用于在低排放渦輪機系統(tǒng)中捕獲二氧化碳和發(fā)電的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】提供用于在低排放渦輪機系統(tǒng)中發(fā)電并將廢氣分離成富CO2流和貧CO2流的系統(tǒng)、方法和裝置。在一個或多個實施方式中，廢氣在升高的壓力下被分離，例如在高壓膨脹階段和低壓膨脹階段之間。
【專利說明】用于在低排放渦輪機系統(tǒng)中捕獲二氧化碳和發(fā)電的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求以下申請的優(yōu)先權(quán):2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，036，名稱為 SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSIONTURBINE SYSTEMS (用于在低排放渦輪機系統(tǒng)中捕獲二氧化碳的系統(tǒng)和方法)；2011年3月22 日提出的美國臨時申請 61/466，384，名稱為 LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS HAVING AMAIN AIR COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO(具有主壓縮空氣壓縮機氧化劑控制裝置的低排放渦輪機系統(tǒng)以及相關(guān)方法)；2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，030，名稱為LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS INCORPORATINGINLET COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO(結(jié)合了入口壓縮機氧化劑控制裝置的低排放渦輪機系統(tǒng)以及相關(guān)方法);2011年3月22日提出的美國臨時申請 61/466，385，名稱為 METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTIONON A FIXED GEOMETRY GAS TURBINE SYSTEM AND APPARATUS AND SYSTEMS RELATEDTHERETO (在固定幾何形狀的燃?xì)廨啓C系統(tǒng)上控制化學(xué)計量燃燒的方法以及相關(guān)裝置和系統(tǒng));2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，031，名稱為SYSTEMS AND METHODS FORCONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS (在低排放渦輪機系統(tǒng)中控制化學(xué)計量燃燒的系統(tǒng)和方法);2011年3月22日提出的美國臨時申請61/466，381，名稱為 METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITSAND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERET0(改變低排放渦輪機氣體循環(huán)回路的方法以及相關(guān)的系統(tǒng)和裝置);2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，035，名稱為METHODSOF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUSRELATED THERETO (改變低排放渦輪機氣體循環(huán)回路的方法以及相關(guān)的系統(tǒng)和裝置)；所有這些申請通過引用以其整體并入本文。
[0003]本申請與下述申請相關(guān):2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，037，名稱為 SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINESYSTEMS (在低排放渦輪機系統(tǒng)中捕獲二氧化碳的系統(tǒng)和方法);2011年9月30日提出的美國臨時申請 61/542，039，名稱為 SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE INLOW EMISSION COMBINED TURBINE SYSTEMS(在低排放聯(lián)合渦輪機系統(tǒng)中捕獲二氧化碳的系統(tǒng)和方法);2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，041，名稱為LOW EMISSION POWERGENERATION SYSTEMS AND METHODS INCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION (結(jié)合了二氧化碳分離的低排放發(fā)電系統(tǒng)和方法)；所有這些申請通過引用以其整體并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本公開的實施方式涉及低排放發(fā)電。更具體地，本公開的實施方式涉及分離和捕獲二氧化碳用于在低排放渦輪機系統(tǒng)中發(fā)電的方法和裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0005]本節(jié)旨在介紹本領(lǐng)域的各個方面，所述各個方面可能與本公開的示范性實施方式相關(guān)。相信這種討論有助于提供一個框架，以促進更好地理解本發(fā)明的具體方面。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本節(jié)應(yīng)該從這個角度理解而不一定是作為現(xiàn)有技術(shù)的承認(rèn)。
