CN103547861B - 与能量转换系统面接的具有二氧化碳捕获的高压矿物燃料氧燃烧系统 - Google Patents

与能量转换系统面接的具有二氧化碳捕获的高压矿物燃料氧燃烧系统 Download PDF

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Abstract

一种操作连接到能量转换系统的燃烧系统，和一种将热能提供到能量转换系统的方法。所述系统包括燃烧器以在高于大气压下使用固体、液体或气体燃料，连同氧气和超临界二氧化碳的供应而进行氧燃烧。来自燃烧器的燃烧气体被递送到与能量转换系统面接的热交换器。燃烧器中的温度，以及到热交换器的递送温度通过至少部分燃烧气体到燃烧器的选择性再循环和通过调制到燃烧器的氧气和燃料供应来控制。未被再循环的任何燃烧气体被处理以出于使用或封存而分离二氧化碳。所述系统和方法实质上消除二氧化碳的排放，同时提供热能到能量转换系统的高效供应。

Description

与能量转换系统面接的具有二氧化碳捕获的高压矿物燃料氧燃烧系统
技术领域
本发明涉及燃烧系统和操作燃烧系统的方法，且特定地涉及操作连接到能量转换系统的燃烧系统。更特定而言，本发明涉及一种使用超临界二氧化碳在压力下用来氧燃烧的燃烧系统，和一种操作所述系统以与封闭的超临界二氧化碳布雷顿(Brayton)循环系统面接的方法。
背景技术
温室气体到大气的排放以惊人的速度增加，且其中由于增加使用矿物燃料，二氧化碳的排放是全球变暖和气候变化的主要原因，导致国际上努力开发较少依赖于矿物燃料的低碳能源途径。然而，替代燃料对矿物燃料的相对成本呈现出显著缺点，导致在转型到低碳经济的期间努力开发的技术可使用矿物燃料但没有温室气体排放的严重影响。对于工业过程，如发电，这些努力包括改进从过程捕获二氧化碳且增加发电过程的效率的方法。在发电的情况中，这些方法是燃烧前二氧化碳捕获、燃烧后二氧化碳捕获和伴随二氧化碳捕获的氧-燃料燃烧。然而，这些方法的每个均具有二氧化碳捕获厂的资金和运营成本，以及在氧吹气化炉或氧-燃料过程的情况中从已知低温空气分离单元产生氧气的额外高成本的相关缺点。除了构建和运营的高成本之外，还已知关于这些方法的每个的其它缺点，包括技术的复杂性和相关风险，以及对比于先前的工厂运营(特别是发电)的低能源效率。
已作出提议将封闭的布雷顿循环与核能热源集成，或与太阳能热源集成。然而，这些源的每个呈现出基于源的本质的固有缺点和显著的成本缺点，使得如果可实质上减少或消除二氧化碳排放，那么对于热源使用矿物燃料仍然具吸引力。
目前已发现可通过在加压燃烧系统中的简单、有效、紧凑且低排放的过程而解决并克服上文认定的许多缺点以及其它缺点，加压燃烧系统被构建来与能量转换系统，尤其是封闭的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，或类似系统(诸如但不限于，用于发电的系统)面接。本发明的系统和方法提供与能量转换系统集成的高效近零排放的加压氧-燃料燃烧过程。本发明的燃烧系统和方法可用以矿物燃料的各种形式(即，作为气体、液体或固体燃料)的矿物燃料来操作。
在本发明的系统和方法中，由界面热交换器将热提供到能量转换系统，且可由燃料和氧气的质量流速以及离开热交换器进入燃烧器的部分烟道气体流的选择性再循环而部分缓和并控制燃烧的温度以及因此传递到并通过热交换器的燃烧产物流，以便在热交换器处满足能量转换系统的热能需求。
还发现可通过使用烟道气体流以预热进入的燃料供应和进入的氧气供应来实现额外效率。取决于能量转换系统的构造，来自该系统的余热可用于预热燃烧系统的进入的燃料和氧气供应。另外可通过使用烟道气体流以驱动连接到循环泵的原动机来实现进一步的效率。此外，燃烧系统的高压操作超过二氧化碳超临界压力，避免了二氧化碳排气流压缩所需的能量以用来存储或使用。另外，加压的烟道气体排气流可使用较不能源密集型的技术(如薄膜)而纯化。
发明内容
因此本发明试图提供一种操作连接到能量转换系统的燃烧系统，燃烧系统包括
(i)燃烧构件，其被构建和配置来选择性地操作于超过大气压的燃烧压力下，且包括燃烧器，燃烧器具有
(a)至少一个燃烧室；
(b)燃料输入构件，其被构建和配置来在超过燃烧压力的压力下接收燃料供应；
(c)氧气输入构件，其被构建和配置来接收具有至少70％纯度且在超过燃烧压力的压力下的氧气供应；
(d)二氧化碳输入构件，其被构建和配置来接收在超过燃烧压力的压力下的超临界二氧化碳供应；
(e)至少一个燃烧产物出口构件，其定义燃烧器的出口流路以从燃烧室和燃烧器去除燃烧产物；和
(f)至少一个燃烧产物流再循环入口构件；
(ii)氧气递送构件，其操作地连接到氧气输入构件；
(iii)燃料递送构件，其操作地连接到燃料输入构件；
(iv)至少一个第一热交换器构件，其被构建和配置来操作连接到能量转换系统，其具有输入区域、排出区域和至少一个第一流道，至少一个第一流道定义输入区域与排出区域之间用于从燃烧器接收的燃烧产物的流路；
