CN113891985B - 具有涡轮膜式o2源的改进的半封闭式循环 - Google Patents

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Abstract

公开了一种运行半封闭式循环的改进的方法和系统，降低了用于氧气生成和气体净化的寄生负荷，同时也降低了气体净化机(降低干燥要求)和制氧气机(相对于分子筛，实施了膜)的资金成本。本发明适用于活塞或涡轮发动机，并且通过半封闭式循环(SCC)，以捕获二氧化碳的形式的碳的方式和以提高现有公开的效率和成本效益的方式，产生了几乎完全无排放的动力系统。捕获的碳具有直接适用于提高石油采收率(EOR)、封存(sequestration)或工业用途的纯度和压力。

Description

具有涡轮膜式O2源的改进的半封闭式循环
相关申请的交叉引用
本申请涉及、要求以下所列申请的最早可用有效申请日(例如，要求除临时专利申请之外的最早可用优先权日；根据35USC§119(e)要求临时专利申请的权益)，并通过引用将以下所列申请(“相关申请”)的所有主题的全部内容并入，只要这种主题与本文不矛盾；本申请还要求该相关申请的任何和所有母、祖母、曾祖母等申请的最早可用有效申请日，并也通过引用该相关申请的任何和所有母、祖母、曾祖母等申请的所有主题的全部内容并入，只要这种主题与本文不矛盾：
于2018年12月14日递交的署名Paul M.Dunn为发明人的题为“具有涡轮膜式O2源的改进的半封闭式循环”的美国临时专利申请62/779533。
技术领域
本发明总体上涉及半封闭循环动力系统，更特别是包括碳捕获设备或至少具有已浓缩的排气CO2水平的动力系统，使得能够采用低成本的CO2捕获设备。此外，本发明涉及制氧气机，特别是膜式制氧气机，具有相应的方法来降低这些机器的比功率，并使它们与真空变压吸附(VPSA)制氧气机相比具有竞争力。
背景技术
传统的动力系统，无论是内燃还是外燃机，都是用空气燃烧燃料，并且通常将未经处理的燃烧产物(排气/烟气)排放到空气中(或通过水下接口排放到空气中)。天然气、汽油和柴油活塞发动机，还有燃气轮、喷气发动机，或甚至是基于蒸汽锅炉的动力机器都是如此。
将未经处理的烟气排放到空气中，尽管执行起来简单，但由于环境原因而是不可取的。诸如SO2、NOx、CO、HC(未燃烧的碳氢化合物)和最近CO2的气体被被定义为污染物，并且排放受到管制。此外，对于特殊用途的应用，特别是海下应用，将系统排气压力与环境压力(升高的背压)联系起来的要求会显著降低发动机循环效率。
历史上，对各种封闭式或半封闭式动力系统所做的先前工作(在20世纪的前半部分)主要与特殊用途的应用有关。最近的先前工作主要是关于提供更高效率和/或有效控制排放，或甚至捕获系统排放(特别是二氧化碳)的能力。US9,194,340B2，也由本发明人发明，提供了相关专利的历史和引用。
起初，由于孤立、贫困或战争而无法获得常规燃料；之后，由于希望使用可再生燃料，已出现了对热解和气化系统的大量修补、研究、专利和商业化，这些系统主要通过高温热分解，将不能或不容易在发动机中燃烧的可用原料或燃料(煤、固体废物、木材废物、纸、塑料)分解成至少一种在发动机中容易燃烧的组分，通常是合成气。
热解和气化系统一般分为两类：连续进料机器或间歇(高压釜)型机器。优选的机器将取决于原料，并且在很大程度上取决于该原料是否可以通过运送机、螺杆或其它装置被有效地输送到反应区；在可能的情况下，优选连续进料型机器。具有母和子专利的US 8,784,616 B2提供了对该领域十几个专利和非专利文件的完整引用。
PCT/US2018/000163公开了一种对该热解技术进行整合和改进以及降低半封闭式循环(semi-closed cycle，SCC)的排气中的氧气水平的方法，该方法改进了指标，并且使碳负动力系统成为可能。
改进现有技术的动机
现有的半封闭循环动力系统和相关的现有技术受到显著的操作不利的阻碍。在现有技术文献中讨论的制氧气机经常是动力系统的最高运行成本，并且消耗所产生净功率的很大一部分。此外，动力系统的低背压导致排气中有很大比例的水蒸气，这使发动机运行复杂化，同时也因为必须将原始CO2流脱水而使气体净化系统要求复杂化。
此外，气体净化系统当为基于分子筛的时，需要大马力鼓风机，以将排气压力增加到分子筛对变温吸附(TSA)或真空变压吸附(VPSA)过程有效的水平。最后，TSA过程需要大量热干气体来再生成吸附床。
