JP7113394B2 - 水素の一貫生産を伴う電力生産のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、ＣＯ_２循環流体を利用する電力生産サイクルを水素の同時生産のために構成することができる電力生産システム及び方法を提供する。

水素は、燃料電池での使用など、貯蔵エネルギー源との、そのクリーンな相互変換のために望ましいエネルギー源と長らく考えられている。例えば、水素は、大容量蓄電池に有利に連結した燃料電池を使用する電気自動車の駆動のための燃料として使用することができる。燃料としての水素の使用により、ＣＯ_２、ＮＯｘ、ＣＯ、及び炭化水素の排出をなくし、その結果、大気汚染を著しく減少させることができることは有益である。しかし、水素ベースの世界経済の実施への道は、非常に大きな水素の生産能力を要するであろう。さらに、当該水素生産法は、利用される化石燃料由来のＣＯ_２をほぼ１００％回収すると共に、低コストな水素生産を同時に成し遂げることができる必要があるであろう。

燃料源としての水素の使用により、旧来の電力生産処理に付随する二酸化炭素の排出を減少させる又はなくすこともできることは有益である。例えば、水素は、窒素及び／又は蒸気で希釈することができ、ガスタービン複合型サイクル発電システムにおいて燃料として使用することができる。

ガスタービン複合型サイクル発電システムは、低位発熱量（ＬＨＶ）基準で６０％の範囲の効率で、天然ガスから電力を生産するという能力の観点から世界的な電力発電の主な供給源である。望ましい効率にもかかわらず、燃料中の炭素が二酸化炭素として大気に排出されるため、当該システムは、未だ問題点がある。この問題を解決するため、タービン排気ＣＯ_２ガスを再循環させ、続いて、冷却し、生成物ＣＯ_２をガスタービンコンプレッサー区域の入口に移動させることにより、作動流体として空気の代わりにＣＯ_２でガスタービンを動作させることが可能である。燃料を純酸素で燃焼させなければならず、燃焼生成物としてＣＯ_２及び水のみが生成されるため、かつこの方法が処理効率を下げるものとして機能する空気分離プラントの追加を要するため、この方法もまた問題点がある。化学的及び／又は物理的溶剤洗浄処理は、ガスタービン排気を扱いＣＯ_２を除去するために使用されることがよくある。しかし、当該処理は、混合産物を提供し、排気トリートメントシステムの追加費用及び維持費により処理効率を再び低下させることがある。上記で論じたように、ガスタービンにおいて燃料として水素を利用することにより、炭素排出をなくすことが可能である。しかし、当該アプローチは、付随するＣＯ_２生成なく優先的に提供される着実な水素供給源を要する。燃料源として水素を使用することが望ましいため、大気へのＣＯ_２排出が実質的になく、低コストで、水素燃料を提供する手段が依然として必要である。

本開示は、電力生産と水素生産とを兼備するシステム及び方法に関する。特に、電力生産（例えば、電気電力）及び水素生産は、炭化水素燃料の燃焼により同時に成し遂げることができる。より詳細には、炭化水素燃料は、燃焼し、水素を含む及び／又は水素に変換される燃焼生成物を提供することができる。さらに、水素は、炭素排出が実質的にゼロで生産することができ、水素は、電力生産のための燃料として利用することができる。

いくつかの実施形態において、本開示は、さらに、触媒反応及び／又は無触媒反応における炭化水素燃料の部分酸化のために酸素を利用する、水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）の発生のためのシステム及び方法に関し得る。例えば、部分酸化・無触媒反応器（ＰＯＸ）又は触媒オートサーマル反応器（ＡＴＲ）を使用することができる。炭化水素燃料の部分酸化に続いて、ＰＯＸ反応器又はＡＴＲ反応器に対して直列モード又は並列モードいずれかのガス加熱改質器（ＧＨＲ）を使用し、ＰＯＸ及び／又はＡＴＲ反応器システムにおける排気顕熱を利用してＧＨＲで起こる吸熱触媒蒸気に加え天然ガスの改質反応のための熱を提供することにより追加のＨ_２及びＣＯ（すなわち、合成ガス）を生成することができる。

１つ以上の実施形態において、本発明のシステム及び方法は、水素プラントで発生する余分な熱（例えば、４００℃以下の温度レベル）を利用して、電力生産システム及び方法にさらなる入熱を提供することができる。このように加えられる熱は、高い電気発生効率を成し遂げることに助力する点で有益であり得る。

他の実施形態において、本開示は、燃料流（例えば、天然ガス）と、Ｈ_２＋ＣＯ合成ガス発生反応器への蒸気供給流との一方又は両方を過熱するために要する熱を提供することを包含する。熱の提供は、例えば、電力生産システム及び方法から、タービン吐出流由来の熱を使用することにより、成し遂げることができる。

別の実施形態において、本発明のシステム及び方法は、冷却された粗水素流から純粋な高圧純水素を分離する圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムを利用することができる。圧力スイング吸着システムの利用は、例えば、蒸気を用いた触媒シフト反応によるＨ_２へのＣＯの変換に続いて実施することができる。

追加の実施形態において、本開示は、水素プラント用の燃料に存在する実質的に全ての炭素の取り出しを提供することができる。例えば、炭素の取り出しは、ＰＳＡからの廃ガスを圧縮し、ＣＯ_２を冷却タービン排気流から取り出す電力生産サイクルシステム及び方法のための燃料ガスの一部として圧縮した廃ガスを使用することにより成し遂げることができる。

所望ならば、電力生産サイクルシステム及び方法に使用される酸素の一部又は全ては、低圧送気で、深冷空気分離プラント又は酸素イオン輸送膜（ＩＴＭ）酸素燃料燃焼器から供与することができる。水素プラントは、ＰＳＡから、最大９５バールの実質的に純粋なＨ_２を生産するＰＯＸ及び／又はＡＴＲへの供給物として、最大１０５バールの圧力の高圧気体酸素の流れを利用することができる。高圧酸素を供与する深冷空気分離プラントは、特に、酸素を提供する点で有用であり得る。

さらに、所望ならば、ガスタービン排気を加熱し、Ｈ_２プラント燃料、酸素、及び蒸気の供給流のうち１つ以上の予熱を提供するため、第２燃料酸素燃焼器を使用することができる。第２燃料酸素燃焼器には、タービン吐出圧の気体酸素流を供与することができるが、気体酸素流は、Ｏ_２バーナー噴射システムにおいてＣＯ_２で優先的に希釈され、断熱火炎温度を制御することができる。第２の代替案は、予熱した低圧空気を供給されるＩＴＭ燃焼器を使用して、拡散する酸素で燃えるガスタービン排気を混ぜた予熱した天然ガス流を使用しタービン排気を予熱し、合成ガス反応器用に天然ガス流及び蒸気供給流の必要な過熱を提供することである。

１つ以上の実施形態において、本開示は、電力生産及び水素生産を同時にするために構成され得る電力生産システム又は電力生産部を提供することができる。特に、システムは、燃焼器と、タービンと、復熱式熱交換器と、水分離器と、コンプレッサーと、一体化された水素生産システム又は一体化された水素生産部とを備えることができる。

１つ以上の実施形態において、本開示は、電力生産のための方法を提供することができる。特に、方法は、
燃焼圧の再循環ＣＯ_２流の存在下で酸化剤と共に、第１燃焼器で炭素質燃料を燃焼させ、ＣＯ_２を含む燃焼生成物流を提供することと、
タービン中に燃焼生成物流を膨張させ、電力を生産し、ＣＯ_２を含むタービン吐出流を形成することと、
ＣＯ_２を含むタービン吐出流を、復熱式熱交換器で冷却することと、
タービン吐出流の別の成分からＣＯ_２を分離し、再循環ＣＯ_２流を提供することと、
再循環ＣＯ_２流を実質的に燃焼圧まで圧縮することと、
再循環ＣＯ_２流から、炭化水素又は炭素質燃料中の炭素の燃焼由来のＣＯ_２を除去することと、
タービン排気流から引き出した熱で、及び／又は約４００℃未満の温度で供与される外部熱で、圧縮した再循環ＣＯ_２流を復熱式熱交換器において加熱することと、
場合により予熱した炭素質燃料（及び場合により酸素及び／又は蒸気）を、ＰＯＸ又はＡＴＲ、場合によっては続いてＧＨＲの中に通し、特にＨ_２及びＣＯを含み得る合成ガス流を形成することと、
合成ガスを冷却し、高圧蒸気を発生させることと、
ＣＯ及びＨ_２ＯをＨ_２及びＣＯ_２に変換することに効果がある１つ以上の触媒シフト反応器の中に合成ガスを通すことと、
合成ガス流からＨ_２を分離することと、
合成ガス流からのＨ_２の分離に続き、残りの燃料ガスを、第１燃焼器及び第２燃焼器のうち一方又は両方に通すことと、
を含み得る。

