KR20140104953A - 전력 생산 시스템 및 상응하는 방법 - Google Patents

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로드니 존 알람
제레미 에론 페트벳트
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8 리버스 캐피탈, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 통합 전력 생산 시스템 및 방법과 액화 천연 가스 기화 시스템 및 방법을 제공한다. 보다 상세하게는, 전력 생산 시스템 및 방법으로부터 CO2를 함유하는 스트림(15)으로부터의 열이 CO2를 함유하는 스트림으로부터의 기체의 CO2가 액화(55)됨에 따라 재기화(14)를 위해 액화 천연 가스를 가열(21)하는 데 사용될 수 있다. 전력 생산 시스템 및 방법에서 액화된 CO2는 포집될 수 있거나 및/또는 연소기(1)로 다시 재순환될 수 있다.

Description

전력 생산 시스템 및 상응하는 방법{POWER GENERATING SYSTEM AND CORRESPONDING METHOD}
본 발명은 액화 천연 가스 재기화 시스템과 전력 생산 시스템의 통합에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 상기 통합 시스템은 상기 전력 생산 시스템에서 재순환 스트림(recycle stream)을 냉각하고 액화 천연 가스(LNG) 스트림을 가열하며 기화시키기 위하여 열 교환을 이용한다.
천연 가스(즉, 주로 메탄)는 저장 및/또는 운송의 편의를 위해 보통 액화되고 일반적으로 액화 천연 가스(LNG) 기화 설비에서 최종 용도를 위해 재기화된다. 일반적으로, 재기화는 상기 천연 가스(NG)를 요구되는 파이프라인 압력-예를 들어, 약 1,000psi(6.9MPa)까지 가압하는 것을 요구한다. 가압 후에, 상기 천연 가스는 일반적으로 여전히 극저온 온도에 가까운 온도 또는 그 온도에 있으며, 이에 따라 상기 온도를 대기까지 상승시키기 위해 가열하여야 한다. 이는 흔히 대기 온도의 천연 가스의 일부를 연료로 사용할 수 있는 수중 연소 가열기(submerged combustion burner)로 가열되는 수조로 수행된다. 흔히 가압된 후에 재기화 설비에서 상기 액화 천연 가스(LNG)의 약 1-2%가 상기 액화 천연 가스를 대기 온도까지 가열하기 위해 연소되며, 이는 효율, 가격, 화석 연료 소모 및 CO2 배출들에 중요한 영향들을 미친다. 이러한 문제들을 처리하는 재기화 시스템들 및 방법들을 제공하는 것은 유용할 것이다.
천연 가스, 석탄 및 탄소질 연료들(carbonaceous fuels)은 통상적으로 가스 터빈 복합 사이클 시스템들, 초임계 미분탄 시스템들(supercritical pulverized coil systems) 등과 같은 전력 생산 사이클에 사용된다. 천연 가스, 석탄 및 다른 탄소질 연료들을 연료로 이용하는 다른 전력 생산 시스템들도 사용되거나 제안되었다. 그러나, 새로운 전력 생산의 통합 기술들에 있어서 전력 생산 효율은 한계 요소이다. 따라서, 개선된 효율을 갖는 전력 생산을 위한 시스템들 및 방법들을 제공하는 것은 유용할 수 있다.
본 발명은 두 시스템들에서 효율들을 향상시킬 수 있고 비용을 감소시킬 수 있는 시스템들의 통합을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 액화 천연 가스(LNG) 재기화 시스템 및 방법과 전력 생산 시스템 및 방법의 통합을 제공한다. 본 발명은 또한 액화 천연 가스 수송 방법과 이산화탄소(CO2) 수송 방법의 통합을 제공한다.
밀폐 연소 사이클(closed combustion cycle)에서 주로 CO2를 사용하는 전력 생산을 위한 시스템들 및 방법들은 그 개시 사항은 전체적으로 여기에 참조로 포함되는 미국 공개 특허 제2011/0179799호에 기술되어 있으며, 다양한 실시예들에서, 개시된 상기 전력 생산 시스템들 및 방법들의 하나 이상의 구성 요소들 또는 조건들이 본 발명의 전력 생산 시스템들 및 방법들에 조합될 수 있다. 상기 연소 사이클은 CO2 작동 유체 스트림(working fluid stream)(통상적으로 상기 밀폐 시스템을 통하여??적어도 부분적으로- 재순환되는)의 존재에서 산소 중 연료(fuel in oxygen)의 연소에서 형성되는 연소 생성물들의 혼합물을 팽창시키는 고압력비 터빈(high pressure ratio turbine)을 사용할 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 상술한 바와 같은 CO2 사이클은 천연 가스(NG), 석탄 또는 다른 탄소질의 물질들을 연료 소스로 사용하는 전력 생산에 사용될 수 있다. 뜨거운 터빈 배출은 절감형 열 교환기(economizer heat exchanger) 내의 상기 재순환 CO2 작동 유체 스트림을 부분적으로 예열하기 위해 사용된다. 상기 재순환 CO2 작동 유체 스트림은 또한 연소를 위해 산소를 제공하는데 사용되는 산소(O2) 생산 장치로부터의 압축 에너지로부터 얻어지는 열과 같은 이차 열원을 사용하여 가열될 수 있다. 연료 및 연소에서 유래되는 불순물들(즉, 황 화합물들, CO2, H2O, 재(ash), Hg 등)은 대기 배출 없이 처리를 위해 분리될 수 있다. 상기 시스템은 고압의 CO2 재순환 스트림(즉, 상기 작동 유체로서 재순환되는)과 고압의 CO2 생성물 스트림(즉, 상기 연소기 내로 재순환되지 않고 향상된 원유 회수(enhanced oil recovery) 또는 지중 저장(sequestration)과 같은 이용을 위해 포집될 수 있는 과잉의 CO2)을 생성할 수 있다. 이는 다단계 압축 시스템에서 상기 절감형 열 교환기로부터 상기 냉각된 터빈 배출 스트림을 압축함에 의해 구현될 수 있다.
본 발명은 액화 천연 가스(LNG) 재기화와 천연 가스(NG), 석탄 또는 다른 탄소질 물질들을 연료로 하는 CO2 사이클 전력 생산 시스템을 통합하는 기술을 제공하며, 상기 CO2 전력 생산 시스템의 하나 또는 그 이상의 스트림들로부터의 열이 상기 압축된 천연 가스를 가열하고 동시에 상기 CO2 전력 사이클로부터의 하나 또는 그 이상의 공정 스트림들(process streams)을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 액화 천연 가스 재기화 시스템 내에서 상기 압축된 천연 가스 스트림으로부터의 냉각은 상기 CO2 사이클로부터 하나 또는 그 이상의 압축 구성 요소들의 제거를 고려하기 위해 충분할 수 있으며, 오히려 상기 극저온 액화 천연 가스에 의해서 기체 재순환 스트림을 액화시킬 수 있다. 상기 액화 천연 가스 기화 시스템과 상기 전력 생산 시스템의 통합은 CO2 사이클 전력 생산 방법의 효율을 60% 이상까지 증가시킬 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 밀폐 사이클 전력 생산 시스템 및 방법에 있어서 CO2 압축 단계와 액화 천연 가스 가열 방법의 통합은 종래의 재기화 방법에서 액화 천연 가스를 가열하기 위해 요구되는 연료 소모를 줄이거나 소거하는 데 유용할 수 있다. 또한, 상기 터빈 배출 스트림으로부터 액상수(liquid water)의 분리 다음에 절감형 열 교환기의 냉 단부(cool end)를 나오는 CO2 리치(rich) 터빈 배출 스트림을 액화시키는 것은 약 32℃(0℉) 이상과 같은 원하는 온도까지 제1 액화 천연 가스 스트림의 가열과 동시에 수행될 수 있다. 이 후에, 고밀도에서 상기 액체 CO2는 CO2 작동 유체로서 연소 공정에 다시 재순환되기 위해 충분히 높은 압력으로 펌프될 수 있고, 이는 일반적인 가스 압축 공정과 비교하여 매우 큰 전력 절감과 함께 구현될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 CO2를 액화하는 데 사용되는 상기 열 교환기로부터의 상기 천연 가스는 주변 온도 부근까지 가열될 수 있으며, 천연 가스 파이프라인으로 운송될 수 있다. 예를 들면, 이는 냉각수의 스트림을 약 0℃ 내지 약 10℃와 같은 원하는 온도까지 냉각함에 의해 구현될 수 있다. 이러한 냉각수는 이후에 공기 압축기 전력 소모를 감소시키기 위하여 극저온 산소 장치로의 운송 전에 압축되는 공기를 냉각하도록 밀폐 사이클에 사용될 수 있다. 더욱이, 상기 액화된 CO2 스트림은 CO2 동결 온도의 약 10℃ 이내의 온도까지 냉각될 수 있고, 이는 액체 CO2 밀도를 최대화하면서 액화된 CO2 펌프 전력을 최소화하는 데 유용할 수 있다. 유리하게는, 상기 CO2 액화 열 교환기를 떠나는 가열된 천연 가스의 일부는 재순환될 수 있고, 상기 CO2 동결 온도 이상의 약 10℃ 이내의 온도에서 천연 가스 유체(natural gas fluid)를 제공하도록 메인 액화 천연 가스 펌프들을 떠나는 차가운 고압의 액화된 천연 가스와 혼합될 수 있다. 이러한 혼합된 천연 가스 유체는 상기 CO2 액화 열 교환기에서 냉매(cooling medium)로 사용될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 병렬 천연 가스 직화식 액화 천연 가스 가열기(parallel natural gas fired LNG heater)가 필수적인 동작 온도에서 상기 전력 생산 시스템이 정지하는 경우에 상기 메인 전력 생산 시스템에서 상기 액화 천연 가스 가열기로 즉각적인 전환을 가능하게 하는 조절을 구비하는 비상 시스템으로서 제공될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 요구되는 파이프라인 압력에서 적어도 하나의 추가적인 일차 액화 천연 가스 방출이 제공될 수 있으므로, 상기 전력 생산 시스템에 공급하는 동작하는 액화 천연 가스 펌프가 정지할 경우, 상기 제2 펌프가 동작할 수 있고 상기 액화 천연 가스 공급 요건들을 맡을 수 있다. 또한, 상기 요구되는 고압에서 제2 액화 천연 가스 펌프 방출이 제공될 수 있고, 상기 전력 생산 시스템 내에서 상기 연소기를 위한 연료로서의 사용을 위한 제2 천연 가스 유체를 제공하도록 사용될 수 있다. 이러한 스트림으로부터의 냉각은 상기 제1 액화 천연 가스 순환에 병력적인 순환에서 상기 CO2 액화 열 교환기 내에서 이를 가열함에 의해 회복될 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 본 발명은 전력을 생산하는 방법들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전력을 생산하는 방법은 CO2 재순환 스트림을 생성하고 복합 연소 생성물 스트림을 생성하기 위해 산소와 CO2의 존재에서 연소기 내에서 탄소질 연료를 연소시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 전력을 생산하고 초임계의 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하기 위해 상기 복합 연소 생성물 스트림을 터빈에 통과시키는 단계, 상기 초임계의 CO2를 기체 CO2를 포함하는 스트림으로 전환하도록 제1 열 교환기를 통해 상기 초임계의 CO2를 포함하는 상기 터빈 배출 스트림을 통과시키는 단계, 그리고 액체 CO2 스트림을 형성하도록 제2 열 교환기를 통하여 상기 기체 CO2 스트림을 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 열 교환기를 통하여 상기 기체 CO2 스트림을 통과시키는 단계는, 상기 제2 열 교환기를 통하여 액화 천연 가스 스트림을 통과시키는 단계와 기체 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 초임계의 CO2를 포함하는 재순환 스트림을 형성하도록 상기 액체 CO2 스트림을 가압하는 단계와 상기 재순환 CO2 스트림을 상기 연소기로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 원하는 경우, 상기 액화된 천연 가스의 부분(fraction)은 상기 연소기를 위한 연료로 사용될 수 있고, 천연 가스 생성물 스트림은 천연 가스 분배 파이프라인에의 유입을 위하여 적합한 온도들 및 압력들로 제공될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 전력을 생산하는 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다: CO2재순환 스트림을 형성하고, 복합 연소 생성물 스트림을 생성하도록 산소와 CO2의 존재에서 연소기 내에서 탄소질 연료를 연소하는 단계; 전력을 생산하고 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 터빈을 통하여 상기 복합 연소 생성물 스트림을 통과시키는 단계; 상기 터빈 배출 스트림으로부터 상기 CO2 재순환 스트림으로 열을 전달하고, 냉각 터빈 배출 스트림을 형성하기 위하여 제1 열 교환기를 통하여 CO2를 포함하는 상기 터빈 배출 스트림을 통과시키는 단계; 상기 CO2를 냉각하고 액화시키며, 액화된 CO2 스트림 및 기체의 천연 가스 스트림을 형성하도록 상기 액화 천연 가스를 가열하고 기화시키기 위하여 제2 열 교환기를 통하여 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터의 CO2와 액화된 천연 가스 스트림을 통과시키는 단계; 상기 CO2 재순환 스트림을 형성하도록 상기 액화된 CO2 스트림을 가압하는 단계; 그리고 상기 연소기로 상기 재순환 CO2 스트림을 통과시키는 단계. 상기 제1 열 교환기는 연소 생성물 열 교환기로 특징지어질 수 있고, 상기 제2 열 교환기는 CO2 액화기 열 교환기로 특징지어질 수 있다.
