KR20220000952A - 이산화탄소 순환 작동 유체를 이용하는 고효율 발전을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
이산화탄소 순환 작동 유체를 이용하는 고효율 발전을 위한 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 CO2 순환 유체와 결합하여 고효율 연소기를 이용하는 발전을 위한 방법들과 시스템을 제공한다. 상기 방법들과 시스템들은 낮은 압력비의 동력 터빈 및 이코노마이저 열교환기를 유리하게 이용할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서. 외부의 소스로부터 추가적인 저급열이 상기 재순환 CO2 순환 유체를 가열하기 위해 필요한 열의 양의 일부를 제공하는 데 이용될 수 있다. 연료 유래의 CO2가 포집될 수 있고, 파이프라인 압력에서 전달될 수 있다. 다른 불순물들이 포집될 수 있다.
Description
본 발명은 연료의 고효율 연소를 통해 발생되는 에너지를 전달하도록 순환 유체(circulating fluid)의 이용을 통하여 전기와 같은 동력을 발생시키기 위한 시스템들과 방법들에 관한 것이다. 특히, 상기 시스템과 방법은 상기 순환 유체로서 이산화탄소를 사용할 수 있다.
비탄소 동력원들이 개발되고 사용되고 있지만, 화석 연료들이 다음 100년 동안에 세계의 전력 요구들의 대부분을 계속하여 제공할 것으로 추정된다. 그러나, 화석 연료들 및/또는 적합한 바이오매스들의 연소를 통한 발전의 알려진 방법들은 상승하는 에너지 비용과 증가되는 이산화탄소(CO2)의 생성 및 다른 방출들로 인해 문제가 되고 있다. 지구 온난화가 선진국들과 개발도상국들에 의한 증가된 탄소 배출의 잠재적으로 재앙적인 결과로서 점점 더 나타나고 있다. 태양열과 풍력은 가까운 시기에는 화석 연료 연소를 대체할 수 없을 것으로 보이고, 원자력 발전은 확산 및 핵폐기물 처리 모두와 관련된 위험성을 가지고 있다.
화석 연료들 또는 적합한 바이오매스들로부터의 동력 생산의 종래의 수단은 이제 격리 지점들로 전달을 위해 높은 압력에서의 CO2 포집에 대한 요구 사항으로 점점 더 부담이 가중되고 있다. 그러나, 현재의 기술이 CO2 포집을 위한 가장 우수한 설계에서도 매우 낮은 열효율들만을 제공하기 때문에, 이러한 요구 사항은 이행되기 어려운 것으로 드러나고 있다. 더욱이, CO2 포집을 구현하기 위한 자본 비용들이 높으며, 이는 대기로 CO2를 방출하는 시스템들에 비하여 상당히 높은 전기 비용의 결과로 된다. 이에 따라, 해당 기술 분야에서 CO2 방출의 감소 및/또는 발생된 CO2의 격리의 개선된 용이성을 구현할 수 있는 고효율 발전을 위한 시스템들 및 방법들에 대한 요구가 상당히 증가되고 있다.
본 발명은 순환 유체(예를 들면, CO2 순환 유체)와 결합하여 고효율의 연소기(예를 들면, 분출 냉각 연소기(transpiration cooled combustor))를 이용하는 발전을 위한 방법들과 시스템을 제공한다. 특히, 상기 순환 유체는 연소를 위한 연료 및 산화제와 함께 상기 연소기 내로 도입될 수 있으므로 상기 순환 유체 및 임의의 연소 생성물들을 포함하는 고압 및 고온의 유체 스트림(stream)이 생성된다. 상기 유체 스트림은 터빈과 같은 발전 장치 내로 도입될 수 있다. 유리하게는, 상기 유체 스트림은 상기 터빈 내에서의 팽창 동안에 상대적으로 높은 압력에 유지될 수 있으므로 상기 터빈에 걸친 압력비(즉, 상기 터빈 유입구에서의 압력과 상기 터빈 유출구에서의 압력의 비율)가 약 12 이하가 된다. 상기 유체 스트림은 이후에 상기 유체 스트림의 성분들의 격리를 위해 더 처리될 수 있으며, 이는 상기 유체 스트림을 열교환기(heat exchanger)로 통과시키는 과정을 포함할 수 있다. 특히, 상기 순환 유체(상기 유체 스트림으로부터 재순환될 수 있는 적어도 일부)는 상기 연소기 내로의 도입 이전에 상기 순환 유체를 가열하기 위해 동일한 열교환기를 통과할 수 있다. 이와 같은 실시예들에 있어서, 열교환기가 상기 터빈 배출과 상기 열교환기의 고온 단부(hot end)에서의 상기 재순환 유체 사이에 작은 온도 차이만을 가지도록 상기 열교환기를 동작시키는 것(예를 들면, 저급 열원의 선택을 통해)이 유용할 수 있다.
어떤 측면들에 있어서, 본 발명은 낮은 자본 비용으로 고효율로 동력을 생산할 수 있고, 또한 격리를 위해 파이프라인 압력에서 실질적으로 순수한 CO2를 생성할 수 있는 동력 생산 시스템들을 제공한다. 상기 CO2는 또한 상기 동력 생산 시스템 내로 재순환될 수 있다.
본 발명의 시스템들과 방법들은 폭넓게 다양한 연소 소스들을 시용하는 능력에 의해 특징지어진다. 예를 들면, 본 발명에 따라 사용되는 고효율 연소기는 기체(예를 들면, 천연 가스 또는 석탄 유래의 가스들), 액체(예를 들면, 탄화수소들, 역청) 및 고체(예를 들면, 석탄, 갈탄, 석유-코크스) 연료들을 활용할 수 있다. 여기에 달리 기재되는 바와 같은 다른 연료들도 사용 가능하다.
다른 측면들에 있어서, 본 발명의 방법들과 시스템들은 이들이 CO2의 포집을 제공하지 않는 현재의 석탄 연소 발전소들의 가장 우수한 효율을 초과할 수 있는 점에서 특히 유용하다. 이와 같은 현재의 발전소들은 역청탄을 사용하는 1.7인치의의 수은 응축기 압력으로 기껏해야 약 45%의 효율(저위 발열량 또는 "LHV")을 제공할 수 있다. 본 발명의 시스템은 요구되는 압력들에서 격리나 다른 처리를 위해 CO2를 전달하면서 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 능력을 제공한다. 따라서, 본 발명의 방법들과 시스템들은 동력 생산 시스템들과 관련된 건설비용을 상당히 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 방법들과 시스템들은 사용되거나 및/또는 생성된 CO2, 특히 상기 연료 내에 존재하는 탄소로부터 유래되는 CO2의 사실상 100%의 회수를 제공할 수 있다. 특히, 상기 CO2는 파이프라인 압력에서 건조되고 정제된 가스로 제공될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 다른 사용 및/또는 처리를 위해 다른 연료 및 연소 유래의 불순물들을 별도로 회수하는 능력을 제공한다.
특정한 일 측면에 있어서, 본 발명은 CO2와 같은 순환 유체의 사용을 포함하는 발전 방법에 관한 것이다. 특정한 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 발전 방법은 탄소를 함유하는 연료, O2 및 CO2 순환 유체를 분출 냉각 연소기 내로 도입하는 단계를 포함한다. 구체적으로는, 상기 CO2는 적어도 약 8MPa(바람직하게는, 적어도 약 12MPa)의 압력 및 적어도 약 200℃(바람직하게는, 적어도 약 400℃)의 온도에서 도입될 수 있다. 상기 방법은 CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 제공하도록 상기 연료를 연소시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 특히, 상기 연소 생성물 스트림은 적어도 약 800℃의 온도를 가질 수 있다. 또한, 상기 방법은 동력을 생성하도록 터빈에 걸쳐 상기 연소 생성물 스트림을 팽창시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 터빈은 상기 연소 생성물 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 방출을 위한 유출구를 가진다. 바람직하게는, 상기 유출구에서의 터빈 배출 스트림과 비교하여 상기 유입구에서의 연소 생성물 스트림의 압력비는 약 12 이하가 될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 CO2가 적어도 약 10MPa의 압력, 적어도 약 20MPa의 압력, 적어도 약 400℃의 온도, 또는 적어도 약 700℃의 온도에서 상기 연소기 내로 도입되는 것이 바람직할 수 있다. 다른 가능한 처리 변수들도 여기에 설명된다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체는 상기 O2 및 상기 탄소를 함유하는 연료의 하나 또는 모두와의 혼합물로서 상기 분출 냉각 연소기 내로 도입될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체는 상기 분출 냉각 연소기 내에 형성된 하나 또는 그 이상의 분출 유체 공급 통로들을 통해 안내되는 분출 냉각 유체의 전부 또는 일부로서 상기 분출 냉각 연소기 내로 도입될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체는 상기 분출 유체로서만 상기 연소기 내로 도입될 수 있다.
상기 연소는 실제 연소 온도에 의해 구체적으로 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 연소시키는 단계는 적어도 약 1,500℃의 온도에서 수행될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 연소시키는 단계는 약 1,600℃ 내지 약 3,300℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 O2 스트림 내의 O2의 순도에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에 있어서, 주위 공기가 유용할 수 있다. 그러나, 특정한 실시예들에서, 상기 산소 내용물을 정제하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 상기 O2는 스트림으로 제공될 수 있고, 여기서 상기 O2의 몰 농도는 적어도 85%이다. 다른 특정한 농도들도 여기에 기재된다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림은 적어도 약 1,000℃의 온도를 가질 수 있다. 더욱이, 상기 연소 생성물 스트림은 상기 연소기 내로 도입되는 상기 CO2의 압력의 적어도 약 90%이거나, 상기 연소기 내로 도입되는 상기 CO2의 압력의 적어도 약 95%인 압력을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 터빈의 유출구에서의 터빈 배출 스트림과 비교하여 상기 터빈의 유입구에서의 연소 생성물 스트림의 압력비는 약 1.5 내지 약 10 정도가 될 수 있거나, 약 2 내지 약 8 정도가 될 수 있다. 다른 가능한 비율들도 여기에 기재된다.
본 발명은 상기 연소 챔버 내로 도입되는 특정한 물질들의 비율에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 상기 연소기 내로 도입되는 상기 연료 내의 탄소에 대한 상기 CO2 순환 유체 내의 CO2의 비율은 몰 기준으로 약 10 내지 약 50 정도가 될 수 있거나, 약 10 내지 약 30 정도가 될 수 있다. 다른 가능한 비율들도 여기에 기재된다.
본 발명은 상기 터빈 배출 스트림 내의 상기 CO2의 적어도 일부가 재순환될 수 있고 상기 연소기 내로 재도입될 수 있는 점에 의해 더 특징지어질 수 있다. 상기 CO2의 적어도 일부는, 예를 들면, 파이프라인을 통해 상기 시스템으로부터(격리나 다른 처리를 위해서와 같이) 배출될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림 내의 CO2는 가스 상태에 있을 수 있다. 특히, 상기 터빈 배출 스트림은 7MPa 보다 작거나 같은 압력을 가질 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명의 방법은 상기 터빈 배출 스트림을 냉각시키고, 약 200℃ 이하의 온도를 갖는 CO2 순환 유체 스트림을 제공하는 적어도 하나의 열교환기를 통해 상기 터빈 배출 스트림을 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 하나 또는 그 이상의 이차 성분들(즉, CO2 이외의 성분들)의 제거를 가능하게 할 수 있는 조전들 하에서 상기 CO2 순환 유체 스트림을 제공하기 위해 유용할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 이는 상기 터빈 배출 스트림을 적어도 두 개의 열교환기들의 시리즈를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 시리즈 내의 제1 열교환기는 상기 터빈 배출 스트림을 수용할 수 있고 이의 온도를 감소시킬 수 있으며, 상기 제1 열교환기는 적어도 약 900℃의 온도를 견디는 고온 합금으로 형성된다.
본 발명의 방법들은 또한 전술한 바와 같이 CO2 이외에도 상기 순환 유체 스트림 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 이차 성분들을 제거하기 위해 상기 CO2 순환 유체 스트림에 하나 또는 그 이상의 분리 단계들을 수행하는 과정을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 하나 또는 그 이상의 이차 성분들은 물을 포함할 수 있다.
본 발명의 방법들은 또한 CO2 스트림을 가압하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 연소 생성물 스트림의 팽창 및 상기 터빈 배출 스트림의 냉각 후, 상기 연소기로의 다시 재순환을 위해 상기 스트림을 가압하는 것이 유리할 수 있다. 상세하게는, 상기 방법들은 상기 CO2 순환 유체 스트림을 적어도 약 8MPa의 압력까지 가압시키도록 상기 CO2 순환 유체 스트림을 하나 또는 그 이상의 압축기들(예를 들면, 펌프들)로 통과시키는 단계를 더 포함한다. 이는 상기 CO2 순환 유체 스트림을 가압하도록 적어도 두 개의 압축기들의 시리즈를 통해 상기 CO2 순환 유체 스트림을 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체 스트림은 적어도 약 15MPa의 압력까지 가압될 수 있다. 여기에 달리 기재되는 바와 같이 다른 압력 범위들도 바람직할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림은 특히 초임계의 유체 상태로 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림 내의 CO2의 적어도 일부는 격리(또는 이미 전술한 바와 같이 다른 처리)를 위해 가압된 파이프라인 내로 도입될 수 있다.
가압하는 단계 이외에도, 본 발명의 방법들은 또한 상기 연소기 내로의 다시 도입(즉, 상기 CO2 순환 유체 스트림의 재순환)을 위하여 이전에 냉각된 CO2 순환 유체 스트림을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이는 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림을 적어도 약 200℃, 적어도 약 400℃ 또는 적어도 약 700℃의 온도까지 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림은 상기 터빈 배출 스트림의 온도보다 약 50℃ 미만으로 작은 온도까지 가열될 수 있다. 다른 가능한 온도 범위들도 여기에 제공된다. 구체적으로, 이와 같은 가열은 상기 터빈 배출 스트림을 냉각시키도록 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림을 동일한 열교환기(들)로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 가열은 또한 외부의 소스로부터의 열의 투입(즉, 상기 열교환기들로부터 재포집되는 열 이외의)을 포함할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 가열하는 단계는 O2 분리 유닛으로부터 인출되는 열의 이용을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 추가적인 열은 상기 열교환기 유닛(또는 열교환기들의 시리즈가 사용될 때, 가장 높은 온도 범위 이상으로 동작하는 상기 시리즈 내의 열교환기 이전에)의 저온 단부(cold end)에서 도입된다.
어떤 실시예들에 있어서, 본 발명은 다중 터빈들의 선택적인 구현을 가능하게 할 수 있는 상기 연소 생성물 스트림의 성질에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림은 하나 또는 그 이상의 가연성 성분들(예를 들면, H2, CO, CH4, H2S, NH3 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 성분들)을 포함하는 환원성 유체가 될 수 있다. 이는 사용되는 연료에 대한 O2의 비율에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림은 CO2, H2O 및 SO2와 같은 완전히 산화되는 성분들뿐만 아니라 앞서 열거한 환원성 성분들을 함유할 수 있다. 구현되는 실제 성분들은 상기 분출 연소기에 대한 공급 내에서 사용된 연료에 대한 O2의 비율에 의존할 수 있다. 보다 상세하게는, 이와 같은 실시예들에서 사용되는 터빈은 각기 유입구 및 유출구를 갖는 둘 또는 그 이상의 유닛들을 포함할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 터빈 유닛들은 각 유닛의 유입구에서의 동작 온도가 실질적으로 동일하도록 동작될 수 있다. 이는 제1 터빈 유닛(또는 셋 또는 그 이상의 유닛들이 사용되는 경우에 이전의 터빈 유닛)의 유출구에서 O2의 양을 상기 유체 스트림에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 O2의 공급은 전술한 상기 하나 또는 그 이상의 가연성 성분들의 연소를 가능하게 할 수 있으며, 이는 상기 시리즈 내의 다음의 터빈으로의 진입 이전에 상기 스트림의 온도를 상승시킨다. 이러한 점은 상기 순환 유체의 존재에서 연소 가스들로부터 생성되는 동력을 최대화하는 능력을 가져온다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림은 산화성 유체일 수 있다. 예를 들면, 상기 터빈 배출 스트림은 과잉의 양의 O2를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 다양한 스트림들의 상태에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 상기 터빈에 걸쳐 상기 연소 생성물 스트림을 팽창시키는 단계 후, 상기 터빈 배출 스트림은 가스 상태에 있을 수 있다. 이러한 가스는 임의의 이차 성분들로부터 상기 CO2의 격리를 위해 상기 가스 상태의 터빈 배출 스트림을 냉각시키도록 적어도 하나의 열교환기를 통과할 수 있다. 그 후에, 상기 분리된 CO2의 적어도 일부는 가압될 수 있고 초임계의 유체 상태로 변형될 수 있으며, 상기 연소기 내로의 재순환을 위해 상기 CO2를 가열하도록 동일한 열교환기(들)을 다시 통과할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 팽창시키는 단계로부터 상기 열교환기(또는 시리즈가 사용될 때에 상기 제1 열교환기)로 들어가는 상기 터빈 배출 스트림의 온도 및 상기 연소기 내로의 재순환을 위해 동일한 열교환기를 떠나는 상기 가열되고 가압된 초임계의 유체 CO2의 온도 사이의 온도 차이는 약 50℃ 이하가 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 연료 연소기로부터 떠나는 상기 유체 스트림은 상기 CO2 순환 유체뿐만 아니라 연소 생성물들과 같은 하나 또는 그 이상의 다른 성분들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 CO2의 적어도 일부를 재순환시키고, 이를 상기 연료 연소기 내로 재도입하는 것이 유용할 수 있다. 따라서, 상기 순환 유체는 재순환 유체일 수 있다. 물론, 외부의 소스로부터의 CO2가 상기 순환 유체로 이용될 수 있었다. 상기 터빈 배출은 이코노마이저(economizer) 열교환기 내에서 냉각될 수 있고, 인출된 열은 상기 고압의 재순환 CO2를 가열하는 데 이용될 수 있다. 상기 열교환기의 저온 단부를 나가는 상기 냉각된 터빈 배출은 H2O, SO2, SO3, NO, NO2, Hg 및 HCl과 같은 연료 또는 연소 프로세스로부터 유래되는 성분들을 함유할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 이들 성분들은 적합한 방법들을 이용하여 상기 스트림으로부터 제거될 수 있다. 이러한 스트림 내의 다른 성분들은 N2, 아르곤(Ar) 및 과잉의 O2와 같은 상기 연료나 산화제로부터 유래되는 불활성 기체 불순물들을 포함할 수 있다. 이들은 별도의 적절한 프로세스에 의해 제거될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출은 이용 가능한 냉각 수단의 온도에서 상기 터빈 배출 내의 CO2의 응축 압력 이하인 압력에 있어야 하므로, 물을 응결시키게 하도록 최소량의 수증기를 함유할 것인 기체 상태의 CO2로부터의 액체로서 물의 효율적인 분리를 가능하게 할 것이기 때문에 상기 터빈 배출이 냉각될 때에 CO2 액상이 형성되지 않는다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소기에 대해 공급되는 연료 내의 탄소로부터 유래되는 산화된 탄소를 나타내는 유체 내의 상기 CO2의 적어도 일부와 함께 상기 고압의 재순환 CO2 순환 유체 스트림을 생성하도록 상기 정제된 CO2가 이제 압축될 수 있으며, 이는 격리를 위해 가압된 파이프라인 내로 도입될 수 있다. 상기 터빈 배출 스트림의 높은 압력에 기인하는 CO2를 최소의 다른 처리나 압축으로 상기 연소 프로세스로부터 가압된 파이프라인 내로 직접 이송하는 능력은 CO2가 대기압(즉, 0.1MPa 부근)에 가까이에서 회수되거나 대기로 방출되는 종래의 방법들에 대해 구별되는 이점이 된다. 더욱이, 본 발명에 따르면 격리를 위해 상기 CO2는 지금까지 알려진 경우보다 효율적이고 경제적인 방식으로 이송될 수 있다.
상기 열교환기로 들어가는 이상적으로는 임계 압력 이상에 있는 상기 재순환 CO2 유체의 비열은 높고 온도가 상승함에 따라 감소된다. 가장 낮은 온도 레벨들에서의 열의 적어도 일부가 외부의 소스로부터 유래되는 것이 특히 유리하다. 이는, 예를 들면 응결에 열을 제공할 수 있는 저압의 증기 공급이 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 이러한 열의 소스는 상기 재순환 CO2 스트림을 가열하도록 열을 제공하는 데 이용되는 열전달 유체의 폐쇄 사이클 스트림을 갖는 중간 냉각 및 압축열의 추출이 없이 단열 모드에서 상기 연소기로 산화제를 공급하는 극저온 공기 분리기 내에 사용되는 공기 압축기들의 동작으로부터 유래될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 발전 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다.
연료, O2 및 CO2 순환 유체를 연소기 내로 도입하는 단계를 포함하고, 상기 CO2는 적어도 약 8MPa의 압력 및 적어도 약 200℃의 온도에서 도입되며;
CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 생성하도록 상기 연료를 연소시키는 단계를 포함하고, 상기 연소 생성물 스트림은 적어도 약 800℃의 온도를 가지며;
동력을 발생시키도록 상기 연소 생성물 스트림을 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함하고, 상기 터빈은 상기 연소 생성물 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 방출을 위한 유출구를 가지며, 상기 유출구에서의 상기 터빈 배출 스트림과 비교하여 상기 유입구에서의 상기 연소 생성물 스트림의 압력비는 약 12 이하이고;
냉각된 터빈 배출 스트림을 제공하도록 상기 터빈 배출 스트림을 열교환기로 통과시켜 상기 터빈 배출 스트림으로부터 열을 인출하는 단계를 포함하며;
정제되고 냉각된 터빈 배출 스트림을 제공하도록 CO2 이외에 상기 냉각된 터빈 배출 스트림 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 이차 성분들을 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터 제거하는 단계를 포함하고;
초임계의 CO2 순환 유체 스트림을 제공하도록 상기 CO2의 임계 압력보다 높은 압력까지 상기 정제되고 냉각된 터빈 배출 스트림을 제1 압축기로 압축시키는 단계를 포함하며;
상기 초임계의 CO2 순환 유체 스트림을 그 밀도가 적어도 약 200㎏/㎥인 온도까지 냉각시키는 단계를 포함하고;
상기 CO2 순환 유체를 상기 연소기에 대한 투입을 위해 요구되는 압력까지 가압하도록 상기 초임계의 고밀도 CO2 순환 유체를 제2 압축기로 통과시키는 단계를 포함하며;
인출된 열이 상기 CO2 순환 유체의 온도를 증가시키는 데 사용되도록 상기 초임계의 고밀도 및 고압 CO2 순환 유체를 동일한 열교환기로 통과시키는 단계를 포함하고;
상기 연소기로의 재순환을 위해 상기 열교환기 유닛을 떠나는 상기 CO2 순환 유체의 온도 및 상기 터빈 배출 스트림의 온도 사이의 차이가 약 50℃ 이하가 되도록 상기 초임계의 고밀도 및 고압 CO2 순환 유체에 추가적인 양의 열을 공급하는 단계를 포함하며;
상기 가열된 초임계의 고밀도 CO2 순환 유체를 상기 연소기 내로 재순환시키는 단계를 포함한다.
특정 실시예들에 있어서, 상기 시스템들과 방법들은 현존하는 동력 시스템들 및 방법들(예를 들면, 종래의 석탄 연소 발전소들, 원자로들 및 종래의 보일러 시스템들을 이용하는 다른 시스템들과 방법들)과의 결합을 위해 특히 유용할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에 있어서, 전술한 팽창시키는 단계 및 인출하는 단계 사이에, 본 발명의 방법들은 상기 터빈 배출 스트림을 제2 열교환기 유닛으로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 제2 열교환기 유닛은 증기 동력 시스템(예를 들면, 석탄 연소 발전소들 및 원자로를 포함하는 종래의 보일러 시스템)으로부터 유래되는 하나 또는 그 이상의 스트림들을 가열하기 위해 상기 터빈 배출 스트림으로부터의 열을 이용할 수 있다. 이에 따라 가열된 증기 스트림들이 동력을 발생시키도록 이후에 하나 또는 그 이상의 터빈들을 통과할 수 있다. 상기 터빈들을 떠나는 스트림들은 종래의 동력 시스템(예를 들면, 상기 보일러)의 요소들을 통해 다시 순환되어 처리될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명의 방법은 다음의 하나 또는 그 이상에 의해 특징지어질 수 있다.
상기 터빈 배출 스트림을 그 물 이슬점 아래의 온도까지 냉각시키는 단계;
상기 터빈 배출 스트림을 주위 온도의 냉각 수단에 대해 더 냉각시키는 단계;
H2SO4, HNO3, HCl 및 수은의 하나 또는 그 이상을 포함하는 용액을 형성하도록 상기 하나 또는 그 이상의 이차 성분들과 함께 물을 응축시키는 단계;
상기 냉각된 터빈 배출 스트림을 약 15MPa 이하의 압력까지 가압하는 단계;
상기 열교환기 유닛을 통한 통과 이전에 상기 초임계의 고밀도 및 고압 CO2 순환 유체 스트림으로부터 생성물 CO2 스트림을 인출하는 단계;
상기 연료로 부분 연소 생성물들의 스트림을 사용하는 단계;
탄소를 함유하는 연료를 CO2 순환 유체의 존재에서 O2로 연소시키는 단계, 상기 탄소를 함유하는 연료, O2 및 CO2 순환 유체는 상기 탄소를 함유하는 연료가 불연성 성분들, CO2 그리고 H2, CO, CH4, H2S 및 NH3의 하나 또는 그 이상을 포함하는 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림을 생성하기 위해 부분적으로만 산화되게 하는 비율들로 제공되며;
상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림의 온도가 상기 스트림 내의 모든 불연성 성분이 고체 입자들의 형태가 되도록 충분히 낮게 되는 비율들로 상기 탄소를 함유하는 연료, O2 및 CO2 순환 유체를 제공하는 단계;
상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림을 하나 또는 그 이상의 필터들로 통과시키는 단계;
상기 불연성 성분의 잔류하는 양을 상기 부분적으로 산화된 연소 생성물의 약 2㎎/㎥ 이하까지 감소시키도록 상기 필터를 이용하는 단계;
상기 연료로서 석탄, 갈탄 또는 석유 코크스를 사용하는 단계; 및
슬러리로 미립자 연료를 CO2와 함께 제공하는 단계.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 다음의 단계들을 포함하는 발전 방법과 관련되는 것으로 기재될 수 있다.
탄소를 함유하는 연료, O2 및 CO2 순환 유체를 분출 냉각 연소기 내로 도입하는 단계를 포함하고, 상기 CO2는 적어도 약 8MPa의 압력 및 적어도 약 200℃의 온도에서 도입되며;
CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 생성하도록 상기 연료를 연소시키는 단계를 포함하고, 상기 연소 생성물 스트림은 적어도 약 800℃의 온도를 가지며;
동력을 발생시키도록 상기 연소 생성물 스트림을 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함하고, 상기 터빈은 상기 연소 생성물 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 방출을 위한 유출구를 가지며, 상기 유출구에서의 상기 터빈 배출 스트림과 비교하여 상기 유입구에서의 상기 연소 생성물 스트림의 압력비는 약 12 이하이고;
상기 터빈 배출 스트림으로부터 열을 인출하고 상기 CO2 순환 유체 스트림을 제공하는 적어도 두 개의 열교환기들의 시리즈로 상기 터빈 배출 스트림을 통과시키는 단계를 포함하고;
CO2 이외에도 상기 순환 유체 스트림 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 이차 성분들을 상기 CO2 순환 유체 스트림으로부터 제거하는 단계를 포함하며;
상기 CO2 순환 유체의 압력을 적어도 약 8MPa까지 증가시키고, 상기 순환 유체 내의 CO2를 가스 상태로부터 초임계의 유체 상태로 변환시키는 적어도 두 개의 압축기들의 시리즈로 상기 CO2 순환 유체 스트림을 통과시키는 단계를 포함하고;
상기 CO2 순환 유체의 온도를 적어도 약 200℃(또는 선택적으로, 상기 터빈 배출 스트림의 온도보다 약 50℃ 미만으로 작은 온도)까지 증가시키도록 상기 인출된 열을 이용하는 적어도 두 개의 열교환기들의 동일한 시리즈로 상기 초임계의 CO2 순환 유체를 통과시키는 단계를 포함한다. 이는 특히 외부의 열원(즉, 상기 열교환기(들)를 통한 상기 터빈 배출 스트림의 통과로부터 직접적으로 유래되지 않는 열의 소스)으로부터의 추가적인 열의 도입을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 CO2의 대기 방출 없이 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터 동력을 발생시키는 고효율의 방법을 제공하는 것으로 특징지어질 수 있다. 구체적으로, 상기 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다.
탄소를 함유하는 연료, O2 및 재순환된 CO2 순환 유체를 정해진 화학량론 비율(stoichiometric ratio)로 분출 냉각 연소기 내로 도입하는 단계를 포함하고, 상기CO2 적어도 약 8MPa의 압력 및 적어도 약 200℃의 온도에서 도입되며;
CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 형성하도록 상기 연료를 연소시키는 단계를 포함하고, 상기 연소 생성물 스트림은 적어도 약 800℃의 온도를 가지며;
상기 연소 생성물 스트림을 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함하고, 상기 터빈은 연소 생성물 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 방출을 위한 유출구를 가지며, 상기 유출구에서의 상기 터빈 배출 스트림과 비교하여 상기 유입구에서의 상기 연소 생성물 스트림의 압력비는 약 12 이하이고;
상기 터빈 배출 스트림으로부터 열을 회수하고 상기 CO2 순환 유체 스트림을 제공하는 적어도 두 개의 열교환기들의 시리즈로 상기 터빈 배출 스트림을 통과시키는 단계를 포함하고;
상기 CO2 순환 유체의 압력을 적어도 약 8MPa까지 증가시키고 상기 순환 유체 내의 CO2를 가스 상태로부터 초임계의 유체 상태로 변환시키는 적어도 두 개의 압축기들의 시리즈로 상기 CO2 순환 유체 스트림을 통과시키는 단계를 포함하며;
상기 CO2 순환 유체 스트림을 분리 유닛으로 통과시키는 단계를 포함하고, 상기 CO2의 화학량론적으로 요구되는 양이 상기 연소기로 재순환되고 이끌어지며, 임의의 과잉의 CO2가 대기 방출 없이 인출되고;
상기 연소기 내로의 도입 이전에 상기 CO2 순환 유체의 온도를 적어도 약 200℃까지(또는 선택적으로, 상기 터빈 배출 스트림의 온도보다 약 50℃ 미만으로 작은 온도까지) 증가시키도록 열을 인출하는 적어도 두 개의 열교환기들의 시리즈로 상기 재순환된 CO2 순환 유체를 통과시키는 단계를 포함하며,
상기 연소의 효율은 50%보다 크고, 상기 효율은 상기 동력을 발생시키기 위해 연소되는 상기 탄소를 함유하는 연료에 대한 전체 저위 발열량의 열에너지와 관련하여 발생되는 순 동력(net power)의 비율로 계산될 수 있다
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 발전 시스템을 제공하는 것으로 설명될 수 있다. 상세하게는, 본 발명에 따른 발전 시스템은 분출 냉각 연소기, 동력 생산 터빈, 적어도 하나의 열교환기, 그리고 적어도 하나의 압축기를 포함할 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 분출 냉각 연소기는 탄소를 함유하는 연료, O2 및 CO2 순환 유체 스트림을 수용하기 위한 적어도 하나의 유입구를 가질 수 있다. 상기 연소기는 상기 CO2 순환 유체의 존재에서 상기 연료를 연소시키고, 정해진 압력(예를 들면, 적어도 약 8MPa)과 온도(예를 들면, 적어도 약 800℃)에서 CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 제공하는 적어도 하나의 연소 스테이지를 더 가질 수 있다.
상기 동력 생산 터빈은 상기 연소기와 유체 연통될 수 있고, 상기 연소 생성물 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 방출을 위한 유출구를 가질 수 있다. 상기 터빈은 상기 유출구에서의 상기 터빈 배출 스트림과 비교하여 상기 유입구에서의 상기 연소 생성물 스트림의 입력의 비율이 약 12 이하가 되도록 압력 강하를 제어하기 위해 적용될 수 있다.
상기 적어도 하나의 열교환기는 상기 터빈 배출 스트림을 수용하기 위해 상기 터빈과 유체 연통될 수 있다. 상기 열교환기(들)는 상기 터빈 배출 스트림으로부터 상기 CO2 순환 유체 스트림으로 열을 전달할 수 있다.
상기 적어도 하나의 압축기는 상기 적어도 하나의 열교환기와 유체 연통될 수 있다. 상기 압축기(들)는 상기 CO2 순환 유체 스트림을 원하는 압력까지 가압시키기 위해 적용될 수 있다.
상술한 사항들 이외에, 본 발명에 따른 발전 시스템은 상기 적어도 하나의 열교환기와 상기 적어도 하나의 압축기 사이에 위치하는 하나 또는 그 이상의 분리 장치들을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 분리 장치(들)는 CO2 이외에도 상기 CO2 순환 유체 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 이차 성분들의 제거를 위해 유용할 수 있다.