从现有技术可以看出，进一步期望动力系统变成无排放(non-emissive)的和/或具有较少不利的环境影响。
发明内容
本发明旨在：1)提高半封闭式循环过程的效率，消耗更少的所产生的动力来运行辅助系统；2)降低氧气生成(脱氮)系统的资金成本；3)减少与膜式制氧机有关的压缩功率，即使不比VPSA制氧机更好，也使它具有竞争力；4)缩小与半封闭式循环的CO2气体净化系统相关联的尺寸、复杂性及寄生功率。
附图说明
在文本结尾处的权利要求中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。本发明的上述和其它目的、特征和优点从以下结合附图进行的详细描述中可明显看出，在附图中：
图1(现有技术)是标称400kW、～600hp(马力)活塞发动机在具有基于VPSA的氧气发生系统和基于分子筛的气体净化系统的半封闭式循环上运行的的模拟流程图
图2是相同标称400kW、～600hp活塞发动机在具有基于膜的氧气发生系统和将在此讨论的本发明的特定特征的半封闭式循环上运行的模拟流程图。
具体实施方式
以下术语的简要定义应应用于整个申请中：
术语“包括”是指包括但不限于，并应以其在本专利上下文中典型使用的方式来解释；
短语“在一个实施方式中”、“根据一个实施方式”等通常是指该短语后面的特定特征、结构或特点可以包括在本发明的至少一个实施方式中，并且可以包括在本发明的一个以上的实施方式中(重要的是，这些短语不一定指同一个实施方式)；
如果说明书将某些内容描述为“示例性的”或“示例”，则应理解为是指非排它性的示例；以及
如果说明书指出部件或特征“可能(may)”、“可以(can)”、“可以(could)”、“应该”、“优选地”、“可能地”、“典型地”、“可选地”、“例如”或“可能(might)”(或其它此类语言)被包括或具有特点，则该特定部件或特征不是必须被包括或具有特点。
现在参考附图来更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的图示实施方式。本发明不以任何方式限于图示实施方式，因为下面描述的图示实施方式仅仅是本发明的示例，如本领域技术人员所理解的，本发明可以以各种形式实施。因此，应当理解，本文公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为权利要求的基础以及作为教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表。此外，本文使用的术语和短语不旨在限制，而是提供对本发明的可理解的描述。
当提供了一系列数值时，应当理解，除非上下文另有明确规定，否则该范围的上限与下限之间，到下限单位的十分之一的每个中间值，以及在所述范围中的任何其他规定值或中间值都包含在本发明之内。这些可以独立地包括在所述较小范围内的这些较小范围的上限和下限也包括在本发明内，在所述范围内受任何明确排除的限制。当所述范围包括极限值中一个或两个时，排除那些被包括的限值中的任一个的范围也包括在本发明中。
除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。尽管在本发明的实践或测试中，也可以使用与本文描述的那些相似或等同的任何方法和材料，但现在描述示例性方法和材料。本文提及的所有出版物均通过引用被并入本文，以公开和描述与这些被引用的出版物相关的方法和/或材料。
必须理解的是，除非上下文另有明确规定，否则如本文和所附权利要求中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物。因此，例如，提及“一刺激”包括多个这样的刺激，并且提及“该信号”包括提及本领域技术人员已知的一个或更多个信号及其等效物等。
本发明整体上涉及一种如下的系统，该系统在半封闭式循环中以无排放以及产生包括在压力下的CO2的产物和动力的方式运行压缩点火、火花点火、浓燃或稀燃式往复活塞发动机或稀燃式气轮机，可选地同时通过热解处理它自己的燃料或其它系统的燃料。
在压力下的二氧化碳需要进行处理，提高石油采收率是这种处理的示例。还应当理解的是，本发明的系统适用于二冲程或四冲程活塞发动机、浓燃或稀燃式旋转活塞发动机或小型燃气轮机。
