TW201303142A - 低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳之系統與方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供於低排放渦輪機系統中產生動力及從排氣攫取及回收二氧化碳之系統、方法與設備。在一或多個具體例中，將該排氣冷卻、壓縮及分離，得到含二氧化碳之流出物流及含氮之產物流。

Description

低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳之系統與方法 相關申請案之交互參照

本申請案主張在2011年9月30日以「低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳的系統與方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,037號；在2011年3月22日以「具有主空氣壓縮機氧化劑控制設備的低排放渦輪機系統以及其相關方法(LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS HAVING A MAIN AIR COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/466,384號；在2011年9月30日以「併有進氣口壓縮機氧化劑控制設備的低排放渦輪機系統以及其相關方法(LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS INCORPORATING INLET COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,030號；在2011年3月22日以「固定式幾何學氣渦輪機系統之化學計量燃燒的控制方法以及其相關設備與系統(METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION ON A FIXED GEOMETRY GAS TURBINE SYSTEM AND APPARATUS AND SYSTEMS RELATED THERETO)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/466,385號；在 2011年9月30日以「低排放渦輪機系統中之化學計量燃燒的控制系統與方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,031號；在2011年3月22日以「低排放渦輪氣體循環迴路的變動方法以及其相關系統與設備(METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/466,381號；在2011年9月30日以「低排放渦輪氣體循環迴路的變動方法以及其相關系統與設備(METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,035號之優先權，將所有該等申請案以引用方式將其全部內容併入本文。

本申請案與下列者有關：在2011年9月30日以「低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳的系統與方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,036號；在2011年9月30日以「低排放組合式渦輪機系統中用於攫取二氧化碳的系統與方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION COMBINED TURBINE SYSTEMS)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,039號；在2011年9月30日以「併有二氧化碳分離的低排放動力產生系統及方法(LOW EMISSION POWER GENERATION SYSTEMS AND METHODS INCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION)」為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,041號；將所有該等申請案以引用方式將其全部內容併入本文。

本發明的具體例係關於低排放動力產生。更特定言之，本發明的具體例係關於低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳以增加效率及降低成本之方法與設備。

此段落意欲介紹本技藝的各種態樣，其可與本發明的示範性具體例相關聯。咸信此討論有助於提供促進更瞭解本發明的特殊態樣之架構。據此，應瞭解應以此見解閱讀此段落，而未必為承認的先前技藝。

許多產油國家正遭遇國內動力需求的強力成長，且關注提高之油料回收(EOR)，以改進其貯油槽的油料回收。二種常見的EOR技術包括用於貯油槽壓力維持的氮(N₂)注入法及用於EOR之混溶驅油的二氧化碳(CO₂)注入法。亦有關於溫室氣體(GHG)排放的全球議題。在許 多國家中與總量管制與交易(cap-and-trade)政策之實施結合的此議題使那些國家以及於國家中操作烴製造系統的公司以降低CO₂排放列為優先事項。

一些降低CO₂排放的方法包括燃料去碳化或使用溶劑(諸如胺類)的後燃燒攫取。然而，此二種解決方法昂貴且降低動力產生效率，導致較低的動力產量、增加燃料需求及增加電力成本，以符合國內的動力需求。特別是氧、SO_x及NO_x成分的存在使得胺溶劑吸收的利用大有問題。另一方法為組合式循環中的含氧燃料氣渦輪機(例如，在此攫取來自氣渦輪機布雷頓(Brayton)循環的排氣熱，以製造蒸汽且在蘭金(Rankine)循環中生產額外的動力)。然而，沒有任何可於此一循環中操作的市售氣渦輸機且生產高純度氧所需之動力顯著地降低方法的總效率。

而且，隨著關於全球氣候變化的議題高漲及二氧化碳排放的衝擊已將重點放在使動力廠的二氧化碳排放減至最低。氣渦輪動力廠具有效率且與核或煤動力產生技術相比而具有較低的成本。然而，自氣渦輪動力廠的排氣攫取二氧化碳因為以下理由而非常昂貴：(a)在排氣煙囪中的低濃度二氧化碳，(b)需要處理大體積的氣體，(c)低壓力的排氣流，(d)大量的氧存在於排氣流中，(e)需要額外冷卻在進入CO₂攫取系統之前的煙道氣，及(f)將冷卻後的煙道氣以水飽和，其增加CO₂攫取系統中的再沸器能率。所有該等因素導致高成本的二氧化碳攫取。