(v)燃烧排气构件，其包括流道；
(vi)再循环构件，其操作地连接到至少一个燃烧产物流再循环入口构件，且包括至少一个循环泵；和
(vii)燃烧排出构件，其操作地连接到第一热交换器构件的排出区域以去除燃烧产物，且燃烧排出构件包括
(a)划分构件，其用于将燃烧产物分成再循环流和排气流；
(b)再循环流递送构件，其操作地连接到再循环构件；和
(c)排气流递送构件，其操作地连接到燃烧排气构件。
在一些实施方案中，能量转换系统是具有工作流体的封闭的布雷顿循环系统，且第一热交换器构件还包括第二流道，第二流道定义输入区域与排出区域之间用于从封闭的布雷顿循环系统供应工作流体的流路。
优选地，其中氧气输入构件被构建和配置来接收具有至少80％，更优选的至少90％和最优选的至少95％的纯度的氧气供应。
优选地，至少一个燃烧室的每个被构建和配置来操作于至少10MPa的压力下，更优选地在10MPa与25MPa之间的压力下。
优选地，燃烧排气构件被构建和配置来操作地连接到用于排气流的调节构件，且调节构件包括水蒸气去除构件和杂质去除构件，以产生二氧化碳产物流。优选地，调节构件选自闪蒸分离器、重力分离器和薄膜处理构件中的至少一个。
优选地，再循环构件包括位于划分构件上游的至少一个冷凝物敲出容器。
优选地，燃烧系统还包括操作地连接到再循环构件的原动机，且原动机优选地选自涡轮、引擎、电动机及其组合的至少一个，且优选地位于燃烧排气构件的流道内。
优选地，燃烧系统还包括操作地连接到燃烧排气构件的背压调节器。
优选地，第一热交换器构件选自印刷电路热交换器、壳和管式热交换器和板式热交换器，更优选地为逆流热交换器。
可选地，燃烧系统还包括操作连接到燃烧排气构件的至少一个第二热交换器构件，其具有输入区域、排出区域，且定义输入区域与排出区域之间用于排气流的流道。优选地，第二热交换器构件包括定义用于氧气进入流的流路的第二流道，且其选自印刷电路热交换器、壳和管式热交换器和板式热交换器，优选地为逆流热交换器。
可选地，燃烧系统还包括至少一个第三热交换器构件，其操作连接到第二热交换器下游的燃烧排气构件，且包括用于排气流的流道。优选地，第三热交换器构件选自印刷电路热交换器、壳和管式热交换器和板式热交换器，优选地为逆流热交换器。
可选地，能量转换系统可包括二级热交换器构件，且燃烧系统的氧气递送构件可操作地连接到二级热交换器构件。
可选地，能量转换系统可包括三级热交换器构件，且燃料递送构件可操作地连接到三级热交换器构件。
优选地，燃料输入构件被构建和配置来接收选自由液体燃料、气体燃料、固体燃料和其混合物组成的组的燃料供应。
在燃料是液体燃料之处，燃料输入构件优选地被构建和配置来从再循环流接收流以使液体燃料雾化。
在燃料是粉状固体燃料之处，燃料输入构件优选地被构建和配置来从再循环流接收流以运载粉状固体燃料。
在燃料是气体燃料之处，其可包括天然气、或选自来自气化过程的合成气体和来自燃料精制过程的废气。
在燃料是气体燃料之处，第三热交换器构件优选地包括定义用于进入的燃料供应的流路的第二流道。
可选地，燃烧系统还包括第四热交换器构件，其操作地连接到再循环流递送构件以用于修改再循环流的操作温度。
在燃料是固体燃料之处，其优选地包括选自煤、煤粉、加工的煤、油、沥青、石油焦、易燃废物和生物质及其组合的至少一个的碳氢燃料，且优选地是粉状固体燃料，在这种情况下燃料输入构件优选地包括超临界二氧化碳流以运载粉状固体燃料，且燃料输入构件被构建和配置来从再循环流接收流以运载粉状固体燃料。
可选地，燃料供应是包括液体二氧化碳中的粉状固体燃料的料浆，且燃料输入构件还包括料浆馈送系统。
优选地，燃烧构件还包括至少一个固体去除出口构件，其被构建和配置来去除不易燃的固体颗粒，包括飞灰、底灰、炉渣和非灰微粒中的至少一个。优选地，再循环构件包括至少一个固体去除出口构件，其被构建和配置来去除不易燃的固体颗粒，且至少一个固体去除出口构件位于第一热交换器的上游。替代地或另外，至少一个固体去除出口构件位于第一热交换器下游，和/或至少一个固体去除出口构件位于循环泵的上游。
本发明还试图提供一种将热能提供到能量转换系统的方法，所述方法包括步骤
(a)提供燃烧构件，燃烧构件被构建和配置来选择性地操作于超过大气压的燃烧压力下，且其包括具有至少一个燃烧室的燃烧器，且其操作地连接到具有燃烧产物流道的第一热交换器，燃烧构件还被操作地连接到循环泵；
(b)将第一热交换器连接到能量转换系统；
(c)选择操作燃烧压力；
(d)确定能量转换系统所需的递送温度范围，且确定所需的递送温度范围内的目标温度范围；
(e)递送燃料供应，具有至少70％纯度且在超过所选操作燃烧压力的压力下的氧气供应，且同时选择性地将包括超临界二氧化碳流的加压流体供应递送到燃烧器；
(f)在存在氧气供应的情况下在燃烧室中燃烧燃料供应，且在所选的操作燃烧压力下对流体加压以产生燃烧产物流；
