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TW201303143A - 低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳及產生動力的系統與方法 - Google Patents

低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳及產生動力的系統與方法 Download PDF

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TW201303143A
TW201303143A TW101106765A TW101106765A TW201303143A TW 201303143 A TW201303143 A TW 201303143A TW 101106765 A TW101106765 A TW 101106765A TW 101106765 A TW101106765 A TW 101106765A TW 201303143 A TW201303143 A TW 201303143A
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Franklin F Mittricker
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Sulabh K Dhanuka
Richard Huntington
Dennis O'dea
Russell H Oelfke
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Abstract

本發明提供於低排放渦輪機系統中產生動力及將排氣分離成富CO2流及貧CO2流的系統、方法與設備。在一或多個具體例中，將該排氣在升壓下分離，諸如介於高壓膨脹階段與低壓膨脹階段之間。

Description

低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳及產生動力的系統與方法 相關申請案之交互參照
本申請案主張在2011年9月30日以低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳的系統與方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS)為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,036號；在2011年3月22日以具有主空氣壓縮機氧化劑控制設備的低排放渦輪機系統以及其相關方法(LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS HAVING A MAIN AIR COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO)為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/466,384號；在2011年9月30日以併有進氣口壓縮機氧化劑控制設備的低排放渦輪機系統以及其相關方法(LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS INCORPORATING INLET COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO)為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,030號；在2011年3月22日以固定式幾何學氣渦輪機系統之化學計量燃燒的控制方法以及其相關設備與系統(METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION ON A FIXED GEOMETRY GAS TURBINE SYSTEM AND APPARATUS AND SYSTEMS RELATED THERETO)為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/466,385號；在2011年9月30日以低排放渦輪機系統 中之化學計量燃燒的控制系統與方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS)為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,031號；在2011年3月22日以低排放渦輪氣體循環迴路的變動方法以及其相關系統與設備(METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO)為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/466,381號；在2011年9月30日以低排放渦輪氣體循環迴路的變動方法以及其相關系統與設備(METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERETO)為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,035號之優先權，將該等以其全文特此併入以供參考。
