CN109415953B - 用于氧化烃气体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及系统和方法，其中稀释烃流可被氧化，以为发电系统提供另外的能量。烃可进行氧化，而没有实质性的燃烧。如此，可有效使用原本需要进行昂贵的分离工艺的稀释烃流，用于改善发电系统和方法。这种系统和方法尤其可使用包括大量的二氧化碳的稀释烃流，比如可在烃回收工艺，比如提高石油采收率或常规的烃回收工艺中产生的稀释烃流。

Description

用于氧化烃气体的系统和方法
技术领域
本公开涉及由此各种气流可被氧化用于能量生产的系统和方法。气流更尤其可包括烃和一种或多种稀释剂。经氧化产生的能量可提供给，例如，发电系统或方法。
背景技术
许多工业过程导致包括可燃烧的烃材料含量的气流。在许多情况下，这种流可包括烃，以及一种或多种进一步材料，其可被视为污染或以其他方式稀释烃并且因此限制了括烃的用途。二氧化碳是进一步材料的例子，发现其经常与烃气体混合，尤其在石油工业的各个方面。例如，从地质地层产生的原料天然气通常包括大量的二氧化碳。相反，从地质地层提取的二氧化碳通常包括大量的烃气体。更进一步，在提高石油采收率(EOR)方法中回收的生产气体通常包括烃气体和二氧化碳的混合物。组合气流，比如上述的例子，通常需要特定的加工，以便将组分分开-即，以提供基本上纯的烃流，其可适于燃烧和/或，以提供基本上纯的二氧化碳流，其可适于用在EOR中，或封存，或用于其他终端用途。因此，具有利用含烃的流的另外的选择将是有用的。
发明内容
在一个或多个实施方式中，本公开可提供用于发电的系统和方法。尤其，系统和方法可配置为加工稀释烃流，使得流中的烃被氧化，而没有实质性的燃烧并且因此为发电循环提供另外的能量。
在一个或多个实施方式中，本公开可提供用于发电的方法，其包括：
在存在再回收CO2流的情况下，在燃烧室中使含碳燃料用氧燃烧，以形成包括CO2的燃烧产物流；
使燃烧产物流在涡轮中膨胀，以产生动力并且形成涡轮废气流；
使涡轮废气流在回热式换热器中冷却；
去除冷却的涡轮废气流中存在的任何水，以形成再回收CO2流；
使至少一部分再回收CO2流压缩；
任选地在所述燃烧之前，使一部分再回收CO2流转移并且将转移的部分与氧合并；
使压缩的再回收CO2流返回通过回热式换热器，使得压缩的再回收CO2流被从涡轮废气流提取的热加热；
在其中稀释烃流中的烃未经实质性燃烧被氧化的条件下，输入稀释烃流；和
将加热的、压缩的再回收CO2流引导至燃烧室。
在一个或多个进一步的实施方式中，用于发电的方法可关于可以以任何数量和顺序结合的下述一个或多个表述来限定。
可输入稀释烃流，使得烃在回热式换热器或另外的换热器中氧化，所述另外的换热器配置为与再回收CO2流和氧中的一个或两个热交换。
在所述通过步骤之前，稀释烃流可与压缩的再回收CO2流合并。
稀释烃流可在回热式换热器中与压缩的再回收CO2流合并。
稀释烃流可在另外的换热器中与压缩的再回收CO2流合并。
可转移一部分再回收CO2流并且与氧合并，以形成稀释的氧流，并且稀释烃流可与稀释的氧流合并。
与稀释烃流合并的稀释的氧流可穿过回热式换热器或另外的换热器，其中稀释烃流中的烃被氧化。
稀释烃气体为提高石油采收率工艺的产物。
在一个或多个实施方式中，本公开可提供用于发电的方法，其包括：进行封闭式或半封闭式布雷登(Brayton)循环，其中：CO2用作工作流体；含碳燃料用作第一燃料源并且燃烧，以加热工作流体；回热式换热器用于再捕获燃烧的热；和将稀释烃流添加至封闭式或半封闭式布雷登循环，作为第二燃料源，其中稀释烃流中的烃被氧化，而无需实质性的燃烧来提供另外的热。
在一个或多个实施方式中，本公开可提供用于加工废物流的方法，其包括：提供包含一种或多种烃和一种或多种稀释剂的废物流；和将废物流输入封闭式或半封闭式布雷登循环，使得废物流中的烃被氧化，而无需实质性的燃烧。
在一个或多个实施方式中，用于发电的方法可包括进行封闭式或半封闭式发电循环，其中：CO2作为工作流体循环，其被重复压缩和膨胀用于发电；第一燃料源在燃烧室中燃烧，以在工作流体被压缩之后并且在工作流体被膨胀之前，使工作流体加热，用于发电；和回热式换热器用于再捕获燃烧的热，用于使工作流体加热。方法进一步可包括用在燃烧室外使用第二燃料源形成的热使工作流体加热，所述加热为再捕获的燃烧的热的补充，并且所述第二燃料源为没有实质性的燃烧被氧化的稀释烃流，以提供在燃烧室外形成的热。
在一个或多个进一步的实施方式中，用于发电的方法可结合可以以任何数量和顺序组合的下述一个或多个表述来限定。
稀释烃流中烃的浓度可低于烃的爆炸下限(LEL)。
稀释烃流中的烃可被催化氧化。
方法尤其可包括下述步骤：第一燃料在燃烧室中CO2工作流体的存在下用氧燃烧，以形成废气流；来自燃烧室的废气流在涡轮中膨胀，以发电并且形成涡轮废气流；将涡轮废气流在回热式换热器中冷却；将离开回热式换热器的涡轮废气流纯化，以至少去除来自工作流体的水；将至少一部分工作流体在压缩机中压缩；使至少一部分压缩的工作流体返回通过回热式换热器，使得压缩的工作流体被从涡轮废气流提取的热加热；并且使加热的、压缩的工作流体再循环至燃烧室。
