專利名稱：通過排氣再循環(huán)的濃縮空氣的化學(xué)計(jì)量燃燒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開的實(shí)施方式涉及在聯(lián)合循環(huán)電力(power)系統(tǒng)中的低排放發(fā)電。更具體地，本公開的實(shí)施方式涉及用于提高二氧化碳(CO2)制造和捕集的燃燒燃料的方法和裝置。
背景技術(shù)：
該部分目的是介紹該技術(shù)的各個(gè)方面，其可以與本公開的示例性實(shí)施方式有關(guān)。該討論被認(rèn)為有助于提供促進(jìn)更好地理解本公開的特定方面的框架。因此，應(yīng)該理解，應(yīng)該從這個(gè)角度進(jìn)行閱讀，而不必作為對現(xiàn)有技術(shù)的承認(rèn)。隨著對全球氣候變化和CO2排放的影響逐漸增長的關(guān)注，已經(jīng)把重點(diǎn)放在從電力裝置捕集C02。該關(guān)注結(jié)合在許多國家實(shí)施總量控制與交易(cap-and-trade)政策使得減少CO2排放成為對于這些和其它國家以及在那里操作烴生產(chǎn)系統(tǒng)的公司優(yōu)先考慮的事。相比于其它技術(shù)，例如煤和核技術(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電力裝置是相當(dāng)高效的，并且可以在相對較低的成本下操作。然而，由于若干原因，從燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)裝置的排氣(exhaust)中捕集CO2存在困難。例如，相比于必須處理的大體積氣體，通常排氣中CO2濃度較低。同時(shí)，在將排氣引入CO2捕集系統(tǒng)之前，經(jīng)常需要額外的冷卻，并且冷卻后的排氣會(huì)充滿水，從而增加了在CO2捕集系統(tǒng)中的再沸器任務(wù)。其它常見的因素可以包括低壓以及經(jīng)常包含在排氣中的大量的氧氣。所有這些因素導(dǎo)致從燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電力裝置捕集CO2的高成本。在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中降低CO2排放的至少一個(gè)途徑包括化學(xué)計(jì)量燃燒和排氣再循環(huán)。在傳統(tǒng)的排氣再循環(huán)系統(tǒng)中，例如在天然氣聯(lián)合循環(huán)(NGCC)中，排氣的再循環(huán)成分和環(huán)境空氣混合，并被引導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)部分中。NGCC的排氣中CO2濃度通常為大約3%-4%，但是通過排氣再循環(huán)能夠增加到4%以上。在操作中，傳統(tǒng)的NGCC系統(tǒng)只需要大約40%的進(jìn)氣容積來提供對燃料的足夠的化學(xué)計(jì)量燃燒，而剩余的60%空氣容積充當(dāng)稀釋劑來調(diào)節(jié)溫度并將排氣冷卻到適于引入到隨后的膨脹器的溫度。將部分排氣再循環(huán)提高了排氣中CO2的濃度，其隨后可以在燃燒系統(tǒng)中用作稀釋劑。然而，由于CO2的分子量、比熱、馬赫數(shù)效應(yīng)等，在對壓縮機(jī)或者膨脹器部分沒有進(jìn)行顯著修改的情況下，針對排氣中燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮部分能夠容許的CO2的濃度，標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)廨啓C(jī)受到限制。例如，再循環(huán)到標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮部分的排氣中CO2含量限制為大約20wt%C02。此外，典型的NGCC系統(tǒng)產(chǎn)生低壓排氣，其需要經(jīng)排氣膨脹產(chǎn)生的部分電力來提取(extract) CO2,用于封存(sequestration)或者提高原油采收率(E0R),從而降低NGCC的熱效率。進(jìn)一步，用于CO2提取的設(shè)備大且昂貴，并且需要若干階段的壓縮以使環(huán)境壓力氣體 具有EOR或者封存所需要的壓力。這些限制是從與其它化石燃料例如煤的燃燒有關(guān)的低壓排氣中燃燒后碳捕集具有的特征。對于本領(lǐng)域中的需要的上述討論意圖是代表性的而不是窮盡性的。解決一種或多種這樣的需要或者本領(lǐng)域一些其它相關(guān)缺點(diǎn)的技術(shù)有利于在聯(lián)合循環(huán)電力系統(tǒng)中的發(fā)電。

發(fā)明內(nèi)容
本公開涉及用于改進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)的集成系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施中，本公開提供燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其包括第一壓縮機(jī)、第二壓縮機(jī)、燃燒室和膨脹器。第一壓縮機(jī)可以設(shè)置為接收再循環(huán)的排氣，并將其壓縮成壓縮的再循環(huán)排氣。第二壓縮機(jī)可以設(shè)置為接收并壓縮濃縮的空氣以產(chǎn)生壓縮的氧化劑。燃燒室可以設(shè)置為接收壓縮的再循環(huán)排氣和壓縮的氧化齊U，并化學(xué)計(jì)量燃燒燃料流。壓縮的再循環(huán)排氣充當(dāng)稀釋劑，以調(diào)節(jié)燃燒溫度。膨脹器可以設(shè)置為接收來自燃燒室的排出物(discharge)以產(chǎn)生再循環(huán)的排氣。膨脹器進(jìn)一步可以結(jié)合(couple)到第一壓縮機(jī)，以至少部分地驅(qū)動(dòng)第一壓縮機(jī)。另外或者可替代地，本公開提供發(fā)電的方法。