燃焼流中のＣＯ２排出を減少させるための方法及びシステム
【課題】本明細書において開示されているのは、動力プラント（６、８）のＣＯ２排出を減少させるためのシステム及び方法である。
【解決手段】一実施形態では、燃焼流中の排出物を減少させるための方法は、ガス流を燃焼させて、二酸化炭素を含む排気流を生成する段階と、ＣＯ２をメンブランに通過させることによってＣＯ２を排気流から分離して、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄な排気流を生成する段階とを含む。
【解決手段】一実施形態では、燃焼流中の排出物を減少させるための方法は、ガス流を燃焼させて、二酸化炭素を含む排気流を生成する段階と、ＣＯ２をメンブランに通過させることによってＣＯ２を排気流から分離して、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄な排気流を生成する段階とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は一般に燃焼流に関し、より詳細には、燃焼流中のＣＯ２排出を減少させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
大気汚染に関する世界的な懸念により、より厳格な排出基準がもたらされてきた。このような基準は、電力事業から発生した窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び二酸化炭素（ＣＯ２）の排出を規制する。特に、二酸化炭素は温室効果ガスとして特定されており、大気に放出される二酸化炭素濃度を減少させるための数々の技術の実施に繋がっている。
【０００３】
したがって、大量のＣＯ２を発生させる動力プラント及び他の工業プラントからＣＯ２を分離することが望ましい。ＣＯ２捕捉の費用は一般に、炭素の捕捉、貯蔵、輸送、及び除去の総費用の４分の３に相当すると推定されている。
【０００４】
その結果、ＣＯ２除去技術、例えば既存の動力プラントなどにレトロフィットすることができるＣＯ２除去技術に対する継続的必要性が存在する。
【特許文献１】米国特許出願第１１／２６３１６５号明細書
【特許文献２】米国特許第５４４１９９０号明細書
【特許文献３】米国特許第５６３７２５９号明細書
【特許文献４】米国特許第５８２７５６９号明細書
【特許文献５】米国特許第５９３５５３３号明細書
【特許文献６】米国特許第６０３３６３２号明細書
【特許文献７】米国特許第６０４８４７２号明細書
【特許文献８】米国特許第６０７７３２３号明細書
【特許文献９】米国特許第６１１４４００号明細書
【特許文献１０】米国特許第６１２９８６１号明細書
【特許文献１１】米国特許第６２２８１４７号明細書
【特許文献１２】米国特許出願第２００４０１４１９１０号明細書
【特許文献１３】米国特許出願第２００４００７６８７４号明細書
【特許文献１４】米国特許出願第２００２００３４８１８号明細書
【特許文献１５】米国特許出願第２００４０２２４３９６号明細書
【特許文献１６】米国特許出願第２００４０２３７４０６号明細書
【特許文献１７】米国特許出願第２００５００３６９４０号明細書
【特許文献１８】米国特許出願第２００５０１７２５５６号明細書
【特許文献１９】米国特許出願第２００５０２１０８８１号明細書
【特許文献２０】国際公開第９９／０６１３８号パンフレット
【特許文献２１】国際公開第００／３３９４２号パンフレット
【特許文献２２】国際公開第０２／０９２５００号パンフレット
【特許文献２３】国際公開第０３／０８０２２９号パンフレット
【特許文献２４】欧州特許第１１５９０５６号明細書
【特許文献２５】国際公開第００４８７０９号パンフレット
【非特許文献１】Bredesen et al., "High-Temperature Membranes in Power Generation with CO2 Capture", Chemical Engineering and Processing 43, pp.1129-1158 (2004), Received February 24, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書において開示されているのは、動力システム、ＣＯ２除去システム、その使用方法、及び燃焼流中のＣＯ２排出を減少させる方法の実施形態である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、燃焼流中の排出物を減少させるための方法は、ガスタービンエンジンアセンブリ中で動力を生成する段階（ガスタービンエンジンアセンブリから排気流が排出される）と、排気流を圧縮する段階と、ＣＯ２をメンブランに通過させることによってＣＯ２を排気流から分離して、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄（リーン）な排気流を生成する段階とを含む。
【０００７】
一実施形態では、動力プラントは、動力と、ＣＯ２を含む排気流とを生成するように構成されたガスタービンエンジンアセンブリ、及び排気流を受けるように構成されたＣＯ２分離ユニットを含む。ＣＯ２分離ユニットは、ユニット熱交換器を介してＣＯ２分離リアクター入口と流体連通したユニット圧縮機、及びユニット熱交換器を介してＣＯ２分離リアクター出口と流体連通したユニットエキスパンダーを含む。
【０００８】
他の実施形態では、動力プラント中で排出物を減少させる方法は、ガスタービンエンジンアセンブリ中で動力を生成する段階（ガスタービンエンジンアセンブリから排気流が排出される）と、排気流の運転圧力を変化させる段階と、排気流の運転温度を変化させる段階と、排気流中のＣＯ２をＣＯ２分離リアクター中のメンブランに通過させて、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄な排気流を生成する段階と、ＣＯ２希薄な排気流の温度を変化させて、冷却した排気流を生成する段階と、冷却した排気流でガスタービンエンジンアセンブリに入る空気を冷却する段階を含む。
【０００９】
一実施形態では、燃焼流中の排出物を減少させるための方法は、ガス流を燃焼させて、二酸化炭素を含む排気流を生成する段階と、ＣＯ２をメンブランに通過させることによってＣＯ２を排気流から分離し、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄な排気流を生成する段階とを含む。
【００１０】
上記の記載及び他の特徴を、下記の図及び詳細な説明により例示する。
【００１１】
ここで例示的であって限定的ではない図を参照されたい。図において、同様の部品・要素には同様に符号を付した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
動力プラントからの二酸化炭素（ＣＯ２）排出は、京都議定書及び欧州域内排出権取引制度などの国内及び国際規制によって益々ペナルティーを科されている。ＣＯ２排出の増加する費用に伴い、ＣＯ２排出の減少が、実利的な動力生成のために益々重要になっている。ＣＯ２除去技術は、動力プラント又は他のＣＯ２生成工程の、大気中燃焼排ガス流のＣＯ２浄化に集中し、それによって非常に大きくて費用がかさみ、エネルギー集約型のＣＯ２除去ユニットをもたらしている。
【００１３】
燃焼排ガスの再循環を用いて、ＣＯ２に富んだ燃焼排ガスを加圧することによって、動力プラントの燃焼排ガス中のＣＯ２の分圧が増加し、したがってＣＯ２分離工程を容易にする。又圧縮することによって、ＣＯ２除去ユニット内で処理されるガス容積を減少させ、したがって関連する資金及びエネルギーに対する需要を減少させる。本システムは、圧縮機、エキスパンダー、熱交換器、及びＣＯ２分離リアクターを有するＣＯ２分離ユニットを含む。ＣＯ２メンブラン技術を使用するリアクターは、一酸化炭素（ＣＯ）変換及びＣＯ２除去性能の両方を含むことができる。本発明の解決方法は、メイン動力システムに組み込む必要がないため、全ての既存の及び未来の動力プラントに容易に実装できる。（可能な場合は）高温ガスタービンの排気ガス、又はガスタービン中間冷却器からの熱回収を含めた、メイン動力システムからの熱回収をさらに適宜行うことができる。
【００１４】
