KR20180100447A - 이산화탄소 순환 작동 유체를 이용한 고 효율 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

이산화탄소 순환 작동 유체를 이용한 고 효율 발전 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20180100447A
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로드니 존 알람
마일스 알. 팔머
글랜 윌리엄 쥬니어. 브라운
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팔머 랩스, 엘엘씨
8 리버스 캐피탈, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 이산화탄소(CO2) 순환 유체와 결합하여 고효율 연소기를 이용하는 발전을 위한 방법들 및 시스템을 제공한다. 상기 방법들 및 시스템들은 특정한 실시예들에서 저 압력비 동력 터빈과 이코노마이저 열교환기를 사용할 수 있다. 외부의 소스로부터 추가적인 저온의 열이 재순환 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 가열에 요구되는 열의 양의 일부를 제공하도록 사용될 수 있다. 이산화탄소(CO2)로부터 유도된 연료는 파이프라인 압력에서 포집되고 전달될 수 있다. 다른 불순물들도 포집될 수 있다.

Description

이산화탄소 순환 작동 유체를 이용한 고 효율 발전 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR HIGH EFFICIENCY POWER GENERATION USING A CARBON DIOXIDE CIRCULATING WORKING FLUID}
본 발명은 연료의 고효율 연소를 통하여 발생되는 에너지를 전달하는 순환 유체의 이용을 통해 전기와 같은 동력을 생성하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 순환 유체로서 이산화탄소를 사용할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
비탄소 전력 소스들이 개발되며 사용되고 있지만 화석 연료는 향후 100년 동안 세계의 전력 요구량을 대부분을 제공할 것으로 추정된다. 그러나 화석 연료 및/또는 적절한 바이오매스(biomass)의 연소를 통한 알려진 발전 방법들은 상승하는 에너지 비용 및 증가하는 이산화탄소(CO2)와 다른 배출물들의 생성으로 인한 문제점을 가지고 있다. 지구 온난화는 선진국들과 개발도상국들에 의해 증가되는 탄소 배출로 잠재적인 재앙을 초래하는 결과를 증가시키는 것으로 여겨진다. 태양력 및 풍력이 가까운 시기 내에 화석 연료의 연소를 대체하지는 못하는 것으로 보이며, 원자력은 확산 및 핵폐기물 처리 모두와 관련되는 위험을 안고 있다.
화석 연료 또는 적정한 바이오매스로부터의 발전을 위한 종래의 수단은 이제 격리 사이트들로의 전달을 위한 압력에서 이산화탄소(CO2)의 포집에 대한 요구로 증가되는 부담을 가지고 있다. 그러나 현재의 기술은 이산화탄소(CO2) 포획을 위한 가장 우수한 설계라 하여도 단지 매우 낮은 열효율들을 가지기 때문에 이러한 요구가 이행되기는 어렵다. 더욱이, 이산화탄소(CO2) 포획을 구현하기 위한 자본 비용이 높으며, 이에 따라 대기 중으로 이산화탄소(CO2)를 방출하는 시스템에 비하여 상당히 높은 전기 비용을 초래한다. 따라서, 이산화탄소(CO2) 배출의 감소 및/또는 생성되는 이산화탄소(CO2)의 향상된 용이한 격리가 가능하면서 고효율의 발전을 위한 시스템들과 방법들에 대해 관련 분야에서 요구가 점차 증대되고 있다.
본 발명은 순환 유체(예를 들면, 이산화탄소(CO2) 순환 유체)와 결합하여 고효율 연소기(예를 들면, 분출 냉각 연소기)를 사용하는 발전을 위한 방법들 및 시스템을 제공한다. 특히, 상기 순환 유체는 연료 및 연소를 위한 산화제와 함께 상기 연소기 내로 도입될 수 있어, 상기 순환 유체와 임의의 연소 생성물들을 포함하는 고압이고 고온인 유체 흐름(fluid stream)이 생성된다. 상기 유체 흐름은 터빈과 같은 발전 장치 내로 도입될 수 있다. 유리하게는, 상기 유체 흐름은 상기 터빈 내에서의 팽창 동안 상대적으로 높은 압력에서 유지될 수 있어, 상기 터빈을 가로지르는 압력 비율(즉, 상기 터빈 유입구에서 압력과 상기 터빈 유출구에서 압력의 비율)이 약 12 이하이다. 상기 유체 흐름은, 열교환기를 통해 상기 유체 흐름을 통과시키는 과정을 포함할 수 있는 바와 같이 상기 유체 흐름의 성분들의 분리를 위하여 더 처리될 수 있다. 특히, 상기 순환 유체(적어도 상기 유체 흐름으로부터 재순환될 수 있는 부분)는 동일한 열교환기를 통과할 수 있어, 상기 연소기 내로의 도입 전에 상기 순환 유체가 가열될 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 열교환기를 동작(예를 들면, 저온 열원(low grade heat source)의 선택을 통해)시키는 데 유용할 수 있으므로, 열교환기는 상기 터빈 배기구와 상기 열교환기의 고온 단부에서의 재순환 유체 사이에 단지 작은 온도 차이를 가진다.
어떤 측면들에 있어서, 본 발명은 낮은 자본 비용으로서 고효율로 전력을 생산할 수 있고, 또한 격리(sequestration)를 위한 파이프라인 압력에서 실질적으로 순수한 이산화탄소(CO2)를 생산할 수 있는 발전 시스템들을 제공한다. 상기 이산화탄소(CO2)는 또한 상기 발전 시스템 내로 재순환될 수 있다.
본 발명의 시스템들과 방법들은 폭넓은 다양성으로 연소 소스들을 사용할 수 있는 능력에 특징이 있다. 예를 들면, 본 발명에 따라 사용되는 상기 고효율 연소기는 가스 형태(예를 들면, 천연가스 또는 석탄으로부터 생성된 가스), 액상(예를 들면, 탄화수소들, 역청(bitumen)) 그리고 고체(예를 들면, 석탄, 갈탄(lignite), 석유-코크스(pet-coke)) 연료들을 사용할 수 있다. 그 이외에도 여기서 기술하는 다른 연료들도 사용될 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 본 발명의 방법들과 시스템들은 이들이 이산화탄소(CO2)의 포집을 제공하지 않는 현재의 석탄 연소 발전기들의 최상의 효율을 초과할 수 있다는 점에서 특히 유용하다. 이러한 현재의 발전기들은 역청탄을 사용하는 1.7 인치의 수은 응축기 압력으로 많아야 약 45%의 효율(저위발열량(lower heating value; LHV))을 제공할 수 있다. 본 발명의 시스템은 격리를 위한 이산화탄소(CO2)의 전달이나 원하는 압력들에서 다른 처리를 하면서도 이와 같은 효율을 초과할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 유사한 연료를 사용하는 현재의 기술들에 비하여 발전 시스템의 물리적인 크기와 자본 비용을 감소시키는 여지를 제공한다. 이에 따라, 본 발명의 방법들과 시스템들은 발전 시스템들과 관련된 건설 비용들을 현저하게 감소시킬 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명의 방법들과 시스템들은 사용된 및/또는 생성된 이산화탄소(CO2), 특히 상기 연료 내의 탄소로부터 유래된 이산화탄소(CO2)의 사실상 100%의 재순환을 제공할 수 있다. 특히, 상기 이산화탄소(CO2)는 파이프라인 압력에서 건조되고, 정제된 가스로서 제공될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 다른 연료와 다른 사용 및/또는 처리를 위한 불순물들로부터 유래되는 연소를 분리하도록 재순환하는 여지를 제공한다.
특정한 일 측면에 있어서, 본 발명은 이산화탄소(CO2)와 같은 순환 유체의 사용을 포함하는 발전을 위한 방법에 관한 것이다. 특정한 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 발전 방법은 탄소를 함유하는 연료, 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 분출 냉각 연소기 내로 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 특히, 상기 이산화탄소(CO2)는 적어도 약 8MPa의 압력(바람직하게는, 적어도 약 12MPa)과 적어도 약 200℃의 온도(바람직하게는, 적어도 약 400℃)에서 도입될 수 있다. 상기 방법은 이산화탄소(CO2)를 포함하는 연소 생성물 흐름(combustion product stream)을 제공하도록 상기 연료를 연소시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 특히, 상기 연소 생성물 흐름은 적어도 800℃의 온도를 가질 수 있다. 또한, 상기 방법은 전력을 발생시키도록 터빈에 걸쳐 상기 연소 생성물 흐름을 팽창시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 터빈은 상기 연소 생성물 흐름을 수용하는 유입구(inlet)와 이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름(turbine discharge stream)을 방출하는 유출구(outlet)를 구비한다. 바람직하게는, 상기 유출구에서 상기 터빈 배출 흐름의 압력과 비교하여 상기 유입구에서 상기 연소 생성물 흐름의 압력의 비율이 약 12 이하일 수 있다. 특정한 실시예에 있어서, 적어도 약 10MPa의 압력이나 적어도 약 20MPa의 압력, 적어도 약 400℃의 온도, 또는 적어도 약 700℃의 온도에서 상기 연소기 내로 상기 이산화탄소(CO2)가 도입되는 것이 바람직하다. 다른 가능한 공정 변수들도 여기서 설명된다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 산소(O2) 및 상기 탄소를 함유하는 연료 중에서 하나 또는 모두와 함께 혼합물로서 상기 분출 냉각 연소기로 도입될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 상기 분출 냉각 연소기 내에 형성된 하나 또는 그 이상의 분출 유체 공급 통로들을 통해 안내되는 분출 냉각 유체 모두 또는 일부로서 상기 분출 냉각 연소기로 도입될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 상기 분출 유체로서만 상기 연소기 내로 안내될 수 있다.
상기 연소는 실제 연소 온도에 의해 특히 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 연소 단계는 적어도 약 1,200℃의 온도에서 수행될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소 단계는 약 1,600℃ 내지 약 3,300℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명은 또한 산소(O2) 흐름 내의 순수한 산소(O2)에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예들에 있어서, 주위의 공기가 유용할 수 있다. 그러나 특정한 실시예들에 있어서, 산소 함량을 정제하는 적이 유리할 수 있다. 예를 들면, 상기 산소(O2)는 산소(O2)의 몰 농도가 적어도 85%인 흐름으로 제공될 수 있다. 다른 특정 농도들도 여기서 기재된다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 흐름은 적어도 약 1,000℃의 온도를 가질 수 있다. 더욱이, 상기 연소 생성물 흐름은 상기 연소기 내로 도입되는 상기 이산화탄소(CO2) 압력의 적어도 약 90% 또는 상기 연소기 내로 도입되는 상기 이산화탄소(CO2)의 압력의 적어도 약 95% 정도인 압력을 가질 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 상기 터빈의 유출구에서 상기 터빈 배출 흐름과 비교하여 상기 터빈의 유입구에서 상기 연소 생성물 흐름의 압력 비율은 약 1.5 내지 약 10 정도, 또는 약 2 내지 약 8 정도가 될 수 있다. 다른 가능한 비율들도 여기에 기재된다.
본 발명은 상기 연소 챔버 내로 도입되는 특정 물질들의 비율에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 상기 연소기로 도입되는 상기 연료 내의 탄소에 대한 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 내의 이산화탄소(CO2)의 비율은 몰 기준(molar basis)으로 약 10 내지 약 50 또는 약 10 내지 약 30 정도가 될 수 있다. 다른 비율들로 여기에 설명된다.
본 발명은 또한 상기 터빈 배출 흐름 내의 상기 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부가 재순환될 수 있고 상기 연소기 내로 다시 도입될 수 있는 점에 의해 특징지어질 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부는 예를 들면, 파이프라인을 통해 상기 시스템(격리 또는 다른 처리와 같은)으로부터 방출될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 터빈 흐름 내의 상기 이산화탄소(CO2)는 가스 상태일 수 있다. 특히, 상기 터빈 배출 흐름은 7MPa보다 작거나 동일한 압력을 가질 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명의 방법들은 상기 터빈 배출 흐름을 상기 터빈 배출 흐름을 냉각시키고 약 200℃ 이하의 온도를 갖는 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 제공하는 적어도 하나의 열교환기를 통해 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 점은 하나 또는 그 이상의 2차 성분들(즉, 이산화탄소(CO2)와 다른 성분들)을 용이하게 제거할 수 있는 조건들 하에서 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 제공에 유리할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 이러한 사항은 상기 터빈 배출 흐름을 적어도 2개의 열교환기들의 시리즈(series)를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 시리즈 내의 제1 열교환기가 상기 터빈 배출 흐름을 수용할 수 있고 그 온도를 감소시킬 수 있으며, 상기 제1 열교환기는 적어도 약 900℃의 온도에서 견디는 고온 합금으로 형성될 수 있다.
본 발명의 방법들은 또한 전술한 바와 같이, 이산화탄소(CO2) 이외에도 상기 순환 유체 흐름 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 2차 성분들을 제거하도록 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체에 대해 하나 또는 그 이상의 격리 단계들을 수행하는 과정을 포함할 수 있다. 특히, 상기 하나 또는 그 이상의 2차 성분들은 물을 포함할 수 있다.
본 발명의 방법들은 또한 이산화탄소(CO2) 흐름을 가압하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 연소 생성물의 팽창과 상기 터빈 배출 흐름의 냉각 후에, 상기 연소기로 돌아가는 재순환을 위해 상기 흐름을 가압하는 것이 유리할 수 있다. 특히, 상기 방법들은 적어도 약 8MPa의 압력까지 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 가압하도록 하나 또는 그 이상의 압축기들(예를 들면, 펌프들)을 통해 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 사항은 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 가압하도록 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 적어도 2개의 압축기들을 통해 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름은 적어도 약 15MPa의 압력까지 가압될 수 있다. 그러지 않으면 여기서 설명하는 바와 같이 다른 압력 범위들도 바람직할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름은 특히 초임계의(supercritical) 유체 상태로 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 유체 흐름 내의 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부가 격리(또는 이미 전술한 바와 같이 다른 처리)를 위해 가압된 파이프라인 내로 도입될 수 있다.
상기 가압하는 단계 이외에도, 본 발명의 방법들은 또한 상기 연소기 내로 다시 도입(즉, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 재순환)을 위하여 이전에 냉각된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이는 적어도 약 200℃, 적어도 약 400℃ 또는 적어도 약 700℃의 온도로 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름은 상기 터빈 배출 흐름의 온도보다 약 50℃를 넘지 않는 범위에서 작은 온도로 가열될 수 있다. 다른 가능한 온도 범위들도 여기서 제공된다. 특히, 이러한 가열 단계는 상기 터빈 배출 흐름을 냉각하는 데 사용되는 동일한 열교환기(들)를 통해 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 가열 단계는 또한 외부의 소스로부터의 열의 유입(즉, 상기 열교환기들로부터 다시 포획되는 열 이외에)을 포함할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 가열 단계는 산소(O2) 분리 유닛으로부터 회수되는 열의 사용을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 추가적인 열은 상기 열교환기 유닛의 저온 단부(cold end)(또는 상기 열교환기들의 시리즈가 사용될 때, 상기 시리즈 내의 열교환기 전에 가장 높은 온도 범위 이상으로 동작하는)에서 도입된다.
특정 실시예들에 있어서, 본 발명은 다중의 터빈들의 선택적인 적용을 가능하게 하는 상기 연소 생성물 흐름의 특성에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 흐름은 하나 또는 그 이상의 연소 가능한 성분들(예를 들면, 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 암모니아(NH3) 및 이들의 혼합물들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 성분들)을 포함하는 감소 유체(reducing fluid)가 될 수 있다. 이는 사용되는 산소(O2)의 비율에 의해 조절될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 흐름은 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 및 이산화황(SO2)과 같은 완전히 산화된 성분들뿐만 아니라 앞서 나열한 감소된 성분들을 함유할 수 있다. 실질적인 연소는 상기 분출 연소기로 공급에 사용되는 연료에 대한 산소(O2)의 비율에 따라 구현될 수 있다. 보다 상세하게는, 이러한 실시예들에 사용되는 터빈은 각기 유입구와 유출구를 갖는 2개 또는 그 이상의 유닛들을 포함할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 터빈 유닛들은 상기 각 유닛의 유입구에서 동작 온도가 실질적으로 동일하도록 구동될 수 있다. 이는 제1 터빈 유닛(또는 3개 또는 그 이상의 유닛들이 사용되는 경우에는 이전의 터빈 유닛)의 유출구에서 유체 흐름에 산소(O2)를 첨가하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 산소(O2)의 제공은 전술한 상기 하나 또는 그 이상의 연소 가능한 성분들의 연소를 가능하게 할 수 있으며, 상기 시리즈 내의 다음 터빈에 유입되기 전에 상기 흐름의 온도를 상승시킨다. 이에 따라 상기 순환 유체의 존재하에서 상기 연소 가스들로부터 생성되는 전력을 최대화하는 능력이 야기된다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 흐름은 산화 유체가 될 수 있다. 예를 들면, 상기 터빈 배출 흐름은 과도한 양의 산소(O2)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 상기 다양한 흐름들의 상태에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 상기 터빈에 걸쳐 상기 연소 생성물 흐름을 팽창시키는 단계 후에, 상기 터빈 배출 흐름은 기체 상태가 될 수 있다. 이러한 기체를 임의의 2차 성분들로부터 상기 이산화탄소(CO2)의 분리를 위해 상기 기체 상태의 터빈 배출 흐름을 냉각시키도록 적어도 하나의 열교환기를 통과시킬 수 있다. 이후에, 상기 분리된 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부가 초임계의 유체 상태로 가압될 수 있고 변형될 수 있으며, 상기 연소기 내로의 재순환을 위해 상기 이산화탄소(CO2)가 가열되도록 다시 동일한 열교환기(들)를 통과할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 팽창시키는 단계로부터 상기 열교환기(또는 상기 시리즈가 사용될 경우에는 제1 열교환기)로 유입되는 상기 터빈 배출 흐름의 온도와 상기 연소기로의 재순환을 위해 동일한 열교환기를 떠나는 상기 가열되고, 가압되며 초임계인 유체 이산화탄소(CO2)의 온도 사이의 온도 차이는 약 50℃ 이하일 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 연료 연소기를 떠나는 상기 유체 흐름은 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체뿐만 아니라 연소 생성물들과 같은 하나 또는 그 이상의 성분들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부의 재순환과 이를 상기 연료 연소기 내로 재도입하는 것이 유용하다. 따라서, 상기 순환 유체는 재순환 유체가 될 수 있다. 물론, 외부 소스로부터의 이산화탄소(CO2)가 상기 순환 유체로 사용될 수도 있다. 상기 터빈 배출 가스는 이코노마이저(economizer) 열교환기 내에서 냉각될 수 있으며, 상기 회수된 열은 고압의 재순환 이산화탄소(CO2)를 가열하는 데 사용될 수 있다. 상기 열교환기의 저온 단부를 떠나는 상기 냉각된 터빈 배출 가스는 물(H2O), 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수은(Hg) 및 염산(HCl)과 같은 상기 연료 또는 상기 연소 과정으로부터 유래되는 성분들을 함유할 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 이와 같은 성분들은 적절한 방법들을 통해 상기 흐름으로부터 제거될 수 있다. 이러한 흐름 내의 다른 성분들은 질소(N2), 아르곤(Ar) 및 과잉의 산소(O2)와 같은 상기 연로 또는 산화제로부터 유래되는 불활성 기체 상태의 불순물들을 포함할 수 있다. 이들은 별도의 적절한 과정들을 통해 제거될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 가스는 상기 터빈 배출 가스가 냉각될 때에 액체 상태의 이산화탄소(CO2)가 형성되지 않도록 사용 가능한 냉각 수단의 온도에서 상기 터빈 배출 가스 내의 이산화탄소(CO2)가 응축되는 압력보다 작은 압력이어야 하며, 이에 의해 응축되는 수증기를 최소의 양으로 함유할 수 있는 기체 상태의 이산화탄소(CO2)로부터 액체로서 물의 효율적인 분리가 가능해진다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 정제된 이산화탄소(CO2)는 이제 상기 연소기로 공급되는 상기 연료 내의 탄소로부터 유래되는 산화된 탄소를 나타내는 상기 유체 내의 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부와 함께 고압의 재순환 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 생성하도록 압축될 수 있으며, 격리를 위해 가압된 파이프라인 내로 도입될 수 있다. 상기 터빈 배출 가스 흐름의 높은 압력에 기인하는 최소한의 추가적인 처리 또는 압축으로 상기 연소 공정으로부터 가압된 파이프라인으로 직접 이산화탄소(CO2)를 전달하는 능력은 이산화탄소(CO2)가 대기 압력(즉, 0.1MPa 부근)에 회복되거나 대기 중으로 방출되는 종래의 방법들과는 구별되는 장점이 된다. 더욱이, 본 발명에 따른 격리를 위한 이산화탄소(CO2)는 지금까지 알려진 것보다 보다 효율적이고 경제적인 방식으로 전달될 수 있다.
상기 열교환기로 유입되는 재순환 이산화탄소(CO2) 유체의 비열(specific heat)은 이상적으로는 상기 임계 압력 이상에서 높으며, 온도가 상승함에 따라 감소된다. 가장 낮은 온도 레벨들에서 열의 적어도 일부를 외부의 소스로부터 유입되게 하는 것이 특히 유리하다. 이는, 예를 들면, 응축에 대해 열을 제공할 수 있는 낮은 압력의 증기 공급이 될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 이러한 열의 소스는 상기 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름에 열을 제공하도록 사용되는 열전달 유체의 폐쇄 사이클 흐름을 갖는 압축 열의 추출과 중간 냉각이 없이 단열 모드에서 상기 연소기로 산화제를 공급하는 극저온 공기 분리(cryogenic air separation) 플랜트 내에 사용되는 공기 압축기들의 동작으로부터 유래될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 발전 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다.
이산화탄소(CO2)가 적어도 약 8MPa의 압력과 적어도 약 200℃의 온도에서 도입되도록 연료, 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 연소기 내로 도입하는 단계;
이산화탄소(CO2)를 포함하고, 적어도 약 800℃의 온도를 갖는 연소 생성물 흐름을 제공하도록 상기 연료를 연소시키는 단계;
상기 연소 생성물 흐름을 수용하는 유입구와 이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름을 방출하는 유출구를 갖는 터빈에 걸쳐 전력을 발생시키도록 상기 연소 생성물 흐름을 팽창시키는 단계를 포함하고, 상기 유출구에서 상기 터빈 배출 흐름의 압력과 비교하여 상기 유입구에서 상기 연소 생성물 흐름의 압력의 비율이 약 12 이하이며;
냉각된 터빈 배출 흐름을 제공하도록 상기 터빈 배출 흐름을 열 교환 유닛을 통과시켜 상기 터빈 배출 흐름으로부터 열을 회수하는 단계;
정제되고, 냉각된 터빈 배출 흐름을 제공하도록 상기 냉각된 터빈 배출 흐름으로부터 이산화탄소(CO2) 이외에도 상기 냉각된 터빈 배출 흐름 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 2차 성분들을 제거하는 단계;
초임계의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 제공하도록 상기 정제되고 냉각된 터빈 배출 흐름을 제1 압축기로 상기 이산화탄소(CO2) 임계 압력 이상의 압력까지 압축시키는 단계;
그 밀도가 적어도 약 200㎏/㎥이 되는 온도까지 상기 초임계의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 냉각시키는 단계;
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 상기 연소기로의 유입을 위한 압력까지 가압되도록 상기 초임계이고, 고밀도인 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 제2 압축기를 통해 통과시키는 단계;
상기 회수된 열이 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 온도를 상승시키는 데 사용되도록 상기 초임계이고, 고밀도이며 고압인 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 동일한 열 교환 유닛을 통해 통과시키는 단계;
상기 연소기로 재순환을 위해 상기 열 교환 유닛을 떠나는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 온도와 상기 터빈 배출 흐름의 온도의 차이가 약 50℃보다 작아지도록 상기 초임계이고, 고밀도이며, 고압인 이산화탄소(CO2) 순환 유체에 추가적인 양의 열을 공급하는 단계; 그리고
상기 가열되고, 초임계이며, 고밀도인 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 상기 연소기 내로 재순환하는 단계.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 시스템들과 방법들은 기존의 전력 시스템들과 방법들(예를 들면, 종래의 석탄 연소 발전기들, 원자로들 및 종래의 보일러 시스템들을 사용하는 기타 시스템들과 방법들)과의 결합에 특히 유용할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에 있어서, 상술한 팽창시키는 단계와 전술한 회수하는 단계 사이에서 본 발명의 방법들은 제2 열교환 유닛을 통해 상기 터빈 배출 흐름을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 제2 열교환 유닛은 상기 터빈 배출 흐름으로부터의 열을 증기 동력 시스템(예를 들면, 석탄 연소 발전기들과 원자로들을 포함하여 종래의 보일러 시스템)으로부터 유래되는 하나 또는 그 이상의 흐름들을 가열하는 데 사용할 수 있다. 이에 따라 가열된 증기 흐름들이 전력을 생성하도록 이후에 하나 또는 그 이상의 터빈들을 통과할 수 있다. 상기 터빈을 떠나는 흐름들은 상기 종래의 전력 시스템(예를 들면, 보일러)의 구성 요소들을 통해 다시 순환시킴에 의해 처리될 수 있다.
또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명의 방법은 하나 또는 그 이상의 다음과 같은 단계들에 의해 특징지어질 수 있다.
* 상기 터빈 배출 흐름을 그의 물의 이슬점 온도 이하까지 냉각시키는 단계;
주위 온도 냉각 매체에 대하여 상기 터빈 배출 흐름을 더 냉각시키는 단계;
황산(H2SO4), 질산(HNO3), 염산(HCl) 및 수은 중에서 하나 또는 그 이상을 포함하는 용액을 형성하도록 하나 또는 그 이상의 2차 성분들과 함께 물을 응축시키는 단계;
상기 터빈 배출 흐름을 약 15MPa 이하의 압력까지 가압시키는 단계;
상기 열 교환 유닛을 통과시키기 전에 상기 초임계이고, 고밀도이며, 고압인 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름으로부터 생성물의 이산화탄소(CO2) 흐름을 회수하는 단계;
부분적인 연소 생성물들의 흐름을 상기 연료로서 사용하는 단계;
연소 불가능한 성분과 이산화탄소(CO2)와 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 황화수소(H2S) 및 암모니아(NH3) 중에서 하나 또는 그 이상을 포함하는 부분적으로 산화된 연소 생성물 흐름을 생성하게 탄소를 함유하는 연료가 부분적으로만 산화되는 비율들로 탄소를 함유하는 연료, 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)가 제공되도록 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 존재하에서 산소(O2)와 함께 탄소를 함유하는 연료를 연소시키는 단계;
상기 흐름 내의 상기 연소 불가능한 성분들의 모두가 고체 입자들의 형태이도록 상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 흐름의 온도가 충분하게 낮은 비율들로 상기 탄소를 함유하는 연료, 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 제공하는 단계;
상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 흐름을 하나 또는 그 이상의 필터들을 통해 통과시키는 단계;
상기 부분적으로 산화된 연소 생성물의 약 2㎎/㎥ 이하로 작게 연소 불가능한 성분의 잔여량이 감소되도록 상기 필터들을 사용하는 단계;
상기 연료로서 석탄, 갈탄 또는 석유 코크스를 사용하는 단계;
이산화탄소(CO2)와 함께 슬러리로서 미립자의 연료를 제공하는 단계.
또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 다음과 같은 단계들을 포함하는 방법과 관련하여 설명될 수도 있다.
이산화탄소(CO2)가 적어도 약 8MPa의 압력과 적어도 약 200℃의 온도에서 도입되도록 탄소를 함유하는 연료, 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 분출 냉각 연소기 내로 도입하는 단계;
이산화탄소(CO2)를 포함하고, 적어도 약 800℃의 온도를 갖는 연소 생성물 흐름을 제공하도록 상기 연료를 연소시키는 단계;
상기 연소 생성물 흐름을 수용하는 유입구와 이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름을 방출하는 유출구를 구비하는 터빈에 걸쳐 상기 유출구에서 터빈 배출 흐름과 비교하여 상기 유입구에서 상기 연소 생성물 흐름의 압력의 비율이 12 보다 작게 전력을 발생시키도록 상기 연소 생성물 흐름을 팽창시키는 단계;
상기 터빈 배출 흐름으로부터 열을 회수하고 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 제공하는 적어도 2개의 열교환기들의 시리즈를 통해 상기 터빈 배출 흐름을 통과시키는 단계;
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름으로부터 이산화탄소(CO2) 이외에도 상기 순환 유체 흐름 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 2차 성분들을 제거하는 단계;
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 압력을 적어도 약 8MPa까지 증가시키고 상기 순환 유체 내의 이산화탄소(CO2)를 가스 상태로부터 초임계의 유체 상태로 변화시키는 적어도 2개의 압축기들의 시리즈를 통해 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 통과시키는 단계; 및
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 온도를 적어도 약 200℃(또는, 선택적으로, 상기 터빈 배출 흐름의 온도보다 약 50℃ 이하의 범위에서 작은 온도) 정도로 가열하는 데 상기 회수된 열을 사용하는 동일한 적어도 2개의 열교환기들의 시리즈를 통해 상기 초임계의 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 통과시키는 단계.
이러한 방법은 특히 외부의 열 소스(즉, 상기 열교환기(들)를 통한 상기 터빈 배출 흐름의 통로로부터 직접적으로 유래되는 열의 소스)로부터 추가적인 열을 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 이산화탄소(CO2)의 대기 중의 방출 없이 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터 전력을 발생시키는 고효율의 방법을 제공하는 것으로서 특징지어질 수 있다. 특히, 상기 방법은 다음과 같은 단계들을 포함할 수 있다.
이산화탄소(CO2)가 적어도 약 8MPa의 압력과 적어도 약 200℃의 온도에서 도입되도록 탄소를 함유하는 연료, 산소(O2) 및 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 정해진 화학량론적 비율(stoichiometric ratio)로 분출 냉각 연소기 내로 도입하는 단계;
이산화탄소(CO2)를 포함하고, 적어도 약 800℃의 온도를 갖는 연소 생성물 흐름을 제공하도록 상기 연료를 연소시키는 단계;
상기 연소 생성물 흐름을 수용하는 유입구와 이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름을 방출하는 유출구를 구비하는 터빈에 걸쳐 전력을 발생시키도록 상기 유출구에서 터빈 배출 흐름과 비교하여 상기 유입구에서 상기 연소 생성물 흐름의 압력의 비율이 12보다 작게 상기 연소 생성물 흐름을 팽창시키는 단계;
상기 터빈 배출 흐름으로부터 열을 회수하고 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 제공하는 적어도 2개의 열교환기들의 시리즈를 통해 상기 터빈 배출 흐름을 통과시키는 단계;
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 압력을 적어도 약 8MPa까지 증가시키고 상기 순환 유체 내의 이산화탄소(CO2)를 가스 상태로부터 초임계의 유체 상태로 변화시키는 적어도 2개의 압축기들의 시리즈를 통해 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 통과시키는 단계;
화학량론적으로 요구되는 이산화탄소(CO2)의 양이 재순환되고 상기 연소기로 안내되며 어떠한 과잉의 이산화탄소(CO2)도 대기 중으로 방출되지 않고 회수되는 분리 유닛을 통해 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 통과시키는 단계; 및
상기 연소기 내로 도입하기 전에 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 온도를 적어도 약 200℃(또는, 선택적으로, 상기 터빈 배출 흐름의 온도보다 약 50℃ 이하의 범위에서 작은 온도) 정도로 가열하는 데 상기 회수된 열을 사용하는 동일한 적어도 2개의 열교환기들의 시리즈를 통해 상기 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 통과시키는 단계를 포함하며,
상기 연소기의 효율은 50% 이상이고, 상기 효율은 전력을 방생시키도록 연소되는 상기 탄소를 함유하는 연료를 위한 전체적인 저위발열량 열 에너지와 관련하여 생성된 알짜 전력(net power)의 비율로서 계산된다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 발전 시스템의 제공으로서 설명될 수 있다. 특히, 발전 시스템은 본 발명에 따른 발전 시스템은 분출 냉각 연소기, 발전 터빈, 적어도 하나의 열교환기, 그리고 적어도 하나의 압축기를 구비할 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 분출 냉각 연소기는 탄소를 함유하는 연료, 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 수용하는 적어도 하나의 유입구를 포함할 수 있다. 상기 연소기는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 존재에서 상기 연료를 연소시키고 적어도 정해진 압력(예를 들면, 적어도 약 8MPa의 압력)과 온도(예를 들면, 적어도 약 800℃의 온도)에서 이산화탄소(CO2)를 포함하는 연소 생성물 흐름을 제공하는 적어도 하나의 연소 스테이지(combustion stage)를 더 포함할 수 있다.
