CN109715916B - 动力循环系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及将SCO2布雷顿循环和朗肯蒸汽动力循环与化石燃料燃烧相结合的产生动力的方法和系统，一种这样的方法涉及在燃烧器中燃烧燃料材料和助燃剂材料以产生热量和燃烧排气。燃烧排气的至少一部分和由燃烧处理产生的热量的第一部分被供给SCO2布雷顿动力循环以产生动力和第二排气。第二排气的至少一部分和由燃烧处理产生的热量的第二部分被供给至蒸汽朗肯动力循环以产生额外的动力和第三排气。
Description
技术领域
本发明一般涉及动力循环，例如用于化石燃料热源，更具体而言，涉及这种动力循环的高效版本。在一个实施形态中，提供了一种利用超临界CO2技术（SCOT）和蒸汽朗肯技术（steam Rankine technology）的高效动力装置的新配置。
背景技术
化石燃料应用通常具有或产生高燃烧温度；因此，它们可以提供宽范围的热能（例如，从~2500°F低至200°F）以应用于动力循环。目前的煤电厂通常仅使用蒸汽朗肯循环，并且具有约为32.5％的碳捕获的净装置效率。使用蒸汽朗肯循环的好处是它能够通过大量的热集成和锅炉给水的预热来处理热源的大的温度增量（temperature delta）。然而，对于这些系统，与蒸汽循环相关的缺点是低的装置效率，以及大于所需的占用空间。
由于其高功率密度允许更小的占用空间，因此迫切需要利用超临界CO2（SCO2）代替蒸汽。由于在超临界条件下相对高的CO2密度和在SCO2 布雷顿（Brayton）循环中使用的较小的涡轮压力比，依赖于这种SCO2技术的设备可以是紧凑的。而且，由于大部分热量在SCO2循环本身内被回收，因此这种SCO2循环的效率远高于蒸汽循环的效率。因此，SCO2布雷顿循环可以积极地解决低效率和大占用空间的问题。
然而，SCO2布雷顿循环的缺点是它通常不能很好地与化石燃料热源整合。由于在循环本身内回收了大量的热量，因此加到SCO2循环中的热量的温度范围很小。因此，源于或来自化石热源中的大部分较低等级的热量在仅SCO2 布雷顿循环处理或系统中不可用。也就是说，当与化石热源整合时，由化石热源产生或形成的大部分较低等级的热量在SCOT循环中是不可用的。尽管可以设计各种SCO2布雷顿级联循环以努力结合更多的低等级热量，但问题仍然是低于400°F的热量通常未被使用。这导致在整体设备效率中的不合需要的降低。
发明内容
本申请的一般目的是提供用于产生动力的改进方法和系统。
本申请的更具体的目的是克服如上所述的一个或多个问题。
对本申请的至少所选方面的更具体的目的是提供用于产生动力的方法和系统，特别是来自化石燃料材料的动力，以及希望更好或更有效地利用由化石燃料材料产生或形成化石燃料材料的热能的方法和系统，例如与完全依赖SCO2布雷顿循环处理的处理相比，例如通过更大或更好地利用低等级热量。
根据本申请的一个方面，提供了用于产生动力的方法。
根据一个实施形态，一种这样的方法包括在燃烧器中燃烧燃料材料和助燃剂（oxidizer）材料以产生热量和燃烧排气。燃烧排气的至少一部分和由燃烧处理产生的热量的第一部分被供给SCO2布雷顿动力循环以产生动力和第二排气。第二排气的至少一部分和由燃烧处理产生的热量的第二部分被供给至蒸汽朗肯动力循环以产生额外的动力和第三排气。
根据本申请的另一方面，提供了动力装置系统。
根据一个实施形态，一种这样的动力装置系统包括：用于燃烧燃料材料和助燃剂（oxidizer）材料以产生热量和燃烧排气的燃烧器；利用燃烧排气和由燃烧器产生的热量的第一部分以产生动力和第二排气的SCO2布雷顿动力循环；以及利用第二排气和由燃烧器产生的热量的第二部分来产生额外的动力和第三排气的蒸汽朗肯动力循环。
因此，根据本申请的一个方面，如下面进一步详述地，期望提供方法和系统，其通过包括蒸汽朗肯循环以利用低等级热量，同时在更高效率SCO2布雷顿循环中利用更高等级的热量，提高整体性能。因此，本申请可以理想地用于将尽可能多的热量输送给高效SCO2布雷顿动力循环，同时通过将尽可能多的可用低等级热量输送给蒸汽朗肯动力循环来减少浪费的热量。
通过以下结合本申请的权利要求和附图的详细描述，其他目的和优点对于本领域技术人员将是清晰的。
附图说明
从以下结合附图的描述中将更好地理解本申请的目的和特征，其中：
图1是根据本申请的一个方面的过程和系统的简化方框流程图；
图2是根据本申请的一个方面的SCO2布雷顿循环过程和系统的简化方框流程图；和
图3是根据本申请的一个方面的具有再加热的朗肯蒸汽循环过程和系统的简化方框流程图。