図１は、燃焼工程（例えば、例示的なガスタービンエンジンアセンブリ１０）を含めた例示的な動力プラント６の略図である。燃焼器、炉、並びに石炭火力発電所、重油燃焼ボイラー、セメント又は鋼工場などのＣＯ２（例えば、政府により規制されたＣＯ２の量）を含む流れを生成する他の工程などの、可能な他の燃焼工程も併せて、又は二者択一的に使用することができる。ガスタービンエンジンアセンブリ１０には、圧縮機（例えば、高圧圧縮機１４（例えば、流れを約４５バール以上の圧力に圧縮できるもの）、及び低圧圧縮機２０（例えば、約５バールまで圧縮できるもの））、燃焼器１６、及びタービン（例えば、高圧タービン１８及び低圧タービン２２）を含めた、コアガスタービンエンジン１２が含まれる。高圧圧縮機１４及び高圧タービン１８は、第１のシャフト２４によって適宜結合され、低圧圧縮機２０は、第２のシャフト２６によって中間圧力タービン（図示せず）に結合することができる。例示的な実施形態では、低圧タービン２２は、シャフト３０を介して発電機２８などの負荷装置に連結している。例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジン１２は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓ，Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ，Ｏｈｉｏから入手可能なＬＭＳ１００である。
【００１５】
ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、高圧圧縮機１４に入る圧縮空気流の温度低下を促進する中間冷却器４０を適宜含めることができる。さらに具体的には、低圧圧縮機２０から放出された空気流が高圧圧縮機１４に供給される前に冷却されるように、中間冷却器４０は、低圧圧縮機２０及び高圧圧縮機１４と流体連通している。例示的な実施形態において、中間冷却器４０は、そこを作動流体（図示せず）が流れる水−空気熱交換器である。例えば、作動流体は、動力プラント８近くに位置する例えば湖などの水域から運ばれる原水でよい。適宜、中間冷却器４０は、そこを冷却用空気流（図示せず）が流れる空気−空気熱交換器である。
【００１６】
動力プラント６には、ガスタービンエンジンアセンブリ１０から放出される比較的熱い排気流を受け、この熱エネルギーを、ＨＲＳＧ５０を流れる作動流体に伝達して、例示的な実施形態においては蒸気タービン５２を駆動するために使用することができる蒸気を発生させるように構成される、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）５０も適宜含まれる（図２を参照）。凝縮器５４は、ＨＲＳＧ５０の下流に位置し、ガス温度を低下させることによってＨＲＳＧ５０から放出された排気流から水蒸気を実質的に除去することができる。除湿器（図示せず）を、ＨＲＳＧ５０の下流及び凝縮器５４の上流に使用して、排気流からの水の除去を促進することもできる。除湿器は、デシカント式空気乾燥システムを含むことができる。
【００１７】
動力プラント６には、例示的なＣＯ２分離ユニット３２がさらに含まれる。ＣＯ２分離ユニット３２は、第２の低圧圧縮機６０、エキスパンダー６２、及び第２の低圧圧縮機６０とエキスパンダー６２とを結合するために使用されるシャフト６４を含む。本明細書で使用する場合、エキスパンダーは、遠心又は軸流タービンでよく、これにより高圧ガスが膨張して低圧圧縮機６０などの圧縮機を駆動するために使用することができる仕事を生成する。エキスパンダー６２（ターボエキスパンダー又は膨張タービンとも称される）は、シャフト６８を介して電動機、ガスタービン、レシプロエンジンなどの原動機６６（図２を参照）に連結する。したがって後述するように、原動機６６は、エキスパンダー６２に補助されて低圧圧縮機６０を駆動するために使用される。デシカント式空気乾燥システムは、ＣＯ２分離ユニット３２中、例えば、ＣＯ２分離リアクター８０の下流、中間冷却器３４の下流で、適宜使用することができる
動力プラント８は、低圧圧縮機６０及びエキスパンダー６２と流体連通した第２の中間冷却器又は熱交換器７０（図２を参照）も含むことができる。運転中、低圧圧縮機６０から放出された排気流は、中間冷却器７０を通り、排気流がＣＯ２分離ユニット８０及びエキスパンダー６２に供給される前に冷却される。例示的な実施形態では、中間冷却器７０は、そこを作動流体（図示せず）が流れる水−空気熱交換器である。例えば上記のように、作動流体は、動力プラント８近くに位置する水域から運ばれる原水でよい。適宜、湿式冷却塔を使用して冷たい水を生じさせてもよく、及び／又は中間冷却器７０は、そこを冷却用空気流（図示せず）が流れる空気−空気熱交換器である。次いでエキスパンダー６２から放出された排気流は、後述するように、第３の熱交換器７２に供給され、ガスタービンエンジンアセンブリ１０に供給される吸気の運転温度の低下を促進することができる。
【００１８】
運転中に、ガスタービンに吸い込まれた周囲空気は、熱交換器７２を通り、ガスタービンエンジンアセンブリ１０に供給される周囲空気の運転温度の低下を促進する。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、当技術分野において公知の通り操作され、したがって約６００華氏温度（°Ｆ）（３１６摂氏温度（℃））〜約１，３００°Ｆ（７０４℃）の温度の排気流を生成する。ガスタービンエンジンアセンブリ１０から放出された排気流は、ＨＲＳＧ５０を通り、そこで排気流からの熱エネルギーのかなりの部分がランキンサイクルに伝達され、そこを通る作動流体は、上記のように、蒸気タービン５２を駆動するために使用できる蒸気を生成する。ＨＲＳＧ５０は、排気流の運転温度が約７５°Ｆ（２４℃）〜約２４８°Ｆ（１２０℃）の温度に低下することを促進する。例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ５０は、排気流の運転温度の約１００°Ｆ（３８℃）の温度への低下を促進する。他の実施形態では、排気流は、有用な目的に拒絶された熱を利用せずに、単に冷却され、及び／又は蒸気又は熱水の形態で熱を提供する他の工程に連結することができる。一実施形態では、排気流はまた、さらなる熱交換器（図示せず）を通して運ばれ、排気流から水をさらに凝縮させることができ、次いでその水は、例えば凝縮器５４を通って放出される。
【００１９】
図１に例示するように、図２に示される構成において、圧縮機６０の上流で、排気ガスの一部分を、メインガスタービンエンジンアセンブリ１０に適宜再循環させることができ、例えば、排気流の約３０ｖｏｌ％〜約７０ｖｏｌ％を再循環させ、空気と共にガスタービンエンジンアセンブリに入れることができる。再循環した排気ガスと外気との混合を、適宜の熱交換器７２の上流又は下流で行うことができる。排気流の一部がガスタービンエンジンアセンブリ１０入口へ再循環することによって、作動流体中のＣＯ２濃度が増加し、したがってＣＯ２分離リアクター８０中のＣＯ２分離のための駆動力を増加させる。さらに、排気ガス再循環は、ＮＯｘ形成の減少などの、他の燃焼排出物を減少させる助けとなることができる。
【００２０】
次いで、比較的冷たい乾燥排気流は、例示的な実施形態では、エキスパンダー６２、及び必要であれば原動機６６によって駆動される、適宜の第２の低圧圧縮機６０中で圧縮される。第２の低圧圧縮機６０を使用して、そこを通る排気流の運転圧力を、ガスタービンエンジンアセンブリ１０から放出された排気流の運転圧力の約４倍の圧力に増加させることができる。さらに、排気流を第２の低圧圧縮機を通すことによって、排気流の温度が上昇する。次いで第２の低圧圧縮機６０から放出された排気流は、ＣＯ２分離リアクター８０及び／又はシステムを運転するために有利であれば、第２の中間冷却器７０を適宜運ばれ、排気流の運転温度の低下を促進する。例示的な実施形態では、第２の中間冷却器７０は、排気流の運転温度を約１００°Ｆ（３８℃）の温度に低下させることを促進する。
【００２１】
中間冷却器７０から放出されたＣＯ２に富んだ排気流は、ＣＯ２分離リアクター８０に入る。ＣＯ２分離リアクター８０は、ＣＯ２選択メンブラン技術、吸着方法（吸着及び／又は吸収）、隔膜、低温処理などの様々なＣＯ２分離方法、並びに上記の方法の１つ以上を含んだ組合せを含むことができる。スイープガスが排気流に入らずにＣＯ２を適宜除去できるような任意の方法で、メンブランを排気流の流れから遮断することができる。例えばＣＯ２は、メンブランの壁を貫通し、メンブランの反対側の閉鎖された領域へと入るが、一方排気流はリアクターを通り続ける。スイープガスが閉鎖された領域に入り、メンブランを通り過ぎて、メンブランの壁を貫通したＣＯ２を除去する。スイープガスは、排気流の残りとは別の出口を通ってリアクターからＣＯ２を適宜運び出す。