據此，對在降低成本下併有CO₂攫取及回收之低排放 、高效率動力產生方法仍有很大的需求。

在本文所述之低排放動力產生系統中，反而將來自低排放氣渦輪機之排氣(其係在典型的天然氣組合式循環(NGCC)廠中排出)分離且回收。本發明的設備、系統與方法係將使用氧化劑及烴燃料產生動力之開放式布雷頓循環與二氧化碳分離法合併。將排氣冷卻、壓縮及分離而有效地攫取CO₂。

在本發明的系統與方法中，將排離低排放氣渦輪機之燃燒室的排氣在膨脹器中膨脹且通過熱回收單元(HRU)，以產生動力及蒸汽。接著將排氣冷卻、壓縮及在CO₂分離法中分離，以產生CO₂流出物流及包含氧和氮之產物流。可將回收之CO₂注入烴貯存器中以供提高油料回收、隔離、貯存、銷售或排出。可將產物流在排出之前膨脹以產生額外的動力，用於烴貯存器中的壓力維持，或用於系統中的別處。藉由冷卻及壓縮排氣流可使分離裝備的尺寸縮減且可改進分離法的有效性。

在以下的詳細說明段落中，本發明的特定具體例係連同較佳的具體例予以說明。然而，以下說明在一定程度上係專對於本發明的特殊具體例或特殊用途，其意欲以示範為目的而已，且簡單地提供示範性具體例的說明。據此， 本發明並不受限於下文所述之特定具體例，但反而包括所有落在隨附之申請專利範圍的真正精神及範圍內之替代方案、修改及同等物。

如本文所使用之各種術語係定義於下。在申請專利範圍內所使用之術語在一定程度上未定義於下，應給予由相關技藝者按照至少一種經印刷之出版品或公告之專利中所反映的術語給予之最廣定義。

如本文所使用之術語〝天然氣〞係指從原油井(聯產氣)或從含氣體之地下岩層(非聯產氣)所獲得的多成分氣體。天然氣的組成及壓力可顯著變動。典型的天然氣流含有甲烷(CH₄)為主要成分，亦即大於天然氣流的50莫耳%為甲烷。天然氣流亦可含有乙烷(C₂H₆)、較高分子量的烴(例如，C₃-C₂₀烴)、一或多種酸氣體(例如，二氧化碳或硫化氫)或其任何組合。天然氣亦可含有少量污染物，諸如水、氮、硫化鐵、蠟、原油或其任何組合。

如本文所使用之術語〝化學計量燃燒〞係指具有包含燃料及氧化劑的反應物體積及藉由燃燒反應物所形成之產物體積的燃燒反應，其中整個反應物體積皆用於形成產物。如本文所使用之術語〝實質的化學計量〞燃燒係指具有燃燒燃料對氧之莫耳比在從約0.9：1至約1.1：1，或更佳從約0.95：1至約1.05：1之範圍內的燃燒反應。本文所使用之術語〝化學計量〞意謂包含化學計量及實質的化學計量條件兩者，除非另有其他指示。

如本文所使用之術語〝流〞係指流體的體積，雖然術 語流的使用典型地意謂流體的移動體積(例如，具有速度或質量流率)。然而，術語〝流〞不需要速度、質量流率或圍住流的特殊管道類型。

目前所揭示之系統與方法的具體例可用於生產低排放電力及為提高之油料回收(EOR)或隔離應用的CO₂。根據本文所揭示之具體例，可將經壓縮之氧化劑(典型為空氣)與燃料的混合物燃燒且將排氣膨脹，以產生動力。接著將排氣冷卻、壓縮及分離，以攫取CO₂及產生包含氧和氮之產物流。在EOR應用中，將回收之CO₂注入產油井或與產油井毗鄰，經常係在超臨界條件下。CO₂同時用作為加壓劑及在溶解於地下原油中時顯著地降低油的黏度，能使油更快流經地面至移出井。本文之系統與方法亦產生可包含變動量的氧和氮之產物流。產物流可用於產生額外的動力，且可用於各種目的，包括壓力維持應用。在壓力維持應用中，將惰性氣體(諸如氮)壓縮且注入烴貯存器中，以維持貯存器中的原始壓力，因此容許提高烴回收。本文所揭示之系統的結果係在更具經濟效益的程度下生產動力及製造或攫取額外的CO₂。

