KR101976439B1 - 하이브리드 화석 연료 및 태양열 가열된 초임계의 이산화탄소 전력 생산 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연소 발전을 태양열 가열과 결합시키는 통합된 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 제공한다. 상세하게는, 이산화탄소 작동 유체를 활용하는 폐쇄 사이클 연소 시스템은 이산화탄소 작동 유체의 일부를 연소기를 통과시키기 이전에 태양열 히터로 통과시킴에 의해 효율이 증가될 수 있다.
Description
본 발명은 태양열 가열 시스템 및 방법과 화석 연료 연소 발전 시스템 및 방법의 통합에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 상기 통합 시스템은 상기 연소 전력 생산 시스템 및 방법에서 재순환 CO2 흐름의 연소 가열을 보충하도록 태양열 가열을 활용하며, 이에 따라 향상된 효율들을 구현할 수 있다.
집중형 태양열 발전(CSP) 시스템들은 통상적으로 태양광의 큰 면적으로부터(예를 들면, 일광 반사(heliostats)의 필드로부터) 태양 에너지를 집광된 광이 높은 열로 전환되는 상대적으로 작은 수시신기 내에 집중시키도록 구성된다. 상기 열은 이후에 전기 발전기에 연결되는 터빈을 위한 증기를 생성하도록 물을 가열하는 것과 같이 전력을 생산하는 종래의 수단들 내에 활용될 수 있다. 이러한 알려진 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템들은 다양한 결점들로 어려움이 있다. 예를 들면, 많은 기존의 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템들은 태양이 있는 시간들의 수와 국지적인 기후 조건들에 의해 제한되는 가장 바람직한 태양광 조건들 하에서만 최대 전력에 가깝게 생산할 수 있다. 이와 같이, 기존의 집중형 태양열 발전 시스템들은 전력이 필요한 시간의 일부에서만 전력을 생산한다. 또한, 집중형 태양열 발전 시스템들이 통상적으로 통합된 열역학적 전력 생산 사이클(예를 들면, 증기 사이클)을 위한 열원(heat source)으로서만 기능하기 때문에, 상기 집중형 태양열 발전 시스템들의 효율들은 이용되는 상기 열역학적 사이클에 의해 상당히 제한될 수 있다. 이들 한계들의 최종적인 결과는 상기 알려진 집중형 태양열 발전 시스템들에 의해 발생되는 태양 전기가 열원으로서 화석 연료를 연소시키는 종래의 시스템들에 의해 생성되는 전기에 대하여 증가된 비용으로 전력망들에 대한 제한된 출력을 구현하였던 점이다.
집중형 태양열 발전 시스템의 효율은 통상적으로 온도 의존적이다. 집중된 태양 광선들로부터 야기되는 온도가 증가함에 따라, 다른 유형들의 전환이 활용되어 왔다. 예를 들면, 약 600℃까지의 온도에서, 증기 터빈과 같은 표준 기술들이 약 40% 범위 내의 효율들로 이용되어 왔다. 600℃ 보다 높은 온도에서, 가스 터빈들이 몇 포인트의 퍼센티지가 높은 효율들로 이용될 수 있다. 보다 높은 온도들은 다른 물질들과 기술들이 요구되기 때문에 문제점들을 나타내어 왔다. 매우 높은 온도들을 위한 하나의 제안은 다단계 터빈 시스템들로의 연소에서 약 700℃ 내지 800℃의 온도들에서 작동하는 액체 불화물 염들을 사용하는 것이며, 이는 50% 범의 내의 열 효율들을 구현하는 것으로 주장되어 왔다. 보다 높은 동작 온도들은 이들이 장치가 보다 열 배출들 위해 높은 온도의 건조 열 교환기들을 사용하게 하고 물의 사용을 감소시킬 수 있기 때문에 유리한 것으로 조망되어 왔으며, 이는 큰 태양열 발전소들이 실용적일 수 있는 영역들, 예를 들면 사막 환경들에서 중요해질 수 있다.
고온 시스템들의 전망에도 불구하고, 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템들을 구현하기 위한 이전의 시도들은 제한적인 성공만을 제공하였으며, 집중형 태양열 발전을 메인스트림(mainstream) 내로 통합시키는 경제적이고 장기간의 수단들을 구현하지 못하였다. 태양 출력이 낮거나 없는 시간들 동안에 집중형 태양열 발전 기술 전력 생산의 기본적임 결함을 극복하려는 시도들조차도 상업적으로 실행 가능한 기술을 구현하지 못하였다. 예를 들면, 에너지 저장 기술들은 전력 생산을 확장시킬 수 있지만, 이들 방법들은 제한된 용량(예를 들면, 증기 축압기들)을 제시하며 비용이 들거나 및/또는 기술적인 난점(예를 들면, 용융 염(molten salt) 탱크들)을 가지는 것으로 판명되었다. 태양열 히터 내에 활용되는 작동 유체에 대한 보충적인 가열을 제공하도록 천연 가스를 사용하는 다른 방안들이 시도되었다. 예를 들면, 미국 특허 제6,739,136호를 참조하기 바란다. 그러나, 현재까지 이러한 알려진 보충적인 가열 시스템은 앞서 언급한 기본적인 태양 열 전환 공정의 제한된 효율을 극복하는 데 실패하였다. 이에 따라, 전력 생산에 태양열 가열을 활용하기 위한 효율적이고 비용적인 측면에서 효과적인 시스템 및 방법에 대한 요구가 해당 기술 분야에 남아 있다. 보다 상세하게는, 전력망 내로의 지속적으로 도입을 위해 적합한 전력을 제공하는 이러한 시스템들 및 방법에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 향상된 효율들을 구현할 수 있는 태양열 가열 시스템 및 방법과 화석 연료 연소 발전 시스템 및 방법의 통합을 제공한다.
본 발명은 양 시스템들과 관련되는 효율들을 향상시킬 수 있고 비용을 감소시킬 수 있는 방식으로 시스템들의 통합을 제공한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 전력을 생산하는 시스템 및 방법과 태양열 가열 시스템 및 방법의 통합을 제공한다. 구체적으로는, 상기 통합된 시스템 및 방법은 전력 사이클을 위한 보충적이거나 선택적인 열원으로서 상기 태양열 가열 시스템을 활용함에 의해 상기 전력을 생산하는 시스템 및 방법 내의 연소 사이클(combustion cycle)의 효율을 증가시킬 수 있다. 이와 유사하게, 상기 통합된 시스템 및 방법은 통합된 태양열 가열이 없는 동일한 전력 생산 시스템의 효율에 비하여 증가되는 효율을 나타낼 수 있다. 이와 같이, 상기 통합된 시스템 및 방법은 서로로부터 독립적으로 동작할 수 있고, 선택적으로(순환적으로와 같이) 동작할 수 있거나, 작동 유체(working fluid)가 가열되고, 전력 생산을 위해 팽창되며, 냉각되고, 선택적으로 정제되며, 압축되고, 재가열되는 상기 시스템을 통해 재순환되는 상기 작동 유체를 가열하도록 동시에 동작할 수 있는 복수의 히터들을 포함할 수 있다.
본 발명의 통합된 시스템들 및 방법들은 재순환 작동 유체를 포함하고, 상기 전력을 생산하는 시스템 내에 이용되는 가열의 적어도 일부를 제공하도록 태양열 가열과의 통합에 용이한 임의의 적합한 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 활용할 수 있다. 폐쇄 연소 사이클(closed combustion cycle) 내에서 주로 이산화탄소(CO2)를 사용하는 전력 생산을 위한 시스템들 및 방법들이 그 사항들이 전체적으로 여기에 참조로 포함되는 미국 공개 특허 제2011/0179799호에 기재되어 있으며, 다양한 실시예들에서, 개시된 상기 전력을 생산하는 시스템들 및 방법들의 하나 또는 그 이상의 구성 요소들이나 조건들이 본 발명의 전력을 생산하는 시스템들 및 방법들에 포함될 수 있다. 상기 연소 사이클은 CO2 작동 유체 스트림(working fluid stream)(통상적으로 상기 폐쇄 사이클을 통해 적어도 부분적으로 재순환된다)의 존재에서 산소 내에서 연료의 연소에서 형성되는 연소 생성물들의 혼합물을 팽창시키는 저압비의 터빈을 이용할 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 전술한 바와 같이 CO2 순환은 연료 소스(fuel source)로서 천연 가스, 석탄, 또는 다른 탄소질 물질들을 사용하는 전력 생산에 이용될 수 있다. 뜨거운 터빈 배출은 절감형 열 교환기(economizer heat exchanger) 내에서 재순환 CO2 작동 유체 스트림을 적어도 부분적으로 예열하는 데 사용될 수 있다. 상기 재순환 CO2 작동 유체 스트림은 또한 연소를 위해 산소를 제공하는 데 사용되는 O2 생산 장치로부터의 연소 에너지로부터 유래되는 열과 같은 이차 열원을 이용하여 가열될 수 있다. 연료 및 연소로부터 생성된 불순물들(예를 들면, 황 화합물들, CO2, H2O, 재(ash), Hg 등)은 대기 방출 없이 처리를 위하여 분리될 수 있다. 상기 시스템은 고압의 CO2 재순환 스트림(즉, 상기 작동 유체로서 재순환되는) 및 고압의 CO2 생성물 스트림(즉, 상기 연소 사이클 내로 재순환되지 않고, 향상된 원유 회수(oil recovery) 또는 지중 저장(sequestration)과 같은 이용을 위해 포집될 수 있는 과잉의 CO2)을 생성시킬 수 있다. 이는 다단계 압축 시스템이 될 수 있는 압축 시스템 내에서 상기 절감형 열 교환기로부터의 냉각된 터빈 배출 흐름을 압축시킴에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명은 연소기나 태양광 집광기(solar concentrator) 사이에 작동 유체의 가열을 순환시킬 수 있거나, 재순환 작동 유체를 가열하기 위해 연소 및 태양열 가열 모두의 열을 동시에 활용할 수 있는 고효율의 전력을 생산하는 시스템들 구현하도록 폐쇄 전력 생산 시스템 및 방법을 집중형 태양열 발전(CSP)(또는 다른 태양열 가열) 시스템 및 방법과 통합시키는 능력을 제공한다. 이러한 통합은, 예를 들면, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 또는 70% 이상까지의 최대로 가능한 탄소 포집을 갖는 폐쇄 CO2 사이클 전력 생산 공정의 효율을 향상시킬 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 본 발명은 전력을 생산하는 방법들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 전력을 생산하는 방법은 CO2 재순환 스트림을 형성하고 결합된 연소 생성물 스트림을 생성하도록 산소 및 CO2의 존재에서 일차 연소기 내에서 탄소질 연료를 연소시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 전력을 발생시키고 초임계의 CO2를 포함하는 터빈 배출 흐름을 형성하도록 상기 결합된 연소 생성물 스트림을 터빈을 통과시키는 단계, 상기 초임계의 CO2를 기체 CO2를 포함하는 스트림으로 전환시키도록 상기 초임계의 CO2를 포함하는 터빈 배출 흐름을 연소 생성물 열 교환기를 통과시키는 단계, 상기 기체 CO2를 선택적으로 정제하는 단계, 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 CO2 스트림을 가압하는 단계, 재가열된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 재순환 CO2 스트림을 다시 상기 연소 생성물 열 교환기를 통과시키는 단계, 상기 재가열된 재순환 CO2 스트림을 태양열 히터를 통과시키는 단계, 그리고 상기 재순환 CO2 스트림을 연소기로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 재가열된 재순환 CO2 스트림을 플로우 밸브(flow valve)를 통과시키는 단계를 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 재가열된 재순환 CO2 스트림이 상기 연소기로 통과되는 제1 부분 및 상기 태양열 히터로 통과되는 제2 부분으로 나누어질 수 있거나, 이에 따라 상기 재가열된 재순환 CO2 스트림이 상기 연소기로의 통과 또는 상기 태양열 히터로의 통과 사이에서 교대로 될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 상기 방법은 상기 재가열된 재순환 CO2 스트림을 일차 연소기로 통과시키기 이전에 상기 태양열 히터로부터의 스트림을 보충적인 연소기 히터를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전력을 생산하는 방법은, 상기 CO2를 함유하는 스트림을 팽창시키고, 전력을 발생시키며, CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 CO2를 함유하는 스트림을 일차 연소기로부터 터빈을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 터빈 배출 스트림으로부터 