|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] Настоящее изобретение относится к системам и способам, обеспечивающим поток жидкого CO 2 низкого давления. В частности, настоящее изобретение обеспечивает системы и способы, в которых CO 2 поток высокого давления, например рециркуляционный CO 2 поток из процесса генерации мощности с использованием преимущественно CO 2 в качестве рабочего тела, может быть разделен так, что часть его может расширяться и использоваться как охлаждающий поток в теплообменнике для охлаждения остальной части СО 2 потока высокого давления, которая затем может расширяться с формированием CO 2 потока низкого давления, могущего представлять собой смесь с парами CO 2 . Системы и способы могут использоваться для обеспечения в процессе сжигания топлива чистого CO 2 в жидкой форме, удобной для транспортировки. 
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
Настоящее изобретение относится к системам и способам, обеспечивающим поток жидкого CO 2 низкого давления. В частности, настоящее изобретение обеспечивает системы и способы, в которых CO 2 поток высокого давления, например рециркуляционный CO 2 поток из процесса генерации мощности с использованием преимущественно CO 2 в качестве рабочего тела, может быть разделен так, что часть его может расширяться и использоваться как охлаждающий поток в теплообменнике для охлаждения остальной части СО 2 потока высокого давления, которая затем может расширяться с формированием CO 2 потока низкого давления, могущего представлять собой смесь с парами CO 2 . Системы и способы могут использоваться для обеспечения в процессе сжигания топлива чистого CO 2 в жидкой форме, удобной для транспортировки.
Евразийское (21) 201790553 (13) Al
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2017.08.31
(22) Дата подачи заявки 2015.09.03
(51) Int. Cl.
C01B 31/20 (2006.01) B01D 53/62 (2006.01) C01B 31/24 (2006.01) F01K13/00 (2006.01) F01K25/10 (2006.01) F02C1/08 (2006.01)
F02C 3/34 (2006.01)
F02C 7/143 (2006.01) F23J15/02 (2006.01) F23L 7/00 (2006.01) F17C 9/04 (2006.01)
(54)
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ПОД НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ ИЗ СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНОСТИ
(31) (32) (33)
(86) (87) (71)
(72)
(74)
62/047,744 2014.09.09
PCT/US2015/048340
WO 2016/040108 2016.03.17
Заявитель:
8 РИВЕРЗ КЭПИТЛ, ЛЛК (US) Изобретатель:
Аллам Родни Джон (GB), Форрест Брок Алан, Фетведт Джереми Эрон
(US)
Представитель:
Веселицкая И.А., Веселицкий М.Б., Кузенкова Н.В., Каксис Р.А., Белоусов Ю.В., Куликов А.В., Кузнецова Е.В., Соколов Р.А., Кузнецова Т.В. (RU)
(57) Настоящее изобретение относится к системам и способам, обеспечивающим поток жидкого CO2 низкого давления. В частности, настоящее изобретение обеспечивает системы и способы, в которых CO2 поток высокого давления, например рециркуляционный CO2 поток из процесса генерации мощности с использованием преимущественно CO2 в качестве рабочего тела, может быть разделен так, что часть его может расширяться и использоваться как охлаждающий поток в теплообменнике для охлаждения остальной части СО2 потока высокого давления, которая затем может расширяться с формированием CO2 потока низкого давления, могущего представлять собой смесь с парами CO2. Системы и способы могут использоваться для обеспечения в процессе сжигания топлива чистого CO2 в жидкой форме, удобной для транспортировки.
128645
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ПОД НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ ИЗ СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНОСТИ
Область техники
Настоящее изобретение относится к системам и способам выработки жидкого диоксида углерода. В частности, жидкий диоксид углерода может представлять собой поток диоксида углерода низкого давления, 10 сформированный из диоксида углерода, выработанного в системе и способе генерации мощности/энергии, а конкретно в системе и способе, в которых диоксид углерода используется в качестве рабочего тела.
Уровень техники
Улавливание и удаление углерода является ключевым моментом для любой
15 системы и способа, в которых вырабатывается диоксид углерода (СОг).
Особенно это относится к генерации мощности путем сжигания органического топлива или другого содержащего углеводороды материала. Было предложено несколько способов генерации мощности, в которых может быть обеспечено улавливание и удаление углерода. Одна из публикаций в области
20 высокоэффективной генерации мощности при одновременном улавливании и удалении углерода, а именно патент US 8,596,075 на имя Allam и др., обеспечивает требуемую эффективность в системах с замкнутым циклом горения в атмосфере кислорода, использующих рециркуляционный поток СО2. В такой системе СО2 улавливается в виде относительно чистого потока высокого
25 давления.
Современные предложения по удалению СО2 часто требуют транспортировки по магистралям высокого давления высокоплотной, сверхкритической текучей среды под давлением от 100 бар (10 МПа) до 250 бар (25 МПа). Такие магистрали требуют больших капитальных затрат.
30 Перекачиваемый СО2 или отводится в подземные геологические пласты, такие как глубинные засоленные водоносные горизонты, или может использоваться с экономической выгодой во вторичных методах добычи нефти.
Использование СО2 во вторичных методах добычи вызывает необходимость доступности его на широких пространствах нефтеносного региона. Это может требовать широкого применения трубопроводной сети, развернутой в регионе, что становится чрезмерно затратным во многих случаях, особенно для морских 5 нефтяных месторождений. Поэтому может быть целесообразным обеспечение больших количеств СО2 (например, выработанных в системе и способе генерации мощности) в жидком виде, что упростило бы доставку к морским нефтедобывающим платформам. Можно представить себе и другие преимущества использования СО2, отобранного из установок генерации 10 мощности, если бы СО2 можно было обеспечивать в сжиженном состоянии.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает системы и способы, пригодные для выработки жидкого СО2. В раскрытых системах и способах можно использовать СО2 от любого источника. Однако особое преимущество эти системы и способы
15 могут иметь в сочетании с системой и способом выработки СО2 потока высокого давления, в частности СО2 потока высокого давления, находящегося при температуре окружающей среды. Представленные системы и способы имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что жидкий СО2 может вырабатываться по существу с высокой чистотой, в частности с низким
20 содержанием кислорода, азота и инертных газов (например, аргона).
В некоторых вариантах выполнения СО2 источником, который может использоваться при выработке жидкого СО2, может служить система генерации мощности, в частности системы и способы, основанные на сжигании топлива в атмосфере кислорода, и более конкретно способы сжигания, в которых СО2
25 служит рабочим телом. Системы и способы генерации мощности, из которых может быть получен СО2 поток, описаны в патентах US 8,596,075, 8,776,532, 8,959,887, 8,986,002, 9,068,743 и патентных заявках US 2010/0300063, 2012/0067054, 2012/0237881, 2013/0213049, содержание которых в полном объеме включено в данное описание в качестве ссылки.
30 В некоторых вариантах выполнения настоящее изобретение относится к
способам выработки потока жидкого диоксида углерода (СО2) низкого давления.
Такие способы могут включать обеспечение СО2 потока высокого давления, которое составляет приблизительно 60 бар (6 МПа) или более, приблизительно 100 бар (10 МПа) или более, или лежит в другом, раскрытом в данном описании диапазоне давлений. Способы могут также включать отделение части СО2 5 потока высокого давления и расширение ее для формирования охлаждающего потока, который может использоваться как холодильный агент. Например, охлаждающий поток может находиться при температуре приблизительно -20°С или менее, или в другом, описанном здесь температурном диапазоне. Способы могут включать охлаждение СО2 потока высокого давления до температуры
10 приблизительно 5°С или менее (предпочтительно приблизительно -10°С или
менее) путем пропускания СО2 потока высокого давления через теплообменник, в котором проходит процесс теплопередачи с охлаждающим потоком. Способы могут также включать расширение СО2 потока высокого давления, так чтобы сформировать СО2 поток низкого давления с давлением, пониженным вплоть до
15 приблизительно 6 бар (0,6 МПа). Способы могут включать пропускание СО2 потока низкого давления через сепаратор, действующий на отделение от этого потока паровой фракции и обеспечивающий поток жидкого СО2 низкого давления.
В других вариантах выполнения настоящее изобретение относится к 20 системам, выполненным с возможностью выработки потока жидкого диоксида углерода (СО2) низкого давления. В некоторых вариантах выполнения такие системы могут содержать один или несколько компонентов, выполненных с возможностью обеспечения СО2 потока высокого давления, один или несколько теплообменников, одно или несколько устройств расширения (например, 25 вентилей), один или несколько сепараторов и один или несколько
дистилляторов. В не служащем ограничением примере система согласно настоящему изобретению может содержать: трубопроводную сеть, выполненную с возможностью пропускания СО2 потока высокого давления; делитель, выполненный с возможностью разделения СО2 потока высокого давления на 30 охлаждающую фракцию и основной поток; устройство расширения,
выполненное с возможностью расширения и охлаждения охлаждающей фракции
СО2 потока высокого давления; теплообменник, выполненный с возможностью охлаждения основной части СО2 потока высокого давления за счет нагревания охлажденной охлаждающей фракции СО2 потока высокого давления; устройство расширения, выполненное с возможностью расширения и охлаждения основной 5 части СО2 потока высокого давления для формирования двухфазного СО2 потока низкого давления; сепаратор, выполненный с возможностью удаления паровой фракции из двухфазного СО2 потока низкого давления; и дистиллятор, выполненный с возможностью удаления по меньшей мере части не являющихся СО2 компонентов и обеспечения потока жидкого СО2 низкого давления.
