專利名稱：具有磁流體動(dòng)力頂循環(huán)的發(fā)電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電，更具體地涉及氧燃燒式發(fā)電機(jī)(oxygen-fired powergenerator),該氧燃燒式發(fā)電機(jī)包括爐子、磁流體動(dòng)カ發(fā)生器和氣體分離單元,該氣體分離單元使得高效發(fā)電與獲取和隔離ニ氧化碳相結(jié)合。
背景技術(shù)：
高壓燃燒技術(shù)日益增長(zhǎng)地用于發(fā)電。對(duì)于所有的基于燃燒的發(fā)電來(lái)說(shuō)，排放是首 要關(guān)注的問(wèn)題。一些從商業(yè)可得到的系統(tǒng)是基于燃燒室的，該燃燒室在存在循環(huán)水的情況下在近化學(xué)計(jì)量比的條件下使用氣態(tài)氧來(lái)使氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的燃料燃燒。該燃燒的產(chǎn)物主要是蒸汽和ニ氧化碳的高溫、高壓混合物。適于在這種系統(tǒng)中燃燒的燃料包括天然氣、源于煤的合成氣、煉油廠殘?jiān)?、垃圾填埋氣體、生物沼氣、煤、液態(tài)烴和可再生燃料(諸如來(lái)自生物柴油生產(chǎn)設(shè)備的甘油)。燃燒室的熱的、高壓輸出物可用于驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)或先進(jìn)的蒸汽輪機(jī)，或者在高溫和中等壓カ下操作的改進(jìn)的航改燃?xì)廨啓C(jī)。輪機(jī)的下游處，排出氣體可被分離，并且所分離出的ニ氧化碳可被隔離或者存儲(chǔ)以避免排放溫室氣體。這種系統(tǒng)可從RanchoCordova, CA的清潔能量系統(tǒng)(Clean Energy System)中得到。盡管在燃燒和輪機(jī)技術(shù)方面有進(jìn)步，但仍期望進(jìn)ー步増加基于燃燒的發(fā)電系統(tǒng)的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于燃燒的發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)包括磁流體動(dòng)カ裝置，該磁流體動(dòng)カ裝置從離開(kāi)燃燒區(qū)域的非常高溫和高壓的氣體流中產(chǎn)生電力，從而在仍允許發(fā)電和從排出氣體中分離和回收ニ氧化碳的同時(shí)提高能量輸出和系統(tǒng)效率。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，磁流體動(dòng)カ(MHD)發(fā)電機(jī)將熱能或者動(dòng)能直接轉(zhuǎn)化為電能。MHD發(fā)電機(jī)通過(guò)使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)通過(guò)磁場(chǎng)而產(chǎn)生電力。在標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)中，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體典型地是銅線線圈。在MHD發(fā)電機(jī)中，導(dǎo)體是快速運(yùn)動(dòng)的熱等離子氣體。因此，與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)不同的是，MHD發(fā)電機(jī)并不包括運(yùn)動(dòng)部件。在傳統(tǒng)的MHD發(fā)電機(jī)中，高溫導(dǎo)電氣體流過(guò)橫向磁場(chǎng)。垂直于氣流的方向和磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。所產(chǎn)生的電場(chǎng)與氣體的速度、其導(dǎo)電性以及磁通量密度成正比?？墒褂迷O(shè)置成與流動(dòng)的等離子氣體相接觸的電極而從系統(tǒng)中獲取電能。MHD發(fā)電機(jī)中的導(dǎo)電氣體是通過(guò)熱電離產(chǎn)生的等離子，其中氣體的溫度足夠高以從氣體原子中分離出電子。這些自由的電子使得等離子導(dǎo)電。等離子的產(chǎn)生需要非常高的溫度，但是溫度閾值可通過(guò)使氣體播種(seeding)有堿性金屬化合物(諸如碳酸鉀)而被降低。堿金屬在較低溫度下更容易電離。因此，優(yōu)選的MHD系統(tǒng)包括在發(fā)電機(jī)上游播種等離子而在發(fā)電機(jī)的下游回收和再循環(huán)該種子材料(seed material)。 