CN111094705A - 利用固体燃料燃烧和碳捕获发电的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于使用固体燃料(诸如煤、生物质等)的直接燃烧来发电的系统和方法。这些系统和方法可以组合开环或半闭环循环的第一发电循环与使用再循环工作流体(优选为CO2)的闭环循环的第二发电循环。来自开环或半闭环循环的至少一个流可以用于加热构件中，以向闭环循环中的工作流体提供热量。固体燃料可以在气态流被处理并可选地至少部分再循环到燃烧器作为再循环流(优选包括CO2)之前，在促进固体的更容易去除的条件下燃烧。

Description

利用固体燃料燃烧和碳捕获发电的系统和方法
技术领域
本公开提供了利用碳捕获发电的系统和方法。具体地，这些系统和方法可以提供开放或半封闭循环的固体燃料的直接燃烧，该燃烧具有独立于燃烧的可选的额外的封闭超临界CO2循环。
背景技术
二氧化碳(CO2)是含碳燃料燃烧的已知产物，并且需要使用含碳燃料燃烧的发电系统来捕获产生的CO2。提供借助固体燃料(具体为煤)的燃烧进行的高效发电并同时捕获碳特别困难。已经关于具有碳捕获和封存(CCS)的超临界粉煤(SCPC)或关于具有CCS的整体煤气化联合循环(IGCC)提出了具有碳捕获的燃煤发电系统。然而，这种系统受到高费用和低效率(例如，以更低热值为基础接近30％)的困扰。作为一种另选方案，Allam等人的美国专利No.8596075描述了一种使用CO2工作流的发电系统，据此，燃烧产生的CO2可以在对应于CO2循环压缩机和最终CO2泵的入口和出口压力的压力下收回。虽然在这种系统中设想煤燃烧具有潜在更高的效率和更低的成本，但是必须安装完整的煤气化系统来产生煤合成气，然后将其燃烧以用于发电。气化系统与发电系统之间的集成增加了发电厂设计和操作的复杂度。而且，无法避免由于煤气化和合成气净化过程引起的效率损失。因此，在本领域中仍然需要用于用固体燃料的直接燃烧和碳捕获来发电的另外的系统和方法。
发明内容
本公开涉及固体燃料的直接燃烧能够用于发电的系统和方法。根据本公开，可以通过使用直接燃烧消除原本需要的整个煤气化、合成气清洁以及酸性气体去除系统。例如，这可以通过使用具有CO2循环的燃氧煤燃烧和(可选)原位脱硫来实现。燃烧烟道气(优选不含硫和灰分)可以用于驱动CO2涡轮机发电。煤燃烧所产生的热量可以传递到闭环超临界CO2循环，以便由固气热交换器产生另外的电力。这种系统和方法可以在设计上相当简单，以较低的成本来实现并且表现出较高的效率，与此同时还一直实现完全的碳捕获。
在一个或多个实施方式中，在再循环的CO2的存在下，固体燃料可以用氧气在高压燃烧器中完全氧化。燃烧温度(在一个示例中)可以在约900℃的范围内，并且可以由再循环的CO2的流量和(可选地)再循环的固体的流量来实质控制。在一些实施方式中，可以将石灰石(CaSO4)或类似材料直接添加到燃烧器中和/或燃烧器的下游，以与来自排气的硫物种(具体是SO2和SO3)的至少部分(并且优选地为大致全部)反应并去除。由此可见，硫燃烧和石灰石反应的热量可以被回收并完全用于发电。
排气可以被传递到过滤单元(例如，旋风和/或烛式过滤器)，以从排气去除大部分固体颗粒(例如，燃料灰分和CaSO4)。从旋风分离器去除的固体颗粒将处于大致接近燃烧温度的温度(例如，在示例性实施方式中为约900℃)。固体可以传递到固体冷却器，以冷却至更低的温度(例如，降低至约600℃)，然后再循环回到燃烧器，以便衰减燃烧器的温度。
固体冷却器还可以用于闭环CO2发电循环中，在该循环中，可以在固体冷却器中将处于较高压力(例如，约250巴)的大致纯的CO2流加热至大致接近进入固体冷却器的固体温度的温度(例如，在示例性实施方式中为约600℃)。加热的CO2可以穿过涡轮机进行发电(例如，从约250巴的压力膨胀到约30巴的压力)。膨胀的CO2流可以穿过热交换器，然后再压缩并可选地在再循环回到固体冷却器以完成闭环之前通过返回穿过热交换器再加热。
另外，可以将压力约为30巴(或更高)的大致纯的CO2流加热到约260℃(或更高)的温度，并且使其穿过与离开涡轮机的燃烧器排气连通的热交换器，使得可以为电力循环的热交换器轮廓优化提供低位热量。
在一些实施方式中，可以将具有再循环的CO2的较少量甲烷或天然气添加到来自旋风过滤器的燃烧烟道气中，以完全去除所有残留的O2。烟道气(例如，在约700℃的温度下)可以被送至烛式过滤器，以去除可能存在的大致全部的细灰和碱金属固体。大致无灰的烟道气(在示例性实施方式中)在离开过滤器时可以处于约65巴(或更高)的压力和约700℃(或更高)的温度，并且可以用于驱动非冷却CO2涡轮机发电。此时，虽然可能存在较少量的其他污染物，但烟道气优选地大致仅包括CO2和水。涡轮机排气(例如，在示例性实施方式中处于约400℃的温度下)可以被送至热交换器，以便进行低位热量回收。可以将液态水与CO2分离，并且可以将分离出的CO2压缩/泵送到所需的压力(例如，约90-100巴或更高)并作为温度缓和剂和曝气气体循环回到氧煤燃烧器。
本系统和方法关于它们可操作的不同条件特别有用。在一些实施方式中，可以在以下条件下进行固体燃料的直接燃烧：燃烧器中存在的任意CO2(例如，再循环CO2)以及由燃烧产生的任意CO2不处于超临界状态。具体地，燃烧器中的压力(且由此任意再循环的CO2被压缩/泵送至的压力)可以维持在CO2临界压力以下(例如，小于73.9巴)。例如，燃烧压力可以大约高于环境压力并且高达73巴或高达70巴或高达65巴。具体地，燃烧压力可以为约10巴至约70巴或约15巴至约60巴。在一些实施方式中，固体燃料的直接燃烧可以处于以下条件下：这些条件允许进入燃烧器的CO2和/或离开燃烧器的任意燃烧产物处于使得CO2处于超临界状态的压力下。例如，在这种实施方式中，可以将再循环的CO2压缩到大于73.9巴(优选地为大于80巴(例如，直至最大约500巴))的压力。同样，在这种实施方式中，燃烧可以在大致相同的压力范围内进行。由此，在一些实施方式中，本公开可以涉及凭借在半封闭的超临界CO2循环中直接燃烧固体燃料来发电，而在其他实施方式中，本公开可以涉及凭借在半封闭的非超临界CO2循环中直接燃烧固体燃料来发电。
