低排放三循环动力产生系统和方法技术方案

本申请的名称为低排放三循环动力产生系统和方法。提供了用于联合循环动力工厂中的低排放动力产生的方法和系统。一个系统包含燃气涡轮系统，其在压缩的再循环流的存在下化学计量地燃烧燃料和氧化剂，以提供机械动力和气态废气。压缩的再循环流用作稀释剂以调节燃烧工艺的温度。增压器可在气态废气被压缩成为压缩的再循环流之前提高气态废气的压力。净化流从压缩的再循环流流出并且被引导至排出CO2和富氮气体的CO2分离器，CO2和富氮气体可在气体膨胀器中膨胀以产生额外的机械动力。

【技术实现步骤摘要】
低排放三循环动力产生系统和方法本申请是分案申请，原申请的申请日为2011年6月9日、申请号为201180033204X(PCT/US2011/039826)、专利技术名称为“低排放三循环动力产生系统和方法”。相关申请的交叉引用本申请要求于2010年7月2日提交的，名称为“LowEmissionTriple-CyclePowerGenerationSystemsandMethods(低排放三循环动力产生系统和方法)”的美国临时专利申请61/361,173的权益，其在此通过引用全文并入。本申请含有涉及以下的主题：于2010年7月2日提交的，名称为“SystemsandMethodsforControllingCombustionofaFuel(控制燃料燃烧的系统和方法)”的美国专利申请号61/361,169；于2010年7月2日提交的，名称为“LowEmissionTriple-CyclePowerGenerationSystemsandMethods(低排放三循环动力产生系统和方法)”的美国专利申请号61/361,170；于2010年7月2日提交的，名称为“StoichiometricCombustionWithExhaustGasRecirculationandDirectContactCooler(具有废气再循环和直接接触冷却器的化学计量的燃烧)”的美国专利申请号61/361,176；于2010年7月2日提交的，名称为“StoichiometricCombustionofEnrichedAirWithExhaustGasRecirculation(具有废气再循环的富集空气的化学计量的燃烧)”的美国专利申请号61/361,178，和于2010年7月2日提交的，名称为“LowEmissionPowerGenerationSystemsandMethods(低排放动力产生系统和方法)”的美国专利申请号61/361,180。
本公开的实施方式涉及联合循环动力系统中的低排放动力产生。更具体地，本公开的实施方式涉及为了增强的CO2制造和捕获以及富氮气体的膨胀或压缩，化学计量地燃烧燃料的方法和装置。
技术介绍
本章节意欲介绍本领域的多个方面，其可与本公开的示例性实施方式相关。相信该讨论帮助提供框架，以便于更好地理解本公开的具体方面。因此，应当理解应据此阅读本章节，并不必承认为现有技术。很多产油国家正经历动力需求的强烈国内增长并对提高采收率法采油(EOR)感兴趣，以提高从他们油藏采油。两种常见的EOR技术包含用于油藏压力保持的氮气(N2)注入和用于EOR的混相驱动(miscibleflooding)的二氧化碳(CO2)注入。也存在关于温室气体(GHG)排放的全球关注。该关注连同很多国家中的限制和交易政策的执行使得减少CO2排放成为这些和其他国家以及其中操作烃生产系统的公司优先考虑的事。一些降低CO2排放的方法包含燃料去碳化或利用溶剂诸如胺类的燃烧后捕获。然而，这两种方案昂贵并降低动力产生效力，导致较低的动力产生、增加的燃料需求和增加的电成本以满足国内动力需求。具体地，氧、SOX和NOX成分的存在使得胺溶剂吸收的使用非常成问题。另一种方法是在结合循环中的含氧燃料(oxyfuel)燃气涡轮(例如，其中来自燃气涡轮布雷顿循环的废热被捕获以制造蒸汽并且在兰金循环中产生额外的动力)。然而，没有可在这样的循环中运转的商业可得的燃气涡轮，并且生产高纯氧要求的动力显著降低了该工艺的总体效力。一些研究已经比较了这些工艺并显示每种方法的一些优势。见例如BOLLAND，OLAV，和UNDRUM，HENRIETTE，RemovalofCO2fromGasTurbinePowerPlants:Evaluationofpre-andpost-combustionmethods，SINTEFGroup，foundathttp://www.energy.sintef.no/publ/xergi/98/3/3art-8-engelsk.htm(1998)。降低CO2排放的其他方法包含诸如在天然气联合循环(NGCC)中的化学计量的废气再循环。在常规NGCC系统中，仅要求大约40％的空气吸入体积，以提供燃料的充分的化学计量的燃烧，而剩余60％的空气体积用于调节温度和冷却烟道气，以便适于引入随后的膨胀器，但也不利地产生难以去除的过量的氧副产品。典型的NGCC产生低压烟道气，其要求一部分产生的动力提取CO2，用于埋存(sequestration)或EOR，由此减少NGCC的热效力。进一步，用于CO2提取的设备大并且昂贵，而且需要数个压缩阶段以便使环境压力气体达到EOR或埋存所需的压力。这样的限制是来自与其他化石燃料诸如煤的燃烧相关的低压烟道气的燃烧后碳捕获的典型特征。因此，仍然存在对低排放、高效力动力产生和CO2捕获或制造工艺的实质需要。