示例性方法包括a)在主壓縮機(jī)中壓縮再循環(huán)的排氣以產(chǎn)生壓縮的再循環(huán)排氣；b)在進(jìn)氣壓縮機(jī)(inlet compressor)中壓縮濃縮的空氣以產(chǎn)生壓縮的氧化劑；c)當(dāng)存在壓縮的再循環(huán)排氣時(shí)，在燃燒室中化學(xué)計(jì)量燃燒壓縮的氧化劑和燃料，從而產(chǎn)生排出流，其中壓縮的再循環(huán)排氣起稀釋劑的作用，其設(shè)置為調(diào)節(jié)排出流的溫度；d)在膨脹器中使排出流膨脹以至少部分地驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)并產(chǎn)生再循環(huán)的排氣并至少部分地驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)。仍然另外地或者可替代地，本公開提供集成的發(fā)電系統(tǒng)。示例性的集成發(fā)電系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和排氣再循環(huán)系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)可以包括第一壓縮機(jī)、第二壓縮機(jī)、燃燒室和膨脹器。第一壓縮機(jī)可以設(shè)置為接收再循環(huán)的排氣，并將其壓縮成壓縮的再循環(huán)排氣。第二壓縮機(jī)可以設(shè)置為接收并壓縮濃縮的空氣以產(chǎn)生壓縮的氧化劑，該濃縮的空氣的氧氣濃度在大約30wt%到大約50wt%之間。燃燒室可以設(shè)置為接收壓縮的再循環(huán)排氣和壓縮的氧化劑，并化學(xué)計(jì)量燃燒燃料流，其中壓縮的再循環(huán)排氣用作調(diào)節(jié)燃燒溫度的稀釋劑。膨脹器可以設(shè)置為接收來自燃燒室的排出物以產(chǎn)生再循環(huán)的排氣流。膨脹器可以進(jìn)一步結(jié)合到第一壓縮機(jī)，并適于至少部分地驅(qū)動(dòng)第一壓縮機(jī)。排氣再循環(huán)系統(tǒng)可以包括熱量回收蒸汽發(fā)生器、一個(gè)或更多冷卻單元和增壓壓縮機(jī)。熱量回收蒸汽發(fā)生器可以可連通地結(jié)合到蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)。熱量回收蒸汽發(fā)生器可以設(shè)置為接收來自膨脹器的排氣以產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生電力。一個(gè)或更多冷卻單元可以設(shè)置為使接收自熱量回收蒸汽發(fā)生器的再循環(huán)排氣冷卻，并從再循環(huán)排氣中除去冷凝水。增壓壓縮機(jī)可以設(shè)置為在將再循環(huán)排氣注入到第一壓縮機(jī)以提供壓縮的再循環(huán)排氣之前，增加再循環(huán)排氣的壓力。
附圖
簡介在回顧對實(shí)施方式的非限制性實(shí)例的詳細(xì)描述和附圖后，本公開的上述和其它優(yōu)點(diǎn)會(huì)變得顯而易見，其中圖I描述根據(jù)描述的一個(gè)或更多實(shí)施方式的、用于低排放發(fā)電和提高CO2回收的集成系統(tǒng)的不意圖。圖2描述根據(jù)描述的一個(gè)或更多實(shí)施方式的、用于低排放發(fā)電和提高CO2回收的集成系統(tǒng)的另一不意圖。 圖3描述根據(jù)描述的一個(gè)或更多實(shí)施方式的、用于低排放發(fā)電和提高CO2回收的集成系統(tǒng)的另一不意圖。發(fā)明詳述在下面的詳細(xì)描述部分，結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方式描述了本公開的具體的實(shí)施方式。然而，就下面的描述是針對本公開的具體實(shí)施方式
或者具體用途而言，其僅僅是為了示例性的目的，并且簡單地提供對示例性實(shí)施方式的描述。因此，本公開不限于下面描述的具體實(shí)施方式
，反而，其包括落在所附的權(quán)利要求的實(shí)質(zhì)精神和范圍內(nèi)的所有備選方案、修改和對等物。本文使用的各種術(shù)語定義如下。就權(quán)利要求中使用的術(shù)語沒有在下面定義而言，其應(yīng)該被給予相關(guān)技術(shù)人員已經(jīng)對該術(shù)語給出的最廣泛的定義，如在至少一個(gè)印刷的出版物或者出版的專利中反映的。如本文所使用的，術(shù)語“天然氣”指從原油井獲得的多成分氣體(伴生氣)或者從地下的含氣層獲得的多成分氣體(非伴生氣)。天然氣的組成和壓力可顯著地變化。通常的天然氣流包括甲烷(CH4)作為主要成分，即天然氣流中50mol%以上是甲烷。天然氣流也可以包括乙烷(C2H6)、較高分子量的烴(例如，C3-C2tl烴)、一種或更多種酸性氣體(例如，硫化氫、二氧化碳)或者其任意組合。天然氣也可以包括較少量的雜質(zhì)，例如水、氮?dú)?、硫化鐵、蠟、原油或者其任意組合。如本文所使用的，術(shù)語“化學(xué)計(jì)量燃燒”指具有包括燃料和氧化劑的大量反應(yīng)物以及通過燃燒反應(yīng)物形成的大量產(chǎn)物的燃燒反應(yīng)，其中所有量的反應(yīng)物用于形成產(chǎn)物。如本文所使用的，術(shù)語“大體上化學(xué)計(jì)量燃燒”指燃燒反應(yīng)，其燃燒燃料和氧氣的摩爾比范圍為化學(xué)計(jì)量比需要的氧氣的大約正或負(fù)10%，或者更優(yōu)選地為化學(xué)計(jì)量比需要的氧氣的大約正或負(fù)5%。例如，對于甲燒，燃料和氧氣的化學(xué)計(jì)量比為1:2 (CH4+202>C02+2H20)。丙烷的燃料和氧氣的化學(xué)計(jì)量比為1:5。測量大體上化學(xué)計(jì)量燃燒的另一種方式是作為供應(yīng)的氧氣與化學(xué)計(jì)量燃燒所需要的氧氣的比例，例如從大約O. 9:1到大約I. 1:1，或者更優(yōu)選地從大約O. 95:1到大約1.05:1。如本文所使用的，術(shù)語“流”指大量流體，雖然該術(shù)語流的使用通常意味著移動(dòng)量的流體(例如，具有速度或者質(zhì)量流速)。然而，術(shù)語“流”不要求速度、質(zhì)量流率或者包圍住該流的導(dǎo)管的特定類型。