CO2를 태양열 히터로 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 방법은 상기 CO2를 상기 태양열 히터로부터 상기 일차 연소기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 추가적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은 상기 일차 연소기로의 통과 이전에 상기 CO2를 상기 태양열 히터로부터 연소 히터로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 냉각된 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 CO2를 포함하는 상기 터빈 배출 스트림을 열 교환기 내에서 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 후에, 상기 방법은 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터 건조된 CO2를 포함하는 스트림을 형성하도록 상기 냉각된 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 물 분리기(water separator) 내에서 정제하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 터빈 배출 스트림으로부터의 건조된 CO2는 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 형성하도록 가압될 수 있고, 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림은 상기 태양열 히터로 가열되기 이전에 상기 열 교환기 내에서 가열될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 전력을 생산하는 방법은, CO2를 함유하는 스트림을 팽창시키고, 전력을 생성하며, CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 상기 CO2를 함유하는 스트림을 일차 연소기로부터 터빈을 통과시키는 단계; 냉각된 터빈 배출 스트림을 형성하도록 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 열 교환기 내에서 냉각시키는 단계; 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 형성하도록 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터 CO2를 가압하는 단계; 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 상기 열 교환기 내에서 가열하는 단계; 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림 태양열 히터로 가열하는 단계; 그리고 상기 가압되고 태양열 가열된 CO2를 함유하는 스트림을 상기 일차 연소기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 터빈으로 들어가는 상기 CO2를 함유하는 스트림은 약 150bar(15MPa) 또는 그 이상의 압력에 있을 수 있으며, 약 500℃ 또는 그 이상의 온도에 있을 수 있다. 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 압력에 대한 상기 터빈으로 들어가는 상기 CO2를 함유하는 스트림의 압력의 비율은 약 12 또는 그 이하가 될 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, 상기 CO2를 함유하는 스트림을 가압하는 단계는 상기 스트림을 복수의 펌핑 단계들을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 CO2를 함유하는 스트림은 두 펌핑 단계들 사이에서 냉각될 수 있다. 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림의 일부는 상기 가압하는 단계 후에 및 상기 태양열 히터로 통과되기 이전에 보충적인 열로 가열될 수 있다. 예를 들면, 상기 보충적인 열은 공기 분리 장치로부터의 압축열을 포함할 수 있다. 상기 가압되고 태양열 가열된 CO2를 함유하는 스트림은 상기 1차 연소기 내로의 통과 이전에 상기 태양열 히터로부터 연소 히터를 통해 통과될 수 있다.
상기 방법은 상기 터빈을 통과한 상기 가압되고 태양열 가열된 CO2를 함유하는 스트림이 하나 또는 그 이상의 연소 생성물들을 더 포함하도록 산소 및 상기 CO2를 함유하는 스트림의 존재에서 상기 일차 연소기 내에서 탄소질 연료를 연소시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 CO2로부터 상기 연소 생성물의 하나 또는 그 이상을 분리하도록 상기 냉각된 터빈 배출 스트림을 상기 열 교환기로부터 분리기(separator)를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 탄소질 연료는 상세하게는 액체 또는 기체가 될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 탄소질 연료는 부분적으로 산화된 연소 생성물들의 스트림을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 방법은 O2 및 CO2의 존재에서 부분 산화 연소기 내에서 고체 연료를 연소시키는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 고체 연료, O2 및 CO2는 불연성 성분, CO2 그리고 H2, CO, CH4, H2S 및 NH3의 하나 또는 그 이상을 포함하는 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림을 생성하도록 상기 고체 연료가 부분적으로만 산화되게 하는 비율들로 제공될 수 있다. 상기 고체 연료, O2 및 CO2는 상세하게는 상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림의 온도가 상기 스트림 내의 모든 불연성 성분들이 고체 입자들의 형태라 되도록 충분하게 낮은 비율들로 제공될 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림을 하나 또는 그 이상의 필터들을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 고체 연료는 특히 석탄, 갈탄 또는 석유 코크스를 포함할 수 있다. 또한, 상기 고체 연료는 미립자의 형태가 될 수 있고, CO2와 함께 슬러리(slurry)가 될 수 있다.
원하는 경우, 상기 일차 연소기로 제공되는 상기 탄소질 연료 및 산소의 양은 상기 일차 연소기 내의 연소열이 상기 태양열 히터를 통과하는 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 가열하기 위해 상기 태양열 히터로부터 사용 가능한 열에 역비례하게 관련되도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 상ㄱ 태양열 히터로부터 사용 가능한 열의 양은 단일 태양 사이클(solar cycle)에 대해 10% 이상으로 변화될 수 있다. 이와 같이, 상기 연소기로 제공되는 탄소질 연료 및 산소의 양은 상기 터빈으로 통과되는 상기 CO2를 함유하는 스트림의 온도가 상기 단일 태양 사이클에 대해 10% 이하로 변화될 수 있도록 조절될 수 있다.
본 발명의 방법들은 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 다양한 다른 스트림들로 분리시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 상기 방법들은 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림의 제1 부분이 상기 태양열 히터로 계속되고 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림이 상기 태양열 히터를 먼저 통과차지 않고 상기 일차 연소기로 통과하도록 상기 열 교환기를 나오는 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 상기 태양열 히터 내로 통과시키기 이전에 분리시키는 단계를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 태양열 히터는 상기 CO2를 함유하는 스트림을 약 500℃ 또는 그 이상의 온도까지 가열할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 태양열 히터는 상기 CO2를 함유하는 스트림에 의해 가열될 수 있다.
본 발명은 또한 전력을 생산하는 시스템들을 제공한다. 일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 전력을 생산하는 시스템은 다음을 포함할 수 있다: 태양열 히터; 상기 태양열 히터와 유체 연통되는 일차 연소기; 상기 일차 연소기와 유체 연통되는 전력을 생산하는 터빈; 상기 전력을 생산하는 터빈 및 상기 태양열 히터와 유체 연통되는 열 교환기; 그리고 상기 열 교환기와 유체 연통되는 적어도 하나의 압축기. 상기 시스템은 상기 태양열 히터 및 상기 일차 연소기 사이에 위치하고 유체 연통되는 연소 히터를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 상기 열 교환기 및 상기 적어도 하나의 압축기 사이에 위치하고 유체 연통되는 분리기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 공기 분리 장치를 포함할 수 있다. 이러한 공기 분리 장치는 특히 단열 메인(adiabatic main) 압축기 및 부스터(booster) 압축기를 포함하는 극저온 공기 분리 장치가 될 수 있다. 상기 시스템 내에 사용되는 열 교환기는 일련의 둘 또는 그 이상의 열 교환 유닛들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 시스템은 상기 일차 연소기의 유입구와 유체 연통되는 유출구를 갖는 부분 산화 연소기를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 부분 산화 연소기의 유출구와 상기 일차 연소기의 유입구 사이에 위치하고 유체 연통되는 필터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 시스템은 상기 열 교환기의 고온 단부 유출구의 하류에 위치하고 유체 연통되는 스플리터(splitter)를 포함할 수 있고, 상기 스플리터는 상기 부분 산화 연소기와 유체 연통되는 제1 유출구 및 상기 태양열 히터와 유체 연통되는 제2 유출구를 가진다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 시스템은 상기 열 교환기의 고운 단부 유출구위 하류에 위치하고 유체 연통되는 스플리터를 포함할 수 있으며, 상기 스플리터는 상기 일차 연소기와 유체 연통되는 제1 유출구 및 상기 태양열 히터와 유체 연통되는 제2 유출구를 가진다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 시스템은 상기 열 교환기의 고온 단부 유출구의 하류에 위치하고 유체 연통되는 플로우 밸브를 포함할 수 있고, 상기 플로우 밸브는 상기 일차 연소기와 유체 연통되는 제1 유출구 및 상기 태양열 히터와 유체 연통되는 제2 유출구를 가지며, 상기 플로우 밸브는 상기 태양열 히터와 상기 일차 연소기 사이에 흐름을 교대시키도록 적용된다.
본 발명에 따른 전력 생산 방법들은 특히 상기 전력 생산의 전체적인 효율과 관련하여 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 상기 전력 생산은 적어도 60%의 저위 발열량(lower heating value) 상의 전체적인 효율로 구현될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 효율은 적어도 65%가 될 수 있다. 이에 따라, 개시된 시스템들 및 방법들은 탄소 포집 및 저장(carbon capture and storage; CCS)과 함께 전력 생산을 위한 요구를 충족시킨다. 종래의 전력을 생산하는 시스템들로 탄소 포집 및 저장(CCS)을 구현하는 것이 어렵거나 및/또는 비용 측면에서 효과적지 않은 것으로 입증되었던 반면, 폐쇄 사이클 연소를 활용하는 본 발명에서 개시되는 방법들은 높은 효율을 구현할 수 있고 탄소 포집 및 저장(CCS)을 위한 요구들을 만족시키며, 모두 비용 효율이 높은 방식으로 구현될 수 있다.
