ES2707712T3 - Sistema para la generación de potencia de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo que circula de dióxido de carbono - Google Patents

Sistema para la generación de potencia de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo que circula de dióxido de carbono Download PDF

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Abstract

Un sistema de generación de potencia que comprende: una cámara de combustión (220) configurada para recibir un combustible, O2 y una corriente de fluido que circula de CO2, y que tiene al menos una etapa de combustión que quema el combustible en presencia del fluido que circula de CO2 y proporciona una corriente de producto de combustión que comprende CO2 a una presión de al menos aproximadamente 8 MPa y a una temperatura de al menos aproximadamente 800 ºC; una turbina de producción de potencia primaria (320) en comunicación fluida con la cámara de combustión (220), teniendo la turbina primaria (320) una entrada para recibir la corriente de producto de combustión y una salida para liberar una corriente de descarga de turbina que comprende CO2, estando la turbina primaria adaptada para controlar una caída de presión de modo que la relación de la presión de la corriente del producto de combustión en la entrada en comparación con la presión de la corriente de descarga de la turbina en la salida sea menor que aproximadamente 12; una unidad de intercambio de calor primaria (420) en comunicación fluida con la turbina primaria (320) para recibir la corriente de descarga de la turbina y transferir calor desde la misma a la corriente de fluido en circulación de CO2; al menos un compresor (620) en comunicación fluida con al menos un intercambiador de calor (420) para presurizar la corriente de fluido de circulación de CO2; y uno o más componentes de transferencia de calor además de la unidad de intercambio de calor primaria (420) adaptado para transferir calor adicional al fluido que circula de CO2 aguas arriba de la cámara de combustión (220) y aguas abajo del al menos un compresor (620).

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema para la generación de potencia de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo que circula de dióxido de carbono
Campo de la invención
La presente invención está dirigida a sistemas para la generación de potencia, tal como electricidad, a través del uso de un fluido que circula para transferir energía generada a través de combustión de alta eficiencia de un combustible. Particularmente, el sistema puede utilizar dióxido de carbono como fluido que circula.
Antecedentes de la invención
Se estima que los combustibles fósiles continuaran proveyendo el mayor volumen de los requerimientos de potencia eléctrica del mundo durante los próximos 100 años mientras que las fuentes no carbonáceas están desarrolladas y en decadencia. Los métodos conocidos para generación de potencia a través de la combustión de combustibles fósiles y/o biomasa adecuada, sin embargo, están plagados por costes de energía elevados y una creciente producción de dióxido de carbono (CO2) y otras emisiones. El calentamiento global es visto crecientemente como una consecuencia potencialmente catastrófica de las emisiones incrementadas de carbono por las naciones desarrolladas y en desarrollo. La energía solar y eólica no parecen ser capaces de remplazar la combustión de combustibles fósiles a corto plazo, y la energía nuclear tiene peligros asociados con la proliferación y desecho de los residuos nucleares.
Los medios convencionales de producción de potencia a partir de combustibles sólidos o biomasas adecuadas están siendo recargados crecientemente con requerimientos para la captura de CO2 a alta presión para distribución a sitios de retención. Está probado que este requerimiento es difícil de satisfacer, sin embargo, puesto que la tecnología actual solamente proporciona eficiencias térmicas muy bajas incluso para los mejores diseños para la captura de CO2. Además, los costes de capital para lograr la captura de CO2 son altos, y esto da como resultado costes de electricidad significativamente más altos en comparación con los sistemas que emiten el CO2 hacia la atmosfera. De acuerdo con lo anterior, hay una necesidad siempre creciente en la técnica por sistemas y métodos para la generación de potencia de alta eficiencia permitiendo una reducción de la emisión CO2 y/o una facilidad mejorada para la retención del CO2 producido.
El documento US 4.498.289 divulga un sistema de potencia de quema directa mejorada que genera y emplea un gas de combustión el cual incluye dióxido de carbono o un fluido de trabajo que incluye una cámara de combustión para quemar una mezcla que incluye oxígeno, combustible carbonáceo y dióxido de carbono recirculado como fluido de trabajo a una primera presión de por encima de 1100 PSI (aproximadamente 7,6 MPa) proveyendo por tanto un gas de combustión que incluye dióxido de carbono y agua a sustancialmente la primera presión y por encima de 31 °C. Una primera turbina permite que el gas se expanda a través de la misma para generar potencia y reducir la presión del gas de combustión hasta una segunda presión por debajo de 1100 PSI (aproximadamente 7,6 MPa) a la vez que mantiene la temperatura del gas por encima de 31 °C. Una segunda cámara de combustión calienta el gas de combustión hasta una temperatura más alta y una segunda turbina permite que el gas se expanda a través de la misma para generar potencia y reducir la presión hasta una tercera presión a la vez que mantiene la temperatura del gas por encima de 31 °C. Un intercambiador de calor incluye ductos, en una relación de intercambio de calor. Los ductos conducen el fluido de dióxido de carbono recirculado a sustancialmente la primera presión a través de los mismos y a la cámara de combustión. El ducto conduce el gas de combustión desde la turbina a través del mismo para transferir calor al fluido de trabajo de dióxido de carbono recirculado para condensar al menos una porción del agua en el gas de combustión, pero mantener el dióxido de carbono del mismo en una fase gaseosa. El agua condensada es separada del gas. Un condensador enfría el gas hasta una primera temperatura por encima de 31 °C y un compresor comprime el gas hasta una cuarta presión de al menos 1100 PSI (aproximadamente 7,6 MPa) pero por debajo de la primera presión. Un segundo condensador enfría el gas hasta una segunda temperatura por debajo de la primera temperatura, pero por encima de 31 °C y un segundo compresor comprime el gas hasta sustancialmente la primera presión para proporcionar un fluido de trabajo de dióxido de carbono recirculado el cual es suministrado al intercambiador de calor.
Sumario de la invención
La presente invención proporciona un sistema para la generación de potencia que utiliza una cámara de combustión de alta eficiencia (por ejemplo, una cámara de combustión refrigerada por transpiración) en combinación con un fluido en circulación (por ejemplo, un fluido en circulación de CO2). En particular, el fluido en circulación se introduce en la cámara de combustión junto con un combustible y un oxidante para la combustión, de manera que se produce una corriente de fluido a alta temperatura y alta presión que comprende el fluido en circulación y cualquier producto de combustión. La corriente de fluido se introduce en un dispositivo de generación de potencia, tal como una turbina. Ventajosamente, la corriente de fluido se mantiene a una presión relativamente alta durante la expansión en la turbina, de modo que la relación de presión a través de la turbina (es decir, la relación de la presión en la entrada de la turbina y la presión en la salida de la turbina) es menor que aproximadamente 12. El sistema comprende además una unidad de intercambio de calor primaria en comunicación fluida con la turbina primaria para recibir la corriente de descarga de la turbina y transferir calor desde allí a la corriente de fluido en circulación de CO2, al menos un compresor en comunicación fluida con el al menos un intercambiador de calor para presurizar la corriente de fluido en circulación de CO2 , y uno o más componentes de transferencia de calor además de la unidad de intercambio de calor primaria adaptada para transferir calor adicional al fluido en circulación de CO2 aguas arriba de la cámara de combustión y aguas abajo de al menos un compresor. La corriente de fluido puede luego procesarse para la separación de los componentes de la corriente de fluido, que puede incluir pasar la corriente de fluido a través de un intercambiador de calor. En particular, el fluido en circulación (al menos una parte de la cual se puede reciclar de la corriente de fluido) se puede pasar a través del mismo intercambiador de calor para calentar el fluido en circulación antes de la introducción en la cámara de combustión. En tales realizaciones, puede ser útil operar el intercambiador de calor (por ejemplo, mediante la selección de una fuente de calor de bajo grado) de manera que el intercambiador de calor tenga solo una pequeña diferencia de temperatura entre el escape de la turbina y el líquido de reciclaje en el extremo caliente del intercambiador de calor.
En ciertos aspectos, la invención proporciona sistemas para la producción de potencia que pueden producir potencia a alta eficiencia con bajo coste de capital y también puede producir CO2 sustancialmente puro a presión de tubería para retención. El CO2 también puede ser recirculado hacia el sistema de producción de potencia.
Los sistemas de la invención están caracterizados por la capacidad de utilizar una amplia variedad de fuentes de combustible. Por ejemplo, la cámara de combustión de alta eficiencia utilizada de acuerdo con la invención puede hacer uso de combustibles gaseosos (por ejemplo, gas natural o gases derivados del carbón), líquidos (por ejemplo, hidrocarburos, bitumen) y sólidos (por ejemplo, carbón, lignito, coque de petróleo). Incluso podrían utilizarse combustibles adicionales, diferentes como se describe aquí de otra manera.
En otros aspectos, los sistemas de la invención son particularmente útiles en que pueden exceder la mejor eficiencia de las estaciones de potencia de quema de carbón actuales que no proporcionan la captura de CO2. Tales estaciones de potencia actuales pueden proporcionar, como máximo, aproximadamente 45 % de eficiencia (valor de calentamiento inferior o “LHV”) con 4,3 centímetros de mercurio de presión de condensador utilizando un carbón bituminoso. El sistema presente puede exceder tal eficiencia a la vez que suministra CO2 para retención u otros residuos a presiones requeridas.
En todavía otro aspecto, la presente invención proporciona la capacidad de reducir el tamaño físico y el coste de capital de un sistema de generación de potencia en comparación con tecnologías actuales que utilizan un combustible similar. Así, los sistemas de la presente invención pueden reducir significativamente los costes de construcción asociados con los sistemas de producción de potencia.
Todavía adicionalmente, los sistemas de la presente invención pueden proporcionar la recuperación de virtualmente el 100 % del CO2 utilizado y/o producido, especialmente el CO2 derivado del carbono presente en el combustible. Particularmente, el CO2 puede proporcionarse como un gas secado, purificado a presión de tubería. Además, la invención proporciona la capacidad de recuperar separadamente otras impurezas derivadas de los combustibles y la combustión para uso y/o desecho.
En un aspecto particular, no cubierto por la presente invención, se describe un método para generación de potencia que incorpora el uso de un fluido que circula, tal como CO2. En ejemplos específicos, un método de generación de potencia no cubierto por la invención puede comprender la introducción de un combustible que contiene carbono, O2 y un fluido que circula de CO2 en una cámara de combustión enfriada por transpiración. Específicamente, el CO2 puede ser introducido a una presión de al menos aproximadamente 8 MPa (preferiblemente al menos aproximadamente 12 MPa) y una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C (preferiblemente al menos aproximadamente 400 °C). El método puede comprender adicionalmente la combustión del combustible para proporcionar una corriente del producto de combustión que comprende CO2. Particularmente, la corriente del producto de combustión puede tener una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C. Adicionalmente, el método puede comprender la expansión de la corriente del producto de combustión a través de una turbina para generar potencia, teniendo la turbina una entrada para recibir la corriente del producto de combustión y una salida para liberar la corriente de descarga de la turbina que comprende CO2. Preferiblemente, la relación de presión de la corriente del producto de combustión en la entrada en comparación con la corriente de descarga de la turbina a la salida puede ser de menos de aproximadamente 12. En ejemplos específicos no cubiertos por la invención, puede ser deseable que el CO2 sea introducido en la cámara de combustión a una presión de al menos aproximadamente 100 MPa, a una presión de al menos aproximadamente 20 MPa, o una temperatura de al menos aproximadamente 400 °C, o una temperatura de al mensos aproximadamente 700 °C. Se describen aquí incluso parámetros de procesamiento posibles adicionales.
En algunos ejemplos no cubiertos por la invención, el fluido que circula de CO2 puede ser introducido a la cámara de combustión enfriada por transpiración como una mezcla con uno o ambos de O2 y el combustible que contiene carbono. En otros ejemplos no cubiertos por la invención, el fluido que circula de CO2 puede ser introducido en la cámara de combustión enfriada por transpiración como todo o parte de un fluido de enfriamiento por transpiración dirigido a través de uno o más pasos de suministro de fluido de transpiración formado en la cámara de combustión enfriada por transpiración. En ejemplos específicos no cubiertos por la invención, el fluido que circula de CO2 puede ser dirigido hacia la cámara de combustión solamente como el fluido de transpiración.
La combustión puede ser caracterizada específicamente por la temperatura de combustión real. Por ejemplo, la combustión puede ser llevada a cabo a una temperatura de al menos aproximadamente 1500 °C. En otros ejemplos no cubiertos por la invención, la combustión puede ser llevada a cabo a una temperatura de aproximadamente 1600 °C hasta aproximadamente 3300 °C.
La invención también puede ser caracterizada por la pureza del O2 en la corriente de O2. Por ejemplo, en algunas realizaciones, puede ser útil el aire ambiente. En realizaciones específicas, sin embargo, puede ser beneficioso purificar el contenido de oxígeno. Por ejemplo, el O2 puede proporcionarse como una corriente en el que la concentración molar del O2 es al menos 85 %. Se describen aquí concentraciones específicas e incluso adicionales. Las realizaciones específicas, la corriente del producto de combustión puede tener una temperatura de al menos aproximadamente 1000 °C. Además, la corriente del producto de combustión puede tener una presión que es al menos aproximadamente 90 % de la presión del CO2 introducido en la cámara de combustión o es al menos aproximadamente el 95 % de la presión del CO2 introducido en la cámara de combustión.
En algunas realizaciones, la relación de presión de la corriente del producto de combustión en la entrada de la turbina en comparación con la corriente de descarga de la turbina a la salida de la turbina puede ser de aproximadamente 1,5 a aproximadamente 10 o puede ser aproximadamente 2 hasta aproximadamente 8. Se proporcionan aquí relaciones adicionales incluso posibles.
La invención puede ser caracterizada por la relación de los materiales específicos introducidos en la cámara de combustión. Por ejemplo, la relación de CO2 en el fluido que circula de CO2 a carbono en el combustible introducido a la cámara de combustión, sobre una base molar, puede ser aproximadamente 10 hasta aproximadamente 50 o puede ser aproximadamente 10 hasta aproximadamente 30. Se proporcionan aquí incluso relaciones posibles adicionales.
La invención puede ser caracterizada adicionalmente en que al menos una porción del CO2 en la corriente de descarga de la turbina puede ser recirculada y reintroducida en la cámara de combustión. Al menos una porción del CO2 puede ser descargada del sistema (tal como para retención u otro desecho), por ejemplo, a través de una tubería.
En realizaciones específicas, el CO2 en la corriente de descarga de la turbina puede estar en un estado gaseoso. Particularmente, la corriente de descarga de la turbina puede tener una presión de menos de o igual a 7 MPa.
En otros ejemplos no cubiertos por la invención, los métodos de la invención pueden comprender adicionalmente el paso de la corriente de descarga de la turbina a través de al menos un intercambiador de calor que enfría la corriente de descarga de la turbina y proporciona una corriente de fluido que circula de CO2 que tiene una temperatura de al menos de aproximadamente 200 °C. Esto puede ser útil para proporcionar la corriente de fluido que circula de CO2 bajo condiciones que puedan facilitar la eliminación de uno o más componentes secundarios (esto es, componentes diferentes a CO2). En ejemplos específicos no cubiertos por la invención, esto puede comprender el paso de la corriente de descarga de la turbina a través de una serie de al menos dos intercambiadores de calor. Más específicamente, el primer intercambiador de calor en la serie puede recibir la corriente de descarga de la turbina y reducir la temperatura de la misma, estando formado el primer intercambiador de calor de una aleación para alta temperatura que soporta una temperatura de al menos aproximadamente 900 °C. Los métodos no cubiertos por la invención también pueden comprender llevar a cabo una o más etapas de separación en la corriente de fluido que circula de CO2 para eliminar uno o más componentes secundarios que están presentes en la corriente de fluido que circula además de CO2 , como se indicó anteriormente. Específicamente, el uno o más componentes secundarios pueden comprender agua.
Los métodos no cubiertos por la invención también pueden comprender la presurización de una corriente de CO2. Por ejemplo, después de expandir la corriente del producto de combustión y de enfriar la corriente de descarga de la turbina, puede ser beneficioso presurizar la corriente para recircularla de vuelta a la cámara de combustión. Específicamente, los métodos pueden comprender pasar la corriente de fluido que circula de CO2 a través de uno o más compresores (por ejemplo, bombas) para presurizar la corriente de fluido que circula de CO2 hasta una presión de al menos aproximadamente 8 MPa. Esto puede comprender adicionalmente pasar la corriente de fluido que circula de CO2 a través de una serie de al menos dos compresores para presurizar la corriente de fluido que circula de CO2. En ciertos ejemplos no cubiertos por la invención, la corriente de fluido que circula de CO2 puede ser presurizada a una presión de al menos aproximadamente 15 MPa. Pueden ser deseables rangos de presión incluso adicionales, tal como se describe de otra forma aquí. En otros ejemplos no cubiertos por la invención, la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada puede ser provista específicamente en un estado de fluido supercrítico. En algunos ejemplos no cubiertos por la invención, al menos una porción del CO2 en la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada puede ser introducida en una tubería presurizada para retención (u otro desecho, como ya se indicó aquí).
Además de presurizar, los métodos no cubiertos por la invención también pueden comprender calentar la corriente de fluido que circula de CO2 previamente enfriada para la introducción de regreso a la cámara de combustión (esto es, recircular la corriente de fluido que circula de CO2). En algunos ejemplos no cubiertos por la invención, esto puede comprender calentar la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada hasta una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C, al menos aproximadamente 400 °C, o al menos aproximadamente 700 °C. En ciertos ejemplos no cubiertos por la invención, la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada puede ser calentada hasta una temperatura que es menor que la temperatura de la corriente de descarga de la turbina en no más de aproximadamente 50 °C. Se proporcionan aquí rangos de temperatura posibles incluso adicionales. Específicamente, tal calentamiento puede comprender el paso de la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada a través de los mismos intercambiadores de calor utilizados para enfriar la corriente de descarga de la turbina. Tal calentamiento también puede comprender la entrada de calor desde una fuente externa (esto es, diferente al calor recapturado de los intercambiadores de calor). En ejemplos específicos no cubiertos por la invención, el calentamiento puede comprender el uso de calor extraído de una unidad de separación de O2. Preferiblemente, este calor adicional es introducido en el extremo frio de la unidad de intercambio de calor (o, cuando se usa una serie de intercambiadores de calor, antes del intercambiador de calor en la serie que trabaja sobre el rango de temperatura más alto).
En ciertas realizaciones, la invención puede ser caracterizada por la naturaleza de la corriente del producto de combustión, la cual puede permitir la implementación opcional de turbinas múltiples. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la corriente del producto de combustión puede ser un fluido reductor que comprende uno o más componentes de combustible (por ejemplo, componentes seleccionados del grupo consistente de H2 , CO, CH4 , H2S, NH3 , y combinaciones de los mismos). Esto puede ser controlado por la relación de O2 al combustible usada. En algunas realizaciones, el vapor de la corriente del producto de combustión puede contener componentes completamente oxidados, tales como CO2 , H2O y SO2 , así como los componentes reducidos listados más arriba. La composición real alcanzada puede depender de la relación de O2 a combustible utilizada en la alimentación a la cámara de combustión de transpiración. Más específicamente, la turbina usada en tales realizaciones puede comprender dos o más unidades teniendo, cada una, una entrada y una salida. En realizaciones específicas, las unidades de turbina pueden ser operadas de tal manera que la temperatura de operación en la entrada de cada unidad es sustancialmente la misma. Esto puede comprender la adición de una cantidad de O2 a la corriente de fluido en la salida de la primera unidad de turbina (o la unidad de turbina precedente en el que se utilizan tres o más unidades). La provisión del O2 puede permitir la combustión del uno o más componentes del combustible descritos anteriormente, lo cual eleva la temperatura de la corriente antes de la entrada a la siguiente turbina en la serie. Esto da como resultado la capacidad de maximizar la potencia producida a partir de los gases de combustión en la presencia del fluido que circula.
En otras realizaciones, la corriente de descarga de la turbina puede ser un fluido oxidante. Por ejemplo, la corriente de descarga de la turbina puede contener una cantidad en exceso de O2.
En algunas realizaciones, la invención puede ser caracterizada por el estado de las diversas corrientes. Por ejemplo, después de la etapa de expansión de la corriente del producto de combustión a través de la turbina, la corriente de descarga de la turbina puede estar en un estado gaseoso. Este gas puede ser pasado a través de al menos un intercambiador de calor para enfriar la corriente gaseosa de descarga de la turbina para separación del CO2 de cualquier componente secundario. Después de esto, al menos una porción del CO2 separado puede ser presurizada y transformada en un estado de fluido supercrítico y de nuevo ser pasada a través de los mismos intercambiadores de calor para calentar el CO2 para reciclaje hacia la cámara de combustión. En realizaciones específicas, la diferencia de temperatura la temperatura de la corriente de descarga de la turbina que entra en el intercambiador de calor (o el primer intercambiador de calor cuando se utiliza una serie) a partir de la etapa de expansión de la temperatura del CO2 fluido supercrítico calentado, presurizado que sale del mismo intercambiador de calor para recircular en la cámara de combustión puede ser menor de aproximadamente 50 °C.
Como se indicó anteriormente, la corriente de fluido que sale de la cámara de combustión de combustible puede comprender el fluido que circula de CO2 , así como uno o más componentes adicionales, tales como productos de combustión. En algunas realizaciones, puede ser útil recircular al menos una porción del CO2 y reintroducirla en la cámara de combustión de combustible. Así, el fluido que circula puede ser un fluido recirculado. Desde luego, puede utilizarse CO2 desde cualquier fuente externa como fluido que circula. El escape de la turbina puede ser enfriado en un intercambiador de calor economizador, y el calor extraído puede ser utilizado para calentar el CO2 recirculado a alta presión. El escape de turbina enfriado que sale del extremo a baja temperatura del intercambiador de calor puede contener componentes derivados de combustible o del proceso de combustión, tales como H2O, SO2 , SO3 , NO, NO2 , Hg y HCl. En realizaciones adicionales, estos componentes pueden ser retirados de la corriente utilizando métodos adecuados. Otros componentes en esta corriente pueden comprender impurezas gaseosas inertes derivadas del combustible u oxidantes tales como N2, Argón (Ar) y O2 en exceso. Estos pueden ser retirados por procesos separados adecuados. En realizaciones adicionales, el escape de la turbina puede estar a una presión que es menor que la presión de condensación de CO2 en el escape de la turbina a la temperatura de los medios de enfriamiento disponibles de tal manera que no pueda formarse fase líquida de CO2 cuando el escape de la turbina es enfriado y esto permite una separación eficiente de agua como líquido a partir del CO2 gaseoso del cual contendrá la cantidad mínima de vapor de agua para permitir que el agua sea condensada. En realizaciones adicionales, el CO2 purificado puede ser comprimido ahora para producir la corriente de fluido que circula de CO2 recirculada a alta presión con al menos una porción del CO2 en el fluido que representa el carbono oxidado derivado del carbono en el combustible alimentado a la cámara de combustión, el cual puede ser introducido en una tubería presurizada para retención. La capacidad de transferir CO2 directamente desde el proceso de combustión hacia una tubería presurizada con un tratamiento o compresión adicional es mínimo debido a la alta presión de la corriente de escape de la turbina es una ventaja distintiva sobre los métodos convencionales donde el CO2 es recuperado a casi la presión atmosférica (esto es, alrededor de 0,1 MPa) o es emitido a la atmosfera. Además, el CO2 para retención de acuerdo con la presente invención puede ser transferido de una manera que es más eficiente y económica que las conocidas hasta el momento.
El calor específico del fluido de CO2 recirculado que entra al intercambiador de calor, idealmente por encima de la presión crítica, es alto y reduce a medida que se eleva la temperatura. Esto es particularmente beneficioso para que al menos una porción del calor en los niveles de temperatura más bajos sea derivada de una fuente externa. Esta podría ser por ejemplo un suministro de vapor a baja presión el cual proporcionaría calor por condensación. En realizaciones adicionales esta fuente de calor podría ser derivada de la operación de los compresores de aire usados en la planta de separación de aire criogénica que suministra oxidante a la cámara de combustión en el modo adiabático sin interenfriamiento y extracción del calor de compresión con una corriente de ciclo cerrado del fluido de transferencia de calor utilizado para proporcionar calor a la corriente de CO2 recirculada.
Un método no cubierto por la presente invención puede comprender las siguientes etapas:
introducir un combustible, O2 y un fluido que circula de CO2 en una cámara de combustión, siendo introducido el CO2 a una presión de al menos aproximadamente 8 MPa y una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C;
quemar el combustible para proporcionar una corriente de producto de combustión que comprende CO2 , teniendo la corriente de producto de combustión una temperatura del al menos aproximadamente 800 °C; expandir otra corriente del producto de combustión a través de una turbina para generar potencia, teniendo la turbina una entrada para recibir la corriente del producto de combustión y una salida para liberar una corriente de descarga de la turbina que comprende CO2 , en el que la relación de presión de la corriente del producto de combustión en la entrada en comparación con la corriente de descarga de la turbina en la salida es menor de aproximadamente 12;
retirar calor de la corriente de descarga de turbina haciendo pasar la corriente de descarga de turbina a través de una unidad de intercambio de calor para proporcionar una corriente de descarga de turbina enfriada; eliminar de la corriente de descarga de turbina enfriada uno o más componentes secundarios que están presentes en la corriente de descarga de turbina enfriada además del CO2 para proporcionar una corriente de descarga de turbina enfriada, purificada;
comprimir la corriente de descarga de turbina enfriada, purificada, con un primer compresor hasta una presión por encima de la presión crítica del CO2 para proporcionar una corriente de fluido que circula de CO2 supercrítica; enfriar la corriente del fluido que circula de CO2 supercrítica hasta una temperatura en el que su densidad es al menos aproximadamente 200 kg/m3;
hacer pasar el fluido que circula de CO2 de alta densidad, supercrítico, a través de un segundo compresor para presurizar el fluido que circula de CO2 hasta la presión requerida para la entrada a la cámara de combustión; hacer pasar el fluido que circula de CO2 a alta presión, de alta densidad, supercrítico a través de la misma unidad de intercambio de calor de tal manera que el calor extraído se utiliza para incrementar la temperatura del fluido que circula de CO2 ;
suministrar una cantidad adicional de calor al fluido que circula de CO2 a alta presión, de alta densidad, supercrítico, de tal manera que la diferencia entre la temperatura del fluido que circula de CO2 que sale de la unidad de intercambio de calor para recircular a la cámara de combustión y la temperatura de la corriente de descarga de la turbina es menor de aproximadamente 50 °C; y
recircular el líquido que circula de CO2 de alta densidad, supercrítico, calentado hacia la cámara de combustión.
En realizaciones particulares, los sistemas pueden ser particularmente útiles para combinación con sistemas de potencia existentes (por ejemplo, estaciones de potencia de quema de carbón convencionales, reactores nucleares y otros sistemas que pueden hacer uso de los sistemas de calderas provisionales). Así, en ejemplos no cubiertos por la invención, entre la etapa de expansión y la etapa de extracción descritas anteriormente, los métodos pueden comprender la etapa de la corriente de descarga de la turbina a través de una segunda unidad de intercambio de calor. Tal segunda unidad de intercambio de calor puede utilizar calor de la corriente de descarga de la turbina para calentar una o más corrientes derivadas de un sistema de potencia por vapor (por ejemplo, un sistema de caldera convencional, incluyendo estaciones de potencia de quema de carbón y reactores nucleares). Las corrientes de vapor así calentadas pueden ser pasadas a través de una o más turbinas para generar potencia. Las corrientes que salen de las turbinas pueden ser procesadas en ciclo de retroceso a través de los componentes del sistema de potencia convencional (por ejemplo, la caldera).
En ejemplos adicionales, el método no cubierto por la invención puede ser caracterizado por uno o más de los siguientes:
enfriar la corriente de descarga de la turbina hasta una temperatura por debajo de su punto de rocío; enfriar adicionalmente la corriente de descarga de la turbina contra un medio de enfriamiento a temperatura ambiente;
condensar el agua junto con uno o más componentes secundarios para formar una solución que comprende uno o más de H2SO4 , HNO3 , HCl, y mercurio;
presurizar la corriente de descarga de la turbina enfriada hasta una presión de menos de aproximadamente 15 MPa;
un producto de la corriente de CO2 de la corriente de fluido que circula de CO2 a alta presión, de alta densidad, supercrítica antes de pasar a través de la unidad de intercambio de calor;
utilizar como combustible una corriente de los productos de combustión parcial;
someter a combustión combustible un combustible que contiene carbono con O2 en la presencia de un fluido que circula de CO2 , el combustible que contiene carbono, O2 y fluido que circula de CO2 provistos en proporciones tales que el combustible que contiene carbono es oxidado solo parcialmente para producir la corriente de producto de conducción parcialmente oxidada que comprende un componente incombustible, CO2 y uno o más de H2 , CO, CH4 , H2S y NH3 ;
proporcionar el combustible que contiene carbono, O2 y el fluido que circula de CO2 en proporciones tales que la temperatura de la corriente del producto de combustión parcialmente oxidada es suficientemente baja de forma que todo el componente incombustible en la corriente está en la forma de partículas sólidas;
hacer pasar la corriente del producto de combustión parcialmente oxidado por uno o más filtros;
usar el filtro para reducir la cantidad residual de componentes incombustibles a menos de aproximadamente 2 mg/m3 del producto de combustión parcialmente oxidado;
utilizar carbón, lignito o coque de petróleo como combustible;
proporcionar un combustible en partículas como suspensión con CO2.