상기 연소기는 요구되는 온도 및 압력에서 연소를 위해 적합한 임의의 연소기가 될 수 있다. 상기 연소기로 통과되는 CO2 재순환 스트림은 약 150bar(15MPa) 또는 그 이상, 약 200bar(20MPa) 또는 그 이상, 약 250bar(25MPa) 또는 그 이상, 혹은 약 300bar(30MPa) 또는 그 이상의 압력에서 제공될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력은 약 150bar(15MPa) 내지 약 400bar(40MPa), 약 200bar(20MPa) 내지 약 380bar(38MPa), 또는 약 250bar(25MPa) 내지 약 350bar(35MPa)가 될 수 있다. 상기 연소기 내의 연소는, 예를 들어, 약 500℃ 또는 그 이상, 약 600℃ 또는 그 이상, 혹은 약 700℃ 또는 그 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 연소는 약 500℃ 내지 약 1600℃, 약 550℃ 내지 약 1200℃, 또는 약 600℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 수행될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 여기에 기술한 바와는 달리, 심지어 다른 온도 범위들이 이용될 수 있다.
상기 전력 생산 방법은 상기 터빈에 걸치는 압력 비율에 의해 특징지어질 수 있다. 구체적으로, CO2를 포함하는 상기 터빈 배출 스트림(상기 터빈을 나오는)의 상기 압력에 대한 상기 복합 연소 생성물 스트림(상기 터빈에 투입되는)의 상기 압력의 비율은 약 12 또는 그 이하, 약 10 또는 그 이하, 약 8 또는 그 이하일 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력 비율은 약 4 내지 약 12, 약 5 내지 약 10, 또는 약 6 내지 약 10이 될 수 있다.
복합 연소 생성물 스트림이 직접적으로 통과하는 상기 연소 생성물 열 교환기는 다단계(multi-stage) 열 교환기 또는 혹은 일련의 둘 또는 그 이상, 바람직하게는 3개 이상의 직렬 열 교환기들일 수 있다. 그러한 직렬연결에 있어서, 상기 제1 직렬 열 교환기(열 단부(hot end)로부터 냉 단부(cool end)까지 통과하는)는 높고 넓은 온도 범위에 걸쳐-예를 들어, 상기 터빈 유출 온도로부터 약 150℃ 내지 약 200℃의 범위까지 열을 전달할 수 있다. 상기 제2 직렬 열 교환기는 중간의 보다 좁은 온도 범위에 걸쳐-예를 들어, 상기 제1 직렬 열 교환기의 출구 온도로부터 약 80℃ 내지 약 140℃의 범위까지 열을 전달할 수 있다. 제3 직렬 열 교환기는 낮은 온도 범위에 걸쳐-예를 들어, 약 20℃ 내지 약 75℃의 범위에서 열을 전달할 수 있다. 마찬가지로 이러한 범위들은 상기 직렬연결에서 각 열 교환기의 상기 냉 단부로부터 상기 열 단부까지 통과되는 유체들에 적용될 수 있다. 이러한 직렬연결은 상기 직렬 열 교환기들의 상기 냉 단부로부터 상기 열 교환기들의 상기 열 단부까지 통과하는 상기 CO2 재순환 스트림의 추가된 가열이 정의된 지점에 유입될 수 있다는 점에서 유리할 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 직렬 열 교환기를 나오고 상기 제2 직렬 열 교환기로 들어가는 상기 스트림은 분리될 수 있고, 일부분은 상기 제2 직렬 열 교환기로 들어갈 수 있으며 다른 부분은 공기 분리 장치로부터 포집되는 압축열(heat of compression)과 같은 외부 소스(external source)로부터 가열될 수 있다. 보다 더 가열된 부분은 상기 제2 직렬 열 교환기를 나오고 상기 제1 직렬 열 교환기를 들어가는 상기 스트림과 합쳐질 수 있다. 이러한 추가된 열은 상기 CO2 재순환 스트림의 온도를 상기 터빈 배출 스트림의 온도에 대한 바람직한 임계값 이내로 가져오는 데 유리할 수 있다. 구체적으로는, 상기 CO2 재순환 스트림은 상기 터빈 배출 스트림의 온도의 50℃ 또는 그 이하, 40℃ 또는 그 이하, 혹은 30℃ 또는 그 이하 이내로 가열될 수 있다.
상기 전력을 생산하는 방법은 상기 연소 사이클과 병행하여 처리되는 상기 액화 천연 가스의 특성에 의해 더 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 저장된 액화 천연 가스는 흔히 약 10bar(1MPa) 이하, 약 5bar(0.5MPa) 이하, 또는 약 1bar(0.1MPa) 이하의 압력에 있을 수 있다. 따라서, 상기 제2 열 교환기 내로 통과되는 상기 액화 천연 가스가 증가된 압력에서 제공될 수 있는 점이 유리할 수 있다. 구체적으로는, 상기 액화 천연 가스는 약 30bar(3MPa) 또는 그 이상, 약 40bar(4MPa) 또는 그 이상, 약 50bar(5MPa) 또는 그 이상, 혹은 약 60bar(6MPa) 또는 그 이상의 압력까지 펌프될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 액화 천연 가스는 약 50bar(5MPa) 내지 약 90bar(9MPa), 약 55bar(5.5MPa) 내지 약 85bar(8.5MPa) 또는 약 60bar(6MPa) 내지 약 80bar(8MPa)의 압력까지 펌프될 수 있다.
액화 천연 가스는 또한 여기서 논의된 동작 압력과 CO2의 어는점 이하의 온도에서 저장될 수 있다. 이에 따라, 상기 CO2 스트림으로부터 열을 제거하고 상기 CO2 스트림을 액화하는 상기 제2 열 교환기를 통하여 상기 액화 천연 가스를 통과시키기 전에 상기 천연 가스의 온도를 증가하는 것이 유용할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 이는 상기 제2 열 교환기(상기 CO2 액화기 열 교환기) 내에 형성되는(그리고 나가는) 상기 가열된 기체 천연 가스 스트림의 일부의 활용을 통하여 구현될 수 있다. 구체적으로는, 상기 제2 열 교환기에 의해 형성되는 상기 기체 천연 가스 부분은 회수될 수 있고, 바람직하게는 상기 제2 열 교환기 내로 상기 액화 천연 가스 스트림의 통과 직전에 상기 제2 열 교환기 내로 통과되는 상기 액화 천연 가스 스트림에 투입될 수 있다. 상기 액화 천연 가스 스트림에 유입되는 상기 기체 천연 가스 스트림의 부분은 상기 액화 천연 가스 스트림의 상기 온도를 상기 CO2 응고 온도 이상의 온도까지 상승시키는데 충분한 양이 될 수 있다. 바람직하게는, 이는 상기 액화 천연 가스 스트림의 상기 온도도 상기 CO2 응고 온도의 약 25℃ 이내, 약 20℃ 이내, 약 15℃ 이내, 또는 약 10℃ 이내의 온도까지 상승시키는 데 충분하다.
상기 제2 열 교환기 내에 열 교환은 또한 상기 CO2 스트림이 냉각되는 온도와 관련하여 특징지어질 수 있다. 구체적으로는, 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터의 상기 CO2는 상기 제2 열 교환기에서 상기 CO2 응고 온도 이상이고, 상기 CO2 응고 온도의 약 40℃ 이내, 약 30℃ 이내, 또는 약 20℃ 이내인 온도까지 냉각될 수 있다(과냉각되는(sub-cooled) 것으로 언급될 수 있다).
상기 액화된 CO2 스트림은 유리하게는 상기 CO2 재순환 스트림으로서 상기 연소기에 대한 주입을 위하여 적절한 압력까지 가압될 수 있다. 구체적으로는, 상기 CO2 재순환 스트림을 가압하는 단계는 상기 CO2 재순환 스트림을 액체 펌프에 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 전력을 생산하는 터빈 및 상기 액체 펌프는 상기 전력을 생산하는 터빈이 상기 액체 펌프를 구동하는 데 사용될 수 있는 축 동력(shaft power)을 생성하도록 배열될 수 있다. 상기 액체 펌프를 떠나는 액화되고 가압된 CO2 스트림은 가열될 수 있다. 특히, 상기 가열은 상기 제2 열 교환기를 통해 상기 가압된 CO2 재순환 스트림을 다시 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 CO2 재순환 스트림은 약 -20℃ 또는 그 이상, 약 -10℃ 또는 그 이상, 약 0℃ 또는 그 이상, 혹은 약 10℃ 또는 그 이상의 온도까지 가열될 수 있다.
