(57) Реферат / Формула:
Предлагаются способы и системы отделения CO 2 в тепловых электростанциях с низкими выбросами. Одна из систем содержит газотурбинную систему, которая сжигает топливо и окислитель в присутствии потока сжатого рецикла с получением механической энергии и газообразного выхлопа. Продувочный поток отбирают из потока сжатого рецикла и направляют в сепаратор CO 2 , выполненный с возможностью поглощения CO 2 из продувочного потока с использованием растворителя на основе карбоната калия. Летучие вещества удаляют из обогащенного растворителя посредством отделения или посредством быстрого понижения давления до промежуточного давления перед тем, как обогащенный растворитель регенерируют, и удаляют CO 2 .
Евразийское (21) 201391365 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2014.01.30
(22) Дата подачи заявки 2012.03.05
(51) Int. Cl. F01N3/08 (2006.01)
(54) СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ С НИЗКИМИ ВЫБРОСАМИ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ ОТДЕЛЕНИЕ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
(31) 61/466,385; 61/466,384; 61/466,381; 61/542,041; 61/542,035; 61/542,031;
61/542,030
(32) 2011.03.22; 2011.03.22; 2011.03.22;
2011.09.30; 2011.09.30; 2011.09.30; 2011.09.30
(33) US
(86) PCT/US2012/027781
(87) WO 2012/128929 2012.09.27
(71) Заявитель:
ЭКСОНМОБИЛ АПСТРИМ РИСЕРЧ
КОМПАНИ (US)
(72) Изобретатель:
Миттрикер Франклин Ф., Хантингтон Ричард Э., Элфке Расселл Х. (US)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU) (57) Предлагаются способы и системы отделения CO2 в тепловых электростанциях с низкими выбросами. Одна из систем содержит газотурбинную систему, которая сжигает топливо и окислитель в присутствии потока сжатого рецикла с получением механической энергии и газообразного выхлопа. Продувочный поток отбирают из потока сжатого рецикла и направляют в сепаратор CO2, выполненный с возможностью поглощения CO2 из продувочного потока с использованием растворителя на основе карбоната калия. Летучие вещества удаляют из обогащенного растворителя посредством отделения или посредством быстрого понижения давления до промежуточного давления перед тем, как обогащенный растворитель регенерируют, и удаляют CO2.
2420-198769ЕА/072 СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ С НИЗКИМИ ВЫБРОСАМИ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ ОТДЕЛЕНИЕ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
ОПИСАНИЕ
Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США 61/542041, поданной 30 сентября 2011 года, озаглавленной Low emission power generating systems and methods incorporating carbon dioxide separation; предварительной заявки на патент США 61/466384, поданной 22 марта 2011 года, озаглавленной Low emission turbine systems having a main air compressor oxidant control apparatus and methods related thereto; предварительной заявки на патент США 61/542030, поданной 30 сентября 2011 года, озаглавленной Low emission turbine systems incorporating inlet compressor oxidant control apparatus and methods related thereto; предварительной заявки на патент США 61/466385, поданной 22 марта 2011 года, озаглавленной Methods for controlling stoichiometric combustion on a fixed geometry gas turbine system and apparatus and systems related thereto; предварительной заявки на патент США 61/542031, поданной 30 сентября 2011 года, озаглавленной Systems and methods for controlling stoichiometric combustion in low emission turbine systems; предварительной заявки на патент США 61/466381, поданной 22 марта 2011 года, озаглавленной Methods of varying low emission turbine gas recycle circuits and systems and apparatus related thereto; предварительной заявки на патент США 61/542035, поданной 30 сентября 2011 года, озаглавленной Methods of varying low emission turbine gas recycle circuits and systems and apparatus related thereto; которые тем самым включаются в настоящий документ во всей их полноте
Настоящая заявка является родственной предварительной заявке на патент США 61/542036, поданной 30 сентября 2011 года, озаглавленной Systems and methods for carbon dioxide capture in low emission turbine systems; предварительной заявке на патент
США 61/542037, поданной 30 сентября 2011 года, озаглавленной Systems and methods for carbon dioxide capture in low emission turbine systems; предварительной заявке на патент США 61/542039, поданной 30 сентября 2011 года, озаглавленной Systems and methods for carbon dioxide capture in low emission combined turbine systems; которые тем самым включаются в настоящий документ во всей их полноте.
Область техники, к которой относится изобретение Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к системам генерации энергии с низкими выбросами. Более конкретно, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способу и устройству для сжигания топлива для генерации энергии и к улучшенному производству диоксида углерода (СОг), и к использованию технологии с абсорбциями для улавливания СОг .
Уровень техники
Этот раздел предназначен для введения в различные аспекты
современного уровня техники, которые могут ассоциироваться с
иллюстративными вариантами осуществления настоящего
изобретения. Это обсуждение, как считается, поможет в создании рамок для облегчения лучшего понимания конкретных аспектов настоящего изобретения. Соответственно, необходимо понять, что этот раздел должен рассматриваться именно в этом свете, а не обязательно как признание современного уровня техники.
Множество стран, добывающих нефть, испытывают сильный внутренний рост потребности в энергии и заинтересованы в увеличении добычи нефти (EOR) для улучшения добычи нефти из своих резервуаров. Две распространенных технологии EOR включают нагнетание азота (N2) для поддержания давления в резервуаре и нагнетание диоксида углерода (СОг) для осуществления смешанного заводнения для EOR. Имеется также глобальная проблема относительно выбросов тепличного газа (GHG). Эта проблема в сочетании с внедрением политики ограничения промышленных выбросов с помощью квот во многих странах делает уменьшение выбросов СОг приоритетом для этих и других стран, а также для компаний, которые управляют в них системами добычи
углеводородов.
Некоторые подходы для понижения выбросов СОг включают декарбонизацию топлива или улавливание после сгорания с использованием абсорбции, таких как амины. Однако оба эти решения являются дорогостоящими и понижают эффективность генерации энергии, что приводит к понижению производства энергии, к увеличению потребности в топливе и к увеличению стоимости электричества для удовлетворения потребности в бытовой энергии. В частности, присутствие кислорода, оксидов серы (S0X) и оксидов азота (N0X) делает использование абсорбции оксидов азота (N0X) очень проблематичным. Другой подход представляет собой кислородно-топливную газовую турбину в объединенном цикле (например, когда избыток тепла из цикла Брайтона газовой турбины улавливается для получения водяного пара и производства дополнительной энергии в цикле Ренкина). Однако нет коммерчески доступных газовых турбин, которые могут работать в таком цикле, и энергия, необходимая для получения кислорода высокой чистоты, значительно понижает общую эффективность способа.
Кроме того, при растущей проблеме глобального изменения климата и воздействия выбросов СОг, ударение делается на доведении до минимума выбросов СОг от тепловых электростанций. Газотурбинные тепловые электростанции являются эффективными, и они имеют более низкую стоимость, по сравнению с ядерными или угольными технологиями генерации энергии. Однако улавливание СОг из выбросов из газотурбинной тепловой электростанции является очень дорогостоящим, поскольку концентрация СОг в выбросах является низкой, необходимо обрабатывать большой объем газа и давление выпускаемого потока является низким. Эти факторы, среди прочего, приводят к повышению стоимости улавливания СОг.
Ранее описывались улавливание и извлечение СОг из системы генерации энергии с низкими выбросами, которые включают контур рециклирования выпускаемого газа. Например, заявка на патент США, серийный № 61/3 61173, которая включается в настоящий документ в качестве ссылки во всей ее полноте, иллюстрирует
использование карбонатно-калиевого растворителя (К2СО3) для абсорбции и извлечения СОг из таких систем. Однако когда СОг извлекают с помощью абсорбции растворителем, растворитель абсорбирует также небольшие количества летучих компонентов (таких, например, как азот, кислород, аргон и монооксид углерода), которые будут иметь малую растворимость в растворителе на водной основе, таком как К2СО3. При регенерации растворителя для высвобождения абсорбированного СОг, эти летучие компоненты будут также выделяться, и будут оставаться вместе с СОг. Если СОг используют для EOR или нагнетают в резервуар для пассивирования, присутствие летучих веществ может быть нежелательным. Например, присутствие кислорода может увеличить скорости коррозии, в то время как присутствие монооксида углерода (СО) может создавать опасность для людей или окружающей среды, если он выпускается во время запуска или в условиях неполадок в способе.
Соответственно, по-прежнему имеется существенная
потребность в высокоэффективном способе генерации энергии с низкими выбросами, который включает улавливание СОг и извлечение при пониженных затратах. В дополнение к этому, когда для отделения СОг используют карбонатно-калиевый (К2СО3) растворитель, имеется также интерес к удалению летучих веществ из извлеченного СОг.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на системы генерации энергии с низкими выбросами, которые содержат контур рециклирования выпускаемого газа, и улавливание и извлечение диоксида углерода (СОг) с использованием системы разделения на основе карбоната калия (К2СОз) . В системах генерации энергии с низкими выбросами, описанных в настоящем документе, выпускаемые газы из газовых турбин с низкими выбросами, которые принудительно удаляются в типичной установке с объединенным циклом на природном газе, вместо этого, рециклируются, и часть рециклированного выпускаемого газа отделяется и извлекается. Устройство, системы и способы по настоящему изобретению разделяют выпускаемый газ с использованием карбонатно-калиевого
К2СО3 растворителя с абсорбцией и извлечением СОг. Такие способы разделения на основе К2СОз иногда упоминаются как горячие способы на основе карбоната калия или способы "горячего выщелачивания". Устройство и способы удаления летучих компонентов из растворителя, обогащенного СОг, перед регенерацией растворителя и удалением СОг дополнительно включаются в настоящий документ, с получением в результате СОг высокой чистоты с малым количеством загрязняющих примесей или вообще без них. Извлеченный СОг можно использовать для увеличения нефтеотдачи пласта (EOR), пассивирования, хранения или для ряда других целей.
В системах и способах по настоящему изобретению топливо и сжатый окислитель сжигают в присутствии потока сжатого рецикла в камере сгорания с генерированием выходящего потока. Выходящий поток расширяют с получением энергии и генерированием выпускаемого газового потока, и выпускаемый газовый поток охлаждают и рециркулируют в главный компрессор. Главный компрессор генерирует поток сжатого рецикла. Часть потока сжатого рецикла направляется обратно в камеру сгорания, чтобы он действовал как разбавитель во время горения, в то время как остальную часть потока сжатого рецикла направляют в систему отделения СОг. В системе отделения СОг, выпускаемые газы охлаждают и направляют в абсорбционную колонну, где карбонатно-калиевый К2СО3 растворитель используют для абсорбции СОг из выпускаемых газов, с генерированием обогащенного азотом остаточного потока и раствора бикарбонатного растворителя.
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения, летучие компоненты удаляют из раствора бикарбонатного растворителя посредством отделения раствора растворителя с помощью паров, таких как азот, аргон или водяной пар. В других вариантах осуществления, летучие компоненты удаляют из раствора бикарбонатного растворителя посредством быстрого понижения давления раствора растворителя до давления, достаточного для высвобождения газообразных летучих веществ из растворителя, в то же время, удерживая СОг в жидком растворе. Затем летучие компоненты могут рециклироваться в систему
рециркуляции выпускаемого газа (EGR), например, посредством объединения летучих веществ с потоком охлажденного рецикла, поступающим в главный компрессор. При обоих сценариях, после удаления летучих веществ из раствора бикарбонатного растворителя, давление раствора быстро понижают до атмосферного давления или давления близкого к атмосферному давлению и регенерируют с помощью кипячения раствора бикарбонатного растворителя для удаления СОг и воды, с получением обедненного регенерированного карбонатно-калиевого К2СО3 растворителя. Регенерированный растворитель может рециклироваться в абсорбционную колонну, в то время как СОг и вода, удаленные из раствора растворителя, могут охлаждаться и конденсироваться с генерированием потока воды и потока извлеченного СОг. При удалении летучих веществ из раствора бикарбонатного растворителя перед регенерированием растворителя и извлечением СОг, получают продукт СОг более высокой чистоты. Краткое описание чертежей
Указанные вше и другие преимущества настоящего изобретения могут стать понятными при изучении следующего далее подробного описания и чертежей, и неограничивающих примеров вариантов осуществления, в которых:
Фиг.1 изображает объединенную систему генерации энергии с низкими выбросами и улучшенным извлечением СОг.