En ejemplos adicionales no cubiertos por la invención, los métodos pueden describirse que comprenden las siguientes etapas:
introducir un combustible que contiene carbono, O2 y un fluido que circula de CO2 en una cámara de combustión enfriada por transpiración, siendo introducido el CO2 a una presión de al menos aproximadamente 8 MPa y a una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C;
someter a combustión el combustible para proporcionar una corriente de producto de combustión que comprende CO2, teniendo la corriente de producto de combustión una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C; expandir la corriente de producto de combustión a través de una turbina para generar potencia, teniendo la turbina una entrada para recibir la corriente de producto de combustión y una salida de liberación de una corriente de descarga de turbina que comprende CO2 , en el que la relación de presión de la corriente de producto de combustión en la entrada en comparación con la corriente de descarga de la turbina en la salida en menor de aproximadamente 12;
hacer pasar la corriente de descarga de la turbina a través de una serie de al menos dos intercambiadores de calor que retiran calor de la corriente de descarga de la turbina y proporcionan la corriente de fluido que circula de CO2 ;
eliminar de la corriente de fluido que circula de CO2 uno o más componentes secundarios que están presentes en la corriente de fluido que circula además del CO2 ;
hacer pasar la corriente de fluido que circula de CO2 a través de una serie de al menos dos compresores que incrementan la presión del fluido que circula de CO2 al menos a aproximadamente 8 MPa y transforma el CO2 en el fluido que circula de un estado gaseoso a un estado fluido supercrítico; y
hacer pasar el fluido que circula de CO2 supercrítico a través de la misma serie de al menos dos intercambiadores de calor que usan el calor de extracción para incrementar la temperatura del fluido que circula de CO2 a al menos aproximadamente 200 °C (o, opcionalmente, hasta una temperatura que es menor que la temperatura de la corriente de descarga de la turbina en no más de aproximadamente 50 °C).Esto específicamente puede comprender la introducción de calor adicional a partir de una fuente de calor externa (por ejemplo, una fuente de calor no derivada directamente del paso de la corriente de descarga de la turbina a través de los intercambiadores de calor).
Otros ejemplos no cubiertos por la invención pueden caracterizarse por proporcionar un método de alta eficiencia de generación de potencia a partir de la combustión de un combustible que contiene carbono sin liberación atmosférica de CO2. Específicamente, el método puede comprender las siguientes etapas:
introducir el combustible que contiene carbono, O2 , y el fluido de que circula de CO2 recirculado en una cámara de combustión enfriada por transpiración en una relación estequiométrica definida, siendo introducido el CO2 a una presión de al menos aproximadamente 8 MPa y a una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C; producir combustión de combustible para proporcionar una corriente de producto de combustión que comprende CO2, teniendo la corriente del producto de combustión una temperatura de al menos 800 °C;
expandir la corriente del producto de combustión a través de una turbina para generar potencia, teniendo la turbina una entrada para recibir la corriente del producto de combustión y una salida para la liberación de una corriente de descarga de la turbina que comprende CO2 , en el que la relación de presión de la corriente del producto de combustión en la entrada en comparación con la corriente de descarga de la turbina la salida en menos de aproximadamente 12;
hacer pasar la corriente de descarga de la turbina a través de una serie de al menos dos intercambiadores de calor que retiran calor de la corriente de descarga de la turbina y proporcionan la corriente del fluido que circula de CO2 ;
hacer pasar la corriente de fluidos que circulas de CO2 a través de una serie de al menos dos compresores que incrementan la presión del fluido que circula de CO2 a al menos aproximadamente 8 MPa y transforma el CO2 en el fluido que circula de un estado gaseoso a un estado de fluido supercrítico;
hacer pasar la corriente de fluido que circula de CO2 a través de una unidad de separación en el que la cantidad estequiométricamente requerida de CO2 es recirculada y dirigida a la cámara de combustión y cualquier exceso de CO2 es extraído sin liberación atmosférica; y
hacer pasar el fluido que circula de CO2 recirculado a través de la misma serie de al menos dos intercambiadores de calor que usan el calor extraído para incrementar la temperatura del fluido que circula de CO2 a al menos aproximadamente 200 °C antes de la introducción en la cámara de combustión (o, opcionalmente, hasta una temperatura que es menor que la temperatura de la corriente de descarga de turbina en no más de aproximadamente 50 °C);
en el que la eficiencia de la combustión es mayor que 50 %, siendo calculada dicha eficiencia como la relación de la potencia neta generada en relación con la energía térmica con valor de calentamiento más bajo inferior para el combustible que contiene carbono sometido a combustión para generar la potencia.
En otro aspecto, la invención se puede describir como proporcionando un sistema de generación de potencia. Específicamente, un sistema de generación de potencia de acuerdo con la invención puede comprender una cámara de combustión enfriada por transpiración, una turbina para producción de potencia y al menos un intercambiador de calor, y al menos un compresor.
En realizaciones específicas, la cámara de combustión enfriada por transpiración puede tener al menos una entrada para recibir un combustible que contiene carbono, O2 y una corriente de fluido que circula de CO2. La cámara de combustión puede tener adicionalmente al menos una etapa de combustión que somete a combustión el combustible en la presencia del fluido que circula de CO2 y proporciona una corriente de producto de combustión que comprende CO2 a una presión (por ejemplo, al menos aproximadamente 8 MPa) y temperatura (por ejemplo, al menos aproximadamente 800 °C) definidas.
La turbina de producción de potencia puede estar en comunicación fluida con la cámara de combustión y puede tener una entrada para recibir la corriente del producto de combustión y una salida para liberar una corriente de descarga de la turbina que comprende CO2. La turbina puede estar adaptada para controlar las caídas de presión de tal manera que la relación de la presión de la corriente del producto de combustión en la entrada en comparación con la corriente de descarga de la turbina en la salida es menos de aproximadamente 12.
El al menos un intercambiador de calor puede estar en comunicación fluida con la turbina para recibir la corriente de descarga de la turbina. Los intercambiadores de calor pueden transferir calor desde la corriente de descarga de la turbina a la corriente de fluido que circula de CO2.
El al menos un compresor puede estar en comunicación fluida con el al menos un intercambiador de calor. Los compresores pueden estar adaptados para presurizar la corriente de fluido que circula de CO2 hasta una presión deseada.
Además de lo anterior, un sistema de generación de potencia de acuerdo con la invención puede comprender adicionalmente uno o más dispositivos de separación posicionados entre el al menos un intercambiador de calor y el al menos un compresor. Tales dispositivos de separación pueden ser útiles para la eliminación de uno o más componentes secundarios presentes en el fluido que circula de CO2 además del CO2.
Todavía adicionalmente, el sistema de generación de potencia puede comprender una unidad de separación de O2 que incluye uno o más componentes que generan calor. Así, el sistema de generación de potencia también puede comprender uno o más componentes de transferencia de calor que transfieren calor desde la unidad de separación de O2 al fluido que circula de O2 aguas arriba de la cámara de combustión. Opcionalmente, el sistema de generación de potencia puede comprender una fuente de calor externa. Esta podría ser por ejemplo un suministro de vapor a baja presión el cual proporcionaría calor por condensación. El sistema de generación de potencia podría incluir así uno o más componentes de transferencia de calor que transfieren calor desde la corriente de fluido que circula de CO2 aguas arriba de la cámara de combustión.
En realizaciones adicionales, un sistema de generación de potencia de la invención puede incluir uno o más de los siguientes:
un primer compresor adaptado para comprimir la corriente de fluido que circula de CO2 a una presión que está por encima de la presión crítica del CO2 ;
un segundo compresor adaptado para comprimir la corriente de fluido que circula de CO2 hasta una presión requerida para la entrada a la cámara de combustión;
un dispositivo de enfriamiento adaptado para enfriar la corriente de fluido que circula de CO2 a una temperatura en el que su densidad es mayor de aproximadamente 200 kg/m3 ;
uno o más componentes de transferencia que transfieren calor desde una fuente externa al fluido que circula de CO2 aguas arriba de la cámara de combustión y aguas abajo del segundo compresor;
una segunda cámara de combustión localizada aguas arriba desde y en comunicación fluida con la cámara de combustión enfriada por transpiración;
uno o más filtros o dispositivos de separación localizados entre la segunda cámara de combustión y la cámara de combustión enfriada por transpiración;
un dispositivo de mezcla para formar un lodo de un material combustible en partículas con un medio fluidizante; un dispositivo de molienda para formar partículas a partir de un combustible sólido.
En otras realizaciones, la presente invención puede proporcionar un sistema de generación de potencia que puede comprender lo siguiente: uno o más inyectores para proporcionar combustible, un fluido que circula de CO2 , y un oxidante; una cámara de combustión enfriada por transpiración que tiene al menos una etapa de combustión que somete a combustión el combustible y proporciona una corriente de fluido de escape una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C y una presión de al menos aproximadamente 4 MPa (preferiblemente al menos aproximadamente 8 MPa); una turbina para producción de potencia que tiene una entrada y una salida y en el que la potencia es producida a medida que la corriente de fluido se expande, estando diseñada la turbina para mantener la corriente de fluido a una presión deseada de tal manera que la relación de la presión de la corriente de fluido en la entrada versus la salida es menor de aproximadamente 12; un intercambiador de calor para enfriar la corriente de fluido que sale de por la salida de la turbina y para calentar el fluido que circula de CO2 ; y uno o más dispositivos para separar la corriente de fluido que sale del intercambiador de calor hacia el CO2 y uno o más componentes adicionales para recuperación o desecho. En realizaciones adicionales, el sistema de generación de potencia también pude comprender uno o más dispositivos para suministrar al menos una porción del CO2 separado de la corriente de fluido en una tubería presurizada.
En realizaciones específicas, un sistema de acuerdo con la invención puede comprender uno o más componentes tal como se describe aquí retroalimentados con un sistema de producción de potencia convencional, tal como una estación de potencia por quema de carbón, un reactor nuclear, o similares. Por ejemplo, un sistema de potencia podría comprender dos unidades de intercambio de calor en diferentes (por ejemplo, una unidad de intercambio de calor primaria y unidad de intercambio de calor secundaria). La unidad de intercambio de calor primario podría ser sustancialmente una unidad como se describe aquí en otro lugar, y la unidad de intercambio de calor secundaria podría ser una unidad útil para transferir calor desde la corriente de descarga de la turbina a una o más corrientes de vapor (por ejemplo, desde una caldera asociada con el sistema de producción de potencia convencional) para sobrecalentar las corrientes de vapor. Así, un sistema de generación de potencia de acuerdo con la invención puede comprender una unidad de intercambio de calor secundaria localizada entre y en comunicación fluida con la turbina y con la unidad de intercambio de calor primaria. El sistema de generación de potencia puede comprender de la misma manera una caldera en comunicación fluida con la segunda unidad de intercambio de calor a través de al menos una corriente de vapor. Todavía adicionalmente, el sistema de generación de potencia puede comprender al menos una turbina de producción de potencia adicional que tiene una entrada para recibir la al menos una corriente de vapor desde la unidad de intercambio de calor secundaria. Así, el sistema puede ser descrito comprendiendo una turbina de producción de potencia primaria y una turbina de producción de potencia secundaria. La turbina de producción de potencia primaria pude ser la turbina en comunicación fluida con la cámara de combustión de la invención. La turbina de producción de potencia secundaria puede ser la turbina en comunicación fluida con una corriente de vapor, particularmente una corriente de vapor sobrecalentada que es sobrecalentada con calor de la corriente de descarga de la turbina de producción de potencia primaria. Tal sistema que se retroalimenta con uno o más componentes de un sistema de producción de potencia convencional es descrito, particularmente en relación con la Figura 12 y el ejemplo 2. El uso de los términos turbina de producción de potencia primaria y turbina de producción de potencia secundaria no deberían ser considerados como limitantes del alcance de la invención y se utilizan solamente para proporcionar claridad en la descripción.
En otro aspecto de la invención puede calentarse una corriente externa si en el extremo a alta temperatura el intercambiador de calor por transferencia de calor desde la corriente de escape de la turbina de enfriamiento y, como resultado, la corriente recirculada a alta presión saldrá del intercambiador de calor y entrará en la cámara de combustión a una temperatura inferior. En este caso, la cantidad de combustible quemado en la cámara de combustión puede ser incrementada de tal manera que se mantenga la temperatura de entrada a la turbina. El valor de calentamiento del combustible extra quemado es equivalente a la carga de calor extra impuesta sobre el intercambiador de calor.
En algunas realizaciones, la invención se puede caracterizar como que proporciona una planta de proceso que produce potencia de árbol a partir de la circulación de un fluido en circulación de CO2 predominantemente. En realizaciones adicionales, la invención proporciona procesos en los cuales pueden satisfacerse ciertas condiciones.
En realizaciones específicas, la invención puede ser caracterizada adicionalmente por una o más de las siguientes acciones o dispositivos útiles para llevar a cabo tales acciones:
comprimir el fluido que circula de CO2 hasta una presión en exceso de la presión crítica de CO2 ;
someter a combustión directamente un combustible hidrocarbonado sólido, líquido o gaseoso en O2 sustancialmente puro con la provisión de mezclar un fluido recirculado supercrítico rico en CO2 para alcanzar una temperatura de entrada en turbina de potencia requerida-por ejemplo, mayor a aproximadamente 500 °C (u otro rango de temperatura como se describe aquí);
expandir una corriente supercrítica formada a partir de los productos de combustión y el fluido recirculado rico en CO2 en una turbina con producción de potencia de eje, expandiéndose particularmente a una presión que está por encima de aproximadamente 2 MPa y está por debajo de la presión a la cual la fase líquida de CO2 aparece cuando el fluido es enfriado a una temperatura consistente con el uso de medios de enfriamiento a temperatura ambiente (por ejemplo, aproximadamente 7,3-7,4 MPa);
introducir un escape de turbina en un intercambiador de calor en el cual se enfría el escape de la turbina y el calor es transferido a un fluido supercrítico rico en CO2 recirculado;
enfriar una corriente que contiene CO2 al salir de un intercambiador de calor contra un medio de enfriamiento a temperatura ambiente y separar una fase líquida de agua que contiene al menos concentraciones menores de CO2 y una fase gaseosa de CO2 que contiene al menos una concentración menor de vapor de agua;
llevar a cabo una separación de agua de una manera que permita un tiempo de residencia deseado (por ejemplo, hasta 10 segundos) con contacto íntimo entre el CO2 gaseoso y el agua líquida o una fase ácida débil de tal forma que las reacciones que involucran SO2 , SO3 , H2O, NO, NO2 , O2 y/o Hg pueden tener lugar dando como resultado la conversión de más del 98 % del azufre presente en una corriente a H2SO4 y la conversión de más de 90 % de los óxidos de nitrógeno presentes en una corriente a HNO3 , y la conversión de más del 80 % del mercurio en una corriente a compuestos de mercurio solubles;
separar componentes no condensables (tales como N2 , Ar y O2) de una fase de CO2 gaseosa enfriando hasta una temperatura cercana al punto de congelación del CO2 con una separación de fase en gas/líquida que deja el N2 , Ar y O2 , predominantemente en la fase gaseosa;
comprimir una corriente de CO2 gaseosa purificada en un compresor de gas hasta una presión en la cual el enfriamiento por medios de enfriamiento a temperatura ambiente producirá un fluido de CO2 de alta densidad (por ejemplo, una densidad de al menos aproximadamente 200 kg/m3 , preferiblemente al menos aproximadamente 300 kg/m3 , o más preferiblemente al menos aproximadamente 400 kg/m3);
enfriar el CO2 comprimido con medios de enfriamiento a temperatura ambiente para formar un fluido supercrítico de CO2 de alta densidad (por ejemplo, con una densidad de al menos aproximadamente 200 kg/m3 , preferiblemente al menos aproximadamente 300 kg/m3 , o más preferiblemente al menos aproximadamente 400 kg/m3);
comprimir un fluido de CO2 de alta densidad en un compresor hasta una presión por encima de la presión crítica del CO2;
separar una corriente de CO2 a alta presión en dos corrientes separadas-una que entra al extremo frio de un intercambiador de calor y una segunda que es calentada utilizando una fuente de calentamiento externo disponible a una temperatura por debajo de aproximadamente 250 °C;
facilitar una transferencia de calor eficiente (incluyendo el uso de una fuente de calor externa opcional) de tal manera que la diferencia entre la temperatura de una corriente de descarga de la turbina que entra al extremo caliente de un intercambiador de calor y la temperatura de un fluido que circula de CO2 recirculado que sale del extremo caliente del mismo intercambiador de calor es menor que aproximadamente 50 °C (u otro umbral de temperatura tal como se describe aquí):
comprimir un fluido que circula de CO2 a una presión de aproximadamente 8 MPa hasta aproximadamente 50 MPa (u otro rango de presión según se describe aquí);
mezclar una corriente de O2 con al menos una porción de la corriente de fluido que circula de CO2 recirculada y una corriente de combustible que contiene carbono para formar una corriente de fluido sencilla (o suspensión si se usa un combustible sólido pulverizado), la cual está por debajo de la temperatura de autoignición del combustible, y cuyas proporciones están ajustadas para dar una temperatura de llama adiabática de aproximadamente 1200 °C a 3500 °C (u otro rango de temperatura según se describe aquí);
mezclar al menos una porción de un fluido que circula de CO2 recirculada con productos de combustión para formar una corriente fluida mixta a una temperatura en el rango de aproximadamente 500 °C a 1600 °C (u otro rango de temperatura según se describe aquí);
producir una corriente de descarga de turbina que tiene una presión de aproximadamente 2 MPa a aproximadamente 7,3 MPa (u otro rango de presión según se describe aquí);
calentar externamente una porción de una corriente de fluido que circula de CO2 a alta presión utilizando calor de compresión derivado de la operación de uno o más compresores de aire de una planta de O2 criogénica (particularmente en el modo adiabático) y/o un compresor de CO2 (particularmente en el modo diabático), siendo transferido el calor por circulación de un fluido de transferencia de calor adecuado (incluyendo el fluido de CO2 mismo);
calentar una o más corrientes fluidas externas en un intercambiador de calor con combustible extra equivalente que es quemado en una cámara de combustión, en el que una o más de las corrientes de fluido externas pueden comprender vapor, el cual puede ser sobrecalentado en el intercambiador de calor;
utilizar el calor suministrado por el vapor de condensación provisto por una fuente externa para calentar externamente una porción de una corriente de fluido que circula de CO2 recirculada;
enfriar en un intercambiador de calor una corriente que contiene CO2 (la cual sale del extremo frio del intercambiador de calor) para proporcionar calor para calentar una corriente de fluido provista externamente; proporcionar una corriente de alimentación de O2 en el que la concentración molar del O2 es al menos 85 % (u otro rango de concentración según se describe aquí);
operar una cámara de combustión de tal manera que la concentración de O2 en la corriente de gas total que sale de la cámara de combustión (esto es, una corriente de producto de la combustión) y que entra a la turbina es mayor de aproximadamente 0,1 % molar;
llevar a cabo un proceso de producción de potencia de tal manera que se usa solamente una turbina productora de potencia;
llevar a cabo un proceso de producción de potencia de tal manera que se usa solamente una cámara de combustión para someter a combustión de manera sustancial completamente la entrada de combustible que contiene carbono en la cámara de combustión;
operar una cámara de combustión de tal manera que la cantidad de O2 en la corriente de O2 que entra a la cámara de combustión está por debajo de la cantidad requerida para la combustión estequiométrica de la corriente de combustible que entra a la cámara de combustión y generar así la producción de uno o ambos de H2 y monóxido de carbono (CO) en la corriente del producto de combustión; y
llevar a cabo un proceso que utiliza dos o más turbinas teniendo, cada una, una presión de salida definida en el que uno o ambos de H2 y CO están presentes en la corriente de descarga que sale de la primera turbina (y turbinas posteriores, que es aplicable, con la excepción de la turbina final en la serie de turbinas) y parte o todo del H2 y de CO son sometidos a combustión mediante la adición de una corriente de O2 antes de la entrada de la segunda y posteriores turbinas para elevar la temperatura de operación de cada una de la segunda o más turbinas a un valor más alto que da como resultado un exceso de O2 en la corriente de salida de la última turbina, siendo tal exceso mayor de aproximadamente 0,1 % molar.
En realizaciones adicionales, la presente invención puede proporcionar uno o más de los siguientes:
calentar un fluido que circula de CO2 en un sistema de intercambio de calor contra la corriente de escape de la turbina de enfriamiento de tal manera que la corriente de escape de la turbina es enfriada a una temperatura por debajo de su punto de rocío del agua;
enfriar la corriente de escape de la turbina contra un medio de enfriamiento a temperatura ambiente y condensar el agua junto con combustible e impurezas derivadas de la combustión que comprenden H2SO4, HNO3 , HCl y otras impurezas tales como Hg y otros metales en la forma de compuestos iónicos en solución;
comprimir el fluido que circula de CO2 purificado hasta una presión por encima de su presión crítica, pero por debajo de 10 MPa en un primer compresor;
enfriar el fluido que circula hasta un punto en el que su densidad es mayor a 600 kg/m3 ;
comprimir el fluido que circula de CO2 de alta densidad en un compresor a la presión requerida para superar la caída de presión en el sistema y alimentar el fluido de CO2 que circula en la cámara de combustión; eliminar una corriente de producto de CO2 que contiene sustancialmente todo el CO2 formado por combustión del carbono en una corriente de combustible, siendo tomada la corriente de CO2 bien sea del flujo de descarga del primer compresor o del segundo compresor;
suministrar una cantidad adicional de calor al fluido que circula de CO2 a un nivel de temperatura el cual está por encima del punto de rocío del agua de la corriente de escape de la turbina de enfriamiento bien sea directamente al intercambiador de calor o calentando una parte que comprende una corriente lateral del fluido que circula de CO2 de tal manera que la diferencia de temperatura entre el fluido CO2 que circula y el escape de la turbina en el extremo caliente del intercambiador de calor es menor de 50 °C:
utilizar un combustible que comprende un combustible que contiene carbono que tiene un residuo incombustible el cual es parcialmente oxidado con O2 en una cámara de combustión enfriada por transpiración para producir una corriente que comprende H2 , CO, CH4, H2S, NH3 y un residuo incombustible, siendo alimentada la cámara de combustión con parte del fluido de CO2 que circula para enfriar los productos de combustión parcialmente oxidados hasta una temperatura de 500 °C a 900 °C en el que las cenizas están presentes como partículas sólidas que pueden ser retiradas completamente de la corriente de fluido de salida mediante un sistema de filtración;
proporcionar una diferencia de temperatura entre la corriente de escape de la turbina de enfriamiento y la corriente de fluido de CO2 que circula de calentamiento en el punto en el cual el flujo de corriente lateral se remezcla con el flujo de fluido de CO2 que circula calentado separadamente que está entre 10 °C y 50 °C; proporcionar una presión de la corriente de escape de la turbina que sale del extremo frio del intercambiador de calor de tal manera que no se forma CO2 líquido cuando está corriente es enfriada antes de la separación de agua e impurezas;
utilizar al menos parte de la corriente de escape de la turbina para sobrecalentar corrientes de vapor múltiples derivadas de los sistemas de potencia de vapor asociados con los sistemas de caldera convencionales y reactores nucleares;
proporcionar calor de nivel bajo adicional a la corriente de CO2 que circula como vapor a uno o más niveles de presión tomados de la fuente de calor externa tal como una estación de potencia;
utilizar la corriente de escape en expansión que sale del extremo frio del sistema intercambiador de calor para proporcionar calentamiento para al menos una parte del condensado que sale del condensador de vapor del sistema de generación de potencia por vapor;
proporcionar calor de nivel bajo adicional a la corriente de CO2 que circula desde el escape caliente de una turbina de gas de ciclo abierto;
pasar un gas derivado del carbón parcialmente oxidado a más CO2 como combustible a una segunda cámara de combustión para combustión completa;
operar una cámara de combustión sencilla con una relación de O2 a combustible tal que parte del combustible es oxidado a productos de oxidación que comprenden CO2 , H2O y SO2 y el resto de combustible es oxidado a componentes que comprenden H2 , CO y H2S;
operar dos turbinas las cuales superan la relación de presión total requerida con O2 inyectado en el flujo de descarga de la primera turbina para someter a combustión los componentes reducidos para recalentar el flujo de presión intermedio hasta una temperatura superior antes de que sea expandido a través de la segunda turbina.
Realizaciones incluso adicionales son abarcadas por la presente invención según se describe en relación con las diversas figuras y/o se divulga en la descripción siguiente de la invención proporcionada en el presente documento.
Breve descripción de los dibujos
Habiendo descrito así la invención en términos generales, se hará referencia ahora a los dibujos adjuntos, los cuales no necesariamente están dibujados a escala, y en el que:
La Figura 1 es una ilustración esquemática de un aparato de combustión enfriado por transpiración que puede ser utilizado de acuerdo con ciertas realizaciones de la presente divulgación;
La Figura 2 es una ilustración esquemática de una sección transversal de ejemplo de una pared de un elemento de transpiración en un aparato de combustión que puede ser utilizado en ciertas realizaciones de la presente divulgación;
Las Figura 3A y la Figura 3B ilustran esquemáticamente un proceso de ajuste en caliente para un conjunto de un elemento de transpiración de un aparato de combustión que puede ser utilizado en ciertas realizaciones de la presente divulgación.
La Figura 4 ilustra esquemáticamente un aparato para eliminación de contaminantes producto de la combustión que puede ser útil de acuerdo con ciertas realizaciones de la presente divulgación;
La Figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un ciclo de potencia de acuerdo con una realización de la presente divulgación;
La Figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra el flujo de un fluido que circula de CO2 a través de una unidad de separación de acuerdo con una realización de la presente divulgación;
La Figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra la presurización utilizando una serie de dos o más compresores o bombas en una unidad de presurización de acuerdo con una realización de la presente divulgación;
La Figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra una unidad de intercambio de calor de acuerdo con una realización de la presente divulgación en el que se utilizan tres intercambiadores de calor individuales en serie; La Figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra una unidad de turbina que utiliza las turbinas operadas en serie en el modo de reducción de acuerdo con una realización de la presente divulgación;
La Figura 10 es un diagrama de flujo que ilustra un sistema para la producción de potencia de acuerdo con una realización de la presente invención usando dos cámaras de combustión;
La Figura 11 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo específico de un sistema para la producción de potencia de acuerdo con una realización de la presente divulgación; y
La Figura 12 es un diagrama de flujo que ilustra otro ejemplo de un sistema para la producción de potencia incorporando una caldera para quema de carbón convencional de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
Descripción detallada de la invención
La invención será descrita ahora más completamente de aquí en adelante a siendo referencia a diversas realizaciones. Estas realizaciones son provistas de manera que está divulgación sea exhaustiva y completa, y transmitirá completamente el alcance de la invención para los experimentados en la técnica. En efecto, la invención puede ser realizada en muchas diferentes maneras y no debería ser considerada como limitada a las realizaciones establecidas aquí; en vez de esto, estas realizaciones se proporcionan de tal manera que esta divulgación satisfaga los requerimientos legales aplicables. Tal como se utilizan en esta especificación, y en las reivindicaciones anexas, las formas singulares “un”, “una”, “el, la”, incluyen referentes plurales a menos que el contexto dicte claramente otra cosa.
La presente invención proporciona sistemas para producir potencia a través del uso de una cámara de combustión de combustible de alta eficiencia (tal como una cámara de combustión enfriada por transpiración) y un fluido que circula asociado (tal como un fluido que circula de CO2). El fluido que circula es provisto en la cámara de combustión junto con un combustible apropiado, cualquier oxidante necesario, y cualquier material asociado que pueda ser útil para una combustión eficiente. En realizaciones específicas, métodos no cubiertos por la invención pueden ser llevados a cabo utilizando una cámara de combustión que opera a temperaturas muy altas (por ejemplo, en el rango de aproximadamente 1600 °C hasta aproximadamente 3300 °C, u otros rangos de temperatura tal como se divulga aquí), y la presencia de fluido que circula puede funcionar para moderar la temperatura de una corriente de fluido que sale de la cámara de combustión de tal manera que la corriente de fluido pueda ser utilizada en la transferencia de energía para la producción de potencia. Específicamente, una corriente de producto de combustión puede ser expandida a través de al menos una turbina para generar potencia. La corriente de gas expandido puede ser enfriada para retirar diversos componentes de la corriente, tales como agua, y calor retirado de la corriente de gas expandido puede ser utilizado para calentar el fluido que circula de CO2. La corriente de fluido que circula purificada puede ser entonces presurizada y calentada para recircular a través de la cámara de combustión. Si se desea, parte del CO2 del producto de la corriente de producto de combustión (esto es, que surge del CO2 formado por combustión del combustible que contiene carbono en la presencia de oxígeno) puede ser extraída para retención u otra forma de desecho, tal como transferencia a una tubería de CO2. El sistema puede hacer uso de parámetros y componentes de proceso específicos para maximizar la eficiencia del sistema, particularmente a la vez que se evita la liberación de CO2 a la atmósfera. Como se describe particularmente aquí, el fluido que circula es ejemplificado por uso de CO2 como fluido que circula. Mientras que el uso de un fluido que circula de CO2 es una realización ventajosa de acuerdo con la invención, tal divulgación no debe ser considerada como limitante necesariamente del alcance del fluido que circula que puede ser utilizado en la invención a menos que se establezca otra cosa.
En ciertas realizaciones, un sistema de generación de potencia de acuerdo con la invención puede utilizar un fluido que circula que comprende predominantemente CO2. En otras palabras, la naturaleza química del fluido que circula inmediatamente antes de la entrada a la cámara de combustión es tal que el fluido que circula comprende predominantemente CO2. En este sentido, la palabra “predominantemente” puede significar que el fluido comprende al menos aproximadamente 90 % en concentración molar, al menos aproximadamente 91 % en concentración molar, al menos aproximadamente 92 % en concentración molar, al menos aproximadamente 93 % en concentración molar, al menos aproximadamente 94 % en concentración molar, al menos aproximadamente 95 % en concentración molar, al menos aproximadamente 96 % en concentración molar, al menos aproximadamente 97 % en concentración molar, al menos aproximadamente 98 % en concentración molar, o al menos aproximadamente 99 % en concentración molar de CO2. El fluido que circula inmediatamente antes de entrar a la cámara de combustión comprende preferiblemente de manera sustancial solo CO2. En este sentido, la expresión “sustancialmente solo” puede significar al menos aproximadamente el 99,1 % en concentración molar, al menos aproximadamente 99,25 % en concentración 30 molar, al menos aproximadamente el 99,5 % en concentración molar, al menos aproximadamente 99,75 % en concentración molar, al menos aproximadamente 99,8 % en concentración molar, o al menos aproximadamente 99,9 % en concentración molar de CO2. En la cámara de combustión, el CO2 puede coexistir con uno o más componentes adicionales que puedan ser derivados del combustible, cualquier oxidante, y cualquier derivado de la combustión del combustible. Así, el fluido que circula que sale de la cámara de combustión, el cual puede ser descrito en el presente documento como una corriente de producto de combustión, puede comprender CO2 junto con cantidades menores de otros materiales, tales como H2O, O2 , N, Ar, SO2 , SO3 , NO, NO2, HCl, Hg y trazas de otros componentes que pueden ser derivados del proceso de combustión (por ejemplo partículas, tales como cenizas o cenizas licuadas) incluyendo combustibles adicionales. Tales como se describe en mayor detalle más adelante, el proceso de combustión puede ser controlado de tal manera que la naturaleza de la corriente fluida pueda ser bien sea reductora u oxidante, lo cual puede proporcionar particularmente los beneficios descritos.