상기 제1 및 제2 열 교환기들 이외에도, 하나 또는 그 이상의 다른 열 교환기들이 상기 전력 생산 시스템의 하나 또는 그 이상의 구성 요소들 내의 열 교환 포텐셜(potential)을 보존하는 데 활용될 수 있다. 이러한 열 교환 포텐셜은 본 발명에서 개시되는 방법들에서 다양한 스트림들에 적용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 연소기에 사용되는 상기 탄소질 연료는 상기 액화 천연 가스 스트림으로부터 유래되는 천연 가스를 포함할 수 있다. 상기 방법의 다른 실시예들은 석탄, 바이오매스(biomass) 및 이와 유사한 것들을 포함하는 추가적이거나 다른 탄소질 연료들을 활용할 수 있다. 상기 연소기에 천연 가스 스트림을 제공하기 위하여, 상기 방법들은 이미 전술한 압력까지와 같이 그 압력을 증가시키도록 제1 펌프 및 제2 펌프를 통해 상기 액화 천연 가스를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 펌프를 나오는 상기 액화 천연 가스는 이후에 약 100℃ 또는 그 이상, 약 150℃ 또는 그 이상, 약 200℃ 또는 그 이상, 혹은 약 250℃ 또는 그 이상과 같은 온도까지 가열될 수 있다. 이러한 가열은 기체 천연 가스 스트림을 형성하기 위하여 상기 제2 열 교환기를 통해 상기 액화 천연 가스를 통과시킴에 의해 구현될 수 있다. 원하는 경우, 상기 기체 천연 가스 스트림은 다른 열 교환 수단들에 의해 더 가열될 수 있다.
예를 들면, 상기 기체 천연 가스 스트림의 가열은 공기 분리 장치, 구체적으로는 극저온 공기 분리 장치로부터의 압축열을 활용하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 공기 분리 장치는 상기 공기 분리 장치 내에서 형성되는 산소가 상기 전력 생산 방법에서 상기 연소기로 직접 투입될 수 있도록 상기 전력 생산 시스템 내 통합될 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 상기 전력을 생산하는 방법은 상기 제1 열 교환기의 통과 후 및 상기 제2 열 교환기의 통과 이전에 제3 열 교환기를 통해 상기 냉각 터빈 배출 스트림을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제3 열 교환기는 저온의 열 교환기일 수 있고, 상기 제3 열 교환기를 통한 이러한 통과는 상기 터빈 배출 스트림의 즉각적인 냉각을 제공하는 데 효과적일 수 있다. 상기 제1 열 교환기를 통한 상기 터빈 배출 스트림의 통과는 상대적으로 높은 온도 범위를 통해-예를 들어, 약 600℃ 내지 약 800℃(또는 여기에 논의된 연소 온도 부근의 다른 온도)의 범위 내의 온도로부터 약 50℃ 내지 약 20℃의 범위 내에 있는 온도까지 상기 터빈 배출 스트림을 상당히 냉각시킨다. 이에 따라 냉각된 터빈 배출 스트림은 이후에 상기 제3 열 교환기 내에서 중간 냉각-예를 들어, 약 -10℃ 내지 약 15℃, 약 -5℃ 내지 약 12℃, 또는 약 0℃ 내지 약 10℃의 온도까지 상기 터빈 배출 스트림을 더 냉각하게 된다. 이러한 중간 냉각은 상기 터빈 배출 스트림으로부터의 상기 CO2의 과냉각 및 액화를 제공하는 상기 제2 열 교환기를 통한 상기 터빈 배출 스트림의 통과 전에 수행될 수 있다. 상기 제3 열 교환기 내에서, 상기 터빈 배출 스트림은 상기 제2 열 교환기를 나오는 상기 기체 천연 가스 스트림의 일부에 대하여 냉각될 수 있다.
상기 제3 열 교환기를 통한 통과 후 및 상기 제2 열 교환기를 통한 통과 전에, 상기 냉각된 터빈 배출 스트림은 액상수 분리기(liquid water separator) 및 건조제 건조기(desiccant drier) 중에서 하나 또는 모두를 통과할 수 있다. 상기 터빈 배출 스트림으로부터 물이 제거됨과 함께, 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터의 CO2의 정제된 스트림은 건조된 CO2 스트림으로서 제공될 수 있다. 원하는 경우(및 사용된 상기 연소 연료에 따라), 하나 또는 그 이상의 다른 분리기들(separators) 및/또는 필터들(filters)이 상기 터빈 배출 스트림으로부터 다른 오염물들을 제거하도록 포함될 수 있다. 바람직하게는, 상기 터빈 배출 스트림으로부터의 상기 CO2 스트림은 약 95% 또는 그 이상, 약 97% 또는 그 이상, 혹은 약 99% 또는 그 이상의 CO2 순도를 갖는 상기 제2 열 교환기로 유입될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 건조된 CO2 스트림은 약 -30℃또는 그 이하, 약 -40℃ 또는 그 이하, 약 -50℃ 또는 그 이하, 혹은 약 -60℃ 또는 그 이하의 이슬점까지 건조될 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 상기 연소기를 통과하는 상기 재순환 CO2 스트림의 일부는 상기 공기 분리 장치로부터 압축열을 활용하여 가열될 수 있다. 열은 특히 약 100℃ 내지 약 400℃의 온도 범위에 걸쳐 열은 상기 재순환 CO2 스트림으로 전달될 수 있다.
상기 연소기를 통과하는 상기 재순환 CO2 스트림은 특히 제1 부분 및 제2 부분으로 분리될 수 있다. 상기 연소기를 통과하는 상기 재순환 CO2 스트림의 상기 제1 부분은 상기 연소기에 직접 유입될 수 있다. 상기 연소기를 통과하는 상기 재순환 CO2 스트림의 상기 제2 부분은 상기 연소기에 유입되는 산화제(oxidant) 스트림을 형성하도록 산소와 결합될 수 있고, 상기 산화제 스트림은 다양한 비율로 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 산화제 스트림은 몰 기준으로 약 20% 내지 약 40%의 산소 및 약 60% 내지 약 80%의 CO2를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 산화제 스트림은 몰 기준으로 약 25% 내지 약 35%의 산소 및 약 65% 내지 약 75%의 CO2를 포함할 수 있다.
본 발명의 전력 생산 방법들은 특히 상기 전력 생산의 전체 효율과 관련하여 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 상기 전력 생산은 적어도 60%의 저위 발열량(lower heating value) 상의 전체 효율로 구현될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 효율은 적어도 65%가 될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 다양한 전력을 생산하는 시스템들을 제공할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 전력을 생산하는 시스템은 다음을 포함할 수 있다: 복합 연소 생성물 스트림을 생산하도록 산소 및 CO2 재순환 스트림의 존재에서 탄소질 연료를 연소시키는 연소기; 상기 연소기와 유체 연통되고, 상기 복합 연소 생성물 스트림을 수용하며, CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 내보내는 전력을 생산하는 터빈; 상기 전력을 생산하는 터빈 및 상기 연소기와 유체 연통되고, CO2를 포함하는 냉각된 터빈 배출 스트림을 제공하도록 CO2를 포함하는 상기 터빈 배출 스트림으로부터 상기 CO2 재순환 스트림으로 열을 전달하는 제1 열 교환기; 상기 제1 열 교환기와 유체 연통되고 상기 터빈 배출 스트림 내의 CO2를 액화시키는 제2 열 교환기; 상기 연소기로 재순환을 위해 적합한 압력까지 상기 액화된 CO2를 가압하는 재순환 압축기; 그리고 상기 제2 열 교환기와 유체 연통되는 액화 천연 가스의 소스(source). 다른 실시예들에 있어서, 상기 시스템은 상기 제1 열 교환기와 상기 제2 열 교환기 사이에 위치하며, 유체 연통되는 제3 열 교환기를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 열 교환기는, 상기 제1 열 교환기 상의 유출구와 유체 연통되는 유입구, 상기 제2 열 교환기 상의 유출구와 유체 연통되는 유입구, 그리고 상기 제2 열 교환기 상의 유입구와 유체 연통되는 유출구를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 시스템은 또한 상기 제3 열 교환기 상의 상기 유출구와 상기 제2 열 교환기 상의 상기 유입구 사이에 위치하는 하나 또는 그 이상의 수분 제거 장치들(water removal devices)을 포함할 수 있다.
본 발명에서 개시되는 전력을 생산하는 시스템은 상기 전력을 생산하는 터빈이 액체 펌프를 위한 축 동력을 제공하도록 구성될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 액체 펌프는 상기 액화 천연 가스 소스 및 상기 제2 열 교환기 사이에 위치할 수 있고, 유체 연통될 수 있다.
본 발명에서 개시되는 전력을 생산하는 시스템은 또한 공기 분리 장치를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 공기 분리 장치는 단열 메인(adiabatic main) 압축기 및 부스터(booster) 압축기를 포함하는 극저온 공기 분리 장치일 수 있다. 상기 단열 메인 압축기는 두 단열 단계들을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 전력을 생산하는 시스템은 연소기를 포함할 수 있고, 절감형 열 교환기 내의 상기 재순환 스트림을 가열하는 상기 터빈 배출과 요구되는 재순환 압력까지 상기 절감형 열 교환기를 떠나는 상기 냉각된 터빈 배출을 압축시키는 압축기를 갖는 전력을 생산하는 터빈 내에서 팽창되는 복합 스트림을 생성하도록 상기 연소기 내에서 산소와 함께 탄소질 또는 탄화수소 연료가 연소되며, CO2를 포함하는 가열된 재순환 스트림과 혼합된다. 이러한 시스템은 특히 다음의 하나 또는 그 이상에 의해 특징지어질 수 있다.
● 상기 재순환 압축기는 액체 펌프일 수 있다.
● 상기 절감형 열 교환기를 떠나는 상기 터빈 배출 흐름은 상기 재순환 액체 펌프로 들어가기 전에 열 교환기 내에서 액화될 수 있다.
● 상기 열 교환기 내에서 상기 터빈 배출 스트림으로부터 제거된 열은 상기 냉각된 CO2 액화 온도에 근접하는 온도에 의해 정의되는 온도까지 가열될 수 있는 액화 천연 가스 스트림으로 전달될 수 있다.
● 상기 액화 천연 가스 스트림은 운송 파이프라인 내로 가열된 고압의 천연 가스의 운송과 일정한 압력에서 고압의 액화 천연 가스 펌프의 방출로부터 얻어질 수 있다.
● 상기 CO2 액화 열 교환기의 열 단부를 떠나는 상기 가열된 천연 가스의 일부는 10℃ 이내이고, 상기 CO2 응고 온도 이상의 온도에서 천연 가스의 스트림을 생성하도록 상기 액화 천연 가스 펌프로부터의 상기 가압된 액화 천연 가스 스트림과 혼합되고 재순환될 수 있으며, 상기 CO2 액화 열 교환기 내의 상기 CO2 스트림을 액화시키는 데 사용될 수 있다.
● 상기 액화 CO2 스트림은 상기 CO2 응고 온도의 20℃ 이내의 온도까지 과냉각될 수 있다.
● 상기 액체 CO2 펌프를 떠나는 상기 가압된 재순환 액체 CO2 스트림은 0℃ 이상의 온도까지 상기 CO2 액화 열 교환기 내에서 가열될 수 있다.
● 상기 전력 시스템 연소기를 위한 상기 천연 가스 연료는 고압의 액화 천연 가스 펌프의 방출로부터 얻어질 수 있고, 제2 액화 천연 가스 펌프 내의 연소를 위해 요구되는 압력까지 압축될 수 있다.