在工作流体在压缩机中压缩之后并且在工作流体返回通过回热式换热器之前，可将稀释烃流添加至工作流体。
稀释烃流中的烃可在回热式换热器中氧化。
稀释烃流中的烃可在另外的换热器中氧化，所述另外的换热器配置为与工作流体和为燃烧室提供氧的氧流的一种或两种热交换。
稀释烃流可在回热式换热器中与压缩的工作流体合并。
一部分压缩的工作流体可与氧合并，以形成稀释的氧流，并且其中稀释烃流与稀释的氧流合并。
与稀释烃流合并的稀释的氧流可穿过回热式换热器，其中稀释烃流中的烃被氧化。
与稀释烃流合并的稀释的氧流可穿过另外的换热器，其中稀释烃流中的烃被氧化。
稀释烃流可被输入至氧化反应器。
离开氧化反应器的反应流可被输入至回热式换热器。
离开氧化反应器的反应流被输入至另外的涡轮，用于发电。
一部分涡轮废气流可被输入至氧化反应器以便包括在被输入至另外的涡轮的反应流中。
稀释烃流可为提高石油采收率的工艺的产物。在一个或多个实施方式中，本公开可提供用于发电的系统，其包括：
发电单元，其配置为进行封闭式或半封闭式布雷登循环，所述单元包括配置为在存在再回收CO2流的情况下使含碳燃料燃烧的燃烧室；和
一个或多个输入，其配置为将稀释烃流输入至单元的燃烧室之外的组件。
在一些实施方式中，发电系统可包括：发电单元，其配置为进行封闭式或半封闭式发电循环，所述发电单元包括：燃烧室，其配置为使第一燃料在存在压缩的CO2工作流体的情况下燃烧；涡轮，其配置为使压缩的CO2工作流体膨胀，以提供膨胀的CO2工作流体；压缩机，其配置为压缩膨胀的CO2工作流体，以提供压缩的CO2工作流体；回热式换热器，其配置为使来自离开涡轮的膨胀的CO2工作流体的热转移至离开压缩机的压缩的CO2工作流体；和一个或多个输入，其配置为将稀释烃流输入至发电单元的燃烧室之外的组件。
在一个或多个进一步的实施方式中，发电系统可关于可以以任何数量和顺序结合的下述一个或多个表述来限定。
输入可配置为将稀释烃流输入至回热式换热器。
发电系统可进一步包括第二换热器，并且输入可配置为将稀释烃流输入至第二换热器。
输入可配置为将稀释烃流输入至包括CO2工作流体的管线。
输入可配置为将稀释烃流输入至回热式换热器的下游和压缩机的上游的管线。
发电系统进一步可包括氧化反应器，并且输入可配置为将稀释烃流输入至氧化反应器。
氧化反应器可为催化氧化反应器。
氧化反应器可配置为将输入至回热式换热器的反应流输出。
氧化反应器可配置为接收回热式换热器的上游的一部分膨胀的CO2工作流体。
发电系统进一步可包括第二涡轮，其配置为接收来自氧化反应器的反应流。
本发明包括，但不限于，下述实施方式：
实施方式1：用于发电的方法，其包括：进行封闭式或半封闭式发电循环，其中：CO2作为工作流体循环，其被重复压缩和膨胀用于发电；第一燃料源在燃烧室中燃烧，以在工作流体被压缩之后并且在工作流体被膨胀之前，使工作流体加热，用于发电；并且回热式换热器用于再捕获燃烧的热，用于使工作流体加热；和用在燃烧室外使用第二燃料源形成的热使工作流体加热，所述加热为再捕获的燃烧的热的补充，并且所述第二燃料源为稀释烃流，其不经实质性的燃烧而被氧化，以提供在燃烧室外形成的热。
实施方式2：任何之前的或随后实施方式的方法，其中稀释烃流中烃的浓度低于烃的爆炸下限(LEL)。
实施方式3：任何之前的或随后实施方式的方法，其中稀释烃流中的烃被催化氧化。
实施方式4：任何之前的或随后实施方式的方法，其中：第一燃料在燃烧室中在存在CO2工作流体的情况下用氧燃烧，以形成废气流；来自燃烧室的废气流在涡轮中膨胀，以发电并且形成涡轮废气流；将涡轮废气流在回热式换热器中冷却；将离开回热式换热器的涡轮废气流纯化，以至少去除来自工作流体的水；将至少一部分工作流体在压缩机中压缩；使至少一部分压缩的工作流体返回通过回热式换热器，使得压缩的工作流体被从涡轮废气流提取的热加热；并且使加热的、压缩的工作流体再循环至燃烧室。
实施方式5：任何之前的或随后实施方式的方法，其中在工作流体在压缩机中压缩之后并且在工作流体返回通过回热式换热器之前，将稀释烃流添加至工作流体。
实施方式6：任何之前的或随后实施方式的方法，其中稀释烃流中的烃在回热式换热器中被氧化。
实施方式7：任何之前的或随后实施方式的方法，其中稀释烃流中的烃在另外的换热器中被氧化，所述另外的换热器配置为与工作流体和为燃烧室提供氧的氧流的一种或两种热交换。
实施方式8：任何之前的或随后实施方式的方法，其中稀释烃流在回热式换热器中与压缩的工作流体合并。
实施方式9：任何之前的或随后实施方式的方法，其中一部分压缩的工作流体与氧合并，以形成稀释的氧流，并且其中稀释烃流与稀释的氧流合并。
实施方式10：任何之前的或随后实施方式的方法，其中与稀释烃流合并的稀释的氧流通过回热式换热器，其中稀释烃流中的烃被氧化。
实施方式11：任何之前的或随后实施方式的方法，其中与稀释烃流合并的稀释的氧流穿过另外的换热器，其中稀释烃流中的烃被氧化。
实施方式12：任何之前的或随后实施方式的方法，其中稀释烃流被输入至氧化反应器。
实施方式13：任何之前的或随后实施方式的方法，其中离开氧化反应器的反应流被输入至回热式换热器。
