JP7381631B2 - メタンのドライリフォーミングを用いた超臨界ｃｏ２パワーサイクル - Google Patents

Description

本書は、一般に、限定としてではなく、熱を電力に変換するために使用されるパワーサイクルに関する。より詳細には、限定としてではなく、本出願は、液相と気相とが区別できない超臨界状態で二酸化炭素（ＣＯ２）が使用される超臨界ＣＯ２パワーサイクルに関する。

ガスタービン複合サイクル（ＧＴＣＣ）発電所では、ガスタービンエンジンを動作させて、軸動力を使用する発電機で電力を直接発生させることができる。ガスタービンエンジンの高温排気ガスを、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）内で蒸気を発生させるために補助的に使用することができ、その蒸気を、蒸気タービンシャフトを回転させるために使用し、さらに電気を生成することができる。ＧＴＣＣ用の作動流体は、典型的には、空気および／またはガス（トッピングサイクル用）ならびに蒸気および／または水（ボトミングサイクル用）を含み、ガスまたは液体燃料がガスタービンエンジン中で燃焼される。

エネルギー生成において、再生可能エネルギーがより大きい地位を築くにつれて、他のタイプのパワーサイクルが探究されている。超臨界ＣＯ２ベースのパワーサイクル（ｓＣＯ２パワーサイクル）は、従来のパワーサイクルと比較して、熱電変換効率の上昇、高い電力密度、および動作の単純化の可能性を示している。加えて、ｓＣＯ２パワーサイクルは、高圧および空気より高い電力密度を有するＣＯ２の使用により、小さいサイズのターボ機械を使用することができる。これらの要因により、このサイクルは広範囲な用途および出資者に訴求するものとなり得る。

ｓＣＯ２パワーサイクルは、間接的および直接的に加熱される（すなわち、燃やされる）用途で実装することができる。間接加熱パワーサイクルは、燃焼ガスとサイクル作動流体とが分離されるボイラタイプのプラントに適用可能である。直接加熱ｓＣＯ２パワーサイクルでは、燃料（天然ガスまたは合成ガス（ＣＯおよびＨ２））と酸素（Ｏ２）との燃焼によって、排気ガスの第１の流れと、第１の流れと混合するＣＯ２の第２の流れと、が生成され、混合した流れは、タービンを駆動して電力を生成するための作動流体として使用される。直接加熱ｓＣＯ２パワーサイクルは、２つの主な特徴、すなわち、（ａ）タービンが、間接加熱サイクルのものよりも高いタービン入口温度（Ｔ１ｔ）で動作することができ、（ｂ）高価でエネルギー集約的な捕捉／分離技術なしで貯蔵できる状態にあるＣＯ２の高純度の流れを生成することができる、を有する。

本発明者は、とりわけ、ｓＣＯ２パワーサイクル発電所において解決されるべき問題が、一般に、熱から電力への変換の効率を改善し、とりわけ放出を減らす必要性を含むことがあると認識した。この問題の１つのそのような徴候は、パワーサイクル副生成物の生成であり、これらの副生成物の非効率的な使用またはこれらの副生成物が使用されないことである。

本主題は、直接加熱ｓＣＯ２パワーサイクルの熱効率を改善することによって、非効率な電力生成の問題および他の問題に対する解決策を提供する助けとなり得る。例では、メタンのドライリフォーミング（ＤＲＭ）プロセスを使用して、ＣＯ２をメタンと反応させ、ｓＣＯ２パワーサイクルの熱効率を改善することができる。ＤＲＭプロセスは、ＣＯ２およびメタン燃料を、燃焼プロセスでより高い出力のエネルギーを生成することができる、ｓＣＯ２パワーサイクル用の合成燃料（たとえば、合成ガス）へと変換することができる。ＤＲＭプロセスは、太陽エネルギーからの無償の熱または産業プロセスからの有償の廃熱などといった、利用可能な熱源を同時に利用して、ＤＲＭプロセスを補うことができる。そのため、ｓＣＯ２サイクルの全体効率は、ｓＣＯ２サイクル自体を用いるＤＲＭと、安価にまたは無償で利用可能な熱源と、を統合することによって増加させることができる。

一例では、超臨界ＣＯ２サイクル発電所は、ガス流を発生させるために第１および第２の入力構成成分を燃焼するように構成された燃焼器と、ガス流によって回転されるように構成されたタービンと、タービンからのガス流の第１の部分を受け、燃焼器に圧縮したガスの第１の流れを提供するように構成された圧縮器と、タービンからのガス流の第２の部分を受け、燃焼器に圧縮したガスの第２の流れを提供するように構成された再圧縮器と、タービンによって駆動されるように構成された発電器と、第１の入力構成成分を提供するためにメタンをドライリフォーミングするように構成されたメタンリフォーミング反応器と、を備えることができる。

別の例では、超臨界ＣＯ２サイクル発電所を動作させる方法は、反応器中で合成ガスを生成するために燃料とＣＯ２とを反応させるステップと、燃焼プロセスを実行して排気ガス（たとえば、ＣＯ２および蒸気）を発生させるために合成ガスと酸素とを混合するステップと、排気ガスでタービンを回すステップと、タービンで発電器を駆動するステップと、加圧ガスを発生させるために圧縮器および再圧縮器を通して排気ガスを送るステップと、燃焼器に加熱し圧縮したＣＯ２を提供するために２段階復熱プロセスを通して加圧ガスを送るステップと、を含むことができる。

さらなる例では、超臨界ＣＯ２サイクル発電所を動作させる方法は、タービンを回すために超臨界ＣＯ２パワーサイクルを動作させるステップと、タービンで発電器を駆動するステップと、超臨界ＣＯ２パワーサイクルからＣＯ２副生成物を抽出するステップと、メタンのドライリフォーミング（ＤＲＭ）反応器中で合成ガスを生成するために燃料とＣＯ２副生成物の一部とを反応させるステップと、超臨界ＣＯ_２パワーサイクルのために燃焼プロセスを実行するために合成ガスと酸素とを混合するステップと、を含むことができる。

