CN112055775A - 利用二氧化碳工作流体的用于功率产生的系统和方法 - Google Patents

利用二氧化碳工作流体的用于功率产生的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及利用循环工作流体的用于功率产生的系统和方法。特别地，一部分循环工作流体可与循环工作流体的主流分离成为旁路流，该旁路流可被压缩以向系统添加热量。

Description

利用二氧化碳工作流体的用于功率产生的系统和方法
技术领域
本公开涉及利用二氧化碳工作流体的用于功率产生的系统和方法。
背景技术
在功率产生中将CO2(特别是超临界形式)用作工作流体已被证明是一种高效的功率产生的方法。参见例如授予Allam等人的第8,596,075号美国专利，其公开内容通过引用并入本文，该专利描述了直接加热的CO2工作流体在回热氧-燃料布雷顿循环功率产生系统中的使用，其中几乎没有任何气流排放到大气。为了提高处理效率，这样的系统和方法通常使用低于约400℃的温度的大量的热输入。这种附加的低温热输入已用于补偿在回热式热交换器中的传热过程中高压循环CO2流和低压涡轮机排气流在较低绝对温度下的比热比的快速增加。
例如，当考虑300巴的循环CO2压力和30巴的涡轮机排气压力时，回热式热交换器在700℃的热端的CO2的比热比为1.032，而在100℃的冷端附近的比热比为1.945。这一增加意味着涡轮机排气流在回热式热交换器的低温端不再具有足够的热量，以提供使总循环高压CO2流的温度升高所需的热量的约一半以上的热量，以及不再具有燃料气体燃烧所需的氧气。
如上所述，在过去已经使用各种添加热量的手段来补偿上述缺陷。然而，用于提供附加热量的已知方法具有各种缺点，包括需要大量的功率消耗，由于需要增加设备而导致成本增加以及工艺的复杂性增加。例如，已知的系统已经从空气分离装置向功率产生系统提供了附加的加热，但利用这种附加的加热源可能需要专门的控制，特别是在电力需求迅速变化时。因此，在本领域中仍然需要具有提高的效率的用于功率产生的其他系统和方法，特别是提供利用工作流体(例如二氧化碳)提供功率循环中可能需要的附加加热的方法的系统和方法。
发明内容
本公开涉及用于功率产生的系统和方法，其中，利用二氧化碳(CO2)工作流体。用作工作流体的CO2流是一种循环的CO2流，其被压缩，在反应器中利用燃烧(例如，碳氢燃料或其他燃料的燃烧)的热量被加热，膨胀以用于涡轮机中的功率产生，在回热式热交换器中被冷却，被净化(例如，通过除去水、过量的二氧化碳或其他材料)，然后通过在回热式热交换器中加热被压缩和循环。在一些实施例中，可存在于燃料中的氢和碳燃烧产生的液态水和高压CO2可作为功率循环的独立产物而提供。本发明的系统和方法可特别地针对与热交换系统的配置联接的CO2流压缩系统的配置进行定义，特别是在回热式热交换器的低温端。这些配置有利地可达到并超过在已知功率循环中可见的效率，而无需从气流的绝热压缩获得的外部提供的热量。
在一个或多个实施例中，回热式热交换器可具有第一热端部分。该热端部分可在一个功能长度上定义，该功能长度逐渐冷却，并延伸至涡轮机出口流(正被冷却)和循环的CO2流(正被加热)的温度大致相等的点——例如，两股流的温差在约2℃至约20℃的范围内。该点可被定义为回热式热交换器的“夹点(pinch point)”。回热式热交换器的该部分中的温差从定义的热端温差开始，但随高压循环CO2流和冷却涡轮机出口流的比热比在较低温度下增加而在热端部分的整个功能长度上变化。
回热式热交换器的第二部分从上述夹点延伸一工作长度，逐渐冷却并延伸至温度约等于涡轮机排气流的水露点(dew-point)的点。该点可被定义为回热式热交换器的“露点”。在实践中，燃烧反应器中使用的燃料气体可包含很大比例的氢气，在通过氧气燃烧时形成水。这样，可预期涡轮机排气包含约4摩尔％至约7摩尔％的水蒸气含量。在回热式热交换器的该第二温度部分中，高压循环CO2流相对于低压涡轮机排气的比热比快速增加。优选地，在该部分中，高压循环CO2流的流量被显著减少以维持正温差。优选地，该部分中的高压循环CO2流的流量减少至总循环高压CO2流的约40％至约70％的范围。在一些实施例中，加热的高压循环CO2流和冷却的涡轮机排气流之间的最大温差可在约2℃至约20℃的范围内。
回热式热交换器的第三部分从上述露点横跨功能长度延伸，逐渐冷却并延伸至热交换器的冷端。冷却涡轮机排气的水蒸气含量(例如，通过燃料气体中存在的氢气的燃烧获得的水)以实现其冷凝释放了大量的热量，这些热量提供了将总循环CO2流(以及燃烧所需的氧气)加热至接近于回热式热交换器的涡轮机排气露点下的温度的温度(例如，加热至在约2℃至约20℃的范围内的温差)所需的能量。在实践中，涡轮机排气的流含量的至少80％至95％将在回热式热交换器的第三部分中冷凝，从而提供足够的附加热量，以允许在第三部分中加热总循环CO2流和氧气流。在回热式热交换器的第三部分中，由于高压CO2流相对于低压主CO2涡轮机排气流的比热值之比的增加，温差将在该部分中首先随着涡轮机排气的冷却以及大部分水蒸气的冷凝而增加，然后在回热式热交换器的冷端减小至在2℃至20℃的范围内的定义的夹点温差。
回热式热交换器的最佳设计的要求还可限定基于CO2循环压缩机系统配置的可行方案以及回热式热交换器的第二部分和第三部分的设计的要求。
循环CO2流的总流量加燃烧所需的氧气流均在回热式热交换器的第三最低温度的第三部分中被加热至接近涡轮机排气流的露点的温度。在一些实施例中，此时，从热交换器中除去循环CO2流的约30％至约50％，留下总CO2循环流的约50％至约70％加可选地在回热式热交换器的第二部分中加热的氧气。提取总加热CO2流的一部分确保了在第二部分中加热的高压循环CO2和氧气的剩余流量足以在回热式热交换器的该部分中维持定义的正的最小温差。在一些实施例中，提取的CO2流可包含氧气流的至少一部分。
为了便于回热式热交换器的最佳运行，特别有利的是，增加在第二部分和第三部分之间从回热式热交换器中除去的一部分循环CO2流和氧气流的温度，并使这些流在对应于循环CO2流的温度加夹点处的氧气流温度下返回到回热式热交换器的第一部分和第二部分之间，该夹点定义了回热式热交换器的第一部分的涡轮机出口点。为了实现这一温度增加，有用的是将循环CO2流的总流量和氧气流压缩至涡轮机入口压力，并绝热地压缩这些流，以使压缩机出口处于与进入回热式热交换器的一部分的循环CO2流和氧气流的入口温度相对应的所需的更高温度下。在第三部分和第二部分的接合处从回热式热交换器中除去的高压循环CO2流的总流量和可选地氧气流可处于接近并低于涡轮机排气露点的温度。由于定义了旁路压缩机级的排出压力和入口温度，这可限定旁路压缩机的入口压力，其可在约80巴至约140巴的范围内，优选地在约95巴至约115巴的范围内。该流在绝热外部压缩机级中被压缩至涡轮机入口压力。旁路压缩机可以是单级高效绝热压缩机级，其可被结合作为循环CO2压缩系统的一部分。该热的CO2压缩级的出口温度将与在回热式热交换器的第二部分中已被加热的高压循环CO2流和至少一部分氧气流的温度大致相同。可选地，在回热式热交换器的单独通道中进入第三部分之前，燃料的燃烧所需的氧气可与旁路CO2流混合。压缩的旁路CO2+O2流在与高压循环CO2分开的通道中通过回热式热交换器的第一部分。可替代地，旁路流可以是不添加O2的循环CO2流的一部分，在这种情况下，可在第一回热器级的入口点处以一致的温度将旁路流添加到循环高压CO2流。
本公开的系统和方法有利地可表现出至少与利用循环二氧化碳工作流体流的现有技术系统一样高的整体效率，包括利用来自低温O2装置中的绝热压缩空气或来自循环CO2流的绝热压缩部分的间接热传递而从外部提供热量的系统。本系统和方法提供的优点包括至少消除了所有的需要绝热CO2循环和低温氧气装置空气压缩的热传递系统以及相关的高压热交换器。这可显著地节省成本，简化装置布局，以及简化控制系统。此外，本系统和方法可允许将低温空气分离装置功率需求降低15％至20％，并且具有其标准空气压缩机的空气分离装置的投资成本将低得多。同样，可简化CO2压缩机组。通过消除绝热压缩机气体冷却器及其所有管道和其他系统，利用本文所述的系统和方法的商业装置的总成本可显著降低，并且场地布局的面积和复杂性将显著降低。这将对整个电力系统效率产生积极影响，并显著降低发电成本。
