KR20180044377A - 내포된 이산화탄소(co2) 사이클들을 이용하는 동력 생산을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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로드니 존 알람
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8 리버스 캐피탈, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 동력 생산을 위해 유용한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 동작 유체로 CO2를 활용하는 동력 생산 사이클은 제2의 사이클과 결합될 수 있으며, 여기서 상기 동력 생산 사이클로부터의 압축된 CO2 스트림은 추가 동력을 제공하고, 상기 동력 생산 사이클에 추가 가열을 제공하도록 가열되고 팽창될 수 있다.

Description

내포된 이산화탄소(CO2) 사이클들을 이용하는 동력 생산을 위한 시스템들 및 방법들
본 발명은 CO2 순환 유체를 활용하는 동력 생산 사이클이 그 효율을 향상시킬 수 있는 동력 생산 시스템들 및 방법들을 제공한다. 특히, 상기 동력 생산 사이클로부터의 압축된 CO2 스트림은 추가 동력을 생산하고 상기 동력 생산 사이클에 대한 추가 가열을 제공하도록 독립적인 열원으로 가열될 수 있고, 팽창될 수 있다.
현재 채용되고 있는 천연 가스를 이용하는 가장 일반적인 동력 사이클은 배열 회수 보일러(HRSG)와 결합된 가스 터빈(GT)이다. 이러한 시스템은 천연 가스 복합 연소 사이클(NGCC)로 언급될 수 있으며, 여기서 발전된 증기 랭킨 사이클(Rankine cycle) 발전 시스템((HRSG) 플러스 증기 터빈들)은 추가적인 동력 생산을 위한 증기를 형성하도록 뜨거운 터빈 배출 열을 활용한다. NGCC 유닛은 통상적으로 천연 가스 연료를 지배적으로 활용하는 동력 생산의 효율적인 방법인 것으로 이해되고 있다. NGCC 유닛의 이용에 있어서, 모든 CO2, 수증기 및 연소로부터 유래되는 질소의 산화물(NOx)들은 대기로 방출된다.
동력 생산에서 동작 유체로서 CO2(특히 초임계의 형태로)의 활용은 동력 생산을 위해 매우 효율적인 것으로 나타나있다. 예를 들어, 그 개시 사항이 여기에 참조로 포함되는 알램(Allam) 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호를 참조하면, 실제로 제로의 임의의 스트림들을 대기로 방출하는 복열 산소 연소 브레이턴 사이클(Brayton cycle) 발전 시스템 내의 직접적으로 가열된 CO2 동작 유체의 사용이 기재되어 있다. CO2가 동작 유체로서 밀폐 사이클에 활용될 수 있고, 여기서 상기 CO2가 직접적인 가열 소스 및 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 이용하는 중간 가열과 함께 동력 생산을 위해 반복적으로 압축되고 팽창되는 것은 이미 제시되었다. 예를 들면, 헬드(Held)에게 허여된 미국 특허 제8,783,034호를 참조하기 바란다.
다양한 수단들이 이러한 동력 생산 방법들의 효율을 증가시키기 위해 추구되어 왔다. 예를 들면, 고온의 가스 압축을 통하거나 외부 열원들을 통하는 바와 같은 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger) 최적화가 추구되어 왔다. CO2 사이클들의 최적화는 종종 터빈 동력 출력을 최대화하는 데 중점을 두어 왔다. 이러한 노력들에도 불구하고, 동력 생산 시스템들 및 방법들의 분야에서 대기로의 임의의 스트림들(예를 들어, CO2, NOx 및 다른 연소-관련 생성물들)의 방출을 실질적으로 제한하거나 방지하면서 효율과 동력 출력을 증가시키는 데 대한 요구가 남아 있다.
본 발명은 동력 생산 사이클에 활용되는 장비의 상당한 변경에 대한 필요성이 없이 동력 생산 능력을 동시에 증가시키면서 동작 스트림(work stream)으로 CO2를 활용하는 상기 동력 생산 사이클의 효율이 최대화될 수 있는 동력 생산을 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 효율의 향상은 내부 열교환기를 통해 회수될 수 있는 가열을 넘어서 동작 유체 스트림(working fluid stream)에 추가 가열을 공급함에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 추가 가열은 상기 동력 생산 사이클과 독립적인 외부 열원에 의해 공급된다. 특히, 독립적인 열원이 상기 동력 생산 사이클로부터의 고압의 재순환 CO2 스트림의 적어도 일부를 가열하는 데 이용될 수 있으며, 이렇게 가열된 스트림은 상기 재순환 CO2 동작 스트림의 추가 가열을 구현하기 위해 다양한 방식들로 상기 동력 생산 사이클에 다시 결합될 수 있다. 유리하게는, 이렇게 가열된 재순환 CO2 스트림은 추가 동력 생산을 위해 팽창될 수 있고, 추가 동력 생산을 위해서와 추가적인 장비의 요구를 피하는 압력에서 일차적인 동력 생산 사이클에 다시 합쳐지기 위해 이렇게 가열된 재순환 CO2 스트림이 조절될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 이에 따라 동력 생산 방법을 제공하며, 상기 방법은 재순환된 CO2 스트림에 반복적인 압축, 가열, 연소, 동력 생산을 위한 팽창 및 냉각이 수행되는 제1 동력 생산 사이클; 및 상기 제1 동력 생산 사이클로부터의 압축된 CO2가 상기 제1 동력 생산 사이클과 독립적인 열원으로 가열되고, 동력 생산을 위해 팽창되며, 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 재순환된 CO2 스트림과 재결합되는 제2 동력 생산 사이클을 포함한다. 특히, 상기 연소로부터 업스트림(upstream)인 상기 제1 동력 생산 사이클 내에서 수행되는 가열은 상기 제2 동력 생산 사이클 내의 상기 압축되고 재순환된 CO2에 제공되는 열을 수용하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 가열은 상기 재순환된 CO2 스트림을 냉각 터빈 배출 스트림에 대해 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger)를 통과시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제2 동력 생산 사이클에서 가열된 압축된 CO2 스트림은 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 재순환된 CO2 스트림에 추가 가열을 부여하도록 상기 전열식 열교환기(또는 이의 특정한 세그먼트(segment) 또는 유닛)로 통과될 수 있다. 다른 제한적이지 않은 예로서, 상기 제1 동력 생산 사이클은 제2의 열교환기를 포함할 수 있고, 상기 제2 동력 생산 사이클에서 가열된 상기 압축된 CO2 스트림은 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 재순환된 CO2 스트림의 일부에 대해 상기 제2의 열교환기로 통과될 수 있으며, 이러한 일부는 이후에 상기 전열식 열교환기를 통한 통과 이전, 동안 또는 이후에 나머지 재순환된 CO2 스트림과 재결합될 수 있다.