10 В дополнительных вариантах выполнения настоящее изобретение
относится к способам выработки потока жидкого диоксида углерода (СО2) низкого давления из СО2 потока высокого давления, поступающего из процесса генерации мощности. В некоторых вариантах выполнения такой способ может включать сжигание углеродного или углеводородного топлива с кислородом в
15 камере (устройстве) сгорания в присутствии потока рециркуляционного СО2,
находящегося под давлением приблизительно 100 бар (10 МПа) или более и при температуре приблизительно 400 °С или более, для формирования выходного потока камеры сгорания, содержащего СО2. В частности, выходной поток камеры сгорания может находиться под давлением приблизительно от 200 бар
20 (20 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа). В частности, выходной поток камеры сгорания может иметь температуру приблизительно от 800°С до приблизительно 1600°С. Способ может также включать расширение выходного потока камеры сгорания в турбине для генерации мощности и формирования выхлопного потока турбины, содержащего СО2 под давлением приблизительно
25 50 бар (5 МПа) или менее. В частности, поток турбинных выхлопов может
находиться под давлением приблизительно от 20 бар (2 МПа) до приблизительно 40 бар (4 МПа). Способ может включать охлаждение выхлопного потока турбины в теплообменнике за счет передачи тепла нагревающемуся рециркуляционному СО2 потоку. Охлаждение может происходить до
30 температуры приблизительно 80°С или менее, то есть близкой к температуре
окружающей среды. Способ может также включать дополнительное охлаждение
выхлопного потока турбины средством охлаждения окружающей средой и отделение водяного конденсата в сепараторе. Способ может включать перекачку насосом СО2, содержащегося в выхлопном потоке турбины, с подъемом давления приблизительно до 100 бар (10 МПа) или более для формирования СО2 5 потока высокого давления. В частности, СО2 поток высокого давления может находиться под давлением приблизительно от 100 бар (10 МПа) до приблизительно 500 бар (50 МПа) или приблизительно от 200 бар (20 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа). СО2 из охлажденного выхлопного потока турбины может быть сжат до первого давления, охлажден для повышения его
10 плотности и затем перекачан насосом с подъемом давления до второго,
большего значения, лежащего в указанном выше диапазоне. Часть СО2 потока высокого давления может быть пропущена снова через теплообменник для нагревания от охлаждающегося выхлопного потока турбины перед подачей обратно в камеру сгорания. Дополнительный нагрев может быть приложен к
15 этому потоку после сжатия и перед подачей в камеру сгорания, так чтобы этот дополнительный нагрев осуществлялся от источника, отличного от выхлопного потока турбины. Часть СО2 потока высокого давления (эта часть может содержать некоторое количество СО2, выработанного при горении) может охлаждаться до температуры приблизительно 5°С или менее, например, в
20 теплообменнике с использованием холодильного агента. Холодильный агент может содержать часть потока СО2 высокого давления, которая может использоваться как охлаждающая фракция путем ее расширения до давления, составляющего приблизительно 30 бар (3 МПа) или менее, но превышающего давление в тройной точке диаграммы состояния для СО2. Охлаждающая фракция
25 может иметь температуру приблизительно 0°С или менее, или приблизительно -20°С или менее. В частных вариантах выполнения охлаждающая фракция СО2 потока высокого давления может охлаждаться до температуры приблизительно от -55°С до приблизительно 0°С. Часть СО2 потока высокого давления, охлажденная в теплообменнике охлаждающей СО2 фракцией, может
30 расширяться с падением давления приблизительно до 6 бар (0,6 МПа) (при этом предпочтительно давление всегда поддерживается выше давления в тройной
точке диаграммы состояния для СО2), так чтобы сформировать СО2 поток низкого давления. В частности, охлажденная часть СО2 потока высокого давления может расширяться с падением давления до уровня приблизительно 30 бар (3 МПа) или менее, но превышающего давление в тройной точке диаграммы 5 состояния для СО2.
Описанные выше способы могут включать дополнительные составляющие. Например, в отдельных случаях охлаждение выхлопного потока турбины может происходить до температуры приблизительно 70 °С или менее или приблизительно 60 °С или менее. Может использоваться один теплообменник
10 или группа теплообменников. Например, может использоваться теплообменник-экономайзер, за которым следует теплообменник с холодной водой. После охлаждения способ может включать пропускание охлажденного выхлопного потока турбины, содержащего СО2, через один или несколько сепараторов для отделения от него по меньшей мере воды. Также перед стадией перекачки
15 насосом способы могут включать сжатие выхлопного потока турбины,
содержащего СО2, до давления вплоть до 80 бар (8 МПа) (например, до давления приблизительно от 60 бар (6 МПа) до приблизительно 80 бар (8 МПа)). И еще, способы могут включать увеличение плотности выхлопного потока турбины, содержащего СО2, например, путем охлаждения его в теплообменнике холодной
20 водой. Плотность может быть увеличена, например, до значений приблизительно
3 3
600 кг/м или более, приблизительно 700 кг/м или более, или приблизительно
800 кг/м или более. Перед увеличением плотности поток турбинных выхлопов может быть сжат.
Способы могут также включать, после охлаждения основной части СО2 25 потока высокого давления в теплообменнике и до упомянутого расширения, пропускание основной части СО2 потока высокого давления через ребойлер. Ребойлер, в частности, может быть объединен с дистиллятором (например, с отгонной колонной). По существу ребойлер может обеспечивать нагрев дистиллятора.
30 Способы могут включать дополнительную обработку основной части
потока жидкого СО2 низкого давления. Например, поток жидкого СО2 низкого давления может представлять собой двухфазную субстанцию, включающую
жидкую и паровую фазы. Поэтому способы могут включать пропускание потока жидкого СО2 низкого давления через сепаратор, выполненный с возможностью отделения от него парового потока. В некоторых вариантах выполнения паровой поток может содержать вплоть приблизительно до 8 мае. % (в частности 5 приблизительно до 4% или приблизительно до 6%) от потока жидкого СО2 низкого давления, проходящего через сепаратор. В некоторых вариантах выполнения паровой поток может содержать СО2 приблизительно от 1 до приблизительно 75 мас.%. В некоторых вариантах выполнения паровой поток может содержать приблизительно от 25 до приблизительно 99 мас.% сочетания
10 N2, О2 и аргона (или других инертных газов). Способы могут также включать
пропускание остальной части потока жидкого СО2 низкого давления (например, после удаления из него паровой фазы) через дистиллятор, например, через отгонную колонну, которая может включать ребойлер, как рассмотрено выше. После стадии дистилляции жидкий СО2 может быть направлен в насос для
15 увеличения его давления до требуемой величины. Холодный выходной поток из насоса может быть подан в теплообменник, находящийся выше ребойлера по потоку, для увеличения охлаждающей способности СО2 высокого давления, который расширяется для образования охлаждающего агента. Подогретый СО2 хладагент и (или) дистиллированный поток из дистилляционной отгонной
20 колонны могут быть обеспечены в компрессор, выдающий поток под давлением, сравнимым с давлением в системе, из которой поступил СО2 поток высокого давления. Поток паровой фазы из сепаратора может быть также обеспечен в устройство, выполняющее дополнительные сепарационные операции. Альтернативно поток паровой фазы может выпускаться в атмосферу.
25 Поток жидкого СО2 низкого давления, обеспеченный согласно настоящему
изобретению, в частности, может содержать кислород только в очень низкой концентрации. В некоторых вариантах выполнения поток жидкого СО2 низкого давления может иметь содержание кислорода не более 25 ррт, в частности не более 10 ррт. Поток жидкого СО2 низкого давления может также иметь
30 аналогично малую концентрацию инертных газов, например, азота и аргона.
В качестве не служащих ограничением примеров настоящее изобретение может относиться к нижеследующим вариантам выполнения. Такие примеры предназначаются для иллюстрации более широкой сущности изобретения в целом.