本公開系統(tǒng)和工藝的實(shí)施方式可以用來產(chǎn)生超低排放電力和CO2，用于提高原油采收率(EOR)和/或封存應(yīng)用。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，濃縮的空氣和燃料的混合物能夠按化學(xué)計(jì)量或者大體上按化學(xué)計(jì)量燃燒，并且同時(shí)可以與再循環(huán)的排氣流混合。再循環(huán)的排氣流，通常包括燃燒的產(chǎn)物例如CO2，可以用作稀釋劑來控制、調(diào)整或者另外調(diào)節(jié)燃燒以及進(jìn)入隨后的膨脹器中的排氣的溫度。由于使用濃縮的空氣的原因，再循環(huán)的排氣的CO2含量可以增加，從而對于相同入口和排出溫度，允許膨脹器甚至在較高的膨脹比下操作，從而產(chǎn)生顯著增加的電力。在商業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中在化學(xué)計(jì)量條件或者大體上化學(xué)計(jì)量條件下的燃燒(例如“稍微充足的”燃燒)可以證明是有利的，以消除過量氧氣去除的成本。通過冷卻排氣和冷凝出自冷卻的排氣流中的水，可以產(chǎn)生相對高含量的CO2排氣流。雖然部分再循環(huán)的排氣可以用于閉合的布雷頓循環(huán)(Brayton cycle)中的溫度調(diào)節(jié),但是剩余的清除流能夠用于EOR 應(yīng)用中和/或可以產(chǎn)生電力，同時(shí)排放微量或不排放硫氧化物(S0X)、氮氧化物(NOx^P /或CO2到大氣中。該工藝的結(jié)果是在三個(gè)獨(dú)立的循環(huán)中生產(chǎn)電力并制造額外的C02?，F(xiàn)在參考圖，圖I描述根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施方式的、使用聯(lián)合循環(huán)裝置用于發(fā)電和CO2回收的示例性集成系統(tǒng)100的示意圖。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，發(fā)電系統(tǒng)100可以包括燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)102，其特征是發(fā)電的閉合的布雷頓循環(huán)。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)102具有第一或者主壓縮機(jī)104，其通過軸108結(jié)合到膨脹器106。軸108可以是任何機(jī)械的、電的或者其它電力結(jié)合裝置(coupling)，從而允許由膨脹器106產(chǎn)生的部分機(jī)械能驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)104。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)102可以是標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)廨啓C(jī)，其中主壓縮機(jī)104和膨脹器106分別形成壓縮機(jī)端和膨脹器端。然而，在其它實(shí)施方式中，主壓縮機(jī)104和膨脹器106可以是系統(tǒng)102中個(gè)別化的部件。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)102也可以包括燃燒室110，其設(shè)置為燃燒經(jīng)管線(line) 112引入的、并且與經(jīng)管線114引入的氧化劑混合的燃料。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，在管線112中的燃料可以包括任何合適的烴氣體或液體，例如天然氣、甲烷、乙烷、石腦油、丁烷、丙烷、合成氣、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生的燃料、生物燃料、氧化的烴類原料或者其任何組合。經(jīng)管線114的氧化劑可以來源于第二或者進(jìn)氣壓縮機(jī)118，其流動(dòng)地結(jié)合到燃燒室110，并且適于壓縮經(jīng)管線120引入的進(jìn)料氧化劑。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，管線120中的進(jìn)料氧化劑可以包括大氣、濃縮的空氣或者其組合。當(dāng)管線114中的氧化劑包括大氣和濃縮的空氣的混合物時(shí)，在濃縮的空氣與大氣混合之前或之后，濃縮的空氣可以由進(jìn)氣壓縮機(jī)118壓縮。濃縮的空氣的總氧氣濃度為大約30wt%、大約35wt%、大約40wt%、大約45wt%或者大約50wt%o濃縮的空氣可以來源于若干源，包括實(shí)施進(jìn)氣壓縮機(jī)118上游的各種技術(shù)以產(chǎn)生濃縮的空氣。例如，濃縮的空氣可以來源于這樣的分離技術(shù)，如膜分離、變壓吸附、變溫吸附、氮?dú)庋b置副產(chǎn)物流(plant-by-product stream)和/或其組合。濃縮的空氣也能夠來自于空氣分離單元(ASU)，例如低溫ASU，用于產(chǎn)生氮?dú)庖赃M(jìn)行壓力維持或其它目的。來自于ASU的排泄流(reject stream)可以富含氧氣,其總的氧氣含量為大約50wt%到大約70wt%。該排泄流可以用作至少部分濃縮的空氣，并且如果需要，其隨后可以用未處理的大氣稀釋以獲得應(yīng)用所需要的氧氣濃度。