상기 제2 동력 생산 사이클 내의 열원은 여기에 설명되는 바와 같이 압축된 CO2 스트림을 가열하기에 충분한 열을 스트림에 제공하여, 상기 압축된 CO2 스트림이 원하는 품질과 양의 열을 구현하도록 구성되는 임의의 장치 또는 장치들의 결합을 포함할 수 있다. 제한적이지 않은 예들로서, 상기 제2 동력 생산 사이클 내의 열원은 연소 열원, 태양열 열원, 원자력 열원, 지열 열원 및 산업 폐기물 열원의 하나 또는 그 이상이 될 수 있다. 상기 열원은 필요한 열을 형성하거나, 제공하거나, 전달하기 위해 적합한 열교환기, 히트 펌프(heat pump), 동력을 생산하는 장치 및 요소들(예를 들어, 배관 및 이와 유사한 것)의 임의의 추가적인 결합을 포함할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 동력 생산 방법은 제1의 양의 동력을 생산하도록 제1 터빈에 걸쳐 재순환된 CO2를 포함하는 동작 스트림을 팽창시키는 단계; 전열식 열교환기 내에서 상기 동작 스트림으로부터 열을 회수하는 단계; 상기 동작 스트림을 압축시키는 단계; 상기 전열식 열교환기 내에서 회수된 열을 이용하여 상기 동작 스트림을 재가열하는 단계; 및 연소기 내에서 상기 압축된 동작 스트림을 과열시키는 단계를 포함하는 제1 사이클을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 제1 사이클로부터의 압축된 동작 스트림이 상기 연소기 및 상기 전열식 열교환기와 독립적인 열원으로 가열되고, 제2의 양의 동력을 생산하도록 제2의 터빈에 걸쳐 팽창되는 내포된 사이클(nested cycle)을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 특히, 상기 내포된 사이클로부터의 상기 팽창된 동작 스트림은 상기 압축시키는 단계 후 및 상기 과열시키는 단계 전에 상기 제1 사이클 내의 상기 동작 스트림에 열을 추가하는 데 이용될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 동력 생산 사이클의 효율을 향상시키기 위한 방법들을 제공할 수 있다. 제한적이지 않은 예로서, 이러한 방법은 압축되고 재순환된 CO2가 탄소질 연료가 재순환된 CO2를 포함하는 배출 스트림을 생성하도록 산화제로 연소되는 연소기를 통과하도록 상기 동력 생산 사이클을 동작시키는 단계를 포함할 수 있고; 상기 배출 스트림은 동력을 생산하고 재순환된 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림(turbine exhaust stream)을 형성하도록 터빈에 걸쳐 팽창되며; 상기 터빈 배출 스트림은 전열식 열교환기 내에서 냉각되고; 상기 냉각된 터빈 배출 스트림은 상기 재순환된 CO2를 분리시키도록 분리기를 통과하며; 상기 재순환된 CO2는 압축되고; 상기 압축되고 재순환된 CO2는 상기 터빈 배출 스트림에 대해 상기 전열식 열교환기를 통과함에 의해 가열된다. 이러한 방법은 상기 터빈 배출 스트림으로부터 이용될 수 있는 가열의 레벨 이상으로 상기 압축되고 재순환된 CO2에 추가적인 가열을 추가하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 추가적인 가열은 상기 압축되고 재순환된 CO2의 일부를 회수하고, 상기 압축되고 재순환된 CO2의 회수된 부분을 상기 동력 생산 사이클과 독립적인 열원으로 가열하며, 상기 회수되고 가열되며 압축되고 재순환된 CO2로부터 열을 상기 동력 생산 사이클 내의 상기 압축되고 재순환된 CO2의 나머지 부분에 전달함에 의해 제공된다. 보다 상세하게는, 이러한 방법은 내부의 상기 압축되고 재순환된 CO2에 열을 전달하기 위해 상기 회수되고 가열되며 압축되고 재순환된 CO2를 전열기로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 이러한 방법은 상기 전열식 열교환기 내의 상기 압축되고 재순환된 CO2의 나머지 부분과 이후에 결합되는 재순환된 CO2 사이드 스트림(side-stream)을 가열하도록 상기 회수되고 가열되며 압축되고 재순환된 CO2를 이차적인 열교환기로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이러한 방법은 상기 회수되고 가열되며 압축되고 재순환된 CO2를 동력을 생산하도록 제2의 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 동력 생산 방법은 CO2 동작 스트림에 반복적인 동력 생산을 위한 팽창, 냉각, 압축, 가열 및 연소가 수행되는 제1 동력 생산 사이클을 동작시키는 단계; 및 상기 제1 동력 생산 사이클로부터의 압축된 CO2 동작 스트림의 적어도 일부가 상기 제1 동력 생산 사이클과 독립적인 열원으로 가열되고, 동력 생산을 위해 팽창되며, 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 CO2 동작 스트림과 재결합되는 제2 동력 생산 사이클을 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 특히, 이러한 동력 생산 방법은 다음의 임의의 하나 또는 그 이상이 적용될 수 있는 것으로 특징지어질 수 있다. 상기 동력 생산을 위한 팽창은 제1 양의 동력을 생산하도록 제1 터빈에 걸쳐 상기 CO2 동작 스트림을 팽창시키는 단계를 포함하고; 상기 냉각은 전열식 열교환기 내에서 상기 CO2 동작 스트림으로부터 열을 회수하는 단계를 포함하며; 상기 압축은 상기 CO2 동작 스트림을 적어도 하나의 압축기로 압축시키는 단계를 포함하고; 상기 가열은 상기 전열식 열교환기 내의 회수된 열을 이용하여 상기 CO2 동작 스트림을 가열하는 단계를 포함하며; 상기 연소는 연소기 내에서 상기 압축된 CO2 동작 스트림을 과열시키는 단계를 포함한다.
상술한 경우 외에, 상기 동력 생산 방법은 다음의 임의의 하나 또는 그 이상이 적용될 수 있는 것으로 정의될 수 있다. 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 가열은 상기 제2 동력 생산 사이클 내에서 상기 CO2 동작 스트림에 제공되는 열을 수용하는 단계를 포함하고; 상기 제2 동력 생산 사이클 내의 상기 열원은 연소 열원, 태양열 열원, 원자력 열원, 지열 열원 및 산업 폐기물 열원의 하나 또는 그 이상이며; 상기 제2 동력 생산 사이클로부터의 상기 팽창된 동작 스트림은 상기 압축 후 및 상기 연소 전에 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 CO2 동작 스트림에 열을 추가하는 데 이용된다.
또한, 상기 동력 생산은 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 CO2 동작 스트림과 재결합되는 상기 제2 동력 생산 사이클로부터의 상기 CO2 동작 스트림이 다음의 하나 또는 그 이상인 것으로 정의될 수 있다. 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 냉각 후 및 상기 압축 전의 투입; 상기 압축 후 및 상기 가열 전의 투입; 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 가열 동안의 투입.
또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 또한 동력 생산 시스템들을 제공할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 동력 생산 시스템은 CO2 스트림을 적어도 약 100bar(10MPa)의 압력으로 압축시키도록 구성되는 압축기; 상기 압축기로부터 다운스트림(downstream)인 연소기; 상기 연소기로부터 다운스트림이고, 상기 압축기로부터 업스트림인 제1 터빈; 상기 압축기로부터 스트림을 수용하고 상기 터빈으로부터 별도의 스트림을 수용하도록 배치되며, 상기 스트림들 사이에 열을 전달하도록 구성되는 제1 열교환기; 상기 압축기로부터 다운스트림인 제2 터빈; 및 상기 압축기로부터 스트림을 수용하고, 열원으로부터 별도의 스트림을 수영하도록 배치되는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 외부 열원(가스 터빈과 같은)이 상기 동작 유체로 CO2를 사용하는 동력 시스템과 통합될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 외부 열원으로부터 유래되는 스트림(예를 들어, 가스 터빈으로부터의 배출 스트림)은 가열 고압 재순환 CO2 스트림에 대해 냉각될 수 있다. 선택적으로, 상기 외부 열원으로부터 유래되는 스트림은 탄소질 연료의 연소를 통해 더 가열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 외부 열원에 의해 가열되는 고압의 재순환 CO2 스트림은 동력을 생산하는 터빈 내에서 팽창될 수 있다. 상기 터빈으로부터의 배출은 독립형의 동력 생산 사이클(실시예에서 설명되는 알램 사이클(Allam cycle)과 같은) 내의 CO2 재순환 압축기의 유입, 중간 또는 유출 압력들에 대응하도록 구성될 수 있는 반면, 터빈 유입 온도는 상기 독립형의 동력 생산 사이클 내의 CO2 펌프의 배출 압력에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 외부 열원에 의해 가열되는 고압의 재순환 CO2 스트림은 약 400℃ 내지 약 1500℃, 바람직하게는 약 700℃ 내지 약 1300℃의 온도로 가열될 수 있다. 이러한 온도 범위 내의 열의 제공은 특히 여기서 설명되는 개선된 사항들을 구현하기 위해 유리하다.
다른 실시예들에 있어서, 상승된 온도의 보조 터빈 방출 흐름이 500℃ 이상의 비열에 비해 약 200bar(20MPa) 내지 약 400bar(40MPa)의 압력 범위 내의 상기 CO2의 훨씬 높은 비열로 인하여 주위로부터 500℃까지의 온도 범위 내의 CO2를 가열하기 위해 요구되는 추가의 열을 제공하는 데 이용될 수 있다. 보다 낮은 온도 범위 내의 이러한 열의 추가는 여기서 달리 설명되는 바와 같이 상기 고압의 재순환 CO2 스트림에 제공되는 상기 가열로부터 구체적으로 설명될 수 있다. 비록 상기 보다 낮은 온도 범위 내의 열의 추가가 상기 연소 사이클의 효율을 향상시키는 데 유용할 수 있지만, 상기 보다 낮은 온도 범위 내의 열의 추가가 보다 높은 온도 범위 내의 가열의 추가와 필수적으로 결합될 필요는 없다. 원하는 경우, 250℃ 이하의 온도 범위 내의 상기 고압의 재순환 CO2 스트림들의 추가적인 가열은 유리하게는 상기 시스템에 대해 요구되는 산소를 제공하는 극저온 공기 분리 플랜트(cryogenic air separation plant)의 단열 주요 공기 압축기로부터 유래되는 열을 이용할 수 있다.