前述の方法において、列挙した工程の全てが、考えられる全ての実施形態において行なわれなければならないわけではないことを理解されたい。むしろ、上記工程のうち１つ以上は任意であってよく、本開示の知識を有する当業者であれば、工程の考えられる様々な組み合わせが別個の実施形態で行われ得ることを認識することができるであろう。

前述のことに付け加えて、本開示のシステム及び方法は、追加の構成要素及び構成に関してさらに定義されることができる。例えば、以下のもののうち１つ以上を適用することができる。

水素生産は、具体的には、部分酸化反応器及びガス加熱改質反応器など、少なくとも２つの反応器を使用して行われ得る。

合成ガス生産に使用するための炭化水素供給流及び／又は蒸気供給流の高温加熱は、電力生産サイクル由来の熱を利用することができる。特に、熱は、電力生産サイクルタービン排気の少なくとも一部由来であり得る。

水素は、マルチベッド圧力スイング吸着部において、１つ以上の廃棄成分から分離することができる。

水素から分離した１つ以上の廃棄成分は、圧縮され、電力生産サイクルにおいて燃料の一部として使用することができる。

水素生産システム及び方法において燃料供給物として使用される炭化水素燃料由来の実質的に全ての炭素は、高圧ＣＯ_２流として取り出すことができ、ＣＯ_２パイプラインへの導入に適応し得る。

Ｈ_２プラントから取り除かれる実質的に全ての低温の熱（すなわち、周囲温度超の温度だが、約４００℃以下の温度の熱）は、電力生産サイクルへの入熱のために取り出すことができる。

１つ以上の実施形態において、本開示は、燃料から（例えば、天然ガスから）の水素生産の一体化、燃料にある炭素由来のＣＯ_２の実質的に全ての回収、及び電力システムと水素生産の間の熱の効果的な一体化を提供することができる。当該一体化は、効率が高く（例えば、＞６０％ＬＨＶ）、大気へのＣＯ_２排出がほぼゼロで、電力コストが部分的又は完全なＣＯ_２回収を提供しない現行の処理により発生するコストと実質的に同様である、燃料からの電気電力の生産を成し遂げることができることが好ましい。

いくつかの実施形態において、本開示は、電力生産のためのシステムであって、ＣＯ_２を大気中に排気することなく、ＣＯ_２作動流体の連続した、圧縮、加熱、膨張、冷却、及び再循環のために構成される電力生産部と、合成ガス流を形成するよう構成される部分酸化燃焼器及び合成ガス流からＨ_２を分離するよう構成される分離器を含む水素生産システム又は水素生産部と、水素生産システム又は水素生産部からＨ_２を受け取り燃焼させるよう構成されるガスタービン複合型サイクル部とを備える。

いくつかの実施形態において、本開示は、電力生産処理及び一体化されたＨ_２生産処理であって、
燃焼器において、再循環加熱ＣＯ_２の存在下、昇圧で、実質的に純粋なＯ_２と共に気体燃料を燃焼させ、燃焼生成物流を形成することと、
タービンにおいて、燃焼生成物流を低圧に膨張させ、軸動力を生産し、タービン排気流を形成することと、
復熱式熱交換器において、再循環ＣＯ_２流を加熱し、再循環加熱ＣＯ_２を形成しつつ、タービン排気流を冷却し、冷却タービン排気流を形成することと、
場合によっては、外部供給源から再循環ＣＯ_２流に約４００℃未満の温度レベルの熱を加えることと、
冷却タービン排気流から凝縮水を分離し、再循環ＣＯ_２流を提供することと、
再循環ＣＯ_２流を燃焼器への投入に適した圧力まで圧縮することと、
を含み、
Ｈ_２合成プラント反応器に供給される炭化水素燃料流又は炭素質燃料流及び蒸気流のうち一方又は両方は、タービン排気流から伝達される熱を利用して加熱されるという条件と、
タービン燃焼器燃料入口流量及びタービン入口温度を上げ、タービンからの追加の電力に加え、Ｈ_２プラント合成反応器への炭化水素又は炭素質及び蒸気の供給物を予熱するために要する熱を提供し、復熱式熱交換器へのタービン入口温度は、独立型ＣＯ_２電力サイクルにおいてと実質的に同一であるという条件と、
約４００℃未満の温度レベルのＨ_２合成プラントからの余分な熱は、Ｈ_２合成プラントから再循環ＣＯ_２流に伝達されるという条件と、
１つ以上のＣＯ触媒シフト反応器におけるＨ_２へのＣＯの変換に続き、Ｈ_２合成プラントにおいて純粋でない総Ｈ_２生産流から水素を分離し、続いて、ほぼ周囲温度まで冷却し液体水を除去するという条件と、
Ｈ_２合成プラントにおけるＨ_２分離後に残る廃棄燃料ガスを燃焼器への投入に適した圧力まで圧縮するという条件と、
Ｈ_２合成プラントにおけるＨ_２分離は、複数の段階で行われるという条件と、
Ｈ_２合成プラントにおけるＨ_２分離は、中間物質ＣＯ_２の除去及び触媒によるＨ_２へのＣＯのシフト変換を含むという条件と、
実質的に純粋な酸素及び燃料ガスに加え、タービン排気の少なくとも一部を使用し、Ｈ_２プラント合成反応器への炭化水素又は炭素質及び蒸気の供給物を予熱するために要する熱の少なくとも一部を提供する第２燃焼器を利用するという条件と、
約４００℃未満の温度の、加熱し、加圧した水及び／又は蒸気流を提供し、余分な熱をＨ_２合成プラントから再循環ＣＯ_２流に運ぶという条件と、
Ｈ_２合成プラントから生産したＨ_２をＮ_２及び／又は蒸気と組み合わせ、ガスタービンにおける燃焼に適した燃料ガスを生産し、電力を生産するという条件と、
のうち１つ以上が適用される、電力生産処理及び一体化されたＨ_２生産処理に関する。

１つ以上の実施形態において、本開示は、特に、複合型の電力生産及び水素生産のためのシステムであって、加圧した二酸化炭素を電力生産のために膨張させる電力生産部と、炭化水素燃料を部分酸化し、水素が分離される合成ガスを生成する水素生産部と、電力生産部と水素生産部の間の１つ以上の流れの通過のために構成される１つ以上の流し部材とを備えるシステムを提供することができる。

別の実施形態において、言及した複合型の電力生産及び水素生産のためのシステムは、任意の順又は数で組み合わせることができる以下の記述のうち１つ以上に関してさらに定義することができる。

電力生産部は、炭化水素燃料及び酸素を受け取り、加圧した二酸化炭素を少なくとも含む加熱流を産出するよう構成される燃焼器と、加圧した二酸化炭素を含む加熱流を燃焼器から受け取り、膨張させ、電力を生産し、膨張した二酸化炭素を含む加熱流を形成するよう構成されるタービンと、膨張した二酸化炭素を含む加熱流を受け取り、二酸化炭素を含む冷却流を形成するよう構成される復熱式熱交換器と、二酸化炭素を含む冷却流を復熱式熱交換器から受け取り、二酸化炭素の流れを提供するよう構成される分離器と、二酸化炭素の流れを分離器から受け取り、二酸化炭素を圧縮するよう構成されるコンプレッサーと、を備えることができる。

水素生産部は、炭化水素燃料の一部及び酸素を受け取り、合成ガスを産出するよう構成される部分酸化燃焼器と、部分酸化燃焼器と流体連通し、合成ガスを部分酸化燃焼器から受け取り、炭化水素燃料の一部を受け取るよう構成される改質器と、改質器と流体連通するシフト反応器と、シフト反応器と流体連通するシフト流熱交換器と、シフト流熱交換器と流体連通する分離器と、分離器と流体連通する圧力スイング吸着部を備えることができ、圧力スイング吸着部は、実質的に純粋な水素の流れを産出するよう構成される。

炭化水素燃料は、シフト流熱交換器を通過する炭化水素燃料ラインから部分酸化燃焼器及び改質器に提供され得る。

炭化水素燃料ラインは、電力生産部のタービンを抜けた膨張した二酸化炭素を含む加熱流を受け取り、冷却するよう構成される補助熱交換器を通過することができる。

システムは、水を改質器へ通すために構成され得る送水ラインをさらに備えることができる。

送水ラインは、シフト流熱交換器を通過することができる。

送水ラインは、電力生産部のタービンを抜けた膨張した二酸化炭素を含む加熱流を受け取り、冷却するよう構成される補助熱交換器を通過することができる。

圧力スイング吸着部は、実質的に純粋な水素の流れから分離される廃棄流を産出するよう構成され得、排気流は、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、メタン、アルゴン、及び窒素のうち１つ以上を含む。

電力生産部と水素生産部の間での１つ以上の流れの通過のために構成される１つ以上の流し部材は、圧力スイング吸着部から電力生産部の燃焼器への廃棄流の少なくとも一部の通過のためのラインを含み得る。