如下面更詳細(xì)地描述的，燃燒室110也可以接收管線144中的壓縮的再循環(huán)排氣，包括主要具有CO2和氮成分的排氣再循環(huán)。在管線144中的壓縮的再循環(huán)排氣來源于主壓縮機(jī)104，并且適于通過調(diào)節(jié)燃燒產(chǎn)物的溫度，幫助促進(jìn)在管線114中的壓縮的氧化劑和管線112中的燃料的化學(xué)計(jì)量或者大體上化學(xué)計(jì)量燃燒。如可以理解地，再循環(huán)排氣可以用來提高排氣中的CO2濃度。當(dāng)在管線144中存在壓縮的再循環(huán)排氣時(shí)，引導(dǎo)至膨脹器106入口的管線116中的排氣可以作為管線112中的燃料和管線114中的壓縮的氧化劑的燃燒產(chǎn)物而產(chǎn)生。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，管線112中的燃料主要是天然氣，從而經(jīng)管線116產(chǎn)生排出物或者排氣，其可以包括容積部分(volumetric portion)的蒸發(fā)的水、CO2、氮?dú)?、氮氧化?NOx)和硫氧化物(S0X)。在一些實(shí)施方式中，由于燃燒平衡限制，管線112中的小部分未燃燒的燃料或其它化合物也可以存在于管線116中的排氣中。隨著管線116中的排氣通過膨脹器106膨脹，其產(chǎn)生機(jī)械力驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)104，發(fā)電機(jī)或者其它設(shè)施，并且也在管線122中產(chǎn)生氣態(tài)排氣，其由于管線144中壓縮的再循環(huán)排氣的流入而具有提高的CO2含量。在一些實(shí)施中，膨脹器106可以適于產(chǎn)生用于其它目的的額外的機(jī)械力?！ぐl(fā)電系統(tǒng)100也可以包括排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)124。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，EGR系統(tǒng)124可以包括熱量回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)126或類似的裝置，其流動(dòng)地結(jié)合到蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)128。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，HRSG126和蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)128的組合可以被表征為產(chǎn)生電力的閉合的郎肯循環(huán)(Rankin cycle)。與燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)102組合，HRSG126和蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)128能夠形成部分聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，如天然氣聯(lián)合循環(huán)(NGCC)裝置。管線122中的氣態(tài)排氣能夠引入HRSG126中，以經(jīng)管線130產(chǎn)生蒸汽以及在管線132中的冷卻排氣。在一個(gè)實(shí)施方式中，管線130中的蒸汽可以被發(fā)送到蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)128中以產(chǎn)生額外的電力。管線132中的冷卻排氣可以被發(fā)送到第一冷卻單元134中，其適于冷卻管線132中的冷卻排氣并且產(chǎn)生冷卻的再循環(huán)氣流140。第一冷卻單元134可以包括，例如一個(gè)或更多個(gè)接觸冷卻器、調(diào)溫冷卻器、蒸發(fā)冷卻單元或者其任意組合。第一冷卻單元134也可以適于經(jīng)水滴流(water dropout stream) 138從管線132的冷卻排氣中除去任何冷凝水部分。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，水滴流138可以經(jīng)管線141被發(fā)送到HRSG126中，以提供用于在管線130那里產(chǎn)生額外蒸汽的水源。在其它實(shí)施方式中，經(jīng)水滴流138回收的水可以用于其它下游的應(yīng)用，如補(bǔ)充的熱交換工藝。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，冷卻的再循環(huán)氣流140可以引導(dǎo)至增壓壓縮機(jī)142中。在第一冷卻單元134中使管線132中的冷卻排氣冷卻可以減少在增壓壓縮機(jī)142中壓縮冷卻的再循環(huán)氣流140所需要的電力。與傳統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)或者鼓風(fēng)系統(tǒng)相反，增壓壓縮機(jī)142可以設(shè)置為壓縮和增加冷卻的再循環(huán)氣流140的總密度，從而引導(dǎo)管線145中加壓的再循環(huán)氣體進(jìn)入下游，其中管線145中加壓的再循環(huán)氣體對于相同的體積流量具有提高的質(zhì)量流速。這可以證明是有利的，因?yàn)橹鲏嚎s機(jī)104可以是體積流量限制的，并且，引導(dǎo)更多的質(zhì)量流量經(jīng)過主壓縮機(jī)104可以導(dǎo)致較高的排出壓力，從而轉(zhuǎn)化為穿過膨脹器106的較高壓力比。經(jīng)過膨脹器106產(chǎn)生的較高的壓力比能夠允許較高的入口溫度，因此允許提高膨脹器106的電力和效率。如可以理解的，因?yàn)楣芫€116中富含CO2的排氣通常維持較高的比熱容，因此這證明是有利的。