본 발명에서 개시되는 시스템들과 방법들은 일부 실시예들에서 장비의 하나 또는 그 이상의 부품들이 공유될 수 있도록 시스템들을 결합하는 능력이 제공되는 점에서 유리하다. 상기 결합은 증가된 에너지 생산의 제공 및 증가된 Kw 용량과 관련되는 자본 지출의 감소의 제공을 포함하여 다중의 이점들을 제공할 수 있다. 또한, 상기 결합들이 필연적으로 동작 온도 범위들을 특정하게 중첩시키는 것에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 임의의 온도 범위 내에서 동작하는 시스템이 유리하게 동작 스트림으로 CO2를 활용하는 동력 생산 사이클과 결합될 수 있고(여기서 대체로 설명되는 바와 같이), 원하는 개선 사항들을 구현할 수 있다.
위에서 일반적인 용어들로 본 발명을 설명하였지만, 이하에서 반드시 일정한 비율로는 도시되는 않은 첨부된 도면이 참조될 것이며, 첨부된 도면들에 있어서,
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 동력 생산 시스템 및 방법의 흐름도이며,
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈과 CO2 사이클을 결합한 동력 생산 시스템 및 방법의 흐름도이다.
이하에서 본 발명의 주제를 그 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 본 발명의 주제의 범주를 해당 기술 분야의 숙련자에게 완전히 전달하도록 설명되는 것이다. 실제로, 본 발명의 주제는 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에서 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 오히려 이들 실시예들은 본 발명이 적용될 수 있는 법률적인 요구 사항들을 충족시키도록 제공되는 것이다. 본 명세서에 사용되는 바에 있어서, "일", "하나", "상기" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 다르게 기재되지 않는 한 복수의 대상들을 포함한다.
본 발명은 동작 스트림(work stream)으로 CO2를 사용하는 제1 동력 생산 사이클(power production cycle)이 동일한 CO2 동작 스트림의 적어도 일부에 추가적인 동력 생산 및/또는 열 생산을 가져오는 추가적인 처리가 수행될 수 있는 제2 또는 내포된(nested) 동력 생산 사이클과 결합될 수 있는 시스템들 및 방법들을 제공한다. 이러한 시스템들과 방법들에서, 높은 효율이 구현될 수 있다. 특히, 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 전열식 열교환기(recuperative heat exchange)가 향상될 수 있으면서, 추가 동력 생산이 동시에 구현될 수 있다. 상기 제2 동력 생산 사이클에서의 추가적인 처리는 상기 제1 동력 생산 사이클 내에 활용되는 임의의 가열과는 독립적인 열원(heat source)으로의 가열을 포함할 수 있다. 상기 제2 동력 생산 사이클과 상기 제1 동력 생산 사이클의 결합은 기계의 하나 또는 그 이상의 부분들이 양 사이클들에서 활용될 수 있도록 상기 사이클들을 중첩시키는 능력으로 인하여 적어도 부분적으로 유리할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 동력 생산 사이클에서 활용되는 압축기는 또한 상기 제2 동력 생산 사이클에서 압축기로 사용될 수 있다. 본 발명은 이에 따라 전열식 열교환기의 최적화를 동시에 수행하면서 증가된 동력 출력의 이점을 제공하도록 공유된 터보 기계류를 활용하는 CO2의 적어도 하나의 직접적으로 가열된 흐름 및 CO2의 적어도 하나의 간접적으로 가열된 흐름과 관련하여 특징지어질 수 있다. 상기 CO2의 간접적으로 가열된 흐름은, 일부 실시예들에서, 상기 직접적으로 가열된 흐름으로부터의 CO2의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 따라서, 단일의 재순환 CO2 스트림에 간접적으로 가열된 스트림 및 직접적으로 가열된 스트림으로 나누어지고, 각각의 가열 단계들 후에 재결합되는 여기에 정의되는 바와 같은 고압의 스트림을 형성하도록 압축이 수행될 수 있다. 선택적으로는, 단일의 재순환 CO2 스트림에 고압의 스트림을 형성하도록 압축이 수행될 수 있고, 상기 고압의 재순환 CO2 스트림의 일부는 간접적으로 가열된 CO2 스트림을 형성하도록 간접적으로 가열될 수 있으며, 상기 간접적으로 가열된 CO2 스트림은 직접 가열이 수행되는 전체 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 나머지 재순환 CO2 스트림과 결합될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 동력 생산 사이클로부터의 고압의 스트림(예를 들어, 고압의 재순환 CO2 스트림)은 제2 동력 생산 사이클에서 독립적인 열원에 의해 가열될 수 있다. 상기 가열된 스트림은 이후에 동력 생산을 위해 채용되는 팽창기(expander)로 공급될 수 있다. 상기 팽창된 스트림은 이후에 냉각된 터빈 배출 스트림(turbine exhaust stream)으로부터의 회수를 통해 이용될 수 있는 가열 이상의 가열을 전달할 수 있는 다양한 방식들로 상기 제1 동력 생산 사이클에 다시 주입될 수 있다. 상기 제2 동력 생산 사이클에서 상기 팽창기로부터의 배출 압력은 상기 팽창된 스트림이 삽입 포인트를 한 적절한 압력에서 상기 제1 동력 생산 사이클에 삽입될 수 있도록 적용될 수 있다. 상기 제1 동력 생산 사이클에 이러한 방식으로 제공되는 가열은 다양한 방식들로 추가될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 동력 생산 사이클로부터의 팽창된 스트림은 전열식 열교환기 내의 가열 스트림으로 직접적으로 이용될(부분적으로 또는 전체적으로) 수 있으며, 여기서 고압의 재순환 CO2는 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 연소기로 들어가기 이전에 재가열된다. 선택적으로는, 상기 제2 동력 생산 사이클로부터의 팽창된 스트림은 간접적으로―예를 들어, 다른 열교환기 내의 가열 스트림으로 사용될 수 있으므로, 별도의 스트림이 상기 전열식 열교환기 내의 가열 스트림으로 이용되기 위해 가열된다.
본 발명에 따른 제1 동력 생산 사이클로서 유용한 동력 생산 사이클은 CO2(특히, 초임계의 CO2－또는 sCO2)가 동작 스트림으로 사용되는 임의의 시스템과 방법을 포함할 수 있다. 제한적이지 않은 예로서, 여기에 참조로 포함되는 알램 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호에는 재순환 CO2 스트림이 직접적으로 가열되고, 동력 생산에 사용되는 시스템과 방법이 기재되어 있다. 구체적으로는, 상기 재순환 CO2 스트림은 고온 및 고압으로 제공되고, 탄소질 연료가 산소 내에서 연소되는 연소기(combustor)로 제공되며, 동력을 생산하도록 터빈에 걸쳐 팽창되고, 열교환기 내에서 냉각되며, 물과 임의의 다른 불순물들을 제거하도록 정제되고, 가압되며, 상기 터빈 배출로부터 얻어지는 열을 이용하야 재가열되고, 상기 사이클을 반복하도록 상기 연소기로 다시 통과된다. 이러한 시스템과 방법은 모든 연료와 연소 유래 불순물들, 과잉의 CO2 및 물이 액체 또는 고체(예를 들어, 재)로서 제거되며, 임의의 스트림들의 대기 배출이 사실상 제로인 점에서 유리하다. 상기 시스템과 방법은, 예를 들면, 상기 재순환 CO2 스트림이 재가압된 후 및 연소되기 전에 저온 레벨(즉, 500℃ 이하)의 열 투입의 이용을 통해 높은 효율을 구현한다.