实施方式14：任何之前的或随后实施方式的方法，其中离开氧化反应器的反应流被输入至另外的涡轮，用于发电。
实施方式15：任何之前的或随后实施方式的方法，其中一部分涡轮废气流被输入至氧化反应器以便包括在被输入至另外的涡轮的反应流中。
实施方式16：任何之前的或随后实施方式的方法，其中稀释烃流为提高石油采收率的工艺的产物。
实施方式17：一种发电系统，其包括：发电单元，其配置为进行封闭式或半封闭式发电循环，所述发电单元包括：燃烧室，其配置为使第一燃料在存在压缩的CO2工作流体的情况下燃烧；涡轮，其配置为使压缩的CO2工作流体膨胀，以提供膨胀的CO2工作流体；压缩机，其配置为压缩膨胀的CO2工作流体，以提供压缩的CO2工作流体；和回热式换热器，其配置为使来自离开涡轮的膨胀的CO2工作流体的热转移至离开压缩机的压缩的CO2工作流体；和一个或多个输入，其配置为将稀释烃流输入至发电单元的燃烧室之外的组件。
实施方式18：任何之前的或随后实施方式的发电系统，其中一个或多个输入配置为将稀释烃流输入至回热式换热器。
实施方式19：任何之前的或随后实施方式的发电系统，进一步包括第二换热器，并且其中一个或多个输入配置为将稀释烃流输入至第二换热器。
实施方式20：任何之前的或随后实施方式的发电系统，其中一个或多个输入配置为将稀释烃流输入至包括CO2工作流体的管线。
实施方式21：任何之前的或随后实施方式的发电系统，其中一个或多个输入配置为将稀释烃流输入至回热式换热器的下游和压缩机的上游的管线。
实施方式22：任何之前的或随后实施方式的发电系统，进一步包括氧化反应器，并且其中一个或多个输入配置为将稀释烃流输入至氧化反应器。
实施方式23：任何之前的或随后实施方式的发电系统，其中氧化反应器为催化氧化反应器。
实施方式24：任何之前的或随后实施方式的发电系统，其中氧化反应器配置为将输入至回热式换热器的反应流输出。
实施方式25：任何之前的或随后实施方式的发电系统，其中氧化反应器配置为在回热式换热器的上游接收一部分膨胀的CO2工作流体。
实施方式26：任何之前的或随后实施方式的发电系统，进一步包括第二涡轮，其配置为接收来自氧化反应器的反应流。
附图说明
前面已经大体上如此描述了本公开，现参考没有必要按比例绘制的附图，并且其中：
图1为根据本公开的实施方式发电厂的流程图，其中稀释烃流可被输入至发电厂的各个要素；
图2为根据本公开的实施方式的发电厂的流程图，其中稀释烃流被输入至再回收的工作流体流；
图3为根据本公开的实施方式的发电厂的流程图，其中稀释烃流被输入至补充换热器；
图4为根据本公开的实施方式的发电厂的流程图，其中稀释烃流与稀释的氧化剂流合并；
图5为根据本公开的实施方式的发电厂的流程图，其中稀释烃流被输入至催化反应器；
图6为根据本公开的实施方式的发电厂的流程图，其中稀释烃流被输入至在涡轮的下游和换热器的上游的涡轮废气流；和
图7为根据本公开的实施方式的发电厂的流程图，其中稀释烃流与涡轮废气流一起被输入至催化反应器，并且然后通过第二涡轮膨胀。
具体实施方式
下文将更充分描述本发明。但是，本发明可具体化为许多不同的形式并且不应解释为限于本文阐释的实施方式；而是，提供这些实施方式，从而本公开将是透彻的和完整的，并且向本领域技术人员充分传达本发明的范围。如在本说明书和权利要求中所使用，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“所述”包括复数形式，除非上下文另外明确指出。
在一个或多个实施方式中，本公开提供了用于发电的系统和方法，其中稀释烃流被氧化，而没有实质性的燃烧，以为发电增加能量。系统和方法允许低成本、有效的利用这样的流：原本其将进行昂贵且耗时的分离，以提供有用的材料(例如，纯化的烃流和/或纯化的一种或多种稀释剂的流)。
如本文使用的，稀释烃流应理解为意思是包括大于痕量的一种或多种烃和至少一种稀释剂的流。稀释烃流可包括适于经烃的氧化提供期望水平的加热的烃的浓度。稀释烃流中烃的浓度的限制仅仅在于稀释烃流包括的烃的量低于爆炸下限(LEL)。尤其，流中稀释烃浓度在稀释烃与回收CO2流混合之后可低于LEL，如本文所进一步描述。
稀释烃流中存在的烃优选地为气态。可存在的烃的非限制性例子包括C1至C10化合物。优选地，稀释烃流包括C1至C4化合物；但是，可存在C5至C10化合物，尤其当稀释烃流进行加压时。在具体的实施方式中，稀释烃流包括至少甲烷。在一些实施方式中，稀释烃流包括天然气。
稀释烃流中存在的稀释剂可为用于将烃浓度稀释至上述范围内的任何材料。在具体的实施方式中，稀释剂可包括CO2。可存在的稀释剂的其他非限制性例子包括氮、水、H2S和氧。在一些实施方式中，稀释剂可主要包括CO2(即，按体积计大于50％的稀释剂为CO2)，并且稀释剂具体可包括按体积计约60％或更多的，按体积计约75％或更多的，按体积计约80％或更多的，按体积计约90％或更多的，按体积计约95％或更多的，按体积计约98％或更多的，按体积计约99％或更多的，按体积计约99.5％或更多的，或按体积计约99.8％或更多的CO2。例如，稀释剂可包括按体积计约60％至按体积计约99.9％，按体积计约75％至按体积计约99.8％，或按体积计约80％至按体积计约99.5％的CO2。
