残りの流れ１６０は、多段ポンプ１２９へ流入し、ここでその圧力は、約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）に上昇する。放出流１６１は、復熱装置熱交換器１００へ流入して約７００℃（たとえば、約４００℃乃至約１０００℃、約５００℃乃至約９００℃、または約６００℃乃至約８００℃）に加熱される主要高圧ＣＯ２リサイクル流１３０に分かれ、流れ１０７として流出して燃焼器１０２へ流入する。副流１３２は、酸素流１５０と混合され、酸化剤流１５８を形成する。炭化水素燃料流１１１内に存在する炭素による生成物ＣＯ２流は、バイパスポンプ１２７から離れるバイパス流１３８ｂから得られた流れ１７０として圧力下で除去される。
プロセスに必要な酸素は、深冷空気分離プラントにおいて、約９９．５％モル濃度またはそれ以上の純度で生成される。供給空気流１３９は、電気モータ１４１によって駆動される中間冷却多段空気圧縮機１４０へ流入する。一般に５．７バール圧（たとえば、約２バール乃至約１５バール、約３バール乃至約１２バール、または約４バール乃至約１０バールなど、２バール以上、３バール以上、または４バール以上）の放出流１４２は、直接空気冷却器と、冷水器と、５．５バール（たとえば、約２バール乃至約１５バール、約３バール乃至約１２バール、または約４バール乃至約１０バール）および１２℃（たとえば、約１℃乃至約２０℃、約２℃乃至約１８℃、または約５℃乃至約１５℃）の乾燥している実質的に無ＣＯ２の空気流を送給する切換えデュアルベッド熱再生成吸着ユニットと、を含む空気冷却および精製ユニット１４４へ流入する。この空気流１４５の一部は、電気モータまたは他のデバイス１３１によって駆動される圧縮機１４６において、１００バール（たとえば、約３０バール乃至約２００バール、約５０バール乃至約１８０バール、または約７０バール乃至約１５０バール）に圧縮され、合計空気流１４８および１４７は、ポンプ式液体酸素サイクル空気分離深冷システム１４９へ流入する。空気分離器による生成物は、（大気へ放出され得る）窒素排気流１６０、および約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）の生成物酸素流１５０である。この流れは、超臨界ＣＯ２ポンプ１２９から離れる高圧ＣＯ２流の一部１３２と混合し、酸化剤流１５８を形成する。酸化剤流１５８は、好適にはＣＯ２で希釈された酸素を備え、たとえば約１０％の酸素および約９０％のＣＯ２乃至約４０％の酸素および約６０％のＣＯ２のモル組成を有し、好適には、約２５％のＯ２および約７５％のＣＯ２モル濃度の組成例を有する。酸化剤流は、復熱装置熱交換器１００において約７００℃（たとえば、約４００℃乃至約１０００℃、約５００℃乃至約９００℃、または約６００℃乃至約８００℃）に加熱され、流れ１０８として流出し、燃焼器１０２へ流入する。ただし、燃焼器は一般に、タービン１０３内に組み込まれる。
タービン排気流は、この場合、純メタン燃料の水素画分の燃焼によって生じる水蒸気を含有する。この結果、タービン排気流において、約６．０％（たとえば、約２．０％乃至約１０．０％、約３．０％乃至約９．０％、または約４．０％乃至約８．０％）モル濃度のＨ２Ｏ含有量がもたらされる。この流れの露点は、約１１１℃である。
復熱装置熱交換器１００の最適な設計を定義する上での明確化のために、復熱装置熱交換器１００を３つのセクションに分割することが好都合である。第１の最高温セクション１００－１は、タービン排気１０９を７２０℃の入口温度から約２１２℃（たとえば、約１５０℃乃至約３００℃、約１７０℃乃至約２７５℃、または約１９０℃乃至約２５０℃）の温度に冷却し、この点において、約３０３バールの高圧リサイクルＣＯ２流の比熱は、３０バールのタービン排気流に対して、温度差が約６℃（たとえば、約２℃乃至約２０℃、約３℃乃至約１５℃、または約４℃乃至約１２℃）まで低減されるように上昇している。中間セクション１００－２は、この部分で加熱されるリサイクル高圧ＣＯ２流を大幅に低減することによって、正の最小温度差を維持する必要がある。これは、セクション１００－２の周囲で合計リサイクル高圧ＣＯ２流１３５のうち既定の量（たとえば、約３６．５％など、約２０％乃至約５０％、約２５％乃至約４５％、または約３０％乃至約４０％）をバイパスさせ、バイパス流が、流れ１３７が対応する温度で主要高圧リサイクルＣＯ２流と再合流するセクション１００－１の低温側端部における入口流１３７として復熱装置熱交換器へ再流入する前に、バイパス流を約１１０℃の温度から約２０６℃（たとえば、約１５０℃乃至約２５０℃、約１６０℃乃至約２４０℃、または約１８０℃乃至約２２０℃）の温度に加熱することによって実現される。バイパス流１３８ｂは、復熱装置セクション１００－３において約１１０℃（たとえば、約８０℃乃至約１４０℃、約９０℃乃至約１３０℃、または約１００℃乃至約１２０℃）に加熱され、流れ１３５として流出する。これは、断熱圧縮段階１３６において１１０バールから３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）に圧縮され、流れ１３７として流出し、セクション１００－１と１００－２との間で復熱装置熱交換器へ流入し、ここで、主要リサイクル高圧ＣＯ２流と再合流する。バイパスＣＯ２リサイクル圧縮段の使用は、リサイクルＣＯ２流のバイパス部分の圧力を上昇させること、およびその温度を、復熱装置熱交換器セクション１００－２の高温端部から流出するリサイクルＣＯ２と同じ値に上昇させることのデュアル機能を有する。断熱圧縮段１３６は、タービンに直接結合されるか、または電気モータを用いて個別に駆動され得る、リサイクルＣＯ２圧縮機のステージ１５９および１２５を含む多段一体ギヤ式ターボ圧縮機に組み込まれ得る。