제1 동력 생산 사이클로서 유용한 동력 생산 사이클은 상술한 경우보다 많은 단계들 또는 보다 적은 단계들을 포함할 수 있으며, 대체로 고압의 재순환 CO2 스트림이 동력 생산을 위해 팽창되고, 추가 동력 생산을 위해 재순환되는 임의의 사이클을 포함할 수 있다. 여기서 사용되는 바에 있어서, 고압의 재순환 CO2 스트림은 적어도 100bar(10MPa), 적어도 200bar(20MPa), 또는 적어도 300bar(30MPa)의 압력을 가질 수 있다. 고압의 재순환 CO2 스트림은, 일부 실시예들에서, 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa), 약 150bar 내지 약 450bar(45MPa), 또는 약 200bar(20MPa) 내지 약 400bar(40MPa)의 압력을 가질 수 있다. 여기서 참조되는 고압의 재순환 CO2 스트림은 이에 따라 앞서의 범위들 내의 압력의 CO2 스트림이 될 수 있다. 이러한 압력들은 또한 CO2를 포함하는 고압의 동작 스트림과 같은 여기에 설명되는 다른 고압의 스트림들에 참조로 적용된다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 동력 생산 방법은 제1 동력 생산 사이클을 제2 동력 생산 사이클과 결합하는 과정을 포함할 수 있다. 특히, 상기 제1 동력 생산 사이클은 재순환된 CO2 스트림에 반복적인 압축, 가열, 연소, 동력 생산을 위한 팽창 및 냉각이 수행되는 사이클이 될 수 있다. 상기 제2 동력 생산 사이클은 상기 제1 동력 생산 사이클로부터의 압축되고 재순환된 CO2가 상기 제1 동력 생산 사이클과는 독립적인 열원으로 가열되고, 동력 생산을 위해 팽창되며, 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 재순환된 CO2 스트림과 재결합되는 사이클이 될 수 있다.
제한적이지 않은 예로서, 동력 생산 시스템(100) 및 이를 이용하는 방법이 도 1에 예시된다. 여기서, 제1 동력 생산 사이클(110)은 탄소질 연료 공급(112) 및 산화제 공급(114)이 발전기(145)로 동력을 생산하기 위해 터빈(120) 내에서 팽창되는 고압이고 고온인 연소 생성물 스트림(117)을 형성하도록 재순환 CO2 스트림(143)의 존재에서 연소되는 연소기(115)를 포함한다. 고온의 상기 터빈(120)으로부터의 배출 스트림(122)은 응축된 생성물들(132)(예를 들어, 물)과 함께 분리기(separator)(130)를 통과하는 저압이고 저온인 CO2 스트림(127) 및 그로부터 나가는 실질적으로 순수한 재순환 CO2 스트림(133)을 생성하도록 전열식 열교환기(125) 내에서 냉각된다. 상기 실질적으로 순수한 재순환 CO2 스트림(133) 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138) 및 제2 부분 재순환 CO2 스트림(151)으로 분리되는 고압의 재순환 CO2 스트림(137)을 형성하도록 압축기(135) 내에서 압축된다. 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)은 상기 전열식 열교환기(125)로 통과되며, 여기서 상기 냉각 터빈 배출 스트림(122)에 대해 가열된다.
제2 동력 생산 사이클(150)은, 예를 들면, 고온이고 고압인 배출 스트림(162)을 생성하는 가스 터빈이 될 수 있는 열원(160)을 포함한다. 상기 가열된 배출 스트림(162)은 열교환기(155)를 통과하며, 여기서 상기 제1 동력 생산 사이클(110)로부터 회수되는 상기 가열된 제2 부분 재순환 CO2 스트림(151)에 대해 냉각된다. 비록 상기 열원(160)이 단일의 요소로 예시되지만, 복수의 열원들이 사용될 수 있는 점이 이해될 것이다. 예를 들면 둘 또는 그 이상의 가스 터빈들이 나란하게 사용될 수 있거나, 다른 유형들의 열원들(예를 들어, 폐 열원과 결합된 가스 터빈)이 사용될 수 있다. 상기 열교환기(155)를 나가는 냉각된 스트림(157)은 예시한 바와 같이 배기된다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 냉각된 스트림에 하나 또는 그 이상의 처리들이 수행될 수 있거나 및/또는 상기 냉각된 스트림(157)은 다시 가열되도록 상기 열원(160)으로 재순환될 수 있다.
상기 열원(160)은 충분히 높은 온도에서 스트림을 제공하도록 채용되는 임의의 소스가 될 수 있다. 특히, 상기 열원은 상기 제1 동력 생산 사이클과는 독립적인 것으로서 특징지어질 수 있다. 독립적인 열원은 상기 동력 생산 사이클에 대해 외부적이며, 이에 따라 상기 동력 생산 사이클에 달리 참여하지 않는 열원이 될 수 있다. 예를 들면, 도 1에서, 단일의 연소기(115)가 예시된다. 제2 연소기의 추가는 다른 열원이 되는 것으로 이해될 수 있지만, 상기 제2 연소기가 상기 재순환된 CO2 스트림을 직접적으로 가열할 수 있고, 연소를 통한 열의 생산이 상기 동력 생산 사이클의 다른 요소들의 동작 변수들에 직접적으로 영향을 미칠 수 있기 때문에 외부 열원 또는 상기 동력 생산 사이클과는 독립적인 열원인 것으로 간주되지 않을 수 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 열원(160)은 결코 상기 재순환된 CO2 스트림이 상기 열원(160)에 의해 직접적으로 가열되지 않기 때문에 상기 제1 동력 생산 사이클(110)과 독립적이다. 오히려, 상기 열원(160)은 상기 열교환기(155)를 통한 대향류(counter flow)에 의해 상기 재순환된 CO2 스트림에 간접적으로 추가되는 열을 제공한다. 제한적이지 않은 예들로서, 상기 재순환된 CO2 스트림에 간접적인 가열을 제공하는 상기 독립적인 열원은 연소 열원(예를 들어, 가스 터빈), 태양열 열원, 원자력 열원, 지열 열원 또는 산업 폐기물 열원의 하나 또는 그 이상이 될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 에너지는 실질적으로 가열하지 않지만, 열을 발생시키는 요소와 결합될 수 있는 소스를 이용하여 공급될 수 있다. 예를 들면, 회전하는 요소(예를 들어, 풍력 터빈)가 가열 펌프에 연결될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 열교환기(155) 내에서 가열된 후, 상기 가열된 제2 부분 재순환 CO2 스트림(141)은 발전기(170)로 동력을 생산하도록 터빈(165)에 걸쳐 팽창된다. 상기 터빈 배출 스트림(142)은 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)에 추가의 열을 전달하도록 다양한 방식들로 이용될 수 있다. 도 1에 예시한 바와 같이, 상기 터빈 배출 스트림(142)은 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)을 더 가열하도록 상기 전열식 열교환기(125)을 통과한다. 비록 상기 터빈 배출 스트림(142)은 상기 전열식 열교환기의 고온단(hot end)을 나가는 것으로 도시되지만, 상기 터빈 배출 스트림(142)이 상기 터빈 배출 스트림(142)의 실제 온도에 기초하는 적절한 가열 레벨로 상기 전열식 열교환기(125)에 투입될 수 있는 점이 이해될 것이다. 또한, 일부 실시예들에서, 상기 터빈 배출 스트림(142)은 상기 열교환기(125)로 돌아가지 않을 수 있다. 오히려, 스트림(142)은 재순환 CO2 스트림(133) 및 저온의 CO2 스트림(127)의 하나 또는 모두에 투입될 수 있다. 비록 단일 전열식 열교환기(125)가 예시되지만, 복수의 전열식 열교환기들이 다른 온도 범위들에서 동작하여 사용될 수 있으며, 스트림(142)은 상기 복수의 전열식 열교환기들의 하나 또는 그 이상에 투입될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림(142)은 상기 전열식 열교환기(142)로 들어가지 이전에 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)과 결합될 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 예를 들면, 추가적인 압축이 제2 부분 재순환 CO2 스트림(151) 및/또는 가열된 제2 부분 재순환 CO2 스트림(141)에 제공될 수 있다.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림(142)은 별도의 열교환기(도 1에 예시되지 않음)를 통과할 수 있다. 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)은 상기 전열식 열교환기로 들어가기 이전에 상기 별도의 열교환기를 통과할 수 있다. 상기 전열식 열교환기를 통과하는 동안에 적절한 가열 범위에서 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)으로부터 취해지는 사이드 스트림(side stream)은 회수될 수 있고 상기 별도의 열교환기를 통과할 수 있으며, 가열된 사이드 스트림은 이후에 적절한 가열 범위에서 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림과 재결합될 수 있다. 상기 전열식 열교환기(125)를 나가는 상기 가열된 재순환 CO2 스트림(143)의 전부 또는 일부는 추가적인 가열을 위해 상기 별도의 열교환기를 통과할 수 있다. 이들 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 동력 생산 사이클(150)에서 제공되는 열은 상기 터빈 배출 스트림(122) 단독으로부터 이용될 수 있는 가열의 레벨 이상의 추가의 가열을 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)에 추가할 수 있다. 상기 가열된 재순환 CO2 스트림(143)은 이후에 상기 연소기(115)에 투입된다.