本申請案與下列者有關：在2011年9月30日以低排放渦輪機系統中用於攫取二氧化碳的系統與方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS)為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,037號；在2011年9月30日以低排放組合式渦輪機系統中用於攫取二氧化碳的系統與方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION COMBINED TURBINE SYSTEMS)為標題提出申請之美國臨時專利申 請案第61/542,039號；在2011年9月30日以併有二氧化碳分離的低排放動力產生系統與方法(LOW EMISSION POWER GENERATION SYSTEMS AND METHODS INCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION)為標題提出申請之美國臨時專利申請案第61/542,041號；將所有該等以其全文特此併入以供參考。
本發明的具體例係關於低排放動力產生。更特定言之，本發明的具體例係關於低排放渦輪機系統中用於分離及攫取二氧化碳以產生動力的方法與設備。
此段落意欲介紹本技藝的各種態樣，其可與本發明的示範性具體例相關聯。咸信此討論有助於提供促進更瞭解本發明的特殊態樣之架構。據此，應瞭解應以此見解閱讀此段落，而未必為承認的先前技藝。
許多產油國家正遭遇國內動力需求的強力成長，且對提高油料回收(EOR)有興趣，以改進其貯油槽的油料回收。二種常見的EOR技術包括用於貯油槽壓力維持的氮(N2)注入法及用於EOR之混溶驅油的二氧化碳(CO2)注入法。亦有關於溫室氣體(GHG)排放的全球議題。在許多國家中與總量管制與交易(cap-and-trade)政策之實施結合的此議題使那些國家以及於國家中操作烴製造系統 的公司以降低CO2排放列為優先事項。
一些降低CO2排放的方法包括燃料去碳化或使用溶劑(諸如胺類)的後燃燒攫取。然而，此二種解決方法昂貴且降低動力產生效率，導致較低的動力產量、增加燃料需求及增加電力成本，以符合國內的動力需求。特別是氧、SOx及NOx成分的存在使得胺溶劑吸收的利用大有問題。另一方法為組合式循環中的含氧燃料氣渦輪機(例如，在此攫取來自氣渦輪機布雷頓(Brayton)循環的排氣熱，以製造蒸汽且在蘭金(Rankin)循環中生產額外的動力)。然而，沒有任何可於此一循環中操作的市售氣渦輪機且生產高純度氧所需之動力顯著地降低方法的總效率。
而且，隨著關於全球氣候變化的議題高漲及二氧化碳排放的衝擊已將重點放在使動力廠的二氧化碳排放減至最低。氣渦輪動力廠具有效率且與核或煤動力產生技術相比可具有較低的成本。自氣渦輪動力廠的排氣攫取二氧化碳因為以下理由而為昂貴的：(a)在排氣煙囪中的低濃度二氧化碳，(b)需要處理大體積的氣體，(c)低壓力的排氣流，及(d)大量的氧存在於排氣流中。所有該等因素導致高成本的二氧化碳攫取。
據此，對低排放、高效率動力產生及CO2攫取方法仍有很大的要求。
在本文所述之低排放動力產生系統中，反而將來自低 排放氣渦輪機之排氣(其係在典型的天然氣組合式循環(NGCC)廠中排出)分離且回收。本發明的設備、系統與方法係將使用氧化劑及烴燃料產生動力之開放式布雷頓循環與二氧化碳分離法合併。二氧化碳分離法係發生在介於壓縮機出氣口壓力與最終膨脹器出氣口壓力之間的壓力下且生成兩種排氣流：一種富二氧化碳(CO2)流和另一貧CO2流。可就相同或不同的目的使用富CO2流和貧CO2流。各流的用途包括注入烴貯存器用於提高油料回收、產生額外的動力、碳隔離或貯存、再循環至渦輪機的燃燒室以冷卻燃燒產物至膨脹器中的材料限制、銷售或排出。
在本發明的系統與方法中，將排離低排放氣渦輪機的燃燒室之高壓排氣在第一高壓膨脹器中部分膨脹，以產生動力。排氣係在升壓下排離第一膨脹器且使用CO2分離法分離成富CO2流和貧CO2流。在分離期間維持貧CO2流的壓力，其容許在第二低壓膨脹器中自貧CO2流提取更多能量。藉由在升壓下在兩個膨脹階段之間操作分離法可使分離裝備的尺寸縮減且可改進分離法的有效性。
在以下的詳細說明段落中，本發明的特定具體例係連同較佳的具體例予以說明。然而，以下說明在一定程度上係專對於本發明的特殊具體例或特殊用途，其意欲以示範為目的而已，且簡單地提供示範性具體例的說明。據此，本發明並不受限於下文所述之特定具體例，但反而包括所 有落在隨附之申請專利範圍的真正精神及範圍內之替代方案、修改及同等物。