具体实施方式
本申请提供了结合超临界CO2（SCO2）布雷顿循环和传统超临界蒸汽朗肯技术用于产生动力的方法和系统，这些方法和系统比通常可达到的具有更好或更高的效率。
图1提供了根据本申请的一个方面的这种处理过程和相关系统的一般简化概述。更具体地，图1示出了根据一个实施形态的通常由附图标记10表示的过程和系统的简化方框流程图。
如图所示，燃料材料流12和助燃剂材料流14被供给燃烧器16。
用于本申请的合适的燃料材料包括化石燃料材料，例如煤和天然气，例如，以及这些燃料材料是含碳的。
合适的助燃剂材料包括氧气、空气及其组合，例如富氧空气。
如本领域技术人员应当理解的以及在本文提供的教导的指导下，各种燃烧器装置可适用于本申请的实践。根据一个优选实施形态，燃烧器可以合适地为以流化床的形式。例如，如在2017年2月14日公布的美国专利9,567,876中所示和/或描述的流化床反应器，在此通过引用整体并入本文，可有利地用于本申请的实践中。通常，合适的燃烧器装置包括可潜在地提供具有恒定热源部分的燃烧器装置。
在燃烧器16中，燃料材料与助燃剂材料反应（例如燃烧）以产生热量，显示为分别经由管线20和22离开燃烧器16，以及燃烧排气（例如在1600°F和120psia下）显示为通过管线24离开燃烧器16。
燃烧排气经由管线24，以及燃烧器产生的热量的第一部分经由管线20，被引入或供给到由附图标记30表示的SCO2布雷顿动力循环以产生动力，由箭头32示出或表示；和第二排气（例如在955°F和115psia下），显示为通过管线34离开SCO2布雷顿动力循环30。
第二排气经由管线34，以及燃烧器产生的热量的第二部分经由管线22，被引入或供给到由附图标记40表示的蒸汽朗肯动力循环以产生动力，由箭头42示出或表示；和第三排气（例如在200°F和110psia下），显示为经由管线44离开蒸汽朗肯动力循环40。
如图所示，管线44的第三排气可以通过后燃烧碳捕获清洁处理；堆叠放电或适当地处理可能是所期望的。
现在转向图2，示出了根据本申请的一个实施形态更详细地示出SCO2布雷顿动力循环30的简化方框流程图。更具体地，图2更详细地示出了SCO2布雷顿动力循环30过程和系统，重点在于SCO2布雷顿动力循环与燃烧器的集成以改善、增加或期望地最大化效率，例如，这样的最大化装置效率是布雷顿和蒸汽循环的总的功率输出除以燃料源的热值的测量值。
如图2所示，SCO2布雷顿动力循环30采用两个热源：对流热交换器312（热量可从1600°F-250°F下获得）和直接床内恒温热交换器314（热量在1600°F下可获得）。
来自高温回热器316的SCO2经由管线320进入对流热交换器312热源。在一个实施形态中，管线320的SCO2处于930°F的温度和4040psia的压力。在热交换器312中，SCO2与燃烧排气进行热交换连通，例如在1600°F和120psia下，通过管线24被引入热交换器312中的燃烧排气。这种处理形成加热的SCO2，例如在1035°F和4030psia下，其通过管线322输送到直接床内恒温热交换器314中。这样的处理还导致排气流34，例如，例如在955°F和115psia下，从热交换器312离开。
在床内热交换器314中，SCO2与经由管线20从燃烧器输送到床内热交换器314中的燃烧器产生的热量的第一部分进行热交换连通。在一个实施形态中，这种第一部分由燃烧器产生的热量是在1600°F和120psia下。
离开床内热交换器314的SCO2经由管线326输送，例如在1300°F和4000psia下。本领域技术人员在本文提供的教导的指导下应理解1300°F是高温高压锅炉管的一般的当前限制。然而，随着技术的进一步发展，允许在更高的温度下利用SCO2或其他传热材料。
SCO2在涡轮机330（例如附接到发电机（未示出））中膨胀，以产生电力，由箭头32表示。
所得到的SCO2，例如在1000°F和1200psia下，通过管线322进入高温回热器316。在高温回热器316中，SCO2冷却，例如冷却至420°F和1150psia，以及经由管线334到达低温回热器336，在那里其进一步被冷却，例如冷却至175°F和1135psia，并通过管线340排出。
在所示实施形态中，SCO2管线340被分叉以形成指向循环压缩机344的管线342和指向主压缩机354的管线352。
在循环压缩机344中，SCO2被压缩。由循环压缩机产生的SCO2，例如压缩至4060psia和400°F，经由管线346输送。
