JP5872486B2 - 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電のためのシステムおよび方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料の高効率燃焼によって生成されたエネルギーを伝達させるために循環流体を用いた、電気などの電力を生成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。
非炭素電力源が開発および配備されているが、化石燃料により今後１００年間の世界の所要電力の大半が賄われ続けるものと推定される。しかし、化石燃料および／または好適なバイオマスの燃焼による公知の発電方法は、上昇するエネルギーコストおよび増加する二酸化炭素（ＣＯ２）の生成および他の排出によって悩まされている。地球温暖化は益々、先進国および発展途上国によって増加した炭素排出量の潜在的な破滅的結果としてみなされている。太陽光や風力が、近いうちに化石燃料の燃焼に代わるものになり得るとは思われず、原子力には拡散や核廃棄物処理に伴う危険性がある。
現在、化石燃料または好適なバイオマスからの従来の発電手段は、隔離場所に輸送するために高圧でＣＯ２を回収するという要求によって益々重荷を背負っている。しかし、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分かっている。さらに、ＣＯ２の回収を達成するための資本コストは高く、そのため、大気にＣＯ２を放出するシステムと比較して電気代が著しく高くなってしまう。従って、ＣＯ２排出量を減少させ、かつ／または生成されたＣＯ２の隔離の容易性を向上させ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該技術分野においてさらに高まっている。
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、トランスピレーション冷却式燃焼器）を用いた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、燃焼のための燃料および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。上記流体流は、タービンなどの発電装置に導入することができる。有利なことに、タービン全体における圧力比（すなわち、タービン出口での圧力に対するタービン入口での圧力の比）が約１２未満になるように、タービンでの膨張中に上記流体流を比較的高圧に維持することができる。次いで、上記流体流の成分の分離のために、上記流体流をさらに処理することができ、この処理は上記流体流を熱交換器に通す工程を含むことができる。特に、循環流体（その少なくとも一部を上記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、熱交換器が（例えば、低位熱源の選択によって）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に僅かな温度差のみを有するように熱交換器を動作させることが有利であり得る。
特定の態様では、本発明は、低資本コストで高効率に発電し、かつ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。上記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、ガス（例えば、天然ガスまたは石炭由来ガス）、液体（例えば、炭化水素、瀝青）および固体（例えば、石炭、亜炭、石油コークス）燃料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、なおさらなる燃料を使用することができる。
他の様態では、本発明の方法およびシステムは、ＣＯ２の回収を行わない現在の石炭火力発電所の最大効率を超えることができるという点で特に有用である。そのような現在の発電所では、瀝青炭を用い、１．７インチの水銀凝縮器の圧力で、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。
なお別の態様では、本発明は、同様の燃料を用いる現在の技術と比較して、発電システムの物理的大きさおよび資本コストを低下させることができる。従って、本発明の方法およびシステムは、発電システムに伴う建設費を著しく低下させることができる。
なおさらに、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の実質的に１００％を回収することができる。特に、上記ＣＯ２をパイプライン圧力で乾燥および精製した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、本発明に係る発電方法は、炭素含有燃料、Ｏ２およびＣＯ２循環流体をトランスピレーション冷却式燃焼器に導入する工程を含むことができる。具体的には、少なくとも約８ＭＰａ（好ましくは、少なくとも約１２ＭＰａ）の圧力および少なくとも約２００℃（好ましくは、少なくとも約４００℃）の温度で上記ＣＯ２を導入することができる。本方法は、燃料を燃焼させてＣＯ２含有燃焼生成物流を提供する工程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、燃焼生成物流を、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タービン全体に膨張させて発電する工程を含むことができる。好ましくは、出口でのタービン排気流に対する入口での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がある。なおさらなる可能な処理パラメータは本明細書に記載されている。
いくつかの実施形態では、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、トランスピレーション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、トランスピレーション冷却式燃焼器内に形成された１つ以上のトランスピレーション流体供給路を通して導かれるトランスピレーション冷却流体の全てまたは一部としてトランスピレーション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循環流体をトランスピレーション流体としてのみ燃焼器内に導くことができる。
当該燃焼は、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。
また、本発明は、Ｏ２流中のＯ２の純度を特徴としてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、周囲空気が有用であり得る。但し、具体的な実施形態では、酸素含有量を精製す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％である流として提供することができる。なおさらなる具体的な濃度は本明細書に記載されている。
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。
いくつかの実施形態では、タービン出口でのタービン排気流に対するタービン入口での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。なおさらなる可能な比は本明細書に提供されている。
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。なおさらなる可能な比は本明細書に提供されている。
本発明は、タービン排気流中のＣＯ２の少なくとも一部を再利用し、かつ燃焼器内に再導入することができるということ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をガス状にすることができる。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循環流体流を提供する少なくとも１つの熱交換器に通す工程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循環流体流を提供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工程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、ＣＯ２循環流体流に対して１つ以上の分離工程を行って、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工程も含むことができる。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。
また、本発明の方法は、ＣＯ２流を加圧する工程を含んでもよい。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、燃焼器に再利用するために上記流を加圧することが有益であり得る。具体的には、本方法は、ＣＯ２循環流体流を１つ以上の圧縮機（例えば、ポンプ）によって、少なくとも約８ＭＰａの圧力までＣＯ２循環流体流を加圧する工程を含むことができる。これは、ＣＯ２循環流体流を一連の少なくとも２つの圧縮機に通してＣＯ２循環流体流を加圧する工程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、なおさらなる圧力範囲が望ましいことがある。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状態で提供することができる。いくつかの実施形態では、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。
加圧する工程に加えて、本発明の方法は、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工程も含むことができる。いくつかの実施形態では、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工程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℃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。なおさらなる可能な温度範囲は本明細書に提供されている。具体的には、そのような加熱する工程は、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１つ以上の熱交換器に通す工程を含むことができる。そのような加熱する工程は、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）の投入も含むことができる。具体的な実施形態では、加熱する工程は、Ｏ２分離装置から取り出した熱の使用を含むことができる。好ましくは、熱交換装置の低温端で（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）、このさらなる熱を導入する。
特定の実施形態では、本発明は、複数のタービンを任意で実装可能にすることができる燃焼生成物流の性質を特徴とすることができる。例えば、いくつかの実施形態では、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）を含む還元性流体とすることができる。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。いくつかの実施形態では、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。達成される実際の組成は、Ｏ２とトランスピレーション燃焼器への供給に使用される燃料との比によって決まってもよい。より具体的には、そのような実施形態で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つ以上の装置を備えることができる。具体的な実施形態では、各装置の入口での動作温度が実質的に同じになるようにタービン装置を動作させることができる。これは、第１のタービン装置（または、３つ以上の装置が使用されている場合には先行するタービン装置）の出口において、ある量のＯ２を流体流に添加する工程を含むことができる。Ｏ２の供給によって、上記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、一連の次のタービンへの流入前に上記流の温度を上昇させる。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、タービン排気流を酸化性流体とすることができる。例えば、タービン排気流は、過剰量のＯ２を含んでいてもよい。
いくつかの実施形態では、本発明は、各種流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工程後に、タービン排気流をガス状にすることができる。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ガス状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、かつ同じ１つ以上の熱交換器に再び通して、燃焼器内への再利用のためにＣＯ２を加熱することができる。具体的な実施形態では、膨張工程から熱交換器（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、燃焼器に再利用するための同じ熱交換器から流出する加熱および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。いくつかの実施形態では、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。従って、循環流体は、再利用流体とすることができる。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離れる冷却したタービン排気は、Ｈ２Ｏ、ＳＯ２、ＳＯ３、ＮＯ、ＮＯ２、ＨｇおよびＨＣｌなどの燃料もしく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上記流から除去することができる。上記流中の他の成分は、Ｎ２、アルゴン（Ａｒ）および過剰なＯ２などの燃料もしくは酸化剤由来の不活性ガス状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、水の凝縮を可能にする最少量の水蒸気を含有するガス状ＣＯ２から液体として水を効率的に分離することができるため、タービン排気を冷却した際にＣＯ２液相が全く形成することができないように、タービン排気を、利用可能な冷却手段の温度でタービン排気中ＣＯ２の凝縮圧力よりも低い圧力にしなければならない。さらなる実施形態では、この時点で、精製したＣＯ２を加圧して、燃焼器に供給される燃料中の炭素由来の酸化された炭素を表す流体中のＣＯ２の少なくとも一部と共に高圧再利用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。高圧のタービン排気流により、最小のさらなる処理または圧縮で、ＣＯ２を燃焼プロセスから加圧されたパイプライン内に直接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が回収されるか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、本発明に係る隔離のためにＣＯ２を移動してもよい。
理想的には臨界圧を超える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に由来することが特に有益である。これは、例えば凝縮すると熱を提供する低圧蒸気供給であってもよい。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全く行わない断熱モードで酸化剤を燃焼器に供給する極低温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、本発明に係る発電方法は、
燃料、Ｏ２およびＣＯ２循環流体を燃焼器に導入する工程であって、上記ＣＯ２を少なくとも約８ＭＰａの圧力および少なくとも約２００℃の温度で導入する工程と、
燃料を燃焼させて、少なくとも約８００℃の温度を有するＣＯ２含有燃焼生成物流を提供する工程と、
燃焼生成物流をタービン全体に膨張させて発電する工程であって、上記タービンは、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し、出口でのタービン排気流に対する入口での燃焼生成物流の圧力比が約１２未満である工程と、
タービン排気流を熱交換装置に通して冷却したタービン排気流を提供することによって、熱をタービン排気流から取り出す工程と、
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して、精製および冷却したタービン排気流を提供する工程と、
精製および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の圧縮機で圧縮して、超臨界ＣＯ２循環流体流を提供する工程と、
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工程と、
超臨界高密度ＣＯ２循環流体を第２の圧縮機に通して、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工程と、
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装置に通す工程と、
燃焼器への再利用のための熱交換装置から流出する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℃未満になるようにさらなる量の熱を超臨界高密度高圧ＣＯ２循環流体に供給する工程と、
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工程と、
を含むことができる。
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）を組み合わせるために特に有用であり得る。従って、いくつかの実施形態では、本発明の方法は、上記膨張させる工程と取り出す工程との間に、タービン排気流を第２の熱交換装置に通す工程を含むことができる。そのような第２の熱交換装置は、タービン排気流からの熱を使用して、汽力発電システム（例えば、石炭火力発電所および原子炉などの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、
タービン排気流をその水露点未満の温度まで冷却する工程、
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工程、
１種以上の二次成分と共に水を凝縮して、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工程、