도 1은 태양열 히터가 연소기 및 터빈과 통합되는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 2는 일차 연소기 및 태양열 히터를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 3은 부분 산화 연소기가 일차 연소기에 추가적으로 포함되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 4는 태양열 히터 및 일차 연소기 사이에 재순환 CO2 스트림을 나누도록 스플리터가 포함되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 5는 재순환 CO2 스트림을 태양열 히터, 부분 산화 연소기 및 일차 연소기로 통과되는 세 스트림들로 나누도록 스플리터가 포함되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 6은 재순환 CO2 스트림을 태양열 히터 및 일차 연소기 사이에 교대시키도록 2위치 플로우 밸브가 포함되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 7은 태양열 히터와 연소기 흐름 사이에서 재순환 CO2 스트림을 교대시켜 결과적으로 부분 산화 연소기와 일차 연소기 사이에서 나누어지도록 2위치 플로우 밸브가 포함되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 8은 예시적인 단일 태양 사이클 동안에 본 발명의 특정 실시예들에 따른 시스템의 다양한 가열 구성 요소들에 의해 제공되는 상대적인 가열을 나타내는 태양 사이클 가열 도표이다.
도 2는 일차 연소기 및 태양열 히터를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 3은 부분 산화 연소기가 일차 연소기에 추가적으로 포함되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 4는 태양열 히터 및 일차 연소기 사이에 재순환 CO2 스트림을 나누도록 스플리터가 포함되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 5는 재순환 CO2 스트림을 태양열 히터, 부분 산화 연소기 및 일차 연소기로 통과되는 세 스트림들로 나누도록 스플리터가 포함되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 6은 재순환 CO2 스트림을 태양열 히터 및 일차 연소기 사이에 교대시키도록 2위치 플로우 밸브가 포함되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 7은 태양열 히터와 연소기 흐름 사이에서 재순환 CO2 스트림을 교대시켜 결과적으로 부분 산화 연소기와 일차 연소기 사이에서 나누어지도록 2위치 플로우 밸브가 포함되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 8은 예시적인 단일 태양 사이클 동안에 본 발명의 특정 실시예들에 따른 시스템의 다양한 가열 구성 요소들에 의해 제공되는 상대적인 가열을 나타내는 태양 사이클 가열 도표이다.
이하, 다양한 실시예들을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이들 실시예들은 본 발명이 완전하고 철저하게 이해되도록 본 발명의 개시 사항을 제공하려는 것이며, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전히 전달하려는 것이다. 실제로, 본 발명은 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 기재되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예들은 해당되는 법률적인 요구 사항들을 충족시키도록 제공되는 것이다. 본 명세서에서 및 첨부된 특허 청구 범위에서 사용되는 바와 같이, "하나", "일", "상기" 등의 단수적인 표현들은 본문에서 명확하게 다르게 표시하지 않는 한 복수의 표현들도 포함한다.
이미 전술한 바와 같이, 미국 공개 특허 제2011/0179799호에는 이산화탄소(CO2) 사이클이 활용되는 전력 생산 시스템들 및 방법들이 기재되어 있다. 일부 실시예들에 있어서, CO2 순환 유체는 탄소질 연료(천연 가스(NG), 석탄, 합성 가스, 바이오매스(biomass) 등과 같은)와 공기 또는 산소(O2)와 같은 산화제와 함께 고온 및 고압의 조건들을 위해 적합한 연소기(combustor) 내에 제공될 수 있다. 이러한 시스템들 및 방법들은 높은 온도들(예를 들면, 약 500℃ 또는 그 이상, 약 750℃ 또는 그 이상, 약 1,000℃ 또는 그 이상, 혹은 약 1,200℃ 또는 그 이상)에서 동작하는 연소기를 포함할 수 있고, 상기 순환 유체의 존재는 상기 연소기를 나가는 유체 스트림(fluid stream)의 온도를 완화시키는 기능을 수행할 수 있으므로, 상기 유체 스트림이 전력 생산을 위한 에너지 전달에 활용될 수 있게 된다. 높은 온도들 및 높은 압력들에서와 높은 재순환 CO2 농도들을 갖는 반응 공정의 특성은 우수한 공정 효율과 반응 속도들을 제공할 수 있다. 연소 생성물 스트림은 전력을 생산하도록 적어도 하나의 터빈(turbine)을 거쳐 팽창될 수 있다. 팽창된 가스 스트림은 이후에 연소 부산물들 및/또는 불순물들을 제거하도록 냉각될 수 있으며, 상기 팽창된 기체 스트림으로부터 회수되는 열은 상기 연소기로 다시 재순환되는 상기 CO2 순환 유체를 가열하는 데 이용될 수 있다.
상기 냉각된 상태에서, 상기 연소 스트림은 연소를 위한 물질들과 함께 상기 연소기로 다시 재순환을 위해 본질적으로 순수한 CO2 스트림을 제공하도록 물 및 다른 오염물들의 제거를 위해 처리될 수 있다. 정제된 CO2 스트림은 통상적으로 가스 상태에 있으며, CO2가 초임계 상태가 되도록 상기 스트림들에 필수적인 조건들을 수행하는 것이 유리하다. 예를 들면, 상기 연소 스트림이 전력 생산을 위하여 터빈을 통해 팽창되고, 냉각되며, 본질적으로 순수한 CO2(예를 들면, 적어도 95질량%의 CO2, 적어도 97질량%의 CO2, 또는 적어도 99질량%의 CO2)를 포함하도록 정제된 후, 결과물인 재순환 CO2 스트림은 약 80bar(8MPa)까지와 같이 그 압력이 증가되도록 압축될 수 있다. 이차 압축 단계가 상기 압력을 대략적으로 상기 연소기 내의 압력, 예를 들면, 약 200bar(20MPa), 약 250bar(25MPa), 또는 약 300bar(30MPa)까지 증가시키는 데 이용될 수 있다. 상기 압축 단계들 사이에서, 상기 CO2 스트림은 상기 스트림을 보다 높은 압력까지 펌프하는 데 요구되는 에너지 유입을 감소시키기 위하여 상기 스트림의 밀도를 증가시키도록 냉각될 수 있다. 최종적으로 가압된 재순환 CO2 스트림은 이후에 더 가열될 수 있고 상기 연소기로 다시 유입될 수 있다.
비록 상술한 전력을 생산하는 시스템 및 방법이 종래의 전력 생산 시스템들 및 방법들에 대해 증가된 효율을 제공하지만(그리고 동시에 생성된 탄소의 포집을 수행하지만), 본 발명의 시스템들 및 방법들은 집중형 태양열 발전(concentrated solar power; CSP) 시스템과의 결합을 통해 사이클 효율을 보다 증가시킬 수 있다. 상기 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템은 상기 연소 사이클 내에 상기 연소기를 이용하는 것에 대한 선택적인 방안으로서 충분한 태양광을 이용할 수 있는 시간들 동안에 상기 재순환 CO2 스트림의 가열을 제공할 수 있거나, 상기 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템은 상기 연소 사이클 내의 상기 연소기의 연료 요구 사항들을 감소시키도록 상기 재순환 CO2 스트림의 보충적인 가열을 제공할 수 있다.
본 발명에 따라 유용한 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템은 여기서 설명하는 바와 같이 전력을 생산하는 시스템 내의 작동 유체(working fluid)를 위한 필수적인 가열을 제공하도록 태양 에너지를 집광시키도록 적용된 임의의 태양열 수집기(solar thermal collector)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 고온의 태양 에너지 수집기가 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 태양 에너지를 집광하기 위해 활용될 수 있는 태양 에너지 수집 시스템의 제한적이지 않은 예들은 파라볼릭 트로프(parabolic trough)이며, 여기서 일련의 굴곡지고 거울화된 트로프들이 상기 트로프의 길이로 연장되고 반사기들의 초점에 위치하는 유체를 함유하는 수집기 튜브(수신기, 흡수기 또는 수집기로도 호칭되는) 상으로 직달 태양 복사를 반사시는 데 사용될 수 있다. 상기 트로프는 하나의 축을 따라 포물선형이고 직교하는 축으로는 선형이다. 상기 트로프는 태양 복사 수집을 최대화하도록 매일 및/또는 계절별로 위치적으로 조절될 수 있다. 흡수기 유체는 중앙 히터로 흐를 수 있다. 파워 타워들(power towers)(중앙 타워 발전소들 또는 태양광 반사 발전소들로도 알려진)은 다른 예이며, 집광된 태양광을 수신기 상으로 포커스하도록 태양광 반사 필드를 활용할 수 있으며, 이는 통상적으로 상기 필드의 중앙 내의 타워 상단에 놓인다. 이러한 시스템들에 있어서, 상기 태양광 반사 장치들은 태양 에너지를 타워 상의 열 수집기로 포커스하도록 수직 어레이(예를 들면, 접시 또는 포물선 구성) 내에 위치할 수 있다. 프레넬 반사기들(fresnel reflectors)은 본 발명에 따라 이용될 수 있는 유용한 태양광을 집광하는 기술의 또 다른 예이다.