稀释烃流可来自任何源，包括工业废物、反应产物、烃生产流(例如，来自天然气井或油井)等。如果期望，来自这种源的烃流可具体通过向烃流添加CO2(或其他稀释剂)稀释。例如，废物流可包括浓度高于LEL的烃，并且通过添加进一步的稀释剂，这种流可根据本公开使用。进一步，从自然地层提取的CO2通常包括天然气或气态烃的其他混合物的含量。在一些实施方式中，稀释烃流可源自提高石油采收率技术(EOR)，比如Palmer等人的美国专利号8,869,889描述的方法，其内容通过引用并入本文。EOR方法通常使得产生包括必须分开，以提供基本上纯材料的有用流的材料的混合物的流。当CO2用于EOR时，产生的材料具体地必须被处理，以将CO2与烃产物分开。在Palmer等人的上述专利中，CO2和烃的混合物在相关的发电方法中可用作部分燃料源。在这种方法中，组合的CO2和烃混合物被引导至其中其燃烧的燃烧室，通常与基本上纯的烃燃料流一起。这种方法需要目的构建的燃烧室，其能够燃烧低BTU含量的燃料，限于使用仅仅特定烃浓度的流(以便维持燃烧室中的火焰稳定性)，并且在单个工厂中可处理的富含CO2的烃的总流速方面受到限制。此外，因为来自EOR的CO2和气态烃的这种流的组分的相对浓度可经历明显的波动，这种方法的阻碍在于难以在燃烧室中实现基本上恒定的火焰温度。
目前，将烃与CO2分离需要大量的能量和费用。在原料天然气生产的情况下，从油田产生的稀释烃通常被干燥、蒸馏，以去除较长链的烃(天然气液体，或NGL)，经去除H2S和其他杂质而变甜，并且通过吸收塔输送，以除去CO2。然后，净化的天然气被输送至管道，用于下游消耗，比如通过发电，并且排出、截存和/或使用清洁CO2(例如，用于进一步的EOR)。当CO2用于EOR时，与产油一起产生的部分注入的CO2通常包含必须被分离的少量气态烃，以便确保CO2重新注入地层。该富含CO2的烃气体必须与产生的油分开并且类似地干燥和蒸馏，以去除任何NGL。该气体必须接着再压缩，用于重新注入油田。这些过程需要大量的能量和耗材，导致用于该过程的高的资本费用和操作费用。
本公开的系统和方法允许低成本、有效的使用稀释烃流，以为现有的发电系统和方法增加能量。例如，稀释烃流可被输入至这样的系统和方法，其中含碳燃料燃烧以向可被加压到高于环境的压力或不被加压到高于环境的压力的流产生热。稀释烃流类似地可应用于一个或多个系统，其中工作流体被循环，用于重复加热和冷却和/或用于重复加压和膨胀。这种工作流体可包括例如H2O、CO2和N2中的一种或多种。
本公开的系统和方法可通过提取稀释烃流的夹带烃的热值而不燃烧，克服本领域的问题。代替的是，高温发电系统和方法的固有条件可用于利于这些稀释烃流中的烃的热氧化。例如，氧化可出现在换热器中。这使得现有电力循环用最小的工艺修饰使用这些稀释烃流，以使用明显更高流速的这些流，并且通过消除某些装置和避免需要外部加热源而简化了总体循环。
利用CO2(尤其以超临界形式)作为发电中的工作流体已经显示为用于发电的高效方法。见，例如，Allam等人的美国专利号8,596,075，该公开通过引用并入本文，其描述了在恢复的氧-燃料布雷登循环发电系统中使用直接加热的CO2工作流体，任何流向大气的排放几乎为零。先前已经建议了在封闭式循环中，CO2可用作工作流体，其中CO2被重复压缩和膨胀用于发电，中间加热使用间接热源和一个或多个换热器。见，例如，Held的美国专利号8,783,034，其内容通过引用并入本文。因此，在一些实施方式中，稀释烃流可用作封闭式或半封闭式布雷登循环的输入，以经这种循环增加发电的效率。
其中可使用如本文所描述的稀释烃流的发电系统和方法的进一步例子公开在Palmer等人的美国专利号9,068,743、Allam等人的美国专利号9,062,608、Palmer等人的美国专利号8,986,002、Allam等人的美国专利号8,959,887、Palmer等人的美国专利号8,869,889，和Allam等人的美国专利号8,776,532，其公开通过引用并入本文。作为非限制性例子，可使用稀释烃流的发电系统可配置为在燃烧室中，在存在CO2循环流体的情况下用O2燃烧燃料，优选地其中在至少约12MPa(例如，约12MPa至约60MPa)的压力下，和至少约400℃(例如，约400℃至约1,200℃)的温度下，引入CO2，以提供包括CO2的燃烧产物流，优选地其中燃烧产物流的温度为至少约800℃(例如，约1,500℃)。这种发电系统进一步的特征可在于下述的一种或多种。
燃烧产物流可横跨涡轮膨胀，排放压力为约1MPa或更大(例如，约1MPa至约7.5MPa)，以发电和提供包括CO2的涡轮排放流。
涡轮排放流可穿过回热式换热器单元，以提供冷却的排放流。
冷却的涡轮排放流可被处理，以去除CO2之外的一种或多种第二组分(尤其存在的任何水和/或SOx和/或NOx)，以提供纯化的排放流，其尤其可为回收CO2流。
回收CO2流可被压缩，尤其至其中CO2为超临界的压力。