固体燃料的引入可以以任意方式的方法进行。例如，普遍凭借闭锁漏斗型系统来将固体燃料颗粒引入到在低于50巴的压力下操作的燃烧系统中。更高的压力可以使用浆料注入系统和高级的高压固体泵系统。考虑到燃料与载体/溶剂的比例和化学性质的变化，产生的注入系统将固有地确定再循环的CO2和灰分流量。
在一个或多个实施方式中，本公开具体可以涉及一种发电系统。例如，这种发电系统可以包括：第一发电循环，该第一发电循环是开环或半闭环循环，第一发电循环包括：燃烧器，该燃烧器被构造为在存在再循环CO2流的情况下燃烧固体燃料与氧化剂，并且输出燃烧器排气流；至少一个发电构件，该至少一个发电构件被构造为接收燃烧器排气流的至少一部分、发电、以及输出涡轮机排气流；以及一个或多个元件，该一个或多个元件被构造为将燃烧器排气流的至少一部分再循环回到燃烧器；和第二发电循环，该第二发电循环是使用CO2作为工作流体的闭环循环，第二发电循环包括：至少一个发电构件，该至少一个发电构件被构造为接收CO2工作流体并发电；其中，发电系统包括至少一个加热构件，该至少一个加热构件被构造为从第二发电循环接收CO2工作流体，并且从第一发电循环生成的流向CO2工作流体传递热量。在一个或多个另外的实施方式中，发电系统可以关于以下陈述中的一个或多个来定义，这些陈述可以以任意数量或顺序组合。
第一发电循环可以包括过滤单元，该过滤单元被构造为去除在燃烧器排气流中存在的任意固体的至少一部分。
过滤单元可以包括旋风过滤器和烛式过滤器中的一种或两种。
过滤单元可以被构造为输出至少包含燃料灰分的固体流和至少包含CO2的燃烧烟道气流。
第一发电循环的至少一个发电构件可以被构造为接收来自过滤单元的燃烧烟道气流。
第一发电循环可包括第一热交换器，该第一热交换器被构造为从涡轮机排气流收回热量。
发电系统还可以包括水分离器，该水分离器被构造为接收离开第一热交换器的涡轮机排气流并输出水流和CO2流。
发电系统还可包括被构造为对CO2流加压的压缩机和泵中的一种或两种。
第一热交换器可包括被构造为接收涡轮机排气流的热输入、被构造为输出涡轮机排气流的冷输出、被构造为接收CO2流的冷输入以及被构造为输出CO2流以便再循环回燃烧器的热输出。
可被构造为从第二发电循环接收CO2工作流体并从第一发电循环生成的流向该CO2工作流体传递热量的至少一个加热构件是固体冷却器，该固体冷却器被构造为从过滤单元接收固体流。
发电系统还可以包括再循环线路，该再循环线路被构造为将固体从固体冷却器再循环到第一发电循环的燃烧器。
燃烧器可包括被构造为使固体燃料与氧化剂燃烧的火焰区和被构造为接收硫洗涤组分的下游洗涤区。
燃烧器可包括固体燃料入口、氧化剂入口以及硫洗涤组分入口。
燃烧器还可包括再循环CO2入口和再循环固体入口中的一种或两种。
发电系统还可以包括在燃烧器下游的洗涤反应器，该洗涤反应器被构造为接收燃烧器排气流的至少一部分和硫洗涤组分。
在特定实施方式中，根据本公开的发电系统可以至少包括：燃烧器，该燃烧器具有燃烧器排气口、固体燃料入口、氧化剂入口以及可选地再循环CO2入口、再循环固体入口和硫洗涤组分入口中的一个或多个；过滤单元，该过滤单元具有被构造为接收燃烧器排气口的入口、固体出口以及用于提供燃烧器烟道气流的气体出口；涡轮机，该涡轮机具有被构造为接收燃烧器烟道气流的入口和被构造为提供涡轮机排气的出口；热交换器，该热交换器具有被构造为接收涡轮机排气的高温入口、被构造为输出冷却的涡轮机排气的低温出口、被构造为接收压缩的再循环CO2流的低温入口以及被构造为输出加热的压缩再循环CO2流的高温出口；水分离器，水分离器具有被构造为至少输出水的底部出口和被构造为输出CO2气体(优选大致是纯的)作为再循环CO2流的顶部出口；至少一个压缩机或泵，该至少一个压缩机或泵具有被构造为接收相对更低压力的再循环CO2流的入口和被构造为输出相对更高压力的再循环CO2流的出口(入口和出口之一处的压力为相对于入口和出口中的另一个)；加热器部件，该加热器部件具有被构造为接收来自过滤单元的固体流的高温入口、被构造为输出冷却的固体流的低温出口、用于接收工作流体的低温输入以及用于输出更高温度的工作流体的高温出口；涡轮机，该涡轮机具有被构造为从加热器部件的高温出口接收工作流体的入口和被构造为使更低压涡轮机排气离开的出口；至少一个压缩机或泵，该至少一个压缩机或泵具有被构造为接收相对更低压力的工作流体的入口和被构造为输出相对更高压力的工作流体的出口(入口和出口之一处的压力为相对于入口和出口中的另一个)；热交换器，该热交换器具有被构造为从涡轮机出口接收工作流体的高温入口、被构造为输出冷却的工作流体流的低温出口、被构造为接收压缩的工作流体流的低温入口、以及被构造为输出加热的压缩工作流体流以便传递到加热器部件的低温输入的高温出口；以及多个管、管子或其他线路，它们适于在系统的所注释部件之间传递流。另外，可以包括一个或多个分路器和/或混合器来分离或组合一个或多个流。另外，硫洗涤反应器可以定位于燃烧器与过滤单元之间，并且可以包括用于接收燃烧器排气流的输入、用于接收硫洗涤组分的输入以及用于使洗涤后的燃烧器排气离开以便传递到过滤单元的输出。上面列出的两个热交换器可以用具有所述输入和输出的单个统一热交换器代替。
