用于在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳的系统和方法

用于在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳的系统和方法
【专利摘要】本发明提供用于在低排放涡轮机系统中发电以及捕获并回收废气中的二氧化碳的系统、方法和装置。在一种或多种实施方式中，废气被冷却、压缩以及分离以产生含二氧化碳的流出流和含氮的产物流。
【专利说明】用于在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求以下申请的优先权:2011年9月30日提出的美国临时申请61/542，037，名称为 SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSIONTURBINE SYSTEMS (用于在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳的系统和方法)；2011年3月22 日提出的美国临时申请 61/466，384，名称为 LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS HAVING AMAIN AIR COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO(具有主压缩空压力缩机氧化剂控制装置的低排放涡轮机系统以及相关方法)；2011年9月30日提出的美国临时申请61/542，030，名称为LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS INCORPORATINGINLET COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO(结合了入口压缩机氧化剂控制装置的低排放涡轮机系统以及相关方法);2011年3月22日提出的美国临时申请 61/466，385，名称为 METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTIONON A FIXED GEOMETRY GAS TURBINE SYSTEM AND APPARATUS AND SYSTEMS RELATEDTHERETO (在固定几何形状的燃气轮机系统上控制化学计量燃烧的方法以及相关装置和系统);2011年9月30日提出的美国临时申请61/542，031，名称为SYSTEMS AND METHODS FORCONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS (在低排放涡轮机系统中控制化学计量燃烧的系统和方法);2011年3月22日提出的美国临时申请61/466，381，名称为 METHODS OF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITSAND SYSTEMS AND APPARATUS RELATED THERET0(改变低排放涡轮机气体循环回路的方法以及相关的系统和装置);2011年9月30日提出的美国临时申请61/542，035，名称为METHODSOF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUSRELATED THERETO (改变低排放涡轮机气体循环回路的方法以及相关的系统和装置)；所有这些申请通过引用以其整体并入本文。
