用于在低排放渦輪機(jī)系統(tǒng)中捕獲二氧化碳的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供用于在低排放渦輪機(jī)系統(tǒng)中發(fā)電以及捕獲并回收廢氣中的二氧化碳的系統(tǒng)、方法和裝置。在一種或多種實施方式中，廢氣被冷卻、壓縮以及分離以產(chǎn)生含二氧化碳的流出流和含氮的產(chǎn)物流。
【專利說明】用于在低排放渦輪機(jī)系統(tǒng)中捕獲二氧化碳的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求以下申請的優(yōu)先權(quán):2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，037，名稱為 SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSIONTURBINE SYSTEMS (用于在低排放渦輪機(jī)系統(tǒng)中捕獲二氧化碳的系統(tǒng)和方法)；2011年3月22 日提出的美國臨時申請 61/466，384，名稱為 LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS HAVING AMAIN AIR COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO(具有主壓縮空壓力縮機(jī)氧化劑控制裝置的低排放渦輪機(jī)系統(tǒng)以及相關(guān)方法)；2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，030，名稱為LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS INCORPORATINGINLET COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO(結(jié)合了入口壓縮機(jī)氧化劑控制裝置的低排放渦輪機(jī)系統(tǒng)以及相關(guān)方法);2011年3月22日提出的美國臨時申請 61/466，385，名稱為 METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTIONON A FIXED GEOMETRY GAS TURBINE SYSTEM AND APPARATUS AND SYSTEMS RELATEDTHERETO (在固定幾何形狀的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)上控制化學(xué)計量燃燒的方法以及相關(guān)裝置和系統(tǒng));2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，031，名稱為SYSTEMS AND METHODS FORCONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS (在低排放渦輪機(jī)系統(tǒng)中控制化學(xué)計量燃燒的系統(tǒng)和方法);2011年3月22日提出的美國臨時申請61/466，381，名稱為 METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITSAND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERET0(改變低排放渦輪機(jī)氣體循環(huán)回路的方法以及相關(guān)的系統(tǒng)和裝置);2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，035，名稱為METHODSOF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUSRELATED THERETO (改變低排放渦輪機(jī)氣體循環(huán)回路的方法以及相關(guān)的系統(tǒng)和裝置)；所有這些申請通過引用以其整體并入本文。
[0003]本申請與下述申請相關(guān):2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，036，名稱為 SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINESYSTEMS (在低排放渦輪機(jī)系統(tǒng)中捕獲二氧化碳的系統(tǒng)和方法);2011年9月30日提出的美國臨時申請 61/542，039，名稱為 SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE INLOW EMISSION COMBINED TURBINE SYSTEMS(在低排放聯(lián)合渦輪機(jī)系統(tǒng)中捕獲二氧化碳的系統(tǒng)和方法);2011年9月30日提出的美國臨時申請61/542，041，名稱為LOW EMISSION POWERGENERATION SYSTEMS AND METHODS INCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION (結(jié)合了二氧化碳分離的低排放發(fā)電系統(tǒng)和方法)；所有這些申請通過引用以其整體并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本公開的實施方式涉及低排放發(fā)電。更具體地，本公開的實施方式涉及捕獲二氧化碳以便在低排放渦輪機(jī)系統(tǒng)中提高效率和降低成本的方法和裝置。