如本文所使用之各種術語係定義於下。在申請專利範圍內所使用之術語在一定程度上未定義於下，應給予由相關技藝者按照至少一種經印刷之出版品或頒予之專利中所反映的術語給予之最廣定義。
如本文所使用之術語〝天然氣〞係指從原油井(聯產氣)及/或從含氣體之地下岩層(非聯產氣)所獲得的多成分氣體。天然氣的組成及壓力可顯著變動。典型的天然氣流含有甲烷(CH4)為主要成分，亦即大於天然氣流的50莫耳%為甲烷。天然氣流亦可含有乙烷(C2H6)、較高分子量的烴(例如，C3-C20烴)、一或多種酸氣體(例如，硫化氫)或其任何組合。天然氣亦可含有少量污染物，諸如水、氮、硫化鐵、蠟、原油或其任何組合。
如本文所使用之術語〝化學計量燃燒〞係指具有包含燃料及氧化劑的反應物體積及藉由燃燒反應物所形成之產物體積的燃燒反應，其中整個反應物體積皆用於形成產物。如本文所使用之術語〝實質的化學計量〞燃燒係指具有從約0.9：1至約1.1：1，或更佳從約0.95：1至約1.05：1為範圍之當量比的燃燒反應。本文所使用之術語〝化學計量〞意謂包含化學計量及實質的化學計量條件兩者，除非另有其他指示。
如本文所使用之術語〝流〞係指流體的體積，雖然術語流的使用典型地意謂流體的移動體積(例如，具有速度 或質量流率)。然而，術語〝流〞不需要速度、質量流率或圍住流的特殊管道類型。
目前所揭示之系統與方法的具體例可用於生產超低排放電力及用於提高油料回收(EOR)或隔離應用的CO2。在EOR應用中，將CO2注入產油井或與產油井毗鄰，經常係在超臨界條件下。CO2同時用作為加壓劑及在溶解於地下原油中時顯著地降低油的黏度，能使油更快流經地面至移出井。根據本文所揭示之具體例，可將經壓縮之氧化劑(典型為空氣)與燃料的混合物燃燒且將排氣在第一膨脹階段中膨脹，以產生動力。接著將排氣在升壓下分離成富CO2流和貧CO2流。接著可將貧CO2流在第二膨脹階段中再膨脹，以產生額外的動力。可將富CO2流在一些具體例中再循環且與進入燃燒室用作為稀釋劑的氧化劑混合，以控制或以另外方式調節燃燒溫度及進入後繼膨脹器的排氣溫度。燃燒可為化學計量或非化學計量。
在接近化學計量條件下燃燒(或〝略富含〞燃燒)可證明為有利的，俾以排除過量氧移除的成本。藉由冷卻排氣及冷凝出流之水可生產相當高含量的CO2流。經再循環之排氣的一部分可用於密閉式布雷頓循環中的溫度調節，而餘留部分可用於EOR應用且可在微量或無任何SOx、NOx或CO2排放於大氣下生產電力。例如，可將不再循環之流處理以產生貧CO2流，其接著可在氣體膨脹器中膨脹，以產生額外的機械動力。本文所揭示之系統的結果係在更具經濟效益的水平下生產動力及生產或攫取額外的CO2 。
本發明係指向用於低排放動力產生之系統與方法，其包含方離法，其中將燃燒室的排氣在升壓下分離成為富CO2流和貧CO2流。在一些具體例中，可將富CO2流和貧CO2流中之一或兩者注入一或多個用於提高油料回收(EOR)之烴貯存器中。如本文所使用之術語〝富〞和〝貧〞意謂進入CO2分離法的CO2總量之至少約51%之該CO2係經由富CO2流排離分離法，餘留的CO2係在貧CO2流中排離。在一些具體例中，進入分離法的CO2總量之至少約55%，或至少約60%，或至少約65%，或至少約70%，或至少約75%，或至少約80%，或至少約85%，或至少約90%，或至少約95%係在富CO2流中排離。
在本文的系統與方法中，將一或多種氧化劑壓縮且與一或多種燃料在燃燒室中燃燒。氧化劑可包含任何含氧流體，諸如周圍空氣、富氧空氣、實質的純氧或其組合。一或多種氧化劑可在一或多個壓縮機中壓縮。各壓縮機可包含單階段或多階段。在多階段壓縮機中，可隨意地使用階段間冷卻而容許較高的總壓縮比及較高的總動力輸出。各壓縮機可為任何適合於本文所述之方法的類型，且較佳地為可靠、高效和具高壓縮比。此等壓縮機包括但不限於軸式、離心式、往復式或雙螺旋式壓縮機及其組合。在一或多個具體例中，氧化劑壓縮機或壓縮機類為軸式壓縮機。燃料可包含天然氣、聯產氣、柴油、燃料油、氣化煤、煤焦、石腦油、丁烷、丙烷、乙烷、甲烷、合成氣、煤油、 航空燃料、生質燃料、加氧之烴原料、瀝青、任何其他適合的含烴氣體或液體、氫或其組合。另外，燃料可包含惰性成分，包括但不限於N2或CO2。在一些具體例中，燃料可至少部分由烴貯存器供給，此烴貯存器係經由注入富CO2流或貧CO2流或兩者而受惠於提高之油料回收。在燃燒室中的燃燒條件可為貧條件、化學計量或實質的化學計量條件或富條件。在一或多個具體例中，燃燒條件為化學計量或實質的化學計量。燃料與氧化劑的燃燒典型地可產生介於約2000℉與3000℉之間的溫度。在一些具體例中，燃料室係在或近氧化劑壓縮機的輸出壓力之壓力下操作。
氧化劑與燃料在燃燒室中的燃燒產生排氣流，接著將其膨脹。排氣流包含燃燒產物，且其組成將取決於所使用之燃料與氧化劑的組成而變動。在一或多個具體例中，燃燒室的排氣流可包含蒸發之水、CO2、一氧化碳(CO)、氧、氮、氬、氮氧化物(NOX)、硫氧化物(SOX)、硫化氫(H2S)、烴或其組合。排氣流可在一或多個膨脹器中膨脹。進入膨脹器(或若使用超過一個膨脹器時之膨脹器系統)的排氣流典型地在約與燃燒室的出口溫度及壓力相同的溫度及壓力下。