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工程、
熱交換装置に通す前に超臨界高密度高圧ＣＯ２循環流体流から生成物ＣＯ２流を取り出す工程、
燃料として部分燃焼生成物流を使用する工程、
ＣＯ２循環流体の存在下でＯ２を用いて炭素含有燃料を燃焼させる工程であって、炭素含有燃料、Ｏ２およびＣＯ２循環流体を、炭素含有燃料を部分的にのみ酸化して、可燃成分、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工程、
部分的に酸化された燃焼生成物流の温度が、上記流中の不可燃成分の全てが固体粒子の形態である程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工程、
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工程、
フィルタを使用して、不可燃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工程、
燃料として石炭、亜炭または石油コークスを使用する工程、
ＣＯ２を含むスラリーとして微粒燃料を提供する工程、
のうちの１つ以上を特徴としてもよい。
さらなる実施形態では、本発明を、
炭素含有燃料、Ｏ２およびＣＯ２循環流体をトランスピレーション冷却式燃焼器に導入する工程であって、ＣＯ２を少なくとも約８ＭＰａの圧力および少なくとも約２００℃の温度で導入する工程と、
燃料を燃焼させて、少なくとも約８００℃の温度を有するＣＯ２含有燃焼生成物流を提供する工程と、
燃焼生成物流を、タービン全体に膨張させて発電する工程であって、上記タービンは、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し、出口でのタービン排気流に対する入口での燃焼生成物流の圧力比が約１２未満である工程と、
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工程と、
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工程と、
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をガス状から超臨界流体状態に変える一連の少なくとも２つの圧縮機に通す工程と、
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℃（または場合により、僅か約５０℃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工程と、
を含む発電方法に関するものとして表現してもよい。これは、具体的には、外部熱源（すなわち、１つ以上の熱交換器にタービン排気流を通すことに直接由来しない熱源）からのさらなる熱の導入を含んでもよい。
さらなる実施形態では、本発明を、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、
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トランスピレーション冷却式燃焼器に導入する工程であって、上記ＣＯ２を少なくとも約８ＭＰａの圧力および少なくとも約２００℃の温度で導入する工程、
燃料を燃焼させて、少なくとも約８００℃の温度を有するＣＯ２含有燃焼生成物流を生成する工程、
燃焼生成物流を、タービン全体に膨張させて発電する工程であって、上記タービンは、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し、出口でのタービン排気流に対する入口での燃焼生成物流の圧力比が約１２未満である工程、
タービン排気流を、熱をタービン排気流から取り出しかつ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工程、
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をガス状から超臨界流体状態に変える一連の少なくとも２つの圧縮機に通す工程、
ＣＯ２循環流体流を分離装置に通す工程であって、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を取り出す工程、および
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℃（または場合により、僅か約５０℃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工程、
を含むことができ、
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。
別の態様では、本発明を、発電システムを提供するものとして表現することができる。具体的には、本発明に係る発電システムは、トランスピレーション冷却式燃焼器と、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、トランスピレーション冷却式燃焼器は、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つの燃焼段階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。上記タービンは、出口でのタービン排気流に対する入口での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。１つ以上の熱交換器は、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。１つ以上の圧縮機は、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、本発明に係る発電システムは、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１つ以上の分離装置は、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。
なおさらに、本発電システムは、熱を生成する１つ以上の構成要素を備えたＯ２分離装置を備えることができる。従って、本発電システムは、熱をＯ２分離装置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も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、例えば凝縮すると熱を提供する低圧蒸気供給であってもよい。従って、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備えることができる。
さらなる実施形態では、本発明の発電システムは、
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であって第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、
トランスピレーション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の燃焼器とトランスピレーション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、
流動化媒体で微粒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、
のうちの１つ以上を含んでいてもよい。
他の実施形態では、本発明は、燃料、ＣＯ２循環流体および酸化剤を提供するための１つ以上の噴射器と、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（好ましくは、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つの燃焼段階を有するトランスピレーション冷却式燃焼器と、入口および出口を有し、かつ上記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、上記流体流の出口に対する入口の圧力比が約１２未満になるように上記流体流を所望の圧力に維持するように設計されている発電タービンと、タービン出口を離れる上記流体流を冷却し、かつＣＯ２循環流体を加熱するための熱交換器と、回収または廃棄処分のために、熱交換器から流出する上記流体流をＣＯ２および１種以上のさらなる成分に分離するための１つ以上の装置とを含み得る発電システムを提供することができる。さらなる実施形態では、本発電システムは、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つ以上の装置も含んでいてもよい。
具体的な実施形態では、本発明に係るシステムは、石炭火力発電所または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つの熱交換装置（例えば、一次熱交換装置と二次熱交換装置）を備えることができる。一次熱交換装置は、実質的に別途本明細書に記載されているような装置とすることができ、二次熱交換装置は、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装置とすることができる。従って、本発明に係る発電システムは、タービンと一次熱交換装置との間にそれらに流体連通して配置された二次熱交換装置を含んでもよい。本発電システムは、少なくとも１つの蒸気流を介して二次熱交換装置に流体連通したボイラも備えることができる。なおさらに、本発電システムは、二次熱交換装置から少なくとも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つのさらなる発電タービンを備えることができる。従って、本システムを、一次発電タービンおよび二次発電タービンを備えるものとして表現してもよい。一次発電タービンは、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、一次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つ以上の構成要素が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記載されている。一次発電タービンおよび二次発電タービン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。
本発明の別の態様では、冷却される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離れ、より低温の燃焼器に流入する。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。燃焼された余分な燃料の発熱量は、熱交換器に与えられる余分な熱負荷に等しい。
いくつかの実施形態では、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、以下の工程：
ＣＯ２循環流体をＣＯ２の臨界圧を上回る圧力まで圧縮する工程、
所要の電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、液体またはガス状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工程、
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工程であって、特に約２ＭＰａを超え、かつ流体を周囲温度冷却手段の使用により一貫した温度まで冷却した際にＣＯ２液相が現れる圧力よりも低い圧力（例えば、約７．３〜７．４ＭＰａ）まで膨張させる工程、
タービン排気を、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導入する工程、
熱交換器を離れるＣＯ２含有流を周囲温度冷却手段に接触させて冷却する工程、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ガス状のＣＯ２相とを分離する工程、
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、ガス状ＣＯ２と液体水または弱酸相との密接を有する所望の滞留時間（例えば、最大１０秒）を可能にするように水分離を行う工程、
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、ガス状ＣＯ２相から非凝縮性成分（Ｎ２、ＡｒおよびＯ２など）を分離する工程、
精製したガス状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工程、
周囲温度冷却手段で圧縮したＣＯ２を冷却して、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）を形成する工程、
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工程、
高圧ＣＯ２流を２つの別個の流れ（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）に分離する工程、
熱交換器の高温端に流出するタービン排気流の温度と、同じ熱交換器の高温端を離れる再利用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）を容易にする工程、
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）まで圧縮する工程、
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して、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）を形成する工程、
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して、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工程、
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工程、
極低温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工程であって、上記熱は好適な伝熱流体（ＣＯ２流体それ自体を含む）の循環によって伝達される工程、
当量の余分な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工程であって、１つ以上の外部流体流は、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工程、
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して、再利用ＣＯ２循環流体流の一部を外部から加熱する工程、
熱交換器でＣＯ２含有流（熱交換器の低温端を離れる）を冷却して、外部から提供された流体流を加熱するために熱を提供する工程、
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供給流を提供する工程、
燃焼器を離れ（すなわち燃焼生成物流）、かつタービンに流出する総ガス流中の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工程、
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工程、
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工程、および
燃焼器に流出するＯ２流中のＯ２の量が燃焼器に流出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、従って、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工程、および
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工程であって、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）を離れる排気流中に存在し、かつ第２以降のタービンの入口前に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なＯ２（そのような過剰は約０．１％モル超である）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の一部または全てを燃焼させる工程、
のうちの１つ以上またはそのような工程を行うために有用な装置をさらに特徴としてもよい。
さらなる実施形態では、本発明は、
タービン排気流がその水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されるタービン排気流に接触させて加熱する工程、
タービン排気流を周囲温度冷却媒体に接触させて冷却し、かつ燃料およびＨ２ＳＯ４、ＨＮＯ３、ＨＣｌを含む燃焼由来の不純物ならびにイオン性化合物溶液の形態のＨｇや他の金属などの他の不純物と共に水を凝縮する工程、
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工程、
循環流体を、その密度が６００ｋｇ／ｍ３を超える時点まで冷却する工程、
高密度ＣＯ２循環流体を、本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工程、
燃料流中の炭素の燃焼によって生成されたＣＯ２の実質的に全てを含有する生成物ＣＯ２流を除去する工程であって、上記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工程、
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、熱交換器に導くか、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、冷却されるタービン排気流の水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工程、
トランスピレーション冷却式燃焼器内で、Ｏ２で部分的に酸化された不燃性残渣を有する炭素含有燃料を含む燃料を使用して、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、ＮＨ３および不燃性残渣を含む流を生成する工程であって、上記燃焼器に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工程、
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時点で、冷却されるタービン排気と加熱されるＣＯ２循環流体流との間に温度差を与える工程、
水と不純物との分離前に上記流を冷却する際に液体ＣＯ２が全く生成されないように、熱交換器の低温端を離れるタービン排気流の圧力を提供する工程、
