CN103764972A - 用于在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳和发电的系统和方法 - Google Patents

用于在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳和发电的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供用于在低排放涡轮机系统中发电并将废气分离成富CO2流和贫CO2流的系统、方法和装置。在一个或多个实施方式中，废气在升高的压力下被分离，例如在高压膨胀阶段和低压膨胀阶段之间。

Description

用于在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳和发电的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求以下申请的优先权：2011年9月30日提出的美国临时申请61/542,036，名称为SYSTEMS AND METHODS FOR CARBONDIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS（用于在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳的系统和方法）；2011年3月22日提出的美国临时申请61/466,384，名称为LOW EMISSION TURBINESYSTEMS HAVING A MAIN AIR COMPRESSOR OXIDANTCONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO（具有主压缩空气压缩机氧化剂控制装置的低排放涡轮机系统以及相关方法）；2011年9月30日提出的美国临时申请61/542,030，名称为LOWEMISSION TURBINE SYSTEMS INCORPORATING INLETCOMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODSRELATED THERETO（结合了入口压缩机氧化剂控制装置的低排放涡轮机系统以及相关方法）；2011年3月22日提出的美国临时申请61/466,385，名称为METHODS FOR CONTROLLINGSTOICHIOMETRIC COMBUSTION ON A FIXED GEOMETRY GASTURBINE SYSTEM AND APPARATUS AND SYSTEMS RELATEDTHERETO（在固定几何形状的燃气轮机系统上控制化学计量燃烧的方法以及相关装置和系统）；2011年9月30日提出的美国临时申请61/542,031，名称为SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLINGSTOICHIOMETRIC COMBUSTION IN LOW EMISSION TURBINESYSTEMS（在低排放涡轮机系统中控制化学计量燃烧的系统和方法）；2011年3月22日提出的美国临时申请61/466,381，名称为METHODS OFVARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITSAND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO（改变低排放涡轮机气体循环回路的方法以及相关的系统和装置）；2011年9月30日提出的美国临时申请61/542,035，名称为METHODS OF VARYINGLOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS ANDSYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO（改变低排放涡轮机气体循环回路的方法以及相关的系统和装置）；所有这些申请通过引用以其整体并入本文。
