KR102332615B1 - 향상된 효율을 갖는 동력 생산을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

향상된 효율을 갖는 동력 생산을 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동작 유체로서 주로 CO2를 사용하여 발전을 제공하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전력 생산 시스템 및 방법의 전체적인 효율을 증가시키기 위해 CO2 압축으로부터의 압축열의 일부 또는 필요한 경우에 추가적 가열의 이용을 제공한다.

Description

향상된 효율을 갖는 동력 생산을 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR POWER PRODUCTION WITH IMPROVED EFFICIENCY}
본 발명의 주제는 다른 열원을 이용하여 열교환기 내에서 재순환 CO2 스트림의 적어도 일부의 추가적 가열을 통해 구현되는 바람직한 효율들로 동작하는 전기와 같은 동력의 생성을 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 상기 다른 열원으로부터의 열은 상기 재순환 CO2 스트림의 적어도 일부의 압축으로부터 적어도 부분적으로 유래될 수 있다.
연료의 연소로부터의 동력 생산의 종래의 수단은 통상적으로 고효율의 발전 및 탄소 포집(예를 들면, 격리나 다른 용도를 위해)을 동시에 구현하는 능력은 부족하다. 탄소 포집을 구비하는 고효율의 발전의 분야에서의 하나의 공개 문헌인 Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호는 동작 유체로 CO2를 사용하는 밀폐 사이클 연소 시스템들에 바람직한 효율들을 제공한다. 이러한 시스템들은 특히 뜨거운 터빈 배출로부터의 열을 이용할 뿐만 아니라 상기 터빈 배출이외의 소스로부터 열을 추가하여 전열식 열교환기 내에서 재순환 CO2 스트림을 가열하는 인지된 유용성으로부터 이점이 있다. 이러한 진전에도 불구하고, 해당 기술 분야에서는 여전히 CO2와 다른 연료 및 연소 유래 불순물들의 포집과 함께 증가된 효율을 제공하는 발전을 위한 개선된 시스템들 및 방법들에 대한 필요성이 증대되고 있다.
본 발명은 향상된 효율로 동력 생산을 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다.
본 발명은 향상된 효율로 동력 생산을 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 상기 시스템들과 방법들은 동작 유체(working fluid)로 CO2를 사용할 수 있고, CO2와 다른 연료 및 연소 유래 불순물들의 포집을 위해 구성될 수 있다. 본 발명의 개선점들은 상승된 압력에서 재순환 CO2 스트림에 대한 저온 레벨 가열의 도입, 뜨거운 터빈 배출(turbine exhaust)로부터의 열로 상기 재순환 CO2 스트림의 전열식 가열(recuperative heating)도 이용하는 산소 연료 연소 시스템 및 방법과 관련되어 확인되었다. 상기 저온 레벨 가열은 "추가적 가열(additive heating)"의 측면으로 여기에 설명될 수 있다. 이와 같이, 상기 추가적 가열이 상기 뜨거운 터빈 배출이외의 소스로부터의 저온 레벨의 열인 점이 이해될 것이다. 다시 말하면, 상기 추가적 가열은 상기 뜨거운 터빈 배출로부터 회수되는 열이 아니다. 본 발명은 특히 연료 단독으로부터의 열의 가열 용량을 초과하는 동력 생산량을 제공하며, 이에 따라 효율을 유리한 증가를 제공하는 밀폐 사이클 또는 부분적 밀폐 사이클 산소 연료 연소 시스템 및 방법에서 상기 추가적 가열을 수득하고 전달하는 수단들을 확인한다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 동력을 생산하는 터빈(turbine)을 통한 생성물 가스의 팽창 및 이전에 압축된 재순환 CO2 스트림을 가열하는 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger) 내의 터빈 배출의 냉각이 수반되는 재순환 CO2 스트림(stream)의 존재에서 상승된 압력에서 산소 내의 연료(예를 들면, 탄소를 포함하거나 탄소질 연료)의 연소를 통해 구현되는 바람직한 효율들로 동작하는 전기와 같은 동력의 생성을 위한 시스템들 및 방법들에 관련된다. 발전의 향상된 효율은, 예를 들면, 상기 재순환 CO2 스트림의 적어도 일부의 압축으로부터 적어도 부분적으로 유래되는 열이 될 수 있는 추가적 가열을 이용하여 열교환기 내의 상기 재순환 CO2 스트림의 적어도 일부의 추가적 가열에 의해 얻어질 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, 동력 생산은 CO2가 상기 동작 유체로서 이용되는 밀폐 사이클 또는 부분적 밀폐 사이클 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 시스템들에 있어서, 화석 연료(예를 들면, 천연 가스) 또는 화석 연료로부터 유래되는 연료(예를 들면, 석탄 또는 다른 고체 탄소질 연료로부터 유래되는 합성 가스)는 주로 CO2, H2O, 과잉의 O2 그리고 SO2, NOx, Hg 및 HCl와 같은 연료 또는 산화제의 산화된 성분들로부터 유래되는 다량의 불순물들의 산화된 스트림을 가져오도록 상기 산화제로서 실질적으로 순수한 산소를 사용하여 연소기(combustor) 내에서 완전히 연소된다. 불연성 재를 함유하는 석탄, 갈탄(lignite) 또는 석유 코크스(petroleum coke)와 같은 고체 화석 연료들은 단일 스테이지(stage) 또는 다중 스테이지 시스템 내의 부분 산화에 의해 기체 연료로 변환될 수 있다. 이러한 시스템은, 예를 들면, 부분 산화 반응기를 포함할 수 있다. 선택적으로는, 예를 들면, 이러한 시스템은 부분 산화 반응기 및 재와 휘발성 무기 성분 제거 시스템들 포함할 수 있다. 이러한 시스템들은 상기 동력 생산 시스템의 연소기 내에서 산소로 상기 연료 가스의 연소를 더 포함할 수 있다. 예열된 재순환 CO2 스트림은 상기 연소기 내에서 상기 연료 가스의 연소로부터 유래되는 연소 생성물들과 혼합된다. 그렇지 않으면 여기서 설명되는 다른 조건들 하에서 동작하도록 적용되는 임의의 연소기가 사용될 수 있으며, 상기 재순환 CO2 스트림은 상기 연소에 의해 더 가열되고, 원하는 경우에 급속 냉각되는 임의의 수단들에 의해 상기 연소기 내로 도입될 수 있으며, 이에 따라 상기 배출 스트림의 온도가 조절된다. 일부 실시예들에 있어서, POX 반응기 및 상기 연소기의 하나 또는 모두가 예시적인 목적들만으로 반응 또는 연소 공간을 둘러싸는 증발 냉각된 벽을 활용할 수 있고, 상기 예열된 재순환 CO2 스트림은 모두 상기 벽을 냉각시키고 급속 냉각되도록 상기 벽을 통과할 수 있으며, 이에 따라 상기 배출 스트림의 온도가 조절된다. 상기 증발 유동은 상기 재순환 CO2 및 상기 뜨거운 연소된 연료 가스 스트림들 사이의 양호한 혼합을 증진시킨다. 그러나 다른 유형들의 연소기들도 사용될 수 있으며, 본 발명이 증발 냉각된 연소기들에 한정되는 것은 아니다. 비록 특정한 연료 형태들이 앞서 예시되지만, 다른 연료들(예를 들면, 수소)이 상기 연소기 내에서 사용될 수 있는 점이 이해될 것이다. 마찬가지로, 추가적인 열의 이용으로부터 유래되는 이점들이 부분적으로나 전체적으로 비연소 가열을 이용하는 시스템들에 적용될 수 있다. 예를 들면, 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 미국 공개 특허 제2013/0118145호에 기재된 바와 같은 태양 에너지 시스템들도 본 발명에 포함된다.
상기 연소기를 나가는 결합된 연소 생성물들 및 예열된 재순환 CO2는 동력을 생산하는 터빈에 대한 유입을 위해 요구되는 온도에 있다. 상기 CO2 동력 사이클은 비록 복수의 팽창 터빈들이 이용될 때와 같은 다른 실시예들에서는 보다 큰 압력비(pressure ratio)들(예를 들면, 적어도 20)가 이용될 수 있지만, 일부 실시예들에서 5 내지 12의 상기 터빈에 걸치는 압력비를 이용할 수 있다. 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa)의 터빈 유입구 압력이 일부 실시예들에서 이용될 수 있다. 상기 연소기로 공급되는 산소는 실질적으로 순수한 O2 또는 CO2로 희석된 O2가 될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 O2 및 CO2의 혼합은 상기 연소 반응의 단열 불꽃 온도를 조절하는 데 유용할 수 있다. 제한적이지 않은 예로서, 상기 결합된 O2/CO2 스트림 내의 O2의 몰 농도는 약 10% 내지 약 50%, 약 15% 내지 약 40%, 또는 약 20% 내지 약 30%가 될 수 있다. 상기 뜨거운 터빈 배출은 이코노마이징(economizing) 열교환기 내에서 냉각될 수 있으며, 이는 결국 상기 고압의 CO2 재순환 스트림을 미리 가열한다.
