JP2021532299A

JP2021532299A - 無炎燃焼による発電のためのシステムおよび方法

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Publication number: JP2021532299A
Application number: JP2021503537A
Authority: JP
Inventors: エロンフェトヴェト，ジェレミー; アランフォレスト，ブロック
Original assignee: ８リバーズキャピタル，エルエルシー
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-11-25
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Abstract

本開示は、無炎燃焼を利用する燃料の燃焼で電力生産が達成され得るシステムおよび方法を提供する。燃料は、燃焼器／タービン中、実質的に無炎動作で燃焼されて、発電のために膨張され得る燃焼生成物流を生成してよい。膨張後、出力された流れは処理されて再循環ＣＯ２流を生じ得、その中に酸化剤が入力され得る。酸化剤を含む再循環ＣＯ２流は、燃焼器／タービン中に注入されて実質的に無炎状態の燃焼をもたらし得る。実質的な無炎燃焼を達成および／または維持するために、様々な制御スキームが、燃焼器／タービン中に注入される再循環ＣＯ２流中に存在する酸素の濃度を自動制御するように実装され得る。【選択図】図２

Description

本開示は、パワー、特に電力の生産のためのシステムおよび方法に関する。より具体的には、燃料の無炎燃焼が、発電のために膨張され得る高圧燃焼生成物流を生成するのに使用される。

電力生産における作動流体としての（特に、超臨界形態における）ＣＯ_２の利用は、電力生産のための非常に効率の高い方法であることが示されている。例えば、参照により本明細書に組み込まれる開示であるＡｌｌａｍらに対する米国特許第８，５９６，０７５号を参照すると、これは、実質的に大気への任意の流れの放出がゼロである復熱式酸素燃焼ブレイトンサイクル発電システムにおける直接加熱ＣＯ_２作動流体の使用を説明するものである。それにもかかわらず、そのようなシステムおよび方法は、使用に必要な設備の様々な部品に著しい応力を与え得る著しく高い圧力および温度での動作を必要とする。したがって、当技術分野において、好ましくはより低応力の条件下で動作し得る、改善された効率を有する電力生産のためのさらなるシステムおよび方法の必要性が未だ存在する。

本開示は、発電が、改善された制御性、より低いピーク温度、および燃料のより完全な酸化の１つ以上を提供する条件下での燃料の燃焼、特に酸素燃焼で達成され得るシステムおよび方法を提供する。Ａｌｌａｍらに対する米国特許第８，５９６，０７５号に記載されたものなどの従来の燃焼システムは、抑えることが困難であり得る高いピーク火炎温度を有する。本開示によれば、無炎燃焼が著しく低い温度で達成され得、したがって、システムおよび方法で使用される設備により低応力の環境を提供し得る。また、高度に再循環される酸素燃焼サイクルは、制御および設備配置の複雑さを増しており、これは本開示に従って低減または排除され得る。電力サイクルを開始する方法も含まれ、これは、複雑な点火システムおよび制御なしで達成することが困難であり得る。

本開示によれば、無炎燃焼は、以下の条件の１つ以上が存在するように燃料の燃焼が行われることを特に意味し得る：火炎面が実質的にまたは完全にない、可視炎が実質的にまたは完全にない、紫外またはイオン化検出が実質的にまたは完全にない、騒音または轟音が実質的にまたは完全にない。好ましくは、無炎燃焼では、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）が、非常に小さい残留値に削減される。１つ以上の実施形態では、無炎燃焼は、反応条件の規定のセットを提供することによって達成され得る。これらの条件は、燃焼反応物中に存在する酸素の質量パーセント、燃焼反応物中に存在する希釈剤（例えば、Ｎ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）の質量パーセント、再循環比、および反応物の温度を含み得る。これは、（ＯｉｌａｎｄＧａｓＰｏｒｔａｌのウェブサイトから引用された）図１に例示されており、図中に示された無炎燃焼の条件は、本開示のシステムおよび方法に特に適用されてよい。具体的には、無炎燃焼領域は、酸化剤の温度を上昇させ、酸素濃度を低下させ、希釈剤濃度を上昇させることによって安定化され得る。燃焼反応を実質的な無炎燃焼条件に移すことは、したがって、酸化剤流を提供するために通常なら必要なはずの、例えば、ポンプ、配管、熱交換器などの、電力生産プラントに通常なら必要なはずの様々な要素の必要性を排除するのに有効であり得る。代わりに、例えば、酸化剤は、燃焼器に入力される再循環流に直接添加されてよい。

１つ以上の実施形態では、本開示は、発電のための方法を提供し得る。例えば、そのような方法は、ＣＯ_２を含む再循環流を提供することと、ＣＯ_２を含む再循環流が、約２モル％〜約１５モル％の量の酸化剤をさらに含むように、ＣＯ_２を含む再循環流に酸化剤を添加することと、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流を燃料とともに燃焼タービン中に注入して燃料の燃焼および燃焼生成物流の形成を引き起こすことと、燃焼タービン中で燃焼生成物流を膨張させることによって発電することとを含み得る。さらなる実施形態では、方法は、任意の数または順序で組み合わされ得る以下の記述の１つ以上に関連して定められ得る。

燃料の燃焼は、実質的に無炎であり得る。

方法は、燃焼タービン中に注入する前に、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流を、約４００℃〜約２０００℃の範囲の温度に加熱することをさらに含み得る。

ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流を加熱することは、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流を復熱式熱交換器に通すことを含み得る。

加熱することは、燃焼生成物流から取り出された熱を利用することを含み得る。

ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流を加熱することは、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流を専用ヒータに通すことを含み得る。

方法は、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流から副流を取り出すことと、副流のみを専用ヒータに通すこととを含み得る。

方法は、燃焼タービンを出る燃焼生成物流を処理してその１つ以上の構成成分を除去し、ＣＯ_２を含む再循環流を形成することをさらに含み得る。

ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流を、ポンプおよびコンプレッサの一方または両方を使用して燃焼タービンへの入力に適した圧力に加圧することをさらに含み得る。

酸化剤は、ポンプの上流かつコンプレッサの下流に位置する入口でＣＯ_２を含む再循環流に添加され得る。

酸化剤は、コンプレッサの上流に位置する入口でＣＯ_２を含む再循環流に添加され得る。

燃焼タービンは、その長手方向軸に沿って間隔をあけた入口端および出口端を有する燃焼器を含み得、燃焼器は、入口端と出口端との間に位置する燃焼チャンバを有する。

方法は、燃料を実質的に入口端の近くでのみ燃焼器中に注入することと、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流を、入口端の近くで燃焼器中に注入し、かつ燃焼チャンバの長手方向軸の少なくとも一部に沿って燃焼チャンバ中にも注入することとを含み得る。

方法は、ＣＯ_２を含む再循環流の酸素含有量を測定して、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流中の酸素濃度が規定酸素濃度内に維持されるように、酸化剤入口でのＣＯ_２を含む再循環流への酸化剤の添加を調節する酸化剤入口命令を生成することを含み得る。

規定酸素濃度は、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流の全含有量に基づいて約４モル％〜約７モル％であり得る。

方法は、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流中の酸素濃度が、最初は、有炎燃焼を促進する第１のより高い濃度に設定され、次いで、無炎燃焼を促進する第２のより低い濃度に設定されるように、酸化剤入口でのＣＯ_２を含む再循環流への酸化剤の添加を調節することを含み得る。

１つ以上の実施形態では、本開示は、発電のためのシステムに関し得る。

例えば、本開示によるシステムは、燃焼タービンと、燃焼タービンに燃料を送達するために構成された燃料ラインと、燃焼タービンにＣＯ_２を含む再循環流を送達するために構成された再循環ラインと、ＣＯ_２を含む再循環流を燃焼タービンへの入力に適した圧力に加圧するために構成されたポンプおよびコンプレッサの一方または両方と、再循環ラインに酸化剤を添加するために構成された酸化剤入口であって、燃焼タービンの上流に位置する、酸化剤入口とを含み得る。さらなる実施形態では、システムは、任意の数および順序で組み合わされ得る以下の記述の１つ以上に関連して定められ得る。

以下：酸化剤入口がポンプの上流かつコンプレッサの下流に位置する、酸化剤入口がコンプレッサの上流に位置する、という条件の１つが満たされ得る。

燃焼タービンは、無炎動作のために構成され得る。

燃焼器は、燃料が実質的に入口端の近くでのみ燃焼器中に受け入れられ、ＣＯ_２を含みかつ酸化剤を含む再循環流が、入口端の近くで燃焼器中に受け入れられ、かつ燃焼チャンバの長手方向軸の少なくとも一部に沿って燃焼チャンバ中にも受け入れられるように構成され得る。

燃焼器は、再循環ノズルスプリッタ、整列再循環流ノズル部、および接線再循環流ノズル部を含み得る。

反応温度、再循環比、Ｏ_２パーセント、および希釈剤パーセントに関連した燃焼特性を示すチャートである。有炎燃焼を利用し、そこに構築された様々な制御機能を含む、電力生産システムを示す図である。電力生産システムの有炎燃焼で使用するための燃焼器を示す図である。本開示の実施形態による、無炎燃焼を利用する電力生産方法に有用な電力生産システムの図である。本開示の実施形態による、無炎燃焼を利用する電力生産方法に有用なさらなる電力生産システムの図である。本開示の実施形態による、無炎燃焼を利用する電力生産方法に有用なさらに別の電力生産システムの図である。本開示の実施形態による電力生産システムおよび方法の無炎燃焼で使用するための燃焼器の図である。電力生産方法が最初は有炎燃焼で動作してよい本開示の実施形態による、無炎燃焼を利用する電力生産方法に有用な追加の電力生産システムの図である。本開示の実施形態による電力生産システムおよび方法の有炎および無炎燃焼で使用するための燃焼器の図である。電力生産方法が最初は有炎燃焼で動作してよい本開示の実施形態による、無炎燃焼を利用する電力生産方法に有用なさらに別の電力生産システムの図である。本開示の実施形態による、無炎燃焼を利用する電力生産方法に有用なさらなる追加の電力生産システムの図である。本開示の実施形態による、無炎燃焼を利用する電力生産方法に有用なさらなる追加の電力生産システムの図である。

次に、本発明の主題について、その例示的実施形態を参照して、以下でより完全に記載する。これら例示的実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であるように記載され、当業者に主題の範囲を完全に伝えるものであろう。実際、主題は、多くの異なる形態で具現化されることができ、本明細書に明記される実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これら実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように提供される。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は、文脈で特段他の意味が明示されていない限り、複数形を含む。

