EA025821B1 - Топочная система и способы ее применения - Google Patents

Abstract

Предлагаются системы и способы для проведения реакции горения кислородно-топливного типа. В одном или нескольких примерах осуществления система горения может содержать по меньшей мере две зоны смешения, причем в первой зоне смешения, по меньшей мере, частично смешиваются кислород и двуокись углерода, образуя первую смесь, а во второй зоне смешения, по меньшей мере, частично смешиваются первая смесь и топливо, образуя вторую смесь. Система горения может также содержать зону горения, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было сжигать вторую смесь, образуя продукты сгорания. В одном или нескольких примерах осуществления первая смесь может иметь пространственное распределение по величине отношения кислород-двуокись углерода, имеющее такую конфигурацию, чтобы можно было генерировать горячую зону в зоне горения и тем самым увеличивать устойчивость пламени в зоне горения.

Description

Перекрестная ссылка на родственную заявку

Эта заявка провозглашает приоритет предварительной заявки на патент США № 61/184.584, поданной 5 июня 2009 г., которая включена в данное описание путем ссылки на нее.

Область техники

Примеры осуществления, описанные в этой заявке, в общем, относятся к системам и способам сжигания топлива. В частности, примеры осуществления, описанные в этой заявке, относятся к системам и способам использования реакции горения кислородно-топливного типа.

Уровень техники

В этом разделе рассмотрены различные аспекты данной области техники, которые могут иметь отношение к характерным примерам осуществления данного изобретения. Их обсуждение поможет, вероятно, составить общее представление и облегчит понимание особенностей настоящего изобретения. Соответственно, этот раздел следует рассматривать под этим углом зрения, а не только как доступ к известному уровню техники.

Некоторые подходы к снижению выбросов двуокиси углерода (СО₂) основаны на декарбонизации топлива или улавливании после сжигания. Однако эти технические решения являются дорогостоящими и снижают КПД производства электроэнергии, приводя к уменьшению производства электроэнергии, повышению потребления топлива и повышению стоимости электроэнергии, потребляемой в быту. Другой подход основан на использовании газовой турбины кислородно-топливного типа в объединенном цикле. Однако нет коммерчески доступных газовых турбин, способных работать в подобном цикле.

Кислородно-топливная концепция основана на сжигании углеводородов чистым кислородом (О₂) с образованием двуокиси углерода и воды (Н₂О). Однако при проведении подобного сгорания создаются очень высокие температуры, который сокращают срок службы топки, и образуется сажа и другие нежелательные продукты горения. Следовательно, желательно подавать какой-либо охлаждающий газ.

Были предложены и подвергнуты изучению различные циклы, которые используют в турбине двуокись углерода или водяной пар в качестве рабочей среды вместо воздуха. Были проведены некоторые фундаментальные лабораторные исследования, чтобы лучше понять физику процесса сгорания в этих кислородно-топливных устройствах. Хотя и добились некоторого успеха в экспериментах по использованию паровых кислородно-топливных устройств, до сих пор не была разработана конструкция, обеспечивающая коммерческое использование кислородно-топливной газовой турбины с двуокисью углерода в качестве рабочей среды. Конструкция топки для газовой турбины, использующей двуокись углерода в качестве рабочей среды, никогда не выходили за рамки лабораторных экспериментов.

Проблемами, связанными с конструкцией и использованием смеси двуокиси углерода и кислорода и с горением в практически используемой топке газовой турбины, ранее еще не занимались. В отличие от водяного пара двуокись углерода оказывает ингибирующее действие на процесс горения, и требуется топка особой конструкции, пригодная для пониженной скорости пламени, обусловленной ее ингибирующим действием. К тому же, двуокись углерода излучает больше энергии, чем азот или водяной пар, что обуславливает возможность предварительного нагревания реагентов за счет радиационного теплообмена. В кислородно-топливной топке имеется также дополнительная степень свободы, поскольку отношение кислород-топливо можно регулировать независимо от температуры пламени, которая зависит главным образом от отношения кислород-двуокись углерода.

Из-за наличия дополнительной степени свободы в системах кислородно-топливного горения скорость подачи кислорода можно регулировать независимо от инертного разбавителя (водяного пара или двуокиси углерода). Не так обстоит дело в типичной воздушно-газовой турбине, в которой в окислительном потоке наблюдается неизменное отношение молекул инертного азота к молекулам кислорода, составляющее примерно 3,76. Другая проблема кислородно-топливной топки заключается в том, что кислород является дорогостоящим продуктом, получаемым в результате протекания некоторого количества дорогостоящих энергопотребляющих процессов, таких, как разделение воздуха, использование специального мембранного сепаратора или некоторых других процессов, например, электролиза воды. Типичная воздушно-газовая турбина содержит канал для подачи воздуха, имеющий такую конструкцию, что разделяет поток воздуха на струю, используемую в реакции горения, и другую струю, используемую для охлаждения продуктов сгорания и футеровки камеры сгорания. В результате в потоке выхлопных газов содержание кислорода составляет более 10%.

В переуступленной международной заявке № АО 2010/044958, которая полностью включена в эту заявку путем ссылки на нее, приведено описание способов и систем для регулирования продуктов сгорания, в которых система контроллеров и датчиков используется для поддержания стехиометрического горения. Однако в ней отсутствует подробное описание конфигурации топки.

Поэтому существует потребность в усовершенствованных системах и способах, обеспечивающих почти стехиометрическое соотношение при протекании реакции сгорания кислородно-топливного типа.

Сущность изобретения

Предлагаются системы и способы проведения реакции сгорания кислородно-топливного типа. По меньшей мере, в одном определенном примере осуществления топливная система может содержать топку, имеющую первый конец, второй конец, наружную оболочку, внутреннюю оболочку и кольцевое про- 1 025821 странство, образованное между наружной оболочкой и внутренней оболочкой и простирающееся от первого конца до второго конца; впускной патрубок двуокиси углерода, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было вводить в топку двуокись углерода; впускной патрубок кислорода, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было вводить в топку кислород; первую зону смешения, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было первую порцию двуокиси углерода, введенной через впускной патрубок двуокиси углерода, смешивать по меньшей мере с частью кислорода, введенного через впускной патрубок кислорода, и получать первую смесь, содержащую кислород и двуокись углерода; впускной патрубок топлива, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было вводить в топку топливо; вторую зону смешения, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было смешивать первую смесь с топливом и получать вторую смесь, содержащую кислород, окись углерода и топливо; и зону горения, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было сжигать вторую смесь с образованием продуктов сгорания. Вторую порцию двуокиси углерода, введенной через впускной патрубок двуокиси углерода, можно подавать через одно или несколько отверстий во внутренней оболочке и смешивать с продуктами сгорания, вызывая их охлаждение.

По меньшей мере в одном другом примере осуществления топочная система может содержать топку, имеющую первый конец, второй конец, наружную оболочку, внутреннюю оболочку, горелку, имеющую торец горелки и зону горения; впускной патрубок двуокиси углерода, впускной патрубок кислорода и впускной патрубок топлива; и зону смешения, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было первую порцию двуокиси углерода, введенной через впускной патрубок двуокиси углерода, смешивать, по меньшей мере, с частью кислорода, введенного через впускной патрубок кислорода, и получать первую смесь, содержащую кислород и двуокись углерода. Первая смесь может иметь пространственно меняющее поперек торца отношение кислород-двуокись углерода, чтобы можно было создавать зону нагревания в зоне горения и повышать устойчивость пламени в зоне горения.

По меньшей мере в одном определенном примере осуществления способ сжигания топлива в системе сгорания может включать смешение кислорода и двуокиси углерода в первой зоне смешения топки с образованием первой смеси. Первую смесь и топливо можно смешивать во второй зоне смешения топки с образованием второй смеси. По меньшей мере, часть топлива во второй смеси может сгорать с образованием продуктов сгорания.

По меньшей мере в одном другом примере осуществления способ сжигания топлива в системе сгорания может включать пространственное изменение отношения кислород-двуокись углерода поперек торца горелки в топке, чтобы можно было повысить устойчивость пламени в топке.

Краткое описание чертежей

Указанные выше и другие преимущества данного изобретения могут стать более понятными после ознакомления с приведенным ниже подробным описанием и рисунками примеров осуществления, не призванных ограничивать объем и сущность изобретения.

На фиг. 1 приведен график зависимости эквивалентности по стехиометрическому отношению (φ) от температуры пламени, на котором показана рабочая область.

На фиг. 2 приведен график зависимости скорости сдувания пламени от температуры пламени, на котором отмечены экспериментальные условия сдувания пламени для горения метана (СН₄) в смеси двуокись углерода/кислород (СО₂/О₂), горения метана в смеси азот/кислород (Ν₂/Ο₂) и фоновой системы для сжигания метана на воздухе при эквивалентности по стехиометрическому отношению (φ), равной 1.

На фиг. 3Л-3Р приведены схемы систем сгорания согласно одному или нескольким примерам осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 4А-4С приведены три характерных топки, которые можно использовать в сочетании с системами, изображенными на фиг. 3А-3Р согласно одному или нескольким примерам осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 5А и 5В приведены характерные конфигурации топок, изображенных на фиг. 4А-4С согласно одному или нескольким примерам осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 6А и 6В приведены характерные альтернативные варианты осуществления топок, изображенных на фиг. 4А-4С согласно одному или нескольким примерам осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 7Α-7Ό приведены дополнительные альтернативные варианты осуществления топок, изображенных на фиг. 4А-4С согласно одному или нескольким примерам осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 8 показана характерная топка трубчатого типа, имеющая такую конфигурацию, чтобы можно было использовать один или несколько элементов топок, изображенных на фиг. 4А-4С согласно одному или нескольким примерам осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 9 показана характерная топка вихревого типа, имеющая такую конфигурацию, чтобы можно было использовать один или несколько элементов топок, изображенных на фиг. 4А-4С согласно одному или нескольким примерам осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 10А и 10В приведены блок-схемы способов применения одной или нескольких топок, изо- 2 025821 браженных на фиг. 4А-4С согласно одному или нескольким примерам осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

В этом подробном описании рассмотрены некоторые примеры осуществления настоящего изобретения с использованием предпочтительных, альтернативных и характерных вариантов осуществления топок. Однако приведенное описание относится к определенному примеру осуществления или к определенному применению настоящего изобретения и в этом смысле предназначено лишь для наглядного представления и просто для описания конкретных примеров осуществления. Соответственно, изобретение не ограничивается описанными ниже конкретными примерами осуществления и охватывает все альтернативные варианты, изменения и эквивалентные варианты, которые не выходят за рамки сущности и объема, представленного к прилагаемой формуле изобретения.

Опеределения

Ниже приведено определение разных терминов, использованных в данном описании. Если же определение термина, использованного в формуле изобретения, не приведено, то ему следует придавать самое широкое определение, которое придают этому термину в данной области техники, что отражается, по меньшей мере, в одной печатной публикации или выданном патенте.

Термины, использованные в единственном числе с неопределенным артиклем, обозначают один или несколько объектов данного рода. Термин, использованные в единственном числе с неопределенным артиклем, и выражения один или несколько или по меньшей мере один являются равнозначными и могут заменять друг друга, если нет других указаний.

Используемый здесь термин горелка обозначает конструктивный элемент, который содержит по меньшей мере один стабилизатор пламени и топливный инжектор.

Используемый здесь термин зона горения обозначает объем пространства, в котором находится пламя и выделяется большая часть, т.е. более 50 %, тепла, выделяющегося при сгорании. Входной участок, на котором реагенты входят в пламя, может перекрываться и часто перекрывается с зоной смешения, в которой могут смешиваться сжигаемое топливо и кислород.

Используемый здесь термин топка обозначает ту часть топочной системы, которая включает горелку, зону сгорания, наружную оболочку, внутреннюю оболочку или футеровку, зону (зоны) смешения и имеющее к ним отношение оборудование и которая обычно изображается открытой на выходе. Топка, как токовая, может соединяться с переходным элементом и другими конструктивными элементами, образуя систему, например, газотурбинную систему.

Используемые здесь термины внутренняя оболочка и футеровка являются равнозначными и могут заменять друг друга. Они обозначают цилиндр (обычно имеющий круглое поперечное сечение и обычно изготовленный из металла, хотя и не обязательно), который образует совместно с наружной оболочкой топки кольцевой зазор и отделяет объемный поток двуокиси углерода от зон смешения и горения. Футеровка может одно или несколько отверстий, через которые двуокись углерода из кольцевого зазора может поступать в зону горения, чтобы отводить тепло от футеровки и охлаждать продукты сгорания.

Используемые здесь термины вторичная внутренняя оболочка и вторичная футеровка являются равнозначными и могут заменять друг друга. Они обозначают цилиндр (обычно имеющий круглое поперечное сечение и обычно изготовленный из металла, хотя и не обязательно), который расположен между наружной оболочкой топки и внутренней оболочкой топки по всей длине топки. Например, вторичная внутренняя оболочка может находиться между наружной оболочкой топки и внутренней оболочкой топки и простираться от точки, расположенной между первым и вторым концами топки, до второго конца топки. Вторичная внутренняя оболочка может быть соединена с внутренней оболочкой и/или примыкать к ней вокруг на участке между первым и вторым концами топки.

Используемые здесь термины содержащий, содержит и содержать служат для перехода от объекта, предшествующего этому термину, к незавершенному перечню, состоящему из одного или нескольких элементов, приведенных после этого термина, причем эти элементы не являются единственными элементами, из которых состоит объект.

Используемые здесь термины состоящий, состоит и состоять служат для той же цели, что и термины содержащий, содержит и содержать. Термины имеющий, имеет и иметь служат для той же цели, что и термины содержащий, содержит и содержать. Термины включающий, включает и включать служат для той же цели, что и термины содержащий, содержит и содержать.