【背景技術(shù)】[0005]本節(jié)旨在介紹本領(lǐng)域的各個方面，所述各個方面可能與本公開的示范性實施方式相關(guān)。相信這種討論有助于提供一個框架，以促進(jìn)更好地理解本發(fā)明的具體方面。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本節(jié)應(yīng)該從這個角度理解而不一定是作為現(xiàn)有技術(shù)的承認(rèn)。
[0006]許多產(chǎn)油國正在經(jīng)歷強(qiáng)勁的國內(nèi)電力需求增長，并且對提高采收率法采油(EOR)感興趣以改進(jìn)從其儲油層采油。兩種通常的EOR技術(shù)包括氮(N2)注入用于維持儲層壓力和二氧化碳(CO2)注入用于EOR的混相驅(qū)動。全球也在關(guān)注溫室氣體(GHG)排放。這種關(guān)注結(jié)合在許多國家執(zhí)行總量管制與排放交易政策使得減少CO2排放成為這些國家以及其中運(yùn)轉(zhuǎn)烴生產(chǎn)系統(tǒng)的公司的當(dāng)務(wù)之急。
[0007]降低CO2排放的一些方法包括使用溶劑如胺進(jìn)行燃料脫碳或者燃燒后捕獲。然而，這兩種方案都昂貴而且降低了發(fā)電效率，導(dǎo)致較低的電力生產(chǎn)，燃料需求增大，以及電成本增大以滿足國內(nèi)電力需求。具體地，氧氣、SO5p NOx成分的存在使得使用胺溶劑吸收很成問題。另一種方法是在聯(lián)合循環(huán)中的含氧燃料燃?xì)廨啓C(jī)(比如，其中捕獲來自燃?xì)廨啓C(jī)布雷頓循環(huán)的廢氣熱量以在蘭金循環(huán)中用于產(chǎn)生蒸汽和產(chǎn)生額外電力)。但是，商業(yè)上可得的燃?xì)廨啓C(jī)沒有可以在這樣的循環(huán)內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的并且用于產(chǎn)生高純度氧氣所需的電力顯著降低了該方法的總體效率。
[0008]另外，隨著日益關(guān)注全球氣候變化和二氧化碳排放的影響，重點已經(jīng)放在使發(fā)電廠的二氧化碳排放量最小化。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠是有效的并且與核能或煤發(fā)電技術(shù)相比具有更低成本。然而，基于以下原因捕獲來自燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的廢氣中的二氧化碳是很昂貴的:(a)排氣管中的二氧化碳濃度低，(b)要處理的氣體體積大，(C)廢氣流的壓力低，(d)廢氣流中存在大量的氧氣，(e)在進(jìn)入CO2捕獲系統(tǒng)之前需要額外冷卻廢氣(flue gas)，以及(f)在冷卻之后廢氣(flue gas)被水飽和，這增加了 CO2捕獲系統(tǒng)中再沸器的工作。所有這些因素導(dǎo)致二氧化碳捕獲的高成本。
[0009]因此，仍然顯著需要結(jié)合了以低成本進(jìn)行CO2捕獲和回收的低排放、高效率的發(fā)電方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在本文描述的低排放發(fā)電系統(tǒng)中，來自低排放燃?xì)廨啓C(jī)的、排入到典型天然氣聯(lián)合循環(huán)(NGCC)廠中的廢氣改為被分離和回收。本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法將使用氧化劑和烴燃料產(chǎn)生電力的開放式布雷頓循環(huán)與二氧化碳分離方法結(jié)合。廢氣被冷卻、壓縮以及分離以有效地捕獲CO2。
[0011]在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中，從低排放燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室排出的廢氣在膨脹機(jī)中膨脹并經(jīng)過熱回收單元(HRU)，產(chǎn)生電力和蒸汽。然后該廢氣經(jīng)冷卻、壓縮以及在CO2分離方法中分離，產(chǎn)生CO2流出流和包括氧氣和氮氣的產(chǎn)物流。回收的CO2可被注入到烴儲層中用于提高采收率法采油、封存(sequestration)、存儲、出售或者排出。產(chǎn)物流可以在排出之前膨脹以產(chǎn)生額外的電力，用于維持烴儲層中的壓力，或者用于系統(tǒng)中其他地方。通過冷卻并壓縮廢氣流，分離設(shè)備的尺寸可被減小且分離方法的效率可得到提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]在閱讀以下詳細(xì)描述和實施方式的非限制性示例的附圖之后，本公開的上述和其他優(yōu)勢可變得明顯，其中:
[0013]圖1描繪結(jié)合了 CO2分離的低排放發(fā)電系統(tǒng)。
[0014]圖2描繪使用燃燒室補(bǔ)充加熱廢氣和產(chǎn)物流的結(jié)合了 CO2分離的低排放發(fā)電系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0015]在以下的【具體實施方式】部分中，將本公開的【具體實施方式】結(jié)合優(yōu)選實施方式進(jìn)行描述。然而，在以下描述特定于本公開的【具體實施方式】或具體用途的方面，這旨在僅用于示范性的目的并且僅提供示范性實施方式的描述。因此，本公開不限于下述的【具體實施方式】，而是包括落入所附權(quán)利要求書的真正精神和范圍之內(nèi)的所有替代方案、改型和等同物。
