石炭燃焼発電所からの二酸化炭素ガスを除去するための方法および機器

专利摘要:
本発明は、石炭燃焼パワープラントからのＣＯ２ガス放出を取り除くための方法および機器に関し、ＣＯ２ガスを石炭から物理的に取り除くこと、次いでスーパーチルドエアーを生成するためにターボコンプレッサーおよびターボエキスパンダー装置を使用することを含み、次に、ドライアイスブロックを形成するように一緒に凝集することができる凍結されたＣＯ２結晶を形成するためにＣＯ２ガスと混合することができ、アイスブロックは容易に輸送し、および保存し、および／または商業上の目的のために用いることができる（たとえば、飲料産業）。加熱（圧縮）および冷却（膨張）のプロセスは好ましくは、次に石炭からＣＯ２ガスを分離することと関係する実質コストをオフセットするのに用いることができる。
公开号:JP2011514235A
申请号:JP2010544357
申请日:2009-01-23
公开日:2011-05-06
发明作者:エム． エニス，ベン；リーバーマン、ポール
申请人:エム． エニス，ベン；リーバーマン、ポール；
IPC主号:B01D53-62

专利说明:

[0001] 本発明の背景現行の使用率では、米国中で鉱山に残されているおよそ３００年の石炭鉱床があると推定される。石炭は、今日米国で利用できる最も大量で効率的なエネルギー源のうちの１つを代表する価値ある天然資源である。同時にまた、地球温暖化および他の気候変動に至ることがある二酸化炭素ガスの排出を含む、石炭の使用に関係する深刻な環境危険災害および因果関係もある。]
背景技術

[0002] 温暖化ガスは、地球の大気中で見出され、そして温室効果に関与する。温室効果が不存在である場合、地球の平均温度はおよそ１５度Ｃ（または５９度Ｆ）の現在の平均温度よりもむしろおよそマイナス１９度Ｃ（またはマイナス２度Ｆ）になることがあり、それによって地球を住居に適さなくする。他方、温室効果ガスの増加に伴い、地球は逆の効果−地球温暖化を経験することがありえた。]
[0003] 温暖化ガスには、その中でも、相対的な存在量の順に、水蒸気、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素、およびオゾンが含まれる。大部分のこれらの温暖化ガスは自然に存在し、しかし、任意の１種の特定のガスで、たとえば、二酸化炭素のようなもので増やされる範囲は人間の活動のために変化することがある。]
[0004] 今日、地球上で存在する主要な温暖化ガスのうち、水蒸気が全体的な温室効果のおよそ３６−７０％を引き起こすと推定され（雲を含まない）、二酸化炭素は、およそ９−２６％を引き起こすと推定され、メタンはおよそ４−９％を引き起こすと推定され、そしてオゾンはおよそ３−７％を引き起こすと推定される。いろいろなガスの影響が付加的でないので、任意の１種のガスによって引き起こされる温室効果の正確なパーセンテージを定めることは可能ではない。たとえば、範囲のより一層高い端部は１種のガスについてのものであるが、より一層低い端部は、重複を含むガスについてのものである。他の温暖化ガスには、制限されないが、亜酸化窒素、イオウ六フッ化物、ヒドロフルオロカーボン類、ペルフルオロカーボンおよびクロロフルオロカーボンが含まれる。]
[0005] 地球温暖化の主要な誘因の１つは、いろいろな人為的な活動および技術によって地球の大気中に放出された二酸化炭素ガスでの増加であると思われる。地球の大気に影響を及ぼすことがあり、そして従って地球温暖化を増すことがある二酸化炭素の排出の主要な誘因のうち、上位７つは、以下に挙げられる（２０００−２００４年についての寄与率を伴う）。すなわち
１．固形燃料（例は、石炭）：３５％
２．液体燃料（例は、ガソリン）：３６％
３．ガス燃料（例は、天然ガス）：２０％
４．産業上および井戸でのフレアリングガス：＜１％
５．セメント生産：３％
６．非燃料炭化水素：＜１％
７．船舶および航空輸送の「国際的なバンカー」で国家在庫品目に含まれないもの：４％]
[0006] 石炭を使う強い動機付けが、その効率および豊富であることからエネルギーの発生のために存在するが一方でまた、標準的な石炭燃焼発電所（パワープラント、発電装置）での石炭の燃焼によってつくられる大気中への二酸化炭素ガスの望ましくない排出を除くことに対する強い関心もある。]
[0007] 過剰な二酸化炭素の排出を除くのに用いられる既存の技術の１種には、煙突から発されるそのままのＣＯ２を「捕獲する」ことに関係し、そこではその意図は、地下貯蔵所、海洋、岩石、消費財、化学製品または燃料が含まれるいろいろな場所に二酸化炭素を保管することである。炭素捕獲および貯蔵（ＣＣＳ）の考えは、−まず１９７０年代に導入され−ＣＯ２ガスを保管する既存の地下貯蔵所を利用することによって始められた。この点において、それは既存の、および何百万年の間もガスを含むＣＯ２の多くの自然の蓄積があることに触れる価値がありうる。さらに、地下貯蔵所（たとえば、減損した油およびガス蓄積、石炭生成および含塩層のようなもの）における利用可能な貯蔵空間は、すべての残りの化石燃料の貯蔵に含まれるすべての二酸化炭素ガスを保存するのにおそらく十分に大きい。]
[0008] 近年、主要な科学およびエネルギー学会は、炭素の捕獲および貯蔵の技術の発達を強く主張する。たとえば、２００８年６月に、世界の１３の主要な経済大国の科学アカデミー（学術団体）は、炭素隔離の履行を「最優先」であると称した。ほぼ同じころ、国際エネルギー協会（ＩＥＡ）は、炭素捕獲および貯蔵が不可欠な構成要素を形成することであるエネルギー技術革命について議論した。一方、多くのスピンオフ（副次的効果）およびスタートアップ（新規事業）は、ＣＯ２を地下洞くつおよび貯蔵所において保管する伝統的なアプローチ（取組み）と異なるいろいろな「革新的な」考えを提示している。]
[0009] たとえば、天然ガスの精製のために、またはアンモニア生産設備で煙突からＣＯ２をとることは、長年一般的な慣行であった。さらに、二酸化炭素の注入および貯蔵は、北海、アルジェリア、およびテキサスにおいて既に存在しており、そしてこれらの場合、ＣＯ２は油およびガス貯蔵所に注入され、それは、さもなければ原油の二次回収（ＥＯＲ）と呼ばれるプロセスを使用して可能であるというより一層多くの化石燃料を抽出することができる追加された利点を提供する。そして、これらの適用の若干については、二酸化炭素はパイプラインによって、または船によって輸送される。]
発明が解決しようとする課題

[0010] これらの技術の若干は、近年信頼性を得る一方、多くの専門家はまだ、世界の残りの化石燃料供給品の迅速な使用のため、破滅的な気候変動を防止するための努力において、これらの技術によって引き起こされる環境の影響をより一層さらに下げることが必要であると考えている。問題は、手元には、それでも、石炭燃焼発電所から二酸化炭素ガスを捕獲し、輸送し、そして保管するプロセスが、劇的にエネルギー消費のコストを上げることがあり、そして重篤な健康および環境の問題および懸念を引き起こすことがあることである。たとえば、ＣＯ２の放出を捕獲するのに用いるエネルギーが直接化石燃料それら自体に由来するならば、捕獲および保管によるＣＯ２節約の利益は、全く同じエネルギー集約型（大量消費）のプロセスで相殺される。そして、エネルギーが再生可能な資源からもたらされるならば、その技術は、再生可能な資源から直接電気を発生させることがずっとより一層効率的であるように、不必要にされるであろう。]
[0011] 実際、煙突からのＣＯ２を捕獲すること、およびそれを輸送のために圧縮することは、プロセスで最もエネルギー集約型の部分のうちの１種でありうるということが発見された。気候変動の国際的なパネル（ＩＰＣＣ）によれば、それは３年前に広範囲の研究を準備し、捕獲技術（更なる輸送および保管のためにガスの圧縮を含む）は、石炭燃焼発電所のエネルギー消費を平均３２パーセントだけ上げることができる。]
[0012] また、石炭プラント（工場）の煙突を単にさかさまに置くことは、適した地下貯蔵所が世界の発電所の下に必ずしもあるというわけではないので、不十分である。炭素捕獲および貯蔵のインフラ（基盤）も、既存の油およびガスネットワークに対抗するパイプライン（そして、タンカー）からなる輸送基盤のようなものを必要とする。そして、パイプラインのこれらの数千ものマイルも製造し、そしてインストールすることは、コストおよび努力の相当な量を必要とする。さらに、どの貯蔵所が貯蔵に適するか、そしてどのようなものがそうでないかを見出すことは、より一層多くの研究を必要とするだけでなく、ＣＯ２の地下貯蔵所への注入および輸送のネットワークの監視（今日のパイプラインは、２週毎に飛行機でパトロールされる）、ならびに船舶輸送またはパイプラインでのガスの輸送は、典型的に有意な労力および費用を要する。]
[0013] 岩石での二酸化炭素捕獲も、今日の石炭産業に匹敵する鉱業および輸送のインフラを要する。たとえば、１トンのＣＯ２を固定するために、１．６から３．７トンまでの岩石が必要であると見積もられる。これらの岩は、採掘され、そして石炭プラントに輸送されなければならないだけではなく、復旧させることができる産業廃棄物および鉱山尾鉱（ｍｉｎｉｎｇ ｔａｉｌｉｎｇｓ）の量、たとえば、石炭プラントからの燃料灰、または製紙業からの脱インク灰分は、要求される鉱業および輸送のコストをオフセットするのを実質的に助けるのにはあまりに小さ過ぎる。プロセスはまた、大量の廃棄物質（炭化された岩石のそれら自体は別として）を発生させ、そして岩石において保存される二酸化炭素のトンごとに、２．８７から４５．１８トンまでの使い捨ての材料がつくられる。]
[0014] 若干の試みは、二酸化炭素を、採掘できない（ｕｎｍｉｎａｂｌｅ）石炭床において保管するために、過去においてなされ、それは、人為的なＣＯ２の隔離（ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ、金属イオン封鎖）のための潜在的に大きな貯蔵の貯蔵所である。この溶液は、高められたメタン生産の利益を提供し、それはＣＯ２の隔離と関係するコストの若干を潜在的にオフセットすることができた。それでも、そのようなプロセスの経済的な実現可能性の慎重な研究の結果は今回、メタンを石炭床メタン（ＣＢＭ）フィールドから回収するために採掘できない石炭床のシーム（縫い目）中に燃焼排ガス（フルーガス、煙道ガス）を注入することが、わずかに経済的であるに過ぎず、そして世界の二酸化炭素の隔離の必要性に著しくは寄与しないことを示す。]
[0015] 上記の因子のすべてを考慮して、炭素捕獲および貯蔵（Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ
ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ）が任意の所定の適用においてエネルギー消費をおそらく５０パーセントほどの量によって上昇させるであろうと見積もられ、そして従って、たとえ、ＣＯ２のすべてを、最終的に分け、そして保管することができるとしても、エネルギー消費およびコストのそのような増大は環境をきれいにしておくのに支払うためには価格があまりに高い場合がある。上記の理由のすべてから、新しく、そして改善された方法および機器は、世界の石炭貯蔵が、人為的な世界的気候変動に対する付加の影響、および生産されるエネルギーの高いコストを伴わないで用いることができるように、目下の二酸化炭素抽出および除去のプロセスに関係する高いコストおよび不利益を克服するために、石炭燃焼発電所から放出されるＣＯ２ガスの捕獲および蓄積のために必要とされる。]
課題を解決するための手段

[0016] 本発明の概略 上述の消極的な考えの若干にもかかわらず、石炭の使用と比較して環境懸念における増大する関心は、石炭抽出、調製および使用、および特に、発電の、効率および環境受容性の双方を高めるように設計される一定のクリーン（清浄）な石炭技術の開発を最近導いた。いくつかの利用可能なプロセスがあり、それらは、標準的な石炭発電所から発散される（ｅｍａｎａｔｅ）燃焼排ガス（水蒸気およびＮＯｘガスの混合物）から二酸化炭素ガスを分けるために開発された。]
[0017] ２つのそのようなプロセスは次のものである。すなわち、（１）膜プロセス、および（２）溶液との接触。膜プロセスの例は、「有機蒸気耐性膜を用いる二酸化炭素ガス分離」と題する米国特許第６，５７２，６８０号明細書において記述され、それは２００３年６月３日付けで発行され、そして接触溶液プロセスの例は、米国特許第５，８６１，０５１号明細書において記述され、それは１９９９年１月１９日付けで発行され、「ガス混合物から二酸化炭素を除去するためのプロセス」と題される。]
[0018] 開発されたそれらのプロセスのうち、ガス化複合発電技術（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）（以下「ＩＧＣＣ」）と称されるシステムは、それが発電および環境にやさしい燃料、例は、水素の生産の双方を許容するので、特に望みがある。ＩＧＣＣプロセスは発電機、ならびに冷たい二酸化炭素ガスのストリーム（流れ）での燃焼のために水素を生産し、次いでそれは、ＩＧＣＣと関係する発電所からのＣＯ２の地球の大気中への排出を除くのを助けるために、分けられ、捕獲され、そして隔離されることができる。]
[0019] プロセスは本質的に、２つの一般的な技術を含む。すなわち、石炭ガス化および複合サイクル発電である。石炭ガス化は、ガス燃焼タービンのための燃料として用いることができるクリーンな合成ガス（シンガス）を生産するプロセスである。石炭が、主に水素および一酸化炭素からなるガス状の燃料を生産するために、高い温度および圧力の下で蒸気および空気または酸素と反応するとき、合成ガスはつくられる。合成ガスはそれから、ＣＯをＣＯ２に変換し、ＣＯ２およびＨ２分子の濃度を増加させる水性ガス−シフト反応機において処理される。それはＣＯ２を形成するために、反応する炭素化合物をもたらし、それは次いで簡単に取り除くことができ、そしてＣＯ２がポスト燃焼の燃焼排ガスでのものよりも大いに高い濃度で合成ガスにおいて存在するので、ＣＯ２捕獲は、プレ燃焼技術を用いることがポスト燃焼捕獲方法よりも高価ではない。]