(g)将燃烧产物流递送到并通过第一热交换器的第一流道；
(h)选择性地将离开第一热交换器的燃烧产物流分成再循环流和排气流；
(i)将再循环流递送到燃烧器；
(j)监视所需的递送温度范围且根据所需的递送温度范围上的变化调整目标温度范围；
(k)选择性地控制和调整燃料和氧气的供应比率和递送再循环流到燃烧器的速率，以将燃烧产物流带入并维持在目标温度范围内；和
(l)将排气流递送到燃烧排气构件以用于去除和选择性恢复。
优选地，在步骤(e)之前，方法包括(d.1)通过将燃料供应在空气中在环境压力下燃烧而将燃烧构件预热到目标温度范围内的操作温度的启动步骤。
优选地，在步骤(d.1)之后且在步骤(e)之前，方法包括启动步骤
(d.2)将燃料供应和具有至少70％纯度的氧气供应连同包括在小于所选目标温度范围的最大值的温度下的二氧化碳流的加压流体供应且在小于所选操作燃烧压力的压力下而递送到燃烧器，且燃烧燃料以将燃烧构件的温度和压力上升到各自所选的值；和
(d.3)选择性地操作循环泵以建立再循环流。
优选地，步骤(h)还包括通过背压调节器来控制再循环流中的压力而选择性地控制去除排气流的比率。
优选地，步骤(f)还包括使燃烧产物流中的最多3％的氧气以干基测量。
在一些实施方案中，能量转换系统是具有工作流体的封闭的布雷顿循环系统，且第一热交换器还包括定义用于工作流体供应的流路的第二流道，以从步骤(g)中递送到第一流道的燃烧产物流接收热。在这些实施方案中，步骤(k)优选地包括控制和调整燃料和氧气的供应比率，以及响应于工作流体通过第一热交换器的质量流速上的变化和所需递送温度范围内的变化而将再循环流递送到燃烧器的速率。
优选地，步骤(d)中的氧气供应包括具有至少80％，更优选的至少90％，最优选的至少95％的纯度的氧气供应。
优选地，步骤(c)包括选择至少10MPa，更优选的在10MPa与25MPa之间的操作燃烧压力。
优选地，方法还包括在步骤(e)之前预热氧气的步骤(c.1)，且步骤(c.1)优选地包括将第二热交换器提供到燃烧排气构件，将排气流递送到并通过第二热交换器，且将氧气供应递送到并通过第二热交换器以由排气流加热。
优选地，步骤(g)包括将燃烧流体产物在比所需递送温度范围的最大值至少大5℃的温度下递送到第一流道。
优选地，步骤(i)还包括将再循环流压缩到超过步骤(c)中所选的操作燃烧压力的压力。
在步骤(e)中递送燃料供应包括递送天然气，方法优选地还包括在步骤(e)之前预热燃料供应的步骤(c.2)。更优选地，步骤(c.2)包括将第三热交换器提供到燃烧排气构件，将排气流递送到并通过第三热交换器，且将燃料供应递送到并通过第三热交换器以由排气流加热。
优选地，步骤(e)中递送燃料供应包括递送选自由液体燃料、气体燃料、固体燃料和其混合物组成的组的燃料供应。在燃料是固体燃料之处，步骤(e)中递送燃料供应优选地包括递送选自煤、煤粉、加工的煤、油、沥青、石油焦、易燃废物、生物质和其组合的至少一个的碳氢燃料供应。在燃料供应是粉状固体燃料之处，步骤(e)优选地还包括在超临界二氧化碳流中或在以料浆形式的液体二氧化碳中提供粉状固体燃料。
优选地，步骤(k)还包括将排气流带到环境温度。优选地，步骤(k)另外还包括通过从排气流去除水蒸气和杂质以产生在所选纯度范围内的二氧化碳产物流而调节排气流，且二氧化碳产物流是以选自超临界和亚临界的形式。
优选地，步骤(a)还包括将至少一个固体去除构件提供到燃烧器。更优选地，步骤(a)还包括在燃烧器与第一热交换器之间提供至少一个固体去除构件和至少一个固体出口，且方法还包括在步骤(g)之前(f.1)将燃烧产物流传递通过固体去除构件且通过至少一个固体出口排出所去除的固体的步骤。
优选地，方法还包括在步骤(i)之前选择性地从再循环流去除固体的步骤。更优选地，步骤(a)还包括将至少一个固体去除构件提供到循环泵上游的燃烧构件。
优选地，步骤(a)还包括提供再循环流热交换器，且步骤(i)还包括将再循环流的至少部分选择性地传递通过再循环流热交换器以修改再循环流的温度。
可选地，步骤(a)还包括将旁路构件提供到第一热交换器，且步骤(g)还包括选择性地将燃烧产物流的至少部分传递通过旁路构件，而不是通过第一热交换器。
附图说明
现在将相对于附图描述本发明，其中：
图1是本发明的实施方案的示意表示；
图2是对于气体燃料的本发明的第二实施方案的示意表示；
图3是对于液体燃料的本发明的第二实施方案的示意表示；
图4是对于固体燃料的本发明的第三实施方案的示意表示；和
图5是对于料浆燃料的本发明的第四实施方案的示意表示。
具体实施方式
首先参考图1，以示意表示示出本发明的燃烧系统5的第一实施方案，其包括被构建来适当连接到任何能量转换系统(未示出)的系统5，能量转换系统被设计来通过接触接收热能。在本实施方案中，燃烧系统5包括燃烧器10，其示出为具有被设计用于加压氧燃烧的多个区域，且具有氧气入口12、燃料入口14和燃烧产物出口18，烟道气体流可从燃烧产物出口18传递到热交换器120的入口22，且沿着路径28到热交换器出口24。从烟道气体流传递通过热交换器120的热被能量转换系统通过任何适当构件(未示出)从接触表面26接收。