在一个或多个实施方式中，本公开还可以提供一种用于发电的方法。例如，一种用于发电的方法可以包括以下步骤：在存在压缩的再循环CO2流的情况下，在燃烧器中使固体燃料与氧化剂燃烧，以形成燃烧器排气流；在过滤单元中过滤燃烧器排气流，以从燃烧器排气流去除固体并提供燃烧器烟道气流；使燃烧器烟道气流穿过第一涡轮机来发电，以提供涡轮机排气流；处理涡轮机排气流，以将压缩的再循环CO2流提供给燃烧器；将从燃烧器排气流去除的固体转移至加热构件；以及使CO2工作流体循环穿过闭环循环，以使得CO2工作流体被压缩、被来自加热构件中的固体的热量加热、并且膨胀穿过第二涡轮机发电。在一个或多个另外的实施方式中，发电方法可以关于以下陈述中的一个或多个来定义，这些陈述可以以任意数量和顺序组合。
燃烧可在约600℃至约1200℃的温度下进行。
燃烧可以在高于环境压力且高达约70巴的压力下执行。
执行燃烧，使得存在于燃烧器中的CO2没有处于超临界条件。
燃烧可以在约80巴至约500巴的压力下执行。
在所述过滤之前，方法还可以包括以下步骤：将硫洗涤组分(例如，含有CaCO3的材料)添加到燃烧器排气流。
在所述使燃烧器烟道气流穿过第一涡轮机之前，方法还可以包括：将一定量的气态燃料添加到燃烧器烟道气流。
处理涡轮机排气流以提供压缩的再循环CO2流可以包括：在回热式换热器中冷却涡轮机排气流；使来自回热式换热器的冷却的涡轮机排气流穿过水分离器，以输出水流和大致纯的CO2流；将大致纯的CO2流压缩到适于输入到燃烧器的压力；以及至少使用从冷却的涡轮机排气收回的热量在回热式换热器中加热大致纯的CO2流。
压缩可包括使用压缩机和泵中的一种或两种。
涡轮机排气可以借助热输入传递到回热式换热器中，冷却的涡轮机排气流可以借助冷输出离开热交换器，大致纯的CO2流可以借助冷输入进入回热式换热器，并且大致纯的CO2可借助热输出离开回热式换热器，以便循环回到燃烧器。
过滤单元可以包括旋风过滤器和烛式过滤器中的一种或两种。
从燃烧器排气流去除并转移到加热构件的固体可以至少部分地再循环回到燃烧器。
附图说明
图1提供了根据本公开的实施方式的、被构造为执行发电方法的系统的示意图。
图2提供了根据本公开的实施方式的、被构造为执行发电方法的另一系统的示意图。
具体实施方式
现在将在下文中参照本主题的示例性实施方式更完全地描述本主题。这些示例性实施方式被描述为使得本公开将彻底且完整，并且将向本领域技术人员完全传达主题的范围。实际上，主题可以以许多不同的形式来具体实施，并且不应被解释为限于这里所阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式，使得本公开将满足适用的法律要求。如在说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一”，“一个、“所述”包括复数指示对象，除非上下文明确另外规定。
本公开涉及用于发电的系统和方法。在一个或多个实施方式中，这种系统和方法可以被构造为使得可以在一个或多个附加输入流的存在下在具有氧化剂的加压燃烧器中燃烧固体燃料。固体燃料可以是适合在发电循环中燃烧的任意固体材料，包括但不限于一种或多种等级的煤、石油焦、沥青、生物质等。氧化剂可以是包括增加氧含量(例如，大于环境空气中的氧含量)的任意氧源，并且优选为大致纯的氧(例如，具有至少95mol％、至少98mol％或至少99mol％的氧含量)。大致纯的氧可以诸如通过使用空气分离单元或其他产氧设备在现场产生，或者大致的纯氧可以用管道输送到系统中。氧化剂可直接输入到燃烧器中，或者它可在稀释剂流中稀释(例如，以约20/80氧化剂/稀释剂至约60/40氧化剂/稀释剂或约30/70氧化剂/稀释剂至约50/50氧化剂/稀释剂的摩尔比)。特别地，一个或多个附加输入流可至少包括再循环的CO2流。这种再循环的CO2同样可以是氧化剂的优选稀释剂。在一些实施方式中，附加的输入流可以包括水(或蒸汽)流和/或再循环的燃料灰分流。
在本系统和方法中可以使用多种燃烧器。例如，燃烧器可以是干灰燃烧器、排渣型燃烧器、流化床燃烧器或膜和/或蒸腾冷却的燃烧器。燃烧器特别地可以被构造为容纳高灰分含量的燃料，在燃料中，灰分基本上充当冷却剂。同样，燃烧器可被构造为容纳燃料、氧化剂以及充当冷却剂的一种或多种再循环流(例如，再循环的CO2、水和/或灰分)的输入。在另外的实施方式中，燃烧器可以被构造为接收氧化剂和燃料，其中，燃料被携带在冷却剂(例如，水、CO2等)中，并且不需要附加的输入流。在这种实施方式中，鉴于燃料浆料的固有冷却剂含量，不需要附加的输入流来淬火或以其他方式冷却燃烧过程。有用的燃烧器可包括：至少多个输入，该至少多个输入用于接收输入流；燃烧区(或火焰区)，在该燃烧区中，进行燃料的大部分燃烧；以及可选地燃烧后区(或火焰后区)，在该燃烧后区中，可以输送附加的输入，以便改变燃烧器排气产物(例如，以降低燃烧器排气的温度，改变燃烧器排气的化学性质等)。在优选的实施方式中，燃烧器可以是在燃烧区下游具有洗涤区的流化床燃烧器，该洗涤区被特别构造为接收包括石灰石作为洗涤组分的流。
燃烧压力高于环境压力，由此例如可以为大约10巴到大约500巴、大约10巴到大约300巴或大约60巴到大约150巴。在一些实施方式中，燃烧压力可以为大约高于环境压力并且高达73巴、高达约70巴或高达约65巴。具体地，燃烧压力可以为约10巴至约70巴或约15巴至约60巴。这种条件可以被称为非超临界燃烧条件(即，使得系统中存在的任何CO2都不处于超临界条件)。在一些实施方式中，固体燃料的直接燃烧可以处于条件下，这些条件允许进入燃烧器的CO2和/或离开燃烧器的任意燃烧产物处于使得CO2处于超临界状态的压力下。例如，燃烧可以在大约80巴到大约500巴、大约100巴到大约450巴或大约150巴到大约400巴的范围内进行。这种条件可以被称为超临界燃烧条件(即，使得系统中存在的任何CO2都处于超临界条件)。可以使用更高的压力来利用更小的设备尺寸和更低的资金成本以及提高的性能。然而，也可以使用更低的压力。