상기 시스템의 효율적인 동작은 열교환의 최적화에 크게 의존한다. 높은 효율을 구현하기 위하여, 매우 많은 양의 추가적인 열이 약 100℃로부터 약 400℃까지의 온도 레벨에서와 같이 상기 열교환기의 저온 단부(cold end)에서 상기 고압의 재순환 스트림 내로 추가될 수 있다. 이러한 저온 레벨의 열은 일부 실시예들에서 극저온 산소 플랜트(cryogenic oxygen plant)의 공기 압축기들로부터 유래될 수 있으며, 상기 압축기들은 전체적으로나 부분적으로 높은 압력비의 단열 모드로 이들의 압력 범위들로 동작할 수 있으므로, 압축된 공기는 약 100℃ 내지 약 400℃의 범위 내의 지점까지의 스테이지 배출에서 온도가 상승되고, 상기 압축된 공기 스트림으로부터 가압된 재순환 CO2 처리 스트림까지의 열전달이 용이하게 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 이코노마이저 열교환기 내의 고압의 CO2 재순환 흐름으로부터 취해지는 사이드 스트림(side stream)은 약 100℃ 내지 약 400℃의 요구되는 온도까지 냉각하는 압축된 공기에 대해 가열될 수 있다. 이러한 산소 연료 연소, 낮은 레벨의 열 생상 및 낮은 레벨의 전달을 위한 시스템들 및 방법들은 그 개시 사항들이 전체적으로 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제8,596,075호, 미국 특허 제8,776,532호, 미국 특허 제8,986,002호, 미국 특허 제9,068,743호, 미국 공개 특허 제2010/0300063호, 미국 공개 특허 제2012/0067054호, 미국 공개 특허 제2012/0237881호, 그리고 미국 공개 특허 제2013/0104525호에 기재되어 있다.
본 발명은 약 100℃ 내지 약400℃의 온도로 재순환 CO2 고압 스트림 내로 열을 도입하며, 이에 따라 이코노마이저 열교환기의 효율성을 증가시키고, 현재의 열전달 수단들을 포함하는 상기 동력 생산 시스템 및 방법의 전체적인 효율을 증가시키는 수단들을 더 제공한다. 특히, 본 발명은 동력 생산 시스템 및 방법의 전체적인 효율을 증가시키도록 재순환 CO2 압축으로부터의 압축열의 일부 또는 필요한 경우에 추가 가열의 이용을 제공한다.
이전의 제안들은 상기 동작 유체로 고압의 CO2를 사용하는 동력 생산 사이클의 성능을 최적화하도록 이루어져왔다. 예를 들면, 여기에 참조로 포함되는 Bryant 등("An Analysis and Comparison of the Simple and Recompression Supercritical CO2 Cycles" May 2011, presentation at the supercritical CO2 power cycle workshop in Boulder, Colorado)에는 상기 동작 유체로서 CO2를 구비하는 전열식 열교환기를 이용하는 발전을 위한 브레이턴 사이클(Brayton cycle)들이 기재되어 있다. 상기 논문에는 동작 변수들의 측면에서 두 사이클들의 효율들이 정의되어 있고, 제2의 사이클이 제1의 단순한 사이클보다 높은 효율을 가려오는 조건들이 나타나 있다.
Bryant 등으로부터의 상기 제1의 단순한 사이클이 도 1에 도시된다. 여기서, 거의 단열의 중간 냉각이 없는 압축기(1) 내에서 압축되었던 라인(7) 내의 뜨거운 CO2는 전열식 열교환기(4) 내에서 더 가열된다. 상기 뜨거운 CO2는 이후에 히터(3)까지 라인(8)을 통과하며, 여기서 연료(14)를 산소(13)로 연소시키거나, 외부 가열의 일부 수단들에 의해 직접적으로 가열된다. 상기 더 가열된 CO2는 이후에 동력을 생산하는 터빈(2) 내로 라인(9)을 통과하며, 여기서 보다 낮은 압력을 생성하는 축일(shaft work)(화살표 15로 예시함)까지 팽창된다. 상기 터빈 배출 스트림(10)은 상기 전열식 열교환기(4)로 통과되며, 여기서 상기 고압의 재순환 스트림에 대해 방출되는 열을 냉각시킨다. 상기 터빈 배출은 이후에 예냉기(pre-cooler)(5) 내에서 냉각되며, 여기서 열이 라인(6) 내의 압축기(1)로 최종적으로 다시 들어가기 전에 라인(12)을 통해 나가는 냉각 스트림(11)에 버려진다.
Bryant로부터의 상기 제2의 사이클은 도 2에 도시되며, 이는 상기 예냉기(5) 이전에 상기 전열식 열교환기(4a)로부터의 배출에서 저압의 복귀 회로를 나가는 저압의 터빈 배출 스트림(17)의 일부가 라인(18)을 통해 나가는 압축기(16) 내에서 그 뜨거운 상태로 압축되는 제2 압축 스테이지(16)의 추가를 제외하면, 도 1과 동일하다. 이러한 스트림은 상기 열교환기(4a)를 나가는 주요한 고압의 재순환 스트림이 그 대응되는 온도에서 혼합된 후에 상기 전열식 열교환기(4b)로 들어가고, 열교환기 섹션(4b) 내에서 뜨거운 터빈 배출 스트림(10)에 대해 가열된다. 추가적인 압축의 효과는 다량의 열을 상기 주요 CO2 압축기의 유입구 온도보다 큰 상승된 온도에서 그 유입구 흐름으로 CO2 스트림을 취하는 제2 압축기로부터 상기 전열식 열교환기 내로 주입하는 것이다.
Bryant 등의 교시는 상기 열 투입이 상기 전열기 열교환기(4a)의 제1 스테이지를 우회하는 점에서 단점을 드러낸다. 열교환기(4a) 내에서 냉각되는 상기 저압의 터빈 배출 스트림과 비교하여 열교환기(4a) 내에서 가열되는 상기 고압의 CO2 스트림의 훨씬 큰 비열이 열교환기(4a) 내에서 상기 고압의 스트림 내로의 열전달이 밀접한 온도 접근을 구현하도록 최대화되어야 하는 점이다. 이러한 점은 상기 가열되고 압축된 CO2 스트림이 열교환기(4a)를 우회하기 때문에 구현되지 않는다. 최대 효율을 위해 요구되는 바는 상기 압축된 CO2가 상기 열교환기 내에서 식고, 상기 고압의 CO2 스트림에 대한 이용 가능한 열전달을 증가시키는 고온 가스 압축 시스템을 배치하는 것이다. 본 발명은 부분적으로 이러한 단점들을 극복하기 위한 수단들과 관련된다.
도 1 및 도 2에 예시한 Bryant 등으로부터의 사이클들이 뜨거운 CO2 압축을 위해 알려진 종래 기술을 나타내지만, 이들은 높은 배출 온도를 가져오는 중간 냉각기(intercooler)들이 없이 주요 CO2 압축기를 이용하는 간단한 브레이턴 사이클 장치들에서의 사용에만 적합할 수 있다. 이는 결국 상기 전열식 열교환기(4a)를 나가는 냉각 터빈 배출 흐름도 고온이 되게 하여, 상기 예냉기 열교환기 내에서 방출되는 열도 높아진다. 이에 따라 최적의 효율들은 CO2의 임계 압력 부근의 최적의 주요 압축기 유입구 압력들로 2 내지 4의 범위 이내로 나타나는 이러한 고온 압축 사이클 내의 낮은 압력비들에서만 구현될 것인 점이 분명하다. 보다 높은 압력비들은 상기 시스템 내에서 과도한 열손실을 가져온다. 도 1 및 도 2의 Bryant 등의 사이클들은 또한 주위 냉각 수단들에 대한 상기 열교환기(5) 내의 냉각에 뒤따르는 상기 압축기 유입 라인들(6) 내에 액상의 물 분리의 존재와 같이 시스템의 세부 사항들을 설명하지 못한다.
도 2의 Bryant 등의 사이클은 몇몇 다른 한계들을 가진다. 예를 들면, Bryant 등의 사이클 효율은 상기 주요 및 재압축 압축기들이 스테이지들 사이에 중간 냉각기들이 없이 기본적으로 단열로 동작하기 때문에 상기 압력비가 증가되면서 상당히 감소된다. Bryant 등에 의해 보고된 연구들은 750℃의 터빈 유입구 온도에 대한 최적 압력비가 100bar의 터빈 유입구 압력에서 2.2이고, 250bar의 터빈 유입구 압력에서는 3.3인 점을 나타낸다. 낮은 압력비들은 주어진 동력 출력을 위해 시스템 내에 매우 높은 CO2 유량들을 요구하며, 높은 자본 비용을 가져온다. 대조적으로, 본 발명은 높은 압력비들 및 높은 터빈 유입 압력들을 가져, 높은 효율과 낮은 자본 비용의 결과로 되는 사이클들을 제공한다.