１つ以上の実施形態では、本開示は実質的な無炎燃焼による電力生産のためのシステムおよび方法に関する。本開示は、より具体的には、電力生産システムの制御を提供する１つ以上の制御スキームに関し得る。酸素燃焼電力生産システムおよび方法のための制御スキームは、例えば、Ｆｅｔｖｅｄｔらに対する米国特許公開第２０１６／０１３４２９１号に開示されており、その開示は、参照により本明細書に組み込まれる。例えば、図２は、炭素質燃料を酸素で燃焼させる直火式酸素燃焼サイクルのための電力生産サイクル制御構成を示す。簡単に言うと、燃料源７５からの燃料は、主燃料弁１４を通って、酸化剤源７６からライン７７を通った酸化剤との燃焼のために燃焼タービン１０に入る。燃焼タービン１０による膨張は、発電機１１での発電を引き起こす。タービン排気ライン６２中のタービン排気は、任意選択の復熱式熱交換器５０および／または排気水冷却器１６で冷却され、その後、水が水出力弁６１を通ってシステムから出るために除去される水分離器６０を通ってよい。（例えば、主に二酸化炭素を含む）実質的に精製された再循環流は、ライン６３で水分離器６０を出て、再循環コンプレッサ３０、再循環水冷却器１８、および再循環ポンプ２０を順次通る。高圧再循環ライン６４中の高圧再循環二酸化炭素は、次いで、燃焼タービン１０に通される。酸化剤源７６からの酸化剤は、酸化剤弁１１１を通り、その後、ライン６３から圧力制御弁１０３を通して提供された再循環二酸化炭素と希釈混合するためにユニオン１１４を通る。酸化剤は、次いで、第１の酸化剤熱交換器２２、およびコンプレッサ９０で中間圧縮されて第２の酸化剤交換器２４を通る。酸化剤は、最終的に、燃焼タービン１０中へ通るライン７７で酸化剤ポンプ８０を出る。

図２では、電力コントローラ１は、いくつかの可能な項目を測定し、示されるように、発電機１１の電力出力を測定する。電力コントローラ１は、主燃料弁１４を介したシステム中への燃料添加を命令する。燃料がシステムに添加されると、タービン入口温度は変化することになり、タービンによる膨張後、点１３の温度は変化することになる。ポンプコントローラ２は、点１３の温度を測定し、点１３を一定の温度に維持するために、再循環ポンプ２０（例えば、可変速ポンプ）のパワーを変化させるように命令する。ポンプ２０を通る流量が変化すると、これは、ポンプの前の点２３での吸い込み圧力を変化させることになる。ポンプに入る一定の圧力を維持するために、スピルバックコントローラ３は、点２３の圧力を測定し、より多量またはより少量の流体を点４４に戻すことによって圧力を増減するようにスピルバック弁３１を制御する。物質がタービン排気流中に戻る時、点１３の圧力を実質的に一定に維持することが望ましい。点１３は、点４４および４３と流体連通し、それらの各圧力は、設備および配管を通じた圧力損失によってのみ異なる。点４３の圧力は、測定点４４の圧力を維持するために物質をサイクルから出すようにサイクル出力弁４１を制御する、サイクル出力コントローラ４によって測定される。加えて、水出力コントローラ６は、その入力信号として水分離器６０中の水位を取得し、水出力弁６１の制御によって水位を所望の範囲内に制御する。復熱式熱交換器５０が存在し得るが、必須ではない。

図２に示す構成では、酸化剤対燃料比コントローラ８は、燃料の質量流量と点８２の酸化剤の質量流量との間の比率を測定する。このコントローラは、ポンプのパワーを変化させ、所要圧力での正確な酸化剤対燃料比の送達を可能とするために、酸化剤ポンプ８０（例えば、可変速ポンプ）に信号を送信する。主要なラインと同様に、酸化剤スピルバックコントローラ９は、点９３の圧力を測定し、より多量またはより少量の流体を酸化剤コンプレッサ９０の前に存在させることによって圧力を増減するように酸化剤スピルバック弁９１を制御する。圧力コントローラ１００は、酸化剤コンプレッサ９０の吸い込みである点１０２の圧力を測定し、点１０２の圧力が一定のままであることを確実にするように圧力制御弁１０３を制御する。希釈比コントローラ１１０は、点１１３で流入するＣＯ_２と点１１２で流入するＯ_２との間の比率を測定し、正確な比率が確実に維持されるように酸化剤弁１１１を制御する。

主燃料弁１４を出る燃料流、酸化剤ポンプ８０を出る酸化剤流、および再循環ポンプ２０を出る再循環流は、すべて燃焼タービン１０に入る。本明細書で説明するように、燃焼タービン１０は、電力生産のための燃焼および膨張を行うために構成された単一ユニットとして構成され得る。所望により、別個の燃焼器ユニットおよびタービンユニットが利用されてよい。燃焼タービン１０の内部に、図３に示すような燃焼器１３０が存在する。主燃料弁１４を出る燃料流は注入燃料流１４Ｂとして入り、酸化剤ポンプ８０を出る酸化剤流は注入酸化剤流８０Ｂとして入り、再循環ポンプ２０を出る再循環流は注入再循環流２０Ｂとして入る。一般的な燃焼器では、注入燃料流１４Ｂは、燃料を燃焼器火炎帯１０Ａ中に誘導する燃料ノズル１４Ｃを通して燃焼器１３０に入る。酸化剤流８０Ｂは、酸化剤を火炎帯１０Ａ中に誘導する酸化剤ノズル８０Ｃを通して燃焼器１３０に入る。一般に、これらのノズルは、ジェットおよびスワーラなどの特有の幾何学的特徴を含有し、２つの流れを混合させ、火炎の保持を促し、火炎帯１０Ａの火炎形状を維持して燃料の完全燃焼を促す。燃焼器のさらに先で、注入再循環流２０Ｂが燃焼器１３０に入り、火炎と混合し、温度の低下を提供し、混合物の均一性を高め、その後、燃焼流１０Ｂとして燃焼器を出て、次いで、燃焼タービン１０のタービン部分に入る。しかしながら、この方式の典型的な燃焼には、本開示に従って取り組まれる様々な欠点がある。