[0006]許多產(chǎn)油國正在經(jīng)歷強勁的國內(nèi)電力需求增長，并且對提高采收率法采油(EOR)感興趣以改進從其儲油層采油。兩種通常的EOR技術(shù)包括氮(N2)注入用于維持儲層壓力和二氧化碳(CO2)注入用于EOR的混相驅(qū)動。全球也在關(guān)注溫室氣體(GHG)排放。這種關(guān)注結(jié)合在許多國家執(zhí)行總量管制與排放交易政策使得減少CO2排放成為這些國家以及其中運轉(zhuǎn)烴生產(chǎn)系統(tǒng)的公司的當(dāng)務(wù)之急。
[0007]降低CO2排放的一些方法包括使用溶劑如胺進行燃料脫碳或者燃燒后捕獲。然而，這兩種方案都昂貴而且降低了發(fā)電效率，導(dǎo)致較低的電力生產(chǎn)，燃料需求增大，以及電成本增大以滿足國內(nèi)電力需求。具體地，氧氣、SO5^p NOx成分的存在使得使用胺溶劑吸收很成問題。另一種方法是在聯(lián)合循環(huán)中的含氧燃料燃?xì)廨啓C(比如，其中捕獲來自燃?xì)廨啓C布雷頓循環(huán)的廢氣熱量以在蘭金循環(huán)中用于產(chǎn)生蒸汽和產(chǎn)生額外電力)。但是，商業(yè)上可得的燃?xì)廨啓C沒有可以在這樣的循環(huán)內(nèi)運轉(zhuǎn)的并且用于產(chǎn)生高純度氧氣所需的電力顯著降低了該方法的總體效率。
[0008]另外，隨著日益關(guān)注全球氣候變化和二氧化碳排放的影響，重點已經(jīng)放在使發(fā)電廠的二氧化碳排放量最小化。燃?xì)廨啓C發(fā)電廠是有效的并且與核能或煤發(fā)電技術(shù)相比成本可能更低?；谝韵略虿东@來自燃?xì)廨啓C發(fā)電廠的廢氣中的二氧化碳是昂貴的:(a)排氣管中的二氧化碳濃度低，(b)需要處理的氣體體積大，(C)廢氣流的壓力低，以及(d)廢氣流中存在的氧氣量大。所有這些因素導(dǎo)致二氧化碳捕獲的高成本。
[0009]因此，仍然顯著 需要低排放、高效率的發(fā)電和CO2捕獲方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在本文描述的低排放發(fā)電系統(tǒng)中，來自低排放燃?xì)廨啓C的、排入到典型天然氣聯(lián)合循環(huán)(NGCC)廠中的廢氣改為被分離和回收。本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法將使用氧化劑和烴燃料產(chǎn)生電力的開放式布雷頓循環(huán)與二氧化碳分離方法結(jié)合。該二氧化碳分離方法在壓縮機出口壓力到最終膨脹機出口壓力之間的壓力下進行并且產(chǎn)生兩種廢氣流，一種富二氧化碳(CO2),另一種貧CO2。富CO2和貧CO2流可用于相同或不同的目的。每種流的用途包括注入到烴儲層用于提高采收率法采油、產(chǎn)生額外電力、碳封存(sequestration)或存儲、用于再循環(huán)至渦輪機的燃燒室以使燃燒的產(chǎn)物冷卻至在膨脹機中的材料極限、用于出售、或者排出。
[0011]在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中，從低排放燃?xì)廨啓C的燃燒室排出的高壓廢氣在第一高壓膨脹機中部分膨脹，產(chǎn)生電力。廢氣從第一膨脹機中以升高的壓力排出，并且使用CO2分離方法分離成富CO2和貧CO2流。在分離方法期間維持貧CO2流的壓力，這允許在第二低壓膨脹機中進一步從貧CO2流提取能量。通過在升高的壓力下在兩個膨脹階段之間進行分離方法，分離設(shè)備的尺寸可減小且分離方法的效力可提高。
【專利附圖】

【附圖說明】[0012]在閱讀以下詳細(xì)描述和實施方式的非限制性示例的附圖之后，本公開的上述和其他優(yōu)勢可變得明顯，其中:
[0013]圖1描繪在兩個膨脹階段之間結(jié)合CO2分離的低排放發(fā)電系統(tǒng)。
[0014]圖2描繪結(jié)合CO2分離和富CO2流再循環(huán)的低排放發(fā)電系統(tǒng)。
[0015]圖3描繪結(jié)合CO2分離和第二入口壓縮機的低排放發(fā)電系統(tǒng)。
[0016]圖4描繪在膨脹機的上游結(jié)合CO2分離的低排放發(fā)電系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0017]在以下的【具體實施方式】部分中，將本公開的【具體實施方式】結(jié)合優(yōu)選實施方式進行描述。然而，在以下描述特定于本公開的【具體實施方式】或具體用途的方面，這旨在僅用于示范性的目的并且僅提供示范性實施方式的描述。因此，本公開不限于下述的【具體實施方式】，而是包括落入所附權(quán)利要求書的真正精神和范圍之內(nèi)的所有替代方案、改型和等同物。
[0018]本文所用的各種術(shù)語如下定義。對于下文中沒有定義的權(quán)利要求中使用的術(shù)語，應(yīng)給予相關(guān)領(lǐng)域人員給予該術(shù)語的最寬泛定義，如在至少一個印刷出版物或授權(quán)專利中反映的。
[0019]如本文中使用的，術(shù)語“天然氣”指從原油井(伴生氣)和/或從地下氣層(非伴生氣)中獲取的多組分氣體。天然氣的組成和壓力可以顯著不同。一般天然氣流包含甲烷(CH4)作為主要成分，即天然氣流中多于50mol%的是甲烷。天然氣流也可包含乙烷(C2H6)、更高分子量的烴(比如C3-C2tl烴)、一種或多種酸性氣體(比如硫化氫)、或者它們的任何組合。天然氣也可包含少量的污染物，例如水、氮、硫化鐵、蠟、原油、或者它們的任何組合。