在一个或多个实施例中，本公开可具体地涉及一种功率产生的方法。该方法可至少包括以下步骤：将压力为约200巴至约500巴的高压循环CO2流输送至燃烧器中，并将所述高压CO2流与源于烃燃料在氧化剂流中燃烧的燃烧产物混合，以产生温度为约700℃至约1600℃的混合气流；在功率产生涡轮机中使混合气流膨胀至约1巴至约50巴的压力，以形成膨胀的混合气流；通过将热量传递到传送到燃烧器的循环的CO2流，使膨胀的混合气流在回热式热交换器中冷却，以形成冷却的混合气流；从冷却的混合气流中分离出水并形成循环CO2流；在压缩机中将循环CO2流压缩至约65巴至约90巴的压力；使压缩的循环CO2流冷却，以提供比重高于约0.5的冷却的高密度的近环境温度的CO2流；收回旁路CO2流并在单独级中将该流压缩至约80巴至约140巴、优选地约95巴至约115巴的压力；将剩余的循环CO2流进一步压缩至约200巴至约500巴的压力以形成高压循环CO2流；将高压循环CO2流和旁路CO2流输送至回热式热交换器中；在热交换器的旁路部分的上游，从热交换器中收回旁路CO2流，在绝热旁路CO2压缩机中将旁路CO2流压缩至约200巴至约500巴的压力，并在热交换器的旁路部分的下游，将如此加热的旁路CO2流与回热式热交换器中的循环CO2流合并以形成高压循环CO2流；以及将高压循环CO2流循环至燃烧器。在其他实施例中，可针对以下陈述中的任何一个或多个来定义该方法，这些陈述可以以任何的数量和顺序组合。
旁路CO2的量足以在回热式热交换器的旁路部分中产生约2℃至20℃的正的最小温差。
选择旁路压缩机的入口流和旁路压缩机的出口流的温度，以在回热式热交换器的旁路部分中给出为约2℃至20℃的正的最小温差。
旁路压缩机的入口压力为约80巴至约140巴。
该方法还包括将来自空气分离装置的氧气流与一部分高压循环CO2流混合以形成氧化剂流。
该方法还包括将来自空气分离装置的氧气流与旁路CO2流混合以形成氧化剂流。
该方法还包括将氧化剂流通过回热式热交换器在单独的通道中输送至高压循环CO2流。
总循环CO2流通过循环压缩机后冷却器，当其密度增加到至少0.5Kg/L时，在该冷却器中将其冷却至近环境温度。
将冷却的总循环CO2流分成多个单独的流。
在多级泵中将来自循环CO2流的第一分流压缩至涡轮机入口压力，并在回热式热交换器中进行加热。
将来自循环CO2流的第二分流与氧气流混合以形成具有约20％至约30摩尔％的氧气和约80摩尔％至约70摩尔％的CO2的氧化剂流，可选地压缩至涡轮机入口压力，然后输送以通过回热式热交换器进行加热。
在多级泵中将第三分流压缩至约80巴至约140巴的压力，并在回热式热交换器的第三级中进行加热，并且在约2℃至20℃的接近涡轮机排出流的温度下在回热式热交换器的第二部分和第三部分之间的接合处将其除去。第三分流在绝热压缩机中被绝热压缩至涡轮机入口压力，绝热压缩机的排出压力等于涡轮机入口系统压力，并且在冷却涡轮机排气流和加热循环CO2流之间的温差为约2℃至20℃的点处，第三分流在第一部分和第二部分之间被再次插入到回热式热交换器中。
将第三CO2分流与氧气流混合以形成具有约10摩尔％至约20摩尔％的氧浓度的氧化剂流，从而同时形成氧化剂流和旁路流。
使用单个旁路压缩机将氧气与循环CO2流混合以形成总氧化剂流，并且其中，以下条件中的一个或多个适用：
以至少0.5Kg/L的密度离开后冷却器的总CO2循环压缩机排出流量被分成两部分；
第一部分在多级泵中被压缩至涡轮机入口系统压力，并在回热式热交换器中加热；
在多级泵中已被压缩至旁路压缩机入口压力的第二部分在进入回热式热交换器的第三部分之前，针对来自循环CO2压缩机的压缩热量在热交换器中被加热；
氧气流与旁路CO2流混合形成氧化剂流，该氧化剂流进入回热式热交换器的第三部分；
调节进入回热式热交换器的第三部分的氧化剂流的温度，以使回热式热交换器的冷端温差最小；
氧化剂流的O2浓度为10摩尔％至20摩尔％。
氧化剂流在第二部分和第三部分之间离开回热式热交换器，其中，冷却涡轮机排出流和加热流之间的温差为约2℃至20℃；
氧化剂流被绝热压缩，并再次在第二部分和第三部分之间进入回热式热交换器，其中，冷却涡轮机排出流和加热流之间的温差为约2℃至20℃。
离开回热式热交换器的第二部分的涡轮机排出流处于其水露点。
在一个或多个实施例中，在离开直接接触式冷却器的涡轮机排出和进入回热式热交换器的高压循环CO2流之间的压力下，由燃料中所含的碳燃烧形成的产物CO2作为压缩的气态或超临界产物而产生。
本发明包括但不限于以下实施例：
实施例1：一种功率产生的方法，包括：在存在压力为约100巴至约500巴的循环CO2流的情况下，在燃烧器中利用氧化剂流使燃料燃烧以形成燃烧流；在涡轮机中使燃烧流膨胀至较低压力以产生功率并形成涡轮机排气流；在具有在不同温度范围运行的多个部分的热交换器中使涡轮机排气流冷却；净化涡轮机排气以形成基本纯净的CO2流；将基本纯净的CO2流分离为第一部分和第二部分；使基本纯净的CO2流的第一部分和第二部分泵送至增加的压力；使基本纯净的CO2流的第一部分和第二部分独立地输送通过热交换器以提高其温度；将基本纯净的CO2流的第一部分输入至燃烧器成为循环CO2流；将基本纯净的CO2流的第二部分输送至燃烧器；其中，基本纯净的CO2流的第二部分通过以下方式绕过热交换器的多个部分中的至少一个部分：在热交换器的多个部分中的至少一个部分的上游，收回基本纯净的CO2流的第二部分；在压缩机中处理基本纯净的CO2流的第二部分，以增加基本纯净的CO2流的第二部分的压力和温度，并且从而形成基本纯净的CO2流的旁路部分；以及在热交换器的多个部分中的至少一个部分的下游，使基本纯净的CO2流的旁路部分进入热交换器。
实施例2：根据前述任一实施例所述的方法，其中，在分离为第一部分和第二部分之前，通过多级压缩机处理基本纯净的CO2流。
实施例3：根据前述任一实施例所述的方法，其中，所述热交换器包括至少第一部分、第二部分和第三部分，第一部分、第二部分和第三部分分别在连续较低的温度范围下运行。
实施例4：根据前述任一实施例所述的方法，其中，基本纯净的CO2流的第二部分绕过热交换器的第二部分并且在热交换器的第一部分和第三部分中被加热。
实施例5：根据前述任一实施例所述的方法，其中，在热交换器的多个部分中的至少一个部分的下游，基本纯净的CO2流的旁路部分通过与基本纯净的CO2流的第一部分合并而进入热交换器中。
实施例6：根据前述任一实施例所述的方法，其中，将基本纯净的CO2流的第一部分分开以形成基本纯净的CO2流的第三部分，并且其中，将基本纯净的CO2流的第三部分与氧气流合并以形成氧化剂流。
实施例7：根据前述任一实施例所述的方法，其中，在基本纯净的CO2流的第二部分绕过热交换器的多个部分中的至少一个部分之前，将基本纯净的CO2流的第二部分与氧气流合并，使得基本纯净的CO2流的旁路部分作为氧化剂流离开热交换器。
实施例8：根据前述任一实施例所述的方法，其中，在将基本纯净的CO2流的第二部分与氧气流合并之后，但是在基本纯净的CO2流的第二部分输送通过热交换器之前，将包括合并的氧气流的基本纯净的CO2的第二部分流在热交换器中加热。
实施例9：根据前述任一实施例所述的方法，其中，满足以下条件中的一个或多个：燃烧流处于约700℃至约1600℃的温度；涡轮机排气流处于约1巴至约50巴的压力；所述净化包括从涡轮机排气流中分离水；在所述泵送之前，在多级压缩机中将基本纯净的CO2流压缩至约65巴至约90巴的压力；将基本纯净的CO2流的第一部分泵送至约100巴至约500巴的压力；将基本纯净的CO2流的第二部分泵送至约80巴至约140巴的压力；在压缩机中处理基本纯净的CO2流的第二部分包括将压力增加至约200巴至约500巴。