在本文的系統與方法中，將一或多種氧化劑壓縮且與一或多種燃料在燃燒室中燃燒。氧化劑可包含任何含氧流體，諸如周圍空氣、富氧空氣、實質的純氧或其組合。一或多種氧化劑可在一或多個壓縮機中壓縮。各壓縮機可包含單階段或多階段。在多階段壓縮機中，可隨意地使用階段間冷卻而容許較高的總壓縮比及較高的總動力輸出。壓 縮機可具有任何適合於本文所述之方法的類型。此等壓縮機包括但不限於軸式、離心式、往復式或雙螺旋式壓縮機及其組合。燃料可包含天然氣、聯產氣、柴油、燃料油、氣化煤、煤焦、石腦油、丁烷、丙烷、合成氣、煤油、航空燃料、生質燃料、加氧之烴原料、任何其他適合的含烴氣體或液體、氫或其組合。另外，燃料可包含惰性成分，包括但不限於N₂或CO₂。在一些具體例中，燃料可至少部分由烴貯存器供給，此烴貯存器係經由注入由本文所述之方法所攫取之CO₂而受惠於提高之油料回收。在燃燒室中的燃燒條件可為貧條件、化學計量或實質的化學計量條件或富條件。在一或多個具體例中，燃燒條件為化學計量或實質的化學計量。

在一些具體例中，高壓蒸汽可用作為燃燒法中的冷卻劑。在此等具體例中，添加蒸汽可減少系統中的動力及尺寸需求，但可能需要加入水再循環迴路。另外，在更多具體例中，到達燃燒室的經壓縮之氧化劑進料可包含氬。例如，氧化劑可包含從約0.1至約5.0體積%之氬，或從約1.0至約4.5體積%之氬，或從約2.0至約4.0體積%之氬，或從約2.5至約3.5體積%之氬，或約3.0體積%之氬。

氧化劑與燃料在燃燒室中的燃燒產生排氣流，接著將其膨脹。排氣流包含燃燒產物，且其組成將取決於所使用之燃料與氧化劑的組成而變動。在一或多個具體例中，燃燒室的排氣流可包含蒸發之水、CO₂、CO、氧、氮、氬、氮氧化物(NO_X)、硫氧化物(SO_X)、硫化氫(H₂S)或 其組合。排氣流可在一或多個膨脹器中膨脹。一或多個膨脹器中之各者可包含單階段或多階段。膨脹器可為任何適合於本文所述之方法的膨脹器類型，包括但不限於軸式或離心式膨脹器或其組合。排氣流的膨脹產生動力，其可用於驅動一或多個壓縮機或發電機。在本發明的一或多個具體例中，膨脹器係經由共軸或其他機械、電或其他動力耦接而與氧化劑壓縮機耦接，使得氧化劑壓縮機至少部分由膨脹器驅動。在其他的具體例中，氧化劑壓縮機可與具有或不具有增速或減速裝置(諸如齒輪箱)的電動馬達經機械耦接。當連在一起時，則氧化劑壓縮機、燃燒室及排氣膨脹器可以開放式布雷頓循環為特徵。

在膨脹之後，氣態排氣流在一些具體例中可於熱回收單元(HRU)中冷卻。HRU可為任何經設計以冷卻膨脹器流出物流的設備或製程，諸如一或多個熱回收蒸汽產生器(HRSG)、製程熱回收單元、無水液蒸發單元或其組合。HRU可經配置以產生熱而供其他製程使用，諸如用於蒸餾單元加熱原油、用於加熱在蘭金循環動力產生系統中使用的蒸汽或無水液蒸氣或用於其組合。在一或多個具體例中，HRU為HRSG。HRSG可經配置以利用排氣流中的殘餘熱產生蒸汽。由HRSG所產生之蒸汽可用於各種目的，諸如驅動在蘭金循環中的蒸汽渦輪產生器或用於水脫鹽作用。在一或多個具體例中，HRSG可包含容許排氣二次燃燒的管道燃燒機(duct burner)或燃燒機類。此二次燃燒不僅容許增加蒸汽產量及因此增加動力產生，並亦藉由燃 燒在流中之氧的至少一部分而增加排氣流中的CO₂濃度。當排氣流中的CO₂濃度增加時，則降低自排氣流攫取及回收CO₂的成本。

在本發明的一或多個具體例中，可將排離HRU之氣態排氣流送至一或多個冷卻單元，其係經配置以降低氣態排氣流的溫度。冷卻單元可為任何適合於降低排氣溫度的設備類型，諸如直接接觸冷卻器(DCC)、蛇行管冷卻器、機械冷凍單元或其組合。在一些具體例中，冷卻單元為DCC。冷卻單元亦可經配置以經由水漏失流將經冷凝之水的一部分自排氣流移除。在一些具體例中，水漏失流可導至HRU，以提供產生額外蒸汽之水源。