一例では、超臨界ＣＯ２サイクル発電所は、ＣＯ２を含むガス流を生成するように構成された超臨界ＣＯ２パワーサイクルと、ガス流によって回転されるように構成されたタービンと、タービンによって駆動されるように構成された発電器と、超臨界ＣＯ２パワーサイクルの燃焼プロセスに合成ガスを提供するために、ガス流からのＣＯ２を使用してメタンをドライリフォーミングするように構成されるメタンリフォーミング反応器と、を備える。

この概要は、本特許出願の主題の概要を提供することが意図される。本発明の排他的または網羅的な説明を提供する意図はない。本特許出願についてのさらなる情報を提供するために詳細な記載が含まれる。

入力として酸素および天然ガスを使用して、副生成物としてのＣＯ２で電力を生成する典型的な超臨界ＣＯ２パワーサイクルを図示する概略図である。 ＣＯ２およびメタンを合成ガスへと変換するためにメタンのドライリフォーミング反応器を組み込んだ、超臨界ＣＯ２パワーサイクルを図示する概略フロー図である。 図１の典型的な超臨界ＣＯ２パワーサイクルおよび図２のＤＲＭ反応器を組み込んだ超臨界ＣＯ２パワーサイクルについての、エネルギーレベル対温度のチャートを図示する概略図である。 ＤＲＭ反応器を組み込んだ超臨界ＣＯ２パワーサイクルを動作させるための方法のステップを図示するライン図である。

図面は必ずしも原寸に比例しないが、異なる図中で、同様の番号が同様の構成要素を記載することができる。異なる文字の接尾辞を有する同様の番号は、同様の構成要素の異なる事例を表すことができる。限定ではなく例として、図面は、一般に、本書で議論される様々な実施形態を図示する。

図１は、超臨界ＣＯ２（ｓＣＯ２）パワーサイクル１０を図示する概略図である。ｓＣＯ２パワーサイクルは、燃焼器１２、タービン１４、圧縮器１６、再圧縮器１８、高温（ＨＴ）復熱器２０、低温（ＬＴ）復熱器２２、および冷却器２４を備えることができる。酸素は、酸素圧縮器２６を介して燃焼器１２に供給することができ、天然ガスは、燃料圧縮器２８を介して燃焼器１２に提供することができる。下でさらに詳細に議論されるように、酸素および天然ガスを燃焼器１２中で燃やして、タービン１４を回転させるための高圧で高温のガスを生成することができ、ガスを使用して発電器３０を駆動することができる。

圧縮器２６および２８からの酸素および天然ガスは、それぞれ、燃焼器１２に供給することができる。酸素および天然ガスは、外部の供給源または貯蔵タンクから圧縮器２６および２８に供給することができる。酸素および天然ガスは、燃焼器１２中で、燃焼し、たとえば燃やして、タービン１４を駆動することができる高温の排気ガスを発生させることができる。燃焼器１２は、燃焼器入口において非常に高温の作動流体（たとえば、約１０００℃）で動作することが可能な、自動点火スタイルの燃焼器として構成することができる。タービン１４は、シャフト３２を介して発電器３０に接続することができる。こうして、発電器３０をタービン１４によって直接駆動して、グリッドネットワークなどに電力を出力することができる。

タービン１４は、圧縮器１６および再圧縮器１８にやはり接続することができる。例では、圧縮器１６および再圧縮器１８は、１つもしくは複数のシャフトまたはシャフトシステムを介してタービン１４によって直接駆動することができる。燃焼器１２からの排気ガスは、タービン１４を駆動するために使用された後で、ライン３４を介してＨＴ復熱器２０を通り、ライン３６を介してＬＴ復熱器２２を通りライン３８へと流れ、圧縮ライン４０Ａおよび４０Ｂに送り込むことができる。排気ガスはライン４０Ａおよび４０Ｂへと分割され、圧縮器１６および再圧縮器１８を別個に通って流れることができる。ライン４０Ａからの排気ガスは、冷却器２４の中へ、ライン４１を介して圧縮器１６の中へ、次いでライン４２を介してＬＴ復熱器２２へと流れ、その後ライン４４に入ることができる。ライン４０Ｂからの排気ガスは、再圧縮器１８の中へ、次いでライン４６および４８を介してＨＴ復熱器２０へと流れることができる。ＬＴ復熱器２２によってライン４２からライン４４に流れる排気ガスに熱を加えることができ、高温復熱器２０を介してライン４８からライン５０に流れる排気ガスに熱を加えることができる。こうして加えられた熱によって、ｓＣＯ２サイクルの効率を改善することができる。ライン４４におけるＬＴ復熱器２２からの排気ガスは、ライン４６からの排気ガスに再合流し、ライン４８でＨＴ復熱器２０へと入ることができる。加熱されたガスは、ライン５０を介して燃焼器１２に戻り、燃焼プロセスへ組み込むことができる。

ｓＣＯ２パワーサイクルでは、固定量または半固定量のＣＯ２がパワーサイクル１０を通してリサイクルされる。天然ガスなどの燃料の燃焼によって、ＣＯ２がシステムに加えられる結果になる可能性がある。しかし、過剰なＣＯ２は出口５４で抽出することができる。パワーサイクル１０のバランスを維持するために、ＣＯ２は、他の外部での使用のために抽出および貯蔵すること、または、他の場所への輸送のためのパイプラインに導くことができる。システム中のライン４１における過剰な流れは、冷却器２４によって凝縮した後に出口５２で抽出することができる。冷却器２４は、冷たい流体またはガスの供給源に結合されて、ライン４０Ａおよび４１の間を流れる排気ガスを冷却し、作動流体の温度を周囲温度の近くに下げることができる。例では、純粋な、または純粋に近いＣＯ２が、水が取り除かれる出口５２の後で、作動流体のままとなることができる。