Los sistemas de la invención pueden incorporar uno o más cámaras de combustión útiles para la combustión de un combustible adecuado, tal como se describe aquí. Preferiblemente, al menos un combusto o sea de acuerdo con la presente invención es una cámara de combustión de alta eficiencia capaz de proporcionar una combustión sustancialmente completa de un combustible a una temperatura de combustión relativamente alta. La combustión a alta temperatura puede ser particularmente útil para proporcionar una combustión sustancialmente completa del combustible y así maximizar la eficiencia. En diversas realizaciones, la combustión a alta temperatura puede significar combustión a una temperatura de al menos aproximadamente 1200 °C, al menos aproximadamente 1300 °C, al menos aproximadamente 1400 °C, al menos aproximadamente 1500 °C, al menos aproximadamente 1600 °C, al menos aproximadamente 1750 °C, al menos aproximadamente 2000 °C, al menos aproximadamente 2500 °C, o al menos aproximadamente 3000 °C. En realizaciones adicionales, la combustión a alta temperatura puede significar combustión a una temperatura de aproximadamente 1200 °C a aproximadamente 5000 °C, aproximadamente 1500 °C a aproximadamente 4000 °C, aproximadamente 1600 °C a aproximadamente 3500 °C, aproximadamente 1700 °C a aproximadamente 3200 °C, aproximadamente 1800 °C a aproximadamente 3100 °C, aproximadamente 1900 °C a aproximadamente 3000°, o aproximadamente 2000 °C a aproximadamente 3000 °C.
En ciertas realizaciones, la combustión a alta temperatura de acuerdo con la invención puede ser llevada a cabo usando una cámara de combustión enfriada por transpiración. Un ejemplo de una cámara de combustión enfriada por transpiración que puede ser utilizada en la invención esta descrito en la solicitud de patente de los Estados Unidos No 12/714.074, presentada el 26 de febrero del 2010. En algunas realizaciones, una cámara de combustión enfriada por transpiración útil de acuerdo con la invención puede incluir una o más zonas de intercambio de calor, uno o más fluidos de enfriamiento, y uno o más fluidos de transpiración.
El uso de una cámara de combustión enfriada por transpiración de acuerdo con la presente invención es particularmente ventajoso con respecto a la técnica conocida alrededor de la combustión de combustible para la producción de potencia. Por ejemplo, el uso del enfriamiento por transpiración puede ser utilizado para prevenir la corrosión, fallo y erosión en la cámara de combustión. Esto permite adicionalmente que la cámara de combustión trabaje en un rango de temperatura suficientemente alto para permitir una combustión completa o al menos sustancialmente completa del combustible que es usado. Estas, y ventajas adicionales, serán descritas aquí posteriormente.
En un aspecto particular, una cámara de combustión enfriada por transpiración útil de acuerdo con la invención puede incluir una cámara de combustión al menos parcialmente definida por un elemento de transpiración, en el que el elemento de transpiración está rodeado al menos parcialmente por un elemento de contención de la presión. La cámara de combustión puede tener una porción de entrada y una porción de salida opuesta. La porción de entrada de la cámara de combustión puede ser configurada para recibir el combustible que contiene carbono que va a ser sometido a combustión dentro de la cámara de combustión a una temperatura de combustión para formar un producto de combustión. La cámara de combustión puede ser configurada adicionalmente para dirigir el producto de combustión hacia la porción de salida. El elemento de transpiración puede ser configurado para dirigir una sustancia de transpiración a través del mismo hacia la cámara de combustión para regular la interacción entre el producto de combustión y el elemento de transpiración. Además, la sustancia de transpiración puede ser introducida en la cámara de combustión para alcanzar una temperatura de salida deseada del producto de combustión. En realizaciones particulares, la sustancia de transpiración puede comprender al menos parcialmente el fluido que circula.
Las paredes de la cámara de combustión pueden estar recubiertas con una capa de material poroso a través de la cual se dirige y fluye la sustancia de transpiración, tal como CO2 y/o H2O.
En aspectos todavía adicionales, el elemento de transpiración interno 2332 puede extenderse desde la porción de entrada 222A a la porción de salida 222B del elemento de transpiración 230. En algunos casos, la estructura perforada/porosa del elemento de transpiración interno 2332 puede extenderse sustancialmente de manera completa (axialmente) desde la porción de entrada 222A a la porción de salida 222B de tal forma que el fluido de transpiración 210 es dirigido hacia sustancialmente la longitud completa de la cámara de combustión 222. Esto es, sustancialmente la totalidad del elemento de transpiración interno 2332 puede ser configurado con una estructura perforada/porosa de tal forma que sustancialmente la longitud completa de la cámara de combustión 222 es enfriada por transpiración. Más particularmente, en algunos aspectos, el área de perforación/poros acumulativa puede ser sustancialmente igual al área superficial del elemento de transpiración interno 2332. En todavía otros aspectos, las perforaciones/poros pueden estar espaciados entre sí a una densidad apropiada de tal forma que se logra una distribución sustancialmente uniforme de la sustancia de transpiración desde el elemento de transpiración interno 2332 hacia la cámara de combustión 222 (esto es, sin “puntos muertos” donde el flujo o presencia de la sustancia de transpiración 210 esté ausente). En un ejemplo, una pulgada cuadrada del elemento de transpiración interno 2332 puede incluir una disposición de perforaciones/poros del orden de 250 x 250 por pulgada cuadrada (aproximadamente 9800 x 9800 por metro cuadrado), de tal manera que se proporcionan aproximadamente 62500 poros/pulgada2 (aproximadamente 9,6 x107 poros/m2), estando tales perforaciones/poros espaciados alrededor de 0,004 pulgadas (aproximadamente 0,1 mm) entre sí. La relación del área de poro al área de pared total (% de porosidad) puede ser por ejemplo de aproximadamente 50 %. La disposición de poros puede ser variada en un amplio rango para adaptarse a otros parámetros de diseño del sistema, tales como la caída de presión deseada versus la tasa de flujo a través del elemento de transpiración. Tamaños de arreglo de aproximadamente 10 x 10 hasta aproximadamente 10000 x 10000 por pulgada cuadrada (400 x 400 hasta aproximadamente 400000 x 400000 por metro cuadrado) con porcentajes de porosidad de aproximadamente 10 % a 80 % pueden ser utilizados en algunos ejemplos.
El flujo de la sustancia de transpiración a través de esta capa de transpiración porosa, y opcionalmente a través de provisiones adicionales, puede configurarse de tal manera que se alcance una temperatura de salida de la corriente de fluido de salida total deseada desde la cámara de combustión. En algunas realizaciones, según se describe aquí adicionalmente tal temperatura puede estar en el rango de aproximadamente 500 °C hasta aproximadamente 2000 °C. Este flujo puede servir también para enfriar el elemento de transpiración hasta una temperatura operacional máxima permisible del material que forma el elemento de transpiración. La sustancia de transpiración también puede servir para prevenir el impacto de cualquier material de cenizas líquido o sólido u otros contaminantes en el combustible que pueda corroer, fracturar o de alguna otra manera dañar las paredes. En tales casos, puede ser deseable utilizar un material para el elemento de transpiración con una conductividad térmica razonable de tal manera que el calor radiante incidente pueda ser conducido de manera radial hacia afuera a través del elemento de transpiración poroso y luego ser cruzado por transferencia de calor por convección desde las superficies de la estructura de capa porosa al fluido que pasa radialmente hacia dentro a través de la capa de transpiración. Tal configuración puede permitir que la parte posterior de la corriente dirigida a través del elemento de transpiración sea calentada a una temperatura en un rango deseable, tal como aproximadamente 500 °C hasta aproximadamente 1000 °C, mientras que simultáneamente se mantiene la temperatura del elemento de transpiración porosa dentro del rango de diseño del material utilizado para la misma. Materiales adecuados para el elemento de transpiración poroso pueden incluir, por ejemplo, cerámicas porosas, cubiertas de fibra de metal refractario, secciones cilíndricas perforadas huecas y/o capas de metales sinterizados o polvos de metales sinterizados. Una segunda función del elemento de transpiración puede ser asegurar un flujo sustancialmente homogéneo radialmente hacia dentro del fluido de transpiración, así como longitudinalmente a lo largo de la cámara de combustión, para alcanzar una buena mezcla entre la corriente del fluido de transpiración y el producto de transpiración a la vez que se promueve un flujo axial homogéneo a lo largo de la longitud de la cámara de combustión. Una tercera función del elemento de transpiración puede ser alcanzar una velocidad de fluido diluyente radialmente hacia dentro de tal manera que provea una amortiguación para o de alguna otra manera cruce las partículas sólidas y/o líquidas de ceniza u otros contaminantes dentro de los productos de combustión para que no impacten la superficie de la capa de transpiración y produzcan bloqueo u otros daños. Tal factor puede ser solamente de importancia, por ejemplo, cuando se somete a combustión un combustible, tal como carbón, que tiene un residuo residual inerte no combustible. La pared interna del recipiente de presión de la cámara de combustión que rodea el elemento de transpiración también puede ser aislada para aislar la corriente de fluido de transpiración a alta temperatura dentro de la cámara de combustión.
Una realización de un aparato de combustión capaz de ser utilizado de acuerdo con la presente invención se ilustra esquemáticamente en la Figura 1, estando indicado generalmente el aparato de combustión por el numeral 220. En este ejemplo, el aparato de combustión 220 puede estar configurado para someter a combustión un sólido en partículas tal como carbón para formar un producto de combustión, aunque también puede utilizarse cualquier otro material que contiene carbón no combustible, tal como se divulga aquí, como combustible. La cámara de combustión 222 puede estar definida por un elemento de transpiración 230, el cual está configurado para dirigir un fluido de transpiración a través del mismo hacia la cámara de combustión 222 (esto es, para facilitar el enfriamiento por transpiración y/o para regular la interacción entre el producto de combustión y el elemento de transpiración 230). Una persona experimentada en la técnica apreciara que el elemento de transpiración 230 puede ser sustancialmente cilíndrico, de tal manera que define una cámara de combustión 222 sustancialmente cilíndrica que tiene una porción de entrada 222A y una porción de salida 222B opuesta. El elemento de transpiración 230 puede estar rodeado al menos parcialmente por un elemento de contención de la presión 2338. La porción de entrada 222A de la cámara de combustión 222 puede estar configurada para recibir una mezcla de combustibles a partir de una disposición de mezcla, generalmente indicada por el numeral 250. En otras realizaciones, tal disposición de mezcla puede estar ausente, y la entrada de uno o más de los materiales en la cámara de combustión puede ser agregada separadamente a través de entradas independientes. De acuerdo con realizaciones particulares, la mezcla de combustible puede ser sometida a combustión dentro de la cámara de combustión 222 a una temperatura de combustión particular para formar un producto de combustión, en el que la cámara de combustión 222 está configurada adicionalmente para dirigir el producto de combustión hacia la porción de salida 222B. Un dispositivo de eliminación de calor 2350 (véase, por ejemplo, la Figura 2) puede estar asociado con el elemento de contención de la presión 2338 y configurado para controlar una temperatura del mismo. En casos particulares, el dispositivo de eliminación de calor 2350 puede comprender una camisa de transferencia de calor definida al menos parcialmente por una pared 2336 opuesta al elemento de contención de la presión 2338, en el que un líquido puede hacerse circular en camisas de circulación de agua 2337 definidas entre los mismos. En una realización, el líquido que circula puede ser agua.
En un aspecto particular, el elemento de transpiración interno poroso 2332 está configurado así para dirigir el fluido de transpiración hacia la cámara de combustión 222, de tal manera que la sustancia de transpiración 210 entra en la cámara de combustión 222 en un ángulo sustancialmente recto (90°) con respecto a la superficie interna del elemento de transpiración interno 2332. Entre otras ventajas, la introducción de la sustancia de transpiración 210 en el ángulo sustancialmente recto con respecto al elemento de transpiración interno 2332 puede facilitar o de alguna manera potenciar el efecto de dirigir gotitas de líquido o sólidos de desecho u otros contaminantes o vórtices de fluidos de combustión calientes lejos de la superficie interna del elemento de transpiración interno 2332. La carencia de contacto entre las gotitas líquidas o sólidas de desecho puede prevenir la coalescencia de dichas gotitas en gotas o masas más grandes, lo cual es conocido que ocurre en la técnica anterior por contacto entre las gotitas o partículas y las paredes sólidas. La introducción de la sustancia de transpiración 210 en el ángulo sustancialmente recto con respecto al elemento de transpiración interno 2332 puede facilitar o potenciar de alguna otra manera el efecto de prevenir la formación de vórtices de fluido de combustión con velocidad suficiente perpendicular a y en proximidad del elemento de transpiración interno los cuales podrían impactar y dañar el elemento de transpiración interno. En tales casos, el elemento de transpiración externo 2331, el elemento de contención de la presión 2338, la camisa de transferencia de calor 2336 y/o la capa de aislamiento 2339 pueden ser configurados, bien sea individualmente o en combinación, para proporcionar un efecto de “colector” (esto es, proporcionar un suministro distribuido uniformemente de manera sustancial) con respecto al suministro de la sustancia/fluido de transpiración 210 hacia y a través del elemento de transpiración interno 2332 y hacia la cámara de combustión 222. Esto es, un suministro sustancialmente uniforme (en términos de tasa de flujo, presión o cualquier otra medición adecuada y apropiada) de la sustancia de transpiración 210 hacia dentro de la cámara de combustión 222 puede lograrse configurando el elemento de transpiración externo 2331, el elemento de contención de la presión 2338, la camisa de transferencia de calor 2336 y/o la capa de aislamiento 2339 para proporcionar un suministro uniforme de la sustancia de transpiración 210 al elemento de transpiración interno 2332, o el suministro de la sustancia de transpiración 210 alrededor de la superficie externa del elemento de transpiración interno 2332 puede ser diseñado de manera particular y configurada de tal forma que se logre una distribución sustancialmente uniforme de la sustancia de transpiración 210 dentro de la cámara de combustión 222. Tal distribución sustancialmente uniforme puede evitar la formación de vórtices de fluido de combustión calientes que pueden de alguna manera formar una interacción del flujo de transpiración no uniforme con el flujo de fluido de combustión y cuyos vértices pueden impactar y dañar el elemento de transpiración interno.
La disposición de mezcla 250 (cuando está presente) puede ser configurada para mezclar un combustible carbonáceo 254 con oxígeno enriquecido 242 y un fluido que circula 236 para formar una mezcla de combustible 200. El combustible carbonáceo 254 puede proporcionarse en la forma de un combustible carbonáceo sólido, un combustible carbonáceo líquido, y/o un combustible carbonáceo gaseoso. El oxígeno enriquecido 242 puede ser oxígeno que tiene una pureza molar de más de aproximadamente 85 %. El oxígeno enriquecido 242 puede ser suministrado, por ejemplo, por cualquier sistema/técnica de separación de aire conocido en el arte, tal como, por ejemplo, podría implementarse un proceso de separación de aire criogénico, o un proceso de separación de oxígeno por membrana de trasporte iónico a alta temperatura (desde el aire),. El fluido que circula 236 puede ser dióxido de carbono, tal como se describe aquí. En caso en el que el combustible carbonáceo 254 es un sólido en partículas, tal como carbón pulverizado 254A, la disposición de mezcla 250 puede estar configurada adicionalmente para mezclar el combustible carbonáceo sólido 254A en partículas con una sustancia fluidizante 255. De acuerdo con un aspecto, el combustible carbonáceo sólido 254A en partículas puede tener un tamaño de partícula promedio de entre aproximadamente 50 micrómetros y aproximadamente 200 micrómetros. De acuerdo con aún otro aspecto, la sustancia fluidizante 255 puede comprender agua y/o CO2 líquido con una densidad de entre aproximadamente 450 kg/m3 y aproximadamente 1100 kg/m3. Más particularmente, la sustancia fluidizante 255 puede cooperar con el combustible carbonáceo sólido 254A en partículas para formar un lodo 250A que tiene, por ejemplo, entre aproximadamente 25 % en peso y aproximadamente 55 % en peso del combustible carbonáceo sólido 254A en partículas. Aunque el oxígeno 242 se muestra en la Figura 1 como mezclado con el combustible 254 y el fluido que circula 236 antes de la introducción a la cámara de combustión 222, una persona experimentada en la técnica apreciara que, en algunos casos, el oxígeno 242 puede ser introducido separadamente en la cámara de combustión 222, según sea necesario o deseado.
La disposición de mezcla 250, en algunos aspectos, puede comprender, por ejemplo, un arreglo de boquillas de inyección separadas entre sí (no mostrada) dispuestas alrededor de una pared de extremo 223 de elemento de transpiración 230 asociada con la porción de entrada 222A de la cámara de combustión 222 cilíndrica. Inyectando el combustible/mezcla de combustible en la cámara de combustión 222 de esta manera puede proporcionarse, por ejemplo, un área superficial grande de la corriente de entrada de mezcla de combustible inyectada la cual puede, a su vez, facilitar la rápida transferencia de calor a la corriente de entrada de la mezcla de combustible inyectada por radiación. La temperatura de la mezcla combustible inyectada puede así incrementarse rápidamente hasta la temperatura de ignición del combustible y puede dar como resultado una combustión compacta. La velocidad de inyección de la mezcla de combustible puede estar en el rango de, por ejemplo, entre aproximadamente 10 m/segundo a aproximadamente 40 m/segundo, aunque estos valores pueden depender de muchos factores, tales como la configuración de las boquillas de inyección particulares. Tal arreglo de inyección puede en general tomar muchas formas diferentes. Por ejemplo, la disposición de la inyección puede comprender una disposición de orificios, por ejemplo, del rango de entre aproximadamente 0,5 mm y aproximadamente 3 mm de diámetro, en el que el combustible inyectado seria inyectado a través de una velocidad de entre aproximadamente 10 m/s y aproximadamente 40 m/s. Como se muestra más particularmente en la Figura 2, la cámara de combustión 222 puede ser definida por el elemento de transpiración 230, el cual puede estar al menos parcialmente rodeado por un elemento de contención de presión 2338. En algunos casos, el elemento de contención de presión 3238 puede estar adicionalmente al menos rodeado parcialmente por una camisa de transferencia de calor 2336, en el que la camisa de transferencia de calor 2336 puede operar con el elemento de contención de presión 2338 para definir uno o más canales 2337 entre los mismos, a través de los cuales pueda circular una corriente de agua a baja presión. A través de un mecanismo de evaporación, el agua que circula puede ser utilizada para controlar y/o mantener una temperatura seleccionada del elemento de contención de presión 2338, por ejemplo, en un rango de aproximadamente 100 °C a aproximadamente 250 °C. En algunos aspectos, la capa de aislamiento 2339 puede estar dispuesta entre el elemento de transpiración 230 y el elemento de contención de la presión 2338.
En algunos casos, el elemento de transpiración 230 puede comprender, por ejemplo, un elemento de transpiración externo 2331 y un elemento de transpiración interno 2332, estando dispuesto el elemento de transpiración interno 2332 opuesto al elemento de transpiración externo 2331 desde el elemento de contención de presión 2338, y definiendo la cámara de combustión 222. El elemento de transpiración externo 2331 puede estar compuesto de cualquier material resistente a la alta temperatura adecuado tal como, por ejemplo, acero y aleaciones de acero, incluyendo acero inoxidable y aleaciones de níquel. En algunos casos, el elemento de transpiración externo 2331 puede estar configurado para definir primeros pasos de suministro de fluido de transpiración 2333A que extienden a través del mismo desde la superficie del mismo adyacente a la capa aislante 2339 a la superficie del mismo adyacente al elemento de transpiración interno 2332. Los primeros pasos de suministro de fluido de transpiración 2333A pueden, en algunos casos, corresponder con los segundos pasos de suministro de fluido de transpiración 2333B definidos por el elemento de contención de presión 2338, a la camisa 2336 para transferencia de calor y/o la capa de aislamiento 2339. El primer y segundo pasos de suministro de fluidos de transpiración 2333A, 2333B pueden estar así configurados para cooperar en dirigir un fluido de transpiración a través de los mismos hacia el elemento de transpiración interno 2332. En algunos casos, como se muestra, por ejemplo, en la Figura 1, el fluido 210 de transpiración puede comprender el fluido que circula 236, y puede ser obtenido de la misma fuente asociada con el mismo. Los primeros y segundos pasos de suministro de fluido de transpiración 2333A, 2333B pueden ser aislados, según sea necesario, para suministrar el fluido de transpiración 210 (esto es, CO2) en suministro suficiente y a una presión suficiente de tal manera que el fluido de transpiración 210 es dirigido a través del elemento de transpiración interno 2332 y hacia dentro de la cámara de combustión 222. Tales medidas que involucran el elemento de transpiración 230 y el fluido de transpiración 210 asociado, tal como se divulgan aquí, pueden permitir que el aparato de combustión 220 opere a las presiones relativamente altas y a las temperaturas relativamente altas diferentes a las divulgadas aquí.
En este aspecto, el elemento de transpiración interno 2332 puede estar compuesto de, por ejemplo, un material cerámico poroso, un material perforado, un material laminado, un material poroso compuesto de fibras orientadas aleatoriamente en dos dimensiones y ordenadas en la tercera dimensión, o cualquier otro material o combinaciones de los mismos que exhiba las características requeridas del mismo según se divulgan aquí, a saber múltiples pasos o poros de flujo u otras aberturas 2335 adecuadas para recibir y dirigir el fluido de transpiración a través del elemento de transpiración interno 2332. Ejemplos no limitantes de materiales cerámicos y otros porosos adecuados para tales sistemas de enfriamiento por transpiración incluyen óxido de aluminio, óxido de circonio, circonio endurecido por transformación, cobre, molibdeno, tungsteno, tungsteno infiltrado con cobre, molibdeno recubierto con tungsteno, cobre recubierto con tungsteno, diversas aleaciones de níquel de alta temperatura, y materiales envainados o recubiertos con renio. Fuentes de materiales adecuados incluyen, por ejemplo, CoorsTek, Inc., (Golden, CO) (zirconio); UltraMet Advanced Materials Solutions (Pacoima, cA) (recubrimientos metálicos refractarios); Orsam Sylvania (Danvers, MA) (tungsteno/cobre); y MarkeTech International, Inc. (Port Townsend, WA) (tungsteno). Ejemplos de materiales perforados adecuados para sistemas de enfriamiento por transpiración incluyen todos los materiales y proveedores anteriores (donde las estructuras finales perforadas pueden ser obtenidas, por ejemplo, perforando una estructura inicialmente no porosa utilizando métodos conocidos en el arte de la manufactura). Ejemplos de materiales laminados adecuados incluyen todos los materiales y proveedores anteriores (en el que las estructuras finales laminadas pueden ser obtenidas, por ejemplo, laminando estructuras no porosas o parcialmente porosas de manera tal que se alcance la porosidad final deseada utilizando métodos conocidos en técnica de fabricación).
Las Figuras 3A y 3B ilustran que, en un aspecto de un aparato de combustión 220, la estructura que define la cámara de combustión 220 puede ser formada a través de un ajuste de interferencia “caliente” entre el elemento de transpiración 230 y la estructura circundante, tal como el elemento de contención de presión 2338 o la capa de aislamiento 23339 dispuesta entre el elemento de transpiración 230 y el elemento de contención de la presión 2338. Por ejemplo, cuando está relativamente “frio” el elemento de transpiración 230 puede ser dimensionado para que sea más pequeño, radial y/o axialmente con respecto al elemento de contención de presión 2338 circundante. Como tal, cuando se inserta dentro del elemento de contención de presión 2338, una separación radial y/o axial puede estar presente dentro del mismo (véase, por ejemplo, la Figura 3A). Desde luego, tales diferencias en dimensiones pueden facilitar la inserción del elemento de transpiración 230 dentro del elemento de contención de la presión 2338. Sin embargo, cuando se calienta, por ejemplo, hacia la temperatura operacional, el elemento de transpiración 230 puede ser configurado para expandirse radialmente y/o axialmente para reducir o eliminar las separaciones anotadas (véase, por ejemplo, la Figura 3B). Al hacerlo así, puede formarse un ajuste de interferencia axial y/o radial entre el elemento de transpiración 230 y el elemento de contención de la presión 2338. En casos que involucran un elemento de transpiración 230 con un elemento de transpiración externo 2331 y un elemento de transpiración interno 2332, tal ajuste de interferencia puede colocar el elemento de transpiración interno 2332 bajo compresión. Como tal, pueden utilizarse materiales resistentes a la ruptura a alta temperatura, tales como cerámica porosa, para formar el elemento de transpiración interno 2332.
Con el elemento de transpiración interno 2332 configurado de esa manera, la sustancia de transpiración 210 puede comprender, por ejemplo, dióxido de carbono (esto es, de la misma fuente que el fluido que circula 236) dirigido a través del elemento de transpiración interno 2332, de tal manera que la sustancia de transpiración 210 forma una capa amortiguadora 231 (esto es, una “pared de vapor”) inmediatamente adyacente al elemento de transpiración interno 2332 dentro de la cámara de combustión 222, en el que la capa amortiguadora 231 puede ser configurada para amortiguar la interacción entre el elemento de transpiración interno 2332 y los elementos incombustibles licuados y asociados al calor con el producto de la combustión. Esto es, en algunos casos, el fluido de transpiración 210 podría ser suministrado a través del elemento de transpiración interno 2332, por ejemplo, al menos a la presión dentro de la cámara de combustión 222, en el que la tasa de flujo del fluido de transpiración 210 (esto es, corriente de CO2) hacia la cámara de combustión 222 es suficiente para que el fluido de transpiración 210 se mezcle con y enfríe los productos de combustión para formar una mezcla de fluido de salida a una temperatura suficiente con respecto al requerimiento de entrada del proceso aguas abajo posterior (esto es, una turbina puede requerir una temperatura de entrada, por ejemplo, de aproximadamente 1225 °C), pero en el que la mezcla de fluido de salida permanece suficientemente alta para mantener gotitas de residuos u otros contaminantes en el combustible en un estado fluido o líquido. El estado líquido de los elementos incombustibles del combustible puede facilitar, por ejemplo, la separación de tales contaminantes del producto de combustión en forma líquida, preferiblemente en una forma de flujo libre, de baja viscosidad, la cual menos probablemente se aglomerara o dañara de alguna otra manera cualquier sistema de eliminación implementado para tal separación. En la práctica, tales requerimientos pueden depender de diversos factores tales como el tipo de combustible carbonáceo sólido (por ejemplo, carbón) empleado y las características particulares del residuo formado en el proceso de combustión. Esto es, la temperatura de combustión dentro de la cámara de combustión 222 puede ser tal que cualquier elemento incombustible en el combustible carbonáceo es licuado dentro del producto de combustión.
En aspectos particulares, el elemento de transpiración interno 2332 poroso es configurado así para dirigir el fluido de transpiración y hacia dentro de la cámara de combustión 222 en una forma radialmente hacia adentro de manera que se forme una pared de barrera fluida o una capa amortiguadora 231 alrededor de la superficie de elemento de transpiración interno 2332 que define la cámara de combustión 222 (véase, por ejemplo, la Figura 2). La superficie del elemento de transpiración interno 2332 también es calentada por el producto de combustión. De tal forma, el elemento de transpiración interno poroso 2332 puede estar configurado para tener una conductividad térmica adecuada tal que el fluido de transpiración 210 que pasa a través del elemento de transpiración interno 2332 es calentado, mientras que el elemento de transpiración interno poroso 2332 es enfriado simultáneamente, dando como resultado que la temperatura de la superficie del elemento de transpiración interno 2332 que define la cámara de combustión 222 sea, por ejemplo, alrededor de 1000 °C en la región de la temperatura de combustión más alta. La pared de barrera fluida o capa amortiguadora 231 formada por el fluido de transpiración 210 en cooperación con el elemento de transpiración interno 2332 amortigua así la interacción entre el elemento de transpiración interno 2332 y los productos de combustión a alta temperatura y los residuos u otras partículas contaminantes y, de esa forma, amortigua el elemento de transpiración interno 2332 frente al contacto, fractura u otro daño. Adicionalmente, el fluido de transpiración 210 puede ser introducido en la cámara de combustión 222 a través del elemento de transpiración interno 2332 de manera tal que regule una mezcla de salida del fluido de transpiración 210 y el producto de combustión alrededor de la porción de salida 222B de la cámara de combustión 222 a una temperatura deseada (por ejemplo, aproximadamente 500 °C hasta aproximadamente 2000 °C).
En realizaciones específicas, el aparato de combustión 220 puede configurarse así como un aparato de combustión enfriado por transpiración, de alta eficiencia capaz de proporcionar una combustión relativamente completa de un combustible 254 a una temperatura de operación relativamente alta según se describe aquí. Tal aparato de combustión 220 puede, en algunos casos, implementar uno o más fluidos de enfriamiento, y/o uno o más fluidos de transpiración 210. En asociación con el aparato de combustión 220, pueden implementarse también componentes adicionales. Por ejemplo, puede proporcionarse una unidad de separación de aire para separar N2 y O2 , y puede proporcionarse un dispositivo inyector de combustible para recibir O2 de la unidad de separación de aire y combinar el O2 con un fluido que circula de CO2 , y una corriente de combustible que comprende combustible gaseoso, líquido, en fluido supercrítico o en partículas sólidas disperso en un fluido de CO2 de alta densidad.