タービン排気流の少なくも一部を使用して、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工程、
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流に提供する工程、
汽力発電所の復水器を離れ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離れる膨張した排気流を使用する工程、
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工程、
完全な燃焼のために、燃料としてのＣＯ２を加えた部分的に酸化された石炭由来ガスを第２の燃焼器に通す工程、
燃料の一部をＣＯ２、Ｈ２ＯおよびＳＯ２を含む酸化生成物に酸化し、かつ燃料の残りをＨ２、ＣＯおよびＨ２Ｓを含む成分まで酸化するようなＯ２と燃料との比で、単一の燃焼器を動作させる工程、
第２のタービンによる膨張前に、還元された成分を燃焼させて中間圧流をより高い温度まで再加熱するために第１のタービンの排気流に注入されるＯ２との所要の総圧力比を超えて２つのタービンを動作させる工程、
のうちの１つ以上を提供してもよい。
なおさらなる実施形態は、様々な図に関して記載され、かつ／または本明細書に提供されている本発明のさらなる記載に開示されているような本発明によって包含されている。
以上、本発明を一般的な用語で説明してきたが、ここで、添付の図面を参照する。但し、図面は、必ずしも縮尺どおりではない。
本開示の特定の実施形態に従って使用し得るトランスピレーション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し得る燃焼装置内のトランスピレーション部材の壁の例示的な断面の概略図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、本開示の特定の実施形態で使用し得る燃焼装置のトランスピレーション部材アセンブリのための高温締まり嵌めプロセスを概略的に示す。 本開示の特定の実施形態に係る有用であり得る燃焼生成物汚染物質除去装置を概略的に示す。 本開示の一実施形態に係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係る分離装置を通る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係る加圧装置内の一連の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連続で使用される本開示の一実施形態に係る熱交換装置を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態に従って還元モードで連続で動作する２つのタービンを利用するタービン装置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係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係る発電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係る、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。
ここで、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。本開示を徹底的かつ完全なものにし、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、これらの実施形態を提供する。実際に、本発明は、多くの異なる形態で具現化してもよく、本明細書に記載されてい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く、むしろ、本開示が適用可能な法的要件を満たすように、これらの実施形態を提供する。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されている単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（前記）」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（トランスピレーション冷却式燃焼器など）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、上記流体流の温度を緩和するように機能することができる。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、水などの各種成分を上記流から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。所望であれば、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。特に本明細書に記載されているように、循環流体は、循環流体としてのＣＯ２の使用によって例示されている。ＣＯ２循環流体の使用は、本発明に係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、本発明に係る発電システムは、主にＣＯ２を含む循環流体を使用することができる。言い換えると、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。この意味では、「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を含むことを意味することができる。燃焼器に投入される直前の循環流体は、好ましくは実質的にＣＯ２のみを含む。この意味では、「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。従って、本明細書では燃焼生成物流として表現することができ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や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記載するように、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、それにより特に本記載の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、本明細書に記載されているような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。好ましくは、本発明に従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の実質的に完全な燃焼をもたらすことができる高効率燃焼器である。高温燃焼は、燃料の実質的に完全な燃焼をもたらし、よって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℃の温度での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℃の温度での燃焼を意味することができる。
特定の実施形態では、トランスピレーション冷却式燃焼器を用いて本発明に係る高温燃焼を行ってもよい。本発明で使用し得るトランスピレーション冷却式燃焼器の一例は、２０１０年２月２６日に出願された米国特許出願第１２／７１４，０７４号に開示されており、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。いくつかの実施形態では、本発明に係る有用なトランスピレーション冷却式燃焼器は、１つ以上の熱交換ゾーン、１種以上の冷却流体および１種以上のトランスピレーション流体を含んでいてもよい。
本発明に係るトランスピレーション冷却式燃焼器の使用は、発電のための燃料燃焼に関する公知の技術よりも特に有利である。例えば、トランスピレーション冷却の使用は、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る。これにより、燃焼器を十分に高温な範囲で動作させて、使用されている燃料の完全または少なくとも実質的に完全な燃焼をもたらすことがさらに可能になる。これらの利点およびさらなる利点は、本明細書にさらに記載されている。
特定の一態様では、本発明に係る有用なトランスピレーション冷却式燃焼器は、トランスピレーション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、トランスピレーション部材は、圧力封じ込め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の方に導くようにさらに構成することができる。トランスピレーション部材は、燃焼生成物とトランスピレーション部材との相互作用を緩衝するために、トランスピレーション物質をそこを通して燃焼室の方に導くように構成することができる。さらに、トランスピレーション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、トランスピレーション物質は、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などのトランスピレーション物質を、そこを通して導きかつそれらを流す多孔性材料の層で覆われていてもよい。
なおさらなる態様では、内側トランスピレーション部材２３３２は、トランスピレーション部材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。場合によっては、内側トランスピレーション部材２３３２の穴あき／多孔性構造は、トランスピレーション流体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トランスピレーション冷却されるように、内側トランスピレーション部材２３３２の実質的に全体が、穴あき／多孔性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、いくつかの態様では、累積的な穿孔／孔の面積は、内側トランスピレーション部材２３３２の表面積に実質的に等しくてもよい。なお他の態様では、内側トランスピレーション部材２３３２から燃焼室２２２の中までのトランスピレーション物質の実質的に一様な分布が達成される（すなわち、トランスピレーション物質２１０の流れまたは存在が欠如している「デッドスポット」が全く存在しない）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平方インチの内側トランスピレーション部材２３３２は、約６２，５００孔／ｉｎ２を得るために、１平方インチ当たり２５０×２５０の桁で穿孔／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。孔配列は、トランスピレーション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応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。
このような多孔性トランスピレーション層と場合によりさらなる装置を通るトランスピレーション物質の流れは、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。さらに本明細書に記載されているようないくつかの実施形態では、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、トランスピレーション部材を、トランスピレーション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てもよい。トランスピレーション物質は、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材料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、多孔性トランスピレーション部材を通して半径方向外側に伝導させ、次いで多孔性層構造の表面からトランスピレーション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トランスピレーション部材の材料を使用することが望ましいことがある。そのような構成によって、多孔性トランスピレーション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、同時にトランスピレーション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てもよい。多孔性トランスピレーション部材に適した材料としては、例えば、多孔性セラミック、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／または焼結金属層または焼結金属粉末が挙げられる。トランスピレーション部材の第２の機能は、トランスピレーション流体の実質的に一様な半径方向内側への流れを保証し、かつ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、燃焼器に沿った長手方向のトランスピレーション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。トランスピレーション部材の第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／または液体粒子がトランスピレーション層の表面に衝突し、かつ封鎖または他の損傷を引き起こさないように緩衝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ってもよい。例えば、残留する不活性不燃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。トランスピレーション部材を取り囲む燃焼器の圧力容器の内壁を断熱して、燃焼器内の高温のトランスピレーション流体流を隔離してもよい。
本発明に従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を燃料として使用してもよい。燃焼室２２２は、トランスピレーション部材２３０によって画定されていてもよく、トランスピレーション部材２３０は、トランスピレーション流体をそこを通して燃焼室２２２内に導くように（すなわち、トランスピレーション冷却を容易にし、かつ／または燃焼生成物とトランスピレーション部材２３０との相互作用を緩衝するように）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、トランスピレーション部材２３０を実質的に円筒状にし得ることを理解するであろう。トランスピレーション部材２３０は、圧力封じ込め部材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）を圧力封じ込め部材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、圧力封じ込め部材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含んでいてもよく、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。
従って、特定の一態様では、多孔性内側トランスピレーション部材２３３２は、トランスピレーション物質２１０が内側トランスピレーション部材２３３２の内面に対して実質的に直角（９０°）に燃焼室２２２に流入するようにトランスピレーション流体を燃焼室２２２内に導くように構成されている。他の利点の中で、内側トランスピレーション部材２３３２に対して実質的に直角にトランスピレーション物質２１０を導入することにより、スラグ液滴もしくは固体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トランスピレーション部材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促進してもよい。スラグ液滴もしくは固体滴間の接触をなくして、前記滴が合体して大きな滴または塊になる（これは、滴または粒子と固体の壁が接触するとすぐに生じることが先行技術で知られている）のを防止してもよい。内側トランスピレーション部材２３３２に対して実質的に直角にトランスピレーション物質２１０を導入して、内側トランスピレーション部材に衝突して損傷させ得る内側トランスピレーション部材に垂直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促進してもよい。そのような場合、トランスピレーション物質／流体２１０を内側トランスピレーション部材２３３２までそこを通して燃焼室２２２の中まで輸送することに関して「多面的」効果を得るように（すなわち、実質的に一様に分配された供給を得るように）、外側トランスピレーション部材２３３１、圧力封じ込め部材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、トランスピレーション物質２１０の内側トランスピレーション部材２３３２への一様な供給を得るように外側トランスピレーション部材２３３１、圧力封じ込め部材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トランスピレーション物質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内でのトランスピレーション物質２１０の実質的に一様な分配が達成されるように、内側トランスピレーション部材２３３２の外面の周りへのトランスピレーション物質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配によって、そうでない場合に燃焼流体流を含む一様でないトランスピレーション流の相互作用によって形成され得、かつその頂点が内側トランスピレーション部材に衝突して損傷させ得る高温燃焼流体渦の形成を防止してもよい。
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／またはガス状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または高温イオン輸送膜酸素分離プロセス（空気から）などの当該技術分野で知られてい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、実装することができる。循環流体２３６は、本明細書に記載されているような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、当業者であれば、場合によっては、必要または所望どおりに、酸素２４２を燃焼室２２２に別々に導入し得ることを理解するであろう。
