專利名稱：利用二氧化碳循環(huán)工作流體高效發(fā)電的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過使用循環(huán)流體來傳遞經(jīng)由燃料高效燃燒產(chǎn)生的能量而發(fā)電諸如電流的系統(tǒng)和方法。具體而言，所述系統(tǒng)和方法可使用二氧化碳作為循環(huán)流體。
背景技術(shù)：
據(jù)估計(jì)，在發(fā)展和利用非碳能源的同時(shí)，化石燃料在接下來的100年將繼續(xù)提供世界上的大部分電力需求。然而，已知的通過化石燃料和/或適宜的生物質(zhì)燃燒來發(fā)電的方法遭遇能量消耗高漲和二氧化碳(CO2)和其他排放物產(chǎn)生增加的問題。作為碳排放增加的潛在災(zāi)難性后果，全球變暖日漸受到發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的關(guān)注。近期而言，太陽能和風(fēng)能看來不能代替化石燃料燃燒，而核能具有與增殖和核廢物處理相關(guān)的危險(xiǎn)。從化石燃料或適宜生物質(zhì)發(fā)電的常規(guī)設(shè)備正日益負(fù)擔(dān)著在高壓下捕獲CO2以輸送 到隔離場(chǎng)所的要求。然而，這種要求顯示出是難于實(shí)現(xiàn)的，原因是目前的技術(shù)甚至對(duì)于最佳的CO2捕獲涉及而言都僅提供非常低的熱效率。此外，完成CO2捕獲的資本成本很高，相比將CO2排放發(fā)到大氣中而言這產(chǎn)生顯著更高的電力成本。因此，在本領(lǐng)域?qū)Ω咝Оl(fā)電的系統(tǒng)和方法存在不斷增長(zhǎng)的需求，所述系統(tǒng)和方法使得CO2排放降低和/或?qū)λa(chǎn)生的CO2進(jìn)行隔離的容易度改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供利用高效燃燒室(例如，蒸發(fā)冷卻燃燒室)并結(jié)合循環(huán)流體(例如，CO2循環(huán)流體)來發(fā)電的方法和系統(tǒng)。具體而言，所述循環(huán)流體可與燃燒用燃料和氧化劑一起被引入燃燒室中，使得產(chǎn)生包含循環(huán)流體和任何燃燒產(chǎn)物的高壓、高溫流體流。該流體流可被引入發(fā)電設(shè)備諸如渦輪中。有利的是，流體流在渦輪中膨脹的過程中可被維持在相對(duì)高的壓力下，以便穿過渦輪的壓力比(即，渦輪入口處的壓力與渦輪出口處的壓力比)小于約12。然后，所述流體流可被進(jìn)一步處理，以分離該流體流中的組分，這可包括使該流體流通過熱交換器。具體而言，可使循環(huán)流體(其至少一部分可自該流體流被再循環(huán))通過同一熱交換器以便在引入燃燒室之前加熱該循環(huán)流體。在這些實(shí)施方式中，操作熱交換器可以是有幫助的(例如，通過選擇低位熱源)，以使熱交換器在該熱交換器熱端處的渦輪排氣與再循環(huán)流體之間僅具有小的溫差。在某些方面，本發(fā)明提供發(fā)電系統(tǒng)，其能夠以低資本成本高效發(fā)電，還能夠在管道壓力下產(chǎn)生基本純的CO2以便隔離。該CO2還可被再循環(huán)到所述發(fā)電系統(tǒng)中。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的特征在于能夠利用很多種燃料源。例如，根據(jù)本發(fā)明使用的高效燃燒室可利用氣態(tài)燃料(例如，天然氣或煤成氣)、液態(tài)燃料(例如，烴、浙青)和固態(tài)燃料(例如，煤、褐煤、焦炭)。甚至還能使用如本文另外描述的其他燃料。在其他方面，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)特別有用，因?yàn)槠淠艹侥壳安惶峁〤O2捕獲的燃煤發(fā)電廠的最佳效率。此類發(fā)電廠利用煙煤最多能提供約45%效率(低熱值或“LHV”)，其中萊冷凝器壓力(mercury condenser pressure)為I. 7英寸。本系統(tǒng)能夠超越該效率，同時(shí)還在所需壓力下輸送CO2進(jìn)行隔離或者其他處理。在仍另一方面，本發(fā)明提供了與目前采用類似燃料相比可降低發(fā)電系統(tǒng)的物理尺寸和資本成本的能力。因此，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)能夠顯著降低與發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)的構(gòu)造成本。仍進(jìn)一步，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)能提供事實(shí)上100%的所用和/或所產(chǎn)生的CO2的回收，特別是源自燃料中存在的碳的co2。特別地，所述CO2可在管道壓力下作為干燥、凈化的氣體提供。此外，本發(fā)明提供單獨(dú)回收其他燃料和燃燒產(chǎn)生的雜質(zhì)用于其他應(yīng)用和/或處理的能力。在一個(gè)具體方面，本發(fā)明涉及結(jié)合使用循環(huán)流體而發(fā)電的方法。在具體實(shí)施方式
中，按照本發(fā)明的發(fā)電方法可包括將含碳燃料、O2和CO2循環(huán)流體引入蒸發(fā)冷卻燃燒室中。具體而言，所述CO2可在至少約8MPa (優(yōu)選至少約12MPa)的壓力和至少約200°C (優(yōu)選至 少約400°C )的溫度引入。所述方法還可包括燃燒燃料以提供包含CO2的燃燒產(chǎn)物流。具體而言，所述燃燒產(chǎn)物流可具有至少約80(TC的溫度。此外，所述方法可包括使所述燃燒產(chǎn)物流經(jīng)渦輪膨脹以發(fā)電，所述渦輪具有用于接收燃燒產(chǎn)物流的入口和用于釋放含CO2的渦輪排出流的出口。優(yōu)選地，入口處的燃燒產(chǎn)物流與出口處的渦輪排出流的壓力比可以是小于約12。在具體實(shí)施方式
中，可能期望將CO2在至少約IOMPa的壓力、至少約20MPa的壓力、至少約400°C的溫度或至少約700°C的溫度引入燃燒室中。更進(jìn)一步的可能的處理參數(shù)在本文描述。在一些實(shí)施方式中，所述CO2循環(huán)流體可作為與O2和含碳燃料之一或兩者的混合物引入蒸發(fā)冷卻燃燒室。在其他實(shí)施方式中，CO2循環(huán)流體可作為被弓I導(dǎo)經(jīng)過在蒸發(fā)冷卻燃燒室中形成的一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)流體供給通道的蒸發(fā)冷卻流體的全部或一部分而被引入蒸發(fā)冷卻燃燒室。在具體實(shí)施方式
中，CO2循環(huán)流體可僅作為蒸發(fā)流體被引入燃燒室中。燃燒可通過實(shí)際的燃燒溫度來具體描述。例如，燃燒可在至少約1，500°C的溫度進(jìn)行。在其他實(shí)施方式中，燃燒可在約1，600°C至約3，300°C的溫度進(jìn)行。本發(fā)明的特征還可在于O2流中O2的純度。例如，在一些實(shí)施方式中，環(huán)境空氣可能是有用的。然而，在具體實(shí)施方式
中，凈化氧的含量可能是有益的。例如，O2可作為其中O2的摩爾濃度為至少85%的流提供。更進(jìn)一步特定濃度在本文描述。在具體實(shí)施方式
中，燃燒產(chǎn)物流可具有至少約1，000°C的溫度。而且，燃燒產(chǎn)物流可具有為弓I入燃燒室中的CO2壓力的至少約90%或?yàn)楣璉入燃燒室中的CO2壓力的至少約95%的壓力。在一些實(shí)施方式中，渦輪入口處的燃燒產(chǎn)物流相比渦輪出口處的渦輪排出流壓力比可以是約I. 5至約10或可以是約2至約8。更進(jìn)一步的可能比例在本文提供。本發(fā)明的特征可在于引入燃燒室中的特定材料的比例。例如，引入燃燒室中的CO2循環(huán)流體中的CO2與燃料中的碳之比基于摩爾可以是約10至約50或可以是約10至約30。更進(jìn)一步可能的比例在本文提供。本發(fā)明的特征還可在于渦輪排出流中的至少一部分CO2能被再循環(huán)且再引入燃燒室中。至少一部分CO2可從系統(tǒng)中經(jīng)過例如管道被排出(諸如，用于隔離或其他處理)。在具體實(shí)施方式
中，渦輪排出流中的CO2可處于氣態(tài)。具體而言，渦輪排出流可具有小于或等于7MPa的壓力。
在其他實(shí)施方式中，本發(fā)明方法還可包括使渦輪排出流經(jīng)過至少一個(gè)熱交換器，其冷卻渦輪排出流并提供溫度小于約200°C的CO2循環(huán)流體流。這可有助于在能夠促進(jìn)一種或多種次要組分(即，除CO2之外的組分)去除的條件下提供CO2循環(huán)流體流。在具體實(shí)施方式
中，這可包括使渦輪排出流經(jīng)過一系列的至少兩個(gè)熱交換器。更具體而言，該系列中的第一熱交換器能接收渦輪排出流并降低其溫度，該第一熱交換器由耐受至少約900°C溫度的高溫合金形成。本發(fā)明方法還可包括在CO2循環(huán)流體流上進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)分離步驟以去除如上所述除CO2之外存在于循環(huán)流體流中的一種或多種次要組分。具體地，所述一種或多種次要組分可包括水。本發(fā)明方法還可包括增壓CO2流。例如，在燃燒產(chǎn)物流膨脹和渦輪排出流冷卻之后，增壓該流以便再循環(huán)返回到燃燒室能夠是有益的。具體地，所述方法可包括使CO2循環(huán)流體流經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)(例如，泵)以使CO2循環(huán)流體流增壓至至少約SMPa的壓力。這還可包括使CO2循環(huán)流體流經(jīng)過一系列的至少兩個(gè)壓縮機(jī)以增壓CO2循環(huán)流體流。在某些實(shí)施方式中，CO2循環(huán)流體流可被增壓至至少約15MPa的壓力。更進(jìn)一步的壓力范圍可能 是期望的，如本文另外所述。在其他實(shí)施方式中，增壓CO2循環(huán)流體流特定地可以超臨界流體狀態(tài)提供。在一些實(shí)施方式中，增壓CO2循環(huán)流體流中的至少一部分CO2可被引入已增壓管道中進(jìn)行隔離(或其他處理，如上已經(jīng)提到的)。除增壓之外，本發(fā)明方法還可包括加熱先前已冷卻的CO2循環(huán)流體流以便使其返回燃燒室(即，再循環(huán)CO2循環(huán)流體流)。在一些實(shí)施方式中，這可包括加熱已增壓CO2循環(huán)流體流至至少約200°C、至少約400°C或至少約700°C的溫度。在某些實(shí)施方式中，已增壓CO2循環(huán)流體流可被加熱至小于渦輪排出流溫度不超過約50°C的溫度。更進(jìn)一步可能的溫度范圍在本文提供。具體地，此類加熱可包括使已增壓CO2循環(huán)流體流經(jīng)過用于冷卻渦輪排出流的同一熱交換器。此類加熱還可包括來自外部來源(即，不同于從熱交換器再捕獲的熱)的熱輸入。此類加熱還可包括來自外部來源的熱輸入。在具體實(shí)施方式
中，加熱可包括利用自O(shè)2分離單元收回的熱。優(yōu)選地，在熱交換器單元的冷卻端引入這種額外的熱(或者，當(dāng)使用系列熱交換器時(shí)，于在最高溫度范圍內(nèi)工作的系列中的熱交換器之前引入這種額外的熱)。在某些實(shí)施方式中，本發(fā)明的特征可在于燃燒產(chǎn)物流的性質(zhì)，其能夠允許任選執(zhí)行多個(gè)渦輪。例如，在一些實(shí)施方式中，燃燒產(chǎn)物流可以是包含一種或多種可燃組分(例如，選自H2、CO、CH4, H2S, NH3及其組合的組分)的還原流體。這可通過O2與所使用的燃料的比例來控制。在一些實(shí)施方式中，燃燒產(chǎn)物流蒸汽可含完全氧化的組分，諸如C02、H2O和SO2以及上面所列的還原組分。所達(dá)到的實(shí)際組成可取決于蒸發(fā)燃燒室的進(jìn)料中的O2與所使用的燃料的比例。更具體而言，在此類實(shí)施方式中所用的渦輪可包括具有入口和出口的兩個(gè)或更多個(gè)單元。在具體實(shí)施方式
中，可以操作渦輪單元，使得每個(gè)單元入口處的操作溫度基本相同。這可包括在第一渦輪單元(或者，在使用三個(gè)或多個(gè)單元的情況中，在前的渦輪單元)的出口處向流體流添加一定量的02。提供O2能夠使得上述一個(gè)或多個(gè)可燃組分燃燒，這在進(jìn)入系列中的下一個(gè)渦輪之前升高了所述流的溫度。這導(dǎo)致能夠在循環(huán)流體存在下最大化從燃燒氣體產(chǎn)生的動(dòng)力。在其他實(shí)施方式中，渦輪排出流可以是氧化流體。例如，渦輪排出流可包含過量的O2。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的特征可在于各種流的狀態(tài)。例如，在經(jīng)渦輪膨脹燃燒產(chǎn)物流的步驟之后，渦輪排出流可處于氣態(tài)?？墒乖摎怏w經(jīng)過至少一個(gè)熱交換器以冷卻氣態(tài)的渦輪排出流，以使CO2與任意次要組分分離。之后，至少一部分已分離CO2可被增壓并轉(zhuǎn)化成超臨界流體態(tài)，并再次使其經(jīng)過同一熱交換器(或多個(gè))以便加熱CO2用于再循環(huán)到燃燒室中。在具體實(shí)施方式
中，從膨脹步驟進(jìn)入熱交換器(或者，使用系列時(shí)的第一熱交換器)的渦輪排出流的溫度與從同一熱交換器離開用于再循環(huán)到燃燒室中的已加熱、已增壓、超臨界流體CO2之間的溫差可以小于約50°C。如上所述，從燃料燃燒室離開的流體流可包括CO2循環(huán)流體以及一種或多種其他組分，諸如燃燒產(chǎn)物。在一些實(shí)施方式中，將至少一部分CO2再循環(huán)并將其再引入到燃料燃燒室可以是有用的。因此，循環(huán)流體可以是再循環(huán)流體。當(dāng)然，來自外部來源的CO2可被用作循環(huán)流體。渦輪排氣可以在節(jié)約型熱交換器中冷卻，并且收回的熱可被用于加熱高壓再循環(huán)C02。離開熱交換器的低溫端的已冷卻渦輪排氣可含有來源于燃料或燃燒過程的組分，諸如!120、502、503、勵(lì)、勵(lì)2、取和!1(1。在另外的實(shí)施方式中，可利用合適的方法將這些組分 從流中去除。該流中的其他組分可包括來源于燃料或氧化物的惰性氣體雜質(zhì)，諸如，N2、氬(Ar)和過量的02。這些可以通過單獨(dú)的合適的方法被去除。在另外的實(shí)施方式中，渦輪排氣可以處于小于在可用的冷卻設(shè)備溫度渦輪排氣中的CO2冷凝壓力的壓力，以便當(dāng)渦輪排氣冷卻時(shí)，無CO2液相能夠形成，因?yàn)檫@將使水作為液體從氣態(tài)CO2中有效分離，氣態(tài)CO2含有最小量的水蒸氣以使水冷凝。在另外的實(shí)施方式中，凈化的CO2現(xiàn)在連同該流體中的至少一部分CO2能被壓縮以產(chǎn)生高壓再循環(huán)CO2循環(huán)流體流，所述至少一部分CO2代表氧化的碳，源自進(jìn)料到燃燒室的燃料中的碳，其可被引入增壓管道中進(jìn)行隔離。由于渦輪排氣流的高壓，利用最低限度的進(jìn)一步處理或壓縮就能夠?qū)O2直接從燃燒過程轉(zhuǎn)移到增壓管道中，這是一種與常規(guī)方法不同的優(yōu)勢(shì)，在常規(guī)方法中，CO2在接近大氣壓下被回收(即，約O. IMPa的壓力)或被排放到大氣中。此外，按照本發(fā)明進(jìn)行隔離的CO2可以以相比迄今為止已知的更有效且更經(jīng)濟(jì)的方式被轉(zhuǎn)移。進(jìn)入熱交換器的再循環(huán)CO2流體(理想地高于臨界壓力)的比熱是高的，而且隨著溫度升高會(huì)降低。這對(duì)于在最低溫度水平的至少一部分熱來源于外部來源特別有利。這例如可以是低壓蒸汽供應(yīng)，其在冷凝時(shí)會(huì)提供熱。在其他實(shí)施方式中，這種熱源可以來源于低溫空氣分離廠中所用的空氣壓縮機(jī)的操作，其以絕熱方式將氧化劑供應(yīng)燃燒室，無需中間冷卻，并利用用于向再循環(huán)CO2流提供熱的傳熱流體流的閉合循環(huán)流提取壓縮熱。在一個(gè)實(shí)施方式中，按照本發(fā)明的發(fā)電方法可包括下述步驟將燃料、O2和CO2循環(huán)流體引入燃燒室中，CO2在至少約8MPa的壓力和至少約200°C的溫度引入；使燃料燃燒，以提供包含CO2的燃燒產(chǎn)物流，燃燒產(chǎn)物流具有至少約800°C的溫度；經(jīng)渦輪膨脹燃燒產(chǎn)物流，渦輪具有用于接收燃燒產(chǎn)物流的入口和用于釋放包含CO2的渦輪排出流的出口，其中入口處的燃燒產(chǎn)物流相比出口處的渦輪排出流的壓力比小于約12 ；通過使渦輪排出流經(jīng)過熱交換單元從渦輪排出流收回?zé)幔蕴峁├鋮s的渦輪排出流；從冷卻的渦輪排出流去除除CO2之外存在于該渦輪排出流中的一種或多種次要組分，以提供凈化的、冷卻的渦輪排出流；利用第一壓縮機(jī)將該凈化的、冷卻的渦輪排出流壓縮至高于CO2臨界壓力的壓力，以提供超臨界CO2循環(huán)流體流；冷卻該超臨界CO2循環(huán)流體流至使其密度為至少約200 kg/m3的溫度；使超臨界、高密度CO2循環(huán)流體經(jīng)過第二壓縮機(jī)以使CO2循環(huán)流體增壓至輸入燃燒室所需的壓力；使該超臨界、高密度、高壓CO2循環(huán)流體經(jīng)過同一熱交換單元，以使所收回的熱用于增加CO2循環(huán)流體的溫度；
將額外量的熱供應(yīng)至超臨界、高密度、高壓CO2循環(huán)流體，以使離開熱交換單元用于再循環(huán)回燃燒室的CO2循環(huán)流體的溫度與渦輪排出流的溫度之間的差異小于約50°C ;和將已加熱的超臨界、高密度CO2循環(huán)流體再循環(huán)到燃燒室中。在特定實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)和方法與現(xiàn)有電力系統(tǒng)和方法(例如，常規(guī)燃煤型發(fā)電設(shè)備、核反應(yīng)堆以及利用傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)的其他系統(tǒng)和方法)相結(jié)合可以是特別有用的。因此，在一些實(shí)施方式中，在上述膨脹步驟與收回步驟之間，本發(fā)明方法可包括使渦輪排出流經(jīng)過第二熱交換單元。該第二熱交換單元能利用來自渦輪排出流的熱，以加熱一個(gè)或多個(gè)來自蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的流(例如，傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)，包括燃煤型發(fā)電設(shè)備和核反應(yīng)堆)。然后可使如此加熱的蒸汽流經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)渦輪來發(fā)電。離開渦輪的流可通過返回循環(huán)經(jīng)過傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)(例如，鍋爐)的部件而進(jìn)行處理。在另外的實(shí)施方式中，本發(fā)明方法的特征可在于一個(gè)或多個(gè)下述步驟使渦輪排出流冷卻至低于其水露點(diǎn)的溫度；靠環(huán)境溫度冷卻介質(zhì)進(jìn)一步冷卻渦輪排出流；使水連同所述一種或多種次要組分冷凝，形成包含H2S04、HNO3> HCl和萊中一種或多種的溶液；使冷卻的渦輪排出流增壓至小于約15MPa的壓力；在經(jīng)過熱交換單元之前，從超臨界、高密度、高壓CO2循環(huán)流體流收回產(chǎn)物CO2流；利用部分燃燒產(chǎn)物的流作為燃料；在CO2循環(huán)流體存在下用O2燃燒含碳燃料，所提供的含碳燃料、O2和CO2循環(huán)流體的比例使得含碳燃料僅部分氧化，而產(chǎn)生部分氧化的燃燒產(chǎn)物流，其包含不燃性組分、CO2以及H2、CO、CH4, H2S和NH3中的一種或多種；以下述比例提供含碳燃料、O2和CO2循環(huán)流體，該比例使得部分氧化的燃燒產(chǎn)物流的溫度足夠低，以致該流中的全部不燃性組分是固體顆粒的形式；使該部分氧化的燃燒產(chǎn)物流經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)過濾器；利用該過濾器，以將殘留量的不燃性組分減少至小于約2mg/m3部分氧化的燃燒產(chǎn)物；利用煤、褐煤或石油焦炭作為燃料；提供為含CO2的漿液的顆粒燃料；在另外的實(shí)施方式中，關(guān)于發(fā)電方法，本發(fā)明可被描述為包括下述步驟
將含碳燃料、O2和CO2循環(huán)流體引入蒸發(fā)冷卻燃燒室中，CO2在至少約8MPa的壓力和至少約200°C的溫度的下被引入；使燃料燃燒，以提供包含CO2的燃燒產(chǎn)物流，燃燒產(chǎn)物流具有至少約800°C的溫度；經(jīng)渦輪膨脹燃燒產(chǎn)物流以發(fā)電，渦輪具有用于接收燃燒產(chǎn)物流的入口和用于釋放包含CO2的渦輪排出流的出口，其中入口處的燃燒產(chǎn)物流相比出口處的渦輪排出流的壓力比小于約12 ；使渦輪排出流經(jīng)過一系列的至少兩個(gè)熱交換器，該系列從渦輪排出流收回?zé)岵⑻峁〤O2循環(huán)流體流；從CO2循環(huán)流體流去除除CO2之外存在于該循環(huán)流體流中的一種或多種次要組 分；使CO2循環(huán)流體流經(jīng)過一系列的至少兩個(gè)壓縮機(jī)，這將CO2循環(huán)流體的壓力增加至至少約8MPa并將循環(huán)流體中的CO2從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為超臨界流體態(tài)；和使該超臨界CO2循環(huán)流體經(jīng)過相同的一系列的至少兩個(gè)熱交換器，這利用收回的熱將CO2循環(huán)流體的溫度增加至至少約200°C (或者，任選地，增加至小于渦輪排出流溫度不超過約50°C的溫度)。這具體可包括引入來自外部熱源(即，并非直接來源于使渦輪排出流經(jīng)過熱交換器的熱源)的額外的熱。在另外的實(shí)施方式中，本發(fā)明特征可在于提供一種從含碳燃料的燃燒發(fā)電而沒有CO2的大氣釋放的高效方法。具體地，該方法包括下述步驟將含碳燃料、O2和再循環(huán)CO2循環(huán)流體以限定的化學(xué)計(jì)量比引入蒸發(fā)冷卻燃燒室，CO2在至少約8MPa的壓力和至少約200°C的溫度被引入；使燃料燃燒，以提供包含CO2的燃燒產(chǎn)物流，燃燒產(chǎn)物流具有至少約800°C的溫度；經(jīng)渦輪膨脹燃燒產(chǎn)物流以發(fā)電，渦輪具有用于接收燃燒產(chǎn)物流的入口和用于釋放包含CO2的渦輪排出流的出口，其中入口處的燃燒產(chǎn)物流相比出口處的渦輪排出流的壓力比小于約12 ；使渦輪排出流經(jīng)過一系列的至少兩個(gè)熱交換器，該系列從渦輪排出流收回?zé)岵⑻峁〤O2循環(huán)流體流；使CO2循環(huán)流體流經(jīng)過一系列的至少兩個(gè)壓縮機(jī)，這將CO2循環(huán)流體的壓力增加至至少約8MPa并將循環(huán)流體中的CO2從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為超臨界流體態(tài)；使該CO2循環(huán)流體流經(jīng)過分離單元，其中將化學(xué)計(jì)量所需量的CO2再循環(huán)和引導(dǎo)至燃燒室，并回收任何過量的CO2,而沒有大氣釋放；和使再循環(huán)的CO2循環(huán)流體經(jīng)過相同的一系列的至少兩個(gè)熱交換器，這利用所收回的熱以將CO2循環(huán)流體的溫度增加至至少約200°C，然后引入燃燒室(或者，任選地，增加至小于渦輪排出流的溫度不超過約50°C的溫度)；其中，燃燒的效率大于50%，所述效率計(jì)算為所產(chǎn)生的凈電力與燃燒發(fā)電的含碳燃料的總低熱值熱能之比。在另一方面，本發(fā)明可被描述為提供發(fā)電系統(tǒng)。具體地，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)可包括蒸發(fā)冷卻燃燒室、發(fā)電渦輪、至少一個(gè)熱交換器和至少一個(gè)壓縮機(jī)。
在具體實(shí)施方式
中，蒸發(fā)冷卻燃燒室可具有至少一個(gè)用于接收含碳燃料、O2和CO2循環(huán)流體流的入口。燃燒室可具有至少一個(gè)燃燒階段，其在CO2循環(huán)流體存在下燃燒燃料并在限定的壓力(例如，至少約8MPa)和溫度(例如，至少約800°C )下提供含CO2的燃燒產(chǎn)物流。發(fā)電渦輪可以與燃燒室流體連通，并且可具有用于接收燃燒產(chǎn)物流的入口和用于釋放含CO2的渦輪排出流的出口。渦輪可適于控制壓降，使得入口處的燃燒產(chǎn)物流相比出口處的渦輪排出流的壓力比小于約12。所述至少一個(gè)熱交換器可與渦輪流體連通用于接收渦輪排出流。熱交換器(或多個(gè))可將來自渦輪排出流的熱轉(zhuǎn)移至CO2循環(huán)流體流。所述至少一個(gè)壓縮機(jī)可與至少一個(gè)熱交換器流通連通。所述壓縮機(jī)(或多個(gè))可適于使CO2循環(huán)流體流增壓至期望的壓力。除上述外，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)還可包括一個(gè)或多個(gè)置于至少一個(gè)熱交換器與 至少一個(gè)壓縮機(jī)之間的分離設(shè)備。此類分離設(shè)備(或多個(gè))可用于去除除CO2之外存在于CO2循環(huán)流體中的一種或多種次要組分。仍進(jìn)一步，發(fā)電系統(tǒng)可包括02分離單元，其包括一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)生熱的部件。因此，發(fā)電系統(tǒng)還可包括一個(gè)或多個(gè)傳熱部件，其將來自O(shè)2分離單元的熱傳遞至燃燒室上游的CO2循環(huán)流體。任選地，發(fā)電系統(tǒng)可包括外部熱源。這例如可以是低壓蒸汽供應(yīng)，其在冷凝時(shí)將提供熱。發(fā)電系統(tǒng)因此可包括一個(gè)或多個(gè)傳熱部件，其將來自蒸汽的熱傳遞至燃燒室上游的CO2循環(huán)流體。在另外的實(shí)施方式中，本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)可包括下述中的一種或多種第一壓縮機(jī)，其適于將CO2循環(huán)流體流壓縮至高于CO2臨界壓力的壓力；第二壓縮機(jī)，其適于將CO2循環(huán)流體流壓縮至輸入燃燒室所需的壓力；冷卻設(shè)備，其適于將CO2循環(huán)流體流冷卻至其密度大于約200kg/m3的溫度；一個(gè)或多個(gè)傳熱部件，其將來自外部來源的熱傳遞至燃燒室上游以及第二壓縮機(jī)下游的CO2循環(huán)流體；第二壓縮機(jī)，其位于蒸發(fā)冷卻燃燒室上游并與其流體連通；一個(gè)或多個(gè)位于第二壓縮機(jī)與蒸發(fā)冷卻燃燒室之間的過濾器或分離設(shè)備；混合設(shè)備,用于形成顆粒燃料材料與流化介質(zhì)的衆(zhòng)液；研磨設(shè)備，用于使固體燃料顆?；?。在其他實(shí)施方式中，本發(fā)明可提供可包括下述的發(fā)電系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)注射器，用于提供燃料、CO2循環(huán)流體和氧化劑；蒸發(fā)冷卻燃燒室，其具有至少一個(gè)燃燒階段，該燃燒階段使燃料燃燒并在至少約800°c的溫度和至少約4MPa的壓力(優(yōu)選至少約8MPa)提供排出流體流；發(fā)電渦輪，其具有入口和出口，且其中當(dāng)流體流膨脹時(shí)產(chǎn)生電力，渦輪被設(shè)計(jì)成使流體流保持在期望的壓力下，使得入口處比出口處的流體流的壓力比小于約12 ;熱交換器，用于冷卻離開渦輪出口的流體流并用于加熱CO2循環(huán)流體；和一個(gè)或多個(gè)設(shè)備，用于將離開熱交換器的流體流分離成CO2和一個(gè)或多個(gè)其他用于回收或處理的組分。在另外的實(shí)施方式中，發(fā)電系統(tǒng)還可包括一個(gè)或多個(gè)用于將分離自流體流的至少一部分CO2遞送到增壓管道中的設(shè)備。在具體實(shí)施方式