超临界的CO2可被冷却，以增加回收CO2流的密度(优选地至至少约200kg/m3)。
高密度的回收CO2流可被泵至适于输入至燃烧室的压力(例如，如上述)。
加压的回收CO2流可经通过回热式换热器单元使用从涡轮排放流收回的热而加热。
所有或一部分加压的回收CO2流可用不是从涡轮排放流提取的热进一步加热(优选地，其中进一步加热在通过回热式换热器之前、期间或之后的一个或多个提供)，然后再循环至燃烧室。
加热的加压的回收CO2流可进入燃烧室。
在一个或多个实施方式中，如本文所描述的适于输入稀释烃流的发电系统可配置为经通过燃烧含碳燃料(或燃烧含碳燃料的补充)之外的方法加热。作为一个非限制性例子，太阳能可用于补充或代替源自燃烧室中燃烧含碳燃料的热输入。可使用其他类似的加热方式。在一些实施方式中，可使用温度为400℃或更低的进入CO2回收流的任何形式的热输入。例如，可使用冷凝流、燃气轮机废气、绝热压缩气流，和/或可高于400℃的其他热流体流。
在一个或多个实施方式中，发电厂可包括图1中显示的要素的一些组合(但是应理解，也可包括进一步的要素)。如其中可见，发电厂10(或发电单元)可包括燃烧室100，其配置为接收来自燃料供应50的燃料(例如，含碳燃料)和来自氧化剂供应60(例如，生产基本上纯氧的空气分离单元或工厂(ASU))的氧化剂。举例说明了多个燃料供应管线(52、54)；但是，可使用仅仅单个燃料供应管线，或可使用大于两个燃料供应管线。同样地，尽管示出了单个氧化剂管线62，但是可使用多个氧化剂管线。燃料在燃烧室中在存在回收CO2流的情况下用氧化剂燃烧。管线102中的燃烧产物流穿过涡轮110膨胀，以用组合的发电机115发电。尽管燃烧室100和涡轮110被阐释为分开的要素，但是应理解，在一些实施方式中，涡轮可配置为包括燃烧室。换句话说，单个涡轮单元可包括燃烧部分和膨胀部分。因此，本文讨论的流进入燃烧室也可视为流进入配置为燃烧以及膨胀的涡轮。
管线112中的涡轮废气在换热器120中冷却，并且水(管线132中)在分离器130中分开，以在管线135中产生基本上纯的回收CO2流。如果期望，基本上纯的CO2的部分流可从工厂提取和/或转移至工厂的其他部分(例如，用于冷却涡轮)。回收CO2流在多级压缩机中压缩。如图示，多级压缩机包括第一级140、第二级160和中间冷却器150。任选地，可增加一个或多个进一步压缩机或泵。管线165中的压缩的回收CO2流返回通过换热器120至燃烧室100。如图示(和如下面进一步讨论)，稀释烃流170可引入发电循环。流170一般显示为一个或多个输入，其配置为将稀释烃流输入至发电单元10的组件。这由图1右边的实心箭头表示。稀释烃流170具体可被排除在至燃烧室100的输入外。
在如上所讨论的发电循环中，管线135和管线165之一或二者中的回收流(主要由清洁CO2组成)可被分成输出CO2馏分、稀释CO2馏分和回收CO2流。分成稀释CO2馏分的CO2的比例由需要什么与来自ASU的基本上纯的氧混合并且提供具有期望的O2/CO2比例的燃烧氧化剂确定。稀释烃流170可直接与回收CO2流(例如，与管线135和/或管线165中的流和/或从管线135和/或管线165所取的侧流)混合。在该混合物中使用的回收CO2流的量足够维持通过回收回路的必要质量流并且取决于释烃流的质量流(这也提供了处理稀释烃流的流速变化的机制)。来自涡轮废气流的剩余的CO2变成输出CO2馏分，其将被清洁并且发送至管道，用于下游利用或封存。
输出CO2馏分和稀释CO2馏分流可在电力循环的典型操作中一起被压缩并且泵送(即，取决于输出CO2馏分的最终用途以任何组合方式可被压缩并且泵送)。在一个实施方式中，这些流可被输送至CO2纯化单元(例如，使用冷藏和蒸馏)，以去除过多的O2和任何惰性材料，并且产生期望压力的高纯度CO2的流。然后，输送稀释CO2馏分，以与到来的O2混合，而形成燃烧室中需要的高压氧化剂。在另一实施方式中，稀释CO2馏分可被直接输送至O2，混合，而不需要改杂质去除。输出CO2馏分被输送至管道，用于下游封存或利用。
在一个实施方式中，回收CO2流可与稀释烃流170混合，然后压缩并且泵至燃烧室输入压力(例如，在一些实施方式中，约300巴)。如图2中所阐释，来自烃源171的稀释烃流过管线172并且被输入至管线135。这样，管线171中的稀释烃被输入至在回热式换热器120的下游和压缩机140和/或压缩机160的上游的包括回收CO2工作流体的管线135。这可分别从输出CO2馏分和稀释CO2馏分进行，以防止这些流被烃和稀释烃流170中存在的其他非CO2物质污染。这可使用完全分开的旋转装置或使用相同旋转装置的分开轮子完成，如在整体齿轮传动的压缩机中可行的。混合的稀释烃/回收CO2流(现在，压力为约300巴并且温度稍高于环境温度)接着被输送至主换热器系统120，以用管线112中的涡轮废气流加热。除非另外指出，图2中阐释的其他要素如关于图1所描述。