いくつかの態様では、混合装置２５０は、例えば、円筒状燃焼室２２２の入口部分２２２Ａに関連したトランスピレーション部材２３０の端壁２２３の周りに配置された離間され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、次いで、放散によって、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てもよい。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、小型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ってもよい。そのような噴射構成は、多くの異なる形態をなしていてもよい。例えば、噴射装置は、例えば、約０．５ｍｍ〜約３ｍｍの直径範囲の一列の穴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、トランスピレーション部材２３０によって画定することができ、トランスピレーション部材２３０は、圧力封じ込め部材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。場合によっては、圧力封じ込め部材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おり、ここで、伝熱ジャケット２３３６は、圧力封じ込め部材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、循環水を使用して圧力封じ込め部材２３３８の選択された温度（例えば、約１００℃〜約２５０℃の範囲）を制御および／または維持してもよい。いくつかの態様では、断熱層２３３９が、トランスピレーション部材２３０と圧力封じ込め部材２３３８との間に配置されていてもよい。
場合によっては、トランスピレーション部材２３０は、例えば、外側トランスピレーション部材２３３１および内側トランスピレーション部材２３３２を含んでいてもよく、内側トランスピレーション部材２３３２は、圧力封じ込め部材２３３８の逆側で外側トランスピレーション部材２３３１に対向して配置されており、燃焼室２２２を画定している。外側トランスピレーション部材２３３１は、例えば、ステンレス鋼や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。場合によっては、外側トランスピレーション部材２３３１は、断熱層２３３９に隣接するその表面から内側トランスピレーション部材２３３２に隣接するその表面までそこを通って延在する第１のトランスピレーション流体供給路２３３３Ａを画定するように構成されていてもよい。第１のトランスピレーション流体供給路２３３３Ａは、場合によっては、圧力封じ込め部材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のトランスピレーション流体供給路２３３３Ｂに対応していてもよい。従って、第１のトランスピレーション流体供給路２３３３Ａおよび第２のトランスピレーション流体供給路２３３３Ｂは、協働して、そこを通してトランスピレーション流体を内側トランスピレーション部材２３３２まで導くように構成されていてもよい。場合によっては、例えば、図１に示すように、トランスピレーション流体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のトランスピレーション流体供給路２３３３Ａおよび第２のトランスピレーション流体供給路２３３３Ｂは、トランスピレーション流体２１０を内側トランスピレーション部材２３３２を通して燃焼室２２２内まで導くような十分な供給および十分な圧力でトランスピレーション流体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トランスピレーション部材２３０および関連のトランスピレーション流体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、内側トランスピレーション部材２３３２は、本明細書に開示されているようなその所要の特性、すなわち内側トランスピレーション部材２３３２を通してトランスピレーション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を呈した、例えば、多孔性セラミック材料、穴あき材料、積層材料、２次元にランダムに方向づけられかつ３次元に順序づけられた繊維からなる多孔性マット、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。そのようなトランスピレーション冷却式システムに適した多孔性セラミックおよび他の材料の非限定的な例としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、転移強化ジルコニウム、銅、モリブデン、タングステン、銅浸潤タングステン、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被覆もしくはコーティング材料が挙げられる。好適な材料源としては、例えば、ＣｏｏｒｓＴｅｋ社（コロラド州ゴールデン）（ジルコニウム）、UltraMet Advanced Materials
Solutions社(カリフォルニア州パコイマ(Pacoima))（耐火性金属被覆）、Orsam Sylvania社（マサチューセッツ州ダンバーズ）（タングステン／銅）およびMarkeTech International社（ワシントン州ポートタウンゼンド）（タングステン）が挙げられる。そのようなトランスピレーション冷却式システムに適した穴あき材料の例としては、上記材料および供給元（例えば、当該製造技術分野で知られている方法を用いて本来非多孔性である構造を穿孔することによって穴あき端部構造が得られる場所）のうちの全てが挙げられる。好適な積層材料の例としては、上記材料および供給元（例えば、当該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性もしくは部分多孔性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場所）のうちの全てが挙げられる。
図３Ａおよび図３Ｂは、燃焼装置２２０の一態様では、燃焼室２２２を画定する構造が、トランスピレーション部材２３０と、圧力封じ込め部材２３３８またはトランスピレーション部材２３０と圧力封じ込め部材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、トランスピレーション部材２３０は、周囲の圧力封じ込め部材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。従って、圧力封じ込め部材２３３８の中に挿入されている場合、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、トランスピレーション部材２３０の圧力封じ込め部材２３３８への挿入を容易にしてもよい。但し、例えば、動作温度に向かって加熱されると、トランスピレーション部材２３０は、半径方向および／または軸方向に拡張して顕著な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）。この際、軸方向および／または半径方向の締まり嵌めが、トランスピレーション部材２３０と圧力封じ込め部材２３３８との間に形成されていてもよい。外側トランスピレーション部材２３３１および内側トランスピレーション部材２３３２を含むトランスピレーション部材２３０を含む例では、そのような締まり嵌めにより、内側トランスピレーション部材２３３２を圧縮下に置いてもよい。従って、多孔性セラミックなどの好適な耐高温性脆性材料を使用して、内側トランスピレーション部材２３３２を形成してもよい。
内側トランスピレーション部材２３３２がこのように構成された状態で、トランスピレーション物質２１０は、トランスピレーション物質２１０が燃焼室２２２内の内側トランスピレーション部材２３３２に即座に隣接した緩衝層２３１（すなわち「蒸気壁」）を形成するように、内側トランスピレーション部材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、内側トランスピレーション部材２３３２と液化不燃性成分と燃焼生成物に伴う熱との相互作用を緩衝するように構成されていてもよい。すなわち、場合によっては、トランスピレーション流体２１０は、例えば、少なくとも燃焼室２２２内の圧力で内側トランスピレーション部材２３３２を通って導くことができ、ここでは、燃焼室２２２内へのトランスピレーション流体２１０（すなわちＣＯ２流）の流量は、トランスピレーション流体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状態に維持するのに十分に高いままである。燃料の不燃性成分の液体状態により、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詰まら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形態、好ましくは自由流動性の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ってもよい。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。
従って、特定の態様では、多孔性内側トランスピレーション部材２３３２は、燃焼室２２２を画定する内側トランスピレーション部材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トランスピレーション流体を導くように構成されている（例えば図２を参照）。内側トランスピレーション部材２３３２の表面も燃焼生成物によって加熱される。従って、内側トランスピレーション部材２３３２を通るトランスピレーション流体２１０が加熱される一方で、多孔性内側トランスピレーション部材２３３２が同時に冷却され、その結果、燃焼室２２２を画定する内側トランスピレーション部材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、多孔性内側トランスピレーション部材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。従って、内側トランスピレーション部材２３３２と協働してトランスピレーション流体２１０によって形成される流体障壁または緩衝層２３１は、内側トランスピレーション部材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衝し、このようにして、内側トランスピレーション部材２３３２が接触、汚損または他に損傷されるのを緩衝する。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の周りでトランスピレーション流体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、トランスピレーション流体２１０を、内側トランスピレーション部材２３３２を介して燃焼室２２２に導入してもよい。
従って、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トランスピレーション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、場合によっては、１種以上の冷却流体および／または１種以上のトランスピレーション流体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。
別の態様では、トランスピレーション冷却式燃焼装置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）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、燃料流ならびに燃焼室２２２を画定する多孔性トランスピレーション部材２３０の壁を通して燃焼体積に流入するトランスピレーション流体２１０を受容するための高圧高温燃焼体積として構成された燃焼室２２２を備えていてもよい。トランスピレーション流体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、かつ／またはトランスピレーション部材２３０を、トランスピレーション部材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。トランスピレーション部材２３０を通して導かれるトランスピレーション流体２１０は、燃焼室２２２を画定するトランスピレーション部材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トランスピレーション部材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を画定するトランスピレーション部材２３０を少なくとも部分的に取り囲んでいる圧力封じ込め部材２３３８を備えていてもよく、ここでは、断熱部材２３３９を圧力封じ込め部材２３３８とトランスピレーション部材２３０との間に配置することができる。場合によっては、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、圧力封じ込め部材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封じ込め部材２３３８の外側）。燃焼装置２２０のトランスピレーション部材２３０に接続した状態で実装されるトランスピレーション流体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。トランスピレーション部材２３０は、例えば、多孔性金属、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。いくつかの態様では、より詳細に本明細書に記載されているように、燃焼室２２２内での燃焼により、高圧高温燃焼生成物流を生成することができ、その後に、上記流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濃縮し、それにより最小体積で比較的高い強度にし、本質的に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、このようにして、本技術の実行可能性因子が得られる。本開示の態様は、このようにして、既存の発電所よりも数桁大きい（すなわち１０〜１００倍の）エネルギー密度を提供してもよい。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性物質が全く含まれないように、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。但し、いくつかの実施形態では、本発明で使用し得る固体の炭素含有燃料（例えば、石炭）により、不燃性物質が生じてもよい。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、液化不燃性成分を除去するための装置を適用してもよい。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除去を達成してもよい。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、および実質的にそこから除去された液化不燃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を含む、複数の連続的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の周りに平行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性成分の少なくとも一部を除去し、かつ液化不燃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、従って、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封じ込め部材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封じ込め部材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、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。いくつかの態様では、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、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の周りで燃焼装置２２０に連続的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（不燃性成分）滴を含む燃焼装置２２０からのトランスピレーション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（但し、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であろう）。この場合、連続的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。従って、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５ｐｐｍ（質量に基づく）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。スラグの除去を達成したら、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。いくつかの実施形態では、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、不燃性成分を比較的低粘性を有する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、場合によっては、燃焼生成物／出口流体流およびそれに関連する液化不燃性成分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と望ましいことがある。そのような材料の例としては、酸化ジルコニウムおよび酸化アルミニウムが挙げられるが、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。従って、特定の態様では、分離装置２３４０は、液化不燃性成分を燃焼生成物／出口流体流から実質的に除去し、かつ不燃性成分を、少なくとも排液溜め２０からのその除去まで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。
いくつかの実施形態では、分離装置２３４０を使用して、石炭などの不燃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。上記スラリーは、約４０重量％〜約６０重量％の石炭を含んでいてもよい。次いで、上記スラリーを、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２３６ｂ）を、トランスピレーション冷却層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、Ｏ２と、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。トランスピレーション冷却層２３０を通って燃焼器に流入する流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。