一或多個膨脹器中之各者可包含單階段或多階段。各膨脹器可為任何適合於本文所述之方法的膨脹器類型，包括但不限於軸式或離心式膨脹器或其組合。各膨脹器較佳地為高效和具高膨脹比。排氣流的膨脹產生動力，其可用 於驅動一或多個壓縮機或發電機。在本發明的一或多個具體例中，膨脹器係經由共軸或其他機械、電或其他動力耦接而與氧化劑壓縮機耦接，使得氧化劑壓縮機至少部分由膨脹器驅動。在其他的具體例中，氧化劑壓縮機可與具有或不具有增速或減速裝置(諸如齒輪箱)的電動馬達或與蒸汽渦輪機經機械耦接。當連在一起時，則氧化劑壓縮機、燃燒室及膨脹器可以開放式布雷頓循環為特徵。
在本發明的一或多個具體例中，使用至少兩個膨脹器階段，在階段中之任兩個之間併有CO2分離法。第一階段為高壓膨脹器，其接受燃燒室的排氣且將相同的氣體在降低的溫度及壓力下輸出至CO2分離法。雖然降低壓力，但是在高壓膨脹器的出氣口之壓力仍比周圍條件高。例如，高壓膨脹器的出氣口壓力可大於約25 psia，或大於約50 psia，或大於約75 psia，或大於約100 psia。
CO2分離法可為任何經設計將經加壓之排氣分離成富CO2流和貧CO2流之適合的方法。排氣成分的分離容許排氣中的不同成分以不同的方式處置。分離法可理想地隔離在排氣中的所有溫室氣體(諸如CO2、CO、NOx、SOx等)於富CO2流中，排氣成分的餘留部分(諸如氮、氧、氬等)係留在貧CO2流中。然而，實際上分離法不可能自貧流抽出所有的溫室氣體，而一些非溫室氣體可餘留在富流中。可使用任何經設計以達成所欲結果之適合的分離法。適合的分離法之實例包括但不限於熱碳酸鉀(〝熱罐〞)分離法、胺分離法、分子篩分離法、薄膜分離法、吸附動 力學分離法、受控制之冷凍區分離法及其組合。在一些具體例中，將熱罐分離法用於CO2分離。在本發明的一或多個具體例中，分離法係在升壓下操作(亦即比周圍壓力高及約與高壓膨脹器的出氣口壓力相同)且經配置以保持加壓之貧CO2流。以此方式維持貧CO2流之壓力容許較小的分離裝備，提供改進之分離有效性及容許自貧CO2流提取更多能量。在一些具體例中，CO2分離法的選擇及配置使貧CO2流之出氣口壓力或出氣口溫度或兩者達到最大。雖然在本文係使用術語〝CO2分離器〞簡單例證或說明本發明特定的具體例，但是應察知該術語意謂包含整個CO2分離法，且未必係指單一設備或方法步驟。
在一或多個具體例中，貧CO2流係在升壓下排離CO2分離器且引導至第二膨脹階段，其可為低壓膨脹器，該膨脹器係經配置以接收經加壓之貧CO2流且在約周圍壓力下輸出相同的氣體。如那些熟諳本技藝者所察知，各膨脹階段接皆產生動力，且由各膨脹器所產生之動力可用於至少部分驅動在所述系統內或外部的一或多個任何構造之壓縮機或發電機。在一或多個具體例中，第一(高壓)膨脹器可合宜地至少部分驅動第一氧化劑壓縮機。在此等具體例中，第一壓縮機、燃燒器及第一膨脹器可為箱裝式氣渦輪機。在相同或其他的具體例中，第二氧化劑壓縮機可用於提供進一步壓縮到達在第一壓縮機之前或之後的燃燒器之氧化劑進料，且第二(低壓)膨脹器可至少部分驅動第二氧化劑壓縮機。在此等具體例中，第一和第二壓縮機、燃 燒器及第一和第二膨脹器可為箱裝式氣渦輪機。另一選擇地，一個膨脹器可用於驅動氧化劑壓縮機，而另一膨脹器可用於驅動管道或注入壓縮機，以壓縮用於注入貯存器供貯存或EOR的富CO2流(或貧CO2流)。在此等構造中，管道或注入壓縮機可位於本文所述之動力產生系統的附近地區。
雖然如本文所述之CO2分離法較佳地位於膨脹階段之間，但是分離可另選擇發生在第一膨脹階段之前。在此等構造中，將燃燒室的排氣直接提供至分離器且分離器生產如本文所述之富CO2流和貧CO2流。接著可將貧CO2流引導至一或多個膨脹器或膨脹階段，且亦可將富CO2流膨脹或可以下文更詳細說明的各種方式處理。
在一或多個具體例中，貧CO2流可在低壓膨脹階段之前隨意地加熱。此加熱可使用任何適合的加熱裝置完成。例如，一或多個熱交換器或交叉交換器可經配置以將熱在貧CO2流進入低壓膨脹器之前轉移至貧CO2流。一或多個熱或交叉交換器可經配置以轉移來自各種來源的熱，諸如來自第一燃燒器的排放物或來自高壓膨脹器的排放物。在相同或其他的具體例中，可將貧CO2流在位於高壓與低壓膨脹階段之間的第二燃燒室中加熱。使用第二燃燒室需要供給額外的燃料，其可與供給至第一燃燒室之燃料相同或不同。在一些具體例中，供給至第二燃燒室且於其中燃燒之燃料包含氫。第二燃燒室所需之氧化劑可經由分開的氧化劑流供給，或在貧CO2流中可有足夠的氧化劑，所以不 必額外供給氧化劑。藉由在方法的低壓膨脹階段之前加熱貧CO2流可增加低壓膨脹器的動力產生。
在一或多個具體例中，貧CO2流(在膨脹後)或富CO2流或兩者可通過一或多個熱回收蒸汽產生器(HRSG)。一或多個HRSG可經配置以利用在流中之一或兩者中的殘餘熱產生蒸汽。由一或多個HRSG所產生之蒸汽可用於各種目的，諸如驅動在蘭金循環中的蒸汽渦輪產生器、驅動在機械驅動維修中的蒸汽渦輪機或水脫鹽作用。在貧CO2流和富CO2流各自引導至HRSG時，由各HRSG所產生之蒸汽可用於相同或不同的應用。再者，若任何殘餘熱餘留在排離一或多個HRSG之貧或富CO2流中之任一者或兩者中，則系統可另外包含一或多個經配置以轉移熱至無蒸汽運轉流體的熱交換器。在此等具體例中，無蒸汽運轉流體可隨意地用於驅動蘭金循環中的膨脹器。