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，MHD發(fā)電機(jī)定位于燃燒室的正下游，并且等離子是燃燒室的輸出物。傳統(tǒng)的煤火力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了大約35%的最高效率。MHD發(fā)電機(jī)具有達(dá)50%_60%效率的潛能。較高的效率是由于能量從熱的等離子氣體再循環(huán)到標(biāo)準(zhǔn)蒸汽輪機(jī)。在等離子氣體流過(guò)MHD發(fā)電機(jī)之后，仍足夠熱以使蒸汽升高來(lái)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生附加電力的輪機(jī)。進(jìn)一步地，在排出氣體必須在其可供給到輪機(jī)之前被急冷的燃燒系統(tǒng)中，將MHD發(fā)電機(jī)插放在燃燒室的下游可通過(guò)在排出氣體抵達(dá)輪機(jī)之前從排出氣體獲取能量作為電力而增加效率。通過(guò)降低在急冷步驟中所損失能量的量或者完全去除急冷步驟，更多的燃燒能量可用于發(fā)電。


為了更加詳細(xì)地理解本發(fā)明，可參照附圖，所述附圖是將MHD頂循環(huán)與氧燃燒式發(fā)電燃燒系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括系統(tǒng)100，在該系統(tǒng)中，燃料利用氧氣燃燒，并且所產(chǎn)生的高溫氣體在MHD發(fā)電機(jī)110和膨脹輪機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理以提取能量。更具體地，空氣經(jīng)由管路10供給到空氣分離單元12中，標(biāo)稱純氧經(jīng)由管路13從空氣分離單元排出并且氮?dú)饨?jīng)由管路14從空氣分離單元排出。燃料經(jīng)由管路16被供給，并且如果期望的話可在可選的處理/播種 單元18中進(jìn)行處理。管路13中的氧氣和管路19中的燃料進(jìn)入MHD噴射器集流腔17，在該處發(fā)生燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的排出氣體。在一些實(shí)施例中，離開(kāi)集流腔17的排出氣體的溫度在2500°C到3400°C范圍內(nèi)，壓力處于5MPa到20MPa范圍內(nèi)。集流腔17優(yōu)選地使用漫射結(jié)合板技術(shù)(diffusion-bonded platelettechnology)構(gòu)造而成,并且被設(shè)計(jì)成使得其在注射到燃燒室中之前使燃料、氧氣和水精確地分布和預(yù)混合?？捎糜诋?dāng)前系統(tǒng)中的燃料包括但不限于天然氣、基于煤的合成氣以及基于浙青的燃料乳狀液。離開(kāi)集流腔17的高溫高壓氣體流入MHD噴嘴26中，這進(jìn)一步增加了它們的速度。從噴嘴26，這些氣體流入MHD擴(kuò)散部段28中，在MHD擴(kuò)散部段中溫度逐漸降低。該溫度優(yōu)選被降低到下游設(shè)備可適應(yīng)的范圍。因而，在一些實(shí)施例中，離開(kāi)擴(kuò)散部段28的氣體的溫度優(yōu)選低于1650°C且壓力優(yōu)選處于2MPa到IOMPa范圍內(nèi)。如果需要的話，另外的水可用于急冷這些排出氣體以將溫度降低到1650°C以下。如圖所示，MHD噴嘴26和擴(kuò)散部段28均定位于超導(dǎo)磁體20之間，這些磁體優(yōu)選是封閉氣體的流動(dòng)路徑并且產(chǎn)生垂直于氣體流動(dòng)方向的磁場(chǎng)的成對(duì)磁體。另外，多個(gè)電極29布置在流動(dòng)路徑周圍，既垂直于流體流動(dòng)路徑又垂直于由磁體20所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向。如上所述，熱等離子體流過(guò)該磁場(chǎng)將在電極29中產(chǎn)生電流。該電流可經(jīng)由導(dǎo)體30從所用系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)送。磁體20和電極29的各種構(gòu)造是公知的，包括法拉第發(fā)電機(jī)、霍爾發(fā)電機(jī)和盤(pán)式發(fā)電機(jī)構(gòu)造，其中后者是最有效率的。內(nèi)部冷卻的帶電纜的超導(dǎo)(ICCS)磁體對(duì)于磁體20來(lái)說(shuō)是優(yōu)選的，以便減少附加損失。一旦充電，ICCS磁體消耗非常少的電力，并且可產(chǎn)生6T及更高的強(qiáng)磁場(chǎng)。