在經由HRU及/或冷卻單元冷卻時，可將氣態排氣流送至壓縮機或鼓風機，其係經配置以增加排氣流壓力，從而產生經壓縮之排氣。在一或多個具體例中，排氣流在排氣壓縮機出氣口的壓力可從約150至約450 psia，或從約200至約400 psia，或從約250至約350 psia。冷卻及壓縮排氣流有助於處理與一般造成高成本的CO₂攫取之必須處理的大體積氣體及低壓排氣有關之問題，因此使本發明系統中的CO₂攫取及回收更有效率且更具成本效益。

在壓縮排氣之後，在一些具體例中可能希望使用隨意補充的燃燒器(combustor)或其他的加熱裝置加熱經壓縮之排氣流。在一些具體例中，可使用燃燒器加熱經壓縮之排氣流至從約1100至約1700℉，或從約1150至約1650℉，或從約1200至約1600℉，或從約1250至約 1550℉，或從約1300至約1500℉之溫度。應理解使用額外的燃燒器需要額外的燃料，且供給至排氣燃燒器的燃料可與供給至如先前所述之主燃燒室的燃料相同或不同。在一些具體例中，燃料可為非碳燃料來源，諸如氫。補充的燃燒器所需之氧化劑可經由分開的氧化劑流供給，或可在經壓縮之排氣流中有足夠的氧化劑，所以不必額外供給氧化劑。

經壓縮之排氣流不論是否在補充的加熱器或其他裝置中加熱，接著可將排離壓縮機或燃燒器的經壓縮之排氣流供給至熱交換器，其係經配置以冷卻經壓縮之排氣流，同時將熱供給至另一製程流。在一些具體例中，經壓縮之排氣流可與排離CO₂分離器之產物流交換熱，在下文更詳細說明。在一些事例中，可能希望額外冷卻經壓縮之排氣流，在該事例中可將排離熱交換器之排氣流引導至補充的冷卻單元，諸如蛇行管冷卻器。

在一或多個具體例中，接著可將經壓縮之排氣流進料至一或多個分離器中，其中將CO₂及其他溫室氣體與排氣流分離。CO₂分離法可為任何經設計以分離經加壓之排氣且生成包含CO₂之流出物流及包含氮和氧之產物流的適合方法。分離排氣的成分容許排氣中的不同成分以不同的方式處置。分離法可理想地隔離在排氣中的所有溫室氣體(諸如CO₂、CO、NO_x、SO_x等)於流出物流中，排氣成分的餘留部分(諸如氮、氧和氬)係留在產物流中。然而，實際上分離法不可能自產物流抽出所有的溫室氣體，而一 些非溫室氣體可餘留在流出物流中。可使用任何經設計以達成所欲結果之適合的分離法。在一或多個具體例中，分離法為氧遲鈍法。適合的分離法之實例包括但不限於熱碳酸鉀(〝熱罐〞)分離法、胺分離法、分子篩分離法、薄膜分離法、吸附動力學分離法、受控制之冷凍區分離法及其組合。在一些具體例中，CO₂分離器係使用熱罐分離法。在本發明的一或多個具體例中，分離法係在升壓下操作(亦即比周圍壓力高)且經配置以保持加壓之產物流。以此方式維持分離法之壓力容許較小的分離裝備，提供改進之分離有效性及容許增加自產物流的能量提取。在一些具體例中，CO₂分離法的選擇及配置使產物流之出氣口壓力或出氣口溫度或兩者達到最大。

CO₂流出物流可用於各種應用。例如，可將流出物流注入烴貯存器中以供提高油料回收(EOR)或可引導至貯存器中以供碳隔離或貯存。亦可將流出物流銷售、排出或閃燄(flared)。在一或多個具體例中，可將流出物流的至少一部分再循環且與進入主燃燒室的氧化劑混合，或直接添加至燃燒室中用作為稀釋劑，以控制或以另外方式調節燃燒溫度及進入後繼膨脹器的煙道氣溫度。

在一或多個具體例中，可將來自CO₂分離法的主要包含氮和氧(且在使用空氣作為主或補充的燃燒器中之氧化劑時，可能包含氬)之產物流隨意地自分離器引導至上文所述之熱交換器，在此產物流可用於冷卻經壓縮之排氣流。在一或多個具體例中，產物流及經壓縮之排氣流係逆向 流經熱交換器。產物流通過熱交換器適合進一步加熱產物流，容許在膨脹器中產生額外的動力。

另外，可將產物流隨意地使用補充的燃燒器或其他的加熱裝置進一步加熱。應理解使用額外的燃燒器需要額外的燃料。若在燃燒器中使用含碳燃料，則產生不可自產物流回收之額外的CO₂。因此，在一些具體例中，在產物燃燒器中所使用之燃料可為非碳燃料來源，諸如氫。補充的燃燒器所需之氧化劑可經由分開的氧化劑流供給，或可在產物流中有足夠的氧化劑，所以不必額外供給氧化劑。