Используемый здесь термин зона смешения обозначает объем пространства в топке, в котором могут смешиваться по меньшей мере два потока разных газов. В частности, зона смешения может включать участок начального смешения, по меньшей мере, двух потоков (например, когда второй поток сначала вводится в первый поток) и участок продленного объема, где два потока продолжают перемешиваться друг с другом. Часто увеличение длины зоны смешения может приводить к более полному перемешиванию первого и второго потоков. В отдельных примерах осуществления может иметься первая зона смешения, содержащая объем пространства, в котором кислород смешивается с двуокисью углерода, образуя смесь кислород/двуокись углерода, которую иногда называют насыщенным кислородом потоком или сайнеровским потоком. Может иметься и вторая зона смешения, представляющая со- 3 025821 бой другой объем пространства, в которой смесь кислород/двуокись углерода начинает смешиваться с потоком сжигаемого топлива и которая расположена между топливным инжектором и пламенем. В некоторых случаях в топочных устройствах, имеющих первую и вторую зоны смешения, первая зона смешения кончается у второй зоны смешения или внутри второй зоны смешения.

Используемый здесь термин смесительное устройство обозначает конструктивный элемент, расположенный внутри проточного канала для подачи газообразном потоке и состоящий из двух единственных в своем роде компонентов, облегчающих перемешивание компонентов газового потока путем создания турбулентной спутной струи или зоны рециркуляции в газообразном потоке. Примерами смесительных устройств могут служить плохо обтекаемые тела, металлическая сетка, клинья или их сочетания, но не только они.

Используемый здесь термин эквивалентность по стехиометрическому отношению обозначает частное от деления отношения кислорода к топливу на стехиометрическое отношение кислорода к топливу в газообразном потоке, содержащем кислород и топливо.

Используемый здесь термин устойчивость пламени обозначает пламя в зоне сгорания, ограниченной точкой устойчивого режима работы и рабочей точкой, в которой пламя гаснет. В одном примере увеличение устойчивости пламени может обеспечиваться использованием средств, увеличивающих расстояние между этими точками. Примерами средств, обеспечивающих увеличение устойчивости пламени, могут служить увеличение температуры пламени, уменьшение скорости газа на подходе к пламени или их сочетание, но не только они.

Используемый здесь термин стабилизированное пламя обозначает предварительно перемешанному или предварительно не перемешанному пламени (например, диффузионному) пламени в зоне сгорания, которое можно использовать для увеличения устойчивости пламени. В некоторых рабочих сценариях стабилизированное пламя может большую эквивалентность по стехиометрическому отношению (например, в диапазоне от 2 до 3). Стабилизированное пламя может оказывать такое же действие в кислородно-реактивной (сайнеровской) топке, как и диффузионное запальное пламя в бедной предварительно перемешанной топке воздушно-реактивной газовой турбины.

Используемый здесь термин природный газ обозначает многокомпонентный газ, полученный из нефтяной скважины (сопутствующий газ), или из подземной газоносной формации (несопутствующий газ). Состав и давление природного газа могут сильно меняться. Типичный поток природного газа содержит метан (СН₄) в качестве основного компонента, т.е. содержание метана в природном газе в молярном отношении составляет более 50%. Поток природного газа может также содержать этан (С₂-Н₆), высокомолекулярные углеводороды (например, С₃-С₂₀-углеводороды), один или несколько кислых газов (например, сероводород) или их смесь. Природный газ может также содержать незначительные количества примесей, таких как вода, азот, сульфид железа, воск, нефть или их смесь.

Используемый здесь термин подаваемый поток природного газа обозначает поток природного газа, подвергшийся, по меньшей мере, некоторой предварительной обработке, указанной где-нибудь в этом описании.

Используемый здесь термин стехиометрическое горение обозначает реакцию горения, включающую некоторый объем реагентов, состоящих из топлива и окислителя, и некоторый объем продуктов, образующихся при сгорании этих реагентов, причем весь объем реагентов используется на образование этих продуктов. При кислородно-топливном горении стехиометрическая реакция (например, горение), в которой единственным источником топлива является метан, изображается следующим уравнением: 2О₂ + СН₄ = 2Н₂О + СО₂. Термин почти стехиометрическое горение обозначает реакцию горения, обладающую молярным отношением сжигаемого топлива к кислороду в диапазоне от 0,9:1 до 1,1:1, но преимущественно в диапазоне от 0,95:1 до 1,05:1.

Используемый здесь термин поток обозначает объем текучей среды, хотя обычно этот термин обозначает объем движущейся текучей среды (например, обладающей скоростью или массовым расходом). Однако здесь термин поток не нуждается в скорости, массовом расходе или трубопроводе определенного типа, вмещающем этот поток.

Подробное описание изобретения

Предлагаются процессы горения и топливные системы, предназначенные для кислороднотопливного сгорания. Кислородно-топливное сгорание может происходить в газовой турбине с рабочей средой, содержащей главным образом двуокись углерода. В одном или нескольких примерах осуществления может, по меньшей мере, частично решена одна или несколько проблем, связанных с высокой температурой кислородно-топливного горения. Например, может быть, по меньшей мере, частично уменьшено выделение полициклических ароматических углеводородов, которое приводит к образованию сажи и/или к образованию нежелательных продуктов сгорания, таких как окись углерода (СО). Один пример осуществления системы сгорания может содержать топку, имеющую первую зону смешения, предназначенную, по меньшей мере, для частичного смешения, контактирования или другого объединения кислорода и двуокиси углерода с образованием насыщенного кислородом или сайнеровского потока, вторую зону смешения, предназначенную, по меньшей мере, для частичного смешения, контактирования или другого объединения насыщенного кислородом потока и потока сжигаемого топлива с

- 4 025821 образованием потока горения. Поток горения может, по меньшей мере, частично подвергаться горению или сгорать в зоне горения с образованием потока продуктов сгорания. Вторая зона смешения может, по меньшей мере, частично перекрываться с зоной горения и/или первой зоной смешения.

Эта топка может использоваться в газовой турбине, имеющей впускной компрессор, предназначенный для сжатия, например, потока двуокиси углерода, и детандер, предназначенный для генерирования энергии. Газовая турбина может представлять собой интегрированную турбину, установленную на одном валу, многовальную турбину или неинтегрированную турбину с внешней горелкой. Она может использовать независимый компрессор и детандер горячего газа энергетической турбины в зависимости от температур, объемных расходов и других переменных конкретной системы. В альтернативных примерах осуществления топка может представлять собой автономный блок, такой, как печь.

В одном или нескольких примерах осуществления в систему горения может подаваться поток двуокиси углерода и поток потребляемого кислорода, которые были, по меньшей мере, частично смешаны или иным образом объединены, чтобы образовать обогащенный кислородом или сайнеровский поток, содержащий кислород и двуокись углерода, подавать его в топку. Система горения может еще содержать поток сжигаемого топлива и зону горения, причем зона горения может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было, по меньшей мере, частично смешивать, подвергать контактированию и иным образом объединять и, по меньшей мере, частично сжигать поток сжигаемого топлива и обогащенный кислородом поток в результате протекания почти стехиометрической реакции горения с образованием потока продуктов сггорания, состоящего главным образом из воды (водяного пара) и двуокиси углерода. В одном или нескольких примерах осуществления может использоваться процесс сжигания под высоким давлением (например, под давлением выше 10 атмосфер). Температуру потока продуктов сгорания можно регулировать, меняя количество двуокиси углерода, смешиваемое с кислородом при образовании обогащенного кислородом потока. В некоторых примерах осуществления система, как таковая, может содержать датчик температуры, предназначенный для измерения температуры в потоке продуктов сгорания. Количество двуокиси углерода, смешиваемое с кислородом при образовании обогащенного кислородом потока, можно увеличивать, чтобы уменьшить температуру потока продуктов сгорания. Аналогичным образом, количество двуокиси углерода, смешиваемое с кислородом при образовании обогащенного кислородом потока, можно уменьшать, чтобы увеличить температуру потока продуктов сгорания.

Высокая температура пламени может быть полезна тем, что увеличивает устойчивость пламени. Однако высокая температура пламени может оказаться неблагоприятной для материалов, используемых для изготовления футеровки и впускного сопла турбины. Поэтому поток продуктов сгорания можно охлаждать двуокисью углерода перед ее поступлением во впускного сопла турбины. Высокая температура пламени может также вызывать требуемых продуктов сгорания, таких, как двуокись углерода, и приводить к увеличению процентного содержания в продуктах сгорания загрязняющих веществ, таких, как окись углерода. На фиг. 1 на графике зависимости эквивалентности по стехиометрическому отношению (φ) от температуры пламени изображена рабочая область. Рис. 1 отображает одну проблему процесса горения двуокись углерода/кислород - топливо, а именно, очень маленькое операционное пространство, которое обуславливает требуемую устойчивость пламени и состав продуктов сгорания. Если температура пламени слишком низка, пламя сдувается и прекращается производство энергии. Однако повышение температуры пламени может привести к увеличению концентрации окиси углерода и/или кислорода в потоке продуктов сгорания. Если их содержание слишком велико, можно проводить дополнительную реакцию, возможно, с использованием катализатора, чтобы изменить состав потока продуктов сгорания. Дополнительная проблема кислородно-топливного сжигания с использованием двуокиси углерода в качестве рабочей среды или разбавителя заключается в том, что пламена обладают меньшей устойчивостью, чем пламена в воздухе при тех же самых условиях. Двуокись углерода оказывает и тепловое действие, и ингибирующее (кинетическое) действие на химические реакции в пламени, протекающие при горении углеводорода (углеводородов), в отличие от азота, который оказывает лишь тепловое действие.

На фиг. 2 отображены экспериментальные условия сдувания для горения метана (СН₄) в смеси двуокись углерода/кислород (СО₂/О₂), горения метана в смеси азот/кислород (Ν₂/Ο₂) и фоновой системы для горения метана на воздухе при эквивалентности по стехиометрическому отношению (φ), равной 1. Горение проводили при атмосферном давлении и температуре 260°С. На оси абсцисс показана температура пламени, на оси ординат показана скорость газа, а точками обозначены условия, при которых запас устойчивости принимает нулевое значение и пламя гаснет. Линией соединены точки, в которых сдувается метано-воздушное пламя, ромбиками обозначены точки, в которых сдувается метановое пламя в смеси двуокиси углерода и кислорода. Кислородно-топливное пламя обычно сдувается при температуре, которая на 300°С выше, чем температура, при которой сдувается воздушное пламя при одной и той же скорости газа. В некоторых примерах осуществления предлагаемых систем горения можно генерировать газовые смеси, обеспечивающие надлежащую устойчивость пламени и предельно низкое содержание нежелательных загрязняющих веществ в продуктах сгорания.

Другой особенностью горения с использованием двуокиси углерода в качестве рабочей среды или разбавителя является то, что двуокись углерода сильно поглощает/излучает инфракрасное излучение.

- 5 025821

Топка, имеющая первую и вторую зоны смещения, расположенные соосно с зоной горения, может обладать тем преимуществом, что реагенты могут подвергаться предварительному нагреванию под действием инфракрасного излучения пламени. Оно оказывает более ощутимое воздействие, чем в топках, в которых в качестве окислителя используется воздух.

Еще одной особенностью этой системы горения является то, что поток кислорода может оказаться менее дорогостоящим, чтобы создавать высокие давления благодаря более низкому молекулярному весу кислорода и возможностью перекачивать его в жидком состоянии. В результате топочные системы и способы их применения, использующие поток кислорода, можно проектировать так, чтобы минимизировать падение давления двуокиси углерода за счет падения давления кислорода. Например, можно использовать струи кислорода, имеющие сравнительно высокое давление, чтобы обеспечить завихрение потока двуокиси углерода и понизить падение давления, которое наблюдалось бы при создании завихрения в потоке двуокиси углерода с помощью многолопастной вихревой форсунки. В другом примере можно использовать газовый эжектор, чтобы смешивать потоки кислорода и двуокиси углерода и создавать обогащенный кислородом или сайнеровский поток перед пламенем. Поток кислорода, имеющий высокое давление, можно использовать в качестве движущего газа в типовом эжекторе, в котором движущий газ ускоряется, проходя через отверстие, и создает высокоскоростной поток, имеющий низкое статическое давление. Статическое давление подвергшегося ускорению кислорода меньше, чем давление потока двуокиси углерода, поступающего на сторону всасывания эжектора. Эта разность давлений может обеспечивать поступление потока двуокиси углерода в поток кислорода и образование обогащенного кислородом или сайнеровского потока. Оно может также обеспечивать сравнительно простое смешение лишь части потока двуокиси углерода (прошедшей через отверстие) с потоком кислорода. Преимущество эжектора может заключаться в том, что эжектор в результате смешения может передавать эту потерю давления от потока двуокиси углерода в поток кислорода, который может обладать избыточным давлением.

В одном иди нескольких примерах осуществления двуокись углерода и кислород можно смешивать, чтобы образовать обогащенный кислородом или сайнеровский поток, внутри топки. Количество двуокиси углерода, подвергаемой смешению с кислородом, можно регулировать, контролируя температуру продуктов сгорания. Количество двуокиси углерода, подвергаемой смешению с кислородом, может также оказывать влияние на границу устойчивости пламени и на состав продуктов сгорания. Топка может вмещать или содержать футеровку. Внутри футеровки может находиться зона горения, и футеровка служит для подачи первичного потока двуокиси углерода из компрессора к первому концу топки. Футеровка может содержать охлаждающие каналы, чтобы обеспечить дополнительную подачу двуокиси углерода в зону сгорания внутри топки, чтобы регулировать температуру на входе в турбину и/или предохранять футеровку от прямого воздействия высокой температуры, развиваемой при горении.

В одном или нескольких примерах осуществления топочная система может содержать контрольноизмерительную систему, которая измеряет количество углеводородов, поступивших в топку. Контрольно-измерительная система может рассчитывать, определять или иным образом оценить и регулировать, менять или иным образом настраивать количество кислорода, поступающего в топку, чтобы обеспечить требуемое отношение кислорода к углеводородам или сжигаемому топливу. Контрольно-измерительная система может также использовать обратную связь по контрольно-измерительным приборам, имеющим такую компоновку, чтобы осуществлять текущий контроль и анализ продуктов сгорания, и может корректировать подачу кислорода с помощью контроллера расхода, чтобы обеспечивать требуемый режим горения и/или обеспечивать подачу требуемого количества кислорода в обогащенный кислородом поток. В зависимости от состава углеводородной смеси, поступающей в топку, иногда может использоваться стадия дожигания, на которой может применяться катализатор. Эта стадия дожигания может снижать содержание загрязняющих веществ, например, кислорода и/или окиси углерода, в продуктах сгорания до уровня, позволяющего избежать больших проблем с коррозией, например, при добыче нефти с искусственным поддержанием энергии пласта.

