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KR20180127307A - 압축기들 없이 초임계 이산화탄소를 활용하는 개방 열역학적 사이클 - Google Patents

압축기들 없이 초임계 이산화탄소를 활용하는 개방 열역학적 사이클 Download PDF

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KR20180127307A
KR20180127307A KR1020187016733A KR20187016733A KR20180127307A KR 20180127307 A KR20180127307 A KR 20180127307A KR 1020187016733 A KR1020187016733 A KR 1020187016733A KR 20187016733 A KR20187016733 A KR 20187016733A KR 20180127307 A KR20180127307 A KR 20180127307A
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KR
South Korea
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carbon dioxide
supercritical carbon
power
thermodynamic cycle
gas
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Withdrawn
Application number
KR1020187016733A
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English (en)
Inventor
스탄 앤디 스모고르제브스키
Original Assignee
뉴 에프지 코 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 뉴 에프지 코 엘엘씨 filed Critical 뉴 에프지 코 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 압축기들이 사용되지 않는 개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법은, 파워를 생성하기 위해 터빈으로 이송되는 가스를 발생시키기 위해 산소, 연료, 및 가열된 리사이클링되는 초임계 이산화탄소를 연소시키는 단계; 터빈으로 이송되는 리사이클링된 초임계 이산화탄소를 예열하기 위해 터빈으로부터의 배기 가스를 사용하는 단계; 및 이산화탄소 스트림(이 이산화탄소 스트림으로부터 리사이클링된 초임계 이산화탄소가 펌프를 사용하여 생성됨)을 제공하기 위해 일련의 2개의 세트들의 응축기들 및 분리기들을 통해 배기 가스를 통과시키는 단계를 포함한다. 펌프를 위한 파워는 터빈에 의해 제공되며, 이는 또한 발전기에 파워를 제공한다.

Description

압축기들 없이 초임계 이산화탄소를 활용하는 개방 열역학적 사이클
[0001] 본 발명 및 그 다양한 실시예들은 기계적 파워, 전력, 또는 양자 모두 그리고 상용 등급 sCO2 제품을 제조하기 위해 개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소(sCO2)를 작동 유체로서 활용하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 특히, 본 발명 및 그 다양한 실시예들은 압축기들에 대한 필요 없이 sCO2를 작동 유체로서 사용하여 개방 열역학적 사이클의 용도에 관한 것이며, 이는 간략성 및 열적 효율의 이점들을 제공한다.
[0002] 파워 생성(power generation)을 위한 화석 연료 연소는, 통상적으로 작동 유체로서 물을 의존하는 열역학적 사이클들을 사용한다. 따라서, 압축기들 없이, 작동 유체로서 sCO2를 활용하고, 개선된 간략성 및 열적 효율로 파워를 제공하는 열역학적 사이클이 바람직하다.
[0003] 일반적으로, 본 발명은 압축기들 없이 작동하는, 기계적 파워, 전력, 또는 양자 모두 그리고 상용 등급 sCO2 제품을 제조하기 위해 초임계 이산화탄소(sCO2)를 작동 유체로서 활용하는 개방 열역학적 사이클에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, sCO2를 활용하기 위한 방법은, 파워를 발생시키기 위해 터빈으로 이송되는 가스를 발생시키기 위해 산소, 연료, 및 예열된 리사이클링되는 sCO2를 연소시키는 단계; 터빈으로 이송되는 리사이클링된 초임계 이산화탄소를 예열하기 위해 터빈으로부터의 배기 가스를 사용하는 단계; 및 이산화탄소 스트림(이 이산화탄소 스트림으로부터 리사이클링된 초임계 이산화탄소가 터빈에 의해 동력공급되는 펌프를 사용하여 발생됨)을 제공하기 위해 일련의 2개의 세트들의 응축기들 및 분리기들을 통해 배기 가스를 통과시키는 단계를 포함한다.