상기 발전 터빈은 상기 연소기와 유체 연통될 수 있으며, 상기 연소 생성물 흐름을 수용하는 유입구와 이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름을 방출하는 유출구를 구비할 수 있다. 상기 터빈은 상기 유출구에서 상기 터빈 배출 흐름의 압력에 비하여 상기 유입구에서 상기 연소 생성물 흐름의 압력의 비율이 약 12보다 작아지게 압력 강하를 제어하도록 조절될 수 있다.
상기 적어도 하나의 열교환기는 상기 터빈 배출 흐름을 수용하기 위해 상기 터빈과 유체 연통할 수 있다. 상기 열교환기(들)는 상기 터빈 배출 흐름으로부터 열을 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름에 전달할 수 있다.
상기 적어도 하나의 압축기는 상기 적어도 하나의 열교환기와 유체 연통할 수 있다. 상기 압축기(들)는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 원하는 압력까지 가압하기 위해 조절될 수 있다.
전술한 사항들 이외에도, 본 발명에 따른 상기 발전 시스템은 상기 적어도 하나의 열교환기와 상기 적어도 하나의 압축기 사이에 위치하는 하나 또는 그 이상의 분리 장치들을 더 포함할 수 있다. 이러한 분리 장치(들)는 상기 이산화탄소(CO2) 이외에도 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 2차 성분들의 제거에 유용할 수 있다.
또한, 상기 발전 시스템은 열을 발생시키는 하나 또는 그 이상의 구성 요소들을 포함하는 산소(O2) 분리 유닛을 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 발전 시스템은 또한 상기 산소(O2) 분리 유닛으로부터 상기 연소기로부터의 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 상향 흐름(upstream)으로 열을 전달하는 하나 또는 그 이상의 열전달 구성 요소들을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 발전 시스템은 외부의 열 소스를 포함할 수 있다. 이는, 예를 들면, 응축에 열을 제공할 수 있는 저압 증기 공급이 될 수 있다. 상기 발전 시스템은 이에 따라 상기 연소기로부터의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 상향 흐름으로부터 열을 전달하는 하나 또는 그 이상의 열전달 구성 요소들을 포함할 수도 있다.
또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명의 발전 시스템은 다음 중에서 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 상기 이산화탄소(CO2) 임계 압력 이상의 압력까지 압축하도록 조절된 제1 압축기;
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 상기 연소기로 도입을 위해 요구되는 압력까지 압축하도록 조절된 제2 압축기;
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 그 밀도가 200㎏/㎥ 이상이 되는 온도까지 냉각시키는 냉각 장치;
외부 소스로부터 상기 연소기로부터의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 상향 흐름과 상기 제2 압축기로부터의 하향 흐름(downstream)에 열을 전달하는 하나 또는 그 이상의 열전달 구성 요소들;
상기 분출 냉각 연소기와 유체 연통하고 그로부터의 상향 흐름에 위치하는 제2 연소기;
상기 제2 연소기와 상기 분출 냉각 연소기 사이에 위치하는 하나 또는 그 이상의 필터들;
유동화 매체(fluidizing medium)와 함께 미립자 연료의 슬러리를 형성하는 혼합 장치;
고체 연료를 미립자화하기 위한 밀링 장치.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 다음 요소들을 포함할 수 있는 발전 시스템을 제공할 수 있다. 연료, 이산화탄소(CO2) 순환 유체 및 산화제를 제공하기 위한 하나 또는 그 이상의 인젝터(injector); 상기 연료를 연소시키고 적어도 800℃의 온도와 적어도 4MPa(바람직하게는, 적어도 8MPa)의 압력에서 방출 유체 흐름을 제공하는 적어도 하나의 연소기 스테이지를 구비하는 분출 냉각 연소기; 유입구와 유출구를 가지며 상기 유체 흐름이 팽창됨에 따라 전력이 생성되고,
원하는 압력에서 상기 유체 흐름을 유지하여 상기 유출구에 대한 상기 유입구에서의 상기 유체 흐름의 압력의 비율이 약 12 이하가 되도록 설계되는 발전 터빈; 상기 터빈 유출구를 떠나는 상기 유체 흐름을 냉각시키고 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 가열하기 위한 열교환기; 그리고 상기 열교환기를 떠나는 상기 유체 흐름을 이산화탄소(CO2)와 재순환 또는 처리를 위하여 하나 또는 그 이상의 다른 성분들로 분리하기 위한 하나 또는 그 이상의 장치들. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 발전 시스템은 상기 유체 흐름으로부터 분리된 상기 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부를 가압된 파이프라인 내로 전달하기 위한 하나 또는 그 이상의 장치들을 포함할 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 시스템은 석탄 연소 발전기, 원자로 또는 이와 유사한 것과 같은 종래의 발전 시스템과 함께 새로 장착되는 여기서 설명하는 하나 또는 그 이상의 구성 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전력 시스템은 2개의 열 교환 유닛들(예를 들면, 1차 열 교환 유닛과 2차 열 교환 유닛)을 포함할 수 있다. 상기 1차 열 교환 유닛은 실질적으로 여기서 설명하는 것과는 다른 유닛이 될 수 있으며, 상기 2차 열 교환 유닛은 증기 흐름들을 과열시키도록 상기 터빈 배출 흐름으로부터 하나 또는 그 이상의 증기 흐름들(예를 들면, 종래의 발전 시스템과 관련된 보일러로부터)에 열을 전달하는 데 유용한 유닛이 될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 발전 시스템은 상기 터빈과 상기 1차 열교환 유닛 사이에 위치하고 유체 연통되는 2차 열 교환 유닛을 포함할 수 있다. 상기 발전 시스템은 유사하게 적어도 하나의 증기 흐름을 경유하여 상기 2차 열교환 유닛과 유체 연통하는 보일러를 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 발전 시스템은 상기 2차 열교환 유닛으로부터 적어도 하나의 증기 흐름을 수용하기 위한 유입구를 갖는 적어도 하나의 다른 발전 터빈을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 시스템은 1차 발전 터빈과 2차 발전 터빈을 구비하는 것으로서 설명될 수 있다. 상기 1차 발전 터빈은 본 발명의 연소기와 유체 연통하는 터빈이 될 수 있다. 상기 2차 발전 터빈은 증기 흐름, 특히 상기 1차 발전 터빈으로부터 상기 배출 흐름으로부터의 열로 과열되는 과열된 증기 흐름과 유체 연통하는 터빈이 될 수 있다. 종래의 발전 시스템으로부터 하나 또는 그 이상의 구성 요소들과 함께 새로 장착되는 이러한 시스템은 여기서 설명되며, 특히 도 12와 실험예 2와 관련하여 설명된다. 1차 발전 터빈과 2차 발전 터빈이라는 용어들의 사용이 본 발명의 범주를 제한하게 해석되어서는 아니 되며, 다만 설명의 명확성을 위해서 사용되는 것이다.
본 발명의 다른 측면에 있어서, 외부의 흐름이 상기 냉각 터빈 방출 흐름으로부터 전달되는 열에 의해 상기 열교환기의 고온 단부 내에서 가열될 수 있으며, 그 결과, 고압의 재순환 흐름이 상기 열교환기를 떠나서 보다 낮은 온도에서 상기 연소기로 유입될 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 터빈 유입구 온도가 유지되도록 상기 연소기 내에서 연소된 연료의 양이 증가될 수 있다. 연소된 여분의 연료의 발열량은 상기 열교환기 상에 도입되는 여분의 열과 동등하다.
특정 실시예들에 있어서, 본 발명은 대부분의 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 순환으로부터 축동력(shaft power)을 제공하는 처리 플랜트로서 특징지어질 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 어떤 조건들을 만족시킬 수 있는 과정들을 제공할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 본 발명은 또한 하나 또는 그 이상의 다음과 같은 동작들 또는 이러한 동작들을 수행하기에 유용한 장치들에 의해 특징지어질 수 있다.
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 이산화탄소(CO2)의 임계 압력을 초과하는 압력까지 압축시키는 단계;
요구되는 전력 터빈 유입구-예를 들면, 약 500℃ 이상의 온도(또는 여기서 설명하는 다른 온도 범위)를 구현하도록 이산화탄소(CO2) 과잉 초임계의 재순환 유체의 혼합을 위한 제공과 함께 실질적으로 순수한 산소(O2) 내에서 고체, 액체 또는 가스 상태의 탄화수소의 연료를 직접 연소시키는 단계;
축동력의 생산과 함께 상기 터빈 내에서 연소 생성물들과 재순환된 이산화탄소(CO2) 과잉 유체로 형성되는 초임계의 흐름을 팽창, 특히 약 2MPa 이상이고 상기 연료가 주위 온도 냉각 매체의 사용과 조화되는 온도로 냉각될 때에 이산화탄소(CO2) 액체 상태가 나타나는 압력 이하인 압력(예를 들면, 약 7.3Mpa 내지 7.4MPa)까지 팽창시키는 단계;
터빈 방출이 냉각되고 열이 재순환된 이산화탄소(CO2) 과잉의 초임계의 유체로 전달되는 열교환기 내의 터빈 방출을 도입하는 단계;
주위 온도 냉각 수단에 대하여 열교환기를 떠나는 이산화탄소(CO2)를 함유하는 흐름을 냉각시키는 단계 및 적어도 소량의 이산화탄소(CO2)의 농도와 적어도 소량의 수증기 농도를 함유하는 가스 상태의 이산화탄소(CO2)를 함유하는 액체 상태의 물을 분리하는 단계;
이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 물(H2O), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 산소(O2) 및/또는 수은(Hg)을 수반하는 반응들이 일어나서 흐름 내에 존재하는 황의 98% 이상의 황산(H2SO4)으로의 전환과 흐름 내에 존재하는 질소 산화물들의 90% 이상의 질산(HNO3)으로의 전환과 흐름 내의 수은의 80% 이상의 용해 가능한 수은 화합물들로의 전환을 야기할 수 있도록, 가스 상태의 이산화탄소(CO2)와 액상의 물 또는 약한 산성 상태 사이의 밀접한 접촉 내에서 원하는 체류 시간(예를 들면, 10초까지)을 가능하게 하는 방식으로 물의 분리를 수행하는 단계;
상기 가스 상태 내의 대부분의 질소(N2), 아르곤(Ar) 및 산소(O2)를 떠나는 기체/액체 상태 분리와 함께 이산화탄소(CO2)의 어는점에 근접하는 온도까지 냉각시킴에 의해 가스 상태의 이산화탄소(CO2)로부터 비 응축성의 성분들(질소(N2), 아르곤(Ar) 및 산소(O2)와 같은)을 분리하는 단계;
주위 온도 냉각 수단에 의한 냉각이 고밀도의 이산화탄소(CO2) 유체(예를 들면, 적어도 약 200㎏/㎥, 바람직하게는 적어도 약 300㎏/㎥ 또는 보다 바람직하게는 적어도 약 400㎏/㎥의 밀도를 갖는)를 생성하는 압력까지 기체 압축기 내에서 정제된 이산화탄소(CO2) 흐름을 압축시키는 단계;
고밀도의 이산화탄소(CO2) 초임계 유체(예를 들면, 적어도 약 200㎏/㎥, 바람직하게는 적어도 약 300㎏/㎥ 또는 보다 바람직하게는 적어도 약 400㎏/㎥의 밀도를 갖는)를 형성하도록 주위 냉각 수단으로 압축된 이산화탄소(CO2)를 냉각시키는 단계;
상기 이산화탄소(CO2)의 임계 압력 이상의 압력까지 압축기 내에서 고밀도의 이산화탄소(CO2) 유체를 압축시키는 단계;
고압의 이산화탄소(CO2) 흐름을 2개의 분리된 흐름들-하나는 열교환기의 저온 단부로 유입되고 다른 하나는 약 250℃ 아래의 온도에서 사용 가능한 외부 가열 소스를 이용하여 가열되는-로 분리하는 단계;
열교환기의 고온 단부로 유입되는 터빈 배출 흐름의 온도와 상기 동일한 열교환기의 고온 단부를 떠나는 재순환 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 온도 사이의 차이가 약 50℃(또는 여기서 설명하는 다른 문턱 온도) 이하가 되도록 효과적인 열전달(선택적인 외부 열 소스의 사용을 포함하여)을 용이하게 하는 단계;
약 8MPa 내지 약 50MPa의 압력(또는 여기서 설명하는 다른 압력 범위)까지 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 압축시키는 단계;
상기 연료의 자연발화 온도 아래이고 그 비율이 약 1,200℃ 내지 3,500℃의 단열 화염 온도(또는 여기서 설명하는 다른 온도 범위)를 제공하도록 조절되는 단일 유체 흐름(또는 가루로 되고, 고체인 연료가 사용되는 경우에는 슬러리)을 형성하도록 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 적어도 일부 및 탄소를 함유하는 연료 흐름과 산소(O2) 흐름을 혼합시키는 단계;
약 500℃ 내지 약 1,600℃의 범위의 온도(또는 여기서 설명하는 다른 온도 범위)에서 혼합된 유체 흐름을 형성하도록 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 적어도 일부를 연소 생성물과 혼합시키는 단계;
약 2MPa 내지 약 7.3MPa의 압력(또는 여기서 설명하는 다른 압력 범위)을 갖는 터빈 배출 흐름을 생성하는 단계;
극저온 산소(O2) 플랜트(특히 단열 모드에서)의 하나 또는 그 이상의 공기 압축기들 및/또는 이산화탄소(CO2) 압축기(특히 단열 모드에서)의 작동으로부터 유래되고, 적절한 열전달 유체(이산화탄소(CO2) 유체 자체를 포함하여)의 순환에 의해 전달되는 압축의 열을 사용하여 고압의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 일부를 외부에서 가열하는 단계;
버너에서 연소되는 동등한 여분의 연료로 열교환기 내에서 상기 열교환기 내에서 과열될 수 있는 증기를 포함할 수 있는 하나 또는 그 이상의 외부 유체 흐름들을 가열하는 단계;
재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 일부를 외부에서 가열하도록 외부 소스로부터 제공되는 응축되는 흐름에 의해 공급되는 열을 이용하는 단계;
외부에서 제공된 유체 흐름을 가열하기 위한 열을 제공하도록 이산화탄소(CO2)를 함유하는 흐름(상기 열교환기의 저온 단부를 떠나는)을 열교환기 내에서 냉각시키는 단계;
산소(O2)의 몰 농도가 적어도 약 85%(또는 여기서 설명하는 다른 농도 범위)인 산소(O2) 공급 흐름을 제공하는 단계;
연소기를 떠나고 터빈으로 유입되는 전체 기체 흐름(즉, 연소 생성물 흐름) 내의 산소(O2)의 농도가 약 0.1% 몰 이상이 되도록 연소기를 동작시키는 단계;
단지 하나의 전력을 발생시키는 터빈을 사용하여 발전 과정을 수행하는 단계;
단지 하나의 연소기가 상기 연소기 내로 유입되는 탄소를 함유하는 연료를 실질적으로 완전하게 연소시키는 데 사용되도록 발전 과정을 수행하는 단계;
상기 연소기로 유입되는 상기 산소(O2) 흐름 내의 산소(O2)의 양이 상기 연소기로 유입되는 상기 연료 흐름의 화학량론적 연소를 위해 요구되는 양 보다 작도록 연소기를 동작시키는 단계 및 이에 따라 상기 연소 생성물 내에 수소(H2)와 일산화탄소(CO) 중에서 하나 또는 모두의 생성을 야기하는 단계; 그리고
보다 높은 값으로 제2 또는 그 이상의 터빈들 각각의 동작 온도를 상승시켜 약 0.1% 몰 이상의 과잉과 같이 최후의 터빈으로부터의 방출 흐름 내의 과잉 산소(O2)를 야기하도록, 각기 정해진 출구 압력을 가지며, 제1 터빈(그리고 터빈 시리즈 내의 최후의 터빈을 제외하고 가능할 경우에는 후속하는 터빈들)을 떠나는 배출 흐름 내 수소(H2)와 일산화탄소(CO) 중에서 하나 또는 모두가 존재하고 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 전체 또는 일부가 제2 및 후속하는 터빈들의 유입구 전에서 산소(O2)의 흐름의 추가에 의해 연소되는 2개 또는 그 이상의 터빈들을 사용하여 과정을 수행하는 단계.
또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 다음 단계들 중에서 하나 또는 그 이상을 제공할 수 있다.
냉각 터빈 방출 흐름이 그 물 이슬점 아래의 온도까지 냉각되도록 냉각 터빈 방출 흐름에 대하여 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 열 교환 시스템 내에서 가열하는 단계;
주위 온도 냉각 매체에 대하여 상기 터빈 방출 흐름을 냉각시키는 단계 및 연료와 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 및 염산(HCl)을 포함하고 수은(Hg)과 같은 다른 불순물들 및 용액 내의 이온성 화합물의 형태인 다른 금속들을 포함하는 연소 파생 불순물들과 함께 물을 응축시키는 단계;
제1 압축기 내에서 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 그의 임계 압력 이상이지만 10MPa 이하의 압력까지 압축시키는 단계;
상기 순환 유체를 그 밀도가 600㎏/㎥ 이상이 되는 점까지 냉각시키는 단계;
상기 시스템 내의 압력 강하를 극복하고 상기 연소 챔버 내로 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 공급하도록 압축기 내에서 고밀도의 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 요구되는 압력까지 압축시키는 단계;
상기 연료 흐름 내의 탄소의 연소에 의해 형성되는 모든 이산화탄소(CO2)를 실질적으로 함유하며, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기의 방출 흐름 중에서 하나로부터 발생되는 생성된 이산화탄소(CO2) 생성물 흐름을 제거하는 단계;
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체와 상기 열교환기의 고온 단부에서 상기 터빈 방출의 온도 차이가 50℃ 이하가 되도록 상기 열교환기로 향하거나 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 일부를 포함하는 측부 흐름(side stream)의 가열에 의한 냉각 터빈 방출의 물의 이슬점 이상의 온도 레벨에서 이산화탄소(CO2) 순환 유체에 추가적인 양의 열을 공급하는 단계;
필터 시스템에 의해 유출 유체 흐름으로부터 완전히 제거될 수 있는 회분(ash)이 고체 미립자로서 존재하는 500℃ 내지 900℃의 온도까지 부분적으로 산화된 연소 생성물들을 냉각시키도록 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체가 공급되는 분출 냉각 연소기 내에서 산소(O2)로 부분적으로 산화되어 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 암모니아(NH3)와 연소 불가능한 잔여물을 포함하는 흐름을 생성하도록 연소 불가능한 잔여물을 갖는 탄소를 함유하는 연료를 포함하는 연료를 사용하는 단계;
상기 측부 흐름이 별도로 가열된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름과 다시 혼합되는 지점에서 상기 냉각 터빈 방출 흐름과 상기 가열되는 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름 사이에 10℃ 내지 50℃ 사이의 온도 차이를 제공하는 단계;
상기 흐름이 물과 불순물 분리 전에 냉각될 때에 액상의 이산화탄소(CO2)가 형성되지 않도록 상기 열교환기의 저온 단부를 떠나는 상기 터빈 배출 흐름의 압력을 위해 제공하는 단계;
종래의 보일러 시스템들 및 원자로들과 관련되는 증기 동력 시스템들로부터 유래되는 다중의 증기 흐름들을 과열하도록 상기 터빈 배출 흐름의 적어도 일부를 사용하는 단계;
발전기(power station)와 같은 외부의 증기 소스로부터 얻어지는 하나 또는 그 이상의 압력 레벨들에서 상기 이산화탄소(CO2) 순환 흐름에 증기로서 추가적인 낮은 레벨의 열을 제공하는 단계;
상기 증기 동력 생성 시스템의 증기 응축기를 떠나는 응축물의 적어도 일부의 가열을 제공하도록 상기 열교환기 시스템의 저온 단부를 떠나는 익스팬더(expander) 방출 흐름을 사용하는 단계;
개방형 사이클 가스 터빈의 고온 배출로부터 상기 이산화탄소(CO2) 순환 흐름을 위하여 추가적인 낮은 레벨의 열을 제공하는 단계;
완전한 연소를 위하여 제2 연소기에 연로로서 부분적으로 산화된 석탄 파생 가스 추가 이산화탄소(CO2)를 통과시키는 단계;
이산화탄소(CO2), 물(H2O) 및 이산화황(SO2)을 포함하는 산화 생성물로 상기 연료의 일부가 산화되고 상기 연료의 나머지가 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 황화수소(H2S)를 포함하는 성분들로 산화되게 하는 연료에 대한 산소(O2) 비율로 단일 연소기를 동작시키는 단계;
상기 제2 터빈을 통해 팽창되기 전에 중간 압력 흐름을 고온으로 다시 가열하여 감소된 성분들을 연소시키도록 상기 제1 터빈의 배출 흐름 내에 주입되는 산소(O2)로 전체적으로 요구되는 압력 비율 이상으로 2개의 터빈들을 동작시키는 단계.
다양한 도면들과 관련되어 설명되는 사항 및/또는 여기서 제공되는 본 발명에 대하여 상세하게 설명되는 사항들로서 또 다른 실시예들도 본 발명의 범주에 속한다.
도 1은 본 발명의 특정 실시예들에 따라 사용될 수 있는 분출 냉각 연소기 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 임의의 실시예들에 따라 사용될 수 있는 분출 부재의 벽의 예시적인 단면들 나타내는 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 특정 실시예들에 사용될 수 있는 연소기 장치의 분출 부재 어셈블리를 위한 고온 적합 공정을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 특정 실시예들에 유용한 연소 생성물 오염물 제거 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 사이클을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 유닛들 통한 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 유닛 내에 2개 또는 그 이상의 압축기들 또는 펌프들의 시리즈를 이용하는 가압을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 3개의 개별적인 열교환기들이 시리즈로 사용되는 열교환기 유닛을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 환원시키는 모드에서 시리즈로 동작하는 2개의 터빈들을 활용하는 터빈 유닛을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 2개의 연소기들을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 전략 생성을 위한 시스템 및 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전을 위한 시스템 및 방법의 특정한 예를 나타내는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 종래의 석탄 연소 보일러를 구비하는 전력을 생성하는 시스템 및 방법의 다른 예를 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 고효율 연료 연소기(분출 냉각 연소기와 같은)의 사용과 관련된 순환 유체(이산화탄소(CO2) 순환 유체와 같은)를 통해 전력을 생성하는 시스템들 및 방법들을 제공한다. 상기 순환 유체는 적절한 연료, 임의의 필수적인 산화제 및 효율적인 연소를 위하여 사용될 수 있는 임의의 관련된 물질들과 함께 상기 연소기 내에 제공된다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 방법은 매우 높은 온도들(예를 들면, 약 1,600℃ 내지 약 3,300℃ 범위 또는 여기서 설명하는 다른 온도 범위들)에서 동작하는 연소기를 사용하고, 상기 유체 흐름이 발전을 위한 에너지 전달에 사용될 수 있도록 상기 연소기에서 나오는 유체 흐름의 온도를 조정하는 상기 순환 유체의 존재하에서 수행될 수 있다. 특히, 연소 생성물 흐름은 적어도 하나의 터빈에 걸쳐 전력을 생성하도록 팽창될 수 있다. 상기 팽창된 가스 흐름은 물과 같은 다양한 성분들을 상기 흐름으로부터 제거하도록 냉각될 수 있으며, 상기 팽창된 가스로부터의 열회수(heat withdrawn)는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 가열하는 데 사용될 수 있다. 정제된 순환 유체 흐름은 이후에 상기 연소기를 통해 재순환을 위해 가압되고 가열될 수 있다. 원하는 경우, 상기 연소 생성물 흐름으로부터의 이산화탄소(CO2)의 일부(즉, 산소의 존재하에서 탄소를 함유하는 연료의 연소에 의해 형성되는 이산화탄소(CO2)로부터 생성되는)가 이산화탄소(CO2) 전송관으로의 전달과 같은 분리나 다른 처리를 위해 빼내어질 수 있다. 상기 시스템과 방법들은 대기 중으로 이산화탄소(CO2)의 방출을 방지하면서 상기 시스템 및 방법의 효율을 최대화하도록 특정한 공정 변수들과 성분들을 사용할 수 있다. 여기서 구체적으로 설명하는 바와 같이, 상기 순환 유체가 상기 순환 유체로서 이산화탄소(CO2)를 사용하는 점은 예시적인 것이다. 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 사용이 본 발명에 따른 유리한 실시예가 되지만, 다르게 언급하지 않는 한 이러한 사항에 본 발명에 사용될 수 있는 상기 순환 유체의 범위가 필수적으로 제한되도록 해석되는 것은 아니다.
특정 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 발전 시스템은 대체로 이산화탄소(CO2)를 포함하는 순환 유체를 사용할 수 있다. 달리 말하면, 상기 연소기 내로 유입되기 직전의 상기 순환 유체의 화학적 성질이 상기 순환 유체가 대체로 이산화탄소(CO2)를 포함하는 것이다. 이러한 의미에 있어서, "대체로(predominately)"라는 용어는 상기 순환 유체가 적어도 90%의 몰 농도, 적어도 91%의 몰 농도, 적어도 92%의 몰 농도, 적어도 93%의 몰 농도, 적어도 94%의 몰 농도, 적어도 95%의 몰 농도, 적어도 96%의 몰 농도, 적어도 97%의 몰 농도, 적어도 98%의 몰 농도, 또는 적어도 99%의 몰 농도의 이산화탄소(CO2)를 포함하는 것을 의미할 수 있다. 상기 연소기로 유입되기 직전의 상기 순환 유체는 바람직하게는 단지 실질적으로 이산화탄소(CO2)를 포함한다. 이러한 의미에 있어서, "단지 실질적으로(only substantially)"라는 표현은 적어도 99.1%의 몰 농도, 적어도 99.25%의 몰 농도, 적어도 99.5%의 몰 농도, 적어도 99.75%의 몰 농도, 적어도 99.8%의 몰 농도 또는 적어도 99.9%의 몰 농도의 이산화탄소(CO2)를 의미할 수 있다. 상기 연소기에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2)는 상기 연료, 임의의 산화제 및 상기 연료 연소로부터의 임의의 파생 물질들로부터 유래될 수 있는 하나 또는 그 이상의 다른 성분들과 혼합될 수 있다. 따라서, 여기서 연소 생성물 흐름으로 설명될 수 있는 상기 연소기를 떠나는 상기 순환 유체는 이산화탄소(CO2)와 함께 물(H2O), 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 이산화황(SO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 염산(HCl), 수은(Hg) 및 다른 연소 가능한 성분들을 포함하여 상기 연소 공정에서 유래될 수 있는 다른 성분들의 흔적들(예를 들면, 회분(ash)이나 액체화된 회분과 같은 미립자들)과 같은 보다 작은 양들의 다른 물질들을 포함할 수 있다. 다음에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 상기 연소 공정은 상기 유체 흐름의 성질이 환원되거나 산화되도록 제어될 수 있으며, 이는 상세하게 설명되는 이점들을 제공할 수 있다.
본 발명의 시스템들과 방법들은 여기서 설명하는 바와 같이 적절한 연료의 연소에 유용한 하나 또는 그 이상의 연소기들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따라 사용되는 적어도 하나의 연소기는 상대적으로 높은 연소 온도에서 연료의 실질적으로 완전한 연소를 제공할 수 있는 고효율 연소기이다. 고온 연소는 상기 연료의 실질적으로 완전한 연소를 제공하기에 특히 유용하며, 이에 따라 효율이 최대화된다. 다양한 실시예들에 있어서, 고온 연소는 적어도 1,200℃, 적어도 1,300℃, 적어도 1,400℃, 적어도 1,500℃, 적어도 1,600℃, 적어도 1,750℃, 적어도 2,000℃, 적어도 2,500℃, 또는 적어도 3,000℃의 온도에서의 연소를 의미할 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 고온 연소는 적어도 1,200℃ 내지 적어도 5,000℃, 적어도 1,500℃ 내지 적어도 4,000℃, 적어도 1,600℃ 내지 적어도 3,500℃, 적어도 1,700℃ 내지 적어도 3,200℃, 적어도 1,800℃ 내지 적어도 3,100℃, 적어도 1,900℃ 내지 적어도 3,000℃ 또는 적어도 2,00℃ 내지 적어도 3,000℃의 온도에서의 연소를 의미할 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 고온 연소는 분출 냉각 연소기(transpiration cooled combustor)를 이용하여 수행될 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 분출 냉각 연소기의 일 예는 본 명세서에 참조로 기재되어 있고 2010년 2월 26일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/714,074호에 개시되어 있다. 일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 따라 유용한 분출 냉각 연소기는 하나 또는 그 이상의 열 교환 영역들(zone)들, 하나 또는 그 이상의 냉각 유체들 및 하나 또는 그 이상의 분출 유체들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 분출 냉각 연소기의 사용은 해당 기술 분야에서 전력을 생산하기 위한 연료의 연소에 대하여 특히 유리하다. 예를 들면, 상기 분출 냉각 연소기의 사용은 연소기 내의 부식, 오손(fouling) 및 침식을 방지하는 데 유용할 수 있다. 이는 또한 상기 연소기가 충분하게 높은 온도 범위에서 사용되는 연료의 완전한 또는 적어도 실질적으로 완전한 연소를 제공하도록 동작하게 한다.
하나의 특정한 측면에 있어서, 본 발명에 따라 유용한 분출 냉각 연소기는 연소기 분출 부재에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 챔버를 포함할 수 있으며, 상기 분출 부재는 압력 유지 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 상기 연소 챔버는 유입구 부분(inlet portion) 및 대향하는 유출구 부분(outlet portion)을 구비할 수 있다. 상기 연소 챔버의 유입구 부분은 연소 생성물을 형성하도록 연소 온도에서 상기 연소 챔버 내에서 연소되는 상기 탄소를 함유하는 연료를 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 연소 챔버는 또한 상기 연소 생성물을 상기 유출구 부분을 향하여 안내하도록 구성될 수 있다. 상기 분출 챔버는 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재 사이의 상호 작용의 완충을 위하여 그를 통해 상기 연소 챔버를 향해 분출 물질들을 안내하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 분출 물질은 상기 연소 생성물의 원하는 유출구 온도를 얻도록 상기 연소 챔버 내로 도입될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 분출 물질은 적어도 부분적으로 산기 순환 유체를 포함할 수 있다.