【００２２】
メンブランは、ＣＯ２選択性であり、したがって必要であればメンブランに加えることができる触媒部分中のＣＯから適宜生成されたＣＯ２を含めて、生成されたＣＯ２を連続除去する。メンブランは、運転条件で安定し、運転条件で必要とされるＣＯ２透過性及び選択性を有する任意のメンブラン材料を含むことができる。ＣＯ２に対して選択性がある可能なメンブラン材料には、特定の無機材料及び高分子材料、並びにこのような材料の１種類以上を含む組合せが含まれる。無機材料には、マイクロポーラスカーボン、マイクロポーラスシリカ、マイクロポーラスチタノケイ酸塩、マイクロポーラス混合酸化物、及びゼオライト材料、並びにこのような材料の１種類以上を含む組合せが含まれる。いくつかの可能なメンブラン材料が、２００５年１０月３１日に出願されたＲｕｕｄ他の米国特許出願第１１／２６３１６５号に記載されている。
【００２３】
特定の理論に限定されないが、マイクロポーラス材料のＣＯ２選択性の作用機序には、表面拡散及び毛管凝縮が含まれる。流れ中で他のガスと比較してＣＯ２に対する親和性を有する材料は、ＣＯ２の好ましい吸着及び表面拡散を示すであろう。さらに、毛管凝縮によって吸着されたＣＯ２分子の存在によって、より弱い吸着ガスから細孔を効果的に遮断し、したがってその輸送を妨げるであろう。メンブランを通るガス選択性は、クヌーセン流の相対的寄与率及びガスの完全輸送への表面拡散によって決定される。例えば、ＣＯ２選択性を実現するために、表面拡散は完全なＣＯ２輸送のためにかなりの寄与をしなくてはならない。表面拡散速度は、吸着したＣＯ２の量及びその相対的移動性によって決まる。
【００２４】
第一近似としては、材料上のガスの表面拡散率は、吸着熱から推定することができる。拡散率は、吸着熱と負の関係で指数関数的に変化するので、より低い吸着熱を有する材料は、より高い表面拡散率を示す。物理的にはこれは、機能材料に適した材料は、流れ中の他のガスよりＣＯ２に対する親和性が大きいが、ＣＯ２に対する親和性はあまり大きくないので、ＣＯ２が細孔チャネルを通って輸送されずに表面に結合することを意味する。低い吸着熱は、弱く結合したＣＯ２に相当し、それは高い拡散率に有利である。したがって、機能材料として使用するために適切な材料は、高い表面被覆率の導関数（ｄθ／ｄｐ）及び低い吸着熱（△Ｈ）によって特徴付けられる。このような特徴は、材料のＣＯ２吸着等温線から決定することができ、適切な材料を選択できる。例示的な実施形態では、セラミックは、ＳｉＯ２、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＬａＦｅＯ３、並びにこのような材料の１種類以上を含む組合せなどの材料を含む。このような酸化物は、理論的にはＣＯ２の表面拡散のために有意に高い移動性を示し、したがって必要とされる透過性を実現することができる。
【００２５】
実際にはメンブランは、支持層上に配置された分離層を含むことが多い。非対称無機メンブランの場合、多孔質支持層は、分離層とは異なる材料を含み得る。非対称無機メンブランの支持材料には、多孔質アルミナ、チタニア、コーディエライト、炭素、シリカガラス（例えば、Ｖｙｃｏｒ（登録商標））、及び金属、並びにこのような材料の１種類以上を含む組合せが含まれる。多孔性金属支持層には、第一鉄材料、ニッケル材料、並びにステンレス鋼、鉄ベースの合金、及びニッケルベースの合金などの、このような材料の１種類以上を含む組合せが含まれる。高分子メンブランが、高分子又は無機支持体上に配置されてもよい。メンブランには、ポリエーテル及びポリエーテルブレンドなどの高分子材料、及びシラン化されたγアルミナメンブランなどのハイブリッドメンブランを含めることができる。２−アセトキシエチル、２−カルボメトキシエチル及び３−アミノプロピルなどのシランは、セラミックメンブランに組み込まれ、選択的ＣＯ２輸送を実現することができる。
【００２６】
ＣＯ２分離リアクター８０から放出されたＣＯ２希薄な排気流は、エキスパンダー６２を通り適宜膨張し、エキスパンダーは加圧排気ガスから仕事を抽出し、低圧圧縮機６０を駆動させ、したがって排気流の温度を大幅に低下させることができる。例えば、一実施形態では、エキスパンダー６２から放出された排気流の温度は、約３０°Ｆ（−１℃）〜約−３０°Ｆ（−３４℃）である。例示的な実施形態では、エキスパンダー６２から放出された排気流の温度は、約−２０°Ｆである。次いで、比較的冷たい排気流が熱交換器７２を通って運ばれ、吸入空気流の冷却を促進し、及びガスタービンエンジンアセンブリ１０へと運ばれる空気流の空気密度の増加を促進し、したがってコアガスタービンエンジン１２の効率性及び出力を増加させることができる。その結果、ガスタービンへの空気流の吸入温度の低下によって、その質量流量と効率性とを増加させ、ＣＯ２分離工程の経済的影響を減少させる。
【００２７】
図３は、他の例示的な動力プラント１００の略図である。動力プラント１００は、図２に示された動力プラント８と実質的に同様である。例示的な実施形態では、動力プラント１００には、熱交換器７２が含まれず、むしろエキスパンダー６２から放出された比較的冷たい乾燥した排気流は、ガスタービンエンジンアセンブリ１０入口に直接排出される第１の空気流部分１１０と、第２の低圧圧縮機から上流に位置する熱交換器１２０を通って運ばれる第２の空気流部分１１２とに分離する。ガスタービンアセンブリ１０に入る前に、デシカント式空気乾燥システムを使用して、第１の空気流部分１１０及び／又は吸入空気流から湿気を適宜除去することができる。
【００２８】
運転中に、第１の空気流１１０は、ガスタービンエンジンアセンブリ１２に供給される吸入空気流に直接運ばれる。さらに具体的には、入ってくる外気流中にまだ含まれる湿気を比較的小さい又は微細な液滴状に凝縮し、それは空気流１１０と混合されて微細な霧又はもやを生成する。次いで、霧又はもやは低圧圧縮機２０に運ばれ、そこで液滴は蒸発し、コアガスタービンエンジン１２に供給される空気流の運転温度の低下を促進する。その結果、コアガスタービンエンジン１２に運ばれる空気流の温度が下がり、したがって圧縮工程に必要な仕事を減少させ、ガスタービンエンジンアセンブリ１０の全体的効率が上がる。ガスタービン１０における燃焼工程によって、流れ１１０の酸素含量は減少する。この流れの外気との混合は、燃焼器１６中の燃焼用空気の酸素含量の正味の減少をもたらし、燃焼器中のＮＯｘ形成の減少を促進する。
【００２９】
第２の空気流部分１１２は、熱交換器１２０を通って運ばれ、排出された空気流が第２の低圧圧縮機６０に入る前に、第２の低圧圧縮機６０に運ばれる排気流からの熱エネルギーの取出しが促進され、排出空気流中に含まれる水の凝縮及び除去を促進することができる。
【００３０】
本明細書に記載するのは、動力プラントの排出物を減少させ、また動力プラントの効率性を増加させるための方法及びシステムである。この方法には、ＣＯ２分離リアクターを使用して排気ガス内に含まれた実施的に全てのＣＯ２分離を促進することが含まれ、リアクターでは排気流中のＣＯがＣＯ２に変換され、ＣＯ２はＣＯ２選択メンブランによって除去され、ＣＯ２希薄な流れが生成する。ＣＯ２希薄な流れは排出してもよく、及び／又はガスタービンエンジンアセンブリにリサイクルさせてもよい。これは、圧力を上げず、及び／又は温度を下げずに、ガスタービンエンジンアセンブリからの排気流を使用することよって達成することができる。例えば、排気流は、ＣＯ２分離リアクター内で、約２５０℃〜約５００℃（例えば、約３００℃〜約４５０℃）の温度、及び約５バール未満（０．５メガパスカル（ＭＰａ）、例えば、より詳細には、約１バール〜約４バール（約０．１ＭＰａ〜約０．４ＭＰａ））の圧力で処理することができる。さらに、ＣＯ２分離リアクターからのＣＯ２希薄な流れは、例えば熱交換器を通過せずに、直接エキスパンダー（例えば、タービン）に送ることができる。この工程では、約５バールに圧縮してさえも、排気流中のＣＯ２の約８０ｖｏｌ％以上を除去することができ、又はさらに具体的には、排気流中のＣＯ２の約８０ｖｏｌ％〜約９０ｖｏｌ％を除去することができる。