본 발명에 따라 유용한 시스템들 및 방법들은 약 5 내지 약 30과 같이 약 5 또는 그 이상의 압력비들을 이용할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 압력비들은 바람직하게는 약 5 내지 약 12의 범위 이내가 될 수 있다. 본 발명의 시스템들과 방법들은 또한 중간 냉각된 주요 CO2 재순환 압축 시스템들을 이용할 수 있다. 높은 압력비는 7.38MPa의 CO2 임계 압력 위의 터빈 유입 압력 및 이러한 압력 아래의 터빈 배출 압력을 선호한다. 이들 보다 높은 압력비들은 순 동력 출력의 ㎾ 당 CO2의 상당히 낮은 순환 속도들로 천연 가스 연료 시스템들에 대해 50% 내지 60%의 높은 효율들을 가져온다. 본 발명에 따라 유용한 시스템들 및 방법들은 또한 바람직하게는, 예를 들면, 100℃ 이상, 특히 약 100℃ 내지 약 400℃ 또는 약 100℃ 내지 약 300℃의 범위 내의 온도 레벨에서 추가적인 열의 매우 상당한 투입을 활용한다. 본 발명에서 개시되는 시스템들과 방법들은 특히 이러한 추가적 가열로서 주요 재순환 CO2 압축기로부터의 압축열의 일부의 활용을 제공하는 데 이점이 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 발전 방법을 제공한다. 예를 들면, 상기 방법은 다음 단계들의 다양한 조합들을 포함할 수 있다. 압축되고 가열된 재순환 CO2 스트림을 연소기 내로 통과시키는 단계; CO2를 함유하는 스트림을 생성하도록 상기 재순환 CO2 스트림의 존재에서 연소기 내에서 연료를 산소로 연소시키는 단계; 상기 CO2를 함유하는 스트림을 팽창시키고, 전력을 발생시키며, CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 상기 CO2를 함유하는 스트림을 터빈으로 통과시키는 단계; 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림으로부터 열을 회수하는 단계; 제1 터빈 배출 부분(portion) 및 제2 터빈 배출 부분을 형성하도록 상기 냉각된 터빈 배출 스트림을 나누는 단계; 주요한 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 제1 터빈 배출 부분으로부터 물을 분리하는 단계; 상기 주요한 재순환 CO2 스트림을 압축하는 단계; 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분을 형성하도록 압축기 스테이지들 사이에 중간 냉각이 없이 상기 제2 터빈 배출 부분을 단열적으로 압축하는 단계; 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 열을 회수하는 단계; 이차적인 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 냉각되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 물을 분리하는 단계; 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 주요한 재순환 CO2 스트림과 상기 이차적인 재순환 CO2 스트림을 결합하는 단계; 고밀도의 CO2 스트림을 형성하도록 전체 재순환 CO2 스트림을 냉각하는 단계; 상기 전체 재순환 CO2 스트림을 제2 압축 스테이지 내에서 유체 펌프(fluid pump)를 이용하여 압축하는 단계; 상기 전체 재순환 CO2 스트림을 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수된 열로 가열하는 단계; 그리고 상기 압축되고 가열된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 전체 재순환 CO2 스트림을 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 회수된 열로 더 가열하는 단계. 일부 실시예들에 있어서, 상기 이차적인 재순환 CO2 스트림으로부터의 열 회수에 뒤따르는 상기 두 압축된 CO2 스트림들은 결합될 수 있고, 이후에 상기 결합된 스트림은 액상의 물 분리를 수반하여 냉각될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 터빈 배출 스트림은 상기 스테이지들의 하나 또는 그 이상 사이의 열전달로 다중 스테이지들 내에서 압축될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 터빈 배출 스트림은 냉각되지 않는 압축 스테이지들(x) 및 중간 냉각되는 압축 스테이지들(y)을 포함하는 다중 스테이지 압축을 겪을 수 있고, 여기서 x 및 y는 독립적으로 1 또는 그 이상, 2 또는 그 이상, 혹은 3 또는 그 이상(예를 들면, 1 내지 5 또는 2 내지 4)의 정수가 될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 터빈 배출 스트림은 x의 냉각되지 않는 압축 스테이지(들) 내에서 중간값까지 가압(및 가열)될 수 있고, 상기 가압된 가스는 냉각시키기 위해 전열식 열교환기에 대해 압축열을 제공하도록 이용될 수 있으며, 상기 냉각된 가스는 탈수될 수 있고, 상기 가스는 상기 제1 터빈 배출 스트림과 결합되기 이전에 나머지 y의 중간 냉각되는 압축 스테이지(들)을 겪도록 다시 통과될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 발전 시스템을 제공한다. 예를 들면, 상기 시스템은 연소기; 동력 생산 터빈; 하나 또는 그 이상의 열교환기들; 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 통하는 제1 냉각 유로(flow path); 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 통하는 가열 유로; 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 통해 상기 제1 냉각 유로와 연통되는 유동 분리기(flow separator); 상기 유동 분리기와 연통되는 제1 압축기; 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 통하고, 상기 압축기와 연통되는 제2 냉각 유로; 하나 또는 그 이상의 물 분리기들; 제2 압축기; 그리고 펌프를 포함할 수 있다. 특히, 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 통하는 가열 유로는 상기 펌프로부터 다운스트림(downstream)이고, 상기 연소기로부터 업스트림(upstream)이며, 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 통하는 가열 유로는 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 통하는 상기 제1 냉각 유로 및 상기 제2 냉각 유로와 함께 가열 배치로 된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 냉각 유로 및 상기 제2 냉각 유로는 분리되고 독립적인 물 분리 구성 요소들 및/또는 펌프 구성 요소들에 의해 한정될 수 있다. 둘 또는 그 이상의 열교환기들이 사용될 때, 상기 열교환기들은 연속될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 재순환 가스 스트림을 가열하기 위한 방법과 관련될 수 있다. 일 예로서, 이러한 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다. 압력 P1 및 온도 T1에서의 가스 스트림 G를 상기 가스 스트림이 T1보다 낮은 온도 T2까지 냉각되도록 전열식 열교환기를 통과시키는 단계; 상기 가스 스트림 G를 제1 부분(fraction) G1 및 제2 부분 G2로 분리하는 단계; 상기 가스 스트림 부분 G1을 P1보다 큰 압력 P2까지 압축하는 단계; 상기 가스 스트림 부분 G2를 T2보다 큰 온도 T3까지 가열하기 위하여 상기 가스 스트림 부분 G2를 P1보다 큰 압력 P3까지 압축하는 단계; 상기 압축된 가스 스트림 부분 G2로부터 열을 회수하는 단계; 결합된 재순환 가스 스트림 GC를 형성하도록 상기 가스 스트림 부분 G1 및 상기 가스 스트림 부분 G2를 결합하는 단계; 상기 재순환 가스 스트림 GC를 P2보다 크고 P3보다 큰 압력 P4까지 펌핑하는 단계; 그리고 p상기 가스 스트림 GC가 냉각 가스 스트림 G에 의해 가열되도록 상기 재순환 가스 스트림 GC를 상기 전열식 열교환기로 통과시키는 단계, 여기서 상기 압축된 가스 스트림 부분 G2로부터 회수된 열은 압력 P4까지 펌핑한 후에 상기 재순환 가스 스트림 GC에 추가된다. 다른 실시예들에 있어서, 재순환 가스 스트림을 가열하기 위한 방법은 이들의 임의의 조합으로 다음의 사항들의 임의의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 온도 T3은 약 100℃ 내지 약 400℃가 될 수 있다.
가스 스트림 부분 G1의 압력 P2 및 가스 스트림 부분 G2의 압력 P3은 각기 별도로 약 40bar(4MPa) 내지 약 100bar(10MPa)가 될 수 있다.
상기 재순환 가스 스트림 GC의 압력 P4는 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa)가 될 수 있다.
상기 가스 스트림 G의 전체 질량을 기초로 하여 가스 부분 G1 대 가스 부분 G2의 질량비는 약 50:50 내지 약 99:1이 될 수 있거나, 약 50:50 내지 약 90:10이 될 수 있거나, 약 50:50 내지 약 70:30이 될 수 있거나, 약 70:30 내지 약 90:10이 될 수 있다.
상기 재순환 가스 스트림 GC는 상기 전열식 열교환기를 통과하고 상기 압축된 가스 부분 G2로부터 회수된 열을 수용한 후에 T1의 50℃ 이내인 온도 T4를 가질 수 있다.
상기 가스 스트림 부분 G2는 중간 냉각 없이 다중 스테이지 압축으로 압축될 수 있다.
가스 스트림 부분 G2로부터 열을 회수한 후, 상기 가스 스트림 부분 G2는 가스 스트림 부분 G1와 결합되기 전에 더 압축될 수 있다.
상기 전열식 열교환기는 연속하는 세 개의 열교환기들 또는 열교환 섹션들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 열은 R1＞R2＞R3의 온도 관계로 온도 범위 R1에서 동작하는 제1 열교환기 또는 열교환 섹션, 온도 범위 R2에서 동작하는 제2 열교환기 또는 열교환 섹션, 그리고 온도 범위 R3에서 동작하는 제3 열교환기 또는 열교환 섹션 내에서 전달될 수 있다.
상기 가스 스트림 G는 상기 제1 열교환기 또는 열교환 섹션 및 상기 제2 열교환기 또는 열교환 섹션 사이에서 분리될 수 있다.
상기 가스 스트림 G는 상기 제2 열교환기 또는 열교환 섹션 및 상기 제3 열교환기 또는 열교환 섹션 사이에서 분리될 수 있다.
상기 압축된 가스 스트림 부분 G2로부터 회수된 열은 상기 제3 열교환기 또는 열교환 섹션 및 상기 제2 열교환기 또는 열교환 섹션의 하나 또는 모두 내에서 상기 재순환 가스 스트림 GC에 추가될 수 있다.
상기 방법은 압력 P4까지 펌핑한 후에 열을 상기 재순환 가스 스트림 GC에 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 추가된 열은 공기 분리 유닛(air separation unit) 및 가스 터빈의 하나 또는 모두로부터 유래될 수 있다.
상기 방법은 상기 가열된 재순환 가스 스트림 GC를 연소 생성물 스트림을 형성하도록 상기 전열식 열교환기로부터 연료를 산소로 연소시키는 연소기까지 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 스트림 G는 터빈 배출 스트림이 될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 발전 방법과 더 관련될 수 있다. 일 예로서, 상기 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다. CO2를 함유하는 연소 스트림을 생성하도록 재순환 CO2 스트림의 존재에서 연소기 내에서 연료를 산소로 연소시키는 단계; 상기 CO2를 함유하는 연소 스트림을 팽창시키고, 전력을 발생시키며, 터빈 배출 스트림을 형성하도록 상기 CO2를 함유하는 연소 스트림을 터빈으로 통과시키는 단계; 상기 터빈 배출 스트림으로부터 열을 회수하는 단계; 제1 터빈 배출 부분 및 제2 터빈 배출 부분을 형성하도록 상기 터빈 배출 스트림을 나누는 단계; 주요한 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 제1 터빈 배출 부분으로부터 물을 분리하는 단계; 상기 주요한 재순환 CO2 스트림을 압축하는 단계; 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분을 형성하도록 상기 제2 터빈 배출 부분을 압축하는 단계; 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 열을 회수하는 단계; 이차적인 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 냉각되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 물을 분리하는 단계; 결합된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 주요한 재순환 CO2 스트림 및 상기 이차적인 재순환 CO2 스트림을 결합하는 단계; 상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 압축하는 단계; 상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수된 열로 가열하는 단계; 그리고 상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 회수된 열로 더 가열하는 단계. 다른 실시예들에 있어서, 상기 방법은 임의의 조합으로 다음의 사항들의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 CO2를 함유하는 연소 스트림은 약 500℃ 내지 약 1,700℃의 온도 및 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa)의 압력을 가질 수 있다.