상기 연소 챔버의 벽들은 이산화탄소(CO2) 및/또는 물(H2O)과 같은 상기 분출 물질들을 안내하고 흐르게 하는 다공성 물질의 층으로 된 라인들을 포함할 수 있다.
또 다른 측면들에 있어서, 내측 분출 부재(2332)는 유입구 부분(222A)으로부터 분출 부재(230)의 유출구 부분(222B)까지 연장될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 내측 분출 부재(2332)의 관통된/다공성 구조가 상기 유입구 부분(222A)으로부터 실질적으로 완전하게(축 방향으로) 유출구 부분(222B)까지 연장될 수 있으므로, 분출 유체(210)가 연소 챔버(222)의 실질적으로 전체적인 길이 내로 안내된다. 즉, 내측 분출 부재(2332)의 실질적으로 전체가 관통된/다공성 구조로 구성될 수 있으므로, 연소 챔버(222)의 실질적으로 전체 길이가 분출 냉각된다. 보다 상세하게는, 일부 측면들에 있어서, 누적된 천공/공극 면적은 내측 분출 부재(2332)의 표면 면적과 실질적으로 동일할 수 있다. 또 다른 측면들에 있어서, 상기 천공/공극들이 적절한 밀도로 이격될 수 있으므로, 내측 분출 부재(2332)로부터 연소 챔버(222) 내로의 상기 분출 물질의 실질적으로 균일한 분배가 이루어진다(즉, 상기 흐름이나 분출 물질(210)의 존재가 결핍되는 "데드 지점(dead spot)들"이 없게 된다). 일 예에 있어서, 이러한 천공/공극들이 약 0.004 인치(약 0.1㎜)로 이격됨과 함께 약 62,500 구멍들/in2가 제공되도록 내측 분출 부재(2332)의 평방 인치는 평방 인치 당 250×250의 치수로 천공/공극들의 배열을 포함할 수 있다. 전체 벽 면적에 대한 구멍의 비율(% 공극률)은, 예를 들면, 약 50%가 될 수 있다. 공극 배열은 상기 분출 부재를 가로지르는 유량에 대한 원하는 압력 강하와 같은 다른 시스템 설계 변수들에 적용되도록 넓은 범위로 변화할 수 있다. 약 10% 내지 약 80%의 공극률 퍼센트를 갖는 인치 당 약 10×10 내지 약 10,000×10,000의 배열 크기는 일부 예들에서 활용될 수 있다.
이러한 다공성 분출 층을 통하고 선택적으로 추가적인 제공물들을 통하는 상기 분출 물질의 흐름은 상기 연소기로부터 원하는 전체적인 방출 유체 흐름 유출 온도를 달성할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 다음에 설명하는 바와 같이, 이러한 온도는 약 500℃ 내지 약 2,000℃ 범위가 될 수 있다. 이러한 흐름은 또한 상기 분출 부재를 상기 분출 부재를 형성하는 물질의 최대한의 허용 가능한 동작 온도 아래의 온도까지 냉각하는 데 기여할 수 있다. 상기 분출 물질은 또한 부식, 오손 또는 벽들의 다른 손상을 일으킬 수 있는 상기 연료 내의 임의의 액체 또는 고체 회분 물질들 혹은 다른 오염원들의 침범을 방지하는 데 기여할 수 있다. 이와 같은 예들에 있어서, 적절한 열 전도도를 갖는 상기 분출 부재를 위한 물질을 사용하여 입사되는 방사열이 상기 다공성 분출 부재를 통해 외측 방향으로 방사형으로 전도될 수 있고 이후에 상기 다공성 층 구조의 표면들로부터 상기 분출 층을 통해 내측 방향으로 방사형으로 통과하는 흐름까지의 대류성 열전달에 의해 차단당하는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 동시에 이를 위해 사용되는 물질의 설계 범위 내에서 상기 다공성 분출 부재의 온도를 유지하면서 상기 분출 부재를 통해 안내되는 상기 흐름의 후속하는 부분이 약 500℃ 내지 약 1,000℃와 같은 바람직한 범위 내의 온도까지 가열되게 할 수 있다. 상기 다공성 분출 부재를 위한 적절한 물질은, 예를 들면, 다공성 세라믹, 내화 물질 섬유 매트(mats), 홀 천공된 실린더형 부분들 및/또는 소결된 금속층들 또는 소결된 금속 분말들을 포함할 수 있다. 상기 분출 부재의 제2의 기능은 상기 연소 챔버의 길이를 따른 고른 축 방향의 흐름을 증진시키면서 상기 분출 유체 흐름과 상기 연소 생성물 사이의 우수한 혼합이 구현되도록 상기 연소기를 따른 길이 방향뿐만 아니라 실질적으로 고른 방사형의 내측 흐름을 확보하는 것이 될 수 있다. 상기 분출 부재의 제3의 기능은 완충을 제공하기 위하여 또는 회분의 고체 및/또는 액체 입자들 또는 연소 생성물 내의 다른 오염원들이 상기 분출 층의 표면에 충돌하고 폐색(blockage)이나 다른 손상을 야기하는 것에 대한 차단을 제공하기 위하여 희석된 흐름의 방사형 내측 방향의 속도를 구현하는 것이 될 수 있다. 이와 같은 요인은, 예를 들면, 석탄과 같은 잔류성의 비활성 연소 가능하지 않은 잔여물을 포함하는 연료를 연소시킬 때 중요해질 수 있다. 상기 분출 부재를 둘러싸는 상기 연소기 압력 용기의 내벽은 상기 연소기 내의 고온 분출 유체 흐름을 격리시키도록 절연될 수 있다.
본 발명에 따라 사용될 수 있는 연소기 장치의 일 실시예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 연소기 장치는 대체로 참조 부호 220으로 나타낸다. 이러한 예에 있어서, 여기서 설명하는 바와 같이 비록 어떠한 다른 적절한 연소 가능한 탄소를 함유하는 물질이 또한 연료로서 사용될 수 있더라도, 연소기 장치(220)는 연소 생성물을 형성하도록 석탄과 같은 미립자 고체를 연소시키도록 구성될 수 있다. 연소 챔버(222)는 그를 통해 분출 유체를 연소 챔버(222)로 안내(즉, 분출 냉각을 용이하게 하는 및/또는 상기 연소 생성물과 분출 부재(230) 사이의 상호 작용을 완충시키는)하도록 구성될 수 있는 분출 부재(230)에 의해 한정될 수 있다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 분출 부재(230)가 유입구 부분(222A) 및 유출구 부분(222B)을 갖는 실질적으로 실린더형의 연소 챔버(222)를 한정하기 위하여 실질적으로 실린더의 형상임을 이해할 수 있을 것이다. 분출 부재(230)는 격납 부재(pressure containment member)(2338)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 연소 챔버(222)의 유입구 부분(222A)은 대체로 참조 부호 250으로 나타낸 혼합 배열로부터 연료 혼합물을 수용하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 이러한 혼합 배열이 존재하지 않을 수 있고, 상기 연소기 내로의 하나 또는 그 이상의 물질들 유입이 독립적인 유입구들을 경유하여 별도로 추가될 수 있다. 특정한 실시예들에 따르면, 상기 연료 혼합물은 연소 생성물을 형성하도록 연소 챔버(222) 내에서 특정한 연소 온도에서 연소될 수 있으며, 연소 챔버(222)는 또한 상기 연소 생성물을 상기 유입구 부분(222B)을 항해 안내하도록 구성된다. 열 제거 장치(2350)(예를 들면, 도 2 참조)는 격납 부재(2338)와 관련될 수 있고 그 온도를 조절하도록 구성될 수 있다. 특정한 예들에 있어서, 열 제거 장치(2350)는 격납 부재(2338)에 대향하는 벽(2336)에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 열전달 자켓(jacket)을 포함할 수 있고, 액체가 이들 사이에 한정되는 물-순환 자켓들(2337) 내를 순환할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 순환되는 액체는 물이 될 수 있다.
특정한 일 측면에 있어서, 다공성 내측 분출 부재(2332)는 이에 따라 상기 분출 유체를 연소 챔버(222) 내로 안내하도록 구성되어, 분출 물질(210)이 내측 분출 부재(2332)의 내측 표면에 대하여 실질적으로 직각(90)으로 연소 챔버(222)로 들어간다. 다른 이점들에 있어서, 내측 분출 부재(2332)에 대하여 실질적으로 직각으로 분출 물질(210)을 도입하는 것은 슬래그(slag) 액체 또는 슬래그 액적(droplet)들 혹은 다른 오염물들이나 고온 연소 유체 소용돌이들을 내측 분출 부재(2332)의 내측 표면으로부터 이끄는 효과를 용이하게 하거나 그렇지 않으면 향상시킬 수 있다. 상기 슬래그 액체 또는 상기 고체 액적들 사이의 접촉의 결핍은 해당 기술 분야에서 액적들 또는 입자들과 고체 벽들 사이의 접촉에 따라 일어나는 것으로 알려진 큰 액적들이나 덩어리들 내로의 상기 액적들의 융합을 방지할 수 있다. 내측 분출 부재(2332)에 대하여 실질적으로 직각으로 분출 물질(210)을 도입하는 것은 상기 내측 분출 부재에 직교하고 근접하여 상기 내측 분출 부재에 악영향을 미치고 손상을 초래하는 충분한 속도의 연소 유체 소용돌이들의 형성을 방지하는 효과를 용이하게 하거나 그렇지 않으면 향상시킬 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 외측 분출 부재(2331), 격납 부재(2338), 열전달 자켓(2336) 및/또는 절연층(2339)은 개별적으로 또는 결합되어 내측 분출 부재(2332)를 통하며 연소 챔버(222) 내로의 분출 물질/유체(210)의 전달에 관하여 "매니폴드(manifold)" 효과(즉, 실질적으로 균일하게 분배되는 공급을 제공하는)를 제공하도록 구성될 수 있다. 즉, 연소 챔버(222) 내로의 분출 물질(210)의 실질적으로 균일한 공급(유량, 압력, 또는 임의의 다른 알맞고 적절한 측정 등의 용어들로서)은
내측 분출 부재(2332)에 분출 물질(210)의 균일한 공급을 제공하도록 외측 분출 부재(2331), 격납 부재(2338), 열전달 자켓(2336) 및/또는 절연층(2339)을 구성함에 의해 달성될 수 있거나, 또는 내측 분출 부재(2332)의 외측 표면에 대한 분출 물질(2332)의 제공이 연소 챔버(222) 내의 분출 물질(210)의 실질적으로 균일한 분배가 이루어지도록 특별히 주문 제작되고 구성될 수 있다. 이러한 실질적으로 균일한 분배는 균일하지 않은 분출 유체와 연소 유체 흐름의 상호 작용에 의해 형성되고, 소용돌이들이 상기 내측 분출 부재에 악영향을 미치고 손상을 초래할 수 있는 고온 연소 유체 소용돌이들의 형성을 방지할 수 있다.
혼합 배열(250)(존재할 경우에)은 탄소질 연료(254)를 농후화된(enriched) 산소(242) 및 순환 유체(236)와 혼합하여 연료 혼합물(200)을 형성하도록 구성될 수 있다. 탄소질의 연료(254)는 고체 탄소질 연료, 액체 탄소질 연료 및/또는 가스 상태의 탄소질 연료의 형태로 제공될 수 있다. 농후화된 산소(242)는 약 85% 보다 큰 몰 순도를 갖는 산소일 수 있다. 농후화된 산소(242)는, 예를 들면, 구현될 수 있는. 예를 들면, 극저온 공기 분리 공정이나 고온 이온 전달막 산소 분리 공정(공기로부터)과 같은 해당 기술 분야에서 알려진 임의의 공기 분리 시스템/기술에 의해 제공될 수 있다. 순환 유체(236)는 여기서 설명하는 바와 같이 이산화탄소일 수 있다. 탄소질 연료(254)가 가루로 만든 석탄(254A)과 같이 미립자 고체인 예들에 있어서. 혼합 배열(250)은 또한 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)를 유동화 물질(255)과 혼합하도록 구성될 수 있다. 일 측면에 따르면, 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)는 약 50미크론(micron) 내지 약 200미크론 사이의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 또 다른 측면에 있어서, 유동화 물질(255)은 물 및/또는 약 450㎏/㎥ 내지 약 1,100㎏/㎥ 사이의 밀도를 갖는 액체 이산화탄소(CO2)를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 유동화 물질(255)은, 예를 들면, 약 25중량% 내지 약 55중량% 사이의 미립자 고체 탄소질 연료(254A)를 포함하는 슬러리(250A)를 형성하도록 미립자 고체 탄소질 연료(254A)와 협력할 수 있다. 비록 산소(242)는 연료(254) 및 연소 챔버(222)로의 도입 전의 순환 유체(236)와 혼합되는 것으로서 도 1에 도시되지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 일부 예들에 있어서, 요구되거나 원하는 경우에는 산소(242)가 별도로 연소 챔버(222) 내로 도입될 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다.
일부 측면들에 있어서, 혼합 배열(250)은, 예를 들면, 실린더형 연소 챔버(222)의 유입구 부분(222A)과 연관되는 내측 분출 부재(230)의 단부 벽(223)에 대하여 이격되는 주입 노즐(injection nozzle)들(도시되지 않음)의 배열을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 연소 챔버(22) 내로 상기 연료/연료 혼합물을 주입하는 것은, 예를 들면, 복사(radiation)에 의해 주입된 연료 혼합물 유입 흐름으로 순차적으로 빠른 열전달을 용이하게 할 수 있는 상기 주입된 연료 혼합물 유입 흐름의 큰 표면적을 제공할 수 있다. 주입된 연료 혼합물의 온도는 따라서 상기 연료의 점화 온도까지 급격하게 증가할 수 있고 이에 따라 간결한 연소(compact combustion)가 야기된다. 비록 다음의 값들이 특정한 주입 노즐들의 구성과 같은 많은 요인들에 의존하지만 상기 연료 혼합물의 주입 속도는, 예를 들면, 약 10m/s 내지 약 40m/s 사이의 범위가 될 수 있다, 이러한 주입 배열은 많은 상이한 형태들을 취할 수 있다. 예를 들면, 상기 주입 배열은, 예를 들면, 약 0.5㎜ 내지 약 3㎜ 사이의 범위의 직경의 홀들의 배열을 포함할 수 있으며, 상기 주입되는 연료는 이들을 통해 약 10m/s 내지 약 40m/s 사이의 속도로 주입될 수 있다.
도 2에 보다 상세하게 도시한 바와 같이, 연소 챔버(222)는 격납 부재(2338)에 의해 적어도 둘러싸일 수 있는 분출 부재(230)에 의해 한정될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 격납 부재(2338)는 또한 열전달 자켓(2336)이 격납 부재(2338)와 협력하여 이들 사이에 이를 통해 저압의 물이 순환될 수 있는 하나 또는 그 이상의 채널들(2337)을 한정할 수 있는 열전달 자켓(2336)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 증발 메커니즘(evaporation mechanism)을 통하여, 상기 순환된 물은 이에 따라 격납 부재(2338)의 선택된 온도, 예를 들면, 약 100℃ 내지 약 250℃의 범위의 온도를 제어 및/또는 유지하는 데 사용될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 절연층(2339)이 분출 부재(230)와 격납 부재(2338) 사이에 배치될 수 있다.
일부 예들에 있어서, 분출 부재(230)는, 예를 들면, 외측 분출 부재(2331)와 내측 분출 부재(2332)를 구비할 수 있으며, 내측 분출 부재(2332)는 격납 용기(2338)로부터 외측 분출 부재(2331)에 대향하여 배치되고 연소 챔버(222)를 한정한다. 외측 분출 부재(2331)는, 예를 들면, 스테인리스 스틸 및 니켈 합금을 포함하여 스틸 및 스틸 합금들과 같은 임의의 고온-저항 물질로 구성될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 외측 분출 부재(2331)는 절연층(2339)에 인접하는 그 표면으로부터 내측 분출 부재(2332)에 인접하는 그 표면까지 이를 통해 연장되는 제1 분출 유체 공급 통로들(2333A)을 한정하도록 구성될 수 있다. 제1 분출 유체 공급 통로들(2333A)은, 일부 예들에 있어서, 격납 부재(2338), 열전달 자켓(2336) 및/또는 절연층(2339)에 의해 한정되는 제2 분출 유체 공급 통로(2333B)에 대응될 수 있다. 제1 및 제2 분출 유체 공급 통로들(2333A, 2333B)은 이에 따라 분출 유체를 이를 통해 내측 분출 부재(2332)까지 직접 안내하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 예를 들면 도 1에 도시된 바와 같이, 분출 유체(210)는 순환 유체(236)를 포함할 수 있으며, 그와 관련된 동일한 소스로부터 수득될 수 있다. 제1 및 제2 분출 유체 공급 통로들(2333A, 2333B)은 필요에 따라 분출 유체(210)가 내측 분출 부재(2332)를 통해 연소 챔버(222) 내로 안내되도록 분출 유체(210)(즉, 이산화탄소(CO2))를 충분한 공급량으로 충분한 압력에서 전달하기 위하여 절연될 수 있다. 여기서 설명하는 분출 부재(230) 및 관련된 분출 유체(210)를 수반하는 이러한 측정들은 연소기 장치(220)가 여기서 달리 설명하는 바와 같이 상대적으로 높은 압력과 상대적으로 높은 온도에서 동작하게 할 수 있다.
이러한 관점에 있어서, 내측 분출 부재(2332)는, 예를 들면, 다공성 세라믹 물질, 천공된 물질, 라미네이트 물질, 2차원으로 랜덤하게 배향되고 3차원으로 정렬된 섬유들로 구성되는 다공성 매트, 또는 여기서 설명하는 바와 같이 그에 대해 요구되는 특성들을 나타내는, 즉, 상기 분출 유체를 수용하고 내측 분출 부재(2332)를 통해 안내하는 다중 흐름 통로들이나 구멍들 또는 다른 접합한 개구들(2335)을 위한 임의의 다른 적합한 물질이나 그 조합들로 이루어질 수 있다. 이와 같은 분출-냉각 시스템들을 위한 다공성 세라믹 및 다른 적절한 물질들의 제한적이지 않은 예들은 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 변태 강인화(transformation-toughened) 지르코늄, 구리, 몰리브데늄, 텅스텐, 구리-침투 텅스텐, 텅스텐이 코팅된 몰리브데늄, 텅스텐이 코팅된 구리, 다양한 고온 니켈 합금들 그리고 레늄(rhenium)이 피복된 또는 코팅된 물질들을 포함한다. 적절한 물질들의 공급원으로는, 예를 들면, 쿨스텍 아이엔씨(CoorsTek Inc)(골든, 콜로라도)(지르코늄); 울트라메트 어드밴스드 머티어리얼즈 솔루션즈(UltraMet Advanced Materials Solutions)(파코이마, 캘리포니아)(내화 금속 코팅들); 오르샘 실바니아(Orsam Sylvania)(댄버스, 매사추세츠)(텅스텐/구리) 및 마르케테크 인터내셔널 아이엔씨(MarkeTech International, Inc.)(포트 타운센드, 워싱턴주)(tungsten)를 들 수 있다. 이러한 분출-냉각 시스템들에 적합한 천공된 물질들의 예들은 전술한 물질들 모두와 공급자들을 포함한다. 상기 분출-냉각 시스템들을 위한 천공된 물질들의 예들은 전술한 모든 물질들과 공급자들(예를 들면, 초기에는 다공성이 아닌 구조를 제조 분야에서 알려진 방법들을 이용하여 천공함에 의해 천공된 단부 구조들이 수득될 수 있는)을 포함할 수 있다. 적절한 라미네이트 물질들의 예들은 전술한 모든 물질들과 공급자들(예를 들면, 다공성이 아닌 또는 부분적으로 다공성인 구조들을 제조 분야에서 알려진 방법들을 이용하여 원하는 단부 공극률이 얻어지는 방식으로 라미네이팅함에 의해 라미네이트된 단부 구조들이 수득될 수 있는)을 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 일 측면에 따른 연소기 장치(220), 격납 용기(2338) 또는 분출 부재(230) 및 격납 용기(2338) 사이에 배치된 절연층(2339)과 같은 분출 부재(230)와 둘러싸는 구조 사이의 "고온(hot)" 간섭 적합(interference fit)을 통해 형성될 수 있는 연소 챔버(222)를 한정하는 구조 등을 도시한 것이다. 예를 들면, 상대적으로 "저온(cold)"의 분출 부재(230)가 보다 작은 치수로 될 때, 둘러싸는 격납 부재(2338)에 대하여 방사 방향 및/또는 축 방향이 될 수 있다. 이와 같이, 격납 부재(2338) 내로 삽입될 때, 방사 방향 및/또는 축 방향의 갭(gap)은 이들 사이에 존재할 수 있다(예를 들면, 도 3a 참조). 물론, 이러한 치수적인 차이들이 격납 부재(2338) 내로의 분출 부재(230)의 삽입을 용이하게 할 수 있다. 그러나, 예를 들면, 동작 온도를 향해 가열될 때, 분출 부재(230)는 전술한 갭들(예를 들면, 도 3b 참조)을 줄이거나 제거하도록 방사상 및/또는 축 방향으로 팽창되게 구성될 수 있다. 이러한 과정에 있어서, 간섭 축 방향 및/또는 방사상의 적합은 분출 부재(230)와 격납 부재(2338) 사이에 형성될 수 있다. 외측 분출 부재(2331) 및 내측 분출 부재(2332)와 함께 분출 부재(230)를 수반하는 예들에 있어서, 이러한 간섭 작합은 압축 하에서 내측 분출 부재(2332)를 배치할 수 있다. 이와 같이, 다공성 세라믹과 같이 적절한 고온 저항성의 깨어지기 쉬운 물질들이 내측 분출 부재(2332)를 형성하는 데 사용될 수 있다.
이에 따라 구성되는 내측 분출 부재(2332)와 함께, 분출 물질(210)은, 예를 들면, 내측 분출 부재(2332)를 통해 안내되는 이산화탄소(즉, 순환 유체(236)의 동일한 소스로부터)를 포함할 수 있으므로, 분출 물질(210)이 연소 챔버(222) 내의 내측 분출 부재(2332)에 즉시 인접하는 버퍼층(231)(즉, "증기 벽(vapor wall)")을 형성할 수 있으며, 버퍼층(231)은 내측 분출 부재(2332) 및 액화된 연소 불가능한 성분들 사이의 상호 작용과 상기 연소 생성물과 관련된 열을 완충시키도록 구성될 수 있다. 즉, 일부 예들에 있어서, 분출 유체(210)는 내측 분출 부재(2332)를 통해, 예를 들면, 적어도 연소 챔버(222) 내의 압력에서 전달될 수 있으며, 연소 챔버(222) 내로의 분출 유체(210)의 유량(즉, 이산화탄소(CO2) 흐름)이 후속하는 하향 흐름 공정의 유입구의 요구(즉, 예를 들면, 약 1,225℃의 유입구 온도를 요구하는 터빈)에 대해 충분한 온도에서 배출 유체 혼합물을 형성하도록 상기 연료 및 상기 연소 생성물과의 혼합을 위한 분출 유체(210)를 제공하기에 충분할 수 있지만, 상기 배출 유체 혼합물이 상기 흐름 내의 또는 상기 액체 상태의 연료의 슬래그 액적들 또는 다른 오염물들을 유지하도록 충분하게 남게 된다. 상기 연료의 연소 불가능한 성분들의 액체 상태는, 예를 들면, 액체 형태, 바람직하게는 자유 흐름이고 저속의 형태의 상기 연소 생성물로부터의 이러한 오염물들의 분리를 용이하게 할 수 있으며, 이는 이러한 분리를 위해 설치되는 임의의 제거 시스템을 막히게 하거나 그렇지 않으면 손상을 일으키는 것을 감소시킨다. 실제로, 이와 같은 요구 사항들은 사용되는 고체 탄소질 연료(즉, 석탄)의 형태 및 상기 연소 과정에서 형성되는 슬래그의 특정한 특성들과 같은 다양한 인자들에 의존할 수 있다. 즉, 연소 챔버(222) 내부의 연소 온도는 상기 탄소질 연료 내의 어떤 연소 불가능한 성분들이 상기 연소 생성물 내에서 액화되게 할 수 있다.
특정한 측면들에 있어서, 다공성의 내측 분출 부재(2332)는 이에 따라 연소 챔버(222)를 한정하는 내측 분출 부재(2332)의 표면에 대하여 유체 장벽(barrier wall)이나 버퍼층(231)(예를 들면, 도 2 참조)을 형성하기 위하여 방사형의 내측 방향의 방식으로 상기 분출 유체를 연소 챔버(222) 내로 안내하도록 구성된다. 내측 분출 부재(2332)의 표면도 연소 생성물에 의해 가열된다. 이와 같이, 다공성의 내측 분출 부재(2332)는 적합한 열 전도도를 가지도록 구성될 수 있으므로, 다공성의 내측 분출 부재(2332)가 동시에 냉각되는 동안 내측 분출 부재(2332)를 통과하는 분출 유체(210)가 가열되어, 연소 챔버(222)를 한정하는 내측 분출 부재(2332)의 표면의 온도가, 예를 들면, 가장 높은 연소 온도의 범위 내에서 약 1,000℃ 정도가 되게 할 수 있다. 분출 유체(210)와 내측 분출 부재(2332)의 협력에 의해 형성되는 상기 유체 장벽 또는 버퍼층(231)은 이에 따라 내측 분출 부재(2332)와 상기 고온의 연소 생성물들 및 슬래그 또는 다른 오염물들 사이의 상호 작용을 완충시키고, 이와 같이 내측 분출 부재(2332)를 접촉, 오손 또는 다른 손상으로부터 완화시킨다. 또한, 분출 유체(210)는 분출 유체(210)의 배출 혼합물과 연소 챔버(222)의 유출구 부분(222B)에 대한 연소 생성물을 원하는 온도(예를 들면, 약 500℃ 내지 약 2,000℃)에서 조절하는 방식으로 분출 부재(2332)를 경유하여 연소 챔버(222) 내로 도입될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 연소기 장치(220)는 이에 따라 여기서 설명하는 바와 같이 상대적으로 높은 동작 온도에서 상대적으로 완전한 연료(254)의 연소를 제공할 수 있는 고효율의 분출-냉각 연소기 장치로서 구성될 수 있다. 이러한 연소기 장치(220)는, 일부 예들에 있어서, 하나 또는 그 이상의 냉각 유체들 및/또는 하나 또는 그 이상의 분출 유체들(210)을 구현할 수 있다. 연소기 장치(220)와 관련하여, 추가적인 구성 요소들도 구현될 수 있다. 예를 들면, 질소(N2) 및 산소(O2)의 분리를 위하여 공기 분리 유닛이 제공될 수 있고, 연료 인젝터 장치(injector device)가 상기 공기 분리 유닛으로부터 산소(O2)를 수용하고 산소(O2)를 이산화탄소(CO2) 순환 유체와 기체, 액체, 초임계의 유체를 포함하는 연료 흐름, 또는 이산화탄소(CO2) 유체 내의 슬러리화된 고체 미립자의 연료와 결합시키기 위하여 제공될 수 있다.
다른 측면에 있어서, 분출-냉각 연소기 장치(220)는 연소기 장치(220)의 연소 챔버(222) 내로 가압된 연료 흐름을 주입하기 위한 연료 인젝터(injector)를 포함할 수 있으며, 상기 연료 흐름은 처리된 탄소질 연료(254), 유동화 매체(255)(여기서 설명하는 바와 같이, 순환 유체(236)를 포함할 수 있는) 및 산소(242)를 포함할 수 있다. 산소(농축화된)(242)와 이산화탄소(CO2) 순환 유체(236)는 균질한 초임계의 혼합물로서 결합될 수 있다. 존재하는 산소의 양은 상기 연료를 연소시키고 원하는 조성을 갖는 연소 생성물들을 제공하기에 충분할 수 있다. 연소기 장치(220)는 또한 상기 연료 흐름뿐만 아니라 연소 챔버(222)를 한정하는 다공성의 분출 부재(230)의 벽들을 통하여 상기 연소 체적으로 들어가는 분출 유체(210)를 수용하기 위해 고압, 고온의 연소 체적으로 구성된 연소 챔버(222)를 포함할 수 있다. 분출 유체(210)의 공급 속도는 상기 연소기 장치 유출구 부분/터빈 유입구 부분 온도를 원하는 값으로 조절 및/또는 분출 부재(230)를 분출 부재(230)를 형성하는 물질과 양립할 수 있는 온도로 냉각하는 데 이용될 수 있다. 분출 부재(230)를 통해 안내되는 분출 유체(210)는 연소 챔버(222)를 한정하는 분출 부재(230)의 표면에서 유체/완충 층을 제공하며, 상기 유체/완충 층은 분출 부재(230)의 노출된 벽들과의 상호 작용으로부터의 어떤 연료 연소로부터 야기되는 회분의 입자들이나 액체 슬래그를 방지할 수 있다.
연소 챔버(222)는 또한 상기 유체 흐름(및 순환 유체(236))이 연소가 일어나는 압력보다 높은 압력에서 연소 챔버(222) 내로 주입되거나 그렇지 않으면 도입될 수 있도록 구성될 수 있다. 연소기 장치(220)는 연소 챔버(230)를 한정하는 분출 부재(230)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 격납 용기(2338)를 더 포함할 수 있으며, 절연 부재(2339)가 격납 용기(2338)와 분출 부재(230) 사이에 배치될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 물-순환 자켓들(2337)을 한정하는 자켓형 물 냉각 시스템과 같은 열 제거 장치(2350)가 격납 부재(2338)(즉, 연소기 장치(220)의 "쉘(shell)"을 형성하는 격납 부재(2338)에 대해 외부적으로)에 체결될 수 있다. 연소기 장치(220)의 분출 부재(230)와 연결되어 설치되는 분출 유체(210)는, 예를 들면, 미소한 양들의 물(H2O) 및/또는 질소(N2) 또는 아르곤과 같은 불활성 기체와 혼합된 이산화탄소(CO2)가 될 수 있다. 분출 부재(230)는, 예를 들면, 다공성 금속, 세라믹, 혼성 매트릭스, 층형의 매니폴드, 임의의 다른 적합한 구조, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 연소 챔버(222) 내에서의 연소는, 여기서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 그에 관련된 팽창을 위해 후속하여 터빈과 같은 전력-생성 장치로 안내될 수 있는 고압이고, 고온의 연소 생성물 흐름을 생성할 수 있다.
여기서 설명하는 바와 같은 연소기 장치의 실시예들에 의해 구현되는 상대적으로 높은 압력들은 생성되는 에너지를 농축하는 역할을 할 수 있으며, 이에 따라 최소한의 체적 내에서 상대적으로 강하고, 본질적으로 상대적으로 높은 에너지 밀도가 야기된다. 상기 상대적으로 높은 에너지 밀도는 낮은 압력에서 보다 효율적인 방식으로 수행되는 이러한 에너지의 하향 흐름 처리를 가능하게 하여, 이에 따라 상기 기술의 실현 가능성이 있는 요인들이 제공된다. 본 발명의 측면들은 이에 따라 현존하는 전력 플랜트들(즉, 10-100폴드에 의한) 보다 큰 차원의 양으로 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 보다 높은 에너지 밀도는 상기 공정의 효율을 증가시킬 수 있지만, 그러나 또한 장비의 크기와 질량을 감소시키고, 이에 따라 장비의 비용을 감소시켜 열 에너지로부터 전기로의 에너지 전환을 수행하는 데 필요한 장비를 위한 비용을 감소시킨다.