[0003]本申请与下述申请相关:2011年9月30日提出的美国临时申请61/542，036，名称为 SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINESYSTEMS (在低排放涡轮机系统中捕获二氧化碳的系统和方法);2011年9月30日提出的美国临时申请 61/542，039，名称为 SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE INLOW EMISSION COMBINED TURBINE SYSTEMS(在低排放联合涡轮机系统中捕获二氧化碳的系统和方法);2011年9月30日提出的美国临时申请61/542，041，名称为LOW EMISSION POWERGENERATION SYSTEMS AND METHODS INCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION (结合了二氧化碳分离的低排放发电系统和方法)；所有这些申请通过引用以其整体并入本文。
【技术领域】
[0004]本公开的实施方式涉及低排放发电。更具体地，本公开的实施方式涉及捕获二氧化碳以便在低排放涡轮机系统中提高效率和降低成本的方法和装置。
【背景技术】[0005]本节旨在介绍本领域的各个方面，所述各个方面可能与本公开的示范性实施方式相关。相信这种讨论有助于提供一个框架，以促进更好地理解本发明的具体方面。因此，应当理解，本节应该从这个角度理解而不一定是作为现有技术的承认。
[0006]许多产油国正在经历强劲的国内电力需求增长，并且对提高采收率法采油(EOR)感兴趣以改进从其储油层采油。两种通常的EOR技术包括氮(N2)注入用于维持储层压力和二氧化碳(CO2)注入用于EOR的混相驱动。全球也在关注温室气体(GHG)排放。这种关注结合在许多国家执行总量管制与排放交易政策使得减少CO2排放成为这些国家以及其中运转烃生产系统的公司的当务之急。
[0007]降低CO2排放的一些方法包括使用溶剂如胺进行燃料脱碳或者燃烧后捕获。然而，这两种方案都昂贵而且降低了发电效率，导致较低的电力生产，燃料需求增大，以及电成本增大以满足国内电力需求。具体地，氧气、SO5p NOx成分的存在使得使用胺溶剂吸收很成问题。另一种方法是在联合循环中的含氧燃料燃气轮机(比如，其中捕获来自燃气轮机布雷顿循环的废气热量以在兰金循环中用于产生蒸汽和产生额外电力)。但是，商业上可得的燃气轮机没有可以在这样的循环内运转的并且用于产生高纯度氧气所需的电力显著降低了该方法的总体效率。
[0008]另外，随着日益关注全球气候变化和二氧化碳排放的影响，重点已经放在使发电厂的二氧化碳排放量最小化。燃气轮机发电厂是有效的并且与核能或煤发电技术相比具有更低成本。然而，基于以下原因捕获来自燃气轮机发电厂的废气中的二氧化碳是很昂贵的:(a)排气管中的二氧化碳浓度低，(b)要处理的气体体积大，(C)废气流的压力低，(d)废气流中存在大量的氧气，(e)在进入CO2捕获系统之前需要额外冷却废气(flue gas)，以及(f)在冷却之后废气(flue gas)被水饱和，这增加了 CO2捕获系统中再沸器的工作。所有这些因素导致二氧化碳捕获的高成本。
[0009]因此，仍然显著需要结合了以低成本进行CO2捕获和回收的低排放、高效率的发电方法。

【发明内容】

[0010]在本文描述的低排放发电系统中，来自低排放燃气轮机的、排入到典型天然气联合循环(NGCC)厂中的废气改为被分离和回收。本发明的装置、系统和方法将使用氧化剂和烃燃料产生电力的开放式布雷顿循环与二氧化碳分离方法结合。废气被冷却、压缩以及分离以有效地捕获CO2。
[0011]在本发明的系统和方法中，从低排放燃气轮机的燃烧室排出的废气在膨胀机中膨胀并经过热回收单元(HRU)，产生电力和蒸汽。然后该废气经冷却、压缩以及在CO2分离方法中分离，产生CO2流出流和包括氧气和氮气的产物流。回收的CO2可被注入到烃储层中用于提高采收率法采油、封存(sequestration)、存储、出售或者排出。产物流可以在排出之前膨胀以产生额外的电力，用于维持烃储层中的压力，或者用于系统中其他地方。通过冷却并压缩废气流，分离设备的尺寸可被减小且分离方法的效率可得到提高。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]在阅读以下详细描述和实施方式的非限制性示例的附图之后，本公开的上述和其他优势可变得明显，其中:
[0013]图1描绘结合了 CO2分离的低排放发电系统。
[0014]图2描绘使用燃烧室补充加热废气和产物流的结合了 CO2分离的低排放发电系统。
【具体实施方式】