在传递通过热交换器120之后，较冷的烟道气体流传递到冷凝鼓34，其在启动期间去除任何液体。烟道气体流的流路持续到划分器38，此处再循环线40从排气线48分离。在操作期间，如下文进一步讨论，再循环的比率对于燃烧器的适度温度而选择性地改变，且没有递送到再循环线40中的烟道气体流的任何残余部分被传递到线48中的排气流，且通过原动机，在本文中示出为涡轮50，以进一步处理为二氧化碳产物。
传递到再循环线40中的再循环流由循环泵42泵送，且递送到燃烧器10的区域的所选区域，通过再循环入口44的各自入口提供到燃烧器10。
现在参考图2，示出本发明的第二实施方案中的燃烧系统205，其被设计来与气体燃料供应一起使用。燃烧系统205的主要组件构造类似于图1中的燃烧系统5的构造。然而，在出口18离开燃烧器10的烟道气体流传递到入口222以在第一路径228中传递到并通过热交换器220，而来自能量转换系统(未示出)的工作流体在第二路径30中以相反方向传递通过热交换器220，以从第一路径228中的烟道气体流接收热能。同时，如果负载管理需要，如下文进一步讨论，那么在出口18离开燃烧器10的部分烟道气体流可在选用旁路线32中绕开热交换器220，且重新加入在出口224离开热交换器220的烟道气体流。
在划分器38之后，再循环流由泵42在再循环线40中以与如图1中所示的相同方式泵送。然而，在本实施方案中，再循环线40具有选用热交换器76，其可出于负载管理而选择性地用于去除再循环流的部分热能。再循环流的一部分可被分离以在线60中加入氧气供应流，而不是在再循环入口44直接传递到燃烧器。为启动本实施方案，将加压二氧化碳通过线16供应到燃烧器。
图2还示出对于在划分器38处从再循环流分开的排气流的选项。在通过原动机(示出为涡轮50)膨胀之后，排气流可选地可传递到并通过热交换器72，氧气供应也通过热交换器72传递，使得排气流中的过量热能可用于部分地预热氧气供应。作为进一步的替代或另外选项，排气流可传递到并通过热交换器73，且用于在线62中预热气体燃料供应。其后，排气流可传递到适当纯化构件52，以在传递到产物流54之前去除污染物。
作为更进一步的选项，来自能量转换系统的过量热可用于帮助预热在线60中通过热交换器74的氧气供应，且预热在线62中通过热交换器75的气体燃料供应。
现在参考图3，以示意表示示出本发明的第三实施方案中的燃烧系统305，其被设计来与液体燃料供应一起使用。本实施方案在许多方面类似于图2中所示的对于气体供应的实施方案，包括用于负载管理的选用旁路线32，用于供应加压二氧化碳的启动线16，和热交换器72、73、74、75和76。此外，线40中的再循环流的部分可被分离以添加到线64中的液体燃料供应，以在输入14处递送到燃烧器10之前使燃料雾化；替代地或另外，再循环流的部分可以与图2中所示的相同方式被分离并添加到线60中的氧气供应。此外，为了处理来自液体燃料供应的杂质，可在系统中的适当位置提供如本文中示出为36a、36b和36c的除灰构件。
现在参考图4，以示意表示示出本发明的第四实施方案中的燃烧系统405，其被设计来与固体燃料供应一起使用。在本实施方案中，固体燃料在馈送器66处递送。可选地，再循环流的部分可被分离到线46中且用于将固体燃料从馈送器66运载到燃烧器10的入口14中。在本实施方案中，还可以使用选用的热交换器72和74以在线60中预热氧气供应。以与图3中所示的相同方式，为了处理来自固体燃料供应的杂质，可在系统中的适当位置提供如本文中示出为36a、36b和36c的除灰构件。
现在参考图5，以示意表示示出本发明的第五实施方案中的燃烧系统505，其被设计来与料浆形式的燃料供应一起使用。在本实施方案中，料浆从馈送器68在入口14处直接递送到燃烧器10。除灰构件的特征提供在适当位置，如在36a、36b、36处；且选用的热交换器72、74和76可以与图4中所示的相同方式提供。
参考图2至图5，启动过程将由以下步骤组成：可通过关闭阀V2、V3和V5且部分打开阀V1和V6，且将固体、液体或气体燃料与空气在环境压力下燃烧或适当的替代措施而预热系统，以将其带到系统的操作温度，且使用电动机运行循环泵42，同时调制阀V1和V6以优化系统不同部分中的加热速率。例如，预热可通过将液体或气体燃料与空气在环境压力下燃烧而执行。适当的替代措施将包括使用外部电气或太阳能构件或其它构件。当完成预热时，空气和燃料供应被隔离，且阀V6被关闭。
在这个初始预热之后，对于启动的完成具有各种选项。
首先，对于将用气体燃料操作的系统，如图2中，接下来的步骤如下：
1.在低于或等于操作压力的压力下且在低于或等于系统操作温度的温度下用二氧化碳对系统预加压；