[0016]本文所用的各種術(shù)語如下定義。對于下文中沒有定義的權(quán)利要求中使用的術(shù)語，應(yīng)給予相關(guān)領(lǐng)域人員給予該術(shù)語的最寬泛定義，如在至少一個印刷出版物或授權(quán)專利中反映的。
[0017]如本文中使用的，術(shù)語“天然氣”指從原油井(伴生氣)和/或從地下氣層(非伴生氣)中獲取的多組分氣體。天然氣的組成和壓力可以顯著不同。一般天然氣流包含甲烷(CH4)作為主要成分，即天然氣流中多于50mol%的是甲烷。天然氣流也可包含乙烷(C2H6)、更高分子量的烴(比如C3-C2tl烴)、一種或多種酸性氣體(比如二氧化碳或硫化氫)、或者它們的任何組合。天然氣也可包含少量的污染物，例如水、氮、硫化鐵、蠟、原油、或者它們的任何組合。
[0018]如本文中使用的，術(shù)語“化學(xué)計量燃燒”指這樣的燃燒反應(yīng)，其具有包含燃料和氧化劑的反應(yīng)物體積和通過燃燒反應(yīng)物形成的產(chǎn)物體積，其中反應(yīng)物的全部體積用于形成產(chǎn)物。如本文中使用的，術(shù)語“基本化學(xué)計量的”燃燒指這樣的燃燒反應(yīng)，其燃燒燃料與氧的摩爾比率在約0.9:1到約1.1:1的范圍內(nèi)，或者更優(yōu)選地在約0.95:1到約1.05:1的范圍內(nèi)。本文使用術(shù)語“化學(xué)計量的”意思是既包括化學(xué)計量條件也包括基本化學(xué)計量條件，除非另外指出。
[0019]如本文中使用的，術(shù)語“流”指一定體積的流體，盡管術(shù)語流的使用通常指移動的一定體積的流體(比如，具有速度或者質(zhì)量流速)。然而，術(shù)語“流”不要求速度、質(zhì)量流速或者包圍流的具體類型的管道。
[0020]本公開的系統(tǒng)和方法的實施方式可用于生產(chǎn)低排放電力和CO2，用于提高采收率法采油(EOR)或者封存應(yīng)用。根據(jù)本文公開的實施方式，將壓縮的氧化劑(一般是空氣)和燃料的混合物燃燒并且使廢氣膨脹以發(fā)電。然后廢氣經(jīng)冷卻、壓縮并分離以捕獲CO2并產(chǎn)生包括氧氣和氮氣的產(chǎn)物流。在EOR應(yīng)用中，將回收的CO2注入到生產(chǎn)油井內(nèi)或者其附近，通常在超臨界條件下進(jìn)行。CO2既充當(dāng)加壓劑，也在溶解到地下原油中時顯著減小油的粘度，使得油能夠更迅速地流經(jīng)土壤至移除井(remove well)中。本文中的系統(tǒng)和方法也產(chǎn)生可包括不同量的氧氣和氮氣的產(chǎn)物流。產(chǎn)物流可用于產(chǎn)生額外的電力，也可以用于多種目的，包括壓力維持應(yīng)用。在壓力維持應(yīng)用中，惰性氣體如氮氣被壓縮并被注入到烴儲層中以維持儲層中的原始壓力，因此允許提高烴的回收。本文公開的系統(tǒng)的結(jié)果是發(fā)電以及以更加經(jīng)濟(jì)有效的水平制造或者捕獲額外的C02。
[0021]在本文的系統(tǒng)和方法中，一種或多種氧化劑被壓縮并在燃燒室中與一種或多種燃料燃燒。所述氧化劑可包括任何含氧流體，如環(huán)境空氣、富氧空氣、基本純的氧氣、或者它們的組合。一種或多種氧化劑可以在一個或多個壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮。每個壓縮機(jī)可包括單階段或者多階段。在多階段的壓縮機(jī)中，可以任選地采用級間冷卻從而允許更高的總體壓縮比和更高的總體電力輸出。壓縮機(jī)可以是適用于本文描述的方法的任何類型。這些壓縮機(jī)包括但不限于軸流式、離心式、往復(fù)式、或者雙螺桿式壓縮機(jī)以及它們的組合。燃料可包括天然氣、伴生氣、柴油、燃料油、氣化煤、焦炭、石腦油、丁烷、丙烷、合成氣、煤油、航空燃料、生物燃料、氧化的烴原料、任何其它合適的含烴氣體或液體、氫、或者它們的組合。另外，燃料可包括惰性成分，包含但不限于N2或者C02。在一些實施方式中，燃料至少部分由通過本文描述的方法經(jīng)注入捕獲的CO2正受益于提高采收率法采油的烴儲層供應(yīng)。燃燒室中的燃燒條件可以是貧的、化學(xué)計量的或者基本化學(xué)計量的、或者富的。在一種或多種實施方式中，燃燒條件是化學(xué)計量或者基本化學(xué)計量的。
[0022]在一些實施方式中，可采用高壓蒸汽作為燃燒過程中的冷卻劑。在這些實施方式中，額外的蒸汽將降低系統(tǒng)中的電力和尺寸需求，但是會需要額外的水循環(huán)回路。另外，在進(jìn)一步的實施方式中，輸送至燃燒室的壓縮氧化劑進(jìn)料可包括氬氣。比如，氧化劑可包括約
0.1到約5.0vo 1%的氬氣，或者約0.1到約4.5vol%的氬氣，或者約2.0到約4.0vo 1%的氬氣，或者約2.5到約3.5vol%的氬氣，或者約3.0vo 1%的氬氣。