Фиг. 2 изображает иллюстративную систему улавливания СОг, используемую в объединенной системе генерации энергии с низкими выбросами и улучшенным извлечением СОг.
Фиг. 3 изображает другую иллюстративную систему для улавливания СОг, содержащую отпарную секцию для удаления летучих веществ перед регенерацией раствора бикарбонатного растворителя и удалением СОг.
Фиг. 4 изображает другую иллюстративную систему для улавливания СОг, содержащую ступень быстрого понижения давления для удаления летучих веществ перед регенерацией раствора бикарбонатного растворителя и удалением СОг.
Фиг.5 изображает объединенную систему генерации энергии с низкими выбросами и улучшенным извлечением СОг, в которой
летучие вещества, удаляемые в системе улавливания СОг, рециклируются в систему рециркуляции выпускаемого газ. Подробное описание изобретения
В следующем далее разделе подробного описания конкретные варианты осуществления настоящего изобретения описываются в связи с предпочтительными вариантами осуществления. Однако до той степени, до которой следующее далее описание является отличным для конкретного варианта осуществления или конкретного использования настоящего изобретения, они предлагаются только для целей иллюстрации и просто предлагают описание иллюстративных вариантов осуществления. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления, описанными ниже, но скорее, оно включает все альтернативы, модификации и эквиваленты, попадающие в пределы истинного духа и рамок прилагаемой формулы изобретения.
Различные термины, как используется в настоящем документе, определены ниже. До той степени, до которой термин, используемый в формуле изобретения, не определен ниже, он должен приводиться в самом широком определении, понятном специалистам в данной области, при условии, что этот термин отражен, по меньшей мере, в одной печатной публикации или в выданном патенте.
Как используется в настоящем документе, термин "природный газ" относится к многокомпонентному газу, полученному из скважины с сырой нефтью (попутный газ) или из подземной газоносной формации (непопутный газ) . Композиция и давление природного газа могут сильно различаться. Типичный поток природного газа содержит метан (СН4) в качестве главного компонента, то есть больше 5 0% моль потока природного газового составляет метан. Поток природного газа может также содержать этан (СгНб) , более высокомолекулярные углеводороды (например, Сз_Сго углеводороды), один или несколько кислотных газов (например, сероводород, диоксид углерода) или любое их сочетание. Природный газ может также содержать малые количества загрязняющих примесей, таких как вода, азот, сульфид железа, воск, сырая нефть или любое их сочетание.
Как используется в настоящем документе, термин "стехиометрическое горение" относится к реакции горения, имеющей некоторый объем реагентов, содержащих топливо и окислитель, и некоторый объем продуктов, образующихся посредством горения реагентов, где весь объем реагентов используют для образования продуктов. Как используется в настоящем документе, термин "по существу стехиометрическое горение" относится к реакции горения, имеющей отношение эквивалентности в пределах примерно от 0,9:1 примерно до 1,1:1, или более предпочтительно примерно от 0,95:1 примерно до 1,05:1.
Как используется в настоящем документе, термин "поток" относится к некоторому объему текучих сред, хотя использование термина поток, как правило, означает движущийся поток текучих сред (например, имеющий некоторую линейную скорость или массовую скорость потока). Однако термин "поток" не требует наличия линейной скорости, массовой скорости потока или конкретного типа прохода для заключения в нем потока.
Как используется в настоящем документе, фраза "давление близкое к атмосферному давлению" относится к давлению в пределах примерно 10 процентов или, предпочтительно, в пределах примерно 5 процентов от реального атмосферного давления. Например, если атмосферное давление составляет 14,7 фунт/кв. дюйм (1 атм) , любое давление в пределах примерно от 13,2 фунт/кв. дюйм (0,9 атм) примерно до 16,2 фунт/кв. дюйм (1,1 атм) считается "давлением близким к атмосферному давлению".
Варианты осуществления описанных в настоящее время систем и способов можно использовать для получения электрической энергии со сверхнизкими выбросами и СОг для применений для EOR или пассивирования. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, смесь воздуха и топлива может сжигаться и одновременно смешиваться с потоком рециклированного выпускаемого газа. Поток рециклированного выпускаемого газа охлаждается и сжимается, и его можно использовать в качестве разбавителя для контроля или поддержания иным образом температуры горения и выпускаемого
газа, поступающего в следующий далее расширитель. В одном или нескольких вариантах осуществления, условия горения являются нестехиометрическими. В других вариантах осуществления, условия горения являются стехиометрическими или по существу стехиометрическими.
Выпускаемые газы не рециклируемые в камеру сгорания, разделяются с улавливанием СОг и генерированием остаточного потока, содержащего азот. В применениях для EOR, извлеченный СОг нагнетают в добывающие нефтяные скважины или рядом с ними, обычно, при сверхкритических условиях. СОг действует и как агент для повышения давления, так и, когда растворяется в подземной сырой нефти, значительно понижает вязкость нефти, давая возможность нефти для более быстрого протекания через землю в скважину для удаления. Остаточный поток, содержащий азот (а часто, также кислород и аргон), можно использовать для генерирования дополнительной энергии, и можно также использовать для разнообразных целей, включая поддержание давления. При применениях для поддержания давления, инертный газ, такой как азот, сжимают и нагнетают в углеводородный резервуар для поддержания исходного давления в резервуаре, таким образом, делая возможным повышение добычи углеводородов. Результат, для систем, описанных в настоящем документе, представляет собой получение энергии и концентрирование, и улавливание СОг экономически более эффективным образом.
Горение при условиях близких к стехиометрическим (или "слегка обогащенное" горение) может обеспечить преимущества, устраняя затраты на удаление избыточного кислорода. Посредством охлаждения выпускаемого газа и конденсации воды из потока, можно получить поток с относительно высоким содержанием СОг-Хотя часть рециклированного выпускаемого газа можно использовать для регулировки температуры в замкнутом цикле Брайтона, остальной продувочный поток можно использовать для применений при EOR, и электрическую энергию можно получать с небольшими выбросами S0X, N0X или СОг в атмосферу или вообще без них. Результатом этого процесса является получение энергии и производство дополнительного СОг.
Стехиометрическое или по существу стехиометрическое горение топлива в сочетании с резким увеличением давления выпускаемого газа перед сжатием для рециркуляции может сделать парциальное давление СОг гораздо выше, чем в обычном выхлопе от газовой турбины. В результате, улавливание диоксида углерода в способе отделения СОг может предприниматься с использованием менее энергоемких растворителей, таких как карбонат калия (К2СОз) . Присутствие кислорода (Ог) , оксидов серы (SOx) и оксидов азота (NOx) в выпускаемом газе делает использование растворителей на основе амина (например, МЕА, DEA, MDEA и родственных растворителей) сложным, даже при более высоком давлении и повышенном содержании СОг, поскольку растворители на основе амина могут деградировать в их присутствии. Кроме того, К2СО3 легко абсорбирует SOx и NOx, преобразуя их в простые удобрения, такие как сульфит калия (K2SO3) и нитрат калия (KNO3) . Эти удобрения могут легко выпускаться способом безвредным для окружающей среды.
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения предлагаются объединенные системы генерации энергии, содержащие газотурбинную систему, систему рециркуляции выпускаемого газа и систему отделения СОг. Различные варианты осуществления каждого из этих компонентов описаны более подробно ниже.
Газотурбинная система
Газотурбинная система содержит камеру сгорания, входной компрессор и расширитель, где камера сгорания выполнена с возможностью для сжигания одного или нескольких сжатых окислителей и одного или нескольких топлив в присутствии потока сжатого рецикла с генерированием выходящего потока. Выходящий поток расширяется в расширителе с генерированием выпускаемого газового потока. Один или несколько окислителей могут содержать любую кислородсодержащую текучую среду, такую как атмосферный воздух, воздух, обогащенный кислородом, по существу чистый кислород или их сочетания. Одно или несколько топлив могут содержать природный газ, попутный газ, дизельное топливо, топливное масло, газифицированный уголь, кокс, нафту, метан,
этан, бутан, пропан, синтез-газ, керосин, авиационное топливо, биологическое топливо, окисленные углеводородные материалы, другие пригодные для использования углеводородсодержащие газы или жидкости, водород, монооксид углерода или их сочетания. В дополнение к этому, топливо может содержать инертные компоненты, включая, но, не ограничиваясь этим, N2 или СОг. В некоторых вариантах осуществления, топливо может, по меньшей мере, частично поставляться углеводородным резервуаром, его получают благодаря EOR с помощью нагнетания СОг уловленного с использованием способа, описанного в настоящем документе. В определенных вариантах осуществления, топливо содержит природный газ.
В одном или нескольких вариантах осуществления условия горения в камере сгорания являются стехиометрическими или по существу стехиометрическими. Разбавитель может подаваться в камеру сгорания для контроля или иным образом поддержания температуры горения и топочного газа для удовлетворения требований к материалу следующего далее расширителя. Поток разбавителя может регулироваться, чтобы помочь в поддержании стехиометрических условий в камере сгорания, уменьшения изменений композиции, объемного потока или других изменений в потоках окислителя и топлива. В одном или нескольких вариантах осуществления, разбавитель, поступающий в камеру сгорания, содержит, по меньшей мере, часть потока сжатого рецикла.
В некоторых вариантах осуществления водяной пар высокого давления также может использоваться в качестве разбавителя в камере сгорания. В таких вариантах осуществления, добавление водяного пара уменьшило бы требования относительно энергии и размеров в системе, но потребовало бы добавления контура рециклирования воды.
В дополнение к этому в других вариантах осуществления, сжатый окислитель, вводимый в камеру сгорания, может содержать аргон. Например, окислитель может содержать примерно от 0,1 примерно до 5,0% объем аргона или примерно от 1,0 примерно до 4,5% объем аргона, или примерно от 2,0 примерно до 4,0% объем аргона, или примерно от 2,5 примерно до 3,5% объем аргона, или
примерно 3,0% объем аргона.
Входной компрессор может представлять собой один
компрессор или два или более компрессоров, работающих
параллельно или последовательно. Каждый компрессор может
содержать отдельную ступень или множество ступеней. В
многоступенчатых компрессорах необязательно может
использоваться охлаждение между ступенями, чтобы сделать возможным более высокие общие отношения сжатия и более высокую общую выходную мощность. Если используют несколько компрессоров для сжатия потока окислителя, эти компрессоры, взятые вместе, считаются в настоящем документе "входным компрессором". Входной компрессор может принадлежать к любому типу, пригодному для способа, описанного в настоящем документе. Такие компрессоры включают, но, не ограничиваясь этим, аксиальные, центробежные, возвратно-поступательные или двухвинтовые компрессоры и их сочетания. В одном или нескольких вариантах осуществления, входной компрессор содержит аксиальный компрессор.
Горение окислителя и топлива в камере сгорания генерирует выходящий поток. Выходящий поток содержит продукты горения, и их индивидуальные композиции будут изменяться в зависимости от композиции топлива и окислителя, используемых в камере сгорания. В одном или нескольких вариантах осуществления, выходящий поток может содержать парообразную воду, СОг, Ог, монооксид углерода (СО) , азот (N2) , аргон (Ar) , NOx, SOx, сероводород (H2S) или их сочетания. Выходящий поток может расширяться в расширителе с образованием выпускаемого газового потока.