여기서 다르게 설명하는 바와 같이, 본 발명의 방법들과 시스템들에 사용되는 연소기는 탄소를 함유하는 다양한 연료 소스들의 연소를 위하여 유용할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 실질적으로 완전히 연소될 수 있으므로 액상의 또는 고상의 연소 불가능한 물질들이 상기 연소 생성물 흐름 내에 포함된다. 일부 실시예들에 있어서, 그러나, 본 발명에 사용될 수 있는 고체의 탄소를 함유하는 연료(예를 들면, 석탄)는 연소 불가능한 물질들의 존재를 초래할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소기 장치는 상기 연소 공정 동안에 액화되는 고체의 탄소를 함유하는 연료 내에 상기 연소 불가능한 성분들을 야기하는 연소 온도를 달성하는 능력을 가질 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 액화된 연소 불가능한 성분들을 제거하는 제공물들이 적용될 수 있다. 제거는. 예를 들면, 원심 분리기들(cyclonic separators), 충돌 분리기들 또는 환형의 구성 내에 배열되는 계층화된 내화 입상 필터들의 베드(bed)들, 또는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 액적들은, 예를 들면, 도 4에 도시한 분리기 장치(2340)와 같은 극저온 분리기들의 시리즈에 의해 고온의 순환 유체 흐름으로부터 제거될 수 있다. 통상적으로, 본 발명에 의해 설치되는 이러한 원심 분리기의 일 측면은, 상기 연소 생성물/방출 유체 흐름 및 이와 관련된 액화된 연소 불가능한 성분들을 수용하도록 구성된 유입구 원심 분리기 장치(100A)와 그로부터 실질적으로 제거되는 상기 액화된 연소 불가능한 성분들을 함유하는 상기 연소 생성물/방출 유체 흐름을 방출하도록 구성된 유출구 원심 분리기 장치(100B)를 포함하여, 복수의 직렬로 배열된 원심 분리기(centrifugal separator) 장치(100)를 포함할 수 있다. 각 원심 분리기 장치(100)는 중앙 수집 파이프(2)에 동작 가능하게 배열되는 복수의 원심 분리기 부재들 또는 사이클론들(1)을 포함할 수 있고, 각 원심 분리 부재 또는 사이클론(1)은 상기 연소 생성물/방출 유체 흐름으로부터 상기 액화된 연소 불가능한 성분들의 적어도 일부를 제거하고 상기 액화된 연소 불가능한 성분들의 제거된 부분을 섬프(sump)(20)로 안내하도록 구성된다. 이러한 분리기 장치(2340)는 상승된 압력에서 동작하도록 구성될 수 있으며, 이와 같이, 상기 원심 분리기 장치와 상기 섬프를 수용하는 압력-유지 하우징(125)을 더 포함할 수 있다. 이러한 측면들에 따르면, 압력-유지 하우징(125)은 연소기 장치(220)도 둘러싸는 격납 부재(2338)의 연장일 수 있거나, 압력-유지 하우징(125)은 연소기 장치(220)와 관련되어 격납 부재(2338)를 체결할 수 있는 별도의 부재일 수 있다. 각각의 예에 있어서, 상기 방출 유체 흐름을 경유해 분리기 장치(2340)에 의해 처리되는 상승된 온도로 인하여, 압력-유지 하우징(125)은 그 내부에서 순환되고 그로부터 열을 제거하도록 동작 가능하게 체결되는 액체(도시되지 않음)를 포함하는 열을 열전달 자켓(도시되지 않음)과 같은 열-분산 시스템을 구비할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 열회수 장치(도시되지 않음)가 상기 열전달 자켓에 동작 가능하게 체결될 수 있으며, 상기 열회수 장치는 상기 열전달 자켓 내를 순환하는 상기 액체를 수용하고 상기 액체로부터 열 에너지를 회수하도록 구성될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 도 4에 도시한 (슬래그 제거)분리기 장치(2340)는 그로부터의 상기 방출 유체 흐름/연소 생성물들을 수용하기 위한 그 유출구 부분(222B)에 대해 연소기 장치(220)와 함께 직렬로 배치되도록 구성될 수 있다. 그 내부의 상기 액체 슬래그(연소 불가능한 성분들) 액적들과 함께 연소기 장치(220)로부터의 상기 분출-냉각 방출 유체 흐름은 원추형 감속기(conical reducer)(10)를 경유하여 유입구 원심 분리기 장치(100A)의 중앙 수집 제공물(2A)로 들어가도록 안내될 수 있다. 일 측면에 있어서, 분리기 장치(2340)는 3개의 원심 분리기 장치들(100A, 100B, 100C)(비록 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 필요나 원하는 경우에 따라 이러한 분리기 장치가 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 원심 분리기 장치들을 포함할 수 있음을 인지할 수 있을 것이다)을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 직렬로 동작 가능하게 배열되는 3개의 원심 분리기 장치들(100A, 100B, 100C)은 3개 스테이지의 원심 분리 유닛을 제공한다. 각각의 원심 분리기 장치는, 예를 들면, 대응되는 중앙 수집 파이프들(2)의 주변에 대해 배열된 복수의 원심 분리기 부재들(사이클론들(1))을 포함한다. 유입구 원심 분리기 장치(100A)의 중앙 수집 제공물들(2A)과 중앙 수집 파이프들(2) 그리고 중앙 원심 분리기 장치(100C)는 각기 그 유출구 단부에서 밀봉된다. 이와 같은 예들에 있어서, 상기 출구 유체 흐름은 해당되는 원심 분리기 장치(100)의 각 원심 분리기 부재들(사이클론들(1))에 대응되는 분기 채널(branch channel)들(11) 내로 안내된다. 분기 채널들(11)은 이를 위한 접선의 유입(예를 들면, 나선형의 흐름으로 사이클론(1)의 벽과 상호 작용하는 사이클론(1)으로 들어가는 상기 방출 유체 흐름을 야기하는)을 형성하도록 해당 사이클론(1)의 유입구 단부에 체결되는 구성을 가진다. 각 사이클론(1)으로부터의 유출구 채널(3)은 이후에 해당되는 원심 분리기 장치(100)의 중앙 수집기 파이프(2)의 유입구 부분 내로 따라간다. 유출구 원심 분리기 장치(100B)에 있어서, 상기 방출 유체 흐름(그로부터 실질적으로 분리되는 상기 연소 불가능한 성분들을 포함하는)은 유출구 원심 분리기 장치(100B)의 중앙 수집기 파이프로부터 수집기 파이프(12) 및 유출구 노즐(5)을 경유해 안내되어 "깨끗한(clean)" 방출 유체 흐름이 관련된 변형 장치와 같은 후속하는 공정들로 안내될 수 있다. 상기 예시적인 3개의 스테이지 원심 분리 배열은 이에 따라, 예를 들면, 상기 방출 유체 흐름 내의 질량에 의해 5ppm 아래로 내려가는 슬래그의 제거를 가능하게 한다.
분리기 장치(2340)의 각 스테이지에서, 상기 분리된 액체 슬래그는 섬프(20)를 향해 연장되는 유출구 튜브들(4)을 경유해 각각의 사이클론들(1)로부터 안내된다. 상기 분리된 액체 슬래그는 이후에 그로부터 성분들의 제거 및/또는 회수를 위해 유출구 노즐 또는 섬프(20) 및 압력-유지 하우징(125)으로부터 연장되는 파이프(14) 내로 안내된다. 상기 슬래그의 제거를 달성함에 있어서, 상기 액체 슬래그는 물-냉각 부분(6)을 통해 또는 그렇지 않으면 고압의 냉각 수 연결을 갖는 부분을 통해 안내될 수 있으며, 물과의 상호 작용은 상기 액체 슬래그의 고체화 및/또는 과립화를 초래한다. 임의의 잔여물 가스가 분리 라인(8)을 경유해 제거될 수 있는 반면에, 고체화된 슬래그와 물의 혼합물은 이후에 용기(vessel)(7)(수집 제공물) 내에서 적합한 밸브(9)를 통해 특히 후속하는 압력 감소로 제거될 수 있는 슬래그/물 유체 혼합물로 분리될 수 있다. 연속하여 동작하는 시스템들과 관련된 한 쌍의 용기들(vessels)은 일부 실시예들의 시스템의 연속적인 동작을 가능하게 한다.
분리기 장치(2340)가 상기 상대적으로 고온의 연소 생성물 흐름(즉, 상대적으로 낮은 점도의 액체 형태 내의 상기 연소 불가능한 성분들을 유지하기에 충분한 온도에서)과 결합되어 설치될 수 있기 때문에, 일부 예들에 있어서, 상기 연소 생성물/방출 유체 흐름 및 그와 관련된 상기 액화된 연소 불가능한 성분들 중에서 하나에 노출되는 분리기 장치(2340)의 표면들은 고온 저항성, 높은 부식 저항성 및 낮은 열 전도도 중에서 적어도 하나를 갖는 물질로 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 물질들의 예들은, 비록 이러한 예들이 어떠한 방식으로도 제한하려는 의도는 아니지만, 지르코늄 산화물 및 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 이와 같이, 특정 측면들에 있어서, 분리기 장치(2340)는 상기 연소 생성물/방출 유체 흐름으로부터 상기 액화된 연소 불가능한 성분들을 실질적으로 제거하고 상기 연소 불가능한 성분들을 적어도 섬프(20)로부터 그 제거까지 낮은 점도의 액체 형태로 유지하도록 구성될 수 있다. 물론, 비-고체성 연료가 사용되고 연소 불가능한 성분들이 상기 연소 생성물 흐름에 포함되지 않는 실시예들에 있어서, 슬래그 분리기의 추가가 불필요할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 분리기 장치(2340)는 석탄과 같은 연소 불가능한 고체 잔여물을 생성하는 임의의 연료의 연소로부터 미립자 고체 회분 잔류물을 분리하는 데 이용될 수 있다. 예를 들면, 상기 석탄은 원하는 사이즈(예를 들면, 크기가 100m 이상의 입자들을 포함하는 미립자의 또는 가루로 된 석탄의 1중량% 이하의 크기)로 분쇄될 수 있고 이산화탄소(CO2)와 함께 슬러리로 될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 액체 이산화탄소(CO2)는 약 -40℃ 내지 약 -18℃의 온도를 가질 수 있다. 상기 슬러리는 약 40중량% 내지 약 60중량%의 석탄을 포함할 수 있다. 상기 슬러리는 이후에 원하는 연소 압력으로 가압될 수 있다. 도 1을 참조하면, 재순환 흐름(236)은 연소기(220) 내로의 유입 모드와 관련하여 분리될 수 있다. 제1 부분(흐름 (236a))은 혼합 배열(250)을 경유해 연소기(220)로 유입될 수 있으며, 제2 부분(흐름(236b))은 분출 냉각층(230)을 통해 통과함으로써 연소기(220)로 유입될 수 있다. 전술한 바와 같이, 환원되는 가스 혼합물(예를 들면, 수소(H2), 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 황화수소(H2S) 및/또는 암모니아(NH3)를 포함하는)의 형성을 야기하는 연료에 대한 산소(O2)의 비율로 버너(220)를 작동시키는 것이 가능하다. 분출 냉각층(230)을 통해 상기 연소기로 들어가는 흐름(236)의 일부는 상기 연소 가스들 및 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 혼합물을 실질적으로 회분 고체화 온도(예를 들면, 약 500℃ 내지 약 900℃의 범위) 이하의 온도까지 냉각시키는 데 사용될 수 있다. 분리기 장치(2340)로부터 전체 가스 흐름(5)은 잔류 고체 회분 미립자 레벨을 매우 작은 값(예를 들면, 상기 필터를 통과하는 가스의 약 2㎎/㎥ 이하인)으로 감소시키는 여과 유닛(filtration unit)을 통과할 수 있다. 이러한 세정된 가스는 이후에 이들이 재순환 유체 흐름(236)의 다른 부분으로 희석될 수 있는 제2 연소기 내에서 연소될 수 있다. 이와 같은 실시예들에 있어서, 재순환 유체 흐름(236)은 필요에 따라 상기 2개의 연소기들 사이에 배분될 수 있다.
어떠한 탄소를 함유하는 물질도 본 발명에 따른 연료로서 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 방법들과 시스템들에 사용되는 산소-연료의 연소기 장치에 의해 높은 압력들과 높은 온도들이 유지되기 때문에, 사용 가능한 연료들은, 여기에 한정되는 것은 아니지만, 다양한 등급들과 형태들의 석탄, 나무, 오일, 연료 오일, 천연 가스, 석탄 계열의 연료 가스, 타르 샌드(tar sand)들로부터의 타르, 역청(bitumen), 바이오매스(biomass), 조류(algae), 등급화된 연소 가능한 고체 폐기물 쓰레기(refuse), 아스팔트(asphalt), 폐타이어들(used tires), 디젤(diesel), 가솔린(gasoline), 제트 연료(JP-5, JP-4), 탄화수소질의(hydro-carbonaceous) 물질의 기체화 또는 열분해(pyrolysis)로부터 유래되는 가스들, 에탄올(ethanol), 고체 및 액체 생물 연료(biofuel)들 등을 포함한다. 이러한 사항은 종래의 시스템들과 방법들로부터 벗어나는 중요한 변화로 여겨질 수 있다. 예를 들면, 석탄과 같은 고체 연료들의 연소를 위한 해당 기술 분야의 알려진 시스템들은 천연가스와 같은 비-고체 연료들의 연소를 위한 시스템과는 상당히 다른 설계들을 요구한다.
상기 연료들은 상기 연소 챔버 내의 압력 이상의 압력들과 충분한 속도들로 상기 연소 장치 내로 주입될 수 있도록 적절하게 처리될 수 있다. 이러한 연료들은 액체, 슬러리, 겔(gel), 또는 주위의 온도들 또는 상승된 온도들에서 적절한 유동성(fluidity)과 점성(viscosity)을 갖도록 형성된 페이스트(paste)가 될 수 있다. 예를 들면, 상기 연료는 약 30℃ 내지 약 500℃, 약 40℃ 내지 약 450℃, 약 50℃ 내지 약 425℃, 또는 약 75℃ 내지 약 400℃의 온도에서 제공될 수 있다. 어떠한 고체 연료 물질들도 적절하게 분쇄되거나 잘게 조각나거나 입자 크기들을 감소시키도록 다르게 처리될 수 있다. 유동화 또는 슬러리인 매체가, 필요에 따라, 적합한 형태를 구현하고 고압 펌핑을 위한 흐름 요구들을 만족하도록 추가될 수 있다. 물론, 유동화 매체 상기 연료의 형태(즉, 액체 또는 기체)에 따라 필요하지 않을 수 있다. 이와 같이, 상기 순환된 순환 유체는 일부 실시예들에서 유동화 매체로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 유용한 연소기 내에 적합한 분출 유체들은 내측 라이너(liner)를 통해 수증기 벽을 형성하도록 충분한 양과 압력으로 흐를 수 있는 임의의 유체를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 이산화탄소(CO2)는 내부에 상기 수증기 벽이 형성되고 우수한 열 차단 특성들뿐만 아니라 가시광선 및 자외선(UV light) 흡수 특성들을 갖는 이상적인 분출 유체가 될 수 있다. 이산화탄소(CO2)는 초임계의 유체로서 사용될 수 있다. 분출 유체의 다른 예들은 물(H2O), 하향 흐름으로부터 재순환된 냉각된 연소 생성물 가스들, 산소, 수소, 천연가스, 메탄 및 다른 탄화수소들 등을 포함한다. 연료들은 특히 주된 연료 소스의 주입 전에 상기 연소기 내에 적절한 동작 온도들과 압력들을 얻도록 상기 연소기를 시동하는 동안 분출 유체들로서 사용될 수 있다. 연료들은 또한 1차 연료로서 석탄을 바이오매스로 교체하는 경우와 같이 주된 연료 소스들을 교체하는 동안 상기 연소기의 동작 온도들과 압력들을 조절하도록 분출 유체들로서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 2 또는 그 이상의 분출 유체들이 사용될 수 있다. 또한, 서로 다른 분출 유체들이 상기 연소기를 따라 다른 위치들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 제1 분출 유체는 높은 온도의 열교환기 영역(zone)에서 사용될 수 있고, 제2 분출 유체는 보다 낮은 온도의 열교환기 영역에서 사용될 수 있다. 상기 분출 유체는 상기 분출 유체가 상기 수증기 벽을 형성하는 상기 연소 챔버의 온도 및 압력 조건들을 위해 최적화될 수 있다. 본 발명의 예에 있어서, 상기 분출 유체는 재순환 이산화탄소(CO2)에 의해 예열될 수 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명은 발전을 위한 방법들을 제공한다. 특히, 상기 방법은 여기서 설명하는 바와 같이 상기 방법을 통해 바람직하게 재순환되는 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 활용할 수 있다. 본 발명의 방법은 또한 여기서 설명하는 바와 같이 분출 냉각 연소기와 같은 고효율 연소기들을 활용할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 방법은 대체로 도 5에 도시한 흐름도와 관련되어 설명될 수 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 연소기(220)가 제공되고, 그 내부에 다양한 유입들이 제공된다. 탄소를 함유하는 연료(254) 및 산소(O2)(242)(필요에 따라)가 순환 유체(236)(본 발명의 실시예에서는 이산화탄소(CO2))와 함께 연소기(220) 내로 도입될 수 있다. 점선으로 나타낸 혼합 배열(250)은 선택적으로 존재하는 이러한 성분을 가리킨다. 특히, 둘 또는 셋 모두의 물질들(연료, 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 어떠한 조합도 연소기(220) 내로의 도입 전에 혼합 배열(250)에서 결합될 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, 상기 전력 생성 방법의 바람직하고 효율적인 동작을 용이하게 할 수 있는 특정한 물리적인 특성들을 나타내는 상기 연소기로 들어가는 물질들이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예들에 있어서, 정해진 압력 및/또는 온도에서 상기 연소기 내로 도입되는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 내의 이산화탄소(CO2)가 바람직할 수 있다. 특히, 적어도 약 8MPa의 압력을 갖도록 상기 연소기 내로 도입되는 이산화탄소(CO2)가 유익할 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 이산화탄소(CO2)는 적어도 약 10MPa, 적어도 약 12MPa, 적어도 약 14MPa, 적어도 약 15MPa, 적어도 약 16MPa, 적어도 약 18MPa, 적어도 약 20MPa, 적어도 약 22MPa, 적어도 약 24MPa, 또는 적어도 약 25MPa의 압력이 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력은 약 8MPa 내지 약 50MPa, 약 12MPa 내지 약 50MPa, 약 15MPa 내지 약 50MPa, 약 20MPa 내지 약 50MPa, 약 22MPa 내지 약 50MPa, 약 22MPa 내지 약 45MPa, 약 22MPa 내지 약 40MPa, 약 25MPa 내지 약 40MPa, 또는 약 25MPa 내지 약 35MPa이 될 수 있다. 또한, 상기 연소기 내로 도입되는 상기 이산화탄소(CO2)는 적어도 약 200℃의 온도를 가지는 것이 유리하다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 이산화탄소(CO2)는 적어도 약 250℃, 적어도 약 300℃, 적어도 약 350℃, 적어도 약 400℃, 적어도 약 450℃, 적어도 약 500℃, 적어도 약 550℃, 적어도 약 600℃, 적어도 약 650℃, 적어도 약 700℃, 적어도 약 750℃, 적어도 약 800℃, 적어도 약 850℃, 또는 적어도 약 900℃의 온도가 될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 상기 연료는 특정한 조건들 하에서 제공되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 특정 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 정해진 압력 및/또는 온도에서 상기 연소기 내로 도입되는 것이 바람직하다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 조건들과 동일하거나 실질적으로 유사한 조건들하에서 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. "실질적으로 유사한 조건들(substantially similar conditions)"이라는 표현은 여기서 설명하는 참조된 조건 변수(예를 들면, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 조건 변수)의 5% 이내, 4% 이내, 3% 이내, 2% 이내, 또는 1% 이내인 조건 변수를 의미할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 상기 연소기로의 도입 전에 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체와 혼합될 수 있다. 이와 같은 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료와 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체가 동일하거나 실질적으로 유사한 조건들(특히 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체와 관련되어 설명된 조건들을 포함할 수 있는) 아래에 있을 수 있는 점이 예상될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체와는 분리되어 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. 이러한 경우들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 여전히 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체와 관련하여 설명된 압력에서 도입될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료가 상기 연소기로의 도입 전에 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 온도와 상이한 온도에서 도입되는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 탄소를 함유하는 연료는 약 30℃ 내지 약 800℃, 약 35℃ 내지 약 700℃, 약 40℃ 내지 약 600℃, 약 45℃ 내지 약 500℃, 약 50℃ 내지 약 400℃, 약 55℃ 내지 약 300℃, 약 60℃ 내지 약 200℃, 약 65℃ 내지 약 175℃, 또는 약 70℃ 내지 약 150℃의 온도에서 상기 연소기 내로 도입될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 산소(O2)는 특정한 조건들하에서 제공되는 것이 바람직하다. 이와 같은 조건들은 상기 산소(O2)를 제공하는 방법에 따른다. 예를 들면, 특정한 압력에서 상기 산소(O2)를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 특히, 상기 연소기 내로 도입되는 상기 산소(O2)가 적어도 약 8MPa의 압력을 가지는 것이 유리할 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 산소(O2)는 적어도 약 10MPa, 적어도 약 12MPa, 적어도 약 14MPa, 적어도 약 15MPa, 적어도 약 16MPa, 적어도 약 18MPa, 적어도 약 20MPa, 적어도 약 22MPa, 적어도 약 24MPa, 적어도 약 25MPa, 적어도 약 30MPa, 적어도 약 35MPa, 적어도 약 40MPa, 적어도 약 45MPa, 또는 적어도 약 50MPa 정도의 압력에서 도입될 수 있다. 상기 산소(O2)의 제공은 극저온 산소(O2) 농축기(concentrator), 산소(O2) 이송 분리기(transport separator), 또는 주위의 공기로부터 산소(O2)를 분리하기 위한 산소(O2) 이온 이송 분리기 등의 임의의 유사한 장치와 같은 공기 분리기(또는 산소 분리기)의 사용을 포함할 수 있다. 이와는 별도로 또는 이와 결합하여, 상기 산소(O2)의 제공은 상술한 바와 같이 원하는 압력을 얻도록 상기 산소(O2)를 가압(pressurizing)하는 과정을 포함할 수 있다. 이와 같은 동작은 상기 산소(O2)의 가열을 야기할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 산소(O2)가 기체를 가압하여 본래 얻어지는 온도와는 다른 원하는 온도를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 상기 산소(O2)를 상기 연소기 내로 제공하는 과정은 약 30℃ 내지 약 900℃, 약 35℃ 내지 약 800℃, 약 40℃ 내지 약 700℃, 약 45℃ 내지 약 600℃, 약 50℃ 내지 약 500℃, 약 55℃ 내지 약 400℃, 약 60℃ 내지 약 300℃, 약 65℃ 내지 약 250℃, 또는 약 70℃ 내지 약 200℃ 정도의 온도에서 수행되는 것이 바람직할 수 있다. 더욱이, 일부 실시예들에 있어서, 상기 산소(O2)는 상기 순환 유체 및/또는 상기 탄소를 함유하는 연료의 조건들과 동일하거나 실질적으로 유사한 조건들 하에서 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. 이에 따라 상기 연소기 내로의 도입 전에 다양한 성분들의 혼합을 야기할 수 있거나, 상기 연소기 내로의 도입을 위한 상기 산소(O2)를 마련하는 방법들을 야기할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 산소(O2)는 정해진 몰 비율(molar proportion)로 이산화탄소(CO2)의 양과 결합될 수 있으므로 상기 산소(O2)는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름과 같이 동일한 온도에서 제공될 수 있다. 예를 들면, 이산화탄소(CO2)가 초임계 압력에 있는 동안에 상기 결합은 100℃ 아래의 온도에서 수행될 수 있다. 이러한 점은 상기 이산화탄소(CO2)의 희석 효과에 기인하여 순수한 산소(O2)의 가열과 관련된 연소의 위험을 방지할 수 있다. 이러한 혼합물은 약 1：2 내지 약 5：1, 약 1：1 내지 약 4：1, 또는 약 1：1 내지 약 3：1 정도의 이산화탄소(CO2)/산소(O2)의 비율을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 연소기로 공급되는 상기 산소(O2)기 실질적으로 정제되는(즉, 공기 내에 자연적으로 존재하는 다른 산소(O2)의 몰 농도에 관하여 향상되는) 것이 유용할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 산소(O2)는 약 50% 이상의 몰 농도, 약 60% 이상의 몰 농도, 약 70% 이상의 몰 농도, 약 80% 이상의 몰 농도, 약 85% 이상의 몰 농도, 약 90% 이상의 몰 농도, 약 95% 이상의 몰 농도, 약 96% 이상의 몰 농도, 약 97% 이상의 몰 농도, 약 98% 이상의 몰 농도, 약 99% 이상의 몰 농도, 또는 약 99.5% 이상의 몰 농도 정도의 순도를 가질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 산소(O2)는 약 85%의 몰 농도 내지 약 99.6%의 몰 농도, 약 85%의 몰 농도 내지 약 99%의 몰 농도, 약 90%의 몰 농도 내지 약 99%의 몰 농도, 약 90%의 몰 농도 내지 약 98%의 몰 농도, 또는 약 90%의 몰 농도 내지 약 97%의 몰 농도 정도의 몰 순도를 가질 수 있다. 상기 연료 내의 탄소로부터 전체적인 이산화탄소(CO2)의 회수는 적어도 약 99.5%의 몰 농도 범위의 보다 높은 순도들의 사용을 지원하게 된다.
상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 상기 연소기의 유입구에서 상기 산소(O2) 및 상기 탄소를 함유하는 연료와 함께 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. 분출 냉각 연소기에 관하여 상술하였지만, 그러나, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 또한 상기 분출 냉각 연소기에 형성된 하나 또는 그 이상의 분출 유체 공급 통로들을 통해 상기 분출 부재로 안내되는 분출 냉각 유체의 전체 또는 일부로서 상기 분출 냉각 연소기로 도입될 수 있다. 본 발명에 따른 일부 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 상기 연소기의 유입구에서(즉, 상기 산소(O2) 및 상기 연료와 함께) 상기 연소기 내로 도입될 수 있으며, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 또한 상기 분출 부재를 통해 상기 분출 냉각 유체의 전체 또는 일부로서 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 상기 분출 부재를 통해서만 상기 분출 냉각 유체(즉, 상기 산소(O2) 및 상기 연료와 함께 상기 연소기 유입구 내로 도입되는 이산화탄소(CO2)가 없는)의 전체 또는 일부로서 상기 연소기 내로 도입될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 상기 연소 챔버 내로 도입되는 다양한 성분들의 비율과 관련하여 특징지어질 수 있다. 연소의 최대의 효율을 달성하기 위하여, 고온에서 상기 탄소를 함유하는 연료를 연소시키는 것이 유용할 수 있다. 그러나, 상기 연소의 온도와 상기 연소기를 떠나는 연소 생성물 흐름의 온도가 정해진 변수들 내에서 조절될 필요가 있을 수 있다. 이를 위하여, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 상기 연료에 대한 특정한 비율로 제공하는 것이 유용할 수 있으므로 전력으로 전환되는 에너지의 양도 최대화하면서 원하는 범위 내에서 연소 온도 및/또는 상기 터빈 유입구 온도가 제어될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 이는 상기 연료 내의 탄소에 대한 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 비율을 조절함으로써 이루어질 수 있다. 원하는 비율은 원하는 상기 터빈 유입구 온도뿐만 아니라 여기서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 상기 열교환기의 고온 단부에서 상기 유입구 및 상기 유출구 흐름들 사이의 온도 차이에 의해 영향을 받을 수 있다. 상기 비율은 특히 상기 탄소를 함유하는 연료 내에 존재하는 탄소에 대한 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 내의 이산화탄소(CO2)의 몰 비율로서 설명될 수 있다. 상기 연소기 내로 도입되는 이산화탄소(CO2)의 몰 양을 결정하기 위하여, 일부 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 제공되는 이산화탄소(CO2)의 전체 함량(즉, 상기 연료와 상기 산소(O2)뿐만 아니라 분출 냉각 유체로서 사용되는 임의의 이산화탄소(CO2)와 함께 도입되는)이 상기 순환에 포함된다. 그러나, 특정한 실시예들에 있어서, 상기 순환은 전적으로 상기 연소기 유입구에서 도입되는 이산화탄소(CO2)의 몰 양(즉, 분출 냉각 유체로 사용되는 어떠한 이산화탄소(CO2)도 제외한)에 기초할 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2)가 분출 냉각 유체로서만 상기 연소기 내로 도입되는 실시예들에 있어서, 상기 순환은 상기 분출 냉각 유체로서 상기 연소기 내로 도입되는 이산화탄소(CO2)의 함량에 기초할 수 있다. 따라서, 상기 비율은 상기 연소기에 대한 연료 유입 내의 탄소와 관련하여 상기 연소기 유입구에 대한 이산화탄소(CO2) 유입의 몰 함량으로서 설명될 수 있다. 선택적으로는, 상기 비율은 상기 연소기에 대한 연료 유입 내의 탄소와 관련하여 상기 분출 냉각 유체를 통한 상기 연소기에 대한 이산화탄소(CO2) 유입의 몰 함량으로서 설명될 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 상기 연료 내의 탄소에 대한 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 비율은, 몰 기준으로, 약 10 내지 약 50(즉, 상기 연료 내의 탄소 1몰 당 약 10몰의 이산화탄소(CO2) 내지 상기 연료 내의 탄소 1몰 당 약 50몰의 이산화탄소(CO2)) 정도가 될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 연료 내의 탄소에 대한 상기 순환 유체 내의 이산화탄소(CO2)의 비율은 약 15 내지 약 50, 약 20 내지 약 50, 약 25 내지 약 50, 약 30 내지 약 50, 약 15 내지 약 45, 약 20 내지 약 45, 약 25 내지 약 45, 약 30 내지 약 45, 약 15 내지 약 40, 약 20 내지 약 40, 약 25 내지 약 40, 또는 약 30 내지 약 40 정도가 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 연료 내의 탄소에 대한 상기 순환 유체 내의 이산화탄소(CO2)의 비율은 적어도 약 5, 적어도 약 10, 적어도 약 15, 적어도 약 20, 적어도 약 25, 또는 적어도 약 30 정도가 될 수 있다.