[0015]在以下的【具体实施方式】部分中，将本公开的【具体实施方式】结合优选实施方式进行描述。然而，在以下描述特定于本公开的【具体实施方式】或具体用途的方面，这旨在仅用于示范性的目的并且仅提供示范性实施方式的描述。因此，本公开不限于下述的【具体实施方式】，而是包括落入所附权利要求书的真正精神和范围之内的所有替代方案、改型和等同物。
[0016]本文所用的各种术语如下定义。对于下文中没有定义的权利要求中使用的术语，应给予相关领域人员给予该术语的最宽泛定义，如在至少一个印刷出版物或授权专利中反映的。
[0017]如本文中使用的，术语“天然气”指从原油井(伴生气)和/或从地下气层(非伴生气)中获取的多组分气体。天然气的组成和压力可以显著不同。一般天然气流包含甲烷(CH4)作为主要成分，即天然气流中多于50mol%的是甲烷。天然气流也可包含乙烷(C2H6)、更高分子量的烃(比如C3-C2tl烃)、一种或多种酸性气体(比如二氧化碳或硫化氢)、或者它们的任何组合。天然气也可包含少量的污染物，例如水、氮、硫化铁、蜡、原油、或者它们的任何组合。
[0018]如本文中使用的，术语“化学计量燃烧”指这样的燃烧反应，其具有包含燃料和氧化剂的反应物体积和通过燃烧反应物形成的产物体积，其中反应物的全部体积用于形成产物。如本文中使用的，术语“基本化学计量的”燃烧指这样的燃烧反应，其燃烧燃料与氧的摩尔比率在约0.9:1到约1.1:1的范围内，或者更优选地在约0.95:1到约1.05:1的范围内。本文使用术语“化学计量的”意思是既包括化学计量条件也包括基本化学计量条件，除非另外指出。
[0019]如本文中使用的，术语“流”指一定体积的流体，尽管术语流的使用通常指移动的一定体积的流体(比如，具有速度或者质量流速)。然而，术语“流”不要求速度、质量流速或者包围流的具体类型的管道。
[0020]本公开的系统和方法的实施方式可用于生产低排放电力和CO2，用于提高采收率法采油(EOR)或者封存应用。根据本文公开的实施方式，将压缩的氧化剂(一般是空气)和燃料的混合物燃烧并且使废气膨胀以发电。然后废气经冷却、压缩并分离以捕获CO2并产生包括氧气和氮气的产物流。在EOR应用中，将回收的CO2注入到生产油井内或者其附近，通常在超临界条件下进行。CO2既充当加压剂，也在溶解到地下原油中时显著减小油的粘度，使得油能够更迅速地流经土壤至移除井(remove well)中。本文中的系统和方法也产生可包括不同量的氧气和氮气的产物流。产物流可用于产生额外的电力，也可以用于多种目的，包括压力维持应用。在压力维持应用中，惰性气体如氮气被压缩并被注入到烃储层中以维持储层中的原始压力，因此允许提高烃的回收。本文公开的系统的结果是发电以及以更加经济有效的水平制造或者捕获额外的C02。
[0021]在本文的系统和方法中，一种或多种氧化剂被压缩并在燃烧室中与一种或多种燃料燃烧。所述氧化剂可包括任何含氧流体，如环境空气、富氧空气、基本纯的氧气、或者它们的组合。一种或多种氧化剂可以在一个或多个压缩机内被压缩。每个压缩机可包括单阶段或者多阶段。在多阶段的压缩机中，可以任选地采用级间冷却从而允许更高的总体压缩比和更高的总体电力输出。压缩机可以是适用于本文描述的方法的任何类型。这些压缩机包括但不限于轴流式、离心式、往复式、或者双螺杆式压缩机以及它们的组合。燃料可包括天然气、伴生气、柴油、燃料油、气化煤、焦炭、石脑油、丁烷、丙烷、合成气、煤油、航空燃料、生物燃料、氧化的烃原料、任何其它合适的含烃气体或液体、氢、或者它们的组合。另外，燃料可包括惰性成分，包含但不限于N2或者C02。在一些实施方式中，燃料至少部分由通过本文描述的方法经注入捕获的CO2正受益于提高采收率法采油的烃储层供应。燃烧室中的燃烧条件可以是贫的、化学计量的或者基本化学计量的、或者富的。在一种或多种实施方式中，燃烧条件是化学计量或者基本化学计量的。
[0022]在一些实施方式中，可采用高压蒸汽作为燃烧过程中的冷却剂。在这些实施方式中，额外的蒸汽将降低系统中的电力和尺寸需求，但是会需要额外的水循环回路。另外，在进一步的实施方式中，输送至燃烧室的压缩氧化剂进料可包括氩气。比如，氧化剂可包括约
