TWI678465B - 使用二氧化碳循環工作液體高效率發電系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供利用結合CO₂循環液體的高效燃燒器的發電方法及系統。該等方法及系統具優勢地在特殊的實施例中使用了低壓力比率的發電渦輪以及節熱器熱交換器。來自一外部來源的額外低位熱能可被用來提供加熱已回收CO₂循環液體所需的部分量的熱。燃料衍生的CO₂可被捕獲並排出為管路壓力。其他的不純物亦可被捕獲。

Description

使用二氧化碳循環工作液體高效率發電系統及方法

相關申請案的相互參照

本專利申請案優先權主張基於2010年1月28日提出申請的美國暫時專利申請案第61/299,272號以及於2010年2月26日提出申請的美國專利申請案第12/714074號(其優先權主張於2009年2月26日提出申請的美國暫時專利申請案第61/155755號)，其揭示內容全體皆在此併入做為參考。

本發明指向透過使用循環液體而傳輸經由燃料的高效率燃燒所產生的能量的發電(例如，電力)系統以及方法。特別地是，此系統以及方法可使用二氧化碳作為循環液體。

預估，於接下來的一百年中，在開發以及部署無碳能源的同時，石化燃料將繼續提供世界電力需求的大部份。然而，透過燃燒石化燃料、及/或適當生質體(biomass)的已知發電方法卻受累於能量成本上升以及二氧化碳(CO₂)產量以及其他排放量的增加。全球暖化已逐漸被視為是已開發以及發展中國家所致增加的碳排放量的潛在災難性後果。太陽能以及風力在短期內似無法取代石化燃料燃燒，並且，核能具有相關於核擴張以及核廢料處理的危險性。

從石化燃料、或適當的生質體發電的習知裝置現在已越來越受制於針對遞送至封存地點(sequestration site)之高壓CO₂補獲需求。然而，由於即使是針對CO₂捕獲的最佳設計，現存的技術僅能提供非常低的熱效率，因此，此需求證實在執行上有困難。再者，達成CO₂捕獲的建設成本很高，並且，相較於將CO₂發散至大氣中的系統，此導致顯著更高的電力成本。據此，在本技藝對於能顧及CO₂排放量的降低、及/或已產生CO₂的更加方便封存的高效率發電系統以及方法始終有增加的需求。

本發明提供利用結合一循環液體(例如，一CO₂循環液體)的高效燃燒器(例如，一蒸散冷卻燃燒器)之發電方法及系統。特別地是，該循環液體可與用於燃燒的一燃料以及一氧化劑一起被導入該燃燒器之中，以使得包括該循環液體以及任何燃燒產物的一高壓、高溫液體流被產生。該液體流可被導入一發電裝置，例如，一渦輪中。具優勢地是，該液體流在擴張進入該渦輪的期間，可被維持在相對而言較高的壓力，以使得跨越該渦輪的壓力比率(亦即，於渦輪入口處的壓力以及於渦輪出口處的壓力間的比率)少於大約12。接著，該液體流可進一步進行處理而分離該液體流中的成份，其可包括使該液體流通過一熱交換器。特別地是，該循環液體(其至少一部份可回收自該液體流)可通過相同的熱交換器，以在被導入該燃燒器前加熱該循環液體。在如此的實施例中，有用地是，操作該熱交換器(例如，透過選擇一低位熱源)而使得熱交換器在該渦輪排出以及該熱交換器熱端處的該回收液體間僅具有小溫度差異。

在某些方面中，本發明提供發電系統，其能以低建設成本而產生高效發電，以及亦可產生處於管路壓力之大體為純的CO₂，以用於封 存。該CO₂亦可被回收進入該發電系統。

本發明的系統及方法的特徵在於使用廣泛不同燃料源的能力。舉例而言，根據本發明所使用的該高效燃燒器可利用氣態(例如，天然氣或煤衍生氣體)、液態(例如，碳氫化合物，瀝青)、以及固態(例如，煤，褐煤，石油焦)燃料。甚至是更進一步的燃料(如另外在此所敘述)也可以使用。

在其他方面中，本發明的方法及系統特別有用地是，它們可超過不提供CO₂捕獲的現存煤燃燒發電站的最佳效率。如此的現存發電站利用1.7吋水銀冷凝壓力而使用瀝青煤來提供最佳大約45%的效率(較低的發熱值，或“LHV”)。本發明的系統可以超過如此的效率，同時亦可以在所需壓力針對封存或其他處置而遞送CO₂。

在仍然另一方面中，相較於利用類似燃料的當前技術，本發明提供降低發電系統的實體尺寸以及建設成本的能力。因此，本發明的方法及系統可顯著地減少關連於發電系統的建構成本。

仍然更進一步地，本發明的系統及方法可設想所使用、及/或產生的CO₂(尤其是來自該燃料中碳的CO₂)的幾乎100%恢復。特別地是，該CO₂可被提供為處於管路壓力的一已乾燥、已純化氣體。再者，本發明針對其他用途、及/或處置而提供分離地恢復其他燃料以及燃燒衍生不純物的能力。

在一特別方面中，本發明指向一種結合使用一循環液體(例如CO₂)的發電方法。在特定的實施例中，根據本發明的發電方法可包括將含碳燃料、O₂、以及CO₂循環液體導入一燃燒器。具體而言，該CO₂以至少大約8MPa(較佳地是至少大約12MPa)的壓力，以及至少大約200℃(較佳地是至少大約400℃)的溫度而被導入。該方法更進一步包括燃燒該燃 料，以提供一包括CO₂的燃燒產物流。特別地是，該燃燒產物流可具有至少大約800℃的溫度。再者，該方法可包括將該燃燒產物流擴張跨越一渦輪，以進行發電，該渦輪具有用以接收該燃燒產物流的一入口，以及用以釋放一包括CO₂的渦輪排放流的一出口。較佳地是，於該入口處的該燃燒產物流相較於在該出口處的該渦輪排放流的壓力比率少於大約12。在特定的實施例中，想要地是，該CO₂在至少大約10MPa的壓力、至少大約20MPa的壓力、至少大約400℃的溫度、或至少大約700℃的溫度被導入該燃燒器中。甚至更進一步的可能處理參數亦於此進行敘述。

在一些實施例中，該CO₂循環液體可被導入該蒸散冷卻燃燒器，以與該O₂以及該含碳燃料的其中之一、或二者相混合。在其他實施例中，該CO₂循環液體可被導入該蒸散冷卻燃燒器，以作為一蒸散冷卻液體的所有或部份，該蒸散冷卻液體通過形成在該蒸散冷卻燃燒器中的一、或更多蒸散液體供應通道而被導入。在特定的實施例中，該CO₂循環液體可被導入該燃燒器作為該蒸散液體。

該燃燒的特徵具體在於真實的燃燒溫度。舉例而言，燃燒在至少大約1,500℃的溫度實行。在其他實施例中，燃燒在至少大約1,600℃至大約3,300℃的溫度實行。

本發明特徵也在於在該O₂流中CO₂的純度。舉例而言，在一些實施例中，環境空氣是有用的。然而，在特定的實施例中，將該該氧內容物純化是有益的。舉例而言，該O₂可被提供作為一流，其中，該O₂的莫耳濃度為至少85%。甚至進一步的特定濃度亦於此進行敘述。

在特定的實施例中，燃燒產物流可具有至少大約1,000℃之溫度。再者，燃燒產物流具有被導入該燃燒器的CO₂的壓力的至少大約90%，或為被導入該燃燒器的CO₂的壓力的至少大約95%的壓力。

在一些實施例中，該燃燒產物流於渦輪入口處的壓力相較於該渦輪排放流於渦輪出口處的壓力的壓力比率可為大約1.5至大約10，或可為大約2至大約8。甚至更進一步的可能比率亦於此提供。

本發明的特徵可在於被導入該燃燒腔室的特定材料的比率。舉例而言，在該CO₂循環液體中的CO₂與在被導入該燃燒器的燃料中的碳的比率基於莫耳可以是大約10至大約50，或可為大約10至大約30。甚至再更進一步的可能比率亦於此提供。

本發明的特徵更可在於，在該渦輪排放流中的至少一部份CO₂可被回收以及重新導入該燃燒器中。至少一部份的CO₂可從系統排出(例如，用於封存或其他處置)，舉例而言，透過一管路。

在特定的實施例中，在該渦輪排放流中的CO₂可為氣態。特別地是，該渦輪排放流可具有少於、或等於7MPa的壓力。

在其他實施例中，本發明的方法更包括使該渦輪排放流通過至少一熱交換器(其冷卻該渦輪排放流)，以及提供具有溫度少於大約200℃的溫度之一CO₂循環液體流。此可有用地在有助於移除一、或更多個從屬成份(亦即，除了CO₂以外的成份)的條件下提供CO₂循環液體流。在特定的實施例中，此可包括使該渦輪排放流通過串聯的至少二個熱交換器。更具體而言，在該串聯中的該第一熱交換器可接收該渦輪排放流並降低其溫度，該第一熱交換器是由可承受至少大約900℃的高溫合金所形成。

本發明的方法亦可包括對該CO₂循環液體流執行一、或更多個分離步驟，以移除存在於該循環液體流中除了CO₂以外的一、或更多個從屬成份(正如前面所提及)。具體而言，該一、或更多個從屬成份可包括水。

本發明的方法亦包括壓縮一CO₂流。舉例而言，在擴張該燃燒產物流以及冷卻該渦輪排放流後，有益地是對該流進行壓縮以回收回該 燃燒器。具體而言，該方法可包括使該CO₂循環液體流通過一、或更多壓縮器(例如，幫浦)，以將該CO₂循環液體流壓縮到至少大約8MPa的壓力。此更進一步地可包括，使該CO₂循環液體流通過串聯的至少二壓縮器，以對該CO₂循環液體流進行加壓。在某些實施例中，該CO₂循環液體流可被加壓到至少大約15Mpa的壓力。甚至更進一步的壓力範圍亦是所想要的(如另外於此所述)。在其他實施例中，該已加壓CO₂循環液體流特別地可被提供為處於超臨界流體狀態。在一些實施例中，在該已加壓CO₂循環液體流中的至少一部份CO₂可被導入一已加壓管路，以用於封存(或其他處置，正如已於前所述)。

除了加壓以外，本發明的方法亦包括對先前冷卻的CO₂循環液體流加熱，以導回該燃燒器(亦即，該CO₂循環液體流的回收)。在一些實施例中，此可包括將該已加壓CO₂循環液體流加熱到至少大約200℃、至少大約400℃、或至少大約700℃之溫度。在某些實施例中，該已加壓CO₂循環液體流的溫度可被加熱至不比該渦輪排放流的溫度少超過大約50°C。甚至更進一步可能的溫度範圍亦提供於此。具體而言，如此的加熱可包括，使該已加壓CO₂循環液體流通過用來冷卻該渦輪排放流的該(等)相同的熱交換器。如此的加熱亦可包括從一外部來源輸入熱(亦即，除了捕獲自該等熱交換器的熱以外)。在特定的實施例中，加熱可包括使用自一O₂分離單元所收回的熱。較佳地是，此額外的熱在該熱交換器單元的冷端(或當使用熱交換器的一串聯時，在運作於最高溫範圍的該串聯中的熱交換器前)被導入。

在某些實施例中，本發明的特徵在於燃燒產物流可允許多個渦輪的選擇性執行的性質。舉例而言，在一些實施例中，該燃燒產物流可為包括一、或更多可燃成份(例如，選自由下列組成之群組的成份：H₂， CO，CH₄，H₂S，NH₃，以及其結合)的一還原液體。此可藉由O₂與所使用燃料的比率而進行控制。在一些實施例中，該燃燒產物流可包含完全氧化地成份，例如，CO₂，H₂O，以及SO₂,，以及已上所列的該等已還原成份。所達成的真實組成可取決於在至該蒸散燃燒器的饋送中O₂以及所使用燃料的比率。具體而言，使用在如此的實施例中的渦輪可包括二、或更多單元，其每一個皆具有一入口以及一出口。在特定的實施例中，該等渦輪單元可操作為使得在該入口處的操作溫度大體上相同，此可包括添加一些O₂至在該第一渦輪單元(或當使用三或更更多單元時的該在前的渦輪單元)出口處的該液體流。O₂的提供允許了前述一、或更多可燃成份的燃燒，其在進入串聯中的下一個渦輪前升高了該流的溫度。此導致了在該循環液體存在下最大化產生自該燃燒氣體的電力的能力。

在其他實施例中，該渦輪排放流可為氧化液體。舉例而言，該渦輪排放流可包括過量O₂。

在一些實施例中，本發明的特徵在於各種流的狀態。舉例而言，在使該燃燒產物流擴張跨越該渦輪的步驟後，該渦輪排放流可處於氣體狀態。此氣體可通過至少一熱交換器，以冷卻該氣態渦輪排放流，進而從任何從屬成份分離該CO₂。之後，至少一部份的已分離CO₂可被加壓並轉換成為超臨界液體型態，並再次地通過該(等)相同的熱交換器，以對回收進入該燃燒器的該CO₂進行加熱。在特定的實施例中，從該擴張步驟進入該熱交換器(或當使用一串聯時的該第一熱交換器)的該渦輪排放流的溫度以及離開相同的熱交換器以回收進入該燃燒器的該已加熱、已加壓、超臨界流體CO₂的溫度之間的溫度差異可少於大約50℃。

正如先前所提及，離開該燃料燃燒器的該液體流可包括該CO₂循環液體以及一、或更多進一步的成份，例如，燃燒產物。在一些實施 例中，有用地是回收至少一部份的CO₂以及將其重新導入該燃料燃燒器。因此，該循環液體可以是一回收液體。當然，來自一外部來源的CO₂可被使用作為該循環液體。渦輪排出可在一節省器熱交換器中冷卻，以及被收回的熱可被用來加熱該高壓回收CO₂。離開該熱交換器的低溫端的該已冷卻渦輪排放可包含衍生自該燃料或該燃燒處理的成份，例如，H₂O，SO₂，SO₃，NO，NO₂，Hg，以及HCl。在另外的實施例中，這些成份可利用適當的方法而從該流中移除。在此流中的其他成份可包括衍生自該燃料或氧化劑的惰性氣態不純物，例如，N₂，氬(Ar)，以及過量O₂。這些可藉由分離的合適處理而被移除。在另外的實施例中，該渦輪排出必須處於一壓力，該壓力少於處於可得冷卻裝置之溫度的該渦輪排出中CO₂的冷凝壓力，以使得當該渦輪排出被冷卻時沒有CO₂液相會形成，因為這將允許液態水從包含最小量水蒸氣的該氣態CO₂分離，以允許水被冷凝。在進一步的實施例中，該已純化CO₂現在可被壓縮而連同代表氧化碳(衍生自饋送至燃料器的燃料之碳)之液體中CO₂的至少一部份來產生高壓回收CO₂循環液體流，其可被導入用於封存的一已加壓管路。由於該渦輪排放流的高壓，以最小的進一步處理、或壓縮而直接從該燃燒處理將CO₂傳遞進入一已加壓管路的能力是明顯有別於習知方法(其中CO₂被恢復至接近大氣壓力(亦即，大約0.1MPa)或被發散至大氣)的優點。再者，根據本發明用於封存的CO₂能以比習知更有效率以及經濟的方式傳送。

進入該熱交換器的該回收CO₂流(理想地是，處在臨界壓力之上)的比熱為高，且隨著溫度上升而降低。特別有益地是，至少一部份處於最低溫等級的熱是衍生自一外部來源、此舉例而言可為一低壓流供應，其可對冷凝提供熱、在進一步的實施例中，此熱來源可衍生自絕熱模式下供應氧化劑至該燃燒器的該低溫空氣分離工廠中所使用的空氣壓縮器 的操作(其沒有隨被使用來提供熱至回收CO₂流的熱傳遞液體的封閉循環流之對壓縮熱的萃取以及內部冷卻)。

在一實施例中，根據本發明的發電方法可包括下列步驟：將一燃料、O₂、以及CO₂循環液體導入一燃燒器，該CO₂以至少大約8Mpa的壓力，以及至少大約200℃的溫度被導入；燃燒該燃料，以提供一包括CO₂的燃燒產物流，該燃燒產物流具有溫度至少大約800℃；將該燃燒產物流擴張而跨越一渦輪，以進行發電，該渦輪具有一入口來接收該燃燒產物流，以及一出口來釋放一包括CO₂的渦輪排放流，其中，於該入口處的該燃燒產物流相較於在該出口處的該渦輪排放流的壓力比率少於大約12；藉由將該渦輪排放流通過一熱交換單元而從該渦輪排放流收回熱，進而提供一已冷卻渦輪排放流；自該已冷卻渦輪排放流移除存在於該已冷卻渦輪排放流中加上CO₂的一、或更多個從屬成份，以提供一已純化、已冷卻渦輪排放流；利用一第一壓縮器將該已純化、已冷卻渦輪排放流壓縮至高於該CO₂臨界壓力的壓力，以提供一超臨界CO₂循環液體流；將該超臨界CO₂循環液體流冷卻至其密度至少大約200kg/m³的一溫度；使該超臨界、高密度CO₂循環液體通過一第二壓縮器，以將該CO₂循環液體加壓至輸入該燃燒器所需的壓力；使該超臨界、高密度、高壓CO₂循環液體通過相同的該熱交換單元，以使得被收回的熱被用來增加該CO₂循環液體的溫度；供給一額外量的熱至該超臨界、高密度、高壓CO₂循環液 體，以使得用於回收至該燃燒器而離開該熱交換單元的該CO₂循環液體的溫度以及該渦輪排放流的溫度間的差異少於大約50℃；以及將該已加熱、超臨界、高密度CO₂循環液體回收到該燃燒器中。

在特殊的實施例中，該等系統及方法特別有用地是結合了現存的發電系統及方法(例如，習知的燃煤發電站，核能反應器，以及可利用習知鍋爐系統的其他系統及方法)。因此，在一些實施例中，在如上所述之該擴張步驟以及該收回步驟之間，本發明的方法可包括使該渦輪排放流通過一第二熱交換單元。如此的第二熱交換單元可使用來自該渦輪排放流的熱而加熱衍生自一蒸汽發電系統(例如，一習知鍋爐系統，包括燃煤發電站以及核能反應器)的一、或更多流。接著，因而加熱蒸氣流可通過一、或更多渦輪，以進行發電。離開該等渦輪的流可藉由通過習知發電系統(例如，鍋爐)的零件循環回去而進行處理。

在另外的實施例中，本發明的方法的特徵可在於接下來的一、或更多步驟：將該渦輪排放流冷卻至低於其水露點的一溫度；靠一環境溫度冷卻媒介而進一步冷卻該渦輪排放流；將水與該一、或更多個從屬成份冷凝，以形成包括H₂SO₄，HNO₃，HCl，以及汞的其中之一、或更多的溶液；將該已冷卻渦輪排放流加壓到少於大約15MPa的壓力；在通過該主要熱交換單元前，自該超臨界、高密度、高壓CO₂循環液體流中收回一產物CO₂流；將一部份燃燒產物流使用作為燃料；在一CO₂循環液體存在下以O₂燃燒一含碳燃料，該含碳燃 料、O₂、以及CO₂循環液體的提供比率使得該含碳燃料僅部份地氧化，以產生包括一不可燃成份，CO₂，以及H₂，CO，CH₄，H₂S，以及NH₃的其中之一、或更多的部份氧化燃燒產物流；以讓該部份氧化燃燒產物流的溫度足夠低的比率提供該含碳燃料、O₂、以及CO₂循環液體,，以使得該流中的所有不可燃成份為固態粒子形式；使該部份氧化燃燒產物流通過一、更或多個過濾器；使用該過濾器來將不可燃成份的剩餘量降低至少於該部份氧化燃燒產物流的大約2mg/m³；使用煤、褐煤、或石油焦作為燃料；提供微粒形式燃料，以作為一具有CO₂的漿料。

進一步的實施例中，本發明敘述成相關於發電方法，其包括下列步驟：將一含碳燃料、O₂、及一CO₂循環液體導入一蒸散冷卻燃燒器，該CO₂被以至少大約8Mpa的壓力，以及至少大約200℃的溫度被導入；燃燒該燃料，以提供一包括CO₂的燃燒產物流，該燃燒產物流具有至少大約800℃的溫度；將該燃燒產物流擴張跨越一渦輪，以進行發電，該渦輪具有一入口來接收該燃燒產物流，以及一出口來釋放一包括CO₂的渦輪排放流，其中，於該入口處的該燃燒產物流相較於在該出口處的該渦輪排放流的壓力比率少於大約12；使該渦輪排放流通過串聯的至少二熱交換器，其自該渦輪排放流收回熱，並提供該CO₂循環液體流； 自該CO₂循環液體流移除存在於該循環液體流中加上CO₂的一、或更多個從屬成份；使該CO₂循環液體流通過串聯的至少二壓縮器，其將該CO₂循環液體的壓力增加到至少大約8MPa，以及將該循環液體中的CO₂從氣體狀態轉換為一超臨界流體狀態；以及使該超臨界CO₂循環液體通過相同串聯的至少二熱交換器，其使用被收回的熱而將該CO₂循環液體的溫度增加到至少大約200℃(或可選擇地，增加至不比該渦輪排放流的溫度少超過大約50℃)。此特別地可包括導入來自一外部熱源(亦即，不直接衍生自通過該(等)熱交換器之該渦輪排放流的熱源)的額外熱。

在進一步的實施例中，本發明的特徵在於，提供在沒有CO₂的大氣釋放的情形下從含碳燃料的燃燒進行發電的高效方法。具體而言，該方法可包括下列步驟：將該含碳燃料、O₂、以及一已回收CO₂循環液體以已定義的一化學計量比率導入一蒸散冷卻燃燒器，該CO₂以至少大約8MPa之壓力，以及至少大約200℃之溫度被導入；燃燒該燃料，以提供一包括CO₂的燃燒產物流，該燃燒產物流具有至少大約800℃之溫度；將該燃燒產物流擴張跨越一渦輪，以進行發電，該渦輪具有一入口來接收該燃燒產物流，以及一出口來釋放一包括CO₂的渦輪排放流，其中，於該入口處的該燃燒產物流相較於在該出口處的該渦輪排放流的壓力比率少於大約12；使該渦輪排放流通過串聯的至少二熱交換器，其自渦輪排放流收回熱，並提供該CO₂循環液體流； 使該CO₂循環液體流通過串聯的至少二壓縮器，其將該CO₂循環液體的壓力增加到至少大約8MPa，以及將該循環液體中的CO₂從氣體狀態轉換為一超臨界流體狀態；使該CO₂循環液體流通過一分離單元，其中，化學計量所需量的CO₂被回收，並被導向該燃燒器，以及任何過量的CO₂在沒有大氣釋放的情形下進行收回；以及使該已回收CO₂循環液體通過相同串聯的至少二熱交換器，其在導入該燃燒器前使用被收回的熱而將該CO₂循環液體的溫度增加到至少大約200℃(或可選擇地，增加至不比該渦輪排放流的溫度少超過大約50℃)；其中，該燃燒的效率大於50%，該效率以相對於燃燒而發電的該含碳燃料的總低發熱值熱能而產生的淨電力的比率來計算。