상기 터빈에 걸친 압력비는 약 5 내지 약 12가 될 수 있다.
상기 열은 셋 또는 그 이상의 섹션들을 포함하거나 셋 또는 그 이상의 개별적인 열교환기들을 포함하는 전열식 열교환기 내에서 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수될 수 있다.
상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수된 열로 가열하는 단계 및 상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 회수된 열로 더 가열하는 단계는 상기 전열식 열교환기 내에서 수행될 수 있다.
상기 터빈 배출 스트림의 전체 질량을 기준으로 상기 제1 터빈 배출 부분 대 상기 제2 터빈 배출 부분의 질량비는 약 50:50 내지 약 99:1이 될 수 있다.
상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 회수된 열은 약 100℃ 내지 약 400℃의 온도 범위가 될 수 있다.
상기 주요한 재순환 CO2 스트림 및 상기 제2 터빈 배출 부분은 독립적으로 약 40bar(4MPa) 내지 약 100bar(10MPa)의 압력까지 압축될 수 있다.
상기 결합된 재순환 CO2 스트림은 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수된 열로 가열하는 단계 및 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 회수된 열로 더 가열하는 단계 후에 상기 터빈 배출 스트림의 온도의 50℃ 이내인 온도를 가질 수 있다.
상기 제2 터빈 배출 부분은 압축기 스테이지들 사이에 중간 냉각 없이 단열적으로 압축될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 발전 시스템은 다음의 사항들을 포함할 수 있다. 연소 스트림을 배출하도록 구성되는 연소기; 상기 연소 스트림을 수용하고 팽창시키며, 터빈 배출 스트림을 형성하도록 구성되는 동력 생산 터빈; 상기 터빈 배출 스트림을 수용하도록 구성되는 전열식 열교환기; 상기 냉각된 터빈 배출 스트림을 제1 가스 스트림 및 제2 가스 스트림으로 분리하도록 구성되는 유동 분리기; 상기 제1 가스 스트림을 수용하고 압축하도록 구성되는 제1 압축기; 상기 제2 가스 스트림을 수용하고 압축하도록 구성되는 제2 압축기; 상기 제1 가스 스트림 및 상기 제2 가스 스트림을 결합하여 가압하도록 구성되고, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기로부터 다운스트림으로 위치하는 펌프; 상기 터빈 배출 스트림의 통과를 위해 구성되는 상기 전열식 열교환기를 통하는 제1 유로; 상기 가압된 제1 가스 스트림 및 제2 가스 스트림을 결합하여 통과시키기 위해 구성되는 상기 전열식 열교환기를 통하는 제2 유로; 상기 압축된 제2 가스 스트림의 통과를 위해 구성되는 상기 전열식 열교환기를 통하는 제3 유로, 여기서 상기 제1 유로 및 상기 제3 유로는 상기 제2 유로를 가열하기 위해 구성된다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 시스템은 임의의 조합으로 다음 사항들의 임의의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 전열식 열교환기는 일련의 셋 또는 그 이상의 열교환기들 또는 일련의 셋 또는 그 이상의 가열 섹션들을 포함할 수 있다.
상기 시스템은 상기 제1 가스 스트림 및 상기 제2 가스 스트림의 하나 또는 모두로부터 적어도 물을 분리하기 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 분리기들을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 압축기는 다중 스테이지의 중간 냉각되는 압축기를 포함할 수 있다.
상기 제2 압축기는 압축기 스테이지들 사이에 중간 냉각을 구비하지 않는 단열 다중 스테이지 압축기를 포함할 수 있다.
앞서의 일반적인 용어들로 본 발명을 설명하였지만, 이하에서 반드시 일정한 비율로 도시되지는 않는 첨부된 도면들을 참조할 것이며, 첨부된 도면들에 있어서,
도 1은 종래 기술의 동력 생산 사이클의 흐름도이고,
도 2는 종래 기술의 다른 동력 생산 사이클의 흐름도이며,
도 3은 재순환 CO2 스트림을 압축하고, 그로부터의 열을 전열식 열교환기에 대한 입력으로 전달하기 위한 복수의 압축기들을 포함하는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 동력 생산 시스템 및 방법의 흐름도이다.
이하 본 발명의 주제가 그 예시적인 실시예들을 참조하여 다음에 보다 상세하게 설명된다. 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 본 발명의 주제의 범위를 해당 기술 분야의 숙련자에게 완전히 전달하도록 기재된다. 실제로, 본 발명의 주제는 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되지 않아야 하고, 오히려 이들 실시예들은 본 발명이 적용될 수 있는 법률적 요구 사항들을 충족시키도록 제공된다, 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 사용되는 바에 있어서, "일", "하나", "상기" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 달리 기재되지 않는 한 복수의 지시 대상들을 포함한다.
본 발명은 동작 유체(working fluid)로서 주로 CO2를 사용하는 발전을 제공하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 프로세스는 고압의 재순환 CO2 스트림(stream) 및 연료의 연소로부터 야기되는 연소 생성물들의 혼합물을 팽창시키는 고압/저압 비율의 터빈(turbine)을 이용한다. 임의의 화석 연료, 특히 탄소질 연료들이 사용될 수 있다. 제한적이지 않은 예들은 천연 가스, 압축 가스들, 연료 가스들(예를 들면, H2, CO, CH4, H2S 및 NH3의 하나 또는 그 이상을 포함하여) 및 유사한 가연성 가스들을 포함한다. 고체 연료들-예를 들면, 석탄, 갈탄(lignite), 석유 코크스(petroleum coke), 역청(bitumen), 바이오매스(biomass) 및 이와 유사한 것들-또는, 점성 액체 연료들도 필요한 시스템 요소들의 포함과 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 부분 산화 연소기(combustor)는 상기 고체 또는 점성 액체 연료를 고체 입자들이 실질적으로 없는 연료 가스로 변환시키는 데 사용될 수 있다. 연료와 황 화합물들, NO, NO2, CO2, H2O, Hg 및 이와 유사한 것들과 같은 산화된 상태의 연소 유래 불순물들은 모두는 대기로의 방출이 실질적으로 또는 완전히 없이 폐기를 위해 동력 사이클로부터 분리될 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이, 다른 연료들도 마찬가지로 활용될 수 있다. 순수한 산소가 연소 과정에서 산화제로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 연소 온도는 그렇지 않으면 여기에 기재되는 바와 같이 산소를 CO2로 희석하여 조절될 수 있다.
뜨거운 터빈 배출은 상기 고압의 재순환 CO2 스트림을 부분적으로 미리 가열하는 데 사용된다. 이러한 가열과 결합되어, 상기 재순환 CO2 스트림은 CO2 압축기(compressor)의 압축 에너지로부터 유래될 수 있는 추가적 가열을 이용하여 더 가열될 수 있다. 상기 CO2 압축기를 위한 동작 조건들은 여기에 더 설명되는 바와 같이 변화될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 주위의 냉각 수단에 대한 정상적인 접근보다 높은 CO2 압축기 유입 온도를 이용하는 것이 유용할 수 있다. 상기 CO2 압축기로 들어가는 스트림의 최소 유입 온도는, 예를 들면, 대략적으로 상기 동작 조건들에서 물의 이슬점이 될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 CO2 압축기는 약 50℃ 내지 약 250℃의 유입 온도를 가질 수 있다. 선택적으로, 약 400℃ 아래의 온도 레벨로 열을 제공하는 다른 가열 수단이 상기 CO2 압축으로부터 이용 가능한 가열에 추가적으로 사용될 수 있다. 이러한 수단은 중간 냉각 없이 부분적으로 또는 완전히 단열 모드로 동작하는 극저온 공기 분리 플랜트(cryogenic air separation plant)의 공기 압축기들로부터 전달되는 열을 포함할 수 있다. 이러한 열이 활용될 때, 상기 공기 압축기들은 바람직하게는 단열 스테이지(stage)들 내에서 2.5 이상의 압력비들로 동작할 수 있다.
본 발명에 따라 동력 생산 효율이 여기에 정의되는 바와 같은 추가적 가열의 제공을 통해 향상될 수 있는 점이 발견되었으며, 이러한 추가적 가열은 특히 약 400℃ 아래의 온도 레벨(예를 들면, 약 100℃ 내지 약 400℃의 범위 내)에서 제공된다. 상기 추가적 가열의 제공은 약 300bar(30MPa)의 통상적인 고압 터빈 유입구에서의 CO2의 비열 및 약 30bar(3MPa)의 통상적인 저압 터빈 배출 압력에서의 CO2의 비열 사이의 큰 차이를 극복할 수 있다. 이러한 차이는 다음에 제공되는 표로부터 분명하다.
[표]
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본 발명에 따른 동력 생산 방법은 특히 개선된 효율을 제공할 수 있는 일련의 단계들을 포함할 수 있다. 상기 방법은 압축되고 가열된 재순환 CO2 스트림을 연소기 내로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 압축되고 가열된 재순환 CO2 스트림은 다음에 더 설명하는 바와 같이 형성될 수 있다. 상기 연소기에 있어서, 연료는 CO2를 함유하는 스트림을 제공하도록 상기 재순환 CO2 스트림의 존재에서 상기 산화제(예를 들면, 선택적으로 CO2로 희석되는 적어도 98% 또는 적어도 99% 순도의 산소)로 연소될 수 있다. 상기 연소기로부터의 상기 CO2를 함유하는 스트림은 약 500℃ 또는 그 이상의 온도(예를 들면, 약 500℃ 내지 약 1,700℃ 또는 약 800℃ 내지 약 1,600℃) 및 약 100bar(10MPa) 또는 그 이상의 압력(예를 들면, 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa))을 가질 수 있다. 상기 CO2를 함유하는 스트림은 상기 CO2를 함유하는 스트림을 팽창시키고, 전력을 발생시키며, CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 터빈을 통과할 수 있다. 상기 CO2를 함유하는 스트림은 12 이하 또는 10 이하(예를 들면, 약 5 내지 약 12)의 압력비(pressure ratio)에서 상기 터빈에 걸쳐 팽창될 수 있다. 선택적인 실시예들에 있어서, 여기에 기술되는 바와 같은 높은 압력비들은 그 개시 사항이 전체적으로 여기에 참조로 포함되는 미국 공개 특허 제2013/0213049호에 기재된 바와 같이, 복수의 터빈들을 활용하는 경우에서와 같이 이용될 수 있다.