本申请与下述申请相关：2011年9月30日提出的美国临时申请61/542,037，名称为SYSTEMS AND METHODS FOR CARBONDIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS（在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳的系统和方法）；2011年9月30日提出的美国临时申请61/542,039，名称为SYSTEMS AND METHODS FORCARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION COMBINEDTURBINE SYSTEMS（在低排放联合涡轮机系统中捕获二氧化碳的系统和方法）；2011年9月30日提出的美国临时申请61/542,041，名称为LOW EMISSION POWER GENERATION SYSTEMS AND METHODSINCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION（结合了二氧化碳分离的低排放发电系统和方法）；所有这些申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开的实施方式涉及低排放发电。更具体地，本公开的实施方式涉及分离和捕获二氧化碳用于在低排放涡轮机系统中发电的方法和装置。
背景技术
本节旨在介绍本领域的各个方面，所述各个方面可能与本公开的示范性实施方式相关。相信这种讨论有助于提供一个框架，以促进更好地理解本发明的具体方面。因此，应当理解，本节应该从这个角度理解而不一定是作为现有技术的承认。
许多产油国正在经历强劲的国内电力需求增长，并且对提高采收率法采油（EOR）感兴趣以改进从其储油层采油。两种通常的EOR技术包括氮（N2）注入用于维持储层压力和二氧化碳（CO2）注入用于EOR的混相驱动。全球也在关注温室气体（GHG）排放。这种关注结合在许多国家执行总量管制与排放交易政策使得减少CO2排放成为这些国家以及其中运转烃生产系统的公司的当务之急。
降低CO2排放的一些方法包括使用溶剂如胺进行燃料脱碳或者燃烧后捕获。然而，这两种方案都昂贵而且降低了发电效率，导致较低的电力生产，燃料需求增大，以及电成本增大以满足国内电力需求。具体地，氧气、SOX和NOX成分的存在使得使用胺溶剂吸收很成问题。另一种方法是在联合循环中的含氧燃料燃气轮机（比如，其中捕获来自燃气轮机布雷顿循环的废气热量以在兰金循环中用于产生蒸汽和产生额外电力）。但是，商业上可得的燃气轮机没有可以在这样的循环内运转的并且用于产生高纯度氧气所需的电力显著降低了该方法的总体效率。
另外，随着日益关注全球气候变化和二氧化碳排放的影响，重点已经放在使发电厂的二氧化碳排放量最小化。燃气轮机发电厂是有效的并且与核能或煤发电技术相比成本可能更低。基于以下原因捕获来自燃气轮机发电厂的废气中的二氧化碳是昂贵的：(a)排气管中的二氧化碳浓度低，(b)需要处理的气体体积大，(c)废气流的压力低，以及(d)废气流中存在的氧气量大。所有这些因素导致二氧化碳捕获的高成本。
因此，仍然显著需要低排放、高效率的发电和CO2捕获方法。
发明内容
在本文描述的低排放发电系统中，来自低排放燃气轮机的、排入到典型天然气联合循环（NGCC）厂中的废气改为被分离和回收。本发明的装置、系统和方法将使用氧化剂和烃燃料产生电力的开放式布雷顿循环与二氧化碳分离方法结合。该二氧化碳分离方法在压缩机出口压力到最终膨胀机出口压力之间的压力下进行并且产生两种废气流，一种富二氧化碳(CO2)，另一种贫CO2。富CO2和贫CO2流可用于相同或不同的目的。每种流的用途包括注入到烃储层用于提高采收率法采油、产生额外电力、碳封存(sequestration)或存储、用于再循环至涡轮机的燃烧室以使燃烧的产物冷却至在膨胀机中的材料极限、用于出售、或者排出。
在本发明的系统和方法中，从低排放燃气轮机的燃烧室排出的高压废气在第一高压膨胀机中部分膨胀，产生电力。废气从第一膨胀机中以升高的压力排出，并且使用CO2分离方法分离成富CO2和贫CO2流。在分离方法期间维持贫CO2流的压力，这允许在第二低压膨胀机中进一步从贫CO2流提取能量。通过在升高的压力下在两个膨胀阶段之间进行分离方法，分离设备的尺寸可减小且分离方法的效力可提高。
附图说明
在阅读以下详细描述和实施方式的非限制性示例的附图之后，本公开的上述和其他优势可变得明显，其中：
图1描绘在两个膨胀阶段之间结合CO2分离的低排放发电系统。
图2描绘结合CO2分离和富CO2流再循环的低排放发电系统。
图3描绘结合CO2分离和第二入口压缩机的低排放发电系统。
图4描绘在膨胀机的上游结合CO2分离的低排放发电系统。
具体实施方式
在以下的具体实施方式部分中，将本公开的具体实施方式结合优选实施方式进行描述。然而，在以下描述特定于本公开的具体实施方式或具体用途的方面，这旨在仅用于示范性的目的并且仅提供示范性实施方式的描述。因此，本公开不限于下述的具体实施方式，而是包括落入所附权利要求书的真正精神和范围之内的所有替代方案、改型和等同物。
本文所用的各种术语如下定义。对于下文中没有定义的权利要求中使用的术语，应给予相关领域人员给予该术语的最宽泛定义，如在至少一个印刷出版物或授权专利中反映的。
如本文中使用的，术语“天然气”指从原油井（伴生气）和/或从地下气层（非伴生气）中获取的多组分气体。天然气的组成和压力可以显著不同。一般天然气流包含甲烷（CH4）作为主要成分，即天然气流中多于50mol%的是甲烷。天然气流也可包含乙烷（C2H6）、更高分子量的烃（比如C3-C20烃）、一种或多种酸性气体（比如硫化氢）、或者它们的任何组合。天然气也可包含少量的污染物，例如水、氮、硫化铁、蜡、原油、或者它们的任何组合。