中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)如上所述利用傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)(諸如燃煤型發(fā)電設(shè)備、核反應(yīng)堆等)改進(jìn)的部件。例如，電力系統(tǒng)可包括兩個(gè)熱交換單元(例如，主熱交換單元和次熱交換單元)。主熱交換單元可以基本是如本文另外所述的單元，而次熱交換單元可以是用于將熱從渦輪排出流傳遞至一個(gè)或多個(gè)蒸汽流(例如，來自與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)的鍋爐)以使該蒸汽流過熱的單元。因此，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)可包括位于渦輪與主熱交換單元之間并與它們流體連通的次熱交換單元。發(fā)電系統(tǒng)同樣包括經(jīng)由至少一個(gè)蒸汽流與次熱交換單元流體連通的鍋爐。仍進(jìn)一步，發(fā)電系統(tǒng)可包括至少一個(gè)其他發(fā)電渦輪，其具有用于接收來自次熱交換單元的至少一個(gè)蒸汽流的入口。因此，所述系統(tǒng)還可被描述為包括主發(fā)電渦輪和次發(fā)電渦輪。主發(fā)電渦輪可以是與本發(fā)明燃燒室流體連通的渦輪。次發(fā)電渦輪可以是與蒸汽流、特別是過熱蒸汽流流體連通的渦輪，該過熱蒸汽流利用來自主發(fā)電渦輪排出流的熱被過熱。此種用來自傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)組件改進(jìn)的系統(tǒng)在本文中進(jìn)行了描述，具體與

圖12和實(shí)施例2相關(guān)。使用術(shù)語主發(fā)電渦輪和次發(fā)電渦輪不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍，而且僅用于使描述清晰。在本發(fā)明的另一發(fā)明，通過來自冷卻渦輪排出流的傳熱，外部流可在熱交換器的高溫端被加熱，因此，高壓再循環(huán)流將在較低溫度離開熱交換器并進(jìn)入燃燒室。在這種情況，在燃燒室中燃燒的燃料的量可增加，使得渦輪入口溫度被保持。所燃燒的額外燃料的熱 值等于施加于熱交換器上的額外熱負(fù)荷。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的特征可在于提供主要從CO2循環(huán)流體的循環(huán)而產(chǎn)生軸功率的加工廠。在另外的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供可滿足某些條件的方法。在具體實(shí)施方式
中，本發(fā)明的特征還在于一個(gè)或多個(gè)活動(dòng)或用于實(shí)施這些活動(dòng)的設(shè)備將CO2循環(huán)流體壓縮至超過CO2臨界壓力的壓力；考慮到混合CO2富集的超臨界流體，直接在基本純的O2中燃燒固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)氫-碳燃料，以達(dá)到所需的動(dòng)力渦輪入口溫度-例如，大于約500°C (或如本文所述的其他溫度);在渦輪中使由燃燒產(chǎn)物和再循環(huán)CO2富集流體形成的超臨界流膨脹，產(chǎn)生軸功率，具體地，當(dāng)流體被冷卻至與利用環(huán)境壓力冷卻介質(zhì)一致的溫度時(shí)，膨脹至超過約2MPa且低于CO2液相出現(xiàn)時(shí)的壓力(例如，約7. 3-7. 4MPa)；將渦輪排氣引入熱交換器中，其中渦輪排氣被冷卻，熱被轉(zhuǎn)移至再循環(huán)CO2富集超臨界流體；靠環(huán)境溫度冷卻介質(zhì)冷卻離開熱交換器的含CO2流，并使至少含較小濃度CO2的水液相與至少含較小濃度的水蒸氣的氣態(tài)CO2相分離；以允許期望的保留時(shí)間(例如，多達(dá)10秒)的方式進(jìn)行水分離，其中氣態(tài)CO2與液態(tài)水或弱酸相之間密切接觸，使得涉及so2、so3、h2o、no、no2、o2和/或Hg的反應(yīng)可發(fā)生，導(dǎo)致存在于流中的大于98%的硫轉(zhuǎn)化為H2SO4,以及流中大于90%的氮氧化物轉(zhuǎn)化為HNO3,且用于將流中大于80%的汞轉(zhuǎn)化為可溶性汞化合物；通過冷卻至接近CO2冰點(diǎn)的溫度，分離不冷凝組分(諸如N2、Ar和O2)與氣態(tài)CO2相，其中氣體/液體相分離，在氣相中主要留下N2、Ar和O2 ；在空氣壓縮機(jī)中將已凈化的氣態(tài)CO2流壓縮至某一壓力，在該壓力下通過環(huán)境溫度冷卻介質(zhì)進(jìn)行的冷卻將產(chǎn)生高密度CO2流體(例如，密度至少約200kg/m3，優(yōu)選至少約300kg/m3,或更優(yōu)選至少約400kg/m3)；
用環(huán)境冷卻介質(zhì)冷卻壓縮的CO2,以形成高密度CO2超臨界流體(例如，密度至少約200kg/m3,優(yōu)選至少約300kg/m3,或更優(yōu)選至少約400kg/m3)；在壓縮機(jī)中壓縮高密度CO2流體至高于CO2臨界壓力的壓力；將高壓CO2流分離成兩個(gè)分離的流一一個(gè)進(jìn)入熱交換器的冷端，而第二個(gè)流利用可用的外部加熱源在低于約250°c的溫度被加熱；促進(jìn)有效的傳熱(包括利用任選的外部熱源)，使得進(jìn)入熱交換器熱端的渦輪排出流的溫度與離開同一熱交換器的熱端的再循環(huán)CO2循環(huán)流體的溫度之間的差異小于約500C (或者如本文所述的其他溫度閾值)；將CO2循環(huán)流體壓縮至約8MPa至約50MPa的壓力(或如本文所述的其他壓力范圍)；
使O2流與再循環(huán)CO2循環(huán)流體流的一部分和含碳燃料流混合，形成單流體流(或如果使用粉末化的固體燃料，則形成漿液)，其低于燃料的自燃溫度，并且對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生約1，200°C至3，500°C的絕熱火焰溫度(或如本文所述的其他溫度范圍)；混合至少部分再循環(huán)CO2循環(huán)流體與燃燒產(chǎn)物，形成在約500°C至1，600°C溫度范圍內(nèi)的混合流體流(或如本文所述的其他溫度范圍)；產(chǎn)生渦流排出流，其具有約2MPa至約7. 3MPa的壓力(或如本文所述的其他壓力范圍)；外部加熱部分高壓CO2循環(huán)流體流，利用來自低溫O2廠的一個(gè)或多個(gè)空氣壓縮機(jī)(特別是在絕熱模式)和/或CO2壓縮機(jī)(特別是在絕熱模式)操作的壓縮熱，熱通過合適的傳熱流體(包括CO2流體本身)的循環(huán)而被傳遞；利用在燃燒室中燃燒的等價(jià)的額外燃料，在熱交換器中加熱一個(gè)或多個(gè)外部流體流，其中一個(gè)或多個(gè)外部流體流可包括蒸汽，其可以再熱交換器中被過熱；利用從外部來源提供的冷凝蒸汽供應(yīng)的熱，外部加熱一部分再循環(huán)CO2循環(huán)流體流；在熱交換器中冷卻含CO2流(其離開該熱交換器的冷端)，以提供用于加熱外部提供的流體流的熱；提供O2進(jìn)料流，其中O2的摩爾濃度是至少約85%(或如本文所述的其他濃度范圍)；操作燃燒室，使得O2在離開燃燒室(即，燃燒產(chǎn)物流)和進(jìn)入渦輪的總氣流中的濃度大于約O. l%mol ；實(shí)施發(fā)電過程，使得僅使用一個(gè)發(fā)電渦輪；實(shí)施發(fā)電過程，使得僅使用一個(gè)燃燒室將輸入到該燃燒室中的含碳燃料基本完全燃燒；操作燃燒室，使得O2在進(jìn)入燃燒室中的O2流中的量低于進(jìn)入該燃燒室的燃料流的化學(xué)計(jì)量燃燒所述的量，因此使得在燃燒產(chǎn)物流產(chǎn)生H2和一氧化碳(CO)中的一種或兩種；和利用兩個(gè)或多個(gè)渦輪實(shí)施方法，每個(gè)渦輪具有限定的出口壓力，其中H2和CO之一或二者存在于離開第一渦輪(以及隨后的渦輪，如果適用，除了渦輪系列中最后一個(gè)渦輪)的排出流中，而且部分或全部的H2和CO通過在第二和隨后的渦輪入口之前添加O2流來燃燒，以將第二或更多的渦輪中每一個(gè)的操作溫度提高至較高值，使得在來自最后一個(gè)渦輪的出口流中存在過量的O2，這種過量大于約O. l%moL·在另外的實(shí)施方式中，本發(fā)明還提供下述步驟中的一個(gè)或多個(gè)；在熱交換系統(tǒng)中靠冷卻渦流排氣流加熱CO2循環(huán)流體，以使渦流排氣流被冷卻至其水露點(diǎn)之下；靠環(huán)境溫度冷卻介質(zhì)冷卻渦輪排氣流，并冷凝水以及燃料和燃燒產(chǎn)生的雜質(zhì)，所述雜質(zhì)包括H2S04、HN03、HC1和其他雜質(zhì)，諸如Hg以及形成為溶液中的離子化合物的其他金屬；
在第一壓縮機(jī)中，將凈化的CO2循環(huán)流體壓縮至高于其臨界壓力但低于IOMPa ；將循環(huán)流體冷卻至使其密度大于600kg/m3的點(diǎn)；在壓縮機(jī)中將高密度CO2循環(huán)流體壓縮至克服系統(tǒng)中的壓降并將循環(huán)CO2流體進(jìn)料到燃燒室中所需的壓力；除去產(chǎn)物CO2產(chǎn)物流，其基本包含燃料流中的碳燃燒所形成的所有CO2,該CO2流來自第一壓縮機(jī)或第二壓縮機(jī)的排放流；在高于冷卻渦輪排氣流的水露點(diǎn)的溫度水平，將額外量的熱供應(yīng)至CO2循環(huán)流體，或直接到熱交換器或者通過加熱包含部分CO2循環(huán)流體的旁流，以使熱交換器熱端處的循環(huán)CO2流體與渦輪排氣之間的溫差小于50°C ；利用包含含碳燃料的燃料(其具有在蒸發(fā)冷卻燃燒室用O2部分氧化的不燃性殘留物)，產(chǎn)生包含H2、CO、CH4, H2S, NH3和不燃性殘留物的流，燃燒室被進(jìn)料部分循環(huán)CO2流體，以將部分氧化的燃燒產(chǎn)物冷卻至500°C至900°C的溫度，其中灰分作為固體顆粒存在，通過過濾系統(tǒng)其可從出口流體流中完全除去；提供冷卻渦輪排氣流與加熱循環(huán)CO2流體流之間的溫差，在該溫差下旁流流量與單獨(dú)加熱的循環(huán)CO2流體流量再混合，且其在10°C與50°C之間；提供離開熱交換器冷端的渦輪排氣流的壓力，使得當(dāng)該流在水和雜質(zhì)分離之前冷卻時(shí)，無液態(tài)CO2形成；利用至少部分渦輪排氣流來過熱源自與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)和核反應(yīng)堆相關(guān)的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的多個(gè)蒸汽流；在取自外部蒸汽源諸如發(fā)電設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)壓力水平下，向作為蒸汽的循環(huán)CO2流提供額外的低水平熱；利用離開熱交換器系統(tǒng)冷端的膨脹排氣流為離開蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的蒸汽冷凝器的至少部分冷凝物提供熱；為來自開路循環(huán)氣體渦輪的熱排氣的循環(huán)CO2流提供額外的低水平熱；將部分氧化的煤衍生的氣體加CO2作為燃料傳遞至第二燃燒室用于完全燃燒；操作單燃燒室，其中O2與燃料比使得部分燃料被氧化成包含C02、H2O和SO2的氧化產(chǎn)物，而剩余燃料被氧化成包含H2、CO和H2S的組分；操作兩個(gè)渦輪，其超越總的所需壓力比，其中O2被注入第一渦輪的排出流量中以燃燒還原組分，從而在中間壓力流經(jīng)第二渦輪膨脹之前將其再加熱至更高的溫度。更進(jìn)一步的實(shí)施方式被本發(fā)明包括，如關(guān)于各個(gè)附圖所述的和/或如在本文提供的本發(fā)明的進(jìn)一步描述中所公開的。
附圖簡(jiǎn)述 因此，已經(jīng)概括描述了本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖，其不必按比例繪制，且其中圖I是根據(jù)本公開的某些實(shí)施方式可以使用的蒸發(fā)冷卻燃燒裝置的示意圖；圖2可在本公開的某些實(shí)施方式中使用的燃燒室中的蒸發(fā)部件壁的示例性截面示意圖；圖3A和圖3B示意圖解了可在本公開的某些實(shí)施方式中使用的燃燒裝置的蒸發(fā)部件組件的熱配合過程；圖4示意圖解了可用于根據(jù)本公開的某些實(shí)施方式的燃燒產(chǎn)物污染物去除裝置；圖5是圖解根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式的動(dòng)力循環(huán)的流程圖；圖6是圖解按照本公開的一個(gè)實(shí)施方式CO2循環(huán)流體流動(dòng)經(jīng)過分離單元的流程圖；圖7是圖解按照本公開的一個(gè)實(shí)施方式利用增壓?jiǎn)卧械膬蓚€(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)或泵系列增壓的流程圖；圖8是圖解按照本公開的一個(gè)實(shí)施方式的熱交換單元的流程圖，其中串聯(lián)采用三個(gè)單獨(dú)的熱交換器；圖9是圖解按照本公開的一個(gè)實(shí)施方式在還原模式(reducing mode)中利用串聯(lián)操作的兩個(gè)渦輪的渦輪單元的流程圖；圖10是圖解按照本公開的一個(gè)實(shí)施方式利用兩個(gè)燃燒室來發(fā)電的系統(tǒng)和方法的流程圖；圖11是圖解按照本公開的一個(gè)實(shí)施方式來發(fā)電的系統(tǒng)和方法的具體實(shí)例的流程圖；和圖12是圖解按照本公開的一個(gè)實(shí)施方式并結(jié)合傳統(tǒng)燃煤型鍋爐來發(fā)電的系統(tǒng)和方法的另一實(shí)例的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在通過參考各個(gè)實(shí)施方式將在下文中更詳細(xì)地描述本發(fā)明。提供這些實(shí)施方式，使得本公開將是詳盡和完全的，而且向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全表達(dá)了本發(fā)明的范圍。的確，本發(fā)明可以很多不同的方式來實(shí)施，而且不應(yīng)被解釋為局限于本文所述的實(shí)施方式；相反，提供這些實(shí)施方式，以使本公開將滿足適用性法律要求。如在本說明書以及所附權(quán)利要求書中所用的，單數(shù)形式“一個(gè)(a、an、the)”包括復(fù)數(shù)指代，除非另外明確指示。本發(fā)明提供通過利用高效燃料燃燒室(諸如蒸發(fā)冷卻燃燒室)和相關(guān)的循環(huán)流體(諸如CO2循環(huán)流體)來發(fā)電的系統(tǒng)和方法。在燃燒室中提供循環(huán)流體以及合適的燃料、任何必要的氧化劑和任何可用于高效燃燒的相關(guān)物質(zhì)。在具體實(shí)施方式
中，該方法可利用在非常高溫度(例如，約1，600°C至約3，300°C的范圍內(nèi)，或者如本文公開的其他溫度范圍)下操作的燃燒室來實(shí)施，而且循環(huán)流體的存在可起著適度調(diào)整(moderate)離開燃燒室的流體流的溫度的作用，以使該流體流可在能量轉(zhuǎn)移中使用從而發(fā)電。具體地，燃燒產(chǎn)物流可經(jīng)過至少一個(gè)渦輪膨脹而發(fā)電。膨脹的氣流可被冷卻以從該流中除去各種組分，諸如水，而從該膨脹氣流收回的熱可用于加熱CO2循環(huán)流體。然后，凈化的循環(huán)流體流可被增壓并加熱用于經(jīng)燃燒室再循環(huán)。如果期望，來自燃燒產(chǎn)物流的部分CO2 (即，源自通過含碳燃料在氧存在下燃燒而形成的CO2)可被除去以隔離或其他處理，諸如轉(zhuǎn)移至CO2管道。該系統(tǒng)和方法可利用特定工藝參數(shù)和組分以最大化該系統(tǒng)和方法的效率，特別是同時(shí)避免向大氣中釋放co2。如本文具體描述的，循環(huán)流體通過使用CO2作為循環(huán)流體來示例。盡管利用CO2循環(huán)流體是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)實(shí)施方式，但是該公開不應(yīng)被解釋為必然限定可被用在本發(fā)明中的循環(huán)流體的范圍，除非另外說明。在某些實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)可利用主要為CO2的循環(huán)流體。在其他方面，即刻將輸入燃燒室中的循環(huán)流體的化學(xué)性質(zhì)使得該循環(huán)流體主要包括co2。在這種意義上，詞語“主要地”可指該流體包括至少約90%摩爾濃度、至少約91%摩爾濃度、至少約92%摩爾濃度、至少約93%摩爾濃度、至少約94%摩爾濃度、至少約95%摩爾濃度、至少約96%摩爾濃度、至少約97%摩爾濃度、至少約98%摩爾濃度或至少約99%摩爾濃度的C02。即刻將輸入燃燒室中的循環(huán)流體優(yōu)選基本僅包含C02。在這種意義上，詞組“基本僅”可指至少約99. 1%摩爾濃度、至少約99. 25%摩爾濃度、至少約99. 5%摩爾濃度、至少約99. 75%摩爾濃 度、至少約99. 8%摩爾濃度或至少約99. 9%摩爾濃度的CO2。在燃燒室中，CO2可與一種或多種其他組分混合，該組分可源自燃料、任何氧化劑和來自燃料燃燒的任何衍生物。因此，離開燃燒室的循環(huán)流體，其在本文中可被描述為燃燒產(chǎn)物，可含CO2連同較少量的其他物質(zhì)，諸如H2O' 02、N2、Ar、SO2, SO3> NO、N02、HCl.Hg,以及可源自燃燒過程(例如，顆粒，諸如灰分或液化灰分)的痕量的其他組分，包括其他可燃物。如在下面更詳細(xì)描述的，可控制燃燒過程，使得流體流的性質(zhì)可以是還原的或氧化的，其可提供具體所述的益處。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可引入一個(gè)或多個(gè)用于燃燒合適燃料的燃燒室，如本文所述。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明使用的至少一個(gè)燃燒室是能夠在相對(duì)高的溫度提供燃料的基本完全燃燒的高效燃燒室。高溫燃燒對(duì)提供燃料的基本完全燃燒并因此最大化效率特別有用。在各種實(shí)施方式中，高溫燃燒可指在至少約1，20(TC、至少約1，300°C、至少約1，40(TC、至少約1，500°C、至少約1，600°C、至少約1，750°C、至少約2，000°C、至少約2，500°C或至少約3，000°C的溫度的燃燒。在另外的實(shí)施方式中，高溫燃燒可指在約1，200°C至約5，000°C、約I, 500°C至約 4，000。。、約 I, 600°C至約 3，500。。、約 I, 700°C至約 3，200。。、約 I, 800°C至約3，100°C、約1，900°C至約3，000°C或約2，000°C至約3，000°C的溫度的燃燒。在某些實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的高溫燃燒可利用蒸發(fā)冷卻燃燒室進(jìn)行。可用于本發(fā)明的蒸發(fā)冷卻燃燒室的一個(gè)實(shí)例描述在2010年2月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2/714，074中，其公開內(nèi)容通過參考以其整體并入本文。在一些實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明有用的蒸發(fā)冷卻燃燒室可包括一個(gè)或多個(gè)熱交換區(qū)、一個(gè)或多個(gè)冷卻流體和一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)流體(transpiration fluids)。根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)用蒸發(fā)冷卻燃燒室相比關(guān)于燃燒燃料以發(fā)電的已知技術(shù)特別有優(yōu)勢(shì)。例如，利用蒸發(fā)冷卻可用于在燃燒室中防止腐蝕、積垢和侵蝕。這還使得燃燒室在足夠高的溫度范圍內(nèi)工作，以提供所用燃料的完全或至少基本完全的燃燒。這些和其他優(yōu)勢(shì)在本文進(jìn)一步描述。在一個(gè)具體方面，根據(jù)本發(fā)明有用的蒸發(fā)冷卻燃燒室可包括至少部分由蒸發(fā)部件界定的燃燒室，其中所述蒸發(fā)部件至少部分被壓力安全殼(pressure containmentmember)包圍。燃燒室可具有入口部分和相對(duì)的出口部分。燃燒室的入口部分可被配置成接收在燃燒溫度在該燃燒室內(nèi)燃燒以形成燃燒產(chǎn)物的含碳燃料。燃燒室可進(jìn)一步被配置成將燃燒產(chǎn)物引向出口部分。蒸發(fā)部件可被配置成將在其中經(jīng)過的蒸發(fā)物質(zhì)引向燃燒室，以實(shí)現(xiàn)燃燒產(chǎn)物與蒸發(fā)部件之間的緩沖相互作用。另外，蒸發(fā)物質(zhì)可被引入燃燒室，以達(dá)到期望的燃燒產(chǎn)物出口溫度。在特定實(shí)施方式中，蒸發(fā)物質(zhì)可至少部分包括循環(huán)流體。燃燒室的壁可排有一層多孔材料，蒸發(fā)物質(zhì)諸如CO2和/或H2O被引導(dǎo)經(jīng)過該層多孔材料并流動(dòng)。在仍進(jìn)一步的方面，內(nèi)蒸發(fā)部件2332可從蒸發(fā)部件230的入口部分222A延伸至出口部分222B。在一些情況中，穿孔/多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)蒸發(fā)部件2332可從入口部分222A基本完全延伸至(軸向)出口部分222B，使得蒸發(fā)流體210基本被引入燃燒室222的全部長(zhǎng)度。即，基本全部的內(nèi)蒸發(fā)部件2332可用穿孔/多孔結(jié)構(gòu)配置，使得基本全長(zhǎng)的燃燒室222被蒸發(fā)冷卻。更具體而言，在一些方面中，累積的穿孔/多孔區(qū)可基本等于內(nèi)蒸發(fā)部件2332的表面積。仍在其他方面，穿孔/孔可以適當(dāng)?shù)拿芏乳g隔開，以便實(shí)現(xiàn)來自內(nèi)蒸發(fā)部件2332的蒸發(fā)物質(zhì)基本均勻分布到燃燒室222中(即，無“死角”，在該死角中缺乏蒸發(fā)物質(zhì)210的流動(dòng)或其不存在)。在一個(gè)實(shí)例中，一平方英尺的內(nèi)蒸發(fā)部件2332可包括級(jí)數(shù)為每平方英寸250 X 250的穿孔/孔陣列，從而提供約62，500個(gè)孔/in2，這些穿孔/孔間隔約O. 004英 寸(約O. 1mm)?？酌娣e與總壁面積之比(％孔隙率)例如可以是約50%。孔陣列可在大范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，諸如經(jīng)過該蒸發(fā)部件的期望壓降對(duì)流速。在一些實(shí)例中，可利用每英寸約IOX 10至約10，000X 10, 000的陣列大小，且孔隙率為約10%至約80%。蒸發(fā)物質(zhì)經(jīng)過該多孔蒸發(fā)層以及任選經(jīng)過其他設(shè)置(provisions)的流動(dòng)可被配置，使得達(dá)到來自燃燒室的期望的總出口流體溫度。在一些實(shí)施方式中，如本文進(jìn)一步所述的，此類溫度可在約500°C至約2，OOO0C的范圍內(nèi)。這種流動(dòng)還可用于將蒸發(fā)部件冷卻至低于形成蒸發(fā)部件的材料的最大允許操作溫度的溫度。蒸發(fā)物質(zhì)還可用于防止任何液體或固體灰分物質(zhì)或者燃料中可能會(huì)腐蝕、積垢或另外損害壁的其他污染物的影響。在此種情況中，可能期望利用具有合理導(dǎo)熱系數(shù)的蒸發(fā)部件用材料，以便附帶的輻射熱可經(jīng)過多孔蒸發(fā)部件向外徑向傳導(dǎo)，然后被來自多孔層結(jié)構(gòu)表面的對(duì)流傳熱截獲至經(jīng)過蒸發(fā)層徑向向內(nèi)經(jīng)過的流體。這種配置可使引導(dǎo)經(jīng)過蒸發(fā)部件的隨后部分流被加熱至期望范圍內(nèi)的溫度，諸如約500°C至約1，000°C，同時(shí)將多孔蒸發(fā)部件的溫度基本維持在為此所用材料的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。用于多孔蒸發(fā)部件的合適的材料可包括，例如，多孔陶瓷、耐火金屬纖、鉆孔圓柱型材(hole-drilled cylindrical sections)和/或燒結(jié)金屬層或燒結(jié)金屬粉末。蒸發(fā)部件的第二功能可以是確保蒸發(fā)流體的基本均勻的徑向向內(nèi)流動(dòng)，以及縱向沿著燃燒室，以在蒸發(fā)流體流與燃燒產(chǎn)物之間實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的混合，同時(shí)促進(jìn)沿著燃燒室長(zhǎng)度的均勻軸向流動(dòng)。蒸發(fā)部件的第三種功能可以是實(shí)現(xiàn)稀釋流體的徑向向內(nèi)的速度，以便提供緩沖液，以便阻止灰分的固體和/或液體顆?；蛉紵a(chǎn)物內(nèi)的其他污染物影響蒸發(fā)層的表面并引起堵塞或其他損害，或其他方面。這種因素可能是很重要的，例如，當(dāng)燃燒燃料諸如煤具有殘留的惰性不燃性殘留物時(shí)。圍繞蒸發(fā)部件的燃燒室壓力容器的內(nèi)壁還可被絕緣，以隔離燃燒室內(nèi)的高溫蒸發(fā)流體流。根據(jù)本發(fā)明能夠應(yīng)用的燃燒室裝置的一個(gè)實(shí)例在圖I中示意性圖解，燃燒裝置通常由數(shù)字220表示。在該實(shí)例中，燃燒裝置220可被配置成燃燒顆粒固體諸如煤以形成燃燒產(chǎn)物，盡管如本文公開的任意其他合適的易燃含碳物質(zhì)也可被用作燃料。燃燒室222可由蒸發(fā)部件230界定，其被配置成將其中經(jīng)過的蒸發(fā)流體引向燃燒室222(即，以促進(jìn)蒸發(fā)冷卻和/或緩沖燃燒產(chǎn)物與蒸發(fā)部件230之間的相互作用)中。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，蒸發(fā)部件230可以是基本圓柱形的，以便界定基本圓柱形的燃燒室222，其具有入口部分222k和相對(duì)的出口部分222B。蒸發(fā)部件230可至少部分被壓力安全殼部件2338環(huán)繞。燃燒室222的入口部分222A可被配置為從通常以數(shù)字250表示的混合設(shè)備接收燃料混合物。在其他實(shí)施方式中，這樣的混合設(shè)備可以是不存在的，而且輸入燃燒室中的一種或多種物質(zhì)可經(jīng)由獨(dú)立入口分別添加。根據(jù)具體實(shí)施方式