在排離分離器、熱交換器或燃燒器時，可將產物流引導至膨脹器。在一或多個具體例中，膨脹器可經配置以接收產物流且在約周圍壓力下輸出相同的氣體。如那些熟諳本技藝者所理解，膨脹器產生動力，且所產生之動力可用於驅動在所述系統內或外部的一或多個任何構造之壓縮機或發電機。在一或多個具體例中，產物膨脹器可合宜地經由共軸或其他機械、電或其他動力耦接而至少部分驅動排氣壓縮機。

在一或多個具體例中，產物流可在膨脹後通過一或多個熱回收單元(HRU)，諸如一或多個熱回收蒸汽產生器(HRSG)。一或多個HRU可經配置以利用在流中的殘餘熱產生蒸汽或其他的無水液蒸氣。由一或多個HRU所產生之蒸汽或其他蒸氣可用於各種目的，諸如驅動在蘭金循環中的渦輪產生器或用於水脫鹽作用。再者，若任何殘餘熱餘留在排離一或多個HRU之產物流中，則系統可另外 包含一或多個經配置以轉移熱至無蒸汽運轉流體的熱交換器。在此等具體例中，無蒸汽運轉流體可隨意地用於驅動蘭金循環中的膨脹器。

產物流可全部或部分用於各種應用。例如，可將產物流注入烴貯存器中以供壓力維持。亦可將產物流銷售或排出。在一或多個具體例中，當壓力維持是不可行的選擇時(或當僅需要產物流的一部分用於壓力維持時)，可將產物流以膨脹或另一方法冷卻，且用於提供本文所述之系統中的冷凍。例如，經冷卻之產物流可用於提供冷凍，以降低在系統內的一或多個壓縮機的抽氣溫度，或驟冷用於系統內的一或多個冷卻單元中之水。

在其他的具體例中，當產物流的全部或一部分不用於壓力維持時，反而可將產物流加熱，所以可產生額外的動力供系統中的別處使用或供銷售。在上文說明加熱產物流的一些方法，諸如將排氣流與產物流在熱交換器中交叉交換，或使用補充的燃燒器供給額外的熱至產物流。其他可能的方法包括在HRU中使用加熱迴管加熱產物流，使用催化燃燒在產物流中存在的任何CO，或使用產物流冷卻的結果所提供之加熱(亦即當產物流提供其他流或設備冷卻時，使流本身加熱)。

現參考圖式，圖1繪示動力產生系統100，其係經配置以提供在燃燒後分離及攫取CO₂。在至少一個具體例中，動力產生系統100可具有經由共軸108或其他機械、電或其他動力耦接而與膨脹器106耦接之壓縮機118，從而 容許由膨脹器106所產生之機械能的一部分驅動壓縮機118。膨脹器106亦可產生供其他用途的動力，諸如發動另一壓縮機、發電機或類似物。壓縮機118及膨脹器106可分別構成標準的氣渦輪機之壓縮機及膨脹器的末端。然而，在其他的具體例中，壓縮機118及膨脹器106可為系統中的個別化組件。

系統100亦可包括主燃燒室110，其係經配置以燃燒與經壓縮之氧化劑114混合的燃料流112。在一或多個具體例中，燃料流112可包括任何適合的烴氣體或液體，諸如天然氣、甲烷、石腦油、丁烷、丙烷、合成氣、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生之燃料、生質燃料、加氧之烴原料或其組合。燃料流112亦可包含氫。經壓縮之氧化劑114可得自與主燃燒室110經流體耦接且適合於壓縮氧化劑進料120之壓縮機118。雖然本文的討論係假定氧化劑進料120為周圍空氣，但是氧化劑可包含任何適合的含氧氣體，諸如空氣、富氧空氣、實質的純氧或其組合。在一或多個具體例中，壓縮機118、燃燒室110及膨脹器106合起來可描述為開放式布雷頓循環為特徵。

排氣流116係由燃料流112與經壓縮之氧化劑114的燃燒產物而產生且引導至膨脹器106的進氣口。在至少一個具體例中，燃料流112主要可為天然氣，從而產生包括蒸發之水、CO₂、CO、氧、氮、氬、氮氧化物(NO_x)及硫氧化物(SO_x)之體積部分的排氣流116。在一些具體例中，未燃燒之燃料112的一小部分或其他化合物亦可由 於燃燒平衡的限制而存在於排氣流116中。當排氣流116經過膨脹器106膨脹時，其產生機械動力以驅動壓縮機118或其他設施，且亦生產氣態排氣流122。