在进行燃烧过程时，在使得优选大致没有任何氮的条件下将氧化剂注入燃烧器中，这是为什么可以优选大致纯氧的原因。固体燃料与氧化剂分开地注入到燃烧器中，并且可以以具有浆料介质(例如，CO2、水或其混合物等)的浆料或以任意其他可流动形式(包括再循环的CO2作为进料气的干式进料形式)提供。可以提供一个或多个附加的流来将燃烧器的操作温度控制在期望的燃烧温度范围内，使得燃烧器出口温度不超过下游设备的可接受的操作条件。例如，可将再循环的CO2、水、再循环的燃料灰分以及石灰石中的一个或多个作为一个或多个附加的输入流和/或与燃料本身的某种组合注入到燃烧器中。燃烧温度优选地维持在约600℃至约1200℃、约700℃至约1100℃或约800℃至约1000℃的范围内。由此可见，燃烧器排气流的出口温度将在这种范围内。优选地，燃烧在灰分熔化温度以下进行，使得在燃烧器排气流中存在的大致所有的灰分都处于大致固态。
可以将硫洗涤组分(诸如石灰、石灰石等)注入到燃烧器中的火焰后区中，以洗涤出原始存在的硫物种(诸如通常在煤中发现的)。含碳酸钙(CaCO3)的材料特别可用于与许多固体燃料材料(特别是煤)中存在的含硫物种(例如，SO2和SO3)反应，以形成可从燃烧器排气过滤的固体硫酸钙(CaSO4)。注入到燃烧器中的硫洗涤组分(诸如石灰石)可以与作为进料气的再循环CO2一起进行干式进料，或者与混合水、超临界CO2或其混合物进行浆料进料。干式注入可以经由闭锁料斗系统或固体泵系统进行，并且浆料泵可以用于注入浆状固体(例如，石灰石/水浆)。在一些实施方式中，喷射不需要直接进入燃烧器中。例如，当利用高温燃烧(例如，大于约1000℃)使得灰分可以至少部分地以液态存在(例如，排渣燃烧器)时，在引入硫洗涤组分之前首先冷却燃烧器排气可以是有益的。在这种实施方式中，燃烧器排气可以首先在液化的灰分组分的凝固温度以下淬火。这种淬火可以例如通过将再循环的固体和/或再循环的CO2输入到燃烧器中来实现。燃烧器排气也可以穿过淬火单元或与燃烧器分开的其他冷却器。另选地，凝固可至少部分地在燃烧器与二级反应器之间的传送线路内发生，在二级反应器中，可将硫洗涤组分添加到冷却的燃烧器排气。在优选的实施方案中，硫洗涤组分被直接添加到在火焰区或燃烧室下游的燃烧器中，使得在离开燃烧器之前将硫物种从燃烧器排气大致完全地去除。
燃烧器优选在富氧条件下操作，以确保化学计量的完全燃烧。在一些实施方式中，填充有清洁的CO2的膜壁可以安装在燃烧器中，以控制燃烧温度。
优选地，至少一个过滤元件包括燃烧器的下游，以便去除燃烧器排气流中的任意燃料灰分和其他固体(例如，从石灰石与存在于固体燃料中的硫物种的反应存在的CaSO4)的至少一部分、至少大部分或大致全部。至少一个过滤元件优选地紧邻燃烧器的下游，使得燃烧器排气流在传入发电系统的任意另外的部件之前被过滤掉固体。在某些实施方式中，将旋风过滤器特别地安装在燃烧器的出口处，以去除大量的燃料灰分和CaSO4。如上所述，由至少一个过滤元件捕获的固体(例如，燃料灰分和CaSO4)通常将处于大致在燃烧器排气流温度范围内的温度。
在至少一个过滤元件中去除的固体可以传递到固体冷却器，以从中回收热量，以便产生额外的电力。例如，可以使用固气热交换器作为固体冷却器来从固体颗粒去除高位热量，这些固体可以全部或部分再循环回燃烧器和/或全部或部分从系统去除。固气热交换器例如可以是内部具有管子的流化床或移动床冷却器。在操作中，可以在固体加热器中加热大致纯CO2的高压(例如，约100巴至约400巴或约200巴至约300巴)流(例如，取决于燃烧器排气温度，加热至高达约900℃、高达约800℃或高达约700℃的温度，更具体地为在约500℃至约900℃或约600℃至约800℃的范围内的温度)，以提供在整个电力循环内操作的闭环CO2发电循环。
如上所述，全部或一部分离开固体冷却器的固体(例如，燃料灰分和CaSO4)可以作为温度缓和剂再循环回到燃烧器。再循环固体的量由燃烧温度和所利用的再循环CO2的量来确定。再循环的固体颗粒和再循环的CO2均可为固体燃料燃烧的温度缓和剂。可以使用更高量的再循环固体，以便增加固体冷却器且由此闭环、大致纯的CO2发电系(即，由纯CO2压缩机、大致纯的CO2泵以及大致纯的CO2涡轮机形成)的量级。另一方面，更高量的再循环燃烧衍生CO2导致任意烟道气清洁系统(例如，燃烧器、旋风过滤器和/或烛式过滤器)和开环燃烧衍生CO2发电系(例如，燃烧衍生CO2压缩机、燃烧衍生CO2泵以及燃烧衍生CO2涡轮机)的量级增大。再循环固体与再循环CO2的质量比可以由整个电力系统的最佳平准化电力成本(LCOE)量确定。
在一个或多个实施方式中，本公开的发电系统和方法可以具有整体构造，使得系统和方法可以被认为是开环(或半封闭)燃烧衍生CO2发电系。在这种实施方式中，如上面已经描述的，固体燃料、氧化剂以及任意的附加流被输入到燃烧器，使得燃料被燃烧，以形成燃烧器排气流。然后使燃烧器排气流穿过一个或多个过滤元件，以从燃烧器排气流去除固体。所去除的固体如以上另外描述的那样使用，并且燃烧烟道气从过滤器传递至发电系统的剩余部件。燃烧烟道气可以包括例如至少50％质量、至少75％质量、至少85％质量或至少90％质量的CO2，并且可以包括更少质量含量的蒸汽、氧气以及可选地另外的污染物。离开过滤器的燃烧烟道气可以处于保持与燃烧器排气流的温度大致接近的温度(例如，在约600℃至约1100℃、约800℃至约100℃或约850℃至约950℃的范围内)。
如果需要，可以将较少量的气态燃料(例如，天然气或甲烷，可选地与再循环的CO2混合)与烟道气混合，以扫除内部剩余的任何氧气并降低烟道气温度(例如，约100℃至约300℃或约150℃至约250℃的温度降低)。温度降低优选是有效的，使得任何碱金属组分(诸如NaSO4、NaCO3以及MeSO4)的大部分或大致全部将凝固。如果需要，可以使用另外的过滤元件(例如，旋风过滤器和/或烛式过滤器)来从燃烧烟道气去除大致全部的细灰和微碱性金属固体。