本開示の実施形態による電力生産システムおよび方法を図４Ａに示す。以下で特に記載されていない図４Ａの要素は、図２に関連して記載されたのと同様の要素に対応すると理解される。図４Ａに示す電力サイクルは、図２に示す電力サイクルと実質的に同様であるが、無炎燃焼のために特に構成される。無炎燃焼構成のため、酸化剤の計量、混合、および供給に必要な設備は、実質的にまたは完全に排除され得る。

示された図４Ａの実施形態では、酸素コントローラ１２０は、点２３で再循環流の酸素含有量を測定し、再循環流中の一定の酸素濃度を維持するように酸化剤弁１１１を制御する。本実施形態では、図２に関連して記載されたその他の酸化剤列は実質的になくなり、酸化剤源７６からの酸素は単純に酸素コントローラ１２０および再配置された酸化剤弁１１１で制御され得ることに留意されたい。しかしながら、所望により、混合比要素がコントローラ１に組み合わされ得る。比率が正確な場合、再循環流中の残留酸素濃度を間接的に指示することが可能である。図４Ａに示すように、開示されたシステムおよび方法は、酸化剤源７６、酸化剤弁１１１、および再循環流に酸化剤を直接添加するために構成された酸化剤入口２１１（例えば、ユニオン、三方継ぎ手など）を含むように適合または構成され得る。

先述のように、様々な実施形態では、燃焼タービン１０中に注入される流れの酸素レベルは、概して、伝統的な酸素燃焼、酸素富化燃焼、人工空気、または空気よりはるかに低い。１つ以上の実施形態では、例えば、タービン／燃焼器中に注入される流れの全酸素含有量は、約２質量％〜約１５質量％、約３質量％〜約１５質量％、約３質量％〜約１０質量％、約４質量％〜約１０質量％、または約４質量％〜約８質量％の範囲であり得る。濃度は、タービン／燃焼器中に注入される酸化剤流の全質量に基づいてよい。より具体的には、二酸化炭素を含みかつ酸化剤を含む再循環流は、上述のような全酸素濃度を有してよく、したがって、酸素濃度は、二酸化炭素を含みかつ酸化剤を含む再循環流の全質量に基づいてよい。酸化剤流は、上述の量の酸素（または他の酸化剤）を含んでよく、酸化剤流の残りの含有量は、さらなる酸化剤を除く物質を含んでよい。例えば、酸化剤流が二酸化炭素を含みかつ酸素（または他の酸化剤）を含む再循環流である場合、流れは、その他に非酸化性物質（例えば、窒素もしくは他の不活性ガスまたは希釈剤）から形成されてよい。いくつかの実施形態では、したがって、再循環流は、上述の濃度の酸化剤および１つ以上の希釈剤を含んでよい。

示されるように、酸素は、コンプレッサ３０と再循環ポンプ２０との間の再循環ラインに導入され得る。酸素は、任意選択で、図４Ｂに示すように、比較的低い圧力で再循環ライン６３に導入され得る。あるいは、酸素は、再循環ポンプ２０の下流の高圧再循環流ライン６４中に入力する時に、より高い圧力に圧縮されてよい。プラントの他のすべての制御は、図２に関連して説明されたシステムおよび方法に関するものなどと実質的に同様に動作してよい。

図２および図４Ａの図を比較すると、例えば、本開示のシステムが、燃焼タービン１０中に酸化剤を導入するための専用酸化剤ラインを利用する必要性を実質的にまたは完全に回避する能力から利益を得ることは明らかである。したがって、いくつかの実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、燃焼タービン１０に入る専用酸化剤ラインを明示的に除外するように適合または構成され得る。したがって、本開示のシステムおよび方法は、少なくとも１つの燃料入力および少なくとも１つの再循環流入力を有するが、別個の酸化剤入力を明示的に除外する燃焼タービン１０を含み得る。この場合、少なくとも１つの再循環流入力は、酸化剤が添加された再循環流（例えば、二酸化炭素流）を入力するために構成され得る。