Расширитель может представлять собой отдельный расширитель или два или более расширителей, работающих параллельно или последовательно. Каждый расширитель может содержать отдельную ступень или множество ступеней. Когда для расширения выходящего потока используют несколько расширителей, расширители, взятые вместе, рассматриваются в настоящем документе как "расширитель". Расширитель может принадлежать к любому типу, пригодному для способа, описанного в настоящем документе, включая, но, не ограничиваясь этим, аксиальные или центробежные
расширители или их сочетания. Расширение выходящего потока генерирует энергию, которая может использоваться для приведения в действие одного или нескольких компрессоров или электрических генераторов. В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения, расширитель соединен с главным компрессором, описанным более подробно ниже, с помощью общего вала или другого механического, электрического или другого силового соединения, так что главный компрессор, по меньшей мере, частично, приводится в действие расширителем. В других вариантах осуществления, главный компрессор может механически соединяться с электрическим двигателем с устройством для повышения или понижения скорости, таким как коробка передач, или без него. Взятые вместе, главный компрессор, камер сгорания и расширитель могут быть характеризоваться как цикл Брайтона. Система рециркуляции выпускаемого газа (EGR) Система рециркуляции выпускаемого газа (EGR) содержит бустерный компрессор или воздуходувку и один или несколько блоков охлаждения, соединенных по текучей среде с бустерным компрессором, где бустерный компрессор выполнен с возможностью для приема и повышения давления выпускаемого газового потока, и один или несколько блоков охлаждения выполняются с возможностью охлаждения выпускаемого газового потока и подачи потока охлажденного рецикла в главный компрессор. Главный компрессор сжимает поток охлажденного рецикла и генерирует поток сжатого рецикла. По меньшей мере, часть потока сжатого рецикла направляется обратно в камеру сгорания, в то время как продувочный поток, составляющий другую часть потока сжатого рецикла, охлаждается с генерированием охлажденного продувочного потока, который направляется в систему отделения СОг-
Бустерный компрессор (или воздуходувка) и один или несколько блоков охлаждения могут размещаться любым способом, пригодным для предполагаемой цели. Например, один или несколько блоков охлаждения могут располагаться до или после бустерного компрессора или могут располагаться как до, так и после бустерного компрессора. Один или несколько блоков охлаждения могут представлять собой любой тип устройства, пригодный для
понижения температуры выпускаемых газов, таких, например, как теплоутилизатор (HRU), теплообменник, регенератор, прямой контактный охладитель (DCC), концевой холодильник, блок механического охлаждения или их сочетания. В некоторых вариантах осуществления, блок охлаждения представляет собой HRU, который может располагаться перед бустерным компрессором. Когда его используют, HRU может выполняться с возможностью приема выпускаемого газового потока и использования остаточного тепла в потоке для генерирования водяного пара, например, в котле-утилизаторе тепла выпускаемых газов (HRSG). Водяной пар, генерируемый с помощью HRSG, может использоваться для разнообразных целей, таких как приведение в действие паротурбинного генератора в цикле Ренкина, или для опреснения воды. В этом же или других вариантах осуществления, блок охлаждения представляет собой DCC, который может располагаться до или после бустерного компрессора. При использовании, DCC может выполняться с возможностью удаления части конденсированной воды из потока охлажденного рецикла с помощью удаляемого потока воды. В некоторых вариантах осуществления, удаляемый поток воды может необязательно направляться в HRSG с получением источника воды для генерирования дополнительного водяного пара. В некоторых вариантах осуществления, как HRSG, так и DCC используют для охлаждения выпускаемого газового потока, и они находятся, каждый, перед бустерным компрессором.
В одном или нескольких вариантах осуществления поток охлажденного рецикла направляется в главный компрессор и сжимается с генерированием потока сжатого рецикла. Главный компрессор может представлять собой один компрессор или два или более компрессоров, работающих параллельно или последовательно. Каждый компрессор может содержать отдельную ступень или множество ступеней. В многоступенчатых компрессорах, необязательно может использоваться охлаждение между ступенями, чтобы сделать возможными более высокие общие отношения сжатия и более высокую общую выходную мощность. Когда для сжатия потока охлажденного рецикла используют несколько компрессоров, компрессоры, взятые вместе, рассматриваются в настоящем
документе как "главный компрессор". Главный компрессор может представлять собой любой тип, пригодный для способа, описанного в настоящем документе. Такие компрессоры включают, но, не ограничиваясь этим, аксиальные, центробежные, возвратно-поступательные или двухвинтовые компрессоры и их сочетания. В одном или нескольких вариантах осуществления, главный компрессор содержит аксиальный компрессор. Охлаждение и сжатие выпускаемых газов помогает решить проблемы, связанные с большим объемом газа, который должен обрабатываться, и с низким давлением выпускаемых потоков, которые обычно приводят к высоким затратам на улавливание СОг, делая таким образом улавливание и извлечение СОг в настоящих системах более эффективным и более экономичным.
При выходе из главного компрессора, поток сжатого рецикла может направляться в камеру сгорания для использования в качестве разбавителя для контроля или иным образом поддержания температуры горения и топочного газа, чтобы удовлетворить требования к материалам для следующего далее расширителя и, когда это желательно, поддержать условия стехиометрического горения в камере сгорания. В одном или нескольких вариантах осуществления, продувочный поток может отводиться от потока сжатого рецикла и направляться в систему отделения СОг. Специалисты в данной области заметят, что может потребоваться промежуточный нагрев, охлаждение или другие технологические операции, так чтобы продувочный поток поступал в систему отделения СОг при условиях, оптимизированных для конкретного используемого способа разделения. В одном или нескольких вариантах осуществления можно использовать, например, теплообменник или другой блок охлаждения для охлаждения продувочного потока с генерированием охлажденного продувочного потока, который направляется в систему отделения СОг. Теплообменник может использовать любую охлаждающую текучую среду, пригодную для получения желаемой величины охлаждения, включая, но, не ограничиваясь этим, морскую воду, охлажденную воду, один или несколько хладагентов, другие технологические потоки или их сочетания. В некоторых вариантах осуществления,
продувочный
поток
может
охлаждаться
перекрестном
теплообменнике,
выполненном
возможностью
использования
остаточного
потока,
обогащенного
азотом,
покидающего
абсорбционную колонну системы отделения СОг для охлаждения. В вариантах осуществления, в которых остаточный поток позднее расширяют для генерации энергии, перекрестный теплообмен продувочного и остаточного потоков может быть особенно преимущественным, поскольку дополнительное тепло, доставляемое остаточным потоком, может позволить увеличение генерации энергии.
Система отделения диоксида углерода
Сочетание стехиометрического горения (когда оно используется) в камере сгорания и удаления воды через один или несколько блоков охлаждения позволяет аккумулировать содержание СОг в выпускаемом газе примерно при 10% объем или выше, что выше, чем содержание выпускаемых газов в обычных системах с объединенным циклом. Эти воздействия, плюс воздействия более высоких давлений в результате применения бустерного компрессора, делают парциальное давление СОг гораздо выше, чем обычном выхлопе газовой турбине. Как следствие, это делает возможным улавливание диоксида углерода в системе отделения СОг с использованием менее энергоемких растворителей, например, технологии с карбонатно-калиевыми К2СО3 растворителями.
Присутствие О2, SOx и NOx делает использование растворителей на основе амина (например, МЕА, DEA, MDEA и родственных растворителей) сложным, даже при более высоком давлении и при повышенном содержании СОг, поскольку эти газы могут вызвать деградацию амина. Карбонат калия, однако, является не активным химически и стойким к любым воздействиям кислорода. Хотя реакция, осуществляемая в камере сгорания, может, в некоторых вариантах осуществления, быть стехиометрической, тем не менее, некоторая доля Ог может присутствовать в охлажденном продувочном потоке из-за равновесных ограничений горения. В то время как растворители МЕА потребуют значительного восстановления растворителя и безопасного удаления, использование К2СО3 устраняет деградацию
растворителя на основе кислорода.
Карбонат калия легко абсорбирует S0X или N0X в выпускаемом газе, превращая эти соединения в простые удобрения, такие как сульфит калия (K2SO3) и нитрат калия (KNO3) . В частности, SO2, SO3 и NO2, все они образуют в воде умеренно сильные кислоты, гораздо более сильные, чем СОг. Таким образом, они будут предпочтительно абсорбироваться в растворе растворителя, но станут термически стойкими солями (HSS) и не будут удаляться с помощью регенерации. С другой стороны, N0 и N2O имеют низкую растворимость и являются более сложными для абсорбции, чем NO2, и имеют тенденцию к присутствию при более низких концентрациях. В качестве простых удобрений, K2SO3 и KNO3 могут легко выпускаться безвредным для окружающей среды образом, постольку, поскольку другие токсичные соединения, такие как ингибиторы коррозии, активаторы, и тому подобное, не добавляются в систему растворителей. Когда сульфатные и нитратные соединения удаляют, для восполнения растворителя может добавляться гидроксид калия (КОН). Поскольку гидроксид калия является весьма недорогим химикалием, это может осуществляться скорее экономически выгодным образом.
Соответственно, в одном или нескольких вариантах осуществления, система отделения СОг включает абсорбционную колонну, выполненную с возможностью абсорбции СОг из охлажденного продувочного потока с использованием карбонатно-калиевогоКгСОз растворителя. Когда СОг абсорбируется К2СО3 в абсорбционной колонне, он взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты (Н2СО3) , а затем бикарбоната (НСОз) . Кислотная часть угольной кислоты (Н+) может взаимодействовать с карбонатным ионом (СОз~2) с образованием дополнительного бикарбонатного иона. Таким образом, реакция в целом может представлять собой следующее:
С02+Н20+К2СОз <-^2 КНСОз
В результате абсорбционная колонна генерирует обогащенный азотом остаточный поток и раствор бикарбонатного растворителя, как описано выше.
Обогащенный азотом остаточный поток из абсорбционной колонны можно использовать, полностью или частично, для разнообразных применений. Например, остаточный поток может нагнетаться в углеводородный резервуар для поддержания давления. Остаточный поток может также продаваться, храниться или удаляться. В одном или нескольких вариантах осуществления, когда поддержание давления не является целесообразным выбором (или когда только часть остаточного потока необходима для поддержания давления), остаточный поток может охлаждаться посредством расширения или другого способа и использоваться для обеспечения глубокого охлаждения в системах, описанных в настоящем документе. Например, охлажденный остаточный поток можно использовать для получения глубокого охлаждения с целью понижения температуры отсоса одного или нескольких компрессоров в системе или для охлаждения воды с целью использования в одном или нескольких блоках охлаждения в системе.
В других вариантах осуществления когда весь остаточный поток или часть его не используется для поддержания давления, остаточный поток, вместо этого, может нагреваться перед расширением в турбине, так что может генерироваться дополнительная энергия для использования в другом месте системы или для продажи. Некоторые способы нагрева остаточного потока включают перекрестный теплообмен остаточного потока с другим технологическим потоком (таким как продувочный поток, как описано выше, или другой поток в системе разделения или в системе генерации энергии в целом) в теплообменнике или с использованием вспомогательной горелки для подачи дополнительного тепла в остаточный поток. Будет очевидно, что использование дополнительной горелки потребует дополнительного топлива. Если в горелке используют углеродсодержащее топливо, будет генерироваться дополнительный СОг, который будет неизвлекаемым из остаточного потока. По этой причине, в некоторых вариантах осуществления, топливо, используемое в горелке, может представлять собой неуглеродный источник топлива, такой как водород. Окислитель, необходимый для вспомогательной горелки, может подаваться посредством
отдельного потока окислителя, или в остаточном потоке может иметься достаточное количество окислителя, так что дополнительная подача окислителя не являются необходимой. Другие возможные способы нагрева остаточного потока абсорбционной колонны включают использование нагревательного змеевика в HRSG для нагрева остаточного потока, использование катализатора для горения любого СО, присутствующего в остаточном потоке, или нагрев потока вследствие использования остаточного потока для охлаждения (то есть, поскольку остаточный поток обеспечивает охлаждение других потоков или устройств, сам поток нагревается).