상기 제2 동력 생산 사이클(150)로부터의 상기 터빈 배출 스트림(142)은 상기 전열식 열교환기(125)로의 통과에 의해 냉각되며, 예시한 바와 같이 상기 분리기(130)를 나가는 실질적으로 순수한 재순환 CO2 스트림(133)과 재결합되는 재순환 CO2 스트림(144)으로서 그 저온단(cold end)을 나간다. 유리하게는, 상기 제2 동력 생산 사이클(150) 내의 상기 터빈(165)은 상기 터빈 배출 스트림(142)의 압력이 상기 재순환 CO2 스트림이 재결합되는 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 포인트에서 요구되는 압력에 충분히 가깝도록 원하는 팽창비로 동작될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 전열식 열교환기(125)를 나가는 재순환 CO2 스트림(144)은 추가적인 냉각이 유리하게 되는 온도가 될 수 있다. 이러한 냉각은, 예를 들면, 상기 재순환 CO2 스트림(144)이 보다 낮은 압력에서 스트림(127)과 결합될 때에 상기 분리기(130) 내에서 일어날 수 있다. 선택적으로, 재순환 CO2 스트림(144)은 추가되는 냉각기(cooler)(도 1에 도시되지 않음)로 통과될 수 있다.
앞서 예시한 바와 같이 상기 제2 동력 생산 사이클에 의해 제공되는 추가적인 가열은 상기 전열식 열교환기로 들어가는 상기 터빈 배출 및 상기 전열식 열교환기를 나가는 상기 재순환 CO2 스트림의 다른 비열 용량들로 인하여 상기 전열식 열교환기의 고온단에서 달리 존재하는 온도차를 감소시키거나 제거하는 데 특히 유용할 수 있다. 여기서의 시스템들과 방법들은 상기 추가적인 가열로서 필요한 양과 질의 열을 제공함에 의해 이러한 이점을 구현하도록 적용된다. 상기 제2 동력 생산 사이클에서 상기 터빈으로 들어가는 재순환 CO2 스트림의 알려진 유량, 압력 및 온도에 기초하여, 팽창비는 상기 제2 동력 생산 시스템에서 상기 터빈으로 들어가는 상기 재순환 CO2 스트림이 상기 제1 동력 생산 사이클에서 상기 전열식 열교환기에 의해 요구되는 최소의 열의 양과 온도를 제공하게 하도록 선택될 수 있다.
상술한 바와 같은 시스템과 방법은 제1 동력 생산 사이클 내에 내포되는 열역학적 폐쇄 루트를 생성한다. 상기 내포된 사이클 내의 가스 혼합물은 양 사이클들이 펌핑 장비뿐만 아니라 원하는 경우에 응축 장비도 공유할 수 있기 때문에 상기 재순환 CO2의 직접 연소된 흐름과 상호작용하게 된다. 예를 들면, 상기 스트림(144)이 도 1의 스트림(133)과 결합되는 것으로 도시되지만, 상기 스트림(144)은 선택적으로는 상기 분리기(130)로 들어가기 이전이나 및/또는 응축기(condenser)(도 1에 예시되지 않음)로 들어가기 이전에 상기 스트림(127)과 결합될 수 있다.
각각의 상기 제1 동력 생산 사이클 및 상기 제2 동력 생산 사이클은 동력 생산을 위해 독립적으로 수행될 수 있다. 그러나 이들의 결합은 특별한 이점들을 제공한다. 도 1에 도시한 바와 같은 제1 동력 생산 사이클에서, 이점은 압축 후 및 상기 연소기로의 통과 전에 상기 재순환 CO2 스트림을 재가열하는 데 이용하기 위해 상기 터빈 배출로부터의 상당한 양의 열을 회수하는 능력이다. 그러나 효율은 상기 전열식 열교환기의 고온단을 나가는 상기 재순환 CO2 스트림의 온도를 상기 전열식 열교환기의 고온단으로 들어가는 상기 터빈 배출의 온도에 충분히 가깝게 상승시키도록 충분한 열을 추가하는 능력에 의해 제한될 수 있다. 추가적인 가열의 투입에 대한 필요성은 알램 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호에서 확인할 수 있으며, 저등급 열(low grade heat)(예를 들어, 약 500℃ 이하의 온도에서)의 다양한 가능한 소스들이 확인된다. 본 발명은 상기 제1 동력 생산 사이클 내에 사용되는 일차적인 장비에 대반 상당한 변경을 요구하지 않고 동력 발생에서 상당한 증가를 동시에 제공하면서, 요구되는 환열기(recuperator) 효율을 구현하기 위하여 열(즉, 상기 제1 동력 생산 사이클과 완전히 독립적인 열)의 외부 소스가 필요한 추가적인 가열을 제공하는 데 이용될 수 있는 이러한 시스템들과 방법들을 보다 개선한다. 특정한 실시예들에 있어서, 본 발명은 특히 동작 스트림으로 재순환 CO2 스트림을 활용하는 동력 생산 사이클 내로의 현재의 발전소들/장비의 통합을 제공한다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 동력 생산 사이클의 효율을 향상시키기 위해 적용될 수 있다. 이를 위하여, 동력 생산 사이클은 제1 동력 생산 사이클과 관련되어 여기에 달리 설명하는 바와 같이 동작될 수 있다. 상기 효율이 개선되는 동력 생산 사이클은 통상적으로 임의의 동력 생산 사이클을 포함할 수 있으며, 이에 따라 CO2를 포함하는 동작 유체가 적어도 압축, 가열, 팽창 및 냉각의 단계들을 통해 반복적으로 순환된다. 다양한 실시예들에 있어서, 효율이 향상될 수 있는 동력 생산 사이클은 다음의 단계들의 결합들을 포함할 수 있다.
● 적어도 약 500℃ 또는 적어도 약 700℃(예를 들어, 약 500℃ 내지 약 2000℃ 또는 약 600℃ 내지 약 1500℃)의 온도 및 적어도 약 100bar(10MPa) 또는 적어도 약 200bar(20MPa)(예를 들어, 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa) 또는 약 150bar(15MPa) 내지 약 400bar(40MPa))의 압력에서 연소 생성물 스트림을 제공하도록 재순환된 CO2 스트림의 존재에서 산화제로 탄소질 연료의 연소;
● 동력 생산을 위한 터빈에 걸친 고압의 재순환된 CO2 스트림의 팽창(예를 들어, 전술한 바와 같은 압력에서);
● 전열식 열교환기 내에서 고온의 재순환된 CO2 스트림(예를 들어, 전술한 바와 같은 압력에서), 특히 터빈 방출 스트림의 냉각;
● 응축기 내에서 하나 또는 그 이상의 연소 생성물들(예를 들어, 물)의 응축, 상기 연소 생성물들은 특히 팽창되고 냉각된 연소 생성물 스트림 내에 존재함;
● 재순환된 CO2 스트림을 형성하도록 CO2로부터 물 및/또는 다른 물질들의 분리;
● 재순환된 CO2 스트림을 고압(예를 들어, 전술한 바와 같은 압력에서)으로 압축, 선택적으로 스트림 밀도를 증가시키기 위해 중간 냉각을 구비하는 다단계로 수행됨; 및
● 전열식 열교환기 내에서 압축되고 재순환된 CO2 스트림을 가열, 특히 냉각하는 터빈 배출 스트림에 대한 가열.