상기 터빈 배출 스트림은 상기 연료의 연소에 의해 생성되는 연소 생성물들 및 임의의 순(net) CO2를 제거하도록 처리될 수 있다. 이를 위하며, 상기 터빈 배출 스트림은 열교환기(heat exchanger)를 통한 통과에 의해 냉각될 수 있다. 여기에 설명되는 온도 및 압력 조건들 하에서의 사용을 위해 적합한 임의의 열교환기가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 열교환기는 일련의 적어도 둘, 적어도 셋, 또는 심지어 그 이상의 이코노마이저(economizer) 열교환기들을 포함할 수 있다. 적어도 두 개의 섹션(section)들, 적어도 세 개의 섹션들(또는 심지어 그 이상의 섹션들)을 갖는 단일 열교환기가 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 열교환기는 다른 온도 범위들에 걸쳐 동작하는 적어도 세 개의 열교환기 섹션들을 가지는 것으로 설명될 수 있다. 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수된 열은 다음에 설명하는 바와 같이 상기 재순환 CO2 스트림을 가열하기 위해 사용될 수 있다.
상기 터빈 배출 스트림은 둘 또는 그 이상의 부분들로 나누어질 수 있다. 제1 부분은 상기 터빈 배출 스트림의 전체 질량 유량(mass flow)의 50% 또는 그 이상, 70% 또는 그 이상, 혹은 90% 또는 그 이상(그러나 100% 이하)을 포함할 수 있다. 상기 제1 터빈 배출 부분은 바람직하게는 상기 열교환기를 떠난 후에 상기 물 이슬점보다 낮은 온도에서 냉각된다. 상기 제1 터빈 배출 부분은 물을 제거하도록 분리기(separator)를 통과할 수 있으며, 다른 연소 생성물들이나 불순물들을 제거하기 위해 더 처리될 수 있다. 결과적인 스트림은 주요한 재순환 CO2 스트림으로 설명될 수 있고, 이러한 스트림은 상기 스테이지들 사이에 중간 냉각을 구비하는 다중 스테이지 압축기 내에서와 같이 압축될 수 있다. 바람직하게는, 상기 주요한 재순환 CO2 스트림은 약 40bar(4MPa) 내지 약 100bar(10MPa)의 압력까지 압축된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 주요한 재순환 CO2 스트림은 약 60bar(6MPa) 내지 약 100bar(10MPa) 또는 약 67bar(6.7MPa) 내지 약 80bat(8MPa)의 압력까지 압축된다.
상기 터빈 배출 스트림의 제2 부분은 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분을 형성하도록 압축될 수 있다. 상기 제2 터빈 배출 부분은 상기 제1 부분 내에 존재하지 않는 상기 터빈 배출의 균형(balance)(예를 들면, 상기 터빈 배출 스트림의 전체 질량 유량의 50% 또는 그 이하, 30% 또는 그 이하, 혹은 10% 또는 그 이하(그러나 0% 이상))을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제2 터빈 배출 부분은 제2 및 제3 열교환 섹션들(예를 들면, 고온으로부터 저온까지 이동하는 연속하는 상기 제2 및 제3 열교환기들-다시 말하면, 가장 낮은 온도 및 중간 온도 사이에서 동작하는 상기 열교환기들) 사이에서 상기 터빈 배출로부터 회수될 수 있다. 상기 제2 터빈 배출 부분은 바람직하게는 약 100℃ 내지 약 400℃ 범위의 온도 및 약 40bar(4MPa) 내지 약 100bar(10MPa)의 압력을 구현하기 위해 압축될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 압력은 약 60bar(6MPa) 내지 약 100bar(10MPa) 또는 약 67bat(6.7MPa) 내지 약 80bar(8MPa)가 될 수 있다. 상기 제2 터빈 배출 부분은 상기 열교환기로 다시 도입될 수 있고, 바람직하게는 상기 중온 열교환기의 고온 단부(hot end)로부터 상기 저온 열교환기의 저온 단부(cold end)까지 통과할 수 있다. 상기 냉각된 제2 터빈 배출 부분은 상기 물 이슬점보다 낮은 온도에 있을 수 있고, 상기 냉각된 스트림은 물 및 임의의 다른 불순물들을 제거하도록 하나 또는 그 이상의 분리기들을 통과할 수 있다. 나머지 스트림은 이차적인 재순환 CO2 스트림이며, 이는 상기 주요한 재순환 CO2 스트림과 결합될 수 있다. 이러한 결합은 다양한 지점들에서 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 주요한 재순환 CO2 스트림은 상기 저온 열교환기를 통과한 후 및 상기 분리기를 통과하기 전에 상기 터빈 배출의 냉각된 제2 부분에 추가될 수 있다. 선택적으로는, 상기 주요한 재순환 CO2 스트림 및 상기 이차적인 재순환 CO2 스트림은 물 분리 후 또는 상기 사이클의 다른 지점에서 결합될 수 있다. 연소로부터 생성되는 순 CO2는 향상된 오일 회수에 사용되기 위해서나, 격리를 위해서난 유사한 목적을 위한 것과 같이 이러한 지점에서 회수될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 터빈 배출 부분은 다중 스테이지 압축을 이용하여 압축될 수 있고, 여기서 나중의 스테이지들 사이에 중간 냉각이 수반되는 스테이지들 사이에 중간 냉각은 없다. 상기 냉각되지 않는 스테이지들을 떠나는 상기 제2 터빈 배출 부분의 압축되고 가열된 가스는 앞서 달리 설명한 바와 같이 상기 열교환기로 도입될 수 있고, 이렇게 냉각된 스트림은 상기 제1 터빈 배출 부분과 결합되기 전에 상기 중간 냉각되는 압축을 겪을 수 있다. 냉각되지 않는 스테이지들(x) 및 중간 냉각되는 스테이지들(y)의 숫자는 독립적으로 1 또는 그 이상, 2 또는 그 이상, 혹은 3 또는 그 이상(예를 들면, 1 내지 5 또는 2 내지 4)이 될 수 있다.
전체적인 재순환 CO2 스트림(상기 주요한 재순환 CO2 스트림 및 상기 이차적인 재순환 CO2 스트림으로 형성된)은 상기 연소기 내로의 통과를 위해 적절한 압력으로 펌프될 수 있다. 바람직하게는, 상기 전체적인 재순환 CO2 스트림은 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa)와 같이 100bar(10MPa) 또는 그 이상 혹은 약 200bar(20MPa) 또는 그 이상의 압력까지 펌프된다. 상기 압축된 재순환 CO2 스트림은 이후에 가열되도록 상기 열교환기들을 다시 통과한다. 상기 압축된 재순환 CO2 스트림은 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 열(상기 터빈 배출 스트림 내에 남아 있는 연소열로 특징지어질 수 있다)을 이용하여 가열된다. 그러나 상기 터빈 배출 스트림 내의 열은 상기 열교환기의 고온 단부에서 상기 터빈 배출 스트림 및 상기 가열되고 압축된 재순환 CO2 스트림 사이의 밀접한 온도 접근을 구현하기에 불충분하다. 본 발명에 따르면, 상기 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터의 열은 상기 터빈 배출 스트림 및 상기 열교환기를 나가고 상기 연소기로 들어가는 상기 가열되고 압축된 재순환 CO2 스트림 사이의 온도 차이를 감소시키도록 추가적 가열로 사용될 수 있다. 상기 추가적 가열은 재압축열로 특징지어질 수 있고, 상기 터빈 배출 내에 존재하는 연소열로부터 분리된다. 상기 추가적 가열의 이용은 상기 터빈 배출 스트림 및 상기 열교환기를 나가고 상기 연소기로 들어가는 상기 가열되고 압축된 재순환 CO2 스트림 사이의 온도 차이를 약 10℃ 내지 약 50℃ 또는 약 20℃ 내지 약 40℃와 같이 약 50℃ 또는 그 이하, 약 40℃ 또는 그 이하, 혹은 약 30℃ 또는 그 이하까지 감소시키는 데 이점이 있을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 추가적 가열은 재압축열과 결합되거나 선택적인 다른 수단에 의해 제공될 수 있다. 예를 들면, 외부 소스로부터 가열된 CO2가 활용될 수 있다. 이러한 외부 소스는, 예를 들면, 지질학적 소스로부터 회수되는 CO2, 파이프라인으로부터 취해지는 CO2 또는 이와 유사한 것들이 될 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림을 나누는 것이 불필요할 수 있고, 상기 가열된 CO2는 앞서 설명한 재압축열과 동일한 방식으로 상기 시스템에 투입될 수 있다. 추가적인 CO2는 순 CO2 생성물과 함께 상기 시스템으로부터 회수될 수 있고, 상기 열원으로 돌아갈 수 있다. 이러한 방식으로, 동력 생산 시스템의 완전히 외측인 외부 소스로부터의 재순환 CO2가 추가적 가열로 이용될 수 있다. 선택적으로는, 상기 추가적 가열의 일부 또는 모두는 가스 터빈 배출로부터 또는 응축되는 스트림으로부터가 될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템의 예시적인 실시예가 도 3에 도시된다. 상기 실시예는 정의된 변수들을 이용하는 연소 방법의 예시적인 실시예와 관련하여 설명된다. 특정 온도들과 압력들은 이에 따라 특정 동작 조건들에 기초하여 변화될 수 있다.