電力生産部は、電力生産部からの１つ以上の圧縮流に接し、実質的に純粋な二酸化炭素の流れを加熱するよう構成される追加の熱交換器をさらに備え得る。

追加の熱交換器は、さらに、水素生産部からの流れに接し、実質的に純粋な二酸化炭素の流れを加熱するよう構成され得る。

１つ以上の実施形態において、本開示は、特に、複合型の電力生産及び水素生産のための方法であって、再循環ＣＯ_２流の存在下、燃焼圧で酸化剤と共に第１燃焼器において第１炭化水素燃料を燃焼させ、ＣＯ_２を含む燃焼生成物流を提供することと、ＣＯ_２を含む燃焼生成物流をタービン中に膨張させ、電力を生産し、ＣＯ_２を含むタービン吐出流を形成することと、ＣＯ_２を含むタービン吐出流を復熱式熱交換器において冷却することと、タービン吐出流の別の成分からＣＯ_２を分離し、再循環ＣＯ_２を含む流れを提供することと、再循環ＣＯ_２を含む流れを実質的に燃焼圧まで圧縮することと、タービン排気流から引き出される熱で圧縮した再循環ＣＯ_２流を復熱式熱交換器において加熱し、再循環ＣＯ_２を含む加熱流を提供することと、再循環ＣＯ_２を含む加熱流を第１燃焼器に通すこととを含む電力生産部において電力生産を行うこと、及び第２炭化水素燃料の流れを部分酸化反応器の中に通し、合成ガス流を形成することと、合成ガスを処理し、実質的に純粋な水素の流れ及び少なくとも一酸化炭素を含む廃棄流を提供することと、を含む水素生産部において水素生産を行うことを含む方法を提供することができる。

別の実施形態において、複合型の電力生産及び水素生産のための言及した方法は、任意の順又は数で組み合わせることができる以下の記述のうち１つ以上に関してさらに定義することができる。

方法は、排気流から、第１燃焼器に少なくとも一酸化炭素を通すことをさらに含み得る。

合成ガスの処理は、第２炭化水素燃料ガスの流れ及び温水の流れを受け取るようにも構成される改質器の中に合成ガスを通すことを含み得る。

部分酸化反応器を通過する第２炭化水素燃料の流れ、改質器により受け取られた第２炭化水素燃料の流れ、及び改質器により受け取られた温水の流れのうち１つ以上は、ＣＯ_２を含むタービン吐出流から伝達される熱を利用する補助熱交換器で加熱することができる。

合成ガスの処理は、改質器からの改質された合成ガスを、シフト反応器、続いてシフト流熱交換器の中に通すことを含み得る。

炭化水素燃料の流れは、シフト流熱交換器を通過する炭化水素燃料ラインを介して、部分酸化燃焼器及び改質器の一方又は両方に提供され得る。

改質器にて受け取られた温水の流れは、シフト流熱交換機を通過する送水ラインを通し提供され得る。

方法は、シフト流熱交換機を抜けた流れを水分離器の中に通し、水を除去し、水素及び不純物を含む粗水素流を形成することをさらに含み得る。

方法は、実質的に純粋な水素及び廃棄流を産出する圧力スイング吸着部の中に粗水素流を通すことをさらに含み得る。

廃棄流は、電力生産部の燃焼器への投入に適した圧力まで圧縮され、その後、電力生産部の燃焼器に通され得る。

電力生産部は、電力生産部からの１つ以上の圧縮流に接し、再循環ＣＯ_２の流れを加熱する追加の熱交換器を含み得る。

方法は、水素生産部からの熱が再循環ＣＯ_２の流れに伝達されるように、水素生産部からの加熱流を、追加の熱交換器の中に通すことをさらに含み得る。

水素生産部から再循環ＣＯ_２の流れに伝達される熱は、約４００℃未満の温度レベルであり得る。

第１炭化水素燃料が、燃焼し、ＣＯ_２を含むタービン吐出流の少なくとも一部に追加の熱を提供するように、ＣＯ_２を含むタービン吐出流の少なくとも一部は、第１炭化水素燃料及び酸素の流れと共に第２燃焼器を通過することができる。

ＣＯ_２を含むタービン吐出流の少なくとも一部に提供される追加の熱の少なくとも一部は、水素生産部にある１つ以上の流れに提供され得る。

方法は、電力生産部とは別のガスタービンにおいて電力生産を行うことであって、実質的に純粋な水素の少なくとも一部は、ガスタービンにおいて燃焼し、電力を生産することをさらに含み得る。

１つ以上の実施形態において、本開示は、電力生産のためのシステムであって、ＣＯ_２を大気中に排気することなく、ＣＯ_２作動流体の連続した、圧縮、加熱、膨張、冷却、及び再循環のために構成される電力生産部と、合成ガス流を形成するよう構成される部分酸化燃焼器、及び合成ガスを処理し、実質的に純粋な水素の流れ及び廃棄流を形成するよう構成される１つ以上の追加部材を含む水素生産部と、水素生産部から実質的に純粋な水素の少なくとも一部を受け取り、燃焼させるよう構成されるガスタービン複合型サイクル部と、を備えるシステムをさらに提供することができる。

このように本開示は前述の一般的な用語で記載されており、ここで、添付図面を参照されたい。なお、添付図面は、必ずしも一定の比率の縮尺で描かれてはいない。

ＣＯ_２作動流体を使用し、深冷酸素プラントを含む電力生産の例示的システム及び方法のフローチャートである。 図１に図解されるような、電力生産システム及び方法との一体化のための構成要素を含む水素生産設備のフローチャートである。 空気分離部からの窒素ガス及び水素発生部からの水素ガスがガスタービン複合型サイクル部に投入される、複合型システムを図解するフローチャートである。

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。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「一」、「一つ」、「その」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。

本開示は、電力生産及び水素生産を同時に成し遂げるシステム及び方法を提供する。これまで、電力及び水素の同時生産を提供するために努力がなされおり、このようなこれまでの試みによる１つ以上の構成要素を本開示のシステム及び方法に組み込んでもよい。例えば、アラム（Ａｌｌａｍ）らによる米国特許第６，５３４，５５１号は、１）蒸気及び／又は酸素との炭化水素燃料ガス反応と、２）圧縮酸化剤ガスを利用する電力システムであって、作動膨張により電力を生産する燃焼器の生成物と共に燃料ガスを燃やし、膨張した燃焼生成物ガスを水素合成反応に使用される蒸気を過熱するために使用し、酸素生産部を燃焼生成物ガスの膨張により生産された電力の少なくとも一部により動かす、電力システムとの組み合わせを記載する。アラム（Ａｌｌａｍ）らによる米国特許第６，５３４，５５１号は、参照により本明細書に援用される。

１つ以上の実施形態において、本発明のシステム及び方法が、生産した炭素を実質的に全て回収する、特に、生産したＣＯ_２を実質的に全て回収すると共に、電力生産と組み合わせた水素生産を提供することができることは有益である。組み合わせは、水素及び電力の同時生産を成し遂げるのに適した構成要素の組み合わせを有する単一のシステムであり得る。いくつかの実施形態において、水素生産システム又は水素生産部は、構成要素の適切なまたぎを有して電力生産システム又は電力生産部と並行して動作することができるため、２つのシステム又は２つの部は、単一の、一体化されたシステムとして機能している。従って、本開示は、水素プラントに関連し得、当該水素プラントとは本明細書で利用される水素生産システム又は水素生産部を形成するために必要な構成要素の組み合わせを指す。

本開示に係る有用な電力生産サイクルは、ＣＯ_２（特に、超臨界ＣＯ_２－又はｓＣＯ_２）が作動流で使用される任意のシステム及び方法を含み得る。非限定の例として、参照により本明細書に援用されるアラム（Ａｌｌａｍ）らの米国特許第８，５９６，０７５号は、再循環ＣＯ_２流が直接加熱され、電力生産で使用されるシステム及び方法を記載する。具体的には、再循環ＣＯ_２流は、高温及び高圧で提供され、炭素質燃料が酸素で燃焼する燃焼器に提供され、タービン中に膨張して電力を生産し、熱交換器で冷却され、精製されて水及び他の不純物を除去され、加圧され、タービン排気から取得した熱を使用して再度加熱され、再び燃焼器を通りサイクルを繰り返す。当該システム及び方法は、全ての燃料及び燃焼由来の不純物、余分なＣＯ_２、及び水を、気体又は超臨界流体、液体又は固体（例えば、灰）として除去し、全ての流れの大気への排出を事実上ゼロにする点で有益である。システム及び方法は、例えば、再循環ＣＯ_２流が再度加圧された後かつ燃焼前に、低い温度レベル（すなわち５００℃未満）の入熱（すなわち、タービン排気流からの復熱に加え、再循環ＣＯ_２流に加えられる低い温度レベルの熱）を使用することによって高効率を達成する。本明細書における電力生産サイクルという表現は、ＣＯ_２作動流体と、本明細書及び援用される文献に記載される構成要素及び方法の工程の組み合わせとを利用する電力生産サイクルを示すことを理解されたい。