[0020] 合成ガスをガスクリーンアッププロセスによってきれいにした後、電気を生成するために、複合サイクルガスタービンプロセス（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ ｐｒｏｃｅｓｓ、「ＣＣＧＴ」）において燃やすことができる。つまり、汚染物質を除去した後、電気を次のプロセスを使用して発生させる。すなわち、１）ガスタービン−発電機（発生器）は合成ガスを燃やすのに用いられ、２）ガス化からの熱およびガスタービン発電機からの排熱を、蒸気をつくるために用い、および３）蒸気を、電気を生成する蒸気タービン発電機に動力を供給するのに用いる。全体的なプロセスは、電力および水素豊富な流れの生産のためのガス化および適した下流の合成ガス処理の統合を通して、石炭燃焼発電所の環境への影響を減らすように設計される。]
[0021] それでも、ＩＧＣＣと関係する主要な問題は、以下の不利益に関する。すなわち、（１）過剰な電力損失、（２）ＣＯ２の輸送の高いコスト、および（３）ＣＯ２を隔離するための高いコスト。本システムの主要な目標は、電力損失、ならびに高価なパイプラインによって収集されたガスを輸送する必要性、およびガスを隔離するための必要性を減らし、そして若干の立体配置において完全に排除することである。そして、本発明の目的として、一酸化炭素および二酸化炭素のガスをプラントの燃焼排ガスから分けるために、それらが、プラントの放出から取り除かれ、そして次いで処理され、その結果、それらが簡単に輸送され、そして保管することができるように、ＩＧＣＣにおける関心は既存のＩＧＣＣシステムを使用することができることにある。]
[0022] 提案された解法は、事実上任意の慣習的な方法、たとえば、ＩＧＣＣのようなものでも用いられる石炭燃焼発電所から放出されるＣＯ２ガスを捕獲し、そして主としてＣＯ２ガスを凍らせ、およびそれを捕獲し、それを保管し、そしてそれを送ることに焦点をあてる。提案された解法では、ＣＯ２ガスは好ましくは、チルドされ、そしてそれから簡単に輸送することができるドライアイスのブロックを形成するために凝集させることができる凍った二酸化炭素の結晶を生産するために、スーパーチルドした空気（スーパーチルドエアー、超冷却空気）との相互作用によって昇華する能力を奪われる。このプロセスは、鉱山を掘り、既存の洞くつを使用するための、または藻類堆積物、またはライム（石灰）採石場、構築されたパイプラインを見出す必要性を排除する。その代わりに、ＣＯ２ガスは、ドライアイスの固形ブロックに凍らされ、それはそれから実質的に任意の凍った生成物の施設に送ることができ、−たとえば、炭酸飲料を生産するものであり、−それは、議論されるように、順番に、システムがＣＯ２を分離することに関係する高いコストをオフセットするのを許容する。]
[0023] この点において、ＣＯ２が、ガス、液体および固体の形態において捕獲され、および運搬されることに注目する必要があり、−そこでは後者はドライアイスと呼ばれる。ドライアイスは、マイナス１０９．３度Ｆ未満の温度に保つことができ、そしてそれが溶けるとき、直接ガスに転換する（それゆえに、その名がある）。そして、圧縮されるとき、１立方フィートのドライアイスは９３．６５ポンドの二酸化炭素に等しく、ところがガスの形態では、ＣＯ２の同じ量（ポンド単位の重量、ｐｏｕｎｄａｇｅ）は１７，６５７．３立方フィートよりも多くを占める（ｔａｋｅ ｕｐ）。このように、コストおよび効率の見地から、ＣＯ２ガスを圧縮することだけでなく、それをドライアイスブロックに形成することが望ましく、そこではブロックを次いで簡単に輸送し、そして保存することができる。]
[0024] 概して言えば、本システムは、断熱された混合チャンバー（室）中に石炭燃焼発電所から放出されるＣＯ２ガスを、スーパーチルドエアーの予め定められた量とともに、二酸化炭素ガスを急速冷凍し、そして次いで凝集させることができる結晶を形成するために注入する。チャンバーにおいてスーパーチルドエアーをＣＯ２ガスと混合することによって、凍ったＣＯ２ガスの結晶は、デッドゾーン（停滞帯域）エリアにおいて形成され、それは、浮き、凝集し、それらを収集することができる底部に落下させられる。この点で、このアプローチは概して次のステップ（工程）を含む。すなわち
１．ターボコンプレッサー（圧縮機）およびターボエキスパンダー（拡張機）の装置を使って、およびチルドエアーを絶縁した混合チャンバー中に導入して、マイナス１５０度Ｆからマイナス１８０度Ｆまでほど低い温度でスーパーチルドエアーの流量を生成すること。
２．ＣＯ２ガスの流量を、たとえば、既存のＩＧＣＣプロセスを用いることによって、それを石炭から分けることによって生成することであり、そこでは、次いでＣＯ２ガスをチャンバー中に導入し、そしてＣＯ２ガスの温度が十分に低下されるようにスーパーチルドエアーと混合することができること。
３．ＣＯ２ガスは、チルドエアーと混ざり始め、そして熱交換のために、凍るので、純粋なＣＯ２結晶が形成され、それは次いで、それらが下方に浮くので、一緒に凝集し始める。時間とともに、すなわち、２、３秒未満で、凍ったＣＯ２の結晶は、チャンバーの底部に落下し、そこで、それらは収集され、そしてドライアイスブロックを形成し始める。キーのうちの１種は、ＣＯ２ガス（室温で）の適切なパーセンテージが、混合物を適切な温度に至らせ、そして凍った結晶の形成をもたらすスーパーチルドエアーの適切なパーセンテージと混合されることである。
４．スクリュー（ねじ）または他の装置は、凝集した（かたまりになった）ＣＯ２の結晶を、結晶がドライアイスブロックを形成するのに用いることができるフレーム（枠組）を有するコンベヤーベルト上へ落ちるのを許容するポータル（入口）を通して押し進めるために、チャンバーの底部で提供することができる。チルドエアーがＣＯ２ガスから分けることができるように、サイドダクトを、好ましくはチルドエアーが漏れるのを許容するためにチャンバーにおいて提供される。その後、アイスブロックは簡単に輸送し、そして保管することができ、および／またはＣＯ２を商業上の目的のために、炭酸飲料産業においてを含め、必要としうる事業に販売することができる。ＣＯ２がどこから来るかに関係なく、これらの産業がそれらの製品を生産するためにＣＯ２を使う必要があるので、新鮮なＣＯ２よりもむしろ、石炭燃焼発電所から由来するＣＯ２を用いることによって、ＣＯ２の完全な消費および地球の大気への放出はそれによって減らすことができる。]
[0025] 本発明の別の特長は好ましくは、ターボ圧縮機およびターボエキスパンダーの装置を用いてスーパーチルドエアーを生産することに関与し、そこでは、装置は周囲空気を吸い込み、そしてそれを圧縮し、そして次いでそれを解放し、圧縮空気がスーパーチルドになるようにする。以下のように、本発明によって考えられる少なくとも２つの異なる圧縮方法がある。すなわち、（１）スーパーチルドエアーを、最初に圧縮空気を保管することなく発生させる能力をもつターボ圧縮機およびターボエキスパンダーの装置、および（２）高圧貯蔵タンクをもち、ターボ圧縮機が空気をタンク中に圧縮し、そしてターボエキスパンダーがスーパーチルドエアーを生成するために圧縮空気を解放し、そして膨張させるのに用いられる、圧縮空気エネルギー貯蔵システム。いずれにせよ、チルドエアーは好ましくは、チャンバー中に注入されたＣＯ２ガスを急速冷凍するために混合チャンバー中に注入される。]
[0026] 本発明は好ましくは、ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーを、適した量において、およびチャンバーにおいて形成するＣＯ２ガスの結晶の最終的な温度がマイナス１０９．３度Ｆ、またはそれよりも低いままであることを確実にするために、適した速度で導入するのに用いることができるシステムを含む。この点で、ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーは好ましくは、それらを適当におよび十分に混合するために十分な圧力下に、チルドエアーが冷たい温度をＣＯ２ガスに移すように、チャンバー中に導入される。混合チャンバー中にスーパーチルドエアーを注入することによって、ＣＯ２ガスがスーパーチルドエアーと共に循環するように、ＣＯ２ガスの結晶は形成され、そして凝集し始める。各々の率および流れは好ましくは、チャンバーの全体的なサイズおよび立体配置と同様に、予め定められ、およびコントロールされ、結果として、生じる混合物は迅速に最適の温度に達し、および適切なサイズの結晶および特性が達成される。]
[0027] ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーがチャンバーに導入される方向は、ＣＯ２の結晶の適当な形成、および従ってアイスマス（塊）の凝集に寄与することができる。この点で、本発明は、双方の１）向流（カウンターフロー）、および２）同時流（コフロー）の配置を考える。どれを用いるかを定める因子は、ＣＯ２がどれくらい速く凍る必要があるかに依存し、それは、ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーがチャンバーに入る前にそれらがどれほどの冷たさである必要があるか、ならびにチャンバーのサイズ、各々のどれだけ多くがチャンバー中に導入され、そしてどれだけの率か、その他に左右される。向流の具体化において、システムは好ましくは、ＣＯ２ガスを複数の注入口を通して下方に注入するチャンバーをもち、そこでは、スーパーチルドエアーがペリメター（境界線）のまわりで間隔をあけられる複数の注入口を通して上方に導入される。ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーがチャンバーにおいて結晶の滞留時間を減らすだけでなく、混合を強化するために反対方向に注入されるので、これは向流プロセスと呼ばれる。同時流の具体化において、ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーの双方は同じ方向に導入され、それはより一層速やかな結晶の底部への落下および空気からのＣＯ２の円滑なサイクロンの分離を許す。]
[0028] いずれの場合も、チルドエアーを通したＣＯ２の結晶の下方へのフライト（飛行）の間、結晶はより一層冷たくなり、そしてそれらが落下するとき一緒にかたまりになり、そこでは、それらが低部に達する頃には、それらは好ましくは適当な温度になる。サイドダクトは好ましくは、ＣＯ２の結晶が落下するか、または底部に至るまで突出するのを許す一方で、チルドエアーが漏れるのを許容するチャンバーの側面に提供される。これは、結晶が、チルドエアーから分けられることを確実にするのを助け、そこではチルドエアーは次いで、外に移され、冷却目的のために、たとえば、さらにシステムの効率を上昇させる、ＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩および／燃料駆動発電設備の吸気（ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ）のための追加的な冷却を提供するようなもののために用いることができる。]
[0029] チャンバーの底部は好ましくは、アイスブロックを形成するのを助けるコンベヤー（運搬装置）システムに導かれるポータルを通してずっと凝集された結晶を押し進めるのを助けるスクリューを備える。コンベヤーは好ましくは、コンベヤーが回転すると、アイスブロックが形成され、そして次いで輸送ビークル（媒体）上へのようなものに自動的に解放されるように、柔軟なベルトから断続的に離れて間隔をあけられたフレームをもつ。]
[0030] この点において、ＣＯ２の凍結温度よりもわずかに低いままにすることは、ドライアイスブロックが凍結されたままである一方でそのブロックが展開される（ｄｅｐｌｏｙｅｄ）ように、チャンバーの底部での結晶マスにとって望ましいことが見出された。したがって、チャンバー内でチルドエアーの温度、ならびにＣＯ２ガスの温度、および各々の導入の率を制御し、最適の結果を得ることは望ましい。マイナス１０９度Ｆの昇華温度は、下流のチルドエアーが全体的な最終的システム効率に強く寄与するように、あるものもドライアイスのブロックの形成の後に下流のチルドエアーのための必要性を考慮する必要があるほど冷たい。]
[0031] 関連する特長と関して、増加した効率は、ターボ圧縮機およびターボエキスパンダーの装置によって発生する熱およびエネルギーを再循環させること、およびＨＶＡＣ、冷蔵および脱塩のために電気および／または追加的な冷たい空気の形態において追加的なエネルギーを生成することによって達成される。このことは、より多くのコスト削減が成し遂げられるのを許し、それはさらに、ＣＯ２ガスを石炭から分ける高いコストをオフセットすることができ、すなわち、エネルギーをＩＧＣＣに動力を提供するのに用いることができる。]
[0032] この点で、本発明は好ましくは、関連した米国仮出願連続番号第６１／１９５，４１８号明細書で記述される方法およびシステムを組み込み、それは「燃料駆動タービン発電機の効率を増すのに圧縮空気を用いるための方法および機器」と題される。そのシステムは、燃料駆動タービン発電機の効率を上昇させるための改善された方法とシステムに関するもので、そこでは、システムがターボ圧縮機およびターボエキスパンダー装置からのスーパーチルドエアーを用い、そしてそれを周囲空気と、そのより一層効果的な操作用に圧縮機タービン中に注入することができる冷えた空気を生産するために混合する。吸気を冷やすための以前の装置とは異なり、このシステムは、ターボ圧縮機およびターボエキスパンダー装置によって膨張される圧縮空気を、スーパーチルドエアーを発生させるために利用し、そこではそのシステムは、燃料駆動発電機中に引き入れることができる冷えた空気だけでなく、「乾いた」吸気も生成する。そして、遠心機を使って吸気から水分を除去することによって、吸気がナセルを通し、そして圧縮機タービン中に加速されるとき、タービン羽根に損傷を与えることがある氷粒子は形成されない。]
[0033] 装置がＣＴＴ装置（圧縮機／ターボコンプレッサー／ターボエキスパンダー）、またはＴＣＡＥＳ装置（ターボ・コンプレッスド・エアー・エネルギー・システム）であるかどうかにかかわらず、後で定めるように、圧力下で空気を圧縮し、そしてスーパーチルドエアーを生成するためにそれを解放する組合せのターボ圧縮機およびターボエキスパンダー装置が考えられる。装置は好ましくは、圧縮空気を解放し、または起動時に空気を圧縮し、そしてドライブする第１の圧縮機をもち、ターボエキスパンダーが回転され始め、そして次いでターボエキスパンダーおよびターボ圧縮機が共通のシャフト上に位置付けられるので、エキスパンダーが回転されることは、ターボ圧縮機が同様に回転される。このことは、２、３秒後に、操作の定常状態の条件が成し遂げられるまで起こり、そこではターボ圧縮機は空気を圧縮し続け、そしてターボエキスパンダーは空気を膨張し続け、そして最終結果はスーパーチルドエアーの高いマス流が副産物として生成されることである。]