１つ以上の実施形態では、図４Ａに関連して記載されたような酸化剤源７６からの酸化剤（例えば、実質的に純粋な酸素）の入力は変更されてよい。例えば、図４Ｂに関して、酸素コントローラ１２０は、再循環コンプレッサ３０の下流の点で再循環流の酸素含有量を測定するために構成され得、これは、点２３で取得された測定値と実質的に同一であってよい。あるいは、酸素コントローラ１２０は、再循環コンプレッサ３０の上流であるが水分離器６０の下流である点で再循環流の酸素含有量を測定するために構成され得、これは、点４３で取得された測定値に実質的に対応してよい。次いで、酸素コントローラ１２０は、酸化剤弁１１１を制御して、再循環コンプレッサ３０の上流かつ水分離器６０の下流の再循環流中に酸化剤の入力を提供する。いくつかの実施形態では、酸素は、追加でまたは代わりに、図４Ａおよび／または図４Ｂに示すシステムの点１３で直接提供され得る。そのような添加は、システムを準化学量論的に動作させる能力を提供し得る。点１３での酸素の導入は、熱交換器５０においてＢｏｕｄｏｕａｒｄ温度超で排気ＣＯのＣＯ_２への変換を容易にし得、したがって、周辺機器（ＢＯＰ）を冶金的に保護し得る。

１つ以上の実施形態では、図５に例示するように、コントローラ１２０はまた、再循環ポンプ２０に入る流れの正確な酸素濃度を提供する適切な設定を提供するために、酸素添加前に酸素濃度を測定するように適合または構成されてもよい。したがって、酸素コントローラ１２０は、酸化剤弁１１１を通る酸化剤からの酸化剤添加点の上流の点、および／または酸化剤希釈弁を通る酸化剤からの酸化剤添加点の下流の点で、再循環流の酸素濃度を測定するように適合または構成され得る。この制御は、他の可能な測定、測定の組み合わせ、およびサイクル内の他の部分からのデータおよび動作パラメータに基づく計算も含み得る。加えて、水分離器６０は、例えばＣＯ_２であるがこれに限定されない他の化学種を除去するように変更され得る。この方法では、サイクルは、例えばＡｒ、Ｈｅ、またはＸｅであるがこれらに限定されない別の不活性ガスで動作し得る。

上述および後述のような本開示のシステムおよび方法は、実質的な無炎燃焼の利用のために特に構成され得る。図６は、本開示による、無炎燃焼のために適合または構成され得る燃焼器１３１の例示的実施形態を示す。（独立型構成要素、または複合燃焼タービンの一体型構成要素であり得る）燃焼器１３１は、燃焼器の長手方向軸に沿って間隔をあけた入口端１３１ａおよび出口端１３１ｂを含み、入口端と出口端との間に位置する燃焼チャンバ１０Ｃも含む。燃焼チャンバ１０Ｃは、燃焼（例えば、酸化剤による燃料の酸化）が実質的にまたは完全に火炎の非存在下で起こる反応領域であると理解される。

独立した酸化剤流が必要ないため、無炎燃焼器１３１は、（低濃度の酸化剤を含む）注入再循環流２０Ｂが複数の場所で燃焼チャンバ１０Ｃに入り得る一方で、注入燃料流１４Ｂが依然として燃料ノズル１４Ｃ中に注入されるように構成され得る。いくつかの実施形態では、無炎燃焼器１３１は、燃焼チャンバ１０Ｃ中への燃料の注入のために構成される燃料ノズル１４Ｃを含むように適合または構成されてよく、無炎燃焼器はまた、分割再循環流ノズル２０Ｃを含むように適合または構成されてよい。より具体的には、分割再循環流ノズル２０Ｃは、再循環ノズルスプリッタ２０Ｄ、整列再循環流ノズル部２０Ｅ、および接線再循環流ノズル部２０Ｆを含み得る。次いで、（酸化剤を含む）再循環流は、分割再循環流ノズル２０Ｃを通して無炎燃焼器１３１に入力され得、再循環ノズルスプリッタ２０Ｄで分割され得、その結果、（酸化剤を含む）再循環流の一部は、整列再循環流ノズル部２０Ｅを通って、燃料ノズル１４Ｃを通して入る燃料と並んで燃焼チャンバ１０Ｃに入力され得る。次いで、（酸化剤を含む）再循環流のさらなる部分は、接線再循環流ノズル部２０Ｆを通して燃焼チャンバ１０Ｃに入り得る。接線再循環流ノズル部２０Ｆを通して燃焼チャンバ１０Ｃに入る再循環流は、燃焼チャンバの長さに沿った任意の位置の１つまたは複数の点を通して入り得る。

図６に見られるように、特有の火炎帯１０Ａ（図３参照）は、もはや必要とされない。むしろ、燃焼チャンバ１０Ｃは、実質的に全体が燃焼領域として構成され得る。１つ以上の実施形態では、接線再循環流ノズル部２０Ｆを通して注入される再循環流２０Ｂの一部は、酸化領域を操作するように調整されてよい。例えば、ノズル２０Ｆを通した流れ２０Ｂの下流注入は、燃料流１４Ｂの指向性フローに接線方向であってよく、その結果、再循環流入力は、燃料ノズル１４Ｃを通した流れ１４Ｂの入口に実質的に誘導される。これは、タービン混合、したがって流入する燃料の完全な酸化を容易にしてよい。これはまた、より良好な温度分布を作り出し、混合に必要な所要燃焼器長を短縮する追加の効果を有する場合がある。示されるように、再循環流２０Ｂは、整列再循環流ノズル部２０Ｅを通して燃料流１４Ｂの注入方向に実質的に平行な方向に、かつ／または接線再循環流ノズル部２０Ｆを通して燃料流の注入方向に実質的に接線方向に、燃焼チャンバ１０Ｃ中に注入され得る。