富CO2流和貧CO2流中之各者可全部或部分用於各種應用，且兩種流可用於相同或不同的應用。例如，可將富CO2流的至少一部分再循環且與進入燃燒室的氧化劑混合，或直接添加至燃燒室中用作為稀釋劑，以控制或以另外方式調節燃燒溫度及進入後繼膨脹器的排氣溫度。在此等實例中，系統可以包含密閉式布雷頓循環為特徵。在相同或其他的具體例中，可將富CO2流注入烴貯存器中供提高油料回收(EOR)，可引導至貯存器中供碳隔離或貯存。亦可將富CO2流銷售、排出或閃燄(flared)。在一或多個具體例中，貧CO2流亦可用於EOR。在相同或其他的具 體例中，可將貧CO2流銷售、排出或閃燄。
除了本文所述之低排放動力產生系統與方法以外，本發明可包含更多元件。例如，在一些具體例中，系統可另外包含一或多個烴貯存器、注入井及/或經配置以增加富CO2流壓力且運送用於注入之流至烴貯存器中的壓縮和管道系統。在相同或其他的具體例中，系統可另外包含用於燃料之管道系統，使氣體自烴貯存器運送至動力產生系統。在相同或其他的具體例中，系統可另外包含經配置以運送發電機之電力的電系統，以至少部分發動一或多個於系統內的壓縮機或至少部分發動管道系統。
現參考圖形，圖1例證動力產生系統100，其經配置以提供在燃燒後分離及攫取CO2。在至少一個具體例中，動力產生系統100可具有經由共軸108或其他機械、電或其他動力耦接而與第一膨脹器106耦接之第一壓縮機118，從而容許由第一膨脹器106所產生之機械能的一部分驅動第一壓縮機118。第一膨脹器106亦可產生供其他用途的動力，諸如發動另一壓縮機、發電機或類似物。第一壓縮機118及第一膨脹器106可分別構成標準的氣渦輪機之壓縮機及膨脹器的末端。然而，在其他的具體例中，第一壓縮機118及第一膨脹器106可為系統中的個別化組件。
系統100亦可包括第一燃燒室110，其經配置以燃燒與經壓縮之氧化劑114混合的第一燃料流112。在一或多個具體例中，第一燃料流112可包括任何適合的烴氣體或液體，諸如天然氣、甲烷、乙烷、石腦油、丁烷、丙烷、 合成氣、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生之燃料、生質燃料、瀝青、加氧之烴原料或其組合。第一燃料流112亦可包含氫。經壓縮之氧化劑114可得自與第一燃燒室110經流體耦接且適合於壓縮氧化劑進料120之第一壓縮機118。雖然本文的討論係假定氧化劑進料120為周圍空氣，但是氧化劑可包含任何適合的含氧氣體，諸如空氣、富氧空氣、實質的純氧或其組合。在本文的一或多個具體例中，第一燃燒室110係在約與第一壓縮機118的排放壓力相同的壓力下操作。在一或多個具體例中，連在一起的第一壓縮機118、第一燃燒室110及第一膨脹器106可以開放式布雷頓循環為特徵。
排氣流116係由第一燃料流112與經壓縮之氧化劑114的燃燒產物而產生且引導至第一膨脹器106的進氣口。在至少一個具體例中，第一燃料流112主要可為天然氣，從而產生包括蒸發之水、CO2、CO、氧、氮、氮氧化物(NOx)及硫氧化物(SOx)之體積部分的排氣流116。在一些具體例中，未燃燒之燃料112的一小部分或其他化合物亦可由於燃燒平衡的限制而存在於排氣流116中。當排氣流116經過膨脹器106膨脹時，其產生機械動力以驅動第一壓縮機118或其他設施，且亦生產氣態排氣流122。在一或多個具體例中，第一膨脹器106係在實質上等於第一燃燒室出氣口溫度及壓力之溫度及壓力下接受排氣流116，且在降低但仍高於周圍條件的溫度及壓力下輸出相同的氣體。
系統100亦可包括CO2分離系統。在一或多個具體例中，將氣態排氣流122引導至CO2分離器140。CO2分離器140可使用經設計將氣態排氣流122分離成富CO2流142和貧CO2流144之各種分離法中之任一者。例如，分離器140可經設計以將氣態排氣流使用化學分離法分離，諸如熱碳酸鉀(〝熱罐〞)分離法、胺分離法或使用溶劑(諸如二醇)之分離法。其他的分離法包括使用薄膜的物理分離法，或諸如吸附動力學分離法或受控制之冷凍區分離法之方法。在一些具體例中，可使用前述分離法之組合。富CO2流142可用於各種下游應用，諸如注入烴貯存槽中供提高油料回收(EOR)、碳隔離、貯存、銷售或再循環至第一燃燒室110用作為稀釋劑，以促進經壓縮之氧化劑114與第一燃料112的燃燒且增加排氣流116中之CO2濃度。亦可將富CO2流142排出或閃燄。在一或多個具體例中，CO2分離法可經配置以使貧CO2流144的溫度或壓力達到最大。