随着流通过换热器系统120加热至接近涡轮废气的温度，经稀释烃流170的烃输入经历热氧化，而没有实质性的燃烧。发生热氧化，而没有实质性的燃烧在于不允许形成持续火焰的条件。因此，没有实质性燃烧不必排除出现任何燃烧，并且小百分数(例如，按体积计小于5％)的经稀释烃流提供的烃化合物可燃烧，而基本上所有(例如，按体积计至少95％)的经稀释烃流提供的烃化合物而经历热氧化。在一些实施方式中，可在完全没有经稀释烃流提供的烃化合物的任何燃烧下，进行热氧化。该热氧化可出现在主回热式换热器中和/或可出现在致力于利于这些反应的分开的换热器中。在一些实施方式中，热氧化可在回热式换热器的专用通道中出现。
通过下述事实确保了这些氧化反应：电力循环燃烧室用过多的O2操作，使得残留的O2以基本上小的浓度但是高的分压存在于回收CO2流中。例如，管线135和/或管线165中的回收CO2流可具有的O2浓度为按体积计约0.01％至按体积计约10％、按体积计约0.1％至按体积计约8％，或按体积计约0.2％至按体积计约5％。在存在该O2的情况下，从稀释烃流输入至回收CO2流的夹带烃(以及其他稀释剂物质，比如H2S)，随着它们被逐渐加热，而在电力循环换热器的通道中开始氧化。
优选地控制回收CO2流与稀释烃流的混合物，使得混合物的总烃含量低于爆炸下限(LEL)，其可基于存在的化合物的具体混合物而改变。因此，在一些实施方式中，稀释烃流和回收CO2流的混合物可具有的最小烃浓度为按体积计至少0.1％、按体积计至少0.5％、按体积计至少1％，或按体积计至少2％，并且稀释烃流和回收CO2流的混合物可具有的最大烃浓度小于LEL，如上所述。作为非限制性例子，主要包括CO2和甲烷的混合物可具有的最大甲烷含量按体积计小于5％(例如，按体积计约0.01％至按体积计4.95％)。
应理解，用于燃烧的条件需要点火源与足够比例的燃料和氧化剂组合。当燃料浓度低于LEL时，燃料与氧化剂之比不足以用于燃烧。用于各种烃的LEL值的例子如下(所有的百分数都是按体积计)：丁烷(1.8％)；一氧化碳(12.5％)；乙烷(3.0％)；乙醇(3.3％)；乙烯(2.7％)；汽油(1.2％)；甲烷(5.0％)；甲醇(6.7％)；和丙烷(2.1％)。基于已知的LEL值，可能计算基本上纯的烃燃料以及混合烃燃料的LEL，以确保烃浓度低于与回收CO2流混合的具体的一种或多种材料的总体LEL。因为该混合流中的烃的浓度如此稀(即，低于混合物的LEL)，不会出现“燃烧”。该过程将烃简单地氧化成CO2和水，并且产生用于回收CO2流的显热，从而允许涡轮废气的高位热被进一步保留并且用于换热器的下游。该另外的热也减少了对于用于优化电力循环回热式换热器系统的低位热的源的需要。即，可不必获取来自ASU主空气压缩机和/或热气体压缩循环的热作为非涡轮驱动的热源。
来自该过程的管线112中的涡轮废气在主换热器120中冷却，如在典型的发电循环构造中，比如图1中显示；但是，其接着被输送至改良的直接接触冷却器，其已经被升级，以去除源自稀释烃流的任何SOX和/或NOX物质(例如，通过氧化包含硫的化合物，比如H2S形成的硫酸盐或亚硫酸盐物质，和/或通过氧化氮形成的硝酸盐或亚硝酸盐物质)。关于此的示例性工艺描述在2016年10月20日提交的美国专利申请号15/298,975中，其内容通过引用并入本文。接着，将清洁的涡轮废气分离为稀释CO2馏分、输出CO2馏分和回收CO2流，并且用输入至电力循环的另外稀释烃流重复该工艺。
在一些实施方式中，一旦回收CO2流已经被加热至以利于氧化反应的适当的温度，则回收CO2流和稀释烃流可在主换热器系统中混合。可选地(或组合)，回收CO2流和稀释烃流可在另外分开的换热器中混合。这可防止这些反应在换热器系统的低温度部分发生，其中温度可能不足以使得进行氧化反应。因此，回收CO2流可被输入至在第一温度段的换热器，并且稀释烃流可被输入至第二较高温度段的换热器，其中回收CO2流的温度足够利于稀释烃流中烃化合物的氧化。作为例子，在图3中，示出了任选的，第二换热器167(或补充换热器)。取自管线165的侧流166将一部分回收CO2流引导通过第二换热器167而通过管线172中稀释烃流的氧化而加热，所述稀释烃流被输入至第二换热器167和并且从烃源171接收。回收CO2流的加热流接着被输入至回热式换热器120。
在一些实施方式中，稀释烃流可在主换热器(或可选地分开的专用换热器)中适当的位置，被引入由氧和稀释CO2馏分的混合物形成的氧化剂流，使得组合流的温度足够维持氧化反应。由于相对于回收CO2流中氧的分压，这种流中存在的较高氧分压，使用氧化剂流可用于提高这些反应的速率(和降低需要的停留时间)。例如，参考图4，管线165a中的稀释CO2馏分取自管线165并且在管线62中与来自氧化剂源60的氧化剂混合，而形成稀释的氧化剂流(例如，O2/CO2比例为约5/95至约40/60或约10/90至约30/70)。稀释的氧化剂流可经穿过换热器120加热，而使管线112中的涡轮排放流冷却。因此，在穿过换热器120之前或期间，所有或一部分稀释烃流可被输入至稀释氧化剂流。如图4中所示，来自稀释烃源171的稀释烃穿过管线172，用于在其中管线165a中添加CO2的点的下游，输入至管线62中的稀释氧化剂流。