본 발명의 특정한 실시예들에 있어서, 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템은 태양광 집광기(solar concentrator) 및 태양열 히터(solar heater)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 상기 태양광 집광기는 태양 복사를 모으고 집광하기 위해 앞서 기술한 바와 같이 태양광 반사 장치들, 거울들, 렌즈들 또는 이와 유사한 것들을 포함할 수 있다. 상기 태양열 히터는 수집되고 집광된 태양 복사로부터 열을 전달하거나 열을 일로 전환시키도록 적용되는 하나 또는 그 이상의 구성 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 태양열 히터는 열이 저장되는 히트 싱크(heat sink)를 포함할 수 있으며, 이로부터 열이 이를 통과할 수 있는 CO2를 함유하는 스트림과 같은 다른 물질이나 유체로 전달될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 태양열 히터는 태양 사이클(solar cycle) 작동 유체(예를 들면, CO2를 함유하는 스트림, 용융 염(molten salt) 유체 또는 이와 유사한 것)를 포함할 수 있다. 이러한 작동 유체는 가열을 위해 전술한 바와 같이 수집기 튜브를 통과할 수 있거나, 상기 수집되고 집광된 태양 복사에 의한 가열을 위해 상기 태양열 히터 내에(예를 들면, 파워 타워 내에)만 존재할 수 있다. 상기 태양열 히터는 이에 따라 상기 태양 순환 작동 유체로부터 열을 CO2를 함유하는 스트림과 같은 다른 물질이나 유체로 전달하는 데 유용한 열전달 구성 요소들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 태양열 히터라는 용어는 이를 통과하는 상기 태양 순환 작동 유체를 가지며, 열 교환 관계로 이를 통한 상기 CO2를 함유하는 스트림(일 예로)의 통과를 위해 적용되는 별개의 유닛을 포괄할 수 있다. 상기 태양열 히터라는 용어는 또한 보다 포괄적인 시스템을 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 태양 사이클 작동 유체는 열 수집 부분으로부터 열 전달 부분으로 통과될 수 있고, 여기서 열이 상기 태양 순환 작동 유체로부터 이미 전술한 바와 같이 다른 물질이나 유체로 통과될 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 전력을 생산하는 방법들은 CO2를 함유하는 스트림을 팽창시키고, 전력을 발생시키며, CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 상기 CO2를 함유하는 스트림을 일차 연소기로부터 터빈을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림은 냉각된 터빈 배출 스트림을 형성하도록 열 교환기 내에서 냉각될 수 있다. 상기 방법은 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 형성하도록 상기 냉각된 터빈 배출 흐름으로부터 CO2를 가압하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이러한 스트림은 상기 열 교환기 내에서 가열될 수 있다. 상기 재가열되고 가압된 CO2를 함유하는 스트림은 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 상기 태양열 히터를 통과시키는 것과 같이 태양열 히터로 더 가열될 수 있거나, 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림 및 태양열 가열 사이클 작동 유체(예를 들면, 용융 염 유체 또는 별도의 CO2 스트림) 사이의 열 교환을 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 가압되고 태양열 가열된 CO2를 함유하는 스트림을 상기 일차 연소기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전력을 생산하는 시스템은 도 1의 도면에 예시되어 있다. 여기서 알 수 있는 바와 같이, 상기 시스템은 일반적으로 결과적으로 터빈(20)과 유체 연통되는 일차 연소기(10)와 유체 연통되는 태양열 히터(90)를 포함한다. 사용 시에, 기체 연료 스트림(7)(또는 여기에 더 논의되는 바와 같은 다른 연료 형태)은 산소 스트림(5) 및 CO2를 함유하는 스트림(92)과 함께 상기 일차 연소기로 도입된다. 상기 연료는 폐쇄 시스템(closed system)을 통해 재순환될 수 있는 작동 유체로서 존재하는 상기 CO2와 함께 상기 일차 연소기 내에서 산소로 연소될 수 있다. CO2를 포함하는 연소기 출구 스트림(12) 및 가압되는 연소의 임의의 생성물들은 상기 터빈으로 통과될 수 있고, 여기서 상기 연소 생성물 스트림이 전력을 발생시키고 터빈 배출 스트림(22)을 형성하도록 팽창된다. 상기 터빈 배출 스트림의 성질에 따라, 이는 예를 들면, 물 및/또는 과잉의 CO2로 존재할 수 있는 연소 생성물들을 제거하는 바와 같이 더 처리될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 시스템은 여기사 달리 기술하는 바와 같이 다양한 다른 구성 요소들을 포함할 수 있다. 상기 더 처리된 터빈 배출 스트림으로부터의 상기 CO2는 CO2 재순환 스트림(34)으로서 상기 태양열 히터(90)로 유입될 수 있다. 상기 태양열 히터 출구 스트림(92)은 이에 따라 상기 재순환 작동 유체로서 CO2를 상기 연소기도 다시 안내할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 연소기(10)는 정점의 태양열 가열 생성의 시간들 동안에 완전히 정지될 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 태양열 히터 출구 스트림(92)의 열은 상기 연소기로부터의 연소열을 위한 필요성을 충분하게 없도록 만들 수 있다. 이와 같이, 상기 순환하는 스트림들은 충분히 불순물들이 없을 수 있으며, 계속적인 사이클이 연소 생성물들의 냉각 및 제거의 필요 없이 수행될 수 있다. 따라서, 상기 터빈 배출 스트림(22)은 상기 태양열 히터(90)로 직접 통과될 수 있으며, 이에 따라 상기 CO2 재순환 스트림이 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림은 상기 CO2 재순환 스트림으로서 상기 태양열 히터로의 통과 이전에 상기 터빈 배출 스트림을 가압하도록 하나 또는 그 이상의 펌프들 및/또는 압축기들(예를 들면, 도 2 참조)을 통과할 수 있다.
비록 상기 연소기(10)가 정점의 태양 가열 생산 동안에 원하는 경우에 정지될 수 있지만, 모든 구성 요소들을 갖는 상기 통합된 시스템을 연속 동작으로 동작시키는 것이 유리할 수 있다. 상기 태양광 집광 시스템에 의해 제공되는 가열은 단일 태양 사이클을 거쳐 변화될 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 단일 태양 사이클은 단일의 24시간 일을 의미하도록 의도되며, 이는, 예를 들면, 한밤중부터 한밤중까지 또는 정오부터 정오까지 임의의 시점으로부터 측정될 수 있다. 태양광이 있는 시간 동안에, 태양열 가열이 이용될 수 있을 것이며, 통상적으로 일출부터 정점의 태양광 조사 시간들까지 증가될 수 있을 것이고, 이후에 일몰이 다가옴에 따라 감소될 것이다. 상기 태양열 히터의 성질과 태양열 저장의 이용 가능성에 따라, 상기 태양열 히터에 의해 생성되는 열은 단일 태양 사이클에 대해 증가되거나 감소될 것이다. 이와 같이, 상기 태양열 히터로부터 이용할 수 있는 상기 열의 양은 단일 태양 사이클에 대해 5% 또는 그 이상, 10% 또는 그 이상, 20% 또는 그 이상, 30% 또는 그 이상, 혹은 50% 또는 그 이상과 같이 변화될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 태양열 히터로부터 이용 가능한 양의 열은 단일 태양 사이클에 대해 5% 내지 75%, 10% 내지 70%, 또는 15% 내지 60%로 변화될 수 있다. 그러나, 본 발명에서 개시되는 통합된 시스템의 연속적인 동작을 통해 일정한 터빈 유입구 온도가 유지될 수 있다.
정점의 태양 에너지 이용 가능의 시한 동안에, 태양 복사는 상기 태양열 히터 내에서 상기 시스템을 통해 상기 터빈까지 순환되는 상기 CO2를 위해 필수적인 열의 100%까지 집중될 수 있다. 이용 가능한 태양 에너지가 감소됨에 따라, 상기 연소기에 대한 연료 및 산소 투입의 양이 원하는 터빈 유입구 온도를 유지하는 필요에 따라 증가될 수 있다. 사용 가능한 태양 에너지가 불충분한 기간들 동안, 필요할 경우, 상기 시스템은 연소 연료만으로 동작할 수 있다. 본 발명의 시스템들 및 방법들은 또한 피크 부하(load) 기간들 동안에 상기 연소 연료의 사용을 가능하게 하며, 조건들이 보장될 경우에는 태양광만으로 또는 주로 태양광을 기반으로 하는 부하 운전으로 돌아갈 수 있다. 상기 연소기에 의해 제공되는 연소 연료 및 산소의 양은 상기 일차 연소기 내의 연소열이 이를 통과하는 상기 CO2를 함유하는 스트림을 가열하기 위해 상기 태양열 히터로부터 이용 가능한 열과 역비례로(inversely) 관련되도록 조절될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이는 상기 터빈 내로 들어가는 지점에서 본질적으로 일정한 온도를 유지하는 점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 연소기에 의해 제공되는 탄소질 연료 및 산소의 양은 상기 터빈으로 통과되는 상기 CO2를 함유하는 스트립의 온도가 단일 태양 사이클에 대해 2% 이하로 변화될 수 있도록 조절될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈으로 통과되는 상기 CO2를 함유하는 스트림의 온도는 단일 태양 사이클에 대해 5% 이하, 10% 이하, 또는 15% 이하로 변화될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈으로 통과되는 상기 CO2를 함유하는 스트림의 온도는 단일 태양 사이클에 대해 약 2% 내지 약 15%, 약 3% 내지 약 12%, 또는 약 5% 내지 약 10%로 변화될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 시스템의 동작은 몇 가지 이유들로 유리할 수 있다. 예를 들면, 이는 상기 태양열 히터와 상기 일차 연소기 사이의 복합한 전환 사이클이 회피될 수 있는 동작 방법에 단순함을 부여할 수 있다. 또한, 상기 연소 시스템 및 방법의 효율이 상당히 증가될 수 있다. 예를 들면, 전체 에너지 출력의 약 25%가 태양 에너지(예를 들면, 하루 당 태양광의 6 정점의 시간들)로부터 유래되고, 상기 연소 사이클이 약 50%의 독립적인 효율(천연 가스 연료 기반)을 가지는 통합된 시스템에 있어서, 천연 가스 연료를 사용하는 통합된 시스템의 주어진 24시간 주기를 위한 평균 효율은 약 66%가 될 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법의 특정한 실시예들이 도 2에 제공되는 흐름도에 예시된다. 이러한 도면과 관련하여, 기체 연료 스트림(3)은 상기 일차 연소기(10)로 안내되는 가압된 기체 연료 스트림(7)을 형성하도록 펌프(7) 내에서 펌핑된다. 하나의 예에 있어서, 상기 기체 연료는 천연 가스일 수 있지만, 합성 가스와 같은 다른 기체 연료들이 사용될 수 있다. 또한, 액체 연료들이 사용될 수 있다. 도 2에 의해 포괄되는 실시예들에 있어서, 공기 분리 장치(110)로부터 산소 스트림(5)도 상기 연소기 내로 안내된다. 상기 공기 분리 장치는 공기 소스(1)로부터 정제된 산소를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 산소 스트림은 약 95몰% 또는 그 이상, 약 97몰% 또는 그 이상, 혹은 약 99몰% 또는 그 이상의 순도로 산소를 포함할 수 있다. 상기 연소기 내에서, CO2 재순환 스트림의 존재에서 연소기 출구 스트림(12)을 형성하도록 산소와 함께 연소되는 상기 연료는, 이러한 실시예에서는, 상기 CO2 작동 유체 및 물 및/또는 CO2와 같은 임의의 연소 생성물들을 포함한다.