本発明に係る燃料として、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、有用な燃料としては、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、段階的可燃性固体廃棄物、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挙げられるが、これらに限定されない。これは、先行技術のシステムおよび方法からの重要な逸脱とみなし得る。例えば、石炭などの固体燃料の燃焼のための公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、十分な速度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）に応じて必要でない場合もある。同様に、いくつかの実施形態では、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。
本発明に係る有用な燃焼器に適したトランスピレーション流体としては、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挙げることができる。本実施形態では、ＣＯ２を、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トランスピレーション流体にすることができる。ＣＯ２は超臨界流体として使用することができる。トランスピレーション流体の他の例としては、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挙げられる。特に、燃料を燃焼器の始動時にトランスピレーション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、燃料をトランスピレーション流体として使用して、一次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。いくつかの実施形態では、２種以上のトランスピレーション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、異なるトランスピレーション流体を使用することができる。例えば、第１のトランスピレーション流体を高温熱交換ゾーンで使用することができ、第２のトランスピレーション流体を低温熱交換ゾーンで使用することができる。トランスピレーション流体を、トランスピレーション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、トランスピレーション流体は、予熱した再利用ＣＯ２である。
一態様では、本発明は発電方法を提供する。具体的には、本方法は、好ましくは、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ＣＯ２循環流体を利用する。本発明の方法は、上述のように、トランスピレーション冷却式燃焼器などの高効率燃焼器も利用する。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または３つの材料全て（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。
様々な実施形態では、燃焼器に導入される材料が、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示す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。
いくつかの実施形態では、燃焼器に導入される燃料を特定な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。いくつかの実施形態では、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、本明細書に記載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循環流体は、同じまたは実質的に同様の条件（具体的には、ＣＯ２循環流体に関して記載されている条件を包含し得る）下にあると予測されるであろう。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循環流体に関して記載されているような圧力で導入してもよい。いくつかの実施形態では、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、空気分離器（または酸素分離器）、例えば、極低温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、Ｏ２を加圧して所望の圧力を達成することを含むことができる。そのような行為によってＯ２の加熱を引き起こすことができる。いくつかの実施形態では、Ｏ２が、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。さらに、いくつかの実施形態では、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の希釈作用に起因する純粋なＯ２の単独での加熱に付随す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。
いくつかの実施形態では、燃焼器に供給されるＯ２を実質的に精製する（すなわち、空気中に天然に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を全体的に回収すると、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。但し、トランスピレーション冷却式燃焼器に関して上述したように、ＣＯ２循環流体も、トランスピレーション冷却式燃焼器内に形成された１つ以上のトランスピレーション流体供給路を通してトランスピレーション部材内に導かれるトランスピレーション冷却流体の全てまたは一部としてトランスピレーション冷却式燃焼器に導入することができる。本発明に係るいくつかの実施形態では、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、トランスピレーション冷却流体の全てまたは一部としてトランスピレーション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、トランスピレーション冷却流体の全てまたは一部としてトランスピレーション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全く導入されない）。
いくつかの実施形態では、本発明を、燃焼室に導入される各種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。但し、燃焼温度および燃焼器を離れ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記載されているように、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、いくつかの実施形態では、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ならびにトランスピレーション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。但し、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、トランスピレーション冷却流体として使用されるあらゆるＣＯ２を除外する）。ＣＯ２がトランスピレーション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、トランスピレーション冷却流体として燃焼器に導入されるＣＯ２の含有量に基づいている。従って、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、トランスピレーション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、熱交換器、水分離器および加圧装置を備える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。本明細書に記載されている本システムおよび方法の各種要素の組み合わせにより、本明細書に記載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。本明細書に記載されている各種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。但し、本発明は、公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であることが特定された。さらに、本発明に係る高い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。従って、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きく減少する。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、現在のところ、高塩化物および／または高硫黄石炭は公知のシステムでは使用することができない。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、よって、公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と共にＣＯ２／Ｃモル比の増加を可能にする。従って、高いＣＯ２／Ｃモル比により、少なくとも上記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することができる。本明細書により詳細に記載されているように、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両方の変形での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、好ましくは、炭素含有燃料の完全な酸化を達成するのに必要な少なくとも化学量論量である。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％だけ化学量論量を上回るであろう。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％だけ化学量論量を上回るであろう。完全還元モードでは、燃焼器に提供されるＯ２の量は、好ましくは、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ろう。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％だけ化学量論量を上回るであろう。
本発明の方法は、いくつかの実施形態では、プロセスにおける各種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および−５６．６℃で三重点を有するが、ＣＯ２は、７．３８ＭＰａおよび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時点で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、好ましく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全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。上記流をタービン全体に膨張させ、次いで、回収熱交換器に通す。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、少なくとも部分的に回収熱交換器の高温端で温度差を最小にするという利点が認められているため、優れた効率を提供することができる。この最大化は、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、このように余分に加熱することで、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、回収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、断熱的に動作する極低温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、回収熱交換器の高温端における温度差は約５０℃未満、好ましくは約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に変換される量の炭素を燃料で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記載されている。
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は、上述のように、トランスピレーション冷却式燃焼器である。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えることができる。具体的な実施形態では、燃焼温度は、トランスピレーション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、本明細書に記載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。
また、燃焼器を離れ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が有用であり得る。例えば、燃焼器を離れる燃焼生成物流が、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。いくつかの実施形態では、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、循環流体として）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。
燃焼器を離れ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えることができる。重要なことに、以下により詳細に記載するように、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を含むであろう。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（特に、ＣＯ２パイプラインに直接移動させるのに適した圧力）から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、ＨＣＩ、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。本明細書に記載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循環流体流中に存在し得る。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、発電機（図示せず）によって電気を生成する）。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の放出の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、複数のタービンが連続的に接続されているか、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。
ここでも、プロセスパラメータを上記工程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極めて依存している。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、いくつかの実施形態では、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。従って、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該技術分野で認識されている温度よりも著しく低くし得る本明細書に記載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、本明細書に記載されているような具体的な効率を達成することができることを特徴としてもよい。
上記のように、燃焼器２２０を離れる燃焼生成物流４０は、好ましくは、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。従って、具体的な実施形態では、燃焼生成物流４０は、上記流中に存在する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、上記流の圧力は低下する。好ましくは燃焼生成物流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、タービン出口でのタービン排気流に対するタービン入口での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、タービンでの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、タービン排気流を、上記流中のＣＯ２がもはや超臨界流体状態ではなく、むしろガス状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、ガス状の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。いくつかの実施形態では、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。好ましくは、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。好ましくは、タービン排気流の圧力は、上記流が遭遇する冷却（例えば周囲冷却）温度でＣＯ２凝縮圧力よりも低い。従って、本発明によれば、タービン３２０の下流（および好ましくは加圧装置６２０の上流）のＣＯ２をガス状に維持し、かつ液体ＣＯ２が形成し得る条件に達することができないことが好ましい。
燃焼生成物流をタービンに通すことで若干の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。