В одном или нескольких вариантах осуществления раствор бикарбонатного растворителя, покидающего абсорбционную колонну, быстро доводят до давления, близкого к атмосферному давлению с помощью клапана или другого устройства для понижения давления. В некоторых вариантах осуществления, устройство для понижения давления может представлять собой гидравлическую турбину, выполненную с возможностью генерации дополнительной энергии. После быстрого до давления, близкого к атмосферному давлению, раствор бикарбонатного растворителя может кипятиться в регенерационной колонне для удаления СОг и воды, с получением регенерированного карбонатно-калиевого растворителя, который может рециклироваться в абсорбционную колонну.
В некоторых вариантах осуществления регенерационная колонна может работать при температурах, превышающих температуру кипения воды. Например, регенерационная колонна может работать в диапазоне температур от нижнего предела примерно 220°F (85°С) или примерно 230°F (89°С), или примерно 240°F (95°С), до верхнего предела примерно 280°F (112°С),
примерно 290°F (11б°С), или примерно 300°F (121°С). В этом же или других вариантах осуществления, регенерационная колонна может работать при давлениях, находящихся в пределах примерно от 0 фунт/кв. дюйм в датчике примерно до 10 фунт/кв. дюйм в датчике (0,62 кг/кв. см). По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, регенерационная колонна может выполняться с
возможностью работы при давлении примерно 3 фунт/кв. дюйм в датчике (0,21 кг/кв. см).
Регенерационная колонна может выполняться с возможностью использования водяного пара, циркулирующего в ней, для кипячения бикарбонатного растворителя и обращения хода реакции, осуществляемой в абсорбционной колонне, с получением при этом регенерированного обедненного бикарбонатного растворителя калия, пригодного для рециркуляции в абсорбционную колонну. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, встроенный насос или что-либо подобное можно использовать для закачки, по меньшей мере, части обедненного калиевого растворителя обратно в абсорбционную колонну.
В одном или нескольких вариантах осуществления часть обедненного карбонатно-калиевого растворителя, рециркулируемого в абсорбционную колонну, может необязательно удаляться в виде термически стабильной соли (HSS). Иллюстративные HSS могут включать соединения удобрений, включая, но, не ограничиваясь этим, сульфит калия и/или нитрат калия. Для восполнения потерь содержания карбоната калия, когда удаляется HHS, и поддержания общей крепости раствора, поток гидроксида калия может подаваться впоследствии в обедненный поток карбонат калия, направляемый в абсорбционную колонну, или в саму абсорбционную колонну. В одном или нескольких вариантах осуществления, гидроксид калия служит для восполнения растворителя.
Обедненный карбонатно-калиевый растворитель, направляемый в абсорбционную колонну, может необязательно направляться через первый блок охлаждения перед поступлением в абсорбционную колонну. В одном или нескольких вариантах осуществления, первый блок охлаждения может представлять собой, например, воздушный охладитель или теплообменник радиаторного типа, выполняемый с возможностью понижения температуры растворителя. При использовании, первый блок охлаждения может выполняться с возможностью понижения температуры обедненного карбонатно-калиевого растворителя до температур в пределах примерно от
230°F (11б°С) примерно до 60°F (13°С) .
Для генерирования водяного пара, циркулирующего в
регенерационной колонне, и поддержания необходимого тепла
регенерации, в одном или нескольких вариантах осуществления
регенерационная колонна дополнительно содержит ребойлер,
соединенный по текучей среде с регенерационной колонной.
Ребойлер может выполняться для нагрева, по меньшей мере, части
обедненного карбонатно-калиевого растворителя, не
рециркулируемого в абсорбционную колонну, с получением нагретого обедненного карбонатно-калиевого растворителя. Нагретый обедненный карбонатно-калиевый растворитель может затем рециклироваться в регенерационную колонну с получением водяного пара для кипячения раствора бикарбонатного растворителя. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, ребойлер может снабжаться теплом от HRSG в системе EGR. В других вариантах осуществления, однако, ребойлер может снабжаться теплом из другого источника, например, из промежуточного извлечения или выпуска из паровой турбины.
Вода, содержащаяся в охлажденном продувочном потоке, может конденсироваться в растворе бикарбонатного растворителя в абсорбционной колонне и затем выкипать в регенерационной колонне. Как следствие, регенерационная колонна может дополнительно выпускать СОг, выделенный из растворителя во время способа регенерации, и любую остаточную воду посредством потока из верхней части колонны. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, СОг (который, как правило, представляет собой пары) и остаточная вода могут направляться через второй блок охлаждения, такой как воздушный охладитель или теплообменник радиаторного типа, перед введением в конденсор или другую разделительную емкость. Конденсор может выполняться с возможностью отделения остаточной воды от любого извлеченного СОг для генерирования потока воды и потока, содержащего в основном СОг.
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, часть воды, покидающей конденсор, может рециркулироваться обратно в регенерационную колонну, чтобы сделать возможным поддержание баланса воды в системе. Воду постоянно вводят в
растворитель с помощью охлажденного продувочного потока, а впоследствии удаляют через конденсор. Для поддержания условий и крепости растворителя, вода должна оставаться в балансе с системой отделения СОг. Соответственно, вода рециркулируемая в регенерационную колонну, может сделать возможным возвращение воды, так что водяной пар, генерируемый ребойлером, может контролироваться независимо от этого баланса воды. Другими словами, рециркулируемая вода может использоваться в качестве исходной воды для генерирования водяного пара в регенерационной колонне или для повышения давления водяного пара низкого давления из охлаждения на входе. В этом же или других вариантах осуществления, часть воды, покидающей конденсор, может заменяться и выпускаться как пресная технологическая вода. Например, хотя в некоторых вариантах осуществления она может содержать часть растворенного СОг, вода, покидающая конденсор, может использоваться в качестве воды для орошения, обрабатываться для использования в качестве исходной воды для бойлера и/или для использования в качестве чистой технологической воды.
В некоторых вариантах осуществления, отделенный СОг, покидающий конденсор, может впоследствии сжиматься для таких применений, как пассивирование или хранение СОг, увеличение нефтеотдачи пласта, продажа СОг, улавливание диоксида углерода и/или их сочетаний. В одном или нескольких вариантах осуществления, поток СОг, покидающей конденсор, имеет высокую чистоту и содержит, по меньшей мере, 95% моль СОг или, по меньшей мере, 98% моль СОг, или, по меньшей мере, 99% моль СОг, или, по меньшей мере, 9 9,5% моль СОг.
Удаление летучих компонентов
Когда СОг извлекают посредством абсорбции растворителем, как описано в настоящем документе, растворитель может также абсорбировать небольшие количества летучих компонентов (таких, например, как N2, Ог, Аг и СО) , которые будут иметь малую растворимость в растворителе на водной основе, таком как К2СО3. При регенерации растворителя для высвобождения абсорбированного СОг, эти летучие компоненты также выделяются и остаются вместе
с СОг. В определенных ситуациях, например, когда СОг используют для EOR или нагнетают в резервуар для пассивирования, присутствие летучих веществ может быть нежелательным. Например, присутствие кислорода может увеличивать скорости коррозии, в то время как присутствие СО может приводить к возникновению опасности для людей или окружающей среды, если СОг высвобождается во время запуска или неполадок в условиях способа.
Соответственно, в определенных вариантах осуществления настоящего изобретения, обогащенный раствор бикарбонатного растворителя, покидающий абсорбционную колонну, обрабатывается при повышенном давлении или промежуточном давлении для удаления летучих компонентов до того как давление раствора быстро понижают до давления близкого к атмосферному давлению и регенерируют в регенерационной колонне. Удаляемые летучие компоненты могут включать, но, не ограничиваясь этим, Ог, N2, Аг и СО. В настоящем документе описываются два способа удаления летучих веществ, отделение с помощью паров и двухстадийное быстрое понижение давления. Для специалиста в данной области будет очевидно, что варианты этих способов могут также быть эффективными при удалении летучих веществ из раствора бикарбонатного растворителя и что любые такие способы, сконструированные для удаления летучих веществ из раствора без удаления при этом СОг (или удаления при этом только пренебрежимо малого количества СОг), рассматриваются как находящиеся в рамках настоящего изобретения.
Отделение с помощью отпаривания
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения, летучие вещества удаляются из обогащенного раствора бикарбонатного растворителя посредством отделения растворителя с помощью паров в отпарной колонне или отпарной секции. Пары могут представлять собой любые (предпочтительно чистые) пары, которые не взаимодействуют с СОг в растворе растворителя. Соответствующие пары могут включать, но, не ограничиваясь этим, азот, аргон, водяной пар и их сочетания.
В одном или нескольких вариантах осуществления отпарная
секция включается в качестве дополнительных ступеней в абсорбционную колонну (как правило, в нижней части колонны), так что поток паров поступает в абсорбционную колонну на нижней ступени колонны или рядом с ней, при этом охлажденный продувочный поток вводят в среднюю часть колонны непосредственно над ступенями для отделения. Обогащенный раствор бикарбонатного растворителя, от которого должны отделяться летучие вещества, покидает нижнюю часть абсорбционной колонны, в то время как пар для отпаривания
(содержащие летучие вещества, удаленные из растворителя) продвигается вверх по абсорбционной колонне и покидает колонну как часть обогащенного азотом остаточного потока .
В других вариантах осуществления отпарная секция может представлять собой дополнительную колонну, отдельную от абсорбционной колонны. В таких вариантах осуществления, поток паров вводится в нижнюю часть отпарной колонны или вблизи нее, а обогащенный бикарбонатный растворитель, покидающий абсорбционную колонну, вводится в верхнюю часть отпарной колонны или вблизи нее. Таким образом, пары и раствор бикарбонатного растворителя протекают противоточным образом через отпарную колонну. При этом отпарная колонна генерирует первый (или выходящий из верхней части колонны) поток, содержащий пар для отпаривания, и летучие вещества, удаляемые из раствора бикарбонатного растворителя, и второй (или покидающий нижнюю часть колонны) поток, содержащий раствор бикарбонатного растворителя, от которого отделены летучие вещества. Поток из верхней части колонны может рециклироваться в абсорбционную колонну, так что пар для отпаривания
(содержащий летучие вещества, удаленные из растворителя) покидает абсорбционную колонну как часть обогащенного азотом остаточного потока.
При любом сценарии отпаривание раствора бикарбонатного
растворителя имеет место при повышенном давлении, как правило,
при давлении охлажденного продувочного потока, поступающего в
абсорбционную колонну, или при близком к нему давлении.
Посредством отпаривания обогащенного бикарбонатного
растворителя при повышенном давлении, летучие вещества удаляются из раствора растворителя, в то время как по существу весь СОг остается в потоке раствора бикарбоната, покидающего отпарную секцию или колонну. Раствор бикарбонатного растворителя может затем быстро испаряться через клапан или другое устройство для понижения давления (такое как гидравлическая турбина) до давления близкого к атмосферному давлению и направляться в регенерационную колонну. Посредством удаления летучих веществ таким образом (то есть, перед быстрым понижением давления раствора растворителя до давления близкого к атмосферному давлению и регенерирования растворителя), чистый или почти чистый поток СОг может быть извлечен из системы отделения СОг.