高圧リサイクルＣＯ２流の外部供給低温加熱の必要なく電力サイクルの必要な最適性能を実現するためにバイパス圧縮を使用する状況において、他のプロセス変化例が可能である。本プロセス構成の更なる実施形態は、図３に示される。図３に係る実施形態において、深冷空気分離プラントは、バイパス圧縮機ポンプ３６７の放出圧と実質的に同様の圧力の酸素生成物流３５０を生成する。酸素生成物流３５０は、９９％超過、好適には９９．５％（モル濃度）超過の酸素純度を有する。例示されたプロセスは、好適には、深冷空気分離ユニットおよび高温ＣＯ２圧縮機のために用いられる空気圧縮機の冷却断熱圧縮段によって供給される高圧リサイクルＣＯ２への間接熱交換によって供給される外部熱入力の排除を提供する。バイパス高圧リサイクルＣＯ２加熱器もまた排除され得る。全体電力プラント効率を最大にするために必要な高圧リサイクルＣＯ２流への熱入力は、復熱式熱交換器３００のセクション３００－２をバイパスする断熱圧縮機段３３６における酸化剤流の断熱圧縮によって提供され得る。この断熱バイパス圧縮機段３３６は、復熱装置熱交換器３００の中間セクションまたは第２セクション３００－２をバイパスするリサイクル高圧ＣＯ２流の一部を圧縮および加熱する。この流れは、酸素燃焼燃焼器における燃料の燃焼に必要な純酸素流の全部も含む。復熱装置高温端部温度差およびたとえば利用可能な冷却水温度などの周囲冷却手段における変動は、リサイクル圧縮機およびＣＯ２ポンプの必要な入口および出口温度を変化させる。復熱装置熱交換器における最適な動作条件は、タービン入口温度および圧力、タービン出口圧および復熱式熱交換器内で指定された温度差によって定められる。バイパス圧縮機の放出圧は一般に、必要なタービン入口圧力によって定められるので、変数は、タービン放出流の露点によって、ゆえに流れ３１１内で用いられる燃料ガスの組成によって制御され、バイパス圧縮段階における入口温度および温度上昇を定めるバイパス圧縮機入口圧となる。バイパス圧縮機放出圧および温度および入口温度を定めることにより、必要なバイパス圧縮機入口圧が定められる。ガス化プロセスによる石炭系燃料ガスは、タービン排気の露点を高くしバイパス圧縮機の入口圧を上昇させる高濃度の水素を含有する。
バイパス圧縮機入口温度は、タービン排気流の露点、および、冷却タービン排気流と、復熱装置熱交換器のセクション３００－２および３００－３の間の境界面における高圧加熱流の温度との温度差の仕様によって定められ得る。復熱装置熱交換器のセクション３００－２から流出してセクション３００－３へ流入する冷却タービン排気流は、一般にその露点にあり、これが、復熱装置熱交換器のセクション３００－２と３００－３との間の境界面温度を定める。バイパス圧縮機流３３８のためのＣＯ２は、リサイクルＣＯ２圧縮機後置冷却器３２６から流出する高密度超臨界ＣＯ２流から得られる。これにより、高密度のバイパスＣＯ２流が、低い電力要件を有する多段ポンプを用いてバイパス圧縮機に必要な入口圧力に圧縮されることが可能である。可能な最高効率での電力サイクルの動作は、復熱装置熱交換器のセクション３００－３から流出する低温タービン排気流３１３と復熱装置熱交換器のセクション３００－３へ流入するリサイクル高圧ＣＯ２流３３０およびバイパス酸化剤流３７１の温度との低い温度差を必要とする。これは、セクション３００－３へ流入するバイパスＣＯ２流の温度を調整することによって実現され得る。これを遂行するために、混合酸化剤バイパス流３６３と、復熱装置熱交換器流３７１のセクション３００－３への入口との間に、バイパスＣＯ２流のための加熱器３６４を含むことが有利であり得る。この加熱器は、リサイクル圧縮機トレーン（図３の要素３５９、３６０、および３２５）からの圧縮熱を利用し得る。必要な酸素流３５０を加熱バイパスＣＯ２流３７１に混合することは、混合物内の酸素の部分圧が混合前の流れ３５０の圧力よりもはるかに低いため、温度が下がる原因となることに留意すべきである。この冷却は、最適には、酸素流３５０とポンプ３６７から流出する流れ３６１とを混合し、その後、この流れ３６３を用いてポンプ３２９への入口流３６６を予冷却することにより、電力消費を低減するために利用され得る。あるいは、冷却水の一部は更に冷却され、リサイクル圧縮機流３２２の温度を更に低減するために直接水冷却器循環熱交換器において用いられ得る。バイパス圧縮機入口圧で深冷空気分離プラントにより生成された燃料ガス燃焼に必要な全酸素流は、バイパスＣＯ２加熱器の前または後でバイパス圧縮機ＣＯ２流と混合される。その結果、バイパス圧縮機放出流は、復熱装置熱交換器３００のセクション３００－１における別の通路を用いる燃料燃焼のための酸化剤流となる。酸素は一般に、酸化剤流において１０％と２０％との間のモル濃度である。このプロセスに関する詳細なフローシートは、図３に示される。
約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）のＣＯ２流３０７は、マルチストリーム熱交換器３００において、約６９５℃（たとえば、約６２５℃乃至約９００℃、約６５０℃乃至約８５０℃、または約６７５℃乃至約８００℃など、６００℃以上、６２５℃以上、または６５０℃以上）に加熱される。ＣＯ２流３０７は、燃焼器３０２へ流入し、ここで、約１４％の酸素モル濃度の組成および約３０３バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）の圧力を有する酸化剤流３０８内で燃焼する電気モータ３０６によって駆動される圧縮機３０５において約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）および約２５１℃（たとえば約２１５℃乃至約３７５℃、約２２５℃乃至約３２５℃、または約２３５℃乃至約３００℃など、２００℃以上、２１５℃以上、または２２５℃以上）に圧縮されたメタン流３１２から得られた燃焼生成物と混合する。たとえば、酸化剤流３０８は、ＣＯ２で希釈された酸素を備えてよく、たとえば、約１０％の酸素および約９０％のＣＯ２乃至約４０％の酸素および約６０％のＣＯ２のモル組成を有し、好適には、約２５％の酸素および約７５％のＣＯ２モル濃度の組成例を有する。