従って、いくつかの実施形態では、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）を離れる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の特定の比で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、本システムの任意のさらなる構成要素を通さずに、本明細書に記載されている１つ以上の熱交換器に直接通す。従って、圧力比を、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、好ましくは約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。
トランスピレーション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、１つ以上の熱交換器の寿命を延ばし、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、本発明に係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を受容するための一連の少なくとも２つの熱交換器を含み、かつそれを所望の温度に冷却する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えることができる。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、従って、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。好ましくは、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、１つ以上の熱交換器が、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、Special Metals Corporation社から入手可能であり、いくつかの実施形態は、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としては、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が挙げられる。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化学的に加工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。好適な熱交換器としては、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社から入手可能）なものを挙げることができる。
一連の熱交換器の中の第１の熱交換器は、好ましくは、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つの熱交換器を連続的に使用して、タービン排気流を所望の温度に冷却する。連続する複数の熱交換器を使用する有用性は、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。
いくつかの実施形態では、本方法およびシステムは、単段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、上記トランスピレーション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。本質的に、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。従って、いくつかの実施形態では、本発明の方法およびシステムを、トランスピレーション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トランスピレーション冷却式燃焼器で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。なお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記載するように、本発明は、ＣＯ２を大気に全く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。但し、いくつかの実施形態では、連続燃焼および循環流体として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、以下にさらに記載するように、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、コストの懸念のために、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。従って、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が液化される時点よりも低い圧力でＣＯ２循環流体（例えばガス状）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、分離装置を離れる精製した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することができる。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。いくつかの実施形態では、熱交換器を離れて分離装置に流入するＣＯ２循環流体を、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、上記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、水蒸気を全く含まないか水蒸気を実質的に全く含んでいない。いくつかの実施形態では、精製したＣＯ２循環流を、僅か１．５％未満（モル基準）、１．２５％未満（モル基準）、１％未満（モル基準）、０．９％未満（モル基準）または０．８％未満（モル基準）、０．７％未満（モル基準）、０．６％未満（モル基準）、０．５％未満（モル基準）、０．４％未満（モル基準）、０．３％未満（モル基準）、０．２％未満（モル基準）または０．１％未満（モル基準）の量の水蒸気を含むものとして特徴づけることができる。いくつかの実施形態では、精製したＣＯ２循環流体流は、僅か約０．０１％〜約１．５％（モル基準）、約０．０１％〜約１％（モル基準）、約０．０１％〜約０．７５％（モル基準）、約０．０１％〜約０．５％（モル基準）、約０．０１％〜約０．２５％（モル基準）、約０．０５％〜約０．５％（モル基準）または約０．０５％〜約０．２５％（モル基準）の量の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。言い換えると、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、上記流中の水が液体状態にあり、よって、ガス状のＣＯ２からより容易に分離可能である時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により、少量（すなわち低濃度）の水をＣＯ２循環流体中に残したままにすることができる。いくつかの実施形態では、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してもよい。他の実施形態では、ＣＯ２循環流体をさらなる処理に供して、残留する水の全てまたは一部の除去を容易にすることが有用であり得る。例えば、吸着式ドライヤまたは本開示を考慮して適する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。以下に記載するように、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、かつ一部を所要のパイプライン圧力（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。好ましくは、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を水分離装置５４０に導き、そこでは、液体水流６２ａを分離器５２０から排出させる。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から直接流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）、以下により詳細に記載するように、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、精製した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。但し、いくつかの実施形態では、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。本開示の知識を有する当業者であれば、望ましいものとなり得る分離器の様々な組み合わせを思いつくことができ、全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、冷却したガス状の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、ＨＣＩ、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循環流体から全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、燃焼器へのあらゆる再利用のために、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。従って、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、トランスピレーション冷却式燃焼器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、それにより上記流の圧力を低下させ、かつ発電することができる。タービン３２０の出口を離れるタービン排気流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、水や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循環流体を再加熱および再加圧する必要がある。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工程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を離れる精製した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。いくつかの実施形態では、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記載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（好ましくはＣＯ２の臨界圧を超える）まで圧縮し、そのようにして流６６を形成する。流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、かつ流６７（好ましくは、ほぼ周囲温度）を形成する冷水熱交換器６４０に導くことができる。流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。以下に記載するように、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循環流体をガス状から超臨界流体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を考慮すると重大である。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重大なエネルギー流出になり得る。しかし、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６７として冷水熱交換器６４０を離れる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上記流を本明細書に記載されているような所望の圧力までエネルギー効率的に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。いくつかの実施形態では、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。顕著な温度下で動作することができ、かつ本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を離れる加圧した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され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（上記流中に存在する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。従って、いくつかの実施形態では、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えることができる。いくつかの実施形態では、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を離れる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との小さな温度差によって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。いくつかの実施形態では、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連続的に使用して、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。以下にさらに記載するように、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。従って、いくつかの実施形態では、以下に記載するような熱交換装置４２０を、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、一次熱交換装置と呼んでもよい。従って、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。一次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によって包含される実施形態では、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（すなわち、タービン排気流５０）を受容し、従って、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、顕著な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。特定の実施形態では、第１の熱交換器４３０を離れる流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を離れる流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を離れる流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を離れる流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５２の温度よりも低い温度を有する流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。いくつかの実施形態では、第１の流５２と第２の流５６との温度差を、タービン排気流５０と第１の熱交換器４３０を離れる流５２との温度差よりも実質的に小さくすることができる。いくつかの実施形態では、第２の熱交換器４４０を離れる流５６の温度を、第２の熱交換器４４０に流入する流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を離れる流５６の圧力を第２の熱交換器４４０に流入する流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を離れる流５６の圧力を、第２の熱交換器４４０に流入する流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を離れる流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５６の温度よりも低い温度を有するＣＯ２循環流体流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。いくつかの実施形態では、第３の熱交換器４５０を離れるＣＯ２循環流体流６０の温度は、第３の熱交換器４５０に流入する流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を離れるＣＯ２循環流体流６０の圧力が第３の熱交換器４５０に流入する流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を離れるＣＯ２循環流体流６０の圧力を、第３の熱交換器４５０に流入する流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を離れる（従って、一般に熱交換装置４２０を離れる）ＣＯ２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。また、上述のように、ＣＯ２循環流体流を１つ以上の分離に供して、上記流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、最初に熱交換器によって取り出し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させることができる。
特定の実施形態では、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（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。
いくつかの実施形態では、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。