[0004] 일부 실시예들에서, 터빈으로부터의 배기 가스는 터빈으로부터 다른 배기 가스들을 포함하는 이산화탄소 스트림을 제공하며, 이 이산화탄소 스트림으로부터, 리사이클링된 초임계 이산화탄소가 생성된다. 이러한 다른 배기 가스들은 이산화탄소로부터 분리되고, sCO2를 생성하는데 사용되는 펌프로 파워(power)를 또한 제공하는 팽창기(expander)에서 팽창된다. 일부 실시예들에서, sCO2를 생성하는데 사용되는 터빈, 팽창기, 및 펌프에 대해 공통적인 단일 샤프트가 사용된다. 또한, 과도한 sCO2는 상용 등급 sCO2 제품으로서 시스템으로부터 제거될 수 있다.
[0005] 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세스의 프로세스 흐름도이다.
[0006] 본 발명은 첨부 도면들을 참조로 하여 아래에서 더 완전하게 설명된다. 본 발명이 특정 실시예들과 연계하여 설명될 것이지만, 본 발명이 매우 다양한 적용들에 적용될 수 있는 것이 이해되어야 하며, 그리고 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함될 수 있는 바와 같은 대안들, 수정들 및 동등물들을 커버하는 것이 의도된다. 이에 따라, 다음 설명은, 여러 개의 실시예들이 (예컨대, 용어들 “바람직하게” 또는 “예를 들어”의 사용에 의해) 설명되는 점에서 예시적이지만, 본 발명이 이러한 설명에서 구체적으로 인용되지 않은 다른 실시예들을 포함하기 때문에, 이러한 설명은 본 발명의 유일한 실시예들을 제한하거나 제시하는 것으로 보지 않아야 한다. 추가적으로, 이러한 설명 전체에 걸친 용어 “발명”의 사용은 폭넓게 사용되고, 설명의 임의의 특정 부분이 본 발명이 만들어지거나 사용될 수 있는 유일한 방식인 것을 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
[0007] 일반적으로, 본 발명은 압축기들 없이 개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소(sCO2)를 활용하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, sCO2를 작동 유체로서 활용하기 위한 방법들 및 시스템들은 파워를 생성하기 위해 터빈으로 이송되는 가스를 발생시키기 위해 연소 산소, 연료, 및 예열된 리사이클링되는 sCO2를 연소하는 것; 터빈으로부터 이송되는 리사이클링된 초임계 이산화탄소를 예열하기 위해 터빈으로부터 배기 가스를 사용하는 것; 그리고 이산화탄소 스트림(이 이산화탄소 스트림으로부터 리사이클링된 초임계 이산화탄소가 터빈에 의해 동력공급되는 펌프를 사용하여 발생됨)을 제공하기 위해 일련의 응축기들 및 분리기들을 통해 배기 가스를 통과시키는 것을 포함한다.
[0008] 열역학적 사이클은 기계적 파워, 전력, 또는 양자 모두를 발생시킬 수 있고, 특정 압력 및 순도로 상용 등급 sCO2를 발생시킬 수 있다. 본 발명의 소정의 실시예들에서, 개방 열역학적 사이클은 압축기들을 활용하지 않는다. 따라서, 이러한 사이클은 다른 구성들과 비교하여 간략성 및 열적 효율의 고유 이점들을 가진다.
[0009] 일부 실시예들에서, 터빈으로부터의 배기 가스는 이산화탄소 스트림(이 이산화탄소 스트림으로부터, 리사이클링된 초임계 이산화탄소가 생성됨)뿐만 아니라, 터빈으로부터 다른 배기 가스들을 포함한다. 이러한 다른 배기 가스들은 응축기들 및 분리기들의 하류에서 이산화탄소로부터 분리되고, sCO2를 생성하는데 사용되는 펌프로 파워(power)를 또한 제공하는 팽창기(expander)에서 팽창된다. 일부 실시예들에서, sCO2를 생성하는데 사용되는 터빈, 팽창기, 및 펌프에 대해 공통적인 단일 샤프트가 사용된다. 또한, 과도한 sCO2는 상용 등급 sCO2 제품으로서 시스템으로부터 제거될 수 있다.
[0010] 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세스의 프로세스 흐름도이다. 특별히, 도 1은 압축기들에 대한 요구를 제외하고, sCO2를 작동 유체로서 활용하는 개방 열역학적 사이클(100)을 도시한다.