[0034] 装置によって生産されるスーパーチルドエアーは次いで、燃料駆動されるタービン発電機の圧縮機タービン中への導入のために比較的冷たい吸気を生成させるために周囲空気と混合される。混合するコンパートメント（区画）またはエダクター（排出装置）は好ましく、チルドエアーが混合されるのが提供される。２つの気体マスを一緒に混合するとき、出現する（ｅｍｅｒｇｅｓ）のは燃料駆動されるタービン発電機の効率を増す吸気として用いることができる空気の比較的冷たいマスの流れである。]
[0035] 上記に議論したように、冷たい空気を生成し、そしてそれを圧縮機（器）タービンにおいて吸気として用いることの利点は、その空気がより一層濃くなり、そしてより一層大きなマス流をもち、および従って、圧縮機タービンが等容量の吸気を燃焼チャンバー中に圧縮するのが難しいように、圧縮機タービンを作動させる必要はない。したがって、圧縮機タービンは結局、より一層少ないエネルギーしか消費しないことになり、そこではより一層多くのエネルギーは次に、発電機を駆動するために利用できるようになり、すなわち、システムによって生成されるエネルギーのより一層大きな部分は発電機を駆動し、そして電気を生成するのに用いられる。結果として起こることは、より一層少ないエネルギーが圧縮機タービンを操作するのに用いられ、それはより一層多くのエネルギーが発電機を駆動するために利用可能であることを都合よく意味し、それは消費される燃料の単位容量につきより一層多くのエネルギーを生成するシステムの能力を増やすのを助ける。]
[0036] 装置の別の利益は、スーパーチルドエアーを、吸気から水分を除去し、そしてタービン羽根に損傷を与えることがある氷粒子を避けるのに用いられることができるということである。このことは、周囲空気内で水蒸気を急速冷凍させ、そして次いで氷粒子（氷粒子内でトラップされる固形微粒子が含まれる）をチルドエアーから分ける手段として、スーパーチルドエアーを用いることによって達成される。暖かい湿った周囲空気はスーパーチルドエアーと混合されるとき、周囲空気内で存在する大部分の水蒸気はごく小さな氷粒子を形成するために急速冷凍される。次に、氷粒子は分離コンパートメント（または遠心機）の底部に落下するとき、冷えた乾燥空気は、遠心機の軸に関しておよそ９０度で延びるサイドダクトまたは通路中に向けることができ、そこでは高速度の氷粒子が底部に対するそれらのまっすぐな内部軌道上で続くとき、次いで冷えた乾燥空気は角を曲がり、そして通路を通って通過し、そして氷粒子を後に残す。結果は、冷えた「乾燥」空気を生成することである。]
[0037] 議論されたように、冷たい吸気からの氷粒子の除去は、システムの効率を増加させるだけでなく、タービン羽根に対する穴あけること、および損傷を引き起こすことを避け、そして吸気がより一層低い温度でさえ提供させるのを許容する。燃料駆動タービン発電機の圧縮機タービンへの入力は典型的にノズルまたはナセルの形状であり、比較的狭いナセルが続く比較的広い開口部を有し、そこでは圧縮機タービン羽根が位置付けられる。したがって、吸気がナセルを通して加速されるとき、引き込まれた空気のほぼ断熱的な加速度は流れ経路の締め付けからもたらされ、そこではこの状態がエンタルピー縮小と関係し、それは、順に、重要な温度低下を生成する。より一層低い吸気温度がより一層大きなシステム効率をもたらすが、その欠点は、吸気の温度が氷点下に下がる場合、タービン羽根にぶつかることがあり、そして損傷をそれに与えることがある氷粒子を形成することがありうることである。]
[0038] 別の具体化において、遠心機において溶解される氷粒子として生成されるチルド水は、冷却を補助装置に提供するのに用いられる。つまり、氷粒子が遠心機の底部で集められるとき、それらは、チルド水を後の使用のために保管することができる熱エネルギー貯蔵システムのような関係した装置へ移されうるチルド水を生成するために解凍することができる。熱エネルギー貯蔵システムは好ましくは、チルド水を保管することができ、そしてチルド水が冷却を、補助装置で、たとえば、ＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩またはその他のものに提供するためにそれから取り出すことができる階層化タンクを含む。チルド水が必要な冷却をこれらの装置に提供するのに用いられた後、水は次いで階層化タンクへと再循環で戻され、そこでチルド水をこのやり方において保存することによって、それが必要なとき、要求あり次第、水は利用可能となりうる。代わりの具体化において、チルド水は、冷却をＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩またはその他のもの等に、最初にそれを保存することなしに提供するために直接用いることができる。]
[0039] 熱交換器はまた、空気圧縮によって生成する熱を引き離すのに用いられ、そしてその性能を高めるためにそれと関係する蒸気タービン発電機および／またはチラー（冷却装置）システムへ移される。熱交換器は好ましくは、クーラント（冷却剤）で、水のようなものを含み、それは装置から関係した蒸気タービン発電機および／またはチラーシステムへ熱を移すために圧縮機ユニット（単位）を通してチャネルを開くことができる。蒸気発生器に関連して、予備加熱された水を関係するボイラーのために利用可能となることができ、その結果、ボイラーでの水がより一層少ないエネルギーを用いて沸騰させることができる。装置からの熱を引き出し、そして冷却水を予熱し、および冷却水をボイラーに導入することによって、蒸気タービン発電機はより一層効率的にされるだけでなく、全体のシステムは、電気を生成する際により一層効率的にすることができる。蒸気駆動されたタービン発電機は、蒸気をつくるためにボイラーを使う任意の慣習的なタイプであってよく、それは順に、蒸気タービンを駆動し、そこで発電装置が電気を生成するように駆動される。]
図面の簡単な説明

[0040] 石炭燃焼発電所（ＨＲＳＧ＝Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、熱回収蒸気発生機）から解放される燃焼排ガスからのＣＯおよ びＣＯ２ガスをきれいにし、そして分離するための種々の構成要素および既存のＩＧＣＣシステムのステップを示す概略図である。
石炭を処理し、そしてそこから二酸化炭素を除去するための既存のシステ ム〔ＷＧＳリアクター（反応装置）＝Ｗａｔｅｒ Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ（水性ガスシ フトリアクター）、ＥＳＰ＝静電集塵装置〕を示す概略図である。
２つのステージのターボ圧縮機および２つのステージ圧縮機を有する２つの ステージターボエキスパンダーが利用されるスーパーチルドエアーを発生させるのに 用いられるＣＴＴ装置の具体化を示す概略図であり、ここでは、ターボ圧縮機および ターボエキスパンダーセットが共通のシャフトに位置付けられ、そして圧縮機から熱 を取り除くための複数の熱交換器が提供される。
貯蔵タンクに組み込むスーパーチルドエアーを発生させるのに用いるＴＣＡ ＥＳシステムの具体化を示す概略図であり、２つのステージターボ圧縮機および２つ のステージターボエキスパンダーセットを利用し、そこでは、ターボ圧縮機およびタ ーボエキスパンダーセットが共通のシャフト上に位置付けられ、そして圧縮機からの 除去熱のための複数の熱交換器が提供される。
ＣＯ２ガス放出をスーパーチルドエアーと混合するための混合チャンバーを もつ本システムの具体化を示す概略図であり、そこでは、チャンバーはチルドエアーを凍結ＣＯ２結晶から分けるためのサイドダクトをもち、および凍結ＣＯ２結晶はそ れらがドライアイスブロックを簡単な輸送および貯蔵のために形成することができる チャンバーの底部で収集させることを可能にされる。
蒸気タービン発電機を含む、燃料駆動されるタービン発電機の効率を上昇さ せるためにいろいろな構成要素および方法ステップを示すＣＴＴ装置の概略図である 。
蒸気タービン発電機を含む、燃料駆動タービン発電機の効率を上昇させるた めにいろいろな構成要素および方法ステップを示すＴＣＡＥＳ装置の概略図である。
ＣＴＴ装置によって発生するスーパーチルドエアーがＩＧＣＣによって分離 されるＣＯ２とどのように混合されるかを示す概略図であり、そこでは、ＣＯ２の固形ブロックがチャンバーから取り出され、そしてそこでＣＴＴ装置からの廃熱が回復され、そして残りのチルドエアーが燃料駆動タービン発電機のための吸気として用い られる。
ＴＣＡＥＳ装置によって発生するスーパーチルドエアーがＩＧＣＣによって 分離されるＣＯ２とどのように混合されるかを示す概略図であり、そこでは、ＣＯ２ の固形ブロックがチャンバーから取り出され、およびそこでは、ＴＣＡＥＳ装置から の廃熱が回復され、そして残りのチルドエアーが燃料駆動タービン発電機のための吸 気として使われる。
ＣＴＴ装置の例のために熱力学的状態を示すチャートである。
熱バランス（熱平衡）およびＣＴＴ装置の例の気流必要条件を示すチャートである。
本システムの例のために発電所からのＣＯ２およびエアダクトサイズを示 すチャートである。
本システムの例のために混合ダクトについてＣＯ２およびエアダクトサイ ズを示すチャートである。
ＣＴＴ装置の例のための圧縮機の効率を示すチャートである。
２つの異なるＣＴＴ装置の熱力学的特性を示すチャートである。]
実施例

[0041] 本発明の詳しい説明 本技術での石炭の利用は、若干の望ましくない排出物質を生成する。これらには、窒素およびイオウの酸化物、微粒子の放出および温暖化ガスで、二酸化炭素のようなものが含まれる。これらの放出を減らし、および石炭利用技術の燃料効率を改善する強い誘因がある。]
[0042] これらの難題に対応するため、新しい石炭利用技術が開発されている。これらのより一層有望なもののうちの１つは、発電において使われるＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ（ガス化複合発電）技術（「ＩＧＣＣ」）である。図１Ａは、典型的な既存のＩＧＣＣシステム１の概略フローダイアグラムを示す。このシステム１は、発電所によって生成される他の燃焼ガスからのＣＯおよびＣＯ２ガスの浄化および分離の目的のために、石炭燃焼発電所およびその排出物質のスクラビングシステムによって用いられる。臨界未満の粉砕された石炭（ＳＰＣ）、および極端に超臨界の粉砕された石炭（ＵＳＣＰＣ）、および循環流動床（ＣＦＢ）のような他のプロセスが、その中で用いられることもできるが、ＩＧＣＣプロセスは好ましいシステムとしてここに提示される。] 図１Ａ
[0043] ＩＧＣＣは、将来において、電力供給を加えるのに主に用いられるシステムのタイプであり、そして老化石炭発電所およびますます高価な天然ガス発電所に代わると思われる。プロセスは、温暖化ガスを排除し、そして有用な水素および／または液体燃料を生産するために、オプションを提供する。]
[0044] ＩＧＣＣプラントによって用いられるプロセスは、２つの一般的な技術に分類することができ、第１の技術は、石炭が合成ガス（シンガス）を生成するためにガス化される石炭ガス化と呼ばれる。第２の技術は、今日利用できる電気を商業上生産する最も効率的な方法のうちの１つである複合サイクル発電（ｃｏｍｂｉｎｅｄ−ｃｙｃｌｅ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と称される。汚染物質が合成ガスから除去された後、電気は次のプロセスを使用して発生され、すなわち、１）ガスタービン発電機は合成ガスを燃やすのに用いられ、２）ガス化からの熱およびガスタービン発電機からの排熱は蒸気をつくるのに用いられ、３）電気を発生させるのを助ける蒸気タービン発電機に動力を供給するために蒸気を用いる。]
[0045] 石炭ガス化は、ガス燃焼タービンのための燃料として使うことができるきれいな石炭ガス（シンガス）を生成するプロセスである。このプロセスでは、石炭が燃焼される前に、石炭を、主に水素および一酸化炭素からなるガス状燃料を生産するために高い温度および圧力の下で蒸気および空気または酸素と反応させる。ガス化装置内で利用可能な空気または酸素（Ｏ２）の量は、一部分の燃料だけが完全に燃えるように、慎重にコントロールされるのが好ましい。この「部分的な酸化」プロセスは、化学的に燃料を分解して、合成ガス（シンガス）を生成するのに必要な熱を提供し、それは水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、および他のガス状の成分のマイナーな量から構成される。]
[0046] 合成ガスは次いで、水性ガスシフトリアクターにおいて処理され、好ましくはそれはＣＯをＣＯ２に変換し、およびＣＯ２およびＨ２分子の濃度で、たとえば、合成ガス流において、それぞれ、４０パーセントおよび５５パーセントまでのように増やされる。触媒の存在において、一酸化炭素および高圧水蒸気は、次いでＣＯ２およびより一層多くのＨ２を形成し、それは実際には、９０％を超える水素を含むことができる燃料ガスをもたらす。ガス混合物が高圧であり、そしてＣＯ２が高濃度であるので、また、それは、二酸化炭素を形成するために反応を起こす炭素化合物をもたらし、それはそれから簡単に取り除くことができる。ＣＯ２がポスト燃焼の燃焼排ガスにおいてよりも高い合成ガスでの濃度で存在するので、ＣＯ２捕獲はポスト燃焼捕獲方法よりプレ燃焼技術を用いてあまり高価ではない。目下、２、３のガス化プラントしか本格的運用になく、そして関与する資本コストは観衆的な微粉化された石炭プラントのためのものよりも一層高い。]