5 В некоторых вариантах выполнения настоящее изобретение может
обеспечивать способы выработки потока жидкого диоксида углерода (СО2) низкого давления. Например, такой способ может включать: сжигание углеродного или углеводородного топлива с кислородом в камере сгорания в присутствии потока рециркуляционного СО2, находящегося под давлением
10 приблизительно 100 бар (10 МПа) или более и при температуре приблизительно 400°С или более, для формирования выходного потока камеры сгорания, содержащего СО2; расширение выходного потока камеры сгорания в турбине для генерации мощности и формирования выхлопного потока турбины, содержащего СО2 под давлением приблизительно 50 бар (5 МПа) или менее;
15 охлаждение выхлопного потока турбины в первом теплообменнике для
формирования охлажденного выхлопного потока турбины; перекачку насосом СО2, содержащегося в охлажденном выхлопном потоке турбины, с подъемом давления приблизительно до 100 бар (10 МПа) или более для формирования СО2 потока высокого давления; разделение СО2 потока высокого давления на
20 основную часть и охлаждающую часть; расширение охлаждающей части СО2 потока высокого давления для понижения его температуры приблизительно до -20°С или менее; охлаждение основной части СО2 потока высокого давления до температуры приблизительно 5°С или менее расширенной охлаждающей частью СО2 потока высокого давления при пропускании основной части СО2 потока
25 высокого давления через второй теплообменник; и расширение охлажденной основной части СО2 потока высокого давления до давления, составляющего приблизительно 30 бар (3 МПа) или менее, но превышающего давление в тройной точке диаграммы состояния для СО2, так чтобы сформировать поток жидкого СО2 низкого давления. В дополнительных вариантах выполнения такой
30 способ может включать одно или несколько следующих положений, которые могут объединяться в любом числе и в любом сочетании. Кроме того, такой
способ может включать следующие составляющие, приведенные в данном описании.
Выходной поток камеры сгорания может находиться под давлением
приблизительно от 200 бар (20 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа).
5 Выходной поток камеры сгорания может находиться при температуре
приблизительно от 800°С до приблизительно 1600°С.
Поток турбинных выхлопов, содержащий СО2, может находиться под давлением приблизительно от 20 бар (2 МПа) до приблизительно 40 бар (4 МПа).
Поток турбинных выхлопов может охлаждаться в теплообменнике до 10 температуры приблизительно 80°С или менее.
Способ может также включать пропускание содержащего СО2 охлажденного выхлопного потока турбины, через один или несколько сепараторов для отделения от него по меньшей мере воды.
Способ может также включать нагревание в теплообменнике выхлопным 15 потоком турбины кислорода или потока рециркуляционного СО2, или их обоих.
СО2 поток высокого давления, может находиться под давлением приблизительно от 200 бар (20 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа).
Основная часть СО2 потока высокого давления может охлаждаться до
температуры приблизительно от -55°С до приблизительно 0°С.
20 Способ может также включать, после охлаждения основной части СО 2
потока высокого давления, но перед расширением основной части СО2 потока высокого давления, пропускание основной части СО2 потока высокого давления через ребойлер.
Ребойлер может быть объединен с отгонной колонной.
25 Способ может также включать пропускание потока жидкого СО2 низкого
давления через сепаратор, выполненный с возможностью отделения от него парового потока.
Паровой поток может содержать приблизительно 8 мас.% от потока
жидкого СО2 низкого давления, проходящего через сепаратор.
30 Паровой поток может содержать СО2 приблизительно от 1 мас.% до
приблизительно 75 мас.% и приблизительно от 25 мас.% до приблизительно
99 мас.% один или несколько элементов из группы, включающей N2, О2 и аргон.
Способ может включать направление остальной части потока жидкого СО 2 низкого давления в отгонную колонну.
Поток жидкого СО2 низкого давления, выходящий из отгонной колонны, может иметь содержание кислорода, не превышающее приблизительно 25 ррт.
Способ может включать перекачку насосом потока жидкого СО2 низкого давления с подъемом давления по меньшей мере приблизительно до 100 бар (10 МПа).
Способ может включать передачу перекачанного насосом потока жидкого СО2 в магистраль/трубопровод СО2.
Способ может также включать смешивание дистиллятного пара из отгонной колонны с охлаждающей частью СО2 потока высокого давления, выходящей из второго теплообменника.
Способ может включать добавление смеси дистиллятного пара из отгонной колонны и охлаждающей части СО2 потока высокого давления, выходящей из второго теплообменника, к охлажденному потоку турбинных выхлопов.
В других иллюстративных вариантах осуществления настоящее изобретение может обеспечивать системы, выполненные с возможностью выработки потока жидкого диоксида углерода (СО2) низкого давления. Например, система может содержать: делитель, выполненный с возможностью разделения СО2 потока высокого давления на первую часть и вторую часть; первое устройство расширения, выполненное с возможностью расширения и охлаждения первой части СО2 потока высокого давления; теплообменник, предназначенный для охлаждения второй части СО2 потока высокого давления охлажденной первой частью СО2 потока высокого давления, выходящей из устройства расширения; и второе устройство расширения, выполненное с возможностью расширения второй части СО2 потока высокого давления, так чтобы сформировать поток жидкого СО2 низкого давления. В дополнительных вариантах выполнения такая система может включать одно или несколько следующих положений, которые могут объединяться в любом числе и в любом сочетании. Кроме того, такая система может любые другие элементы, приведенные в данном описании.
Первое устройство расширения может быть выполнено с возможностью охлаждения СО2 потока высокого давления до температуры приблизительно -20°С или менее.
Первый теплообменник может быть выполнен с возможностью охлаждения 5 СО2 потока высокого давления до температуры приблизительно 5°С или менее.
Второе устройство расширения выполнено с возможностью расширения
охлажденной второй части СО2 потока высокого давления до давления,
составляющего приблизительно 30 бар (3 МПа) или менее, но превышающего
давление в тройной точке диаграммы состояния для СО2.
10 Система может также содержать объединенные отгонную колонну и
ребойлер.
Отгонная колонна может быть установлена последовательно ниже по потоку второго устройства расширения, и ребойлер может размещаться последовательно ниже по потоку теплообменника и последовательно выше по
15 потоку второго устройства расширения.
Система может содержать парожидкостной сепаратор, установленный ниже по потоку второго устройства расширения и выше по потоку отгонной колонны.
Система может содержать компрессор, выполненный с возможностью приема первой части СО2 потока высокого давления из теплообменника.
20 Система также может содержать: камеру сгорания, выполненную с
возможностью сжигания углеродного или углеводородного топлива с кислородом в присутствии потока рециркуляционного СО2, находящегося под давлением приблизительно 100 бар (10 МПа) или более и при температуре приблизительно 400°С или более, для формирования выходного потока камеры
25 сгорания, содержащего СО2; турбину, выполненную с возможностью
расширения выходного потока камеры сгорания для генерации мощности и формирования выхлопного потока турбины, содержащего СО2; дополнительный теплообменник, выполненный с возможностью охлаждения выхлопного потока турбины; и насос, выполненный с возможностью перекачки СО2, содержащегося
30 в охлажденном выхлопном потоке турбины, для формирования СО2 потока высокого давления.
Изобретение включает следующие варианты осуществления, не ограничиваясь ими.
Вариант 1: Способ выработки потока жидкого диоксида углерода (СО2) низкого давления, включающий: сжигание углеродного или углеводородного 5 топлива с кислородом в камере сгорания в присутствии потока
рециркуляционного СО2, находящегося под давлением приблизительно 100 бар (10 МПа) или более и при температуре приблизительно 400° С или более, для формирования выходного потока камеры сгорания, содержащего СО2; расширение выходного потока камеры сгорания в турбине для генерации
10 мощности и формирования выхлопного потока турбины, содержащего СО2 под давлением приблизительно 50 бар (5 МПа) или менее; охлаждение выхлопного потока турбины в первом теплообменнике для формирования охлажденного выхлопного потока турбины; перекачку насосом СО2, содержащегося в охлажденном выхлопном потоке турбины, с подъемом давления приблизительно
15 до 100 бар (10 МПа) или более для формирования СО2 потока высокого
давления; разделение СО2 потока высокого давления на основную часть и охлаждающую часть; расширение охлаждающей части СО2 потока высокого давления для понижения его температуры приблизительно до -20°С или менее; охлаждение основной части СО2 потока высокого давления до температуры
20 приблизительно 5 °С или менее расширенной охлаждающей частью СО2 потока высокого давления при пропускании основной части СО2 потока высокого давления через второй теплообменник; и расширение охлажденной основной части СО2 потока высокого давления до давления, составляющего приблизительно 30 бар (3 МПа) или менее, но превышающего давление в
25 тройной точке диаграммы состояния для СО2, так чтобы сформировать поток жидкого СО2 низкого давления.
Вариант 2: Способ любому из предыдущих или последующих вариантов, в котором давление в выходном потоке камеры сгорания составляет приблизительно от 200 бар (20 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа).
Вариант 3: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов, в котором температура в выходном потоке камеры сгорания составляет приблизительно от 800°С до приблизительно 1600°С.