● 상기 건조된 전력 시스템 터빈의 적어도 일부에서의 냉각, 액화 및 과냉각으로부터의 열 뿐만 아니라 상기 연소기를 위한 산소를 공급하는 상기 극저온 산소 장치에 대한 공기 공급의 적어도 일부의 압축열을 이용하여 상기 전력 시스템 연소기를 위한 상기 압축된 액체 연료 가스가 200℃ 이상의 온도까지 가열될 수 있다.
● 상기 절감 열 교환기의 냉 단부를 떠나는 상기 냉각된 터빈 배출 스트림은 상기 CO2 액화 열 교환기의 열 단부를 떠나는 상기 천연 가스 스트림의 일부에 의하여 열 교환기 내에서 0℃ 내지 10℃까지 더 냉각될 수 있다.
● 0℃ 내지 10℃ 사이의 온도에서 상기 냉각된 터빈 배출 스트림은 액상수 분리기 및 건조제 건조기의 조합에 의해 -50℃ 미만의 이슬점까지 건조될 수 있다.
● 제어 시스템은 상기 천연 가스 파이프라인 압력 내의 2% 이상의 변동을 유발하지 않고 상기 통합된 액화 천연 가스 및 전력 생산 시스템에 공급으로부터 개별적으로 가열되는 액화 천연 가스 히터로 가압된 액화 천연 가스 흐름의 신속한 전환을 가능하게 할 수 있다.
● 상기 제1 펌프가 상기 전력 시스템에 있어서 상기 터빈 유입구 압력 내의 5% 이상의 감소를 유발하지 않고 가압된 액화 천연 가스를 공급하는데 실패할 경우에는 하나의 공급 펌프로부터 다른 것으로 상기 전력을 생산하는 시스템에 가압 액화 천연 가스의 신속한 전환을 가능하게 할 수 있다.
● 상기 공기 분리 장치에 공급되는 바와 같이 사용되는 압축된 공기는 100℃ 내지 400℃ 범위의 온도 이상에서 상기 전력을 생산하는 시스템으로부터 상기 고압의 재순환 CO2 스트림의 일부에 압축열을 전달할 수 있다.
● 상기 공기 분리 장치에 공급되는 바와 같이 사용되는 압축된 공기는 상기 생성물 산소 스트림에 압축열을 전달할 수 있으며, 이는 300℃까지의 온도까지 가열된다.
● 상기 공기 분리 장치에 공급되는 바와 같이 사용되는 압축된 공기는 상기 고압의 전력 시스템 연료 가스 스트림에 압축열을 전달할 수 있으며, 이는 300℃까지의 온도까지 가열된다.
● 밀폐 사이클 냉각 유체는 상기 공기 분리 장치에의 상기 공기 공급의 적어도 일부를 냉각하도록 다른 열 교환기 내에 사용될 수 있고, 상기 유체를 냉각하도록 전달되는 상기 열의 적어도 일부는 상기 CO2 액화 열 교환기의 상기 열 단부(warm end)를 떠나는 상기 고압의 재순환 CO2의 적어도 일부를 가열하는데 사용될 수 있다.
● 밀폐 사이클 냉각 유체는 상기 공기 분리 장치에의 상기 공기 공급의 적어도 일부를 냉각하도록 다른 열 교환기 내에 사용될 수 있고, 상기 유체를 냉각하도록 전달되는 상기 열의 적어도 일부는 상기 전력 시스템을 위한 상기 고압의 연료 가스의 적어도 일부를 가열하는 데 사용된다.
본 발명의 상기 시스템들 및 상기 방법들은 우수한 효율이 탄소 포집과 같이 동시에 성취될 수 있다는 점에서 더 유리하다. 이와 같이, 상기 개시된 시스템들 및 방법들은 탄소 포집 및 저장(carbon capture and storage: CCS)과 함께 전력 생산을 위한 요구를 충족한다. 종래의 전력 생산 시스템들과 함께 탄소 포집 및 저장(CCS)을 구현하는 것은 어려우며 및/또는 비용 효율이 높지 않은 것으로 증명된 것에 반해, 밀폐 사이클 연소를 이용한 본 발명에 개시된 방법들은 고효율을 구현할 수 있고 탄소 포집 및 저장을 위한 요구들을 충족할 수 있으며, 모두 비용 효율이 높은 방법으로 구현될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 액화 천연 가스 운송 시스템 및 방법과 CO2 운송 시스템 및 방법의 통합을 통하는 것과 같이 액화 천연 가스를 운송하고 생산하는 효율에 있어서의 개선을 제공한다. 액화 천연 가스 운송 방법들과 CO2 운동의 통합은 운송 효율, 액화 천연 가스 생산 효율, 운송 에너지 소비, 그리고 운송 CO2 배출에 있어서의 종합적인 개선으로 이어질 수 있다. 특히, 천연 가스 생산 지역으로부터 천연 가스 분배 지역으로 액화 천연 가스를 해상 운송(shipping) 또는 이와는 달리 운송(transporting)하기 위해 사용되는 상기 설비는 또한 CO2 생산 지역으로부터 CO2 소비 지역으로 CO2를 해상 운송 또는 이와는 달리 운송하기 위하여 사용될 수 있다. 재충전을 위하여 천연 가스 생산 지역으로 액화 천연 가스 컨테이너들은 다시 비워져 운송되는 반면, 앞에 예시적으로 기술한 전력 생산 시스템 및 방법에서 생성된 CO2는 상기 액화 천연 가스 컨테이너들 내에 충전될 수 있고, 상기 CO2가 증진 석유 또는 천연 가스 생산과 같은 다양한 방법들을 위해 사용되거나 단순히 격리될 수 있는 곳인 상기 천연 가스 생산 지역으로 다시 운송될 수 있다. 이에 따라, 상기 통합된 전력 생산 시스템 및 액화 천연 가스 기화 시스템과 관련되는 효율들에서의 이득들에 추가적으로, 천연 가스 소비 지역들/CO2 생산 지역들로부터 천연 가스 생산/CO2 소비 지역들로 CO2 운송의 결합은 통상의 기술자가 인식할 수 있으며, 유용한 경제적 이익들을 제공할 수 있는 추가적인 효율들 및 경제성들을 더한다.
도 1은 본 발명의 특정 실시예들에 따른 액화 천연 가스(LNG) 기화 시스템의 일부와 통합되는 전력을 생산하는 시스템의 일부를 나타내며, 열 전달에 따라 CO2 스트림이 액화되고, 액화 천연 가스가 천연 가스(NG) 스트림을 형성하도록 기화되는 것을 예시한다.
도 2는 파이프라인에 투입을 위한 천연 가스를 형성하도록 액화 천연 가스를 기화시키기 위한 알려진 시스템 및 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 전력을 생산하는 시스템 및 방법이 액화 천연 가스 기화 시스템 및 방법과 통합되는 본 발명의 특정 실시예들에 따른 시스템 및 방법을 예시하는 흐름도이다.
이하, 다양한 실시예들을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이들 실시예들은 본 발명이 완전하고 철저하게 이해되도록 본 발명의 개시 사항을 제공하려는 것이며, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전히 전달하려는 것이다. 실제로, 본 발명은 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 기재되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예들은 해당되는 법률적인 요구 사항들을 충족시키도록 제공되는 것이다. 본 명세서에서와 첨부된 특허 청구 범위에서 사용되는 바와 같이, "하나", "일", "상기" 등의 단수적인 표현들은 본문에서 명확하게 다르게 표시하지 않는 한 복수의 표현들도 포함한다.
이미 전술한 바와 같이, 미국 공개 특허 제2011/0179799호에는 이산화탄소(CO2) 사이클이 활용되는 전력 생산 시스템들 및 방법들이 기술되어 있다. 일부 실시예들에 있어서, CO2 순환 유체가 탄소질 연료(천연 가스(NG), 석탄, 합성 가스(syngas), 바이오매스(biomass) 등과 같은) 및 공기 또는 산소(O2)와 같은 산화제(oxidant)와 함께 고온 및 고압의 조건들을 위해 적합한 연소기 내에 제공될 수 있다. 이러한 시스템들 및 방법들은 고온들(예를 들어, 약 500℃ 또는 그 이상, 약 750℃ 또는 그 이상, 약 1,000℃ 또는 그 이상, 혹은 약 1,200℃ 또는 그 이상)에서 동작하는 연소기를 포함할 수 있고, 상기 순환 유체의 존재는 상기 연소기를 나오는 유체 스트림(fluid stream)의 온도를 완화시켜 상기 유체 스트림이 전력 생산을 위한 에너지 전달에 활용될 수 있게 한다. 높은 온도들과 압력들 및 높은 재순환 CO2 농도들을 갖는 상기 반응 공정의 본질은 우수한 공정 효율 및 반응 속도들을 위해 제공될 수 있다. 상기 연소 생성물 스트림은 전력을 발생시키는 적어도 하나의 터빈에 걸쳐 팽창될 수 있다. 상기 팽창된 기체 스트림은 상기 스트림으로부터 연소 부산물들 및/또는 불순물들을 제거하기 위해 냉각될 수 있고, 상기 팽창된 기체 스트림으로부터 회수되는 열은 상기 연소기에 다시 재순환되는 상기 CO2 순환 유체를 가열하는 데 사용될 수 있다.