앞서 설명한 바와 같이, 동력 생산 사이클의 향상된 효율은 특히 터빈 배출 스트림으로부터 이용될 수 있는 가열(예를 들어, 열교환기 내에서 전열식 가열)의 레벨 이상으로 상기 압축되고 재순환된 CO2를 추가적으로 가열함에 의해 구현될 수 있다. 본 발명은 상기 동력 생산 사이클로부터의 재순환된 CO2 스트림의 일부를 활용함에 의해 이러한 추가적인 가열을 구현한다. 유리하게는, 내포된 사이클은 상기 동력 생산 사이클 내에 사용될 수 있는 바와 같은 적어도 동일한 압축 장비를 활용하여 상기 동력 생산 사이클에 추가될 수 있다. 특히, 추가적인 가열은 상기 압축되고 재순환된 CO2의 일부를 회수하고, 상기 압축되고 재순환된 CO2의 회수된 부분을 상기 동력 생산 사이클과 독립적인 열원으로 가열하며, 상기 회수되고 가열되며 압축되고 재순환된 CO2로부터 열을 상기 동력 생산 사이클 내의 상기 압축되고 재순환된 CO2의 나머지 부분에 전달함에 의해 제공될 수 있다. 상기 내포된 사이클은 이에 따라 도 1과 관련하여 설명한 제2 동력 생산 사이클과 실질적으로 동일할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 또한 동력 생산 시스템들에 관한 것이다. 특히, 이러한 시스템들은 CO2 스트림을 여기에 설명되는 바와 같은 높은 압력까지 압축하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 펌프들 또는 압축기들을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 상기 압축된 CO2 스트림을 적어도 제1 부분 CO2 스트림 및 제2 부분 CO2 스트림으로 나누도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 밸브들 또는 스플리터(splitter)들을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 고온의 터빈 방출 스트림에 대해 상기 제1 부분 CO2 스트림을 가열하도록 구성되는 제1 열교환기(또는 복수의 섹션(section)들을 포함하는 열교환기 유닛), 그리고 상기 제2 부분 CO2 스트림을 외부의(또는 독립적인) 열원으로부터의 가열된 스트림에 대해 가열하도록 구성되는 제2 열교환기를 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 동력을 생산하기 위해 상기 제1 부분 CO2 스트림을 팽창시키도록 구성되는 제1 터빈 및 동력을 생산하기 위해 상기 제2 부분 CO2 스트림을 팽창시키도록 구성되는 제2 터빈을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 열을 상기 가열된 제2 부분 CO2 스트림으로부터 상기 제1 부분 CO2 스트림으로 전달하는 하나 또는 그 이상의 전달 요소들을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 상기 제1 부분 CO2 스트림의 존재에서 탄소질 연료를 산화제 내에서 연소시키도록 구성되는 연소기를 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템들은 일차적인 동력 생산 시스템 및 이차적인 동력 생산 시스템으로서의 구성과 관련하여 특징지어질 수 있으며, 상기 두 시스템들은 별도의 열원들 및 적어도 하나의 공유되는 압축 요소(및 선택적으로 적어도 하나의 공유되는 응축 요소)를 가진다. 예를 들면, 본 발명에 따른 시스템은 CO2 스트림을 여기서 설명되는 바와 같은 높은 압력으로 압축시키도록 구성되는 압축기, 상기 압축기로부터 다운스트림(downstream)인 연소기, 상기 연소기로부터 다운스트림이고 상기 압축기로부터 업스트림(upstream)인 제1 터빈, 그리고 상기 압축기로부터 스트림을 수용하고 상기 터빈으로부터 별도의 스트림을 수용하도록 위치하는 제1 열교환기를 구비하는 일차적인 동력 생산 시스템을 포함할 수 있다. 선택적으로, 분리기는 상기 제1 열교환기로부터 다운스트림이고, 상기 압축기로부터 업스트림으로 배치될 수 있다. 또한 선택적으로, 압축기는 상기 압축기로부터 업스트림이고, 상기 제1 열교환기로부터 다운스트림으로 배치될 수 있다. 본 발명에 따른 시스템은 또한 상기 일차적인 동력 생산 시스템으로부터의 상기 압축기, 상기 압축기로부터 다운스트림인 제2 터빈, 그리고 제2 상기 압축기로부터 스트림을 수용하고 외부(또는 독립) 열원으로부터 별도의 스트림을 수용하도록 배치되는 제2 열교환기를 구비하는 이차적인 동력 생산 시스템을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 압축기로부터 다운스트림이고, 각각의 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기로부터 업스트림인 하나 또는 그 이상의 밸브들 또는 스플리터들을 더 포함할 수 있다.
실시예
본 발명의 실시예들이 본 발명에서 개시되는 주제를 예시하도록 설시되지만, 제한하는 것으로 이해되지는 않는 다음의 예들에 의해 더 설명된다. 다음에서 도 2에 예시한 바와 같은 내포된 CO2 사이클을 활용하는 동력 생산 시스템 및 방법의 실시예가 설명된다.
동력 생산 사이클은 가스 터빈 및 알램 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호에 기재된 바와 같은 순환하는 CO2 동작 스트림을 활용하는 동력 생산 사이클의 결합에 기초하여 모델화되었으며, 상기 동력 생산 사이클은 여기서 상기 알램 사이클로 언급된다. 산업용 가스 터빈들은 긴 역사의 기술 발전에 더하여 큰 범세계적인 제조 능력을 구비하는 효율적이고 낮은 자본 경비의 신뢰성 있는 시스템들이다. 상기 알램 사이클은 통상적으로 약 100bar(10MPa) 내지 약 200bar(20MPa)의 파이프라인 압력에서 실질적으로 순수한 생성물로서 천연 가스 로부터 전체 CO2 생성을 포집하는 이점과 함께 동일한 자본 경비로 상기 NGCC 시스템과 대략적으로 동일한 효율을 제공한다. 상술한 예시적인 실시예에 있어서, 가스 터빈은 NGCC 플랜트의 전체 증기 동력 시스템을 제거하며, 최대의 효율을 구현하기 위하여 상기 알램 사이클로부터 상기 CO2 동작 유체를 이용하는 추가의 동력 발생을 위한 열을 제공하도록 고온의 가스 터빈 배출을 활용하며, 이에 더하여 상기 알램 사이클 내로 요구되는 낮은 온도의 열을 제공함에 의해 상기 알램 사이클과 통합된다. 이러한 결합은 설치되는 용량의 Kw 당 보다 낮은 자본 경비를 제공하면서도 상기 통합 시스템에 대해 높은 효율을 구현하게 한다. 일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 조합은 상기 통합 시스템에 대한 전체적인 효율에서 실질적으로 사소한 저하가 수반할 수 있다. 그러나 다른 실시예들에 있어서, 전체적인 효율에서 실질적인 저하가 존재하지 않을 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명의 조합은 상기 통합 시스템에 대한 전체적인 효율의 증가를 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 있어서, 자본 지출의 감소 또한 유리한 결과가 될 수 있다.
간단하게는, 예시적인 실시예에서, 가스 터빈으로부터의 뜨거운 터빈 배출은 상기 알램 사이클 CO2 재순환 압축 유닛들로부터의 추가 흐름으로 취해지는 고압(예를 들어, 300bar(30MPa) 내지 500bar(50MPa)) CO2의 스트림을 가열하는 HRSG와 유사한 열 회수 유닛을 통과한다. 상기 가열된 CO2는 상기 알램 사이클 CO2 펌프의 유입 압력 또는 상기 CO2 사이클 압축기의 유입 압력이나 중간 압력에 대응되는 배출 압력을 가지는 동력을 생산하는 터빈을 통과한다. 약 200℃ 내지 약 500℃의 범위의 온도를 가지는 상기 보조 터빈으로부터의 배출 흐름은 이후에 상기 알램 사이클 내의 상기 고압의 재순환 CO2 스트림들에 대한 상기 낮은 온도 레벨의 가열에 더하여 상기 가스 터빈 배출 열교환기 내에 요구되는 상기 추가 가열을 제공하도록 이용된다. 선택적으로, 극저온 산소 플랜트(cryogenic oxygen plant) 주요 공기 압축기를 단열적으로 동작시킴에 의해 전체적인 고압의 CO2 스트림들에 대한 추가의 저등급 열 투입이 있을 수 있다. 이는 상기 가스 터빈 및 알램 사이클 연소기들에 대한 상기 전체 천연 가스 투입을 예열하도록 상기 보조 팽창기 배출 흐름의 일부를 방출한다. 선택적으로, 상기 가스 터빈 배출은 상기 가스 터빈 배출 내의 잔류 산소 함량을 활용하는 추가의 연료 가스 연소로 온도가 상승될 수 있다. 이는 상기 고압의 CO2 스트림이 상기 가스 터빈 배출 가열기 내에서 보다 높은 온도로 가열될 것이기 때문에 상기 보조 동력 터빈의 유입 온도 및 동력 출력을 증가시킨다. 선택적으로, 약 300℃ 내지 약 500℃의 범위의 온도에서 상기 알램 사이클 고압 터빈에 의해 요구되는 냉각 흐름은 상기 주요 알램 사이클 터빈 배출 흐름보다는 상기 보조 터빈 배출 흐름을 이용하여 가열될 수 있다. 상기 보조 가스 터빈 유입 온도는 약 500℃ 내지 약 900℃의 범위가 될 수 있다. 상기 터빈 날개들에 대한 특별한 내부 또는 필름 냉각이나 코팅들은 이들 온도들에서 요구되지 않을 것이다.
