BRPI1008485B1 - Aparelho e método para combustão de um combustível em alta pressão e alta temperatura e sistema e dispositivo associados. - Google Patents

Aparelho e método para combustão de um combustível em alta pressão e alta temperatura e sistema e dispositivo associados. Download PDF

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BRPI1008485B1
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BR
Brazil
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combustion
transpiration
fuel
combustion chamber
temperature
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BRPI1008485-1A
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Miles Palmer
Rodney Allam
Glenn Brown
Glenn Brown, Jr
Original Assignee
Palmer Labs, Llc
8 Rivers Capital, Llc
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Publication date
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Abstract

aparelho e método para combustão de um combustível em alta pressão e alta temperatura e sistema e dispositivo associados a presente invenção refere-se a um aparelho combustor compreendendo uma disposição de mistura para misturar um combustível carbonáceo com oxigênio enriquecido e um fluido de trabalho para formar uma mistura de combustível. uma câmara de combustível é definida, pelo menos parcialmente, por um elemento de transpiração. o elemento de transpiração é circundado, pelo menos parcialmente, por um elemento de contenção de pressão. a câmara de combustão tem porções opostas de entrada e de saída. a porção de entrada da câmara de combustão é configurada para receber a mistura de combustível para que a mistura de combustível seja queimada em uma temperatura de combustão. a câmara de combustão é ainda configurada para dirigir o produto da combustão resultante em direção à porção de saída. o elemento de transpiração dirige uma substância de transpiração em direção à câmara de combustão para amortecer a interação entre o produto de combustão e o elemento de transpiração. sistemas, aparelhos e métodos associados também são proporcionados.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para APARELHO E MÉTODO PARA COMBUSTÃO DE UM COMBUSTÍVEL EM
ALTA PRESSÃO E ALTA TEMPERATURA E SISTEMA E DISPOSITIVO ASSOCIADOS.
ANTECEDENTES DA DESCRIÇÃO
Campo Da Descrição
[001] A presente invenção refere-se a aparelhos e métodos para a combustão de combustível carbonáceo com oxigênio em alta pressão e alta temperatura para produzir produtos de combustão que são oxidados com um excesso de oxigênio ou que contêm componentes de redução e têm teor de oxigênio zero. Uma aplicação particular será para a geração de energia, tal como eletricidade, através do uso de um fluido de trabalho para transferir energia gerada através da combustão de alta eficiência de um combustível. Particularmente, esses aparelhos e métodos usam dióxido de carbono super-crítico como o fluido de trabalho. Em outro aspecto, os aparelhos e métodos podem ser usados para gerar gás contendo hidrogênio e/ou monóxido de carbono.
Descrição da Técnica Relacionada
[002] É estimado que os combustíveis fósseis continuem a atender a maior parte das exigências de energia elétrica do mundo pelos próximos 100 anos, embora fontes de energia não carbono sejam desenvolvidas e implantadas. Os métodos conhecidos de geração de energia através da combustão de combustíveis fósseis e/ou biomassa adequada, porém, estão preocupados com os custos aumentados de energia e uma produção crescente de dióxido de carbono (CO2) e outras emissões. O aquecimento global é visto, cada vez mais, como uma consequência potencialmente catastrófica de emissões aumentadas de carbono pelas nações desenvolvidas e em desenvolvimento. A energia solar e a eólica não parecem capazes de substituir a combusPetição 870190120339, de 19/11/2019, pág. 8/64
2/46 tão de combustíveis fósseis em curto prazo e a energia nuclear tem perigos associados com a proliferação e o descarte residual nuclear. [003] Disposições convencionais para produção de energia a partir de combustíveis fósseis ou biomassa adequada estão sendo agora cada vez mais sobrecarregadas com uma exigência para captura de CO2 em alta pressão para distribuição para os locais de sequestro. Essa exigência tem demonstrado ser difícil de satisfazer, uma vez que a tecnologia atual proporciona apenas eficiências térmicas muito baixas mesmo para os melhores desenhos para a captura de CO2. Além disso, os custos do capital para obter a captura de CO2 são altos e podem, assim, resultar em custos de eletricidade significativamente maiores comparado com sistemas que emitem CO2 na atmosfera. Em consequência, há uma necessidade sempre crescente na técnica de aparelhos e métodos para geração de energia com alta eficiência com uma redução na emissão de CO2 e/ou facilidade aperfeiçoada de captura e sequestro de CO2 produzido.
[004] A combustão de óxi-combustível de combustíveis carbonáceos envolve a separação de oxigênio substancialmente puro do ar (ou de outro modo proporcionando esse oxigênio substancialmente puro para uso no processo de combustão) e usando o oxigênio como um meio de combustão para produzir produtos da combustão que são sistemas de busca livres de nitrogênio e que compreendem dióxido de carbono de vapor d'água. Os combustores de ar e óxi-combustível da técnica corrente operam em temperaturas e pressões limitadas para impedir danos pela temperatura excessiva às paredes do combustor e/ou a outros componentes do sistema, tais como lâminas de turbinas. O limite da temperatura e/ou pressão de operação pode, em alguns casos, alongar, indesejavelmente, o processo de combustão e/ou requerer um volume de combustão relativamente grande. Além disso, o processo de combustão, o projeto de combustão e/ou as disposições
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3/46 de processamento de gás de exaustão a jusante também podem ser indesejavelmente dependentes do tipo de combustível utilizado para o processo. Ainda, devido aos grandes volumes de gases de combustão aplicados aos sistemas de caldeiras convencionais na técnica corrente e a exaustão desses gases para a atmosfera, os métodos correntes de remoção de poluentes de gases de escape de chaminés e sistemas de combustão de óxi-combustível propostos são altamente dependentes do desenho detalhado da instalação e do tipo exato de combustível queimado na instalação. Cada tipo de combustível tem uma composição química contrastante e quantidade de poluentes. Desse modo, a técnica corrente, indesejavelmente, requer que os sistemas purificadores de gases de exaustão ou modificações de combustão de óxicombustível para cada instalação sejam personalizados especificamente para acomodar um tipo particular de combustível com uma composição química particular.
[005] A técnica corrente para o carvão, como um exemplo, em geral utiliza um único combustor muito grande equipado com paredes tubulares verticais ou paredes tubulares configuradas helicoidalmente em que vapor em alta pressão é gerado e superaquecido em uma seção separada de superaquecedor. O combustor de tamanho grande pode experimentar perda de calor significativa e, em geral, está sujeito a danos, bem como incrustações dos queimadores, superfícies de transferência de calor radiante e convectivo e outros componentes, de componentes de cinza de carvão, escória e corrosivos, tais como SOx, HCl, NOx, etc nos gases de combustão, dependendo do carvão particular usado. Essas desvantagens exemplificativas podem requerer que toda a instalação seja desligada para reparar ou substituir partes danificadas ou corroídas e/ou outro componente em intervalos periódicos e podem, assim resultar em disponibilidade menor da instalação e dificuldades indesejáveis na compensação da produção perdida da
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4/46 instalação durante o tempo inativa.
[006] O documento US 2007/0274876 divulga sistemas e métodos para combustão controlada e decomposição de poluentes gasosos enquanto reduz a deposição de produtos de reação indesejados de dentro dos sistemas de tratamento. Os sistemas incluem um novo design de câmara de reação térmica tendo anéis cerâmicos reticulados empilhados através dos quais o fluido, e. gases, podem ser direcionados para formar uma camada limite ao longo da parede interna da câmara de reação térmica, reduzindo assim o acúmulo de material particulado nela. Os sistemas incluem ainda a introdução de fluidos do jato piloto central para alterar a aerodinâmica do interior da câmara de reação térmica.
[007] Os documentos WO 2005/114050 A1, EP 1 193 443 A2 e US 2004/0219079 A1 divulgam outros sistemas de combustão. SUMÁRIO DA DESCRIÇÃO
[008] O acima e outras necessidades são direcionadas por aspectos da presente descrição que, de acordo com um aspecto particular, proporciona um aparelho combustor, incluindo uma disposição de mistura, configurada para misturar um combustível carbonáceo com oxigênio enriquecido e um fluido de trabalho para formar uma mistura combustível. Uma câmara de combustão é definida pelo menos parcialmente por um elemento de transpiração, em que o elemento de transpiração é circundado, pelo menos parcialmente, por um elemento de contenção de pressão. A câmara de combustão tem uma porção de entrada e uma porção de saída oposta, em que a porção de entrada da câmara de combustão é configurada para receber a mistura de combustível para a mistura de combustível ser queimada dentro da câmara de combustão em uma temperatura de combustão para forma um produto de combustão. A câmara de combustão é ainda configurada para dirigir o produto de combustão em direção à porção de saída.
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O elemento de transpiração é configurado para dirigir uma substância de transpiração através dele para a câmara de combustão para amortecer a interação entre o produto de combustão e o elemento de transpiração. Além disso, a substância de transpiração pode ser introduzida na câmara de combustão para obter uma temperatura de saída desejada do produto de combustão.
[009] Em outro aspecto, a presente descrição proporciona um método de combustão, inicialmente, compreendendo a mistura de um combustível carbonáceo com oxigênio enriquecido e um fluido de trabalho usando uma disposição de mistura para formar uma mistura de combustível. A mistura de combustível é recebida em uma porção de entrada de uma câmara de combustão, definida por um elemento de transpiração, em que o elemento de transpiração é circundado, pelo menos parcialmente, circundada, por um elemento de contenção de pressão. A mistura de combustível é queimada dentro da câmara de combustão em uma temperatura de combustão para formar um produto de combustão e o produto de combustão, então, dirigido para uma porção de saída da câmara de combustão. Uma substância de transpiração é dirigida através do elemento de transpiração para a câmara de combustão de modo que a substância de transpiração amortece interação entre o produto de combustão e o elemento de transpiração. Além disso, a substância de transpiração pode ser introduzida na câmara de combustão para obter uma temperatura de saída desejada do produto de combustão.
[0010] Ainda em outro aspecto, a presente descrição proporciona um sistema de geração de energia. Esse sistema compreende um aparelho de combustor, incluindo uma disposição de mistura configurada para misturar um combustível carbonáceo com oxigênio e um fluido de trabalho para formar uma mistura de combustível. Uma câmara de combustão é definida, pelo menos parcialmente, por um elemento
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6/46 de transpiração, em que o elemento de transpiração é circundado, pelo menos parcialmente por um elemento de contenção de pressão. A câmara de combustão tem uma porção de entrada e uma porção de saída oposta. A porção de entrada da câmara de combustão é configurada para receber a mistura de combustível para a mistura de combustível ser queimada dentro da câmara de combustão em uma temperatura de combustão para formar um produto de combustão. A câmara de combustão é ainda configurada para dirigir o produto de combustão em direção à porção de saída. O elemento de transpiração é configurado para dirigir uma substância de transpiração para a câmara de combustão para amortecer a interação entre o produto de combustão e o elemento de transpiração. Além disso, a substância de transpiração pode ser introduzida na câmara de combustão para obter uma temperatura de saída desejada do produto de combustão. Um aparelho de transpiração é configurado para receber o produto de combustão, em que o aparelho de transpiração é responsivo ao produto de combustão para transformar a energia térmica com ele associada em energia cinética.