典型的な直接燃焼ｓＣＯ２パワーサイクルの構成は、図１に図示されるように、燃焼器による典型的なブレイトンサイクルとは異なる。ｓＣＯ２パワーサイクル１０では、燃料が純粋酸素で燃焼される。ここでは、わずかに過剰な酸素が、酸素－燃料燃焼プロセスで使用される。ブレイトンサイクルでは、過剰な空気が燃焼プロセスで使用される。図１に示されるように、より高い効率を達成するために、タービン１４からの廃熱は、圧縮器１６の出口でガスを加熱するために、復熱器２０および２２を通して回収される。より高いパワーサイクル効率を達成するために、この２段階復熱プロセスおよび再圧縮器１８の使用が復熱器２０および２２中の熱伝達プロファイルを改善するように設計されている。

燃焼器入口圧力／タービン入口温度がそれぞれ３００バール／１２００℃であるとき、直接燃焼ｓＣＯ２パワーサイクルの熱効率は、６４％に達することが予測される。

本発明者は、ｓＣＯ２パワーサイクルの効率は、本明細書に記載されるシステムおよび方法を使用して増加させることができると認識した。本発明者は、典型的なｓＣＯ２燃料、たとえば天然ガスは、大きな構成成分のメタンすなわちＣＨ４を含むことができることを認識した。本発明者は、典型的なｓＣＯ２パワーサイクルが、副生成物としてＣＯ２を生成することも認識した。本発明者は、全体システム効率を改善するために、ｓＣＯ２パワーサイクルのこれらの特徴を組み合わせた。特に、本発明者は、メタンのドライリフォーミング（ＤＲＭ）反応器をｓＣＯ２パワーサイクルに組み込んで、ｓＣＯ２システムのＣＯ２副生成物を化学作用の供給原料として使用して、ｓＣＯ２パワーサイクルに供給される天然ガス燃料の一部をより高いエネルギーの合成ガスへと変換した。こうして、より高いエネルギーの燃料を燃焼器１２で燃やして、パワーサイクル１０の効率を増加させることができ、温室効果ガスの放出を減らすことができる。加えて、本発明者は、ＤＲＭ反応の効率を改善するためのＤＲＭ反応器の入力および出力と、出力を受け取る圧縮器と、の間で熱交換器を使用できることを認識した。さらに、ＤＲＭ反応器によって要求される熱は、安価なまたは無償の熱を提供できる外部供給源から加えることができる。

図２は、複合パワーシステム６２を作るために組み込まれるＤＲＭシステム６０を有する、図１の超臨界ＣＯ２パワーサイクル１０を図示する概略図である。ＤＲＭシステム６０は、反応器６４、熱交換器６６、熱源６８、ならびに弁７０Ａ、７０Ｂ、および７０Ｃを備えることができる。酸素圧縮器２６は、ライン７２を介して燃焼器１２に接続することができる。燃料圧縮器２８は、ライン７４を介して燃焼器１２に接続することができる。熱交換器６６は、ライン７６を介して燃料圧縮器２８の入口に接続することができる。ＤＲＭ反応器６４は、ライン７８を介して熱交換器６６に結合することができる。ＣＯ２用の出口５４は、ライン７８を介して熱交換器６６に接続することができる。熱交換器６６は、ライン８０を介してＤＲＭ反応器６４に接続することができる。燃料源８２は、ライン８４を介してライン７８に接続すること、または、ライン８６を介してライン７６に直接接続することのいずれかができる。弁７０Ｃは、出口５４とライン８４との間のライン７８の中に配置することができる。弁７０Ａは、ライン７８と燃料源８２との間のライン８４の中に配置することができる。弁７０Ｂは、燃料源８２とライン７６との間のライン８６の中に配置することができる。

燃料源８２は、ＤＲＭ反応器６４中で少なくとも部分的に反応することができる燃料の供給源を備えることができる。例では、燃料源８２はＤＲＭ反応器６４に天然ガスを提供することができる。天然ガスは、メタン、エタン、プロパン、およびブタン、ならびにそれらの組合せの混合物からなってよい。いくつかの例では、天然ガスは、ＣＨ４の化学組成を有するメタンを含み得る、またはメタンのみ、もしくはほぼ（たとえば、約９５％の）メタンを含むように処理され得る。メタンは、ＤＲＭ反応器６４中で出口５４からの二酸化炭素（ＣＯ２）と一緒に使用して、一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）との混合物である合成ガスを生成することができる。合成ガスは、従来の天然ガスと比較して、燃焼器１２に対するより大きいエネルギー入力を提供するために燃やし、それによって、全体として、複合パワーシステム６２のより高い効率を達成することができる。

ｓＣＯ２パワーサイクル１０だけの動作中、弁７０Ａおよび７０Ｃを閉じることができ、弁７０Ｂを開くことができる。そのため、燃料源８２からの燃料が燃料圧縮器２８に直接提供され、それによって、ＤＲＭ反応器６４および熱交換器６６をバイパスすることができる。パワーサイクル１０は、ＤＲＭシステム６０が保守により動作していないとき、または熱源６８が利用可能でないときの構成で動作するように構成することができる。たとえば、熱源６８は、天候条件により利用可能でない太陽エネルギー源を備える場合がある。熱源６８は、一時的に動作していない産業プロセスを備える場合もある。熱源６８は、下でさらに詳細に議論される。

ＤＲＭ反応器６４との組合せでｓＣＯ２パワーサイクル１０を動作させるため、弁７０Ｂを閉じることができ、弁７０Ａおよび７０Ｃを開くことができる。そのため、燃料は、ライン８６の中でＤＲＭ反応器６４をバイパスすることができない。燃料は、したがって、ライン７８を通してＤＲＭ反応器６４に提供される。一例では、燃料は、周囲温度でＤＲＭ反応器６４に提供される。燃料は、出口５４からのライン７８に既に存在するＣＯ２の流れに加えられる。燃料とＣＯ２との混合物は、最初に熱交換器６６を通過し、その後、ＤＲＭ反応器６４の中に向けられる。熱交換器６６は、ＤＲＭ反応器６４の出力と熱交換の関係でＤＲＭ反応器６４に入力を行うことができる。例では、熱交換器６６は、ライン７６中の燃料の温度を下げるために、ＤＲＭ反応器６４の出力からＤＲＭ反応器６４の入力に熱を伝達するように構成され、これは、たとえば、燃料圧縮器２８の圧縮プロセスを助けることができる。圧縮器２８の動作の負担を減らすことによって、パワーサイクル１０の全体効率を向上させることができる。そのため、ＤＲＭシステム６０に熱交換器６６を組み込むことによって、様々な例において、パワーサイクル１０をＤＲＭシステム６０と効果的に一体化することを可能にすることができる。