[0047] ＩＧＣＣ技術によって生成される合成ガスは好ましくは、ガスクリーンアップ（清浄化）によって浄化され、−ＣＯ２は種々の溶媒を用いる水素豊富燃料ガスから洗い出され（ｗａｓｈｅｄ ｏｕｔ ｏｆ）、−および１種のそのような適用において、用いる溶媒はＭＤＥＡである。溶媒の代わりに、膜をまた、少なくとも２つのアプローチを用いてＣＯ２分離および水素精製のために使うこともでき、すなわち、１）水性ガスシフト（ＷＧＳ）膜リアクター、および２）ＷＧＳ反応が続くＣＯ２除去である。第１のアプローチにおいて、すなわち、ＷＧＳ膜リアクターで、膜はＣＯ２および商業上のＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３触媒を１３０度Ｃから１６０度Ｃまでで取り除き、そしてそれがＷＧＳ反応に触媒作用を及ぼすように、ＣＯをＨ２へシフトさせる。同時にＣＯ２を除去することによって、ＣＯが水素に変換するように、可逆なＷＧＳは前方にシフトされ、そしてＣＯ濃度は次に著しく減らされる。１０ｐｐｍ未満のＣＯ濃度、および５０％よりも高いＨ２濃度（乾燥質量で）をいろいろな供給ガス流量で成し遂げられることができる。第２のアプローチにおいて、プロセスは慣習的なＷＧＳリアクターが続くＣＯ２選択膜モジュールからなる。ＣＯ２選択膜モジュールは、合成ガスにおいてＣＯ２の９９％よりも多くを取り除く。]
[0048] Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ（複合サイクルガスタービン）プロセス（「ＣＣＧＴ」）において、合成ガスは電気を生成するために燃やされる。図１Ａに示すように、ＣＣＧＴ発電機の設計は、燃焼タービン／発電機、熱回収蒸気発生器（Ｈ．Ｒ．Ｓ．Ｇ．）、および蒸気タービン／発電機からなる。ガス化装置からの熱および燃焼タービンからの排熱は好ましくは、蒸気を生成するために、熱回収蒸気発生器において回収される。この蒸気は次いで、電気を生成する別の発電機に動力を供給するために、蒸気タービンを通して通過する。ＣＣＧＴは、それがより一層多くの電気を生成することがシステムからの廃熱を再利用するので、慣習的な発電システムよりも効率的である。] 図１Ａ
[0049] ＩＧＣＣは、以下の特徴を含む技術である。すなわち
・ＳＯｘ、ＮＯｘおよび微粒子の放出は、現代的な石炭プラントからよりもＩＧＣＣプラントで大いに低い。その揮発性有機化合物（ＶＯＣ）放出および水銀放出は同程度である。
・ＩＧＣＣプラントは、現代的な石炭プラントよりもおよそ２０％少ないＣＯ２ガスしか放出しない。
・ＩＧＣＣプラントは、現代的な石炭プラントより２０−４０％少ない水しか使わない。
・ＩＧＣＣプラントは、慣習的な石炭火力発電所（ｃｏａｌ ｆｉｒｅｄ ｐｏｗｅｒ
ｐｌａｎｔ）よりも高い効率で動き、このようにしてより一層少ない燃料しか必要とせず、そしてより一層少ない排出物質しか生成しない。目下の効率は、高効率タービンおよび若干の他のプロセス改善を使う非常に近い将来に予想される６０％と同じくらい高い効率を有する４２％である。
・電気のためのコストは、ＣＯ２捕獲なしで、現代的な石炭プラントでのものよりおよそ２０％高い。発電コストは、ＭＭＢＴＵにつき６．５０ドルでの天然ガスを用いる天然ガスＩＧＣＣプラントからのものより４０％低い。
・ＩＧＣＣプラントからのＣＯ２は、捕獲および隔離のための、輸送費なしで、２５−３０％の追加費用増加で慣習的な石炭燃焼プラントからのものより著しく大いに簡単に捕獲される。
・ＩＧＣＣは、経済的なやり方での合成ガス流の一部である水素を捕獲する。]
[0050] 目下の慣習的な石炭ベースの発電システムについてのＩＧＣＣの利益には、次のものが含まれる。すなわち
１）より一層高い効率およびより一層低い排出物質：効率における改善は、石炭燃焼からの排出物質を劇的に減少させる。たとえば、３５％から４０％までに効率を増やすことは、１０％を超える二酸化炭素ガス放出を減らす。目下５０％に近づく効率を用い、ＩＧＣＣ発電所は、より一層少ない石炭しか使わず、そして慣習的な発電所よりも低い二酸化炭素の放出しか生成しない。新しいガスタービン概念および増加したプロセス温度の開発により、６０％を超える効率が目標とされる。
２）より一層高い出力：ガスタービンで合成ガスを使うことは、特に酸素ブローンユニットからの窒素がタービンに供給されるとき、その出力を増やす。このようにして、天然ガス上で焼かれるとき、１７０ＭＷと評価されるタービンは、合成ガス上で１９０ＭＷまたはそれよりも多くを産生することができる。さらにまた出力は、天然ガスに関する場合であるよりも、周囲温度に少なくしか依存しない。
３）生成物の柔軟性−炭素捕獲および水素生産：ＩＧＣＣでのガス化プロセスは、電気だけでなく、一連の工業上の使用のための化学物質、副産物、および輸送燃料の生産を可能にする。そのうえ、そして最も重要なのは、二酸化炭素を石炭合成ガス（一酸化炭素および水素）から水／ガスシフトプロセスを通して捕獲することができる。つまり、ＣＯ２は濃縮された流れにおいて捕獲することができ、それによってそれが隔離されるのがより一層簡単にされる。追加の利益は、特にプラントが酸素駆動される場合、炭素捕獲のための低い追加的コストにある。]
[0051] 関連した既存の技術は、図１Ｂに示され、それは概念上の統合された研究室スケールの発電所スキームを示し、合成ガスがスクラッバーおよび静電集塵器（ＥＳＰ）からなるガス浄化セクションに曝されるガス化装置（ｇａｓｓｉｆｉｅｒ、ｇａｓｉｆｉｅｒ）から出る。合成ガスは、２つの流れに分裂される。すなわち、第１の流れは、次の：１）冷えた脱硫システム、および２）動力の生産のための内燃機関で構成されている動力の生産ラインに送られる合計ガス流の８０％からなる。第２の流れは、次の：１）ホット（熱い）脱硫システム、２）２つの水性ガスシフトセクション（高温および低温）、３）豊富化水素ガス流を得るための２つのＣＯ２分離ステージ、および４）水素精製システムで構成される水素生産ラインに送られる合計の流れの２０％からなる。] 図１Ｂ
[0052] このプロセスでは、燃焼排ガスでのＣＯは、水との相互作用によってＣＯ２およびＨ２に変換される。このように、燃焼排ガスのＣＯ２は濃度において増やされる。ＣＯ２のこの流れは、その後次のプロセスによって分けられる。すなわち、シフト変換からのガスはさらに、水素から二酸化炭素の分離のために処理を経る。化学プロセスは、アミンを伴う吸収に基づき、親水性および疎水性の重合膜を有するリアクターを使って水素を含有するガス流から二酸化炭素を除去するために採用される。プロセスには、次のセクションが含まれる。すなわち、１）親水性膜を通してのアミン溶液中への合成ガスの拡散、２）アミン溶液へのＣＯ２の吸収、および３）疎水性膜を通した精製された合成ガスの分離。]
[0053] 目下のＩＧＣＣ発電所が好ましいアプローチであり、本発明を用いる使用のために選ばれたが、既存のＩＧＣＣプラントにおいて見出される３つの鍵となる不利益がある。すなわち、（１）過剰な動力の損失、（２）ＣＯ２を輸送するための高さのコスト、および（３）ＣＯ２を隔離する高いコスト。それでも、本システムの意図は、動力の損失、ならびに高価なパイプラインでの輸送（ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｏｎ）の必要性および隔離のための必要性を減らし、および若干の立体配置において排除することである。]
[0054] 石炭燃焼発電所およびその放出スクラビング操作によって発生する二酸化炭素ガスの流れは、大気中への煙突を通してのそれの解放によって過去に処分され、このように、大気での温暖化ガスにかなり寄与した。試みはまた、高価なパイプラインおよび圧縮機材を使ってＣＯ２の排出物質を運搬し、および隔離させたが、これらの努力の何もあまり好首尾でなかった。]
[0055] 本発明は、石炭燃焼発電所から発散するＣＯ２ガス排出物質を分け、輸送し、そして隔離する過去の試みについて改善を現すシステムを含み、そして好ましくは、スーパーチルドエアーを用い、それは、商業上の目的のために簡単に輸送し、そして保存し、および／または用いることができ、たとえば、炭酸飲料の生産のようなもののために、ドライアイスブロックを形成するために凝集することができる結晶を形成するようにＣＯ２ガスを混合することができる。次のものは、ＣＯ２のための商業上の適用のリストである。すなわち、飲物、食物、空気のシステム、消火器、溶接、カフェイン除去、製薬上および他の化学処理、生物学的適用、レーザー、ポリマーおよびプラスチック、油回収、冷却剤として、石炭床メタン（ＣＢＭ）回収およびワイン造りである。固形二酸化炭素氷ブロックは石炭燃焼発電所から移動させることができ、どこかほかで使われるよう現場から離れて（ｏｆｆｓｉｔｅ、現地外）出荷され、そしてその結果、残りの二酸化炭素の足跡が現場にはない。]
[0056] 本発明は、石炭および／または炭素燃焼排ガスから一酸化炭素および二酸化炭素を分離するために、そしてこれらの２つのガスを、二酸化炭素ガスの１つの流れを作るために結合するために、事実上任意のシステムでも使用することができ、しかし好ましくは、それは上述のＩＧＣＣシステムを使用する。本システムの基本的な操作は以下のステップを含む。すなわち
１）圧縮：システムは、周囲空気を圧縮し、およびその圧力上昇させるために、１種またはそれよりも多くのターボ圧縮機を用い、
２）冷却剤：システムは、圧縮空気を冷却剤にさらし、圧縮空気の温度を、室温で、またはその近くで維持することができるようにし、そこでは次いで、加熱された冷却剤の水が、関係する蒸気タービン発電機またはチラーの効率を上昇させるのに用いられることができ、そこでは次いで、エネルギーがＩＧＣＣを駆動するのを助けるのに用いることができ、
３）膨張：システムは、１種またはそれよりも多くのターボエキスパンダーを通して圧縮空気を解放し、そして膨張させ、それによって副産物としてスーパーチルド空気を発生させ、
４）混合：システムは、ターボエキスパンダー（群）によって発生するスーパーチルドエアーを混ぜ、それはマイナス１５０度Ｆからマイナス１８０度Ｆまでほど低いことがあり、ＩＧＣＣシステムからの二酸化炭素ガスの流れを伴う。好ましくは、スーパーチルドエアーに対する暖かい二酸化炭素ガスの質量の比率は少なくともマイナス１０９．３度Ｆまたはそれより低くまでの温度で、還元された二酸化炭素ガスをもたらし、それはＣＯ２ガスの凍結および凝固を招く。結果は、簡単に輸送し、そして保存することができる固形二酸化炭素（ドライアイス）ブロックであり、およびＨＶＡＣ、冷蔵および／または脱塩のためにどこかほかで用いることができる冷たい空気である。残ったチルドエアーはまた、その効率を上昇させるために、冷たい吸気を関係する燃料駆動タービン発電機に提供するのに用いることもでき、そこでは、そこから導き出されるエネルギーがまたＩＧＣＣを駆動させるのを助けるのに用いることもできる。]
[0057] 上記の冷却および凍結ステップが任意の慣習的な冷却および／または冷蔵システムによってでも簡単に達成することができるが、本発明は好ましくは、自由なスプーリング配置を有する、図２および３において示されるもののようなターボ圧縮機およびターボエキスパンダー装置を用い、それらは空気のより一層高い圧縮を有する空気のより一層高いマスフロー（大量の流れ）を可能にし、それによって気圧への最終的な膨張がスーパーチルドエアーを生成することができる。さらにまた、ハードウェアの足跡および容量は、慣習的な冷蔵機械類と比較して小さい。ターボ機械類は、特に、任意の極低温のプロセスの成功にとってでも必須であることができる。用いることができる種類の例は、ＣｒｙｏＭａｃｈｉｎｅｒｙ（クライオマシーナリー）〔Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（エアー・プロダクト）〕によって生産され、それは今日世界中で最も効果的な空気分離および液化設備の若干のための冷蔵を提供する放射状流入ターボエキスパンダーである。高圧ターボエキスパンダーは典型的に、冷蔵を極低温液体の生産のために提供するのに用いられ、エキスパンダーは、冷蔵をプロセスに提供する高圧ガス流から仕事量を引き出す。エキスパンダーによってガス流から除去される仕事量は、動力を圧縮サイクルへ提供するのに用いられる。] 図２
[0058] 図２は、２つのステージの圧縮機５、２つのステージのターボ圧縮機７、９、および２つのステージのターボエキスパンダー１１、１３を、第１、第２および第３の熱交換器、１５、１７および１９とともにもつ２つのステージのターボエキスパンダーＣＴＴ装置３を示す。ＣＴＴ装置３の操作は好ましくは、初期に石炭燃焼発電所からの小量のエネルギーを用いる周囲空気に圧力をかける２つのステージの圧縮機５を用いて始められ、すなわち、動力６の最小の量は、圧縮機５を駆動するために石炭燃焼発電所から出される（ｔａｐｐｅｄ ｆｒｏｍ）。それでも、議論されるように、このエネルギーを減らすことができ、それは、システムからの廃熱が回収され、そしてコロケーテッド（同じ位置に配置された）蒸気火力発電機設備またはコロケーテッドチラーで用いられるからである。また、別々の電源を採用することもできる。] 図２
[0059] 圧縮機５は好ましくは、圧縮空気の温度を減らし、実際は加圧されるのを助けるその独自の冷却剤システムを含み、そこでは、冷たい水（６０度Ｆでのようなもの）が圧縮機を通して分配し、冷却剤として用いることができ、そこでは次いで、たとえば、図５に示されるように、加熱された水を、関係する蒸気駆動された発電機設備８９に、追加の電気を生成するように分配することができ、またはチラーに供給することができる。] 図５
[0060] 第１の熱交換器１５は、図２で示すように圧縮機５から下流に設けることができる。追加的な冷水（６０度Ｆでのようなもの）は、圧縮空気の温度を、たとえば室温のようなものまで低下させるために、第１の熱交換機１５を通して分配することができ、それは、システムによって使用される最終的なチルドエアーを実質冷やすのが確実にされるのを助ける。加熱された冷却剤の水は次いで関係する蒸気駆動発電機設備８９に分配することができ、そして図５で示すように、追加的な電気を、再び、生成するのに用いることができる。] 図２ 図５
[0061] 第１の熱交換器１５を通して通過する圧縮機５からの圧縮空気は次に、第１のステージのターボ圧縮機７中に導入され、そこでは、圧縮空気は圧縮され、そして再び加熱される。第１のターボ圧縮機７は好ましくは、圧縮機５から圧縮空気を採取し、そしてそれをさらに、圧力を増すために圧縮するが、しかしその後、追加的な熱がまた発生するので、加熱され、そして圧縮された空気は再び、圧縮空気の温度を低下させ、第１の熱交換器１５に関連して実質同じ上述の冷却剤システムを使用して、第２の熱交換器１７を通して通過され、そこでは、図５で示すように、より一層多くのエネルギーを生成するために、冷水を冷却剤として用いることができ、そして加熱された水を次に、関係する蒸気発生器設備８９において用いることができる。] 図５