[0023]氧化劑和燃料在燃燒室中的燃燒產(chǎn)生廢氣流，其隨后膨脹。廢氣流包括燃燒產(chǎn)物，其組成取決于使用的燃料和氧化劑的組成變化。在一種或多種實施方式中，來自燃燒室的排出廢氣流可包括汽化的水、CO2、CO、氧氣、氮氣、氬氣、氮氧化物(NOx )、硫氧化物(SOx )、硫化氫(H2S)、或者它們的組合。排出廢氣流可在一個或多個膨脹機(jī)中膨脹。一個或多個膨脹機(jī)中的每一個可包括單階段或者多階段。膨脹機(jī)可以是適用于本文描述的方法的任何類型的膨脹機(jī)，包括但不限于軸流式或者離心式膨脹機(jī)或者它們的組合。廢氣流的膨脹產(chǎn)生電力，其可用于驅(qū)動一個或多個壓縮機(jī)或者發(fā)電機(jī)。在本發(fā)明的一種或多種實施方式中，膨脹機(jī)通過共用軸或者其他機(jī)械、電氣或其他動力連接，連接至氧化劑壓縮機(jī)，以便氧化劑壓縮機(jī)至少部分由膨脹機(jī)驅(qū)動。在其他實施方式中，氧化劑壓縮機(jī)可機(jī)械連接至電動機(jī)，具有或者沒有速度增加或者減小設(shè)備如齒輪箱。當(dāng)氧化劑壓縮機(jī)、燃燒室和廢氣膨脹機(jī)放在一起時可表現(xiàn)為開放式布雷頓循環(huán)。
[0024]在膨脹之后，氣態(tài)廢氣流在一些實施方式中可在熱回收單元(HRU)中冷卻。HRU可以是設(shè)計來冷卻膨脹機(jī)流出流的任何裝置或者方法，比如一種或多種熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)、過程熱回收單元、非水汽化單元、或者它們的組合。HRU可配置來產(chǎn)生熱，用于其它過程，比如加熱原油用于蒸餾單元、加熱蒸汽或者非水蒸汽用于蘭金循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、或者用于它們的組合。在一種或多種實施方式中，HRU是HRSG。HRSG可配置來使用廢氣流中的余熱產(chǎn)生蒸汽。由HRSG產(chǎn)生的蒸汽可用于多種目的，比如驅(qū)動蘭金循環(huán)中的蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)，或者用于水脫鹽。在一種或多種實施方式中，HRSG可包括風(fēng)道燃燒器(duct burner)或者多個風(fēng)道燃燒器以允許廢氣的二次燃燒。這種二次燃燒不僅允許提高蒸汽產(chǎn)生并因此提高發(fā)電，而且通過燃燒蒸汽中的至少部分氧氣增加廢氣流中CO2的濃度。由于廢氣流中CO2的濃度增加，因此捕獲并回收廢氣流中CO2的成本降低。
[0025]在本發(fā)明的一種或多種實施方式中，從HRU排出的氣態(tài)廢氣流可輸送至一個或多個冷卻單元，該冷卻單元配置來降低廢氣流的溫度。冷卻單元可以是適合用于降低廢氣溫度的任意類型的裝置，比如直接接觸冷卻器(DCC)、調(diào)溫冷卻器(trim cooler)、機(jī)械制冷單元、或者它們的組合。在一些實施方式中，冷卻單元是DCC。冷卻單元也可以配置來通過水排泄流(water dropout stream)將一部分冷凝水從廢氣流中移除。在一些實施方式中，可將水排泄流引入HRU以提供用于產(chǎn)生額外蒸汽的水源。
[0026]通過HRU和/或冷卻單元冷卻之后，可將氣態(tài)廢氣流輸送至配置來增加廢氣流的壓力的壓縮機(jī)或者鼓風(fēng)機(jī)，從而產(chǎn)生壓縮的廢氣流。在一種或多種實施方式中，在廢氣壓縮機(jī)的出口處的廢氣流的壓力可以是從約150到約450psia，或者從約200psia到約400psia，或者從約250psia到約350psia。冷卻和壓縮廢氣流有助于解決與必須處理的氣體的大體積以及通常導(dǎo)致高CO2捕獲成本的廢氣流的低壓力相關(guān)的問題，從而使本系統(tǒng)中CO2的捕獲和回收更有效率并且更成本有效。
[0027]在壓縮廢氣流之后，在一些實施方式中，可期望使用任選的輔助燃燒室或者其他加熱設(shè)備對壓縮的廢氣流進(jìn)行加熱。在一些實施方式中，可用燃燒室加熱壓縮的廢氣流至約1100到約1700。F或者約1150到約1650。F或者約1200到約1600。F或者約1250到約1550° F或者約1300到約1500° F的溫度。應(yīng)當(dāng)理解，額外燃燒室的使用需要額外的燃料，而供應(yīng)到廢氣燃燒室的燃料可以與供應(yīng)到前述主燃燒室的燃料相同或者不同。在一些實施方式中，燃料可以是無碳燃料源，如氫氣。輔助燃燒室需要的氧化劑可以通過單獨的氧化劑流供應(yīng)，或者在壓縮的廢氣流中可存在足夠的氧化劑，從而不需要額外的氧化劑供應(yīng)。
[0028]無論壓縮的廢氣流是否在補(bǔ)充加熱器或者其他設(shè)備中加熱，從壓縮機(jī)或者燃燒室排出的壓縮的廢氣流之后被供應(yīng)到配置來冷卻壓縮的廢氣流的熱交換器中，同時向其他的工藝流供應(yīng)熱。在一些實施方式中，壓縮的廢氣流可與從CO2分離器排出的產(chǎn)物流交換熱量，在以下更詳細(xì)地描述。在一些情況下，可期望額外冷卻壓縮的廢氣流，在這種情況下，將從熱交換器排出的廢氣流導(dǎo)入補(bǔ)充冷卻單元，比如調(diào)溫冷卻器。
[0029]在一種或多種實施方式中，壓縮的廢氣流之后被供應(yīng)到一個或多個分離器中，在其中CO2和其他溫室氣體從廢氣流中分離。CO2分離方法可以是設(shè)計來分離加壓的廢氣并產(chǎn)生包括CO2的流出流和包括氮氣和氧氣的產(chǎn)物流的任意合適的方法。分離廢氣的成分允許以不同的方式處理廢氣中的不同成分。理想地，分離方法將廢氣中所有的溫室氣體如co2、CO>NOx>SOx等分離到流出流中，留下廢氣成分的其余成分如氮氣、氧氣和IS氣在產(chǎn)物流中。然而，實際上，該分離方法可以不收回產(chǎn)物流中的所有溫室氣體，并且一些非溫室氣體保留在流出流中。任何合適的設(shè)計來實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的分離方法都可以被使用。在一種或多種實施方式中，分離方法是氧氣不敏感方法。合適的分離方法的實例包括但不限制于熱碳酸鉀(“熱罐(hot pot)”)分離方法、胺分離、分子篩分離、膜分離、吸附動力學(xué)分離、受控冷凍區(qū)分離、以及它們的組合。在一些實施方式中，CO2分離器使用熱罐分離方法。在本發(fā)明的一種或多種實施方式中，分離方法在升高的壓力(即，高于環(huán)境壓力)下操作并且配置來保持產(chǎn)物流被加壓。以這種方式維持過程上的壓力允許更小的分離設(shè)備，提供提高的分離效率，并且允許提高從產(chǎn)物流中提取能量。在一些實施方式中，CO2分離方法被選擇并配置來使產(chǎn)物流的出口壓力或者出口溫度或者兩者最大化。