本開示のシステムおよび方法は、好ましくは、燃焼器１３１に入る反応物が十分に高い温度であるように構成される。好ましくは、燃焼器１３１に入る反応物は、独立して、約４００℃〜約１５００℃、約４２５℃〜約１０００℃、約４５０℃〜約９００℃、または約５００℃〜約７５０℃の範囲の温度である。いくつかの実施形態では、二酸化炭素を含む再循環流は特に、記載された範囲内の温度で提供されてよい。

図７は、電力生産サイクルが低温から開始し、従来の燃焼サイクルとして動作し、主熱交換器５０が無炎燃焼に必要な条件を提供するのに十分な温度になると無炎燃焼に移行してよい本開示の実施形態による、システムおよび方法を示す。サイクルは、酸素コントローラ１２０が本開示による無炎燃焼に必要とされ得るものより著しく高い酸素濃度を維持するように動作することから開始し得る。例えば、サイクルは、コントローラ１２０が約１５モル％〜約４０モル％または約１５モル％〜約３０モル％の範囲の酸素濃度を維持するように動作することから開始し得る。酸化剤弁１１１を通る酸化剤源７６からの酸素は、点火の目的で変わり得る。例えば、酸化剤弁１１１を通してシステムに入る酸素は、空気に由来し得るか、かつ／または専用の酸素発生ユニットから提供されてよい。

いくつかの実施形態では、図７に示すようなシステムは、追加の燃料制御弁、および／または燃焼タービン１０内の複数の注入ノズルを含むように構成され得る。例えば、燃焼ノズルの第１のセットは実質的に、図３に関連して示されたような火炎帯で燃焼を引き起こすためのものであり得、燃焼ノズルの第２のセットは実質的に、図６に関連して示されたような無炎燃焼を行うためのものであり得る。動作時、起動モードが進行中である場合、有炎燃焼燃料弁２１０が開放され得、燃料流を主燃料弁１４から燃焼タービン１０の内部の燃焼ノズルの第１のセット中に誘導し得、無炎燃焼燃料弁２２０は閉鎖され得る。全燃料流量は、主燃料弁１４によって、または主燃料弁１４が停止弁として動作する有炎燃焼燃料弁２１０によって、制御され得る。主熱交換器５０の加熱によって無炎燃焼の条件が達成されると、次いで酸素コントローラ１２０は、酸素濃度を、上ですでに述べられたような範囲内などの最終的な動作値に低下させ得る。この移行中、有炎燃焼燃料弁２１０は閉鎖され得、無炎燃焼燃料弁２２０が開放されて、無炎燃焼により寄与する燃焼器の内部の燃焼ノズルの第２のセットを通して燃料を流し得る。

いくつかの実施形態では、無炎燃焼のために適合または構成された燃焼器１３１は、図８に示すようなノズル構成を含み得、これは、弁２１０および２２０によって使用され得る異なる燃料送達ノズルの例を示す。具体的には、図８では、有炎燃焼燃料弁２１０からの燃料流２１０Ｂは、１つ以上の実質的に中心配向された燃料ノズル２１０Ｃを通り得、弁２２０からの燃料流２２０Ｂは、１つ以上の実質的に接線配向された燃料ノズル２２０Ｃを通り得る。図８の再循環流２０Ｂのノズルおよびフローは、図６に関連して示されたものと実質的に同じであり得る。

図９は、実質的に低温状態から電力サイクルを開始するためのシステムおよび方法のさらなる例示的実施形態を示す。この例では、再循環流から取り出され、再循環副流弁３００を通る副流が存在し、所望により、主プラントコントローラまたは専用コントローラによって制御され得る。ライン６５中の再循環副流は、再循環副流ヒータ３１０を通り、燃焼タービン１０の内部の無炎燃焼の正確な条件を達成するまで上昇した温度を有する。ヒータによって供給される熱は、電気、外部ガス燃焼、核、蒸気、他のプロセス設備の中間冷却、または太陽などの任意の供給源に由来し得るが、これらに限定されない。副流と主流との間の流量の差のため、より小さい火炎帯がこの燃焼器内に主熱交換器まで潜在的に存在する。加えて、ライン６５中の再循環副流の酸素含有量を副流酸化剤弁１１１Ｂによって増加させてよい任意選択の酸素コントローラ１１０Ｂが存在し、そのような酸素の供給源はやはり変わってもよい。示されていないが、この選択肢はまた、燃料制御のための弁２１０および２２０を図７に示されたのと実質的に同じ構成で組み込み得る。弁３００は、サイクルがフルパワーで動作している時、閉鎖されていても閉鎖されていなくてもよい。

図１０は、再循環インラインヒータ３１０ａが高圧再循環ライン６４上に配置されている、本開示によるシステムおよび方法のさらなる例示的実施形態を示す。この方法では、再循環インラインヒータ３１０ａは、主熱交換器５０から不足している熱を提供して、再循環インラインヒータ３１０ａがもはや必要とされなくなるまでサイクルを開始および動作させる。この構成では、再循環インラインヒータ３１０ａは、過渡的な操作、負荷制限、トリップなどの間の設備温度を維持するためにも使用され得る。図１０は、再循環ヒータ３１０ｂが、第１の再循環ヒータ弁３１１、第２の再循環ヒータ弁３１２、および第３の再循環ヒータ弁３１３も含む分離可能な構成で設けられる、任意選択の実施形態も示す。再循環ヒータ弁（３１１、３１２、３１３）は、必要なくなった場合、再循環ヒータ３１０ｂを動作中に流路から除去することを可能とするように適合または構成され得る。これは、設備のより低い圧力定格を可能とする。