또한, 상기 발전 시스템은 열을 발생시키는 하나 또는 그 이상의 요소들을 구비하는 O2 분리 유닛을 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 발전 시스템은 또한 상기 O2 분리 유닛으로부터 상기 연소기로부터 업스트립(upstream)인 상기 CO2 순환 유체로 열을 전달하는 하나 또는 그 이상의 열전달 요소들을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 발전 시스템은 외부의 열원을 포함할 수 있다. 이는, 예를 들면 응축에 대해 열을 제공할 수 있는 저압의 증기 공급일 수 있다. 상기 발전 시스템은 이에 따라 상기 증기로부터 상기 연소기의 업스트림인 상기 CO2 순환 유체에 열을 전달하는 하나 또는 그 이상의 열전달 요소들을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명의 발전 시스템은 다음의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 CO2 순환 유체 스트림을 상기 CO2 임계 압력보다 높게 압축시키도록 구성되는 제1 압축기;
상기 CO2 순환 유체 스트림을 상기 연소기에 투입을 위해 요구되는 압력까지 압축시키도록 구성되는 제2 압축기;
상기 CO2 순환 유체 스트림을 그 밀도가 약 200㎏/㎥보다 큰 온도까지 냉각시키도록 적용되는 냉각 장치;
상기 연소기로부터 업스트림이고 상기 제2 압축기로부터 다운스트림(downstream)인 상기 CO2 순환 유체에 외부의 소스로부터 열을 전달하는 하나 또는 그 이상의 열전달 요소들;
상기 분출 냉각 연소기로부터 업스트림에 위치하고, 이에 유체 연통되는 제2 연소기;
상기 제2 연소기와 상기 분출 냉각 연소기 사이에 위치하는 하나 또는 그 이상의 필터들 또는 분리 장치들;
유동화 매체(fluidizing medium)로 미립자 연료 물질의 슬러리를 형성하기 위한 혼합 장치; 및
고체 연료를 미립자화하기 위한 분쇄 상치.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 다음을 포함할 수 있는 발전 시스템을 제공할 수 있다. 연료, CO2 순환 유체 및 산화제를 제공하기 위한 하나 또는 그 이상의 인젝터(injector)들; 상기 연료를 연소시키고 적어도 약 800℃의 온도 및 적어도 약 4MPa(바람직하게는, 적어도 약 8MPa)의 압력에서 배출 유체 스트림을 제공하는 적어도 하나의 연소 스테이지를 갖는 분출 냉각 연소기; 유입구 및 유출구를 갖는 동력 생산 터빈, 여기서 동력은 상기 유체 스트림이 팽창되면서 생성되고, 상기 터빈은 상기 유체 스트림을 원하는 압력에서 유지하도록 설계되어 상기 유출구에 대한 상기 유입구에서의 상기 유체 스트림의 압력의 비율이 약 12 이하가 되며; 상기 터빈 유출구를 나가는 상기 유체 스트림을 냉각시키고 상기 CO2 순환 유체를 가열하기 위한 열교환기; 그리고 회수 또는 처리를 위해 상기 열교환기를 떠나는 상기 유체 스트림을 CO2와 하나 또는 그 이상의 다른 성분들로 분리시키기 위한 하나 또는 그 이상의 장치들. 다른 실시예들에 있어서, 상기 발전 시스템은 또한 상기 유체 스트림으로부터 분리되는 상기 CO2의 적어도 일부를 가압된 파이프라인 내로 전달하기 위한 하나 또는 그 이상의 장치들을 포함할 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 시스템은 석탄 연소 발전소, 원자로 또는 유사한 것과 같은 종래의 동력 생산 시스템에 새로이 장착되는 여기에 기재되는 바와 같은 하나 또는 그 이상의 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 동력 시스템은 두 개의 열교환 유닛들(예를 들면, 일차 열교환 유닛 및 이차 열교환 유닛)을 포함할 수 있다. 상기 일차 열교환 유닛은 실질적으로 여기에 달리 기재되는 바와 같은 유닛이고, 상기 이차 열교환 유닛은 증기 스트림들을 과열시키도록 상기 터빈 배출 스트림으로부터 하나 또는 그 이상의 증기 스트림들(예를 들면, 종래의 동력 생산 시스템과 관련된 보일러로부터)로 열을 전달하기 위해 유용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 발전 시스템은 상기 터빈과 상기 일차 열교환 유닛 사이에 위치하고 유체 연통되는 이차 열교환 유닛을 포함할 수 있다. 상기 발전 시스템은 마찬가지로 적어도 하나의 증기 스트림을 통해 상기 이차 열교환 유닛과 유체 연통되는 보일러를 포함할 수 있다. 또한, 상기 발전 시스템은 상기 이차 열교환 유닛으로부터 상기 적어도 하나의 증기 스트림을 수용하기 위한 유입구를 갖는 적어도 하나의 다른 동력 생산 터빈을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 시스템은 일차 동력 생산 터빈 및 이차 동력 생산 터빈을 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 상기 일차 동력 생산 터빈은 본 발명의 연소기와 유체 연통될 수 있다. 상기 이차 동력 생산 터빈은 증기 스트림, 특히 상기 일차 동력 생산 터빈으로부터의 배출 스트림들로부터의 열로 과열되는 과열된 증기 스트림과 유체 연통되는 터빈일 수 있다. 종래의 동력 생산 시스템으로부터 하나 또는 그 이상의 요소들이 새로 장착되는 이와 같은 시스템은, 특히 도 12 및 실험예 2와 관련되어 여기에 설명된다. 일차 동력 생산 터빈 및 이차 동력 생산 터빈이라는 용어들의 사용이 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 설명의 명료성을 위해서만 사용된다.
본 발명의 다른 측면에 있어서, 외부의 스트림은 냉각되는 터빈 배출 스트림으로부터의 열전달에 의해 상기 열교환기의 고온 단부에서 가열될 수 있으며, 그 결과, 상기 고압의 재순환 스트림이 상기 열교환기를 나갈 것이고 보다 낮은 온도에서 상기 연소기로 들어갈 것이다. 이 경우, 상기 연소기 내에서 연소되는 연료의 양이 증가할 수 있으므로, 상기 터빈 유입구 온도가 유지된다. 연소되는 추가적인 연료의 발열량은 상기 열교환기에 부여되는 추가적인 열 부하(heat load)와 동등하다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 대부분 CO2 순환 유체의 순환으로부터 축 동력(shaft power)을 생성하는 프로세스 플랜트로서 특징지어질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 특정 조건들이 충족될 수 있는 프로세스들을 제공한다. 특정한 실시예들에 있어서, 본 발명은 다음의 동작들 또는 이러한 동작들을 수행하는 데 유용한 장치들에 의해 특징지어질 수 있다.
상기 CO2 순환 유체를 CO2의 임계 압력을 초과하는 압력까지 압축하는 과정;
요구되는 동력 터빈 유입구 온도, 예를 들면, 약 500℃ 이상(또는 여기에 기재되는 바와 같은 다른 온도 범위)을 구현하도록 혼합되는 CO2가 풍부한 초임계의 재순환 유체의 공급으로 실질적으로 순수한 O2 내에서 고체, 액체 또는 기체의 탄화수소질 연료를 직접 연소시키는 과정;
축 동력의 생성으로 터빈 내에서 연소 생성물들 및 재순환된 CO2가 풍부한 유체로 형성되는 초임계의 스트림을 팽창시키는 과정, 특히 약 2MPa 보다 높고, 상기 유체가 주위 온도 냉각 수단들의 사용과 일치되는 온도까지 냉각될 때에 CO2 액상이 나타나는 압력 아래인 압력(예를 들면, 약 7.3MPa－7.4MPa)까지 팽창시키는 과정;
상기 터빈 배출이 냉각되고 열이 재순환된 CO2가 풍부한 초임계의 유체로 전달되는 열교환기 내로 터빈 배출을 도입하는 과정;
열교환기를 나가는 CO2를 함유하는 스트림을 주위 온도 냉각 수단에 대해 냉각시키고, 적어도 적은 농도들의 CO2를 함유하는 물의 액상 및 적어도 적은 농도의 수증기를 함유하는 기체 CO2 상을 분리시키는 과정;
원하는 체류 시간(예를 들면, 10초까지)이 기체 CO2와 액상의 물 또는 약한 산 사이의 밀접한 접촉을 가능하게 하는 방식으로 물 분리를 수행하여, SO2, SO3, H2O, NO, NO2, O2 및/또는 Hg를 수반하는 반응들이 스트림 내에 존재하는 98% 이상의 황의 H2SO4로의 전환, 스트림 내에 존재하는 90% 이상의 질소 산화물들의 HNO3으로의 전환 그리고 스트림 내의 80% 이상의 수은의 가용성 수은 화합물들로의 전환을 가져오는 과정;
상기 기체 상 내에 상기 N2, Ar 및 O2를 남기며 기체/액체 상분리로 CO2의 어는점에 가깝게 온도를 냉각시켜 비응축성 성분들(N2, Ar 및 O2와 같은)을 기체 CO2 상으로부터 분리하는 과정;
가스 압축기 내에서 정제된 기체 CO2 스트림을 주위 온도 냉각 수단에 의한 냉각이 고밀도의 CO2 유체(예를 들면, 적어도 약 200㎏/㎥, 바람직하게는 적어도 약 300㎏/㎥, 또는 보다 바람직하게는 적어도 약 400㎏/㎥의 밀도를 갖는)를 생성할 것인 압력까지 압축시키는 과정;
고밀도의 CO2 초임계의 유체(예를 들면, 적어도 약 200㎏/㎥, 바람직하게는 적어도 약 300㎏/㎥, 또는 보다 바람직하게는 적어도 약 400㎏/㎥의 밀도를 갖는)를 형성하도록 주위 온도 냉각 수단으로 압축된 CO2를 냉각시키는 과정;
고밀도 CO2 유체를 압축기 내에서 CO2의 임계 압력 이상의 압력까지 압축시키는 과정;
하나는 열교환기의 저온 단부로 들어가고, 다른 것은 약 250℃ 아래의 온도에서 사용 가능한 외부의 가열 소스를 이용하여 가열되는 두 개의 분리된 스트림들로 고압의 CO2 스트림을 분리시키는 과정;
열교환기의 고온 단부로 들어가는 터빈 배출 스트림의 온도 및 동일한 열교환기의 고온 단부를 나가는 재순환 CO2 순환 유체의 온도 사이의 차이가 약 50℃(또는 여기에 기재되는 다른 온도 한계) 이하가 되도록 효율적인 열전달(선택적인 외부의 열원의 사용을 포함하여)을 가능하게 하는 과정;
CO2 순환 유체를 약 8MPa 내지 약 50MPa의 압력(또는 여기에 기재되는 다른 압력 범위)까지 압축시키는 과정;
상기 연료의 자동 점화 온도 아래이고, 그 부분들이 약 1,200℃ 내지 3,500℃(또는 여기에 기재되는 바와 같은 다른 온도 범위)의 단열 불꽃 온도를 제공하도록 조절되는 단일의 유체 스트림(또는 분말화된 고체 연료가 사용되는 경우에는 슬러리)을 형성하도록 O2 스트림을 재순환된 CO2 순환 유체 스트림 및 탄소를 함유하는 연료 스트림의 적어도 일부와 혼합하는 과정;
약 500℃ 내지 1,600℃의 범위(또는 여기에 기재되는 바와 같은 다른 온도 범위) 내의 온도에서 혼합된 유체 스트림을 형성하도록 재순환된 CO2 순환 유체의 적어도 일부를 연소 생성물들과 혼합하는 과정;
약 2MPa 내지 약 7.3MPa의 압력(또는 여기에 기재되는 바와 같은 다른 압력 범위)을 갖는 터빈 배출 스트림을 생성하는 과정;
극저온 O2 플랜트(특히 상기 단열 모드에서) 및/또는 CO2 압축기(특히 상기 단열 모드에서)의 하나 또는 그 이상의 공기 압축기들의 동작으로부터 유래되는 압축열을 이용하여 고압의 CO2 순환 유체 스트림을 일부를 외부로부터 가열하는 과정, 상기 열은 적합한 열전달 유체(상기 CO2 유체 자체를 포함하여)의 순환에 의해 전달되며;
열교환기 내에서 하나 또는 그 이상의 외부의 유체 스트림들을 버너 내에서 연소되는 동등한 추가 연료로 가열하는 과정, 여기서 상기 외부의 유체 스트림들의 하나 또는 그 이상은 상기 열교환기 내에서 과열될 수 있는 증기를 포함할 수 있으며;
재순환된 CO2 순환 유체 스트림의 일부를 외부로부터 가열하도록 외부의 소스로부터 제공되는 응축되는 증기에 의해 공급되는 열을 이용하는 과정;
외부로부터 제공되는 유체 스트림을 가열하기 위해 열을 제공하도록 열교환기 내에서 CO2를 함유하는 스트림(상기 열교환기의 저온 단부를 나가는)을 냉각시키는 과정;
O2 공급 스트림을 제공하는 과정, 여기서 상기 O2의 몰 농도는 적어도 약 85%(또는 여기에 기재되는 바와 같은 다른 농도 범위)이며;
연소기를 나가고(즉, 연소 생성물 스트림) 터빈으로 들어가는 전체 가스 스트림 내의 O2의 농도가 약 0.1몰% 이상이 되도록 연소기를 동작시키는 과정;
하나의 동력을 생산하는 터빈만이 사용되도록 동력 생산 프로세스를 수행하는 과정;
하나의 연소기만이 상기 연소기 내로의 실질적으로 완전히 연소된 상기 탄소를 함유하는 연료 투입에 이용되도록 동력 생산 프로세스를 수행하는 과정;
연소기로 들어가는 상기 O2 스트림 내의 O2의 양이 상기 연소기로 들어가는 상기 연료 스트림의 화학량론적 연소를 위해 요구되는 양 이하이고, 이에 따라 상기 연소 생성물 스트림 내의 H2 및 일산화탄소(CO)의 하나 또는 모두의 생성을 야기하도록 연소기를 동작시키는 과정; 그리고
각기 정의된 출구 압력을 가지는 둘 또는 그 이상의 터빈들을 사용하여 프로세스를 수행하는 과정, 여기서 H2 및 CO의 하나 또는 모두는 제1 터빈(및 이용 가능할 경우에 상기 터빈 시리즈 내의 최후 터빈을 제외하고 후속하는 터빈들)을 나가는 배출 스트림 내에 존재하며, H2 및 CO의 일부 또는 모두가 각각의 제2 또는 그 이상의 터빈들의 동작 온도를 상기 최후 터빈으로부터의 출구 스트림 내의 과잉의 O2를 가져오는 보다 높은 값까지 상승시키도록 제2 및 후속하는 터빈들의 유입구 전에 O2의 스트림의 첨가에 의해 연소되고, 이러한 과잉은 0.1몰% 이상이다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 다음의 하나 또는 그 이상을 제공할 수 있다.
상기 터빈 배출 스트림이 이의 물 이슬점 아래의 온도까지 냉각되도록 열교환 시스템 내에서 상기 냉각되는 터빈 배출 스트림에 대해 CO2 순환 유체를 가열하는 과정;
상기 터빈 배출 스트림을 주위 온도 냉각 매체에 대하여 냉각시키고, 연료 및 H2SO4, HNO3, HCl 그리고 Hg 및 용액 내의 이온성 화합물의 형태에 있는 다른 금속들과 같은 다른 불순물들을 포함하는 연소 유래의 불순물들과 함께 물을 응축시키는 과정;
상기 정제된 CO2 순환 유체를 제1 압축기 내에서 이의 임계 압력 이상이지만 10MPa 아래인 압력까지 압축하는 과정;
상기 순환 유체를 그 밀도가 600㎏/㎥ 이상이 되는 지점까지 냉각하는 과정;
압축기 내에서 상기 고밀도의 CO2 순환 유체를 상기 시스템 내의 압력 강하를 극복하기 위해 요구되는 압력까지 압축시키고, 상기 순환하는 CO2 유체를 상기 연소 챔버 내로 공급하는 과정;
상기 연료 스트림 내의 탄소의 연소에 의해 형성되는 CO2의 실질적으로 모두를 함유하는 생성물 CO2 생성물 스트림을 제거하는 과정, 상기 CO2 스트림은 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기의 배출 흐름으로부터 취해지며;
상기 열교환기로 직접 향하거나, 상기 순환하는 CO2 유체와 상기 열교환기의 고온 단부에서의 상기 터빈 배출 사이의 온도 차이가 50℃ 이하가 되도록 상기 CO2 순환 유체의 일부를 포함하는 측부 스트림(side stream)을 가열함에 의한 상기 냉각되는 터빈 배출 스트림의 물 이슬점 이상인 온도 레벨에서 추가적인 양의 열을 상기 CO2 순환 유체에 공급하는 과정;
H2, CO, CH4, H2S, NH3 및 불연성 잔여물을 포함하는 스트림을 생성하기 위해 분출 냉각 연소기 내에서 O2로 부분적으로 산화되는 불연성 잔여물을 갖는 탄소를 함유하는 연료를 포함하는 연료를 이용하는 과정, 상기 연소기는 상기 부분적으로 산화된 연소 생성물들을 500℃ 내지 900℃의 온도까지 냉각시키도록 상기 순환하는 CO2 유체의 일부로 공급되고, 여기서 상기 재가 여과 시스템에 의해 유출구 유체 스트림으로부터 완전히 제거될 수 있는 고체 미립자로 존재하며;
상기 측부 스트림 흐름이 10℃ 내지 50℃인 별도로 가열된 순환하는 CO2 유체 흐름과 다시 혼합되는 시점에서 상기 냉각되는 터빈 배출 스트림과 상기 가열하는 순환하는 CO2 유체 스트림 사이의 온도 차이를 제공하는 과정;
상기 스트림이 물과 불순물의 분리 이전에 냉각될 때에 액체 CO2가 형성되지 않도록 상기 열교환기의 저온 단부를 나가는 상기 터빈 배출 스트림의 압력을 제공하는 과정;
종래의 보일러 시스템들 및 원자로들과 관련된 증기 동력 시스템들로부터 유래되는 다중 증기 스트림들을 과열시키도록 상기 터빈 배출 스트림의 적어도 일부를 사용하는 과정;
발전소과 같은 외부의 증기 소스로부터 증기로 취해지는 하나 또는 그 이상의 압력 레벨들에서 추가적인 저급열을 상기 순환하는 CO2 스트림에 제공하는 과정;
상기 증기 발전 시스템의 증기 응축기를 나가는 응축물의 적어도 일부를 위한 가열을 제공하도록 상기 열교환기 시스템의 저온 단부를 나가는 팽창기 배출 스트림을 이용하는 과정;
개방 사이클 가스 터빈의 뜨거운 배출로부터의 상기 순환하는 CO2 스트림을 위한 추가적인 저급열을 제공하는 과정;
완전한 연소를 위해 부분적으로 산화된 석탄 유래의 가스에 더하여 연로로서 CO2를 제2 연소기로 통과시키는 과정;
상기 연료의 일부가 CO2, H2O 및 SO2를 포함하는 산화 생성물들로 산화되고, 상기 연료의 나머지가 H2, CO 및 H2S를 포함하는 성분들로 산화되게 하는 연료 비율까지 O2로 단일의 연소기를 동작시키는 과정; 및
전체의 요구되는 압력비 이상으로 상기 제2 터빈을 통해 팽창되기 전에 보다 높은 온도까지 중간 압력의 흐름을 재가열하도록 환원된 성분들을 연소시키는 상기 제1 터빈의 배출 흐름 내로 주입되는 O2로 두 개의 터빈들을 동작시키는 과정.
앞서의 실시예들 이외에도, 본 발명은, 여기에 기재되는 본 발명의 시스템들과 방법들의 요소들과 단계들이 효율의 놀라운 증가(예를 들면, 저위발열량(LHV) 기준으로 측정된)를 제공할 수 있고, CO2 작동 유체(working fluid)를 이용하는 이전의 시스템들과 방법들을 포함하여 에너지 생산을 위해 알려진 시스템들과 방법들과 관련된 자본 비용을 유리하게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 생성되는 동력의 단위 당 상당히 감소된 비용으로 동력 생산을 제공하는 다양한 결합들로 활용될 수 있는 점에서 특히 유용하다. 이러한 이점들을 제공할 수 있는 본 발명에 따른 시스템들 및 방법들의 특정한 제한적이지 않은 예들은 다음을 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 복수의 터빈들이 사용될 수 있다. 이의 특정한 실시예에 있어서, 두 개의 터빈들이 사용될 수 있고, 상기 시스템은 상기 두 개의 터빈들 사이의 탄화수소 또는 탄소질 연료의 산소-연료 연소를 위해 적용될 수 있다. 이와 같은 다중 터빈 실시예들은 개재된 연소기로부터 다운스트림인 상기 터빈의 유입구 온도를 증가시키는 데 유용할 수 있다. 셋 또는 그 이상의 터빈들을 포함하는 다중 터빈의 실시예들에 있어서, 둘 또는 그 이상의 개재되는 연소기들이 포함될 수 있다. 더욱이, 어떤 실시예들에서, 다중 터빈 시스템 내의 터빈들과 연소기들의 숫자가 같을 수 있으므로, 연소가 각 터빈의 팽창 이전에 수행된다(예를 들면, 터빈 팽창에 각기 수반되는 두 연소 단계들). 다음 설명에 있어서, 다중 터빈의 실시예들의 다른 이점들이 두 개의 터빈의 예시적인 실시예와 관련하여 논의되며, 이와 같은 논의가 직렬로 또는 병렬로 동작할 수 있는 셋, 넷 또는 심지어 그 이상의 터빈들을 포함하고, 개재되는 연소만이 아니라 각 터빈 팽창 이전의 연소도 포괄하는 다중 터빈 실시예들까지 확장될 수 있는 점이 이해될 것이다. 다른 실시예들에 있어서, 래디얼 터빈(radial turbine)들의 어레이가 이용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 2 스테이지 터빈 시스템 내의 제2 터빈은 대기압에 가까운 배출 압력을 가질 수 있다. 이와 같은 배출 압력은 마찬가지로 대기압에 가까운 순(net) CO2 생성물을 제공할 수 있다. 이러한 배출 압력은 이에 따라 상기 시스템 내에서 재순환 CO2의 고정된 흐름을 위한 동력 출력을 최대화하기 위해 유용할 수 있다. 특히, 이는 전체 터빈 시스템의 압력비를 최대화할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 터빈 유입은 상기 제1 터빈을 나가는 전체 흐름에 의해 정의될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 제2 터빈 유입은 상기 제1 터빈 배출 흐름의 일부에 의해 적어도 부분적으로 정의될 수 있다. 예시적인 실시예로서, 상기 제2 터빈 내의 흐름은 하나 또는 그 이상의 연소기들 내에서 사용되는 전체 연료의 연소로부터 유래되는 상기 순 CO2 생성물을 함유할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 터빈 고압 터빈일 수 있다. 이러한 경우, 높은 압력의 터빈 유입구 온도가 상기 고압 터빈의 동력 출력을 최대화하기 위해 가능한 가장 높은 값으로 고정되게 하는 반면, 상기 제2 터빈의 유출구 온도를 일정한 온도에서 유지하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 일정한 온도는 그 설계 압력에서 전열식(recuperative) 열교환기의 최대 동작 온도에 의해 고정될 수 있고, 이러한 압력은 상기 재순환 CO2 연소기의 압력 및 상기 제1 터빈의 유입구 압력의 하나 또는 모두에 의해 고정될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 재순환 CO2 스트림은 고온까지 가열될 수 있고, 연소기를 먼저 통과하지 않고 상기 제1 터빈을 통과할 수 있다. 상기 제1 터빈으로부터의 배출은 이후에 상기 제2 연소기에 대한 유입이 되는 배출을 형성하는 상기 연소기에 대한 유입이 될 수 있다. 특히, 상기 제1 터빈을 위한 유입 온도는 상기 제1 터빈으로부터의 재순환 CO2 스트림의 출구 온도와 동일한 하한치를 가질 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 고압의 재순환 CO2 스트림을 가열하는 데 요구되는 이상의 상기 제2 터빈 배출 흐름 내의 과잉의 열이 상기 제1 및 제2 스테이지 연소기들로 들어가는(또는 단일의 연소기가 2 스테이지 터빈 내에 개재되는 실시예들에서 유일한 연소기로 들어가는) 산소와 연료 가스 스트림들을 예열시키는 데 활용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 1bar(0.1MPa) 또는 그 이상의 압력에서 산소 생산 플랜트로부터의 산소 스트림은 연료 연소를 위한 희석된 산화제를 형성하도록 CO2와 혼합될 수 있다. 특히, 이러한 산화제 스트림은 압축될 수 있고, 상기 제1 및 제2 터빈들의 일부 또는 모두에 대하여 예열될 수 있으며, 상기 제1 또는 제2 스테이지 연소기 내에 요구되는 산화제의 적어도 일부를 형성하도록 전달될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 대기압 가까이에서 액상의 물 분리를 수반하는 재순환 CO2는 약 6bar(0.6MPa) 내지 약 10bar(1MPa)의 범위 내의 CO2의 고체화 압력 이상의 압력까지 압축될 수 있고, 이후에 재순환 CO2 시스템의 높은 압력까지 펌프될 수 있는 CO2로 액화될 수 있으며, 이에 따라 재순환 압축기 펌프 동력 요구를 감소시킨다. 상기 CO2의 액화를 위한 냉각을 제공하는 제제들은, 예를 들면, 액화 천연 가스(LNG)가 될 수 있다. 특히, 파이프라인 시스템 내로의 전달을 위해 높은 압력까지 펌프되었던 LNG는 상기 CO2의 냉각과 동시에 낮은 온도로부터 주위 가까이로 가열될 수 있다. 선택적으로, 상기 제2 터빈은 약 6bar(0.6MPa) 내지 약 8bar(0.8MPa)의 압력에서 배출할 수 있으며, 이에 따라 CO2 재순환 압축기에 대한 요구가 방지된다.
다른 실시예들이 다양한 도면들과 관련하여 여기에 설명되고 및/또는 여기에 제공되는 본 발명의 다른 설명에서 개시되는 본 발명에 의해 포괄될 수 있다.
이하, 크기가 필수적으로 조절되어 도시되지는 않은 첨부된 도면들을 참조하여 일반적인 용어들로 본 발명을 설명할 것이다. 첨부 도면들에 있어서,
도 1은 본 발명의 어떤 실시예들에 따라 사용될 수 있는 분출 냉각 연소기 장치의 개략적인 도시를 나타내고,
도 2는 본 발명의 어떤 실시예들에서 사용될 수 있는 연소기 장치 내의 분출 부재의 벽의 예시적인 단면의 개략적인 도시를 나타내며,
도 3A 및 도 3B는 본 발명의 어떤 실시예들에 사용될 수 있는 연소기 장치의 분출 부재 어셈블리를 위한 고온 정합 공정(hot fit process)을 개략적으로 도시하고,
도 4는 본 발명의 어떤 실시예들에 따라 유용할 수 있는 연소 생성물 오염물 제거 장치를 개략적으로 도시하며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 사이클을 나타내는 흐름도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 유닛을 통한 CO2 순환 유체의 흐름을 나타내는 흐름도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 유닛 내의 둘 또는 그 이상의 압축기들 또는 펌프들의 시리즈를 이용하는 가압을 나타내는 흐름도이고,
도 8은 세 개의 개별적인 열교환기들이 직렬로 사용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 유닛을 나타내는 흐름도이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원성 모드에서 직렬로 연결된 두 개의 터빈들을 활용하는 터빈 유닛을 나타내는 흐름도이고,
도 10은 두 개의 연소기들을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 생산을 위한 시스템과 방법을 나타내는 흐름도이며,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 생산을 위한 시스템과 방법의 특정 예를 나타내는 흐름도이고,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 종래의 석탄 연소 보일러를 통합한 동력 생산을 위한 시스템과 방법의 다른 예를 나타내는 흐름도이며,
도 13은 두 개의 연소기들을 갖는 시리즈 내에서 동작하는 두 개의 터빈들을 포함하는 본 발명에 따른 동력 생산을 위한 시스템과 방법의 다른 예시적인 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 어떤 실시예들에 따라 사용될 수 있는 분출 냉각 연소기 장치의 개략적인 도시를 나타내고,
도 2는 본 발명의 어떤 실시예들에서 사용될 수 있는 연소기 장치 내의 분출 부재의 벽의 예시적인 단면의 개략적인 도시를 나타내며,
도 3A 및 도 3B는 본 발명의 어떤 실시예들에 사용될 수 있는 연소기 장치의 분출 부재 어셈블리를 위한 고온 정합 공정(hot fit process)을 개략적으로 도시하고,
도 4는 본 발명의 어떤 실시예들에 따라 유용할 수 있는 연소 생성물 오염물 제거 장치를 개략적으로 도시하며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 사이클을 나타내는 흐름도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 유닛을 통한 CO2 순환 유체의 흐름을 나타내는 흐름도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 유닛 내의 둘 또는 그 이상의 압축기들 또는 펌프들의 시리즈를 이용하는 가압을 나타내는 흐름도이고,
도 8은 세 개의 개별적인 열교환기들이 직렬로 사용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 유닛을 나타내는 흐름도이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원성 모드에서 직렬로 연결된 두 개의 터빈들을 활용하는 터빈 유닛을 나타내는 흐름도이고,
도 10은 두 개의 연소기들을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 생산을 위한 시스템과 방법을 나타내는 흐름도이며,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 생산을 위한 시스템과 방법의 특정 예를 나타내는 흐름도이고,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 종래의 석탄 연소 보일러를 통합한 동력 생산을 위한 시스템과 방법의 다른 예를 나타내는 흐름도이며,
도 13은 두 개의 연소기들을 갖는 시리즈 내에서 동작하는 두 개의 터빈들을 포함하는 본 발명에 따른 동력 생산을 위한 시스템과 방법의 다른 예시적인 실시예를 나타내는 흐름도이다.
이하, 다양한 실시예들을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이들 실시예들은 본 발명이 완전하고 철저하도록 제공되며, 해당 기술 분야의 숙련자에게 본 발명의 범주를 완전히 전달할 것이다. 실제로, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이들 실시예들은 본 명세서의 개시 사항들이 적용 가능한 법률적인 요구 사항들을 충족시키도록 제공된다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 사용되는 바에 있어서, "하나", "일", "상기" 등의 단수 형태들은 본 문에서 명백하게 다르게 기재되지 않는 한 복수의 지시 대상들을 포함한다.
본 발명은 고효율 연료 연소기(분출 냉각 연소기(transpiration cooled combustor)와 같은) 및 관련된 순환 유체(CO2 순환 유체와 같은)의 이용을 통해 동력을 생산하기 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 상기 순환 유체는 적절한 연료, 임의의 필요한 산화제 및 효율적인 연소를 위해 유용할 수 있는 임의의 관련된 물질들과 함께 상기 연소기 내에 제공된다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 방법들은 매우 높은 온도들(예를 들면, 약 1,600℃ 내지 약 3,300℃의 범위 또는 여기에 개시되는 바와 같은 다른 온도 범위들 내)에서 동작할 수 있는 연소기를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 순환 유체의 존재가 상기 연소기를 나가는 유체 스트림(stream)의 온도를 완화시키도록 작용할 수 있으므로, 상기 유체 스트림이 동력 생산을 위한 에너지 전달에 활용될 수 있다. 구체적으로, 연소 생성물 스트림은 동력을 발생시키도록 적어도 하나의 터빈에 걸쳐 팽창될 수 있다. 상기 팽창된 가스 스트림은 상기 스트림으로부터 물과 같은 다양한 성분들을 제거하도록 냉각될 수 있고, 상기 팽창된 가스 스트림으로부터의 회수된 열은 상기 CO2 순환 유체를 가열하는 데 이용될 수 있다. 정제된 순환 유체 스트림은 이후에 상기 연소기를 통한 재순환을 위해 가압되고 가열될 수 있다. 원하는 경우, 상기 연소 생성물 스트림으로부터의 상기 CO2의 일부(즉, 산소의 존재에서 탄소를 함유하는 연료의 연소에 의해 형성되는 CO2로부터 야기되는)는 CO2 파이프라인으로의 전송과 같이 격리 또는 다른 처리를 위해 배출될 수 있다. 상기 시스템과 방법들은 특히 대기로 CO2를 방출하는 것을 방지하면서 상기 시스템과 방법의 효율을 최대화시키도록 특정한 공정 변수들 및 성분들을 이용할 수 있다. 여기에 상세하게 기재하는 바와 같이, 상기 순환 유체는 상기 순환 유체로서 CO2의 이용에 의해 예시되는 것이다. CO2 순환 유체의 이용이 본 발명에 따른 유리한 실시예이지만, 이와 같은 개시 사항이 다르게 기재되지 않는 한 본 발명에 사용될 수 있는 순환 유체의 범주를 필연적으로 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
어떤 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 발전 시스템은 대부분 CO2를 포함하는 순환 유체를 이용할 수 있다. 달리 말하면, 상기 연소기 내로 투입되기 직전의 상기 순환 유체의 화학적 성질은 상기 순환 유체가 대부분 CO2.를 포함하는 것이 된다. 이러한 의미에서, "대부분(predominately)"라는 단어는 상기 유체가, 적어도 약 90 몰농도%, 적어도 약 91 몰농도%, 적어도 약 92 몰농도%, 적어도 약 93 몰농도%, 적어도 약 94 몰농도%, 적어도 약 95 몰농도%, 적어도 약 96 몰농도%, 적어도 약 97 몰농도%, 적어도 약 98 몰농도% 또는 적어도 약 99 몰농도%의 CO2를 포함하는 것을 의미할 수 있다. 상기 연소기 내로 투입되기 직전의 상기 순환 유체는, 바람직하게는 다만 실질적으로 CO2를 포함한다. 이러한 의미에서, "다만 실질적으로(substantially only)"라는 표현은 적어도 약 99.1 몰농도%, 적어도 약 99.25 몰농도%, 적어도 약 99.5 몰농도%, 적어도 약 99.75 몰농도%, 적어도 약 99.8 몰농도%, 또는 적어도 약 99.9 몰농도%의 CO2를 의미할 수 있다. 상기 연소기에 있어서, 상기 CO2는 상기 연료, 임의의 산화제 및 상기 연료 연소로부터의 임의의 유도체들로부터 유래되는 하나 또는 그 이상의 다른 성분들과 혼합될 수 있다. 따라서, 여기서 연소 생성물 스트림으로 기재될 수 있는 상기 연소기는 나가는 상기 순환 유체는 H2O, O2, N2, Ar, SO2, SO3, NO, NO2, HCl, Hg와 같은 보다 적은 양의 다른 물질들 및 보다 가연성인 것들을 포함하여 연소 과정으로부터 유래될 수 있는 미량의 다른 성분들(예를 들면, 재 또는 액화된 재와 같은 미립자들)과 함께 CO2를 포함할 수 있다. 다음에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 상기 연소 과정은 상세하게 기재되는 이점들을 제공할 수 있는 상기 유체 스트림의 성질이 환원성이거나 산화성이 될 수 있도록 조절될 수 있다.
본 발명의 시스템들과 방법들은 여기에 기재되는 바와 같이 적합한 연료의 연소를 위해 유용한 하나 또는 그 이상의 연소기들을 통합할 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 특히 상기 연료의 실질적으로 완전한 연소를 제공하는 데 유용할 수 있으며, 이에 따라 효율을 최대화시킬 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 고온 연소는 적어도 약 1,200℃, 적어도 약 1,300℃, 적어도 약 1,400℃, 적어도 약 1,500℃, 적어도 약 1,600℃, 적어도 약 1,750℃, 적어도 약 2,000℃, 적어도 약 2,500℃, 또는 적어도 약 3,000℃의 온도에서의 연소를 의미할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 고온 연소는 약 1,200℃ 내지 약 5,000℃, 약 1,500℃ 내지 약 4,000℃, 약 1,600℃ 내지 약 3,500℃, 약 1,700℃ 내지 약 3,200℃, 약 1,800℃ 내지 약 3,100℃, 약 1,900℃ 내지 약 3,000℃, 또는 약 2,000℃ 내지 약 3,000℃의 온도에서의 연소를 의미할 수 있다.
다양한 연소기들이 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 단일의 연소기만이 본 발명의 시스템들과 방법들에 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 복수의 연소기들이 사용될 수 있고, 복수의 팽창 터빈들과 결합되어 직렬로 또는 병렬로 동작할 수 있다. 하나의 연소기 또는 복수의 연소기들을 활용하는 다중 터빈 실시예들의 이점들은 이러한 시스템들 및 방법들의 예시적인 실시예들과 관련하여 여기에 더 설명된다. 유연성으로 인해, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 상기 연소기들은 본 발명에 의해 포괄되는 몇몇 실시예들에 따른 온도 및 압력의 변화되는 조건들 하에서 기능하도록 적용되는 임의의 연소기들을 포함한다. 본 발명에 따라 유용한 연소기들은 고온 연소를 포함하여 여기에 기재되는 온도들 및 압력들에서의 연소를 위해 적용된 임의의 연소기를 포함할 수 있다. 제한적이지 않은 예로, 유용한 연소기는 냉각 매체(예를 들면, 본 발명의 일부 실시예들에서 재순환 CO2 스트림)로 냉각을 위해 적용되는 라이너(liner)를 포함하는 임의의 연소기가 될 수 있다. 예시적인 냉각 수단은 하나 또는 그 이상의 슬롯들, 홀들, 후면 냉각 및 트립 스트립(trip strip)들을 통한 냉각 매체의 통과를 포함할 수 있다.