在对燃烧器排气和燃烧烟道气进行全部处理以去除固体和其他组分之后，将剩余的燃烧烟道气引导至涡轮机进行发电。涡轮机例如可以是非冷却涡轮机；然而，如果需要操作条件，则可以对涡轮机进行冷却，诸如通过将再循环CO2流引导穿过涡轮机外壳来冷却。涡轮机联接至发电机，特别用于产生电能。
涡轮机排气流(现在可以处于低于约500℃的温度，诸如在约400℃至约500℃的范围内)被送至热交换器进行冷却，诸如冷却至低于约100℃、低于约50℃或低于约40℃的温度，并且优选降至约环境温度。冷却优选地足以使得在水分离器中将液态水以及存在于涡轮机排气中的任何痕量的SOx和/或NOx与CO2分离。由此，水分离器将具有用于去除液态水和携带在其中的组分的底部出口以及用于输出再循环CO2的再循环出口。活性炭床吸收器可以存在于水分离器的再循环出口处，以便从CO2流去除重金属，诸如汞。离开水分离器的CO2优选是大致纯的(即，大于90mol％，大于95mol％，大于98mol％，或者大于99mol％)。清洁的大致纯的CO2被压缩并泵送至燃烧压力。可以从系统收回一部分CO2，以便进行库存控制和碳捕获。剩余的高压CO2在被再循环回固体燃料燃烧器之前在热交换器中针对涡轮机排气流进行预热。
除了整个电力循环之外，在一些实施方式中，本公开的系统和方法还可以提供闭环CO2发电系。具体地，本公开可以提供具有嵌入式闭环CO2发电系统的开环或半闭环CO2发电系。如上所述，在这种实施方式中，从燃烧器排气流去除的固体(例如，燃料灰分/CaSO4)可以再循环回到煤燃烧器，以去除燃烧热并控制操作温度。在紧接燃烧器下游存在的过滤器中去除的固体中存在的燃烧热在上述固气热交换器中传递到闭环CO2系中。在固体冷却器中加热大致纯的高压CO2工作流体(该流体保持不被任何燃烧产物污染)。如果期望，则可以通过将CO2引入到存在于煤燃烧器中的膜壁中来进一步提高大致纯的CO2流的温度(例如，提高约50℃至约300℃或提高约100℃至约200℃)。膜壁可以存在于燃烧器的外壳与内部燃烧室之间，使得燃烧的热量可以传递到围绕膜壁传递的CO2流。离开膜壁的高温高压CO2被引导至闭环涡轮机进行发电。进入涡轮机的CO2工作流体优选地处于约400℃至约1000℃、约500℃至约900℃或约600℃至约800℃的温度。在涡轮机中，CO2工作流体从高入口压力(例如，约100巴至400巴、约150巴至约300巴或约200巴至约300巴)膨胀到低出口压力(例如，约5巴至约90巴、约10巴至约80巴、或约15巴至约50巴)。涡轮机排气流在被压缩并泵送回到涡轮机入口压力之前，被引导至换热器进行热量回收。泵出口处的CO2穿过CO2换热器、固体冷却器和/或燃烧器膜壁，以预热到涡轮机入口温度。闭环系中的工作流体可以是大致纯的CO2、蒸汽或CO2和H2O的混合物。闭环系中的工作流体优选地从不与开环燃烧衍生的CO2接触，以避免污染。
图1中例示了根据本公开的、用于执行发电方法的示例性发电系统10。如其中所示，固体燃料燃烧器110(可以被称为氧燃料燃烧器)被构造为从氧化剂源102在线路103中接收氧化剂，并且从固体燃料源104在线路105中接收燃料。固体燃料源104可以包括未例示但在本领域中理解的元件，诸如用于特定化固体燃料的一个或多个破碎机。可选地，可以从硫洗涤材料源106借助线路107向燃烧器110提供硫洗涤材料。再次，硫洗涤材料源106可以包括未例示但在本领域中理解的元件，诸如用于特定化固体材料(诸如石灰石)的一个或多个破碎机。来自线路105的燃料与来自线路103的氧化剂在燃烧器110中燃烧，以形成在线路113中离开燃烧器的燃烧器排气。特别地，可以将硫洗涤材料添加到存在于在燃烧室或火焰区下游的燃烧器110中的洗涤区。由此可见，燃料和氧化剂可以在燃烧器110中的上游位置(相对于洗涤区)输入，并且硫洗涤材料可以在燃烧器110中的下游位置(相对于火焰区或燃烧室)输入。另选地，穿过线路107的硫洗涤材料可以添加到下游反应器，并且线路113中的燃烧器排气可以在传至以下描述的另外的元件之前穿过反应器。
线路113中的燃烧器排气被传至过滤单元115，该过滤单元可以包括单个过滤器或多个不同的过滤器(例如，旋风过滤器和烛式过滤器中的一个或两个)。燃烧器排气中存在的固体(例如，燃料灰分和CaSO4)在过滤单元115中被去除，并且剩余的燃烧烟道气在线路117中离开过滤单元。线路117中的燃烧器烟道气穿过涡轮机120，以在发电机125中发电，并且膨胀的燃烧器烟道气在线路123中作为涡轮机排气离开涡轮机。涡轮机120可被称为第一涡轮机、主涡轮机或开环涡轮机。在穿过涡轮机之前，燃烧器烟道气可以与另外含量的氧气组合，以确保燃烧器烟道气中的所有反应物种的完全反应，并且这种反应可在线路和/或另外的反应室中发生。
在线路123中离开第一涡轮机120的膨胀的涡轮机排气穿过回热式换热器130，以冷却涡轮机排气并将热量提供给一个或多个另外的流。回热式换热器130可被称为第一热交换器、主热交换器或开环热交换器。冷却的涡轮机排气在线路133中离开第一热交换器130，并且传向水分离器135，以净化涡轮机排气流中的CO2。水和任何携带的元素(例如，SOx、NOx和/或金属)借助线路137收回，并且大致纯的CO2在线路139中离开水分离器135。线路139中的大致纯的CO2首先在穿过线路141到达第一泵145(可以称为开环或半闭环泵)之前在第一压缩机140(可以被称为开环或半闭环压缩机)中压缩，以在适于输入回到燃烧器110的压力下在线路147中形成再循环CO2流。线路147中的一部分再循环CO2可以借助CO2产物线路149从系统中收回。另外地或者另选地，产物CO2可以以不同的压力从线路139和/或线路141收回。线路147中的再循环CO2通过返回流过第一热交换器130来加热，以作为线路151离开，以便再循环回到燃烧器110中。如果期望，则线路151和/或线路147和/或线路141中的一部分再循环CO2可以收回并添加到线路105和/或线路107，以便用作传送介质，该传送介质用于促进线路105中的固体燃料的流动和/或线路107中的硫洗涤材料向燃烧器110的流动。同样，如果期望，则线路151和/或线路147和/或线路141中的一部分再循环CO2可以收回并添加到线路103中，以便用作线路103中的氧化剂的稀释剂。