在另一方面中，本發明可敘述為提供一發電系統。具體而言根據本發明的發電系統可包括一蒸散冷卻燃燒器、一發電渦輪、至少一熱交換器、以及至少一壓縮器。

在特定的實施例中，該蒸散冷卻燃燒器可具有至少一入口來接收一含碳燃料、O₂、以及一CO₂循環液體流。該燃燒器更可具有至少一燃燒階段，其在該CO₂循環液體存在下燃燒該燃料，以及提供在已定義壓力(例如，至少大約8MPa)以及溫度(例如，至少大約800℃)的一包括CO₂的燃燒產物流。

該發電渦輪可與該燃燒器進行流體溝通，並可具有一入口來接收該燃燒產物流，以及一出口來釋放一包括CO₂的渦輪排放流。該渦輪可適合來控制壓降，以使得於該入口處的該燃燒產物流的壓力相較於在該出口處的該渦輪排放流的壓力之比率少於大約12。

該至少一熱交換器可與該渦輪進行流體溝通，以接收該渦輪排放流。該(等)熱交換器可將來自於該渦輪排放流的熱傳輸至該CO₂循環液體流。

該至少一壓縮器可與該至少一熱交換器進行流體溝通。該(等)壓縮器可適合來將該CO₂循環液體流壓縮至一所欲壓力。

除了前述之外，根據本發明的發電系統更可包括一、或更多分離裝置，其位在該至少一熱交換器以及該至少一壓縮器之間。如此的(多個)分離裝置可用於移除存在於該CO₂循環液體中加上CO₂的一、或更多個從屬成份。

更進一步地是，該發電系統可包括一O₂分離單元，其包括一、或更多個產生熱的零件。因此，該發電系統亦可包括一、或更多的熱傳遞零件，其將來自該O₂分離單元的熱傳遞至該燃燒器上游的該CO₂循環液體。可選擇地，該發電系統可包括一外部熱源。此舉例而言可為對冷凝提供熱的一低壓蒸汽供應。因此，該發電系統可包括一、或更多熱傳遞零件，其將熱從該蒸汽傳遞至該燃燒器上游的該CO₂循環液體。

在進一步的實施例中，本發明的發電系統可包括下列的一、或更多個：一第一壓縮器，適合來將該CO₂循環液體流壓縮至高於該CO₂臨界壓力的壓力；一第二壓縮器，適合來將該CO₂循環液體流壓縮至輸入該燃燒器所需的壓力；一冷卻裝置，適合來將該CO₂循環液體流冷卻至其密度大於約200kg/m³的一溫度；一、或更多個熱傳遞零件，該一、或更多個熱傳遞零件將來 自一外部來源的熱傳遞至該燃燒器上游以及該第二壓縮器下游的該CO₂循環液體；一第二燃燒器，位在該蒸散冷卻燃燒器上游並與其進行流體溝通；一、或更多個過濾器或分離裝置，該一、或更多個過濾器或分離裝置位在該第二燃燒器以及該蒸散冷卻燃燒器之間；一混合裝置，用以形成一微粒燃料材料與一流化介質的一漿料；以及一研磨裝置，以微粒化一固態燃料。

在其他實施例中，本發明可提供一發電系統，其可包括下列：用以提供燃料的一、或更多注入器、一CO₂循環液體、以及一氧化劑；一蒸散冷卻燃燒器，具有至少一燃燒階段，其燃燒該燃料以及提供在至少大約800℃之溫度與至少大約4MPa(較佳地是，至少大約8MPa)之壓力的一排放液體流；一發電渦輪，具有一入口以及一出口，以及其中電力在該液體流進行擴張時被產生，該渦輪被設計來將該液體流維持在一所欲壓力，以使得該液體流於該入口處與該出口處的壓力比率少於大約12；一熱交換器，用以冷卻離開該渦輪出口的該液體流，以及加熱該CO₂循環液體；用於將離開熱交換器的液體流分離成CO₂的一過更多裝置以及一、或更多個用於恢復或處置的進一步零件。在進一步的實施例中，該發電系統亦可包括一、或更多個用以將分離自該液體流的至少一部份CO₂遞送至一已加壓管路的裝置。

在特定的實施例中，根據本發明的系統可包括如此所述隨一習知發電系統(例如，燃煤發電站、一核能反應器、或類似者)修整的一、或更多零件。舉例而言，一發電系統可包括二熱交換單元(例如，一主要熱 交換單元，以及一從屬熱交換單元)。該主要熱交換單元可大體上為如此所述之其它方式的單元，從屬熱交換單元可以是有用於將來自該渦輪排放流的熱傳遞至一、或更多的蒸汽流的單元(例如，來自相關於該習知發電系統的鍋爐)，以使該等蒸汽流過熱。因此，根據本發明的一發電系統可包括一從屬熱交換單元，其位在該渦輪以及該主要熱交換單元之間，並與該渦輪以及該主要熱交換單元進行液體溝通。相同地，該發電系統可包括經由至少一蒸汽流而與該從屬熱交換單元液體溝通的一鍋爐。更進一步地是，該發電系統可包括至少一進一步的發電渦輪，其具有用以從該從屬熱交換單元接收該至少一蒸汽流的一入口。因此，該系統可敘述為包括一主要發電渦輪以及一從屬發電渦輪。該主要發電渦輪可為與本發明的燃燒器液體溝通的一渦輪。該從屬發電渦輪可為與一蒸汽流液體溝通的一渦輪，特別地是，藉由來自該主要發電渦輪的該排放流的熱而過熱的一超臨界蒸汽流。如此之具有來自習知發電系統的一、或更多零件的系統修整於此進行敘述，特別是相關於第12圖以及實例2。主要發電渦輪以及從屬發電渦輪之用語的使用不應該被理解為對於本發明範疇的限制，並且僅是用來提供敘述的清楚性。

在本發明另一方面的構想中，一外部流於該熱交換器的高溫端藉由來自該冷卻渦輪排放流的熱傳遞而進行加熱，而且如此的結果是，該高壓回收流將離開該熱交換器，並以一低的溫度進入該燃燒器。在此例子中，在該燃燒器中燃燒的燃料量會增加，而使得該渦輪入口溫度可獲得維持。額外燃燒的燃料的發熱值相等於強加於該熱交換器上的額外熱負載。

在一些實施例中，本發明的特徵在於提供從一CO₂為主循環液體之循環中產生軸動力的一處理工廠。在進一步的實施例中，本發明提供可符合某些條件的處理。在特定的實施例中，本發明更進一步的特徵在 於一、或更多個接下來的動作，或用來實行如此之動作的裝置：將該CO₂循環液體壓縮至超過CO₂的臨界壓力的壓力；在大體為純的O₂中直接燃燒一固態、液態、或氣態的含烴燃料，以準備混合一富CO₂超臨界回收液體，進而達成一所需發電渦輪入口溫度，例如，大於大約500℃(或如於此所述的其他溫度範圍)；在隨軸電力之產生的渦輪中將由燃燒產物所形成的一超臨界流以及已回收富CO₂液體擴散，特別地是，擴張至高於大約2MPa之壓力，以及低於當該液體被冷卻至與環境溫度冷卻裝置之使用一致的溫度時，液態CO₂液相出現的壓力(例如，大約7.3-7.4MPa)；將一渦輪排出導入一熱交換器，該渦輪排出於該熱交換器中被冷卻，以及熱被傳遞至一已回收富CO₂超臨界液體；靠一環境溫度冷卻裝置而冷卻離開一熱交換器的一含CO₂流，以及分離包含至少少量濃度CO₂的一液相水，以及包含至少一少量濃度水蒸氣的氣相CO₂；以允許氣態CO₂以及液態水或弱酸相之間有緊密接觸的一所欲停留時間(例如，至多10秒)的方式實行一水分離，以使得牽涉SO₂、SO₃、H₂O、NO、NO₂、O₂、及/或Hg的反應可發生而造成出現在一流中多於98%的硫被轉換為H₂SO₄、以及在一流中多於90%的氧化氮被轉換為HNO₃、以及在一流中多於80%的汞被轉換為可溶性汞化合物；藉由將氣相CO₂冷卻至接近具氣/液相分離的該CO₂凝固點的一溫度而分離出非冷凝成份(例如，N₂，Ar，以及O₂)，而在該氣相中留下N₂、Ar、以及O₂為主；在一氣體壓縮器中將一已純化氣態CO₂流壓縮至藉由環境溫度冷卻裝置進行的冷卻可產生一高密度CO₂液體(例如，具有至少大約200 kg/m³，較佳地是至少大約300kg/m³或更為較佳地是至少大約400kg/m³的密度)的壓力；以環境冷卻手段冷卻壓縮CO₂來形成高密度超臨界流體(例如密度是至少約200kg/m³，較佳地是至少300kg/m³，或更佳地的是至少約400kg/m³)；在一壓縮器中將一高密度CO₂液體壓縮至高於該CO₂的臨界壓力的壓力；將一高壓CO₂流分離為二個分流，一個進入一熱交換器的冷端，以及第二個利用在低於約250℃可得的一外部熱源進行加熱；促進有效熱傳遞(包括一選擇性外部熱源的使用)，以使得進入一熱交換器的熱端的一渦輪排放流的溫度以及離開該相同熱交換器的熱端的一回收CO₂循環液體的溫度間的差異少於大約50℃(或如在此所述的其他溫度臨界值)；將一CO₂循環液體壓縮到大約8MPa至大約50MPa的壓力(或如在此所述的其他壓力範圍)；將一O₂流與至少一部份的一已回收CO₂循環液體流以及一含碳燃料流相混合，以形成低於該燃料的自燃溫度的一單獨液體流(或漿料，若使用的是粉狀、固態燃料)，以及其比率被調整，以得出大約1,200℃至3,500℃(或如在此所述的其他溫度範圍)的絕熱火焰溫度；將至少一部份的一已回收CO₂循環液體流與燃燒產物相混合，以產生溫度範圍落在大約500℃至1,600℃(或如在此所述的其他溫度範圍)的一混合液體流；產生具有大約2MPa至大約7.3MPa(或其他壓力範圍，如在此所述)的壓力之一渦輪排放流； 利用衍生自一低溫O₂工廠(特別地是，在該絕熱模式)的一、或更多個壓縮器、及/或一CO₂壓縮器(特別地是，在該絕熱模式)之操作的壓縮熱而由外部加熱一高壓CO₂循環液體流的一部份，該熱藉由一適當的熱傳遞液體(包括該CO₂液體本身)而進行傳遞；利用在一燃燒器中燃燒的相等額外燃料而在一熱交換器中加熱一、或更多個外部液體流，其中，該等外部液體流的一、或更多個可包括蒸汽，其可在該熱交換器中過熱；使用由一外部來源所提供的冷凝流所供應的熱而由外部加熱一已回收CO₂循環液體流的一部份；在一熱交換器中冷卻一含CO₂流(其離開該熱交換器的該冷端)，以提供用以加熱一由外部提供之液體流的熱；提供一O₂饋送流，其中，該O₂的莫耳濃度為至少大約85%(或正如在此所述之其他濃度範圍)；操作一燃燒器，以使得在離開該燃燒器(亦即，一燃燒產物流)以及進入一渦輪的一總氣體流中的O₂濃度大於大約0.1%莫耳；實行一發電處理，以使得僅一個發電渦輪被使用；實行一發電處理，以使得僅一個燃燒器被使用，進而大體完全地燃燒輸入該燃燒器的含碳燃料；操作一燃燒器，以使得在進入該燃燒器的該O₂流中的O₂量低於進入該燃燒器的該燃料流的化學計量燃燒所需的量，以及因此造成在該燃燒產物流中產生H₂以及一氧化碳(CO)的其中之一、或二者；利用二、或更多渦輪而實行一處理，每一個渦輪皆具有一已定義排出壓力，其中，H₂以及CO的其中之一、或二者出現在離開該第一渦輪(以及若適用的時候，除了渦輪串聯中的最後一個渦輪以外之接續的渦 輪)的排放流中，以及H₂以及CO的部份或全部藉由在該第二及接續的渦輪之入口前添加一O₂流而進行燃燒，以將該等第二、或更多渦輪的每一個的操作溫度上升至一較高的數值，其造成來自最後一個渦輪的排出流中的過量O₂，例如，過量為高於大約0.1%莫耳。

在進一步的實施例中，本發明可提供下列的一、或更多：靠該冷卻渦輪排放流而在一熱交換系統中對一CO₂循環液體進行加熱，以使得該渦輪排放流被冷卻至低於其水露點的一溫度；靠一環境溫度冷卻媒介以及連同燃料以及包括H₂SO₄、HNO₃、HCl的燃燒衍生不純物、以及其他不純物(例如，Hg以及在溶液中為離子化合物形式的其他金屬)的冷凝水而冷卻該渦輪排放流；在一第一壓縮器中將該已純化CO₂循環液體壓縮至高於其臨界壓力但低於10Mpa的壓力；將該循環液體冷卻至其密度大於600kg/m3的點；在一壓縮器中將該高密度CO₂循環液體壓縮至克服系統中壓降以及饋送該循環CO₂液體進入該燃燒腔室所需的壓力；移除一CO₂產物流，該CO₂產物流包含燃燒燃料流中的碳所形成的大體上所有CO₂，該CO₂流是取自該第一壓縮器、或該第二壓縮器的排放流動；直接對該熱交換器、或藉由加熱包括該CO₂循環液體的一側流而供應處於高於該冷卻渦輪排放流的水露點的一溫度水平的對於該CO₂循環液體之一額外量熱，以使得於該熱交換器的熱端處該循環CO₂液體以及該渦輪排放間的溫度差異少於50℃；利用包括一含碳燃料的燃料以產生包括H₂、CO、CH₄、H₂S、NH₃、以及不可燃剩餘物的一流，該具有在一蒸散冷卻燃燒器中藉由O₂而 部份氧化的不可燃剩餘物，，該燃燒器被饋送以部份的該循環CO₂流，以將該已部份氧化的燃燒產物冷卻至溫度500℃至900℃，在此，灰燼呈現為固態微粒，其可藉由過濾系統而完全地從出口液體流中被移除；在該側流流動與分離加熱的循環CO₂液體流動重新混合的點，提供該冷卻渦輪排放流以及該加熱循環CO₂液體流之間介於10℃以及50℃間的一溫度差異；提供離開熱交換器的冷端的渦輪排放流之壓力，以使得此流在水與雜質分離之前被冷卻的時候沒有液態CO₂被形成；利用最少部份的該渦輪排放流來使衍生自相關連於習知鍋爐系統以及核能反應器的傳統蒸汽發電系統的多個蒸汽流過熱；提供額外的低位熱至該循環CO₂流，以成為處於取自一外部蒸氣源(例如，一電力站)的一、或更多個壓力位準的蒸汽；利用離開該熱交換器系統的冷端的擴張器排放流而提供對於離開該蒸汽發電系統的蒸汽冷凝器的至少部份冷凝物的加熱；為來自一開放循環氣體渦輪的熱排放的該循環CO₂流提供額外的低位熱；將作為燃料之加上CO₂的部份煤氧化衍生氣體加上CO₂做為燃料而送至一第二燃燒器，以完成燒；以O₂與燃料之比率而操作一單獨的燃燒器，以使得部份的燃料被氧化為包括CO₂、H₂O、以及SO₂的氧化產物，以及剩餘的燃料被氧化為包括H₂、CO、以及H₂S的成份；藉由被注入該第一渦輪的該排放流動中的O₂而在總體所需壓力比率之上操作二渦輪，以燃燒已減少的成份，進而在該中間壓力流通過該第二渦輪而被擴張前將該中間壓力流重新加熱至一較高溫。

甚至進一步的實施例包含於如相關於各式圖式所敘述及/或在此所提供發明的進一步敘述中所揭示之發明。

220‧‧‧燃燒器裝置

222‧‧‧燃燒腔室

222A‧‧‧入口部份

222B‧‧‧出口部份

223‧‧‧端壁

2338‧‧‧壓力抑制部件

60‧‧‧已冷卻渦輪排出流

61‧‧‧混合相的已冷卻渦輪排出流

65‧‧‧已純化工作液體65

236‧‧‧已回收工作液體

236a、236b、52、56、62、74、73、71、71b、72a、72b、1044、1045、1039、 1038、1301、1035‧‧‧流

254、1055‧‧‧含碳燃料

250A‧‧‧漿料

254A‧‧‧粉煤

255‧‧‧液化物質

250‧‧‧混合設置

242‧‧‧氧

230‧‧‧蒸散部件

2331‧‧‧外部蒸散部件

2332‧‧‧內部蒸散部件

231‧‧‧緩衝層

2339‧‧‧絕熱部件

2350‧‧‧熱移除裝置

2336‧‧‧器壁

210‧‧‧蒸散物質

2337‧‧‧通道

2333A‧‧‧第一蒸散液體供應通路

2333B‧‧‧第二蒸散液體供應通路

2335‧‧‧多個流動通路或孔洞或其他合適的開口

2A‧‧‧中央收集提供

100、100A、100B、100C‧‧‧離心分離器裝置

2‧‧‧中央收集管路

4‧‧‧出口管

12‧‧‧收集管路

5‧‧‧出口噴嘴

6‧‧‧水冷區段

9‧‧‧閥門

7‧‧‧管線

8‧‧‧分離的線

14‧‧‧出口噴嘴或管路

20‧‧‧污水坑

1‧‧‧氣旋

3‧‧‧出口通道

11‧‧‧分支通道

125‧‧‧承壓殼體

2340‧‧‧分離器裝置

85、62b、70、67、66‧‧‧循環液體流

80‧‧‧管路液體流

720‧‧‧管路分流器

620‧‧‧加壓單元

520‧‧‧分離單元

420‧‧‧熱交換器

50‧‧‧渦輪排放流

320‧‧‧擴散渦輪

530、640、1370、1320‧‧‧冷卻水熱交換器

540、1360‧‧‧分離器

550‧‧‧分離單元

62a‧‧‧液態水流

650、1380‧‧‧壓縮器

630‧‧‧第一壓縮器

430‧‧‧第一熱交換器

440‧‧‧第二熱交換器

450、1310‧‧‧第三熱交換器

480、910、252‧‧‧混合器

460‧‧‧分流器

470‧‧‧側加熱器

40、1054‧‧‧燃燒產物流

330、340‧‧‧渦輪

42‧‧‧第一排放流

30‧‧‧空氣分離單元

241‧‧‧空氣

900‧‧‧研磨裝置

256‧‧‧冷卻流

930‧‧‧氧化燃燒器

920、1390、1350‧‧‧幫浦

68‧‧‧側抽取

940‧‧‧過濾器

86、1058‧‧‧CO₂流

257‧‧‧燃燒流

80‧‧‧CO₂管路液體流

1209、1210‧‧‧發電機

Q‧‧‧熱

1056‧‧‧氧氣流

1053、1051、1047‧‧‧CO₂循環液體流

1049‧‧‧CO₂產物流

1050‧‧‧幫浦排放流

1048‧‧‧CO₂循環液體

1042、1043‧‧‧線

1046‧‧‧酸流

1340‧‧‧循環幫浦

1330‧‧‧管柱

1040‧‧‧已冷卻流

1001

1100‧‧‧擴散渦輪排放流

1037‧‧‧排放流

1031‧‧‧高壓流流動

1800‧‧‧發電站

1057、1036‧‧‧冷凝物

1052‧‧‧LP蒸汽流

1032‧‧‧中壓流流動

1033‧‧‧流流動

1200‧‧‧三階段渦輪

1220‧‧‧冷凝器

1230‧‧‧饋送水幫浦

1810‧‧‧煤

在已經以一般用語描述本發明後，現在將以所附圖式作為參考，其不需依比率繪製且其中： 第1圖為可根據本揭示某些實施例而使用的蒸散冷卻燃燒器裝置的示意圖；第2圖為可使用於本揭示某些實施例中的燃燒器裝置裡面蒸散部件的器壁的示範性剖面示意圖；第3A圖以及第3B圖示意性示出可使用於本揭示某些實施例中的燃燒器裝置的蒸散部件集合的熱裝配(hot fit)處理；第4圖示意性示出根據本揭示某些實施例而可用的燃燒產物污染移除裝置；第5圖為示出根據本揭示一實施例之電力循環的流程圖；第6圖為示出根據本揭示一實施例之CO₂循環液體通過分離單元之流動的流程圖；第7圖為示出根據本揭示一實施例之利用在加壓單元中一串聯的二、或更多個壓縮器或幫浦的加壓的流程圖；第8圖為示出根據本揭示一實施例之熱交換器單元的流程圖，其中，三個個別的熱交換器是以串聯方式使用；第9圖為示出根據本揭示一實施例之利用於還原模式中以串聯方式操作之二渦輪的一渦輪單元的流程圖；第10圖為示出根據本揭示一實施例之使用二燃燒器的發電系統及方法的流 程圖；第11圖為示出根據本揭示一實施例之發電系統及方法的特定實例的流程圖；以及第12圖：為示出根據本揭示一實施例之結合習知燃煤鍋爐(coal fired boiler)的發電系統及方法的另一實例的流程圖。

現在，本發明將透過對於各式實施例的參考而於之後進行更完全的敘述。這些實施例的提供在於使此份揭示更為完全及完整，並且對本領域具通常知識者完全傳達本發明的範圍。的確，本發明可以許多不同的形式實施，且不應被解釋為受限於在此所提出的實施例；反而，這些實施例是被提供，以使得此份揭示滿足適用的法律要求。當在說明書中以及在所附申請專利範圍中使用時，單數的形式“一”以及“該”包括有複數個指示物，除非上下文中另外清楚地規定。

本發明提供透過使用高效燃料燃燒器(例如，蒸散冷卻燃燒器)的發電系統及方法，以及相關的循環液體(例如，CO₂循環液體)。該循環液體與適當的燃料、任何必須的氧化劑、以及任何對高效燃燒有用的相關材料一起被提供於燃燒器中。在特定的實施例中，方法可利用於非常高溫度(例如，在大約1,600℃至大約3,300℃範圍中，或其他在此所揭示的溫度範圍中)下操作的燃燒器而實現，以及循環液體的存在可作用來緩和離開燃燒器的液體流的溫度，以使得液體流可被利用於電力產生的能量傳遞中。具體而言，燃燒產物流可擴張而跨越至少一渦輪，以進行發電。擴張的氣體流可被冷卻，以移除來自該流的各種成份，例如，水，以及由已擴張氣體流收回的可被用來加熱該CO₂循環液體的熱。已純化的循環液體 流可接著被加壓以及加熱，以用於經由燃燒器的回收。如果要的話，來自燃燒產物流的部份CO₂(亦即，由藉由含燃料碳的燃燒在氧氣存在下所形成的CO₂所產生者)可被抽離以進行封存或其他的處置，例如，傳遞至CO₂管線。系統及方法可利用特定的處理參數以及零件，以最大化系統及方法的效率(特別是在避免釋放CO₂至大氣的同時)。正如在此所特別敘述的，該循環液體是藉由使用CO₂作為循環液體而進行舉例說明。在根據本發明而使用CO₂循環液體是具有優勢的同時，如此的揭示並不應該被理解為是在本發明中可被使用循環液體的範圍的必要限制，除非有另外說明。