도 3의 실시예에 있어서, 728℃ 및 30bar(3MPa)의 터빈 배출 스트림(55)은 연속하는 세 개의 이코노마이저 열교환기들(29, 27, 26)을 통과하여, 46℃ 및 29bar(2.9MPa)의 스트림(46)으로 나간다. 열교환기(29)는 고온 열교환기로 특징지어질 수 있고, 열교환기(27)는 중온 열교환기로 특징지어질 수 있으며, 열교환기(26)는 저온 열교환기로 특징지어질 수 있다. "고온", "중온" 및 "저온"이라는 용어들이 서로에 대한 상기 세 열교환기들의 동작 온도 범위들만을 설명하는 것으로 의도되는 점이 이해될 것이다. 상기 스트림(46)은 수냉식 열교환기(58) 내에서 17.2℃까지 냉각되고, 응축된 물 스트림(56)이 상 분리기 용기(phase separator vessel)(53) 내에서 분리된다. 상부의 CO2 가스 스트림(61)은 상기 상 분리기 용기(53)를 나가고, 두 개의 스테이지의 원심 CO2 재순환 압축기[21(스테이지 1) 및 22(스테이지 2)]로 들어가며, 여기서 상기 제1 스테이지 압축기(21)로부터의 배출 스트림(44)은 중간 냉각기(intercooler)(23) 내에서 17.2℃까지 냉각되고, 스트림(45)으로 떠나며, 이후에 80bar(8MPa)에서의 스트림(48)을 형성하도록 상기 제2 스테이지 압축기(22) 내에서 압축된다. 이러한 주요한 재순환 압축기 배출 스트림(48)은 스트림(47)과 결합되고, 상기 결합된 스트림(69)은 수냉식 열교환기(24) 내에서 22.7℃의 온도까지 냉각된다. 다른 실시예들에 있어서, 이러한 온도는 10℃ 내지 약 30℃의 범위가 될 수 있다. 응축된 물(68)은 상 분리기(67) 내에서 분리되어 임계 상태이고 850㎏/㎥의 높은 밀도를 가지는 전체 재순환 CO2 스트림(49)을 생성한다. 상기 연소기 내에서 CO2로 전환되는 상기 연료 가스 내의 탄소와 동등한 순 생성물 CO2 스트림(62)은 격리, 향상된 오일 회수에의 이용 또는 유사한 것들을 위해 상기 시스템으로부터 제거된다(예시한 바와 같이, 냉각 후에 또는 냉각 전에).
상기 전체 재순환 CO2 스트림(49)은 열교환기(70) 내에서 17.2℃의 온도까지 냉각되며, 이후에 고압의 CO2 재순환 스트림(50)을 형성하도록 305bar(30.5MPa)의 배출 압력을 갖는 다중 스테이지의 원심 펌프(25)로 들어가며, 이는 상기 연속하는 세 개의 이코노마이저 열교환기들(26, 27, 29) 내에서 가열되어 725℃의 온도 및 302bar(30.2MPa)의 스트림(54)으로 나간다. 상기 스트림(54)은 모두 320bar(32MPa)의 99.5%의 O2 스트림(41)과 천연 가스 스트림(40)의 직접 연소에 의해 연소기(30) 내에서 1154℃까지 가열된다. 예시한 실시예에 있어서, 모델링은 상기 연료 가스로서 순수한 CH4로 이루어졌다. 재순환 CO2 및 연소 생성물들(57)의 혼합된 스트림은 30bar(3MPa)의 배출 압력을 갖고 동력 터빈(31)으로 들어가며, 터빈 배출 스트림(55)으로 떠난다.
앞서의 표에 나타낸 바와 같이, 300bar(30MPa) 및 30bar(3MPa)에서 CO2의 비열의 차이는 1000K(727℃)로부터 온도가 하강되면서 증가된다. 이러한 차이를 고려하여, 추가적 가열이 상기 터빈 배출 스트림(55) 및 상기 재순환 CO2 스트림(54) 사이에 매우 가까운 온도 접근을 구현하도록 요구되며, 이러한 추가적 가열은, 예를 들면, "저온" 이코노마이저 열교환기(26) 및/또는 상기 "중온" 이코노마이저 열교환기(27) 내에서 제공될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 추가적 가열은, 예시적인 실시예에서, 이는 약 29bar(2.9MPa) 내지 약 80bar(8MPa)의 압력까지 압축되는 상기 재순환 CO2 스트림의 일부의 단열 압축의 열을 이용하여 제공될 수 있다.
도 3의 예시적인 실시예를 다시 참조하면, 138℃의 온도에서 상기 두 이코노마이저 열교환기 섹션들(27, 26) 사이의 냉각 터빈 배출 스트림(51)의 일부가 회수될 수 있고, 단일 스테이지 또는 다중 스테이지의 단열 압축기(28) 내에서 압축되어 246℃ 및 80bar(8MPa)의 스트림(52)을 생성할 수 있다. 상기 압축되고 가열된 스트림(52)은 상기 이코노마이저 열교환기(27)의 고온 단부로 다시 들어가고, 상기 스트림은 열교환기(27) 및 열교환기(26)를 통과하며, 여기서 냉각되고 54℃에서의 스트림(47)으로 나간다. 동작 스트림(34)에 의해 공급되는 압축기(28) 내의 전체 압축열은 이에 따라 상기 고압의 재순환 CO2 스트림으로 전달되며, 이러한 열 투입은 상기 고온 단부 온도 차이를 감소시키기 때문에 상기 연소기(30) 내에서 전달되는 연소열과 동등하다. 스트림(51)의 유량은 상기 고온 이코노마이저 열교환기(29)의 유입구에서 스트림들(65, 66) 사이에 상당히 작은 온도 차이를 구현하도록 최대화된다. 스트림들(65, 66) 사이의 이러한 온도 차이는 바람직하게는 약 50℃ 또는 그 이하, 약 40℃ 또는 그 이하, 약 30℃ 또는 그 이하, 약 20℃ 또는 그 이하, 특히 약 10℃ 내지 약 50℃, 또는 약 20℃ 내지 약 40℃이다. 상술한 바와 같이, 스트림(47)은 열교환기(24) 내에서 22.7℃까지의 냉각을 위해 상기 주요한 재순환 압축기 배출 스트림(48)과 결합된다. 상술한 바와 같이 CO2 압축에 의해 제공되는 추가적 가열은 상기 동력 생산 시스템 내에서 증가된 효율을 제공한다.
저온 레벨 가열의 다른 소스들(예를 들면, 가스 터빈 배출 또는 응축 스트림)이 상기 추가적 가열로 이용될 수 있는 점에 유의한다. 도 3의 예시적인 실시예는 5.7bar(0.57MPa) 및 223℃까지 단열적으로 압축되었던 주요한 공기 흐름(42a)이 스트림(42)으로서 상기 이코노마이저 열교환기(27)의 고온 단부로 들어가고, 54℃에서의 스트림(43)으로서 열교환기(26)를 나가는 극저온 공기 분리 플랜트(81)를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 스트림(42)은 스트림(42b)으로부터 야기될 수 있으며, 이는 가스 터빈(83)으로부터 유래되는 열로 예시된다. 비록 도 3에는 예시하지 않지만, 일부 실시예들에서, 상기 O2 스트림은 80bar(8MPa) 및 주위 온도에서 상기 공기 분리 플랜트로부터 공급될 수 있고, 상기 이코노마이저 열교환기들(27, 26, 29) 내에서 725℃까지 가열되기 전에 320bar(32MPa)까지 압축될 수 있는 25mol%의 O2를 가져오도록 스트림(49)으로부터의 CO2와 혼합될 수 있다. 실제로, 이러한s CO2＋O2 압축기는 또한 상기 CO2 재순환 압축기에 대해 도시되었던 바와 같이 뜨거운 가스 압축기 섹션을 특징을 가질 수 있다. 도 3에 있어서, 냉각수 유입 스트림들은 스트림들(38, 59, 72, 36)로서 나타내는 반면, 각각의 유출 스트림들은 스트림들(39, 60,74, 37)로서 나타낸다. 상기 압축기 동력 투입들은 요소들(32, 34)로서 도 3에 예시되고, 이러한 동력 투입들은 전기가 될 수 있거나, 터빈 구동이 될 수 있다. 상기 CO2 펌프 전력 투입은 요소(33)로서 예시된다. 터빈 축 동력 출력은 발전기(generator)(63)로부터 요소(64)로 예시된다.
설명한 예시적인 실시예는 실제 기계 효율들, 열교환기 온도 차이들 및 시스템 압력 강하들을 이용하여 ASPEN 모델링 소프트웨어로 평가되었고, 58.5%(LHV 기준)의 순 효율을 가져왔다. 계산은 상기 연소기(30)에 대한 500MW의 열 투입에 기초하였다.
비록 개시된 시스템들과 방법들이 동력 생산을 위한 연소 시스템들 및 방법들에 특히 적용 가능할 수 있지만, 가스 스트림의 효율적인 가열을 위한 보다 넓은 적용도 포괄된다. 이와 같이, 일부 실시예들에서, 본 발명은 가스 스트림, 특히 재순환하는 가스 스트림을 가열하기 위한 방법에 관한 것일 수 있다. 상기 재순환하는 가스 스트림은 선택적으로 압축 및 팽창의 스테이지들을 포함하는 가열 및 냉각의 스테이지들을 통해 연속적으로 순환하는 임의의 가스 스트림이 될 수 있다.