在线路113中的燃烧器排气中存在的固体(例如，燃料灰分和CaSO4)在过滤单元115中去除，并且从其穿过线路119到达固体冷却器160。固体在线路161中离开固体冷却器160，并且可以穿过线路161，以便再循环回到燃烧器110。线路161中的全部或部分固体可以借助固体产物线路162收回。
在固体冷却器160中收回的热量用于在闭环发电系统15(在图1中的虚线框内示出)中加热。工作流体循环穿过线路163、167、171、177、181以及183，并且工作流体保持与从线路119穿过固体冷却器160的固体的物理接触隔离。具体地，线路183中的受热和压缩的工作流体(例如，大致纯的CO2、水或CO2和水的混合物)穿过固体冷却器160，以便用从固体形式线路119收回的热量进一步加热。过热的工作流体流穿过线路163到达涡轮机165，以便用发电机185发电。涡轮机165可被称为第二涡轮机、二级涡轮机或闭环涡轮机。工作流体借助线路167离开第二涡轮机165，并且在热交换器170中冷却。热交换器170可以被称为第二热交换器、二级热交换器或闭环热交换器。冷却后的工作流体在线路171中离开第二热交换器170，并且在穿过线路177到达第二泵(可以被称为闭环泵)之前传到第二压缩机175(可称为闭环压缩机)，以被压缩到中间压力。现在被泵送到期望压力的工作流体穿过线路181返回到第二热交换器170，并且受热的压缩工作流体借助线路183离开，以便返回穿过固体冷却器160。虽然图1中示出第二热交换器170，但理解，加热可以另外或另选地利用第一热交换器130来进行。
图2中例示了根据本公开的实施方式的、适于执行发电方法的示例性发电系统20。下面关于图2描述的特定反应参数被理解为示例性的，而不应视为限制。相反，反应参数可以另外在此处另外描述的范围内。在图2所示的示例性实施方式中，固体燃料燃烧器210被构造为接收来自氧化剂源202(例如，空气分离单元或其他源)的温度约为18℃且压力约为100巴的线路203中的氧化剂，以及接收来自固体燃料源204的温度约为34℃且压力约为100巴的线路205中的燃料。固体燃料源204可以包括未例示但在本领域中理解的元件，诸如用于特定化固体燃料的一个或多个破碎机。来自线路205的燃料与来自线路203的氧化剂在燃烧器210中燃烧，以形成以约909℃的温度且约68巴的压力在线路211中离开燃烧器的燃烧器排气。
线路211中的燃烧器排气被传送到混合器/反应器208，石灰石流(或其他硫洗涤材料)从石灰石源206借助线路207以约38℃的温度和约100巴的压力提供到该混合器/反应器。再次，石灰石源206可以包括未例示但在本领域中理解的元件，诸如用于特定化石灰石的一个或多个破碎机。由此，混合器/反应器208(可以被描述为洗涤反应器)定位在燃烧器210的下游，并且洗涤反应器被构造为接收燃烧器排气流的至少一部分和硫洗涤组分。
以约909℃的温度和约68巴的压力在线路213中离开石灰石混合器/反应器208的燃烧器排气被传送至过滤单元215，该过滤单元可以包括单个过滤器或多个不同的过滤器(例如，旋风过滤器和烛式过滤器中的一个或两个)。燃烧器排气中存在的固体(例如，燃料灰分和CaSO4)在过滤单元215中被去除，并且剩余的燃烧烟道气以约909℃的温度和约66巴的压力在线路217中离开过滤单元。线路217中的燃烧器烟道气穿过混合器218，在混合器中，烟道气与以下进行组合：来自线路253的温度约为427℃且压力约为97巴的再循环CO2以及来自气态燃料源290通过线路201的温度约为38℃且压力约为87巴的一定量的气态燃料(例如，甲烷或天然气)。添加的气态燃料可用于确保燃烧器烟道气中任何残留的氧化剂完全反应。这种反应可以在混合器218和/或线路219中发生。如图例示，温度约为680℃且压力约为66巴的线路219中的燃烧器烟道气、气态燃料以及再循环CO2的混合物传到氧化反应器222，并且在燃烧器烟道气离开氧化反应器之前，可以大致完全实现所添加的气态燃料被任何剩余氧化剂氧化。
燃烧器烟道气以约714℃的温度和约66巴的压力在线路221中离开氧化反应器222，并且穿过涡轮机220，以在发电机225中发电，并且膨胀的燃烧器烟道气以约453℃的温度和约15巴的压力在线路223中离开涡轮机，作为涡轮机排气。涡轮机220可被称为第一涡轮机、主涡轮机或开环涡轮机。
在线路223中离开第一涡轮机220的膨胀的涡轮机排气穿过回热式换热器230，以冷却涡轮机排气并将热量提供给一个或多个另外流。冷却的涡轮机排气以约43℃的温度和约12巴的压力在线路233中离开回热式换热器230，并且传到水分离器235，以便净化涡轮机排气流中的CO2。水和任何携带的元素(例如，SOx、NOx和/或金属)以约18℃的温度和约11.5巴的压力通过线路237收回，并且大致纯CO2以约18℃的温度和约11.5巴的压力在线路239中离开水分离器235。线路239中的大致纯的CO2在第一压缩机240(可以称为开环或半闭环压缩机)中压缩，并且以约94℃的温度和约100巴的压力在线路243中离开。第一压缩机240可以是例如可以或不可以被中间冷却的多级压缩机(例如，至少具有压缩级)。线路239中的大致纯的CO2穿过第一分路器242，以在线路249中以约94℃的温度和约100巴的压力提供排放流并在线路247中以约94℃的温度和约100巴的压力提供再循环CO2流。