2.启动循环泵以建立再循环流；
3.启动燃料和氧气流，开始燃烧，且增加流速直到系统到达标准操作值，同时调制控制阀V1直到到达稳态操作压力和温度；和
4.当系统到达稳态条件时，同样调制阀V2和V3以优化燃烧性能。
作为替代方法，对于将用气体燃料操作的系统，接下来的步骤可为如下：
1.从外部源启动燃料和氧气流和温度适中的加压二氧化碳流，开始燃烧，且增加流速直到系统到达标准操作值，同时调制控制阀V1直到到达稳态操作压力和温度；
2.同时启动循环泵并持续循环以完全建立处于稳态条件的再循环流，同时逐渐减少加压二氧化碳的外部供应；
3.当系统到达稳态条件时，也调制控制阀V2和V3以优化燃烧性能。
其次，对于将用液体燃料操作的系统，如图3中，接下来的步骤如下：
1.在低于或等于操作压力的压力下且在低于或等于系统操作温度的温度下用二氧化碳对系统预加压；
2.启动循环泵以建立再循环流；
3.启动氧气和燃料流，通过使用来自通过控制阀V8供应的外部源的加压二氧化碳流使燃料雾化，开始燃烧，且增加流速直到系统到达标准操作值，同时调制控制阀V1直到到达稳态操作压力和温度。同时，随着在系统中进一步建立压力，逐渐关闭阀V8并开启阀V7；和
4.当系统到达稳态条件时，也调制控制阀V2、V3和V7以优化燃烧性能。
作为进一步的替代方法，对于将用液体燃料操作的系统，步骤可为如下：
1.从外部源通过控制阀V8启动氧气和燃料流和温度适中的加压二氧化碳流，开始燃烧，且增加流速直到系统到达标准操作值，同时调制控制阀V1直到到达稳态操作压力和温度。同时，随着在系统中进一步建立压力，逐渐关闭阀V8并开启阀V7；
2.同时启动循环泵并持续循环以完全建立处于稳态条件的再循环流，同时逐渐减少加压二氧化碳的外部供应；和
3.当系统到达稳态条件时，也调制控制阀V2、V3和V7以优化燃烧性能。
在操作期间，具有响应于能量转换系统的需求的系统负载管理的各种方法，热能通过热交换器220供应到能量转换系统。这些方法和选项是基于控制通过热交换器220而被传递到能量转换系统的热量，同时能量转换系统体验到负载变化。以下选项可对于气体、液体和固体燃料(如不同地在图2至图5中所示)个别或组合地实施：
●引入新的热交换器HX6以将再循环流的温度调制在目标温度范围内。
●在HX1周围引入旁路构件，其具有调制阀V4以控制旁路流的流速。
●引入存货控制构件，通过使用释放阀V5以控制系统内过量的压力、温度和质量流。
●调制燃料和O2流速以遵循能量转换系统中的负载变化。
●调制循环泵以控制再循环流的质量流速。

Claims (75)

1.一种操作连接到能量转换系统的燃烧系统，所述燃烧系统包括
(i)燃烧构件，其被构建和配置来选择性操作于超过大气压的燃烧压力下，且包括燃烧器，所述燃烧器具有
(a)至少一个燃烧室；
(b)燃料输入构件，其被构建和配置来在超过所述燃烧压力的压力下接收燃料供应；
(c)氧气输入构件，其被构建和配置来接收具有至少70％纯度且在超过所述燃烧压力的压力下的氧气供应；
(d)二氧化碳输入构件，其被构建和配置来接收在超过所述燃烧压力的压力下的超临界二氧化碳供应；
(e)至少一个燃烧产物出口构件，其定义燃烧器的出口流路以从所述燃烧室和所述燃烧器去除燃烧产物；和
(f)至少一个燃烧产物流再循环入口构件；
(ii)氧气递送构件，其操作地连接到所述氧气输入构件；
(iii)燃料递送构件，其操作地连接到所述燃料输入构件；
(iv)至少一个第一热交换器构件，其被构建和配置来操作连接到所述能量转换系统，其具有输入区域、排出区域和至少一个第一流道，所述至少一个第一流道定义所述输入区域与所述排出区域之间用于从所述燃烧器接收的所述燃烧产物的流路；
(v)燃烧排气构件，其包括流道；
(vi)再循环构件，其操作地连接到所述至少一个燃烧产物流再循环入口构件，且包括至少一个循环泵；和
(vii)燃烧排出构件，其操作地连接到所述第一热交换器构件的所述排出区域以去除所述燃烧产物，且燃烧排出构件包括
(a)划分构件，其用于将所述燃烧产物分成再循环流和排气流；
(b)再循环流递送构件，其操作地连接到所述再循环构件；和
(c)排气流递送构件，其操作地连接到所述燃烧排气构件。
2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述能量转换系统是具有工作流体的封闭的布雷顿循环系统，且所述第一热交换器构件还包括第二流道，所述第二流道定义所述输入区域与所述排出区域之间用于从所述封闭的布雷顿循环系统供应所述工作流体的流路。
3.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述氧气输入构件被构建和配置来接收具有至少80％纯度的氧气供应。
4.根据权利要求3所述的燃烧系统，其中所述氧气输入构件被构建和配置来接收具有至少90％纯度的氧气供应。