냉각된 상태에서, 상기 연소 스트림은 연소를 위한 물질들을 갖고 상기 연소기를 다시 통하는 재순환을 위해 본질적으로 순수한 CO2 스트림을 제공하도록 물 및 다른 오염물들의 제거를 위해 처리될 수 있다. 상기 정제된 CO2 스트림은 통상적으로 기체 상태에 있으며, CO2가 초임계 상태(supercritical state)에 있도록 상기 스트림을 필수적인 조건들에 있게 하는 것이 유리하다. 예를 들면, 본질적으로 순수한 CO2(예를 들어, CO2의 적어도 95질량퍼센트(% by mass), 적어도 97질량퍼센트, 또는 적어도 99질량퍼센트)를 포함하도록 상기 연소 스트림이 전력 생산을 위하여 터빈을 통해 팽창되고, 냉각되며, 정제된 후에, 결과물인 재순환 CO2 스트림은, 예를 들어 약 80bar(8MPa)까지와 같이 압력이 증가되도록 압축될 수 있다. 이차 압축 단계는 대략적으로 상기 연소기 내의 압력―예를 들어, 약 200bar(20MPa), 약 250bar(25MPa), 또는 약 300bar(30MPa)까지 상기 압력을 증가시키도록 사용될 수 있다. 상기 압축 단계들 사이에서, 상기 스트림을 보다 높은 압력까지 펌프하는 데 요구되는 에너지 유입을 감소시키기 위하여 상기 스트림의 밀도를 증가시키도록 상기 CO2 스트림이 냉각될 수 있다. 최종적으로 가압된 재순환 CO2 스트림은 이후에 더 가열될 수 있고, 상기 연소기로 다시 유입될 수 있다. 비록 상술한 전력 생산 시스템 및 방법이 종래의 전력 생산 시스템들 및 방법들(그리고 동시에 생성된 탄소를 포집하는 것)에 비해 증가된 효율을 제공하지만, 상기 재순환 CO2 스트림을 처리하는 것은 앞서 논의된 필수적인 압축을 구현하도록 상당한 양의 에너지를 여전히 필요로 한다. 그러나, 압축을 위한 에너지 유입은 액화 천연 가스(LNG)를 위한 재기화 공정의 통합을 통하여 상당히 감소될 수 있다. 상기 액화 천연 가스 재기화 시스템으로부터 냉각 용량(cooling capacity)을 활용하는 것에 의해, 감소된 압력(예를 들어, 약 30bar)에서 상기 CO2를 액화하고, 이 후에 상기 스트림의 압력을 증가하는 것이 가능하다. 이에 따라, 본 발명의 시스템들 및 방법들은 상기 CO2 사이클 내에서의 압축을 위해 요구되는 에너지를 감소시키고, 또한 상기 액화 천연 가스의 기화를 위해 요구되는 에너지를 감소시키도록 상기 액화 천연 가스에 고유한 냉각을 활용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 있어서, 전력 생산 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 특징지어질 수 있다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이, 열 교환 관계(어두운 사각형)가 상기 재기화 시스템에서 상기 액화 천연 가스를 위한 열원(heat source)으로서 및 상기 전력 생산 시스템에서 상기 재순환 CO2 스트림의 냉각원(cooling source)으로서 활용되며, 이는 초기 압축을 위한 필요를 감소시키거나 심지어 소거할 수 있다. 도 1에 있어서, 액화 천연 가스 공급(supply)(210a)은 통상적인 온도-예를 들어, 약 -247℉(약 -155℃)에서 제공되며, 약 69bar(6.9MPa)의 압력까지 펌프된다. 상기 액화 천연 가스 공급(선택적으로는 다음에 논의되는 보충 공급과 교차되는)은 열 교환기(heat exchanger)(221)를 통과하며, 결과물인 천연 가스(NG) 스트림(257)은 약 15℉(-9.4℃)의 온도 및 실질적으로 변화되지 않은 압력에서 나온다. 상기 천연 가스 스트림은 생성물 천연 가스 스트림(258) 및 보충 천연 가스 스트림(239)으로 나눠질 수 있다. 상기 생성물 천연 가스 스트림은 파이프라인에 투입될 수 있거나, 그렇지 않으면 연료원(fuel source)으로 이송되거나 사용될 수 있다. 원하는 경우, 상기 보충 천연 가스 스트림은 상기 열 교환기의 상류(upstream)에 보내질 수 있으며, 상기 액화 천연 가스 공급의 보충 가열을 제공하도록 상기 액화 천연 가스 공급에 유입될 수 있다. 상기 가열된 액화 천연 가스 공급(210b)은 이후에 상기 열 교환기에 유입되는 상기 액화 천연 가스 스트림이 될 수 있다. 송풍기(blower)(240)가 상기 보충 천연 가스 스트림을 동작시키도록 활용될 수 있다.
냉각되고 정제된 터빈 배출 스트림(turbine exhaust stream)(255)은, 예를 들어 약 63℉(17.2℃) 및 30bar(3MPa)의 온도 및 압력이 될 수 있다. 상기 냉각되고 정제된 배출 스트림은 열 교환기(221)를 통과할 수 있고, 나오는 약 -65℉(-53℃)의 온도와 30bar(3MPa)에서의 과냉각된(sub-cooled) 재순환 CO2 스트림(222)은 펌프(205)를 통과할 수 있다. 나오는 고압의 재순환 CO2 스트림(223)은 약 -45℉(-42℃)의 온도 및 약 305bar(30.5MPa)의 압력에 있을 수 있다. 원하는 경우, 그 온도를-예를 들면 약 40℉(5℃)까지 증가시키도록 상기 고압의 재순환 CO2 스트림이 다시 상기 열 교환기(221)(또는 별도의 열 교환기)를 통과할 수 있다. 이러한 가열된 재순환 CO2 스트림은 이후에, 여기에 기술된 바와 같이, 상기 연소기 내로 다시 재순환을 위해 상기 전력을 생산하는 시스템을 통해 진행될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 종래의 액화 천연 가스 재기화 시스템의 하나 또는 그 이상의 요소들이, 여기에 기술하는 바와 같이, 전력 생산 시스템과 결합될 수 있다. 액화 천연 가스(예를 들어, 대기 압력 이상의 약 0.05bar 내지 약 0.1bar에서 탱크 내에 저장되는)를 파이프라인-준비(pipeline-ready) 천연 가스(예를 들어, 주변 온도 부근 및 약 70bar(7MPa)의 압력까지인)로 전환하기 위하여 사용되는 통상적인 시스템의 실시예가 도 2에 도시되어 있다.
일반적으로, 종래의 액화 천연 가스 재기화 시스템은 상기 액화 천연 가스를 높은 압력으로 펌프하는 다단계 원심 펌프(multistage centrifugal pump)를 활용하며, 이 후에 상기 액화 천연 가스는 천연 가스를 연소함에 의해 가열되고 수조 열 교환기(water bath heat exchanger) 내에서 기화된다. 도 2에 도시한 실시예에 있어서, 액화 천연 가스는 탱크(100)에 저장된다. 액화 천연 가스는 액화 천연 가스 공급 라인(119)을 따라 상기 탱크의 바닥을 나와 흐르고, 펌프(101) 내에서 약 70bar(7MPa)까지 가압된다. 상기 가압된 액화 천연 가스는 라인(118)을 따라 방출되고 수조 기화기(water bath vaporizer)(102)로 들어가며, 상기 수조 기화기는 공기 라인(109)을 통해 공급되는 공기 및 천연 가스 버너 연료 라인(burner fuel line)(113)을 통해 공급되는 천연 가스의 혼합물을 포함하는 가압된 연료 가스 스트림(117)에 의해 공급되는 버너(120)에 의해 약 50℃ 내지 약 90℃의 온도로 유지된다. 상기 버너(120)는 상기 수조 내에서 물의 표면 아래로 약 2미터까지 잠기는 유출구 튜브(outlet tube)를 가져, 상기 연소 생성물들이 물을 통하여 떠오르고 혼합되어야 함에 따라 상기 물을 가열하게 된다. 이러한 장치는 상기 천연 가스의 연소에 의해 생성되는 많은 양의 물을 응축시키게 됨에 따라, 상기 가열 시스템의 효율을 증가시킨다. 상기 냉각된 연소 가스들은 통기 라인(vent line)(121)을 따라 대기로 통기된다. 상기 천연 가스 연료는 증발 스트림(112)으로서 액화 천연 가스 탱크 증발 스트림(boil-off stream))(110)으로부터 얻어지고, 이는 전기적으로 구동되는 증발 송풍기(boil-off blower)(105) 내에서 요구되는 가열기 압력까지 압축된다. 대기압 공기 라인(107)을 통해 연소를 위해 요구되는 공기는 필터(103)를 통하여 정제되고, 전기적으로 구동되는 버너 압력 송풍기(burner pressure blower)(104) 내에서 상기 가열기 압력까지 압축된다. 남은 액화 천연 가스 탱크 증발 스트림(110)은 증발 압축기 라인(boil-off compressor line)(111)을 통하여 흐르고, 압축된 증발 천연 가스 스트림(114)을 수득하도록 증발 압축기(106) 내에서 약 69bar(6.9MPa)까지 압축되며, 이는 약 15℃의 온도 및 약 69bar(6.9MPa)의 압력에서 전체 천연 가스 파이프라인 흐름의 스트림(115)을 생성하도록 상기 기화기(102)를 나오는 생성물 천연 가스 스트림(115)과 혼합된다.
미국 공개 특허 제2011/0179799호에 기재된 상기 시스템과 관련하여 여기서 언급한 바와 같은 전력 생산 시스템은 특히 상기 액화 천연 가스 재기화 시스템의 통합을 통해 개선될 수 있다. 이러한 통합된 전력 생산 시스템은 고압의 재순환 CO2 스트림과 저압의 터빈 배출 스트림 사이에서 절감형 열 교환기와 함께 동작하는 브레이턴 사이클 전력 시스템(Brayton cycle power system) 내에 작동 유체로서 CO2를 사용할 수 있다. 이러한 시스템에 있어서, 탄소질 연료의 연소는 약 150bar(15MPa) 내지 약 400bar(40MPa)의 압력에서 수행될 수 있고, 상기 연소 압력과 상기 터빈 배출 스트림의 압력 사이의 압력 비율은 약 5 내지 약 12 또는 약 5 내지 약 10의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 연료가 산소(바람직하게는 본질적으로 순수한 산소)의 존재에서 연소되는 상기 연소기는 상기 큰 재순환의 고압 작동 유체 흐름에 의해 급속 냉각될 수 있으며, 상기 터빈으로 들어가는 상기 스트림은 약 400℃ 내지 약 1,800℃, 약 600℃ 내지 약 1,700℃, 또는 약 800℃ 내지 약 1,600℃의 온도에서 상기 연소 생성물들 및 재순환 CO2의 혼합된 흐름이 될 수 있다. 이러한 시스템 및 방법은, 특히 약 100℃ 내지 약 400℃의 온도 범위 내에서 상기 고압의 재순환 CO2 스트림에 투입되는 상당한 양의 열로부터 야기되는 놀라운 효율을 제공할 수 있다. 이러한 외부 열은, 예를 들어, 극저온 산소 장치에 공급되는 단열적으로 압축된 공기의 열 함량(heat content)으로부터 제공될 수 있다. 상기 시스템은 이에 따라 파이프라인 압력-예를 들어, 약 200bar(20MPa) 내지 약 400bar(40MPa)에서 상기 연료로부터 유래되는 CO2 순 생산을 생성할 수 있다. 예시적인 실시예로서, 약 1,100℃ 내지 약 1,200℃의 터빈 유입구 온도를 갖는 연소 생성물 스트림을 생성하는 천연 가스 연료의 사용은 저위 발열량(lower heating value: LHV) 기준 상에서 약 55% 내지 약 60%의 범위 내의 순 효율(net efficiency)을 제공할 수 있다.
이는 심지어 본 발명에 따라 상기 액화 천연 가스 재기화 시스템과 통합을 통해 보다 증가될 수 있다. 전력 생산 시스템과 함께 액화 천연 가스 기화 및 천연 가스 파이프라인 운반 시스템의 통합이 다양한 전력을 생산하는 시스템들, 특히 상기 절감 열 교환기 내에서 이후에 재가열되는 작동 유체의 재순환을 가압하도록 압축기가 사용되는 절감형 열 교환기를 이용하는 브레이턴 사이클에 이들이 통합될 수 있는 점이 이해되어야 할 것이다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 작동 유체는, 예를 들어, CO2 또는 N2 리치 가스(rich gas)일 수 있다.