[0030]CO2流出流可用于多種應(yīng)用。比如，流出流可注入到烴儲層中用于提高采收率法采油(EOR)或者可引入儲層中用于碳封存或者存儲。流出流也可以出售、排出或燃燒。在一種或多種實施方式中，至少部分流出流可被再循環(huán)并且與進(jìn)入主燃燒室中的氧化劑混合，或者被直接添加到燃燒室中充當(dāng)稀釋劑以控制或者另外方式調(diào)整燃燒溫度和進(jìn)入后面膨脹機(jī)的廢氣(flue gas) ο
[0031]任選地，在一種或多種實施方式中，來自CO2分離器的產(chǎn)物流一主要包括氮氣和氧氣(當(dāng)在主燃燒室或輔助燃燒室中使用空氣作為氧化劑時也可能包括氬氣)一可以從分離器直接引入上述熱交換器，在此產(chǎn)物流可用于冷卻壓縮的廢氣流。在一種或多種實施方式中，產(chǎn)物流和壓縮的廢氣流經(jīng)過熱交換器的流動是相反的。使產(chǎn)物流經(jīng)過熱交換器用于進(jìn)一步加熱產(chǎn)物流，這允許在膨脹機(jī)中的額外發(fā)電。
[0032]另外，任選地，可以使用輔助燃燒器或者其他加熱設(shè)備進(jìn)一步加熱產(chǎn)物流。應(yīng)當(dāng)理解的是額外燃燒室的使用需要額外的燃料。如果燃燒室中使用含碳燃料，則產(chǎn)生無法從產(chǎn)物流中回收的額外co2。因此，在一些實施方式中，產(chǎn)物燃燒室中使用的燃料可以是無碳燃料源，如氫氣。輔助燃燒室需要的氧化劑通過單獨的氧化劑流供應(yīng)，或者產(chǎn)物流中存在足夠的氧化劑，從而不需要額外的氧化劑供應(yīng)。
[0033]從分離器、熱交換器或者燃燒室排出之后，產(chǎn)物流可被引至膨脹機(jī)。在一種或多種實施方式中，膨脹機(jī)可配置來接收產(chǎn)物流并輸出在大概環(huán)境壓力下的同一氣體。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，膨脹機(jī)產(chǎn)生電力，并且產(chǎn)生的電力可用于驅(qū)動一個或多個任何配置的壓縮機(jī)或發(fā)電機(jī)，不管是在所描述的系統(tǒng)范圍之內(nèi)或者之外。為方便起見，在一種或多種實施方式中，產(chǎn)物膨脹機(jī)可以通過共用軸或者其他機(jī)械、電氣或者其他動力連接，至少部分驅(qū)動廢氣壓縮機(jī)。
[0034]在一種或多種實施方式中，產(chǎn)物流可在膨脹之后經(jīng)過一個或多個熱回收單元(HRU)，比如一個或多個熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)。一個或多個HRU可配置來使用流中的余熱產(chǎn)生蒸汽或者其他非水蒸汽。由一個或多個HRU產(chǎn)生的蒸汽或者其他蒸汽可用于多種目的，比如驅(qū)動蘭金循環(huán)中的渦輪發(fā)電機(jī)或者用于水脫鹽。進(jìn)一步地，如果從一個或多個HRU排出的產(chǎn)物流中仍有任何余熱，系統(tǒng)可進(jìn)一步包括一個或多個熱交換器，其配置來將該熱轉(zhuǎn)移至非蒸汽工作流體。在這些實施方式中，非蒸汽工作流體可任選地用于驅(qū)動蘭金循環(huán)中的膨脹機(jī)。
[0035]產(chǎn)物流可全部或者部分用于多種應(yīng)用。比如，可將產(chǎn)物流注入到烴儲層中用于維持壓力。產(chǎn)物流也可銷售或者排出。在一種或多種實施方式中，當(dāng)壓力維持不是可行的選擇時(或者壓力維持只需要部分產(chǎn)物流時)，產(chǎn)物流可通過膨脹或者其他方法冷卻，并用于提供本文描述的系統(tǒng)中的制冷。比如，冷卻的產(chǎn)物流可用于提供制冷以降低本系統(tǒng)內(nèi)一個或多個壓縮機(jī)的抽吸溫度，或者用于冷卻本系統(tǒng)內(nèi)一個或多個冷卻單元使用的水。
[0036]在產(chǎn)物流的全部或者部分不用于壓力維持時的其他實施方式中，可改為對產(chǎn)物流加熱，以便可產(chǎn)生額外的電力，用于系統(tǒng)中其他地方，或者用于出售。上文描述了加熱產(chǎn)物流的一些方法，例如在熱交換器中交叉交換廢氣流和產(chǎn)物流，或者使用輔助燃燒器向產(chǎn)物流供應(yīng)額外的熱。其他可能的方法包括在HRU中使用加熱線圈加熱產(chǎn)物流，采用催化以燃燒產(chǎn)物流中存在的任何CO，或者作為使用產(chǎn)物流用于冷卻的結(jié)果提供加熱(S卩，因為產(chǎn)物流向其他流或者裝置提供冷卻，流本身被加熱)。