如本文中使用的，术语“化学计量燃烧”指这样的燃烧反应，其具有包含燃料和氧化剂的反应物体积和通过燃烧反应物形成的产物体积，其中反应物的全部体积用于形成产物。如本文中使用的，术语“基本化学计量的”燃烧指这样的燃烧反应，其当量比率在约0.9:1到约1.1:1的范围内，或者更优选地在约0.95:1到约1.05:1的范围内。本文使用术语“化学计量的”意思是既包括化学计量条件也包括基本化学计量条件，除非另外指出。
如本文中使用的，术语“流”指一定体积的流体，尽管术语流的使用通常指移动的一定体积的流体（比如，具有速度或者质量流速）。然而，术语“流”不要求速度、质量流速或者包围流的具体类型的管道。
本发明公开的系统和方法的实施方式可用于生产超低排放的电力和CO2用于提高采收率法采油（EOR）或者封存应用。在EOR应用中，将CO2注入到产油井内或者其附近，通常在超临界条件下进行。CO2充当加压剂，同时在溶解到地下原油中时显著减小石油的粘度，使得油能够更迅速地流经土壤至移除井(remove well)中。根据本文公开的实施方式，燃烧压缩的氧化剂（一般是空气）和燃料的混合物并且废气在第一膨胀阶段膨胀以发电。然后在升高的压力下废气被分离成富CO2和贫CO2流。然后贫CO2流在第二膨胀阶段可再次膨胀，产生额外的电力。在一些实施方式中，富CO2流可再循环并与进入燃烧室的氧化剂混合，充当稀释剂以控制或者另外调节燃烧温度和进入后面膨胀机的废气温度。所述燃烧可以是化学计量的或者非化学计量的。
在接近化学计量条件下的燃烧（或者“稍富”的燃烧）可以证明是有优势的，以消除移除过量氧的成本。通过冷却废气并冷凝出流中的水可以产生相对高含量CO2的流。在一部分再循环的废气可以用于闭合式布雷顿循环中的温度调节的同时，剩余的部分可以用于EOR应用和产生电力而少量或没有SOX、NOX或CO2排放到大气中。比如，非再循环的流可被处理以产生贫CO2流，其随后在气体膨胀机中膨胀，产生额外的机械动力。本发明公开的系统的结果是以更经济有效的水平产生电力并产生或捕获额外的CO2。
本发明涉及用于低排放发电的系统和方法，其包括分离方法，其中来自燃烧室的废气以升高的压力被分离成富CO2和贫CO2流。在一些实施方式中，富CO2和贫CO2流中的一种或者两种被注入一个或多个烃储层中用于提高采收率法采油（EOR）。如本文中使用的，术语“富”和“贫”指，在进入CO2分离方法的CO2总量中至少51%的该CO2通过富CO2流从分离方法中排出，剩下的CO2在贫CO2流中排出。在一些实施方式中，进入分离方法的CO2总量的至少约55%、或者至少约60%、或者至少约65%、或者至少约70%、或者至少约75%、或者至少约80%、或者至少约85%、或者至少约90%、或者至少约95%在富CO2流中排出。
在本文的系统和方法中，一种或多种氧化剂被压缩并在燃烧室中与一种或多种燃料燃烧。所述氧化剂可包括任何含氧流体，如环境空气、富氧空气、基本纯的氧气、或者它们的组合。一种或多种氧化剂可以在一个或多个压缩机内被压缩。每个压缩机可包括单阶段或者多阶段。在多阶段的压缩机中，可以任选地采用级间冷却从而允许更高的总体压缩比和更高的总体电力输出。每个压缩机可以是适用于本文描述的方法的任何类型，并且优选地是可靠的、高效的并且能够具有高压缩比。这些压缩机包括但不限于轴流式、离心式、往复式、或者双螺杆式压缩机以及它们的组合。在一个或多个实施方式中，氧化剂压缩机或多个氧化剂压缩机是轴流式压缩机。燃料可包括天然气、伴生气、柴油、燃料油、气化煤、焦炭、石脑油、丁烷、丙烷、乙烷、甲烷、合成气、煤油、航空燃料、生物燃料、氧化的烃原料、沥青、任何其它合适的含烃气体或液体、氢、或者它们的组合。另外，燃料可包括惰性成分，包含但不限于N2或者CO2。在一些实施方式中，燃料至少部分由通过注入富CO2流或者贫CO2流或两者正受益于提高采收率法采油的烃储层供应。燃烧室中的燃烧条件可以是贫的、化学计量的或者基本化学计量的、或者富的。在一个或多个实施方式中，燃烧条件是化学计量或者基本化学计量的。燃料和氧化剂的燃烧通常产生约2000°F和约3000°F之间的温度。在一些实施方式中，燃烧室在氧化剂压缩机出口压力的压力下或附近运转。
氧化剂和燃料在燃烧室中的燃烧产生废气流，其随后膨胀。废气流包括燃烧产物，其组成取决于使用的燃料和氧化剂的组成变化。在一个或多个实施方式中，来自燃烧室的排出废气流可包括汽化的水、CO2、一氧化碳（CO）、氧气、氮气、氩气、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、硫化氢（H2S）、烃、或者它们的组合。排出废气流可以在一个或多个膨胀机中膨胀。进入到膨胀机（或者如果使用多于一个膨胀机，膨胀机系统）的排出废气流一般处于与燃烧室的出口温度和压力大概相同的温度和压力下。