En otro aspecto, el aparato de combustión 220 enfriado por transpiración puede incluir un inyector de combustible para inyectar una corriente de combustible presurizada dentro de la cámara de combustión 222 del aparato de combustión 220, en el que la corriente de combustible puede comprender un combustible carbonáceo 254 procesado, un medio fluidizante 255 (el cual puede comprender el fluido que circula 236, según se describe aquí), y oxígeno 242. El oxígeno 242 (enriquecido y el fluido que circula 236 de CO2 pueden ser combinados en forma de una mezcla supercrítica homogénea. La cantidad de oxígeno presente puede ser suficiente para someter a combustión el combustible producir productos de combustión que tienen una composición deseada. El aparato de combustión 220 también puede incluir una cámara de combustión 222, configurada como un volumen de combustión a alta temperatura, alta presión, para recibir la corriente de combustible, así como un fluido de transpiración 210 que entra al volumen de combustión a través de las paredes de un elemento de transpiración poroso 230 que define la cámara de combustión 222. La tasa de alimentación del fluido de transpiración 210 puede ser utilizada para controlar la temperatura de la porción de salida/porción de entrada de la turbina del aparato de combustión hasta un valor deseado y/o enfriar el elemento de transpiración 230 hasta una temperatura compatible con el material que forma el elemento de transpiración 230. El fluido de transpiración 210 dirigido a través del elemento de transpiración 230 proporciona una capa fluida/amortiguadora en la superficie del elemento de transpiración 230 que define la cámara de combustión 220, en el que la capa fluida/amortiguadora puede evitar que partículas de residuos de ceniza o líquidas resultante de cierta combustión de combustible interactúen con las paredes expuestas del elemento de transpiración 230.
La cámara de combustión 222 puede ser configurada adicionalmente de tal manera que la corriente de combustible (y el fluido que circula 236) puedan ser inyectados o de alguna otra manera introducidos en la cámara de combustión 222 a una presión mayor que la presión a la cual ocurre la combustión. El aparato de combustión 220 puede incluir un elemento de contención de la presión 2338 que al menos circunda parcialmente el elemento de transpiración 230 que define la cámara de combustión 230, en el que un elemento de aislamiento 2339 puede estar dispuesto entre el elemento de contención de la presión 2338 y el elemento de transpiración 230. En algunos casos, un dispositivo de eliminación de calor 2350, tal como un sistema de enfriamiento de agua encamisada que define camisas de circulación de agua 2337, puede ser acoplado con el elemento de contención de la presión 2338 (esto es, externamente al elemento de contención de la presión 2338 que forma la “coraza” del aparato de combustión 220). El fluido de transpiración 210 implementado en conexión con el elemento de transpiración 230 del aparato de combustión 220 puede ser, por ejemplo, CO2 mezclado con cantidades menores de H2O y/o un gas inerte, tal como N2 o argón. El elemento de transpiración 230 puede comprender, por ejemplo, un metal poroso, una cerámica, una matriz compuesta, un colector en capas, cualquier otra estructura adecuada, o combinaciones de los mismos. En algunos aspectos, la combustión dentro de la cámara de combustión 222 puede producir una corriente de producto de combustión a alta temperatura, alta presión, la cual puede ser posteriormente dirigida a un aparato productor de potencia, tal como una turbina, para expansión en relación con la misma, y que se describe más completamente aquí.
Las presiones relativamente altas incrementadas por las realizaciones de un aparato de combustión según se divulga aquí, pueden funcionar para concentrar la energía producida por el mismo hasta una intensidad relativamente alta en un volumen mínimo, esencialmente dando como resultado una densidad de energía relativamente alta. La densidad de energía relativamente alta permite que procesamiento corriente debajo de esta energía sea llevado a cabo de una manera más eficiente que a presiones más bajas, así proporciona un factor de viabilidad para la tecnología. Aspectos de la presente divulgación pueden proporcionar así una densidad de energía en órdenes de magnitud superiores a las plantas de potencia existentes (esto es, de 10-100 veces). La densidad de energía más alta incrementa la eficiencia del proceso, pero también reduce el coste del equipamiento necesario para implementar la transformación de energía desde energía térmica a electricidad, reduciendo el tamaño y la masa del equipo, y así el coste del equipamiento.
Como se discute de otra manera aquí, el aparato de combustión utilizado en los métodos no cubiertos por la invención y en los sistemas de la invención puede ser útil para combustión de una variedad de diferentes fuentes de combustible que contienen carbono. En realizaciones específicas, el combustible que carbono puede ser sometido a combustión completamente de manera tal que no se incluyan materiales líquidos o sólidos incombustibles en la corriente de producto de combustión. En algunas realizaciones, sin embargo, un combustible que contiene carbono sólido (por ejemplo, carbón) que puede ser utilizado en la invención puede dar como resultado la presencia de materiales incombustibles. En realizaciones específicas, el aparato de combustión puede incluir la capacidad de alcanzar una temperatura de combustión que haga que los elementos incombustibles en el combustible que contiene carbono sean licuados durante el proceso de combustión. En tales casos, pueden ser aplicadas las provisiones para eliminar los elementos incombustibles licuados. La eliminación puede ser lograda, por ejemplo, utilizando separadores ciclónicos, separadores por impacto, o lechos de filtros granulares refractarios graduados dispuestos en configuración anular, o combinaciones de los mismos. En realizaciones particulares, las gotitas pueden ser retiradas de la corriente de fluido que circula a alta temperatura mediante una serie de separadores ciclónicos tales como, por ejemplo, un aparato separador 2340 como se muestra en la Figura 4. En general, aspectos de tal separador ciclónico implementado por la presente divulgación pueden comprender una pluralidad de dispositivos separadores centrífugos 100 dispuestos en serie, incluyendo un dispositivo separador centrífugo de entrada 100A configurado para recibir el producto de combustión/corriente de fluido de salida y los elementos incombustible licuados asociados con los mismos, y un dispositivo separador centrífugo de salida 100B configurado para expulsar el producto de combustión/corriente de fluido de salida que tiene los elementos incombustibles licuados sustancialmente retirados del mismo. Cada dispositivo separador centrífugo 100 incluye una pluralidad de elementos separadores centrífugos o ciclones 1 dispuestos operativamente en paralelo alrededor de una tubería 2 colectora central, en el que cada elemento de separación centrífugo, o ciclón 1, configurado para eliminar al menos una porción de los elementos incombustibles licuados del producto de combustión/corriente de fluido de salida, y para dirigir la porción retirada de los elementos incombustibles licuados a un cárter 20. Tal aparato separador 2340 puede estar configurado para operar a una presión 30 elevada, y como tal puede comprender adicionalmente una carcasa 125 que contiene presión configurada para alojar los dispositivos del separar centrífugo y el cárter, De acuerdo con tales aspectos, la carcasa 125 que contiene presión puede ser una extensión del elemento 2338 de contención de presión que también rodea el aparato de combustión 220, o la carcasa 125 que contiene la presión puede ser un elemento separado capaza de acoplarse el elemento de contención de presión 2338 asociado con el aparato de combustión 220. En cualquier caso, debido a la elevada temperatura experimentada por el aparato separador 2340 a través de la corriente de fluido de salida, la carcasa 125 que contiene presión puede incluir también un sistema de dispersión de calor, tal como una camisa de transferencia de calor que tiene un líquido que circula dentro de sí (no mostrado), acoplado operativamente con el mismo para eliminar el calor del mismo. En algunos aspectos, un dispositivo de recuperación de calor (no mostrado) puede ser acoplado operativamente con la camisa de transferencia de calor, en el que el dispositivo de recuperación de calor puede ser configurado para recibir el líquido que circula en la camisa de transferencia de calor y recuperar la energía térmica de ese líquido.
En realizaciones particulares, el aparato separador 2340 (eliminación de residuos), mostrado en la Figura 4 puede ser configurado para estar dispuesto en serie con el aparato de combustión 220 alrededor de la porción de salida 222B del mismo para recibir la corriente de fluido/productos de combustión de salida del mismo. La corriente de fluido de salida enfriada por transpiración del aparato de combustión 220, con el residuo líquido con las gotitas de residuo (elementos incombustibles) en el mismo, pueden ser dirigidos para entrar a una provisión 2A de colector central del dispositivo separador centrífugo de entrada 100A a través de reductor cónico 10. En un aspecto, el aparato separado 2340 puede incluir tres dispositivos separadores centrífugos 100A, 100B, 100C (aunque una persona experimentada en la técnica apreciara que tal aparato separador puede incluir uno, dos, tres o más dispositivos separadores centrífugos, según sea necesario o deseado). En este caso, los tres dispositivos separadores centrífugos 100A, 100B, 100C dispuestos operativamente en serie proporcionan una unidad de separación ciclónica de tres etapas. Cada dispositivo separador centrífugo incluye, por ejemplo, una pluralidad de elementos separadores centrífugos (ciclones 1) dispuestos alrededor de la circunferencia de la tubería colectora central 2 correspondiente. Las provisiones colectoras centrales 2A y las tuberías colectoras centrales 2 del dispositivo separador centrífugo de entrada 100A, y el dispositivo separador centrífugo 100C están sellados cada uno en el extremo de salida de los mismos. En esto casos, la corriente de fluido de salida es dirigida hacia canales de ramificación 11 correspondientes a cada uno de los elementos separadores centrífugos (ciclones 1) del dispositivo separador centrífugo 100 respectivo. Los canales de ramificación 11 están configurados para acoplarse con el extremo de entrada del respectivo ciclón 1 para formar una entrada tangencial para el mismo (lo cual produce, por ejemplo, que la corriente fluida de salida que entra al ciclón 1 interactúe con la pared del ciclón 1 en un flujo espiral). El canal de salida 3 de cada ciclón 1 es dirigido entonces hacia la porción de entrada de la tubería colectora central 2 del dispositivo separador centrífugo 100 respectivo. En el dispositivo separador centrífugo de salida 100B, la corriente de fluido de salida (que tiene los elementos incombustibles sustancialmente separados del mismo) está dirigida desde la tubería colectora central del dispositivo separador centrífugo de salida 100B y a través de una tubería colectora 12 y una boquilla de salida 5, de tal manera que la corriente de fluido de salida “limpia” puede ser dirigida entonces a un proceso posterior, tal como el asociado con los aparatos de transformación. La disposición de separación ciclónica de tres etapas de ejemplo permite la eliminación de residuos hasta, por ejemplo, por debajo de 5 ppm en peso en la corriente fluida de salida.
En cada etapa del aparato separador 2340, el residuo líquido separado es dirigido desde cada uno de los ciclones 1 a través de tubos de salida 4 que se extienden hacia un cárter 20. El residuo líquido separado es dirigido entonces hacia una boquilla de salida o tubería 14 que se extiende desde el cárter y la carcasa 125 que contiene presión para eliminación y/o recuperación de los componentes del mismo. Al lograr la eliminación de los residuos, el residuo líquido puede ser dirigido a través de una sección enfriada por agua 6 o de alguna otra manera a través de una sección que tiene una alta presión, conexión de agua fría, en el que la interacción con el agua hace que el residuo líquido se solidifique y/o granule. La mezcla de residuos solidificados y agua puede ser separado en un recipiente 7 (provisión de recolección) en una mezcla fluida residuo/agua en la cual puede ser retirada, particularmente después de la reducción de presión, a través de una válvula 9 adecuada, mientras que cualquier gas residual puede ser retirado a través de una línea separada 8. Un par de recipientes con sistemas asociados que operan en secuencia pueden permitir la operación continua del sistema en algunas realizaciones.
Puesto que el aparato separador 2340 puede implementarse en conjunción con la corriente del producto de combustión a temperatura relativamente alta (esto es, a una temperatura suficiente para mantener los elementos incombustibles en forma líquida con una viscosidad relativamente baja), puede ser deseable, en algunos casos, que las superficies del aparato separador 2340 expuestas a una corriente del producto de combustión/fluido de salida y los elementos incombustibles licuados asociados con la misma estén compuestos de un material configurado para tener al menos una de una resistencia a alta temperatura, resistencia a alta corrosión y una conductividad térmica baja. Ejemplos de tales materiales pueden incluir oxido de circonio y oxido de aluminio, aunque tales ejemplos no pretenden ser limitantes de manera alguna. Como tal, en ciertos aspectos, el aparato separador 2340 puede ser configurado para eliminar sustancialmente los elementos incombustibles licuados de la corriente de producto de combustión/fluido de salida y mantener los elementos incombustibles en una forma líquida de baja viscosidad al menos hasta la eliminación de los mismos del cárter 20. Desde luego, en realizaciones donde se usa un combustible no sólido y no hay incluidos materiales incombustibles en la corriente del producto de combustión, la adición del separador de residuos puede ser innecesaria.
En algunas realizaciones, el aparato separador 2340 puede ser utilizado para separar residuos de cenizas sólidas en partículas de la combustión de cualquier combustible que produce residuos sólidos incombustibles, tal como carbón. Por ejemplo, el carbón puede ser triturado hasta un tamaño deseado (por ejemplo, un tamaño tal como menos de 1 % en peso del carbón en partículas o pulverizado comprende partículas mayores de 100 pm en tamaño) y suspendido con CO2 líquido. En realizaciones específicas, el CO2 líquido podría estar una temperatura de aproximadamente -40 °C hasta aproximadamente -18 °C. El lodo puede comprender aproximadamente 40 % hasta aproximadamente 60 % en peso de carbón. El lodo puede ser presurizada entonces hasta la presión de combustión requerida. Con referencia a la Figura 1, la corriente recirculada 236 puede ser dividida en relación con el modo de entrada a la cámara de combustión 220. Una primera porción (corriente 236a) puede ser introducida a la cámara de combustión 220 a través del dispositivo de mezcla 250, y una segunda porción (corriente 236b) podría ser introducida a la cámara de combustión 220 pasándola a través de la capa de enfriamiento por transpiración 230. Como se describió anteriormente es posible operar la cámara de combustión 220 con una relación de O2 a combustible que da como resultado la formación de una mezcla gaseosa reductora (por ejemplo, que comprende H2 , CH4 , CO, H2S y/o NH3). La porción de corriente 236 que entra a la cámara de combustión a través de la capa de enfriamiento por transpiración 230 puede ser utilizada para enfriar la mezcla de los gases de combustión y el fluido que circula de CO2 hasta una temperatura sustancialmente por debajo de la temperatura de solidificación de las cenizas (por ejemplo, en el rango de aproximadamente 500 °C hasta aproximadamente 900 °C. La corriente de gas total 5 del aparato separador 2340 puede pasar a través de una unidad de filtración, la cual reduce el nivel de partículas de cenizas sólidas residuales hasta un valor muy bajo (por ejemplo, por debajo de aproximadamente 2 mg/m3 de gas que pasa a través del filtro). Este gas limpio puede ser entonces sometido a combustión en una segunda cámara de combustión en el que puede ser diluido con una porción adicional de la corriente de fluido 236 recirculado. En tales realizaciones, la corriente de fluido 236 recirculada puede ser repartida entre los dos cámaras de combustión, según sea necesario.
Cualquier material que contenga carbono puede ser utilizado como combustible de acuerdo con la presente invención. En particular, debido a las altas presiones y altas temperaturas mantenidas por el aparato de combustión alimentado con oxígeno usado en los métodos no cubiertos por la invención y en sistemas de la invención, los combustibles útiles incluyen, pero no se limitan a, diversos grados y equipos de carbón, petróleo, aceite combustible, gas natural, gas combustible de carbón, alquitrán de arenas alquitranadas, bitumen, biomasa, algas, desechos residuales de sólidos combustibles grado A2, material carbonáceo, etanol, biocombustibles sólidos y líquidos. Esto puede ser considerado como una separación importante de los sistemas y métodos de la técnica anterior. Por ejemplo, sistemas conocidos en el arte para la combustión de combustibles sólidos, tales como carbón, requieren considerablemente diseños diferentes que los sistemas de combustibles no sólidos, como el gas natural.
Los combustibles pueden ser procesados de manera adecuada para permitir una inyección en el aparato de combustión a tasas y a presiones suficientes por encima de la presión dentro de la cámara de combustión. Tales combustibles pueden estar en forma líquida, de suspensión, gel o pasta con fluidez y viscosidad apropiadas a temperaturas ambiente o a temperaturas elevadas. Por ejemplo, el combustible puede proporcionarse a una temperatura de aproximadamente 30 °C hasta aproximadamente 500 °C, aproximadamente 40 °C hasta aproximadamente 450 °C, aproximadamente 50 °C hasta aproximadamente 425 °C, o aproximadamente 75 °C hasta aproximadamente 400 °C. Cualquier material combustible sólido puede ser triturado o desecho de alguna otra manera procesado para reducir los tamaños de partículas, según sea apropiado. Puede agregarse un medio de fluidización o de suspensión, según sea necesario, para alcanzar una forma adecuada y para satisfacer los requerimientos de flujo para un bombeo a alta presión. Desde luego, un medio de fluidización puede no ser necesario dependiendo de la forma del combustible (esto es, líquido o gaseoso). De la misma manera, el fluido que circula que circula puede ser utilizado como medio de fluidización, en algunas realizaciones.
Fluidos de transpiración adecuados en una cámara de combustión útiles de acuerdo con la invención pueden incluir cualquier fluido capaz de fluir en cantidad y presión suficiente a través del recubrimiento interno para formar la pared de vapor. En la presente realización, el CO2 puede ser un fluido de transpiración ideal en cuanto la pared de vapor formada tiene buenas propiedades de aislamiento técnico, así como propiedades de absorción de luz visible UV. El CO2 puede ser utilizado como un fluido supercrítico. Otros ejemplos de fluidos de transpiración incluyen H2O, gases producidos por la combustión enfriados recirculados aguas abajo, oxígeno, hidrógeno, gas natural, metano, u otros hidrocarburos livianos. Los combustibles pueden ser utilizados especialmente como fluidos de transpiración durante el arranque de la cámara de combustión para alcanzar temperaturas y presiones de operación adecuadas en la cámara de combustión antes de la inyección de la principal fuente de combustible. Los combustibles pueden ser usados también como fluidos de transpiración para ajustar la temperatura y presión de operación de la cámara de combustión durante la conmutación entre fuentes de combustible principales, tales como la conmutación de carbón a biomasa como combustible primario, En algunas realizaciones, pueden utilizarse dos o más fluidos de transpiración. Adicionalmente, pueden utilizarse deferentes fluidos de transpiración en diferentes posiciones a lo largo de la cámara de combustión. Por ejemplo, un primer fluido de transpiración puede ser utilizado en una zona de intercambio de calor a alta temperatura y un segundo fluido de transpiración puede ser utilizado en una zona de intercambio de calor a temperatura más baja. El fluido de transpiración pude ser utilizado para las condiciones de temperatura y presión de la cámara de combustión donde el fluido de transpiración forma la pared de vapor. En el presente ejemplo el fluido de transpiración es CO2 recirculado precalentado.
En un aspecto, se presentan métodos para la generación de potencia no cubiertos por la invención. Específicamente, los métodos hacen uso de un fluido que circula de CO2 que es recirculado preferiblemente a través del método, según se describe aquí. Los métodos también hacen uso de cámaras de combustión de alta eficiencia tales como una cámara de combustión enfriada por transpiración, tal como se describió más arriba. En ciertos ejemplos no cubiertos por la invención, los métodos en general pueden ser descritos en relación con el diagrama de flujo mostrado en la Figura 5. Como se ve allí, se proporciona una cámara de combustión 220 y se proporcionan en el mismo diversas entradas. Un combustible 254 que contiene carbono y O2 242 (según sea necesario) pueden ser introducidos en la cámara de combustión 220 junto con un fluido que circula 236 (CO2 en la presente realización). Una disposición de mezcla 250 ilustrada por una línea punteada indica que este componente está presente opcionalmente. Específicamente, puede combinarse cualquier combinación de dos o tres materiales (combustible, O2 y fluido que circula de CO2) en la disposición de mezcla 250 antes de la introducción en la cámara de combustión 220.
En varios ejemplos no cubiertos por la invención, puede ser deseable que los materiales que entran a la cámara de combustión exhiban 40 características físicas específicas que puedan facilitar una operación deseable eficiente del método de generación de potencia. Por ejemplo, en ciertas realizaciones, puede ser deseable que el CO2 en el fluido que circula de CO2 sea introducido en la cámara de combustión a una presión y/o temperatura definidas. Específicamente, puede ser beneficioso que el CO2 introducido en la cámara de combustión tenga una presión de al menos aproximadamente 8 MPa. En realizaciones adicionales, el CO2 introducido en la cámara de combustión puede estar a una presión de al menos aproximadamente 10 MPa, al menos aproximadamente 12 MPa, al menos aproximadamente 14 MPa, al menos aproximadamente 15 MPa, al menos aproximadamente 16 MPa, al menos aproximadamente 18 MPa, al menos aproximadamente 20 MPa, al menos aproximadamente 22 MPa, al menos aproximadamente 24 MPa, al menos aproximadamente 25 MPa. En otras realizaciones, la presión puede ser aproximadamente 8 MPa hasta aproximadamente 50 MPa, aproximadamente 12 MPa hasta aproximadamente 50 MPa, aproximadamente 15 MPa hasta aproximadamente 50 MPa, aproximadamente 20 MPa hasta aproximadamente 50 MPa, aproximadamente 22 MPa hasta aproximadamente 50 MPa, aproximadamente 22 MPa hasta aproximadamente 45 MPa, aproximadamente 22 MPa hasta aproximadamente 40 MPa, aproximadamente 25 MPa hasta aproximadamente 40 MPa, aproximadamente 25 MPa hasta aproximadamente 35 MPa. Adicionalmente, puede ser beneficioso que el CO2 introducido en la cámara de combustión tenga una temperatura de al menos 200 °C. En realizaciones adicionales, el CO2 introducido en la cámara de combustión puede estar a una temperatura de al menos aproximadamente 250 °C, al menos aproximadamente 300 °C, al menos aproximadamente 350 °C, al menos aproximadamente 400 °C, al menos aproximadamente 450 °C, al menos aproximadamente 500 °C, al menos aproximadamente 550 °C, al menos aproximadamente 600 °C, al menos aproximadamente 650 °C, al menos aproximadamente 700 °C, al menos aproximadamente 750 °C, al menos aproximadamente 800 °C, al menos aproximadamente 850 °C, al menos 60 aproximadamente 900 °C.
En algunas realizaciones, puede ser deseable que el combustible introducido en la cámara de combustión sea provisto bajo condiciones específicas. Por ejemplo, en ciertas realizaciones, puede ser deseable que el combustible que contiene carbono sea introducido en la cámara de combustión a una presión y/o temperatura definidas. En algunas realizaciones, el combustible que contiene carbono puede ser introducido en la cámara de combustión bajo condiciones que sean idénticas sustancialmente similares a las condiciones de fluido que circula de CO2. La expresión “condiciones sustancialmente similares” puede significar un parámetro de condiciones que está dentro de un 5 %, dentro de un 4 %, dentro de un 3 %, dentro de un 2 % o dentro de un 1 % del parámetro de condición referenciado descrito aquí (por ejemplo, el parámetro de condición para el fluido que circula de CO2). En ciertas realizaciones, el combustible que contiene carbono puede ser mezclado con el fluido que circula de CO2 antes de la introducción en la cámara de combustión. En tales realizaciones, se esperaría que el combustible que contiene carbono y el fluido que circula de CO2 estén bajo condiciones idénticas o sustancialmente similares (las cuales específicamente pueden abarcar las condiciones descritas en relación con el fluido que circula de CO2). En otras realizaciones, el combustible que contiene carbono puede ser introducido a la cámara de combustión separadamente del fluido que circula de CO2. En tales casos, el combustible que contiene carbono puede ser introducido todavía a una presión tal como se describe en relación con el fluido que circula de CO2. En algunas realizaciones, puede ser útil mantener el combustible que contiene carbono a una temperatura que es diferente de la temperatura del fluido que circula de CO2 antes de la introducción a la cámara de combustión. Por ejemplo, el combustible que contiene carbono podría ser introducido a la cámara de combustión a una temperatura de aproximadamente 30 °C a aproximadamente 800 °C, aproximadamente 35 °C a aproximadamente 700 °C, aproximadamente 40 °C a aproximadamente 600 °C, aproximadamente 45 °C a aproximadamente 500 °C, aproximadamente 50 °C a aproximadamente 400 °C, aproximadamente 55 °C a aproximadamente 300 °C, aproximadamente 60 °C a aproximadamente 200 °C, aproximadamente 65 °C a aproximadamente 175 °C, o aproximadamente 70 °C a aproximadamente 150 °C.
En otras realizaciones, puede ser deseable que el O2 introducido en la cámara de combustión sea provisto bajo condiciones específicas. Tales condiciones pueden ser incidentes en el método de proporcionar el O2. Por ejemplo, puede ser deseable proporcionar los dos a una presión específica. Específicamente, puede ser beneficioso para el
O2 introducido en la cámara de combustión tener una presión de al menos aproximadamente 8 Mpa. En realizaciones adicionales, el O2 introducido en la cámara de combustión puede estar a una presión de al menos aproximadamente 10 MPa, al menos aproximadamente 12 MPa, al menos aproximadamente 14 MPa, al menos aproximadamente 15 MPa, al menos aproximadamente 16 MPa, al menos aproximadamente 18 MPa, al menos aproximadamente 20 MPa, al menos aproximadamente 22 MPa, al menos aproximadamente 24 MPa, al menos aproximadamente 25 MPa, al menos aproximadamente 30 MPa, al menos aproximadamente 35 MPa, al menos aproximadamente 40 MPa, al menos aproximadamente 45 MPa, al menos aproximadamente 50 MPa. La provisión del O2 puede abarcar el uso de un separador de aire (o separador de oxígeno) tal como un concentrador de O2 criogénico, un separador de trasporte de O2 , o cualquier aparato similar tal como un separador de trasporte de iones de O2 para separar O2 del aire ambiente. Separadamente o en combinación con el mismo, la provisión del O2 puede incluir la presurización del O2 para alcanzar la presión deseada, tal como se describió más arriba. Tal acción puede producir el calentamiento del O2. En algunas realizaciones, puede ser deseable que el O2 esté a una temperatura deseada que es diferente de la temperatura alcanzada inherentemente por la presurización del gas. Por ejemplo, puede ser deseable que el O2 sea provisto a la cámara de combustión a una temperatura de 30 °C hasta aproximadamente 900 °C, aproximadamente 35 °C hasta aproximadamente 800 °C, aproximadamente 40 ° aproximadamente 700 °C, aproximadamente 45 °C hasta aproximadamente 600 °C, aproximadamente 50 ° aproximadamente 500 °C, aproximadamente 55 °C hasta aproximadamente 400 °C, aproximadamente 60 ° aproximadamente 300 °C, aproximadamente 65 °C hasta aproximadamente 250 °C, o aproximadamente 70 °C hasta aproximadamente 200 °C. Además, en algunas realizaciones, el O2 puede ser introducido en la cámara de combustión bajo condiciones que son idénticas o sustancialmente similares a las condiciones del fluido que circula de CO2 y/o del combustible que contiene carbono. Esto puede surgir de la mezcla de diversos componentes antes de la introducción en la cámara de combustión o puede surgir de métodos específicos de preparación del O2 para introducción en la cámara de combustión. En realizaciones particulares, el O2 puede ser combinado con una cantidad de CO2 en una proporción molar definida de tal manera que el O2 puede proporcionarse en la misma temperatura que la corriente fluida que circula de CO2. Por ejemplo, la combinación podría ser llevada a cabo a una temperatura por debajo de 100 °C mientras que el CO2 está a una presión crítica. Esto elimina el riesgo de la combustión asociado con el calentamiento del O2 puro solo debido al efecto diluyente del CO2. Tal mezcla podría estar a una relación de CO2/O2 de aproximadamente 1:2 hasta aproximadamente 5:1, aproximadamente 1:1 hasta aproximadamente 4:1, o aproximadamente 1:1 hasta aproximadamente 3:1.
En algunas realizaciones, puede ser útil que el O2 suministrado a la cámara de combustión este sustancialmente purificado (esto es, mejorado en términos de contenido molar de O2 en relación con otros componentes presentes de manera natural en el aire). En ciertas realizaciones, el O2 puede tener una pureza de más de aproximadamente 50
% molar, más de aproximadamente 60 % molar, más de aproximadamente 70 % molar, más de aproximadamente 80 % molar, más de aproximadamente 85 % molar, más de aproximadamente 90 % molar, más de aproximadamente 95 % molar, más de aproximadamente 96 % molar, más de aproximadamente 97 % molar, más de aproximadamente 98 % molar, más de aproximadamente 99 % molar, más de aproximadamente 99,5 % molar. En otras realizaciones, el O2 puede tener una pureza molar de aproximadamente 85 % a aproximadamente 99,6 % molar, aproximadamente 85 % a aproximadamente 99 % molar, aproximadamente 90 % a aproximadamente 99 % molar, aproximadamente 90 % a aproximadamente 98 % molar, aproximadamente 90 % a aproximadamente 97 % molar. La recuperación global de CO2 del carbono en el combustible favorece el uso de purezas mayores en el rango de al menos aproximadamente 99,5 % molar.
El fluido que circula de CO2 puede ser introducido en la cámara de combustión en la entrada de la cámara de combustión junto con el O2 y el combustible que contiene carbono. Como se describió más arriba en relación con una cámara de combustión enfriada por transpiración, sin embargo, el fluido que circula de CO2 también puede ser introducido a la cámara de combustión enfriada por transpiración como todo o parte del fluido de enfriamiento de transpiración dirigido hacia el elemento de transpiración a través de uno o más pasos de suministro de fluido de transpiración formados en la cámara de combustión enfriada por transpiración. En algunas realizaciones de acuerdo con la invención, el fluido que circula de CO2 puede ser introducido en la cámara de combustión a la entrada de la cámara de combustión (esto es, junto con el O2 y el combustible), y el fluido que circula de CO2 también puede ser introducido en la cámara de combustión a través del elemento de transpiración como todo o parte del fluido de enfriamiento por transpiración. En otras realizaciones, el fluido que circula de CO2 puede ser introducido en la cámara de combustión solamente a través del elemento de transpiración como todo o parte del fluido de enfriamiento por transpiración (esto es, sin introducción de CO2 en la entrada de la cámara de combustión con el O2 y el combustible).