[0037]現(xiàn)在參看圖，圖1示出發(fā)電系統(tǒng)100，其配置來在燃燒之后提供CO2的分離和捕獲。在至少一個實施方式中，發(fā)電系統(tǒng)100可具有壓縮機(jī)118，其通過共用軸108或者其他機(jī)械、電氣或者其他動力連接，連接至膨脹機(jī)106，從而允許膨脹機(jī)106產(chǎn)生的機(jī)械能的一部分驅(qū)動壓縮機(jī)118。膨脹機(jī)106也可以發(fā)電用于其他用途，比如向另一個壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等供電。壓縮機(jī)118和膨脹機(jī)106可以分別形成標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)端和膨脹機(jī)端。然而，在其他實施方式中，壓縮機(jī)118和膨脹機(jī)106在系統(tǒng)中可以是獨立的組件。
[0038]系統(tǒng)100也可包括主燃燒室110，其配置來燃燒與壓縮的氧化劑114混合的燃料流112。在一種或多種實施方式中，燃料流112可包括任何合適的烴氣體或液體，比如天然氣、甲烷、石腦油、丁烷、丙烷、合成氣、柴油、煤油、航空燃料、煤來源燃料、生物燃料、氧化的烴原料、或者它們的組合。燃料流112也可以包含氫氣。壓縮的氧化劑114可以來自流體連接至主燃燒室110并且適于壓縮氧化劑進(jìn)料120的壓縮機(jī)118。雖然本文中的討論假定氧化劑進(jìn)料120是環(huán)境空氣，但氧化劑可包括任何合適的含氧氣體，比如空氣、富氧空氣、基本純的氧氣、或者它們的組合。在一種或多種實施方式中，壓縮機(jī)118、燃燒室110、和膨脹機(jī)106放在一起可以作為開放式布雷頓循環(huán)。
[0039]產(chǎn)生排出廢氣流116作為燃料流112和壓縮的氧化劑114的燃燒產(chǎn)物并且被引導(dǎo)至膨脹機(jī)106的入口。在至少一個實施方式中，燃料流112可以主要是天然氣，因此產(chǎn)生包括體積部分的蒸發(fā)的水、CO2, CO、氧氣、氮氣、氬氣、氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的排出物116。在一些實施方式中，由于燃燒平衡限制，小部分未燃燒的燃料112或者其他化合物也會出現(xiàn)在排出物116中。隨著排出流116通過膨脹機(jī)106膨脹，它產(chǎn)生機(jī)械能以驅(qū)動壓縮機(jī)118或者其他設(shè)備，也產(chǎn)生氣態(tài)廢氣流122。
[0040]從膨脹機(jī)106將氣態(tài)廢氣流122引入熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 126，該HRSG126配置來使用氣態(tài)廢氣流122中的余熱產(chǎn)生蒸汽130和氣態(tài)廢氣流132。注意，盡管HRSG在圖1中示例，但可以使用前述任意合適的熱回收單元(HRU)。在一些實施方式中，HRSG126結(jié)合風(fēng)道燃燒器系統(tǒng)(未示出)，以提供廢氣流的二次燃燒，因此增加廢氣中CO2的濃度。由HRSG126產(chǎn)生的蒸汽130可具有多種用途，比如通過驅(qū)動蘭金循環(huán)中的蒸汽渦輪發(fā)生器產(chǎn)生額外的電力，或者用于水脫鹽。
[0041]氣態(tài)廢氣132可輸送至至少一個冷卻單元134，其配置來降低氣態(tài)廢氣132的溫度并產(chǎn)生冷卻的廢氣流140。在一種或多種實施方式中，冷卻單元134在本文中被認(rèn)為是直接接觸冷卻器(DCC)，但可以是任意合適的冷卻設(shè)備，比如直接接觸冷卻器、調(diào)溫冷卻器、機(jī)械制冷單元、或者它們的組合。冷卻單元134也可配置來通過水排泄流136移除部分冷凝水。
[0042]在一種或多種實施方式中，冷卻的廢氣流140可被引入流體連接至冷卻單元134的廢氣壓縮機(jī)144中。壓縮機(jī)142可配置來在冷卻的廢氣流140分離之前增加其壓力，因此產(chǎn)生壓縮的廢氣流144。從壓縮機(jī)142將壓縮的廢氣流144引入熱交換器152，在此通過與冷卻流體交換熱量被冷卻，并產(chǎn)生壓縮的廢氣流154。在一種或多種實施方式中，熱交換器152中使用的冷卻流體是來自分離器162的產(chǎn)物流164，將在下面更詳細(xì)地描述。
[0043]系統(tǒng)100也可包括CO2分離系統(tǒng)。在一種或多種實施方式中，壓縮的廢氣流154被引入CO2分離器162。CO2分離器162可以采用設(shè)計來將壓縮的廢氣流154分離成包括CO2的流出流166和產(chǎn)物流164的多種分離方法中的任一種，其中產(chǎn)物流164通常包括氮氣和氧氣，并在一些情況下包括氬氣。比如，分離器162可設(shè)計來使用化學(xué)分離方法分離壓縮的廢氣流154，如熱碳酸鉀(“熱罐”)分離、胺分離、或者使用吸附劑如分子篩的分離。其他分離方法可包括使用膜的物理分離，或者例如吸附動力學(xué)分離或控制冷凍區(qū)分離的方法。在一些實施方式中，可以使用上述分離方法的組合。流出流162可以用于多種下游應(yīng)用，t匕如注入到烴儲層中用于提高采收率法采油(EOR)、碳封存、存儲、銷售、或者再循環(huán)至燃燒室110中用于充當(dāng)稀釋劑以促進(jìn)壓縮的氧化劑114和第一燃料112的燃燒并且增加排出廢氣流116中CO2的濃度。流出流166也可以被排出或者燃燒。在一種或多種實施方式中，CO2分離方法可配置來使產(chǎn)物流164的溫度或壓力最大化。