[0062] 冷やされた圧縮空気はそれから、圧縮空気が圧縮され、そして再び加熱される第２のターボ圧縮機９中を通過する。加熱され、そして圧縮された空気はそれから、再び空気の温度を低下させる第３の熱交換器１９を、第１および第２の熱交換器１５および１７に関連して実質同じ前述の冷却剤システムを使用して通り、そこで、図５で示すように、加熱されたい水は次に、より多くのエネルギーを発生するために、関係する蒸気発生器設備８９において使うことができる。] 図５
[0063] 圧縮空気が、最高２１５ｐｓｉａのように十分に加圧され、そしてたとえば、およそ室温に至るまでのように冷やされると、圧縮空気は次いで、第１および第２のターボエキスパンダー１１、１３によって解放され、そして膨張され（図２を参照）、それらはスーパーチルドエアーを生産するために圧縮空気を解放する。この点で、圧縮機５が点火され、そして周囲空気を圧縮するために働き、そして空気がシステムに通されるとき、第１のターボ圧縮機７および第１のターボエキスパンダー１１が共通のシャフト８に位置付けられるので、そして第２のターボ圧縮機９および第２のターボエキスパンダー１３が共通のシャフト１０に位置付けられるので、操作の定常状態（スプーリング）の条件が成し遂げられるまで、２つのターボエキスパンダーの回転は２つのターボ圧縮機を同様に回転させる点に注目する必要がある。スプーリングインペラー（はね）の各組は無関係に位置され、そしてそれら自身の回転速度をもつことができる。] 図２
[0064] したがって、装置３の基本的な操作は、圧縮機５で発生し、そして次いで第１のステージのターボ圧縮機７中に、そして第２のステージのターボ圧縮機９中に導入される圧縮空気を用いて始まり、そしてその時間まで、圧縮空気がターボエキスパンダー１１、１３によって解放され、そして膨張され、それは、第１のターボエキスパンダー１１が第１のターボ圧縮機７と同じシャフト上に位置付けられるからであり、そして第２のターボエキスパンダー１３は第２のターボ圧縮機９と同じシャフト上に位置付けられ、第１および第２のターボエキスパンダー１１、１３が回転し始めるとき、第１および第２のターボ圧縮機７、９はまた回転し始める。すべての４つの構成要素−第１および第２のターボ圧縮機７、９、および第１および第２のターボエキスパンダー１１、１３−は、第１および第２のターボエキスパンダー１１、１３で発生するトルク（機械的仕事）の結果として回転し始め、第１および第２のターボ圧縮機７、９をそれぞれ駆動する。この点で、第１および第２のターボエキスパンダー１１、１３のそれぞれによって生産されるシャフト８および１０の回転速度は、それらが平衡入力圧に達するまで、第１および第２のターボ圧縮機７、９のそれぞれを駆動するために十分な動力を提供する。操作の定常状態条件が達成されるとき−それが２、３秒内で起こることができ−ターボ圧縮機７、９は空気を圧縮し続け、そしてその後、圧縮空気はターボエキスパンダー１１、１３によって解放され、そして膨張され続け、それはスーパーチルドエアーを生成する。ターボ圧縮機およびターボエキスパンダー装置の各組は、それ自身の回転速度および出力定格（ｐｏｗｅｒ ｒａｔｉｎｇ）をもつ。]
[0065] 好ましくは、圧縮空気が圧縮機５とターボ圧縮機７、９でそれぞれ、加圧されていて、熱交換器１５、１７および１９は、圧縮空気の温度を低下させるのを助ける。このように、圧縮機によって発生する熱は、その熱が、それによって発生しているチルドエアーの温度に影響を及ぼさず、またはオフセットしないように追い出す（ｅｘｐｅｌｌｅｄ）ことができる。この点で、熱交換器１５、１７および１９は好ましくは、任意の慣習的なタイプで、冷却剤のようなもの、たとえば、冷水のようなものを使う向流システムのようなものであり、熱を圧縮機（そして、それらが生成する圧縮空気）から引き離し、そこでは、熱が交換されると、冷却剤は関係する発電機で、たとえば、蒸気タービン発電機および／または吸収チラー（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈｉｌｌｅｒ）のようなものに移される。熱交換器は好ましくは、圧縮機によって生成される高温の圧縮空気がその中で含まれる熱を冷却剤に引き渡すよう強いて、そこでは冷却剤が加熱され、圧縮機によって生成された圧縮空気の温度を著しく低下することができる。]
[0066] 向流熱交換器において好ましくは、冷たい冷却剤の水は、冷やされた空気の出口と同じ端部上で熱交換器中に導入され、一方で同時に、加熱された空気は加熱された水の出口と同じ端部上で熱交換器中に導入される。つまり、冷却剤の水は一方の端部中に導入され、そして加熱された空気は反対側中に導入され、そして冷却剤の水および加熱された空気は反対方向において熱交換器を通るのを許容される。このように、加熱された空気は、加熱された水が出る同じ端部中に導入されることができ、そして冷水は冷たい空気が出る同じ端部中に導入されることができ、それによって熱交換器がより効率的に操作されるのが助けられる。]
[0067] ＣＴＴ装置３は概して、次の特長を含む。すなわち、１）下流のターボエキスパンダーにおける膨張プロセスは、それらの双方が加速の間、そして最終的な平衡回転速度が成し遂げられるとき、同じ回転速度をもつように、上流のターボ圧縮機に付着されるシャフトを通して送られる「仕事」を生成する。定常状態の平衡に達するとき、ターボエキスパンダーおよびターボ圧縮機は、同じシャフト上で、同じ回転速度を成し遂げ、そこでは、この平衡状態が「自由なスプーリング」モードと呼ばれる。ターボ圧縮機はこのような場合、気圧への全体的な膨張を増加させることができるように、より一層高い圧力が達成されるのを許す。２）ターボ圧縮機の圧縮によって発生する熱い空気は、ターボエキスパンダーへの取り込みが、たとえば、およそ室温のようなものにまで低下することができるように、冷却剤の水によって冷やされる。このようにして、膨張が急激な圧力低下から起こるとき、マイナス１５０度Ｆからマイナス１８０度Ｆまでの範囲における空気温度は達成することができる。３）ターボ圧縮機およびターボエキスパンダーは、膨大な温度低下が起こるとき限りないエアーマスフローが処理されるように、３０，０００から７０，０００までのＲＰＭの程度上で、非常に高い回転速度で回転する。４）高い回転速度は、インペラーホイール（回転盤）がインペラーの円周で超音波の先端速度を避けるために測定されることを求める。このように、これらの装置は好ましくは、特に巨大な慣習的な冷蔵および慣習的なチルドシステムと比較されるとき、小さい。]
[0068] 図３は、２つのステージのターボ圧縮機２３、２５、および２つのステージのターボエキスパンダー２７、２９を、第１および第２の熱交換器３１および３３とともにもつ２つのステージのターボエキスパンダーＴＣＡＥＳ装置２１を示す。ＴＣＡＥＳ装置２１の操作は、ＣＴＴ装置３と類似しますが、圧縮空気は、図６で示すように、高圧力タンク１０５に保存され、そしていつでも解放されることができることを除かれ、それは、作用の追加された利益を時間的推移（ｔｉｍｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇ）手段として、すなわち、エネルギーが生成されるとき提供し、それはそれが用いられるとき異なることができる。好ましくは、タンク１０５からの圧縮空気を第１のステージのターボ圧縮機２３中に導入し、そこでは、圧縮空気が圧縮され、そして再び加熱される。好ましくは、第１のターボ圧縮機２３はタンク１０５からの圧縮空気を取得し、そしてそれを、圧力がさらに増すようにさらに圧縮する。その後、追加的な熱がまた発生するので、加熱され、そして圧縮された空気は好ましくは、第１の熱交換器３１を通され、それは、ＣＴＴ装置３に関連して実質同じ上述の冷却剤システムを用いて圧縮空気の温度を低下させ、そこでは、冷水を冷却剤として用いることができ、そして加熱された水がより一層多くのエネルギーを生産するために関係する蒸気発生器設備１１１において用いることができる。] 図３ 図６
[0069] 冷やされた圧縮空気はそれから、圧縮空気が圧縮されて、再び熱される第２のターボ圧縮機２５中に通される。加熱され、そして圧縮された空気は次いで、再び空気の温度を低下させ、第１の熱交換器３１に関連して実質同じ上述の冷却剤システムを使用して、第２の熱交換器３３に通され、そこでは、図６で示すように、より一層多くのエネルギーを生成するために、次いで、加熱された水を、関係する蒸気発生器設備１１１において用いることができる。] 図６
[0070] 圧縮された空気を、たとえば、最高２１５ｐｓｉａのようなものまでに加圧し、そしてたとえば、およそ室温に至るまで冷やすと、好ましくは、圧縮空気は、第１および第２のターボエキスパンダー２７および２９によって解放され、そして膨張され、それは、スーパーチルドエアーを生成するために圧縮空気を解放し、そして膨張する。この点で、圧縮されて第１のターボ圧縮機２３に供給され、それは、第１のターボ圧縮機２３および第１のターボエキスパンダー２７が共通のシャフト３０上に位置付けられるので、そして第２のターボ圧縮機２５および第２のターボエキスパンダー２９が共通のシャフト３２に位置付けられるので、操作の定常状態の条件が達成されるまで、２つのターボエキスパンダーの回転は、２つのターボ圧縮機が同様に回転するようにすることに注目すべきである。]
[0071] 装置２１の基本的な操作は、第１のステージのターボ圧縮機２３中に、そして次いで、第２のステージのターボ圧縮機２５中に導入される圧縮空気を用いて始められ、そしてその時、第１のターボエキスパンダー２７が第１のターボ圧縮機２３と同じシャフト上に位置付けられるので、圧縮空気がターボエキスパンダー２７、２９によって解放され、そして膨張され、そして第２のターボエキスパンダー２９が第２のターボ圧縮機２５と同じシャフト上に位置付けられ、第１および第２のターボエキスパンダー２７、２９が回転し始めるとき、第１および第２のターボ圧縮機２３、２５はまた回転し始める。すべての４つの構成要素−第１および第２のターボ圧縮機２３、２５、および第１および第２のターボエキスパンダー２７、２９−は、第１および第２のターボエキスパンダー２７、２９によって発生するトルク（機械的仕事）の結果として回転し始め、それらは、第１および第２のターボ圧縮機２３、２５のそれぞれを駆動するのを助ける。シャフト３０、３２の回転速度は好ましくは、それらが平衡入力圧に達するまで、第１および第２のターボ圧縮機２３、２５のそれぞれを駆動するのに十分な動力を提供する。操作の定常状態条件が達成されるとき−それは２、３秒の範囲内で起こることがあり−ターボ圧縮機２３、２５は空気を圧縮し続け、そしてその後、圧縮空気はターボエキスパンダー２７、２９によって解放され続け、それはスーパーチルドエアーを生産する。]
[0072] 好ましくは、圧縮空気がターボ圧縮機２３、２５のそれぞれによって加圧されていて、熱交換器３１、３３は圧縮空気の温度を低下させるのを助ける。このように、圧縮器で発生する熱は、熱がそれによって発生するチルドエアーの温度に影響を及ぼさないか、またはオフセットしないように追い出すことができる。この点で、上述したように、熱交換器３１、３３は好ましくは、向流またはコフローのタイプのような任意の慣習的なタイプである。]
[0073] 図４は、石炭または石炭燃焼発電所から放出される残りのガスから分離されるＣＯ２ガスを採取する提案された解法４１を示し、それは凍らせられ、そしてそれは保存される。つまり、提案された解法では、ＩＧＣＣシステムを用いる石炭から導き出されるＣＯ２ガスは好ましくは、チャンバー４３中に導入され、そして次いで冷やされ、氷ブロックを形成するために凝集することができ、それを次いで簡単に輸送し、そして保存することができる冷凍した二酸化炭素の結晶を生産するために、スーパーチルドエアー（ＣＴＴ装置３またはＴＣＡＥＳ装置２１に由来する）との相互作用によって昇華する能力を奪われる。このプロセスは、鉱山を掘り、既存の洞穴を使用するための、または藻類堆積物、または石灰採石場を見出すため、またはパイプラインを構築するための必要性を排除する。代わりに、ＣＯ２ガスはドライアイスの固形ブロックにまで凍り、それは次いで事実上任意の凍った生成物設備に送ることができ−たとえば、炭酸飲料を生産するようなものに−それは順に、そのシステムが稼げる事業になるのを可能にし−それは、上述したように、ＩＧＣＣを使ってＣＯ２を分離することと関係した高いコストをオフセットすることができる。] 図４
[0074] 概して言えば、本システムは、ＣＯ２ガスをチャンバー４３中にスーパーチルドエアーの予め定められた量とともに注入するためにシステムを組み込み、それは結晶を形成するためにＣＯ２ガスを急速冷凍させ、それから氷ブロックを形成するために一緒に凝集することができるのを助ける。好ましくは、スーパーチルドエアーを、その周辺部のまわりで間隔をあけられる複数の入口４５を通してチャンバー４３中上方に注入し、その一方、ＣＯ２ガスは複数の入口４７を通して下方に導入される。このように、２つが混合され、凍ったＣＯ２の結晶は、デッドゾーンエリア４９内で形成することができ、そして循環され、それらを一緒に凝集させる。断熱された混合チャンバー４３中に、マイナス１５０度Ｆからマイナス１８０度Ｆまででスーパーチルドエアーの容量流を導入することによって、そして次いでＣＯ２ガスの容量流を導入することによって、ＣＯ２ガスの温度を著しく、たとえば、マイナス１０９．３度Ｆまで、またはそれよりも低くのように低下させることができる。次に、ＣＯ２ガスがスーパーチルドエアーと混合され、そして熱交換のために凍らされ、純粋なＣＯ２の結晶が形成される。時間とともに、すなわち、２、３秒もたたないうちに、凍ったＣＯ２の結晶は凝集し、そしてチャンバー４３の底部に落下し、そこではそれらが集まり、そしてドライアイスブロックを形成する。]