[0020]如本文中使用的，術(shù)語“化學(xué)計量燃燒”指這樣的燃燒反應(yīng)，其具有包含燃料和氧化劑的反應(yīng)物體積和通過燃燒反應(yīng)物形成的產(chǎn)物體積，其中反應(yīng)物的全部體積用于形成產(chǎn)物。如本文中使用的，術(shù)語“基本化學(xué)計量的”燃燒指這樣的燃燒反應(yīng)，其當(dāng)量比率在約
0.9:1到約1.1:1的范圍內(nèi)，或者更優(yōu)選地在約0.95:1到約1.05:1的范圍內(nèi)。本文使用術(shù)語“化學(xué)計量的”意思是既包括化學(xué)計量條件也包括基本化學(xué)計量條件，除非另外指出。
[0021]如本文中使用的，術(shù)語“流”指一定體積的流體，盡管術(shù)語流的使用通常指移動的一定體積的流體(比如，具有速度或者質(zhì)量流速)。然而，術(shù)語“流”不要求速度、質(zhì)量流速或者包圍流的具體類型的管道。
[0022]本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法的實施方式可用于生產(chǎn)超低排放的電力和CO2用于提高采收率法采油(EOR)或者封存應(yīng)用。在EOR應(yīng)用中，將CO2注入到產(chǎn)油井內(nèi)或者其附近，通常在超臨界條件下進行。CO2充當(dāng)加壓劑，同時在溶解到地下原油中時顯著減小石油的粘度，使得油能夠更迅速地流經(jīng)土壤至移除井(remove well)中。根據(jù)本文公開的實施方式，燃燒壓縮的氧化劑(一般是空氣)和燃料的混合物并且廢氣在第一膨脹階段膨脹以發(fā)電。然后在升高的壓力下廢氣被分離成富CO2和貧CO2流。然后貧CO2流在第二膨脹階段可再次膨脹，產(chǎn)生額外的電力。在一些實施方式中，富CCV流可再循環(huán)并與進入燃燒室的氧化劑混合，充當(dāng)稀釋劑以控制或者另外調(diào)節(jié)燃燒溫度和進入后面膨脹機的廢氣溫度。所述燃燒可以是化學(xué)計量的或者非化學(xué)計量的。
[0023]在接近化學(xué)計量條件下的燃燒(或者“稍富”的燃燒)可以證明是有優(yōu)勢的，以消除移除過量氧的成本。通過冷卻廢氣并冷凝出流中的水可以產(chǎn)生相對高含量CO2的流。在一部分再循環(huán)的廢氣可以用于閉合式布雷頓循環(huán)中的溫度調(diào)節(jié)的同時，剩余的部分可以用于EOR應(yīng)用和產(chǎn)生電力而少量或沒有S0X、NOx或CO2排放到大氣中。比如，非再循環(huán)的流可被處理以產(chǎn)生貧CO2流，其隨后在氣體膨脹機中膨脹，產(chǎn)生額外的機械動力。本發(fā)明公開的系統(tǒng)的結(jié)果是以更經(jīng)濟有效的水平產(chǎn)生電力并產(chǎn)生或捕獲額外的C02。
[0024]本發(fā)明涉及用于低排放發(fā)電的系統(tǒng)和方法，其包括分離方法，其中來自燃燒室的廢氣以升高的壓力被分離成富CO2和貧CO2流。在一些實施方式中，富CO2和貧CO2流中的一種或者兩種被注入一個或多個烴儲層中用于提高采收率法采油(E0R)。如本文中使用的，術(shù)語“富”和“貧”指，在進入CO2分離方法的CO2總量中至少51%的該CO2通過富CO2流從分離方法中排出，剩下的CO2在貧CO2流中排出。在一些實施方式中，進入分離方法的CO2總量的至少約55%、或者至少約60%、或者至少約65%、或者至少約70%、或者至少約75%、或者至少約80%、或者至少約85%、或者至少約90%、或者至少約95%在富CO2流中排出。
[0025]在本文的系統(tǒng)和方法中，一種或多種氧化劑被壓縮并在燃燒室中與一種或多種燃料燃燒。所述氧化劑可包括任何含氧流體，如環(huán)境空氣、富氧空氣、基本純的氧氣、或者它們的組合。一種或多種氧化劑可以在一個或多個壓縮機內(nèi)被壓縮。每個壓縮機可包括單階段或者多階段。在多階段的壓縮機中，可以任選地采用級間冷卻從而允許更高的總體壓縮比和更高的總體電力輸出。每個壓縮機可以是適用于本文描述的方法的任何類型，并且優(yōu)選地是可靠的、高效的并且能夠具有高壓縮比。這些壓縮機包括但不限于軸流式、離心式、往復(fù)式、或者雙螺桿式壓縮機以及它們的組合。在一個或多個實施方式中，氧化劑壓縮機或多個氧化劑壓縮機是軸流式壓縮機。燃料可包括天然氣、伴生氣、柴油、燃料油、氣化煤、焦炭、石腦油、丁烷、丙燒、乙烷、甲烷、合成氣、煤油、航空燃料、生物燃料、氧化的烴原料、浙青、任何其它合適的含烴氣體或液體、氫、或者它們的組合。另外，燃料可包括惰性成分，包含但不限于N2或者C02。在一些實施方式中，燃料至少部分由通過注入富CO2流或者貧CO2流或兩者正受益于提高采收率法采油的烴儲層供應(yīng)。燃燒室中的燃燒條件可以是貧的、化學(xué)計量的或者基本化學(xué)計量的、或者富的。在一個或多個實施方式中，燃燒條件是化學(xué)計量或者基本化學(xué)計量的。燃料和氧化劑的燃燒通常產(chǎn)生約2000° F和約3000° F之間的溫度。在一些實施方式中，燃燒室在氧化劑壓縮機出口壓力的壓力下或附近運轉(zhuǎn)。
[0026]氧化劑和燃料在燃燒室中的燃燒產(chǎn)生廢氣流，其隨后膨脹。廢氣流包括燃燒產(chǎn)物，其組成取決于使用的燃料和氧化劑的組成變化。在一個或多個實施方式中，來自燃燒室的排出廢氣流可包括汽化的水、CO2、一氧化碳(CO)、氧氣、氮氣、氬氣、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、硫化氫(H2S)、烴、或者它們的組合。排出廢氣流可以在一個或多個膨脹機中膨脹。進入到膨脹機(或者如果使用多于一個膨脹機，膨脹機系統(tǒng))的排出廢氣流一般處于與燃燒室的出口溫度和壓力大概相同的溫度和壓力下。