0.1到约5.0vo 1%的氩气，或者约0.1到约4.5vol%的氩气，或者约2.0到约4.0vo 1%的氩气，或者约2.5到约3.5vol%的氩气，或者约3.0vo 1%的氩气。
[0023]氧化剂和燃料在燃烧室中的燃烧产生废气流，其随后膨胀。废气流包括燃烧产物，其组成取决于使用的燃料和氧化剂的组成变化。在一种或多种实施方式中，来自燃烧室的排出废气流可包括汽化的水、CO2、CO、氧气、氮气、氩气、氮氧化物(NOx )、硫氧化物(SOx )、硫化氢(H2S)、或者它们的组合。排出废气流可在一个或多个膨胀机中膨胀。一个或多个膨胀机中的每一个可包括单阶段或者多阶段。膨胀机可以是适用于本文描述的方法的任何类型的膨胀机，包括但不限于轴流式或者离心式膨胀机或者它们的组合。废气流的膨胀产生电力，其可用于驱动一个或多个压缩机或者发电机。在本发明的一种或多种实施方式中，膨胀机通过共用轴或者其他机械、电气或其他动力连接，连接至氧化剂压缩机，以便氧化剂压缩机至少部分由膨胀机驱动。在其他实施方式中，氧化剂压缩机可机械连接至电动机，具有或者没有速度增加或者减小设备如齿轮箱。当氧化剂压缩机、燃烧室和废气膨胀机放在一起时可表现为开放式布雷顿循环。
[0024]在膨胀之后，气态废气流在一些实施方式中可在热回收单元(HRU)中冷却。HRU可以是设计来冷却膨胀机流出流的任何装置或者方法，比如一种或多种热回收蒸汽发生器(HRSG)、过程热回收单元、非水汽化单元、或者它们的组合。HRU可配置来产生热，用于其它过程，比如加热原油用于蒸馏单元、加热蒸汽或者非水蒸汽用于兰金循环发电系统、或者用于它们的组合。在一种或多种实施方式中，HRU是HRSG。HRSG可配置来使用废气流中的余热产生蒸汽。由HRSG产生的蒸汽可用于多种目的，比如驱动兰金循环中的蒸汽涡轮发电机，或者用于水脱盐。在一种或多种实施方式中，HRSG可包括风道燃烧器(duct burner)或者多个风道燃烧器以允许废气的二次燃烧。这种二次燃烧不仅允许提高蒸汽产生并因此提高发电，而且通过燃烧蒸汽中的至少部分氧气增加废气流中CO2的浓度。由于废气流中CO2的浓度增加，因此捕获并回收废气流中CO2的成本降低。
[0025]在本发明的一种或多种实施方式中，从HRU排出的气态废气流可输送至一个或多个冷却单元，该冷却单元配置来降低废气流的温度。冷却单元可以是适合用于降低废气温度的任意类型的装置，比如直接接触冷却器(DCC)、调温冷却器(trim cooler)、机械制冷单元、或者它们的组合。在一些实施方式中，冷却单元是DCC。冷却单元也可以配置来通过水排泄流(water dropout stream)将一部分冷凝水从废气流中移除。在一些实施方式中，可将水排泄流引入HRU以提供用于产生额外蒸汽的水源。
[0026]通过HRU和/或冷却单元冷却之后，可将气态废气流输送至配置来增加废气流的压力的压缩机或者鼓风机，从而产生压缩的废气流。在一种或多种实施方式中，在废气压缩机的出口处的废气流的压力可以是从约150到约450psia，或者从约200psia到约400psia，或者从约250psia到约350psia。冷却和压缩废气流有助于解决与必须处理的气体的大体积以及通常导致高CO2捕获成本的废气流的低压力相关的问题，从而使本系统中CO2的捕获和回收更有效率并且更成本有效。
[0027]在压缩废气流之后，在一些实施方式中，可期望使用任选的辅助燃烧室或者其他加热设备对压缩的废气流进行加热。在一些实施方式中，可用燃烧室加热压缩的废气流至约1100到约1700。F或者约1150到约1650。F或者约1200到约1600。F或者约1250到约1550° F或者约1300到约1500° F的温度。应当理解，额外燃烧室的使用需要额外的燃料，而供应到废气燃烧室的燃料可以与供应到前述主燃烧室的燃料相同或者不同。在一些实施方式中，燃料可以是无碳燃料源，如氢气。辅助燃烧室需要的氧化剂可以通过单独的氧化剂流供应，或者在压缩的废气流中可存在足够的氧化剂，从而不需要额外的氧化剂供应。
[0028]无论压缩的废气流是否在补充加热器或者其他设备中加热，从压缩机或者燃烧室排出的压缩的废气流之后被供应到配置来冷却压缩的废气流的热交换器中，同时向其他的工艺流供应热。在一些实施方式中，压缩的废气流可与从CO2分离器排出的产物流交换热量，在以下更详细地描述。在一些情况下，可期望额外冷却压缩的废气流，在这种情况下，将从热交换器排出的废气流导入补充冷却单元，比如调温冷却器。