図１１は、発電所の始動のために特に構成された本開示によるシステムおよび方法のさらなる例示的実施形態を示し、具体的にはヒータ弁４００および追加ヒータ４１０の追加を組み込み得、その各々は、所望により、主プラントコントローラまたは１つ以上の専用コントローラによって独立して制御されてよい。追加ヒータ４１０は、任意の可能な供給源から熱を提供し得、非限定的な例は、天然ガス燃焼、直接または間接、電気、太陽、他のプロセス設備の中間冷却などである。追加ヒータ４１０は、熱をシステムに提供して、システムが無炎方式で動作することができるまで主熱交換器５０の温度を上昇させ得る。システムの準備ができたら、燃料が添加され得、システムが点火され得る。任意選択で、追加ヒータ４１０は、タービン排気上に直接配置され、ヒータ弁４００によって提供されるバイパス流なしで動作し得る。追加ヒータ４１０は、任意選択で、燃焼タービン１０の電力出力に影響を及ぼすことなく主燃料弁１４での燃料消費を低減するために使用されてよい。主燃料弁１４を閉鎖すると、燃焼温度は下がることになる。これは、点１３での排気温度の低下をもたらすことになる。ポンプコントローラ２が作動される前に、追加ヒータ４１０は排気温度を上昇させてよく、それによりタービンの流量および圧力を維持する。この種の動作は、追加ヒータ４１０によって追加される熱が主燃料弁１４で使用される燃料より低い経済価値のものである場合、有益であり得る。非限定的な例は、石炭燃料蒸気タービンシステムが、追加ヒータ４１０の動作のための蒸気を提供することである。蒸気は、ソーラーアレイによっても提供され得る。追加ヒータ４１０、および／または再循環副流ヒータ３１０、および／または再循環インラインヒータ３１０ａ、および／または再循環ヒータ３１０ｂは、独立して、ヒータがＣＯ_２および酸化剤を含む再循環流の加熱専用であるという点で、専用ヒータと呼ばれてよい。

さらなる実施形態では、加熱は熱交換器５０の不可欠な部分であり得る。熱交換器５０は、例えば、電気、石油、核、太陽などであるが、これらに限定されない供給源からエネルギーを得るその構造加熱要素内に配置されてよい。一例では、要素は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するユニットであってよい。要素は、風力エネルギーおよび太陽エネルギーのような再生可能資源を介した電気から選んでよいが、これらに限定されない。再生可能資源は一日のうちで出力が変動するため、熱交換器５０で利用可能な抵抗加熱も変動することになる。電力コントローラ１は、一定の電力出力を維持するように構成されてよい。これは、本質的に、酸素コントローラ１２０に入力酸素の量を変えさせることになる。そのようなスキームは、発電プラントの熱または圧力サイクルなしで、自動的な即時負荷追従を可能とし得る。これはまた、補助的な加熱のために酸素が利用可能である場合より速く、電力システムが起動中の施設の電力出力を増やすことを可能としてよい。

当業者であれば、前述の説明および付随する図面に示される教示の利益を有して本開示の主題に関連する、本開示の主題の多くの変更形態および他の実施形態を思いつくであろう。それゆえ、本開示は、本明細書に記載される具体的な実施形態に限定されるものではなく、変更形態および他の実施形態が添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されていることを理解されたい。明細書において具体的な用語が用いられているが、それらは単に一般的かつ記述的な意味で使用されており、限定を目的としていない。

１電力コントローラ
２ポンプコントローラ
３スピルバックコントローラ
４サイクル出力コントローラ
６水出力コントローラ
８酸化剤対燃料比コントローラ
１０燃焼タービン
１０Ａ燃焼器火炎帯
１０Ｂ燃焼流
１０Ｃ燃焼チャンバ
１１発電機
１４主燃料弁
１４Ｂ注入燃料流
１４Ｃ燃料ノズル
１６排気水冷却器
１８再循環水冷却器
２０再循環ポンプ
２０Ｂ注入再循環流
２０Ｃ再循環流ノズル
２０Ｄ再循環ノズルスプリッタ
２０Ｅ整列再循環流ノズル部
２０Ｆ接線再循環流ノズル部
２２第１の酸化剤熱交換器
２４第２の酸化剤熱交換器
３０再循環コンプレッサ
３１スピルバック弁
４１サイクル出力弁
５０復熱式熱交換器
６０水分離器
６１水出力弁
６２タービン排気ライン
６３再循環流ライン
６４高圧再循環ライン
６５再循環副流ライン
７５燃料源
７６酸化剤源
７７酸化剤ライン
８０酸化剤ポンプ
８０Ｂ注入酸化剤流
８０Ｃ酸化剤ノズル
９０酸化剤コンプレッサ
９１酸化剤スピルバック弁
１００圧力コントローラ
１０３圧力制御弁
１１０希釈比コントローラ
１１０Ｂ酸素コントローラ
１１１酸化剤弁
１１１Ｂ副流酸化剤弁
１１４ユニオン
１２０酸素コントローラ
１３０燃焼器
１３１無炎燃焼器
１３１ａ燃焼器入口端
１３１ｂ燃焼出口端
２１０有炎燃焼燃料弁
２１０Ｂ有炎燃焼のための燃料流
２１０Ｃ中心配向された燃料ノズル
２１１酸化剤入口
２２０無炎燃焼燃料弁
２２０Ｂ無炎燃焼のための燃料流
２２０Ｃ接線配向された燃料ノズル
３００再循環副流弁
３１０再循環副流ヒータ
３１０ａ再循環インラインヒータ
３１０ｂ再循環ヒータ
３１１第１の再循環ヒータ弁
３１２第２の再循環ヒータ弁
３１３第３の再循環ヒータ弁
４００ヒータ弁
４１０追加ヒータ