어떤 실시예들에 있어서, 분출 냉각 연소기들이 사용될 수 있다. 본 발명에 이용될 수 있는 분출 냉각 연소기의 하나의 예가 2010년 2월 26일에 출원되었고, 그 개시 사항이 전체적으로 여기에 참조로 포함되는 미국 특허출원 제12/714,074호에 기재되어 있다. 일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 따라 유용한 분출 냉각 연소기는 하나 또는 그 이상의 열교환 구역(zone)들, 하나 또는 그 이상의 냉각 유체들, 그리고 하나 또는 그 이상의 분출 유체들을 포함할 수 있다. 분출 냉각은 상기 연소기 내의 부식, 오염 및 침식을 방지하는 데 유용할 수 있고, 이러한 연소 조건들이 존재할 때에 특히 바람직할 수 있다.
특정한 일 측면에 있어서, 본 발명에 따라 유용한 분출 냉각 연소기는 분출 부재(transpiration member)에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 연소 챔버를 포함할 수 있고, 여기서 상기 분출 부재는 격납 부재(pressure containment member)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 상기 연소 챔버는 유입구 부분 및 대향되는 유출구 부분을 가질 수 있다. 상기 연소 챔버의 유입구 부분은 연소되는 탄소를 함유하는 연료를 연소 생성물을 형성하는 연소 온도에서 상기 연소 챔버 내에 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 연소 챔버는 상기 연소 생성물을 상기 유출구 부분을 향해 이끌도록 더 구성될 수 있다. 상기 분출 부재는 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키기 위해 이를 통해 분출 물질(transpiration substance)을 상기 연소 챔버를 향하여 이끌도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 분출 물질은 상기 연소 생성물의 원하는 유출구 온도를 구현하도록 상기 연소 챔버 내로 도입될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 분출 물질은 적어도 부분적으로 상기 순환 유체를 포함할 수 있다. 상기 연소 챔버의 벽들은 CO2 및/또는 H2O와 같은 상기 분출 물질이 이를 통해 안내되고 흐르는 다공성 물질의 층과 정렬될 수 있다.
또 다른 측면들에 있어서, 상기 내부 분출 부재(2332)는 상기 분출 부재(230)의 유입구 부분(222A)으로부터 유출구 부분(222B)까지 연장될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 내부 분출 부재(2332)의 천공된/다공성 구조가 상기 유입구 부분(222A)으로부터 상기 유출구 부분(222B)까지 실질적으로 완전히(축 방향으로) 연장될 수 있으므로, 상기 분출 유체(210)가 상기 연소 챔버(222)의 실질적으로 전체 길이 내로 안내된다. 즉, 실질적으로 상기 연소 챔버(222)의 전체 길이가 분출 냉각되도록 상기 내부 분출 부재(2332)의 실질적으로 전체가 천공된/다공성 구조로 구성된다. 보다 상세하게는, 일부 측면들에서, 누적된 천공/구멍 면적은 상기 내부 분출 부재(2332)의 표면 면적과 실질적으로 동일할 수 있다. 또 다른 측면들에 있어서, 상기 천공들/구멍들이 적절한 밀도로 이격될 수 있으므로, 상기 내부 분출 부재(2332)로부터 상기 연소 챔버(222) 내로의 상기 분출 물질의 실질적으로 균일한 분포가 구현된다(즉, 상기 분출 물질(210)의 흐름이나 존재가 결핍되는 "데드 스폿들(dead spots)"이 없다). 일 예에 있어서, 상기 내부 분출 부재(2332)의 평방 인치는 약 62,500 구멍들/in2을 제공하도록 인치 당 250×250의 숫자의 천공들/구멍들의 어레이를 포함할 수 있고, 이러한 천공들/구멍들은 약 0.004인치(약 0.1㎜)로 이격된다. 전체 벽 면적에 대한 구멍 면적의 비율(% 공극율)은, 예를 들면 약 50%가 될 수 있다. 상기 구멍의 어레이는 상기 분출 부재에 걸친 유량들에 대한 원하는 압력 강하와 같은 다른 시스템 설계 변수들에 적용되도록 넓은 범위에 걸쳐 변화될 수 있다. 약 10% 내지 약 80%의 공극율 퍼센티지를 갖는 인치 당 약 10×10 내지 약 10,000×10,000의 어레이 크기들이 일부 예들에서 활용될 수 있다.
이러한 다공성의 분출층을 통한 및 선택적으로는 추가적인 공급들을 통한 상기 분출 물질의 흐름은 상기 연소기로부터 원하는 전체 출구 유체 스트림 유출구 온도를 구현하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 여기에 더 설명되는 바와 같이, 이와 같은 온도는 약 500℃ 내지 약 2,000℃의 범위 내에 있을 수 있다. 이러한 흐름은 또한 상기 분출 부재를 상기 분출 부재를 형성하는 물질의 최대의 허용 가능한 동작 온도 아래의 온도까지 냉각시키는 기능을 할 수 있다. 상기 분출 물질은 또한 상기 벽들을 부식시키거나, 오염시키거나, 그렇지 않으면 손상시킬 수 있는 상기 연료 내의 임의의 액체 또는 고체의 재 물질들의 충돌을 방지하는 기능을 할 수 있다. 이와 같은 예들에 있어서, 입사되는 복사열이 상기 다공성 분출 부재를 통해 방사상으로 외부로 전달될 수 있고, 이후에 상기 다공성의 층 구조의 표면으로부터 상기 분출 층을 통해 방사상으로 내측으로 통과하는 유체까지의 대류성 열전달에 의해 전도될 수 있도록 적절한 열전도성을 갖는 상기 분출 부재를 위한 물질을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 구성은 상기 다공성 분출 부재의 온도를 이를 위해 사용되는 상기 물질의 설계된 범위 내로 동시에 유지하면서 상기 분출 부재를 통해 안내되는 스트림의 후속하는 일부가 약 500℃ 내지 약 1,000℃와 같은 바람직한 범위 내의 온도까지 가열되게 할 수 있다. 상기 다공성 분출 부재를 위한 물질들은, 예를 들면, 다공성 세라믹들, 내화 금속 섬유 매트들, 홀이 형성된 실린더형 부분들 및/또는 소결된 금속 층들이나 소결된 금속 분말들을 포함할 수 있다. 상기 분출 부재의 두 번째 기능은 상기 연소 챔버의 길이를 따른 축 방향의 흐름을 증진시키면서, 상기 분출 유체 스트림과 상기 연소 생성물 사이의 우수한 혼합을 구현하기 위해 분출 유체의 실질적으로 방사상으로 내측뿐만 아니라 상기 연소기를 따른 길이 방향으로의 흐름을 확보하는 것이 될 수 있다. 상기 분출 부재의 세 번째 기능은 상기 연소 생성물들 내의 재 또는 다른 오염물들의 고체 및/또는 액체 입자들이 상기 분출 층의 표면에 충돌하고 폐색이나 다른 손상을 야기하는 것을 완충시키거나 그렇지 않으면 차단하도록 방사상으로 내측을 향하는 희석제 유체를 구현하는 것이 될 수 있다. 이와 같은 인자는, 예를 들면, 석탄과 같은 잔류하는 불활성의 비가연성 잔여물을 갖는 연료를 연소시킬 때에 매우 중요할 수 있다. 상기 분출 부재를 둘러싸는 상기 연소기 압력 용기의 내부 벽 또한 상기 연소기 내에서 고온의 분출 유체 스트림을 분리시키도록 절연될 수 있다.
본 발명에 따라 유용할 수 있는 연소기 장치의 하나의 실시예가 도 1에 개략적으로 도시되며, 상기 연소기 장치는 대체로 부호 220으로 나타낸다. 이러한 예에 있어서, 비록 여기에 개시되는 바와 같이 임의의 다른 적절한 가연성의 탄소를 함유하는 물질도 연료로 사용될 수 있지만, 상기 연소기 장치(220)는 연소 생성물을 형성하도록 석탄과 같은 미립자의 고체를 연소시키도록 구성될 수 있다. 상기 연소 챔버(222)는 분출 부재(230)에 의해 한정될 수 있고, 이는 분출 유체를 이를 통해 상기 연소 챔버(222) 내로 안내하도록(즉, 분출 냉각을 가능하게 하거나 및/또는 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재(230) 사이의 상호 작용을 완충시키도록) 구성된다. 해당 기술 분야의 숙련자라면 상기 분출 부재(230)가 유입구 부분(222A) 및 대향하는 유출구 부분(222B)을 갖는 실질적으로 실린더형의 연소 챔버(222)를 정의하기 위해 실질적으로 실린더형이 될 수 있는 점이 이해될 것이다. 상기 분출 부재(230)는 격납 부재(pressure containment member)(2338)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 상기 연소 챔버(222)의 유입구 부분(222A)은 대체로 참조 부호 250으로 나타낸 혼합 장치(mixing arrangement)로부터 연료 혼합물을 수용하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 이와 같은 혼합 장치는 없을 수 있고, 상기 연소기 내로 투입되는 물질들의 하나 또는 그 이상이 독립적인 유입구들을 통해 별도로 첨가될 수 있다. 특정 실시예들에 따르면, 상기 연료 혼합물은 연소 생성물을 형성하도록 특정한 연소 온도에서 상기 연소 챔버(222) 내에서 연소될 수 있으며, 여기서 상기 연소 챔버(222)는 상기 연소 생성물을 상기 유출구 부분(222B)을 향해 이끌도록 더 구성된다. 열 제거 장치(2350)(예를 들면, 도 2 참조)는 상기 격납 부재(2338)와 연관될 수 있고, 이의 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 특정 예들에 있어서, 상기 열 제거 장치(2350)는 상기 격납 부재(2338)에 대향하는 벽(2336)에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 열전달 재킷(jacket)을 포함할 수 있고, 여기서 액체가 이들 사이에 한정되는 물-순환 재킷들(2337) 내에서 순환될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 순환되는 액체는 물이 될 수 있다.
특정한 일 측면에 있어서, 상기 다공성의 내부 분출 부재(2332)가 이에 따라 상기 분출 유체를 상기 연소 챔버(222) 내로 안내하도록 구성되므로, 상기 분출 물질(210)이 상기 내부 분출 부재(2332)의 내부 표면에 대하여 실질적으로 직각(90)으로 상기 연소 챔버(222) 내로 들어간다. 다른 이점들 중에서, 상기 내부 분출 부재(2332)에 대하여 실질적으로 직각으로 상기 분출 물질(210) 도입이 슬래그 액체나 고체 액적들 또는 다른 오염물들이나 뜨거운 연소 유체 소용돌이들을 상기 내부 분출 부재(2332)의 내부 표면으로부터 멀어지게 향하게 하는 것을 가능하게 할 수 있거나, 이의 효과를 향상시킬 수 있다. 상기 슬래그 액체 또는 고체 액적들 사이의 접촉의 부족은 종래 기술에서 액적들이나 입자들과 고체 벽들 사이의 접촉에 따라 일어나는 것으로 알려진 큰 액적들이나 덩어리들로의 상기 액적들의 응집을 방지할 수 있다. 상기 내부 분출 부재(2332)에 대해 실질적으로 직각으로 상기 분출 물질(210)의 도입은 상기 내부 분출 부재에 해로운 영향을 미치거나 손상시킬 수 있는 상기 내부 분출 부재에 대해 직교하고 근접하는 충분한 속도를 갖는 연소 유체 소용돌이들의 형성을 방지할 수 있거나, 이의 효과를 향상시킬 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 외부 분출 부재(2331), 상기 격납 부재(2338), 상기 열전달 재킷(2336) 및/또는 상기 절연층(2339)은 개별적으로 또는 결합되어 상기 내부 분출 부재(2332)를 통하여 상기 연소 챔버(222) 내로의 상기 분출 물질/유체(210)의 전달에 대하여 "매니폴드(manifold)" 효과를 제공하도록(즉, 실질적으로 균일하게 분산된 공급을 제공하도록) 구성될 수 있다. 즉, 상기 연소 챔버(222) 내로의 상기 분출 물질(210)의 실질적으로 균일한 공급(유량, 압력 또는 임의의 다른 적합하고 적절한 측정의 측면에서)은 상기 내부 분출 부재(2332)에 대한 상기 분출 물질(210)의 균일한 공급을 제공하도록 상기 외부 분출 부재(2331), 상기 격납 부재(2338), 상기 열전달 재킷(2336) 및/또는 상기 절연층(2339)을 구성함에 의해 이루어질 수 있거나, 상기 내부 분출 부재(2332)의 외부 표면에 대한 상기 분출 물질(210)의 공급이 특히 상기 연소 챔버(222) 내에 상기 분출 물질(210)의 실질적으로 균일한 분포가 이루어지도록 주문 제작되고 구성될 수 있다. 이와 같이 실질적으로 균일한 분포는 그렇지 않으면 상기 연소 유체와 불균일한 분출 흐름의 상호 작용에 의해 형성될 수 있는 고온의 연소 유체 소용돌이들의 형성을 방지할 수 있고, 상기 소용돌이들이 상기 내부 분출 부재에 해로운 영향을 미칠 수 있거나 손상시킬 수 있는 것을 방지할 수 있다.
상기 혼합 장치(250)(존재할 때)는 연료 혼합물(200)을 형성하기 위해 탄소질 연료(254)를 농축된 산소(242) 및 순환 유체(236)와 혼합하도록 구성될 수 있다. 상기 탄소질 연료(254)는 고체 탄소질 연료, 액체 탄소질 연료 및/또는 기체 탄소질 연료의 형태로 제공될 수 있다. 상기 농축된 산소(242)는 약 85% 이상의 몰 순도를 갖는 산소가 될 수 있다. 상기 농축된 산소(242)는, 예를 들면, 극저온 공기 분리 공정 또는 고온 이온 수송 멤브레인 산소 분리 공정(공기로부터)과 같이 구현될 수 있는 해당 기술 분야에서 알려진 임의의 공기 분리 시스템/기술에 의해 예를 들어 공급될 수 있다. 상기 순환 유체(236)는 여기에 기재되는 바와 같이 이산화탄소가 될 수 있다. 상기 탄소질 연료(254)가 분말화된 석탄(254A)과 같이 미립자의 고체인 예들에 있어서, 상기 혼합 장치(250)는 상기 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)를 유동화 물질(fluidizing substance)(255)과 혼합시키도록 더 구성될 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)는 약 50 미크론 내지 약 200 미크론의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 또 다른 측면에 따르면, 상기 유동화 물질(255)은 물 및/또는 약 450㎏/㎥ 내지 약 1,100㎏/㎥ 사이의 밀도를 가질 수 있는 액체 CO2를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 유동화 물질(255)은, 예를 들면, 상기 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)의 약 25중량% 내지 약 55중량%를 갖는 슬러리(250A)를 형성하도록 상기 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)와 협력할 수 있다. 비록 상기 연소 챔버(222)로의 도입 이전에 산소(242)가 상기 연료(254) 및 상기 순환 유체(236)와 혼합되는 것으로 도 1에 도시되지만, 일부 예들에서, 상기 산소(242)는 필요하거나 원하는 경우에 별도로 상기 연소 챔버(222) 내로 도입될 수 있다.
상기 혼합 장치(250)는, 일부 측면들에서, 예를 들면, 상기 실린더형 연소 챔버(222)의 유입구 부분(222A)과 관련된 상기 분출 부재(230)의 단부 벽(223)에 대해 정렬되는 이격된 주입 노즐들의 어레이(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 상기 연소 챔버(222) 내로의 상기 연료/연료 혼합물을 주입하는 것은, 예를 들면, 주입된 연료 혼합물 유입구 스트림의 큰 표면적을 제공할 수 있으며, 이는 결국 복사에 의해 상기 주입된 연료 혼합물 유입구 스트림에 대한 빠른 열전달을 가능하게 할 수 있다. 상기 주입된 연료 혼합물의 온도는 이에 따라 상기 연료의 점화 온도까지 빠르게 증가될 수 있고, 이에 따라 간결한 연소를 가져올 수 있다. 비록 이들 값들이 특정한 주입 노즐들의 구성과 같은 많은 인자들에 의존할 수 있지만, 상기 연료 혼합물의 주입 속도는, 예를 들면, 약 10m/sec 내지 약 40m/sec의 범위가 될 수 있다. 이와 같은 주입 장치는 많은 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 주입 장치는, 예를 들어, 약 0.5㎜ and 약 3㎜ 범위의 직경을 갖는 홀들의 어레이를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 연료는 약 10m/s 내지 약 40m/s의 속도로 이들을 통해 주입될 수 있다.
도 2에 보다 상세하게 도시한 바와 같이, 상기 챔버(222)는 격납 부재(2338)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있는 상기 분출 부재(230)에 의해 정의될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 격납 부재(2338)는 열전달 재킷(jacket)(2336)에 의해 적어도 부분적으로 더 둘러싸일 수 있고, 여기서 상기 열전달 재킷(2336)은 저압의 물 스트림이 이를 통해 순환될 수 있는 하나 또는 그 이상의 채널들(2337)을 이들 사이에 한정하도록 상기 격납 부재(2338)와 협력할 수 있다. 증발 메커니즘을 통해, 상기 순환된 물은 이에 따라 약 100℃ 내지 약 250℃ 범위의 상기 격납 부재(2338)의 선택된 온도를 제어하거나 및/또는 유지하도록 사용될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 절연층(2339)이 상기 분출 부재(230)와 상기 격납 부재(2338) 사이에 배치될 수 있다.
일부 예들에 있어서, 상기 분출 부재(230)는, 예를 들면, 외부 분출 부재(2331) 및 내부 분출 부재(2332)를 포함할 수 있고, 상기 내부 분출 부재(2332)는 상기 격납 부재(2338)로부터 상기 외부 분출 부재(2331)에 대향하여 배치되며, 상기 연소 챔버(222)를 한정한다. 상기 외부 분출 부재(2331)는, 예를 들면, 스테인리스 스틸 및 니켈 합금들을 포함하여 스틸 및 스틸 합금들과 같은 임의의 적합한 고온 저항성 물질로 구성될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 외부 분출 부재(2331)는 상기 절연층(2339)에 인접하는 그 표면으로부터 상기 내부 분출 부재(2332)에 인접하는 그 표면까지 이를 통해 연장되는 제1 분출 유체 공급 통로들(2333A)을 정의하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 분출 유체 공급 통로들(2333A)은, 일부 예들에서, 상기 격납 부재(2338), 상기 열전달 재킷(2336) 및/또는 상기 절연층(2339)에 의해 한정되는 제2 분출 유체 공급 통로들(2333B)에 대응될 수 있다. 상기 제1 및 제2 분출 유체 공급 통로들(2333A, 2333B)은 이에 따라 이들을 통해 분출 유체를 상기 내부 분출 부재(2332)로 향하게 하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 도시된 바와 같이, 예를 들면, 도 1에서, 상기 분출 유체(210)는 상기 순환 유체(236)를 포함할 수 있고, 이와 관련된 동일한 소스로부터 얻어질 수 있다. 상기 제1 및 제2 분출 유체 공급 통로들(2333A, 2333B)은 충분한 압력에서 충분한 공급 내의 상기 분출 유체(210)(즉, CO2)를 전달하기 위해 필요에 따라 절연될 수 있으므로, 상기 분출 유체(210)가 상기 내부 분출 부재(2332)를 통하여 상기 연소 챔버(222) 내로 향하게 된다. 여기에 개시되는 바와 같이, 상기 분출 부재(230) 및 관련된 분출 유체(210)를 수반하는 이와 같은 측정들은 상기 연소기 장치(220)가 여기에 달리 개시되는 상대적으로 높은 압력들 및 상대적으로 높은 온도들에서 동작하게 할 수 있다.
이러한 관점에서, 상기 내부 분출 부재(2332)는, 예를 들면, 다공성의 세라믹 물질, 천공된 물질, 라미네이트 물질, 2차원으로 임의로 배향되고 3차원적으로 순서화된 섬유들로 구성된 다공성의 매트, 또는 임의의 다른 적합한 물질 혹은 여기서 개시되는 바와 같은 이에 대해 요구되는 특성들, 즉 상기 내부 분출 부재(2332)를 통해 상기 분출 유체를 수용하고 안내하기 위한 다중 흐름 통로들이나 구멍들 혹은 다른 적절한 개구들(2335)을 나타내는 이들의 조합들로 구성될 수 있다. 이와 같은 분출 냉각 시스템들을 위한 다공성의 세라믹 및 다른 적합한 물질들의 제한적이지 않은 예들은 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 상변형-강화된 지르코늄, 구리, 몰리브데늄, 텅스텐, 구리-침윤 텅스텐, 텅스텐 코팅 몰리브데늄, 텅스텐 코팅 구리, 다양한 고온 니켈 합금들, 그리고 레늄(rhenium)으로 싸이거나 코팅된 물질들을 포함한다. 적합한 물질들의 공급자들은, 예를 들면 쿠어스텍사(CoorsTek, Inc.)(골든시, 콜로라도주)(지르코늄); 울트라메트 어드밴스드 머티어리얼즈 솔루션즈(UltraMet Advanced Materials Solutions)(페코이마시, 캘리포니아주)(내화 금속 코팅들); 오르삼 실바니아(Orsam Sylvania)(덴버시, 메사추세츠주)(텅스텐/구리); 및 마르케텍 인터내셔날사(MarkeTech International, Inc.)(포트 타운센드시, 워싱턴주)(텅스텐)를 포함한다. 이러한 분출 냉각 시스템들을 위해 적합한 천공된 물질들의 예들은 앞서의 물질들 및 공급자들 모두를 포함한다(여기서 상기 천공된 단부 구조들은, 예를 들면, 해당 제조 분야에서 알려진 방법들을 이용하여 초기에는 비다공성인 구조를 천공하여 얻어질 수 있다). 적합한 라미네이트 물질들의 예들은 앞서의 물질들 및 공급자들 모두를 포함한다(여기서 상기 라미네이트 단부 구조들은, 예를 들면, 해당 제조 분야에서 알려진 방법들을 이용하여 원하는 단부 다공성을 구현하는 방식으로 비다공성이거나 부분적으로 다공성인 구조들을 라미네이트하여 얻어질 수 있다).
도 3A 및 도 3B는, 연소기 장치(220)의 일 측면에 있어서, 상기 연소 챔버(222)를 정의하는 구조가 상기 분출 부재(230)와 상기 격납 부재(2338) 또는 상기분출 부재(230) 및 상기 격납 부재(2338) 사이에 배치되는 상기 절연층(2339)과 같은 둘러싸는 구조 사이의 "뜨거운(hot)" 억지 끼워 맞춤(interference fit)을 통해 형성될 수 있는 점을 예시한다. 예를 들면, 상대적으로 "차가울(cold)" 때에 상기 분출 부재(230)는 상기 둘러싸는 격납 부재(2338)에 대하여 방사상으로 및/또는 축 방향으로 보다 작게 치수화될 수 있다. 이와 같이, 상기 격납 부재(2338) 내로 삽입될 때, 방사상 및/또는 축 방향의 갭(gap)이 이들 사이에 존재할 수 있다(예를 들면, 도 3A 참조). 물론, 이와 같은 치수적인 차이들은 상기 격납 부재(2338) 내로의 상기 분출 부재(230)의 삽입을 가능하게 할 수 있다. 그러나, 예를 들면, 상기 동작 온도를 향해 가열될 때, 상기 분출 부재(230)는 전술한 갭들을 감소시키거나 제거하기 위해 방사상으로 및/또는 축 방향으로 팽창되도록 구성될 수 있다(예를 들면, 도 3B 참조). 이와 같이 하여, 축 방향 및/또는 방사상의 억지 끼워 맞춤이 상기 분출 부재(230)와 상기 격납 부재(2338) 사이에 형성될 수 있다. 외부 분출 부재(2331) 및 내부 분출 부재(2332)를 갖는 분출 부재(230)를 수반하는 예들에 있어서, 이와 같은 억지 끼워 맞춤은 상기 내부 분출 부재(2332)를 압축 하에 둘 수 있다. 다공성의 세라믹과 같은 적절한 고온 저항성의 취성 재료들(brittle materials)이 상기 내부 분출 부재(2332)에 대해 사용될 수 있다.
이와 같이 구성되는 상기 내부 분출 부재(2332)로써, 상기 분출 물질(210)이, 예를 들면, 상기 내부 분출 부재(2332)를 통해 안내되는 이산화탄소(즉, 상기 순환 유체(236)와 동일한 소스로부터)를 포함할 수 있으므로, 상기 분출 물질(210)은 상기 연소 챔버(222) 내부의 상기 내부 분출 부재(2332)에 바로 인접하는 완충층(231)(즉, "증기 벽(vapor wall)")을 형성하며, 여기서 상기 완충층(231)은 상기 내부 분출 부재(2332)와 상기 액화된 불연성의 원소들 및 상기 연소 생성물과 관련된 열 사이의 상호 작용을 완충시키도록 구성될 수 있다. 즉, 일부 예들에서, 상기 분출 유체(210)는 상기 내부 분출 부재(2332)를 통해, 예를 들면, 적어도 상기 연소 챔버(222) 내의 압력에서 전달될 수 있으며, 여기서 상기 연소 챔버(222) 내로의 상기 분출 유체(210)(즉, CO2 스트림)의 유량은 후속하는 다운스트림 프로세스의 유입구 요구 사항들(즉, 상기 터빈이, 예를 들어, 약 1,225C의 유입구 온도를 요구할 수 있다)에 대하여 충분한 온도에서 출구 유체 혼합물을 형성하기 위해 상기 연소 생성물들과 혼합되고 이를 냉각시키는 상기 분출 유체(210)를 위해 충분할 수 있지만, 여기서 상기 출구 유체 혼합물은 상기 연료 내에 슬래그 액적들 또는 다른 오염물들을 유체 또는 액체 상태 유지하도록 충분히 많게 잔류한다. 상기 연료의 불연성 원소들의 액체 상태는, 예를 들면, 액체 형태, 바람직하게는 자유 유동의 낮은 점성 형태로 상기 연소 생성물로부터의 이와 같은 오염물들의 분리를 가능하게 할 수 있으며, 이는 이와 같은 분리를 위해 실시되는 임의의 제거 시스템을 덜 막거나 그렇지 않으면 덜 손상시킬 것이다. 실제로는, 이와 같은 요구 사항들은 채용되는 고체 탄소질 연료(즉, 석탄)의 형태 및 상기 연소 프로세스 내에서 형성되는 상기 슬래그의 특정한 특성들과 같은 다양한 인자들에 의존할 수 있다. 즉, 상기 연소 챔버(222) 내의 연소 온도가 상기 탄소질 연료 내의 임의의 불연성 원소들이 상기 연소 생성물 내에서 액화되도록 할 수 있다.
특정 측면들에 있어서, 상기 다공성의 내부 분출 부재(2332)는 이에 따라 상기 연소 챔버(222)를 한정하는 상기 내부 분출 부재(2332)의 표면(예를 들면, 도 2 참조)에 대해 유체 차단 벽 또는 완충층(231)을 형성하기 위해 방사상으로 내측으로 향하는 방식으로 상기 분출 유체를 상기 연소 챔버(222) 내로 안내하도록 구성된다. 상기 내부 분출 부재(2332)의 표면은 또한 연소 생성물에 의해 가열된다. 이와 같이, 상기 다공성의 내부 분출 부재(2332)는 적절한 열전도성을 가지도록 구성될 수 있으므로, 상기 다공성의 내부 분출 부재(2332)가 동시에 냉각되면서 상기 내부 분출 부재(2332)를 통과하는 상기 분출 유체(210)가 가열되어, 상기 연소 챔버(222)를 한정하는 상기 내부 분출 부재(2332)의 표면의 온도를 가장 높은 연소 온도의 범위 내, 예를 들면 약 1,000℃가 되게 한다. 상기 분출 유체(210)와 상기 내부 분출 부재(2332)의 협력에 의해 형성되는 상기 유체 차단 벽 또는 완충층(231)은 이에 따라 상기 내부 분출 부재(2332)와 상기 고온의 연소 생성물들 및 상기 슬래그나 다른 오염물 입자들 사이의 상호 작용을 완충시키며, 이와 같이 상기 내부 분출 부재(2332)를 접촉, 오염 또는 다른 손상으로부터 완충시킨다. 또한, 상기 분출 유체(210)는 원하는 온도(예를 들면, 약 500℃ 내지 약 2,000℃)에서 상기 연소 챔버(222)의 유출구 부분(222B)에 대해 상기 분출 유체(210) 및 상기 연소 생성물의 출구 혼합물을 조절하기 위한 방식으로 상기 내부 분출 부재(2332)를 통해 상기 연소 챔버(222) 내로 도입될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소기 장치(220)는 이에 따라 여기에 기재되는 바와 같이 상대적으로 높은 동작 온도에서 연료(254)의 상대적으로 완전한 연소를 제공할 수 있는 고효율의 분출 냉각 연소기 장치로 구성될 수 있다. 이와 같은 연소기 장치(220)는, 일부 예들에서, 하나 또는 그 이상의 냉각 유체들 및/또는 하나 또는 그 이상의 분출 유체(210)를 구현할 수 있다. 상기 연소기 장치(220)와 관련하여, 추가적인 구성 요소들도 구현될 수 있다. 예를 들면, 공기 분리 유닛이 N2 및 O2를 분리하기 위해 제공될 수 있으며, 연료 인젝터 장치가 상기 공기 분리 유닛으로부터 O2를 수용하고, 상기 O2를 CO2 순환 유체 그리고 기체, 액체, 초임계의 유체 또는 고밀도의 CO2 유체 내에 슬러리화된 고체 미립자 연료를 포함하는 연료 스트림과 혼합하기 위해 제공될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 상기 분출 냉각 연소기 장치(220)는 가압된 연료 스트림을 상기 연소기 장치(220)의 상기 연소 챔버(222) 내로 주입하기 위한 연료 인젝터를 더 포함할 수 있으며, 여기서 상기 연료 스트림은 처리된 탄소질 연료(254), 유동화 매체(255)(여기에 기재되는 바와 같이 상기 순환 유체(236)를 포함할 수 있다) 그리고 산소(242)를 포함할 수 있다. 상기 산소(농축된)(242) 및 상기 CO2 순환 유체(236)는 균질한 초임계의 혼합물로 결합될 수 있다. 존재하는 산소의 양은 상기 연료를 연소시키고, 원하는 조성을 갖는 연소 생성물들을 생성하기에 충분할 수 있다. 상기 연소기 장치(220)는 또한 상기 연료 스트림뿐만 아니라 상기 연소 챔버(222)를 한정하는 다공성의 분출 부재(230)의 벽들을 통해 상기 연소 체적으로 들어가는 분출 유체(210)를 수용하기 위해 고압 및 고온 연소 체적으로서 구성되는 연소 챔버(222)를 포함할 수 있다. 상기 분출 유체(210)의 공급 속도는 상기 연소기 장치 유출구 부분/터빈 유입구 부분 온도를 원하는 값으로 조절하고 및/또는 상기 분출 부재(230)를 형성하는 물질과 영립할 수 있는 온도까지 상기 분출 부재(230)를 냉각시키는 데 이용될 수 있다. 상기 분출 부재(230)를 통해 안내되는 상기 분출 유체(210)는 상기 연소 챔버(222)를 한정하는 상기 분출 부재(230)의 표면상에 유체/완충층을 제공하며, 여기서 상기 유체/완충층은 특정한 연료 연소로부터 야기되는 재 또는 액체 슬래그의 입자들이 상기 분출 부재(230)의 노출된 벽들과 상호 작용하는 것을 방지할 수 있다.
상기 연소 챔버(222)는 상기 연료 스트림(및 상기 순환 유체(236))이 연소가 일어나는 압력보다 큰 압력에서 상기 연소 챔버(222) 내로 주입되거나 그렇지 않으면 도입되도록 더 구성될 수 있다. 상기 연소기 장치(220)는 상기 연소 챔버(222)를 한정하는 상기 분출 부재(230)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 격납 부재(2338)를 포함할 수 있고, 여기서 절연 부재(2339)는 상기 격납 부재(2338) 및 상기 분출 부재(230) 사이에 배치될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 물을 순환시키는 재킷들(2337)을 한정하는 재킷형 수냉 시스템과 같은 열 제거 장치(2350)가 상기 격납 부재(2338)에 체결될(즉, 상기 연소기 장치(220)의 "셸(shell)"을 형성하는 상기 격납 부재에 대해 외부로부터) 수 있다. 상기 연소기 장치(220)의 분출 부재(230)과 연결되어 구현되는 상기 분출 유체(210)는, 예를 들면, 적은 양의 H2O 및/또는 N2나 아르곤과 같은 불활성 가스와 혼합된 CO2일 수 있다. 상기 분출 부재(230)는, 예를 들면, 다공성의 금속, 세라믹, 복합 매트릭스, 층상의 매니폴드(manifold), 임의의 다른 적합한 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 연소 챔버(222) 내의 연소는 여기서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 고압 및 고온의 연소 생성물 스트림을 생성할 수 있으며, 이는 후속하여 이에 관련된 팽창을 위해 터빈과 같은 동력을 생성하는 장치로 향할 수 있다.
여기에 개시되는 바와 같은 연소기 장치의 실시예에 의해 구현되는 상대적으로 높은 압력들은 이에 따라 최소의 체적으로 상대적으로 높은 강도까지 생성되는 에너지를 농축시키는 기능을 할 수 있으며, 본질적으로 상대적으로 높은 에너지 밀도의 결과로 된다. 상기 상대적으로 높은 에너지 밀도는 이러한 에너지의 다운스트림 처리가 보다 낮은 압력들에서 보다 효율적인 방식으로 수행되게 할 수 있으며, 이에 따라 상기 기술에 대한 성공 인자를 제공할 수 있다. 본 발명의 측면들은 이에 따라 현존하는 발전소들보다 자릿수가 다른 에너지 밀도(즉, 10폴드(fold)-100폴드로)를 제공할 수 있다. 보다 높은 에너지 밀도는 상기 프로세스의 효율을 증가시키지만, 또한 장비의 크기와 질량을 감소시키고, 이에 따라 상기 장비의 비용을 감소시킴에 의해 열에너지로부터 전기로의 에너지 변환을 실행하는 데 필요한 상기 장비의 비용을 감소시킨다.