En algunas realizaciones, la invención puede ser caracterizada en relación con la relación entre los diversos componentes introducidos en la cámara de combustión. Con el fin de alcanzar una eficiencia máxima de combustión puede ser útil someter a combustión el combustible que contiene carbono a una alta temperatura. La temperatura de combustión y la temperatura de la corriente del producto de combustión que sale de la cámara de combustión, sin embargo, pueden necesitar ser controladas dentro de parámetros definidos. Con este fin, puede ser útil proporcionar el fluido que circula de CO2 en una relación específica al combustible de tal manera que la temperatura de combustión y/o la temperatura de entrada a la turbina puedan ser controladas dentro del rango deseado mientras que también se maximiza la cantidad de energía que puede ser convertida en potencia. En realizaciones específicas, esto puede lograrse ajustando la relación de la corriente de fluido que circula de CO2 al carbono en el combustible. La relación deseada puede ser influenciada por la temperatura de entrada a la turbina deseada, así como la diferencia de temperatura entre las corrientes de entrada y salida en el extremo caliente del intercambiador de calor, como se describe en más detalle aquí. La relación puede ser descrita específicamente como la relación molar del CO2 en el fluido que circula de CO2 con respecto al carbono presente en el combustible que contiene carbono. Para determinar la cantidad molar de CO2 introducida en la cámara de combustión, en algunas realizaciones, el contenido completo de CO2 provisto a la cámara de combustión (esto es, introducido en la entrada con el combustible y el O2 , así como cualquier CO2 usado como fluido de enfriamiento por transpiración) está incluida en el cálculo. En realizaciones específicas, sin embargo, el cálculo puede estar basado solamente en la cantidad molar de CO2 introducida en la entrada de la cámara de combustión (esto es, excluyendo cualquier CO2 utilizado como fluido de enfriamiento por transpiración). En realizaciones en el que el CO2 es introducido en la cámara de combustión solamente como un fluido de enfriamiento por transpiración, el cálculo se basa en el contenido de CO2 introducido en la cámara de combustión como fluido de enfriamiento por transpiración. Así, la relación puede ser descrita como el contenido molar de CO2 introducido en la entrada de la cámara de combustión en relación con el carbono en el combustible introducido a la cámara de combustión. Alternativamente, la relación puede ser descrita como el contenido molar de CO2 introducido a la cámara de combustión a través del fluido de enfriamiento por transpiración en relación con el carbono en el combustible introducido a la cámara de combustión.
En ciertas realizaciones, la relación del fluido que circula de CO2 con respecto a carbono en el combustible introducido en la cámara de combustión, sobre una base molar, puede ser aproximadamente 10 a aproximadamente 50 (esto es, aproximadamente 10 moles de CO2 por 1 mol de carbono en el combustible hasta aproximadamente 50 moles de CO2 por 1 mol de carbono en el combustible). En realizaciones adicionales, la relación de CO2 en el fluido que circula con respecto a carbono en el combustible puede ser aproximadamente 15 hasta aproximadamente 50, aproximadamente 20 hasta aproximadamente 50, aproximadamente 25 hasta aproximadamente 50, aproximadamente 30 hasta aproximadamente 50, aproximadamente 15 hasta aproximadamente 45, aproximadamente 20 hasta aproximadamente 45, aproximadamente 25 hasta aproximadamente 45, aproximadamente 30 hasta aproximadamente 45, aproximadamente 15 hasta aproximadamente 40, aproximadamente 20 hasta aproximadamente 40, aproximadamente 25 hasta aproximadamente 40;, o aproximadamente 30 hasta aproximadamente 40. En otras realizaciones, la relación de CO2 en el fluido que circula con respecto a carbono en el combustible puede ser al menos aproximadamente 5, al menos aproximadamente 10, al menos aproximadamente 15, al menos aproximadamente 20, al menos aproximadamente 25, o al menos aproximadamente 30.
La relación molar del CO2 introducido en la cámara de combustión con respecto al carbono presente en el combustible que contiene carbono puede tener un impacto importante sobre la eficiencia térmica global del sistema. Este impacto sobre la eficiencia también puede ser impactado por el diseño y funcionamiento de los componentes adicionales del sistema, incluyendo el intercambiador de calor, el separador de agua, y la unidad de presurización. La combinación de los diversos elementos del sistema descrito aquí lleva a la capacidad de lograr una eficiencia térmica alta en las relaciones CO2/C específicas descritas aquí. Sistemas previamente conocidos que no incluyen los diversos elementos descritos aquí requerirían típicamente una relación molar CO2/C que es significativamente inferior a la utilizada en la presente invención para alcanzar eficiencias que se aproximen a las alcanzadas aquí. La presente invención, sin embargo, ha identificado sistemas altamente efectivos para recircular CO2 que permiten el uso de relaciones molares CO2/C que exceden grandemente las que pueden ser utilizadas en la técnica conocida. El uso de altas relaciones molares CO2/C de acuerdo con la presente invención es ventajoso adicionalmente para diluir impurezas en la corriente de combustión. Los efectos corrosivos o erosionantes de las impurezas (por ejemplo, cloruros y sulfuro) sobre los componentes del sistema son disminuidos entonces grandemente. Actualmente no pueden utilizarse carbones con alto contenido de cloruro y/o azufre en sistemas conocidos porque los productos de combustión de tales carbones (los cuales incluyen HCl y H2SO4) son demasiado corrosivos y erosionantes para que los resistan los componentes de las plantas de potencia. Muchas otras impurezas (por ejemplo, partículas de ceniza sólidas y materiales volátiles que contienen elementos tales como el plomo, yodo, antimonio y mercurio) también pueden causar daños internos severos a los componentes de las plantas de potencia a temperaturas altas. El efecto diluyente del CO2 recirculado puede mejorar o eliminar grandemente los efectos nocivos de tales impurezas sobre los componentes de las plantas de potencia. La selección de las relaciones molares CO2/C, pueden entonces involucrar una consideración compleja de los efectos sobre la eficiencia y erosión y corrosión de los componentes de la planta y del diseño de los componentes del sistema de reciclaje de CO2 y su funcionamiento. La presente invención posibilita el reciclaje altamente eficiente de CO2 y así las relaciones molares incrementadas de CO2/C con una alta eficiencia térmica que no podrían ser predichos por la técnica conocida. Las relaciones molares altas de CO2/C conllevan al menos las ventajas antes mencionadas.
De la misma manera, puede ser útil controlar el contenido de O2 introducido en la cámara de combustión. Esto puede depender particularmente de la naturaleza de la operación de la cámara de combustión. Como se describe más completamente aquí, los sistemas de la invención pueden permitir la operación en un modo completamente de oxidación, un modo completamente de reducción, o variaciones de ambos. En un modo completamente de oxidación, la cantidad de O2 provista a la cámara de combustión sería preferiblemente al menos una cantidad estequiométrica necesaria para alcanzar una oxidación completa del combustible que contiene carbono. En ciertas realizaciones, la cantidad de O2 provista estaría en exceso de la cantidad estequiométrica anotada en al menos aproximadamente 0,1 % molar, al menos aproximadamente 0,25 % molar, al menos aproximadamente 0,5 % molar, al menos aproximadamente 1 % molar, al menos aproximadamente 2 % molar, al menos aproximadamente 3 % molar, al menos aproximadamente 4 % molar, o al menos aproximadamente 5 % molar. En otras realizaciones, la cantidad de O2 provista estaría en exceso de la cantidad estequiométrica anotada en aproximadamente 0,1 % hasta aproximadamente 5 % molar, aproximadamente 0,25 % hasta aproximadamente 4 % molar, o aproximadamente 0,5 % hasta aproximadamente 3 % molar. En un modo completamente reductor, la cantidad de O2 provista a la cámara de combustión estaría preferiblemente en una cantidad estequiométrica necesaria para convertir el combustible que contiene carbono a los componentes H2 , CO, CH4 , H2S y NH3 más un exceso de al menos aproximadamente 0,1 % molar, al menos aproximadamente 0,25 % molar, al menos aproximadamente 0,5 % molar, al menos aproximadamente 1 % molar, al menos aproximadamente 2 % molar, al menos aproximadamente 3 % molar, al menos aproximadamente 4 % molar, o al menos aproximadamente 5 % molar. En otras realizaciones, la cantidad de O2 proporcionada estaría en exceso de la cantidad estequiométrica anotada en aproximadamente 0,1 % hasta aproximadamente 5 % molar, aproximadamente 0,25 % hasta aproximadamente 4 % molar, o aproximadamente 0,5 % hasta aproximadamente 3 % molar.
Los métodos no cubiertos por la invención, en algunas realizaciones, pueden ser caracterizados en relación con el estado físico del CO2 a lo largo de las diversas etapas en el proceso. El CO2 es reconocido como existente en diversos estados dependiendo de las condiciones físicas del material. El CO2 tiene un punto triple a 0,518 MPa y -56,6 °C, pero el CO2 también tiene una presión y temperatura supercríticas del 7,38 MPa y 31,1 °C. Más allá de este punto crítico, el CO2 existe como un fluido supercrítico, y la presente invención ha hecho realidad la capacidad de maximizar la eficiencia en la generación de potencia manteniendo el CO2 en un estado especificado en puntos específicos del ciclo. En realizaciones específicas, el CO2 introducido en la cámara de combustión está preferiblemente en la forma de un fluido supercrítico.
La eficiencia de un sistema o método generador de potencia se entiende típicamente para describir la relación de generación de potencia por parte del sistema o método con respecto a la entrada de energía en el sistema o método. En el caso de un sistema o método para la producción de potencia, la eficiencia se describe frecuentemente como la relación de electricidad o potencia (por ejemplo, en megavatios o Mw) generada a la red de consumo con respecto al valor de calentamiento inferior total de energía térmica del combustible sometido a combustión para generar electricidad (o potencia). Esta relación puede entonces denominarse como la eficiencia neta del sistema o método (sobre una base de LHV). Esta eficiencia puede tener en cuenta toda la energía requerida para los procesos internos del sistema o métodos, incluyendo la producción de oxígeno purificado (por ejemplo, a través de una unidad de separación de aire), presurización de CO2 para transporte a una tubería presurizada, y otras condiciones del sistema o método que requieren ingreso de energía.
En diversas realizaciones, los sistemas de la presente invención pueden hacer uso de CO2 predominantemente como un fluido de trabajo en un ciclo en el cual el combustible que contiene carbono es sometido a combustión (esto es, en una cámara de combustión) en O2 sustancialmente puro a una presión en exceso de la presión crítica de CO2 para producir una corriente de producto de combustión. Esta corriente es expandida a través de una turbina y luego es pasada a través de un intercambiador de calor recuperador. En el intercambiador de calor, el escape de la turbina precalienta un fluido que circula de CO2 recirculado en un estado supercrítico. Este fluido que circula de CO2 recirculado, precalentado, es introducido en la cámara de combustión en el que se mezcla con los productos de la combustión de combustible que contiene carbono para dar un flujo total a una temperatura de entrada a la turbina máxima definida. La invención puede proporcionar una excelente eficiencia al menos en parte debido al reconocimiento de los beneficios de minimizar la diferencia de temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor recuperador. Esta minimización puede lograrse utilizando una fuente de calor de nivel de temperatura bajo para proporcionar un CO2 recirculado antes de la introducción a la cámara de combustión. A estos niveles de temperatura más bajos, el calor específico y la densidad del CO2 supercrítico son muy altos, y este calentamiento extra puede permitir que el escape de la turbina fluya para precalentar el CO2 a una temperatura mucho más alta, y esto puede reducir significativamente la diferencia de temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor recuperador. Fuentes de calor de temperatura baja útiles en realizaciones específicas son los compresores de aire utilizados en la planta de separación de aire criogénico operada adiabáticamente o en el flujo de escape caliente de una turbina de gas convencional. En realizaciones específicas de la presente invención, la diferencia de temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor recuperador es menor de aproximadamente 50 °C, y preferiblemente en el rango de aproximadamente 10 °C a aproximadamente 30 °C. El uso de una relación de presión baja (por ejemplo, por debajo de aproximadamente 12) es un factor adicional que puede incrementar la eficiencia. El uso de CO2 como fluido de trabajo acoplado con la relación de presión baja reduce la pérdida de energía en la elevación de presión del escape de turbina enfriado a la presión de reciclaje. Una ventaja adicional es la capacidad para producir la cantidad de carbono en el combustible convertida a CO2 en el fluido a alta presión por encima de la presión supercrítica de CO2 a presión de tubería (típicamente aproximadamente 10 MPa hasta aproximadamente 20 MPa) con muy poco consumo de potencia parásito adicional a cerca de 100 % de captura de carbono del combustible. Tales parámetros del sistema y método son descritos aquí adicionalmente en mayor detalle.
Regresando a la Figura 5, el combustible 254 que contiene carbono introducido en la cámara de combustión 220 junto con el O2 242 y el fluido que circula 236 de CO2 se somete a combustión para proporcionar una corriente de producto de combustión 40. En realizaciones específicas, la cámara de combustión 220 es una cámara de combustión enfriada por transpiración, tal como se describió más arriba. La temperatura de combustión puede variar dependiendo de los parámetros específicos del proceso - por ejemplo, el tipo de combustible que contiene carbono usado, la relación molar de CO2 con respecto a carbono en el combustible tal como es introducido en la cámara de combustión, y/o la relación molar de CO2 a O2 introducidos en la cámara de combustión. En realizaciones específicas, la temperatura de combustión es una temperatura como se describió más arriba en relación con la descripción de la cámara de combustión enfriada por transpiración. En realizaciones particularmente preferidas, las temperaturas de combustión en exceso de aproximadamente 1300 °C, según como se describe aquí, pueden ser ventajosas.
También puede ser útil controlar la temperatura de combustión de tal manera que la corriente de producto de combustión que sale de la cámara de combustión tiene una temperatura deseada. Por ejemplo, puede ser útil para la corriente de producto de combustión que sale de la cámara de combustión tener una temperatura de al menos aproximadamente 700 °C, al menos aproximadamente 750 °C, al menos aproximadamente 800 °C, al menos aproximadamente 850 °C, al menos aproximadamente 900 °C, al menos aproximadamente 950 °C, al menos aproximadamente 1000 °C, al menos aproximadamente 1050 °C, al menos aproximadamente 1100 °C, al menos aproximadamente 1200 °C, al menos aproximadamente 1300 °C, al menos aproximadamente 1400 °C, al menos aproximadamente 1500 °C, o al menos aproximadamente 1600 °C. En algunas realizaciones, la corriente de producto de combustión puede tener una temperatura desde aproximadamente 700 °C hasta aproximadamente 1600 °C, aproximadamente 800 °C hasta 1600 °C, aproximadamente 850 °C hasta 1500 °C, aproximadamente 900 °C hasta aproximadamente 1400 °C, aproximadamente 950 °C hasta aproximadamente 1350 °C, o aproximadamente 1000 °C hasta aproximadamente 1300 °C.
Como se describió más arriba, la presión del CO2 a lo largo del ciclo de producción de potencia puede ser un parámetro crítico para maximizar la eficiencia del ciclo de potencia. Mientras que puede ser importante que los materiales introducidos en la cámara de combustión tengan una presión definida específicamente, probablemente 50 puede ser importante que la corriente del producto de combustión tenga una presión definida. Específicamente, la presión de la corriente del producto de combustión puede estar relacionada con la presión del fluido que circula de CO2 que es introducido en la cámara de combustión. En realizaciones específicas la presión de la corriente del producto de combustión puede ser al menos aproximadamente 90 % de la presión del CO2 introducido en la cámara de combustión - esto es, en el fluido que circula. En realizaciones adicionales, la presión de la corriente de producto de combustión puede ser al menos aproximadamente de 91 %, al menos aproximadamente 92 %, al menos aproximadamente 93 %, al menos aproximadamente 94 %, al menos aproximadamente 95 %, al menos aproximadamente 96 %, al menos aproximadamente 97 %, al menos aproximadamente 98 %, o al menos aproximadamente 99 % de la presión del CO2 introducido en la cámara de combustión.
La constitución química de la corriente de producto de combustión que sale de la cámara de combustión puede variar dependiendo del tipo de combustible que contiene carbono usado. De manera importante, la corriente de producto de combustión comprenderá CO2 que será recirculado y reintroducido en la cámara de combustión o en ciclos adicionales, como se describe completamente más adelante. Además, el exceso de CO2 (incluyendo el CO2 producido por la combustión del combustible) puede ser extraído del fluido que circula de CO2 (particularmente a una presión adecuada para la transferencia directa a una tubería de CO2) para retención u otro tipo de desecho que no incluye la liberación a la atmósfera. En realizaciones adicionales, la corriente de producto de combustión puede comprender uno o más de vapor de agua, SO2 , SO3 , HCl, NO, NO2, Hg, O2 en exceso, N2 , Ar, y posiblemente otros contaminantes que pueden estar presentes en el combustible que es sometido a combustión. Estos materiales presentes en la corriente de producto de combustión pueden persistir en la corriente del fluido que circula de CO2 a menos que se remuevan, tal como por procesos descritos aquí. Tales materiales presentes además del CO2 pueden ser denominados aquí como "componentes secundarios".
Como se ve en la Figura 5, la corriente de producto de combustión 40 puede ser dirigida a una turbina 320 en la que la corriente de producto de combustión 40 se expande para generar potencia (por ejemplo, a través de un generador para producir electricidad, el cual no es mostrado en la ilustración). La turbina 320 puede tener una entrada para recibir la corriente de producto de combustión 40 y una salida para liberar la corriente de descarga 50 de turbina que comprende CO2. Aunque se muestra una turbina 320 individual en la Figura 5, se entiende que puede utilizarse más de una turbina, estando conectadas las múltiples turbinas en serie o separadas opcionalmente por uno o más componentes adicionales, tales como componentes de combustión adicionales, un componente de compresión, un componente separador, o similares.
De nuevo, pueden controlarse cercanamente los parámetros del proceso en esta etapa para maximizar la eficiencia del ciclo. La eficiencia de las plantas de potencia de gas natural existentes es dependiente críticamente de las temperaturas de entrada a la turbina. Por ejemplo, se han hecho trabajos extensos a gran coste para alcanzar una tecnología de turbina que permite temperaturas de entrada tan altas como aproximadamente 1350 °C. Cuanto mayor sea la temperatura de entrada a la turbina, mayor es la eficiencia de la planta, pero también más costosa es la turbina, y potencialmente, más corta su vida útil. Algunas instalaciones se resisten a pagar los precios más altos y tener el riesgo de vida más corta también. Aunque la presente invención puede hacer uso de tales turbinas para incrementar adicionalmente incluso la eficiencia en algunas realizaciones, tal cosa no se requiere. En realizaciones específicas, los sistemas presentes pueden alcanzar la eficiencia deseada durante utilizando una temperatura de turbina en un rango muy inferior, como se describe más arriba. Así, la invención puede estar caracterizada en términos de alcanzar una eficiencia específica, según se describe aquí, a la vez que proporciona una corriente de producto de combustión a una entrada de turbina a una temperatura definida, según se describe aquí, la cual puede ser significativamente menor que las temperaturas reconocidas en la técnica como necesarias para alcanzar la misma eficacia con el mismo combustible.
Como se indicó más arriba, la corriente de producto de combustión 40 que sale de la cámara de combustión 220 tiene preferiblemente una presión que está cercanamente alineada con la presión del fluido que circula 236 de CO2 que entra a la cámara de combustión 220. En realizaciones específicas, la corriente de producto de combustión 40 es así a una temperatura y presión tal que el CO2 presente en la corriente está en un estado de fluido supercrítico. Cuando la corriente de producto de combustión 40 se expande a través de la turbina 320, la presión de la corriente se reduce. Preferiblemente, esta caída de presión es controlada de tal manera que la presión de la corriente de producto de combustión 40 está en una relación definida con la presión de la corriente de descarga de turbina 50. En ciertas realizaciones, la relación de la presión de la corriente de producto de combustión en la entrada de la turbina en comparación con la corriente de descarga de turbina a la salida de la turbina es menos de aproximadamente 12. Esta puede ser definida como la relación de la presión de entrada (Ip); a la presión de salida (Op) (esto es, Ip/Op). En realizaciones adicionales, la relación de presión puede ser menor de aproximadamente 11, menor de aproximadamente 10, menor de aproximadamente 9, menor de aproximadamente 8, o menor de aproximadamente 7. En otras realizaciones, la relación de presión de entrada a presión de salida en una turbina puede ser aproximadamente 1,5 a aproximadamente 12, aproximadamente 2 a aproximadamente 12, aproximadamente 3 a aproximadamente 12, aproximadamente 4 a aproximadamente 12, aproximadamente 2 a aproximadamente 11, aproximadamente 2 a aproximadamente 10, aproximadamente 2 a aproximadamente 9, aproximadamente 2 a aproximadamente 8 , aproximadamente 3 a aproximadamente 11, aproximadamente 3 a aproximadamente 10, aproximadamente 3 a aproximadamente 9, aproximadamente 3 a aproximadamente 9, aproximadamente 4 a aproximadamente 11, aproximadamente 4 a aproximadamente 10, aproximadamente 4 a aproximadamente 9, o aproximadamente 4 a aproximadamente 8.
En realizaciones específicas, puede ser deseable que la corriente de descarga de turbina esté bajo condiciones tales que el CO2 en la corriente no está más tiempo en un estado de fluido supercrítico, sino más bien en un estado gaseoso. Por ejemplo, al proporcionar el CO2 en un estado gaseoso se puede facilitar la eliminación de cualquier componente secundario. En algunas realizaciones, la corriente de descarga de turbina tiene una presión que está por debajo de la presión en el que el CO2 estaría en un estado supercrítico. Preferiblemente, la corriente de descarga de turbina tiene una presión que es menor de aproximadamente 7,3 MPa, es menor o igual a aproximadamente 7 MPa, menos que o igual a aproximadamente 6,5 MPa, menos que o igual a aproximadamente 6 MPa, menos que o igual a aproximadamente 5,5 MPa, menos que o igual a aproximadamente 5 MPa, menos que o igual a aproximadamente 4,5 MPa, menos que o igual a aproximadamente 4 MPa, menos que o igual a aproximadamente 3,5 MPa, menos que o igual a aproximadamente 3 MPa, menos que o igual a aproximadamente 2,5 MPa, menos que o igual a aproximadamente 2 MPa, o menos que o igual a aproximadamente 1,5 MPa. En otras realizaciones, la presión de la corriente de descarga de turbina puede ser aproximadamente 1,5 MPa hasta aproximadamente 7 MPa, aproximadamente 3 MPa hasta aproximadamente 7 MPa, o 4 MPa hasta aproximadamente 7 MPa. Preferiblemente, la presión de la corriente de descarga de turbina es menor que la presión de condensación del CO2 a las temperaturas de enfriamiento que se van a ser encontradas por la corriente (por ejemplo, enfriamiento al ambiente). Así, es preferible de acuerdo con la invención que la corriente debajo de CO2 de la turbina 320 (y preferiblemente aguas arriba de la unidad de presurización 620) se mantenga en un estado gaseoso y no se permita alcanzar las condiciones en el que se puede formar CO2 líquido.
Aunque el paso de la corriente de producto de combustión a través de la turbina puede llevar a alguna cantidad de descenso en la temperatura, la corriente de descarga de turbina típicamente tendrá una temperatura que podría impedir la eliminación de cualquier componente secundario presente en la corriente de producto de combustión. Por ejemplo, la corriente de descarga de turbina puede tener una temperatura de aproximadamente 500 °C a aproximadamente 1000 °C, aproximadamente 600 °C hasta aproximadamente 1000 °C, aproximadamente 700 °C hasta aproximadamente 1000 °C, o 800 °C hasta aproximadamente 1000 °C. Debido a la temperatura relativamente alta de la corriente de producto de combustión, puede ser beneficioso que la turbina esté formada de materiales capaces de soportar tales temperaturas. También puede ser útil que la turbina comprenda un material que proporciona buena resistencia química al tipo de materiales secundarios que puedan estar presentes en la corriente de producto de combustión.
En algunas realizaciones, puede ser útil pasar la corriente de descarga de turbina 50 a través de al menos un intercambiador de calor 420 que enfría la corriente de descarga de turbina 50 y proporciona una corriente de fluido que circula 60 de CO2 que tiene una temperatura en un rango definido. En realizaciones específicas, el fluido que circula 60 de CO2 que sale del intercambiador de calor 420 (o el intercambiador final en la serie en el que se utilizan dos o más intercambiadores de calor) tiene una temperatura de menos de aproximadamente 200 °C, menos de aproximadamente 150 °C, menos de aproximadamente 125 °C, menos de aproximadamente 100 °C, menos de aproximadamente 95 °C, menos de aproximadamente 90 °C, menos de aproximadamente 85 °C, menos de aproximadamente 80 °C, menos de aproximadamente 75 °C, menos de aproximadamente 70 °C, menos de aproximadamente 65 °C; menos de aproximadamente 60 °C, menos de aproximadamente 55 °C, menos de aproximadamente 50 °C, menos de aproximadamente 45 °C, o menos de aproximadamente 40 °C.
Como se indicó anteriormente, puede ser beneficioso que la presión se descargue para tener una presión en una relación específica con la presión de la corriente de producto de combustión. En realizaciones específicas, la corriente de descarga de turbina será pasada directamente a través del uno o más intercambiadores de calor descritos aquí sin pasar a través de ningún componente del sistema. Así, la relación de presión también puede ser descrita en relación con la relación de la presión de la corriente del producto de combustión a medida que sale de la cámara de combustión en comparación con la presión de la corriente que entra al extremo caliente del intercambiador de calor (o el primer intercambiador de calor cuando se utiliza una serie de intercambiadores de calor). De nuevo, esta relación de presión preferiblemente es menor de aproximadamente 12. En realizaciones adicionales, la relación de presión de la corriente de producto de combustión a la corriente que entra al intercambiador de calor puede ser menor de aproximadamente 11, menor de aproximadamente 10, menor de aproximadamente 9, menor de aproximadamente 8, o menor de aproximadamente 7. En otras realizaciones, esta relación de presión puede ser de aproximadamente 1.5 a aproximadamente 10, aproximadamente 2 a aproximadamente 9, aproximadamente 2 a aproximadamente 8, aproximadamente 3 a aproximadamente 8, o de 40 aproximadamente 4 a aproximadamente 8.
Mientras que el uso de una cámara de combustión enfriada por transpiración permite combustión a alto calor, los sistemas de la presente invención pueden ser caracterizados por la capacidad de proporcionar también una corriente de descarga de turbina a un intercambiador de calor (o una serie de intercambiadores de calor) a una temperatura que es suficientemente baja para reducir los costes asociados con el sistema, incremento de la vida útil del intercambiador o intercambiadores de calor, y mejorar el rendimiento y confiabilidad del sistema. En realizaciones específicas, la temperatura de trabajo más caliente para un intercambiador de calor en un sistema de acuerdo con la presente invención es menor de aproximadamente 1100 °C, menor de aproximadamente 1000 °C, menor de aproximadamente 975 °C, menor de aproximadamente 950° C, menor de aproximadamente 925 °C o menor de aproximadamente 900 °C.
En ciertas realizaciones, puede ser particularmente útil que el intercambiador de calor 420 comprenda al menos dos intercambiadores de calor en serie para recibir la corriente de descarga de turbina 50 y la enfríe hasta una temperatura deseada. El tipo de intercambiador de calor usado puede variar dependiendo de las condiciones de la corriente que entra al intercambiador de calor. Por ejemplo, la corriente de descarga de turbina 50 puede estar a una temperatura relativamente alta, como se describe más arriba, y así puede ser útil que el intercambiador de calor que 55 recibe directamente la corriente de descarga de turbina 50 este formado de materiales de alto rendimiento diseñados para soportar condiciones extremas. Por ejemplo, el primer intercambiador de calor en la serie de intercambiadores de calor puede comprender una aleación INCONEL® o material similar. Preferiblemente, el primer intercambiador de calor en la serie comprende un material capaz de soportar una temperatura de trabajo consistente de al menos aproximadamente 700 °C, al menos aproximadamente 750 °C, al menos aproximadamente 800 °C, al menos 60 aproximadamente 850 °C, al menos aproximadamente 900 °C, al menos aproximadamente 950 °C, al menos aproximadamente 1000 °C, al menos aproximadamente 1100 °C, o al menos aproximadamente 1200 °C. También puede ser útil que uno o más de los intercambiadores de calor comprendan un material que provea buena resistencia química al tipo de materiales secundarios que pueden estar presentes en la corriente de producto de combustión. Las aleaciones INCONEL® están disponibles en Special Metals Corporation, y algunas realizaciones pueden incluir aleaciones austeníticas basadas en níquel-cromo. Ejemplos de aleaciones que pueden ser útiles 5 incluyen INCONEL® 600, INCONEL® 601, INCONEL® 601GC, INCONEL® 603XL, INCONEL® 617, INCONEL® 625, INCONEL® 625LCF, INCONEL® 686, INCONEL® 690, INCONEL® 693, INCONEL® 706, INCONEL® 718, INCONEL® 718SPF™, INCONEL® 722, INCONEL® 725, INCONEL® 740, INCONEL® X-750, INCONEL® 751, INCONEL® MA754, INCONEL® MA758, INCONEL® 783, INCONEL® 903, INCONEL® N06230, INCONEL® C-276, INCONEL® G-3, INCONEL® HX, INCONEL® 22. Un ejemplo de un diseño favorable al intercambiador de calor es un intercambiador de calor de placa compacta unida de difusión con material fino químicamente molido en las placas manufacturados en un material de alta temperatura, tal como una de las aleaciones descritas anteriormente. Los intercambiadores de calor adecuados pueden incluir los disponibles bajo la marca comercial HEATRIC® (disponible por parte de Meggitt USA, Houston, TX).
El primer intercambiador de calor en la serie preferiblemente puede transferir suficientemente calor desde al corriente de descarga de turbina de tal manera que uno o más intercambiadores de calor adicionales presentes en la serie puedan estar formados de materiales más convencionales-por ejemplo, acero inoxidable. En realizaciones específicas, se usan al menos dos intercambiadores de calor o al menos tres intercambiadores de calor en una serie para enfriar la corriente de descarga de turbina hasta la temperatura deseada. En la utilidad de utilizar múltiples intercambiadores de calor en una serie puede verse particularmente en la descripción más abajo con respecto a la transferencia de calor desde la corriente de descarga de turbina al fluido que circula de CO2 para recalentar el fluido que circula antes de introducirlo a la cámara de combustión.
En algunas realizaciones, los sistemas pueden ser caracterizados por ser un sistema de combustión de una etapa sencilla. Esto puede lograrse para hacer uso de una cámara de combustión de alta eficiencia, tal como una cámara de combustión enfriada por transpiración descrito más arriba. Esencialmente, el combustible puede ser sustancialmente sometido de manera completa a combustión en la cámara de combustión simple de tal forma que es innecesario proporcionar una serie de cámaras de combustión para someter a combustión completamente el combustible. De acuerdo con lo anterior, en algunas realizaciones, los sistemas de la invención pueden ser descritos de tal manera que la cámara de combustión enfriada por transpiración es la única cámara de combustión. En realizaciones adicionales, los sistemas pueden ser descritos de tal manera que la combustión ocurre solamente en la cámara de combustión sencilla enfriada por transpiración antes del paso de la corriente de descarga al intercambiador de calor. Todavía en realizaciones adicionales, los sistemas pueden ser descritos de tal manera que la corriente de descarga de turbina es pasada directamente al intercambiador de calor sin paso a través de una cámara de combustión adicional.