，燃料混合物可在特定燃燒溫度在燃燒室222中燃燒，以形成燃燒產(chǎn)物，其中燃燒室222進(jìn)一步被配置成朝向出口部分222B引導(dǎo)燃燒產(chǎn)物。排熱設(shè)備2350 (例如，見圖2)可與壓力安全殼部件2338相連，并被配置成控制其溫度。在具體情況中，排熱設(shè)備2350可包括至少部分由與壓力安全殼部件2338相對(duì)的壁2336界定的傳熱夾套，其中液體可在其間界定的水循環(huán)夾套2337中被循環(huán)。在一個(gè)實(shí)施方式中，被循環(huán)的液體可以是水。在一個(gè)具體方面，多孔內(nèi)蒸發(fā)部件2332因此被配置成將蒸發(fā)流體弓I入燃燒室222中，以使蒸發(fā)物質(zhì)210以相對(duì)于內(nèi)蒸發(fā)部件2332內(nèi)表面基本為直角(90° )進(jìn)入燃燒室222。相對(duì)于內(nèi)蒸發(fā)部件2332基本以直角引入蒸發(fā)物質(zhì)210可促進(jìn)或另外增強(qiáng)遠(yuǎn)離內(nèi)蒸發(fā)部件2332的內(nèi)表面引導(dǎo)渣液或固體小滴或其他污染物或熱燃燒立體漩渦的效果，以及其 他優(yōu)勢(shì)。缺乏渣液或固體小滴之間的接觸可阻止所述小滴聚結(jié)成大滴或塊，現(xiàn)有技術(shù)中已知這在小滴或顆粒與實(shí)體壁接觸時(shí)發(fā)生。相對(duì)于內(nèi)蒸發(fā)部件2332基本以直角引入蒸發(fā)物質(zhì)210可促進(jìn)或另外增強(qiáng)阻止具有足夠速度的燃燒產(chǎn)物漩渦垂直于且鄰近內(nèi)蒸發(fā)部件形成(這可影響并損害內(nèi)蒸發(fā)部件)的作用。在這些情況中，外蒸發(fā)部件2331、壓力安全殼部件2338、傳熱夾套2336和/或絕熱層2339可被單獨(dú)或組合配置，以針對(duì)蒸發(fā)物質(zhì)/流體210輸送并經(jīng)過內(nèi)蒸發(fā)部件2332以及進(jìn)入燃燒室222提供“歧管”作用(即，提供基本均勻分布的供應(yīng))。即，可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)物質(zhì)210基本均勻地供應(yīng)(就流速、壓力或任意其他合適且適當(dāng)?shù)牧慷?到燃燒室222中，通過配置外蒸發(fā)部件2331、壓力安全殼部件2338、傳熱夾套2336和/或絕熱層2339，以使蒸發(fā)物質(zhì)210均勻供應(yīng)至內(nèi)蒸發(fā)部件2332，或者蒸發(fā)物質(zhì)210圍繞內(nèi)蒸發(fā)部件2332的外表面供應(yīng)，可具體定制和配置，使得在燃燒室222內(nèi)實(shí)現(xiàn)基本均勻的蒸發(fā)物質(zhì)210分布。這種基本均勻的分布可阻止熱燃燒流體漩渦形成，其另外由不均勻蒸發(fā)流與燃燒流體流的相互作用形成，而且所述漩渦可影響并損害內(nèi)蒸發(fā)部件?；旌显O(shè)備250 (當(dāng)存在時(shí))可被配置成混合碳質(zhì)燃料254以及富集氧242和循環(huán)流體236，以形成燃料混合物200。碳質(zhì)燃料254可以固體碳質(zhì)燃料、液體碳質(zhì)燃料和/或氣體碳質(zhì)燃料的形式提供。富集氧242可以是摩爾濃度大于85%的氧。富集氧242例如可通過本領(lǐng)域已知的任何空氣分離系統(tǒng)/技術(shù)來供應(yīng)，諸如，例如，可實(shí)施低溫空氣分離法或高溫離子輸送膜氧分離法(自空氣)。循環(huán)流體236可以是如本文所述的二氧化碳。在碳質(zhì)燃料254是顆粒固體的情況中，諸如粉末狀煤254A，混合設(shè)備250可被進(jìn)一步配置成混合顆粒固體碳質(zhì)燃料254A與流化物質(zhì)255。根據(jù)一個(gè)方面，顆粒固體碳質(zhì)燃料254A可具有約50微米與約200微米之間的平均粒度。根據(jù)又一個(gè)方面，流化物質(zhì)255可包含水和/或液體CO2,其密度在約450kg/m3至約1100kg/m3之間。更具體而言，流化物質(zhì)255可結(jié)合顆粒固體碳質(zhì)燃料254A形成漿液250A，其具有例如約25wt%至約55wt%的顆粒固體碳質(zhì)燃料254A。盡管氧242在圖I中顯示為引入燃燒室222之前與燃料254和循環(huán)流體236混合，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在一些情況中，氧242可在必要時(shí)或根據(jù)需要單獨(dú)引入燃燒室222中?；旌显O(shè)備250，在一些方面，例如可包括圍繞與圓柱形燃燒室222的入口部分222A相連的蒸發(fā)部件230的側(cè)壁223排列的、間隔開的注射噴嘴陣列(未顯示)。以這種方式將燃料/燃料混合物注射到燃燒室222中可提供例如較大的注射燃料混合物入口流的表面積，其進(jìn)而又可以通過輻射促進(jìn)向注射燃料混合物入口流的迅速傳熱。注射燃料混合物的溫度因此可被迅速增加至燃料的著火溫度并因此可導(dǎo)致緊湊燃燒(compact combustion)。燃料混合物的注射速度例如可在約lOm/sec至約40m/sec之間的范圍內(nèi)，盡管這些值可能取決于很多因素，諸如具體注射噴嘴的構(gòu)造。這樣的注射布置可采用很多不同的形式。例如，該注射布置可包括例如直徑在約O. 5mm至約3mm之間范圍內(nèi)的孔陣列，其中所注射的燃料將以約10m/s至約40m/s之間的速度被注射經(jīng)過其中。如在圖2中更詳細(xì)所示，燃燒室222可由蒸發(fā)部件230界定，該蒸發(fā)部件可至少部分被壓力安全殼部件2338環(huán)繞。在一些情況中，壓力安全殼部件2338可進(jìn)一步至少部分被傳熱夾套2336環(huán)繞，其中傳熱夾套2336可結(jié)合壓力安全殼部件2338，從而界定一個(gè)或多 個(gè)位于其間的通道2337，低壓水流可經(jīng)過該通道循環(huán)。通過蒸發(fā)機(jī)制，循環(huán)水因此可被用于控制和/或維持壓力安全殼部件2338的選定溫度在例如約100°C至約250°C的范圍內(nèi)。在一些方面，絕熱層2339可布置在蒸發(fā)部件230與壓力安全殼部件2338之間。在一些情況中，蒸發(fā)部件230可包括例如外蒸發(fā)部件2331和內(nèi)蒸發(fā)部件2332，從壓力安全殼部件2338看，內(nèi)蒸發(fā)部件2332布置在外蒸發(fā)部件2331的對(duì)面并界定燃燒室222。外蒸發(fā)部件2331可由任何合適的耐高溫材料組成，諸如例如，鋼和鋼合金，包括不銹鋼和鎳合金。在一些情況中，外蒸發(fā)部件2331可被配置成界定第一蒸發(fā)流體供應(yīng)通道2333A，其從鄰近絕緣層2339的其表面延伸至其鄰近內(nèi)蒸發(fā)部件2332的表面。第一蒸發(fā)流體供應(yīng)通道2333A在一些情況中可對(duì)應(yīng)由壓力安全殼部件2338、傳熱夾套2336和/或絕熱層2339界定的第二蒸發(fā)流體供應(yīng)通道2333B。第一和第二蒸發(fā)流體供應(yīng)通道2333A、2333B因此可配置成聯(lián)合將其中經(jīng)過的蒸發(fā)流體引導(dǎo)至內(nèi)蒸發(fā)部件2332。在一些情況中，例如如圖I所示，蒸發(fā)流體210可包括循環(huán)流體236，并且可以從與其相連的相同來源獲得。第一和第二蒸發(fā)流體供應(yīng)通道2333A、2333B必要時(shí)可以是絕緣的，用于以足夠的供應(yīng)且在足夠的壓力下遞送蒸發(fā)流體210(即，CO2)，以使蒸發(fā)流體210被引導(dǎo)經(jīng)過經(jīng)內(nèi)蒸發(fā)部件2332并進(jìn)入燃燒室222。如本文所公開的，涉及蒸發(fā)部件230和相關(guān)的蒸發(fā)流體210的此類措施可允許燃燒裝置220在本文另外公開的相對(duì)高的壓力下和相對(duì)高的溫度操作。在這點(diǎn)上，內(nèi)蒸發(fā)部件2332可由例如下述組成多孔陶瓷材料、穿孔材料、層壓材料、由在兩維隨機(jī)定向且在第三維有序的纖維組成的多孔墊，或者展示如在本文公開的所需特性(即，用于接收并引導(dǎo)蒸發(fā)流體經(jīng)過內(nèi)蒸發(fā)部件2332的多流動(dòng)通道或孔或其他合適的開口 2335)的任何其他合適的材料或其組合。多孔陶瓷和適合此類蒸發(fā)-冷卻系統(tǒng)的其他材料的非限定性實(shí)例包括氧化鋁、氧化鋯、相變?cè)鲰g鋯鋯(transformation-toughened zirconium)、銅、鑰、鶴、鶴滲銅(copper-infiltratedtungsten)、涂鶴鑰(tungsten-coated molybdenum)、涂鶴銅(tungsten-coated copper)、各種高溫鎳合金和覆蓋或涂覆錸的材料。合適的材料來源包括例如CoorsTek，Inc.(Golden, CO)(錯(cuò))；UItraMet Advanced Materials Solutions (Pacoima, CA)(耐火金屬涂層)；Orsam Sylvania (Danvers, MA)(鶴 / 銅)；和 MarkeTech International, Inc. (PortTownsend, WA)(鎢)。適合此類蒸發(fā)-冷卻系統(tǒng)的穿孔材料的實(shí)例包括所有上述材料和供應(yīng)商(其中穿孔的末端結(jié)構(gòu)可通過例如利用制造領(lǐng)域已知的方法穿孔最初無孔的材料而獲得)。合適的層壓材料的實(shí)例包括所有上述材料和供應(yīng)商(其中層壓末端結(jié)構(gòu)可通過例如利用制造領(lǐng)域已知的方法以獲得所需的末端孔隙率這樣的方式層壓無孔或部分多孔結(jié)構(gòu)而獲得)。圖3A和3B圖解了在燃燒裝置220的一個(gè)方面，界定燃燒室222的結(jié)構(gòu)可通過蒸發(fā)部件230與周圍的結(jié)構(gòu)諸如壓力安全殼部件2338或布置在蒸發(fā)部件230與壓力安全殼部件2338之間的絕熱層2339之間的“熱”干涉配合形成。例如，當(dāng)相對(duì)“冷”時(shí)，蒸發(fā)部件230相對(duì)于周圍的壓力安全殼部件2338可在徑向和/或軸向制成較小尺寸。同樣，當(dāng)插入壓力安全殼部件2338中時(shí)，在它們之間可存在徑向和/或軸向間隙(見，例如圖3A)。當(dāng)然，這種尺寸差異可便于蒸發(fā)部件230插入壓力安全殼部件2338中。然而，當(dāng)向著例如操作溫度加熱時(shí)，蒸發(fā)部件230可被配置成徑向和/或軸向膨脹，以減小或消除所述的間隙(見， 例如圖3B)。為這樣做，在蒸發(fā)部件230與壓力安全殼部件2338之間可形成干涉軸向和/或徑向配合。在涉及具有外蒸發(fā)部件2331和內(nèi)蒸發(fā)部件2332的蒸發(fā)部件230情況中，這樣的干涉配合可使內(nèi)蒸發(fā)部件2332處于壓縮下。同樣，合適的耐高溫脆性材料諸如多孔陶瓷可用于形成內(nèi)蒸發(fā)部件2332。在內(nèi)蒸發(fā)部件2332如此配置的情況下，蒸發(fā)物質(zhì)210可包括例如引導(dǎo)經(jīng)過內(nèi)蒸發(fā)部件2332的二氧化碳(即，來自與循環(huán)流體236相同的來源)，使得蒸發(fā)物質(zhì)210緊鄰燃燒室222內(nèi)的內(nèi)蒸發(fā)部件2332形成緩沖層231 (即，“蒸汽壁”)，其中緩沖層231可被配置成緩沖內(nèi)蒸發(fā)部件2332與液化不燃性元素和與燃燒產(chǎn)物相關(guān)的熱之間的相互作用。S卩，在一些情況中，蒸發(fā)流體210可輸送經(jīng)過內(nèi)蒸發(fā)部件2332，例如至少在燃燒室222內(nèi)的壓力下，其中蒸發(fā)流體210 ( S卩，CO2流)進(jìn)入燃燒室222的流速對(duì)蒸發(fā)流體210而言足以與燃燒產(chǎn)物混合并使其冷卻，從而在相對(duì)于隨后的下游過程的入口要求(即，渦輪可能需要例如約1，2250C的入口溫度)而言足夠的溫度形成出口流體混合物、但是其中出口流體混合物保持足夠高以維持燃料中的渣滴或其他污染物處于流體或液態(tài)。燃料的不燃性元素的液態(tài)可便于例如從燃燒產(chǎn)物中分離這些液態(tài)形式、優(yōu)選自由流動(dòng)低粘度形式的污染物，其阻塞或另外損害實(shí)施此分離的任何排出系統(tǒng)的可能性較小。實(shí)踐中，這類要求可取決于各種因素，諸如所用的固體碳質(zhì)燃料的類型(即，煤)以及在燃燒過程中形成的渣的具體特征。即，燃燒室222內(nèi)的燃燒溫度可使得碳質(zhì)燃料中的任何不燃性元素在該燃燒產(chǎn)物內(nèi)被液化。在具體方面，多孔內(nèi)蒸發(fā)部件2332因此被配置成以徑向向內(nèi)的方式引導(dǎo)蒸發(fā)流體并進(jìn)入燃燒室222中，以便圍繞界定燃燒室222的內(nèi)蒸發(fā)部件2332的表面形成流體屏障壁或緩沖層231 (見，例如圖2)。內(nèi)蒸發(fā)部件2332的表面也被燃燒產(chǎn)物加熱。同樣，多孔內(nèi)蒸發(fā)部件2332可被配置成具有合適的導(dǎo)熱系數(shù)，以使經(jīng)過內(nèi)蒸發(fā)部件2332的蒸發(fā)流體210被加熱，同時(shí)該多孔內(nèi)蒸發(fā)部件2332同時(shí)被冷卻，導(dǎo)致在最高燃燒溫度區(qū)中界定燃燒室222的內(nèi)蒸發(fā)部件2332表面的溫度為例如約1，000°C。由蒸發(fā)流體210協(xié)同內(nèi)蒸發(fā)部件2332形成的流體屏障壁或緩沖層231因此緩沖內(nèi)蒸發(fā)部件2332與高溫燃燒產(chǎn)物和渣或其他污染物顆粒之間的相互作用，而且同樣地，緩沖內(nèi)蒸發(fā)部件2332可避免接觸、結(jié)垢或其他損害。此外，蒸發(fā)流體210可經(jīng)由內(nèi)蒸發(fā)部件2332以下述的方式引入燃燒室222中，該方式使得將蒸發(fā)流體210和燃燒室222的出口部分222B周圍的燃燒產(chǎn)物的出口混合物調(diào)整處于所述的溫度(例如，約500°C至約2，OOO0C )。在具體實(shí)施方式
中，燃燒裝置220因此可被配置為高效、蒸發(fā)-冷卻燃燒裝置，其能夠在如本文所述的相對(duì)高的操作溫度提供燃料254的相對(duì)完全燃燒。此種燃燒裝置220在一些情況中可實(shí)施一種或多種冷卻流體和/或一種或多種蒸發(fā)流體210。與燃燒裝置220相關(guān)，還可實(shí)施其他組分。例如，空氣分離單元可設(shè)置用于分離N2和O2，而燃料注射器裝置可設(shè)置用于接收來自空氣分離單元的O2并將O2與CO2循環(huán)流體和燃料流結(jié)合，所述燃料流包括氣體、液體、超臨界流體或在高密度CO2流體中漿化的固體顆粒燃料。在另一方面，蒸發(fā)-冷卻的燃燒裝置220可包括燃料注射器，其用將增壓流體流注入燃燒裝置220的燃燒室222中，其中燃料流可包括已處理的碳質(zhì)燃料254、流化介質(zhì)255 (其可包括循環(huán)流體236，如本文所討論的)和氧242。氧(富集)242和CO2循環(huán)流體236結(jié)合作為均勻的超臨界混合物。所存在的氧的量可足以使燃料燃燒并產(chǎn)生具有所需組成的燃燒產(chǎn)物。燃燒裝置220還可包括燃燒室222，其被配置為高壓高溫燃燒體積，用于接收經(jīng)界定燃燒室222的多孔蒸發(fā)部件230的壁進(jìn)入該燃燒體積的蒸汽流以及蒸發(fā)流體210。 蒸發(fā)流體210的進(jìn)料速度可用于控制燃燒裝置出口部分/渦輪入口部分溫度達(dá)到期望值和/或用于將蒸發(fā)部件230冷卻至與形成蒸發(fā)部件230的材料相容的溫度。引導(dǎo)經(jīng)過蒸發(fā)部件230的蒸發(fā)流體210在界定燃燒室222的蒸發(fā)部件230表面處提供流體/緩沖層，其中所述流體/緩沖層可阻止由某些燃料燃燒產(chǎn)生的灰分或液態(tài)渣的顆粒與蒸發(fā)部件230的暴露壁相互作用。燃燒室222還可進(jìn)一步配置，使得燃料流(和循環(huán)流體236)可在大于發(fā)生燃燒的壓力的壓力下被注射或另外引入燃燒室222中。燃燒裝置220可包括至少部分圍繞界定燃燒室230的蒸發(fā)部件230的壓力安全殼部件2338，其中絕緣部件2339可布置在壓力安全殼部件2338于蒸發(fā)部件230之間。在一些情況中，界定水循環(huán)夾套2337的排熱設(shè)備2350諸如帶夾套的水冷卻系統(tǒng)可與壓力安全殼部件2338(即，在壓力安全殼部件2338的外部，形成燃燒裝置220的“殼”)嚙合。與燃燒裝置220的蒸發(fā)部件230相連實(shí)施的蒸發(fā)流體210可以是例如混合有少量H2O和/或惰性氣體諸如N2或氬的C02。蒸發(fā)部件230可包括例如多孔金屬、陶瓷、復(fù)合材料基體、分層歧管、任何其他合適的結(jié)構(gòu)或其組合。在一些方面，燃燒室222內(nèi)的燃燒能產(chǎn)生高壓、高溫燃燒產(chǎn)物流，其隨后可被導(dǎo)向至發(fā)電裝置，諸如渦輪，在那里進(jìn)行膨脹，如本文更充分所述的。通過實(shí)施如本文公開的燃燒裝置所執(zhí)行的相對(duì)高的壓力，可起著將由此產(chǎn)生的能量以最小的體積濃縮至相對(duì)高強(qiáng)度的作用，這本質(zhì)上導(dǎo)致相對(duì)高的能量密度。該相對(duì)高的能量密度使該能量的下游處理相比在較低壓力下的處理以更有效的方式進(jìn)行，并因此提供了技術(shù)用可行性因素。本公開的方面因此可提供數(shù)量級(jí)大于現(xiàn)有發(fā)電廠的能量密度(即，10-100倍)。較高的能量密度增加工藝效率，而且通過減小設(shè)備的尺寸和質(zhì)量因此減少設(shè)備的成本，可降低實(shí)施從熱能向電的能量轉(zhuǎn)換所需的設(shè)備成本。如本文另外討論的，本發(fā)明方法和系統(tǒng)中所用的燃燒裝置可用于多種不同含碳燃料源的燃燒。在具體實(shí)施方式
中，含碳燃料可被基本完全燃燒，使得在燃燒產(chǎn)物流中不含液體或固體不燃性物質(zhì)。然而，在一些實(shí)施方式中，能在本發(fā)明中使用的固體含碳燃料(例如，煤)可導(dǎo)致存在不燃性物質(zhì)。在具體實(shí)施方式
中，燃燒裝置可包括能夠?qū)崿F(xiàn)下述燃燒溫度，該燃燒溫度使得固體含碳燃料中的不燃性元素在燃燒過程中被液化。在這些情況中，可應(yīng)用用于去除該液化不燃性元素的設(shè)置。去除可利用例如旋風(fēng)分離器、沖擊式分離器或以環(huán)形構(gòu)造設(shè)置的分級(jí)耐火粒料過濾器床或其組合來完成。在特定實(shí)施方式中，通過系列旋風(fēng)分離器，諸如例如如圖4所示的分離裝置2340，液滴可從高溫循環(huán)流體流中除去。一般而言，通過本公開實(shí)施的這種旋風(fēng)分離器的方面可包括多個(gè)串聯(lián)排列的離心分離設(shè)備100，包括入口離心分離設(shè)備100A，其被配置成接收燃燒產(chǎn)物/出口流體流以及與其相關(guān)的液化不燃性元素，以及出口離心分離設(shè)備100B，其被配置成排出燃燒產(chǎn)物/出口流體流，液化不燃性元素基本從中被去除。每個(gè)離心分離設(shè)備100包括多個(gè)圍繞中心收集管2平行地可操作排列的離心分離元件或旋風(fēng)分離器1，其中每個(gè)離心分離元件或旋風(fēng)分離器I被配置成從燃燒產(chǎn)物/出口流體流去除至少一部分液化不燃性元素，并將已去除的液化不燃性元素部分引導(dǎo)至集污槽20。此種分離裝置2340可被配置成在升高的壓力下操作，而且同樣，還包括被配置成容納離心分離設(shè)備和集污槽的承壓外殼125。根據(jù)這些方面，承壓外殼125可以是環(huán)繞燃燒裝置220的壓力安全殼部件2338的延伸，或者承壓外殼125可以是能夠嚙合 與燃燒裝置220相連的壓力安全殼部件2338的單獨(dú)部件。在任一種情況中，由于分離裝置2340經(jīng)由出口流體流所經(jīng)歷的升高的溫度，承壓外殼125還可包括熱分散系統(tǒng)，諸如其中具有循環(huán)液體的傳熱夾套(未顯示)，其與承壓外殼可操作嚙合，用于從中除去熱。在一些方面，熱回收設(shè)備(未顯示)可以與傳熱夾套可操作地嚙合，其中熱回收設(shè)備可被配置成接收在傳熱夾套中循環(huán)的液體以及從該液體中回收熱能。在特定實(shí)施方式中，示于圖4中的(渣去除)分離裝置2340可被配置成在燃燒裝置的出口部分222B周圍與燃燒裝置220連續(xù)布置，用于從中接收出口流體流/燃燒產(chǎn)物。來自燃燒裝置220的蒸發(fā)冷卻的出口流體流，其中含有液態(tài)渣(不燃性元素)小滴，可經(jīng)由圓錐形減徑管10被引導(dǎo)進(jìn)入入口離心分離設(shè)備100A的中心收集設(shè)置2A。在一個(gè)方面，分離裝置2340可包括三個(gè)離心分離設(shè)備100A、100B、100C (盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，此類分離裝置必要時(shí)或根據(jù)需求可包括一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)離心分離設(shè)備)。在這種情況中，三個(gè)串聯(lián)可操作排列的離心分離設(shè)備100A、100B、100C提供了 3階段旋流分離單元。每個(gè)離心分離設(shè)備包括例如多個(gè)圍繞相應(yīng)的中心收集管2的圓周布置的離心分離元件(旋風(fēng)分離器I)。入口離心分離設(shè)備100A的中心收集設(shè)置2A和中心收集管2以及中間離心分離設(shè)備100C各自在其出口端被密封。在這些情況中，出口流體流被引向?qū)?yīng)于各離心分離設(shè)備100的每個(gè)離心分離元件(旋風(fēng)分離器I)的分支通道11。該分支通道11被配置成與各旋風(fēng)分離器I的入口端嚙合，以因此形成切向入口(這例如可使進(jìn)入旋風(fēng)分離器I的出口流體流以螺旋流與旋風(fēng)分離器I的壁相互作用)。來自每個(gè)旋風(fēng)分離器I的出口通道3然后按指定路線進(jìn)入各離心分離設(shè)備100的中心收集管2的入口部分中。在出口離心分離設(shè)備100B處，出口流體流(不燃性元素基本從中分離)從出口離心分離設(shè)備100B的中心收集管導(dǎo)出并經(jīng)過收集管12和出口噴嘴5，使得“干凈的”出口流體流然后可被引導(dǎo)至隨后的工藝，諸如與相變裝置相關(guān)的裝置。示例性的三階段旋流分離設(shè)置因此允許渣的去除達(dá)到在出口流體流中按質(zhì)量計(jì)低于5ppm。在分離裝置2340的每個(gè)階段，所分離的液態(tài)渣從每個(gè)旋風(fēng)分離器I經(jīng)由向集污槽20延伸的出口管4導(dǎo)出。所分離的液態(tài)渣然后被引導(dǎo)進(jìn)入從集污槽20和承壓外殼125延伸的出口噴嘴或管14中，以從中去除和/或回收組分。在實(shí)施渣的去除時(shí)，液態(tài)渣可被引導(dǎo)經(jīng)過水冷卻部分6或另外經(jīng)過具有高壓、冷水管接頭的部分，其中與水的相互作用使得該液態(tài)渣固化和/或成粒。然后固化渣和水的混合物可在容器(收集設(shè)置)7分離成渣/水流體混合物，該混合物特別是在減壓后可經(jīng)過合適的閥9被去除，同時(shí)任何殘留氣體可經(jīng)由分離管線8被去除。在一些實(shí)施方式中，具有順序操作的相關(guān)系統(tǒng)的一對(duì)容器可使系統(tǒng)連續(xù)操作。因?yàn)榉蛛x裝置2340可協(xié)同相對(duì)高溫的燃燒產(chǎn)物流(S卩，溫度足以維持不燃性元素處于具有相對(duì)低粘度的液體形式)來操作，因此在一些情況中，可能期望，暴露于燃燒產(chǎn)物/出口流體流和與其相關(guān)的液化不燃性元素之一的分離裝置2340的表面應(yīng)當(dāng)由被配置成具有耐高溫、高耐腐蝕性和低導(dǎo)熱系數(shù)中至少之一的材料構(gòu)成。此類材料的實(shí)例可包括氧化鋯和氧化鋁，盡管這些實(shí)例并非意圖以任何方式進(jìn)行限定。同樣，在某些方面，分離裝置2340可被配置成從燃燒產(chǎn)物/出口流體流基本除去液化不燃性元素，并將不燃性元素保持在低粘度的液體形式，至少直到其從集污槽20中去除。當(dāng)然，在其中使用非固體流體且燃燒產(chǎn)物流中不含不燃性材料的實(shí)施方式中，加入渣分離器可能是不必要的。