여기서 달리 논의되는 바와 같이, 본 발명의 방법들과 시스템들에 사용되는 연소기 장치는 다양한 다른 탄소를 함유하는 연료 소스들의 연소를 위해 유용할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 액체나 고체 불연성 물질들이 상기 연소 생성물 스트림 내에 포함되지 않도록 실질적으로 완전히 연소될 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 본 발명에 사용될 수 있는 고체의 탄소를 함유하는 연료(예를 들면, 석탄)는 불연성 물질들의 존재를 가져올 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소기 장치는 상기 연소 프로세스 동안 액화되는 상기 고체의 탄소를 함유하는 연료 내의 불연성 원소들을 야기하는 연소 온도를 구현할 수 있는 능력을 포함할 수 있다. 이와 같은 예들에 있어서, 상기 액화된 불연성 원소들을 제거하기 위한 공급들이 적용될 수 있다. 제거는, 예를 들면, 사이클론 분리기들, 충격 분리기들 또는 고리형의 구성으로 배열되는 계층화된 내화 과립 필터들의 베드(bed)들을 이용하여 구현될 수 있다, 또는 이들의 결합들. 특정 실시예들에 있어서, 상기 액적들은, 예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같은 분리기 장치(2340)와 같은 사이클론 분리기들의 시리즈에 의해 상기 고온의 순환 유체 스트림으로부터 제거될 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 의해 구현되는 이러한 사이클론 분리기들의 측면들은, 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림 및 이와 관련된 상기 액화된 불연성 원소들을 수용하도록 구성된 유입구 원심 분리기 장치(100A) 및 액화된 불연성 원소들을 갖는 상기 연소 생성물/이로부터 실질적으로 제거되는 출구 유체 스트림을 배출하도록 구성되는 유출구 원심 분리기 장치(100B)를 구비하는 복수의 직렬로 배열된 원심 분리기 장치들(100)을 포함할 수 있다. 각 원심 분리기 장치(100)는 중심 콜렉터(collector) 파이프(2)에 대해 평행하게 동작 가능하도록 배열되는 복수의 원심 분리기 요소들 또는 사이클론들(1)을 포함하며, 여기서 각 원심성 분리 요소는 또는 사이클론(1)은 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림으로부터 상기 액화된 불연성 원소들의 적어도 일부를 제거하고, 상기 제거된 상기 액화된 불연성 원소들의 일부를 배수조(sump)(20)로 향하게 하도록 구성된다. 이와 같은 분리기 장치(2340)는 상승된 압력에서 동작하도록 구성될 수 있고, 그와 같이 상기 원심 분리기 장치들 및 상기 배수조를 수용하도록 구성되는 가압식 수용 하우징(pressure-containing housing)(125)을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 측면들에 따르면, 상기 가압식 수용 하우징(125)은 상기 연소기 장치(220)도 둘러싸는 상기 격납 부재(2338)의 연장일 수 있거나, 상기 가압식 수용 하우징(125)은 상기 연소기 장치(220)와 관련되는 상기 격납 부재(2338)를 체결할 수 있는 별도의 부재가 될 수 있다. 양 경우들에 있어서, 상기 출구 유체 스트림를 통해 상기 분리기 장치(2340)에 의해 겪는 상승된 온도로 인하여, 상기 가압식 수용 하우징(125)은 또한 이로부터 열을 제거하기 위해 이에 동작 가능하게 체결되는 내부에 순환되는 액체를 갖는 열전달 재킷(도시되지 않음)과 같은 열확산 시스템을 포함할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 열 회수 장치(도시되지 않음)는 상기 열전달 재킷에 동작 가능하게 체결될 수 있으며, 여기서 상기 열 회수 장치는 상기 열전달 재킷 내에서 순환되는 상기 액체를 수용하고, 상기 액체로부터 열에너지를 회수하도록 구성될 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 도 4에 도시된 상기 (슬래그 제거)분리기 장치(2340)는 이로부터 상기 출구 유체 스트림/연소 생성물들을 수용하기 위한 이의 유출구 부분(222B)에 대해 상기 연소기 장치(220)와 직렬로 배치되도록 구성될 수 있다. 상기 연소기 장치(220)부터의 내부의 상기 액체 슬래그(불연성 원소들) 액적들과 함께 상기 분출 냉각 출구 유체 스트림은 원추형 리듀서(reducer)(10)를 통해 상기 유입구 원심 분리기 장치(100A)의 중심 콜렉터 공급(2A)으로 들어가도록 안내될 수 있다. 일 측면에 있어서, 상기 분리기 장치(2340)는 세 개의 원심 분리기 장치들(100A, 100B, 100C)(비록 해당 기술 분야의 숙련자라면 필요하거나 원하는 경우에 이와 같은 분리기 장치가 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 원심성 장치들을 포함할 수 있는 점을 이해할 것이지만)을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 직렬로 동작 가능하게 배열되는 상기 세 개의 원심 분리기 장치들(100A, 100B, 100C)은 3 스테이지의 사이클론 분리 유닛을 제공한다. 각 원심 분리기 장치는, 예를 들면, 상기 대응되는 중심 콜렉터 파이프(2)의 원주에 대해 배열되는 복수의 원심 분리기 요소들(사이클론들)(1)을 포함한다. 상기 유입구 원심 분리기 장치(100A)의 상기 중심 콜렉터 공급(2A)과 상기 중심 콜렉터 파이프들(2) 및 내측의 원심 분리기 장치(100C)는 각기 그 유출구에서 밀봉된다. 이들 예들에 있어서, 상기 출구 유체 스트림은 각 원심 분리기 장치(100)의 각각의 상기 원심 분리기 요소들(사이클론들)(1)에 대응되는 분기 채널들(11) 내로 향한다. 상기 분기 채널들(11)은 이를 위한 접선의 유입구(예들 들어, 상기 사이클론(1)으로 들어가는 상기 출구 유체 스트림이 나선형 흐름으로 상기 사이클론(1)의 벽과 상호 작용하게 하는)를 형성하기 위해 상기 각각의 사이클론(1)의 유입구 단부에 체결되도록 구성된다. 각 사이클론(1)으로부터 상기 유출구 채널(3)은 이후에 상기 각각의 원심 분리기 장치(100)의 중심 콜렉터 파이프(2)의 유입구 부분 내로 보내진다. 상기 유출구 원심 분리기 장치(100B)에서, 상기 출구 유체 스트림(실질적으로 이로부터 분리되는 상기 불연성 원소들을 갖는)은 상기 유출구 원심 분리기 장치(100B)의 중심 콜렉터 파이프로부터 콜렉터 파이프(2) 및 유출구 노즐(5)을 통해 안내되므로, 이후에 "깨끗한(clean)" 출구 유체 스트림이 변환 장치와 관련되는 것과 같은 후속하는 프로세스로 이끌어질 수 있다. 상기 예시적인 세 스테이지의 사이클론 분리 장치는 이에 따라 상기 출구 유체 스트림 내의 슬래그가, 예를 들면, 질량으로 5ppm 이하로 제거되게 할 수 있다.
상기 분리기 장치(2340)의 각 스테이지에서, 상기 분리된 액체 슬래그는 배수조(20)를 향해 연장되는 유출구 튜브들(4)을 통해 각각의 사이클론(1)으로부터 안내된다. 상기 분리된 액체 슬래그는 이후에 제거 및/또는 그로부터 성분들의 회수를 위해 상기 배주소(20) 및 상기 가압식 수용 하우징(125)으로부터 연장되는 유출구 노즐 또는 파이프(14) 내로 안내된다. 상기 슬래그의 제거를 구현하기 위하여, 상기 액체 슬래그는 물-냉각된 부분(6)을 통해 또는 그렇지 않으면 고압의 차가운 물 연결을 갖는 부분을 통해 안내될 수 있으며, 여기서 물과의 상호 작용은 상기 액체 슬래그를 고체화 및/또는 과립화되게 한다. 고체화된 슬래그와 물의 혼합물은 이후에 용기(수집 공급)(7) 내에서 적합한 밸브(9)를 통해 특히 압력 감소를 수반하여 제거될 수 있는 슬래그/물 유체 혼합물로 분리될 수 있는 반면, 임의의 잔여 가스는 별도의 라인(8)을 거쳐 제거될 수 있다. 차례로 동작하는 시스템들과 관련된 한 쌍의 용기들은 일부 실시예들에서 상기 시스템의 연속적인 동작을 가능하게 할 수 있다.
상기 분리기 장치(2340)가 상대적으로 높은 온도의 연소 생성물 스트림(즉, 상대적으로 낮은 점도를 갖는 액체 형태로 상기 불연성 원소들을 유지하기에 충분한 온도에서)과 함께 실행될 수 있기 때문에, 일부 예들에서, 이와 관련된 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림 및 액화된 불연성 원소들의 하나에 노출되는 상기 분리기 장치(2340)의 표면들이 높은 온도 저항성, 높은 부식 저항성 및 낮은 열 전도성의 적어도 하나를 가지도록 구성되는 물질로 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같은 물질의 예들은, 비록 어떠한 방식으로도 제한되는 것으로 의도되는 것은 아니지만, 지르코늄 산화물 및 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 이와 같이, 어떤 측면들에서, 상기 분리기 장치(2340)는 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림으로부터 상기 액화된 불연성 원소들을 실질적으로 제거하고, 적어도 상기 배수조(20)로부터의 이의 제거까지 낮은 점도의 액체 형태로 상기 불연성 원소들을 유지하도록 구성될 수 있다. 물론, 비고체 연료가 사용되고 불연성 물질들이 상기 연소 생성물 스트림 내에 포함되지 않는 실시예들에서, 상기 슬래그 분리기의 추가는 필요하지 않을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 분리기 장치(2340)는 석탄과 같은 불연성의 고체 잔여물을 생성하는 임의의 연료의 연소로부터 미립자 고체의 재 잔여물을 분리하도록 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 석탄은 원하는 크기(예를 들면, 1중량% 이하의 미립자 또는 분말화된 석탄이 크기가 100㎛ 이상인 입자들을 포함하게 하는 크기)로 분쇄될 수 있고, 액체 CO2로 슬러리화될 수 있다 특정한 실시예들에 있어서, 상기 액체 CO2는 약 -40℃ 내지 약 -18℃이 온도에 있을 수 있다. 상기 슬러리는 약 40중량% 내지 약 60중량%의 석탄을 포함할 수 있다. 상기 슬러리는 이후에 원하는 연소 압력까지 가압될 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 재순환 스트림(236)은 상기 연소기(220) 내로 진입하는 모드와 관련되어 분할될 수 있다. 제1 부분(스트림(236a))은 상기 혼합 장치(250)를 통해 상기 연소기(220) 내로 투입될 수 있고, 제2 부분(스트림(236b))은 상기 분출 냉각층(230)을 통과함에 의해 상기 연소기(220)로 투입될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 버너(220)가 환원성 가스 혼합물(예를 들면, H2, CH4, CO, H2S 및/또는 NH3을 포함하는)의 형성을 가져오는 연료에 대한 O2의 비율로 동작하게 하는 것이 가능하다. 상기 분출 냉각층(230)을 통해 상기 연소기로 들어가는 스트림(236)의 일부는 상기 연소 가스들 및 상기 CO2 순환 유체의 혼합물을 실질적으로 재의 고체화 온도(예를 들면, 약 500℃ 내지 약 900℃의 범위 내) 아래의 온도까지 냉각시키는 데 이용될 수 있다. 상기 분리기 장치(2340)로부터의 전체 가스 스트림(5)은 여과 유닛을 통과할 수 있으며, 이는 잔류하는 고체의 재 미립자 레벨을 매우 낮은 값(예를 들면, 상기 필터를 통과하는 약 2㎎/㎥의 가스 이하)까지 감소시킨다. 이러한 정화된 가스는 이후에 제2 연소기 내에서 연소될 수 있고, 여기서 상기 재순환 유체 스트림(236)의 다른 부분으로 희석될 수 있다. 이와 같은 실시예들에 있어서, 상기 재순환 유체 스트림(236)은 필요한 경우에 상기 두개의 연소기들 사이에 배분될 수 있다.
임의의 탄소를 함유하는 물질이 본 발명에 따른 연료로 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 방법들과 시스템들에 사용되는 상기 산소-연료 연소기 장치에 의해 유지되는 높은 압력들 및 높은 온도들 때문에. 유용한 연료들은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 다양한 등급들과 유형들의 석탄, 목재, 오일, 연료 오일, 천연 가스, 석탄계 연료 가스, 모래로부터의 타르(tar), 역청, 바이오매스, 조류(algae), 등급이 나누어진 가연성의 고체 폐기물 쓰레기, 아스팔트, 폐타이어들, 디젤, 가솔린, 제트 연료(JP-5, JP-4), 탄화수소질 물질의 가스화나 열분해로부터의 가스들, 에탄올, 고체 및 액체 바이오연료들을 포함한다. 이는 종래 기술의 시스템들 및 방법들로부터의 중요한 발전으로 여겨질 수 있다. 예를 들면, 석탄과 같은 고체 연료들의 연소를 위한 알려진 시스템들은, 천연 가스와 같은 비고체 연료들의 연소를 위한 시스템들과 상당히 다른 설계들을 요구한다.
상기 연료들은 충분한 속도들 및 상기 연소 챔버 내부의 압력 이상의 압력들에서 상기 연소 장치 내로의 주입이 가능해지도록 적절하게 처리될 수 있다. 이와 같은 연료들은 주위 온도들 또는 상승된 온도들에서 적절한 유동성과 점도를 갖는 액체, 슬러리, 겔 또는 페이스트 형태가 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. 임의의 고체 연료 물질들은 적절하게 입자 크기들을 감소시키기 위해 분쇄될 수 있거나, 쪼개질 수 있거나, 다르게 처리될 수 있다. 유동화 또는 슬러리화 매체가 필요한 경우에 적합한 형태를 구현하고 고압 펌핑을 위한 유동 요구 사항들을 충족시키도록 첨가될 수 있다. 물론, 유동화 매체는 상기 연료의 형태(즉, 액체 또는 기체)에 따라 필요하지 않을 수 있다. 마찬가지로, 상기 순환된 순환 유체가 일부 실시예들에서 상기 유동화 매체로 이용될 수 있다.
본 발명에 따라 유용한 연소기 내에 적합한 분출 유체들은 상기 증기 벽을 형성하도록 내부 라이너(liner)를 통해 충분한 양과 압력으로 흐를 수 있는 임의의 유체를 포함할 수 있다. 본 실시예에 있어서, CO2는 형성된 상기 증기 벽이 우수한 절연 성질들뿐만 아니라 가시적 및 UV 광 흡수 성질들을 가지는 점에서 이상적인 분출 유체가 될 수 있다. CO2는 초임계의 유체로 이용될 수 있다. 분출 유체의 다른 예들은 H2O, 다운스트림으로부터 재순환된 냉각된 연소 생성물 가스들, 산소, 수소, 천연 가스, 메탄 및 다른 경질 탄화수소들을 포함한다. 연료들은 특히 주요 연료원의 주입 이전에 상기 연소기 내에 적절한 동작 온도들 및 압력들을 구현하기 위한 상기 연소기의 시동 동안에 분출 유체들로서 사용될 수 있다. 연료들은 또한 석탄으로부터 일차 연료로서 바이오매스로 전환되는 때와 같이 주요 연료원들 사이의 전환 동안에 상기 연소기의 동작 온도 및 압력을 조절하도록 분출 유체들로서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 둘 또는 그 이상의 분출 유체들이 사용될 수 있다. 또한, 다른 분출 유체들이 상기 연소기를 따라 다른 위치들에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 제1 분출 유체는 고온 열교환 구역 내에서 이용될 수 있고, 제2 분출 유체는 보다 낮은 온도의 열교환 구역 내에서 사용될 수 있다. 상기 분출 유체는 상기 연소 챔버의 온도 및 압력 조건들을 위해 최적화될 수 있으며, 여기서 상기 분출 유체는 상기 증기 벽을 형성한다. 본 예에 있어서, 상기 분출 유체는 예비 가열된 재순환 CO2이다.
일 측면에 있어서, 본 발명은 발전 방법들을 제공한다. 구체적으로는, 상기 방법들은 여기에 기재되는 바와 같이 바람직하게는 상기 방법을 통해 재순환되는 CO2 순환 유체를 이용한다. 본 발명의 방법들은 또한 제한적이지 않은 예로서 분출 냉각 연소기를 포함하는 고효율 연소기들을 사용한다. 다른 연소기들도 마찬가지로 사용될 수 있다. 특히, 본 발명은 본 발명을 고려하여 유용한 것으로 인식될 수 있는 임의의 유형의 연소기를 포괄하도록 의도된다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 방법들은 일반적으로 도 5에 도시된 흐름도와 관련되어 설명될 수 있다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이, 연소기(220)가 제공되며, 다양한 입력들이 내부에 제공된다. 탄소를 함유하는 연료(254)와 O2(242)(필요한 경우)는 순환 유체(236)(본 실시예에서는 CO2)와 함께 상기 연소기(220) 내로 도입될 수 있다. 파선으로 예시된 혼합 장치(250)는 이러한 요소가 선택적으로 존재하는 점을 나타낸다. 구체적으로, 둘 또는 모두 세 가지의 물질들(연료, O2 및 CO2 순환 유체)의 임의의 결합이 상기 연소기(220) 내로의 도입 이전에 상기 혼합 장치(250) 내에서 결합될 수 있다. 단일의 연소기가 도 5에 예시되지만, 여기에 더 예시되는 바와 같이 복수의 연소기들이 본 발명에 따른 시스템들과 방법들에 더 활용될 수 있는 점이 이해될 것이다. 따라서, 다음의 설명이 단일의 연소기를 참조하여 이루어지지만, 개시된 동작 조건들이 동일한 사이클 내의 둘 또는 그 이상의 연소기들에 독립적으로 적용될 수 있는 점이 이해될 것이다.
다양한 실시예들에 있어서, 상기 연소기로 들어가는 물질들이 상기 발전 방법의 바람직하고 효율적인 동작을 가능하게 할 수 있는 특정한 물리적 특성들을 나타내는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 어떤 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체 내의 CO2가 정해진 압력 및/또는 온도에서 상기 연소기 내로 도입되는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로는, 상기 연소기 내로 도입되는 상기 CO2가 적어도 약 8MPa의 압력을 가지는 것이 유리할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 CO2는 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 압력에 있을 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력은 약 8 MPa 내지 약 50MPa, 약 12 MPa 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 35MPa가 될 수 있다. 또한, 상기 연소기 내로 도입되는 CO2가 적어도 약 200℃의 온도를 가지는 것이 유리할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 CO2는 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 온도에 있을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 연료가 특정 조건들 하에서 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 어떤 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료가 정해진 압력 및/또는 온도에서 상기 연소기 내로 도입되는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 상기 CO2 순환 유체의 조건들과 동일하거나 실질적으로 유사한 조건들 하에서 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. "실질적으로 유사한 조건들(substantially similar conditions)"이라는 표현은 여기에 기재되는 참조되는 조건 변수(예를 들면, 상기 CO2 순환 유체를 위한 조건 변수들)의 5% 이내, 4% 이내, 3% 이내, 2% 이내 또는 1% 이내인 조건 변수를 의미할 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 상기 연소 내로의 도입 이전에 상기 CO2 순환 유체와 혼합될 수 있다. 이와 같은 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료 및 상기 CO2 순환 유체가 동일하거나 실질적으로 유사한 조건들(상기 CO2 순환 유체와 관련하여 기재되는 조건들을 구체적으로 포괄할 수 있는) 하에 있을 수 있는 점이 예상될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 상기 CO2 순환 유체와 별도로 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. 아와 같은 경우들에 있어서, 상기 탄소를 함유하는 연료는 여전히 상기 CO2 순환 유체와 관련하여 기재되는 바와 같은 압력에서 도입될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 연소기로의 도입 이전에 상기 탄소를 함유하는 연료를 상기 CO2 순환 유체의 온도와 다른 온도에 유지하는 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 연소기로 도입될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 O2가 특정 조건들 하에서 상기 연소기 내로 도입되는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같은 조건들은 상기 O2를 제공하는 방법에 부수적일 수 있다. 예를 들면, 상기 O2를 특정 압력에서 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로는, 상기 연소기 내로 도입되는 O2가 적어도 약 8MPa의 압력을 가지는 것이 유리할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 O2는 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 50MPa의 압력에 있을 수 있다. 상기 O2의 공급은 극저온의 O2 농축기, O2 이송 분리기, 또는 주위 공기로부터 O2를 분리하기 위한 O2 이온 수송 분리기와 같은 임의의 유사한 장치들과 같이 공기 분리기(또는 산소 분리기)의 이용을 포괄할 수 있다. 별도로 또는 이와 결합되어, 상기 O2의 공급은 상기 O2를 전술한 바와 같이 원하는 압력을 구현하도록 가압하는 과정을 포함할 수 있다. 이와 같은 동작은 상기 O2의 가열을 야기할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 O2가 상기 가스를 가압함에 의해 본질적으로 구현되는 온도와 다른 원하는 온도에 있는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 상기 O2가 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℃의 온도에서 상기 연소기에 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 O2는 상기 CO2 순환 유체 및/또는 상기 탄소를 함유하는 연료의 조건들과 동일하거나 실질적으로 유사한 조건들 하에서 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. 이러한 점은 기 연소기 내로의 도입 이전에 성분들의 혼합으로부터 야기될 수 있거나, 상기 연소기 내로의 도입을 위해 O2를 제조하는 특정한 방법으로부터 야기될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 O2는 정해진 몰 비율 내에서 CO2의 양과 결합될 수 있으므로, 상기 O2는 상기 CO2 순환 유체 스트림과 동일한 온도에서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 결합은 100℃ 아래의 온도에서 수행될 수 있지만, 상기 CO2는 초임계의 압력에 있게 된다. 이는 상기 CO2의 희석시키는 효과로 인하여 순수한 O2만의 가열과 관련된 위험을 제거한다. 이와 같은 혼합물은 약 1:2 내지 약 5:1, 약 1:1 내지 약 4:1, 또는 약 1:1 내지 약 3:1의 CO2/O2 비율에 있을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 연소기에 공급되는 O2가 실질적으로 정제되는(즉, 공기 중에 자연적으로 존재하는 다른 성분들과 관련된 O2의 몰 함량의 측면에서 개선되는) 것이 유용할 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 O2는 약 50몰% 이상, 약 60몰% 이상, 약 70몰% 이상, 약 80몰% 이상, 약 85몰% 이상, 약 90몰% 이상, 약 95몰% 이상, 약 96몰% 이상, 약 97몰% 이상, 약 98몰% 이상, 약 99몰% 이상, 또는 약 99.5몰% 이상의 순도를 가질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 O2는 약 85몰% 내지 약 99.6몰%, 약 85몰% 내지 약 99몰%, 약 90몰% 내지 약 99몰%, 약 90몰% 내지 약 98몰% 또는 약 90몰% 내지 약 97몰%의 몰 순도를 가질 수 있다. 상기 연료 내의 탄소로부터의 전체적인 CO2의 회수는 적어도 약 99.5몰%의 범위 내의 보다 높은 순도들의 사용을 선호한다.
상기 CO2 순환 유체는 상기 연소기의 유입구에서 상기 O2 및 상기 탄소를 함유하는 연료와 함께 상기 연소기로 도입될 수 있다. 그러나, 분출 냉각 연소기와 관련하여 상술한 바와 같이, 상기 CO2 순환 유체는 또한 상기 분출 냉각 연소기 내에 형성된 하나 또는 그 이상의 분출 유체 공급 통로들을 통해 상기 분출 부재 내로 향하는 상기 분출 냉각 유체의 전체 또는 일부로서 상기 분출 냉각 연소기로 도입될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체는 상기 연소기의 유입구에서 상기 연소기 내로 도입될 수 있으며(즉, 상기 O2 및 상기 연료와 함께), 상기 CO2 순환 유체도 상기 분출 냉각 유체의 전부 또는 일부로서 상기 분출 부재를 통해 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체는 상기 분출 냉각 유체의 전체 또는 일부로서 분출 부재를 통해서만 상기 연소기 내로 도입될 수 있다(즉, 상기 O2 및 상기 연료와 함께 상기 연소기 유입구 내로 CO2가 도입되지 않는다).
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 상기 연소 챔버 내로 도입되는 다양한 성분들의 비율과 관련되어 특징지어질 수 있다. 연소의 최대 효율을 구현하기 위하여, 상기 탄소를 함유하는 연료를 높은 온도에서 연소시키는 것이 유용할 수 있다. 그러나, 상기 연소의 온도 및 상기 연소기를 나가는 상기 연소 생성물 스트림의 온도는 정해진 변수들 내로 조절될 필요가 있을 수 있다. 이를 위하여, 연소 온도 및/또는 상기 터빈 유입구 온도가 동력으로 전환되는 에너지의 양을 최대화하면서도 원하는 범위 내에서 조절될 수 있도록 특정한 비율로 상기 연로에 상기 CO2 순환 유체를 제공하는 것이 유용할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 이러한 점은 상기 연료 내의 탄소에 대한 상기 CO2 순환 유체 스트림의 비율을 조절함에 의해 구현될 수 있다. 상기 원하는 비율은 여기에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 원하는 터빈 유입구 온도뿐만 아니라 상기 열교환기의 고온 단부에서 유입구 및 유출구 스트림들 사이의 온도 차이에 의해 영향을 받을 수 있다. 상기 비율은 구체적으로는 상기 탄소를 함유하는 연료 내에 존재하는 탄소에 대한 상기 CO2 순환 유체 내의 CO2의 몰 비로 설명될 수 있다. 상기 연소기 내로 도입되는 CO2의 몰 양을 결정하기 위하여, 일부 실시예들에 있어서, 상기 연소기에 제공되는(즉, 상기 연료 및 상기 O2뿐만 아니라 분출 냉각 유체로서 이용된 임의의 CO2와 함께 상기 유입구도 도입되는) CO2의 전체 함량이 계산에 포함된다. 그러나, 특정한 실시예들에서, 상기 순환은 상기 연소기 유입구에서 도입되는 CO2의 몰 양(즉, 분출 냉각 유체로서 이용된 임의의 CO2는 배제한)만을 기초로 할 수 있다. 상기 CO2가 분출 냉각 유체로서만 상기 연소기 내로 도입되는 실시예들에 있어서, 상기 계산은 상기 분출 냉각 유체로서 상기 연소기 내로 도입되는 CO2의 함량을 기초로 한다. 따라서, 상기 비율은 상기 연소기에 투입되는 상기 연료 내의 탄소와 관련된 상기 연소기 유입구에 투입되는 CO2의 몰 함량으로 설명될 수 있다. 선택적으로는, 상기 비율은 상기 연소기에 투입되는 상기 연료 내의 탄소와 관련되는 상기 분출 냉각 유체를 통해 상기 연소기에 투입되는 상기 CO2의 몰 함량으로 설명될 수 있다.
어떤 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 연료 내의 탄소에 대한 CO2 순환 유체의 비율은, 몰 기준으로, 약 10 내지 약 50(즉, 상기 연료 내의 1몰의 탄소 당 약 10몰의 CO2 내지 상기 연료 내의 1몰의 탄소 당 약 50몰의 CO2)이 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 연료 내의 탄소에 대한 상기 순환 유체 내의 CO2의 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 CO2의 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 CO2의 몰 비는 전체적인 시스템 열효율에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 효율에 대한 이러한 영향은 또한 상기 열교환기, 상기 물 분리기 및 상기 가압 유닛을 포함하는 상기 시스템의 다른 요소들의 설계와 기능에 의해 영향을 받을 수 있다. 여기에 기재되는 시스템과 방법들의 다양한 요소들의 결합은 여기에 기재되는 특정한 CO2/C 비율들에서 높은 열효율을 구현하는 능력을 가져온다. 여기에 설명되는 다양한 요소들을 포함하지 않는 이전에 알려진 시스템들과 방법들은 통상적으로 여기서 구현되는 것들에 근접하는 효율들을 구현하기 위해 본 발명에서 이용되는 경우보다 상당히 낮은 CO2/C 몰 비를 요구할 수 있다. 그러나, 본 발명은 알려진 기술 분야에서 이용될 수 있는 것들을 크게 초과하는 CO2/C 몰 비율들의 이용을 가능하게 하는 CO2를 재순환시키기 위한 확인된 고효율의 시스템들과 방법들을 제공한다. 본 발명에 따른 높은 CO2/C 몰 비율들의 이용은 상기 연소 스트림 내의 불순물들을 희석시키는 데 보다 유리하다. 상기 시스템 요소들에 대한 불순물들(예를 들면, 염화물들 및 황)의 부식 및 침식 효과들이 이에 따라 크게 약해진다. 많은 염화물들 및/또는 많은 황의 석탄은 이러한 석탄으로부터의 연소 생성물들(HCl 및 H2SO4를 포함하는)이 상기 발전소 구성 요소들이 견디기에는 지나치게 부식성이고 침식성이기 때문에 현재는 알려진 시스템들에 사용되지 않을 수 있다. 많은 다른 불순물들(예를 들면, 고체의 재 입자들과 납, 요오드, 안티몬 및 수은을 함유하는 휘발성 물질들) 또한 높은 온도들에서 발전소 구성 요소들에 심각한 내부 손상을 야기할 수 있다. 상기 재순환된 CO2의 희석하는 효과는 발전소 구성 요소들에 대한 이와 같은 불순물들의 유해한 영향들을 크게 개선하거나 제거할 수 있다. CO2/C 몰 비율들의 선택은 이후에 효율에 대한 영향들과 플랜트 구성 요소들의 침식 및 부식과 상기 CO2 재순환 시스템 구성 요소들과 기능의 설계에 대한 복잡한 고려 사항을 수반할 수 있다. 본 발명은 알려진 기술 분야에서는 예측될 수 없었던 높은 열효율을 갖는 CO2의 매우 효율적인 재순환과 이에 따라 증가된 CO2/C 몰 비율들을 가능하게 한다. 높은 CO2/C 몰 비율들은 이에 따라 적어도 앞서 언급한 이점들을 구현한다.
유사하게, 상기 연소기 내로 도입되는 O2의 함량을 제어하는 것이 유용할 수 있다. 이는 특히 상기 연소기의 동작의 특성에 의존할 수 있다. 여기에 보다 자세하게 설명하는 바와 같이, 본 발명의 방법들과 시스템들은 완전히 산화성인 모드, 완전히 환원성인 모드 또는 이들의 변형들에서의 동작을 가능하게 할 수 있다. 완전히 산화성인 모드에서, 상기 연소기로 제공되는 O2의 양은 바람직하게는 적어도 상기 탄소를 함유하는 연료의 완전한 산화를 이루는 데 필요한 적어도 화학량론적인 양이 될 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 제공되는 O2의 양은 알려진 화학량론적인 양을 적어도 약 0.1몰%, 적어도 약 0.25몰%, 적어도 약 0.5몰%, 적어도 약 1몰%, 적어도 약 2몰%, 적어도 약 3몰%, 적어도 약 4몰%, 또는 적어도 약 5몰% 정도 초과할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 제공되는 O2의 양은 알려진 화학량론적인 양을 약 0.1몰% 내지 약 5몰%, 약 0.25몰% 내지 약 4몰%, 또는 약 0.5몰% 내지 약 3몰% 정도 초과할 수 있다. 완전히 환원성인 모드에서, 상기 연소기로 제공되는 상기 O2의 양은 바람직하게는 상기 탄소를 함유하는 연료를 H2, CO, CH4, H2S 및 NH3의 성분들로 전환시키는 데 필요한 화학량론적인 양에 더하여 적어도 약 0.1몰%, 적어도 약 0.25몰%, 적어도 약 0.5몰%, 적어도 약 1몰%, 적어도 약 2몰%, 적어도 약 3몰%, 적어도 약 4몰%, 또는 적어도 약 5몰% 정도 초과할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 제공되는 O2의 양은 알려진 화학량론적인 양을 약 0.1몰% 내지 약 5몰%, 약 0.25몰% 내지 약 4몰%, 또는 약 0.5몰% 내지 약 3몰% 정도 초과할 수 있다.
본 발명의 방법들은, 일부 실시예들에서, 상기 프로세스의 다양한 단계들 전체에 걸친 CO2의 물리적 상태와 관련하여 특징지어질 수 있다. CO2는 물질의 물리적인 조건들에 따라 다양한 상태들로 존재하는 것으로 인식되어 있다. CO2는 0.518MPa 및 -56.6℃에서 삼중점을 가지지만, CO2는 또한 7.38MPa의 임계 압력 및 31.1℃의 임계 온도를 가진다. 이러한 임계점 이상에서, CO2는 초임계의 유체로서 존재하며, 본 발명은 상기 CO2를 상기 사이클 내의 특정한 지점들에서 특정화된 상태로 유지함에 의해 발전 효율을 최대화시키는 능력을 구현하였다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입되는 CO2는 바람직하게는 초임계의 유체의 형태이다.
전력을 발생시키는 시스템 및 방법의 효율은 통상적으로 상기 시스템 또는 방법 내로 투입되는 에너지에 대한 상기 시스템 또는 방법에 의해 출력되는 에너지의 비율을 설명하는 것으로 이해된다. 동력 생산 시스템 또는 방법의 경우에 있어서, 효율은 흔히 상기 전기(또는 동력)를 발생시키기 위해 연소되는 상기 연료의 전체 저위발열량의 열에너지에 대한 수요자 그리드에 출력되는 전기 또는 동력의 비율(예를 들면, 메가와트 또는 Mw로)로서 설명된다. 이러한 비율은 이에 따라 순 시스템 또는 방법 효율(LHV 기준으로)로서 언급될 수 있다. 이러한 효율은 정제된 산소의 생산(예를 들면, 공기 분리 유닛을 거쳐), 가압된 파이프라인으로 이송을 위한 CO2의 가압 및 에너지 투입을 위해 요구되는 다른 시스템 또는 방법 조건들을 포함하여 내부 시스템 또는 방법 프로세스들에 대해 요구되는 에너지의 모두를 고려할 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 연소 생성물 스트림을 생성하기 위해 CO2의 임계 압력을 초과하는 압력에서 실질적으로 순수한 O2 내에서 탄소를 함유하는 연료가 연소되는(즉, 연소기 내에서) 사이클 내의 작동 유체로서 대부분 CO2를 이용할 수 있다. 이러한 스트림은 터빈에 걸쳐 팽창되며, 이후에 전열식 열교환기를 통과한다. 상기 열교환기에 있어서, 상기 터빈 배출은 초임계의 상태에 있는 재순환 CO2 순환 유체를 예열한다. 이와 같은 미리 가열되고 재순환된 CO2 순환 유체는 상기 연소기 내로 투입되며, 여기서 정해진 최대의 터빈 유입구 온도를 제공하도록 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터의 생성물들과 혼합된다. 본 발명은 상기 전열식 열교환기의 고온 단부에서 온도 차이를 최소화하는 이점들의 인지로 인해 적어도 부분적으로 우수한 효율을 제공할 수 있다. 이러한 최소화는 상기 연소기로의 도입 이전에 상기 재순환 CO2 의 일부를 가열하는 낮은 온도 레벨의 열원을 이용하여 구현될 수 있다. 이들 보다 낮은 온도 레벨들에서, 상기 초임계의 CO2의 비열과 밀도는 매우 높고, 이러한 추가적인 가열은 상기 터빈 배출 흐름이 상기 CO2를 훨씬 높은 온도까지 예열시키게 할 수 있으며, 이러한 점은 상기 전열식 열교환기의 고온 단부에서 온도 차이를 상당히 감소시킬 수 있다. 유용한 낮은 온도의 열원들은, 특정한 실시예들에서, 단열적으로 동작하는 상기 극저온 공기 분리 플랜트 내에 사용되는 공기 압축기들 또는 종래의 가스 터빈으로부터의 뜨거운 배출 흐름이다. 본 발명의 특정한 실시예들에 있어서, 상기 전열식 열교환기의 고온 단부에서의 온도 차이는 약 50℃ 이하이며, 바람직하게는 약 10℃ 내지 약 30℃의 범위 이내이다. 낮은 압력비(예를 들면, 약 12 아래)의 이용은 효율을 증가시킬 수 있는 다른 인자가 된다. 상기 낮은 압력비와 결합되는 작동 유체로서 CO2의 이용은 상기 재순환 압력에 대해 냉각된 터빈 배출의 압력을 상승시키는 데 에너지 손실을 감소시킨다. 다른 이점은 상기 연료로부터 거의 100%의 탄소 포집에서 매우 작은 추가적인 기생 전력 소모와 함께 파이프라인 압력(통상적으로, 약 10MPa 내지 약 20MPa)에서 CO2의 초임계 압력 이상에 있는 고압의 유체로서 CO2로 전환되는 양의 탄소를 상기 연료 내에 생성하는 능력이다. 이와 같은 시스템 및 방법 변수들은 여기에 보다 상세하게 설명된다. 더욱이, 연소기들, 터빈들 및 열 교환기의 다양한 결합들은 현재 개시된 시스템들과 방법들의 기본적인 예보다 매우 큰 효율들과 비용 감소를 제공하는 것으로 확인될 수 있다. 이와 같은 결합들의 어떤 예시적인 실시예들이 여기에 기재되지만, 본 발명은 먼저 본 발명의 특성과 특히 알려진 기술에 대해 구별되는 이점들을 제공할 수 있는 몇몇 구성 요소들의 상세한 설명을 제공하도록 상기 시스템들과 방법들의 기본적인 구성 요소들과 관련하여 다음에 설명된다. 이후에, 본 발명으로부터 야기되는 시스템 요소들과 동작 조건들의 적절한 결합들을 통해 구현될 수 있는 현재 개시되는 시스템들과 방법들의 다른 이점들도 추가적인 실시예들에서 예시된다.