В одном или нескольких примерах осуществления можно менять соотношение компонентов, в частности, отношение кислород-двуокись углерода в направлении поперек лицевой поверхности топки. Например, сайнеровское смесительное устройство, которое ограничивает, затрудняет или иным образом уменьшает подачу двуокиси углерода в первую зону смешения, может создавать изменение или производить изменение отношения кислород-двуокись углерода в направлении поперек поперечного сечения топки. В другом примере поток кислорода может разделятся, по меньшей мере, на две струи, причем по меньшей мере одна из этих струй может использоваться для увеличения концентрации кислорода в некоторой части топки, чтобы создать в пламени более горячие пятна. Температура более горячих пятен может повысить устойчивость пламени.

В одном или нескольких примерах осуществления может использоваться система горения с совместным производством кислородно-топливной смеси, такая, как системы производства энергии с ультранизкими выбросами и методы ее применения, описанные в предварительной заявки на патент США № 61/072.292. Впрыск кислорода и топлива непосредственно в поток двуокиси углерода внутри топки может уменьшить риски и ограничения, связанные с сжиганием топлива чистым кислородом. Эта система

- 6 025821 горения может также упрощать конструкцию системы по сравнению с системой горения, в которой кислород и двуокись углерода смешивают вне топки. Она уменьшает количество кислорода, которое уходило бы в продукты сгорания, если бы смесь кислорода и двуокиси углерода генерировали из всего потока двуокиси углерода.

На фиг. 3Л-3Р приведены схемы характерных систем горения 100, 140, 150, 160, 170 и 180, соответственно, согласно одному или нескольким примерам осуществления. В частности, на фиг. ЗА приведена схема характерной системы горения 100, которая может содержать одну или несколько топок (например, камер сгорания) 110, детандер 111 и датчики (показаны два датчика 114, 126). Система горения 100 может также включать поток диоксида углерода (СО₂), поступающий по линии 102 и который может дробиться или разделяться на по меньшей мере одну часть, поступающую по линии 102а и вторую часть, поступающую по линии 102Ь, и поток кислорода, подаваемый по линии 104 и который может соединяться с с первой частью 102а потока диоксида углерода для получения смеси кислорода и диоксида углерода или обогащенного кислородом потока или синаирального потока), поступающего по линии 106, ступающего, Система горения 100 может также содержать поток сжигаемого топлива, поступающий по линии 108. Поток сжигаемого топлива, поступающий по линии 108, может содержать метан (СН₄) или смесь метана, одного или нескольких С₂-С₂₀-углеводородов, водорода (Н₂), инертных газов, таких, как азот, двуокись углерода и/или аргон, или их смесь.

Поток кислорода, поступающий по линии 104, может содержать кислород в молярном отношении от 90% и иметь концентрацию 93, 95, 97, 98, 99, 99,5 или 99,9%. Поток кислорода, поступающий по линии 104, может содержать один или несколько дополнительных компонентов, таких, как азот, аргон, гелий или их смесь. По меньшей мере, в одном определенном примере осуществления поток кислорода, поступающий по линии 104, может содержать кислород в молярном отношении от 90 до 99% и аргон в молярном отношении от 1 до 10%. Поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102, может содержать двуокись углерода в молярном отношении от 70% и иметь концентрацию 80, 90, 95, 97, 99, 99,5 или 99,9%. В другом примере поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102, может содержать двуокись углерода в молярном отношении от 70% и иметь концентрацию 80, 90, 95, 97, 99, 99,5 или 99,9 без учета влажности. Поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102, может содержать один или несколько дополнительных компонентов, таких, как азот, аргон, гелий, вода (в жидком и/или газообразном состоянии), углеводороды, окись углерода или их смесь. По меньшей мере в одном определенном примере осуществления поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102, может содержать двуокись углерода в молярном отношении от 85 до 95%, углеводороды в молярном отношении от 0,5 до 5%, окись углерода в молярном отношении от 0,5 до 5%, воду (в жидком и/или газообразном состоянии) в молярном отношении от 0,5 до 10% или их смесь.

Топка 110 может иметь такую конфигурацию, чтобы, по меньшей мере, часть насыщенного кислородом потока поступала по линии 106 и по меньшей мере часть потока сжигаемого топлива поступала по линии 108. Насыщенный кислородом поток, поступающий по линии 106, и поток сжигаемого топлива, поступающий по линии 108, можно смешивать, объединять или иным образом подвергать контактированию друг с другом внутри топки 110, чтобы образовалась смесь реагентов или поток горючей смеси. Смесь реагентов может, по меньшей мере, частично сгорать в топке 110, образуя поток продуктов сгорания, удаляемый по линии 112. По меньшей мере, часть потока продуктов сгорания, удаляемых по линии 112, можно подавать в детандер 111, чтобы образовался поток подвергшихся расширению продуктов сгорания, удаляемый по линии 113. Детандер 111 может иметь оперативную или иную связь с контроллером нагрузки 111'. Поток подвергшихся расширению продуктов сгорания, удаляемый по линии 113, можно разделить на первый поток продуктов сгорания, удаляемый по линии 127, и второй поток продуктов сгорания, удаляемый по линии 128. Первый поток продуктов сгорания, удаляемый по линии 127, может сливаться, по меньшей мере, частично с потоком двуокиси углерода, поступающей по линии 102. Второй поток продуктов сгорания, удаляемый по линии 128, можно использовать в процессе добычи нефти с искусственным поддержанием энергии пласта или подвергать обработке, извлечению отдельных компонентов, выбросу в атмосферу или иной утилизации.

Первый датчик (датчик температуры) 114 может определять или иным образом оценивать температуру в потоке продуктов сгорания, удаляемых по линии 112, и/или в потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, удаляемых по линии 113. Второй датчик (анализатор кислорода) 126 может определять или иным образом оценивать концентрацию кислорода в потоке продуктов сгорания, удаляемых по линии 112, и/или в потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, удаляемых по линии 113. Анализатор кислорода 126 может также иметь такую конфигурацию, чтобы можно было определять или иным образом оценивать концентрацию других компонентов в потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, удаляемых по линии 113. Дополнительными или другими компонентами, которые можно определять с помощью анализатора кислорода 126, могут являться окись углерода, окислы азота, сжигаемое топливо или их смеси, но не только они. Температурные данные из датчика температуры 114 можно использовать для регулирования скорости потока двуокиси углерода 102, потока кислорода 104 и/или потока продуктов сгорания 108, которая может регулировать температуру в потоке продуктов сгорания, удаляемых по линии 112, и/или состав потока продуктов сгорания, удаляемых по линии 112. Ки- 7 025821 слородные данные из анализатора кислорода 126 можно использовать для регулирования скорости потока кислорода, поступающего по линии 104, потока двуокиси углерода, поступающего по линии 102, и/или потока продуктов сгорания, поступающего по линии 108, до тех пор, пока не будет достигнуто почти стехиометрическое горение.

Как показано на фиг. 3А, система 100 может также содержать центральный контроллер 115. Центральный контроллер 115 может иметь оперативную или иную связь, например, с линией радиосвязи, первым контроллером расхода 116а, вторым контроллером расхода 118, третьим контроллером расхода 120 и/или четвертым контроллером расхода 116Ъ. Первый контроллер расхода 116а может регулировать расход первой части потока двуокиси углерода, поступающей по линии 102а. Второй контроллер расхода 118 может регулировать расход потока кислорода, поступающего по линии 104. Третий контроллер расхода 120 может регулировать расход потока продуктов сгорания, удаляемый по линии 108. Четвертый контроллер расхода 116Ъ может регулировать расход второй части потока двуокиси углерода, поступающей по линии 102Ъ.

Центральный контроллер 115 может также иметь какую-либо связь с датчиком температуры 114 и/или анализатором кислорода 126, чтобы определять или иным образом оценивать температура в потоке продуктов сгорания, удаляемых по линии 113, и/или количество кислорода в потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, удаляемых по линии 113. Найденную или оцененную температуру и/или концентрацию кислорода в потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, удаляемых по линии 113, можно использовать, по меньшей мере, отчасти, для регулирования или иной настройки расхода потока кислорода, поступающего по линии 104, расхода первой части потока двуокиси углерода, поступающей по линии 102а, расхода потока сжигаемого топлива, поступающего по линии 108, и/или расхода второй части потока двуокиси углерода, поступающей по линии 102Ъ. Например, центральный контроллер 115 может регулировать расход потока сжигаемого топлива, поступающего по линии 108, и/или потока кислорода, поступающего по линии 104, чтобы поддерживать требуемое молярное отношение между ними в случае изменения условий загрузки в системе горения 100.

Поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102, можно брать из любого подходящего источника. Например, по меньшей мере, часть потока двуокиси углерода, поступающей по линии 102, может быть отведена или отделена, по меньшей мере, из части потока подвергшихся расширению продуктов сгорания, удаляемых по линии 113, в виде потока 127. В другом примере система сгорания 100 может находиться возле иного источника двуокиси углерода, такого, как внешняя трубопроводная сеть, газовая скважина с высоким содержанием двуокиси углерода или газоперерабатывающая установка. В одном или нескольких примерах осуществления продукты сгорания, выводимые по линии 127, могут, по меньшей мере, частично, подвергаться обработке. Например, продукты сгорания, выводимые по линии 127, могут, по меньшей мере, частично, подвергаться обработке в фильтрующей системе, например, мембранной, молекулярно-ситовой, абсорбционной, адсорбционной или другой системе, которая способна, по меньшей мере, частично, удалять потенциально опасные или нежелательные компоненты, такие, как непрореагировавший кислород, окись углерода и/или углеводороды. В частности, если анализатор кислорода 126 обнаружит или оценит, что поток продуктов сгорания 112 или поток подвергшихся расширению продуктов сгорания 113 имеет нежелательно высокое содержание кислорода, тогда использовать поток продуктов сгорания, отводимый по линии 112 и/или 113, в качестве рабочей среды или разбавителя будет нельзя. Иначе говоря, если анализатор кислорода 126 обнаружит нежелательное количество кислорода и других загрязняющих веществ в потоке продуктов сгорания, отводимом по линии 112 и/или 113, тогда поток, поступающий по линии 102, можно брать из другого источника.

Аналогичным образом, высокое содержание углеводородов (т.е. сжигаемого топлива) может оказаться неприемлемым в зависимости от топки 110, и может потребоваться, по меньшей мере, частичное, их удаление и/или отделение перед тем, как использовать поток продуктов сгорания в качестве разбавителя, поступающего по линии 102Ъ. В одном или нескольких примерах осуществления может оказаться предпочтительным, чтобы продукты сгорания, выводимые по линии 112, были получены в результате протекания почти стехиометрического горения. Продукты сгорания, выводимые по линии 112, как таковые, должны содержать в объемном отношении не более 3,0% кислорода, или не более 1,0% кислорода, или не более 0,1% кислорода, или даже не более 0,001% кислорода, а с другой стороны не более 3,0% углеводородов, или не более 1,0% углеводородов, или не более 0,1% углеводородов, или даже не более 0,001% углеводородов.

Второй поток продуктов сгорания, выводимый по линии 128, можно пускать на продажу, использовать в каком-либо другом процессе, нуждающемся в двуокиси углерода, и/или подвергать сжатию и закачке в наземные резервуары с целью использования в процессе добычи нефти с искусственным поддержанием энергии пласта, извлечения отдельных компонентов или для каких-либо иных целей. Подобно первому потоку продуктов сгорания, выводимому по линии 127, второй поток продуктов сгорания, выводимый по линии 128, может нуждаться в кондиционировании или обработке перед утилизацией, чтобы удалить из него загрязняющие вещества или реагенты, такие, например, как окислы азота (ΝΟ_Χ), кислород и/или окись углерода. И снова может оказаться предпочтительным, чтобы поток кислорода, поступающий по линии 104, почти не содержал азота и чтобы продукты сгорания, выводимые по линии 112,

- 8 025821 были получены в результате протекания почти стехиометрического горения. Второй поток продуктов сгорания, выводимый по линии 128, как таковой, должен содержать в объемном отношении не более 3,0% кислорода, или не более 1,0% кислорода, или не более 0,1% кислорода, или даже не более 0,001% кислорода, а с другой стороны, не более 3,0% ΝΟ_Χ, или не более 1,0% ΝΟ_Χ, или не более 0,1% ΝΟ_Χ, или даже не более 0,001% ΝΟ_Χ.

Поток кислорода, поступающий по линии 104, может быть снабжен воздухоразделительным устройством или другим процессом или системой, обеспечивающей получение кислорода высокой чистоты. Отделенный азот можно использовать в другом подходящем процессе, таком, как азотная инъекционная скважина, а также согласно описанию которой приведено в предварительной заявки на патент США № 61/072.292. В одном или нескольких примерах осуществления поток кислорода, поступающий по линии 104, может содержать в объемном отношении от 90 до 99,9% кислорода. В другом примере поток кислорода, поступающий по линии 104, может содержать в объемном отношении от 90 до 99,9% кислорода, а в остальном аргон, азот, двуокись углерода или их смесь. Еще в одном примере поток кислорода, поступающий по линии 104, может содержать в объемном отношении от 95 до 96% кислорода, от 4 до 5% аргона и не более 0,2% двуокиси углерода.

Центральный контроллер 115 может представлять собой или содержать систему регулирования какого-либо типа, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было получать входные данные, такие, как расход потока и состав потока, и посылать сигналы, предназначенные для того, чтобы регулировать расход потоков с помощью, например, клапанов, насосов, компрессоров и/или каких-либо других устройств, которые можно использовать для регулирования или иной настройки расхода. В одном примере осуществления центральной контроллер 115 может содержать программируемый компьютер, имеющий входные устройства пользователя, такие, как клавиатура и/или мышь, устройства вывод, такие, как монитор и/или громкоговорители, и может работать, используя активную память (оперативную память). Он имеет оперативную связь с жестким диском, оптическими дисками, дисководами компьютерной сети и базами данных через локальную сеть, ГВС, беспроводную связь в стандарте νί-Ρί или другую внешнюю сеть.