Вариант 4: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов, 5 в котором давление в выхлопном потоке турбины, содержащем СО2, составляет приблизительно от 20 бар (2 МПа) до приблизительно 40 бар (4 МПа).
Вариант 5: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов,
в котором поток турбинных выхлопов охлаждается в теплообменнике до
температуры приблизительно 80°С или менее.
10 Вариант 6: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов,
включающий пропускание охлажденного выхлопного потока турбины, содержащего СО2, через один или несколько сепараторов для отделения от него по меньшей мере воды.
Вариант 7: Способ любому из предыдущих или последующих вариантов, 15 включающий нагревание в теплообменнике выхлопным потоком турбины кислорода или потока рециркуляционного СО2, или их обоих.
Вариант 8: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов,
в котором давление в СО2 потоке высокого давления составляет приблизительно
от 200 бар (20 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа).
20 Вариант 9: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов,
в котором основная часть СО2 потока высокого давления охлаждается до температуры приблизительно от -55°С до приблизительно 0°С.
Вариант 10: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов, включающий, после охлаждения основной части СО2 потока 25 высокого давления, но перед расширением основной части СО2 потока высокого давления, пропускание основной части СО2 потока высокого давления через ребойлер.
Вариант 11: Способ по любому из предыдущих или последующих
вариантов, в котором ребойлер объединен с отгонной колонной.
30 Вариант 12: Способ по любому из предыдущих или последующих
вариантов, включающий пропускание СО2 потока низкого давления через сепаратор, выполненный с возможностью отделения от него парового потока.
Вариант 13: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов, в котором паровой поток содержит до 8 мас.% от потока жидкого СОг низкого давления, пропускаемого через сепаратор.
Вариант 14: Способ по любому из предыдущих или последующих 5 вариантов, в котором паровой поток содержит СО2 приблизительно от 1 мас.% до приблизительно 75 мас.% и приблизительно от 25 мас.% до приблизительно 99 мас.% один или несколько элементов из группы, включающей N2, О2 и аргон.
Вариант 15: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов, включающий направление остальной части потока жидкого СОг 10 низкого давления в отгонную колонну.
Вариант 16: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов, в котором поток жидкого СО2 низкого давления, выходящий из отгонной колонны, содержит кислорода не более 25 ррт.
Вариант 17: Способ по любому из предыдущих или последующих 15 вариантов, включающий перекачку насосом потока СО2 низкого давления с подъемом давления по меньшей мере приблизительно до 100 бар (10 МПа).
Вариант 18: Способ по любому из предыдущих или последующих вариантов, включающий передачу перекачанного насосом потока жидкого СО2 в магистраль СОг.
20 Вариант 19: Способ по любому из предыдущих или последующих
вариантов, включающий смешивание дистиллятного пара из отгонной колонны с охлаждающей частью СО2 потока высокого давления, выходящей из второго теплообменника.
Вариант 20: Способ по любому из предыдущих или последующих
25 вариантов, включающий добавление полученной смеси к охлажденному потоку турбинных выхлопов.
Вариант 21: Система, выполненная с возможностью выработки потока жидкого диоксида углерода (СО2) низкого давления и содержащая: делитель, выполненный с возможностью разделения СО2 потока высокого давления на
30 первую часть и вторую часть; первое устройство расширения, выполненное с возможностью расширения и охлаждения первой части СО2 потока высокого
давления; теплообменник, предназначенный для охлаждения второй части СО2 потока высокого давления охлажденной первой частью СО2 потока высокого давления, выходящей из устройства расширения; и второе устройство расширения, выполненное с возможностью расширения второй части СО 2 потока 5 высокого давления, так чтобы сформировать поток жидкого СО2 низкого давления.
Вариант 22: Система по любому из предыдущих или последующих вариантов, в которой первое устройство расширения выполнено с возможностью охлаждения первой части СО2 потока высокого давления до температуры 10 приблизительно -20°С или менее.
Вариант 23: Система по любому из предыдущих или последующих вариантов, в которой теплообменник выполнен с возможностью охлаждения второй части СО2 потока высокого давления до температуры приблизительно 5°С или менее.
15 Вариант 24: Система по любому из предыдущих или последующих
вариантов, в которой второе устройство расширения выполнено с возможностью расширения охлажденной второй части СО2 потока высокого давления до давления, составляющего приблизительно 30 бар (3 МПа) или менее, но превышающего давление в тройной точке диаграммы состояния для СО2.
20 Вариант 25: Система по любому из предыдущих или последующих
вариантов, содержащая объединенные отгонную колонну и ребойлер.
Вариант 26: Система по любому из предыдущих или последующих вариантов, в которой отгонная колонна находится последовательно ниже по потоку второго устройства расширения, и в которой ребойлер находится
25 последовательно ниже по потоку теплообменника и последовательно выше по потоку второго устройства расширения.
Вариант 27: Система по любому из предыдущих или последующих вариантов, содержащая парожидкостной сепаратор, установленный ниже по потоку второго устройства расширения и выше по потоку отгонной колонны.
30 Вариант 28: Система по любому из предыдущих или последующих
вариантов, содержащая компрессор, выполненный с возможностью приема первой части СО2 потока высокого давления из теплообменника.
Вариант 29: Система по любому из предыдущих вариантов, содержащая: камеру сгорания, выполненную с возможностью сжигания углеродного или углеводородного топлива с кислородом в присутствии потока рециркуляционного СО2, находящегося под давлением приблизительно 100 бар (10 МПа) или более и при температуре приблизительно 400°С или более, для формирования выходного потока камеры сгорания, содержащего СО2; турбину, выполненную с возможностью расширения выходного потока камеры сгорания для генерации мощности и формирования выхлопного потока турбины, содержащего СО2; дополнительный теплообменник, выполненный с возможностью охлаждения выхлопного потока турбины; и насос, выполненный с возможностью перекачки СО2, содержащегося в охлажденном выхлопном потоке турбины, для формирования СО2 потока высокого давления.
Эти и другие свойства, аспекты и преимущества изобретения станут понятны из прочтения нижеследующего подробного изложения и сопровождающих чертежей, кратко описанных далее. Изобретение включает любую комбинацию из двух, трех, четырех или более вышеупомянутых вариантов выполнения, а также комбинации из любых двух, трех, четырех или более свойств или элементов, приведенных в данном описании, вне зависимости от того, прямо ли такие свойства или элементы скомбинированы в описанном конкретном варианте выполнения изобретения. Данное описание предназначено для прочтения в целом, так что любые разделяемые свойства или элементы раскрытого изобретения в любых различных вариантах их выполнения и толкованиях должны рассматриваться как обладающие возможностью комбинирования до тех пор, пока в контексте ясно не оговорено другое.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение писано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых без обязательного соблюдения масштаба показано:
на фиг. 1 - блок-схема системы согласно вариантам выполнения настоящего изобретения, предназначенной для формирования потока жидкого СО2 низкого давления; и
на фиг. 2 - блок-схема системы согласно вариантам выполнения настоящего изобретения, предназначенной для формирования потока жидкого
СО2 низкого давления с использованием части потока СОг высокого давления, выведенной из процесса генерирования мощности. Осуществление изобретения
Далее представленная сущность изобретения будет изложена более полно 5 со ссылкой на приводимые в качестве примера варианты выполнения. Эти варианты выполнения представлены так, чтобы данное описание было законченным и исчерпывающим, полностью раскрывая объем изобретения специалисту в данной области техники. Действительно, сущность изобретения может быть реализована во многих различных вариантах и не должна
10 рассматриваться как ограниченная приведенными ниже вариантами выполнения, тем более что эти варианты представлены так, чтобы данное описание удовлетворяло всем действующим нормативным требованиям. В приведенном описании и в приложенной формуле изобретения использование форм единственного числа включает множественность объектов, до тех пор пока не
15 оговорено иное.
Настоящее описание относится к системам и способам, обеспечивающим возможность выработки жидкого диоксида углерода (СО2) под низким давлением. В частности, системы и способы могут выполняться с возможностью приема потока, содержащего не жидкий СО2 (например, газообразный или
20 находящийся в сверхкритическом состоянии СО2), и преобразования по меньшей мере части не жидкого СО2 в жидкий. Входной поток может содержать фракцию жидкого СО2; однако входной поток предпочтительно содержит не более приблизительно 25 мас.%, не более приблизительно 10 мас.%, не более приблизительно 5 мас.% или не более приблизительно 2 мас.% жидкого СО2.
25 Жидкий СО2, выработанный согласно настоящему изобретению, может
быть получен с низким давлением, то есть с давлением выработанного жидкого СО2 меньшем 50 бар (5 МПа), но большем давления в тройной точке диаграммы состояния зля СО2, так чтобы предпочтительно избежать формирования твердого СО2. В некоторых вариантах выполнения выработанный жидкий СО2
30 может находиться под давлением вплоть до приблизительно 6 бар (0,6 МПа), в
частности приблизительно от 30 бар (3 МПа) до приблизительно 6 бар (0,6 МПа) или приблизительно от 15 бар (1,5 МПа) до приблизительно 6 бар (0,6 МПа).