[0029]在一种或多种实施方式中，压缩的废气流之后被供应到一个或多个分离器中，在其中CO2和其他温室气体从废气流中分离。CO2分离方法可以是设计来分离加压的废气并产生包括CO2的流出流和包括氮气和氧气的产物流的任意合适的方法。分离废气的成分允许以不同的方式处理废气中的不同成分。理想地，分离方法将废气中所有的温室气体如co2、CO>NOx>SOx等分离到流出流中，留下废气成分的其余成分如氮气、氧气和IS气在产物流中。然而，实际上，该分离方法可以不收回产物流中的所有温室气体，并且一些非温室气体保留在流出流中。任何合适的设计来实现预期结果的分离方法都可以被使用。在一种或多种实施方式中，分离方法是氧气不敏感方法。合适的分离方法的实例包括但不限制于热碳酸钾(“热罐(hot pot)”)分离方法、胺分离、分子筛分离、膜分离、吸附动力学分离、受控冷冻区分离、以及它们的组合。在一些实施方式中，CO2分离器使用热罐分离方法。在本发明的一种或多种实施方式中，分离方法在升高的压力(即，高于环境压力)下操作并且配置来保持产物流被加压。以这种方式维持过程上的压力允许更小的分离设备，提供提高的分离效率，并且允许提高从产物流中提取能量。在一些实施方式中，CO2分离方法被选择并配置来使产物流的出口压力或者出口温度或者两者最大化。
[0030]CO2流出流可用于多种应用。比如，流出流可注入到烃储层中用于提高采收率法采油(EOR)或者可引入储层中用于碳封存或者存储。流出流也可以出售、排出或燃烧。在一种或多种实施方式中，至少部分流出流可被再循环并且与进入主燃烧室中的氧化剂混合，或者被直接添加到燃烧室中充当稀释剂以控制或者另外方式调整燃烧温度和进入后面膨胀机的废气(flue gas) ο
[0031]任选地，在一种或多种实施方式中，来自CO2分离器的产物流一主要包括氮气和氧气(当在主燃烧室或辅助燃烧室中使用空气作为氧化剂时也可能包括氩气)一可以从分离器直接引入上述热交换器，在此产物流可用于冷却压缩的废气流。在一种或多种实施方式中，产物流和压缩的废气流经过热交换器的流动是相反的。使产物流经过热交换器用于进一步加热产物流，这允许在膨胀机中的额外发电。
[0032]另外，任选地，可以使用辅助燃烧器或者其他加热设备进一步加热产物流。应当理解的是额外燃烧室的使用需要额外的燃料。如果燃烧室中使用含碳燃料，则产生无法从产物流中回收的额外co2。因此，在一些实施方式中，产物燃烧室中使用的燃料可以是无碳燃料源，如氢气。辅助燃烧室需要的氧化剂通过单独的氧化剂流供应，或者产物流中存在足够的氧化剂，从而不需要额外的氧化剂供应。
[0033]从分离器、热交换器或者燃烧室排出之后，产物流可被引至膨胀机。在一种或多种实施方式中，膨胀机可配置来接收产物流并输出在大概环境压力下的同一气体。本领域技术人员将会理解，膨胀机产生电力，并且产生的电力可用于驱动一个或多个任何配置的压缩机或发电机，不管是在所描述的系统范围之内或者之外。为方便起见，在一种或多种实施方式中，产物膨胀机可以通过共用轴或者其他机械、电气或者其他动力连接，至少部分驱动废气压缩机。
[0034]在一种或多种实施方式中，产物流可在膨胀之后经过一个或多个热回收单元(HRU)，比如一个或多个热回收蒸汽发生器(HRSG)。一个或多个HRU可配置来使用流中的余热产生蒸汽或者其他非水蒸汽。由一个或多个HRU产生的蒸汽或者其他蒸汽可用于多种目的，比如驱动兰金循环中的涡轮发电机或者用于水脱盐。进一步地，如果从一个或多个HRU排出的产物流中仍有任何余热，系统可进一步包括一个或多个热交换器，其配置来将该热转移至非蒸汽工作流体。在这些实施方式中，非蒸汽工作流体可任选地用于驱动兰金循环中的膨胀机。
[0035]产物流可全部或者部分用于多种应用。比如，可将产物流注入到烃储层中用于维持压力。产物流也可销售或者排出。在一种或多种实施方式中，当压力维持不是可行的选择时(或者压力维持只需要部分产物流时)，产物流可通过膨胀或者其他方法冷却，并用于提供本文描述的系统中的制冷。比如，冷却的产物流可用于提供制冷以降低本系统内一个或多个压缩机的抽吸温度，或者用于冷却本系统内一个或多个冷却单元使用的水。