一个或多个膨胀机中的每一个可包括单阶段或者多阶段。每个膨胀机可以是适用于本文描述的方法的任何类型，包括但不限于轴流式或者离心式膨胀机或者它们的组合。每个膨胀机优选地是高效的并且能够具有高膨胀比。废气流的膨胀产生电力，其用于驱动一个或多个压缩机或者发电机。在本发明的一个或多个实施方式中，膨胀机通过共用轴或者其他机械、电气或其他动力连接，连接至氧化剂压缩机，以便氧化剂压缩机至少部分由膨胀机驱动。在其他实施方式中，氧化剂压缩机可机械连接至电动机或者蒸汽轮机，所述电动机具有或者没有速度增加或者减小的设备如齿轮箱。当氧化剂压缩机、燃烧室和膨胀机放在一起时可表现为开放式布雷顿循环。
在本发明的一个或多个实施方式中，采用至少两个膨胀机阶段，任意两个阶段之间结合CO2分离方法。第一阶段是高压膨胀机，其从燃烧室接收排出废气并在降低的温度和压力下将同一气体输出到CO2分离方法。虽然被降低，但高压膨胀机出口处的压力仍然高于环境条件的压力。例如，高压膨胀机的出口压力可高于约25psia（磅/平方英寸），或者高于约50psia，或者高于约75psia，或者高于约100psia。
CO2分离方法可以是设计来将加压的废气分离成富CO2流和贫CO2流的任何合适方法。分离废气的成分允许废气中的不同成分以不同的方式处理。理想地，分离方法将废气中所有的温室气体如CO2、CO、NOx、SOx等分离到富CO2流中，留下废气中的其余成分如氮气、氧气、氩气、等在贫CO2流中。然而，实际上，分离方法可以不从贫流中移除所有温室气体，并且一些非温室气体可保留在富流中。设计来实现预期结果的任何合适的分离方法都可以被使用。合适的分离方法的实例包括但不限制于热碳酸钾（“热罐(hot pot)”）分离方法、胺分离、分子筛分离、膜分离、吸附动力学分离、受控冷冻区分离、以及它们的组合。在一些实施方式中，热罐分离方法用于分离CO2。在本发明的一个或多个实施方式中，分离方法在升高的压力（即，高于环境压力并且与高压膨胀机的出口压力大致相同）下操作，并且配置来保持贫CO2流被加压。以这种方式维持贫CO2流的压力允许更小的分离设备，提供提高的分离效力，并且允许从贫CO2流进一步提取能量。在一些实施方式中，CO2分离方法被选择和配置来最大化贫CO2流的出口压力或者出口温度或者两者。虽然为了简单地阐明或者描述本发明的某些实施方式，本文中使用术语“CO2分离器”，但应当理解该术语意在包括所有的CO2分离方法而不一定指单个装置或工艺步骤。
在一个或多个实施方式中，贫CO2流从CO2分离器中以升高的压力排出并且被导向第二膨胀阶段，该第二膨胀阶段可以是低压膨胀机，其配置来接收加压的贫CO2流并在接近环境压力下输出同一气体。如本领域技术人员理解的，每个膨胀阶段产生电力，并且每个膨胀机产生的电力可用于在所述的系统之内或之外的任何配置中至少部分驱动一个或多个压缩机或发电机。方便地，在一个或多个实施方式中，第一（高压）膨胀机可以至少部分驱动第一氧化剂压缩机。在这些实施方式中，第一压缩机、燃烧室和第一膨胀机可以是封装的燃气轮机。在相同或者其他实施方式中，在第一压缩机之前或者之后可采用第二氧化剂压缩机以提供燃烧室的氧化剂进料的进一步压缩，并且第二（低压）膨胀机可以至少部分地驱动第二氧化剂压缩机。在这些实施方式中，第一和第二压缩机、燃烧室、以及第一和第二膨胀机可以是封装的燃气轮机。可选地，可使用一个膨胀机驱动氧化剂压缩机，而另一膨胀机可用于驱动管道或者注入压缩机以压缩富CO2流（或者贫CO2流），以注入储层用于存储或者EOR。在这些配置中，管道或者注入压缩机可位于本文描述的发电系统附近。
尽管本文描述的CO2分离方法优选地位于膨胀阶段之间，但所述分离可以可选地在第一膨胀阶段之前进行。在这种配置中，来自燃烧室的废气被直接提供到分离器中并且分离器如上述产生富CO2流和贫CO2流。然后贫CO2流被引导至一个或多个膨胀机或者膨胀阶段，而富CO2流也可以膨胀或者可以通过以下更详细描述的多种方式进行处理。
在一个或多个实施方式中，贫CO2流可以任选地在低压膨胀阶段之前进行加热。该加热可以使用任何合适的加热设备实现。比如，一个或多个换热器或交叉换热器(cross exchanger)可配置来在贫CO2流进入低压膨胀机之前传热至贫CO2流。一个或多个换热器或交叉换热器可配置来从多个源传热，比如从第一燃烧室的排放或者从高压膨胀机的排放。在相同或者其他实施方式中，贫CO2流在位于高压和低压膨胀阶段之间的第二燃烧室内被加热。第二燃烧室的使用需要额外燃料供应，其可以与供应到第一燃烧室的燃料相同或者不同。在一些实施方式中，供应到第二燃烧室并在其中燃烧的燃料包括氢气。第二燃烧室需要的氧化剂可通过单独的氧化剂流供应，或者在贫CO2流中可以有充足的氧化剂，以便不需要额外的氧化剂供应。通过在方法的低压膨胀阶段之前加热贫CO2流，可以增加低压膨胀机中的发电。