实施例10：根据前述任一实施例所述的方法，其中，绕过热交换器的多个部分中的至少一个部分的基本纯净的CO2流的第二部分的量足以在热交换器的至少一个部分中给出约2℃至20℃的正的最小温差。
实施例11：根据前述任一实施例所述的方法，其中，在热交换器的多个部分的至少一个部分中的上游的基本纯净的CO2流的第二部分和在热交换器的多个部分中的至少一个部分的下游进入热交换器的基本纯净的CO2流的旁路部分具有各自的温度，所述温度被配置为在热交换器的至少一个部分中提供约2℃至约20℃的正的最小温差。
实施例12：根据前述任一实施例所述的方法，其中，处理基本纯净的CO2流的第二部分的压缩机具有约65巴至约260巴的入口压力。
实施例13：根据前述任一实施例所述的方法，还包括将来自空气分离装置的氧气流与基本纯净的CO2流的第一部分和第二部分之一混合以形成氧化剂流。
实施例14：一种功率产生系统，包括：燃烧器，其被配置为接收多个流并且具有出口；涡轮机，其具有与燃烧器的出口流体连接的入口并且具有出口；发电机，其被配置用于产生电力并且与涡轮机发电连接；热交换器，其包括第一部分、第二部分和最后部分，每个部分具有多个入口和出口，每个部分被配置用于在不同的温度范围运行，其中，第一部分具有与涡轮机流体连接的入口和出口；分离器，其与热交换器的最后部分的出口流体连接，并且具有用于输出基本纯净的CO2流的出口；分割器，其被配置用于将基本纯净的CO2流分成第一部分和第二部分；第一泵，其被配置为接收基本纯净的CO2流的第一部分并增加其压力，该第一泵具有与热交换器的最后部分的第一入口流体连接的出口；第二泵，其被配置为接收基本纯净的CO2流的第二部分并增加其压力，该第二泵具有与热交换器的最后部分的第二入口流体连接的出口；旁路压缩机，其具有与热交换器的最后部分的出口流体连接的入口，该入口被配置为接收基本纯净的CO2流的第二部分，并且旁路压缩机具有与热交换器的第一部分上的入口流体连接的出口，使得基本纯净的CO2流的第二部分被配置为绕过热交换器的第二部分。
附图说明
图1是需要从外部热源添加热量的功率循环的流程图；
图2是根据本公开的实施例的功率循环的流程图，其中，循环CO2流的一部分绕过具有压缩旁路的至少一个回热式加热级；以及
图3是根据本公开的另外的实施例的功率循环的流程图，其中，循环CO2流的一部分绕过具有压缩旁路的至少一个回热式加热级。
具体实施方式
现将在下文中参考本主题的示例性实施例更全面地描述本主题。这些示例性实施例被描述以使得本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本主题的范围。实际上，本主题能够以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。如说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”、“该”包括复数个指示物，除非上下文另外明确指出。
本公开涉及利用循环CO2流作为工作流体的用于功率产生的系统和方法。在美国专利No.5,426,200号、美国专利No.8,596,075、美国专利No.8,776,532、美国专利No.8,869,889、美国专利No.8,959,887、美国专利No.8,986,002、美国专利No.9,062,608、美国专利No.9,068,743、美国专利No.9,410,481、美国专利No.9,416,728、美国专利公开号2010/0300063、美国专利公开号2012/0067054、美国专利公开号2012/0237881和美国专利公开号2013/0213049中描述了根据本公开的可包括在功率产生装置(及其操作方法)中的元件的非限制性示例，上述专利的公开内容通过引用并入本文。
图1中示出了已知的高效功率产生循环。如其中所示，304巴的CO2流7在多股流热交换器1中被加热至700℃。CO2流7进入燃烧器2，在燃烧器2中，CO2流7与由甲烷流12的燃烧产生的燃烧产物混合，甲烷流12在由电动机6驱动的氧化剂流8中燃烧的压缩机5中被压缩至约304巴的压力和约251℃的温度，氧化剂流8具有约25摩尔％的氧气和75摩尔％的CO2和约304巴的压力。产生的混合流10在约1150℃和约300巴下进入驱动发电机4的涡轮机3，并膨胀至约30巴和约720℃，作为流9离开。30巴的流在热交换器1中间冷却，将热量传递至高压CO2循环流7，并在约65℃的温度下作为流13离开。它在具有填充部分14和循环水部分的直接接触式水冷却器15被进一步冷却，循环水部分包括泵16和间接水冷式热交换器17，间接水冷式热交换器17将水流19、20和21引导至填充部分的顶部。从填充塔15的底部除去在CH4燃烧器流中产生的过量液态水18。冷却的CO2流22被分离，并且主部分24进入两级中间冷却CO2压缩机，该两级中间冷却CO2压缩机包括第一级压缩机59、第二级压缩机25和中间冷却器60，主部分24在两级中间冷却CO2压缩机中被压缩至约67.5巴。涡轮机需要从热交换器1中的适当点处的加热循环高压CO2流中提取的冷却和密封气体高压CO2流89。
所示的功率循环要求在低于400℃的温度水平下将大量外部产生的热量提供给高压CO2流。该热量来自提供压缩热量的两个来源。第一个是来自低温空气分离装置主进料空气压缩机40的5.7巴且226℃的绝热压缩空气流42，压缩机40接收空气流39并由电动机41驱动。第二个是从热交换器1获取的一部分CO2 35，该部分CO2 35的温度为135℃，并在压缩机36中被绝热压缩至68巴，以产生226℃的流37。这两股流通过热交换器34，它们在热交换器34中将304巴的CO2流31从50℃加热至221℃。冷却的CO2流38和CO2循环压缩机排出流62合并以形成总的CO2流27，该总的CO2流27在冷却水热交换器26中被冷却以产生19.7℃的产物流28。这种高密度的CO2超临界流体流在多级泵29中被压缩至305巴。50℃的排出流30分为主部分32和次流31，主部分32进入回热式热交换器1，次流31在热交换器34中相对于冷却绝热压缩流37和42被加热至221℃，从而产生流33，该流33在其相应的温度下与热交换器1中的主高压CO2流重新汇合。56℃的冷却空气流43进入低温空气分离系统。其包括空气冷却和净化单元44，该单元44具有直接接触式空气冷却器、冷水机和切换双床热再生吸附单元，该吸附单元在5.6巴和12℃下输送干燥的、不含CO2的空气流。该空气流45的一部分在压缩机46中被压缩至70巴，并且总的空气流48和47进入泵送的液氧循环空气分离低温系统49。来自空气分离器的产物是废氮气流60和30巴的产物氧气流50，该产物氧气流50与CO2流63的冷却部分混合，离开直接接触式空气冷却器15以产生氧化剂流51。其在由电动机53驱动的CO2/O2压缩机52中被压缩至304巴，并且150巴压力的排出流55在水冷式热交换器54中被冷却至20℃，在水冷式热交换器54中形成具有约25摩尔％的O2和约75摩尔％的CO2组成的高密度超临界流体流56。该超临界流56在多级泵57中被加压至305巴。所得到的氧化剂流58在热交换器1中被加热至700℃成为流8离开以进入燃烧器2。通过存在于燃料气体进料流11中的碳的燃烧而形成的净CO2产物流61作为流61从冷却的涡轮机排气流23中被除去。
在上述循环中，总循环高压CO2流的大部分31利用涡轮机排气流的附加热源来加热，以便在回热式热交换器1的热端和冷端实现低温差，这是高循环效率的关键。在这种情况下，流31为总循环高压CO2流的37％。然而，本公开的系统和方法能够有益地减小或消除对外部提供的热源的需求。准确地说，根据本公开的实施例，可通过以下来提供一部分高压循环CO2流的必要加热：利用从绕过回热式热交换器1的一部分的高压循环CO2流的绝热压缩直接获得的热量输入，并指定回热式热交换器中的最佳流量和温度组合。