[0011] 열역학적 사이클(100)에서, 높은 압력의 산소(102) 및 연료(104)는 연소기(106)에서의 연소 반응에서 조합된다. 산소(102)는 농후화된(enriched) 또는 순수 산소를 제공하는 임의 종류의 프로세스로부터 유래할 수 있다. 일부 실시예들에서, 농후화된 산소는 95부피%보다 더 높은 순도일 수 있다. 연료(104)는 기체, 액체, 또는 기체 및 액체 연료들의 혼합물일 수 있지만, 고체들을 포함하지 않아야 한다. 산소(102) 및 연료(104) 이외에도, 가열된 리사이클링된 sCO2(158)가 또한, 열역학적 사이클(100)의 연소 온도를 제한하기 위해 연소기(106)로 첨가된다.
[0012] 연소 또는 연소기 배기 가스로부터 결과적인 또는 연소된 가스(108)가 연소기(106)를 나오고, 터빈(110)에 진입하며, 터빈(110)에서, 이 가스는 팽창된 가스(114) 또는 터빈 배기 가스를 발생시키도록 팽창된다. 그 결과, 터빈(110)은 파워를 생성하며, 이는 공통의 샤프트(160)에 의해 발전(produce electricity)을 위한 발전기(112) 및 펌프(152) 양자 모두에 동력공급하는데 사용될 수 있다. 다시 말해, 터빈(110)은 기계적 파워, 전력, 또는 양자 모두를 발생시킬 수 있다.
[0013] 팽창된 가스(114)는 회생(recuperative) 열 교환기(116)에 진입하며, 열 교환기(116)에서, 리사이클링된 sCO2(156)는 예열된 리사이클링된 sCO2(158)로서 연소기(106)로 도입된다. 팽창된 가스(114)는 회생 열 교환기(116)에서 냉각되며, 그리고 회생 열 교환기(116)로부터의 냉각된 배기 가스(118)는 물 및 응축가능한 응축기(120)에 진입하며, 이 응축기(120)에서, 냉각된 배기 가스(118)에서의 물 및 다른 응축가능물들이 응축되고 분리기(128)에 통과된다. 분리기(128)는 CO2의 액화 온도 초과의 온도들에서 물 및 응축가능물의 대부분을 스트림(130)으로서 제거한다. 분리기(128)로부터의 가스(132)는 CO2 응축기(134)에 진입하며, CO2 응축기(134)에서, CO2가 액화된다.
[0014] 열 방출 시스템(126)은 물 및 응축가능물들 응축기(120)에서 그리고 CO2 응축기(134)로부터의 사용을 위한 냉각 매체를 제공하는데 사용된다. 열 방출 시스템(126)은 건조 공기, 습식 증발식(wet evaporative), 칠러(chiller)-기반, 폐기물 냉각 에너지 소스 기반, 강물 1회-통과(river once-thru), 해수(ocean water) 1회-통과, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 냉각 매체는 냉각 매체 공급 파이프(124) 및 복귀 파이프(122)를 사용하여 물 및 응축가능물들 응축기(120)로 재순환되고, 물 및 응축가능물들 응축기(120)로부터 열 방출 시스템(126)으로 열을 수송한다. 유사하게는, 냉각 매체는 냉각 매체 공급 파이프(136) 및 복귀 파이프(138)를 사용하여 CO2 응축기(134)로 재순환되고, CO2 응축기(134)로부터 열 방출 시스템(126)으로 열을 수송한다.
[0015] CO2 응축기(134)로부터의 액화된 CO2 및 잔여 배기 가스들(140)은 CO2 분리기(142)로 통과된다. CO2 분리기(142)는 배기 가스들(144)로부터 액체 CO2(150)를 분리시킨다. 액체 CO2(150)는, 리사이클링된 sCO2(156)를 회생 열 교환기(116)로 제공하기 위해 액체 CO2를 가압하는 펌프(152)로 통과되며, 열 교환기(116)에서, 열은 연소기(106)를 위해 예열된 sCO2(158)를 제공하기 위해 팽창된 가스 또는 터빈 배기 가스(114)로부터 리사이클링된 sCO2(156)로 통과된다. 펌프(152)가 sCO2로부터 그리고, 따라서, 리사이클링된 sCO2로부터 그리고 열역학적 사이클로부터 과도한 CO2를 제거하기 위해 추출 스트림(154)을 사용하는 것이 이해되어야 한다. 추출 스트림(154)은 밀봉가능한 sCO2를 제공할 수 있고, sCO2 압력 및 요구되는 순도를 제공하는 것으로 의도된다. 압축기가 프로세스(100)에서 필요하지 않는 것이 이해되어야 한다.