ＤＲＭ反応器内で１回、ＣＯ２と天然ガスのメタン成分とを式［１］にしたがって反応させることができる。

式［１］は、熱の追加

を行うことで、メタン（ＣＨ４）と不活性（たとえば、不燃性）成分（ＣＯ２）との組合せを、２つの可燃性成分（ＣＯおよびＨ２）に変換できることを示す。ＣＯおよびＨ２は、こうして、燃焼器１２にとっての燃料として、より高い潜在的エネルギーを表す。したがって、熱源６８をＤＲＭ反応器６４と組み合わせることができる場合、複合パワーシステム６２の全体効率は、より高いエネルギーの燃料が提供されることにより改善することができる。

反応温度は、コークス形成を回避するために、典型的には、７００℃より高くしてきた。しかし、最近の研究では、固定床フロー反応器を２００℃で使用して、プラズモンＮｉ／Ａｌ２Ｏ３光触媒上で低温ＤＲＭを達成できることが示されている。低温ＤＲＭプロセスは、本明細書で記載されるようなｓＣＯ２システムとの一体化を容易にすることができる。

式［１］でわかるように、ＤＲＭ反応プロセスはＣＯ２を消費し、それによって、温室効果ガスの放出を減らす。式［１］は、これが高度に吸熱性の反応であること、たとえば、エネルギーが吸収されることも示す。したがって、ＤＲＭ反応で必要なエネルギーを補うために、熱源６８が熱をＤＲＭ反応器６４に加えることができる。熱源６８は、熱を放つ産業プロセスを含むことができる。例では、熱源６８は、太陽熱による熱または地熱による熱などといった環境から入手可能な熱を含むことができる。さらなる例では、熱源６８は、低圧蒸気または熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）からの蒸気などといった近くの発電所からの蒸気を含むことができる。熱交換器６６を介した、ライン７８におけるＤＲＭ反応器６４の出力での合成ガスから、天然ガスおよびＣＯ２のＤＲＭ反応器入力への熱の伝達によって、圧縮器２８の動作の負担が減るだけでなく、反応を行うため熱源６８から必要な熱の量も減る。

例では、ＤＲＭ反応器６４が、産業プロセスの部分を含むことができる。たとえば、そのような産業プロセスは、フィッシャートロプシュ（ＦＴ）、カルボニル化、およびヒドロホルミル化などといったエネルギー変換、ならびに、燃料および高付加価値化化学物質の合成のために利用することができる。ＤＲＭ反応器６４は、燃料圧縮器２８の上流に設置することができ、天然ガスパイプライン圧力に近い圧力で動作することができる。

複合パワーシステム６２では、ＤＲＭ反応のために、ある量の熱エネルギーが必要である。この吸熱反応は、２００℃で起こることができ、そのため、外部熱源は、熱源６８を参照して上で議論したように、低グレードレベル、すなわち、例では、安価でまたは無償で入手可能なものであってよい。例では、熱交換器６６は、上述したプラズモンＮｉ／Ａｌ２Ｏ３光触媒プロセスを使用することによるなどの反応のため、約２００℃にＤＲＭ反応器６４へ熱入力するように構成することができる。熱交換器６６を使用して、ＤＲＭ反応器６４のための燃料の温度を高め、このプロセスを容易にすることができる。このことによって、熱源６８から供給される必要がある外部の熱の量が減少する。

言及したように、熱交換器６６は、合成ガスおよび未反応メタンの温度を同時に下げて、たとえば、燃料圧縮器２８の電力消費を下げることができる。式［１］を参照して、（反応式中で、右辺より左辺により少ないモル数のガスがあることに起因した）燃料の体積流量の増加のために、燃料圧縮器は、スタンドアロン型ｓＣＯ２パワーサイクルよりも多くの電力を消費する場合がある。熱交換器６６の使用によって、圧縮器２８および熱源６８の両方のエネルギー要求基準が下がり、複合パワーシステム６２の効率が相乗的に向上する。燃焼器１２は、スタンドアロン型ｓＣＯ２パワーサイクルについての、未変換の天然ガスと合成ガスとの混合物対天然ガスのみの燃焼などといった、燃料特性の差異、ならびに体積流量の差異に対応するように設計することができる。

表１は、パワーサイクル１０単独の動作（１）対ＤＲＭシステム６０と一体化したパワーサイクル１０の動作（２）についての計算結果を示す。表１は、同じ発電器３０を動作させる、プロセス（１）および（２）の、均等な総電力出力を示す。したがって、燃焼器への熱入力は同じであり、このことは、両方のプロセスが、タービン１４、圧縮器１６、再圧縮器１８、ならびに復熱器２０および２２などといった同じ構成要素を動作させるために予測される。そのため、ｓＣＯ２パワーサイクル１０の効率は、各プロセスで同じである。しかし、複合パワーシステム６２のプロセス（２）は、天然ガスの使用を減らしたことにより、効率の節減を達成する。すなわち、ＤＲＭ反応器６４が天然ガスとＣＯ２との組合せを、より高いエネルギーの燃料（合成ガス）へと変換し、そのため、同じ熱エネルギー（７８１．３ＭＷｔｈ）を燃焼器１２に提供するための入力として、より少ない天然ガス（７３６ＭＷｔｈ）が使用される。表１は、プロセス（２）が圧縮器の電力使用を３．９ＭＷ増加させたために、理論的プロセス効率が、６７．９％から６７．４％に低下したことをさらに示す。本明細書に記載されるように、圧縮器電力消費は、熱交換器６６の使用によって、減らされる。そのため、別の産業プロセスまたは太陽エネルギーからの廃熱としてＱｅｘｔが無償で入手可能な場合、プロセス（２）の複合パワーシステムは、３．４％ポイントＬＨＶの全体効率の増加を示す。しかし、Ｑｅｘｔが無償で入手できず、外部の熱、たとえば熱源６８の費用が考慮される場合、全体効率は、たった２％ポイントＬＨＶ増加する。言い換えると、表１は、事例２が事例１よりも著しく効果的であり、全体効率が、３．４％ポイント（Ｑｅｘｔの負債を考慮しない）または２．０％ポイント（Ｑｅｘｔの負債を考慮する）増加することを示す。