针对图2示出了根据本公开的功率循环的实施例。所示的循环利用低温空气分离装置在约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)的压力下产生氧气产物流150。本公开的过程能够消除对旁路高压循环CO2加热器(例如，图1中的元件34)和热CO2压缩级(例如，图1中的元件36)以及绝热压缩级的需求。此外，本公开的过程可包括热循环CO2压缩机136，该压缩机136对绕过回热式热交换器100的中间部分的循环高压CO2流的一部分进行压缩和加热。
更具体地参照图2，约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)的CO2流107在具有第一部分100-1、第二部分100-2和第三部分100-3(但应当理解，在一个或多个实施例中可使用更多或更少数量的部分)的多股流热交换器100中被加热至约700℃(例如，至少600℃、至少625℃或至少650℃，诸如约625℃至约900℃、约650℃至约850℃或约675℃至约800℃)。CO2流107进入燃烧器102，在燃烧器102中与由甲烷流112产生的燃烧产物混合，甲烷流12在由电动机106驱动的氧化剂流108中燃烧的压缩机105中被压缩至约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)和约251℃(例如，至少200℃、至少215℃或至少225℃，诸如约215℃至约375℃、约225℃至约325℃、或约235℃至约300℃)，氧化剂流108具有约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)的压力。氧化剂流108至少包括氧气，并且优选地可包括用CO2稀释的氧气，例如具有约10％的氧气和约90％的CO2至约40％的氧气和约60％的CO2的摩尔组成，优选地具有约25摩尔％的氧气和约75摩尔％的CO2的示例性组成。所得到的混合流110在约1150℃(例如，高达约1600℃、高达约1500℃或高达约1400℃，诸如约800℃至约1600℃、约900℃至约1500℃、或约1000℃至约1400℃)和约300巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)下进入涡轮机103(驱动发电机104)，并膨胀至约30巴(例如，小于65巴、小于60巴或小于50巴，诸如约1巴至约60巴、约15巴至约50巴、或约20巴至约40巴)和约720℃(例如，小于850℃、小于800℃或小于775℃，诸如约400℃至约1000℃、约500℃至约900℃、或约600℃至约800℃)，作为流109离开。在其他实施例中，涡轮机103的入口温度可高达涡轮机所允许的最大运行温度。在一个或多个实施例中，可在已知涡轮机多变效率的情况下限定涡轮机出口压力。涡轮机可利用从热交换器100中的适当点处的加热循环高压CO2流中提取的冷却高压CO2流189。
流109在热交换器100中间冷却，将热量传递至高压CO2循环流107，并在约56℃(例如，小于90℃、小于80℃或小于70℃，诸如约30℃至约85℃、约35℃至约80℃或约40℃至约70℃)的温度下作为流113离开。流113在具有填充部分114和循环水部分的直接接触式水冷却器115中被进一步冷却，循环水部分包括泵116和间接水冷式热交换器17，间接水冷式热交换器17将水流119、120和121引导至填充部分的顶部。从填充塔115的底部除去在CH4燃烧器中产生的过量液态水流118。冷却的CO2流122进入两级中间冷却CO2压缩机，该两级中间冷却CO2压缩机包括第一压缩机级159、第二压缩机级125和中间冷却器163，冷却的CO2流122在两级中间冷却CO2压缩机中被压缩至约65巴(例如，至少40巴、至少45巴或至少50巴，诸如约45巴至约95巴、约50巴至约80巴、或约55巴至约70巴)。总出口流162在水冷却的热交换器126中被冷却至约20℃(例如，约10℃至约30℃、约12℃至约28℃或约15℃至约25℃)。因此，较冷的出口流128的密度增加至约0.8kg/L(例如，约0.5kg/L至约1.5kg/L，或约0.6kg/L至约1.2kg/L)。出口CO2流128分成两股流。此时，旁路CO2流138a被除去并进入多级泵127，在多级泵127中，其压力增加至约110巴(例如，约60巴至约200巴、约70巴至约190巴，或约80巴至约180巴)并作为旁路流138b离开。剩余流160进入多级泵129，在多级泵129中，其压力增加至约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)。排出流161分成主高压CO2循环流130，其进入回热式热交换器100以被加热至约700℃(例如，约400℃至约1000℃、约500℃至约900℃，或约600℃至约800℃)，作为流107离开进入燃烧器102。次流132与氧气流150混合以形成氧化剂流158。在压力下从烃燃料流111中存在的碳去除产物CO2流，成为从旁路流138b获取的流170离开旁路泵127。
该过程所需的氧气在低温空气分离装置中以约99.5摩尔％或更高的纯度生成。进料空气流139进入由电动机141驱动的中间冷却多级空气压缩机140。压力通常为5.7巴(例如，至少2巴、至少3巴或至少4巴，诸如约2巴至约15巴、约3巴至约12巴、或约4巴至约10巴)的排出流142进入空气冷却和净化单元144，该单元包括直接接触式空气冷却器、冷水机和切换双床热再生吸附单元，该吸附单元在约5.5巴(例如，约2巴至约15巴、约3巴至约12巴，或约4巴至约10巴)和12℃(例如，约1℃至约20℃、约2℃至约18℃，或约5℃至约15℃)下输送干燥的、基本不含CO2的空气流。该空气流145的一部分在由电动机或其他装置131驱动的压缩机146中被压缩至100巴(例如，约30巴至约200巴、约50巴至约180巴，或约70巴至约150巴)，并且总的空气流148和147进入泵送的液氧循环空气分离低温系统149。来自空气分离器的产物是废氮气流160(可排放到大气)和约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)的产物氧气流150。该流与高压CO2流的一部分132混合，离开超临界CO2泵129以形成氧化剂流158。氧化剂流158优选地包括用CO2稀释的氧气，例如具有约10％的氧气和约90％的CO2至约40％的氧气和约60％的CO2的摩尔组成，优选地具有约25摩尔％的O2加约75摩尔％的CO2的示例性组成。氧化剂流在回热式热交换器100中被加热至约700℃(例如，约400℃至约1000℃、约500℃至约900℃，或约600℃至约800℃)，作为进入燃烧器102的流108离开。应注意，燃烧器通常将被结合在涡轮机103内。
涡轮机排气流包含水蒸气，在这种情况下，水蒸气来自纯甲烷燃料的氢气馏分的燃烧。这导致涡轮机排气流中的H2O含量为约6.0摩尔％(例如，约2.0摩尔％至约10.0摩尔％、约3.0摩尔％至约9.0摩尔％，或约4.0摩尔％至约8.0摩尔％)。该流的露点为约111℃。