その結果生じる混合流３１０は、発電機３０４を駆動するタービン３０３へ流入し、混合流は、約１２１２℃（たとえば、約８００℃乃至約１６００℃、約９００℃乃至約１５００℃、または約１０００℃乃至約１４００℃など、最大約１６００℃、最大約１５００℃、または最大約１４００℃）および約３００バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）であり、約２０バール（たとえば、約１バール乃至約６０バール、約１０バール乃至約５０バール、または約１５バール乃至約４０バールなど、６５バール未満、６０バール未満、または５０バール未満）および約７２０℃（たとえば、約４００℃乃至約１０００℃、約５００℃乃至約９００℃、または約６００℃乃至約８００℃など、８５０℃未満、８００℃未満、または７７５℃未満）に膨張させられ、流れ３０９として流出する。更なる実施形態において、タービン３０３に関する入口温度は、最高で、タービンに許容される最高動作温度であってよい。１つ以上の実施形態において、タービン出口圧は、既知のタービンポリトロピック効率を考慮して定められ得る。燃焼器３０２は、タービン３０３のフレームワークに組み込まれてよく、または個別のユニットであってよい。タービンは、熱交換器３００内の適切な点で加熱リサイクル高圧ＣＯ２流から引き抜かれる冷却高圧ＣＯ２流３８９を利用し得る。
２０バールの流れは、熱交換器３００内で冷却し、高圧ＣＯ２リサイクル流３０７および酸化剤流３０８に熱を伝達し、流れ３１３において約７４℃（たとえば、約３０℃乃至約９５℃、約３５℃乃至約９０℃、または約４０℃乃至約８５℃など、１００℃未満、９０℃未満、または８０℃未満）で流出する。これは、充填部３１４と、ポンプ３１６および２５℃で利用可能な冷却水を用いる間接水冷式熱交換器３１７を備える循環水部とを有する直接水冷却器３１５において更に冷却される。水流３１９、３２０、および３２１は、充填部の頂部へ流れる。燃焼器３０２内で生成された過剰液体水である流れ３１８は、充填塔３１５の基部から除去される。
冷却ＣＯ２流３２２は、第１段圧縮機３５９、第２段圧縮機３２５、および中間冷却器３６０を含む２段中間冷却ＣＯ２圧縮機へ流入し、ここで、約６５バール（たとえば、約４５バール乃至約９５バール、約５０バール乃至約８０バール、または約５５バール乃至約７０バールなど、４０バール以上、４５バール以上、または５０バール以上）に圧縮される。最終段３２５から流出するリサイクルＣＯ２流３６５は、熱交換器３６４において、約７１℃の温度から約３１℃（たとえば、約２５℃乃至約５０℃）の温度に冷却されて流れ３６２を提供し、その後、水冷式熱交換器３２６を通過した結果、約１７℃（たとえば約１０℃乃至約３０℃、約１２℃乃至約２８℃、または約１５℃乃至約２５℃）の温度のリサイクルＣＯ２流３２８をもたらす。出口ＣＯ２流３２８は、この時点で、約０．８２ｋｇ／リットル（たとえば、約０．５ｋｇ／リットル乃至約１．５ｋｇ／リットルまたは約０．６ｋｇ／リットル乃至約１．２ｋｇ／リットル）に密度が増加している。流れ３２８はこの時点で、２つの流れに分かれる。主要リサイクルＣＯ２流３６６は、多段ポンプ３２９において、約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）および約５２℃（たとえば、約３５℃乃至約８０℃または約４０℃乃至約６０℃）に昇圧される。バイパス圧縮機ＣＯ２流３３８は、多段ポンプ３６７内で約１１０バール（たとえば、約６０バール乃至約２００バール、約７０バール乃至約１９０バール、または約８０バール乃至約１８０バール）および約２５℃（たとえば、約２０℃乃至約３０℃）に昇圧される。主要リサイクルＣＯ２流３３０は、その後、復熱装置熱交換器３００へ流入し、ここで、約７００℃（たとえば、約４００℃乃至約１０００℃、約５００℃乃至約９００℃、または約６００℃乃至約８００℃）に加熱され、流れ３０７として流出する。
約１１１バール（たとえば、約８０バール乃至約１４０バール、約９０バール乃至約１３０バール、または約１００バール乃至約１２０バール）および約１９℃（たとえば、約１０℃乃至約３０℃、約１２℃乃至約２８℃、または約１５℃乃至約２５℃）の実質的に純粋な酸素流３５０（たとえば、Ｏ２モル純度約９９．５％）は、約１３℃（たとえば、約８℃乃至約２０℃）の温度の酸化剤バイパス流３６３を生成するために、ポンプ３６７から流出するバイパス流３６１と混合される。バイパス圧縮機への入口に必要な圧力におけるバイパス酸化剤ＣＯ２流は、熱交換器３６４において約６６℃（たとえば、約４０℃乃至約９０℃または約５０℃乃至約８０℃）の温度に加熱され、流れ３７１として流出し、復熱式熱交換器のセクション３００－３へ流入する。正味ＣＯ２生成物流３７０は、酸化剤流３５０との混合点より前に、約１１０バール（たとえば、約８０バール乃至約１４０バール、約９０バール乃至約１３０バール、または約１００バール乃至約１２０バール）の流れ３６１から得られる。
空気分離プラントは、電気モータ３４１によって駆動される中間冷却多段空気圧縮機３４０へ流入する供給空気流３３９を有する。一般に約５．７バール圧（たとえば、約２バール乃至約１５バール、約３バール乃至約１２バール、または約４バール乃至約１０バールなど、２バール以上、３バール以上、または４バール以上）の放出流３４２は、直接空気冷却器、水冷機、および約５．５バール（たとえば、約２バール乃至約１５バール、約３バール乃至約１２バール、または約４バール乃至約１０バール）および１２℃（たとえば、約１℃乃至約２０℃、約２℃乃至約１８℃、または約５℃乃至約１５℃）の乾燥している実質的に無ＣＯ２の空気流を送給する切換えデュエルベッド熱再生成吸着ユニットを含む空気冷却および精製ユニット３４４へ流入する。この空気流３４５の一部は、これもまた電動モータ３４１によって駆動される圧縮機３４６において、約８６バール（たとえば、約３０バール乃至約１８０バール、約５０バール乃至約１５０バール、または約６０バール乃至約１２０バール）に圧縮され、合計空気流３４８および３４７は、ポンプ式液体酸素サイクル空気分離深冷システム３４９へ流入する。空気分離器による生成物は、窒素排気流３６９および１１１バールの生成物酸化剤流３５０である。酸化剤流３６３は、たとえば約１７．８％モル濃度のＯ２を含有する。いくつかの実施形態において、酸化剤流３６３は、約１０％の酸素および約９０％のＣＯ２乃至約４０％の酸素および約６０％のＣＯ２のモル組成を備えてよく、好適には、約１５％のＯ２および約８５％のＣＯ２乃至約２５％のＯ２および約７５％のＣＯ２モル濃度の組成例を有する。タービン排気流は、この場合、純メタン燃料の水素画分の燃焼によって生じる水蒸気を含有する。その結果、タービン排気流における６．５％モル濃度（たとえば、約２．０％乃至約１０．０％、約３．０％乃至約９．０％、または約４．０％乃至約８．０％モル濃度）のＨ２Ｏ含有率をもたらす。この流れの露点は、約１０８℃である。