技术实现思路
本公开涉及操作系统的三循环动力产生系统和方法。在一个示例性系统中，综合系统包括燃气涡轮系统、废气再循环系统和气体膨胀器。燃气涡轮系统具有第一燃烧室，其被配置用于在压缩的再循环流的存在下化学计量地燃烧第一压缩的氧化剂和第一燃料。燃烧室引导第一排出物流至膨胀器，以产生气态废流和至少部分地驱动主压缩机。废气再循环系统接收来自燃气涡轮系统的膨胀器的气态废流并从其中含有的热能产生动力，诸如通过热回收蒸汽产生单元。废气再循环系统进一步按路线发送废气流至主压缩机，在那里将其压缩以产生压缩的再循环流。压缩的再循环流被引导至燃烧室以用作稀释剂，其被配置用于调节第一排出物流的温度。综合系统进一步包含经净化流流体连接至压缩的再循环流的CO2分离器。CO2分离器从净化流产生富含CO2流和残余流，包括富氮气体。如以上指示的，综合系统也包含气体膨胀器。气体膨胀器经残余流被流体连接至CO2分离器，因为其适于通过使残余流膨胀产生动力。在操作三循环动力产生系统的示例性方法中，产生动力的方法可包括在第一燃烧室中和在压缩的再循环流的存在下，化学计量地燃烧第一压缩的氧化剂和第一燃料。燃烧可从而产生第一排出物流。压缩的再循环流可用作稀释剂，其被配置用于调节第一排出物流的温度。该方法进一步包含在膨胀器中使第一排出物流膨胀以至少部分地驱动第一压缩机并产生气态废流。第一排出物流的膨胀可产生额外的动力用于其他用途。该方法进一步包含引导气态废流进入第一压缩机，其中第一压缩机压缩气态废流并从而产生压缩的再循环流。仍然进一步地，该方法包含经净化流提取一部分压缩的再循环流至CO2分离器，CO2分离器经源于CO2分离器并主要由富氮气体组成的残余流流体连接至气体膨胀器。示例性方法进一步包含在气体膨胀器中使残余流膨胀，以产生机械动力和废气。附图说明本公开的上述和其他优势可在回顾以下详细描述和实施方式的非限制性实施例的附图后变得显而易见，其中：图1描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的CO2回收的综合系统。图2描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的CO2回收的另一个综合系统。图3描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的CO2回收的另一个综合系统。图4描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
综合系统，包括：具有第一燃烧室的燃气涡轮系统，所述第一燃烧室被配置用于在压缩的再循环流的存在下基本上化学计量地燃烧第一压缩的氧化剂和第一燃料，以便供应的氧与化学计量的燃烧需要的氧的比为0.9:1至1.1:1，其中所述燃烧室引导第一排出物流至膨胀器，以产生气态废流并且至少部分地驱动主压缩机；放置在所述第一燃烧室的出口上并且适于分别测量所述气态废流的温度或氧浓度的至少一个热电偶或氧传感器，其中来自所述热电偶或氧传感器的至少一个测量用于(i)调节注入所述第一燃烧室的所述第一燃料和所述第一压缩的氧化剂的比，以维持基本上化学计量的燃烧条件；或(ii)修改作为稀释剂以冷却燃烧产物至要求的膨胀器入口温度需要的所述气态废流的体积；或二者；废气再循环系统，其包括至少一个增压器，所述增压器被配置用于在引导冷却的再循环气体进入所述主压缩机之前接收和提高所述气态废流的压力，其中所述主压缩机压缩所述气态废流并且从而产生所述压缩的再循环流，所述压缩的再循环流用作稀释剂，其被配置用于调节所述第一排出物流的温度；CO2分离器，其经净化流流体连接至所述压缩的再循环流；催化装置，其与所述净化流结合放置并且配置用于在所述净化流进入所述CO2分离器之前降低所述净化流中的氧含量；和第二燃烧室，其经源于所述CO2分离器的主要由富氮气体组成的残余流流体连接至所述CO2分离器，其中所述第二燃烧室被配置用于基本上化学计量地燃烧所述残余流、源自与所述第一燃料相同来源的第二燃料和源自与所述第一压缩的氧化剂相同来源的第二压缩的氧化剂的组合；和气体膨胀器，其经第二排出物流与所述第二燃烧室流体连接。...