在某些實施例中，根據本發明的發電系統可使用包括了CO₂為主的循環液體。換言之，循環液體在立刻輸入燃燒器之前的化學性質即為使得循環液體包括顯著量的CO₂。在此情形下，用詞“顯著”可表示液體包括至少為大約90%莫耳濃度、至少為大約91%莫耳濃度、至少為大約92%莫耳濃度、至少為大約93%莫耳濃度、至少為大約94%莫耳濃度、至少為大約95%莫耳濃度、至少為大約96%莫耳濃度、至少為大約97%莫耳濃度、至少為大約98%莫耳濃度、或至少為大約99%莫耳濃度的CO₂。較佳地是，該循環液體在進入該燃燒器之前實質上僅包括CO₂。在此情形下，該用語“實質上僅”可表示至少為大約99.1%莫耳濃度、至少為大約99.25%莫耳濃度、至少為大約99.5%莫耳濃度、至少為大約99.75%莫耳濃度、至少為大約99.8%莫耳濃度、或至少為大約99.9%莫耳濃度的CO₂。在燃燒器中，CO₂可以與一、或更多可從燃料衍生出的其他成份、任何氧化劑、以及任何燃料燃燒的衍生物相混合。因此，離開該燃燒器的循環液體(在此可敘述為燃燒產物流)可包括CO₂以及較少量的其他材料，例如水(H₂O)、氧氣(O₂)、氮氣(N₂)、氬(Ar)、二氧化硫(SO₂)、三氧化硫(SO₃)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、氯化氫(HCl)、汞(Hg)、以及可從燃燒處理衍生出的 其他成份的微量(例如，微粒，例如，灰燼、或液化灰燼)，其包括另外的可燃物。正如接下來的更詳細敘述，燃燒處理可受到控制，以使得液體流的性質可為還原、或氧化，其可提供將特別地敘述的益處。

本發明的系統及方法可結合對適當燃料(正如在此所敘述者)的燃燒有幫助的一、或更多燃燒器。較佳地是，根據本發明所使用的至少一燃燒器是能夠在一相對而言較高的燃燒溫度下提供大體上為完整的燃燒的高效燃燒器。高溫燃燒對提供大體上為完整的燃料燃燒特別有用，以及因此將效率最大化。在各式實施例中，高溫燃燒可表示，在至少大約1,200℃、至少大約1,300℃、至少大約1,400℃、至少大約1,500℃、至少大約1,600℃、至少大約1,750℃、至少大約2,000℃、至少大約2,500℃、或至少大約3,000℃之溫度的燃燒。在進一步的實施例中，高溫燃燒可表示，在大約1,200℃至大約5,000℃、大約1,500℃至大約4,000℃、大約1,600℃至大約3,500℃、大約1,700℃至大約3,200℃、大約1,800℃至大約3,100℃、大約1,900℃至大約3,000℃、或大約2,000℃至大約3,000℃之溫度的燃燒。

在某些實施例中，根據本發明的高溫燃燒可利用蒸散冷卻燃燒器而被實現。可用於本發明的蒸散冷卻燃燒器的一個實例敘述於2010年2月26日提出申請的美國專利申請案第12/714,074號中，其揭示內容整體於此併入做為參考。在一些實施例中，根據本發明的可用蒸散冷卻燃燒器可包括一、或更多熱交換區域，一、或更多冷卻液體、以及一、或更多蒸散液體。

根據本發明，使用蒸散冷卻燃燒器相對於習知技術而特別具優勢地是在發電的燃料燃燒方面。舉例而言，使用蒸散冷卻可有效阻止燃燒器中的腐蝕，污垢，以及侵蝕。此則進一步允許燃燒器在足夠高的溫度 範圍內工作，以提供所使用燃料的完全、或至少大體上完全的燃燒。這些，以及進一步的優點於此被進一步的敘述。

在一特殊方面中，根據本發明而有用的蒸散冷卻燃燒器可包括至少部份由蒸散部件所定義的一燃燒腔室，其中，該蒸散部件至少部份為壓力抑制部件所環繞。該燃燒腔室可具有一入口部份以及一相對的出口部份。該燃燒腔室的該入口部份可配置來接收含碳燃料，以在燃燒腔室中於燃燒溫度下進行燃燒，進而形成燃燒產物。該燃燒腔室可更進一步被配置來將燃燒產物導向出口部份。該蒸散部件可被配置將蒸散物質穿過其間而導向該燃燒腔室，以緩衝燃燒產物以及該蒸散部件之間的相互作用。此外，該蒸散物質可被導入該燃燒腔室中，以達成燃燒產物的所欲出口溫度。在特別的實施例中，該蒸散物質可至少部份包括該循環液體。

該燃燒腔室的器壁可襯以一層多孔材料，該蒸散物質(例如，CO₂、及/或H₂O)藉此被導引以及流動。

在其他方面中，內部蒸散部件2332可由該蒸散部件230的入口部份222A擴張至該出口部份222B，在一些例子中，該內部蒸散部件2332的穿孔/多孔結構可大體上完全地(徑向地)由該入口部份222A擴張至該出口部份222B，以使得該蒸散液體210被大體導入該燃燒腔室222的整個長度中。也就是，大體上，該內部蒸散部件2332的整體可被配置以一穿孔/多孔結構，以讓該燃燒腔室222的大體上整個長度可受到蒸散冷卻。更特別地是，在一些方面中，累積的穿孔/孔洞區域可大體上相等於內部蒸散部件2332的表面積。在仍然其他方面中，該穿孔/孔洞可以適當的密度而相間隔，以使得該蒸散物質可達成大體上均勻地從內部蒸散部件2332份佈進入該燃燒腔室222(亦即，沒有缺乏蒸散物質的流動或存在的“死點(dead spots)”)。在一實例中，該內部蒸散部件2332的平方英吋(square inch)可包括每平方 英吋250 x 250之等級的一穿孔/孔洞陣列，以提供每平方英吋大約62,500個的孔洞，如此的穿孔/孔洞則是以大約0.004英吋(0.1mm)的距離相間隔。孔洞區域與總器壁區域的比率(%孔隙率)可為，舉例而言，大約50%。該孔洞陣列可變化很廣的範圍，以適合其他系統的設計參數，例如，所欲的壓降相對於跨越該蒸散部件的流速。在一些實例中，可使用具有孔隙率大約10%至大約80%的每英吋大約10 x 10至大約10,000 x 10,000的陣列尺寸。

透過此多孔蒸散層以及選擇性地透過額外的供應的蒸散物質流動可被配置來達成來自燃燒器的所欲總離開液體流出口溫度。在一些實施例中，正如在此更進一步敘述地，如此的溫度可落在大約500℃至大約2,000℃的範圍內。此流動亦可以用來將蒸散部件冷卻至低於形成該蒸散部件的材料的最大允許操作溫度的一溫度。該蒸散物質亦可用來阻止可能撞擊、污染、或以其他方式損害該等器壁之燃料中任何液態、或固態灰燼材料、或其他污染物的影響。在如此的例子中，蒸散部件可能會需要使用具有合理導熱性的材料，以使得入射的輻射熱可徑向地被傳導向外而通過該多孔蒸散部件，並接著被從該多孔層結構的表面至徑向向內通過該蒸散層的該液體的對流熱傳遞截走。如此的架構可允許被導向通過該蒸散部件的流的接續部份被加熱至在所欲範圍內的溫度，例如，大約500℃至大約1,000℃，且同時間亦將多孔蒸散部件的溫度維持在對其所使用材料的設計範圍內。用於該多孔蒸散部件的適當材料舉例而言可包括多孔陶瓷、耐火金屬纖維毯、鑽孔的圓柱區段、及/或燒結的金屬層或燒結的金屬粉末。該蒸散部件的第二個功能是可以確保大體上平坦的蒸散液體徑向向內流動，以及縱向沿著該燃燒器，以達成該蒸散液體流以及該燃燒產物之間的良好混合而同時間提升沿著該燃燒腔室的長度的平坦軸向流動。該蒸散部件的第三個功能是可以達成稀釋液體的徑向向內速度，以提供提供緩衝於或用 其它方式攔截在燃燒產物中灰燼或其他污染物的固態、及/或液態粒子，進而避免對於該蒸散層表面的衝擊，以及避免造成阻塞或其他損害。舉例而言，如此的因子可能僅在燃燒具有剩餘惰性不可燃殘渣的燃料(例如，煤)時才顯得重要。環繞該蒸散部件的該燃燒器壓力管線的內壁亦可以被絕熱，以隔絕該燃燒器中的高溫蒸散液體流。

可根據本發明而使用的燃燒器裝置的一個實施例示意地闡明於第1圖中，該燃燒器裝置一般是由數字220所指示。在此實例中，該燃燒器裝置220可被配置來燃燒一微粒狀固體(例如煤)以形成一燃燒產物，雖然任何其他合適的可燃含碳材料(正如在此所揭示者)亦可以使用做為燃料。該燃燒腔室222可藉由蒸散部件230而定義，其是被配置來將通過其間的一蒸散液體導入該燃燒腔室222之中(亦即，以有助於蒸散冷卻、及/或以緩衝該燃燒產物以及該蒸散部件230之間的相互作用)。本領域具通常知識者將可理解地是，該蒸散部件230可大體上為圓柱狀，以定義大體上為圓柱狀且具有一入口部份222A以及一相對出口部份222B的燃燒腔室222。該蒸散部件230可至少部份由一壓力抑制部件2338所環繞。該燃燒腔室222的該入口部份222A可被配置來接收來自一般由符號250所指示的混合設置(mixing arrangement)的一燃料混合物。在其他的實施例中，可能會缺少如此的混合設置，而一、或更多個輸入該燃燒器中的材料可經由獨立的入口而分離地加入。根據特別的實施例，該燃料混合物可在該燃燒腔室222中以特殊的燃燒溫度進行燃燒，以形成燃燒產物，其中，該燃燒腔室222可進一步地配置來將該燃燒產物導向該出口部份222B。一熱移除裝置2350(請參閱，例如，第2圖)可關連於該壓力抑制部件2338以及被配置來控制其溫度。在特定的例子中，該熱移除裝置2350可包括至少部份由相對於該壓力抑制部件2338的一器壁2336所定義的一熱傳遞外套，其中，一液體可在其間所定義 的水循環外套2337中循環。在一實施例中，該循環液體可以是水。

在一特殊方面中，該多孔內部蒸散部件2332因此被配置來將該蒸散液體導入該燃燒腔室222之中，以使得該蒸散物質210以大體上相對於該內部蒸散部件2332的內表面呈直角(90°)的角度進入該燃燒腔室222。除了這些優點之外，該蒸散物質210以大體上相對於該內部蒸散部件2332呈直角的導入亦有助於、或者以其它方式強化將爐渣液態、或固態熔滴、或其他污染物、或熱燃燒液體漩渦自該內部蒸散部件2332的內表面導開的效果。當爐渣液體、或固體熔滴間沒有接觸時，就可避免該等熔滴聚結成為較大的熔滴或群體，這在習知技術中已知是在熔滴或粒子與固態器壁間接觸後馬上發生。以大體上相對於該內部蒸散部件2332呈直角的方式將該蒸散物質210導入可有助於、或以其它方式可強化阻止可能撞擊並損害該內部蒸散部件之具有垂直於且相鄰於該內部蒸散部件的足夠速度的燃燒液體漩渦的形成的效果。在如此的例子中，該外部蒸散部件2331、該壓力抑制部件2338、該熱傳遞外套2336、及/或該絕熱層2339可被配置(個別地、或共同地)來提供相關於蒸散物質/液體210到達且穿過該內部蒸散部件2332並進入該燃燒腔室222的遞送的一“多樣的”效果(亦即，提供大體上均勻分佈的供應)。也就是說，該蒸散物質210進入該燃燒腔室222的大體上均勻的供應(依照流速、壓力、或任何其他合適且適當的測量)可藉由配置該外部蒸散部件2331、該壓力抑制部件2338、該熱傳遞外套2336、及/或該絕熱層2339而達成，進而提供均勻供應的該蒸散物質210至該內部蒸散部件2332，或者，該蒸散物質210有關於該內部蒸散部件2332的外表面的供應可特別地客製化，並配置為可達成該燃燒腔室222中該蒸散物質210的大體上均勻分佈。如此的大體上均勻分佈可避免藉由非均勻蒸散液體與燃燒液體流動的相互作用而以其它方式形成以及可能撞擊以及損害內部蒸散部件的 熱燃燒液體漩渦的形成。

該混合設置250(當存在時)可被配置來混合含碳燃料254以及富氧(enriched oxygen)242與一已回收工作液體236，以形成一燃料混合物。該含碳燃料254的提供形式可以是固態含碳燃料、液態含碳燃料、及/或氣態含碳燃料。該富氧242可以是具有莫耳純度高於大約85%的氧。該富氧242的供應，舉例而言，可藉由習知技術中已知的任何空氣分離系統/技術，例如，舉例而言，可以執行低溫空氣分離處理、或高溫離子穿透膜氧分離處理(自空氣)。正如在此所敘述，該已回收工作液體236可以為二氧化碳。在該含碳燃料254為微粒固體的例子中(例如，粉煤254A)，該混合設置250可以更進一步地配置來混合該微粒固態含碳燃料254A以及一液化物質255。根據一方面，該微粒固態碳燃料254A可具有介於大約50微米至大約200微米之間的平均粒子尺寸，根據又另一方面，該液化物質255可包括水，及/或液態CO₂，其密度介於大約450kg/m³至大約1100kg/m³之間。更特別地是，該液化物質255可與該微粒固態含碳燃料254A配合而形成，例如，介於該微粒固態含碳燃料254A的重量百分比大約25至大約55之間的漿料250A。雖然在第1圖中，該氧242顯示為在導入該燃燒腔室222之前是與該燃料254以及該已回收工作液體236相混合，但本領域具通常知識者將可理解地是，在一些例子中，當必須或想要時，該氧242可分離地被導入該燃燒腔室222之中。

該混合設置250，在某些方面中，可包括，舉例而言，間隔分離的注入噴嘴(未顯示)陣列，其可設置在關連於該圓柱狀燃燒腔室222的入口部份222A的該蒸散部件230的端壁223附近。以此方法將該燃料/燃料混合物注入進入該燃燒腔室222可提供，舉例而言，大表面積的已注入燃料混合入口流，此接著有助於藉由輻射而對該已注入燃料混合入口流進行快 速熱傳遞。因此，該已注入燃料混合物的溫度可快速地增加至該燃料的點燃溫度，以及可因此造成緊密的燃燒。雖然這些數值是取決於許多因子，例如，特定注入噴嘴的架構，但該燃料混合物的注入速度可落在，舉例而言，大約10m/sec至大約40m/sec間的範圍。如此的一注入設置可以採用許多不同的形式。舉例而言，該注入設置可包括，例如，直徑介於約0.5mm至大約3mm範圍間的孔洞陣列，其中，該已注入的燃料以介於大約10m/s至大約40m/s的速度注入穿過其間。

正如在第2圖所更特別顯示地，該燃燒腔室222可藉由該蒸散部件230而進行定義，該蒸散部件230可至少部份受到一壓力抑制部件2338的包圍。在一些例子中，該壓力抑制部件2338可進一步至少部份受到一熱傳遞外套2336的包圍，其中，該熱傳遞外套2336可與該壓力抑制部件2338配合而於其間定義一、或更多通道2337，藉此，低壓水流就可進行循環。而透過一蒸發機制，該循環的水因此可用來控制及/或維持該壓力抑制部件2338的選擇溫度，舉例而言，落在大約100℃至大約250℃的範圍內。在一些方面中，絕熱層2339可安置在該蒸散部件230以及該壓力抑制部件2338之間。

在一些例子中，該蒸散部件230可包括，舉例而言，一外部蒸散部件2331以及一內部蒸散部件2332，該內部蒸散部件2332被安置為自該壓力抑制部件2338起相對該外部蒸散部件2331，並且定義該燃燒腔室222。該外部蒸散部件2331可由任何適合的抗高溫材料構成，例如，舉例而言，鋼以及鋼合金，包括不銹鋼以及鎳合金。在一些例子中，該外部蒸散部件2331可配置來定義自其相鄰於該絕熱層2339的表面至其相鄰於該內部蒸散部件2332的表面而擴張通過其間的第一蒸散液體供應通路2333A。在一些例子中，該第一蒸散液體供應通路2333A可對應於該壓力抑制部件2338、 該熱傳遞外套2336、及/或該絕熱層2339所定義的第二蒸散液體供應通路2333B。該等第一以及第二蒸散液體供應通路2333A，2333B可因此被配置為合作將通過其間的一蒸散液體導向該內部蒸散部件2332。在一些例子中，正如在第1圖中所示，舉例而言，該蒸散液體210可包括該已回收工作液體236，以及可獲得自與其相關連的相同來源。該等第一以及第二蒸散液體供應通路2333A，2333B，若必須時，可進行絕熱，以用於遞送足夠供應量以及足夠壓力的該蒸散液體210(亦即，CO₂)，進而使得該蒸散液體210被引導穿過該內部蒸散部件2332，並且進入該燃燒腔室222。如此之牽涉到該蒸散部件230以及相關連蒸散液體210(正如在此所揭示)的方法可允許該燃燒器裝置220在相對而言較高的壓力以及相對而言較高的溫度下以此處所揭露不同方式進行操作。

在這方面，該內部蒸散部件2332的構成舉例而言可為多孔陶瓷材料、穿孔材料、層壓材料、在二維隨機定向且於第三維被順序化纖維所構成的多孔毯、或任何其他合適的材料、或其展現如在此所揭示的所需特徵的結合，亦即，多個流動通路或孔洞或其他合適的開口2335，以接收以及引導通過該內部蒸散部件2332的該蒸散液體。多孔陶瓷以及其他合適用於如此之蒸散冷卻系統的無限制實例包括氧化鋁、氧化鋯、轉換韌化氧化鋯(transformation-toughened zirconium)、銅、鉬、鎢、滲銅鎢(copper-infiltrated tungsten)、鎢塗覆鉬(tungsten-coated molybdenum)、鎢塗覆銅(tungsten-coated copper)、各種高溫鎳合金、錸護套或塗覆材料(rhenium-sheathed or coated materials)。適合材料的來源舉例而言包括CoorsTek,Inc.(Golden,CO)(鋯)；UltraMet Advanced Materials Solutions(Pacoima,CA)(耐火金屬塗層)；Orsam Sylvania(Danvers,MA)(鎢/銅)；以及MarkeTech International,Inc.(Port Townsend,WA)(鎢)。適合用於如 此之蒸散冷卻系統的穿孔材料的實例包括上述所有的材料以及供應者(其中，穿孔末端結構可藉由利用習知製造技術中的已知方法對起始無孔結構進行穿孔而獲得)，適當的層壓材料的實例包括上述所有的材料以及供應者(其中，層壓末端結構可藉由，舉例而言，利用習知製造技術中的已知方法而達成所欲末端孔隙率的方式，來對無孔或部份有孔結構進行層壓而獲得)。

第3A圖以及第3B圖示明在燃燒器裝置220的一方面中，定義該燃燒腔室222的結構可透過該蒸散部件230以及該環繞結構(例如，安置於該蒸散部件230以及該壓力抑制部件2338間的該壓力抑制部件2338或該絕熱層2339)間的一“熱”介面裝配而形成。舉例而言，當相對而言較“冷”時，該蒸散部件230的尺寸可相對於該環繞壓力抑制部件2338而為更小、為徑向、及/或為軸向。這樣，當插入該壓力抑制部件2338中時，徑向、及/或軸向間隙就可出現於其間(請參閱，例如，第3A圖)。當然，如此的尺寸差異可有助於該蒸散部件230插入該壓力抑制部件2338中。然而，舉例而言，當朝向操作溫度進行加熱時，該蒸散部件230可被配置為朝徑向、及/或軸向伸展，以減低、或消除所述的間隙(請參閱，例如，第3B圖)。這樣做，就可以在該蒸散部件230以及該壓力抑制部件2338間形成一干涉軸向及/或徑向裝配。在一些例子中，一蒸散部件230涉及一外部蒸散部件2331以及一內部蒸散部件2332，這樣的干涉裝配可將該內部蒸散部件2332置於壓縮下。這樣，適合的高溫抗性易碎材料(例如，多孔陶瓷)可被用來形成該內部蒸散部件2332。

藉由該內部蒸散部件2332如此的配置，該蒸散物質210可包括，舉例而言，被導向通過該內部蒸散部件2332的二氧化碳(即，來自與該已回收工作液體236相同的來源)，以使得該蒸散物質210立即在該燃燒腔 室222內部形成緊鄰於該內部蒸散部件2332的一緩衝層231(亦即，一“蒸汽壁”)，其中該緩衝層231可被配置來緩衝該內部蒸散部件2332與相關連於該燃燒產物的液化不可燃元件以及熱之間的相互作用。也就是說，在一些例子中，該蒸散液體210可以被遞送通過該內部蒸散部件2332，舉例而言，至少在該燃燒腔室222內的壓力下，其中，該蒸散液體210進入該燃燒腔室222的流速(即，CO₂流)足以使該蒸散液體210與該燃燒產物相混合以及對該燃燒產物進行冷卻，進而形成關於接續下游處理的入口需求而處於足夠溫度的離開液體混合物(即，一渦輪可能需要例如大約1,225℃的一入口溫度)，但其中，該離開液體混合物仍足夠高來在流體、或液體狀態的該燃料中維持爐渣熔滴或其他污染物。該燃料的該等不可燃元件的液體狀態可有助於，舉例而言，如此之污染物從液體形式之該燃燒產物中分離，較佳地是，以自由流動、低黏度形式，其將較不可能阻礙或以其它方式損害為了如此的分離而執行的任何移除系統。實際上，如此的需求可能取決於各種的因子，例如，所使用的固態含碳燃料(亦即，煤)的型態，以及形成在該燃燒處理中的爐渣的特別特徵。也就是說，在該燃燒腔室222中的燃燒溫度可使得在該含碳燃料中的任何不可燃元件在該燃燒產物中被液化。

在特別方面中，該多孔內部蒸散部件2332因此被配置來以徑向向內的方式將該蒸散液體引導進入該燃燒腔室222，進而形成一液體屏障壁、或緩衝層231，該液體屏障壁、或緩衝層231相關於定義該燃燒腔室222的該內部蒸散部件2332的表面(請參閱，例如，第2圖)。該內部蒸散部件2332的表面亦會受到燃燒產物的加熱。就此而論，該多孔內部蒸散部件2332就可被配置為具有適當的導熱性，以使得通過該內部蒸散部件2332的該蒸散液體210被加熱，而該多孔內部蒸散部件2332同時被冷卻，造成定義該燃燒腔室222的該內部蒸散部件2332的表面的溫度落在最高燃燒溫度範圍 中，大約，舉例而言，1,000℃。藉由該蒸散液體210與該內部蒸散部件2332配合所形成的該液體屏障壁或緩衝層231因此緩衝了該內部蒸散部件2332與該高溫燃燒產物以及爐渣或其他污染物粒子間的相互作用，以及因此而使該內部蒸散部件2332緩衝免於接觸、污染、或其他損害。再者，該蒸散液體210能以一方式經由該內部蒸散部件2332而被導入該燃燒腔室222中，以調節所欲溫度(例如，大約500℃至大約2,000℃)的該燃燒腔室222的該出口部份222B周圍之該蒸散液體210以及該燃燒產物的一離開混合物。