表１についての計算結果は、ＤＲＭプロセスについての計算結果に基づき、例では、ＤＲＭ反応のために４５．２ＭＷｔｈの外部の熱エネルギーが必要であり、これは天然ガス熱入力の６．１％を表すことに留意されたい。これらの計算結果は、（１）典型的なｓＣＯ２パワーサイクルは５００ＭＷの総電力出力および６４％の効率を有する、（２）ＤＲＭ反応器中のＣＨ４の変換率は２０％である、（３）天然ガス燃料は１００％ＣＨ４を有するという前提に基づく。

図３は、超臨界ＣＯ２パワーサイクル１０およびＤＲＭ反応器６４を組み込んだ超臨界ＣＯ２パワーサイクル１０のための、エネルギーレベル（Ａ）対温度（ｔ）のチャート１００を図示する概略図である。チャート１００のｘ軸は、摂氏温度における温度（ｔ）を示す。チャート１００のｙ軸は、エネルギーレベル（Ａ）を示す。

エクセルギー解析の観点では、ガスタービン（ＧＴ）燃焼器は、通常、最高のエクセルギー破壊を有する。ＧＴ燃焼器中のエクセルギー破壊の最小化には、性能改善における最大の可能性がある。事例２がより高い効率であるのは、化学エクセルギーと物理エクセルギーとの組合せを用いるカスケード利用の原理によって合理的に説明することができる。

図３では、Ａ－ｔ座標が、それぞれ、エネルギーレベルおよび温度を表す。カルノー効率曲線（ηＣ）１０２より上の区域が化学エクセルギーを図示する一方で、下の区域は物理エクセルギーを示す。物理エクセルギーのカスケード利用は、熱エネルギーレベルに基づいて、ｓＣＯ２パワーサイクル１０を最適化することによって達成される。燃焼中の炭化水素燃料の化学エクセルギーについては、それらのエネルギーレベル（Ａｆ）が約１．０ほどの高さであってよい（事例１）一方で、合成ガス燃料のエネルギーレベル（Ａｓｙｎ）が０．８３と０．９との間の値を有し（事例２）、これは合成ガス組成に依存する。結果として、パワーサイクル中の物理エクセルギーのカスケード利用と同様に、異なるエクセルギーレベルを有する燃料の化学エクセルギーを効率的に利用することが可能である。

炭化水素燃料の化学エクセルギーは、伝統的に、直接燃焼によって解放され、熱エクセルギーの形態として利用される。その結果、炭化水素燃料のより高いエネルギーレベルＡｆは、熱エネルギーのエネルギーレベルＡｔｈへと直ちに低下し、事例１では、燃料の燃焼においてより大きいエクセルギー破壊がもたらされる（Ａｆ－Ａｔｈ）。

あるいは、ＡｆとＡｓｙｎとの間の化学エクセルギーの差を使用して、最初にメタン燃料から合成ガスに変換し、その後、合成ガスの燃焼（間接的燃料燃焼）を行う。ここで、化学エクセルギーＡｓｙｎが、Ａｔｈの熱エネルギーレベルに解放される。化学エネルギーから熱エネルギーへのエネルギーレベルの低下は、事例２では、はるかに低減される（Ａｓｙｎ－Ａｔｈ）。例では、ＤＲＭ反応器６４中で、（セクション２．２中で議論したように）たった２０％のメタンのみが合成ガスに変換され、そのため、燃料のその部分に、エクセルギー損失の低減が適用可能である。

図３によれば、事例２では、燃料エネルギーＱｆと外部熱エネルギーＱｅｘｔとの両方が燃焼器に加えられることにも留意されたい。燃料の化学エクセルギーのカスケード利用のために、より低いグレードＡＱｅｘｔ（０．２２）におけるＱｅｘｔの外部熱エネルギーは、より高いエネルギーレベルＡｓｙｎ（０．８３～０．９）にアップグレードされる。したがって、事例２について、そのことが燃料消費の減少をもたらして、全体効率の著しい改善が結果として得られる。

つまり、図３は、点１０４において、低いグレードの熱がより低いエネルギーレベル（ＡＱｅｘｔ＝０．２２）を有する一方で、純粋メタン燃料が点１０６において最高エネルギーレベル（Ａｆ＝約１．０）を有し、合成ガスが低下したエネルギーレベル（Ａｓｙｎ＝０．８３～０．９）を有することを示す。燃焼器１２中での任意のタイプの燃料の燃焼では、エクセルギーの損失が経験される。したがって、燃焼器１２中でメタン燃料（Ａｆ）が燃えると、点１０６から点１１０（Ａｔｈ）に降下する。しかし、燃焼器１２中で合成ガス（Ａｓｙｎ）が燃えると、点１０８から点１１０（Ａｔｈ）に降下する。こうして、点１０８から点１１０に降下するエクセルギー損失は、点１０６から点１１０へ降下するのより小さく、事例２において、合成ガスの燃焼は、使用可能なエネルギーへより効果的に変換されることを示す。

図４は、本開示にしたがったＤＲＭシステム６０を組み込んだ超臨界ＣＯ２パワーサイクル１０を含む複合パワーシステム６２を動作させるための方法２００のステップを図示するライン図である。

ステップ２０２において、ＤＲＭ反応プロセスのために、ＣＯ２を構成成分として提供することができる。下で議論されるように、ＣＯ２は、方法２００によって供給することができる。