Какой-либо один или несколько контроллеров расхода 116а, 116Ь, 118 и 120 могут содержать программируемые автоматизированные контроллеры, чтобы получать и обрабатывать сигналы, полученные из центрального контроллера 115. Какой-либо один или несколько контроллеров расхода 116а, 116Ь, 118 и 120 могут иметь оперативную или иную связь с одним или несколькими клапанами или направляющими, вентиляционными каналами или другими устройствами для увеличения и/или уменьшения расхода почти газообразного потока. Кроме того, по меньшей мере, в одном примере осуществления какой-либо один или несколько контроллеров расхода 116а, 116Ь, 118 и 120 могут иметь оперативную или иную связь с одним или несколькими датчиками расхода и/или состава, которая может обеспечить получение дополнительных данных, позволяющих подтвердить наличие изменений расхода у соответствующих потоков, регулируемых контроллерами 116а, 116Ь, 118 и/или 120. Чтобы поддерживать устойчивость пламени и эффективное регулирование, может оказаться предпочтительным использовать высокоскоростной контроллер в качестве какого-либо одного или любого контроллера 116а, 116Ь, 118 и 120.

Хотя контроллер расхода 116Ь может быть активным датчиком, как было указано выше, в одном характерном примере осуществления расход второй части потока двуокиси углерода (например, потока разбавителя), подаваемого по линии 102Ь, можно первоначально регулировать пассивно. Например, топка 110 может содержать футеровку, имеющую одно или несколько охлаждающих каналов (например, разбавляющих отверстий), расположенных в определенном порядке, имеющих определенные размеры и обладающих такой конфигурацией, чтобы можно было обеспечивать разбавление и регулирование температуры внутри топки 110. Следовательно, расход потока двуокиси углерода или разбавителя, поступающего по линии 102Ь, может первоначально зависеть конструкции охлаждающих каналов в топке 110. Кроме того, контроллер расхода 116Ь можно использовать для прекращения подачи второй части потока двуокиси углерода, поступающей по линии 102Ь, в случае остановки, загрязнения потока 102Ь или по какой-либо иной причине. Центральный контроллер 115 может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было включить, по меньшей мере, одну защитную блокировку и/или отключающую логику и/или аварийную сигнализацию, если система 100 выйдет из-под контроля, чтобы защитить подключенное на выходе машинное оборудование.

Датчик температуры 114 может представлять собой или содержать один единственный датчик, или может дополнительно содержать резервный датчик, или может содержать целую совокупность датчиков внутри или вокруг потока продуктов сгорания, выводимых по линии 112 и/или вокруг потока подвергшихся расширению продуктов сгорания 113. Можно использовать подходящие датчики температуры любого типа, хотя выбранный датчик температуры должен обладать высокой теплостойкостью и способностью эффективно работать при температурах, превышающих 1.093°С, 1.205°С или даже 1900°С. В одном примере датчик(и) температуры 114 может посылать данные непосредственно в контроллеры расхода 116а, 116Ь, 118 и/или 120 или может посылать данные в центральный контроллер 115, который может затем регулировать реакцию контроллеров расхода 116а, 116Ь, 118 и/или 120. В другом примере датчик(и) температуры 114 может посылать данные непосредственно в контроллер расхода 120 потока сжи- 9 025821 гаемого топлива. Дополнительно и/или альтернативно, датчик(и) температуры 114 может посылать данные из топки 110 с участка возле выхода или с участка позади топки 110 на выходе из нее, из множества точек, расположенных вдоль потока продуктов сгорания 112, или их совокупности. Температуру следует поддерживать внутри определенного диапазона рабочих значений, который будет сильно зависеть от используемого оборудования, типа сжигаемого топлива и от характера других поступающих потоков, возможности использовать поток продуктов сгорания, выводимый по линии 112, и других факторов.

Обычно температура не должна превышать 1925°С, чтобы избегать образования ΝΟ_Χ, и из-за того, что большинство коммерческих топок 110 не может работать при более высоких температурах, но этот предел можно поднять, если материал топки 110 может работать при более высоких температурах и в системе 100 отсутствует азот. На входе в детандер 111 температура преимущественно не превышает 1370°С. Такие высокие температуры могут также способствовать образованию нежелательных полициклических ароматических углеводородов, который могут приводить к образованию сажи. Однако температура должна быть достаточно высокой, чтобы избежать сдувания пламени, и достаточно высокой, чтобы эффективно сгорали почти весь кислород (Ο₂) и почти все углеводороды (например, быть температурой стехиометрического горения), чтобы образовался поток продуктов сгорания 112, нуждающийся лишь в ограниченном кондиционировании перед использованием в процессе добычи нефти с искусственным поддержанием энергии пласта или в качестве разбавителя в системе горения 100. Во многих случаях предпочтительная температура может составлять от 815°С до 1370°С или от 870°С до 1040°С.

Анализатор кислорода 126 может представлять собой или содержать один единственный датчик, или может дополнительно содержать резервный датчик, или может содержать целую совокупность датчиков во многих местах внутри потока продуктов сгорания, выводимого по линии 112, и/или внутри потока подвергшихся расширению продуктов сгорания, выводимого по линии 113. Например, можно использовать множество кислородных датчиков и/или широкополосных циркониевых датчиков кислорода, чтобы обеспечить обратную связь с центральным контроллером 115 и /или контроллером расхода 118 потока кислорода. При использовании кислородного датчика центральный процессора может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было менять отношение топлива в потоке сжигаемого топлива 108 к кислороду в потоке кислорода 104 таким образом, чтобы содержание кислорода в потоке продуктов сгорания 112 отклонялось от стехиометрического коэффициента (эквивалентности по стехиометрическому отношению (φ)), становясь меньше 1,0 и/или больше 1,0. Этот процесс может оказаться подобным процессу, используемому в автомобильной промышленности для двигателей внутреннего сгорания. Во всяком случае содержание кислорода в потоке продуктов сгорания, удаляемом по линии 112, преимущественно мало и составляет в объемном отношении не более 3,0, 1,0, 0,1, 0,001%. Если количество кислорода слишком велико, тогда расход потока кислорода, подаваемого по линии 104, можно уменьшить и/или увеличить расход сжигаемого топлива, поступающего по линии 108. Уменьшая расход потока кислорода, подаваемого по линии 104, можно понизить температуру пламени, как было указано выше, требуя отрегулировать расход потока сжигаемого топлива, поступающего по линии 108.

На фиг. 3В приведена схема характерной системы горения 140, которая сходна с системой горения 100, показанной на фиг. 3А, но содержит еще необязательные конструктивные элементы, имеющие такую конфигурацию, чтобы можно было подвергать дальнейшей обработке или кондиционированию поток продуктов сгорания, выводимый по линии 112, и/или 113. Систему горения 140, показанную на фиг. 3В, как таковую, легче понять, если сравнивать ее с системой горения 100, показанной на фиг. 3А. Система горения 140 содержит конструктивные элементы, содержащиеся в системе горения 100, показанной на фиг. 3А, и еще устройство каталитического дожигания 146. Устройство каталитического дожигания 146 может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было уменьшать содержание кислорода и/или окиси углерода в потоке продуктов сгорания, выводимой по линии 112, потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, выводимом по линии 113, первом потоке продуктов сгорания, выводимом по линии 127, и/или втором потоке продуктов сгорания, выводимом по линии 128. Из устройства каталитического дожигания 146 выходит поток продуктов сгорания, подвергшийся, по меньшей мере, частичной обработке или очистке. Система горения 140 может также содержать перепускной поток продуктов сгорания, выводимый по линии 142, который может содержать контроллер расхода 144 для регулирования расхода перепускного потока продуктов сгорания 142. Анализатор кислорода 126 может иметь оперативную или иную связь с контроллером расхода 144, прямую или непрямую через центральный контроллер 115. Могут использоваться дополнительные контроллеры расхода и анализаторы кислорода (не показанные на рисунке) в тех примерах осуществления, в которых перепускной поток продуктов сгорания 142 разделен и/или второй поток продуктов сгорания, выводимый по линии 128, замкнут, как будет изложено ниже.

Устройство каталитического дожигания 146 может представлять собой одно единственное устройство или множество устройств, включенных параллельно, последовательно или последовательнопараллельно. Преимущественно каталитическое устройство 146 может иметь небольшие размеры, чтобы уменьшать расход энергии на его эксплуатацию. В частности, каталитическое устройство 146 может содержать катализатор восстановления окиси углерода и/или катализатор восстановления кислорода, который обычно используется в утилизационном парогенераторе, чтобы удовлетворять требования по уменьшению выбросов. Подобная система обычно не рассчитана на удаление большого количества ки- 10 025821 слорода, но если в потоках продуктов сгорания 112, 113, 127 и/или 128 остается значительное количество кислорода, то потоки 112, 113, 127, 128 можно подвергать рециркуляции через каталитическое устройство 146, прежде чем подвергать их дальнейшей обработке или утилизации, например, сжатию и закачиванию при добыче нефти с искусственным поддержанием энергии пласта. В некоторых примерах осуществления может содержаться или использоваться еще один анализатор кислорода (не показанный на рисунке), чтобы можно было измерять или иным образом оценивать концентрацию кислорода в потоке продуктов сгорания, выводимом по линии 148, после его, по меньшей мере, частичной обработки или очистки, чтобы убедиться в том, что концентрация кислорода достаточно мала (например, составляет в молярном отношении менее 0,5% или менее 0,1%), не будет вызывать коррозию компрессионного или инжекционного оборудования и не будет приводить к закисанию резервуара в результате поступления кислорода, который может реагировать с углеводородами, оставшимися в резервуаре.

Перепускной поток сжигаемого топлива (например, вторая часть потока сжигаемого топлива), поступающий по линии 142, можно смешивать, подвергать контактированию или иным образом объединять с потоком подвергшихся расширению продуктов сгорания, выводимым по линии 113, затем местом, где от потока подвергшихся расширению продуктов сгорания, выводимого по линии 113, отделяется первый поток продуктов сгорания, выводимый по линии 127. Перепускной поток сжигаемого топлива, поступающий по линии 142, можно вводить во второй поток продуктов сгорания, выводимый по линии 128, на участке до каталитического устройства 146, чтобы можно было использовать дополнительное количество углеводородов для повышения эффективности удалению кислорода каталитическим устройством 146. В одном или нескольких примерах осуществления перепускной поток сжигаемого топлива 142 можно разделить на струи и вводить во второй поток продуктов сгорания, выводимый по линии 128, перед каталитическим устройством 146 и в подвергшийся, по меньшей мере, частичной обработке или очистке поток продуктов сгорания, выводимый по линии 148. В том примере осуществления, в котором подвергшийся, по меньшей мере, частичной обработке или очистке поток продуктов сгорания, выводимый по линии 148, поступает обратно в каталитическое устройство 146, может оказаться полезным вводить часть перепускного потока сжигаемого топлива 142 в подвергшийся, по меньшей мере, частичной обработке или очистке поток продуктов сгорания, выводимый по линии 148, перед его возвратом в каталитическое устройство 146. Лучше чтобы перепускной поток сжигаемого топлива 142 имел такую конфигурацию, чтобы можно было уменьшить объемное процентное содержание кислорода в подвергшемся, по меньшей мере, частичной обработке или очистке потоке продуктов сгорания, выводимом по линии 148, перед его сжатием и закачиванием при добыче нефти с искусственным поддержанием энергии пласта, чтобы предотвратить коррозию инжекционного и компрессионного оборудования и окисление углеводородов, оставшихся в инжекционном резервуаре.

На фиг. 3С приведена схема характерной системы горения 150, которая может иногда содержать конструктивные элементы, описанные выше со ссылкой на фиг. 3В. Схему на фиг. 3С легче понять, сравнивая ее с фиг. 3А и 3В. Система горения 150 может содержать анализатор углеводородов 152, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было измерять, определять или иным образом оценивать количество углеводородов в потоке продуктов сгорания, выводимом по линии 112, и/или в потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, выводимом по линии 113, в первом потоке топливного газа, поступающем по линии 108а и регулируемом контроллером расхода 154, и во втором потоке топливного газа, поступающем по линии 108Ь и регулируемом контроллером расхода 156. В одном или нескольких примерах осуществления первый поток топливного газа, поступающий по линии 108а, может иметь более высокое качество, чем второй поток топливного газа, поступающий по линии 108Ь. Первый поток топливного газа, поступающий по линии 108а, можно называть потоком высококачественного топливного газа, а второй поток топливного газа, поступающий по линии 108Ь, можно называть потоком низкокачественного топливного газа. Поток высококачественного топливного газа, поступающий по линии 108а, поток низкокалорийного топливного газа, поступающий по линии 108Ь, или их смесь могут поступать в топку 110 по линии 108. Контроллер расхода 156 может быть непосредственно соединен с анализатором углеводородов 152 и/или может соединяться с ним через центральный контроллер 115. Контроллеры расхода 154, 156 и иногда 120 могут иметь оперативную связь с суммирующим контроллером 158, который может быть связан с центральным контроллером 115 прямо или через контроллер расхода потока кислорода 118.

Поток высококачественного топливного газа, поступающий по линии 108а, может в основном содержать метан (например, в объемном отношении около 99%) и иногда может являться или содержать форсирующий топливный газ, такой, как водород, высшие углеводороды (например, С₂ и С₃+) или их смесь. Состав потока высококачественного топливного газа, поступающего по линии 108а, можно менять в зависимости от требований системы горения 150 и/или от доступности разных видов топлива, но преимущественно он не должен содержать значительных количеств инертных газов (например, азота или двуокиси углерода) или кислых газов (например, двуокиси серы или сероводорода). Поток высококачественного топливного газа, поступающий по линии 108а, можно брать из любого подходящего источника, но лучше брать его из близлежащего месторождения газа, чем импортировать на значительное расстояние. В частности, если поток высококачественного топливного газа, поступающий по линии 108а,

- 11 025821 представляет собой водород, его можно брать из процесса автотермического риформинга, которому подвергается газ из ближайшего месторождения газа (не показанного на рисунке).