在一或多個具體例中，貧CO2流144可隨意地用於額外的動力產生。例如，可將貧CO2流144在熱交換器150中加熱，該熱交換器係經配置以將熱自氣態排氣流122轉移至貧CO2流144。在排離熱交換器150時，接著可將貧CO2流144引導至第二燃燒室130，其經配置以燃燒第二燃料流132，將額外的熱添加至貧CO2流144中。第二燃料流可具有與第一燃料流112相同的組成物，或可具有不同的組成物。例如，第二燃料流132主要可包含氫。在一 或多個具體例中，第二燃燒室130的操作壓力比第一燃燒室110低。
將來自第二燃燒室130的經再加熱之貧CO2流162引導至第二膨脹器160。第二膨脹器160通常在比第一膨脹器106低的壓力下操作。例如，在一或多個具體例中，第二膨脹器在比周圍壓力高的壓力下接受來自CO2分離法的經再加熱之貧CO2流162且在約周圍壓力下經由經膨脹之貧CO2流164輸出相同的氣體。由第二膨脹器160所產生之動力可用於各種目的，諸如至少部分驅動第一壓縮機118或一或多個額外的壓縮機(未顯示)，或驅動發電機。在一些具體例中，當富CO2流或貧CO2流注入貯存器中供貯存或EOR時，第二膨脹器160可用於驅動管道或注入壓縮機。
在一或多個具體例中，可將經膨脹之貧CO2流164引導至熱回收蒸汽產生器(HRSG)170，其經配置以使用在經膨脹之貧CO2流164中的殘餘熱，以產生蒸汽174。蒸汽174可具有各種用途，諸如藉由驅動在蘭金循環中的蒸汽渦輪產生器而產生額外的動力或水脫鹽作用。排離HRSG 170的經冷卻之貧CO2流172(與富CO2流142一樣)亦可用於各種應用，包括EOR、貯存、銷售、排出或閃燄。
現參考圖2，其描述圖1之動力產生系統100的替代構造，以系統200具體化及說明。如此，可參考圖1而對圖2有最好的瞭解。在圖2之系統200中，將富CO2流 142的至少一部分再循環至燃燒室，以達成在動力產生系統的運轉流體中較高的CO2濃度，從而容許更有效的CO2分離供後續的隔離、壓力維持或EOR應用。為完成此事，第一燃燒室110適合以化學計量燃燒第一燃料112與經壓縮之氧化劑114的進入混合物。為了調節燃燒溫度以符合第一膨脹器106進氣口溫度及成份冷卻的需求，可將富CO2流的一部分作為稀釋劑注入第一燃燒室110中。因此，本發明的具體例基本上可排除任何來自運轉流體的過量氧，且同時增加其CO2組成。
雖然圖2中所例證之再循環迴路併有各種設備，但是所例證之構造僅為代表而已，並可使用任何將富CO2流142再循環返回第一燃燒室110的系統，以完成本文所陳述之目標。在一或多個具體例中，可將富CO2流142送至第二HRSG 210，俾以產生蒸汽流216及經冷卻之富CO2氣體212。可將蒸汽216隨意地送至蒸汽氣渦輪機(未顯示)，以產生額外的電力。在此等構造中，第二HRSG 210與蒸汽氣渦輪機的組合可以密閉式蘭金循環為特徵。
在一或多個具體例中，可將排離第二HRSG 210的經冷卻之富CO2氣體212送至至少一個冷卻單元230，其經配置以降低經冷卻之富CO2氣體212的溫度且產生經冷卻之CO2再循環流232。在一或多個具體例中，冷卻單元230在本文考慮為直接接觸冷卻器(DCC)，但是可為任何適合的冷卻裝置，諸如直接接觸冷卻器、蛇行管冷卻器、機械冷凍單元或其組合。冷卻單元230亦可經配置以經 由水漏失流234移除經冷凝之水的一部分。在一或多個具體例中，可將經冷卻之富CO2氣體212引導至與冷卻單元230經流體耦接之鼓風機或增壓壓縮機220。在此等具體例中，經壓縮的經冷卻之富CO2流212排離鼓風機220且引導至冷卻單元230。
再者，雖然在圖2之系統200中所示之再循環迴路證明100%之CO2再循環，但是在一些情況中可能希望將再循環迴路中之CO2僅一部分再循環至燃燒室110。在此等事例中，可添加一或多種提取流(未顯示)，以轉移來自再循環迴路之CO2的一部分，而將CO2的餘留部分再循環，如本文所述。經提取之CO2部分可在許多位置上(未顯示)經由提取流而自再循環迴路抽出，諸如從流212、222、232或242。經提取之CO2可用於各種目的，諸如用於EOR、隔離、貯存、銷售或排出。
鼓風機220可經配置以增加經冷卻之富CO2氣體212在引入再循環壓縮機240之前的壓力。在一或多個具體例中，鼓風機220增加經冷卻之富CO2氣體212的整體密度，從而使相同的體積流量以增加之質量流率引導至再循環壓縮機240。因為再循環壓縮機240典型地受體積流量所限制，所以引導更多的質量流量經過再循環壓縮機240可導致來自再循環壓縮機240的更高排放壓力，從而橫跨第一膨脹器106轉換成更高的壓力比。橫跨第一膨脹器106所產生更高的壓力比可容許更高的進氣口溫度，且因此增加第一膨脹器106的動力及效率。此可證明為有利的，因 為富CO2排氣流116通常維持較高的比熱容量。據此，冷卻單元230及鼓風機220在併入時每個皆可適合於優化或改進動力產生系統200的操作。
再循環壓縮機240可經配置以壓縮經冷卻之CO2再循環流232至名義上高於第一燃燒室110壓力的壓力，從而產生經壓縮之富CO2再循環流242。在至少一個具體例中，沖洗流(未顯示)可自富CO2再循環流242流出，且隨意地在額外的CO2分離器(諸如一種與CO2分離器140類似者)或其他設備(未顯示)中處理，以攫取CO2。經分離之CO2可用於銷售、用於另一需要二氧化碳的方法中及/或壓縮且注入陸上貯油槽中供提高油料回收(EOR)、隔離或另外的目的。
在未於本文描述的一些具體例中，代替經再循環之富CO2流或除了該流以外，高壓蒸汽亦可用作為燃燒法中的冷卻劑。在此等具體例中，添加蒸汽可減少在再循環迴路中的動力及尺寸需求(或完全排除再循環迴路)，但可能需要加入水再循環迴路。
另外，在未於本文描述的更多具體例中，到達燃燒室的經壓縮之氧化劑進料可包含氬。例如，氧化劑可包含從約0.1至約5.0體積%之氬，或從約1.0至約4.5體積%之氬，或從約2.0至約4.0體積%之氬，或從約2.5至約3.5體積%之氬，或約3.0體積%之氬。如那些熟諳本技藝者所察知，併有氬的經壓縮之氧化劑進料可能需要在主壓縮機與燃燒室之間加入交叉交換器或類似裝置，其經配置以移 除再循環流的過量CO2且使氬在適當的燃燒用溫度下返回燃燒室。
現參考圖3，其描述圖1之動力產生系統100的替代構造，以系統300具體化及說明。如此，可參考圖1而對圖3有最好的瞭解。在圖3之系統300中，併有第二壓縮機310以提供氧化劑進料120額外的初步壓縮。第二壓縮機310可經由共軸308或其他機械、電或其他動力耦接而與第二膨脹器160耦接，從而容許由第二膨脹器160所產生之機械能的一部分驅動第二壓縮機310。經加壓之氧化劑流312排離第二壓縮機且引導至第一壓縮機118，其依次進一步壓縮氧化劑且產生經壓縮之氧化劑114，並引導經壓縮之氧化劑114至第一燃燒室。
現參考圖4，其描述圖1之動力產生系統100的簡化之替代構造，以系統400具體化及說明。如此，可參考圖1而對圖4有最好的瞭解。在圖4之系統400中，CO2分離法係位於第一膨脹器106的上游。據此，排氣流116排離第一燃燒室110且直接供給至分離器140。如上文所述，分離器140將排氣流116分離成富CO2流142和貧CO2流144。可進一步處理、再循環或使用富CO2流142，如上文更詳細的說明。將貧CO2流144在第一膨脹器106中膨脹，且亦可進一步處理或使用所得貧CO2排放流410，如上文更詳細的說明。例如，可將貧CO2排放流410在第二燃燒器中再加熱且再膨脹，以產生額外的動力(未顯示)。
雖然本發明可容許各種修改及替代形式，但是上文所討論的示範性具體例僅以實例的方式顯示。本文所述之任何具體例的任何特性或構造可與任何其他具體例或與多樣的其他具體例(至可實行的程度)組合，且意欲使所有此等組合在本發明的範圍內。另外，應瞭解不意欲使本發明受限於本文所揭示的特殊具體例。事實上，本發明包括所有落在隨附之申請專利範圍的真正精神及範圍內之替代方案、修改及同等物。
100,200,300,400‧‧‧動力產生系統
106‧‧‧第一膨脹器
108,308‧‧‧共軸
110‧‧‧第一燃燒室
112‧‧‧第一燃料流
114‧‧‧經壓縮之氧化劑
116‧‧‧排氣流
118‧‧‧第一壓縮機
120‧‧‧氧化劑進料
122‧‧‧氣態排氣流
130‧‧‧第二燃燒室
132‧‧‧第二燃料流
140‧‧‧CO2分離器
142‧‧‧富CO2流
144‧‧‧貧CO2流
150‧‧‧熱交換器
160‧‧‧第二膨脹器
162‧‧‧經再加熱之貧CO2流
164‧‧‧經膨脹之貧CO2流
170‧‧‧熱回收蒸汽產生器(HRSG)
172‧‧‧經冷卻之貧CO2流
174‧‧‧蒸汽
210‧‧‧第二HRSG
212‧‧‧經冷卻之富CO2氣體
216‧‧‧蒸汽
220‧‧‧鼓風機或增壓壓縮機
222‧‧‧流
230‧‧‧冷卻單元
232‧‧‧經冷卻之CO2再循環流
234‧‧‧水漏失流
240‧‧‧再循環壓縮機
242‧‧‧經壓縮之富CO2再循環流
310‧‧‧第二壓縮機
312‧‧‧經加壓之氧化劑流
410‧‧‧貧CO2排放流
在審視以下的詳細說明及具體例的非限制性實例之圖形時，可使本發明的前述及其他優點變得顯而易見，其中：
圖1描述併有在兩個膨脹階段之間的CO2分離之低排放動力產生系統。
圖2描述併有CO2分離及富CO2流再循環之低排放動力產生系統。
圖3描述併有CO2分離及第二進氣口壓縮機之低排放動力產生系統。
圖4描述併有在膨脹器上游的CO2分離之低排放動力產生系統。
100‧‧‧動力產生系統
106‧‧‧第一膨脹器
108‧‧‧共軸
110‧‧‧第一燃燒室
112‧‧‧第一燃料流
114‧‧‧經壓縮之氧化劑
116‧‧‧排氣流
118‧‧‧第一壓縮機
120‧‧‧氧化劑進料
122‧‧‧氣態排氣流
130‧‧‧第二燃燒室
132‧‧‧第二燃料流
140‧‧‧CO2分離器
142‧‧‧富CO2流
144‧‧‧貧CO2流
150‧‧‧熱交換器
160‧‧‧第二膨脹器
162‧‧‧經再加熱之貧CO2流
164‧‧‧經膨脹之貧CO2流
170‧‧‧熱回收蒸汽產生器(HRSG)
172‧‧‧經冷卻之貧CO2流
174‧‧‧蒸汽

Claims (33)

  1. 一種動力產生系統，其包含：第一壓縮機，其經配置以接收及壓縮一或多種氧化劑；第一燃燒室，其經配置以接收及燃燒該經壓縮之氧化劑及至少一種第一燃料，以產生排氣流；第一膨脹器，其經配置以接收來自該壓縮機的該排氣流且產生氣態排氣流；及分離器，其經配置以接收及分離該氣態排氣流成為富CO2流及貧CO2流。
