[論文レビュー] Combined Oxy-fuel Magnetohydrodynamic Power Cycle

Osama A. Marzouk|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2017

Combustion and Detonation Processes参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、酸素燃料燃焼とMHDトップサイクルを統合することで、効率を向上させ、炭素回収のエネルギーペナルティを低減する、新しい複合酸素燃料磁気流体力学（MHD）発電サイクルを提案する。酸素を純酸素で燃焼させ、高温のプラズマから直接MHD発電機を介して電力を抽出し、蒸気ボトムサイクルに排出することで、酸素分離の高いエネルギーコストを相殺し、発電における炭素回収のより現実的な道筋を提供する。

ABSTRACT

Oxy-fuel carbon capture in power plants is a relatively new concept aiming at reducing carbon dioxide emissions from the plants. This is achieved by burning the fossil fuel using oxygen as oxidizer with no nitrogen, thereby rendering the exhaust gases very rich in carbon dioxide (after condensing water vapor by cooling), which facilitates its capture for environmental or commercial purposes. Despite the worldwide interest in oxy-fuel carbon capture, its progress is at risk given the large energy needed to separate oxygen from air in order to provide the oxidizer, thereby hindering further progress of this concept toward large-scale applications. This paper focuses on alleviating this drawback of oxy-fuel combustion by making it more attractive through combining it with another concept, namely magnetohydrodynamic (MHD) power generators. The end product is a power plant operating on a combined cycle composed of a topping MHD ultra-high-temperature cycle with direct electricity extraction from plasma, followed by a bottoming steam cycle with conventional turbo-generators. Different design aspects and simplified technical analysis for the MHD generator are presented.

研究の動機と目的

• 酸素燃料炭素回収システムにおける酸素分離に伴う高いエネルギーペナルティを是正すること。
• 高温MHDトップサイクルを統合することで、酸素燃料発電所の全体効率を向上させること。
• MHD発電と酸素燃料燃焼を組み合わせることで、炭素回収に適した発電所の技術的実現可能性を評価すること。
• MHDプロセスから高品位の熱および電気エネルギーを回収することで、酸素生成に要するエネルギー損失を低減すること。

提案手法

• 純酸素を酸化剤として使用する高温燃焼器で酸素燃料燃焼が行われる複合サイクルの設計。
• イオン化プラズマからの直接電力抽出を可能にする磁気流体力学（MHD）発電機をトップサイクルとして採用。
• MHD排ガスからの残余熱を回収するため、従来の蒸気サイクルをボトムサイクルとして実装。
• プラズマ流れの動態および電気伝導度の検討を含む、MHD発電機の簡易技術的分析。
• 電気出力と熱効率を最大化するために、高温運転を最適化。
• 酸素分離に要するエネルギーと比較してMHD発電による電力生成のネットゲインを評価するためのエネルギーバランス分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MHD発電を酸素燃料燃焼と統合することで、炭素回収のネットエネルギーペナルティを低減できるか？
• RQ2 酸素燃料発電所に高温MHDトップサイクルを適用した場合の効率向上の可能性は何か？
• RQ3 MHD発電機からの電気出力は、酸素分離に要するエネルギーと比べてどの程度か？
• RQ4 酸素燃料発電所へのMHD発電機のスケーリングに際しての主な技術的課題は何か？
• RQ5 複合サイクルは、ほぼゼロCO2排出を実現しながら、ネット正のエネルギー出力を達成できるか？

主な発見

• MHD–酸素燃料複合サイクルは、プラズマからの高品位な電気エネルギー回収により、炭素回収のネットエネルギーペナルティを顕著に低減する。
• MHDトップサイクルにより、2500 Kを超える超高温で熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換可能であり、全体のプラント効率が向上する。
• MHD発電機の性能およびプラズマ流れパラメータの簡易分析を通じて、システム設計の技術的実現可能性が示された。
• MHDと酸素燃料燃焼の統合により、従来の酸素燃料プラントと比較してエネルギーバランスが改善された、ほぼゼロ排出の道筋が開かれる。
• 提案されたサイクルは、MHD段階で追加の電力を生成することで、酸素分離に要するエネルギーコストを相殺し、ネット出力を向上させる。