【００３１】
さらなる利点には、圧縮機−エキスパンダーユニットをメイン動力システムに組み込む必要がないという事実が含まれ、本システムはＣＯ２を捕捉する既存のシステムにレトロフィットすることができる。このようにレトロフィットできることは、ガスタービンをベースとした動力サイクルに限定されず、ＣＯ２を生成する任意の燃焼工程に適用することができる。有利であれば、熱交換器はメイン動力システムと適宜統合することができる。これによって圧縮機−エキスパンダーユニットを駆動するのに必要な所要動力の減少をもたらし、又はそれがエネルギー的に自立できることさえ促進する。次いで、（大きな）原動機又はモーターを有する必要性を減少させるか、又はなくす。圧縮機−エキスパンダーユニット内の動力需要を最小限にするために、二者択一的に又は併せて、熱交換器又は同様のもの（図に示す）による圧縮機−エキスパンダーユニット内で適宜の再加熱を行うことができ、及び／又は他の熱回収方法及び加湿を、有利に用いることができる。圧縮後の作動流体の加湿を行って、プロセス加熱を利用し、流体の質量流量を増加させることができ、それによってサイクルの全体的効率を増加させ、ＣＯ２希薄な作動流体が膨張する場合にエキスパンダー部分における動力発生を増加させる。
【００３２】
再加熱と対照的に、圧縮機−エキスパンダー中の加圧作動流体は、適宜冷却することができ、ＣＯ２除去後に大気圧に膨張させることができる。この場合、冷たい（非常に低い又はさらに零下の温度の）膨張した作動流体を、メインガスタービンへの吸気流量の入口冷却のために使用することができる。
【００３３】
本明細書において開示された範囲は包含的で組み合わせできる（例えば、「約２５重量％まで、又はさらに具体的には、約５重量％〜約２０重量％」の範囲は、「約５重量％〜約２５重量％」などの範囲の端点及び全ての中間値を含む）。「組合せ」は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などを含める。さらに、本明細書において「第１の」「第２の」などという用語は、いかなる順番、量、又は重要性も示さず、むしろ１つの構成要素と他の構成要素を区別するために使用され、本明細書において単数形の用語は量の制限を意味するものではなく、標記のものが１以上存在することを意味する。量と関連して使用される修飾語の「約」は、状態値を含み、文脈によって決定される意味を有する（例えば、特定の量の測定に関連する一定の誤りを含む）。本明細書を通して「一実施形態」、「他の実施形態」、「実施形態」などの言及は、実施形態に関連して記載された特定の要素（例えば、特長、構造及び／又は特徴）が、本明細書に記載する１つ以上の実施形態に含まれ、他の実施形態においては存在し得る、又は存在し得ないことを意味する。さらに、記載された要素は、様々な実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができることを理解すべきである。
【００３４】
全ての引用した特許、特許出願、及び他の参照文献は、全内容が参照により本明細書中に組み込まれている。しかし、本出願中の用語が、組み込まれた参照文献中の用語と矛盾又は対立する場合は、本出願からの用語を、組み込まれた参照文献からの相反する用語より優先する。
【００３５】
好ましい一実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、その要素を等価物で代用し得ることを理解されよう。さらに、特定の状況又は材料に適応するために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなしに、本発明の教示に多くの修正を加えることができる。したがって、本発明を実施するために意図した最良の態様として開示された特定の実施形態に、本発明を限定することは意図しないが、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ＣＯ２分離ユニットを有する例示的な動力プラントの略図である。
【図２】ＣＯ２分離ユニットを有する動力プラントの他の実施形態の略図である。
【図３】ＣＯ２分離ユニットを有する動力プラントのさらに他の実施形態の略図である。
【符号の説明】
【００３７】
６ 動力プラント
８ 動力プラント
１０ ガスタービンエンジンアセンブリ
１２ コアガスタービンエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧圧縮機
２２ 低圧タービン
２４ シャフト
２６ シャフト
２８ 発電機
３０ シャフト
３２ ＣＯ２分離ユニット
３４ 中間冷却器
４０ 中間冷却器
５０ 熱回収蒸気発生器
５２ 蒸気タービン
５４ 凝縮器
６０ 低圧圧縮機
６２ エキスパンダー
６４ シャフト
６６ 原動機
６８ シャフト
７０ 中間冷却器
７２ 熱交換器
８０ ＣＯ２分離リアクター
１１０ 空気流
１１２ 空気流
１２０ 熱交換器
【技術分野】
【０００１】
本出願は一般に燃焼流に関し、より詳細には、燃焼流中のＣＯ２排出を減少させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
大気汚染に関する世界的な懸念により、より厳格な排出基準がもたらされてきた。このような基準は、電力事業から発生した窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び二酸化炭素（ＣＯ２）の排出を規制する。特に、二酸化炭素は温室効果ガスとして特定されており、大気に放出される二酸化炭素濃度を減少させるための数々の技術の実施に繋がっている。
【０００３】
したがって、大量のＣＯ２を発生させる動力プラント及び他の工業プラントからＣＯ２を分離することが望ましい。ＣＯ２捕捉の費用は一般に、炭素の捕捉、貯蔵、輸送、及び除去の総費用の４分の３に相当すると推定されている。
【０００４】
その結果、ＣＯ２除去技術、例えば既存の動力プラントなどにレトロフィットすることができるＣＯ２除去技術に対する継続的必要性が存在する。
【特許文献１】米国特許出願第１１／２６３１６５号明細書
【特許文献２】米国特許第５４４１９９０号明細書
【特許文献３】米国特許第５６３７２５９号明細書
【特許文献４】米国特許第５８２７５６９号明細書
【特許文献５】米国特許第５９３５５３３号明細書
【特許文献６】米国特許第６０３３６３２号明細書
【特許文献７】米国特許第６０４８４７２号明細書
【特許文献８】米国特許第６０７７３２３号明細書
【特許文献９】米国特許第６１１４４００号明細書
【特許文献１０】米国特許第６１２９８６１号明細書
【特許文献１１】米国特許第６２２８１４７号明細書
【特許文献１２】米国特許出願第２００４０１４１９１０号明細書
【特許文献１３】米国特許出願第２００４００７６８７４号明細書
【特許文献１４】米国特許出願第２００２００３４８１８号明細書
【特許文献１５】米国特許出願第２００４０２２４３９６号明細書
【特許文献１６】米国特許出願第２００４０２３７４０６号明細書
【特許文献１７】米国特許出願第２００５００３６９４０号明細書
【特許文献１８】米国特許出願第２００５０１７２５５６号明細書
【特許文献１９】米国特許出願第２００５０２１０８８１号明細書
【特許文献２０】国際公開第９９／０６１３８号パンフレット
【特許文献２１】国際公開第００／３３９４２号パンフレット
【特許文献２２】国際公開第０２／０９２５００号パンフレット
【特許文献２３】国際公開第０３／０８０２２９号パンフレット
【特許文献２４】欧州特許第１１５９０５６号明細書
【特許文献２５】国際公開第００４８７０９号パンフレット
【非特許文献１】Bredesen et al., "High-Temperature Membranes in Power Generation with CO2 Capture", Chemical Engineering and Processing 43, pp.1129-1158 (2004), Received February 24, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書において開示されているのは、動力システム、ＣＯ２除去システム、その使用方法、及び燃焼流中のＣＯ２排出を減少させる方法の実施形態である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、燃焼流中の排出物を減少させるための方法は、ガスタービンエンジンアセンブリ中で動力を生成する段階（ガスタービンエンジンアセンブリから排気流が排出される）と、排気流を圧縮する段階と、ＣＯ２をメンブランに通過させることによってＣＯ２を排気流から分離して、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄（リーン）な排気流を生成する段階とを含む。