在进入主压缩机354之前，SCO2在冷却器353中被冷却（例如冷却至90°F）。然后SCO2通过管线355传送到主压缩机354。然后将其压缩，例如高达4080psia，并且经由管线356，例如在165°F的温度下通过低温回热器336，在那里其被加热。该如此被加热的SCO2经过管线358并与SCO2流线346汇合形成管线360，例如在415°F和4060psia下。然后，管线360的SCO2在高温回热器316中回收额外的热量，然后再循环回热源，例如热源对流热交换器312，例如通过管线320。如图2所示，循环所需的Δ温度（delta temperature）仅为从930°F至1300°F。因此，低于930°F的热源热量在布雷顿循环中未使用。
现在转向图3，其中示出了简化的方框流程图，其根据本申请一个实施形态更详细地示出了具有再加热的蒸汽朗肯动力循环40。
如图3所示，具有再加热的蒸汽朗肯动力循环40采用对流热交换器412（可在958°F-250°F下获得热量）和两个床内热交换器414和416（可从至少1600°F的恒定热源下获得热量）。例如，在一个实施形态中，对于第一床内热交换器部分，蒸汽流通过使蒸汽从770°F升至1100°F的流化床内的管，其中蒸汽然后通过高压蒸汽轮机。对于第二床内热交换器部分，蒸汽从640°F升到1100°F，然后通过低压蒸汽轮机输送。
蒸汽，例如在230°F和4000psia下，通过管线420被送到热源对流热交换器412，在那里其与燃烧排气进行热交换连通；例如在955°F和115psia下，通过管线34引入热交换器412的燃烧排气。这种处理形成加热的蒸汽，例如在770°F和3850psia下，其通过管线422进入床内热交换器414。这样的处理也产生排气蒸汽流44，例如在250°F和110psia下，从热交换器412排出。
在床内热交换器414中，蒸汽与经由管线22从燃烧器输送到床内热交换器414中的燃烧器产生的热量的第二部分的第一分部进行热交换连通。在一个实施形态中，燃烧器产生的热量的这种第二部分是在1600°F和120psia下。
在床内热交换器414中，蒸汽被加热到例如1100°F。
来自床内热交换器414的蒸汽，例如在1100°F和3850psia下，经由管线424输送到第一涡轮机426。
蒸汽在涡轮机426（例如附接到发电机（未示出））中膨胀，以产生电力，由箭头42表示。
所产生的蒸汽，例如在640°F和750psia下的，通过管线430传送到第二床内热交换器416，在此其与从燃烧器被输送到床内热交换器416中的燃烧器生产的热量22'的第二部分的第二分部进行热交换连通。在一个实施形态中，燃烧器产生的热量的这种第二部分是在1600°F和120psia下。
来自第二床内热交换器416的蒸汽经由管线432（例如在1100°F和700psia下）被输送至第二涡轮机434。蒸汽在例如连接到发电机（未示出）的涡轮机434中膨胀，以产生电力，由箭头42'表示。
所产生的蒸汽，例如在130°F和2psia下，通过管线436进入冷凝器440，在那里材料被适当地冷凝。
所得的冷凝材料，例如在100°F和2psia下，通过管线442进入泵444。在泵444处，材料被适当地加压并通过管线446，例如在103°F和1010psia下，用于额外的系统热集成处理450，并且例如产生管线420蒸汽。
从图3中可以看出，蒸汽循环所需的热量温度范围为230°F至1100°F。因此，不能在布雷顿循环中使用的来自化石热源的较低等级的热量可以替代地有利地应用于蒸汽循环。
在本申请的一个实施方案中，床内热交换器中可用的81％的热量用于SCO2布雷顿循环，而19％用于蒸汽循环。此外，对流热交换器中可用的54％的热量用于SCO2布雷顿循环，而46％用于蒸汽循环。
根据本申请的一个优选方面，并且与使用蒸汽朗肯循环作为底循环的其他技术不同，本申请利用SCO2布雷顿和蒸汽朗肯动力循环的两者结合，其通过热源直接加热。更具体地说，如图所示，两个动力循环可以理想地在床内热交换器中并联加热，并且在热交换器的对流部分中串联加热。
因此，本申请的至少一个方面提供了改进的动力循环，其提供了更高的净装置效率。
本领域技术人员以及在本文提供的教导的指导下将理解和意识到，本申请可以在各种环境中适当地实施，包括例如利用氧作为助燃剂并涉及捕获碳以进行封存的实施方案。根据本申请的一个方面，这种特定装置比具有碳捕获的常规蒸汽朗肯装置具有更高的效率。
本申请的至少一个方面提供改进具有更高静装置效率的改进的动力循环。
因此，与用于化石燃料动力装置的现有技术相比，根据本申请的至少一个方面的系统和处理（过程）可以理想地产生或导致更高的净装置效率。
