[RU]

1. Способ производства энергии, в котором пропускают поток, содержащий CO ₂ , выходящий из основной камеры сгорания, через турбину для его расширения и производства энергии с образованием потока отходящих газов турбины, содержащего CO ₂ ; охлаждают поток отходящих газов турбины, содержащий CO ₂ , в теплообменнике с формированием потока охлажденных отходящих газов турбины; повышают давление CO ₂ в потоке охлажденных отходящих газов турбины с образованием потока, содержащего сжатый CO ₂ ; нагревают поток, содержащий сжатый CO ₂ , в теплообменнике; дополнительно нагревают поток, содержащий сжатый CO ₂ , в солнечном нагревателе; подают поток, содержащий сжатый CO ₂ , после нагрева в солнечном нагревателе в основную камеру сгорания и осуществляют сжигание углеродсодержащего топлива в основной камере сгорания в присутствии кислорода и потока, содержащего сжатый CO ₂ и нагретого с использованием солнечного тепла, с получением потока, содержащего CO ₂ и один или несколько продуктов горения, подаваемого через турбину, причем количество углеродсодержащего топлива и кислорода, подаваемое в основную камеру сгорания, регулируют таким образом, что количество тепла, выделяющегося в основной камере сгорания, обратно пропорционально количеству тепла, получаемого от солнечного нагревателя для нагрева проходящего через него потока, содержащего сжатый CO ₂ .

2. Способ по п.1, в котором поток, содержащий CO ₂ , подают в турбину при температуре 500°С или выше.

3. Способ по п.1, в котором отношение давления потока, содержащего CO ₂ , на входе турбины к давлению потока отходящих газов турбины, содержащего CO ₂ , не превышает примерно 12.

4. Способ по п.1, в котором для повышения давления потока, содержащего CO ₂ , пропускают его через несколько стадий повышения давления.

5. Способ по п.4, в котором охлаждают поток, содержащий CO ₂ , между двумя стадиями повышения давления.

6. Способ по п.1, в котором часть потока, содержащего сжатый CO ₂ , нагревают с использованием дополнительного тепла после стадии повышения давления перед стадией нагрева с использованием солнечного нагревателя.

7. Способ по п.6, в котором дополнительное тепло включает тепло, выделяющееся в процессе сжатия в установке разделения воздуха.

8. Способ по п.1, в котором пропускают поток сжатого CO ₂ , нагретого с использованием солнечного тепла, который выходит из солнечного нагревателя, через нагреватель, в котором используется тепло сжигаемого топлива, перед подачей этого потока в основную камеру сгорания.

9. Способ по п.8, в котором осуществляют очистку в сепараторе потока охлажденных отходящих газов турбины, выходящих из теплообменника, путем отделения одного или нескольких продуктов горения от CO ₂ .

10. Способ по п.8, в котором углеродсодержащее топливо представляет собой жидкость или газ.

11. Способ по п.8, в котором в качестве топлива используют поток продуктов, полученных в процессе частичного окисления.

12. Способ по п.11, в котором сжигают твердое топливо в присутствии O ₂ и CO ₂ в камере сгорания в условиях частичного окисления, причем твердое топливо, O ₂ и CO ₂ обеспечивают в таком соотношении, что твердое топливо окисляется только частично, формируя поток продуктов, содержащий негорючий компонент, CO ₂ и один или несколько компонентов из группы, включающей Н ₂ , CO, CH ₄ , H ₂ S и NH ₃ .

13. Способ по п.12, в котором твердое топливо, О ₂ и CO ₂ обеспечивают в таком соотношении, что температура потока продуктов, полученных в процессе частичного окисления, достаточно низка, чтобы все негорючие компоненты в потоке находились в форме твердых частиц.

14. Способ по п.12, в котором пропускают поток продуктов, полученных в процессе частичного окисления, через один или несколько фильтров.

15. Способ по п.9, в котором в качестве твердого топлива используют уголь, лигнит, биомассу или нефтяной кокс.

16. Способ по п.15, в котором твердое топливо имеет форму зернистого материала, который суспендировали в CO ₂ .

17. Способ по п.1, в котором количество тепла, которое может быть получено из солнечного нагревателя, изменяется больше чем на 10% в течение одного цикла работы солнечного нагревателя.

18. Способ по п.17, в котором количества углеродсодержащего топлива и кислорода, подаваемых в камеру сгорания, регулируют таким образом, чтобы температура потока, содержащего CO ₂ , который поступает в турбину, изменялась в одном цикле работы солнечного нагревателя не более чем на 10%.

19. Способ по п.1, в котором солнечный нагреватель нагревают потоком, содержащим CO ₂ .

20. Способ по п.1, в котором обеспечивают производство энергии с суммарным КПД по меньшей мере 60% для низшей теплотворной способности топлива.

21. Способ по п.1, в котором поток, содержащий CO ₂ , подают в турбину под давлением 150 бар (15 МПа) или выше.

22. Способ по п.1, в котором осуществляют разделение потока, содержащего сжатый CO ₂ и выходящего из теплообменника, перед нагревом в солнечном нагревателе, так что первую часть потока, содержащего сжатый CO ₂ , направляют на подогрев в солнечном нагревателе, а вторую часть потока, содержащего сжатый CO ₂ , подают в основную камеру сгорания без предварительного нагрева солнечным нагревателем.

23. Способ по п.1, в котором посредством солнечного нагревателя нагревают поток, содержащий CO ₂ , до температуры примерно 500°С или выше.

24. Система производства энергии для осуществления способа по любому из пп.1-23, содержащая установку разделения воздуха; солнечный нагреватель; основную камеру сгорания, сообщающуюся с солнечным нагревателем и в которую обеспечивается подача потока топлива и потока кислорода; турбину для производства энергии, сообщающуюся с основной камерой сгорания; теплообменник, сообщающийся с турбиной для производства энергии и солнечным нагревателем; по меньшей мере один компрессор, сообщающийся с теплообменником; клапан управления потоком, установленный по потоку ниже выпуска горячего теплоносителя теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие клапана сообщается с основной камерой сгорания, второе выпускное отверстие клапана сообщается с солнечным нагревателем, и клапан приспособлен для переключения потока между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания; и один или более регулирующих элементов, обеспечивающих контроль доступного тепла от солнечного нагревателя; регулирование исходя из доступного количества тепла от солнечного нагревателя потока топлива и потока кислорода и регулирование открытия и закрытия клапана управления потоком.

25. Система по п.24, дополнительно содержащая нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, установленный между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания и сообщающийся с ними.

26. Система по п.24, дополнительно содержащая сепаратор, установленный между солнечным нагревателем и указанным по меньшей мере одним компрессором и сообщающийся с ними.

27. Система по п.24, в которой установка разделения воздуха представляет собой криогенную установку, содержащую основной компрессор адиабатического сжатия и вспомогательный компрессор.

28. Система по п.24, в которой теплообменник содержит два или более теплообменных блока, соединенных последовательно.

29. Система по п.24, дополнительно содержащая также камеру сгорания для осуществления частичного окисления, выпускное отверстие которой сообщается с впускным отверстием основной камеры сгорания.

30. Система по п.29, дополнительно содержащая фильтр, установленный между выпускным отверстием камеры сгорания для осуществления частичного окисления и впускным отверстием основной камеры сгорания и сообщающийся с ними.

31. Система по п.29, дополнительно содержащая разветвитель, установленный ниже по потоку выпуска горячего теплоносителя теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие разветвителя сообщается с камерой сгорания для осуществления частичного окисления, а второе выпускное отверстие разветвителя сообщается с солнечным нагревателем.

32. Система по п.24, дополнительно содержащая разветвитель, установленный по потоку ниже выпуска горячего теплоносителя теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие разветвителя сообщается с основной камерой сгорания, а второе выпускное отверстие разветвителя сообщается с солнечным нагревателем.

(57) Реферат / Формула:

1. Способ производства энергии, в котором пропускают поток, содержащий CO ₂ , выходящий из основной камеры сгорания, через турбину для его расширения и производства энергии с образованием потока отходящих газов турбины, содержащего CO ₂ ; охлаждают поток отходящих газов турбины, содержащий CO ₂ , в теплообменнике с формированием потока охлажденных отходящих газов турбины; повышают давление CO ₂ в потоке охлажденных отходящих газов турбины с образованием потока, содержащего сжатый CO ₂ ; нагревают поток, содержащий сжатый CO ₂ , в теплообменнике; дополнительно нагревают поток, содержащий сжатый CO ₂ , в солнечном нагревателе; подают поток, содержащий сжатый CO ₂ , после нагрева в солнечном нагревателе в основную камеру сгорания и осуществляют сжигание углеродсодержащего топлива в основной камере сгорания в присутствии кислорода и потока, содержащего сжатый CO ₂ и нагретого с использованием солнечного тепла, с получением потока, содержащего CO ₂ и один или несколько продуктов горения, подаваемого через турбину, причем количество углеродсодержащего топлива и кислорода, подаваемое в основную камеру сгорания, регулируют таким образом, что количество тепла, выделяющегося в основной камере сгорания, обратно пропорционально количеству тепла, получаемого от солнечного нагревателя для нагрева проходящего через него потока, содержащего сжатый CO ₂ .

2. Способ по п.1, в котором поток, содержащий CO ₂ , подают в турбину при температуре 500°С или выше.

3. Способ по п.1, в котором отношение давления потока, содержащего CO ₂ , на входе турбины к давлению потока отходящих газов турбины, содержащего CO ₂ , не превышает примерно 12.

4. Способ по п.1, в котором для повышения давления потока, содержащего CO ₂ , пропускают его через несколько стадий повышения давления.

5. Способ по п.4, в котором охлаждают поток, содержащий CO ₂ , между двумя стадиями повышения давления.

6. Способ по п.1, в котором часть потока, содержащего сжатый CO ₂ , нагревают с использованием дополнительного тепла после стадии повышения давления перед стадией нагрева с использованием солнечного нагревателя.

7. Способ по п.6, в котором дополнительное тепло включает тепло, выделяющееся в процессе сжатия в установке разделения воздуха.

8. Способ по п.1, в котором пропускают поток сжатого CO ₂ , нагретого с использованием солнечного тепла, который выходит из солнечного нагревателя, через нагреватель, в котором используется тепло сжигаемого топлива, перед подачей этого потока в основную камеру сгорания.

9. Способ по п.8, в котором осуществляют очистку в сепараторе потока охлажденных отходящих газов турбины, выходящих из теплообменника, путем отделения одного или нескольких продуктов горения от CO ₂ .

10. Способ по п.8, в котором углеродсодержащее топливо представляет собой жидкость или газ.

11. Способ по п.8, в котором в качестве топлива используют поток продуктов, полученных в процессе частичного окисления.

12. Способ по п.11, в котором сжигают твердое топливо в присутствии O ₂ и CO ₂ в камере сгорания в условиях частичного окисления, причем твердое топливо, O ₂ и CO ₂ обеспечивают в таком соотношении, что твердое топливо окисляется только частично, формируя поток продуктов, содержащий негорючий компонент, CO ₂ и один или несколько компонентов из группы, включающей Н ₂ , CO, CH ₄ , H ₂ S и NH ₃ .

13. Способ по п.12, в котором твердое топливо, О ₂ и CO ₂ обеспечивают в таком соотношении, что температура потока продуктов, полученных в процессе частичного окисления, достаточно низка, чтобы все негорючие компоненты в потоке находились в форме твердых частиц.

14. Способ по п.12, в котором пропускают поток продуктов, полученных в процессе частичного окисления, через один или несколько фильтров.

15. Способ по п.9, в котором в качестве твердого топлива используют уголь, лигнит, биомассу или нефтяной кокс.

16. Способ по п.15, в котором твердое топливо имеет форму зернистого материала, который суспендировали в CO ₂ .

17. Способ по п.1, в котором количество тепла, которое может быть получено из солнечного нагревателя, изменяется больше чем на 10% в течение одного цикла работы солнечного нагревателя.

18. Способ по п.17, в котором количества углеродсодержащего топлива и кислорода, подаваемых в камеру сгорания, регулируют таким образом, чтобы температура потока, содержащего CO ₂ , который поступает в турбину, изменялась в одном цикле работы солнечного нагревателя не более чем на 10%.

19. Способ по п.1, в котором солнечный нагреватель нагревают потоком, содержащим CO ₂ .

20. Способ по п.1, в котором обеспечивают производство энергии с суммарным КПД по меньшей мере 60% для низшей теплотворной способности топлива.

21. Способ по п.1, в котором поток, содержащий CO ₂ , подают в турбину под давлением 150 бар (15 МПа) или выше.

22. Способ по п.1, в котором осуществляют разделение потока, содержащего сжатый CO ₂ и выходящего из теплообменника, перед нагревом в солнечном нагревателе, так что первую часть потока, содержащего сжатый CO ₂ , направляют на подогрев в солнечном нагревателе, а вторую часть потока, содержащего сжатый CO ₂ , подают в основную камеру сгорания без предварительного нагрева солнечным нагревателем.

23. Способ по п.1, в котором посредством солнечного нагревателя нагревают поток, содержащий CO ₂ , до температуры примерно 500°С или выше.

24. Система производства энергии для осуществления способа по любому из пп.1-23, содержащая установку разделения воздуха; солнечный нагреватель; основную камеру сгорания, сообщающуюся с солнечным нагревателем и в которую обеспечивается подача потока топлива и потока кислорода; турбину для производства энергии, сообщающуюся с основной камерой сгорания; теплообменник, сообщающийся с турбиной для производства энергии и солнечным нагревателем; по меньшей мере один компрессор, сообщающийся с теплообменником; клапан управления потоком, установленный по потоку ниже выпуска горячего теплоносителя теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие клапана сообщается с основной камерой сгорания, второе выпускное отверстие клапана сообщается с солнечным нагревателем, и клапан приспособлен для переключения потока между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания; и один или более регулирующих элементов, обеспечивающих контроль доступного тепла от солнечного нагревателя; регулирование исходя из доступного количества тепла от солнечного нагревателя потока топлива и потока кислорода и регулирование открытия и закрытия клапана управления потоком.

25. Система по п.24, дополнительно содержащая нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, установленный между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания и сообщающийся с ними.

26. Система по п.24, дополнительно содержащая сепаратор, установленный между солнечным нагревателем и указанным по меньшей мере одним компрессором и сообщающийся с ними.

27. Система по п.24, в которой установка разделения воздуха представляет собой криогенную установку, содержащую основной компрессор адиабатического сжатия и вспомогательный компрессор.

28. Система по п.24, в которой теплообменник содержит два или более теплообменных блока, соединенных последовательно.

29. Система по п.24, дополнительно содержащая также камеру сгорания для осуществления частичного окисления, выпускное отверстие которой сообщается с впускным отверстием основной камеры сгорания.

30. Система по п.29, дополнительно содержащая фильтр, установленный между выпускным отверстием камеры сгорания для осуществления частичного окисления и впускным отверстием основной камеры сгорания и сообщающийся с ними.

31. Система по п.29, дополнительно содержащая разветвитель, установленный ниже по потоку выпуска горячего теплоносителя теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие разветвителя сообщается с камерой сгорания для осуществления частичного окисления, а второе выпускное отверстие разветвителя сообщается с солнечным нагревателем.

32. Система по п.24, дополнительно содержащая разветвитель, установленный по потоку ниже выпуска горячего теплоносителя теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие разветвителя сообщается с основной камерой сгорания, а второе выпускное отверстие разветвителя сообщается с солнечным нагревателем.

---

Евразийское 032245 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2019.04.30
(21) Номер заявки 201400564
(22) Дата подачи заявки
2012.11.09
(51) Int. Cl. F03G 6/06 (2006.01)
(54) СПОСОБ И КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ,
РАБОТАЮЩАЯ НА ИСКОПАЕМОМ ТОПЛИВЕ И НА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
(31) 61/558,907; 61/596,203; 13/672,312
(32) 2011.11.11; 2012.02.07; 2012.11.08
(33) US
(43) 2014.11.28
(86) PCT/US2012/064397
(87) WO 2013/071069 2013.05.16
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ПАЛМЕР ЛЭБС, ЛЛК; 8 РИВЕРЗ
КЭПИТЛ, ЛЛК (US)
(72) Изобретатель:
Палмер Майлз Р., Фетведт Джереми Эрон, Фрид Дейвид Артур, Браун Джр. Гленн Уилльям (US)
(74) Представитель:
Веселицкая И.А., Кузенкова Н.В., Веселицкий М.Б., Каксис Р.А., Белоусов Ю.В., Куликов А.В., Кузнецова Е.В. (RU)
(56) US-A1-2011127773 US-A1-2011233940 US-A1-2011239651 WO-A1-9512757
(57) В заявке описываются комбинированная система производства энергии, в которой производство энергии путем сжигания топлива интегрируется с нагревом, использующим солнечную энергию, и соответствующий способ. В частности, КПД системы сжигания топлива с замкнутым циклом, в которой используется рабочая среда, содержащая диоксид углерода, может быть повышен путем пропускания по меньшей мере части этой рабочей среды через солнечный нагреватель перед ее подачей в камеру сгорания.
Область техники
Настоящее изобретение относится к комбинированию системы нагрева с использованием солнечной энергии с системой производства энергии на ископаемом топливе. Более конкретно, комбинированная система использует солнечное тепло для дополнительного нагрева потока рециклируемого CO2, нагреваемого в системе производства энергии, в результате чего может быть повышена эффективность работы системы.
Уровень техники
Системы концентрирования солнечной энергии (КСЭ или CSP - от англ. Concentrated Solar Power) обычно устроены таким образом, что они концентрируют солнечную энергию, получаемую с большой площади (например, с поля гелиостатов), в сравнительно небольшой приемник, в котором концентрированная солнечная энергия превращается в высокотемпературное тепло. Затем тепло может быть использовано в традиционных средствах производства электричества, например тепло может использоваться для получения водяного пара, который подается в турбину, соединенную с электрическим генератором. Такие системы КСЭ имеют ряд недостатков. Например, многие существующие системы КСЭ могут производить количество энергии, близкое к максимальному, при наиболее благоприятных условиях солнечной радиации, которые ограничиваются определенным количеством часов светового дня и местными климатическими условиями. Таким образом, существующие системы КСЭ производят энергию только часть времени, в течение которого необходима энергия. Далее, поскольку системы КСЭ обычно действуют только в качестве источника тепла для комбинированного термодинамического цикла производства энергии (например, парового цикла), величины КПД систем КСЭ могут существенно ограничиваться используемым термодинамическим циклом. Эти ограничения приводят к тому, что электрическая энергия, производимая известными системами КСЭ, лишь ограниченно подается в электрические сети, и ее стоимость превышает стоимость электричества, производимого традиционными системами, в которых в качестве источника тепла используется сжигаемое ископаемое топливо.
КПД системы КСЭ обычно зависит от температуры. По мере того как температура, получаемая в результате концентрирования солнечной энергии, увеличивается, используются разные формы преобразования энергии. Например, при температурах, не превышающих примерно 600°С, обычно используются паровые турбины, и величины КПД в этом случае не превышают примерно 40%. При температурах выше 600°С могут использоваться газовые турбины, и КПД в этом случае повышается на несколько процентов. При более высоких температурах возникают проблемы, связанные с необходимостью использования других материалов и других технологий. В одном из технических решений для очень высоких температур предлагается использовать жидкие фториды, работающие в диапазоне температур от примерно 700°С до примерно 800°С, вместе с многоступенчатыми турбинами, которые, по некоторым сообщениям, обеспечивают тепловой КПД порядка 50%. Более высокие рабочие температуры считаются предпочтительными, поскольку они позволяют использовать на энергетических станциях высокотемпературные сухие теплообменники для теплового выхлопа, и в этом случае снижается расход воды, что может быть важным фактором в зонах, в которых целесообразно использовать большие солнечные установки, например в пустынях.
Несмотря на многообещающие перспективы высокотемпературных систем попытки осуществления систем КСЭ оказались успешными лишь частично и не обеспечили необходимую экономичность, которая могла бы способствовать широкому распространению систем КСЭ в производстве электроэнергии. Даже попытки преодоления основного недостатка систем КСЭ, производство энергии в интервалах низкого уровня солнечной радиации, не смогли сделать эту технологию коммерчески жизнеспособной. Например, технологии аккумулирования энергии могут расширить временные интервалы производства энергии в этих системах, однако возможности таких средств (например, паровых аккумуляторов) довольно ограничены, и при этом возникают проблемы экономического и/или технологического характера (например, осуществление резервуаров с расплавами солей). В других решениях пробовали в качестве вспомогательного источника тепла для нагрева рабочей текучей среды, используемой в солнечном нагревателе, использовать природный газ (см., например, патент US 6739136). Однако такие известные вспомогательные нагревательные системы пока не смогли преодолеть вышеупомянутую ограниченную эффективность основного процесса преобразования солнечной тепловой энергии в электрическую. Соответственно в технике по-прежнему существует потребность в экономичной системе с высоким КПД и в соответствующем способе использования солнечного тепла в производстве электроэнергии. Более конкретно, по-прежнему существует потребность в таких системах и способах, которые обеспечивают электроэнергию, подходящую для непрерывной подачи в электрическую сеть.
Сущность изобретения
В настоящем изобретение предлагается комбинирование систем, которое может повышать КПД и снижать расходы в обеих системах. Более конкретно, в изобретении предлагаются комбинирование системы производства энергии с системой нагрева, использующей солнечную энергию, и соответствующий способ. В частности, комбинированная система и способ могут повысить КПД цикла сжигания топлива в системе производства энергии путем использования системы солнечного нагрева в качестве дополнительного или заменяющего источника тепла для цикла производства энергии. Комбинированная система
и способ могут обеспечить повышенный КПД по сравнению с КПД этого же цикла производства энергии для случая, когда нагрев, обеспечиваемый системой солнечного тепла, не используется. В этом случае комбинированная система и способ могут содержать нагреватели, которые могут работать независимо друг от друга, могут работать поочередно (с определенным периодом) или же они могут работать одновременно для нагрева рабочей среды, которая может циркулировать в системе, в которой она нагревается, расширяется для производства энергии, охлаждается, дополнительно очищается (необязательная стадия), сжимается и снова нагревается.
В комбинированных системах и способах по настоящему изобретению могут использоваться любые системы производства энергии и соответствующие способы, в которых предусматривается использование рециркулируемой рабочей среды и которые могут быть скомбинированы с системой солнечного нагрева для обеспечения по меньшей мере части тепла, используемого в системе производства энергии. Системы и способы производства энергии, использующие преимущественно CO2 в замкнутом цикле сжигания топлива, описаны в патенте US № 2011/0179799, полное содержание которого вводится здесь ссылкой, и различные варианты, компоненты или условия систем производства энергии и способов, раскрытые в указанном патенте, могут быть введены в системы производства энергии и способы по настоящему изобретению. В цикле сжигания топлива может использоваться турбина с высокой степенью сжатия, в которой происходит расширение продуктов горения, образующихся при сжигании топлива в кислороде в присутствии рабочей текучей среды на основе CO2 (которую обычно рециркулируют, по меньшей мере, частично в замкнутой системе). В различных вариантах рециркуляция CO2 может использоваться в производстве энергии при сжигании топлива, такого как природный газ, уголь или другие угле-родсодержащие материалы. Горячие отходящие газы турбины могут использоваться, по меньшей мере, для частичного предварительного нагрева потока рециркулируемой рабочей среды на основе CO2 в теплообменнике, использующем тепло отходящих газов. Поток рециркулируемой рабочей текучей среды на основе CO2 может быть также нагрет с использованием вспомогательного источника тепла, такого как тепло, выделяющееся в процессе сжатия в установке для получения кислорода, которая используется для обеспечения кислорода, необходимого для сжигания топлива. Загрязняющие вещества, находящиеся в топливе и в продуктах горения (например, соединения серы, CO2, H2O, зола, Hg и т.п.), могут быть отделены для обезвреживания или захоронения, так что не будет никаких выбросов в атмосферу. В системе может формироваться поток рециркулируемого CO2 высокого давления (то есть рециркуляция CO2 как рабочей среды) и поток товарного CO2 высокого давления (то есть избыточный CO2, который не возвращается обратно в камеру сгорания и который может быть выделен для использования, например, в усовершенствованных способах нефтедобычи, или же он может транспортироваться для захоронения). Это может быть достигнуто путем сжатия потока охлажденных отходящих газов турбины, выходящего из теплообменника, использующего тепло отходящих газов, в многоступенчатой компрессионной системе.
Настоящее изобретение обеспечивает возможность комбинирования системы производства энергии замкнутого цикла с системой КСЭ (или другой системой солнечного нагрева) для получения высокоэффективной системы производства энергии, в которой может осуществляться переключение между камерой сгорания и солнечным концентратором для нагрева рециркулируемой рабочей среды, или для этой цели может одновременно использоваться тепло, выделяющееся при сжигании топлива, и солнечное тепло. Такое комбинирование может повысить КПД, например, способа производства энергии с замкнутым циклом CO2, с полным улавливанием CO2, до 50% и более, до 55% и более, до 60% и более, до 65% и более или до 70% и более.
В некоторых вариантах настоящего изобретения предлагаются способы производства энергии. Например, способ производства энергии может включать сжигание углеродсодержащего топлива в основной камере сгорания в присутствии кислорода и CO2 в форме потока рециркулируемого CO2 с получением объединенного потока продуктов горения. Способ также может включать пропускание объединенного потока продуктов горения через турбину для производства энергии с формированием потока отходящих газов турбины, содержащего сверхкритический CO2; пропускание потока отходящих газов турбины, содержащего сверхкритический CO2, через теплообменник для преобразования сверхкритического CO2 в поток, содержащий газообразный CO2; очистку потока газообразного CO2 (необязательная стадия); повышение давления потока CO2 для формирования потока рециркулируемого CO2; пропускание потока рециркулируемого CO2 снова через теплообменник для формирования потока подогретого рециркули-руемого CO2; пропускание потока подогретого рециркулируемого CO2 через солнечный нагреватель и подачу потока рециркулируемого CO2 в камеру сгорания. Способ может включать пропускание потока подогретого рециркулируемого CO2 через клапан управления потоком, в котором поток подогретого ре-циркулируемого CO2 может быть разделен на первую часть, подаваемую в камеру сгорания, и вторую часть, пропускаемую через солнечный нагреватель, или же поток подогретого рециркулируемого CO2 может поочередно подаваться в камеру сгорания или пропускаться через солнечный нагреватель. Кроме того, в некоторых вариантах способ может включать пропускание потока, выходящего из солнечного нагревателя, через вспомогательный нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, перед подачей потока подогретого рециркулируемого CO2 в основную камеру сгорания.
Способ производства энергии по настоящему изобретению может включать пропускание потока,
содержащего CO2, из основной камеры сгорания через турбину для расширения этого потока для производства энергии и формирования потока отходящих газов, содержащего CO2. Способ может включать также нагрев CO2 из потока отходящих газов турбины с использованием солнечного нагревателя. Кроме того, способ может включать подачу CO2 из солнечного нагревателя в основную камеру сгорания. В других вариантах способ может включать также подачу CO2 из солнечного нагревателя в нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, перед подачей в основную камеру сгорания. Способ может также включать охлаждение потока отходящих газов турбины, содержащего CO2, в теплообменнике для формирования потока охлажденных отходящих газов турбины, содержащего CO2. Способ может также включать очистку потока охлажденных отходящих газов турбины, содержащего CO2, в водоотделителе для формирования потока, содержащего осушенный CO2, из потока охлажденных отходящих газов турбины. Давление осушенного CO2 из потока охлажденных отходящих газов турбины может быть повышено для формирования потока, содержащего сжатый CO2, который может быть нагрет в теплообменнике перед нагревом в солнечном нагревателе.
В некоторых вариантах способ производства энергии по настоящему изобретению может включать стадии, на которых пропускают поток, содержащий CO2, который выходит из основной камеры сгорания, в турбину для расширения потока, содержащего CO2, в результате чего формируется поток отходящих газов турбины, содержащий CO2; охлаждают поток отходящих газов турбины, содержащий CO2, в теплообменнике для формирования потока охлажденных отходящих газов турбины; повышают давление CO2 из потока охлажденных отходящих газов турбины для формирования потока, содержащего сжатый CO2; нагревают поток, содержащий сжатый CO2, в теплообменнике; нагревают поток, содержащий сжатый CO2, в солнечном нагревателе; и подают поток, содержащий CO2, после нагрева в солнечном нагревателе в основную камеру сгорания. Поток, содержащий CO2, может поступать в турбину под давлением примерно 150 бар (15 МПа) или выше и при температуре примерно 500°С или выше. Отношение давления потока на входе турбины к давлению потока отходящих газов турбины, содержащего CO2, может быть примерно 12 или менее.
В различных вариантах стадия повышения давления потока, содержащего CO2, может включать пропускание потока через несколько стадий повышения давления. Кроме того, поток, содержащий CO2, может быть охлажден между двумя стадиями повышения давления. Часть потока, содержащего сжатый CO2, может быть нагрета с использованием дополнительного тепла после стадии повышения давления и перед подачей потока в солнечный нагреватель. Например, дополнительное тепло может теплом, выделяющимся при сжатии в установке разделения воздуха. Поток, содержащий сжатый CO2, нагретый в солнечном нагревателе, может быть после солнечного нагревателя пропущен через нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, перед подачей в основную камеру сгорания.
Способ может также включать сжигание углеродсодержащего топлива в основной камере сгорания в присутствии кислорода и потока, содержащего CO2, так что пропущенный через турбину поток, содержащий сжатый CO2, нагретый в солнечном нагревателе, содержит также один или несколько продуктов горения. Способ может также включать очистку потока охлажденных отходящих газов турбины на выходе теплообменника в сепараторе путем отделения одного или нескольких продуктов горения от CO2. Углеродсодержащее топливо может быть жидкостью или газом.
В других вариантах углеродсодержащее топливо может представлять собой поток продуктов горения с частичным окислением. Например, способ может включать сжигание твердого топлива в присутствии O2 и CO2 в камере сгорания с частичным окислением, причем твердое топливо, O2 и CO2 обеспечиваются в таком соотношении, что твердое топливо окисляется только частично, образуя поток продуктов горения с частичным окислением, содержащий негорючий компонент, CO2 и один или несколько компонентов из группы, включающей H2, СО, СН4, H2S и NH3. Твердое топливо, O2 и CO2 могут обеспечиваться в таком соотношении, что температура потока продуктов горения с частичным окислением достаточно низка, чтобы все негорючие компоненты в потоке находились в форме твердых частиц. Способ может также включать пропускание потока продуктов горения с частичным окислением через один или несколько фильтров. В качестве твердого топлива может использоваться уголь, лигнит или нефтяной кокс. Твердое топливо может быть в форме зернистого материала и может быть суспендировано с CO2.
При необходимости количество углеродсодержащего топлива и кислорода, подаваемое в основную камеру сгорания, можно регулировать таким образом, что количество тепла, выделяющегося в основной камере сгорания, обратно пропорционально количеству тепла, получаемого от солнечного нагревателя для нагрева проходящего через него потока, содержащего сжатый CO2. Например, количество тепла, которое может быть получено из солнечного нагревателя, может изменяться больше чем на 10% в течение одного цикла работы солнечного нагревателя. В этом случае количество углеродсодержащего топлива и кислорода, подаваемое в камеру сгорания, может регулироваться таким образом, чтобы температура потока, содержащего CO2, который поступает в турбину, изменялась в одном цикле работы солнечного нагревателя не более чем на 10%.
Способы по настоящему изобретению могут также включать разделение потока, содержащего сжатый CO2, на несколько потоков. Например, в некоторых вариантах способы могут также включать разделение потока, содержащего сжатый CO2, который выходит из теплообменника, перед подачей в солнеч
ный нагреватель, так что первая часть потока, содержащего сжатый CO2, будет нагреваться солнечным нагревателем, а вторую часть потока, содержащего сжатый CO2, подают в основную камеру сгорания без предварительного пропускания через солнечный нагреватель. В различных вариантах солнечный нагреватель может нагревать поток, содержащий CO2, до температуры примерно 500°С или выше. В других вариантах солнечный нагреватель может нагреваться потоком, содержащим CO2.
В настоящем изобретении также предлагаются системы производства энергии. В некоторых вариантах система производства энергии по настоящему изобретению может содержать солнечный нагреватель; основную камеру сгорания, сообщающуюся с солнечным нагревателем; турбину, производящую энергию, которая сообщается с основной камерой сгорания; теплообменник, сообщающийся с турбиной, производящей энергию, и с солнечным нагревателем; и по меньшей мере один компрессор, сообщающийся с теплообменником. Система может также содержать нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, установленный между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания и сообщающийся с ними. Кроме того, система может содержать сепаратор, установленный между солнечным нагревателем и указанным по меньшей мере одним компрессором и сообщающийся с ними. Система может также содержать установку разделения воздуха. Такая установка разделения воздуха может представлять собой криогенную установку, содержащую основной компрессор адиабатического сжатия и вспомогательный компрессор. Теплообменник, используемый в системе, может содержать два или более теплообменных блока, соединенных последовательно.
В некоторых вариантах система может содержать камеру сгорания с частичным окислением, выпускное отверстие которой сообщается с впускным отверстием основной камеры сгорания. Система может также содержать фильтр, установленный между выпускным отверстием камеры сгорания с частичным окислением и впускным отверстием основной камеры сгорания и сообщающийся с ними. В некоторых вариантах система может содержать разветвитель, установленный ниже по потоку горячего выпускного конца теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие разветвителя сообщается с камерой сгорания с частичным окислением, и второе выпускное отверстие разветвителя сообщается с солнечным нагревателем. В других вариантах система может содержать разветвитель, установленный ниже по потоку горячего выпускного конца теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие разветвителя сообщается с основной камерой сгорания, и второе выпускное отверстие разветвителя сообщается с солнечным нагревателем. В других вариантах система может содержать клапан управления потоком, установленный ниже по потоку горячего выпускного конца теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие клапана сообщается с основной камерой сгорания, второе выпускное отверстие клапана сообщается с солнечным нагревателем, и клапан приспособлен для переключения потока между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания.
Способы производства энергии по настоящему изобретению могут в особенности характеризоваться суммарным КПД производства энергии. Например, производство энергии может обеспечиваться с суммарным КПД по меньшей мере 60% для самой низкой теплотворной способности топлива. В других вариантах суммарный КПД может быть равен по меньшей мере 65%. Таким образом, раскрытые системы и способы обеспечивают производство энергии одновременно с улавливанием и захоронением CO2. В то время как в традиционных системах производства энергии улавливание и захоронение CO2 оказалось большой проблемой, решение которой требует дополнительных затрат, в предложенных системах, использующих замкнутый цикл, может быть достигнут высокий КПД, и экономически эффективно решается указанная проблема.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 - структурная схема системы производства энергии и соответствующего способа по одному из вариантов осуществления изобретения, где солнечный нагреватель скомбинирован с камерой сгорания и турбиной;
на фиг. 2 - структурная схема системы производства энергии и соответствующего способа по одному из вариантов осуществления изобретения, содержащему основную камеру сгорания и солнечный нагреватель;
на фиг. 3 - структурная схема системы производства энергии и соответствующего способа по другому варианту осуществления изобретения, в котором в дополнение к основной камере сгорания используется камера сгорания с частичным окислением;
на фиг. 4 - структурная схема системы производства энергии и соответствующего способа по другому варианту осуществления изобретения, в котором используется разветвитель для разделения потока рециркулируемого CO2 между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания;
на фиг. 5 - структурная схема системы производства энергии и соответствующего способа еще по одному варианту осуществления изобретения, в котором используется разветвитель для разделения потока рециркулируемого CO2 на три потока, подаваемых в солнечный нагреватель, в камеру сгорания с частичным окислением и в основную камеру сгорания;
на фиг. 6 - структурная схема системы производства энергии и соответствующего способа еще по одному варианту осуществления изобретения, в котором используется двухпозиционный клапан управления потоком для переключения потока рециркулируемого CO2 между солнечным нагревателем и ос
новной камерой сгорания;
на фиг. 7 - структурная схема системы производства энергии и соответствующего способа по другому варианту осуществления изобретения, в котором используется двухпозиционный клапан управления потоком для переключения потока рециркулируемого CO2 между солнечным нагревателем и камерами сгорания, причем второй поток распределяется между камерой сгорания с частичным окислением и основной камерой сгорания;
на фиг. 8 - диаграмма цикла солнечного нагрева, на которой иллюстрируется соотношение нагрева различными компонентами системы в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения.
Подробное описание осуществления изобретения
Настоящее изобретение будет описано ниже более полно на примерах различных вариантов его осуществления. Эти варианты выбраны для более подробного и всестороннего описания изобретения, позволяющего полностью представить его объем для специалистов в данной области техники. Изобретение может быть осуществлено в различных формах, и нижеприведенные варианты его осуществления не должны рассматриваться как ограничения его объема, тем более что эти варианты представлены так, чтобы настоящее изобретение соответствовало всем действующим нормативным требованиям. Формы единственного числа, использованные в описании и в прилагаемой формуле изобретения, не исключают множественного числа, если только в явной форме не указано иное.
Как уже указывалось, в публикации US № 2011/0179799 раскрываются системы и способы производства энергии, в которых используется рециркулируемый CO2. В некоторых вариантах в камеру сгорания может подаваться циркулирующая текучая среда на основе CO2, которая подходит для условий высокой температуры и высокого давления, вместе с углеродсодержащим топливом (природный газ, уголь, синтез-газ, биомасса и т.п.) и с окислителем, таким как воздух или O2. Такие системы и способы могут включать камеру сгорания, которая работает при высокой температуре (например, по меньшей мере примерно 500°С, по меньшей мере 750°С, по меньшей мере 1000°С или по меньшей мере 1200°С), и циркулирующая текучая среда может снижать температуру потока текучей среды, выходящего из камеры сгорания, так что этот поток может использоваться для передачи энергии в системе производства энергии. Характер реакции при высоких температурах и давлениях и с высокими концентрациями рецирку-лируемого CO2 может обеспечивать очень высокую эффективность процесса и высокие скорости реакции. Поток продуктов горения может расширяться по меньшей мере в одной турбине для производства энергии. Затем поток расширившихся газов может быть охлажден для удаления из него побочных продуктов сгорания и/или примесей, и тепло, отбираемое от потока расширившихся газов, может использоваться для нагрева циркулирующей текучей среды на основе CO2, которую возвращают обратно (рецир-кулируют) в камеру сгорания.
В охлажденном состоянии поток продуктов горения, выходящий из камеры сгорания, может быть обработан для удаления воды и других загрязняющих компонентов, в результате чего может быть получен поток, по существу, чистого CO2 для подачи обратно в камеру сгорания вместе с другими материалами для осуществления процесса горения. Поток очищенного CO2 обычно находится в газообразном состоянии, и его предпочтительно подвергают действию необходимых условий, чтобы CO2 находился в сверхкритическом состоянии. Например, после расширения потока продуктов горения, проходящих через турбину для получения энергии, их охлаждают и очищают, чтобы они содержали, по существу, чистый CO2 (например, по меньшей мере 95 мас.%, по меньшей мере 97 мас.% или по меньшей мере 99 мас.%), и давление получаемого потока рециркулируемого CO2 может быть повышено, так чтобы оно составляло примерно 80 бар (8 МПа). Может использоваться и вторая стадия повышения давления для обеспечения давления в камере сгорания, равного примерно 200 бар (20 МПа), примерно 250 бар (25 МПа) или примерно 300 бар (30 МПа). Между стадиями повышения давления поток CO2 может быть охлажден для повышения плотности среды, чтобы снизить затраты энергии, необходимые для повышения давления потока. После последнего повышения давления поток рециркулируемого CO2 может быть подогрет и подан в камеру сгорания.
Хотя вышеописанная система производства энергии и соответствующий способ обеспечивают повышение эффективности по сравнению с традиционными системами производства энергии (с одновременным улавливанием выделяющегося CO2), однако системы и способы по настоящему изобретению могут дополнительно повысить эффективность цикла путем комбинирования с системой КСЭ. Система КСЭ может обеспечивать нагрев потока рециркулируемого CO2 в те промежутки времени, когда солнечной энергии достаточно для ее использования вместо энергии, вырабатываемой камерой сгорания, или же система КСЭ может использоваться в качестве вспомогательного источника тепла для нагрева потока рециркулируемого CO2 для снижения потребности камеры сгорания в топливе.
Система КСЭ, подходящая для целей настоящего изобретения, может содержать любой солнечный коллектор тепла, приспособленный для концентрирования солнечной энергии в количестве, достаточном для необходимого нагрева рабочей среды системы производства энергии, раскрытой в настоящем описании. В предпочтительных вариантах может использоваться высокотемпературный солнечный коллектор. Один неограничивающий пример системы солнечного коллектора, которая может использоваться для
концентрирования солнечной энергии в целях настоящего изобретения, представляет собой параболоци-линдр, в котором может использоваться ряд криволинейных зеркальных профилей для отражения прямых солнечных лучей на трубку коллектора (приемника, абсорбера), содержащую теплоноситель, проходящую по всей длине параболоцилиндра и расположенную в фокальных точках отражателей. Отражатель имеет форму параболы относительно одной оси и линеен по ортогональной оси. Положение отражателя может регулироваться ежедневно и/или сезонно для обеспечения максимума солнечной энергии. Теплоноситель может поступать в центральный нагреватель. Гелиоэнергетические установки башенного типа (солнечные башни) - это другой пример, в котором может использоваться поле гелиостатов для фокусирования концентрированной солнечной энергии на приемнике, который обычно установлен на башне в центре поля. В таких системах гелиостаты могут быть расположены в форме вертикального массива (например, тарелка или парабола) для фокусирования солнечной энергии на тепловом коллекторе на башне. В других системах концентрирования солнечной энергии, которые могут использоваться в целях настоящего изобретения, могут использоваться отражатели Френеля.
В некоторых вариантах осуществления изобретения система КСЭ может содержать концентратор солнечной энергии и солнечный нагреватель. Солнечный концентратор может содержать гелиостаты, зеркала, линзы или аналогичные технические устройства, подходящие для сбора и концентрирования солнечной энергии. Солнечный нагреватель может содержать один или несколько компонентов, приспособленных для передачи тепла, создаваемого собранной и сконцентрированной солнечной энергией, и/или для преобразования тепла в работу. Например, солнечный нагреватель может содержать теплопо-глощающее устройство, в котором может аккумулироваться тепло, и из которого это тепло может передаваться другому материалу или среде, например проходящему через это устройство потоку, содержащему CO2. В других вариантах солнечный нагреватель может содержать рабочую среду (например, поток, содержащий CO2, расплавленная соль и т.п.). Такая рабочая среда может проходить через вышеупомянутую трубку коллектора, в которой она нагревается, или же она может находиться в солнечном нагревателе для нагрева собранным и сконцентрированным солнечным излучением (например, в солнечной башне). Таким образом, солнечный нагреватель может содержать теплопередающие компоненты, используемые для передачи тепла от циркулирующей рабочей среды другому материалу или другой среде, например потоку рециркулируемого CO2. В таких вариантах понятие "солнечный нагреватель" может включать дискретное устройство, через которое проходит рабочая среда, нагреваемая солнечной энергией, и которое приспособлено для прохождения, например, потока, содержащего CO2, для осуществления теплообмена. Понятие "солнечный нагреватель" может так включать более обширную систему, в которой рабочая среда, нагреваемая солнечной энергией, может пропускаться через часть системы, аккумулирующую тепло, в теплообменную часть, в которой тепло этой рабочей среды может быть передано другому материалу или среде, как это уже описывалось.
В различных вариантах способы производства энергии по настоящему изобретению могут включать пропускание потока, содержащего CO2, из основной камеры сгорания через турбину, в которой он расширяется для производства энергии с формированием потока отходящих газов турбины, содержащего CO2. Поток отходящих газов турбины, содержащий CO2, может быть охлажден в теплообменнике для формирования потока охлажденных отходящих газов турбины. Способ может также включать повышение давления CO2 из потока охлажденных отходящих газов турбины для формирования потока сжатого CO2, и этот поток может быть нагрет в теплообменнике. Затем поток подогретого сжатого CO2 может быть дополнительно нагрет с использованием солнечного нагревателя, например, путем пропускания потока сжатого CO2 через солнечный нагреватель, или же для этого может использоваться теплообмен между потоком сжатого CO2 и рабочей средой, нагреваемой солнечной энергией (например, потоком расплавленной соли или отдельным потоком CO2). Далее, способ может включать подачу потока сжатого CO2, нагретого с использованием солнечной энергии, в основную камеру сгорания.
Система производства энергии по настоящему изобретению иллюстрируется на схеме фиг. 1. Как можно видеть, система в общем случае содержит солнечный нагреватель 90, который сообщается с основной камерой 10 сгорания, которая, в свою очередь, сообщается с турбиной 20. В процессе работы поток 7 газообразного топлива (или другого топлива, указанного в настоящем описании) подают в основную камеру сгорания вместе с потоком 5 кислорода и потоком 92, содержащим CO2. Топливо может сжигаться с кислородом в основной камере сгорания в присутствии CO2, используемого в качестве рабочей среды, которая может циркулировать в замкнутом контуре. Поток 12 на выходе камеры сгорания, который содержит CO2 и другие продукты горения под давлением, может быть подан в турбину, в которой поток газов камеры сгорания расширяется для производства энергии с формированием потока 22 отходящих газов турбины. В зависимости от состава этого потока отходящих газов турбины он может быть обработан, например, для удаления продуктов горения, которые могут в нем присутствовать, например воды и/или излишнего CO2. Таким образом, система в соответствии с настоящим изобретением может содержать ряд других компонентов, которые будут указаны в настоящем описании. CO2 из обработанного потока отходящих газов турбины может быть подан в солнечный нагреватель 90 в форме потока 34 рециркулируемого CO2. Поток 92, выходящий из солнечного нагревателя, может быть направлен непосредственно в камеру сгорания в качестве рециркулируемой рабочей среды.
В некоторых вариантах камера сгорания 10 может быть выключена, например, в периоды пикового производства тепла солнечным нагревателем. В эти периоды тепла выходного потока 92 солнечного нагревателя может быть достаточно, чтобы восполнить тепло, вырабатываемое камерой сгорания. В этом случае циркулирующие потоки могут содержать достаточно низкий уровень загрязняющих примесей, так что непрерывный цикл работы может осуществляться без необходимости охлаждения и удаления продуктов горения. Таким образом, поток 22 отходящих газов турбины может быть подан непосредственно в солнечный нагреватель 90, после чего он становится потоком рециркулируемого CO2. В других вариантах поток отходящих газов турбины может быть пропущен через один или несколько насосов и/или компрессоров (см., например, фиг. 2) для повышения давления потока отходящих газов турбины перед подачей в солнечный нагреватель.
Хотя камера 10 сгорания может быть выключена при пиковом производстве тепла солнечным нагревателем, однако в предпочтительных вариантах все компоненты комбинированной системы производства энергии работают в непрерывном режиме. Нагрев, обеспечиваемый системой концентрирования солнечной энергии, может варьироваться в одном цикле работы этой системы. Термин "один цикл работы системы концентрирования солнечной энергии", как он используется в настоящем описании, означает одни сутки, измерение которых может начинаться в любой момент времени, например от полуночи до полуночи или от полудня до полудня. Солнечное тепло поступает в систему в светлое время суток и обычно увеличивается от восхода солнца до пиковой солнечной радиации и затем снижается к заходу солнца. В зависимости от типа солнечного нагревателя и от наличия аккумулятора солнечной энергии количество тепла, которое можно получить от солнечного нагревателя, будет увеличиваться и уменьшаться в течение одного цикла работы. Таким образом, количество тепла, которое можно получить от солнечного нагревателя, может изменяться в течение одного цикла работы на 5% или более, на 10% или более, на 20% или более, на 30% или более или на 50% или более. В некоторых вариантах количество тепла, которое можно получить от солнечного нагревателя в одном цикле, может изменяться на величину, которая находится в диапазоне от 5 до 75%, от 10 до 70% или от 15 до 60%. Однако при непрерывной работе комбинированной системы, раскрытой в настоящем описании, на входе турбины может поддерживаться постоянная температура.
В периоды пиковой солнечной радиации концентрирование солнечной радиации может осуществляться в солнечном нагревателе для обеспечения до 100% тепла, необходимого для нагрева потока CO2, проходящего через систему в турбину. По мере того как доступная солнечная энергия уменьшается, количество топлива и кислорода, подаваемое в камеру сгорания, может увеличиваться для поддержания необходимой температуры на входе турбины. В периоды, когда доступная солнечная энергия недостаточна, система при необходимости может работать только на сжигаемом топливе. Системы и способы по настоящему изобретению также могут допускать использование сжигаемого топлива в периоды пиковых нагрузок и могут возвращаться на работу с использованием только солнечной энергии или преимущественно солнечной энергии, если условия нагрузки позволяют это сделать. Количество сжигаемого топлива и кислорода, подаваемое в камеру сгорания, может регулироваться таким образом, что количество тепла, выделяющегося в основной камере сгорания, обратно пропорционально количеству тепла, получаемого от солнечного нагревателя для нагрева проходящего потока, содержащего CO2. Как уже отмечалось, в этом случае может обеспечиваться практически постоянная температура на входе в турбину. Например, количество углеродсодержащего топлива и кислорода, подаваемого в камеру сгорания, может регулироваться таким образом, чтобы температура потока, содержащего CO2, который поступает в турбину, изменялась в одном цикле работы солнечного нагревателя не более чем на 2%. В других вариантах температура потока, содержащего CO2, который поступает в турбину, может изменяться в одном цикле работы солнечного нагревателя не более чем на 5%, не более чем на 10%, или не более чем на 15%. В других вариантах температура потока, содержащего CO2, который поступает в турбину, может изменяться в одном цикле работы солнечного нагревателя в диапазоне от примерно 2% до примерно 15%, от примерно 3% до примерно 12%, или от примерно 5% до примерно 10%. Эксплуатация вышеописанной системы по настоящему изобретению может быть успешной с коммерческой точки зрения по нескольким причинам. Например, в этом случае упрощается эксплуатация, поскольку могут быть исключены усложненные циклы переключения между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания. Вместе с тем может быть существенно повышен КПД системы и способа сжигания топлива. Например, в комбинированной системе, в которой примерно 25% выходной энергии составляет солнечная энергия (например, 6 ч пиковой солнечной радиации в сутки), и цикл сжигания топлива (природного газа) имеет КПД примерно 50%, средний КПД за сутки комбинированной системы, использующей в качестве топлива природный газ, может составлять примерно 66%.
Некоторые варианты системы и способа по настоящему изобретению иллюстрируются на структурной схеме фиг. 2. Как показано на фиг. 2, поток 3 газообразного топлива поступает в нагнетатель 6 для формирования потока 7 сжатого газообразного топлива, который направляется в основную камеру 10 сгорания. В одном из вариантов в качестве газообразного топлива может использоваться природный газ, однако могут использоваться и другие газообразные топлива, например синтез-газ. Кроме того, могут использоваться и жидкие топлива. В вариантах, охватываемых схемой фиг. 2, в камеру сгорания также
подают поток 5 кислорода из установки 110 разделения воздуха. Установка разделения воздуха может использоваться для получения очищенного кислорода из источника 1 воздуха. Например, поток кислорода может содержать кислород в концентрации примерно 95 мол.% или более, примерно 97 мол.% или более или примерно 99 мол.% или более. В камере сгорания топливо сгорает с кислородом в присутствии потока рециркулируемого CO2 с формированием выходного потока 12 камеры сгорания, который в рассматриваемом варианте содержит CO2 в качестве рабочей среды и продукты горения, такие как вода и/или CO2.
В качестве основной камеры сгорания может использоваться любая камера сгорания, подходящая для сжигания топлива при необходимой температуре и необходимом давлении, и не ограничивается лишь камерами сгорания с испарительным охлаждением. Поток рециркулируемого CO2, подаваемый в камеру сгорания, может обеспечиваться с давлением примерно 150 бар (15 МПа) или выше, примерно 200 бар (20 МПа) или выше, примерно 250 бар (25 МПа) или выше или примерно 300 бар (30 МПа) или выше. В других вариантах давление может быть в диапазоне от примерно 150 бар (15 МПа) до примерно 400 бар (40 МПа), от примерно 200 бар (20 МПа) до примерно 380 бар (38 МПа) или от примерно 250 бар (25 МПа) до примерно 350 бар (35 МПа). Сжигание топлива в основной камере сгорания может осуществляться при температуре, например, примерно 500°С или выше, примерно 600°С или выше, или примерно 700°С или выше. В других вариантах сжигание топлива может осуществляться при температуре, находящейся в диапазоне от примерно 500°С до примерно 1800°С, от примерно 550°С до примерно 1600°С или от примерно 600°С до примерно 1200°С. В других вариантах могут использоваться и другие диапазоны температур, указанные в настоящем описании. В различных вариантах CO2 в выходном потоке 12 камеры сгорания может быть в сверхкритическом состоянии.
Содержащий CO2 поток с выхода камеры сгорания подается в турбину 20, которая обеспечивает производство электроэнергии генератором 25. Способ производства энергии может характеризоваться перепадом давлений на турбине. Отношение давления выходного потока камеры сгорания (на входе турбины) к давлению потока отходящих газов турбины, содержащего CO2 (на выходе турбины), может быть меньше примерно 12, меньше примерно 10 или меньше примерно 8. Отношение давлений может быть в диапазоне от примерно 4 до примерно 12, от примерно 5 до примерно 10 или от примерно 6 до примерно
10.
Поток 22 отходящих газов турбины 20 может быть охлажден путем пропускания этого потока через теплообменник 30 для снижения его температуры. В этом случае будет обеспечиваться возможность отделения от потока отходящих газов турбины загрязняющих примесей (например, продуктов горения). Теплообменник, который может указываться как теплообменник продуктов горения, может быть в некоторых вариантах многоступенчатым теплообменником или группой из двух или трех (предпочтительно трех) последовательно соединенных теплообменных блоков. В такой группе первый последовательно соединенный теплообменный блок, имеющий горячий конец и холодный конец, может передавать тепло в широком диапазоне высоких температур, например от температуры отходящих газов турбины до температуры в диапазоне от примерно 150°С до примерно 200°С. Второй последовательно соединенный теплообменный блок может передавать тепло в более узком диапазоне средних температур, например от температуры на выходе первого последовательно соединенного теплообменного блока до температуры в диапазоне от примерно 80°С до примерно 140°С. Третий последовательно соединенный теплообменный блок может передавать тепло в диапазоне невысоких температур, например в диапазоне от примерно 20°С до примерно 75°С. Такие диапазоны температур аналогичным образом могут быть применены к текучим средам, проходящим от холодного конца к горячему концу каждого теплообменного блока в группе. Достоинством такой последовательно соединенной группы теплообменных блоков является возможность введения в заданной точке дополнительного нагрева потока рециркулируемого CO2, проходящего от холодных концов последовательно соединенных теплообменных блоков к их горячим концам. Например, поток, выходящий из третьего последовательно соединенного теплообменного блока и поступающий во второй последовательно соединенный теплообменный блок, может быть разбит на две части, причем первая часть может подаваться во второй последовательно соединенный теплообменный блок, а вторая часть нагревается от внешнего источника, такого как тепло, выделяющееся в процессе сжатия в установке разделения воздуха. Затем более нагретая часть потока может быть соединена с потоком, выходящим из второго последовательно соединенного теплообменного блока, и подана в первый последовательно соединенный теплообменный блок. Этот дополнительный нагрев может быть полезным для приведения температуры потока рециркулируемого CO2 к заданной величине относительно температуры потока отходящих газов турбины. А именно поток рециркулируемого CO2 может быть нагрет так, что его температура будет выше температуры отходящих газов турбины на 50°С или менее, на 40°С или менее или 30°С или менее.
Поток 32 охлажденных отходящих газов турбины, выходящий из теплообменника 30, предпочтительно содержит CO2 в газообразном состоянии и может быть пропущен через низкотемпературное охлаждающее устройство 40 (например, водяной охладитель), которое может обеспечивать охлаждение потока отходящих газов турбины почти до температуры окружающей среды. В некоторых вариантах низкотемпературное охлаждающее устройство может охлаждать поток газообразного CO2 до температу
ры примерно 50°С или ниже, примерно 40°С или ниже или примерно 30°С или ниже. Этот компонент системы не является обязательным. Низкотемпературный выходной поток 42 может быть направлен в сепаратор 50, который в рассматриваемом варианте является водоотделителем. В этом случае из поступающего потока выводится поток воды, и из сепаратора выходит поток 52 осушенного CO2, который может быть пропущен через один или несколько нагнетателей или компрессоров.
Как показано на схеме фиг. 2, поток 52 осушенного CO2 пропускают через нагнетатель 60, который может обеспечивать повышение давления потока осушенного CO2 до величины, при которой CO2 будет находиться в сверхкритическом состоянии. Например, давление может быть повышено до примерно 75 бар (7,5 МПа) или выше или до 80 бар (8 МПа) или выше. Получаемый поток 62 CO2 на выходе нагнетателя может быть дополнительно охлажден в охлаждающем устройстве 70, который особенно подходит для увеличения плотности сверхкритического CO2, чтобы уменьшить количество энергии, необходимой для сжатия потока CO2, до давления, подходящего для подачи потока в камеру 10 сгорания. Охлаждающее устройство 70 может увеличить плотность CO2 до примерно 200 кг/м или более, до примерно 400 кг/м или более, до примерно 600 кг/м или более или до примерно 800 кг/м или более. Затем поток 72 уплотненного CO2, выходящий из охлаждающего устройства 70, может быть пропущен через компрессор 80 для повышения давления потока до величины, находящейся предпочтительно в вышеуказанном диапазоне относительно потока рециркулируемого CO2, подаваемого в камеру сгорания. Поток 82 сжатого CO2, выходящий из компрессора 80, может быть разделен или же может быть целиком возвращен в цикл сжигания топлива. При необходимости любой избыточный CO2 (например, CO2, возникающий при сгорании топлива) может быть отобран в форме потока 84 трубопроводного CO2 высокого давления, то есть с параметрами, подходящими для подачи в трубопровод для его транспортировки. Настоящее изобретение предусматривает любое необходимое использование отобранного CO2 (например, использование в усовершенствованных способах нефтедобычи, для захоронения и т.п.).
Другая часть 86 потока сжатого CO2, выходящего из компрессора 80, может быть пропущена снова через теплообменник 30 для нагрева потока, содержащего CO2, до температуры, которая равна или близка температуре потока отходящих газов турбины. В частных вариантах температура потока рециркули-руемого CO2, выходящего из теплообменника 30, может отличаться от температуры отходящих газов турбины примерно на 50°С или менее. При необходимости поток, содержащий CO2, может быть дополнительно нагрет перед его подачей в теплообменник или при прохождении через него. Например, поток, содержащий CO2, может быть дополнительно нагрет теплом, выделяющимся при адиабатическом сжатии в установке 110 разделения воздуха. Как показано на схеме фиг. 2, поток 112 высокотемпературного теплоносителя может проходить от установки разделения воздуха в теплообменный блок (например, в поток, входящий в теплообменник или в один или несколько теплообменных блоков многоступенчатого теплообменника) и поток 114 низкотемпературного теплоносителя может выходить из теплообменника обратно в установку разделения воздуха.
Поток, выходящий из теплообменника 30, может быть указан как поток рециркулируемого CO2. Таким образом, поток 34 рециркулируемого CO2 может иметь давление и/или температуру, подходящие для подачи в камеру 10 сгорания. В рассматриваемом варианте поток рециркулируемого CO2 сначала подается в солнечный нагреватель 90, который может быть отдельным блоком или же может быть компонентом системы КСЭ, как это уже описывалось. Как показано на схеме фиг. 2, лучи 222 солнечной энергии отражаются от солнечного концентратора 220, и сконцентрированное солнечное излучение собирается в солнечном нагревателе. Характеристики потока рециркулируемого CO2, проходящего через солнечный нагреватель, могут изменяться или остаются неизмененными в зависимости от состояния системы КСЭ. Как показано на схеме фиг. 2, поток рабочей среды пропускается непосредственно через солнечный нагреватель для отбора тепла непосредственно из системы концентрирования солнечной энергии. В других вариантах поток рабочей среды (то есть поток рециркулируемого CO2) может взаимодействовать с промежуточной рабочей средой (например, рабочей средой системы КСЭ) с использованием теплообмена. Такая промежуточная рабочая среда может циркулировать в системе концентрирования солнечной энергии для нагрева, как это уже было описано в отношении известных коллекторов тепловой солнечной энергии. Например, в системе концентрирования солнечной энергии может использоваться расплавленная соль в качестве рабочей среды, и поток рециркулируемого CO2, поступающий в солнечный нагреватель, будет нагреваться потоком расплавленной соли.
Как уже указывалось, в периоды достаточной солнечной активности, солнечный нагреватель может быть нагрет до такой температуры, что температура проходящего через него потока рециркулируемого CO2 будет повышаться. В периоды пониженной солнечной радиации температура солнечного нагревателя может быть, по существу, равна температуре потока рециркулируемого CO2, выходящего из теплообменника, и этот поток практически не будет ни охлаждаться, ни нагреваться. Если система КСЭ получает мало солнечной энергии или вообще ее не получает, температура солнечного нагревателя может повышаться при прохождении через него потока рециркулируемого CO2. При этом может поддерживаться, по существу, постоянная температура солнечного нагревателя, например, на уровне примерно 5%, примерно 10%, примерно 20% или примерно 30% от пиковой температуры солнечного нагревателя. В известных системах концентрирования солнечной энергии температура приемника периодически изменяется от
очень высокой до гораздо более низкой величины в течение каждого суточного цикла работы. Эти тепловые циклы представляют проблему для конструкции приемника и могут приводить к выходу из строя приемника (то есть солнечного нагревателя) из-за циклических тепловых напряжений, или же конструкция приемника должна обеспечивать ограничение перепадов температуры, что будет ограничивать КПД системы. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, в которых поток CO2, имеющий рабочую температуру или близкую к ней, постоянно протекает через приемник, суточные температурные циклы могут быть сглажены. Таким образом, солнечный нагреватель может быть более надежным и может быть рассчитан на более высокие температуры, что позволяет получить более высокий КПД.
Поток 92, содержащий рециркулируемый CO2, который выходит из солнечного нагревателя, иногда может иметь температуру, которая ниже величины, необходимой для подачи этого потока в основную камеру 10 сгорания. В этом случае в некоторых вариантах между выходом солнечного нагревателя и входом основной камеры сгорания может быть установлен нагреватель 100, работающий на сжигаемом топливе. В этом нагревателе 100 может, например, сжигаться часть потока 7 газообразного топлива или отдельный поток топлива для обеспечения низкоэнергетического подогрева, необходимого для повышения температуры рециркулируемой рабочей среды, содержащей CO2. Таким образом, поток 102, выходящий из нагревателя 100, может иметь температуру, необходимую для подачи этого потока в основную камеру сгорания и соответственно его можно сразу подавать в камеру. Как будет понятно, нагреватель 100 является необязательным компонентом, и если он используется, его можно включать только в периоды недостаточной солнечной радиации, когда температура потока, выходящего из солнечного нагревателя, ниже заданной пороговой величины.
Как показано на схеме фиг. 2, комбинированная система по настоящему изобретению может включать убирающийся тепловой экран 200. Этот тепловой экран может разворачиваться в периоды низкой солнечной радиации для предотвращения потерь тепла из солнечного нагревателя 90, когда концентратор 220 солнечной радиации не обеспечивает достаточного тепла для поддержания высокой температуры, необходимой для работы солнечного нагревателя. Тепловой экран может быть выполнен из любого материала, который эффективно противодействует потерям на излучение из солнечного нагревателя и/или обеспечивает нагрев за счет отражения, то есть отражения тепла, теряемого через излучение, обратно в солнечный нагреватель. Тепловой экран может быть убирающимся, так чтобы в периоды пиковой солнечной радиации все солнечное излучение можно было направить на солнечный нагреватель для обеспечения максимальной теплопроизводительности.
Система и способ по настоящему изобретению могут также предусматривать аккумулирование тепла для получения максимальной тепловой отдачи от солнечного нагревателя. В некоторых вариантах солнечный нагреватель и соответствующая система концентрирования солнечной энергии могут обеспечивать лишь часть энергии, необходимой для системы и способа производства энергии. Таким образом, может быть эффективно поддержание постоянного минимального потока сжигаемого топлива в основную камеру сгорания для обеспечения необходимого минимального нагрева. Однако в некоторых вариантах солнечный нагреватель и соответствующая система концентрирования солнечной энергии могут обеспечивать избыточное тепло, превышающее суммарные потребности системы и способа производства энергии. В таких вариантах предлагаемая система и способ могут содержать один или несколько компонентов аккумулирования тепла, таких как аккумулятор нагретого CO2 или аккумулятор нагретой расплавленной соли. Аккумулятор обеспечивает сохранение избыточного тепла, производимого солнечным нагревателем в периоды пиковой солнечной радиации. Затем запасенное тепло (например, в резервуаре CO2 или в резервуаре расплавленной соли) может быть извлечено в периоды пониженной солнечной радиации для дополнения тепла, обеспечиваемого основной камерой сгорания. Расчеты, выполненные для мощности солнечной радиации на юго-западе США, которая составляет примерно 2063 кВтч/м2, показали, что система по некоторым вариантам осуществления изобретения может работать в периоды пиковой солнечной радиации полностью на солнечной энергии, и суммарный вклад солнечного тепла в систему может составлять примерно 32,9% энергии, производимой системой.
Хотя настоящее изобретение рассматривается со ссылками на схему фиг. 2, в которой используется газообразное или жидкое топливо, в предлагаемой комбинированной системе и способе могут также использоваться и твердые топлива, такие как уголь, лигнит, биомасса, отходы и нефтяной кокс. В таких вариантах может быть целесообразно включить предварительную камеру сгорания для твердого топлива, которая обеспечивает выходной поток горючих продуктов, которые можно сжигать в основной камере сгорания. На фиг. 3 иллюстрируются варианты, в которых поток 5 кислорода может быть разветвлен, и поток 354 кислорода может быть введен в камеру сгорания 360 с частичным окислением (POX - от англ. Partial OXidation) вместе с впрыскиваемой под давлением суспензией 332 частиц топлива. Для приготовления суспензии поток 305 твердого топлива (например, уголь) размельчают в мельнице 310 для получения потока 312 размельченного твердого топлива, который суспендируют в миксере 320 с приводом от двигателя 321. Размельченное твердое топливо соединяют с потоком CO2, отбираемым из потока 72 CO2, выходящего из охлаждающего устройства 70, обеспечивающего уплотнение CO2, до повышения его давления с помощью компрессора 80. CO2, который предпочтительно находится в сверхкритическом состоянии, объединяют с измельченным твердым топливом для формированием суспензии 322 низкого
давления, которую пропускают через насос 330 для получения суспензии 332 измельченного топлива повышенного давления для подачи в камеру сгорания POX. В эту камеру сгорания также подается часть 38 потока рециркулируемого CO2, которую отбирают из потока 34 рециркулируемого CO2, например, через разветвитель 35. Из разветвителя 35 также выходит часть 36 потока рециркулируемого CO2, отбираемая для солнечного нагревателя.
В результате сгорания топлива в камере сгорания POX формируется поток 362, который может содержать разные компоненты. В частных вариантах твердое топливо, O2 и CO2 могут подаваться в таких соотношениях, чтобы в результате частичного окисления твердого топлива возникал поток, содержащий негорючий компонент, CO2, и один или несколько компонентов из группы, содержащей H2, СО, CH4, H2S и NH3. Поток продуктов горения POX может быть пропущен через фильтр 370 для удаления негорючих компонентов, таких как зола. Профильтрованный поток 374 продуктов горения POX может быть направлен в основную камеру 10 сгорания в качестве сжигаемого топлива и может содержать, по существу, только газообразные и/или жидкие горючие материалы. Отфильтрованный поток 372 твердых частиц может быть отобран из фильтра для удаления.
В сочетании с вышеизложенным варианты, иллюстрируемые на схеме фиг. 3, в основном включают компоненты системы, описанные со ссылками на схему фиг. 2, и способы их применения могут быть осуществлены, как это описано в отношении схемы фиг. 2. В частности, поток 12, выходящий из камеры сгорания, может быть подан в турбину 20 для расширения. Поток 22 отходящих газов турбины может быть охлажден в теплообменнике 30. Поток охлажденных отходящих газов турбины при необходимости может быть дополнительно охлажден в низкотемпературном охлаждающем устройстве 40, и при этом вода и другие примеси, содержащиеся в выходном потоке 42, могут быть выделены из сепаратора 50 в форме потока 54 примесей. Давление потока 52 осушенного CO2 может быть повышено нагнетателем 60, и выходной поток 62 может быть охлажден для повышения плотности CO2 в охлаждающем устройстве 70. Поток CO2, выходящий из охлаждающего устройства 70, может быть разветвлен, как уже указывалось, причем часть 74 потока направляется в смеситель, а другая часть 72 потока подается в компрессор 80 для повышения ее давления. Выходной поток сжатого CO2 может быть разветвлен. Часть 86 (рецир-кулируемая часть) потока сжатого CO2 может быть подана снова в теплообменник, и часть 88 потока сжатого CO2 может быть подана в фильтр 370. Остальная часть CO2 высокого давления может отбираться для подачи в трубопровод, как это уже указывалось. Поток 34 рециркулируемого CO2, выходящий из горячего конца теплообменника, может быть разделен в разветвителе 35, как это уже указывалось, и соответствующие части проходят через систему, как это уже указывалось выше при описании схемы фиг.
Как показано на схеме фиг. 2, поток 34 рециркулируемого CO2 может быть подан для прохождения через солнечный нагреватель 90 и через нагреватель 100 (необязательный компонент), работающий на сжигаемом топливе, перед подачей в основную камеру 10 сгорания. Хотя в других вариантах, таких как варианты, представленные на фиг. 3, поток рециркулируемого CO2 может быть разделен. На фиг. 3 показано, что поток CO2 разделяется для подачи в камеру сгорания POX, однако такое разделение может использоваться для направления потока CO2 и в другие компоненты системы. Например, как показано на схеме фиг. 4, поток рециркулируемого CO2, выходящий из горячего конца теплообменника 30, может проходить через разветвитель 135 рециркулируемого CO2 для формирования двух потоков. Часть 136 потока рециркулируемого CO2 может направляться через солнечный нагреватель 90, а часть 137 потока рециркулируемого CO2 может направляться непосредственно в основную камеру 10 сгорания. В качестве разветвителя потока рециркулируемого CO2 может использоваться, например, простой разветвитель потока с фиксированным коэффициентом разветвления, или же коэффициент разветвления может быть переменным. Фиксированный коэффициент разветвления потока между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания может находиться в диапазоне от 10:90 до 90:10 (отношения массовых расходов). Другие фиксированные коэффициенты разветвления (солнечный нагреватель/основная камера сгорания) могут находиться в диапазоне от 20:80 до 80:20, от 30:70 до 70:30 или от 40:60 до 60:40 (отношения массовых расходов). В тех вариантах, в которых используется переменный коэффициент разветвления, массовые расходы потоков, направляемых в солнечный нагреватель и в основную камеру сгорания, могут изменяться в соответствии с количеством тепла, производимого солнечным нагревателем. Например, в периоды пиковой солнечной радиации в солнечный нагреватель может направляться 50% или более, 75% или более, 80% или более или 90% или более от всего потока рециркулируемого CO2. В периоды пониженной солнечной радиации основная часть потока рециркулируемого CO2 (например, те же самые вышеуказанные массовые расходы) может направляться в основную камеру сгорания. Также может использоваться автоматизированное управление с помощью клапана, регулирующего поток. В частности, количество тепла, вырабатываемого солнечным нагревателем, может контролироваться непрерывно или периодически и сравниваться с заранее определенным планом потока CO2. Массовый расход CO2, проходящего через разветвитель, может автоматически регулироваться в соответствии с изменениями количества тепла, вырабатываемого солнечным нагревателем в суточном цикле его работы. Например, по мере того как количество тепла, которое может быть получено от солнечного нагревателя, увеличивается, может автоматически пропорционально увеличиваться массовый расход потока рецирку
лируемого CO2, направляемого в солнечный нагреватель, и уменьшаться массовый расход потока рецир-кулируемого CO2, направляемого в основную камеру сгорания. По мере того как количество тепла, которое может быть получено от солнечного нагревателя, уменьшается, может автоматически пропорционально уменьшаться массовый расход потока рециркулируемого CO2, направляемого в солнечный нагреватель, и увеличиваться массовый расход потока рециркулируемого CO2, направляемого в основную камеру сгорания. Таким образом, системы по настоящему изобретению могут содержать компьютеризованные регулирующие элементы, включая аппаратные и/или программные элементы, обеспечивающие измерение количества тепла, обеспечиваемого солнечным нагревателем, и открытие и закрытие регуляторов потока для регулирования частей потока рециркулируемого CO2, направляемых в солнечный нагреватель и в основную камеру сгорания.
Аналогичное разветвление потока рециркулируемого CO2 может обеспечиваться в вариантах, в которых используется твердое топливо и камера сгорания с частичным окислением. Например, на фиг. 5 иллюстрируется система, по существу, аналогичная вышеописанной системе фиг. 3. Вариант, представленный на фиг. 5, отличается тем, что разветвитель 35 может обеспечивать разделение потока 34 рецир-кулируемого CO2 на три части. Часть 38 потока рециркулируемого CO2 аналогичным образом направляется непосредственно в камеру 360 сгорания POX. Часть 36 потока рециркулируемого CO2 аналогично направляется непосредственно в солнечный нагреватель 90. Часть 37 потока рециркулируемого CO2 теперь направляется непосредственно в основную камеру 10 сгорания. Как и в предыдущем случае, развет-витель в схеме фиг. 5 может работать с фиксированным или переменным коэффициентом разветвления. В некоторых вариантах основная часть потока рециркулируемого CO2 может быть направлена через раз-ветвитель в один из трех потоков. Иначе говоря, основная часть потока рециркулируемого CO2 может быть направлена через разветвитель в камеру сгорания POX, или же основная часть потока рециркули-руемого CO2 может быть направлена через разветвитель в солнечный нагреватель, или же основная часть потока рециркулируемого CO2 может быть направлена через разветвитель в основную камеру сгорания.
Как показано на схеме фиг. 2, при необходимости поток 34 рециркулируемого CO2 может быть направлен полностью в солнечный нагреватель 90 или полностью в основную камеру 10 сгорания. Например, как показано на схеме фиг. 6, в линии потока рециркулируемого CO2 может быть установлен двух-позиционный клапан 235 управления потоком. Этот клапан может быть переведен в положение солнечного нагревателя, так что 100% потока рециркулируемого CO2 будет направляться в солнечный нагреватель 90 в контуре 236 рециркулируемого CO2, проходящего через солнечный нагреватель.
Эта конфигурация может использоваться в периоды пиковой солнечной радиации, чтобы весь поток рециркулируемого CO2 нагревался в солнечном нагревателе. В таких вариантах нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, может отсутствовать, поскольку в этом случае нет необходимости в дополнительном нагреве потока 92, выходящего из солнечного нагревателя, и этот поток 92 может быть направлен непосредственно в основную камеру сгорания. Клапан 235 управления потоком может быть переведен в положение основной камеры сгорания, так что 100% потока рециркулируемого CO2 будет направляться в основную камеру 10 сгорания в контуре 237 рециркулируемого CO2, проходящего через основную камеру сгорания. Эта конфигурация может использоваться в периоды пониженной солнечной радиации, когда солнечный нагреватель не обеспечивает достаточное количество тепла для нагрева потока рециркулируемого CO2 до температуры, подходящей для подачи этого потока в основную камеру сгорания. В этом случае весь поток рециркулируемого CO2 может быть нагрет до требуемой температуры в основной камере сгорания.
Двухпозиционный клапан управления потоком может использоваться также и в вариантах, в которых твердое топливо сжигается в камере сгорания POX перед сжиганием продуктов частичного окисления в основной камере сгорания. Например, как показано на схеме фиг. 7, в линии потока 34 рециркули-руемого CO2 может быть установлен двухпозиционный клапан 235 управления потоком. Этот клапан может быть переведен в положение солнечного нагревателя, так что 100% потока рециркулируемого CO2 будет направляться в солнечный нагреватель 90 в контуре 236 рециркулируемого CO2, проходящего через солнечный нагреватель. Эта конфигурация может использоваться в периоды пиковой солнечной радиации, чтобы весь поток рециркулируемого CO2 нагревался в солнечном нагревателе. В таких вариантах нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, может отсутствовать, поскольку в этом случае нет необходимости в дополнительном нагреве потока 92, выходящего из солнечного нагревателя, и этот поток 92 может быть направлен непосредственно в основную камеру сгорания. Клапан 235 управления потоком может быть переведен в положение двух камер сгорания, так что 100% потока рециркулируемого CO2 будет направляться в обе камеры сгорания в контуре 239 рециркулируемого CO2, проходящего через обе камеры сгорания. Этот контур может быть разделен в разветвителе 135 потока рециркулируемого CO2, причем часть 38 потока рециркулируемого CO2 может быть подана в камеру 360 сгорания POX, и часть 37 потока рециркулируемого CO2 может быть подана в основную камеру 10 сгорания.
Как это следует из вышеизложенного, комбинированные системы и соответствующие способы по настоящему изобретению могут быть особенно полезны для использования всего тепла, вырабатываемого системой КСЭ, чтобы повысить КПД системы производства энергии, работающей на сжигаемом топливе, и соответствующего способа. На диаграмме фиг. 8 иллюстрируется соотношение использования
различных источников тепла в комбинированной системе, в которой в качестве топлива используется природный газ, и в соответствующем способе. На фиг. 8 иллюстрируется использование этих источников тепла на протяжении суточного цикла работы солнечного нагревателя (от полуночи до полуночи). Как можно видеть, в ночное время работает основная камера сгорания, так что она обеспечивает основную часть необходимого тепла в комбинированной системе в периоды 401 работы основной камеры сгорания. После восхода солнца период нагрева основной камерой сгорания заканчивается, и начинается период 403 обеспечения тепла солнечным нагревателем. При этом на временном интервале, на котором количество тепла, обеспечиваемого солнечным нагревателем, постепенно увеличивается по мере приближения периода пиковой солнечной радиации, для дополнительного нагрева может быть включен нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, причем период 405 его работы начинается и постепенно прекращается. По мере того как тепло, обеспечиваемое солнечной радиацией, уменьшается, снова включается нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, и продолжает работать до момента, когда количество солнечного тепла падает до уровня, при котором основная часть тепла будет обеспечиваться основной камерой сгорания. В периоды 401, когда тепло обеспечивается преимущественно основной камерой сгорания, может быть развернут тепловой экран (интервалы 407) для уменьшения тепловых потерь из солнечного нагревателя.
Специалисты в области техники, к которой относится настоящее изобретение, после ознакомления с существом изобретения, изложенным в вышеприведенном описании со ссылками на прилагаемые чертежи, могут предложить различные модификации рассмотренных в описании вариантов, а также другие варианты осуществления изобретения. Поэтому должно быть ясно, что объем изобретения не ограничивается конкретными рассмотренными примерами, и что их модификации, а также и другие варианты, охватываются объемом прилагаемой формулы изобретения. Хотя в настоящем описании используются конкретные термины, они используются только в целях описания и никоим образом не ограничивают объем изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ производства энергии, в котором
пропускают поток, содержащий CO2, выходящий из основной камеры сгорания, через турбину для его расширения и производства энергии с образованием потока отходящих газов турбины, содержащего CO2;
охлаждают поток отходящих газов турбины, содержащий CO2, в теплообменнике с формированием потока охлажденных отходящих газов турбины;
повышают давление CO2 в потоке охлажденных отходящих газов турбины с образованием потока, содержащего сжатый CO2;
нагревают поток, содержащий сжатый CO2, в теплообменнике;
дополнительно нагревают поток, содержащий сжатый CO2, в солнечном нагревателе; подают поток, содержащий сжатый CO2, после нагрева в солнечном нагревателе в основную камеру сгорания и
осуществляют сжигание углеродсодержащего топлива в основной камере сгорания в присутствии кислорода и потока, содержащего сжатый CO2 и нагретого с использованием солнечного тепла, с получением потока, содержащего CO2 и один или несколько продуктов горения, подаваемого через турбину,
причем количество углеродсодержащего топлива и кислорода, подаваемое в основную камеру сгорания, регулируют таким образом, что количество тепла, выделяющегося в основной камере сгорания, обратно пропорционально количеству тепла, получаемого от солнечного нагревателя для нагрева проходящего через него потока, содержащего сжатый CO2.
2. Способ по п.1, в котором поток, содержащий CO2, подают в турбину при температуре 500°С или выше.
3. Способ по п.1, в котором отношение давления потока, содержащего CO2, на входе турбины к давлению потока отходящих газов турбины, содержащего CO2, не превышает примерно 12.
4. Способ по п.1, в котором для повышения давления потока, содержащего CO2, пропускают его через несколько стадий повышения давления.
5. Способ по п.4, в котором охлаждают поток, содержащий CO2, между двумя стадиями повышения давления.
6. Способ по п.1, в котором часть потока, содержащего сжатый CO2, нагревают с использованием дополнительного тепла после стадии повышения давления перед стадией нагрева с использованием солнечного нагревателя.
7. Способ по п.6, в котором дополнительное тепло включает тепло, выделяющееся в процессе сжатия в установке разделения воздуха.
8. Способ по п.1, в котором пропускают поток сжатого CO2, нагретого с использованием солнечного тепла, который выходит из солнечного нагревателя, через нагреватель, в котором используется тепло сжигаемого топлива, перед подачей этого потока в основную камеру сгорания.
2.
9. Способ по п.8, в котором осуществляют очистку в сепараторе потока охлажденных отходящих
газов турбины, выходящих из теплообменника, путем отделения одного или нескольких продуктов горе-
ния от CO2.
10. Способ по п.8, в котором углеродсодержащее топливо представляет собой жидкость или газ.
11. Способ по п.8, в котором в качестве топлива используют поток продуктов, полученных в процессе частичного окисления.
12. Способ по п.11, в котором сжигают твердое топливо в присутствии O2 и CO2 в камере сгорания в условиях частичного окисления, причем твердое топливо, O2 и CO2 обеспечивают в таком соотношении, что твердое топливо окисляется только частично, формируя поток продуктов, содержащий негорючий компонент, CO2 и один или несколько компонентов из группы, включающей Н2, CO, CH4, H2S и NH3.
13. Способ по п.12, в котором твердое топливо, О2 и CO2 обеспечивают в таком соотношении, что температура потока продуктов, полученных в процессе частичного окисления, достаточно низка, чтобы все негорючие компоненты в потоке находились в форме твердых частиц.
14. Способ по п.12, в котором пропускают поток продуктов, полученных в процессе частичного окисления, через один или несколько фильтров.
15. Способ по п.9, в котором в качестве твердого топлива используют уголь, лигнит, биомассу или нефтяной кокс.
16. Способ по п.15, в котором твердое топливо имеет форму зернистого материала, который суспендировали в CO2.
17. Способ по п.1, в котором количество тепла, которое может быть получено из солнечного нагревателя, изменяется больше чем на 10% в течение одного цикла работы солнечного нагревателя.
18. Способ по п.17, в котором количества углеродсодержащего топлива и кислорода, подаваемых в камеру сгорания, регулируют таким образом, чтобы температура потока, содержащего CO2, который поступает в турбину, изменялась в одном цикле работы солнечного нагревателя не более чем на 10%.
19. Способ по п.1, в котором солнечный нагреватель нагревают потоком, содержащим CO2.
20. Способ по п.1, в котором обеспечивают производство энергии с суммарным КПД по меньшей мере 60% для низшей теплотворной способности топлива.
21. Способ по п.1, в котором поток, содержащий CO2, подают в турбину под давлением 150 бар (15 МПа) или выше.
22. Способ по п.1, в котором осуществляют разделение потока, содержащего сжатый CO2 и выходящего из теплообменника, перед нагревом в солнечном нагревателе, так что первую часть потока, содержащего сжатый CO2, направляют на подогрев в солнечном нагревателе, а вторую часть потока, содержащего сжатый CO2, подают в основную камеру сгорания без предварительного нагрева солнечным нагревателем.
23. Способ по п.1, в котором посредством солнечного нагревателя нагревают поток, содержащий CO2, до температуры примерно 500°С или выше.
24. Система производства энергии для осуществления способа по любому из пп.1-23, содержащая
установку разделения воздуха;
солнечный нагреватель;
основную камеру сгорания, сообщающуюся с солнечным нагревателем и в которую обеспечивается подача потока топлива и потока кислорода;
турбину для производства энергии, сообщающуюся с основной камерой сгорания; теплообменник, сообщающийся с турбиной для производства энергии и солнечным нагревателем; по меньшей мере один компрессор, сообщающийся с теплообменником;
клапан управления потоком, установленный по потоку ниже выпуска горячего теплоносителя теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие клапана сообщается с основной камерой сгорания, второе выпускное отверстие клапана сообщается с солнечным нагревателем, и клапан приспособлен для переключения потока между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания; и
один или более регулирующих элементов, обеспечивающих контроль доступного тепла от солнечного нагревателя; регулирование исходя из доступного количества тепла от солнечного нагревателя потока топлива и потока кислорода и регулирование открытия и закрытия клапана управления потоком.
25. Система по п.24, дополнительно содержащая нагреватель, работающий на сжигаемом топливе, установленный между солнечным нагревателем и основной камерой сгорания и сообщающийся с ними.
26. Система по п.24, дополнительно содержащая сепаратор, установленный между солнечным нагревателем и указанным по меньшей мере одним компрессором и сообщающийся с ними.
27. Система по п.24, в которой установка разделения воздуха представляет собой криогенную установку, содержащую основной компрессор адиабатического сжатия и вспомогательный компрессор.
28. Система по п.24, в которой теплообменник содержит два или более теплообменных блока, соединенных последовательно.
29. Система по п.24, дополнительно содержащая также камеру сгорания для осуществления частичного окисления, выпускное отверстие которой сообщается с впускным отверстием основной камеры сго
25.
рания.
30. Система по п.29, дополнительно содержащая фильтр, установленный между выпускным отверстием камеры сгорания для осуществления частичного окисления и впускным отверстием основной камеры сгорания и сообщающийся с ними.
31. Система по п.29, дополнительно содержащая разветвитель, установленный ниже по потоку выпуска горячего теплоносителя теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие разветвителя сообщается с камерой сгорания для осуществления частичного окисления, а второе выпускное отверстие разветвителя сообщается с солнечным нагревателем.
32. Система по п.24, дополнительно содержащая разветвитель, установленный по потоку ниже выпуска горячего теплоносителя теплообменника и сообщающийся с ним, причем первое выпускное отверстие разветвителя сообщается с основной камерой сгорания, а второе выпускное отверстие разветвителя сообщается с солнечным нагревателем.
30.
30.
30.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
032245
- 1 -
(19)
032245
- 1 -
(19)
032245
- 1 -
(19)
032245
- 1 -
(19)
032245
- 4 -
(19)
032245
- 16 -