【０００７】
一実施形態では、動力プラントは、動力と、ＣＯ２を含む排気流とを生成するように構成されたガスタービンエンジンアセンブリ、及び排気流を受けるように構成されたＣＯ２分離ユニットを含む。ＣＯ２分離ユニットは、ユニット熱交換器を介してＣＯ２分離リアクター入口と流体連通したユニット圧縮機、及びユニット熱交換器を介してＣＯ２分離リアクター出口と流体連通したユニットエキスパンダーを含む。
【０００８】
他の実施形態では、動力プラント中で排出物を減少させる方法は、ガスタービンエンジンアセンブリ中で動力を生成する段階（ガスタービンエンジンアセンブリから排気流が排出される）と、排気流の運転圧力を変化させる段階と、排気流の運転温度を変化させる段階と、排気流中のＣＯ２をＣＯ２分離リアクター中のメンブランに通過させて、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄な排気流を生成する段階と、ＣＯ２希薄な排気流の温度を変化させて、冷却した排気流を生成する段階と、冷却した排気流でガスタービンエンジンアセンブリに入る空気を冷却する段階を含む。
【０００９】
一実施形態では、燃焼流中の排出物を減少させるための方法は、ガス流を燃焼させて、二酸化炭素を含む排気流を生成する段階と、ＣＯ２をメンブランに通過させることによってＣＯ２を排気流から分離し、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄な排気流を生成する段階とを含む。
【００１０】
上記の記載及び他の特徴を、下記の図及び詳細な説明により例示する。
【００１１】
ここで例示的であって限定的ではない図を参照されたい。図において、同様の部品・要素には同様に符号を付した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
動力プラントからの二酸化炭素（ＣＯ２）排出は、京都議定書及び欧州域内排出権取引制度などの国内及び国際規制によって益々ペナルティーを科されている。ＣＯ２排出の増加する費用に伴い、ＣＯ２排出の減少が、実利的な動力生成のために益々重要になっている。ＣＯ２除去技術は、動力プラント又は他のＣＯ２生成工程の、大気中燃焼排ガス流のＣＯ２浄化に集中し、それによって非常に大きくて費用がかさみ、エネルギー集約型のＣＯ２除去ユニットをもたらしている。
【００１３】
燃焼排ガスの再循環を用いて、ＣＯ２に富んだ燃焼排ガスを加圧することによって、動力プラントの燃焼排ガス中のＣＯ２の分圧が増加し、したがってＣＯ２分離工程を容易にする。又圧縮することによって、ＣＯ２除去ユニット内で処理されるガス容積を減少させ、したがって関連する資金及びエネルギーに対する需要を減少させる。本システムは、圧縮機、エキスパンダー、熱交換器、及びＣＯ２分離リアクターを有するＣＯ２分離ユニットを含む。ＣＯ２メンブラン技術を使用するリアクターは、一酸化炭素（ＣＯ）変換及びＣＯ２除去性能の両方を含むことができる。本発明の解決方法は、メイン動力システムに組み込む必要がないため、全ての既存の及び未来の動力プラントに容易に実装できる。（可能な場合は）高温ガスタービンの排気ガス、又はガスタービン中間冷却器からの熱回収を含めた、メイン動力システムからの熱回収をさらに適宜行うことができる。
【００１４】
図１は、燃焼工程（例えば、例示的なガスタービンエンジンアセンブリ１０）を含めた例示的な動力プラント６の略図である。燃焼器、炉、並びに石炭火力発電所、重油燃焼ボイラー、セメント又は鋼工場などのＣＯ２（例えば、政府により規制されたＣＯ２の量）を含む流れを生成する他の工程などの、可能な他の燃焼工程も併せて、又は二者択一的に使用することができる。ガスタービンエンジンアセンブリ１０には、圧縮機（例えば、高圧圧縮機１４（例えば、流れを約４５バール以上の圧力に圧縮できるもの）、及び低圧圧縮機２０（例えば、約５バールまで圧縮できるもの））、燃焼器１６、及びタービン（例えば、高圧タービン１８及び低圧タービン２２）を含めた、コアガスタービンエンジン１２が含まれる。高圧圧縮機１４及び高圧タービン１８は、第１のシャフト２４によって適宜結合され、低圧圧縮機２０は、第２のシャフト２６によって中間圧力タービン（図示せず）に結合することができる。例示的な実施形態では、低圧タービン２２は、シャフト３０を介して発電機２８などの負荷装置に連結している。例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジン１２は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓ，Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ，Ｏｈｉｏから入手可能なＬＭＳ１００である。
【００１５】
ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、高圧圧縮機１４に入る圧縮空気流の温度低下を促進する中間冷却器４０を適宜含めることができる。さらに具体的には、低圧圧縮機２０から放出された空気流が高圧圧縮機１４に供給される前に冷却されるように、中間冷却器４０は、低圧圧縮機２０及び高圧圧縮機１４と流体連通している。例示的な実施形態において、中間冷却器４０は、そこを作動流体（図示せず）が流れる水−空気熱交換器である。例えば、作動流体は、動力プラント８近くに位置する例えば湖などの水域から運ばれる原水でよい。適宜、中間冷却器４０は、そこを冷却用空気流（図示せず）が流れる空気−空気熱交換器である。
【００１６】
動力プラント６には、ガスタービンエンジンアセンブリ１０から放出される比較的熱い排気流を受け、この熱エネルギーを、ＨＲＳＧ５０を流れる作動流体に伝達して、例示的な実施形態においては蒸気タービン５２を駆動するために使用することができる蒸気を発生させるように構成される、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）５０も適宜含まれる（図２を参照）。凝縮器５４は、ＨＲＳＧ５０の下流に位置し、ガス温度を低下させることによってＨＲＳＧ５０から放出された排気流から水蒸気を実質的に除去することができる。除湿器（図示せず）を、ＨＲＳＧ５０の下流及び凝縮器５４の上流に使用して、排気流からの水の除去を促進することもできる。除湿器は、デシカント式空気乾燥システムを含むことができる。
【００１７】
動力プラント６には、例示的なＣＯ２分離ユニット３２がさらに含まれる。ＣＯ２分離ユニット３２は、第２の低圧圧縮機６０、エキスパンダー６２、及び第２の低圧圧縮機６０とエキスパンダー６２とを結合するために使用されるシャフト６４を含む。本明細書で使用する場合、エキスパンダーは、遠心又は軸流タービンでよく、これにより高圧ガスが膨張して低圧圧縮機６０などの圧縮機を駆動するために使用することができる仕事を生成する。エキスパンダー６２（ターボエキスパンダー又は膨張タービンとも称される）は、シャフト６８を介して電動機、ガスタービン、レシプロエンジンなどの原動機６６（図２を参照）に連結する。したがって後述するように、原動機６６は、エキスパンダー６２に補助されて低圧圧縮機６０を駆動するために使用される。デシカント式空気乾燥システムは、ＣＯ２分離ユニット３２中、例えば、ＣＯ２分離リアクター８０の下流、中間冷却器３４の下流で、適宜使用することができる