復熱装置熱交換器の最適設計を定義する上での明確性のために、復熱装置熱交換器を３つのセクションに分割することが好都合である。第１の最高温セクション３００－１は、タービン排気を約７２０℃の入口温度から約２１４℃（たとえば、約１５０℃乃至約３００℃、約１７０℃乃至約２７５℃、または約１９０℃乃至約２５０℃）に冷却し、この点において、約３０４バールの高圧リサイクルＣＯ２流の比熱は、３０バールのタービン排気流に対して、温度差が約５℃（たとえば、約２℃乃至約２０℃、約３℃乃至約１５℃、または約４℃乃至約１２℃）まで低減されるように上昇している。中間セクション３００－２は、このセクションにおいて加熱されるリサイクル高圧ＣＯ２流を大幅に低減することによって、正の最小温度差を維持する必要がある。これは、復熱式熱交換器のセクション３００－２の周りで、合計酸素プラス均衡ＣＯ２流を備える流れ３３５をバイパスさせることによって実現される。セクション３００－２は、実施形態例において、必要な正の温度差を提供するために合計高圧リサイクルＣＯ２の６４．９％の流量を有する。更なる実施形態において、セクション３００－２は、合計高圧リサイクルＣＯ２の約５０％乃至約８０％、約５５％乃至約７５％、または約６０％乃至約７０％の流量を有してよい。バイパス酸化剤流は、復熱装置熱交換器セクション３００－３において、約１０３℃（たとえば、約８０℃乃至約１４０℃、約９０℃乃至約１３０℃、または約１００℃乃至約１２０℃）に加熱され、流れ３３５として流出する。これは、断熱圧縮段３３６において、約１０９．５バールから約３０４バール（たとえば、約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなど、１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上）に圧縮され、約３０３バールおよび約２０９℃で流れ３３７として流出し、セクション３００－１と３００－２との間で復熱装置熱交換器へ流入し、ここで、個別加熱流となり、酸化剤流３０８として復熱装置高温端部から流出する。バイパスＣＯ２酸化剤リサイクル圧縮段階の使用は、リサイクル酸化剤ＣＯ２流のバイパス部分の圧力を上昇させることと、その温度を、復熱装置熱交換器セクション３００－２の高温端部から流出するリサイクルＣＯ２と同じ値まで上昇させることというデュエル機能を有する。
上記から分かるように、本開示は、改善された効率で、好適には外部源による加熱を利用する必要性なく、電力生成が実現され得るシステムおよび方法を提供し得る。むしろ、本開示のシステムおよび方法は、バイパス圧縮機の使用により、リサイクルＣＯ２流および／または混合された酸素およびリサイクルＣＯ２流の追加の加熱を可能にするように構成され得る。
１つ以上の実施形態において、上で例示されている処理ステップを取り入れる電力生成の方法は、燃焼流（１１０、３１０）を形成するために、たとえば１００バール以上、２５０バール以上、または３００バール以上など、またはより具体的には、たとえば約１００バール乃至約５００バール、約１５０バール乃至約４５０バール、または約２００バール乃至約４００バールなどの適当に増加された圧力のリサイクルＣＯ２流（１０７、３０７）の存在下で、燃焼器（１０２、３０２）において、燃料源（１１１、３１１）からの燃料（１１２、３１２）を酸化剤流（１０８、３０８）と燃焼させることを備えてよい。燃焼流（１１０、３１０）は、たとえば最高で約１６００℃、最高で約１５００℃、または最高で約１４００℃など、またはより具体的には、たとえば約７００℃乃至約１６００℃、約８００℃乃至約１６００℃、約９００℃乃至約１５００℃、または約１０００℃乃至約１４００℃などの適当な高温であってよい。
燃焼流（１１０、３１０）は、発電機（１０４、３０４）を用いて電力を生成するためにタービン（１０３、３０３）においてより低い圧力に膨張させられ、タービン排気流（１０９、３０９）を形成してよい。実施形態例において、タービン排気流（１０９、３０９）は、たとえば約１バール乃至約６０バール、約１バール乃至約５０バール、約１０バール乃至約５０バール、または約１５バール乃至約４０バールなど、６５バール未満、６０バール未満、または５０バール未満の圧力であってよい。同様に、タービン排気流（１０９、３０９）は、たとえば約４００℃乃至約１０００℃、約５００℃乃至約９００℃、または約６００℃乃至約８００℃など、８５０℃未満、８００℃未満、または７７５℃未満の温度であってよい。
タービン排気流（１０９、３０９）は、異なる温度範囲で動作する複数のセクションを有する復熱式熱交換器（１００、３００）において冷却され得る。図２および図３に示すように、熱交換器（１００、３００）は、第１の熱交換器セクション（１００－１、３００－１）、第２の熱交換器セクション（１００－２、３００－２）、および第３の熱交換器セクションまたは最後の熱交換器セクション（１００－３、３００－３）として説明され得る３つのセクションを有する。「最後の熱交換器セクション」という用語の使用は、３より多い数の熱交換器セクションが用いられ得ることを示す。例示するように、第３の熱交換器セクション（１００－３、３００－３）は、１つ以上の追加の熱交換器セクション（複数も可）が第１の熱交換器セクション（１００－１、３００－１）と第２の熱交換器セクション（１００－２、３００－２）との間および／または第２の熱交換器セクション（１００－２、３００－２）と最後の熱交換器セクション（１００－３、３００－３）との間に含まれる場合、最後の熱交換器セクションとして動作する。複数の熱交換器セクションは、実質的に異なる温度範囲で動作するように適合または構成され、温度範囲は重なり合ってよいことが理解される。このように、タービン排気流（１０９、３０９）は、熱交換器の複数のセクションの通過中に連続的に冷却され得る。同様に、以下で更に説明するように、追加の流れが、熱交換器（１００、３００）のセクションの１つ以上の通過によって連続的に再加熱され得る。