본 발명 에 따른 가열을 겪을 수 있는 가스 스트림 G는 임의의 가스가 될 수 있지만, 상기 가스 스트림 G가 CO2 질량으로 적어도 약 10%, 적어도 약 25%, 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 또는 적어도 약 90%와 같이 CO2를 포함하는 것이 특히 유리할 수 있다. 재순환하는 가스 스트림 G는 특히 증가된 온도 T1(예를 들면, 약 500℃ 내지 약 1700℃) 및 원하는 양의 압축열의 형성을 가능하게 하는 압력 P1-예를 들면, 약 40bar(4MPa) 이하의 압력에 있을 수 있다. 압력 P1 및 온도 T1에서의 가스 스트림 G는 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger)를 통한 통과에 의해서와 같이 냉각될 수 있다. 바람직하게는, 냉각은 상기 가스 스트림 G가 T1보다 작은 온도 T2까지 냉각되도록 하는 것이다. 일부 실시예들에 있어서, 냉각은 일련의 다중 열교환기들(예를 들면, 2, 3 또는 그 이상의 열교환기들)을 이용하거나, 복수의 열교환 섹션들을 포함하는 열교환기를 이용하거나, 이들의 조합들을 이용하여 수행될 수 있다. 개별적인 열교환기들(또는 열교환 섹션들)은 다른 온도 범위들에서 열을 교환할 수 있고, 이 범위들은 중첩될 수 있다. 상기 다중 열교환기들 및/또는 열교환 섹션들의 사용은 스트림들이 다른 온도 범위들에서 추가되거나 회수되게 한다.
상기 가스 스트림 G는 제1 부분(fraction) G1 및 제2 부분 G2로 분리될 수 있다. 이러한 분리는 상기 가스 스트림 G가 상기 온도 T2 또는 T1 및 T2 사이인 중간 온도 Tint까지 냉각되었던 후에 일어날 수 있다. 상기 온도 T2는, 예를 들면, 상기 전열식 열교환기의 저온 단부(또는 가장 낮은 온도 범위에 걸쳐 동작하는 상기 열교환기 또는 열교환 섹션)에서의 온도가 될 수 있고, 상기 온도 Tint는, 예를 들면, 일련의 셋 또는 그 이상의 열교환기들(또는 열교환 섹션들) 내의 제2 열교환기(또는 제2 열교환 섹션)의 저온 단부에서의 온도가 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제2 가스 부분 G2는 상기 제1 가스 부분 G1을 더 냉각하기 이전에 중간 온도에서 회수될 수 있다. 상기 가스 스트림 부분 G1이 냉각된 후, 이는 이후에 바람직하게는 P1보다 클 수 있는 보다 큰 압력 P2까지 압축될 수 있다. 이러한 압축은, 예를 들면, 중간 냉각되는 다중 스테이지 압축기로 수행될 수 있다. 상기 압력 P3은, 예를 들면, 약 40bar(4MPa) 내지 약 100bar(10MPa), 약 60bar(6MPa) 내지 약 100bar(10MPa) 또는 약 67bar(6.7MPa) 내지 약 80bar(8MPa)가 될 수 있다.
상기 회수된 가스 스트림 부분 G2는 또한 바람직하게는 P1보다 압력 P3까지 별도로 압축될 수 있다. 상기 압력 P3은 상기 압력 P2의 동일한 범위에 있을 수 있지만, P2 및 P3이 반드시 동일할 필요는 없다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 가스 스트림 부분 G2는 상기 가스 스트림 부분 G2를 T2보다 큰 온도 T3까지 가열하기 위하여 중간 냉각 없이 단열 압축을 이용하여 압축될 수 있다. 상기 가스 스트림 부분 G2가 상기 중간 온도 Tint에서 회수될 수 있는 실시예들에 있어서, T3은 바람직하게는 Tint보다 크다. 상기 압축된 가스 스트림 부분 G2로부터 열이 회수될 수 있고, 다음에 더 설명하는 바와 같이 상기 재순환 가스 스트림에 대한 추가적 가열로 이용될 수 있다.
상기 압축열이 가스 스트림 부분 G2로부터 회수되었던 후, 상기 가스 스트림 부분 G1 및 상기 가스 스트림 부분 G2는 결합된 재순환 가스 스트림 GC를 형성하도록 결합될 수 있다. 상기 재순환 가스 스트림 GC는 상기 압력 P2 및/또는 P3과 실질적으로 동일한 압력을 가질 것이며, P2보다 크고 P3보다 큰 압력 P4까지 펌프될 수 있다. 이러한 펌핑은 상기 재순환 가스 스트림 GC가 고압 응용에 이용되는 경우에 바람직하다. 그러나 일부 실시예들에서, 상기 압력 P2 및/또는 P3이 적합할 수 있고, 추가적인 압축이 요구되지 않을 수 있다.
상기 재순환 가스 스트림 GC(선택적으로 상기 압력 P4에서)는 상기 냉각되는 가스 스트림 G에 의해 가열되도록 상기 전열식 열교환기로 통과될 수 있다. 상기 압축된 가스 스트림 부분 G2로부터 회수된 열은 상기 재순환 가스 스트림 GC에 추가될 수 있다. 이러한 추가적 가열은 압력 P4까지의 펌핑 후에 수행될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 추가적 가열은 상기 전열식 열교환기 내에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 단일의 전열식 열교환기가 사용될 경우, 상기 압축된 가스 스트림 부분 G2의 열은 상기 추가적 가열을 원하는 온도 범위 내의 상기 재순환하는 가스 스트림 GC에 제공하도록 적절한 지점에서 상기 열교환기에 투입될 수 있다. 복수의 열교환기들(또는 열교환 섹션들)이 사용되는 실시예들에 있어서, 상기 압축된 가스 스트림 부분 G2의 열은 보다 낮은 온도의 열교환기들(또는 열교환 섹션들)의 하나 또는 그 이상에 추가될 수 있다. 예를 들면, 압축 동안에, 가스 스트림 부분 G2는 약 100℃ 내지 약 400℃의 범위 내의 온도까지 가열될 수 있고, 상기 압축된 가스 스트림 부분 G2로부터의 열은 이러한 온도 범위에서 동작하는 하나 또는 그 이상의 열교환기들(또는 열교환 섹션들)에 추가될 수 있다. 도 3에 있어서, 예를 들면, 압축된 가스 스트림 부분 G2는 스트림(52)과 동일시될 수 있었고, 이는 열교환기(29)보다 낮은 온도 범위에서 동작하는 열교환기들(26, 27)을 통과한다. 일반적으로, 도 3에 예시한 바와 같은 일련의 열교환기들은 별도의 온도 범위들(이 범위들은 중첩될 수 있다)에서 각기 전달하는 세 개의 열교환기들을 포함한다. 도 3의 예에서, 열교환기(29)는 온도 범위 R1에서 동작하는 것으로 특징지어질 수 있고, 열교환기(27)는 온도 범위 R2에서 동작하는 것으로 특징지어질 수 있으며, 열교환기(26)는 온도 범위 R3에서 동작하는 것으로 특징지어질 수 있다. 예시한 바와 같이, 열교환기(29)가 상기 일련의 고온 단부에 있고, 열교환기(26)가 상기 일련의 저온 단부에 있기 때문에, 상기 일련의 열교환기들의 온도 관계는 R1＞R2＞R3이 될 수 있다.
상기 압축된 가스 스트림 부분 G2내의 압축열에 의해 제공되는 상기 추가적 가열의 이용은 상기 결합된 재순환 가스 스트림 GC의 온도가 냉각 이전의 상기 가스 스트림 G의 온도와 상당히 가깝게 하는 데 이점이 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 재순환 가스 스트림 GC는 상기 전열식 열교환기를 통과하고 상기 압축된 가스 부분 G2로부터 열을 수용한 후에 T1의 50℃ 이내인 온도 T4를 가질 수 있다. 통상적으로, 상기 재순환하는 가스 스트림 GC의 온도 T4는 상기 전열식 열교환기를 통과한 후에 T1 아래로 남을 것이다. 이러한 실시예들에 있어서, 재순환 가스 스트림 GC는 상기 전열식 열교환기를 통과하고 상기 압축된 가스 부분 G2로부터 열을 수용한 후에 50℃를 넘지 않게 T1보다 작은 온도 T4를 가질 수 있다.
T1에 대한 T4의 접근은 하나 또는 그 이상의 추가적인 소스들로부터의 열의 추가를 통해 더 향상될 수 있다. 이러한 추가적인 열원은 상기 가스 스트림이 원하는 질과 양의 열을 구현하도록 여기서 설명되는 바와 같이 가스 스트림을 가열하기에 충분한 스트림에 대한 가열을 전하도록 구성되는 임의의 장치 또는 장치들의 결합을 포함할 수 있다. 제한적이지 않은 예들로서, 상기 추가적인 열원은 연소 열원, 태양 열원, 핵 열원, 지열 열원 및 산업 폐기물 열원의 하나 또는 그 이상이 될 수 있다. 상기 추가적인 열원은 필요한 열을 형성하거나, 제공하거나, 전달하기에 적합한 열교환기, 열펌프, 동력을 생성하는 장치 및 요소들의 임의의 다른 결합(예를 들면, 파이핑(piping) 및 이와 유사한 것)을 포함할 수 있다.
재순환 가스 스트림을 가열하기 위한 방법은 하나 또는 그 이상의 단계들을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 가스 스트림 G는 터빈을 나가는 스트림이 될 수 있다. 이와 같이, 상기 가스 스트림 G의 압력 P1은 상기 터빈을 통과하기 전에 상기 가스 스트림의 이전의 압력 P0보다 작을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, P0은 P4와 실질적으로 유사(예를 들면, 그 10% 이내, 5% 이내, 또는 2% 이내)할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 재순환 가스 스트림 GC는 상기 열교환기의 고온 단부를 떠난 후(즉, 상기 열교환기 내에서 다시 가열되고, G2로부터 추가적인 압축열을 수용한 후)에 과열 단계를 거칠 수 있다. 예를 들면, 재순환 가스 스트림 GC는 연소열, 태양 가열, 핵 가열, 지열 가열, 산업 폐기물 가열, 또는 이들의 임의의 결합으로 가열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 재순환 가스 스트림 GC는 이렇게 가열될 수 있고, 이후에 팽창 및 동력 생산을 위해 터빈을 통과할 수 있다. 상기 터빈을 떠나는 스트림은 이후에 가스 스트림 G로 다시 특징지어질 수 있다.