將來自膨脹器106的氣態排氣流122引導至熱回收蒸汽產生器(HRSG)126，其係經配置以使用在氣態排氣流122中的殘餘熱，以產生蒸汽130及氣態排氣流132。應注意雖然在圖1中示範HRSG，但是可使用如先前所述之任何適合的熱回收單元(HRU)。在一些具體例中，HRSG 126併有管道燃燒機系統(未顯示)，以提供排氣二次燃燒，因此增加排氣中之CO₂濃度。由HRSG 126所產生的蒸汽130可具有各種用途，諸如藉由驅動在蘭金循環中的蒸汽渦輪產生器而產生額外的動力或用於水脫鹽作用。

可將氣態排氣132送至至少一個冷卻單元134，其係經配置以降低氣態排氣132的溫度且產生經冷卻之排氣流140。在一或多個具體例中，冷卻單元134在本文考慮為直接接觸冷卻器(DCC)，但是可為任何適合的冷卻裝置，諸如直接接觸冷卻器、蛇行管冷卻器、機械冷凍單元或其組合。冷卻單元134亦可經配置以經由水漏失流136移除經冷凝之水的一部分。

在一或多個具體例中，可將經冷卻之排氣流140引導至與冷卻單元134經流體耦接之排氣壓縮機142。壓縮機142可經配置以增加在分離之前的經冷卻之排氣流140的壓力，從而產生經壓縮之排氣流144。將來自壓縮機142 的經壓縮之排氣流144引導至熱交換器152，在此藉由與冷卻流體交換熱而冷卻，產生經壓縮之排氣流154。在一或多個具體例中，在熱交換器152中所使用之冷卻流體為來自分離器162的產物流164，在下文更詳細討論。

系統100亦包括CO₂分離系統。在一或多個具體例中，將經壓縮之排氣流154引導至CO₂分離器162。CO₂分離器162可使用各種分離法中之任一者，該分離法係經設計將經壓縮之排氣流154分離成包含CO₂之流出物流166及通常包含氮和氧與氬(在一些事例中)之產物流164。例如，分離器162可經設計將經壓縮之排氣流154使用化學分離法分離，諸如熱碳酸鉀(〝熱罐〞)分離法、胺分離法或使用吸附劑(諸如分子篩)之分離法。其他的分離法包括使用薄膜之物理分離法，或諸如吸附動力學分離法或受控制之冷凍區分離法之方法。在一些具體例中，可使用前述分離法之組合。流出物流166可用於各種下游應用，諸如注入烴貯存槽中以供提高油料回收(EOR)、碳隔離、貯存、銷售或再循環至燃燒室110用作為稀釋劑，以促進經壓縮之氧化劑114與第一燃料112的燃燒且增加排氣流116中之CO₂濃度。亦可將流出物流166排出或閃燄。在一或多個具體例中，CO₂分離法可經配置以使產物流164的溫度或壓力達到最大。

在一或多個具體例中，可將排離分離器162的產物流164隨意地用於額外的動力產生。例如，可將產物流164在熱交換器152中加熱，該熱交換器係經配置將熱自經壓 縮之排氣流144轉移至產物流164。在排離熱交換器152時，接著可將產物流170引導至膨脹器172。由產物膨脹器172所產生之動力可用於各種目的，諸如至少部分驅動排氣壓縮機142或一或多個額外的壓縮機(未顯示)，或驅動發電機。在一些具體例中，當產物流注入貯存器中以供壓力維持時，則膨脹器172可用於驅動管道或注入壓縮機。

在一或多個具體例中，可將排離膨脹器172的經膨脹之產物流174引導至熱回收單元(未顯示)，以產生額外的動力。與流出物流166一樣，產物流174亦可用於各種應用，包括壓力維持、產生額外的動力、貯存或排出。

現參考圖2，其描述圖1之動力產生系統100的替代構造，以系統200具體化及說明。如此，可參考圖1而對圖2有最佳的瞭解。在圖2之系統200中，經壓縮之排氣流144及產物流170的補充加熱係分別由燃燒器210及220提供。特別將經壓縮之排氣流144引導至補充的燃燒器210，其係經配置以燃燒燃料流214，將熱添加至經壓縮之排氣流144中，生成具有比流144之溫度高的經壓縮之排氣流212。燃料流214可具有與燃料流112相同的組成，或可具有不同的組成。將產物流170亦同樣地引導至補充的燃燒器220，其係經配置以燃燒燃料流224，將熱添加至產物流170中，生成具有比產物流170之溫度高的產物流222。燃料流224可具有與燃料流112及/或燃料流214相同的組成，或可具有不同的組成。在一些具體例中 ，燃料流224供給非碳燃料至燃燒器220，諸如一種包含氫之燃料。在一或多個具體例中，可使用單一控制系統監測及控制壓縮機118、燃燒室110、膨脹器106、HRSG 126、冷卻單元134、排氣壓縮機142、產物膨脹器172及補充的燃燒器210和220之一或兩者中之一、一些或全部的開機、操作及關機。