熱交換器の最後のセクション（１００－３、３００－３）から流出する冷却タービン排気流（１１３、３１３）は、実質的に純粋なＣＯ２流（１２２、３２２）を形成するために精製され得る。精製は、具体的には、たとえば既に上述されているような直接水冷却器（１１５、３１５）および関連部品を用いてタービン排気流から水を除去することを含んでよい。このように、炭化水素燃料（１１２、３１２）の燃焼中に形成された水は、存在し得る他の汚染物質とともに除去されてよく、そのような精製を実現するために必要に応じて追加の精製部品が含まれ得ることが理解される。
実質的に純粋なＣＯ２流（１２２、３２２）は、第１の部分（１６０、３６６）と第２の部分（１３８ａ、３３８）とに分離され得る。上述されているように、そのような個別部分への分離の前に、実質的に純粋なＣＯ２流（１２２、３２２）は、冷却器を用いて中間冷却される多段圧縮機（１５９／１２５、３５９／３２５）を用いて圧縮され得る。たとえば、実質的に純粋なＣＯ２流は、多段圧縮機において、約６５バール乃至約９０バールの圧力に圧縮され得る。
実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分は、第１のポンプ（１２９、３２９）を用いて増加された圧力までポンプされ、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、第２のポンプ（１２７、３６７）を用いて増加された圧力までポンプされる。第１のポンプおよび第２のポンプは、実質的に異なる圧力範囲で動作するように構成されてよく、そのような範囲は重なり合ってよい。たとえば、第１のポンプ（１２９、３２９）は、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分を、（既述されているような）燃焼器への入力に適している圧力までポンプするように構成され得る。第２のポンプ（１２７、３６７）は、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分がバイパス流（１３５／１３７、３３５／３３７）として利用され得るように、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を実質的により低い圧力までポンプするように構成され得る。その結果、第２のポンプ（１２７、３６７）は、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を、約６０バール乃至約２００バール、約７０バール乃至約１９０バール、約８０バール乃至約１８０バール、または約８０バール乃至約１４０バールの圧力までポンプするように構成され得る。
実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分および第２の部分は、それらのそれぞれの温度を上昇させるために熱交換器を再び通過し得る。上述されているように、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分は、燃焼器への入力に適している圧力であってよく、その結果、第１の部分は、リサイクルＣＯ２流として利用され得る。具体的には、熱交換器における加熱後、第１の部分は、リサイクルＣＯ２流（１０７、３０７）であるとみなされ得る。したがって、この方法は、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分をリサイクルＣＯ２流として燃焼器へ受け渡すことを含んでよい。
実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、同様に、最終的には燃焼器内へ戻され得るが、第２の部分は好適には、復熱式熱交換器において再加熱される１つ以上の流れへの追加の加熱を提供するためにバイパス流として利用される。
したがって、１つ以上の実施形態において、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、熱交換器の複数のセクションのうち少なくとも１つのセクションをバイパスしてよい。これは、たとえば、熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションより上流で実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を引き出すこと、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分の圧力および温度を上昇させることにより、実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分を形成するために、圧縮機において実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を処理すること、および、実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分を、熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションより下流で熱交換器へ流入させることを実行することによって実現され得る。図１および図３における実施形態例を参照すると、バイパスは、第２の熱交換器セクション（１００－２、３００－２）をバイパスすることを備えてよい。より具体的には、これは、最後の熱交換器セクション（１００－３、３００－３）の高温端部における出口から流出するライン１３５、３３５内の第２の部分流を、第２の熱交換器セクションより（第２の部分流の流れ方向に関して）上流となるように引き出すことを備えてよい。