Después del enfriamiento, la corriente de fluido de que circula 60 de CO2 que sale del al menos un intercambiador de calor 420 puede experimentar un procesamiento adicional para separar cualquier componente secundario que permanezca en la corriente de fluido que circula 60 de CO2 del combustible. Como se muestra en la Figura 5, la corriente de fluido que circula 60 puede ser dirigida a una o más unidades de separación 520. Como se discute en mayor detalle más adelante, un método no cubierto por la presente invención puede ser caracterizada particularmente por la capacidad de proporcionar un método de alta eficiencia para generar potencia a partir de la combustión de un combustible que contiene carbono sin liberación atmosférica de CO2. Esto puede lograrse, al menos en parte, utilizando el CO2 formado en la combustión del combustible que contiene carbono como fluido que circula en el ciclo de producción de potencia. En algunas realizaciones, sin embargo, la combustión continua y el reciclaje de CO2 como fluido que circula puede producir una acumulación de CO2 en el sistema. En tales casos, puede ser útil retirar al menos una porción del CO2 del fluido que circula (por ejemplo, una cantidad aproximadamente equivalente a la cantidad de CO2 derivada de la combustión del combustible que contiene carbono). Tal CO2 extraído puede ser dispuesto por cualquier método adecuado. En realizaciones específicas, el CO2 puede ser dirigido a una tubería para retención o forma de desecho por medios adecuados, como se describe adicionalmente más adelante.
Puede ser un requerimiento de la especificación del sistema de tubería para CO2 que el CO2 que entra en la tubería este sustancialmente libre de agua para evitar la corrosión del acero al carbono usado en la tubería. Aunque el CO2 “húmedo” puede ser introducido directamente en una tubería de CO2 de acero inoxidable, no siempre es posible, y en efecto, puede ser más deseable utilizar una tubería de acero al carbono debido a las preocupaciones por el coste. De acuerdo con lo anterior, en ciertas realizaciones, el agua presente en el fluido que circula de CO2 (por ejemplo, agua formada durante la combustión del combustible que contiene carbono y persistente en la corriente del producto de combustión, la corriente de descarga de turbina, y la corriente de fluido que circula de CO2) puede ser retirada principalmente como una fase líquida desde la corriente de fluido que circula de CO2 enfriada. En realizaciones específicas, esto puede lograrse proveyendo el fluido que circula de CO2 (por ejemplo, en un estado gaseoso) a una presión que es menor que el punto al cual el CO2 presente en la mezcla gaseosa es licuado cuando la mezcla de gaseosa es enfriada hasta la temperatura más baja alcanzada con medios de enfriamiento a temperatura ambiente. Por ejemplo, el fluido que circula de CO2 particularmente puede proporcionarse a una presión de menos de 7,38 MPa durante la separación de componentes secundarios del mismo. Una presión incluso inferior puede ser requerida si se utilizan los elementos de enfriamiento a una temperatura en el rango de ambiente bajo o sustancialmente menos que el ambiente. Esto permite la separación de agua como un líquido y también minimiza la contaminación de la corriente que circula de CO2 purificada que sale de la unidad de separación. Esto también puede limitar la presión de descarga de la turbina a un valor que es menor que la presión crítica del gas de escape de la turbina. La presión real puede depender de la tempera de los medios de enfriamiento ambiente disponible. Por ejemplo, si la separación de agua tiene lugar a 30 %, entonces una presión de 7 MPa permite un margen de 0,38 MPa para a la presión de condensación de CO2. En algunas realizaciones, el fluido que circula de CO2 que sale del intercambiador de calor y entra en la unidad de separación puede proporcionarse a una presión de aproximadamente 2 MPa hasta aproximadamente 7 MPa, aproximadamente 2,25 a aproximadamente 7 MPa, aproximadamente 2,5 a aproximadamente 7 MPa. Aproximadamente 2,75 MPa a aproximadamente 7 MPa, aproximadamente 3 MPa a aproximadamente 7 MPa, aproximadamente 3,5 MPa a aproximadamente 7 MPa, aproximadamente 4 MPa a 10 aproximadamente 7 MPa, o aproximadamente 4 MPa a aproximadamente 6 MPa. En otras realizaciones, la presión puede ser sustancialmente la misma de la presión a la salida de la turbina.
En realizaciones específicas, la corriente que circula 65 de CO2 purificada después de la separación de agua no comprende vapor de agua o sustancialmente no tiene vapor de agua. En algunas realizaciones, la corriente que circula de CO2 purificada puede ser caracterizada por comprender vapor en una cantidad de solamente menos de 1,5 % en base molar, menos de 1,25 % en base molar, menos de 1 % en base molar, menos de 0,9 % en base molar, menos de 0,8 % en base molar, menos de 0,7 % en base molar, menos de 0,6 % en base molar, menos de 0,5 % de base molar, menos de 0,4 % de base molar, menos de 0,3 % en base molar, menos de 0,2 % en base molar, menos de 0,1 % en base molar. En algunas realizaciones, la corriente fluida que circula de CO2 purificada puede comprender vapor de agua solamente en una cantidad de aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 1,5 % en base molar, aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 1 % en base molar, aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 0,75 % en base molar, aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 0,5 % en base molar, aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 0,25 % en base molar, aproximadamente 0,05 % a aproximadamente 0,5 % en base molar, o aproximadamente 0,05 % a aproximadamente 0,25 % en base molar.
Puede ser altamente ventajoso proporcionar el fluido que circula de CO2 a las condiciones de temperatura y presión arriba definidas para facilitar la separación de los componentes secundarios, tales como agua. En otras palabras, la presente invención puede proporcionar particularmente el mantenimiento del fluido que circula de CO2 bajo condiciones deseadas de tal manera que el CO2 y el agua en el fluido que circula de CO2 antes de la separación estén en los estados deseados que faciliten la separación. Proveyendo el fluido que circula de CO2 a una presión como se describe más arriba, la temperatura de la corriente fluida puede disminuirse hasta un punto en el que el agua en la corriente estará en estado líquido y así será más fácilmente separable del CO2 gaseoso.
En ciertas realizaciones, puede ser deseable proporcionar condiciones de secado adicionales de tal manera que el fluido que circula de CO2 purificado está completa o sustancialmente libre de agua. Como se indicó anteriormente, la separación del agua del fluido que circula de CO2 con base en diferencias de fase en los materiales puede dejar una porción menor (esto es, baja concentración) de agua restante en el fluido que circula de CO2. En algunas realizaciones, puede ser aceptable continuar de manera que el fluido que circula de CO2 tenga la menor porción de agua restante en el mismo. En otras realizaciones, puede ser útil someter el fluido que circula de CO2 a tratamiento adicional para facilitar la eliminación de toda o parte del agua restante. Por ejemplo, una baja concentración de agua puede ser retirada por secadores de secantes con ese u otros medios que sean adecuados a la luz de la presente divulgación.
Proveyendo el fluido que circula de CO2 a las unidades de separación a la presión definida puede ser particularmente beneficioso para de nuevo maximizar la eficiencia del ciclo de potencia. Específicamente, proveyendo el fluido que circula de CO2 al rango de presión definida puede permitir que el fluido que circula de CO2 en la fase gaseosa sea comprimido hasta una alta presión con mínimo consumo de potencia total. Como se describe más adelante, tal presurización pueda ser requerida de tal manera que parte del fluido que circula de CO2 pueda ser recirculada a la cámara de combustión y parte pueda ser suministrada a la presión de tubería requerida (por ejemplo, aproximadamente 10 MPa hasta aproximadamente 20 MPa). Esto ilustra adicionalmente los beneficios de minimizar la relación de presión de entrada a salida de la turbina de expansión, como se describe más arriba. Esto funciona para implementar la eficiencia global del ciclo y también para permitir la presión que la descarga de presión de la turbina sea en el rango deseable descrito más arriba para la separación de agua y otros componentes secundarios del fluido que circula de CO2.
Una realización del flujo del fluido que circula de CO2 a través de una unidad de separación 520 se ilustra en la Figura 6. Como se ve allí, la corriente de fluido que circula 60 de CO2 del intercambiador de calor puede ser pasada a través de un intercambiador de calor 530 con agua fría que utiliza agua para eliminar adicionalmente calor del fluido que circula 60 de CO2 (o cualquier dispositivo de funcionamiento similar) y descarga un fluido que circula 61 de CO2 en fase mixta en el que el CO2 permanece como gas y el agua en el fluido que circula de CO2 es convertida a una fase líquida. Por ejemplo, el paso del fluido que circula 60 de CO2 a través del intercambiador de calor 530 con agua fría puede enfriar el fluido que circula de CO2 a una temperatura de menos de aproximadamente 50 °C, menos de aproximadamente 55 °C, menos de aproximadamente 40 °C, menos de aproximadamente 45 °C, menos de aproximadamente 40 °C, menos de aproximadamente 35 °C, menos de aproximadamente 30 °C. Preferiblemente, la presión del fluido que circula de CO2 se mantiene sin cambios sustancialmente por el paso a través del intercambiador de calor 530 con agua fría. El fluido que circula 61 de CO2 en fase mixta es dirigido a una unidad de separación de agua 540 en la que una corriente 62a de agua líquida es descargada desde el separador 520. También saliendo de la unidad de separación de agua 540 está la corriente de fluido que circula 62b de CO2 enriquecido. Está corriente enriquecida puede salir directamente del separador 520 igual que la corriente fluida que circula 65 de CO2 purificada. En realizaciones alternativas (como lo ilustran las corrientes y componentes representados por líneas punteadas), la corriente fluida que circula 62b de CO2 enriquecida puede ser dirigida a una o más unidades de separación 550 adicionales para la eliminación de componentes secundarios adicionales, como se describe más completamente más adelante. En realizaciones específicas, cualquier componente secundario adicional del fluido que circula de CO2 pude ser retirado después de la eliminación de agua. El fluido que circula de CO2 sale entonces de las unas o más unidades separadoras adicionales como el fluido que circula 65 de CO2 purificado. En algunas realizaciones, sin embargo, el fluido que circula 61 de CO2 en fase mixta puede ser dirigido primero para eliminación de uno o más componentes secundarios antes de la eliminación de agua, y la corriente parcialmente purificada puede ser entonces dirigida a la unidad de separación de agua 540. Una persona de experiencia con el conocimiento de la presente divulgación sería capaz de prever las diversas combinaciones de separadores que pueden ser deseables, y se pretende que todas tales combinaciones estén incorporadas en la presente invención.
Como se indicó más arriba, además de agua, el fluido que circula de CO2 puede contener otros componentes secundarios tales como, impurezas derivadas del combustible, derivados de la combustión y derivados del oxígeno. Tales componentes secundarios también pueden ser retirados del fluido que circula de CO2 gaseoso, enfriado y aproximadamente al mismo tiempo que la separación de agua. Por ejemplo, además del vapor de agua, componentes secundarios tales como SO2 , SO3, CHl, NO, NO2 , Hg, y O2 en exceso, N2 y Ar pueden ser retirados. Estos componentes secundarios del fluido que circula de CO2 (frecuentemente reconocidos como impurezas y contaminantes) pueden ser todos retirados del fluido que circula de CO2 enfriado utilizando métodos apropiados (por ejemplo, métodos definidos en la publicación solicitud de patente de Estados Unidos n.° 2008/0226515 y las solicitudes de patente europea Nos EP 1952874 y EP 1953486). El SO2 y el SO3 pueden ser convertidos al l00 % en ácido sulfúrico, mientras que mayor que el 95 % del NO y NO2 pueden ser convertidos en ácido nítrico. Cualquier O2 en exceso presente en el fluido que circula de CO2 puede ser separado como una corriente enriquecida para recirculación opcional a la cámara de combustión. Cualquiera de los gases inertes presentes (por ejemplo, N2 y Ar) pueden ser expulsados a baja presión a la atmosfera. En ciertas realizaciones, el fluido que circula de CO2 puede ser purificado así de tal manera que el CO2 derivado del carbono en el combustible que es sometido a combustión puede ser entregado finalmente como una corriente pura, de alta densidad. En realizaciones específicas, el fluido que circula de CO2 purificado puede comprender CO2 en una concentración de al menos 98,5 % molar, al menos 99 % molar, al menos 99,5 % molar, o al menos 99,8 % molar. Además del CO2 , el fluido que circula puede proporcionarse a una presión deseada para entrada directa a una tubería de CO2 , por ejemplo, al menos aproximadamente a 10 MPa, al menos aproximadamente 15 MPa, o al menos aproximadamente 20 MPa.
Para resumir lo anterior, la combustión del combustible 254 que contiene carbono en la presencia de O2 242 y un fluido que circula 236 de CO2 en una cámara de combustión 220 enfriada por transpiración puede formar una corriente de producto de combustión 40 que tiene una temperatura y presión relativamente altas. Está corriente de producto de combustión 40 que comprende una cantidad relativamente grande de CO2 puede ser pasada a través de una turbina 320 para expandir la corriente de producto de combustión 40, haciendo disminuir por tanto la presión de la corriente generando potencia. La corriente de descarga de turbina 50 que sale de la salida de la turbina 320 está a una presión disminuida pero todavía retiene una temperatura relativamente alta. Debido a los contaminantes e impurezas en la corriente de producto de combustión, es beneficioso separar tales contaminantes e impurezas antes de recircular el fluido que circula de CO2 de regreso al sistema. Para lograr esta separación, la corriente de descarga de turbina 50 es enfriada por paso a través de uno o más intercambiadores de calor 420. La separación de los productos secundarios (por ejemplo, agua y otros contaminantes e impurezas) puede lograrse como se describió más arriba. Con el fin de recircular el fluido que circula de CO2 de regreso a la cámara de combustión, es necesario tanto recalentar como represurizar el fluido que circula de CO2. En ciertas realizaciones, la presente invención puede ser caracterizada particularmente por la implementación de etapas de proceso específicas para maximizar la eficiencia del ciclo de generación de potencia a la vez que simultáneamente se evita la descarga de contaminantes (por ejemplo, CO2) a la atmosfera. Esto puede verse particularmente en relación con el recalentamiento y represurización del fluido que circula de CO2 enfriado y purificado que sale de la unidad de separación.
Como se ilustra adicionalmente en la Figura 5, el fluido que circula 65 de CO2 purificado que sale de la una o más unidades de separación 520 puede ser pasada a través de una o más unidades de presurización 620 (por ejemplo, bombas, compresores o similares) para incrementar la presión del fluido que circula 65 de CO2 purificado. En ciertas realizaciones, el fluido que circula 65 de CO2 purificado puede ser comprimido hasta una presión de al menos aproximadamente 7,5 MPa o al menos aproximadamente 8 MPa. En algunas realizaciones, una unidad de presurización sencilla puede ser utilizada para incrementar la presión del fluido que circula de CO2 hasta la presión deseada descrita aquí para introducción a la cámara de combustión 220.
En realizaciones específicas, la presurización puede llevarse a cabo utilizando una serie de dos o más compresores (por ejemplo, bomba) en la unidad de presurización 620. Una tal realización se muestra en la Figura 7, en el que el fluido que circula 65 de CO2 purificado es pasado a través de un primer compresor 630 para comprimir el fluido que circula 65 de CO2 purificado hasta una primera presión (la cual preferiblemente está por encima de la presión crítica de CO2) y formar así la corriente 66. La corriente 66 puede ser dirigida a un intercambiador de calor 640 con agua fría que retira calor (por ejemplo, el calor formado por la acción presurizante del primer compresor) y forma la corriente 67, la cual preferiblemente está a una temperatura que es cercana a la temperatura ambiente. La corriente 67 puede ser dirigida a un segundo compresor 650 que se utiliza para presurizar el fluido que circula de CO2 hasta una segunda presión que es mayor que la primera presión. Como se describe más abajo, la segunda presión puede ser sustancialmente similar a la presión deseada para el fluido que circula de CO2 cuando se introduce (o recicla) a la cámara de combustión.
En realizaciones específicas, el primer compresor 630 puede ser utilizado para incrementar la presión del fluido que circula 65 de CO2 purificado de tal forma que el fluido que circula de CO2 purificado es transformado desde un estado gaseoso hasta un estado supercrítico. En realizaciones específicas, el fluido que circula de CO2 purificado puede ser presurizado en el primer compresor 630 hasta una presión de aproximadamente 7,5 MPa hasta aproximadamente 20 MPa, aproximadamente 7,5 MPa hasta aproximadamente 15 MPa, aproximadamente 7,5 MPa hasta aproximadamente 12 MPa, aproximadamente 7,5 MPa hasta aproximadamente 10 MPa, o 8 MPa hasta aproximadamente 10 MPa. La corriente 66 que sale del primer compresor 630 (el cual está en un estado de fluido supercrítico) es pasada entonces a través del intercambiador de calor 640 con agua fría (o cualquier dispositivo de 15 funcionamiento similar) que pueda enfriar al fluido que circula de CO2 hasta una temperatura suficiente para formar un fluido de alta densidad que puede ser bombeado más eficientemente hasta una presión incluso mayor. Esto puede ser significativo a la luz del gran volumen de CO2 que está siendo recirculado para uso como fluido que circula. Bombear un gran volumen de CO2 en el estado de fluido supercrítico puede ser un drenaje significativo de energía sobre el sistema. La presente, sin embargo, hace realidad el incremento beneficioso en la eficiencia que puede ser proporcionarse por la densificación del CO2 y la reducción así del volumen total del CO2 supercrítico que es bombeado de regreso a la cámara de combustión para reciclaje. En realizaciones específicas, el fluido que circula de CO2 puede proporcionarse a una densidad de al menos aproximadamente 200 kg/m3, al menos aproximadamente 300 kg/m3, al menos aproximadamente 350 kg/m3, al menos aproximadamente 400 kg/m3, al menos aproximadamente 450 kg/m3, al menos aproximadamente 500 kg/m3, al menos aproximadamente 550 kg/m3, al menos aproximadamente 600 kg/m3, al menos aproximadamente 650 kg/m3, al menos aproximadamente 700 kg/m3, al menos aproximadamente 750 kg/m3, al menos aproximadamente 800 kg/m3, al menos aproximadamente 850 kg/m3, al menos aproximadamente 900 kg/m3, al menos aproximadamente 950 kg/m3, o al menos aproximadamente 1000 kg/m3 después de la descarga del intercambiador 640 con agua fría el intercambiador de calor 640 con agua fría (y antes de paso a través de la unidad de intercambio de calor 420 para calentamiento). En realizaciones adicionales, la densidad puede ser aproximadamente 150 kg/m3 hasta aproximadamente 1100 kg/m3, aproximadamente 200 kg/m3 hasta aproximadamente 1000 kg/m3, aproximadamente 400 kg/m3 hasta aproximadamente 950 kg/m3, aproximadamente 500 kg/m3 hasta aproximadamente 900 kg/m3, o 500 kg/m3 hasta aproximadamente 800 kg/m3.
En realizaciones específicas, el paso de la corriente 66 a través del intercambiador de calor 640 con agua fría puede enfriar el fluido que circula de CO2 hasta una temperatura de menos de aproximadamente 60 °C, menos de aproximadamente 50 °C, menos de aproximadamente 40 °C o menos de aproximadamente 30 °C. En otras realizaciones, la temperatura del fluido que circula de CO2 que sale del intercambiador de calor 640 con agua fría como corriente 67 puede ser aproximadamente 15 °C hasta 50 °C, aproximadamente 20 °C hasta aproximadamente 45 °C o aproximadamente 20 °C hasta aproximadamente 40 °C. El fluido que circula de CO2 en la corriente 67 que entra al segundo compresor 650 está preferiblemente bajo condiciones que facilitan el bombeo eficiente en energía de la corriente a una presión deseada según se describe aquí para introducción del fluido que circula de CO2 en la cámara de combustión. Por ejemplo, la corriente de fluido que circula 70 de CO2 supercrítica puede ser presurizada adicionalmente hasta una presión de al menos aproximadamente 12 MPa, al menos 15 MPa, al menos aproximadamente 16 MPa, al menos aproximadamente 18 MPa, al menos aproximadamente 20 MPa, o al menos aproximadamente 25 MPa. En algunas realizaciones, la corriente de fluido que circula 70 de CO2 supercrítico puede 45 ser presurizada hasta una presión de aproximadamente 15 MPa hasta aproximadamente 50 MPa, aproximadamente 20 MPa hasta aproximadamente 45 MPa, o 25 MPa hasta aproximadamente 40 MPa. Cualquier tipo de compresor capaz de trabajar bajo las temperaturas anotadas y capaz de alcanzar las presiones descritas puede ser utilizado, tal como una bomba multietapa se alta presión.
La corriente de fluido que circula 70 de CO2 presurizada que sal de una o más de las unidades de presurización 620 puede ser dirigida de regreso a los intercambiadores de calor utilizados previamente para enfriar la corriente de descarga de turbina 50. Como se muestra en la figura 5, la corriente de fluido que circula 70 de CO2 presurizada puede ser pasada primero a través de un divisor 720 de corriente que forma la corriente de fluido 80 de tubería de CO2 y la corriente de fluido que circula 85 de CO2 (la cual puede ser sustancialmente idéntica a la corriente de fluido que circula 70 de CO2 excepto por la cantidad real de CO2 presente en la corriente). Así, en algunas realizaciones, al menos una porción del CO2 en la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada es introducida en una tubería presurizada para retención. La cantidad de CO2 retirada de la corriente de luido que circula de CO2 y dirigida a la tubería (u otro medio de retención o de forma de desecho) puede variar dependiendo del contenido deseado de CO2 para ser introducido en la cámara de combustión para controlar la temperatura de combustión y el contenido real de CO2 presente en la corriente de descarga de combustión que sale de la cámara de combustión. En algunas realizaciones, la cantidad de CO2 extraída como se describió anteriormente puede ser sustancialmente la cantidad de CO2 formada a partir de la combustión del combustible que contiene carbono en la cámara de combustión.
Para alcanzar una operación de alta eficiencia, puede ser beneficioso que el fluido que circula de CO2 que sale de la unidad de presurización 620 sea calentado hasta una temperatura a la cual el fluido supercrítico tenga un calor específico mucho más bajo. Esto es equivalente a proporcionar una entrada de calor muy grande sobre un rango de temperatura comparativamente bajo. El uso de una fuente de calor externa (por ejemplo, una fuente de calor a temperatura relativamente baja) para proporcionar calentamiento adicional a una porción del fluido que circula de CO2 recirculado permite que la unidad de intercambio de calor 420 opere con una pequeña diferencia de temperatura entre la corriente de escape de turbina 50 y la corriente de fluido que circula 236 de CO2 recirculada en el extremo caliente de la unidad de intercambio de calor 420 (o el primer intercambiador de calor cuando se usa una serie de dos o más intercambiadores de calor). En realizaciones específicas, el paso del fluido que circula de CO2 presurizado a través del uno o más intercambiadores de calor puede ser útil para calentar la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada hasta una temperatura deseada para entrada de la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada en la cámara de combustión. En ciertas realizaciones, la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada es calentada a una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C, al menos aproximadamente 300 °C, al menos aproximadamente 400 °C, al menos aproximadamente 500 °C, al menos aproximadamente 600 °C, al menos aproximadamente 700 °C, o al menos aproximadamente 800 °C antes de la entrada de la corriente de fluido que circula de CO2 a la cámara de combustión. En algunas realizaciones, el calentamiento puede ser a una temperatura de aproximadamente 500 °C hasta aproximadamente 1200 °C, aproximadamente 550 °C hasta aproximadamente 1000 °C, o 600 °C hasta aproximadamente 950 °C.
La Figura 8 ilustra una realización de una unidad de intercambio de calor 420 en el que tres intercambiadores de calor individuales son utilizados en serie para retirar calor de la corriente de descarga de turbina 50 para proporcionar una corriente de fluido que circula 60 de CO2 bajo condiciones adecuadas para eliminación de componentes secundarios y simultáneamente agregar calor a la corriente 70 (u 85) de fluido que circula de CO2 supercrítica, presurizada antes de recircular y de la introducción de la corriente de fluido que circula 236 de CO2 en la cámara de combustión. Como se describe adicionalmente más adelante, los sistemas presentes pueden ser retroajustados a sistemas de potencia convencionales (por ejemplo, plantas de potencia por quema de carbón) para incrementar la eficiencia y/o el rendimiento de las mismas. En algunas realizaciones, la unidad de intercambio de calor 420 descrita como sigue puede ser denominada entonces como la unidad de intercambio de calor primaria en tal retroajuste en el que también se utiliza una unidad de intercambio de calor secundaria (como se ilustra en la Figura 11). La unidad de intercambio de calor secundaria podría ser así uno o más intercambiadores utilizados para sobrecalentar una corriente de vapor, por ejemplo. El uso de los términos unidad de intercambio de calor primaria y unidad de intercambio de calor secundaria no debe considerarse como limitantes del alcance de la invención y solamente se usan para proporcionar claridad a la descripción.
En las realizaciones abarcadas por la Figura 8, la corriente de descarga de turbina 50 entra en la serie de intercambiador de calor 420 pasando primero a través del primer intercambiador de calor 430 para proporcionar la corriente 52, la cual tendrá una temperatura más baja que la temperatura de la corriente de descarga de turbina 50. El primer intercambiador de calor 430 puede ser descrito como un intercambiador de calor a alta temperatura puesto que recibe la corriente más caliente en la serie - esto es, la corriente de descarga de turbina 50 - y así transfiere calor en el rango de temperatura más alto en la serie de intercambiadores de calor 420. Como se describió más arriba, el primer intercambiador de calor 430 que recibe la corriente de descarga de turbina 50 de temperatura relativamente alta puede comprender aleaciones especiales u otros materiales útiles para hacer el intercambiador de calor adecuado para soportar las temperaturas anotadas. La temperatura de la corriente de descarga de la turbina 50 puede ser reducida significativamente mediante por paso a través del primer intercambiador de calor 430 (lo cual también puede ser aplicado a otras realizaciones en el que se usa menos de tres o más de tres intercambiadores de calor individuales). En ciertas realizaciones, la temperatura de la corriente 52 que sale del primer intercambiador de calor 430 puede ser inferior a la temperatura de la corriente 50 de descarga de turbina en al menos aproximadamente 100 °C, al menos aproximadamente 200 °C, al menos aproximadamente 300 °C, al menos aproximadamente 400 °C, al menos aproximadamente 450 °C, al menos aproximadamente 500 °C, al menos aproximadamente 550 °C, al menos aproximadamente 575 °C, o al menos aproximadamente 600 °C. En realizaciones específicas, la temperatura de la corriente 52 puede ser aproximadamente 100 °C a aproximadamente 800 °C, aproximadamente 150 °C hasta aproximadamente 600 °C, o aproximadamente 200 °C hasta aproximadamente 500 °C. En realizaciones preferidas, la presión de la corriente 52 que sale del primer intercambiador de calor 430 es sustancialmente similar a la presión de la corriente de descarga de turbina 50. Específicamente, la presión de la corriente 52 que sale del primer intercambiador de calor 430 puede ser al menos 90 %, al menos 91 %, al menos 92 %, al menos 93 %, al menos 94 %, al menos 95 %, al menos 96 %, al menos 97 %, al menos 98 %, al menos 99 %, al menos 99,5 %, o al menos el 99,8 % de la presión de la corriente de descarga de turbina 50.
La corriente 52 que sale del primer intercambiador de calor 430 pasa a través del segundo intercambiador de calor 440 para producir la corriente 56, la cual tiene una temperatura que es menor que la temperatura de la corriente 52 que entra al segundo intercambiador de calor 440. El segundo intercambiador de calor 440 puede ser descrito como un intercambiador de calor de temperatura intermedia, puesto que transfiere calor en el rango de temperatura intermedio (esto es, un rango menor que el primer intercambiador de calor 430, pero mayor que el tercer intercambiador de calor 450). En algunas realizaciones, la diferencia de temperatura entre la primera corriente 52 y la segunda corriente 56 puede ser sustancialmente menor que la diferencia de temperatura entre la corriente de descarga de turbina 50 y la corriente 52 que sale del primer intercambiador de calor 430. En algunas realizaciones, la temperatura de la corriente 56 que sale del segundo intercambiador de calor 440 puede ser inferior que la temperatura de la corriente 52 que entra al segundo intercambiador de calor 440 en aproximadamente 10 °C hasta aproximadamente 200 °C, aproximadamente 20 °C hasta aproximadamente 175 °C, aproximadamente 30 °C hasta aproximadamente 150 °C, o aproximadamente 40 °C hasta aproximadamente 140 °C. En realizaciones específicas, la temperatura de la corriente 56 puede ser aproximadamente 75 °C hasta aproximadamente 600 °C, aproximadamente 100 °C hasta aproximadamente 400 °C, o aproximadamente 100 °C hasta aproximadamente 300 °C. De nuevo, puede ser preferible que la presión de la corriente 56 que sale del segundo intercambiador de calor 440 sea sustancialmente similar a la presión de la corriente 52 que entra al segundo intercambiador de calor 440. Específicamente, la presión de la corriente 56 que sale del segundo intercambiador de calor 440 puede ser al menos 90 %, al menos 91 %, al menos 92 %, al menos 93 %, al menos 94 %, al menos 95 %, al menos 96 %, al menos 97 %, al menos 98 %, al menos 99 %, al menos 99,5 %, o al menos el 99,8 % de la presión de la corriente 52 que entra al segundo intercambiador de calor 440.