도 5를 다시 참조하면, 상기 O2(242) 및 상기 CO2 순환 유체(236)와 함께 상기 연소기(220)로 도입되는 상기 탄소를 함유하는 연료(254)가 연소 생성물 스트림(40)을 생성하도록 연소된다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소기(220)는 이미 앞서 기술한 바와 같이 분출 냉각 연소기 또는 임의의 다른 적합한 연소기가 될 수 있다. 연소 온도는 특정 프로세스 변수들, 예를 들면, 사용되는 탄소를 함유하는 연료의 유형, 상기 연소기 내로 도입되는 경우에 상기 연료 내의 탄소에 대한 CO2의 몰 비 및/또는 상기 연소기 내로 도입되는 O2에 대한 CO2의 몰 비에 따라 변화될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소 온도는 상기 분출 냉각 연소기의 설명과 관련하여 전술한 바와 같은 온도이다. 특히 바람직한 실시예들에 있어서, 연소 온도들은 여기에 기재되는 바와 같이 약 1,300℃를 초과하는 연소 온도들이 유리할 수 있다.
또한, 상기 연소기를 나가는 상기 연소 생성물 스트림이 원하는 온도를 가지도록 연소 온도를 제어하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 연소기를 떠나는 상기 연소 생성물 스트림이 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℃의 온도를 가지는 것이 유용할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림은 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℃의 온도를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 동력 생산 사이클에 걸쳐 상기 CO2의 압력은 동력 사이클 효율을 최대화하기 위한 중요한 변수가 될 수 있다. 상기 연소기 내로 도입되는 물질들이 특별히 정해진 압력을 가지는 것이 중요할 수 있지만, 상기 연소 생성물 스트림 정해진 압력을 가지는 것도 마찬가지로 중요할 수 있다. 구체적으로는, 상기 연소 생성물 스트림의 압력은 상기 연소기 내로 도입되는 상기 CO2 순환 유체의 압력과 관련될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림의 압력은 상기 연소기 내로 도입되는, 즉 상기 순환 유체 내의 CO2의 압력의 적어도 약 90%가 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림의 압력은 상기 연소기 내로 도입되는 CO2의 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%가 될 수 있다.
상기 연소기를 떠나는 상기 연소 생성물 스트림의 화학적 구성은 사용되는 탄소를 함유하는 연료의 유형에 따라 변화될 수 있다. 중요하게는, 상기 연소 생성물 스트림은 다음에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 재순환될 것이고 상기 연소기 또는 다른 사이클들로 도입될 것인 CO2를 포함할 것이다. 또한, 과잉의 O2(상기 연료의 연소에 의해 생성되는 CO2를 포함하여)는 격리나 대기로의 방출을 포함하지 않는 다른 처리를 위해 상기 CO2 순환 유체로부터 회수될 수 있다(특히, CO2 파이프라인에 대한 직접 이송을 위해 적합한 압력에서). 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림은 수증기, SO2, SO3, HCl, NO, NO2, Hg, 과잉의 O2, N2, Ar 그리고 연소되는 상기 연료 내에 존재할 수 있는 가능한 다른 오염물들의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 상기 연소 생성물 스트림 내에 존재하는 이들 물질들은 여기에 기재되는 프로세스들에 의하는 것과 같이 제거되지 않는 한 상기 CO2 순환 유체 스트림 내에 계속적으로 존재할 수 있다. 상기 CO2 이외에 존재하는 이와 같은 물질들은 여기서 "이차 성분들(secondary components)"로 언급될 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 연소 생성물 스트림(40)은 터빈(320)으로 직접 향할 수 있으며, 여기서 상기 연소 생성물 스트림(40)이 동력을 생성하도록(예를 들면, 예시에서는 도시되지 않은 전기를 생산하는 발전기를 통해) 팽창된다. 상기 터빈(320)은 상기 연소 생성물 스트림(40)을 수용하기 위한 유입구 및 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림(50)의 방출을 위한 유출구를 가질 수 있다. 비록 단일의 터빈(320)이 도 5에 도시되지만, 하나 이상의 터빈이 사용될 수 있는 점이 이해될 것이며, 다중 터빈들은 직렬로 연결되거나, 다른 연소시키는 구성 요소, 압축하는 구성 요소, 분리기 구성 요소 또는 유사한 것들과 같은 하나 또는 그 이상의 다른 구성 요소들에 의해 선택적으로는 분리된다. 여기에 달리 제공되는 다른 개시 사항들 이외에도, 이와 같은 다중 터빈 실시예들과 관련된 이점들은 특히 실험예 3에 기재된 예시적인 실시예를 고려하여 인식될 수 있다.
또한, 프로세스 변수들은 사이클 효율을 최대화하도록 이러한 단계에서 밀접하게 제어될 수 있다. 현존하는 천연 가스 발전소는 터빈 유입구 온도들에 결정적으로 의존한다. 예를 들면, 약 1,350℃만큼 높은 유입구 온도들을 가능하게 하는 터빈 기술을 구현하기 위해 대규모의 동작이 큰 비용으로 수행되었다. 상기 터빈 유입구 온도가 높아질수록 상기 플랜트 효율이 높아지지만, 또한 터빈이 보다 비싸지며 잠재적으로는 그 수명을 보다 단축시킨다. 일부 설비들은 보다 높은 가격들과 보다 짧은 수명의 위험으로 인해 지출이 꺼려지고 있다. 본 발명은 일부 실시예들에서 이러한 것들이 요구되지 않고 효율을 더 증가시킬 수도 있도록 이와 같은 터빈들을 이용할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 상술한 바와 같이 훨씬 낮은 범위 내에서 터빈 유입구 온도를 이용하면서 원하는 효율을 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명은 연소 생성물 스트림을 여기에 기재되는 바와 같이 동일한 연료로 동일한 효율을 구현하기 위해 필요한 것으로 해당 기술 분야에서 인식된 온도들 보다 상당히 낮을 수 있는 정해진 온도에서 터빈 유입구로 제공하면서, 여기에 기재되는 바와 같이 특정한 효율을 구현하는 측면에서 특징지어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 연소기(220)는 나가는 상기 연소 생성물 스트림(40)은 바람직하게는 상기 연소기(220)로 들어가는 상기 CO2 순환 유체(236)의 압력에 가깝게 조절되는 압력을 가진다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림(40)은 이에 따라 상기 스트림 내에 존재하는 CO2가 초임계의 유체 상태로 되는 온도와 압력에 있다. 상기 연소 생성물 스트림(40)이 상기 터빈(320)에 걸쳐 팽창될 때, 상기 스트림의 압력은 감소된다. 바람직하게는, 이러한 압력 강하는 상기 연소 생성물 스트림(40)의 압력이 상기 터빈 배출 스트림(50)의 압력과의 정해진 비율에 있도록 조절된다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 터빈의 유출구에서의 터빈 배출 스트림과 비교하여 상기 터빈의 유입구에서의 연소 생성물 스트림의 압력비는 약 12 이하이다. 이는 유출구 압력(Op)에 대한 유입구 압력(Ip) 비율(즉, Ip/Op)로 정의될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력비는 약 11 이하, 약 10 이하, 약 9 이하, 약 8 이하, 또는 약 7 이하가 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈에서 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 터빈 배출 스트림이 상기 스트림 내의 CO2가 더 이상 초임계의 유체 상태에 있지 않고 오히려 기체 상태에 있게 하는 조건들 하에 있는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 기체 상태로 CO2를 제공하는 것은 임의의 이차 성분들의 제거를 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림은 상기 CO2가 초임계의 상태에 있을 수 있는 압력 아래에 있는 압력을 가진다. 바람직하게는, 상기 터빈 배출 스트림은 약 7.3MPa 이하, 약 7MPa와 동일하거나 그 이하, 약 6.5MPa와 동일하거나 그 이하, 약 6MPa와 동일하거나 그 이하, 약 5.5MPa 동일하거나 그 이하, 약 5MPa 동일하거나 그 이하, 약 4.5MPa 동일하거나 그 이하, 약 4MPa 동일하거나 그 이하, 약 3.5MPa 동일하거나 그 이하, 약 3MPa 동일하거나 그 이하, 약 2.5MPa 동일하거나 그 이하, 약 2MPa 동일하거나 그 이하, 또는 약 1.5MPa 동일하거나 그 이하인 압력을 가진다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림의 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 스트림의 압력은 상기 스트림에 의해 접촉되는 냉각 온도들(예를 들면, 주위 냉각)에서 CO2를 응축시키는 압력 이하이다. 이에 따라, 본 발명에 따르면, 상기 터빈(320)으로부터 다운스트림인(그리고 바람직하게는 상기 가입 유닛(62)으로부터 업스트림인) 상기 CO2가 가스 상태로 유지되고 액체 CO2가 형성될 수 있는 조건들에 도달하지 않게 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징적인 압력비들의 활용으로부터 발생되는 이점들 이외에, 다중 터빈들이 본 발명의 시스템들과 방법들에 사용될 때에 다른 이점들도 제공될 수 있다. 특히, 앞서의 압력비들이 시리즈 내의 단일 터빈에만 적용될 수 있다. 상기 시리즈 내의 하나 또는 그 이상의 다른 터빈들은 전술한 압력 범위들의 하한에서 배출을 제공하도록 적용될 수 있다. 예를 들면, 터빈이 CO2의 초임계 압력과 동일하거나 작은, 또는 심지어 1.5MPa와 동일하거나 작은 압력에서 배출을 제공하는 실시예들에 있어서, 상기 터빈 또는 터빈들은 대기압 또는 그 부근에 있은 압력에서 스트림들을 배출하도록 적용될 수 있다.
상기 터빈을 통한 연소 생성물 스트림의 통과가 일부 양의 온도 감소를 가져올 수 있지만, 상기 터빈 배출 스트림은 통상적으로 상기 연소 생성물 스트림 내에 존재하는 임의의 이차 성분들의 제거를 저해할 수 있는 온도를 가질 것이다. 예를 들면, 상기 터빈 배출 스트림은 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℃의 온도를 가질 수 있다. 상기 연소 생성물 스트림의 상대적으로 높은 온도로 인하여, 상기 터빈이 이와 같은 온도들을 견딜 수 있는 물질들로 형성되는 것이 유리할 수 있다. 또한, 상기 터빈이 상기 연소 생성물 스트림 내에 존재할 수 있는 이차 물질들의 유형에 대해 우수한 화학적 저항성을 제공하는 물질을 포함하는 것이 유용할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 이에 따라 상기 터빈 배출 스트림(50)을 냉각시키고 정해진 범위 내의 온도를 가지는 CO2 순환 유체 스트림(60)을 제공하는 적어도 하나의 열교환기(420)로 상기 터빈 배출 스트림(50)을 통과시키는 것이 유용할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 열교환기(420)(또는 둘 또는 그 이상의 열교환기들이 사용될 때에 상기 시리즈 내의 최후 열교환기)를 나가는 상기 CO2 순환 유체(60)는 약 200℃ 이하, 약 150℃ 이하, 약 125℃ 이하, 약 100℃ 이하, 약 95℃ 이하, 약 90℃ 이하, 약 85℃ 이하, 약 80℃ 이하, 약 75℃ 이하, 약 70℃ 이하, 약 65℃ 이하, 약 60℃ 이하, 약 55℃ 이하, 약 50℃ 이하, 약 45℃ 이하, 또는 약 40℃ 이하의 온도를 가진다.
전술한 바와 같이, 상기 터빈 배출의 압력이 상기 연소 생성물 스트림의 압력과 특정한 비율로의 압력을 가지는 것이 유리할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림은 상기 시스템의 임의의 다른 요소들을 통과하지 않고 여기에 설명되는 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 직접 통과할 것이다. 이에 따라, 상기 압력비도 상기 열교환기의 고온 단부(또는 열교환기들의 시리즈가 사용될 때에 상기 제1 열교환기)로 들어가는 상기 스트림의 압력과 비교하여 상기 연소기를 떠나는 경우에 상기 연소 생성물 스트림의 압력의 비율과 관련하여 기재될 수 있다. 또한, 이러한 압력비는 바람직하게는 약 12 이하이다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 열교환기로 들어가는 상기 스트림에 대한 상기 연소 생성물 스트림의 압력비는 약 11 이하, 약 10 이하, 약 9 이하, 약 8 이하, 또는 약 7 이하가 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 이러한 압력비는 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.
다른 실시예들에 있어서, 터빈 배출 스트림(또는 이의 일부)은 연소기로 직접 통과될 수 있고, 이후에 열교환기를 통한 통과 이전에 하나 또는 그 이상의 추가적인 터빈들(및 선택적으로 하나 또는 그 이상의 다른 연소기들)로 통과될 수 있다. 여기서 논의되는 바와 같이 시리즈 내의 터빈의 배출 스트림이 상기 터빈의 유입구 스트림보다 낮은 온도에 있을 수 있는 점이 더 이해될 것이다.
분출 냉각 연소기의 사용이 높은 열 연소를 가능하게 하지만, 본 발명의 시스템들과 방법들은, 상기 시스템과 관련된 비용을 감소시키고, 상기 열교환기(들)의 수명을 증가시키며, 상기 시스템의 성능과 신뢰성을 향상시키도록 충분히 낮은 온도에서 터빈 배출 스트림을 열교환기(또는 시리즈 혹은 열교환기들)에 제공하는 능력에 의해 특징지어질 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 시스템 또는 방법에서 열교환기를 위한 가장 높은 동작 온도는 약 1,100℃ 이하, 약 1,000℃ 이하, 약 975℃ 이하, 약 950℃ 이하, 약 925℃ 이하 또는 약 900℃ 이하 정도이다.
어떤 실시예들에 있어서, 상기 열교환기(420)가 상기 터빈 배출 스트림(50)을 수용하고, 이를 원하는 온도까지 냉각시키기 위해 연속하는 적어도 두 개의 열교환기들을 포함하는 것이 특히 유용할 수 있다. 사용되는 열교환기의 유형은 상기 열교환기로 들어가는 상기 스트림의 조건들에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 상기 터빈 배출 스트림(50)은 앞서 설명한 바와 같이 상대적으로 높은 온도에 있을 수 있고, 이에 따라 상기 터빈 배출 스트림(50)을 직접 수용하는 상기 열교환기가 극한 조건들을 견디도록 설계된 고성능의 물질로부터 형성되는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 열교환기 시리즈 내의 상기 제1 열교환기는 인코넬®(INCONEL®) 합금이나 유사한 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 시리즈 내의 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℃의 일정한 동작 온도를 견딜 수 있는 물질을 포함한다. 또한, 상기 열교환기들의 하나 또는 그 이상이 상기 연소 생성물 스트림 내에 존재할 수 있는 유형의 이차 물질들에 대해 우수한 화학적 저항성을 제공하는 물질을 포함하는 것이 유용할 수 있다. 인코넬® 합금들은 스페셜 메탈즈 코포레이션(Special Metals Corporation)으로부터 입수 가능하며, 일부 실시예들은 오스테나이트계(austenitic)의 니켈-크롬 계열의 합금들을 포함한다. 유용할 수 있는 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® 22를 포함한다. 바람직한 열교환기 설계의 예는 전술한 합금들의 하나와 같이 고온 물질로 제조되는 플레이트들 내에 화학적으로 연마된 핀(fin)들을 가지는 확산 접합 콤팩트 플레이트(diffusion bonded compact plate) 열교환기이다. 적합한 열교환기들은 히트릭®(HEATRIC®)(텍사스주의 휴스턴시에 있는 메기트(Meggitt USA)로부터 입수 가능한)이라는 상표명으로 입수 가능한 것들을 포함할 수 있다.
상기 시리즈 내의 제1 열교환기는 바람직하게는 상기 시리즈 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 다른 열교환기들이 보다 전통적인 물질, 예를 들면, 스테인리스 스틸로 형성될 수 있도록 상기 터빈 배출 스트림으로부터 충분하게 열을 전달할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 적어도 두 개의 열교환기들 또는 적어도 세 개의 열교환기들이 상기 터빈 배출 스트림을 원하는 온도까지 냉각시키도록 시리즈 내에 사용된다. 시리즈 내의 다중 열교환기들을 사용하는 유용성은 특히 상기 연소기 내로의 도입 이전에 상기 순환 유체를 재가열하도록 상기 터빈 배출 스트림으로부터 상기 CO2 순환 유체로의 열의 전달에 관한 다음의 설명으로부터 알 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 방법들과 시스템들은 단일 스테이지 연소 방법이나 시스템으로서 특징지어질 수 있다. 이는 전술한 분출 냉각 연소기와 같은 고효율 연소기의 사용을 통해 구현될 수 있다. 본질적으로, 상기 연료가 상기 단일 연소기 내에서 실질적으로 완전하게 연소될 수 있으므로, 상기 연료를 완전히 연소시키기 위해 연소기들의 시리즈를 제공할 필요는 없다. 이에 따라, 일부 실시예들에서, 본 발명의 방법들과 시스템들은 상기 분출 냉각 연소기가 유일한 연소기인 것으로 설명될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 방법들과 시스템들은 상기 연소가 상기 열교환기 내로의 상기 배출 스트림의 통과 이전에 단일의 분출 냉각 연소기 내에서만 일어나는 것으로 설명될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 방법들과 시스템들은 상기 터빈 배출 스트림이 다른 연소기를 통과하지 않고 상기 열교환기 내로 직접 통과되는 것으로 설명될 수 있다.
냉각 후, 상기 적어도 하나의 열교환기(420)를 떠나는 상기 CO2 순환 유체 스트림(60)은 상기 연료의 연소로부터 상기 CO2 순환 유체 스트림(60) 내에 남아 있는 임의의 이차 성분들을 분리해내도록 더 처리될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 순환 유체 스트림(60)은 하나 또는 그 이상의 분리 유닛들(520)로 향할 수 있다. 다음에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 본 발명은 특히 CO2의 대기 방출 없이 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터 동력을 발생시키는 고효율의 방법을 제공하는 능력에 의해 특징지어질 수 있다. 이는, 적어도 부분적으로, 상기 동력 생산 사이클 내의 순환 유체로서 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소에서 형성되는 CO2를 이용하여 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 순환 유체로서 CO2의 계속적인 연소 및 재순환이 상기 시스템 내의 CO2의 축적을 야기할 수는 있다. 이러한 경우들에 있어서, 상기 순환 유체로부터의 상기 CO2의 적어도 일부(예를 들면, 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터 유래되는 CO2의 양과 대략적으로 동등한 양)를 회수하는 것이 유용할 수 있다. 이와 같인 회수된 CO2는 임의의 적절한 방법에 의해 처리될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 CO2는 다음에 더 설명하는 바와 같이 격리나 처리를 위해 파이프라인으로 안내될 수 있다.
상기 파이프라인으로 들어가는 상기 CO2가 상기 파이프라인에 대해 사용되는 탄소강의 부식을 방지하도록 실질적으로 물이 없는 점이 CO2 파이프라인 시스템 사양의 요구 사항이 될 수 있다. 비록 "습윤한(wet)" CO2가 스테인리스 스틸의 CO2 파이프라인 내로 직접 투입될 수 있지만, 이는 항상 가능한 것은 아니며, 실제로는 비용적인 문제로 인하여 탄소강 파이프라인을 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있다. 이에 따라, 어떤 실시예들에서, 상기 CO2 순환 유체 내에 존재하는 물(예를 들면, 탄소를 함유하는 연료의 연소 동안에 형성되고 상기 연소 생성물 스트림, 상기 터빈 배출 스트림 및 상기 CO2 순환 유체 스트림 내에 지속되는 물)이 상기 냉각된 CO2 순환 유체 스트림으로부터 액상으로 대부분 제거될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 이는 상기 기체 혼합물이 주위 온도 냉각 수단에 의해 구현되는 가장 낮은 온도로 냉각될 때에 상기 가스 혼합물 내에 존재하는 CO2가 액화되는 시점보다 작은 압력에서 상기 CO2 순환 유체(예를 들면, 기체 상태로)를 제공함에 의해 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 CO2 순환 유체는 특히 이로부터의 이차 성분들의 분리 동안에 7.38MPa 보다 작은 압력에서 제공될 수 있다. 낮은 주위 범위 내 또는 실질적으로 주위보다 낮은 온도에서 냉각 수단이 사용되는 경우에 보다 낮은 압력도 요구될 수 있다. 이는 액체로서 물의 분리를 가능하게 하고, 또한 상기 분리 유닛을 나가는 상기 정제된 CO2 순환 스트림(65)의 오염을 최소화한다. 이는 또한 상기 터빈 배출 압력을 상기 터빈 배출 가스의 임계 압력보다 작은 값으로 제한할 수 있다. 실제 압력은 이용 가능한 주위 냉각 수단의 온도에 의존할 수 있다. 예를 들면, 물 분리가 30℃에서 일어날 경우, 그러면 7MPa의 압력은 상기 CO2 응축 압력에 대해 0.38MPa의 마진(margin)을 가능하게 한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 열교환기를 나가고 상기 분리 유닛으로 들어가는 상기 CO2 순환 유체는 약 2MPa 내지 약 7MPa, 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 6MPa의 압력에서 제공될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력은 상기 터빈 유출구에서의 압력과 실질적으로 동일할 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 물 분리 후에 상기 정제된 CO2 순환 스트림(65)은 수증기를 포함하지 않거나, 실질적으로 수증기를 포함하지 않는다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 정제된 CO2 순환 스트림은 몰 기준으로 1.5% 이하, 몰 기준으로1.25% 이하, 몰 기준으로 1% 이하, 몰 기준으로 0.9% 이하, 몰 기준으로 0.8% 이하, 몰 기준으로 0.7% 이하, 몰 기준으로 0.6% 이하, 몰 기준으로 0.5% 이하, 몰 기준으로 0.4% 이하, 몰 기준으로 0.3% 이하, 몰 기준으로 0.2% 이하, 또는 몰 기준으로 0.1% 이하의 양만으로 수증기를 포함하는 것으로 특징지어질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 정제된 CO2 순환 유체 스트림은 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%의 양만으로 수증기를 포함할 수 있다.
물과 같은 이차 성분들의 분리를 가능하게 하도록 앞서 정의한 온도 및 압력 조건들에서 상기 CO2 순환 유체를 제공하는 것이 매우 유리할 수 있다. 달리 말하면, 본 발명은 특히 상기 CO2 순환 유체 내의 CO2 및 물이 분리 이전에 분릴르 가능하게 하는 원하는 상태들에 있도록 원하는 조건들 하에서 상기 CO2 순환 유체를 유지하는 점을 제공할 수 있다. 상기 CO2 순환 유체를 전술한 바와 같은 압력에서 제공함에 의해, 상기 스트림 내의 물이 액체 상태에 있을 것이며, 이에 따라 상기 기체의 CO2로부터 보다 쉽게 분리될 수 있는 지점까지 상기 유체 스트림의 온도가 감소될 수 있다.
어떤 실시예들에 있어서, 상기 정제된 CO2 순환 유체가 완전히 물이 없거나 실질적으로 물이 없게 되도록 다른 건조 조건들을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 전술한 바와 같이, 물질들 내의 상 차이들에 기초한 상기 CO2 순환 유체로부터 물의 분리는 상기 CO2 순환 유체 내에 잔류하는 물의 작은 부분(즉, 낮은 농도)을 남길 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 내부에 남아있는 물의 작은 부분을 갖는 상기 CO2 순환 유체로 계속 진행하는 것이 허용될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체를 상기 남아있는 물의 모두 또는 일부의 제거를 가능하게 하도록 상기 CO2 순환 유체에 다른 처리를 수행하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 낮은 농도의 물이건조제 건조기들이나 본 발명을 고려하여 적합할 수 있는 다른 수단에 의해 제거될 수 있다.
정해진 압력에서 상기 분리 유닛들에 상기 CO2 순환 유체를 제공하는 것은 상기 동력 사이클의 효율을 다시 최대화하기 위해 특히 유리할 수 있다. 구체적으로, 정해진 압력 범위에서 상기 CO2 순환 유체를 제공하는 것은 기체 상태에 있는 상기 정제된 CO2 순환 유체가 최소한의 전체 동력 소모로 높은 압력까지 압축될 수 있게 할 수 있다. 다음에 설명하는 바와 같이, 이러한 가압은 상기 정제된 CO2 순환 유체의 일부가 상기 연소기로 재순환될 수 있고, 일부가 요구되는 파이프라인 압력(예를 들면, 약 10MPa 내지 약 20MPa)에서 공급될 수 있도록 요구될 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 팽창 터빈의 유입구에 대한 유출구 압력비를 최소화하는 이점들을 더 나타낸다. 이러한 점은 전체적인 사이클 효율을 증가시키며, 또한 상기 터빈으로부터의 배출 압력이 상기 CO2 순환 유체로부터 물 및 다른 이차 성분들의 분리를 위한 전술한 바람직한 범위 내에 있도록 기능할 수 있다.
분리 유닛(520)을 통한 상기 CO2 순환 유체의 흐름의 일 실시예가 도 6에 예시된다. 여기에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기로부터의 상기 CO2 순환 유체 스트림(60)은 상기 CO2 순환 유체(60)로부터 열을 더 제거하도록 물을 이용하는 냉각수 열교환기(530)(또는 임의의 유사하게 기능하는 장치)를 통과할 수 있고, 혼합된 상의 CO2 순환 유체(61)를 배출할 수 있으며, 여기서 상기 CO2는 가체로 남고 상기 CO2 순환 유체 내의 물은 액상으로 전환된다. 예를 들면, 상기 냉각수 열교환기(530)를 통한 상기 CO2 순환 유체(60)의 통과는 상기 CO2 순환 유체를 약 50℃ 이하, 약 55℃ 이하, 약 40℃ 이하, 약 45℃ 이하, 약 40℃ 이하, 또는 약 30℃ 이하의 온도까지 냉각시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 CO2 순환 유체의 압력은 상기 냉각수 열교환기(530)를 통한 통과에 의해 실질적으로 변화되지 않는다. 상기 혼합된 상의 CO2 순환 유체(61)는 이후에 물 분리 유닛(540)으로 향하며, 여기서 액상의 물 스트림(62a)이 상기 분리기(520)로부터 배출된다. 또한, 농축된 CO2 순환 유체 스트림(62b)이 상기 물 분리 유닛(540)을 떠난다. 상기 농축된 스트림은 상기 정제된 CO2 순환 유체 스트림(65)으로서 상기 분리기(520)를 직접 떠날 수 있다. 선택적인 실시예들(파선들로 나타낸 상기 스트림들 및 요소들로 예시되는 바와 같은)에 있어서, 상기 농축된 CO2 순환 유체 스트림(62b)은 다음에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 다른 이차 성분들의 제거를 위해 하나 또는 그 이상의 추가적인 분리 유닛들(550)로 향할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체의 임의의 다른 이차 성분들은 물의 제거 후에 제거될 수 있다. 상기 CO2 순환 유체는 이후에 정제된 CO2 순환 유체(65)로서 하나 또는 그 이상의 추가적인 분리기 유닛들을 떠난다. 그러나, 일부 실시예들에서, 상기 혼합된 상의 CO2 순환 유체(61)는 물의 제거 이전에 하나 또는 그 이상의 이차 성분들의 제거를 위해 먼저 안내될 수 있고, 부분적으로 정제된 스트림이 이후에 상기 물 분리 유닛(540)을 향할 수 있다. 본 발명이 속하는 분야의 숙련자라면 바람직할 수 있는 분리기들의 다양한 결합들을 도출할 수 있고, 모든 이러한 결합들이 본 발명에 포함되게 의도되는 것을 이해할 것이다.
전술한 바와 같이, 물 이외에도, 상기 CO2 순환 유체는 연료-유래, 연소-유래 및 산소-유래의 불순물들과 같은 다른 이차 성분들을 함유할 수 있다. 이와 같은 이차 성분들도 물의 분리와 동일하거나 근접하는 시간에 상기 냉각된 기체의 CO2 순환 유체로부터 제거될 수 있다. 예를 들면, 수증기 이외에도, SO2, SO3, HCl, NO, NO2, Hg 및 과잉의 O2, N2 그리고 Ar과 같은 이차 성분들이 제거될 수 있다. 상기 CO2 순환 유체의 이들 이차 성분들(흔히 불순물들 또는 오염물들로 인식되는)은 적절한 방법들(예를 들면, 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 출원 공개 제2008/0226515호와 유럽 특허 출원 제EP1952874호 및 제EP1953486호에 기재된 방법들)을 이용하여 상기 냉각된 CO2 순환 유체로부터 모두 제거될 수 있다. 상기 SO2 및 SO3은 황산으로 100% 전환될 수 있는 반면, ＞95%의 NO 및 NO2가 질산으로 전환될 수 있다. 상기 CO2 순환 유체 내에 존재하는 임의의 과잉의 O2는 상기 연소기로의 선택적인 재순환을 위해 농축된 스트림으로서 분리될 수 있다. 존재하는 임의의 불활성 가스들(예를 들면, N2 및 Ar)은 낮은 압력에서 대기로 방출될 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체는 이에 따라 연소되는 상기 연료 내의 탄소로부터 유래되는 CO2가 궁극적으로 고밀도의 순수한 스트림으로서 전달될 수 있도록 정제될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 정제된 CO2 순환 유체는 적어도 98.5몰%, 적어도 99몰%, 적어도 99.5몰% 또는 적어도 99.8몰%의 농도로 CO2를 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 CO2 순환 유체는 CO2 파이프라인 내로의 직접 투입을 위한 원하는 압력, 예를 들면, 적어도 약 10MPa, 적어도 약 15MPa 또는 적어도 약 20MPa에서 제공될 수 있다.
상술한 사항들을 요약하면, 일 실시예에서, 적합한 연소기(220) 내에서의 O2(242) 및 CO2 순환 유체(236)의 존재에서 상기 탄소를 함유하는 연료(254)의 연소는 상대적으로 높은 온도와 압력을 가지는 연소 생성물 스트림(40)을 형성할 수 있다. 상대적으로 큰 양의 CO2를 포함하는 이러한 연소 생성물 스트림(40)은 상기 연소 생성물 스트림(40)을 팽창시키도록 터빈(320)을 통과할 수 있으며, 이에 따라 상기 스트림의 압력이 감소되고 동력이 발생된다. 상기 터빈(320)의 유출구를 나가는 상기 터빈 배출 스트림(50)은 감소된 압력에 있지만, 여전히 상대적으로 높은 온도를 유지한다. 상기 연소 생성물 스트림 내의 오염물들과 불순물들로 인하여, 상기 시스템 내로 상기 CO2 순환 유체를 다시 재순환시키기 이전에 이와 같은 오염물들과 불순물들을 분리해내는 것이 유리하다. 이러한 분리를 구현하기 위해, 상기 터빈 배출 스트림(50)이 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들(420)을 통한 통과에 의해 냉각된다. 상기 이차 생성물들(예를 들면, 물과 임의의 다른 오염물들 및 불순물들)의 분리는 상술한 바와 같이 이루어질 수 있다. 상기 CO2 순환 유체를 상기 연소기 내로 다시 재순환시키기 위하여, 상기 CO2 순환 유체의 재가열 및 재가압 모두가 필요하다. 어떤 실시예들에 있어서, 본 발명은 특히 대기 중으로의 오염원들(예를 들면, CO2)의 배출을 동시에 방지하면서 상기 발전 사이클의 효율을 최대화하는 특정한 프로세스 단계들의 수행에 의해 특징지어질 수 있다. 이는 특히 상기 분리 유닛을 떠나는 상기 냉각되고 정제된 CO2 순환 유체의 재가열 및 재가압과 관련되어 나타날 수 있다.
도 5에 더 예시한 바와 같이, 상기 하나 또는 그 이상의 분리 유닛(520)을 나가는 상기 정제된 CO2 순환 유체(65)는 상기 정제된 CO2 순환 유체(650의 압력을 증가시키도록 하나 또는 그 이상의 가압 유닛들(620)(예를 들면, 펌프들, 압축기들 또는 유사한 것들)을 통과할 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 정제된 CO2 순환 유체(65)는 적어도 약 7.5MPa 또는 적어도 약 8MPa의 압력까지 압축될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 단일의 가압 유닛이 상기 정제된 CO2 순환 유체의 압력을 상기 연소기(220) 내로의 도입을 위해 여기에 기재되는 원하는 압력까지 증가시키는 데 사용될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 가압은 상기 가압 유닛(620) 내의 둘 또는 그 이상의 압축기들(예를 들면, 펌프들)의 시리즈를 이용하여 수행될 수 있다. 도 7에 도시한 이와 같은 일 실시예에 있어서, 상기 정제된 CO2 순환 유체(65)는 제1 압력(바람직하게는, 상기 CO2의 임계 압력 이상)까지 상기 정제된 CO2 순환 유체(65)를 압축시키고, 이에 따라 스트림(66)을 형성하도록 제1 압축기(630)를 통과한다. 스트림(66)은 열(예를 들면, 상기 제1 압축기의 가압하는 동작에 의해 형성되는 열)을 회수하는 냉각수 열교환기(640)로 안내될 수 있고, 바람직하게는 주위 근처의 온도에 있는 스트림(67)을 형성한다. 스트림(67)은 상기 CO2 순환 유체를 상기 제1 압력 보다 큰 제2 압력까지 가압시키는 데 이용되는 제2 압축기(650)로 향할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 제2 압력은 상기 연소기 내로 투입(또는 재순환)될 때에 상기 CO2 순환 유체를 위해 원하는 압력과 실질적으로 유사할 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 제1 압축기(630)가 상기 정제된 CO2 순환 유체(65)의 압력을 증가시키는 데 시용될 수 있으므로, 상기 정제된 CO2 순환 유체가 가스 상태로부터 초임계의 유체 상태로 변환될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 정제된 CO2 순환 유체는 상기 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 10MPa의 압력까지 가압될 수 있다. 상기 제1 압축기(630)를 떠나는 상기 스트림(66)(초임계의 유체 상태에 있는)은 이후에 보다 큰 압력까지도 보다 효율적으로 펌프될 수 있는 고밀도 유체를 형성하기에 충분한 온도까지 상기 CO2 순환 유체를 냉각시킬 수 있는 상기 냉각수 열교환기(640)(또는 임의의 유사한 기능을 수행하는 장치)를 통과한다. 이는 상기 순환 유체로서 사용을 위해 재순환되는 큰 체적의 CO2를 고려하면 중요할 수 있다. 상기 초임계의 유체에 있는 큰 체적의 CO2를 펌핑하는 것은 상기 시스템에 대한 상당한 에너지 유출이 될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기 CO2를 치밀화시키고, 이에 따라 재활용을 위해 상기 연소기 내로 다시 펌프되는 초임계의 CO2의 전체 체적을 감소시킴에 의해 제공될 수 있는 효율에서 유익한 증가를 구현한다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 CO2 순환 유체는 상기 냉각수 열교환기(640)로부터의 배출 후에(및 가열을 위한 상기 열교환기 유닛(420)으로의 통과 이전에) 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㎏/㎥의 밀도에서 제공될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 밀도는 약 150㎏/㎥ 내지 약 1,1,100㎏/㎥, 약 200㎏/㎥ 내지 약 1,000㎏/㎥, 약 400㎏/㎥ 내지 약 950㎏/㎥, 약 500㎏/㎥ 내지 약 900㎏/㎥, 또는 약 500㎏/㎥ 내지 약 800㎏/㎥가 될 수 있다.