ライン１３５、３３５内の実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分の圧力および温度を上昇させるために、断熱圧縮機であってよい圧縮機（１３６、３３６）において処理され得る。その結果これは、バイパス圧縮機（１３６、３３６）から流出する実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分（１３７、３３７）を形成する。バイパス部分（１３７、３３７）は、その後、第２の熱交換器セクション（１００－２、３００－２）より下流で熱交換器へ再び入力される。たとえば、バイパス部分は、第１の熱交換器セクション（１００－１、３００－１）へ直接入力され得る。あるいは、バイパス部分は、第２の熱交換器セクション（またはバイパスされる他の熱交換器セクション）より下流で熱交換器（１００、３００）を通過する再加熱流へ入力され得る。その結果これは、プロセス効率を改善するための再加熱流への追加の加熱を提供する。バイパス圧縮機は好適には、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分（すなわち、バイパス部分）を、たとえば既に上述されているような範囲などの燃焼器への入力に適している圧力に圧縮するように構成される。
図２に示す実施形態例において、実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分１３７は、熱交換器を通る第１の部分の流れに関して第２の熱交換器セクション１００－２より下流で、（流れ１３０として通過する）実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分と混合されることによって、熱交換器１００へ流入する。例示されたような流れ１３０は、実質的に純粋なＣＯ２流の第３の部分が流れ１３２内で分割された後に残る実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分である。実質的に純粋なＣＯ２流の第３の部分は、燃焼器へ受け渡される酸化剤流（１５８および１０８）を形成するために酸素流と混合されてよく、このようにして形成された酸化剤流は、既に上述されているような酸素／ＣＯ２比を有してよい。
図３に示す実施形態例において、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分が熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションをバイパスする前に、酸素流と混合され得る。このように、実質的に純粋なＣＯ２流のバイパス部分は、酸化剤流として熱交換器から流出してよい。図３に示すように、第２の部分３３８は、流れ３６１としてポンプ３６７から流出し、酸素流３５０と混合して流れ３６３を形成し、これは、最後の熱交換器セクション３００－３へ流入する流れ３７１を形成するために加熱され得る。好適には、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分が酸素流と混合された後かつ実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分が熱交換器を通過する前、混合された酸素流を含む実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分は、熱交換器３６４において加熱される。
熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つのセクションをバイパスする実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分の量は、熱交換器のバイパスされるセクションにおける所望の最小温度差をもたらすように構成され得る。たとえば、少なくとも１つのセクションをバイパスする実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分の量は、約２℃乃至約２０℃であるバイパスされるセクションにおける正の最小温度差をもたらすために十分であってよい。
いくつかの実施形態において、バイパス圧縮機（１３６、３３６）へ流入する流れ（１３５、３３５）およびバイパス圧縮機から流出する流れ（１３７、３３７）の温度は、熱交換器のバイパスされるセクションにおける所望の最小温度差をもたらすように構成された既定の範囲内で提供され得る。たとえば、温度は、約２℃乃至約２０℃である熱交換器のバイパスセクションにおける正の最小温度差をもたらすように構成され得る。
バイパス圧縮機の入口圧は同様に、所望の性能を提供するように制御され得る。たとえば、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を処理する圧縮機（すなわち、バイパス圧縮機）は、約６５バール乃至約２６０バールの入口圧を有してよい。
１つ以上の実施形態において、本開示は特に、本明細書で既に説明されているような部品の組み合わせを用いる電力生成システムを提供する。実施形態例において、電力生成システムは、複数の流れを受け入れるように構成され、出口を有する燃焼器と、燃焼器の出口と流体接続している入口を有し、出口を有するタービンと、電力の生成のために構成され、タービンと発電接続している発電機と、各々が入口および出口を有し、各々が異なる温度範囲で動作するために構成された第１のセクション、第２のセクション、および最後のセクションを備え、第１のセクションがタービンと流体接続している入口および出口を有する熱交換器と、熱交換器の最後のセクションからの出口と流体接続しており、実質的に純粋なＣＯ２流の出力のための出口を有する分離器と、実質的に純粋なＣＯ２流を第１の部分および第２の部分に分割するために構成された分割器と、実質的に純粋なＣＯ２流の第１の部分を受け入れ、その圧力を上昇させるように構成され、熱交換器の最後のセクションの第１の入口と流体接続している出口を有する第１のポンプと、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を受け入れ、その圧力を上昇させ、熱交換器の最後のセクションの第２の入口と流体接続している出口を有する第２のポンプと、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分が熱交換器の第２のセクションをバイパスするように構成されるように、実質的に純粋なＣＯ２流の第２の部分を受け入れるように構成された、熱交換器の最後のセクションの出口と流体接続している入口を有し、熱交換器の第１のセクションにおける入口と流体接続している出口を有するバイパス圧縮機とを備えてよい。