상기 1차 연소기는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 분출 냉각 연소기(transpiration cooled combustor)를 포함하는 요구되는 온도와 압력에서 연소를 위해 적합한 임의의 연소기가 될 수 있다. 상기 연소기로 통과되는 CO2 재순환 스트림은 약 150bar(15MPa) 또는 그 이상, 약 200bar(20MPa) 또는 그 이상, 약 250bar(25MPa) 또는 그 이상, 혹은 약 300bar(30MPa) 또는 그 이상의 압력에서 제공될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력은 약 150bar(15MPa) 내지 약 400bar(40MPa), 약 200bar(20MPa) 내지 약 380bar(38MPa), 또는 약 250bar(25MPa) 내지 약 350bar(35MPa)가 될 수 있다. 상기 1차 연소기 내에서의 연소는, 예를 들면, of 약 500℃ 또는 그 이상, 약 600℃ 또는 그 이상, 혹은 약 700℃ 또는 그 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 연소가 약 500℃ 내지 약 1,800℃, 약 550℃ 내지 약 1,600℃, 또는 약 600℃ 내지 약 1,200℃의 온도에서 수행될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 여기서 달리 설명하는 바와 같이 심지어는 다른 온도 범위들이 이용될 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 연소기 출구 스트림(12) 내의 CO2는 초임계 상태에 있을 수 있다.
상기 CO2를 포함하는 연소기 출구 스트림은 발전기(25)를 통해 전력을 생성하는 전력을 생산하는 터빈(20) 내로 통과된다. 상기 전력 생산 방법은 상기 터빈에 걸치는 압력 비율에 의해 특징지어질 수 있다. 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림(상기 터빈을 떠나는)의 압력에 대한 상기 연소기 출구 스트림(상기 터빈으로 들어가는)의 압력의 비율은 약 12 또는 그 이하, 약 10 또는 그 이하, 혹은 약 8 또는 그 이하가 될 수 있다. 또한, 상기 압력 비율은 약 4 내지 약 12, 약 5 내지 약 10, 또는 약 6 내지 약 10이 될 수 있다.
상기 터빈(20)을 떠나는 상기 터빈 배출 스트림(22)은 그 온도를 감소시키도록 열 교환기(30)를 통한 통과에 의해 냉각될 수 있다. 이는 특히 상기 터빈 배출 스트림으로부터 임의의 불순물들(예를 들면, 연소 생성물들)의 분리를 가능하게 하는 데 유용할 수 있다. 상기 열 교환기(일부 실시예들에서 연소 생성물 열 교환기로 특징지어질 수 있는)는, 일부 실시예들에서, 다단계 열 교환기 또는 일련의 둘 혹은 그 이상의, 바람직하게는 세 개의 직렬 열 교환 유닛들이 될 수 있다. 이러한 직렬연결에 있어서, 제1 직렬 열 교환 유닛(고온 단부부터 냉 단부까지 통과하는)은 높고 폭넓은 온도 범위에 걸쳐, 예를 들면, 상기 터빈 유출구 온도부터 약 150℃ 내지 약 200℃의 범위의 온도까지 열을 전달할 수 있다. 제2 직렬 열 교환 유닛은 중간의 보다 좁은 온도 범위에 걸쳐, 예를 들면, 상기 제1 직렬 열 교환 유닛의 출구 온도부터 약 80℃ 내지 약 140℃의 범위의 온도까지 열을 전달할 수 있다. 제3 직렬 열 교환 유닛은 낮은 온도 범위에 걸쳐, 예를 들면, 약 20℃ 내지 약 75℃의 범위의 온도에서 열을 전달할 수 있다. 이러한 범위들은 마찬가지로 상기 직렬연결 내에서 각 열 교환 유닛의 냉 단부(cold end)로부터 고온 단부(hot end)까지 통과되는 유체들에 적용될 수 있다. 이러한 직렬연결은 상기 직렬 열 교환 유닛들의 냉 단부로부터 상기 직렬 열 교환 유닛들의 고온 단부까지 통과하는 상기 CO2 재순환 스트림의 추가된 가열이 원하는 지점에서 유입될 수 있는 점에서 유익하다. 예를 들면, 상기 제3 직렬 열 교환 유닛을 나오고 상기 제2 직렬 열 교환 유닛으로 들어가는 스트림이 나누어질 수 있고, 하나의 부분이 상기 제2 직렬 열 교환 유닛으로 들어갈 수 있는 반면, 다른 부분은 공기 분리 장치로부터 포집되는 압축열과 같은 외부 열원으로부터 가열될 수 있다. 보다 높게 가열된 부분은 이후에 상기 제2 직렬 열 교환 유닛을 나오고 상기 제1 직렬 열 교환 유닛으로 들어가는 상기 스트림에 합류될 수 있다. 이러한 추가된 열은 상기 CO2 재순환 스트림의 온도를 상기 터빈 배출 스트림의 온도에 대한 바람직한 한계 값 내로 가져오게 하는 데 유리할 수 있다. 상세하게는, 상기 CO2 재순환 스트림은 상기 터빈 배출 스트림의 온도의 50℃ 또는 그 이하, 40℃ 또는 그 이하, 혹은 30℃ 또는 그 이하 이내로 가열될 수 있다.
상기 열 교환기(30)를 떠나는 상기 냉각된 터빈 배출 스트림(32)은 바람직하게는 기체 상태의 CO2를 포함할 수 있고 저온의 냉각기(40)(예를 들면, 물 냉각기)를 통과할 수 있으며, 이는 주위 온도 부근까지 상기 터빈 배출 스트림을 냉각시키는 데 유용할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 저온 냉각기는 상기 기체 CO2 스트림을 약 50℃ 또는 그 이하, 약 40℃ 또는 그 이하, 혹은 약 30℃ 또는 그 이하의 온도까지 냉각시킬 수 있다. 상기 시스템의 이러한 구성 요소는 특히 선택적이 될 수 있다. 저온의 출력 스트림(42)은 예시한 실시예에서는 특히 물 분리기(water separator)인 분리기(50) 내로 통과될 수 있다. 따라서, 물 스트림(54)이 그로부터 회수될 수 있으며, 건조된 CO2 스트림(52)이 상기 분리기를 나오고 하나 또는 그 이상의 펌프들이나 압축기들을 통과할 수 있다.
예시한 바와 같이, 상기 건조된 CO2 스트림(52)은 펌프(60)를 통과할 수 있고, 이는 상기 건조된 CO2 스트림의 압력을 상기 CO2가 초임계의 상태에 있기에 충분한 압력까지 증가시키는 데 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 압력은 약 75bar(7.5MPa) 또는 그 이상 혹은 약 80bar(8MPa) 또는 그 이상까지 증가될 수 있다. 결과적인 펌프 방출 CO2 스트림(62)은 치밀화하는 냉각기(70) 내에서 더 냉각될 수 있으며, 이는 상기 초임계의 CO2의 밀도를 상기 연소기(10)로 재순환을 위해 유용한 압력까지 상기 CO2 스트림을 압축하기 위한 에너지 요구까지 감소시키는 데 특히 유용할 수 있다. 상기 스트림은 특히 약 200㎏/㎥ 또는 그 이상, 약 400㎏/㎥ 또는 그 이상, 약 600㎏/㎥ 또는 그 이상, 혹은 약 800㎏/㎥ 또는 그 이상의 압력까지 치밀화될 수 있다. 압축 강화기(densifier) 냉각기 방출 CO2 스트림(72)은 이후에 상기 연소기에의 투입을 위해 상기 CO2 재순환 스트림과 관련하여 바람직하게는 전술한 범위 내에 있는 범위까지 그 압력을 증가시키도록 압축기(80)를 통과할 수 있다. 상기 압축된 CO2 방출 스트림(82)은 나누어질 수 있거나, 전체적으로 상기 연소 사이클로 돌아갈 수 있다. 유익하게는, 원하는 경우, 임의의 과잉 CO2(예를 들면, 연소로부터 야기되는 CO2)가 고압의 CO2 파이프라인 스트림(84)으로서, 즉 파이프라인에의 투입을 위해 적합한 조건들 하에서 회수될 수 있다. 상기 회수된 CO2의 임의의 원하는 사용(예를 들면, 향상된 원유 회수, 지중 격리 등)은 본 발명에 포괄된다.
상기 압축된 CO2 방출 스트림(재순환 부분)(86)은 상기 CO2를 함유하는 스트림을 상기 터빈 방출 스트림의 온도에 또는 부근의 온도까지 가열하도록 상기 열 교환기(30)를 다시 통과할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 열 교환기를 나오는 상기 재순환 CO2 스트림의 온도는 상기 터빈 방출 스트림의 온도와 단지 약 50℃ 또는 그 이하로 다를 수 있다. 원하는 경우, 추가적인 가열이 상기 열 교환기를 통과하기 전이나 통과하는 동안에 상기 CO2를 함유하는 스트림에 투입될 수 있다. 예를 들면, 상기 공기 분리 유닛(110) 내의 단열 압축으로부터 유래되는 열이 상기 CO2를 함유하는 스트림에 추가될 수 있다. 예시한 바와 같이, 고온의 열 전달 스트림(112)은 상기 공기 분리 장치로부터 상기 열 교환 유닛으로(예를 들면, 상기 열 교환기 내로 통과되는 스트림에 또는 다단계 열 교환기 내의 하나 또는 그 이상의 열 교환 유닛들로) 통과될 수 있으며, 저온의 열 전달 스트림(114)이 상기 열 교환기로부터 상기 공기 분리 장치로 다시 통과될 수 있다.