특정한 실시예들에 있어서, 상기 냉각수 열교환기(640)를 통한 상기 스트림(66)의 통과는 상기 CO2 순환 유체를 약 60℃ 이하, 약 50℃ 이하, 약 40℃ 이하, 또는 약 30℃ 이하의 온도까지 냉각시킬 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 스트림(67)으로서 상기 냉각수 열교환기(640)를 나가는 상기 CO2 순환 유체의 온도는 약 15℃ 내지 약 50℃, 약 20℃ 내지 약 45℃, 또는 약 20℃ 내지 약 40℃가 될 수 있다. 상기 제2 압축기(650)로 들어가는 스트림(67) 내의 상기 CO2 순환 유체는, 바람직하게는 에너지가 상기 연소기 내로의 상기 CO2 순환 유체의 도입을 위해 여기에 설명하는 바와 같은 원하는 압력까지 상기 스트림의 펌핑을 효율적으로 가능하게 하는 조건들 하에 있다. 예를 들면, 상기 가압된 초임계의 CO2 순환 유체 스트림(70)은 적어도 약 12MPa, 적어도 약 15MPa, 적어도 약 16MPa, 적어도 약 18MPa, 적어도 약 20MPa, 또는 적어도 약 25MPa의 압력까지 더 가압될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 가압된 초임계의 CO2 순환 유체 스트림(70)은 약 15MPa 내지 약 50MPa, 약 20MPa 내지 약 45MPa, 또는 약 25MPa 내지 약 40MPa의 압력까지 더 가압될 수 있다. 고압 다중 스테이지 펌프와 같이 전술한 온도들 하에서 동작할 수 있고 원하는 압력들을 구현할 수 있는 임의의 유형의 압축기가 이용될 수 있다.
상기 하나 또는 그 이상의 가압 유닛들(620)을 나가는 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)은 이전에 상기 터빈 배출 스트림(50)을 냉각시키는 데 사용된 상기 열교환기들로 다시 안내될 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)은 먼저 CO2 파이프라인 유체 스트림(80) 및 CO2 순환 유체 스트림(85)(상기 스트림 내에 존재하는 CO2의 실제 양을 제외하면 CO2 순환 유체 스트림(70)과 실질적으로 동일할 수 있다)을 형성하는 스트림 스플리터(stream splitter)(720)를 통과할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에 있어서, 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림 내의 CO2의 적어도 일부가 격리를 위해 가압된 파이프라인 내로 도입된다. 상기 CO2 순환 유체 스트림으로부터 제거되고 상기 파이프라인(또는 다른 격리 또는 처리 수단)으로 향하는 CO2의 양은 연소 온도 및 상기 연소기를 떠나는 연소 배출 스트림 내에 존재하는 CO2의 실제 함량을 조절하도록 상기 연소기 내로 도입되는 CO2의 원하는 함량에 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상술한 바와 같이 회수되는 CO2의 양은 실질적으로 상기 연소기 내의 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터 형성되는 CO2의 양이 될 수 있다.
고효율 동작을 구현하기 위하여, 상기 가압 유닛(620)을 나가는 상기 CO2 순환 유체가 상기 초임계의 유체가 훨씬 낮은 비열을 가지는 온도에서 가열되는 것이 유리할 수 있다. 이는 비교적 낮은 온도 범위에 걸쳐 매우 큰 열 투입을 제공하는 것과 동등하다. 상기 재순환된 CO2 순환 유체의 일부를 위한 추가적인 가열을 제공하는 외부의 열원(예를 들면, 상대적으로 낮은 온도의 열원)의 사용은 상기 열교환기 유닛(420)이 상기 터빈 배출 스트림(50)과 상기 열교환기 유닛(420)의 고온 단부(또는 둘 또는 그 이상의 열교환기들의 시리즈가 사용될 때에 상기 제1 열교환기)에서의 상기 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(236) 사이의 작은 온도 차이로 동작하게 할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 통한 상기 가압된 CO2 순환 유체의 통과는 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림을 상기 연소기 내로의 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림의 진입을 위한 원하는 온도까지 가열하기 위해 이용될 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림은 상기 연소기 내로의 상기 CO2 순환 유체 스트림의 투입 이전에 적어도 약 200℃, 적어도 약 300℃, 적어도 약 400℃, 적어도 약 500℃, 적어도 약 600℃, 적어도 약 700℃, 또는 적어도 약 800℃의 온도까지 가열된다. 일부 실시예들에 있어서, 가열은 약 500℃ 내지 약 1,200℃, 약 550℃ 내지 약 1,000℃, 또는 약 600℃ 내지 약 950℃의 온도가 될 수 있다.
도 8은 상기 연소기 내로의 상기 CO2 순환 유체 스트림(236)의 재순환 및 도입 이전에 이차 성분들을 제거하고 동시에 상기 가압된 초임계의 CO2 순환 유체 스트림(70)(또는 85)에 열을 추가하기 위한 적절한 조건들 하에서 상기 터빈 배출 스트림(50)으로부터 열을 회수하도록 세 개의 개별적인 열교환기들이 직렬로 이용되는 열교환 유닛(420)의 일 실시예를 예시한다. 다음에 더 설명하는 바와 같이, 본 발명의 시스템들과 방법들은 그 효율 및/또는 출력을 증가시키기 위해 종래의 동력 시스템들(예를 들면, 석탄 연소 발전소들)에 새로이 장착될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 다음에 설명하는 바와 같은 열교환 유닛(420)은 이에 따라 이차 열교환 유닛도 사용되는(도 12에 도시한 바와 같이) 이와 같은 새로운 장착에서 상기 일차 열교환 유닛으로 언급될 수 있다. 상기 이차 열교환 유닛은 이에 따라, 예를 들면, 증기 스트림을 과열시키는 데 사용되는 하나 또는 그 이상의 열교환기들이 될 수 있다. 상기 일차 열교환 유닛 및 이차 열교환 유닛이라는 용어들의 사용이 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 설명의 명료성을 위해서 제공되는 것으로만 사용된다.
도 8의 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림(50)은 상기 터빈 배출 스트림(50)의 온도보다 낮은 온도를 가질 것인 스트림(52)을 제공하도록 상기 제1 열교환기(430)를 먼저 통과하여 상기 열교환기 시리즈(420)로 들어간다. 상기 제1 열교환기(430)는 상기 시리즈 내에서 가장 뜨거운 스트림, 즉 상기 터빈 배출 스트림(50)을 수용하고, 상기 열교환기 시리즈(420)에서 가장 높은 온도 범위 내의 열을 전달하는 것으로 고온 열교환기로 언급될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상대적으로 높은 온도의 온도 터빈 배출 스트림(50)을 수용하는 상기 제1 열교환기(430)는 알려진 온도들을 견디기에 적합한 열교환기를 구성하기에 유용한 특별한 합금들이나 다른 물질들을 포함할 수 있다. 상기 터빈 배출 스트림(50)의 온도는 상기 제1 열교환기(430)를 통한 통과에 의해 상당히 감소될 수 있다(이는 또한 세 개보다 적거나 세 개보다 많은 개별적인 열교환기들이 사용되는 다른 실시예들에 적용될 수 있다). 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 열교환기(430)를 나가는 상기 스트림(52)의 온도는 상기 터빈 배출 스트림(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, 상기 스트림(52)의 온도는 약 100℃ 내지 약 800℃, 약 150℃ 내지 약 600℃, 또는 약 200℃ 내지 약 500℃ 정도가 될 수 있다. 바람직한 실시예들에 있어서, 상기 제1 열교환기(430)를 떠나는 상기 스트림(52)의 압력은 상기 터빈 배출 스트림(50)의 압력과 실질적으로 유사할 수 있다. 구체적으로는, 상기 제1 열교환기(430)를 나가는 상기 스트림(52)의 압력은 상기 터빈 배출 스트림(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.
상기 제1 열교환기(430)를 나가는 상기 스트림(52)은 상기 제2 열교환기(440)로 들어가는 상기 스트림(52)의 온도보다 적은 온도를 가지는 스트림(56)을 생성하도록 상기 제2 열교환기(440)를 통과한다. 상기 제2 열교환기(440)는 중간 온도 범위(즉, 상기 제2 열교환기(430)보다 적지만 제3 열교환기(450)보다는 큰 범위) 내에서 열을 전달하기 때문에 중간 온도 열교환기로 설명될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 스트림(52)과 상기 제2 스트림(56) 사이의 온도 차이는 상기 터빈 배출 스트림(50) 및 상기 제1 열교환기(430)를 나가는 상기 스트림(52) 사이의 온도 차이보다 실질적으로 작을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 열교환기(440)를 떠나는 상기 스트림(56)의 온도는 상기 제2 열교환기(440)로 들어가는 상기 스트림(52)의 온도보다 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, 상기 스트림(56)의 온도는 약 75℃ 내지 약 600℃, 약 100℃ 내지 약 400℃, 또는 약 100℃ 내지 약 300℃가 될 수 있다. 또한, 상기 제2 열교환기(440)를 떠나는 상기 스트림(56)의 압력이 상기 제2 열교환기(440)로 들어가는 상기 스트림(52)의 압력과 실질적으로 유사한 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로는, 상기 제2 열교환기(440)를 나가는 상기 스트림(56)의 압력은 상기 제2 열교환기(440)로 들어가는 상기 스트림(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.
상기 제2 열교환기(440)를 나가는 상기 스트림(56)은 상기 제3 열교환기(450)로 들어가는 상기 스트림(56)의 온도보다 작은 온도를 가지는 CO2 순환 유체 스트림(60)을 생성하도록 상기 제3 열교환기(450)를 통과한다. 상기 제3 열교환기(450)는 상기 열전달 시리즈(420)의 가장 낮은 온도 범위 내에서 열을 전달하므로 낮은 온도 열교환기로 설명될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제3 열교환기(450)를 나가는 상기 CO2 순환 유체 스트림(60)의 온도는 상기 제3 열교환기(450)로 들어가는 상기 스트림(56)의 온도보다 약 10℃ 내지 약 250℃, 약 15℃ 내지 약 200℃, 약 20℃ 내지 약 175℃, 또는 약 25℃ 약 150℃ 정도 낮을 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 스트림(60)의 온도는 약 40℃ 내지 약 200℃, 약 40℃ 내지 약 100℃, 또는 약 40℃ 내지 약 90℃가 될 수 있다. 또한, 상기 제3 열교환기(450)를 나가는 상기 CO2 순환 유체 스트림(60)의 압력이 상기 제3 열교환기(450)로 들어가는 상기 스트림(56)의 압력과 실질적으로 유사한 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로는, 상기 제3 열교환기(450)를 나가는 상기 CO2 순환 유체 스트림(60)의 압력은 상기 제3 열교환기(450)로 들어가는 상기 스트림(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%가 될 수 있다.
상기 제3 열교환기(450)를 나가는(그리고 이에 따라 대체로 상기 열교환기 유닛(420)을 나가는) 상기 CO2 순환 유체 스트림(60)은 상술한 바와 같이 상기 하나 또는 그 이상의 분리 유닛들(520)로 향할 수 있다. 또한 상술한 바와 같이, 상기 CO2 순환 유체 스트림은 상기 스트림으로부터 이차 성분들을 제거하기 위해 하나 또는 그 이상의 유형들의 분리를 겪을 수 있으며, 이는 이후에 재순환된 순환 유체(대기로 배출되지 않고 CO2 파이프라인 또는 다른 격리나 처리를 위한 다른 수단들 내로 들어가기 위해 분리되어 나가는 상기 CO2의 일부를 선택적으로 가지는)로서 상기 연소기로 돌아가기 위해 가압된다.
도 8을 참조하면, 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)(또는 도 5에 도시한 바와 같이, 분리 장치를 먼저 통과한 경우에는 85)은 상기 세 개의 열교환기들의 동일한 시리즈를 통해 다시 이끌어질 수 있으므로, 상기 열교환기들을 통해 최초로 회수되는 열은 상기 연소기(220) 내로 들어가기 이전에 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)에 열을 전하는 데 이용될 수 있다. 통상적으로, 상기 세 개의 열교환기들(450, 440, 430)을 통과함에 의해 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)에 전해지는 열은 전술한 바와 같이 상기 열교환기들에 의해 회수되는 열의 양과 상대적으로 비례할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 상기 열교환기(또는 시리지 내의 마지막 열교환기)의 저온 단부(cold end)를 나오고 들어가는 상기 스트림들의 온도 차이에 의해 특징지어질 수 있다. 도 8을 참조하면, 이는 구체적으로 상기 스트림들(60, 70)의 온도 차이와 관련될 수 있다. 상기 열교환기의(상기 시리즈 내의 마지막 열교환기의) 저온 단부에서 상기 스트림들의 이러한 온도는 상세하게는 영(zero)보다 크고, 약 2℃ 내지 약 50℃, 약 3℃ 내지 약 40℃, 약 4℃ 내지 약 30℃, 또는 약 5℃ 내지 약 20℃의 범위 내에 있을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)은 상기 시리즈 내의 세 개의 열교환기들로 직접 통과될 수 있다. 예를 들면, 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)(즉, 상대적으로 낮은 온도에서)은 증가된 온도에서 스트림(71)을 형성하도록 상기 제3 열교환기(450)를 통과할 수 있고, 이는 증가된 온도에서 스트림(73)을 형성하도록 상기 제2 열교환기(440)를 직접 통과할 수 있으며, 이는 상기 연소기(220) 내로 향할 수 있는 고온의 가압된 CO2 순환 유체 스트림(236)을 형성하도록 상기 제1 열교환기(430)를 직접 통과할 수 있다.
그러나, 특정 실시예들에서, 본 발명은 상기 재순환된 CO2 순환 유체의 온도를 더 증가시키기 위한 외부의 열원(heat source)의 이용에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 도 8에 예시한 바와 같이, 상기 제3 열교환기(450)를 통한 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)의 통과 후, 상기 제2 열교환기(440)로 직접 통과되는 대신에 형성된 스트림(71)이 스트림(71)을 두 스트림들(71b, 72a)로 나누는 분할 요소(splitting component)(460)를 통과할 수 있다. 스트림(71b)은 앞서 다르게 기술한 바와 같이 상기 제2 열교환기(440)를 통과할 수 있다. 스트림(72a)은 상기 열교환기들 자체에 의해 전달되는 열 이외에 추가적인 양의 열을 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)에 전달하는 데 사용될 수 있는 측부 히터(470)를 통과할 수 있다.
상기 제2 열교환기(440) 및 상기 측부 히터(470)로 이끌어지는 상기 스트림(71)으로부터의 상기 가압된 CO2 순환 유체의 상대적인 양은 상기 시스템의 동작 조건들 및 상기 연소기(220) 내로 들어가기 위한 상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림의 원하는 최종 온도에 따라 변화될 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 제2 열교환기(440)로 향하는 상기 스트림(71b) 및 상기 측부 히터(470)로 향하는 상기 스트림(72a) 내의 CO2의 몰 비는 약 1:2 내지 약 20:1(즉, 상기 스트림(72a) 내의 2몰의 CO2 당 상기 스트림(71b)내의 약 1몰의 CO2 내지 상기 스트림(72a) 내의 1몰의 CO2 당 상기 스트림(71b)내의 약 20몰의 CO2)가 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 제2 열교환기(440)로 향하는 상기 스트림(71b) 및 상기 측부 히터(470)로 향하는 상기 스트림(72a) 내의 CO2의 몰 비는 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 6:1이 될 수 있다.
상기 측부 히터는 상기 CO2 순환 유체에 열을 전달하기 위해 유용한 임의의 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 측부 히터에 의해 제공되는 에너지(즉, 열)은 외측의 소스로부터 상기 시스템 내로 투입될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 특정 실시예들에서, 상기 사이클의 효율은 상기 사이클 내의 하나 또는 그 이상의 지점들에서 발생되는 폐열을 활용함에 의해 증가될 수 있다. 예를 들면, 상기 연소기 내로의 투입을 위한 O2의 생산은 열을 생성할 수 있다. 알려진 공기 분리 유닛들은 분리 공정의 부산물로서 열을 발생시킬 수 있다. 더욱이, 전술한 바와 같이, 상기 O2가 증가된 압력에서 제공되는 것이 유용할 수 있으며, 상기 가스의 이와 같은 가압도 부산물로서 열을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, O2는 주위 온도를 보전하는 냉각까지 효율적으로 가열되는 액체 산소를 펌핑함에 의해 공정에서 산소가 가압되는 극저온 공기 분리 공정의 동작에 의해 생성될 수 있다. 이와 같은 극저온의 펌핑된 산소 플랜트는 두 개의 공기 압축기들을 가질 수 있고, 이들 모두는 중간 스테이지 냉각 없이 단열적으로 동작할 수 있으므로, 상기 뜨겁고 가압된 공기가 상기 외부 소스(예를 들면, 도 8의 스트림(72a))에 의해 가열되는 상기 스트림의 온도에 가깝거나 및/또는 이보다 큰 온도까지 냉각될 수 있다. 알려진 해당 기술 분야의 설정에 있어서, 이차 냉각 시스템들이 상기 부산물 열을 제거하는 데 요구되기 때문에 이와 같은 열은 활용되기 않거나 상기 시스템 상에서 실제로 배출된 수 있다. 그러나, 본 발명에 있어서, 냉각제가 상기 공기 분리 공정으로부터 발생된 열을 회수하고, 도 8에 예시된 측부 히터에 상기 열을 제공하는 데 이용될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 측부 히터는 자체가 상기 공기 분리 유닛(또는 관련 장치)가 될 수 있으며, 상기 CO2 순환 유체(예를 들면, 도 8의 스트림(72a))는 자체가 상기 공기 분리 공정에서 발생되는 열을 회수하기 위해 상기 공기 분리 유닛 상에 있거나 연관되는 냉각제 시스템을 통해 직접적으로 순환될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 추가된 열은, 상기 CO2 압축기를 단열적으로 동작시키고 상기 고압의 CO2 순환 유체의 일부를 가열하도록 압축열을 전달하는 순환하는 열전달 유체에 대한 애프터-쿨러(after-cooler)들 내의 상기 압축열을 제거하거나, 열전달을 상기 고압의 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(예를 들면, 도 8의 스트림(72b))에 향하게 하여 얻어질 수 있다. 또한, 이와 같은 열의 추가가 도 8과 관련하여 설명한 위치에 필연적으로 제한되는 것은 아니며, 상기 CO2 순환 유체로부터 이차 성분들의 분리 후(바람직하게는, 상기 연소기 내로의 투입으로부터 직접 업스트림인 상기 열교환기를 통한 상기 CO2 순환 유체의 통과 전)의 임의의 지점에서 상기 사이클에 투입될 수 있다. 물론, 동력 생산 사이클에서 발생되는 폐기물을 활용하는 임의의 유사한 방법 또한 적절한 응결시키는 온도에서의 증기의 공급 또는 종래의 개방 사이클 가스 터빈으로부터의 고온 배출 가스를 이용하는 것과 같이 본 발명에 의해 포괄될 수 있다.
상기 측부 히터(470)에 의해 전달되는 열의 양은 사용되는 물질들과 장치들 뿐만 아니라 상기 연소기(220) 내로 들어가기 위한 상기 CO2 순환 유체 스트림(236)에 대해 구현되는 최후의 온도에 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 측부 히터(470)는 상기 스트림(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, 상기 측부 히터(470)는 상기 스트림(72a)의 온도를 약 10℃ 내지 약 200℃, 약 50℃ 내지 약 175℃, 또는 약 75℃ 내지 약 150℃ 정도로 효과적으로 증가시킨다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 측부 히터(470)는 스트림(72a)의 온도를 상기 열교환기(440)를 나가는 스트림(73)의 온도의 적어도 약 15℃ 이내, 적어도 약 12℃ 이내, 적어도 약 10℃ 이내, 적어도 약 7℃ 이내, 또는 적어도 약 5℃ 이내로 증가시킨다.
다른 열원의 이러한 추가에 의해, 상기 제3 열교환기(450)를 나가는 스트림(71)은 상기 스트림 내의 CO2의 전체 양이 상기 제2 열교환기(440)를 통해 안내되었던 경우에 스트림(71)을 가열하는 상기 제2 열교환기(440) 내의 이용 가능한 열의 능력을 넘어서 과열시킬 수 있다. 상기 스트림을 분할시킴에 의해, 상기 제2 열교환기(440) 내의 이용 가능한 열이 상기 스트림(71b) 내의 CO2 순환 유체의 부분 함량에 완전히 전달될 수 있는 반면, 상기 측부 히터(470)로부터 이용 가능한 열은 상기 스트림(72b) 내의 CO2 순환 유체의 부분 함량에 완전히 전달될 수 있다. 따라서, 선택적인 분할 방법이 활용되는 때에 상기 제1 열교환기(430)로 들어가는 상기 결합된 스트림들의 온도가 상술한 바와 같이 상기 스트림(71) 내의 CO2 순환 유체의 전체 양이 분할되고 별도로 가열되는 대신에 상기 제2 열교환기(440)로 향하는 경우에 상기 제2 열교환기(440)를 떠나는 스트림(73)의 온도보다 클 수 있는 점을 알 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 분할 방법에 의해 얻어지는 증가된 열은 상기 CO2 순환 유체 스트림(236)이 상기 연소기로 들어가기 이전에 충분하게 가열되는 지 그렇지 않은 지를 제한하기에 상당히 충분할 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 스플리터(460)를 나가는 스트림(71b)은 스트림(73)을 형성하도록 상기 제2 열교환기(440)를 통과하며, 이는 스트림(73)을 상기 측부 히터(470)로부터 배출되는 스트림(72b)과 결합시키는 상기 혼합기(480)로 향한다. 상기 결합된 스트림(74)은 이후에 상기 제1 열교환기(430)로 들어갈 때에 상기 CO2 순환 유체를 상기 터빈 배출 스트림의 온도에 실질적으로 가까운 온도까지 가열하도록 상기 제1 연교환기(430)를 통과한다. 상기 제1 열교환기의 고온 단부에서 상기 유체 스트림들의 온도들에서 이러한 근접성은 세 개보다 적거나 세 개보다 많은 열교환기들이 사용되는 본 발명의 다른 실시예들에 적용될 수 있으며, 상기 터빈으로부터 배출된 후에 상기 CO2 순환 유체가 통과하는 제1 열교환기에 적용될 수 있다. 상기 제1 열교환기의 고온 단부에서 상기 유체 스트림들의 온도들에서 이러한 근접성을 구현하는 능력은 원하는 효율 레벨들을 획득하기 위한 본 발명의 중요한 특징이 될 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서, 상기 터빈과 일직선을 이루는 상기 제1 열교환기로 들어가는 터빈 배출 스트림의 온도(즉, 상기 터빈 내에서 팽창된 후) 및 상기 연소기 내로의 재순환을 위해 상기 열교환기를 나가는 상기 CO2 순환 유체 스트림의 온도 사이의 차이는 약 80℃ 이하, 약 75℃ 이하, 약 70℃ 이하, 약 65℃ 이하, 약 60℃ 이하, 약 55℃ 이하, 약 50℃ 이하, 약 45℃ 이하, 약 40℃ 이하, 약 35℃ 이하, 약 30℃ 이하, 약 25℃ 이하, 약 20℃ 이하, 또는 약 15℃ 이하가 될 수 있다.
상술한 점으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 시스템들과 방법들의 효율은 상기 열교환기(420)(또는 도 8에 예시한 시리즈 내의 상기 제1 열교환기(430))의 고온 단부에서 상기 터빈 배출 스트림(50)과 상기 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(236) 사이의 온도 차이의 정밀한 조절에 의해 쉽게 가능하게 될 수 있다. 바람직할 실시예들에 있어서, 이러한 온도 차이는 50℃ 보다 작을 수 있다. 비록 이론에 구속되는 것을 원하지는 않지만, 본 발명에 따르면 상기 재순환된 CO2 순환 유체를 가열하기 위해 이용 가능한 열(예를 들면, 상기 하나 또는 그 이상의 열교환기들 내의 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 열)이 상기 재순환된 CO2 순환 유체의 전체 스트림을 충분하게 가열하기에 불충분할 수 있는 점이 발견되었다. 본 발명은, 이미 상술한 바와 같이, 스트림(71b)이 상기 열교환기(440)로 들어가고, 스트림(72a)은 외부 열원(470)을 나가는 스트림(72b)의 온도를 상기 열교환기(4400를 나가는 스트림(73)의 온도에 실질적으로 가깝게 상승시키는 열의 추가적인 외부 소스를 제공하는 상기 외부 열원(470)으로 들어가도록 상기 스트림(71)을 분할하여 이러한 점이 극복될 수 있는 것을 실현하였다. 스트림들(72b, 73)은 이후에 스트림(74)을 형성하도록 결합된다. 스트림(71b)(그리고 또한 스트림(72a))의 유량은 열교환기(440)의 저온 단부에서의 온도 차이에 의해 제어될 수 있다. 전술한 열의 불충분을 극복하기 위해 요구되는 외부 열의 양은 상기 스트림(56)의 온도를 가능한 한 낮게 하고 이후에 열교환기(440)의 저온 단부 온도 차이를 최소화함에 의해 최소화될 수 있다. 상기 연소 생성물들로부터 야기되는 스트림(56) 내에 존재하는 수증기는 상기 스트림(56)의 조성과 그 압력에 의존하는 온도에서 그 이슬점에 도달한다. 이러한 온도 아래에서, 물의 응결은 스트림(60)에 대한 스트림(56)의 유효 mCp를 크게 증가시키며, 스트림(71)에 대한 스트림(70)의 전체 재순환을 가열하기 위해 요구되는 모든 열을 제공한다. 열교환기(440)를 나가는 스트림(56)의 온도는 바람직하게는 스트림(56)의 이슬점의 약 5℃ 이내가 될 수 있다. 상기 열교환기(440)의 저온 단부에서 스트림들(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℃가 될 수 있다.
도 5를 다시 참조하면, 상기 CO2 순환 유체(236)는 상기 적어도 하나의 열교환기(420)와 관련하여 설명한 바와 같이 상기 연소기(220) 내로 재순환되기 이전에 예열될 수 있으며, 이는 상기 팽창 터빈(320)을 통한 통과 후에 상기 뜨거운 터빈 배출 스트림(50)을 수용한다. 상기 사이클의 효율을 최대화하기 위하여,
뜨거운 가스 유입 경로 및 높은 압력이 가해진 터빈 블레이드들의 구성에 사용 가능한 물질들뿐만 아니라 상기 시스템 동작 압력들과 부합되는 상기 열교환기(420) 내의 허용 가능한 최대 온도들과 가능한 한 높게 일치되는 유입구 온도에서 상기 팽창 터빈(320)을 동작시키는 것이 유용할 수 있다. 상기 터빈 유입 스트림의 뜨거운 유입 경로 및 상기 터빈 블레이드들의 첫 번째 열들은 임의의 유용한 수단들에 의해 냉각될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 효율은 상기 고압의 재순환 CO2 순환 유체의 일부를 이용하여 최대화될 수 있다. 구체적으로는, 보다 낮은 온도의 CO2 순환 유체(예를 들면, 약 50℃ 내지 약 200℃의 범위 내)는 상기 열교환기(420)의 저온 단부 전의 사이클로부터 또는 다중 열교환기 유닛들의 시리즈가 활용될 때에 상기 열교환기(420) 내의 중간 지점으로부터(예를 들면, 도 8의 스트림들(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 투입될 수 있다.
여기에 기재되는 상기 분출 냉각 연소기와 같은 고효율 버너의 동작은 과잉의 산소 농도(약 0.1몰% 내지 약 5몰%의 범위 내와 같은)를 갖는 산화성 가스인 연소 가스를 생성할 수 있다. 선택적으로는, 상기 연소기는 H2, CO, CH4, H2S 및 NH3의 하나 또는 그 이상의 특정 농도들을 갖는 환원성 가스인 연소 가스를 생성할 수 있다. 이는 하나만의 터빈 유닛 또는 터빈 유닛들의 시리즈(예를 들면, 2, 3 또는 그 이상의 유닛들)을 갖는 동력 터빈을 이용하도록 본 발명에 따라 가능하게 될 때에 특히 유용하다. 유리하게는, 유닛들의 시리즈를 이용하는 특정한 실시예들에서, 상기 유닛들 모두가 동일한 유입구 온도로 동작할 수 있으며, 이러한 점은 주어진 첫 번째 터빈 공급 압력 및 전체적인 압력 비율을 위해 동력 출력을 최대화시킬 수 있다.
환원성 모드에서 직렬로 동작하는 두 개의 터빈들(330, 340)을 이용하는 터빈 유닛(320)의 하나의 예가 도 9에 도시된다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연소 생성물 스트림(40)은 상기 제1 터빈(330)으로 향한다. 이와 같은 실시예들에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림(40)은 전술한 바와 같이 내부에 하나 또는 그 이상의 가연성 성분들을 갖는 환원성 가스가 되도록 설계된다(예를 들면, 사용되는 연료, 사용되는 O2의 양 및 상기 연소기의 동작 조건들의 조절을 통해). 상기 연소 생성물 스트림(40)은 동력을 생성하고(이러한 예시에서는 도시되지 않지만 발전기와 관련되는 것과 같은) 제1 배출 스트림(42)을 형성하도록 상기 제1 터빈(330)에 걸쳐 팽창된다. 상기 제2 터빈(340) 내로의 도입 이전에, 소정의 양의 O2가 상기 제1 터빈 배출 스트림(42) 내에 존재하는 가연성의 성분들을 연소시키도록 상기 제1 터빈 배출 스트림(42)에 첨가될 수 있다. 이는 상기 제2 터빈 유닛(340)에서의 유입 온도를 상기 제1 터빈 유닛(330)을 위한 유입 온도와 실질적으로 동일한 값까지 상승시키면서 과잉의 산소를 남긴다. 예를 들면, 상기 제1 터빈 유닛(330)으로부터의 배출 스트림(42)의 온도는 약 500℃ 내지 약 1,000℃의 범위가 될 수 있다. 상기 환원성 모드에 있을 때, 이러한 온도에서 상기 배출 스트림(42)에 대한 상기 O2의 첨가는 과잉의 연료의 연소에 의해 약 700℃ 내지 약 1,600℃의 범위 내의 온도까지 가열되는 상기 스트림 내에 가스를 야기할 수 있으며, 이는 상기 제1 터빈 유닛(330)으로 들어가기 이전에 상기 연소 챔버(220)를 떠나는 상기 연소 생성물 스트림(40)과 실질적으로 동일한 온도 범위이다. 달리 말하면, 각각의 상기 두 터빈들의 유입구에서의 동작 온도는 실질적으로 동일하다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 터빈들의 유입구에서의 상기 동작 온도는 약 10% 이하, 약 9% 이하, 약 8% 이하, 약 7% 이하나 약 6% 이하, 약 5% 이하, 약 4% 이하, 약 3% 이하, 약 2% 이하, 또는 약 1% 이하로 다르다. 다른 터빈 유닛들을 위한 유사한 재가열 단계들 또한 잔여의 연료 잔류물에 대해 확장되어 구현될 수 있었다. 연소는 요구되는 경우에 산소 공급 연소 공간 내의 적절한 촉매의 사용에 의해 향상될 수 있다. 복수의 터빈들과 선택적으로 복수의 연소기들을 활용하는 본 발명에 따른 이와 같은 시스템들과 방법들의 이점들은 다음에 보다 상세하게 논의된다.
특정 실시예에 있어서, 여기에 설명되는 바와 같은 동력 사이클은 고온 및 고압의 가열 유체(예를 들면, 여기에 기재되는 상기 터빈 배출 스트림)를 종래의 랭킨 사이클(Rankine cycle) 발전소의 증기 과열 사이클 내로 도입하는 것과 같이 현존하는 발전소들에 이용될 수 있다. 이는 석탄 연소 발전소 또는 비등수형 원자로(BWR) 또는 가압수형 원자로(PWR) 가열 사이클을 갖는 핵발전소가 될 수 있다. 이는 현존하는 시스템 내에서 생성되는 과열된 증기의 최대 온도보다 훨씬 높은 온도로 상기 증기를 과열시킴에 의해 상기 증기 랭킨 발전소의 효율과 전력 출력을 효과적으로 증가시킨다. 미분탄 보일러(pulverized coal fired boiler)의 경우에 있어서, 상기 증기 온도들은 현재 약 600℃의 최대까지 상승하지만, 상기 핵발전소 내의 증기 조건들은 일반적으로 약 320℃까지 상승한다. 본 발명의 시스템들과 방법들 내의 열 교환으로 가능한 과열을 이용함에 의해, 상기 증기 온도는 700℃ 이상으로 상승될 수 있다. 이는 상기 증기를 과열시키도록 연소되는 추가적인 연료가 응결되는 증기의 양을 증가시키지 않고 증기 기반의 발전소 내의 추가 동력으로 전환되기 때문에 추가적인 축 동력으로 열에너지의 직접 전환을 가져온다. 이는 이차 열교환 유닛을 제공함에 의해 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 방법들과 시스템들과 관련하여 기재되는 터빈 배출 스트림은 달리 여기에 기재되는 바와 같이 상기 일차 열교환 유닛을 통한 통과 이전에 상기 이차 열교환 유닛을 통해 이끌어질 수 있었다. 상기 이차 열교환 유닛 내에 수득되는 열은 전술한 바와 같이 상기 보일러로부터의 상기 증기를 과열시키는 데 사용될 수 있었다. 상기 과열된 증기는 동력을 생성하도록 하나 또는 그 이상의 터빈들에 이끌어질 수 있었다. 상기 터빈 배출 스트림은 상기 이차 열교환 유닛을 통한 통과 후에 달리 여기에 기재되는 바와 같이 상기 일차 열교환 유닛으로 이끌어질 수 있었다. 이와 같은 시스템과 방법은 실험예 2에 기재되며 도 12에 예시된다. 또한, 여기에 기재되는 바와 같이, 상기 최종 증기 터빈의 유입구로부터 낮은 압력의 증기를 취하고 상기 재순환된 CO2 순환 유체의 일부를 가열하기 위해 이를 이용하는 것이 가능할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 증기 발전소로부터의 응축물은 상기 CO2 순환 유체 스트림을 이용한 탈기(aeration) 이전에 중간 온도로 가열될 수 있으며, 이는 상기 열교환기 유닛의 저온 단부를 나간다(예를 들면, 일부 실시예들에서 약 80℃의 온도에서). 이러한 가열은 정상적으로 상기 유입구로부터 상기 최종 LP 증기 터빈 스테이지까지 취해지는 블리드 증기(bleed steam)를 이용하므로, 존재하는 측부-스트림 가열에 대한 결손의 상기 증기 발전소 효율에 대한 순 효율은 블리드 증기를 보존하는 응축물의 예열에 의해 보상된다.