[0075] 鍵となるもののうちの１つは、ＣＯ２ガス（室温で）の適切なパーセンテージ（割合）とスーパーチルドエアー（マイナス１５０度Ｆからマイナス１８０度Ｆまで）の適切な量を、混合物が凍ったＣＯ２の結晶の形成をもたらす適切な温度が達せられるように混合することである。この点で、好ましくは、サイドダクト５３は、チルドエアーを、ＣＯ２の結晶が下方に加圧されるように（重力および慣性によって）、チルドエアーがチャンバー４３を通り、および外へ回されるのを可能にするチャンバー４３の側面上に提供され、それによって、チャンバー４３の底部の方へ凍ったＣＯ２の結晶を押し進めるのが助けられる。このことが起こるために、チャンバー４３内の空気がチャンバー４３を通して下方に効果的に循環されるように、入口４７が出口（それはサイドダクト５３である）上に位置付けられるのが望ましい。]
[0076] 好ましくは、本発明には、チャンバー４３において形成されるＣＯ２ガスの結晶の最終的な温度がマイナス１０９．３度Ｆか、またはそれより低いままであることを確実にするために、適切な量において、および適切な率にてＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーを導入するのに用いることができるシステムが含まれる。この点で、好ましくは、ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーは、それらが妥当に、そして十分に混合され、そして空気の冷えた温度がＣＯ２ガスへ移されるのに十分な圧力下に導入される。好ましくは、各々の率および流れ、ならびにチャンバー４３、および入口開口４５、４７の全体的なサイズおよび立体配置は、結果として生じる混合物が最適な温度に達し、そして結晶の大きさを適切にそろえ、そしてそれらの特性を達成することができるように、予め定め、そして制御される。]
[0077] ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーがチャンバー中に導入される方向は、ＣＯ２の結晶の妥当な形成、そして従って氷マスの集塊に寄与することがありうる。この点で、本発明は、双方の１）向流、および２）コフローの配置を考える。どちらを使用することでＣＯ２がどれくらい速く凍る必要があるかに依存し、どちらがＣＯ２ガスの温度に依存し、そしてスーパーチルドエアーがチャンバー４３中に入る前にどれくらい冷たいか、ならびにチャンバーの大きさ、各々のどれたけ多くがチャンバー４３中に導入されるか、およびどれだけの率か、等を決定することが因子である。]
[0078] 向流の具体化において、システムは好ましくは、チャンバー中下方にＣＯ２ガスが注入され、そこでは、スーパーチルドエアーがチャンバーの周辺部のまわりで間隔をあけられる複数の入口から上方へ導入される。ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーがチャンバーにおいて結晶の滞留時間を減らすだけでなく、混合能力を増やすために反対方向に注入されるので、これは向流プロセスと称される。これもまた、混合チャンバーの高さを減らすことによって、資本投資を減らす。コフローの具体化において、ＣＯ２ガスおよびスーパーチルドエアーの双方は、底部への結晶のより一層速やかな落下ならびに空気からの結晶のサイクロンのような分離を許容する同じ方向において導入される。]
[0079] いずれにせよ、チルドエアーを通してＣＯ２の結晶の下方へのフライトの間、結晶はそれらが落下するとき、より一層冷たくなり、そして一緒に凝集し、そこでは、時間までに、それらが底部に達し、好ましくはそれらは適切な温度になる。好ましくは、サイドダクト５３は、チルドエアーを漏れさせるために、チャンバー４３の側面上に提供される一方、ＣＯ２の結晶が落下し、または底部に至るまで突出するのを許容する。これは結晶が、チルドエアーから分離されることを確実にするのを助け、そこでは、チルドエアーが次いでチャンバー４３から外に向けられ、そして冷却目的で、たとえば、さらなる冷却を、ＨＶＡＣ、冷蔵、燃料駆動発電設備および／または脱塩に対する空気の取り込みのようなもののために提供するのに用いることができ、それはさらに全体のシステムの効率を上昇させる。]
[0080] モーター５７または他の装置を有するスクリュー５５は、凝集したＣＯ２の結晶を押すのを助けるために、チャンバー４３の底部で提供することができ、その結晶はチャンバー４３の底部でポータル５９を通して蓄積し、そのポータルは氷ブロックを形成するのに用いることができるフレーム６３を有するコンベヤーシステム６１の上に結晶が落下するのを許容する。チャンバー４３の底部６５は好ましくは、底部６５で蓄積された結晶の本質的にすべてがポータル５９を通して押されることができるように、スクリュー５５の外側の形状に適合する半円筒形を有して構成される。ポータル５９は、凝集された結晶が適切な時間でコンベヤーシステム６１上に落下するのを許容するためにスイングオープンする（揺れて開く）ドア６０をもつことができる。好ましくは、ドア６０は、結晶のバッチがコンベヤーシステム６１上に落下することができるように、たとえば、断続的な隙間を伴って、操作されるように作ることができ、それは別個の氷ブロックが形成されることの推進を助けることができる。氷ブロックがコンベヤーシステム６１に沿って動くように、ドア６０またはポータル５９の縁部は予め定められた高さで設けることができ、それらは予め定められた厚さをもつ厚板（スラブ）を形成する。チャンバーの底部にて結晶のマスにとって、ドライアイスブロックがつくられる一方でブロックが凍ったままであるように、ＣＯ２の氷結温度よりもわずかに低いままにすることが望ましいことが見出された。これらの理由から、チャンバー内のチルドエアーの温度、およびＣＯ２ガスの温度および各々の導入の率はすべてが最適の結果を得るために制御されることは重要である。]
[0081] フレーム６３は好ましくは、ローラー６７を有する柔軟なコンベヤーベルト６５上で提供され、その結果、結晶が落下し、それらはフレームによって分けられ、そして別個の氷ブロックを形成し始める。ベルト６５の柔軟性は好ましくは、コンベヤーが回転し、そして図４で示すように、底部の右隅で下方に回転し−、簡単に解放されるように形成される氷ブロックを可能にする。また、コンベヤーシステム６１はまた、循環様式において、すなわち、永久ループにおいて回転するのが可能になる。] 図４
[0082] その後、氷ブロックは簡単に輸送し、および保存することができ、および／またはＣＯ２を新鮮なＣＯ２を使うものを含む商業上の目的のために必要とするかもしれない事業に販売した。たとえば、ＣＯ２がどこから来るかに関係なく、炭酸飲料産業は清涼飲料を生産するためにＣＯ２を使い続け、そして従って、それらが使うＣＯ２が石炭燃焼発電所に由来することができるならば、新鮮な供給源からよりはむしろ、大気へのＣＯ２の合計の消費はそれによって減らすことができる。]
[0083] 図５および６は、いろいろな構成要素がどのようにその効率を上昇させるためにＣＴＴ装置３および／またはＴＣＡＥＳ装置２１に加えることができるかについて示す。] 図５
[0084] この点で、図５はＣＴＴ装置３を示し、そこでは、圧縮機７５およびターボ圧縮機７９からの廃熱がその効率を上昇させるために加熱された水を蒸気駆動タービン発電機８９に提供するのに用いることができる。それによって生成されるエネルギーは、ＩＧＣＣシステムに動力を提供するのに用いることもできる。また、ＣＴＴ装置によって生産されるチルドエアーは、上述したように、ＣＯ２ガスを凍らせるのに用いることに加え、関係する燃料駆動タービン発電機９１中に冷たい吸気を提供するのに用いることができる。この点で、増加した効率がＣＴＴ装置によって生成される熱およびエネルギーを再循環させるによって、そして次いでＩＧＣＣシステムに動力を提供するのに、および／またはチルドエアーの形態において、追加的な冷却をＨＶＡＣ、冷蔵および脱塩のために提供するのに用いることができる電気の形態において追加のエネルギーを生産することによって達成されることが見出されうる。これは、より一層多くのコスト削減が成し遂げられ、ＣＯ２ガスを石炭から分離するための高いコストをさらにオフセットすることができる。] 図５
[0085] この点で、本発明は好ましくは、関連した米国仮出願連続番号第６１／１９５，４１８号明細書で記述される方法およびシステムを組み込み、それは「燃料駆動タービン発電機の効率が高められるように圧縮空気を用いるための方法および機器」と題する。そのシステムは、燃料駆動タービン発電機の効率を増すための改善された方法およびシステムに関し、そこでは、システムは好ましくは、圧縮機タービンに冷気を注入するためにＣＴＴ装置からのスーパーチルドエアーを、そのより一層効率的な操作のために用いる。吸気を冷やす以前の装置とは異なり、そのシステムは、スーパーチルドエアーを発生するためにターボ圧縮機およびターボエキスパンダー装置によって膨張された圧縮空気を利用し、そこでは、システムは燃料駆動発電機９１中に引き込むことができる冷たい乾燥吸気生成する。遠心機を使って吸気から水分を除去することによって、吸気がナセルを通して、そして圧縮機タービン中で加速されるとき、タービン羽根を損傷することがある氷粒子を形成しない。]
[0086] チャンバー４３を出るＣＴＴ装置２１によって生産されるチルドエアーは好ましくは、燃料駆動タービン発電機９１の圧縮機タービン９２中への導入のために比較的冷たい吸気を生成するために、周囲空気とエダクター８５において混合される。このような場合、チルドエアーは、エダクター８５中に、１つまたはそれよりも多くの開口を通して導入し、スーパーチルドエアーの速さは、周囲空気を、開口を通して、そしてエダクター８５中に引き出すのを助ける。次いで、２つのエアマス（気塊）を一緒に混合し、出てくるものは燃料駆動タービン発電機９１の効率を上昇させるための吸気として用いることができる空気の比較的冷たいマス流である。]
[0087] 冷気を生成し、および圧縮機タービン９２において吸気としてそれを用いる利益は空気がより一層濃くなることであり、そしてより一層大きなマス流をもつことであり、そしてしたがって、圧縮機タービン９２は、等価な容量の吸気を燃焼チャンバー９４中に圧縮するのが難しいので、働かせる必要はない。よって、圧縮機タービン９２は、より一層少ないエネルギーしか消費しないでよく、そこでは、より一層多くのエネルギーは発電機９６を駆動するために利用可能になることができ、すなわち、システムによって生成されるエネルギーのより一層大きな部分は、発電機９６を駆動し、そして電気を生産するのに用いることができる。起こることはより一層少ないエネルギーしか圧縮機タービン９２を動かすのに用いられないということであり、それはより一層多くのエネルギーが発電機９６を駆動するのに利用可能であることを有利に意味し、それは消費される燃料の単位容量につきより一層多くのエネルギーを生産するためのシステムの能力を増すのを助ける。]
[0088] 別の利益は、チルドエアーが吸気からの水分を取り出し、そしてタービン羽根に損傷を与えることがある氷粒子の創作を避けるのに用いることができるということである。これは、周囲空気の範囲内で水蒸気を急速凍結させ、そして次いで氷粒子を（氷粒子の範囲内で補足される固形微粒子を含む）をチルドエアーから分離する手段として、チルドエアーを用いることによって達成される。すなわち、暖かい周囲空気がチルドエアーと混合されて、周囲空気の範囲内で存在する大部分の水蒸気は小さい氷粒子を形成するために急速凍結されうる。次いで、氷粒子は分離コンパートメント（または遠心機８７）の底部に落下して、冷たい乾燥空気は遠心機８７の軸に対しておよそ９０度くらいで延びるサイドダクト中に向けることができ、そこでは、高速氷粒子がそれらのまっすぐな不活性な軌道をたどり続け、冷たい乾燥空気は次に角を曲がり、そして通路を通り抜け、そして氷粒子を残すことができ、それによって冷たい「乾いた」空気が生産される。]
[0089] 議論されるように、冷たい吸気からの氷粒子の排除は、システムの効率を上昇させるだけでなく、タービン羽根に穴があけられ、および損傷が引き起こされるのを回避もする。燃料駆動タービン発電機９１の圧縮機タービン９２への入射は典型的にノズルまたはナセルの形状であり、比較的広い開口を有し、次いで比較的狭いナセルが続く、そこでは、圧縮機タービン羽根が位置付けられる。したがって、吸気がナセルを通して加速され、引き込まれた空気のほぼ断熱的な加速は流れ経路の締めつけから生じ、この状態はエンタルピー減少と関係し、そしてそれは順に、有意な温度低下を生成する。より一層低い吸気温度がより一層大きなシステム効率をもたらしたが、不利な面は吸気の温度が氷点より下に低下した場合、さもなければタービン羽根にぶつかり、そして損傷をそれに引き起こすことがある氷粒子を形成することができる。]
[0090] 熱交換器は、７７、８１のようなもので、空気圧縮によって離れて生成される熱を引き出し、そしてそれを蒸気タービン発電機システム８９および／またはその性能を高めるためにそれと関係するチラーシステムへ移すのに用いることができる。熱交換器は好ましくは、冷却剤を含み、たとえば、水のようなもので、それは装置からの熱を関係する蒸気タービン発電機装置８９および／またはチラーシステムへ移すために圧縮器ユニットを通してチャネルを開くことができる。蒸気発生器のために、予備加熱した水を、ボイラーでの水がより一層少ないエネルギーしか用いないようにすることができるように、関係するボイラー９０のために利用可能に作成することができる。装置から熱を引き出し、そして冷却剤の水を予熱して、そして冷却水をボイラー９０に導入することによって、蒸気タービン発電機８９をより一層効率的にするだけでなく、全体のシステムを電気生成においてより一層効率的にすることができる。蒸気駆動タービン発電機８９は、任意の慣習的な種類であることができ、それは蒸気をつくるためにボイラー９０を用い、それは順に、蒸気タービン８６を駆動し、そこでは、発電機８８が電気を生成するように駆動することができる。]
[0091] 別の具体化において、遠心機８７において溶け込む氷粒子として生産されるチルド水は、補助装置に冷却を提供するために用いられる。つまり、氷粒子として遠心機の底部で集められ、それらは、チルド水を生成するために解凍されうるものであり、それは熱エネルギー貯蔵システム８４のような関係する装置へ移すことができ、そこではチルド水を後の使用のために保存することができる。熱エネルギー貯蔵装置８４は好ましくは、層化タンクを含み、そこでは、チルド水を保存することができ、そしてそこからチルド水を補助装置で、たとえば、ＨＶＡＣ、冷蔵、燃料駆動発電機設備および／または脱塩への空気の取り込み、またはその他等のようなもののための冷却を提供するために取り出すことができる。チルド水が必要な冷却をこれらの装置に提供するのに用いられた後、水はそれから、層化タンクへと再循環され、そこでは、チルド水をこのやり方において保存することによって、それが必要なとき、要求あり次第、水は利用可能にすることができる。代わりの具体化において、チルド水は、ＨＶＡＣ、冷蔵、燃料駆動発電機設備および／または脱塩への空気の取り込みまたはその他、等のために、最初にそれを保存することなしに、冷却を提供するために直接用いることができる。]