Как описано выше, когда используют отпарную секцию или колонну, пар для отпаривания будет покидать абсорбционную колонну в обогащенном азотом остаточном потоке. Будет очевидно, что может потребоваться дополнительная обработка этого потока с учетом паров, присутствующих в потоке. В дополнение к этому, в вариантах осуществления, в которых обогащенный азотом остаточный поток расширяют для генерации энергии, или если остаточный поток позднее выпускается, может быть желательным прохождение остаточного потока над окислительным катализатором с тем, чтобы не испускался СО. Избыточный кислород может добавляться к потоку перед введением катализатора окисления для обеспечения полного сгорания всего СО. Такое горение будет преимущественно дополнительно нагревать остаточный поток, делая, таким образом, возможной повышенную генерацию энергии.
Двухстадийное быстрое понижение давления
В одном или нескольких других вариантах осуществления вместо использования отпарной колонны или секции для удаления летучих веществ, у обогащенного раствора бикарбонатного растворителя, покидающего абсорбционную колонну, может вместо этого быстро понижаться давление посредством клапана или другого устройства для понижения давления до промежуточного (или пониженного) давления между давлением охлажденного продувочного потока и атмосферным давлением. Посредством
быстрого понижения давления до пониженного, но по-прежнему повышенного давления, раствор бикарбонатного растворителя превращается в двухфазный поток, содержащий газовую фазу и жидкую фазу. В одном или нескольких вариантах осуществления, пониженное давление, до которого быстро понижается давление растворителя, выбирается таким образом, что газообразная фаза содержит летучие компоненты в растворе (такие как азот, кислород, аргон, монооксид углерода и их сочетания), в то время как по существу весь СОг остается в жидкой фазе раствора. В некоторых вариантах осуществления, например, газообразная фаза раствора бикарбонатного растворителя содержит меньше примерно, чем 5% моль или меньше примерно, чем 3% моль, или меньше примерно, чем 2% моль, или меньше примерно, чем 1% моль, или меньше примерно, чем 0,5% моль, или меньше примерно, чем 0,1% моль СОг.
В определенных вариантах осуществления двухфазный раствор растворителя может направляться в емкость для быстрого понижения давления или другое разделительное устройство, выполняемое с возможностью отделения газообразных летучих веществ от жидкого раствора бикарбонатного растворителя, содержащего СОг. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, примерно 95% моль или, по меньшей мере, примерно 97% моль, или, по меньшей мере, примерно 98% моль, или, по меньшей мере, примерно 99% моль от всего СОг, поступающего в емкость для быстрого понижения давления, остается в растворе и удаляется вместе с жидким раствором бикарбонатного растворителя из емкости для быстрого понижения давления. Летучие вещества, покидающие емкость для быстрого понижения давления, могут затем рециклироваться в систему рециркуляции выпускаемого газа. Например, летучие вещества могут рециклироваться, и объединяться с потоком охлажденного рецикла перед главным компрессором. Посредством такого рециклирования летучих веществ, СО и Ог могут повторно использоваться для горения, повышая, таким образом, эффективность системы генерации энергии. В дополнение к этому, если какой-либо СОг удаляется из летучих веществ, он повторно сжимается и повторно
обрабатывается в системе отделения СОг для извлечения.
В одном или нескольких вариантах осуществления давление раствора бикарбонатного растворителя, покидающего емкость для быстрого понижения давления, может быстро понижаться посредством второго клапана или другого устройства для понижения давления до давления близкого к атмосферному давлению и направляться в регенерационную колонну. Посредством удаления летучих веществ таким образом (то есть, при промежуточном давлении и перед быстрым понижением давления раствора растворителя до давления близкого к атмосферному давлению и регенерацией растворителя), чистый или почти чистый поток СОг может извлекаться из системы отделения СОг. ам
Как могут заметить специалисты в данной области, выбор способа и устройства, используемого для удаления летучих веществ из обогащенного раствора бикарбонатного растворителя, может зависеть от разнообразных факторов. Например, предполагаемое использование обогащенного азотом остаточного потока, покидающего абсорбционную колонну, может помочь определить, какой из способов удаления летучих веществ является предпочтительным. Как описано ранее, использование отпаривания для удаления летучих веществ может быть преимущественным в вариантах осуществления, где обогащенный азотом остаточный поток расширяют для генерации энергии, в частности, когда остаточный поток проходит через катализатор окисления для сгорания СО. Такое сгорание будет дополнительно нагревать остаточный поток, делая возможным, таким образом, увеличение генерации энергии. Альтернативно, когда обогащенный азотом остаточный поток используют для поддержания давления в углеводородных резервуарах, удаление летучих веществ с помощью двухстадийного быстрого понижения давления, описанное выше, может быть предпочтительным. Посредством рециклирования летучих веществ, удаляемых из бикарбонатного растворителя, в EGR в способе двухстадийного быстрого понижения давления вместо объединения летучих веществ с остаточным потоком (как в способе отпаривания), эффективность топлива доводится до максимума, поскольку и все, что есть ценного, для топлива и/или
окислителя, в летучих веществах, рециклируется и извлекается.
Обращаясь теперь к фигурам, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть поняты лучше всего со ссылками на основной случай, изображенный на фигурах 1 и 2. Фиг.1 изображает схему иллюстративной объединенной системы 100 для генерации энергии и извлечения СОг. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, система 100 генерации энергии может включать газотурбинную систему 102, характеризуемую как закрытый цикл Брайтона с получением энергии. Газотурбинная система 102 может иметь первый или главный компрессор 104, соединенный с расширителем 106 через вал 108. Вал 108 может представлять собой любое механическое, электрическое или другое силовое соединение, тем самым делая возможным приведение в действие главного компрессора 104 с помощью части механической энергии, генерируемой расширителем 106. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, газотурбинная система 102 может представлять собой стандартную газовую турбину, где главный компрессор 104 и расширитель 106 образуют части компрессора и расширителя, соответственно. В других вариантах осуществления, однако, главный компрессор 104 и расширитель 10 6 могут представлять собой индивидуальные компоненты в системе 102 .
Газотурбинная система 102 может также включать камеру сгорания 110, выполняемую с возможностью сгорания топлива в линии 112, смешанного со сжатым окислителем в линии 114. В одном или нескольких вариантах осуществления, топливо в линии 112 может включать любой пригодный для использования газообразный или жидкий углеводород, такой как природный газ, метан, этан, нафта, бутан, пропан, синтез-газ, дизельное топливо, керосин, авиационное топливо, топливо, полученное из угля, биологическое топливо, окисленные углеводородные материалы, водород, монооксид углерода или их сочетания. Сжатый окислитель в линии 114 может быть получен из второго или входного компрессора 118, соединенного по текучей среде с камерой 110 сгорания и адаптированного для сжатия поступающего окислителя 120. В одном или нескольких вариантах осуществления,
поступающий окислитель 120 может содержать любой пригодный для использования газ, содержащий кислород, такой как воздух, кислород, воздух, обогащенный кислородом, или их сочетания.
Как будет описано более подробно ниже, камера 110 сгорания может также принимать поток сжатого рецикла 144, содержащий выпускаемый газ, содержащий в основном компоненты СОг и азота. Сжатый поток 14 4 рецикла может быть получен из главного компрессора 104 и в некоторых вариантах осуществления может адаптироваться, чтобы облегчить стехиометрическое или по существу стехиометрическое горение сжатого окислителя в линии 114 и топлива в линии 112, а также, чтобы повысить концентрацию СОг в выпускаемом газе. Выпускаемый газ в линии 116 может генерироваться как продукт горения топлива в линии 112 и сжатого окислителя в линии 114 в присутствии потока сжатого рецикла 144. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, топливо в линии 112 может в основном представлять собой природный газ, при этом генерируется выпускаемый газ в линии 116 содержащей значительные объемные части испаренной воды, СОг, азота, оксидов азота (NOx) и оксидов серы (SOx) . В некоторых вариантах осуществления, небольшая часть несгоревшего топлива или других соединений может также присутствовать в выпускаемом газе в линии 116 из-за равновесных ограничений горения. Выпускаемый газ в линии 116 может направляться на вход расширителя 10 6. Когда выпускаемый газ в линии 116 расширяется с помощью расширителя 106, он генерирует механическую энергию для приведения в действие главного компрессора 104, а также производит газообразный выхлоп в линии 122, имеющий повышенное содержание СОг, в результате притока сжатого рециклированного выпускаемого газа в линии 144.
Система 100 генерации энергии может также содержать систему 12 4 рециркуляции выпускаемых газов (EGR). В одном или нескольких вариантах осуществления, система EGR 124 может содержать котел-утилизатор (HRSG) 126 или сходное устройство. Газообразный выхлоп в линии 12 2 может направляться в HRSG 12 6 для генерирования водяного пара в линии 130 и охлажденного выпускаемого газа в линии 132. В некоторых вариантах
осуществления, водяной пар в линии 130 может направляться в паровую турбину (не показана) для генерации дополнительной электрической энергии или в сепаратор 148 СОг для получения тепла ребойлера. В таких вариантах осуществления, сочетание HRSG 126 и паровой турбины может характеризоваться как цикл Ренкина. В сочетание с газотурбинной системой 102, HRSG 12 6 и паровая турбина, когда они имеются, могут составлять часть тепловой электростанции с объединенным циклом, такой как электростанции с объединенным циклом на природном газе (NGCC).
Охлажденный выпускаемый газ в линии 132 может направляться, по меньшей мере, в один блок 134 охлаждения, выполненный с возможностью понижения температуры охлажденного выпускаемого газа в линии 132 и генерирования охлажденного газового потока 140 рецикла. В одном или нескольких вариантах осуществления, блок 134 охлаждения может представлять собой прямой контактный охладитель, концевой холодильник, блок механического охлаждения или их сочетания. Блок 13 4 охлаждения может также выполняться с возможностью удаления части конденсированной воды с помощью удаляемого потока воды (не показан), который может, по меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, направляться в HRSG 12 6 с получением источника воды для генерирования дополнительного водяного пара в линии 130. В одном или нескольких вариантах осуществления, охлажденный газовый поток 14 0 рецикла может направляться в бустерный компрессор 142, соединенный по текучей среде с блоком 134 охлаждения. Охлаждение охлажденного выпускаемого газа в линии 132 в блоке 134 охлаждения может уменьшить энергию, необходимую для сжатия охлажденного газового потока 14 0 рецикла в бустерном компрессоре 142.
Бустерный компрессор 142 может выполняться с возможностью повышения давления охлажденного газового потока рецикла 14 0 перед его введением в главный компрессор 104. В противоположность обычной системе с крыльчаткой или воздуходувкой, бустерный компрессор 14 2 повышает общую плотность охлажденного газового потока 140 рецикла, тем самым направляя поток с повышенной массовой скоростью при той же
объемной скорости потока в главный компрессор 104. Поскольку главный компрессор 104, как правило, имеет ограниченную объемную скорость потока, направление большего массового потока через главный компрессор 104 может приводить к возникновению более высокого давления выпуска из главного компрессора 104, которое преобразуется в более высокое отношение давлений на расширителе 106. Более высокое отношение давлений, генерируемое на расширителе 106, может сделать возможными получение более высоких температур на входе и, по этой причине, увеличение мощности и эффективности расширителя 10 6. Это может быть преимущественным, поскольку обогащенный СОг выпускаемый газ в линии 116, в целом, поддерживает более высокую удельную теплоемкость.
Главный компрессор 104 может выполняться с возможностью сжатия охлажденного газового потока 14 0 рецикла, принимаемого из бустерного компрессора 142, до давления, номинально превышающего давление в камере 110 сгорания, тем самым генерируя сжатый поток 144 рецикла. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, продувочный поток 146 может отводиться от сжатого потока 144 рецикла и затем обрабатываться в сепараторе 148 для СОг для улавливания СОг посредством линии 150. Отделенный СОг в линии 150 можно использовать для продажи, использовать в другом способе, требующем диоксида углерода и/или сжимать и нагнетать в подземный резервуар для увеличения нефтеотдачи пласта (EOR), пассивирования или другой цели.