为了清楚地定义回热式热交换器100的最佳设计，方便的是将其分成三个部分。最热的第一部分100-1将涡轮机排气109从720℃的入口温度冷却至约212℃(例如，约150℃至约300℃、约170℃至约275℃，或约190℃到约250℃)的温度，此时，相对于30巴的涡轮机排气流，约303巴的高压循环CO2流的比热增加，使得温差减小至约6℃(例如，约2℃至约20℃，约3℃至约15℃，或约4℃至约12℃)。中间部分100-2必须通过显著减少在该部分中加热的循环高压CO2流来维持正的最小温差。这是通过以下方式来实现的：使总循环高压CO2流135的限定量(例如，约20％至约50％、约25％至约45％，或约30％至约40％，诸如约36.5％)绕过部分100-2，并且在旁路流在部分100-1的较冷端作为入口流137重新进入回热式热交换器之前，将旁路流从约110℃的温度加热至约206℃(例如，约150℃至约250℃，约160℃至约240℃，或约180℃至约220℃)的温度，在部分100-1中，流137在相应的温度下与主高压循环CO2流重新汇合。旁路流138b在回热式热交换器部分100-3中被加热至约110℃(例如，约80℃至约140℃，约90℃至约130℃，或约100℃至约120℃)，作为流135离开。其在绝热压缩级136中从110巴被压缩至304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约250巴、或约200巴至约400巴)，作为流137离开，流137进入部分100-1和100-2之间的回热式热交换器，在该回热式热交换器中，其与主循环高压CO2流重新汇合。使用旁路CO2循环压缩级具有双重功能，即，提高循环CO2流的旁路部分的压力，以及将其温度升高至与离开回热式热交换器部分100-的热端的循环CO2相同的值。绝热压缩级136可被结合到包括循环CO2压缩机的级159和125的多级整体齿轮式涡轮压缩机中，该多级整体齿轮式涡轮压缩机可直接联接至涡轮机或者使用电动机单独地驱动。
在使用旁路压缩的情况下，其他过程变化是可行的，以实现功率循环的必要的最佳性能，而无需外部供应高压循环CO2流的低温加热。图3中示出了本过程配置的其他实施例。在根据图3的实施例中，低温空气分离装置在与旁路压缩机泵367的排出压力基本相似的压力下产生氧气产物流350。氧气产物流350的氧气纯度大于99％，优选地大于99.5％(摩尔)。所示过程优选地消除了通过与用于低温空气分离单元和热CO2压缩机的空气压缩机的冷却绝热压缩级所提供的高压循环CO2的间接热交换而提供的外部热量输入。也可取消旁路高压循环CO2加热器。可通过在绝热压缩机级336中对绕过回热式热交换器300的部分300-2的氧化剂流进行绝热压缩来提供使总发电厂效率所需的热量最大化的高压循环CO2流的热量输入。该绝热压缩机级336对绕过回热式热交换器300的中间部分或第二部分300-2的循环高压CO2流的一部分进行压缩和加热。该流还包括燃料在氧-燃料燃烧器中燃烧所需的全部纯氧气流。回热器热端温差和环境冷却方式(例如可用的冷却水温度)的变化将改变循环压缩机和CO2泵所需的入口温度和出口温度。回热式热交换器中的最佳运行条件由涡轮机入口温度和压力、涡轮机出口压力以及在回热式热交换器中规定的温差来确定。由于旁路压缩机的排出压力通常由所需的涡轮机入口压力固定，因此变量成为旁路压缩机入口压力，该压力由涡轮机排出流的露点并且因此由流311中使用的燃料气体的组分控制，并且该压力限定了旁路压缩级的入口温度和温升。限定旁路压缩机排出压力和温度以及入口温度限定了所需的旁路压缩机入口压力。来自气化过程的煤制燃料气体将包含高浓度的氢气，这将增加涡轮机排气的露点并提高旁路压缩机的入口压力。
旁路压缩机入口温度可由涡轮机排气流的露点以及冷却涡轮机排气流和在回热式热交换器的部分300-2和300-之间的界面处的高压加热流的温度之间的温差规格来确定。离开回热式热交换器的部分300-2和进入部分300-3的冷却涡轮机排气流通常将处于其露点，并且这限定了回热式热交换器的部分300-2和300-3之间的界面温度。旁路压缩机流338的CO2来自离开循环CO2压缩机后冷却器326的高密度超临界CO2流。这允许利用低功率要求的多级泵将高密度的旁路CO2流压缩至旁路压缩机所需的入口压力。功率循环以尽可能高的效率运行要求离开回热式热交换器的部分300-3的冷涡轮机排气流313处的温差以及进入回热式热交换器的部分300-3的循环高压CO2流330和旁路氧化剂流371的温度较低。这可通过调节进入部分300-3的旁路CO2流的温度来实现。为了实现这一点，在混合氧化剂旁路流363和回热式热交换器流371的部分300-3的入口之间包括用于旁路CO2流的加热器364是有益的。该加热器可利用来自循环压缩机组(图3中的359、360和325)的压缩的热量。应当注意，由于混合物中氧气的分压将远低于混合前的流350的压力，因此将所需的氧气流350混合到加热的旁路CO2流371中将导致温度下降。通过将氧气流350与离开泵367的流361混合，然后使用该流363来预冷却泵329的入口流366，可最佳地利用这种冷却来降低功耗。可替代地，部分冷却水可被进一步冷却并在直接接触式水冷却器循环热交换器中使用，以进一步降低循环压缩机流322的温度。在旁路压缩机入口压力下由低温空气分离装置产生的燃料气体燃烧所需的全部氧气流在旁路CO2加热器之前或之后与旁路压缩机CO2流混合。这使得旁路压缩机排出流在回热式热交换器300的部分300-1中通过单独通过而成为用于燃料燃烧的氧化剂流。在氧化剂流中，氧气的摩尔浓度通常在10％至20％之间。图3中示出了该过程的详细流程图。
约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)的CO2流307在多股流热交换器300中被加热至约695℃(例如，至少600℃、至少625℃或至少650℃，诸如约625℃至约900℃、约650℃至约850℃或约675℃至约800℃)。CO2流307进入燃烧器302，在燃烧器302中与从甲烷流312获得的燃烧产物混合，甲烷流312在由电动机306驱动的氧化剂流308中燃烧的压缩机305中被压缩至约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)和约251℃(例如，至少200℃、至少215℃或至少225℃，诸如约215℃至约375℃、约225℃至约325℃、或约235℃至约300℃)，氧化剂流308具有约14％的氧气的摩尔组成和约303巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)的压力。氧化剂流308例如可包括用CO2稀释的氧气，例如具有约10％的氧气和约90％的CO2至约40％的氧气和约60％的CO2的摩尔组成，优选地具有约25摩尔％的氧气和约75摩尔％的CO2的示例性组成。
所得到的混合流310进入驱动发电机304的涡轮机303，该混合流处于约1212℃(例如，高达约1600℃、高达约1500℃或高达约1400℃，诸如约800℃至约1600℃、约900℃至约1500℃、或约1000℃至约1400℃)和约300巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)，并膨胀至约20巴(例如，小于65巴、小于60巴或小于50巴，诸如约1巴至约60巴、约10巴至约50巴、或约15巴至约40巴)和约720℃(例如，小于850℃，小于800℃或小于775℃，诸如约400℃至约1000℃、约500℃到约900℃、或约600℃到约800℃)，作为流309离开。在其他实施例中，涡轮机303的入口温度可高达涡轮机所允许的最大运行温度。在一个或多个实施例中，可在已知涡轮机多变效率的情况下限定涡轮机出口压力。燃烧器302可被结合在涡轮机303的框架内，或者它可以是单独的单元。涡轮机可利用从热交换器300中的适当点处的加热循环高压CO2流中提取的冷却高压CO2流389。
20巴的流在热交换器300中间冷却，将热量传递至高压CO2循环流307和氧化剂流308，并在约74℃(例如，小于100℃，小于90℃或小于80℃，诸如约30℃至约95℃、约35℃至约90℃、或约40℃至约85℃)下以流313离开。它在具有填充部分314和循环水部分的直接接触式水冷却器315中利用可在25℃下可获得的冷却水被进一步冷却，循环水部分包括泵316和间接水冷式热交换器317。水流319、320和321流至填充部分的顶部。从填充塔315的底部除去在燃烧器302中产生的过量液态水，即，流318。