5.根据权利要求4所述的燃烧系统，其中所述氧气输入构件被构建和配置来接收具有至少95％纯度的氧气供应。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃烧系统，其中所述至少一个燃烧室的每个被构建和配置来操作于至少10MPa的压力下。
7.根据权利要求6所述的燃烧系统，其中所述至少一个燃烧室的每个被构建和配置来操作于10MPa与25MPa之间的压力下。
8.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃烧排气构件被构建和配置来操作地连接到用于所述排气流的调节构件。
9.根据权利要求8所述的燃烧系统，其中所述调节构件包括水蒸气去除构件和杂质去除构件，以产生二氧化碳产物流。
10.根据权利要求8所述的燃烧系统，其中所述调节构件选自闪蒸分离器、重力分离器和薄膜处理构件中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述再循环构件包括位于所述划分构件上游的至少一个冷凝物敲出容器。
12.根据权利要求1所述的燃烧系统，其还包括操作地连接到所述再循环构件的原动机。
13.根据权利要求12所述的燃烧系统，其中所述原动机选自涡轮、引擎、电动机及其组合的至少一个。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的燃烧系统，其中所述原动机位于所述燃烧排气构件的流道内。
15.根据权利要求1所述的燃烧系统，其还包括操作地连接到所述燃烧排气构件的背压调节器。
16.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述第一热交换器构件选自印刷电路热交换器、壳和管式热交换器和板式热交换器。
17.根据权利要求16所述的燃烧系统，其中所述第一热交换器构件是逆流热交换器。
18.根据权利要求1所述的燃烧系统，其还包括至少一个第二热交换器构件，所述至少一个第二热交换器构件操作连接到所述燃烧排气构件，具有输入区域、排出区域，且定义所述输入区域与所述排出区域之间用于所述排气流的流道。
19.根据权利要求18所述的燃烧系统，其中所述第二热交换器构件包括定义用于氧气进入流的流路的第二流道。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的燃烧系统，其中所述第二热交换器构件选自印刷电路热交换器、壳和管式热交换器和板式热交换器。
21.根据权利要求20所述的燃烧系统，其中所述第二热交换器构件是逆流热交换器。
22.根据权利要求20所述的燃烧系统，其还包括至少一个第三热交换器构件，所述至少一个第三热交换器构件操作连接到所述第二热交换器构件下游的所述燃烧排气构件，且包括用于所述排气流的流道。
23.根据权利要求22所述的燃烧系统，其中所述第三热交换器构件选自印刷电路热交换器、壳和管式热交换器和板式热交换器。
24.根据权利要求23所述的燃烧系统，其中所述第三热交换器构件是逆流热交换器。
25.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述能量转换系统包括二级热交换器构件，且所述氧气递送构件操作地可连接到所述二级热交换器构件。
26.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述能量转换系统包括三级热交换器构件，且所述燃料递送构件操作地可连接到所述三级热交换器构件。
27.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃料输入构件被构建和配置来接收选自由液体燃料、气体燃料、固体燃料和其混合物组成的组的燃料供应。
28.根据权利要求27所述的燃烧系统，其中所述燃料是液体燃料，且所述燃料输入构件被构建和配置来从所述再循环流接收流以使所述液体燃料雾化。
29.根据权利要求27所述的燃烧系统，其中所述燃料是粉状固体燃料，且所述燃料输入构件被构建和配置来从所述再循环流接收流以运载所述粉状固体燃料。
30.根据权利要求27所述的燃烧系统，其中所述燃料供应包括天然气。
31.根据权利要求27所述的燃烧系统，其中所述气体燃料选自来自气化过程的合成气体和来自燃料精制过程的废气。
32.根据权利要求22或权利要求23所述的燃烧系统，其中所述第三热交换器构件包括定义用于所述进入的燃料供应的流路的第二流道。
33.根据权利要求1所述的燃烧系统，其还包括第四热交换器构件，其操作地连接到所述再循环流递送构件以用于修改所述再循环流的操作温度。
34.根据权利要求27所述的燃烧系统，其中所述燃料供应包括选自煤、煤粉、加工的煤、油、沥青、石油焦、易燃废物和生物质及其组合的至少一个的碳氢燃料。
35.根据权利要求34所述的燃烧系统，其中所述燃料供应是粉状固体燃料。