상기 탄소를 함유하는 연료 내에 존재하는 탄소에 대한 상기 연소기 내로 도입되는 이산화탄소(CO2)의 몰 비율은 전체적인 시스템 열 효율에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 효율에 대한 영향은 또한 열교환기, 물 분리기 및 가압 유닛을 포함하는 상기 시스템의 다른 구성 요소들의 설계와 기능에 의해 영향을 받을 수 있다. 여기서 설명하는 시스템과 방법의 다양한 구성 요소들의 결합은 여기서 설명하는 특정한 이산화탄소(CO2)/탄소(C) 비율들에서 높은 열 효율을 구현하는 능력을 가져온다. 여기서 설명하는 다양한 구성 요소들을 포함하지 않는 이전에 알려진 시스템들과 방법들은 여기서 달성하려는 바에 접근하는 효율들을 구현하도록 본 발명에서 사용되는 것보다 상당히 낮은 이산화탄소(CO2)/탄소(C) 몰 비율을 전형적으로 요구할 수 있다. 그러나, 본 발명은, 종래 기술에서 사용될 수 있는 것보다 크게 초과하는 이산화탄소(CO2)/탄소(C) 몰 비율들의 사용을 가능하게 하는 이산화탄소(CO2)의 재순환을 위한 특정한 고효율의 시스템들과 방법들을 포함한다. 본 발명에 따른 높은 이산화탄소(CO2)/탄소(C) 몰 비율들의 사용은 또한 상기 연소 흐름 내의 불순물들을 희석하는 데 유리하다. 시스템 구성 요소들에 대한 불순물들(예를 들면, 염화물(chlorides) 및 황(sulfur))의 부식 또는 침식 효과들은 이에 따라 크게 사라진다. 고염화 및/또는 고황화 석탄은 이러한 석탄(염산(HCl) 및 황산(H2SO4)을 포함하는)으로부터의 연소 생성물이 전력 플랜트 구성 요소들이 견디기에는 지나치게 부식성이고 침식성이기 때문에 현재는 알려진 시스템들에서 사용되지는 않는다. 많은 다른 불순물들(예를 들면, 고체 회분 입자들과 납, 요오드, 안티몬 및 수은을 함유하는 휘발성 물질들)도 고온들에서 전력 플랜트 구성 요소들에 대해 심각한 내부 손상을 야기할 수 있다. 상기 재순환된 이산화탄소(CO2)를 희석하는 효과는 전력 플랜트 구성 요소들에 대한 이러한 불순물들의 열화시키는 효과들을 크게 개선하거나 제거할 수 있다. 이산화탄소(CO2)/탄소(C) 몰 비율들의 선택은 이후에 효율과 전력 플랜트 구성 요소의 침식과 부식 및 이산화탄소(CO2) 재순환 시스템 구성 요소들과 기능의 설계에 대한 효과들을 대한 복잡한 고려를 수반할 수 있다. 본 발명은 종래 기술에서는 예견될 수 없는 이산화탄소(CO2)의 높은 효과적인 재순환과 높은 열 효율로 증가된 이산화탄소(CO2)/탄소(C) 몰 비율들을 가능하게 한다. 상기 높은 이산화탄소(CO2)/탄소(C) 몰 비율들은 이에 따라 적어도 전술한 이점들을 수반한다.
이와 유사하게, 상기 연소기 내로 도입되는 산소(O2)의 함량을 조절하는 것이 유용할 수 있다. 이러한 사항은 특히 상기 연소기의 동작 특성에 의존할 수 있다. 여기서 보다 자세하게 설명하는 바와 같이, 본 발명의 방법들과 시스템들은 완전히 산화시키는 모드, 완전히 환원시키는 모드 또는 이들 모두의 변형들에서 구동을 가능하게 할 수 있다. 상기 완전히 산화시키는 모드에 있어서, 상기 연소기로 제공되는 산소(O2)의 양은 바람직하게는 적어도 상기 탄소를 함유하는 연료의 완전한 산화를 달성하기에 필수적인 화학량론적 양이 될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 제공되는 산소(O2)의 양은 전술한 화학량론적 양을 적어도 약 0.1%의 몰 농도, 적어도 약 0.25%의 몰 농도, 적어도 약 0.5%의 몰 농도, 적어도 약 1%의 몰 농도, 적어도 약 2%의 몰 농도, 적어도 약 3%의 몰 농도, 적어도 약 4%의 몰 농도, 또는 적어도 약 5%의 몰 농도로 초과할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 제공되는 산소(O2)의 양은 전술한 화학량론적 양을 약 0.1%의 몰 농도 내지 약 5%의 몰 농도, 약 0.25%의 몰 농도 내지 약 4%의 몰 농도, 또는 약 0.5%의 몰 농도 내지 약 3%의 몰 농도로 초과할 수 있다. 상기 완전히 환원되는 모드에 있어서, 상기 연소기로 제공되는 산소(O2)의 양은 바람직하게는 상기 탄소를 함유하는 연료를 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 황화수소(H2S) 및 암모니아(NH3)를 포함하는 성분들로 변화하기에 필수적인 화학량론적 양에 적어도 약 0.1%의 몰 농도, 적어도 약 0.25%의 몰 농도, 적어도 약 0.5%의 몰 농도, 적어도 약 1%의 몰 농도, 적어도 약 2%의 몰 농도, 적어도 약 3%의 몰 농도, 적어도 약 4%의 몰 농도, 또는 적어도 약 5%의 몰 농도 정도의 초과가 추가되는 것이 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 제공되는 산소(O2)의 양은 전술한 화학량론적 양을 약 0.1의 몰 농도% 내지 약 5%의 몰 농도, 약 0.25%의 몰 농도 내지 약 4%의 몰 농도, 또는 약 0.5%의 몰 농도 내지 약 3%의 몰 농도로 초과할 수 있다.
본 발명의 방법들은, 일부 실시예들에 있어서, 과정 내에서의 다양한 단계들을 통과하는 이산화탄소(CO2)의 물리적인 상태와 관련하여 특징지어질 수 있다. 이산화탄소(CO2)는 상기 물질의 물리적인 조건들에 따라 다양한 상태들로 방출되는 것으로 인식된다. 이산화탄소(CO2)는 0.518MPa 및 -56.6℃에서 삼중점(triple point)을 가지지만, 그러나 이산화탄소(CO2)는 또한 7.38MPa 및 31.1℃의 임계 압력 및 온도를 가진다. 이러한 임계점을 넘어서는, 이산화탄소(CO2)는 초임계의 유체로서 존재하며, 본 발명은 상기 사이클의 특정한 지점들에서 상기 이산화탄소(CO2)를 특정된 상태로 유지함으로써 발전 효율을 최대화하도록 구현된 능력을 가진다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 상기 이산화탄소(CO2)는 바람직하게는 초임계의 유체 형태이다.
전력을 발생시키는 시스템 또는 방법의 효율은 전형적으로 상기 시스템 또는 방법 내로 에너지 입력에 대한 상기 시스템이나 방법에 의한 에너지 출력의 비율을 성명하여 이해된다. 발전 시스템 또는 방법의 경우에 있어서, 효율은 흔히 전기(또는 전력)를 생성하는 연소된 연료의 전체적인 저위 발열량 열 에너지에 대한 수요자의 설비에 출력되는 전기 또는 전력의 비율(예를 들면, 메가와트(megawatts) 또는 Mw로)로서 설명된다. 이러한 비율은 알짜(net) 시스템 또는 방법 효율(저온 발열량(LHV)을 기준으로)로서 언급될 수 있다. 이와 같은 효율에는 정제된 산소의 생산(예를 들면, 공기 분리 유닛을 경유하여), 가압된 파이프라인으로 이송을 위한 이산화탄소(CO2)의 가압 및 에너지 입력을 요구하는 다른 시스템이나 방법 조건들 을 포함하여, 내부 시스템 또는 방법 공정들을 위해 요구되는 에너지 모두를 고려될 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 연소 생성물 흐름을 생성하도록 이산화탄소(CO2)의 임계 압력을 초과하는 압력에서 실질적으로 순수한 산소(O2) 내에서 탄소를 함유하는 연료가 연소되는 사이클(즉, 연소기 내에서)에서 작동 유체로서 대체로 이산화탄소(CO2)를 사용할 수 있다. 이러한 흐름은 터빈에 걸쳐 팽창되고, 이후에 열회수 열교환기(recuperator heat exchanger)를 통과한다. 상기 열교환기에 있어서, 상기 터빈 방출은 초임계 상태에서 재순환 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 예열한다. 이러한 예열되고, 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 정해진 최대의 터빈 유입구 온도에서 전체적인 흐름을 생성하도록 그가 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터의 생성물들과 혼합되는 상기 연소기 내로의 유입이 된다. 본 발명은 열회수 열교환기의 고온 단부에서 온도 차이를 최소화하는 이점들의 인식으로 인하여 적어도 부분적으로 우수한 효율을 제공할 수 있다. 이러한 최소화는 상기 연소기로 도입되기 전에 상기 재순환된 이산화탄소(CO2)의 일부를 가열하는 저온 열 소스를 사용하여 달성될 수 있다. 이러한 보다 낮은 온도 레벨들에서, 상기 초임계의 이산화탄소(CO2)의 비열과 밀도는 매우 높고, 이러한 여분의 가열은 상기 터빈 방출 흐름이 이산화탄소(CO2)를 보다 높은 온도로 예열하게 할 수 있으며, 이는 상기 열회수 교환기의 고온 단부에서 온도 차이를 상당히 감소시킬 수 있다. 사용 가능한 저온 열 소스들은, 특정한 실시예들에 있어서, 단열식으로 동작하거는 극저온 공기 분리 플랜트 또는 종래의 가스 터빈으로부터의 고온 방출 흐름에 사용되는 공기 압축기들이다. 본 발명의 특정한 실시예들에 있어서, 열회수 열교환기의 고온 단부에서의 온도 차이는 약 50℃ 이하이고, 바람직하게는 약 10℃ 내지 약 30℃의 범위이다. 낮은 압력 비율(예를 들면, 약 12 이하인)의 사용은 효율을 향상시키는 다른 요인이 된다. 낮은 압력 비율과 결합되는 작동 유체로서 이산화탄소(CO2)의 사용은 재순환 압력에 대한 상기 냉각된 터빈 배출의 상승하는 압력에서 에너지 손실을 감소시킨다. 또 다른 이점은 상기 연료로부터 100%에 가깝게 탄소를 포획하는 매우 작은 추가적인 기생 전력 소모(parasitic power consumption)를 갖는 파이프라인 압력(전형적으로 약 10MPa 내지 약 20MPa)에서 상기 이산화탄소(CO2)의 초임계 압력 이상의 높은 압력 유체로서 이산화탄소(CO2)로 변화되는 상기 연료 내의 탄소의 양을 생성하는 능력이다. 이와 같은 시스템 및 방법 변수들은 다음에서 보다 상세하게 설명된다.
다시 도 5를 참조하면, 산소(O2)(242) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체(236)와 함께 연소기(220) 내로 도입되는 탄소를 함유하는 연료(254)는 연소 생성물 흐름(40)을 제공하도록 연소된다. 특정한 실시예들에 있어서, 연소기(220)는 여기서 설명하는 바와 같이 분출 냉각 연소기이다. 연소 온도는 특정한 공정 변수들, 예를 들면, 사용되는 탄소를 함유하는 연료의 형태, 상기 연소기 내로 도입되는 경우에 상기 연료 내의 탄소에 대한 이산화탄소(CO2)의 몰 비율 및/또는 상기 연소기 내로 도입되는 산소(O2)에 대한 이산화탄소(CO2)의 몰 비율에 따라 변화될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소 온도는 상기 분출 냉각 연소기와 관련하여 전술한 바와 같은 온도이다. 특히 바람직한 실시예들에 있어서, 약 1,300℃를 초과하는 연소 온도들이, 여기서 설명하는 바와 같이, 유리할 수 있다. 상기 연소기를 떠나는 연소 생성물 흐름이 원하는 온도를 가지도록 연소 온도를 조절하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 연소기를 떠나는 상기 연소 생성물 흐름은 적어도 약 700℃, 적어도 약 750℃, 적어도 약 800℃, 적어도 약 850℃, 적어도 약 900℃, 적어도 약 950℃, 적어도 약 1,000℃, 적어도 약 1,050℃, 적어도 약 1,100℃, 적어도 약 1,200℃, 적어도 약 1,300℃, 적어도 약 1,400℃, 적어도 약 1,500℃, 또는 적어도 약 1,600℃ 정도의 온도를 가지는 것이 유용하다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 흐름은 약 700℃ 내지 약 1,600℃, 약 800℃ 내지 약 1,600℃, 약 850℃ 내지 약 1,500℃, 약 900℃ 내지 약 1,400℃, 약 950℃ 내지 약 1,350℃, 또는 약 1,000℃ 내지 약 1,300℃ 정도의 온도를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 전력 생성 사이클을 통한 상기 이산화탄소(CO2)의 압력은 전력 사이클 효율을 최대화하는 임계 변수가 될 수 있다. 상기 연소기로 도입되는 물질들이 특히 정해진 압력을 갖는 것이 중요할 수 있는 반면, 상기 연소 생성물 흐름이 정해진 압력을 가지는 것이 마찬가지로 중요할 수 있다. 특히, 상기 연소 생성물 흐름의 압력은 상기 연소기 내로 도입되는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 압력에 관련될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 흐름의 압력은 상기 연소기 내로 도입되는 이산화탄소(CO2), 즉 상기 순환 유체의 압력의 적어도 약 90%가 될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 흐름의 압력은 상기 연소기 내로 도입되는 이산화탄소(CO2)의 압력의 적어도 약 91%, 적어도 약 92%, 적어도 약 93%, 적어도 약 94%, 적어도 약 95%, 적어도 약 96%, 적어도 약 97%, 적어도 약 98%, 또는 적어도 약 99% 정도가 될 수 있다.
상기 연소기를 떠나는 상기 연소 생성물 흐름의 화학적인 구성은 사용되는 탄소를 함유하는 연료의 형태에 따라 달라질 수 있다. 중요하게는, 상기 연소 생성물 흐름은, 다음에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 재순환되고 상기 연소기 또는 다른 사이클들로 다시 도입된다. 더욱이, 과잉의 이산화탄소(CO2)(상기 연료의 연소에 의해 생성되는 이산화탄소(CO2)를 포함하는)는 분리 또는 대기 중으로의 방출을 포함하지 않는 다른 처리를 위하여 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체(특히 이산화탄소(CO2) 파이프라인으로의 직접 전송에 적합한 압력에서)로부터 회수될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 흐름은 하나 또는 그 이상의 수증기, 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 염산(HCl), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수은(Hg), 과잉 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar) 등을 포함할 수 있으며, 연소되는 상기 연료 내에 존재하는 다른 오염원들을 포함하는 것도 가능하다. 상기 연소 생성물 흐름 내에 존재하는 이러한 물질들은 여기서 설명하는 공정들에 의한 것과 같이 제거되지 않는 한, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름 내에 존재할 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2) 이외에도 존재하는 이와 같은 물질들은 여기서 "2차 성분(secondary component)들"로 언급될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연소 생성물 흐름(40)은 연소 생성물 흐름(40)이 팽창되어 전력을 생성하는(예를 들면, 도시되지는 않았지만 전기를 생성하는 발전기를 통하여) 터빈(320)으로 안내될 수 있다. 터빈(320)은 연소 생성물 흐름(40)을 수용하기 위한 유입구와 이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름(50)을 방출하기 위한 유출구를 구비할 수 있다. 비록 도 5에는 단일 터빈(320)이 도시되지만, 하나 이상의 터빈이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이며, 다중 터빈들은 직렬로 연결되거나 다른 연소 구성 요소, 압축 구성 요소, 분리 구성 요소 또는 이와 유사한 것과 같은 하나 또는 그 이상의 다른 구성 요소들과 선택적으로 분리되어 연결된다.
다시, 공정 변수들은 사이클 효율을 최대화하도록 이러한 단계에서 자세하게 제어될 수 있다. 현존하는 천연가스 전력 플랜트 효율은 터빈 유입구 온도에 결정적으로 의존한다. 예를 들면, 상기 터빈 유입구 온도보다 약 1,350℃ 만큼 높은 유입구 온도를 가능하게 하는 터빈 기술을 구현하도록 많은 비용으로 광범위한 작업이 수행되어 왔지만. 그러나 플랜트 효율이 높아질수록 보다 많은 비용이 들며, 잠재적으로는 그 수명이 보다 감소된다. 일부 기구들은 보다 높은 가격의 지불을 막지만, 또한 짧아지는 수명의 위험을 가진다. 비록 본 발명이 일부 실시예들에 있어서 효율을 보다 향상시키도록 이러한 터빈들을 활용할 수 있지만, 이러한 점이 요구되는 것은 아니다. 특정한 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 상술한 바와 같이 많이 낮아진 범위들에서 터빈 유입구 온도를 이용하면서 원하는 효율을 달성할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 여기서 설명하는 바와 같이 해당 기술 분야에서 동일한 연료로 동일한 효율을 달성하는 데 필요한 것으로 인지된 온도들보다 상당히 낮을 수 있는 정해진 온도에서 터빈 유입구로 연소 생성물 흐름을 제공하면서, 여기서 설명하는 바와 같이 특정한 효율을 달성하는 면에서 특징지어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 연소기(220)를 떠나는 연소 생성물 흐름(40)은 바람직하게는 연소기(220)를 떠나는 이산화탄소(CO2) 순환 유체(236)의 압력에 근접하게 정렬된 압력을 가진다. 특정한 실시예들에 있어서, 연소 생성물 흐름(40)은 이에 따라 상기 흐름 내에 존재하는 이산화탄소(CO2)는 초임계의 유체 상태가 되는 온도와 압력에 있게 된다. 연소 생성물 흐름(40)이 터빈(320)에 걸쳐 팽창될 때, 상기 흐름의 압력이 감소된다. 바람직하게는, 이러한 압력 강하가 조절되어 연소 생성물 흐름(40)이 터빈 배출 흐름(50)의 압력에 대해 정해진 비율로 있게 된다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 터빈의 유출구에서의 터빈 배출 흐름과 비교하여 상기 터빈의 유입구에서의 상기 연소 생성물 흐름의 압력 비율은 약 12 이하이다. 이는 유출구 압력(Op)에 대한 유입구 압력(Ip)의 비율(즉, Ip/Op)로서 정의될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력 비율은 약 11 이하이거나, 약 10 이하이거나, 약 9 이하이나, 약 8 이하이거나, 약 7 이하일 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 유출구 압력에 대한 상기 유입구 압력의 비율은 약 1.5 내지 약 12, 약 2 내지 약 12, 약 3 내지 약 12, 약 4 내지 약 12, 약 2 내지 약 11, 약 2 내지 약 10, 약 2 내지 약 9, 약 2 내지 약 8, 약 3 내지 약 11, 약 3 내지 약 10, 약 3 내지 약 9, 약 3 내지 약 9, 약 4 내지 약 11, 약 4 내지 약 10, 약 4 내지 약 9, 또는 약 4 내지 약 8 정도가 될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 흐름 내의 이산화탄소(CO2)가 더 이상 초임계 유체 상태에 있지 않고 오히려 가스 상태에 있게 하는 조건들하에서 상기 터빈 배출 흐름이 있게 하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 가스 상태의 이산화탄소(CO2)의 제공은 임의의 2차 성분들의 제거를 용이하게 할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 흐름은 이산화탄소(CO2)가 초임계 상태로 존재할 수 있는 압력 이하의 압력을 가진다. 바람직하게는, 상기 터빈 배출 흐름은 약 7.3MPa 이하이고, 약 7MPa보다 작거나 동일하며, 약 6.5MPa보다 작거나 동일하고, 약 6MPa보다 작거나 동일하며, 약 5.5MPa보다 작거나 동일하고, 약 5MPa보다 작거나 동일하며, 약 4.5MPa보다 작거나 동일하며, 약 4MPa보다 작거나 동일하며, 약 3.5MPa보다 작거나 동일하며, 약 3MPa보다 작거나 동일하며, 약 2.5MPa보다 작거나 동일하며, 약 2MPa보다 작거나 동일하며, 또는 약 1.5MPa보다 작거나 동일한 압력을 가질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 흐름의 압력은 약 1.5MPa 내지 약 7MPa, 약 3MPa 내지 약 7MPa, 또는 약 4MPa 내지 약 7MPa 정도가 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 터빈 배출 흐름의 압력은 상기 흐름(예를 들면, 주변 냉각)에 의해 만나는 상기 냉각 온도에서의 이산화탄소(CO2) 응결 압력 이하이다. 따라서, 본 발명에 따르면 터빈(320)으로부터의 이산화탄소(CO2) 하향 흐름(그리고 바람직하게는, 가압 유닛(620)으로부터의 상향 흐름)이 가스 상태로 유지되고 액상의 이산화탄소(CO2)가 형성될 수 있는 조건들에 도달하지 않게 하는 것이 바람직하다. 비록 상기 터빈을 통한 상기 연소 생성물 흐름의 통과가 온도의 일부의 양을 감소시킬 수 있지만, 상기 터빈 배출 흐름은 전형적으로 상기 연소 생성물 흐름 내에 존재하는 임의의 2차 성분들의 제거를 저해하는 온도를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 터빈 배출 흐름은 약 500℃ 내지 약 1,000℃, 약 600℃ 내지 약 1,000℃, 약 700℃ 내지 약 1,000℃, 또는 약 800℃ 내지 약 1,000℃ 정도의 온도를 가질 수 있다. 상기 연소 생성물 흐름의 상대적으로 높은 온도들로 인하여, 상기 터빈을 이러한 온도들에서 견딜 수 있는 물질로 형성하는 것이 유익하다. 또한, 상기 터빈이 상기 연소 생성물 흐름 내에 존재하는 2차 성분들의 형태에 대해 우수한 화학적 저항성을 제공하는 물질을 포함하도록 하는 것이 유용할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 터빈 배출 흐름(50)을 터빈 배출 흐름(50)을 냉각시키고 정해진 범위의 온도를 갖는 산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)을 제공하는 적어도 하나의 열교환기(420)를 통하여 통과시키는 것이 유용할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 열교환기(420)(또는 2개 또는 그 이상의 열교환기들이 사용되는 경우에는 상기 시리즈 내의 상기 최후의 열교환기)를 떠나는 이산화탄소(CO2) 순환 유체(60)는 약 200℃ 이하이거나, 약 150℃ 이하이나, 약 125℃ 이하이거나, 약 100℃ 이하이거나, 약 95℃ 이하이거나, 약 90℃ 이하이거나, 약 85℃ 이하이거나, 약 80℃ 이하이거나, 약 75℃ 이하이거나, 약 70℃ 이하이거나, 약 65℃ 이하이거나, 약 60℃ 이하이거나, 약 55℃ 이하이거나, 약 50℃ 이하이거나, 약 45℃ 이하이나, 또는 약 40℃ 이하인 온도를 가진다.
전술한 바와 같이, 상기 터빈 배출 흐름이 상기 연소 생성물 흐름의 압력에 대해 특정한 비율로 압력을 가지게 하는 것이 유익할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 흐름은 상기 시스템의 어떠한 다른 구성 요소들을 통과하지 않고 여기서 설명하는 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 직접 통과할 수 있다. 따라서, 상기 압력 비율은 또한 상기 연소기를 떠날 경우에 상기 열교환기(또는 열교환기들의 시리즈가 사용되는 때는 상기 제1 열교환기)의 고온 단부로 들어가는 상기 흐름의 압력과 비교하여 상기 연소 생성물 흐름의 압력의 비율과 관련되어 설명될 수 있다. 다시 말하면, 이러한 압력 비율은 바람직하게는 약 12 이하이다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 열교환기로 들어가는 흐름에 대한 상기 연소 생성물 흐름의 압력 비율은 약 11 이하이거나, 약 10 이하이거나, 약 9 이하이거나, 약 8 이하이거나, 또는 약 7 이하일 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 이러한 압력 비율은 약 1.5 내지 약 10, 약 2 내지 약 9, 약 2 내지 약 8, 약 3 내지 약 8, 또는 약 4 내지 약 8 정도가 될 수 있다.
분출 냉각 연소기의 사용이 높은 가열 연소를 가능하게 하는 반면, 본 발명의 시스템들 및 방법들은, 상기 열교환기(들)의 수명을 증가시키고, 상기 시스템의 성능과 신뢰성을 개선하도록 상기 시스템과 관련된 비용을 감소시키기에 충분히 낮은 온도에서 상기 터빈 배출 흐름을 열교환기(또는 시리즈 혹은 열교환기들)에 제공하는 능력에 의해 특징지어질 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 시스템 또는 방법에 있어서의 열교환기를 위한 가장 고온의 작업 온도는 약 1,100℃ 이하이거나, 약 1,000℃ 이하이거나, 약 975℃ 이하이나, 약 950℃ 이하이거나, 약 925℃ 이하이나 또는 약 900℃ 이하이다.
특정 실시예들에 있어서, 열교환기(420)가 상기 터빈 배출 흐름을 수용하고 이를 원하는 온도까지 냉각시키는 직렬로 된 적어도 2개의 열교환기들을 포함하도록 하는 것이 특히 유용할 수 있다. 사용되는 상기 열교환기의 유형은 상기 열교환기로 들어가는 흐름의 조건들에 따라 변화될 수 있다. 예를 들면, 터빈 배출 흐름(50)은 여기서 설명하는 바와 같이 상대적으로 높은 온도일 수 있으며, 이에 따라 상기 열교환기가 극한의 조건들을 견디도록 설계된 고성능의 물질들로부터 형성되어 터빈 배출 흐름(50)을 직접 수용하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 열교환기 시리즈 내의 제1 열교환기는 인코넬(INCONEL) 합금 또는 유사한 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 시리즈 내의 상기 제1 열교환기는 적어도 약 700℃, 적어도 약 750℃, 적어도 약 800℃, 적어도 약 850℃, 적어도 약 900℃, 적어도 약 950℃, 적어도 약 1,000℃, 적어도 약 1,100℃, 또는 적어도 약 1,200℃ 정도의 일정한 동작 온도를 견딜 수 있는 물질을 포함한다. 또한, 하나 또는 그 이상의 열교환기들이 상기 연소 생성물 흐름 내에 존재하는 2차 성분들의 형태에 대해 우수한 화학적 저항성을 제공하는 물질을 포함하도록 하는 것이 유용할 수 있다. 인코넬(INCONEL) 합금들은 스페셜 메탈즈 코포레이션(Special Metals Corporation)으로부터 입수할 수 있으며, 일부 실시예들은 오스테나이트 니켈-크롬 계열(austenitic nickel-chromium-based) 합금들을 포함할 수 있다. 유용한 합금들의 예들은 인코넬 600, 인코넬 601, 인코넬 601GC, 인코넬 603XL, 인코넬 617, 인코넬 625, 인코넬 625LCF, 인코넬 686, 인코넬 690, 인코넬 693, 인코넬 706, 인코넬 718, 인코넬 718SPF, 인코넬 722, 인코넬 725, 인코넬 740, 인코넬 X-750, 인코넬 751, 인코넬 MA754, 인코넬 MA758, 인코넬 783, 인코넬 903, 인코넬 N06230, 인코넬 C-276, 인코넬 G-3, 인코넬 HX, 인코넬 22 등을 포함한다. 한 유용한 열교환기 디자인의 예는 전술한 합금들 중의 하나와 같이 고온의 물질들로 제조된 플레이트 내에 화학적으로 분쇄된 핀(fin)들을 갖는 확산 결합 콤팩 플레이트(diffusion bonded compact plate) 열교환기를 포함한다. 적절한 열교환기들은 해트릭(HEATRIC)(미국 텍사스주 휴스턴의 멕기트(Meggitt)로부터 구입 가능한)이라는 상표 명칭으로 입수 가능한 것들을 포함할 수 있다.
상기 시리즈 내의 상기 제1 열교환기는 바람직하게는 상기 시리즈 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 열교환기들이 보다 통상적인 물질들, 예를 들면 스테인리스 스틸로 형성될 수 있으므로 상기 터빈 배출 흐름으로부터 열을 충분하게 전달할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 적어도 2개의 열교환기들 또는 적어도 3개의 열교환기들이 상기 터빈 배출 흐름을 원하는 온도까지 냉각하도록 시리즈 내에 사용된다. 시리즈 내에 다중 열교환기들을 사용하는 유용성은 특히 상기 연소기로의 도입 전에 상기 순환 유체를 다시 가열하도록 상기 터빈 배출 흐름으로부터 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체로의 열을 전달과 관련하여 후술하는 바에서 볼 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 방법들과 시스템들은 단일 스테이지 연소 방법 또는 시스템으로서 특징지어질 수 있다. 이러한 사항은 전술한 분출 냉각 연소기와 같은 고효율 연소기의 사용을 통해 구현될 수 있다. 본질적으로, 상기 연료는 상기 단일 연소기 내에서 실질적으로 완전히 연소될 수 있으므로, 상기 연료를 완전히 연소시키기 위해 연소기들의 시리즈를 제공할 필요는 없다. 이에 따라, 일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 방법들과 시스템들은 상기 분출 냉각 연소기가 상기 하나의 연소기로서 설명될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 방법들과 시스템들은 상기 열교환기 내로 상기 배출 흐름의 통과 전에 상기 단일 분출 냉각 연소기 내에서만 상기 연소가 일어나는 것으로 설명될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 방법들과 시스템들은 다른 연소기를 통과하지 않고 상기 터빈 배출 흐름이 상기 열교환기 내로 직접 통과하는 것으로 설명될 수 있다.
냉각 후에, 적어도 하나의 열교환기(420)를 떠나는 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)은 상기 연료의 연소로부터 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60) 내에 남아 있는 임의의 2차 성분들을 분리해내는 다른 과정을 거질 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 순환 유체 흐름(60)은 하나 또는 그 이상의 분리 유닛들(520)로 안내될 수 있다. 다음에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 본 발명은 대기 중의 이산화탄소(CO2)의 방출이 없이 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터 전력을 발생시키는 고효율의 방법을 제공하는 능력에 의해 특히 특징지어질 수 있다. 이러한 점은 전력 발생 사이클에서 상기 순환 유체로서 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소에서 형성되는 이산화탄소(CO2)를 사용하는 것에 의해 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 비록 일부 실시예들에 있어서, 계속적인 연소와 상기 순환 유체로서의 이산화탄소(CO2)의 재순환이 상기 시스템 내에 이산화탄소(CO2)의 축적을 야기할 수 있다. 이러한 경우들에 있어서, 상기 순환 유체로부터 상기 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부(예를 들면, 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터 유래되는 이산화탄소(CO2)의 양과 대략적으로 동일한 양)를 회수하는 것이 유용할 수 있다. 이와 같이 회수된 이산화탄소(CO2)는 임의의 적절한 방법에 의해 처리될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2)는 후술하는 바와 같이 적절한 수단에 의해 분리 또는 처리를 위한 파이프라인으로 안내될 수 있다.