本開示に係る有用な電力生産サイクルは、以上で記載したものよりも多くの工程又は少ない工程を含み得、通常、高圧再循環ＣＯ_２流を電力生産のために膨張させ、さらなる電力生産のために再度再循環させるサイクルを含み得る。本明細書において使用される場合、高圧再循環ＣＯ_２流は、少なくとも１００バール（１０ＭＰａ）、少なくとも２００バール（２０ＭＰａ）、又は少なくとも３００バール（３０ＭＰａ）の圧力を有し得る。全ての実例において、圧力の上限は、本開示に係るシステム及び／又は方法を実施する時点で適用可能な機材の限界によって決めることができる。高圧再循環ＣＯ_２流は、いくつかの実施形態において、約１００バール（１０ＭＰａ）～約５００バール（５０ＭＰａ）、約１５０バール～約４５０バール（４５ＭＰａ）、又は約２００バール（２０ＭＰａ）～約４００バール（４０ＭＰａ）の圧力を有し得る。従って、本明細書における高圧再循環ＣＯ_２流という表現は、前述の範囲内の圧力のＣＯ_２流とし得る。当該圧力は、ＣＯ_２を含む高圧作動流など、本明細書に記載される他の高圧流の表現にも適用される。燃焼は、約４００℃以上、約５００℃以上、約６００℃以上、約８００℃以上、又は約１０００℃以上の温度で行われ得る。全ての実例において、温度の上限は、本開示に係るシステム及び方法を実施する時点で適用可能な機材の限界によって決めることができる。いくつかの実施形態において、再循環ＣＯ_２との混合後の第１燃焼器の出口温度は、約４００℃～約１，５００℃、約５００℃～約１２００℃、又は約６００℃～約１０００℃とすることができる。

いくつかの実施形態において、水素生産設備と一体化した、以上で記載したような電力生産サイクルは、電力生産の効率を上げるため、水素プラントにより生産される過剰な低い温度レベルの熱を利用することができる。例えば、タービン排気流における蒸気及び炭化水素供給物の過熱は、電力生産システム及び方法において、タービン電気出力を上げて行うことができる。さらに、水素プラントは、水素プラント又はシステムへの炭化水素燃料供給物に存在する炭素由来のＣＯ_２が実質的に全て回収され、場合によっては、電力生産サイクルプラントから回収されたＣＯ_２と組み合わせられるように、電力生産サイクルと一体化することができる。一体化システムは、大気への排出をゼロにすると共に、電力プラント及びＨ_２プラントの両方から生産されたＣＯ_２を最大１００％回収する。

本開示に係る使用のための水素生産プラントは、従前の水素生産プラントにおいて適すると知られた様々な構成要素を組み込むことができる。例えば、水素生産プラントは、場合によっては蒸気を追加で使用する、酸素との炭化水素の部分酸化を使用して、炭化水素供給物をＣＯ＋Ｈ_２ガスに変換する第１段階反応器を含む２段階反応器を備えることができる。いくつかの実施形態において、純酸素との天然ガス供給物の当該部分酸化（ＰＯＸ）は、約１３００℃～約１５００℃の出口温度、約３０バール～約１５０バールの通常の圧力で行うことができる。オートサーマル改質器（ＡＴＲ）は、部分酸化バーナーの後に、蒸気及び一般的には天然ガスである余分な炭化水素を加えることができるため、高温ガスは、その後、さらにＨ_２＋ＣＯを得て、ガス混合物を約３０バール～約１５０バールの圧力で約１０００℃～約１１００℃の出口温度まで冷却するその後の蒸気－炭化水素の改質反応が起こる触媒床を通過することができる。第２段階反応器は、両反応器からの総Ｈ_２＋ＣＯガス生成物（例えば、約１０００℃以上の温度）を使用し、管内の触媒を用いて、対流加熱シェル側フローにおける改質反応の吸熱を提供する蒸気／炭化水素触媒改質器を備えることができる。場合によっては、２つの反応器は、直列又は並列モードで動作することができる。好ましい構成としては、器の上部にある単一の管板から垂れる、触媒が充填された開口管を有し、生成物Ｈ_２＋ＣＯが改質器の管を出て、ＧＨＲの底部でＰＯＸ反応器又はＡＴＲからの生成物ガスと混合され、総生成物Ｈ_２＋ＣＯ流が、シェル側を通過し、通常約１０５０℃から５５０℃～８００℃まで冷却される縦型ガス加熱改質器（ＧＨＲ）が使用される。

２つの反応器構成の利点は、炭化水素供給物からのＨ_２＋ＣＯの収量が最大となり、反応器で形成される全てのＣＯ_２が高圧システム内に含有されることである。生成物ＣＯ＋Ｈ_２ガスは、蒸気を発生させる廃熱ボイラー（ＷＨＢ）にてさらに冷却され、さらなる利点としては、この蒸気の量が、ほんのわずかに余分な流量で、２つのＨ_２＋ＣＯ反応器に、求められる蒸気量を提供することにのみ十分であることが挙げられる。システムにおける蒸気生産の副生成物は、大量ではない。

水素を発生させるため、約２４０℃～約２９０℃の通常の温度でＷＨＢを出て、通常約２０％～約４０％（モル）の蒸気を含有するＨ_２＋ＣＯ生成物は、ＣＯが蒸気と反応し、ＣＯ_２及びさらなるＨ_２を生成する１つ以上の触媒シフトコンバーターを通過する。Ｈ_２生産処理シーケンス全体の反応を以下に示す（炭化水素としてＣＨ_４を使用）。
ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２ → ＣＯ＋２Ｈ_２ 部分酸化
ＣＨ_４＋２Ｏ_２ → ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ 熱の発生
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ_２ 改質
ＣＨ_４＋ＣＯ_２ → ２ＣＯ＋２Ｈ_２ 改質
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２ ＣＯシフト

ＣＯシフト反応器を通過する総ＣＯ＋Ｈ_２生成物は、冷却され、著しい量の熱は、ガス冷却及び蒸気凝縮のため、通常、約２９０℃以下の温度レベルで、放出される。この熱は、単一の温度レベルではなく、ほぼ周囲温度に至るまでの温度範囲にわたり放出される。この熱放出の一部は、ボイラー供給水を予熱するために使用することができるが、温度レベルが低く、ある温度範囲でしか利用できない大量の余剰量が存在する。

２つの反応器におけるＨ_２＋ＣＯ発生の効率は、炭化水素及び蒸気供給物を、通常約４００℃～約５５０℃、好ましくは約５００℃～約５５０℃に予熱することにより、著しく上げることができる。これは、Ｈ_２＋ＣＯ発生反応器に加えＷＨＢ内で利用可能な、これら温度レベルの余分な熱がないため、外部熱源を使用することにより行うことが好ましい。

冷却Ｈ_２リッチガス流は、次に、凝縮水を除去する冷却器（例えば、周囲温度冷却器）を通過する。ガス流は、その後、実質的に純粋な水素を単離することができる分離器を通る。例えば、ガス流は、通常約１０ｐｐｍ～約５０ｐｐｍの総不純物を有し、供給物から生成物Ｈ_２への圧力損失が通常約１バール～約２バールである純粋な流れとして通常約８５％～約９０％（モル）の水素を分離する従来のマルチベッド圧力スイング吸着器を通過することができる。粗Ｈ_２供給流中の全ての不純物は、廃棄燃料ガス流として分離され、廃棄流は、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｎ_２、アルゴン、及び少量の蒸気相Ｈ_２Ｏなどの成分の任意の組み合わせを含み得る。圧力は、通常約１．１バール～約１．５バールである。この廃ガスは、通常、炭化水素反応器の総炭化水素供給物の低位発熱量（ＬＨＶ）の約２０％を有するため、その効果的な使用は、Ｈ_２生産の経済全体にとって利点がある。廃ガスは、総炭化水素供給物からの全ての炭素をＣＯ_２＋ＣＯとして含有し、パイプラインの圧力が高いときの純ＣＯ_２としてのこの炭素の取り出しは、同様に、気候変動排出目標に合致するという利点がある。

ＣＯ_２作動流を利用する電力生産サイクルとの、高圧の、２つの反応器による水素発生システムの一体化は、様々な利益を成し遂げることができる。電力生産サイクルからのタービン排気は、通常、約７００℃～約８００℃の範囲である。２つの反応器への蒸気及び炭化水素供給物は、別個の熱交換器にあるタービン排気フローの一部を利用して、約５００℃～約５５０℃の範囲まで予熱され得る。これは、単純に、タービン燃焼器において燃える燃料の増加を要し、必要以上の熱を要する。この増加は、タービン入口温度及び流量を上げ、タービンからの著しい追加電力出力を提供する。復熱式熱交換器に入る前に約７００℃～約８００℃の通常の温度までタービン排気を冷却することができる一方、蒸気及び炭化水素又は炭素質燃料は、約４００℃～約５５０℃の通常の温度に加熱され得る。