Температура выработанного жидкого СО2 предпочтительно лежит вблизи температуры в точке росы для данного давления. Например, температура может лежать в диапазоне приблизительно от 5°С до приблизительно -55°С, приблизительно от -5°С до приблизительно -55°С или приблизительно от -15°С 5 до приблизительно -55°С.
Способы выработки жидкого СО2 согласно вариантам выполнения настоящего изобретения в основном могут включать охлаждение и расширение СО2, содержащегося во входном потоке. В зависимости от источника входного потока способы могут включать одну или несколько ступеней сжатия. В
10 предпочтительных вариантах выполнения поступающий СО2 может находиться под давлением приблизительно 60 бар (6 МПа) или более, приблизительно 100 бар (10 МПа) или более или приблизительно 200 бар (20 МПа) или более. В других вариантах выполнения давление поступающего СО2 может находиться в диапазоне приблизительно от 60 бар (6 МПа) до приблизительно 400 бар
15 (40 МПа). Температура поступающего СО2 может быть более 10 °С или лежать в диапазоне приблизительно от 10°С до приблизительно 40°С, приблизительно от 12°С до приблизительно 35°С или приблизительно от 15°С до приблизительно 30°С. В некоторых вариантах выполнения температура поступающего СО2 может быть близка к температуре окружающей среды.
20 Пригодный для выработки жидкого СО2 вариант выполнения системы и
способа согласно настоящему изобретению представлен на фиг. 1. Как можно видеть на ней, СО2 поток 24 высокого давления может охлаждаться при пропускании через водяной охладитель 50 (который может быть опционным в зависимости от реальной температуры СО2 потока высокого давления). СО2
25 поток 24 высокого давления затем разделяется на первую часть и вторую часть с использованием делителя 68 (или другого подходящего элемента системы, выполненного с возможностью разделения потока), обеспечивая отведенный СО2 поток 57 высокого давления, который может расширяться, например, при прохождении через вентиль 58 или другое пригодное устройство, формируя
30 охлаждающий СО2 поток 56. Остальной СО2 поток 62 высокого давления проходит через теплообменник 10, где он охлаждается охлаждающим СО2
потоком 56 , выходящим из теплообменника как СО2 поток 33. Охлажденный СО2 поток 51 высокого давления, выходящий с холодного края теплообменника 10, может иметь температуру приблизительно 5°С или менее, приблизительно 0°С или менее, приблизительно -10°С или менее или приблизительно -20°С или 5 менее (например, приблизительно от 5°С до приблизительно -40°С или
приблизительно от 0°С до приблизительно -35°С). Охлажденный СО2 поток 51 высокого давления может расширяться, формируя поток жидкого СО2. Как показано на фиг. 1, охлажденный СО2 поток 51 высокого давления сначала проходит через ребойлер 52, представляющий на фиг. 1 часть отгонной колонны
10 53, и таким образом обеспечивает подачу тепла для проходящего в ней процесса дистилляции, что будет дополнительно описано далее. Прохождение через ребойлер может быть опционным. СО2 поток 55 высокого давления, выходящий из ребойлера 52, расширяется, формируя поток 35 жидкого СО2 с температурой и давлением, лежащими в описанных выше диапазонах. На фиг. 1 поток 55
15 расширяется при прохождении через вентиль 48, но может использоваться
любое устройство, пригодное для расширения сжатого СО2 потока. Например, устройством расширения может быть система, производящая работу, например, турбина, в которой энтальпия СО2 понижается от входа к выходу, а также понижается выходная температура.
20 Расширение СО2 потока высокого давления (например, с давлением в
диапазоне приблизительно от 60 бар (6 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа)) с формированием СО2 потока низкого давления (например, с давлением приблизительно 30 бар (3 МПа) или менее, но превышающим давление в тройной точке диаграммы состояния для СО2) может привести к
25 образованию двухфазного потока продукта, сформированного смесью газа и жидкости и имеющего такую же общую энтальпию, что и СО2 поток, поступающий в вентиль (или другое устройство расширения). В частности, температура двухфазной смеси, выходящей из вентиля (или из турбины для иллюстративного альтернативного варианта выполнения, упомянутого ранее),
30 может лежать вблизи температуры точки росы для жидкости при сниженном
давлении. На фиг. 1 оба потока, поток 56, выходящий из вентиля 58, и поток 35,
выходящий из вентиля 48, могут быть двухфазными потоками. Двухфазный СО2 поток 35 низкого давления, выходящий из вентиля 48, может пропускаться через сепаратор 9 для обеспечения СО2 потока 49 паровой фракции и СО2 потока 36 жидкой фракции.
5 В вариантах выполнения, в которых входной СО2 поток высокого давления
поступает из системы генерации мощности путем сжигания топлива в атмосфере кислорода, паровая фракция, которая может быть отделена от потока низкого давления жидкого СО2, будет содержать большой объем инертных газов (например, азота, избыточного О2 и благородных газов, таких как аргон),
10 присутствующих в источнике кислорода и источнике топлива (например, в природном газе). В качестве не служащего ограничением примера процесс генерации мощности за счет сжигания топлива в атмосфере кислорода может проводиться при избыточном в 1% потоке кислорода, подаваемом в камеру сгорания, или при потоке кислорода, составленном приблизительно из 99,5%
15 кислорода и 0,5% аргона. Получающийся чистый СО2 продукт может содержать кислород с концентрацией 2% и аргон с концентрацией 1%.
Согласно настоящему изобретению охлаждение СО2 продукта, поступающего из системы генерации мощности, как в качестве примера описано выше, средством непрямого охлаждения до температуры, образующейся при
20 резком расширении при прохождении через вентиль до давления, например, 10 бар (1 МПа), приводит к образованию приблизительно 4 мас.% паровой фракции. В различных вариантах выполнения паровая фракция может составлять по массе приблизительно до 6 мас.%, приблизительно до 5 мас.% или приблизительно до 4 мас.% от общего потока жидкого СО2 (например, потока 35
25 на фиг. 1). Паровой поток (например, поток 49 на фиг. 1) может содержать СО2 по массе приблизительно от 1 мас.% до приблизительно 75 мас.% и приблизительно от 25 мас.% до приблизительно 99 мас.% смесь N2, О2 и аргона (или других инертных газов). В других вариантах выполнения паровой поток может содержать приблизительно 60 мас.% или более, приблизительно 65 мас.%
30 или более, или приблизительно 70 мас.% или более смеси N2, О2 и аргона (или других инертных газов). Фракция мгновенного испарения (например, поток 49, выходящий из сепаратора 9 на фиг. 1) может быть отведена в атмосферу или
уловлена. Создание потока фракции мгновенного испарения обладает преимуществом в вариантах выполнения, в которых входной СО2 поток, получаемый в процессе горения в атмосфере кислорода, служит для удаления паровой фракции и предотвращает накопление инертного аргона и (или) азота 5 (которые могут присутствовать в сжигаемых природном газе и (или) топливном газе, полученном из угля, и которые могут присутствовать в потоке кислорода, получаемом с установки криогенного разделения воздуха). Для формирования фракции мгновенного испарения может быть целесообразным перед расширением охладить СО2 поток высокого давления (например, поток 62 на
10 фиг. 1) до температуры приблизительно -30°С или менее, или приблизительно -33°С или менее. В вариантах выполнения, в которых входной СО2 поток высокого давления поступает от источника, который частично или полностью свободен от инертных газов (и опционно кислорода), необходимость в формировании фракции мгновенного испарения может отсутствовать. В
15 вариантах выполнения, в которых в процессе генерации мощности за счет сжигания топлива в атмосфере кислорода используется в качестве топлива природный газ, содержащий значительную долю N2, может быть целесообразным установление температуры такой, при которой охлаждение потока 51 обеспечивает удаление большей части N2 вместе с О2 и аргоном в
20 потоке 49 при минимальной потере СО2.
Предпочтительно основания часть О2 и аргона (а также других инертных газов) удаляется из входного СО2 потока с фракцией мгновенного испарения, так что в потоке фракции жидкого СО2 (например, в потоке 36 на фиг. 1) остается только малая часть N2, О2 и аргона - например, с концентрацией по массе
25 приблизительно 1 мас.% или менее, приблизительно 0,5 мас.% или менее, или приблизительно 0,2 мас.% или менее. Эти малые концентрации N2, О2 и аргона могут быть удалены из потока жидкой фракции СО2 с использованием, например, дистилляционного устройства (например, отгонной колонны 53 на фиг. 1). Альтернативно варианту выполнения с фиг. 1 отгонная секция может
30 быть встроена в нижнюю часть сепаратора-испарителя. В варианты выполнения, в которых используется отгонная колонна, может быть включен ребойлер
(компонент 52 на фиг. 1, как рассмотрено выше) для отбора оставшегося доступного тепла от части или всего СОг потока высокого давления (например, потока 51 на фиг. 1). Такой нагрев может изменяться для обеспечения необходимого отношения жидкость/пар с целью снижения концентрации кислорода в чистом продукте жидкого СО2 (поток 54 на фиг. 1). Концентрация кислорода в потоке чистого жидкого СО2 может составлять не более приблизительно 25 ррт, не более приблизительно 20 ррт или не более приблизительно 10 ррт.