動力プラント８は、低圧圧縮機６０及びエキスパンダー６２と流体連通した第２の中間冷却器又は熱交換器７０（図２を参照）も含むことができる。運転中、低圧圧縮機６０から放出された排気流は、中間冷却器７０を通り、排気流がＣＯ２分離ユニット８０及びエキスパンダー６２に供給される前に冷却される。例示的な実施形態では、中間冷却器７０は、そこを作動流体（図示せず）が流れる水−空気熱交換器である。例えば上記のように、作動流体は、動力プラント８近くに位置する水域から運ばれる原水でよい。適宜、湿式冷却塔を使用して冷たい水を生じさせてもよく、及び／又は中間冷却器７０は、そこを冷却用空気流（図示せず）が流れる空気−空気熱交換器である。次いでエキスパンダー６２から放出された排気流は、後述するように、第３の熱交換器７２に供給され、ガスタービンエンジンアセンブリ１０に供給される吸気の運転温度の低下を促進することができる。
【００１８】
運転中に、ガスタービンに吸い込まれた周囲空気は、熱交換器７２を通り、ガスタービンエンジンアセンブリ１０に供給される周囲空気の運転温度の低下を促進する。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、当技術分野において公知の通り操作され、したがって約６００華氏温度（°Ｆ）（３１６摂氏温度（℃））〜約１，３００°Ｆ（７０４℃）の温度の排気流を生成する。ガスタービンエンジンアセンブリ１０から放出された排気流は、ＨＲＳＧ５０を通り、そこで排気流からの熱エネルギーのかなりの部分がランキンサイクルに伝達され、そこを通る作動流体は、上記のように、蒸気タービン５２を駆動するために使用できる蒸気を生成する。ＨＲＳＧ５０は、排気流の運転温度が約７５°Ｆ（２４℃）〜約２４８°Ｆ（１２０℃）の温度に低下することを促進する。例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ５０は、排気流の運転温度の約１００°Ｆ（３８℃）の温度への低下を促進する。他の実施形態では、排気流は、有用な目的に拒絶された熱を利用せずに、単に冷却され、及び／又は蒸気又は熱水の形態で熱を提供する他の工程に連結することができる。一実施形態では、排気流はまた、さらなる熱交換器（図示せず）を通して運ばれ、排気流から水をさらに凝縮させることができ、次いでその水は、例えば凝縮器５４を通って放出される。
【００１９】
図１に例示するように、図２に示される構成において、圧縮機６０の上流で、排気ガスの一部分を、メインガスタービンエンジンアセンブリ１０に適宜再循環させることができ、例えば、排気流の約３０ｖｏｌ％〜約７０ｖｏｌ％を再循環させ、空気と共にガスタービンエンジンアセンブリに入れることができる。再循環した排気ガスと外気との混合を、適宜の熱交換器７２の上流又は下流で行うことができる。排気流の一部がガスタービンエンジンアセンブリ１０入口へ再循環することによって、作動流体中のＣＯ２濃度が増加し、したがってＣＯ２分離リアクター８０中のＣＯ２分離のための駆動力を増加させる。さらに、排気ガス再循環は、ＮＯｘ形成の減少などの、他の燃焼排出物を減少させる助けとなることができる。
【００２０】
次いで、比較的冷たい乾燥排気流は、例示的な実施形態では、エキスパンダー６２、及び必要であれば原動機６６によって駆動される、適宜の第２の低圧圧縮機６０中で圧縮される。第２の低圧圧縮機６０を使用して、そこを通る排気流の運転圧力を、ガスタービンエンジンアセンブリ１０から放出された排気流の運転圧力の約４倍の圧力に増加させることができる。さらに、排気流を第２の低圧圧縮機を通すことによって、排気流の温度が上昇する。次いで第２の低圧圧縮機６０から放出された排気流は、ＣＯ２分離リアクター８０及び／又はシステムを運転するために有利であれば、第２の中間冷却器７０を適宜運ばれ、排気流の運転温度の低下を促進する。例示的な実施形態では、第２の中間冷却器７０は、排気流の運転温度を約１００°Ｆ（３８℃）の温度に低下させることを促進する。
【００２１】
中間冷却器７０から放出されたＣＯ２に富んだ排気流は、ＣＯ２分離リアクター８０に入る。ＣＯ２分離リアクター８０は、ＣＯ２選択メンブラン技術、吸着方法（吸着及び／又は吸収）、隔膜、低温処理などの様々なＣＯ２分離方法、並びに上記の方法の１つ以上を含んだ組合せを含むことができる。スイープガスが排気流に入らずにＣＯ２を適宜除去できるような任意の方法で、メンブランを排気流の流れから遮断することができる。例えばＣＯ２は、メンブランの壁を貫通し、メンブランの反対側の閉鎖された領域へと入るが、一方排気流はリアクターを通り続ける。スイープガスが閉鎖された領域に入り、メンブランを通り過ぎて、メンブランの壁を貫通したＣＯ２を除去する。スイープガスは、排気流の残りとは別の出口を通ってリアクターからＣＯ２を適宜運び出す。
【００２２】
メンブランは、ＣＯ２選択性であり、したがって必要であればメンブランに加えることができる触媒部分中のＣＯから適宜生成されたＣＯ２を含めて、生成されたＣＯ２を連続除去する。メンブランは、運転条件で安定し、運転条件で必要とされるＣＯ２透過性及び選択性を有する任意のメンブラン材料を含むことができる。ＣＯ２に対して選択性がある可能なメンブラン材料には、特定の無機材料及び高分子材料、並びにこのような材料の１種類以上を含む組合せが含まれる。無機材料には、マイクロポーラスカーボン、マイクロポーラスシリカ、マイクロポーラスチタノケイ酸塩、マイクロポーラス混合酸化物、及びゼオライト材料、並びにこのような材料の１種類以上を含む組合せが含まれる。いくつかの可能なメンブラン材料が、２００５年１０月３１日に出願されたＲｕｕｄ他の米国特許出願第１１／２６３１６５号に記載されている。
【００２３】
特定の理論に限定されないが、マイクロポーラス材料のＣＯ２選択性の作用機序には、表面拡散及び毛管凝縮が含まれる。流れ中で他のガスと比較してＣＯ２に対する親和性を有する材料は、ＣＯ２の好ましい吸着及び表面拡散を示すであろう。さらに、毛管凝縮によって吸着されたＣＯ２分子の存在によって、より弱い吸着ガスから細孔を効果的に遮断し、したがってその輸送を妨げるであろう。メンブランを通るガス選択性は、クヌーセン流の相対的寄与率及びガスの完全輸送への表面拡散によって決定される。例えば、ＣＯ２選択性を実現するために、表面拡散は完全なＣＯ２輸送のためにかなりの寄与をしなくてはならない。表面拡散速度は、吸着したＣＯ２の量及びその相対的移動性によって決まる。
【００２４】
第一近似としては、材料上のガスの表面拡散率は、吸着熱から推定することができる。拡散率は、吸着熱と負の関係で指数関数的に変化するので、より低い吸着熱を有する材料は、より高い表面拡散率を示す。物理的にはこれは、機能材料に適した材料は、流れ中の他のガスよりＣＯ２に対する親和性が大きいが、ＣＯ２に対する親和性はあまり大きくないので、ＣＯ２が細孔チャネルを通って輸送されずに表面に結合することを意味する。低い吸着熱は、弱く結合したＣＯ２に相当し、それは高い拡散率に有利である。したがって、機能材料として使用するために適切な材料は、高い表面被覆率の導関数（ｄθ／ｄｐ）及び低い吸着熱（△Ｈ）によって特徴付けられる。このような特徴は、材料のＣＯ２吸着等温線から決定することができ、適切な材料を選択できる。例示的な実施形態では、セラミックは、ＳｉＯ２、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＬａＦｅＯ３、並びにこのような材料の１種類以上を含む組合せなどの材料を含む。このような酸化物は、理論的にはＣＯ２の表面拡散のために有意に高い移動性を示し、したがって必要とされる透過性を実現することができる。
【００２５】
実際にはメンブランは、支持層上に配置された分離層を含むことが多い。非対称無機メンブランの場合、多孔質支持層は、分離層とは異なる材料を含み得る。非対称無機メンブランの支持材料には、多孔質アルミナ、チタニア、コーディエライト、炭素、シリカガラス（例えば、Ｖｙｃｏｒ（登録商標））、及び金属、並びにこのような材料の１種類以上を含む組合せが含まれる。多孔性金属支持層には、第一鉄材料、ニッケル材料、並びにステンレス鋼、鉄ベースの合金、及びニッケルベースの合金などの、このような材料の１種類以上を含む組合せが含まれる。高分子メンブランが、高分子又は無機支持体上に配置されてもよい。メンブランには、ポリエーテル及びポリエーテルブレンドなどの高分子材料、及びシラン化されたγアルミナメンブランなどのハイブリッドメンブランを含めることができる。２−アセトキシエチル、２−カルボメトキシエチル及び３−アミノプロピルなどのシランは、セラミックメンブランに組み込まれ、選択的ＣＯ２輸送を実現することができる。
【００２６】