代替配置として、タービン排気流の少なくとも一部を予熱し、２段階反応器システムにおける合成ガスの発生に要する燃料及び蒸気を予熱するために要する熱を送達する第２燃焼器が具備され得る。ある燃焼器配置は、ＣＯ_２で希釈された実質的に純粋なＯ_２を含む酸化剤を使用し、２０％～３０％モルのＯ_２を含有する酸化剤を生成し、燃焼を燃やす。第２の燃焼器配置は、Ｈ_２プラント予熱条件で求められるように温度が上がるよう燃料の調整された一部を追加されたタービン排気の少なくとも一部に、予熱した低圧空気流由来の実質的に純粋なＯ_２を拡散させるＯ_２イオン輸送膜反応器を使用する。

ＰＳＡからの廃ガスは、通常約２００バール～約４００バールまで圧縮され、供給炭化水素と混合され、電力生産サイクルにおいて燃料ガスとして非常に効果的に使用され得る。炭化水素反応器の供給物からの炭素を、電力生産サイクルシステム内でＣＯ_２として回収することができることは、さらなる利点である。通常約５０％～約７０％（モル）とその高いＣＯ＋ＣＯ_２の含有量により、廃ガスのマスフローが大きく、追加のタービン電力を増やせることは、さらなる利点である。あるいは、ＰＳＡからの廃ガスは、第１ＰＳＡの入口圧まで圧縮することができ、ＣＯ_２は、多くの既知の処理のうち１つで除去することができ、ＣＯ_２を失ったガス流は、第２ＰＳＡに送り、より多くのＨ_２を分離し、総Ｈ_２生産流に追加することができる。場合によっては、廃ガスは、エコノマイザ熱交換器で予熱され得、蒸気が追加され得、より多くのＨ_２を追加の触媒ＣＯシフト反応器で生産することができる。ガスは、その後、第２ＰＳＡにてより多くのＨ_２を分離するよう処理される前に、エコノマイザ熱交換器で冷却され得る。

冷却Ｈ_２＋ＣＯ流から利用可能な著しい量の低位熱は、電力生産サイクルに加えることができる低い温度レベルの熱を提供し、タービン排気からの復熱を増加させ、その結果、高効率を成し遂げるのに理想的に適する。具体的には、冷却Ｈ_２＋ＣＯ流からの「低位」熱は、約２００℃～約４００℃、約２２０℃～約３５０℃、特に約２４０℃～約２９０℃の温度レベルであり得る。Ｈ_２産出に応じて、これは、電力生産サイクルにおける寄生電力の減少が著しい断熱部ではなく、従来の内部冷却コンプレッサーである電力生産サイクル酸素プラントのメインエアーコンプレッサーとなり得る。それは、さらなる寄生電力の減少と共に、熱いＣＯ_２コンプレッサーフローをより少なくすることにもつながるであろう。以上で言及したような温度範囲（ほぼ周囲温度に至るまで）にわたるこの余分な熱を利用できることは、同様の温度範囲にわたる高圧再循環ＣＯ_２の側流の加熱に適する。定義される一体化システムは、従来の深冷酸素生産を利用し、酸素燃料燃焼器を加えた電力生産サイクルに、又は酸素イオン燃焼器を利用するシステムに等しく適用可能である。

本開示に係る一体化された電力生産及び水素生産を、様々な図面と関連して、以下で記載する。特に、図１は、深冷酸素プラントを有し、天然ガス燃料を使用する電力生産サイクルシステムを図解する。例示的実施形態に対応する動作パラメータと関連してシステムを以下に記載するが、電力生産サイクルは、本明細書で別途定義されるものであってもよいことを理解されたい。さらに、電力生産サイクルは、パルマー（Ｐａｌｍｅｒ）らによる米国特許第９，０６８，７４３号、アラム（Ａｌｌａｍ）らによる米国特許第９，０６２，６０８号、パルマー（Ｐａｌｍｅｒ）らによる米国特許第８，９８６，００２号、アラム（Ａｌｌａｍ）らによる米国特許第８，９５９，８８７号、パルマー（Ｐａｌｍｅｒ）らによる米国特許第８，８６９，８８９号、Ａｌｌａｍらによる米国特許第８，７７６，５３２号、及びアラム（Ａｌｌａｍ）らによる米国特許第８，５９６，０７５号に別途記載されるような構成要素及び／又は動作パラメータを組み込むことができ、これら文献の開示は、参照により本明細書に援用される。

１つ以上の実施形態において、本開示に係る電力生産サイクルは、ＣＯ_２を含む作動流体を少なくとも圧縮、加熱、膨張、及び冷却の段階を通し繰り返し循環させるように構成され得る。特に、いくつかの実施形態において、ＣＯ_２は、超臨界と液体及び／又はガスの状態間を転移することができるが、ＣＯ_２はこれら段階のうち少なくともいくつかを通して超臨界であり得る。様々な実施形態において、効率を向上させることができる電力生産サイクルは、
・再循環ＣＯ_２流の存在下で酸化剤と共に炭素質燃料を燃焼させ、少なくとも約５００℃又は少なくとも約７００℃（例えば、約５００℃～約２０００℃又は約６００℃～約１５００℃）の温度及び少なくとも約１００バール（１０ＭＰａ）又は少なくとも約２００バール（２０ＭＰａ）（例えば、約１００バール（１０ＭＰａ）～約５００バール（５０ＭＰａ）又は約１５０バール（１５ＭＰａ）～約４００バール（４０ＭＰａ））の圧力の燃焼生成物流を提供する工程、
・電力生産のため、タービン中に、高圧再循環ＣＯ_２流（例えば、上記で言及したような圧力）を膨張させる工程、
・特にタービン吐出流の、高温再循環ＣＯ_２流（例えば、上記で言及したような圧力）を復熱式熱交換器において冷却する工程、
・復熱式熱交換器及び周囲温度冷却器において、特に膨張及び冷却された燃焼生成物流に存在する１つ以上の燃焼生成物（例えば、水）を濃縮する工程、
・水及び／又はＣＯ_２からの別の物質を分離し、再循環ＣＯ_２流を形成する工程、
・場合によっては中間冷却を伴う複数の段階で行われる、再循環ＣＯ_２流を高圧（例えば、上記で言及した圧力）まで圧縮し、、流れの濃度を上げる工程、
・復熱式熱交換器において、圧縮再循環ＣＯ_２流を加熱する工程であって、特に冷却タービン排気流に接して加熱する工程、及び
・場合によっては、冷却タービン排気流からの復熱に加え、再循環ＣＯ_２流に熱を加える工程であって、熱は、本明細書に記載されるような水素生産システム又は水素生産部から取得した低位熱などの別の供給源からのものである工程、
の組み合わせを含み得る。

図１をより詳細に参照すると、水素生産部との組み合わせに適した電力生産部が例示される。電力生産部は、共に動作したとき、電力生産に効果的な個々の部材の組み合わせを包含することを意図しており、従って、電力生産システムと同じ意味であることを意図していることを理解されたい。同様に、水素生産部は、共に動作したとき、水素生産に効果的な個々の部材の組み合わせを包含することを意図しており、従って、水素生産システムと同じ意味であることを意図していることを理解されたい。例示される電力生産部は、特定の動作パラメータに関連して記載されるが、電力生産部は、本明細書の開示全体と一致するパラメータの範囲にわたって動作することができることを理解されたい。図１に例示される電力生産部において、熱交換器１０１で７１５℃に加熱された３０４バールのＣＯ_２流１０７は、燃焼器１０２に入り、燃焼器１０２において、電気モーター１０６により動かされるコンプレッサー１０５にて、３０５バール（２５１℃）まで圧縮されたメタン流１１２由来の燃焼生成物と混合され、約２５％の酸素及び約７５％のＣＯ_２のモル組成で、熱交換器１０１で７１５℃に加熱された酸化剤流１０８中で燃やされる。結果として生じる混合流１１０は、１１５０℃及び３００バールでタービン１０３に入り、３０バール及び７２５℃まで膨張し、流れ１０９として出て、発電機１０４において電力を発生する。３０バールの流れは、熱交換器１０１において冷却され、熱を高圧ＣＯ_２流に伝達し、６５℃で流れ１１３として出る。この流れは、充填区域１１４と、ポンプ１１６及び間接冷水熱交換器１１７を備え、水流１１９、１２０、及び１２１を充填区域の上部に向かわせる循環水区域とを有する直接接触冷水器１１５においてさらに冷却される。ＣＨ_４燃焼から生産された余分な液体水、流れ１１８は、冷水器１１５の底部から除去される。冷却器１１５の上部を出た実質的に純粋なＣＯ_２の冷却流１２２は、複数の流れに分割される。実質的に純粋なＣＯ_２流１２２の第１部分１２３は、外部での使用又は他で使用するために排水される正味のＣＯ_２生産流１６１及び希釈流１６３に分けられる。好ましい実施形態において、希釈流１６３は、２９バールの燃料器の酸素フロー１５０と混ざり、２５％（モル）の酸素を含有する燃焼器の酸化剤流１５１を形成する。冷却された実質的に純粋なＣＯ_２の主要な部分１２４は、２段階内部冷却ＣＯ_２コンプレッサー（第１コンプレッサー段階１５９、中間冷却器１６０、及び第２コンプレッサー段階１２５を有する）に入り、このコンプレッサーにて、６７．５バールまで圧縮され、流れ１６２として出る。冷却器１１５を抜けたＣＯ_２流は、実質的に純粋であり、３ｍｏｌ％未満、２ｍｏｌ％未満、１ｍｏｌ％未満、０．５ｍｏｌ％未満、０．１ｍｏｌ％未満、又は０．０１ｍｏｌ％未満の不純物を含む。