이산화탄소(CO2) 파이프라인 시스템 분리에 대한 요구는 상기 파이프라인으로 들어가는 이산화탄소(CO2)가 상기 파이프라인을 위해 사용되는 탄소 스틸의 부식을 방지하도록 실질적으로 물을 포함하지 않는 것이 될 수 있다. 비록 "습윤한(wet)" 이산화탄소(CO2)가 스테인리스 스틸 이산화탄소(CO2) 파이프라인으로 직접 유입될 수 있지만, 이러한 점이 언제나 가능한 것은 아니며, 사실상 비용 측면 때문에 탄소 스틸 파이프라인을 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있다. 따라서, 특정 실시예들에 있어서, 이산화탄소(CO2) 순환 유체(예를 들면, 물이 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소 동안에 형성되고 상기 연소 생성물 흐름, 상기 터빈 배출 흐름 및 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름 내에 존재하는)에 존재하는 물은 대부분 상기 냉각된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름으로부터 액상(liquid phase)으로 제거될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 이러한 사항은 상기 가스 혼합물이 주위 온도 냉각 수단에 의해 구현되는 가장 낮은 온도까지 냉각될 경우에 가스 혼합물 내에 존재하는 이산화탄소(CO2)가 액화되는 점보다 낮은 압력에서 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체(예를 들면, 가스 상태의)를 제공함으로써 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 특히 그로부터 2차 성분들을 분리하는 동안 7.38MPa 이하인 압력에서 제공될 수 있다. 낮은 주위 범위의 온도 또는 실질적으로 주위보다 낮은 온도에서 냉각 수단이 사용될 경우, 심지어는 낮은 압력이 요구될 수 있다. 이는 액체로서 물의 분리를 가능하게 하고, 또한 상기 분리 유닛을 떠나는 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 흐름(65)의 오염을 최소화할 수 있다. 이러한 점은 또한 상기 터빈 배출 압력을 상기 터빈 배출 가스의 임계 압력 이하인 압력으로 제한할 수 있다. 실제의 압력은 사용 가능한 주위 온도 냉각 수단의 온도에 의존할 수 있다. 예를 들면, 물 분리가 30℃에서 일어날 경우, 7MPa의 압력이 상기 이산화탄소(CO2)를 응축하는 압력에 대해 0.38MPa의 마진을 허용하게 된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 열교환기를 떠나고 상기 분리 유닛으로 들어가는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 약 2MPa 내지 약7MPa, 약 2.25MPa 내지 약 7MPa, 약 2.5MPa 내지 약 7MPa, 약 2.75MPa 내지 약 7MPa, 약 3MPa 내지 약 7MPa, 약 3.5MPa 내지 약 7MPa, 약 4MPa 내지 약 7MPa, 또는 약 4MPa 내지 약 6MPa 정도의 압력에서 제공될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력은 상기 터빈 유출구에서의 압력과 실질적으로 동일할 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 분리 후의 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 흐름(65)은 수분을 전혀 포함하지 않거나 실질적으로 수분을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 흐름은 단지 몰 기준으로 1.5% 이하이거나, 몰 기준으로 1.25% 이하이거나, 몰 기준으로 1% 이하이거나, 몰 기준으로 0.9% 이하이거나, 또는 몰 기준으로 0.8% 이하이거나, 몰 기준으로 0.7% 이하이거나, 몰 기준으로 0.6% 이하이거나, 몰 기준으로 0.5% 이하이거나, 몰 기준으로 0.4% 이하이거나, 몰 기준으로 0.3% 이하이거나, 몰 기준으로 0.2% 이하이거나, 또는 몰 기준으로 0.1% 이하인 양의 수증기를 포함하는 것으로서 특징지어질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름은 단지 몰 기준으로 약 0.01% 내지 약 1.5%, 몰 기준으로 약 0.01% 내지 약 1%, 몰 기준으로 약 0.01% 내지 약 0.75%, 몰 기준으로 약 0.01% 내지 약 0.5%, 몰 기준으로 약 0.01% 내지 약 0.25%, 몰 기준으로 약 0.05% 내지 약 0.5%, 또는 몰 기준으로 약 0.05% 내지 약 0.25% 정도의 양으로 수증기를 포함할 수 있다.
물과 같은 2차 성분들의 분리를 용이하게 하도록 전술한 정해진 온도와 압력 조건들에서 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 제공하는 것이 매우 유리할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명은 특히 분리되기 전에 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 내의 상기 이산화탄소(CO2) 및 상기 물이 분리를 용이하게 하는 원하는 상태들에 있게 되는 원하는 조건들하에서 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 유지를 제공할 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 전술한 압력에서 제공함에 의해, 상기 유체 흐름의 온도가 상기 흐름 내의 물이 액체 상태가 되고 이에 따라 상기 가스 상태의 이산화탄소(CO2)로부터 보다 용이하게 분리될 수 있는 점까지 감소될 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체가 완전히 또는 실질적으로 물이 없게 되도록 다른 건조시키는 조건들을 제공하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 물질들의 상(phase)의 차이를 기초로 하는 이산화탄소(CO2) 순환 유체로부터의 물의 분리는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 내에 잔류하는 물의 미소한 부분(즉, 낮은 농도)을 남길 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 내부에 물의 미소한 부분이 남아 있는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체로 계속 진행하는 것도 수용할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 남아 있는 물의 모두 또는 일부의 제거가 용이하도록 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 다른 처리를 거치게 하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 관점에서 적합할 수 있는 건조제 건조기들이나 다른 수단들에 의해 낮은 농도의 물이 제거될 수 있다.
정해진 압력에서 분리기 유닛으로의 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 제공은 전력 사이클의 효율을 다시 최대화하는 데 특히 유익할 수 있다. 특히, 상기 정해진 압력에서의 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 제공은 가스 상태의 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체가 최소한의 전체적인 전력 소모로서 높은 압력까지 압축되는 것을 가능하게 한다. 후술하는 바와 같이, 이러한 가압은 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 일부가 상기 연소기로 재순환될 수 있고 부분적으로 요구되는 파이프라인 압력(예를 들면, 약 10MPa 내지 약 20MPa)에서 공급될 수 있도록 요구될 수 있다. 이러한 사항은 또한 전술한 바와 같이 상기 팽창 터빈의 유출구 압력 비율을 최소화하는 이점들을 나타낸다. 이는 전체적인 사이클 효율을 증가시키게 기능하며, 또한 상기 터빈으로부터 배출 흐름이 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체로부터의 물과 다른 2차 성분들의 분리를 위해 전술한 범위 내에 있게 되는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따른 분리 유닛(52)을 통한 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 유량이 도 6에 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기로부터의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)은 물을 사용하여 이산화탄소(CO2) 순환 유체(60)(또는 임의의 유사한 기능을 수행하는 장치)로부터 열을 더 제거하고 혼합된 상(phase)의 이산화탄소(CO2) 순환 유체(61)를 배출하는 냉각수 열교환기(530)를 통과할 수 있으며, 여기서 상기 이산화탄소(CO2)는 가스를 남기고 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 내의 물은 액체 상태로 전환된다. 예를 들면, 냉각수 열교환기(530)를 통한 이산화탄소(CO2) 순환 유체(60)의 통과는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 약 50℃ 이하이거나, 약 55℃ 이하이거나, 약 40℃ 이하이거나, 약 45℃ 이하이거나, 약 40℃ 이하이거나, 또는 약 30℃ 이하인 온도까지 냉각시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 통과는 냉각수 열교환기(530)를 통하는 통과에 의해 실질적으로 변화되지 않는다. 혼합된 상의 이산화탄소(CO2) 순환 유체(61)는 액상의 물 흐름(62a)이 분리기(520)로부터 배출되는 물 분리 유닛(540)으로 안내된다. 또한, 물 분리 유닛(540)의 배출은 농후화된(enriched) 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(62b)이다. 이러한 농후화된 흐름은 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(65)으로 분리기(520)를 직접 떠날 수 있다. 선택적인 실시예들에 있어서(상기 흐름들과 구성 요소를 점선들로 나타낸 바와 같이), 농후화된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(62b)은 다음에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 2차 성분들을 더욱 제거하기 위하여 하나 또는 그 이상의 추가적인 분리 유닛(550)으로 안내될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 임의의 다른 2차 성분들이 물의 제거 후에 제거될 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 이후에 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체(65)로서 상기 하나 또는 그 이상의 분리 유닛들을 떠난다. 일부 실시예들에 있어서, 그러나, 혼합된 상의 이산화탄소(CO2) 순환 유체(61)는 물의 제거 전에 먼저 하나 또는 그 이상의 2차 성분들의 제거를 위해 안내될 수 있으며, 상기 부분적으로 정제된 흐름은 이후에 물 분리 유닛(540)으로 안내될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 분리기들의 다양한 조합들이 가능하며, 이러한 모든 조합들이 본 발명의 범주에 속함을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 물 이외에도, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 연료-유래의, 연소-유래의 및 산소-유래의 불순물들과 같은 다른 2차 성분들을 함유할 수 있다. 이러한 2차 성분들도 수증기의 분리와 동일하거나 유사한 시간 동안에 상기 냉각된 가스 상태의 이산화탄소(CO2) 순환 유체로부터 제거될 수 있다. 예를 들면, 수증기 이외에도, 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 염산(HCl), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수은(Hg) 및 과잉 산소(O2), 질소(N2) 그리고 아르곤(Ar)과 같은 2차 성분들이 제거될 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 이러한 2차 성분들(흔히 불순물들 또는 오염물들로 인식되는)은 상기 냉각된 이산화탄소(CO2) 순환 유체로부터 적절한 방법들(예를 들면, 여기서 참조로 언급되는 미국 공개 특허 제2008/0226515호와 유럽 특허 출원 EP 1952874 및 EP 1953486에 기재된 방법들)을 이용하여 모두 제거될 수 있다. 상기 이산화황(SO2) 및 삼산화황(SO3)은 황산(sulfuric acid)으로 변화될 수 있는 반면에, 상기 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)는 95% 이하가 질산(nitric acid)으로 변화될 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 내에 존재하는 어떠한 산소(O2)도 상기 연소기로의 선택적인 재순환을 위해 농후화된 흐름으로 분리될 수 있다. 존재하는 임의의 불활성 기체(예를 들면, 질소(N2) 및 아르곤(Ar))는 낮은 압력에서 대기로 방출될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체가 정제될 수 있으므로 연소되는 상기 연료 내의 탄소로부터 유래되는 상기 이산화탄소(CO2)는 궁극적으로 고밀도의 순수한 흐름으로 전달될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 적어도 98.5%의 몰 농도, 적어도 99%의 몰 농도, 적어도 99.5%의 몰 농도, 또는 적어도 99.8%의 몰 농도로 이산화탄소(CO2)를 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 이산화탄소(CO2) 파이프라인 내로의 직접 유입을 위해 원하는 압력, 예를 들면, 적어도 약 10MPa, 적어도 약 15MPa, 또는 적어도 약 20MPa의 압력에서 제공될 수 있다.
전술한 바를 요약하면, 분출 냉각 연소기(220) 내의 산소(O2)(242) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체(236)의 존재하에서 탄소를 함유하는 연료(254)의 연소는 상대적으로 높은 온도와 압력을 갖는 연소 생성물 흐름(40)을 형성할 수 있다.많은 양의 이산화탄소(CO2)를 포함하는 이러한 연소 생성물 흐름(40)은 연소 생성물 흐름(40)을 팽창시키도록 터빈(320)을 통과할 수 있으며, 이에 따라 상기 흐름의 압력을 감소시키고 전력을 생성한다. 터빈(320)의 유출구를 떠나는 터빈 배출 흐름(50)은 감소된 압력이지만, 그러나 여전히 상대적으로 높은 온도를 보유한다. 상기 연소 생성물 흐름 내의 오염물들과 불순물들로 인하여, 상기 시스템 내로 돌아가는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 재순환하기 전에 이러한 오염물들과 불순물들을 분리해 내는 것이 유익하다. 이러한 분리를 달성하기 위하여, 터빈 배출 흐름(50)은 하나 또는 그 이상의 열교환기들(420)을 통하는 통과에 의해 냉각된다. 상기 2차 생성물들(예를 들면, 물과 임의의 다른 오염물들 및 불순물들)의 분리는 전술한 바와 같이 이루어질 수 있다. 상기 연소기로 돌아가는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 재순환하기 위하여, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 다시 가열하고 다시 가압하는 것 모두가 필요하다. 특정 실시예들에 있어서, 본 발명은 동시에 오염물들(예를 들면, 이산화탄소(CO2))의 대기 중으로의 방출을 방지하면서 전력 생성 사이클의 효율을 최대화하는 특정한 공정 단계들의 구현에 의해 특히 특징지어질 수 있다. 이는 특히 상기 분리기를 떠나는 상기 냉각되고 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 재가열 및 재가압과 관련하여 나타날 수 있다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 분리기 유닛들(520)을 떠나는 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체(65)는 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체(65)의 압력을 증가시키도록 하나 또는 그 이상의 가압 유닛(pressurization unit)들(620)(예를 들면, 펌프들, 압축기들 또는 이와 유사한 것들)을 통과할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체(65)는 적어도 약 7.5MPa 또는 적어도 약 8MPa 정도의 압력으로 압축될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 단일의 가압 유닛이 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 압력을 연소기(220) 내로의 도입을 위해 여기서 설명한 원하는 압력까지 증가시키도록 사용될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 가압은 2개 또는 그 이상의 압축기들의 시리즈(예를 들면, 펌프들)를 이용하여 가압 유닛(620) 내에서 수행될 수 있다. 이러한 도 7에 도시한 일 실시예에 있어서, 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체(65)가 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체(65)를 제1 압력(바람직하게는 상기 이산화탄소(CO2)의 임계 압력보다 높은)으로 압축하도록 제1 압축기(630)를 통과하며, 이에 따라 흐름(66)이 형성된다. 흐름(66)은 열(예를 들면, 상기 제1 압축기의 가압하는 동작에 의해 형성되는 열)을 회수하고 바람직하게는 주위 부근의 온도인 흐름(67)을 형성하는 저온 물 열교환기(640)로 안내될 수 있다. 흐름(67)은 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력까지 가압하는 데 사용되는 제2 압축기(650)로 안내될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 제2 압력은, 상기 연소기로 유입(또는 재순환)될 때에 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 위한 원하는 압력과 실질적으로 유사할 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 제1 압축기(630)가 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체(65)의 압력을 증가시키는 데 사용될 수 있으므로 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 가스 상태로부터 초임계의 유체 상태로 변환된다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 제1 압축기(630) 내에서 약 7.5MPa 내지 약 20MPa, 약 7.5MPa 내지 약 15MPa, 약 7.5MPa 내지 약 12MPa, 약 7.5MPa 내지 약 10MPa, 또는 약 8MPa 내지 약 10MPa 정도의 압력까지 가압될 수 있다. 제1 압축기(630)를 떠나는 흐름(66)(초임계의 유체 상태인)은 이후에 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 심지어 보다 큰 압력으로 보다 효과적으로 펌핑할 수 있는 고밀도의 유체를 형성하기에 충분한 온도까지 냉각시킬 수 있는 저온 물 열교환기(640)(또는 임의의 유사한 기능을 수행하는 장치)를 통과한다. 이러한 점은 상기 순환 유체로서 사용을 위해 재순환되는 이산화탄소(CO2)의 큰 체적의 관점에서 중요할 수 있다. 상기 초임계 상태의 이산화탄소(CO2)의 큰 체적의 펌핑(pumping)은 상기 시스템에 대해 상당한 에너지 유출이 될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기 이산화탄소(CO2)를 치밀화하고 이후에 재순환을 위해 상기 연소기로 돌아가는 초임계의 이산화탄소(CO2)의 전체적인 체적을 감소시키는 점을 제공할 수 있으므로 효율적인 면에서 유익하다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 저온 물 열교환기(640)로부터의 방출 후에(그리고 가열을 위해 열교환기 유닛(420)을 통해 통과하기 전에) 적어도 약 200㎏/㎥, 적어도 약 250㎏/㎥, 적어도 약 300㎏/㎥, 적어도 약 350㎏/㎥, 적어도 약 400㎏/㎥, 적어도 약 450㎏/㎥, 적어도 약 500㎏/㎥, 적어도 약 550㎏/㎥, 적어도 약 600㎏/㎥, 적어도 약 650㎏/㎥, 적어도 약 700㎏/㎥, 적어도 약 750㎏/㎥, 적어도 약 800㎏/㎥, 적어도 약 850㎏/㎥, 적어도 약 900㎏/㎥, 적어도 약 950㎏/㎥, 또는 적어도 약 1,000㎏/㎥ 정도의 밀도로 제공될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 밀도는 약 150㎏/㎥ 내지 약 1,100㎏/㎥, 약 200 ㎏/㎥ 내지 약 1,000㎏/㎥, 약 400㎏/㎥ 내지 약 950㎏/㎥, 약 500㎏/㎥ 내지 약 900㎏/㎥, 또는 약 500㎏/㎥ 내지 약 800㎏/㎥ 정도가 될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 저온 물 열교환기(640)를 통한 흐름(66)의 통과는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 약 60℃ 이하이거나, 약 50℃ 이하이거나, 약 40℃ 이하이거나, 또는 약 30℃ 이하인 온도로 냉각시킬 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 흐름(67)으로 저온 물 열교환기(640)를 떠나는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 온도는 약 15℃ 내지 약 50℃, 약 20℃ 내지 약 45℃, 또는 약 20℃ 내지 약 40℃ 정도가 될 수 있다. 제2 압축기(650)로 들어가는 흐름(67) 내의 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체는 바람직하게는 상기 연소기로의 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 도입을 위해 여기서 설명하는 바와 같은 원하는 압력까지 상기 흐름을 효율적으로 펌핑하는 에너지를 용이하게 하는 조건들하에 있다. 예를 들면, 가압되고 초임계인 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)은 더욱 적어도 약 12MPa, 적어도 약 15MPa, 적어도 약 16MPa, 적어도 약 18MPa, 적어도 약 20MPa, 또는 적어도 약 25MPa 정도의 압력으로 더욱 가압될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 가압되고 초임계인 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)은 약 15MPa 내지 약 50MPa, 약 20MPa 내지 약 45MPa, 또는 약 25MPa 내지 약 40MPa 정도의 압력으로 더욱 가압될 수 있다. 고압의 다중-스테이지 펌프와 같이, 전술한 온도들하에서 동작할 수 있고 상술한 압력들의 구현할 수 있는 어떠한 형태의 압축기도 사용될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 가압 유닛들(620)을 떠나는 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)은 터빈 배출 흐름(50)을 냉각시키는 데 이전에 사용되는 상기 열교환기들로 돌아가도록 안내될 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)은 먼저 이산화탄소(CO2) 파이프라인 유체 흐름(80)과 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(85)(상기 흐름 내에 존재하는 이산화탄소(CO2)의 실제의 양을 제외하면 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)과 실질적으로 동일할 수 있는)을 형성하는 흐름 스플리터(720)를 통과할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에 있어서, 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름 내의 상기 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부는 분리를 위하여 가압된 파이프라인으로 도입된다. 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름으로부터 제거되고 상기 파이프라인(또는 다른 분리 혹은 처리 수단들)으로 안내되는 이산화탄소(CO2)의 양은 연소 온도의 제어를 위해 상기 연소기 내로 도입되는 이산화탄소(CO2)의 원하는 함량 및 상기 연소기를 떠나는 연소 배출 흐름 내에 존재하는 이산화탄소(CO2)의 실제 함량에 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 전술한 바와 같이 회수되는 이산화탄소(CO2)의 양은 실질적으로 상기 연소기 내의 탄소를 함유하는 연료로부터 형성되는 이산화탄소(CO2)의 양이 될 수 있다.
고효율의 동작을 구형하기 위하여, 가압 유닛(620)을 떠나는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 초임계의 유체가 보다 낮은 비열을 가지는 온도까지 가열하는 것이 유익하다. 이러한 점은 상대적으로 낮은 온도 범위에 대하여 매우 많은 열 유입을 제공하는 것과 동등하다. 상기 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 일부를 위한 추가적인 열을 제공하는 외부의 열 소스(예를 들면, 상대적으로 저온 열 소소)의 사용은 열교환기(420)(또는 하나 또는 그 이상의 욜 교환기들의 시리즈가 사용될 때는 상기 제1 열교환기)의 고온 단부에서 터빈 배출 흐름(50)과 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(236) 사이의 작은 온도 차이로 열교환기 유닛(420)이 동작하는 것을 가능하게 한다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 통한 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 통과는 상기 연소기 내로의 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 전체를 위한 원하는 온도까지 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 가열하기에 유용할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름은 상기 연소기 내로의 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 유입 전에 적어도 약 200℃, 적어도 약 300℃, 적어도 약 400℃, 적어도 약 500℃, 적어도 약 600℃, 적어도 약 700℃, 또는 적어도 약 800℃ 정도의 온도로 가열된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 가열은 약 500℃ 내지 약 1,200℃, 약 550℃ 내지 약 1,000℃, 또는 약 600℃ 내지 약 950℃의 온도에서 수행될 수 있다.
도 8은 상기 연소기 내로의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(236)의 재순환과 도입 전에, 2차 성분들을 제거하며 동시에 가압되고 초임계인 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)(또는 85)에 열을 추가하기 위한 적절한 조건들하에서 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)을 제공하도록 터빈 배출 흐름(50)으로부터 열을 회수하게 시리즈로 사용되는 3개의 열교환기들이 시리즈로 사용되는 열 교환 유닛(420)의 일 실시예를 도시한 것이다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 시스템들과 방법들은 효율 및/또는 그 출력을 증가시키도록 종래의 전력 시스템들(예를 들면, 석탄 연소 전력 플랜트들)에 새로 장착될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 다음에서 설명하는 열교환기 유닛(420)은 이에 따라 2차 열교환기 유닛도 사용되는(도 12에 도시한 바와 같이) 새로운 장착과 같이 1차 열교환기 유닛으로 언급될 수 있다. 상기 2차 열교환기 유닛은 따라서, 예를 들면 증기 흐름을 과열하는 데 사용되는 하나 또는 그 이상의 열교환기들이 될 수 있다. 1차 열교환기 유닛과 2차 열교환기 유닛이라는 용어들의 사용에 본 발명의 범주가 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 설명의 명확성을 제공하기 위해서만 사용되는 것이다.
도 8에 포함되는 실시예들에 있어서, 터빈 배출 흐름(50)은 터빈 배출 흐름(50)의 온도보다 낮은 온도를 가지는 흐름(52)을 제공하도록 제1 열교환기(430)를 먼저 통과함에 의해 열교환기 시리즈(420)로 들어간다. 제1 열교환기(430)는 상기 시리즈 내에서 가장 뜨거운 흐름, 즉 터빈 배출 흐름(50)을 수용하기 때문에 고온 열교환기로 설명될 수 있으며, 이에 따라 열교환기 시리즈(420) 내에서 가장 높은 온도 범위의 열을 전달한다. 전술한 바와 같이, 상대적으로 높은 온도의 터빈 배출 흐름(50)을 수용하는 제1 열교환기(430)는 전술한 온도들에서 견디는 적절한 열교환기를 구성하는 특별한 합금들이나 다른 물질들을 포함할 수 있다. 터빈 배출 흐름(50)의 온도는 제1 열교환기(430)(3개 이하 또는 3개 이상의 개별적인 열교환기들이 사용되는 다른 실시예들에도 적용될 수 있는)를 통과함에 의해 상당히 감소될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 제1 열교환기(430)를 떠나는 흐름(52)의 온도는 터빈 배출 흐름(50)의 온도보다 적어도 약 100℃, 적어도 약 200℃, 적어도 약 300℃, 적어도 약 400℃, 적어도 약 450℃, 적어도 약 500℃, 적어도 약 550℃, 적어도 약 575℃, 또는 적어도 약 600℃ 정도 낮을 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 흐름(52)의 온도는 약 100℃ 내지 약 800℃, 약 150℃ 내지 약 600℃, 또는 약 200℃ 내지 약 500℃ 정도 낮을 수 있다. 바람직한 실시예들에 있어서, 제1 열교환기(430)를 떠나는 흐름(52)의 압력은 터빈 배출 흐름(50)의 압력과 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 제1 열교환기(430)를 떠나는 흐름(52)의 압력은 터빈 배출 흐름(50)의 압력의 적어도 90%, 적어도 91%, 적어도 92%, 적어도 93%, 적어도 94%, 적어도 95%, 적어도 96%, 적어도 97%, 적어도 98%, 적어도 99%, 적어도 99.5%, 또는 적어도 99.8%가 될 수 있다.
제2 열교환기(44)로 들어가는 흐름(52)의 온도보다 작은 온도를 갖는 흐름(56)을 생성하도록 제1 열교환기(430)를 떠나는 흐름(52)은 제2 열교환기(440)를 통과한다. 제2 열교환기(440)는 중간의 온도 범위(즉, 제1 열교환기(430)보다 작지만 제3 열교환기(450) 보다는 큰)에서 열을 전달하기 때문에 중간 온도 열교환기로 설명될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제1 흐름(52)과 제2 흐름(56) 사이의 온도 차이는 터빈 배출 흐름(50)과 제1 열교환기(430)를 떠나는 흐름(52) 사이의 온도 차이 보다 실질적으로 작을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제2 열교환기(440)를 떠나는 흐름(56)의 온도는 제2 열교환기(440)로 들어가는 흐름(52)의 온도 보다 약 10℃ 내지 약 200℃, 약 20℃ 내지 약 175℃, 약 30℃ 내지 약 150℃, 또는 약 40℃ 내지 약 140℃ 정도 낮을 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 흐름(56)의 온도는 약 75℃ 내지 약 600℃, 약 100℃ 내지 약 400℃, 또는 약 100℃ 내지 약 300℃ 정도가 될 수 있다. 다시, 제2 열교환기(440)를 떠나는 흐름(56)의 압력이 제2 열교환기(440)로 들어가는 흐름(520의 압력과 실질적으로 유사한 것이 바람직할 수 있다. 특히, 제2 열교환기(440)를 떠나는 흐름(56)의 압력은 제2 열교환기(440)로 들어가는 흐름(52)의 압력의 적어도 90%, 적어도 91%, 적어도 92%, 적어도 93%, 적어도 94%, 적어도 95%, 적어도 96%, 적어도 97%, 적어도 98%, 적어도 99%, 적어도 99.5%, 또는 적어도 99.8%가 될 수 있다.
제3 열교환기(450)로 들어가는 흐름(56)의 온도보다 낮은 온도를 갖는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)을 생성하도록 제2 열교환기(440)를 떠나는 흐름(56)은 제3 열교환기(450)를 통과한다. 제3 열교환기(450)는 열전달 시리즈(420)의 가장 낮은 온도 범위에서 열을 전달하기 때문에 저온 열교환기로 설명될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제3 열교환기(450)를 떠나는 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)의 온도는 제3 열교환기(450)로 들어가는 흐름(56)의 온도 보다 약 10℃ 내지 약 250℃, 약 15℃ 내지 약 200℃, 약 20℃ 내지 약 175℃, 또는 약 25℃ 내지 약 150℃ 정도 낮을 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 흐름(60)의 온도는 약 40℃ 내지 약 200℃, 약 40℃ 내지 약 100℃, 또는 약 40℃ 내지 약 90℃ 정도가 될 수 있다. 다시, 제3 열교환기(450)를 떠나는 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)의 압력이 제3 열교환기(450)로 들어가는 흐름(56)의 압력과 실질적으로 유사한 것이 바람직할 수 있다. 특히, 제3 열교환기(450)를 떠나는 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)의 압력은 제3 열교환기(450)로 들어가는 흐름(56)의 압력의 적어도 90%, 적어도 91%, 적어도 92%, 적어도 93%, 적어도 94%, 적어도 95%, 적어도 96%, 적어도 97%, 적어도 98%, 적어도 99%, 적어도 99.5%, 또는 적어도 99.8% 정도가 될 수 있다.
제3 열교환기(450)를 떠나는 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)(그리고 이에 따라 대체로 열교환기(420)를 떠나는)은 상술한 바와 같이 하나 또는 그 이상의 분리 유닛들(520)로 안내될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름은, 상기 재순환된 순환 유체(대기 중으로의 방출이 없이 이산화탄소(CO2) 파이프라인 또는 다른 분리 혹은 처리 수단들 내로의 도입을 위해 분리되는 이산화탄소(CO2)의 일부를 선택적으로 포함하는)로서 상기 연소기로 복귀를 위해 이후에 가압되는 상기 흐름으로부터 2차 성분들을 제거하도록 하나 또는 그 이상의 형태의 분리기들을 지나갈 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)(또는, 도 5에 도시한 바와 같이 분리 장치를 먼저 통과할 경우에는 85)은 동일한 3개의 열교환기들의 시리즈를 통해 돌아가도록 안내될 수 있으므로, 열교환기들을 경유해 최초에 회수된 상기 열이 연소기(220) 내로 유입되기 전에 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)에 열을 부과하는 데 사용될 수 있다. 통상적으로, 상기 3개의 열교환기들(450, 440, 430)의 통과에 의해 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)에 부여되는 열은 전술한 바와 같이 상기 열교환기들에 의해 회수되는 열에 상대적으로 비례할 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 본 발명은 상기 열교환기(또는 시리즈 내의 마지막 열교환기)의 저온 단부를 떠나고 들어가는 흐름들의 온도 차이에 의해 특징지어질 수 있다. 도 8을 참조하면, 이는 특히 흐름들(60, 70)의 온도 차이에 관련될 수 있다. 상기 열교환기(상기 시리즈 내의 마지막 열교환기)의 저온 단부에서 상기 흐름들의 이러한 온도 차이는 특히 0(zero)보다 크고, 약 2℃ 내지 약 50℃, 약 3℃ 내지 약 40℃, 약 4℃ 내지 약 30℃, 또는 약 5℃ 내지 약 20℃ 정도의 범위가 될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)은 상기 3개의 열교환기들을 차례로 직접 통과할 수 있다. 예를 들면, 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)(즉, 상대적으로 낮은 온도에서)은 증가된 온도에서 흐름(71)을 형성하도록 제3 열교환기(450)를 통과할 수 있고, 증가된 온도에서 흐름(73)을 형성하도록 제2 열교환기(440)를 직접 통과할 수 있으며, 연소기(220)로 안내될 수 있는 고온이고, 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(236)을 형성하도록 제1 열교환기(430)를 직접 통과할 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 그러나, 본 발명은 상기 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 온도를 더욱 증가시키는 외부의 열 소스의 사용으로 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 도 8에 예시한 바와 같이, 제3 열교환기(450)를 통한 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)의 통과 후에, 형성된 흐름(71)은 제2 열교환기(440)를 직접 통과하는 대신에 흐름(71)을 2개의 흐름들(71b, 72a)로 분리하는 분기 구성 요소(460)를 통과할 수 있다. 흐름(71b)은 그렇지 않으면 전술한 바와 같이 제2 열교환기(440)를 통과할 수 있다. 흐름(72a)은 상기 열교환기들 자체에 의해 부여되는 열 이외에도 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)에 추가적인 열의 양을 제공하는 데 사용될 수 있는 측부 가열기(470)를 통과할 수 있다. 흐름(71)으로부터 제2 열교환기(440) 및 측부 가열기(470)로 안내되는 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 상대적인 양들은 상기 시스템의 동작 조건들 및 연소기(220)로의 유입을 위한 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 원하는 최종적인 온도에 따라 변화될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 제2 열교환기(440)로 안내되는 흐름(71b)과 측부 가열기(470)로 안내되는 흐름(72) 내의 이산화탄소(CO2)의 몰 비율은 약 1：2 내지 약 20：1(즉, 흐름(72a) 내의 2몰의 이산화탄소(CO2) 당 흐름(71b) 내의 약 1몰의 이산화탄소(CO2) 내지 흐름(72a) 내의 1몰의 이산화탄소(CO2) 당 흐름(71b) 내의 약 20몰의 이산화탄소(CO2)) 정도가 될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 제2 열교환기(440)로 안내되는 흐름(71b)과 측부 가열기(470)로 안내되는 흐름(72a) 내의 이산화탄소(CO2)의 몰 비율은 약 1：1 내지 약 20：1, 약 2：1 내지 약 16：1, 약 2：1 내지 약 12：1, 약 2：1 내지 약 10：1, 약 2：1 내지 약 8：1, 또는 약 4：1 내지 약 6：1 정도가 될 수 있다.