동력 생산을 위한 전술한 일반적인 방법(즉, 동력 사이클)은 여기에 기재되는 바와 같은 적합한 동력 생산 시스템을 이용하여 본 발명에 따라 구현될 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 동력 생산 시스템은 상기 동력 생산 방법과 관련하여 여기에 기재된 요소들의 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 동력 생산 시스템은 O2 및 CO2 순환 유체의 존재에서 탄소를 함유하는 연료를 연소시키기 위한 연소기를 포함할 수 있다. 상세하게는, 상기 연소기는 여기에 기재되는 바와 같이 분출 냉각 연소기일 수 있지만, 다르게 여기에 기재되는 조건들 하에서 동작할 수 있는 다른 연소기들 또한 이용될 수 있다. 상기 연소기는 구체적으로 이가 동작하는 연소 조건들뿐만 아니라 상기 연소기 자체의 특정 요소들과 관련되어 특징지어질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 시스템은 상기 탄소를 함유하는 연료(및 선택적으로 유동화 매체), 상기 O2 및 상기 CO2 순환 유체를 제공하기 위해 하나 또는 그 이상의 인젝터들(injectors)을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 액체 슬래그 제거를 위한 요소들을 포함할 수 있다. 상기 연소기는 고체 재 입자들이 상기 가스로부터 효과적으로 여과되고, 상기 가스가 급속 냉각된 CO2와 혼합될 수 있으며, 제2 연소기 내에서 연소될 수 있는 온도에서 연료 가스를 생성할 수 있다. 상기 연소기는 여기에 기재되는 바와 같은 압력과 온도에서 CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 제공하도록 상기 CO2 순환 유체의 존재에서 탄소를 함유하는 연료를 연소시키는 적어도 하나의 연소 스테이지를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 상기 연소기와 유체 연통되는 동력 생산 터빈을 더 포함할 수 있다. 상기 터빈은 상기 연소 생성물 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 방출하기 위한 유출구를 가질 수 있다. 동력은 상기 유체 스트림이 팽창됨에 따라 생성될 수 있고, 상기 터빈은 여기에 기재되는 바와 같이 원하는 압력 비율(IP/OP)로 상기 유체 스트림을 유지하도록 설계된다.
상기 시스템은 상기 터빈 배출 스트림을 수용하고 냉각된 CO2 순환 유체 스트림을 형성하도록 상기 스트림을 냉각시키는 상기 터빈과 유체 연통되는 적어도 하나의 열교환기를 더 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상기 적어도 하나의 열교환기는 상기 연소기 내로의 투입되는 상기 CO2 순환 유체를 가열하기 위해 이용될 수 있다. 상기 열교환기(들)는 구체적으로 여기에 기재되는 바와 같은 특정 조건들 하에서 동작을 가능하게 하도록 구성되는 물질들과 관련되어 특징지어질 수 있다.
상기 시스템은 또한 상기 열교환기를 떠나는 상기 CO2 순환 유체 스트림을 CO2 및 회수 또는 처리를 위한 하나 또는 그 이상의 다른 성분들로 분리하기 위해 하나 또는 그 이상의 장치들을 포함할 수 있다. 상세하게는, 상기 시스템은 상기 CO2 순환 유체 스트림으로부터 물(또는 여기에 기재되는 다른 불순물들)을 분리하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
상기 시스템은 정제된 CO2 순환 유체를 압축시키기 위해 상기 적어도 하나의 열교환기와 유체 연통되는(및/또는 상기 분리 장치들의 하나 또는 그 이상과 유체 연통되는) 하나 또는 그 이상의 장치들(예를 들면, 압축기들)을 더 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 시스템은 상기 CO2 순환 유체를 두 스트림들로 분리시키기 위한 수단들을 포함할 수 있으며, 하나의 스트림은 상기 열교환기를 통해 상기 연소기 내로 통과하고, 제2의 스트림은 가압된 파이프라인(또는 상기 CO2의 격리 및/또는 처리를 위한 다른 수단들) 내로 전달된다.
일부 실시예들에 있어서, 심지어 다른 요소들이 상기 시스템 내에 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 시스템은 상기 연소기 내로(또는 인젝터 혹은 상기 O2를 하나 또는 그 이상의 다른 물질들과 혼합시키기 위한 유사한 장치 내로) O2의 전달을 위한 O2 분리 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 공기 분리 유닛은 열을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 시스템이 상기 공기 분리 유닛으로부터 상기 연소기의 업스트립인 CO2 순환 유체 스트림으로 열을 전달하는 하나 또는 그 이상의 열전달 요소들을 더 포함하는 것이 유용할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 시스템은 상기 발전 사이클 및 동력을 발생시키는 방법들과 관련하여 여기에 달리 기재되는 요소들의 임의의 것 및 모두를 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 연소에 불연성 잔여물을 남기는 연료(석탄과 같은)를 사용하는 동력 생산에 특히 유용한 시스템들과 방법들을 포괄한다. 어떤 실시예들에 있어서, 이와 같은 불연성 물질들은 도 4에 예시한 오염물 제거 장치와 같은 적절한 장치의 이용을 통해 상기 연소 생성물 스트림으로부터 제거될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 도 10에 예시된 바와 같은 다중 연소기 시스템과 방법의 이용을 통해 불연성 물질들을 관리하는 것이 유용할 수 있다 .
도 10에 도시한 바와 같이, 상기 석탄 연료(254)는 분말화된 석탄을 제공하도록 분쇄 장치(mill apparatus)(900)를 통과할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 석탄 연료(254)는 미립자의 상태로 제공될 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 석탄은 약 10㎛ 내지 약 500㎛, 약 25㎛ 내지 약 400㎛, 또는 약 50㎛ 내지 약 200㎛의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 석탄은 약 500㎛, 450㎛, 400㎛, 350㎛, 300㎛, 250㎛, 200㎛, 150㎛, 또는 100㎛ 이하의 평균 크기를 가지는 석탄 입자가 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 또는 99.5% 이상인 것으로 기재될 수 있다. 상기 분말화된 석탄은 슬러리(slurry)의 형태로 상기 석탄을 제공하도록 유동화 물질과 혼합될 수 있다. 도 10에 있어서, 상기 분말화된 석탄은 상기 혼합기(910) 내에서 상기 재순환된 CO2 순환 유체로부터의 CO2 측면 인출(side draw)(68)과 결합된다. 도 10에 있어서, 상기 CO2 측면 인출(68)은 스트림(67)으로부터 인출되며, 이는 초임계의 고밀도 상태로 상기 CO2 순환 유체를 제공하도록 처리를 겪었다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 석탄 슬러리를 형성하는 데 사용되는 상기 CO2는 약 450㎏/㎥ 내지 약 1,100㎏/㎥의 밀도를 가질 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 CO2 측면 인출(68)은, 예를 들면, 상기 미립자 석탄의 약 10중량% 내지 약 75중량% 또는 약 25중량% 내지 약 55중량%를 갖는 슬러리(255)를 형성하도록 상기 미립자 석탄과 협력할 수 있다. 더욱이, 상기 슬러리를 형성하는 데 사용된 상기 측면 인출(68)로부터의 CO2는 약 0℃ 이하, 약 -10℃ 이하, 약 -20℃ 이하, 또는 약 -30℃ 이하의 온도가 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 슬러리를 형성하는 데 사용된 상기 측면 인출(68)로부터의 CO2는 약 0℃ 내지 약 -60℃, 약 -10℃ 내지 약 -50℃, 또는 약 -18℃ 내지 약 -40℃의 온도가 될 수 있다.
상기 분말화된 석탄/CO2 슬러리(255)는 상기 혼합기(910)로부터 펌프(920)를 통해 부분 산화 연소기(930)로 전송된다. O2 스트림은 여기서 설명하는 바와 같이 공기(241)를 정제된 O2로 분리시키는 공기 분리 유닛(30)을 이용하여 형성된다. 상기 O2 스트림은 부분 산화 연소기(930)로 안내되는 O2 스트림(243) 및 상기 연소기(220)로 이끌어지는 O2 스트림(242)으로 분리된다. 도 10의 실시예에 있어서, CO2 스트림(86)은 상기 부분 산화 연소기(930)를 냉각시키는 데 사용되기 위해 상기 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(85)으로부터 인출된다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 부분 산화 연소기(930)를 냉각시키는 데 사용되기 위한 CO2는 스트림(86) 대신에 스트림(236)으로부터 취해질 수 있거나, 상기 CO2는 스트림(86) 및 스트림(236) 모두로부터 취해질 수 있다. 바람직하게는, 인출되는 CO2의 양이 스트림(256)의 온도를 냉각시키기에 충분하여, 재가 안전하게 제거될 수 있는 고체 형태로 존재한다. 여기서 달리 기재되는 바와 같이, 상기 CO2, 석탄 및 O2는 H2, CO, CH4, H2S 및 NH3의 하나 또는 그 이상과 함께 CO2를 포함하는 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림(256)을 생성하기 위해 상기 석탄이 부분적으로만 산화되게 하는 비율들로 상기 부분 산화 연소기(930)에 제공된다. 상기 CO2, 석탄 및 O2는 또한 필요한 비율들로 상기 부분 산화 연소기(930) 내로 도입되므로, 상기 부분적으로 산화된 연소 생성물 스트림(256)의 온도는 상기 스트림(256) 내에 존재하는 모든 재가 하나 또는 그 이상의 사이클론 분리기(cyclone separator)들 및/또는 필터들에 의해 쉽게 제거될 수 있는 고체 입자들의 형태가 되도록 충분하게 낮아진다. 도 10의 실시에는 필터(940)를 통한 재 제거를 예시한다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 부분적으로 산화된 연소 스트림(256)의 온도는 약 1,100℃ 이하, 약 1,000℃ 이하, 약 900℃ 이하, 약 800℃ 이하, 또는 약 700℃ 이하가 될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 부분적으로 산화된 연소 스트림(256)의 온도는 약 300℃ 내지 약 1,000℃, 약 400℃ 내지 약 950℃, 또는 약 500℃ 내지 약 900℃가 될 수 있다.
상기 여과되고 부분적으로 산화된 연소 스트림(257)은 여기서 달리 설명하는 바와 같이 분출 냉각 연소기가 될 수 있는 상기 제2 연소기(220) 내로 직접 투입될 수 있다. 이러한 투입은 상기 O2 스트림(242) 및 상기 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(236)과 함께 제공된다. 이러한 지점에서의 연소는 여기서 달리 설명하는 바와 유사하게 진행될 수 있다. 상기 부분적으로 산화된 연소 스트림(257) 내의 가연성 물질들은 상기 연소 스트림(40)을 제공하도록 O2 및 CO2의 존재에서 연소기(220) 내에서 연소된다. 이러한 스트림은 동력을 생성하도록(예를 들면, 발전기(1209)를 통해) 터빈(320)에 걸쳐 팽창된다. 상기 터빈 배출 스트림(50)은 열교환기 유닛(420)(도 8과 관련하여 기술한 바와 같이 열교환기의 시리즈가 될 수 있다)을 통과한다. 상기 CO2 순환 유체 스트림(60)은 스트림(61)을 형성하도록 냉각수 열교환기(530)를 통과하며, 이는 스트림(62) 내의 이차 성분들(예를 들면, H2O, SO2, SO4, NO2, NO3 및 Hg)의 제거를 위해 분리기(540)로 지나간다. 상기 분리기(540)는 다음에 도 12와 관련하여 설명하는 칼럼(column)(1330)과 실질적으로 유사할 수 있다. 바람직하게는, 상기 분리기(540)는 충분한 체류 시간을 갖는 접촉기(contactor)를 제공하는 반응기(reactor)를 포함하므로, 상기 불순물들이 쉽게 제거되는 물질들(예를 들면, 산들)을 형성하도록 물과 반응할 수 있다. 상기 정제된 CO2 순환 유체 스트림(65)은 스트림(66)을 형성하도록 제1 압축기(630)를 통과하며, 이는 초임계의 고밀도 CO2 순환 유체(67)를 제공하도록 냉각수 열교환기(640)로 냉각된다. 상술한 바와 같이, 스트림(67)의 일부는 석탄 슬러리 스트림(255)을 형성하도록 상기 혼합기(910) 내의 유동화 매체로서 사용을 위해 스트림(68)으로서 인출될 수 있다. 상기 초임계의 고밀도 CO2 순환 유체 스트림(67)은 그렇지 않으면 상기 가압된 초임계의 고밀도 CO2 순환 유체 스트림(70)을 형성하도록 압축기(650) 내에서 더 가압된다. 상기 스트림(70) 내의 CO2의 일부는 스트림(80)을 CO2 파이프라인 또는 격리를 위한 다른 수단들로 제공하도록 도 5 및 도 11과 관련하여 여기에 기재하는 바와 같이 지점(720)에서 인출될 수 있다. 상기 CO2의 나머지 부분은 가압된 초임계의 고밀도 CO2 순환 유체 스트림(85)으로서 진행되며, 이의 일부는 전술한 바와 같이 상기 부분 산화 연소기(930)의 냉각을 위해 사용되도록 스트림(86)으로 인출될 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 스트림(85)은 상기 스트림을 가열하도록 상기 열교환기(420)(또는 도 8과 관련하여 설명한 바와 같은 열교환기들의 시리즈)를 다시 통과하며, 궁극적으로 상기 연소기(220)에 투입을 위한 상기 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(236)을 형성한다. 상술한 바와 같이, 외부의 열원이 필요한 효율을 제공하도록 열교환기 유닛(420)과 결합되어 사용될 수 있다. 마찬가지로, 스트림 온도들 및 압력들뿐만 아니라 상기 터빈 유닛(320), 상기 열교환기 유닛(420), 상기 분리 유닛(520) 및 상기 압축기 유닛(630)을 위한 다른 동작 조건들과 같은 여기에 달리 기재하는 바와 같은 다른 시스템과 방법 변수들이 도 10에 따른 시스템과 방법에 적용될 수 있다.
앞서의 개시 사항들은 해당 기술 분야에서 지금까지는 개시되지 않았던 예기치 않은 효율의 증가를 제공할 수 있는 본 발명에서 개시되는 시스템들 및 방법들의 몇몇 요소들에 관한 것들이었다. 놀랍게도, 본 발명은 CO2 작동 유체를 이용하는 여기에 기재되는 바와 같은 폐쇄 동력 생산 사이클의 임의의 지점에서 유도된 온도 및/또는 압력 강하들의 활용을 통해 심지어 상당한 추가적인 이득들이 구현될 수 있는 점에서 더욱 유리하다. 익스팬더(expander)들 및 연소기들의 특정한 결합들이 직렬 또는 병렬의 동작들을 위해 적용될 수 있고, 상기 연소기 내의 유체의 가열 및/또는 상기 익스팬더 내의 유체의 냉각이 선택적인 다양한 조건들을 포괄할 수 있으며, 지금까지는 인식되지 않았던 방식으로 이용 가능한 에너지를 회수하도록 상기 폐쇄 사이클의 하나 또는 그 이상의 부분들 내에 위치할 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 예를 들면, 본 발명의 시스템들과 방법들은 하나 또는 그 이상의 다른 터빈들을 활용하여 주어진 고정된 고압의 재순환 CO2 흐름 및 압력에 대한 동력 출력을 최대화시키도록 적용되는 터빈 시스템들 포함할 수 있다. 특정한 실시예들에 있어서, 상기 다른 터빈들의 하나 또는 그 이상은 상기 제1 터빈으로부터의 배출 흐름의 일부 또는 전부를 취할 수 있다. 상기 제1 터빈으로부터의 흐름은 제2 산소 연료 연소기를 이용하여 선택적으로 재가열될 수 있고, 상기 재가열 흐름은 이후에 상기 하나 또는 그 이상의 다른 터빈들을 통해 대기압 부근에서 팽창될 수 있다. 상기 하나 또는 그 이상의 다른 익스팬더들로부터의 흐름은 상기 재순환 고압 CO2 스트림을 가열하기 위해 이용된 전체 냉각 흐름의 적어도 일부를 제공하는 데 이용될 수 있다.
상기 제2 터빈(또는 시리즈 내의 후속하는 터빈들)의 유입구 압력은 상기 제1 터빈(또는 상기 시리즈 내의 가까운 업스트림 터빈)의 배출 압력으로부터 배관 및 터빈들 사이의 임의의 개재되는 연소기를 통한 압력 강하를 빼서 정의될 수 있다. 또한, 상기 제2 터빈(또는 시리즈 내의 후속하는 터빈들)의 배출 온도는 가장 높은 압력의 터빈의 유입구 스트림의 압력에 의해 정의되는 압력에서 전열식(recuperative) 열교환기의 최대 설계 온도에 의해 정의될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 두 개의 터빈들이 사용될 수 있고, 상기 제1 터빈으로부터의 전체 흐름이 재가열될 수 있으며, 제2의 개재되는 연소기 내에서 순수한 산소와 탄화수소 및/또는 탄소질의 가스 연료의 연소 생성물들과 혼합될 수 있고, 이후에 추가적인 축 동력을 생성하는 제2 터빈 내에서 팽창될 수 있다. 상기 제2 터빈의 유출구 온도가 상기 전열식 열교환기의 설계 조건들에 의해 고정되기 때문에, 상기 제2 터빈의 유입구 온도는 상기 제2 터빈 유출구 압력이 결정되면 유사하게 고정된다.
일부 실시예들에 있어서, 개시된 시스템들과 방법들에 사용되는 하나 또는 그 이상의 터빈들은 터빈 축 동력으로부터의 역학적 에너지를 제공하도록(즉, 전기 에너지를 생성하기 보다는) 적용될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 터빈들은 이에 따라 본 발명의 시스템들과 방법들의 하나 또는 그 이상의 다른 요소(예를 들면, 압축기, 펌프, 공기 분리 유닛)와 기계적으로 동작 연결될 수 있어야 한다. 예를 들면, 복수의 터빈들은 발전기를 포함하여 하나 또는 그 이상의 다른 요소들과 기계적으로 연결될 수 있는 마스터 기어 박스(master gear box) 또는 유사한 것과 기계적으로 연결될 수 있다. 다른 예에 있어서, 복수의 터빈들은 상기 터빈으로부터의 축 동력을 활용하는 단일의 요소와 각기 별도로 기계적으로 연결될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 기계적 동작 연결은 다른 시스템이나 방법과의 결합에 활용될 수 있다. 특히, 기계적 회전으로부터의 동력의 공급으로부터 유용한 임의의 산업용 시스템 또는 방법이 본 발명에서 개시되는 시스템들과 방법들과 결합될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제2 터빈(또는 셋 또는 그 이상의 터빈들이 사용되는 때에 다른 터빈)의 동력 출력은 상기 터빈의 배출 압력이 대기압에 가깝게 되도록 동작을 통해 최대화될 수 있다. 구체적으로, 이는 상기 전열식 열교환기, 주변 냉각기 및 전체적인 동력 생산 사이클의 액상의 물 분리기 요소들을 통한 압력 강하를 가능하게 할 수 있다. 상기 압력은 바람직하게는 상기 재순환 CO2 압축기 내의 큰 체적 유량들을 회피하기 위해 0.9bar(0.09MPa) 이상이 될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 단일의 다중 스테이지 터빈이 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 복수의 단일 스테이지 터빈들이 사용될 수 있다.
상기 제2 터빈의 고정된 유출구 온도는 상기 제1 터빈 유출구 압력 및 상기 제2 터빈 압력 비율에 의해 정의되는 유입구 온도를 가져올 수 있다. 일반적으로, 상기 제1 터빈 유입구 온도가 설계, 물질 및 수명 고려 사항들과 부합되는 가장 높은 가능한 값에서 이제 고정될 수 있고, 이는 상기 제1 터빈 동력 출력이 단일 터빈의 경우와 비교하여 상당히 증가되는 점을 의미하는 것이 발견되었다. 이러한 점에 대한 이유는 모든 상기 제1 터빈 유출구 흐름이 이제 상기 제1 터빈으로 들어가므로, 상기 제1 터빈 유출구 흐름이 더 이상 상기 전열식 열교환기를 통과하지 않기 때문에 상기 전열식 열교환기를 위한 설계 조건들에 의해 야기되는 상기 제1 터빈 유출구 온도에 대한 온도 제약이 더 이상 존재하지 않는 점이다. 상기 제2 터빈 유입구 온도는 상기 제2 터빈 내로의 전체 제1 온도 흐름의 경우에 상기 제2 터빈 유입구 흐름을 직접 연소에 의해 가열하는 상기 제2 산소 연료 연소기로부터 야기되는 상기 제1 터빈 배출 온도보다 높을 수 있다. 상기 제1 연소기에 대한 상기 재순환 CO2 유입구 온도 및 상기 제2 터빈 유출구 온도는 상기 제2 터빈으로 들어가는 모든 상기 제1 터빈 배출 흐름으로 정의되는 바와 같은 상기 단일의 및 두 개의 터빈들의 경우들에 대해 사실상 동일하다. 그러나, 상기 제1 터빈의 동력 출력은 상기 제1 연소기 내의 보다 많은 가스 연료의 산소 연료 연소로 상기 유입구 온도를 증가시킴에 의해 상당하게 증가된다. 상기 두 개의 터빈들의 경우에 연소되는 추가적인 연료의 값은 100%의 효율에 가깝게 축 동력으로 전환된다. 이는 단일 터빈 시스템과 비교하여 상기 두 개의 터빈 시스템에 대한 전체 동력 출력 및 효율에서 상당한 증가를 가져온다. 상기 두 개의 터빈 시스템의 설치된 장비 및 비용의 증가는 기본적으로 상기 단일 터빈의 경우를 취하며, 상기 단일 터빈의 경우의 상기 냉각된 터빈 유출구 압력에 가까운 기압으로부터 상기 압력을 증가시키도록 상기 제2 터빈과 연소기에 더하여 추가적인 재순환 압축기를 추가한다. 이는 280%까지 상향되는 동력 출력에서의 증가와 비교하여 비용의 큰 증가는 아니다. 시스템을 위한 대표적인 실제 공정 설계 숫자들을 이용하여, 천연 가스 연료를 이용하는 효율은 대기압에서 생성되는 모든 CO2와 함께 ISO 조건들에서 58.5% 내지 62%(저위 발열량(lower heating value) 기준)의 범위 내에 있다. 300bar(30MPa)까지의 상기 CO2 순 생성물의 압축은 주로 압축기 및 터빈 효율들에 따라 이들 효율들을 대략 1.8퍼센트 포인트 감소시킬 것이다.
상기 제2 연소기 내에 사용되는 추가적인 연료와 산소는 상기 제2 터빈 흐름에 첨가되고, 상기 고압의 재순환 CO2를 가열하는 데 요구되는 터빈 흐름의 양이 상기 전열식 열교환기 내에서 사용되었으면 다른 가열 부하(heating duty)를 위해 사용 가능한 작은 추가적인 터빈 배출 흐름을 가져온다. 이러한 추가적인 작은 흐름은 통상적으로 모든 제1 터빈 흐름이 상기 제2 터빈으로 통과될 때에 전체 제2 터빈 흐름의 4% 내지 8%의 범위 내에 있다. 터빈 배출 온도에서의 이러한 흐름은 상기 두 개의 터빈들 내에 사용된 연료 및 상기 제2 연소기 내에 사용된 산화제를 예열하는 데 이용될 수 있다. 상기 제1 연소기 내에 사용되는 산화제가 대체로 CO2로 희석되고 상기 전열식 열교환기 내에서 가열되는 점에 주목한다.
비록 다른 열원들도 포괄되지만, 상기 두 개의 터빈 시스템은 상기 끄저온 공기 분리 유닛에 대한 공기 공급의 적어도 일부의 단열 압축으로부터 통상적으로 유래되는 상기 고압의 CO2 재순환 스트림의 가열에 기여하는 낮은 온도 레벨의 열을 이용할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 과잉의 제2 터빈 배출 흐름 내에 존재하는 열에너지의 일부는 이러한 낮은 온도 레벨의 재순환 CO2 가열 부하의 적어도 일부를 제공하도록 이용될 수 있다. 대기압 부근의 배출 압력에서의 상기 제2 터빈의 동작은 상기 제1 연소기를 위해 요구되는 산소의 일부가 거의 대기압에서 산소 플랜트로부터 생성될 수 있는 것을 의미한다. 이는 이후에 15몰% 내지 40몰%의 O2의 조성물을 제공하는 액상의 물 분리에 이어 대략 대기압에서 재순환 CO2와 혼합될 수 있으며, 이는 이후에 상기 제1 연소기 버너 시스템을 통한 압력 강하와 동등한 압력의 증가로 상기 CO2 고압 재순환 스트림의 배출 압력으로 압축된다. 이러한 점은 상기 연소기들을 위해 요구되는 보다 높은 압력들에서 공기 분리 플랜트로부터 산소의 생산에 대한 선택을 제공할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 터빈 내의 흐름은 상기 제1 및 제2 연소기들 내에서 사용된 연료 내에 존재하는 산화된 탄소와 동등한 CO2 함량을 갖는 양으로 제한될 수 있다. 이 경우, 대기압 부근에서 전체 제2 익스팬더 배출 흐름은 상기 전열식 열교환기 내의 통로들의 별도의 세트를 통과할 수 있다. 이는 열교환기의 저온 단부를 나간 후에 대기로 배출될 수 있다. 상기 순 CO2 생성물이 처리를 위해 회수되어야 하는 경우, 이는 상기 고압의 재순환 CO2 압축기의 흡입 압력까지 압축될 수 있고, 처리를 위한 파이프라인 시스템으로 전달을 위해 상기 전열식 열교환기로 들어가는 재순환 압력까지의 지점으로부터 임의의 압력에서 생성될 수 있다.
두 개의 터빈 시스템의 일부 실시예들에 있어서, 상기 전체 제1 터빈 흐름은 거의 대기압의 배출 압력을 가지는 상기 제2 터빈을 통과할 수 있다. 이와 같은 실시예들은 천연 가스를 LNG 수영 터미널로부터 고압의 천연 가스 파이프라인 시스템 내로 전달하기 위해 사용되는 가압된 액체 천연 가스 가열 설비와 통합될 수 있다. 단일의 터빈을 사용하는 이와 같은 시스템은 그 개시 사항이 전체적으로 여기에 참조로 포함되는 함께 계류 중인 미국 특허 출원 제13/666,522호에 기재되어 있다. 이와 같은 실시예들에 있어서, 액상의 물 분리에 후속하여 상기 제2 터빈으로부터의 거의 대기압의 CO2가 5.18bar(0.518MPa)의 상기 CO2의 동결 압력 이상인 약 6bar(0.6MPa) 내지 약 10bar(1MPa)의 범위 내의 압력까지 압축될 수 있다. 상기 CO2 가스는 이후에 건조제 건조기(desiccant drier) 내에서 56℃ 아래의 이슬점까지 건조되고, 액화 열교환기 내로 통과되며, 여기서 이는 통상적으로 약 40bar(4MPa) 내지 약 70bar(7MPa) 범위의 압력 및 약 -160℃ 내지 약 -140℃의 온도를 갖는 유입구 조건들에서 고압의 천연 가스의 스트림에 대해 액화된다. 상기 천연 가스는 상기 CO2 유입구 온도까지 약 10℃ 내지 약 20℃의 온도 근접에서 상기 CO2 액화기를 나간다. 상기 액화된 CO2는 다중 스테이지의 원심성 펌프 내에서 상기 요구되는 CO2 재순환 압력까지 펌프된다. 상기 순 CO2 생성물은 대략 6bar(6MPa) 내지 10bar(1MPa)의 압력에서 액체 CO2로 상기 플랜트로부터 생성될 수 있다. 이러한 액체 CO2는 처리를 위하거나 석유 회수 증진을 위한 용도로 쉽게 선적될 수 있다. 이와 같은 이용은 그 개시 사항이 전체적으로 여기에 참조로 포함되는 팔머(Palmer) 등의 미국 공개 특허 제2012/0067568호에 기재되어 있다. 석유 회수 증진을 위한 이의 이용의 경우에 있어서, 상기 O2 및 불활성 가스 함량은 요구되는 순도 사양들을 만족시키도록 ppm(parts per million) 범위 내에 해당되게 조절될 수 있다. 이러한 시스템의 특정한 변형은 상기 제2 터빈을 약 6.5bar(0.65MPa) 내지 약 10.5bar(1.05MPa) 범위 내의 배출 압력으로 동작시키므로, 상기 전열식 열교환기, 주변 냉각기 및 물 분리 내의 냉각에 후속하여 요구되는 CO2 압축기가 필요하지 않다. 상기 제2 터빈의 유입구 온도는 보다 낮은 압력비로 인해 감소될 것이다. 이들 실시예들 모두는 CO2 압축 동력의 큰 감소 및 고압의 차가운 천연 가스의 온도를 파이프라인 전송을 위해 거의 주위까지 상승시키기 위한 수중의 연소 수조 히터 내에서 정장석으로 소모될 수 있는 천연 가스의 절감으로 인하여 매우 높은 효율들을 제공할 수 있다.
실험예
본 발명을 특정 실험예들과 관련하여 다음에 더 설명한다. 이러한 실험예들은 본 발명의 특정 실시예들을 예시하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지는 않아야 한다.
실험예
1
재순환된 CO
2
순환 유체를 이용하는 메탄 연소로의 동력 생산을 위한 시스템 및 방법들
본 발명에 따른 시스템과 방법의 하나의 특정한 예가 도 11에 도시된다. 다음의 기재는 컴퓨터 모델링을 이용하여 특정한 조건들 하에서 특정한 사이클과 관련되는 시스템들 설명한다.
이러한 모델에 있어서, 134℃의 온도 및 30.5MPa의 압력에서의 메탄(CH4) 연료 스트림(254)이 분출 냉각 연소기(220) 내로의 도입 이전에 혼합기(252) 내에서 860℃의 온도 및 30.3MPa의 압력에서의 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(236)(그리고 이에 따라 초임계의 유체 상태에 있는)과 결합된다. 공기 분리 유닛(30)이 105℃의 온도 및 30.5MPa의 압력에서 농축된 O2(242)를 제공하도록 이용된다. 상기 공기 분리 유닛은 또한 상기 프로세스 내에 사용을 위해 인출되는 열(Q)을 생성한다. 상기 O2(242)는 상기 연소기(220) 내에서 상기 메탄 연료 스트림(254) 및 상기 CO2 순환 유체(236)와 결합되며, 여기서 1,189℃의 온도 및 30MPa의 압력에서 연소 생성물 스트림(40)을 제공하도록 연소가 일어난다. 상기 CO2, O2 및 메탄은 약 35:2:1의 몰 비(즉, lbmol/hr－시간 당 파운드 몰)로 제공된다. 이러한 실시예에서의 연소는344,935Btu/hr(363,932kJ/hr)의 속도로 에너지 투입을 이용한다.
상기 연소 생성물 스트림(40)은 885℃의 온도 및 5MPa의 압력에서 배출 스트림(50)(상기 터빈 배출 스트림(50) 내의 CO2는 가스 상태이다)을 생성하도록 상기 터빈(320)에 걸쳐 팽창된다. 상기 터빈(320)에 걸친 상기 연소 생성물 스트림(40)의 팽창은 시간 당 83.5킬로와트(㎾/hr)의 속도로 동력을 생산한다.
상기 터빈 배출 스트림(50)은 이후에 이차 성분들의 제거를 위해 상기 스트림을 연속하여 냉각시키도록 세 개의 열교환기들의 시리즈를 통과한다. 상기 제1 열교환기(430)를 통한 통과는 237℃의 온도 및 5MPa의 압력에서 스트림(52)을 생성한다. 스트림(52)은 123℃의 온도 및 5MPa의 압력에서 스트림(56)을 생성하도록 상기 제2 열교환기(440)를 통과한다. 스트림(56)은 80℃의 온도 및 5MPa의 압력에서 스트림(60)을 생성하도록 상기 제3 열교환기(450)를 통과한다.
상기 열교환기들의 시리즈를 통한 상기 재순환 CO2 순환 유체의 통과 후, 상기 스트림(60)은 심지어 냉각수 열교환기(530)를 통한 통과에 의해 더 냉각된다. 24℃의 온도에서의 물(C)이 상기 CO2 순환 유체 스트림(60)을 27℃의 온도까지 냉각시키고, 이에 따라 상기 CO2 순환 유체 스트림 내에 존재하는 임의의 물들 응결시키도록 상기 냉각수 열교환기(530)를 통해 순환된다. 상기 냉각된 CO2 순환 유체 스트림(61)은 이후에 물 분리 유닛(540)을 통과하므로, 액상의 물이 제거되고 스트림(62a)으로 배출된다. 상기 "건조된" CO2 순환 유체 스트림(65)은 34℃의 온도 및 3MPa의 압력에서 상기 물 분리 유닛(540)으로부터 배출된다.
상기 건조 CO2 순환 유체 스트림(65)(여전히 가스 상태에 있는)은 다음에 2단계 가압 계획에서 제1 압축 유닛(630)을 통과한다. 상기 CO2 순환 유체 스트림은 8MPa까지 가압되며, 이는 마찬가지로 상기 CO2 순환 유체 스트림의 온도를 78℃까지 상승시킨다. 이는 5.22㎾/hr의 동력 투입을 요구한다. 이러한 초임계의 유체 CO2 순환 유체 스트림(66)은 이후에 제2 냉각수 열교환기(640)를 통과하며, 여기서 상기 초임계의 유체 CO2 순환 유체 스트림(66)이 27℃의 온도, 8MPa의 압력 및 762㎏/㎥의 밀도로 냉각된 초임계의 유체 CO2 순환 유체 스트림(67)을 생성하도록 24℃의 온도에서의 물로 냉각된다. 이러한 스트림은 이후에 69℃의 온도 및 30.5MPa의 압력에서 가압된 CO2 순환 유체 스트림(70)을 형성하도록 제2 압축 유닛(650)을 통과한다. 이는 8.23㎾/hr의 동력 투입을 요구한다. 이러한 스트림은 파이프라인 스플리터(파이프라인 splitter)(720)를 통과하며, 이에 따라 1lbmol의 CO2가 스트림(80)을 거쳐 가압된 파이프라인으로 안내되고, 34.1lbmol의 CO2가 상기 연소기(220) 내로의 진입 이전에 상기 CO2 순환 유체 스트림을 재가열하도록 세 개의 열교환기들의 시리즈를 통해 다시 이끌어진다.