電力生産サイクルは、４００℃未満の温度レベルで高圧ＣＯ_２流に提供される著しい量の追加発生する熱を要する。ここで例示される実施形態において、熱は、圧縮熱を提供する２つの供給源由来である。第１の供給源は、電気モーター１４１により駆動されて、空気流１３９を圧縮するエアーコンプレッサー１４０からの、５．６バール及び２２６℃の断熱圧縮された深冷酸素プラント供給空気流１４２である。第２の供給源は、１３５℃の温度で熱交換器１０１から取得し、コンプレッサー１３６において断熱圧縮され、２２６℃の流れ１３７を生産する２９．３バールのＣＯ_２の流れ１３５である。これら２つの流れは、多段階ポンプ１２９から直接取得した吐出流１３０から分割された３０４バールのＣＯ_２流１３１に追加の熱を提供する追加の熱交換器１３４を通過する。追加の熱交換器１３４からの追加の熱は、流れ１３１において５０℃から流れ１３３において２２１℃にＣＯ_２の温度を上昇させる。冷却ＣＯ_２流１３８及びＣＯ_２再循環コンプレッサー吐出流１６２は、組み合わさり、冷却水熱交換器１２６で冷却され、１９．７℃のＣＯ_２再循環流１２８を生産する総ＣＯ_２流１２７を形成する。高密度のＣＯ_２液のこの流れは、多段階ポンプ１２９にて３０５バールまで圧縮される。５０℃の吐出流１３０は、復熱式熱交換器１０１に入る主要な部分１３２と、断熱圧縮流１３７及び１４２の冷却に接して２２１℃まで熱交換器１３４において加熱され、上記で言及したような流れ１３３を生産する副流１３１とに分けられる。流れ１３３は、熱交換器１０１において高圧ＣＯ_２フローの主要な部分１３２と再び合わさる。この手法において、高いレベルの動作効率を成し遂げるため、再循環ＣＯ_２流に追加の加熱（すなわち、タービン吐出流１０９からの復熱に加えて）を施す。側流１７９は、高圧ＣＯ_２流の主要な部分１３２から取得することができ、タービンブレード冷却流として、タービン１０３に向かう。

５６℃の冷却空気流１４３は、深冷空気分離システムに入る。深冷空気分離システムは、直接接触空気冷却器と、冷水器と、切替式デュアルベッド熱再生吸着部とを有する空気清浄部１４４を備え、５．６バール及び１２℃の空気の乾燥ＣＯ_２フリーストリームを送達する。この空気の一部（流れ１４５）は、電気モーター１７８により駆動されるコンプレッサー１４６において７０バールまで圧縮され、空気流１４８及び１４７は、ポンプ式液体酸素サイクル空気分離深冷システム１４９に入る。空気分離器からの生成物は、廃棄窒素流１６４及び３０バールの生成物酸素流１５０であり、生成物酸素流１５０は、直接接触ＣＯ_２冷却器１１５を出たＣＯ_２流（希釈流１６３）の冷却部分と混ざり、酸化剤流１５１を生産する。酸化剤流１５１は、ＣＯ_２／Ｏ_２圧縮機構において、３０４バールまで圧縮される。具体的には、酸化剤流１５１は、電気モーター１５３により駆動されるコンプレッサー１５２において圧縮され、流れ１５５として出て、中間冷却器１５４にて冷却され、流れ１５６として出て、ポンプ１５７においてさらに圧縮される。結果として生じる圧縮酸化剤流１５８は、熱交換器１０１において７１５℃まで加熱され、流れ１０８として出て、燃焼器１０２に入る。

電力生産サイクルは、酸素を生産するために、別個の深冷空気分離プラントを要する。酸素は、約２０％～約３０％モルの調整された濃度で、通常７００℃超に予熱され、ＣＯ_２で希釈されて、燃焼器に送達されなければならず、通常、別個のＯ_２／ＣＯ_２コンプレッサー機構、又あるいは、電力消費が著しく大きいより複雑な深冷空気分離プラントを必要とする。ＣＨ_４燃料１１１は、上記で論じたように、高圧コンプレッサー１０５において３０５バールまで圧縮される。

電力生産サイクルシステムとの水素プラントの一体化（例示される実施形態において、天然ガスを燃料とする）を図２に示す。システムは、共に８５バールの圧力の、２７０℃で９９．５％純粋なＯ_２の供給物流２２１及び５００℃の天然ガス流２４６を用いる部分酸化（ＰＯＸ）反応器２０１を有する。ＰＯＸ反応器２０１は、１４４６℃の生成物Ｈ_２＋ＣＯ流２２２（飽和蒸気流２２３の追加により１３５０℃に、場合によっては急冷及び冷却され得る）を提供し、生成物Ｈ_２＋ＣＯ流２２２は、ガス加熱改質（ＧＨＲ）反応器２０２の底部２０３に入る。生成物Ｈ_２＋ＣＯ流２２２は、開口触媒充填管２０４を出た改質Ｈ_２＋ＣＯ生成物流と混合され、総生成物ＣＯ＋Ｈ_２流は、シェル側上方を通過し、吸熱改質反応のための熱を提供し、６００℃の流れ２２４として出る。管は、自由に動作温度で下方に膨張し、熱い端部での圧力差、従って管壁での応力は無視できる程度である。管に加え、露出金属部は、炭素を析出させる不均化反応（Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ）により生じるメタルダスティング腐食に耐性がある、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６９３などの合金から製造される。加えて、金属面は、アルミナコーティングによりさらに保護することができる。

流れ２２４は、廃熱ボイラー２３６を通過することにより冷却され、３２０℃の生成物ガス流２５４として出る。生成物ガス流２５４は、直列な２つの触媒充填ＣＯシフト反応器２０７及び２０８を通過する。出口流２２６及び２２８は、熱をボイラー給水の予熱及び天然ガス流の予熱に使用するシフト流熱回収型熱交換器２０９及び２１０に入る。具体的には、ＣＯシフト反応器２０７を出た流れ２２６は、シフト流熱交換器２０９を通過し、流れ２２７として出て、ＣＯシフト反応器２０８に入る。ＣＯシフト反応器２０８を出た流れ２２８は、冷水器２３５を通過し、流れ２２９として出る前に、シフト流熱交換器２１０を通過する。ボイラー供給水流２５６及び２５７は、シフト流熱交換器２１０及び２０９でそれぞれ加熱され、温水流２５８を提供する。天然ガス流２４１及び２４２は、シフト流熱交換器２１０及び２０９でそれぞれ加熱され、２９０℃の天然ガス流２４３を提供する。ボイラー供給水流２５８は、廃熱ボイラー供給物流２６０と、２９０℃の過多流２５９に分けられ、大過剰流２５９は、熱交換器１３４（図１参照）で６０℃まで冷却され、その熱を電力生産サイクルの再循環高圧ＣＯ_２流１３１～１３３（図１参照）の一部に放出する。

熱交換器２１０を出た粗Ｈ_２流２７１（水蒸気並びに微量のＣＯ、ＣＨ_４、Ｎ_２、及びＡｒと共に、炭化水素又は炭素質供給物の炭素の燃焼由来のＣＯ_２の実質的に全てを含有する）は、冷水器２３５においてほぼ周囲温度まで冷却される。凝縮水は、分離器２１２において流れ２２９から分離される。分離器２１２を出た水流２６２及び熱交換器１３４を出た冷却水流２５３は、精製水２５５及び余分な水流２６１を生産する水トリートメント部２１４に入る。精製水２５５は、ボイラー供給水流として機能し、ポンプ２１３にて約８７バールの圧力に圧送される。ポンプ２１３を出た加圧ボイラー供給水流２５６は、熱交換器２１０に入る。