상기 측부 가열기는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체에 열을 부여하는 데 유용한 임의의 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 측부 가열기에 의해 제공되는 에너지(즉, 열)는 외측 소스로부터 상기 시스템 내로의 유입이 될 수 있다. 본 발명에 따른 특정한 실시예들에 있어서, 상기 사이클의 효율은 상기 사이클의 하나 또는 그 이상의 지점에서 발생되는 폐기 열을 활용함에 의해 증가될 수 있다. 예를 들면, 상기 연소기 내로 유입을 위한 산소(O2)의 생성은 열을 발생시킬 수 있다. 알려진 공기 분리 유닛들은 상기 분리 공정의 부산물(by-product)로서 열을 발생시킬 수 있다. 더욱이, 전술한 바와 같이 증가된 온도에서 제공되는 상기 산소(O2)가 제공되고, 상기 가스의 가압이 또한 부산물로서 열을 생성할 수 있는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 산소(O2)는 주위 온도 보존 냉각(ambient temperature conserving refrigeration)을 효과적으로 가열하는 액상의 산소의 펌핑에 의해 상기 공정에서 상기 산소가 가압되는 극저온 공기 분리 공정의 수행에 의해 생성될 수 있다. 이러한 극저온 펌핑 산소 플랜트는 2개의 공기 압축기들을 포함할 수 있으며, 이들 모두는 중간-스테이지 냉각 없이 단열적으로 동작할 수 있으므로 뜨겁고 가압된 공기가 외부의 소스에 의해 가열되는 흐름(예를 들면, 도 8의 흐름(72a))의 온도에 가깝거나 및/또는 그 보다 높은 온도까지 하향 냉각 될 수 있다. 해당 기술 분야의 설정에 있어서, 이러한 열은 2차 냉각 시스템들이 상기 부산물 열을 제거하도록 요구되는 경우에 상기 시스템에 대해 활용되거나 실제로 배출될 수 있다. 본 발명에 있어서, 그러나, 냉각제가 상기 공기 분리 공정으로부터 생성된 열을 회수하고, 도 8에 도시한 측부 가열기로 열을 제공하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 측부 가열기는 그 자체가 상기 공기 분리 유닛(또는 관련된 장치)이 될 수 있으며, 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체(예를 들면, 도 8의 흐름(72a))는 그 자체가 상기 공기 분리 공정에서 생성된 열을 회수하는 상기 공기 분리 유닛과 관련되는 냉각제 시스템을 통해 직접 안내될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 추가된 열은 상기 이산화탄소(CO2) 압축기의 단열적인 동작과 상기 고압의 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 일부를 가열하도록 압축 열을 전달하는 순환하는 열전달 유체에 대항하는 후-냉각기(after-cooler)들 내의 압축 열의 제거 또는 상기 고압이고 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(예를 들면, 도 8의 흐름(72a))에 직접 열을 전달함에 의해 얻어질 수 있다. 또한, 이러한 열의 추가가 도 8과 관련하여 설명하는 위치에 한정될 필요는 없지만, 그러나 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체로부터의 상기 2차 성분들의 분리 후의(그러나 바람직하게는 상기 연소기 내로의 유입으로부터 직접 상향 흐름으로 상기 열교환기를 통하는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 통로 전에) 임의의 지점에서 상기 사이클에 대한 유입이 될 수 있다. 물론, 적합한 응결 온도에서 증기 공급 또는 종래의 개방형 사이클 가스 터빈으로부터 고온의 배출 가스의 사용과 같은 상기 발전 사이클에서 발생되는 폐기물을 활용하는 어떠한 유사한 방법도 본 발명의 범주에 속할 수 있다. 측부 가열기(470)에 의해 부여되는 열의 양은 연소기(220) 내로 유입을 위한 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(236)을 위하여 달성되는 궁극적인 온도뿐만 아니라 사용되는 물질들과 장치들에 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 측부 가열기(470)는 흐름(72a)의 온도를 적어도 약 10℃, 적어도 약 20℃, 적어도 약 30℃, 적어도 약 40℃, 적어도 약 50℃, 적어도 약 60℃, 적어도 약 70℃, 적어도 약 80℃, 적어도 약 90℃, 또는 적어도 약 100℃ 정도로 효과적으로 증가시킨다. 다른 실시예들에 있어서, 측부 가열기(470)는 흐름(72a)의 온도를 약 10℃ 내지 약 200℃, 약 50℃ 내지 약 175℃, 또는 약 75℃ 내지 약 150℃로 효율적으로 증가시킨다. 특정한 실시예들에 있어서, 측부 가열기(470)는 흐름(72a)의 온도를 열교환기(440)를 떠나는 흐름(73)의 온도에 대해 적어도 약 15℃ 이내, 적어도 약 12℃ 이내, 적어도 약 10℃ 이내, 적어도 약 7℃ 이내, 또는 적어도 약 5℃ 이내로 증가시킨다.
또 다른 열 소스의 추가에 의해, 제3 열교환기(450)를 떠나는 흐름(71)은, 상기 흐름 내의 이산화탄소(CO2)의 전체적인 양이 제2 열교환기(440)를 통해 안내되었을 경우에 제2 열교환기(440) 내의 열을 흐름(71)을 가열하는 데 사용할 수 있는 능력을 넘어서 과열될 수 있다. 상기 흐름을 분리시킴에 의해, 측부 가열기(470)로부터의 사용 가능한 열이 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(72a)의 부분적인 함량에 완전히 부여될 수 있는 반면에, 제2 열교환기(440) 내의 사용 가능한 열이 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(71b)의 부분적인 함량에 완전히 부여될 수 있다. 따라서, 선택적인 분리 방법이 활용될 때에 제1 열교환기(430)로 들어가는 상기 결합된 흐름의 온도가 전술한 바와 같이 분리되고 독립적으로 가열되는 대신에 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(71)의 전체적인 양이 제2 열교환기(440)로 안내될 경우에 제2 열교환기(440)를 떠나는 흐름(73)의 온도보다 클 수 있음을 볼 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 분리 방법에 의해 얻어진 증가된 열은 상기 연소기로의 유입 전에 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(236)이 충분히 가열되었는지 그렇지 않은지를 제한하기에 상당히 충분할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 분리기(450)를 떠나는 흐름(71b)은 흐름(73)을 측부 가열기(470)로부터 방출되는 흐름(72b)과 결합시키는 혼합기(480)로 안내되는 흐름(73)을 형성하도록 제2 열교환기(440)를 통과한다. 상기 결합된 흐름(74)은 이후에 제1 열교환기(430)를 떠날 때에 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 상기 터빈 배출 흐름의 온도에 실질적으로 가까운 온도까지 가열하도록 제1 열교환기(430)를 통과한다. 상기 제1 열교환기의 고온 단부에서 상기 유체 흐름들의 온도들의 이러한 근접성은 3개 또는 3개 이상의 열교환기들이 사용되고 상기 터빈으로부터의 배출 후에 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체가 통과하는 상기 제1 열교환기에 적용될 수 있는 본 발명의 또 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 상기 제1 열교환기의 고온 단부에서 상기 흐름들의 온도의 이러한 근접성을 구현하는 능력은 원하는 효율 수준들을 획득하기 위하여 본 발명의 중요한 특징이 될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 터빈으로부터 연이어(즉, 상기 터빈 내에서의 팽창 후) 상기 열교환기로 들어가는 상기 터빈 배출 흐름의 온도 및 상기 연소기 내로의 재순환을 위해 상기 열교환기를 떠나는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 온도 사이의 차이는 약 80℃ 이하이거나, 약 75℃ 이하이거나, 약 70℃ 이하이거나, 약 65℃ 이하이거나, 약 60℃ 이하이거나, 약 55℃ 이하이거나, 약 50℃ 이하이거나, 약 45℃ 이하이거나, 약 40℃ 이하이거나, 약 35℃ 이하이거나, 약 30℃ 이하이거나, 약 25℃ 이하이거나, 약 20℃ 이하이거나, 또는 약 15℃ 이하일 수 있다.
전술한 바로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 시스템들과 방법들의 효율은 터빈 배출 흐름(50)과 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(236) 사이의 열교환기(420)(또는 도 8에 도시한 시리즈 내의 제1 열교환기(430))의 고온 단부에서의 온도 차이를 정밀하게 조절함에 의해 크게 증가될 수 있다. 바람직한 실시예들에 있어서, 이러한 온도 차이는 50℃ 이하이다. 이론에 의해 한정되기를 바라지는 않지만, 본 발명에 따르면 상기 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 가열하기 위해 사용 가능한 열(예를 들면, 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들 내의 터빈 배출 흐름으로부터 회수되는 열)이 상기 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 전체적인 흐름을 충분하게 가열하기에 부족할 수 있다. 본 발명은 이러한 사항이 흐름(71)을 열교환기(440)로 들어가는 흐름(71b)과 추가적인 열을 제공하는 외부의 열 소스(470)로 들어가는 흐름(72a)으로 분리시킴에 의해 극복될 수 있으며, 열의 외부 소스는, 이미 전술한 바와 같이, 외부의 열 소스(470)를 떠나는 흐름(72b)의 온도를 열교환기(440)를 떠나는 흐름(73)의 온도에 실질적으로 가깝게 상승시킨다. 흐름들(72b, 73)은 이후에 결합하여 흐름(74)을 형성한다. 흐름(71b)(그리고 또한 흐름(72a))의 유량(flow-rate)은 열교환기(440)의 저온 단부에서의 온도 차이에 의해 제어될 수 있다. 전술한 열의 부족을 극복하기 위해 요구되는 외부 열의 양은 흐름(56)의 온도를 가능한 한 낮추고 이후에 열교환기(440)의 저온 단부 온도 차이를 최소화함에 의해 최소화될 수 있다. 연소 생성물들로부터 야기되는 흐름(56) 내에 존재하는 수증기는 흐름(56)의 연소에 따른 온도와 그 압력에서 그의 이슬점에 도달한다. 이러한 온도 아래서 물의 응결은 흐름(60)에 대한 흐름(56)의 유효 열 용량(mCp)을 크게 증가시키며, 흐름(71)에 대한 전체적인 재순환 흐름(70)을 가열하는 데 요구되는 모든 열을 제공한다. 열교환기(440)를 떠나는 흐름(56)의 온도는 바람직하게는 흐름(56)의 이슬점의 약 5℃ 이내가 될 수 있다. 열교환기(440)의 저온 단부에서 흐름들(56, 71) 사이의 온도 차이는, 바람직하게는 적어도 약 3℃, 적어도 약 6℃, 적어도 약 9℃, 적어도 약 12℃, 적어도 약 15℃, 적어도 약 18℃, 또는 적어도 약 20℃ 정도가 될 수 있다.
도 5를 다시 참조하면, 이산화탄소(CO2) 순환 유체(236)는, 적어도 하나의 열교환기(420)와 관련하여 설명한 바와 같이, 연소기(220) 내로의 재순환 전에 예열될 수 있으며, 확장 터빈(320)의 통과 후에 뜨거운 터빈 배출 흐름(50)을 수용한다. 상기 사이클의 효율을 최대화하기 위하여, 고온 가스 유입구 통로 및 많은 응력의 터빈 블레이드들을 구성하기 위해 사용할 수 있는 물질들과 일치하는 유입구 온도뿐만 아니라 상기 시스템 동작 압력들과 일치하는 열교환기(420)에서 허용될 수 있는 최대의 온도에서 가능한 한 높게 팽창 터빈(320)을 동작시키는 것이 유용할 수 있다. 상기 터빈 유입구 흐름의 고온 유입 통로와 터빈 블레이드들의 제1 열들은 임의의 유용한 수단들에 의해 냉각될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 효율은 높은 압력의 일부를 사용함에 의해 최대화될 수 있다. 재순환 이산화탄소(CO2) 순환 유체. 특히, 보다 낮은 온도의 이산화탄소(CO2) 순환 유체(예를 들면, 약 50℃ 내지 약 200℃의 범위)는 열교환기(420)의 저온 단부 전에 상기 사이클로부터 또는 다중 열교환기 유닛들의 시리즈가 사용될 때는 열교환기(420) 내의 중간 지점으로부터(예를 들면, 도 8의 흐름들(71, 72a, 71b, 72b, 73 또는 74)로부터) 회수될 수 있다. 상기 블레이드 냉각 유체는 상기 터빈 블레이드 내의 홀들로부터 배출될 수 있고 상기 터빈 흐름 내로 직접 유입될 수 있다.
여기서 설명하는 바와 같이 상기 분출 냉각 연소기와 같은 고효율 버너의 동작은 과잉의 산소 농도(약 0.1%의 몰 농도 내지 약 5%의 몰 농도의 범위와 같은)를 갖는 산화제 기체인 연소 가스를 생성할 수 있다. 선택적으로, 상기 연소기는 하나 또는 그 이상의 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 황화수소(H2S) 및 암모니아(NH3)의 임의의 농도들을 갖는 환원성 가스인 연소 가스를 생성할 수 있다. 이는 본 발명에 따라서 단지 하나의 터빈 유닛 또는 터빈 유닛들의 시리즈(예를 들면, 2, 3 또는 그 이상의 유닛들)를 갖는 전력 터빈의 사용이 가능한 점에서 특히 유익하다. 유익하게는, 유닛들의 시리즈를 이용하는 특정한 실시예들에 있어서, 모든 유닛들이 동일한 유입구 온도로 동작할 수 있고, 이는 주어진 제1 터빈 공급 압력 및 전체적인 압력 비율을 위한 전력 출력의 최대화를 가능하게 한다.
상기 환원 모드에서 직렬로 동작하는 2개의 터빈들(330, 340)을 활용하는 터빈 유닛(320)의 일 예가 도 9에 도시된다. 도시된 바와 같이, 연소 생성물 흐름(40)은 제1 터빈(330)으로 안내된다. 이와 같은 실시예들에 있어서, 연소 생성물 흐름(40)은 (예를 들면, 사용되는 연료, 사용되는 산소(O2)의 양 및 상기 연소기의 동작 조건들의 조절을 통해) 전술한 바와 같이 그 내부의 하나 또는 그 이상의 연소 가능한 성분들을 갖는 환원 가스기 되도록 설계된다. 연소 생성물 흐름(40)은 전력을 생성(이러한 예시에서는 도시되지 않았지만 전기 발전기와 관련되는 것과 같이)하고 제1 배출 흐름(42)을 형성하도록 제1 터빈(330)에 걸쳐 팽창된다. 제2 터빈(340) 내로 도입되기 전에, 산소(O2)의 소정의 양이 제1 터빈 배출 흐름(42) 내에 존재하는 탈 수 있는 성분들을 연소시키도록 제1 터빈 배출 흐름(42)에 추가될 수 있다. 이는 제2 터빈 유닛(340)에서 상기 유입구 온도를 제1 터빈 유닛(330)을 위한 유입구 온도와 실질적으로 동일한 값으로 상승시키는 반면에 과잉의 산소를 남긴다. 예를 들면, 제1 터빈 유닛(330)으로부터의 배출 흐름(42)의 온도는 약 500℃ 내지 약 1,000℃의 범위가 될 수 있다. 상기 환원 모드의 경우, 이러한 온도에서 배출 흐름(42)에 대한 산소(O2)의 추가는 제1 터빈 유닛(330)으로 유입 전에 연소 챔버(220)를 떠나는 연소 생성물 흐름(40)의 온도 범위와 실질적으로 동일한 약 700℃ 내지 약 1,600℃ 범위의 온도로 과잉의 연료 가스를 연소시킴에 의해 가열되는 상기 흐름 내의 기체를 야기할 수 있다. 다시 말하면, 상기 2개의 터빈들의 각 유입구에서의 동작 온도는 실질적으로 동일하다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 터빈들의 유입구에서 동작 온도는 단지 약 10% 정도, 단지 약 9% 정도, 단지 약 8% 정도, 단지 약 7% 정도, 또는 단지 약 6% 정도, 단지 약 5% 정도, 단지 약 4% 정도, 단지 약 3% 정도, 단지 약 2% 정도, 또는 단지 약 1% 정도 다르다. 다른 터빈 유닛들을 위한 유사한 재가열 단계들도 상기 확대된 잔여 연료 잔류물들에 대해 수행될 수 있다. 연소는 요구되는 경우에는 상기 산소 공급 연소 공간 내의 적절한 촉매의 사용에 의하여 향상될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 여기서 설명하는 전력 사이클은 종래의 랭킨 사이클(Rankine cycle) 발전기(power station)의 증기 과열 사이클 내로의 고온이고 고압인 가열 유체(예를 들면, 여기서 설명하는 터빈 배출 흐름)의 도입에 의하는 것과 같이 현존하는 발전기들에 새로 장착될 수 있다. 이는 비등수형 원자로(boiling water reactor; BWR) 또는 가압경수형 원자로(pressurized water reactor; PWR) 가열 사이클을 갖는 석탄 연소 또는 원자력 발전기일 수 있다. 이는 상기 증기를 현재의 시스템에서 과열되는 증기의 최대 온도보다 훨씬 높은 온도로 과열함에 의해 상기 증기 랭킨 발전기의 효율과 전력 출력을 효과적으로 증가시킨다. 분쇄 석탄 연소 보일러의 경우에 있어서, 원자력 발전기 내의 증기 조건들이 일반적으로 약 320℃까지인 반면에, 상기 증기 온도는 현재 약 600℃의 최대까지 상승된다. 본 발명의 시스템들 및 방법들에 따른 열교환기로 가능한 과열을 이용함으로써, 흐름 온도는 700℃ 이상으로 상승될 수 있다. 상기 증기를 과열하도록 연소된 추가적인 연료가 증기 응축의 양을 증가시키지 않고 상기 증기 베이스의 발전기 내에서 여분의 전력으로 변화되기 때문에 이러한 점은 여분의 축동력(shaft power)으로 열 에너지의 전환을 가져온다. 이와 같은 점은 2차 열교환기 유닛의 제공에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 방법들 및 시스템들과 관련하여 설명되는 상기 터빈 배출 흐름은 여기서 달리 설명하는 바와 같이 상기 1차 열교환기 유닛의 통과 전에 상기 2차 열교환기 유닛을 통해 안내될 수 있다. 상기 2차 열교환기 유닛으로부터 얻어지는 열은 전술한 바와 같이 상기 보일러로부터의 증기를 과열시키는 데 사용될 수 있다. 상기 과열된 흐름은 전력을 발생시키도록 하나 또는 그 이상의 터빈들로 안내될 수 있다. 상기 2차 열교환기 유닛을 통한 통로 후의 상기 터빈 배출 흐름은 여기서 다르게 설명하는 바와 같이 상기 1차 열교환기 유닛으로 안내될 수 있다. 이러한 시스템과 방법은 실험예 2를 통해 설명되고 도 12에 도시된다. 또한, 상기 최후의 증기 터빈의 유입으로부터 낮은 압력의 증기를 얻는 것과 전술한 바와 같이 이를 상기 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 일부를 가열하는 데 사용하는 것이 가능하다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 증기 전력 스테이션으로부터의 응축물은 상기 열교환기 유닛의 저온 단부(예를 들면, 일부 실시예들에서 약 80℃의 온도)를 떠나는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 이용하는 탈기(de-aeration) 전에 중간 온도에서 가열될 수 있다. 이러한 가열은 통상적으로 최후의 LP 증기 터빈 스테이지에 대한 유입으로부터 얻어지는 블리드 흐름(bleed stream)을 이용하므로 존재하는 측부 흐름 가열을 위해 부족한 상기 증기 발전기 효율에 대한 알짜 효과(net effect)가 블리드 흐름을 유지하는 응축물의 예열에 의해 보상된다.
상술한 통상적인 발전을 위한 방법(즉, 전력 사이클)은 여기서 설명하는 적합한 발전 시스템들을 이용하여 본 발명에 따라 구현될 수 있다. 통상적으로, 본 발명에 따른 전력 생성 시스템은 발전 방법과 관련하여 여기서 설명되는 임의의 구성 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 발전 시스템은 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 존재에서 탄소를 함유하는 연료를 연소시키기 위한 연소기를 포함할 수 있다. 특히, 상기 연소기는 여기서 설명하는 바와 같이 분출 냉각 연소기일 수 있지만, 그러나, 여기서 달리 설명하는 조건들하에서 동작할 수 있는 다른 연소기들도 사용될 수 있다. 상기 연소기는 특히 그가 동작할 뿐만 아니라 상기 연소기 자체의 특정한 구성 요소들하에서 연소 조건들과 관련하여 특징지어질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 시스템은 상기 탄소를 함유하는 연료(및 선택적으로는 유동화 매체), 상기 산소(O2), 그리고 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 제공하기 위하여 하나 또는 그 이상의 인젝터들을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 액체 슬래그 제거를 위한 구성 요소들을 포함할 수 있다. 상기 연소기는 상기 가스로부터 고체 회분 입자들이 효과적으로 여과되며, 상기 가스가 급속 냉각된 이산화탄소(CO2)와 혼합되고 제2 연소기 내에서 연소되는 온도에서 연료 가스를 생성할 수 있다. 상기 연소기는 여기서 설명하는 압력 및 온도들에서 이산화탄소(CO2)를 포함하는 연소 생성물 흐름을 제공하도록 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 존재에서 상기 탄소를 함유하는 연료를 연소시키는 적어도 하나의 연소 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 연소기와 유체 연통되는 발전 터빈을 포함할 수 있다. 상기 터빈은 상기 연소 생성물 흐름을 수용하는 유입구와 이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름의 방출을 위한 유출구를 가질 수 있다. 전력은 상기 유체 흐름이 팽창됨에 따라 생성될 수 있으며, 상기 터빈은, 여기서 설명하는 바와 같이 상기 유체 흐름이 원하는 압력 비율(Ip/Op)에서 유지되도록 설계된다.
상기 시스템은 상기 터빈 배출 흐름을 수용하고 냉각된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 형성하도록 상기 흐름을 냉각시키기 위해 상기 터빈과 유체 연통하는 적어도 하나의 열교환기를 더 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상기 적어도 하나의 열교환기는 상기 연소기로 유입되는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 가열에 이용될 수 있다. 상기 열교환기(들)는 특히 여기서 설명하는 바와 같이 특정한 조건들하에서 동작을 가능하게 하도록 구성되는 상기 물질들과 관련하여 특징지어질 수 있다.
상기 시스템은 또한 상기 열교환기를 떠나는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름으로부터 이산화탄소(CO2)를 분리하기 위해 하나 또는 그 이상의 장치들과 회수 또는 처리를 위해 하나 또는 그 이상의 다른 구성 요소들을 포함할 수 있다. 특히, 상기 시스템은 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름으로부터 물(또는 여기서 설명하는 다른 불순물들)을 분리하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 상기 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 압축시키기 위하여 적어도 하나의 열교환기와 유체 연통하는(및/또는 하나 또는 그 이상의 분리 장치들과 유체 연통하는)하나 또는 그 이상의 장치들(예를 들면, 압축기들)을 더 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 시스템은 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 2개의 흐름들로 분리하는 수단을 포함할 수 있으며, 하나의 흐름은 상기 연소기 내로 상기 열교환기를 통과하고 제2 흐름은 가압된 파이프라인(또는 상기 이산화탄소(CO2)의 격리 및/또는 처리를 위한 다른 수단) 내로 전달된다.
일부 실시예들에 있어서, 또 다른 구성 요소들도 상기 시스템 내에 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 시스템은 산소(O2)를 상기 연소기 내로(또는 인젝터 혹은 하나 또는 그 이상의 다른 물질들과 산소(O2)를 혼합하기 위한 유사한 장치) 전달하는 산소(O2) 분리기 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 공기 분리 유닛은 열을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 시스템이 상기 공기 분리기 유닛으로부터 상기 연소기로부터 상향 흐름인 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름에 열을 전달하는 하나 또는 그 이상의 열전달 구성 요소들을 더 포함하는 것이 유용할 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 시스템은 발전 사이클 및 전력을 생성하는 방법들과 관련하여 여기서 달리 설명되는 임의의 그리고 모든 구성 요소들을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 연소에 연소 불가능한 잔류물을 남기는 연료(석탄과 같은)를 사용하는 전력 생성에 특히 유용한 시스템들과 방법들 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 이러한 연소 불가능한 물질들은 도 4에 도시한 오염물 제거 장치와 같은 적정한 장치를 이용하여 상기 연소 생성물 흐름으로부터 제거될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 그러나, 도 10에 도시한 바와 같이 다중-연소기 시스템과 방법을 이용하여 연소 불가능한 물질들을 관리하는 것이 유용할 수 있다.
도 10에 도시한 바와 같이, 석탄 연료(254)는 가루로 된 석탄이 제공되도록 분쇄 장치(mill apparatus)(900)를 통과할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 석탄 연료(254)는 미립자화되는 조건으로 제공될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 석탄은 약 10m 내지 약 500m, 약 25m 내지 약 400m, 또는 약 50m 내지 약 200m 정도의 평균 입자 사이즈를 가질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 석탄은 약 500m, 450m, 400m, 350m, 300m, 250m, 200m, 150m, 또는 100m 보다 작은 평균 크기를 갖는 석탄 입자들보다 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 또는 99.5% 큰 것으로 설명될 수 있다. 가루로 된 석탄은 슬러리 형태의 석탄을 제공하도록 유동화 물질과 결합될 수 있다. 도 10에 있어서, 가루로 된 석탄은 혼합기(910) 내에서 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체로부터의 이산화탄소(CO2) 측부 인출(68)과 결합된다. 도 10에 있어서, 이산화탄소(CO2) 측부 인출(68)은 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 초임계이고, 고밀도 상태로 제공하도록 처리가 수행된 흐름(67)으로부터 회수된다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 석탄 슬러리를 형성하도록 제공되는 상기 이산화탄소(CO2) 약 450㎏/㎥ 내지 약 1,100㎏/㎥의 밀도를 가질 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 이산화탄소(CO2) 측부 인출(side draw)(68)은 예를 들면, 상기 미립자 석탄의 약 10중량% 내지 약 75중량% 사이 또는 약 25중량% 내지 약 55중량% 사이인 슬러리(255)를 형성하도록 상기 미립자 석탄과 협력할 수 있다. 더욱이, 상기 슬러리를 형성하는 데 사용되는 측부 인출(68)로부터의 상기 이산화탄소(CO2)는 약 0℃ 이하이거나, 약 -10℃ 이하이거나, 약 -20℃ 이하이거나, 또는 약 -30℃ 이하인 온도일 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 슬러리를 형성하기 위해 사용되는 측부 인출(68)로부터의 상기 이산화탄소(CO2)는 약 0℃ 내지 약 -60℃, 약 -10℃ 내지 약 -50℃, 또는 약 -18℃ 내지 약 -40℃ 정도의 온도가 될 수 있다.
가루로 된 석탄/이산화탄소(CO2) 슬러리(255)는 혼합기(mixer)(910)로부터 펌프(920)를 경유하여 부분 산화 연소기(930)로 전달된다. 산소(O2) 흐름은 여기서 설명하는 바와 같이 공기(241)를 정제된 산소(O2)로 분리하는 공기 분리 유닛(30)을 사용하여 형성된다. 상기 산소(O2) 흐름은 부분 산화 연소기(930)로 안내되는 산소(O2) 흐름(243)과 연소기(220)로 안내되는 산소(O2) 흐름(242)으로 분리된다. 도 10의 실시예에 있어서, 이산화탄소(CO2) 흐름(86)은 냉각 부분 산화 연소기(930)를 냉각시키기 위하여 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(85)으로부터 회수된다. 또 다른 실시예들에 있어서, 부분 산화 연소기(930)의 냉각을 위해 사용되는 이산화탄소(CO2)는 흐름(86) 대신에 얻어질 수 있거나, 상기 이산화탄소(CO2)는 흐름(86) 및 흐름(236) 모두로부터 얻어질 수 있다. 바람직하게는, 회수되는 이산화탄소(CO2)의 양은 흐름(256)의 온도를 냉각시키기에 충분하므로 회분이 안전하게 제거될 수 있는 고체 형태 내에 존재하게 된다. 여기서 달리 설명하는 바와 같이, 상기 이산화탄소(CO2), 상기 석탄 및 상기 산소(O2)는 상기 석탄이 부분적으로만 산화되어 이산화탄소(CO2)와 함께 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 황화수소(H2S) 및 암모니아(NH3) 중에서 하나 또는 그 이상을 포함하는 부분적으로 산화된 연소 생성물 흐름(256)을 생성하는 비율들로 부분 산화 연소기(930) 내로 제공된다. 상기 이산화탄소(CO2), 석탄 및 산소(O2)는 또한 부분적으로 산화된 연소 생성물 흐름(256)의 온도가 충분하게 낮으므로 흐름(256) 내에 존재하는 모든 회분이 하나 또는 그 이상의 원심 분리기들 및/또는 필터들에 의해 용이하게 제거될 수 있는 고체 입자들의 형태가 되는 필요한 비율들로 부분 산화 연소기(930)로 도입된다. 도 10의 실시예는 필터(940)를 경유하는 회분 제거를 예시한 것이다. 특정한 실시예들에 있어서, 부분적으로 산화된 연소 흐름(256)은 약 1,100℃ 이하이거나, 약 1,000℃ 이하이거나, 약 900℃ 이하이거나, 약 800℃ 이하이거나, 또는 약 700℃ 이하일 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 부분적으로 산화된 연소 흐름(256)의 온도는 약 300℃ 내지 약 1,000℃, 약 400℃ 내지 약 950℃, 또는 약 500℃ 내지 약 900℃ 정도가 될 수 있다.
여과되고, 부분적으로 산화된 연소 흐름(257)은 여기서 달리 설명한 바와 같이 분출 냉각 연소기가 될 수 있는 제2 연소기(220) 내로 직접 유입될 수 있다. 이러한 유입은 산소(O2) 흐름(242) 및 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(236)과 함께 제공된다. 이러한 점에서의 연소는 여기서 달리 설명하는 바와 유사하게 진행될 수 있다. 부분적으로 산화된 연소 흐름(256) 내의 상기 연소 가능한 물질들은 연소 흐름(40)을 제공하도록 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)의 존재하에서 연소기(220) 내에서 연소된다. 이러한 흐름은 전력을 생성하도록(예를 들면, 발전기(120)를 경유하여) 터빈(320)에 걸쳐 팽창된다. 터빈 배출 흐름(50)은 열교환기 유닛(420)(도 8과 관련하여 설명한 바와 같이 열교환기들의 시리즈가 될 수 있는)을 통과한다. 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(60)은 흐름(61)을 형성하도록 냉각수 열교환기(530)를 통과하고, 흐름(62) 내의 2차 성분들(예를 들면, 물(H2O), 이산화황(SO2), 사산화황(SO2), 이산화질소(NO2), 삼산화질소(NO3) 및 수은(Hg))의 제거를 위해 분리기(540)를 통과한다. 분리기(540)는 다음에서 도 12와 관련하여 설명하는 행(1330)과 실질적으로 유사할 수 있다. 바람직하게는, 분리기(540)는 상기 불순물들이 물과 반응하여 용이하게 제거되는 물질들(예를 들면, 산들(acids))을 형성하도록 충분한 체류 시간들을 갖는 접촉기(contactor)를 제공하는 반응기(reactor)를 포함한다. 정제된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(65)은 초임계이고 고밀도의 이산화탄소(CO2) 순환 유체(67)를 제공하도록 냉각수 열교환기(640)로 냉각되는 흐름(66)을 형성하도록 제1 압축기(630)를 통과한다. 전술한 바와 같이, 흐름(67)의 일부는 석탄 슬러리 흐름(255)을 형성하도록 혼합기(910) 내의 상기 유동화 매체로서의 사용을 위하여 흐름(68)으로 회수될 수 있다. 초임계이고 고밀도인 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(67)은 그렇지 않으면 가압되고, 초임계이며, 고밀도인 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)을 형성하도록 압축기(650) 내에서 가압된다. 흐름(70) 내의 이산화탄소(CO2)의 일부는 도 5 및 도 11과 관련하여 여기서 설명하는 바와 같이 이산화탄소(CO2) 파이프라인 또는 다른 격리 수단으로 흐름(80)을 제공하도록 지점(720)에서 회수될 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2)의 남은 부분은 가압되고, 초임계이며, 고밀도인 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(85)으로 진행하며, 그 일부는 전술한 바와 같이 부분 산화 연소기(930)의 냉각을 위해 사용되는 흐름(86)으로서 회수될 수 있다. 이와는 달리, 흐름(85)은 상기 흐름을 가열하고 궁극적으로는 연소기(220)로의 유입을 위한 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(236)을 형성하도록 열교환기(420)(또는 도 8과 관련하여 설명한 바와 같이 열교환기들의 시리즈)로 돌아가서 통과한다. 상술한 바와 같이, 외부의 열 소스가 필요한 효율을 제공하도록 열교환기 유닛(420)과 결합되어 사용될 수 있다. 마찬가지로, 여기서 달리 설명한 바와 같이 다른 시스템들 및 방법 변수들이 흐름 온도들 및 압력들뿐만 아니라 터빈 유닛(320), 열교환기 유닛(420), 분리 유닛(520) 및 압축기 유닛(630)을 위한 다른 동작 조건들과 같이 도 10에 따른 시스템과 방법에 적용될 수 있다.