冷却的CO2流322进入两级中间冷却CO2压缩机，该两级中间冷却CO2压缩机包括第一级压缩机359、第二级压缩机325和中间冷却器360，冷却的CO2流322在两级中间冷却CO2压缩机中被压缩至约65巴(例如，至少40巴、至少45巴，或至少50巴，诸如约45巴至约95巴、约50巴至约80巴、或约55巴至约70巴)。离开最终级325的循环CO2流365在热交换器364中从约71℃的温度被冷却至约31℃(例如，约25℃至约50℃)的温度以提供流362，其之后通过水冷却热交换器326，在约17℃(例如，约10℃至约30℃、约12℃至约28℃，或约15℃至约25℃)的温度下产生循环CO2流328。出口CO2流328的密度现已增加至约0.82kg/L(例如，约0.5kg/L至约1.5kg/L，或约0.6kg/L至约1.2kg/L)。流328现分成两股流。主循环CO2流366在多级泵329中被升高至约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)的压力和约52℃(例如，约35℃至约80℃或约40℃至约60℃)。旁路压缩机CO2流338在多级泵367中被升高至约110巴(例如，约60巴至约200巴、约70巴至约190巴，或约80巴至约180巴)的压力和约25℃(例如，约20℃至约30℃)。然后，主循环CO2流330进入回热式热交换器300，在其中被加热至约700℃(例如，约400℃至约1000℃、约500℃至约900℃，或约600℃至约800℃)，作为流307离开。
约111巴(例如，约80巴至约140巴、约90巴至约130巴，或约100巴至约120巴)和约19℃(例如，约10℃至约30℃、约12℃至约28℃，或约15℃至约25℃)的基本纯净的氧气流350(例如，约99.5摩尔％的O2纯度)与离开泵367的旁路流361混合，以在约13℃(例如，约8℃至约20℃)的温度下产生氧化剂旁路物流363。处于旁路压缩机的入口所需压力的旁路氧化剂CO2流在热交换器364中被加热至约66℃(例如，约40℃至约90℃，或约50℃至约80℃)的温度，作为流371离开并进入回热式热交换器的部分300-3。净CO2产物流370来自在与氧气流350的混合点之前的约110巴(例如，约80巴至约140巴、约90巴至约130巴，或约100巴至约120巴)的流361。
空气分离装置具有进料空气流339，该进料空气流339进入由电动机341驱动的中间冷却多级空气压缩机340。通常在约5.7巴的压力下(例如，至少2巴、至少3巴或在至少4巴，诸如约2巴至约15巴、约3巴至约12巴、或约4巴至约10巴)的排出流342进入空气冷却和净化单元344，该单元344包括直接接触式空气冷却器、冷水机和切换双床热再生吸附单元，该吸附单元在约5.5巴(例如，约2巴至约15巴，约3巴至约12巴，或约4巴至约10巴)和12℃(例如，约1℃至约20℃、约2℃至约18℃，或约5℃至约15℃)下输送干燥的、基本不含CO2的空气流。该空气流345的一部分在也由电动机341驱动的压缩机346中被压缩至约86巴(例如，约30巴至约180巴、约50巴至约150巴，或约60巴至约120巴)，并且总的空气流348和347进入泵送的液氧循环空气分离低温系统349。来自空气分离器的产物是废氮气流369和111巴的产物氧流350。氧化剂流363包含例如约17.8摩尔％的O2。在一些实施例中，氧化剂流363可包括约10％的氧气和约90％的CO2至约40％的氧气和约60％的CO2的摩尔组成，优选地具有为约15％的O2和约85％的CO2至约25摩尔％的O2和约75摩尔％的CO2的示例性组成。涡轮机排气流包含水蒸气，在这种情况下，水蒸气来自纯甲烷燃料的氢气馏分的燃烧。这导致涡轮机排气流中的H2O含量为6.5摩尔％(例如约2.0摩尔％至约10.0摩尔％、约3.0摩尔％至约9.0摩尔％，或约4.0摩尔％至约8.0摩尔％)。该流的露点约为108℃。
为了清楚地定义回热式热交换器的最佳设计，将其分成三个部分很方便。最热的第一部分300-1将涡轮机排气从约720℃的入口温度冷却至约214℃(例如，约150℃至约300℃、约170℃至约275℃，或约190℃至约250℃)的温度，此时，相对于30巴的涡轮机排气流，约304巴的高压循环CO2流的比热增加，使得温差减小至约5℃(例如，约2℃至约20℃、约3℃至约15℃，或约4℃至约12℃)。中间部分300-2必须通过显著减少在该部分中加热的循环高压CO2流来维持正的最小温差。这是通过使包括总氧气和平衡CO2流量的流335绕过回热式热交换器的部分300-2来实现的。在示例性实施例中，部分300-2具有总高压循环CO2的64.9％的流量，以提供所需的正温差。在其他实施例中，部分300-2可具有总高压循环CO2的约50％至约80％、约55％至约75％、或约60％至约70％的流量。旁路氧化剂流在回热式热交换器部分300-3中被加热至约103℃(例如，约80℃至约140℃、约90℃至约130℃、或约100℃至约120℃)，作为流335离开。其在绝热压缩级336中从约109.5巴被压缩至约304巴(例如，至少100巴、至少250巴或至少300巴，诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴)，作为约303巴和约209℃的流337离开，在部分300-1和300-2之间进入回热式热交换器，在其中变成单独的加热流，作为氧化剂流308离开热交换器热端。使用旁路CO2氧化剂循环压缩级具有双重功能，即，提高循环氧化剂CO2流的旁路部分的压力，以及将其温度升高至与离开回热式热交换器部分300-2的热端的循环CO2相同的值。
从前述内容可以看出，本公开可提供能够以提高的效率实现功率产生的系统和方法，优选地，无需利用来自外部源的加热。相反，本系统和方法可被配置为允许通过使用旁路压缩机来附加加热循环CO2流和/或组合的氧气和循环CO2流。
在一个或多个实施例中，一种包括如上所述的处理步骤的功率产生方法可包括在存在处于适当增加的压力(例如至少100巴、至少250巴或至少300巴，或更特别地诸如约100巴至约500巴、约150巴至约450巴、或约200巴至约400巴的压力)下)的循环CO2流(107、307)的情况下，在燃烧器(102、302)中通过氧化剂流(108、308)使来自燃料源(111、311)的燃料(112、312)燃烧，以形成燃烧流(110、310)。燃烧流(110、310)可处于适当的高温，例如高达约1600℃、高达约1500℃或高达约1400℃，或更特别地诸如约700℃至约1600℃、约800℃至约1600℃、约900℃至约1500℃、或约1000℃至约1400℃。
可在涡轮机(103、303)中使燃烧流(110、310)膨胀至较低压力，以利用发电机(104、304)产生功率并形成涡轮机排气流(109、309)。在示例性实施例中，涡轮机排气流(109、309)的压力可小于65巴、小于60巴或小于50巴，诸如约1巴至约60巴、约1巴至约50巴、约10巴至约50巴、或约15巴至约40巴。同样，涡轮机排气流(109、309)的温度可小于850℃、小于800℃或小于775℃，诸如约400℃至约1000℃、约500℃至约900℃、或约600℃至约800℃。
可在具有在不同温度范围下运行的多个部分的回热式热交换器(100、300)中使涡轮机排气流(109、309)冷却。如图2和图3所示，热交换器(100、300)具有三个部分，这三个部分可被描述为第一热交换器部分(100-1、300-1)、第二热交换器部分(100-2、300-2)和第三热交换器部分或最后一个热交换器部分(100-3、300-3)。术语“最后一个热交换器部分”的使用表示可使用多于三个热交换器部分。如图所示，当在第一热交换器部分(100-1、300-1)和第二热交换器部分(100-2、300-2)和/或第二热交换器部分(100-2、300-2)和最后一个热交换器部分(100-3、300-3)之间包括一个或多个附加热交换器部分时，第三热交换器部分(100-3、300-3)作为最后一个热交换器部分运行。多个热交换器部分适于或被配置为在基本不同的温度范围下运行，应当理解，温度范围可重叠。以这种方式，涡轮机排气流(109、309)在通过热交换器的多个部分期间可被连续地冷却。同样地，如下文进一步所述，其他流可由于通过热交换器(100、300)的一个或多个部分而被连续地再次加热。