在一个或多个实施方式中，贫CO2流（膨胀之后）或者富CO2流或者两者可以通过一个或多个热回收蒸汽发生器（HRSG）。一个或多个HRSG可配置来利用一个或两个流中的余热产生蒸汽。一个或多个HRSG产生的蒸汽可用于多种目的，比如驱动兰金循环中的蒸汽涡轮发电机，驱动机械传动装置中的蒸汽轮机，或者用于水脱盐。在贫CO2流和富CO2流每个被引导至HRSG的情况，由每个HRSG产生的蒸汽可用于相同或不同的应用。进一步地，如果从一个或多个HRSG中排出的贫CO2流或富CO2流的任一个或两者中保留有任何余热，系统可进一步包括一个或多个换热器，其配置来将该热传输至非蒸汽工作流体。在这些实施方式中，非蒸汽工作流体可以任选地用于驱动兰金循环中的膨胀机。
富CO2流或贫CO2流中的每一个可以全部或者部分用于多种应用，并且两种流可用于相同或不同的应用。比如，至少部分富CO2流可再循环并且与进入燃烧室的氧化剂混合或者被直接添加到燃烧室中充当稀释剂以控制或者另外调节燃烧温度和进入后面膨胀机的废气。在这些情况中，系统的特征在于包括闭合式布雷顿循环。在相同或者其他实施方式中，富CO2流可以注入烃储层用于提高采收率法采油（EOR），可以引导至储层用于碳封存或者存储。富CO2流也可以出售、排出或燃烧。在一个或多个实施方式中，贫CO2流也可以用于EOR。在相同或者其他实施方式中，贫CO2流可以出售、排出或燃烧。
本发明除了本文描述的低排放发电系统和方法，还包括进一步的要素。比如，在一些实施方式中系统可进一步包括一个或多个烃储层、注入井和/或压缩和管道系统，其配置来增加富CO2流的压力并将用于注入的流传输到烃储层中。在相同或者其他实施方式中，系统可进一步包括管道系统，其用于将来自烃储层的气体输送到发电系统作为燃料。在相同或者其他实施方式中，系统可进一步包括电气系统，其配置来输送来自发电机的电，以向系统内一个或多个压缩机至少部分地供电或者向管道系统至少部分地供电。
现在参看图，图1示出发电系统100，其配置来在燃烧之后提供CO2的分离和捕获。在至少一个实施方式中，发电系统100可具有第一压缩机118，其通过共用轴108或者其他机械、电气或者其他动力连接，连接至第一膨胀机106，从而允许第一膨胀机106产生的机械能的一部分驱动第一压缩机118。第一膨胀机106也可以发电用于其他用途，比如向另一个压缩机、发电机等供电。第一压缩机118和第一膨胀机106可以分别形成标准燃气轮机的压缩机端和膨胀机端。然而，在其他实施方式中，第一压缩机118和第一膨胀机106在系统中可以是独立的组件。
系统100也可包括第一燃烧室110，其配置来燃烧与压缩的氧化剂114混合的第一燃料流112。在一个或多个实施方式中，第一燃料流112可包括任何合适的烃气体或液体，比如天然气、甲烷、乙烷、石脑油、丁烷、丙烷、合成气、柴油、煤油、航空燃料、煤来源燃料、生物燃料、沥青、氧化的烃原料、或者它们的组合。第一燃料流112也可以包含氢气。压缩的氧化剂114可以来自流体连接至第一燃烧室110并且适于压缩氧化剂进料120的第一压缩机118。虽然本文中的讨论假定氧化剂进料120是周围的空气，但氧化剂可包括任何合适的含氧气体，比如空气、富氧空气、基本纯的氧气、或者它们的组合。在本文的一个或多个实施方式中，第一燃烧室110在与第一压缩机118的排出压力大约相同的压力下操作。在一个或多个实施方式中，第一压缩机118、第一燃烧室110、和第一膨胀机106放在一起可以作为开放式布雷顿循环。
产生排出废气流116作为第一燃料流112和压缩的氧化剂114的燃烧产物并且被引导至第一膨胀机106的入口。在至少一个实施方式中，第一燃料流112可以主要是天然气，因此产生包括体积份的蒸发的水、CO2、CO、氧气、氮气、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）的排出物116。在一些实施方式中，由于燃烧平衡限制，小部分未燃烧的燃料112或者其他化合物也可存在于排出物116中。随着排出流116通过膨胀机106膨胀，它产生机械能以驱动第一压缩机118或者其他设备，也产生气态废气流122。在一个或多个实施方式中，第一膨胀机106接收温度和压力与第一燃烧室出口温度和压力基本相同的排出流116，并且输出温度和压力下降但是仍然高于环境条件的同一气体。
系统100也可包括CO2分离系统。在一个或多个实施方式中，气态废气流122被引导至CO2分离器140。该CO2分离器140可以采用设计来将气态废气流122分离成富CO2流142和贫CO2流144的多种分离方法中的任一种。比如，分离器140可设计来使用化学分离方法分离气态废气流，如热碳酸钾（“热罐”）分离、胺分离、或者使用溶剂如乙二醇的分离。其他分离方法包括使用膜的物理分离，或者例如吸附动力学分离或控制冷冻区分离的方法。在一些实施方式中，可以使用上述分离方法的组合。富CO2流142可以用于多种下游应用，比如注入到烃储层中用于提高采收率采油（EOR）、碳封存、存储、销售、或者再循环至第一燃烧室110中用作稀释剂，以促进压缩的氧化剂114和第一燃料112的燃烧，并且增加排出废气流116中CO2的浓度。富CO2流142也可以排出或者燃烧。在一个或多个实施方式中，该CO2分离方法可配置来将贫CO2流144的温度或压力最大化。