В других вариантах выполнения поток 54 чистого жидкого СО2 может прокачиваться насосом с увеличением давления и нагреваться в теплообменнике 10 (или в дополнительном теплообменнике, или в ином средстве) для подачи в магистраль СО2. В частности, давление в потоке поставочного жидкого СО2 при прокачке может возрастать до значения приблизительно от 100 бар (10 МПа) до приблизительно 250 бар (25 МПа).
Возвращаясь к фиг. 1, можно видеть, что давление продукта 63, отходящего сверху отгонной колонны 53, может быть затем понижено, при необходимости, например, в вентиле 64, и затем этот продукт может быть объединен с СО2 потоком 33. Объединенные потоки могут сжиматься в компрессоре 34 для обеспечения возвратного СО2 потока 21 высокого давления, который может быть, например, объединен со входным СО2 потоком 24 высокого давления или добавлен к другому, содержащему СО2 потоку (смотри фиг. 2).
Вышеприведенные варианты формирования потока жидкого СО2 низкого давления могут быть экономически предпочтительными потому, что приблизительно 95% или более, приблизительно 96% или более, или приблизительно 97% или более от общей массы СО2, содержащегося в потоке чистого СО2 низкого давления (например, в потоке 35 на фиг. 1), могут быть удалены в виде именно потока жидкого СО2 низкого давления. В описанных выше вариантах выполнения приблизительно от 1,5 до 2,5 мас.% чистого СО2 продукта может быть выпущено в атмосферу вместе со смешанным потоком N2, О2 и аргона (например, с потоком 49 на фиг. 1), что обеспечивает эффективность очистки СО2, составляющую примерно от 97,5% до приблизительно 98,5%. В
вариантах выполнения, где вышеописанный способ осуществляется в сочетании с энергетической системой замкнутого цикла, в которой СО2 используется в качестве рабочего тела, поток 49 предпочтительно выпускается в атмосферу, так как является желательным удаление инертных компонентов для поддержания их 5 парциального давления и концентрации на как можно более низких уровнях.
Опционно поток 59 после понижения давления в вентиле 60 и перед выпуском в атмосферу может быть пропущен через группу каналов в теплообменнике 10 для обеспечения добавочного понижения температуры при охлаждении потока 62. Такое использование входного СО2 потока 24 высокого давления
10 обеспечивает уникальную возможность выполнения непрямого охлаждения этого потока. Как описано в связи с вышеприведенными вариантами выполнения, непрямое охлаждение может обеспечиваться путем отделения части СО2 потока высокого давления при температуре, близкой к окружающей, и затем расширения отделенной части СО2 потока высокого давления с падением
15 температуры приблизительно до -20°С или менее, приблизительно до -30°С или менее, приблизительно до -40°С или менее (например, приблизительно от -40°С до приблизительно -55°С). Этого можно достичь понижением давления СО2 потока 24 высокого давления до значений менее приблизительно 20 бар (2 МПа), менее приблизительно 10 бар (1 МПа) или менее 8 бар (0,8 МПа) (например,
20 приблизительно от 20 бар (2 МПа) до приблизительно 5 бар (0,5 МПа), или приблизительно от 12 бар (1,2 МПа) до приблизительно 5 бар (0,5 МПа), в частности приблизительно до 5,55 бара (0,555 МПа)). Получившийся парожидкостной поток (например, поток 56 на фиг. 1) затем используется для непрямого охлаждения в теплообменнике основной части СО2 потока высокого
25 давления.
Системы и способы по настоящему изобретению имеют особое преимущество при их использовании в сочетании со способом генерации мощности, в котором в качестве рабочего тела используется СО2, как, например, в системах раскрытых в патенте US 8,596,075, содержание которого в полном 30 объеме включено в данное описание в качестве ссылки. В частности, в таком процессе может использоваться турбина с большим отношением высокое давление/низкое давление, в которой происходит расширение смеси потока
рециркуляционного СО2 высокого давления и продуктов горения, образующихся при сжигании топлива. Может использоваться любое органическое топливо. Предпочтительно топливо представляет собой газообразное топливо, однако не газообразное топливо также не следует исключать. В не служащие ограничением примеры входят природный газ, баллонные газы, топливные газы (например, включая один или несколько компонентов из группы, содержащей Н2, СО, СН4, H2S, и NH3) и другие подобные горючие газы. Твердые топлива - например, уголь, лагнит, нефтяной кокс, битум и т.п. могут также использоваться при наличии необходимых элементов системы (например, при использовании камеры сгорания с неполным окислением или газогенератора для преобразования твердых или тяжелых жидких топлив в газообразную форму). Могут также использоваться жидкие углеводородные топлива. В процессе сжигания в качестве окислителя может использоваться кислород. Горячий выхлопной газ турбины используется для частичного предварительного нагрева потока рециркуляционного СО2 высокого давления. Рециркуляционный СО2 поток также нагревается теплом, полученным от энергии сжатия СО2 в компрессоре, как рассмотрено далее. Все нежелательные примеси, полученные из топлива и продуктов горения, такие как соединения серы, NO, NO2, СО2, Н2О, Hg и т.п., могут отделяться для удаления без выброса в атмосферу. Включен также каскад сжатия СО2, содержащий высокоэффективные блоки, обеспечивающие минимальное потребление мощности. Каскад сжатия СО2 может, в частности, обеспечивать в топливный компрессор поток рециркуляционного СО2, который частично может возвращаться в камеру сгорания и частично направляться в компоненты выработки жидкого СО2 как входной СО2 поток высокого давления.
Например, на фиг. 2 представлена система генерации мощности, объединенная с описанными элементами выработки чистого СО2 продукта, получаемого из входящего в исходное топливо углерода, в виде жидкости под низким давлением с содержанием кислорода в минимальном диапазоне, приведенном в данном описании. Вариант выполнения такой системы описан в приведенном ниже Примере со ссылкой на фиг. 2.
Величина общего потока чистого СО2 продукта может меняться в зависимости от природы используемого топлива. В вариантах выполнения с использованием природного газа общий поток чистого СО2 продукта может составлять приблизительно от 2,5% до приблизительно 4,5% (например, 5 приблизительно 3,5%) от общего потока рециркуляционного СО2 через топливный компрессор. В вариантах выполнения с использованием битуминозного угля (например, с месторождения № 6, Иллинойс) общий поток чистого СО2 продукта может составлять приблизительно от 5% до приблизительно 7% (например, приблизительно 6%) от общего потока
10 рециркуляционного СО2 через топливный компрессор. Количество
рециркуляционного СО2, используемого для охлаждения, может лежать в диапазоне приблизительно от 15% до приблизительно 35% или приблизительно от 20% до приблизительно 30% (например, приблизительно 25%) от массы потока чистого СО2 продукта.
15 В некоторых вариантах выполнения может использоваться сжиженный
природный газ в качестве источника для охлаждения таким образом, как описано в патентной заявке US 2013/0104525, содержание которой в полном объеме включено в данное описание в качестве ссылки. В частных вариантах выполнения сжиженный природный газ может нагреваться до температуры,
20 приближенной к температуре конденсации СО2, содержащегося в турбинных выхлопах (например, при давлении приблизительно от 20 бар (2 МПа) до приблизительно 40 бар (4 МПа)). Поток турбинных выхлопов, выходящий из водяного сепаратора, может обезвоживаться в осушителе до достижения точки росы ниже приблизительно -50°С, перед тем как он будет переведен в жидкое
25 состояние путем охлаждения с использованием сжиженного природного газа, который в свою очередь нагревается. Теперь жидкий СО2 может быть сжат до давления приблизительно от 200 бар (20 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа) при перекачке многоступенчатым центробежным насосом. Природный газ высокого давления будет находиться при температуре, обычно лежащей в
30 диапазоне приблизительно от -23°С (для турбинных выхлопов, выходящих из теплообменника-экономайзера под давлением приблизительно 20 бар (2 МПа)) до приблизительно 0°С (для турбинных выхлопов, выходящих из
теплообменника-экономайзера под давлением приблизительно 40 бар (4 МПа)), при соблюдении разницы в 5°С с температурой в точке росы для СОг при этих давлениях. Этот холодный природный газ высокого давления может использоваться для предварительного охлаждения СО2, находящегося под 5 высоким давлением приблизительно от 60 бар (6 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа), перед его расширением с получением жидкого СОг в диапазоне давлений приблизительно от 6 бар (0,6 МПа) до приблизительно 30 бар (3 МПа). Понижение температуры может производиться за счет дополнительного охлаждения при расширении СО2 высокого давления, как описано выше, до
10 температуры охлажденного чистого СО2 продукта, что при расширении до требуемого давления для жидкого СО2 продукта приводит к образованию газовой фракции, содержащей приблизительно от 50 мас.% до приблизительно 80 мас.% (О2 + N2 + Аг). Полезный эффект заключается в существенном снижении количества дополнительного СО2, который должен быть
15 рециклирован для охлаждения.
ПРИМЕР
Далее варианты выполнения настоящего изобретения иллюстрируются следующим примером, представленным для пояснения сущности изобретения и не служащим для ограничения его объема. Ниже описан вариант выполнения
20 объединенных системы и способа генерации мощности и системы и способа выработки жидкого СО2 низкого давления, как показано на фиг. 2.
Согласно фиг. 2 поток 42 природного газа (который в представленном Примере представляет собой чистый метан), служащий топливом и находящийся под давлением приблизительно 40 бар (4 МПа), сжимается до давления
25 приблизительно 320 бар (32 МПа) в компрессоре 44, обеспечивая поток 43 сжатого топливного природного газа, который в свою очередь поступает в камеру 1 сгорания, где он сжигается в потоке 38 предварительно нагретого окислителя, содержащего приблизительно 23 мас.% кислорода, смешанного приблизительно с 77 мас.% разбавляющего СО2. В данном иллюстративном
30 варианте выполнения общее количество кислорода приблизительно на 1 мас.% превышает количество кислорода, необходимое для стехиометрического горения. Продукты горения в камере 1 сгорания разбавляются
рециркуляционным потоком 37 нагретого СО2, находящимся под давлением приблизительно 304 бара (30,4 МПа) и при температуре 707°С. Выходной поток 39 камеры сгорания при температуре приблизительно 1153°С направляется на вход турбины 2, соединенной с электрогенератором 3 и главным компрессором 4 5 рециркуляционного СОг.
Выходной поток 39 камеры сгорания расширяется в турбине 2, обеспечивая поток 45 турбинных выхлопов под давлением приблизительно 30 бар (3 МПа) и при температуре 747°С, который в свою очередь пропускается через теплообменник-экономайзер 15 и охлаждается приблизительно до 56°С, выходя
10 как охлажденный поток 16 турбинных выхлопов. Охлажденный поток 16
турбинных выхлопов далее снова охлаждается охлаждающей водой в водяном охладителе 7 до температуры, близкой к температуре окружающей среды (поток 17 на фиг. 2). Охлажденный поток 17 турбинных выхлопов пропускается через сепаратор 6, в котором жидкий водяной поток 18 отделяется от дистиллятного
15 потока 19 газообразного СО2, который сам разделяется на отдельные потоки (потоки 22 и 20 на фиг. 2).
Основная часть дистиллятного потока 22 газообразного СО2 поступает в компрессор 4 рециркуляционного СО2, работающий совместно с промежуточным охладителем 5 и сжимающий находящийся при окружающей
20 температуре основной дистиллятный поток 22 газообразного СО2
(получившийся из потока 45 турбинных выхлопов) от давления приблизительно 28,2 бара (2,82 МПа) до приблизительно 63,5 бара (6,35 МПа) - то есть образующий поток 23 сжатого СО2.
Поток 20 дитиллятной газообразной фракции СО2 используется для
25 разбавления потока 28 (под давлением приблизительно 28 бар (2,8 МПа)),
содержащего 99,5% О2 и выработанного на установке 14 криогенного разделения воздуха. Объединенные потоки 20 и 28 формируют окислительный поток 26 низкого давления, сжимаемый приблизительно до 320 бар (32 МПа) (поток 27) в компрессоре 11с промежуточным охладителем 12. Окислительный поток 27
30 высокого давления нагревается в теплообменнике-экономайзере, выходя из него как предварительно нагретый поток 38 окислителя под давлением приблизительно 304 бара (30,4 МПа) и с температурой приблизительно 707°С.
Первый отведенный поток 32 при температуре приблизительно 110°С отбирается от нагревающегося рециркуляционного потока СО2 высокого давления и нагревается приблизительно до 154°С (поток 31 на фиг. 2) в дополнительном теплообменнике 13 от потока теплопередачи (поступающего в 5 дополнительный теплообменник как поток 30 и выходящий из него как поток 29), отводящего тепло сжатия от воздушного компрессора установки 14 криогенного разделения воздуха. Блок разделения воздуха обеспечен подачей 40 атмосферного воздуха и потоком 41 отвода побочного азота, выпускаемого в атмосферу.
10 Второй отведенный поток 61 при температуре приблизительно 400°С
отбирается от нагревающегося рециркуляционного потока СО2 высокого давления и используется в турбине 2 для внутреннего охлаждения.
Сжатый СО2 поток 23 при давлении 63,5 бара (6,35 МПа) и температуре 51°С охлаждается в теплообменнике 46 холодной водой, обеспечивая поток 47
15 при температуре приблизительно 17,5°С с плотностью приблизительно 820 кг/м , перекачиваемый многоступенчатым центробежным насосом с увеличением давления приблизительно до 305 бар (30,5 МПа). Выходной поток насоса разделяется на две части.
Рециркуляционный СО2 поток 25 высокого давления, как часть выходного
20 потока насоса, пропускается через теплообменник-экономайзер 15 и действует как поток, от которого отбираются первый и второй отведенные потоки (как описано выше).
Поток 24 как часть выходного потока насоса содержит поток чистого СО2 продукта, получаемого из углерода, содержащегося в природном газе.
25 Предпочтительно поток 24 может включать избыточное содержание СО2,
используемое для охлаждения. Избыточное содержание СО2 может составлять вплоть до 50 мас.%, вплоть до 40 мас.% или вплоть до 30 мас.% рециркуляционного СО2. В некоторых вариантах выполнения избыточное содержание СО2 может составлять приблизительно от 5 до 45 мас.%,
30 приблизительно от 10 до 40 мас.% или приблизительно от 15 до 35 мас.% рециркуляционного СО2.
СО2 поток 24 высокого давления охлаждается до температуры, близкой к окружающей, в водяном охладителе 50 и разделяется на две части. Высокое давление в потоке 57 СОг фракции снижается в вентиле 58 приблизительно до 8,2 бара (0,82 МПа) с формированием охлаждающего СО2 потока 56, 5 представляющего собой двухфазную смесь с температурой приблизительно -4 °С. Охлаждающий СО2 поток 56 пропускается через теплообменник 10, в котором он испаряется и нагревается до температуры, близкой к окружающей, выходя в виде СО2 потока 33.
Содержащий чистый СО2 продукт поток 62 высокого давления
10 направляется непосредственно в теплообменник 10, где он охлаждается
охлаждающим СО2 потоком 56 до температуры приблизительно -38°С, выходя в виде содержащего чистый СО2 продукт охлажденного потока 51. Этот поток затем проходит через небольшой ребойлер 52 в основании отгонной колонны 53, выходя из него как поток 55. Давление в этом потоке снижается приблизительно
15 до 10 бар (1 МПа) в вентиле 48, что формирует двухфазный поток 35 чистого СОг продукта, который затем пропускается через сепаратор 9.
Дистиллятный паровой поток 49, выходящий сверху сепаратора 9, заключает в себе приблизительно 4 мас.% расхода в двухфазном потоке 35 чистого СО2 продукта и формируется приблизительно на 30 мас.% из СО2 и
20 приблизительно на 70 мас.% из комбинации О2 и аргона. Давление в
дистиллятном паровом потоке 49 понижается в вентиле 60, и затем этот поток выпускается в атмосферу (поток 59 на фиг. 2). Опционно поток 59 может быть в теплообменнике 10 нагрет до температуры, близкой к окружающей, обеспечивая дополнительное охлаждение, и затем дополнительно нагрет до температуры,
25 превышающей окружающую, чтобы сформировать восходящий выпускной поток.
Поток 36 жидкого СО2, выходящий из сепаратора 9 под давлением приблизительно 10 бар (1 МПа), содержит приблизительно 96 мас.% расхода в двухфазном потоке 35 чистого СО2 продукта. Поток 36 поступает к верху 30 отгонной колонны 53.
Снизу отгонной колонны 53 выходит содержащий жидкий СО2 продукт поток 54 низкого давления, включающий чистый СО2, полученный из углерода, содержащегося в первичном топливе, подаваемом в энергетическую систему. В представленном варианте выполнения поток 54 содержит кислорода ниже 10 5 ррт.