雖然本發明可容許各種修改及替代形式，但是上文所討論的示範性具體例僅以實例的方式顯示。本文所述之任何具體例的任何特性或構造可與任何其他具體例或與多樣的其他具體例(至可實行的程度)組合，且意欲使所有此等組合在本發明的範圍內。另外，應瞭解不意欲使本發明受限於本文所揭示的特殊具體例。事實上，本發明包括所有落在隨附之申請專利範圍的真正精神及範圍內之替代方案、修改及同等物。

100,200‧‧‧動力產生系統

106‧‧‧第一膨脹器

108‧‧‧共軸

110‧‧‧主燃燒室

112‧‧‧第一燃料流

114‧‧‧經壓縮之氧化劑

116‧‧‧排氣流

118‧‧‧壓縮機

120‧‧‧氧化劑進料

122,132‧‧‧氣態排氣流

126‧‧‧熱回收蒸汽產生器(HRSG)

130‧‧‧蒸汽

134‧‧‧冷卻單元

136‧‧‧水漏失流

140‧‧‧經冷卻之排氣流

142‧‧‧排氣壓縮機

144,154,212‧‧‧經壓縮之排氣流

152‧‧‧熱交換器

162‧‧‧分離器

164,170,174‧‧‧產物流

166‧‧‧流出物流

172‧‧‧產物膨脹器

210,220‧‧‧補充的燃燒器

214,224‧‧‧燃料流

在審視前面的詳細說明及具體例的非限制性實例之圖式時，可使本發明的前述及其他優點變得顯而易見，其中：圖1描述併有CO₂分離之低排放動力產生系統。

圖2描述併有CO₂分離之低排放動力產生系統，具有使排氣及產物流使用燃燒器補充加熱。

120‧‧‧氧化劑進料

114‧‧‧經壓縮之氧化劑

110‧‧‧主燃燒室

112‧‧‧第一燃料流

116‧‧‧排氣流

122,132‧‧‧氣態排氣流

118‧‧‧壓縮機

108‧‧‧共軸

106‧‧‧第一膨脹器

126‧‧‧熱回收蒸汽產生器(HRSG)

130‧‧‧蒸汽

100‧‧‧動力產生系統

134‧‧‧冷卻單元

136‧‧‧水漏失流

140‧‧‧經冷卻之排氣流

142‧‧‧排氣壓縮機

144,154‧‧‧經壓縮之排氣流

166‧‧‧流出物流

162‧‧‧分離器

164,170,174‧‧‧產物流

152‧‧‧熱交換器

172‧‧‧產物膨脹器

Claims (34)