在特定的實施例中，該燃燒器裝置220因此可以被配置為能夠在如在此所敘述之相對而言較高的操作溫度提供一燃料254之相對而言較完整的燃燒的一高效、蒸散冷卻燃燒器裝置。在一些例子中，如此的一燃燒器裝置220可執行一、或更多冷卻液體，及/或一、或更多蒸散液體210。額外的零件亦可以關連於該燃燒器裝置220而被執行。舉例而言，一空氣分離單元可提供來分離N₂以及O₂，以及一燃料注入器裝置可提供來自該空氣分離單元接收O₂以及將O₂與一CO₂循環液體以及包括一氣體、一液體、一超臨界液體、或一在高密度CO₂液體中呈漿狀的固態微粒狀燃料的一燃料流相結合。

在另一方面中，該蒸散冷卻燃燒器裝置220可包括一燃料注入器，以將一加壓的燃料流注入該燃燒器裝置220的該燃燒腔室222之中，其中，該燃料流可包括一已處理的含碳燃料254、一流化介質255(其可包括該已回收工作液體236，正如在此所討論)、以及氧242。該(富)氧242以及該已回收工作液體236可結合成為一同質超臨界混合物。所存在的氧的量足以燃燒該燃料，以及產生具有所欲組成的燃燒產物。該燃燒器裝置220亦可包括一燃燒腔室222，其被配置成為一高壓、高溫燃燒容積，以接收該燃料流，以及通過定義該燃燒腔室222的一多孔蒸散部件230而進入該燃燒 容積的一蒸散液體210。該蒸散液體210的饋送速率可被用來將該燃燒器裝置出口部份/渦輪入口部份溫度控制至一所欲數值，及/或將該蒸散部件230冷卻至相容於形成該蒸散部件230的材料的溫度。透過該蒸散部件230而被導向的該蒸散液體210在定義該燃燒腔室222的該蒸散部件230的表面處提供一液體/緩衝層，其中，該液體/緩衝層可避免因某些燃料燃燒所造成的灰燼或液態爐渣的粒子與該蒸散部件230之暴露的器壁相互作用。

該燃燒腔室222可更進一步被配置為使該燃料流(以及該已回收工作液體236)可以在比燃燒發生時的壓力更大的壓力下被注入，或以其它方式被導入該燃燒腔室222之中。該燃燒器裝置220可包括至少部份環繞定義該燃燒腔室222的該蒸散部件230的一壓力抑制部件2338，其中，一絕熱部件2339可被安置於該壓力抑制部件2338以及該蒸散部件230之間。在一些例子中，一熱移除裝置2350，例如，定義水循環外套2337的外套式水冷卻系統，可與該壓力抑制部件2338相結合(亦即，外接於形成該燃燒器裝置220的“殼”的該壓力抑制部件2338)，連結該燃燒器裝置220的該蒸散部件230而被施行的該蒸散液體210，舉例而言，可以是與少量H₂O、及/或一惰性氣體(例如，N₂或氬)混合的CO₂，該蒸散部件230可包括，舉例而言，一多孔金屬、一陶瓷、一合成矩陣(composite matrix)、層疊歧管(layered manifold)、任何其他合適的結構、或其結合。在一些方面中，在該燃燒腔室222內的燃燒可產生一高壓、高溫燃燒產物流，其可接續地被引導至一電力產生裝置，例如，一渦輪，以進行與其相關的擴張，正如於此的更全面敘述。

在此所揭示的一燃燒器裝置的實施例所執行的該相對而言較高的壓力可作用來在一最小容積中將藉此所產生的能量濃縮為相對而言較高的強度，其本質上造成相對而言較高的能量密度。該相對而言較高的 能量密度使得此能量的下游處理能夠以比在較低壓力時更有效率的方式執行，以及因此提供了用於技術的可行性因子。因此，本份揭示的各方面提供了強度等級大於現有發電廠的能量密度(亦即，10-100倍)。該較高的能量密度增加了處理的效率，但亦降低了執行自熱能至電力的能量轉換所需設備的成本(藉由降低該設備的尺寸以及質量，因此降低該設備的成本)。

正如以其它方式在此所討論的，在本發明方法及系統中所使用的該燃燒器裝置可用於燃燒各種不同的含碳燃料源。在特定的實施例中，該含碳燃料可大體上完全地燃燒，以使得該燃燒產物流中不會包括液態、或固態不可燃材料。然而，在一些實施例中，可使用於本發明的一固態含碳燃料(例如，煤)可能導致不可燃材料的出現。在特定實施例中，該燃燒器裝置可包括達成造成在該固態含碳燃料中的該等不可燃元件於該燃燒處理期間被液化的一燃燒溫度的能力。在如此的例子中，可應用移除該液化不可燃元件的方式。移除的完成可以，舉例而言，利用氣旋式分離器、撞擊式分離器、或設置在環形架構中的分級耐火顆粒狀過濾器床、或其結合。在特別實施例中，熔滴可藉由一串聯的氣旋式分離器(例如，舉例而言，在第4圖中所顯示的一分離器裝置2340)而自該高溫循環液體流中被移除。一般而言，本份揭示所執行的如此一氣旋式分離器的各方面可包括複數個串聯設置的離心分離裝置100(包括一入口離心分離器裝置100A，其被配置來接收該燃燒產物/離開液體流以及與其相關連的該等液化不可燃元件)，以及一出口離心分離器裝置1008，其被配置為排出燃燒產物/離開液體流，該燃燒產物/離開液體流具有大體上從其移除的該等液化不可燃元件。每一個離心分離器裝置100包括複數個離心分離器元件、或氣旋1，其可操作地設置為與一中央收集管路2平行，其中每一個離心分離器元件、或氣旋1被配置為可自該燃燒產物/離開液體流中移除至少一部份的該等液化不可 燃元件，以及將該等液化不可燃元件的已移除部份引導至一污水坑20。如此的一分離器裝置2340可被配置來在一升高的壓力下操作，以及，因此，可更進一步包括一承壓殼體(pressure-containing housing)，其被配置來收藏該等離心分離器裝置以及該污水坑。根據如此方面，該承壓殼體125可以是該壓力抑制部件238(其亦環繞該燃燒器裝置220)的延伸，或者，該承壓殼體125可以是能夠與關連於該燃燒器裝置220的該壓力抑制部件2338相結合的一分離部件。在任一例子中，由於該分離器裝置2340經由該離開液體流所體驗到的該升高的溫度，該承壓殼體125亦可包括可操作地與其相結合來移除自其產生的熱的一散熱系統，例如，一具有液體於其中循環的熱傳遞外套(未顯示)。在一些方面中，一熱恢復裝置(未顯示)能夠可操作地與該熱傳遞外套相結合，其中，該熱恢復裝置可被配置來接收在該熱傳遞外套中所循環的液體，以及重新獲得來自該液體的熱能。

在特別的實施例中，該(爐渣移除)分離氣裝置2340(顯示於第4圖中)可被配置為在其出口部份222B周圍而與該燃燒器裝置220串聯設置，以自其接收該離開液體流/燃燒產物。來自該燃燒器裝置220的該蒸散冷卻離開液體流，與其中的該等液態爐渣(不可燃元件)熔滴一起可被引導而經由一圓錐狀漸縮管10進入該入口離心分離器裝置100A的一中央收集提供2A。在一方面中，該分離器裝置2340可包括三個離心分離器裝置100A、100B、100C(雖然本領域具通常知識者將可理解的是，一分離器裝置可包括一、二、三、或更多離心分離器裝置，當必須或有想要時)。在此例子中，可操作地被設置為串聯的該三個離心分離器裝置100A、100B、100C提供了一3階段氣旋分離單元。每一個離心分離器裝置包括，舉例而言，複數個離心分離器元件(氣旋1)，其設置在該相對應中央收集管路2的周圍，該入口離心分離器裝置100A的該等中央收集提供2A以及該等中央收集管 路2，以及該中間離心分離器裝置100C每一個皆在其出口末端處為密封。在該些例子中，該離開液體流被引導進入對應於分別的離心分離器裝置100的該等離心分離器元件(氣旋1)的每一個的分支通道11。該等分支通道11被配置為與分別的氣旋1的入口末端相結合，以為其形成一正切入口(tangential inlet)(其造成，舉例而言，螺旋流中進入該氣旋1的該離開液體流與該氣旋1的器壁產生相互作用)。來自每一個氣旋1的該出口通道3接著按照路線進入該分別離心分離器裝置100的該中央收集管路2的該入口部份。在該出口離心分離器裝置100B處，該離開液體流(具有大體上與其分離之不可燃元件)從該出口離心分離器裝置100B的該中央收集管路，以及經由一收集管路12以及一出口噴嘴5而被引導，以使得該“乾淨的”離開液體流可接著被導向一接續處理，例如，相關連該轉換裝置者。因此，示範性的三階段氣旋分離設置使得在該離開液體流中的爐渣可被移除而降至，舉例而言，按質量的5ppm以下。

在該分離器裝置2340的每一個階段，已分離的液態爐渣從該等氣旋1的每一個經由延伸向一污水坑20的出口管4而被引導。該已分離的液態爐渣接著被導入延伸自該污水坑20以及該承壓殼體125的一出口噴嘴或管路14，以自其中移除、及/或重新獲得成份。在實現該爐渣的移除時，該液態爐渣可被導向通過一水冷區段6、或否則通過一具有高壓、冷水連接的區段，其中，與水的相互作用造成該液態爐渣固化、及/或形成粒狀。固化的爐渣與水的混合物可接著在一管線(收集提供)7中被分離為一爐渣/水液體混合物，其可通過一適當的閥門9而被移除，特別是在壓降之後，同時間，任何剩餘的氣體可經由一分離的線8而被移除。在一些實施例中，順序操作的相關系統之一對管線可允許系統的連續操作。

由於該分離器裝置2340可與相對而言較高溫度的燃燒產物 流(亦即，在足以使該等不可燃元件以較低黏度維持在液體形式的溫度)一起執行，在一些例子中可能想要的是暴露至該燃燒產物/離開液體流以及與其相關連的該等已液化不可燃元件的其中之一的該分離器裝置2340之表面可以由配置為具有高溫抗性，高腐蝕抗性，以及低導熱性的其中之一的材料所構成。如此之材料的實例可包括，氧化鋯以及氧化鋁，雖然如此的實例並非意欲於作為任何型式的限制。因此，在某些方面中，該分離器裝置2340可被配置為自該燃燒產物/離開液體流中大體上移除該等已液化不可燃元件，以及將該等不可燃元件維持在低黏度液態形式，至少直到其自該污水坑20的移除。當然，在使用非固態燃料以及不可燃材料不被包括在該燃燒產物流中的實施例中，就不需要額外增加該爐渣分離器。

在一些實施例中，該分離器裝置2340可被用來從任何會產生一不可燃固態殘渣的燃料(例如，煤)的燃燒中分離微粒狀固態灰燼殘渣。舉例而言，該煤可被磨碎成為所欲的尺寸(例如，使得少於微粒狀、或粉末狀煤的按重量之1%可包括尺寸大於100μm的粒子的尺寸)並利用液態CO₂形成漿料。在特定的實施例中，該液態CO₂的溫度可處於大約-40℃至大約-18℃。該漿料可包括大約40%至大約按重量的60%的煤。接著，該漿料可受壓至所需的燃燒壓力。請參閱第1圖，該已回收工作液體236可相關於進入該燃燒器220的模式而分離。一第一部份(流236a)可經由該混合設置250而被輸入該燃燒器220之中，以及一第二部份(流236b)可藉由穿越該蒸散冷卻層230而被輸入該燃燒器220之中。正如前述，其有可能以造成還原氣體混合物(例如，包括，H₂，CH₄，CO，H₂S，及/或NH₃)形式的O₂與燃料比率而操作該燃燒器220。透過該蒸散冷卻層而進入該燃燒器的已回收工作液體236的部份可被用來將該等燃燒氣體與該CO₂循環液體的混合物冷卻至大體上低於該灰燼固化溫度的一溫度(例如，落在大約500℃至大 約900℃的範圍內)。來自該分離器裝置2340的總氣體流5可通過一過濾單元，其可將該剩餘固態灰燼微粒的等級降至非常低的數值(例如，低於通過該過濾器之氣體的大約2mg/m³)。此乾淨的氣體接著在一第二燃燒器中進行燃燒，在此，其可利用另外部份的已回收工作液體236進行稀釋。在這樣的實施例中，該已回收工作液體236依需要可被分配於二個燃燒器間。

根據本發明，任何含碳材料都可被使用做為燃料。特別地是，由於在本發明的方法及系統中所使用之以氧做為燃料的燃燒器裝置所維持的高壓以及高溫，可用的燃料包括，但不限於，各種等級以及型態的煤、木頭、油、燃料油、天然氣、以煤為基底的燃料氣體，來自焦油砂的焦油，瀝青(bitumen)，生質體，藻類、分級的可燃固態廢棄垃圾、柏油(asphalt)、廢舊輪胎、柴油、汽油、噴氣燃料(jet fuel)(JP-5，JP-4)、衍生自含烴材料的汽化、或熱解的氣體、乙醇、固態及液體的生質燃料。此可被視為是與習知系統及方法重要差別。舉例而言，已知用來燃燒固態燃料(例如，煤)的習知系統比起用來燃燒非固態燃料(例如，天然氣)的系統需要相當不同的設計。

燃料可以進行適當的處理，以允許以足夠的速度以及以高於該燃燒腔室內的壓力注入該燃燒裝置中。如此的燃料可為，在環境溫度或在升高的溫度下具有適當流動性以及黏度的液態、漿料、膠狀、或糊狀形式。舉例而言，該燃料可被提供於大約30℃至大約500℃、大約40℃至大約450℃、大約50℃至大約425℃、或大約75℃至大約400℃的溫度。任何固態燃料材質皆可進行研磨、或切碎，或另外地，進行處理，以適當地降低顆粒尺寸。有需要時，可添加流體化、或漿料化媒介，以達成適當的形式以及符合高壓幫浦的流動需求。當然，取決於該燃料的形式(亦即，液態、或氣態)，一流化介質是可能不被需要。同樣地，在一些實施例中， 已循環的循環液體可被使用作為該流化介質。

根據本發明，適合於一燃燒器中使用的蒸散液體可包括能夠以足夠的量以及壓力流過該內襯而形成該蒸汽壁的任何液體。在本實施例中，CO₂可為理想的蒸散液體，因為所形成的蒸汽壁具有良好的熱絕緣特性以及可見光與UV光吸收特性。CO₂可被使用作為超臨界液體。蒸散液體的其他實例包括H₂O、自下游回收的已冷卻燃燒產物氣體、氧氣、氫氣、天然氣、甲烷、以及其他輕質烴。燃料尤其可以在該燃燒器的起始期間被使用作為蒸散液體，以在主要燃料源注入前在該燃燒器中達成適當的操作溫度以及壓力。燃料亦可以被使用作為蒸散液體，以在主要燃料源間的切換期間(例如，當由煤切換為生質體作為主要燃料時)調整該燃燒器的操作溫度以及壓力。在一些實施例中，可使用二、或更多蒸散液體。再者，不同的蒸散液體可被使用在沿著該燃燒器的不同位置。舉例而言，一第一蒸散液體可被使用在一高溫熱交換區域，以及一第二蒸散液體可被使用在一較低溫熱交換區域。該蒸散液體可針對由該蒸散液體形成該蒸汽壁的該燃燒腔室的溫度以及壓力條件進行最佳化。在本實例中，該蒸散液體是預先加熱的回收CO₂。

在一方面中，本發明提供發電的方法。特別地是，該等方法使用CO₂循環液體，其較佳地是如此所述而透過該方法回收。本發明的方法亦使用高效燃燒器，例如，正如前述的蒸散冷卻燃燒器。在某些實施例中，方法通常是關連於第5圖所顯示的流程圖而進行敘述。正如可於其中看出，提供有一燃燒器220，以及亦於其中提供有各種輸入。一含碳燃料254以及O₂ 242(依需要)可與一已回收工作液體236(在本實施例中為CO₂)一起被導入該燃燒器220之中。由虛線所闡明的一混合設置250指示了此零件是選擇性的出現。特別地是，二、或所有三種材料(燃料、O₂、以及CO₂循 環液體)的任何結合皆可在導入該燃燒器220之前，先在該混合設置250中進行結合。

在各種實施例中，所想要的是，進入該燃燒器的材料展現出特定的有助於該發電方法的所欲、有效率操作的物理特徵。舉例而言，在某些實施例中，所想要的是，在CO₂循環液體中的CO₂以已定義的壓力、及/或溫度被導入該燃燒器中。特別地，有益的是對被導入該燃燒器中的該CO₂，具有至少大約8MPa的壓力。在另外的實施例中，被導入該燃燒器中的CO₂可處在至少大約10MPa、至少大約12MPa、至少大約14MPa、至少大約15MPa、至少大約16MPa、至少大約18MPa、至少大約20MPa、至少大約22MPa、至少大約24MPa、或至少大約25Mpa的壓力。在其他的實施例中，該壓力可為大約8MPa至大約50MPa、大約12MPa至大約50MPa、大約15MPa至大約50MPa、大約20MPa至大約50MPa、大約22MPa至大約50MPa、大約22MPa至大約45MPa、大約22MPa至大約40MPa、大約25MPa至大約40MPa、或大約25MPa至大約35MPa。再者，對被導入該燃燒器中的該CO₂而言，有益的是，具有至少大約200℃的溫度。在另外的實施例中，被導入該燃燒器中的CO₂可處於至少大約250℃、至少大約300℃、至少大約350℃、至少大約400℃、至少大約450℃、至少大約500℃、至少大約550℃、至少大約600℃、至少大約650℃、至少大約700℃、至少大約750℃、至少大約800℃、至少大約850℃、或至少大約900℃的溫度。

在一些實施例中，所想要的是，被導入該燃燒器中的燃料是被提供在特定的條件下。舉例而言，在某些實施例中，所想要的是，該含碳燃料在一已定義壓力、及/或溫度下被導入該燃燒器中。在一些實施例中，該含碳燃料是在與該CO₂循環液體的條件相等於、或大體上類似的條件下被導入該燃燒器中。該用詞“大體上類似的條件”可表示一條件參數是落在 於此所敘述的參考條件參數(例如，CO₂循環液體的條件參數)的5%內、4%內、3%內、2%內、或1%內。在某些實施例中，該含碳燃料在導入該燃燒器前可先與該CO₂循環液體相混合。在如此的實施例中，可預期地是，該含碳燃料以及該CO₂循環液體會處於相同、或大體上類似的條件(其特別地可包含相關於CO₂循環液體而敘述的條件)。在其他實施例中，該含碳燃料可與該CO₂循環液體分離而被導入該燃燒器中。在如此的情形下，該含碳燃料仍會是在如相關於CO₂循環液體所敘述的壓力下被導入。在一些實施例中，有用的是，在導入該燃燒器前，將該含碳燃料維持在與該CO₂循環液體不同的溫度。舉例而言，該含碳燃料能在大約30℃至大約800℃、大約35℃至大約700℃、大約40℃至大約600℃、大約45℃至大約500℃、大約50℃至大約400℃、大約55℃至大約300℃、大約60℃至大約200℃、大約65℃至大約175℃、或大約70℃至大約150℃的溫度被導入該燃燒器。

在其他實施例中，所想要地是，被導入該燃燒器中的O₂是被提供在特定的條件下。如此的條件可伴隨著該提供O₂的方法。舉例而言，所想要的是提供處於特定壓力的O₂。具體而言，對被導入該燃燒器中的該O₂而言，有益的是具有至少大約8MPa的壓力。在進一步的實施例中，被導入該燃燒器中的O₂所處的壓力可為至少大約10MPa、至少大約12MPa、至少大約14MPa、至少大約15MPa、至少大約16MPa、至少大約18MPa、至少大約20MPa、至少大約22MPa、至少大約24MPa、至少大約25MPa、至少大約30MPa、至少大約35MPa、至少大約40MPa、至少大約45MPa、或至少大約50MPa。O₂的提供可包含使用一空氣分離器(或氧氣分離器)，例如，一低溫O₂濃縮器、一O₂傳送分離器、或任何類似的裝置，例如，用來從環境空氣中分離出O₂的一O₂離子傳送分離器。正如前述O₂的提供可分別 或與其結合而包括對該O₂加壓，以達到所需的壓力。如此的動作可造成O₂的加熱。在一些實施例中，想要的是，O₂處於與藉加壓氣體而固有地達到之溫度不同的溫度。例如，想要的是被提供至該燃燒器的O₂的溫度為大約30℃至大約900℃、大約35℃至大約800℃、大約40℃至大約700℃、大約45℃至大約600℃、大約50℃至大約500℃、大約55℃至大約400℃、大約60℃至大約300℃、大約65℃至大約250℃、或大約70℃至大約200℃。再者，在一些實施例中，該O₂能在與該CO₂循環液體、及/或該含碳燃料的條件相等於、或大體上類似的條件下被導入該燃燒器中。這可能起因於在導入該燃燒器前的各種成份的混合、或可能起因於準備導入該燃燒器的O₂的特定方法。在特別的實施例中，該O₂可與已定義莫耳比率量的CO₂相結合，以使得O₂的提供溫度可與該CO₂循環液體相同。舉例而言，當燃燒可在低於100℃的溫度下實行的同時，該CO₂可處於一超臨界壓力。此消除了由於CO₂稀釋效應之關連於單獨對純O₂加熱的燃燒的危險性。如此的混合物可為大約1：2至大約5：1、大約1：1至大約4：1、或大約1：1至大約3：1的CO₂/O₂比率。

在一些實施例中，有用地是，供應至該燃燒器的O₂被大體上純化(亦即，就相關於自然出現在空氣中的其他成份的莫耳含量之方面而提升O₂)。在某些實施例中，該O₂所具有的純度可大於約50%莫耳、大於約60%莫耳、大於約70%莫耳、大於約80%莫耳、大於約85%莫耳、大於約90%莫耳、大於約95%莫耳、大於約96%莫耳、大於約97%莫耳、大於約98%莫耳、大於約99%莫耳、或大於約99.5%莫耳。在其他的實施例中，該O₂所具有的莫耳純度可為大約85%至大約99.6%、大約85%至大約99%、大約90%至大約99%、大約90%至大約98%、或大約90%至大約97%。回收自燃料中的碳的所有CO₂皆有助於在至少大約99.5%莫耳範圍的較高純度使用。

該CO₂循環液體可在該燃燒器的入口處與該O₂以及該含碳燃料一起被導入該燃燒器中。然而，正如先前相關於蒸散冷卻燃燒器的敘述，該CO₂循環液體亦可透過形成在該蒸散冷卻燃燒器中的一、或更多蒸散液體供應通路而被導入該蒸散冷卻燃燒器中，以作為被導入該蒸散部件中的蒸散冷卻液體的所有、或部份。在一些根據本發明的實施例中，該CO₂循環液體可在該燃燒器的入口處被導入該燃燒器(亦即，與該O₂以及燃料一起)，以及該CO₂循環液體亦可透過該蒸散部件而被導入該燃燒器，以作為所有、或部份的蒸散冷卻液體。在其他實施例中，該CO₂循環液體可僅透過該蒸散部件而被導入該燃燒器中，以作為所有、或部份的該蒸散冷卻液體(亦即，沒有CO₂會與該O₂以及該燃料被導入該燃燒器入口)。