在一些實(shí)施方式中，分離裝置2340可用于從產(chǎn)生不燃性固體殘留物諸如煤的任何燃料的燃燒中分離顆粒狀固體灰渣。例如，煤可被研磨成期望的尺寸(例如，該尺寸使得小于lwt%的顆粒為粉末狀煤包括尺寸大于100 μ m的顆粒)并與液體CO2成漿。在具體實(shí)施方式
中，液體CO2可處于約_40°C至約-18°C的溫度。該漿液可包含按重量計(jì)約40%至約60%的煤。然后該漿液可被增壓值所需的燃燒壓力。參考圖I，再循環(huán)流236可針對(duì)進(jìn)入燃燒室220中的方式進(jìn)行分割。第一部分(流236a)可經(jīng)混合設(shè)備250被輸入燃燒室220中，而第二部分(流236b)通過經(jīng)過蒸發(fā)冷卻層230可被輸入燃燒室220。如上所述，能夠以下述O2與燃料比操作燃燒室220，該比值導(dǎo)致形成還原性氣體混合物(例如，包含H2、CH4,CO、H2S和/或NH3)。經(jīng)蒸發(fā)冷卻層230進(jìn)入燃燒室的部分流236可用于冷卻燃燒氣體和CO2循環(huán)流體的混合物至基本低于灰分固化溫度的溫度(例如，在約500°C至約900°C的范圍內(nèi))?？墒箒碜苑蛛x裝置2340的總氣流5經(jīng)過過濾單元，其將殘留固體灰顆粒水平降低至非常低的值(例如，低于經(jīng)過濾器的氣體的約2mg/m3)。該干凈的氣體然后再第二燃燒室中燃燒，在第二燃燒室其能被另外部分的再循環(huán)流體流236稀釋。在這些實(shí)施方式中，必要 時(shí)，再循環(huán)流體流236可在這兩個(gè)燃燒室之間分?jǐn)?。任何含碳物質(zhì)可用作根據(jù)本發(fā)明的燃料。具體而言，因?yàn)樵诒景l(fā)明方法和系統(tǒng)中所用的燃氧燃燒裝置所保持的高壓和高溫，因此有用的燃料包括但不限于各種等級(jí)和類型的下述物質(zhì)煤、木、油、燃油、天然氣、煤基燃料氣、焦油砂的焦油、浙青、生物質(zhì)、藻類、分級(jí)可燃固體廢物再利用、浙青、二手輪胎、柴油、汽油、噴氣燃料(JP-5、JP_4)、來源于氫-碳質(zhì)材料的氣化或熱解的氣體、乙醇、固體和液體生物燃料。這可被認(rèn)為是與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)和方法重要的不同。例如，已知的用于燃燒固體燃料諸如煤的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)需要與燃燒非固體燃料諸如天然氣的系統(tǒng)相比非常不同的設(shè)計(jì)。燃料可被適當(dāng)?shù)靥幚?，以使得能在足夠的速度和在高于燃燒室?nèi)的壓力的壓力下注入燃燒裝置中。這類燃料可處于液體、漿體、凝膠或糊的形式，且在環(huán)境溫度或升高的溫度具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性和粘度。例如，燃料可在約30 0C至約500 0C、約40 0C至約450 °C、約50 °C至約425 ° C或約75°C至約400 V的溫度提供。任何固體燃料物質(zhì)可被適當(dāng)?shù)匮心セ蚯兴榛蛄硗馓幚硪詼p小粒度。必要時(shí)可添加流化或漿化介質(zhì)，以獲得合適的形式以及滿足高壓泵送的流動(dòng)要求。當(dāng)然，流化介質(zhì)可能不是必需的，這取決于燃料的形式(即，液體或氣體)。同樣，在一些實(shí)施方式中，被循環(huán)的循環(huán)流體可用作流化介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明可用于燃燒室中的適合的蒸發(fā)流體可包括能夠以足夠的量和壓力經(jīng)過內(nèi)襯流動(dòng)而形成蒸汽壁的任何流體。在本實(shí)施方式中，CO2可以是理想的蒸發(fā)流體，因?yàn)樗纬傻恼羝诰哂袃?yōu)良的絕熱性能以及吸收可見光和紫外線的性質(zhì)。CO2可被用作超臨界流體。蒸發(fā)流體的其他實(shí)例包括H2o、從下游再循環(huán)的冷卻燃燒產(chǎn)物氣體、氧、氫、天然氣、甲烷和其他輕質(zhì)烴。在燃燒室啟動(dòng)過程中燃料可特別用作蒸發(fā)流體，以便在注入主要燃料源之前在燃燒室獲得適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟群蛪毫?。在主燃料源之間切換的過程中燃料還可用作蒸發(fā)流體以調(diào)節(jié)燃燒室的操作溫度和壓力，諸如當(dāng)使煤切換為生物質(zhì)作為主燃料時(shí)。在一些實(shí)施方式中，可使用兩種或多種蒸發(fā)流體。此外，沿著燃燒室的不同位置可使用不同的蒸發(fā)流體。例如，在高溫?zé)峤粨Q區(qū)可使用第一蒸發(fā)流體，而在低溫?zé)峤粨Q區(qū)可使用第二蒸發(fā)流體。可針對(duì)燃燒室的溫度和壓力條件使蒸發(fā)流體最優(yōu)化，其中蒸發(fā)流體形成蒸汽壁。在目前的實(shí)例中，蒸發(fā)流體是預(yù)熱的再循環(huán)co2。在一個(gè)方面，本發(fā)明提供發(fā)電方法。具體地，所述方法利用CO2循環(huán)流體，其優(yōu)選通 過所述方法被再循環(huán)，如本文所述。本發(fā)明方法還利用高效燃燒室，諸如如上所述的蒸發(fā)冷卻燃燒室。在某些實(shí)施方式中，通?？蓞⒖紙D5所示的流程圖來描述所述方法。如在該圖中可見，提供燃燒室220，而且其中設(shè)置了各種輸入。含碳燃料254和O2 242(必要時(shí))可連同循環(huán)流體236 (在本實(shí)施方式中為CO2) —起被引入燃燒室220中。由虛線表示的混合設(shè)備250表明，該組件任選存在。具體地，兩種或所有三種物質(zhì)(燃料、02和0)2循環(huán)流體)的任意組合在引入燃燒室220中之前可在混合設(shè)備250中組合。在各種實(shí)施方式中，可能期望進(jìn)入燃燒室的物質(zhì)展示出能夠促進(jìn)所期望的有效的發(fā)電法操作的特定物理特征。例如，在某些實(shí)施方式中，可能期望CO2循環(huán)流體中的CO2在限定的壓力和/或溫度被引入燃燒室中。具體地，被引入燃燒室中的CO2具有至少約SMPa的壓力能夠是有益的。在另外的實(shí)施方式中，被引入燃燒室中的CO2可處于至少約lOMPa、至少約12MPa、至少約14MPa、至少約15MPa、至少約16MPa、至少約18MPa、至少約20MPa、至少約22MPa、至少約24MPa或至少約25MPa的壓力。在其他實(shí)施方式中，該壓力可以是約8MPa 至約 50MPa、約 12MPa 至約 50MPa、約 15MPa 至約 50MPa、約 20MPa 至約 50MPa、約 22MPa至約 50MPa、約 22MPa 至約 45MPa、約 22MPa 至約 40MPa、約 25MPa 至約 40MPa 或約 25MPa 至約35MPa。此外，被引入燃燒室中的CO2具有至少約200°C的溫度能夠是有益的。在另外的實(shí)施方式中，被引入燃燒室中的CO2可處于至少約250°C、至少約300°C、至少約350°C、至少約400°C、至少約450°C、至少約500°C、至少約550°C、至少約600°C、至少約650°C、至少約700°C、至少約750°C、至少約800°C、至少約850°C或至少約900°C的溫度。在一些實(shí)施方式中，可能期望被引入燃燒室中的燃料在特條件下提供。例如，在某些實(shí)施方式中，可能期望含碳燃料在限定的壓力和/或溫度被引入燃燒室中。在一些實(shí)施方式中，含碳燃料可在與CO2循環(huán)流體的條件相同或基本類似的條件下引入燃燒室中。詞語“基本類似的條件”可指在本文所述的所參考條件參數(shù)的5%內(nèi)、4%內(nèi)、3%內(nèi)、2%內(nèi)或1%內(nèi)的條件參數(shù)(例如，CO2循環(huán)流體的條件參數(shù))。在某些實(shí)施方式中，含碳燃料在引入燃燒室之前可與CO2循環(huán)流體混合。在這些實(shí)施方式中，預(yù)期含碳燃料和CO2循環(huán)流體將處于相同或基本類似的條件下(其具體可包括關(guān)于CO2循環(huán)流體所述的條件)。在其他實(shí)施方式中，含碳燃料可獨(dú)立于CO2循環(huán)流體被弓I入燃燒室。在這些情況中，含碳燃料仍可在關(guān)于CO2循環(huán)流體所述的壓力下被引入。在一些實(shí)施方式中，在引入至燃燒室之前，將含碳燃料保持在不同于CO2循環(huán)流體溫度的溫度可能是有用的。例如，含碳燃料可在約30°C至約800°C、約35 °C至約700 V、約40 V至約600 V、約45 V至約500 V、約50 V至約400 °C、約55 °C至約300°C、約60°C至約200°C、約65°C至約175°C或約70°C至約150°C的溫度被引入燃燒室。在其他實(shí)施方式中，可能期望被引入燃燒室中的O2在特定條件下提供。此類條件可以是提供O2的方法所附帶的。例如，可能期望在特定壓力下提供02。具體地，被引入燃燒室中的O2具有至少約8MPa的壓力能夠是有益的。在另外的實(shí)施方式中，被引入燃燒室中的O2可處于至少約lOMPa、至少約12MPa、至少約14MPa、至少約15MPa、至少約16MPa、至少約18MPa、至少約20MPa、至少約22MPa、至少約24MPa、至少約25MPa、至少約30MPa、至少約35MPa、至少約40MPa、至少約45MPa或至少約50MPa的壓力下。O2的供應(yīng)可包括利用空氣壓縮機(jī)(或氧分離器)，諸如低溫O2濃縮器、O2輸送分離器或任何類似的裝置，諸如O2離子輸送分離器，用于分離O2與環(huán)境空氣。單獨(dú)地或與其組合地，O2的供應(yīng)可包括使O2增壓以獲得期望的壓力，如上所述。該行為可引起O2的加熱。在一些實(shí)施方式中，可能期望O2處于期望的溫度，該溫度不同于通過使其他增壓而達(dá)到的溫度。例如，可能期望在30°C至約 900°C、約 35°C至約 800°C、約 40°C至約 700°C、約 45°C至約 600°C、約 50°C至約 500°C 、約55°C至約400°C、約60°C至約300°C、約65°C至約250°C或約70°C至約200°C的溫度將O2提供到燃燒室。此外，在一些實(shí)施方式中，O2可在與CO2循環(huán)流體和/或含碳燃料的條件相同或基本類似的條件下被引入燃燒室中。這可由在引入燃燒室之前混合各種組分而產(chǎn)生，或者可由制備O2以引入到燃燒室中的特定方法產(chǎn)生。在特定實(shí)施方式中，O2可與限定摩爾比例量的CO2組合，使得O2可在與CO2循環(huán)流體流相同的溫度提供。例如，該組合可在低于100°C的溫度進(jìn)行，而CO2處于超臨界壓力下。由于CO2的稀釋作用，這消除了與單獨(dú)加熱純O2相關(guān)的燃燒危險(xiǎn)。這種混合物可以處于約1:2至約5: I、約1:1至約4:1或約1:1至約3:1 的 CO2ZO2 比。在一些實(shí)施方式中，供應(yīng)到燃燒室中的O2是基本凈化的可能是有用的(即，O2相對(duì)于天然存在于空氣中的其他組分的摩爾含量而言升級(jí))。在某些實(shí)施方式中，O2可具有大于約50mol%、大于約60mol%、大于約70mol%、大于約80mol%、大于約85mol%、大于約90mol%、大于約95mol%、大于約96mol%、大于約97mol%、大于約98mol%、大于約99mol%或大于約99. 5mol%的純度。在其他實(shí)施方式中，O2可具有約85%至約99. 6mol%、約85%至約99mol%、約90%至約99mol%、約90%至約98mol%或約90%至約97mol%的摩爾濃度。來自燃料中的碳的總CO2回收有利于應(yīng)用至少約99. 5mol%范圍內(nèi)的較高純度。CO2循環(huán)流體可在燃燒室的入口與O2和含碳燃料一起引入燃燒室。然而，如上關(guān)于蒸發(fā)冷卻燃燒室所述，CO2循環(huán)流體還可作為經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)在蒸發(fā)冷卻燃燒室中形成的蒸發(fā)流體供應(yīng)通道而被引入蒸發(fā)部件中的全部或部分蒸發(fā)冷卻流體被引入蒸發(fā)冷卻燃燒室。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式中，CO2循環(huán)流體可在燃燒室入口(即，連同O2和燃料)被引入燃燒室中，而CO2循環(huán)流體還可作為全部或部分蒸發(fā)冷卻流體經(jīng)蒸發(fā)部件引入燃燒室中。在其他實(shí)施方式中，CO2循環(huán)流體還可作為全部或部分蒸發(fā)冷卻流體僅經(jīng)過蒸發(fā)部件引入燃燒室中(即，無CO2被引入含O2和燃料的燃燒室入口)。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的特征還在于被引入燃燒室中的各種組分的比例。為了達(dá)到最大燃燒效率，在高溫下燃燒含碳燃料可能是有用的。然而，燃燒溫度以及離開燃燒室的燃燒產(chǎn)物流的溫度可被需要被控制在限定的參數(shù)內(nèi)。鑒于此，提供相對(duì)于燃料處于特定比例的CO2循環(huán)流體可能是有用的，以使燃燒溫度和/或渦輪入口溫度可被控制在期望的范圍內(nèi)，同時(shí)還最大化可被轉(zhuǎn)化為電力的能量的量。在具體實(shí)施方式
中，這可通過調(diào)整CO2循環(huán)流體流與燃料中的碳的比例來實(shí)現(xiàn)。所期望的比例可受所期望的渦輪入口溫度以及熱交換器的熱端的入口流和出口流之間的溫差影響，如在本文更詳細(xì)描述的。該比例具體描述為CO2循環(huán)流體中的CO2與含碳燃料中存在的碳的摩爾比。為測(cè)定引入燃燒室中的CO2的摩爾量，在一些實(shí)施方式中，供應(yīng)至燃燒室的CO2的全部含量(S卩，在入口與燃料和O2 —起引入CO2，以及用作蒸發(fā)冷卻流體的任意CO2)被包括在計(jì)算中。然而，在具體實(shí)施方式
中，該計(jì)算可僅基于在燃燒室入口引入的CO2的摩爾量(即，不包括用作蒸發(fā)冷卻流體的CO2)。在其中CO2僅作為蒸發(fā)冷卻流體引入燃燒室的實(shí)施方式中，該計(jì)算基于作為蒸發(fā)冷卻流體引入燃燒室中的CO2的量。因此，該比例可被描述為輸入燃燒室入口的CO2的摩爾含量相比輸入燃燒室的燃料中的碳?？蛇x地，該比例可被描述為經(jīng)蒸發(fā)冷卻流體輸入燃燒室的CO2的摩爾含量相比輸入燃燒室的燃料中的碳。在某些實(shí)施方式中，弓丨入燃燒室中的CO2循環(huán)流體與燃料中的碳的比例以摩爾計(jì)， 可以是約10至約50 (即，約IOmol C02/mol燃料中的碳至約50mol C02/mol燃料中的碳)。在另外的實(shí)施方式中，循環(huán)流體中的CO2與燃料中碳的比率可以是約15至約50、約20至約50、約25至約50、約30至約50、約15至約45、約20至約45、約25至約45、約30至約45、約15至約40、約20至約40、約25至約40或30至約40。在其他實(shí)施方式中，循環(huán)流體中的CO2與燃料中碳的比率可以是至少約5、至少約10、至少約15、至少約20、至少約25或至少約30。引入燃燒室中的CO2與存在于含碳燃料中的碳的摩爾比對(duì)總系統(tǒng)熱效率可具有重要的影響。這種對(duì)效率的影響還可受到系統(tǒng)中其他組件的設(shè)計(jì)和功能的影響，包括熱交換器、水分離器和增壓?jiǎn)卧１疚乃龅南到y(tǒng)和方法中各種元件的組合導(dǎo)致能夠在本文所述的特定co2/c比例下實(shí)現(xiàn)高熱效率。不包括本文所述各種元件的先前已知的系統(tǒng)和方法通常需要顯著低于本發(fā)明所用的co2/c摩爾比的co2/c摩爾比，以便實(shí)現(xiàn)接近本文所實(shí)現(xiàn)的那些效率。然而，本發(fā)明已經(jīng)確定了再循環(huán)CO2的高效系統(tǒng)和方法，再循環(huán)CO2能夠利用大大超越可在已知領(lǐng)域中使用的那些co2/c摩爾比的co2/c摩爾比。根據(jù)本發(fā)明采用高co2/c摩爾比有利地用于稀釋燃燒流中的雜質(zhì)。雜質(zhì)(例如，氯化物和硫)對(duì)系統(tǒng)組件的腐蝕或侵蝕作用因此被極大減小。目前的高氯化物和/或高硫煤不能在已知的系統(tǒng)中使用，原因是來自此類煤的燃燒產(chǎn)物(其包括HCl和H2SO4)對(duì)發(fā)電廠組件而言太具腐蝕性和侵蝕性，因而不能抵抗。很多其他雜質(zhì)(例如，固體灰分顆粒和含諸如鉛、碘、銻和汞等元素的揮發(fā)性物質(zhì))在高溫下對(duì)發(fā)電廠組件也可引起嚴(yán)重的內(nèi)部損害。再循環(huán)CO2的稀釋作用可極大減輕或消除此類雜質(zhì)對(duì)發(fā)電廠組件的有害效應(yīng)。然后，對(duì)co2/c摩爾比的選擇可涉及對(duì)效率和發(fā)電廠侵蝕和腐蝕作用的復(fù)雜考慮以及CO2再循環(huán)系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)和功能的復(fù)雜考慮。本發(fā)明能夠?qū)嵤└咝O2再循環(huán)以及因此增加的co2/c摩爾比，其具有已知領(lǐng)域未能預(yù)期的高熱效率。高co2/c摩爾比因此傳遞了至少上述優(yōu)勢(shì)。類似地，控制引入燃燒室中的O2的含量能夠是有用的。這具體可取決于燃燒室的操作性質(zhì)。如本文更詳細(xì)描述的，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可允許以完全氧化的方式、完全還原的方式或該兩種的變體操作。在完全氧化模式，供應(yīng)至燃燒室的O2的量?jī)?yōu)選至少處于實(shí)現(xiàn)含碳燃料的完全氧化所必需的化學(xué)計(jì)算量。在某些實(shí)施方式中，所供應(yīng)的O2的量將超過所述化學(xué)計(jì)算量至少約O. lmol%、至少約O. 25mol%、至少約O. 5mol%、至少約lmol%、至少約2mol%、至少約3mol%、至少約4mol%或至少約5mol%。在其他實(shí)施方式中，所供應(yīng)的O2的量將超過所述化學(xué)計(jì)算量約O. 1%至約5mol%、約O. 25%至約4mol%或約O. 5%至約3mol%。在完全還原的模式中，供應(yīng)至燃燒室的O2優(yōu)選為將含碳燃料轉(zhuǎn)化成組分H2、CO、CH4, H2S和NH3所需的化學(xué)計(jì)算量加上超過至少約O. lmol%、至少約O. 25mol%、至少約O. 5mol%、至少約lmol%、至少約2mol%、至少約3mol%、至少約4mol%或至少約5mol%。在其他實(shí)施方式中，所供應(yīng)的O2的量將超過所述化學(xué)計(jì)算量約O. 1%至約5mol%、約O. 25%至約4mol%或約O. 5%至約3mol%。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法特征可涉及CO2遍及過程中各個(gè)步驟的物理狀態(tài)。CO2被認(rèn)為是以各種狀態(tài)存在，取決于物質(zhì)的物理?xiàng)l件。CO2在O. 518MPa和-56. 6°C具有三相點(diǎn)，但是CO2還具有7. 38MPa和31. 1°C的臨界壓力和溫度。超過該臨界點(diǎn)，CO2作為超臨界流體存在，而且本發(fā)明已經(jīng)意識(shí)到通過在循環(huán)中使CO2在規(guī)定狀態(tài)保持在特定點(diǎn)能 夠最大化發(fā)電效率。在具體實(shí)施方式
中，引入燃燒室中的CO2優(yōu)選處于超臨界流體的形式。發(fā)電系統(tǒng)或方法的效率通常被理解為描述該系統(tǒng)或方法的能量輸出與進(jìn)入該系統(tǒng)或方法的能量輸入之比。在發(fā)電系統(tǒng)或方法的情況中，效率通常被描述為輸出到客戶電網(wǎng)的電力或功率(例如，以兆瓦或Mw計(jì))與燃燒發(fā)電(或功率)的燃料的總低熱值熱能之t匕。該比例則可被稱為凈系統(tǒng)或方法效率(基于LHV)。該效率可考慮了內(nèi)部系統(tǒng)或方法過程所述的所有能量，包括生產(chǎn)凈化氧(例如，經(jīng)由空氣分離單元)、增壓CO2以輸送到增壓管道以及需要能量輸入的其他系統(tǒng)或方法。在各種實(shí)施方式中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法在循環(huán)中可主要利用CO2作為工作流體，其中含碳燃料在基本純的O2中在超過CO2臨界壓力的壓力下燃燒(即，在燃燒室中)，產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物流。該流經(jīng)過潤(rùn)輪膨脹，然后經(jīng)過同流換熱熱交換器(recuperator heatexchanger)。在熱交換器中，渦輪排氣預(yù)熱超臨界狀態(tài)的再循環(huán)CO2循環(huán)流體。該預(yù)熱的再循環(huán)CO2循環(huán)流體被輸入燃燒室中，在那里其與來自含碳燃料燃燒的產(chǎn)物混合，產(chǎn)生處于限定的最大渦輪入口溫度的總流量。本發(fā)明可提供優(yōu)良的效率，至少部分是由于認(rèn)識(shí)到最小化同流換熱熱交換器的熱端處的溫差所帶來的益處。這種最小化可通過在引入燃燒室之前利用低溫水平熱源來加熱一部分再循環(huán)CO2來實(shí)現(xiàn)。在這些低溫水平，超臨界CO2的比熱和密度非常高，而且這種額外的加熱可允許渦輪排氣流將CO2預(yù)熱至高得多的溫度，這能顯著降低同流換熱熱交換器熱端處的溫差。在具體實(shí)施方式
中，有用的低溫?zé)嵩词墙^熱操作的低溫空氣分離廠中所用的空氣壓縮機(jī)或者來自傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪的熱排氣流。在本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中，同流換熱熱交換器熱端處的溫差小于約50°C，且優(yōu)選在約10°C至約30°C的范圍內(nèi)。采用低壓力比(例如，低于約12)是能夠增加效率的另一因素。利用CO2作為工作流體并結(jié)合低壓力比降低了將已冷卻渦輪排氣的壓力升至再循環(huán)壓力時(shí)的能量損失。進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)是能夠在管道壓力(通常約IOMPa至約20MPa)下得到燃料中的轉(zhuǎn)化為作為高于CO2超臨界壓力的高壓流體的CO2的碳的量，且在約100%來自燃料的碳捕獲時(shí)具有非常小的寄生功率消耗。這樣的系統(tǒng)和方法參數(shù)在本文中以更詳細(xì)的細(xì)節(jié)進(jìn)一步進(jìn)行描述?；氐綀D5，被引入燃燒室220的含碳燃料254連同O2 242和CO2循環(huán)流體236燃燒而產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物流40。在具體實(shí)施方式
中，燃燒室220是蒸發(fā)冷卻燃燒室，諸如上述。燃燒溫度取決于具體工藝條件可變，例如，所用的含碳燃料類型、被引入燃燒室中的CO2與燃料中的碳的摩爾比，和/或被弓I入燃燒室中的CO2與O2的摩爾比。在具體實(shí)施方式
中，燃燒溫度是如上面關(guān)于描述蒸發(fā)冷卻燃燒室所述的溫度。在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，如本文所述，超過約l，300°c的燃燒溫度可能是有利的。同樣可能有用的是，控制燃燒溫度，使得離開燃燒室的燃燒產(chǎn)物流具有期望的溫度。例如，對(duì)離開燃燒室的燃燒產(chǎn)物流而言，具有下述溫度可能是有用的至少約700°C、至少約750°C、至少約800°C、至少約850°C、至少約900°C、至少約950°C、至少約1，000°C>至少約1，050°C、至少約I, 100°C、至少約1，200°C、至少約1，300°C、至少約1，400。。、至少約1，500°C或至少約1，600°C的溫度。在一些實(shí)施方式中，燃燒產(chǎn)物流可具有約700°C至約1，600°C、約 800°C至約 1，600°C、約 850°C至約 1，500°C、約 900°C至約 1，400°C、約 950°C至約I, 350°C或約I, 000。。至約I, 300°C的溫度。如上所述，CO2在整個(gè)發(fā)電循環(huán)中的壓力可能是最大化電力循環(huán)效率的關(guān)鍵參數(shù)。盡管對(duì)于引入燃燒室中的材料而言具有特定限定的壓力可能是重要，對(duì)于燃燒產(chǎn)物流而言具有限定的壓力可同樣是重要的。具體地，燃燒產(chǎn)物流的壓力可以與引入燃燒室中的0)2循 環(huán)流體的壓力相關(guān)。在具體實(shí)施方式