[0016] CO2 분리기(142)로부터의 배기 가스들(140)은 팽창기(146)에서 팽창되며, 그리고 팽창기(146)로부터의 배기 가스들(148)은 대기로 배출된다. 팽창기(146)는 공통의 샤프트(160)를 동력공급하기 위해 파워를 발생시킨다. 공통의 샤프트(160)가 터빈(110), 발전기(112), 및 펌프(152)에 대해 공통적인 것이 이해되어야 한다. 따라서, 터빈(110), 발전기(112), 팽창기(146), 및 펌프(152)의 작동 속도들은 이들의 각각의 효율들을 최대화시키기 위해 상이할 수 있는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 공통의 샤프트(160)는 또한, 속도-변화 기어들(speed-changing gears)을 포함할 수 있다.
[0017] 일부 실시예들에서, 다음의 조건들이 사용될 수 있다:
Figure pct00001

Claims (10)

  1. 개방 열역학적 사이클(open thermodynamic cycle)에서 초임계(supercritical) 이산화탄소를 활용하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은:
    연소된 가스를 발생시키기 위해 산소, 연료, 및 예열된 리사이클링된(recycled) 초임계 이산화탄소를 연소시키는 단계;
    파워(power) 및 팽창된 가스를 발생시키기 위해 상기 연소된 가스를 팽창시키는 단계;
    예열된 리사이클링된 초임계 이산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 배기 가스를 발생시키기 위해 상기 팽창된 가스로 리사이클링된 초임계 이산화탄소를 가열하는 단계;
    상기 배기 가스로부터 물의 적어도 일부분을 제거하기 위해 상기 배기 가스를 응축시키는 단계;
    액화된 이산화탄소를 발생시키기 위해 상기 배기 가스로부터 이산화탄소를 액화시키는 단계;
    상기 리사이클링된 초임계 이산화탄소를 발생시키기 위해 상기 액화된 이산화탄소를 가압하는 단계; 및
    상기 리사이클링된 초임계 이산화탄소로부터 과도한 초임계 이산화탄소의 일부분을 제거하는 단계를 포함하는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 팽창시키는 단계는, 기계적 파워를 발생시키기 위해 상기 연소된 가스를 팽창시키는 단계를 포함하는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 가압하는 단계는, 펌프를 사용하여 수행되고,
    상기 펌프를 동력공급하기(power) 위해 상기 기계적 파워를 사용하는 단계를 더 포함하는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 팽창시키는 단계는, 전력를 발생시키기 위해 상기 연소된 가스를 팽창시키는 단계를 포함하는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 액화된 이산화탄소로부터 잔여 배기 가스들을 분리시키는 단계를 더 포함하는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 잔여 배기 가스들을 분리시키는 단계는 분리된 배기 가스를 발생시키고,
    파워를 발생시키기 위해 상기 분리된 배기 가스를 팽창시키는 단계를 더 포함하는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 가압하는 단계는, 펌프를 사용하여 수행되고,
    상기 펌프를 동력공급하기 위해 상기 분리된 배기 가스를 팽창시키는 단계에 의해 발생된 파워를 사용하는 단계를 더 포함하는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 팽창시키는 단계는, 파워를 발생시키기 위해 상기 연소된 가스를 팽창시키는 단계를 포함하고,
    상기 펌프를 동력공급하기 위해 상기 연소된 가스를 팽창시키는 단계에 의해 발생된 상기 파워를 사용하는 단계를 더 포함하는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 펌프를 동력공급하기 위해 상기 분리된 배기 가스를 팽창시키는 단계에 의해 발생되는 상기 파워를 사용하는 단계 및 상기 펌프를 동력공급하기 위해 상기 연소된 가스를 팽창시키는 단계에 의해 발생되는 상기 파워를 사용하는 단계는, 동일한 샤프트(shaft)를 사용하여 수행되는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 리사이클링된 초임계 이산화탄소는 압축기 없이 발생되는,
    개방 열역학적 사이클에서 초임계 이산화탄소를 활용하기 위한 방법.
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