在一些實施例中，本發明的特徵是相關於被導入該燃燒腔室的各種成份的比率。為了達到最大燃燒效率，有用地是在高溫下燃燒該含碳燃料。然而，燃燒的溫度以及離開該燃燒器的燃燒產物流的溫度可能需要被控制在已定義參數內。為此，有用地是針對燃料提供特殊比率的該CO₂循環液體，以使得在燃燒溫度、及/或渦輪入口溫度可被控制在所欲範圍內，同時亦可最大化可被轉換為電力的能量的量。在特定的實施例中，此可藉由調整該燃料中該CO₂循環液體流與碳的比率而達成。正如在此所更完整敘述的，該所欲的比率可受到所欲渦輪入口溫度以及位在熱交換器的熱端(hot end)處的入口與出口流間溫度差異的影響。該比率可特別地被敘述為在該CO₂循環液體中的CO₂與在該含碳燃料中所存在的碳的比率，為了決定被導入該燃燒器中的CO₂的莫耳量，在一些實施例中，被提供至該燃燒器的整體CO₂含量(亦即，與燃料及O₂在入口處被導入者，以及任何被使用作為一蒸散冷卻液體的CO₂)被包含於計算中。然而，在特定的實施例中，該計算可單獨地依據在該燃燒器入口處被導入的CO₂的量(亦即，排除任何被使用 作為一蒸散冷卻液體的CO₂)。在CO₂被導入該燃燒器中僅作為一蒸散冷卻液體的實施例中，該計算是依據被導入該燃燒器中作為該蒸散冷卻液體的CO₂的含量。因此，該比率可敘述為相關於輸入該燃燒器的燃料中的碳的輸入至該燃燒器入口的CO₂的莫耳含量。替代地，該比率亦可敘述為相關於輸入至該燃燒器的燃料中的碳之透過該蒸散冷卻液體輸入至該燃燒器的CO₂的莫耳含量。

在某些實施例中，CO₂循環液體與被導入燃燒器的燃料中碳的比率(以莫耳為基礎)可為大約10至大約50(亦即，燃料中每1莫耳碳對大約10莫耳的CO₂至燃料中每1莫耳碳對大約50莫耳的CO₂)。在進一步的實施例中，在該循環液體中的CO₂與在燃料中的碳的比率可為大約15至大約50、大約20至大約50、大約25至大約50、大約30至大約50、大約15至大約45、大約20至大約45、大約25至大約45、大約30至大約45、大約15至大約40、大約20至大約40、大約25至大約40、或大約30至大約40。在其他實施例中，在該循環液體中的CO₂與在燃料中的碳的比率可為至少大約5、至少大約10、至少大約15、至少大約20、至少大約25、或至少大約30。

被導入該燃燒器中的CO₂與出現在該含碳燃料中碳的莫耳比率可對整體系統的熱效率具有重要的衝擊。此對於效率的衝擊亦受到系統進一步零件(包括熱交換器、水分離器、以及加壓單元)的設計以及功能的衝擊。在此所述之系統及方法的各種元件的結合導致了達成如此所述特殊CO₂/C比率之高熱效率的能力。先前已知不包括在此所敘述的各式元件的系統及方法典型會需要的CO₂/C莫耳比率會顯著低於在本發明所使用之CO₂/C莫耳比率，以達成接近在此所敘述的該些的效率。然而，本發明已辨別用於回收CO₂的高效系統及方法，其讓遠超過習知技術中之CO₂/C莫耳比率的使用為可行。根據本發明之高CO₂/C莫耳比率的使用的進一步優勢在於 稀釋該燃燒流中的不純物。不純物(例如，氯化物以及硫)對於系統零件的腐蝕、或侵蝕效應可因此而大大地被減少。現今，高氯、及/或高硫的煤無法被使用於已知的系統中，因為來自如此之煤的燃燒產物(其包括HCl以及H₂SO₄)對於發電廠零件的腐蝕以及侵蝕過大而無法承受。許多其他的不純物(例如，固態灰燼粒子以及包含如鉛、碘、銻、汞等元件的揮發性材料)亦可以在高溫下對發電廠零件造成嚴重內部損害，回收CO₂的稀釋效應可大大地改善、或消除如此的不純物對於發電廠零件的有害影響。接著，CO₂/C莫耳比率的選擇可牽涉到的複雜考量，其有關於效率以及工廠零件侵蝕以及腐蝕的影響，以及有關於CO₂回收系統零件及功能的設計。本發明在伴隨著習知技術所無法預期的高熱效率的情形下，使CO₂的高效回收，以及因此增加的CO₂/C莫耳比率可行。該高CO₂/C莫耳比率因此傳達了至少先述的優點。

類似地，有用地是控制被導入該燃燒器中的O₂的含量。此可特別取決於燃燒器的操作本質。正如在此更完全的敘述，本發明的方法以及系統可允許完全氧化模式，完全還原模式、或兩者變化的操作。在完全氧化模式中，提供至該燃燒器的O₂的量較佳地是至少為達成含碳燃料的完全氧化所必須的化學計量。在某些實施例中，所提供的O₂的量可超過所提到化學計量的至少大約0.1%莫耳、至少大約0.25%莫耳、至少大約0.5%莫耳、至少大約1%莫耳、至少大約2%莫耳、至少大約3%莫耳、至少大約4%莫耳、或至少大約5%莫耳。在其他實施例中，所提供的O₂的量可超過所提到化學計量的大約0.1%莫耳至大約5%莫耳、大約0.25%莫耳至大約4%莫耳、或大約0.5%莫耳至大約3%莫耳。在完全還原模式中，提供至該燃燒器的O₂的量較佳地是將該含碳燃料轉換為成份H₂、CO、CH₄、H₂S、以及NH₃所必須的化學計量加上至少大約0.1%莫耳、至少大約0.25%莫耳、至少大約 0.5%莫耳、至少大約1%莫耳、至少大約2%莫耳、至少大約3%莫耳、至少大約4%莫耳、或至少大約5%莫耳的過量。在其他的實施例中，所提供的O₂的量可超過所提到化學計量大約0.1%莫耳至大約5%莫耳、大約0.25%莫耳至大約4%莫耳、或大約0.5%莫耳至大約3%莫耳。

在一些實施例中，本發明的方法的特徵在於相關於在處理中各個步驟從頭至尾之CO₂的物理狀態。CO₂可取決於材料的物體條件而被辨識為以各種狀態存在。CO₂在0.518MPa以及-56.6℃有三相點，但CO₂在7.38MPa以及31.1℃亦具有一臨界壓力以及溫度。在越過此臨界點後，CO₂即以超臨界液體存在，以及本發明已實現藉由在循環中的特殊點處將CO₂保持在特殊狀態而最大化發電效率的能力。在特定實施例中，被導入該燃燒器中的CO₂較佳地為超臨界液體的形式。

典型地，對於發電系統或方法的效率的瞭解在於敘述系統或方法的能量輸出與輸入系統或方法的能量間的比率。在電力產生系統或方法的情形下，效率通常被敘述為，輸出至該燃燒器格的電力或動力(例如，百萬瓦特或Mw)與燃燒來產生電力(或動力)的燃料的總低發熱值熱能(total lower heating value thermal energy)間的比率。接著，此比率被稱為淨系統或方法效率(以LHV的基礎)。此效率可考慮到內部系統或方法處理所需的所有能量，包括已純化氧的產生(例如經由空氣分離單元)、為了將CO₂傳送至一CO₂已加壓管線的加壓、以及需要能量輸入的其他系統或方法條件。

在各種實施例中，本發明的系統及方法利用CO₂為主作為一循環中的工作液體，在此循環中，一含碳燃料在超過CO₂臨界壓力的壓力下於大體上純的O₂中進行燃燒(亦即，在一燃燒器中)，以產生燃燒產物流。此流擴張跨越一渦輪，並接著穿過一復熱交換器(recuperator heat exchanger)。在該熱交換器中，該渦輪排出預熱處於超臨界狀態的一回收CO ₂循環液體。此已預熱、已回收CO₂循環液體被輸入該燃燒器中。在該燃燒器中，其與來自燃燒該含碳燃料的產物相混合，以在一已定義最大渦輪入口溫度下提供一總流動。由於確認了最小化在該復熱交換器的熱端處的溫度差異所呈現的優勢，因此本發明至少可以部份地提供極佳的效率。此最小化可藉由使用一低溫水平的熱源在導入該燃燒器之前加熱回收CO₂一部份而達成。在這些低溫水平，超臨界CO₂的比熱以及密度非常的高，且此額外加熱可允許該渦輪排出流將該CO₂預熱至一高上許多的溫度，以及，此可顯著地降低在該復熱交換器的熱端處的溫度差異。在特定實施例中的有用低溫熱源是使用在隔熱操作的低溫空氣分離工廠中的空氣壓縮器、或來自習知氣體渦輪的熱排出流。在本發明的特定實施例中，在該復熱交換器的熱端處的溫度差異可少於大約50℃，以及較佳地是落在大約10℃至大約30℃的範圍內。低壓力比率(例如，低於大約12)的使用則是可以增加效率的進一步因子。將與低壓力耦合的CO₂使用作為工作液體在將冷卻渦輪排出的壓力上升至該回收壓力的時候降低能量耗損。進一步的優點是，以來自燃料之接近100%的碳捕獲而用非常小額外的寄生電源消耗來將燃料中被轉換為CO₂之一定量CO₂產生為高於管路壓力之CO₂的超臨界壓力(典型地，大約10MPa至大約20MPa)的一高壓液體的能力。如此的系統以及方法參數更進一步地在此有更為詳細的敘述。

回到第5圖，與該O₂ 242以及該已回收工作液體236一起被導入該燃燒器220的該含碳燃料254被燃燒，以提供一燃燒產物流40。在特定的實施例中，例如前述，該燃燒器220是一蒸散冷卻燃燒器。燃燒溫度可取決於特定的處理參數而變化，例如，所使用的含碳燃料的種類、如被導入該燃燒器的燃料中CO₂與碳的莫爾比率、及/或被導入該燃燒器的CO₂與O₂的莫爾比率。在特定實施例中，如上述，該燃燒溫度是相關於該蒸散冷卻 燃燒器的敘述而被描述的溫度。在特別較佳的實施例中，如在此所述，超過大約1,300℃的燃燒溫度是具有優勢的。

亦有用的是，控制燃燒溫度，以使得離開該燃燒器的燃燒產物具有所欲的溫度。舉例而言，有用的是，離開該燃燒器的燃燒產物流所具有的溫度為至少大約700℃、至少大約750℃、至少大約800℃、至少大約850℃、至少大約900℃、至少大約950℃、至少大約1000℃、至少大約1050℃、至少大約1100℃、至少大約1200℃、至少大約1300℃、至少大約1400℃、至少大約1500℃、或至少大約1600℃。在一些實施例中，該燃燒產物流可具有的溫度為大約700℃至大約1,600℃、大約800℃至大約1,600℃、大約850℃至大約1,500℃、大約900℃至大約1,400℃、大約950℃至大約1,350℃、或大約1000℃至大約1,300℃。

正如上述，在整個電源產生循環期間，該CO₂的壓力可以是最大化電源循環效率的關鍵參數。當對被導入該燃燒器中的材料而言具有特別定義的壓力是很重要的同時，對燃燒產物流而言具有已定義的壓力也同樣重要。具體而言，該燃燒產物流的壓力可以相關於被導入該燃燒器的該CO₂循環液體的壓力。在特定的實施例中，該燃燒產物流的壓力可為被導入該燃燒器的該CO₂的壓力的至少大約90%，亦即，在該循環液體中。在進一步的實施例中，該燃燒產物流的壓力可為被導入該燃燒器的CO₂的壓力的至少大約91%、至少大約92%、至少大約93%、至少大約94%、至少大約95%、至少大約96%、至少大約97%、至少大約98%、或至少大約99%。

離開該燃燒器的該燃燒器產物流的化學補給(chemical makeup)可取決於所使用的含碳燃料的型態而變化。重要地，該燃燒產物流將包括被回收且被重新導入該燃燒器或進一步循環中的CO₂。再者，過量的CO₂(包括燃料的燃燒所產生的CO₂)可以是取自用於封存或不包括釋放 至大氣的其他處置的該CO₂循環液體(特別是處於適合直接傳遞至一CO₂管線的壓力)。在進一步的實施例中，該燃燒產物流可包括水蒸氣、SO₂、SO₃、HCI、NO、NO₂、Hg、過量O₂、N₂、Ar、以及出現在進行燃燒的燃料中的可能其他污染物的其中之一、或更多個。而除非被移除(例如，藉由在此所敘述的處理)，否則這些出現在該燃燒產物流中的材料可能在該CO₂循環液體流中持續。加上CO₂之出現的如此材料在此可稱之為“從屬成份”。

正如在第5圖中可見，該燃燒產物流40可被導向一渦輪320，其中，該燃燒產物流40會擴張而產生電源(例如，經由一產生器來產生電力，其未顯示於圖例中)。該渦輪320可具有一入口來接收該燃燒產物流40以及一出口來釋放包括CO₂的渦輪排放流50。雖然是單一的渦輪320顯示於第5圖中，但可理解地是，也可以使用多於一個渦輪，多個渦輪可串聯連接，或可選擇地藉由一、或更多進一步的零件而分離，例如，進一步的燃燒零件、一壓縮零件、一分離器零件、或類似者。

再次，處理參數可在此步驟中進行緊密的控制，以最大化循環效率。現行的天然氣發電廠效率關鍵地取決於渦輪入口溫度。舉例而言，已進行了花費大量成本的廣泛工作來達成允許入口溫度高至大約1,350℃的渦輪技術。渦輪入口的溫度越高，發電廠的效率就越高，但渦輪也就越貴，而潛在地，使用期限也越短。一些公司即畏怯於付出更高價格以及具有較短有效期之風險。雖然在一些實施例中，本發明可利用如此的渦輪來更進一步增加效率，但這並非為需要的。在特定的實施例中，本發明的系統及方法可達成所欲效率，同時利用處於低上許多的溫度範圍內的渦輪入口溫度。因此，本發明的特徵可以是如此所述之達成一特定效率，同時將一燃燒產物流提供至處於已定義溫度的一渦輪入口(正如在此所述)，其可 顯著地小於習知技術中所認可以相同燃料達成相同效率所需要的溫度。

正如先前所提及，離開該燃燒器220的該燃燒產物流40所具有的壓力較佳地與進入該燃燒器220的該已回收工作液體236的壓力緊密配合。因此，在特定實施例中，該燃燒產物流40的溫度以及壓力使得出現在該流中的CO₂處於超臨界液體狀態。當該燃燒產物流40擴張跨越該渦輪320時，該流的壓力被降低。較佳地是，此壓降受到控制而使得該燃燒產物流40的壓力與該渦輪排放流50的壓力間處於一已定義的比率。在某些實施例中，位在該渦輪的入口處的該燃燒產物流相較於位在該渦輪的出口處的該渦輪排放流的壓力比率少於大約12。此可被定義為入口壓力(I_p)與出口壓力(O_p)比率(亦即，I_p/O_p)。在另外的實施例中，壓力比率可少於大約11、少於大約10、少於大約9、少於大約8、或少於大約7。在其他的實施例中，於該渦輪處的該入口壓力與出口壓力比率可為大約1.5至大約12、大約2至大約12、大約3至大約12、大約4至大約12、大約2至大約11、大約2至大約10、大約2至大約9、大約2至大約8、大約3至大約11、大約3至大約10、大約3至大約9、大約3至大約8、大約4至大約11、大約4至大約10、大約4至大約9、或大約4至大約8。

在特殊實施例中，想要地是，該渦輪排放流所處的條件可使得在該流中的CO₂不再處於超臨界液體狀態，而是處於氣體狀態。舉例而言，提供處於氣體狀態的CO₂可有助於移除任何的從屬成份。在一些實施例中，該渦輪排放流所具有的壓力低於該CO₂可處於一超臨界狀態的壓力。較佳地是，該渦輪排放流所具有的壓力少於大約7.3MPa，少於或等於大約7MPa，少於或等於大約6.5MPa，少於或等於大約6MPa，少於或等於大約5.5MPa，少於或等於大約5MPa，少於或等於大約4.5MPa，少於或等於大約4MPa，少於或等於大約3.5MPa，少於或等於大約3MPa，少於或等於大 約2.5MPa，少於或等於大約2MPa，或少於或等於大約1.5MPa，在其他實施例中，該渦輪排放流的壓力可為大約1.5MPa至大約7MPa，大約3MPa至大約7MPa或大約4MPa至大約7MPa。較佳地是，該渦輪排放流的壓力少於CO₂遭遇該流的冷卻溫度時的冷凝壓力(例如，環境冷卻)，因此，根據本發明較佳地是，該渦輪320下游的CO₂(以及，較佳地是，該加壓單元620上游的CO₂)被維持在氣體狀態，且不允許達到可形成液態CO₂的條件。

雖然通過該渦輪的該燃燒產物流可能導致一些溫度降低，但該渦輪排放流典型地將具有可阻止出現在該燃燒產物流中的任何從屬成份的移除的溫度。舉例而言，該渦輪排放流所具有的溫度可為大約500℃至大約1000℃，大約600℃至大約1000℃，大約700℃至大約1000℃，或大約800℃至大約1000℃。因為該燃燒產物流的相對較高的溫度，有益地是，用來形成該渦輪的材料能夠承受如此的溫度。其亦可能有用的是，該渦輪包括提供對出現在該燃燒產物流中的從屬材料的型態具良好化學抗性的材料。

因此，在一些實施例中，有用地是，將該渦輪排放流50通過至少一熱交換器420，其可冷卻該渦輪排放流50以及提供具有落在已定義範圍內的溫度的已冷卻渦輪排出流60，在特殊的實施例中，離開該熱交換器420(或是當使用二、或多個熱交換器時串聯中的最後一個熱交換器)的該已冷卻渦輪排出流60所具有的溫度少於大約200℃，少於大約150℃，少於大約125℃，少於大約100℃，少於大約95℃，少於大約90℃，少於大約85℃，少於大約80℃，少於大約75℃，少於大約70℃，少於大約65℃，少於大約60℃，少於大約55℃，少於大約50℃，少於大約45℃，或少於大約40℃。

正如前面所提及，有益地是，該渦輪排放的壓力與該燃燒產 物流的壓力有一特定的比率。在特殊的實施例中，該渦輪排放流將會在不通過該系統任何額外的零件的情形下，直接通過在此所敘述的一或更多個熱交換器。因此，該壓力比率亦可敘述為該燃燒產物流離開該燃燒器時的壓力比上該流進入該熱交換器的熱端(或是當使用一串聯熱交換器時的第一個熱交換器)時的壓力的比率。再次，此壓力比較佳地是少於大約12，在另外的實施例中，該燃燒產物流與進入該熱交換器的該流間的壓力比可少於大約11，少於大約10，少於大約9，少於大約8，或少於大約7，在其他實施例中，此壓力比可為大約1.5至大約10，大約2至大約9，大約2至大約8，大約3至大約8，或大約4至大約8。

在蒸散冷卻燃燒器的使用允許高熱燃燒的同時，本發明的系統及方法的特徵在於具有的能力是將一渦輪排放流提供至所處溫度足夠低來降低關連於系統的成本，增加該(等)熱交換器的使用期限，以及改善系統的效能以及穩定度，的熱交換器。在特殊實施例中，在根據本發明的系統或方法中熱交換器的最熱工作溫度為少於大約1,100℃，少於大約1,000℃，少於大約975℃，少於大約950℃，少於大約925℃，或少於大約900℃。

在某些實施例中，特別有用地是，該熱交換器420包括有串聯的至少二熱交換器，以接收該渦輪排放流50以及將其冷卻至一所需溫度，所使用的熱交換器型態可取決於進入該熱交換器的該流的條件而變化。舉例而言，該渦輪排放流50可處於相對而言較高的溫度，如上所述，並且，因此有用地是，設計以承受嚴苛條件的高效能材料所形成的該熱交換器直接接收該渦輪排放流50。舉例而言，在該熱交換器串中的第一個熱交換器可包括一INCONEL^®合金或類似的材料。較佳地是，在串接中的該第一熱交換器包括的材料所能夠連續承受的工作溫度為至少大約700℃，至 少大約750℃，至少大約800℃，至少大約850℃，至少大約900℃，至少大約950℃，至少大約1000℃，至少大約1,100℃，或至少大約1,200℃。亦有用地是，該等熱交換器的其中之一或更多包括對出現在該燃燒產物流中的從屬材料的型態具良好化學抗性的材料，INCONEL^®合金可得自Special Metals Corporation，以及一些實施例可包括奧氏鎳鉻基合金(austenitic nickel-chromium-based alloys)，可使用的合金的實例包括，INCONEL^® 600，INCONEL^® 601，INCONEL^® 601GC，INCONEL^® 603CO_2L，INCONEL^® 617，INCONEL^® 625，INCONEL^® 625LCF，INCONEL^® 686，INCONEL^® 690，INCONEL^® 693，INCONEL^® 706，INCONEL^® 718，INCONEL^® 718SPF^TM，INCONEL^® 722，INCONEL^® 725，INCONEL^® 740，INCONEL^® CO₂-750，INCONEL^® 751，INCONEL^® MA754，INCONEL^® MA758，INCONEL^® 783，INCONEL^® 903，INCONEL^® N06230，INCONEL^® C-276，INCONEL^® G-3，INCONEL^® HCO₂，INCONEL^® 22。有利的熱交換器設計的實例為以高溫材料製造、在板中具化學研磨鰭的擴張結合緊密板熱交換器(diffusion bonded compact plate heat exchanger)。適合的熱交換器可包括在商標名HEATRIC^®(可得自Meggitt USA，Houston，TCO₂)下可得者。

較佳地是，串聯交換器中的第一個可充分地從該渦輪排放流傳遞熱，以使得出現在串聯交換器中的一或更多個其他交換器可由更為習知的材料製成，例如，不銹鋼，在特殊的實施例中，至少二個熱交換器、或至少三個熱交換器被串聯使用來將該渦輪排放流冷卻至所需溫度。特別地是，使用串聯的多個熱交換器的用處可於接下來關於將來自該渦輪排放流的熱傳遞至該CO₂循環液體，以在該循環液體被導入該燃燒器之前進行重新加熱的敘述中看出。

在一些實施例中，方法以及系統的特徵在於，其可為單階段的燃燒方法或系統。此可透過使用高效率燃燒器而達成，例如，前述的蒸散冷卻燃燒器。必要地是，燃料可以在該單獨的燃燒器中大體上完全地燃燒，以使得其不必要提供一串聯的燃燒器來完全燃燒該燃料。據此，在一些實施例中，本發明的方法及系統可敘述為該蒸散冷卻燃燒器是唯一的燃燒器。在另外的實施例中，該等方法及系統可敘述為在該排放流通過進入該熱交換器前，該燃燒僅發生在該單獨的蒸散冷卻燃燒器之中。在仍然其他的實施例中，方法及方法可敘述為，該渦輪排放流在不通過另外的燃燒器的情形下，直接通過進入該熱交換器。