线路247中的再循环CO2通过返回穿过回热式换热器230而被加热，以作为线路248以约427℃的温度和约97巴的压力离开。线路247中的再循环CO2穿过第二分路器285，以在线路253中提供CO2流，以便输入到混合器218。线路251中的温度约为427℃且压力约为97巴的剩余再循环CO2被再循环回到燃烧器210中。如果期望，则线路251和/或线路248和/或线路247和/或线路243中的一部分再循环CO2可以收回并添加到线路205和/或线路207，以便用作传送介质，该传送介质用于促进线路205中的固体燃料的流动和/或线路207中的石灰石向混合器/反应器208的流动。同样，如果期望，则线路251和/或线路248和/或线路247和/或线路243中的一部分再循环CO2可以收回并添加到线路203和/或线路201，以便用作氧化剂的稀释剂。
在线路213中的燃烧器排气中存在的固体(例如，燃料灰分和CaSO4)在过滤单元215中去除，并且以约909℃的温度和约97巴的压力借助线路219从过滤单元215传送到固体冷却器260。固体以约6499℃的温度和约65.5巴的压力在线路261a中离开固体冷却器260，并且可以穿过线路261a，以便再循环回到燃烧器210。如图例示，线路261a中的固体穿过第二分路器264，以在固体产物线路262中以约649℃的温度和约65.5巴的压力提供排放固体流，并且提供以约649℃的温度和约65.5巴的压力穿过线路261b返回燃烧器210的再循环固体流。线路261a中的全部或部分固体可以借助固体产物线路262收回。同样，线路261a中的全部或部分固体可以在线路261b中再循环回到燃烧器。
在固体冷却器260中收回的热量用于在闭环发电系中加热。工作流体循环穿过线路263、267、271、281以及283，并且工作流体保持与从线路219穿过固体冷却器260的固体的物理接触隔离。具体地，线路247中的温度约为316℃且压力约为247巴的受热和压缩的工作流体(例如，大致纯CO2、水或CO2和水的混合物)穿过固体冷却器260，以便用从固体形式线路219收回的热量进一步加热。过热的工作流体流以约714℃的温度和约244巴的压力穿过线路263到达涡轮机265，以便用发电机285发电。涡轮机265可被称为第二涡轮机、二级涡轮机或闭环涡轮机。工作流体以约378℃的温度和约30巴的压力借助线路267离开第二涡轮机265，并且在回热式换热器230中冷却。另选地，第二单独的热交换器可以专门用作闭环热交换器。冷却的工作流体以约43℃的温度和约27巴的压力在线路271中离开回热式换热器230，并且传送到第二压缩机275(可以称为闭环压缩机)以被压缩。第二压缩机270可以是例如可以或可以不被中间冷却的多级压缩机(例如，至少具有压缩级)。
现在被压缩到期望压力的工作流体以约39℃的温度和约250巴的压力穿过线路281返回到回热式换热器230，并且受热的压缩工作流体借助线路283离开，以便返回穿过固体冷却器260。
示例：使用本文所述的系统对发电循环进行建模，以评估过程效率。建模考虑了以下参数并提供了如下表所示的操作值。
具有两个旋风分离器的流化床燃烧器(110、210)在约68巴的压力和约900℃的温度下操作。
固体冷却器(160、260)跨约900℃至约650℃的冷却范围操作，以从约315℃至约650℃的温度范围在约250巴的压力下(实际入口流量为4.6m3/s)预热闭环电力循环系中的CO2工作流体。
烛式过滤器(115、215)在约700℃的温度和约66巴的压力下(11m3/s的实际流量)操作。
非冷却涡轮膨胀器(120、220)在约700℃的温度下操作，并且使燃烧器烟道气跨约66巴至约15巴的压力范围(354kg/s的流量)膨胀。
回热式换热器以59976763.5btu/hr-R的UA和34.2的LMTD在约456℃和约250巴的压力下操作。
CO2工作流体压缩机/泵以212kg/s流量跨约11.5巴至约100巴的压缩范围操作。
闭环CO2工作流体膨胀器以1033kg/s的流量跨约246巴至约30巴的压力范围在约700℃的温度下操作。
热输入(MW LHV) 637
总功率(MW) 508.8
ASU用电量(MW) 70
压缩机/泵/其他用电量 116.6
净功率(MW) 322
效率 50.5％
本公开的主题关于的领域中的技术人员将想到本主题的许多修改和其他实施方式，这具有在前面描述和关联附图中呈现的示教的益处。因此，要理解，本公开不限于这里描述的具体实施方式，并且修改和其他实施方式旨在被包括在所附权利要求的范围内。虽然此处采用具体术语，但它们仅是在一般和描述意义上使用，而不是用于限制的目的。

Claims (27)

1.一种发电系统，该发电系统包括：
第一发电循环，该第一发电循环是开环或半闭环循环，所述第一发电循环包括：
燃烧器，该燃烧器被构造为在存在再循环CO2流的情况下燃烧固体燃料与氧化剂，并且输出燃烧器排气流；
至少一个发电构件，该至少一个发电构件被构造为接收所述燃烧器排气流的至少一部分、发电、以及输出涡轮机排气流；以及
一个或多个元件，该一个或多个元件被构造为将所述燃烧器排气流的至少一部分再循环回到所述燃烧器；和
第二发电循环，该第二发电循环是使用CO2作为工作流体的闭环循环，所述第二发电循环包括：
至少一个发电构件，该至少一个发电构件被构造为接收所述CO2工作流体并发电；