[0092] 図６は、ＴＣＡＥＳ装置２１を示し、そこでは、圧縮機１０３からの廃熱を、その効率を上昇させるために加熱された水を蒸気駆動タービン発電機１１１に提供するのに用いることができる。この具体化では、空気は好ましくは、圧縮機１０３によって圧縮され、そして圧縮空気が好ましくは容器１０５に保存され、そこでは、制御弁１０４が容器１０５からの空気の通過をコントロールし、そして圧縮空気をターボエキスパンダー１０７によって解放させる。ターボエキスパンダー１０７によって生産されるチルドエアーは、上述のように、ＣＯ２ガスを凍らせるのに用いることに加え、関係する燃料駆動タービン発電機１１５中に冷たい吸気を提供するのに用いることができ、その効率を上昇させる。] 図６
[0093] この点で、増加した効率が圧縮機１０３によって生成される熱を再循環し、そしてそれを蒸気電力発生器１１１において使うことによって達成されることがわかり、それは、ＩＧＣＣシステムに動力を提供するために用いることができる電気を発生させることができる。ターボエキスパンダー１０７によって生産されるチルドエアーはまた、追加の冷却を、ＨＶＡＣ、冷蔵、燃料駆動発電機および／または脱塩への空気の取り込みのために提供するのに用いることができ、そこでは、追加の電気がまた、ターボエキスパンダー１０７が回転して、発電機１０９によって発生することができる。これは、より一層多くのコスト削減が達成されるのを可能にされ、それは、ＣＯ２ガスを石炭から分離する高いコストをさらにオフセットすることができる。]
[0094] 図６で示されるＴＣＡＥＳ装置において、装置によって生産されるチルドエアーおよびチャンバー４３から出るものは好ましくは、燃料駆動タービン発電機１１５の圧縮機タービンへの導入のための比較的冷たい吸気を生成するために周囲空気と混合される。このような場合、好ましくは、混合コンパートメントまたは誘導子１１３が提供され、そこではチルドエアーは１種またはそれよりも多くの開口を通して導入することができ、そしてスーパーチルドエアーの速さは開口を通して、そして誘導子１１３中に周囲空気を吸い込むのを助けることができる。次いで、２つのエアマスが一緒に混合され、出現するものは空気の比較的冷たいマス流であり、燃料駆動タービン発電機１１５の効率を上昇させる吸気として用いることができる。] 図６
[0095] この装置の別の利益は、チルドエアーが吸気から水分を除去し、そしてタービン羽根に損傷を与えることがある氷粒子の作成を避けるのに用いられることができるということである。これは、周囲空気の範囲内で水蒸気を急速凍結させ、そして次いで氷粒子（氷粒子の範囲内で捕捉される固形微粒子が含まれる）をチルドエアーから分離する手段として、チルドエアーを用いて達成する。つまり、暖かい周囲空気がチルドエアーと混合され、周囲空気の範囲内で存在する大部分の水蒸気は小さい氷粒子を形成するために急速凍結されうる。次いで、氷粒子が分離コンパートメント（または遠心機１１７）に落下して、冷たい乾燥空気が遠心機の軸に対しておよそ９０度で延びるサイドダクトまたは通路１１８中に向けることができ、そこでは高速の氷粒子がそれらのまっすぐな不活性な軌道をたどり続けるように、冷たい乾燥空気はそれから角を曲がり、そして通路を通り抜け、そして氷粒子を残すことができ、それによって冷たい「乾いた」空気が生じる。]
[0096] 議論されるように、冷たい吸気からの氷粒子の除去は、システムの効率を上昇させるだけでなく、タービン羽根に穴をあけること、そして損傷を引き起こすことを避けられる。燃料駆動タービン発電機１１５への入射は典型的にノズルまたはナセルの形状であり、比較的狭いナセルが続く比較的広い開口を伴い、そこで、圧縮機タービン羽根が位置付けられる。より一層低い吸気温度がより一層大きなシステム効率をもたらしたが、不利な面は吸気の温度が氷点より下に下がる場合、さもなければタービン羽根にぶつかることがあり、損傷をそれに与えることがある氷粒子を形成することができるということであった。]
[0097] 図６に示されるように、装置２１は好ましくは、圧縮機１０３を用いて始まり、それは初期に圧力タンクまたは容器１０５の範囲内で空気を加圧し、たとえば、９０ｐｓｉａの圧力のようなものであり、そこでは圧縮機１０３およびタンク１０５が加熱された冷却剤の水を関係した蒸気タービン発電機１１１に分配する熱交換器１０２を備えることができる。熱交換器は好ましくは、そのままに加圧されるように、圧縮空気の温度を減らすのを助ける冷却剤を含み、そこでは冷水（たとえば６０度Ｆのようなもので）は圧縮機を通して分配され、そして冷却剤として用いることができる。] 図６
[0098] 図７および８は、図式的に、いろいろなステップがどのように実行されるかについて示す。図７はＣＴＴ装置３を示し、そして図８はＴＣＡＥＳ装置２１を示し、そこではＣＯ２ガスがＩＧＣＣシステム１２１によって生産され、そしてスーパーチルドエアーはＣＴＴ装置３またはＴＣＡＥＳ装置２１によって生成され、場合によって、そして２つは混合チャンバー１２３において混合され、そこでは、二酸化炭素の固形ブロックが生産されうる。残り物のチルドエアーは、別の混合チャンバーまたはインダクター１２５へ移され、そして周囲空気と混合され、そこでは、チルドエアーが次に用いられ、燃料駆動タービン発電機１２７の効率が増加する。] 図７ 図８
[0099] 次の２つの例が本システムは石炭燃焼発電所からのＣＯ２ガスを分離し、捕獲し、そして保存するだけでなく、ＩＧＣＣを使って石炭からＣＯ２を分離することと関係するコストをオフセットするのに用いることができる追加的なエネルギーを発生させるやり方でそうすることもできる。最終結果は、本発明のＣＯ２捕獲および保存のシステムの性能が１．７と同じくらい高い動作係数（一次発電所から吸収されるものよりも一層多くの生産される動力）をもつことができ、そこではシステムの効率は、熱ポンプのものに匹敵する。]
[0100] 最終的なステップにおいて、固形二酸化炭素ガスはドライアイスのブロック中に形成され、そして次いで、どこかほかの使用のために石炭火力発電所から移され、および現場から離れて出荷され、すなわち、ＣＯ２の固形ブロックが生産され、そしてトラックによって効率的に商業上の施設へ運搬され、それはそれらの操作においてＣＯ２を使うことができ、そこでは、追加的な収益を、ＩＧＣＣシステムを操作するためのコストをオフセットするためにそこから得ることができる。さらに、その結果、残りの二酸化炭素の足跡がその部位にはない。]
[0101] ２つの例には以下が含まれる：１）単純なエネルギーバランスを例示し、そして二酸化炭素ガスをドライアイスのコンパクトなブロックへの転換を要求される動力エネルギーを評価するＣＴＴ装置の単純な配置、および２）ターボエキスパンダーの放射インペラーブレードの高い回転速度および膨張する断面フルート状を通して高圧空気の軌跡の間に起こる膨張プロセスの詳細を考慮に入れる例で、このプロセスの詳細は、ターボ圧縮機および共通のシャフト上に位置付けられるターボエキスパンダーの既製の組合せを用いることが可能なことを例証する。]
[0102] 例１：提案された解法の単純なバージョンにおいて、ＣＴＴ装置は石炭燃焼プラントの近接近に位置付けられることができ、そしてＣＴＴ圧縮機を駆動するために石炭燃焼発電所からの動力の最小の量を使う。この点で、図９は圧縮機、ターボ圧縮機およびターボエキスパンダーＣＴＴ装置を、それらの関係する熱交換器をと共に示し、そこでは、チャートがＣＴＴプロセスにおける各々のステップのために熱力学的状態を示す。] 図９
[0103] この装置の目的は、２つの商業上入手しうる装置を使うことである：（１）ガス圧縮機および （２）ＩＧＣＣに由来した二酸化炭素を凍らせる単一のＣＴＴ装置としての連結ターボ圧縮機およびターボエキスパンダーのセット。図９は、ターボエキスパンダー（２８，７７２ｋＷ）から入手可能な動力がどのようにターボ圧縮機（マイナス２７，８５９ｋＷ）によって必要とされる動力と適切に合うかについて示す。上部でのチャートは、２７，４４４ｋＷで圧縮機評定を示す。しかし、圧縮機からのマイナス４，１１５ｋＷおよびターボ圧縮機からのマイナス２５，０４２ｋＷの回収可能な廃熱がある。このように、近くの蒸気駆動ＧｅｎＳｅｔまたはチラーがある場合、入力より多くの動力出力があり、それは大部分の熱ポンプのケースである。さらにまた、マイナス１０９．３度Ｆの空気の１秒につき４８７．６ポンドは、３２度Ｆに暖められ、そしてチリング能力はマイナス１７，４４５ｋＷである。このように、２７，４００ｋＷの入力は、マイナス４，１１５ｋＷ、マイナス２５，０４２、ｋＷおよびマイナス１７，４４５ｋＷ−または４６，６０２ｋＷを発生させる。したがって、このシステムは、典型的熱ポンプのように実行し、そこでは動作係数（Ｃ．Ｏ．Ｐ．）は４６，６０２ｋＷ／２７，４００ｋＷ–または
１．７と同等である。] 図９
[0104] 図９の中の表は、下流の混合チャンバーにおいて高圧ドロップロスで操作するために３０ｐｓｉａの排気空気をもつ必要があると仮定する。このように、２１５ｐｓｉａから３０ｐｓｉａへの圧力落下は、マイナス１２６度Ｆでスーパーチルドエアーの生成をもたらすことができる。しかし、ＣＴＴ装置を異なる圧力のセットと共に、圧力落下が２１５ｐｓｉａから１４．６７ ｐｓｉａ まででマイナス１７３度Ｆにてスーパーチルドエアーをもたらすように再構成することが可能である。] 図９
[0105] 図１０はＣＯ２の秒あたり２６．５３ポンドが発生する典型的な１００ＭＷの発電所によって要求される熱バランスが、マイナス１７３度Ｆでスーパーチルドエアーの秒あたり４８７．６７ポンドを要求することを示す。図１０も、１００ＭＷの発電所のＣＯ２排出物にマッチするＣＴＴ装置の流れ必要条件を示す。入口ダクト、混合チャンバーおよびアウトレットダクトのための断面エリア必要条件は図１１および１２に示される。] 図１０ 図１１
[0106] 以下の議論は、各々のステップの詳細を記述する。硫黄化合物およびフライアッシュを除去するためのいくつかの利用可能な既存の施設のうちの１つの使用は、図１Ｂにおいて説明する。図１Ｂのシステムも、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２およびＮＯｘの冷やされた排出物燃焼排ガスを除去する。結果は、これらのプロセスによってこれらのガスからのＣＯ２の分離である。ＣＯ２ガスは、固形ＣＯ２を形成するために、ターボエキスパンダーの排気と次に組み合わせることができる。凍ったＣＯ２はそれから、その凍った固形の形態での商業上の目的のために除去される。熱電併給される（ｃｏ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ）チルドエアーはまだあり、すなわち、近くの商業上の施設または冷凍食品ロッカー施設、その他において、ＨＶＡＣのために用いることができる凍ったＣＯ２の下流で利用可能である。石炭燃焼施設は、ＣＯ２の排出に対する任意の不利益も負荷されない。] 図１Ｂ
[0107] 図１０はスーパーチルドエアーおよび室温二酸化炭素ガスの注入を伴い、チルドエアーの流出および二酸化炭素の固形ブロックを伴う、混合チャンバーの算出結果および横断面を示す。たとえば、発電所は１００ＭＷと評定され、そして石炭の１秒につき７．２４ポンド（１３，１００ＢＴＵ／ＰＯＵＮＤ発熱）を用いる。生産される２６．５３ポンドの二酸化炭素ブロックが、ある。圧縮機に供給される電力（図９）の２７．４ＭＷは、７０度Ｆで吸気（ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ）で１秒につき標準的な６，４１７立方フィート、ＳＣＦＳ、の空気（図１１）の流れに、ターボ圧縮機およびターボエキスパンダーをマイナス１７３度Ｆで空気を出力するようにする。マイナス１７３度Ｆは、供給圧縮機のより一層小さな圧力増大、および２１５ｐｓｉａから１４．６７ｐｓｉａへの圧力落下を想定する。] 図１０ 図１１ 図９
[0108] さらにまた、混合チャンバーの下流の空気は、マイナス１０９．３度Ｆより冷たく、そしてＨＶＡＣシステムに送ることができ、または燃料駆動タービン発電機の効率を上昇させる。実際的なシナリオでは、マイナーな非効率性は考慮される必要がある。ハードウェアをチルダウンするためにスタートアップで投資されなければならないエネルギーがあり、損失が圧力低下によって存在し、そして二酸化炭素と空気との間のすべての混合が完璧であるというわけではない。このように、わずかにより一層多くの空気は、すべての二酸化炭素の氷点を保証するのに用いられる必要がある。]
[0109] 過剰なスーパーチルドエアーは、ＣＯ２が凍ったＣＯ２の取扱いおよび輸送におけるすべての後のステップの間、凍ったままであることを保証するのに用いられる。ＣＯ２を凍らせるプロセスからの残りの排気は、マイナス１０９．３度Ｆより冷たくて、高いマスフローである。残留する気流のこのチリング能力はさらに冷たい貯蔵施設、エアーコンディショナー、冷蔵、燃料駆動発電機設備、および／または脱塩への空気取り込みのために利用することができる。産業上、および商業上の冷えた貯蔵施設は、操作の効率を高めるために、石炭燃焼発電所の近くで同じ場所に配置されうる。]
[0110] ＣＯ２が発電所から混合チャンバーへと流れるダクトのサイズおよびダクトを流れる空気のサイズは、図１１の中で算出される。室温のＣＯ２ダクト速度は過度の圧力低下を避けるために２０ｆｔ（フィート）／秒を越えないように制限され、次いでそれは１４本のパイプで、各々直径１フィートを考慮する必要がある。気流のためのバウンディング（境界）ダクトサイズの選定は図１１に示される。あるものは、冷たい空気を送るために、６つの１０．７フィートの直径または１つの１８．５フィートの直径のダクトを用いることができる。これは、部位で利用可能なリアルエステート（物的財産）に依存する。] 図１１