在一些实施方式中，在主换热器系统(或可选地分开的专用换热器)上游或内，一部分氧化剂流可被引入到稀释烃流和回收CO2流的混合物中。这种添加可用于增加氧分压并且增加氧化反应的速度。
在一些实施方式中，催化剂可用于换热器中将发生氧化的区域以利于氧化反应并且确保完全氧化。作为非限制性例子，可使用常用的水煤气变换催化剂(例如，各种金属氧化物，比如Fe2O3、Cr2O3和CuO)。类似地，可使用适于降低混合的回收CO2流和稀释烃流中需要的O2分压的其他催化剂。
另外，催化的氧化可在与主换热器单元120分开的专用反应器中进行。如图5中所示，可使用任选的氧化反应器180，并且所有或部分稀释烃流可被直接输入至氧化反应器中。尤其，来自稀释烃源171的稀释烃穿过管线172至氧化反应器180，其中稀释烃被氧化而产生热。此外，任选地，氧化剂可取自流62a中的管线62(或直接取自氧化剂源60)并且可被输入至氧化反应器180。氧化反应器180中稀释烃流的氧化可产生反应流182，其可具有基本上由CO2和H2O(以及可能微不足道的残留的烃)组成的化学品。预期，反应流182温度将因氧化反应而增加，并且如此加热的反应流可在适当的温度界面被输入至换热器120。在一些实施方式中，一部分回收CO2流(例如，来自管线135和165之一或二者)可被添加至稀释烃流和/或反应流182。如图5中可见，管线165b中的CO2(取自管线165)可经管线165b’与稀释烃一起被输入至管线172和/或经管线165b”输入至反应流182。在引入至主回热式换热器系统120之前，这种添加可用于调节氧化反应器180中氧化反应的温度和/或调节反应流182本身的温度。如此，稀释烃流可基本上用作低位热源，其可视为用于添加至回热式换热器120的“外部热”，其可添加至或替换其他外部加热源，比如利用来自ASU的热回收和/或热气体再压缩循环。这种操作方式可用于通过减少电力循环回热式换热器系统的UA要求同时提供另外的CO2用于输出并且进一步抵消在电力循环燃烧室中的燃料需求，而提高效率。
在一些实施方式中，稀释烃流可与涡轮废气流混合，从而烃的氧化可使涡轮废气流“超加热”。如图6中阐释，来自稀释烃源171的稀释烃可通过管线172而直接输入至换热器120上游的管线112中的涡轮废气。在可用于增加当穿过换热器120时被回收CO2流获取的热的量。在这种实施方式中，取决于涡轮废气中残留的氧浓度和稀释烃流170的化学成分，来自氧化剂流62的氧化剂可被输入至涡轮废气流。这种任选的实施方式阐释在图6中，其中管线62b中的氧化剂从管线62(或直接从氧化剂源60)传至涡轮废气管线112。尽管氧化剂管线62a被显示在输入管线172中稀释烃的点的上游进入涡轮废气管线112，但是应理解，氧化剂管线62a可在其中输入管线172中的稀释烃的点的下游进入涡轮废气管线112，或氧化剂管线62a可直接连接至管线172，用于与稀释烃混合，然后进入涡轮废气管线112。
在进一步任选的实施方式中，如图7中阐释，管线112中的一部分涡轮废气可在管线112a中转移至氧化反应器190(其可包括如上述的一种或多种催化剂)，以与管线172中递送的来自稀释烃源171的稀释烃合并。此外，任选地，来自氧化剂源60的氧化剂可被输入至氧化反应器190。管线112a可配置为在回热式换热器120的上游和涡轮110的下游，转移一部分膨胀的CO2工作流体。离开氧化反应器190的管线192中的反应产物流的温度将升高高于管线112中涡轮废气的温度并且横跨另外的涡轮195(即，第二涡轮或补充涡轮)可进一步膨胀，用于增加发电。流197中的涡轮废气可与管线112中的涡轮废气再合并，然后进入回热式换热器120，可用于其他目的，或可耗尽。
在本文所述的任何实施方式中，可用另一燃料补充稀释烃流，以便适应稀释烃流的流速或组成的改变。例如，天然气的含量可与稀释烃流混合。
本公开的系统和方法有利于整合高效发电系统与低BTU燃料，而不必改变使用的装置(例如，燃烧室和/或涡轮)的基本性质。如此使用稀释烃流而不要求升级的能力提供了明显的经济和工艺优势，比如减少或消除了GPU要求和/或增加了CO2回收。
本发明所属领域的技术人员将想到具有前述说明书所教导的益处的本发明的许多改动和其他实施方式。所以，应当理解，本发明不限于公开的具体实施方式并且改动和其他实施方式旨在包括在所附的权利要求的范围内。尽管本文采用了具体的术语，但是它们仅仅以一般和描述性含义使用，并且不具有限制的目的。

Claims (25)

1.一种用于发电的方法，其包括：
进行封闭式或半封闭式发电循环，其中：
CO2作为工作流体循环，其被重复压缩和膨胀用于发电；
第一燃料源在燃烧室中燃烧，以在所述工作流体被压缩之后并且在所述工作流体被膨胀之前，加热所述工作流体，用于发电；和
回热式换热器用于再捕获燃烧的热，用于加热所述工作流体；和
用在所述燃烧室外使用第二燃料源形成的热使所述工作流体进一步加热，所述第二燃料源在没有实质性燃烧的情况下被氧化，所述进一步加热为再捕获的燃烧的热的补充，其中所述第二燃料源为稀释烃流，所述稀释烃流包含稀释剂和一种或多种烃，所述一种或多种烃的浓度低于所述一种或多种烃的爆炸下限(LEL)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述稀释烃流中的烃被催化氧化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