ステップ２０４において、ＤＲＭ反応プロセスのために、燃料を構成成分として提供することができる。燃料は、天然ガスを含むことができるが、パイプラインまたは貯蔵タンクなどといった外側の供給源から供給することができる。ステップ２０２のＣＯ２は、ＤＲＭ反応プロセス中で混合するために、ステップ２０４の燃料に加えることができる。

ステップ２０６において、熱をＤＲＭ反応器６４に提供することができる。上で議論したように、この熱、たとえばＱｅｘｔは、熱源６８によって提供することができ、熱源６８は、太陽エネルギーなどの無償エネルギーまたは産業プロセスもしくはパワーシステムから採取される熱などの有償エネルギーを含むことができる。

ステップ２０８において、ステップ２０２および２０４の混合したＣＯ２および燃料、ならびにステップ２０６からの熱を組み合わせて、ＤＲＭ反応器６４中でＤＲＭプロセスを実行し、合成ガス（ＣＯおよびＨ２）ならびにメタン（未反応燃料）を生成することができる。

ステップ２１０において、ＤＲＭ反応器６４の出力、合成ガスおよびメタンが熱交換器６６中で冷却され、それによって、燃料圧縮器２８の圧縮仕事を低減する。同時に、ステップ２０２および２０４の混合したＣＯ２および燃料は、熱交換器６６中で加熱され、その後ＤＲＭ反応器６４へと渡り、それによって、ＤＲＭ反応器６４の効率的な動作を容易にすること、およびＤＲＭ反応を行うのに必要な外部の熱Ｑｅｘｔの量を低減することができる。その後、合成ガス、メタン、およびＣＯ２が、燃焼器１２に提供される。燃料圧縮器２８を使用して、燃焼させるために所望の圧力で燃焼器１２に燃料を提供することができる。

ステップ２１２において、酸素（Ｏ２）を、燃焼プロセスのため燃焼器１２に、燃料と一緒に提供することができる。酸素は、パイプラインまたは貯蔵タンクなどといった外部の供給源から供給することができる。酸素は、酸素圧縮器２６を使用して圧縮し、燃焼させるために所望の圧力で燃焼器１２に提供することができる。

ステップ２１４において、合成ガス、メタン、および酸素を燃焼器１２の中で燃やして、排気ガスを生成することができる。天然ガスだけを燃やすよりも、合成ガスとメタンとの両方の燃焼は、ＤＲＭ反応から結果として得られる燃焼器へのより大きいエネルギー入力から恩恵を受け、それによって、ｓＣＯ２パワーサイクル１０の全体効率を改善することができる。

ステップ２１６において、主にＣＯ２および蒸気を含む高圧で高温のガスを使用してタービン１４を回すことができる。タービン１４の回転を使用して、発電器（ステップ２３０参照）、圧縮器１６、および再圧縮器１８を動作させることができる。

ステップ２１８において、排気ガスが第１の復熱器を通過することができる。一例では、第１の復熱器は高温復熱器２０を備えることができる。第１の復熱器は、燃焼器１２に入るパワーサイクル１０の動作流体（たとえば、ＣＯ２）に熱を加えることができる。

ステップ２２０において、排気ガスが第２の復熱器を通過することができる。一例では、第２の復熱器は低温復熱器２２を備えることができる。第２の復熱器は、第１の（高温）復熱器２０に入るパワーサイクル１０の動作流体（たとえば、ＣＯ２）に熱を加えることができる。

復熱器２０は、「高温」と特徴づけることができる。というのは、復熱器２０を通過する排気ガスはタービン１４から直接出ており、したがって、排気ガスが復熱器２２、すなわち、「低温」復熱器に入るときより熱いためである。

ステップ２２２において、復熱器２２を離れた排気ガスの第１の部分が冷却器２４に入ることができる。冷却器２４を使用して、パワーサイクル１０の作動流体内の蒸気を水へと凝縮させることができる。

ステップ２２４において、冷却器２４を離れた排気ガスの第１の部分は圧縮器１６に入ることができる。圧縮器１６を離れた排気ガスの第１の部分は、復熱器２２に入り、その後、ステップ２１８における排気ガスの元の流れと熱的に連通されるように復熱器２０を通過することができる。復熱器２２および２０は、燃焼器１２に入る前の排気ガスの第１の部分を加熱することができる。

ステップ２２６において、復熱器２２を離れた排気ガスの第２の部分が再圧縮器１８に入ることができる。復熱器２２および再圧縮器１８を離れた排気ガスの第２の部分は、ステップ２１８における排気ガスの元の流れと熱的に連通されるように高温復熱器２０に入ることができる。復熱器２０は、燃焼器１２に入る前の排気ガスの第２の部分を加熱することができる。

ステップ２２８において、外部の用途のために、水、たとえば液体のＨ２Ｏを、排気ガスの第１の部分から抽出することができる。例示的な用途では、Ｈ２Ｏを貯蔵することができる。作動流体から水を取り除くと、ステップ２２９において純粋またはほぼ純粋なＣＯ２の抽出を可能にすることができる。

ステップ２２９において、外部の用途で使用するために、ＣＯ２を排気ガスの第１の部分から抽出することができる。外部の用途は、パワーサイクル１０の場所での別のプロセスで使用するための貯蔵、または別の場所への移送のための容器中での貯蔵を単純に含むことができる。例では、用途は、産業プロセスにおいてなど、貯蔵することのない別の用途での直接使用を含むことができる。一例では、ＣＯ２は、原油の２次回収（ＥＯＲ）プロセスで使用することができる。しかし、ＣＯ２の一部は、ステップ２０２においてＤＲＭ反応器中で使用するために方法２００に戻すことができる。

ステップ２３０において、シャフト３２を介してタービン１４を用いて発電器３０を駆動することができる。発電器３０は、たとえば電力網に提供することができる電力を発生させるために使用することができる。