앞서 논의된 바와 같은 전력 생산 시스템을 이용하는 절감된 브레이턴 사이클은 약 300bar(30MPa) 및 약 1,150℃의 유입구 조건 및 약 30bar(3MPa)의 유출구 압력을 갖는 터빈을 포함하는 통상적인 장치를 위한 천연 가스 연료의 몰 흐름(molar flow)의 대략 30배의 압축을 요구할 수 있다. 이러한 경우에서 상기 압축기는 약 20℃의 물 응축 및 분리에 수반되는 흡입 온도를 가진다. 상기 재순환 CO2 스트림 및 상기 순 CO2 생성물 스트림을 305bar(30.5MPa)의 범위까지 압축하는 데 요구되는 전력은 전체 터빈 전력 출력의 약 14.8%이다. CO2 압축기 전력 요구량은 상기 CO2 스트림의 밀도를 최대화시킬 수 있기 때문에, 약 29bar(2.9MPa)의 압력에서 상기 CO2 스트림을 액화시키고 상기 액체 CO2를 그 응고 온도의 약 10℃ 이내로 냉각시킴에 의해 감소될 수 있다. 상기 가압 및 액화 후에, 상기 액체 CO2 스트림은 약 305bar(30.5MPa)의 압력까지 펌프될 수 있고, 상기 고압의 CO2는 주변 온도로 다시 가열될 수 있다. 이러한 과정은 상기 CO2 압축 전력을 상기 전체 터빈 전력 출력의 약 5.3%로 감소시킬 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 저위 발열량(LHV) 기준 상의 순 사이클 효율은 약 58.8%로부터 약 65.7%까지 증가될 수 있다.
상기 전력 생산 시스템 및 방법에서 이와 같이 증가된 효율을 구현하는 데 요구되는 냉각은 본 발명의 관점에서 유용한 것으로 인식될 수 있는 임의의 소스(source)로부터 유도될 수 있다. 도 2를 참조하면, 요구되는 냉각은 상기 펌프(101)를 나오는 상기 고압의 액화 천연 가스 스트림(118)의 가열로부터의 열 교환을 통해 상기 전력 생산 시스템 및 방법에 제공될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 전력 생산 시스템으로부터의 저압의 CO2 스트림은 건조될 수 있고, 상기 건조된 CO2 스트림은 이후에 상기 액화 천연 가스 스트림에 대하여 액화되고 과냉각될 수 있으며(예를 들어, 헤트릭 열 교환기(Heatric Heat Exchanger)와 같은 확산 접합된(diffusion bonded) 스테인리스 스틸 고압 열 교환기 내에서), 이는 결과적으로 가열을 받는다. 필요한 경우, 상기 CO2의 동결 및 상기 열 교환기 통과의 차단을 방지하기 위하여, 약 -20℃ 내지 약 0℃의 온도에서 상기 수조 기화기(102)를 나오는 상기 유출구 천연 가스 스트림(115)의 일부(fraction)는 재순환될 수 있고, 상기 CO2 스트림의 동결 온도 이상의 약 10℃ 내에 있는 천연 가스 스트림을 생성하도록 상기 차가운 압축된 액화 천연 가스 스트림(118)(약 -160℃의 온도에 있는)과 혼합될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같은 전력 생산 시스템 내의 연소기로 들어가는 천연 가스 연료 스트림은 바람직하게는 앞서 언급된 압력, 예를 들어 약 305bar(30.5MPa)에 있다. 원하는 경우, 상기 천연 가스는 상기 액화 천연 가스 공급으로부터 유도될 수 있고, 상기 연료 천연 가스 스트림은 상기 라인(118)으로부터 그 흐름을 취하는 제2 액화 천연 가스 펌프를 이용하여 제공될 수 있다. 상기 천연 가스 연료 스트림은 상기 CO2 스트림을 냉각하고, 액화시키며, 과냉각하는 것에 대해(예를 들면) 먼저 주변 온도까지 가열될 수 있다. 다음으로, 상기 천연 가스 연료 스트림은 밀폐 사이클 냉각수 흐름(closed cycle cooling water flow)을 냉각하도록 제2 열 교환기를 통하여 흐를 수 있고, 이는 산소 장치 공기 압축기 인터 및 애프터-냉각기들(inter and after-coolers) 내에 사용될 수 있다. 천연 가스 압축기보다는 이러한 극저온 액화 천연 가스 펌프의 사용은 전체 터빈 전력의 0.9%까지 효율을 보다 증가시킬 수 있다. 상기 CO2를 액화하고 과냉각하는 상기 천연 가스의 사용은 CO2 동결 온도, 즉 -56℃에서의 온도 핀치(temperature pinch) 때문에 약 -10℃의 가열된 천연 가스에 최대 온도를 부여할 수 있다. 상기 천연 가스는 약 15℃까지 가열될 수 있으며, 이는 액상수 분리 전에 상기 전력 생산 시스템 내의 상기 절감 열 교환기의 냉 단부(cold end)를 떠나는 상기 터빈 배출 스트림에 대한 냉각 스트림으로서 사용함에 의해 천연 가스 파이프라인으로 운송하기 위해 유용할 수 있다. 이는 기체상(gas phase)에 있는 잔류 물 함량(residual water content)을 감소시킬 수 있으며, 이는 결과적으로 상기 CO2 액화기 열 교환기(liquefier heat exchanger) 내의 수빙 침전(water ice deposition)을 방지하는 데 요구될 수 있는 건조제 건조기(desiccant drier)의 크기와 비용을 감소시킨다.
앞서 논의된 바와 같이 액화 천연 가스 기화 시스템과 전력 생산 시스템의 통합은 바람직하게는 파이프라인으로 흐르는 천연 가스뿐만 아니라 전력 생산 내에의 중단들을 방지하는 모든 필수적인 구성 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 액화 천연 가스 시스템은, 바람직하게는 상기 전력 생산 시스템이 정지될 경우에 통합된 전력 생산 시스템 내에 가열되던 액화 천연 가스 로드(load)를 처리하도록 신속한 전환을 제공하기 위해 동작 온도에서 또는 부근의 액화 천연 가스 가열기(102)를 갖는 도 2에서 기술한 바와 유사한 액화 천연 가스 가열 시스템을 포함하는 것이 유리할 수 있다. 이는 파이프라인 공급 압력의 임의의 상당한 변동을 방지할 수 있고, 이러한 압력을 요구되는 오차 내로 유지할 수 있다. 이와 유사하게, 상기 가압된 액화 천연 가스 흐름의 임의의 고장(예를 들어, 펌프(101)의 오작동과 같은)이 처리될 수 있다. 예를 들면, 펌프 오작동의 예에 있어서, 액화 천연 가스 흐름은 액화 천연 가스 수송 설비(send-out facility) 내에 존재할 수 있는 병렬 액화 천연 가스 펌프로 신속하게 전환될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 전환은 상기 전력 생산 시스템의 연속적인 동작이 가능하도록 약 5초 내지 약 10초 내에 수행될 수 있다.
액화 천연 가스 기화 및 가압된 천연 가스 공급 시스템과 통합되는 전력 생산 시스템(가압된 천연 가스 연료 공급을 사용하는)의 예시적인 실시예가 도 3에 도시된다. 도 3에서의 논의는 특정한 실시예와 관련되는 시스템 및 방법을 예시하며, 특정 값들과 범위들이 한정되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 발명의 관점에서 다음 사항들을 검토하는 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 전력 생산 시스템 및 상기 액화 천연 가스 기화 시스템의 특정한 동작 조건들에 기초하여 다양한 값들이 변화될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 이러한 범위들의 전반적인 범주는 본 발명에 포함되는 것으로 의도되며, 사실상 예시적이고 모든 개시 조건들을 만족시키도록 제공되는 것이다.
상기 전력 생산 시스템은 CO2가 풍부한 연소 생성물 스트림(6)을 형성하도록 재순환된 CO2 작동 유체의 존재에서 산소와 상기 천연 가스 연료를 연소시키는 연소기(1)를 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 연소 생성물 스트림은 약 300bar(30MPa)의 압력 및 약 1,150℃의 온도에 있다. 상기 연소 생성물은 액체 CO2 펌프(5)를 구동하는 데 사용되는 추가적인 축 동력(shaft power)과 함께 전기적 출력(4)을 생성하는 터빈 전기 발전기(3)를 구동시키는 전력 터빈(2)으로 들어간다. 약 788℃의 온도 및 약 30bar(3MPa)의 압력에서 터빈 방출 흐름 스트림(15)은 약 25℃의 온도에서 초기에 냉각된 터빈 방출 흐름 스트림(16)을 제공하도록 절감형 열 교환기(46) 내에서 냉각된다. 초기에 냉각된 터빈 방출 흐름 스트림(16)은 저온의 열 교환기(17) 내에서 더 냉각되고, 4℃의 온도에서 이차로 냉각 터빈 방출 스트림(51)으로서 나온다. 이는 CO2 액화기 열 교환기(21)를 떠나는 전체 천연 가스 스트림(57)의 일부인 냉각 천연 가스 스트림(56)에 대해 구현된다. 냉각 천연 가스 스트림(56)은 약 20℃의 온도에서 부분 생성물 천연 가스 스트림(71)을 제공하도록 저온의 열 교환기(17) 내에서 가열되며, 이러한 스트림은 상기 액화 천연 가스 설비(예를 들어, 약 -10℃ 또는 그 이상의 온도에서)를 떠나는 전체 생성물 파이프라인 천연 가스 스트림(30)과 결합된다. 상기 이차로 냉각된 터빈 방출 스트림(51)은 액상수 분리기(18) 내를 통과하고, 응축된 물 스트림(19)은 이에 따라 이차로 냉각된 터빈 방출 스트림(51)으로부터 제거된다. 분리된 CO2 가스 스트림(20)은 열적 재생 건조제 건조기(54) 내에서 약 -60℃의 이슬점까지 건조된다. 압력 순환 흡착(pressure swing adsorption: PSA) 유닛들과 같은 다른 물 제거 시스템들도 사용될 수 있다. 상기 건조된 CO2 가스 스트림(55)은 액화를 위해 냉각되고, 액체 CO2는 CO2 액화 열 교환기(21)(예를 들어, 스테인리스 스틸 확산 접합(diffusion bonded) 헤트릭(Heatric) 타입 열 교환기) 내에서 약 -50℃(예를 들어, 약 -56℃ 이상)까지 과냉각되며, 이는 전체 천연 가스 스트림(57)을 형성하도록 약 68.9bar(6.89MPa)의 압력에서 예열된 액화 천연 가스 생성물 스트림(44)을 약 -9.4℃의 온도까지 동시에 가열한다. 전체 천연 가스 스트림(57)으로부터 액화 천연 가스 가열 천연 가스 부분(39)이 나누어지며, 이는 전기적으로 구동되는 송풍기(40) 내에서 압축된다. 이에 따라 형성된 압축된 액화 천연 가스-가열 천연 가스 스트림(45)은, -56℃의 CO2 동결 온도를 이상의 온도(예를 들어, -55℃ 또는 그 이상)에서 CO2 액화기 열 교환기(21)로 들어가는 예열된 액화 천연 가스 생성물 스트림(44)을 형성하기 위해 압축된 액화 천연 가스의 주요 부분인 압축 액화 천연 가스 생성물 스트림(43)과 혼합된다. 건조 CO2 및 가열된 액화 천연 가스를 갖는 이러한 장치는 특히 CO2 액화기 열 교환기(21)를 차단하거나 손상을 입히는 CO2의 동결을 방지하는 데 유용할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 액화 천연 가스는 액화 천연 가스 탱크(33) 내에 약 0.08bar(0.8MPa)의 압력에서 저장된다. 상기 액화 천연 가스 탱크 방출 스트림(50)은 전기 모터(34)에 의해 구동되는 액화 천연 가스 펌프(25) 내에서 약 70bar(7MPa)의 압력까지 펌프된다. 상기 액화 천연 가스 탱크 방출 스트림(50)은 약 15℃의 온도에서 수조 가열된 천연 가스 스트림(31)을 제공하도록 수조 가열기(24)를 통과할 수 있다. 상기 수조는 물을 통과하고 수조관(28)(bath stack)을 통하여 배출되는 상기 연소 가스들과 함께 드래프트 관 버너(draught tube burner) 내의 공기 내에서 태워지는 수조 연료 가스 스트림(27)에 의해 가열된다. 압축된 액화 천연 가스 스트림(32)의 흐름은 원하는 바에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 제1 조절 밸브(29) 및 제2 조절 밸브(49)가 상기 액화 천연 가스의 경로를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이들은 상기 액화 천연 가스 설비 내의 다양한 다른 펌프들 및 수조 가열기들(도시되지 않음)과 결합하여 액화 천연 가스 펌프(25)가 정지될 경우에 상기 전력 생산 시스템에 대한 액화 천연 가스의 연속적인 공급과 상기 전력 생산 시스템이 정지될 경우에 파이프라인 조건들에 대한 모든 압축 액화된 천연 가스의 연속적인 가열을 보장하도록 상기 액화 천연 가스 스트림의 흐름 경로를 변경하는 데 사용될 수 있다. 이러한 안전 백업(back-up) 대비들은 여기에 더 기술된다.