在所述燃烧室中在存在CO2工作流体的情况下用氧燃烧所述第一燃料，以形成废气流；
来自所述燃烧室的所述废气流在涡轮中膨胀，以发电并且形成涡轮废气流；
将所述涡轮废气流在所述回热式换热器中冷却；
将离开所述回热式换热器的所述涡轮废气流纯化，以至少去除来自所述工作流体的水；
将至少一部分所述工作流体在压缩机中压缩；
使至少一部分压缩的工作流体返回通过所述回热式换热器，使得所述压缩的工作流体被从所述涡轮废气流提取的热加热；和
加热的所述压缩的工作流体再循环至所述燃烧室。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述工作流体在所述压缩机中压缩之后并且在所述工作流体返回通过所述回热式换热器之前，将所述稀释烃流添加至所述工作流体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述稀释烃流中的烃在所述回热式换热器中被氧化。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述稀释烃流中的烃在另外的换热器中被氧化，所述另外的换热器配置为与所述工作流体和为所述燃烧室提供氧的氧流中的一种或两种热交换。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中在所述回热式换热器中所述稀释烃流与所述压缩的工作流体合并。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中一部分所述压缩的工作流体与氧合并，以形成稀释的氧流，并且其中所述稀释烃流与所述稀释的氧流合并。
9.根据权利要求8所述的方法，其中与所述稀释烃流合并的稀释的氧流穿过所述回热式换热器，其中所述稀释烃流中的烃被氧化。
10.根据权利要求8所述的方法，其中与所述稀释烃流合并的所述稀释的氧流穿过另外的换热器，其中所述稀释烃流中的烃被氧化。
11.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中所述稀释烃流被输入至氧化反应器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中离开所述氧化反应器的反应流被输入至所述回热式换热器。
13.根据权利要求11所述的方法，其中离开所述氧化反应器的反应流被输入至另外的涡轮，用于发电。
14.根据权利要求13所述的方法，其中一部分所述涡轮废气流被输入至所述氧化反应器，以便被包括在被输入至所述另外的涡轮的所述反应流中。
15.根据权利要求1至6、9、10、12-14中任一项所述的方法，其中所述稀释烃流为提高石油采收率工艺的产物。
16.一种发电系统，其包括：
发电单元，其配置为进行封闭式或半封闭式发电循环，所述发电单元包括：
燃烧室，其配置为在存在压缩的CO2工作流体的情况下燃烧第一燃料；
涡轮，其配置为使所述压缩的CO2工作流体膨胀，以提供膨胀的CO2工作流体；
压缩机，其配置为压缩膨胀的CO2工作流体，以提供压缩的CO2工作流体；和
回热式换热器，其配置为使来自离开所述涡轮的膨胀的CO2工作流体的热转移至离开所述压缩机的所述压缩的CO2工作流体；和
一个或多个输入，其配置为将稀释烃流输入至除所述燃烧室之外的所述发电单元的组件，其中所述稀释烃流包含稀释剂和一种或多种烃，所述一种或多种烃的浓度低于所述一种或多种烃的爆炸下限(LEL)。
17.根据权利要求16所述的发电系统，其中所述一个或多个输入配置为将所述稀释烃流输入至所述回热式换热器。
18.根据权利要求16所述的发电系统，进一步包括第二换热器，并且其中所述一个或多个输入配置为将所述稀释烃流输入至所述第二换热器。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的发电系统，其中所述一个或多个输入配置为将所述稀释烃流输入至包括所述CO2工作流体的管线。
20.根据权利要求19所述的发电系统，其中所述一个或多个输入配置为将所述稀释烃流输入至所述回热式换热器的下游和所述压缩机的上游的管线。
21.根据权利要求16至18和20中任一项所述的发电系统，进一步包括氧化反应器，并且其中所述一个或多个输入配置为将所述稀释烃流输入至所述氧化反应器。
22.根据权利要求21所述的发电系统，其中所述氧化反应器为催化氧化反应器。
23.根据权利要求21所述的发电系统，其中所述氧化反应器配置为将输入至所述回热式换热器的反应流输出。
24.根据权利要求21所述的发电系统，其中所述氧化反应器配置为接收所述回热式换热器的上游的一部分膨胀的CO2工作流体。
25.根据权利要求24所述的发电系统，进一步包括第二涡轮，其配置为接收来自所述氧化反应器的反应流。
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