본 발명에서 개시되는 주제의 많은 변형들과 다른 실시예들은 이러한 주제가 앞서의 설명들 및 관련된 도면들에 제시되는 교시들의 이점을 가지는 것으로 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 여기서 설명되는 특정 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들과 다른 실시예들이 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 속하도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 특정 용어들이 여기에 채용되지만, 이들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 제한의 목적을 위해 사용되는 것은 아니다.

Claims (30)

  1. 재순환 가스 스트림(gas stream)을 가열하기 위한 방법에 있어서,
    압력 P1 및 온도 T1에서의 가스 스트림 G를 상기 가스 스트림이 온도 T1보다 낮은 온도 T2까지 냉각되도록 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger)로 통과시키는 단계;
    상기 가스 스트림 G를 제1 가스 스트림 부분(fraction) G1 및 제2 가스 스트림 부분 G2로 분리하는 단계;
    상기 제1 가스 스트림 부분 G1을 P1보다 큰 압력 P2까지 압축하는 단계;
    상기 제2 가스 스트림 부분 G2를 T2보다 큰 온도 T3까지 가열하기 위해 상기 제2 가스 스트림 부분 G2를 P1보다 큰 압력 P3까지 압축하는 단계;
    상기 압축된 제2 가스 스트림 부분 G2로부터 열을 회수하는 단계;
    결합된 재순환 가스 스트림 GC를 형성하도록 상기 제1 가스 스트림 부분 G1 및 상기 제2 가스 스트림 부분 G2를 결합하는 단계;
    상기 결합된 재순환 가스 스트림 GC를 P2보다 크고 P3보다 큰 압력 P4까지 펌핑하는 단계; 및
    상기 결합된 재순환 가스 스트림 GC가 상기 가스 스트림 G에 의해 가열되도록 상기 결합된 재순환 가스 스트림 GC를 상기 전열식 열교환기로 통과시키는 단계를 포함하며,
    상기 압축된 제2 가스 스트림 부분 G2로부터 회수되는 열은 압력 P4까지 펌핑한 후에 상기 결합된 재순환 가스 스트림 GC에 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 T3은 100℃ 내지 400℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 가스 스트림 부분 G1의 압력 P2 및 상기 제2 가스 스트림 부분 G2의 압력 P3은 각기 별도로 40bar(4MPa) 내지 100bar(10MPa)인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 결합된 재순환 가스 스트림 GC의 압력 P4는 100bar(10MPa) 내지 500bar(50MPa)인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 스트림 G의 전체 질량에 기초하여 상기 제1 가스 스트림 부분 G1 대 상기 제2 가스 스트림 부분 G2의 질량비는 50:50 내지 99:1인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전열식 열교환기를 통과하고, 상기 압축된 제2 가스 스트림 부분 G2로부터 열을 수용한 후에 상기 결합된 재순환 가스 스트림 온도 T4를 가지며, T4 및 T1 사이의 온도 차이는 50℃ 보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 가스 스트림 부분 G2는 중간 냉각 없이 다중 스테이지 압축으로 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 가스 스트림 부분 G2로부터 열을 회수한 후에 상기 제2 가스 스트림 부분 G2는 상기 제1 가스 스트림 부분 G1과 결합되기 전에 더 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전열식 열교환기는 R1＞R2＞R3의 온도 관계로 온도 범위 R1에서 동작하는 제1 열교환기 또는 열교환 섹션(section), 온도 범위 R2에서 동작하는 제2 열교환기 또는 열교환 섹션, 그리고 온도 범위 R3에서 동작하는 제3 열교환기 또는 열교환 섹션 내에서 열이 전달되도록 연속하는 세 개의 열교환기들 또는 세 개의 열교환 섹션들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 가스 스트림 G는 상기 제1 열교환기 또는 열교환 섹션 및 상기 제2 열교환기 또는 열교환 섹션 사이에서 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 가스 스트림 G는 상기 제2 열교환기 또는 열교환 섹션 및 상기 제3 열교환기 또는 열교환 섹션 사이에서 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 압축된 제2 가스 스트림 부분 G2로부터 회수되는 열은 상기 제3 열교환기 또는 열교환 섹션 및 상기 제2 열교환기 또는 열교환 섹션의 하나 또는 모두 내에서 상기 결합된 재순환 가스 스트림 GC에 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 압력 P4까지 펌핑한 후에 상기 결합된 재순환 가스 스트림 GC에 열을 추가하는 단계를 더 포함하며, 상기 추가되는 열은 공기 분리 유닛(air separation unit) 및 가스 터빈(turbine)의 하나 또는 모두로부터 유래되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 연소 생성물 스트림을 형성하도록 상기 가열되고 결합된 재순환 가스 스트림 GC를 상기 전열식 열교환기로부터 연료를 산소로 연소시키는 연소기(combustor)로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 스트림 G는 터빈 배출 스트림인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 발전 방법에 있어서,
    CO2를 함유하는 연소 스트림을 생성하도록 재순환 CO2 스트림의 존재에서 연소기 내에서 연료를 산소로 연소시키는 단계;
    상기 CO2를 함유하는 연소 스트림을 팽창시키고, 전력을 발생시키며, 터빈 배출 스트림을 형성하도록 상기 CO2를 함유하는 연소 스트림을 터빈을 통과시키는 단계;
    상기 터빈 배출 스트림으로부터 열을 회수하는 단계;
    제1 터빈 배출 부분 및 제2 터빈 배출 부분을 형성하도록 상기 터빈 배출 스트림을 나누는 단계;
    주요한 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 제1 터빈 배출 부분으로부터 물을 분리하는 단계;
    상기 주요한 재순환 CO2 스트림을 압축하는 단계;
    가열되고, 압축된 제2 터빈 배출 부분을 형성하도록 상기 제2 터빈 배출 부분을 압축하는 단계;
    냉각되고 압축된 제2 터빈 배출 부분을 형성하도록 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 열을 회수하는 단계;
    이차적인 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 냉각되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 열을 회수하는 단계;
    결합된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 주요한 재순환 CO2 스트림과 상기 이차적인 재순환 CO2 스트림을 결합하는 단계;
    상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 압축하는 단계;
    상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수된 열로 가열하는 단계; 및
    상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 회수된 열로 더 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 CO2를 함유하는 연소 스트림은 500℃ 내지 1,700℃의 온도 및 100bar(10MPa) 내지 500bar(50MPa)의 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 터빈에 걸친 압력비는 5 내지 12인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 열은 셋 또는 그 이상의 섹션들을 포함하거나, 셋 또는 그 이상의 개별적인 열교환기들을 포함하는 전열식 열교환기 내에서 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수된 열로 가열하는 단계 및 상기 결합된 재순환 CO2 스트림을 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 회수된 열로 더 가열하는 단계는 상기 전열식 열교환기 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 16 항에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림의 전체 질량을 기초로 하는 상기 제1 터빈 배출 부분 대 상기 제2 터빈 배출 부분의 질량비는 50:50 내지 99:1인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 16 항에 있어서, 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 열이 회수되며, 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분은 100℃ 내지 400℃의 온도 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 16 항에 있어서, 상기 주요한 재순환 CO2 스트림 및 상기 제2 터빈 배출 부분은 40bar(4MPa) 내지 100bar(10MPa)의 압력까지 독립적으로 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 16 항에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수된 열로 가열하고, 상기 가열되고 압축된 제2 터빈 배출 부분으로부터 회수된 열로 더 가열한 후에 상기 결합된 재순환 CO2 스트림은 상기 터빈 배출 스트림의 온도와 차이가 50℃ 보다 작은 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 16 항에 있어서, 상기 제2 터빈 배출 부분은 압축기 스테이지들 사이에서 중간 냉각 없이 단열적으로 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 발전 시스템에 있어서,
    연소 스트림을 배출하도록 구성되는 연소기;
    상기 연소 스트림을 수용하고 팽창시키며, 터빈 배출 스트림을 형성하도록 구성되는 동력 생산 터빈;
    상기 터빈 배출 스트림을 수용하도록 구성되는 전열식 열교환기;
    냉각된 터빈 배출 스트림을 제1 가스 스트림 및 제2 가스 스트림으로 분리하도록 구성되는 유동 분리기(flow separator);
    상기 제1 가스 스트림을 수용하고 압축시키도록 구성되는 제1 압축기;
    상기 제2 가스 스트림을 수용하고 압축시키도록 구성되는 제2 압축기;
    상기 제1 가스 스트림 및 상기 제2 가스 스트림을 결합하여 가압하도록 구성되고, 상기 제 압축기 및 상기 제2 압축기로부터 다운스트림(downstream)으로 위치하는 펌프;
    상기 전열식 열교환기를 통해 상기 터빈 배출 스트림을 통과시키기 위해 구성되는 제1 유로(flow path);
    상기 전열식 열교환기를 통해 상기 결합되어 가압된 제1 가스 스트림 및 제2 가스 스트림을 통과시키도록 구성되는 제2 유로; 및
    상기 전열식 열교환기를 통해 상기 압축된 제2 가스 스트림을 통과시키기 위해 구성되는 제3 유로를 포함하며,
    상기 제1 유로 및 상기 제3 유로는 상기 제2 유로를 가열하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 전열식 열교환기는 일련의 셋 또는 그 이상의 열교환기들 혹은 일련의 셋 또는 그 이상의 가열 섹션들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템. 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 제1 가스 스트림 및 상기 제2 가스 스트림의 하나 또는 모두로부터 적어도 물을 분리하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 분리기들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  29. 제 26 항에 있어서, 상기 제1 압축기는 다중 스테이지의 중간 냉각 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  30. 제 26 항에 있어서, 상기 제2 압축기는 압축기 스테이지들 사이에 중간 냉각이 없는 단열 다중 스테이지 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
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