Поток низкокалорийного топливного газа, поступающий по линии 108Ь, может содержать в объемном отношении не более 80% метана, не более 60% метана, не более 40% метана или даже не более 20% метана. Поток низкокалорийного топливного газа, поступающий по линии 108Ь, может также содержать небольшое количество более тяжелых углеводородов, таких, например, как этан, пропан и/или бутан. Во большинстве случаях остальная часть потока низкокалорийного топливного газа 108Ь состоит главным образом из инертных газов, таких, как двуокись углерода, но иногда могут присутствовать небольшие количества азота, сероводорода, гелия, аргона и/или других газов. Преимущественно, все неуглеводородные газы и инертные газы, кроме двуокиси углерода, можно удалять из потока низкокалорийного топливного газа, поступающего по линии 108Ь, перед его смешением и сжиганием.

По меньшей мере в одном примере осуществления расход и состав двух содержащих углеводород потоков 108а и 108Ь можно использовать для расчета количества кислорода, требуемого для работы топки 110, и задания контрольной точки для контроллера расхода потока кислорода 118. Расчет может задать контрольную точку для стехиометрического горения в топке 110. Значения расхода и состав потоков может со временем меняться в зависимости от источника потоков 108а и 108Ь. Например, поток низкокалорийного топливного газа 108Ь мог поступить из скважины для добычи нефти с искусственным поддержанием энергии пласта, имеющей на ранней стадии добычи высокое содержание метана (например, в объемном отношении более 80%). В подобном случае расход потока высококачественного топливного газа, поступающего по линии 108а, может быть низким или нулевым. Но когда происходит прорыв, потока низкокалорийного топливного газа, поступающий по линии 108Ь, может содержать очень мало метана (например, в объемном отношении не более 20%). В таком случае расход потока высококачественного топливного газа, поступающего по линии 108а, можно увеличивать, чтобы повысить содержание углеводородов в потоке сжигаемого топлива, поступающего по линии 108.

На фиг. 3Ό приведена схема характерной системы горения 160 согласно одному или нескольким примерам осуществления. Система горения 160 может иногда содержать конструктивные элементы, описанные выше со ссылкой на фиг. 3В и 3С. Схему на фиг. 3Ό легче понять, сравнивая ее с фиг. 3А-3С. Система горения 160 может еще содержать поток очищенной двуокиси углерода, поступающий по линии 108с. С потоком очищенной двуокиси углерода, поступающей по линии 108с, может находиться в оперативной или иной связи с контроллером расхода 162. Поток очищенной двуокиси углерода, поступающий по линии 108с, может объединяться с потоками 108а и/или 108Ь, образуя поток сжигаемого топливного газа, поступающий по линии 108 и имеющий почти постоянный состав во время эксплуатации системы горения 160. Можно использовать такой же подход, что и к системе горения 150, но физические параметры топки 110 могли быть подобраны для конкретного состава потока сжигаемого топливного газа, поступающего по линии 108, но все же ее можно использовать для сжигания топлива, имеющего переменный состав 108Ь. Поток очищенной двуокиси углерода, поступающий по линии 108с, можно выделить из потока продуктов сгорания, выводимых по линии 112, или брать из другого источника.

На фиг. 3Е приведена схема еще одной характерной системы горения 170 согласно одному или нескольким примерам осуществления. Система горения 170 может иногда содержать конструктивные элементы, описанные выше со ссылкой на фиг. 3Α-3Ό. Схему на фиг. 3Е легче понять, сравнивая ее с фиг. 3Α-3Ό. Система горения 170 может содержать поток сжигаемого топлива, поступающий по линии 108, который состоит в основном из углеводородов и двуокиси углерода и обладает начальным отношением топливо-двуокись углерода; обогащенный кислородом поток, поступающий по линии 106, который состоит в основном из кислорода и двуокиси углерода, причем поток сжигаемого топлива, поступающий по линии 108, и обогащенный кислородом поток, поступающий по линии 106, объединяются, образуя входной поток, поступающий в топку по линии 172, имеющий смесевое отношение топливо-кислород и такую конфигурацию, чтобы можно было обеспечивать оптимальную эквивалентность по стехиометрическому отношению (φ) и начальное смесевое отношение двуокись углерода-кислород, имеющие такую конфигурацию, чтобы обеспечивать оптимальную температуру горения; поток разбавителя, который состоит в основном из двуокиси углерода и поступающий по линии 102Ь; и топку 110, имеющую такую конфигурацию, чтобы поток, поступающий в топку по линии 172, сгорал, по меньшей мере, частично, образуя поток горячих продуктов, выводимый по линии 174, который содержит главным образом воду и двуокись углерода, причем поток горячих продуктов, выводимый по линии 174, можно смешивать с потоком разбавителя 102Ь, образуя поток продуктов сгорания 112, имеющий температуру и конечное отношение двуокись углерода-топливо.

В одном или нескольких примерах осуществления углеводороды в потоке сжигаемого топлива 108 могут содержать метан, а отношение топливо-кислород может составлять в молярном отношении от 0,9:1 до 1,1:1 или от 0,95:1 до 1,05:1. В другом примере осуществления углеводороды в потоке сжигаемого топлива, поступающего по линии 108, могут содержать метан, а отношение двуокись углеродатопливо может составлять в молярном отношении от 20:1 до 25:1 или от 23:1 до 24:1.

По меньшей мере в одном конкретном примере осуществления система 170 может еще содержать поток высококачественного топливного газа, поступающего по линии 108а, поток низкокалорийного то- 12 025821 пливного газа, поступающий по линии 108Ь, и поток очищенной двуокиси углерода, поступающий по линии 108с и имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было объединять его с потоком высококачественного топливного газа, поступающим по линии 108а, и потоком низкокалорийного топливного газа, поступающим по линии 108Ь, чтобы образовать поток сжигаемого топлива, поступающий по линии 108, поддерживать постоянное начальное отношение топливо-двуокись углерода в потоке сжигаемого топлива, поступающем по линии 108. Дополнительные примеры осуществления могут содержать поток кислорода, поступающий по линии 104, и смешанный поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102а, расход т состав которого имеют такую конфигурацию, чтобы можно было его объединять с потоком кислорода, поступающим по линии 104, образуя обогащенный кислородом поток, поступающий по линии 106.

Еще в одном примере осуществления система горения 170 может содержать, по меньшей мере, один датчик температуры 114, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было измерять температуру в потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, выводимом по линии 113 (а иногда в потоке продуктов сгорания, выводимом по линии 112). Температуру в потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, выводимом по линии 113, можно использовать для расчета расхода, по меньшей мере, одного потока из группы, в состав которой входят смешанный поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102а, поток очищенной двуокиси углерода, поступающий по линии 108с, и поток разбавителя, поступающий по линии 102Ь, чтобы регулировать температуру горения. Система горения 170 может еще содержать, по меньшей мере, один анализатор углеводородов 152, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было измерять количество кислорода в потоке продуктов сгорания, выводимом по линии 112, и/или в потоке подвергшихся расширению продуктов сгорания, выводимом по линии 113. Количество углеводородов в составе потока продуктов сгорания, выводимого по линии 112, и/или потока подвергшихся расширению продуктов сгорания, выводимого по линии 113, можно использовать для оптимизации расхода потока кислорода, поступающего по линии 104, чтобы достичь почти стехиометрического горения. Система горения 170 может также включать детандер 111, имеющий нагрузку, и контроллер нагрузки 111', имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было измерять нагрузку. Контроллер нагрузки 111' можно использовать для поддержания смесевого отношения топливо-кислород при изменении нагрузки.

На фиг. 3Р приведена схема еще одной характерной системы горения 180 согласно одному или нескольким примерам осуществления. Система горения 180 может иногда содержать конструктивные элементы, описанные выше со ссылкой на фиг. 3А-3Е. Схему на фиг. 3Р легче понять, сравнивая ее с фиг. ЗА - 3Е. Система горения 180 показана без датчиков и контроллеров, чтобы легче ее воспринимать, но понятно, что система горения 180 может содержать датчики и контроллеры, как показано на фиг. 3А-3Е. Система горения 180 может содержать поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102, который можно подавать в компрессор 109, чтобы создать поток сжатой двуокиси углерода, поступающий по линии 103. Поток сжатой двуокиси углерода, поступающий по линии 103, можно подавать в топку 110. Поток кислорода, поступающий по линии 104, и поток сжигаемого топлива, поступающий по линии 108, который может представлять собой смесь потоков, как было указано выше со ссылкой на фиг. 3С-3Е, можно также подавать в топку 110.

На фиг. 4А-4С показаны три характерные топки 200, 220, 240, соответственно, которые можно использовать в сочетании с системами, показанными на фиг. 3А-3Р, согласно одному или нескольким примерам осуществления. С системами горения 100, 140, 150, 160, 170 и 180, описанными выше со ссылкой на фиг. 3А-3Р, можно использовать какую-либо одну или несколько топок 200, 220 и 240. Рис. 4А-4С легче понять, сравнивая их с фиг. 3А-3Р.

Топка 200 может иметь первый конец 201а, второй конец 201Ь, наружную оболочку 202, топочную футеровку 203, кольцевое пространство 204, расположенное между наружной оболочкой 202 и топочной футеровкой 203, первую зону смешения 206, вторую зону смешения 208, зону горения 210, зону полного сгорания 212 и множество отверстий 213, проходящих сквозь футеровку 203. Топочная система 200 может также содержать датчик 216, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было контролировать, измерять или иным образом оценивать колебания давления внутри топки 110. Топочная система 200 может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было получать поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102, который можно разделять внутри топки 110. Например, первую часть потока двуокиси углерода, поступающую по линии 102 (изображенной пунктирной линией 102Ь), можно смешивать, подвергать контактированию или иным образом объединять с потоком кислорода, поступающим по линии 104, и получать обогащенный кислородом поток в первой зоне смешения 206. Вторую часть потока двуокиси углерода, поступающего по линии 102 (изображенного пунктирной линией 102а), можно использовать в качестве охлаждающего потока 214. Двуокись углерода, используемая в качестве охлаждающего потока 214, может протекать сквозь отверстия 213, проходящие сквозь топочную футеровку 203 и поступать в зону полного сгорания 212. Поток сжигаемого топлива, поступающего по линии 108, можно также подавать в топку 110 и смешивать с обогащенным кислородом потоком во второй зоне смешения 208, образуя поток смешанного горения, который может, по меньшей мере, частично, сгорать с зоне сгорания 210, образуя поток продуктов сгорания 112. По меньшей мере в одном примере осуществления система

- 13 025821 сгорания 200 может еще включать зону горячего пламени 211.

На фиг. 4В показана характерная топка 220, имеющая характерный профиль двуокиси углерода 222 и профиль кислорода 224 в поперечном сечении зоны горения 210, который образует в центре сравнительно более горячую зону пламени, т.е. зону горячего пламени 211. Рис. 4В отображает тот случай, когда расход кислорода 224 возле центра второй зоны смешения 208 больше, чем на периферии второй зоны смешения 208, а расход двуокиси углерода 222 является постоянным по всему сечению второй зоны смешения 208. Иная картина наблюдается на фиг. 4С, где показана топка 240, в которой расход кислорода 242 является постоянным по всему поперечному сечению второй зоны смешения 208, а расход двуокиси углерода 244 уменьшается в направлении от периферии к центру второй зоны смешения 208. Обратите внимание на то, что в обоих случаях суммарное молярное отношение кислород-двуокись углерода в зоне горения 210 может быть одним и тем же. Молярное отношение кислород-двуокись углерода может составлять от 0,2:1 до 0,5:1.

Как показано на фиг. 4А, горячая зона пламени 211 может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было увеличивать устойчивость пламени внутри зоны горения 210. Этот подход позволит менять количество топлива, поступающего по линии 108, поперек лицевой поверхности отдельного сопла, поддерживая общую стехиометрию внутри зоны горения 210 близкой к эквивалентности по стехиометрическому отношению (φ), равной 1, например, в диапазоне от 0,95 до 1,05. Такое устройство допускает локализованное изменение (а) стехиометрии или (Ь) отношения двуокись углерода-кислород, что уравновешивает двойственные требования к устойчивости пламени и к ограничениям в отношении материала футеровки. Например, в конструкции или конфигурации топки, которая содержит множество сопел в расчете на топку 200, зону горячего пламени 211 можно использовать для изменения локальной стехиометрии поперек лицевой поверхности каждого сопла независимо одна от другой или поперек лицевой поверхности всей второй зоны смешения 208 целиком. Обратите внимание на то, что хотя зона горячего пламени 211 показана расположенной в центре зоны горения 210, предполагается, что зона горячего пламени 211 может находиться вне центра и что может существовать не одна зона горячего пламени 211.

В одном или нескольких примерах осуществления топочная система 200 может иметь такую конфигурацию, чтобы в ней имелась устойчивая зона горячего пламени 211 с богатыми смесями потока сжигаемого топлива 108 и обогащенного кислородом потока (или сайнеровского потока) или потока сжигаемого топлива 108 и потока кислорода 104. Зона горячего пламени 211 могла бы обеспечить горячее ядро пламени, которое может повышать общую устойчивость пламени. Продукты сгорания и несгоревшее топливо из зоны горячего пламени 211 могли бы полнее окисляться за топкой 110, где мог бы иметься избыток кислорода или сайнер. Общую стехиометрию топки 110 можно поддерживать близкой к эквивалентности по стехиометрическому отношению (φ), равной 1, например, в диапазоне от 0,95 до 1,05.

В одном или нескольких примерах осуществления топочная система 200 может содержать множество вторичных зон смешения 208, зон горения 210 и/или инжекторов топлива/кислорода, один или несколько из которых способны к независимой модуляции. Они млгут быть расположены последовательно или параллельно и позволяют поддерживать общую устойчивость пламени путем модулирования одной или нескольких вторичных зон смешения 208 независимо от других зон. Регулирование можно также производить путем устранения одной или нескольких вторичных зон смешения 208 при сохранении в топке 200 устойчивого пламени.