Остаточный поток 151, по существу обедненный СОг и состоящий в основном из азота, может быть получен из сепаратора 148 для СОг. В одном или нескольких вариантах осуществления, остаточный поток 151 может расширяться в газовом расширителе (не показан), таком как азотный расширитель, производящий энергию, соединенный по текучей среде с сепаратором 148 для СОг. В таких вариантах осуществления, газовый расширитель может необязательно соединяться с входным компрессором 118 с помощью общего вала или другого механического, электрического или другого силового соединения, тем самым делая возможным генерацию части энергии с помощью газового расширителя для
приведения в действие входного компрессора 118. Остаточный поток 151, либо расширенный, как описано в настоящем документе, либо нет, может выпускаться в атмосферу или использоваться в других последующих применениях, известных в данной области. Например, расширенный поток азота можно использовать в способе испарительного охлаждения, выполненном с возможностью дополнительного понижения температуры выпускаемого газа. В одном или нескольких вариантах осуществления, выпускаемый газ в линии 151 может быть пригодным для нагнетания в резервуар, для применения при поддержании давления. В применениях, где газообразный метан, обычно, повторно нагнетается в углеводородные скважины для поддержания давления в скважине, сжатие остаточного потока 151 может быть преимущественным. Например, газообразный азот под давлением из линии 151 может вместо этого нагнетаться в углеводородные скважины, а остаточный газообразный метан может продаваться или иным образом использоваться в качестве топлива в родственных применениях, таких как обеспечение линии 112 топливом.
Горение в камере 110 сгорания может иметь место при стехиометрических или нестехиометрических условиях. В некоторых вариантах осуществления, стехиометрические или по существу стехиометрические условия горения могут быть желательными. Например, система EGR 124, как описано в настоящем документе, в частности, при добавлении бустерного компрессора 142, может использоваться для достижения более высокой концентрации СОг в выпускаемом газе системы 100 генерации энергии, тем самым делая возможным более эффективное отделение СОг для последующего пассивирования, поддержания давления или применений EOR. В определенных вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, концентрация СОг в потоке выпускаемого газа может быть эффективно повышена примерно до 10% объем или выше. Для осуществления этого, камера 110 сгорания может адаптироваться для стехиометрического сжигания поступающей смеси топлива в линии 112 и сжатого окислителя в линии 114. Для поддержания температуры стехиометрического горения, чтобы удовлетворить требованиям для входной температуры расширителя 10 6, и для
охлаждения компонентов, часть сжатого потока 144 рецикла может одновременно инжектироваться в камеру 110 сгорания в качестве разбавителя. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения могут уменьшить или по существу устранить любой избыток кислорода из выпускаемого газа, в то же время, повышая его содержание СОг. Как таковой, газообразный выхлоп в линии 122 может иметь меньше примерно, чем 3,0% объем кислорода или меньше примерно, чем 1,0% объем кислорода, или меньше примерно, чем 0,1% объем кислорода, или даже меньше примерно, чем 0,001% объем кислорода.
Обращаясь теперь к фиг.2, здесь изображена система 200 отделения СОг, которая может использовать технологию с карбонатно-калиевого (К2СО3) растворителя, как описано в настоящем документе. Систем 200 отделения СОг может представлять собой, по меньшей мере, часть сепаратора 148 для СОг, как описано в целом в настоящем документе со ссылкой на фиг.1 или образовывать его. В одном или нескольких вариантах осуществления, система 200 может выполняться с возможностью приема продувочного потока 14 6, отводимого от сжатого потока
144 рецикла (фиг.1), при температуре примерно 800°F (34б°С) и при давлении примерно от 270 фунт/кв. дюйм абс (16 кг/кв. см) примерно до 2 80 фунт/кв. дюйм абс. (17 кг/кв. см)
Продувочный поток 14 6, содержащий в основном азот, СОг и избыточную воду от горения, может охлаждаться в теплообменнике 202, тем самым, генерируя охлажденный продувочный поток в линии 204 . В одном из вариантов осуществления, теплообменник 202 может генерировать водяной пар, который может в некоторых случаях объединяться с потоком 130 водяного пара из HRSG 12 6 (фиг.1). Извлечение СОг из продувочного потока 14 6 в системе 200 отделения СОг генерирует обогащенный азотом остаточный поток 151 при давлении примерно равном или превышающем давление продувочного потока 14 6. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, теплообменник 202 может представлять собой перекрестный теплообменник, соединенный по текучей среде с остаточным потоком 151 и выполненный с возможностью извлечения
тепловой энергии, связанной с охлаждением продувочного потока 146, для повторного нагрева остаточного потока 151. После повторного нагрева, остаточный поток 151 может впоследствии расширяться с генерированием механической энергии, как в целом описано выше.
Охлажденный продувочный поток в линии 2 04 может направляться в абсорбционную колонну 206, где циркулирует растворитель из линии 208, и остаточный поток 151 одновременно с этим выпускается из верхней части колонны для дополнительной последующей обработки. В одном или нескольких вариантах осуществления, растворитель представляет собой раствор соли К2СО3 на водной основе. По сравнению с конкурирующими растворителями, такими как МЕА, карбонатно-калиевого К2СО3 растворителя является совершенно температурно-толерантным. В результате, охлаждение продувочного потока 14 6 может быть сведено к минимуму, по потребности, и может быть получена возможность для поступления продувочного потока 14 6 с более высокой температурой в абсорбционную колонну 20 6 без возникновения проблем, связанных с термической деградацией. Соответственно, уровень охлаждения продувочного потока 14 6 может модифицироваться для согласования с требованиями к технологическому теплу, вместо охлаждения, для того, чтобы избежать термической деградации.
В результате абсорбции СОг карбонатно-калиевого растворителя в абсорбционной колонне 2 0 6, обогащенный бикарбонатным растворителем может выпускаться из нижней части абсорбционной колонны 206 через линию 210 и направляться в регенерационную колонну 212. В одном из вариантов осуществления, первый или промежуточный клапан 214, расположенный в линии 210, может выполняться с возможностью быстрого понижения давления бикарбонатного растворителя до более низкого давления близкого к атмосферному давлению перед введением в регенерационную колонну 212. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, первый клапан 214 может представлять собой гидравлическую турбину, выполняемую с возможностью генерации дополнительной энергии.
Регенерационная колонна 212 может выполняться с возможностью использования водяного пара, циркулирующего в ней, для кипячения бикарбонатного растворителя, и обращать ход реакции, осуществляемой в абсорбционной колонне 2 06, с получением при этом регенерированного обедненного карбонатно-калиевого растворителя, пригодного для рециркуляции через линию 216, ниже. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, встроенный насос 218 или что-либо подобное, может перемещать, по меньшей мере, часть обедненного карбонатно-калиевого растворителя через линии 2 20 обратно в абсорбционную колонну 206 .
Обедненный карбонатно-калиевый растворитель в линии 22 0 может затем необязательно направляться через первый блок 222 охлаждения. В одном или нескольких вариантах осуществления, первый блок 22 2 охлаждения может представлять собой, например, воздушный охладитель или теплообменник радиаторного типа, выполняемый с возможностью понижения температуры растворителя.
Для генерирования водяного пара, циркулирующего в регенерационной колонне 212, и поддержания необходимого тепла регенерации, по меньшей мере, часть обедненного карбонатно-калиевого растворителя в линии 216 может направляться в ребойлер 219 через линию 217. Ребойлер 219 может выполняться с возможностью повышения температуры обедненного карбонатно-калиевого растворителя в линии 217 и возвращения нагретого регенерированного карбонатно-калиевого растворителя обратно в регенерационную колонну через линию 221. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, ребойлер 219 может снабжаться теплом от HRSG 126 (фиг.1). В других вариантах осуществления, однако, ребойлер 219 может снабжаться теплом от выпуска из паровой турбины типа с обратным давлением или из извлекаемого бокового потока из паровой турбины конденсирующего типа.
Вода, содержащаяся в продувочном потоке 14 6, может конденсироваться в растворе растворителя в абсорбционной колонне 206, а затем выкипать в регенерационной колонне 212. Впоследствии, регенерационная колонна 212 может дополнительно выпускать пары СОг и любую остаточную воду через линию 22 4 в
верхней части колонны. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, пары СОг и остаточная вода могут направляться через второй блок 22 6 охлаждения, такой как воздушный охладитель или теплообменник радиаторного типа, перед введением в конденсор 228. Конденсор 228 может выполняться с возможностью отделения остаточной воды от любого извлеченного СОг и направления отделенной воды в линию 230, ниже, вводя при этом извлеченный СОг в линию 150 в верхней части колонны. Как может быть понятно, линия 150 может представлять собой такую же линию 150, как описано выше со ссылкой на фиг.1. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, отделенный СОг в линии 150 может впоследствии сжиматься для таких применений, как пассивирование СОг, увеличение нефтеотдачи пласта, продажа СОг, улавливание диоксида углерода и/или их сочетания.
В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере, часть отделенной воды в линии 230 может рециркулировать обратно в регенерационную колонну 212 через линию 234 с использованием насоса 232, чтобы сделать возможным поддержание баланса воды в системе. Воду постоянно вводят в растворитель с помощью потока 204, а затем удаляют через линии 236, 150 и 151. Для поддержания условий и крепости растворителя, вода в системе 200должна оставаться в равновесии. Соответственно, вода, рециркулируемая в линию 234, может сделать возможным возвращение воды, так что водяной пар, возникающий в линии 221, может контролироваться независимо от этого баланса воды. В других вариантах осуществления, часть остаточной воды в линии 230 может выпускаться как пресная технологическая вода через линию 236. Например, воду в линии 236 можно использовать в качестве воды для орошения, обрабатывать для использования в качестве исходной воды для бойлера и/или другой технологической воды.
Обращаясь теперь к фиг.З, здесь изображен иллюстративный вариант осуществления системы 30 0 отделения СОг в соответствии с настоящим изобретением, сходный в некоторых аспектах с системой 2 00 на фиг.2, но содержащий отпарную секцию для удаления летучих веществ из обогащенного раствора бикарбоната
перед регенерацией растворителя. Как таковая, система 300 не
будет описываться подробно, но может быть понята лучше всего со
ссылкой на фиг.2. Как изображено в системе 3 00 на фиг.З,
обогащенный бикарбонатом растворитель, выпускаемый из нижней
части абсорбционной колонны 20 6, с помощью потока 210, может
направляться в отпарную секцию 310, где летучие компоненты
могут отделяться от обогащенного бикарбонатом растворителя с
использованием потока 312 паров. Поток 312 паров
предпочтительно содержит чистые пары, которые могут
представлять собой любые пары, выполненные с возможностью
удаления летучих компонентов, которые не будут
взаимодействовать с СОг. В некоторых вариантах осуществления, поток 312 паров может содержать азот, аргон, водяной пар или их сочетания. В одном или нескольких вариантах осуществления (не показано), отпарная секция 310 может включаться в качестве дополнительных ступеней в нижней части абсорбционной колонны 206. В других вариантах осуществления, отпарная секция 310 может представлять собой колонну, отдельную от абсорбционной колонны, как показано на фиг.З. В одном или нескольких вариантах осуществления, отпарная секция 310 работает при повышенном давлении, сходном с давлением охлажденного продувочного потока 2 04.
Отпарная секция 310 генерирует первый или выходящий из верхней части колонны поток 314, содержащий пар для отпаривания и летучие компоненты, отделенные от обогащенного бикарбонатом раствора, и второй поток 316, содержащий отделенный раствор бикарбонатного растворителя. Выходящий из верхней части колонны поток 314 рециркулируется в абсорбционную колонну 20 6, в то время как раствор бикарбонатного растворителя в линии 316 направляется в регенерационную колонну 212. Линия 316 может включать клапан 318, расположенный в ней, выполнен с возможностью быстрого понижения давления бикарбонатного растворителя до более низкого давления близкого к атмосферному давлению, перед введением в регенерационную колонну 212. По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, первый клапан 318 может представлять собой гидравлическую турбину,
выполненную с возможностью генерации дополнительной энергии. Затем может иметь место полная регенерация растворителя, как описано выше со ссылкой на систему 200.