本開示は、複合パワーシステム６２、たとえば、ｓＣＯ２パワーサイクル１０とＤＲＭシステム６０との組合せが、ｓＣＯ２パワーサイクルのスタンドアロン動作と比較して、著しい性能改善を達成することができることを示す。全体効率は、それぞれ、３．４％ポイント（Ｑｅｘｔの負債を考慮しない）または２．０％ポイント（Ｑｅｘｔの負債を考慮する）だけ増加することができる。

図２の性能の計算は、（ａ）１２００℃Ｔ１ｔで６４％のｓＣＯ２パワーサイクル効率、（ｂ）２０％のＤＲＭ反応器中のＣＨ４の変換率に基づく。しかし、ｓＣＯ２パワーサイクルの効率は、より高いＴ１ｔとともにさらに増加させることができる。ＤＲＭ中のＣＨ４変換率は、新しい触媒が開発されたらより高くなる可能性がある。計算結果に基づくと、７０％のｓＣＯ２パワーサイクル効率および３０％のＣＨ４変換率が仮定される場合、効率向上の値は、それぞれ、５．７％または３．６％となってよい。したがって、この新しい概念の応用についての、性能改善のさらに大きな可能性を予想することができる。

本研究は、提示されるように、典型的なｓＣＯ２パワーサイクル方式に基づく。提案した一体化の概念をすべて適用可能となるはずである、作動流体としてＣＯ２を使用する様々なパワーサイクル方式（超臨界ＣＯ２サイクルまたは亜臨界ＣＯ２サイクル）が存在することが理解される。

様々な注記および例
上の詳細な説明は、詳細な説明の一部を形成する添付図面の参照を含む。例として、図面は、本発明を実施することができる特定の実施形態を示す。これらの実施形態は、本明細書では「例」としてやはり参照される。そのような例は、示されるまたは記載されるものに加えて、要素を含むことができる。しかし、本発明者は、それらの要素だけが示される、または記載される例が提供される例をやはり意図している。さらに、本発明者は、本明細書に示されるまたは記載される特定の例（またはその１つもしくは複数の態様）に関する、または他の例（またはその１つもしくは複数の態様）に関するいずれかの、示されるまたは記載される要素（またはその１つもしくは複数の態様）の任意の組合せもしくは置換を使用する例をやはり意図している。

この文書と参照によって組み込まれる任意の文書との間で使用法が不一致な場合、この文書中の使用法が優先する。

この文書では、「ａ」または「ａｎ」という用語は、特許文書で一般的であるように、任意の他の事例または「少なくとも１つ」もしくは「１つまたは複数」という用語の使用とは無関係に、１または１以上を含むように使用される。この文書では、「または（ｏｒ）」という用語は、非排他的ｏｒのことをいうために使用され、そのため、「ＡまたはＢ」という言葉は、別段に規定されない限り、「ＡだがＢでない」、「ＢだがＡでない」、および「ＡおよびＢ」を含む。この文書では、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「そこでは（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という用語は、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「そこでは（ｗｈｅｒｅｉｎ）」というそれぞれの用語の平易な英語の等価物として使用される。また、以下の請求項では、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語はオープンエンドであり、すなわち、請求項中でそのような用語の後にリスト化されるものに加えて要素を含むシステム、デバイス、物品、組成物、調合物、またはプロセスは、依然として、その請求項の範囲内に入ると見なされる。さらに、以下の請求項では、「第１の」、「第２の」、および「第３の」などの用語は、単にラベルとして使用され、それらの対象物に数値要件を課すことは意図されない。

上の記載は、説明であることが意図され、限定を意図していない。たとえば、上で記載した例（またはその１つもしくは複数の態様）は、互いに組み合わせて使用することができる。上の記載を検討すれば、当業者などによって、他の実施形態を使用することができる。要約は、米国特許法施行規則に適合させるために設けられ、読者は、本技術開示の性質を迅速に把握できる。要約は、請求項を解釈するまたは請求項の範囲もしくは意味を限定するために使用されないとの理解とともに提出される。また、上の詳細な説明では、様々な特徴を一緒にグループ化して、本開示を簡素化する場合がある。このことは、特許請求されずに開示される特徴は任意の請求項に対して基本的であると意図するものと解釈されるべきでない。むしろ、発明の主題は、特定の開示される実施形態のすべての特徴より少ないところに位置する場合がある。こうして、以下の請求項は、ここで例または実施形態として詳細な説明へと組み込まれ、各請求項は、それ自体で別個の実施形態として成立し、そのような実施形態が様々な組合せもしくは順列で互いと組み合わせることができることが意図される。本発明の範囲は、そのような請求項が権利を与える等価物の全範囲とともに、添付される請求項を参照して決定するべきである。

１０ 超臨界ＣＯ２（ｓＣＯ２）パワーサイクル
１２ 燃焼器
１４ タービン
１６ 圧縮器
１８ 再圧縮器
２０ 高温（ＨＴ）復熱器
２２ 低温（ＬＴ）復熱器
２４ 冷却器
２６ 酸素圧縮器
２８ 燃料圧縮器
３０ 発電器
３２ シャフト
３４ ライン
３６ ライン
３８ ライン
４０Ａ 圧縮ライン
４０Ｂ 圧縮ライン
４１Ａ ライン
４２ ライン
４４ ライン
４６ ライン
４８ ライン
５０ ライン
５２ 出口
５４ 出口
６０ ＤＲＭシステム
６２ 複合パワーシステム
６４ ＤＲＭ反応器
６６ 熱交換器
６８ 熱源
７０Ａ 弁
７０Ｂ 弁
７０Ｃ 弁
７２ ライン
７４ ライン
７６ ライン
７８ ライン
８０ ライン
８２ 燃料源
８４ ライン
８６ ライン
１０２ カルノー効率曲線（ηＣ）
１０４ 点
１０６ 点
１０８ 点
１１０ 点
２００ 方法

Claims (23)