  2. 根據申請專利範圍第1項之系統，其另外包含第二膨脹器，該第二膨脹器係經配置以接收及膨脹該貧CO2流。
  3. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該第一膨脹器至少部分驅動該第一壓縮機。
  4. 根據申請專利範圍第2項之系統，其另外包含第二壓縮機，該第二壓縮機係經配置以接收及壓縮一或多種氧化劑且輸送經壓縮之氧化劑至該第一壓縮機。
  5. 根據申請專利範圍第4項之系統，其中該第二膨脹器至少部分驅動該第二壓縮機。
  6. 根據申請專利範圍第2項之系統，其中該第一膨脹器之操作壓力比該第二膨脹器之操作壓力高。
  7. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該第一燃料包含天然氣、油、焦炭、煤、氫、瀝青或其組合。
  8. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該氧化劑包含空氣、富氧空氣、氧或其組合。
  9. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該分離器係使用選自熱碳酸鉀分離法、分子篩分離法、胺分離法、薄膜分離法、吸附動力學分離法、受控制之冷凍區分離法或其組合之分離法。
  10. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中將該富CO2流的至少一部分再循環至該第一燃燒室。
  11. 根據申請專利範圍第1項之系統，其另外包含熱交換器，該熱交換器係經配置以將來自該第一膨脹器之排放的熱轉移至該貧CO2流。
  12. 根據申請專利範圍第1項之系統，其另外包含第二燃燒室，該第二燃燒室係經配置以燃燒一或多種氧化劑及第二燃料，以加熱該貧CO2流。
  13. 根據申請專利範圍第12項之系統，其中該第二燃料包含氫。
  14. 根據申請專利範圍第2項之系統，其另外包含熱回收蒸汽產生器，該熱回收蒸汽產生器係經配置以使用來自排離該第二膨脹器之貧CO2流的熱，以產生蒸汽。
  15. 根據申請專利範圍第1項之系統，其另外包含熱回收蒸汽產生器，該熱回收蒸汽產生器係經配置以使用來自排離該分離器之富CO2流的熱，以產生蒸汽。
  16. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該第一燃燒室經進一步配置以接收高壓蒸汽。
  17. 一種產生動力之方法，其包含：將一或多種氧化劑在第一壓縮機中壓縮；將該經壓縮之氧化劑及至少一種第一燃料供給至第一燃燒室；將該經壓縮之氧化劑及該至少一種燃料在該第一燃燒室中燃燒，以產生排氣流；將該排氣流在第一膨脹器中膨脹，以產生氣態排氣流；及將該氣態排氣流分離成富CO2流及貧CO2流。
  18. 根據申請專利範圍第17項之方法，其另外包含在第二膨脹器中膨脹該貧CO2流。
  19. 根據申請專利範圍第17項之方法，其另外包含在第二壓縮機中壓縮一或多種氧化劑且將該經壓縮之氧化劑供給至該第一壓縮機。
  20. 根據申請專利範圍第17項之方法，其中該第一燃料包含天然氣、油、焦炭、煤、其他烴、氫或其組合。
  21. 根據申請專利範圍第17項之方法，其中該氧化劑包含空氣、富氧空氣、氧或其組合。
  22. 根據申請專利範圍第18項之方法，其另外包含在比該第二膨脹器之壓力為高的壓力下操作該第一膨脹器。
  23. 根據申請專利範圍第17項之方法，其中該氣態排氣流係使用選自熱碳酸鉀分離法、胺分離法、分子篩分離法、薄膜分離法、吸附動力學分離法、受控制之冷凍區 分離法或其組合之分離法分離。
  24. 根據申請專利範圍第17項之方法，其另外包含將該富CO2流的至少一部分再循環至該第一燃燒室。
  25. 根據申請專利範圍第18項之方法，其另外包含在該第二膨脹器中膨脹該貧CO2流之前加熱該貧CO2流。
  26. 根據申請專利範圍第25項之方法，其中該貧CO2流係在熱交換器中加熱。
  27. 根據申請專利範圍第25項之方法，其中該貧CO2流係藉由在第二熱交換器中燃燒一或多種氧化劑及第二燃料而加熱。
  28. 根據申請專利範圍第27項之方法，其中該第二燃料包含氫。
  29. 根據申請專利範圍第18項之方法，其另外包含使用來自該貧CO2流之熱在熱回收蒸汽產生器中產生蒸汽。
  30. 根據申請專利範圍第17項之方法，其另外包含使用來自富CO2流之熱在熱回收蒸汽產生器中產生蒸汽。
  31. 根據申請專利範圍第17項之方法，其另外包含將該富CO2流注入烴貯存器中。
  32. 根據申請專利範圍第17項之方法，其另外包含將該貧CO2流注入烴貯存器中。
  33. 根據申請專利範圍第17項之方法，其另外包含將高壓蒸汽供給至該第一燃燒室。
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