当然のこととして、上記は、本開示に係る電力生成システムを形成する上で用いられ得る構成要素の組み合わせを限定するものとして解釈されてはならない。好適には、本開示に係る電力生成システムは最低限、復熱式熱交換器から引き出され、熱交換器の少なくとも１つのセクションをバイパスした後に熱交換器へ再挿入される再加熱流の温度および圧力を上昇させるように適合または構成されたバイパス圧縮機を含む。よって、電力生成システムは好適には、復熱式熱交換器、電力生成タービン（および関連発電機）、および任意の追加の圧縮機、ポンプ、熱交換器、移送ライン、燃焼器（複数も可）、および本明細書で他に説明されたような電力生成方法を実行する上で有用であり得るその他も含む。
プロセス効率を示す本開示の典型的な実施形態を以下に示す。
Figure 2023113778000002
Figure 2023113778000003
ここで開示された主要部の多数の変更例および他の実施形態は、上記説明および関連図面に提示された教示の利益を得る本主要部が関与する当業者の意識に上るだろう。したがって、本開示は、本明細書で説明された特定の実施形態に限定されるものではないこと、および、変更例および他の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図されたものであることを理解された。本明細書において特定の用語が用いられるが、それらは一般的かつ説明的な意味で用いられているにすぎず、限定を目的とするものではない。

Claims (19)

  1. 電力生成システムにおいてリサイクル流内の利用可能な熱を上昇させる方法であって、前記方法は、
    電力を生成しタービン排気流を形成するために、タービンにおいて燃焼流をより高い圧力からより低い圧力に膨張させることと、
    冷却タービン排気流を形成するために、ある範囲の異なる温度にわたって動作する熱交換器において前記タービン排気流を冷却することと、
    第１の部分および第２の部分として利用可能である、ＣＯ２を備えるリサイクル流を提供するために、前記冷却タービン排気流を処理することと、
    前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分、および前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分を、上昇された圧力までポンプすることと、
    その温度を上昇させるために、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分を前記熱交換器に通過させることと、
    前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分の圧力および温度を上昇させ、それにより前記ＣＯ２を備えるリサイクル流のバイパス部分を形成するように、圧縮機において前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分を処理することと、
    前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分を燃焼器へ受け渡すことと、
    前記ＣＯ２を備えるリサイクル流のバイパス部分が前記熱交換器の少なくとも一部をバイパスするように、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流のバイパス部分を前記燃焼器へ受け渡すことと、
    を備える、方法。
  2. 前記冷却タービン排気流から得られるＣＯ２を備えるリサイクル流は、多段圧縮機を通して処理される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ある範囲の異なる温度にわたって動作する熱交換器は、複数のセクションを備える、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ある範囲の異なる温度にわたって動作する熱交換器は、第１のセクション、第２のセクション、および第３のセクションを備える、請求項３に記載の方法。
  5. 前記ＣＯ２を備えるリサイクル流のバイパス部分は、前記熱交換器の第２のセクションをパイパスし、かつ、前記熱交換器の第１のセクションおよび第３のセクションにおいて加熱される、請求項４に記載の方法。
  6. 前記ＣＯ２を備えるリサイクル流のバイパス部分は、前記熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つをパイパスし、かつ、前記熱交換器の複数のセクションのうちの少なくとも１つにおいて加熱される、請求項３に記載の方法。
  7. 前記熱交換器の複数のセクションは、複数の個別の熱交換器である、請求項３に記載の方法。
  8. 前記ＣＯ２を備えるリサイクル流のバイパス部分は、第１の温度範囲で動作する前記熱交換器の部分をバイパスし、かつ、第２の温度範囲で動作する前記熱交換器の部分を通過し、前記第２の温度範囲は前記第１の温度範囲とは異なる、請求項１に記載の方法。