본 실시예에 있어서, 상기 전력 생산 시스템의 연소기(1) 내에서 연료로 사용되는 천연 가스는 액화 천연 가스 연료 부분(41)으로서 압축된 액화 천연 가스 스트림으로부터 인출될 수 있고, 액화 천연 가스 연료 펌프(48)(예를 들어, 다중 실린더 왕복 전기 구동 펌프(multi-cylinder reciprocating electrically driven pump)) 내에서 약 306bar(30.6MPa)의 압력까지 펌프될 수 있다. 고압의 액화 천연 가스 연료 스트림(70)은 CO2 액화기 열 교환기(21) 내에서 약 -10℃까지 가열될 수 있고, 고압의 천연 가스 연료 스트림(62)으로서 나온다. 이러한 가열은 CO2를 냉각하고, 액화시키며, 과냉각하는 것에 대한 것이다. 상기 고압의 천연 가스 연료 스트림(62)은 이후에 밀폐 사이클 열 전달 유체를 이용하는 단열적으로 압축된 공기에 대하여 약 230℃의 온도까지 공기 분리 장치(47) 내에서 가열되며, 이는 상기 공기 분리 장치 내로의 인화성 가스의 누출을 방지하는 데 유리하다. 떠나는 가열된 고압의 천연 가스 스트림(11)은 이후에 연소기(1)로 진행된다. 상기 극저온 공기 분리 장치는 약 4bar(0.4MPa)의 방출 압력을 갖는 제1 단계 단열 메인 압축기 및 제1 단계의 압축된 공기의 약 3분의 1이 두 단열 단계들에서 약 100bar(10MPa)까지 압축되는 부스터 압축기를 포함할 수 있다. 단열 압축열의 대부분은 첫 번째로 먼저 절감형 열 교환기(46) 내에서 가열되는 고압의 CO2 재순환 스트림으로부터 얻어지는 고압의 재순환 CO2 사이드 스트림(side stream)(13)으로 전달된다. 상기 고압의 재순환 CO2 사이드 스트림은 약 110℃의 온도에서 얻어질 수 있고, 약 149℃의 온도에서 과열된(super-heated) 고압의 재순환 CO2 사이드 스트림(12)으로 돌아갈 수 있다. 상기 두 단열 단계들의 단열 압축열은 두 번째로 가열된 고압의 천연 가스 연료 스트림(63)을 형성하도록 고압의 천연 가스 연료 스트림(62)을 약 230℃의 온도까지 가열하는 데 사용될 수 있다. 압축열은 세 번째로 상기 공기 분리 장치로부터의 약 305bar(30.5MPa)의 압력에서 산소 생성물 스트림(11)을 약 230℃의 온도까지 가열하는 데 사용될 수 있다.
상기 CO2 액화기 열 교환기(21)의 냉 단부를 떠나는 것은 과냉각된 CO2 재순환 스트림(22)이다. 이러한 스트림은 터빈 전기 발전기(3)에 기어 박스를 통해 직접 연결될 수 있는 상기 액체 CO2 펌프(5) 내에서 약 306bar(30.6MPa)까지 압축된다. 선택적으로는, 상기 극저온 공기 분리 장치 내의 부스터 압축기(도시되지 않음)가 터빈 전기 발전기(3)에 직접 연결될 수 있다. 다른 선택적인 예로서는, 상기 공기 분리 장치 내의 메인 공기 압축기가 상기 터빈 전기 발전기에 직접 연결될 수 있다. 상기 터빈이 이러한 선택들 중의 하나로부터의 전력 수요를 직접적으로 부담하여, 전기 시설망(electricity grid)으로부터의 전기적 단선의 경우(예를 들어, 발전기 트립(generator trip)으로부터 발생되는), 시스템 압력들이 균등해질 때까지 고압의 터빈 공급 가스가 흐르게 되기 때문에 단선(break)으로서 발전기 상에 부하가 있는 것이 바람직하다.
약 -43℃의 온도에서 가압되고 과냉각된 CO2 재순환 스트림(23)은 이후에 약 5.5℃의 온도까지 상기 CO2 액화기 열 교환기(21) 내에서 가열된다. 상기 고압의 재순환 CO2 스트림(68)은 예열된 고압의 재순환 CO2 스트림(67)을 형성하도록 보충 CO2 열 교환기(66) 내에서 약 25℃의 온도로 가열된다. 약 40℃의 온도에서 가열된 밀폐 사이클 열 전달 유체 스트림(64)은 냉각된 열 전달 유체 스트림(65)으로 나오도록 약 10℃의 온도까지로 냉각된다. 이와 유사하게, 약 -9.4℃의 온도에서 전체 천연 가스 스트림 부분(38)은 약 40℃에서 제2 가열된 밀폐 사이클 열 전달 유체 스트림(36)에 대해 가열되도록 이차 천연 가스 열 교환기(35)를 통과할 수 있다. 이차로 냉각된 열 전달 유체 스트림(37)은 약 10℃의 온도에서 나온다.
보충 CO2 열 교환기(66)를 떠나는 상기 예열된 고압의 재순환 CO2 스트림(67)은 제1 고압의 재순환 CO2 일부(14) 및 제2 고압의 재순환 CO2 일부(53)로 나누어지며, 이들 모두는 절감형 열 교환기(46)를 통과하고 약 752℃의 온도에서 나온다. 상기 절감형 열 교환기(46)의 냉 단부에서 재순환 CO2 부분 제어 밸브(52)가 제2 CO2 부분(53)에 대한 상기 제1 CO2 부분(14)의 유량(flow rate)을 조절한다. 상기 가열된 제1 CO2 부분 스트림(7)은 작동 유체로서 상기 연소기(1)에 전달된다. 상기 가열된 제2 CO2 부분 스트림(9)은 연소기(1)로 들어가는 산화제 스트림(10) 내에 30%의 O2, 70%의 CO2 몰 비율을 부여하도록 산소 생성물 스트림(63)과 혼합되고, 이는 단열 인화 온도를 약 3,000℃ 미만의 값까지 완화시킨다. 상기 연소된 연료로부터 유래되는 상기 순 CO2 생성물은 약 305bar(30.5MPa)의 압력 및 약 25℃의 온도에서 파이프라인 준비 CO2 생성물 스트림(77)으로서 유용하다.
250MW 순 전기 출력을 기초로 하는 성능 값(performance value)이 상기 연소기를 위한 연료로서 상기 액화 천연 가스 소스로부터의 순수한 메탄을 사용하는 상기 예시적인 통합 시스템을 위해 계산되었다. 계산된 값들은 다음과 같다.
순 전력 시스템 내에서 연소된 천연 가스＝380.4MW
＝34.269일간백만입방피트(mmscfd)
순 전력 시스템 내에서 가열된 천연 가스＝1095.9일간백만입방피트
수조 가열기를 위한 천연 가스의 절약 ＝16.986일간백만입방피트
상술한 바에 기초하여, 15℃에서 파이프라인에 전달되는 68bar(6.8MPa)에서1,000일간백만입방피트의 천연 가스 유량을 제공하는 앞서 논의된 통합 액화 천연 가스 시스템을 갖는 1000MW 순 전기 전력 생산 시스템을 위한 효율들을 계산하는 데 모델링이 이용되었다. 계산된 전체적인 효율은 68.06%였다. 상기 1,000MW 전력 설비에 대해 0의 액화 천연 가스 유량을 갖는 계산된 전체 효율은 58.87%였다. 아스펜 플러스(Aspen Plus)를 사용하여 모델링된 또 다른 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 시스템 및 방법은, 상기 연소기 내의 메탄 연료, 터빈, 제1 열 교환기(일련의 3개의 열 교환 유닛들이었던), 수 분리기(water separator), 천연 가스를 생성하도록 상기 액화 천연 가스에 대해 CO2가 액화되었던 제2 열 교환기(상기 액화 천연 가스를 예열하기 위해 사용되는 사이드 스트림을 갖는), 상기 재순환 CO2 스트림을 가압하는 단일 펌프(single pump), 그리고 상기 재순환 CO2 스트림의 보충 가열을 위해 상기 공기 분리 장치로부터 회수되는 열을 이용하였다. 이러한 실시예의 모델에 있어서, 통합된 전력을 생산하고 액화 천연 가스를 기화시키는 시스템 및 방법의 전체 효율은 65.7%였다. 모든 상기 효율 계산들은 연소로부터의 모든 과잉의 CO2의 포집을 포괄한다.
종래의 액화 천연 가스 재기화 시스템들과 비교하여 이점을 더 찾을 수 있고, 통상적으로 처리되는 상기 액화 천연 가스의 약 1.4%가 상기 처리되는 액화 천연 가스의 남은 98.6%에 대해 가열을 제공하도록, 예를 들어 도 2와 관련하여 기술한 수중 버너 내에서 연소된다. 이러한 역할은 임의의 추가되는 이점 없이 부여된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 예를 들어 250MW의 전력을 생산하는 시스템이 액화 천연 가스 재기화 장치와 통합될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 액화 천연 가스 장치는 열을 제공하도록 대략 3.1%를 연소시키면서 대략 10.8Bm3/년의 액화 천연 가스를 재가열할 수 있다. 통합으로 인하여, 비록 전체 가스 수송이 처리되는 전체 양의 96.9%로 감소되지만, 증가되는 역할이 상기 250MW의 전력 설비 내에서의 전기 발전을 활발하게 한다. 유리하게는, 이러한 시스템들은 처리되는 액화 천연 가스 및/또는 생산되는 전기와 관련되는 능력을 증가시키거나 감소시키도록 원하는 바에 따라 크기가 조절될 수 있다.