Давление выходящего сверху отгонной колонны 53 потока 63 продукта в вентиле 64 понижается приблизительно до 8 бар (0,8 МПа), и этот поток добавляется к СО2 потоку 33. Объединенные потоки 33 и 63 сжимаются в компрессоре 34 приблизительно до 28,5 бара (2,85 МПа). Выходной поток 21,
10 сжатый в СО2 компрессоре 34, смешивается с основной частью отгонного потока 22 газообразного СО2 и повторно сжимается приблизительно до 305 бар (30,5 МПа) в СО2 компрессоре 4 и насосе 8.
В представленном выше примере конкретные значения (например, температуры, давления и относительных величин) введены для пояснения
15 рабочих режимов в иллюстративных вариантах выполнения настоящего
изобретения. Эти значения не предназначены для ограничения изобретения, и нужно понимать, что они могут изменяться в определенных диапазонах, тем или иным образом раскрытых в данном описании, охватывая дополнительные рабочие варианты выполнения в свете общего представленного описания.
20 Многие модификации и другие варианты осуществления раскрытой
сущности настоящего изобретения могут придти на ум специалисту в данной области, которому приведенная сущность изобретения предоставляет преимущество, заключающееся в идеях, заложенных в вышеприведенное описание и сопровождающие чертежи. Поэтому должно быть понятно, что
25 настоящее изобретение не ограничено конкретными приведенными частными вариантами и модификациями, и в объем изобретения, определяемый приложенной формулой изобретения, должны быть включены другие варианты выполнения. Хотя в данном описании использованы специфические термины, они используются исключительно в общепринятом и описательном смысле, а не
30 в целях внесения ограничений.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ выработки потока жидкого диоксида углерода (СО2) низкого
давления, включающий:
5 сжигание углеродного или углеводородного топлива с кислородом в камере
сгорания в присутствии потока рециркуляционного СО2, находящегося под
давлением приблизительно 100 бар (10 МПа) или более и при температуре
приблизительно 400°С или более, и образование выходного потока камеры
сгорания, содержащего СО2;
10 расширение выходного потока камеры сгорания в турбине для генерации
мощности и формирование содержащего СО2 выхлопного потока турбины под давлением приблизительно 50 бар (5 МПа) или менее;
охлаждение выхлопного потока турбины в первом теплообменнике с
формированием охлажденного выхлопного потока турбины;
15 перекачку насосом СО2, содержащегося в охлажденном выхлопном потоке
турбины, с подъемом давления приблизительно до 100 бар (10 МПа) или более для формирования потока СО2 высокого давления;
разделение потока СО2 высокого давления на основную часть и
охлаждающую часть;
20 расширение охлаждающей части потока СО2 высокого давления для
понижения ее температуры приблизительно до -20°С или менее;
охлаждение основной части потока СО2 высокого давления до температуры приблизительно 5°С или менее расширенной охлаждающей частью потока СО2 высокого давления при пропускании основной части потока СО2 высокого 25 давления через второй теплообменник;
расширение охлажденной основной части потока СО2 высокого давления до давления, составляющего приблизительно 30 бар (3 МПа) или менее, но превышающего давление в тройной точке диаграммы состояния для СО2, так чтобы сформировать поток жидкого СО2 низкого давления.
2. Способ по п. 1, в котором давление выходного потока камеры сгорания составляет приблизительно от 200 бар (20 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа).
5 3. Способ по п. 1, в котором температура выходного потока камеры
сгорания составляет приблизительно от 800°С до приблизительно 1600°С.
4. Способ по п. 1, в котором давление содержащего СОг выхлопного потока турбины составляет приблизительно от 20 бар (2 МПа) до приблизительно
10 40 бар (4 МПа).
5. Способ по п. 1, в котором поток турбинных выхлопов охлаждают в теплообменнике до температуры приблизительно 80°С или менее.
15 6. Способ по п. 5, в котором пропускают охлажденный содержащий СО2
выхлопной поток турбины через один или несколько сепараторов для отделения от него по меньшей мере воды.
7. Способ по п. 1, в котором осуществляют нагревание кислорода и/или
20 потока рециркуляционного СО2 в теплообменнике выхлопным потоком турбины.
8. Способ по п. 1, в котором давление в потоке СО2 высокого давления составляет приблизительно от 200 бар (20 МПа) до приблизительно 400 бар (40 МПа).
9. Способ по п. 1, в котором основную часть потока СО2 высокого давления охлаждают до температуры приблизительно от -55°С до приблизительно 0°С.
10. Способ по п. 1, в котором после охлаждения основной части потока СО2 30 высокого давления, но перед ее расширением, пропускают ее через ребойлер.
11. Способ по п. 10, в котором ребойлер размещен в отгонной колонне.
10.
12. Способ по п. 1, в котором пропускают поток жидкого СОг низкого давления через сепаратор, выполненный с возможностью отделения от него парового потока.
13. Способ по п. 12, в котором паровой поток содержит до 8 мас.% от потока жидкого СО2 низкого давления, пропускаемого через сепаратор.
14. Способ по п. 12, в котором паровой поток содержит приблизительно от 10 1 мас.% до приблизительно 75 мас.% СО2 и приблизительно от 25 мас.% до
приблизительно 99 мас.% одного или нескольких элементов из группы, включающей N2, О2 и аргон.
15. Способ по п. 12, в котором направляют остальную часть потока жидкого 15 СО2 низкого давления в отгонную колонну.
16. Способ по п. 15, в котором поток жидкого СО2 низкого давления, выходящий из отгонной колонны, содержит кислорода в концентрации не более 25 ррт.
17. Способ по п. 15, в котором осуществляют перекачку насосом потока СО2 низкого давления с повышением давления по меньшей мере приблизительно до 100 бар (10 МПа).
25 18. Способ по п. 17, в котором осуществляют подачу перекачанного
насосом потока жидкого СО2 в магистраль СО2.
19. Способ по п. 1, в котором осуществляют смешивание дистиллятного пара из отгонной колонны с охлаждающей частью потока СО2 высокого 30 давления, выходящей из второго теплообменника.
20. Способ по п. 19, в котором добавляют полученную смесь к охлажденному потоку турбинных выхлопов.
21. Система, обеспечивающая выработку потока жидкого диоксида углерода (СОг) низкого давления, содержащая:
делитель, выполненный с возможностью разделения потока СО2 высокого давления на первую часть и вторую часть;
первое устройство расширения, выполненное с возможностью расширения и охлаждения первой части потока СО2 высокого давления;
теплообменник, предназначенный для охлаждения второй части потока СО2 высокого давления охлажденной первой частью потока СО2 высокого давления, выходящей из устройства расширения; и
второе устройство расширения, выполненное с возможностью расширения охлажденной второй части потока СО2 высокого давления, так чтобы сформировать поток жидкого СО2 низкого давления.
22. Система по п. 21, в которой первое устройство расширения выполнено с возможностью охлаждения первой части СО2 потока высокого давления до температуры приблизительно -20°С или менее.
23. Система по п. 21, в которой теплообменник выполнен с возможностью охлаждения второй части СО2 потока высокого давления до температуры приблизительно 5°С или менее.
24. Система по п. 21, в которой второе устройство расширения выполнено с возможностью расширения охлажденной второй части потока СО2 высокого давления до давления, составляющего приблизительно 30 бар (3 МПа) или менее, но превышающего давление в тройной точке диаграммы состояния для С02.
25. Система по п. 21, содержащая объединенные отгонную колонну и ребойлер.
22.
26. Система по п. 25, в которой отгонная колонна находится последовательно ниже по потоку от второго устройства расширения, и в которой ребойлер находится последовательно ниже по потоку от теплообменника и
5 последовательно выше по потоку от второго устройства расширения.
27. Система по п. 26, содержащая парожидкостной сепаратор, установленный ниже по потоку от второго устройства расширения и выше по потоку от отгонной колонны.
28. Система по п. 21, содержащая компрессор, выполненный с возможностью приема первой части потока СОг высокого давления из теплообменника.
15 29. Система по п. 21, содержащая:
камеру сгорания, выполненную с возможностью сжигания углеродного или углеводородного топлива с кислородом в присутствии потока рециркуляционного СО2, находящегося под давлением приблизительно 100 бар (10 МПа) или выше и при температуре приблизительно 400°С или выше, и 20 формирования выходного потока камеры сгорания, содержащего СО2;
турбину, выполненную с возможностью расширения выходного потока камеры сгорания для генерации мощности и формирования выхлопного потока турбины, содержащего СОг;
дополнительный теплообменник, выполненный с возможностью 25 охлаждения выхлопного потока турбины; и
насос, выполненный с возможностью перекачки СО2, содержащегося в охлажденном выхлопном потоке турбины, для формирования потока СО2 высокого давления.
1/2
2/2
- 4 -
- 3 -
-11 -
- 10 -
- 13 -
- 13 -
- 15 -
-16 -
- 18 -
- 18 -
-31 -
- 30 -
- 33 -
- 33 -
|