상기 열 교환기(30)를 떠나는 스트림은 CO2 재순환 스트림으로 특징지어질 수 있다. 이와 같이, 상기 CO2 재순환 스트림(34)은 상기 연소기(10)에의 투입을 위해 적합한 압력 및/또는 온도에 있을 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 상기 CO2 재순환 스트림은 단일 유닛이 될 수 있거나 이미 전술한 바와 같이 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템의 구성 요소가 될 수 있는 태양열 히터(90)로 먼저 통과된다. 예시한 바와 같이, 태양 에너지 광선들(222)은 태양광 집광기(220)로부터 반사되고, 집중된 태양 복사(224)는 상기 태양열 히터 내에 수집된다. 상기 태양열 히터를 통과하는 상기 CO2 재순환 스트림은 상기 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템의 상태에 따라 변화될 수 있거나 변화되지 않을 수 있다. 예시한 바와 같이, 유체 스트림은 상기 집중형 시스템으로부터 직접적으로 열을 회수하도록 상기 태양열 히터를 직접 통과한다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 작동 유체 스트림(즉, 상기 재순환 CO2 스트림)은 이차 작동 유체(예를 들면, 태양 사이클 작동 유체)와 열 교환 관계로 접촉될 수 있다. 이러한 이차 작동 유체는 가열을 위해 알려진 태양열 수집기들과 관련하여 상술한 바와 같이 상기 태양광 집광기 시스템을 통해 순환될 수 있다. 예를 들면, 용융 염(molten salt) 작동 유체가 상기 태양광 집광기 시스템 내에 포함될 수 있고, 상기 태양열 히터로 들어가는 상기 재순환 CO2 스트림은 상기 용융 염 작동 유체로부터 열을 받을 수 있다.
상술한 바와 같이, 충분한 태양열 수집의 기간들 동안에, 상기 태양열 가열기는 온도로 가열될 수 있고 이를 통과하는 상기 CO2 재순환 스트림이 상기 온도로 증가된다. 보다 적은 태양광 수집의 시간들에서, 상기 태양열 히터는 상기 열 교환기를 떠나는 상기 CO2 재순환 스트림과 본질적으로 동일한 온도에 있을 수 있으며, 상기 CO2 재순환 스트림은 가열되지도 냉각되지도 않을 수 있다. 태양열 수집이 적거나 없는 시간들에서, 상기 태양열 히터는 이를 통한 상기 CO2 재순환 스트림의 통과에 의해 온도가 증가될 수 있다. 이는 상기 태양열 히터가 본질적으로 일정한 온도, 예를 들면, 상기 태양열 히터의 피크 가열 온도의 약 5% 이내, 약 10% 이내, 약 20% 이내, 또는 약 30% 이내에서 유지될 수 있는 점에서 유리할 수 있다. 알려진 태양광을 집광하는 시스템들에 있어서, 상기 수신기는 통상적으로 매 태양 사이클 동안에 매우 뜨거운 상태로부터 아주 차가운 상태로 순환된다. 이러한 열 순환은 상기 수신기에 대해 설계상의 난점을 제시하며, 상기 수신기(즉, 상기 태양열 히터)가 매일 매일의 열적 스트레스들의 강화로 인해 고장이 일어나거나 성능을 제한하는 온도 내로 그 설계를 제한할 것을 요구한다. 상기 시스템 동작 온도에서 또는 부근에서 CO2 스트림이 일정하게 상기 흡수기를 흐르는 본 발명의 언급된 실시예들에 있어서, 매일의 온도 순환이 회피될 수 있다. 상기 태양열 히터는 이에 따라 보다 신뢰성이 있으며, 보다 높은 효율들을 가능하게 하는 보다 높은 온도들을 위해 구성될 수 있다.
상기 재순환 CO2를 포함하는 태양열 히터 출구 스트림(92)은, 일부 시간들에서, 상기 일차 연소기(10)를 위하여 요구되는 유입 온도 아래에 있는 온도가 될 수 있다. 이에 따라, 일부 실시예들에서, 연소 히터들(100)이 상기 태양열 히터의 출력과 상기 일차 연소기의 입력 사이에 위치할 수 있다. 상기 연소기 히터는, 상기 CO2 재순환 유체의 온도를 증가시키는 데 필요한 저위 가열(low level heating)을 제공하도록, 예를 들면, 상기 가스 연료 스트림(7) 또는 별도의 연료 스트림의 부분을 연소시킬 수 있다. 상기 연소기 히터 출구 스트림(102)은 이에 따라 상기 일차 연소기로의 투입을 위해 요구되는 온도에 있을 수 있고, 상기 일차 연소기 내로 직접 통과될 수 있다. 인식할 수 있는 바와 같이, 상기 연소 히터는 선택적일 수 있으며, 존재할 때에는 상기 태양열 히터가 요구되는 온도 한계 값 아래에 있을 때인 정점이 지난 태양 에너지 시한들 동안에만 연소될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 통합된 시스템은 접을 수 있는 열 차폐(heat shield)(200)를 포함할 수 있다. 상기 열 차폐는 상기 태양광 집광기(220)가 상기 태양열 히터를 위해 요구되는 높은 온도를 유지하기에 불충분한 가열을 제공하는 동안에 상기 태양열 히터(90)로부터의 열 손실에 저항하도록 정점을 벗어난 태양 에너지 기간들 동안 배치될 수 있다. 상기 열 차폐는 상기 태양열 가열기로부터의 복사 손실에 저항하거나 및/또는 반사 가열, 즉 상기 태양열 히터로 돌아가는 반사 복사 손실들을 제공하기 위해 유용한 임의의 물질을 포함할 수 있다. 상기 열 차폐는 접을 수 있으므로, 정점의 태양 에너지 시한들 동안에 모든 이용 가능한 태양 복사가 열 용량을 최대화시키도록 상기 태양열 가열기로 안내될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법은 또한 상기 태양열 히터로부터 열 입력을 최대화시키도록 열 저장을 포괄할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 태양열 히터 및 관련되는 집중형 시스템은 상기 전력을 생산하는 시스템 및 방법을 위해 요구되는 전체 열의 일부만을 제공할 수 있다. 이에 따라, 필요한 최소한의 요구되는 가열을 위해 상기 일차 연소기 내로의 연소 연료의 일정한 최소의 흐름을 지하는 것이 유용할 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에 있어서, 상기 태양열 히터 및 이의 연관되는 집중형 시스템은 상기 전체적인 전력을 생산하는 시스템 및 방법의 동작 조건들을 위해 필요한 바를 넘는 과잉의 가열을 제공할 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 개시된 시스템 및 방법은 가열된 CO2 비축이나 가열된 용융 염 비축과 같은 하나 또는 그 이상의 열 저장 구성 요소들을 포함할 수 있다. 상기 비축된 열(예를 들면, CO2 저장 탱크 또는 용융 염 저장 탱크 내의)은 이후에 상기 일차 연소기로부터의 가열을 더 보충하고 정점의 태양열 가열 시한들 동안에 상기 태양열 히터에 의해 생성되는 과잉의 열을 보존하도록 정점이 아닌 태양열 가열 시한들 동안에 인출된 수 있다. 미국 남서부에서의 약 2,063kWh/㎡의 방사율에 기초하는 계산은, 예를 들면, 본 발명의 특정 실시예들에 따른 시스템이 정점의 태양열 가열 시한들에서 100%의 태양열로부터 유래되는 가열로 동작할 수 있고, 상기 시스템에 대한 전체 태양 열 유입은 상기 시스템 용량의 대략 32.9%가 될 수 있는 점을 보여주었다.
비록 본 발명이 기체 또는 액체 연료를 활용하는 것으로 도 2와 관련하여 논의되지만, 상기 통합된 시스템 및 방법은 또한 석탄, 갈탄(lignite), 바이오매스(biomass), 폐기물 및 석유 코크스(petroleum coke)와 같은 고체 연료들을 활용할 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 일차 연소기 내에서 연소될 수 있는 가연성 생성물들의 출력 스트림을 제공하는 상기 고체 연료를 위한 예비 연소기(pre-combustor)를 포함하는 것이 유용할 수 있다. 예시적인 실시예들이 도 3에 도시되어 있으며, 여기서 산소 스트림(5)이 나누어질 수 있고, 부분 산화(POX) 산소 스트림(354)이 가압되고 미립자화된 연료 슬러리(slurry)(332)와 함께 부분 산화(POX) 연소기(360)로 투입될 수 있다. 상기 슬러리를 제조하기 위하여, 고체 연료 스트림(305)(예를 들면, 석탄)이 미립자화된 고체 연료 스트림(312)을 제공하도록 분쇄기(mill)(310) 내에서 분쇄되며, 이는 발전기(321)에 의해 동작하는 혼합기(320) 내에서 슬러리가된다. 상기 미립자화된 고체 연료는 상기 압축기(80)를 통한 가압 이전에 상기 압축 강화기 냉각기 방출 CO2 스트림으로부터 회수되는 CO2 슬러리 부분(74)과 결합되며, 이는 바람직하게는 이지점에서는 초임계이고 저압의 슬러리(322)를 형성하도록 상기 미립자화된 고체 연료와 결합되며, 이는 이후에 상기 부분 산화(POX) 연소기에 대한 투입으로서 상기 가압되고 미립자화된 연료 슬러리(332)를 형성하도록 슬러리 펌프(330)를 통과한다. 또한, 상기 부분 산화(POX) 연소기에 대한 투입은 CO2 재순환 스트림 부분 산화(POX) 부분(38)이며, 이는 스플리터(splitter)(35)를 거치는 바와 같이 상기 CO2 재순환 스트림(34)으로부터 취해진다. 또한, 상기 스플리터를 나오는 것은 상기 CO2 재순환 스트림 태영열 히터 부분(36)이다.
상기 부분 산화(POX) 연소기 내의 연소는 다양한 성분들을 포함할 수 있는 부분 산화(POX) 연소 스트림(362)을 제공한다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 고체 연료, O2 및 CO2는 상기 고체 연료의 부분 산화가 불연성(incombustible) 성분, CO2 그리고 H2, CO, CH4, H2S 및 NH3의 하나 또는 그 이상을 포함하는 연소 스트림을 야기하는 비율들로 제공될 수 있다. 상기 부분 산화(POX) 연소 스트림은 재(ash)와 같은 임의의 불연성 성분들을 제거하도록 필터(370)를 통과할 수 있다. 결과물인 여과된 POX 연소 스트림(374)은 연소 연료로서 상기 일차 연소기(10)로 안내될 수 있고, 본질적으로 기체 및/또는 액체 연료 물질들만을 포함할 수 있다. 여과된 미립자 스트림(372)은 처리를 위해 상기 필터로부터 회수될 수 있다.