中速发动机(燃烧过程有更多的时间)，尤其是能够在高“增压(boost)”(进气歧管)净平均有效压力下运行的发动机(诸如中速对置活塞发动机或重型低速至中速四冲程发动机)，适用于所述循环，但不应理解成本发明限于这种中速发动机。
现在以描述性的方式转到附图，在附图中相似的附图标记在多个视图中表示相似的元件。
图1示意性地示出了通用SCC动力系统的基本部件，包括N2去除器(制氧气机)、气体净化系统(GCS)和产物压缩机。参照图1，部件O2_VAC、O2_BLWR、O2_床，以及相关的热交换器和通向混合器M4的阀门代表了VPSA制氧气机的简化视图。如PCT/US2018/000163和其它现有技术中所公开的，空气被压缩，并流过吸附氮气、CO2、水和其它污染物的床(通常为2或3)，产生氧氩混合物，典型地为88％至93％的氧气，余量的氩气和氮气。该床定期充入氮气，然后通过真空去除氮气，同时清除一些产物氧气。
如图1所示，每天大约6.5吨88％纯度的O2产物被传送到混合器M4，其中总机械寄生负荷约为84hp。这种高纯度氧气与空气混合，在M4的排出处产生35.5％纯度的氧气、氮气、氩气混合物。
CP1和EX1之间的部件代表发动机。CP1是涡轮增压器压缩机，其传递约15psig的增压压力(30psia(磅每平方英寸绝对压力))；C7是后冷却器，其将热的压缩机排气冷却到300F；M2代表典型地发生在进气歧管中的燃料和工作流体的混合；压缩机TCS代表活塞发动机(或燃气轮机的压缩机)总压缩冲程的和，且C8代表发动机的该部分的热损失；ERx1代表燃烧、化学平衡模型和额外的热损失；TPS和EX1代表总动力冲程和涡轮增压器功。对于特定的浓燃式涡轮增压天然气活塞发动机，该模拟准确地预测了排气温度(来自涡轮增压器)和发动机端口(涡轮增压器进气口)排气温度。
认识到的是，虽然在本文对活塞发动机示例进行了建模，但总排气成分、半封闭循环方法以及气体净化和氧气生成的要求同样适用于具有相似排气温度的小型工业燃气轮机。
如在现有技术中所已经讨论的，水在M5处喷入排气中，并在Sep 1处分离出，从而产生冷却的排气(～110F)，该冷却的排气通过M1循环回到发动机进气口。该排气与来自VPSA/空气混合器M4的标称35％的氧气混合，以为发动机产生21％至22％的氧气。这种发动机运行方法几乎有效地翻倍了排气二氧化碳浓度，从而实现了具有成本效益的碳捕获。
GCS包括从SP1开始并且经由将排气脱水的3_床_TSA和捕获净化后的CO2的3_床_VPSA，至CO2_阶段_3的CO2压缩的最后阶段终止的部件。
应该指出的是，除CO2压缩外，标称为600马力的发动机净功率已降低了84马力的制O2机负荷和32马力的TSA鼓风机负荷。应该进一步指出，存在给系统带来负担的大量热负荷，包括鼓风机排出热交换器C3、TSA排出热交换器C5，和与TSA床再生相关的热量。典型地，采用对来自发动机的排气余热进行有效捕获的冷却器来满足这些加热和冷却要求。例如，适合该系统的冷却器约30吨，并且进一步将发动机净输出功率降低了约40hp。
图2示意性地示出了改进的SCC动力系统的基本部件，包括N2去除器(制氧气机)、气体净化系统(GCS)和产物压缩机。参照图2，图1中的部件O2_VAC、O2_BLWR、O2_床和相关项已被移除，并替换为膜式氧气发生器。
该膜式氧气发生系统是在市场上可购得，并且成本低于VPSA制O2机。然而，该膜式机需要更多的更高压力下的气流来产生相同的氧含量，并以较低的纯度产生那样的氧含量。如本文所示，与图1中VPSA的14psig和3200lbm/hr相比，该膜以132psia(117psig)和4000lb/hr(磅/小时)接收空气。因此，对于这种应用来说，该膜所需的压缩功率通常太高了，如果按常规提供，则将超过200hp。
本文公开的膜通过选择性膜元件运行，该选择性膜元件传递诸如氧气、CO2和水之类的“快速气体”，同时不会传递很多的氮气或氩气。该膜接受132psia的空气，并在一个排放端口产生纯度为95％的122psia干燥氮气(1766lbm/hr)。另一个端口，即渗透侧(2233lbm/hr)压力较低，在本例中为30psia，且为35％的氧气。
如前述，在混合O2纯度为22％的情况下，Ml处的流量为～3600lb/hr，这是发动机运行所需的，不同之处在于它现在为～30psia，而不是大气压。因此，已将发动机涡轮增压器和后冷却器移除，并且发动机接收在所需的压力和稍低的温度(I07F)下的工作流体，这提高了性能并减少了爆震。