[0027]—個或多個膨脹機中的每一個可包括單階段或者多階段。每個膨脹機可以是適用于本文描述的方法的任何類型，包括但不限于軸流式或者離心式膨脹機或者它們的組合。每個膨脹機優(yōu)選地是高效的并且能夠具有高膨脹比。廢氣流的膨脹產(chǎn)生電力，其用于驅(qū)動一個或多個壓縮機或者發(fā)電機。在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，膨脹機通過共用軸或者其他機械、電氣或其他動力連接，連接至氧化劑壓縮機，以便氧化劑壓縮機至少部分由膨脹機驅(qū)動。在其他實施方式中，氧化劑壓縮機可機械連接至電動機或者蒸汽輪機，所述電動機具有或者沒有速度增加或者減小的設(shè)備如齒輪箱。當(dāng)氧化劑壓縮機、燃燒室和膨脹機放在一起時可表現(xiàn)為開放式布雷頓循環(huán)。
[0028]在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，采用至少兩個膨脹機階段，任意兩個階段之間結(jié)合CO2分離方法。第一階段是高壓膨脹機，其從燃燒室接收排出廢氣并在降低的溫度和壓力下將同一氣體輸出到CO2分離方法。雖然被降低，但高壓膨脹機出口處的壓力仍然高于環(huán)境條件的壓力。例如，高壓膨脹機的出口壓力可高于約25psia (磅/平方英寸)，或者高于約50psia,或者高于約75psia,或者高于約lOOpsia。
[0029]CO2分離方法可以是設(shè)計來將加壓的廢氣分離成富CO2流和貧CO2流的任何合適方法。分離廢氣的成分允許廢氣中的不同成分以不同的方式處理。理想地，分離方法將廢氣中所有的溫室氣體如C02、C0、N0x、S0x等分離到富CO2流中，留下廢氣中的其余成分如氮氣、氧氣、氬氣、等在貧CCV流中。然而，實際上，分離方法可以不從貧流中移除所有溫室氣體，并且一些非溫室氣體可保留在富流中。設(shè)計來實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的任何合適的分離方法都可以被使用。合適的分離方法的實例包括但不限制于熱碳酸鉀(“熱罐(hot pot)”)分離方法、胺分離、分子篩分離、膜分離、吸附動力學(xué)分離、受控冷凍區(qū)分離、以及它們的組合。在一些實施方式中，熱罐分離方法用于分離C02。在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，分離方法在升高的壓力(即，高于環(huán)境壓力并且與高壓膨脹機的出口壓力大致相同)下操作，并且配置來保持貧CO2流被加壓。以這種方式維持貧CO2流的壓力允許更小的分離設(shè)備，提供提高的分離效力，并且允許從貧CO2流進一步提取能量。在一些實施方式中，CO2分離方法被選擇和配置來最大化貧CO2流的出口壓力或者出口溫度或者兩者。雖然為了簡單地闡明或者描述本發(fā)明的某些實施方式，本文中使用術(shù)語“co2分離器”，但應(yīng)當(dāng)理解該術(shù)語意在包括所有的CO2分離方法而不一定指單個裝置或工藝步驟。
[0030]在一個或多個實施方式中，貧CO2流從CO2分離器中以升高的壓力排出并且被導(dǎo)向第二膨脹階段，該第二膨脹階段可以是低壓膨脹機，其配置來接收加壓的貧CO2流并在接近環(huán)境壓力下輸出同一氣體。如本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的，每個膨脹階段產(chǎn)生電力，并且每個膨脹機產(chǎn)生的電力可用于在所述的系統(tǒng)之內(nèi)或之外的任何配置中至少部分驅(qū)動一個或多個壓縮機或發(fā)電機。方便地，在一個或多個實施方式中，第一(高壓)膨脹機可以至少部分驅(qū)動第一氧化劑壓縮機。在這些實施方式中，第一壓縮機、燃燒室和第一膨脹機可以是封裝的燃?xì)廨啓C。在相同或者其他實施方式中，在第一壓縮機之前或者之后可采用第二氧化劑壓縮機以提供燃燒室的氧化劑進料的進一步壓縮，并且第二 (低壓)膨脹機可以至少部分地驅(qū)動第二氧化劑壓縮機。在這些實施方式中，第一和第二壓縮機、燃燒室、以及第一和第二膨脹機可以是封裝的燃?xì)廨啓C。可選地，可使用一個膨脹機驅(qū)動氧化劑壓縮機，而另一膨脹機可用于驅(qū)動管道或者注入壓縮機以壓縮富CO2流(或者貧CO2流)，以注入儲層用于存儲或者EOR0在這些配置中，管道或者注入壓縮機可位于本文描述的發(fā)電系統(tǒng)附近。
[0031]盡管本文描述的CO2分離方法優(yōu)選地位于膨脹階段之間，但所述分離可以可選地在第一膨脹階段之前進行。在這種配置中，來自燃燒室的廢氣被直接提供到分離器中并且分離器如上述產(chǎn)生富CO2流和貧CO2流。然后貧CO2流被引導(dǎo)至一個或多個膨脹機或者膨脹階段，而富CCV流也可以膨脹或者可以通過以下更詳細(xì)描述的多種方式進行處理。
[0032]在一個或多個實施方式中，貧CO2流可以任選地在低壓膨脹階段之前進行加熱。該加熱可以使用任何合適的加熱設(shè)備實現(xiàn)。比如，一個或多個換熱器或交叉換熱器(crossexchanger)可配置來在貧CO2流進入低壓膨脹機之前傳熱至貧CO2流。一個或多個換熱器或交叉換熱器可配置來從多個源傳熱，比如從第一燃燒室的排放或者從高壓膨脹機的排放。在相同或者其他實施方式中，貧CO2流在位于高壓和低壓膨脹階段之間的第二燃燒室內(nèi)被加熱。第二燃燒室的使用需要額外燃料供應(yīng)，其可以與供應(yīng)到第一燃燒室的燃料相同或者不同。在一些實施方式中，供應(yīng)到第二燃燒室并在其中燃燒的燃料包括氫氣。第二燃燒室需要的氧化劑可通過單獨的氧化劑流供應(yīng)，或者在貧CO2流中可以有充足的氧化劑，以便不需要額外的氧化劑供應(yīng)。通過在方法的低壓膨脹階段之前加熱貧CO2流，可以增加低壓膨脹機中的發(fā)電。