36.根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述燃料输入构件包括超临界二氧化碳流以运载所述粉状固体燃料。
37.根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述燃料输入构件被构建和配置来从所述再循环流接收流以运载所述粉状固体燃料。
38.根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述燃料供应是液体二氧化碳中的粉状固体燃料的料浆，且所述燃料输入构件还包括料浆馈送系统。
39.根据权利要求27所述的燃烧系统，其中所述燃烧构件还包括至少一个固体去除出口构件，其被构建和配置来去除不易燃的固体颗粒，包括飞灰、底灰、炉渣和非灰微粒中的至少一个。
40.根据权利要求27所述的燃烧系统，其中所述再循环构件包括至少一个固体去除出口构件，其被构建和配置来去除不易燃的固体颗粒。
41.根据权利要求40所述的燃烧系统，其中所述至少一个固体去除出口构件的一个位于所述第一热交换器构件的上游。
42.根据权利要求40所述的燃烧系统，其中所述至少一个固体去除出口构件的一个位于所述第一热交换器构件的下游。
43.根据权利要求42所述的燃烧系统，其中所述固体去除出口构件的每个位于所述循环泵的上游。
44.一种将热能提供到能量转换系统的方法，所述方法包括以下步骤
(a)提供燃烧构件，所述燃烧构件被构建和配置来选择性地操作于超过大气压的燃烧压力下，且其包括具有至少一个燃烧室的燃烧器，且其操作地连接到具有燃烧产物流道的第一热交换器构件，所述燃烧构件还被操作地连接到循环泵；
(b)将所述第一热交换器构件连接到所述能量转换系统；
(c)选择操作燃烧压力；
(d)确定所述能量转换系统所需的递送温度范围，且确定所述所需的递送温度范围内的目标温度范围；
(e)递送燃料供应，具有至少70％纯度且在超过所述所选操作燃烧压力的压力下的氧气供应，且同时选择性地将包括超临界二氧化碳流的加压流体供应递送到所述燃烧器；
(f)在存在所述氧气供应的情况下在所述燃烧室中燃烧所述燃料供应，且在所述所选的操作燃烧压力下对流体加压以产生燃烧产物流；
(g)将所述燃烧产物流递送到并通过所述第一热交换器构件的第一流道；
(h)选择性地将离开所述第一热交换器构件的所述燃烧产物流分成再循环流和排气流；
(i)将所述再循环流递送到所述燃烧器；
(j)监视所述所需的递送温度范围且根据所述所需的递送温度范围上的变化调整所述目标温度范围；
(k)选择性地控制和调整燃料和氧气的供应比率和所述再循环流递送到所述燃烧器的速率，以将所述燃烧产物流带入并维持在所述目标温度范围内；和
(l)将所述排气流递送到燃烧排气构件以用于去除和选择性恢复。
45.根据权利要求44所述的方法，其还包括在步骤(e)之前(d.1)通过将燃料供应在空气中在环境压力下燃烧而将所述燃烧构件预热到所述目标温度范围内的操作温度的启动步骤。
46.根据权利要求45所述的方法，其还包括在步骤(d.1)之后且在步骤(e)之前的启动步骤
(d.2)将燃料供应和具有至少70％纯度的氧气供应连同包括在小于所述所选目标温度范围的最大值的温度下的二氧化碳流的加压流体供应且在小于所述所选操作燃烧压力的压力下而递送到所述燃烧器，且燃烧所述燃料以将所述燃烧构件的温度和压力上升到各自所选的值；和
(d.3)选择性地操作所述循环泵以建立所述再循环流。
47.根据权利要求44所述的方法，其中步骤(h)还包括通过背压调节器来控制所述再循环流中的压力而选择性地控制去除所述排气流的比率。
48.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(f)还包括使所述燃烧产物流中的最多3％的氧气以干基测量。
49.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中所述能量转换系统是具有工作流体的封闭的布雷顿循环系统，且所述第一热交换器构件还包括定义用于所述工作流体供应的流路的第二流道，以从步骤(g)中递送到所述第一流道的所述燃烧产物流接收热。
50.根据权利要求49所述的方法，其中步骤(k)包括控制和调整燃料和氧气的供应比率，以及响应于所述工作流体通过所述第一热交换器构件的质量流速上的变化和所述所需递送温度范围内的变化而将所述再循环流递送到所述燃烧器的速率。
51.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(e)中的所述氧气供应包括具有至少80％的纯度的氧气供应。
52.根据权利要求51所述的方法，其中步骤(e)中的所述氧气供应包括具有至少90％的纯度的氧气供应。
53.根据权利要求52所述的方法，其中步骤(e)中的所述氧气供应包括具有至少95％的纯度的氧气供应。