虽然在前面的详细描述中已经结合本申请的某些优选实施形态描述了本申请，并且已经出于说明的目的阐述了许多细节，但是对于本领域技术人员来说是清晰的是，本申请易于附加实施形态和在不脱离本申请的基本原理的情况下，可以显着改变本文所述的某些细节。
Claims (13)
1.一种用于产生动力的方法，其特征在于，该方法包括：
在燃烧器中燃烧燃料材料和助燃剂材料以产生热量和燃烧排气；
将来自燃烧器的热量分为燃烧处理产生的热量的第一部分和燃烧处理产生的热量的第二部分；
将燃烧排气的至少一部分和由燃烧处理产生的热量的第一部分直接供给到SCO2布雷顿动力循环以产生动力和第二排气；
将第二排气的至少一部分供给到蒸汽朗肯动力循环，以产生加热的蒸汽和第三排气；以及
将燃烧处理产生的热量的第二部分直接供给到蒸汽朗肯动力循环以从将高温蒸汽引入涡轮机以产生额外动力的加热蒸汽中产生更高温的蒸汽。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料材料包括化石燃料材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述化石燃料材料为煤或天然气。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述燃烧排气的至少一部分和由所述燃烧处理产生的热量的第一部分直接供给到SCO2布雷顿动力循环以产生动力和第二排气包括：
将高温SCO2引入涡轮机以产生动力和高温SCO2涡轮机排气；以及
从高温SCO2涡轮机排气中回收至少一部分热量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述高温SCO2通过以下方法形成，包括：
引入SCO2与至少一部分燃烧排气进行热交换连通，形成加热的SCO2；以及
引入加热的SCO2与燃烧处理产生热量的第一部分进行热交换连通，形成高温SCO2。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，来自高温SCO2涡轮机排气的热量以SCO2的形式在至少900°F的温度下回收。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在引入涡轮机之前，将在至少为900°F温度下的SCO2加热到高达1300°F的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在至少900°F的温度下的SCO2部分地通过与燃烧排气的热交换连通而被加热。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过如下方法加热在至少900°F的温度下的SCO2，包括：
在至少900°F的温度下引入SCO2，与至少一部分燃烧排气进行热交换连通，形成加热的SCO2；以及
引入加热的SCO2与燃烧处理产生的热量的第一部分进行热交换连通，形成高温SCO2。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
通过涡轮机在高温和高压下膨胀蒸汽，以在较低温度和较低压力下产生动力和蒸汽产品；以及
将蒸汽产品再加压和再加热至少部分地形成被引入至第二排气热交换连通的蒸汽。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，蒸汽在高温和高压下至少部分地通过与燃烧排气的热交换连通而被加热。
12.一种动力装置系统，其特征在于，该系统包括：
用于燃烧燃料材料和助燃剂材料以产生热量和燃烧排气的燃烧器；
利用燃烧排气和燃烧器产生的热量的第一部分产生动力和第二排气的SCO2布雷顿动力循环；
利用第二排气和燃烧器产生的热量的第二部分产生额外的动力和第三排气的蒸汽朗肯动力循环；
其中，至少一部分燃烧排气和燃烧室产生的热量的第一部分直接供给到SCO2布雷顿动力循环，从而燃烧器和SCO2布雷顿动力循环连通；其中，至少一部分第二排气直接从SCO2布雷顿动力循环供给到蒸汽朗肯动力循环，以及燃烧器产生的热量的第二部分直接从燃烧器供给到蒸汽朗肯动力循环的两个热交换器，从而燃烧室、SCO2布雷顿动力循环和蒸汽朗肯动力循环连通；以及
其中，蒸汽朗肯动力循环包括位于两个热交换器之间的第一涡轮机、和两个热交换器中的第二热交换器之后的第二涡轮机。
13.根据权利要求12所述的动力装置系统，其特征在于，所述燃烧器提供恒定的热源部分。
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