Обращаясь теперь к фиг.4, здесь изображен один из иллюстративных вариантов осуществления системы 4 00 отделения СОг в соответствии с настоящим изобретением, сходной в некоторых отношениях с системой 20 0 на фиг.2, но содержащей предварительное быстрое понижение давления до промежуточного давления с целью удаления летучих веществ из обогащенного раствора бикарбоната перед регенерацией растворителя. Как таковая, система 4 00 в целом не будет описываться подробно, но может быть понята наилучшим образом со ссылкой на фиг.2. Как изображено в системе 400 на фиг.4, обогащенный бикарбонатным растворителем может выпускаться из нижней части абсорбционной колонны 206 через линию 210, и его давление может понижаться с помощью первого клапана 4 08 перед введением в емкость 410 для быстрого понижения давления. В одном или нескольких вариантах осуществления, первый клапан 408 может выполняться с возможностью понижения давления бикарбонатного растворителя от давления равного давлению охлажденного продувочного потока 204 или близкого к нему давления до промежуточного давления, достаточного для высвобождения летучих компонентов, таких как N2, Ог, Аг и СО, из бикарбонатного растворителя, в то же время, удерживая СОг в жидкой фазе раствора. Полученный двухфазный раствор растворителя при пониженном давлении, покидающий первый клапан 408, может затем направляться в емкость 410 для быстрого понижения давления, где фазы разделяются. Газообразная фаза раствора растворителя при пониженном давлении, содержащая летучие компоненты, описанные ранее, удаляется из емкости 410 для быстрого понижения давления с помощью потока 412 летучих веществ, при этом жидкая фаза раствора растворителя при пониженном давлении удаляется из емкости для быстрого понижения давления через линию 414 и направляется в регенерационную колонну 212.
В одном или нескольких вариантах осуществления, поток 412 летучих веществ может рециклироваться в систему 12 4
рециркуляции выпускаемого газа (фиг.1). Например, как иллюстрируется в системе 500 на фиг.5, поток 412 летучих веществ может рециклироваться и добавляться к охлажденному газовому рециклу 140 перед тем, как охлажденный газовый рецикл 140 направляется в главный компрессор 104.
Обращаясь опять к системе 4 00 на фиг.4, здесь раствор растворителя при пониженном давлении в линии 414 может быстро испаряться до более низкого давления близкого к атмосферному давлению с использованием второго клапана 416 перед тем, как он направляется в регенерационную колонну 212. Затем может иметь место полная регенерация растворителя, как описано выше со ссылкой на систему 20 0.
По меньшей мере, один выигрыш, получаемый от систем 30 0 и 400 разделения на фигурах 3 и 4, соответственно, представляет собой способность к получению чистого или почти чистого потока СОг из регенерационной колонны 212. Загрязняющие примеси, присутствующие в потоке СОг в линии 210, могут содержать воду и летучие газы (описанные выше), растворенные в циркулирующем растворителе. Поскольку системы на фигурах 3 и 4 адаптированы для удаления по существу всех летучих газов, сохраняя при этом СОг в растворе, поток 224 из верхней части регенерационный колонны 212, остается по существу только с СОг высокой чистоты и водой. В одном или нескольких вариантах осуществления, часть СОг в линии 150 может необязательно направляться в продувочную линию (не показана) и улавливаться для использований, не связанных с EOR, таких как химические исходные материалы, пищевое производство, и тому подобное.
Определенные варианты осуществления и признаки описаны с использованием набора численных верхних пределов и набора численных нижних пределов. Должно быть понятно, что включаются диапазоны от любого нижнего предела до любого верхнего предела, если не указано иного. Все численные значения считаются "около" или "примерно" от указанного значения. Кроме того, все патенты и другие документы, цитируемые в настоящей заявке, являются полностью включенными в качестве ссылки до той степени, до которой описание не является несовместимым с настоящей заявкой,
и для всех юрисдикции, в которых такое включение разрешается .
Хотя настоящее изобретение может быть подвержено разнообразным модификациям и альтернативным формам, иллюстративные варианты осуществления, обсуждаемые выше, показаны только в качестве примера. Однако опять же, необходимо понять, что настоящее изобретение не считается ограниченным конкретными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе. На самом деле, настоящее изобретение включает все альтернативы, модификации и эквиваленты, попадающие в пределы истинного духа и рамок прилагаемой формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Объединенная система генерации энергии, содержащая:
газотурбинную систему, содержащую камеру сгорания, выполненную с возможностью сжигания сжатого окислителя и топлива в присутствии потока сжатого рецикла для генерирования выходящего потока, который расширяется в расширителе, тем самым генерируя выпускаемый газовый поток;
систему рециркуляции выпускаемого газа, содержащую бустерный компрессор и один или более блоков охлаждения, соединенных по текучей среде с бустерным компрессором, бустерный компрессор выполнен с возможностью приема и повышения давления выпускаемого газового потока, и один или более блоков охлаждения выполнены с возможностью охлаждения выпускаемого газового потока и получения охлажденного газового рецикла для главного компрессора, причем главный компрессор сжимает охлажденный газовый рецикл и генерирует поток сжатого рецикла;
продувочный поток, соединенный по текучей среде со сжатым потоком рецикла, имеющий теплообменник, выполненный с возможностью понижения температуры продувочного потока и генерирования охлажденного продувочного потока; и
систему отделения СОг, соединенную по текучей среде с теплообменником, причем система отделения СОг содержит:
абсорбционную колонну, выполненную с возможностью приема охлажденного продувочного потока и абсорбции СОг из охлажденного продувочного потока с помощью карбонатно-калиевого растворителя генерирования обогащенного азотом остаточного потока и раствора бикарбонатного растворителя;
отпарную секцию для растворителя, выполненную с возможностью приема раствора бикарбонатного растворителя и отделения летучих компонентов из раствора бикарбонатного растворителя с паром для отпаривания; и
регенерационную колонну, соединенную по текучей среде с отпарной секцией, выполненную с возможностью приема и кипячения раствора бикарбонатного растворителя для удаления из него СОг и воды, с получением регенерированного карбонатно-калиевого растворителя, подлежащего рециклированию в абсорбционную
колонну.
2. Система по п.1, в которой отпарная секция для растворителя включена в качестве дополнительных ступеней в абсорбционную колонну.
3. Система по п.1, в которой отпарная секция для растворителя представляет собой колонну, отдельную от абсорбционной колонны, выполненную с возможностью генерирования первого потока, содержащего пар для отпаривания и летучие компоненты, отделенные от раствора растворителя на основе бикарбоната, и второй поток, содержащий раствор растворителя на основе бикарбоната.
4. Система по п.З, в которой пар для отпаривания содержит азот, аргон, водяной пар или их сочетание.
5. Система по п.1, дополнительно содержащая первый клапан, соединенный по текучей среде с отпарной секцией для растворителя и выполнен с возможностью быстрого понижения давления раствора растворителя на основе бикарбоната до давления близкого к атмосферному давлению, перед поступлением раствора растворителя на основе бикарбоната в регенерационную колонну.
6. Система по п. 5, в которой первый клапан представляет собой гидравлическую турбину, выполненную с возможностью генерации энергии.
7. Система по п.1, дополнительно содержащая ребойлер, соединенный по текучей среде с регенерационной колонной и выполнен с возможностью приема и нагрева части регенерированного растворителя на основе карбоната калия и получения нагретого регенерированного растворителя на основе карбоната калия.
8. Система по п. 7, в которой ребойлер выполнен с возможностью рециклирования нагретого регенерированного растворителя на основе карбоната калия в регенерационную колонну с получением пара.
9. Система по п.1, дополнительно содержащая конденсатор, соединенный по текучей среде с регенерационной колонной, выполнен с возможностью приема СОг и воды, удаленных из
4.
раствора растворителя на основе бикарбоната, и отделения воды от С02 .
10. Система по п. 9, в которой часть воды, отделенной от СОг, закачивается обратно в регенерационную колонну с получением пара.
11. Система по п.1, в которой камера сгорания выполнена с возможностью стехиометрического сжигания сжатого окислителя и топлива в присутствии потока сжатого рецикла.
12. Система по п.1, в которой поток сжатого рецикла действует в качестве разбавителя для контролирования температуры выходящего потока.
13. Объединенная система генерации энергии, содержащая:
газотурбинную систему, содержащую камеру сгорания,
выполненную с возможностью сжигания сжатого окислителя и топлива в присутствии потока сжатого рецикла для генерирования выходящего потока, который расширяется в расширителе, тем самым генерируя выпускаемый газовый поток;
систему рециркуляции выпускаемого газа, содержащую бустерный компрессор и один или более блоков охлаждения, соединенных по текучей среде с бустерным компрессором, бустерный компрессор выполнен с возможностью приема и повышения давления выпускаемого газового потока, а один или более блоков охлаждения выполнены с возможностью охлаждения выпускаемого газового потока и получения охлажденного газового рецикла для главного компрессора, причем главный компрессор сжимает охлажденный газовый рецикл и генерирует поток сжатого рецикла;
продувочный поток, соединенный по текучей среде со сжатым потоком рецикла, имеющий теплообменник, выполненный с возможностью понижения температуры продувочного потока и генерирования охлажденного продувочного потока; и
систему отделения СОг, соединенную по текучей среде с теплообменником, причем система отделения СОг содержит:
абсорбционную колонну, выполненную с возможностью приема охлажденного продувочного потока и абсорбции СОг из охлажденного продувочного потока с помощью карбонатно-калиевого растворителя для генерирования обогащенного азотом остаточного
потока и раствора бикарбонатного растворителя;
первый клапан, соединенный по текучей среде с абсорбционной колонной, выполненной с возможностью быстрого понижения давления раствора бикарбонатного растворителя до давления, достаточного для отделения летучих компонентов от раствора бикарбонатного растворителя, тем самым генерируя двухфазный раствор растворителя при пониженном давлении, имеющий газовую фазу, содержащую летучие компоненты, и жидкую фазу, содержащую раствор бикарбонатного растворителя;
емкость для быстрого понижения давления, соединенную по текучей среде с первым клапаном, выполненную с возможностью приема раствора растворителя при пониженном давлении и удаления газовой фазы из раствора растворителя при пониженном давлении из жидкой фазы раствора растворителя при пониженном давлении;
второй клапан, соединенный по текучей среде с упомянутой емкостью для быстрого понижения давления, выполненной с возможностью приема жидкой фазы раствора растворителя при пониженном давлении и быстрого понижения давления жидкой фазы до давления близкого к атмосферному давлению, тем самым генерируя раствор бикарбонатного растворителя при давлении близком к атмосферному давлению; и
регенерационную колонну, соединенную по текучей среде со вторым клапаном, выполненную с возможностью приема и кипячения раствора бикарбонатного растворителя при давлении близком к атмосферному давлению для удаления из него СОг и воды, с получением регенерированного карбонатно-калиевого растворителя, подлежащего рециклированию в абсорбционную колонну.
14. Система по п.13, в которой первый клапан выполнен с возможностью быстрого понижения давления раствора растворителя на основе бикарбоната до такого давления, что газообразная фаза раствора растворителя на основе бикарбоната содержит менее 1,0% моль диоксида углерода.
15. Система по п.14, в которой первый клапан выполнен с возможностью быстрого понижения давления раствора растворителя на основе бикарбоната до такого давления, что, по меньшей мере, 98% моль всего диоксида углерода в растворе растворителя на
14.
основе бикарбоната остается в жидкой фазе раствора растворителя при пониженном давлении.