因?yàn)橹鲏嚎s機(jī)104的吸入壓力是其吸入溫度的函數(shù)，所以對于相同的質(zhì)量流量，冷卻器吸入溫度將需要較低的電力來操作主壓縮機(jī)104。結(jié)果，管線145中加壓的再循環(huán)氣體可任選地引導(dǎo)入第二冷卻單元136中。第二冷卻單元136可以包括，例如一個(gè)或更多個(gè)直接接觸冷卻器、調(diào)溫冷卻器、蒸發(fā)冷卻單元或者其任意組合。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，第二冷卻單元136可以用作后冷卻器，其適于除去由增壓壓縮機(jī)142在管線145中的加壓的再循環(huán)氣體上產(chǎn)生的至少部分壓縮熱量。第二冷卻單元136也可以經(jīng)水滴流143提取額外的冷凝水。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，水滴流138、143能夠匯聚到流141中，并可以發(fā)送或可以不發(fā)送到HRSG126中，以經(jīng)過在那里的管線130產(chǎn)生額外的蒸汽。雖然本文僅描述了第一和第二冷卻單元134、136，但是應(yīng)該理解，在沒有背離本公開的保護(hù)范圍的情況下，可以使用任何數(shù)目的冷卻單元以適合各種裝置。事實(shí)上，本文中考慮的是其中管線132中冷卻的排氣被進(jìn)一步引導(dǎo)入與排氣再循環(huán)回路聯(lián)合的蒸發(fā)冷卻單元的實(shí)施方式，例如在同時(shí)提交的題為“通過排氣再循環(huán)和直接接觸 冷卻器的化學(xué)計(jì)量燃燒”的美國專利申請中一般描述的，其內(nèi)容通過參考并入本文，達(dá)到與本公開一致的程度。如本文所描述的，排氣再循環(huán)系統(tǒng)可以包括任何種類的這樣的設(shè)備，其適于給主壓縮機(jī)提供排氣用于注入到燃燒室中。主壓縮機(jī)104可以設(shè)置為接收管線145中加壓的再循環(huán)氣體，并將其壓縮為壓力額定地等于或高于燃燒室100的壓力，從而在管線144中產(chǎn)生壓縮的再循環(huán)排氣。如可以理解的，在增壓壓縮機(jī)142中壓縮后，在第二冷卻單元136中冷卻管線145中加壓的再循環(huán)氣體可以允許增加進(jìn)入主壓縮機(jī)104中的排氣的體積質(zhì)量流量。因此，這可以降低將管線145中加壓的再循環(huán)氣體壓縮為預(yù)定壓力所需要的電力的量。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，清除流146可以從管線144中壓縮的再循環(huán)排氣中被回收，并隨后在CO2分離器148中被處理，以經(jīng)管線150在升高的壓力下捕集C02。管線150中分離的CO2可用于出售、用在需要CO2的其它工藝中，和/或進(jìn)一步壓縮并注入到陸相儲(chǔ)層中用于提高原油采收率(E0R)、封存或另外的目的。由于與來自增壓壓縮機(jī)142的增加的壓力結(jié)合的管線112中燃料的化學(xué)計(jì)量或者大體上化學(xué)計(jì)量燃燒，清除流146中的CO2分壓會(huì)比常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)排氣中的高得多。結(jié)果，可以使用低能量分離工藝，例如應(yīng)用能耗較少的(less energy-intensive)溶劑,在CO2分離器148中進(jìn)行碳捕集。至少一種合適的溶劑是碳酸鉀(K2CO3),其吸收SOx和/或N0X，并將它們轉(zhuǎn)化為有用的化合物，如亞硫酸鉀(K2S03)、硝酸鉀(KNO3)和其它單純肥料。使用碳酸鉀用于CO2捕集的示例性系統(tǒng)和方法可以在同時(shí)提交的題為“低排放三循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和方法”的美國專利申請中找到，其內(nèi)容通過參考并入本文，達(dá)到與本公開一致的程度。實(shí)質(zhì)上去除了 CO2并主要由氮組成的剩余流151，也可以來源于CO2分離器148。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，剩余流151可以引入到氣體膨脹器152中，以經(jīng)管線156提供電力和膨脹的減壓氣體或者排氣。膨脹器152可以是，例如產(chǎn)生電力的氮?dú)馀蛎浧鳌Ｈ缢枋龅?，氣體膨脹器152可以任選地通過共同軸154或者其它機(jī)械的、電的或者其它電力結(jié)合裝置結(jié)合到進(jìn)氣壓縮機(jī)118，從而允許由氣體膨脹器152產(chǎn)生的部分電力驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣壓縮機(jī)118。然而，在系統(tǒng)100啟動(dòng)期間和/或在正常操作期間，當(dāng)氣體膨脹器152不能供應(yīng)所有需要的電力以操作進(jìn)氣壓縮機(jī)118時(shí)，至少一個(gè)馬達(dá)158，例如電動(dòng)機(jī)，可以與氣體膨脹器152協(xié)同使用。例如，馬達(dá)158可以靈敏地使尺寸適合，以便在系統(tǒng)100的正常操作期間，馬達(dá)158可以設(shè)置為供應(yīng)氣體膨脹器152缺少的電力。然而，在其它的實(shí)施方式中，氣體膨脹器152可以用來給其它應(yīng)用提供電力，并且不直接結(jié)合到進(jìn)氣壓縮機(jī)118。例如，在由膨脹器152產(chǎn)生的電力和壓縮機(jī)118的需要之間可能存在實(shí)質(zhì)上的不匹配。在這樣的情況下，膨脹器152可以適于驅(qū)動(dòng)需要較少(或者較多)電力的較小(或者較大的)的壓縮機(jī)(沒有顯示)。主要由干燥的氮?dú)饨M成的管線156中膨脹的減壓氣體可以從氣體膨脹器152中排出。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，氣體膨脹器152、進(jìn)氣壓縮機(jī)118和CO2分離器148的組合可以表征為開放的布雷頓循環(huán)，或者是發(fā)電系統(tǒng)100的第三產(chǎn)生電力的部件。使剩余流151中的氮?dú)馀蛎浀氖纠韵到y(tǒng)和方法以及其變體可以在同時(shí)提交的，題為“低排放三循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和方法”的美國專利申請中找到，其內(nèi)容通過參考并入本文，達(dá)到與本公開一致的程度。