在冷卻後，離開該至少一熱交換器的該已冷卻渦輪排出流60可經歷更進一步的處理，以從該燃料的燃燒中分離出留在該已冷卻渦輪排出流60中的任何從屬成份。正如在第5圖中所顯示，該已冷卻渦輪排出流60可被導向一或更多個分離單元520。正如之後更詳細的討論，特別地是，本發明的特徵在於提供在不釋放CO₂至大氣的情形下利用含碳燃料燃燒的高效發電方法的能力，此可至少部分藉由將形成在該含碳燃料的燃燒中的CO₂使用作為電源產生循環中的循環液體而達成。在一些實施例中，雖然，連續的燃燒以及回收CO₂作為該循環液體可能造成CO₂於系統中的累積，在如此的情形下，有用地是，放棄至少部分來自該循環液體的CO₂(例如，量大約相等於從該含碳燃料的燃燒所衍生的CO₂量)，如此放棄的CO₂可藉由任何適合的方法進行處置。在特殊的實施例中，該CO₂可被導向利用適當方式進行封存或處置的管路，正如接下來敘述者。

所需要的CO₂管路系統的規格是，該CO₂進入該管路時可大體上不需要水，以避免侵蝕管路所使用的碳鋼，雖然“濕的”CO₂可直接被導入不銹鋼CO₂管路中，但並非總為可能，事實上，基於成本考量，可更想 要使用碳鋼管路。據此，在某些實施例中，存在於CO₂循環液體中的水(例如，在該含碳燃料燃燒期間所形成，以及維持在燃燒產物流、該渦輪排放流、以及該CO₂循環液體流中的水)，可大部分被移除，以作為來自該已冷卻CO₂循環液體流的液態相，在特殊的實施例中，此可藉由在氣相混合物利用環境溫度冷卻方式而被冷卻至最低溫度時，提供壓力低於出現在該氣相混合物中的CO₂發生液化的壓力點的CO₂循環液體(例如，氣態)而達成，舉例而言，特別地是，該CO₂循環液體在分離從屬成份期間可被以少於7.38MPa的壓力被提供。若使用的是低環境溫度範圍、或大體上低於環境溫度的冷卻方式時，可能需要甚至更低的壓力。此使得水能夠以液態的形式被分離，並且，亦可最小化離開該分離單元的該已純化工作液體65的污染物，此亦可將該渦輪排放壓力限制至少於該渦輪排出氣體的臨界壓力的一數值。真實的壓力可取決於可得環境冷卻方式的溫度。舉例而言，若水分離發生在30℃，則7MPa的壓力允許對於CO₂冷凝壓力的0.38MPa的限度。在一些實施例中，離開該熱交換器以及進入該分離單元的該CO₂循環液體可以如下壓力被提供：大約2MPa至大約7MPa，2.25MPa至大約7MPa，2.5MPa至大約7MPa，2.75MPa至大約7MPa，3MPa至大約7MPa，3.5MPa至大約7MPa，4MPa至大約7MPa，或4MPa至大約6MPa。在另一實施例中，該壓力可大體上與在渦輪出口的壓力相同。

在特殊實施例中，分離水後的該已純化工作液體65，其不包括水蒸氣，或大體上不包括水蒸氣。在一些實施例中，該已純化CO₂循環流的特徵是，所包括的水蒸氣僅少於莫耳基礎下的1.5%，少於莫耳基礎下的1.25%，少於莫耳基礎下的1%，少於莫耳基礎下的0.9%，少於莫耳基礎下的0.8%，少於莫耳基礎下的0.7%，少於莫耳基礎下的0.6%，少於莫耳基礎下的0.5%，少於莫耳基礎下的0.4%，少於莫耳基礎下的0.3%，少於莫耳基 礎下的0.2%，或少於莫耳基礎下的0.1%。在一些實施例中，該已純化CO₂循環液體流所包括的水蒸氣的量可僅為莫耳基礎下的大約0.01%至大約1.5%，莫耳基礎下的大約0.01%至大約1%，莫耳基礎下的大約0.01%至大約0.75%，莫耳基礎下的大約0.01%至大約0.5%，莫耳基礎下的大約0.01%至大約0.25%，莫耳基礎下的大約0.05%至大約0.5%，或莫耳基礎下的大約0.05%至大約0.25%。

可具高度優勢地是，提供處於上述定義溫度以及壓力條件的CO₂循環液體，以有助於從屬成份(例如水)的分離。換言之，本發明可特別提供以維持處於所需條件下該CO₂循環液體，以使得該CO₂循環液體中的CO₂以及水在分離前可處於有助於分離的狀態。藉由提供處於上述壓力的該CO₂循環液體，該液體流的溫度可被降低至讓在該流中的水將處於液態以及因此更容易被從氣態CO₂中分離的點。

在某些實施例中，想要的是，提供更進一步的乾燥條件，以使得該已純化CO₂循環液體可完全地、或大體上為無水。正如先前所提及，根據材料中相位的不同而從該CO₂循環液體中分離出水可能在該CO₂循環液體中留下小部分(亦即，低濃度)的水。在一些實施例中，可接受的是，讓該CO₂循環液體繼續具有少部分的水殘留其中。在其他的實施例中，有用地是，使該CO₂循環液體進行更進一步的處理，以有助於移除剩餘水的所有、或部分。舉例而言，低濃度的水可藉由乾燥劑乾燥機(desiccant dryer)或依照本案揭露而為合適的其他方式來移除。

特別地是，提供處於已定義壓力的該CO₂循環液體至該等分離單元可有助於再次地最大化電源循環的效率。具體而言，提供處於該已定義壓力範圍的CO₂循環液體可使得處於氣相的該已純化CO₂循環液體在總電源消耗最小的情形下被壓縮至一高壓。正如先前所敘述，有需要如此 的加壓，以使得部分的該已純化CO₂循環液體被回收到燃燒器，且部分被供應在所需管路壓力(例如，大約10MPa至大約20MPa)。此更進一步地闡明了最小化該擴散渦輪的入口與出口壓力比的好處，正如前述。此作用來增加總體的循環效率，以及亦允許來自該渦輪的排放壓力落在前述所要的範圍，以用於從該CO₂循環液體中分離水以及其他從屬成份。

該CO₂循環液體通過一分離單元520的流動的實施例闡明於第6圖中。正如可見，來自該熱交換器的該已冷卻渦輪排出流60可通過使用水來更進一步從該已冷卻渦輪排出流60中移除熱的一冷水熱交換器530(或任何類似功能的裝置)，以及排放混合相的已冷卻渦輪排出流61，其中，該CO₂維持為氣體，而在該CO₂循環液體中的水已被轉換為液相。舉例而言，該已冷卻渦輪排出流60通過該冷水熱交換器530可使該CO₂循環液體冷卻至溫度少於大約50℃，少於大約55℃，少於大約40℃，少於大約45℃，少於大約40℃，或少於大約30℃。較佳地是，該CO₂循環液體的壓力大體上不受通過該冷水熱交換器530而改變。混合相的已冷卻渦輪排出流61被導向一水分離單元540，其中，液態水流62a從該分離器520排出。而且，離開該水分離單元540的是富二氧化碳(enriched CO₂)循環液體流62b，此富二氧化碳流可直接離開該分離器520，以作為已純化工作液體65。在替代實施例中(正如虛線所代表流以及零件所闡明者)，該富二氧化碳循環液體流62b可被導向一或更多個額外的分離單元550，以移除更多的從屬成份，正如接下來更全面的敘述。在特殊的實施例中，該CO₂循環液體的任何更多的從屬成份可在移除水之後被移除。接著，該CO₂循環液體離開該一或更多個額外的分離器單元，以作為該已純化工作液體65。然而，在一些實施例中，該混合相的已冷卻渦輪排出流61可首先被導向而在移除水之前先移除一或更多個從屬成份，以及該已部分純化的流可接著被導向該水分離單元540。瞭 解本案所揭露的本領域具通常知識者將能夠想像所需要的分離器的各種結合，以及所有如此的結合是被併入本發明之中的。

正如先前所提及，除了水以外，該CO₂循環液體亦可包含其他的從屬成份，例如，燃料衍生的、燃燒衍生的、以及氧氣衍生的不純物，如此的從屬成份亦可以在及大約分離水分時的同時從該已冷卻、氣相CO₂循環液體中移除。舉例而言，除了水蒸氣以外，如SO₂、SO₃、HCI、NO、NO₂、Hg以及過量O₂、N₂以及Ar的從屬成份亦可被移除。該CO₂循環液體的這些從屬成份(通常被視為不純物、或污染物)可利用適當的方法而從該已冷卻CO₂循環液體中完全被除(例如，在美國專利申請公開第2008/0226515號以及歐洲專利申請案第EP1952874號以及第EP1953486號中所定義的方法，其整體於此併入做為參考)。在SO₂以及SO₃可100%被轉換為硫酸的同時，>95%的NO以及NO₂可被轉換為硝酸。在該CO₂循環液體中任何過量的氧氣可被分離作為一富氧流，以具選擇性地回收至該燃燒器。任何出現的惰性氣體(例如，N₂以及Ar)可在低壓排出至大氣，在某些實施例中，該CO₂循環液體可因此被純化，以使得衍生自該燃料中進行燃燒的碳的CO₂可於最終以高密度、純化流的形式遞送。在特殊的實施例中，該已純化CO₂循環液體所包括的CO₂濃度可為至少98.5%莫耳，至少99%莫耳，至少99.5%莫耳，或至少99.8%莫耳。再者，該CO₂循環液體可被提供在所需的壓力，以被直接輸入一CO₂管線中，例如，至少大約10MPa，至少大約15MPa，或至少大約20MPa。

作為前述的總結，該含碳燃料254在O₂242以及一已回收工作液體236的存在下，於一蒸散冷卻燃燒器中的燃燒可形成具有一相對而言較高溫度以及壓力的燃燒產物流40。此包括相對而言較大量CO₂的燃燒產物流40可通過一渦輪320，以擴張該燃燒產物流40，藉此減少該流的壓力以及 發電。離開該渦輪320的出口的該渦輪排放流50是處於一減低的壓力，但仍處於相對而言較高的溫度。由於在該燃燒產物流中的污染物以及不純物，有益地是，在將該CO₂循環液體回收入系統前先分離出如此的污染物以及不純物。為了達成此分離，該渦輪排放流50藉由通過該一或更多個熱交換器420而進行冷卻。該等從屬產物(例如，水以及任何其他的污染物以及不純物)的分離可被達成。正如前述，為了回收該CO₂循環液體回該燃燒器，必須對該CO₂循環液體進行重新加熱以及重新加壓。在某些實施例中，本發明的特徵在於，在執行特殊的處理步驟來最大化發電循環的效率的同時，亦避免將污染物(例如，CO₂)排放至大氣中。此特別可見於對於離開該分離單元的該已冷卻及純化CO₂循環液體的重新加熱以及重新加壓。

如在第5圖中所更進一步闡明，離開該等一或更多個分離單元520的該已純化工作液體65可通過一或更多個加壓單元620(例如，幫浦，壓縮器，或類似者)，以增加該已純化工作液體65的壓力。在某些實施例中，該已純化工作液體65可被壓縮至至少大約7.5MPa或至少大約8MPa的壓力。在一些實施例中，一單獨的加壓單元可被用來將該已純化CO₂循環液體的壓力增加至在此所述之導入該燃燒器220所需的壓力。

在特殊的實施例中，加壓可利用在該加壓單元620中串聯的二或更多個壓縮器(例如，幫浦)來實行。一個如此的實施例顯示於第7圖中，其中，該已純化工作液體65通過一第一壓縮器630，以將該已純化工作液體65壓縮為一第一壓力(其較佳地是高於該CO₂的臨界壓力)，以及因此形成流66。流66可被導向可收回熱(例如，該第一壓縮器的該加壓動作所形成的熱)以及因此形成流67的一冷卻水熱交換器640，其較佳是在接近環境的溫度下。流67可被導向被用來將該CO₂循環液體加壓至大於該第一壓力的一第二壓力的一第二壓縮器650。正如前述，該第二壓力可大體上類似於 該CO₂循環液體輸入(或回收)至該燃燒器時所需的壓力。

在特殊的實施例中，該第一壓縮器630可被用來增加該已純化工作液體65的壓力，以使得該已純化CO₂循環液體可由氣相狀態轉變為超臨界液體狀態。在特殊的實施例中，該已純化CO₂循環液體可在該第一壓縮器630中被加壓至壓力大約7.5MPa至大約20MPa，大約7.5MPa至大約15MPa，大約7.5MPa至大約12MPa，大約7.5MPa至大約10MPa，或大約8MPa至大約10MPa。接著，離開該第一壓縮器630的該流66(其處於超臨界液體狀態)通過可將該CO₂循環液體冷卻至足以形成可更有效地被泵打至甚至更高壓力的一高密度液體的溫度的該冷卻水熱交換器640(或任何類似作用的裝置)。而依照被回收而被使用作為該循環液體的CO₂的大體積來看，這是重要的，對處於超流體狀態的大體積CO₂進行泵打可說是系統中重要的能量汲取，然而，本發明實現可藉由增密該CO₂以及因此降低超臨界CO₂(其被泵打回該燃燒器以用於回收)的總體積而提供之具優勢的效率增加。在特殊的實施例中，在從該冷卻水熱交換器640排出後(以及為了加熱而通過該熱交換單元420前)，該CO₂循環液體所提供的密度可為至少大約200kg/m³，至少大約250kg/m³，至少大約300kg/m³，至少大約350kg/m³，至少大約400kg/m³，至少大約450kg/m³，至少大約500kg/m³，至少大約550kg/m³，至少大約600kg/m³，至少大約650kg/m³，至少大約700kg/m³，至少大約750kg/m³，至少大約800kg/m³，至少大約850kg/m³，至少大約900kg/m³，至少大約950kg/m³，或至少大約1000kg/m³。在另外的實施例中，該密度可為大約150kg/m³至大約1,100kg/m³，大約200kg/m³至大約1,000kg/m³，大約400kg/m³至大約950kg/m³，大約500kg/m³至大約900kg/m³，或大約500kg/m³至大約800kg/m³。

在特殊實施例中，該流66通過該冷卻水熱交換器640可將該 CO₂循環液體冷卻至溫度少於大約60℃，少於大約50℃，少於大約40℃，或少於大約30℃。在其他的實施例中，該CO₂循環液體離開該冷卻水熱交換器640成為流67的溫度可為大約15℃至大約50℃，大約20℃至大約45℃，或大約20℃至大約40℃。較佳地是，在進入該第二壓縮器650的流67中的該CO₂循環液體處於有助於能量效率的條件，將該流泵打至將該CO₂循環液體導入該燃燒器中的所需壓力。舉例而言，已加壓、超臨界CO₂循環液體流70可更進一步地被加壓至壓力至少大約12MPa，至少大約15MPa，至少大約16MPa，至少大約18MPa，至少大約20MPa，或至少大約25MPa。在一些實施例中，已加壓的超臨界CO₂循環液體流70可再被加壓至壓力大約15MPa至大約50MPa，大約20MPa至大約45MPa，或大約25MPa至大約40MPa。能夠在所提及的壓力下工作以及能夠達成所述壓力的任何型態壓縮器皆可以使用，例如，一高壓多段幫浦。

離開該一或更多個加壓單元620的該已加壓CO₂循環液體流70可被導回先前被用來冷卻該渦輪排放流50的該等熱交換器。正如在第5圖中所顯示的，該已加壓CO₂循環液體流70首先通過一分流器720，以形成CO₂管路液體流80以及CO₂循環液體流85(其大體上相等於CO₂循環液體流70，除了在該流中所存在的CO₂真實量以外)。因此，在一些實施例中，在該已加壓CO₂循環液體流中的至少一部份CO₂會被導入用於封存的一已加壓管路中。從該CO₂循環液體流所移除的以及被導向該管路的(或者其他封存或處置裝置)CO₂的量可取決於被導入該燃燒器中的CO₂的所需內容物而變化，以控制燃燒溫度以及出現在離開該燃燒器的該燃燒排放流中的CO₂的真實量。在一些實施例中，被收回的CO₂量，正如前述，可大體上為在該燃燒器中的該含碳燃料的燃燒所形成的CO₂量。

為了達成高效率操作，有幫助地是，離開該已加壓單元620 的該CO₂循環液體被加熱至該超臨界液體具有低上許多之比熱的溫度。此相等於在相對較低的溫度範圍內提供一非常大的熱輸入。使用外部熱源(例如，相對而言較低溫度的熱源)來提供對於一部份該已回收CO₂循環液體的額外加熱，使得該熱交換器單元420能夠在渦輪排放流50以及在該熱交換器單元420(或是當使用一串聯的二或多個熱交換器時在該第一熱交換器)熱端的已回收工作液體236間溫度差異小的情形下操作。在特殊的實施例中，該已加壓CO₂循環液體通過該一或更多個熱交換器對將該已加壓CO₂循環液體流加熱至該已加壓CO₂循環液體流進入該燃燒器所需的溫度而言是有用的。在某些實施例中，在該CO₂循環液體流輸入該燃燒器前，該已加壓CO₂循環液體流被加熱至溫度至少大約200℃，至少大約300℃，至少大約400℃，至少大約500℃，至少大約600℃，至少大約700℃，或至少大約800℃。在一些實施例中，可加熱至溫度大約500℃至大約1,200℃，大約550℃至大約1,000℃，或大約600℃至大約950℃。

第8圖闡明一熱交換器單元420的一實施例，其中，三個個別的熱交換器被串聯使用，以從該渦輪排放流50收回熱，進而提供處於適合用於移除從屬成份的條件的已冷卻渦輪排出流60，以及同時在回收該已回收工作液體236以及將其導入該燃燒器之前先增加熱至該已加壓、超臨界CO₂循環液體流70(或85)。正如先前更進一步敘述地，本發明的系統與方法可用來對習知電力系統(例如，燃煤發電廠)進行修整，以增加效率、及/或其輸出。在一些實施例中，如接下來所敘述的該熱交換器單元420可因此在如此的一修整中被稱之為主要熱交換單元，在此亦使用一從屬熱交換單元(正如在第12圖中所闡明)。該次級熱交換單元舉例而言，因此可被用來過熱(superheat)一蒸汽流。該等用詞主要熱交換單元以及從屬熱交換單元的使用並不應被理解為是對本發明範圍的限制，以及僅是為了提供清楚的敘 述而使用。

在第8圖所包含的實施例中，該渦輪排放流50首先藉由通過該第一熱交換器430而進入該熱交換器串聯420，以提供將具有比該渦輪排放流50的溫度更低的溫度的流52。當該第一熱交換器430接收串聯中最熱的流(亦即，該渦輪排放流50)以及因此傳遞該熱交換器串聯420中落在最高溫度範圍內的熱時，其可被敘述為一高溫熱交換器。正如前述，接收相對而言較高溫的渦輪排放流50的該第一熱交換器430可包括可用來使該熱交換器適合收回所提及的溫度的特殊合金或其他材料，該渦輪排放流50的温度可藉由通過該第一熱交換器430而顯著地降低(其亦可應用於使用少於三個、或多於三個個別熱交換器的其他實施例)。在某些實施例中，離該該第一熱交換器430的該流52的溫度可以比該渦輪排放流50的溫度低上至少大約100℃，至少大約200℃，至少大約300℃，至少大約400℃，至少大約450℃，至少大約500℃，至少大約550℃，至少大約575℃，或至少大約600℃，在特殊的實施例中，流52的溫度可為大約100℃至大約800℃，大約150℃至大約600℃，或大約200℃至大約500℃。在較佳的實施例中，離開該第一熱交換器430的該流52的壓力大體上類似於該渦輪排放流50的壓力。特別地是，離開該第一熱交換器430的該流52的壓力可以為該渦輪排放流50的壓力的至少90%，至少91%，至少92%，至少93%，至少94%，至少95%，至少96%，至少97%，至少98%，至少99%，至少99.5%，或至少99.8%。

離開該第一熱交換器430的該流52通過該第二熱交換器440，以產生流56，其所具有的溫度小於進入該第二熱交換器440的該流52的溫度。當該第二熱交換器440傳遞落在中間溫度範圍(亦即，小於第一熱交換器430但大於第三熱交換器450大的範圍)內的熱的時候，其可被敘述 為一中間溫度熱交換器。在一些實施例中，該第一流52以及該第二流56之間的溫度差異可大體上小於該渦輪排放流50以及離開該第一熱交換器430的該流52間的溫度差異。在一些實施例中，離開該第二熱交換器440的該流56的溫度可比進入該第二熱交換器440的該流52的溫度低上大約10℃至大約200℃，大約20℃至大約175℃，大約30℃至大約150℃，或大約40℃至大約140℃。在特殊的實施例中，流56的溫度可為大約75℃至大約600℃，大約100℃至大約400℃，或大約100℃至大約300℃。再次，可為較佳地是，離開該第二熱交換器440的流56的壓力大體上類似於進入該第二熱交換器440的該流52的壓力。特別地是，離開該第二熱交換器440的流56的壓力可為進入該第二熱交換器440的流52的壓力的至少90%，至少91%，至少92%，至少93%，至少94%，至少95%，至少96%，至少97%，至少98%，至少99%，至少99.5%，或至少99.8%。

離開該第二熱交換器440的該流56通過該第三熱交換器450，以產生溫度低於進入該第三熱交換器450的流56的溫度的該已冷卻渦輪排出流60。當該第三熱交換器450傳遞在該熱交換器串聯420中最低溫範圍內的熱時，其可被敘述為一低溫熱交換器。在一些實施例中，離開該第三熱交換器450的該已冷卻渦輪排出流60的溫度可比進入該第三熱交換器450的流56的溫度低上大約10℃至大約250℃，大約15℃至大約200℃，大約20℃至大約175℃，或大約25℃至大約150℃。在特殊實施例中，該已冷卻渦輪排出流60的溫度可為大約40℃至大約200℃，大約40℃至大約100℃，或大約40℃至大約90℃。再次，可為較佳地是，離開該第三熱交換器450的該已冷卻渦輪排出流60的壓力大體上類似於進入該第三熱交換器450的流56的壓力。特別地是，離開該第三熱交換器450的該已冷卻渦輪排出流60的壓力可為進入該第三熱交換器450的流56的壓力的至少 90%，至少91%，至少92%，至少93%，至少94%，至少95%，至少96%，至少97%，至少98%，至少99%，至少99.5%，或至少99.8%。

進入該第三熱交換器450(以及因此離開熱交換器單元420，一般而言)的該已冷卻渦輪排出流60可被導向一或更多個分離單元520。亦如上所述，該CO₂循環液體流可經歷一或更多種型態的分離，以自該流中移除從屬成份，接著被加壓以返回該燃燒器作為該已回收的循環液體(可選擇地具有分離出之CO₂的一部份，以在不排出至大氣的情形下進入一CO₂管路或其他封存或處置裝置)。

回到第8圖，該已加壓CO₂循環液體流70(或85，若首先通過一分離裝置時，如在第5圖中所顯示)可被引導回去通過相同的三個熱交換器串聯，因此，原先經由該等熱交換器所收回的熱可被用來在進入該燃燒器220前將熱授予至該已加壓CO₂循環液體流70。典型地，藉由通過該三個熱交換器(450，440，以及430)而被授予至該已加壓CO₂循環液體流70的熱可相對而言與該等熱交換器所收回的熱的量(正如上述)成比率。

在某些實施例中，本發明的特徵在於離開以及進入該熱交換器(或串聯中的最後一個熱交換器)的流之間的溫度差異。請參閱第8圖，此特別地相關於已冷卻渦輪排出流60以及70之間的溫度差異。特別地是，該等流在(串聯中的最後一個熱交換器的)該熱交換器的冷端處的溫度差異大於零，以及範圍可為大約2℃至大約50℃，大約3℃至大約40℃，大約4℃至大約30℃，或大約5℃至大約20℃。

在一些實施例中，該已加壓CO₂循環液體流70可直接通過串聯的該三個熱交換器。舉例而言，該已加壓CO₂循環液體流70(亦即，在相對而言較低的溫度者)可通過該第三熱交換器450，以形成處於增加的溫度的流71，其可直接通過該第二熱交換器440，以形成處於增加的溫度的流 73，其可直接通過該第一熱交換器430，以形成可導入該燃燒器220的該高溫、已加壓已回收CO₂工作液體流236。

然而，在特別的實施例中，本發明的特徵在於，使用外部熱源來更進一步增加該已回收CO₂循環液體的溫度。舉例而言，正如在第8圖中所闡明，在該已加壓CO₂循環液體流70通過該第三熱交換器450後，所形成的流71，取代直接通過該第二熱交換器440，可通過將流71分為二個流71b以及72a的一分流零件460。流71b可通過該第二熱交換器440。如前述，流72a可通過被用來在該等熱交換器本身授予的熱之外，另外對該已加壓CO₂循環液體流70授予額外量的熱的側加熱器470。

來自該流71的該已加壓CO₂循環液體流中被導向該第二熱交換器440以及該側加熱器470的量可取決於該系統的工作條件以及該已加壓CO₂循環液體流為了進入該燃燒器220的所需最終溫度而變化。在某些實施例中，流71b中被導向該第二熱交換器440的CO₂以及該流72a中被導向該側加熱器470的CO₂間的莫耳比可為大約1：2至大約20：1(亦即，大約流72a中每2莫耳的CO₂對上流71b中1莫耳的CO₂，至大約流72a中每1莫耳的CO₂對上流71b中20莫耳的CO₂)。在另外的實施例中，流71b中被導向該第二熱交換器440的CO₂以及該流72a中被導向該側加熱器470的CO₂間的莫耳比可為大約1：1至大約20：1，大約2：1至大約16：1，大約2：1至大約12：1，大約2：1至大約10：1，大約2：1至大約8：1，或大約4：1至大約6：1。

該側加熱器可包括可用來將熱授予給該CO₂循環液體的任何裝置。在一些實施例中，該側加熱器所提供的能量(亦即，熱)可從一外面來源被輸入進該系統。然而，在根據本發明的特別實施例中，該循環的效率可藉由利用產生在該循環中一或多個點處的廢熱而獲得增加。舉例而言，用來輸入該燃燒器的O₂的產生可產生熱。已知的空氣分離單元可產 生熱作為該分離處理的副產品。再者，有用地是，該O₂可以增加的壓力被提供，例如上述，以及該氣體的如此加壓亦可產生熱作為一副產品。舉例而言，O₂可藉由操作低溫空氣分離處理而產生，其中，氧在處理中藉由泵打保存冷卻的液態氧(其已被充分加熱至環境溫度)而受到加壓。如此的低溫氧泵打工廠可具有二個空氣壓縮器，其皆可絕熱地以無段冷卻(no inter-stage cooling)的方式操作，因此，該熱的、已加壓的空氣的溫度可被向下冷卻至接近及/或高於該外部源所加熱的該流(例如，流72a，在第8圖中)的溫度。在習知技術的設定中，當次級冷卻系統需要來消除該副產品熱時，如此的熱不被利用，或可實際地作為系統上的消耗。然而，在本發明中，冷卻劑可被用來從該空氣分離處理中收回已產生的熱，以及將該熱提供至在第8圖中所闡明的該側加熱器，在其他的實施例中，該側加熱器其本身可為該空氣分離單元(或一相關連的裝置)，以及該CO₂循環液體(例如，在第8圖中的流72a)其本身可直接透過該空氣分離單元上或與其相關的一冷卻劑系統而進行循環，以收回在該空氣分離處理中所產生的熱，更特別地是，所添加的熱的獲得可藉由絕熱地操作該CO₂壓縮器以及移除在後冷卻器(after-cooler)中的壓縮熱來對抗傳遞壓縮熱來加熱部分該高壓CO₂循環液體的一循環熱傳遞液體而達成，或是藉由直接熱傳遞至該高壓已回收CO₂循環液體流(例如，第8圖中的流72a)而達成。再者，如此的熱添加並不需要限制為相關於第8圖所述的位置，而是可以在該等從屬成份自該CO₂循環液體分離後(但較佳地是在該CO₂循環液體通過直接位在該燃燒器輸入的上游處的該熱交換器之前)的任何點處被輸入至該循環，當然，任何利用在電力產生循環中所產生的廢物的類似方法皆亦可被包含在本案揭露內容之中，例如，利用處於適當溫度的一供應流，或來自習知開放式循環氣體渦輪的熱排放氣體。

該側加熱器470所授予的熱的量可取決於所使用的材料與裝置以及該已回收工作液體236為了進入該燃燒器220所需達到的最終溫度而變化。在一些實施例中，該側加熱器470有效地使該流72a的溫度增加至少大約10℃，至少大約20℃，至少大約30℃，至少大約40℃，至少大約50℃，至少大約60℃，至少大約70℃，至少大約80℃，至少大約90℃，或至少大約100℃。在其他的實施例中，該側加熱器470有效地使該流72a的溫度增加至少大約10℃至大約200℃，至少大約50℃至大約175℃，或至少大約75℃至大約150℃。在特殊的實施例中，該側加熱器470使流72a溫度的增加範圍落在離開熱交換器440的流73的溫度的至少大約15℃內，至少大約12℃內，至少大約10℃內，至少大約7℃內，或至少大約5℃內。

藉由此另外熱源的增加，若該流中的CO₂量被引導通過該第二熱交換器440時，則離開該第三熱交換器450的流71可在該第二熱交換器440中可獲得的熱對流71進行加熱的能力外另外進行過加熱。藉由對該流進行分流，在該第二熱交換器440中可獲得的熱可完全地授予給流71b中的CO₂循環液體的部分內容物的同時，可得自該側加熱器470的熱亦可完全地被授予至流72a中的該CO₂循環液體的部分內容物。因此，可見地是，若流71中的所有量CO₂循環液體皆被導向該第二熱交換器440，而不是被分流且分離地進行加熱(如上所述)，則當利用替代的分流方法時，進入該第一熱交換器430的結合流的溫度可大於離開該第二熱交換器440的流73的溫度。在一些實施例中，藉由該分流方法所獲得的熱增加的重要性足以限制該已回收工作液體236是否已在進入該燃燒器前充分加熱。

正如在第8圖中可見，離開該分流器460的流71b通過該第二熱交換器440，以形成流73，其被導向混合器480，以將流73與排放自該側加熱器470的流72b相結合。接著，所結合流74通過該第一熱交換器430，以 在進入該第一熱交換器430時將該CO₂循環液體的溫度加熱至大體上接近該渦輪排放流的溫度。液體流在該第一熱交換器的熱端處溫度上的接近可應用於本發明其他使用少於三個或多於三個熱交換器的實施例，並且可應用於自該渦輪排出後的CO₂循環液體所通過的該第一熱交換器。達成液體留在該第一熱交換器的熱端處溫度上的接近的能力可以是本發明實現所需效率位準的關鍵特徵。在某些實施例中，來自該渦輪的渦輪排放流進入排列中的該第一熱交換器的溫度(亦即，在擴張進該渦輪後)與該CO₂循環液體離開該熱交換器以回收進入該燃燒器的溫度間的差異可少於大約80℃，少於大約75℃，少於大約70℃，少於大約65℃，少於大約60℃，少於大約55℃，少於大約50℃，少於大約45℃，少於大約40℃，少於大約35℃，少於大約30℃，少於大約25℃，少於大約20℃，或少於大約15℃。

正如從前述可看出，本發明的系統及方法的效率可藉由精準的控制該渦輪排放流50以及該回收工作液體236間於熱交換器420(或在第8圖所闡明的串聯中的該第一熱交換器430)熱端處的差異而顯著地獲益。在較佳的實施例中，此溫度差異少於50℃。雖然並不希望受到理論的束縛，但已經發現，根據本發明，用於加熱該已回收CO₂循環液體的可獲得的熱(例如，從在一或更多個熱交換器中的該渦輪排放流所收回的熱)可能不足以對已回收CO₂循環液體的全部流進行充分加熱。本發明已瞭解，已可藉由對流71進行分流而獲得克服，因此，流71b進入該熱交換器440，以及流72a進入該外部熱源470，其中，該外部熱源470提供額外、外部的熱來源而使離開該外部熱源470的流72b的溫度上升至大體上接近離開該熱交換器440的流73的溫度，正如先前已經敘述者。接著，流72b以及73結合形成流74，流71b(以及流72a)的流速可受到在熱交換器440的冷端處的溫度差異的控制。克服上述熱不足所需的外部熱的量可藉由讓流56的溫度盡可能的低以 及最小化該熱交換器440的冷端溫度差異而最小化。出現在流56中產生自燃燒產物的水蒸氣會於取決於流56的成份以及其壓力的一溫度到達其露點。低於此溫度，水冷凝大大地增加流56至已冷卻渦輪排出流60的有效mCp，以及提供將總回收流70加熱至流71所需的所有熱。離開該熱交換器440的流56的溫度較佳地是可以在流56的露點的大約5℃範圍內。較佳地是，流56以及71間於熱交換器440冷端處的溫度差異可為至少大約3℃，至少大約6℃，至少大約9℃，至少大約12℃，至少大約15℃，至少大約18℃，或至少大約20℃。

回到第5圖，該已回收工作液體236可在被回收進入該燃燒器220之前先進行預熱，例如相關於接收通過該擴散渦輪320後的該熱渦輪排放流50的該至少一熱交換器420所敘述者。為了最大化循環的效率，有用地是，在與構成熱氣體入口路徑以及高度受應力的渦輪葉片的可用材料一致之盡可能高入口溫度下，以及在與系統操作壓力一致之該熱交換器420中所允許的最大溫度下，操作該擴散渦輪320。該渦輪入口流的該熱入口路徑以及渦輪葉片的第一排可藉由任何有用的方式冷卻。在一些實施例中，可藉由使用部分的該高壓、回收CO₂循環液體而最大化效率。特別地是，該較低溫CO₂循環液體(例如，落在大約50℃至大約200℃範圍內)可在該熱交換器420的冷端前自該循環，或當使用串聯的多個熱交換器單元時自該熱交換器420的中間點(例如，來自第8圖中的流71，72a，71b，72b，73，或74)被收回。該葉片冷卻液體可從該渦輪葉片中的洞排出，並且可直接輸入該渦輪流中。

高效燃燒器(例如，在此所述的蒸散冷卻燃燒器)的操作可產生的燃燒氣體是具有過量氧濃度(例如，在大約0.1%至大約5%莫耳的範圍內)的氧化氣體。替代地，該燃燒器可產生的燃燒氣體是還原氣體，該還 原氣體具有某些濃度的H₂，CO，CH₄，H₂S，以及NH₃的一或更多種。此特別有益地是，根據本發明，其變得有可能使用具有僅一個渦輪單元、或一串聯渦輪單元(例如，2、3或更多單元)的電力渦輪。有益地是，在使用一串聯單元的特殊實施例中，所有的單元皆可以相同的入口溫度操作，並且，此使得既定第一渦輪饋送壓力與總體壓力間比值的電力輸出能夠被最大化。

處於還原模式之利用串聯操作的二個渦輪330，340的渦輪單元320的實例顯示於第9圖中。正如在此所見，該燃燒產物流40被導向該第一渦輪330。在如此的實施例中，該燃燒產物流40被設計為(例如，透過控制所使用的燃料，所使用的O₂量，以及燃燒器的操作條件)是具有一或更多個燃燒成份於其中的還原氣體，正如前述，該燃燒產物流40擴張跨越該第一渦輪330，以產生電力(例如，相關連一發電機，未顯示於此圖例中)，以及形成一第一排放流42。再導入該第二渦輪340之前，一預定量的O₂可被添加進入該第一渦輪排放流42之中，以燃燒出現在該第一渦輪排放流42中的可燃成份，此在留下過量的氧的同時，亦會將該第二渦輪單元340的入口溫度上升至大體上與該第一渦輪單元330相同的數值。舉例而言，來自該第一渦輪單元330的該排放流42的溫度可落在大約500℃至大約1,000℃的範圍。當在還原模式時，在此溫度將O₂添加至該排放流42可造成流中的氣體可藉由過量燃料氣體的燃燒而被加熱至大約700℃至大約1,600℃的溫度範圍，其大體上與離開該燃燒腔室220且進入該第一渦輪單元330前的燃燒產物流40的溫度範圍相同。換言之，在該二個渦輪的每一個的入口處的操作溫度大體上是相同的。在特殊的實施例中，在該等渦輪的入口處的操作溫度的差異不超過大約10%，不超過大約9%，不超過大約8%，不超過大約7%，不超過大約6%，不超過大約5%，不超過大約4%，不超過大約3%，不 超過大約2%，或不超過大約1%。用於另外渦輪單元的類似重新加熱步驟亦可被實行至留下的程度剩餘燃料。若有需要時，燃燒可藉由在氧氣饋送燃燒空間中使用適當的催化劑而進行強化。

在某些實施例中，正如於此所敘的電力循環可被用來修整現存的發電站，例如，藉由將高溫、高壓加熱液體(例如此處所描述的渦輪排放流)導入習知郎肯循環(Rankine cycle)發電站的蒸汽過熱循環中。此可以是具有沸水反應器(BWR)、或壓水式反應器(pressurized water reactor)(PWR)熱循環的煤點火、或核能發電站。此是藉由將該蒸汽過熱至比現有系統中所產生的已過熱蒸汽的溫度高上許多的溫度，而有效地增加該蒸汽郎肯發電站的效率以及電力輸出。若使用燃粉煤鍋爐(pulverized coal fired boiler)，在蒸汽溫度目前高至最大大約600℃的同時，在核能發電站中的蒸汽條件通常高至大約320℃。利用可能伴隨著本發明的系統及方法中的熱交換的過熱，蒸汽溫度可上升至超過700℃。此導致熱能直接轉換為額外的軸動力(shaft power)，這是由於燃燒來過熱該蒸汽的額外燃料在不增加冷凝蒸汽量的情形下，被轉換為基於蒸汽的發電站中的額外電力，此可藉由提供從屬熱交換單元而達成。舉例而言，正如另外在此所敘述，相關於本發明方法及系統所敘述的該渦輪排放流可在通過該主要熱交換單元前先被引導通過該從屬熱交換器。在該從屬熱交換單元中所獲得的熱可被用來過熱來自該鍋爐的蒸汽。正如前述，該已過熱蒸汽可被導向一或更多個渦輪，以進行發電。在通過該從屬熱交換單元後，該渦輪排放流可接著被導向該主要熱交換單元，正如另外在此所述。如此的系統及方法敘述於實例2以及闡明於第12圖之中。此外，有可能地是，取來自該最終蒸汽渦輪的入口的低壓蒸汽，並用它來加熱部分的該已回收CO₂循環液體，正如前述。在特殊的實施例中，來自該蒸汽發電站的冷凝物可在利用離開該熱交換單元 冷端的該CO₂循環液體流而進行脫氣(de-aeration)前，先被加熱至一中間溫度(舉例而言，在一些實施例中，在大約80℃的溫度)。此加熱正常地使用取自最終LP蒸汽渦輪階段的入口的分供蒸汽(bleed steam)，因此，對於現今側蒸汽加熱不足的蒸汽發電站效率的淨效應可藉由對於冷凝的預加熱而獲得補償，其保存了分供蒸汽。

上述一般的發電方法(亦即，發電循環)可根據本發明而利用在此所述之適當的發電系統來執行。一般而言，根據本發明的發電系統可包括在此相關於該發電方法而敘述的任何零件。舉例而言，一發電系統可包括用於在O₂以及CO₂循環液體存在下燃燒一含碳燃料的燃燒器。特別地是，該燃燒器可為如此處所描述的一蒸散冷卻燃燒器，然而，也可以使用能夠在另外於此所敘述的條件下操作的其他燃燒器。特別地是，該燃燒器的特徵可相關於其操作的燃燒條件以及該燃燒器本身的特殊零件。在一些實施例中，該系統可包括為該含碳燃料(以及具選擇性地，一流化介質)提供該O₂以及該CO₂循環液體的一或更多個注入器。該系統可包括用於移除液態爐渣的零件。該燃燒器可在一溫度產生燃料氣體，處於該溫度，固態灰燼粒子可有效地從該氣體中濾出，以及該氣體可與淬火(quench)CO₂相混合以及在一第二燃燒器中燃燒。該燃燒器可包括在該CO₂循環液體存在下燃燒該含碳燃料的至少一燃燒階段，以提供包括處於在此處所述之壓力以及溫度的CO₂的一燃燒產物流。

該系統可進一步包括與該燃燒器進行流體溝通的一發電渦輪，該渦輪可具有接收該燃燒產物流的一入口，以及釋放包含CO₂的一渦輪排放流的一出口。電力可被產生在該液體流擴張的時候。該渦輪被設計來將該液體流維持在一所需壓力比(I_p/O_p)，正如在此所述。

更進一步，該系統可包括與該渦輪進行流體溝通的至少一熱 交換器，以接收該渦輪排放流以及冷卻該流，進而形成一冷卻的CO₂循環液體流。相同地，該至少一熱交換器可被用來加熱輸入該燃燒器的該CO₂循環液體，特別地是，該(等)熱交換器的特徵是相關於允許在如此所述的特殊條件下進行操作的建構材料。

該系統亦可包括用來將離開該熱交換器的該CO₂循環液體流分離為CO₂以及一或更多個用於恢復或處置的其他另外成份。特別地是，該系統可包括用於將水(或其他在此所敘述的不純物)從該CO₂循環液體流中分離的裝置。

該系統可進一步包括一或更多個裝置(例如，壓縮器)，其與該至少一熱交換器進行流體溝通(及/或與一或更多個分離裝置進行流體溝通)，以壓縮純化的CO₂循環液體。再者，該系統可包括將該CO₂循環液體分離為二個流的裝置，其中，第一個流通過該熱交換器並進入該燃燒器，以及第二個流遞送進入一已加壓管路(或其他用來封存、及/或處置該CO₂的裝置)中。

在一些實施例中，甚至更進一步的零件可被包括在該系統之中。舉例而言，該系統可包括一O₂分離單元，以將O₂遞送進入該燃燒器(或進入一注入器、或將該O₂與一或更多個其他材料相混合的類似裝置)。在一些實施例中，該空氣分離單元可產生熱。因此，對該系統而言，有用地是進一步包括一或更多個熱傳遞零件，以將熱從該空氣分離單元傳遞至該燃燒器上游的該CO₂循環液體流。在另外的實施例中，根據本發明的系統可包括在此相關於該發電循環以及該發電方法而另外敘述的任何及所有零件。

在另外的實施例中，本發明包含在利用於燃燒時會留下不可燃殘渣的燃料的發電中特別有用的系統及方法。在某些實施例中，如此的不可燃材料可透過使用一適當的裝置，例如，在第4圖中所闡明的一污染物 移除裝置，而從該燃燒產物流中被移除。然而，在其他的實施例中，具有用處地是，透過使用一多燃燒器系統及方法，例如在第10圖中所闡明者，而管理不可燃材料。

正如在第10圖中所顯示，該煤燃料254可通過一研磨裝置900，以提供一粉末狀煤。在其他的實施例中，該煤燃料254可被提供在一特別的條件。在特殊的實施例中，該煤可具有平均粒子尺寸為大約10μm至大約500μm，大約25μm至大約400μm，或大約50μm至大約200μm。在其他實施例中，該煤可敘述為比具有平均尺寸少於大約500μm，450μm，400μm，350μm，300μm，250μm，200μm，150μm，或100μm的煤粒子大上50%，60%，70%，80%，90%，91%，92%，93%，94%，95%，96%，97%，98%，99%，或99.5%。該粉狀煤可與一液化物質相混合，以提供漿料形式的煤。在第10圖中，該粉狀煤在混合器910中與來自該已回收CO₂循環液體的一CO₂側抽取(side draw)68相結合。在第10圖中，該CO₂側抽取68從已經歷了提供處於超臨界、高密度狀態的CO₂循環液體的處理的該流67中被收回。在特殊的實施例中，用來形成該煤漿料的CO₂可具有大約450kg/m³至大約1,100kg/m³的密度。更特別地是，該CO₂側抽取68可與該微粒煤相配合，以形成，舉例而言，具有介於該微粒煤的大約10重量百分比至大約75重量百分比之間、或大約25重量百分比至大約55重量百分比之間的一漿料225。再者，被用來形成該漿料之來自該側抽取68的該CO₂所處的溫度可少於大約0℃，少於大約-10℃，少於大約-20℃，或少於大約-30℃。在另外的實施例中，被用來形成該漿料之來自該側抽取68的該CO₂所處的溫度可為大約0℃至大約-60℃，大約-10℃至大約-50℃，或大約-18℃至大約-40℃。

該粉狀煤/CO₂漿料255經由幫浦920而從該混合器910被傳 送至一部份氧化燃燒器930。如此處所描述的，一O₂流可利用將空氣241分離為已純化O₂的一空氣分離單元30而形成。該O₂流被分離成為被導向該部分氧化燃燒器930的O₂流243，以及被導向該燃燒器220的O₂流242。在第10圖的實施例中，一CO₂流86自該已回收CO₂循環液體流85中被收回，以用於冷卻該部分氧化燃燒器930。在另外的實施例中，用於冷卻該部分氧化燃燒器930的CO₂可取自該已回收工作液體236，以取代流86，或者該CO₂可取自流86以及該已回收工作液體236兩者。較佳地是，被收回的CO₂的量足以冷卻流256的溫度，以使得灰燼呈現可安全地被移除的固態形式，正如另外於此所述。該CO₂煤以及O₂被提供至該部分氧化燃燒器930的比率使得該煤僅部分地氧化，以產生包括CO₂以及H₂，CO，CH₄，H₂S，以及NH₃的其中之一或更多的一部份氧化燃燒產物流256。該CO₂，煤，以及O₂亦以必要的比率而被導入該部分氧化燃燒器930，使得該部分氧化燃燒產物流256的溫度夠低到讓出現在該流256中的所有灰燼皆處於可簡單地藉由一或更多個氣旋分離器、及/或過濾器而被移除的固態粒子形式。第10圖的實施例闡明了經由過濾器940移除灰燼。在特殊的實施例中，該部分氧化燃燒流256的溫度可少於大約1,100℃，少於大約1,000℃，少於大約900℃，少於大約800℃，或少於大約700℃。在另外的實施例中，該部分氧化燃燒流256的溫度可為大約300℃至大約1,000℃，大約400℃至大約950℃，或大約500℃至大約900℃。