54.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(c)包括选择至少10MPa的操作燃烧压力。
55.根据权利要求54所述的方法，其中骤(c)包括选择10MPa与25MPa之间的操作燃烧压力。
56.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其还包括在步骤(e)之前(c.1)预热所述氧气的步骤。
57.根据权利要求56所述的方法，其中步骤(c.1)包括将第二热交换器构件提供到所述燃烧排气构件，将所述排气流递送到并通过所述第二热交换器构件，且将所述氧气供应递送到并通过所述第二热交换器构件以由所述排气流加热。
58.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(g)包括在比所述所需递送温度范围的最大值至少高5℃的温度下将所述燃烧流体产物递送到所述第一流道。
59.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(i)还包括将所述再循环流压缩到超过步骤(c)中所选的所述操作燃烧压力的压力。
60.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(e)中所述递送燃料供应包括递送天然气，所述方法还包括在步骤(e)之前(c.2)预热所述燃料供应的步骤。
61.根据权利要求60所述的方法，其中步骤(c.2)包括将第三热交换器构件提供到所述燃烧排气构件，将所述排气流递送到并通过所述第三热交换器构件，且将所述燃料供应递送到并通过所述第三热交换器构件以由所述排气流加热。
62.根据权利要求44所述的方法，其中步骤(e)中所述递送燃料供应包括递送选自由液体燃料、气体燃料、固体燃料和其混合物组成的组的燃料供应。
63.根据权利要求44所述的方法，其中步骤(e)中所述递送燃料供应包括递送选自煤、煤粉、加工的煤、油、沥青、石油焦、易燃废物、生物质及其组合的至少一个的碳氢燃料供应。
64.根据权利要求62或权利要求63所述的方法，其中所述燃料供应是粉状固体燃料。
65.根据权利要求64所述的方法，其中步骤(e)还包括在超临界二氧化碳流中提供所述粉状固体燃料。
66.根据权利要求64所述的方法，其中步骤(e)包括在液体二氧化碳中递送所述粉状固体燃料作为料浆。
67.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中骤(k)还包括将所述排气流带到环境温度。
68.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(k)还包括通过从所述排气流去除水蒸气和杂质以产生在所选纯度范围内的二氧化碳产物流而调节所述排气流。
69.根据权利要求68所述的方法，其中所述二氧化碳产物流是以选自超临界和亚临界的形式。
70.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(a)还包括将至少一个固体去除构件提供到所述燃烧器。
71.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(a)还包括在所述燃烧器与所述第一热交换器构件之间提供至少一个固体去除构件和至少一个固体出口，且所述方法还包括在步骤(g)之前(f.1)将所述燃烧产物流传递通过所述固体去除构件且通过所述至少一个固体出口排出所去除的固体的步骤。
72.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其还包括在步骤(i)之前选择性地从所述再循环流去除固体的步骤。
73.根据权利要求72所述的方法，其中步骤(a)还包括将至少一个固体去除构件提供到所述循环泵上游的所述燃烧构件。
74.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(a)还包括提供再循环流热交换器，且步骤(i)还包括将所述再循环流的至少部分选择性地传递通过所述再循环流热交换器以修改所述再循环流的温度。
75.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中步骤(a)还包括将旁路构件提供到所述第一热交换器构件，且步骤(g)还包括选择性地将所述燃烧产物流的至少部分传递通过所述旁路构件，而不是通过所述第一热交换器构件。
CN201180071093.1A 2011-05-24 2011-05-24 与能量转换系统面接的具有二氧化碳捕获的高压矿物燃料氧燃烧系统 Active CN103547861B (zh)

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