[0044]在一種或多種實施方式中，從分離器162排出的產(chǎn)物流164可以任選地用于額外發(fā)電。比如，可在熱交換器152中加熱產(chǎn)物流164，該熱交換器152配置來將來自壓縮的廢氣流144的熱傳輸?shù)疆a(chǎn)物流164。從熱交換器152排出后，產(chǎn)物流170然后可被引至膨脹機(jī)172。由產(chǎn)物膨脹機(jī)172產(chǎn)生的電力可用于多種用途，如至少部分驅(qū)動廢氣壓縮機(jī)142或者一個或多個額外的壓縮機(jī)(未不出)，或者用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)。在一些實施方式中，當(dāng)產(chǎn)物流注入到儲層中以維持壓力時，膨脹機(jī)172可用于驅(qū)動管道或者注射壓縮機(jī)。
[0045]在一種或多種實施方式中，從膨脹機(jī)172排出的膨脹的產(chǎn)物流174可被引至熱回收單元(未示出)，用于額外發(fā)電。產(chǎn)物流174，如同流出流166，也可用于多個應(yīng)用，包括壓力維持、額外發(fā)電、存儲、或者排出。
[0046]現(xiàn)在參考圖2，其描繪圖1中發(fā)電系統(tǒng)100的可選配置，具體化為并描繪為系統(tǒng)200。因此，圖2可通過參考圖1最好地理解。在圖2的系統(tǒng)200中，由燃燒器210和220分別提供壓縮的廢氣流144和產(chǎn)物流170的補(bǔ)充加熱。具體地，將壓縮的廢氣流144引入輔助燃燒器210，該輔助燃燒器210配置來燃燒燃料流214，從而向壓縮的廢氣流144補(bǔ)充熱，導(dǎo)致壓縮的廢氣流212具有比流144的溫度更高的溫度。燃料流214可具有與燃料流112相同的組成，或者可具有不同的組成。類似地，產(chǎn)物流170也被引入輔助燃燒器220，該輔助燃燒器220配置來燃燒燃料流224從而向產(chǎn)物流170補(bǔ)充熱，導(dǎo)致產(chǎn)物流222具有比產(chǎn)物流170的溫度更高的溫度。燃料流224可具有與燃料流112和/或燃料流214相同的組成，或者可具有不同的組成。在一些實施方式中，燃料流224向燃燒器220供應(yīng)無碳燃料，例如包括氫氣的無碳燃料。在一種或多種實施方式中，單一控制系統(tǒng)可用于監(jiān)測并控制壓縮機(jī)118、燃燒室110、膨脹機(jī)106、HRSG126、冷卻單元134、廢氣壓縮機(jī)142、產(chǎn)物膨脹機(jī)172、和一個或兩個輔助燃燒器210和220的一個、部分或者所有的啟動、運(yùn)轉(zhuǎn)和關(guān)機(jī)。
[0047]盡管本公開可進(jìn)行各種修改和可選形式，但上面討論的示范性實施方式僅通過示例示出。本文中描述的任何實施方式的任何特征或配置均可結(jié)合任何其他任何實施方式或者多個其他實施方式(可行的情況下)，并且所有的這些結(jié)合都意欲在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另夕卜，應(yīng)當(dāng)理解，本公開不意欲限于本文公開的【具體實施方式】。事實上，本公開包括落入所附權(quán)利要求的真正精神和范圍之內(nèi)的所有可選物、修改物和等同物。
【權(quán)利要求】
1.發(fā)電系統(tǒng)，其包括: 第一壓縮機(jī)，其配置來接收并壓縮一種或多種氧化劑； 第一燃燒室，其配置來接收并燃燒該壓縮的氧化劑以及至少一種第一燃料，產(chǎn)生廢氣流； 第一膨脹機(jī)，其配置來接收來自所述第一燃燒室的所述廢氣流并產(chǎn)生氣態(tài)廢氣流； 熱回收蒸汽單元，其配置來接收并冷卻所述氣態(tài)廢氣流且產(chǎn)生蒸汽； 第一冷卻單元，其配置來接收并進(jìn)一步冷卻所述氣態(tài)廢氣流； 第二壓縮機(jī)，其配置來接收并壓縮所述氣態(tài)廢氣流；和 分離器，其配置來接收該壓縮的廢氣流并將其分離成CO2流出流和產(chǎn)物流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括熱交換器，其配置來接收來自所述第二壓縮機(jī)的所述壓縮的廢氣流并在將所述壓縮的廢氣流引入所述分離器之前冷卻所述壓縮的廢氣流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述熱交換器通過與從所述分離器排出的所述產(chǎn)物流交換熱，冷卻所述壓縮的廢氣流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述熱回收單元是熱回收蒸汽發(fā)生器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述熱回收蒸汽發(fā)生器包括風(fēng)道燃燒器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括燃燒室，其配置來接收來自所述第二壓縮機(jī)的所述壓縮的廢氣流，并在將所述壓縮的廢氣流引入所述熱交換器之前加熱所述壓縮的廢氣流。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二膨脹機(jī)，其配置來接收來自所述熱交換器的所述產(chǎn)物流并使所述產(chǎn)物流膨脹。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括燃燒室，其配置來接收來自所述熱交換器的所述產(chǎn)物流，并在將所述產(chǎn)物流引入所述第二膨脹機(jī)之前加熱所述產(chǎn)物流。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二冷卻單元，其配置來接收來自所述熱交換器的所述壓縮的廢氣流，并在將所述壓縮的廢氣流引入所述分離器之前進(jìn)一步冷卻所述壓縮的廢氣流。