1. 一種動力產生系統，其包含：第一壓縮機，其係經配置以接收及壓縮一或多種氧化劑；第一燃燒室，其係經配置以接收及燃燒該經壓縮之氧化劑及至少一種第一燃料，以產生排氣流；第一膨脹器，其係經配置以接收來自該第一燃燒室的該排氣流及產生氣態排氣流；熱回收蒸汽單元，其係經配置以接收及冷卻該氣態排氣流及產生蒸汽；第一冷卻單元，其係經配置以接收並進一步冷卻該氣態排氣流；第二壓縮機，其係經配置以接收及壓縮該氣態排氣流；分離器，其係經配置以接收及分離該經壓縮之排氣流成為CO₂流出物流及產物流。
2. 根據申請專利範圍第1項之系統，其另外包含熱交換器，該熱交換器係經配置以接收來自該第二壓縮機的經壓縮之排氣流且在引導該經壓縮之排氣流至該分離器之前冷卻該經壓縮之排氣流。
3. 根據申請專利範圍第2項之系統，其中該熱交換器係藉由與排離該分離器之產物流交換熱而冷卻該經壓縮之排氣流。
4. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該熱回收單 元為熱回收蒸汽產生器。
5. 根據申請專利範圍第4項之系統，其中該熱回收蒸汽產生器包含管道燃燒機。
6. 根據申請專利範圍第2項之系統，其另外包含燃燒器，該燃燒器係經配置以接收來自該第二壓縮機的經壓縮之排氣流並在引導該經壓縮之排氣流至該熱交換器之前加熱該經壓縮之排氣流。
7. 根據申請專利範圍第3項之系統，其另外包含第二膨脹器，該第二膨脹器係經配置以接收來自該熱交換器的產物流並膨脹此產物流。
8. 根據申請專利範圍第7項之系統，其另外包含燃燒器，該燃燒器係經配置以接收來自該熱交換器的產物流並在引導該產物流至該第二膨脹器之前加熱該產物流。
9. 根據申請專利範圍第2項之系統，其另外包含第二冷卻單元，該第二冷卻單元係經配置以接收來自該熱交換器的經壓縮之排氣流並在引導該經壓縮之排氣流至該分離器之前進一步冷卻該經壓縮之排氣流。
10. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該分離器係使用選自熱碳酸鉀分離法、胺分離法、分子篩分離法、薄膜分離法、吸附動力學分離法、受控制之冷凍區分離法或其組合之分離法。
11. 根據申請專利範圍第10項之系統，其中該分離器係使用熱碳酸鉀分離法。
12. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該產物流 包含氧和氮。
13. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該CO₂流出物流係用於在烴貯存器中以供提高油料回收。
14. 根據申請專利範圍第12項之系統，其中該產物流係用於在烴貯存器中維持壓力。
15. 根據申請專利範圍第8項之系統，其中該燃燒器係使用非碳燃料來源。
16. 根據申請專利範圍第15項之系統，其中該燃料來源包含氫。
17. 一種產生動力之方法，其包含：將一或多種氧化劑在第一壓縮機中壓縮；將該經壓縮之氧化劑及至少一種第一燃料供給至第一燃燒室；將該經壓縮之氧化劑及該至少一種燃料在該第一燃燒室中燃燒，以產生排氣流；將該排氣流在第一膨脹器中膨脹，以產生氣態排氣流；將該氣態排氣流在熱回收單元中冷卻；將該氣態排氣流在冷卻單元中進一步冷卻；將該氣態排氣流在第二壓縮機中壓縮，以產生經壓縮之排氣流；及將該經壓縮之排氣流分離，以產生包含CO₂之流出物流及產物流。
18. 根據申請專利範圍第17項之方法，其另外包含在 分離該經壓縮之排氣流之前在熱交換器中冷卻該經壓縮之排氣流。
19. 根據申請專利範圍第18項之方法，其中該經壓縮之排氣流係藉由與該產物流交換熱而冷卻。
20. 根據申請專利範圍第17項之方法，其中該熱回收單元為熱回收蒸汽產生器。
21. 根據申請專利範圍第20項之方法，其中該熱回收蒸汽產生器包含管道燃燒機。
22. 根據申請專利範圍第18項之方法，其另外包含在引導該經壓縮之排氣流至該熱交換器之前加熱該經壓縮之排氣流。
23. 根據申請專利範圍第22項之方法，其中該經壓縮之排氣流係在燃燒器中加熱。
24. 根據申請專利範圍第19項之方法，其另外包含自該熱交換器接收該產物流且將該產物流在第二膨脹器中膨脹，以產生動力。
25. 根據申請專利範圍第24項之方法，其另外包含自該熱交換器接收產物流且在膨脹該產物流之前加熱該產物流。
26. 根據申請專利範圍第25項之方法，其中該產物流係在燃燒器中加熱。
27. 根據申請專利範圍第18項之方法，其另外包含自該熱交換器接收該經壓縮之排氣流且在分離該經壓縮之排氣流之前進一步冷卻該經壓縮之排氣流。
28. 根據申請專利範圍第17項之方法，其中該經壓縮之排氣流係使用選自熱碳酸鉀分離法、胺分離法、分子篩分離法、薄膜分離法、吸附動力學分離法、受控制之冷凍區分離法或其組合之分離法分離。
29. 根據申請專利範圍第28項之方法，其中該經壓縮之排氣流係使用熱碳酸鉀分離法分離。
30. 根據申請專利範圍第17項之方法，其中該產物流包含氮和氧。
31. 根據申請專利範圍第17項之方法，其另外包含壓縮該流出物流，且將該經壓縮之流出物流注入烴貯存器中以供提高油料回收。
32. 根據申請專利範圍第24項之方法，其另外包含將該經膨脹之產物流供給至烴貯存器中以供壓力維持。
33. 根據申請專利範圍第26項之方法，其中該燃燒器係使用非碳燃料來源。
34. 根據申請專利範圍第33項之方法，其中該燃料來源包含氫。