現(xiàn)在參考圖2，其描述了根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施方式的、使用聯(lián)合循環(huán)裝置用于發(fā)電和CO2回收的示例性集成系統(tǒng)200的另一示意圖。圖2中的系統(tǒng)200實(shí)質(zhì)上類似于圖I中的系統(tǒng)100，因此不再詳細(xì)地討論，其中相同的元件對應(yīng)于相同的數(shù)字。然而，圖2中的系統(tǒng)200可以用下游壓縮機(jī)158替換系統(tǒng)100中的氣體膨脹器152，該下游壓縮機(jī)158設(shè)置為壓縮剩余流151并且經(jīng)管線160產(chǎn)生壓縮的排氣。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，管線160中壓縮的排氣可以適合于注入到儲(chǔ)層中用于壓力維持應(yīng)用。在其中甲烷氣體通常被再注入到烴井中以維持井的壓力的情況下，壓縮剩余流151可以證明是有利的。例如，管線160中加壓的氮?dú)饪梢源孀⑷氲綗N井中，并且任何剩余甲烷氣體均可以售出，或者另外用作相關(guān)應(yīng)用中的燃料，例如提供管線112中的燃料。參考圖3，其描述了根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施方式的、使用聯(lián)合循環(huán)裝置用于發(fā)電和CO2回收的示例性集成系統(tǒng)300的另一示意圖。圖3中的系統(tǒng)300實(shí)質(zhì)上分別類似于圖I和2中的系統(tǒng)100和200，因此不再詳細(xì)地討論，其中相同的元件對應(yīng)于相同的數(shù)字。如所描述的，系統(tǒng)300可以表征為如參考圖I所討論的產(chǎn)生電力的氮?dú)馀蛎浧?52以及如參考圖2所討論的壓力維持下游壓縮機(jī)158的混合裝置。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，剩余流151可以分開，從而將剩余流151的第一部分引導(dǎo)至氣體膨脹器152中，同時(shí)將剩余流151的第二部分經(jīng)管線162引導(dǎo)至下游壓縮機(jī)158中。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，可以操縱第一部分和第二部分的各自的體積質(zhì)量流量，以便提供預(yù)定的和/或要求量的剩余流151到任一個(gè)位置中以使產(chǎn)量最大化。通過使用濃縮的空氣作為管線114中壓縮的氧化劑，并且在增壓壓縮機(jī)142中使排氣加壓，發(fā)電系統(tǒng)100能夠達(dá)到排氣中更高濃度的CO2，從而允許更有效的CO2分離和捕集。本文公開的實(shí)施方式能夠有效地將管線116中排氣中的CO2濃度增加到范圍為大約10wt%到大約20wt%的CO2濃度。為了達(dá)到這樣的CO2濃度，燃燒室110能夠適于化學(xué)計(jì)量燃燒或者大體上化學(xué)計(jì)量燃燒管線112中燃料和管線114中壓縮的氧化劑的進(jìn)料混合物，其中管線114中壓縮的氧化劑包括濃縮的空氣,其總氧氣濃度為大約30wt%、大約35wt%、大約40wt%、大約45wt%或者大約50wt%。為了調(diào)節(jié)化學(xué)計(jì)量燃燒的溫度并且滿足膨脹器106入口溫度和成分冷卻需要，來自于管線144中壓縮的再循環(huán)排氣的、具有增加的CO2含量的部分排氣可以注入到燃燒室110中作為稀釋劑。因此，本公開的實(shí)施方式可以基本上消除管線116排氣中的過量氧氣，并且也將其C02濃度增加到大約20wt%。如此，管線122中的氣態(tài)排氣可以具有少于大約3. Owt%的氧氣，或者少于大約1. Owt%的氧氣,或者少于大約0. lwt%的氧氣,或者甚至少于大約0. 001wt%的氧氣。C02濃度增加的至少ー個(gè)益處是對于相同的入口和排出溫度，膨脹器106可以在甚至較高的膨脹比下操作，從而產(chǎn)生増加的電力。這是由于相對于在環(huán)境空氣中發(fā)現(xiàn)的氮?dú)釩02的較高熱容。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，膨脹器106的膨脹比可以從大約17. 0增加到大約20. 0，其分別對應(yīng)于大約10wt%和大約20wt%C02再循環(huán)流?？梢詰?yīng)用使用具有大約35wt%氧氣的濃縮空氣的實(shí)施方式，以在C02再循環(huán)流中達(dá)到大約20wt%。在再循環(huán)氣體中C02濃度增加的其它益處包括用于C02分離的提取的清除流146中C02濃度的増加。由于其C02濃度的増加，清除流146不需要很大以提取需要量的C02。例如，操作提取以進(jìn)行C02分離的設(shè)備可以較小，包括其管系、熱交換器、閥門、吸收塔等。此夕卜，增加濃度的C02可以提高C02去除技術(shù)的性能，包括使用低能量分離エ藝，例如使用能耗較少的溶劑，否則這是站不住腳的。因此，可以顯著地降低用于捕集C02的資本支出。 現(xiàn)在討論系統(tǒng)100的示例性操作的細(xì)節(jié)。如可以理解的，本文公開的任何實(shí)施方式的各個(gè)部件中達(dá)到或者經(jīng)受的具體溫度和壓カ可以根據(jù)——除了其它因素之外——使用的氧化劑的純度和/或膨脹器、壓縮機(jī)、冷卻器等的特定構(gòu)造(makes)和/或模型而改變。因此，應(yīng)該理解，本文描述的具體數(shù)據(jù)僅僅是為了說明性的目的，而不應(yīng)該解釋為其唯一解釋。在一個(gè)實(shí)施方式中，進(jìn)氣壓縮機(jī)118可以提供管線114中壓縮的氧化劑，其壓カ范圍在大約280psia和大約300psia之間。然而，本文還考慮航空衍生的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，其可以產(chǎn)生和消耗的壓カ高達(dá)大約750psia和更大。主壓縮機(jī)104可以設(shè)置為將再循環(huán)的排氣再循環(huán)并在額定地高于或等于燃燒室110壓カ的壓カ下壓縮成管線144中壓縮的再循環(huán)排氣，并且使用該再循環(huán)排氣的部分作為燃燒室110中的稀釋劑。因?yàn)槿紵?10中所需要的稀釋劑的量取決于用于化學(xué)計(jì)量燃燒的氧化劑的純度或者膨脹器106的具體模型或設(shè)計(jì)，所以可以在膨脹器106的出口布置ー圈的熱電偶(aring ofthermocouple)和/或氧傳感器(沒有顯示)。在操作中，熱電偶和傳感器可以適于調(diào)整和測定作為稀釋劑——將燃燒產(chǎn)物冷卻為需要的膨脹器入口溫度所需要的——所需要的排氣的體積，并且也調(diào)整注入到燃燒室110中的氧化劑的量。