상술한 개시 사항들과 결합하여, 도 3에 의해 포괄되는 실시예들은 본질적으로 도 2와 관련하여 달리 논의된 시스템 구성 요소들을 포함하며, 이의 사용을 위한 방법들은 도 2와 관련하여 기술된 방식으로 수행될 수 있다. 특히, 상기 연소기 출구 스트림(12)은 상기 터빈(20)에 걸쳐 팽창될 수 있다. 상기 터빈 배출 스트림(22)은 상기 열 교환기(30)를 통해 냉각될 수 있다. 상기 냉각된 터빈 배출 스트림은 원하는 경우에 저온의 냉각기(40) 내에서 더 냉각될 수 있고, 상기 저온의 출력 스트림(42)은 불순물 스트림(54)으로 분리기(separator)(50) 내에서 이로부터 분리되는 임의의 물 및 다른 불순물들을 포함할 수 있다. 상기 건조된 CO2 스트림(52)은 펌프(60) 내에서 가압될 수 있고, 상기 펌프 방출 CO2 스트림(62)은 치밀화하는 냉각기(70) 내에서 냉각되고 치밀화될 수 있다. 상기 압축 강화기 냉각기 방출 CO2 스트림은 전술한 바와 같이 상기 혼합기로 안내되는 부분(74) 및 상기 압축기(80) 내에서 압축되는 남아 있는 부분(72)으로 나누어질 수 있다. 상기 압축된 CO2 방출 스트림은 나누어질 수 있다. 상기 압축된 CO2 방출 스트림(재순환 부분)(86)은 상기 열 교환기로 다시 통과될 수 있고, 압축된 CO2 방출 스트림(필터 부분)(88)은 상기 필터(370)로 다시 통과될 수 있다. 파이프라인을 위한 임의의 남아 있는 고압의 CO2는 앞서 논의된 바와 같이 회수될 수 있다. 상기 열 교환기의 고온 단부를 나오는 상기 CO2 재순환 스트림(34)은 앞서 기술한 바와 같이 도 3과 관련하여 이미 논의된 바와 같이 상기 시스템을 통해 진행되는 각각의 부분들로 나누어질 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 CO2 재순환 스트림(34)은 상기 일차 연소기(10) 내로의 통과 이전에 상기 태양열 히터(90) 및 상기 선택적인 연소기 히터(100)를 통과하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 도 3에서와 같이, 상기 CO2 재순환 스트림은 선택적으로 나누어질 수 있다. 상기 CO2 스트림은 도 3에서 상기 부분 산화(POX) 연소기로 투입을 위해 나누어질 수 있지만, 이러한 분할(splitting)은 CO2 흐름을 상기 시스템의 다른 구성 요소들로 안내하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 열 교환기(30)의 고온 단부를 떠나는 상기 CO2 재순환 스트림은 두 출구 스트림들을 형성하도록 연소 재순환 CO2 스플리터(135)를 통과할 수 있다. CO2 재순환 태양열 히터 분할 스트림(136)은 상기 태양열 히터(90)를 통해 안내될 수 있고, CO2 재순환 일차 연소기 분할 스트림(137)은 상기 일차 연소기(10)로 직접 통과될 수 있다. 상기 연소 재순환 CO2 스플리터는, 예를 들면, 들어가는 CO2 재순환 스트림의 고정된 분리 비율을 가질 수 있거나, 상기 들어가는 CO2 재순환 스트림의 변동 분리를 가질 수 있는 단순한 플로우 스플리터(flow splitter)가 될 수 있다. 고정된 분리는 질량 유량을 기준으로 10:90의 일차 연소기 흐름에 대한 태양열 히터 흐름부터 90:10의 일차 연소기 흐름에 대한 태양열 히터 흐름까지의 범위가 될 수 있다. 다른 고정된 비율의 분리들(일차 연소기 흐름에 대한 태양열 가열기 흐름)은 질량 유량(mass flow) 기준으로 20:80 내지 80:20, 30:70 내지 70:30, 또는 40:60 내지 60:40이 될 수 있다. 변동 분리가 이용되는 실시예들에 있어서, 상기 태양열 히터 및 상기 일차 연소기에 대한 유량들은 상기 태양열 히터의 열을 생성하는 상태에 근거하여 변화될 수 있다. 예를 들면, 정점의 태양열 가열 기간들 동안에, 유량의 50% 또는 그 이상, 75% 또는 그 이상, 80% 또는 그 이상, 혹은 90% 또는 그 이상이 상기 태양열 히터로 안내될 수 있다. 보다 낮은 태양열 가열의 기간들 동안에, 상기 질량 유량의 대부분(예를 들면, 앞서 언급한 동일한 질량 유량 비율들)은 상기 일차 연소기로 안내될 수 있다. 가변 플로우 밸브의 자동화된 제어도 포함될 수 있다. 상세하게는, 상기 태양열 히터로부터의 열 출력은 계속적으로 또는 간헐적으로 모니터될 수 있으며, 소정의 CO2 흐름 계획에 대해 비교될 수 있다. 상기 연소 재순환 CO2 스플리터를 통한 CO2의 질량 유량은 상기 태양열 히터로부터의 열 출력이 증가함에 따라 자동적으로 조절될 수 있고 태양 사이클을 통해 감소될 수 있다. 예를 들면, 상기 태양열 히터로부터 사용 가능한 열이 증가함에 따라, 상기 CO2 질량 유량의 퍼센티지는 상기 CO2 재순환 태양열 히터 분할에 대해 자동적으로 비례하여 증가될 수 있고, 상기 CO2 재순환 일차 연소기 분할에 대해 자동적으로 비례하여 감소될 수 있다. 상기 태양열 히터로부터 사용 가능한 열이 증가함에 따라, 상기 CO2 질량 유량의 퍼센티지는 상기 CO2 재순환 태양열 히터 분할에 대해 자동적으로 비례하여 감소될 수 있으며, 상기 CO2 재순환 일차 연소기 분할에 대해 자동적으로 비례하여 증가될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 시스템들은 상기 태양열 히터로부터의 사용 가능한 열을 측정하도록 적용되고 필요에 따라 상기 CO2 재순환 스트림의 태양열 히터 흐름 및 일차 연소기 흐름을 조절하도록 플로우 밸브들을 개방하고 폐쇄하도록 적용되는 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터화된 제어 요소들을 포함할 수 있다.
상기 CO2 재순환 스트림의 유사한 분할이 고체 연료와 부분 산화 연소기가 사용되는 실시예들에 제공될 수 있다. 도 5에 있어서, 예를 들면, 도 3과 관련하여 논의한 경우와 실질적으로 유사한 시스템이 도시된다. 도 5의 실시예는 상기 스플리터(35)가 재배치되고 상기 CO2 재순환 스트림(34)을 세 개의 분리된 스트림들로 나누도록 구성되는 점에서 다르다. 상기 CO2 재순환 스트림 부분 산화(POX) 부분(38)은 다시 상기 부분 산화(POX) 연소기(360)로 직접 통과된다. CO2 재순환 스트림 태양열 히터 부분(36)은 마찬가지로 다시 상기 태양열 히터(90)로 직접 통과된다. 나누어진 CO2 재순환 일차 연소기 부분(37)은 이제 상기 일차 연소기(10)로 직접 제공될 수 있다. 도 5와 관련되는 바와 같이, 도 5의 스플리터는 고정된 비율 분리 또는 가변 비율 분리를 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 스플리터를 통한 상기 CO2 재순환 스트림 흐름의 대부분(질량 유량 기준으로)은 상기 세 스트림들의 하나로 안내될 수 있다. 달리 말하면, 상기 스플리터를 통한 상기 CO2 재순환 스트림 흐름의 대부분(질량 유량 기준으로)이 상기 부분 산화(POX) 연소기로 안내될 수 있거나, 상기 스플리터를 통한 상기 CO2 재순환 스트림 흐름의 대부분(질량 유량 기준으로)이 상기 태양열 히터로 안내될 수 있거나, 상기 스플리터를 통한 상기 CO2 재순환 스트림 흐름의 대부분(질량 유량 기준으로)이 상기 일차 연소기로 안내될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 원하는 경우, 상기 CO2 재순환 스트림(34)은 전체가 상기 태양열 히터(90) 또는 상기 일차 연소기(10)에 선택적으로 안내될 수 있다. 예를 들면, 도 6에 예시한 바와 같이, 2위치 플로우 밸브(two position flow valve)(235)가 상기 CO2 재순환 스트림의 라인 내에 위치할 수 있다. 상기 플로우 밸브는 상기 CO2 재순환 스트림의 100%가 CO2 재순환 태양열 히터 루프(236) 내에서 상기 태양열 히터(90)로 통과되도록 상기 태양열 히터 위치에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 상기 CO2 재순환 스트림 무도가 상기 태양열 히터 내에서 가열되도록 정점의 태양열 가열 시간들 동안에 사용될 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 연소기 히터는 특히 상기 태양열 히터 출구 스트림(92)의 추가적인 가열이 없는 점이 필요할 것임에 따라 생략될 수 있으며, 상기 태양열 히터 출구 스트림은 이후에 상기 일차 연소기로 직접 진행될 수 있다. 상기 플로우 밸브는 선택적으로는 상기 CO2 재순환 스트림의 100%가 CO2 재순환 일차 연소기 루프(237) 내에서 상기 일차 연소기(10)로 통과되도록 상기 일차 연소기 위치에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 불충분한 가열이 상기 태양열 히터 내에 제공될 때에 상기 CO2 재순환 스트림을 상기 일차 연소기로의 진입을 위해 필요한 온도까지 가열하도록 정점을 지난 태양열 가열 시간들 동안에 사용될 수 있다. 상기 CO2 재순환 스트림의 전체가 이후에 상기 일차 연소기 내에서 필요한 온도까지 가열될 수 있다.
2위치 프로우 밸브의 이용은 또한 고체 연료가 상기 일차 연소기 내의 부분 산화 생성물들의 연소 이전에 부분 산화(POX) 연소기 내에서 연소되는 실시예들에 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 7에 도시한 바와 같이, 2위치 플로우 밸브(235)는 상기 CO2 재순환 스트림(34)의 라인 내에 위치한다. 상기 플로우 밸브는 상기 CO2 재순환 스트림의 100%가 CO2 재순환 태양열 히터 루프(236) 내에서 상기 태양열 히터(90)로 통과되도록 상기 태양열 히터 위치에 위치할 수 있다. 이러한 구성은 상기 CO2 재순환 스트림의 모두가 상기 태양열 히터 내에서 가열되도록 정점의 태양열 가열 시간들 동안에 이용될 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 연소 히터는 특히 상기 태양열 히터 출구 스트림(92)의 추가적인 가열이 없는 점이 요구될 것에 따라 배치되지 않을 수 있으며, 상기 태양열 히터 출구 스트림은 이후에 상기 일차 연소기로 직접 진행될 수 있다. 상기 플로우 밸브는 선택적으로는 상기 CO2 재순환 스트림의 100%가 CO2 재순환 결합 연소기들 루프(239) 내에서 두 연소기들로 통과되도록 상기 결합된 연소기들 위치에 배치될 수 있다. 이러한 루프는 구체적으로는 연소 재순환 CO2 스필리터(135) 내에서 나누어질 수 있고, 여기서 상기 재순환 CO2의 일부는 상기 CO2 재순환 스트림 부분 산화(POX) 부분(38) 내에서 상기 부분 산화(POX) 연소기(360)로 통과될 수 있으며, 상기 재순환 CO2의 일부는 상기 CO2 재순환 일차 연소기 부분(37) 내에서 상기 일차 연소기(10)로 통과될 수 있다.