통합 시스템의 예시적인 실시예가 도 2에 도시되며, 도시된 예시적인 모델은 다음의 표 1에 나타낸 별도의 성능 특성들(여기서 모든 계산들은 연료 가스로서 순수한 메탄(CH4)을 사용하는 것을 기초로 한다)을 갖는 GE7FB 가스 터빈 및 알램 사이클 동력 플랜트의 통합을 기초로 한다.
변수 7FB NGCC 시스템 알램 사이클 동력 시스템
순 동력 출력 280.3MW 298.2MW
천연 가스 열 투입 488.8MW 510.54MW
순 효율 57.3% 58.41%
응축기 진공 1.7인치 Hg(0.835psia) NA
가스 터빈 동력 183.15MW NA
O2 투입(30bar(3MPa)에서 99.5몰%) NA 3546MT/일
CO2 투입(150bar에서 97몰%의 순도) NA 2556MT/일
도 2를 참조하면, ISO 조건들에서 동작하는 GE 7FB 가스 터빈(1)은 상기 가스 터빈의 압축기로 들어가는 공기 투입 스트림(64) 및 상기 가스 터빈의 연소기(2)로 들어가는 천연 가스 스트림(3)을 가진다. 상기 가스 터빈은 연결된 전기 발전기(5)로부터 183.15MW의 동력 출력(6)을 생산한다. 624℃의 상기 가스 터빈 배출(4)은 추가 천연 가스 스트림(27)을 연소함에 의해 가열될 수 있고, 상기 가열된 유출 스트림(29) 및 배기될 수 있는 상기 냉각된 배출 스트림(34)을 생성하도록 305bar 및 50℃에서의 고압의 CO2 재순환 스트림(38)을 예열하기 위해 열교환기(58)로 통과되는 가열된 스트림(28)을 생성한다. 상기 전체적인 시스템의 효율은 상기 보조의 고압 터빈(7)의 유입 온도를 증가시키도록 상기 7FB 가스 터빈 배출 내에서 추가 연료를 연소시킴에 의해 변화되지 않는다. 상기 고압의 CO2 재순환 스트림(38)은 전기 모터(56)에 연결되는 상기 알램 사이클 CO2 펌프(55)의 배출로부터 추가 흐름으로 취해진다. 상기 터빈(7)은 반출 동력 스트림(9)을 생성하는 전기 발전기(8)에 연결된다. 고려되는 특별한 경우를 위해, 상기 터빈(7)은 30bar(3MPa)의 유출 압력 및 300bar(30MPa)의 유입 압력을 구비하도록 명시된다. 버너(26) 내에서 상기 7FB 배출에 대한 열 투입은 65.7MW이다. 이는 624℃부터 750℃까지 가열되는 상기 7FB 배출 흐름(4)을 야기한다. 상기 유출 스트림(66)은 457℃에 있으며, 상기 30bar(3MPa)의 배출 압력은 이러한 스트림이 냉각에 이어서 29bar(2.9MPa)의 유입 압력을 갖는 상기 알램 사이클의 두 단계 재순환 CO2 압축기(18) 내에서 다시 압축되게 한다. 상기 터빈(7)에 대한 가장 바람직한 유출 압력들은 상기 재순환 CO2 압축기(18)에 대한 유입, 중간 및 유출 압력들에 대응되며, 이들은 냉각수/주위 냉각 조건들에 따라 67bar(6.7MPa) 내지 80bar(8MPa)의 범위의 유출까지이다.
상기 터빈 유출 스트림(66)은 최적으로 방식으로 상기 고압의 CO2 스트림들을 예열하도록 상기 시스템 내로 통합된다. 스트림(66)은 3개의 부분들로 나누어진다. 스트림(65)은 열교환기(68)로 들어가며, 여기서 상기 천연 가스 스트림들(3a 내지 3, 14a 내지 14 및 27a 내지 27)을 425℃의 유출 온도로 예열하는 데 이용되고, 스트림(67)으로 나간다. 스트림(25)은 열교환기(60)로 들어가며, 여기서 상기 알램 사이클 터빈(17)에 대해 400℃의 상기 냉각 스트림(62)에 더하여 중간 포인트에서 상기 주요 열교환기(61)로 들어가는 59에서 424℃의 외부적으로 가열된 재순환 CO2 스트림을 생성하도록 상기 CO2 펌프(55) 배출 스트림(35)으로부터 취해지는 상기 300bar(30MPa) 50℃ CO2 스트림(36)을 가열하는 데 사용된다. 스트림(30)은 중간 포인트에서 상기 7FB 배출 냉각기(58)로 들어가고, 상기 보다 낮은 온도 섹션 내에서 추가의 가열을 제공하며, 스트림(32)으로 나간다. 상기 보조 가스 터빈 배출 흐름(66)에 대한 이들 셋의 별도의 열 교환 듀티(duty)들은 보다 낮은 온도들에서 상기 300bar(30MPa) CO2 스트림의 비열의 큰 증가를 보상하며, 전체적인 가열 고압 CO2 흐름에 의해 요구되는 듀티들을 커버한다.
극저온 공기 분리 플랜트(cryogenic air separation plant)(82)는 30bar(3MPa)의 압력 및 99.5mol%의 순도로 생성된 산소 스트림(49)을 생산한다. 상기 공기 공급 스트림(83)은 모두 전기 모터(71)에 의해 구동되는 연결되는 부스터(booster) 공기 압축기(70)와 함께 동축 압축기(69) 내에서 단열적으로 압축된다. 상기 전체 공급 공기 스트림은 69 내에서 to 5.7bar(0.57MPa)까지 압축된다. 226℃의 상기 공기 유출(78)은 유입 300bar(30MPa)의 CO2 스트림(74)을 열교환기(73) 내에서 50℃부터 220℃까지 가열하는 데 사용되며, 유출 스트림(75)을 생성한다. 이는 상기 가열하는 고압의 CO2 스트림들(38, 36) 내로 가장 낮은 온도 레벨에서 추가적인 열 투입을 제공하도록 각기 열교환기들(60, 58) 내의 중간 포인트들로 도입되는 두 스트림들(76, 77)로 나누어진다. 상기 주요 공기 공급 스트림(80) 및 65bar(6.5MPa)의 압력의 상기 부스터된 공기 스트림(81)은 주위 온도 부근까지의 냉각에 이어서 상기 ASU(82)로 들어간다.
상기 알램 사이클 시스템은 출력(15)을 생산하는 전기 발전기(16)에 연결되는 연관된 연소기(13)와 함께 터빈(17)을 포함한다. 상기 천연 가스 연료 스트림(11)은 전기 모터(10)에 의해 구동되는 두 단계의 중간 냉각되는 압축기(12) 내에서 320bar(32MPa)로 압축된다. 상기 천연 가스는 68 내에서 예열된다. 상기 터빈은 중간 냉각기(intercooler)(19)를 구비하는 두 단계들을 가지는 상기 주요 CO2 재순환 압축기(18)에 직접 연결된다. 라인(21) 내의 유입 압력은 29bar(2.9MPa)이고, 라인(22) 내의 배출 압력은 67bar(6.7MPa)이다. 상기 방출 흐름(22)은 열교환기(40) 내에서 주위 온도 부근까지 냉각되며, 약 0.8㎏/리터의 밀도를 갖는 CO2 펌프 유입 흐름(39)을 생성한다. 상기 펌프 배출은 상기 7FB 가스 터빈의 통합을 위해 이용되는 (상기 주요 CO2 재순환 흐름(37) 이외에도)추가의 스트림들(36, 38, 74)을 제공한다. 상기 천연 가스 스트림(14)의 연소로부터 생성되는 순 CO2는 파이프라인으로의 전달을 위한 스트림(84)으로서 305bar(30.5MPa)의 압력으로 배출된다. 상기 알램 사이클 유닛(61)의 주요 전열식 열교환기는 725℃의 상기 터빈 배출 스트림(24)을 추가되는 상기 7FB 가스 터빈 통합 시스템으로부터의 스트림(33)을 갖는 60℃의 스트림(41)(열교환기(60)로부터의 스트림(31), 열교환기(58)로부터의 스트림(32) 및 열교환기(68)로부터의 스트림(67)의 결합인 스트림(33))을 냉각시킨다. 상기 결합된 스트림(42)은 분리기(45)로 들어가는 스트림(44)을 생성하도록 냉각기(43) 내에서 주위 온도 부근으로 냉각되고, 여기서 응축된 액상의 물이 분리되며, 스트림(46)으로 나간다. 29bar(2.9MPa)의 상기 출구 CO2 가스 스트림(47)은 상기 주요 재순환 CO2 압축기 유입 스트림(21) 및 25몰%의 O2 함량을 갖는 산화제 스트림(50)을 생성하도록 순수한 산소 스트림(49)과 혼합되는 스트림(48)으로 나누어진다. 이러한 스트림은 전기 모터(52)에 의해 구동되는 다단계 압축기(54)(중간 냉각기(54a)와 함께) 내에서 305bar(30.5MPa)로 압축된다. 상기 배출 스트림(51)은 상기 재순환 CO2 스트림(37)과 함께 상기 터빈(17) 유입 온도를 약 1150℃로 조절하도록 상기 연소기(13)로 들어가는 스트림(20) 및 상기 연소기 배출 스트림으로 들어가는 스트림(23)을 형성하기 위해 상기 터빈 배출 스트림(24)에 대해 열교환기(61) 내에서 715℃로 가열된다.