La corriente 56 que sale del segundo intercambiador de calor 440 es pasada a través del tercer intercambiador de calor 450 para producir la corriente de fluido que circula 60 de CO2 , la cual tiene una temperatura que es menor que la temperatura de la corriente 56 que entra al tercer intercambiador de calor 450. El tercer intercambiador de calor 450 puede ser descrito como un intercambiador de calor a baja temperatura puesto que transfiere calor en el rango de temperatura más bajo de la serie de transferencia de calor 420. En algunas realizaciones, la temperatura de la corriente de fluido que circula 60 de CO2 que sale del tercer intercambiador de calor 450 puede ser inferior que la temperatura de la corriente 56 que entra al tercer intercambiador de calor 450 en aproximadamente 10 °C hasta aproximadamente 250 °C, aproximadamente 15 °C hasta aproximadamente 200 °C, aproximadamente 20 °C hasta aproximadamente 175 °C, o aproximadamente 25 °C hasta aproximadamente 150 °C. En realizaciones específicas, la temperatura de la corriente 60 puede ser aproximadamente 40 °C hasta aproximadamente 200 °C, aproximadamente 40 °C hasta aproximadamente 100 °C, o aproximadamente 40 °C hasta aproximadamente 90 °C. De nuevo, puede ser preferible que la presión de la corriente de fluido que circula 60 de CO2 que sale del tercer intercambiador de calor 450 sea sustancialmente similar a la presión de la corriente 56 que entra al tercer intercambiador de calor 450. Específicamente, la presión de la corriente de fluido que circula 60 de CO2 que sale del tercer intercambiador de calor 450 puede ser al menos 90 %, al menos 91 %, al menos 92 %, al menos 93 %, al menos 94 %, al menos 95 %, al menos 96 %, al menos 97 %, al menos 98 %, al menos 99 %, al menos 99,5 %, o al menos 99,8 % de la presión de la corriente 56 que entra al tercer intercambiador de calor 450.
La corriente de fluido que circula 60 de CO2 que sale del tercer intercambiador de calor 450 (y que sale así de la unidad de intercambiadores de calor 420 en general) puede ser dirigida a una o más unidades de separación 520, como se describió más arriba. También tal como se describió más arriba, la corriente de fluido de CO2 puede experimentar uno o más tipos de separación para eliminar componentes secundarios de la corriente, la cual es presurizada entonces para regresar a la cámara de combustión como fluido que circula recirculado (que tiene opcionalmente una porción del CO2 separado para entrar en una tubería de CO2 u otros medios de retención o de forma de desecho sin ventilación a la atmósfera).
Regresando a la Figura 8, la corriente 70 (o la 85 si pasa primero a través de un aparato de separación, como se muestra en la Figura 5) de fluido que circula de CO2 presurizada, puede ser dirigida de regreso a través de la mismas serie de tres intercambiadores de calor de tal manera que el calor extraído originalmente a través de los intercambiadores de calor puede ser utilizado para impartir calor a la corriente de fluido que circula 70 de CO2 presurizada antes de entrar en la cámara de combustión 220. Típicamente, el calor impartido a la corriente de fluido que circula 70 de CO2 presurizada por paso a través de los tres intercambiadores de calor (450, 440, y 430) pueden ser relativamente proporcional a la cantidad de calor extraída por los intercambiadores de calor como se describió más arriba.
En ciertas realizaciones, la invención puede caracterizarse por la diferencia de temperatura de las corrientes que salen y entran en el extremo frío del intercambiador de calor (o del último intercambiador de calor en una serie). Con referencia a la Figura 8, esto puede relacionarse específicamente con la diferencia de temperatura en las corrientes 60 y 70. Esta diferencia de temperatura de las corrientes en el extremo frío del intercambiador de calor (del último intercambiador de calor en una serie) es específicamente mayor que cero y puede estar en el rango de aproximadamente 2 °C a aproximadamente 50 °C, aproximadamente 3 °C a aproximadamente 40 °C, aproximadamente 4 °C a aproximadamente 30 °C, o aproximadamente 5 °C a aproximadamente 20 °C.
En algunas realizaciones, la corriente 70 de fluido que circula de CO2 presurizada puede ser pasada directamente a través de los tres intercambiadores de calor en serie. Por ejemplo, la corriente 70 de fluido que circula de CO2 presurizada (esto es, a una temperatura relativamente baja) puede pasar a través del tercer intercambiador de calor 450 para formar la corriente 71 a una temperatura incrementada, la cual puede ser pasada directamente a través del segundo intercambiador de calor 440 para formar la corriente 73 a una temperatura incrementada, la cual puede ser pasada directamente a través del primer intercambiador de calor 430 para formar la corriente de fluido que circula 236 de CO2 presurizada a alta temperatura que puede ser dirigida a la cámara de combustión 220.
En realizaciones particulares, la presente invención puede estar caracterizada por el uso de una fuente de calor externa para incrementar adicionalmente la temperatura del fluido que circula de CO2 recirculado. Por ejemplo, como se ilustra en la Figura 8, después del paso de la corriente 70 de fluido que circula de CO2 presurizada a través del tercer intercambiador de calor 450, la corriente 71 formada, en vez de pasar directamente al segundo intercambiador de calor 440 puede ser pasada a través de un componente de división 460 que divide la corriente 70 en dos corrientes 71b y 72a. La corriente 71b puede pasar a través del segundo intercambiador de calor 440 como se describe de otra manera más arriba. La corriente 72a puede pasar a través de un calentador lateral 470 que puede ser utilizado para impartir una cantidad adicional de calor a la corriente 70 de fluido que circula de CO2 presurizada además del calor impartido por los intercambiadores de calor mismos.
Las cantidades relativas del fluido que circula de CO2 presurizado de la corriente 71 que son dirigidas al segundo intercambiador de calor 440 y al calentador lateral 470 pueden variar dependiendo de las condiciones de trabajo del sistema y de la temperatura final deseada de la corriente de fluido que circula de CO2 presurizada para entrar en la cámara de combustión 220. En ciertas realizaciones, la relación molar de CO2 en la corriente 71b dirigida al segundo intercambiador de calor 440 y la corriente 72a dirigida al calentador lateral 470 puede ser aproximadamente 1:2 a aproximadamente 20:1 (esto es, aproximadamente 1 mol de CO2 en la corriente 71b por 2 moles de CO2 en la corriente 72a hasta aproximadamente 20 moles de CO2 en la corriente 71b por 1 mol de CO2 en la corriente 72a). En realizaciones adicionales, la relación molar de CO2 en la corriente 71b dirigida al segundo intercambiador de calor 440 y la corriente 72a dirigida al calentador lateral 470 puede ser aproximadamente 1:1 hasta aproximadamente 20:1, aproximadamente 2:1 hasta aproximadamente 16:1, aproximadamente 2:1 hasta aproximadamente 12:1, aproximadamente 2:1 hasta aproximadamente 10:1, aproximadamente 2:1 hasta aproximadamente 8:1, o 4:1 hasta aproximadamente 6:1.
El calentador lateral puede comprender cualquier aparato útil para impartir calor al fluido que circula de CO2. En algunas realizaciones, la energía (esto es, calor) provista por el calentador lateral puede ser introducida en el sistema desde una fuente externa. En realizaciones particulares de acuerdo con la invención, sin embargo, la eficiencia del ciclo puede ser incrementada utilizando calor residual que es generado en uno o más puntos en el ciclo. Por ejemplo, la producción de O2 para entrada en la cámara de combustión puede producir calor. Las unidades de separación de aire conocidas pueden generar calor como subproducto del proceso de separación. Además, puede ser útil que el O2 sea proporcionado a una presión incrementada, tal como se describió más arriba, y tal presurización del gas también puede generar calor como subproducto. Por ejemplo, el O2 puede ser producido mediante la operación de un proceso de separación de aire criogénico en el cual el oxígeno es presurizado en el proceso bombeando oxígeno líquido que es calentado eficientemente hasta temperatura ambiente conservando la refrigeración. Tal planta de oxígeno de bombeo criogénico puede tener dos compresores de aire, ambos de los cuales pueden ser operados adiabáticamente sin enfriamiento entre las etapas de tal manera que el aire caliente, presurizado puede ser enfriado hasta una temperatura que es cercana y/o mayor que la temperatura de la corriente que es calentada por la fuente externa (por ejemplo, corriente 72a en la Figura 8). En condiciones conocidas en la técnica, tal calor es inutilizado o puede ser realmente una pérdida en el sistema puesto que se requieren sistemas de enfriamiento secundario para eliminar el subproducto de calor. En la presente invención, sin embargo, puede utilizarse un enfriador para retirar el calor generado del proceso de separación de aire y proporcionar el calor al calentador lateral ilustrado en la Figura 8. En otras realizaciones, el calentador lateral podría por sí mismo ser la unidad de separación de aire (o un dispositivo asociado), y el fluido que circula de CO2 (por ejemplo, la corriente 72a en la Figura 8) podría ser circulada directamente por sí misma a través de un sistema enfriador o asociada con la unidad de separación de aire para retirar el calor generado en el proceso de separación de aire. Más específicamente, el calor agregado puede ser obtenido operando el compresor de CO2 adiabáticamente y removiendo el calor de compresión en enfriadores posteriores contra un fluido de transferencia de calor que circula el cual transfiere el calor de compresión a la parte del fluido que circula de CO2 a alta presión o por transferencia de calor directa a la corriente de fluido que circula (por ejemplo, la corriente 72a en la Figura 8), de CO2 recirculada a alta presión. Adicionalmente, la adición de tal calor no está limitada necesariamente a la posición descrita en relación con la Figura 8, sino que podría ser una entrada al ciclo en cualquier punto después de la separación de los componentes secundarios del fluido que circula de CO2 (pero preferiblemente antes de paso del fluido que circula de CO2 a través del intercambiador de calor directamente aguas arriba desde la entrada a la cámara de combustión). Desde luego, cualquier método similar para la utilización de los residuos generados en el ciclo de producción de potencia también estaría abarcado por la presente divulgación, tal como el uso de un suministro de vapor a una temperatura de condensación adecuada o el gas de escape caliente de una turbina de gas de ciclo abierto convencional.
La cantidad de calor impartida por el calentador lateral 470 puede variar dependiendo de los materiales y aparatos utilizados, así como de la temperatura final que debe ser alcanzada para la corriente 236 de fluido que circula de CO2 para entrada en la cámara de combustión 220. En algunas realizaciones, el calentador lateral 470 incrementa efectivamente la temperatura de la corriente 72a en al menos aproximadamente 10 °C, al menos aproximadamente 20 °C, al menos aproximadamente 30 °C, al menos aproximadamente 40 °C, al menos aproximadamente 50 °C, al menos aproximadamente 60 °C, al menos aproximadamente 70 °C, al menos aproximadamente 80 °C, al menos aproximadamente 90 °C, o al menos aproximadamente 100 °C. En otras realizaciones, el calentador lateral 470 incrementa efectivamente la temperatura de la corriente 72a en aproximadamente 10 °C hasta aproximadamente 200 °C, aproximadamente 50 °C hasta aproximadamente 175 °C, o aproximadamente 75 °C hasta aproximadamente 150 °C. En realizaciones específicas, el calentador lateral 470 incrementa la temperatura de la corriente 72a hasta entre al menos dentro de al menos aproximadamente 15 ° C, dentro de al menos aproximadamente 12 ° C, dentro de al menos aproximadamente 10 ° C, dentro de al menos aproximadamente 15 °C, en al menos aproximadamente 12 °C, en al menos aproximadamente 10 °C, en al menos aproximadamente 7 °C, o en al menos aproximadamente 5 °C de la temperatura de la corriente 73 que sale de intercambiador de calor 440.
Mediante esta adición de una fuente de calor adicional, la corriente 71 que sale del tercer intercambiador de calor 450 puede ser sobrecalentada más allá de la capacidad de calor disponible en el segundo intercambiador de calor 440 para calentar la corriente 71, si la cantidad completa de CO2 en la corriente fue dirigida hacia el segundo intercambiador de calor 440. Al dividir la corriente, el calor disponible en el segundo intercambiador de calor 440 puede ser impartido completamente al contenido parcial del fluido que circula de CO2 en la corriente 71b mientras que el calor disponible del calentador lateral 470 puede ser impartido completamente al contenido parcial del fluido que circula de CO2 en la corriente 72a. Así, puede verse que la temperatura de las corrientes combinadas que entran al primer intercambiador de calor 430 cuando se utilizan los métodos de división alternativos puede ser mayor que la temperatura de la corriente 73 que sale del segundo intercambiador de calor 440 si la cantidad total del fluido que circula de CO2 en la corriente 71 es dirigida al segundo intercambiador de calor 440 en vez de ser dividida y calentada separadamente, como se describió más arriba. En algunas realizaciones, el calor incrementado ganado por el método de división puede ser significativamente suficiente para limitar si la corriente de fluido que circula 236 de CO2 es o no suficientemente calentada antes de entrar a la cámara de combustión.
Como se ve en la Figura 8, la corriente 71b que sale del divisor 460 pasa a través del segundo intercambiador de calor 440 para formar la corriente 73, la cual es dirigida al mezclador 480 que combina la corriente 73 con la corriente 72b descargada del calentador lateral 470. La corriente combinada 74 pasa entonces a través del primer intercambiador de calor 430 para calentar el fluido que circula de CO2 hasta una temperatura que es sustancialmente cercana a la temperatura de la corriente de descarga de turbina cuando entra en el primer intercambiador de calor 430. Esta cercanía en temperaturas de las corrientes fluidas en el extremo caliente del primer intercambiador de calor puede aplicarse a realizaciones adicionales de la invención en el que se usan menos de tres o más de tres intercambiadores de calor y puede aplicarse al primer intercambiador de calor a través del cual el fluido que circula CO2 pasa después de la descarga de la turbina. La capacidad para alcanzar esta cercanía en temperatura de las corrientes fluidas en el extremo caliente del primer intercambiador de calor puede ser una característica clave de la invención para alcanzar niveles de eficiencia deseados. En ciertas realizaciones, la diferencia entre la temperatura de la corriente de descarga de turbina que entra al primer intercambiador de calor en línea desde la turbina (esto es, después de expandirse en la turbina) y la temperatura de la corriente de fluido que circula de CO2 que sale del intercambiador de calor para recircularse en la cámara de combustión puede ser menor de aproximadamente 80 °C, menos de aproximadamente 75 °C, menos de aproximadamente 70 °C, menos de aproximadamente 65 °C, menos de aproximadamente 60 °C, menos de aproximadamente 55 °C, menos de aproximadamente 50 °C, menos de aproximadamente 45 °C, menos de aproximadamente 40 °C, menos de aproximadamente 35 °C, menos de aproximadamente 30 °C, menos de aproximadamente 25 °C, menos de aproximadamente 20 °C, o menos de aproximadamente 15 °C.
Como puede verse a partir de lo anterior, la eficiencia de los sistemas de la presente invención puede ser facilitada grandemente por el control preciso de la diferencia de temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor 420 (o del primer intercambiador de calor 430 en la serie ilustrada en la Figura 8) entre la corriente de descarga de turbina 50 y la corriente de fluido que circula 236 de CO2 recirculada. En realizaciones preferidas, esta diferencia de temperatura es menos de 50 °C. Aunque no se desea estar limitado por la teoría, se ha encontrado de acuerdo con la presente invención que el calor disponible para calentar el fluido que circula de CO2 recirculado (por ejemplo, el calor extraído de la corriente de descarga de turbina en el uno o más intercambiadores de calor) puede ser inadecuado para calentar suficientemente la corriente total de fluido que circula de CO2 recirculado. La presente invención ha hecho realidad el que esto puede superarse dividiendo la corriente 71, de tal manera que la corriente 71b entra en el intercambiador de calor 440 y la corriente 72a entra en la fuente de calor externa 470 que proporciona la fuente de calor externa adicional que eleva la temperatura de la corriente 72b que sale de la fuente de calor externa 470 para estar sustancialmente cerca a la temperatura de la corriente 73 que sale del intercambiador de calor 440, como ya se describió más arriba. Las corrientes 72b y 73, se combinan entonces para formar la corriente 74. La tasa de flujo de la corriente 71b (y también de la corriente 72a) puede ser controlada por la diferencia de temperatura en el extremo frío del intercambiador de calor 440. La cantidad de calor externo requerida para superar la insuficiencia de calor descrita anteriormente puede ser minimizada haciendo que la temperatura de la corriente 56 sea tan baja como sea posible y luego minimizando la diferencia de temperatura en el extremo frío del intercambiador de calor 440. El vapor de agua presente en la corriente 56 que surge de los productos de combustión alcanza su punto de rocío a una temperatura que depende de la composición de la corriente 56 y su presión. Por debajo de esta temperatura la condensación de agua incrementa grandemente la mCP efectiva de la corriente 56 a la corriente 60 y proporciona todo el calor requerido para calentar la corriente de reciclaje total 70 a la corriente 71. La temperatura de la corriente 56 que sale del intercambiador de calor 400 puede preferiblemente estar alrededor de 5 °C en el punto de rocío de la corriente 56. La diferencia de temperatura en el extremo frío del intercambiador de calor 440 entre las corrientes 56 y 71 puede estar preferiblemente al menos alrededor de 3 °C, al menos aproximadamente 6 °C, al menos aproximadamente 9 °C, al menos aproximadamente 12 °C, al menos aproximadamente 15 °C, al menos aproximadamente 18 °C, o al menos aproximadamente 20 °C.
Regresando a la Figura 5, el fluido que circula 236 de CO2 puede ser precalentado antes de ser recirculado en hacia la cámara de combustión 220, tal como se describe en relación con el al menos un intercambiador de calor 420, el cual recibe la corriente de descarga de turbina 50 caliente después del paso a través de la turbina de expansión 320. Para maximizar la eficiencia del ciclo, puede ser útil operar la turbina de expansión 320 a una temperatura de entrada tan alta como sea posible consistente con los materiales disponibles para la construcción del camino de entrada del gas caliente y de las cuchillas de la turbina sometidas a alta tensión, así como la temperatura máxima permisible en el intercambiador de calor 420 consistente con las presiones de operación del sistema. El camino de entrada caliente de la corriente de entrada a la turbina y las primeras filas de cuchillas de turbina pueden ser enfriados por cualquier medio útil. En algunas realizaciones, la eficiencia puede ser maximizada utilizando parte del fluido que circula de CO2 recirculado, a alta presión. Específicamente, el fluido que circula de CO2 a temperatura más baja (por ejemplo, en el rango de aproximadamente 50 °C hasta aproximadamente 200 °C) puede ser extraído del ciclo antes del extremo frío del intercambiador de calor 420 o desde un punto intermedio en el intercambiador de calor 420 cuando se utiliza una serie de unidades de intercambio de calor múltiples (por ejemplo, de las corrientes 71, 72a, 71b, 72b, 73, o 74 en la Figura 8). El fluido de enfriamiento de las cuchillas puede ser descargado desde orificios en la cuchilla de la turbina y ser introducido directamente en el flujo de la turbina.
La operación de una cámara de combustión de alta eficiencia, tal como una cámara de combustión enfriada por transpiración descrito aquí, puede producir un gas de combustión el cual es un gas oxidante con concentración de oxígeno en exceso (tal como en el rango de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 5 % molar). Alternativamente, la cámara de combustión puede producir un gas de combustión el cual es un gas reductor con ciertas concentraciones de uno o más de H2 , CO, CH4 , H2S, y NH3. Esto es particularmente beneficioso puesto que hace posible de acuerdo con la invención utilizar una turbina de potencia con solamente una unidad de turbina o una serie de unidades de turbina (por ejemplo, 2, 3, o más unidades). De manera beneficiosa, en realizaciones específicas, utilizando una serie de unidades, todas las unidades pueden operar con la misma temperatura de entrada, y esto permite maximizar la generación de potencia para una relación de presión de alimentación a la primera turbina y presión global dada.
Un ejemplo de una unidad de turbina 320 que utiliza dos turbinas 330, 340, operadas en serie en el modo de reducción se muestra en la Figura 9. Como se ve aquí, la corriente de producto de combustión 40 es dirigida a la primera turbina 330. En tales realizaciones, la corriente de producto de combustión 40 está diseñada (por ejemplo, a través del control del combustible usado, la cantidad de O2 usada, y las condiciones de operación de la cámara de combustión) para ser un gas reductor con uno o más componentes combustibles en el mismo, como se describió más arriba. La corriente de producto de combustión 40 se expande a través de la primera turbina 330 para producir potencia (tal como en asociación con un generador eléctrico, no mostrado en la ilustración) y formar una primera corriente de descarga 42. Antes de la introducción en la segunda turbina 340, puede agregarse una cantidad predeterminada de O2 a la primera corriente de descarga de turbina 42 para someter a combustión los componentes inflamables presentes en la primera corriente de descarga de turbina 42. Esto deja un exceso de oxígeno a la vez que se eleva la temperatura de entrada en la segunda unidad de turbina 340 hasta sustancialmente el mismo valor que la temperatura de entrada de la primera unidad de turbina 330. Por ejemplo, la temperatura de la corriente de descarga 42 a partir de la primera unidad de turbina 330 puede estar en el rango de aproximadamente 500 °C hasta aproximadamente 1000 °C. Cuando está en el modo reductor, la adición del O2 a la corriente de descarga 42 a esta temperatura puede hacer que el gas en la corriente sea calentado por combustión del exceso de gas combustible hasta una temperatura en el rango de aproximadamente 700 °C hasta aproximadamente 1600 °C, el cual es sustancialmente el mismo rango de temperatura de la corriente de producto de combustión 40 que sale de la cámara de combustión 220 antes de entrar en la primera unidad de turbina 330. En otras palabras, la temperatura de operación en la entrada de cada una de las dos turbinas es sustancialmente la misma. En realizaciones específicas, la temperatura de operación en la entrada de las turbinas difiere en no más de aproximadamente 10 %, no más de aproximadamente 9 %, no más de aproximadamente 8 %, no más de aproximadamente 7 %, o no más de aproximadamente 6 %, no más de aproximadamente 5 %, no más de aproximadamente 4 %, no más de aproximadamente 3 %, no más de aproximadamente 2 %, o no más de aproximadamente 1 %. Podrían cumplirse etapas de recalentamiento similares para unidades de turbina adicionales hasta que permanezca el nivel de combustible residual. La combustión puede ser potenciada mediante el uso de un catalizador adecuado en el espacio de combustión de alimentación de oxígeno, si se requiere.
En ciertas realizaciones, un ciclo de potencia como se describe aquí puede ser utilizado para retroajustar estaciones de potencia existentes, por ejemplo, por la introducción un fluido de calentamiento a alta temperatura como a alta presión (por ejemplo, "la corriente de descarga de turbina descrito aquí) en el ciclo de sobrecalentamiento de vapor de una estación de potencia de ciclo Rankine convencional. Esta podría ser una estación de potencia de quema de carbón o nuclear con un ciclo de calor de reactor de agua en ebullición (BWR) o un reactor de agua presurizada (PWR). Esto incrementa efectivamente la eficiencia y la generación de potencia de la estación de potencia Rankine de vapor sobrecalentándolo a una temperatura bastante más alta que la temperatura máxima del vapor sobrecalentado producido en el sistema existente. En el caso de una caldera de quema de carbón pulverizado, las temperaturas de vapor frecuentemente llegan hasta un máximo de aproximadamente 600 °C mientras que las 60 condiciones del vapor en una estación de potencia nuclear generalmente llegan hasta aproximadamente 320 °C. Utilizando el sobrecalentamiento posible con el intercambio de calor en los sistemas de la presente invención, la temperatura del vapor puede ser elevada a por encima de 700 °C. Esto lleva a una conversión directa de la energía calorífica a potencia de eje extra puesto que el combustible adicional quemado para sobrecalentar el vapor es convertido en potencia extra en la estación de potencia basada en vapor sin incrementar la cantidad de vapor condensado. Esto puede ser logrado proveyendo una unidad de intercambio de calor secundaria. Por ejemplo, la corriente de descarga de turbina descrita en relación con los presentes sistemas de la invención podría ser dirigida a través de la unidad de intercambio de calor secundaria antes de pasar a través de la unidad de intercambio de calor primaria, como se describe de otra manera aquí. El calor obtenido en la unidad de intercambio de calor secundaria puede ser utilizado para sobrecalentar el vapor de la caldera, como se describe más arriba. El vapor sobrecalentado podría ser dirigido a una o más turbinas para generar potencia. La corriente de descarga de turbina, después de pasar a través de la unidad de intercambio de calor secundaria, podría ser entonces dirigida a la unidad de intercambio de calor primaria, como se describe aquí de otra manera. Tal sistema está descrito en el Ejemplo 2 y se ilustra en la Figura 12. Además, es posible tomar el vapor a baja presión de la entrada de turbina de vapor final y utilizarlo para calentar parte del fluido que circula de CO2 recirculado, como se describe más arriba. En realizaciones específicas, el condensado de la estación de potencia de vapor puede ser calentado a una temperatura intermedia antes de la desaireación utilizando la corriente de fluido que circula de CO2 , lo cual sale del extremo frío de la unidad de intercambio de calor (por ejemplo, a una temperatura de aproximadamente 80 °C en algunas realizaciones). Este calentamiento normalmente utiliza vapor desviado tomado de la entrada a la etapa de la turbina de vapor LP final de tal manera que el efecto neto sobre la eficiencia la estación de potencia de vapor del déficit por el presente calentamiento de corriente lateral es compensado por el precalentamiento de condensado, el cual que conserva el vapor desviado.
El método general descrito más arriba para la producción de potencia (esto es, un ciclo de potencia) puede ser 20 implementado de acuerdo con la invención utilizando un sistema de producción de potencia adecuado como se describe aquí. En general, un sistema de producción de potencia de acuerdo con la invención puede comprender cualquiera de los componentes descritos aquí en relación con el método de producción de potencia. Por ejemplo, un sistema de producción de potencia puede comprender una cámara de combustión para someter a combustión un combustible que contiene carbono en la presencia de O2 y un fluido que circula de CO2. Específicamente, la cámara de combustión puede ser una cámara de combustión enfriada por transpiración, como se describe aquí; sin embargo, también pueden usarse aquí otras cámaras de combustión capaces de operar bajo las condiciones descritas de otra manera. La cámara de combustión específicamente puede ser caracterizada en relación con las condiciones de combustión bajo las cuales opera, así como por los componentes específicos de la cámara de combustión misma. En algunas realizaciones, el sistema puede comprender uno o más inyectores para proporcionar el combustible que contiene carbono (y opcionalmente un medio fluidizante) el O2 , y el fluido que circula de CO2. El sistema puede incluir componentes para la eliminación de residuos líquidos. La cámara de combustión puede producir un gas combustible a una temperatura a la cual las partículas de cenizas sólidas pueden ser filtradas efectivamente del gas, y el gas puede ser mezclado con el CO2 enfriado y ser quemado en una segunda cámara de combustión. La cámara de combustión puede incluir al menos una etapa de combustión que somete a combustión el combustible que contiene carbono en la presencia del fluido que circula de CO2 para proporcionar una corriente de producto de combustión que comprende CO2 a una presión y temperatura como las que se describen aquí.
El sistema puede comprender adicionalmente una turbina de producción de potencia en comunicación fluida con la cámara de combustión. La turbina puede tener una entrada para recibir la corriente del producto de combustión y una salida para liberar una corriente de descarga de turbina que comprende CO2. La potencia puede ser producida como a medida que la corriente fluida se expande, estando diseñada la turbina para mantener la corriente fluida a una relación de presión deseada (Ip/Op), tal como se describe aquí.
El sistema puede comprender adicionalmente al menos un intercambiador de calor en comunicación fluida con la turbina para recibir la corriente de descarga de turbina y enfriar la corriente para formar una corriente de fluido que circula de CO2 enfriada. De la misma manera, el al menos un intercambiador de calor puede ser utilizado para calentar el fluido que circula de CO2 que es ingresado a la cámara de combustión. El o los intercambiadores de calor específicamente pueden ser caracterizados en relación con los materiales de los cuales están construidos que permiten la operación bajo condiciones específicas como se describe aquí.
El sistema también puede comprender uno o más dispositivos para separar la corriente de fluido que circula de CO2 que sale del intercambiador de calor hacia el CO2 y uno o más componentes adicionales para recuperación o desecho. Específicamente, el sistema puede comprender medios para separar agua (u otras impurezas descritas aquí) de la corriente de fluido que circula de CO2.
El sistema puede comprender adicionalmente uno o más dispositivos (por ejemplo, compresores) en comunicación fluida con el al menos un intercambiador de calor (y/o en comunicación fluida con uno o más de los dispositivos de separación) para comprimir el fluido que circula de CO2 purificado. Además, el sistema puede comprender medios para separar el fluido que circula de CO2 en dos corrientes, una corriente para paso a través del intercambiador de calor y hacia la cámara de combustión y una segunda corriente para suministrar a una tubería presurizada (u otros medios para retención y/o forma de desecho del CO2).
En algunas realizaciones, pueden incluirse incluso componentes adicionales en el sistema. Por ejemplo, el sistema puede comprender una unidad de separación de O2 para administrar O2 a la cámara de combustión (o en un inyector o dispositivo similar para mezclar el O2 con uno o más materiales adicionales). En algunas realizaciones, la unidad de separación de aire puede generar calor. Así, puede ser útil para el sistema comprender adicionalmente uno o más componentes de transferencia de calor que transfieran calor desde la unidad de separación de aire a la corriente de fluido que circula de CO2 aguas arriba de la cámara de combustión. En realizaciones adicionales, un sistema de acuerdo con la invención puede comprender cualquiera y todos los componentes descritos de otra manera aquí en relación con el ciclo de generación de potencia y los métodos de generación de potencia.
En realizaciones adicionales, la invención abarca sistemas particularmente útiles en la producción de potencia utilizando un combustible (tal como carbón) que deja un residuo incombustible en la combustión. En ciertas realizaciones, tales materiales incombustibles pueden ser retirados de la corriente de producto de combustión a través del uso de un dispositivo apropiado, tal como un aparato de eliminación de contaminantes ilustrado en la Figura 4. En otras realizaciones, sin embargo, puede ser útil manejar los materiales incombustibles a través del uso de un sistema con cámaras de combustión múltiples, tal como se ilustra en la Figura 10.