該已過濾、部分氧化的燃燒流257可直接被輸入該第二燃燒器220，其可以是蒸散冷卻燃燒器，正如另外在此所述。此輸入與該O₂流242以及該已回收CO₂工作液體236一起提供。在此點的燃燒可以類似於另外在此所述的方式進行。在該部分氧化燃燒流256中的該等可燃材料可在O₂以及CO₂的存在下於該燃燒器220中進行燃燒，以提供該燃燒流40。此流被擴張 跨越一渦輪320，以產生電力(例如，經由發電機1209)。該渦輪排放流50通過一熱交換器單元420(其可是串聯的熱交換器，例如，相關於第8圖的敘述)。該已冷卻渦輪排出流60通過該冷卻水熱交換器530，以形成混合相的已冷卻渦輪排出流61，其通過用於移除流62中的從屬成份(例如，H₂O，SO₂，SO₄，NO₂，NO₃，以及Hg)的分離器540。該分離器540可大體上類似於接下來相關於第12圖的敘述中的管柱1330。較佳地是，該分離器540包括一反應器，其提供具有足夠停留時間的接觸器，以使得該等不純物可與水反應形成容易移除的材料(例如，酸)。該已純化工作液體65通過一第一壓縮器630以形成流66，其藉由冷卻水熱交換器640進行冷卻，以提供該超臨界、高密度CO₂循環液體流67。正如前述，一部份的流67可被收回作為流68，以使用作為在該混合器910中的流化介質，進而形成該煤漿料流255。進一步地，該超臨界、高密度CO₂循環液體流67另外在壓縮器650中加壓，以形成該已加壓、高臨界、高密度CO₂循環液體流70。流70中一部份的CO₂會在點720處被收回，正如在此相關於第5圖以及第11圖的敘述，以提供流80至一CO₂管路、或其他封存裝置。該CO₂的剩餘部分繼續成為已加壓、超臨界、高密度CO₂循環液體流85，其一部份可被收回作為流86，以用於冷卻該部分氧化燃燒器930，正如上述。另外，該流85回到該熱交換器420(或熱交換器的串聯，如相關於第8圖的敘述)，以對該流進行加熱，並最終形成輸入至該燃燒器220的該已回收工作液體236。正如前述，一外部熱源可用來與熱交換器單元420相結合，以提供必要的效率。相同地，其他系統以及方法參數，正如另外在此所述，可被應用於根據第10圖的系統及方法，例如，流溫度以及壓力，以及該渦輪單元320，該熱交換器單元420，該分離單元520，以及該壓縮器單元630的其他操作條件。

實驗

接下來，本發明將進一步地相關於特殊實例而進行敘述，該等實例是提供來闡明本發明的某接實施例，且不應被理解為對本發明的限制。

實例1

採用一已回收CO₂循環液體的甲烷燃燒發電系統及方法

根據本發明的系統及方法的一特殊實例闡明於第11圖中，接下來的敘述內容敘述了相關於在利用電腦模擬的特殊條件下的一特殊循環的系統。

在此方法中，於導入一蒸散冷卻燃燒器220之前，溫度134℃以及壓力30.5MPa的一甲烷(CH₄)燃料流254與溫度860℃以及壓力30.3MPa(以及因此處於超臨界流體狀態)的一已回收CO₂工作液體236於一混合器252中相結合。一空氣分離單元30被用來提供溫度105℃以及壓力30.5MPa的濃縮O₂ 242。該空氣分離單元亦產生熱(Q)，其會被抽離而用於處理中。該O₂242在該燃燒器220中與該甲烷燃料流254以及該已回收CO₂工作液體236相結合，並於此發生燃燒，以提供溫度1189℃以及壓力30MPa的燃燒產物流40。該CO₂、O₂以及甲烷被提供的莫耳比率約為35：2：1(亦即，lbmol/hr，每小時磅莫耳(pound moles per hour))。在此實施例中的燃燒使用的能量輸入率為344,935Btu/hr(363,932kJ/hr)。

該燃燒產物流40被擴張跨越該渦輪320，以產生溫度885℃以及壓力5MPa的該渦輪排放流50(在該渦輪排放流50中的CO₂為氣態狀態)，該燃燒產物流40擴張跨越該渦輪320而產生電力的速率為每小時83.5千瓦(kW/hr)。

接著，該渦輸排放流50通過串聯的三個熱交換器，以連續地冷卻該流，進而移除從屬成份。通過該第一熱交換器430可產生溫度237℃ 以及壓力5MPa的流52，流52通過該第二熱交換器440，以產生溫度123℃以及壓力5MPa的流56，流56通過該第三熱交換器450，以產生溫度80℃以及壓力5MPa的已冷卻渦輪排出流60。

在該渦輪排出通過熱交換器的串聯後，該已冷卻渦輪排出流60可藉由通過一冷卻水熱交換器530而進一步被冷卻。溫度24℃的水(C)透過該冷卻水熱交換器530進行循環，以將該已冷卻渦輪排出流60冷卻至溫度27℃，以及因此冷凝在該CO₂循環液體流中所出現的任何水。接著，該混合相的已冷卻渦輪排出流61通過一水分離單元540，以使得液態水被移除，並排放成為流62a。從該水分離單元540中所排放的是溫度34℃以及壓力3MPa的該“已乾燥的”已純化工作液體65。

該乾燥已純化工作液體65(其仍處於氣態狀態)接下來在二個步驟的加壓規劃中通過一第一壓縮單元630。該CO₂循環液體流被加壓至8MPa，其同樣地使該CO₂循環液體流的溫度上升至78℃。此需要5.22kW/hr的電力輸入。接著，此超臨界液體CO₂循環液體流66通過一第二冷卻水熱交換器640，在此，該超臨界液體CO₂循環液體流66受到溫度24℃的水的冷卻，以產生溫度27℃、壓力8MPa、以及密度762kg/m³的一已冷卻超臨界液體CO₂循環液體流67。此流接著通過一第二壓縮單元650，以形成溫度69℃以及壓力30.5MPa的該已加壓CO₂循環液體流70。此需要8.23kW/hr的電力輸入。此流通過一管路分流器720，藉此，1lbmol的CO₂經由流80而被導向一已加壓管路，以及34.1lbmol的CO₂被引導作為流85而回到串聯的三個熱交換器，以在進入該燃燒器220前重新加熱該CO₂循環液體流。

該已加壓CO₂循環液體流85通過該第三熱交換器450而形成溫度114℃以及壓力30.5MPa的流71，流71通過分流器460，以使得27.3lbmol的CO₂被引導成為到達該第二熱交換器440的流71b，以及6.8lbmol的CO₂ 被導向通過一側加熱器470的流72a中。流71b以及流72a的每一個皆為溫度114℃以及壓力30.5MPa。該側加熱器470使用來自該空氣分離單元30的熱(Q)，以對該CO₂循環液體流提供額外的熱。流71b通過該第二熱交換器440可產生溫度224℃以及壓力30.5MPa的流73。流72a通過該側加熱器470形成流72b，其同樣的為溫度224℃以及壓力30.4MPa。流73以及72b在混合器480中相結合而形成溫度224℃以及壓力30.3MPa的流74，接著，流74通過該第一熱交換器430，以在回到該燃燒器220的入口提供溫度860℃以及壓力30.0MPa的該已回收CO₂工作液體236。

前述模擬循環的效率的計算是基於所產生的能量與甲烷燃料的LHV以及輸入該系統的額外能量間比較，正如上述。在所模擬的條件下，可達成大約53.9%的效率，此特別令人驚訝的是，在達成如此之絕佳效率的同時，亦避免了任何CO₂(特別是由於該含碳燃料燃燒所生成的任何CO₂)的大氣排放。

實例2

使用已回收CO₂循環液體的粉煤發電站修整的發電系統及方法

根據本發明的系統及方法的另一個特殊實例闡明於第12圖中，接下來的敘述內容敘述了相關於在利用電腦模擬的特殊條件下的一特殊循環的系統。

在此模擬中，所闡明的是對習知燃粉煤發電站的系統及方法的修整能力。

壓力30.5MPa的一O₂流1056與壓力30.5MPa的一含碳燃料1055(例如，部分氧化所產生的煤衍生氣體)以及壓力30.5MPa的一CO₂循環液體流1053一起被導入一蒸散冷卻燃燒器220中。該O₂可接收自一空氣 分離器、或可產生熱(Q)(其可被抽離而用於系統中)的類似裝置，例如，以產生擴張的流、或增加熱至一已冷卻CO₂循環液體流。燃料在該燃燒器220中的燃燒產生溫度1,150℃以及壓力30.0MPa的一燃燒產物流1054，此流擴張越過一渦輪320(其一般而言可被稱為一主要發電渦輪)，以藉由驅動一發電機1029而產生電力。溫度775℃以及壓力大約3.0MPa的該擴散渦輪排放流1001被導入一熱交換器110的熱端，在此，來自該渦輪排放流1001的熱被用來過熱習知燃粉煤發電站1800中所產生的該高壓流流動1031以及該中壓流流動1032。鍋爐饋送的水1810以及煤1810被輸入至該發電站1800，以藉由燃燒該煤1810而產生流流動1031以及1032。在該熱交換器中的熱的傳遞使得該等流流動1031以及1032從溫度大約550℃過熱至溫度大約750℃，以形成流流動1033以及1034，其會回到該發電站(如下所述)。此方法在不需要於習知電力站於接近大氣壓力燃燒煤的大型蒸汽鍋爐中使用昂貴的高溫合金的情形下，達成了非常高的蒸汽溫度。該等流流動1033以及1034擴張進入一三階段渦輪1200(其一般而言稱之為一從屬發電渦輪)中，以驅動一發電機1210。離開該渦輪1200的流1035在冷凝器1220中進行冷凝。經處理的冷凝物1036利用一饋送水幫浦1230而被泵打至高壓力，並接著在該燃煤鍋爐1800中進行蒸汽化以及過熱，以排放入該熱交換器1100中，正如前述。此系統被用來增加一現存燃煤發電站的電力輸出以及效率。

該熱交換器100是具典型地由高溫、高鎳含量合金(例如，617合金)所建構的化學研磨通道的Heatric式擴散結合板(Heatrictype diffusion bonded plate)熱交換器，其中，該合金能夠掌控使於氧化條件下的重要過熱以及操作成為可能的高壓以及高溫，此熱交換器是對所有液體皆具高熱傳遞係數的高效熱傳遞單元。

在第12圖中所闡明的系統及方法的剩餘部分，其結構及操作 皆類似另外於此所敘述的系統及方法。特別地是，該擴散渦輪排放流1001是在該熱交換器1100中被冷卻，並離開該熱交換器1100的冷端成為排放流1037，其溫度為575℃。此流1037接著通過一第二熱交換器1300，在此，其被冷卻至溫度90℃以及壓力2.9MPa，以形成流1038。此流更進一步地憑藉來自該發電站冷凝器1230的該冷凝物1057的一部份而在一第三熱交換器1310中被冷卻至溫度40℃，以形成流1039，其更進一步憑藉在一冷卻水熱交換器1320中的冷卻水而被冷卻至溫度27℃，以形成壓力2.87MPa的流1040。該熱交換器1300可以是Heatric 310不銹鋼擴散結合單元(Heatric 310 stainless steel diffusion bonded unit)。

30℃的該已冷卻流1040被饋送進入一封裝管柱1330的基部，其配備有一循環幫浦1340，該循環幫浦1340可提供一逆流弱酸循環流，以供給該進入氣體以及該洗滌弱酸之間的逆流接觸。SO₂、SO₃、NO以及NO₂被轉換為HNO₃以及H₂SO₄，並與冷凝水以及任何其他水溶成份一起被液體吸收，來自該管柱1330的淨液態產物於線1042中被移除，以及壓力被降低至大氣壓力，然後進入一分離器1360。溶解的CO₂於線1043中被閃蒸出來(flashes off)，利用一幫浦1350而壓縮至壓力2.85MPa，以及流動成為流1044，以加入離開管柱1330頂端的流1045。這些結合的流形成將會再回收進入該燃燒器的該CO₂循環液體。於水中稀釋的H₂SO₄以及HNO₃從該分離器1360的基部離開成為流1046，濃度取決於在該接觸器管柱1330中的該燃料組成以及溫度。要注意地是，較佳地是，硝酸出現在該酸流1046中，因為硝酸將可與任何出現的水銀反應，並完全地移除此不純物。

進入該壓縮器1380的該已回收CO₂循環液體流首先在一乾燥劑乾燥機中被乾燥至大約-60℃的露點，並接著進行純化，以利用低溫分離方案而移除O₂、N₂以及Ar，例如在歐洲專利申請案第EP1952874 A1號所 顯示，其於此併入作為參考。

離開壓縮器1380、壓力8.5MPa的已壓縮、已回收CO₂循環液體流1047憑藉一冷卻水熱交換器1370中的27℃冷卻水而進行冷卻，進而形成密集、超臨界CO₂循環液體1048，其在幫浦1390中被泵打至壓力30.5MPa以及溫度74℃，以形成高壓、已回收CO₂循環液體流1050。該CO₂的一部份從該流1050中被移除，以作為一CO₂產物流1049，其將在不排放至大氣的情形下被封存或進行其他處置。在此實施例中，該CO₂產物流1049的壓力被降低至大約20MPa的所需管路壓力，並通過進入一CO₂管路。

該高壓、已回收CO₂循環液體流(現為流1051)的剩餘部分進入該熱交換器1300的冷端。為處於74℃的密集超臨界液體的此流必須接收相當大量的低位熱(low grade heat)，以將其轉換為溫度237º、具低上許多之比熱的液體。在此實施例中，如此的低位熱是藉由取自進入習知發電站的低壓蒸汽渦輪的蒸汽流之壓力為0.65MPa的一LP蒸汽流1052，以及衍生自供應該O₂流1056的低溫氧工廠中的空氣壓縮器的壓縮絕熱熱(adiabatic heat)所一起提供。該低壓流離開該熱交換器1300成為流1301。選擇地，所有的熱皆可藉由使用來自該燃煤發電站之壓力至多3.8MPa的一些可得蒸汽流而提供。此能量亦可提供自該空氣分離單元所形成的該熱(Q)，正如前述。對部分的該回收CO₂流進行加熱的側流提供了在該熱交換器1300的冷端所需要的大部分熱，並允許在該熱交換器1300熱端僅大約25℃的小溫度差異，其全面地增加效率。

該高壓、高溫、已回收CO₂循環液體流1053離開該熱交換器1300時溫度550℃，並且進入該燃燒器220，其被用來冷卻衍生自燃燒一天然氣流1055以及97%莫耳氧氣流1056的燃燒氣體(在此實施例中)，以產生燃燒產物流1054，正如上述。在此實施例中，該渦輪熱路徑以及渦輪葉片 的第一排利用取自該幫浦排放流1050、溫度74℃的一CO₂流1058進行冷卻。

若上述系統被操作為利用由純CH₄所模擬的天然氣燃料的單獨發電站，則該已回收CO₂流1053以溫度大約750℃進入該燃燒器，以及該渦輪排出1001以溫度大約775℃進入該熱交換器1300。

在此實施例中的該單獨發電系統的效率為53.9%(LHV)。此構圖包括該低溫O₂工廠以及天然氣饋送以及O₂壓縮器的電力消耗。若燃料模擬為具有發熱值27.92Mj/kg的煤(例如，利用在第一燃燒器以及過濾單元中被移除的灰燼而進行部分氧化，緊接著在第二燃燒器中該燃料氣體以及CO₂混合物的燃燒)，則效率將會是54%(LHV)。在兩個例子中，衍生自該燃料中的碳的CO₂的幾乎100%可被產生為20MPa管路壓力。

上述及闡明於第12圖中採用煤燃料的系統及方法，特徵在於可應用於具下述特殊參數的發電站，根據本發明，轉換燃粉煤發電站的效果計算如下：蒸汽條件 HP蒸汽：16.6MPa，565℃，流動：473 14kg/sec

LP蒸汽：4.02MPa，565℃，流動：371.62kg/sec

凈電力輸出：493.7.Mw

用於現存發電站的煤：1256.1Mw

效率淨值：39.31%

CO₂捕獲%：0

現存發電站併入本發明揭示的系統及方法而升級後的已轉換工廠：CO₂電力系統淨電力輸出：371.7Mw

現存發電站淨電力：639.1Mw

總淨電力：1010.8Mw

用於CO₂電力系統的煤：1053.6Mw

用於現存發電站的煤：1256.1Mw

整體效率淨值：43.76%

CO₂捕獲%：45.6% * *需注意地是，在此實例中，沒有CO₂自該現有發電站被捕獲。

本發明許多的修飾以及其他實施例對本領域具通常知識者而言將可理解地是，本發明所具有的是前述敘述以及相關圖式所呈現的教示的優勢。因此，可瞭解地是，本發明並不受限於所揭示的特殊實施例，以及該些修飾以及其他實施例是意欲於被包括在所附申請專利範圍的範疇中。雖然在此使用了特殊的詞語，但其使用僅是作為一般且敘述形式，並非為了限制的目的。

Claims (19)

1. 一種電力產生的方法，包含以下步驟：將一含有CO₂的流，在約12MPa或更大的一壓力和在約750℃或更高的一溫度下，擴張跨越包含一第一渦輪和一最後渦輪的一串聯，以從該最後渦輪輸出包含CO₂的一最後渦輪排放流；使該最後渦輪排放流通過一復熱交換器，以從作為一熱源的該最後渦輪排放流回收熱，並形成一已冷卻渦輪排放流；將該CO₂的至少一部分從該已冷卻渦輪排放流中分離，以形成一再循環CO₂流；將該再循環CO₂流壓縮到至少約12MPa的一壓力，以形成一已壓縮再循環CO₂流；用來自該最後渦輪排放流所回收的該熱，加熱該已壓縮再循環CO₂流的至少一部分，且用來自不同於從該最後渦輪排放流所回收的該熱的一來源的熱，加熱該已壓縮再循環CO₂流的至少一部分，以形成一已結合已加熱已壓縮再循環CO₂流；將該已結合已加熱已壓縮再循環CO₂流送至一燃燒器，其中一含碳燃料在一氧化劑和該已結合已加熱已壓縮再循環CO₂流的存在下被燃燒，以進一步對該已結合已加熱已壓縮再循環CO₂流加熱，使形成該含有CO₂的流；以及將該含有CO₂的流送至在該串聯中的該第一渦輪。
2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，還包含在該第一渦輪和該最後渦輪之間，增加進一步的熱至該含有CO₂的流。
3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該進一步的熱是在一進一步的燃燒器中所提供，其中一含碳燃料被和一氧化劑及該含有CO₂的流燃燒。
4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，還包含在所述壓縮步驟之後和在所述使該已結合已加熱已壓縮再循環CO₂流送至一燃燒器的步驟之前，從該已壓縮再循環CO₂流回收一側流。
5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該已壓縮再循環CO₂流的一部分是用來自該最後渦輪排放流所回收的該熱來加熱，而該側流是用來自不同於從該最後渦輪排放流所回收的該熱的一來源的熱來加熱的該部分，且其中該部分於所述使該已結合已加熱已壓縮再循環CO₂流送至一燃燒器的步驟之前被再結合。
6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中該側流是藉由通過一側加熱器而被加熱。
7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該側加熱器係利用在一低溫空氣分離單元中多個空氣壓縮器的絕熱階段所回收的熱。
8. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該側加熱器包含含有二個壓縮器的一低溫空氣分離單元，該二個壓縮器被絕熱地操作，且其中該方法包含移除多個在多個後冷卻器中的該壓縮熱來對抗傳輸該壓縮熱的一循環熱傳輸流體。
9. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中含有來自該最後渦輪排放流所回收的該熱的該已壓縮再循環CO₂流的至少一部分的加熱、和含有來自不同於從該最後渦輪排放流所回收的該熱的一來源的熱的該已壓縮再循環CO₂流的至少一部分的加熱，足以使得進入該燃燒器的該已結合已加熱的已壓縮再循環CO₂流之該溫度比該最後渦輪排放流之該溫度小於不超過約50℃。
10. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中不同於從該最後渦輪排放流所回收的該熱的該來源是一空氣分離單元。
11. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中不同於從該最後渦輪排放流所回收的該熱的該來源是一蒸汽供應。
12. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中不同於從該最後渦輪排放流所回收的該熱的該來源是來自一傳統開放式循環氣體渦輪的一熱排放氣體。
13. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該復熱交換器包含至少二個熱交換器的一串聯。
14. 一種電力產生的方法，包含以下步驟：將具有至少約12MPa的一壓力和至少約750℃的一溫度的一含有CO₂的流，擴張跨越包含一第一渦輪和一最後渦輪的一串聯，以從該最後渦輪輸出包含CO₂的一最後渦輪排放流；使該最後渦輪排放流通過一復熱交換器，以從作為一熱源的該最後渦輪排放流回收熱，並形成一已冷卻渦輪排放流；將該CO₂的至少一部分從該已冷卻渦輪排放流中分離，以形成一再循環CO₂流；將該再循環CO₂流壓縮到至少約12MPa的一壓力，以形成一已壓縮再循環CO₂流；用一第一熱源加熱該已壓縮再循環CO₂流的至少一部分，該第一熱源是來自該最後渦輪排放流所回收的該熱，用該第一熱源的所述加熱是藉由將該已壓縮再循環CO₂流通過該復熱交換器而完成，且用來自一第二源的熱，加熱該已壓縮再循環CO₂流的至少一部分，該第二源為不同於從該最後渦輪排放流所回收的該熱的一來源，使得以該第一熱源和該第二熱源加熱的一已加熱已壓縮再循環CO₂流從該復熱交換器被輸出；將該已加熱已壓縮再循環CO₂流從該復熱交換器送至一燃燒器，其中一燃料被燃燒以進一步對該已加熱已壓縮再循環CO₂流加熱，使形成該含有CO₂的流；以及使該含有CO₂的流送至在該串聯中的該第一渦輪。
15. 一種電力產生系統，包含：一燃燒器，配置以接收一燃料、O₂和一CO₂流，並具有至少一個燃燒狀態，該燃燒狀態在該CO₂流的存在下燃燒，並提供一燃燒產物流，該燃燒產物流包含在至少約8MPa的一壓力和在至少約800℃的一溫度的CO₂；一第一發電渦輪和一第二發電渦輪，從該燃燒器的下游串聯，並配置用於含有CO₂的一渦輪排放流的輸出；一熱交換器，配置用以接收來自該第二發電渦輪的該渦輪排放流，並從該渦輪排放流傳輸熱至該CO₂流；一個或更多分離裝置，位於該熱交換器的下游，且配置以從該渦輪排放流移除一個或更多成分並輸出該CO₂流；一壓縮器，配置用以加壓該CO₂流；以及除了該熱交換器的至少一個熱傳遞零件，配置用以從該渦輪排放流以外的一來源，傳輸熱至位於該燃燒器的上游和該一壓縮器的下游的該CO₂流。
16. 如申請專利範圍第15項所述的電力產生系統，其中該壓縮器被配置以將該CO₂流壓縮到高於該CO₂臨界壓力的一第一壓力，且其中該系統包含一第二壓縮器，配置以將該CO₂流壓縮到更高的至少8MPa的一第二壓力。
17. 如申請專利範圍第16項所述的電力產生系統，包含位於該壓縮器和該第二壓縮器之間的一冷卻裝置，以及適合來冷卻該CO₂流到其密度高於約200kg/m³的一溫度。
18. 如申請專利範圍第15項所述的電力產生系統，其中該至少一個熱傳遞零件係關聯於一O₂產生裝置。
19. 如申請專利範圍第15項所述的電力產生系統，其中該熱交換器包括至少二個熱交換單元。