【技术特征摘要】
2010.07.02 US 61/361,1731.综合系统，包括：具有第一燃烧室的燃气涡轮系统，所述第一燃烧室被配置用于在压缩的再循环流的存在下基本上化学计量地燃烧第一压缩的氧化剂和第一燃料，以便供应的氧与化学计量的燃烧需要的氧的比为0.9:1至1.1:1，其中所述燃烧室引导第一排出物流至膨胀器，以产生气态废流并且至少部分地驱动主压缩机；放置在所述第一燃烧室的出口上并且适于分别测量所述气态废流的温度或氧浓度的至少一个热电偶或氧传感器，其中来自所述热电偶或氧传感器的至少一个测量用于(i)调节注入所述第一燃烧室的所述第一燃料和所述第一压缩的氧化剂的比，以维持基本上化学计量的燃烧条件；或(ii)修改作为稀释剂以冷却燃烧产物至要求的膨胀器入口温度需要的所述气态废流的体积；或二者；废气再循环系统，其包括至少一个增压器，所述增压器被配置用于在引导冷却的再循环气体进入所述主压缩机之前接收和提高所述气态废流的压力，其中所述主压缩机压缩所述气态废流并且从而产生所述压缩的再循环流，所述压缩的再循环流用作稀释剂，其被配置用于调节所述第一排出物流的温度；CO2分离器，其经净化流流体连接至所述压缩的再循环流；催化装置，其与所述净化流结合放置并且配置用于在所述净化流进入所述CO2分离器之前降低所述净化流中的氧含量；和第二燃烧室，其经源于所述CO2分离器的主要由富氮气体组成的残余流流体连接至所述CO2分离器，其中所述第二燃烧室被配置用于基本上化学计量地燃烧所述残余流、源自与所述第一燃料相同来源的第二燃料和源自与所述第一压缩的氧化剂相同来源的第二压缩的氧化剂的组合；和气体膨胀器，其经第二排出物流与所述第二燃烧室流体连接。2.权利要求1所述的系统，进一步包括流体连接至所述至少一个增压器的第一冷却单元和第二冷却单元，所述第一冷却单元被配置用于在所述气态废流进入所述至少一个增压器之前接收和冷却所述气态废流，和所述第二冷却单元被配置用于接收来自所述至少一个增压器的所述气态废流并且进一步冷却所述气态废流以产生所述冷却的再循环气体。3.权利要求1所述的系统，进一步包括加热器构件，其适于加热所述残余流产生加热的氮蒸气流。4.权利要求3所述的系统，其中所述气体膨胀器被配置用于使所述加热的氮蒸气膨胀并且从而产生机械动力和废气。5.权利要求4所述的系统，进一步包括由通过所述气体膨胀器产生的所述机械动力驱动的入口压缩机，其中所述入口压缩机被配置用于提供所述第一压缩的氧化剂。6.权利要求3所述的系统，其中所述加热器构件包括流体连接至所述净化流和所述残余流两者的热交换器，所述热交换器被配置用于在所述催化装置中处理之后降低所述净化流的温度并且同时升高所述残余流的温度。7.权利要求1所述的系统，其中所述气体膨胀器被配置用于使所述第二排出物流膨胀并且从而产生机械动力和废气。8.产生动力的方法，包括：在第一燃烧室中并在压缩的再循环流的存在下基本上化学计量地燃烧第一压缩的氧化剂和第一燃料，以便供应的氧与化学计量的燃烧需要的氧的比为0.9:1至1.1:1，从而产生第一排出物流，其中所述压缩的再循环流用作稀释剂，其被配置用于调节所述第一排出物流的温度；使用放置在所述第一燃烧室的出口上的至少一个热电偶或氧传感器分别地测量所述第一排出物流的温度和氧浓度的一个或两个，使用来自所述热电偶或氧传感器的至少一个测量(i)调节注入所述第一燃烧室的所述第一燃料和所述第一压缩的氧化剂的比，以维持基本上化学计量的燃烧条件；或(ii)修改稀释剂的体积；或二者；在膨胀器中使所述第一排出物流膨胀，以至少部分地驱动第一压缩机并且产生气态废流；引导所述气态废流进入所述第一压缩机，其中所述第一压缩机压缩所述气态废流并且从而产生所述压缩的再循环流；经净化流提取一部分所述压缩的再循环流至CO2分离器；在所述CO2分离器之前的所述净化流内放置的催化装置中，通过燃烧氧和剩余的燃料降低所述净化流中的氧含量；从所述CO2分离器获得主要由富氮气体组成的残余流；在第二燃烧室中在所述残余流存在的情况下，基本上化学计量地燃烧第二压缩的氧化剂和第二燃料以产生第二排出物流，其中所述第一压缩的氧化剂和第二压缩的氧化剂和所述第一燃料和第二燃料分别来自相同的来源；在气体膨胀器中，使所述第二排出物流膨胀；和使用增压器和冷却单元中的至少一个，其适于增加所述气态废流的质量流速，以产生再循环气体。9.权利要求8所述的方法，包括利用流体连接至至少一个增压器的第一冷却单元冷却所述气态废流，所述第一冷却单元被配置用于在所述气态废流进入所述至少一个增压器之前接收和冷却所述气态废流。10.权利要求9所述的方法，进一步包括利用流体连接至所述至少一个增压器的第二冷却单元冷却来自所述至少一个增压器的所述气态废流，以产生所述再循环气体。11.权利要求8所述的方法，进一步包括利用由所述气体膨胀器产生的所述机械动力驱动入口压缩机，所述入口压缩机被配置...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·H·欧尔菲克，M·明特，
申请(专利权)人：埃克森美孚上游研究公司，
类型：发明
国别省市：美国,US