1. ガス流を発生させるために第１の入力構成成分および第２の入力構成成分を燃焼するように構成された燃焼器と、
   前記ガス流によって回転されるように構成されたタービンと、
   前記タービンからの前記ガス流の第１の部分を受けて、前記燃焼器に圧縮したガスの第１の流れを提供するように構成された圧縮器と、
   前記タービンからの前記ガス流の第２の部分を受けて、前記燃焼器に圧縮したガスの第２の流れを提供するように構成された再圧縮器と、
   前記タービンによって駆動されるように構成された発電器と、
   前記第１の入力構成成分を提供するためにメタンをドライリフォーミングするように構成されたメタンリフォーミング反応器と、
   流体的に前記メタンリフォーミング反応器と前記燃焼器との間に配置された熱交換器であって、第１の入口において燃料の入力を、および第２の入口において前記第１の入力構成成分の入力を受け取るように構成され、前記燃料と前記第１の入力構成成分とを熱的に連通させるように構成された、熱交換器と、
   を備える、超臨界ＣＯ２サイクル発電所。
2. 前記熱交換器が、前記第１の入力構成成分からの熱を前記燃料に伝達し、それによって、前記第１の入力構成成分の温度を下げ、前記燃料の温度を上げる、請求項１に記載の超臨界ＣＯ２サイクル発電所。
3. 前記超臨界ＣＯ２サイクル発電所からＣＯ２を抽出するための出口と、
   前記出口を前記熱交換器の前記第１の入口に接続するフローラインと、をさらに備える、請求項１に記載の超臨界ＣＯ２サイクル発電所。
4. 前記燃料が天然ガスを含み、前記メタンリフォーミング反応器が、ＣＯ２および天然ガスからＣＯおよびＨ２を含む前記第１の入力構成成分を生成するように構成された、請求項３に記載の超臨界ＣＯ２サイクル発電所。
5. 前記メタンリフォーミング反応器に熱を入力するように構成された熱源をさらに備える、請求項１に記載の超臨界ＣＯ２サイクル発電所。
6. 前記熱源が産業プロセスからの熱または発電所からの蒸気を含む、請求項５に記載の超臨界ＣＯ２サイクル発電所。
7. 前記ガス流と圧縮したガスの前記第１の流れとの間で熱交換するように構成された第１の復熱器と、
   前記ガス流と、圧縮したガスの前記第１の流れと圧縮したガスの前記第２の流れとの再結合と、の間で熱交換するように構成された第２の復熱器と、
   をさらに備える、請求項１に記載の超臨界ＣＯ２サイクル発電所。
8. 前記ガス流の前記第１の部分を冷却するように構成された冷却器と、
   前記冷却器の下流で前記超臨界ＣＯ２サイクル発電所から分離された水を取り除くための出口と、
   をさらに備える、請求項１に記載の超臨界ＣＯ２サイクル発電所。
9. 超臨界ＣＯ２サイクル発電所を動作させる方法であって、
   反応器中で合成ガスを生成するために燃料とＣＯ２とを反応させるステップと、
   燃焼器において燃焼プロセスを実行して排気ガスを発生させるために前記合成ガスを酸素と混合するステップと、
   前記排気ガスでタービンを回すステップと、
   前記タービンで発電器を駆動するステップと、
   加圧ガスを発生させるために圧縮器および再圧縮器を通して前記排気ガスを送るステップと、
   前記燃焼器に加熱し圧縮したＣＯ２を提供するために２段階復熱プロセスを通して前記加圧ガスを送るステップと、
   を含む、方法。
10. 前記排気ガスからのＣＯ２の一部を前記反応器にリサイクルするステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記燃焼器の前に、前記合成ガスと前記燃料との間で熱交換するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記燃料が前記合成ガスによって加熱される、請求項１１に記載の方法。
13. 外部供給源から前記反応器に熱を加えるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記外部供給源が産業プロセスからの熱または発電所からの蒸気を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記２段階復熱プロセスが、
    前記排気ガスと前記加圧ガスの一部との間で熱交換するように構成された第１の復熱器と、
    前記排気ガスと前記加圧ガスすべてとの間で熱交換するように構成された第２の復熱器と、
    を含む、請求項９に記載の方法。
16. 前記燃焼器への燃料入力により前記反応器をバイパスするステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
17. 前記超臨界ＣＯ２サイクル発電所からの前記排気ガスからＣＯ２の一部を取り除くステップと、
    前記超臨界ＣＯ２サイクル発電所からの水の分離のために前記排気ガスからの水分を凝縮するステップと、
    をさらに含む、請求項９に記載の方法。
18. 超臨界ＣＯ２サイクル発電所を動作させる方法であって、
    タービンを回すために超臨界ＣＯ２パワーサイクルを動作させるステップと、
    前記タービンで発電器を駆動するステップと、
    前記超臨界ＣＯ２パワーサイクルからＣＯ２副生成物を抽出するステップと、
    メタンのドライリフォーミング（ＤＲＭ）反応器中で合成ガスを生成するために燃料と前記ＣＯ２副生成物の一部とを反応させるステップと、
    前記超臨界ＣＯ２パワーサイクルのために燃焼プロセスを実行するため前記合成ガスを酸素と混合するステップと、
    を含む、方法。
19. 前記燃焼プロセスの前に、前記合成ガスと前記燃料との間で熱交換するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記合成ガスから前記燃料に熱が交換され、それによって、前記合成ガスの温度を下げ、前記燃料の温度を上げる、請求項１９に記載の方法。
21. 外部供給源から前記メタンのドライリフォーミング（ＤＲＭ）反応器に熱を加えるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
22. ＣＯ２を含むガス流を生成するように構成された超臨界ＣＯ２パワーサイクルと、
    前記ガス流によって回転されるように構成されたタービンと、
    前記タービンによって駆動されるように構成された発電器と、
    前記超臨界ＣＯ２パワーサイクルの燃焼プロセスに合成ガスを提供するために、前記ガス流からのＣＯ２を使用してメタンをドライリフォーミングするように構成されたメタンリフォーミング反応器と、
    を備え、
    前記燃焼プロセスの前に、前記合成ガスと前記メタンとの間で熱交換することをさらに含む、超臨界ＣＯ_２サイクル発電所。
23. 外部供給源から前記メタンリフォーミング反応器に熱を加えることをさらに含む、請求項２２に記載の発電所。

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