EA 32619B1 20190628 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2019\PDF/032619 Полный текст описания EA201600184 20110126 Регистрационный номер и дата заявки US61/299,272 20100128 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок EAB1 Код вида документа [PDF] eab21906 Номер бюллетеня [GIF] EAB1\00000032\619BS000#(1373:1865) Основной чертеж [**] СИСТЕМА И СПОСОБ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО РАБОЧЕГО ТЕЛА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА Название документа [8] F02C 3/34, [8] F01K 25/10 Индексы МПК [GB] Аллам Родни Джон, [US] Палмер Майлз Р., [US] Браун Гленн Уилльям Джр. Сведения об авторах [US] ПАЛМЕР ЛЭБС, ЛЛК, [US] 8 РИВЕРЗ КЭПИТЛ, ЛЛК Сведения о патентообладателях [US] ПАЛМЕР ЛЭБС, ЛЛК, [US] 8 РИВЕРЗ КЭПИТЛ, ЛЛК Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea000032619b*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

1. Способ производства электрической энергии, в котором обеспечивают расширение CO 2 -содержащего потока, имеющего давление 12 МПа или более и температуру 750°C или более, пропуская его через последовательность турбин от первой к последней турбине, получая из последней турбины выхлопной поток последней турбины, содержащий CO 2 ; пропускают выхлопной поток последней турбины через рекуперативный теплообменник, отводя от него тепло, как источник тепла, и формируя охлажденный выхлопной поток турбины; отводят по меньшей мере часть CO 2 из охлажденного выхлопного потока турбины, формируя поток рециркуляционного CO 2 ; подвергают сжатию поток рециркуляционного CO 2 до давления по меньшей мере 12 МПа, формируя поток сжатого рециркуляционного CO 2 ; нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством тепла от источника, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, формируя объединенный поток нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 ; подают объединенный поток нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 в устройство для сжигания углеродсодержащего топлива в присутствии окислителя и объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 для дополнительного нагрева этого потока так, чтобы образовать CO 2 -содержащий поток, и подают CO 2 -содержащий поток в первую из последовательности турбин, причем одну или обе из первой и последней турбин используют для производства электрической энергии, а разница между температурой объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 , подаваемого в устройство для сжигания, и температурой выхлопного потока последней турбины, содержащего CO 2 , составляет не более чем приблизительно 50°C.

2. Способ по п.1, в котором подводят дополнительное тепло к CO 2 -содержащему потоку между первой и последней турбинами.

3. Способ по п.2, в котором указанное дополнительное тепло обеспечивают в дополнительном устройстве для сжигания углеродсодержащего топлива в присутствии окислителя и CO 2 -содержащего потока.

4. Способ по п.1, в котором отводят вспомогательный поток от потока сжатого рециркуляционного CO 2 после указанной стадии сжатия и до подачи объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 в устройство для сжигания.

5. Способ по п.4, в котором часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 нагревают посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, а вспомогательный поток представляет собой часть, нагретую посредством тепла от источника, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, и части воссоединяют до подачи объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 в устройство для сжигания.

6. Способ по п.5, в котором вспомогательный поток нагревают посредством его пропуска через вспомогательный нагреватель.

7. Способ по п.6, в котором вспомогательный нагреватель использует тепло, отведенное от работающих в адиабатическом режиме ступеней воздушных компрессоров в криогенной воздухоразделительной установке.

8. Способ по п.6, в котором вспомогательный нагреватель включает криогенную воздухоразделительную установку с двумя компрессорами, работающими в адиабатическом режиме, и в котором осуществляют отвод тепла сжатия в последующих охладителях к циркулирующей текучей среде, переносящей тепло и передающей это тепло сжатия.

9. Способ по п.1, в котором нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством тепла от источника, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, так что температура объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 , входящего в устройство для сжигания, меньше температуры выхлопного потока последней турбины не более чем на 50°C.

10. Способ по п.1, в котором источником тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, является воздухоразделительная установка.

11. Способ по п.1, в котором источником тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, является паропровод.

12. Способ по п.1, в котором источником тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, является горячий выхлопной газ из обычной газовой турбины с открытым циклом.

13. Способ по п.1, в котором рекуперативный теплообменник включает последовательность по меньшей мере из двух теплообменников.

14. Способ производства электрической энергии, в котором обеспечивают расширение CO 2 -содержащего потока, имеющего давление по меньшей мере 12 МПа и температуру по меньшей мере 750°C, пропуская его через последовательность турбин от первой к последней турбине, получая из последней турбины выхлопной поток последней турбины, содержащий CO 2 ; пропускают выхлопной поток последней турбины через рекуперативный теплообменник, отводя от него тепло, как источник тепла, и формируя охлажденный выхлопной поток турбины; отводят по меньшей мере часть CO 2 из охлажденного выхлопного потока турбины, формируя поток рециркуляционного CO 2 ; подвергают сжатию поток рециркуляционного CO 2 до давления по меньшей мере 12 МПа, формируя поток сжатого рециркуляционного CO 2 ; нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством первого источника тепла, представляющего собой тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, пропуская поток сжатого рециркуляционного CO 2 через рекуперативный теплообменник, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 теплом от второго источника тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, так что из рекуперативного теплообменника выходит поток нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 , нагретый первым и вторым источниками тепла; подают поток нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 из рекуперативного теплообменника в устройство для сжигания топлива для дополнительного нагрева этого потока, формируя CO 2 -содержащий поток, и подают CO 2 -содержащий поток в первую из последовательности турбин, причем одну или обе из первой и последней турбин используют для производства электрической энергии, а разница между температурой объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 , подаваемого в устройство для сжигания, и температурой выхлопного потока последней турбины, содержащего CO 2 , составляет не более чем приблизительно 50°C.

15. Система производства электрической энергии для осуществления способа по пп.1-14, содержащая устройство для сжигания, выполненное с возможностью приема топлива, O 2 и потока CO 2 , имеющее по меньшей мере одну ступень сжигания топлива в присутствии потока CO 2 и обеспечивающее поток продуктов горения, содержащий CO 2 , под давлением по меньшей мере 8 МПа и при температуре по меньшей мере 800°C; первую и вторую турбины для производства энергии, установленные последовательно ниже по потоку от устройства для сжигания и выполненные с возможностью выпуска выхлопного потока турбины, содержащего CO 2 ; теплообменник, выполненный с возможностью приема выхлопного потока турбины из второй турбины для производства энергии, отвода тепла от выхлопного потока из указанной второй турбины и передачи указанного тепла потоку CO 2 ; одно или несколько разделительных устройств, установленных ниже по потоку от теплообменника и выполненных с возможностью удаления одного или нескольких компонентов из выхлопного потока турбины и выходного потока CO 2 ; компрессор, выполненный с возможностью повышения давления потока CO 2 ; и по меньшей мере один теплообменный компонент в дополнение к теплообменнику, выполненный с возможностью передачи тепла от иного источника, чем выхлопной поток турбины, к потоку CO 2 выше по потоку от устройства для сжигания и ниже по потоку от компрессора.

16. Система по п.15, в которой компрессор выполнен с возможностью сжатия потока CO 2 до первого давления, превышающего критическое давление для CO 2 , и система содержит второй компрессор, выполненный с возможностью сжатия потока CO 2 до второго, более высокого давления, по меньшей мере 8 МПа.

17. Система по п.16, содержащая охлаждающее устройство, расположенное между компрессором и вторым компрессором и выполненное с возможностью охлаждения потока CO 2 до температуры, при которой его плотность больше 200 кг/м 3 .

18. Система по п.15, в которой по меньшей мере один теплообменный компонент связан с устройством производства O 2 .

19. Система по п.15, в которой теплообменник включает по меньшей мере два теплообменных блока.

20. Система производства электрической энергии для осуществления способа по пп.1-14, содержащая первое устройство для сжигания; первую турбину; второе устройство для сжигания; вторую турбину; компрессор; теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от выхлопного потока, выходящего из второй турбины, к потоку CO 2 , покидающему компрессор, и имеющий первый вход, связанный при работе с выходом второй турбины, первый выход, связанный при работе со входом компрессора, второй вход, связанный при работе с выходом компрессора, и второй выход, связанный при работе со входом первого устройства для сжигания; и ввод для тепла от источника тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока турбины, расположенный между выходом компрессора и входом первого устройства для сжигания и выполненный с возможностью добавления тепла от указанного источника тепла к потоку CO 2 .

21. Система по п.20, в которой ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от воздухоразделительной установки.

22. Система по п.20, в которой ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от паропровода.

23. Система по п.20, в которой ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от горячего выхлопного газа из обычной газовой турбины с открытым циклом.


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

1. Способ производства электрической энергии, в котором обеспечивают расширение CO 2 -содержащего потока, имеющего давление 12 МПа или более и температуру 750°C или более, пропуская его через последовательность турбин от первой к последней турбине, получая из последней турбины выхлопной поток последней турбины, содержащий CO 2 ; пропускают выхлопной поток последней турбины через рекуперативный теплообменник, отводя от него тепло, как источник тепла, и формируя охлажденный выхлопной поток турбины; отводят по меньшей мере часть CO 2 из охлажденного выхлопного потока турбины, формируя поток рециркуляционного CO 2 ; подвергают сжатию поток рециркуляционного CO 2 до давления по меньшей мере 12 МПа, формируя поток сжатого рециркуляционного CO 2 ; нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством тепла от источника, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, формируя объединенный поток нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 ; подают объединенный поток нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 в устройство для сжигания углеродсодержащего топлива в присутствии окислителя и объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 для дополнительного нагрева этого потока так, чтобы образовать CO 2 -содержащий поток, и подают CO 2 -содержащий поток в первую из последовательности турбин, причем одну или обе из первой и последней турбин используют для производства электрической энергии, а разница между температурой объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 , подаваемого в устройство для сжигания, и температурой выхлопного потока последней турбины, содержащего CO 2 , составляет не более чем приблизительно 50°C.

2. Способ по п.1, в котором подводят дополнительное тепло к CO 2 -содержащему потоку между первой и последней турбинами.

3. Способ по п.2, в котором указанное дополнительное тепло обеспечивают в дополнительном устройстве для сжигания углеродсодержащего топлива в присутствии окислителя и CO 2 -содержащего потока.

4. Способ по п.1, в котором отводят вспомогательный поток от потока сжатого рециркуляционного CO 2 после указанной стадии сжатия и до подачи объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 в устройство для сжигания.

5. Способ по п.4, в котором часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 нагревают посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, а вспомогательный поток представляет собой часть, нагретую посредством тепла от источника, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, и части воссоединяют до подачи объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 в устройство для сжигания.

6. Способ по п.5, в котором вспомогательный поток нагревают посредством его пропуска через вспомогательный нагреватель.

7. Способ по п.6, в котором вспомогательный нагреватель использует тепло, отведенное от работающих в адиабатическом режиме ступеней воздушных компрессоров в криогенной воздухоразделительной установке.

8. Способ по п.6, в котором вспомогательный нагреватель включает криогенную воздухоразделительную установку с двумя компрессорами, работающими в адиабатическом режиме, и в котором осуществляют отвод тепла сжатия в последующих охладителях к циркулирующей текучей среде, переносящей тепло и передающей это тепло сжатия.

9. Способ по п.1, в котором нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством тепла от источника, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, так что температура объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 , входящего в устройство для сжигания, меньше температуры выхлопного потока последней турбины не более чем на 50°C.

10. Способ по п.1, в котором источником тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, является воздухоразделительная установка.

11. Способ по п.1, в котором источником тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, является паропровод.

12. Способ по п.1, в котором источником тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, является горячий выхлопной газ из обычной газовой турбины с открытым циклом.

13. Способ по п.1, в котором рекуперативный теплообменник включает последовательность по меньшей мере из двух теплообменников.

14. Способ производства электрической энергии, в котором обеспечивают расширение CO 2 -содержащего потока, имеющего давление по меньшей мере 12 МПа и температуру по меньшей мере 750°C, пропуская его через последовательность турбин от первой к последней турбине, получая из последней турбины выхлопной поток последней турбины, содержащий CO 2 ; пропускают выхлопной поток последней турбины через рекуперативный теплообменник, отводя от него тепло, как источник тепла, и формируя охлажденный выхлопной поток турбины; отводят по меньшей мере часть CO 2 из охлажденного выхлопного потока турбины, формируя поток рециркуляционного CO 2 ; подвергают сжатию поток рециркуляционного CO 2 до давления по меньшей мере 12 МПа, формируя поток сжатого рециркуляционного CO 2 ; нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 посредством первого источника тепла, представляющего собой тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, пропуская поток сжатого рециркуляционного CO 2 через рекуперативный теплообменник, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO 2 теплом от второго источника тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, так что из рекуперативного теплообменника выходит поток нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 , нагретый первым и вторым источниками тепла; подают поток нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 из рекуперативного теплообменника в устройство для сжигания топлива для дополнительного нагрева этого потока, формируя CO 2 -содержащий поток, и подают CO 2 -содержащий поток в первую из последовательности турбин, причем одну или обе из первой и последней турбин используют для производства электрической энергии, а разница между температурой объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного CO 2 , подаваемого в устройство для сжигания, и температурой выхлопного потока последней турбины, содержащего CO 2 , составляет не более чем приблизительно 50°C.

15. Система производства электрической энергии для осуществления способа по пп.1-14, содержащая устройство для сжигания, выполненное с возможностью приема топлива, O 2 и потока CO 2 , имеющее по меньшей мере одну ступень сжигания топлива в присутствии потока CO 2 и обеспечивающее поток продуктов горения, содержащий CO 2 , под давлением по меньшей мере 8 МПа и при температуре по меньшей мере 800°C; первую и вторую турбины для производства энергии, установленные последовательно ниже по потоку от устройства для сжигания и выполненные с возможностью выпуска выхлопного потока турбины, содержащего CO 2 ; теплообменник, выполненный с возможностью приема выхлопного потока турбины из второй турбины для производства энергии, отвода тепла от выхлопного потока из указанной второй турбины и передачи указанного тепла потоку CO 2 ; одно или несколько разделительных устройств, установленных ниже по потоку от теплообменника и выполненных с возможностью удаления одного или нескольких компонентов из выхлопного потока турбины и выходного потока CO 2 ; компрессор, выполненный с возможностью повышения давления потока CO 2 ; и по меньшей мере один теплообменный компонент в дополнение к теплообменнику, выполненный с возможностью передачи тепла от иного источника, чем выхлопной поток турбины, к потоку CO 2 выше по потоку от устройства для сжигания и ниже по потоку от компрессора.

16. Система по п.15, в которой компрессор выполнен с возможностью сжатия потока CO 2 до первого давления, превышающего критическое давление для CO 2 , и система содержит второй компрессор, выполненный с возможностью сжатия потока CO 2 до второго, более высокого давления, по меньшей мере 8 МПа.

17. Система по п.16, содержащая охлаждающее устройство, расположенное между компрессором и вторым компрессором и выполненное с возможностью охлаждения потока CO 2 до температуры, при которой его плотность больше 200 кг/м 3 .

18. Система по п.15, в которой по меньшей мере один теплообменный компонент связан с устройством производства O 2 .

19. Система по п.15, в которой теплообменник включает по меньшей мере два теплообменных блока.

20. Система производства электрической энергии для осуществления способа по пп.1-14, содержащая первое устройство для сжигания; первую турбину; второе устройство для сжигания; вторую турбину; компрессор; теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от выхлопного потока, выходящего из второй турбины, к потоку CO 2 , покидающему компрессор, и имеющий первый вход, связанный при работе с выходом второй турбины, первый выход, связанный при работе со входом компрессора, второй вход, связанный при работе с выходом компрессора, и второй выход, связанный при работе со входом первого устройства для сжигания; и ввод для тепла от источника тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока турбины, расположенный между выходом компрессора и входом первого устройства для сжигания и выполненный с возможностью добавления тепла от указанного источника тепла к потоку CO 2 .

21. Система по п.20, в которой ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от воздухоразделительной установки.

22. Система по п.20, в которой ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от паропровода.

23. Система по п.20, в которой ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от горячего выхлопного газа из обычной газовой турбины с открытым циклом.


Евразийское 032619 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2019.06.28
(21) Номер заявки 201600184
(22) Дата подачи заявки
2011.01.26
(51) Int. Cl. F02C3/34 (2006.01) F01K25/10 (2006.01)
(54) СИСТЕМА И СПОСОБ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО РАБОЧЕГО ТЕЛА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
(31) 61/299,272; 12/714,074; 12/872,777
(32) 2010.01.28; 2010.02.26; 2010.08.31
(33) US
(43) 2016.11.30
(62) 201201048; 2011.01.26
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ПАЛМЕР ЛЭБС, ЛЛК; 8 РИВЕРЗ
КЭПИТЛ, ЛЛК (US)
(72) Изобретатель:
Аллам Родни Джон (GB), Палмер Майлз Р., Браун Гленн Уилльям Джр.
(US)
(74) Представитель:
Веселицкая И.А., Кузенкова Н.В., Веселицкий М.Б., Каксис Р.А., Белоусов Ю.В., Куликов А.В., Кузнецова Е.В., Соколов Р.А., Кузнецова Т.В. (RU)
(56) US-A-4498289
US-A1-20040123601
US-A-4148185
US-A1-20040134197
(57) В патенте описаны способы и система производства энергии с использованием высокоэффективного устройства для сжигания в сочетании с циркулирующей текучей средой на основе CO2. Предпочтительно в способах и системах может использоваться энергетическая турбины с низким отношением давлений и работающий на отходящем газе теплообменник специального исполнения. Дополнительное низкопотенциальное тепло от внешнего источника может быть использовано для обеспечения части от общего количества тепла, требуемого для нагревания циркулирующей текучей среды на основе CO2. Образующийся из топлива CO2 может улавливаться и подаваться под давлением, соответствующим давлению в трубопроводе. Также могут улавливаться другие посторонние включения.
Область техники
Изобретение относится к системам и способам производства энергии, например электрической, путем использования циркулирующей текучей среды для передачи энергии, выработанной при высокоэффективном горении топлива. В частности, в системе и способе в качестве циркулирующей текучей среды может быть использован диоксид углерода.
Уровень техники
По оценкам в ближайшие 100 лет основная потребность мирового производства электроэнергии будет удовлетворяться за счет использования органических топлив, хотя одновременно будут развиваться и использоваться неуглеродные источники энергии. Однако известным способам производства энергии путем сжигания органических топлив и (или) подходящей биомассы присущи увеличение стоимости энергии и возрастание выхода диоксида углерода (CO2), а также других вредных выбросов. Все больше становится ясным, что глобальное потепление потенциально влечет за собой катастрофические последствия из-за увеличения выбросов углерода. Как представляется, солнечная и ветровая энергия не способны заместить сжигание органического топлива в ближайшей перспективе, а с ядерной энергией связаны такие угрозы, как распространение ядерных материалов и необходимость в захоронении ядерных отходов.
На обычные средства для производства энергии из органических топлив или соответствующей биомассы в настоящее время накладываются все большие требования по улавливанию CO2 при высоком давлении для доставки его на изолированные места при секвестрации. Как доказано, такие требования трудновыполнимы, так как существующие технологии обеспечивают очень низкую эффективность улавливания CO2 даже в лучших конструкциях. Кроме того, капитальные затраты на улавливание CO2 высоки, что приводит к существенному удорожанию электроэнергии по сравнению с системами, выбрасывающими CO2 в атмосферу. Соответственно, в мире существует все большая потребность в системах и способах высокоэффективного производства энергии, обеспечивающих снижение выброса CO2 и (или) облегчение удаления (секвестрации) выработанного CO2.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагается способ производства электрической энергии, в котором
обеспечивают расширение С02-содержащего потока, имеющего давление 12 МПа или более и температуру 750°С или более, пропуская его через последовательность турбин от первой к последней турбине, получая из последней турбины выхлопной поток последней турбины, содержащий С02;
пропускают выхлопной поток последней турбины через рекуперативный теплообменник, отводя от него тепло, как источник тепла, и формируя охлажденный выхлопной поток турбины;
отводят по меньшей мере часть CO2 из охлажденного выхлопного потока турбины, формируя поток рециркуляционного CO2;
подвергают сжатию поток рециркуляционного CO2 до давления по меньшей мере 12 МПа, формируя поток сжатого рециркуляционного CO2;
нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO2 посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного CO2 посредством тепла от источника другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, формируя объединенный поток нагретого сжатого рециркуляционного С02;
подают объединенный поток нагретого сжатого рециркуляционного С02 в устройство для сжигания углеродсодержащего топлива в присутствии окислителя и объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02, который дополнительно нагревают, формируя С02-содержащий поток, и
подают С02-содержащий поток в первую из последовательности турбин.
В вариантах реализации подводят дополнительное тепло к С02. содержащему потоку между первой и последней турбинами. Указанное дополнительное тепло обеспечивают в дополнительном устройстве для сжигания углеродсодержащего топлива в присутствии окислителя и С02-содержащего потока.
В одном из вариантов отводят вспомогательный поток от потока сжатого рециркуляционного С02 после указанной стадии сжатия и до подачи объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02 в устройство для сжигания. Часть потока сжатого рециркуляционного С02 нагревают посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, а вспомогательный поток представляет собой часть, нагретую посредством тепла от источника другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, и части воссоединяют до подачи объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02 в устройство для сжигания. Вспомогательный поток нагревают посредством его пропуска через вспомогательный/запасной нагреватель. Вспомогательный нагреватель использует тепло, отведенное от работающих в адиабатическом режиме ступеней воздушных компрессоров в криогенной воздухоразделительной установке, или вспомогательный нагреватель включает криогенную воздухораз-делительную установку с двумя компрессорами, работающими в адиабатическом режиме, и в котором осуществляют отвод тепла сжатия в последующих охладителях к циркулирующей текучей среде, переносящей тепло и передающей это тепло сжатия.
В одном из вариантов нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного С02 посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины и нагревают по меньшей мере
часть потока сжатого рециркуляционного С02 посредством тепла от источника другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, так что температура объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02, входящего в устройство для сжигания, меньше температуры выхлопного потока последней турбины не более, чем на 50°С.
Источником тепла другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, может быть воздухоразделительная установка, тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, паропровод горячий выхлопной газ из обычной газовой турбины с открытым циклом.
В одном из вариантов рекуперативный теплообменник включает последовательность из по меньшей мере двух теплообменников.
В настоящем изобретении также предлагается способ производства энергии, в котором
обеспечивают расширение С02-содержащего потока, имеющего давление по меньшей мере 12 МПа и температуру по меньшей мере 750°С, пропуская его через последовательность турбин от первой к последней турбине, получая из последней турбины выхлопной поток последней турбины, содержащий С02;
пропускают выхлопной поток последней турбины через рекуперативный теплообменник, отводя от него тепло, как источник тепла, и формируя охлажденный выхлопной поток турбины;
отводят по меньшей мере часть С02 из охлажденного выхлопного потока турбины, формируя поток рециркуляционного С02;
подвергают сжатию поток рециркуляционного С02 до давления по меньшей мере 12 МПа, формируя поток сжатого рециркуляционного С02;
нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного С02 посредством первого источника в виде тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, пропуская поток сжатого рециркуляционного С02 через рекуперативный теплообменник, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного С02 теплом от второго источника тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, так что из рекуперативного теплообменника выходит поток нагретого сжатого рециркуляционного С02, нагретый первым и вторым источниками тепла;
подают поток нагретого сжатого рециркуляционного С02 из рекуперативного теплообменника в устройство для сжигания топлива для дополнительного нагрева этого потока, формируя С02-содержащий поток, и
подают С02-содержащий поток в первую из последовательности турбин.
В настоящем изобретении также предлагается система производства энергии, содержащая
устройство для сжигания, выполненное с возможностью приема топлива, 02 и потока С02, имеющее по меньшей мере одну ступень сжигания топлива в присутствии потока С02, и обеспечивающее поток продуктов горения, содержащий С02 под давлением по меньшей мере 8 МПа и при температуре по меньшей мере 800°С;
первую и вторую турбины для производства энергии, установленные последовательно ниже по потоку от устройства для сжигания и выполненные с возможностью выпуска выхлопного потока турбины, содержащего С02;
теплообменник, выполненный с возможностью приема выхлопного потока турбины из второй турбины для производства энергии и передачи тепла от него потоку С02;
одно или несколько разделительных устройств, установленных ниже по потоку от теплообменника и выполненных с возможностью удаления одного или нескольких компонентов из выхлопного потока турбины и выходного потока С02;
компрессор, выполненный с возможностью повышения давления потока С02; и
по меньшей мере один теплообменный компонент в дополнение к теплообменнику, по меньшей мере один из которых выполнен с возможностью передачи тепла от иного источника, чем выхлопной поток турбины, к потоку С02 выше по потоку от устройства для сжигания и ниже по потоку от компрессора.
В одном из вариантов компрессор выполнен с возможностью сжатия потока С02 до первого давления, превышающего критическое давление для С02, и система содержит второй компрессор, выполненный с возможностью сжатия потока С02 до второго, более высокого давления, по меньшей мере 8 МПа. Система содержит охлаждающее устройство, расположенное между компрессором и вторым компрессором и выполненное с возможностью охлаждения потока С02 до температуры, при которой его плотность больше 200 кг/м3.
В других вариантах по меньшей мере один теплообменный компонент связан с устройством производства 02.
Теплообменник включает по меньшей мере два теплообменных блока.
В настоящем изобретении также предлагается система производства электрической энергии, содержащая:
первое устройство для сжигания; первую турбину; второе устройство для сжигания; вторую турбину;
компрессор;
теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от выхлопного потока, выходящего из второй турбины, к потоку С02, покидающему компрессор, и имеющий первый вход, связанный при работе с выходом второй турбины, первый выход, связанный при работе со входом компрессора, второй вход, связанный при работе с выходом компрессора, и второй выход, связанный при работе со входом первого устройства для сжигания; и
ввод тепла, расположенный между выходом компрессора и входом первого устройства для сжигания и выполненный с возможностью добавления тепла к потоку С02 от источника другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока турбины.
В одном из вариантов ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от воздухораздели-тельной установки, от паропровода или от горячего выхлопного газа из обычной газовой турбины с открытым циклом.
Настоящее изобретение обеспечивает способы и системы выработки энергии с использованием высокоэффективного устройства для сжигания, упоминаемого также далее как камера сгорания, (например, устройства /камеры сгорания с транспирационным охлаждением) в сочетании с циркулирующей текучей средой (например циркулирующей текучей средой на основе С02). В частности, циркулирующая текучая среда может вводиться в камеру сгорания вместе с топливом и окислителем для сжигания таким образом, чтобы создавались высокое давление и высокотемпературный поток текучей среды, включающий циркулирующую текучую среду и различные продукты горения. Поток текучей среды может вводиться в устройство выработки энергии, например турбину. Преимущество изобретения заключается в том, что поток текучей среды при расширении в турбине может поддерживаться при относительно высоком давлении, так что коэффициент давления в турбине (то есть отношение давления на входе к давлению на выходе турбины) составляет приблизительно менее 12. Поток текучей среды может быть дополнительно обработан путем разделения его компонент, что может включать пропускание потока текучей среды через теплообменник. В частности, циркулирующая текучая среда (по меньшей мере часть которой может быть отведена обратно из потока текучей среды) может быть пропущена через тот же теплообменник для подогрева циркулирующей текучей среды до введения ее в камеру сгорания. В таких вариантах выполнения может быть целесообразным задействовать этот теплообменник (например, за счет выбора низко-потенциальнго источника тепла), так чтобы он имел лишь небольшую разницу температур между продуктами на выходе турбины и используемой повторно текучей средой на горячем краю (стороне) теплообменника.
Изобретение может обеспечивать системы производства энергии, способные выдавать мощность с высокой эффективностью при низких капитальных затратах, а также производить в основном чистый С02 под давлением, в основном соответствующим давлению в трубопроводе, служащем для его удаления (секвестрации). С02 может быть также введен обратно в систему производства энергии для повторного использования.
Предлагаемые в изобретении системы и способы отличаются возможностью использования широкого разнообразия источников топлива. Например, в предлагаемой в изобретении высокоэффективной камере сгорания, применяемой согласно изобретению, могут использоваться газообразные (например, природный газ или извлеченный из угля газ), жидкие (например, углеводороды, битумы) и твердые (например, уголь, лигнит, битум) топлива. Могут использоваться даже другие виды топлив помимо описанных.
Предлагаемые в изобретении способы и системы, в частности, применимы там, где они могут повысить наивысший коэффициент полезного действия существующих электростанций, работающих на сжигании угля и не приспособленных для улавливания С02. Например, такие существующие электростанции в лучшем случае могут достичь коэффициента полезного действия, равного 45% (по теплотворной способности), при работе на смолистом угле и давлении в конденсаторе 1,7 дюйма Hg (43 мм.рт.ст.). В настоящей системе такой коэффициент полезного действия может быть повышен при одновременном отводе С02 для секвестрации или другого вида сброса/удаления под требуемым давлением.
Изобретение может обеспечивать возможность снижения физических размеров и капитальных затрат для системы производства энергии по сравнению с существующими технологиями, в которых используется аналогичное топливо. Таким образом предлагаемые в изобретении способы и системы могут значительно снизить стоимость строительных работ, связанных с системами производства электроэнергии.
Более того, предлагаемые в изобретении способы и системы могут обеспечить утилизацию фактически 100% используемого или производимого С02, особенно С02, получающегося из присутствующего в топливе углерода. В частности, С02 может быть обеспечен в виде осушенного, очищенного газа под давлением, соответствующим давлению в трубопроводе. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность раздельного извлечения других содержащихся в топливе и выделяющихся при горении посторонних примесей для их использования и (или)удаления.
В настоящем изобретении предлагается способ производства энергии, включающий использование такой циркулирующей текучей среды, как С02. В частных вариантах выполнения предлагаемый в изо
бретении способ производства энергии может включать введение углеродосодержащего топлива, 02 циркулирующей текучей среды на основе С02 в камеру сгорания с транспирационным охлаждением. Конкретно, С02 может вводиться под давлением по меньшей мере приблизительно 8 МПа (предпочтительно по меньшей мере приблизительно 12 МПа) и при температуре по меньшей мере приблизительно 200°С (предпочтительно по меньшей мере приблизительно 400°С). Способ может включать сжигание топлива с получением потока продуктов горения, содержащего С02. В частности, поток продуктов горения может иметь температуру по меньшей мере приблизительно 800°С. Кроме того, способ может включать расширение потока продуктов горения в турбине, служащей для выработки мощности (энергии) и имеющей вход, предназначенный для приема потока продуктов горения, и выход, предназначенный для выброса выхлопного потока турбины, содержащего С02. Предпочтительно отношение давления потока продуктов горения на входе к давлению выхлопного потока турбины на выходе может составлять менее приблизительно 12. В частных вариантах выполнения может быть желательным введение С02 в камеру сгорания под давлением по меньше мере приблизительно 10 МПа или под давлением по меньшей мере приблизительно 20 МПа, и температуре по меньшей мере приблизительно 400°С или температуре по меньшей мере приблизительно 700°С. Еще другие возможные параметры процесса описаны далее.
В вариантах выполнения циркулирующая текучая среда на основе С02 может вводиться в камеру сгорания с транспирационным охлаждением в виде смеси с 02 или с углеродосодержащим топливом или с обоими вместе. В других вариантах выполнения циркулирующая текучая среда на основе С02 может вводиться в камеру сгорания с транспирационным охлаждением как часть или вся текучая среда транс-пирационного охлаждения, направляемая через один или несколько каналов подачи транспирационной текучей среды, сформированных в камере сгорания с транспирационным охлаждением. В вариантах выполнения циркулирующая текучая среда на основе С02 может направляться в камеру сгорания только в качестве транспирационной текучей среды.
Процесс сжигания может отличаться, в частности, фактической температурой горения. Например, горение может происходить при температуре по меньшей мере приблизительно 1500°С. В других вариантах выполнения горение может проводиться при температуре приблизительно от 1600 до 3300°С. Изобретение может также отличаться чистотой кислорода, содержащегося в потоке 02. Например, в некоторых вариантах выполнения может использоваться окружающий воздух. Однако в частных вариантах выполнения может быть предпочтительной очистка кислорода. Например, 02 может быть обеспечен в виде потока с молярным содержанием 02, составляющим по меньшей мере 85%. Описаны также другие частные варианты выполнения.
В частных вариантах выполнения поток продуктов горения может иметь температуру по меньшей мере приблизительно 1000°С. Кроме того, поток продуктов горения может иметь давление, составляющее по меньшей мере приблизительно 90% от давления С02, вводимого в камеру сгорания, или по меньшей мере 95% от этого давления.
В некоторых вариантах выполнения отношение давления потока продуктов горения на входе турбины к давлению выхлопного потока турбины на выходе турбины может составлять приблизительно от 1,5 до 10 или может быть приблизительно от 2 до 8. Другие возможные отношения давлений рассмотрены далее.
Изобретение может отличаться соотношением содержаний конкретных веществ, вводимых в камеру сгорания. Например, отношение С02, содержащегося в циркулирующей текучей среде на основе С02, к углероду, содержащемуся в топливе, вводимом в камеру сгорания, в молярном выражении может быть приблизительно от 10 до 50 или может быть от 10 до 30. Другие возможные соотношения содержаний рассмотрены далее.
Изобретение может отличаться тем, что по меньшей мере часть С02, содержащегося в выхлопном потоке турбины, может быть использована
повторно и введена обратно в камеру сгорания. По меньшей мере часть С02 может быть выведена из системы (например, с целью захоронения или другого удаления), например, через трубопровод.
В частных вариантах выполнения содержащийся в выхлопном потоке турбины С02 может находиться в газообразном состоянии. Конкретно, выхлопной поток турбины может иметь давление менее 7 МПа или равное ему.
В других вариантах выполнения предлагаемый способ может включать пропускание выхлопного потока турбины по меньшей мере через один теплообменник, охлаждающий выхлопной поток турбины и обеспечивающий поток циркулирующей текучей среды на основе С02 с температурой менее приблизительно 200°С. Это может быть полезным для обеспечения потока циркулирующей текучей среды на основе С02 с параметрами, облегчающими удаление одной или нескольких вторичных компонент (то есть компонент, отличных от С02). В частных вариантах выполнения это может включать пропускание выхлопного потока турбины через последовательность по меньшей мере из двух теплообменников. Точнее сказать, первый теплообменник в последовательности может воспринимать выхлопной поток турбины и понижать его температуру, причем первый теплообменник выполнен из высокотемпературного сплава, выдерживающего температуру по меньшей мере приблизительно 900°.
Предлагаемый в изобретении способ может включать выполнение одной или нескольких стадий
разделения потока циркулирующей текучей среды на основе С02 с целью удаления одной или нескольких вторичных компонент, присутствующих в потоке циркулирующей текучей среды на основе С02 наряду с С02, как описано выше. В частности, одна или несколько вторичных компонент могут включать
воду.
Предлагаемые в изобретении способы могут включать повышение давления потока С02. Например, после расширения потока продуктов горения и охлаждения выхлопного потока турбины может быть предпочтительным повышение давления потока для возвращения его обратно в камеру сгорания. В частности, способы могут включать пропускание потока циркулирующей текучей среды на основе С02 через один или несколько компрессоров (например, насосов) для его сжатия до давления, составляющего по меньшей мере 8 МПа. Это может также включать пропускание потока циркулирующей текучей среды на основе С02 через последовательность по меньшей мере из двух компрессоров с целью повышения его давления. В некоторых вариантах выполнения давление потока циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть доведено до давления, составляющего по меньшей мере приблизительно 15 МПа. Могут быть предпочтительными и другие диапазоны давления, отличные от приведенных. В других вариантах выполнения сжатый поток циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть обеспечен, в частности, в сверхкритическом состоянии. В некоторых вариантах выполнения по меньшей мере часть С02 в виде потока сжатой циркулирующей текучей среды отводится в трубопровод высокого давления для захоронения (или другого удаления), как уже отмечалось выше.
Кроме повышения давления предлагаемые в изобретении способы могут также включать нагревание предварительно охлажденного потока циркулирующей текучей среды на основе С02 для его введения обратно в камеру сгорания (то есть повторного использования потока циркулирующей текучей среды на основе С02). В некоторых вариантах выполнения это может включать нагревание сжатого потока циркулирующей текучей среды на основе С02 до температуры по меньшей мере приблизительно 200°С, по меньшей мере приблизительно 400°С или по меньшей мере приблизительно 700°С. В некоторых вариантах выполнения сжатый поток циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть нагрет до температуры, меньшей температуры выхлопного потока турбины не более, чем на 50°С. Другие возможные температурные диапазоны рассмотрены далее. В частности, такое нагревание может включать пропускание потока циркулирующей текучей среды на основе С02 через тот же теплообменник(и), что используется для охлаждения выхлопного потока турбины. Такое нагревание может также включать подачу тепла от внешнего источника (то есть отличного от тепла, переданного в теплообменниках). В частных вариантах выполнения нагревание может включать использование тепла, отведенного от блока выделения 02. Предпочтительно это дополнительное тепло вводится на холодном краю теплообменного блока (или в случае использования последовательности теплообменников перед тем теплообменником в последовательности, который действует в наивысшем температурном диапазоне).
В некоторых вариантах выполнения изобретение может отличаться основными свойствами потока продуктов горения, что дает возможность его опционного применения в различных турбинах. Например, в некоторых вариантах выполнения поток продуктов горения может представлять собой восстановительную текучую среду, содержащую одну или несколько горючих компонент (например, компонент, выбираемых из группы, включающей H2, CO, CH4, H2S, NH3 и их сочетание). Это может регулироваться отношением 02 к используемому топливу. В некоторых вариантах выполнения поток продуктов горения может содержать полностью окисленные компоненты, такие как С02, H20 и S02, а также восстановленные компоненты, перечисленные выше. Фактически полученный состав может зависеть от отношения 02 к используемому топливу на входе в камеру сгорания с транспирационным охлаждением. В частности, турбина, используемая в таких вариантах выполнения, может содержать два или более блоков, каждый из которых имеет вход и выход. В частных вариантах выполнения блоки турбины могут действовать таким образом, что рабочие температуры на входах каждого из блоков в основном одинаковы. Это может включать добавление некоторого количества 02 к потоку текучей среды на выходе первого турбинного блока (или предшествующего турбинного блока при использовании трех или более блоков). Подача 02 может дать возможность сжигания одной или нескольких горючих компонент, приведенных выше, что повышает температуру потока до его поступления в следующую турбину последовательности. Это дает возможность максимизации мощности, получаемой от газообразных продуктов горения в присутствии циркулирующей текучей среды.
В других вариантах выполнения выхлопной поток турбины может представлять собой окислительную текучую среду. Например, выхлопной поток турбины может содержать избыточное количество 02.
В некоторых вариантах выполнения изобретение может отличаться состоянием различных потоков. Например, после стадии расширения в турбине потока продуктов горения выхлопной поток турбины может быть в газообразном состоянии. Этот газ может быть пропущен через по меньшей мере один теплообменник для охлаждения газообразного выхлопного потока турбины с целью отделения С02 от любых вторичных компонент. После чего по меньшей мере часть выделенного С02 может подвергаться сжатию с преобразованием в сверхкритическое состояние текучей среды и повторно пропускаться через тот же теплообменник(и) для нагревания С02 с целью его повторного введения в камеру сгорания. В частных вариантах выполнения температурная разница между температурой выхлопного потока турбины,
поступающего в теплообменник (или в первый теплообменник при использовании последовательности) после стадии расширения, и температурой нагретой, сжатой, сверхкритической циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящей из того же теплообменника для повторного введения в камеру сгорания, может быть менее приблизительно 50°С.
Как отмечено выше, поток текучей среды, выходящий из работающей на топливе камеры сгорания, может содержать циркулирующую текучую среду на основе С02, а также одну или несколько дополнительных компонент, таких как продукты горения. В некоторых вариантах выполнения может быть целесообразным повторно использовать по меньшей мере часть С02, и вводить его в работающую на топливе камеру сгорания. Поэтому циркулирующая текучая среда может быть повторно используемой текучей средой. Конечно, в качестве циркулирующей текучей среды может быть использован С02 от внешнего источника. Выхлопной газ турбины может охлаждаться в работающем на отходящем газе теплообменнике, и полученное тепло может использоваться для нагревания находящегося под высоким давлением, повторно используемого С02. Охлажденные выхлопные газы турбины, выходящие с низкотемпературного края теплообменника, могут содержать компоненты, полученные из топлива или в процессе горения, такие как H20, S02, S03, NO, NO2, Hg и HCl. В других вариантах выполнения эти компоненты могут быть удалены из потока с использованием соответствующих способов. Другие компоненты этого потока могут содержать инертные, газообразные посторонние включения, полученные из топлива или окислителя, такие как N2, аргон (Ar) и избыточный 02. Они могут быть удалены с использованием соответствующих процессов разделения. В дополнительных вариантах выполнения выхлопные газы турбины должны находиться под давлением, меньшим, чем давление конденсации С02, заключенного в этих газах, при температуре, допустимой в средствах охлаждения, так чтобы не могло образоваться С02 в жидкой фазе при охлаждении выхлопных газов, так как это дает возможность эффективного отделения воды в виде жидкости от газообразного С02, который будет содержать минимальное количество водяных паров. В дополнительных вариантах выполнения очищенный С02 может быть теперь подвергнут сжатию для получения потока находящейся под высокими давлением, повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02 вместе по меньшей мере частью С02 в виде текучей среды, представляющей собой окисленный углерод, полученный из углерода, содержащегося в топливе, вводимом в камеру сгорания, которая может быть подана в трубопровод высокого давления для удаления. Возможность передачи С02 непосредственно из процесса горения в трубопровод высокого давления с минимальной дополнительной обработкой или сжатием благодаря высокому давлению выхлопного потока турбины является особым преимуществом перед известными способами, в которых С02 извлекается при близком к атмосферному давлении (то есть приблизительно 0,1 МПа) или выбрасывается в атмосферу. Кроме того, согласно настоящему изобретению предназначенный для удаления С02 может быть перемещен таким образом, который более эффективен и экономичен по сравнению с известным уровнем техники.
Удельная теплоемкость циркулирующей текучей среды на основе С02, поступающей в теплообменник в идеале под давлением выше критического, высока и снижается с ростом температуры. Это особенное большое преимущество с точки зрения части низкотемпературного тепла, отводимого от внешнего источника. Например, это может быть подача пара низкого давления, обеспечивающего тепло при конденсации. В дополнительных вариантах выполнения этим источником может быть тепло, получаемое при работе воздушного компрессора, используемого в установке криогенного разделения воздуха, подающей окислитель в камеру сгорания в адиабатическом режиме,
причем это получающееся при сжатии тепло без промежуточного охлаждения передается движущемуся в замкнутом цикле потоку теплопередающей текучей среды, используемой для сообщения тепла потоку циркулирующей текучей среды на основе С02.
Для производства энергии могут производиться следующие действия:
вводят топливо, 02 и циркулирующую текучую среду на основе С02 в камеру сгорания, причем С02 вводят в камеру сгорания под давлением по меньшей мере приблизительно 8 МПа и при температуре по меньшей мере приблизительно 200°С;
сжигают топливо, обеспечивая поток продуктов горения, содержащий С02 и имеющий температуру по меньшей мере приблизительно 800°С;
обеспечивают расширение потока продуктов горения с целью выработки энергии в турбине, имеющей вход, предназначенный для приема потока продуктов горения, и выход предназначенный для выброса выхлопного потока турбины, содержащего С02, при этом отношение давления потока продуктов горения на входе к давлению выхлопного потока турбины на выходе составляет менее приблизительно
12;
отводят тепло от выхлопного потока турбины путем пропускания его через теплообменный блок, обеспечивая охлаждение выхлопного потока турбины;
удаляют из охлажденного выхлопного потока турбины одну или несколько вторичных компонент, присутствующих в охлажденном выхлопном потоке турбины в дополнение к С02, обеспечивая очищенный охлажденный выхлопной поток турбины;
подвергают очищенный охлажденный выхлопной поток турбины сжатию в первом компрессоре до давления, превосходящего критическое давление для С02, обеспечивая поток сверхкритической цирку
лирующей текучей среды на основе С02;
охлаждают поток сверхкритической циркулирующей текучей среды на основе С02 до температуры, при которой ее плотность составляет по меньшей мере приблизительно 200 кг/м3;
пропускают сверхкритическую, высокоплотную циркулирующую текучую среду на основе С02 через второй компрессор, подвергая ее сжатию до давления, требуемого для ввода в камеру сгорания;
пропускают сверхкритическую, высокоплотную, находящуюся под высоким давлением циркулирующую текучую среду на основе С02 через тот же теплообменных блок, так что отведенное тепло используется для повышения температуры циркулирующей текучей среды на основе С02;
подводят дополнительное количество тепла к сверхкритической, высокоплотной, находящейся под высоким давлением циркулирующей текучей среде на основе С02, так чтобы разница между температурой циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящей из теплообменного бока для повторного использования в камере сгорания, и температурой выхлопного потока турбины составляла менее приблизительно 50°С; и
повторно используют нагретую, сверхкритическую, высокоплотную циркулирующую текучую среду на основе С02 в камере сгорания.
В вариантах выполнения предлагаемые системы и способы могут быть особенно полезными в сочетании с существующими энергетическими системами и способами (например, обычными работающими на сжигании угля электростанциями, ядерными реакторами и другими системами и способами, в которых могут использоваться обычные бойлерные системы). В некоторых вариантах выполнения между стадией расширения и стадией отвода тепла, описанными выше, предлагаемые способы могут включать пропускание выхлопного потока турбины через второй теплообменный блок. В таком втором теплооб-менном блоке тепло от выхлопного потока турбины может использоваться для нагревания одного или нескольких потоков, получаемых от паровой энергетической системы (например, обычной бойлерной системы, включая работающие на сжигании угля электростанции и ядерные реакторы). Подогретые таким образом паровые потоки могут быть затем пропущены через одну или несколько турбин с целью производства энергии. Выходящие из турбин потоки могут быть затем обработаны путем циклического пропускания через компоненты обычной энергетической системы (например, бойлеры).
В дополнительных вариантах выполнения предлагаемый в изобретении способ может отличаться одной или несколькими стадиями из следующих:
охлаждение выхлопного потока турбины до температуры, ниже точки росы для воды;
дальнейшее охлаждение выхлопного потока турбины охлаждающей средой с температурой окружающего воздуха;
конденсация воды вместе с одной или несколькими вторичными компонентами с образованием раствора, содержащего одно или несколько веществ из следующих: H2SO4, HNO3, HCl и ртуть;
повышение давления охлажденного выхлопного потока турбины до значения, меньшего, чем приблизительно 15 МПа;
отведение направляемого в трубопровод потока С02 от сверхкритической, высокоплотной, находящейся под высоким давлением циркулирующей текучей среды на основе С02 до пропускания через теп-лообменный блок;
использование в качестве топлива продуктов неполного сгорания;
сжигание углеродосодержащего топлива с 02 в присутствии циркулирующей текучей среды на основе С02, при этом углеродосодержащее топливо, 02 и циркулирующая текучая среда на основе С02 обеспечиваются в таком соотношении, что углеродосодержащее топливо окисляется только частично, образуя поток продуктов неполного сгорания, содержащий негорючие компоненты, С02 и одно или несколько веществ из группы, включающей H2, CO, CH4, H2S и NH3;
обеспечение углеродосодержащего топлива, 02 и циркулирующей текучей среды на основе С02 в таком соотношении, что температура потока продуктов неполного сгорания достаточно низка, чтобы все негорючие компоненты в потоке находились в виде твердых частиц;
пропускание потока частично окисленных продуктов горения через один или несколько фильтров;
использование фильтра для снижения количества остаточных негорючих компонент до величины, менее, чем приблизительно 2 мг/м частично окисленных продуктов горения;
использование угля, лигнита или нефтяного кокса в качестве топлива;
обеспечение измельченного топлива в виде пульпы с С02;
Изобретение может быть также использовано, как способ производства энергии, при выполнении которого
вводят углеродосодержащее топливо, 02 и циркулирующую текучую среду на основе С02 в камеру сгорания с транспирационным охлаждением, причем С02 вводят под давлением по меньшей мере приблизительно 8 МПа и при температуре по меньшей мере приблизительно 200°С;
сжигают топливо, обеспечивая поток продуктов горения, содержащий С02 и имеющий температуру по меньшей мере приблизительно 800°С;
обеспечивают расширение потока продуктов горения с целью выработки энергии в турбине, имеющей вход, предназначенный для приема потока продуктов горения, и выход предназначенный для вы
броса выхлопного потока турбины, содержащего С02, при этом отношение давления потока продуктов горения на входе к давлению выхлопного потока турбины на выходе составляет менее приблизительно
12;
пропускают выхлопной поток турбины через последовательность по меньшей мере из двух теплообменников, отбирающих тепло от выходного потока турбины и обеспечивающих поток циркулирующей текучей среды на основе С02;
удаляют из потока циркулирующей текучей среды на основе С02 одну или несколько вторичных компонент, присутствующих в нем наряду с С02;
пропускают поток циркулирующей текучей среды на основе С02 через последовательность по меньшей мере из двух компрессоров, повышающих давление циркулирующей текучей среды на основе С02 по меньшей мере приблизительно до 8 МПа и преобразующих С02, содержащийся в циркулирующей текучей среде, из газообразного состояния в сверхкритическое состояние; и
пропускают сверхкритическую циркулирующую текучую среду на основе С02 через ту же последовательность из двух теплообменников, которая используется для отвода тепла, с целью повышения температуры циркулирующей текучей среды на основе С02 по меньшей мере приблизительно до 200°С (или опционно до температуры, меньшей температуры выхлопного
потока турбины не более, чем приблизительно на 50°С). Это, в частности, может включать введение дополнительного тепла от внешнего источника (например, источника тепла, получаемого не от прохождения выхлопного потока турбины через теплообменник(и)).
В дополнительных вариантах выполнения изобретение может отличаться обеспечением высокоэффективного способа производства энергии при сжигании углеродосодержащего топлива без выброса С02 в атмосферу. В частности, при выполнении способа могут выполняться следующие действия
вводят углеродосодержащее топливо, 02 и повторно используемую циркулирующую текучую среду на основе С02 в камеру сгорания с транспирационным охлаждением в определенном стехиометрическом соотношении, причем С02 вводят под давлением по меньшей мере приблизительно 8 МПа и при температуре по меньшей мере приблизительно 200°С;
сжигают топливо, обеспечивая поток продуктов горения, содержащий С02 и имеющий температуру по меньшей мере приблизительно 800°С;
обеспечивают расширение потока продуктов горения с целью выработки энергии в турбине, имеющей вход, предназначенный для приема потока продуктов горения, и выход предназначенный для выброса выхлопного потока турбины, содержащего С02, при этом отношение давления потока продуктов горения на входе к давлению выхлопного потока турбины на выходе составляет менее приблизительно
12;
пропускают выхлопной поток турбины через последовательность по меньшей мере из двух теплообменников, отбирающих тепло от выходного потока турбины и обеспечивающих поток циркулирующей текучей среды на основе С02;
пропускают поток циркулирующей текучей среды на основе С02 через последовательность по меньшей мере из двух компрессоров, повышающих давление циркулирующей текучей среды на основе С02 по меньшей мере приблизительно до 8 МПа и преобразующих С02, содержащийся в циркулирующей текучей среде, из газообразного состояния в сверхкритическое состояние;
пропускают поток циркулирующей текучей среды на основе С02 через блок разделения, в котором стехиометрически необходимое количество С02 отводят и направляют в камеру сгорания, а избыток С02 отбирают без выброса в атмосферу; и
пропускают сверхкритическую циркулирующую текучую среду на основе С02 через ту же последовательность по меньшей мере из двух теплообменников, которая используется для отвода тепла, с целью повышения температуры циркулирующей текучей среды на основе С02 по меньшей мере приблизительно до 200°С (или опционно до температуры, меньшей температуры выхлопного потока турбины не более, чем приблизительно на 50°С) перед вводом в камеру сгорания;
при этом эффективность сжигания составляет более 50%, и эта эффективность подсчитывается как отношение полезной мощности к общей теплотворной способности углеродосодержащего топлива, сжигаемого при выработке мощности.
В другом дополнительном варианте выполнения изобретение может быть представлено как обеспечивающее систему производства энергии. В частности, предлагаемая в изобретении система производства энергии может сдержать камеру сгорания с транспирационным охлаждением, энергетическую турбину, по меньшей мере один теплообменник и по меньше мере одни компрессор.
В частных вариантах выполнения камера сгорания с транспирационным охлаждением может иметь по меньшей мере один вход, служащий для приема углеродосодержащего топлива, 02 и потока циркулирующей текучей среды на основе С02. Камера сгорания может иметь по меньшей мере одну ступень сгорания топлива в присутствии циркулирующей текучей среды на основе С02, a также обеспечивать поток продуктов горения, содержащий С02 под определенными давлением (например, по меньшей мере приблизительно 8 МПа) и температуре (например, по меньшей мере приблизительно 800°С).
Энергетическая турбина может сообщаться с камерой сгорания и может иметь вход, служащий для
приема потока продуктов горения, и выход, для выброса выхлопного потока турбины, содержащего С02. Турбина может быть выполнена с возможностью регулирования перепада давления, так что отношение давления потока продуктов горения на входе к давлению выхлопного потока турбины на выходе составляет менее приблизительно 12.
С турбиной может сообщаться по меньшей мере один теплообменник, принимающий поток выхлопов турбины. Теплообменник(и) может передавать тепло от выхлопного потока турбины потоку циркулирующей текучей среды на основе С02.
По меньшей мере с одним теплообменником может сообщаться по меньшей мере один компрессор. Компрессор(ы) может быть выполнен с возможностью повышения давления потока циркулирующей текучей среды на основе С02 до заданного значения.
В добавление к вышесказанному предлагаемая в изобретении система выработки энергии может включать одно или несколько разделительных устройств, расположенных между по меньшей мере одним теплообменником и по меньшей мере одним компрессором. Такое разделительное устройство(а) может быть способным удалять одну или несколько вторичных компонент, присутствующих в циркулирующей текучей среде на основе С02 наряду с С02.
Кроме того, система производства энергии может содержать вместе с этим блок выделения 02, включающий одну или несколько компонент, генерирующих тепло. Поэтому система производства энергии может также содержать одну или несколько компонент переноса тепла, передающих тепло от блока выделения 02 потоку циркулирующей текучей среды на основе С02 выше по потоку камеры сгорания. Как вариант, система производства энергии может содержать внешний источник тепла. Например, это может быть подача пара низкого давления, обеспечивающего тепло при конденсации. Поэтому система производства энергии может содержать одну или несколько компонент переноса тепла, передающих тепло от блока разделения воздуха потоку циркулирующей текучей среды на основе С02 выше по потоку камеры сгорания.
В дополнительных вариантах выполнения предлагаемая в изобретении система производства тепла может содержать одну или несколько составляющих из следующих:
первый компрессор, выполненный с возможностью повышения давления потока циркулирующей текучей среды на основе С02 до значения, превышающего критическое давление для С02;
второй компрессор, выполненный с возможностью сжатия потока циркулирующей текучей среды на основе С02 до давления, требуемого для ввода в камеру сгорания;
охлаждающее устройство, выполненное с возможностью охлаждения потока циркулирующей текучей среды на основе С02 до температуры, при которой ее плотность превышает приблизительно 200 кг/м3;
одну или несколько компонент теплопередачи, доставляющих тепло от внешнего источника циркулирующей текучей среде на основе С02 выше по потоку камеры сгорания и ниже по потоку второго компрессора;
второй компрессор, расположенный выше по потоку камеры сгорания с транспирационным охлаждением и сообщающийся с ней;
один или несколько фильтров или разделительных устройств, расположенных между второй камерой сгорания и камерой сгорания с транспирационным охлаждением;
смесительное устройство, предназначенное для образования пульпы измельченного топлива с псев-доожижающей средой;
размольное устройство для измельчения твердого топлива.
В других дополнительных вариантах выполнения настоящее изобретение может обеспечивать систему производства энергии, которая может содержать следующее: один или несколько инжекторов, предназначенных для обеспечения топлива, циркулирующей текучей среды на основе С02 и окислителя; камеру сгорания с транспирационным охлаждением, имеющую по меньшей мере одну ступень горения топлива и обеспечивающую выходной поток текучей среды под давлением по меньшей мере приблизительно 4 МПа (предпочтительно по меньшей мере приблизительно 8 МПа) и при температуре по меньшей мере приблизительно 800°С; энергетическую турбину, имеющую вход и выход, в которой энергия вырабатывается за счет расширения потока текучей среды, и в которой предусмотрено поддержание потока текучей среды при заданном давлении, так что отношение давления потока текучей среды на входе к выходному давлению составляет менее приблизительно 12; теплообменник, предназначенный для охлаждения потока текучей среды, поступающего с выхода турбины, и для нагревания циркулирующей текучей среды на основе С02; и одно или несколько устройств разделения потока текучей среды, выходящего из теплообменника, на С02 и одну или несколько других компонент, предназначенных для утилизации или сброса. В дополнительных вариантах выполнения система производства энергии может также содержать одно или несколько устройств для отвода по меньшей мере части С02, отделенной от потока текучей среды, в трубопровод высокого давления.
В частных вариантах выполнения предлагаемая в изобретении система может содержать одну или несколько компонент, обеспечивающих модернизацию, как описано выше, традиционной системы производства энергии, такой как работающая на сжигании угля электростанция, ядерный реактор и т. п. На
пример, энергетическая система может содержать два теплообменных блока (например, основной тепло-обменный блок и вспомогательный теплообменный блок). Основной теплообменный блок может быть, в основном, блоком, описанным выше, и вспомогательный теплообменный блок может быть блоком, пригодным для передачи тепла от выхлопного потока турбины одному или нескольким паровым потокам (например, от бойлера, соединенного с обычной системой производства энергии) для получения потоков перегретого пара. Таким образом предлагаемая в изобретении система производства энергии может содержать вспомогательный теплообменный блок, расположенный между турбиной, с которой он сообщается, и основным теплообменным блоком. Аналогично система производства энергии может содержать бойлер, сообщающийся со вспомогательным теплообменным блоком по меньшей мере одним паровым потоком. Кроме того, система производства энергии может содержать вспомогательную турбину для производства энергии, имеющую вход, предназначенный для приема по меньшей мере одного парового потока со вспомогательного теплообменного блока. Таким образом система может быть представлена как содержащая основную энергетическую турбину и вспомогательную энергетическую турбину. Основная турбина может представлять собой турбину, сообщающуюся с предлагаемой в изобретении камерой сгорания. Вспомогательная турбина может представлять собой турбину, сообщающуюся с паровым потоком, в частности с потоком перегретого пара, доведенного до перегретого состояния за счет тепла от выхлопного потока основной энергетической турбины. Такая система с добавленными одной или несколькими компонентами из обычной системы производства энергии, рассмотрена в настоящем описании, в частности, в связи с фиг. 12 и примером 2. Использование терминов основная энергетическая турбина и вспомогательная энергетическая турбина не должно рассматриваться как ограничение объема изобретения и служит исключительно для внесения ясности в описание.
В другом частном варианте выполнения изобретения внешний поток может нагреваться на высокотемпературном краю теплообменника путем передачи тепла, получающегося при охлаждении выхлопного потока турбины, и в результате находящийся под высоким давлением используемый повторно поток выходит из теплообменника и поступает в камеру сгорания при более низкой температуре. В этом случае количество топлива, сжигаемое в камере сгорания, может быть увеличено, так чтобы сохранить температуру на входе турбины. Теплотворная способность дополнительного топлива эквивалентна избыточной тепловой нагрузке на теплообменнике.
В некоторых вариантах выполнения изобретение может отличаться возможностью обеспечения технологической установки, выдающей полезную мощность из счет циркуляции текучей среды, содержащей в основном С02. В других вариантах выполнения в изобретении обеспечен способ, для которого могут быть установлены конкретные параметры. В частных вариантах изобретение может отличаться выполнением одного или нескольких действий или устройствами, пригодными для проведения таких действий:
повышение давления циркулирующей текучей среды на основе С02 до значения, превышающего критическое давление для С02;
непосредственное сжигание твердого, жидкого или газообразного водородосодержащего топлива в атмосфере в основном чистого 02 при одновременном смешивании с обогащенной С02 сверхкритической, циркулирующей текучей средой для получения требуемой температуры на входе турбины, например, превышающей приблизительно 500°С (или другого температурного диапазона, как описано);
расширение в турбине сверхкритического потока, сформированного продуктами горения и повторно используемой текучей средой, обогащенной С02, с получением полезной мощности, в частности расширение до достижения давления, превышающего приблизительно 2 МПа, но лежащего ниже значения, при котором появляется С02 в жидкой фазе, если текучую среду охлаждать до температуры, совместимой с использованием действующих при температуре окружающей среды охлаждающих средств (например, приблизетельно 7,3-7,4 МПа);
введение выхлопных газов турбины в теплообменник, в котором выхлопные газы охлаждаются, а тепло передается повторно используемой, сверхкритической текучей среде, обогащенной С02;
охлаждение содержащего С02 потока, выходящего из теплообменника, в работающем при температуре окружающей среды охлаждающем средстве, и разделение воды в жидкой фазе, содержащей по меньшей мере в небольших концентрациях С02, и газообразного С02, содержащего по меньшей мере в небольшом количестве пары воды;
выполнение отделения воды способом, обеспечивающим требуемое время сохранения (например, до 10 секунд) непосредственного контакта между газообразным С02 и жидкой водой или слабокислой фазой, так чтобы могла происходить реакция, в которой участвуют S02, S03, H20, N0, N02, 02 и (или) Hg, и которая приводит к конверсии более 98% сернистых соединений, присутствующих в потоке, в H2S04, к конверсии более 90% оксидов азота, присутствующих в потоке, в HN03 и к конверсии более 80% ртути, присутствующей в потоке, в растворимые соединения ртути;
отделение неконденсируемых компонент (таких как N2, Ar и 02) от газообразного С02 путем охлаждения до температуры, близкой к точке замерзания С02, с отделением газожидкостной фазы, оставляя N2, Ar и 02 преимущественно в газообразной фазе;
повышение давления потока очищенного газообразного С02 в газовом компрессоре до значения,
при котором при охлаждении в охлаждающем средстве, действующем при температуре окружающей среды, будет получаться высокоплотная текучая среда на основе С02 (например, с плотностью по меньшей мере приблизительно 200 кг/м3, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 300 кг/м3, и еще более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 400 кг/м3);
охлаждение сжатого С02 в охлаждающем средстве, действующем при температуре окружающей среды, с формированием высокоплотной сверхкритической текучей среды на основе С02 (например, с плотностью по меньшей мере приблизительно 200 кг/м3, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 300 кг/м3, и еще более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 400 кг/м3);
повышение давления высокоплотной текучей среды на основе С02 в компрессоре до значения, превышающего критическое давление для С02;
разделение потока С02 высокого давления на два отдельных потока -первый, поступающий на холодный край теплообменника, и второй, нагреваемый с использованием внешнего источника тепла, доступного при температуре, ниже приблизительно 250°С;
способствование эффективной теплопередаче (включая опционное использование внешнего источника тепла), так чтобы разница между температурой выхлопного потока турбины, поступающего на горячий край теплообменника, и температурой циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящей с горячего края того же теплообменника, составляла менее приблизительно 50°С (или другого приведенного в данном описании температурного порога);
повышение давления циркулирующей текучей среды на основе С02 до значения приблизительно от 8 МПа до 50 МПа (или другого диапазона давлений, приведенного здесь);
смешивание потока 02 по меньшей мере с частью потока циркулирующей текучей среды на основе С02 и потоком углеродосодержащего топлива с формированием единого потока текучей среды (или пульпы, если используется пылеобразное твердое топливо), находящегося при температуре, ниже температуры самовозгорания топлива, и соотношение в котором подбирается так, чтобы обеспечить температуру адиабатического пламени в диапазоне приблизительно от 1200 до 3500°С (или в другом температурном диапазоне, приведенном в данном описании);
смешивание по меньшей мере части циркулирующей текучей среды на основе С02 с продуктами горения с формированием потока текучей среды, имеющего температуру в диапазоне приблизительно от 500до 1600°С (или в другом температурном диапазоне, приведенном в данном описании);
создание выхлопного потока турбины, имеющего давление приблизительно от 2 МПа до 7,3 МПа (или в другом диапазоне давлений, приведенном в данном описании);
внешний нагрев потока циркулирующей текучей среды на основе С02 с использованием тепла сжатия, вырабатываемого при действии (в частности, в адиабатическом режиме) одного или нескольких воздушных компрессоров, входящих в установку криогенного получения 02, и (или) при действии компрессора С02 (в частности, в адиабатическом режиме), причем тепло переносится за счет циркуляции соответствующей теплопередающей текучей среды (включая саму циркулирующую текучую среду на основе
С02);
нагревание одного или нескольких внешних потоков текучей среды в теплообменнике эквивалентным количеством добавочного топлива, сжигаемого в камере сгорания, при этом один или несколько внешних потоков текучей среды могут включать пар, перегретый в теплообменнике;
использование тепла, получаемого при конденсации пара, поступающего от внешнего источника, для внешнего нагревания части потока циркулирующей текучей среды на основе С02;
охлаждение в теплообменнике содержащего С02 потока (выходящего с холодного края теплообменника) с целью обеспечения тепла для подогрева обеспечиваемого извне потока текучей среды;
обеспечение входного потока 02, в котором молярная концентрация 02 составляет по меньшей мере приблизительно 85% (или в другом диапазоне концентраций, приведенном в данном описании);
действие камеры сгорания таким образом, что концентрация 02 в общем газовом потоке, выходящем из камеры сгорания (то есть в потоке продуктов горения) и поступающем в турбину, составляет более приблизительно 0,1 мол.%;
выполнение способа производства энергии таким образом, что используется только одна энергетическая турбина;
выполнение способа производства энергии таким образом, что используется только одна камера сгорания для в основном полного сжигания углеродосодержащего топлива, вводимого в нее;
действие камеры сгорания таким образом, что количество кислорода в потоке 02, поступающем в камеру сгорания, ниже количества, требуемого для стехиометрического горения потока топлива, входящего в камеру сгорания, что приводит к образованию в потоке продуктов горения или H2, или монооксида углерода (С0), или обоих вместе; и
выполнение способа с использованием двух или более турбин, каждая из которых имеет определенное входное давление, причем или H2, или С0, или оба вместе присутствуют в выхлопном потоке, выходящем из первой турбины (и последующих турбин в случае их наличия за исключением конечной турбины в последовательности турбин), и часть или весь H2 и С0 сжигается за счет добавления потока 02 до входа во вторую и последующие турбины для повышения рабочей температуры каждой из второй
и последующих турбин до более высокого значения, что приводит к наличию избытка 02 в выхлопном потоке последней турбины, составляющем приблизительно более 0,1 мол.%.
В дополнительных вариантах выполнения настоящего изобретения могут обеспечиваться одно или несколько следующих действий:
нагревание циркулирующей текучей среды на основе С02 в устройстве теплообменника за счет охлаждения выхлопного потока турбины, так что выхлопной поток турбины охлаждается до температуры, ниже точки росы содержащейся в нем воды;
охлаждение выхлопного потока турбины охлаждающим средством, действующим при температуре окружающей среды, и конденсация воды вместе с образовавшимися из топлива и в процессе горения посторонними включениями, в том числе H2SO4, HNO3 HCl и другие примеси, такие как Hg и другие металлы в виде гетерополрных соединений в растворе;
повышение давления циркулирующей текучей среды на основе С02 в первом компрессоре до значения, превышающего критическое давление, но не превышающее 10 МПа;
охлаждение циркулирующей текучей среды до точки, в которой ее плотность превышает 600 кг/м3;
повышение в компрессоре давления высокоплотной циркулирующей текучей среды на основе С02 до значения, требуемого для преодоления перепада давлений в системе и подачи циркулирующей текучей среды на основе С02 в камеру сгорания;
выведение продуктового потока (предназначенного для трубопроводной транспортировки) С02, содержащего в основном весь С02, образованный при горении углерода, содержащегося в потоке топлива, причем поток С02 отбирается или из выходного потока первого компрессора, или из второго компрессора;
сообщение дополнительного количества тепла циркулирующей текучей среде на основе С02 при температуре, превышающей точку росы для воды, или непосредственно в теплообменнике, или путем нагревания вспомогательного потока, содержащего часть циркулирующей текучей среды на основе С02, так что разница температур между циркулирующей текучей средой на основе С02 и выхлопами турбины на горячем краю теплообменника составляет менее 50°С;
использование топлива, содержащего углеродосодержащее топливо, образующее негорючий остаток при горении, который частично окисляется в камере сгорания с транспирационным охлаждением с образованием потока, включающего H2, CO, CH4, H2S, NH3 и негорючий остаток, причем в камеру сгорания подается часть циркулирующей текучей среды на основе С02 для охлаждения частично окисленных продуктов горения до температуры от 500 до 900°С, при которой шлак присутствует в виде твердых частиц, которые могут быть полностью удалены из выходного потока текучей среды устройством фильтрации;
обеспечение разницы температур между охлаждающимся выхлопным потоком турбины и нагревающимся потоком циркулирующей текучей среды на основе С02 в точке, где вспомогательный поток повторно смешивается с отдельно нагретым потоком циркулирующей текучей среды на основе С02, составляющей от 10 до 50°С;
обеспечение давления выхлопного потока турбины, выходящего с холодного края теплообменника, таким, чтобы не образовывалось жидкого С02 при охлаждении этого потока до отделения воды и посторонних примесей;
использование по меньшей мере части выхлопного потока турбины для перегрева нескольких паровых потоков, получаемых от работающих на паре энергетических систем, соединенных с обычными бойлерными системами и ядерными реакторами;
обеспечение дополнительного низкопотенциального тепла циркулирующему потоку С02 от пара, находящегося под одним или несколькими значениями давления и отобранного от внешнего источника, такого как электростанция;
использование расширившегося выходного потока с холодного края теплообменного устройства для обеспечения нагревания по меньшей мере части конденсата, выходящего из конденсатора пара работающей на паре электростанции;
использование для потока циркулирующей текучей среды на основе С02 дополнительного низкопотенциального тепла, получаемого от горячих выхлопов газовой турбины с открытым циклом;
подача газа, полученного при частичном окислении угля, плюс С02 в качестве топлива во вторую камеру сгорания с целью их полного сжигания;
действие одной камеры сгорания при отношении 02 к топливу таком, что часть топлива окисляется до продуктов окисления, содержащих С02, H20 и S02, и остальная часть топлива окисляется до компонент, содержащих H2, С0 и H2S;
действие двух турбин, при котором повышается общее требуемое отношение давлений за счет введения 02 в выхлопной поток первой турбины с целью сжигания восстановленных компонент для повторного нагрева потока под промежуточным давлением до более высокой температуры перед его расширением при прохождении через вторую турбину.
Настоящее изобретение охватывает еще дополнительные варианты выполнения по сравнению с описанными в связи с разными фигурами и (или) раскрытыми в прилагаемом описании изобретения,
приведенном в данном документе.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение рассмотрено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано
на фиг. 1 - схематическое изображение устройства камеры сгорания (устройства для сжигания) с транспирационным охлаждением, которая может быть использована в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 2 - приводимое в качестве примера схематическое поперечное сечение стенки транспираци-онного элемента в устройстве камеры сгорания, которая может быть использована в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения;
на фигурах 3 А и 3Б - схематически процесс горячей посадки узла транспирационного элемента устройства камеры сгорания, который может быть использован в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 4 - схематически предлагаемое устройство удаления посторонних включений, содержащихся в продуктах горения, которое может быть использовано в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 5 - блок-схема, иллюстрирующая энергетический цикл согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 6 - блок-схема, иллюстрирующая прохождение потока циркулирующей текучей среды на основе С02 через разделительный блок согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 7 - блок-схема, иллюстрирующая сжатие с использованием двух или нескольких компрессоров или насосов в блоке повышения давления согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 8 - блок-схема, представляющая теплообменный блок согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения, в котором используется последовательность из трех отдельных теплообменников;
на фиг. 9 - блок-схема, представляющая турбинный блок, в котором используются две турбины последовательно, работающие в восстановительном режиме согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 10 - блок-схема, иллюстрирующая систему и способ производства энергии с использованием двух камер сгорания согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 11 - блок-схема, иллюстрирующая частный вариант системы и способа производства энергии согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 12 - блок-схема, иллюстрирующая другой вариант системы и способа производства энергии, включающий обычный работающий на сжигании угля бойлер согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Далее изобретение описано более подробно со ссылкой на различные варианты выполнения. Эти варианты выполнения представлены так, чтобы данное описание было законченным и исчерпывающим, полностью раскрывая объем изобретения специалисту в данной области техники. Действительно, изобретение может быть реализовано во многих различных вариантах и не должно рассматриваться как ограниченное приведенными ниже вариантами выполнения, тем более что эти варианты представлены так, чтобы данное описание удовлетворяло всем действующим нормативным требованиям. В приведенном описании и в приложенной формуле изобретения использование форм единственного числа включает множественность объектов, до тех пор пока не оговорено иное.
Настоящее изобретение обеспечивает системы и способы производства энергии за счет использования высокоэффективного устройства для сжигания (камеры сгорания) топлива (например, камеры сгорания с транспирационным охлаждением) и соответствующей циркулирующей текучей среды (например циркулирующей текучей среды на основе С02). Циркулирующая текучая среда подается в камеру сгорания вместе с необходимым топливом, каким-то необходимым окислителем и другими соответствующими продуктами, обеспечивающими эффективное горение. В частных вариантах выполнения способы могут реализовываться с использованием камеры сгорания, работающей при очень высоких температурах (например в диапазоне приблизительно от 1600 до 3300°С или в других температурных диапазонах, приведенных в данном описании), и присутствие циркулирующей текучей среды может выполнять функцию снижения температуры потока текучей среды, выходящего из камеры сгорания, так чтобы этот поток можно было использовать для преобразования энергии при ее производстве. В частности, для выработки мощности поток продуктов горения может расширяться при прохождении по меньшей мере в одной турбины для выработки энергии. Расширенный газовый поток может охлаждаться для удаления из него различных компонент, таких как вода, и извлеченное из расширенного газового потока тепло может использоваться для нагрева циркулирующей текучей среды на основе С02. Очищенный поток циркулирующей текучей среды может быть затем сжат и нагрет для повторного направления через камеру сгорания (ре
циклирования). При желании часть С02 из потока продуктов горения (то есть состоящая из С02, образовавшегося при горении содержащего углерод топлива в присутствии кислорода) может быть отведена для удаления или для другой цели, например для направления в трубопровод транспортировки С02. В системе и способах могут использоваться специфические параметры процесса и компоненты с целью достижения максимальной эффективности системы и способа, в частности, с точки зрения избежания выброса С02 в атмосферу. Как особо подчеркнуто в данном описании, в качестве примера циркулирующей текучей среды взята текучая среда на основе С02. Хотя согласно данному изобретению использование циркулирующей текучей среды на основе С02 представляет собой преимущественный вариант выполнения, такое раскрытие изобретения не должно рассматриваться как обязательно ограничивающее рамки циркулирующих текучих сред, которые могут использоваться в изобретении, до тех пор пока не оговорено иное.
В некоторых вариантах выполнения в предлагаемой в изобретении системе производства энергии может использоваться циркулирующая текучая среда, содержащая преимущественно С02. Другими словами химическая природа циркулирующей текучей среды непосредственно перед вводом в камеру сгорания такова, что эта текучая среда содержит преимущественно С02. В этом смысле слово "преимущественно" может означать, что текучая среда имеет содержание С02 по меньшей мере приблизительно 90% молярной концентрации, по меньшей мере приблизительно 91% молярной концентрации, по меньшей мере приблизительно 92% молярной концентрации, по меньшей мере приблизительно 93% молярной концентрации, по меньшей мере приблизительно 94% молярной концентрации, по меньшей мере приблизительно 95% молярной концентрации, по меньшей мере приблизительно 96% молярной концентрации, по меньшей мере приблизительно 97% молярной концентрации, по меньшей мере приблизительно 98% молярной концентрации, по меньшей мере приблизительно 98% молярной концентрации. Циркулирующая текучая среда непосредственно перед поступлением в камеру сгорания предпочтительно содержит по существу только С02. В этом смысле фраза "по существу только" может означать молярную концентрацию С02, равную по меньшей мере приблизительно 99,1%, по меньшей мере приблизительно 99,25%, по меньшей мере приблизительно 99,5%, по меньшей мере приблизительно 99,75%, по меньшей мере приблизительно 99,8%, по меньшей мере приблизительно 99,9%. В камере сгорания С02 может соединяться с одним или несколькими другими компонентами, которые могут получаться из топлива, любого окислителя и других производных от горения топлива. Таким образом выходящая из камеры сгорания циркулирующая текучая среда, которая в данном случае может быть описана как поток продуктов горения, может содержать С02 наряду с меньшими количествами других продуктов, таких как H20, 02, N2, Ar, SO2, SO3, NO, NO2, HCl, Hg, а также следы других компонент, которые могут получиться в процессе горения (например частицы, такие как зола или сжиженная зола), включая другие горючие вещества. Как более подробно описано ниже, процесс горения может быть управляемым, так что свойство потока текучей среды могут быть или восстановительным или окислительным, что может обеспечить отдельно описанные преимущества.
Системы и способы, предлагаемые в изобретении, могут объединять одну или несколько камер сгорания, пригодных для сжигания соответствующего топлива, как описано далее. Предпочтительно по меньшей мере одна камера сгорания, используемая в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой высокоэффективную камеру сгорания, способную обеспечить в основном полное сжигание топлива при относительно высокой температуре горения. Высокотемпературное горение может быть особенно полезным для обеспечения по существу полного сгорания топлива и таким образом максимальной эффективности. В различных вариантах выполнения высокотемпературное горение может означать горение при температуре по меньшей мере приблизительно 1200°С, по меньшей мере приблизительно 1300°С, по меньшей мере приблизительно 1400°С, по меньшей мере приблизительно 1500°С, по меньшей мере приблизительно 1600°С, по меньшей мере приблизительно 1750°С, по меньшей мере приблизительно 2000°С, по меньшей мере приблизительно 2500°С или по меньшей мере приблизительно 3000°С. В частных вариантах выполнения высокотемпературное горение может означать горение при температуре приблизительно от 1200 до 5000°С, приблизительно от 1500 до 4,000°С, приблизительно от 1600 до 3,500°С, приблизительно от 1700°С до 3200°С, приблизительно от 1800 до 3100°С, приблизительно от 1900°С до 3000°С или приблизительно от 2000 до 3000°С.
В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения высокотемпературное горение может производиться с использованием камеры сгорания с транспирационным охлаждением. Один из примеров камеры сгорания с транспирационным охлаждением, которая может быть использована в данном изобретении, описан в патентной заявке US 12/714,074, поданной 26.02.2010, содержание которой целиком включено в данную заявку в качестве ссылки. В некоторых вариантах выполнения камера сгорания с транспирационным охлаждением, пригодная для использования в данном изобретении, может содержать одну или несколько теплообменных зон, одну или несколько охлаждающих текучих сред и одну или несколько транспирационных текучих сред.
Использование камеры сгорания с транспирационным охлаждением согласно настоящему изобретению имеет особые преимущества над известным в предшествующем уровне техники сжиганием топлива для получения энергии. Например, использование транспирационного охлаждения может быть по
лезным для предотвращения коррозии, образования осадка и эрозии в камере сгорания. Это дополнительно дает возможность камере сгорания работать в значительно более высоком температурном диапазоне, что позволяет полностью или в основном полностью сжигать используемое топливо. Эти и другие преимущества описаны далее.
В одном из частных вариантов выполнения камера сгорания с транспирационным охлаждением, пригодная для использования в данном изобретении, может содержать камеру сгорания по меньшей мере частично сформированную транспирационным элементом (т.е. имеющий поры, сквозь которые проникает текучая среда), по меньшей мере частично охваченным предохраняющей от давления защитной оболочкой. Камера сгорания может иметь входную часть и противолежащую ей выходную часть. Входная часть камеры сгорания выполнена с возможностью приема топливной смеси для ее сжигания в камере сгорания при некоторой температуре горения с образованием продуктов горения. Камера сгорания может быть также выполнена с возможностью направления продуктов горения к выходной части. Транспи-рационный элемент может быть выполнен с возможностью направления сквозь него транспирационной субстанции в камеру сгорания для предотвращения непосредственного взаимодействия между продуктами горения и транспирационным элементом. Кроме того, транспирационный элемент может быть введен в камеру сгорания для обеспечения требуемой выходной температуры продуктов горения. В частных вариантах выполнения транспирационная субстанция может по меньшей мере частично содержать циркулирующую текучую среду.
Стенки камеры сгорания могут быть облицованы слоем пористого материала, сквозь который направляется и проходит транспирационная субстанция, такая как С02 и (или) H2O.
В других частных вариантах выполнения изобретения внутренняя транспирационная часть 2332 может пролегать от входной части 222А к выходной части 222В транспирационного элемента 230. В некоторых вариантах перфорированная/пористая структура внутренней транспирационной части 2332 может занимать в основном весь промежуток (по оси) от входной части 222А до выходной части 222В, так что транспирационная текучая среда 210 вводится по существу по всей длине камеры 222 сгорания. То есть в основном вся внутренняя транспирационная часть 2332 может быть выполнена с перфорированной/пористой структурой, так что транспирационному охлаждению подвергается практически вся длина камеры 222 сгорания. В частности, в некоторых вариантах выполнения изобретения общая площадь перфорированного/пористого участка может быть в основном равной поверхности внутренней транспира-ционной части 2332. В других частных вариантах выполнения перфорации/поры могут быть разнесены друг от друга на соответствующие расстояния, так что обеспечивается в основном равномерное распределение транспирационной субстанции, поступающей от внутренней транспирационной части 2332 в камеру 222 сгорания (то есть не образуется никаких "мертвых зон", в которых нет потока или присутствия транспирационной субстанции 210). В одном из вариантов на одном квадратном дюйме внутренней транспирационной части 2332 может располагаться группа перфораций/пор в количестве 250x250 на квадратный дюйм, что составляет 62500 пор/кв. дюйм, то есть перфорации/поры располагаются друг от друга на расстоянии 0,004 дюйма (приблизительно 0,1 мм). Отношение площади пор к общей площади стенки (пористость в %) может составлять, например, приблизительно 50%. Поры в группе могут изменяться в широком диапазоне с целью приспособления к требуемым параметрам, например требуемому перепаду давления на транспирационном элементе в зависимости от величины потока. В некоторых вариантах могут использоваться различные параметры группы приблизительно от 10x10 до 10000x10000 пор на дюйм при процентной пористости приблизительно от 10 до 80%.
Поток транспирационной субстанции через пористый транспирационный слой и опционно через дополнительные средства может быть сконфигурирован так, чтобы обеспечивать требуемую общую температуру выходного потока текучей среды на выходе из камеры сгорания. В некоторых вариантах выполнения в качестве дополнения к описанному такая температура может лежать в диапазоне приблизительно от 500 до 2000°С. Этот поток может также служить для охлаждения транспирационного элемента до температуры ниже максимально допустимой рабочей температуры материала, из которого выполнен транспирационный элемент. Транспирационная субстанция может также служить для предотвращения попадания на стенки жидкого или твердого шлака или других загрязнений, имеющихся в топливе, которые могут привести к коррозии, загрязнению или другим повреждениям стенок. В таких случаях может быть желательным использовать для транспирационного элемента материал с надлежащей теплопроводностью, чтобы имеющееся тепло могло отводиться в радиальном направлении наружу через пористый транспирационный элемент и затем передаваться за счет конвективной теплопередачи от поверхностей пористого слоя текучей среде, проходящей по радиусу вовнутрь к транспирационному слою. Такая конфигурация может обеспечить возможность нагрева следующей части разбавляющего потока, направляемого сквозь транспирационный элемент, до температуры, лежащей в диапазоне приблизительно от 500 до 1000°С, и одновременно поддерживать температуру пористого транспирационного элемента в диапазоне, допустимом для использованного в нем материала. Пригодные материалы для пористого транспирационного элемента могут включать, например, пористые керамики, сетки из тугоплавких металлических нитей, цилиндрические секции с просверленными отверстиями и (или) слои спеченного ме
талла или спеченные металлические порошки. Второе предназначение транспирационного элемента может состоять в том, чтобы обеспечить в основном постоянный, направленный по радиусу вовнутрь поток транспирационной текучей среды, в том числе в продольном направлении камеры сгорания, для достижения хорошего перемешивания между потоком транспирационной текучей среды и продуктами горения при распространении равномерного осевого потока вдоль длины камеры сгорания. Третье предназначение транспирационного элемента может состоять в достижении скорости разбавляющей текучей среды радиально вовнутрь такой, чтобы создавать буфер или другим образом препятствовать ударам твердых и (или) жидких шлаковых включений или других загрязнений, содержащихся в продуктах горения, о поверхность транспирационного слоя, приводящим к его забиванию или другим повреждениям. Такой фактор может иметь особое значение, например, при сжигании такого топлива, как уголь, после которого остается инертная негорючая компонента. Внутренняя стенка сосуда высокого давления камеры сгорания, охватывающая транспирационный элемент, также может быть изолирована для локализации высокотемпературного потока транспирационной среды в камере сгорания.
Один из вариантов устройства камеры сгорания, предлагаемого в настоящем изобретении и приспособленного для работы на твердом топливе, схематически изображен на фиг. 1, на которой устройство камеры сгорания (устройство для сжигания) в общем обозначено ссылочным номером 220. В данном примере устройство 220 может быть выполнено с возможностью сжигания сыпучего твердого материала, такого как уголь, с образованием продуктов горения, хотя любые другие подходящие горючие углеродо-содержащие материалы, рассмотренные в данном описании, также могут быть использованы в качестве топлива. Камера 222 сгорания может быть сформирована транспирационным элементом 230, выполненным с возможностью пропускать через себя транспирационную текучую среду в камеру 222 сгорания (то есть способствовать транспирационному охлаждению и (или) буферному взаимодействию между продуктами горения и транспирационным элементом 230). Для специалиста в данной области техники понятно, что транспирационный элемент 230 может быть в основном цилиндрическим, так чтобы формировать в основном цилиндрическую камеру 222 сгорания, имеющую входную часть 222А и противолежащую выходную часть 222В. Транспирационный элемент 230 может быть по меньшей мере частично окружен предотвращающим воздействие давления элементом 2338. Входная часть 222А камеры 222 сгорания может быть приспособлена для приема топливной смеси из смесительного устройства, обозначенного в общем ссылочным номером 250. В других вариантах выполнения такое смесительное устройство может отсутствовать, и один или несколько продуктов, поступающих в камеру сгорания, могут отдельно вводиться через независимые входы. Согласно частным вариантам выполнения изобретения топливная смесь может сжигаться внутри камеры 222 сгорания при определенной температуре горения с образованием продуктов горения, причем камера 222 сгорания выполнена с возможностью направления этих продуктов к выходной части 222В. С предотвращающим воздействие давления элементом 2338, может быть сопряжено средство 2350 теплоотвода (смотри, например, фиг. 2), приспособленное для регулирования температуры этого элемента. В частных вариантах выполнения элемент 2350 теплоотвода может содержать теплообменный кожух, по меньше мере частично образованный стенкой 2336, противолежащей предотвращающему воздействие давления элементу 2338, при этом в образованных между ними водяных рубашках 2337 может циркулировать охлаждающая жидкость. В одном из вариантов выполнения циркулирующей жидкостью может быть вода.
В одном из частных вариантов выполнения пористая внутренняя транспирационная часть 2332 выполнена таким образом, чтобы направлять транспирационную текучую среду в камеру 222 сгорания, обеспечивая поступление транспирационной субстанции 210 в камеру 222 сгорания в основном под прямым углом (90°) относительно внутренней поверхности внутренней транспирационной части 2332. Среди других преимуществ изобретения введение транспирационной субстанции 210 в основном под прямым углом относительно внутренней транспирационной части 2332 может способствовать эффекту или другими словами усиливать эффект направления жидких или твердых шлаковых включений или других загрязнений либо завихрений горячих продуктов горения от внутренней поверхности внутренней транс-пирационной части 2332. Отсутствие контакта между жидкими или твердыми шлаковыми включениями предотвращает их слипание в большие образования или массы, что, как известно в предшествующем уровне техники, происходит из-за контакта включений или частиц с твердыми стенками. Введение транспирационной субстанции 210 в основном под прямым углом относительно внутренней транспира-ционной части 2332 может способствовать эффекту или другими словами усиливать эффект предотвращения формирования вблизи внутренней транспирационной части вихрей продуктов горения с существенной компонентой скорости, перпендикулярной внутренней транспирационной части, которые могут попадать на внутреннюю транспирационную часть и повреждать ее. В таких случаях наружная транспи-рационная часть 2331, предотвращающий воздействие давления элемент 2338, теплообменный кожух 2336 и (или) изолирующий слой 2339 могут быть выполнены, индивидуально или в сочетании, так чтобы обеспечивать "распределительный" эффект (то есть обеспечивать в основном однородно распределенный подвод) подачи транспирационной субстанции/текучей среды 210 к внутренней транспирационной части 2332 и сквозь нее далее в камеру 222 сгорания. То есть в основном однородный подвод (в терминах расхода потока, давления или любых других подходящих или соответствующих величин) транспирацион
ной субстанции 210 в камеру 222 сгорания может быть обеспечен конфигурацией наружной транспира-ционной части 2331, предотвращающего воздействие давления элемента 2338, теплообменного кожуха 2336 и (или) изолирующего слоя 2339, при которой однородная подача транспирационной субстанции 210 к внутренней транспирационной части 2332 или подача транспирационной субстанции 210 вблизи наружной поверхности внутренней транспирационной части 2332 может регулироваться и формироваться таким образом, чтобы обеспечивать в основном однородное распределение транспирационной субстанции 210 в камере 222 сгорания. Такое в основном однородное распределение может предотвращать формирование вихрей продуктов горения, которые в противном случае могут образовываться при взаимодействии неоднородного транспирационного потока с потоком продуктов горения, причем эти потоки могут сталкиваться с внутренней транспирационной частью и повреждать ее.
Смесительное устройство 250 (при его наличии) может быть выполнено с возможностью смешивания углеродного топлива 254 с обогащенным кислородом 242 и с циркулирующей текучей средой 236 для образования топливной смеси 200. Углеродное топливо 254 может быть обеспечено в виде твердого углеродного топлива, жидкого углеродного топлива и (или) газообразного углеродного топлива. Обогащенный кислород 242 может быть кислородом, имеющим молярную чистоту лучше приблизительно 85%. Обогащенный кислород 242 может подаваться, например, из любой известной в предшествующем уровне техники системы (процесса), например из процесса криогенного разделения воздуха или из высокотемпературного процесса выделения кислорода на ионных мембранах (из воздуха). Циркулирующей текучей средой 236 может быть, как описано, диоксид углерода. В случаях, когда углеродное топливо
254 представляет собой сыпучее твердое вещество, например измельченный уголь 254А, смесительное устройство 250 может быть также выполнено с возможностью смешивания этого топлива 254А с псевдо-ожижающей субстанцией 255. В соответствии с одним из частных вариантов выполнения твердое сыпучее углеродное топливо 254А может иметь средний размер частиц приблизительно от 50 до 200 мкм. В соответствии с еще одним частным вариантом выполнения изобретения псевдоожижающая субстанция
255 может содержать воду и (или) жидкий С02 с плотностью, лежащей приблизительно от 450 до 1100 кг/м3. В частности, псевдоожижающая субстанция 255 может быть смешана с сыпучим твердым углеродным топливом 254А, образуя пульпу 250А, содержащую, например, приблизительно от 25 до 55 мас.% сыпучего твердого углеродного топлива 254А. Хотя на фиг. 1 изображено, что кислород 242 смешивается с топливом 254 и циркулирующей текучей средой 236 до введения в камеру 222 сгорания, специалисту в данной области понятно, что в некоторых случаях кислород 242 может вводиться в камеру 222 сгорания отдельно, если возникает такая необходимость или желание.
В некоторых частных вариантах выполнения смесительное устройство 250 может содержать, например, группу разнесенных друг от друга распылительных сопел (не показаны), размещенных у торцевой стенки 223 транспирационного элемента 230, соответствующей входной части 222А цилиндрической камеры 222 сгорания. Впрыскивание таким способом топлива/топливной смеси в камеру 222 сгорания может обеспечить, например, большую площадь поверхности входного потока распыленной топливной смеси, что может в свою очередь способствовать быстрой передаче тепла этому входному потоку распыленной топливной смеси за счет радиации. Следовательно, температуру распыленной топливной смеси можно быстро поднять до температуры воспламенения топлива, что может привести в результате к компактному горению. Скорость впрыскивания топливной смеси может лежать, например, в диапазоне приблизительно от 10 до 40 м/с, хотя эти величины могут зависеть от многих факторов, таких как конфигурация конкретных распылительных сопел. Такая компоновка распыления может принимать различные формы. Например, конфигурация распыления может включать группу отверстий, например, с диаметром, лежащим в диапазоне приблизительно от 0,5 до 3 мм, причем распыляемое топливо должно впрыскиваться через них со скоростью приблизительно от 10 до 40 м/с.
Как более подробно показано на фиг. 2, камера 222 сгорания может быть сформирована транспира-ционным элементом 230, который может быть по меньшей мере частично охвачен предотвращающим воздействие давления элементом 2338. В некоторых вариантах предотвращающий воздействие давления элемент 2338 дополнительно может быть по меньшей мере частично окружен теплопередающим кожухом 2336. который может взаимодействовать с предотвращающим от воздействия давления элементом 2338, образуя между ними один или несколько каналов 2337, через которые может циркулировать поток воды под низким давлением. Следовательно, за счет испарения прогоняемая вода может быть использована для регулирования и (или) поддержания выбранной температуры предотвращающего воздействие давления элемента 2338, например, в диапазоне приблизительно от 100 до 250°С. В некоторых частных вариантах между транспирационным элементом 230 и предотвращающим воздействие давления элементом 2338 может быть расположен изоляционный слой 2339.
В некоторых вариантах транспирационный элемент 230 может содержать, например, наружную транспирационную часть 2331 и внутреннюю транспирационную часть 2332, при этом внутренняя транспирационная часть 2332 располагается против наружной транспирационной части 2331 относительно предотвращающего воздействие давления элемента 2338 и ограничивает камеру 222 сгорания. Наружная транспирационная часть 2331 может быть составлена из любого подходящего термостойкого материала, такого как, например, сталь и легированные стали, включая нержавеющую сталь и никелевые
сплавы. В некоторых вариантах наружная транспирационная часть 2331 может быть выполнена со сформированными в ней первыми каналами 2333А подачи транспирационной текучей среды, проходящими через нее от поверхности, прилегающей к изоляционному слою 2339, к поверхности, прилегающей к внутренней транспирационной части 2332. Первые каналы 2333А подачи транспирационной текучей среды могут в некоторых вариантах соответствовать вторым каналам 2333В подачи транспирационной текучей среды, сформированным предотвращающим воздействие давления элементом 2338, теплооб-менным кожухом 2336 и (или) изоляционным слоем 2339. Таким образом первые и вторые каналы 2333А, 2333В подачи транспирационной текучей среды могут быть выполнены так, чтобы взаимодействовать при направлении транспирационной текучей среды через них к внутренней транспирационной части 2332. В некоторых вариантах, как показано, например, на фиг. 1, транспирационная текучая среда 210 может включать циркулирующую текучую среду 236 и может поступать от некоего присоединенного источника. При необходимости первые и вторые каналы 2333А, 2333В подачи транспирационной текучей среды могут быть изолированы с целью доставки транспирационной текучей среды 210 (то есть С02) в достаточном количестве и при достаточном давлении, так чтобы транспирационная текучая среда 210 направлялась через внутреннюю транспирационную часть 2332 в камеру 222 сгорания. Такие меры, включающие рассмотренное введение транспирационного элемента 230 и соответствующей транспира-ционной текучей среды 210, могут дать возможность устройству 220 камеры сгорания работать при относительно высоких давлениях и относительно высоких температурах, отличных от указанных ранее.
При этом внутренняя транспирационная часть 2332 может быть выполнена, например, из пористого керамического материала, перфорированного материала, ламинированного материала, проницаемого слоя, состоящего из волокон, произвольно ориентированных в двух измерениях и упорядоченных в третьем измерении, или из любого пригодного материала или комбинации материалов, имеющих удовлетворяющие раскрытым в данном описании требованиям, а именно имеющих многочисленные каналы или поры для прохождения потока или другие пригодные каналы 2335, предназначенные для приема и направления транспирационной текучей среды через внутреннюю транспирационную часть 2332. Не служащие ограничением примеры пористых керамических и других материалов, пригодных для использования в таких системах транспирационного охлаждения, включают оксид алюминия, оксид циркония, модифицированный напряженный цирконий, медь, молибден, вольфрам, вольфрамо-медный псевдосплав, молибден с вольфрамовым покрытием, медь с вольфрамовым покрытием, различные высокотемпературные никелевые сплавы, материалы, покрытые или армированные рением. Соответствующие материалы можно получить, например, от CoorsTek, Inc., (Golden, CO) (цирконий), UltraMet Advanced Materials Solutions (Pacoima, CA) (жаропрочные металлические покрытия), Orsam Sylvania (Danvers, MA) (вольфрам/медь) и MarkeTech International, Inc. (Port Townsend, WA) (вольфрам). Примеры перфорированных материалов, пригодных для использования в таких системах транспирационного охлаждения, включают все вышеприведенные материалы и их поставщиков (у которых перфорированные конечные материалы могут быть получены, например, путем формирования отверстий в изначально непористых структурах известными в производстве способами). Примеры пригодных ламинированных материалов включают все вышеприведенные материалы и их поставщиков (у которых ламинированные конечные структуры могут быть получены, например, ламинированием непористых или частично пористых структур таким образом, чтобы достичь необходимой конечной пористости известными в производстве способами.
На фиг. 3А и 3Б показано, что согласно одному из вариантов выполнения устройства 220 камеры сгорания (т. е. устройства для сжигания), конструкция, ограничивающая камеру 222 сгорания может быть выполнена путем горячей посадки между транспирационным элементом 230 и охватывающей конструкцией, такой как предотвращающий воздействие давления элемент 2338 или изолирующий слой 2339, расположенный между транспирационным элементом 230 и этим элементом 2338. Например, это относится к случаю, когда относительно "холодный" транспирационный элемент 230 может быть в радиальном и (или) осевом направлении выполнен меньшего размера по отношению к охватывающему его предотвращающему воздействие давления элементу 2338. По существу при введении в предотвращающий воздействие давления элемент 2338 между ними может быть оставлен радиальный и (или) осевой зазор (смотри, например, фиг. 3А). Конечно такая разница размеров может облегчить введение транспираци-онного элемента 230 в предотвращающий воздействие давления элемент 2338. Однако, транспирацион-ный элемент 230 может быть выполнен так, что при нагревании, например, до рабочей температуры он может расшириться в радиальном и (или) осевом направлении, уменьшив или выбрав указанные зазоры (смотри, например, фиг. 3Б). В этом случае между транспирационным элементом 230 и предотвращающим воздействие давления элементом 2338 может сформироваться осевая и (или) радиальная посадка с натягом. В случаях транспирационного элемента 230 с наружной транспирационной частью 2331 и внутренней транспирационной частью 2332 с такой посадкой с натягом может под давлением устанавливаться внутренняя транспирационная часть 2332. По существу для формирования внутренней транспираци-онной части 2332 могут использоваться подходящие высоко термостойкие хрупкие материалы, такие как пористая керамика.
При такой конфигурации внутренней транспирационной части 2332 транспирационная субстанция
210 может содержать, например, диоксид углерода (поступающий из того же источника, что и циркулирующая текучая среда 236), направляемый через внутреннюю транспирационную часть 2332, так что транспирационная субстанция 210 образует в камере 222 сгорания буферный слой 231 (то есть "паровую стенку"), непосредственно прилегающий в камере 222 сгорания к внутренней транспирационной части 2332, причем буферный слой 231 может быть сформирован так, чтобы предотвращать взаимодействие между внутренней транспирационной частью 2332 и сжиженными негорючими компонентами, а также теплом, выделяемым продуктами горения. То есть в некоторых вариантах выполнения транспирационная текучая среда 210 может быть доставлена через внутреннюю транспирационную часть 2332 по меньшей мере под давлением, соответствующим давлению в камере 222 сгорания, и при этом расход транспира-ционной текучей среды 210 (то есть потока С02) в камеру 222 сгорания может быть достаточен для смешивания транспирационной текучей среды 210 с продуктами горения и охлаждения их с образованием выходной смеси текучей среды, имеющей достаточную температуру относительно исходных требований последующего, происходящего ниже по потоку процесса (то есть для турбины может требоваться определенная входная температура, составляющая, например, приблизительно 1225°С), но при этом вьгход-ная смесь текучих сред остается достаточно высокотемпературной, чтобы поддерживать шлаковые включения или загрязнения, содержащиеся в топливе, в газообразном или жидком состоянии. Жидкое состояние негорючих компонентов топлива может облегчить, например, отделение таких загрязнений от продуктов горения в жидкой форме, предпочтительно в высоко текучей, обладающей низкой вязкостью форме, что делает менее вероятным забивание или другое повреждение отводной системы, примененной для такого отделения. Практически такие требования могут зависеть от различных факторов, таких как вид используемого твердого углеродного топлива (то есть угля) и конкретные параметры шлака, образующегося в процессе горения. То есть температура горения в камере 222 сгорания предпочтительно может быть такой, чтобы любые негорючие компоненты углеродного топлива превращались в жидкость в продуктах горения.
В частных вариантах выполнения изобретения поршстая внутренняя транспирационная часть 2332 выполняется с возможностью направления транспирационной текучей среды в камеру 222 сгорания по радиусу вовнутрь, создавая защитную стенку из текучей среды или буферный слой 231 у поверхности внутренней транспирационной части 2332, ограничивающей камеру 222 сгорания (см., например, фиг. 2). Поверхность внутренней транспирационной части 2332 нагревается также продуктами горения. По существу пористая внутренняя транспирационная часть 2332 может быть выполнена так, чтобы иметь соответствующую теплопроводность, достаточную для того, чтобы проходящая через нее транспирацион-ная текучая среда нагревалась, в то время как пористая внутренняя транспирационная часть 2332 одновременно охлаждалась, приводя к тому, что температура поверхности внутренней транспирационной части 2332, ограничивающей камеру 222 сгорания, составляет, например, приблизительно 1000°С в области наивысшей температуры горения. Таким образом защитная стенка из текучей среды или буферный слой 231, сформированный взаимодействием транспирационной текучей среды с внутренней транспира-ционной частью 2332, препятствует взаимодействию между внутренней транспирационной частью 2332 и высокотемпературными продуктами горения и другими частицами загрязнения, и по существу ограждает внутреннюю транспирационную часть 2332 от контакта, загрязнения или другого повреждения. Кроме того, транспирационная текучая среда 210 может вводиться в камеру 222 сгорания через внутреннюю транспирационную часть 2332 так, чтобы регулировать температуру выходной смеси транспираци-онной текучей среды 210 и продуктов горения у выходной части 222В камеры 222 сгорания вблизи заданной температуры (например, приблизительно от 500 до 2000°С).
В частных вариантах устройство 220 камеры сгорания может быть выполнено как высокоэффективное устройство камеры сгорания с транспирационным охлаждением, способное обеспечить относительно полное сжигание топлива 254 при относительно высокой рабочей температуре, как описано. В таком устройстве 220 камеры сгорания в некоторых вариантах выполнения могут использоваться одна или несколько охлаждающих текучих сред и (или) одна или несколько транспирационныхых текучих сред 210. В устройство 220 камеры сгорания могут быть также введены дополнительные компоненты. Например, может быть обеспечен блок разделения воздуха, предназначенный для выделения N2 и 02, и может быть обеспечен узел впрыскивания топлива, предназначенный для приема 02 из блока разделения воздуха, смешивания 02 с циркулирующей текучей средой на основе С02 и с потоком топлива, содержащим газ, жидкость, сверхкритическое топливо или твердое сыпучее топливо, взвешенное в текучей среде высокой плотности на основе С02.
В другом частном варианте выполнения изобретения устройство 220 камеры сгорания с транспира-ционным охлаждением может включать топливный инжектор для впрыскивания потока топлива под давлением в камеру 222 сгорания устройства 220 камеры сгорания, причем поток топлива может содержать обработанное углеродное топливо 254, псевдоожижающаю среду 255 (которая может содержать циркулирующую текучую среду 236, как было рассмотрено) и кислород 242. Кислород 242 (обогащенный) и циркулирующая текучая среда 236 на основе С02 могут быть соединены в виде гомогенной сверхкритической смеси. Количество присутствующего кислорода может быть достаточным для горения топлива и образования продуктов горения, имеющих требуемый состав. Устройство 220 камеры сгора
ния может также содержать камеру 222 сгорания, выполненную как объем работающей при высокой температуре и высоком давлении камеры сгорания, приспособленной для приема потока топлива, а также транспирационной текучей среды 210, поступающей в объем камеры сгорания через стенки пористого транспирационного элемента 230, ограничивающего камеру 222 сгорания. Значение скорости подачи транспирационной текучей среды 210 может быть использовано для задания на требуемом уровне температуры в выходной части устройства камеры сгорания/на входе турбины и (или) для охлаждения транспирационного элемента 230 до температуры, совместимой с материалом, из которого выполнен транспирационный элемент 230. Транспирационная текучая среда 210, направляемая через транспираци-онный элемент 230, обеспечивает текучую среду/буферный слой у поверхности транспирационного элемента 230, ограничивающего камеру 222 сгорания, причем текучая среда/буферный слой могут предотвращать взаимодействие зольных включений или жидкого шлака, образующихся при определенном горении топлива, с незащищенными стенками транспирационного элемента 230.
Кроме того, камера 222 сгорания может быть выполнена так, что поток топлива (и циркулирующей текучей среды 236) может впрыскиваться или иным образом вводиться в камеру 222 сгорания под давлением, большим, чем давление, при котором происходит горение. Устройство 220 камеры сгорания может содержать предотвращающий воздействие давления элемент 2338, по меньшей мере частично охватывающий транспирационный элемент 230, формирующий камеру 222 сгорания, и между предотвращающим воздействие давления элементом 2338 и транспирационным элементом 230 может быть размещен изолирующий элемент 2339. В некоторых вариантах выполнения с предотвращающим воздействие давления элементом 2338 может взаимодействовать средство 2350 теплоотвода, такое как снабженная кожухом водоохлаждаемая система, формирующая рубашки 2337 с циркулирующей водой (то есть наружные по отношению к предотвращающему воздействие давления элементу 2338, образующему "оболочку" устройства 220 камеры сгорания). Транспирационная текучая среда 210, вводимая во взаимодействие с транспирационным элементом 230 устройства 220 камеры сгорания, может представлять собой, например, С02, смешанный с небольшим количеством H20 и (или) инертный газ, такой как N2 или аргон. Транспирационный элемент 230 может содержать, например, пористый металл, керамику, композитную матрицу, слоистую трубчатую конструкцию или любую другую подходящую конструкцию или их комбинации. В некоторых частных вариантах выполнения в процессе горения в камере 222 сгорания может создаваться высокотемпературный поток продуктов горения под высоким давлением, который может быть затем направлен в устройство производства энергии, такое как турбина, для последующего расширения в нем, что более подробно рассмотрено в данном описании.
Относительно высокие значения давления, используемого в рассмотренных вариантах выполнения устройства 220 камеры сгорания, могут предназначаться для концентрации энергии, производимой тем самым с относительно высокой интенсивностью в минимальном объеме, то есть, по существу, с относительно высокой плотностью энергии. Относительно высокая плотность энергии дает возможность выполнять процессы, происходящие ниже по направлению потока, более эффективным образом, чем при низких давлениях, и, следовательно, обеспечивать большую эффективность способа. Поэтому в частных вариантах выполнения изобретения могут обеспечиваться плотности энергии, на порядки превосходящие величины, присущие существующим энергетическим установкам (то есть в 10-100 раз). Повышенная плотность энергии увеличивает эффективность процесса, а также снижает стоимость оборудования, необходимого для преобразования энергии из тепловой в электрическую, за счет уменьшения его размеров и массы, влияющих на стоимость.
Как рассмотрено в данном описании, устройство камеры сгорания, используемое в предлагаемых в изобретении способах и системах, может быть полезным для сжигания различных углеродосодержащих топлив из различных источников. В частных вариантах выполнения углеродосодержащее топливо может выжигаться в основном полностью, так что в потоке продуктов горения не содержится жидких или твердых негорючих веществ. Однако в некоторых вариантах выполнения использование твердого углеродо-содержащего топлива согласно изобретению может приводить к наличию негорючих компонент. В частных вариантах выполнения устройство камеры сгорания может предусматривать возможность достижения температуры горения, приводящей в процессе горения к переводу в жидкое состояние негорючих элементов, содержащихся в твердом углеродосодержащем топливе. В таких случаях могут быть предприняты меры по удалению расплавленных негорючих элементов. Удаление может быть выполнено, например, с использованием циклонных сепараторов, лопаточных сепараторов, многослойных огнеупорных фильтров или их комбинации. В частных вариантах выполнения включения могут быть удалены из высокотемпературной циркулирующей текучей среды посредством последовательности циклонных сепараторов, таких как, например, циклонные сепараторы 2340, показанные на фиг. 4. В общем варианты выполнения такого циклонного сепаратора, задействованного в настоящем изобретении, могут содержать группу последовательно расположенных устройств 100 центробежного сепаратора, включающую входное устройство 100А центробежного сепаратора, выполненное с возможностью приема продуктов горения/выходного потока текучей среды и сопутствующих им сжиженных негорючих элементов, и выходное устройство 100В центробежного сепаратора, выполненное с возможностью выпуска продуктов горения/выходного потока текучей среды, из которых в значительной мере удалены негорючие элемен
ты. Каждое устройство 100 центробежного сепаратора включает группу элементов центробежного сепаратора или циклонов 1, в рабочем состоянии расположенных параллельно у центрального сборного трубопровода 2, причем каждый элемент центробежного сепаратора или циклон 1 выполнен так, чтобы удалять по меньшей мере часть сжиженных негорючих элементов из продуктов горения/выходного потока текучей среды и направлять эту удаленную часть сжиженных негорючих элементов в сборник 20. Такое устройство 2340 разделения может быть выполнено с возможностью работы при повышенном давлении и, как таковое, может также содержать корпус 125 высокого давления, приспособленный для размещения в нем устройств центробежного сепаратора и сборника. В соответствии с такими вариантами выполнения корпус 125 высокого давления может быть продолжением предотвращающего воздействие давления элемента 2338, также охватывающим устройство 220 камеры сгорания, или он может быть отдельным элементом, контактирующим с предотвращающим воздействие давления элементом 2338, связанным с устройством 220 камеры сгорания. В обоих случаях из-за повышенной температуры, воздействующей на устройство 2340 разделения со стороны выходного потока текучей среды, корпус 125 высокого давления может также содержать систему рассеяния тепла, такую как теплообменная рубашка с циркулирующей в ней жидкостью (не показана), в процессе работы взаимодействующая с ним, отводя тепло. В некоторых вариантах выполнения в рабочем состоянии с теплообменной рубашкой может взаимодействовать устройство рекуперации тепла (не показано), выполненное с возможностью приема циркулирующей в теп-лообменной рубашке жидкости и извлечения из нее тепловой энергии.
В частных вариантах осуществления изобретения представленное на фиг. 4 устройство 2340 разделения (удаления шлака) может быть выполнено с возможностью последовательной установки с устройством 220 камеры сгорания у выходной части 222В последнего с целью восприятия поступающего из него выходного потока текучей среды/продуктов горения. Выходной поток текучей среды транспираци-онного охлаждения из устройства 220 камеры сгорания вместе с включениями в него жидкого шлака (негорючими элементами) может быть направлен через конический переходник 10 на центральный вход сборного питателя 2А входного устройства 100А центробежного сепаратора. В одном из частных вариантов выполнения разделительное устройство 2340 может содержать три устройства 100А, 100В, 100С центробежного сепаратора (хотя специалисту в данной области должно быть понятно, что такое разделительное устройство может включать одно, два, три или несколько устройств центробежного сепаратора, в зависимости от желания или необходимости). В данном примере в рабочем положении три устройства 100А, 100В, 100С центробежного сепаратора установлены последовательно, образуя трехступенчатый блок циклонного разделения. Каждое устройство центробежного сепаратора содержит, например, группу элементов циклонного разделения (циклоны 1), установленных по окружности соответствующего центрального сборного трубопровода 2. Центральный сборный питатель 2А и центральный сборный трубопровод 2 входного устройства 100А центробежного сепаратора, а также среднее устройство 100С центробежного сепаратора герметизированы у своих выходных краев. В таких вариантах выходной поток текучей среды направляется в боковые каналы 11, соответствующие каждому из элементов центробежного сепаратора (циклонам 1) соответствующего устройства 100 центробежного сепаратора. Боковые каналы 11 выполнены с возможностью соединения со входным краем соответствующего циклона 1, образуя направленный по касательной входной поток в нем (в результате, например, входной поток текучей среды, поступающий в циклон 1, взаимодействует со стенкой циклона 1 в виде спиральной струи). Затем выходной канал 3 каждого из циклонов 1 направляется во входную часть центрального сборного трубопровода 2 соответствующего устройства 100 центробежного сепаратора. У выпускного устройства 100В центробежного сепаратора выходной поток текучей среды (из которого в основном удалены негорючие компоненты) направляется от центрального сборного трубопровода выпускного устройства 100В центробежного сепаратора через сборный трубопровод 12 и выходное сопло 5, так что он оказывается связанным с устройством преобразования. Таким образом приведенное в качестве примера трехступенчатое устройство циклонного разделения дает возможность снижения содержания шлака в выходном потоке текучей среды, например, до уровня ниже 5 ppm по массе (частей на миллион).
На каждой ступени разделительного устройства 2340 отделенный жидкий шлак отводится от каждого циклона 1 через выходные трубопроводы 4, тянущиеся к сборнику 20. Затем отделенный жидкий шлак направляется в выходное сопло или трубопровод 14, проходящий от сборника 20 и корпуса 125 высокого давления для дальнейшего удаления и (или) повторного использования содержащихся в нем компонент. В процессе удаления жидкий шлак может быть направлен через водоохлаждаемый участок 6 или через другой участок, соединенный с источником холодной воды под давлением, на котором взаимодействие с этой водой приводит к затвердеванию и (или) гранулированию жидкого шлака. Смесь затвердевшего шлака и воды может быть затем разделена в емкости (сборнике) 7 на текучую смесь шлака/воды, которая может быть удалена, в частности после сброса давления, через соответствующий клапан 9, в то время как остаточный газ может быть удален через отдельную магистраль 8. В некоторых вариантах выполнения пара емкостей с соответствующими системами, действующими последовательно, могут обеспечить непрерывную работу устройства.
Так как разделительное устройство 2340 может использоваться во взаимодействии с относительно высокотемпературным выходным потоком продуктов горения (то есть при температуре, достаточной для
поддержания нахождения негорючих компонент в жидком состоянии с относительно низкой вязкостью), может быть желательным в некоторых случаях, чтобы поверхности разделительного устройства 2340, испытывающие воздействие продуктов горения/выходного потока текучей среды или сжиженных негорючих компонент, содержащихся в них, включали материалы, обладающие по меньшей мере одним свойством из группы, охватывающей термостойкость, коррозионную стойкость и низкую теплопроводность. Примерами таких материалов могут служить оксиды циркония и алюминия, хотя эти примеры ни в коей мере не предназначены для ограничения объема изобретения. По существу в некоторых частных вариантах выполнения изобретения разделительное устройство 2340 может быть выполнено с возможностью удаления в значительной степени сжиженных негорючих компонент из продуктов горения/выходного потока текучей среды и поддержания нахождения негорючих компонент в жидком состоянии с низкой вязкостью по меньшей мере до удаления их из сборника 20. Конечно в вариантах выполнения, в которых не используется твердое топливо и негорючие элементы не содержатся в потоке продуктов горения, введение сепаратора шлака не является необходимым.
В некоторых вариантах выполнения разделительное устройство 2340 может быть использовано для отделения твердых частиц шлака, образовавшихся при горении такого топлива, как уголь, при котором получается негорючий твердый остаток. Например, уголь может быть измельчен до требуемого размера (например до состояния, при котором меньше 1 мас.% дисперсного или порошкового угля содержит частицы, размеры которых больше 100 мкм) и превращен в пульпу с жидким С02. В частных вариантах выполнения жидкий С02 может находиться при температуре приблизительно от -40 до -18°С. Пульпа может содержать приблизительно от 40 до 60 мас.% угля. Пульпа может быть затем сжата до требуемого давления горения. Согласно фиг. 1 рециркуляционный поток 236 может быть разделен по характеру ввода в камеру 220 сгорания. Первая часть (поток 236а) может быть введена в камеру 220 сгорания через смесительное устройство 250, и вторая часть (поток 236b) может быть введена в камеру 220 сгорания путем пропускания через слой 230 транспирационного охлаждения. Как описано выше, возможна работа камеры 220 сгорания при отношении 02 к топливу, при котором образуется восстановительная газовая смесь (например, содержащая H2, CH4, CO, H2S, и (или) NH3). Часть потока 236, поступающая в камеру сгорания через слой 230 транспирационного охлаждения, может быть использована для охлаждения смеси продуктов горения и циркулирующей текучей среды на основе С02 до температуры, которая значительно ниже температуры затвердевания шлака (например, лежащей в диапазоне приблизительно от 500 до 900°С). Общий газовый поток 5 из разделительного устройства 2340 может быть пропущен через фильтрационный блок, который снижает содержание остаточных твердых шлаковых частиц до очень низкого уровня (например, ниже приблизительно 2 мг/м газа, проходящего через фильтр). Этот очищенный газ можно затем сжигать во второй камере сгорания, где он может быть разбавлен дополнительной частью потока 236 повторно используемой текучей среды. В таких вариантах выполнения поток 236 повторно используемой текучей среды может быть должным образом распределен между двумя камерами сгорания.
В соответствии с настоящим изобретением в качестве топлива может быть использован любой уг-леродосодержащий материал. В частности, благодаря высоким давлениям и высоким температурам, поддерживаемым в работающем на смеси топлива и кислорода устройстве камеры сгорания согласно предлагаемым в изобретении способам и системам, пригодные топлива включают, но не ограничивают этим, различные сорта и виды угля, древесину, нефть, мазут, природный газ, получаемый из угля горючий газ, битум из битумных песков, обычный битум, биомассу, водоросли, измельченные горючие отходы, асфальт, старые покрышки, дизельное топливо, бензин, авиационное топливо (JP-5, JP-4), газы, полученные при газификации или пиролизе углеводородного материала, этанол, твердое и жидкое биотопливо. Это может рассматриваться как важно отличие от известных в предшествующем уровне техники систем и способов. Например, известные системы сжигания твердых топлив, таких как уголь, требуют значительных конструктивных отличий от систем для сжигания отличных от твердых топлив, таких как природный газ.
Все такие топлива перед впрыскиванием в устройство камеры сгорания могут быть соответствующим образом обработаны до достаточных кондиций и сжаты до давления, превышающего давление в камере сгорания. Такие топлива могут быть в виде жидкости, суспензии, геля или пасты с соответствующими текучестью и вязкостью при температурах окружающей среды или при повышенных температурах. Например, топливо может подаваться при температуре приблизительно от 30 до 500°С, приблизительно от 40 до 450°С, приблизительно от 50 до 425°С или приблизительно от 75 до 400°С. Все твердые топливные материалы могут быть размолоты, или раздроблены, или другим образом обработаны, чтобы уменьшить размер частиц до допустимого. При необходимости может быть добавлена псевдоожижаю-щая или превращающая в пульпу среда для достижения должных кондиций и удовлетворения требований к потоку при его прокачке под высоким давлением. Конечно, псевдоожижающая среда может не понадобиться в зависимости от вида топлива (то есть если это жидкость или газ). Аналогично, в некоторых вариантах выполнения в качестве псевдоожижающей среды может быть использована циркулирующая текучая среда.
Транспирационные текучие среды, пригодные для использования в предлагаемой в данном изобре
тении камере сгорания, могут включать любую текучую среду, способную проходить в достаточном количестве и при достаточном давлении через внутреннюю облицовку, образуя паровую стенку. В настоящем варианте выполнения изобретения С02 может быть идеальной транспирационной текучей средой в том смысле, что сформированная паровая стенка имеет хорошие термоизолирующие свойства, а также свойства поглощения видимого и ультрафиолетового излучения. С02 может быть использован как сверхкритическая текучая среда. Другие примеры транспирационных текучих сред включают H2O, охлажденные продукты горения, отведенные ниже по потоку, кислород, водород, природный газ, метан и другие легкие углеводороды. Топлива могут быть особенно пригодными в качестве транспирационных текучих сред при запуске камеры сгорания, обеспечивая надлежащие рабочие температуры и давления в камере сгорания перед впрыскиванием топлива от основного источника. Топлива также могут быть использованы в качестве транспирационных текучих сред для регулирования рабочих температуры и давления в камере сгорания при переходе между основными источниками топлива, например при переходе с угля на биомассу в качестве основного топлива. В некоторых вариантах выполнения могут быть использованы две или несколько транспирационных текучих сред. Кроме того, разные транспирационные текучие среды могут быть использованы в разных местоположениях вдоль камеры сгорания. Например, первая транспирационная текучая среда может быть использована в высокотемпературной теплообменной зоне, и вторая транспирационная текучая среда может быть использована в низкотемпературной теплообмен-ной зоне. Транспирационная текучая среда может быть оптимизирована для определенных условий по температуре и давлению в камере сгорания, в которой транспирационная текучая среда образует паровую стенку. В настоящем примере транспирационная текучая среда представляет собой предварительно нагретый, повторно используемый С02.
Настоящее изобретение обеспечивает способы производства энергии. В частности, в способах предусмотрено использование циркулирующей текучей среды на основе С02, которую предпочтительно в соответствии со способом используют повторно, как описано. В предлагаемых в изобретении способах используют также высокоэффективные устройства для сжигания/камеры сгорания, например камеры сгорания с транспирационным охлаждением, как описано выше. В некоторых вариантах выполнения способы в общем могут быть описаны по блок-схеме, изображенной на фиг. 5. Как можно видеть, обеспечена камера сгорания 220, и в ней обеспечены различные входы. Углеродосодержащее топливо 254 и 02 242 (при необходимости) могут вводиться в камеру 220 сгорания вместе с циркулирующей текучей средой 236, в настоящем варианте выполнения представляющей собой С02. Смесительное устройство 250 представлено пунктирной линией, что означает, что эта компонента присутствует опционно. В частности, любое сочетание из двух или всех трех продуктов (топливо, 02 и циркулирующая текучая среда на основе С02) может быть скомбинировано в смесительном устройстве 250 перед вводом в камеру 220 сгорания.
В различных вариантах выполнения может быть желательным, чтобы вводимые в камеру сгорания продукты обладали определенными физическими характеристиками, обеспечивающими необходимую эффективность способа производства энергии. Например, в некоторых вариантах выполнения может быть желательным, чтобы С02, составляющий циркулирующую текучую среду, вводился в камеру сгорания при определенном давлении и (или) температуре. В частности, может быть предпочтительным, чтобы С02 вводился в камеру сгорания под давлением по меньшей мере приблизительно 8 МПа. В дополнительных вариантах выполнения вводимый в камеру сгорания С02 может находиться под давлением по меньшей мере приблизительно 10 МПа, по меньшей мере приблизительно 12 МПа, по меньшей мере приблизительно 14 МПа, по меньшей мере приблизительно 15 МПа, по меньшей мере приблизительно 16 МПа, по меньшей мере приблизительно 18 МПа, по меньшей мере приблизительно 20 МПа, по меньшей мере приблизительно 22 МПа, по меньшей мере приблизительно 24 МПа или по меньшей мере приблизительно 25 МПа. В других вариантах выполнения давление может составлять приблизительно от 8 до 50 МПа, приблизительно от 12 до 50 МПа, приблизительно от 15 до 50 МПа, приблизительно от 20 до 50 МПа, приблизительно от 22 до 50 МПа, приблизительно от 22 до 45 МПа, приблизительно от 22 до 40 МПа, приблизительно от 25 до 40 МПа или приблизительно от 25 до 35 МПа. Кроме того, может быть предпочтительным, чтобы С02 вводился в камеру сгорания при температуре по меньшей мере приблизительно 200°С. В дополнительных вариантах выполнения вводимый в камеру сгорания С02, может быть при температуре по меньшей мере приблизительно 250°С, по меньшей мере приблизительно 300°С, по меньшей мере приблизительно 350°С, по меньшей мере приблизительно 400°С, по меньшей мере приблизительно 450°С, по меньшей мере приблизительно 500°С, по меньшей мере приблизительно 550°С, по меньшей мере приблизительно 600°С, по меньшей мере приблизительно 650°С, по меньшей мере приблизительно 700°С, по меньшей мере приблизительно 750°С, по меньшей мере приблизительно 800°С, по меньшей мере приблизительно 850°С или по меньшей мере приблизительно 900°С.
В некоторых вариантах выполнения может быть желательным, чтобы вводимое в камеру сгорания топливо обеспечивалось в определенном состоянии. Например, в некоторых вариантах выполнения может быть желательным, чтобы углеродосодержащее топливо вводилось в камеру сгорания при определенном давлении и (или) температуре. В некоторых вариантах выполнения углеродосодержащее топливо может вводиться в камеру сгорания в состоянии, идентичном или в основном соответствующем состоя
нию циркулирующей текучей среды на основе С02. Фраза "в основном соответствующем состоянию" может означать, что показатель состояния находится в пределах 5%, в пределах 4%, в пределах 3%, в пределах 2% или в пределах 1% от упоминаемого в данном описании показателя состояния (например, показателя состояния циркулирующей текучей среды на основе С02). В определенных вариантах выполнения углеродосодержащее топливо может быть смешано с циркулирующей текучей средой на основе С02 до ввода в камеру сгорания. В таких вариантах выполнения можно ожидать, что углеродосодержа-щее топливо и циркулирующая текучая среда на основе С02 должны находиться в идентичных или в основном соответствующих состояниях (что в частности может включать в себя состояния, описанные в отношении циркулирующей текучей среды на основе С02). В других вариантах выполнения углеродосо-держащее топливо может вводиться в камеру сгорания отдельно от циркулирующей текучей среды на основе С02. В таких случаях углеродосодержащее топливо все же может вводиться под давлением, приведенным для циркулирующей текучей среды на основе С02. В некоторых вариантах выполнения может быть целесообразным поддерживать углеродосодержащее топливо перед вводом в камеру сгорания при температуре, отличающейся от температуры циркулирующей текучей среды на основе С02. Например, углеродосодержащее топливо может вводиться в камеру сгорания при температуре приблизительно от 30 до 800°С, приблизительно от 35 до 700°С, приблизительно от 40 до 600°С, приблизительно от 45 до 500°С, приблизительно от 50 до 400°С, приблизительно от 55 до 300°С, приблизительно от 60 до 200°С, приблизительно от 65 до 175°С или приблизительно от 70 до 150°С.
В других вариантах выполнения может быть желательным, чтобы вводимый в камеру 02 обеспечивался в определенном состоянии. Такие состояния могут быть присущи способу обеспечения 02. Например, может быть желательным обеспечивать 02 при определенном давлении. В частности, может быть предпочтительным, чтобы 02 вводился в камеру сгорания под давлением по меньшей мере приблизительно 8 МПа. В дополнительных вариантах выполнения вводимый в камеру сгорания 02, может быть под давлением по меньшей мере приблизительно 10 МПа, по меньшей мере приблизительно 12 МПа, по меньшей мере приблизительно 14 МПа, по меньшей мере приблизительно 15 МПа, по меньшей мере приблизительно 16 МПа, по меньшей мере приблизительно 18 МПа, по меньшей мере приблизительно 20 МПа, по меньшей мере приблизительно 22 МПа, по меньшей мере приблизительно 24 МПа, по меньшей мере приблизительно 25 МПа, по меньшей мере приблизительно 30 МПа, по меньшей мере приблизительно 35 МПа, по меньшей мере приблизительно 40 МПа, по меньшей мере приблизительно 45 МПа или по меньшей мере приблизительно 50 МПа. Обеспечение 02 может охватывать использование воздушного сепаратора (или кислородного сепаратора), например криогенного концентратора кислорода, мобильного концентратора кислорода или любого аналогичного устройства, такого как ионномембран-ный сепаратор кислорода, служащего для выделения 02 из окружающего воздуха. Отдельно или в сочетании обеспечение 02 может включать его сжатие для обеспечения требуемого давления, как описано выше. Это действие может вызывать нагрев 02. В некоторых вариантах выполнения может быть желательным, чтобы 02 находился при требуемой температуре, отличающейся от температуры, достигаемой при нормальном сжатии газа. Например, может быть желательным, чтобы 02 вводился в камеру сгорания при температуре приблизительно от 30 до 900°С, приблизительно от 35 до 800°С, приблизительно от 40 до 700°С, приблизительно от 45 до 600°С, приблизительно от 50 до 500°С, приблизительно от 55 до 400°С, приблизительно от 60 до 300°С, приблизительно от 65 до 250°С или приблизительно от 70 до 200°С. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения 02 может вводиться в камеру сгорания в состоянии, идентичном или в основном соответствующем состоянию циркулирующей текучей среды на основе С02 и (или) углеродосодержащего топлива. Это может возникать при смешивании различных компонент перед вводом их в камеру сгорания или может возникать в специфических способах подготовки 02 для введения в камеру сгорания. В частных вариантах выполнения 02 может быть смешан с некоторым количеством С02 в определенной молярной пропорции, так что 02 может быть обеспечен при той же температуре, что поток циркулирующей текучей среды на основе С02. Например, смешивание может производиться при температуре ниже 100°С, в то время как С02 находится под сверхкритическим давлением. Это устраняет опасность воспламенения, связанного с нагреванием одного чистого 02, благодаря эффекту разбавления диоксидом углерода. Такая смесь может быть составлена в соотношении С02/02 приблизительно от 1:2 до 5:1, приблизительно от 1:1 до 4:1 или приблизительно от 1:1 до 3:1.
В некоторых вариантах выполнения может быть полезным, чтобы подаваемый в камеру сгорания 02 был в основном очищенным (то есть улучшенного качества в смысле молярного содержания 02 относительно других компонент естественным образом присутствующих в воздухе). В определенных вариантах выполнения 02 может иметь чистоту лучше приблизительно 50 мол.%, лучше приблизительно 60 мол.%, лучше приблизительно 70 мол.%, лучше приблизительно 80 мол.%, лучше приблизительно 85 мол.%, лучше приблизительно 90 мол.%, лучше приблизительно 95 мол.%, лучше приблизительно 96 мол.%, лучше приблизительно 97мол.% , лучше приблизительно 98 мол.%, лучше приблизительно 99 мол.% или лучше приблизительно 99,5 мол.%. В других вариантах выполнения 02 может иметь молярную чистоту приблизительно от 85 до 99,6 мол.%, приблизительно от 85 до 99 мол.%, приблизительно от 90 до 99 мол.%, приблизительно от 90 до 98 мол.% или приблизительно от 90 до 97 мол.%. Общее извлечение С02 из углерода топлива предусматривает предпочтительное использование чистоты в области по
меньшей мере приблизительно 99,5 мол.%.
Циркулирующая текучая среда на основе С02 может вводиться в камеру сгорания у ее входа вместе с 02 и углеродосодержащим топливом. Однако, как описано выше в отношении камеры сгорания с транспирационным охлаждением, циркулирующая текучая среда на основе С02 может также вводиться в камеру сгорания с транспирационным охлаждением как часть или вся текучая среда транспирационного охлаждения, направляемая в транспирационный элемент через один или несколько каналов подачи транспирационной текучей среды, сформированных в камере сгорания с транспирационным охлаждением. В некоторых предлагаемых в изобретении вариантах выполнения циркулирующая текучая среда на основе С02 может вводиться в камеру сгорания на ее входе (то есть вместе с 02 и топливом), а также циркулирующая текучая среда на основе С02 может вводиться в камеру сгорания через транспирацион-ный элемент как часть или вся текучая среда транспирационного охлаждения. В других вариантах выполнения циркулирующая текучая среда на основе С02 может вводиться в камеру сгорания только через транспирационный элемент как часть или вся текучая среда транспирационного охлаждения (то есть на вход камеры сгорания вместе с 02 и топливом не поступает никакого С02).
В некоторых вариантах выполнения изобретение может отличаться соотношением различных компонент, вводимых в камеру сгорания. Для достижения максимальной эффективности горения может быть полезным сжигать углеродосодержащее топливо при высокой температуре. Однако температура горения и температура потока продуктов горения, выходящего из камеры сгорания, может нуждаться в регулировании в пределах определенных значений. С этой целью может быть целесообразным обеспечивать циркулирующую текучую среду на основе С02 в определенном соотношении с топливом, так чтобы температура горения и (или) входная температура турбины могли регулироваться в заданном диапазоне с одновременным обеспечением максимальной величины энергии, которая может быть преобразована в выходную мощность. В частных вариантах выполнения это может достигаться путем изменения пропорции между потоком циркулирующей текучей среды на основе С02 и углеродом топлива. Требуемое соотношение может зависеть от необходимой входной температуры турбины, а также от разницы температур между входным и выходным потоками на горячем краю теплообменника, что более подробно рассмотрено в данном описании. В частности, пропорция может быть определена как молярное отношение С02, содержащегося в циркулирующей текучей среде на основе С02, к углероду, присутствующему в углеродосодержащем топливе. В некоторых вариантах выполнения для определения молярной величины С02, введенного в камеру сгорания, в расчет включается общее количество С02, обеспеченное в камеру сгорания (то есть поданное на вход вместе с топливом и 02, а также некоторое количество, использованное в качестве текучей среды транспирационного охлаждения). Однако в частных вариантах выполнения расчет может основываться только на молярной величине С02, поданного на вход камеры сгорания (то есть за исключением С02, использованного как текучая среда транспирационного охлаждения). В вариантах выполнения, в которых С02 вводится в камеру сгорания только как текучая среда транспирацион-ного охлаждения, расчет основывается на содержании С02, введенного в камеру сгорания в качестве текучей среды транспирационного охлаждения. Таким образом пропорция может быть представлена как молярное содержание С02, поданного на вход камеры сгорания, отнесенное к углероду в топливе, введенном в камеру сгорания. Альтернативно пропорция может быть представлена как молярное содержание С02, поданного в камеру камеры сгорания в качестве текучей среды транспирационного охлаждения, отнесенное к углероду в топливе, введенном в камеру сгорания.
В некоторых вариантах выполнения отношение циркулирующей текучей среды на основе С02 к углероду топлива, введенного в камеру сгорания, в молярном представлении может составлять приблизительно от 10 до 50 (то есть приблизительно от 10 моль С02 на 1 моль углерода топлива до 50 моль С02 на 1 моль углерода топлива). В других вариантах выполнения отношение С02, содержащегося в циркулирующей текучей среде, к углероду топлива может составлять приблизительно от 15 до 50, приблизительно от 20 до 50, приблизительно от 25 до 50, приблизительно от 30 до 50, приблизительно от 15 до 45, приблизительно от 20 до 45, приблизительно от 25 до 45, приблизительно от 30 до 45, приблизительно от 15 до 40, приблизительно от 20 до 40, приблизительно от 25 до 40 или приблизительно от 30 до 40. В других вариантах выполнения отношение С02, содержащегося в циркулирующей текучей среде, к углероду топлива может составлять по меньшей мере приблизительно 5, по меньшей мере приблизительно 10, по меньшей мере приблизительно 15, по меньшей мере приблизительно 20, по меньшей мере приблизительно 25 или по меньшей мере приблизительно 30.
Молярное отношение С02, введенного в камеру сгорания, к углероду, присутствующему в углеро-досодержащем топливе, может иметь большое влияние на общий тепловой коэффициент полезного действия системы. Это влияние на эффективность может также зависеть от конструкции и работы других компонент системы, включая теплообменник, водоотделитель и блок создания повышенного давления. Сочетание рассмотренных в данном описании способа и различных элементов системы дает возможность достижения высокого теплового коэффициента полезного действия при определенных приведенных отношениях С02/С. В известных ранее системах и способах, в которые не включены описанные элементы, для достижения значений эффективности, обеспечиваемых в настоящем изобретении, обычно требуется молярное отношение С02/С, существенно более низкое, чем используемое в данном случае.
Однако в настоящем изобретении представлены высокоэффективные системы и способы повторного использования С02, дающие возможность использования молярных отношений С02/С, намного превосходящих те, которые могли быть использованы в предшествующем уровне техники. Использование в соответствии с настоящим изобретением больших значений молярного отношения С02/С обладает дополнительным преимуществом, заключающимся в разбавлении вредных примесей, входящих в поток продуктов горения. За счет этого значительно снижается коррозионное или эрозионное воздействие вредных примесей (например хлоридов и сернистых соединений). В настоящее время в известных системах нет возможности использовать хлористый и (или) сернистый уголь, так как продукты горения такого угля (содержащие HCl и H2SO4) оказывают большое коррозионное и эрозионное воздействие на компоненты энергетических установок. Многие вредные примеси (например, твердые шлаковые частицы, летучие вещества, содержащие такие элементы, как свинец, йод, сурьма и ртуть) при высоких температурах также могут вызывать значительные внутренние повреждения компонент энергетических установок. Эффект разбавления повторно используемым С02 может в значительной мере снизить или устранить разрушительное воздействие таких примесей на компоненты энергетических установок. Кроме того, выбор молярных отношений С02/С может включать комплексное рассмотрение воздействия на эффективность и эрозию и коррозию компонент установки, а также рассмотрение конструкции компонент системы повторного использования С02 и их действия. В настоящем изобретении обеспечена возможность высокоэффективного повторного использования С02 и таким образом повышения молярных отношений С02/С при высокой тепловой эффективности, что не могло быть предусмотрено в предшествующем уровне техники. Таким образом большие значения молярных отношений С02/С обеспечивают по меньшей мере вышеупомянутые преимущества.
Аналогично может быть полезным регулирование содержания 02, вводимого в камеру сгорания. Это, в частности, может зависеть от характера действия камеры сгорания. Как более подробно рассмотрено во данном описании, предлагаемые в изобретении способы и системы могут обеспечить возможность работы в полностью окислительном режиме, полностью восстановительном режиме или с отклонением от обоих режимов. В полностью окислительном режиме количество 02, подаваемого в камеру сгорания, предпочтительно должно соответствовать по меньшей мере стехиометрическому количеству, необходимому для достижения полного окисления содержащегося в топливе углерода. В определенных вариантах выполнения количество обеспечиваемого 02 должно превосходить указанное стехиометриче-ское количество по меньшей мере приблизительно на 0,1 мол.%, по меньшей мере приблизительно на 0,25 мол.%, по меньшей мере приблизительно на 0,5 мол.%, по меньшей мере приблизительно на 1 мол.%, по меньшей мере приблизительно на 2 мол.%, по меньшей мере приблизительно на 3 мол.%, по меньшей мере приблизительно на 4 мол.% или по меньшей мере приблизительно на 5 мол.%. В других вариантах выполнения количество обеспечиваемого 02 должно превосходить указанное стехиометриче-ское количество на приблизительно от 0,1 до 5 мол.%, приблизительно от 0,25 до 4 мол.% или приблизительно от 0,5 до 3 мол.%. В полностью восстановительном режиме количество 02, обеспечиваемое в камеру сгорания, предпочтительно должно соответствовать стехиометрическому количеству, необходимому для превращения углеродосодержащего топлива в такие компоненты, как H2, CO, CH4, H2S и NH3, плюс некоторый избыток, составляющий по меньшей мере приблизительно 0,1 мол.%, по меньшей мере приблизительно 0,25 мол.%, по меньшей мере приблизительно 0,5 мол.%, по меньшей мере приблизительно 1 мол.%, по меньшей мере приблизительно 2 мол.%, по меньшей мере приблизительно 3 мол.%, по меньшей мере приблизительно 4 мол.% или по меньшей мере приблизительно 5 мол.%. В других вариантах выполнения количество обеспечиваемого 02 должно превосходить указанное стехиометрическое количество на приблизительно от 0,1 до 5 мол.%, приблизительно от 0,25 до 4 мол.% или приблизительно от 0,5 до 3 мол.%.
В некоторых вариантах выполнения изобретения предлагаемые в изобретении способы могут отличаться в отношении физического состояния С02 на различных стадиях процесса. Общеизвестно, что С02 находится в различных формах в зависимости от физических условий нахождения вещества. С02 имеет тройную точку фазовой диаграммы, соответствующую 0,518 МПа и -56,6°С, но он также имеет критические давление и температуру, соответствующие 7,38 МПа и 31,1°С. За этой критической точкой С02 существует как сверхкритическая текучая среда, и в настоящем изобретении реализуется возможность достижения максимальной эффективности производства энергии путем поддержания С02 в определенном состоянии в определенных точках цикла. В частных вариантах выполнения изобретения вводимый в камеру сгорания С02 предпочтительно находится в виде сверхкритической текучей среды.
Подразумевается, что эффективность системы или способа производства энергии описывается отношением мощности, вырабатываемой системой или в способе, к мощности, подводимой к системе или в способе. В случае системы или способа производства энергии эффективность часто описывается как отношение электрической энергии или мощности (например в мегаваттах или МВт), направляемой в потребительскую сеть, к общей теплотворной способности топлива, сгоревшего при выработке электрической энергии (или мощности). Это отношение далее может называться чистой эффективностью системы или способа (по теплотворной способности). В этой эффективности может учитываться вся энергия, требуемая во внутренних процессах системы или способа, включая получение очищенного кислорода (на
пример в блоке разделения воздуха), сжатие С02 для передачи в трубопровод высокого давления и другие стадии способа и элементы системы, требующие подвода энергии.
В различных вариантах выполнения в предлагаемых в настоящем изобретении системах и способах используется преимущественно С02 в качестве рабочего тела в цикле, в котором углеродосодержащее топливо сжигается (то есть в камере сгорания) в основном в чистом 02 при давлении, превосходящим критическое давление для С02, образуя поток продуктов горения. Этот поток расширяется в турбине и затем проходит через рекуперативный теплообменник. В теплообменнике отработавшие газы турбины предварительно нагревают повторно используемую циркулирующую текучую среду на основе С02 до сверхкритического состояния. Эта предварительно нагретая повторно используемая циркулирующая текучая среда на основе С02 подается в камеру сгорания, где она смешивается с продуктами горения угле-родосодержащего топлива, образуя общий поток, имеющий определенную максимальную температуру на входе турбины. Изобретение может обеспечить исключительную эффективность по меньшей мере частично благодаря использованию преимуществ от минимизации температурной разницы на горячем краю рекуперативного теплообменника. Эта минимизация может быть обеспечена путем использования низкотемпературного источника тепла для нагревания части повторно используемого С02 перед вводом в камеру сгорания. При этих низких температурных уровнях удельная теплоемкость и плотность сверхкритического С02 очень высоки, и это может дать возможность потоку выхлопных газов турбины предварительно нагревать С02 до значительно более высокой температуры, что может существенно снизить температурную разницу на горячем краю рекуперативного теплообменника. В частных вариантах выполнения пригодными источниками низкотемпературного тепла являются компрессоры, используемые в криогенных установках разделения воздуха, работающих в адиабатическом режиме, или выхлопной поток из обычной газовой турбины. В частных вариантах выполнения настоящего изобретения температурная разница на горячем краю рекуперативного теплообменника меньше, чем приблизительно 50°С, и предпочтительно лежит в диапазоне приблизительно от 10 до 30°С. Использование низкой степени повышения давления (например ниже приблизительно 12) является дополнительным фактором, который может повысить эффективность. Использование С02 в качестве рабочего тела вместе с низкой степенью повышения давления снижает энергетические потери на повышение давления охлажденных выхлопных газов турбины до давления повторного использования. Дополнительное преимущество заключается в возможности получения определенного количества углерода из топлива, превращенного в С02 в виде текучей среды под высоким давлением, превосходящим сверхкритическое давление для С02, проходящей по трубопроводу высокого давления (обычно приблизительно от 10 до 20 МПа) с очень низким паразитным расходом энергии при близком к 100% извлечении углерода из топлива. Параметры такой системы и способа дополнительно рассмотрены в данном описании в больших подробностях.
Согласно фиг. 5 углеродосодержащее топливо 254, вводимое в камеру 220 сгорания вместе с 02 242 и циркулирующей текучей средой 236 на основе С02, сгорает, обеспечивая поток 40 продуктов горения. В частных вариантах выполнения камера 220 сгорания представляет собой камеру сгорания с транспира-ционным охлаждением, такую как описанная выше. Температура горения может изменяться в зависимости от конкретных параметров процесса -таких как вид углеродосодержащего топлива, молярное отношение С02 к углероду топлива при введении в камеру сгорания и (или) молярное отношение С02 к 02, вводимому в камеру сгорания. В частных вариантах выполнения температура горения представляет собой температуру, приведенную выше в связи с описанием камеры сгорания с транспирационным охлаждением. В особо предпочтительных вариантах выполнения могут иметь преимущество температуры горения, превосходящие 1300°С, как здесь описано.
Может быть также полезным регулирование температуры горения так, чтобы поток продуктов горения, выходящий из камеры сгорания, имел требуемую температуру. Например, чтобы выходящий из камеры сгорания поток продуктов горения имел температуру по меньшей мере приблизительно 700°С, по меньшей мере приблизительно 750°С, по меньшей мере приблизительно 800°С, по меньшей мере приблизительно 850°С, по меньшей мере приблизительно 900°С, по меньшей мере приблизительно 950°С, по меньшей мере приблизительно 1000°С, по меньшей мере приблизительно 1050°С, по меньшей мере приблизительно 1100°С, по меньшей мере приблизительно 1200°С, по меньшей мере приблизительно 1300°С, по меньшей мере приблизительно 1400°С, по меньшей мере приблизительно 1500°С или по меньшей мере приблизительно 1600°С. В некоторых вариантах этот поток может иметь температуру приблизительно от 700 до 1600°С, приблизительно от 800 до 1600°С, приблизительно от 850 до 1500°С, приблизительно от 900 до 1400°С, приблизительно от 950 до 1350°С или приблизительно от 1000 до
1300°С.
Как описано выше, давление С02 в цикле выработки мощности может быть критическим параметром для максимизации эффективности энергетического цикла. Хотя для веществ, вводимых в камеру сгорания, может быть важным иметь конкретно определенное давление, аналогично может быть важным для потока продуктов горения иметь определенное давлением. В частности, давление потока продуктов горения может быть связано с давлением циркулирующей текучей среды на основе С02, вводимой в камеру сгорания. В частных вариантах выполнения давление потока продуктов горения может составлять приблизительно 90% от давления С02, вводимого в камеру сгорания - то есть циркулирующей текучей
среды. В дополнительных вариантах выполнения давление потока продуктов горения может составлять по меньшей мере приблизительно 91%, по меньшей мере приблизительно 92%, по меньшей мере приблизительно 93%, по меньшей мере приблизительно 94%, по меньшей мере приблизительно 95%, по меньшей мере приблизительно 96%, по меньшей мере приблизительно 97%, по меньшей мере приблизительно 98%, по меньшей мере приблизительно 99% от давления С02, вводимого в камеру сгорания.
Химический состав потока продуктов горения, выходящих из камеры сгорания, может изменяться в зависимости от вида используемого углеродосодержащего топлива. Что важно, поток продуктов горения содержит С02, который будет отобран и повторно введен в камеру сгорания или использован в других циклах, как более подробно описано ниже. Кроме того, избыточный С02 (включая С02, полученный за счет сжигания топлива) может быть извлечен из циркулирующей текучей среды на основе С02 (в частности, под давлением, пригодным для непосредственной передачи в трубопровод С02) для удаления или другого сброса за исключением выброса в атмосферу. В дополнительных вариантах выполнения поток газообразных продуктов горения может содержать одну или несколько компонент из группы, включающей водяные пары, SO2, SO3, HCl, NO, NO2, Hg, избыточный O2, N2, Ar и, возможно, другие загрязняющие примеси, которые могут присутствовать в сжигаемом топливе. Эти вещества, присутствующие в потоке продуктов горения, могут оставаться в циркулирующей текучей среде несмотря на удаление, например, в процессе, рассмотренном в данном описании. Такие вещества, присутствующие в качестве добавки к С02, могут называться в данном описании "вторичными компонентами".
Как видно на фиг. 5, поток 40 газообразных продуктов горения может направляться в турбину 320, в которой этот поток расширяется, производя энергию (например, с использованием генератора для получения электрической энергии, который на иллюстрации не показан). Турбина 320 может иметь вход для приема потока 40 продуктов горения и выход для вывода выхлопного потока 50 турбины, содержащего С02. Хотя на фиг. 5 показана одна турбина 320, должно быть понятно, что могут быть использованы более одной турбины, несколько турбин, соединенных последовательно, или опционно разделенных одной или несколькими дополнительными компонентами, такими как узел дополнительной камеры сгорания, узел компрессии, узел разделения и т.п.
Кроме того, параметры процесса могут тщательно контролироваться на стадии максимизации эффективности цикла. Эффективность существующих энергетических установок, работающих на природном газе, критически зависит от температуры на входе турбины. Например, большая и дорогостоящая работа была проделана, чтобы создать технологию турбины, дающую возможность работать при температурах, приближающихся примерно к 1350°С. Чем выше температура на входе турбины, тем выше эффективность установки, но при этом тем дороже турбина, и потенциально короче срок ее службы. Некоторые предприятия ограничены по уплате повышенной стоимости и принятию риска укороченного срока службы. Хотя в настоящем изобретении такие турбины могут использоваться даже для дополнительного повышения эффективности, в некоторых вариантах выполнения этого не требуется. В частных вариантах выполнения представленные системы и способы обеспечивают требуемую эффективность при использовании входной температуры турбины, лежащей в значительно более низком диапазоне, чем приведено выше. Таким образом изобретение может отличаться в смысле достижения определенной эффективности, как рассмотрено в данном описании, несмотря на обеспечение потока продуктов горения на входе турбины с заданной температурой, которая может быть значительно ниже температур, принятых в предшествующем уровне техники для достижения такой же эффективности на таком же топливе.
Как отмечено выше, поток 40 продуктов горения, выходящий из камеры 220 сгорания имеет давление, близко выровненное с давлением циркулирующей текучей среды на основе С02, поступающей в камеру 220 сгорания. В частных вариантах выполнения поток 40 продуктов горения находится при температуре и под давлением, такими же как присутствующий в нем С02, пребывающий в состоянии сверхкритической текучей среды. При расширении потока 40 продуктов горения в турбине 320 давление его падает. Предпочтительно падение давления регулируется таким образом, что давление потока 40 продуктов горения находится в определенном соотношении с давлением выхлопного потока 50 турбины. В некоторых вариантах выполнения отношение давления потока продуктов горения на входе турбины к давлению выхлопного потока на выходе турбины меньше приблизительно 12. Это может быть описано как отношение входного давления (1р) к выходному давлению (Ор), то есть как 1р/Ор.
В дополнительных вариантах выполнения отношение давлений может быть меньше приблизительно 11, меньше приблизительно 10, меньше приблизительно 9, меньше приблизительно 8 или меньше приблизительно 7. В других вариантах выполнения отношение входного давления турбины к выходному давлению может составлять приблизительно от 1,5 до 12, приблизительно от 2 до 12, приблизительно от 3 до 12, приблизительно от 4 до 12, приблизительно от 2 до 11, приблизительно от 2 до 10, приблизительно от 2 до 9, приблизительно от 2 до 8, приблизительно от 3 до 11, приблизительно от 3 до 10, приблизительно от 3 до 9, приблизительно от 4 до 11, приблизительно от 4 до 10, приблизительно от 4 до 9 или приблизительно от 4 до 8.
В частных вариантах выполнения может быть желательным, чтобы выхлопной поток турбины находился в состоянии, при котором входящий в поток С02 больше не находится в сверхкритическом состоянии, но скорее представляет собой газ. Например, обеспечение С02 в газообразном состоянии может
способствовать удалению любых вторичных компонент. В некоторых вариантах выполнения выхлопной поток турбины имеет давлением ниже давления, при котором С02 находится в сверхкритическом состоянии. Предпочтительно выхлопной поток турбины имеет давление ниже приблизительно 7,3 МПа, ниже или равное приблизительно 7 МПа, ниже или равное приблизительно 6,5 МПа, ниже или равное приблизительно 6 МПа, ниже или равное приблизительно 5,5 МПа, ниже или равное приблизительно 5 МПа, ниже или равное приблизительно 4,5 МПа, ниже или равное приблизительно 4 МПа, ниже или равное приблизительно 3,5 МПа, ниже или равное приблизительно 3 МПа, ниже или равное приблизительно 2,5 МПа, ниже или равное приблизительно 2 МПа или ниже или равное приблизительно 1,5 МПа. В других вариантах выполнения давление выхлопного потока турбины может составлять приблизительно от 1,5 до 7 МПа, приблизительно от 3 до 7 МПа или приблизительно от 4 до 7 МПа. Предпочтительно давление выхлопного потока турбины меньше давления конденсации С02 при температурах охлаждения, в которых оказывается поток (например, естественного охлаждения). Следовательно согласно изобретению предпочтительно, чтобы С02 ниже по потоку турбины 320 (и предпочтительно выше по потоку блока 620 создания повышенного давления) поддерживался в газообразном состоянии и не доводился до состояния, в котором он может перейти в жидкую фазу.
Хотя прохождение потока продуктов горения через турбину приводит к некоторому снижению температуры, выхлопной поток турбины, как правило, имеет температуру, при которой могут возникать препятствия для удаления вторичных компонент, присутствующих в потоке продуктов горения. Например, выхлопной поток турбины может иметь температуру приблизительно от 500 до 1000°С, приблизительно от 600 до 1000°С, приблизительно от 700 до 1000°С или приблизительно от 800 до 1000°С. Из-за относительно высокой температуры потока продуктов горения может быть полезным выполнение турбины из материалов, способных выдерживать такие температуры. Может быть также полезным, чтобы турбина включала материалы, обеспечивающие высокую химическую стойкость к вторичным веществам, которые могут присутствовать в потоке газообразных продуктов горения.
Поэтому в некоторых вариантах выполнения может быть полезным пропускать выхлопной поток 50 турбины через по меньшей мере один теплообменник 420, охлаждающий выхлопной поток 50 турбины и обеспечивающий поток 60 циркулирующей текучей среды на основе С02, имеющий температуру, лежащую в заданном диапазоне. В частных вариантах выполнения циркулирующая текучая среда 60 на основе С02, выходящая из теплообменника 420 (или из конечного теплообменника в используемой последовательности из двух или нескольких теплообменников), имеет температуру меньше приблизительно 200°С, меньше приблизительно 150°С, меньше приблизительно 125°С, меньше приблизительно 100°С, меньше приблизительно 95°С, меньше приблизительно 90°С, меньше приблизительно 85°С, меньше приблизительно 80°С, меньше приблизительно 75°С, меньше приблизительно 70°С, меньше приблизительно 65°С, меньше приблизительно 60°С, меньше приблизительно 55°С, меньше приблизительно 50°С, меньше приблизительно 45°С или меньше приблизительно 40°С.
Как отмечено, может быть полезным, чтобы давление выхлопных газов турбины определенным образом соотносилось с давлением потока продуктов горения. В частных вариантах выполнения выхлопной поток турбины непосредственно пропускается через один или несколько описанных здесь теплообменников без прохождения через какие-нибудь дополнительные компоненты системы. Таким образом отношение давлений может быть представлено как отношение давления потока продуктов горения на выходе камеры сгорания к давлению потока, поступающего на горячий край теплообменника (или первый теплообменник, если используется последовательность теплообменников). Еще раз это отношение давлений предпочтительно меньше приблизительно 12. В дополнительных вариантах выполнения отношение давлений потока продуктов горения и потока, поступающего на теплообменник, может быть меньше приблизительно 11, меньше приблизительно 10, меньше приблизительно 9, меньше приблизительно 8 или меньше приблизительно 7. В других вариантах выполнения это отношение давлений может быть приблизительно от 1,5 до 10, приблизительно от 2 до 9, приблизительно от 2 до 8, приблизительно от 3 до 8 или приблизительно от 4 до 8.
Хотя использование камеры сгорания с транспирационным охлаждением обеспечивает возможность высокотемпературного горения, предлагаемые в настоящем изобретении системы и способы могут отличаться способностью обеспечивать также выхлопной поток турбины на теплообменник (или последовательность теплообменников) с достаточно низкой температурой, что снижает стоимость системы, увеличивает срок службы теплообменника (ов) и улучшает показатели надежности системы. В частных вариантах выполнения согласно настоящему изобретению наивысшая рабочая температура для входящего в систему или способ теплообменника меньше приблизительно 1100°С, меньше приблизительно 1000°С, меньше приблизительно 975°С, меньше приблизительно 950°С, меньше приблизительно 925°С или меньше приблизительно 900°С.
В некоторых вариантах выполнения может быть особенно полезным, чтобы теплообменник 420 содержал по меньшей мере два последовательных теплообменника для приема выхлопного потока 50 турбины и охлаждения его до требуемой температуры. Тип используемого теплообменника может меняться в зависимости от состояния поступающего в него потока. Например, выхлопной поток 50 турбины может находиться при относительно высокой температуре, как описано выше, и поэтому целесообразно выпол
нять теплообменник, непосредственно принимающий выхлопной поток 50 турбины, из высококачественных материалов, предназначенных для работы в экстремальных условиях. Например, первый теплообменник в последовательности теплообменников может содержать сплав типа INCONEL или другой материал. Предпочтительно первый теплообменник в последовательности содержит материал, способный выдерживать высокую рабочую температуру, составляющую по меньшей мере приблизительно 700°С, по меньшей мере приблизительно 750°С, по меньшей мере приблизительно 800°С, по меньшей мере приблизительно 850°С, по меньшей мере приблизительно 900°С, по меньшей мере приблизительно 950°С, по меньшей мере приблизительно 1000°С, по меньшей мере приблизительно 1100°С или по меньшей мере приблизительно 1200°С. Может быть также полезным, чтобы один или несколько теплообменников содержали материал, обеспечивающий высокую химическую стойкость к вторичным веществам, которые могут присутствовать в потоке продуктов горения. Сплавы INCONEL , поставляемые фирмой Special Metals Corporation, в некоторых вариантах выполнения могут включать аустенитные никель-хромовые сплавы. В перечень сплавов, которые могут быть использованы входят INCONEL(r) 600, INCONEL(r) 601, INCONEL(r) 601GC, INCONEL(r) 603XL, INCONEL(r) 617, INCONEL(r) 625, INCONEL(r) 625LCF, INCONEL(r) 686, INCONEL(r) 690, INCONEL(r) 693, INCONEL(r) 706, INCONEL(r) 718, INCONEL(r) 718SPF(tm), INCONEL(r) 722, INCONEL(r) 725, INCONEL(r) 740, INCONEL(r) X-750, INCONEL(r) 751, INCONEL(r) MA754, INCONEL(r) MA758, INCONEL(r) 783, INCONEL(r) 903, INCONEL(r) N06230, INCONEL(r) C-276, INCONEL(r) G-3, INCONEL(r) HX, INCONEL(r) 22. Примером предпочтительной конструкции теплообменника может служить пластинчатый теплообменник на диффузионной сварке с химически обработанными ребрами на пластинах, изготовленных из высокотемпературного материала, такого как один или несколько приведенных выше сплавов. Пригодные теплообменники могут включать поставляемые под торговой маркой HEATRIC (фирмой Meggitt USA, Houston, TX).
Первый теплообменник в последовательности предпочтительно может отбирать тепло от выхлопного потока турбины, так что один или несколько последующих теплообменников в серии могут быть выполнены из более традиционных материалов, например из нержавеющей стали. В частных вариантах выполнения в последовательности используются по меньшей мере два теплообменника или по меньшей мере три теплообменника для охлаждения выхлопного потока турбины до требуемой температуры. Польза от установки нескольких теплообменников в последовательности особенно может быть видна в приведенном ниже описании передачи тепла от выхлопного потока турбины циркулирующей текучей среде на основе CO2 для повторного ее нагревания перед вводом в камеру сгорания.
В некоторых вариантах выполнения способы и системы могут отличаться тем, что представляют собой одноступенчатый способ сжигания или систему. Это может быть достигнуто за счет использования высокоэффективной камеры сгорания, например описанной камеры сгорания с транспирационным охлаждением. По существу топливо может быть в основном полностью быть сожжено в одной камере сгорания, так что нет необходимости в обеспечении последовательности камер сгорания для полного сжигания топлива. Соответственно, в некоторых вариантах выполнения предлагаемые способы и системы могут быть описаны таким образом, что камера сгорания с транспирационным охлаждением является единственной камерой сгорания. В дополнительных вариантах выполнения способы и системы могут быть описаны таким образом, что имеется только одна камера сгорания с транспирационным охлаждением до подачи выхлопного потока в теплообменник. В других дополнительных вариантах выполнения способы и системы могут быть описаны таким образом, что выхлопной поток турбины подается непосредственно в теплообменник без пропускания через дополнительную камеру сгорания.
После охлаждения поток 60 циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящий по меньшей мере из одного теплообменника 420, может быть подвергнут дальнейшей обработке с целью отделения оставшихся в нем вторичных компонент, образовавшихся при горении топлива. Как показано на фиг. 5, поток 60 циркулирующей текучей среды может быть направлен в один или несколько разделительных блоков 520. Как рассмотрено ниже в больших подробностях, настоящее изобретение может, в частности, отличаться возможностью обеспечения высокоэффективного способа производства энергии за счет горения углеродосодержащего топлива без выброса С02 в атмосферу.
Это может быть достигнуто по меньшей мере частично путем использования С02, образованного при горении углеродосодержащего топлива в качестве циркулирующей текучей среды в цикле выработки энергии. Однако в некоторых вариантах выполнения непрерывное горение и повторное использование С02 в качестве циркулирующей текучей среды могут вызывать накопление С02 в системе. В таких случаях может быть целесообразным отводить по меньшей мере часть С02 из циркулирующей текучей среды (например, количество, приблизительно равное количеству С02, образующегося при горении углеродосодержащего топлива). Такой отведенный С02 может быть удален любым подходящим способом. В частных вариантах выполнения этот С02 может быть направлен в трубопровод для удаления или сброса пригодными средствами, как будет описано далее.
В требования стандарта на трубопроводную систему транспортирования С02 может входить, чтобы поступающий в трубопровод С02 был свободен от воды для предотвращения коррозии использованной в трубопроводе углеродистой стали. Хотя "сырой" С02 мог бы быть введен непосредственно в трубопровод С02 из нержавеющей стали, это не всегда возможно, и в действительности может быть более пред
почтительным использование трубопровода из углеродистой стали по экономическим соображениям. Соответственно, в некоторых вариантах выполнения вода, присутствующая в циркулирующей текучей среде на основе С02 (например, вода, образовавшаяся при горении углеродосодержащего топлива и сохранившаяся в потоке продуктов горения, выхлопном потоке турбины и потоке циркулирующей текучей среды на основе С02), может быть удалена главным образом в виде жидкой фазы из охлажденного потока циркулирующей текучей среды на основе CO2. В частных вариантах выполнения это может быть достигнуто обеспечением циркулирующей текучей среды на основе С02 (например в газообразном состоянии) под давлением, меньшим значения, при котором присутствующий в газовой смеси С02 превращается в жидкость в процессе охлаждения газовой смеси до наиболее низкой температуры, создаваемой средством охлаждения, работающим при температуре окружающей среды. Например, циркулирующая текучая среда на основе С02 может быть обеспечена при давлении, меньшем 7,38 МПа, в процессе отделения от нее вторичных компонент. Может потребоваться даже более низкое давление, если используются средства охлаждения, действующие при температуре, лежащей у нижней границы температур окружающей среды или значительно ниже этой температуры. Это дает возможность отделения воды в виде жидкости, а также минимизирует загрязненность очищенной циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящей из разделительного блока. Это также может ограничить давление на выходе турбины значением, меньшим критического давления выхлопного газа турбины. Действительное значение давления может зависеть от температуры, при которой действуют доступные средства охлаждения до температуры окружающей среды. Например, если отделение воды происходит при 30°С, то давление в 7 МПа может приближаться до границы в 0,38 МПа к давлению конденсации CO2. В некоторых вариантах выполнения циркулирующая текучая среда на основе С02, выходящая из теплообменника и поступающая в разделительных блок, может быть обеспечена под давлением приблизительно от 2 до 7 МПа, приблизительно от 2,25 до 7 МПа, приблизительно от 2,5 до 7 МПа, приблизительно от 2,75 до 7 МПа, приблизительно от 3 до 7 МПа, приблизительно от 3,5 до 7 МПа, приблизительно от 4 до 7 МПа или приблизительно от 4 до 6 МПа. В других вариантах выполнения давление может быть таким же, как давление на выходе турбины.
В частных вариантах выполнения циркулирующий поток 65 очищенного С02 после отделения воды не содержит водяных паров или в основном не содержит водяных паров. В некоторых вариантах выполнения циркулирующий поток очищенного С02 может отличаться тем, что содержит водяные пары только в количестве менее 1,5 мол.%, менее 1,25 мол.%, , менее 1 мол.%, менее 0,9 мол.%, менее 0,8 мол.%, менее 0,7 мол.%, менее 0,6 мол.%, менее 0,5 мол.%, менее 0,4 мол.%, менее 0,3 мол.%, менее 0,2 мол.% или менее 0,1 мол.%. В некоторых вариантах выполнения поток циркулирующей текучей среды на основе очищенного С02 может содержать водяные пары только в количестве приблизительно от 0,01 до 1,5 мол.%, приблизительно от 0,01 до 1 мол.%, приблизительно от 0,01 до 0,75 мол.%, приблизительно от 0,01 до 0,5 мол.%, приблизительно от 0,01 до 0,25 мол.%, приблизительно от 0,05 до 0,5 или приблизительно от 0,05 до 0,25 мол.%.
Может быть очень предпочтительным обеспечивать циркулирующую текучую среду на основе CO2 при вышеуказанных температуре и давлении, что облегчает отделение вторичных компонент, например воды. Другими словами, настоящее изобретение может, в частности, обеспечить поддержание циркулирующей текучей среды на основе С02 в требуемом состоянии, так что содержание С02 и воды в ней перед разделением находится на требуемом уровне, что облегчает разделение. За счет обеспечения циркулирующей текучей среды на основе С02 под описанным выше давлением ее температура может быть снижена до точки, в которой вода в потоке находится в жидком состоянии и поэтому легче отделяется от газообразного С02.
В некоторых вариантах выполнения может быть желательным обеспечить дополнительные условия сушки, так чтобы циркулирующая текучая среда на основе очищенного С02 была полностью или в основном свободна от воды. Как указано выше, при отделении воды от циркулирующей текучей среды на основе CO2 по разнице в фазовых состояниях веществ может оставаться незначительная часть (то есть с низкой концентрацией) воды, сохранившейся в этой среде. В некоторых вариантах выполнения может быть приемлемым продолжать цикл с циркулирующей текучей средой на основе С02, которая содержит незначительную часть остаточной воды. В других вариантах выполнения может быть целесообразным подвергнуть циркулирующую текучую среду на основе С02 дальнейшей обработке, приводящей к полному или частичному удалению остаточной воды. Например, вода с низкой концентрацией может быть удалена с помощью осушителей с поглощающим веществом или других средств, пригодных для использования в свете настоящего описания.
Обеспечение циркулирующей текучей среды на основе С02 в разделительные блоки под определенным давлением может быть особенно предпочтительным для дополнительной максимизации эффективности энергетического цикла. В частности, обеспечение циркулирующей текучей среды на основе С02 в определенном диапазоне давлений может дать возможность сжатия очищенной циркулирующей текучей среды на основе очищенного С02 до высокого давления при минимальном общем расходе энергии. Как описано ниже, может требоваться такое сжатие, при котором часть очищенной циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть повторно направлена в камеру сгорания, а часть может быть подана в под давлением, требуемым в трубопроводе (например, приблизительно от 10 до 20 МПа). Это
дополнительно иллюстрирует преимущества от минимизации отношения входного давления к выходному при расширении в турбине, как описано выше. Это влияет на общую эффективность цикла, а также дает возможность поддерживать выходное давление турбины в желательном диапазоне, приведенном выше, с целью отделения воды и других вторичных компонент от циркулирующей текучей среды на основе CO2.
Один из вариантов прохождения циркулирующей текучей среды на основе С02 через разделительный блок 520 представлен на фиг. 6. Можно видеть, что поток 60 циркулирующей текучей среды на основе CO с теплообменника 420 может быть может быть пропущен через теплообменник 530 с холодной водой, в котором вода используется для дальнейшего отвода тепла из циркулирующей текучей среды 60 на основе С02 (или через другое аналогичное по функциям устройство), и из которого выводится циркулирующая текучая среда на основе С02 в смешанной фазе, в которой С02 остается в виде газа, и содержащаяся в циркулирующей текучей среде на основе С02 вода переведена в жидкую фазу. Например, при прохождении циркулирующей текучей среды 60 на основе С02 через теплообменник 530 с холодной водой она может охладиться до температуры менее приблизительно 50°С, менее приблизительно 55°С, менее приблизительно 45°С, менее приблизительно 40°С или менее приблизительно 30°С. Предпочтительно давление циркулирующей текучей среды на основе С02 при прохождении через теплообменник 530 с холодной водой остается в основном неизменным. Циркулирующая текучая среда 61 на основе С02 в смешанной фазе направляется в блок 540 отделения воды, в котором жидкий водяной поток 62а выводится из сепаратора 520. Кроме того, из разделительного блока 540 выходит обогащенный поток 62b циркулирующей текучей среды на основе С02. Этот обогащенный поток может непосредственно выходить из сепаратора 520 в качестве очищенного потока 65 циркулирующей текучей среды на основе С02. В альтернативных вариантах выполнения (в которых потоки и компоненты представлены пунктирными линиями) обогащенный поток 62b циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть направлен в один или несколько разделительных блоков 550 для удаления других вторичных компонент, как более подробно описано ниже. В частных вариантах выполнения любые другие вторичные компоненты циркулирующей текучей среды на основе С02 могут быть удалены после удаления воды. Циркулирующая текучая среда на основе С02 затем выходит из одного или нескольких дополнительных разделительных блоков в виде очищенной циркулирующей текучей среды 65 на основе С02. Однако в некоторых вариантах выполнения циркулирующая текучая среда на основе С02 в смешанной фазе может сначала направляться для удаления одной или нескольких вторичных компонент до удаления воды, и частично очищенный поток может быть затем направлен в блок 540 отделения воды. При ознакомлении с настоящим описанием специалист в данной области может представить различные комбинации сепараторов, которые могут быть допустимыми, и предполагается, что все такие комбинации подпадают под рамки настоящего изобретения.
Как отмечено выше, кроме воды циркулирующая текучая среда на основе С02 может содержать вторичные компоненты, такие как производные посторонние примеси от топлива, продуктов горения и кислорода. Такие вторичные компоненты также могут быть удалены из охлажденной газообразной циркулирующей текучей среды на основе С02 одновременно или почти одновременно с отделением воды. Например, могут быть удалены добавки к водяным парам и такие вторичные компоненты, как SO2, SO3, HCl, NO, NO2, Hg, а также избыточные O2, N2 и Ar. Эти вторичные компоненты в циркулирующей текучей среде на основе CO2 (часто называемые посторонними примесями или загрязнениями) все могут быть удалены из нее с использованием соответствующих способов (например, способов, раскрытых в патентной заявке US 2008/0226515 и патентных заявках ЕР 1952874 и ЕР 1953486, целиком включенных в данную заявку в качестве ссылки). SO2 и SO3 могут быть на 100% превращены в серную кислоту, в то время как больше 95% NO и NO2 могут быть превращены в азотную кислоту. Некоторое количество 02, присутствующего в циркулирующей текучей среде на основе С02, может быть выделено в виде обогащенного потока для опционного рецикла в камеру сгорания. Некоторое присутствующее количество инертных газов (например, N2 и Ar) может быть выпущено под низким давлением в атмосферу. В некоторых вариантах выполнения циркулирующая текучая среда на основе С02 может быть очищена таким образом, что С02, возникший из углерода сжигаемого топлива, может быть в конце концов транспортирован как чистый поток высокой плотности. В частных вариантах выполнения очищенная циркулирующая текучая среда на основе С02 может содержать С02 в концентрации по меньшей мере 98,5 мол.%, по меньшей мере 99 мол.%, по меньшей мере 99,5 мол.% или по меньшей мере 99,8 мол.%. Кроме того, циркулирующая текучая среда на основе С02 может быть обеспечена под давлением, требуемым для ввода в трубопровод С02, например, по меньшей мере приблизительно 10 МПа, по меньшей мере приблизительно 15 МПа или по меньшей мере приблизительно 20 МПа.
Суммируя вышесказанное, можно отметить, что при горении углеродосодержащего топлива 254 в присутствии 02 242 и циркулирующей текучей среды на основе С02 236 в камере 220 сгорания с транс-пирационным охлаждением может образовываться поток продуктов горения, имеющий относительно высокие температуру и давление. Этот поток 40 продуктов горения, содержащий относительно большое количество С02, может быть пропущен через турбину 320, расширяясь в ней и тем самым снижая давление и вырабатывая энергию. Выхлопной поток 50 турбины, поступающий через выход турбины 320, на
ходится под пониженным давлением, но все еще сохраняет относительно высокую температуру. Из-за наличия загрязнений и посторонних примесей в потоке продуктов горения предпочтительно их отделить до повторного введения циркулирующей текучей среды на основе CO2 B систему. Для такого отделения выхлопной поток 50 турбины охлаждается при пропускании через один или несколько теплообменников 420. Отделение вторичных продуктов (например, воды и других загрязнений и посторонних примесей) может быть выполнено, как описано выше. Для повторного возвращения циркулирующей текучей среды на основе С02 обратно в камеру сгорания необходимо ее повторно нагреть и сжать. В некоторых вариантах выполнения настоящее изобретение может, в частности, отличаться введением специфических стадий способа, обеспечивающих максимизацию эффективности цикла производства энергии при одновременном предотвращении вредных выбросов (например, С02) в атмосферу. Это особенно можно наблюдать в отношении повторного нагревания и повторного сжатия охлажденной и очищенной циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящей из разделительного блока.
Как показано на фиг. 5, очищенная циркулирующая текучая среда 65 на основе С02, выходящая из одного или нескольких разделительных блоков 520, может быть пропущена через один или несколько блоков 620 сжатия (например, насосов, компрессоров и т.п.) с целью повышения ее давления. В некоторых вариантах выполнения очищенная циркулирующая текучая среда 65 на основе С02 может быть сжата до давления по меньшей мере приблизительно 7,5 МПа или по меньшей мере приблизительно 8 МПа. В некоторых вариантах выполнения для повышения давления циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть использован один блок сжатия до требуемого давления, приведенного выше, с целью ее введения в камеру 220 сгорания.
В некоторых вариантах выполнения повышение давления может производиться с использованием в блоке сжатия 620 последовательности из двух или более компрессоров (например насосов). Один из таких вариантов выполнения показан на фиг. 7, на которой очищенная циркулирующая текучая среда 65 на основе С02 пропускается через первый компрессор 630 для сжатия ее до первого давления (которое предпочтительно выше критического давления для CO2) и затем образует поток 66. Поток 66 может быть направлен в теплообменник 640 с холодной водой, который отводит тепло (например, образовавшееся за счет сжатия в первом компрессоре) и формирует поток 67, находящийся предпочтительно при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Поток 67 может быть направлен во второй компрессор 650, используемый для сжатия циркулирующей текучей среды на основе С02 до второго давления, превосходящего первое давление. Как описано ниже, второе давление может быть в основном близко к давлению, требуемому для введения (или повторного использования) циркулирующей текучей среды на основе С02 в камеру сгорания.
В частных вариантах выполнения первый компрессор 630 может быть использован для повышения давления очищенной циркулирующей текучей среды 65 на основе С02 таким образом, чтобы она переходила из газообразного состояния в состояние сверхкритической текучей среды. В частных вариантах выполнения очищенная циркулирующая текучая среда на основе С02 может быть сжата в первом компрессоре 630 до давления приблизительно от 7,5 до 20 МПа, приблизительно от 7,5 до 15 МПа, приблизительно от 7,5 до 12 МПа, приблизительно от 7,5 до 10 МПа или приблизительно от 8 до 10 МПа. Поток 66, выходящий из первого компрессора 630 и находящийся в состоянии сверхкритической текучей среды, затем проходит через теплообменник 640 с холодной водой (или любое аналогичным образом работающее устройство), в котором циркулирующая текучая среда на основе С02 может охладиться до температуры, достаточной для образования высокоплотной текучей среды, которую можно эффективно сжимать даже до большего давления. Это может быть достаточным с точки зрения большого объема С02, повторно вводимого для использования в качестве циркулирующей текучей среды. Прокачка под давлением большого объема С02 в состоянии сверхкритической текучей среды может вызывать большой расход энергии в системе. При этом нужно понимать выгоду от увеличения эффективности, которая может быть обеспечена за счет уплотнения С02 и, следовательно, снижения общего объема сверхкритического С02, перекачиваемого обратно в камеру сгорания для повторного использования. В частных вариантах выполнения циркулирующая текучая среда на основе С02 может быть обеспечена с плотностью по меньшей мере приблизительно 200 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 250 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 300 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 350 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 400 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 450 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 500 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 550 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 600 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 650 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 700 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 750 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 800 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 850 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 900 кг/м3, по меньшей мере приблизительно 950 кг/м3 или по меньшей мере приблизительно 1000 кг/м3 после выхода из теплообменника 640 с холодной водой (и перед пропусканием через теплообменный блок 420 для нагрева). В дополнительных вариантах выполнения плотность может составлять приблизительно от 150 до 1100 кг/м3, приблизительно от 200 до 1000 кг/м3, приблизительно от 400 до 950 кг/м3, приблизительно от 500 до 900 кг/м3 или приблизительно от 500 до 800 кг/м3.
В частных вариантах выполнения при пропускании потока 66 через теплообменник 640 с холодной
водой циркулирующая текучая среда на основе С02 может охладиться до температуры менее приблизительно 60°С, менее приблизительно 50°С, менее приблизительно 40°С или менее приблизительно 30°С. В других вариантах температура циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящей из теплообменника 640 с холодной водой (поток 67), может составлять приблизительно от 15 до 50°С, приблизительно от 20 до 45°С или приблизительно от 20 до 40°С. Циркулирующая текучая среда на основе С02 в потоке 67, поступающем во второй компрессор 650, предпочтительно находится в состоянии, облегчающем энергоэффективное уплотнение потока до рассмотренного давления, необходимого для ввода циркулирующей текучей среды на основе С02 в камеру сгорания. Например, поток 70 сжатой, сверхкритической циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть еще сжат до давления по меньшей мере приблизительно 12 МПа, по меньшей мере приблизительно 15 МПа, по меньшей мере приблизительно 16 МПа, по меньшей мере приблизительно 18 МПа, по меньшей мере приблизительно 20 МПа или по меньшей мере приблизительно 25 МПа. В некоторых вариантах выполнения давление потока 70 сжатой, сверхкритической циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть дополнительно повышено до давления приблизительно от 15 до 50 МПа, приблизительно от 20 до 45 МПа или приблизительно от 25 до 40 МПа. Может быть использован компрессор любого типа, способный работать при указанных температурах и обеспечивающий описанные давления, такой как многоступенчатый нагнетатель высокого давления.
Поток 70 сжатой циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящий из одного или нескольких блоков 620 повышения давления, может быть направлен обратно в теплообменники, ранее использованные для охлаждения выхлопного потока 50 турбины. Как показано на фиг. 5, поток 70 сжатой циркулирующей текучей среды на основе С02 сначала может быть пропущен через делитель 720 потока, формирующий поток 80 текучей среды в трубопровод С02 и поток 85 циркулирующей текучей среды на основе С02 (который должен быть в основном идентичным потоку 70 циркулирующей текучей среды на основе С02 за исключением действительного количества С02, присутствующего в потоке). Таким образом в некоторых вариантах выполнения по меньшей мере часть С02 в виде потока сжатой циркулирующей текучей среды отводится в трубопровод высокого давления для удаления. Количество С02, выводимого из потока циркулирующей текучей среды на основе С02 и направляемого в трубопровод (или другие средства удаления или сброса), может меняться в зависимости от желательного количества С02, вводимого в камеру сгорания для регулирования температуры горения, и фактического содержания С02, присутствующего в выходном потоке продуктов горения, покидающем камеру сгорания. В некоторых вариантах выполнения количество С02, отводимого как описано выше, может соответствовать в основном количеству С02, образовавшегося при горении углеродосодержащего топлива в камере сгорания.
Для достижения высокой эффективности работы может быть полезным нагревание циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящей из блока 620 повышения давления, до температуры, при которой сверхкритическая текучая среда имеет наименьшую удельную теплоемкость. Это эквивалентно обеспечению очень большого количества поглощаемого тепла в относительно низком температурном диапазоне. Использование внешнего источника тепла (например, относительно низкотемпературного источника тепла) для обеспечения дополнительного нагрева используемой повторно циркулирующей текучей среды на основе С02 позволяет теплообменному блоку 420 действовать с малой температурной разницей между выхлопным потоком 50 турбины и потоком 236 используемой повторно циркулирующей текучей среды на основе С02 на горячем входе теплообменного блока 420 (или первого теплообменника, если используется последовательность из двух или более теплообменников). В частных вариантах выполнения пропускание циркулирующей текучей среды на основе С02 через один или несколько теплообменников может быть полезным для нагревания потока этой среды до температуры, требуемой для введения потока циркулирующей текучей среды на основе С02 в камеру сгорания. В некоторых вариантах выполнении сжатый поток циркулирующей текучей среды на основе С02 нагревается до температуры по меньшей мере приблизительно 200°С, по меньшей мере приблизительно 300°С, по меньшей мере приблизительно 400°С, по меньшей мере приблизительно 500°С, по меньшей мере приблизительно 600°С, по меньшей мере приблизительно 700°С или по меньшей мере приблизительно 800°С перед его вводом в камеру сгорания. В некоторых вариантах выполнения нагревание может производиться до температуры приблизительно от 500 до 1200°С, приблизительно от 550 до 1000°С или приблизительно от
600 до 950°С.
На фиг. 8 представлен один из вариантов выполнения теплообменного блока 420, в котором последовательно используются три отдельных теплообменника для обеспечения потока циркулирующей текучей среды на основе С02 с параметрами, пригодными для удаления вторичных компонент и одновременного введения тепла в сжатый, сверхкритический поток 70 (или 85) циркулирующей текучей среды на основе С02 перед рециркуляцией и вводом потока 236 этой текучей среды в камеру сгорания. Как дополнительно рассмотрено ниже, представленные системы и способы могут быть модифицированы до обычных энергетических систем (например, энергетических установок, работающих на сжигании угля) с целью повышения эффективности и (или) производительности. Поэтому в некоторых вариантах выполнения теплообменный блок 420, описанный ниже, может рассматриваться как основной теплообменный блок в такой модификации , при которой используется также вспомогательный теплообменный блок (как
показано на фиг. 12). При этом вспомогательный теплообменный блок может представлять собой один или несколько теплообменников, используемых, например, для перегрева парового потока. Использование терминов основной теплообменный блок и вспомогательный теплообменный блок не должно рассматриваться как ограничение объема изобретения и служит исключительно для внесения ясности в описание.
В вариантах выполнения, охватываемых фиг. 8, выхлопной поток 50 турбины поступает в последовательность 420 теплообменников, проходя сначала через первый теплообменник 430, обеспечивающий поток 52, имеющий более низкую температуру, чем температура выхлопного потока 50 турбины. Первый теплообменник 430 может быть охарактеризован как высокотемпературный теплообменник, так как в него поступает самый горячий поток в последовательности, то есть выхлопной поток 50 турбины, и поэтому он передает тепло в наивысшем температурном диапазоне в последовательности 420 теплообменников. Как описано выше, первый теплообменник 430, в который поступает относительно высокотемпературный выхлопной поток 50 турбины, может содержать специальные сплавы или другие материалы, пригодные для того, чтобы теплообменник мог выдерживать указанные температуры. Температура выхлопного потока 50 турбины может значительно снизиться при прохождении через первый теплообменник 430 (что также справедливо для других вариантов выполнения, в которых используется больше трех или меньшей трех отдельных теплообменников). В некоторых вариантах выполнения потока 52, выходящего из первого теплообменника 430, может быть меньше температуры выхлопного потока 50 турбины по меньшей мере приблизительно на 100°С, по меньшей мере приблизительно на 200°С, по меньшей мере приблизительно на 300°С, по меньшей мере приблизительно на 400°С, по меньшей мере приблизительно на 450°С, по меньшей мере приблизительно на 500°С, по меньшей мере приблизительно на 550°С, по меньшей мере приблизительно на 575°С или по меньшей мере приблизительно на 600°С. В некоторых вариантах выполнения температура потока 52 может составлять приблизительно от 100 до 800°С, приблизительно от 150 до 600°С или приблизительно от 200 до 500°С. В предпочтительных вариантах выполнения давление потока 52, выходящего из первого теплообменника 430, в основном совпадает с давлением выхлопного потока 50 турбины. В частности, давление потока 52, выходящего из первого теплообменника 430, может составлять по меньшей мере 90%, по меньшей мере 91%, по меньшей мере 92%, по меньшей мере 93%, по меньшей мере 94%, по меньшей мере 95%, по меньшей мере 96%, по меньшей мере 97%, по меньшей мере 98%, по меньшей мере 99%, по меньшей мере 99,5% или по меньшей мере 99,8% от давления выхлопного потока 50 турбины.
Поток 52, выходящий из первого теплообменника 430, проходит через второй теплообменник 440, образуя поток 56, температура которого меньше температуры потока 52, поступающего во второй теплообменник 440. Второй теплообменник 440 может быть охарактеризован как теплообменник с промежуточной температурой, так как он предает тепло в промежуточном температурном диапазоне (то есть в диапазоне, меньшем, чем для первого теплообменника 430, но более высоком, чем для третьего теплообменника 450). В некоторых вариантах выполнения разница температур между первым потоком 52 и вторым потоком 56 может быть значительно меньше разницы температур между выхлопным потоком 50 турбины и потоком 52, выходящим из первого теплообменника 430. В некоторых вариантах выполнения температура потока 56, выходящего из второго теплообменника 440, может быть ниже температуры потока 52, поступающего во второй теплообменник 440 на величину приблизительно от 10 до 200°С, приблизительно от 20 до 175°С, приблизительно от 30 до 150°С или приблизительно от 40 до 140°С. В частных вариантах выполнения температура потока 56 может составлять приблизительно от 75 до 600°С, приблизительно от 100 до 400°С или приблизительно от 100 до 300°С. Опять же может быть предпочтительным, чтобы давление потока 56, выходящего из второго теплообменника 440, было в основном аналогичным давлению потока 52, поступающего во второй теплообменник 440. В частности, давление потока 56, выходящего из второго теплообменника 440, может составлять по меньшей мере 90%, по меньшей мер 91%, по меньшей мере 92%, по меньшей мере 93%, по меньшей мере 94%, по меньшей мере 95%, по меньшей мере 96%, по меньшей мере 97%, по меньшей мере 98%, по меньшей мере 99%, по меньшей мере 99,5% или по меньшей мере 99,8% от давления потока 52, поступающего во второй теплообменник 440.
Поток 56, выходящий из второго теплообменника 440, проходит через третий теплообменник 450, образуя поток 60 циркулирующей текучей среды на основе С02, температура которого меньше температуры потока 56, поступающего в третий теплообменник 450. Третий теплообменник 450 может быть охарактеризован как низкотемпературный теплообменник, так как передача тепла в нем производится в самом низком температурном диапазоне для последовательности 420 теплообменников. В некоторых вариантах выполнения температура потока 60 циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящего из третьего теплообменника 450, может быть ниже температуры потока 56, поступающего в третий теплообменник 450 на величину приблизительно от 10 до 250°С, приблизительно от 15 до 200°С, приблизительно от20 до 175°С или приблизительно от 25 до 150°С. В частных вариантах выполнения температура потока 60 может составлять приблизительно от 40 до 200°С, приблизительно от 40 до 100°С или приблизительно от 40 до 90°С. Опять же может быть предпочтительным, чтобы давление потока 60 циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящего из третьего теплообменника 450 было в основ
ном аналогичным давлению потока 56, поступающего в третий теплообменник 450. В частности, давление потока 60 циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящего из третьего теплообменника 450, может составлять по меньшей мере 90%, по меньшей мер 91%, по меньшей мере 92%, по меньшей мере 93%, по меньшей мере 94%, по меньшей мере 95%, по меньшей мере 96%, по меньшей мере 97%, по меньшей мере 98%, по меньшей мере 99%, по меньшей мере 99,5% или по меньшей мере 99,8% от давления потока 56, поступающего в третий теплообменник 450.
Поток 60 циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящий из третьего теплообменника 450 (и, следовательно, выходящий вообще из теплообменного блока 420) может быть направлен в один или несколько блоков 520, как описано выше. Кроме того, как описано выше, поток циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть подвергнут одному или нескольким видам разделения с целью удаления из него вторичных компонент и затем сжат для возвращение в камеру сгорания в качестве повторно используемой текучей среды (опционно содержащей часть С02, отделяемого для подачи в трубопровод С02 или другие средства удаления или сброса без вывода в атмосферу).
Возвращаясь к фиг. 8 можно сказать, что сжатый поток 70 циркулирующей текучей среды на основе С02 (или 85, если он сначала пропущен через разделительное устройство, как показано на фиг. 5) может быть направлен обратно через последовательность из трех теплообменников, так чтобы тепло, первоначально отведенное в теплообменниках, могло быть использовано для передачи тепла сжатому потоку 70 циркулирующей текучей среды на основе С02 перед вводом в камеру 220 сгорания. Как правило, тепло, переданное сжатому потоку 70 циркулирующей текучей среды на основе С02 при прохождении через три теплообменника (450, 440 и 430), может быть примерно пропорционально количеству тепла, отведенного теплообменниками, как описано выше.
В некоторых вариантах выполнения изобретение может отличаться разницей температур потоков, покидающих холодный край теплообменника и поступающих на него (или последнего теплообменника в последовательности). Согласно фиг. 8 это, в частности, может относиться к разнице температур потоков 60 и 70. Эта разница температур потоков у холодного края теплообменника (последнего теплообменника в последовательности), в частности, больше нуля и может лежать в диапазоне приблизительно от 2 до 50°С, приблизительно от 3 до 40°, приблизительно от 4 до 30° или приблизительно от 5 до 20°.
В некоторых вариантах выполнения сжатый поток 70 циркулирующей текучей среды на основе С02 может быть пропущен непосредственно через три теплообменника последовательности. Например, сжатый поток 70 циркулирующей текучей среды на основе С02 (то есть имеющий относительно низкую температуру) может пройти через третий теплообменник 450 с образованием потока 71 с повышенной температурой, который может быть пропущен непосредственно через второй теплообменник 440 с образованием потока 73 с повышенной температурой, который может быть пропущен непосредственно через первый теплообменник 430 с образованием высокотемпературного, сжатого потока 236 циркулирующей текучей среды на основе С02, которая может быть направлена в камеру 220 сгорания.
Однако в частных вариантах выполнения настоящее изобретение может отличаться использованием внешнего источника тепла для дальнейшего повышения температуры повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02. Например, как показано на фиг. 8, после прохождения сжатого потока 70 циркулирующей текучей среды на основе С02 через третий теплообменник 450 сформированный поток 71 вместо прохождения непосредственно через второй теплообменник 440 может быть направлен через разделительный узел 460, делящий поток 71 на два потока 71b и 72а. Поток 71 b может быть пропущен через второй теплообменник 440, как описано выше. Поток 72а может быть пропущен через вспомогательный (запасной/сторонний) нагреватель 470, который может быть использован для передачи дополнительного количества тепла сжатому потоку 70 циркулирующей текучей среды на основе С02 в добавление к переданному самими теплообменниками.
Относительные величины сжатого потока 71 циркулирующей текучей среды на основе С02, направляемые во второй теплообменник 440 и вспомогательный нагреватель 470, могут меняться в зависимости от рабочих режимов системы и требуемой для ввода в камеру 220 сгорания конечной температуры сжатого потока циркулирующей текучей среды на основе С02. В некоторых вариантах выполнения молярное отношение С02 в потоке 71b, направляемом во второй теплообменник 440, к С02 в потоке 72а, направляемом в вспомогательный нагреватель, может составлять приблизительно от 1:2 до 20:1 (то есть приблизительно от 1 моль С02 в потоке 71b на 2 моль С02 в потоке 72а до 20 моль С02 в потоке 71b на 1 моль С02 в потоке 72а). В дополнительных вариантах выполнения молярное отношение С02 в потоке 71b, направляемом во второй теплообменник 440, к С02 в потоке 72а, направляемом в вспомогательный нагреватель 470, может быть приблизительно от 1:1 до 20:1, приблизительно от 2:1 до 16:1, приблизительно от 2:1 до 12:1, приблизительно от 2:1 до 10:1, приблизительно от 2:1 до 8:1 или приблизительно от 4:1 до 6:1.
Вспомогательный нагреватель может содержать любые устройства, пригодные для передачи тепла циркулирующей текучей среде на основе С02. В некоторых вариантах выполнения энергия (то есть тепло), обеспечиваемая вспомогательным нагревателем, может подаваться в систему от наружного источника. Однако в частных вариантах выполнения изобретения эффективность цикла может быть повышена путем использования сбросного тепла, образующегося в одной или нескольких точках цикла. Например,
при выработке 02, предназначенного для ввода в камеру сгорания, может образовываться тепло. Известные разделительные блоки могут вырабатывать тепло в качестве побочного продукта процесса разделения. Кроме того, может быть полезным обеспечение 02 под повышенным давлением, как описано выше, и при таком сжатии газа также может выделяться тепло как побочный продукт. Например, 02 может быть получен в процессе криогенного разделения воздуха, при котором кислород сжимается при перекачке жидкого кислорода, то есть эффективно нагревается до окружающей температуры, поддерживающей сжижение. Такие криогенные установки перекачки кислорода могут иметь два компрессора, каждый из которых может работать в адиабатическом режиме без промежуточного охлаждения, так что горячий, сжатый воздух может охлаждаться до температуры, близкой и (или) большей температуры потока, нагреваемого внешним источником (например, потока 72а на фиг. 8). В известных в предшествующем уровне техники установках такое тепло не используется или может быть фактически сброшено в такую систему, как системы вторичного охлаждения, требуемые для избавления от побочного тепла. Однако в настоящем изобретении для отвода тепла, образуемого в процессе разделения воздуха, может быть использована охлаждающая среда, обеспечивающая тепло для вспомогательного нагревателя, показанного на фиг. 8. В других вариантах выполнения вспомогательный нагреватель сам может представлять собой разделительный блок (или соответствующее устройство), и циркулирующая текучая среда на основе С02 (например, поток 72а на фиг. 8) может сама непосредственно поступать в систему охлаждения, встроенную или связанную с блоком разделения воздуха для отвода тепла, возникающего в процессе разделения. В частности, добавочное тепло может быть получено при работе компрессора С02 в адиабатическом режиме путем отвода тепла сжатия в последующие охладители к циркулирующей текучей среде, переносящей тепло и передающей это тепло сжатия нагретой части циркулирующей текучей среды на основе С02, находящейся под высоким давлением, или путем непосредственной передачи тепла находящемуся под высоким давлением потоку циркулирующей текучей среды на основе С02 (например, потоку 72а на фиг. 1). Кроме того, введение такого тепла не обязательно ограничено местоположением, описанным в связи с фиг. 8, но такое тепло может вводиться в цикл в любой точке после отделения вторичных компонент от циркулирующей текучей среды на основе С02 (но предпочтительно до прохождения циркулирующей текучей среды на основе С02 через теплообменник непосредственно выше по потоку входа в камеру сгорания). Конечно любой аналогичный способ утилизации побочного продукта, вырабатываемого в цикле производства энергии, также должен охватываться настоящим описанием, например использование подачи пара при соответствующей температуре конденсации или горячего выхлопного газа из обычной газовой турбины с открытым циклом.
Количество тепла, сообщаемое вспомогательным нагревателем 470, может меняться в зависимости от используемых материалов и устройств, а также от заданной максимальной температуры потока 236 циркулирующей текучей среды на основе С02, требуемой для подачи в камеру сгорания 220. В некоторых вариантах выполнения вспомогательный нагреватель 470 фактически поднимает температуру потока 72а по меньше мере на 10°С, по меньше мере на 20°С, по меньше мере на 30°С, по меньше мере на 40°С, по меньше мере на 50°С, по меньше мере на 60°С, по меньше мере на 70°С, по меньше мере на 80°С, по меньше мере на 90°С или по меньше мере на 100°С. В других вариантах выполнения вспомогательный нагреватель 470 фактически поднимает температуру потока 72а на величину приблизительно от 10 до 200°С, приблизительно от 50 до 175°С или приблизительно от 75 до 150°С. В частных вариантах выполнения вспомогательный нагреватель 470 поднимает температуру потока 72а на величину в пределах приблизительно 15°С, в пределах приблизительно 12°С, в пределах приблизительно 10°С, в пределах приблизительно 7°С или в пределах приблизительно 5°С от температуры потока 73, выходящего из теплообменника 440.
Благодаря введению дополнительного источника тепла поток 71, выходящий из третьего теплообменника 450, может быть перегрет выше того, что может обеспечить тепло второго теплообменника 440 при нагревании потока 71, если все количество С02 в потоке направить через второй теплообменник 440. Из-за разделения потока тепло, которое можно получить от второго теплообменника 440, может быть полностью направлено в часть циркулирующей текучей среды на основе С02, содержащуюся в потоке 71b, в то время как тепло, которое можно получить от вспомогательного нагревателя 470, может быть полностью направлено на часть циркулирующей текучей среды на основе С02, содержащуюся в потоке 72а. Таким образом можно видеть, что температура объединенных потоков, поступающих в первый теплообменник 430, в случае использования альтернативного способа разделения может быть выше температуры потока 73, выходящего из второго теплообменника 440, если все количество циркулирующей текучей среды на основе С02 направляется во второй теплообменник 440, а не отводится частично и нагревается отдельно, как описано выше. В некоторых вариантах выполнения добавочное тепло, полученное в разделительном способе, может быть настолько значительным, что его нужно ограничивать в зависимости от того, достаточно ли поток 236 циркулирующей текучей среды на основе С02 нагрет перед вводом в камеру сгорания.
Как видно на фиг. 8, поток 71b, выходящий из делителя 460, пропускается через второй теплообменник 440 с образованием потока 73, направляемого в смеситель 480, в котором поток 73 смешивается с потоком 72b, выходящим из вспомогательного нагревателя 470. Смешанный поток 74 затем проходит
через первый теплообменник 430, где циркулирующая текучая среда на основе С02 нагревается до температуры, в основном близкой к температуре выхлопного потока турбины, поступающего в первый теплообменник 430. Эта близость температур потоков текучей среды на горячем краю первого теплообменника может быть использована в других вариантах выполнения изобретения, в которых используется меньше трех или больше трех теплообменников, и может быть использована в первом теплообменнике, через который циркулирующая текучая среда на основе С02 пропускается после выхода из турбины. Свойство достижения этой близости температур потоков текучей среды на горячем краю первого теплообменника может быть ключевым отличием изобретения в достижении требуемых уровней эффективности. В некоторых вариантах выполнения разница между температурой выхлопного потока турбины, поступающего в первый теплообменник непосредственно из турбины (то есть после расширения в турбине) и температурой потока циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящей из первого теплообменник для повторного использования в камере сгорания может быть меньше приблизительно 80°С, меньше приблизительно 75С°, меньше приблизительно 70°С, меньше приблизительно 65°С, меньше приблизительно 60°С, меньше приблизительно 55°С, меньше приблизительно 50°С, меньше приблизительно 45°С, меньше приблизительно 40°С, меньше приблизительно 35°С, меньше приблизительно 30°С, меньше приблизительно 25°С, меньше приблизительно 20°С или меньше приблизительно 15°С.
Из вышесказанного можно видеть, что эффективность предлагаемых в настоящем изобретении систем и способов может быть значительно повышена за счет точного регулирования разницы температур на горячем краю теплообменника 420 (или первого теплообменника 430 в последовательности, изображенной на фиг. 8) между выхлопным потоком 50 турбины и потоком 236 циркулирующей текучей среды на основе С02. В предпочтительных вариантах выполнения эта разница температур меньше 50°С. Не вдаваясь в теорию, согласно нестоящему изобретению было установлено, что тепла, доступного для нагревания циркулирующей текучей среды на основе С02 (например, тепла, извлекаемого из выхлопного потока турбины в одном или нескольких теплообменниках) может не хватить для достаточного нагревания потока этой среды. В настоящем изобретении подразумевается, что это может быть преодолено путем разделения потока 71, так что поток 71b поступает в теплообменник 440, и поток 72а поступает во внешний источник тепла, обеспечивающий дополнительное тепло, поднимающее температуру потока 72b, выходящего из внешнего источника 470 тепла, до значения, в основном близкого к температуре потока 73, выходящего из теплообменника 440, как описано выше. Потоки 72b и 73 затем объединяются, образуя поток 74. Расход в потоке 71b (а также в потоке 72а) может регулироваться разницей температур на холодном краю теплообменника 440. Количество внешнего тепла, требуемое для преодоления недостатка тепла, описанного выше, можно минимизировать, снизив как только возможно температуру потока 56 и затем минимизировав разницу температур на холодном краю теплообменника 440. Точка росы присутствующего в потоке 56 водяного пара, возникшего из продуктов горения, поднимается тогда до температуры, зависящей от состава потока 56 и его давления. Ниже этой температуры конденсация воды значительно увеличивает эффективное преобразование потока 56 в поток 60 и обеспечивает все тепло, требуемое для нагревания всего рециркулируемого потока 70 до потока 71. Температура потока 56, выходящего из теплообменника 440, предпочтительно может быть в пределах 5°С от точки росы потока 56. Разница температур на холодном краю теплообменника 440 между потоками 56 и 71 предпочтительно может составлять по меньшей мере приблизительно 3°С, по меньшей мере приблизительно 6°С, по меньшей мере приблизительно 9°С, по меньшей мере приблизительно 12°С, по меньшей мере приблизительно 15°С, по меньшей мере приблизительно 18°С или по меньшей мере приблизительно 20°С.
На фиг. 5 можно видеть, что циркулирующая текучая среда 236 на основе С02 может быть предварительно нагрета перед повторным вводом в камеру сгорания 220, так как это описано в отношении по меньшей мере одного теплообменника 420, в который поступает горячий выхлопной поток 50 турбины после расширения в турбине 320. Для максимизации эффективности цикла может быть целесообразным действие расширительной турбины 320 при настолько высокой входной температуре, насколько это согласуется с доступными материалами конструкции входного тракта горячих газов и высоконапряженных турбинных лопаток, а также максимальной температурой, допустимой в теплообменнике 420 и согласующейся с рабочими давлениями системы. Приемный тракт горячего входного потока турбины и первый ряд турбинных лопаток могут охлаждаться любыми пригодными средствами. В некоторых вариантах выполнения эффективность может быть максимизирована за счет оборота части повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02, находящейся под высоким давлением. В частности, низкотемпературная циркулирующая текучая среда на основе С02 (например, в диапазоне приблизительно от 50 до 200°С) может быть отведена из цикла перед холодным краем теплообменника 420 или из промежуточной точки в теплообменнике 420, если используется последовательность из нескольких теплообменников (например, из потоков 71, 72а, 71b, 72b, 73 или 74 на фиг. 8). Текучая среда охлаждения лопаток может выводиться через отверстия в турбинных лопатках и поступать в поток, проходящий через турбину.
При действии высокоэффективной камеры сгорания, такой как описанная камера сгорания с транс-пирационным охлаждением, могут образовываться газообразные продукты горения, представляющие собой окислительный газ с избыточной концентрацией кислорода (например, в диапазоне приблизитель
но от 0,1 до 5 мол.%). Альтернативно в камере сгорания могут образовываться газообразные продукты горения, представляющие собой восстановительный газ с определенной концентрацией одного или нескольких веществ из H2, CO, CH4, H2S, и NH3. Это особенно выгодно тем, что становится возможным в соответствии с изобретением использовать силовую турбину только с одним турбинным блоком или последовательностью турбинных блоков (например, 2, 3 или более блоков). Предпочтительно, чтобы в частных вариантах выполнения с использованием последовательности блоков все блоки могли работать при одинаковой входной температуре, что дает возможность максимизировать выработку энергии для данных входного давления первой турбины и общего отношения давлений.
Один из примеров турбинного блока 320, в котором используются две турбины 330, 340, работающие последовательно в восстановительном режиме, приведен на фиг. 9. Можно видеть, что поток 40 продуктов горения направляется в первую турбину 330. В таких вариантах выполнения планируется (например, за счет регулирования используемого топлива, используемого количества кислорода и рабочих режимов камеры сгорания), чтобы поток 40 продуктов горения представлял собой восстановительный газ, содержащий одну или несколько горючих компонент, как описано выше). Поток 40 продуктов горения расширяется в первой турбине 330, производя энергию (например, в соединении с электрогенератором, не показанным на иллюстрации) и образуя первый выхлопной поток 42. До ввода во вторую турбину 340 в первый выхлопной поток 42 турбины может быть добавлено определенное количество 02 для сжигания горючих компонент, содержащихся в первом выхлопном потоке 42 турбины. Это сохраняет избыток кислорода, повышая в то же время входную температуру на втором турбинном блоке 340 в основном до того же значения, что на входе первого турбинного блока 330. Например, температура выхлопного потока 42 первого турбинного блока 330 может лежать в диапазоне приблизительно от 500 до 1000°С. В восстановительном режиме введение 02 в выхлопной поток 42 при этой температуре может привести к нагреванию газа в потоке за счет горения избыточного газообразного топлива до температуры, лежащей в диапазоне приблизительно от 700 до 1600°С, что в основном соответствует температурному диапазону потока 40 продуктов горения, выходящих из камеры 220 сгорания, до их поступления в первый турбинный блок 330. Другими словами, рабочие температуры на входах обеих турбин в основном одни и те же. В частных вариантах выполнения рабочие температуры на входах турбин отличаются не более, чем приблизительно на 10%, не более, чем приблизительно на 9%, не более, чем приблизительно на 8%, не более, чем приблизительно на 7%, не более, чем приблизительно на 6%, не более, чем приблизительно на 5%, не более, чем приблизительно на 4%, не более, чем приблизительно на 3%, не более, чем приблизительно на 2% или не более, чем приблизительно на 1%. Аналогично могут быть выполнены операции вторичного нагрева для других турбинных блоков с целью увеличения количества остаточного топлива. При необходимости горение может быть усилено соответствующими катализаторами, вводимыми в ту область горения, куда подается кислород.
В некоторых вариантах выполнения описанный энергетический цикл может быть использован при модернизации существующих электростанций, например, путем введения под высоким давлением высокотемпературной нагревательной текучей среды (такой как описанный здесь выхлопной поток турбины) в цикл перегрева пара обычной электростанции, работающей на цикле Ренкина. Это может быть работающая на угле электростанция или атомная станция с реактором с кипящей водой (BWR) или реактором с водой под давлением (PWR). Это фактически повышает коэффициент полезного действия и выходную мощность паровой станции на цикле Ренкина за счет перегрева пара до значительно более высокой температуры, чем температура перегретого пара, получаемая в существующей системе. В случае бойлера, работающего на сжигании пылевидного угля, температуры пара в настоящее время доходят до максимума, составляющего приблизительно 600°С, в то время как на атомной станции температура пара в общем доходит приблизительно до 320°С. При использовании перегрева, возможного в предлагаемых в изобретении системах и способах, температура пара может быть поднята до 700°С. Это приводит к преобразованию тепловой энергии в избыточную эффективную мощность, так как дополнительное топливо, сжигаемое для перегрева пара, преобразуется в избыточную энергию на использующей пар электростанции без увеличения количества конденсированного пара. Это может быть выполнено за счет обеспечения вспомогательного теплообменного блока. Например, рассмотренный в предлагаемых в изобретении способах и системах выхлопной поток турбины может быть направлен во вспомогательный теплообменный блок до прохождения через основной теплообменный блок, как альтернативно описано здесь. Тепло, полученное во вспомогательном теплообменном блоке может быть использовано для перегрева пара, поступающего из бойлера, как описано выше. Перегретый пар может быть направлен а одну или несколько турбин для выработки энергии. Выхлопной поток турбины после прохождения через вспомогательный теплообменный блок может быть затем направлен в основной теплообменный блок, как описано здесь. Такая система и способ описаны в примере 2 и проиллюстрированы фиг. 12. Кроме того, можно отвести пар низкого давления от входа конечной паровой турбины и использовать его для нагревания части повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02, как описано выше. В частных вариантах выполнения конденсат с паровой электростанции может быть перед деаэрацией подогрет до промежуточной температуры с использованием потока циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящего с холодного края теплообменного блока (например, в некоторых вариантах выполнения при тем
пературе приблизительно 80°С). В таком нагревании обычно используется отведенный пар, взятый со входа последней ступени паровой турбины низкого давления, так что результирующее влияние на коэффициент полезного действия паровой электростанции недостатка, связанного с наличием вспомогательного нагревания, компенсируется предварительным нагревом конденсата, в котором сохраняется отведенный пар.
Описанный общий способ производства энергии (то есть энергетический цикл) может быть выполнен в соответствии с изобретением с использованием пригодной системы производства энергии, как описано выше. В общем предлагаемая в изобретении система производства энергии может содержать любую из компонент, описанных в связи со способом производства энергии. Например, система производства энергии может содержать камеру сгорания, служащую для сжигания углеродосодержащего топлива в присутствии 02 и циркулирующей текучей среды на основе С02. В частности, камера сгорания может быть описанной камерой сгорания с транспирационным охлаждением, однако могут быть использованы другие камеры сгорания, пригодные для работы в описанных условиях. В частности, камера сгорания может отличаться режимами горения, в которых она действует, а также конкретными компонентами самой камеры сгорания. В некоторых вариантах выполнения система может содержать один или несколько инжекторов для подачи углеродосодержащего топлива (и опционно псевдоожижающей среды), 02 и циркулирующей текучей среды на основе С02. Система может включать компоненты удаления жидкого шлака. Камера сгорания может производить горючий газ при температуре, при которой твердые шлаковые частицы могут быть эффективно отфильтрованы от газа, и газ может быть смешан с охлажденным С02 и сожжен во второй камере сгорания. Камера сгорания может включать по меньшей мере одну стадию горения, на которой сжигается углеродосодержащее топливо в присутствии циркулирующей текучей среды на основе С02 с целью обеспечения потока продуктов горения, содержащих С02 под описанными давлением и температурой.
Система может также содержать энергетическую турбину, сообщающуюся с камерой сгорания. Трубина может иметь вход для приема потока продуктов горения и выход для вывода выхлопного потока турбины, содержащего С02. Энергия может вырабатываться при расширении потока текучей среды, и турбина рассчитана на поддержание потока текучей среды при заданном отношении давлений (1р/Ор), как описано выше.
Система может также включать по меньшей мере один теплообменник, сообщающийся с турбиной для приема выхлопного потока турбины и охлаждения его с образованием охлажденного потока циркулирующей текучей среды на основе С02. Аналогично по меньшей мере один теплообменник может быть использован для нагревания циркулирующей текучей среды на основе С02, поступающей в камеру сгорания. В частности, теплообменник (и) может отличаться в отношении материалов, из которых он выполнен, и которые позволяют работать в особых, описанных выше условиях.
Система может также содержать одно или несколько устройств разделения потока циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящего из теплообменника, на С02 и одну или несколько других компонент, предназначенных для возвращения в цикл или удаления. В частности, система может содержать средство отделения воды (или других описанных посторонних примесей) от потока циркулирующей текучей среды на основе С02.
Система может также содержать одно или несколько устройств (например, компрессоров), сообщающихся с по меньшей мере с одним теплообменником (и (или) сообщающихся с одним или несколькими разделительными устройствами), служащих для сжатия очищенной циркулирующей текучей среды на основе С02. Кроме того, система может содержать средство разделения циркулирующей текучей среды на основе С02 на два потока, один из которых направляется через теплообменник в камеру сгорания, а второй поступает в трубопровод высокого давления (или другое средство удаления и (или) сброса С02).
В некоторых вариантах выполнения в систему могут быть введены и другие компоненты. Например, система может содержать блок выделения 02, подаваемого в камеру сгорания (или в инжектор или аналогичное устройство для смешивания 02 с одним или несколькими другими веществами). В некоторых вариантах выполнения блок разделения воздуха может выделять тепло. Поэтому может быть полезным дополнительно включить в систему одну или несколько компонент переноса тепла, передающих тепло от блока разделения воздуха потоку циркулирующей текучей среды на основе С02 выше по потоку камеры сгорания. В дополнительных вариантах выполнения предлагаемая в изобретении система может содержать любую или все компоненты, описанные ранее в отношении цикла производства энергии и способов производства энергии.
В дополнительных вариантах выполнения изобретение охватывает системы и способы, пригодные при производстве энергии с использованием топлива (например, угля), оставляющего при горении негорючий остаток. В некоторых вариантах выполнения такие негорючие вещества могут быть удалены из продуктов горения за счет использования соответствующего устройства, такого как устройство удаления загрязняющего остатка, представленное на фиг. 4. Однако в других вариантах выполнения может быть целесообразным обращаться с негорючими веществами, используя систему и способ с несколькими камерами сгорания, как изображено на фиг. 10.
Как показано на фиг. 10, угольное топливо 254 может быть пропущено через устройство 900 размо
ла для получения пылевидного угля. В других вариантах выполнения угольное топливо 254 может быть обеспечено в измельченном на частицы состоянии. В частных вариантах выполнения уголь может иметь средний размер частиц приблизительно от 10 до 500 мкм, приблизительно от 25 до 400 мкм или приблизительно от 50 до 200 мкм. В других вариантах выполнения уголь можно охарактеризовать тем, что более 50, 60, 70, 80, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99 или 99,5% угольных частиц имеют средний размер меньше приблизительно 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150 или 100 мкм. Пылевидный уголь может быть смешан с псевдоожижающей субстанцией для получения угля в виде пульпы. На фиг. 10 пылевидный уголь в смесителе 910 смешивается с побочным потоком 68 углекислого газа из повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02. На фиг. 10 побочный поток 68 углекислого газа отводится из потока 67, прошедшего обработку для обеспечения циркулирующей текучей среды на основе С02 в сверхкритическом, высокоплотном состоянии. В частных вариантах выполнения С02, используемый для образования угольной пульпы, может иметь плотность приблизительно от 450 кг/м3 до 1100 кг/м3. Более конкретно, побочный поток 68 углекислого газа может объединяться с измельченным углем, образуя пульпу, содержащую, например, приблизительно от 10 до 75 массовых % или приблизительно от 25 до 55 мас.% измельченного угля. Кроме того, С02 в побочном потоке 68, используемом для образования пульпы, может находиться при температуре по меньшей мере приблизительно 0°С, по меньшей мере приблизительно -10°С, по меньшей мере приблизительно -20°С или по меньшей мере приблизительно -30°С. В дополнительных вариантах выполнения С02 в побочном потоке 68, используемом для образования пульпы, может находиться при температуре приблизительно от 0 до -60°С, приблизительно от -10 до -50°С или приблизительно от -18 до -40°С.
Пульпа 255 из пылевидного угля/С02 передается из смесителя 910 через насос 920 в камеру 930 сгорания с неполным окислением. Поток 02 формируется с использованием блока 30 разделения воздуха, выделяющего из воздуха 241 очищенный 02, как описано выше. Поток 02 разделяется на поток 243 кислорода, направляемый в камеру 930 сгорания с неполным окислением, и поток 242 кислорода, направляемый в камеру 220 сгорания. В представленном на фиг. 10 варианте выполнения поток 86 отводится из потока 85 повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02 с целью использования для охлаждения камеры 930 сгорания с неполным окислением. В дополнительных вариантах выполнения С02, используемый для охлаждения камеры 930 сгорания с неполным окислением может быть отобран из потока 236, а не из потока 86, или С02 может быть отобран как из потока 86. так и из потока 236. Предпочтительно отводимое количество С02 достаточно для снижения температуры потока 256 до того, что шлак присутствует в твердом виде и может быть безопасно удален. В отличие от описанного С02, уголь и 02 подаются в камеру 930 сгорания с неполным окислением в таком соотношении, что уголь сгорает лишь частично с получением потока 256 частично окисленных продуктов горения, содержащего С02 вместе с одним или несколькими веществами из группы, включающей H2, CO, CH4, H2S и NH3. Кроме того, С02, уголь и 02 вводятся в камеру 930 сгорания с неполным окислением в необходимом соотношении, так что температура потока 256 частично окисленных продуктов горения достаточно низка, чтобы весь присутствующий в потоке 256 шлак находился в виде твердых частиц, которые легко удаляются одним или несколькими циклонными сепараторами и (или) фильтрами. В представленном на фиг. 10 варианте выполнения шлак удаляется с помощью фильтра 940. В частных вариантах выполнения температура потока 256 продуктов горения с неполным окислением может быть меньше приблизительно 1100°С, меньше приблизительно 1000°С, меньше приблизительно 900°С. меньше приблизительно 800°С или меньше приблизительно 700°С. В дополнительных вариантах выполнения температура потока 256 продуктов горения с неполным окислением может составлять приблизительно от 300 до 1000°С, приблизительно от 400 до 950°С или приблизительно от 500 до 900°С.
Отфильтрованный поток 257 частично окисленных продуктов горения может быть непосредственно введен во вторую камеру 220 сгорания, которая может быть камерой сгорания с транспирационным охлаждением, как описано выше. Этот ввод производится вместе с потоком 242 кислорода и потоком 236 используемой повторно циркулирующей текучей среды на основе С02. Горение на этом этапе может происходить аналогично описанному для других случаев. Горючие вещества, содержащиеся в потоке 256 продуктов горения с неполным окислением сжигаются в камере 220 сгорания в присутствии 02 и С02 с образованием потока 40 продуктов горения. Этот поток расширяется в турбине 320, вырабатывая электроэнергию (например, посредством генератора 1209). Выхлопной поток 50 турбины проходит через те-плообменный блок 420 (который может представлять собой последовательность теплообменников, как на фиг. 8). Поток 60 циркулирующей текучей среды на основе С02 поступает в теплообменник 530 с холодной водой, образуя поток 61, пропускаемый через сепаратор 540 для удаления вторичных компонент (например, H2O, SO2, SO4, NO2, NO3 и Hg) в поток 62. Сепаратор 540 может быть в основном аналогичным колонне 1330, описанной в отношении фиг. 12 ниже. Предпочтительно сепаратор 540 включает реактор, реактивный элемент с пускателем, обеспечивающим время задержки, достаточное для того, чтобы посторонние примеси прореагировали с водой, образуя легко удаляемые вещества (например, оксиды). Очищенный поток 65 циркулирующей текучей среды на основе С02 пропускается через первый компрессор 630 с образованием потока 66, охлаждаемого теплообменником 640 с холодной водой, из которого выходит сверхкритическая, высокоплотная циркулирующая текучая среда 67 на основе С02. Как
описано выше, часть потока 67 может быть отведена в виде потока 68 для использования в качестве псевдоожижающей среды в смесителе 910 при формировании потока 255 угольной пульпы. Поток 67 сверхкритической, высокоплотной циркулирующей текучей среды на основе С02 дополнительно сжимается в компрессоре 650, образуя поток 70 находящейся под давлением, сверхкритической, высокоплотной циркулирующей текучей среды на основе С02. Часть С02, содержащегося в потоке 70, может быть отведена в точке 720, как описано в отношении фиг.5 и 11, для обеспечения потока 80 в трубопровод С02 или другое средство удаления. Оставшаяся часть С02 образует поток 85 находящейся под давлением, сверхкритической, высокоплотной циркулирующей текучей среды на основе С02, часть которого может быть отведена в виде потока 86 для охлаждения камеры 930 сгорания с частичным окислением, как описано выше. Или же поток 85 пропускается обратно через теплообменник 420 (или последовательность теплообменников, как описано в отношении фиг. 8) для нагревания потока и в конце концов формирования потока 236 повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02, вводимого в камеру 220 сгорания. Как описано выше, для достижения необходимой эффективности в сочетании с теп-лообменным блоком 420 может быть использован внешний источник тепла. Подобным образом в систему и способ, представленные на фиг. 10, могут быть заложены другие параметры, например температуры потока и давления, а также другие режимы работы турбины 320, теплообменного блока 420, разделительного блока 520 и компрессорного блока 630.
Далее изобретение дополнительно рассмотрено на конкретных экспериментальных примерах.
Примеры приведены для иллюстрации некоторых вариантов выполнения и не должны рассматриваться как ограничение объема изобретения.
Пример 1. Система и способ производства энергии при сжигании метана.
Повторное использование циркулирующей текучей среды на основе С02. Один из конкретных примеров предлагаемых в настоящем изобретении системы и способа представлен на фиг. 11. В нижеследующем описании система рассматривается в связи с конкретным циклом и для конкретных параметров с использованием компьютерного моделирования.
В данной модели поток 254 метанового топлива (CH4), находящегося при температуре 134°С и под давлением 30,5 МПа, перед вводом в камеру 220 сгорания с транспирационным охлаждением объединяется с потоком 236 повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02, находящейся при температуре 860°С и под давлением 30,3 МПа (и, следовательно, в сверхкритическом состоянии текучей среды), в смесителе 252. Блок 30 разделения воздуха используется для обеспечения концентрированным кислородом 242 при температуре 105°С и под давлением 30,5 МПа. В блоке разделения воздуха также вырабатывается тепло (Q), отводимое для использования в процессе. Кислород 242 соединяется с потоком 254 метанового топлива и циркулирующей текучей средой на основе С02 в камере сгорания 220, в которой происходит горения с образованием потока 40 продуктов горения при температуре 1189°С и под давлением 30 МПа. С02, 02 и метан обеспечиваются в молярном отношении приблизительно как 35:2:1 (если считать в единицах фунт-моль/ч). В данном варианте выполнения горение происходит с энергетическим выходом порядка 344,935 Бте/час (363,932 кДж/ч).
Поток 40 продуктов горения пропускается через турбину 320 с получением выхлопного потока 50 турбины при температуре 885°С и давлении 5 МПа (С02 в выхлопном потоке 50 турбины находится в газообразном состоянии). При расширении потока 40 продуктов горения в турбине 320 вырабатывается энергия с выходом 83,5 киловатт в час (кВт/ч).
Выхлопной поток 50 турбины проходит затем через последовательность из трех теплообменников, постепенно охлаждающих поток с целью удаления вторичных компонент. При прохождении через первый теплообменник 430 образуется поток 52 при температуре 237°С и давлении 5 МПа. Поток 52 пропускается через второй теплообменник 440 с образованием потока 56 при температуре 123°С и давлении 5 МПа. Поток 56 пропускается через третий теплообменник 450 с образованием потока 60 при температуре 80°С и давлении 5 МПа.
После прохождения повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02 через последовательность теплообменников поток 60 дополнительно охлаждается при пропускании через теплообменник 530 с холодной водой. Вода (С) при температуре 24°С циклически проходит через теплообменник 530, охлаждая поток 60 циркулирующей текучей среды на основе С02 До температуры 27°С, что приводит к конденсации воды, присутствующей в циркулирующей текучей среде на основе С02. Охлажденный поток 61 циркулирующей текучей среды на основе С02 затем проходит через блок 540 отделения воды, так что вода в жидком состоянии удаляется и выводится в виде потока 62а. "Осушенный" поток 65 циркулирующей текучей среды на основе С02 отводится из блока 540 отделения воды при температуре
34°С и давлении 3 МПа.
Сухой поток 65 циркулирующей текучей среды на основе С02 (все еще находящийся в газообразном состоянии) далее пропускается через первый компрессорный блок 630, работающий по двухступенчатой схеме. Поток циркулирующей текучей среды на основе С02 сжимается до 8 МПа, что в то же время поднимет его температуру до 78°С. Для этого требуется подвод энергии при мощности 5,22 кВт/ч. Этот поток 66 сверхкритической циркулирующей текучей среды на основе С02 затем проходит через второй теплообменник 640 с холодной водой, где он охлаждается водой при температуре 24°С, превра
щаясь в поток 67 охлажденной сверхкритической циркулирующей текучей среды на основе С02, имеющий температуру 27°С, давление 8 МПа и плотность 762 кг/м3. Этот поток затем пропускается через второй компрессорный блок 650, образуя поток 70 сжатой циркулирующей текучей среды на основе С02 при температуре 69°С и давлении 30,5 МПа. Для этого требуется подвод энергии при мощности 8,23 кВт/ч. Поток проходит через магистральный разделитель 720, где 1 фунт-моль С02 направляется в трубопровод высокого давления в виде потока 80, и 34,1 фунт-моль С02 направляется в виде потока 85 обратно через последовательность из трех теплообменников для повторного нагревания потока циркулирующей текучей среды на основе С02 перед вводом в камеру 220 сгорания.
Поток 85 сжатой циркулирующей текучей среды на основе С02 пропускается через третий теплообменник 450 с образованием потока 71 при температуре 114°С и давлении 30,5 МПа. Поток 71 проходит через разделитель 460, так что 27,3 фунт-моль С02 направляется в виде потока 71 b во второй теплообменник 440, и 6,8 фунт-моль С02 направляется в виде потока 72а в вспомогательный нагреватель 470. Каждый из потоков 71 b и 72а имеет температуру 114°С и давление 30,5 МПа. Во вспомогательном нагревателе 470 используется тепло (Q), поступающее с блока 30 разделения воздуха и обеспечивающее дополнительное нагревание потока циркулирующей текучей среды на основе С02. При прохождении потока 71b через второй теплообменник 440 образуется поток 73 при температуре 224°С и давлении 30,5 МПа. При прохождении потока 72а через вспомогательный нагреватель 470 образуется поток 72b, аналогично имеющий температуру 224°С и давление 30,4 МПа. Потоки 73 и 72b объединяются в смесителе 480 в поток 74, имеющий температуру 224°С и давление 30,3 МПа. Поток 74 затем проходит через первый теплообменник 430, образуя поток 236 повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02 при температуре 860°С и давлении 30,0 МПа, предназначенный для ввода обратно в камеру 220 сгорания.
Эффективность вышеописанного смоделированного цикла подсчитывалась с учетом вырабатываемой энергии в сравнении с теплотворной способностью метанового топлива и дополнительной энергии, вводимой в систему, как описано выше. При заложенных в модель параметрах достигался коэффициент полезного действия, равный приблизительно 53,9%. Чрезвычайно поражает то, что такая высокая эффективность может быть достигнута при одновременном отсутствии выбросов в атмосферу С02 (в частности, С02, образующегося при сжигании углеродосодержащего топлива).
Пример 2. Система и способ производства энергии на электростанции, работающей на пылевидном
угле.
Модернизация с целью повторного использования циркулирующей текучей среды на основе С02.
Другой конкретный пример предлагаемых в настоящем изобретении системы и способа представлен на фиг. 12. В нижеследующем описании система рассматривается в связи с конкретным циклом и для конкретных условий с использованием математического моделирования.
В этой модели иллюстрируется возможность изменения описанных системы и способа для использования на обычной электростанции, работающей на сжигании пылевидного угля.
Поток 1056 кислорода под давлением 30,5 МПа вводится в камеру 220 сгорания с транспирацион-ным охлаждением вместе с углеродосодержащим топливом 1055 (например, извлеченным из угля газом, полученным частичным окислением) под давлением 30,5 МПа и потоком 1053 циркулирующей текучей среды на основе С02 под давлением 30,5 МПа. 02 может быть получен из воздушного сепаратора или аналогичного устройства, способного вырабатывать тепло, которое может быть отобрано для использования в системе, например, для получения добавочного тепла, подводимого к потоку охлажденной циркулирующей текучей среды на основе С02. При сжигании топлива в камере 220 сгорания образуется поток 1054 продуктов горения при температуре 1150°С и давлении 30,0 МПа. Поток расширяется в турбине 320 (которая в общем может быть названа основной турбиной производства энергии) с получением электроэнергии при вращении электрогенератора 1209. Выхлопной поток 1001 расширительной турбины при температуре 775°С и давлении 3,0 МПа поступает на горячий край теплообменника 1100, где тепло этого потока используется для перегрева потока 1031 пара под высоким давлением и потока 1032 пара под промежуточным давлением, вырабатываемого обычной электростанцией 1800, работающей на пылевидном угле. Подаваемая бойлером вода 1810 и уголь 1850 вводятся в электростанцию 1800 для получения потоков 1031 и 1032 пара при сжигании угля 1850. За счет передачи тепла в теплообменнике температура паровых потоков 1031 и 1032 повышается приблизительно с 550°С до приблизительно 750, формируя паровые потоки 1033 и 1034, возвращаемые в электростанцию, как описано далее. В этом способе обеспечиваются очень высокие температуры без необходимости в использовании высокотемпературных сплавов в больших паровых бойлерах обычной электростанции, работающей на сжигании угля при давлении, близком к атмосферному. Паровые потоки 1033 и 1034 расширяются в трехступенчатой турбине 1200 (которая может быть названа в общем вспомогательной турбиной производства энергии), приводя в действие электрогенератор 1210. Пар 1035, выходящий из турбины 1200, превращается в жидкость в конденсаторе 1220. Отработанный конденсат 1036 доводится до высокого давления в насосе 1230 подачи воды и затем испаряется и перегревается в работающем на сжигании угля бойлере 1800 с последующим выводом в теплообменник 1100, как описано выше. Такая система используется для повышения выходной мощности и коэффициента полезного действия существующей электростанции, работающей на сжи
гании угля.
Теплообменник 1100 представляет собой теплообменник Хитрика с соединенными диффузионной сваркой пластинами и обработанными химическим фрезерованием каналами, обычно изготавливаемый из высокотемпературного сплава с большим содержанием никеля, такого как сплав 617, способный выдерживать высокие давления и температуры, обеспечивающие значительный перегрев пара, и работу в окислительных условиях. Этот теплообменник представляет собой высокоэффективный блок передачи тепла, отличающийся высоким коэффициентом передачи для всех текучих сред.
Оставшаяся часть системы и способа, представленных на фиг. 12, аналогична по устройству и действию уже описанным системам и способам. В частности, выхлопной поток 1001 расширительной турбины охлаждается в теплообменнике 1100 и выходит с его холодного края в виде выходного потока 1037, имеющего температуру 575°С. Этот поток 1037 направляется затем через второй теплообменник 1300, в котором охлаждается до температуры 90°С и давления 2,9 МПа, образуя проток 1038. Последний поток дополнительно охлаждается частью конденсата 1057 с конденсатора 1220 электростанции в теплообменнике 1310 до температуры 40°С, образуя поток 1039, который дальше охлаждается до температуры 27°С холодной водой в теплообменнике 1320 с холодной водой, образуя поток 1040 под давлением 2,87 МПа. Теплообменник 1300 может представлять собой теплообменник Хитрика с пластинами из нержавеющей стали, соединенными диффузионной сваркой.
Охлажденный поток 1040 с температурой 30°С подается в основание насадочной колонны 1330, снабженной циркуляционным насосом 1340, обеспечивающим противоток слабокислого циркулирующего потока, создающего контакт между входящим газом и очищающей слабой кислотой. S02, S03, N0 и N02 превращаются в HN03 и H2S04 и поглощаются жидкостью вместе с конденсированной водой и любыми другими водорастворимыми компонентами. Чистый жидкий продукт из колонны 1330 удаляется в магистраль 1042, давление снижается до атмосферного, и он поступает в сепаратор 1360. Растворенный С02 при снижении давления испаряется в магистраль 1043, сжимается насосом 1350 до давления 2,85 МПа и проходит в виде потока 1044 до соединения с потоком 1045, поступающим с верха колонны 1330. Эти объединенные потоки формируют циркулирующую текучую среду на основе С02, повторно вводимую обратно в камеру сгорания. Разбавленные водой H2SO4 и HNO3 выходят в виде потока 1046 из основания сепаратора 1360. Их концентрации зависят от состава топлива и температуры в контактной колонне 1330. Заметим, что предпочтительно в кислотном потоке 1046 присутствует азотная кислота, так как она реагирует с присутствующей ртутью и полностью удаляет это постороннее включение.
Поток повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02, поступающий в компрессор 1380 сначала высушивается до точки росы приблизительно в -60°С влагопоглощающим сушащим веществом и затем очищается путем удаления O2, N2 и Ar с использованием схемы низкотемпературной сепарации, как это описано в патентной заявке ЕР 1952874 А1, включенной в данное описание в качестве ссылки.
Поток 1047 сжатой, повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02, выходящий из компрессора 1380 под давлением 8,5 МПа, охлаждается холодной водой при температуре 27°С в теплообменнике 1370 с холодной водой, превращаясь в поток 1048 плотной, сверхкритической циркулирующей текучей среды на основе С02, доводимый до давления 30,5 МПа и температуры 74°С в насосе 1390, из которого выходит поток 1050 повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе CO2. Часть С02 удаляется из потока 1050 в виде потока 1049, изолированного или другим образом сброшенного без вывода в атмосферу. В данном варианте выполнения давление С02 в потоке 1049 снижается до требуемого давления, равного 20 МПа, и С02 направляется в трубопровод.
Оставшаяся часть потока находящейся под высоким давлением, используемой повторно циркулирующей текучей среды на основе С02 (теперь поток 1051) поступает на холодный край теплообменника
1300. Этот поток плотной, сверхкритической текучей среды при температуре 74°С должен воспринять значительное количество низкопотенциального тепла для превращения в текучую среду с намного меньшей теплоемкостью при температуре 237°С. В данном варианте выполнения такое низкопотенциальное тепло обеспечивается потоком 1052 пара под низким давлением в 0,65 МПа, отбираемого из парового потока, поступающего в паровую турбину низкого давления обычной электростанции, а также теплом адиабатического сжатия, образующимся при сжатии воздуха в установке криогенного получения 02, выдающей поток 1056 кислорода. Пар низкого давления выходит из теплообменника 1300 как поток
1301. Опционно все тепло может быть обеспечено за счет нескольких доступных потоков пара с работающей на сжигании угля электростанции под давлением 3,8 МПа. Эта энергия может быть также получена из тепла (Q), образованного блоком разделения воздуха, как описано выше. Побочное нагревание части потока циркулирующей текучей среды на основе С02 обеспечивает значительную долю тепла, требуемого на холодном краю теплообменника 1300, и дает возможность работать при небольшой разнице температур на горячем краю теплообменника 1300, составляющей только 25°С, что повышает общий коэффициент полезного действия.
Поток 1053 находящейся под высоким давлением, высокотемпературной, повторно используемой циркулирующей текучей среды на основе С02 выходит из теплообменника 1300 при температуре 550°С и поступает в камеру сгорания, где он используется для охлаждения газообразных продуктов горения,
получившихся при сжигании потока 1055 природного газа (в данном варианте выполнения) вместе с потоком 1056, содержащим 97 мол.% кислорода, с образованием потока 1054 продуктов горения, как описано выше. В этом варианте выполнения горячий тракт турбины и первые ряды турбинных лопаток охлаждаются с использованием потока С02 1058, отобранного из выходного потока 1050 насоса при температуре 74°С.
Если вышеописанная система представляет собой автономную электростанцию, работающую на природном газе, моделируемом чистым CH4, то поток 1053 повторно используемого С02 поступает в камеру сгорания при температуре приблизительно 750°С, и выхлопные газы 1001 турбины поступают в теплообменник 1300 при температуре приблизительно 775°С.
В данном случае коэффициент полезного действия автономной энергетической системы составляет 53,9% (по теплотворной способности). Данное рассмотрение включает расход энергии в криогенной установке получения 02, подачу природного газа и работу компрессоров С02. Если моделировать топливо углем с теплотворной способностью 27,92 МДж/кг (то есть частично окисленным со шлаком, удаленным в первой камере сгорания и фильтрационном блоке, следующем за сжиганием топливного газа и смеси С02 во второй камере сгорания), то коэффициент полезного действия составил бы 54% (по теплотворной способности). В обоих случаях фактически 100% С02, образованного из углерода, содержащегося в топливе, получилось бы при давлении в трубопроводе, составляющем 20 МПа.
Вышеописанные система и способ, проиллюстрированные фиг. 12, при работе на угле могут характеризоваться возможностью использования на электростанции с приведенными ниже конкретными параметрами. Эффект от модернизации электростанции, работающей на сжигании пылевидного угля, в соответствии с настоящим изобретением подсчитывается следующим образом:
Параметры пара высокого давления: 16,6 МПа, 565°С, расход: 473,14 кг/с.
Пар низкого давления: 4,02 МПа, 565°С, расход: 371,62 кг/с.
Полезная выходная мощность:493,7 МВт.
Уголь для существующей станции: 1256,1 МВт.
Общий коэффициент полезного действия (по теплотворной способности): 39,31%. % улавливания С02: 0.
Модернизированная установка, включающая существующую станцию, усовершенствованную по раскрытым системе и способу.
Полезная выходная мощность энергетической системы на С02: 371,7 МВт.
Полезная мощность существующей станции: 639,1 МВт.
Общая полезная мощность: 10108 МВт.
Уголь для энергетической системы на С02: 1053,6 МВт.
Уголь для существующей станции: 1256,1 МВт.
Общий коэффициент полезного действия (по теплотворной способности): 43.76%. % улавливания С02: 45,6% *.
*Заметим, что в данном примере на существующей станции С02 не улавливается.
Специалисты в данной области смогут предложить различные модификации и другие варианты выполнения изобретения, используя данное описание и сопровождающие чертежи. Соответственно, должно быть понятно, что изобретение не ограничено конкретными приведенными частными вариантами и модификациями, и в объем изобретения, определяемый приложенной формулой изобретения, могут быть включены другие варианты выполнения. Хотя в данном описании могут быть использованы конкретные термины, они используются исключительно в общепринятом и описательном смысле, а не в целях внесения ограничений.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ производства электрической энергии, в котором
обеспечивают расширение С02-содержащего потока, имеющего давление 12 МПа или более и температуру 750°С или более, пропуская его через последовательность турбин от первой к последней турбине, получая из последней турбины выхлопной поток последней турбины, содержащий С02;
пропускают выхлопной поток последней турбины через рекуперативный теплообменник, отводя от него тепло, как источник тепла, и формируя охлажденный выхлопной поток турбины;
отводят по меньшей мере часть С02 из охлажденного выхлопного потока турбины, формируя поток рециркуляционного С02;
подвергают сжатию поток рециркуляционного С02 до давления по меньшей мере 12 МПа, формируя поток сжатого рециркуляционного С02;
нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного С02 посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного С02 посредством тепла от источника, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, формируя объединенный поток нагретого сжатого рециркуляционного
С02;
подают объединенный поток нагретого сжатого рециркуляционного С02 в устройство для сжигания углеродсодержащего топлива в присутствии окислителя и объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02 для дополнительного нагрева этого потока так, чтобы образовать С02-содержащий поток, и
подают С02-содержащий поток в первую из последовательности турбин,
причем одну или обе из первой и последней турбин используют для производства электрической энергии, а разница между температурой объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02, подаваемого в устройство для сжигания, и температурой выхлопного потока последней турбины, содержащего С02, составляет не более чем приблизительно 50°С.
2. Способ по п.1, в котором подводят дополнительное тепло к С02-содержащему потоку между первой и последней турбинами.
3. Способ по п.2, в котором указанное дополнительное тепло обеспечивают в дополнительном устройстве для сжигания углеродсодержащего топлива в присутствии окислителя и С02-содержащего потока.
4. Способ по п.1, в котором отводят вспомогательный поток от потока сжатого рециркуляционного С02 после указанной стадии сжатия и до подачи объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02 в устройство для сжигания.
5. Способ по п.4, в котором часть потока сжатого рециркуляционного С02 нагревают посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, а вспомогательный поток представляет собой часть, нагретую посредством тепла от источника, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, и части воссоединяют до подачи объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02 в устройство для сжигания.
6. Способ по п.5, в котором вспомогательный поток нагревают посредством его пропуска через вспомогательный нагреватель.
7. Способ по п.6, в котором вспомогательный нагреватель использует тепло, отведенное от работающих в адиабатическом режиме ступеней воздушных компрессоров в криогенной воздухораздели-тельной установке.
8. Способ по п.6, в котором вспомогательный нагреватель включает криогенную воздухораздели-тельную установку с двумя компрессорами, работающими в адиабатическом режиме, и в котором осуществляют отвод тепла сжатия в последующих охладителях к циркулирующей текучей среде, переносящей тепло и передающей это тепло сжатия.
9. Способ по п.1, в котором нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного С02 посредством тепла, отведенного от выхлопного потока последней турбины, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного С02 посредством тепла от источника, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, так что температура объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02, входящего в устройство для сжигания, меньше температуры выхлопного потока последней турбины не более чем на 50°С.
10. Способ по п.1, в котором источником тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, является воздухоразделительная установка.
11. Способ по п.1, в котором источником тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, является паропровод.
12. Способ по п.1, в котором источником тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, является горячий выхлопной газ из обычной газовой турбины с открытым циклом.
13. Способ по п.1, в котором рекуперативный теплообменник включает последовательность по меньшей мере из двух теплообменников.
14. Способ производства электрической энергии, в котором
обеспечивают расширение С02-содержащего потока, имеющего давление по меньшей мере 12 МПа и температуру по меньшей мере 750°С, пропуская его через последовательность турбин от первой к последней турбине, получая из последней турбины выхлопной поток последней турбины, содержащий С02;
пропускают выхлопной поток последней турбины через рекуперативный теплообменник, отводя от него тепло, как источник тепла, и формируя охлажденный выхлопной поток турбины;
отводят по меньшей мере часть С02 из охлажденного выхлопного потока турбины, формируя поток рециркуляционного С02;
подвергают сжатию поток рециркуляционного С02 до давления по меньшей мере 12 МПа, формируя поток сжатого рециркуляционного С02;
нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного С02 посредством первого источника тепла, представляющего собой тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, пропуская поток сжатого рециркуляционного С02 через рекуперативный теплообменник, и нагревают по меньшей мере часть потока сжатого рециркуляционного С02 теплом от второго источника тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока последней турбины, так что из рекуперативного теплообменника выходит поток нагретого сжатого рециркуляционного С02, нагретый первым и вторым ис
точниками тепла;
подают поток нагретого сжатого рециркуляционного С02 из рекуперативного теплообменника в устройство для сжигания топлива для дополнительного нагрева этого потока, формируя С02-содержащий поток, и
подают С02-содержащий поток в первую из последовательности турбин,
причем одну или обе из первой и последней турбин используют для производства электрической энергии, а
разница между температурой объединенного потока нагретого сжатого рециркуляционного С02, подаваемого в устройство для сжигания, и температурой выхлопного потока последней турбины, содержащего С02, составляет не более чем приблизительно 50°С.
15. Система производства электрической энергии для осуществления способа по пп.1-14, содержащая
устройство для сжигания, выполненное с возможностью приема топлива, 02 и потока С02, имеющее по меньшей мере одну ступень сжигания топлива в присутствии потока С02 и обеспечивающее поток продуктов горения, содержащий С02, под давлением по меньшей мере 8 МПа и при температуре по меньшей мере 800°С;
первую и вторую турбины для производства энергии, установленные последовательно ниже по потоку от устройства для сжигания и выполненные с возможностью выпуска выхлопного потока турбины, содержащего С02;
теплообменник, выполненный с возможностью приема выхлопного потока турбины из второй турбины для производства энергии, отвода тепла от выхлопного потока из указанной второй турбины и передачи указанного тепла потоку С02;
одно или несколько разделительных устройств, установленных ниже по потоку от теплообменника и выполненных с возможностью удаления одного или нескольких компонентов из выхлопного потока турбины и выходного потока С02;
компрессор, выполненный с возможностью повышения давления потока С02; и
по меньшей мере один теплообменный компонент в дополнение к теплообменнику, выполненный с возможностью передачи тепла от иного источника, чем выхлопной поток турбины, к потоку С02 выше по потоку от устройства для сжигания и ниже по потоку от компрессора.
16. Система по п.15, в которой компрессор выполнен с возможностью сжатия потока С02 до первого давления, превышающего критическое давление для С02, и система содержит второй компрессор, выполненный с возможностью сжатия потока С02 до второго, более высокого давления, по меньшей мере 8
МПа.
17. Система по п.16, содержащая охлаждающее устройство, расположенное между компрессором и вторым компрессором и выполненное с возможностью охлаждения потока С02 до температуры, при которой его плотность больше 200 кг/м3.
18. Система по п.15, в которой по меньшей мере один теплообменный компонент связан с устройством производства 02.
19. Система по п.15, в которой теплообменник включает по меньшей мере два теплообменных блока.
20. Система производства электрической энергии для осуществления способа по пп.1-14, содержащая
первое устройство для сжигания;
первую турбину;
второе устройство для сжигания;
вторую турбину;
компрессор;
теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от выхлопного потока, выходящего из второй турбины, к потоку С02, покидающему компрессор, и имеющий первый вход, связанный при работе с выходом второй турбины, первый выход, связанный при работе со входом компрессора, второй вход, связанный при работе с выходом компрессора, и второй выход, связанный при работе со входом первого устройства для сжигания; и
ввод для тепла от источника тепла, другого, чем тепло, отведенное от выхлопного потока турбины, расположенный между выходом компрессора и входом первого устройства для сжигания и выполненный с возможностью добавления тепла от указанного источника тепла к потоку С02.
21. Система по п.20, в которой ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от воздухо-разделительной установки.
22. Система по п.20, в которой ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от паропровода.
23. Система по п.20, в которой ввод тепла выполнен с возможностью добавления тепла от горячего выхлопного газа из обычной газовой турбины с открытым циклом.
21.
21.
21.
21.
21.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
032619
- 1 -
(19)
032619
- 1 -
(19)
032619
- 1 -
(19)
032619
- 9 -
032619
- 48 -
032619
- 49 -
032619
- 51 -
032619
- 52 -