상술한 바로부터 알 수 있는 것과 같이, 본 발명의 통합된 시스템들 및 방법들은 연소 전력 생산 시스템 및 방법의 효율을 향상시키도록 집중형 태양열 발전(CSP) 시스템으로부터 이용 가능한 가열을 활용하기 위하여 특히 유리할 수 있다. 이는 여기서 연료로 천연 가스를 활용하는 통합된 시스템 및 방법 내의 다양한 소스들로부터 상개적인 가열이 있는 도 8에 예시되어 있다. 이러한 가열 소스들은 한밤중으로부터 한밤중까지 예시적인 태양 사이클에 걸쳐 지도에 표기될 수 있다. 여기서 알 수 있는 바와 같이, 한낮이 아닌 시간들 동안, 상기 일차 연소기가 상기 통합된 시스템 내의 모든 가열의 대부분까지 처리하도록 점화된다. 일출이 진행됨에 따라, 상기 일차 연소 주기가 중단될 수 있는(비록 보다 점진적인 감소가 일어날 수 있지만) 반면, 태양열 가열 주기(403)가 증가된다. 정점의 태양열 가열이 다가옴에 따라 태양열 가열이 증가되고 있는 시간 동안, 상기 연소기 히터는 보충적인 가열로 점화될 수 있고, 연소기 가열 주기(405)가 시작되어 점차적으로 감소될 수 있다. 정점의 태양열 출력이 약해짐에 따라, 상기 연소기 히터 주기가 태양열 가열이 충분히 낮아서 상기 일차 연소 주기가 개시되고 열 생성을 지배하는 시점까지 다시 증가될 수 있다. 상기 일차 연소 주기 동안에, 열 차폐 배치(407)가 상기 태양열 히터로부터의 열 손실을 감소시키도록 구현될 수 있다.
여기에 설시되는 본 발명의 많은 변형들과 다른 실시예들은 상기 기재 사항들에 나타나는 이점들을 갖는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 개시된 실시예들이 제한으로서 설시된 것은 아니며, 변형들과 다른 실시예들도 첨부된 특허 청구 범위의 범주 내에 포함되는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 비록 특정 용어들이 여기서 사용되었지만, 이들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되었으며, 제한하려는 목적으로 사용된 것은 아니다.
Claims (36)
- 전력을 생산하는 방법에 있어서,
하나 또는 그 이상의 연소 생성물들을 포함하는 이산화탄소(CO2)를 함유하는 스트림(stream)을 형성하도록 산소 및 CO2를 함유하는 스트림의 존재에서 일차 연소기 내에서 탄소질 연료를 연소시키는 단계;
상기 하나 또는 그 이상의 연소 생성물들을 포함하는 상기 CO2를 함유하는 스트림을 팽창시키고, 전력을 발생시키며, CO2 및 상기 하나 또는 그 이상의 연소 생성물들을 포함하는 터빈 배출 흐름을 형성하도록 상기 하나 또는 그 이상의 연소 생성물들을 포함하는 상기 CO2를 함유하는 스트림을 일차 연소기로부터 터빈을 통해 통과시키는 단계;
상기 하나 또는 그 이상의 연소 생성물들을 포함하는 냉각된 터빈 배출 스트림을 형성하도록 상기 CO2 및 상기 하나 또는 그 이상의 연소 생성물들을 포함하는 터빈 배출 스트림을 열 교환기 내에서 냉각시키는 단계;
가압된 CO2를 함유하는 스트림을 형성하도록 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터 CO2를 가압하는 단계;
상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 상기 열 교환기 내에서 가열하는 단계;
상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 태양열 히터로 더 가열하는 단계; 및
상기 가압되고 태양열 가열된 CO2를 함유하는 스트림을 상기 일차 연소기로 통과시키는 단계를 포함하며,
상기 일차 연소기로 제공되는 상기 탄소질 연료 및 산소의 양은 상기 일차 연소기 내의 연소열이 상기 태양열 히터를 통과하는 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 가열하기 위한 상기 태양열 히터로부터 이용 가능한 열과 역비례하게 관련되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 터빈으로 들어가는 상기 CO2를 함유하는 스트림은 150bar(15MPa) 또는 그 이상의 압력에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 터빈으로 들어가는 상기 CO2를 함유하는 스트림은 500℃ 또는 그 이상의 온도에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 압력에 대한 상기 터빈으로 들어가는 상기 CO2를 함유하는 스트림의 압력의 비율은 12 또는 그 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 CO2를 함유하는 스트림을 가압하는 단계는 상기 스트림을 복수의 가압 단계들을 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 두 가압 단계들 사이에서 상기 CO2를 함유하는 스트림을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림의 일부는 상기 가압하는 단계 후 및 상기 태양열 히터에 의해 가열되기 이전에 보충적인 열로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 보충적인 열은 공기 분리 장치로부터의 압축열을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가압되고 태양열 가열된 CO2를 함유하는 스트림을 상기 일차 연소기 내로 통과시키기 이전에 상기 태양열 히터로부터 연소기 히터를 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 열 교환기로부터의 상기 냉각된 터빈 배출 스트림을 분리기 내에서 상기 CO2로부터 상기 연소 생성물들의 하나 또는 그 이상을 분리시킴에 의해 정제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 탄소질 연료는 액체 또는 기체인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 연료는 부분적으로 산화된 연소 생성물의 스트림을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 부분 산화 연소기 내에서 O2 및 CO2의 존재에서 고체 연료를 연소시키는 단계를 더 포함하며, 상기 고체 연료, O2 및 CO2는 불연성 성분, CO2 그리고 H2, CO, CH4, H2S 및 NH3의 하나 또는 그 이상을 포함하는 상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림을 생성하도록 상기 고체 연료가 부분적으로만 산화되는 비율들로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 고체 연료, O2 및 CO2는 상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림의 온도가 상기 스트림 내의 모든 상기 불연성 성분이 고체 입자들의 형태로 있도록 충분히 낮게 되는 비율들로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림을 하나 또는 그 이상의 필터들로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 고체 연료는 석탄, 갈탄(lignite), 바이오매스(biomass) 또는 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 상기 고체 연료는 미립자 형태이며, CO2와 슬러리가 되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 태양열 히터로부터 이용 가능한 열의 양은 단일 태양 사이클에 대해 10% 이상으로 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 20 항에 있어서, 상기 연소기로 제공되는 상기 탄소질 연료 및 산소의 양은 상기 터빈으로 통과되는 상기 CO2를 함유하는 스트림의 온도가 상기 단일 태양 사이클에 대해 10% 이하로 변화되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림의 제1 부분이 상기 태양열 가열 단계로 계속되고, 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림의 제2 부분이 상기 태양열 히터에 의해 먼저 가열되지 않고 상기 일차 연소기로 통과되도록 상기 태양열 히터로 가열하기 이전에 상기 열 교환기를 나오는 상기 가압된 CO2를 함유하는 스트림을 나누는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 태양열 히터는 상기 CO2를 함유하는 스트림을 500℃ 또는 그 이상의 온도까지 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 태양열 히터는 상기 CO2를 함유하는 스트림에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전력 생산이 저위 발열량(lower heating value)의 적어도 60% 상의 전제적인 효율로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 공기 분리 장치를 포함하고;
태양열 히터를 포함하며;
상기 태양열 히터와 유체 연통되는 일차 연소기를 포함하고;
상기 일차 연소기와 유체 연통되는 전력을 생산하는 터빈을 포함하며;
상기 전력을 생산하는 터빈 및 상기 태양열 히터와 유체 연통되는 열 교환기를 포함하고;
상기 열 교환기와 유체 연통되는 적어도 하나의 압축기를 포함하며;
상기 열 교환기의 고온 단부 유출구로부터 하류에 위치하고 유체 연통되는 스플리터 및 상기 열 교환기의 고온 단부 유출구로부터 하류에 위치하고 유체 연통되는 플로우 밸브(flow valve) 중의 하나 또는 모두를 포함하고,
상기 스플리터는 상기 일차 연소기와 유체 연통되는 제1 유출구 및 상기 태양열 히터와 유체 연통되는 제2 유출구를 가지며,
상기 플로우 밸브는 상기 일차 연소기와 유체 연통되는 제1 유출구 및 상기 태양열 히터와 유체 연통되는 제2 유출구를 가지고, 상기 플로우 밸브는 상기 태양열 히터와 상기 일차 연소기 사이의 흐름을 교대시키도록 적용되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템. - 제 26 항에 있어서, 상기 태양열 히터와 상기 일차 연소기 사이에 위치하고 유체 연통되는 연소기 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
- 제 26 항에 있어서, 상기 열 교환기와 상기 적어도 하나의 압축기 사이에 위치하고 유체 연통되는 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
- 제 26 항에 있어서, 상기 공기 분리 장치는 단열 메인(adiabatic main) 압축기 및 부스터(booster) 압축기를 포함하는 극저온 공기 분리 장치인 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
- 제 29 항에 있어서, 상기 열 교환기는 일련의 둘 또는 그 이상의 열 교환 유닛들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
- 제 26 항에 있어서, 상기 일차 연소기의 유입구와 유체 연통되는 유출구를 갖는 부분 산화 연소기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
- 제 31 항에 있어서, 상기 부분 산화 연소기의 유출구와 상기 일차 연소기의 유입구 사이에 위치하고 유체 연통되는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
- 제 31 항에 있어서, 상기 열 교환기의 고온 단부 유출구로부터 하류에 위치하고 유체 연통되는 스플리터(splitter)를 더 포함하며, 상기 스플리터는 상기 부분 산화 연소기와 유체 연통되는 제1 유출구 및 상기 태양열 히터와 유체 연통되는 제2 유출구를 가지는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |