CN103534544B - 低温空气分离方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温空气分离方法，该方法提供高压氧用于燃料(例如碳质燃料)的氧燃烧。该空气分离方法可被直接集成到使用工作流体如CO2的闭环发电方法中。有益地，该空气分离方法无需空气压缩级之间的中间冷却，而是能够将绝热压缩热再循环到其中额外热供给有益的其它方法中的工艺步骤中。

Description

低温空气分离方法与系统
发明领域
本发明涉及分离空气以提供其一种或多种单独组分的纯化流的方法与系统。特别地，该方法与系统可用于提供纯化O2流，同时提取压缩热以用于不同或相关的方法或系统。
发明背景
大气空气公认包含多种不同的气态组分，主要是氮和氧，但也包含少量其它材料，如惰性气体、甲烷、水蒸气和二氧化碳。通过使用空气分离方法与系统——即“空气分离装置”或“空气分离设备”可将一种或多种大气空气组分分离并以纯化形式提供。有用于该分离工艺的多种已知技术，如纯化空气的低温蒸馏、氧离子迁移膜(或其它膜)分离、变压吸附(PSA)和真空变压吸附(VPSA)。在各种可用方法中，对于将空气以高纯度分离为其组成组分而言，低温蒸馏是特别有利的。已知的低温空气分离装置通过使用制冷循环(其采用保持在绝热外壳中的冷设备)实现了所需的低蒸馏温度。该冷却方法和气体组分的分离通常需要大量轴功率以驱动制冷和分离循环中使用的空气压缩机。空气分离装置还需要初始分离水蒸气、CO2和其它微量组分以避免其在低温设备中冻结。
典型的低温空气分离方法可包括四个主要特征：空气压缩；空气纯化；冷却空气流与空气分离的加热产物之间的热交换；以及蒸馏。在压缩阶段，将大气空气的总进料预过滤并压缩至通常为3.5至10巴(0.35至1MPa)的压力。这个压缩阶段向空气提供热，这类外加的热必须被除去(例如在热交换器中)以便将压缩空气温度降低至大约环境温度。该空气通常在具有级间中间冷却和使用环境冷却介质(如冷却水或空气)的后冷却器的多级压缩机中压缩。压缩热被丢弃到环境中。压缩空气的纯化可以经由通过吸附过程，如氧化铝和/或分子筛吸附剂的循环运行床来实现。这对除去任何残留的水蒸气、CO2和会在低温设备中冻结的其它组分，以及气态烃是有用的。该吸附剂可通过一些方法再生，如在低压下使用干燥氮气吹扫气体的热振荡或压力振荡。冷却与蒸馏始于空气流通过集成的热交换器(例如铝板翅式热交换器)和对制得的氧与废弃低温产物流的冷却。随后将空气冷却至足以在蒸馏塔中蒸馏。低温设备中液体空气的形成通常需要一定的制冷。这种液体可以经由穿过阀或通过膨胀器的空气的焦耳汤姆逊膨胀来形成。该空气在至少一个且通常两个或三个蒸馏塔中蒸馏，取决于对要提供的产品的要求、产品纯度和产品输送压力。分离的空气产品组分可以用热交换器中的进入空气升温以提供环境温度下的产品气体。
在所有使用泵送氧气过程的低温空气分离系统中实现在升高的压力下生产氧。这涉及到将取自蒸馏系统的低压液氧流泵送至下游耗氧过程所需的高压力。将高压液氧蒸发并通过与已经压缩至足够高以便在热交换器中在氧与空气流之间提供低温度差的压力的一部分空气进料流的热交换加热至环境温度。纯化的总空气进料流的大约27%至40%在第二多级空气压缩机中压缩至由所需氧压力决定的压力。对于在10巴(1.0MPa)压力下的氧，该空气压力可以是大约27巴(2.7MPa)，对于在大约300巴(30MPa)压力下的氧，空气压力可以是大约100巴(10MPa)。
空气分离装置可以是提供用于商业的大批量产品的独立系统。或者，空气分离装置可与其中需要从空气中分离的连续产品流的其它方法和系统集成。具体而言，空气分离装置可与燃烧系统集成，在所述燃烧系统中燃烧燃料用于发电并需要纯化O2流促进燃烧。由于在不断增长的世界经济中对发电的需要不断增加，在本领域中仍然需要空气分离方法与系统，特别是可以有效地集成到发电方法与系统中的方法与系统。
发明内容
本发明涉及一种低温空气分离系统和/或方法，其可用于提供高压氧气以用于一个或多个其它过程，如燃料的氧燃烧。这种燃烧特别可在使用工作流体，尤其是CO2工作流体的闭环发电方法中实施。本发明的空气分离系统和/或方法可通过许多特定优点来表征。该空气分离系统和/或方法可以提供分子氧浓度为大约99.5%至大约90摩尔%、特别是大约99.5%至大约97摩尔%的O2流。具体而言，该低温氧气生产系统和/或方法可包括如下的泵送液氧循环：所述泵送液氧循环即使在没有专用氧气压缩机的情况下也能在大约20巴(2MPa)至大约500巴(50MPa)的压力下有效制造氧气。该低温空气分离系统和/或方法还可包括在大约3巴(0.3MPa)至大约12巴(1.2MPa)的压力下有效制造空气的第一级空气压缩机。优选地，该第一级压缩机足以输送空气分离装置所需要的所有空气。该低温空气分离装置还可包含可进给第一级空气压缩机所输送空气的大约25%至大约40%的第二级空气压缩机，该第二级压缩机可以有效地将空气加压至高达大约150巴(15MPa)的压力。优选地，第一和第二级空气压缩机均可在一个或多个(包括所有)压缩机级之间没有中间冷却(inter-cooling)的情况下运行。每个压缩机可在一个或多个(包括所有)压缩机级之间无冷却的情况下以大约2.5或更大的绝热压力比运行。可从第一与第二级压缩机的各绝热段排放的压缩空气流中提取绝热压缩热。任选地，在第一和/或第二级压缩机中的整个空气压缩可在没有级间空气中间冷却的情况下绝热进行。任选地，在具有大约2.5或更大的压缩比的一个或两个空气压缩机中可以存在两个、三个或甚至更多个单独的绝热压缩级。在空气压缩机的绝热段中由压缩产生的热可至少部分直接或间接地传递给发电过程中使用的一部分工作流体(例如CO2工作流体)。
在具体实施方案中，本发明由此可以涉及提供纯化的高压O2流和加热的循环流的空气分离方法。这种方法的特征在于下面的一项或多项：
·在第一级空气压缩机中将空气加压至大约3.5巴(0.35MPa)至大约12巴(1.2MPa)的压力；
·将来自第一级压缩机的加压空气送入第二级空气压缩机，在第二级空气压缩机中将空气加压到至多150巴(15MPa)的压力；
·利用具有一个或多个无中间冷却的绝热运行的段的多个空气压缩机级；
·利用具有一个或多个在大约2.5或更大的压力比下运行的段的多个空气压缩机级；
·将由一个或多个空气压缩机的一个或多个绝热运行段输送的加压空气的至少一部分绝热压缩热传递给工作流体流(例如CO2工作流体流)；
·将由一个或多个空气压缩机输送的加压空气冷却(例如使用环境冷却手段)；
·将冷却的空气流进料到低温空气分离系统以形成具有至少90%的分子氧浓度的液体O2流；
·将液体O2流泵送至大约20巴(2MPa)至大约500巴(50MPa)的压力；
·通过与冷却和部分液化的空气流的热交换将该高压氧流与其它分离产品一起加热至环境温度；和
·纯化一种或多种冷却的加压空气流(优选在将该空气流进料到低温空气分离系统中之前)，如除去CO2、水和痕量污染物。
该工作流体流可以是包含CO2的流体流(例如气体或液体)。例如，至少一部分压缩热可以传递给取自发电过程的工作流体流，如闭环循环CO2工作流体。或者，可以使用闭环中间热传递流体将热传递给动力循环中的高压循环CO2工作流体。
在某些实施方案中，本发明特别提供一种用于提供纯化O2流和加热的工作流体流的空气分离方法。在一个示例性实施方案中，这种方法可包括下列步骤：
在第一级空气压缩机中将空气加压至大约3.5巴(0.35MPa)至大约12巴(1.2MPa)的压力；
将至少一部分来自第一级压缩机的加压空气送入第二级空气压缩机，在那里将该空气进一步加压到至多大约150巴(15MPa)的压力，其中该第一级空气压缩机包含至少一个在如下条件下绝热运行的部分：无空气中间冷却且压力比为2.5或更大，并且其中该第二级空气压缩机在运行中具有一个或多个绝热压缩部分，该绝热压缩部分各自的压力比为大约2.5或更大，所述部分无空气中间冷却；和将来自第一和第二级空气压缩机中各部分的绝热压缩空气的热传递到工作流体流，以使该工作流体被加热且该绝热压缩空气被冷却。
该空气分离方法还可包括将来自第一和第二级空气压缩机的冷却的压缩空气流进料到具有泵送液氧循环的低温制氧设备以制造氧流。具体而言，制得的氧流可具有大约20巴(2MPa)至大约500巴(50MPa)的压力和大约90摩尔%或更高、优选大约97摩尔%或更高的纯度。
在其它实施方案中，该空气分离方法可包括将氧和传递自该空气流的绝热压缩部分的至少一部分热进料到使用CO2工作流体的氧-燃料发电系统。
从来自第一和第二级空气压缩机的各部分的绝热压缩空气将热传递到工作流体流可以以多种方式进行，如直接或间接进行。例如，该传递步骤可包括使来自第一和第二级空气压缩机中各部分的绝热压缩空气通过一个或多个热交换器，在那里工作流体流被加热，该绝热压缩空气被冷却。这是直接传递的一个例子。优选地，该热交换器将来自绝热压缩空气的热传递到温度为大约80℃至大约500℃的工作流体流。在间接传递的一个例子中，该传递步骤可包括使来自第一和第二级空气压缩机中各部分的绝热压缩空气与中间循环热传递流体接触，该热传递流体将来自绝热压缩空气的热传递给工作流体流。再一次，对于该中间循环热传递流体来说优选的是将来自绝热压缩空气的热传递到温度为大约80℃至大约500℃的工作流体流。
再进一步地，可以将输送自压缩机的加压空气的绝热压缩部分冷却至特定温度。例如，可以将该加压空气冷却至接近直接或间接地将热传递给氧-燃料发电循环中使用的CO2工作流体的循环流体流的温度——例如，在80℃或更高的温度下。这可以将一部分CO2循环工作流体加热到至多大约500℃的温度。
冷却的加压的纯化空气流可部分经蒸馏分离。例如，可以将该空气流送入一个或多个蒸馏塔以便使氧与其它空气组分分离，并由此分离具有所述分子氧浓度的液体O2流。
分离的液氧流可在液体泵中加压，并且如果需要的话加热至特定温度，如大约环境温度。这种加热可通过使用合适的热交换器来实现。具体而言，这种加热可以同时冷却来自空气分离方法的一种或多种其它流，如输送自第二空气压缩机的空气流。
在进一步的实施方案中，本发明涉及一种发电方法。这种方法可通过下列的一项或多项来表征：
·将燃料、O2和循环(或工作)流体引入燃烧器；
·燃烧该燃料以提供包含该工作流体的燃烧产物流；
·使该燃烧产物流膨胀穿过涡轮机以发电；
·通过使涡轮机排放流经过热交换装置从该涡轮机排放流中提取热以提供冷却的涡轮机排放流；
·从冷却的涡轮机排放流中除去一种或多种除工作流体外存在于该冷却的涡轮机排放流中的次级组分以提供纯化的冷却的涡轮机排放流；
·在多级压缩机中将冷却的纯化涡轮机排放流压缩以提供高压的主要为CO2的流；
·在介于压缩机入口与出口压力之间的压力下从该CO2流中除去燃料中存在的碳燃烧所产生的CO2以制造循环的CO2工作流体；
·使该CO2工作流体通过相同的初级热交换装置，以便将提取的热用于提高该CO2工作流体的温度；
·向一部分该CO2工作流体供给附加量的热(例如，来自低温制氧设备的空气压缩机的外部生成的热)；
·将全部工作流体再循环到该燃烧器中。
·在采用以大约2.5或更大的压力比运行的非冷却绝热段运行的第一和第二空气压缩机中将空气加压；
·将来自非冷却段的加压空气的至少一部分绝热压缩热传递到循环流，传递的热包含在发电过程中供给到工作流体的至少一部分附加量的热；
·纯化该压缩空气流，低温冷却该加压空气(例如，对产品N2和/或O2流)；
·在一个或多个蒸馏塔中分离该空气以形成纯化的液体O2流；和
·泵送该液体O2流以提供至少一部分引入到燃烧器中的O2。
在某些实施方案中，本发明可以提供集成的发电方法与空气分离方法。例如，这种集成方法可包括下列步骤：
将燃料、氧和CO2工作流体引入燃烧器；
燃烧该燃料以提供包含该CO2工作流体的燃烧产物流；
使该燃烧产物流穿过涡轮机，产生轴功率，以形成具有低于燃烧产物流的压力的涡轮机排放流；
使涡轮机排放流穿过热交换器以冷却该涡轮机排放流并加热再循环的CO2工作流体；
从冷却的涡轮机排放流中分离水和杂质的一种或多种以提供纯化的涡轮机排放流；
压缩纯化的涡轮机排放流以形成压缩的涡轮机排放流；
从纯化的CO2流中除去由燃料燃烧形成的净CO2以形成再循环的CO2工作流体流；
将至少一部分来自绝热压缩空气流的热传递到再循环的CO2工作流体流以冷却该绝热压缩空气流，该绝热压缩空气流通过空气分离法形成，所述空气分离法包括：
在第一级空气压缩机中将空气加压至大约3.5巴(0.35MPa)至大约12巴(1.2MPa)的压力；
将至少一部分来自第一级压缩机的加压空气送入第二级空气压缩机，在那里将空气进一步加压到至多150巴(15MPa)的压力，其中该第一级空气压缩机包含至少一个在如下条件下绝热运行的部分：无空气中间冷却且压力比为2.5或更大，并且其中第二级空气压缩机在运行中具有一个或多个绝热压缩部分，所述绝热压缩部分各自的压力比为大约2.5或更大，该部分无空气中间冷却，并且其中该绝热压缩空气流由第一和第二级空气压缩机中的各部分形成；和
使加热的再循环的CO2工作流体流与燃料和氧一起进入燃烧器。
在特定实施方案中，该集成的发电方法与空气分离方法的特征在于，该传递步骤包括使该绝热压缩空气流和再循环的CO2工作流体流与中间循环热传递流体接触，所述中间循环热传递流体将来自压缩空气流的热传递到再循环的CO2工作流体流。具体而言，该中间循环热传递流体可以将来自绝热压缩空气的热传递到温度为大约80℃至大约500℃的再循环的CO2工作流体流。
在其它实施方案中，该集成的发电方法与空气分离方法的特征在于，该传递步骤包括使该绝热压缩空气流穿过热交换器，在该热交换器中该涡轮机排放流被冷却且再循环的CO2工作流体被加热以使至少一部分来自绝热压缩空气流的热传递到再循环的CO2工作流体流以便进一步加热该再循环的CO2工作流体流。具体而言，该热交换器可以将来自绝热压缩空气的热传递到温度为大约80℃至大约500℃的工作流体流。
在进一步的实施方案中，该集成的发电方法与空气分离方法可包括将冷却的绝热压缩空气流进料到具有泵送液氧循环的低温制氧设备中以制造氧流。制得的氧流可具有大约20巴(2MPa)至大约500巴(50MPa)的压力和大约90摩尔%或更高、优选大约97摩尔%或更高的纯度。
在其它实施方案中，该集成的发电方法与空气分离方法可以还包括将至少一部分传递自该绝热压缩空气流的热与来自泵送液氧循环的氧一起进料到发电方法。再进一步地，来自低温空气分离设备的氧可以以大约20巴(2MPa)至大约100巴(10MPa)的压力制得，并可与一部分纯化的涡轮机排放流混合以形成包含大约20%至大约50摩尔%的氧的混合O2/CO2流。此外，该方法可以还包括将该混合O2/CO2流压缩至大约100巴(10MPa)至大约520巴(52MPa)的压力，在热交换器中在单独旁路(pass)中加热该压缩O2/CO2流至大约500℃的温度，并且将加热的压缩的O2/CO2流作为氧化剂引入到该燃烧器中。
在具体实施方案中，该集成的发电方法与空气分离方法的特征在于，压缩纯化的涡轮机排放流以形成压缩的涡轮机排放流的步骤可包括由大约19巴(1.9MPa)至大约60巴(6MPa)的初始压力压缩至大约100巴(10MPa)至大约520巴(52MPa)的最终压力。
在进一步的实施方案中，来自空气分离设备的氧产品可以以大约20巴(2MPa)至大约80巴(8MPa)的压力制得并与一部分取自CO2压缩机入口或取自级间点的循环纯化CO2流混合以制造具有20摩尔%至50摩尔%的氧浓度的氧与CO2混合流。该混合流随后可以压缩至与该循环高压CO2流大致相同的压力，并且该混合流与该循环CO2工作流体流可在热交换器中的单独通道中加热，该混合流被加热至大约500℃或更高的温度，并用作该燃烧器中的氧化剂以降低绝热火焰温度。
在其它实施方案中，本发明可以提供一种集成的发电与空气分离系统。这种集成系统可包括下列组件：
可用于在第一级中将空气加压至大约3.5巴(0.35MPa)至大约12巴(1.2MPa)的压力并在第二级中将空气加压到至多大约150巴(15MPa)的压力的多级空气压缩机，各级包含至少一个构造成无空气中间冷却并在2.5或更大的压力比下绝热运行的部分；
构造成运行液氧循环的低温制氧设备，所述液氧循环产生氧流；
构造成接收来自该低温制氧设备的氧、燃料与CO2工作流体的燃烧器；
与该燃烧器流体连通的发电涡轮机；
与该涡轮机流体连通的热交换器；
与该涡轮机流体连通的一个或多个压缩机；和
一个或多个可用于从来自多级空气压缩机的空气流中将热传递至该热交换器、传递至热交换上游的连接器或该热交换器下游的连接器的热传递组件。
具体实施方式
下面将通过参考不同的实施方案更充分地描述本发明。提供这些实施方案以使本公开彻底和完整，并向本领域技术人员全面传达本发明的范围。实际上，本发明可以体现为许多不同的形式，不应被解释为限于本文中所述的实施方案；相反，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。在本说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一个”、“一种”、“该”包括复数对象，除非上下文中明确指出。
本发明涉及特别适于由大气空气提供纯化的产品流，特别是纯化O2流且更特别为高压O2流的空气分离方法与相关系统。本发明的方法与系统进一步适于回收过程热，否则所述过程热将不会被利用，或者根据对消除副产物热的次级冷却系统的需要在实际上充当系统上的排放口(drain)。本发明的空气分离方法与系统可以作为其中形成并分离纯化的空气产物的独立装置起作用。在特定实施方案中，该空气分离方法与系统可以直接整合到其中使用一种或多种纯化空气产物的其它方法中。该空气分离方法与系统可以整合到发电方法中，在该方法中纯化的高压O2用于燃烧循环，并且来自向该空气分离设备提供进料空气的空气压缩机的回收热也可以输入该燃烧循环以使循环效率最大化。
在一方面，本发明由此提供了一种用于提供纯化的空气产品流，特别是纯化O2流且更特别为高压流的空气分离方法。该空气分离方法可以进一步提供加热的循环流，所述加热的循环流可以用于在相关方法中直接或间接加热流，如下面更充分描述的那样。
本发明的空气分离方法可包括下列步骤的一个或多个：过滤大气空气；压缩大气空气；纯化大气空气——例如用于除去水蒸气和/或二氧化碳和/或痕量的烃；将该大气空气冷却至低温温度；将冷却的空气分离成一个或多个产品流(例如O2或N2——特别是液体产品)，如通过蒸馏；将单独的空气产品流压缩或泵送至比环境压力提高的压力；加热一个或多个产品流；并引导纯化的空气产品的流用于储存或用于特定的直接用途。在某些实施方案中，上述步骤中的一个或多个可以被明确地排除在本发明的方法之外。
在某些实施方案中，本发明的空气分离方法可以具体包括使用多级压缩以加压大气空气。优选地，该压缩机的一个或多个部分可以绝热运行，在一个或多个(包括所有)级之间不对空气进行冷却。在已知方法中，通常认为，必须在压缩级之间提取压缩热以改善整个过程的效率。但是，如本文中更充分描述的那样，本发明的具体实施方案能够合意地保存各级之间的压缩热，使得最终可在压缩完全后在更高的温度下提取该热以提供可行的热源。
该空气压缩机的多个级可以表征为各自具有一个或多个部分。例如，该第一级空气压缩机可以包含至少一个无空气中间冷却并在2.5或更大的压力比下绝热运行的部分。类似地，该第二级空气压缩机在运行中可具有一个或多个绝热压缩部分，其各自的压力比为大约2.5或更大，该部分无空气中间冷却。
在某些实施方案中，可以使用两级压缩法。在第一级中，大气空气可以加压至至少大约3.5巴(0.35MPa)、至少大约4巴(0.4MPa)、至少大约5巴(0.5MPa)或至少大约7巴(0.7MPa)的压力。更具体而言，本发明可包括在第一级压缩机中将大气空气加压至大约3.5巴(0.35MPa)至大约12巴(1.2MPa)的压力。
在第二级压缩中，将至少一部分来自第一级压缩机的加压空气送入传第二级空气压缩机，在那里将该空气进一步加压。送入第二级的空气的百分比是来自第一级压缩机的加压空气的大约25%至大约40%。该第二级压缩机可用于将该空气加压到至多大约50巴(5MPa)、最高大约75巴(7.5MPa)、最高至大约100巴(10MPa)、最高大约120巴(12MPa)或最高至大约150巴(15MPa)的压力。在一些实施方案中，由第二级压缩机提供的压力可以根据要提供的最终产品流(例如O2流或N2流)所处的所需压力来确定。用于第二级压缩的压力可以是导致离开第二压缩机的加压空气流与高压产品流之间最有效热传递的压力。
第二级压缩空气的压力可通过产品流压力来确定。在某些实施方案中，该O2产品流可以处于至少100巴(10MPa)、至少150巴(15MPa)、至少200巴(20MPa)、或至少225巴(22.5MPa)的压力。在其它实施方案中，该产品流压力可以为大约150巴(15MPa)至大约500巴(50MPa)、大约175巴(17.5MPa)至大约375巴(37.5MPa)、大约200巴(20MPa)至大约350巴(35MPa)、大约225巴(22.5MPa)至大约325巴(32.5MPa)或大约250巴(25MPa)至大约310巴(31MPa)。
在进一步的实施方案中，来自该空气分离设备的氧产品可以以大约20巴(2MPa)至大约100巴(10MPa)的压力制得，并与取自该CO2压缩机入口或取自级间点(inter-stagepoint)的循环纯化CO2流混合以制造氧浓度为大约20%至大约50摩尔%的氧与CO2混合流。该混合流随后可以压缩至与循环的高压CO2流大致相同的压力，并且该混合流与该循环的CO2工作流体流可在热交换器中的单独通道中加热，该混合流被加热至大约500℃或更高的温度，并在燃烧器中用作氧化剂以降低绝热火焰温度和安全地允许预热稀释氧流而不是纯氧流。
在其它实施方案中，氧可在与CO2压缩机出口处的高压循环CO2流相同的压力下制得，并与该高压CO2流的一部分混合以制造具有大约20%至大约50摩尔%的氧浓度的氧与CO2混合流，并且该混合流与该循环CO2工作流体流均可在热交换器中单独的通道中加热，该混合流被加热至大约500℃或更高的温度，并在燃烧器中用作氧化剂以降低绝热火焰温度和安全地允许预热稀释氧流而不是纯氧流。
在低温空气分离设备中制氧需要将一部分进料空气压缩到足够高的压力以便在蒸发和/或加热高压液氧流和冷却和/或冷凝来自第二级空气压缩机的高压空气流之间提供正的和低的温度差。对于大约25巴(2.5MPa)至大约30巴(3MPa)的氧压力而言，第二级空气压缩机的空气压力可以为大约50巴(5MPa)。对于大约300巴(30MPa)的氧压力而言，该空气压力可以为大约100巴(10MPa)。
如上所述，通常在纯化总空气流后送入第二级压缩机的来自第一级压缩机的加压空气实际量在一些实施方案中可以根据所需的在离开第二压缩机的加压空气流与高压产品O2流之间的所需热传递来确定。特别地，该第二级压缩机在具体实施方案中可以表征为具有提供高压空气流的主要功能，所述高压空气流以有效方式将热传递给离开该泵的产品O2流。特别地，该热传递足以将产品流的温度提高至接近环境。第二级压缩机流速可以是总设备空气进料的25%至40%不等，取决于氧压力、空气进料中氧的回收系数、热交换器中的温度差、以及设备所需的液体产物的量。在具体实施方案中，将离开第一级压缩机的压缩空气的至少大约25%送入该第二级空气压缩机。更具体而言，将离开第一级压缩机的压缩空气的大约25%至大约40%送入该第二级空气压缩机。在使用在高于2.5的压力比下绝热运行的第二级空气压缩机的部分压缩空气后，在进入低温空气分离设备的热交换器之前，使用环境冷却装置冷却该压缩空气。
该一级和/或二级压缩机可以包含一个或多个段，其中绝热压缩在所需压力比下进行。该压力比可以根据对传递到相关发电方法所需的热的量与温度水平的最优设计要求来确定。用于绝热压缩段的压力比决定了来自该段的空气的出口温度。该热在热交换器中传递，热交换器在接近循环流体流的温度下运行，所述循环流体流将热间接传递到氧-燃料燃料发电循环中使用的一部分CO2工作流体，或直接传递到该CO2工作流体本身。该工作流体可具有大约80℃或更大的入口温度，并可以加热到至多大约500℃的温度。双原子气体如O2和N2，或主要为双原子的气体如空气，可以用大约1.4的Cp/Cv来表征。绝热段的实际出口温度是入口温度、压力比和该压缩段的绝热效率的函数。将该部分CO2循环工作流体加热至的温度取决于所提供的热交换器中的设计温度差。该绝热压缩热传递至的动力循环的特征在于其需要在大约80℃至大约500℃的温度范围内的大的附加热输入。这种动力循环描述在美国专利公开号2011/0179799A1，其公开内容经此引用全文并入本文。所需压力比可以为大约2.5至大约40。关于这种压力比的其它理论可在美国专利号US4,461,154中找到，其公开内容经此引用并入本文。在本发明的实施方案中，第一和/或第二级压缩机可具有一个、两个或甚至三个绝热段，所述绝热段的特征在于超过大约2.5的压力比。这些压力比可以是大约2.5至大约40、大约2.5至大约30、大约2.5至大约20、大约2.5至大约15或大约2.5至大约12。通常，可以使用高于大约2.5的任何压力比，最高为获自基于第二级空气压缩机的规定入口与出口压力的最大可能压力比的最大比值。在一些实施方案中，其可以是大约150:3.5的比。如本文中进一步描述的那样，段的数量和/或压力比的选择可通过与该空气压缩法相关的热负荷的所需最大温度来决定。例如，来自该空气压缩方法的热可用于提供对发电方法中的循环流的加热。当通过空气分离装置空气压缩机的绝热段输送的热用于至少部分加热这种循环流(即循环工作流体，或中间热传递流体，其将热传递给循环工作流体)时，待输入循环流的热负荷的最大温度可以构成确定绝热段数量与适当压力比的基础。更高的温度需要更高的压力比，这反过来又可以限制绝热级的数量和传递的热的总量。
该空气压缩机可在没有级间中间冷却的情况下绝热运行。当然，在优选实施方案中，该加压空气的绝热压缩热的至少一部分可以传递给循环流。例如，离开多级压缩的压缩空气流可通过热交换器，在热交换器中，该绝热压缩热可以传递给逆向流。该逆向流由此以加热的循环流形式离开该热交换器。这种加热的循环流可以是特别选择的热传递流体，其允许绝热压缩热间接传递给不同或相关方法中的其它流或工艺步骤。这特别可以出现在其中将空气分离方法直接集成到低水平热输入为理想的其它方法中的实施方案中。在替代实施方案中，与其它方法相关的流可以直接充当该循环流，以使该绝热压缩热直接传递到其它方法中的该流。从下文中提供的附加公开内容可以更充分地理解这种来自空气压缩的热传递的优点。
来自第一和/或第二级空气压缩机的冷却的加压空气可以经受低温冷却以形成可以进料到蒸馏段的液体空气流。这种低温冷却主要是由于与先前低温冷却的产品流的热交换，所述产品流在蒸馏或储存之前被加热(例如至大约环境温度)。在一些实施方案中，该方法和系统可以结合制冷组件，所述制冷组件有效地提供初始冷却至足够低的温度以液化大气空气的一种或多种组分，特别是氧和/或氮。这种制冷组件可用于在必要时提供补充冷却以保持足够低的低温处理温度。
在优选实施方案中，蒸馏用于将冷却的液化空气分离成具体组分。但是，本发明包括使用其它分离方法(例如膜分离、PSA或VPSA)，本领域技术人员可以根据本文中提供的公开内容使之与用途相适应。蒸馏特别可用于提供具有所需纯度水平的组分流。例如，在具体实施方案中，合意的是提供具有至少90%、至少95%、至少97%、至少98%、至少99%或至少99.5%的分子氧浓度的O2流。在某些实施方案中，氧纯度可以为大约90%至大约99.5%、大约95%至大约99.5%或大约97%至大约99.5%。
在一些实施方案中，有用的是在规定压力下提供纯化产品流(如纯化O2流)。这种加压可通过使用单独的氧压缩机来实现。但是，在优选实施方案中，可以明确地无需借助于单独的氧压缩机实现所需压力。具体而言，本发明可以依靠在低温空气分离装置中泵送该液态的纯化O2流来实现所需压力。例如，可以使用泵，其中使液氧进入外部泵夹套，且由此送入泵缸并在泵压缩冲程中被活塞压出。一部分液氧流会因泵送中产生的热而蒸发，该蒸气可通过排气口排出。离开该泵的高压液氧可通过一个或多个止回阀。或者，可以使用多级离心式氧泵。在具体实施方案中，可以将液氧泵送至大于20巴(2MPa)、大于100巴(10MPa)或大于300巴(30MPa)，高到至多大约500巴(50MPa)的压力。如上所述，其它产品压力范围可通过所述泵送方式实现。
在一些实施方案中，该液体O2流(或其它空气产品)可以加热以便送至储存或送至特定过程。由此，该方法可包括使液体产品流通过一个或多个热交换器以提高该流的温度，如提高至大约环境温度。该液体产品流可通过如上所述用于低温冷却大气空气流并液化其组分的热交换器的冷端。涉及低温空气分离循环以制造高压氧并使用冷却的高压空气流加热泵送的液氧的设备与方法描述在美国专利US6,718,795中，其公开内容经此引用全文并入本文。以安全方式加热高压氧流描述在美国专利US6,360,561中，其公开内容经此引用全文并入本文。
在各种实施方案中，本发明的空气分离方法是有用的，因为其可与其中输入纯化空气产品(如O2)有用的其它方法直接集成。具体而言，本发明的空气分离方法可与发电方法直接集成。由此，本发明可以提供结合了提供纯化的高压O2流与任选的可用于发电的加热循环流的发电方法。
在特定实施方案中，对该空气分离方法来说有利的是与结合了使用相关工作流体(如CO2工作流体)的系统或方法集成。具体而言，使用具有高CO2循环比的高压工作流体对控制燃烧循环的各种工艺参数以使所需燃烧产物可以容易地用于发电而言是有利的。此外，这种方法与系统能够完全消除大气CO2排放并引导来自该系统的任何所需CO2部分以封存。该CO2工作流体同样可用于该方法与系统的各种其它方面以使循环效率最大化。
在一些实施方案中，可在燃烧器中与炭质材料和可用于该燃烧过程的任何附加材料一起提供CO2工作流体。具体而言，由该空气分离方法提供的纯化O2流可与燃料和工作流体一起提供到燃烧器中。这种系统与方法可包括在非常高的温度(例如大约1600℃至大约3300℃或甚至更高)下运行的燃烧器，并且工作流体的存在可用于缓和离开该燃烧器的流体流的温度，以使该流体流可用于能量传递以发电。在高温高压下并采用高循环CO2浓度的燃烧方法的性质可通过使穿过发电涡轮机的流量最大化并将涡轮机入口温度调节到大约800℃至1600℃的范围来提高工艺效率。燃烧过程中使用的氧以超过燃料组分化学计量比燃烧所需量的量提供。过量氧的量是总化学计量比需氧量的大约0.1%至大约2%。循环CO2可以分成两个部分。第一部分可与离开该低温空气分离设备的氧流混合以制造具有大约20%至大约50%的氧摩尔浓度的CO2+氧混合流。氧化剂流中的氧浓度固定在有利于将绝热燃烧温度调节在2000℃至大约3000℃的范围内的值。接近环境温度的该流可在相应于已经在热交换器中冷却并已经从中除去净水、CO2与其它杂质的涡轮机排气流压力的压力下形成。该混合流压力可以为大约20巴(2MPa)至大约50巴(5MPa)。或者其可以由大约100巴(10MPa)至大约500巴(50MPa)的压力下的离开该高压CO2再循环压缩系统的CO2形成，或者其可以由取自CO2再循环压缩机中排放压力为大约30巴(3MPa)至大约100巴(10MPa)的方便的级的CO2形成。该混合流随后可在热交换器中安全地预热到超过500℃的温度(例如，具有发生氧/金属燃烧的最小风险)。该预热改善了燃烧动力学并导致对热交换器表面面积要求降低，而不损失发电系统中的整体效率。该再循环流的第二部分用于在燃烧器/混合器中直接与燃烧产物混合以便将总混合流温度调节至大约800℃至大约1,600℃，形成涡轮机入口流。
该燃烧产物流可以膨胀穿过至少一个涡轮机以发电。该膨胀的气体流随后可在电力系统热交换器中冷却以便从该流中除去所需组分(如净H2O、CO2和氧化杂质)。可以将冷凝的水和杂质分离，来自氧化的燃料碳的净CO2产品可在再循环压缩机吸入压力至排放压力之间的所选压力下制得。可通过衍生自该空气分离方法中的绝热压缩热的加热循环流提供额外的热。该再循环CO2工作流体有利地用作冷却流体(或保护流体)，所述冷却流体(或保护流体)用于该系统与方法的蒸腾冷却(或蒸腾保护)组分(例如蒸腾冷却的燃烧器或蒸腾冷却的涡轮机组件，如涡轮机桨叶)。优选地，可在循环前加压该CO2工作流体流。
在某些实施方案中，本发明的发电方法可包括将燃料、O2和工作流体引入燃烧器，燃烧该燃料以提供包含工作流体的燃烧产物流，并膨胀该燃烧产物流穿过涡轮机以发电。来自涡轮机的排放流可通过初级热交换器以便从中提取热，并由此提供冷却的涡轮机排放流。这种冷却有益于简单地去除CO2工作流体之外的存在于冷却的涡轮机排放流中的一种或多种次级组分(例如水、二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、汞等等)。在除去次级组分后，所得到的纯化的冷却涡轮机排放流主要包含该工作流体。由此意味着该工作流体占该纯化的冷却涡轮机排放流的主要部分。当该工作流体包含CO2时，根据本发明有益的是提取一部分该CO2用于封存。
该压缩的纯化工作流体可以送入相同的初级热交换装置，以使从涡轮机排放流中提取的热用于提高该高压工作流体的温度。在一些实施方案中，其可用于向该工作流体提供额外量的热以使该燃烧循环的效率最大化。向工作流体供应的额外量的热的实际量及其温度水平可通过选择空气压缩机中绝热段的压力比来改变以使整体发电系统效率最大化，该整体发电系统效率取决于可用发电系统热交换器表面积，该表面积规定了在热交换器中不同温度水平下可以实现的最小温差。可以直接(例如通过使一部分高压再循环CO2流循环通过用于冷却来自该空气压缩机绝热段的空气的热交换器)或通过使用中间循环热传递流体引入额外的热输入。引入热，其高于大约80℃的循环高压CO2流体的温度水平，并必须将该CO2流体加热大约50℃的最小温度增量，这种加热最高达到大约500℃的最大整体温度。在具体实施方案中，额外量的热足以确保发电设备热交换器中冷却涡轮机排气流与加热高压循环CO2流之间的最小温差在至少大约20℃内、在至少大约15℃内、在至少大约10℃内、在至少大约7℃内或在至少大约5℃内。加热的工作流体随后可以被进一步加热并再循环到然烧器中。
如上所述的发电方法特别可以继承如本文中另外描述的空气分离方法。例如，集成的空气分离方法可包括下列步骤：在两个空气压缩装置中加压空气，各压缩机的至少一部分具有一个或多个绝热压缩段，所述绝热压缩段具有高于大约2.5的压力比，并且在各绝热段之间无空气冷却；将该加压空气的绝热压缩热的至少一部分传递给来自发电系统的循环高压CO2流；低温冷却该加压纯化空气流；在蒸馏系统中分离冷却的部分液化的空气流以形成液体O2流和废氮流；将该液体O2流泵送至大约20巴(2MPa)至大约500巴(50MPa)的高压；并用冷却空气流将该高压氧与其它分离的空气馏分一起加热至接近环境温度以提供至少一部分引入该燃烧器的O2。此外，如上所述，传递的绝热压缩热可以提供至少一部分供给到发电方法中的工作流体的额外量的热。
在一些实施方案中，以闭环运行的冷却剂可用于提取该空气分离方法中使用的空气压缩机的绝热压缩段的生成热，并将该热提供给该CO2工作流体。在其它实施方案中，该工作流体可以直接循环通过位于空气分离设备中空气压缩机的一个或多个绝热段的排放处的热交换器以提取空气压缩过程中生成的部分热。
如上所述将本发明的空气分离装置和方法集成到燃烧循环中是特别有益的，因为能够向燃烧循环提供高压O2。这种循环中的燃烧在相对高压力下进行，这必然要求能够提供提高的压力下的O2。具体而言，对于引入到燃烧器中的O2来说有益的是具有至少80巴(8MPa)的压力。在进一步的实施方案中，引入到燃烧器中的O2可在至少100巴(10MPa)、至少150巴(15MPa)、至少200巴(20MPa)、至少300巴(30MPa)、或至少500巴(50MPa)的压力下。在使用纯氧进料到燃烧器中的情况下，燃烧装置(burner)设计可包括在燃烧装置中通过再循环的高压CO2或通过再循环的燃烧产物气体稀释该氧，以调节燃烧装置系统中的绝热火焰温度。替代安排是用如上所述的再循环CO2稀释该氧。
本发明可以提供包含上述组件的空气分离系统，用于制造纯化的氧产品流和加热的循环CO2流体流。本发明还可以提供包含上述组件的发电系统，用于在工作流体的存在下和在如本文中所述获自空气分离装置的O2流的存在下燃烧燃料。该燃烧系统进一步包含本文所述的用于从空气分离装置的空气压缩段提取绝热压缩热作为提高该发电方法效率的附加热源的组件，特别是与再加热高压再循环工作流体相关的组件。
在前述说明书与相关附图中存在的教导的帮助下，本发明所属领域的技术人员将会想到本发明的许多修改和其它实施方案。因此，要理解的是，本发明不限于公开的具体实施方案，修改和其它实施方案被认为包括在所附权利要求的范围内。尽管本文中使用了特定术语，它们仅以一般和描述性意义使用，而不用于限制。

Claims (22)

1.一种提供纯化O2流和加热工作流体流的空气分离方法，包括：
在第一空气压缩机中将空气加压至3.5巴(0.35MPa)至12巴(1.2MPa)的压力；
将至少一部分来自第一压缩机的加压空气送入第二空气压缩机，在那里将该空气进一步加压到至多150巴(15MPa)的压力，其中所述第一空气压缩机包含至少一个在如下条件下绝热运行的级：无空气中间冷却且压力比为2.5或更大，并且其中所述第二空气压缩机在运行中具有一个或多个绝热压缩级，所述绝热压缩级各自的压力比为2.5或更大，所述级无空气中间冷却；和
将来自第一和第二空气压缩机中各级的绝热压缩空气的热传递到工作流体流，以使该工作流体被加热且该绝热压缩空气被冷却。
2.如权利要求1所述的空气分离方法，还包括将来自第一和第二空气压缩机的冷却压缩空气流进料到具有泵送液氧循环的低温制氧设备以制造氧流。
3.如权利要求2所述的空气分离方法，其中所制得的氧流具有20巴(2MPa)至500巴(50MPa)的压力和90摩尔％或更高的纯度。
4.如权利要求3所述的空气分离方法，其中所制得的氧流具有97摩尔％或更高的纯度。
5.如权利要求2所述的空气分离方法，还包括将从所述绝热压缩空气流传递的至少一部分热与氧流一起进料到使用CO2工作流体的氧-燃料发电系统。
6.如权利要求1所述的空气分离方法，其中所述传递步骤包括将来自第一和第二空气压缩机中各级的绝热压缩空气通过一个或多个热交换器，在那里所述工作流体流被加热并且所述绝热压缩空气被冷却。
7.如权利要求6所述的空气分离方法，其中所述一个或多个热交换器将来自所述绝热压缩空气的热传递到温度为80℃至500℃的工作流体流。
8.如权利要求1所述的空气分离方法，其中所述传递步骤包括将来自第一和第二空气压缩机中各级的绝热压缩空气与中间循环热传递流体接触，所述热传递流体将来自所述绝热压缩空气的热传递到所述工作流体流。
9.如权利要求8所述的空气分离方法，其中所述中间循环热传递流体将来自所述绝热压缩空气的热传递到温度为80℃至500℃的工作流体流。
10.一种发电与空气分离的集成方法，该集成方法包括：
将燃料、氧和CO2工作流体引入燃烧器；
燃烧所述燃料以提供包含所述CO2工作流体的燃烧产物流；
使所述燃烧产物流穿过涡轮机，产生轴功率，从而形成具有低于燃烧产物流的压力的涡轮机排放流；
使所述涡轮机排放流穿过热交换器以冷却所述涡轮机排放流并加热再循环CO2工作流体；
从冷却涡轮机排放流中分离水和/或一种或多种杂质以提供纯化涡轮机排放流；
压缩所述纯化涡轮机排放流以形成压缩涡轮机排放流；
从纯化CO2流中除去由燃料燃烧形成的净CO2以形成再循环CO2工作流体流；
将至少一部分来自绝热压缩空气流的热传递到所述再循环CO2工作流体流以冷却所述绝热压缩空气流，所述绝热压缩空气流通过空气分离法形成，所述空气分离法包括：
在第一空气压缩机中将空气加压至3.5巴(0.35MPa)至12巴(1.2MPa)的压力；
将至少一部分来自第一压缩机的加压空气送入第二空气压缩机，在那里将空气进一步加压到至多150巴(15MPa)的压力，其中所述第一空气压缩机包含至少一个在如下条件下绝热运行的级：该级无空气中间冷却且压力比为2.5或更大，并且其中第二空气压缩机在运行中具有一个或多个绝热压缩级，所述绝热压缩级各自的压力比为2.5或更大，所述级无空气中间冷却，并且其中所述绝热压缩空气流由第一和第二空气压缩机中的各级形成；和
将加热的再循环CO2工作流体流与燃料和氧一起进入燃烧器。
11.如权利要求10所述的发电与空气分离的集成方法，其中所述传递步骤包括将所述绝热压缩空气流和再循环CO2工作流体流与中间循环热传递流体接触，所述中间循环热传递流体将来自压缩空气流的热传递到再循环CO2工作流体流。
12.如权利要求11所述的发电与空气分离的集成方法，其中所述中间循环热传递流体将来自绝热压缩空气的热传递到温度为80℃至500℃的再循环CO2工作流体流。
13.如权利要求10所述的发电与空气分离的集成方法，其中所述传递步骤包括将所述绝热压缩空气流穿过热交换器，在该热交换器中所述涡轮机排放流被冷却且所述再循环CO2工作流体被加热以使至少一部分来自绝热压缩空气流的热传递到所述再循环CO2工作流体流以便进一步加热所述再循环CO2工作流体流。
14.如权利要求13所述的发电与空气分离的集成方法，其中所述热交换器将来自绝热压缩空气的热传递到温度为80℃至500℃的工作流体流。
15.如权利要求10所述的发电与空气分离的集成方法，还包括将冷却绝热压缩空气流进料到具有泵送液氧循环的低温制氧设备中以制造氧流。
16.如权利要求15所述的发电与空气分离的集成方法，其中所制得的氧流具有20巴(2MPa)至500巴(50MPa)的压力和90摩尔％或更高的纯度。
17.如权利要求16所述的发电与空气分离的集成方法，其中所制得的氧流具有97摩尔％或更高的纯度。
18.如权利要求15所述的发电与空气分离的集成方法，还包括将至少一部分传递自所述绝热压缩空气流的热与来自泵送液氧循环的氧一起进料到发电方法中。
19.如权利要求15所述的发电与空气分离的集成方法，其中来自低温空气分离设备的氧以20巴(2MPa)至100巴(10MPa)的压力制得，并与一部分所述纯化涡轮机排放流混合以形成包含20％至50摩尔％的氧的混合O2/CO2流。
20.如权利要求19所述的发电与空气分离的集成方法，还包括将所述混合O2/CO2流压缩至100巴(10MPa)至520巴(52MPa)的压力，在热交换器中加热所述压缩O2/CO2流至500℃的温度，并且将加热的压缩O2/CO2流作为氧化剂引入到所述燃烧器中。
21.如权利要求10所述的发电与空气分离的集成方法，其中压缩所述纯化涡轮机排放流以形成压缩涡轮机排放流的步骤包括由19巴(1.9MPa)至60巴(6MPa)的初始压力压缩至100巴(10MPa)至520巴(52MPa)的最终压力。
22.一种提供发电与空气分离的集成系统，包含：
多级空气压缩机，其用于在第一级中将空气加压至3.5巴(0.35MPa)至12巴(1.2MPa)的压力并在第二级中将空气加压到至多150巴(15MPa)的压力，各级均包含至少一个构造成在2.5或更大的压力比下绝热运行的部分，且所述多级空气压缩机在运行中无空气中间冷却；
低温制氧设备，其构造成运行产生氧流的液氧循环；
燃烧器，其构造成接收来自所述低温制氧设备的氧、燃料与CO2工作流体；
发电涡轮机，其与所述燃烧器流体连通；
热交换器，其与所述涡轮机流体连通；
一个或多个压缩机，其与所述涡轮机流体连通；和
一个或多个热传递组件，其用于将热从来自所述多级空气压缩机的空气流传递至所述热交换器、位于所述热交换器上游的单独连接器或位于所述热交换器下游的单独连接器。
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