ＣＯ２分離リアクター８０から放出されたＣＯ２希薄な排気流は、エキスパンダー６２を通り適宜膨張し、エキスパンダーは加圧排気ガスから仕事を抽出し、低圧圧縮機６０を駆動させ、したがって排気流の温度を大幅に低下させることができる。例えば、一実施形態では、エキスパンダー６２から放出された排気流の温度は、約３０°Ｆ（−１℃）〜約−３０°Ｆ（−３４℃）である。例示的な実施形態では、エキスパンダー６２から放出された排気流の温度は、約−２０°Ｆである。次いで、比較的冷たい排気流が熱交換器７２を通って運ばれ、吸入空気流の冷却を促進し、及びガスタービンエンジンアセンブリ１０へと運ばれる空気流の空気密度の増加を促進し、したがってコアガスタービンエンジン１２の効率性及び出力を増加させることができる。その結果、ガスタービンへの空気流の吸入温度の低下によって、その質量流量と効率性とを増加させ、ＣＯ２分離工程の経済的影響を減少させる。
【００２７】
図３は、他の例示的な動力プラント１００の略図である。動力プラント１００は、図２に示された動力プラント８と実質的に同様である。例示的な実施形態では、動力プラント１００には、熱交換器７２が含まれず、むしろエキスパンダー６２から放出された比較的冷たい乾燥した排気流は、ガスタービンエンジンアセンブリ１０入口に直接排出される第１の空気流部分１１０と、第２の低圧圧縮機から上流に位置する熱交換器１２０を通って運ばれる第２の空気流部分１１２とに分離する。ガスタービンアセンブリ１０に入る前に、デシカント式空気乾燥システムを使用して、第１の空気流部分１１０及び／又は吸入空気流から湿気を適宜除去することができる。
【００２８】
運転中に、第１の空気流１１０は、ガスタービンエンジンアセンブリ１２に供給される吸入空気流に直接運ばれる。さらに具体的には、入ってくる外気流中にまだ含まれる湿気を比較的小さい又は微細な液滴状に凝縮し、それは空気流１１０と混合されて微細な霧又はもやを生成する。次いで、霧又はもやは低圧圧縮機２０に運ばれ、そこで液滴は蒸発し、コアガスタービンエンジン１２に供給される空気流の運転温度の低下を促進する。その結果、コアガスタービンエンジン１２に運ばれる空気流の温度が下がり、したがって圧縮工程に必要な仕事を減少させ、ガスタービンエンジンアセンブリ１０の全体的効率が上がる。ガスタービン１０における燃焼工程によって、流れ１１０の酸素含量は減少する。この流れの外気との混合は、燃焼器１６中の燃焼用空気の酸素含量の正味の減少をもたらし、燃焼器中のＮＯｘ形成の減少を促進する。
【００２９】
第２の空気流部分１１２は、熱交換器１２０を通って運ばれ、排出された空気流が第２の低圧圧縮機６０に入る前に、第２の低圧圧縮機６０に運ばれる排気流からの熱エネルギーの取出しが促進され、排出空気流中に含まれる水の凝縮及び除去を促進することができる。
【００３０】
本明細書に記載するのは、動力プラントの排出物を減少させ、また動力プラントの効率性を増加させるための方法及びシステムである。この方法には、ＣＯ２分離リアクターを使用して排気ガス内に含まれた実施的に全てのＣＯ２分離を促進することが含まれ、リアクターでは排気流中のＣＯがＣＯ２に変換され、ＣＯ２はＣＯ２選択メンブランによって除去され、ＣＯ２希薄な流れが生成する。ＣＯ２希薄な流れは排出してもよく、及び／又はガスタービンエンジンアセンブリにリサイクルさせてもよい。これは、圧力を上げず、及び／又は温度を下げずに、ガスタービンエンジンアセンブリからの排気流を使用することよって達成することができる。例えば、排気流は、ＣＯ２分離リアクター内で、約２５０℃〜約５００℃（例えば、約３００℃〜約４５０℃）の温度、及び約５バール未満（０．５メガパスカル（ＭＰａ）、例えば、より詳細には、約１バール〜約４バール（約０．１ＭＰａ〜約０．４ＭＰａ））の圧力で処理することができる。さらに、ＣＯ２分離リアクターからのＣＯ２希薄な流れは、例えば熱交換器を通過せずに、直接エキスパンダー（例えば、タービン）に送ることができる。この工程では、約５バールに圧縮してさえも、排気流中のＣＯ２の約８０ｖｏｌ％以上を除去することができ、又はさらに具体的には、排気流中のＣＯ２の約８０ｖｏｌ％〜約９０ｖｏｌ％を除去することができる。
【００３１】
さらなる利点には、圧縮機−エキスパンダーユニットをメイン動力システムに組み込む必要がないという事実が含まれ、本システムはＣＯ２を捕捉する既存のシステムにレトロフィットすることができる。このようにレトロフィットできることは、ガスタービンをベースとした動力サイクルに限定されず、ＣＯ２を生成する任意の燃焼工程に適用することができる。有利であれば、熱交換器はメイン動力システムと適宜統合することができる。これによって圧縮機−エキスパンダーユニットを駆動するのに必要な所要動力の減少をもたらし、又はそれがエネルギー的に自立できることさえ促進する。次いで、（大きな）原動機又はモーターを有する必要性を減少させるか、又はなくす。圧縮機−エキスパンダーユニット内の動力需要を最小限にするために、二者択一的に又は併せて、熱交換器又は同様のもの（図に示す）による圧縮機−エキスパンダーユニット内で適宜の再加熱を行うことができ、及び／又は他の熱回収方法及び加湿を、有利に用いることができる。圧縮後の作動流体の加湿を行って、プロセス加熱を利用し、流体の質量流量を増加させることができ、それによってサイクルの全体的効率を増加させ、ＣＯ２希薄な作動流体が膨張する場合にエキスパンダー部分における動力発生を増加させる。
【００３２】
再加熱と対照的に、圧縮機−エキスパンダー中の加圧作動流体は、適宜冷却することができ、ＣＯ２除去後に大気圧に膨張させることができる。この場合、冷たい（非常に低い又はさらに零下の温度の）膨張した作動流体を、メインガスタービンへの吸気流量の入口冷却のために使用することができる。
【００３３】
本明細書において開示された範囲は包含的で組み合わせできる（例えば、「約２５重量％まで、又はさらに具体的には、約５重量％〜約２０重量％」の範囲は、「約５重量％〜約２５重量％」などの範囲の端点及び全ての中間値を含む）。「組合せ」は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などを含める。さらに、本明細書において「第１の」「第２の」などという用語は、いかなる順番、量、又は重要性も示さず、むしろ１つの構成要素と他の構成要素を区別するために使用され、本明細書において単数形の用語は量の制限を意味するものではなく、標記のものが１以上存在することを意味する。量と関連して使用される修飾語の「約」は、状態値を含み、文脈によって決定される意味を有する（例えば、特定の量の測定に関連する一定の誤りを含む）。本明細書を通して「一実施形態」、「他の実施形態」、「実施形態」などの言及は、実施形態に関連して記載された特定の要素（例えば、特長、構造及び／又は特徴）が、本明細書に記載する１つ以上の実施形態に含まれ、他の実施形態においては存在し得る、又は存在し得ないことを意味する。さらに、記載された要素は、様々な実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができることを理解すべきである。
【００３４】
全ての引用した特許、特許出願、及び他の参照文献は、全内容が参照により本明細書中に組み込まれている。しかし、本出願中の用語が、組み込まれた参照文献中の用語と矛盾又は対立する場合は、本出願からの用語を、組み込まれた参照文献からの相反する用語より優先する。
【００３５】
好ましい一実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、その要素を等価物で代用し得ることを理解されよう。さらに、特定の状況又は材料に適応するために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなしに、本発明の教示に多くの修正を加えることができる。したがって、本発明を実施するために意図した最良の態様として開示された特定の実施形態に、本発明を限定することは意図しないが、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ＣＯ２分離ユニットを有する例示的な動力プラントの略図である。
【図２】ＣＯ２分離ユニットを有する動力プラントの他の実施形態の略図である。
【図３】ＣＯ２分離ユニットを有する動力プラントのさらに他の実施形態の略図である。
【符号の説明】
【００３７】
６ 動力プラント
８ 動力プラント
１０ ガスタービンエンジンアセンブリ