中，燃燒產(chǎn)物流的壓力可以是引入燃燒室中的CO2壓力的至少約90%——即，在循環(huán)流體中。在另外的實(shí)施方式中，燃燒產(chǎn)物流的壓力可以是引入燃燒室中的CO2壓力的至少約91%、至少約92%、至少約93%、至少約94%、至少約95%、至少約96%、至少約97%、至少約98%或至少約99%。離開燃燒室的燃燒產(chǎn)物流的化學(xué)組成根據(jù)所用含碳燃料的類型可變。重要的是，燃燒產(chǎn)物流將包括被再循環(huán)且再引入燃燒室或其他循環(huán)中的CO2，如下面更詳細(xì)描述的。此夕卜，過量CO2 (包括由于燃料燃燒產(chǎn)生的CO2)可從CO2循環(huán)流體收回(特別是在適合直接轉(zhuǎn)移至CO2管道的壓力下)以便隔離或其他處理，其不包括釋放到大氣。在另外的實(shí)施方式中，燃燒產(chǎn)物流可包括下述中的一種或多種水蒸氣、SO2, S03、HCI、N0、N02、Hg、過量02、N2、Ar以及可能存在于已燃燒的燃料中的可能的其他污染物。燃燒產(chǎn)物流中存在的這些物質(zhì)可能始終在CO2循環(huán)流體流中，除非被去除，諸如通過本文描述的方法。除CO2之外存在的這類物質(zhì)可被稱為“次要組分(secondary components)”。如在圖5中所見，燃燒產(chǎn)物流40可被引至渦輪320，在該渦輪中燃燒產(chǎn)物流40膨脹發(fā)電(例如，經(jīng)由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，其在圖解中未顯示)。渦輪320可具有燃燒產(chǎn)物流40的入口和用于釋放含CO2的渦輪排出流50的出口。盡管在圖5中顯示了單個(gè)渦輪320，但是應(yīng)理解，可以使用不止一個(gè)渦輪，多個(gè)渦輪串聯(lián)連接或者任選被一個(gè)或多個(gè)其他組件分開，諸如其他燃燒組、分離組件等。再次，在該步驟中，可密切控制工藝參數(shù)，以最大化循環(huán)效率。現(xiàn)有的天然氣發(fā)電廠效率嚴(yán)格依賴渦輪入口溫度。例如，已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作付出大量成本以實(shí)現(xiàn)渦輪技術(shù)，使得入口溫度高達(dá)約1，350°C。渦輪入口溫度越高，工廠效率越高，而且渦輪越昂貴，且潛在地，其壽命更短。一些公用事業(yè)設(shè)備受阻于支付較高的價(jià)格而且還具有較短壽命的風(fēng)險(xiǎn)。盡管在一些實(shí)施方式中本發(fā)明可利用此類渦輪以更進(jìn)一步增加效率，這并非必需的。在具體實(shí)施方式
中，本系統(tǒng)和方法可實(shí)現(xiàn)期望的效率，同時(shí)利用范圍低得多的渦輪入口溫度，如上所述。因此，就實(shí)現(xiàn)特定的效率而言，本發(fā)明的特征可如本文所述，同時(shí)在限定的溫度向渦輪入口提供燃燒產(chǎn)物流，如本文所述，其可顯著小于本領(lǐng)域公認(rèn)的利用相同燃料實(shí)現(xiàn)相同效率所需的溫度。如上所述，離開燃燒室220的燃燒產(chǎn)物流40優(yōu)選具有與進(jìn)入燃燒室220的CO2循環(huán)流體236的壓力密切接近(closely aligned)的壓力。在具體實(shí)施方式
中，燃燒產(chǎn)物流40因此處于使得流中存在的CO2處于超臨界流體態(tài)的溫度和壓力。當(dāng)燃燒產(chǎn)物流40經(jīng)過渦輪320膨脹時(shí)，該流的壓力降低。優(yōu)選地，這種壓降被控制，使得燃燒產(chǎn)物流40的壓力與渦輪排出流50的壓力處于限定的比例。在某些實(shí)施方式中，渦輪入口處的燃燒產(chǎn)物流相比渦輪出口處的渦輪排出流的壓力比小于約12。這可定義為入口壓力(Ip)與出口壓力(Op)比(即，IP/0P)。在另外的實(shí)施方式中，壓力比可以是小于約11、小于約10、小于約9、小于約8或小于約7。在其他實(shí)施方式中，渦輪的入口壓力與出口壓力比可以是約I. 5至約12、約2至約12、約3至約12、約4至約12、約2至約11、約2至約10、約2至約9、約2至約8、約3至約11、約3至約10、約3至約9、約3至約9、約4至約11、約4至約10、約4至約9或約4至約8。 在具體實(shí)施方式
中，可期望渦輪排出流在下述條件下，該條件使得該流中的CO2不再處于超臨界流體態(tài)，而是處于氣態(tài)。例如，提供氣態(tài)的CO2能促進(jìn)任何次要組分的去除。在一些實(shí)施方式中，渦輪排出流具有的壓力低于CO2將會(huì)處于超臨界態(tài)時(shí)的壓力。優(yōu)選地，渦輪排出流具有小于約7. 3MPa、小于或等于約7MPa、小于或等于約6. 5MPa、小于或等于約6MPa、小于或等于約5. 5MPa、小于或等于約5MPa、小于或等于約4. 5MPa、小于或等于約4MPa、小于或等于約3. 5MPa、小于或等于約3MPa、小于或等于約2. 5MPa、小于或等于約2MPa或小于或等于約I. 5MPa的壓力。在其他實(shí)施方式中，渦輪排出流的壓力可以是約I. 5MPa至約7MPa、約3MPa至約7MPa或約4MPa至約7MPa。優(yōu)選地，渦輪排出流的壓力在該流所遇到的冷卻溫度小于CO2冷凝壓力(例如，環(huán)境冷卻)。因此，根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的是渦輪320下游(且優(yōu)選增壓?jiǎn)卧?20上游)的CO2應(yīng)維持在氣態(tài)，且不使其達(dá)到可形成液體CO2的條件。盡管燃燒產(chǎn)物流經(jīng)過渦輪可導(dǎo)致一定量的溫度降，但是渦輪排出流通常具有可能會(huì)阻礙燃燒產(chǎn)物流中存在的任何次要組分的去除的溫度。例如，渦輪排出流可具有約500°C至約 1，00(TC、約 600°C至約 1，00(TC、約 700°C至約 1，(KKTC或約 800°C至約 1，00(TC 的溫度。由于燃燒產(chǎn)物流的溫度相對(duì)高，因此渦輪由能夠耐受此類高溫的材料制成可以是有利的。對(duì)于渦輪而言，包含對(duì)燃燒產(chǎn)物流中可能存在的次要物質(zhì)類型可提供優(yōu)良耐化學(xué)性的材料同樣可以是有用的。在一些實(shí)施方式中，因此能夠有用的是使渦輪排出流50經(jīng)過至少一個(gè)熱交換器420，其冷卻渦輪排出流50并提供溫度在限定范圍內(nèi)的CO2循環(huán)流體流60。在具體實(shí)施方式
中，離開熱交換器420 (或者當(dāng)使用兩個(gè)或多個(gè)熱交換器時(shí)，系列中的最后一個(gè)熱交換器)的CO2循環(huán)流體60具有小于約200°C、小于約150°C、小于約125°C、小于約100°C、小于約95 °C、小于約90 V、小于約85 °C、小于約80 V、小于約75 °C、小于約70 V、小于約65 °C、小于約60°C、小于約55°C、小于約50°C、小于約45°C或小于約40°C的溫度。如上所述，對(duì)于渦輪排放的壓力而言，其具有的壓力與燃燒產(chǎn)物流的壓力處于特定的比例能夠是有利的。在具體實(shí)施方式
中，直接使渦輪排出流經(jīng)過本文所述的一個(gè)或多個(gè)熱交換器，而沒有經(jīng)過系統(tǒng)的任何其他組件。因此，壓力比還可描述為是關(guān)于燃燒產(chǎn)物流離開燃燒室時(shí)的壓力相比該流進(jìn)入熱交換器熱端(或者，當(dāng)使用一系列熱交換器時(shí)，第一熱交換器)時(shí)的壓力之比。再次，該壓力比優(yōu)選小于約12。在另外的實(shí)施方式中，燃燒產(chǎn)物流與進(jìn)入熱交換器的流的壓力比可以是小于約11、小于約10、小于約9、小于約8或小于約7。在其他實(shí)施方式中，該壓力比可以是約I. 5至約10、約2至約9、約2至約8、約3至約8或約4至約8。盡管利 用蒸發(fā)冷卻燃燒室允許高熱燃燒，但是本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的特征可在于能夠在某一溫度下將渦輪排出流供應(yīng)至熱交換器(或系列熱交換器)，該溫度足夠低，以降低與該系統(tǒng)相關(guān)的成本、增加熱交換器(或多個(gè))的壽命以及改進(jìn)系統(tǒng)的性能和可靠性。在具體實(shí)施方式
中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)或方法中的最熱工作溫度小于約1，100°C、小于約
I,000。。、小于約975°C、小于約950°C、小于約925°C或小于約900。。。在某些實(shí)施方式中，對(duì)于熱交換器420而言，包括串聯(lián)的至少兩個(gè)熱交換器用于接收渦輪排出流50并使其冷卻至期望的溫度能夠是特別有用的。所用的熱交換器的類型取決于進(jìn)入該熱交換器的條件可變。例如，渦輪排出流50可如上所述處于相對(duì)高的溫度下，因此，直接接收渦輪排出流50的熱交換器由設(shè)計(jì)成耐受極端條件的高性能材料制成可以是有益的。例如，熱交換器系列中的第一熱交換器可包括INCONEL 合金或類似材料。優(yōu)選地，系列中的第一熱交換器包含能夠耐受下述持續(xù)工作溫度的材料至少約700°C、至少約750°C、至少約800°C、至少約850°C、至少約900 °C、至少約950 °C、至少約1，000 °C、至少約1，100 °C或至少約1，200 V的溫度。對(duì)一個(gè)或多個(gè)熱交換器而言，包含對(duì)可能存在于燃燒產(chǎn)物流中的次要材料類型具有優(yōu)良耐化學(xué)性的材料也可以是有益的。INCONEL 合金得自Special MetalsCorporation,且一些實(shí)施方式可包括奧氏體鎳-鉻基合金?？梢杂杏玫暮辖鸬膶?shí)例包括 iNCONLL/ 600 INCONL:l../()UI、INCONI-Lli 60Ki(\ INCONEL 603XL, INCONELk 617、iNC0NEL； 625、INCONEL, 625LCF,
INCONELr++686、INCONEL* 690、INCONEL* 693, INCONEL* 706,
INCONEL/718、INCONELk 7I8SPF , INCGNELii 722. INCONEL'
725、INCONEL* 740, INCONEL* X-750, INCONEL* 75 K INCONEL*MA754、INCONELw MA758, INCONEL*:· 78NCONEL* 903、
INCONEL/ N06230, INCONELR C-276、INCONEL' G-3、INCONEL i
HX, INCONEL ' 22,>有利的熱交換器設(shè)計(jì)的實(shí)例是擴(kuò)散粘結(jié)型緊湊板式熱交換器，其在高溫材料(諸如上述合金之一)制造的板中具有化學(xué)銑制的散熱片。適宜的熱交換器可包括以商品名HEATR丨Cli (得自Meggitt USA, Houston, TX)可得的那些。系列中的第一熱交換器優(yōu)選能足夠傳遞來自渦輪排出流的熱，以使該系列中存在的一個(gè)或多個(gè)其他熱交換器能夠由更常規(guī)的材料例如不銹鋼制成。在具體實(shí)施方式
中，在系列中使用至少兩個(gè)熱交換器或至少三個(gè)熱交換器，以將渦輪排出流冷卻至期望的溫度。在下面關(guān)于將來自渦輪排出流的熱傳遞到CO2循環(huán)流體以便在引入到燃燒室之前再加熱該循環(huán)流體的描述中，可以看到利用一系列中多個(gè)熱交換器的有效性。在一些實(shí)施方式中，所述方法和系統(tǒng)的特征可在于為單階段燃燒方法或系統(tǒng)。這可以通過利用高效燃燒室諸如上述蒸發(fā)冷卻燃燒室來實(shí)現(xiàn)?；旧?，燃料能夠該單燃燒室中基本完全燃燒，使得提供一系列燃燒室以使燃料完全燃燒是不必要的。因此，在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明方法和系統(tǒng)可描述為使得蒸發(fā)冷卻燃燒室是唯一的燃燒室。在另外的實(shí)施方式中，所述方法和系統(tǒng)可被描述為使得在使排出流進(jìn)入熱交換器之前燃燒僅在單蒸發(fā)冷卻燃燒室中發(fā)生。仍在其他實(shí)施方式中，所述方法和系統(tǒng)可被描述為使得渦輪排出流直接遞送到熱交換器中，而無需經(jīng)過其他燃燒室。冷卻之后，離開至少一個(gè)熱交換器420的CO2循環(huán)流體流60可經(jīng)歷其他處理，以將留在CO2循環(huán)流體流60中的任何次要組分從燃料的燃燒中分離出來。如圖5所示，循環(huán)流體流60可被引導(dǎo)至一個(gè)或多個(gè)分離單元520。如在下面更詳細(xì)討論的，本發(fā)明的特征可特別在于能夠提供從含碳燃料的燃燒且無大氣CO2釋放來發(fā)電的方法。這至少部分可通過在發(fā)電循環(huán)中利用在含碳燃料的燃燒中所形成的CO2作為循環(huán)流體來實(shí)現(xiàn)。盡管，在一些實(shí)施方式中，CO2作為循環(huán)流體連續(xù)燃燒并再循環(huán)可能在系統(tǒng)中引起CO2累積。在這種情況中，從循環(huán)流體中收回至少一部分CO2 (例如，其量約等于源自含碳燃料燃燒的CO2量)能夠是有用的。這種收回的CO2可通過任何合適的方法處理。在具體實(shí)施方式
中，CO2可被引導(dǎo)至管道進(jìn)行隔離或者通過合適的方法處理，如下所述。 進(jìn)入管道的CO2應(yīng)當(dāng)基本不含水以防止管道用碳鋼被腐蝕，這可能是CO2管道系統(tǒng) 規(guī)格的一個(gè)必要條件。盡管“濕” CO2可被直接輸入不銹鋼CO2管道中，但是這并非總是可能的，而且，事實(shí)上，由于成本問題可能更期望利用碳鋼管道。因此，在某些實(shí)施方式中，CO2循環(huán)流體中存在的水(例如，在含碳燃料燃燒過程中形成的水，并持續(xù)存在于燃燒產(chǎn)物流、渦輪排出流和CO2循環(huán)流體流中)大部分可作為液相從冷卻的CO2循環(huán)流體流中除去。在具體實(shí)施方式
中，這可通過當(dāng)氣態(tài)混合物被冷卻至借助環(huán)境溫度冷卻裝置所達(dá)到的最低溫度時(shí)，在下述壓力下提供CO2循環(huán)流體(例如，處于氣態(tài))來實(shí)現(xiàn)，該壓力小于該氣體混合物中存在的CO2被液化時(shí)的壓力。例如，特別地，在從中分離次要組分的過程中，CO2循環(huán)流體可在小于7. 38MPa的壓力下提供。如果利用溫度處于低環(huán)境范圍內(nèi)或顯著低于環(huán)境的冷卻裝置時(shí)，可能需要甚至更低的溫度。這使得水作為液體分離，還最小化離開分離單元的已凈化CO2循環(huán)流65的污染。這還能將渦輪排出壓力限制在小于渦輪排氣的臨界壓力的值。實(shí)際的壓力可取決于可用環(huán)境冷卻裝置的溫度。例如，如果水分離發(fā)生在30°C，則7MPa的壓力允許與CO2冷凝壓力有O. 38MPa的余地。在一些實(shí)施方式中，離開熱交換器并進(jìn)入分離單元的CO2循環(huán)流體可以約2MPa至約7MPa、約2. 25MPa至約7MPa、約2. 5MPa至約7MPa、約
2.75MPa 至約 7MPa、約 3MPa 至約 7MPa、約 3. 5MPa 至約 7MPa、約 4MPa 至約 7MPa 或約 4MPa至約6MPa的壓力提供。在其他實(shí)施方式中，該壓力可與渦輪出口的壓力基本相同。在具體實(shí)施方式
中，凈化的CO2循環(huán)流65在水分離之后不含水蒸氣或基本不含水蒸氣。在一些實(shí)施方式中，凈化的CO2循環(huán)流的特征可在于僅包含下述量的水蒸氣以摩爾計(jì)小于I. 5%、以摩爾計(jì)小于I. 25%、以摩爾計(jì)小于1%、以摩爾計(jì)小于O. 9%或以摩爾計(jì)小于
O.8%、以摩爾計(jì)小于O. 7%、以摩爾計(jì)小于O. 6%、以摩爾計(jì)小于O. 5%、以摩爾計(jì)小于O. 4%、以摩爾計(jì)小于O. 3%、以摩爾計(jì)小于O. 2%或以摩爾計(jì)小于O. 1%。在一些實(shí)施方式中，凈化的CO2循環(huán)流體流可僅包含下述量的水蒸氣以摩爾計(jì)約O. 01%至約I. 5%、以摩爾計(jì)約O. 01%至約1%、以摩爾計(jì)約O. 01%至約O. 75%、以摩爾計(jì)約O. 01%至約O. 5%、以摩爾計(jì)約O. 01%至約O. 25%、以摩爾計(jì)約O. 05%至約O. 5%或以摩爾計(jì)約O. 05%至約O. 25%。在上述溫度和壓力條件下提供CO2循環(huán)流體以促進(jìn)次要組分諸如水的分離，能夠是非常有利的。換言之，本發(fā)明可具體規(guī)定將CO2循環(huán)流體保持在期望的條件下，以使CO2循環(huán)流體中的CO2和水在分離之前處于促進(jìn)分離的期望狀態(tài)。通過在如上所述的壓力下提供CO2循環(huán)流體，流體流的溫度可被降低至該流中的水將處于液態(tài)且因此更容易從氣態(tài)CO2中分離的點(diǎn)。在某些實(shí)施方式中，可能期望提供進(jìn)一步干燥的條件，以便凈化的CO2循環(huán)流體完全或基本不含水。如上所述，基于物質(zhì)中的相位差使水從CO2循環(huán)流體中分離可留下較少部分(即，低濃度)的水留在CO2循環(huán)流體。在一些實(shí)施方式中，繼續(xù)使用含有留在其中的較少部分的水的CO2循環(huán)流體是可以接受的。在其他實(shí)施方式中，使CO2循環(huán)流體經(jīng)歷其他處理以促進(jìn)全部或部分所剩余水的去除能夠是有用的。例如，低濃度的水可通過干燥劑干 燥器或根據(jù)本發(fā)明其他將會(huì)適用的裝置來除去。在限定的壓力下向分離單元供應(yīng)CO2循環(huán)流體對(duì)再次最大化動(dòng)力循環(huán)的效率能夠特別有利。具體地，在限定的壓力范圍供應(yīng)CO2循環(huán)流體能使氣相中的凈化CO2循環(huán)流體以最小總動(dòng)力消耗被壓縮至高壓。如下所述，這種增壓可能是必需的，以便部分凈化的CO2循環(huán)流體能被再循環(huán)到燃燒室，以及部分能在所需的管道壓力(例如，約IOMPa至約20MPa)下供應(yīng)。這進(jìn)一步闡述了如上所述的最小化膨脹渦輪的入口與出口壓力比的優(yōu)勢(shì)。這起著增加總循環(huán)效率以及還使來自渦輪的排出壓力處于上述期望的范圍以便從CO2循環(huán)流體分離水與其他次要組分的作用。CO2循環(huán)流體流動(dòng)經(jīng)過分離單元520的一個(gè)實(shí)施方式圖解在圖6中。如在該圖中可見，可使來自熱交換器的CO2循環(huán)流體流60經(jīng)過冷水熱交換器530 (或任何類似功能的設(shè)備)，其利用水進(jìn)一步從CO2循環(huán)流體60中除去熱并排出混合相CO2循環(huán)流體61，其中CO2依然是氣體而CO2循環(huán)流體中的水轉(zhuǎn)化為液相。例如，使CO2循環(huán)流體60經(jīng)過冷水熱交換器530能將CO2循環(huán)流體冷卻至小于約50°C、小于約55°C、小于約40°C、小于約45°C、小于約40°C或小于約30°C的溫度。優(yōu)選地，經(jīng)過冷水熱交換器530時(shí)CO2循環(huán)流體的壓力基本未變。混合相CO2循環(huán)流體61被引導(dǎo)至水分離單元540，在那里將液體水流62a從分離器520排出。同樣離開水分離單元540的是富集的CO2循環(huán)流體流62b。該富集流可作為凈化的CO2循環(huán)流體流65直接離開分離器520。在可選實(shí)施方式中(如通過虛線表示的流和組件)，富集的CO2循環(huán)流體流62b可被引導(dǎo)至一個(gè)或多個(gè)附加分離單元550，以去除其他次要組分，如下面更詳細(xì)描述的。在具體實(shí)施方式
中，CO2循環(huán)流體的任何其他次要組分可在去除水后被除去。CO2循環(huán)流體然后作為凈化的CO2循環(huán)流體65離開所述一個(gè)或多個(gè)附加分離單元。然而，在一些實(shí)施方式中，在除去水之前，混合相CO2循環(huán)流體61可首先被引導(dǎo)以去除一種或多種次要組分，而該部分凈化的流然后可被引導(dǎo)至水分離單元540。本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到可能期望的各種分離器組合，并且所有這些組合意圖被本發(fā)明引入。如上所述，除水之外，CO2循環(huán)流體可包含其他次要組分，諸如燃料衍生的雜質(zhì)、燃燒衍生的雜質(zhì)和氧衍生的雜質(zhì)。此類次要組分也可在與水分離相同或幾乎相同的時(shí)間從已冷卻的氣態(tài)CO2循環(huán)流體中去除。例如，除水蒸氣之外,次要組分諸如S02、SO3> HCI、NO、N02、Hg以及過量的02、N2和Ar也能被去除。CO2循環(huán)流體的這些次要組分(經(jīng)常被認(rèn)為是雜質(zhì)或污染物)都能利用合適的方法(例如，在美國(guó)專利申請(qǐng)公開號(hào)2008/0226515和歐洲專利申請(qǐng)?zhí)朎P1952874和EP1953486中所述的方法，它們以其整體通過參考引入本文)從冷卻的CO2循環(huán)流體中去除。SO2和SO3可100%轉(zhuǎn)化成硫酸，而>95%的NO和NO2可轉(zhuǎn)化為硝酸。CO2循環(huán)流體中存在的任意過量的O2可作為富集流分離用于任選再循環(huán)至燃燒室。所存在的任何惰性氣體(例如，N2和Ar)可在低壓下被排放到大氣中。在某些實(shí)施方式中，CO2循環(huán)流體因此能被凈化，使得源自燃料中的碳燃燒的CO2能夠最終作為高密度純化流輸送。在具體實(shí)施方式
中，凈化的CO2循環(huán)流體可包含濃度為至少98. 5mol%、至少99mol%、至少99. 5mol%或至少99. 8mol%的C02。此外，CO2循環(huán)流體可在期望的壓力下供應(yīng)，用以直接輸入CO2管道中，例如，至少約lOMPa、至少約15MPa或至少約20MPa。綜上所述，含碳燃料254在O2 242和CO2循環(huán)流體236存在下在蒸發(fā)冷卻燃燒室220中的燃燒能形成具有相對(duì)高的溫度和壓力的燃燒產(chǎn)物流40?？墒拱鄬?duì)大量CO2的該燃燒產(chǎn)物流40經(jīng)過渦輪320以膨脹燃燒產(chǎn)物流40，從而降低該流的壓力并發(fā)電。離開渦輪320的出口的渦輪排出流50處于降低的壓力，但是仍保留相對(duì)高溫。由于燃燒產(chǎn)物流中存在污染物和雜質(zhì)，在將CO2循環(huán)流體再循環(huán)回到系統(tǒng)中之前，分離出這些污染物和雜質(zhì)是有利的。為實(shí)現(xiàn)該分離，通過經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)熱交換器420使渦輪排出流50冷卻。次要產(chǎn)物(例如，水和任意其他污染物和雜質(zhì))的分離可如上述實(shí)現(xiàn)。為將CO2循環(huán)流體再循環(huán)回到燃燒室中，必需再加熱和再增壓CO2循環(huán)流體。在某些實(shí)施方式中，本發(fā)明的特征可特別在于實(shí)施特定方法步驟以最大化發(fā)電周期的效率同時(shí)最大化防止污染物(例如，CO2)排放到大氣中。這具體在涉及將離開分離單元的已冷卻且純化的CO2循環(huán)流體再加熱和再增壓時(shí)可看到。如進(jìn)一步在圖5中所圖解的，可使離開一個(gè)或多個(gè)分離單元520的凈化CO2循環(huán)流體65經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)增壓?jiǎn)卧?20 (例如，泵、壓縮機(jī)等)以增加凈化CO2循環(huán)流體65的壓力。在某些實(shí)施方式中，凈化CO2循環(huán)流體65可被壓縮至至少約7. 5MPa或至少約8MPa的壓力。在一些實(shí)施方式中，可使用單增壓?jiǎn)卧獙艋疌O經(jīng)2循環(huán)流體的壓力增加至本文所述的用于引入燃燒室220的期望壓力。在具體實(shí)施方式
中，增壓可利用一系列兩個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)(例如，泵)在增壓?jiǎn)卧?20中進(jìn)行。一個(gè)這樣的實(shí)施方式示于圖7中，其中使凈化CO2循環(huán)流體65經(jīng)過第一壓縮機(jī)630，以將凈化CO2循環(huán)流體65壓縮至第一壓力(其優(yōu)選超過CO2的臨界壓力)并因此 形成流66。流66可被引導(dǎo)至冷水熱交換器640，其收回?zé)?例如，由第一壓縮機(jī)的增壓活動(dòng)形成的熱)并形成流67，該流優(yōu)選處于接近環(huán)境的溫度。流67可被引導(dǎo)至第二壓縮機(jī)650，其用于使CO2循環(huán)流體增壓至的大于第一壓力的第二壓力。如下所述，第二壓力可基本類似于CO2循環(huán)流體輸入(或再循環(huán))到燃燒室所需的壓力。在具體實(shí)施方式
中，第一壓縮機(jī)630可用于增加凈化CO2循環(huán)流體65的壓力，使得該凈化CO2循環(huán)流體從氣態(tài)轉(zhuǎn)化成超臨界流體態(tài)。在具體實(shí)施方式
中，凈化CO2循環(huán)流體在第一壓縮機(jī)630可被增壓至約7. 5MPa至約20MPa、約7. 5MPa至約15MPa、約7. 5MPa至約12MPa、約7. 5MPa至約IOMPa或約8MPa至約IOMPa的壓力。然后使離開第一壓縮機(jī)630的流66 (其處于超臨界流體狀態(tài))經(jīng)過冷水熱交換器640 (或任意類似功能設(shè)備)，其能將CO2循環(huán)流體冷卻至足以形成能被更有效地被泵至甚至更高壓力的高密度流體的溫度。鑒于被再循環(huán)用作循環(huán)流體的大體積的CO2，這可能是顯著的。泵送超臨界流體狀態(tài)的大體積CO2對(duì)系統(tǒng)可具有顯著的能量消耗。然而，本發(fā)明意識(shí)到效率的有利增加可通過使CO2增加密度并因此降低被泵送回到燃燒室用于再循環(huán)的超臨界CO2的總體積來提供。在具體實(shí)施方式
中，CO2循環(huán)流體在從冷水熱交換器640排出后(且經(jīng)過熱交換器單元420進(jìn)行加熱之前)能夠以至少約200kg/m3、至少約250kg/m3、至少約300kg/m3、至少約350kg/m3、至少約400kg/m3、至少約450kg/m3、至少約500kg/m3、至少約550kg/m3、至少約600kg/m3、至少約650kg/m3、至少約700kg/m3、至少約750kg/m3、至少約800kg/m3、至少約850kg/m3、至少約900kg/m3、至少約950kg/m3或至少約1，000kg/m3的密度供應(yīng)。在另外的實(shí)施方式中，該密度可以是約 150kg/m3 至約 1，I, 100kg/m3、約 200kg/m3 至約 1，000kg/m3、約 400kg/m3 至約950kg/m3、約 500kg/m3 至約 900kg/m3 或約 500kg/m3 至約 800kg/m3。在具體實(shí)施方式