[0033]在一個或多個實施方式中，貧CO2流(膨脹之后)或者富CO2流或者兩者可以通過一個或多個熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)。一個或多個HRSG可配置來利用一個或兩個流中的余熱產(chǎn)生蒸汽。一個或多個HRSG產(chǎn)生的蒸汽可用于多種目的，比如驅(qū)動蘭金循環(huán)中的蒸汽渦輪發(fā)電機，驅(qū)動機械傳動裝置中的蒸汽輪機，或者用于水脫鹽。在貧CO2流和富CO2流每個被引導(dǎo)至HRSG的情況，由每個HRSG產(chǎn)生的蒸汽可用于相同或不同的應(yīng)用。進一步地，如果從一個或多個HRSG中排出的貧CO2流或富CO2流的任一個或兩者中保留有任何余熱，系統(tǒng)可進一步包括一個或多個換熱器，其配置來將該熱傳輸至非蒸汽工作流體。在這些實施方式中，非蒸汽工作流體可以任選地用于驅(qū)動蘭金循環(huán)中的膨脹機。
[0034]富CO2流或貧CO2流中的每一個可以全部或者部分用于多種應(yīng)用，并且兩種流可用于相同或不同的應(yīng)用。比如，至少部分富CO2流可再循環(huán)并且與進入燃燒室的氧化劑混合或者被直接添加到燃燒室中充當(dāng)稀釋劑以控制或者另外調(diào)節(jié)燃燒溫度和進入后面膨脹機的廢氣。在這些情況中，系統(tǒng)的特征在于包括閉合式布雷頓循環(huán)。在相同或者其他實施方式中，富CO2流可以注入烴儲層用于提高采收率法采油化010，可以引導(dǎo)至儲層用于碳封存或者存儲。富CO2流也可以出售、排出或燃燒。在一個或多個實施方式中，貧CO2流也可以用于E0R。在相同或者其他實施方式中，貧CO2流可以出售、排出或燃燒。
[0035]本發(fā)明除了本文描述的低排放發(fā)電系統(tǒng)和方法，還包括進一步的要素。比如，在一些實施方式中系統(tǒng)可進一步包括一個或多個烴儲層、注入井和/或壓縮和管道系統(tǒng)，其配置來增加富αν流的壓力并將用于注入的流傳輸?shù)綗N儲層中。在相同或者其他實施方式中，系統(tǒng)可進一步包括管道系統(tǒng)，其用于將來自烴儲層的氣體輸送到發(fā)電系統(tǒng)作為燃料。在相同或者其他實施方式中，系統(tǒng)可進一步包括電氣系統(tǒng)，其配置來輸送來自發(fā)電機的電，以向系統(tǒng)內(nèi)一個或多個壓縮機至少部分地供電或者向管道系統(tǒng)至少部分地供電。
[0036]現(xiàn)在參看圖，圖1示出發(fā)電系統(tǒng)100，其配置來在燃燒之后提供CO2的分離和捕獲。在至少一個實施方式中，發(fā)電系統(tǒng)100可具有第一壓縮機118，其通過共用軸108或者其他機械、電氣或者其他動力連接，連接至第一膨脹機106，從而允許第一膨脹機106產(chǎn)生的機械能的一部分驅(qū)動第一壓縮機118。第一膨脹機106也可以發(fā)電用于其他用途，比如向另一個壓縮機、發(fā)電機等供電。第一壓縮機118和第一膨脹機106可以分別形成標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨啓C的壓縮機端和膨脹機端。然而，在其他實施方式中，第一壓縮機118和第一膨脹機106在系統(tǒng)中可以是獨立的組件。
[0037]系統(tǒng)100也可包括第一燃燒室110，其配置來燃燒與壓縮的氧化劑114混合的第一燃料流112。在一個或多個實施方式中，第一燃料流112可包括任何合適的烴氣體或液體，比如天然氣、甲烷、乙烷、石腦油、丁烷、丙烷、合成氣、柴油、煤油、航空燃料、煤來源燃料、生物燃料、浙青、氧化的烴原料、或者它們的組合。第一燃料流112也可以包含氫氣。壓縮的氧化劑114可以來自流體連接至第一燃燒室110并且適于壓縮氧化劑進料120的第一壓縮機118。雖然本文中的討論假定氧化劑進料120是周圍的空氣，但氧化劑可包括任何合適的含氧氣體，比如空氣、富氧空氣、基本純的氧氣、或者它們的組合。在本文的一個或多個實施方式中，第一燃燒室110在與第一壓縮機118的排出壓力大約相同的壓力下操作。在一個或多個實施方式中，第一壓縮機118、第一燃燒室110、和第一膨脹機106放在一起可以作為開放式布雷頓循環(huán)。
[0038]產(chǎn)生排出廢氣流116作為第一燃料流112和壓縮的氧化劑114的燃燒產(chǎn)物并且被弓丨導(dǎo)至第一膨脹機106的入口。在至少一個實施方式中，第一燃料流112可以主要是天然氣，因此產(chǎn)生包括體積份的蒸發(fā)的水、CO2、CO、氧氣、氮氣、氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的排出物116。在一些實施方式中，由于燃燒平衡限制，小部分未燃燒的燃料112或者其他化合物也可存在于排出物116中。隨著排出流116通過膨脹機106膨脹，它產(chǎn)生機械能以驅(qū)動第一壓縮機118或者其他設(shè)備,也產(chǎn)生氣態(tài)廢氣流122。在一個或多個實施方式中,第一膨脹機106接收溫度和壓力與第一燃燒室出口溫度和壓力基本相同的排出流116，并且輸出溫度和壓力下降但是仍然高于環(huán)境條件的同一氣體。
[0039]系統(tǒng)100也可包括CO2分離系統(tǒng)。在一個或多個實施方式中，氣態(tài)廢氣流122被引導(dǎo)至CO2分離器140。該CO2分離器140可以采用設(shè)計來將氣態(tài)廢氣流122分離成富CO2流142和貧CO2流144的多種分離方法中的任一種。比如，分離器140可設(shè)計來使用化學(xué)分離方法分離氣態(tài)廢氣流，如熱碳酸鉀(“熱罐”)分離、胺分離、或者使用溶劑如乙二醇的分離。其他分離方法包括使用膜的物理分離，或者例如吸附動力學(xué)分離或控制冷凍區(qū)分離的方法。在一些實施方式中，可以使用上述分離方法的組合。富CO2流142可以用于多種下游應(yīng)用，比如注入到烴儲層中用于提高采收率采油(E0R)、碳封存、存儲、銷售、或者再循環(huán)至第一燃燒室110中用作稀釋劑，以促進壓縮的氧化劑114和第一燃料112的燃燒，并且增加排出廢氣流116中CO2的濃度。富CO2流142也可以排出或者燃燒。在一個或多個實施方式中，該CO2分離方法可配置來將貧CO2流144的溫度或壓力最大化。