在一个或多个实施方式中，贫CO2流144可以任选地用于额外发电。比如，在换热器150中可加热贫CO2流144，该换热器150配置来将来自气态废气流122的热传输到贫CO2流144。从换热器150中出来后，贫CO2流144然后被引导至第二燃烧室130，该第二燃烧室130配置来燃烧第二燃料流132，从而向贫CO2流144添加额外的热量。第二燃料流可具有与第一燃料流112相同的组成，或者可具有不同组成。比如，第二燃料流132可主要包含氢气。在一个或多个实施方式中，第二燃烧室130的操作压力低于第一燃烧室110的操作压力。
被再加热的贫CO2流162从第二燃烧室110被引导至第二膨胀机160。第二膨胀机160通常在低于第一膨胀机106的压力下操作。比如，在一个或多个实施方式中，第二膨胀机在高于环境的压力下接收来自CO2分离方法的再加热的贫CO2流162，并将该同一气体在大致环境压力下通过膨胀的贫CO2流164输出。由第二膨胀机160产生的电力可用于多种目的，比如至少部分驱动第一压缩机118或者一个或多个额外的压缩机（未示出）或者驱动发电机。在一些实施方式中，当富CO2流或者贫CO2流被注入到储层用于存储或者EOR时，第二膨胀机160可以用于驱动管道或注入压缩机。
在一个或多个实施方式中，膨胀的贫CO2流164可以引导至热回收蒸汽发生器（HRSG）170，该热回收蒸汽发生器170配置来使用膨胀的贫CO2流164中的余热产生蒸汽174。蒸汽174可具有多种用途，比如，例如在兰金循环中通过驱动蒸汽涡轮发电机产生额外的电力或者用于水脱盐。从HRSG170中排出的冷却贫CO2流172，与富CO2流142一样，也可以用于多种应用，包括EOR、存储、销售、排出、或者燃烧。
现在参考图2，其描绘图1中发电系统100的可选配置，具体化为并描绘为系统200。因此，图2通过参考图1可以最好地理解。在图2的系统200中，至少一部分富CO2流142再循环至燃烧室，以在发电系统的工作流体中获得更高的CO2浓度，从而允许更高效的CO2分离，用于后面的封存、压力维持或者EOR应用。为此，调整第一燃烧室110以化学计量地燃烧进来的第一燃料112和压缩的氧化剂114的混合物。为了调整燃烧的温度以满足第一膨胀机106入口温度和组件冷却要求，一部分富CO2流可以注入到第一燃烧室110中作为稀释剂。因此，本公开的实施方式基本上可以消除来自工作流体的任何过量的氧气同时增加其CO2组成。
尽管图2中示出的再循环回路包括各种装置，但示出的配置仅仅是代表性的，并且可以使用将富CO2流142循环回第一燃烧室110从而实现本文所述目的的任何系统。在一个或多个实施方式中，富CO2流142可以输送到第二HRSG210，以产生蒸汽216流和冷却的富CO2气体212。蒸汽216可以任选地输送至蒸汽轮机（未示出）以产生额外的电力。在这些配置中，第二HRSG210和蒸汽轮机的组合的特征在于闭合式兰金循环。
在一个或多个实施方式中，可将从第二HRSG210排出的冷却的富CO2气体212输送至至少一个冷却单元230，该冷却单元230配置来降低冷却的富CO2气体212的温度并且产生冷却的再循环CO2流232。在一个或多个实施方式中，冷却单元230在这里被考虑是直接接触冷却器（DCC），但是可以是任何合适的冷却设备，如直接接触冷却器、调温冷却器(trim cooler)、机械制冷装置、或者它们的组合。冷却单元230也可以配置来通过水排泄流(water dropout stream)234将一部分冷凝水排出。在一个或多个实施方式中，冷却的富CO2气体212可以引导至流体连接至冷却单元230的鼓风机或者升压压缩机220。在这些实施方式中，压缩的冷却富CO2流从鼓风机220排出并且被引导至冷却单元230。
进一步地，尽管图2的系统200中示出的再循环回路展示了CO2的100%再循环，但在有些情况下可能期望仅将再循环回路中部分CO2再循环到燃烧室110。在这些情况下，可添加一个或多个提取流（未示出），从再循环回路转移部分CO2而剩余的CO2如本文描述进行再循环。提取的CO2部分可通过多个位置（未示出）处的提取流从再循环回路回收，例如从流212、222、232或242。提取的CO2可用于多种目的，比如用于EOR、封存、存储、销售、或者排出。