Еще в одном примере осуществления топка 200 может иметь геометрию, спроектированную таким образом, чтобы можно использовать высокую излучательную способность абсорбционную характеристику двуокиси углерода. Геометрия может включать длинный оптический путь между поступающими реагентами (потоком кислорода 104 и потоком сжигаемого топлива 108) и пламенем (в зоне горения 210) за ними. Высокая температура из пламени могла бы подвергать реагенты радиационному нагреванию, чтобы обеспечить их предварительное нагревание. В дополнение к этому или вместо этого стенку сопла или топки можно сделать из материала, который излучает на той длине волны, на которой преимущественно поглощает двуокись углерода. Эта конфигурация передавала бы тепло от материала к двуокиси углерода и повышала бы температуру потока двуокиси углерода, поступающего по линии 102, что повысить эффективность реакции горения. Еще при одном изменении оптической системы можно включать стабилизатор пламени, сделанный из материала, который преимущественно поглощает на той длине волны, на которой излучает двуокись углерода. Это могло бы привести к нагреванию материала и предварительному нагреванию реагентов за счет излучения.

Еще одно преимущество топочной системы 200 заключается в том, что она использует смесь двуокись углерода/кислород (сайнеровский или обогащенный кислородом поток) вместо природного воздуха, что облегчает конструирование топки благодаря более высокой плотности сайнера по сравнению с природным воздухом. Молекулярный вес у двуокиси углерода больше, чем у азота, что приводит к увеличению плотности и уменьшению скорости при одном и том же массовом расходе. Уменьшение скоростей в лицевой поверхности горелки (у горелки с той же самой плотностью энерговыделения) способствует стабилизации пламени. Это преимущество помогает компенсировать уменьшение скорости пламен

- 14 025821 в смеси двуокись углерода/кислород (сайнеровском или обогащенном кислородом потоке). Предлагаемые конструкции могут также способствовать общей стабилизации пламени за счет предварительного нагревания реагентов и/или за счет охлаждения топки в результате эффективной передачи тепла потокам газа.

Еще в одном примере осуществления топочная система 200 может содержать одно или несколько газо-инжекционных устройств, в которые газ может поступать по линии 213. Газ, поступающий по линии 213, можно подавать через газо-инжекционное устройство в зону горячего пламени 211. Газ может содержать кислород, двуокись углерода, сжигаемое топливо или их смесь, но не только эти компоненты. Подача газа, поступающего по линии 213, в зону горячего пламени может обеспечивать стабилизацию пламени перед зоной горения, имеющей такую конфигурацию, чтобы можно было увеличивать стабильность пламени в зоне горения 210.

На фиг. 5А и 5В показаны конфигурации 300 и 320 топок, показанных на фиг. 4А-4С, согласно одному или нескольким примерам осуществления. Фиг. 5А и 5В легче понять, сравнивая их с фиг. 4А-4С. Конфигурация топки 300 содержит первый поток кислорода, поступающий по линии 104а, который подают в кольцевое пространство 204 через инжектор 302. Поток кислорода, поступающий по линии 104а, можно смещивать в хоне 206 с двуокисью углерода 102, сжигаемым топливом, поступающим по линии 108, и с со вторым потоком кислорода, поступающим по линии 104Ь.

В одном или нескольких примерах осуществления внутри первой зоны смешения 206 может быть расположено смесительное устройство 304. Смесительное устройство 304 может представлять собой вихревую форсунку, смесительные лопатки, проволочную сетку или какое-либо другое устройство, имеющее такую конфигурацию, чтобы можно было смешивать газообразные потоки. Инжекторы 302 могут представлять собой множество инжекторных отверстий, расположенных в стенке топки 110 или в кольце, расположенном внутри кольцевого пространства 204, чтобы можно было создавать ряд сильно турбулентных струй кислорода. Конфигурация кольца может представлять собой или содержать сегментированное кольцо или сплошное кольцо. Далее, кольцо может иметь круглую форму поперечного сечения, иметь клиновую форму или форму плохо обтекаемого тела. Более тонкие струи могут приводить к лучшему перемешиванию на более коротком расстоянии. Может оказаться желательным добиться почти полного перемешивания в тот момент, когда сайнер (смесь двуокись углерода/кислород) длстигнет места инжекции топлива во второй зоне смешения 208, чтобы способствовать полному сгоранию и стехиометрической реакции.

Вторая зона смешения 208 может находиться в том месте, где входит поток сжигаемого топлива 108. Внутри второй зоны смешения 208 может находиться второе смесительное устройство 308. Второе смесительное устройство 308 может представлять собой вихревую форсунку, смесительные лопатки, проволочную сетку или какое-либо другое устройство, имеющее такую конфигурацию, чтобы можно было создавать низкоскоростную область для стабилизации пламени. Поток сжигаемого топлива 108 можно впрыскивать в вихревой поток и можно стабилизировать или удерживать пламя в зоне горения 210. Инжектор топлива, показанный в топочном устройстве 300, является упрощенной схемой и может содержать множество отверстий или инжекционных каналов. Охлаждающий поток 214 может содержать двуокись углерода, поступающую по линии 102 в кольцевое пространство 204. Поток продуктов сгорания 112 можно выводить в детандер 111 (смотри, например, фиг. 3А).

На фиг. 5В показана альтернативная конфигурация топки 320, которая может содержать вторичную внутреннюю оболочку или вторичную футеровку 324. Вторичная внутренняя оболочка 324 может быть расположена вокруг футеровки 203 на участке от точки между первым концом 201а и вторым концом 201Ь до второго конца 201Ь. По меньшей мере, в одном примере вторичная внутренняя оболочка 324 может простираться от точки между первым концом 201а и вторым концом 201Ь и вторым концом 201Ь. Топочное устройство 320 может также содержать один или несколько смесителей 322, расположенным внутри кольцевого пространства 204. Смесители 322 могут быть расположены ближе ко второму концу 201Ь топочного устройства 320, чем в конфигурации топки 300. Следует отметить, что поток кислорода, поступающий по линии 104, не должен входить в поток разбавителя 214, поскольку он стал бы реагировать с продуктами сгорания внутри зоны полного сгорания 212. Следовательно, вторичная футеровка 324 обладает тем преимуществом, что позволяет увеличить длину зоны смешения 206 и избежать введения кислорода в разбавляющий или охлаждающий поток 214.

В другом примере осуществления поток кислорода, поступающий по линии 104, можно вводить в двух местах 104а и 104Ь. Введение потока кислорода по линиям 104а и 104Ь может допускать пространственное изменение отношения кислород-двуокись углерода в обогащенном кислородом потоке, чтобы можно было создавать зону горячего пламени 211 в зоне горения 210.

На фиг. 6А и 6В показаны альтернативная варианты топок, изображенных на фиг. 4А-4С согласно одному или нескольким примерам осуществления. Фиг. 6А и 6В легче понять, сравнивая их с фиг. 4А4С. Топочная система 400 может содержать первую зону смешения 206 возле первого конца 201а топки 400. Первая зона смешения 206 может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было обеспечивать подачу потока двуокиси углерода, поступающего по линии 102, потока кислорода, поступающего по линии 104, и потока сжигаемого топлива, поступающего по линии 108, от первого конца 201а ко второму концу

- 15 025821

201Ь топки 400. В первой зоне смешения 206 могут быть расположены один или несколько смесителей (два из них показаны как 402а и 402Ь). Смесители 402а и 402Ь могут иметь одну и ту же или сходную геометрию или же смеситель 402Ь может иметь другую геометрию, чем смеситель 402а, чтобы можно было менять отношение кислород-двуокись углерода поперек лицевой поверхности второй зоны смешения 208.

В частности, как показано на рисунках, существуют две стадии смешения: первая зона смешения или первая стадия 206 для смешения кислорода и двуокиси углерода, чтобы создать синтетический воздух (обогащенный кислородом поток), и вторая зона смешения или вторая стадия 208 для смешения потока сжигаемого топлива 108 с синтетическим воздухом, чтобы создать поток горючей смеси. Поток кислорода, поступающий по линии 104, можно инжектировать в поток двуокиси углерода 102, а смешение можно проводить, например, с помощью вихревой форсунки, лопаток, инжекторов с плохо обтекаемым телом или проволочной сетки, чтобы генерировать турбулентность. Смешение между кислородом и двуокисью углерода происходит в первой зоне смешения 206, и длину первой зоны смешения 206 можно подбирать такой, чтобы было завершать смешение. Поток сжигаемого топлива, поступающий по линии 108, можно инжектировать с помощью топливного инжектора, который показан в виде одинарной трубы 605, и подача производится через инжекционные отверстия на конце трубы 605. Горение происходит в зоне горения 210, а стенки можно охлаждать двуокисью углерода, поступающей по линии 102.

В одном или нескольких примерах осуществления топочная система 400 может менять падение давления поперек сечения смесителей 402а и/или 402Ь, так что смесь в середине первой зоны смешения 206 имеет более высокое отношение кислород/двуокись углерода, чем на периферии зоны смешения. Благодаря этому возле центра зоны горения 210 создается более высокая температура пламени, а возле стенок топки 400 создаются более низкие температуры. Это предположение основано на большей густоте проволочной сетки на сайнеровском смесителе/вихревой форсунке 402Ь, которая тормозит подачу двуокиси углерода по сравнению с подачей кислорода в эту область.

На фиг. 6В показан другой пример осуществления, в котором в одиночной топке 420 используется множество сопел 108а-с и 104а-с. Это позволяет включать и выключать отдельные сопла при изменении нагрузки в топке 420. Это позволяет также каждому сопру иметь разные вихревые форсунки 422а-422с в зонах первого смешения 206а-206с, так что отношение кислород/двуокись углерода может быть больше возле центра топки 211, чтобы можно было повышать устойчивость пламени, и меньше возле стенок 210а-210Ь.

На фиг. 7Ά-7Ό приведены дополнительные альтернативные варианты осуществления топок, показанных на фиг. 4А-4С согласно одному или нескольким примерам осуществления. Фиг. 7А - 7Ό легче понять, сравнивая их с фиг. 4А-4С. На фиг. 7А показана топка 500, которая содержит разделитель потока двуокиси углерода 102, причем первая часть 102Ь направляется вдоль стенок топки 500 для охлаждения, а вторая часть 102а направляется через кольцевое пространство вокруг центрального копья или вихревого загрузчика 502. Центральное копье 502 имеет боковые инжекторы для кислорода 504. Кислород можно вводить по касательной в поток двуокиси углерода 102а, вводимый почти по центру. Это устройство может усиливать смешение между кислородом и двуокисью углерода и создает вихревой сайнеровский поток. Можно создать множество мест инжекции кислорода, чтобы иметь возможность независимо менять и массовый расход кислорода, и завихрение сайнеровского потока. Вихревой загрузчик 502 может также действовать как плохо обтекаемое тело при вихревой совместной подаче и обеспечивать уменьшение скоростей в его спутной струе. Эти зоны с замедленными скоростями способствуют стабилизации пламени. Сжигаемое топливо, поступающее по линии 108, можно вводить в кольцевое пространство вокруг внутреннего потока двуокиси углерода через инжектор 506, в котором конец топливного инжектора 506 находится на одном уровне с концом вихревого загрузчика 502.

На фиг. 7В показано характерное изменение этой конструкции на примере топки 510. В топке 510 топливное кольцевое пространство 512 выходить за конец вихревого загрузчика

502. Топка 510 может увеличивать время пребывания двуокиси углерода и кислорода, обеспечивая их перемешивание. Эту конфигурацию можно изменить так, чтобы можно было вводить топливо внутрь в радиальном, а не в осевом направлении. Это благоприятно сказывается на устойчивости пламени возле центра и в спутной струе вихревого загрузчика 502. Это также не позволяет самому наружному кольцевому слою двуокиси углерода гасить пламя или переносить несгоревшее топливо. В этих конфигурациях топок 500 и 510 самый наружный кольцевой слой двуокиси углерода 102Ь может защищать пламена от соприкосновения со стенками топок 500, 510 и тем самым не допускает повреждение стенок топок 500, 510.

Выгодно то, что использование вихревого загрузчика 502 может уменьшать падение давления в топке, связанное с использованием вихревых лопаток. И между пламенем и поступающим потоком двуокиси углерода 102а устанавливается прозрачный оптический путь, который позволяет максимально использование повышенную абсорбцию двуокиси углерода. Поэтому поступающий сайнеровский поток может подвергаться предварительному нагреванию до более высокой температуры, чем в стандартной топке, использующей воздух. Но следует отметить, что вихревое подающее устройство топки 500 имеет такую конфигурацию, чтобы можно было направлять в первую зону смешения 206 почти весь поток ки- 16 025821 слорода 104 и было нелегко менять пространственное распределение отношения кислород-двуокись углерода внутри зоны горения 210.

На фиг. 7С и 7Ό приведены вид сбоку и вид сверху, соответственно, другого характерного вихревого загрузчика 530. В одном или нескольких примерах осуществления вихревой загрузчик 530 может иметь такую конфигурацию, когда поток двуокиси углерода 102а поступает по касательной в поток кислорода 104, чтобы обеспечить завихрение первой смеси 522 (обогащенного кислородом или сайнеровского потока), которая содержит кислород и двуокись углерода. Углы ввода (α) и (β) можно менять, чтобы сбалансировать параметры аэродинамической блокировки с длиной смешения. Угол ввода (а) может меняться от 1, 5, 10, 20 или 30° до 50, 60, 70, 80 или 90° относительно продольной центральной оси, проходящей через вихревой загрузчик 530. Угол ввода (р) может меняться от 1, 5, 10, 20 или 30° до 50, 60, 70, 80 или 90° относительно продольной центральной оси, проходящей через вихревой загрузчик 530. В одном или нескольких примерах осуществления ввод потока кислорода 104 и потока двуокиси углерода 102а в вихревой загрузчик 530 могут поменяться местами. Другими словами говоря, поток кислорода 104 можно было бы вводить по касательной в поток двуокиси углерода 102а, чтобы создать завихренную первую смесь 522 (обогащенный кислородом или сайнеровский поток).