[0040]在一個或多個實施方式中，貧CO2流144可以任選地用于額外發(fā)電。比如，在換熱器150中可加熱貧CO2流144，該換熱器150配置來將來自氣態(tài)廢氣流122的熱傳輸?shù)截欳O2流144。從換熱器150中出來后，貧CO2流144然后被引導(dǎo)至第二燃燒室130，該第二燃燒室130配置來燃燒第二燃料流132，從而向貧CO2流144添加額外的熱量。第二燃料流可具有與第一燃料流112相同的組成，或者可具有不同組成。比如，第二燃料流132可主要包含氫氣。在一個或多個實施方式中，第二燃燒室130的操作壓力低于第一燃燒室110的操作壓力。
[0041]被再加熱的貧0)2流162從第二燃燒室110被引導(dǎo)至第二膨脹機160。第二膨脹機160通常在低于第一膨脹機106的壓力下操作。比如，在一個或多個實施方式中，第二膨脹機在高于環(huán)境的壓力下接收來自CO2分離方法的再加熱的貧CO2流162，并將該同一氣體在大致環(huán)境壓力下通過膨脹的貧CO2流164輸出。由第二膨脹機160產(chǎn)生的電力可用于多種目的，比如至少部分驅(qū)動第一壓縮機118或者一個或多個額外的壓縮機(未示出)或者驅(qū)動發(fā)電機。在一些實施方式中，當(dāng)富CO2流或者貧CO2流被注入到儲層用于存儲或者EOR時，第二膨脹機160可以用于驅(qū)動管道或注入壓縮機。
[0042]在一個或多個實施方式中，膨脹的貧CO2流164可以引導(dǎo)至熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 170，該熱回收蒸汽發(fā)生器170配置來使用膨脹的貧CO2流164中的余熱產(chǎn)生蒸汽174。蒸汽174可具有多種用途，比如，例如在蘭金循環(huán)中通過驅(qū)動蒸汽渦輪發(fā)電機產(chǎn)生額外的電力或者用于水脫鹽。從HRSG170中排出的冷卻貧CO2流172，與富CO2流142—樣，也可以用于多種應(yīng)用，包括E0R、存儲、銷售、排出、或者燃燒。
[0043]現(xiàn)在參考圖2，其描繪圖1中發(fā)電系統(tǒng)100的可選配置，具體化為并描繪為系統(tǒng)200。因此，圖2通過參考圖1可以最好地理解。在圖2的系統(tǒng)200中，至少一部分富CO2流142再循環(huán)至燃燒室，以在發(fā)電系統(tǒng)的工作流體中獲得更高的CO2濃度，從而允許更高效的CO2分離，用于后面的封存、壓力維持或者EOR應(yīng)用。為此，調(diào)整第一燃燒室110以化學(xué)計量地燃燒進來的第一燃料112和壓縮的氧化劑114的混合物。為了調(diào)整燃燒的溫度以滿足第一膨脹機106入口溫度和組件冷卻要求，一部分富CCV流可以注入到第一燃燒室110中作為稀釋劑。因此，本公開的實施方式基本上可以消除來自工作流體的任何過量的氧氣同時增加其CO2組成。
[0044]盡管圖2中示出的再循環(huán)回路包括各種裝置，但示出的配置僅僅是代表性的，并且可以使用將富CO2流142循環(huán)回第一燃燒室110從而實現(xiàn)本文所述目的的任何系統(tǒng)。在一個或多個實施方式中，富CO2流142可以輸送到第二 HRSG210，以產(chǎn)生蒸汽216流和冷卻的富CO2氣體212。蒸汽216可以任選地輸送至蒸汽輪機(未不出)以產(chǎn)生額外的電力。在這些配置中，第二 HRSG210和蒸汽輪機的組合的特征在于閉合式蘭金循環(huán)。
[0045]在一個或多個實施方式中，可將從第二 HRSG210排出的冷卻的富CO2氣體212輸送至至少一個冷卻單元230，該冷卻單元230配置來降低冷卻的富CO2氣體212的溫度并且產(chǎn)生冷卻的再循環(huán)CO2流232。在一個或多個實施方式中，冷卻單元230在這里被考慮是直接接觸冷卻器(DCC)，但是可以是任何合適的冷卻設(shè)備，如直接接觸冷卻器、調(diào)溫冷卻器(trim cooler)、機械制冷裝置、或者它們的組合。冷卻單元230也可以配置來通過水排泄流(water dropout stream) 234將一部分冷凝水排出。在一個或多個實施方式中，冷卻的富CO2氣體212可以引導(dǎo)至流體連接至冷卻單元230的鼓風(fēng)機或者升壓壓縮機220。在這些實施方式中，壓縮的冷卻富CO2流從鼓風(fēng)機220排出并且被引導(dǎo)至冷卻單元230。
[0046]進一步地，盡管圖2的系統(tǒng)200中示出的再循環(huán)回路展示了 CO2的100%再循環(huán)，但在有些情況下可能期望僅將再循環(huán)回路中部分CO2再循環(huán)到燃燒室110。在這些情況下，可添加一個或多個提取流(未示出)，從再循環(huán)回路轉(zhuǎn)移部分CO2而剩余的CO2如本文描述進行再循環(huán)。提取的CO2部分可通過多個位置(未示出)處的提取流從再循環(huán)回路回收，例如從流212、222、232或242。提取的CO2可用于多種目的，比如用于E0R、封存、存儲、銷售、或者排出。