中，流66經(jīng)過冷水熱交換器640可將CO2循環(huán)流體冷卻至小于約60°C、小于約50°C、小于約40°C或小于約30°C的溫度。在其他實(shí)施方式中，作為流67離開冷水熱交換器640的CO2循環(huán)流體的溫度可以是約15°C至約50°C、約20°C至約45°C或約20°C至約40°C。進(jìn)入第二壓縮機(jī)650的流67中的CO2循環(huán)流體處于可促進(jìn)該流能量有效泵至如本文所述的用于將CO2循環(huán)流體引入燃燒室中的期望壓力的條件下。例如，增壓的超臨界CO2循環(huán)流體流70可被進(jìn)一步增壓至至少約12MPa、至少約15MPa、至少約16MPa、至少約18MPa、至少約20MPa或至少約25MPa的壓力。在一些實(shí)施方式中，該增壓的超臨界CO2循環(huán)流體流70可被進(jìn)一步增壓至約15MPa至約50MPa、約20MPa至約45MPa或約25MPa至 約40MPa的壓力。可使用能夠在所述溫度下工作且能實(shí)現(xiàn)所述壓力的任何類型的壓縮機(jī)，諸如高壓多級(jí)泵。離開一個(gè)或多個(gè)增壓?jiǎn)卧?20的已增壓CO2循環(huán)流體流70可被弓丨導(dǎo)回先前用于冷卻渦輪排出流50的熱交換器。如圖5所示，可使已增壓CO2循環(huán)流體流70首先經(jīng)過氣流分流器720，其形成CO2管道流體流80和CO2循環(huán)流體流85 (除存在于該流中的CO2實(shí)際量，其與CO2循環(huán)流體流70基本相同)。因此，在一些實(shí)施方式中，已增壓CO2循環(huán)流體流中的至少一部分CO2被引入增壓管道進(jìn)行隔離。從CO2循環(huán)流體流去除且被引導(dǎo)至管道(或其他隔離或處理裝置)的CO2的量取決于被引入燃燒室中以控制燃燒溫度的所期望的CO2的量以及存在于離開燃燒室的燃燒排出流中的實(shí)際CO2的量而變。在一些實(shí)施方式中，如上所述所收回的CO2的量可以基本上為含碳燃料在燃燒室中燃燒所形成的CO2的量。為實(shí)現(xiàn)高效操作，將離開增壓?jiǎn)卧?20的CO2循環(huán)流體加熱至該超臨界流體具有低得多的比熱時(shí)的溫度能夠是有利的。這相當(dāng)于在比較低的溫度范圍內(nèi)提供非常大的熱輸入。利用外部熱源(例如，相對(duì)低溫?zé)嵩?為部分再循環(huán)CO2循環(huán)流體提供額外加熱允許熱交換器單元420在熱交換器單元420 (或者，當(dāng)使用兩個(gè)或多個(gè)熱交換器的系列時(shí)，第一熱交換器)熱端處的渦輪排氣流50與再循環(huán)CO2循環(huán)流體流236之間具有小溫差的情況下操作。在具體實(shí)施方式
中，使已增壓CO2循環(huán)流體經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)熱交換器可用于將該已增壓CO2循環(huán)流體流加熱至期望溫度，用于使已增壓CO2循環(huán)流體流進(jìn)入燃燒室中。在某些實(shí)施方式中，在將CO2循環(huán)流體流輸入燃燒室之前，已增壓CO2循環(huán)流體流被加熱至至少約200°C、至少約300°C、至少約400°C、至少約500°C、至少約600°C、至少約700°C或至少約800°C的溫度。在一些實(shí)施方式中，加熱可以達(dá)到約500°C至約1，200°C、約550°C至約
I,000°C或約600°C至約950°C的溫度。圖8圖解了熱交換單元420的一個(gè)實(shí)施方式，其中利用串聯(lián)的三個(gè)單獨(dú)的熱交換器從渦輪排出流50收回?zé)?，以提供處于合適條件的CO2循環(huán)流體流60以便去除次要組分，以及同時(shí)，在使CO2循環(huán)流體流236再循環(huán)并引入燃燒室中之前，向該已增壓的超臨界CO2循環(huán)流體流70(或85)添加熱。如下面進(jìn)一步描述的，本系統(tǒng)和方法可由傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)(例如，燃煤型發(fā)電廠)翻新以增加其效率和/或輸出。在一些實(shí)施方式中，如下所述的熱交換單元420因此在這種翻新中可被稱為主熱交換單元，其中還使用了次熱交換單元(如圖12所圖解)。次熱交換單元因此可以是例如用于過熱蒸汽流的一個(gè)或多個(gè)熱交換器。采用術(shù)語主熱交換單元和次熱交換單元不應(yīng)被解釋為限定本發(fā)明的范圍，而僅用于提供描述清晰度。在圖8 所包括的實(shí)施方式中，渦輪排出流50通過首先經(jīng)過第一熱交換器430而進(jìn)入熱交換器系列420，以提供流52，其具有比渦輪排出流50溫度低的溫度。第一熱交換器430可被描述為高溫?zé)峤粨Q器，因?yàn)槠湓谠撓盗兄薪邮兆顭岬牧?，即，渦輪排出流50，并因此將在熱交換器系列420中的最高溫度范圍內(nèi)傳熱。如上所述，接收相對(duì)高溫渦輪排出流50的第一熱交換器430可包括用于制備適合耐受所述溫度的熱交換器的特種合金或其他材料。通過經(jīng)過第一熱交換器430 (其還可適用其他實(shí)施方式，其中利用小于三個(gè)或多于三個(gè)單獨(dú)熱交換器)，渦輪排出流50的溫度可被顯著降低。在某些實(shí)施方式中，離開第一熱交換器430的流52的溫度可比渦輪排出流50的溫度低至少約100°C、至少約200°C、至少約300°C、至少約400°C、至少約450°C、至少約500°C、至少約550°C、至少約575°C或至少約600°C。在具體實(shí)施方式
中，流52的溫度可以是約100°C至約800°C、約150°C至約600°C或約200°C至約500°C。在優(yōu)選實(shí)施方式中，離開第一熱交換器430的流52的壓力基本類似于渦輪排出流50的壓力。具體地，離開第一熱交換器430的流52的壓力可以是渦輪排出流50的壓力的至少90%、至少91%、至少92%、至少93%、至少94%、至少95%、至少96%、至少97%、至少98%、至少99%、至少99. 5%或至少99. 8%。使離開第一熱交換器430的流52經(jīng)過第二熱交換器440，產(chǎn)生流56，其溫度小于進(jìn)入第二熱交換器440的流52的溫度。第二熱交換器440可被描述為中間溫度熱交換器，因?yàn)槠湓谥虚g溫度范圍傳熱(即，該范圍小于第一熱交換器430但大于第三熱交換器450)。在一些實(shí)施方式中，第一流52與第二流56之間的溫差可顯著小于渦輪排出流50與離開第一熱交換器430的流52之間的溫差。在一些實(shí)施方式中，離開第二熱交換器440的流56的溫度可比進(jìn)入第二熱交換器440的流56的溫度低約10°C至約200°C、約20°C至約175°C、約30°C至約150°C或約40°C至約140°C。在具體實(shí)施方式
中，流56的溫度可以是約75°C至約600°C、約100°C至約400°C或約100°C至約300°C。再次，可能優(yōu)選的是離開第二熱交換器440的流56的壓力可基本類似于流52進(jìn)入第二熱交換器440的流52的壓力。具體地，離開第二熱交換器440的流56的壓力可以是進(jìn)入第二熱交換器440的流52壓力的至少90%、至少91%、至少92%、至少93%、至少94%、至少95%、至少96%、至少97%、至少98%、至少99%、至少99. 5%或至少99. 8%。使離開第二熱交換器440的流56經(jīng)過第三熱交換器450，產(chǎn)生CO2循環(huán)流體流60，其溫度小于進(jìn)入第三熱交換器450的流56的溫度。第三熱交換器450可被描述為低溫?zé)峤粨Q器，因?yàn)槠湓跓峤粨Q器系列420的最低溫度范圍內(nèi)傳熱。在一些實(shí)施方式中，離開第三熱交換器450的CO2循環(huán)流體流60的溫度可比進(jìn)入第三熱交換器450的流56的溫度低約10°C至約250°C、約15°C至約200°C、約20°C至約175°C或約25°C至約150°C。在具體實(shí)施方式
中，流60的溫度可以是約40°C至約200°C、約40°C至約100°C或約40°C至約90°C。再次，可能優(yōu)選的是離開第三熱交換器450的CO2循環(huán)流體流60的壓力可基本類似于流52進(jìn)入第三熱交換器450的流56的壓力。具體地，離開第三熱交換器450的CO2循環(huán)流體流60的壓力可以是進(jìn)入第三熱交換器450的流56的壓力的至少90%、至少91%、至少92%、至少93%、至少94%、至少95%、至少96%、至少97%、至少98%、至少99%、至少99. 5%或至少99. 8%。離開第三熱交換器450的CO2循環(huán)流體流60 (且因此通常離開熱交換器單元420)可被引入一個(gè)或多個(gè)分離單元520，如上所述。同樣如上所述，該CO2循環(huán)流體流可經(jīng)歷一種或多種類型的分離，以從該流中除去次要組分，所述流然后被增壓以作為再循環(huán)的循環(huán)流體(其任選具有一部分CO2，其被分離出來以進(jìn)入CO2管道或其他隔離或處理裝置，而不會(huì)排放到大氣)返回燃燒室。
返回圖8，已增壓CO2循環(huán)流體流70 (或者如果其首次經(jīng)過分離裝置的話則為85，如圖5所示)可被引導(dǎo)返回經(jīng)過同一系列的三個(gè)熱交換器，以使最初經(jīng)該熱交換器所收回的熱可被用于將熱給予已增壓CO2循環(huán)流體流70 (在其進(jìn)入燃燒室220之前)。通常，經(jīng)過三個(gè)熱交換器(450、440和430)而給予已增壓CO2循環(huán)流體流70的熱可以與如上所述通過該熱交換器收回的熱的量相對(duì)成比例。在某些實(shí)施方式中，本發(fā)明的特征可在于離開和進(jìn)入熱交換器冷端(或系列中的最后一個(gè)熱交換器)的溫差。參考圖8，這具體可涉及流60與70的溫差。所述流在熱交換器冷端處(或系列中的最后一個(gè)熱交換器)的溫差特定地大于零且可以在約2°C至約50°C、約3°C至約40°C、約4°C至約30°C或約5°C至約20°C的范圍。在一些實(shí)施方式中，可使已增壓CO2循環(huán)流體流70直接經(jīng)過串聯(lián)的三個(gè)熱交換器。例如，已增壓CO2循環(huán)流體流70 (即，在相對(duì)低溫下)可經(jīng)過第三熱交換器450而形成溫度增加的流71，可使其直接經(jīng)過第二熱交換器440而形成溫度增加的流73，可使其直接經(jīng)過第一熱交換器430，而形成可被引導(dǎo)至燃燒室220的高溫增壓CO2循環(huán)流體流236。然而，在特定實(shí)施方式中，本發(fā)明特征可在于利用外部熱源進(jìn)一步增加再循環(huán)CO2循環(huán)流體的溫度。例如，如圖8所圖解，在使已增壓CO2循環(huán)流體流70經(jīng)過第三熱交換器450之后，所形成的流71不是直接傳遞到第二熱交換器440，而是使其經(jīng)過分流組件460，其將流71分成兩個(gè)流71b和72a?？墒沽?1b經(jīng)過第二熱交換器440，如上另外所述。可使流72a經(jīng)過側(cè)加熱器470，其可用于將除熱交換器本身所給予的熱之外的額外量的熱給予已增壓CO2循環(huán)流體流70。被引導(dǎo)至第二熱交換器440和側(cè)加熱器470的來自流71的已增壓CO2循環(huán)流體的相對(duì)量取決于工作條件以及用于進(jìn)入燃燒室220的已增壓CO2循環(huán)流體流所期望的最終溫度可變。在某些實(shí)施方式中，引導(dǎo)至第二熱交換器440的流71b與引導(dǎo)至側(cè)加熱器470的流72a中的CO2摩爾比可以是約1:2至約20:1 ( S卩，流71b中的約Imol CO2/流72a中的2mol CO2-流71b中的約20mol CO2/流72a中的Imol CO2)。在另外的實(shí)施方式中，引導(dǎo)至第二熱交換器440的流71b與引導(dǎo)至側(cè)加熱器470的流72a中的CO2摩爾比可以是約1:1至約20: I、約2:1至約16: I、約2:1至約12: I、約2:1至約10: I、約2:1至約8:1或約4:1至約6:1。側(cè)加熱器可包括用于將熱給予CO2循環(huán)流體的任何裝置。在一些實(shí)施方式中，由側(cè)加熱器提供的能量(即，熱)可從外部來源輸入系統(tǒng)中。然而，在根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中，通過利用循環(huán)中一個(gè)或多個(gè)位置處產(chǎn)生的廢熱能夠增加循環(huán)的效率。例如，用于輸入燃燒室中的O2的產(chǎn)生能產(chǎn)生熱。已知的空氣分離單元能產(chǎn)生作為分離過程的副產(chǎn)物的熱。此外，在增加的壓力下提供O2能夠是有用的，諸如上所述，而且氣體的這種增壓還能產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的 熱。例如，O2可通過操作低溫空氣分離過程而產(chǎn)生，其中通過泵送已被有效加熱至保持冷藏的環(huán)境溫度的液態(tài)氧，使氧在該過程被增壓。這種低溫泵送氧工廠可具有兩個(gè)空氣壓縮機(jī)，二者均能絕熱操作，無需中間階段的冷卻，以使熱的增壓空氣可被冷卻到接近和/或大于通過外部來源加熱的流的溫度(例如，圖8中的流72a)。在已知技術(shù)設(shè)置中，這種熱未被利用，或者其實(shí)際上可能是對(duì)系統(tǒng)的消耗，因?yàn)橐蟠卫鋮s系統(tǒng)要消除副產(chǎn)物熱。然而，在本發(fā)明中，可使用冷卻劑來收回從空氣分離過程所產(chǎn)生的熱并將該熱供應(yīng)至圖8所圖解的側(cè)加熱器。在其他實(shí)施方式中，側(cè)加熱器本身可以是空氣分離單元(或相關(guān)的設(shè)備)，而CO2循環(huán)流體(例如，圖8中的流72a)本身可以直接循環(huán)經(jīng)過空氣分離單元上的或與其相連的冷卻劑系統(tǒng)，以便收回在空氣分離過程中產(chǎn)生的熱。更具體而言，所添加的熱可通過絕熱操作CO2壓縮機(jī)并在后冷卻器中靠循環(huán)傳熱流體(該循環(huán)傳熱流體傳遞壓縮熱來加熱部分高壓CO2循環(huán)流體)除去壓縮熱來獲得，或者通過直接傳熱至高壓再循環(huán)CO2循環(huán)流體流來獲得(例如，圖8中的流72a)。此外，這種熱的添加不必局限于關(guān)于圖8所述的位置，但是可以在分離次要組分與CO2循環(huán)流體之后的任何位置被輸入循環(huán)中(但是優(yōu)選在CO2循環(huán)流體從進(jìn)入燃燒室的輸入的上游直接經(jīng)過熱交換器之前)。當(dāng)然，任何類似的利用發(fā)電循環(huán)中所產(chǎn)生的廢物的方法也將被本公開包括，諸如利用合適冷凝溫度下的流供應(yīng)或者來自傳統(tǒng)開路循環(huán)氣體渦輪的熱排氣。側(cè)加熱器470所給予的熱量取決于所用的物質(zhì)和裝置以及用于進(jìn)入燃燒室220的CO2循環(huán)流體流236所達(dá)到的最終溫度而變。在一些實(shí)施方式中，側(cè)加熱器470將流72a的溫度有效地增加至少約10°C、至少約20°C、至少約30°C、至少約40°C、至少約50°C、至少約60°C、至少約70°C、至少約80°C、至少約90°C或至少約100°C。在其他實(shí)施方式中，側(cè)加熱器470將流72a的溫度有效地增加約10°C至約200°C、約50°C至約175°C或約75°C至約150°C。在具體實(shí)施方式
中，側(cè)加熱器470將流72a的溫度增加到離開熱交換器440的流73的溫度的至少約15°C內(nèi)、至少約12°C內(nèi)、至少約10°C內(nèi)、至少約7°C或至少約5°C內(nèi)。通過其他熱源的這種添加，離開第三熱交換器450的流71可被過熱，從而超出如果流中的全部量的CO2被弓I導(dǎo)經(jīng)過第二熱交換器440時(shí)第二熱交換器440中加熱流71的可用熱的能力。通過使該流分離，第二熱交換器440中可用的熱可被全部給予流71b中的部分含量的CO2循環(huán)流體，而來自側(cè)加熱器470的熱可被全部給予流72a中的部分含量的CO2循環(huán)流體。因此，可見當(dāng)利用可選的分流法時(shí)，進(jìn)入第一熱交換器430的合并流的溫度可大于當(dāng)流71中的全部量的CO2循環(huán)流體被弓I導(dǎo)至第二熱交換器440而不是如上所述被分流且單獨(dú)加熱時(shí)離開第二熱交換器440的流73的溫度。在一些實(shí)施方式中，通過分流法獲得的增加的熱可以是顯著的，足以限定CO2循環(huán)流體流236在進(jìn)入燃燒室之前是否被充分加熱。如在圖8中所見，使離開分流器460的流71b經(jīng)過第二熱交換器440而形成流73，將其引導(dǎo)至混合器480，該混合器含有流73以及從側(cè)加熱器470.排出的流72b。然后使合并流74經(jīng)過第一熱交換器430以將CO2循環(huán)流體加熱至基本接近進(jìn)入第一熱交換器430時(shí)的渦輪排出流的溫度。與第一熱交換器熱端處的流體流溫度的這種接近可適用利用少于三個(gè)或多個(gè)三個(gè)熱交換器的本發(fā)明的其他實(shí)施方式，且可適用CO2循環(huán)流體自渦輪排出之后經(jīng)過其中的第一熱交換器。實(shí)現(xiàn)與第一熱交換器熱端處的流體流溫度的這種接近的能力可以是本發(fā)明達(dá)到期望的效率水平的關(guān)鍵特征。在某些實(shí)施方式中，從渦輪有序進(jìn)入第一熱交換器的渦輪排出流的溫度(即，在渦輪中膨脹之后)與離開熱交換器用于再循環(huán)到燃燒室中的CO2循環(huán)流體流的溫度之差可小于約80°C、小于約75°C、小于約70°C、小于約65 °C、小于約60 V、小于約55 °C、小于約50 V、小于約45 V、小于約40 V、小于約35 °C、小于約30°C、小于約25°C、小于約20°C或小于約15°C。如從上述可見，通過精確控制熱交換器420熱端(或者，圖8圖解的系列中的第一熱交換器430)處渦輪排出流50與再循環(huán)CO2循環(huán)流體流236之間的溫差，可極大促進(jìn)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的效率。在優(yōu)選實(shí)施方式中，該溫差小于50°C。盡管不希望被理論束縛，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明，用于加熱再循環(huán)CO2循環(huán)流體可用的熱(例如，在一個(gè)或多個(gè)熱交換器中從渦輪排出流收回的熱)可能不適于充分加熱再循環(huán)CO2循環(huán)流體的總流。本發(fā)明已經(jīng)意識(shí)到，這可通過分開流71，以使流71b進(jìn)入熱交換器440而流72a進(jìn)入外部熱源470來克服，該外部熱源470提供額外的外部熱來源，其將離開外部熱源470的流72b的溫度升高至基本接近離開熱交換器440的流73的溫度，如已經(jīng)在上面所述。流72b和73然后合并形成流74。通過流熱交換器440冷端處的溫差可控制71b (以及還有流72a)的流速。 克服上述熱不適性所需的外部熱的量可通過使流56的溫度盡可能低然后最小化熱交換器440冷端溫差而被最小化。存在于流56中的產(chǎn)生自燃燒產(chǎn)物的水蒸氣在取決于流56的組成及其壓力的溫度下達(dá)到其露點(diǎn)。在該溫度之下，水的冷凝大大增加流56到流60的mCp，且提供加熱總循環(huán)流70至流71所需的全部熱。離開熱交換器440的流56的溫度優(yōu)選可在流56的露點(diǎn)的約5°C之內(nèi)。在熱交換器440冷端處流56與71之間的溫差優(yōu)選可以是至少約3°C、至少約6°C、至少約9°C、至少約12°C、至少約15°C、至少約18°C或至少約20°C。返回圖5，CO2循環(huán)流體236在被再循環(huán)到燃燒室220之前被預(yù)熱，諸如關(guān)于至少一個(gè)熱交換器420所述，該至少一個(gè)熱交換器420接收經(jīng)過膨脹渦輪320的熱渦輪排出流50。為最大化該循環(huán)的效率，能夠有用的是，在盡可能與熱氣體入口路徑以及高度受壓渦輪片的可用構(gòu)造材料一致的高入口溫度下以及與系統(tǒng)操作壓力一致的熱交換器420所允許的最大溫度下操作膨脹渦輪320。渦輪入口流的熱入口路徑以及第一排渦輪葉片可通過任何有用的裝置冷卻。在一些實(shí)施方式中，通過利用部分高壓再循環(huán)CO2循環(huán)流體可最大化效率。具體地，低溫CO2循環(huán)流體(例如，在約50°C至約200°C范圍內(nèi))可在熱交換器420的冷端之前從循環(huán)中收回，或者當(dāng)利用一系列多個(gè)熱交換器單元時(shí)從熱交換器420中的中間位置收回(例如，從圖8中的流71、72a、71b、72b、73或74)。葉片冷卻流體可從渦輪葉片的孔中排出并被之間輸入渦輪流中。高效燃燒器的操作，諸如本文所述的蒸發(fā)冷卻燃燒室，能產(chǎn)生為含有過量氧濃度(諸如在約O. 1%至約5mol%范圍內(nèi))的氧化氣體的燃燒氣體。可選地，燃燒室能產(chǎn)生為含有一定濃度的一種或多種H2、C0、CH4、H2S和NH3的還原氣體的燃燒氣體。這是特別有利的，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明，利用僅具有一個(gè)渦輪單元或一系列渦輪單元(例如，2、3或更多單元)的動(dòng)力渦輪成為可能。有利的是，在利用一系列渦輪的特定實(shí)施方式中，所有單元能在相同的入口溫度下操作，而且這對(duì)于給定的第一渦輪進(jìn)料壓力和總壓力比可允許動(dòng)力輸出最大化。利用還原模式中串聯(lián)操作的兩個(gè)渦輪330、340的渦輪單元320的一個(gè)實(shí)例示于圖9中。如在該圖中所見，燃燒產(chǎn)物流40被引導(dǎo)至第一渦輪330。在這些實(shí)施方式中，燃燒產(chǎn)物流40被設(shè)計(jì)(例如，通過控制所用的燃料、所用的O2的量以及燃燒室的操作條件)成其中含一種或多種可燃組分的還原氣體，如上所述。燃燒產(chǎn)物流40經(jīng)第一渦輪330膨脹而發(fā)電(諸如與發(fā)電機(jī)相連，在該圖解中未顯示)并形成第一排出流42。在引入第二渦輪340中之前，可將預(yù)定量的O2加至第一渦輪排出流42，以燃燒第一渦輪排出流42中存在的可燃組分。這留下過量氧，同時(shí)將第二渦輪單元340的入口溫度升至與第一渦輪單元330的入口溫度基本相同的值。例如，來自第一渦輪單元330的排出流42的溫度可在約500°C至約1，000°C的范圍內(nèi)。當(dāng)在還原模式時(shí)，在該溫度下添加O2至排出流42可使流中的氣體通過過量燃料的燃燒而被加熱至約700°C至約1，600°C范圍內(nèi)的溫度，其與離開燃燒室220進(jìn)入進(jìn)入第一渦輪單元330的燃燒產(chǎn)物流40的溫度范圍基本相同。換言之，在兩個(gè)渦輪每一個(gè)的入口處，操作溫度基本相同。在具體實(shí)施方式
中，渦輪入口處操作溫度的差異不超過約10%、不超過約9%、不超過約8%、不超過約7%或不超過約6%、不超過約5%、不超過約4%、不超過約3%、不超過約2%或不超過約1%。在殘留燃料剩余的意義上，還可實(shí)施其他渦輪單元的類似再加熱步驟。如果需要，通過在輸氧燃燒空間利用合適的催化劑，可增強(qiáng)燃燒。在某實(shí)施方式中，如本文所述的動(dòng)力循環(huán)可用于改進(jìn)翻新現(xiàn)有的發(fā)電設(shè)備，諸如通過向傳統(tǒng)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備的蒸汽過熱循環(huán)引入高壓、高溫加熱流體(例如，本文所述 的渦輪排出流)。其可以是燃煤型或核發(fā)電設(shè)備，其具有沸水反應(yīng)堆(BWR)或壓水反應(yīng)堆(PWR)熱循環(huán)。通過將蒸汽過熱至相比現(xiàn)有系統(tǒng)中產(chǎn)生的過熱蒸汽的最大溫度高得多的溫度，這有效增加蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備的效率和動(dòng)力輸出。在煤粉燃燒鍋爐的情況中，蒸汽溫度目前可達(dá)約600°C，而核發(fā)電設(shè)備的蒸汽條件一般至多約320°C。利用在本發(fā)明系統(tǒng)和方法中可能伴隨熱交換的過熱，蒸汽溫度可被升至高于700°C。這導(dǎo)致熱能直接轉(zhuǎn)化為額外的軸功率，因?yàn)槿紵拐羝^熱的額外燃料被轉(zhuǎn)化為蒸汽基發(fā)電設(shè)備中額外的動(dòng)力，而不會(huì)增加濃縮蒸汽的量。這可通過提供次熱交換單元來實(shí)現(xiàn)。例如，關(guān)于本發(fā)明方法和系統(tǒng)所述的渦輪排出流在經(jīng)過主熱交換單元之前可被引導(dǎo)經(jīng)過次熱交換單元，如本文另外所述。次熱交換單元中所獲得的熱可用于過熱來自鍋爐的蒸汽，如上所述。過熱的蒸汽可被引導(dǎo)至一個(gè)或多個(gè)渦輪以發(fā)電。經(jīng)過次熱交換單元之后的渦輪排出流然后可被引導(dǎo)至主熱交換單元，如本文另外所述。此類系統(tǒng)和方法描述于實(shí)施例2中且在圖12中圖解。另外，能夠從最后的蒸汽渦輪入口獲取低壓蒸汽并利用其來加熱部分再循環(huán)CO2循環(huán)流體，如上所述。在具體實(shí)施方式