廃熱ボイラー供給物流２６０は、廃熱ボイラー２３６で加熱され、飽和蒸気流２４９として出て、蒸気流２５０と急冷流２２３とに分割される。共に２９０℃の飽和蒸気流２５０及び予熱天然ガス流２４３は、補助熱交換器２３７に入り、補助熱交換器２３７にて、図１におけるタービン排気流である流れ１０９に対応する流れ２４７に接して５００℃まで加熱される。出口流２４８は、約７２５℃で復熱式熱交換器１０１（図１の電力生産部にある）に入る。この場合、図１の電力生産部にあるタービン１０３の入口温度は、上昇し、熱交換器２３７で伝達された必要な熱を提供し、タービンの電力出力は増加する。従って、補助熱交換器２３７は、飽和蒸気流２５０及び天然ガス流２４３への補助的加熱を提供するよう構成され、この補助的加熱は、電力生産部からの流れにより提供される。

熱交換器２３７を出た熱い天然ガス流２４４は、５００℃の供給物を、流れ２４６としてＰＯＸ反応器２０１に提供するものと、流れ２４５としてＧＨＲ反応器２０２に提供するものとで分割され、流れ２４５は、蒸気流２５１と混合され、総ＧＨＲ供給物流２５２を形成する。ＧＨＲ反応器２０２に供給された総ＧＨＲ供給物流２５２は、この場合、６：１の蒸気と炭素の比（ＧＨＲ反応器供給物における水素と組み合わせられた炭素）を提供する。この高い比率は、総生成物Ｈ_２＋ＣＯ流２２４における未変換メタンを少量とすると共にＨ_２＋ＣＯ生成物の圧力を８０バールとすることを可能にする。

水分離器２１２を出た粗水素生成物流２３０は、流れ２３０に存在した水素の８８％を含み、５０ｐｐｍの不純物レベルの実質的に純粋なＨ_２生成物流２３９を生産するマルチベッド圧力スイング吸着部２１５内を通る。従って、実質的に純粋なＨ_２生成物流は、５００ｐｐｍ未満の不純物、２５０ｐｐｍ未満の不純物、１００ｐｐｍ未満の不純物、又は７５ｐｐｍ未満の不純物（例えば、不純物含有量が０に至るまで）を含み得る。全てのＣＯ_２に加え、ＣＯ、Ｈ_２、ＣＨ_４、アルゴン、Ｎ_２、及び微量の水蒸気といった様々な含有物を含有する１．２バールの圧力の廃棄流２３２は、電気モーター２１９により駆動されるコンプレッサー２１６において３０バールまで圧縮され、流れ２３８として出る。吐出流２３８は、冷却器２１７において、ほぼ周囲温度まで冷却され、電力生産システムの天然ガスコンプレッサー１０５（図１参照）に、入口流１１１の一部（図１参照）として加えられる。３２０バールのコンプレッサーの吐出流１１２（図１参照）は、電力生産部の燃焼器１０２（図１参照）に供給物を提供する。８５バールの天然ガス供給流２４１は、図１にあるコンプレッサー１０５の一部である別個の天然ガスコンプレッサーの段階からも生産することができる。

性能
共に純粋なＣＨ_４又は天然ガス供給物を有する、２９０．３ＭＷの電力を生産する電力生産サイクルシステムとの、２４６，１５１Ｎｍ^３／時で動作する水素生産部の一体化は、以下のように算出された性能データをもたらす。
Ｈ_２を５０ｐｐｍの総不純物レベル及び７４バールの圧力で生産する。
一体化システムからの電力生産＝２３４．２３ＭＷ。
水素生産用ＣＨ_４＝９２，８５１．２Ｎｍ^３／時（９２３．２Ｍｗに等しい）。
４３，７７３．９Ｎｍ^３／時（４３５．２Ｍｗに等しい）の電力生産用ＣＨ_４。
水素プラント及び電力プラントへのＣＨ_４供給物由来の炭素のＣＯ_２としての取り出しは、１００％である。
一体化システムからのＣＯ_２生成は、６，４３７．１ＭＴ／Ｄである。
ＣＯ_２は、１５０バールの圧力で生成される。

本明細書に記載されるようなシステム及び方法において、燃焼器における実質的に純粋な酸素の使用は、大量の実質的に純粋な窒素を提供するという付随的な利益を有することができる。窒素は、電力生産部に付随し得る空気分離部から直接、比較的高圧で提供されることができ、実質的に純粋な酸素の必要な流れを提供する。この窒素の少なくとも一部は、本明細書に記載されるように生成することができる水素と混ぜることができる。最終産物は、従来のガスタービン複合型サイクル発電システムでの使用に適したＨ_２＋Ｎ_２燃料ガスである。このことは、図３に例示され、図３において、空気分離部（図１参照）からの窒素ガス１６０及び水素生産設備（図２参照）からの水素ガス２３９は、ガスタービン複合型サイクル部３００に投入される。

Ｈ_２＋Ｎ_２燃料ガスは、任意のガスタービン複合型サイクル発電システムにおいて利用することができる。既知のシステムは、別の方法ではＣＯ_２の除去に必要とされるであろう構成要素の使用を除去する、廃止する、またさもなければ、放棄するために必要に応じて変更することができる。本開示に従い利用することができる既知のガスタービン複合型サイクル発電システムは、ヴィッヒマン（Ｗｉｃｈｍａｎｎ）らによる米国特許第８，７２６，６２８号、ロジャース（Ｒｏｇｅｒｓ）らによる米国特許第８，６７１，６８８号、ベンツ（Ｂｅｎｚ）らによる米国特許第８，３７５，７２３号、リリー（Ｌｉｌｌｅｙ）らによる米国特許第７，９５０，２３９号、エロール（Ｅｒｏｇｌｕ）らによる米国特許第７，９０８，８４２号、稲毛らによる米国特許第７，６１１，６７６号、ベンツ（Ｂｅｎｚ）らによる米国特許第７，５７４，８５５号、シュッツ（Ｓｃｈｕｔｚ）による米国特許第７，０８９，７２７号、上松らによる米国特許第６，９６６，１７１号、及びスミス（Ｓｍｉｔｈ）による米国特許第６，４７４，０６９号に記載され、これら文献の開示は、参照により本明細書に援用される。

本開示により提供されるシステムの組み合わせであって、これにより、ＣＯ_２を大気中に吐出することが実質的になく、炭化水素燃料を燃焼させる燃焼電力システムから水素ガス及び窒素ガスが提供される、システムの組み合わせは、ガスタービン複合型サイクルシステムの従来の動作を超える明確な利点を提供する。特に、本発明のシステムの組み合わせは、通常ガスタービンに要する天然ガス燃料をなくし、燃焼時ＣＯ_２を生成することのない燃料に置き換えることができる。このように、いくつかの実施形態において、本開示は、１）酸素ベースの水素生産部、２）生成したＣＯ_２を実質的に全て回収する発電部、及び追加の発電を提供する従来のガスタービン複合型サイクル発電部の組み合わせを提供する。本明細書に記載されるような複合型システムは、驚くほど高い効率、低コストの発電、及び大凡１００％のＣＯ_２回収を提供することができる。従って、結果として、大凡１００％ＣＯ_２を回収し、１００％のＣＯ_２回収を提供しない既知の電力生産法のコスト以下の動作コストで、天然ガス燃焼による電力生産を提供するためのこれまでに知られていない手法となる。

システムの組み合わせは、様々な手法で実施することができる。いくつかの実施形態において、現存する複合型サイクルパワーステーションは、全てのＣＯ_２排出をなくすと同時に、発電容量を増加させるために変換することができる。当該変換は、ＣＯ_２循環流体を使用する電力の生産及びＨ_２＋Ｎ_２燃料ガスの生成のための、本明細書に記載される別のシステム部材の追加を含み得る。

性能
以上で記載されるような複合型システムのための性能計算は、ＩＳＯ条件で、４３２．２５Ｍｗの電力を生産するようになされたＧＥ ＰＧ９３７１（ＦＢ）ガスタービンコジェネレーションシステムに基づき得る。１００％のＣＯ_２回収、Ｈ_２生成、Ｎ_２生成、及びガスタービンにおけるＨ_２＋Ｎ_２燃料ガスの燃焼を伴う天然ガス燃焼電力生産部の組み合わせを考慮して、本開示の実施形態に従い算出した値を以下に提供する。
複合型システムからの正味の総電力生産は、６９７Ｍｗである。
ガスタービンへの燃料は、５０％Ｈ_２＋５０％Ｎ_２（モル）であると仮定する。
総メタン供給物は、１，３６８．６Ｍｗ（ＬＨＶ）である。
要する酸素は、４９７９ＭＴ／日である。
１５０バールの圧力で生成されるＣＯ_２は、６，４３７Ｍｔ／日である。
全体の効率は、５０．９％（ＬＨＶ基準）である。