鼓风机220可配置来在冷却的富CO2气体212引入到再循环压缩机240之前升高其压力。在一个或多个实施方式中，鼓风机220增加冷却的富CO2气体212的总体密度，从而将相同体积流量的增加的质量流速引导至再循环压缩机240。由于再循环压缩机240通常是受体积流量限制的，因此通过再循环压缩机240导入更多质量流量可导致再循环压缩机240的排放压力较高，从而转化成第一膨胀机106上的较高压力比。第一膨胀机106上产生的较高压力比可以允许更高的入口温度，并且因此增加第一膨胀机106的能力和效率。由于富CO2排放物116通常维持较高的比热容，这可以提供优势。因此，当结合时，冷却单元230和鼓风机220的每一个可调整以优化或者改善发电系统200的运转。
再循环压缩机240可配置来压缩冷却的再循环CO2流232至稍微高于第一燃烧室110压力的压力，因此产生压缩的富CO2再循环流242。在至少一个实施方式中，可使净化流（未示出）从富CO2再循环流242中分流出并在额外的CO2分离器（比如与CO2分离器140相似的）或者其他装置中任选地处理以捕获CO2。分离的CO2可用于销售、或者用于其他需要二氧化碳的过程、和/或压缩且注入到陆地储存，用于提高采收率采油（EOR）、封存、或者其他目的。
在一些本文未描述的实施方式中，代替再循环富CO2流或者除了再循环富CO2流，在燃烧过程中也可以采用高压蒸汽作为冷却剂。在这些实施方式中，蒸汽的添加将降低再循环回路中的动力和尺寸需求（或者完全除去再循环回路），但是将需要额外的水再循环回路。
另外，在本文未描述的进一步的实施方式中，送入燃烧室的压缩的氧化剂进料可包含氩气。比如，氧化剂可包含约0.1至约5.0vol%的氩气，或者约0.1至约4.5vol%的氩气，或者约2.0至约4.0vol%的氩气，或者约2.5至约3.5vol%的氩气，或者约3.0vol%的氩气。如本领域技术人员将理解的，将氩气包含到压缩的氧化剂进料中可能需要在主压缩机和燃烧室之间添加交叉换热器或者类似设备，该交叉换热器或者类似设备配置从再循环流中去除过量的CO2并且在适合燃烧的温度下将氩气返回到燃烧室。
现在参考图3，其描绘图1中发电系统100的可选配置，具体化为并被描绘为系统300。因此，图3通过参考图1可以最好地理解。在图3的系统300中，结合了第二压缩机310，用于提供氧化剂进料120的额外初始压缩。第二压缩机310可通过共用轴308或者其他机械、电气、或者其他动力连接，连接至第二膨胀机160，因此允许由第二膨胀机160产生的机械能的一部分驱动第二压缩机310。加压的氧化剂流312离开第二压缩机并且被引导至第一压缩机118，这又进一步地压缩氧化剂并产生压缩的氧化剂114且将压缩的氧化剂114引导至第一燃烧室。
现在参考图4，其描绘图1的发电系统100的简化可选配置，具体化为并被描绘为系统400。因此，图4通过参考图1可以最好地理解。在图4的系统400中，CO2分离方法位于第一膨胀机106的上游。因此，排出废气流116离开第一燃烧室110并且被直接供应到分离器140。如上描述，分离器140将排出废气流116分离成富CO2流142和贫CO2流144。富CO2流142可被进一步处理、再循环、或者使用，如上更详细描述的。贫CO2流在第一膨胀机106中膨胀，并且产生的贫CO2排出流410也可以进一步被处理或者使用，如上更详细描述的。比如，贫CO2排出流410可在第二燃烧室中被再加热并且再次膨胀以产生额外的电力（未示出）。
尽管本公开可进行各种修改和可选形式，但上面讨论的示范性实施方式仅通过示例示出。本文中描述的任何实施方式的任何特征或配置均可结合任何其他任何实施方式或者多个其他实施方式（可行的情况下），并且所有的这些结合都意欲在本发明的范围内。另外，应当理解，本公开不意欲限于本文公开的具体实施方式。事实上，本公开包括落入所附权利要求的真正精神和范围之内的所有可选物、修改物和等同物。

Claims (33)

1.发电系统，其包括：
第一压缩机，其配置来接收并压缩一种或多种氧化剂；
第一燃烧室，其配置来接收并燃烧压缩的氧化剂以及至少一种第一燃料，从而产生废气流；
第一膨胀机，其配置来接收来自所述压缩机的废气流并产生气态废气流；以及
分离器，其配置来接收所述气态废气流并将其分离成富CO2流和贫CO2流。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括第二膨胀机，其配置来接收所述贫CO2流并使其膨胀。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一膨胀机至少部分驱动所述第一压缩机。