但し、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７０を第３の熱交換器４５０に通した後、形成された流７１を、第２の熱交換器４４０に直接通す代わりに、流７１を２つの流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７１ｂを第２の熱交換器４４０に通すことができる。流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えることができる。特定の実施形態では、第２の熱交換器４４０に導かれる流７１ｂ中のＣＯ２と副加熱器４７０に導かれる流７２ａとのモル比は、約１：２〜約２０：１（すなわち、流７２ａ中のＣＯ２２モルにつき流７１ｂ中のＣＯ２を約１モル〜流７２ａ中のＣＯ２１モルにつき流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７１ｂ中のＣＯ２と副加熱器４７０に導かれる流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。いくつかの実施形態では、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。但し、本発明に係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。公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、極低温空気分離プロセスの動作によってＯ２を生成してもよく、上記プロセスででは、冷凍保存周囲温度まで効率的に加熱された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。そのような極低温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（例えば図８の流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。公知技術の状況では、そのような熱を利用するか、実際に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、本システムでは排出物にすることができる。但し、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、かつ圧縮熱を伝達させて高圧ＣＯ２循環流体の一部を加熱す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に関して記載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（但し、好ましくは、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。いくつかの実施形態では、副加熱器４７０は、流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℃だけ効果的に上昇させる。他の実施形態では、副加熱器４７０は、流７２ａの温度を、約１０℃〜約２００℃、約５０℃〜約１７５℃または約７５℃〜約１５０℃だけ効果的に上昇させる。具体的な実施形態では、副加熱器４７０は、流７２ａの温度を、熱交換器４４０を離れる流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を離れる流７１を、上記流中の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。上記流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。従って、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７３の温度よりも高くなり得ることが分かる。いくつかの実施形態では、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重要になり得る。
図８に示すように、分割器４６０を離れる流７１ｂを第２の熱交換器４４０に通して流７３を形成し、これを、流７３と副加熱器４７０から排出される流７２ｂとを合わせる混合機４８０に導く。次いで、合わせた流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ける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、タービンでの膨張後に）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離れる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。理論に縛られたくはないが、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循環流体の総流量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、既に上に記載したように、流７１ｂが熱交換器４４０に流入し、流７２ａが、外部熱源４７０を離れる流７２ｂの温度を、熱交換器４４０を離れる流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７２ｂおよび７３を合わせて流７４を形成する。流７１ｂ（および流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５６中に存在する水蒸気は、流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５６と流６０との有効なｍＣｐが大きく上昇し、かつ総再利用流７０を加熱するのに必要な全ての熱が流７１に提供される。熱交換器４４０を離れる流５６の温度は、好ましくは流５６の露点の約５℃以内にすることができる。流５６と７１との熱交換器４４０の低温端における温度差は、好ましくは少なくとも約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に関して記載したように、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可能な限り適合する程に高い入口温度ならびに本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。いくつかの実施形態では、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。
本明細書に記載されているトランスピレーション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、装置の全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。
還元モードで連続して動作する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、発電機（図示せず）に関連している）、かつ第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。これにより、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、過剰な酸素を残す。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、上記温度の排気流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、上記流中のガスを加熱することができる。言い換えると、２つのタービンのそれぞれの入口での動作温度は実質的に同じである。具体的な実施形態では、タービンの入口での動作温度は、僅か約１０％、僅か約９％、僅か約８％、僅か約７％または僅か約６％、僅か約５％、僅か約４％、僅か約３％、僅か約２％または僅か約１％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。
特定の実施形態では、例えば、高温高圧加熱流体（例えば、本明細書に記載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って、本明細書に記載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余分な電力に変換されるため、これにより、熱エネルギーの余分な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、別途本明細書に記載されているように、本発明の方法およびシステムに関して記載されているタービン排気流を、一次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、別途本明細書に記載されているように、二次熱交換装置を通った後のタービン排気流を一次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に記載されており、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、いくつかの実施形態では約８０℃の温度）を離れる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、本明細書に記載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従って実施することができる。一般に、本発明に係る発電システムは、本発電方法に関連して本明細書に記載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含んでいてもよい。具体的には、燃焼器は、本明細書に記載されているようなトランスピレーション冷却式燃焼器であってもよい。但し、別途本明細書に記載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。いくつかの実施形態では、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、上記ガスをクエンチ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、本明細書に記載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。上記タービンは、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。上記流体流が膨張すると発電することができ、本明細書に記載されているように、上記タービンは、上記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上記流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。１つ以上の熱交換器を、具体的には、本明細書に記載されているような具体的な条件下での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、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（または本明細書に記載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。
いくつかの実施形態では、なお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。いくつかの実施形態では、空気分離装置によって熱を生成してもよい。従って、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、本発明に係るシステムは、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記載されているあらゆる全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性物質を燃焼生成物流から除去することができる。但し、他の実施形態では、図１０に示されているような多燃焼器システムおよび方法を用いて不燃性物質を維持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を微粒子化条件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つ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。本明細書に記載されているように、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８６の代わりに流２３６から取り出してもよく、あるいは、ＣＯ２を流８６および流２３６の両方から取り出してもよい。好ましくは、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２５６の温度を冷却するのに十分である。別途本明細書に記載されているように、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、部分的に酸化された燃焼生成物流２５６の温度が、流２５６中に存在する灰の全てが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、別途本明細書に記載されているように、トランスピレーション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。別途本明細書に記載されているように、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。上記流をタービン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に関して記載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６１を形成し、流６１を、流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に関して記載されているカラム１３３０と実質的に同様であってもよい。好ましくは、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６７の一部を、混合機９１０で流動化媒体として使用される流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７０中のＣＯ２の一部を、図５および図１１に関して本明細書に記載されているような時点７２０で取り出して、流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８６として取り出してもよい。そうでない場合は、流８５を熱交換器４２０（または図８に関して記載されているような一連の熱交換器）に再度通して上記流を加熱し、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記載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に係る本システムおよび方法に適用することができる。
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
本発明に係るシステムおよび方法の具体的な一例を図１１に示す。以下の記載は、コンピュータモデリングを用いて、具体的な条件下での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、トランスピレーション冷却式燃焼器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（従って、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／ｈｒ（３６３，９３２ｋＪ／ｈｒ）の速度で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はガス状である）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／ｈｒ）の速度で発電する。
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上記流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５２を生成する。流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５６を生成する。流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６０を、冷水熱交換器５３０に通してなおさらに冷却する。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、液体水を除去し、かつ流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ＣＯ２循環流体流６５（なおガス状である）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／ｈｒ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、上記流を第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／ｈｒの電力入力を必要とする。上記流をパイプライン分割器７２０に通し、これにより、１ｌｂｍｏｌのＣＯ２を流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７１を形成する。２７．３ｌｂｍｏｌのＣＯ２を流７１ｂとして第２の熱交換器４４０に導き、６．８ｌｂｍｏｌのＣＯ２を流７２ａとして副加熱器４７０に導くように、流７１を分割器４６０に通す。流７１ｂおよび流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７１ｂを第２の熱交換器４４０に通して、２２４℃の温度および３０．５ＭＰａの圧力の流７３を生成する。流７２ａを副加熱器４７０に通して、同様に２２４℃の温度および３０．４ＭＰａの圧力である流７２ｂを形成する。流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７４を形成する。次いで、流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および本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、あらゆるＣＯ２（特に、炭素含有燃料の燃焼により生じるあらゆる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きである。
実施例２：再利用ＣＯ２循環流体を使用するための改良型微粉炭発電所による発電のためのシステムおよび方法