可净化离开热交换器的最后部分(100-3、300-3)的冷却的涡轮机排气流(113、313)以形成基本纯净的CO2流(122、322)。净化可特别地包括利用例如直接接触式水冷却器(115、315)和相关联的部件从涡轮机排气流中除去水，如上所述。以这种方式，在烃燃料(112、312)燃烧期间形成的水可与可能存在的其他污染物一起被除去，并且应当理解，可根据需要包括其他的净化部件以实现这种净化。
可将基本纯净的CO2流(122、322)分离为第一部分(160、366)和第二部分(138a，338)。如上所述，在这样分离成单独的部分之前，可使用利用冷却器进行中间冷却的多级压缩机(159/125、359/325)来压缩基本纯净的CO2流(122、322)。例如，可在多级压缩机中将基本纯净的CO2流压缩至约65巴至约90巴的压力。
可使用第一泵(129，329)将基本纯净的CO2流的第一部分泵送至增加的压力，并且可使用第二泵(127，367)将基本纯净的CO2流的第二部分泵送至增加的压力。第一泵和第二泵可被配置为在基本不同的压力范围下运行，并且这些范围可重叠。例如，第一泵(129、329)可被配置为将基本纯净的CO2流的第一部分泵送至适于输入燃烧器的压力(如上所述)。第二泵(127、367)可被配置为将基本纯净的CO2流的第二部分泵送至基本较低的压力，使得基本纯净的CO2流的第二部分可被用作旁路流(135/137、335/337)。这样，第二泵(127、367)可被配置为将基本纯净的CO2流的第二部分泵送成约60巴至约200巴、约70巴至约190巴、约80巴至约180巴或约80巴至约140巴的压力。
可使基本纯净的CO2流的第一部分和第二部分通过热交换器返回，以增加它们各自的温度。如上所述，基本纯净的CO2流的第一部分可处于适合输入燃烧器的压力，因此，第一部分可被视为循环CO2流。特别地，在热交换器中加热之后，第一部分可被视为循环CO2流(107、307)。因此，该方法可包括将基本纯净的CO2流的第一部分输送至燃烧器作为循环CO2流。
同样，可将基本纯净的CO2流的第二部分最终送回燃烧器中；然而，第二部分优选地被用作旁路流，以向在回热式热交换器中再次加热的一个或多个流提供附加的加热。
在一个或多个实施例中，基本纯净的CO2流的第二部分因此可绕过热交换器的多个部分中的至少一个部分。例如，这可通过进行以下操作来实现：在热交换器的多个部分中的至少一个部分的上游，收回基本纯净的CO2流的第二部分；在压缩机中处理基本纯净的CO2流的第二部分，以增加基本纯净的CO2流的第二部分的压力和温度，从而形成基本纯净的CO2流的旁路部分；以及在热交换器的多个部分中的至少一个部分的下游，使基本纯净的CO2流的旁路部分进入热交换器。参考图1和图3中的示例性实施例，旁路可包括使第二热交换器部分(100-2、300-2)旁路。更特别地，这可包括在管线135、335中收回离开最后一个热交换器部分(100-3、300-3)的热端处的出口从而处于第二热交换器部分的上游(相对于第二部分流的流动方向)的第二部分流。可在压缩机(136、336)中处理管线135、335中的基本纯净的CO2流的第二部分，该压缩机可以是绝热压缩机，从而增加基本纯净的CO2流的第二部分的压力和温度。这由此形成离开旁路压缩机(136、336)的基本纯净的CO2流的旁路部分(137、337)。然后，在第二热交换器部分(100-2、300-2)的下游，将旁路部分(137、337)输入回到热交换器中。例如，旁路部分可被直接输入到第一热交换器部分(100-1、300-1)中。可替代地，在第二热交换器部分(或被旁路的其他热交换器部分)的下游，可将旁路部分输入到通过热交换器(100、300)的再加热流。由此，这向再加热流提供了附加的加热以提高处理效率。旁路压缩机优选地被配置为将基本纯净的CO2流的第二部分(即，旁路部分)压缩至适于输入到燃烧器中的压力，诸如如上所述的范围。
在图2所示的示例性实施例中，通过与相对于通过热交换器的第一部分的流动处于第二热交换器部分100-2的下游的基本纯净的CO2流的第一部分(作为流130通过)合并，基本纯净的CO2流的旁路部分137进入热交换器100中。如图所示的流130是基本纯净的CO2流的第一部分，其在流132中分离出基本纯净的CO2流的第三部分之后仍然存在。可将基本纯净的CO2流的第三部分与氧气流合并以形成输送至燃烧器的氧化剂流(158和108)，并且如此形成的氧化剂流可具有如上所述的氧气/CO2比。
在图3所示的示例性实施例中，在基本纯净的CO2流的第二部分绕过热交换器的多个部分中的至少一个部分之前，可将基本纯净的CO2流的第二部分与氧气流合并。以这种方式，基本纯净的CO2流的旁路部分可作为氧化剂流离开热交换器。如图3所示，第二部分338作为流361离开泵367，并与氧气流350混合以形成流363，该流363可被加热以形成进入最后一个热交换器部分300-3的流371。优选地，在将基本纯净的CO2流的第二部分与氧气流合并之后但在基本纯净的CO2流的第二部分通过热交换器之前，将包括合并的氧气流的基本纯净的CO2流的第二部分在热交换器364中加热。
绕过热交换器的多个部分中的至少一个部分的基本纯净的CO2流的第二部分的量可被配置为在热交换器的旁路部分中提供期望的最小温差。例如，绕过至少一个部分的基本纯净的CO2流的第二部分的量可足以在旁路部分中给出约2℃至约20℃的正的最小温差。
在一些实施例中，进入旁路压缩机(136、336)的流(135、335)和离开旁路压缩机的流(137、337)的温度可在限定的范围内提供，该限定的范围被配置为在热交换器的旁路部分中提供期望的最小温差。例如，所述温度可被配置为在热交换器的旁路部分中提供约2℃至约20℃的正的最小温差。
同样，可以控制旁路压缩机的入口压力以提供期望的性能。例如，处理基本纯净的CO2流的第二部分的压缩机(即，旁路压缩机)可具有约65巴至约260巴的入口压力。
在一个或多个实施例中，本公开具体地提供了利用如本文所述的部件的组合的功率产生系统。在一个示例性实施例中，一种功率产生系统可包括：燃烧器，其被配置为接收多个流并且具有出口；涡轮机，其具有与燃烧器的出口流体连接的入口并且具有出口；发电机，其被配置用于产生电力并且与涡轮机发电连接；热交换器，包括第一部分、第二部分和最后部分，每个部分具有多个入口和多个出口，每个部分被配置为在不同的温度范围下运行，其中，第一部分具有与涡轮机流体连接的入口和出口；分离器，其与热交换器的最后部分的出口流体连接，并且具有用于输出基本纯净的CO2流的出口；分割器，其被配置为将基本纯净的CO2流分成第一部分和第二部分；第一泵，其被配置为接收基本纯净的CO2流的第一部分并增加其压力，第一泵具有与热交换器的最后部分的第一入口流体连接的出口；第二泵，其被配置为接收基本纯净的CO2流的第二部分并增加其压力，第二泵具有与热交换器的最后部分的第二入口流体连接的出口；以及旁路压缩机，其具有与热交换器的最后部分的出口流体连接的入口，该入口被配置为接收基本纯净的CO2流的第二部分，并且旁路压缩机具有与热交换器的第一部分上的入口流体连接的出口，使得基本纯净的CO2流的第二部分被配置为绕过热交换器的第二部分。
当然，前述内容不应被解释为对可用于形成根据本公开的功率产生系统的部件的组合的限制。优选地，根据本发明的功率产生系统至少包括旁路压缩机，该旁路压缩机适于或被配置为增加从回热式热交换器收回并在绕过热交换器的至少一个部分之后再次插入到热交换器中的再加热流的温度和压力。这样，功率产生系统优选地还包括回热式热交换器、功率产生涡轮机(和相关的发电机)以及任何其他可用于承载如本文另外描述的功率产生方法的压缩机、泵、热交换器、传输线路、燃烧器等。