在本来应该是涡轮增压器涡轮进气口的地方，发动机排气压力实际上比涡轮增压器略高一些，但仍与发动机性能一致。发动机质量流量和排气端口温度略高于涡轮增压器和基于VPSA的O2机，但不明显。
如前述，流过SCC和GCS设备的剩余部分(balance)前，热排气现在流经新的部件，即逆流热交换器El。
回到该膜式机，该膜需要以4000lb/hr的132psia的空气。不使用单个油浸式螺杆压缩机，而是存在看起来像涡轮增压器压缩机的CP1。该CP1位于螺杆之前，起到第一级压缩机的功能。该部件消耗120hp，以向Cl提供55psia的空气，Cl将其冷却到110F。这将CP2所需的功率从200hp降低到75hp。因此，膜式氧气源的CP2压缩机需求现在低于VPSA氧气源的现有技术功率需求。
膜输出的高压干燥氮气侧通过逆流热交换器El加热，并通过如膨胀器的涡轮增压器EX1进行膨胀，该EX1直接联接到CP1上。实际上，移除发动机涡轮增压器，而涡轮增压该膜的同时，仍然满足对压缩工作流体的发动机要求。EX1上的压降高于典型的涡轮增压器，为105psi。EX1可以是双级涡轮增压器膨胀器，驱动一级或双级压缩机。还可以在EX1的1级和2级之间重新加热，这将进一步改进指标。
在SPl处的SCC压力现在处于30psia而不是14.7psia发动机增压下。因此，水蒸气浓度从8.6％降低到4.3％。这将减小3_床_TSA的床尺寸。
更明显地，为32hp的TSA鼓风机功率现在基本上为零hp。该模拟显示它为2hp，但实际上，鼓风机在这里真正用作再循环流的控制机构，并且可以用阀门代替。
最后，来自EX1膨胀机的排气仍然足够热(650F)，并且足够干燥(-40的露点)，可再生成TSA床，而不需要额外的部件。
在不包括CO2压缩的该示例中，净功率提高了～40hp。此外，驱动冷却器的水负荷需求也显著降低。

Claims (10)

1.一种半封闭式循环动力系统，包括：
发动机，用于产生动力；
基于膜的制氧气机；
混合容器，能够混合氧气和冷却后的一部分发动机排气来产生用于发动机的人工气氛工作流体；
排气水分离器，能够从冷却后的发动机排气中分离水分；
基于分子筛的脱水单元，其能够在变温吸附过程中运行并且将冷却后的另一部分发动机排气脱水，其中，发动机排气余热使多个变温吸附床中的一个再生；
基于分子筛的捕获单元，其能够在真空变压吸附过程中运行并且捕获所述冷却后的另一部分发动机排气中的二氧化碳，其中，来自真空变压吸附过程的热使所述多个变温吸附床中的一个再生；
排气逆流热交换器，其能够利用所述发动机排气余热加热来自所述制氧气机的氮气；
压缩机，用于将空气压缩到55磅每平方英寸绝对压力(psia)，并将空气提供给所述基于膜的制氧气机；以及
轴联接膨胀器，用于膨胀来自所述排气逆流热交换器的热氮气以驱动所述压缩机。
2.根据权利要求1所述的半封闭式循环动力系统，其中，来自所述轴联接膨胀器的排气用来再生所述多个变温吸附床。
3.根据权利要求1所述的半封闭式循环动力系统，
其中，所述发动机传递发动机增压压力并包括后冷却器，且
其中，所述基于膜的制氧气机的渗透侧能够在以下条件下运行：
当时高于所述发动机增压压力的压力下，和
当时低于后冷却器排出气温度的温度下。
4.根据权利要求1所述的半封闭式循环动力系统，
其中，所述发动机传递发动机增压压力，且
其中，所述半封闭式循环动力系统的半封闭循环压力等于所述发动机增压压力。
5.根据权利要求1所述的半封闭式循环动力系统，还包括变温吸附螺杆。
6.根据权利要求1所述的半封闭式循环动力系统，其中，所述压缩机还被构造成消耗120马力(hp)。
7.根据权利要求1所述的半封闭式循环动力系统，其中，当空气被提供给所述基于膜的制氧气机时，空气被冷却至110华氏度。
8.根据权利要求1所述的半封闭式循环动力系统，其中，所述发动机是活塞发动机或燃气轮机。
9.根据权利要求1所述的半封闭式循环动力系统，其中，所述发动机是浓燃式往复活塞发动机。
10.根据权利要求1所述的半封闭式循环动力系统，其中，所述发动机是稀燃式往复活塞发动机或稀燃式气轮机。
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