4.根据权利要求2所述的系统，进一步包括第二压缩机，其配置来接收并压缩一种或多种氧化剂且将压缩的氧化剂传送到所述第一压缩机。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第二膨胀机至少部分驱动所述第二压缩机。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一膨胀机的操作压力高于所述第二膨胀机的操作压力。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一燃料包括天然气、油、焦炭、煤、氢气、沥青或它们的组合。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述氧化剂包括空气、富氧空气、氧气或者它们的组合。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述分离器使用选自以下的分离方法：热碳酸钾分离、分子筛分离、胺分离、膜分离、吸附动力学分离、控制冷冻区分离或者它们的组合。
10.根据权利要求1所述的系统，其中至少部分所述富CO2流被再循环至所述第一燃烧室。
11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括换热器，其配置来将来自所述第一膨胀机的排出物的热传送到所述贫CO2流。
12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括第二燃烧室，其配置来燃烧一种或多种氧化剂和第二燃料，以加热至所述贫CO2流。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述第二燃料包括氢气。
14.根据权利要求2所述的系统，进一步包括热回收蒸汽发生器，其配置来使用来自从所述第二膨胀机出来的所述贫CO2流的热产生蒸汽。
15.根据权利要求1所述的系统，进一步包括热回收蒸汽发生器，其配置来使用来自从所述分离器出来的所述富CO2流的热产生蒸汽。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一燃烧室进一步配置来接收高压蒸汽。
17.发电方法，其包括：
在第一压缩机中将一种或多种氧化剂压缩；
向第一燃烧室供应该压缩的氧化剂和至少一种第一燃料；
在所述第一燃烧室中燃烧所述压缩的氧化剂和所述至少一种燃料，从而产生废气流；
在第一膨胀机中使所述废气流膨胀以产生气态废气流；以及
将所述气态废气流分离为富CO2流和贫CO2流。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在第二膨胀机中使所述贫CO2流膨胀。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在第二压缩机中压缩一种或多种氧化剂并且向所述第一压缩机供应该压缩的氧化剂。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一燃料包括天然气、油、焦炭、煤、其他烃、氢气或它们的组合。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述氧化剂包括空气、富氧空气、氧气或者它们的组合。
22.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在高于所述第二膨胀机的压力的压力下操作所述第一膨胀机。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述气态废气流使用选自以下的方法分离：热碳酸钾分离、胺分离、分子筛分离、膜分离、吸附动力学分离、控制冷冻区分离或者它们的组合。
24.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将至少部分所述富CO2流再循环至所述第一燃烧室。
25.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在使所述贫CO2流在所述第二膨胀机中膨胀之前加热所述贫CO2流。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述贫CO2流在换热器中进行加热。
27.根据权利要求25所述的方法，其中通过在第二换热器中燃烧一种或多种氧化剂和第二燃料加热所述贫CO2流。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第二燃料包括氢气。
29.根据权利要求18所述的方法，进一步包括使用来自所述贫CO2流的热在热回收蒸汽发生器中产生蒸汽。
30.根据权利要求17所述的方法，进一步包括使用来自所述富CO2流的热在热回收蒸汽发生器中产生蒸汽。
31.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将所述富CO2流注入烃储层中。
32.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将所述贫CO2流注入烃储层中。
33.根据权利要求17所述的方法，进一步包括向所述第一燃烧室供应高压蒸汽。
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