下面示出了说明处理效率的本公开的示例性实施例。
示例1(根据图3的实施例)
Figure BDA0002749217100000261
Figure BDA0002749217100000271
示例2(根据图2的实施例)
涡轮机入口条件 1520℃和300巴
涡轮机冷却和密封气体流量 涡轮机出口流量的10％
涡轮机出口条件 707℃和4巴
涡轮机功率 904.4Mw
O<sub>2</sub>加CH<sub>4</sub>和CO<sub>2</sub>压缩的寄生功率 255.1Mw
净功率输出 649.3Mw
甲烷燃料电力 927.21Mw
进入热交换器Hx的304巴的循环CO<sub>2</sub> 3,131,657Kg/Hr
净效率 70.0％(LHV)
受益于前述说明书和相关附图中给出的教导，本主题所属领域的技术人员将想到本公开主题的许多修改和其他实施例。因此，应当理解，本公开不限于本文描述的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定术语，但它们仅在一般性和描述性的意义上使用，而非出于限制的目的。

Claims (14)

1.一种功率产生的方法，包括：
在存在压力为约100巴至约500巴的循环CO2流的情况下，在燃烧器中利用氧化剂流使燃料燃烧，以形成燃烧流；
在涡轮机中使所述燃烧流膨胀至较低压力，以产生功率并形成涡轮机排气流；
在具有在不同温度范围运行的多个部分的热交换器中使所述涡轮机排气流冷却；
净化所述涡轮机排气，以形成基本纯净的CO2流；
将所述基本纯净的CO2流分离为第一部分和第二部分；
使所述基本纯净的CO2流的第一部分和第二部分泵送至增加的压力；
使所述基本纯净的CO2流的第一部分和第二部分独立地输送通过所述热交换器，以提高其温度；
将所述基本纯净的CO2流的第一部分输送至所述燃烧器成为所述循环CO2流；以及
将所述基本纯净的CO2流的第二部分输送至所述燃烧器；
其中，所述基本纯净的CO2流的第二部分通过以下方式绕过所述热交换器的多个部分中的至少一个部分：
在所述热交换器的多个部分中的至少一个部分的上游，收回所述基本纯净的CO2流的第二部分；
在压缩机中处理所述基本纯净的CO2流的第二部分，以增加所述基本纯净的CO2流的第二部分的压力和温度，并且从而形成所述基本纯净的CO2流的旁路部分；以及
在所述热交换器的多个部分中的至少一个部分的下游，使所述基本纯净的CO2流的旁路部分进入所述热交换器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在分离为所述第一部分和所述第二部分之前，通过多级压缩机处理所述基本纯净的CO2流。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述热交换器包括至少第一部分、第二部分和第三部分，所述第一部分、第二部分和第三部分分别在连续较低的温度范围下运行。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述基本纯净的CO2流的第二部分绕过所述热交换器的第二部分并且在所述热交换器的第一部分和第三部分中被加热。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在所述热交换器的多个部分中的至少一个部分的下游，所述基本纯净的CO2流的旁路部分通过与所述基本纯净的CO2流的第一部分合并而进入所述热交换器中。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，将所述基本纯净的CO2流的第一部分分开以形成所述基本纯净的CO2流的第三部分，并且其中，将所述基本纯净的CO2流的第三部分与氧气流合并以形成所述氧化剂流。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在所述基本纯净的CO2流的第二部分绕过所述热交换器的多个部分中的至少一个部分之前，将所述基本纯净的CO2流的第二部分与氧气流合并，使得所述基本纯净的CO2流的旁路部分作为氧化剂流离开所述热交换器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在将所述基本纯净的CO2流的第二部分与氧气流合并之后，但是在所述基本纯净的CO2流的第二部分输送通过所述热交换器之前，将包括合并的氧气流的所述基本纯净的CO2的第二部分流在热交换器中加热。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，以下条件中的一个或多个被满足：
所述燃烧流处于约700℃至约1600℃的温度；
所述涡轮机排气流处于约1巴至约50巴的压力；
所述净化包括从所述涡轮机排气流分离水；
在所述泵送之前，在多级压缩机中将所述基本纯净的CO2流压缩至约65巴至约90巴的压力；
将所述基本纯净的CO2流的第一部分泵送至约100巴至约500巴的压力；
将所述基本纯净的CO2流的第二部分泵送至约80巴至约140巴的压力；
在压缩机中处理所述基本纯净的CO2流的第二部分包括将所述压力增加至约200巴至约500巴。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，绕过所述热交换器的多个部分中的至少一个部分的所述基本纯净的CO2流的第二部分的量足以在所述热交换器的所述至少一个部分中给出约2℃至20℃的正的最小温差。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，在所述热交换器的多个部分中的至少一个部分的上游的所述基本纯净的CO2流的第二部分和在所述热交换器的多个部分中的至少一个部分的下游进入所述热交换器的所述基本纯净的CO2流的旁路部分具有各自的温度，所述各自的温度被配置为在所述热交换器的所述至少一个部分中提供约2℃至约20℃的正的最小温差。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，处理所述基本纯净的CO2流的第二部分的所述压缩机具有为约65巴至约260巴的入口压力。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括将来自空气分离装置的氧气流与所述基本纯净的CO2流的第一部分和第二部分中的一个混合以形成所述氧化剂流。
14.一种功率产生系统，包括：
燃烧器，所述燃烧器被配置为接收多个流并且具有出口；
涡轮机，所述涡轮机具有与所述燃烧器的出口流体连接的入口并且具有出口；
发电机，所述发电机被配置用于产生电力并且与所述涡轮机发电连接；
热交换器，所述热交换器包括第一部分、第二部分和最后部分，每个部分具有多个入口和出口，每个部分被配置用于在不同的温度范围运行，其中，所述第一部分具有与所述涡轮机流体连接的入口和出口；
分离器，所述分离器与所述热交换器的最后部分的出口流体连接，并且具有用于输出基本纯净的CO2流的出口；
分割器，所述分割器被配置用于将所述基本纯净的CO2流分成第一部分和第二部分；
第一泵，所述第一泵被配置为接收所述基本纯净的CO2流的第一部分并增加其压力，所述第一泵具有与所述热交换器的最后部分的第一入口流体连接的出口；
第二泵，所述第二泵被配置为接收所述基本纯净的CO2流的第二部分并增加其压力，所述第二泵具有与所述热交换器的最后部分的第二入口流体连接的出口；
旁路压缩机，所述旁路压缩机具有与所述热交换器的最后部分的出口流体连接的入口，所述入口被配置为接收所述基本纯净的CO2流的第二部分，并且所述旁路压缩机具有与所述热交换器的第一部分上的入口流体连接的出口，使得所述基本纯净的CO2流的第二部分被配置为绕过所述热交换器的第二部分。
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