中，來自蒸汽發(fā)電設(shè)備的冷凝物在脫氣之前可利用CO2循環(huán)流體流被加熱至中間溫度，該CO2循環(huán)流體流離開熱交換器單元的冷端(例如，在一些實(shí)施方式中，處于約80°C的溫度)。這種加熱通常利用取自最后的LP蒸汽渦輪階段入口的流出蒸汽(bleedsteam)，這樣目前側(cè)流加熱的缺乏對(duì)蒸汽發(fā)電設(shè)備的凈影響通過預(yù)熱保存流出蒸汽的冷凝物來補(bǔ)償。上述概述發(fā)電方法(即，動(dòng)力循環(huán))可按照本發(fā)明利用如本文所述的合適的發(fā)電系統(tǒng)來實(shí)施。一般而言，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)可包括本文所述的與發(fā)電方法相關(guān)的任意組件。例如，發(fā)電系統(tǒng)可包括在O2和CO2循環(huán)流體存在下燃燒含碳燃料的燃燒室。然而，具體地，燃燒室可以是如本文所述的蒸發(fā)冷卻燃燒室；還可以使用能夠在本文另外所述條件下操作的燃燒室。特定地，燃燒室的特征可在于與其操作的燃燒條件以及燃燒室本身的具體組件有關(guān)。在一些實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)用于提供含碳燃料(和任選的流化介質(zhì))、O2和CO2循環(huán)流體的注射器。該系統(tǒng)可包括用于除去液態(tài)渣的組件。燃燒室在固體灰分顆?？杀粡臍怏w中有效過濾的溫度下產(chǎn)生燃料氣體，而且該氣體可與淬火CO2混合并在第二燃燒室中燃燒。燃燒室可包括至少一個(gè)燃燒階段，其在CO2循環(huán)流體存在下燃燒含碳燃料，以在如本文所述的壓力和溫度下提供包含CO2的燃燒產(chǎn)物流。該系統(tǒng)還可包括與燃燒室流體連通的發(fā)電渦輪。該渦輪可具有用于接收燃燒產(chǎn)物流的入口和用于釋放含CO2的渦輪排出流的出口。隨著流體流膨脹，可發(fā)電，渦輪被設(shè)計(jì)為使流體保持在期望的壓力比(IP/0P)，如本文所述。該系統(tǒng)還包括至少一個(gè)與渦輪流體連通的熱交換器，用于接收渦輪排出流并使該流冷卻而形成冷卻的CO2循環(huán)流體流。同樣，所述至少一個(gè)熱交換器可用于加熱杯輸入燃燒室中的CO2循環(huán)流體。特別地，熱交換器的特征可在于構(gòu)造其的材料，其允許在特定條件下操作，如本文所述。該系統(tǒng)還可包括一個(gè)或多個(gè)用于將離開熱交換器的CO2循環(huán)流體流分成CO2和一個(gè)或多個(gè)用于回收或處理的其他組分的設(shè)備。具體地，該系統(tǒng)包括用于從CO2循環(huán)流體流分離水(或本文所述的其他在雜質(zhì))的裝置。
該系統(tǒng)還可包括一個(gè)或多個(gè)與所述至少一個(gè)熱交換器流體連通(和/或與一個(gè)或多個(gè)分離設(shè)備流體連通)、用于壓縮已凈化CO2循環(huán)流體的設(shè)備(例如，壓縮機(jī))。此外，該系統(tǒng)可包括用于將CO2循環(huán)流體分成兩個(gè)流的裝置，一個(gè)流用防御經(jīng)過熱交換器并進(jìn)入燃燒室中，而第二流用于輸送到增壓管道中(或其他裝置，以隔離和/或處理CO2)。在一些實(shí)施方式中，甚至更多的組件可包括在該系統(tǒng)中。例如，該系統(tǒng)可包括O2分離單元，用于輸送O2到燃燒室中(或者到注射器或類似設(shè)備中，用于混合O2與一種或多種其他物質(zhì))。在一些實(shí)施方式中，空氣分離單元可產(chǎn)生熱。因此，系統(tǒng)還包括一個(gè)或多個(gè)傳熱部件能夠是有用的，所述傳熱部件將來自空氣分離單元的熱傳遞至燃燒室上游的CO2循環(huán)流體流。在另外的實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可包括本文另外所述的關(guān)于發(fā)電循環(huán)和發(fā)電方法的任意和全部組件。在另外的實(shí)施方式中，本發(fā)明包括特別用于利用在燃燒時(shí)留下不燃性殘留物的燃料(諸如煤)而發(fā)電的系統(tǒng)和方法。在某些實(shí)施方式中，此種不燃性物質(zhì)通過利用合適的裝置可從燃燒產(chǎn)物流中除去，諸如圖4所圖解的污染物去除裝置。然而，在其他實(shí)施方式中，通過利用多燃燒室系統(tǒng)和方法處理不燃性物質(zhì)能夠是有用的，如在圖10中所圖解的。如圖10所示，可使煤燃料254經(jīng)過磨機(jī)裝置900以提供粉煤。在其他實(shí)施方式中，煤燃料254可在顆粒化條件下供應(yīng)。在具體實(shí)施方式
中，該煤可具有約10 μ m至約500 μ m、約25 μ m至約400 μ m或約50 μ m至約200 μ m的平均粒度。在其他實(shí)施方式中，煤可被描述為大于 50%、60%、70%、80%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99% 或 99. 5% 的煤顆粒具有小于約 500 μ m、450 μ m、400 μ m、350 μ m、300 μ m、250 μ m、200 μ m、150 μ m 或 100 μ m的平均尺寸。粉煤鱷魚流化物質(zhì)混合，以提供漿液形式的煤。在圖10中，粉煤在混合器910中與來自再循環(huán)CO2循環(huán)流體的CO2側(cè)餾分68組合。在圖10中，CO2側(cè)餾分68取自流67，其已經(jīng)經(jīng)歷過要提供超臨界、高密度態(tài)的CO2循環(huán)流體的處理。在具體實(shí)施方式
中，用于形成煤衆(zhòng)液的CO2可具有約450kg/m3至約1，100kg/m3的密度。更具體而言，CO2側(cè)懼分68可與粒狀煤相結(jié)合而形成漿液255，其含有例如約10wt%至約75wt%或約25wt%至約55wt%的粒狀煤。此外，來自用于形成漿液的側(cè)餾分68的CO2可處于小于約0°C、小于約-10°C、小于約-20°C或小于約_30°C的溫度。在另外的實(shí)施方式中，來自用于形成漿液的側(cè)餾分68的的CO2可處于約(TC至約-60°C、約-10°C至約-50°C或約-18°C至約_40°C的溫度。
將粉煤/CO2漿液255從混合器910經(jīng)泵920被轉(zhuǎn)移到部分氧化燃燒室930。利用空氣分離單元30形成O2流，該空氣分離單元將空氣241分成凈化02，如本文所述。該O2流被分流成被引導(dǎo)至部分氧化燃燒室930的O2流243以及被引導(dǎo)至部分氧化燃燒室220的O2流242。在圖10的實(shí)施方式中，0)2流86取自再循環(huán)CO2循環(huán)流體流85，用于冷卻部分氧化燃燒室930。在另外的實(shí)施方式中，用于冷卻部分氧化燃燒室930的CO2可取自流236而不是流86，或者該CO2可取自流86和流236。優(yōu)選地，所取的CO2的量足以冷卻流256的溫度，使得灰分以可被安全去除的固體形式存在。如本文另外所述，CO2、煤和02按下述比例供應(yīng)至部分氧化燃燒室930，該比例使得煤僅被部分氧化而產(chǎn)生部分氧化的燃燒產(chǎn)物流256，其包含CO2連同H2、C0、CH4、H2S和NH3中的一種或多種。CO2、煤和O2也以必需的比例被引入部分氧化燃燒室930中，使得部分氧化燃燒產(chǎn)物流256的溫度足夠低，以致該流256中存在的所有灰分處于能夠被一個(gè)或多個(gè)旋風(fēng)分離器和/或過濾器容易去除的固體顆粒形式。圖10的實(shí)施方式圖解了經(jīng)由濾器940的灰分去除。在具體實(shí)施方式
中，部分氧化燃燒流256的溫度可以小于約1，100°C、小于約1，000°C、小于約900°C、小于約800°C或小于約700°C。在另外的實(shí)施方式中，部分氧化燃燒流256的溫度可以是約300 °C至約I，000 V、約400 V至約 950°C或約 500°C至約 900°C。
經(jīng)過濾的部分氧化燃燒流流257可被直接輸入第二壓縮機(jī)220中，其可以是蒸發(fā)冷卻燃燒室，如本文另外所述。該輸入連同O2流242和再循環(huán)CO2循環(huán)流體流236 —起供應(yīng)。在該位置的燃燒可如本文另外所述類似進(jìn)行。部分氧化燃燒流256中的可燃物質(zhì)在O2和CO2存在下在燃燒室220中燃燒，產(chǎn)生燃燒流40。使該流經(jīng)過渦輪320膨脹而發(fā)電(例如，經(jīng)發(fā)電機(jī)1209)。使渦輪排出流50經(jīng)過熱交換器單元420 (其可以是一系列熱交換器，諸如關(guān)于圖8所述)。使CO2循環(huán)流體流60經(jīng)過冷水熱交換器530形成流61，將其傳遞至分離器540，以去除流62中的次要組分(例如，H20、SO2, SO4, N02、NO3和Hg)。分離器540可基本類似于下面關(guān)于圖12所述的柱1330。優(yōu)選地，分離器540包括反應(yīng)器，其提供具有足夠停留時(shí)間的接觸器，使得雜質(zhì)能與水反應(yīng)形成易于去除的物質(zhì)(例如，酸)。使已凈化的CO2循環(huán)流體流65經(jīng)過第一壓縮機(jī)630而形成流66，使其用冷水熱交換器640冷卻，以提供超臨界、高密度CO2循環(huán)流體67。如上所述，一部分流67可作為流68被收回用作混合器910中的流化介質(zhì)，以形成煤漿液流255.。所述超臨界、高密度CO2循環(huán)流體流67另外被進(jìn)一步在壓縮機(jī)650中增壓，以形成增壓、超臨界、高密度CO2循環(huán)流體流70。流70中的一部分CO2可在位置720被收回，如本文關(guān)于圖5和圖11所述，以將流80供應(yīng)至CO2管道或其他隔離裝置。剩余部分的CO2作為增壓、超臨界、高密度CO2循環(huán)流體流85繼續(xù)進(jìn)行，其中的一部分可作為流86收回,用于冷卻部分氧化燃燒室930，如上所述。另外,使流85返回經(jīng)過熱交換器420 (或系列熱交換器，如關(guān)于圖8所述)，以加熱該流并最終形成用于輸入至燃燒室220的再循環(huán)CO2循環(huán)流體流236。如上所述，外部熱源可與熱交換器單元420結(jié)合使用，以提供必要的效率。同樣，如本文另外所述的其他系統(tǒng)和方法參數(shù)可應(yīng)用于根據(jù)圖10所述的系統(tǒng)和方法，諸如流溫度和壓力，以及渦輪單元320、熱交換器單元420、分離單元520和壓縮機(jī)單元630的從其他操作條件。實(shí)施例實(shí)驗(yàn)下面關(guān)于具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。所述實(shí)施例被提供以闡述本發(fā)明的某些實(shí)施方式且不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明。實(shí)施例I利用再循環(huán)CO2循環(huán)流體借助甲烷燃燒的發(fā)電的系統(tǒng)和方法根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的一個(gè)具體實(shí)施例在圖11中圖解。下面的描述針對(duì)具體條件下的具體循環(huán)利用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行描述。在該模型中，使溫度為134°C且壓力為30. 5MPa的甲烷(CH4)燃料流254與再循環(huán)CO2循環(huán)流體流236在860°C的溫度和30. 3MPa的壓力(且因此其處于超臨界流體態(tài))下在混合器252中結(jié)合，然后引入蒸發(fā)冷卻燃燒室220。空氣分離單元30用于提供溫度為105°C且壓力為30. 5MPa的濃縮O2 242。該空氣分離單元還產(chǎn)生熱(Q)，該熱被轉(zhuǎn)移用在過程中。O2 242在燃燒室220中與甲烷燃料流254和CO2循環(huán)流體236結(jié)合，燃燒在該燃燒室中發(fā)生，提供溫度為11891且壓力為3010^的燃燒產(chǎn)物流40。C02、02和甲烷以約35:2:1的摩爾比供應(yīng)(即，I bmol / hr -每小時(shí)磅摩爾數(shù))。在該實(shí)施方式中的燃燒利用比率為344, 935Btu / hr (363，932kJ / hr)的能量輸入。
燃燒產(chǎn)物流40經(jīng)320膨脹，產(chǎn)生885°C的溫度和5MPa的壓力下的渦輪排出流50 (渦輪排出流50中CO2的處于氣態(tài))。燃燒產(chǎn)物流40經(jīng)過渦輪320的膨脹以83. 5千瓦/小時(shí)(kW / hr)的比率發(fā)電。然后，使渦輪排出流50經(jīng)過一系列三個(gè)熱交換器，以連續(xù)冷卻該流，以除去次要組分。經(jīng)過第一熱交換器430產(chǎn)生溫度為237°C且壓力為5MPa的流52。使流52經(jīng)過第二熱交換器440，產(chǎn)生溫度為123°C且壓力為5MPa的流56。使流56經(jīng)過第三熱交換器450，產(chǎn)生溫度為80°C且壓力為5MPa的流60。在使再循環(huán)CO2循環(huán)流體經(jīng)過洗禮熱交換器之后，通過經(jīng)過冷水熱交換器530，使流60被更進(jìn)一步冷卻。使溫度為24°C的水(C)循環(huán)經(jīng)過冷水熱交換器530，以將CO2循環(huán)流體流60冷卻至溫度為27°C，并因此使使CO2循環(huán)流體流存在的任意水冷凝。然后使冷卻的CO2循環(huán)流體流61經(jīng)過分離單元540，使得液態(tài)水作為流62a被移走并排出。將“干燥的” CO2循環(huán)流體流65在34°C的溫度和3MPa的壓力從水分離單元540排出。接下來，使干燥的CO2循環(huán)流體流65 (其仍處于液態(tài))以兩步增壓方案經(jīng)過第一壓縮單元630。CO2循環(huán)流體流被增壓至8MPa，這同樣將CO2循環(huán)流體流的溫度升至78°C。這需要5.22kW / hr的功率輸入。然后使該超臨界流體CO2循環(huán)流體流66經(jīng)過第二冷水熱交換器640，在那里所述超臨界流體CO2循環(huán)流體流66用溫度為24°C的水冷卻，產(chǎn)生溫度為27V、壓力為8MPa以及密度為762kg/m3的冷卻超臨界流體CO2循環(huán)流體流67。然后使該流經(jīng)過第二壓縮單元650，形成溫度為69°C且壓力為30. 5MPa的已增壓CO2循環(huán)流體流70。這需要8. 23kW / hr的功率輸入。使該流經(jīng)過管道分流器720，藉此將I lbmol CO2經(jīng)流80引導(dǎo)至增加管道，以及34. I lbmol CO2作為流85引導(dǎo)返回經(jīng)過三個(gè)熱交換器的系列，以在進(jìn)入燃燒室220之前再加熱CO2循環(huán)流體流。使已增壓CO2循環(huán)流體流85經(jīng)過第三熱交換器450，形成溫度為114°C且壓力為30. 5MPa的流71。使流71經(jīng)分流器460，使得27. 3IbmoI的CO2作為流71b被引導(dǎo)至第二熱交換器440，而6. 8IbmoI的CO2在流72a中被引導(dǎo)經(jīng)過側(cè)加熱器470。流71b和流72a各具有114°C的溫度和30. 5MPa的壓力。側(cè)加熱器470利用來自分離單元30的熱(Q)，以向CO2循環(huán)流體流提供額外的熱。流71b經(jīng)過第二熱交換器440產(chǎn)生溫度為224°C且壓力為30. 5MPa的流73。流72a經(jīng)過側(cè)加熱器470形成流72b，其同樣處于224°C的溫度和30. 4MPa的壓力。流73和72b在混合器480中合并而形成溫度為224°C且壓力為30. 3MPa的流74。然后使流74經(jīng)過第一熱交換器430，以提供溫度為860°C且壓力為30. OMPa的再循環(huán)CO2循環(huán)流體流236，用于輸入返回燃燒室220中。如上所述，基于所產(chǎn)生的能量相比甲烷燃料的LHV和輸入該系統(tǒng)中的額外的能量，計(jì)算上述模擬循環(huán)的效率。在模擬條件下，獲得約53. 9%的效率。這是特別驚人的，因?yàn)樵诜乐谷魏蜟O2 (特別是來自含碳燃料燃燒產(chǎn)生的任意CO2)的大氣排放的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)如此優(yōu)良的效率。實(shí)施例2利用再循環(huán)CO2循環(huán)流體借助粉煤發(fā)電設(shè)備翻新發(fā)電的系統(tǒng)和方法根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的另一具體實(shí)施例在圖12中圖解。下面的描述針對(duì)具體條件下的具體循環(huán)利用數(shù)學(xué)模擬對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行描述。在該模型中，闡述了針對(duì)傳統(tǒng)粉煤燃煤型發(fā)電設(shè)備如翻新如本文所述的系統(tǒng)和方法的能力。 將壓力為30. 5MPa的O2流1056連同壓力為30. 5MPa的含碳燃料1055(例如，通過部分氧化闡述的煤衍生的氣體)和壓力為30. 5MPa的CO2循環(huán)流體流1053引入蒸發(fā)冷卻燃燒室220中。該O2可從能夠產(chǎn)生熱(Q)的空氣分離器或類似設(shè)備收到，所述熱可被轉(zhuǎn)移用于系統(tǒng)中，諸如產(chǎn)生用于膨脹的蒸汽或?qū)崽砑又晾鋮s的CO2循環(huán)流體流。燃料在燃燒室220中的燃燒產(chǎn)生溫度為1，150°C且壓力為30. OMPa的燃燒產(chǎn)物流1054。使該流經(jīng)渦輪320(其提出可被稱為主發(fā)電渦輪)膨脹，從而通過驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)1209而發(fā)電。將溫度為775°C且壓力為3. OMPa的膨脹渦輪排出流1001引入熱交換器1100的熱端，在那里來自渦輪排出流1001的熱被用于過熱傳統(tǒng)粉狀燃煤發(fā)電設(shè)備1800中產(chǎn)生的高壓蒸汽流1031和中間壓力蒸汽流1032。鍋爐給水1810和煤1810被輸入發(fā)電設(shè)備1800，以通過煤1810的燃燒產(chǎn)生蒸汽流1031和1032。熱交換器中的傳熱將蒸汽流1031和1032從約550°C的溫度 過熱至約750°C的溫度，形成蒸汽流1033和1034，其被返回至如下所示的發(fā)電設(shè)備。該方法獲得非常高的蒸汽溫度，而無需在接近大氣下燃燒煤的傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的大蒸汽鍋爐中使用的昂貴的高溫合金。蒸汽流1033和1034在驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)1210的三階段渦輪1200(其通常被稱為次要發(fā)電渦輪)中膨脹。離開渦輪1200的蒸汽1035在冷凝器1220中冷凝。將已處理的冷凝物1036利用給水泵1230泵至高壓，然后蒸發(fā)并在燃煤型鍋爐1800中過熱，以排放到熱交換器1100中，如上所述。該系統(tǒng)用于增加功率輸出和現(xiàn)有燃煤型發(fā)電設(shè)備的效率。擴(kuò)散粘結(jié)型緊湊板式熱交換器，其在高溫材料(諸如上述合金之一)制造的板中具有化學(xué)銑制的散熱片熱交換器100是Heatric型粘結(jié)型板式熱交換器，其具有典型用高溫高鎳含量合金諸如617合金構(gòu)造的化學(xué)銑制的通道，所述換熱器能夠處理高壓和高溫，允許顯著的蒸汽過熱及在氧化條件下的操作。該熱交換器是高效傳熱單元，對(duì)所有流體都具有高傳熱系數(shù)。圖12中圖解的剩余部分的系統(tǒng)和方法的結(jié)構(gòu)和操作類似于本文另外所述的系統(tǒng)和方法。具體地，膨脹渦輪排出流1001在熱交換器1100冷卻，并作為排出流1037離開熱交換器1100的冷端，該排出流溫度為575°C。然后使該流1037經(jīng)過第二熱交換器1300，在那里其被冷卻至90°C的溫度和2. 9MPa的壓力，形成流1038。該流在第三熱交換器1310中依靠來自發(fā)電設(shè)備冷凝器1230的一部分冷凝物1057被進(jìn)一步冷卻至40°C的溫度，形成流1039，其依靠冷水熱交換器1320中的冷卻水被進(jìn)一步冷卻至27°C的溫度，形成壓力
2.87MPa為的流1040。熱交換器1300可以是Heatric 310不銹鋼擴(kuò)散粘結(jié)單元。將30°C的冷卻流1040進(jìn)料至填充柱1330的底部，該填充柱裝備有循環(huán)泵1340，其用于提供逆流弱酸循環(huán)系統(tǒng)，在進(jìn)氣與滌氣弱酸之間產(chǎn)生逆流接觸。SO2、SO3、NO和NO2被轉(zhuǎn)化為HNO3和H2SO4并連同冷凝水和任何其他水溶性組分一起被液體吸收。將來自柱1330的凈液體產(chǎn)物在管道中1042移走，使壓力降至大氣壓，并進(jìn)入分離器1360。溶解的0)2在管道1043中閃蒸并利用泵1350壓縮至2. 85MPa的壓力，作為流1044流出并加入離開柱1330頂部的流1045。這些合并的流形成將被再循環(huán)回到燃燒室中的CO2循環(huán)流體。水中的稀釋的H2SO4和HNO3作為流1046從分離器1360的底部離開。濃度取決于燃料組成以及接觸柱1330中的溫度。注意硝酸優(yōu)選存在于酸流1046中，因?yàn)橄跛釙?huì)與所存在的任何汞反應(yīng)并將該雜質(zhì)完全除去。
進(jìn)入壓縮機(jī)1380中的循環(huán)CO2循環(huán)流體流首先在干燥劑干燥器中被干燥至約-60°C的露點(diǎn)，然后利用低溫分離方案進(jìn)行凈化以去除02、N2和Ar，諸如歐洲專利申請(qǐng)EP1952874 Al中所示，該專利通過參考并入本文。將在8. 5MPa的壓力下離開壓縮機(jī)1380的壓縮、再循環(huán)CO2循環(huán)流體流1047依靠冷水熱交換器1370中的27°C的冷卻水冷卻，形成密集的超臨界CO2流體流1048，其在泵1390中被泵至30. 5MPa的壓力和74°C的溫度，形成高壓、再循環(huán)CO2循環(huán)流體流1050。一部分CO2作為CO2產(chǎn)物流1049從流1050中去除，以進(jìn)行隔離或其他處理，而沒有向大氣排放。在該實(shí)施方式中，將該CO2產(chǎn)物流1049壓力降低至約20MPa的所需管道壓力并使其遞送到CO2管道中。剩余部分的高壓再循環(huán)CO2循環(huán)流體流(此刻為流1051)進(jìn)入熱交換器1300的冷端。該流是74°C的密集超臨界流體，其必須接收大量的低位熱，以使其轉(zhuǎn)化為在溫度237°C具有低得多的比熱的流體。在該實(shí)施方式中，這種低位熱通過O. 65MPa壓力下的LP蒸汽流1052以及來自供應(yīng)02流1056的低溫氧廠中的空氣壓縮機(jī)的絕熱壓縮熱來提供，該LP蒸汽流取自進(jìn)入傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的低壓蒸汽渦輪的蒸汽流。低壓蒸汽作為流1301離開熱交換器1300。任選地,全部的熱可通過利用壓力多達(dá)3. 8MPa的、來自燃煤型發(fā)電設(shè)備的多個(gè)可用蒸汽流來提供。該能量還可從空氣分離單元形成的熱(Q)來提供，如上所述。對(duì)部分再循環(huán)CO2流的這種側(cè)流加熱提供了在熱交換器1300冷端處所需的大部分熱，并允許在熱交換器1300的熱端僅有約25 °C的小溫差，這增加了總效率。高壓、高溫、再循環(huán)CO2循環(huán)流體流1053以550°C的溫度離開熱交換器1300并進(jìn)入燃燒室220，在那里其用于冷卻源自含97mol%氧氣流1056的天然氣流1055 (在該實(shí)施方式中)的燃燒氣體，以產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物流1054，如上所述。在該實(shí)施方式中，渦輪熱路徑和首排渦輪葉片利用取自泵排出流1050溫度為74°C的CO2流1058來冷卻。如果上述系統(tǒng)作為獨(dú)立式發(fā)電設(shè)備且利用以純CH4模擬的天然氣燃料來操作，則再循環(huán)CO2流1053在約750°C的溫度進(jìn)入燃燒室，而渦輪排氣1001在約775°C的溫度進(jìn)入熱交換器1300。本實(shí)施方式中的獨(dú)立式動(dòng)力系統(tǒng)的效率是53. 9%(LHV)。該數(shù)字包括低溫O2廠和天然氣進(jìn)料及CO2壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗。如果燃料是熱值為27. 92Mj / kg的模擬煤(例如，部分氧化，灰分在第一燃燒室和過濾單元中去除，之后在第二燃燒室中燃燒燃料氣體和CO2混合物)，則效率將是54%(LHV)。在兩種情況中，事實(shí)上100%源自燃料中的碳的CO2在20MPa管道壓力下產(chǎn)生。上面所述且在圖12中所圖解的利用煤燃料的系統(tǒng)和方法特征可在于適用具有下述特定參數(shù)的發(fā)電設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明轉(zhuǎn)化燃粉煤型發(fā)電設(shè)備的效果如下計(jì)算蒸汽條件HP 蒸汽16. 6MPa、565°C,流速47314kg/secLP steam :4. 02MPa、565°C，流速371. 62kg/sec凈功率輸出493. 7. Mw現(xiàn)有設(shè)備用煤1256. IMw凈效率(LHV) 39. 31% CO2 捕獲 ％:0利用引入目前公開的系統(tǒng)和方法的現(xiàn)有設(shè)備改良的轉(zhuǎn)化廠CO2動(dòng)力系統(tǒng)凈功率輸出371. 7Mw現(xiàn)有設(shè)備凈過功率639. IMw總凈過濾1010.8MwCoal for CO2 動(dòng)力系統(tǒng)用煤=IO53. 6Mw現(xiàn)有系統(tǒng)用煤1256. IMw凈總效率(LHV)43. 76%CO2 捕獲 ％:45. 6%**注意，在本實(shí)例中，從現(xiàn)有設(shè)備中未捕獲到CO2。得益于上述描述及相關(guān)附圖所呈現(xiàn)的教導(dǎo)，本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)想到本發(fā)明的很多修改和其他實(shí)施方式。因此，應(yīng)理解，本發(fā)明并不限于所公開的具體實(shí)施方式