상기 가압된 CO2 순환 유체 스트림(85)은 114℃의 온도 및 30.5MPa의 압력에서 스트림(71)을 형성하도록 상기 제3 열교환기(450)를 통과한다. 스트림(71)은 스플리터(460)를 통과하므로, 27.3lbmol의 CO2가 스트림(71b)으로 상기 제2 열교환기(440)로 향하며, 6.8lbmol의 CO2가 측부 히터(470)를 통해 스트림(72a) 내로 이끌어진다. 스트림(71b) 및 스트림(72a)은 각기 30.5MPa의 압력에서 114℃의 온도를 가진다. 상기 측부 히터(470)는 상기 CO2 순환 유체 스트림에 대해 추가적인 열을 제공하도록 상기 공기 분리 유닛(30)으로부터의 열(Q)을 이용한다. 상기 제2 열교환기(440)를 통한 스트림(71b)의 통과는 224℃의 온도 및 30.5MPa의 압력에서 스트림(73)을 생성한다. 상기 측부 히터(470)를 통한 스트림(72a)의 통과는 마찬가지로 224℃의 온도 및 30.4MPa의 압력에 있는 스트림(72b)을 형성한다. 스트림들(73, 72b)은 상기 혼합기(480) 내에서 224℃의 온도 및 30.3MPa의 압력으로 스트림(74)을 형성하도록 결합된다. 스트림(74)은 이후에 상기 연소기(220) 내로 다시 유입을 위해 860℃의 온도 및 30.0MPa의 압력에서 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(236)을 생성하도록 상기 제1 열교환기(430)를 통과한다.
전술한 바의 효율에 대하여, 상술한 바와 같이 모델화된 사이클이 상기 메탄 연료의 LHV 및 상기 시스템 내로의 추가적인 에너지 투입과 비교되어 발생된 에너지에 기초하여 계산되었다. 상기 모델화된 조건들 하에서, 약 53.9%의 효율이 구현되었다. 이는 특히 이와 같은 우수한 효율이 임의의 CO2(특히 상기 탄소를 함유하는 연료의 연소로부터 야기되는 임의의 CO2)의 대기 방출을 동시에 방지하면서 구현될 수 있는 점에서 특히 놀라운 것이다.
실험예
2
재순환된 CO2 순환 유체를 이용하기 위한
미분탄
발전소 재조절로의 동력 생산을 위한 시스템 및 방법
본 발명에 따른 시스템과 방법의 다른 특정한 예가 도 12에 예시된다. 다음의 기재는 수학적 모델링을 이용하는 특정한 조건들 하에서 특정한 사이클과 관련되는 시스템을 설명한다. 이러한 모델은 종래의 미분탄 발전소에 대해 여기에 기재되는 바와 같은 시스템과 방법을 새로 장착하는 능력을 예시한다.
30.5MPa의 압력에서의 O2 스트림(1056)은 30.5MPa의 압력에서의 탄소를 함유하는 연료(1055)(예를 들면, 부분 산화에 의해 생성된 탄소 유래의 가스) 및 30.5MPa의 압력에서의 CO2 순환 유체 스트림(1053)과 함께 분출 냉각 연소기(220) 내로 도입된다. 상기 O2는 공기 분리기 또는 열(Q)을 발생시킬 수 있는 유사한 다른 장치로부터 수용될 수 있으며, 이는 팽창을 위한 증기를 생성하거나 냉각된 CO2 순환 유체 스트림에 대해 열을 첨가하는 것과 같이 상기 시스템 내의 이용을 위해 인출될 수 있다. 상기 연소기(220) 내의 상기 연료의 연소는 1,150℃의 온도 및 30.0MPa의 압력에서 연소 생성물 스트림(1054)을 생성한다. 이러한 스트림은 전기 발전기(1209)를 구동시키는 동력을 생성하도록 터빈(320)(일반적으로 일차 동력 생산 터빈으로 언급될 수 있다)에 걸쳐 팽창된다. 775℃의 온도 및 약 3.0MPa의 압력에서의 상기 팽창 터빈 배출 스트림(1001)은 열교환기(1100)의 고온 단부 내로 도입되며, 여기서 상기 터빈 배출 스트림(1001)으로부터의 열이 종래의 미분탄 화력 발전소(1800)에서 생성되는 고압의 증기 흐름(1031) 및 중간 압력의 증기 흐름(1032)을 과열시키는 데 이용된다. 보일러 공급수(1810) 및 석탄(1810)은 상기 석탄(1810)의 연소에 의해 상기 증기 흐름들(1031, 1032)을 생성하도록 상기 발전소(1800)에 투입된다. 상기 열교환기 내의 열의 전달은 상기 증기 흐름들(1033, 1034)을 형성하도록 상기 증기 흐름들(1031, 1032)을 약 550℃의 온도로부터 약 750℃의 온도까지 과열시키며, 이들은 다음에 성명하는 바와 같이 상기 발전소로 돌아간다. 이러한 방법은 거의 대기압에서 종래의 발전소 연소 석탄의 큰 증기 보일러들 내에 사용되는 값비싼 고온 합금들에 대한 필요성이 없이 매우 높은 증기 온도들을 구현한다. 상기 증기 흐름들(1033, 1034)은 전기 발전기(1210)를 구동시키는 세 스테이지 터빈(1200)(일반적으로 이차 동력 생산 터빈으로 언급될 수 있다) 내에서 팽창된다. 상기 터빈(1200)을 떠나는 증기(1035)는 응축기(1220) 내에서 응축된다. 처리된 응축물(1036)은 전술한 바와 같이 공급수 펌프(1230)로 고압으로 펌프되며, 이후에 상기 열교환기(1100) 내로의 배출을 위해 석탄 연소 보일러(1800) 내에서 증기화되고 과열된다. 이러한 시스템은 현존하는 석탄 연소 발전소의 동력 출력 및 효율을 증가시키는 데 이용된다.
상기 열교환기(100)는 617 합금과 같은 고온의 높은 니켈 함량의 합금으로 통상적으로 구성되는 화학적으로 분쇄된 통로들을 갖는 히트릭형 확산 접합 플레이트(Heatric type diffusion bonded plate) 열교환기이며, 이는 산화성 조건들 하에서 상당한 증기 과열 및 동작을 가능하게 하는 높은 압력들 및 온도들을 다룰 수 있다. 이러한 열교환기는 모든 유체들에 대해 높은 열전달 계수들을 갖는 고효율 열전달 유닛이다.
도 12에 예시한 시스템과 방법의 나머지 부분은 여기에 달리 개시되는 시스템들 및 방법들과 구조와 동작에서 유사하다. 상세하게는, 상기 팽창 터빈 배출 스트림(1001)은 상기 열교환기(1100) 내에서 냉각되고, 575℃의 온도에서 배출 스트림(1037)으로 상기 열교환기(1100)의 저온 단부를 나간다. 이러한 스트림(1037)은 이후에 제2 열교환기(1300)를 통과하며, 여기서 이는 스트림(1038)을 형성하도록 90℃의 온도 및 2.9MPa의 압력으로 냉각된다. 이러한 스트림은 스트림(1039)을 형성하도록 상기 발전소 응축기(1230)로부터의 상기 응축물(1057)의 일부에 대해 제3 열교환기(1310) 내에서 40℃의 온도까지 더 냉각되며, 이는 2.87MPa의 압력에서 스트림(1040)을 형성하도록 냉각수 열교환기(1320) 내에서 냉각수에 대해 27℃의 온도까지 더 냉각된다. 상기 열교환기(1300)는 히트릭(Heatric) 310 스테인리스 스틸 확산 접합 유닛일 수 있다.
30℃에서의 상기 냉각된 스트림(1040)은 유입되는 가스와 스크러빙(scrubbing) 약한 산 사이의 대향류(counter-current) 접촉을 제공하는 대향류 약산 순환 스트림을 제공하는 순환 펌프(1340)를 구비하는 충전된 칼럼(column)(1330)의 베이스 내로 공급된다. 상기 SO2, SO3, NO 및 NO2는 HNO3 및 H2SO4로 전환되며, 응결된 물 및 임의의 다른 수용성 성분들과 함께 상기 액체 속에 흡수된다. 상기 칼럼(1330)으로부터의 순 액체 생성물은 라인(1042) 내에서 제거되고, 상기 압력은 대기압으로 감소되며, 분리기(1360)로 들어간다. 용해된 CO2는 라인(1043) 내에서 플래시 오프(flash off)되고, 펌프(1350)를 이용하여 2.85MPa의 압력까지 압축되며, 스트림(1044)으로서 상기 칼럼(1330)의 상단을 나가는 스트림(1045)과 결합된다. 상기 CO2 순환 유체로부터의 이들 결합된 스트림들은 상기 연소기 내로 다시 재순환된다. 물속에 희석된 H2SO4 및 HNO3은 스트림(1046)으로 상기 분리기(1360)의 베이스로부터 나간다. 농도들은 상기 연료 조성 및 상기 접촉기(contactor) 칼럼(1330) 내의 온도에 의존한다. 질산이 존재하는 임의의 수은과 반응할 것이고 이러한 불순물을 완전하게 제거하기 때문에 질산이 바람직하게는 상기 산성 스트림(1046) 내에 존재하는 점에 유의한다.
상기 압축기(1380)를 떠나는 상기 재순환된 CO2 순환 유체 스트림은 건조제 건조기 내에서 약 -60℃의 이슬점까지 먼저 건조되고, 이후에 여기에 참조로 포함되는 유럽 특허 출원 제EP1952874호(A1)에 도시된 바와 같은 낮은 온도의 분리 계획을 이용하여 O2, N2 및 Ar을 제거하도록 정제된다.
8.5MPa의 압력에서 압축기(1300)를 나가는 상기 압축되고 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(1047)은 27℃에서의 냉각수에 대하여 치밀한 초임계의 CO2 유체 스트림(1048)을 형성하는 냉각수 열교환기(1370) 내에서 냉각되며, 이는 고압의 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(1050)을 형성하도록 30.5MPa의 압력 및 74℃의 온도까지 상기 펌프(1390) 내에서 펌프된다. 상기 CO2의 일부는 과열되거나 그렇지 않으면 대기로의 배출 없이 처리되는 CO2 생성물 스트림(1049)으로서 상기 스트림(1050)으로부터 제거된다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 CO2 생성물 스트림(1049)은 약 20MPa의 요구되는 파이프라인 압력까지 압력이 감소되고, CO2 파이프라인 내로 통과된다.
상기 고압의 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(이제 스트림(1051))의 나머지 부분은 상기 열교환기(1300)의 저온 단부로 들어간다. 74℃에서 치밀한 초임계의 유체인 이러한 스트림은 이를 237℃의 온도에서 훨씬 낮은 비열을 갖는 유체로 전환시키도록 상당한 양의 저급열(low grade heat)을 수용하여야 한다. 이러한 실시예에 있어서, 이와 같은 저급열은 상기 O2 스트림(1056)을 공급하는 상기 극저온 산소 플랜트 내의 공기 압축기들로부터 유래되는 단열 압축과 함께 종래의 발전소의저압 증기 터빈으로 들어가는 상기 증기 스트림으로부터 취해지는 0.65MPa의 압력에서의 LP 증기 스트림(1052)에 의해 제공된다. 상기 낮은 압력의 증기는 스트림(1301)으로서 상기 열교환기(1300)를 떠난다. 선택적으로는, 상기 열의 모두가 3.8MPa까지의 압력에서 상기 석탄 연소 발전소로부터의 많은 이용 가능한 증기 스트림들을 이용하여 제공될 수 있다. 이러한 에너지는 또한 상술한 바와 같이 상기 공기 분리 유닛에 의해 형성되는 열(Q)로부터 제공될 수 있었다. 상기 재순환 CO2 스트림의 일부를 가열하는 상기 측부 스트림은 상기 열교환기(1300)의 저온 단부에서 요구되는 열의 많은 부분을 제공하고, 상기 열교환기(1300)의 고온 단부에서 약 25℃만의 작은 온도 차이를 가능하게 하며, 이는 전체적인 효율을 증가시킨다.
상기 고압 및 고온의 재순환된 CO2 순환 유체 스트림(1053)은 550℃의 온도에서 상기 열교환기(1300)를 나가고, 상기 연소기(220)로 들어가며, 여기서 이는 전술한 바와 같이 연소 생성물 스트림(1054)을 생성하도록 97몰%의 산소 스트림(1056)으로 천연 가스 스트림(1055)의 연소로부터 유래되는 연소 가스를 냉각시키는 데 사용된다(이러한 실시예에서). 이러한 실시예에 있어서, 상기 터빈의 뜨거운 경로 및 터빈 블레이드들의 제1 열들은 74℃의 온도에서 상기 펌프 배출 스트림(1050)으로부터 취해지는 CO2 스트림(1058)을 이용하여 냉각된다. 전술한 시스템이 순수한 CH4에 의해 모의 실험되는 천연 가스 연료를 사용하는 독립적인 발전소로서 동작되는 경우, 그러면 상기 재순환 CO2 스트림(1053)은 약 750℃의 온도에서 상기 연소기로 들어가며, 상기 터빈 배출(1001)은 약 775℃의 온도에서 상기 열교환기(1300)로 들어간다.
이러한 실시예에서의 독립적인 동력 시스템의 효율은 53.9%(LHV)이다. 이러한 수치는 상기 극저온 O2 플랜트와 상기 천연 가스 공급 및 CO2 압축기들을 위한 동력 소모를 포함한다. 상기 연료가 27.92Mj/㎏의 발열량으로 모의 실험된 석탄인 경우(예를 들면, 제2 연소기 내의 상기 연료 및 CO2 혼합물의 연소를 수반하는 제1 연소기 및 여과 유닛 내에서 제거되는 재로 부분적으로 산화되는), 그러면 상기 효율은 54%(LHV)가 될 수 있었다. 양 경우들에 있어서, 상기 연료 내의 탄소로부터 유래되는 거의 100%의 CO2가 20MPa의 파이프라인 압력에서 생성될 수 있었다.
석탄 연료로서 앞서 설명하고 도 12에 예시한 시스템과 방법은 다음에 기술하는 특정 변수들을 가지는 발전소에 적용되는 것으로 특징지어질 수 있다. 본 발명에 따른 미분탄 화력 발전소의 전환 효율은 다음과 같이 계산된다.
증기 조건들
HP 증기: 16.6MPa, 565℃,
흐름: 473.14㎏/sec
LP 증기: 4.02MPa, 565℃,
흐름: 371.62㎏/sec
순 동력 출력: 493.7Mw
현재의 발전소를 위한 석탄: 1256.1Mw
순 효율(LHV): 39.31%
CO2 포집%: 0%
본 발명의 시스템 및 방법을 통합하여 개선된 현재의 발전소를 구비하는 전환된 플랜트:
CO2 동력 시스템의 순 동력 출력: 371.7Mw
현재의 발전소의 순 동력: 639.1Mw
전체 순 동력: 1010.8Mw
CO2 동력 시스템을 위한 석탄: 1053.6Mw
현재의 발전소를 위한 석탄: 1256.1Mw
전체적인 순 효율(LHV): 43.76%
CO2 포집 %: 45.6%*
* 이러한 예에서 현재의 발전소로부터는 CO2가 포집되지 않은 점에 유의한다.
실험예
3
다중 팽창 단계들로 재순환된 CO
2
순환 유체를 이용하는 메탄 연소로 동력 생산을 위한 시스템 및 방법
도 13은 각각의 터빈들에 대한 유입구 스트림들을 예열하기 위한 산화제로 순수한 산소를 이용하여 천연 가스를 연소시키는 두 개의 연소기들을 갖는 직렬로 연결된 두 개의 터빈들을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 시스템과 방법을 도시한다. 제2 팽창 터빈의 존재는 상기 전열식 열교환기의 열 부하를 사실상 동일하게 유지하면서 전체 터빈 시스템의 압력비를 상당히 증가시킨다. 예시된 실시예는 상기 전열식 열교환기 내의 상기 재순환 고압 CO2 스트림 내로 대략 150℃ 내지 400℃ 범위의 온도 레벨에서 외부에서 발생되는 열(여기에 기재되는 바와 같이)의 투입에 의해 제공되는 효율 증가로부터 더 이점을 가진다. 이러한 추가적인 열의 소스는 상기 극저온 공기 분리 플랜트 내의 주요 공기 압축기의 단열 압축이다.
이러한 예에서 설명되는 실시예는 다음의 이점들에 의해 정의될 수 있다. 두 개의 터빈들이 20보다 큰 압력비 이상의 100bar 내지 600bar 범위의 높은 압력 사이에서 가열된 고압의 재순환 CO2 스트림을 팽창시키도록 직렬로 사용된다. 바람직하게는, 상기 제2 터빈의 배출 압력은 1.5bar 아래이고, 최적으로는 약 1.1bar이다. 다른 실시예들에 있어서, 이와 같은 압력 강하들은 셋 또는 그 이상의 터빈들의 사용을 통해 구현될 수 있다. 상기 두 터빈들은 순수한 산소 내의 탄화수소 또는 탄소질 연료의 연소에 의해 예열되는 유입구 흐름들을 가진다. 다른 실시예들에 있어서, 연소가 각 팽창 단계 이전에 요구되지 않을 수 있다. 상기 제2 터빈은 상기 예열되는 제2 연소기로부터의 연소 생성물들과 함께 상기 제1 터빈으로부터의 배출 흐름의 적어도 일부로부터의 이의 유입구 흐름을 이끌어낸다. 상기 제2 터빈의 최대 유출구 온도는 이의 고온 단부 및 상기 제1 터빈의 연소기로 들어가는 상기 고압의 재순환 CO2 스트림의 압력에서 상기 전열식 열교환기를 구성하는 데 사용되는 물질의 최대 허용 온도에 의해 고정된다. 상기 제1 터빈으로부터의 전체 흐름이 상기 제2 연소기에 대한 유입구 흐름으로 사용될 때, 그러면 상기 제1 터빈의 유입구 온도는 상기 제1 및 제2 터빈들의 동력 출력을 최대화시키기 위하여 이의 구성을 위해 사용되는 물질들의 성질들에 기초하여 가능한 한 높아질 수 있다. 상기 제1 터빈의 전체 흐름이 상기 제2 연소기에 대한 유입구 흐름으로 사용될 때, 상기 제1 터빈의 압력비는 주어진 유입구 압력과 상기 제1 연소기에 대한 재순환 고압 CO2 온도 및 주어진 유출구 압력과 정의된 상기 제2 터빈의 유출구 온도에서 상기 제1 터빈에 더하여 상기 제2 터빈으로부터 사용 가능한 동력 출력을 최대화시킬 필요성에 의해 고정된다. 상기 제1 터빈의 유입구 압력 및 상기 제2 터빈의 유출구 압력이 정의되면, 상기 제1 터빈에 대한 각 유입구 온도 및 압력이 상기 제1 터빈을 위해 다른 최적 압력비를 가져온다. 상기 제2 터빈으로부터의 유출구 흐름의 적어도 일부는 상기 제1 연소기로 들어가는 상기 고압의 재순환 CO2 스트림을 예열시키는 데 사용되는 상기 전열식 열교환기 내의 열 부하의 적어도 일부를 제공하도록 사용된다. 일반적으로 상기 제1 연소기에 대해 상기 고압의 재순환 CO2 및 산소 흐름들을 가열하도록 상기 전열식 열교환기를 통한 통과를 위해 요구되는 이상의 과잉의 제2 터빈 유출구 흐름이 존재한다. 이는 상기 제2 연소기를 위한 산소에 더하여 상기 제1 및 제2 연소기들을 위한 천연 가스의 예열의 적어도 일부를 위해 사용된다.
본 발명에 따른 동력 생산 시스템의 예시적인 실시예가 도 13에 도시된다. 도 13의 참조 부호들이 도 13에 예시된 요소들에만 관련되는 점이 이해될 것이다. 도 1 내지 도 12의 하나 또는 그 이상에서 유사한 참조 부호들의 존재가 유사한 요소들을 참조하도록 의도된 것은 아니다.
도 13의 시스템은 고온의 CO2가 풍부한 유체 스트림들(67, 57)을 수용하고, 이 경우에 전력 출력(68)을 생성하는 전지 발전기(5)를 구동시키는 공통 샤프트 상에 장착되는 직렬의 두 개의 터빈들(3, 4)을 포함한다. 상기 터빈(3) 유입구 유동 스트림(67)은 295bar의 압력 및 1154℃의 온도에 있다. 이는 303.4bar 및 735℃에서의 재순환 CO2 스트림(56)과 함께 25.6몰%의 O2 및 74.4%의 CO2를 포함하는 304.2bar 및 735℃에서의 산화제 스트림(52)을 이용하여 204℃ 및 304.4bar에서 천연 가스 스트림(44)의 연소(이 경우에 순수한 메탄 성질들에 의해 모의 실험되었다)에 의해 연소기(1) 내에서 가열되었다. 상기 CO2＋O2 산화제 내의 전체 재순환 CO2 더하기 CO2 희석제는 상기 CH4 연료의 완전 산화에 의해 생성되는 CO2보다 29.2배 크다. 터빈(1)을 나가는 30bar 및 746℃에서의 배출 스트림(37)은 두 부분들로 분할된다. 스트림(36)은 30bar 및 316℃에서 산소 스트림(35)과 혼합되며, 30bar 및 204℃에서 메탄 스트림을 연소시키는 결합된 산화제 스트림(39)을 제공한다. 상기 연소 생성물들은 제2 부분 스트림(38)으로 급속 냉각되어 29.1bar 및 1269℃에서 터빈(4) 유입구 스트림(57)을 제공한다. 1.1bar 및 738℃에서의 터빈 유출구 스트림(58)은 상기 전열식 열교환기들(14, 13) 내에서 냉각되어 스트림(60)으로서 나간다. 스트림(58)의 일부, 공급 스트림들을 예열하기 위해 사용되었던 스트림(71)과 함께 이러한 스트림은 1.04bar의 압력 및 79℃에 있다. 이는 직접 접촉식 수 냉각기 내에서 9℃ 내지 17.2℃로 냉각되어, 스트림(63)으로 나간다. 물과 CO2 사이의 직접 접촉을 위해 이용되는 충전의 베이스를 나가는 액상의 물은 타워(9)의 베이스 내에 수집되고 펌프(75)에 의해 수 냉각기(10)를 통해 타워(9)의 상단으로 펌프된다. 상기 동력 사이클에 의해 생성되는 순 생산물의 물은 처리를 위해 스트림(62)으로 제거된다. 상기 유출구 스트림(63)은 중간 냉각되고(6), 30bar의 압력에서 유입구 및 유출구 스트림들(64, 65)을 가지는 중간 냉각기(intercooler)(8)에 의해 분리되는 중간 냉각기들을 갖지 않는(7) 두 개의 별도의 유닛들로 도시된 다중 스테이지 축상/원심성 압축기 시스템 내에서 압축된다. 이들 두 개의 별도의 CO2 재순환 압축기 요소들은 공통 가스 터빈에 더하여 전기 발전기 구동 샤프트 상에 직접 장착된다. 이는 시스템의 정지 후에 시스템의 압력이 정지되는 경우에 과속을 방지하도록 상기 터빈에 대해 제동 하중(braking load)을 제공한다. 57.5bar 및 93.3℃에서의 상기 압축기(7) 유출구 스트림(12)은 305bar에서의 열교환기(76) 내에서 펌프(11)로부터의 유출을 54.4℃로부터 73.9℃까지 가열하는 데 이용된다. 57.5bar의 상기 유출구 CO2 스트림은 60℃까지 냉각되며, 열교환기(12) 내에서 더 냉각되고 응축되어 펌프(11)에 대해 액체 CO2 공급을 형성한다. 상기 전열식 열교환기(13)에 대해 상기 CO2 유입을 가열하는 것은 스트림(60)이 그 이슬점 위에 있게 되는 점을 보장한다. 이들 온도들 및 상응하는 CO2 압력인 57.5bar가 상기 시스템들 위한 ISO 조건들에 관련되는 점에 유의한다. 보다 높은 주위 온도들에서, 압축기(7)의 배출 압력은 57.5bar에서 100bar까지의 범위 내에 대략적으로 고정되었지만, 이들 경우들 모두에서 상기 CO2는 다중 스테이지 원심성 펌프(11)를 위해 적절한 높은 밀도에 있었다. 상기 펌프(11) 배출 흐름(47)은 두 스트림들로 분리된다. 스트림(46)은 305bar 및 15.5℃에서의 산소 스트림(27)과 혼합되어, 상기 예열기들(15, 73) 내에서 252℃의 온도까지 가열되고 이후에 상기 고압의 산화제 스트림(52)을 형성하도록 상기 전열식 열교환기(14) 내에서 가열되는 산화제 스트림(45)을 형성한다. 스트림(48)은 다시 두 스트림들로 분리된다. 상기 주요한 고압의 재순환 CO2 유동 스트림(53)은 13 및 14 내에서 가열되어, 상기 가열된 재순환 스트림(52)을 형성한다. 부차적인 유동 스트림(49)은 상기 저온의 전열식 열교환기(13)를 우회하며, 압축기(16) 내에서 유입 대기 공기 흐름(23)으로 5.7bar 및 226℃까지 단열적으로 압축되었던 공기 스트림(24)에 대하여 열교환기(15) 내에서 185℃의 스트림(50)으로 가열된다. 스트림(50)은 가열된 CO2 스트림(54)과 재결합되며, 결합된 스트림(55)은 14 내에서 더 가열되어, 상기 가열된 재순환 CO2 스트림(56)을 형성한다. 79.4℃에서 15를 나가는 상기 냉각된 공기 공급 스트림(25)은 직접 접촉식 수 냉각기(17) 내에서 냉각되고, 물 및 CO2 모두를 제거하는 열 스윙 흡착기(thermal swing adsorber)(18)를 통과한다. 대부분의 상기 공기 스트림(29)은 극저온 공기 분리 플랜트(20)의 콜드 박스(cold box)로 들어간다. 상기 부차적인 부분(30)은 60bar 및 100bar에서 각기 두 가압된 공기 스트림들(31, 32)을 생성하는 5 스테이지의 통합적으로 설계된 공기 압축기(19)로 들어가고, 또한 상기 콜드 박스로 들어가며 30bar 및 305bar에서 각기 생성물 산소 스트림들(34, 27)을 거의 주위 온도까지 가열하기 위해 사용된다. 상기 제2 터빈 배출 스트림(58)은 두 부분들로 분리된다. 주요 부분(77) 상기 전열식 열교환기들(13, 14) 내에서 상기 재순환 CO2 및 산화제 스트림들을 예열하기 위해 요구된다. 부차적인 부분(69)은 상기 예열시키는 열교환기들(73, 22)을 직렬로 통과한다. 유닛(22)은 40bar 및 15℃에서 전체 메탄 공급 스트림(43)을 가열시키는 데 사용되며, 이는 연소기(2) 내에서 연료로 사용되는 부분(41) 및 상기 중간 냉각된 압축기(21) 내에서 304.5bar까지 압축되고 스트림(42)으로 예열기(22)에 전달되는 부분(78)으로 분리된다. 상기 산화된 메탄 스트림(77)으로부터 유래되는 순 CO2 생성물 스트림(66)은 스트림(60)으로부터 1.04bar에서 또는 스트림(48)으로부터 304.9bar에서, 혹은 압축기들(6, 7) 내의 임의의 중간 단계 압력에서 생성될 수 있다.
선택적인 실시예에 있어서, 상기 공기 분리기로부터의 모든 산소가 32bar의 압력에서 전달될 수 있다. 연소기(1)를 위한 O2는 스트림(65)으로부터 취해진 CO2와 혼합되며, 추가적인 압축기 내에서 305bar까지 압축된다. 이는 이후에 전술한 바와 같이 예열되며, 산화제 스트림(52)으로 사용된다. 나머지 O2 스트림은 예열되고, 스트림(35)으로 연소기(2)에 전달된다.
다른 선택적인 실시예들에 있어서, 상기 공기 분리기로부터의 연소기(2)를 위한 산소의 일부는 30bar에서 전달될 수 있고, 1.2bar에서 연소기(1)를 위해 요구되는 부분이 취해질 수 있으며, 스트림(63)으로부터 취해진 CO2의 일부와 혼합될 수 있다. 상기 산화제 혼합물은 이후에 다중 스테이지 압축기 내에서 305bar까지 압축되고, 그 후에 앞서와 같이 15, 73 및 14 내에서 가열된다.
상기 터빈(1)의 유입구 온도를 증가시키는 효과는 연소기(1)를 위한 O2가 상기 ASU로부터 1.2bar의 압력에서 생성되고, 스트림(65)으로부터의 1bar의 CO2와 혼합되며, 중간 냉각된 다중 스테이지 압축기 내에서 305bar까지 압축되는 점에 기초하는 다음의 표에서 볼 수 있다. 이러한 표는 1bar에서의 순 CO2 생성물을 가지는 연료로 순수한 메탄 및 17.2℃에서 액체로 생성되는 연료 연소로부터 유래되는 모든 물을 이용하는 ISO 조건들에 근거한 것이다. 이들 모든 경우들은 295bar의 터빈(1) 유입구 압력과 30bar의 유출구 압력 및 29.1bar의 터빈(2) 유입구 압력과 1.1bar의 유출구 압력에 기초한다.
[표]
본 발명의 많은 변경들과 다른 실시예들이 앞서의 설명들 및 관련 도면들에 제시되는 교시들의 이점을 가지는 것으로 본 발명이 속하는 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 개시된 특정 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 이러한 변형들 및 다른 실시예들이 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 포함되도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 특정 용어들이 여기서 적용되었지만, 이들 용어들은 일반적이고 서술적인 의미로 사용되며, 한정의 목적을 위한 것은 아니다.
Claims (16)
- 발전 방법에 있어서,
최후 터빈으로부터 최후 터빈 배출 스트림을 출력하기 위하여 적어도 12MPa의 압력에서 압축된 재순환 CO2 스트림을 제1 터빈 및 상기 최후 터빈의 시리즈에 걸쳐 적어도 20의 압력비에 걸쳐 팽창시키는 단계;
연소기 배출 스트림을 형성하기 위해 산화제 및 상기 제1 터빈 배출 스트림의 존재에서 연료를 연소시켜 상기 최후 터빈 내로의 통과 이전에 상기 제1 터빈으로부터의 배출 스트림을 연소기 내에서 가열하는 단계;
냉각된 터빈 배출 스트림을 형성하고, 상기 최후 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 열을 제공하도록 상기 최후 터빈 배출 스트림을 전열식 열교환기(recuperator heat exchanger) 내에서 냉각시키는 단계;
상기 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터 CO2의 적어도 일부를 분리시키는 단계;
압축된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 재순환 CO2 스트림을 압축시키는 단계;
결합되고, 가열되며, 압축된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 압축된 재순환 CO2 스트림의 적어도 일부를 상기 최후 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 열로 가열하며, 상기 압축된 재순환 CO2 스트림의 적어도 일부를 상기 최후 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 열과 다른 소스로부터의 열로 가열하는 단계; 및
상기 결합되고, 가열되며, 압축된 재순환 CO2 스트림을 상기 터빈들의 시리즈로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법. - 발전 시스템에 있어서,
20 보다 큰 압력비에 걸쳐 10MPa 내지 60MPa의 높은 압력 사이의 고압의 재순환 CO2 스트림을 팽창시키도록 적용되는 시리즈 내의 제1 터빈 및 제2 터빈;
상기 제1 터빈의 유출구 및 상기 제2 터빈의 유입구와 동작 배열되고, 상기 제1 터빈으로부터의 배출 스트림을 가열하도록 적용되는 연소기;
상기 제2 터빈의 유출구와 동작 배열되고, 상기 제2 터빈으로부터의 배출 스트림 및 상기 고압의 재순환 CO2 스트림 사이에 열을 전달하도록 적용되는 전열식 열교환기;
상기 전열식 열교환기와 동작 배열되며, 재순환 CO2 스트림을 적어도 10MPa의 압력까지 압축시키고 상기 고압의 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 적용되는 적어도 하나의 압축기; 및
다른 열원으로부터의 열을 상기 연소기로부터 업스트림(upstream)이고 상기 적어도 하나의 압축기로부터 다운스트림(downstream)에서 상기 고압의 재순환 CO2 스트림에 전달하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 열전달 구성 요소들을 포함하며, 상기 다른 열원으로부터의 열은 상기 제1 터빈 및 상기 제2 터빈의 하나를 떠나는 스트림으로부터 직접 유래되지 않는 것을 특징으로 하는 발전 시스템. - 제 2 항에 있어서, 상기 제2 터빈은 0.15MPa 보다 작은 압력에서 상기 제2 터빈 배출 스트림을 제공하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 전열식 열교환기로부터 업스트림에 위치하고, 상기 제2 터빈으로부터의 상기 배출 스트림의 일부를 분할하도록 적용되는 디바이더(divider)를 더 포함하며, 상기 제2 터빈으로부터의 상기 배출 스트림의 분할된 부분을 수용하고, 하나 또는 그 이상의 다른 스트림들을 가열하기 위해 적용되는 하나 또는 그 이상의 다른 열교환기들을 선택적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 압축기는 상기 재순환 CO2 스트림을 적어도 5.75MPa의 압력까지 압축시키도록 적용되는 다중 스테이지 압축기 및 상기 압력을 적어도 12MPa까지 증가시키도록 적용되는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 5 항에 있어서, 상기 다중 스테이지 압축기는 중간 냉각되는 적어도 두 개의 유닛들을 구비하는 제1 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 6 항에 있어서, 상기 다중 스테이지 압축기는 제2 압축기를 포함하며, 상기 시스템은 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 사이에 중간 냉각기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 압축기는 상기 전열식 열교환기와 동작 배열되어, 상기 고압의 재순환 CO2 스트림이 상기 제2 터빈으로부터의 상기 배출 스트림에 대한 가열을 위해 상기 전열식 열교환기로 통과되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 8 항에 있어서, 상기 전열식 열교환기는 상기 제1 연소기와 동작 배열되어, 상기 전열식 열교환기 및 상기 하나 또는 그 이상의 열전달 구성 요소들 내에서 가열된 상기 고압의 재순환 CO2 스트림이 상기 제1 연소기로 통과되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 9 항에 있어서, 상기 전열식 열교환기와 동작 배열되고, 다른 소스로부터의 추가적인 열을 상기 고압의 재순환 CO2 스트림의 적어도 일부에 제공하도록 적용되는 열전달 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 10 항에 있어서, 상기 추가적인 열의 소스는 공기 분리 유닛인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 액화 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 12 항에 있어서, 상기 액화 열교환기는 상기 고압의 재순환 CO2 스트림을 액화시키고, 액화 천연 가스(LNG) 스트림의 온도를 증가시키기 위하여 상기 고압의 재순환 CO2 스트림 및 상기 액화 천연 가스(LNG)의 스트림을 열 교환 관계에 위치시키도록 적용되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제1 터빈 및 상기 제2 터빈 중의 하나 또는 모두는 상기 시스템의 하나 또는 그 이상의 다른 구성 요소들과 기계적 동작 연결되며, 상기 기계적 동작 연결은 상기 제1 터빈 및 상기 제2 터빈 중의 하나 또는 모두에 의해 제공되는 축 동력을 상기 하나 또는 그 이상의 다른 구성 요소들에 기계적으로 전달하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 14 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 다른 구성 요소들은 압축기, 펌프, 또는 공기 분리 유닛인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제1 터빈 및 상기 제2 터빈 중의 하나 또는 모두는 하나 또는 그 이상의 래디얼(radial) 터빈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
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