На фиг. 8А и 8В показана характерная трубчатая топка 600, имеющая такую конфигурацию, чтобы можно было использовать некоторые элементы топок, изображенных на фиг. 4А-4С, согласно одному или нескольким примерам осуществления. Фиг. 8А-8В легче понять, сравнивая их с фиг. 4А-4С. Одной конкретной конфигурацией этой топки 600 является блок горелок 602. Блок горелок 602 может содержать корпус центральной горелки 603, который имеет множество собранных в пучки труб 604, 606, расположенных внутри корпуса центральной горелки 603. Собранные в пучки трубы могут представлять собой перемежающиеся трубы 604 инжектора сжигаемого топлива и трубы 606 инжектора кислорода. На фиг. 8В приведено поперечное сечение блока горелок 602, показывающее одну конфигурацию множества труб 604, 606 в пучки. Сквозь боковую стенку корпуса центральной горелки 603 проходит один или несколько каналов 608, которые позволяют некоторому количеству двуокиси углерода из потока двуокиси углерода 102а входить в горелку 602. Двуокись углерода может протекать между и вокруг собранных в пучки труб 604 и 606 инжектора сжигаемого топлива и инжектора кислорода, соответственно, и выходить вдоль оси горелки 602. Размер блока горелок 602, а также количество, размер и расположение труб 604, 606 инжекторов топлива и кислорода, соответственно, могут меняться в зависимости от конкретных требований к топке 600.

Близкое расположение инжекторных труб 604, 606 друг к другу может обеспечивать эффективное перемешивание между сжигаемым топливом, поступающим по линии 108, и кислородом, поступающим по линии 104. Близкое расположение инжекторных труб 604, 606 друг к другу может также обеспечивать надежное и предсказуемое изменение компонентов смеси поперек лицевой поверхности горелки 602. Топка 600 может иметь такую конструкцию, чтобы расходы сжигаемого топлива 108 и кислорода 104 через инжекторные трубы 604, 606, соответственно, можно было менять независимо друг от друга. Независимое изменение подачи сжигаемого топлива 108 и кислорода 104 может обеспечивать высокую степень регулирования компонентов смеси поперек лицевой поверхности горелки 602.

Создание пучков инжекторных труб 604, 606 сжигаемого топлива и кислорода, соответственно, может также улучшать горение сжигаемого топлива 108 и кислорода 104, вводимых в топку 600. Создание пучков инжекторных труб 604, 606 сжигаемого топлива и кислорода, соответственно, может также уменьшать потери сжигаемого топлива 108 и кислорода 104, соответственно, в результате уноса потоком двуокиси углерода 102а. Двуокись углерода 102а, протекая между инжекторными трубами 604, 606, может действовать как разбавитель или охлаждающий поток, помогает выполнять требования по температуре, и/или поток двуокиси углерода 102а можно было бы спроектировать так, чтобы можно было создать горячую запальную зону посреди пучка. Подобно охлаждающим каналам в футеровке 203 (описанным выше), боковые отверстия 608 на боковой поверхности блока горелок 602 можно менять в размере, чтобы можно было регулировать расход двуокиси углерода сквозь блок горелок 602.

На фиг. 9 показана характерная топка 700 вихревого типа, имеющая такую конфигурацию, чтобы можно было использовать один или несколько элементов топок 200, 220, 240, изображенных на фиг. 4А4С, соответственно, согласно одному или нескольким примерам осуществления. Фиг. 9 легче понять, сравнивая его с фиг. 4А-4С. Топка 700 может содержать одну или несколько полостей (две из которых изображены как 702, 704), расположенных внутри футеровки 203. Полости 702, 704 могут заходить в кольцевое пространство 204, расположенное между футеровкой 203 и наружной оболочкой 202 топки 700.

Поток двуокиси углерода, поступающий по линии 102, может проходить вдоль стенок топки 700 и входить в зону смешения 206. Каналы или отверстия 213 могут иметь подходящий размер для топки 700 и может пропускать часть потока двуокиси углерода 102 в топку за зоной горения 210 по линии 214 и разбавлять продукты сгорания в зоне полного сжигания 212 или охлаждать футеровку 203. Двуокись углерода, которая не проникает сквозь каналы или отверстия 213, может протекать по кольцевое пространство 204 и вдоль тыльной стороны полости или полостей и тем самым охлаждать их. Хотя на рисунке это и не показано, тыльная сторона полостей 702, 704 может также содержит охлаждающие ребра

- 17 025821 или другие приспособления, которые могут увеличивать площадь их поверхности, чтобы повышать эффективность охлаждения полостей 702, 704, если требуется для определенной топки. Эта конструкция играет двоякую роль, не только понижая температуру стенки полостей 702, 704, но и обеспечивая предварительное нагревание потока двуокиси углерода 102.

Поток кислорода 104а можно инжектировать в поток двуокиси углерода 102 внутри футеровки 203 перед полостями 702 и 704. Поток кислорода 104а можно смешивать с потоком двуокиси углерода 102 в первой зоне смешения 206, чтобы образовать обогащенный кислородом или сайнеровский поток. Обратите внимание на то, что на фиг. 9 показана совокупность двух полостей 702 и 704 только для того, чтобы упростить описание. Топка 700 может содержать одну полость, две полости 702, 704 или большее число полостей, не уменьшая объем изобретения. Каждая полость 702 и 704 может содержать одно или несколько мест для инжекции потока сжигаемого топлива 108, второго потока кислорода 104Ь или смеси потока сжигаемого топлива и второго потока кислорода. Места инжекции можно также менять, чтобы удовлетворять требования к топке 700. В этой конфигурации полости работают независимо друг от друга, и расход потока сжигаемого топлива 108 и второго потока кислорода 104Ь можно менять в каждой полости 702 и 704 по-своему. Она очень сильно расширяет пределы использования. Пламена находятся в стабильном состоянии либо в полостях 702, 704, либо перед самым входом в полости 702, 704, где этому способствует понижение скорости и зоны рециркуляции в полостях 702, 704. Топка 700 вихревого типа может также содержать длинный оптический путь 905, чтобы можно было обеспечить эффективное предварительное охлаждение потока двуокиси углерода 102, а следовательно, и сайнеровского потока. Преимущество топки 700 вихревого типа перед традиционными газо-турбинными топками заключается в том, что сильно понижается падение давления. Закупорки потока двуокиси углерода 102 минимальны, что приводит к уменьшению потерь давления двуокиси углерода.

На фиг. 10А и 10В приведены блок-схемы методов эксплуатации одной или нескольких топок, показанных на фиг. 4А-9, согласно одному или нескольким примерам осуществления. Фиг. 10А и 10В легче понять, сравнивая их с фиг. 4А-9. Способ 800 может включать смешение 804 потока кислорода и, по меньшей мере, части потока двуокиси углерода в первой зоне смешения с образованием первой смеси, содержащей кислород и двуокись углерода, т.е. обогащенного кислородом потока или сайнеровского потока. Способ 800 может также включать смешение 806 первой смеси и потока сжигаемого топлива во второй зоне смешения с образованием потока горючей смеси. Поток горючей смеси может подвергаться, по меньшей мере, частично горению 808 с образованием потока продуктов сгорания. Как показано на фиг. 10В, способ 820 может включать изменение 824 пространственного распределения отношения кислород-двуокись углерода поперек лицевой поверхности горелки в топке таким образом, чтобы можно было увеличить устойчивость пламени в топке.

Согласно фиг. 4А-4С зона полного сгорания 212 топки 110 может содержать, по меньшей мере, одну зону пассивного разбавления 218, имеющую ряд каналов, проходящих сквозь футеровку 203 и имеющих такую конфигурацию, чтобы можно было охлаждать футеровку 203 топки 110; зону активного разбавления (не показанную на рисунках), имеющую по меньшей мере один тушащий канал, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было активно подавать по меньшей мере часть второй части потока двуокиси углерода 102Ь в топку 110, чтобы смешивать ее с потоком продуктов сгорания 112; ряд ступенчатых тушащих каналов (не показанных на рисунках), чтобы можно было активно регулировать распределение температуры по зоне полного сгорания 212; и какое-либо их сочетание. В одном или нескольких примерах осуществления зона полного сгорания 212 может также содержат датчик 216, такой, как датчик давления, чтобы можно было контролировать, измерять и/или иным образом оценивать колебания давления внутри топки 110, которые могут служить признаком сдувания пламени. В топке 110 может также содержаться анализатор кислорода (не показанный на рисунках), чтобы обеспечивать еще один вход в контур обратной связи по кислороду.

Что касается теплотворной способности, то обогащенный кислородом поток 106 не обладает теплотворной способностью, поток сжигаемого топлива 108 обладает сравнительно высокой теплотворной способностью (например, от 744 ккал/м³ до 1414 ккал/м³).

Во время работы зона горения 210 может создавать температуры в диапазоне от 1500 до 2200°С. Ожидается, что после добавления потока двуокиси углерода 102Ь поток продуктов сгорания 112 будет иметь температуру в диапазоне от 1000 до 1400°С, когда поток продуктов сгорания входит в зону полного сгорания 212. Дополнительно можно вводить тушащий газ 102Ь через наружную стенку зоны полного сгорания 212, генерируя своего рода газовую оболочку, чтобы стенки топки 110 были холоднее зоны горячего пламени 211. В одном характерном примере осуществления в случае необходимости охлаждающий поток 102Ь может не содержать углеводородов, чтобы минимизировать образование сажи. В другом характерном примере осуществления горение происходит под давлением выше атмосферного, например, под давлением выше 10 атмосфер.

Примеры

Ниже в таблице приведены некоторые примеры состава газовых потоков, представляющие собой газовые потоки на разных стадиях производства из одного единственного газового месторождения или разных газовых месторождений. В табл. 1 приведены состав и расход определенных потоков в самом

- 18 025821 начале производства.

Таблица 1. Ввод в эксплуатацию

	ПОТОК	ПОТОК	поток	ПОТОК	поток
компонент	104	10«Ь	108а	102а	112
о2	95,59%	0	0	0	0,44%
СОг	0	0	0	76,23%	61,83%
СН,	0	0	100%	0	0,00%
со	0	0	0	0	0,85%
он	0	0	0	0	0,12%
Н2	0	0	0	0	0,09%
Н2О	0	0	0	16,99%	30,42%
Аг	4,26%	0	0	6,78%	6,34%
остальное	0,15%	0	0	0	0%
Итого	100,00%	0,00%	100,00%	100,00%	100,09%
Давление (фунт/кв. дюйм)	300	300	300	300	250
Температура, °Р	755	500	160	540	1701,7
Фунт-моль	13474,1	0	6464,1	143860	163798
Расход (фунт/час)	436010	0	103425	6282874	6822309

В табл.2 приведены состав и расход определенных потоков сразу после проскока СО₂.

Таблица 2. После проскока

Примеры осуществления настоящего изобретения далее соотнесены с одним или несколькими из следующих параграфов.

1. Топочная система, содержащая топку, имеющую первый конец, второй конец, наружную оболочку, внутреннюю оболочку и кольцевое пространство, образованное между наружной оболочкой и внутренней оболочкой и простирающееся от первого конца до второго конца; входной патрубок двуокиси углерода, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было вводить двуокись углерода в топку; входной патрубок кислорода, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было вводить двуокись углерода в топку; первую зону смешения, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было смешивать первую часть двуокиси углерода, введенную через входной патрубок двуокиси углерода, по меньшей мере, с частью кислорода, введенного через входной патрубок кислорода, чтобы образовать первую смесь, содержащую кислород и двуокись углерода; входной патрубок топлива, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было вводить топливо в топку; вторую зону смешения, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было смешивать первую смесь и топливо, чтобы образовать вторую смесь, предназначенную для образования продуктов сгорания, причем вторая часть двуокиси углерода, введенной через входной патрубок двуокиси углерода, течет через одно или несколько отверстий, проходящих сквозь внутреннюю оболочку, смешивается с продуктами сгорания и охлаждает их.

2. Система по п.1, в которой первая часть двуокиси углерода, введенная через входной патрубок двуокиси углерода, течет через кольцевое пространство топкиот второго конца топки к ее первому кон- 19 025821 цу, причем входной патрубок кислорода расположен в кольцевом пространстве на расстоянии от первого конца топки и имеет такую конфигурацию, чтобы можно было способствовать смешению первой части двуокиси углерода, введенной через входной патрубок двуокиси углерода, и кислорода, введенного через входной патрубок кислорода, и чтобы топливо поступало через первый конец топки.

3. Система по п.2, в которой входной патрубок кислорода содержит множество инжекторных отверстий, проходящих, по меньшей мере, сквозь одну стену топки и кольцо в кольцевом пространстве.

4. Система по п.2, которая содержит еще вторичную внутреннюю оболочку, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было предотвращать введение кислорода, поступившего через входной патрубок кислорода, сквозь внутреннюю оболочку, причем первая зона смешения расположена на расстоянии от первого конца топки и имеет такую конфигурацию, чтобы можно было способствовать смешению кислорода, введенного через входной патрубок кислорода, и первой части двуокиси углерода, введенной через входной патрубок двуокиси углерода.

5. Система по п.1, в которой входной патрубок кислорода расположен на первом конце топки, причем топливо поступает через первый конец топки и первая смесь течет от первого конца топки ко второму концу топки.

6. Система по п.5, которая содержит еще множество горелок, имеющих такую конфигурацию, чтобы можно было выполнять функцию, выбранную из группы, в состав которой входят введение по меньшей мере части кислорода, введенного через патрубок кислорода, во вторую зону смешения, введение топлива во вторую зону смешения, введение по меньшей мере части кислорода, введенного через входной патрубок кислорода, в первую зону смешения и любое сочетание этих функций.

7. Система по п.6, в которой одна или несколько горелок имеют такую конфигурацию, чтобы можно было их выключать и тем самым регулировать нагрузку на топку и создавать разные отношения кислород-двуокись углерода в каждой горелке.

8. Система по любому из пп.2, 4 и 6, в которой первая смесь имеет пространственно отличающиеся друг от друга отношения кислород-двуокись углерода и такую конфигурацию, чтобы можно было создавать горячую зону на отдельном участке зоны горения, чтобы увеличить устойчивость пламени в ней.

9. Система по п.8, которая содержит еще по меньшей мере один вторичный входной патрубок кислорода, чтобы можно было пространственно менять отношение кислород-двуокись углерода в первой смеси.

10. Система по п.8, которая содержит еще смесительное устройство с переменной геометрией, расположенное в первой зоне смешения, имеющей такую конфигурацию, чтобы можно было пространственно менять отношение кислород-двуокись углерода в первой смеси.