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及び他の実施形態を思いつくであろう。それ故、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、変更形態及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。

Claims (25)

1. 複合型の電力生産及び水素生産のためのシステムであって、前記システムは、
   加圧二酸化炭素を電力生産のために膨張させる電力生産部であって、前記電力生産部は、
   炭化水素燃料及び酸素を受け取り、少なくとも前記加圧二酸化炭素を含む加熱流を産出するよう構成される燃焼器と、
   前記燃焼器から前記加圧二酸化炭素を含む前記加熱流を受け取り、膨張させ、前記電力を生産し、前記膨張二酸化炭素を含む加熱流を形成するよう構成されるタービンと、
   前記膨張二酸化炭素を含む前記加熱流を受け取り、二酸化炭素を含む冷却流を形成するよう構成される復熱式熱交換器と、
   前記復熱式熱交換器から前記二酸化炭素を含む冷却流を受け取り、前記二酸化炭素の流れを提供するよう構成される分離器と、
   前記分離器から前記二酸化炭素の流れを受け取り、前記二酸化炭素を圧縮するよう構成されるコンプレッサーと、
   を備える、電力生産部と、
   炭化水素燃料を部分酸化し、水素を分離する合成ガスを生成する水素生産部であって、前記水素生産部は、
   酸素及び前記炭化水素燃料の一部を受け取り、前記合成ガスを産出するよう構成される部分酸化燃焼器と、
   前記部分酸化燃焼器と流体連通し、前記部分酸化燃焼器から前記合成ガスを受け取り、前記炭化水素燃料の一部を受け取るよう構成される改質器と、
   前記改質器と流体連通するシフト反応器と、
   前記シフト反応器と流体連通するシフト流熱交換器と、
   前記シフト流熱交換器と流体連通する分離器と、
   前記分離器と流体連通する圧力スイング吸着部と、
   を備え、
   前記圧力スイング吸着部は、実質的に純粋な水素の流れを産出するよう構成される、水素生産部と、
   前記電力生産部と前記水素生産部の間の１つ以上の流れの通過のために構成される１つ以上の流し部材と、
   を備え、
   前記電力生産部での使用のための炭化水素燃料、前記部分酸化燃焼器へ投入される炭化水素燃料、及び改質器へ投入される炭化水素燃料は、同じ炭化水素燃料でも異なる炭化水素燃料でもあり得、
   前記部分酸化燃焼器及び前記改質器へ投入される炭化水素燃料は、少なくとも、前記電力生産部のタービンを抜けた膨張二酸化炭素を含む加熱流を受け取って冷却するように構成されている補助熱交換器を通じる通過により加熱される燃料ラインを通じて提供される、システム。
2. 前記炭化水素燃料は、前記シフト流熱交換器を通じる通過によっても加熱される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記改質器に水を通すために構成される送水ラインをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記送水ラインは、前記シフト流熱交換器を通過する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記送水ラインは、前記電力生産部のタービンを抜けた膨張二酸化炭素を含む加熱流を受け取り、冷却するよう構成される補助熱交換器を通過する、請求項３に記載のシステム。
6. 前記圧力スイング吸着部は、前記実質的に純粋な水素の流れから分離される廃棄流を産出するよう構成され、前記廃棄流は、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、メタン、アルゴン、及び窒素のうち１つ以上を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記電力生産部と前記水素生産部の間の１つ以上の流れの通過のために構成される１つ以上の流し部材は、前記圧力スイング吸着部から前記電力生産部の燃焼器までの、前記廃棄流の少なくとも一部の通過のためのラインを含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記電力生産部は、前記電力生産部からの１つ以上の圧縮流に接し、実質的に純粋な二酸化炭素の流れを加熱するよう構成される追加の熱交換器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記追加の熱交換器は、前記水素生産部からの流れに接し、前記実質的に純粋な二酸化炭素の流れを加熱するようさらに構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 複合型の電力生産及び水素生産のための方法であって、前記方法は、
    電力生産部において電力生産を行うことであって、
    再循環ＣＯ_２流の存在下、燃焼圧で酸化剤と共に第１燃焼器において第１炭化水素燃料を燃焼させ、ＣＯ_２を含む燃焼生成物流を提供することと、
    前記ＣＯ_２を含む燃焼生成物流をタービン中に膨張させ、電力を生産し、ＣＯ_２を含むタービン吐出流を形成することと、
    前記ＣＯ_２を含むタービン吐出流を復熱式熱交換器において冷却することと、
    前記タービン吐出流の別の成分からＣＯ_２を分離し、前記再循環ＣＯ_２を含む流れを提供することと、
    前記再循環ＣＯ_２を含む流れを実質的に前記燃焼圧まで圧縮することと、
    前記タービン吐出流から引き出される熱を使用して圧縮された再循環ＣＯ_２流の少なくとも一部を前記復熱式熱交換器において加熱し、また、前記水素生産から回収された余分な熱を使用して前記圧縮された再循環ＣＯ _２ 流の少なくとも一部を加熱し、前記再循環ＣＯ_２を含む加熱流を提供することと、
    前記再循環ＣＯ_２を含む前記加熱流を前記第１燃焼器に通すことと、
    を含むことと、
    水素生産部において水素生産を行うことであって、
    第２炭化水素燃料の流れを、部分酸化反応器の中に通し、合成ガス流を形成することと、
    前記合成ガスを処理し、実質的に純粋な水素の流れ及び少なくとも一酸化炭素を含む廃棄流を提供することであって、前記合成ガスの処理は、前記電力生産において前記圧縮された再循環ＣＯ _２ 流の少なくとも一部を加熱するために使用される余分な熱を形成するのに効果的であることと、
    を含むことと、
    を含み、
    前記合成ガスの処理は、１つ以上のシフト反応器においてシフト反応を行う際に放出される熱が、前記電力生産において前記圧縮された再循環ＣＯ _２ 流の少なくとも一部を加熱するための余分な熱として利用可能であるように、前記１つ以上のシフト反応器における処理を含む、方法。
11. 前記合成ガスを処理する際に形成される余分な熱は、４００℃未満の温度レベルである、請求項１０に記載の方法。
12. 前記廃棄流から前記第１燃焼器に少なくとも前記一酸化炭素を通すことをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記合成ガスを処理することは、前記第２炭化水素燃料の流れ及び温水の流れを受け取るようにも構成される改質器の中に前記合成ガスを通すことを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記部分酸化反応器を通過する第２炭化水素燃料の流れ、前記改質器により受け取られた第２炭化水素燃料の流れ、前記改質器により受け取られた温水の流れのうち１つ以上は、前記ＣＯ_２を含むタービン吐出流から伝達される熱を利用する補助熱交換器において加熱される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記合成ガスを処理することは、前記改質器からの改質された合成ガスを、前記１つ以上のシフト反応器、続いてシフト流熱交換器の中に通すことを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記第２炭化水素燃料の流れは、前記シフト流熱交換器を通過する炭化水素燃料ラインを介して、前記部分酸化反応器及び前記改質器のうち一方又は両方に提供される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記改質器で受け取られた温水の流れは、前記シフト流熱交換器を通過する送水ラインを通して提供される、請求項１５に記載の方法。
18. 前記シフト流熱交換器を抜けた流れを水分離器の中に通し、水を除去し、水素及び不純物を含む粗水素流を形成することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記実質的に純粋な水素及び前記廃棄流を産出する圧力スイング吸着部の中に前記粗水素流を通すことをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記廃棄流は、前記電力生産部の燃焼器への投入に適した圧力まで圧縮され、その後、前記電力生産部の燃焼器に通される、請求項１０に記載の方法。
21. 前記電力生産部は、前記電力生産部からの１つ以上の圧縮流に接し、再循環ＣＯ_２の流れを加熱する追加の熱交換器をさらに備える、請求項１０に記載の方法。
22. 前記圧縮された再循環ＣＯ _２ 流の少なくとも一部を加熱するために使用される余分な熱を提供するために、前記水素生産部からの加熱流を、前記追加の熱交換器の中に通すことをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記第１炭化水素燃料が、燃焼し、前記ＣＯ_２を含むタービン吐出流の少なくとも一部に追加の熱を提供するように、前記ＣＯ_２を含むタービン吐出流の少なくとも一部は、前記第１炭化水素燃料及び酸素の流れと共に第２燃焼器を通過する、請求項１０に記載の方法。
24. 前記ＣＯ_２を含むタービン吐出流の少なくとも一部に提供される追加の熱の少なくとも一部は、前記水素生産部にある１つ以上の流れに提供される、請求項２３に記載の方法。
25. 前記電力生産部とは別のガスタービンにおいて電力生産を行うことであって、前記実質的に純粋な水素の少なくとも一部は、前記ガスタービンにおいて燃焼し、電力を生産することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

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