상기 예시적인 통합 시스템은 상기 가스 터빈 배출 내의 이용될 수 있는 열의 효율적인 활용을 가져오는 특정 모델의 가스 터빈을 통합한다. 보다 크거나 보다 작은 가스 터빈들이 사용될 수 있다. 예시적인 모델에 기초하는 성능 변수들은 표 2에 나타나 있다.
변수 통합 시스템
전체 순 동력 출력 594.1MW
전체 천연 가스 열 투입 1040MW
전체 순 효율 57.131%
O2 투입(30bar(3MPa)에서 99.5몰%) 3546 MT/일
CO2 산출(150bar에서 97몰%) 2556 MT/일
상기 예시적인 시스템은 그들의 동작 유체로서 주위 공기를 압축하는 현재의 개방 사이클 가스 터빈 유닛들의 통합에 대해 이용될 수 있다. 이는 생성된 CO2, 물, 비활성 성분들 및 과잉의 산소의 제거를 수반하는 가스 터빈 압축기 공급으로 사용되는 상기 냉각된 터빈 배출과 함께 산소 연소 연소기들을 이용하는 밀폐 사이클 가스 터빈들에 동등하게 적용될 수 있다. 이러한 유형의 가스 터빈에 대해, 상기 시스템으로부터 CO2의 사실상 완전한 제거가 가능하다. 종래의 개방 사이클 가스 터빈에 대해, 상기 알램 사이클로부터 유래되는 CO2만이 격리를 위해 제거될 수 있다.
여기에 개시되는 본 발명의 주제에 대한 많은 변형들과 다른 실시예들은 앞서의 설명들 및 관련된 도면들에서 제시되는 교시들의 이점을 가지는 것으로 본 발명이 속하는 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 여기에 설명되는 특정 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들과 다른 실시예들도 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 속하도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 특정 용어들이 여기에 채용되지만, 이들 용어들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 제한의 목적을 위해 사용되는 것은 아니다.

Claims (12)

  1. 동력 생산(power production) 방법에 있어서,
    CO2 동작 스트림(work stream)에 반복적인 동력 생산을 위한 팽창, 냉각, 압축, 가열 및 연소가 수행되는 제1 동력 생산 사이클을 동작시키는 단계; 및
    상기 제1 동력 생산 사이클로부터의 압축된 CO2 동작 스트림의 적어도 일부가 상기 제1 동력 생산 사이클과 독립적인 열원으로 가열되고, 동력 생산을 위해 팽창되며, 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 CO2 동작 스트림과 재결합되는 제2 동력 생산 사이클을 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 동력 생산 사이클을 동작시키는 단계에서,
    상기 동력 생산을 위한 팽창은 제1 양의 동력을 생산하도록 제1 터빈에 걸쳐 상기 CO2 동작 스트림을 팽창시키는 단계를 포함하고;
    상기 냉각은 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger) 내에서 상기 CO2 동작 스트림으로부터 열을 회수하는 단계를 포함하며;
    상기 압축은 상기 CO2 동작 스트림을 적어도 하나의 압축기로 압축시키는 단계를 포함하고;
    상기 가열은 상기 전열식 열교환기 내에서 회수된 열을 이용하여 상기 CO2 동작 스트림을 가열하는 단계를 포함하며;
    상기 연소는 연소기 내에서 상기 압축된 CO2 동작 스트림을 과열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 가열은 상기 제2 동력 생산 사이클 내에서 상기 CO2 동작 스트림에 제공되는 열을 수용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제2 동력 생산 사이클 내의 상기 열원은 연소 열원, 태양열 열원, 원자력 열원, 지열 열원 및 산업 폐기물 열원의 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 동력 생산 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제2 동력 생산 사이클로부터의 상기 팽창된 동작 스트림은 상기 압축 후 및 상기 연소 전에 상기 제1 동력 생산 사이클 내에서 상기 CO2 동작 스트림에 열을 추가하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 동력 생산 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 CO2 동작 스트림과 재결합되는 상기 제2 동력 생산 사이클로부터의 상기 CO2 동작 스트림은,
    상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 냉각 후 및 상기 압축 전의 투입;
    상기 압축 후 및 상기 가열 전의 투입; 및
    상기 제1 동력 생산 사이클 내의 상기 가열 동안의 투입의 하나 또는 그 이상이 되는 것을 특징으로 하는 동력 생산 방법.
  7. 동력 생산 사이클의 효율을 향상시키기 위한 방법에 있어서,
    압축되고 재순환된 CO2가 연소기를 통과하도록 상기 동력 생산 사이클을 동작시키는 단계를 포함하며, 탄소질 연료는 재순환된 CO2를 포함하는 배출 스트림을 생성하도록 산화제로 연소되고; 상기 배출 스트림은 동력을 생산하고, 재순환된 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 토빈에 걸쳐 팽창되며; 상기 터빈 배출 스트림은 전열식 열교환기 내에서 냉각되고; 상기 냉각된 터빈 배출 스트림은 상기 재순환된 CO2를 분리하도록 분리기를 통과하며; 상기 재순환된 CO2는 압축되고; 상기 압축되고 재순환된 CO2는 상기 터빈 배출 스트림에 대해 상기 전열식 열교환기를 통한 통과에 의해 가열되며;
    상기 압축되고 재순환된 CO2를 상기 터빈 배출 스트림으로부터 이용될 수 있는 가열의 레벨 이상의 추가적인 가열을 추가하는 단계를 포함하고, 상기 추가적인인 가열은 상기 압축되고 재순환된 CO2의 일부를 회수하고, 상기 압축되고 재순환된 CO2의 회수된 일부를 상기 동력 생산 사이클과 독립적인 열원으로 가열하며, 상기 회수되고 가열된 압축되며 재순환된 CO2로부터의 열을 상기 동력 생산 사이클 내의 상기 압축되고 재순환된 CO2의 나머지 부분으로 전달함에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 내부의 상기 압축되고 재순환된 CO2에 열을 전달하기 위해 상기 회수되고 가열되며 압축되고 재순환된 CO2를 상기 전열식 열교환기로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 전열식 열교환기 내의 상기 압축되고 재순환된 CO2의 나머지 부분과 이후에 결합되는 재순환된 CO2 사이드 스트림을 가열하도록 상기 회수되고 가열되며 압축되고 재순환된 CO2를 제2의 열교환기로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 동력을 생산하도록 상기 회수되고 가열되며 압축되고 재순환된 CO2를 제2 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 동력 생산 시스템에 있어서,
    CO2 스트림을 적어도 약 100bar(10MPa)의 압력으로 압축하도록 구성되는 압축기;
    상기 압축기로부터 다운스트림(downstream)인 연소기;
    상기 연소기로부터 다운스트림이고, 상기 압축기로부터 업스트림(upstream)인 제1 터빈;
    상기 압축기로부터 스트림을 수용하고, 상기 터빈으로부터 별도의 스트림을 수용하도록 배치되며, 상기 스트림들 사이에 열을 전달하도록 구성되는 제1 열교환기;
    상기 압축기로부터 다운스트림인 제2 터빈; 및
    상기 압축기로부터 스트림을 수용하고, 열원으로부터 별도의 스트림을 수용하도록 배치되는 제2 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제2 열교환기에 의해 수용되는 상기 별도의 스트림을 위한 상기 열원은 연소 열원, 태양열 열원, 원자력 열원, 지열 열원 및 산업 폐기물 열원의 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 동력 생산 시스템.
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