Claims

発電のための方法であって、
ＣＯ_２を含む再循環流を提供する工程と、
ＣＯ_２を含む前記再循環流が、ＣＯ_２を含む前記再循環流の全質量に基づいて約２質量％〜約１５質量％の量の酸化剤をさらに含むように、ＣＯ_２を含む前記再循環流に酸化剤を添加する工程と、
ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流を燃料とともに燃焼タービン中に注入して前記燃料の燃焼および燃焼生成物流の形成を引き起こす工程と、
前記燃焼タービン中で前記燃焼生成物流を膨張させることで発電する工程と
を含む、方法。
前記燃料の前記燃焼は、実質的に無炎である、請求項１に記載の方法。
前記燃焼タービン中に注入する前に、ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流を、約４００℃〜約２０００℃の範囲の温度に加熱する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流を加熱する工程は、ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流を復熱式熱交換器に通す工程を含む、請求項３に記載の方法。
加熱する工程は、前記燃焼生成物流から取り出された熱を利用する工程を含む、請求項４に記載の方法。
ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流を加熱する工程は、ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流を専用ヒータに通す工程を含む、請求項３に記載の方法。
ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流から副流を取り出す工程と、前記副流のみを専用ヒータに通す工程とを含む、請求項６に記載の方法。
前記燃焼タービンを出る前記燃焼生成物流を処理してその１つ以上の構成成分を除去し、ＣＯ_２を含む前記再循環流を形成する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流を、ポンプおよびコンプレッサの一方または両方を使用して前記燃焼タービンへの入力に適した圧力に加圧する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記酸化剤は、ポンプの上流かつコンプレッサの下流に位置する入口でＣＯ_２を含む前記再循環流に添加される、請求項１に記載の方法。
前記酸化剤は、コンプレッサの上流に位置する入口でＣＯ_２を含む前記再循環流に添加される、請求項１に記載の方法。
前記燃焼タービンは、その長手方向軸に沿って間隔をあけた入口端および出口端を有する燃焼器を含み、前記燃焼器は、前記入口端と前記出口端との間に位置する燃焼チャンバを有する、請求項１に記載の方法。
前記燃料を実質的に前記入口端の近くでのみ前記燃焼器中に注入する工程と、ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流を、前記入口端の近くで前記燃焼器中に注入し、かつ前記燃焼チャンバの長手方向軸の少なくとも一部に沿って前記燃焼チャンバ中にも注入する工程とを含む、請求項１２に記載の方法。
ＣＯ_２を含む前記再循環流の酸素含有量を測定して、ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流中の酸素濃度が規定酸素濃度内に維持されるように、酸化剤入口でのＣＯ_２を含む前記再循環流への前記酸化剤の前記添加を調節する酸化剤入口命令を生成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
前記規定酸素濃度は、ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流の全含有量に基づいて約４モル％〜約７モル％である、請求項１４に記載の方法。
ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流中の前記酸素濃度が、最初は、有炎燃焼を促進する第１のより高い濃度に設定され、次いで、無炎燃焼を促進する第２のより低い濃度に設定されるように、前記酸化剤入口でのＣＯ_２を含む前記再循環流への前記酸化剤の前記添加を調節する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
発電のためのシステムであって、
燃焼タービンと、
前記燃焼タービンに燃料を送達するために構成された燃料ラインと、
前記燃焼タービンにＣＯ_２を含む再循環流を送達するために構成された再循環ラインと、
ＣＯ_２を含む前記再循環流を前記燃焼タービンへの入力に適した圧力に加圧するために構成されたポンプおよびコンプレッサの一方または両方と、
前記再循環ラインに酸化剤を添加するために構成された酸化剤入口であって、前記燃焼タービンの上流に位置する、酸化剤入口と
を備える、システム。
以下：
前記酸化剤入口がポンプの上流かつコンプレッサの下流に位置する、
前記酸化剤入口がコンプレッサの上流に位置する、
という条件の１つを満たす、請求項１７に記載のシステム。
前記燃焼タービンは無炎動作のために構成される、請求項１７に記載のシステム。
前記燃焼タービンは、その長手方向軸に沿って間隔をあけた入口端および出口端を有する燃焼器を含み、前記燃焼器は、前記入口端と前記出口端との間に位置する燃焼チャンバを有する、請求項１７に記載のシステム。
前記燃焼器は、前記燃料が実質的に前記入口端の近くでのみ前記燃焼器中に受け入れられ、ＣＯ_２を含みかつ前記酸化剤を含む前記再循環流が、前記入口端の近くで前記燃焼器中に受け入れられ、かつ前記燃焼チャンバの長手方向軸の少なくとも一部に沿って前記燃焼チャンバ中にも受け入れられるように構成される、請求項２０に記載のシステム。
前記燃焼器は、再循環ノズルスプリッタ、整列再循環流ノズル部、および接線再循環流ノズル部を含む、請求項２０に記載のシステム。