其中，所述发电系统包括至少一个加热构件，该至少一个加热构件被构造为从所述第二发电循环接收所述CO2工作流体，并且从所述第一发电循环生成的流向所述CO2工作流体传递热量。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述第一发电循环包括过滤单元，该过滤单元被构造为去除在所述燃烧器排气流中存在的任意固体的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其中，所述过滤单元包括旋风过滤器和烛式过滤器中的一种或两种。
4.根据权利要求2所述的发电系统，其中，所述过滤单元被构造为输出至少包含燃料灰分的固体流和至少包含CO2的燃烧烟道气流。
5.根据权利要求4所述的发电系统，其中，所述第一发电循环的所述至少一个发电构件被构造为接收来自所述过滤单元的所述燃烧烟道气流。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的发电系统，其中，所述第一发电循环包括第一热交换器，该第一热交换器被构造为从所述涡轮机排气流收回热量。
7.根据权利要求6所述的发电系统，还包括水分离器，该水分离器被构造为接收离开所述第一热交换器的所述涡轮机排气流并输出水流和CO2流。
8.根据权利要求7所述的发电系统，还包括被构造为对所述CO2流加压的压缩机和泵中的一种或两种。
9.根据权利要求8所述的发电系统，其中，所述第一热交换器包括被构造为接收所述涡轮机排气流的热输入、被构造为输出所述涡轮机排气流的冷输出、被构造为接收所述CO2流的冷输入以及被构造为输出所述CO2流以便再循环回所述燃烧器的热输出。
10.根据权利要求4所述的发电系统，其中，被构造为从所述第二发电循环接收所述CO2工作流体并从所述第一发电循环生成的流向所述CO2工作流体传递热量的所述至少一个加热构件是固体冷却器，该固体冷却器被构造为从所述过滤单元接收所述固体流。
11.根据权利要求10所述的发电系统，还包括再循环线路，该再循环线路被构造为将固体从所述固体冷却器再循环到所述第一发电循环的所述燃烧器。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的发电系统，其中，所述燃烧器包括被构造为使所述固体燃料与所述氧化剂燃烧的火焰区和被构造为接收硫洗涤组分的下游洗涤区。
13.根据权利要求1至11中任意一项所述的发电系统，其中，所述燃烧器包括固体燃料入口、氧化剂入口以及硫洗涤组分入口。
14.根据权利要求13所述的发电系统，其中，所述燃烧器还包括再循环CO2入口和再循环固体入口中的一种或两种。
15.根据权利要求1至11中任意一项所述的发电系统，其中，还包括在所述燃烧器下游的洗涤反应器，所述洗涤反应器被构造为接收所述燃烧器排气流的至少一部分和硫洗涤组分。
16.一种用于发电的方法，该方法包括：
在存在压缩的再循环CO2流的情况下，在燃烧器中使固体燃料与氧化剂燃烧，以形成燃烧器排气流；
在过滤单元中过滤燃烧器排气流，以从所述燃烧器排气流去除固体并提供燃烧器烟道气流；
使所述燃烧器烟道气流穿过第一涡轮机来发电，以提供涡轮机排气流；
处理所述涡轮机排气流，以将所述压缩的再循环CO2流提供给所述燃烧器；
将从所述燃烧器排气流去除的所述固体转移至加热构件；以及
使CO2工作流体循环穿过闭环循环，以使得所述CO2工作流体被压缩、被来自所述加热构件中的所述固体的热量加热、并且膨胀穿过第二涡轮机来发电。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述燃烧在约600℃至约1200℃的温度下进行。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述燃烧在高于环境压力且高达约70巴的压力下执行。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，执行所述燃烧，使得存在于所述燃烧器中的所述CO2没有处于超临界条件。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述燃烧在约80巴至约500巴的压力下执行。
21.根据权利要求16至20中任意一项所述的方法，其中，在所述过滤之前，所述方法还包括以下步骤：将硫洗涤组分添加到所述燃烧器排气流。
22.根据权利要求16至20中任意一项所述的方法，其中，在所述使所述燃烧器烟道气流穿过所述第一涡轮机之前，所述方法还包括将一定量的气态燃料添加到所述燃烧器烟道气流。
23.根据权利要求16至22中任意一项所述的方法，其中，所述处理所述涡轮机排气流以提供所述压缩的再循环CO2流包括：
在回热式换热器中冷却所述涡轮机排气流；
使来自所述回热式换热器的冷却的涡轮机排气流穿过水分离器，以输出水流和大致纯的CO2流；
将所述大致纯的CO2流压缩到适于输入到燃烧器的压力；以及
至少使用从冷却的涡轮机排气收回的热量在所述回热式换热器中加热所述大致纯的CO2流。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述压缩包括使用压缩机和泵中的一种或两种。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述涡轮机排气借助热输入传递到所述回热式换热器中，所述冷却的涡轮机排气流借助冷输出离开所述热交换器，所述大致纯的CO2流借助冷输入进入所述回热式换热器，并且所述大致纯的CO2流借助热输出离开所述回热式换热器，以便循环回到所述燃烧器。
26.根据权利要求16至25中任意一项所述的方法，其中，所述过滤单元包括旋风过滤器和烛式过滤器中的一种或两种。
27.根据权利要求16至26中任意一项所述的方法，其中，从所述燃烧器排气流去除并转移到所述加热构件的所述固体至少部分地再循环回到所述燃烧器。
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