[0047]鼓風(fēng)機220可配置來在冷卻的富CO2氣體212引入到再循環(huán)壓縮機240之前升高其壓力。在一個或多個實施方式中，鼓風(fēng)機220增加冷卻的富CO2氣體212的總體密度，從而將相同體積流量的增加的質(zhì)量流速引導(dǎo)至再循環(huán)壓縮機240。由于再循環(huán)壓縮機240通常是受體積流量限制的，因此通過再循環(huán)壓縮機240導(dǎo)入更多質(zhì)量流量可導(dǎo)致再循環(huán)壓縮機240的排放壓力較高，從而轉(zhuǎn)化成第一膨脹機106上的較高壓力比。第一膨脹機106上產(chǎn)生的較高壓力比可以允許更高的入口溫度，并且因此增加第一膨脹機106的能力和效率。由于富CO2排放物116通常維持較高的比熱容，這可以提供優(yōu)勢。因此，當(dāng)結(jié)合時，冷卻單元230和鼓風(fēng)機220的每一個可調(diào)整以優(yōu)化或者改善發(fā)電系統(tǒng)200的運轉(zhuǎn)。[0048]再循環(huán)壓縮機240可配置來壓縮冷卻的再循環(huán)CO2流232至稍微高于第一燃燒室110壓力的壓力，因此產(chǎn)生壓縮的富CO2再循環(huán)流242。在至少一個實施方式中，可使凈化流(未示出)從富CO2再循環(huán)流242中分流出并在額外的CO2分離器(比如與CO2分離器140相似的)或者其他裝置中任選地處理以捕獲C02。分離的CO2可用于銷售、或者用于其他需要二氧化碳的過程、和/或壓縮且注入到陸地儲存，用于提高采收率采油(E0R)、封存、或者其他目的。
[0049]在一些本文未描述的實施方式中，代替再循環(huán)富CO2流或者除了再循環(huán)富CO2流，在燃燒過程中也可以采用高壓蒸汽作為冷卻劑。在這些實施方式中，蒸汽的添加將降低再循環(huán)回路中的動力和尺寸需求(或者完全除去再循環(huán)回路)，但是將需要額外的水再循環(huán)回路。
[0050]另外，在本文未描述的進一步的實施方式中，送入燃燒室的壓縮的氧化劑進料可包含氬氣。比如,氧化劑可包含約0.1至約5.0vo 1%的氬氣，或者約0.1至約4.5vol%的氬氣，或者約2.0至約4.0vo 1%的氬氣，或者約2.5至約3.5vol%的氬氣，或者約3.0vo 1%的氬氣。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，將氬氣包含到壓縮的氧化劑進料中可能需要在主壓縮機和燃燒室之間添加交叉換熱器或者類似設(shè)備，該交叉換熱器或者類似設(shè)備配置從再循環(huán)流中去除過量的CO2并且在適合燃燒的溫度下將氬氣返回到燃燒室。
[0051]現(xiàn)在參考圖3，其描繪圖1中發(fā)電系統(tǒng)100的可選配置，具體化為并被描繪為系統(tǒng)300。因此，圖3通過參考圖1可以最好地理解。在圖3的系統(tǒng)300中，結(jié)合了第二壓縮機310，用于提供氧化劑進料120的額外初始壓縮。第二壓縮機310可通過共用軸308或者其他機械、電氣、或者其他動力連接，連接至第二膨脹機160，因此允許由第二膨脹機160產(chǎn)生的機械能的一部分驅(qū)動第二壓縮機310。加壓的氧化劑流312離開第二壓縮機并且被引導(dǎo)至第一壓縮機118，這又進一步地壓縮氧化劑并產(chǎn)生壓縮的氧化劑114且將壓縮的氧化劑114引導(dǎo)至第一燃燒室。
[0052]現(xiàn)在參考圖4，其描繪圖1的發(fā)電系統(tǒng)100的簡化可選配置，具體化為并被描繪為系統(tǒng)400。因此，圖4通過參考圖1可以最好地理解。在圖4的系統(tǒng)400中，CO2分離方法位于第一膨脹機106的上游。因此，排出廢氣流116離開第一燃燒室110并且被直接供應(yīng)到分離器140。如上描述，分離器140將排出廢氣流116分離成富CO2流142和貧CO2流144。富CO2流142可被進一步處理、再循環(huán)、或者使用，如上更詳細(xì)描述的。貧CO2流在第一膨脹機106中膨脹，并且產(chǎn)生的貧CO2排出流410也可以進一步被處理或者使用，如上更詳細(xì)描述的。比如，貧CO2排出流410可在第二燃燒室中被再加熱并且再次膨脹以產(chǎn)生額外的電力(未示出)。
[0053]盡管本公開可進行各種修改和可選形式，但上面討論的示范性實施方式僅通過示例示出。本文中描述的任何實施方式的任何特征或配置均可結(jié)合任何其他任何實施方式或者多個其他實施方式(可行的情況下)，并且所有的這些結(jié)合都意欲在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另夕卜，應(yīng)當(dāng)理解，本公開不意欲限于本文公開的【具體實施方式】。事實上，本公開包括落入所附權(quán)利要求的真正精神和范圍之內(nèi)的所有可選物、修改物和等同物。
【權(quán)利要求】
1.發(fā)電系統(tǒng)，其包括: 第一壓縮機，其配置來接收并壓縮一種或多種氧化劑； 第一燃燒室，其配置來接收并燃燒壓縮的氧化劑以及至少一種第一燃料，從而產(chǎn)生廢氣流； 第一膨脹機，其配置來接收來自所述壓縮機的廢氣流并產(chǎn)生氣態(tài)廢氣流；以及 分離器，其配置來接收所述氣態(tài)廢氣流并將其分離成富CO2流和貧CO2流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進一步包括第二膨脹機，其配置來接收所述貧CO2流并使其膨脹。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一膨脹機至少部分驅(qū)動所述第一壓縮機。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，進一步包括第二壓縮機，其配置來接收并壓縮一種或多種氧化劑且將壓縮的氧化劑傳送到所述第一壓縮機。