11. Система по любому из пп.2, 4 и 6, которая содержит еще впускной патрубок газа, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было создавать стабилизированное пламя перед зоной горения и тем самым увеличить устойчивость пламени в зоне горения.

12. Система по любому из пп.2, 4 и 6, которая содержит еще перемешивающее устройство, расположенное в первой зоне смешения, имеющей такую конфигурацию, чтобы можно было улучшать перемешивание первой смеси; и второе перемешивающее устройство, расположенное во второй зоне смешения, имеющей такую конфигурацию, чтобы можно было создавать низкоскоростную область и тем самым увеличивать устойчивость пламени в зоне горения.

13. Система по п.1, в которой первая зона смешения содержит вихревой загрузчик, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было вводить кислород в двуокись углерода под углом по касательной к траектории течения первой части двуокиси углерода, введенной через впускной патрубок двуокиси углерода, чтобы генерировать завихренную первую смесь.

14. Система по п.1, которая содержит еще по меньшей мере, одну полость, расположенную во второй зоне смешения И имеющей такую конфигурацию, чтобы можно было подавать по меньшей мере часть топлива в зону горения, чтобы образовать низкоскоростной участок и тем самым повысить устойчивость пламени в зоне горения, причем первая часть двуокиси углерода, введенного через патрубок двуокиси углерода, течет через кольцевое пространство топки в направлении от второго конца к первому концу топки и тем самым охлаждает стенки по меньшей мере одной полости, а первая зона смешения расположена возле первого конца топки.

15. Система по п.14, содержащая еще по меньшей мере один вторичный впускной патрубок кислорода по меньшей мере в одной полости, чтобы создавать зону горячего пламени и тем самым увеличивать устойчивость пламени в зоне горения.

16. Система по п.9 или 11, которая содержит еще контроллер, чтобы активно контролировать пространственные изменения концентрации кислорода, регулируя отношение кислорода, поступившего через два или большее количество впускных патрубков кислорода, по меньшей мере через один вторичный впускной патрубок кислорода и через впускной патрубок газа.

17. Горелочная система, содержащая топку, имеющую первый конец, второй конец, наружную оболочку, внутреннюю оболочку, горелку, имеющую лицевую сторону и зону горения; впускной патрубок двуокиси углерода, впускной патрубок кислорода и впускной патрубок топлива; и зону смешения, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было смешивать первую часть двуокиси углерода, введенной

- 20 025821 через патрубок двуокиси углерода, и по меньшей мере часть кислорода, введенного через патрубок кислорода, чтобы образовать первую смесь, содержащую кислород и двуокись углерода, причем первая смесь обладает отношением кислород-двуокись углерода, пространственно меняющимся поперек лицевой стороны горелки, чтобы можно было генерировать горячую зону в зоне горения и тем самым увеличивать устойчивость пламени в зоне горения.

18. Система по п.17, в которой горячая зона расположена почти в центре зоны горения.

19. Система по п.18, которая содержит еще по меньшей мере один вторичный впускной патрубок кислорода, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было пространственно менять отношение кислород-двуокись углерода в первой смеси.

20. Система по п.19, которая содержит еще контроллер, чтобы можно было активно контролировать пространственное изменение отношения кислород-двуокись углерода, регулируя долю кислорода, поступившего через патрубок кислорода и по меньшей мере через один вторичный впускной патрубок кислорода.

21. Система по п.18, которая содержит еще смесительное устройство с переменной геометрией в первой зоне смешения, имеющее такую конфигурацию, чтобы можно было пространственно менять отношение кислород-двуокись углерода.

22. Система по п.20, содержащая еще кольцевое пространство между наружной оболочкой и внутренней оболочкой, простирающееся от первого конца до второго конца, причем первая часть двуокиси углерода, поступившая через патрубок двуокиси углерода, имеет такую конфигурацию, чтобы она текла через кольцевое пространство от второго конца к первому концу топки, впускной патрубок кислорода имеет такую конфигурацию, чтобы можно было подавать кислород, поступивший через патрубок кислорода, и образовать первую смесь, и впускной патрубок кислорода расположен в кольцевом пространстве на расстоянии от первого конца топки, а расстояние имеет такую конфигурацию, чтобы можно было способствовать смешению первой смеси.

23. Система по п.22, в которой впускной патрубок кислорода представляет собой множество инжекторных каналов, проходящих по меньшей мере сквозь одну из стенок топки и кольцо в кольцевом пространстве.

24. Система по п.23, содержащая еще вторичную внутреннюю оболочку, имеющую такую конфигурацию, чтобы можно было предотвращать поступление кислорода через внутреннюю оболочку, причем впускной патрубок кислорода расположен на расстоянии от первого конца топки и первая смесь течет от первого конца ко второму концу.

25. Система по любому из п.20 и 21, в которой впускной патрубок кислорода и патрубок кислорода расположены на первом конце топки и первая смесь течет от первого конца ко второму концу топки.

26. Система по п.17, в которой горелка содержит корпус центральной горелки, имеющий множество труб, собранных в пучки, причем первая часть труб имеет такую конфигурацию, чтобы по ним текло топливо, вторая часть труб имеет такую конфигурацию, что по ним тек кислород; отверстие, проходящее по меньшей мере сквозь один участок боковой стенки корпуса центральной горелки, чтобы обеспечивать протекание первой части двуокиси углерода в пространство, расположенное между множеством труб; и контроллер, имеющий такую конфигурацию, чтобы можно было менять по меньшей мере расход кислорода поперек второй части труб, имеющих такую конфигурацию, чтобы по ним тек кислород, и тем самым пространственно менять отношение кислород-двуокись углерода поперек лицевой стороны горелки.

27. Система по любому из п.17, 22, 25 и 26, содержащая еще газо-инжекционное устройство, имеющее такую конфигурацию, чтобы можно было обеспечивать стабилизацию пламени перед зоной горения, причем стабилизированное пламя предназначено для повышения устойчивости пламени в зоне горения.

28. Способ сжигания топлива в системе горения, включающий: смешение кислорода и двуокиси углерода в первой зоне смешения топки с образованием первой смеси; смешение первой смеси и топлива во второй зоне смешения топки с образованием второй смеси; и сжигание по меньшей мере части топлива во второй смеси с образованием продуктов сгорания.

29. Способ по п.28, включающий применение способа по п.28 для системы горения по любому из п.2, 4, 6, 13 и 14.

30. Способ сжигания топлива в системе горения, включающий: изменение пространственного распределения отношений кислород-двуокись углерода поперек лицевой стороны горелки в топке, чтобы можно было увеличивать устойчивость пламени в топке.

31. Способ по п.30, содержащий применение способа по п.30 для системы горения по любому п.17, 22, 25 и 26.

Хотя настоящее изобретение может допускать различные изменения, характерные примеры осуществления, обсуждавшиеся выше, были приведены лишь для примера. Однако понятно, что изобретение не должно ограничиваться осуждавшимися конкоетными примерами осуществления. Конечно, настоящее изобретение охватывает все альтернативные решения, изменения и эквивалентные решения, отвечающие сущности и объему, представленным в прилагаемой формуле.

Claims (19)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Топочная система, содержащая топку и средства регулирования и подачи газов, при этом топка включает горелку, наружную оболочку, внутреннюю оболочку с каналами для углекислого газа, при этом внутренняя и наружная оболочки образуют кольцевое пространство;

   впускной патрубок для подачи двуокиси углерода в кольцевое пространство;

   впускной патрубок, предназначенный для введения кислорода в кольцевое пространство;

   впускной патрубок, предназначенный для введения топлива в кольцевое пространство;

   при этом средства регулирования и подачи газов запрограммированы таким образом, чтобы направлять смесь, образованную из указанных углекислого газа, кислорода и топлива к горелке для ее сжигания, а также направлять поток углекислого газа через один или несколько каналов, проходящих через внутреннюю оболочку для смешивания с продуктами сгорания и их охлаждения.
2. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что впускной патрубок, выполненный с возможностью введения кислорода в кольцевое пространство, содержит множество инжекторных отверстий, проходящих, по меньшей мере, сквозь одну стенку топки и кольцо в кольцевом пространстве.
3. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит вторичную внутреннюю оболочку, расположенную между внешней оболочкой и внутренней оболочкой, предназначенную для предотвращения поступления кислорода, введенного через впускной патрубок для введения кислорода во внутреннее пространство, сквозь внутреннюю оболочку.
4. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что состоит из множества горелок, расположенных в топке.
5. 5. Система по п.4, отличающаяся тем, что одна или более горелок могут быть выключенными независимо от других горелок для регулирования нагрузки топки и генерирования разных отношений кислород-двуокись углерода в каждой горелке.
6. 6. Система по п.1, отличающаяся тем, что средства регулирования запрограммированы для регулирования значения отношения кислород-двуокись углерода, введенных через соответствующие патрубки через торец горелки.
7. 7. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит смешивающее устройство, сообщающееся по текучей среде с впускным патрубком двуокиси углерода и впускным патрубком для введения кислорода в кольцевое пространство, который регулируется контроллером.
8. 8. Система по любому из пп.1, 3 и 4, отличающаяся тем, что содержит смешивающее устройство, расположенное в сообщении по текучей среде с впускным патрубком двуокиси углерода и впускным патрубком для введения кислорода в кольцевое пространство, который регулируется контроллером для изменения смешивания СО2 и кислорода; и второе смешивающее устройство, расположенное в сообщении по текучей среде с потоком сжигаемого топлива и выполненное с возможностью создания низкоскоростной области для стабилизации пламени в топке.
9. 9. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит вихревой загрузчик, расположенный в топке, вокруг которого протекает часть двуокиси углерода для создания завихренной смеси двуокиси углерода и кислорода, подаваемого по касательной к осевой траектории течения потока части диоксида углерода, подаваемой через впускной патрубок двуокиси углерода.
10. 10. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит контроллер, функционально соединенный со средством для увеличения и/или уменьшения расхода кислорода, подаваемого по впускному патрубку для введения кислорода в кольцевое пространство в топку, для того, чтобы увеличивать устойчивость пламени поперечно лицевой стороне горелки.
11. 11. Система по п.6, отличающаяся тем, что содержит контроллер, чтобы контролировать пространственные изменения концентрации кислорода, регулируя поток кислорода через, по меньшей мере, впускной патрубок для введения кислорода в кольцевое пространство и дополнительный впускной патрубок для введения кислорода, расположенный по меньшей мере в одной полости топки.
12. 12. Система сгорания, содержащая топку и средства регулирования и подачи газов, при этом топка включает горелку, наружную оболочку, внутреннюю оболочку с каналами для углекислого газа, при этом внутренняя и наружная оболочки образуют кольцевое пространство топки;

    впускной патрубок для подачи двуокиси углерода в кольцевое пространство;

    впускной патрубок, предназначенный для введения кислорода в кольцевое пространство;

    впускной патрубок, предназначенный для введения топлива в кольцевое пространство;

    при этом средства регулирования и подачи газов запрограммированы таким образом, чтобы обеспечивать сигналы регулирования для управления клапанами, которые регулируют поток кислорода и СО2 в топку таким образом, чтобы вызвать отношение кислород-двуокись углерода, пространственно меняющимся поперечно лицевой стороне горелки, для генерирования горячей зоны и увеличения устойчивости пламени, при этом впускной патрубок для введения кислорода представляет собой множество инжекторных

    - 22 025821 каналов, проходящих по меньшей мере сквозь одну из стенок топки и кольцо в кольцевом пространстве.
13. 13. Система по п.12, отличающаяся тем, что средства регулирования запрограммированы для регулирования пространственного изменения отношения кислород-двуокись углерода посредством регулирования потока кислорода через впускной патрубок для введения кислорода в кольцевое пространство.
14. 14. Система по п.13, отличающаяся тем, что содержит смешивающее устройство, расположенное в сообщении по текучей среде с впускным патрубком двуокиси углерода и впускным патрубком для введения кислорода в кольцевое пространство, который регулируется средствами регулирования для изменения значения отношения кислород-двуокись углерода.
15. 15. Система по п.13, отличающаяся тем, что впускной патрубок предназначен для подачи кислорода, поступившего через впускной патрубок, к части двуокиси углерода, поступившей через патрубок двуокиси углерода, для образования первой смеси.
16. 16. Система по п.12, отличающаяся тем, что содержит вторичную внутреннюю оболочку, расположенную между внешней оболочкой и внутренней оболочкой, предназначенную для предотвращения поступления кислорода через внутреннюю оболочку.
17. 17. Система по п.12, отличающаяся тем, что горелка представляет собой блок горелок и дополнительно содержит корпус центральной горелки, имеющий множество труб, собранных в пучки, причем первая часть множества труб предназначена для того, чтобы по ним текло топливо, а вторая часть множества труб предназначена для того, чтобы по ним тек кислород;

    отверстие, проходящее по меньшей мере сквозь один участок боковой стенки корпуса центральной горелки, чтобы обеспечивать протекание первой части двуокиси углерода в пространство, расположенное между множеством труб; и средства регулирования и подачи газов запрограммированы для изменения, по меньшей мере, расхода кислорода поперек второй части труб, предназначенных для протекания кислорода, и тем самым пространственно менять отношение кислород-двуокись углерода поперек лицевой стороны горелки.
18. 18. Система по любому из пп.12, 15 и 17, отличающаяся тем, что содержит газоинжекционное устройство, предназначенное для обеспечения стабилизации пламени перед зоной горения, причем стабилизированное пламя предназначено для повышения устойчивости пламени поперек лицевой стороны горелки.
19. 19. Способ сжигания топлива в топочной системе по любому из пп.1, 3, 4 и 9, включающий подачу двуокиси углерода в кольцевое пространство топки;

    подачу кислорода в кольцевое пространство топки, причем кислород и двуокись углерода смешивают во внутреннем кольцевом пространстве для образования первой смеси;

    подачу топлива в кольцевое пространство топки, при этом первая смесь смешивается с топливом в кольцевом пространстве для образования горючей смеси и сжигается полученная горючая смесь в горелке; и регулирование подачи двуокиси углерода через каналы во внутренней оболочке топки для охлаждения продуктов горения.