실험예들
이하, 본 발명을 특정한 실험예들과 관련하여 보다 상세하게 설명한다. 이러한 실험예들은 본 발명의 특정 실시예들로 예시적으로 제시되는 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되는 것은 아니다.
실험예 1: 재순환된 이산화탄소(CO 2 ) 순환 유체를 사용하는 메탄 연소로 전력을 생성하는 시스템 및 방법
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 특정한 일 실험예가 도 11에 도시된다. 다음의 설명은 컴퓨터 모델링을 이용하여 특정한 조건들하에서 특정한 사이클과 관련하여 상기 시스템을 기술한 것이다.
이러한 모델에 있어서, 134℃의 온도 및30.5MPa의 압력에서의 메탄(CH4) 연료 시스템(254)은 분출 냉각 연소기(220)로의 도입 전에 혼합기(252) 내에서 860℃의 온도 및 30.3MPa의 압력에서 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체(236)(이에 따라 초임계의 유체 상태인)와 결합된다. 공기 분리기 유닛(30)은 105℃의 온도 및 30.5MPa의 압력에서 응축된 산소(O2)(242)를 제공하는 데 사용된다. 상기 공기 분리 유닛은 또한 상기 공정에서 사용을 위해 인출되는 열(Q)을 생성한다. 연소가 1,189℃의 온도 및 30MPa의 압력에서 연소 생성물 흐름(40)을 제공하는 연소기(220) 내에서 산소(O2)(242)가 메탄 연료 흐름(254) 및 이산화탄소(CO2) 순환 유체(236)와 결합된다. 상기 이산화탄소(CO2), 산소(O2) 및 메탄은 약 35：2：1의 몰 비율(즉, lbmol/hr(시간 당 파운드 몰))로 제공된다. 이러한 실시예에서의 연소는 344,935 Btu/hr(363,932 kJ/hr)의 속도의 에너지 유입을 이용한다.
연소 생성물 흐름(40)은 885℃의 온도 및 5MPa의 압력(터빈 배출 흐름(50) 내의 이산화탄소(CO2)는 가스 상태임)에서 연소 생성물(50)을 생성하도록 터빈(320)에 걸쳐 팽창된다. 터빈(320)에 걸친 연소 생성물 흐름(40)의 팽창은 시간 당 83.5 킬로와트(kW/hr)의 속도로 전력을 생산한다.
터빈 배출 흐름(50)은 이후에 2차 성분들의 제거를 위해 상기 흐름을 이어서 냉각하도록 3개의 열교환기들의 시리즈를 통과한다. 제1 열교환기(430)를 통한 통과는 237℃의 온도 및 5MPa의 압력에서 흐름(52)을 생성한다. 흐름(52)은 123℃의 온도 및 5MPa의 압력에서 흐름(56)을 생성하도록 제2 열교환기(440)를 통과한다. 흐름(56)은 80℃의 온도 및 5MPa의 압력에서 흐름(60)을 생성하도록 제3 열교환기(450)를 통과한다.
상기 열교환기들의 시리즈를 통한 상기 재순환 이산화탄소(CO2) 순환 유체의 통과 후에, 흐름(60)은 냉각수 열교환기(530)를 통하는 통로에 의해 보다 냉각된다. 24℃의 온도에서 물(C)은 이산화탄소(CO2) 순환 유체(60)를 27℃의 온도까지 냉각하고 이에 따라 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름 내에 존재하는 어떠한 물도 응축되도록 냉각수 열교환기(530)를 통해 순환된다. 냉각된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(61)은 이후에 물 분리 유닛(540)을 통과하여 액상의 물이 제거되고 흐름(62a)으로서 배출된다. "건조된(dried)" 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(65)은 34℃의 온도 및 3MPa의 압력에서 물 분리 유닛(540)으로부터 방출된다.
건조 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(65)(여전히 기체 상태에 있는)은 다음에 2 단계의 가압 설계로 제1 압축 유닛(630)을 통과한다. 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름은 8MPa로 가압되고, 이는 마찬가지로 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름의 온도를 78℃까지 상승시킨다. 이는 5.22㎾/hr의 전력의 도입을 요구한다. 이러한 초임계의 유체 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(66)은 이후에 27℃의 온도, 8MPa의 압력 및 762㎏/㎥의 밀도의 냉각된 초임계의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(67)을 생성하도록 초임계의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(66)이 24℃의 온도에서 물로 냉각되는 제2 냉각수 열교환기(640)를 통과한다. 이러한 흐름은 이후에 69℃의 온도 및 30.5MPa의 압력의 가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(70)을 형성하도록 제2 압축기 유닛(650)을 통과한다. 이는 8.23kW/hr의 전력의 도입을 요구한다. 이러한 흐름은 파이프라인 스플리터(splitter)(720)를 통과하고, 이에 따라 1 lb몰의 이산화탄소(CO2)가 흐름(80)을 통해 가압된 파이프라인으로 안내되고, 34.1 lb몰의 이산화탄소(CO2)는 상기 3개의 열교환기들의 시리즈를 통해 흐름(85)으로 연소기(220) 내로 유입되기 전에 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름을 재가열하도록 돌아간다.
가압된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(85)은 114℃의 온도 및 30.5MPa의 압력에서 흐름(71)을 형성하도록 제3 열교환기(450)를 통과한다. 흐름(71)이 스플리터(460)를 통과하여 27.3lbmol의 이산화탄소(CO2)가 흐름(71b)으로 제2 열교환기(440)로 안내되고, 6.8lbmol의 이산화탄소(CO2)가 측부 가열기(470)를 통해 흐름(72a) 내에서 안내된다. 흐름(71b)과 흐름(72a)은 각기 30.5MPa의 압력에서 114℃의 온도를 가진다. 측부 가열기(470)는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름에 추가적인 열을 제공하도록 공기 분리기 유닛(30)으로부터의 열(Q)을 사용한다. 제2 열교환기(440)를 통한 흐름(71b)의 통로는 224℃의 온도 및 30.5MPa의 압력에서 흐름(73)을 생성한다. 측부 가열기(470)를 통한 흐름(72b)의 통로는 224℃의 온도 및 30.4MPa의 압력에서와 유사한 흐름(72b)을 형성한다. 흐름들(73, 72b)은 224℃의 온도 및 30.3MPa의 압력에서 흐름(74)을 형성하도록 혼합기(480) 내에서 결합된다. 흐름(74)은 이후에 연소기(220)로 돌아가는 유입을 위해 860℃의 온도 및 30.0MPa의 압력의 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(236)을 제공하도록 제1 열교환기(430)를 통과한다.
전술한 효율을 위하여, 모델링된 사이클이 전술한 바와 같이 메탄 연료의 저위 발열량(LHV)과 상기 시스템으로 유입되는 추가적인 에너지와 비교하여 생성되는 에너지를 근거로 하여 계산되었다. 상기 모델링된 조건들하에서, 대략 53.9%의 효율이 달성되었다. 이러한 점은 특히 임의의 이산화탄소(CO2)(특히 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터 야기되는 임의의 이산화탄소(CO2))의 대기 중의 방출을 동시에 방지하면서 이와 같은 우수한 효율이 구현되는 점에서 놀라운 것이다.
실험예 2: 재순환된 이산화탄소(CO 2 ) 순환 유체의 이용을 새로 구비하는 분쇄 석탄 발전기로 전력을 생성하는 시스템 및 방법
본 발명에 따른 다른 특정한 시스템 및 방법의 실험예가 도 12에 도시된다. 다음의 설명은 수학적 모델링을 이용하는 특정한 조건들하에서 특정한 사이클에 관련되는 상기 시스템을 기술하는 것이다.
이러한 모델에 있어서, 여기서 설명되는 시스템 및 방법들에 종래의 분쇄 석탄 연소 발전기를 새로 장착하는 능력이 예시된다.
30.5MPa의 압력에서 산소(O2) 흐름(1056)이 30.5MPa의 압력의 탄소를 함유하는 연료(1055)(예를 들면, 부분적인 산화에 의해 생성된 탄소-파생된 기체) 및 30.5MPa의 압력의 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(1053)과 함께 분출 냉각 연소기(220) 내로 도입된다. 산소(O2)는 공기 분리기 또는 열(Q)을 생성할 수 있는 유사한 장치로부터 수용될 수 있고, 증기의 팽창이나 냉각된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름에 열을 추가하는 것과 같은 상기 시스템 내의 사용을 위해 인출될 수 있다. 연소기(220) 내의 상기 연료의 연소는 1,150℃의 온도 및 30.0MPa의 압력에서 연소 생성물 흐름(1054)을 생성한다. 이러한 흐름은 전기 발전기(1209)의 구동에 의해 전력을 생성하도록 터빈(320)(대체로 1차 발전 터빈으로 언급되는)에 걸쳐 팽창된다. 775℃의 온도와 약 3.0MPa의 압력에서 팽창된 터빈 배출 흐름(1001)은 터빈 배출 흐름(1001)으로부터의 열이 종래의 분쇄 석탄 연소 발전기(1800)에서 생성되는 높은 압력의 증기 흐름(1031)과 중간 압력의 증기 흐름(1032)을 과열시키는 데 사용되는 열교환기(1100)의 고온 단부 내로 도입된다. 보일러 공급 물(1810)과 석탄(1810)은 석탄(1810)의 연소에 의해 증기 흐름들(1031, 1032)을 생성하는 발전기(1800)로 유입된다. 상기 열교환기 내에 전달되는 열은 후술하는 바와 같이 상기 발전기로 복귀하는 증기 흐름들(1033, 1034)을 형성하도록 증기 흐름들(1031, 1032)을 약 550℃의 온도로부터 약 750℃의 온도까지 과열시킨다. 이러한 방법은 대기압 부근에서 석탄을 연소시키는 종래의 발전기의 대형 증기 보일러들에 사용되는 비싼 고온 합금들을 필요로 하지 않고 매우 높은 증기 온도를 구현한다. 흐름 유량들(1033, 1034)은 전기 발전기(1300)를 구동시키는 3 스테이지 터빈(1200)(통상적으로 2차 발전 터빈으로 언급되는) 내에서 팽창된다. 터빈(1200)을 떠나는 흐름(1035)은 응축기(1220) 내에서 응축된다. 처리된 응축물(condensate)(1036)은 공급수 펌프(feed water pump)(1230)로 높은 압력으로 펌핑되며 이후에 전술한 바와 같이 열교환기(1100) 내로의 배출을 위해 석탄 연소 보일러(1800) 내에서 증기화되고 과열된다. 이러한 시스템은 전력 출력과 현존하는 석탄 연소 발전기의 효율을 향상시키는 데 사용된다.
열교환기(100)는 산화시키는 조건들하에서 상당한 증기의 과열과 동작을 가능하게 하는 높은 압력들 및 온도들을 처리할 수 있는 617 합금과 같은 전형적으로 높은 온도, 높은 니켈 함량을 갖는 합금으로 구성된 화학적으로 분쇄된 통로들을 구비하는 해트릭(Heatric)형 분산 결합 플레이트(diffusion bonded plate) 열교환기이다. 이러한 열교환기는 모든 유체들에 대해 높은 열전달 상수들을 갖는 고효율의 열전달 유닛이다.
도 12에 도시한 시스템 및 방법의 나머지 부분은 여기서 다르게 설명하는 시스템들과 방법들에 대한 구조 및 동작에서 유사하다. 특히, 팽창 터빈 배출 흐름(1001)은 열교환기(1100) 내에서 냉각되고 575℃의 온도에서 배출 흐름(1037)으로 열교환기(1100)의 저온 단부를 떠난다. 이러한 흐름(1037)은 이후에 흐름(1038)을 형성하도록 90℃의 온도 및 2.9MPa의 압력으로 냉각되는 제2 열교환기(1300)를 통과한다. 이와 같은 흐름은 또한 제3 열교환기(1310) 내의 발전기 응축기(1230)로부터의 응축물(condensate)(1057)의 일부에 대하여 흐름(1039)을 형성하도록 40℃의 온도로 냉각되고, 2.87MPa의 압력에서 흐름(1040)을 형성하도록 냉각수 열교환기(1320) 내의 냉각수에 대하여 27℃의 온도까지 더욱 냉각된다. 열교환기(1300)는 해트릭(Heatric) 310 스테인리스 스틸 확산 결합된 유닛일 수 있다.
30℃의 냉각된 흐름(1040)은 상기 유입되는 기체와 스크러빙 약산(scrubbing weak acid) 사이의 대향류(counter-current) 접촉을 부여하는 대향류 약산 순환 흐름을 제공하는 순환 펌프(1340)와 함께 장착되는 포장된 행(1330)의 베이스로 제공된다. 상기 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)는 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로 변화되고, 응축된 물과 임의의 다른 수용성 성분들과 함께 상기 액체 내에 흡수된다. 행(1330)으로부터의 알짜 액상의 생성물(net liquid product)은 라인(1042)에서 제거되며, 상기 압력은 대기압으로 감소되고 분리기(1360)로 들어간다. 라인(1043)에서 잠깐 보이는 용해된 이산화탄소(CO2)는 펌프(1350)를 사용하여 2.85MPa의 압력까지 압축되며, 행(1330)의 상단을 떠나는 흐름(1045)에 결합되는 흐름(1044)으로 흐른다. 이와 같은 결합된 흐름들은 상기 연소기로 재순환되게 돌아가는 상기 이산화탄소(CO2) 순환 유체를 형성한다. 물 내의 희석된 황산(H2SO4)과 질산(HNO3)은 분리기(1360)의 베이스로부터의 흐름(1046)으로 흐른다. 상기 농도들은 상기 연료 연소와 접촉기 칼럼(1330) 내의 온도에 의존한다. 존재하는 임의의 수은과 반응하고 이러한 불순물을 완전히 제거하는 질산으로서, 산의 흐름(1046) 내에 바람직하게 질산이 존재하는 점에 유의 바란다.
압축기(1380)로 들어가는 상기 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름은 건조시키는 건조기 내에서 약 -60℃의 이슬점 온도로 먼저 건조되고, 이후에 여기서 참조로 언급된 유럽 특허 출원 EP 1952874(A1)에 기재된 바와 같이 낮은 온도 분리 계획을 이용하여 산소(O2), 질소(N2) 및 아르곤(Ar)이 제거되도록 정제된다.
8.5MPa의 압력에서 압축기(1380)를 떠나는 압축되고 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(1047)은 치밀하고 초임계의 이산화탄소(CO2) 유체 흐름(1048)을 형성하는 냉각수 열교환기(1370) 내에서 27℃의 냉각수에 대하여 냉각되고, 고압이고 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(1050)을 형성하도록 펌프(1390) 내에서 30.5MPa의 압력 및 74℃의 온도로 펌핑된다. 이산화탄소(CO2)의 일부는 분리되는 이산화탄소(CO2) 생성물 흐름(1049)이나 그렇지 않으면 대기로의 방출이 없는 처리로서 흐름(1050)으로부터 제거된다. 이러한 실시예에 있어서, 이산화탄소(CO2) 생성물 흐름(1049)은 그 압력이 약 20MPa의 요구되는 파이프라인 압력까지 감소되고, 이산화탄소(CO2) 파이프라인을 통과한다.
고온이고 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(지금은 흐름(1051)인)의 남아 있는 부분은 열교환기(1300)의 저온 단부로 들어간다. 74℃에서 치밀한 초임계의 유체인 이러한 흐름은 상당한 양의 저급의 열을 수용하여 이를 237℃의 온도에서 훨씬 낮은 비열을 갖는 유체로 전환하여야 한다. 이러한 실시예에 있어서, 이와 같은 저급의 열은 산소(O2) 흐름(1056)을 제공하는 극저온 플랜트 내의 공기 압축기들로부터 유래되는 단열 압축 열과 함께 종래의 발전기의 낮은 압력의 증기 터빈으로 들어가는 상기 흐름으로부터 얻어지는 0.65MPa의 압력에서의 LP 흐름(1052)에 의해 제공된다. 상기 낮은 온도의 증기는 흐름(1301)으로 열교환기(1300)를 떠난다. 선택적으로, 모든 열은 3.8MPa까지의 압력에서 상기 석탄 연소 발전기로부터의 수많은 사용할 수 있는 증기 흐름들을 이용하여 제공될 수 있다. 이러한 에너지는 또한 전술한 바와 같이 상기 공기 분리기 유닛에 의해 형성되는 열(Q)로부터 제공될 수 있다. 상기 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름의 일부를 가열하는 상기 측부 흐름은 열교환기(1300)의 저온 단부에서 요구되는 열의 많은 부분을 제공하고, 열교환기(1300)의 고온 단부에서 단지 약 25℃의 작은 온도 차이를 가능하게 하며, 이는 전체적인 효율을 증가시킨다.
고압이고, 고온이며, 재순환된 이산화탄소(CO2) 순환 유체 흐름(1053)은 550℃의 온도에서 열교환기(1300)를 떠나고, 전술한 바와 같이 연소 생성물 흐름(1054)을 생성하도록 97% 몰 농도의 산소 흐름(1056)으로 천연가스 흐름(1056)의 연소로부터 유래되는 연소 가스를 냉각하는 데 이가 사용되는(이와 같은 실시예에 있어서) 연소기(220)로 들어간다, 이러한 실시예에 있어서, 상기 터빈 고온 통로와 상기 터빈 블레이드들의 제1 열은 74℃의 온도에서 상기 펌프 배출 흐름으로부터 얻어지는 이산화탄소(CO2) 흐름(1058)을 이용하여 냉각된다. 상술한 시스템이 순수한 메탄(CH4)에 의해 활성화된 천연가스 연료를 사용하는 독립적인 전력 스테이션(power station)으로 동작할 경우, 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름(1053)은 약 750℃의 온도에서 상기 연소기로 들어가고 터빈 방출(1001)은 약 775℃의 온도에서 열교환기(1300)로 들어간다.
이러한 실시예에서 독립된 전력 시스템의 효율은 53.9%(LHV) 정도이다. 이러한 특징은 극저온 산소(O2) 플랜트와 천연가스 공급 및 이산화탄소(CO2) 압축기들을 위한 전력 소모를 포함한다. 상기 연료가 27.92Mj/㎏의 발열량을 갖는 석탄으로 활성화될 경우(예를 들면, 제2 연소기 내의 연료 가스와 이산화탄소(CO2) 혼합물의 연소에 의해 수반되는 여과 유닛과 제1 연소기에서 제거된 회분으로 부분적으로 산화되는), 상기 효율은 54%(LHV)가 될 수 있다. 모두의 경우에 있어서, 상기 연료 내의 탄소로부터 유래되는 사실상 거의 100%의 이산화탄소(CO2)가 20MPa 파이프라인 압력에서 생성될 수 있다.
석탄 연료를 사용하는 앞에서 설명하고 도 12에 예시한 시스템과 방법은 다음과 같은 특정한 변수들을 갖는 발전 스테이션에 적용되는 것으로 특징지어질 수 있다. 본 발명에 따른 분쇄된 석탄 연소 발전기의 변환하는 효율은 다음과 같이 계산된다.
증기 조건들 HP 증기: 16.6MPa, 565℃, 유량: 473.14㎏/sec
LP 증기: 4.02MPa, 565℃ 유량: 371.62㎏/sec
알짜 전력 출력: 493.7Mw
현재 스테이션을 위한 석탄: 1256.1Mw
알짜 효율(LHV): 39.31%
이산화탄소(CO2) 포획%: 0
현재의 스테이션을 갖는 변환된 플랜트는 현재에 개시된 시스템 및 방법들의 병합을 개선시킨다.
이산화탄소(CO2) 전력 시스템 알짜 전력 출력: 371.7Mw
현재 스테이션 알짜 전력: 639.1Mw
전체 알짜 전력: 1010.8Mw
이산화탄소(CO2) 전력 시스템을 위한 석탄: 1053.6Mw
현재 스테이션을 위한 석탄: 1256.1Mw
전체적인 알짜 효율(LHV): 47.36%
이산화탄소(CO2) 포획%: 45.6%*
* 본 실험예에서 현재 스테이션으로부터 포획된 이산화탄소(CO2)는 없는 점에 유의바람.
* 본 발명의 많은 변형들과 다른 실시예들이 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 본 발명의 범주가 상술한 설명과 관련된 도면들을 참조한 실시예들에 포함되는 점을 이해될 수 있을 것이다. 이에 따라, 본 발명이 설명된 특정한 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예들도 첨부된 특허 청구 범위의 범주에 속하는 것을 이해할 수 있을 것이다. 비록 여기서 특정한 용어들을 사용하였지만, 이들은 본 발명을 제한하려는 의도가 아니라 일반적이고 서술하는 의미로 사용된다.

Claims (45)

  1. 발전 시스템에 있어서,
    연료, 산화제 및 이산화탄소(CO2) 흐름을 수용하도록 구성되고, 적어도 약 8MPa의 압력 및 적어도 약 800℃의 온도에서 이산화탄소(CO2)를 포함하는 연소 생성물 흐름을 제공하도록 상기 연료를 연소시키도록 구성되는 연소기;
    상기 연소기로부터 상기 연소 생성물 흐름을 수용하고, 상기 연소 생성물 흐름을 팽창시키며, 이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름을 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 터빈;
    상기 터빈 배출 흐름을 수용하고, 상기 터빈 배출 흐름으로부터 열을 회수하며, 상기 이산화탄소(CO2) 흐름에 상기 회수된 열의 적어도 일부를 전달하도록 구성되는 열회수 열교환기(recuperator heat exchanger);
    상기 이산화탄소(CO2) 흐름을 적어도 8MPa의 압력까지 가압하도록 구성되고, 상기 열 회수 열교환기로부터 상향 흐름인 제1 압축기; 및
    다른 열 소스로부터 상기 가압된 이산화탄소(CO2) 흐름에 열을 전달하도록 구성되고, 상기 연소기로부터 상향 흐름이고 상기 제1 압축기로부터 하향 흐름인 하나 또는 그 이상의 열전달 구성 요소(heat transfer component)들을 포함하며, 상기 다른 열 소스로부터의 열은 상기 터빈 배출 흐름으로부터 직접 유래되지 않는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열회수 열교환기 및 상기 제1 압축기 사이에 위치하는 하나 또는 그 이상의 분리 장치들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 압축기로부터 상향 흐름이고, 상기 이산화탄소(CO2) 흐름을 8MPa 이하인 압력까지 압축시키도록 조절된 제2 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제2 압축기를 떠나는 상기 이산화탄소(CO2) 흐름을 그 밀도가 약 200㎏/㎥ 이상인 온도까지 냉각하도록 조절된 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 다른 열 소스는 공기 분리 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 다른 열 소스는 증기 공급을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 다른 열 소스는 종래의 개방형 사이클 가스 터빈으로부터의 고온의 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 터빈은 제1 터빈 및 제2 터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 터빈 및 상기 제2 터빈 사이에 위치하는 제2 연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 열회수 열교환기는 복수의 유닛들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 터빈 및 상기 열회수 열교환기 사이에 위치하고, 유체 연통되는 제2 열교환 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 적어도 하나의 흐름을 통해 상기 제2 열교환 유닛과 유체 연통되는 보일러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제2 열교환 유닛으로부터 상기 적어도 하나의 흐름을 수용하기 위한 유입구를 가지는 다른 터빈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  14. 발전 방법에 있어서,
    적어도 8MPa의 압력 및 적어도 약 800℃의 온도에서 이산화탄소(CO2)를 포함하는 연소 생성물 흐름을 형성하도록 이산화탄소(CO2)를 함유하는 흐름의 존재에서 연료를 산화제로 연소시키는 단계;
    이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름을 제공하도록 상기 연소 생성물 흐름을 적어도 하나의 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계;
    열 소스로서 그로부터 열을 회수하고, 냉각된 이산화탄소(CO2)를 포함하는 터빈 배출 흐름을 형성하도록 상기 터빈 배출 흐름을 열회수 열교환기로 통과시키는 단계;
    재순환 이산화탄소(CO2) 흐름을 형성하도록 상기 냉각된 터빈 배출 흐름으로부터 상기 이산화탄소(CO2)의 일부를 분리하는 단계:
    압축된 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름을 형성하도록 적어도 8MPa의 압력까지 상기 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름을 압축시키는 단계:
    결합되고, 가열되며, 압축된 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름을 형성하도록 상기 터빈 배출 흐름으로부터 회수된 열로 상기 압축된 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름의 적어도 일부를 가열하며, 상기 터빈 배출 흐름으로부터 회수된 열 이외의 소스로부터의 열로 상기 압축된 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름의 적어도 일부를 가열하는 단계; 및
    상기 결합되고, 가열되며, 압축된 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름을 상기 연소기로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 압축시키는 단계 후 및 상기 결합되고, 가열되며 압축된 이산화탄소(CO2) 흐름을 상기 연소기로 통과시키는 단계 전에 상기 압축된 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름으로부터 측부 흐름을 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 압축된 재순환 이산화탄소(CO2) 흐름의 일부는 상기 터빈 배출 흐름으로부터 회수된 열로 가열되고, 상기 측면 흐름은 상기 터빈 배출 흐름으로부터 회수된 열 이외의 소스로부터의 열로 가열되는 일부이며, 상기 일부들은 가열되며 압축된 이산화탄소(CO2) 흐름을 상기 연소기로 통과시키는 단계 전에 다시 결합되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 측부 흐름은 측부 가열기로 통과시켜 가열되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 측부 가열기는 극저온 공기 분리 유닛 내의 공기 압축기들의 단열 스테이지들로부터 회수되는 열을 이용하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 최후의 터빈 배출 흐름으로부터 회수되지 않는 열의 소스는 공기 분리 유닛, 증기 공급 및 종래의 개방형 사이클 가스 터빈으로부터의 고온의 배출 가스의 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 산화제는 이산화탄소(CO2) 및 산소(O2)의 혼합물인 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2) 및 상기 산소(O2)는 1:2 내지 5:1의 몰 비율로 제공되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  22. 발전 방법에 있어서,
    압축된 이산화탄소(CO2)의 흐름을 형성하도록 적어도 약 8MPa의 압력까지 이산화탄소를 포함하는 흐름을 압축시키는 단계;
    상기 압축된 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부를 연소기로 전달하는 단계;
    산화제를 상기 연소기로 전달하는 단계;
    연료를 상기 연소기로 전달하는 단계;
    적어도 약 8MPa의 압력에서 연소 배출 흐름을 형성하도록 상기 압축된 이산화탄소(CO2)의 존재에서 상기 산화제로 상기 연소기 내의 상기 연료를 연소시키는 단계; 및
    전력을 생산하고 팽창된 연소 배출 흐름을 형성하도록 상기 연소 배출 흐름을 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함하며,
    상기 압축된 이산화탄소(CO2), 상기 산화제 및 상기 연료는 상기 연소 배출 흐름이 과잉의 산소를 포함하는 비율들로 상기 연소기로 전달되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 산화제 및 상기 연료는 산소의 양이 상기 연료의 완전한 연소를 달성하기에 필수적인 화학량론적 양을 초과하는 비율로 상기 연소기로 전달되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 산소의 양은 적어도 약 0.25%의 몰로 상기 화학량론적 양을 초과하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 산소의 양은 적어도 약 1%의 몰로 상기 화학량론적 양을 초과하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 산소의 양은 적어도 약 5%의 몰로 상기 화학량론적 양을 초과하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  27. 제 22 항에 있어서, 상기 연소 배출 흐름은 약 0.1%의 몰 내지 약 5%의 몰의 양으로 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  28. 제 22 항에 있어서, 상기 산화제를 형성하도록 상기 압축된 이산화탄소(CO2)의 일부를 실질적으로 순수한 산소의 흐름과 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 산화제는 약 1:2 내지 약 5:1의 비율로 이산화탄소(CO2) 및 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  30. 제 28 항에 있어서, 상기 산화제는 약 1:1 내지 약 4:1의 비율로 이산화탄소(CO2) 및 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  31. 제 22 항에 있어서, 상기 연료는 탄소를 함유하는 연료인 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 압축된 이산화탄소(CO2) 및 상기 탄소를 함유하는 연료는 상기 탄소를 함유하는 연료 내의 탄소에 대한 이산화탄소(CO2)의 비율이 1몰의 탄소 당 약 10몰의 이산화탄소(CO2) 내지 1몰의 탄소 당 약 50몰의 이산화탄소(CO2)가 되도록 상기 연소기로 전달되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  33. 제 31 항에 있어서, 상기 압축된 이산화탄소(CO2) 및 상기 탄소를 함유하는 연료는 상기 탄소를 함유하는 연료 내의 탄소에 대한 이산화탄소(CO2)의 비율이 1몰의 탄소 당 약 10몰의 이산화탄소(CO2)가 되도록 상기 연소기로 전달되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  34. 제 22 항에 있어서, 상기 연소기는 분출 냉각 부재 및 연소 챔버를 포함하는 분출 냉각 연소기이고, 상기 연소기로 전달되는 상기 압축된 이산화탄소(CO2)의 적어도 일부는 상기 분출 냉각 부재로 전달되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  35. 제 22 항에 있어서, 열을 그로부터 회수하고 냉각된 배출 흐름을 형성하도록 상기 팽창된 연소 배출 흐름을 열교환기로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 열교환기는 산화시키는 조건들하에서 동작되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  37. 제 35 항에 있어서, 물을 그로부터 제거하고 상기 이산화탄소(CO2)를 포함하는 흐름을 형성하도록 상기 냉각된 배출 흐름을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  38. 제 35 항에 있어서, 상기 압축된 이산화탄소(CO2)가 상기 팽창된 연소 배출 흐름으로부터 회수되는 열을 이용하여 가열되도록 상기 압축된 이산화탄소(CO2)를 상기 열교환기로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 압축된 이산화탄소(CO2)에 상기 팽창된 연소 배출 흐름으로부터 회수된 열 이외의 소스로부터 열을 추가하는 단계를 포함하며, 상기 열은 상기 압축된 이산화탄소(CO2)가 상기 연소기에 전달되기 전에 추가되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  40. 제 39 항에 있어서, 상기 소스는 공기 분리 유닛으로부터의 압축열인 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  41. 제 39 항에 있어서, 상기 소스는 개방형 사이클 가스 터빈의 배출 흐름인 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  42. 제 22 항에 있어서, 상기 연료는 부분적인 연소 생성물들의 흐름을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  43. 제 42 항에 있어서, 부분적인 연소 생성물들의 흐름을 생성하도록 산화제로 탄소를 함유하는 연료의 부분적인 산화 연소를 수행하는 단계를 포함하며, 상기 흐름은 고체 성분과 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 황화수소(H2S) 및 암모니아(NH3) 중에서 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 부분적인 연소 생성물들의 흐름을 상기 연소기로 전달하기 이전에 상기 부분적인 연소 생성물들의 흐름을 적어도 하나의 필터로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  45. 제 43 항에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 석탄, 갈탄(lignite), 석유 코크스(petroleum coke), 또는 이들의 결합을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
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