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述分離器使用選自以下的分離方法:熱碳酸鉀分離、胺分離、分子篩分離、膜分離、吸附動力學(xué)分離、控制冷凍區(qū)分離、或者它們的組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述分離器使用熱碳酸鉀分離方法。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述產(chǎn)物流包括氧氣和氮氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述CO2流出流用于烴儲層中的提高采收率法采油。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述產(chǎn)物流用于在烴儲層中維持壓力。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒室使用無碳燃料。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述燃料源包括氫氣。
17.發(fā)電方法，其包括: 在第一壓縮機(jī)中壓縮一種或多種氧化劑； 向第一燃燒室供應(yīng)該壓縮的氧化劑和至少一種第一燃料； 在所述第一燃燒室中燃燒所述壓縮的氧化劑和所述至少一種燃料，產(chǎn)生廢氣流；在第一膨脹機(jī)中使所述廢氣流膨脹，產(chǎn)生氣態(tài)廢氣流； 在熱回收單元中冷卻所述氣態(tài)廢氣流； 在冷卻單元中進(jìn)一步冷卻所述氣態(tài)廢氣流； 在第二壓縮機(jī)中壓縮所述氣態(tài)廢氣流以產(chǎn)生壓縮的廢氣流；以及 分離所述壓縮的廢氣流以產(chǎn)生包括CO2的流出流和產(chǎn)物流。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括在分離所述壓縮的廢氣流之前在熱交換器中冷卻所述壓縮的廢氣流。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中通過與所述產(chǎn)物流交換熱冷卻所述壓縮的廢氣流。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述熱回收單元是熱回收蒸汽發(fā)生器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述熱回收蒸汽發(fā)生器包括風(fēng)道燃燒器。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括在將所述壓縮的廢氣流引入所述熱交換器中之前加熱所述壓縮的廢氣流。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述壓縮的廢氣流在燃燒室中被加熱。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括接收來自所述熱交換器的所述產(chǎn)物流并使所述產(chǎn)物流在第二膨脹機(jī)中膨脹，從而發(fā)電。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括接收來自所述熱交換器的所述產(chǎn)物流并在膨脹所述產(chǎn)物流之前加熱所 述產(chǎn)物流。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述產(chǎn)物流在燃燒室中被加熱。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括接收來自所述熱交換器的所述壓縮的廢氣流并在分離所述壓縮的廢氣流之前進(jìn)一步冷卻所述壓縮的廢氣流。
28.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述壓縮的廢氣流使用選自以下的分離方法進(jìn)行分離:熱碳酸鉀分離、胺分離、分子篩分離、膜分離、吸附動力學(xué)分離、控制冷凍區(qū)分離、或者它們的組合。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述壓縮的廢氣流使用熱碳酸鉀分離方法分離。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述產(chǎn)物流包括氮氣和氧氣。
31.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括壓縮所述流出流并將所述壓縮的流出流注入到烴儲層中用于提高采收率法采油。
32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括向烴儲層供應(yīng)所述膨脹的產(chǎn)物流以維持壓力。
33.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述燃燒室使用無碳燃料源。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中所述燃料源包括氫氣。
【文檔編號】B01D53/00GK103442783SQ201280013783
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月22日
【發(fā)明者】F·F·米特瑞克, O·A·斯特斯, S·K·達(dá)安卡, R·A·亨廷頓, D·M·奧戴, R·H·歐爾菲克, R·D·登頓 申請人:埃克森美孚上游研究公司