因此，響應(yīng)由熱電偶檢測的熱量需要和由氧傳感器檢測的氧水平，管線144中壓縮的再循環(huán)排氣和管線114中壓縮的氧化劑的體積質(zhì)量流量可以被操縱或者可以波動(dòng)，以與需要相匹配。對于用于控制通過燃燒燃料產(chǎn)生的排氣的組成的系統(tǒng)和方法的示例性實(shí)施方式和更詳細(xì)的描述可以在同時(shí)提交的，題為“用于控制燃料燃燒的系統(tǒng)和方法”的美國專利申請中找到，其內(nèi)容通過參考并入本文，達(dá)到與本公開一致的程度。在至少ー個(gè)實(shí)施方式中，在化學(xué)計(jì)量或者大體上化學(xué)計(jì)量燃燒期間，在燃燒室110中可以經(jīng)受大約12-13psia的壓カ下降。管線112中的燃料和管線114中壓縮的氧化劑的燃燒可以產(chǎn)生大約2000° F和大約3000° F之間的溫度以及范圍為250psia到大約300psia的壓力。如上所述，由于來自于管線144中壓縮的再循環(huán)排氣的富含C02排氣的增加的質(zhì)量流量和較高的比熱容，在膨脹器106中可以達(dá)到較高的壓カ比，從而允許較高的入口溫度和提高的膨脹器106電力。離開膨脹器106的管線122中的氣態(tài)排氣可以表現(xiàn)出等于或接近于環(huán)境的壓力。在至少ー個(gè)實(shí)施方式中，管線122中氣態(tài)排氣的壓力為大約13-17psia。在經(jīng)過HRSG126之前，管線122中氣態(tài)排氣的溫度可以為大約1225° F到大約1275° F，以產(chǎn)生管線130中的蒸汽和管線132中的冷卻排氣。在一個(gè)或更多實(shí)施方式中，冷卻単元134可以降低管線132中冷卻的排氣的溫度，從而產(chǎn)生溫度在大約32° F和大約120° F之間的冷卻的再循環(huán)氣體流140。如可以理解的，這樣的溫度能夠波動(dòng)，這主要取決世界各地特定位置的特定季節(jié)期間的濕球溫度。根據(jù)ー個(gè)或更多實(shí)施方式，增壓壓縮機(jī)142可以設(shè)置為將冷卻的再循環(huán)氣體流140的壓カ提高為范圍為大約17psia到大約21psia的壓力。結(jié)果，壓縮機(jī)104最后接受和壓縮具有較高密度和増加的質(zhì)量流量的再循環(huán)排氣，從而允許實(shí)質(zhì)上較高的排出壓カ同時(shí)維持相同或類似的壓カ比。為了進(jìn)一步提高再循環(huán)排氣的密度和質(zhì)量流量，從增壓壓縮機(jī)142排出的管線145中的加壓再循環(huán)氣體然后進(jìn)ー步在第二冷卻單元136中冷卻。在ー個(gè)或更多實(shí)施方式中，第二冷卻單元136可以設(shè)置為在管線145中加壓的再循環(huán)氣體被引導(dǎo)至主壓縮機(jī)104之前，將其溫度降低至大約105° F。
在至少ー個(gè)實(shí)施方式中，從主壓縮機(jī)104排出的管線144中壓縮的再循環(huán)排氣的溫度，以及因此清除流146的溫度可以為大約800° F，壓カ為大約280psia。增壓壓縮機(jī)142的加入和濃縮空氣的化學(xué)計(jì)量燃燒可以増加清除流146中的C02清除壓力，由于較高的C02分壓，這可以導(dǎo)致在C02分離器148中的溶劑處理性能提高。通過下列的仿真實(shí)例可以進(jìn)ー步描述本公開的實(shí)施方式。雖然仿真實(shí)例涉及具體的實(shí)施方式，但是不應(yīng)該認(rèn)為其將本公開限制在任何具體的方面。為了說明使用濃縮的空氣作為管線114中壓縮的氧化劑的優(yōu)良性能，模擬了系統(tǒng)100，其使用標(biāo)準(zhǔn)的空氣，然后在相同的環(huán)境條件下對于相同的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)102使用氧氣濃度大約為35wt%的濃縮空氣。下表提供了這些測試結(jié)果以及性能估測。表權(quán)利要求
1.燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其包括 第一壓縮機(jī)，其設(shè)置為接收再循環(huán)的排氣，并將其壓縮成壓縮的再循環(huán)排氣； 第二壓縮機(jī)，其設(shè)置為接收并壓縮濃縮的空氣以產(chǎn)生壓縮的氧化劑； 燃燒室，其設(shè)置為接收所述壓縮的再循環(huán)排氣和所述壓縮的氧化劑，并且化學(xué)計(jì)量燃燒燃料流，其中所述壓縮的再循環(huán)排氣用作稀釋劑以調(diào)節(jié)燃燒溫度；和 膨脹器，其結(jié)合到所述第一壓縮機(jī)并且設(shè)置為接收來自所述燃燒室的排出物以產(chǎn)生再循環(huán)的排氣并至少部分地驅(qū)動(dòng)所述第一壓縮機(jī)。
2.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述濃縮空氣的氧氣濃度在大約30wt%和大約50wt%之間。
3.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述濃縮空氣與大氣混合以獲得大約30wt%和大約50wt%之間的氧氣濃度。
4.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述濃縮空氣來源于膜分離、變壓吸附、變溫吸附和其任意組合。
5.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述濃縮空氣來源于空氣分離單元的排泄流。
6.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述排泄流的氧氣濃度在大約50wt%和大約70wt%之間。
7.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述再循環(huán)排氣的CO2濃度在大約10wt%和大約20wt%之間。
8.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述燃料流選自天然氣、甲烷、石腦油、丁烷、丙烷、合成氣、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生的燃料、生物燃料、氧化的烴類原料和其任何組合。