[0111] 例２：この例は、各々のターボ圧縮機インペラーディスクにわたって利用可能な圧縮によって課され、各々のターボエキスパンダーインペラーディスクにわたって利用可能な膨張によって課される限界を考慮する。特に、溝付きベイン（羽根）の各々の壁に付着される境界層は、それが壁から離れる前に、圧力比率に関して制限される。さらに、ターボエキスパンダーからターボ圧縮機への動力の移動がその定常状態の「自由なスプーリング」モードの間にあるので、ターボエキスパンダーとターボ圧縮器の組合せの２つのセットにマッチするのに必要であり、そこでは、各組合せには、別々の出力定格がある。]
[0112] 図１３は、１４．６９６ｐｓｉａおよび７０度Ｆの周囲空気（ポイントＡ）から５０ｐｓｉａおよび２４７度Ｆの圧縮空気（ポイントＣ）までの圧縮機の取り込みを示す。等エントロピーの圧縮プロセスは、２９１度Ｆのより一層高い温度をもたらす。しかし、圧縮機の本体への不完全な圧縮プロセスおよび熱伝達または入力の２０％に関係する温度低下があった。冷却剤の水はエンタルピーの１０．６５４ＢＴＵ／ポンドの若干を吸収する。] 図１３
[0113] 圧縮空気が２４７度Ｆから７０度Ｆまで冷やされるとき、わずかの圧力低下しかなく、エンタルピーの４２．８７ＢＴＵ／ポンドが空気を暖めるために利用可能である。この５０ｐｓｉａおよび７０度Ｆの空気は、下流のＴ／Ｔシステムを駆動することに利用可能である。電力が圧縮機に供給されるとき、圧縮機からの圧縮空気はターボ圧縮機の２つのステージおよびターボエキスパンダーの２つのステージを駆動する。ターボ圧縮機＃１およびターボエキスパンダー＃１は、ターボエキスパンダー＃１がターボ圧縮機＃１を、それがそのインペラーを通過しする空気を膨張して駆動するように、共通のシャフトによって接合され難いことに注目される。また、ターボ圧縮機＃２およびターボエキスパンダー＃２は、ターボエキスパンダー＃２がターボ圧縮器＃２を、それがそのインペラーを通過する空気を膨張して駆動するように、共通のシャフトで接合され難いことに注目される。]
[0114] 一連の熱交換器があり、それらは、熱い圧縮空気を冷やすために、最終的に膨張された空気がスーパーチルド状態を達成するように利用可能である。これらの熱交換器は、それらの加熱された水を、近くの蒸気駆動発電機設備に、または熱駆動吸収チラーにのいずれかに移す。図１４は、各位置のための圧力および温度状態を定める。この平衡状態はその自由なスプーリングモードで３５．０３７ＢＴＵ／ポンドのターボエキスパンダーを３５．５１ＢＴＵ／ポンドのターボ圧縮機に、そしてその自由なスプーリングモードで１６．２４８６ＢＴＵ／ポンドのターボエキスパンダーを１６．１５ＢＴＵ／ポンドのターボ圧縮機に接合させる。より一層近い合意を達成するためにさらなる繰り返しは、現実世界の損失の予想を必要とする。これは、初期の設計に十分である。] 図１４
[0115] また、この例では、最終的な状態は、気流を２４ｐｓｉａマイナス１４８．３５度Ｆで届けることに注目される。このことは、周囲に比較した過剰な超過圧力は、ドライアイス（固体ＣＯ２）を形成するように混合するための局所の周囲二酸化炭素ガスを巻き込む下流のエダクターを駆動するのに働く。ターボ機械製造者へのシステムによって必要とされるＴ／Ｔの組合せのｋＷサイズを特定するために、あるものは気流の熱力学的状態の点およびポンド／時間の間のＢＴＵ／ポンドの違いをマルチプライ（増やす）ことができる。それから、結果として生じるＢＴＵ／時間をキロワットの単位に変換する。およそ１３５ｐｓｉａ空気は圧縮され、そして２１８度Ｆ（状態２）に達する。冷却剤の水は、空気を７０度Ｆに冷やすのに用いられ、そして圧縮空気はおよそ１３５ｐｓｉａ（状態３）のままである。この冷却剤の水は、近くの蒸気駆動発電機設備または吸収チラーによって用いられる。]
[0116] １３５ｐｓｉａおよい７０度Ｆの空気は次いで、摩擦によって発展され、そして冷却水によって吸収される、廃熱として、近くの蒸気駆動発電機設備（ＧｅｎＳｅｔ）またはチラーによって用いることができるエネルギーの１５％を伴い、２２０ｐｓｉａおよび１３８度Ｆに加圧される。冷却剤の水は次いで、２２０ｐｓｉａおよび１３８度Ｆの空気（状態４）から７０度Ｆにまで冷やすのに用いられ、それはおよそ２２０ｐｓｉａ（状態５）のままである。この冷却剤の水は、近くの蒸気駆動発電機設備または吸収チラーによって用いられる。]
[0117] ターボエキスパンダーでの膨張の第１のステージは、摩擦によって発達し、および冷却剤の水によって吸収される、近くの蒸気駆動発電機設備（ＧｅｎＳｅｔ）または吸収チラーによって用いることができる廃熱としてエネルギーの１５％を伴い、２２０ｐｓｉａおよび７０度Ｆから５５ｐｓｉａおよびマイナス７９度Ｆ（状態６）にまで膨張する。ターボエキスパンダーにおける膨張の第２のステージは、摩擦によって発達し、または冷却剤の水によって吸収される、近くの蒸気駆動発電機設備（ＧｅｎＳｅｔ）または吸収チラーによって用いることができる廃熱としてエネルギーの１５％を伴い、５５ｐｓｉａおよびマイナス７９度Ｆから２４ｐｓｉａおよびマイナス１４８度Ｆ（状態７）に膨張する。]
[0118] この設計は、目標圧力として２４ｐｓｉａを用い、排気チルドエアーが、周囲の二酸化炭素ガスを、混合ダクト（エダクター）に吸引するために十分な運動エネルギーをもつようにする。しかし、この設計圧が２４ｐｓｉａから１５ｐｓｉａまでに低下する場合、より一層冷えた気温が達成されることがあるが、これはＴ／Ｔ装置のリバランス（再釣合い）が必要である。]
[0119] リバランスは、以下のように説明される。すなわち、ターボエキスパンダー＃１は３５ＢＴＵ／ポンドの必要な力を有するターボ圧縮機＃１を駆動することに注目される。また、ターボエキスパンダー＃２は１６ＢＴＵ／ポンドの必要な力を有するターボ圧縮機＃２を駆動することに注目される。]
[0120] 圧縮機および各々のセットのＴ／Ｔによって要求されるキロワットを引き出すために、あるものは、単位マス（質量）（ＢＴＵ／＃）あたりのエンタルピーの違いによってＢＴＵ／秒またはｋＷ評定を引き出すために１秒につきポンド（＃／ｓｅｃ）で要求される気流を増やすことだけが必要である。]

权利要求:

請求項1
石炭燃焼パワープラントに由来する二酸化炭素ガスを除去する方法であって、次の二酸化炭素ガスを、前記パワープラントにおいて用いられる石炭から、および／または前記パワープラントのフルー排出から分離するためにプロセスを使用すること、圧縮された空気を生成するために、少なくとも１種のコンプレッサーを、および圧縮された空気を放出するために、少なくとも１種のエキスパンダーを使用することであり、スーパーチルドエアーはそれによって副産物として生産され、二酸化炭素ガスを、スーパーチルドエアーと、凍結された二酸化炭素の結晶を生成するために、チャンバーにおいて混合すること、および二酸化炭素の結晶を、ドライアイスとして輸送し、および／または他の使用のために保存することができるアイスブロックを形成させるのを許容することを含む、方法。
請求項2
混合ステップはさらに、二酸化炭素ガスを前記チャンバー中に注入すること、そしてスーパーチルドエアーを複数の開口を通して前記チャンバー中に注入することを含み、二酸化炭素ガスは、デッドエアゾーンにおいて結晶化し、そして凝集し始め、スーパーチルドエアーは結晶を形成するために二酸化炭素ガスと混合されるのを許容され、前記チャンバーにおける空気は、前記チャンバーの側面に沿って延在するサイドダクトを通して方向付けられ、残りのチルドエアーは、ＨＶＡＣ、冷蔵、燃料駆動された発電設備への吸気量および／または脱塩に提供するために用いることができる、請求項１の方法。
請求項3
方法は、前記チャンバーの底部で収集される凝集された二酸化炭素の結晶を、ポータルを通して押し進めるためにスクリューを使用すること、そして凝集された結晶はアイスブロックを形成するのが助けられる柔軟なフレームを有するコンベヤーシステム上に落下するのを許容されること含む、請求項２の方法。
請求項4
二酸化炭素の結晶の温度は、それらが前記チャンバー内で凝集し、そしてアイスブロックが輸送され、および／または保存されるように、マイナス１０９．３度Ｆに等しく、またはそれ未満でとどまるのを確実にされることを含む、請求項３の方法。
請求項5
方法は、方法によって生成されるスーパーチルドエアーの一部分を、より一層効率的に追加の電気を生成するためにガスタービン発電設備中に供給することができる比較的冷たい空気を形成するために、インダクターにおいて周囲空気と混合することを含む、請求項１の方法。
請求項6
ターボコンプレッサーおよびターボエキスパンダーを、スーパーチルドエアーを生成するために用い、およびクーラントを有する少なくとも１種の熱交換器を前記装置に関連して設け、方法は、追加の電気を生成させるために蒸気タービン発電設備において、または吸収式冷凍機において前記熱交換器からの加熱されたクーラントを用いることを含む、請求項１の方法。
請求項7
混合ステップはさらに、スーパーチルドエアーを、前記チャンバーにおいて複数の開口を通して注入すること、およびスーパーチルドエアーを、二酸化炭素ガスが下向きに注入されるように、上方または下方に方向付けられることを含み、二酸化炭素ガスはデッドエアゾーンにおいて結晶化し、そして凝集し始める、請求項１の方法。
請求項8
石炭燃焼パワープラントからの二酸化炭素ガスを除去するためのシステムであって、次の二酸化炭素ガスを、前記パワープラントにおいて用いられる石炭、および／または前記パワープラントからのフルー排出より分離するシステム、圧縮された空気を生成するために、少なくとも１種のコンプレッサー、および圧縮された空気を放出するために、少なくとも１種のエキスパンダーであり、スーパーチルドエアーは副産物として生産されるもの、二酸化炭素ガスを、スーパーチルドエアーと、凍結された二酸化炭素の結晶を生成するための混合用の混合チャンバー、および二酸化炭素の結晶を、凝集し、そしてドライアイスとして輸送し、および／または他の使用のために保存することができるアイスブロックを形成させるのを許容するための機器を含む、システム。
請求項9
前記チャンバーは、二酸化炭素ガスおよびスーパーチルドエアーが前記チャンバー中に注入されるのを許容し、二酸化炭素ガスは、デッドエアゾーンにおいて結晶化し、そして凝集するように許容され、スーパーチルドエアーが二酸化炭素ガスと混合されるのを許容された後、前記チャンバーにおける空気は、前記チャンバーの側面に沿って延在するサイドダクトを通して方向付けられ、残りのチルドエアーは、ＨＶＡＣ、冷蔵、燃料駆動された発電設備への吸気量および／または脱塩に提供するために用いることができる、請求項８のシステム。
請求項10
前記チャンバーの底部で収集される凝集された二酸化炭素の結晶を、ポータルを通して押し進めるために、そして凝集された結晶が、アイスブロックを形成するのが助けられる柔軟なフレームを有するコンベヤーシステム上に落下するのを許容するためにスクリューが設けられる、請求項９のシステム。
請求項11
二酸化炭素の結晶の温度は、それらが前記チャンバー内で凝集するように、マイナス１０９．３度Ｆに等しく、またはそれ未満でとどまるのを確実にされることを含む、請求項３の方法。
請求項12
コンプレッサーおよびエキスパンダーには、スーパーチルドエアーを生成するために用いるターボコンプレッサーおよびターボエキスパンダー装置が含まれ、およびクーラントを有する少なくとも１種の熱交換器が前記装置に関連して設けられ、追加の電気をより一層効率的に生成させるために蒸気タービン発電設備において、または吸収式冷凍機において前記熱交換器からの加熱されたクーラントが用いられる、請求項８のシステム。
請求項13
インダクターが設けられ、システムによって生成されるスーパーチルドエアーの一部分が、より一層効率的に追加の電気を生成するのにガスタービン発電設備中に供給することができる比較的冷たい空気を形成するために、周囲空気と混合される、請求項８のシステム。
請求項14
石炭燃焼パワープラントからの二酸化炭素ガスを除去するための機器であって、次の二酸化炭素ガスを、前記パワープラントにおいて用いられる石炭、および／または前記パワープラントからのフルー排出より分離する装置、圧縮された空気を生成するために、少なくとも１種のコンプレッサー、および圧縮された空気を放出するために、少なくとも１種のエキスパンダーであり、スーパーチルドエアーは副産物として生産されるもの、二酸化炭素ガスを、スーパーチルドエアーと、凍結された二酸化炭素の結晶を生成するための混合用の混合チャンバー、および二酸化炭素の結晶を、凝集し、そしてドライアイスとして輸送し、および／または他の使用のために保存することができるアイスブロックを形成させるのを許容するための器具を含む、機器。
請求項15
前記チャンバーは、二酸化炭素ガスおよびスーパーチルドエアーが前記チャンバー中に注入されるのを許容し、二酸化炭素ガスは、デッドエアゾーンにおいて結晶化し、そして凝集するように許容される、請求項１４の機器。
請求項16
スーパーチルドエアーが二酸化炭素ガスと混合されるのを許容された後、前記チャンバーにおける空気は、前記チャンバーの側面に沿って延在するサイドダクトを通して方向付けられ、残りのチルドエアーは、ＨＶＡＣ、冷蔵、燃料駆動された発電設備への吸気量および／または脱塩に提供するために用いることができる、請求項１５の機器。
請求項17
前記チャンバーの底部で収集される凝集された二酸化炭素の結晶を、ポータルを通して押し進めるために、そして凝集された結晶が、アイスブロックを形成するのが助けられる柔軟なフレームを有するコンベヤーシステム上に落下するのを許容するためにスクリューが設けられる、請求項１６の機器。
請求項18
コンプレッサーおよびエキスパンダーには、スーパーチルドエアーを生成するために用いるターボコンプレッサーおよびターボエキスパンダー装置が含まれ、およびクーラントを有する少なくとも１種の熱交換器が前記装置に関連して設けられ、追加の電気をより一層効率的に生成させるために蒸気タービン発電設備において、または吸収式冷凍機において前記熱交換器からの加熱されたクーラントが用いられる、請求項１４の機器。
請求項19
インダクターが設けられ、システムによって生成されるスーパーチルドエアーの一部分が、より一層効率的に追加の電気を生成するのにガスタービン発電設備中に供給することができる比較的冷たい空気を形成するために、周囲空気と混合される、請求項１４の機器。