通過(guò)這些磁體所施加的僅有附加負(fù)荷將保持低 溫冷凍以及為非超臨界連接部件補(bǔ)償小損失。電極29需要承載較高的電流密度。此外，電極29承受高的熱通量。因?yàn)楦邷?、化學(xué)侵蝕和電場(chǎng)的結(jié)合，優(yōu)選的是，電極29的非導(dǎo)電壁由極其耐熱物質(zhì)(諸如氧化釔或ニ氧化鋯)構(gòu)造而成，以便阻止氧化。在優(yōu)選的實(shí)施例中，等離子氣體在MHD發(fā)電機(jī)中利用超聲波膨脹，以便克服由與磁場(chǎng)相互作用所導(dǎo)致的減速。電能的提取導(dǎo)致等離子溫度下降。在優(yōu)選的實(shí)施例中，擴(kuò)散部段28被成形為保持恒定的馬赫數(shù)直到溫度變得太低而不具有任何有用的電導(dǎo)率。例如，等離子溫度可通過(guò)MHD被降低到大約1900°C，從該點(diǎn)，氣體可用水被急冷來(lái)適應(yīng)膨脹輪機(jī)的進(jìn)ロ溫度限制(如下所述)。在MHD發(fā)電機(jī)的下游，熱氣體經(jīng)由管路29流到第一高壓輪機(jī)32中并且從該處經(jīng)由管路35而流到第二中等壓カ輪機(jī)34中。輪機(jī)32、34可以是傳統(tǒng)的膨脹輪機(jī)，它們形成用于MHD的底循環(huán)，并且經(jīng)由連接到發(fā)電機(jī)44的軸37而產(chǎn)生了附加的電力。電流經(jīng)由導(dǎo)體45從所使用的發(fā)電機(jī)44進(jìn)行運(yùn)送。離開(kāi)第二輪機(jī)34的氣體處于比進(jìn)入第一輪機(jī)32的氣體低的溫度和壓カ下。在一些實(shí)施例中，它們可處于從100°C到500°C范圍內(nèi)的溫度下和處于從0. 02MPa到0. 5MPa的范圍內(nèi)的壓カ下。氣體經(jīng)由管路42離開(kāi)輪機(jī)34，并且優(yōu)選地流到第一換熱器40中，在第一換熱器中，它們可通過(guò)與管路54中的水流熱接觸而被進(jìn)一歩冷卻，如下所述。在一些實(shí)施例中，離開(kāi)換熱器40的氣體可處于從50°C到150°C范圍內(nèi)的溫度下和處于稍微低于入口壓力的壓カ下。氣體從換熱器40經(jīng)由管路44流入冷凝器46中，在冷凝器中，它們通過(guò)與管路48中的冷凍水熱接觸而被進(jìn)一歩冷卻和冷凝。冷凝器46還提供了ー個(gè)場(chǎng)所，以將用于再循環(huán)的可選播種材料收回到燃料處理/播種單元18。在冷凝器46中冷凝的水經(jīng)由管路49流到泵50，在泵處，其被泵送到管路54中，用于在流過(guò)如上所述的換熱器40之后再循環(huán)到MHD發(fā)電機(jī)110中。如果水超過(guò)MHD發(fā)電機(jī)中所需的水，水可被泵送到存儲(chǔ)器。在水冷凝之后，保留在冷凝器46中的氣體包括潮濕的ニ氧化碳，其優(yōu)選經(jīng)由管路56被送到脫水和壓縮單元60。如果期望的話，從脫水和壓縮單元60中移出的水可被送到存儲(chǔ)器或者被再循環(huán)。干燥、增壓的ニ氧化碳經(jīng)由管路62離開(kāi)脫水和壓縮單元60，并且優(yōu)選地通過(guò)單元68被壓縮或者泵送到期望場(chǎng)所。在一些實(shí)施例中，ニ氧化碳可用于諸如本領(lǐng)域已知的提高油采收率操作中，或者可被隔離在地下?？梢灾獣缘氖?，通過(guò)該過(guò)程所產(chǎn)生的干燥、增壓的ニ氧化碳適用于許多應(yīng)用場(chǎng)合。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是非常顯著的。除了通過(guò)從燃燒條件遞降到輪機(jī)條件獲取能量來(lái)增加氧燃燒式膨脹循環(huán)發(fā)電設(shè)備的效率之外，MHD發(fā)電機(jī)具有生態(tài)的聲響并且可燃燒具有高含硫量的煤而不污染空氣。MHD發(fā)電機(jī)在沒(méi)有活動(dòng)部件的情況下操作，因而不易于產(chǎn)生由磨損導(dǎo)致的故障。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括 磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)，所述磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)接收燃料流和氧氣流，并且產(chǎn)生電力和第一排出流，所述第一排出流包括二氧化碳和水；以及 膨脹發(fā)電機(jī)，所述膨脹發(fā)電機(jī)接收第一排出流，并且產(chǎn)生電力和第二排出流，比第一排出流溫度和壓力低的第二排出流包括二氧化碳和水。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述膨脹發(fā)電機(jī)是膨脹輪機(jī)。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括冷凝器，所述冷凝器接收第二排出流，并且產(chǎn)生水和濕潤(rùn)的二氧化碳流。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，還包括脫水和壓縮單元，所述脫水和壓縮單元接收濕潤(rùn)的二氧化碳流，并且產(chǎn)生水和干燥的二氧化碳流。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中在冷凝器中產(chǎn)生的水被再循環(huán)到磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)。
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括空氣分離單元，所述空氣分離單元位于磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)的上游，并且所述空氣分離單元產(chǎn)生所述氧氣流。
7.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述第一排出流主要由二氧化碳和水組成。
8.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述膨脹發(fā)電機(jī)選自包括蘭金循環(huán)發(fā)電機(jī)和布雷頓循環(huán)發(fā)電機(jī)的組。
9.一種用于產(chǎn)生電力的方法，包括 a)將燃料流和氧氣流提供給磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)，以便產(chǎn)生電力和第一排出流，所述第一排出流包括二氧化碳和水；以及 b)將第一排出流提供給膨脹發(fā)電機(jī)，以便產(chǎn)生電力和第二排出流，比第一排出流溫度和壓力低的第二排出流包括二氧化碳和水。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述膨脹發(fā)電機(jī)利用多變膨脹。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括在磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)上游分離空氣以便產(chǎn)生氧氣流的步驟。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括冷凝第二排出流以便產(chǎn)生水和濕潤(rùn)的二氧化碳流的步驟。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括對(duì)濕潤(rùn)的二氧化碳流進(jìn)行脫水和壓縮以便產(chǎn)生水和干燥的二氧化碳流的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括將干燥的二氧化碳泵送到地下的步驟。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括將干燥的二氧化碳用于提高油采收率中的步驟。
全文摘要
一種用于發(fā)電的系統(tǒng)和方法，包括將燃料流和氧氣流提供給磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)，以便產(chǎn)生電力和第一排出流，該第一排出流包括二氧化碳和水；以及將第一排出流提供給膨脹發(fā)電機(jī)，以便產(chǎn)生電力和第二排出流，比第一排出流溫度和壓力低的第二排出流包括二氧化碳和水。該系統(tǒng)和方法可包括在磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)上游分離空氣以便產(chǎn)生氧氣流的步驟，以及可包括冷凝第二排出流以便產(chǎn)生水和濕潤(rùn)的二氧化碳流的步驟。該濕潤(rùn)的二氧化碳流可被冷凝以便產(chǎn)生水和干燥的二氧化碳流，該干燥的二氧化碳流可存儲(chǔ)于地下。
文檔編號(hào)F23D99/00GK102753790SQ201180008639
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者T·米庫(kù)斯 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司