16. Система по п.13, дополнительно содержащая ребойлер, соединенный по текучей среде с регенерационной колонной и выполненный с возможностью приема и нагрева части регенерированного растворителя на основе карбоната калия и получения нагретого регенерированного растворителя на основе карбоната калия.
17. Система по п.16, где ребойлер выполнен с возможностью рециклирования нагретого регенерированного растворителя на основе карбоната калия в регенерационную колонну с получением пара.
18. Система по п.13, дополнительно содержащая конденсор, соединенный по текучей среде с регенерационной колонной, выполнен с возможностью приема СОг и воды, удаленных из раствора растворителя на основе бикарбоната, и отделения воды от С02 •
19. Система по п. 18, в которой часть воды, отделенной от СОг, закачивается обратно в регенерационную колонну для получения пара.
20. Система по п.13, в которой, по меньшей мере, часть газообразной фазы раствора при пониженном давлении, удаленного из емкости для быстрого понижения давления, рециклируется в систему рециркуляции выпускаемого газа.
21. Система по п.20, в которой, по меньшей мере, часть газообразной фазы раствора при пониженном давлении, рециклированной в систему рециркуляции выпускаемого газа, объединяется с охлажденным газовым рециклом, поступающим в главный компрессор.
22. Система по п.13, в которой камера сгорания выполнена с возможностью для стехиометрического сжигания сжатого окислителя и топлива в присутствии потока сжатого рецикла.
23. Система по п.13, в которой поток сжатого рецикла действует в качестве разбавителя, выполненного с возможностью регулировки температуры выходящего потока.
24. Система по п. 13, в которой один или оба из первого и
второго клапанов представляют собой гидравлическую турбину, выполненную с возможностью генерации энергии.
25. Способ генерации энергии, включающий этапы, на
которых:
сжигают сжатый окислитель и топливо в камере сгорания и в присутствии потока сжатого рецикла, тем самым генерируя выходящий поток, и расширяют выходящий поток для генерирования выпускаемого газового потока;
повышают давление выпускаемого газового потока и охлаждают выпускаемый газовый поток для генерирования охлажденного газового рецикла, который сжимается для генерирования потока сжатого рецикла;
охлаждают продувочный поток, соединенный по текучей среде со сжатым потоком рецикла для генерирования охлажденного продувочного потока;
направляют охлажденный продувочный поток в абсорбционную колонну и абсорбируют СОг из охлажденного продувочного потока с помощью карбонатно-калиевого растворителя;
выпускают обогащенный азотом остаточный поток и раствора бикарбонатного растворителя из абсорбционной колонны;
отделяют летучие компоненты от раствора бикарбонатного растворителя с помощью пара для отпаривания;
кипятят раствор бикарбонатного растворителя в
регенерационной колонне для удаления из него СОг и воды, с
генерированием регенерированного карбонатно-калиевого
растворителя; и
рециклируют регенерированный карбонатно-калиевый
растворитель в абсорбционную колонну.
26. Способ по п.25, в котором пар для отпаривания содержит азот, аргон, водяной пар или их сочетание.
27. Способ по п.25, дополнительно включающий этап, на котором быстро понижают давление раствора растворителя на основе бикарбоната через клапан до давления близкого к атмосферному давлению перед кипячением раствора бикарбоната в регенерационной колонне.
28. Способ по п.27, в котором клапан представляет собой
гидравлическую турбину, выполненную с возможностью генерации энергии.
29. Способ по п.25, дополнительно включающий этап, на котором принимают СОг и воду, удаленные из раствора растворителя на основе бикарбоната, в конденсоре, соединенном по текучей среде с регенерационной колонной, и отделяют воду от С02 •
30. Способ по п.29, в котором часть воды, отделенной от СОг в конденсоре, направляется в регенерационную колонну для получения пара.
31. Способ по п.25, в котором сжатый окислитель и топливо сжигают в присутствии потока сжатого рецикла при стехиометрических условиях.
32. Способ по п.25, в котором поток сжатого рецикла регулирует температуру выходящего потока.
33. Способ генерации энергии, включающий этапы, на
которых:
сжигают сжатый окислитель и топливо в камере сгорания и в присутствии потока сжатого рецикла, тем самым генерируя выходящий поток, и расширяют выходящий поток для генерирования выпускаемого газового потока;
повышают давление выпускаемого газового потока и охлаждают выпускаемый газовый поток для генерирования охлажденного газового рецикла, который сжимают для генерирования потока сжатого рецикла;
охлаждают продувочный поток, соединенный по текучей среде со сжатым потоком рецикла для генерирования охлажденного продувочного потока;
направляют охлажденный продувочный поток в абсорбционную колонну и абсорбируют СОг из охлажденного продувочного потока с помощью карбонатно-калиевого растворителя;
выпускают обогащенный азотом остаточный поток и раствор бикарбонатного растворителя из абсорбционной колонны;
быстро понижают давление раствора бикарбонатного растворителя до давления, достаточного для отделения летучих компонентов из раствора бикарбонатного растворителя, генерируют
двухфазный раствор растворителя при пониженном давлении, имеющего газовую фазу, содержащую летучие компоненты, и жидкую фазу, содержащую раствор бикарбонатного растворителя;
отделяют газовую фазу раствора растворителя при пониженном давлении от жидкой фазы раствора при пониженном давлении;
быстро понижают давление жидкой фазы раствора растворителя при пониженном давлении до давления близкого к атмосферному давлению для генерирования раствора растворителя при давлении близком к атмосферному давлению;
кипятят раствор растворителя при давлении близком к атмосферному давлению в регенерационной колонне для удаления из него СОг и воды, тем самым генерируя регенерированный карбонатно-калиевый растворитель; и
рециклируют регенерированный карбонатно-калиевый
растворитель в абсорбционную колонну.
34. Способ по п.33, в котором раствор на основе бикарбоната быстро испаряют до такого давления, что газообразная фаза раствора растворителя при пониженном давлении содержит меньше 1,0% моль СОг.
35. Способ по п.34, в котором раствор на основе бикарбоната быстро испаряют до такого давления, что, по меньшей мере, 98% моль всего СОг в растворе бикарбонатного растворителя остается в жидкой фазе раствора растворителя при пониженном давлении.
36. Способ по п.33, дополнительно включающий этап, на котором принимают СОг и воду, удаленные из раствора растворителя при давлении близком к атмосферному давлению в конденсоре, соединенном по текучей среде с регенерационной колонной и отделяют воду от СОг-
37. Способ по п.36, в котором часть воды отделенной от СОг в конденсоре направляется в регенерационную колонну с получением пара.
38. Способ по п.33, в котором, по меньшей мере, часть газовой фазы раствора растворителя при пониженном давлении рециклируется и объединяется с охлажденным газовым рециклом.
39. Способ по п.33, в котором сжатый окислитель и топливо
сжигают в присутствии потока сжатого рецикла при стехиометрических условиях.
40. Способ по п.33, в котором поток сжатого рецикла регулирует температуру выходящего потока.
По доверенности
100 г
118
120
112
130
.151
122
110
126
150
148
114
146
104
116 144 106
132
134
108
140
142
CD 00
CD CD
118
120
^ 124 А
102
112
130
151
122
114 110
116
126
132
146 144
104
106
134
412
108
140
ФИГ.5
142
PATENT COOPERATION TREATY
PCT
INTERNATIONAL SEARCH REPORT
(PCT Article 18 and Rules 43 and 44)
Applicant's or agent's file reference 2011EM287
FOR FURTHER see Form РСТЛ5А/220
ACTION 33 we" as' where applicable, item 5 below.
International application No. PCT/US 12/27781
International filing date (day/month/year) 05 March 2012 (05.03.2012)
(Earliest) Priority Date (day/month/year) 22 March 2011 (22.03.2011)
Applicant
EXXONMOBIL UPSTREAM RESEARCH COMPANY
This international search report has been prepared by this International Searching Authority and is transmitted to the applicant according to Article 18. A copy is being transmitted to the International Bureau.
This international search report consists of a total of
sheets.
I I It is also accompanied by a copy of each prior art document cited in this report.
Basis of the report
a. With regard to the language, the international search was carried out on the basis of:
|X| the international application in the language in which it was filed.
a translation of the international application into which is the language of
a translation furnished for the purposes of international search (Rules 12.3(a) and 23.1 (b)).
b. I I This international search report has been established taking into account the rectification of an obvious mistake
authorized by or notified to this Authority under Rule 91 (Rule 43.66/'i-(a)).
c. I I With regard to any nucleotide and/or amino acid sequence disclosed in the international application, see Box No. I.
? ?
Certain claims were found unsearchable (see Box No. II). Unity of invention is lacking (see Box No. III).
4. With regard to the title,
IXl the text is approved as submitted by the applicant.
? the text has been established by this Authority to read as follows:
5. With regard to the abstract,
1X1 the text is approved as submitted by the applicant.
? the text has been established, according to Rule 38.2, by this Authority as it appears in Box No. IV. The applicant
may, within one month from the date of mailing of this international search report, submit comments to this Authority.
6. With regard to the drawings,
a. the figure of the drawings to be published with the abstract is Figure No. J
? as suggested by the applicant.
1X1 as selected by this Authority, because the applicant failed to suggest a figure.
? as selected by this Authority, because this figure better characterizes the invention.
b. ? none of the figures is to be published with the abstract
Form PCT/ISA/210 (first sheet) (July 2009)
INTERNATIONAL SEARCH REPORT
International application No. PCT/US 12/27781
A. CLASSIFICATION OF SUBJECT MATTER
IPC(8)- C01B 31/20; B01D 19/00 (2012.01)
USPC- 423/437.1; 95/263; 96/202 According to International Patent Classification (IPC) or to both national classification and IPC
B. FIELDS SEARCHED
Minimum documentation searched (classification system followed by classification symbols) IPC(8): C01B 31/20; B01D 19/00 (2012.01) USPC: 423/437.1; 95/263; 96/202
Documentation searched other than minimum documentation to the extent that such documents are included in the fields searched
IPC(8): C01B 31/20; B01D 19/00 (2012.01)
USPC: 423/437.1; 95/263; 96/202 (keyword delimited)
Electronic data base consulted during the international search (name of data base and, where practicable, search terms used) Google Scholar, Google Patents, PubWEST (PGPB.USPT.EPAB.JPAB) Search terms used: Power, plant, turbine, natural, gas, separate, carbon, dioxide, exhaust, purge, recycle, solvent, potassium, carbonate, strip, flash, pressure, regenerate, enhance, oil, recovery, nitrogen, heat, cool, compress, combust, argon, vapor, reboil, regenerate, bicarbonate
C. DOCUMENTS CONSIDERED TO BE RELEVANT
Category*
Citation of document, with indication, where appropriate, of the relevant passages
Relevant to claim No.
US 2009/0117024 A1 (WEEDON, et al.) 07 May 2009 (07.05.2009), Figure 1, para [0032], [0033], [0103]-[0108], [0128], [0155], [01641(0172], [0183], [0206]
US 2008/0317651 A1 (HOOPER, et al.) 25 December 2008 (25.12.2008), Fig 2, 4, para [0033]-[0035], [0090]-[0096], [0110]-[0125], [0145]
1-40
1-40
Further documents are listed in the continuation of Box C.
* Special categories of cited documents:
"A" document defining the general state of the art which is not considered to be of particular relevance
"E" earlier application or patent but published on or after the international filing date
"L" document which may throw doubts on priority claim(s) or which is cited to establish the publication date of another citation or other special reason (as specified)
"T" later document published after the international filing date orpriority date and not in conflict with the application but cited to understand the principle or theory underlying the invention
"X" document of particular relevance; the claimed invention cannot be considered novel or cannot be considered to involve an inventive step when the document is taken alone
(19)
(19)
(19)
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.1
ФИГ.З
ФИГ.З
ФИГ.4
ФИГ.4
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
PCT/US2012/027781 06.06.2012