Como se muestra en la Figura 10, el combustible de carbón 254 puede pasar a través de un aparato de molienda 900 para proporcionar un carbón pulverizado. En otras realizaciones, el combustible de carbón 254 podría ser provisto en una condición en forma de partículas. En realizaciones específicas, el carbón puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 10 pm hasta aproximadamente 500 pm, aproximadamente 25 pm hasta aproximadamente 400 pm, o aproximadamente 50 pm hasta aproximadamente 200 pm. En otras realizaciones, el carbón puede ser descrito en que más del 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 %, o 99,5 % de las partículas de carbón tienen un tamaño promedio de menos de aproximadamente 500 pm, 450 pm, 400 pm, 350 pm, 300 pm, 250 pm, 200 pm, 150 pm o 100 pm. El carbón pulverizado puede ser mezclado con una sustancia fluidizante para proporcionar el carbón en la forma de un lodo. En la Figura 10, el carbón pulverizado es combinado en el mezclador 910 con una extracción lateral 68 de CO2 del fluido que circula de CO2 recirculado. En la Figura 10, la extracción lateral 68 de CO2 es extraída de la corriente 67, la cual ha sufrido el procesamiento para proporcionar el fluido que circula de CO2 en un estado de alta densidad supercrítico. En realizaciones específicas, el CO2 utilizado para formar el lodo de carbón puede tener una densidad de aproximadamente 450 kg/m3 a aproximadamente 1100 kg/m3. Más particularmente, la extracción lateral 68 de CO2 puede cooperar con el carbón en partículas para formar un lodo 255 que tiene, por ejemplo, entre aproximadamente 10 % en peso y aproximadamente 75 % en peso o entre aproximadamente 25 % en peso y aproximadamente 55 % en peso del carbón en partículas. Además, el CO2 de la extracción lateral 68 usado para formar el lodo puede estar a una temperatura de menos de aproximadamente 0 °C, menos de aproximadamente -10 °C, menos de aproximadamente -20 °C, o menos de aproximadamente -30 °C. En realizaciones adicionales, el CO2 de la extracción lateral 68 utilizado para formar el lodo puede estar a una temperatura de aproximadamente 0 °C hasta aproximadamente -60 °C, aproximadamente -10 °C hasta aproximadamente -50 °C, o aproximadamente -18 °C hasta aproximadamente -40 °C.
El lodo 255 de carbón pulverizado/CO2 es transferido desde el mezclador 910 a través de la bomba 920 a una cámara de combustión 930 de oxidación parcial. Se forma una corriente de O2 utilizando una unidad de separación de aire 30 que separa el aire 241 en O2 purificado, como se describe aquí. La corriente de O2 se divide en la corriente 243 de O2 , la cual se dirige a la cámara de combustión 930 de oxidación parcial, y la corriente 242 de O2 , la cual es dirigida a la cámara de combustión 220. En la realización de la Figura 10, una corriente 86 de CO2 es extraída de la corriente de fluido que circula 85 de CO2 recirculada para uso en el enfriamiento de la cámara de combustión 930 de oxidación parcial. En realizaciones adicionales, el CO2 para uso en el enfriamiento de la cámara de combustión 930 de oxidación parcial puede ser tomado de la corriente 236 en vez de la corriente 86 o, el CO2 puede ser tomado tanto de la corriente 86 como de la corriente 236. Preferiblemente, la cantidad de CO2 extraído es suficiente para enfriar la temperatura de la corriente 256, de tal manera que la ceniza está presente en forma sólida y puede ser retirada con seguridad. Como se describe de otra manera aquí, el CO2 , el carbón y el O2 se proporcionan a la cámara de combustión 930 de oxidación parcial en relaciones tales que el carbón es oxidad solo parcialmente para producir una corriente 256 de producto de combustión oxidada parcialmente que comprende CO2 junto con uno o más de H2 , CO, CH4, H2S y NH3. El CO2 , el carbón y el O2 también son introducidos en la cámara de combustión 930 de oxidación parcial en relaciones necesarias de tal manera que la temperatura de la corriente 256 de producto de combustión oxidado parcialmente es suficiente más baja de forma que toda la ceniza presente en la corriente 256 es en la forma de partículas sólidas que pueden ser retiradas fácilmente por uno o más separadores ciclónicos y/ o filtros. La realización de la Figura 10 ilustra la eliminación de cenizas a través del filtro 940. En realizaciones específicas, la temperatura de la corriente 256 de combustión oxidada parcialmente puede ser menos de aproximadamente 1100 °C, menos de aproximadamente 1000 °C, menos de aproximadamente 900 °C; menos de aproximadamente 800 °C, o menos de aproximadamente 700 °C. En realizaciones adicionales, la temperatura de la corriente de combustión 256 oxidada parcialmente puede ser aproximadamente 300 °C hasta aproximadamente 1000 °C, aproximadamente 400 °C hasta aproximadamente 950 °C, o aproximadamente 500 °C hasta aproximadamente 900 °C.
La corriente de combustión 257 oxidada parcialmente, filtrada puede ser ingresada directamente en la segunda cámara de combustión 220, la cual puede ser una cámara de combustión enfriada por transpiración, como se describe de alguna otra manera aquí. Este ingreso es provisto junto con la corriente 242 de O2 , y la corriente de fluido que circula 236 de CO2 recirculada. La combustión en este punto puede proceder de manera similar a como se ha descrito de otra manera aquí. Los materiales combustibles en la corriente de combustión 256 oxidada parcialmente son sometidos a combustión en la cámara de combustión 220 en presencia de O2 y CO2 para proporcionar la corriente de combustión. Esta corriente es expandida a través de una turbina 320 para producir potencia (por ejemplo, a través del generador 1209). La corriente de descarga de turbina 50 pasa a través de una unidad de intercambio de calor 420 (la cual puede ser una serie de intercambiadores de calor, tal como se describe en relación con la Figura 8). La corriente de fluido que circula 60 de CO2 pasa a través del intercambiador de calor 530 enfriado por agua para formar la corriente 61, la cual pasa al separador 540 para la eliminación de componentes secundarios (por ejemplo, H2O, SO2 , SO4 , NO2 , NO3 , y Hg) en la corriente 62. El separador 540 puede ser sustancialmente similar a la columna 1330 descrita en relación con la Figura 12 más abajo. Preferiblemente, el separador 540 comprende un reactor que proporciona un contactor con suficientes tiempos de residencia de tal manera que las impurezas puedan reaccionar con el agua para formar materiales (por ejemplo, ácidos) que son retirados fácilmente. La corriente de fluido que circula 65 de CO2 purificada pasa a través de un primer compresor 630 para formar la corriente 66, la cual es enfriada con el intercambiador de calor 640 enfriado por agua para proporcionar el fluido que circula 67 de CO2 de alta densidad, supercrítico. Como se describió más arriba, una porción de la corriente 67 puede ser extraída como corriente 68 para uso como medio fluidizante en el mezclador 910 para formar la corriente de suspensión 255 de carbón. La corriente de fluido que circula 67 de CO2 de alta densidad, supercrítica es de otra manera presurizada adicionalmente en el compresor 650 para formar la corriente de fluido que circula 70 de CO2 de alta densidad, presurizada. Una porción del CO2 en la corriente 70 puede ser extraída en el punto 720, según se describe aquí en relación con la Figura 5 y la Figura 11 para proporcionar la corriente 80 a una tubería de CO2 u otros medios de retención. La porción restante de CO2 procede como corriente de fluido que circula 85 de CO2 de alta densidad, supercrítica, una porción de la cual puede ser extraída como corriente 86 para utilizarla para el enfriamiento de la cámara de combustión 930 de oxidación parcial, como se describió más arriba. De otra manera, la corriente 85 es pasada de regreso a través del intercambiador de calor 420 (o serie de intercambiadores de calor, como se describe en relación con la Figura 8) para calentar la corriente y finalmente desde la corriente de fluido que circula 236 de CO2 recirculada para ingresar en la cámara de combustión 220. Como se describió más arriba, puede utilizarse una fuente de calor externa en combinación con la unidad de intercambio de calor 420 para proporcionar la eficiencia necesaria. De la misma manera, pueden aplicarse otros parámetros de sistema como los descritos aquí de otra forma al sistema de acuerdo con la Figura 10, tales como temperaturas y presiones de corriente, así como otras condiciones de operación para la unidad de turbina 320, la unidad de intercambio de calor 420, la unidad de separación 520, y la unidad compresora 630.
Experimental
La invención es descrita adicionalmente a continuación en relación con ejemplos específicos. Los ejemplos se proporcionan para ilustrar ciertas realizaciones de la invención y no deben considerarse como limitantes de la invención.
Ejemplo 1
Sistema para la producción de potencia con combustión de metano utilizando un fluido que circula de CO2 recirculado
Un ejemplo específico de un sistema de acuerdo con la presente invención está ilustrado en la Figura 11. La siguiente descripción describe el sistema en relación con un ciclo específico bajo condiciones específicas utilizando modelación por ordenador.
En este modelo, una corriente 254 de combustible metano (CH4) a una temperatura de 134 °C y a una presión de 30,5 MPa se combina con una corriente de fluido que circula 236 de CO2 recirculada a una temperatura de 860 °C y una presión de 30,3 MPa (y así en un estado de fluido supercrítico) en un mezclador 252 antes de introducirla en una cámara de combustión 220 enfriada por transpiración. Una unidad de separación de aire 30 es utilizada para proporcionar O2 242 concentrado a una temperatura de 105 °C y a una presión de 30,5 MPa. La unidad de separación de aire también produce calor (Q) que es extraído para uso en el proceso. El O2 242 se combina en la cámara de combustión 220 con la corriente 254 de combustible de metano y el fluido que circula 236 de CO2 donde se produce la combustión para proporcionar la corriente 40 de producto de combustión a una temperatura de 1189 °C y a una presión de 30 MPa. El CO2 , el O2 y el metano son provistos en una relación molar de aproximadamente 35:2:1 (esto es, lbmol/hr - libras moles por hora). La combustión en esta realización utiliza entrada de energía a una tasa de 363,932 kJ/hr (344,935 Btu/hr).
La corriente 40 del producto de combustión se expande a través de la turbina 320 para producir la corriente de descarga de turbina 50 a una temperatura de 885 °C y una presión de 5 MPa (estando el CO2 en la corriente de descarga de turbina 50 en un estado gaseoso). La expansión de la corriente 40 del producto de combustión a través de la turbina 320 produce potencia a una tasa de 83,5 kilovatios por hora (kW/h).
La corriente de descarga de turbina 50 pasa entonces a través de una serie de tres intercambiadores de calor que enfrían sucesivamente la corriente para eliminar componentes secundarios. El paso a través del primer intercambiador de calor 430 produce la corriente 52 a una temperatura de 237 °C y a una presión de 5 MPa. La corriente 52 pasa a través del segundo intercambiador de calor 440 para producir la corriente 56 a una temperatura de 123 °C y a una presión de 5 MPa. La corriente 56 pasa a través del tercer intercambiador de calor 450 para producir la corriente 60 a una temperatura de 80 °C y a una presión de 5 MPa.
Después del paso del fluido que circula de CO2 recirculado a través de la serie de intercambiadores de calor, la corriente 60 es incluso enfriada adicionalmente por paso a través de un intercambiador 530 enfriado con agua. El agua (C) a una temperatura de 24 °C es circulada a través del intercambiador 530 enfriado por agua para enfriar la corriente 60 de fluido que circula de CO2 a una temperatura de 27 °C y así condensa cualquier agua presente en la corriente de fluido que circula de CO2. La corriente 61 de fluido que circula de CO2 enfriada pasa entonces a través de una unidad de separación de agua 540, de tal manera que el agua líquida es retirada y descargada como corriente 62a. La corriente 65 de fluido que circula de CO2 "seca" es descargada de la unidad de separación 540 de agua a una temperatura de 34 °C y a una presión de 3 MPa.
La corriente 65 de fluido que circula de CO2 seca (la cual está todavía en estado gaseoso) es pasada a continuación a través de una primera unidad de compresión 630 en un esquema de presurización de dos etapas. La corriente de fluido que circula de CO2 es presurizada a 8 MPa, lo cual probablemente eleva la temperatura de la corriente de fluido que circula de CO2 a 78 °C. Esto requiere una entrada de potencia de 5,22 kW/hora. Esta corriente 66 de fluido que circula de CO2 en fluido supercrítico es pasada entonces a un segundo intercambiador de calor 640 enfriado por agua, en el que la corriente 66 de fluido que circula de CO2 en fluido supercrítico es enfriada con agua a una temperatura de 24 °C para producir una corriente 67 de fluido que circula de CO2 en fluido supercrítico a una temperatura de 27 °C, una presión de 8 MPa y una densidad de 762 kg/m3. Esta corriente pasa entonces a través de una segunda unidad de compresión 650 para formar la corriente 70 de fluido que circula de CO2 presurizado a una temperatura de 69 °C y a una presión de 30,5 MPa. Esto requiere una entrada de potencia de 8,23 kW/hora. Esta corriente es pasada a través de un divisor de tubería 720 mediante el cual 1 lbmol de CO2 se dirige a una tubería presurizada a través de la corriente 80, y 34,1 lbmol de CO2 es dirigida a corriente 85 de regreso a través de la serie de tres intercambiadores de calor para recalentar la corriente de fluido que circula de CO2 antes de entrar a la cámara de combustión 220.
La corriente 85 de fluido que circula de CO2 presurizada es pasada a través del tercer intercambiador de calor 450 para formar la corriente 71 a una temperatura de 114 °C y una presión de 30,5 MPa. La corriente 71 pasa a través del divisor 460, de tal manera que 27,3 Ibmol de CO2 son dirigidos como corriente 71b al segundo intercambiador de calor 440, y 6,8 lbmol de CO2 son dirigidos en la corriente 72a a través de un calentador lateral 470. La corriente 71b y la corriente 72a tienen, cada una, una temperatura de 114 °C a una presión de 30,5 MPa. El calentador lateral 470 utiliza calor (Q) de la unidad separadora de aire 30 para proporcionar calor adicional a la corriente de fluido que circula de CO2. El paso de la corriente 71b a través del segundo intercambiador de calor 440 produce la corriente 73 a una temperatura de 224 °C y una presión de 30,5 MPa. El paso de la corriente 72a a través del calentador lateral 470 forma la corriente 72b, la cual de la misma manera está a una temperatura de 224 °C y a una presión de 30,4 MPa. Las corrientes 73 y 72b se combinan en el mezclador 480 para formar la corriente 74 a una temperatura de 224 °C y a una presión de 30,3 MPa. La corriente 74 pasa entonces a través del primer intercambiador de calor 430 para proporcionar la corriente 236 de fluido que circula de CO2 recirculada a una temperatura de 860 °C y a una presión de 30,0 MPa para entrada de regreso a la cámara de combustión 220.
La eficiencia del ciclo anterior modelado fue calculada con base en la energía generada en comparación con el LHV del combustible de metano y la entrada de energía adicional en el sistema, como se describió más arriba. Bajo las condiciones modeladas, se alcanzó una eficiencia de aproximadamente 53,9 %. Esto es particularmente sorprendente porque puede lograrse una eficiencia tan excelente a la vez que simultáneamente se evita la descarga atmosférica de cualquier CO2 (particularmente cualquier CO2 que surge de la combustión del combustible que contiene carbono).
Ejemplo 2
Sistema para la producción de potencia con un retroajuste de una estación de potencia de carbón pulverizado para utilizar un fluido que circula de CO2 recirculado
Otro ejemplo específico de un sistema de acuerdo con la presente invención está ilustrado en la Figura 12. La siguiente descripción describe el sistema en relación con un ciclo específico bajo condiciones específicas utilizando una modelación matemática.
En este modelo, se ilustra la habilidad de retroajustar un sistema tal como se describe aquí a una estación de potencia de quema de carbón pulverizado convencional.
Una corriente 1056 de O2 a una presión de 30,5 MPa es introducida en una cámara de combustión 220 enfriada por transpiración junto con un combustible 1055 que contiene carbono (por ejemplo, gas derivado de carbón producido por oxidación parcial) a una presión de 30,5 MPa y una corriente 1053 de fluido que circula de CO2 a una presión de 30,5 MPa. El O2 puede ser recibido de un separador de aire o dispositivo similar que puede producir calor (Q), el cual puede ser extraído para uso en el sistema, tal como para producir vapor para expansión o para agregar calor a la corriente de fluido que circula de CO2. La combustión del combustible en la cámara de combustión 220 produce una corriente 1054 del producto de combustión a una temperatura de 1150 °C y a una presión de 30,0 MPa. Esta corriente es expandida a través de una turbina 320 (la cual en general puede denominarse como una turbina de producción de potencia primaria) para producir potencia impulsando un generador eléctrico 1209. La corriente de descarga de turbina 1001 en expansión a una temperatura de 775 °C y a una presión de aproximadamente 3,0 MPa es introducida en el extremo caliente de un intercambiador de calor 1100, en el que el calor de la corriente de descarga de turbina 1001 se utiliza para sobrecalentar el flujo de vapor 1031 a alta presión y el flujo de vapor 1032 a presión intermedia producido en una estación de potencia 1800 por quema de carbón pulverizado convencional. El agua de alimentación 1810 de la caldera y el carbón 1810 son ingresados en la estación de potencia 1800 para producir los flujos de vapor 1031 y 1032 por combustión del carbón 1810. La transferencia de calor en el intercambiador sobrecalienta los flujos de vapor 1031 y 1032 desde una temperatura de aproximadamente 550 °C hasta una temperatura de aproximadamente 750 °C para formar los flujos de vapor 1033 y 1034, los cuales son regresados a la estación de potencia como se describe más adelante. Este método alcanza temperaturas de vapor muy altas sin la necesidad de utilizar costosas aleaciones para alta temperatura en las grandes calderas de vapor de una estación de potencia convencional que quema carbón a casi la presión atmosférica. Los flujos de vapor 1033 y 1034 son expandidos en una turbina 1200 de tres etapas (la cual puede ser denominada generalmente como turbina de producción de potencia secundaria) que impulsa un generador eléctrico 1210. El vapor 1035 que sale de la turbina 1200 es condensado en un condensador 1220. El condensado 1036 tratado es bombeado a alta presión con una bomba 1230 alimentada con agua y luego es vaporizada y sobrecalentada en la caldera 1800 de quema de carbón para descarga en el intercambiador de calor 1100, como se describe más arriba. Este sistema se utiliza para incrementar la generación de potencia y la eficiencia de una estación de potencia de quema de carbón existente.
El intercambiador de calor 100 es un intercambiador de calor de placa unida de difusión tipo Heatric con pasos molidos químicamente construidos típicamente con una aleación con contenido alto de níquel para alta temperatura, tal como aleación 617, la cual es capaz de manejar altas presiones y temperaturas permitiendo un significativo sobrecalentamiento y operación de vapor bajo condiciones de oxidación. Este intercambiador de calor es una unidad de transferencia de calor de alta eficiencia con coeficientes de transferencia de calor altos para todos los fluidos.
La porción restante del sistema ilustrado en la Figura 12 es similar en estructura y operación a los sistemas y métodos descritos de otra manera aquí. Específicamente, la corriente de descarga de turbina 1001 por expansión es enfriada en el intercambiador de calor 1100 y sale del extremo frío del intercambiador de calor 1100 como una corriente de descarga 1037, la cual está a una temperatura de 575 °C. Esta corriente 1037 pasa entonces a través de un segundo intercambiador de calor 1300 en el que se enfría a una temperatura de 90 °C y a una presión de 2,9 MPa para formar la corriente 1038. Esta corriente es enfriada adicionalmente contra una porción del condensado 1057 del condensador 1230 de la estación de potencia en un tercer intercambiador de calor 1310 hasta una temperatura de 40 °C para formar la corriente 1039, la cual es enfriada adicionalmente hasta una temperatura de 27 °C de nuevo contra agua de enfriamiento en un intercambiador de calor 1320 con agua fría para formar la corriente 1040 a una presión de 2,87 MPa. El intercambiador de calor 1300 puede ser una unidad de difusión de acero inoxidable Heatric 310.
La corriente 1040 enfriada a 30 °C es alimentada a la base de una columna 1330 empacada, la cual está equipada con una bomba de circulación 1340 que proporciona una corriente circulación de ácido débil en contracorriente que da un contacto en contracorriente entre el gas que entra y ácido débil de limpieza. Los SO2 , SO3 , NO, y NO2 son convertidos en HNO3 y H2SO4 y son absorbidos en el líquido junto con agua condensada y cualquier otro componente soluble en agua. El producto líquido neto de la columna 1330 es retirado en la línea 1042 y la presión es reducida a presión atmosférica y entra a un separador 1360. El CO2 disuelto se libera en la línea 1043, es comprimido utilizando una bomba 1350 a una presión de 2,85 MPa, y fluye como la corriente 1044 para unirse con la corriente 1045 que sale de la parte superior de la columna 1330. Estas corrientes combinadas forman el fluido que circula de CO2 que será recirculado de regreso a la cámara de combustión. El H2SO4 y HNO3 diluidos en agua salen como la corriente 1046 de la base del separador 1360. Las concentraciones dependen de la composición del combustible y la temperatura en la columna de contacto 1330. Nótese que el ácido nítrico preferiblemente está presente en la corriente ácida 1046, y como ácido nítrico reaccionará con el mercurio presente y eliminará esta impureza completamente.
La corriente de fluido que circula de CO2 recirculada que entra al compresor 1380 es secada primero a un punto de rocío de aproximadamente -60 °C en un secador desecante y luego purificada para eliminar O2 , N2, Ar utilizando un esquema de separación a baja temperatura, tal como el mostrado en la solicitud de patente europea EP1952874 A1, que se incorpora aquí por referencia.
La corriente 1047 de fluido que circula de CO2 recirculada, comprimida que sale del compresor 1380 a una presión de 8,5 MPa es enfriada contra agua de enfriamiento a 27 °C en un intercambiador de calor 1370 enfriado por agua formándose una corriente 1048 de fluido de CO2 supercrítico, la cual es bombeada a una presión de 30,5 MPa y a una temperatura de 74 °C en la bomba 1390 para formar la corriente 1050 de fluido que circula de CO2 recirculada a alta presión. Una porción del CO2 es retirada de la corriente 1050 como corriente 1049 de producto de CO2 para ser retenida o de alguna otra manera sometida a desecho sin descarga a la atmósfera. En esta realización, la corriente 1049 de producto de CO2 es reducida en presión a la presión de tubería requerida de aproximadamente 20 MPa y pasada hacia una tubería de CO2.
La porción restante de la corriente (ahora corriente 1051) de fluido que circula de CO2 recirculada, a alta presión entra al extremo frío del intercambiador de calor 1300. Esta corriente, que es un fluido supercrítico denso a 74 °C, debe recibir una cantidad considerable de calor de grado bajo para convertirse en un fluido con un calor específico mucho más bajo a una temperatura de 237 °C. En esta realización, tal calor de grado bajo es provisto por una corriente 1052 de vapor LP a una presión de 0,65 MPa tomada desde la corriente de vapor que entra a la turbina de vapor de baja presión de la estación de potencia convencional junto con el calor adiabático de compresión derivado de los compresores de aires en la planta de oxígeno criogénica que suministra la corriente 1056 de O2. El vapor a baja presión sale del intercambiador de calor 1300 como corriente 1301. Opcionalmente, todo el calor puede proporcionarse utilizando un cierto número de corrientes de vapor disponibles de la estación de potencia de quema de carbón a presiones de hasta 3,8 MPa. Esta energía también podría ser provista a partir del calor (Q) formado por la unidad de separación de aire, como se describió más arriba. El calentamiento de la corriente lateral de parte de la corriente de CO2 recirculada proporciona una gran parte del calor requerido en el extremo frío del intercambiador de calor 1300 y permite una diferencia de temperatura pequeña de sólo aproximadamente 25 °C en el extremo caliente del intercambiador de calor 1300, lo cual incrementa la eficiencia total.
La corriente 1053 de fluido que circula de CO2 recirculada a alta temperatura, alta presión, sale del intercambiador de calor 1300 a una temperatura de 550 °C y entra en la cámara de combustión 220, donde es usada para enfriar los gases de combustión derivados de la combustión de una corriente 1055 de gas natural (en esta realización) con la corriente 1056 de oxígeno de 97 % molar para producir la corriente 1054 de producto de combustión, como se describe más arriba. En esta realización, el camino caliente a la turbina y las primeras filas de cuchillas de la turbina son enfriadas utilizando una corriente 1058 de CO2 tomada de la corriente 1050 de descarga de bomba a una temperatura de 74 °C.
Si el sistema descrito más arriba es operado en una estación de potencia independiente con combustible de gas natural simulado por CH4 puro, entonces la corriente 1053 de CO2 recirculada entra a la cámara de combustión a una temperatura de aproximadamente 750 °C y el escape 1001 de la turbina entra en el intercambiador de calor 1300 a una temperatura de aproximadamente 775 °C.
La eficiencia del sistema de potencia separado en esta realización es 53,9 % (LHV). Esta cifra incluye el consumo de potencia para la planta criogénica de O2 y la alimentación de gas natural y los compresores de CO2. Si el combustible fuera un carbón simulado con un valor de calentamiento de 27,92 Mj/kg (por ejemplo, parcialmente oxidado con eliminación de cenizas en una primera cámara de combustión y unidad de filtración seguida por la combustión del gas combustible y la mezcla del CO2 en una segunda cámara de combustión), entonces la eficiencia sería del 54 % (LHV). En ambos casos virtualmente el 100 % del CO2 derivado del carbono en el combustible sería producido a una presión de tubería de 20 MPa.
El sistema descrito anteriormente e ilustrado en la Figura 12 con combustible de carbón puede ser caracterizado por ser aplicado a una estación de potencia con parámetros específicos descritos a continuación. El efecto de convertir una estación de potencia con quema de carbón pulverizado de acuerdo con la presente invención se calcula como sigue:
Condiciones del vapor Vapor HP: 16,6 MPa, 565 °C, corriente: 473,14 kg/seg
Vapor LP: 4,02 MPa, 565 °C, corriente: 371.62 kg/seg
Producción neta de potencia: 493,7 Mw
Carbón para estación existente: 1256,1 Mw
Eficiencia (LHV) neta: 39,31%
Captura de CO2 %: 0
Planta convertida con mejora de la estación existente incorporando un sistema divulgado en el presente documento:
Salida de potencia neta del sistema de potencia de CO2 : 371,7 Mw Potencia neta de la estación existente: 639,1 Mw Potencia neta total: 1010,8Mw Carbón para sistema de potencia de CO2 : 1053,6 Mw
Carbón para la estación existente: 1256.1 Mw
Eficiencia total neta (LHV): 43,76%
Captura de CO2 %: 45,6% *
*Véase que ningún CO2 se captura de la estación existente en este ejemplo.
Muchas modificaciones y otras realizaciones de la invención vendrán a la mente de los experimentados en la técnica a la cual es pertinente esta invención teniendo el beneficio de las enseñanzas presentadas en las descripciones anteriores y en los dibujos asociados. Por lo tanto, debe entenderse que la invención no debe limitarse a las realizaciones específicas descritas y que se pretende que las modificaciones y otras realizaciones estén incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Aunque términos específicos se emplean en este documento, se usan solo en un sentido genérico y descriptivo y no con fines limitativos.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de generación de potencia que comprende:
una cámara de combustión (220) configurada para recibir un combustible, O2 y una corriente de fluido que circula de CO2, y que tiene al menos una etapa de combustión que quema el combustible en presencia del fluido que circula de CO2 y proporciona una corriente de producto de combustión que comprende CO2 a una presión de al menos aproximadamente 8 MPa y a una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C;
una turbina de producción de potencia primaria (320) en comunicación fluida con la cámara de combustión (220), teniendo la turbina primaria (320) una entrada para recibir la corriente de producto de combustión y una salida para liberar una corriente de descarga de turbina que comprende CO2 , estando la turbina primaria adaptada para controlar una caída de presión de modo que la relación de la presión de la corriente del producto de combustión en la entrada en comparación con la presión de la corriente de descarga de la turbina en la salida sea menor que aproximadamente 12;
una unidad de intercambio de calor primaria (420) en comunicación fluida con la turbina primaria (320) para recibir la corriente de descarga de la turbina y transferir calor desde la misma a la corriente de fluido en circulación de CO2;
al menos un compresor (620) en comunicación fluida con al menos un intercambiador de calor (420) para presurizar la corriente de fluido de circulación de CO2 ; y
uno o más componentes de transferencia de calor además de la unidad de intercambio de calor primaria (420) adaptado para transferir calor adicional al fluido que circula de CO2 aguas arriba de la cámara de combustión (220) y aguas abajo del al menos un compresor (620).
2. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 1, que comprende además uno o más dispositivos de separación (520) colocados entre la unidad de intercambio de calor primaria (420) y el al menos un compresor (620) para la eliminación de uno o más componentes secundarios presentes en el fluido que circula de CO2 además del CO2.
3. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 2, en el que el al menos un compresor (620) comprende un primer compresor (630) adaptado para comprimir la corriente de fluido en circulación de CO2 a una presión que está por encima de la presión crítica del CO2.
4. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 3, que comprende un dispositivo de enfriamiento (640) adaptado para enfriar la corriente de fluido en circulación de CO2 que sale del primer compresor (630) a una temperatura donde su densidad es mayor que aproximadamente 200 kg/m3.
5. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 4, que comprende un segundo compresor (650) adaptado para comprimir la corriente de fluido de circulación de CO2 enfriada a una presión requerida para la entrada a la cámara de combustión (220).
6. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 1, en el que el uno o más componentes de transferencia de calor están asociados con una unidad de separación de O2 (520).
7. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 1, en el que la cámara de combustión (220) es una primera cámara de combustión, y comprende además una segunda cámara de combustión (930) situada aguas arriba y en comunicación fluida con la primera cámara de combustión (220).
8. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 7, que comprende además uno o más filtros (940) o dispositivos de separación ubicados entre la segunda cámara de combustión (930) y la primera cámara de combustión (220).
9. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 7, que comprende además un dispositivo de mezcla para formar una suspensión de un material de combustible en partículas con un medio de fluidización, y que opcionalmente comprende un dispositivo de molienda para particularizar un combustible sólido.
10. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 1, en el que la unidad de intercambio de calor primaria (420) comprende al menos dos intercambiadores de calor, particularmente en el que la unidad de intercambio de calor primaria (420) comprende una serie de al menos tres intercambiadores de calor.
11. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 1, en el que la turbina de producción de potencia primaria (320) comprende una serie de al menos dos turbinas (330, 340).
12. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 1, que comprende además una unidad de intercambio de calor secundaria situada entre y en comunicación fluida con la turbina de producción de potencia primaria (320) y la unidad de intercambio de calor primaria (420).
13. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 12, que comprende además una caldera en comunicación fluida con la unidad de intercambio de calor secundaria a través de al menos una corriente de vapor.
14. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 13, que comprende además una turbina de producción de potencia secundaria (1200) que tiene una entrada para recibir la al menos una corriente de vapor de la unidad de intercambio de calor secundaria.
15. El sistema de generación de potencia de la reivindicación 1, en el que la fuente de calor adicional es uno o más de una unidad de separación de aire, un suministro de vapor y un gas de escape caliente desde una turbina de gas de ciclo abierto.
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