  9. 前記ＣＯ２を備えるリサイクル流のバイパス部分は、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分が前記熱交換器の少なくとも一部を通過した後に、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分と混合されることによって、前記熱交換器の少なくとも一部をバイパスする、請求項１に記載の方法。
  10. 前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分は、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第３の部分を形成するために分割され、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第３の部分は、酸化剤流を形成するために酸素流と混合される、請求項１に記載の方法。
  11. 前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分は、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分が酸化剤流として提供されるように、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分が前記熱交換器の少なくとも一部をバイパスする前に酸素流と混合される、請求項１に記載の方法。
  12. 前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分が酸素流と混合した後であるが、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分が前記燃焼器へ受け渡される前に、混合された酸素流を含むＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分は、熱交換器において加熱される、請求項１に記載の方法。
  13. 以下の：
    前記燃焼流は、７００℃乃至１，６００℃の温度であること、
    前記タービン排気流は、１バール乃至５０バールの圧力にあること、
    前記冷却タービン排気流を処理することは、前記冷却タービン排気流から水を分離することを備えること、
    前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分は、１００バール乃至５００バールの圧力にポンプされること、
    前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分は、８０バール乃至１４０バールの圧力にポンプされること、
    前記圧縮機において前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分を処理することは、前記圧力を２００バール乃至５００バールに上昇させることを備えること
    という条件のうちの１つ以上が満たされる、請求項１に記載の方法。
  14. 酸化剤流を形成するために、空気分離プラントからの酸素流を、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分、および前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分のうちの１つと混合することを更に備える、請求項１に記載の方法。
  15. 前記熱交換器の少なくとも一部をバイパスする、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分の量は、２℃乃至２０℃という、前記熱交換器内の正の最小温度差をもたらすために十分である、請求項１に記載の方法。
  16. 前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分を処理する圧縮機は、６５バール乃至２６０バールの入口圧を有する、請求項１に記載の方法。
  17. 電力生成システムであって、
    複数の流れを受け入れるように構成され、かつ出口を有する燃焼器と、
    前記燃焼器の出口と流体接続している入口を有し、かつ出口を有するタービンと、
    電力の生成のために構成され、かつ前記タービンと発電接続している発電機と、
    複数の入口および出口を備える熱交換器であって、前記熱交換器は、ある範囲の異なる温度にわたる動作のために構成され、前記熱交換器は、前記タービンと流体接続している入口および出口を有する、熱交換器と、
    前記熱交換器からの流れを受け入れるように配列され、かつＣＯ２を備えるリサイクル流を出力するように配列された少なくとも１つのユニットと、
    少なくとも、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分、および任意選択的に前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分を受け入れ、少なくとも、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第１の部分、および任意選択的に前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分の圧力を上昇させるように構成された少なくとも１つのポンプであって、前記少なくとも１つのポンプは、前記熱交換器の入口と流体接続している出口を有する、ポンプと、
    前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分を受け入れるように配列された入口を有し、かつ、前記ＣＯ２を備えるリサイクル流の第２の部分が前記熱交換器の少なくとも一部をバイパスするように構成されるように配列された出口を有するバイパス圧縮機と、
    を備える、電力生成システム。
  18. 前記熱交換器は複数のセクションを備える、請求項１７に記載の電力生成システム。
  19. 前記複数のセクションは、複数の個別の熱交換器である、請求項１８に記載の電力生成システム。
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