여기에 설시되는 본 발명의 많은 변형들과 다른 실시예들은 상기 기재 사항들에 나타나는 이점들을 갖는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 개시된 실시예들이 제한으로서 설시된 것은 아니며, 변형들과 다른 실시예들도 첨부된 특허 청구 범위의 범주 내에 포함되는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 비록 특정 용어들이 여기서 사용되었지만, 이들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되었으며, 제한하려는 목적으로 사용된 것은 아니다.
1: 연소기
2: 전력 터빈
3: 터빈 전기 발전기
4: 전기 출력
5: 액체 CO2 펌프
6: 연소 생성물 스트림
7: 가열된 제1 CO2 부분 스트림
9: 가열된 제2 CO2 부분 스트림
10: 산화제 스트림
11: 산소 생성물 스트림
12: 과열된 고압의 재순환 CO2 사이드 스트림
13: 고압의 재순환 CO2 사이드 스트림
14: 제1 고압의 재순환 CO2 부분
15: 터빈 방출 흐름 스트림
16: 초기에 냉각된 터빈 방출 흐름 스트림
17: 저온의 열 교환기
18: 액상수 분리기
19: 응축된 물 스트림
20: 분리된 CO2 가스 스트림
21: CO2 액화기 열 교환기
22: 과냉각된 CO2 재순환 스트림
23: 가압되고 과냉각된 CO2 재순환 스트림
24: 수조 가열기
25: 액화 천연 가스(LNG) 펌프
26: 액화 천연 가스 방출 스트림
27: 수조 연료 가스 스트림
28: 수조관
29: 제1 조절 밸브
30: 전체 생성물 파이프라인 천연 가스(NG) 스트림
31: 수조 가열된 천연 가스 스트림
32: 압축된 액화 천연 가스 스트림
33: 액화 천연 가스 탱크
34: 전기 모터
35: 이차 천연 가스 열 교환기
36: 이차 가열된 밀폐 사이클 열 전달 유체
37: 이차 냉각된 열 전달 유체
38: 전체 천연 가스 스트림 부분
39: 액화 천연 가스-가열 천연 가스 부분
40: 송풍기
41: 액화 천연 가스 연료 부분
43: 압축된 액화 천연 가스 생성물 스트림
44: 예열된 액화 천연 가스 생성물 스트림
45: 압축된 액화 천연 가스-가열 천연 가스 스트림
46: 절감형 열 교환기
47: 공기 분리 장치
48: 액화 천연 가스 연료 펌프
49: 제2 제어 밸브
50: 액화 천연 가스 탱크 방출 스트림
51: 이차 냉각된 터빈 방출 스트림
52: 재순환 CO2 제어 밸브
53: 제2 고압의 재순환 CO2 부분
54: 열적 재생 건조제 건조기
55: 건조된 CO2 가스 스트림
56: 냉각 천연 가스 스트림
57: 전체 천연 가스 스트림
62: 고압의 천연 가스 연료 스트림
63: 고압의 가열된 천연 가스 스트림
64: 가열된 밀폐 사이클 열 전달 유체 스트림
65: 냉각된 열 전달 유체 스트림
66: 보충 CO2 열 교환기
67: 예열된 고압의 재순환 CO2 스트림
68: 고압의 재순환 CO2 스트림
70: 고압의 액화 천연 가스 연료 스트림
71: 부분 생성물 천연 가스 스트림
77: CO2 생성물 스트림
100: 탱크
101: 펌프
102: 수조 기화기
103: 필터
104: 버너 압력 송풍기
105: 증발 송풍기
106: 증발 압축기
107: 대기 공기 라인
109: 공기 라인
110: 액화 천연 가스 탱크 증발 라인
111: 증발 압축기 라인
112: 증발 스트림
113: 천연 가스 버너 연료 라인
114: 압축된 증발 천연 가스 스트림
115: 생성물 천연 가스 스트림
116: 전체 천연 가스 파이프라인 흐름 스트림
117: 가압된 연료 가스 스트림
119: 액화 천연 가스 공급 라인
120: 버너
121: 통기 라인
210a: 액화 천연 가스 공급
210b: 가열된 액화 천연 가스 공급
221: 열 교환기
239: 보충 천연 가스 스트림
240: 송풍기
257: 천연 가스 스트림
258: 생성물 천연 가스 스트림

Claims (37)

  1. 이산화탄소 재순환 스트림(CO2 recycle stream)을 형성하고 복합 연소 생성물 스트림을 생성하도록 산소 및 CO2의 존재에서 연소기 내에서 탄소질 연료를 연소시키는 단계;
    전력을 생산하고 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 상기 복합 연소 생성물 스트림을 터빈에 통과시키는 단계;
    상기 터빈 배출 스트림으로부터 상기 CO2재순환 스트림으로 열을 전달하고 냉각된 터빈 배출 스트림을 형성하기 위하여 CO2를 포함하는 상기 터빈 배출 스트림을 제1 열 교환기에 통과시키는 단계;
    상기 CO2를 냉각하고 액화시키며, 액화된 CO2 스트림 및 기체의 천연 가스(NG) 스트림을 형성하도록 액화 천연 가스(LNG)를 가열하고 기화시키기 위하여 상기 액화 천연 가스 스트림 및 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터의 CO2를 제2 열 교환기에 통과시키는 단계;
    상기 CO2 재순환 스트림을 형성하도록 상기 액화된 CO2스트림을 가압하는 단계; 및
    상기 재순환 CO2 스트림을 상기 연소기에 통과시키는 단계를 포함하는 전력을 생산하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 재순환 스트림은 약 150bar(15MPa) 또는 그 이상의 압력에서 상기 연소기로 통과되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연소시키는 단계는 약 500℃ 또는 그 이상의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, CO2를 포함하는 상기 터빈 배출 스트림의 압력에 대한 상기 복합 연소 생성물 스트림의 압력의 비율은 약 12 또는 그 이하인 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 열 교환기 내로 통과되는 상기 액화 천연 가스는 약 50bar(5MPa) 내지 약 90bar(9MPa)의 압력에 있는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 열 교환기에 의해 형성되는 상기 기체의 천연 가스 스트림의 일부는 회수되고, 상기 제2 열 교환기 내로 통과되는 상기 액화 천연 가스 스트림에 투입되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 액화 천연 가스 스트림에 투입되는 상기 기체의 천연 가스 스트림의 일부는 상기 액화 천연 가스 스트림의 온도를 CO2 응고 온도 보다 높고, 상기 CO2 응고 온도의 약 20℃ 이내의 온도까지 상승시키는 데 충분한 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터의 상기 CO2는 CO2 응고 온도 보다 높고, 상기 CO2 응고 온도의 약 30℃ 이내의 온도까지 상기 제2 열 교환기 내에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 재순환 스트림을 가압하는 단계는 상기 CO2 재순환 스트림을 액체 펌프에 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전력을 생산하는 터빈은 축 동력(shaft power)을 생성하고, 상기 축 동력은 상기 액체 펌프를 구동하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 액체 펌프를 나오는 상기 가압된 CO2 재순환 스트림은 가열되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 가열은 상기 가압된 CO2 재순환 스트림을 상기 제2 열 교환기에 통과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 CO2 재순환 스트림은 약 0℃ 또는 그 이상의 온도로 가열되는 것을 가열되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소질 연료는 상기 액화 천연 가스 스트림으로부터 유도되는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 유도는 상기 액화 천연 가스를 제1 펌프 및 제2 펌프에 통과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제2 펌프를 나오는 상기 액화 천연 가스는 약 200℃ 또는 그 이상의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 가열은 기체의 천연 가스 스트림을 형성하기 위하여 상기 액화 천연 가스를 상기 제2 열 교환기에 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 가열은 공기 분리 장치로부터의 압축열을 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 열 교환기의 통과 후 및 상기 제2 열 교환기의 통과 이전에 상기 냉각된 터빈 배출 스트림을 제3 열 교환기에 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 제3 열 교환기의 통과는 상기 터빈 배출 스트림을 약 0℃ 내지 약 10℃의 온도까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림은 상기 제2 열 교환기를 나오는 상기 기체의 천연 가스 스트림의 일부에 대해 냉각되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터의 상기 CO2를 건조된 CO2 스트림으로 제공하기 위하여 상기 냉각된 터빈 배출 스트림을 액상수 분리기(liquid water separator) 및 건조제 건조기(desiccant drier) 중 하나 또는 모두에 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 건조된 CO2 스트림은 약 50℃ 또는 그 이하의 이슬점까지 건조되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기를 통과하는 상기 재순환 CO2 스트림의 일부는 공기 분리 장치로부터의 압축열을 이용하여 가열되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기를 통과하는 상기 재순환 CO2 스트림은 제1 부분 및 제2 부분으로 분리되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 연소기를 통과하는 상기 재순환 CO2 스트림의 상기 제1 부분은 상기 연소기에 직접 투입되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 연소기를 통과하는 상기 재순환 CO2 스트림의 상기 제2 부분은 상기 연소기에 투입되는 산화제 스트림을 형성하도록 산소와 혼합되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 생산은 적어도 60%의 저위 발열량(lower heating value) 상의 전체 효율로 구현되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 방법.
  29. 복합 연소 생성물 스트림을 생성하도록 산소 및 CO2 재순환 스트림의 존재에서 탄소질 연료를 연소시키는 연소기;
    상기 연소기와 유체 연통되고, 상기 복합 연소 생성물 스트림을 수용하며, CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 내보내는 전력을 생산하는 터빈;
    상기 전력을 생산하는 터빈 및 상기 연소기와 유체 연통되고, CO2를 포함하는 냉각된 터빈 배출 스트림을 제공하기 위하여 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림으로부터 상기 CO2 재순환 스트림으로 열을 전달하는 제1 열 교환기;
    상기 제1 열 교환기와 유체 연통되고, 상기 터빈 배출 스트림 내의 CO2를 액화시키는 제2 열 교환기;
    상기 연소기로의 재순환을 위한 적합한 압력까지 상기 액화된 CO2를 가압하는 재순환 가압기; 및
    상기 제2 열 교환기와 유체 연통되는 액화 천연 가스의 소스(source)를 포함하는 전력을 생산하는 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 제1 열 교환기 및 상기 제2 열 교환기 사이에 위치하고, 유체 연통되는 제3 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 제3 열 교환기는 상기 제1 열 교환기 상의 유출구와 유체 연통되는 유입구, 상기 제2 열 교환기 상의 유출구와 유체 연통되는 유입구, 그리고 상기 제2 열 교환기 상의 유입구와 유체 연통되는 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 제3 열 교환기 상의 상기 유출구와 상기 제2 열 교환기 상의 상기 유입구 사이에 위치하는 하나 또는 그 이상의 물 제거 장치들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
  33. 제 29 항에 있어서, 상기 전력을 생산하는 터빈은 액체 펌프를 위한 축 동력을 제공하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 액체 펌프는 상기 액화 천연 가스 소스와 상기 제2 열 교환기 사이에 위치하고, 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
  35. 제 29 항에 있어서, 공기 분리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 공기 분리 장치는 단열 메인((adiabatic main) 압축기 및 부스터(booster) 압축기를 포함하는 극저온 공기 분리 장치인 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
  37. 제 29 항에 있어서, 상기 제1 열 교환기는 일련의 세 열 교환 유닛들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 생산하는 시스템.
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