[0011] Ainda em outro aspecto, a presente descrição proporciona um aparelho separador adaptado para ser implementado com um aparelho combustor configurado para queimar um combustível carbonáceo sólido para formar um produto de combustão de modo que quaisquer elementos não combustíveis no combustível carbonáceo sólido são liquefeitos dentro do produto de combustão. Esse aparelho separador compreende uma pluralidade de dispositivos separadores centrífugos dispostos em série, incluindo um dispositivo separador centrífugo de entrada, incluindo um dispositivo separador centrífugo de entrada configurado para receber o produto de combustão e os elementos não combustíveis liquefeitos com ele associados e um dispositivo separador centrífugo de saída configurado para esgotar o produto de
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7/46 combustão tendo os elementos não combustíveis liquefeitos dele removidos, substancialmente. Cada dispositivo separador centrífugo tem uma pluralidade de elementos separadores centrífugos dispostos, operavelmente, em paralelo, em que cada elemento de separação centrífuga é configurado para esgotar o produto de combustão tendo elementos não combustíveis liquefeitos substancialmente removidos. Cada dispositivo separador centrífugo tem uma pluralidade de elementos separadores centrífugos dispostos operavelmente em paralelo, em que cada elemento de separação centrífuga é configurado para remover pelo menos uma porção dos elementos não combustíveis liquefeitos do produto de combustão e para dirigir pelo menos uma porção dos elementos não combustíveis liquefeitos para um reservatório. Um alojamento de contenção de pressão é configurado para alojar os dispositivos separadores centrífugos e o reservatório.
[0012] Em outro aspecto, a combustão de óxi-combustível de combustíveis carbonáceos (e/ou combustíveis hidrocarbonáceos) também pode envolver a separação de oxigênio substancialmente puro do ar) e seu uso como no processo de combustão para produzir produtos de combustão que são substancialmente livres de nitrogênio e que compreendem dióxido de carbono e vapor d'água. O produto de combustão rico em dióxido de carbono (em seguida ao resfriamento e à condensação) pode, então, estar disponível para uso comercial subsequente, tal como para recuperação de óleo acentuada ou produção de gás natural acentuada ou descarte em um local de sequestro geológico adequado (em seguida à compressão e à purificação). A operação de um sistema de produção de energia de óxi-combustível em alta pressão também pode permitir que o dióxido de carbono derivado do combustível seja produzido em uma alta pressão, resultando em economia de energia por meio da redução ou da eliminação da necessidade de pressurizar o dióxido de carbono. Ainda, a operação em alta
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8/46 pressão pode permitir que os produtos da combustão purificados sejam usados diretamente em um ciclo de energia, quando misturados com um fluido de trabalho aquecido adequado, tal como CO2 ou vapor. A operação do sistema de energia em alta pressão pode também levar a taxas de fluxo de fluido volumétrico reduzidas no ciclo de energia, resultando em custos de equipamento menores e capital mais baixos. O combustor de óxi-combustível com medidas para controle de temperatura é outro aspecto importante. A ciclagem de um fluido adequado tal como um gás produto de combustão ou dióxido de carbono ou água líquida ou vapor (tal como de um vapor de reciclo) através de uma parede resfriada por transpiração e protegida do espaço/câmara de combustão também pode servir para controlar a temperatura de combustão. O fluxo do fluido de transpiração através das paredes da câmara de combustão também pode servir para eliminar danos e/ou acúmulos nas paredes da câmara devido aos efeitos do calor, das cinzas ou do impacto. Desse modo, um combustor eficiente de alta pressão e alta temperatura é proporcionado, o qual pode ser adaptado para queimar uma variedade de combustíveis gasosos, líquidos ou sólidos ou misturas de combustível para satisfazer várias exigências como parte de um sistema de energia, que pode operar em eficiências significativamente mais altas e custos de capital mais baixo do que a presente tecnologia. Em alguns casos, o combustor pode ser operado para produzir um produto de combustão compreendendo hidrogênio e monóxido de carbono a serem tornados disponíveis outras exigências que não a produção de energia.
[0013] Ainda em outro aspecto, a presente descrição, em geral, proporciona métodos e aparelhos associados com um combustor de óxi-combustível protegido por fluido, de alta pressão, alta temperatura, alta eficiência para uso, por exemplo, em geração de energia, tal como em combinação com um ciclo de energia usando CO2 e/ou H2O como
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9/46 um fluido de trabalho. Nessa aplicação, o combustor pode ser operado em um modo de oxidação, pelo que os produtos de combustão assim produzidos contêm uma concentração de oxigênio na faixa de entre cerca de 500 ppm e cerca de 3% molar e uma concentração de monóxido de carbono entre cerca de 50 ppm, de preferência, abaixo de cerca de 10 ppm molar. Em outro aspecto, o combustor pode ser operado em um modo de redução, pelo que os produtos de combustão assim produzidos têm uma concentração de oxigênio de quase zero e os produtos da combustão contêm uma concentração de CO2 e H2. A operação no modo de redução pode ser configurada para maximizar a produto de H2 e CO e minimizar o consumo de O2. O modo de redução de operação pode ser benéfico não só para a produção de energia, mas também para a produção de gás de síntese de H2 ou H2+CO. Em aspectos particulares, a pressão de operação pode estar na faixa de entre cerca de 4 MPa (40 bar) e cerca de 50 MPa (500 bar) e, de preferência, pelo menos 8 MPa (80 bar) e a temperatura de produto de combustão pode estar, em geral, na faixa de entre cerca de 1300° C e cerca de 3500° C.
[0014] Em aspectos envolvendo a produção de energia, uma porção de um fluido de trabalho é introduzida no combustor, junto com combustível e o oxidante (isto é, oxigênio enriquecido) para combustão, de modo que uma corrente de fluido em alta pressão, alta temperatura (produto de combustão) é produzido, compreendendo o fluido de trabalho e os produtos de combustão. O fluido de trabalho pode ser introduzido através das paredes protegidas contra transpiração da câmara de combustão e/ou através de pontos de injeção em torno da câmara de combustão. O fluido de trabalho seguindo o processo de combustão e misturando com os produtos de combustão através da transpiração pode ter uma temperatura em uma faixa adequada (isto é, baixa o bastante) para introdução diretamente em um dispositivo de
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10/46 geração de energia, tal como uma turbina. Nesses casos, a quantidade total de fluido de trabalho introduzido no combustor, como um diluente para os produtos da combustão, pode ser ajustada para proporcionar uma temperatura de saída para o fluido de trabalho total deixando o combustor que é adequado para a temperatura de entrada operacional e pressão da turbina de força. Vantajosamente, a corrente de fluido pode ser mantida em uma pressão relativamente alta, durante expansão na turbina, de modo que a relação de pressão através da turbina (isto é, a relação da pressão na entrada para a pressão na saída da turbina) é menor do que cerca de 12. A corrente de fluido também pode ser ainda processada para separar os componentes da corrente de fluido, em que esse processamento pode incluir a passagem da corrente de fluido através de um trocador de calor. Em particular, o fluido de trabalho expandido (pelo menos uma porção do qual pode ser reciclada da corrente de fluido) pode ser passado através do mesmo trocador de calor para aquecer o fluido de trabalho em alta pressão antes da introdução do mesmo no combustor. Em certos aspectos, a descrição proporciona um combustor de óxi-combustível em alta pressão para sistemas de produção de energia que produzem energia em alta eficiência com baixo custo de capital e também pode produzir um CO2 substancialmente pura em pressão de oleoduto para uso comercial ou sequestro. O CO2 também pode ser reciclado no sistema de produção de energia.
[0015] Em outros aspectos, os sistemas e métodos de combustão divulgados podem ser configurados para usar uma ampla variedade de fontes de combustível. Por exemplo, o combustor de alta eficiência de acordo com a descrição pode usar combustíveis gasosos (por exemplo, gás natural ou gases derivados de carvão), líquidos (por exemplo, hidrocarbonetos, betume) e/ou sólidos (por exemplo, carvão, lignita, coque de petróleo). Mesmo outros combustíveis, como de outro modo
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11/46 aqui descritos, poderiam ser usados, tais como algas, biomassa ou quaisquer outros materiais combustíveis orgânicos adequados.
[0016] Em outros aspectos, os métodos e sistemas de combustor da descrição, quando combinados com sistemas de energia com captura de CO2 em pressão de oleoduto podem ser úteis pelo fato de que o sistema combinado pode exceder a melhor eficiência de centrais de energia de ciclo vapor de carvão queimado corrente que não proporcionam a captura de CO2. Essas centrais de energia podem proporcionar, na melhor das hipóteses, por exemplo, cerca 45% de eficiência (L.H.V.) com 1,7 polegadas de pressão de condensador de mercúrio, usando um carvão betuminoso. Aspectos do presente sistema podem exceder essa eficiência, por exemplo, enquanto distribuindo CO2 em pressão de 20 MPa (200 bar).
[0017] Ainda em outro aspecto, a presente descrição pode proporcionar a capacidade de reduzir o tamanho físico e os custos de capital de um sistema de geração de energia comparado com as tecnologias correntes, usando um combustível similar. Desse modo, os métodos e sistemas da presente descrição podem contribuir para ou de outro modo facilitar, custos de construção significativamente reduzidos, associados com sistemas de produção de energia, e a eficiência relativamente alta de certas combinações de sistema podem levar a custos reduzidos de produção de eletricidade ou energia, bem como uso reduzido de combustíveis fósseis.
[0018] Em um aspecto particular, a presente descrição é dirigida a um método de geração de energia incorporando o uso de um fluido de trabalho, tal como CO2 e/ou H2O. Em alguns aspectos, o método pode compreender a introdução de CO2 aquecido, comprimido e/ou vapor superaquecido em um combustor de combustível. De preferência, o CO2 e/ou vapor podem ser introduzidos em um combustor operando em uma pressão de pelo menos cerca de 8 MPa (80 bar). O CO2 e/ou
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12/46 o H2O podem ser introduzidos em uma pressão de pelo menos cerca de 8 MPa (80 bar). O CO2 e/ou o H2O podem ser introduzidos no combustor em duas ou mais localizações separadas. Parte do CO2 e/ou do H2O pode ser misturada com O2 e o combustível sólido, líquido ou gasoso ou supercrítico de modo que a temperatura de combustão dentro da câmara de combustão pode ser determinada com base no valor de desenho desejado para o combustor. O resto do CO2 aquecido e/ou vapor superaquecido é, então, introduzido na câmara de combustão para esfriar os produtos de combustão pela mistura direta com os mesmos para obter uma temperatura de vapor de fluido de saída total desejada de cerca de 500° C, que pode ser requerida pelo sistema de produção de energia. Sob essas condições, o CO2 e/ou o H2O podem se misturar com gases de combustão resultantes da combustão do combustível, com um oxidante, tal como oxigênio em uma pureza maior do que 85% molar, para produzir uma corrente de fluido compreendendo CO2 e/ou H2O na temperatura desejada. Em aspectos particulares, a temperatura da corrente de fluido de saída pode estar na faixa de entre cerca de 1000° C e cerca de 1600° C.Em outros aspectos, a corrente de fluido de saída pode ser expandida através de uma turbina para gerar energia (isto é, gerar eletricidade via a energia transmitida para a turbina).
[0019] Em certos aspectos, pode ser útil aquecer o fluido de trabalho até uma temperatura ainda maior, antes da introdução no combustor. Por exemplo, o CO2 e/ou H2O podem ser aquecidos até uma temperatura de pelo menos cerca de 700° C antes da introdução no combustor. Em outros aspectos, o CO2 e/ou o H2O podem ser aquecidos até uma temperatura de entre cerca 700°C e cerca de 1000° C, antes da introdução no combustor. Em alguns aspectos, esse aquecimento pode ser realizado usando uma disposição de trocador de calor. Como ainda divulgado aqui, o mesmo pistão de compensação pode ser usaPetição 870190120339, de 19/11/2019, pág. 19/64
13/46 do para resfriar a corrente de fluido que sai da turbina de geração de energia.
[0020] Similarmente, o combustor pode ser operado utilmente em uma pressão maior para produzir um fluido de trabalho capaz de obter uma eficiência muito alta em um ciclo de produção de energia. Por exemplo, o combustor e a porção introduzida do fluido de trabalho CO2 e/ou H2O podem ser pressurizados a pelo menos cerca de 20 MPa (200 bar) e cerca de 50 MPa (500 bar).
[0021] Em certos aspectos, a porção do fluido de trabalho introduzido no combustor pode ser uma corrente reciclada de CO2 substancialmente puro, de modo que qualquer teor de água no fluido de trabalho se origina do combustor. Naturalmente, CO2 de uma fonte externa poderia ser usado como o fluido de trabalho.
[0022] A corrente de fluido que sai do combustor pode compreender o fluido de trabalho de CO2 e/ou H2O, bem como um ou mais outros componentes, tais como produtos de combustão derivados do combustível ou do processo de combustão. A corrente de fluido de saída pode conter componentes tais como H2O, SO2, SO3, NO, NO2, Hg, HCl mais oxigênio em excesso na faixa entre cerca de 300 ppm e cerca de 3% molar. Em outros aspectos, a corrente de fluido de saída pode conter pelo menos frações variadas de H2 e CO e ter um teor de O2 de substancialmente zero.
[0023] O combustor pode compreender uma disposição de bocal de entrada através da qual o combustível mais o oxigênio mais uma porção do fluido de trabalho são introduzidos no combustor e onde a combustão é iniciada e ocorre de maneira estável em um modo de oxidação ou de redução através de uma faixa de fluxo de combustível desejada, a qual está, tipicamente, entre cerca de 50% e cerca de 100% de capacidade de desenho. Em certos aspectos, a pressão de operação pode estar acima de cerca de 15 MPa (150 bar) e, nesta
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14/46 pressão, o oxigênio pode ser introduzido como uma mistura de fase única como CO2 e um combustível, tal como gás natural ou líquido, tal como um destilado de hidrocarbonetos, para obter uma temperatura adiabática de chama requerida. Se o CO2 nesta pressão elevada está em uma temperatura abaixo de cerca de 100° C, a densidade do CO2 for bastante alta para ser usada a fim de suportar uma fração significativa de carvão em pó para formar uma pasta, em que a pasta pode, então, ser bombeada por uma bomba de alta pressão para a pressão de combustão requerida e circular em um tubo e até um ponto de mistura onde a mistura supercrítica de CO2 e oxigênio é adicionada para obter uma temperatura adiabática de chama requerida no combustor. O combustível pré-misturado, o diluente CO2 e oxigênio, desejavelmente, deverão estar em uma temperatura combinada, que está abaixo da temperatura de autoignição do sistema. A temperatura da corrente de CO2 pode ser ajustada para satisfazer esse critério O bocal de entrada pode compreender um arranjo de furos em uma placa de injetor, cada um dos quais produzirá um jato fino de fluido, resultando em rápida transferência de calor e combustão, assim, produzindo uma zona de combustão estável. O tamanho dos furos pode estar na faixa de entre cerca de 0,5 mm e cerca de 3mm de diâmetro.
[0024] As paredes da câmara de combustão podem ser revestidas com uma camada de material poroso através do através da qual é dirigida e circula uma segunda parte do CO2 e/ou corrente de diluente de H2O. O fluxo de fluido através dessa camada porosa de transpiração e, opcionalmente, através de medidas adicionais, é configurado para obter a temperatura de saída da corrente de fluido de saída total requerida de entre cerca de 500° C e cerca de 2000° C. Esse fluxo também pode servir para resfriar o elemento de transpiração até uma temperatura abaixo da temperatura operacional máxima permissível do material que forma o elemento de transpiração. A substância de transpira
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15/46 ção, tal como a corrente de diluente de CO2 e H2O, também pode servir para impedir o impacto de quaisquer materiais de cinzas líquidos ou sólidos ou outros contaminantes no combustível que poderiam corroer, sujar ou de outro modo danificar a paredes. Nesse caso, pode ser desejável usar um material para o elemento de transpiração com uma condutividade térmica razoável (baixa), de modo que calor incidente radiante pode ser conduzido radialmente para fora, através do elemento de transpiração poroso e, a seguir, ser interceptado por transferência de calor das superfícies da estrutura de camada porosa até o fluido que passa radialmente para dentro através da camada de transpiração. Essa configuração pode permitir que a parte subsequente da corrente de diluente, dirigida através do elemento de transpiração seja aquecida até uma temperatura na faixa de entre cerca de 500° C e cerca de 1000° C, enquanto, simultaneamente, mantém a temperatura do elemento de transpiração poroso dentro da faixa de desenho do material usado para isso, Materiais adequados para o elemento de transpiração poroso podem incluir, por exemplo, cerâmica porosa, esteiras de fibras de metal refratário, seções cilíndricas com furos perfurados e/ou camadas de metais sinterizados ou pós de metais sinterizados. Uma segunda função do elemento de transpiração pode ser assegurar um fluxo substancialmente uniforme, radialmente para dentro, de fluido de transpiração, bem como longitudinalmente ao longo do combustor, para obter boa mistura entre a segunda parte da corrente de diluente e o produto de combustão enquanto promovendo um fluxo axial uniforme ao longo do comprimento da câmara de combustão. Uma terceira função do elemento de transpiração é obter uma velocidade de fluido diluente radialmente para dentro, de modo a proporcionar um tampão ou de outro modo interceptar partículas sólidas e/ou líquidas de cinzas ou outros contaminantes dentro dos produtos de combustão de impactarem contra a superfície da camada de transpira
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16/46 ção e causando bloqueio ou outros danos. Esse fator pode ser de importância apenas, por exemplo, quando da combustão de um combustível, tal como carvão, tendo um resíduo não combustível inerte. A parede interna do vaso de pressão do combustor que circunda o elemento de transpiração também pode ser isolada para isolar a segunda corrente de diluente em alta temperatura dentro do combustor.
[0025] Carvão ou outros combustíveis com um resíduo não combustível podem ser introduzidos no combustor como uma pasta semifluida na água ou, de preferência, uma pasta semi-fluida em CO2 líquido. A porção líquida da pasta semi-fluida deixa o sistema de energia em temperatura quase ambiente e com a menor pressão no ciclo de energia. A diferença na entalpia por mol entre condição de entrada de pasta semifluida e a condição de saída de gás, nesses casos, pode ser cerca de 10 kcal/gm-mol para H2O e cerca de 2,78 kcal/gm-mol para CO2, dando uma eficiência significativamente maior para um CO2 para um fluido em pasta semifluida de CO2. Pouca energia adicional é exigida em um ciclo de energia de alta pressão com CO2 como o fluido de trabalho para produzir CO2 líquido em temperaturas na faixa de entre cerca de -30 °C e cerca de 10 °C.
[0026] A temperatura de combustão de combustíveis, em geral, sólidos, como o carvão, produzindo resíduos não inflamáveis, é, de preferência, na faixa de entre cerca de 1800 °C e cerca de 3000 °C. Em tais condições, as cinzas ou outros contaminantes estarão na forma de gotículas de escória líquida provenientes das partículas de combustível na alimentação de combustível de pasta semifluida. Essas gotículas de escória líquida devem ser removidas de forma eficiente, a fim de evitar a contaminação da turbina de energia ou outros processos a jusante. A remoção pode ser realizada, por exemplo, usando separadores de ciclone, separadores de impacto, ou leitos de filtros granulares refratários graduados dispostos em uma configuração anular,
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17/46 ou suas combinações. Em aspectos particulares, as gotículas podem ser removidas da corrente de fluido de trabalho em alta temperatura através de uma série de separadores de ciclone. Para obter remoção eficiente, de preferência, há pelo menos 2 e, de preferência, pelo menos 3 separadores de ciclone em série. A eficiência da remoção pode ser acentuada por um número de fatores. Por exemplo, a temperatura de remoção pode ser ajustada para assegurar que a viscosidade da escória é baixa o bastante para remover a escória livre de líquido de drenagem dos separadores. Algumas vezes pode ser necessário realizar a remoção de escória em uma temperatura intermediária, entre a temperatura de combustão e a temperatura de corrente de fluido de saída final. Nesses casos, a temperatura de saída de corrente de fluido que sai pode ser obtida através da mistura de uma porção do fluido de trabalho reciclado (a substância de transpiração) diretamente como a corrente de fluido que deixa o sistema de remoção de escória. O diâmetro dos separadores de ciclone, desejavelmente, será relativamente baixo (isto é, na faixa de entre cerca de 20 cm e cerca de 50 cm de diâmetro de diâmetro), enquanto o diâmetro das gotículas de escória será alto o bastante para proporcionar boa eficiência de separação. Essas condições podem ser obtidas, por exemplo, através da trituração de combustível de carvão para obter uma alta fração de diâmetro de partícula de > 50 mícrons. O carvão é, de preferência particulado para entre cerca de 50 microns e cerca de 100 mícrons de diâmetro médio de partícula, que pode resultar em uma fração mínima de partículas de escória abaixo de 10 mícrons de diâmetro estando presente no fluxo de fluido de trabalho de saída. Em alguns casos, os separadores de ciclone podem ser seguidos por um filtro anular disposto imediatamente a montante da turbina.
[0027] Em aspectos particulares, um tempo de permanência para produtos de combustão no sistema estará na faixa de 0,2 segundo a 2
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18/46 segundos por gás natural e 0,4 segundos a 4 segundos para um carvão betuminoso.
[0028] A corrente de fluido que sai do combustor pode mostrar uma variedade de características diferentes. Por exemplo, a corrente de fluido pode compreender um fluido oxidante. Como tal, a corrente de fluido pode compreender um ou mais componentes que podem ser rapidamente oxidados (por exemplo, queimados) pela adição de um oxidante (por exemplo, O2). Em alguns aspectos, a corrente de fluido pode ser um fluido de redução, compreendendo um ou mais componentes selecionados do grupo que consiste de H2, CO, CH4, H2S e suas combinações. A operação do sistema no modo de redução será a, em geral, similar ao modo de oxidação, exceto que a proporção do diluente secundário será reduzida, progressivamente, enquanto a fração de combustível convertido em H2+ CO aumenta. Também pode ser necessário aumentá-lo tempo médio de permanência para produtos de combustão, progressivamente, até uma faixa de entre cerca de 2,5 segundos e cerca de 4,5 segundos para combustível de gás natural, à medida que a conversão de H2+ CO aumenta até o máximo e entre cerca de 6 segundos e cerca de 10 segundos para um carvão betuminoso.
[0029] Os acima e outros aspectos desse modo direcionam as necessidades identificadas e proporcionam vantagens como de outro modo aqui detalhadas.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0030] Tendo assim descrito a descrição em termos gerais, referência será feita agora aos desenhos anexos, que não estão, necessariamente, em escala e em que:
[0031] A figura 1 é uma ilustração esquemática de um aparelho combustor resfriado por transpiração de acordo com certos aspectos da presente descrição;
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[0032] A figura 2 é uma ilustração esquemática de uma seção transversal exemplificativa de uma parede de um elemento de transpiração em um aparelho combustor, de acordo com certos aspectos da divulgação presentes;
[0033] As figuras 3A e 3B ilustram esquematicamente um processo de ajuste a quente para um conjunto de elementos de transpiração de um aparelho combustor, de acordo com certos aspectos da presente descrição;
[0034] A figura 4 ilustra, esquematicamente, um aparelho de remoção de contaminantes de produtos de combustão, de acordo com certos aspectos da presente descrição;
[0035] A figura 5 é um gráfico esquemático mostrando trajetórias de partículas de cinzas como uma função do tamanho médio de partículas e taxas de fluxo de fluido de transpiração e, de acordo com certos aspectos da presente descrição; e
[0036] A figura 6 é um esquema de um sistema de geração de energia adaptável, de acordo com certos aspectos da presente descrição.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA DESCRIÇÃO
[0037] A presente descrição será agora descrita mais completamente com referência aos desenhos anexos, em que alguns, mas não todos os aspectos da descrição são mostrados. Na verdade, esta descrição pode ser concretizada de muitas formas diferentes e não deve ser construída como limitada aos aspectos apresentados aqui, antes, esses aspectos são proporcionados de modo que desta descrição satisfará exigências legais aplicáveis. Números semelhantes se referem a elementos semelhantes por toda ela.
[0038] Um aspecto de um aparelho combustor capaz de operar com um combustível sólido, de acordo com a presente descrição, é ilustrado, esquematicamente, na figura 1, o aparelho combustor sendo
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20/46 indicado, em geral, pelo numeral 220. Neste exemplo, o aparelho combustor 220 pode ser configurado para a combustão de sólidos em partículas, tais como carvão, para formar um produto de combustão, embora qualquer outro material orgânico combustível adequado, conforme divulgado aqui, também pode ser usado como um combustível. A câmara de combustão 222 pode ser definida por um elemento de transpiração 230, que é configurado para dirigir um fluido de transpiração para a câmara de combustão 222 (isto é, para facilitar o resfriamento por transpiração e/ou amortecer a interação entre o produto de combustão e o elemento de transpiração 230). Alguém habilitado na técnica apreciará que o elemento de transmissão 230 pode ser substancialmente cilíndrico, de modo a definir uma câmara de combustão 222 substancialmente cilíndrica, tendo uma porção de entrada 222A e uma porção de saída oposta 222B. O elemento de transpiração 230 pode ser circundado, pelo menos parcialmente, por um elemento de contenção de pressão 338. A porção de entrada 222 A da câmara de combustão 222 pode ser configurado para receber uma mistura de combustível de uma disposição de mistura, em geral, indicada pelo numeral 250. De acordo com aspectos particulares, a mistura de combustível é queimada dentro da câmara de combustão 222 em uma temperatura de combustão particular para formar um produto de combustão, em que a câmara de combustão 222 é ainda configurada para dirigir o produto de combustão em direção à porção de saída 222B. Um dispositivo de remoção de calor 350 (vide, por exemplo, a figura 2) pode estar associado com o elemento de contenção de pressão 338 e configurado para controlar uma temperatura do mesmo. Em casos particulares, o dispositivo de remoção de calor 350 pode compreender uma camisa de transferência de calor 337 definida entre eles. Em um aspecto, o líquido circulado pode ser água.
[0039] A disposição de mistura 250 é configurada para misturaram
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21/46 combustível carbonáceo 254 com oxigênio enriquecido 242 e um fluido de trabalho 236 para formar uma mistura combustível 200. O combustível carbonáceo 254 pode ser proporcionado na forma de um combustível carbonáceo sólido, um combustível carbonáceo líquido e/ou um combustível carbonáceo gasoso. O oxigênio enriquecido 242 pode ser oxigênio tendo uma pureza molar de mais do que cerca de 85%. O oxigênio enriquecido 242 pode ser proporcionado, por exemplo, por um sistema/técnica de separação de ar conhecida no campo, tal como, por exemplo, um processo de separação de ar criogênico ou um processo de separação (de ar) de oxigênio com membrana de transporte de íons em alta temperatura poderia ser implementado. O fluido de trabalho 236 é dióxido de carbono supercrítico. Em casos onde o combustível carbonáceo 254 é um sólido em partículas, como carvão pulverizado 254 A, a disposição de mistura 250 pode ser ainda configurada para misturar combustível carbonáceo sólido em partículas 254A com uma substância fluidificante 255. De acordo com um aspecto, o combustível carbonáceo sólido em partículas 254A pode ter um tamanho médio de partículas de entre cerca de 50 mícrons e cerca de 200 mícrons. De acordo com ainda outro aspecto, a substância fluidificante 255 pode compreender água e/ou CO2 líquido, tendo uma densidade de entre cerca de 450 kg/m3 e cerca de 1000 kg/m3. Mais particularmente, a substância fluidificante 255 pode cooperar com o combustível carbonáceo sólido em partículas 254A para formar uma pasta semifluida 250A tendo, por exemplo, entre cerca de 25% em peso e cerca de 55% em peso do combustível carbonáceo sólido em partículas 254A. Embora o oxigênio 242 seja mostrado na figura 2 como sendo misturado com o combustível 254 e para um o fluido de trabalho 236 antes da introdução na câmara de combustão 222, alguém habilitado na técnica apreciará que, em alguns casos, o oxigênio 242 pode ser introduzido separadamente na câmara de combustão 222 conforme necessáPetição 870190120339, de 19/11/2019, pág. 28/64
22/46 rio ou desejado.
[0040] A disposição de mistura 250, em alguns aspectos, pode compreender, por exemplo, um arranjo de bocais de injeção espaçados (não mostrado), dispostos em torno de uma parede extrema 223 do elemento de transpiração 230 associado com a porção de entrada 222A da câmara de combustão cilíndrica 222. A injeção da mistura de combustível/combustível 222, dessa maneira pode proporcionar, por exemplo, uma grande área de superfície da corrente de entrada da mistura de combustível injetada que pode, por sua vez, facilitar a rápida transferência de calor para a corrente de entrada de mistura de combustível injetada através de radiação. A temperatura da mistura de combustível injetada pode ser, assim, rapidamente aumentada até a temperatura de ignição do combustível (isto é, as partículas de carvão) e pode, assim, resultar em uma combustão compacta. A velocidade de injeção da mistura de combustível pode estar na faixa, por exemplo, de entre cerca de 10 m/seg e cerca de 40 m/seg, embora esses valores possam depender de muitos fatores, tais como a configuração dos bocais de injeção particulares. Essa disposição de injeção pode tomar muitas formas diferentes. Por exemplo, a disposição de injeção pode compreender um arranjo de furos, por exemplo, na faixa de entre cerca de 0,5 mm e cerca de 3 mm de diâmetro, em que o combustível injetado será injetado através deles em uma velocidade de entre cerca de 10 m/s e cerca de 40 m/s.
[0041] Conforme mostrado mais particularmente na figura 2, a câmara de combustão 222 é definida pelo elemento de transpiração 230, que pode ser, pelo menos parcialmente, circundado por um elemento de contenção de pressão 338. Em alguns casos, o elemento de contenção de pressão 338 pode ainda, pelo menos parcialmente, ser circundado por uma camisa de transferência de calor 336, em que a camisa de transferência de calor 336 coopera com o elemento de con
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23/46 tenção de pressão 338 para definir um ou mais canais 337 entre eles, através dos quais uma corrente de água de baixa pressão pode ser circulada, através de um mecanismo de evaporação, a água circulada pode, assim, ser usada para controlar e/ou manter uma temperatura selecionada do elemento de contenção de pressão 338, por exemplo, em uma faixa de entre cerca de 100° C e cerca de 250°C. Em alguns aspectos, uma camada de isolamento 339 pode ser disposta entre o elemento de transpiração 230 e o elemento de contenção de pressão 338.
[0042] Em alguns casos, o elemento de transpiração 230 pode compreender, por exemplo, um elemento de transpiração externo 331 e um elemento de transpiração interno 332. O elemento de transpiração interno 322 sendo disposto oposto ao elemento de transpiração externo 331 do elemento de contenção de pressão 338 e definindo a câmara de combustão 222. O elemento de transpiração externo 331 pode ser compreendido de qualquer material resistente à alta temperatura adequado, tal como, por exemplo, aço e ligas de aço, incluindo aço inoxidável e ligas de níquel. Em alguns casos, o elemento de transpiração externo 331 pode ser configurado para definir primeiras passagens de abastecimento de fluido de transpiração 333A, estendendo-se da sua superfície adjacente à camada de isolamento 339 até a sua superfície adjacente ao elemento de transpiração interno 332. As primeiras passagens de abastecimento de fluido de transpiração 333A podem, em alguns casos, corresponder às segundas passagens de abastecimento de fluido de transpiração 333B definidas pelo elemento de contenção de pressão 338, a camisa de transferência de calor 336 e/ou a camada de isolamento 339; As primeiras e segundas passagens de abastecimento de fluido de transpiração 333A, 333B podem, assim, ser configuradas para cooperar a fim de dirigir o fluido de transpiração 210 até o elemento de transpiração interno 332. De
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24/46 acordo com a invenção, conforme mostrado, por exemplo, na figura 1, o fluido de transpiração 210 compreende o fluido de trabalho 236 e é obtido da mesma fonte com ele associada. As primeiras e segundas passagens de abastecimento de fluido de transpiração 333A, 333B podem ser isoladas, conforme necessário, para distribuir o fluido de transpiração 210 (isto é, CO2) em abastecimento suficiente e em uma pressão suficiente de modo que o fluido de transpiração 210 seja dirigido através do elemento de transpiração interno 332 e para a câmara de combustão 222. Essas medidas envolvendo o elemento de transpiração 230 e o fluido de transpiração associado 210, conforme aqui divulgado, podem permitir que o aparelho combustor 220 opere em pressões relativamente altas e em temperaturas relativamente altas de outro modo aqui divulgadas.
[0043] A este respeito, o elemento de transpiração interno 332 pode ser compreendido, por exemplo, de um material cerâmico poroso, um material perfurado, um material laminado, uma esteira porosa compreendida de fibras orientadas aleatoriamente em duas dimensões e ordenadas na terceira dimensão, ou qualquer outro material adequado ou suas combinações, exibindo as suas características exigidas conforme divulgado aqui, ou seja, múltiplas passagens de fluxo ou poros ou outras aberturas adequadas 335 para receber e direcionar o fluido de transpiração através do elemento de transpiração interno 332. Exemplos não limitativos de materiais cerâmicos porosos e outros materiais adequados para esses sistemas de resfriamento por transpiração incluem óxido de alumínio, óxido de zircônio, zircônio, cobre, molibdênio, tungstênio temperados por transformação, tungstênio infiltrado de cobre, molibdênio revestido de tungstênio, cobre revestido de tungstênio, várias ligas de níquel em alta temperatura e materiais embanhiados ou revestidos com rênio. Fontes de materiais adequados incluem, por exemplo, CoorsTek, Inc., (Golden, CO) (zircônio); Ultra
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Met Advanced Materials Solutions (Pacoima, CA) (revestimentos metálicos refratários); Orsam Sylvania (Danvers, MA) (tungstênio/cobre); e MarkeTech International, Inc. (Port Townsend, WA) (tungstênio). Exemplos de materiais perfurados adequados para esses sistemas de resfriamento por transpiração 1 incluem todos os materiais e fornecedores acima (onde as estruturas de extremidades perfuradas podem ser obtidas, por exemplo, através da perfuração de uma estrutura inicialmente não porosa, usando métodos conhecidos na técnica de fabricação). Exemplos de materiais laminados adequados incluem todos os materiais e fornecedores acima (ordem de fazer estruturas de extremidades laminadas pode ser obtida, por exemplo, através da laminação de estruturas não porosas ou parcialmente porosas de maneira a obter a porosidade de extremidade desejada, usando métodos conhecidos na técnica de fabricação).
[0044] As figuras 3A e 3B ilustram que, em um aspecto de um aparelho combustor 220, a estrutura definindo a câmara de combustão 222 pode ser formada através de um encaixe por interferência quente entre o elemento de transpiração 230 e a estrutura circundante, tal como o elemento de contenção de pressão 338 ou a camada de isolamento 339, disposta entre o elemento de transpiração 230 e o elemento de contenção de pressão 338. Por exemplo, quando relativamente frio, o elemento de transpiração 230 pode ser dimensionado para ser menor, radial e/ou axialmente, com relação ao elemento de contenção de pressão 338 circundante. Como tal, quando inserido no elemento de contenção de pressão 338, uma folga radial e/ou axial pode estar presente entre eles (vide, por exemplo, a figura 3A). Naturalmente, essas diferenças dimensionais podem facilitar a inserção do elemento de transpiração 230 no elemento de contenção de pressão 338. Contudo, quando aquecido, por exemplo, em direção à temperatura l operacional, o elemento de transpiração 230 pode ser configura
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26/46 do para se expandir radial e /ou axialmente para reduzir ou eliminar as folgas observadas (vide, por exemplo, a figura 3B). Em assim fazendo, um encaixe por interferência axial e/ou radial pode ser formado entre o elemento de transpiração 230 e o elemento de contenção de pressão 338. Em casos envolvendo o elemento de transpiração 230 com um elemento de transpiração externo 331 e um elemento de transpiração interna 332, esse encaixe por interferência pode colocar o elemento de transpiração interno 332 sob compressão. Como tal, materiais quebradiços resistentes à alta temperatura, tal como uma cerâmica porosa, podem ser usados para formar o elemento de transpiração interna 332.
[0045] Com o elemento de transpiração interno 332 assim configurado, a substância de transpiração 210 pode compreender, por exemplo, dióxido de carbono (isto é, da mesma fonte que o fluido de trabalho 236) dirigido através do elemento de transpiração interno 332 de modo que a substância de transpiração 210 forma uma camada tampão 231 (isto é, uma parede de vapor) imediatamente adjacente ao elemento de transpiração interno 332 dentro da câmara de combustão 222, em que a camada tampão 231 pode ser configurada para amortecer a interação entre o elemento de transpiração interno 332 e os elementos não combustíveis liquefeitos e o calor associado com o produto de combustão. Isto é, em alguns casos, o fluido de transpiração 210 pode ser distribuído através do elemento de transpiração interno 332, por exemplo, pelo menos na pressão dentro da câmara de combustão 222, em que a taxa de fluxo do fluido de transpiração 210 (isto é, corrente de CO2) na câmara de combustão 222 é suficiente para que o fluido de transpiração 210 se misture com os produtos de combustão e resfrie os mesmos para formar uma mistura de fluido de saída em uma temperatura suficiente com relação à exigência de entrada do processo a jusante subsequente (isto é, uma turbina pode re
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27/46 querer uma temperatura de entrada, por exemplo, de cerca de 1225° C), mas em que a mistura de fluido de saída permanece suficientemente alta para manter gotículas de escória ou outros contaminados no combustível em um estado de fluido ou líquido. O estado líquido dos elementos não combustíveis do combustível pode facilitar, por exemplo, a separação desses contaminantes do produto de combustão na forma líquida, de preferência, em uma forma de circulação livre, de baixa viscosidade, que será menos provável de obstruir ou de outro modo danificar qualquer sistema de remoção implementado para essa separação. Na prática, essas exigências podem depender de vários fatores tais como um tipo de combustível carbonáceo sólido (isto é, carvão) empregado e das características particulares da escória formada no processo de combustão. Isto é, a temperatura de combustão dentro da câmara de combustão 222, de preferência, é tal que qualquer elemento não combustível no combustível carbonáceo é liquefeito dentro do produto de combustão.
[0046] Em aspectos particulares, o elemento de transpiração interno poroso 332 é assim configurado para dirigir o fluido de transpiração e para a câmara de combustão 222 de maneira radialmente para dentro de modo a formar uma parede de barreira de fluido ou camada tampão em torno da superfície do elemento de transpiração interno 332, definindo a câmara de combustão 222 (vide, por exemplo, a figura 2). A superfície do elemento de transpiração interno 332 também é aquecida pelo produto de combustão. Como tal, o elemento de transpiração interno poroso 332 pode ser configurado para ter uma condutividade técnica adequada de modo que o fluido de transpiração 210 que passa através do elemento de transpiração interno 332 é aquecido, enquanto o elemento de transpiração interno poroso 332 é resfriado, simultaneamente, resultando na temperatura da superfície do elemento de transpiração interno 332 definindo a câmara de combustão 222
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28/46 sendo, por exemplo, cerca de 1000° C na região da temperatura de combustão mais alta. A parede de barreira de fluido e a camada tampão 231 formada pelo fluido de transpiração 210 em cooperação com o elemento de transpiração interno 332, desse modo, amortece a interação entre o elemento de transpiração interno 332 de contato, incrustações ou outros danos. Ainda, o fluido transpiração 210 introduzido na câmara de combustão 222 através do elemento de transpiração interno 332 de maneira a regular uma mistura de saída de fluido de transpiração 210 e do produto de combustão em torno da porção de saída 222 em uma temperatura de entre cerca de 500° C e cerca de 2000°C. [0047] De acordo com certos aspectos, um fluido de transpiração 210 adequado para implementação em um aparelho combustor 220, conforme aqui divulgado, pode incluir qualquer fluido apropriado capaz de ser proporcionado em um fluxo de quantidade e pressão suficientes através do elemento de transpiração interno 332 para formar a parede de barreira de fluido/camada tampão 231 e capaz de diluir os produtos de combustão para produzir uma temperatura de saída final adequada do fluido de trabalho/corrente de saída de produtos de combustão. De acordo com a invenção, CO2 supercrítico é o fluido de transpiração 210 adequado pelo fato de que a parede de barreira de fluido/camada tampão formada desse modo demonstra boas propriedades de isolamento térmico, bem como luz visível e propriedades de absorção de luz UV. Outros exemplos de um fluido de transpiração adequado incluem, por exemplo, H2O ou gases produtos de combustão resfriados, reciclados dos processos a jusante. Alguns combustíveis podem ser usados como fluidos de transpiração durante a partida de um aparelho combustor para obter, por exemplo, temperaturas e pressões de operação apropriadas na câmara de combustão 222 antes da injeção da fonte de combustível usada durante a operação. Alguns combustíveis podem ser usados também como o fluido de transpiração para ajustar
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29/46 ou manter as temperaturas e pressões de operação do aparelho combustor 220 durante transição entre fontes de combustível, como quando da transição de carvão para biomassa como a fonte de combustível. Em alguns aspectos, dois ou mais fluidos de transpiração podem ser usados. O fluido de transpiração 210 pode ser otimizado para as condições de temperatura e pressão da câmara de combustão 222, onde o fluido de transpiração 210 forma a parede de barreira de fluido/camada tampão 231.
[0048] Assim, aspectos da presente descrição proporcionam aparelhos e métodos para produção de energia, tal como energia elétrica, através do uso de um aparelho combustor de combustível de alta eficiência 220 e um fluido de trabalho 236 associado. O fluido de trabalho 236 é introduzido no aparelho combustor 220 em conjunção com um combustível 254 apropriado e oxidante 242 e quaisquer materiais associados que possam também ser úteis para a combustão eficiente. Em aspectos particulares, a implementação de um aparelho combustor 220, configurado para operar em temperaturas relativamente altas (por exemplo, na faixa de entre cerca de 1300° C e cerca de 3500° C), o fluido de trabalho 236 pode facilitar a moderação da temperatura de uma corrente de fluido que sai do aparelho combustor 220, de modo que a corrente de fluido pode ser utilizada pela extração de energia da mesma para fins de produção de energia.
[0049] Em certos aspectos, um aparelho combustor resfriado por transpiração 220 pode ser implementado em um sistema de geração de energia, usando um fluido de trabalho circulado 236, compreendendo, por exemplo, predominantemente, CO2 e/ou H2O. Em um aspecto particular, o fluido de trabalho 236 que entra no aparelho combustor 220, de preferência, compreende, de modo substancial, apenas CO2. No aparelho combustor 220, operando sob condições de oxidação, o fluido de trabalho de CO2 236 pode com um ou mais componen
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30/46 tes do combustível 254, um oxidante 242 e quaisquer produtos do processo de combustão de combustível. Desse modo, o fluido de trabalho 236 dirigido para a porção de saída 222 B e saindo do aparelho combustor 220, que também pode ser referido aqui como uma corrente de fluido de saída, pode compreender, conforme mostrado na figura 1, predominantemente, CO2 (em casos onde o fluido de trabalho é predominantemente CO2), junto com quantidades menores de outros materiais, tais como, H2O, O2, N2, argônio, SO2, SO3, NO, NO2, HCl, Hg de traços e outros componentes que podem ser produtos do processo de combustão (por exemplo, partículas ou contaminantes, tais como cinza ou cinza liquefeita).Vide elemento 150 na figura 1. A operação do aparelho combustor 200 sob condições de redução pode resultar em uma corrente de fluido de saída com uma relação diferente de possíveis componentes, incluindo, CO2, H20, H2, CO, NH3, H2S, COS, HCl, N2 e argônio, conforme mostrado no elemento 175 na figura 1. Como descrito em mais detalhes aqui, o processo de combustão associado com um aparelho combustor 220 pode ser controlado de modo que a natureza da corrente de fluido de saída pode ser redução ou oxidação, em que ambos os casos podem proporcionar benefícios particulares.
[0050] Em aspectos particulares, o aparelho combustor 220 pode ser configurado como um aparelho combustor resfriado por transpiração, de alta eficiência, capaz de proporcionar uma combustão relativamente completa de um combustível 254 em uma temperatura de operação relativamente alta, por exemplo, na faixa de cerca de 1300° C e cerca de 3500° C. Esse aparelho combustor 220 pode, em alguns casos, implementar um ou mais fluidos de resfriamento e/ou um ou mais fluidos de transpiração 210 em associação com um aparelho combustor 220, componentes adicionais também podem ser implementados, por exemplo, uma unidade de separação de ar pode ser
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31/46 proporcionada para separar N2 e O2 e um dispositivo injetor de combustível pode ser proporcionado para receber O2 da unidade de separação de ar e combinar o O2 com CO2 e/ou H2O e uma corrente de combustível compreendendo um gás, um líquido, um fluido supercrítico ou um combustível sólido em partículas em pasta semifluida em um fluido de CO2 de alta densidade.
[0051] Em outro aspecto, o aparelho combustor resfriado por transpiração 220 pode incluir um injetor de fluido para injetar uma corrente de fluido pressurizada na câmara de combustão 222 do aparelho combustor 220, em que a corrente de combustível pode compreender um combustível carbonáceo processado por 254, um meio de fluidificação 255 (que pode compreender o fluido de trabalho 236, conforme aqui discutido) e oxigênio 242. O oxigênio (enriquecido) 242 e o fluido de trabalho de CO2 236 podem ser combinados como uma mistura homogênea supercrítica. A quantidade de oxigênio presente pode ser suficiente para queimar combustível e produzir produtos de combustão, tendo uma composição desejada. O aparelho combustor 220 também pode incluir uma câmara de combustão 222, configurada como um volume de combustão em alta pressão, em alta temperatura, para o recebimento da corrente de combustível, bem como de um fluido de transpiração 210, que entra no volume de combustão através das paredes de um elemento de transpiração poroso 230, definindo a câmara de combustão 222. A taxa de alimentação do fluido de transpiração 210 pode ser usada para controlar a temperatura da porção de saída de aparelho combustor /porção de entrada de turbina em um valor desejado e/ou resfriar o elemento de transpiração 230 até uma temperatura compatível com o material que forma o elemento de transpiração 230. O fluido de transpiração 210 dirigido através do elemento de transpiração 230 proporciona uma camada de fluido /tampão na superfície do elemento de transpiração 230, definindo a câmara de combusPetição 870190120339, de 19/11/2019, pág. 38/64
32/46 tão 222, em que a camada de fluido/tampão pode impedir partículas de cinzas ou escória líquida resultante de certa combustão de combustível da interação com as paredes expostas do elemento de transmissão 230.
[0052] Aspectos de um aparelho combustor de alta eficiência também podem ser configurados para operar com uma variedade de fontes de combustível, incluindo, por exemplo, vários graus e tipos de carvão, madeira, óleo, óleo combustível, gás natural, gás combustível baseado em carvão, alcatrão de areia betuminosa, betume, biocombustível, biomassa, algas e descarte de resíduos sólidos combustíveis graduados. Particularmente, um pó de carvão ou sólido em partículas podem ser usados. Embora um aparelho combustor de queima de carvão exemplificativo 220 seja aqui divulgado, alguém habilitado na técnica apreciará que o combustível usado no aparelho combustor 220 não está limitado a um grau específico de carvão. Além disso, por causa das altas tensões e altas temperaturas mantidas pelo aparelho combustor que queima oxigênio aqui divulgadas, uma ampla variedade de tipos de combustível pode ser implementada, incluindo carvão, betume (incluindo betume derivado de areias de alcatrão), alcatrão, asfalto, pneus usados, óleo combustível, diesel, gasolina, combustível de jato (JP-5, JP-4), gás natural, gases derivados da gaseificação ou pirólise de material hidrocarbonáceo, etanol, biocombustíveis sólidos e líquidos, biomassa, algas e descarte ou resíduo de sólido processado. Todos esses combustíveis são adequadamente processados para permitir a injeção na câmara de combustão 222 em taxas suficientes e pressões acima da pressão dentro da câmara de combustão 222. Esses combustíveis podem estar na forma líquida, de pasta semifluida, gel ou pasta com fluidez e viscosidade apropriadas em temperatura ambiente ou em temperaturas elevadas (por exemplo, entre cerca de 38° C e cerca de 425° C), Quaisquer materiais combustíveis sólidos
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33/46 são triturados ou desfiados ou de outro modo processados para reduzir os tamanhos de partículas, conforme apropriado. Um meio de fluidificação ou formação de pasta semifluida pode ser adicionado, conforme necessário, para obter uma forma adequada de satisfazer a exigência de fluxo para bombeamento em alta pressão. Naturalmente, um meio de fluidificação pode não ser necessário, dependendo da forma do combustível (isto é, líquido ou gás). Igualmente, o fluido de trabalho circulado pode ser usado como um meio de fluidificação, em alguns aspectos.
[0053] Em alguns aspectos, a câmara de combustão 222 é configurada para manter uma temperatura de combustão de entre cerca de 1.300° C e cerca de 3.500° C. A câmara de combustão 222 pode ainda ser configurada de modo que a corrente de combustível (e o fluido de trabalho 236) podem ser injetados ou de outro modo introduzidos na câmara de combustão 222 em uma pressão maior do que a pressão em que a combustão ocorre. Onde a partícula de carvão é o combustível carbonáceo, as partículas de carvão podem ser transformadas em pasta semifluida em um fluido de CO2 supercrítico, formado pela mistura de CO2 líquido ou água com o combustível sólido triturado para formar uma pasta semifluida bombeável. Nesses casos, o CO2 líquido pode ter uma densidade na faixa de entre cerca de 450 kg/m3 e cerca de 100 kg/m3 e porção de massa do combustível sólido pode estar na faixa de entre cerca de 25% e cerca de 55%. Opcionalmente, uma quantidade de O2 pode ser misturada com o carvão/pasta semifluida de CO2 o suficiente para queimar carvão a fim de produzir uma composição desejada dos produtos de combustão. Opcionalmente, o O2 pode ser injetado separadamente na câmara de combustão 222. O aparelho combustor 220 pode incluir um elemento de contenção de pressão 338 circundando, pelo menos parcialmente, um elemento de transpiração 230 definindo a câmara de combustão 230, em que é um
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34/46 elemento de isolamento 339 pode ser disposto entre o elemento de contenção de pressão 338 e um elemento de transpiração 230. Em alguns casos, um dispositivo de remoção de calor 350, tal como um sistema de resfriamento de água de camisa, definindo camisas de circulação de água 337, pode ser encaixado com o elemento de contenção de pressão 338 (isto é, externamente ao elemento de contenção de pressão 338, formando a casca do aparelho combustor 220). O fluido de transpiração 210 implementado em conexão com o elemento de transpiração 230 do aparelho combustor 220 pode ser, por exemplo, CO2 misturado com quantidades menores de H2O e/ou um gás inerte, tal como N2 ou argônio. O elemento de transpiração 230 pode compreender, por exemplo, um metal poroso, uma cerâmica, uma matriz composta, uma tubulação em camadas, qualquer outra estrutura adequada ou suas combinações. Em alguns aspectos, a combustão dentro da câmara de combustão 222 pode produzir uma corrente de fluido de saída de alta pressão, alta temperatura, que pode ser dirigida, subsequentemente para um aparelho de produção de energia, tal como uma turbina, para a expansão em relação ao mesmo.
[0054] Com relação aos aspectos do aparelho ilustrados na figura 1, o aparelho combustor 220 pode ser configurado para receber o oxigênio 242 em uma pressão de cerca de 36,5 MPa (365 bar). Ainda, o combustível sólido em partículas (por exemplo, carvão em pó) 254 e o fluido de fluidificação (por exemplo, CO2 líquido) 255 também pode ser recebido em uma pressão de cerca de 35,5 MPa (355 bar). Igualmente, o fluido de trabalho (por exemplo, fluido de CO2 aquecido, em alta pressão, possivelmente reciclado) 236 pode ser proporcionado em uma pressão de cerca de 35,5 MPa (355 bar) e uma temperatura de cerca de 835° C. De acordo com aspectos da presente descrição, porém, a mistura de combustível (combustível, fluido de fluidificação de oxigênio e fluido de trabalho) pode ser recebida na porção de entrada
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22A da câmara de combustão 222 em uma pressão de entre cerca de 4 MPa (40 bar) e cerca de 50 MPa (500 bar). As pressões relativamente altas implementadas pelos aspectos do aparelho combustor 220, conforme aqui divulgado, podem funcionar para concentrar a energia assim produzida em uma intensidade relativamente alta em um volume mínimo, resultando, essencialmente, em uma densidade de energia relativamente alta. A densidade de energia relativamente alta permite que o processamento a jusante dessa energia seja realizado de maneira mais eficiente do que em pressões mais baixas e, assim, proporciona um fator de viabilidade para a tecnologia. Aspectos da presente descrição podem assim proporcionar uma densidade de energia em ordens de magnitude maiores do que as centrais de energia existentes (isto é, em 10 - 100 vezes). A densidade de energia mais alta aumenta a eficiência do processo, mas também reduz o custo do equipamento necessário para implementar a transformação de energia térmica em eletricidade, por meio da redução do tamanho e da massa do equipamento, assim, o custo do equipamento.
[0055] Quando implementado, o fluido de fluidificação de CO2 255, que é um líquido em qualquer pressão entre a pressão de ponto triplo de CO2 e a pressão crítica de CO2, é misturado com o combustível de carvão em pó 254 para formar uma mistura na proporção de cerca de 55% de CO2 e cerca de 45% de carvão em pó por massa ou outra fração de massa, de modo que a pasta semifluida resultante pode ser bombeada por uma bomba adequada (como uma pasta semifluida do fluido) para a câmara de combustão 222 na pressão observada de cerca de 35,5 MPa (355 bar). Em alguns aspectos, o CO2 e o carvão em pó podem ser misturados antes do bombeamento em uma pressão de cerca de 1,3 MPa (13 bar). A corrente de O2 é misturada com a corrente de fluido de trabalho de CO2 236 de que a condenação, então misturada com o carvão em pó/pasta semifluida de CO2 para formar
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36/46 uma mistura fluida única. A proporção de O2 para carvão pode ser selecionado para ser suficiente assim de queimar completamente o carvão com 1% um adicional de excesso de O2. Em outro aspecto, a quantidade de O2 pode ser selecionada de modo a permitir que uma porção do carvão seja boxe dada substancial completamente, enquanto outra porção é o que se dava apenas parcialmente, resultando em uma mistura fluido que é redutora e que inclui algum H2+CO+CH4. Dessa maneira, uma expansão de dois estágios dos produtos da combustão pode ser implementada conforme necessário ou desejado com alguma injeção de O2 e reaquecimento entre o primeiro e o segundo estágio. Ainda em outros aspectos, a quantidade de CO2 presente na câmara de combustão 222 via a mistura de combustível é selecionada para ser suficiente a fim de obter uma temperatura de combustão (adiabática ou outra) de cerca de 2400° C embora a temperatura de combustão possa estar na faixa de entre cerca de 1300 °C e cerca de 3500 °C. A mistura de combustível de O2 + pasta semifluida de carvão + CO2 é proporcionada, em um aspecto, em uma temperatura resultante abaixo da temperatura de auto-ignição daquela mistura de combustível. A fim de obter as condições indicadas, o combustível carbonáceo sólido (por exemplo, carvão) de preferência, é proporcionado em um tamanho médio de partículas de cerca de 50 mícrons e cerca de 200 mícrons, por exemplo, através da trituração do carvão sólido em um moinho de carvão. Esse processo de trituração pode ser realizado em um moinho configurado para proporcionar uma fração de massa mínima de partículas abaixo de cerca de 50 mícrons. Dessa maneira, quaisquer elementos não combustíveis que sejam liquefeitos para formar as gotículas de escória líquida no processo de combustão podem ser maiores do que cerca de 10 mícrons de diâmetro. Em alguns aspectos, a mistura de combustível compreendendo a pasta semifluida de C02+02+ carvão pulverizado, em uma temperatura de cerca de
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400° C, pode ser dirigida para a câmara de combustão 222 em uma pressão de cerca de 35,5 MPa (355 bar), em que a pressão líquida em combustão dentro da câmara de combustão 222 pode ser cerca de 35,4 MPa (354 bar). A temperatura dentro da câmara de combustão 222 pode oscilar de entre cerca de 1300 ° C e cerca de 3500° C e em alguns aspectos preferidos, apenas um único estágio de combustão é implementado.
[0056] Em um exemplo de um aparelho combustor 220, conforme aqui divulgado, um sistema de energia elétrica de 500 MW pode ser configurado para operar com combustível de CH4 em uma eficiência (base de valor de aquecimento menor) de cerca de 58% nas seguintes condições:
pressão de combustão: 350 Atm entrada de combustível: 862 MW fluxo de combustível: 17,2 kg/segundo fluxo de oxigênio : 69,5 kg/segundo
CH4 e O2 são misturados com 155 kg/segundo de fluido de trabalho de CO2 e queimados para produzir uma corrente de fluido de saída compreendendo CO2, H2O e algum O2 em excesso em uma temperatura adiabática de 2400 C. A câmara de combustão pode ter um diâmetro interno de cerca de 1m e um comprimento de cerca de 5 m. Um fluxo de 395 kg/segundo de CO2 em uma temperatura de cerca de 600°C é dirigido para o elemento de transpiração que pode ter cerca de 2,5 cm de espessura e é dirigido através do elemento de transpiração. Esse CO2 é aquecido por convecção do calor conduzido através do elemento de transpiração que se origina da radiação da combustão dentro da câmara de combustão para o elemento de transpiração. [0057] Perto de sua superfície interna e definindo a câmara de combustão, a temperatura da superfície do elemento de transpiração pode ser aproximadamente 1000° C, enquanto a corrente de fluido de
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38/46 saída de 636,7 kg/segundo pode estar em uma temperatura de cerca de 1350° C. Nesses casos, o tempo médio de permanência para a combustão e diluição do produto de combustão é cerca de 1,25 segundos. Ainda, a velocidade média radicalmente para dentro para um fluido de transpiração que entra na câmara de combustão através do elemento de transpiração é, aproximadamente, 0,15 m/s.
[0058] Alteração do exemplo para um aparelho combustor movido a carvão resulta em uma configuração com tempo médio de permanência para combustão e diluição dos produtos de combustão na câmara de combustão de cerca de 2,0 segundos e um complemento de câmara de combustão de cerca de 8 m, com diâmetro interno de cerca de 1 m. A eficiência líquida do sistema com CO2 como o fluido de diluição (transpiração) é, assim, cerca de 54% (base do valor de aquecimento menor). Nesses casos, a velocidade do fluido de transpiração radialmente para dentro pode ser cerca de 0,07 m/s. Sob essas condições, a figura 5 mostra uma trajetória hipotética de uma partícula de escória líquida com diâmetro de 50 mícrons, projetada radialmente para fora em cerca de 50 m/s em direção ao elemento de transpiração de uma distância de 1 mm do mesmo. Conforme ilustrado, a partícula alcançará um mínimo de 0,19 mm do elemento de transpiração antes de ser conduzida de volta para a corrente de fluxo de fluido de saída pelo fluxo de fluido de transpiração através do elemento de transpiração. Nesses casos, o fluxo de fluido de transpiração através do elemento de transpiração amortece, efetivamente, a interação entre o elemento de transpiração e particulas de escória líquida, resultantes do processo de combustão.
[0059] Aspectos do aparelho combustor divulgado podem ser implementados em sistemas adequados de produção de energia, usando métodos associados, como será apreciado por alguém habilitado na técnica. Por exemplo, esse sistema de produção de energia pode
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39/46 compreender um ou mais injetores para fornecimento de combustível (e, opcionalmente, um meio de fluidificação), um oxidante e um fluido de trabalho de CO2 ; um aparelho combustor resfriado por transpiração, como aqui divulgado, tendo pelo menos um estágio de combustão para a combustão da mistura combustível e proporciona uma corrente de fluido de saída. Um aparelho de transformação (vide, por exemplo, o elemento 500 na figura 6) pode ser configurado para receber a corrente de fluido de saída (produtos de combustão e fluido de trabalho) e ser responsivo à corrente de fluido de saída para transformar energia com ele associada em energia cinética, em que o aparelho de transformação pode ser, por exemplo, uma turbina de produção de energia, tendo uma entrada e uma saída e em que energia é produzida à medida que a corrente de fluido de saída se expande. Mais particularmente, a turbina pode ser configurada para manter a corrente de fluido de saída em uma relação de pressão desejada entre a entrada e a saída. Um dispositivo gerador (vide, por exemplo, o elemento 550 na figura 6) também pode ser proporcionado para transformar a energia cinética da turbina em eletricidade. Isto é, a corrente de fluido de saída pode ser expandida de uma pressão alta para a uma pressão mais baixa, a fim de produzir energia de um eixo que pode ser então convertida em energia elétrica. Um trocador de calor pode ser proporcionado para resfriamento da corrente de fluido de saída da saída de turbina e para aquecimento do fluido de trabalho de CO2 que entra no aparelho combustor. Um ou mais dispositivos também podem ser proporcionados para separar a corrente de fluido de saída que deixam o trocador de calor em CO2 puro e um ou mais outros componentes para recuperação ou descarte. Esse sistema também pode compreender um ou mais dispositivos para a compreensão do CO2 purificado e para distribuir pelo menos uma porção do CO2 separada da corrente de fluido de saída em um oleoduto pressurizado, enquanto a porção restante é re
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40/46 ciclada à medida que o fluido de trabalho é aquecido pelo trocador de calor. Alguém habilitado na técnica, porém, apreciará que, embora a presente descrição envolva implementação direta da corrente de fluido de saída, em alguns casos, a corrente de fluido de saída de temperatura relativamente alta pode ser implementada indiretamente. Isto é, a corrente de fluido de saída pode ser dirigida para um trocador de calor, em que a energia térmica com ele associada é usada para aquecer uma segunda corrente de fluido de trabalho e a segunda corrente de fluido de trabalho aquecida, então, é dirigida para um dispositivo de transformação (por exemplo, uma turbina) para gerar energia. Ainda, alguém habilitado na técnica apreciará que muitas outras dessas disposições podem estar dentro do escopo da presente descrição.
[0060] Em aspectos particulares da descrição, a composição do combustível carbonáceo é tal que elementos não combustíveis (isto é, contaminantes) podem ser incluídos e permanecer presentes nos produtos de combustão/corrente de fluido de saída em seguida ao processo de combustão. Esse pode ser o caso onde combustível carbonáceo é um sólido tal como carvão. Naqueles aspectos, a implementação direta da corrente de fluido de saída resulta em acúmulo desses elementos não combustíveis ou outro dano ao aparelho de transformação subsequente (turbina), se a corrente de fluido de saída for canalizada diretamente para o mesmo. Alguém habilitado na técnica também apreciará que esses elementos não combustíveis podem não estar presentes, necessariamente, quando da implementação de outras formas de combustível carbonáceo, tal como o líquido ou gás (isto é, gás natural).Em consequência, em aspectos que implementam uma fonte de combustível carbonáceo sólido e uma interação direta entre a corrente de fluido de saída e o aparelho de transformação, o sistema de energia (aparelho combustor e aparelho de transformação) pode ainda incluir um aparelho separador disposto entre o aparelho com
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41/46 bustor e o aparelho de transformação. Nesses casos, o aparelho pode ser configurado para remover, substancialmente, elementos não combustíveis liquefeitos do produto de combustão/corrente de fluido de saída assim recebidos, antes que o produto de combustão/corrente de fluido de saída sejam dirigidos para o aparelho de transformação. Ainda, em aspectos que implementam um aparelho separador, a substância de transpiração divulgada pode ser introduzida a montante e a jusante do aparelho separador. Mais particularmente, a substância de transpiração pode ser primeiro introduzida na câmara de combustão, via o elemento de transpiração e a montante do aparelho separador, de modo a regular uma mistura da substância de transpiração e do produto de combustão que entra no aparelho separador acima de uma temperatura de liquefação dos elementos não combustíveis. Subsequentemente ao aparelho separador, um dispositivo de distribuição de substância de transpiração (vide, por exemplo, o elemento 475 na figura 6) pode ser configurado para distribuir a substância de transpiração para o produto de combustão que sai do aparelho separador e tendo os elementos não combustíveis liquefeitos substancialmente removidos do mesmo, de modo a regular uma mistura da substância de transpiração e de produtos de combustão que entra no aparelho de transformação em uma temperatura de entre cerca de 500° C e cerca de 2000° C.
[0061] Conforme discutido previamente, aspectos do aparelho combustor podem incluir a capacidade de obter uma temperatura de combustão que faz com que os elementos não combustíveis no combustível carbonáceo sólido sejam liquefeitos durante o processo de combustão. Nesses casos, medidas para remover um elemento não combustível liquefeito podem ser aplicadas, tais como, por exemplo, aparelho separador 340, tal como um separador ciclônico, conforme mostrado na figura 4. De um modo geral, aspectos desse separador
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42/46 ciclônico implementados pela presente descrição podem compreender uma pluralidade de dispositivos separadores centrífugos dispostos em série 100, incluindo um dispositivo separador centrífugo de entrada 100A, configurado para receber o produto de combustão /corrente de fluido de saída, tendo elementos não combustíveis liquefeitos com ele associados e um dispositivo separador centrifugo de saída 100B configurado para esgotar o produto de combustão/correntes de fluido de saída tendo os elementos não combustíveis liquefeitos substancialmente removidos.Esse aparelho separador 340 pode ser configurado para operar em uma pressão elevada e, como tal, pode ainda compreender um alojamento contendo pressão 125 configurado para abrigar os dispositivos separadores centrífugos e o coletor. De acordo com esses aspectos, o alojamento contendo pressão 125 pode ser uma extensão do elemento de contenção de pressão 338, também circundando o aparelho combustor 220 ou o alojamento de contenção de pressão 125 pode ser um elemento separado capaz de encaixar o elemento de contenção de pressão 338, associado com um aparelho separador 220. Em ambos os casos, devido à temperatura elevada experimentada pelo aparelho separador 340 via a corrente de fluido de saída, o alojamento de contenção de pressão 125 também pode incluir a um sistema de dispersão de calor, tal como uma camisa de transferência de calor, tendo nela um líquido circulado (não mostrado), encaixado operavelmente com a mesma para remover calor. Em alguns aspectos, um dispositivo de recuperação de calor (não mostrado) pode ser encaixado operavelmente com a camisa de transferência de calor, em que o dispositivo de recuperação de calor pode ser configurado para receber o líquido circulado na camisa de transferência de calor e recupera a energia térmica daquele líquido.
[0062] Mais particularmente, o aparelho separador (remoção de escória) 340, mostrado na figura 4, é configurado para ser disposto em
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43/46 série com o aparelho combustor 220 em torno da sua porção de saída 222B para receber a corrente de fluido de saída/produtos de combustão da mesma. A corrente de fluido de saída resfriada por transpiração do aparelho combustor 220, com as gotículas de escória líquida (elementos não inflamáveis), é direcionada para introduzir um coletor central 2A do dispositivo separador centrífugo de entrada 100A através de um redutor cónico 10. Em um aspecto, o aparelho separador 340 pode incluir três dispositivos separadores centrífugos 100A, 100B, 100C (embora alguém habilitado na técnica que apreciará que esse aparelho separador pode incluir um, dois, três ou mais dispositivos separadores centrífugos, como necessário ou desejado). Neste caso, os três dispositivos separadores centrífugos 100A, 100B, 100C operavelmente dispostos em série fornecem uma unidade de separação ciclônica.de três estágios. Cada dispositivo separador centrífugo inclui, por exemplo, uma pluralidade de elementos separadores centrífugos (ciclones 1) dispostos em torno da circunferência do tubo coletor central correspondente 2. Os coletores centrais 2A e os tubos coletores centrais 2 do dispositivo separador centrífugo de entrada 100A, e o dispositivo separador centrífugo de entrada são, cada um, selados na sua extremidade de saída. Nesses casos, a corrente de saída é direcionada para os canais de derivação 11, correspondentes a cada um dos elementos separadores centrífugos (ciclones 1) do respectivo dispositivo separador centrífugo 100. Os canais de derivação 11 são configurados para encaixar a extremidade de entrada do respectivo ciclone 1 para formar uma entrada tangencial (que faz com que, por exemplo, a corrente de fluido de saída entre no ciclone 1 para interagir com a parede do ciclone 1 em um fluxo espiral). O canal de saída 3 de cada ciclone 1 é, então, encaminhado para a porção de entrada do tubo coletor central 2 do respectivo dispositivo separador centrífugo 100. No dispositivo separador centrífugo de saída 100B, a corrente de fluido de saí
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44/46 da (tendo elementos não inflamáveis substancialmente separados), é dirigido do tubo coletor central do dispositivo separador centrífugo 100B e através de um tubo coletor 12 e um bocal de saída 5, de modo que a corrente de fluido de saída limpo pode ser, então, direcionada para um processo posterior, tal como aquele associado com o aparelho de transformação. A disposição exemplificativa de separação ciclônica de três estágios, assim, permite a remoção de escória até, por exemplo, abaixo de 5 ppm em massa, na corrente de fluido.
[0063] Em cada estágio do aparelho separador 340, a escória líquida separada é direcionada de cada um dos ciclones 1 através de tubos de saída 4 que se estendem em direção a um coletor 20. A escória líquida separada é então direcionada para um bocal ou tubo de saída14 que se estende do coletor 20 e o alojamento de contenção 125 para a remoção e /ou recuperação de componentes. Na realização da remoção da escória, a escória líquida pode ser direcionada tendo uma seção resfriada à água 6 ou de outra forma através de uma seção tendo uma conexão de água fria de alta pressão onde a interação com a água faz a escória líquida se solidificar e /ou granular. A mistura de escória solidificada e água pode então ser separada em um vaso (medida para coleta) 7 em uma mistura de fluidos de escória/água que pode ser removida através de uma válvula adequada 9, enquanto qualquer gás residual pode ser removido através de uma linha separada 8.
[0064] Uma vez que o aparelho separador 340 é implementado em conjunto com a corrente de fluido de saída em temperatura relativamente alta (isto é, em uma temperatura suficiente para manter os elementos não inflamáveis na forma líquida com uma viscosidade relativamente baixa), pode ser desejável, em alguns casos, que as superfícies do aparelho separador 340 expostas a um dentre uma corrente de fluido de saída/produto de combustão e os elementos liquefeitos não
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45/46 combustíveis sejam compostos de um material configurado para ter pelo menos uma dentre uma alta resistência à alta temperatura, uma alta resistência à corrosão e uma baixa condutividade térmica. Exemplos de tais materiais podem incluir óxido de zircônio e óxido de alumínio, embora esses exemplos não pretendam ser uma limitação de qualquer maneira. Como tal, em certos aspectos, o aparelho separador de 340 é configurado para remover substancialmente os elementos não inflamáveis liquefeitos do produto de combustão/corrente de fluido de saída e de manter os elementos não combustíveis em uma forma líquida de baixa viscosidade, pelo menos até a retirada do mesmo do coletor 20.
[0065] Como tal, conforme divulgado aqui, a separação de escória em casos de um combustível carbonáceo sólido pode ser realizada em uma única unidade (aparelho separador 340) que podem, em alguns casos, ser facilmente extraídos do sistema para manutenção e inspeção. No entanto, esse aspecto pode fornecer vantagens adicionais, como mostrado na figura 6, pelo que o sistema pode ser facilmente configurado para implementar uma abordagem flex fuel em uma operação no que diz respeito à disponibilidade de uma fonte de combustível particular. Por exemplo, o aparelho separador de unidade única 340 pode ser instalado no sistema, entre o combustor e o aparelho 220 e o aparelho de transformação (turbina) 500, quando o aparelho combustor 220, usou um combustível carbonáceo sólido como a fonte de combustível. Se for desejável mudar uma fonte de combustível carbonáceo líquido ou gás, a unidade separadora 340 pode ser removida do sistema (isto é, pode não ser necessária, conforme discutido previamente, de modo que a corrente de fluido de saída do aparelho combustor 220 pode ser dirigida diretamente para o aparelho de transformação 500. O sistema assim, também pode ser prontamente mudado de volta para implementar a unidade separadora 340, se a disponibiliPetição 870190120339, de 19/11/2019, pág. 52/64
46/46 dade de combustível ditar, mais tarde, uma fonte de combustível carbonáceo sólido.

Claims (15)

1. Aparelho combustor (220), compreendendo:
um arranjo de mistura (250) configurado para misturar um combustível carbonáceo com oxigênio enriquecido e um fluido de trabalho para formar uma mistura de combustível (200); e uma câmara de combustão (222) pelo menos parcialmente definida por um membro de transpiração (230), o membro de transpiração (230) sendo ainda pelo menos parcialmente cercado por um membro de contenção de pressão (338), a câmara de combustão (222) tendo uma porção de entrada ( 222A) e uma porção de saída oposta (222B), a porção de entrada (222A) da câmara de combustão (222) sendo configurada para receber a mistura de combustível (200) para a mistura de combustível (200) a ser queimada dentro da câmara de combustão (222 ) a uma temperatura de combustão para formar um produto de combustão, a câmara de combustão (222) sendo ainda configurada para direcionar o produto de combustão para a porção de saída (222B), o membro de transpiração (230) sendo configurado para direcionar uma substância de transpiração através da mesma para a combustão câmara (222) para tamponar a interação entre o produto de combustão e o elemento de transpiração (230), caracterizado pelo fato de que a substância de transpiração é dióxido de carbono supercrítico e também é fornecida ao arranjo de mistura (250) como pelo menos parte do fluido de trabalho.
2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a porção de saída (222B) da câmara de combustão (222) é oposta à porção de entrada (222A) ao longo de um comprimento da câmara de combustão e a câmara de combustão (222) é ainda configurada para direcionar o produto de combustão ao longo do comprimento da câmara de combustão em direção à porção de saída
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2/7 (222B).
3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma fonte de substância de transpiração configurada para fornecer a substância de transpiração ao arranjo de mistura (250) como fluido de trabalho e o elemento de transpiração (230) como substância de transpiração.
4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:
o arranjo de mistura (250) é ainda configurado para misturar um de um combustível carbonáceo sólido, um combustível carbonáceo líquido e um combustível carbonáceo gasoso com o oxigênio enriquecido e o fluido de trabalho, e em que o oxigênio enriquecido compreende oxigênio tendo uma pureza molar de maior cerca de 85%, ou o arranjo de mistura (250) é configurado para misturar o combustível carbonáceo, o oxigênio enriquecido e o fluido de trabalho para formar uma única corrente de entrada da mistura de combustível direcionada para a câmara de combustão (222), ou o combustível carbonáceo é um sólido particulado com um tamanho médio de partícula entre cerca de 50 mícrons e cerca de 200 mícrones, e o arranjo de mistura (250) é ainda configurado para misturar o combustível carbonáceo sólido particulado com uma substância fluidizante que compreende água e CO2 líquido tendo uma densidade entre cerca de 450 kg / m3 e cerca de 1100 kg / m3, a substância fluidizante que coopera com o combustível carbonáceo sólido particulado para formar uma pasta que tem entre cerca de 25% em peso e cerca de 55% em peso do combustível carbonoso sólido em partículas, ou o combustível carbonáceo, o oxigênio enriquecido e o fluido de trabalho que forma a mistura de combustível (200) são controlados de modo que a temperatura de combustão esteja entre cerca de 1300
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3/7 ° C e cerca de 3500 ° C.
5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:
a câmara de combustão (222) é ainda configurada para receber a mistura de combustível (200) na porção de entrada (222A) da mesma a uma pressão entre cerca de 40 bar e cerca de 500 bar, ou a temperatura de combustão é configurada de modo que contaminantes incombustíveis no combustível carbonáceo sejam liquefeitos dentro do produto de combustão e em que a substância de transpiração direcionada através do elemento de transpiração (230) forma uma camada tampão imediatamente adjacente ao elemento de transpiração (230) dentro da câmara de combustão (222), a camada tampão sendo configurada para tamponar a interação entre o membro de transpiração (230) e os contaminantes liquefeitos incombustíveis e o calor associado ao produto de combustão, ou a substância de transpiração está configurada para ser introduzida na câmara de combustão (222) através do elemento de transpiração (230) de modo a regular uma mistura de saída da substância de transpiração e do produto de combustão em torno da porção de saída (222B) da câmara de combustão (222 ) a uma temperatura entre cerca de 500 ° C e cerca de 2000 ° C, ou a substância de transpiração é aquecida pelo calor do elemento de transpiração (230) a uma temperatura entre cerca de 500 ° C e cerca de 1000 ° C após ser direcionada através do elemento de transpiração (230), ou a mistura de combustível (200) direcionada através de um arranjo de bocal de entrada da porção de entrada (222A) está a uma temperatura abaixo de uma temperatura de autoignição, ajustando uma temperatura do fluido de trabalho após a introdução da mistura de combustível (200) na câmara de combustão (222).
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6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um dispositivo de remoção de calor (350) associado ao elemento de retenção de pressão (338) e configurado para controlar uma temperatura do mesmo, o dispositivo de remoção de calor (350) compreendendo uma camisa de transferência de calor (336) tendo um líquido circulado nele.
7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aparelho combustor (220) é configurado de modo que o produto de combustão inclua:
entre cerca de 500 ppm e cerca de 3% de O2 molar e CO abaixo de cerca de 50 ppm, ou H2 e CO a uma concentração combinada superior a cerca de 1% e inferior a cerca de 10 ppm de O2.
8. Sistema de geração de energia, incluindo um aparelho combustor (220) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, e caracterizado por compreender ainda um aparelho de transformação (500) configurado para receber o produto de combustão do aparelho combustor (220), sendo o aparelho de transformação responsivo ao produto de combustão para transformar energia associada a ele em energia cinética, em que o combustível carbonáceo é um sólido e em que o sistema de geração de energia compreende ainda um aparelho separador (340) disposto entre o aparelho combustor (220) e o aparelho de transformação (500 ), o aparelho separador (340) sendo configurado para remover substancialmente contaminantes incombustíveis liquefeitos do produto de combustão recebido da câmara de combustão (222) antes de o produto de combustão ser direcionado ao aparelho de transformação (500).
9. Sistema de geração de energia, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o aparelho separador (340) compreende:
uma pluralidade de dispositivos separadores centrífugos
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5/7 dispostos em série (100), incluindo um dispositivo separador centrífugo de entrada (100A) configurado para receber o produto de combustão e os contaminantes incombustíveis liquefeitos associados a ele e um dispositivo separador centrífugo de saída (100B) configurado para esgotar o produto de combustão tendo os contaminantes incombustíveis liquefeitos removidos substancialmente a partir dele, cada dispositivo separador centrífugo (100) tendo uma pluralidade de elementos separadores centrífugos (1) dispostos operacionalmente em paralelo, cada elemento separador centrífugo (1) sendo configurado para remover substancialmente os contaminantes incombustíveis liquefeitos do produto de combustão e direcionar pelo menos uma porção dos contaminantes incombustíveis liquefeitos para um poço (20), o aparelho separador (340) sendo configurado para manter os contaminantes incombustíveis em uma forma líquida de baixa viscosidade pelo menos até a remoção do poço (20) ; e um alojamento contendo pressão (125) configurado para abrigar os dispositivos separadores centrífugos (100) e o cárter (20).
10. Sistema de geração de energia, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que:
o aparelho separador (340) compreende ainda um sistema de dispersão de calor engatado operacionalmente com o alojamento contendo pressão (125), de modo a remover o calor do mesmo, opcionalmente, em que o sistema de dispersão de calor compreende ainda uma camisa de transferência de calor (336) com um líquido circulado no mesmo, e ainda opcionalmente em que o aparelho separador (340) compreende ainda um dispositivo de recuperação de calor operado de maneira operacional com a camisa de transferência de calor (336), o dispositivo de recuperação de calor que está sendo configurado para receber o líquido circulado na camisa de transferência de calor (336) e recuperar energia térmica do líquido, ou
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6/7 as superfícies do aparelho separador (340) expostas a um dos produtos de combustão e os contaminantes liquefeitos incombustíveis associados a ele são constituídos por um material configurado para ter pelo menos uma resistência a alta temperatura, alta resistência à corrosão e baixa condutividade térmica.
11. Sistema de geração de energia, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a substância de transpiração está configurada para ser introduzida na câmara de combustão (222) através do elemento de transpiração (230), de modo a regular uma mistura da substância de transpiração e do produto de combustão que entra no aparelho separador (340) acima de uma temperatura de baixa viscosidade dos contaminantes liquefeitos incombustíveis e, opcionalmente, compreendendo ainda um dispositivo de entrega de substância de transpiração (475) disposto subsequentemente ao aparelho separador (340) e configurado para entregar a substância de transpiração ao produto de combustão tendo o contaminantes incombustíveis liquefeitos removidos substancialmente a partir deles, de modo a regular uma mistura da substância de transpiração e do produto de combustão que entra no aparelho de transformação (500) a uma temperatura entre cerca de 500 ° C e cerca de 2000 ° C.
12. Sistema de geração de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, caracterizado pelo fato de que o aparelho de transformação (500) compreende um de um dispositivo de turbina, o dispositivo de turbina sendo responsivo ao produto de combustão, de modo a transformar a energia associada a ele em energia cinética, e um dispositivo gerador (550) configurado para transformar a energia cinética em eletricidade.
13. Sistema de geração de energia, caracterizado pelo fato de que compreende um aparelho combustor (220) de acordo com a reivindicação 2, e um aparelho de transformação (500) configurado
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7/7 para receber o produto de combustão da porção de saída (222B) da câmara de combustão (222), o aparelho de transformação (500) responder ao produto de combustão recebido do aparelho combustor (220) para transformar a energia associada ao produto de combustão em energia cinética.
14. Método de combustão de combustível carbonáceo com oxigênio enriquecido e dióxido de carbono supercrítico, caracterizado por utilizar um aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por ser realizado pelo sistema de geração de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 13.
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