１２ コアガスタービンエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧圧縮機
２２ 低圧タービン
２４ シャフト
２６ シャフト
２８ 発電機
３０ シャフト
３２ ＣＯ２分離ユニット
３４ 中間冷却器
４０ 中間冷却器
５０ 熱回収蒸気発生器
５２ 蒸気タービン
５４ 凝縮器
６０ 低圧圧縮機
６２ エキスパンダー
６４ シャフト
６６ 原動機
６８ シャフト
７０ 中間冷却器
７２ 熱交換器
８０ ＣＯ２分離リアクター
１１０ 空気流
１１２ 空気流
１２０ 熱交換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流を燃焼させて、二酸化炭素を含む排気流を生成する段階と、
メンブランを通過させることによってＣＯ２を前記排気流から分離して、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄な排気流を生成する段階と
を含む、燃焼流中の排出物を減少させるための方法。
【請求項２】
前記ガス流を燃焼させることが、ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）中で動力を生成する段階をさらに含み、前記排気流を圧縮する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記排気流を圧縮する前に、熱回収蒸気発生器（５０）中で前記排気流から熱を回収し、前記排気流の運転温度を下げる段階と、
前記排気流をＣＯ２分離リアクターに導入する前、及び前記排気流を圧縮した後に、中間冷却器（３４）中で前記排気流の運転温度を下げる段階と
をさらに含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ＣＯ２分離リアクターへの導入前に、前記排気流の運転圧力を約０．５ＭＰａ以下の圧力に調節する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記排気流の残りの部分を前記ＣＯ２分離リアクターに導入する前に、前記排気流の一部を前記ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）にリサイクルすることをさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記ＣＯ２希薄な排気流中の含水率を下げる段階をさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記ＣＯ２希薄な排気流を第１の部分（１１０）及び第２の部分（１１２）に分離する段階と、前記ＣＯ２希薄な排気流の前記第１の部分（１１０）と、前記ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）に入る空気とを混合する段階とをさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
冷却した前記排気流で、前記ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）に入る空気を冷却することをさらに含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
動力と、ＣＯ２を含む排気流とを生成するように構成されたガスタービンエンジンアセンブリ（１０）と、
ユニット熱交換器（３４）を介してＣＯ２分離リアクター入口と流体連通したユニット圧縮機、及び前記ユニット熱交換器（３４）を介して前記ＣＯ２分離リアクター出口と流体連通したユニットエキスパンダー（６２）を含む、前記排気流を受けるように構成されたＣＯ２分離ユニットと
を含む、動力プラント（６、８）。
【請求項１０】
前記ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）からの前記排気流を受け、前記排気流から水を除去するように構成された凝縮器をさらに含み、前記ＣＯ２分離ユニットが、前記凝縮器からの前記排気流を受けるように構成された、請求項９記載の動力プラント（６、８）。
【請求項１】
ガス流を燃焼させて、二酸化炭素を含む排気流を生成する段階と、
メンブランを通過させることによってＣＯ２を前記排気流から分離して、ＣＯ２生成流及びＣＯ２希薄な排気流を生成する段階と
を含む、燃焼流中の排出物を減少させるための方法。
【請求項２】
前記ガス流を燃焼させることが、ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）中で動力を生成する段階をさらに含み、前記排気流を圧縮する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記排気流を圧縮する前に、熱回収蒸気発生器（５０）中で前記排気流から熱を回収し、前記排気流の運転温度を下げる段階と、
前記排気流をＣＯ２分離リアクターに導入する前、及び前記排気流を圧縮した後に、中間冷却器（３４）中で前記排気流の運転温度を下げる段階と
をさらに含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ＣＯ２分離リアクターへの導入前に、前記排気流の運転圧力を約０．５ＭＰａ以下の圧力に調節する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記排気流の残りの部分を前記ＣＯ２分離リアクターに導入する前に、前記排気流の一部を前記ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）にリサイクルすることをさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記ＣＯ２希薄な排気流中の含水率を下げる段階をさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記ＣＯ２希薄な排気流を第１の部分（１１０）及び第２の部分（１１２）に分離する段階と、前記ＣＯ２希薄な排気流の前記第１の部分（１１０）と、前記ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）に入る空気とを混合する段階とをさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
冷却した前記排気流で、前記ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）に入る空気を冷却することをさらに含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
動力と、ＣＯ２を含む排気流とを生成するように構成されたガスタービンエンジンアセンブリ（１０）と、
ユニット熱交換器（３４）を介してＣＯ２分離リアクター入口と流体連通したユニット圧縮機、及び前記ユニット熱交換器（３４）を介して前記ＣＯ２分離リアクター出口と流体連通したユニットエキスパンダー（６２）を含む、前記排気流を受けるように構成されたＣＯ２分離ユニットと
を含む、動力プラント（６、８）。
【請求項１０】
前記ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）からの前記排気流を受け、前記排気流から水を除去するように構成された凝縮器をさらに含み、前記ＣＯ２分離ユニットが、前記凝縮器からの前記排気流を受けるように構成された、請求項９記載の動力プラント（６、８）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−１４９３１７（Ｐ２００８−１４９３１７Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１７８４０（Ｐ２００７−３１７８４０）
【出願日】平成１９年１２月１０日（２００７．１２．１０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１０日（２００７．１２．１０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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