，而且其他實(shí)施方式意圖被包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。盡管本文采用了具體術(shù)語，但是其以僅在普通和描述性意義上使用而不是為了限定。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電方法，其包括 將燃料、O2和CO2循環(huán)流體引入燃燒室中，所述CO2在至少約12MPa的壓カ和至少約400°C的溫度引入； 使所述燃料燃燒，以提供包含CO2的燃燒產(chǎn)物流，所述燃燒產(chǎn)物流具有至少約800°C的溫度; 經(jīng)渦輪膨脹燃燒產(chǎn)物流以發(fā)電，渦輪具有用于接收燃燒產(chǎn)物流的入口和用于釋放包含CO2的渦輪排出流的出口，其中入口處的燃燒產(chǎn)物流相比出口處的渦輪排出流的壓カ比小于約12 ； 通過使渦輪排出流經(jīng)過主熱交換単元從渦輪排出流回收熱，以提供冷卻的渦輪排出流； 從冷卻的渦輪排出流去除除CO2之外存在于該渦輪排出流中的ー種或多種次要組分，以提供浄化的、冷卻的渦輪排出流； 利用第一壓縮機(jī)將所述浄化的、冷卻的渦輪排出流壓縮至高于CO2臨界壓カ的壓力，以提供超臨界CO2循環(huán)流體流； 將所述超臨界CO2循環(huán)流體流冷卻至使其密度為至少約200kg/m3的溫度； 使超臨界、高密度CO2循環(huán)流體經(jīng)過第二壓縮機(jī)以使所述CO2循環(huán)流體增壓至輸入所述燃燒室所需的壓力； 使超臨界、高密度、高壓CO2循環(huán)流體經(jīng)過同一主熱交換単元，以使所收回的熱用于增加所述CO2循環(huán)流體的溫度； 將額外量的熱供應(yīng)至所述超臨界、高密度、高壓CO2循環(huán)流體，以使離開所述主熱交換単元用于再循環(huán)回燃燒室的CO2循環(huán)流體的溫度與渦輪排出流的溫度之間的差異小于約50 0C ;和 將已加熱的超臨界、高密度CO2循環(huán)流體再循環(huán)到燃燒室中。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述回收步驟將所述渦輪排出流冷卻至低于其水露點(diǎn)的溫度。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述去除步驟包括靠環(huán)境溫度冷卻介質(zhì)進(jìn)一歩冷卻所述渦輪排出流。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述進(jìn)一歩冷卻使水連同所述ー種或多種次要組分一起冷凝，形成包含H2S04、HN03> HCl和汞中ー種或多種的溶液。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述用第一壓縮機(jī)壓縮使冷卻的渦輪排出流增壓值小于約12MPa的壓力。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中在經(jīng)過所述主熱交換單元之前從超臨界、高密度、高壓CO2循環(huán)流體流中回收產(chǎn)物CO2流。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述產(chǎn)物CO2流基本包括由含碳燃料中的碳燃燒所形成的所有CO2。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述產(chǎn)物CO2流處于與直接輸入到高壓CO2管道相容的壓力。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述燃燒在約1，200°C至約5，000°C的溫度進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述燃料包括部分燃燒產(chǎn)物流。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，包括在CO2循環(huán)流體存在下用O2燃燒含碳燃料，所提供的含碳燃料、O2和CO2循環(huán)流體的比例使得含碳燃料僅部分氧化，而產(chǎn)生所述部分燃燒產(chǎn)物流，所述流包含不燃性組分、CO2以及H2、CO、CH4, H2S和NH3中的ー種或多種
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述含碳燃料、O2和CO2循環(huán)流體以下述比例提供，該比例使得所述部分燃燒產(chǎn)物流的溫度足夠低，以致該流中的全部不燃性組分是固體顆粒的形式。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述部分燃燒產(chǎn)物流的溫度是約500°C至約900。。。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括使所述部分燃燒產(chǎn)物流經(jīng)過ー個(gè)或多個(gè)過濾器。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，所述過濾器將不燃性組分的殘留量降低至小于約2mg/m3部分燃燒產(chǎn)物。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述含碳燃料包括煤、褐煤或石油焦炭。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述含碳燃料是顆粒形式并作為含CO2的漿液提供。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中顆粒燃料使得大于90%的顆粒具有小于約500μ m的平均大小。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中大于99%的所述顆粒具有小于約100μ m的平均大小。
20.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述CO2循環(huán)流體在至少約15MPa的壓カ被引入。
21.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述CO2循環(huán)流體在至少約20MPa的壓カ被引入。
22.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述CO2循環(huán)流體在至少約600°C的溫度被引入。
23.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述CO2循環(huán)流體在至少約700°C的溫度被引入。
24.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述燃燒產(chǎn)物流具有至少約1，000°C的溫度。
25.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述燃燒產(chǎn)物流具有的壓カ是引入所述燃燒室的CO2的壓カ的至少約90%。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述燃燒產(chǎn)物流壓カ是引入所述燃燒室的CO2的壓カ的至少約95%。
27.如權(quán)利要求I所述的方法，其中入口處的所述燃燒產(chǎn)物流的壓カ相比出口處的所述渦輪排出流的壓カ之比是約I. 5至約10。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中入口處的所述燃燒產(chǎn)物流的壓カ相比出口處的所述渦輪排出流的壓カ之比是約2至約8。
29.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述燃料是含碳燃料，且其中引入所述燃燒室中的CO2循環(huán)流體中的CO2與燃料中的碳的比例以摩爾計(jì)為約10至約50。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中引入所述燃燒室中的CO2循環(huán)流體中的CO2與O2的比例以摩爾計(jì)為約10至約30。
31.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述渦輪排出流中的CO2處于氣態(tài)。
32.如權(quán)利要求3I所述的方法，其中所述渦輪排出流具有小于或等于7MPa的壓力。
33.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述主熱交換單元包括一系列的至少三個(gè)熱交換器。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述系列中的第一熱交換器接收所述渦輪排出流并降低其溫度，所述第一熱交換器由耐受至少約700°C溫度的高溫合金制成。
35.如權(quán)利要求I所述的方法，其中經(jīng)過所述第二壓縮機(jī)之后的所述超臨界、高密度CO2循環(huán)流體流具有至少約15MPa的壓力。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中經(jīng)過所述第二壓縮機(jī)之后的所述超臨界、高密度CO2循環(huán)流體流具有至少約25MPa的壓力。
37.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述超臨界CO2循環(huán)流體流被冷卻至使其密度為至少約400kg/m3的溫度。
38.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述額外量的熱包括從O2分離單元收回的熱。
39.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述O2以下述量提供，所述量使得部分所述燃料被氧化成包含C02、H20和SO2中ー種或多種的氧化產(chǎn)物，而剩余部分的所述燃料被氧化成ー種或多種選自H2、CO、CH4, H2S, NH3及其組合的可燃組分。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述渦輪包括兩個(gè)單元，每個(gè)單元具有入口和出ロ，且其中在每個(gè)單元入ロ處的操作溫度基本相同。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，包括在第一渦輪單元的出ロ處向所述流體流添加一定量的O2。
42.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述渦輪排出流是包含過量O2的氧化流體。
43.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述CO2循環(huán)流體作為與O2和燃料兩者之ー或兩者的混合物被引入蒸發(fā)冷卻燃燒室。
44.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述燃燒室包括蒸發(fā)冷卻燃燒室。
45.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述CO2循環(huán)流體作為被引導(dǎo)經(jīng)過在蒸發(fā)冷卻燃燒室中形成的一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)流體供應(yīng)通道的全部或部分蒸發(fā)冷卻流體而被引入所述蒸發(fā)冷卻燃燒室。
46.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述燃燒在至少約1，300°C的溫度進(jìn)行。
47.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述燃燒在約1，200°C至約5，000°C的溫度進(jìn)行。
48.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述O2作為其中O2的摩爾濃度為至少85%的流提供。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中O2的摩爾濃度為約85%至約99.8%。
50.如權(quán)利要求I所述的方法，其中使所述渦輪排出流直接進(jìn)入所述主熱交換器単元，而沒有經(jīng)過其他燃燒室。
51.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述燃燒的效率大于50%，所述效率計(jì)算為所產(chǎn)生的凈電カ與燃燒發(fā)電的含碳燃料的總低熱值熱能之比。
52.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括在所述燃燒步驟與所述膨脹步驟之間，使所述燃燒產(chǎn)物流經(jīng)過至少ー個(gè)用于去除固態(tài)或液態(tài)污染物的裝置。
53.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括在所述膨脹步驟與所述收回步驟之間，使所述渦輪排出流經(jīng)過次熱交換單元。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，其中所述次熱交換單元利用來自所述渦輪排出流的熱來加熱來源于蒸汽動(dòng)カ系統(tǒng)的ー個(gè)或多個(gè)流。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其中所述蒸汽動(dòng)カ系統(tǒng)包括傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其中所述傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)包括燃煤型發(fā)電設(shè)備。
57.如權(quán)利要求54所述的方法，其中所述蒸汽動(dòng)カ系統(tǒng)包括核反應(yīng)堆。
58.如權(quán)利要求54所述的方法，其中使ー個(gè)或多個(gè)被加熱的流經(jīng)過ー個(gè)或多個(gè)渦輪以發(fā)電。
59.—種發(fā)電方法,其包括 將含碳燃料、O2和CO2循環(huán)流體引入蒸發(fā)冷卻燃燒室中，所述CO2在至少約SMPa的壓カ和至少約200°C的溫度引入； 使燃料燃燒，以提供包含CO2的燃燒產(chǎn)物流，該燃燒產(chǎn)物流具有至少約800°C的溫度；和 經(jīng)渦輪膨脹所述燃燒產(chǎn)物流以發(fā)電，所述渦輪具有用于接收燃燒產(chǎn)物流的入口和用于釋放包含CO2的渦輪排出流的出口，其中所述入口處的燃燒產(chǎn)物流的壓カ相比所述出ロ處的渦輪排出流的壓カ之比小于約12。
60.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述CO2循環(huán)流在至少約20MPa的壓カ被引入。
61.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述CO2循環(huán)流體在至少約700°C的溫度被引入。
62.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述燃燒產(chǎn)物流具有至少約1，000°C的溫度。
63.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述入口處的燃燒產(chǎn)物流的壓カ相比所述出ロ處的渦輪排出流的壓カ之比為約I. 5至約10。
64.如權(quán)利要求59所述的方法，其中弓I入所述燃燒室中的所述CO2循環(huán)流體中的CO2與燃料中的碳的比例以摩爾計(jì)為約10至約50。
65.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述渦輪排出流中CO2的處于氣態(tài)。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，其中所述渦輪排出流具有小于或等于7MPa的壓力。
67.如權(quán)利要求59所述的方法，還包括使所述渦輪排出流經(jīng)過主熱交換単元，其從所述渦輪排出流收回?zé)岵⑻峁囟刃∮诩s200°C的CO2循環(huán)流體流。
68.如權(quán)利要求67所述的方法，其中所述主熱交換單元包括一系列的至少兩個(gè)熱交換器。
69.如權(quán)利要求67所述的方法，還包括在所述CO2循環(huán)流體流上進(jìn)行ー個(gè)或多個(gè)分離步驟，以去除除CO2之外存在于所述循環(huán)流體流中的ー種或多種次要組分。
70.如權(quán)利要求69所述的方法，還包括利用第一壓縮機(jī)將已純化的CO2循環(huán)流體流壓縮至高于CO2臨界壓カ的壓力，以提供超臨界CO2循環(huán)流體流。
71.如權(quán)利要求70所述的方法，還包括將所述超臨界CO2循環(huán)流體流冷卻至使其密度為至少約200kg/m3的溫度。
72.如權(quán)利要求70所述的方法，還包括使所述超臨界、高密度CO2循環(huán)流體經(jīng)過第二壓縮機(jī)以將所述CO2循環(huán)流體增壓至輸入所述燃燒室中所需的壓力。
73.如權(quán)利要求72所述的方法，還包括使所述超臨界、高密度、高壓CO2循環(huán)流體經(jīng)過同一主熱交換単元，以使所收回的熱用于増加所述CO2循環(huán)流體的溫度。
74.如權(quán)利要求73所述的方法，還包括向所述超臨界、高密度、高壓CO2循環(huán)流體供應(yīng)額外量的熱，以使離開熱交換單元以再循環(huán)至燃燒室的CO2循環(huán)流體的溫度與渦輪排出流的溫度之間的差異小于約50°C。
75.如權(quán)利要求74所述的方法，還包括將已加熱的超臨界、高密度CO2循環(huán)流體再循環(huán)到所述燃燒室中。
76.如權(quán)利要求74所述的方法，其中所述供應(yīng)額外量的熱的步驟包括利用自O(shè)2分離單元收回的熱。
77.如權(quán)利要求67所述的方法，其中在使所述渦輪排出流經(jīng)過所述主熱交換單元之前，使所述渦輪排出流經(jīng)過次熱交換単元。
78.如權(quán)利要求77所述的方法，其中所述次熱交換單元利用來自渦輪排出流的熱來加熱來源于蒸汽動(dòng)カ系統(tǒng)的ー個(gè)或多個(gè)流。
79.如權(quán)利要求78所述的方法，其中所述蒸汽動(dòng)カ系統(tǒng)包括傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)。
80.如權(quán)利要求79所述的方法，其中所述傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)包括燃煤型發(fā)電設(shè)備。
81.如權(quán)利要求78所述的方法，其中所述蒸汽動(dòng)カ系統(tǒng)包括核反應(yīng)堆。
82.如權(quán)利要求78所述的方法，其中使所述ー個(gè)或多個(gè)加熱的蒸汽流經(jīng)過ー個(gè)或多個(gè)渦輪以發(fā)電。
83.如權(quán)利要求59所述的方法，其中至少部分所述CO2循環(huán)流體作為與O2和燃料兩者之一或兩者的混合物被引入蒸發(fā)冷卻燃燒室。
84.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述CO2循環(huán)流體作為被引導(dǎo)經(jīng)過在蒸發(fā)冷卻燃燒室中形成的一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)流體供應(yīng)通道的全部或部分蒸發(fā)冷卻流體而被引入所述蒸發(fā)冷卻燃燒室。
85.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述燃燒在至少約1，300°C的溫度進(jìn)行。
86.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述燃燒在至少約1，300°C至約5，000°C的溫度進(jìn)行。
87.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述O2作為其中O2的摩爾濃度為至少85%的流提供。
88.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述燃燒的效率大于50%，所述效率計(jì)算為所產(chǎn)生的凈電カ與燃燒發(fā)電的含碳燃料的總低熱值熱能之比。
89.—種發(fā)電系統(tǒng),其包括 蒸發(fā)冷卻燃燒室，其被配置為用于接收燃料、O2和CO2循環(huán)流體流，并且具有至少ー個(gè)燃燒階段，其在所述CO2循環(huán)流體存在下燃燒所述燃料，并在至少約SMPa的壓カ和至少約800°C的溫度提供含CO2的燃燒產(chǎn)物流； 與所述燃燒室流體連通的主發(fā)電渦輪，所述主渦輪具有用于接收燃燒產(chǎn)物流的入口和用于釋放含CO2的渦輪排出流的出口，所述主渦輪適于控制壓降，使得入口處的燃燒產(chǎn)物流相比出口處的渦輪排出流的壓カ之比小于約12 ； 與所述主渦輪流體連通的主熱交換単元，用于接收渦輪排出流并將來自所述渦輪排出流的熱轉(zhuǎn)移至CO2循環(huán)流體流；和 至少ー個(gè)與至少ー個(gè)熱交換器流通連通的壓縮機(jī)，用于使CO2循環(huán)流體流增壓。
90.如權(quán)利要求89所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括一個(gè)或多個(gè)設(shè)置在所述熱交換單元與所述至少ー個(gè)壓縮機(jī)之間的分離設(shè)備，用于去除除CO2之外存在于所述CO2循環(huán)流體中的ー種或多種次要組分。
91.如權(quán)利要求89所述的發(fā)電系統(tǒng)，包括第一壓縮機(jī)，其適于將所述CO2循環(huán)流體流壓縮至高于CO2臨界壓カ的壓力。
92.如權(quán)利要求91所述的發(fā)電系統(tǒng)，包括冷卻裝置，其適于將離開所述第一壓縮機(jī)的所述CO2循環(huán)流體流冷卻至使其密度大于約200kg/m3的溫度。
93.如權(quán)利要求92所述的發(fā)電系統(tǒng)，包括第二壓縮機(jī)，其適于將已冷卻的CO2循環(huán)流體流壓縮至輸入燃燒室所需的壓力。
94.如權(quán)利要求92所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括一個(gè)或多個(gè)傳熱部件，其將來自外部來源的熱傳遞到燃燒室上游和第二壓縮機(jī)下游的CO2循環(huán)流體。
95.如權(quán)利要求94所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述傳熱部件與O2生產(chǎn)設(shè)備相連。
96.如權(quán)利要求89所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括第二燃燒室，其位于所述蒸發(fā)冷卻燃燒室上游并與其流體連通。
97.如權(quán)利要求96所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括一個(gè)或多個(gè)位于第二壓縮機(jī)與所述蒸發(fā)冷卻燃燒室之間的過濾器或分離設(shè)備。
98.如權(quán)利要求96所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述第二壓縮機(jī)是第二蒸發(fā)冷卻燃燒室。
99.如權(quán)利要求96所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括混合設(shè)備，其用于形成顆粒燃料與流化介質(zhì)的漿液。
100.如權(quán)利要求96所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括研磨設(shè)備，其用于使固體燃料顆?；?br> 101.如權(quán)利要求89所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述熱交換單元包括至少兩個(gè)熱交換器。
102.如權(quán)利要求101所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述熱交換單元包括一系列的至少三個(gè)熱交換器。
103.如權(quán)利要求101所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述系列中的第一熱交換器適于接收主渦輪排出流，并由耐受至少約700°C溫度的高溫合金制成。
104.如權(quán)利要求89所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述主發(fā)電渦輪包括一系列的至少兩個(gè)渦輪。
105.如權(quán)利要求89所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括次熱交換単元，其位于所述主發(fā)電渦輪與所述主熱交換單元之間并與二者流體連通。
106.如權(quán)利要求105所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括經(jīng)由至少ー個(gè)蒸汽流與所述次熱交換單元流體連通的鍋爐。
107.如權(quán)利要求106所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括次發(fā)電渦輪，其具有用于接收來自所述次熱交換單元的至少ー個(gè)蒸汽流的入ロ。
全文摘要
本發(fā)明提供利用高效燃燒室(220)并結(jié)合CO2循環(huán)流體(236)來發(fā)電的方法和系統(tǒng)。在具體實(shí)施方式
中，所述方法和系統(tǒng)能夠有利地利用低壓力比動(dòng)力渦輪(320)和節(jié)約型熱交換器(420)。來自外部來源的額外的低位熱可用于提供加熱再循環(huán)CO2循環(huán)流體所需的部分熱量。燃料衍生的CO2可被捕獲并在管道壓力下輸送。可捕獲其他雜質(zhì)。
文檔編號(hào)F23M5/00GK102834670SQ201180016993
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者R.J.阿拉姆, M.R.帕爾默, 小格倫.W.布朗 申請(qǐng)人:帕爾默實(shí)驗(yàn)室有限責(zé)任公司, 八河流資產(chǎn)有限責(zé)任公司