5.根據(jù)權(quán)利要求4 所述的系統(tǒng)，其中所述第二膨脹機至少部分驅(qū)動所述第二壓縮機。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述第一膨脹機的操作壓力高于所述第二膨脹機的操作壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一燃料包括天然氣、油、焦炭、煤、氫氣、浙青或它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述氧化劑包括空氣、富氧空氣、氧氣或者它們的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述分離器使用選自以下的分離方法:熱碳酸鉀分離、分子篩分離、胺分離、膜分離、吸附動力學(xué)分離、控制冷凍區(qū)分離或者它們的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中至少部分所述富CO2流被再循環(huán)至所述第一燃燒室。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括換熱器，其配置來將來自所述第一膨脹機的排出物的熱傳送到所述貧CO2流。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括第二燃燒室，其配置來燃燒一種或多種氧化劑和第二燃料，以加熱至所述貧CO2流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述第二燃料包括氫氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，進一步包括熱回收蒸汽發(fā)生器，其配置來使用來自從所述第二膨脹機出來的所述貧CO2流的熱產(chǎn)生蒸汽。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括熱回收蒸汽發(fā)生器，其配置來使用來自從所述分離器出來的所述富CO2流的熱產(chǎn)生蒸汽。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一燃燒室進一步配置來接收高壓蒸汽。
17.發(fā)電方法，其包括: 在第一壓縮機中將一種或多種氧化劑壓縮； 向第一燃燒室供應(yīng)該壓縮的氧化劑和至少一種第一燃料； 在所述第一燃燒室中燃燒所述壓縮的氧化劑和所述至少一種燃料，從而產(chǎn)生廢氣流； 在第一膨脹機中使所述廢氣流膨脹以產(chǎn)生氣態(tài)廢氣流；以及 將所述氣態(tài)廢氣流分離為富CO2流和貧CO2流。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步包括在第二膨脹機中使所述貧CO2流膨脹。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步包括在第二壓縮機中壓縮一種或多種氧化劑并且向所述第一壓縮機供應(yīng)該壓縮的氧化劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一燃料包括天然氣、油、焦炭、煤、其他烴、氫氣或它們的組合。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述氧化劑包括空氣、富氧空氣、氧氣或者它們的組合。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進一步包括在高于所述第二膨脹機的壓力的壓力下操作所述第一膨脹機。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述氣態(tài)廢氣流使用選自以下的方法分離:熱碳酸鉀分離、胺分離、分子篩分離、膜分離、吸附動力學(xué)分離、控制冷凍區(qū)分離或者它們的組合。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步包括將至少部分所述富CO2流再循環(huán)至所述第一燃燒室。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進一步包括在使所述貧CO2流在所述第二膨脹機中膨脹之前加熱所述貧CO2流。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述貧CO2流在換熱器中進行加熱。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中通過在第二換熱器中燃燒一種或多種氧化劑和第二燃料加熱所述貧CO2流。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第二燃料包括氫氣。
29.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進一步包括使用來自所述貧CO2流的熱在熱回收蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生蒸汽。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步包括使用來自所述富CO2流的熱在熱回收蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生蒸汽。
31.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步包括將所述富CO2流注入烴儲層中。
32.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步包括將所述貧CO2流注入烴儲層中。
33.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步包括向所述第一燃燒室供應(yīng)高壓蒸汽。
【文檔編號】F02C3/04GK103764972SQ201280013784
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月22日
【發(fā)明者】S·K·達安卡, O·A·斯特斯, D·M·奧戴, R·A·亨廷頓, R·H·歐爾菲克, F·F·米特瑞克 申請人:埃克森美孚上游研究公司