9.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，進(jìn)一歩包括清除流，所述清除流來自壓縮的再循環(huán)排氣并且在CO2分離器中被處理以產(chǎn)生CO2流和大體上包括氮?dú)獾膭徲嗔鳌?br> 10.產(chǎn)生電力的方法，其包括 在主壓縮機(jī)中壓縮再循環(huán)的排氣以產(chǎn)生壓縮的再循環(huán)排氣； 在進(jìn)氣壓縮機(jī)中壓縮濃縮的空氣以產(chǎn)生壓縮的氧化劑； 當(dāng)存在所述壓縮的再循環(huán)排氣時(shí)，在燃燒室中化學(xué)計(jì)量燃燒所述壓縮的氧化劑和燃料，從而產(chǎn)生排出流，其中所述壓縮的再循環(huán)排氣起稀釋劑的作用，其設(shè)置為調(diào)節(jié)所述排出流的溫度；和 在膨脹器中使所述排出流膨脹，以至少部分地驅(qū)動(dòng)所述主壓縮機(jī)并產(chǎn)生所述再循環(huán)的排氣和至少部分地驅(qū)動(dòng)所述主壓縮機(jī)。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述濃縮空氣的氧氣濃度在大約30wt%和大約50wt%之間。
12.權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)ー步包括混合所述濃縮空氣與大氣以獲得大約30wt%和大約50wt%之間的氧氣濃度。
13.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述再循環(huán)排氣的CO2濃度在大約10wt%和大約20wt%之間。
14.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述濃縮空氣來源于空氣分離單元的排泄流，所述排泄流的氧氣濃度在大約50wt%和大約70wt%之間。
15.集成系統(tǒng)，其包括燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其包括 第一壓縮機(jī)，其設(shè)置為接收再循環(huán)的排氣，并將其壓縮成壓縮的再循環(huán)排氣； 第二壓縮機(jī)，其設(shè)置為接收并壓縮濃縮的空氣以產(chǎn)生壓縮的氧化劑，所述濃縮空氣的氧氣濃度在大約30wt%和大約50wt%之間； 燃燒室，其設(shè)置為接收所述壓縮的再循環(huán)排氣和所述壓縮的氧化劑，并且化學(xué)計(jì)量燃燒燃料流，其中所述壓縮的再循環(huán)排氣用作稀釋劑以調(diào)節(jié)燃燒溫度；和 膨脹器，其結(jié)合到所述第一壓縮機(jī)并且設(shè)置為接收來自所述燃燒室的排出物以產(chǎn)生所述再循環(huán)的排氣流和至少部分地驅(qū)動(dòng)所述第一壓縮機(jī)；和排氣再循環(huán)系統(tǒng)，其包括 熱量回收蒸汽發(fā)生器，其可連通地結(jié)合到蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)，所述熱量回收蒸汽發(fā)生器設(shè)置為接收來自所述膨脹器的所述再循環(huán)排氣以產(chǎn)生蒸汽，所述蒸汽在所述蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生電カ； 一個(gè)或更多冷卻単元，其設(shè)置為使接收自所述熱量回收蒸汽發(fā)生器的所述再循環(huán)排氣冷卻，并從所述再循環(huán)排氣中除去冷凝水；和 增壓壓縮機(jī)，其設(shè)置為在將所述再循環(huán)排氣注入到所述第一壓縮機(jī)以提供所述壓縮的再循環(huán)排氣之前，増加所述再循環(huán)排氣的壓カ。
16.權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述增壓壓縮機(jī)將所述再循環(huán)排氣流的壓カ增加到在大約17psia和大約21psia之間的壓力。
17.權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述再循環(huán)排氣的CO2濃度在大約15wt%和大約20wt%之間。
18.權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述濃縮空氣與大氣混合以獲得大約30wt%和大約50wt%之間的氧氣濃度。
19.權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述濃縮空氣來源于膜分離、變壓吸附、變溫吸附、空氣分離単元和其任意組合。
20.權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述空氣分離單元具有氧氣濃度在大約50wt%和大約70wt%之間的排泄流，所述排泄流大體上提供所述濃縮空氣。
全文摘要
提供了在烴回收工藝中用于低排放發(fā)電的方法和系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其設(shè)置為當(dāng)存在壓縮的再循環(huán)排氣時(shí)化學(xué)計(jì)量燃燒來源于濃縮空氣的壓縮的氧化劑和燃料，并且在膨脹器中使排出物膨脹以產(chǎn)生再循環(huán)排氣流和驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)。再循環(huán)排氣流在設(shè)置為產(chǎn)生壓縮的再循環(huán)排氣的壓縮機(jī)中被壓縮之前，增壓壓縮機(jī)接收和提高所述再循環(huán)排氣流的壓力。為了促進(jìn)燃料的化學(xué)計(jì)量燃料和增加再循環(huán)排氣中的CO2含量，濃縮空氣具有增加的氧氣濃度。
文檔編號(hào)F02C3/34GK102959203SQ201180031870
公開日2013年3月6日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者H·吉普塔, R·亨廷頓, M·明特, F·F·米特里克爾, L·K·斯塔爾切爾 申請人:埃克森美孚上游研究公司