本発明に係るシステムおよび方法の別の具体的な例を図１２に示す。以下の記載は、コンピュータモデリングを用いて、具体的な条件下での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、従来の微粉炭火力発電所に、本明細書に記載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、トランスピレーション冷却式燃焼器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での燃料の燃焼により、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。上記流をタービン３２０（一般に、一次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、これらを以下に記載するような発電所に戻す。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きな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。本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、化学的に加工された通路を有するＨｅａｔｒｉｃ社製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での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、全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に示す本システムおよび方法の残りの部分は、別途本明細書に記載されている本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の低温端を離れる。次いで、流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１０３８を形成する。上記流を、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１０４０を形成する。熱交換器１３００は、Ｈｅａｔｒｉｃ社製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１０４４として流して、カラム１３３０の上部を離れる流１０４５に合流させる。これらの合わせた流は、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１０４６として分離器１３６０の基部を離れる。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。
圧縮機１３８０に流入する再利用ＣＯ２循環流体流を、欧州特許出願第１９５２８７４Ａ１号（この開示内容が参照により本明細書に組み込まれる）に示されているように、最初に吸着式ドライヤで約−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を離れる圧縮した再利用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。本実施形態では、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上記流は、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。本実施形態では、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を供給する極低温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１３０１として熱交換器１３００から流出する。場合により、熱の全てを、最大３．８ＭＰａの圧力で石炭火力発電所からの複数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における僅か約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を離れ、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（本実施形態では）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。本実施形態では、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。
本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、極低温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の発熱量を有する石炭で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。
上に記載し、かつ石炭燃料を用いて図１２に例示されている本システムおよび方法は、以下に記載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。本発明に係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／ｓｅｃ
ＬＰ蒸気：４．０２ＭＰａ、５６５℃、流量：３７１．６２ｋｇ／ｓｅｃ
正味電力出力：４９３．７．Ｍｗ
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％
既存の発電所に本開示の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の石炭：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。
本発明が属する当該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。従って、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 (59)

  1. 燃料、Ｏ２およびＣＯ２循環流体を燃焼器に導入する工程であって、ＣＯ２を少なくとも１２ＭＰａの圧力および少なくとも４００℃の温度で導入する工程と、
    前記燃料を燃焼させて、少なくとも８００℃の温度を有するＣＯ２含有燃焼生成物流を提供する工程と、
    前記燃焼生成物流をタービンを通じて膨張させて発電する工程であって、前記タービンは、前記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、前記出口での前記タービン排気流の圧力に対する前記入口での前記燃焼生成物流の圧力の比は１２未満である工程と、
    前記タービン排気流を一次熱交換装置に通して冷却されたタービン排気流を提供することによって、前記タービン排気流から熱を取り出す工程と、
    前記冷却されたタービン排気流から、ＣＯ２に加えて前記冷却されたタービン排気流中に存在する１種以上の二次成分を除去して、精製および冷却されたタービン排気流を提供する工程と、
    前記精製および冷却されたタービン排気流を、第１の圧縮機でＣＯ２臨界圧を超える圧力まで圧縮して、超臨界ＣＯ２循環流体流を提供する工程と、
    前記超臨界ＣＯ２循環流体流を、その密度が少なくとも２００ｋｇ／ｍ３になる温度まで冷却する工程と、
    前記超臨界高密度ＣＯ２循環流体を第２の圧縮機に通して、前記ＣＯ２循環流体を前記燃焼器に投入するために必要な圧力まで加圧する工程と、
    前記取り出した熱を使用して前記ＣＯ２循環流体の温度を上昇させるように、前記超臨界高密度高圧ＣＯ２循環流体を同じ前記一次熱交換装置に通す工程と、
    前記燃焼器への再循環のための前記一次熱交換装置を流出する前記ＣＯ２循環流体の温度と前記タービン排気流の温度との差が５０℃未満になるように、さらなる量の熱を前記超臨界高密度高圧ＣＯ２循環流体に供給して、前記ＣＯ２循環流体の温度をさらに上昇させる工程と、
    前記加熱した超臨界高密度ＣＯ２循環流体を前記燃焼器に再利用する工程と、
    を含む発電方法。
  2. 前記取り出す工程により、前記タービン排気流をその水露点未満の温度に冷却する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記除去する工程は、前記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工程を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記さらに冷却する工程により、前記１種以上の二次成分と共に水を凝縮させて、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、請求項３に記載の方法。
  5. 前記一次熱交換装置に通す前に、生成物ＣＯ２流を前記超臨界高密度高圧ＣＯ２循環流体流から取り出す、請求項１に記載の方法。
  6. 前記生成物ＣＯ２流は、前記燃料中の炭素の燃焼によって形成されたＣＯ２の実質的に全てを含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記燃焼させる工程を１，２００℃〜５，０００℃の温度で行う、請求項１に記載の方法。
  8. 前記燃料は部分燃焼生成物流を含む、請求項１に記載の方法。
  9. 炭素含有燃料をＣＯ２循環流体の存在下でＯ２で燃焼させる工程を含み、前記炭素含有燃料、Ｏ２およびＣＯ２循環流体を、前記炭素含有燃料を部分的にのみ酸化して前記部分燃焼生成物流を生成するような比で提供し、前記流は、不可燃成分、ＣＯ２ならびにＨ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２ＳおよびＮＨ３のうちの１種以上を含み、
    任意に、前記部分燃焼生成物流の温度が前記流中の前記不可燃成分の全てが固体粒子の形態にある程に十分に低くなるような比で、前記炭素含有燃料、Ｏ２およびＣＯ２循環流体を提供する、請求項８に記載の方法。
  10. 前記部分燃焼生成物流を１つ以上のフィルタに通す工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記炭素含有燃料は、石炭、亜炭または石油コークスを含む、請求項９に記載の方法。
  12. 前記炭素含有燃料は微粒子形態であり、ＣＯ２を含むスラリーとして提供される、請求項１１に記載の方法。
  13. 微粒燃料は、前記粒子の９０％超が５００μｍ未満の平均的大きさを有するような燃料である、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ＣＯ２循環流体を少なくとも１５ＭＰａの圧力で導入する、請求項１に記載の方法。
  15. 前記ＣＯ２循環流体を少なくとも６００℃の温度で導入する、請求項１に記載の方法。
  16. 前記燃焼生成物流は少なくとも１，０００℃の温度を有する、請求項１に記載の方法。
  17. 前記燃焼生成物流は前記燃焼器に導入されるＣＯ２の圧力の少なくとも９０％の圧力を有する、請求項１に記載の方法。
  18. 前記出口での前記タービン排気流の圧力に対する前記入口での前記燃焼生成物流の圧力の比は１．５〜１０であり、または
    前記出口での前記タービン排気流の圧力に対する前記入口での前記燃焼生成物流の圧力の比は２〜８である、請求項１に記載の方法。
  19. 前記燃料は炭素含有燃料であり、前記燃焼器に導入される前記燃料中の炭素に対する前記ＣＯ２循環流体中のＣＯ２のモル比は１０〜５０である、請求項１に記載の方法。
  20. 前記タービン排気流中のＣＯ２はガス状である、請求項１に記載の方法。
  21. 前記タービン排気流は７ＭＰａ以下の圧力を有する、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記一次熱交換装置は一連の少なくとも３つの熱交換器を含む、請求項１に記載の方法。
  23. 前記第２の圧縮機を通った後の前記超臨界高密度ＣＯ２循環流体流は、少なくとも１５ＭＰａの圧力を有し、または
    前記第２の圧縮機を通った後の前記超臨界高密度ＣＯ２循環流体流は、少なくとも２５ＭＰａの圧力を有する、請求項１に記載の方法。
  24. 前記超臨界ＣＯ２循環流体流をその密度が少なくとも４００ｋｇ／ｍ３になる温度まで冷却する、請求項１に記載の方法。
  25. 前記さらなる量の熱は、Ｏ２分離装置から取り出した熱を含む、請求項１に記載の方法。
  26. 前記膨張が、一連の第１のタービンおよび最後のタービンを通じて前記燃焼生成物流を膨張させることを含む、請求項１に記載の方法。
  27. 前記燃料の一部をＣＯ２、Ｈ２ＯおよびＳＯ２のうちの１種以上を含む酸化生成物に酸化し、前記燃料の残りの部分を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１種以上の可燃成分に酸化するような量で、前記Ｏ２を提供する、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記第１のタービンおよび前記最後のタービンの間の前記燃焼生成物流を加熱する工程と、
    任意に第１のタービンの前記出口において、ある量のＯ２を前記流体流に添加する工程と
    を含む、請求項２７に記載の方法。
  29. 前記タービン排気流は過剰量のＯ２を含む酸化性流体である、請求項１に記載の方法。
  30. 前記ＣＯ２循環流体を、前記Ｏ２および前記燃料のうちの一方または両方との混合物として前記燃焼器に導入する、請求項１に記載の方法。
  31. 前記燃焼器はトランスピレーション冷却式燃焼器を含む、請求項１に記載の方法。
  32. 前記ＣＯ２循環流体を、前記トランスピレーション冷却式燃焼器内に形成された１つ以上のトランスピレーション流体供給路を通して導かれるトランスピレーション冷却流体の全てまたは一部としてトランスピレーション冷却式燃焼器に導入する、請求項３１に記載の方法。
  33. 前記Ｏ２を前記Ｏ２のモル濃度が少なくとも８５％である流として提供する、請求項１に記載の方法。
  34. 前記Ｏ２のモル濃度は８５％〜９９．８％である、請求項３３に記載の方法。
  35. 前記タービン排気流を、さらなる燃焼器を通さずに前記一次熱交換装置に直接通す、請求項１に記載の方法。
  36. 前記工程のうちの前記燃焼により、５０％を超える燃焼効率が得られ、前記効率は、燃焼して発電する前記燃料の総低位発熱量熱エネルギーに対する生成された熱量の比として計算する、請求項１に記載の方法。
  37. 前記燃焼させる工程と前記膨張させる工程との間に、前記燃焼生成物流を、固体もしくは液体状態の汚染物質を除去するための少なくとも１つの装置に通す工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  38. 前記膨張させる工程と前記取り出す工程との間に、前記タービン排気流を二次熱交換装置に通す工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  39. 前記二次熱交換装置は、前記タービン排気流からの熱を使用して汽力発電システムから得られた１つ以上の流を加熱する、請求項３８に記載の方法。
  40. 前記汽力発電システムは従来のボイラシステムを含む、請求項３９に記載の方法。
  41. 前記従来のボイラシステムは石炭火力発電所を含む、請求項４０に記載の方法。
  42. 前記汽力発電システムは原子炉を含む、請求項３９に記載の方法。
  43. 前記１つ以上の加熱した蒸気流を１つ以上のタービンに通して発電する、請求項３９に記載の方法。
  44. 前記さらなる加熱を、前記第２の圧縮機を通した後であり、前記一次熱交換装置に通す前にＣＯ２循環流体流に直接提供し、または前記さらなる加熱を前記熱交換装置に直接提供し、または前記一次熱交換装置が、一連の少なくとも３つの熱交換装置を備え、かつ前記さらなる加熱を、前記ＣＯ２循環流体流の一部を含む側流を加熱することにより提供し、前記側流が、２つの前記熱交換装置の間に存在する、
    請求項１に記載の方法。
  45. 燃料、Ｏ２およびＣＯ２循環流体流を受容し、かつ前記ＣＯ２循環流体の存在下で前記燃料を燃焼させて、少なくとも８ＭＰａの圧力および少なくとも８００℃の温度のＣＯ２含有燃焼生成物流を提供する少なくとも１つの燃焼段階を有するように構成された燃焼器と、
    前記燃焼器に流体連通した一次発電タービンであって、前記一次タービンは、前記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、前記一次タービンは、前記出口での前記タービン排気流の圧力に対する前記入口での前記燃焼生成物流の圧力の比が１２未満になるように圧力降下を制御するように構成されているタービンと、
    前記タービン排気流を受容し、かつ熱をそこから前記ＣＯ２循環流体流に伝達させるための前記一次タービンに流体連通した一次熱交換装置と、
    前記熱交換装置に流体連通した、前記ＣＯ２循環流体流を加圧するための少なくとも１つの圧縮機と、
    外部源から前記燃焼器の上流であって前記少なくとも１つの圧縮機の下流にある前記ＣＯ２循環流体に熱を伝達させるように構成された１つ以上の伝熱構成要素と、
    を備える発電システム。
  46. 前記ＣＯ２に加えて前記ＣＯ２循環流体中に存在する１種以上の二次成分の除去のために前記熱交換装置と前記少なくとも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、請求項４５に記載の発電システム。
  47. 前記少なくとも１つの圧縮機は、前記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の圧縮機を備える、請求項４６に記載の発電システム。
  48. 前記第１の圧縮機から流出する前記ＣＯ２循環流体流をその密度が２００ｋｇ／ｍ３を超える温度まで冷却するように構成された冷却装置を備える、請求項４７に記載の発電システム。
  49. 前記冷却されたＣＯ２循環流体流の前記燃焼器への投入に必要な圧力まで圧縮するように構成された第２の圧縮機を備える、請求項４８に記載の発電システム。
  50. 前記１つ以上の伝熱構成要素はＯ２分離装置に関連している、請求項４５に記載の発電システム。
  51. 前記燃焼器は第１の燃焼器であり、前記第１の燃焼器の上流にそこに流体連通して配置された第２の燃焼器をさらに備える、請求項４５に記載の発電システム。
  52. 前記第２の燃焼器と前記第１の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をさらに備える、請求項５１に記載の発電システム。
  53. 流動化媒体で微粒燃料材料のスラリーを形成するための混合装置をさらに備える、請求項５１に記載の発電システム。
  54. 固体燃料を微粒子化するための粉砕装置をさらに備える、請求項５１に記載の発電システム。
  55. 前記熱交換装置は少なくとも２つの熱交換器を含み、または
    前記熱交換装置は一連の少なくとも３つの熱交換器を含む、
    請求項４５に記載の発電システム。
  56. 前記一次発電タービンは、一連の少なくとも２つのタービンを含む、請求項４５に記載の発電システム。
  57. 前記一次発電タービンと前記一次熱交換装置との間にそれらに流体連通して配置された二次熱交換装置をさらに備える、請求項４５に記載の発電システム。
  58. 少なくとも１つ蒸気流を介して前記二次熱交換装置に流体連通したボイラをさらに備える、請求項５７に記載の発電システム。
  59. 前記二次熱交換装置からの前記少なくとも１つ蒸気流を受容するための入口を有する二次発電タービンをさらに備える、請求項５８に記載の発電システム。
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