[0036]在产物流的全部或者部分不用于压力维持时的其他实施方式中，可改为对产物流加热，以便可产生额外的电力，用于系统中其他地方，或者用于出售。上文描述了加热产物流的一些方法，例如在热交换器中交叉交换废气流和产物流，或者使用辅助燃烧器向产物流供应额外的热。其他可能的方法包括在HRU中使用加热线圈加热产物流，采用催化以燃烧产物流中存在的任何CO，或者作为使用产物流用于冷却的结果提供加热(S卩，因为产物流向其他流或者装置提供冷却，流本身被加热)。
[0037]现在参看图，图1示出发电系统100，其配置来在燃烧之后提供CO2的分离和捕获。在至少一个实施方式中，发电系统100可具有压缩机118，其通过共用轴108或者其他机械、电气或者其他动力连接，连接至膨胀机106，从而允许膨胀机106产生的机械能的一部分驱动压缩机118。膨胀机106也可以发电用于其他用途，比如向另一个压缩机、发电机等供电。压缩机118和膨胀机106可以分别形成标准燃气轮机的压缩机端和膨胀机端。然而，在其他实施方式中，压缩机118和膨胀机106在系统中可以是独立的组件。
[0038]系统100也可包括主燃烧室110，其配置来燃烧与压缩的氧化剂114混合的燃料流112。在一种或多种实施方式中，燃料流112可包括任何合适的烃气体或液体，比如天然气、甲烷、石脑油、丁烷、丙烷、合成气、柴油、煤油、航空燃料、煤来源燃料、生物燃料、氧化的烃原料、或者它们的组合。燃料流112也可以包含氢气。压缩的氧化剂114可以来自流体连接至主燃烧室110并且适于压缩氧化剂进料120的压缩机118。虽然本文中的讨论假定氧化剂进料120是环境空气，但氧化剂可包括任何合适的含氧气体，比如空气、富氧空气、基本纯的氧气、或者它们的组合。在一种或多种实施方式中，压缩机118、燃烧室110、和膨胀机106放在一起可以作为开放式布雷顿循环。
[0039]产生排出废气流116作为燃料流112和压缩的氧化剂114的燃烧产物并且被引导至膨胀机106的入口。在至少一个实施方式中，燃料流112可以主要是天然气，因此产生包括体积部分的蒸发的水、CO2, CO、氧气、氮气、氩气、氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的排出物116。在一些实施方式中，由于燃烧平衡限制，小部分未燃烧的燃料112或者其他化合物也会出现在排出物116中。随着排出流116通过膨胀机106膨胀，它产生机械能以驱动压缩机118或者其他设备，也产生气态废气流122。
[0040]从膨胀机106将气态废气流122引入热回收蒸汽发生器(HRSG) 126，该HRSG126配置来使用气态废气流122中的余热产生蒸汽130和气态废气流132。注意，尽管HRSG在图1中示例，但可以使用前述任意合适的热回收单元(HRU)。在一些实施方式中，HRSG126结合风道燃烧器系统(未示出)，以提供废气流的二次燃烧，因此增加废气中CO2的浓度。由HRSG126产生的蒸汽130可具有多种用途，比如通过驱动兰金循环中的蒸汽涡轮发生器产生额外的电力，或者用于水脱盐。
[0041]气态废气132可输送至至少一个冷却单元134，其配置来降低气态废气132的温度并产生冷却的废气流140。在一种或多种实施方式中，冷却单元134在本文中被认为是直接接触冷却器(DCC)，但可以是任意合适的冷却设备，比如直接接触冷却器、调温冷却器、机械制冷单元、或者它们的组合。冷却单元134也可配置来通过水排泄流136移除部分冷凝水。
[0042]在一种或多种实施方式中，冷却的废气流140可被引入流体连接至冷却单元134的废气压缩机144中。压缩机142可配置来在冷却的废气流140分离之前增加其压力，因此产生压缩的废气流144。从压缩机142将压缩的废气流144引入热交换器152，在此通过与冷却流体交换热量被冷却，并产生压缩的废气流154。在一种或多种实施方式中，热交换器152中使用的冷却流体是来自分离器162的产物流164，将在下面更详细地描述。
[0043]系统100也可包括CO2分离系统。在一种或多种实施方式中，压缩的废气流154被引入CO2分离器162。CO2分离器162可以采用设计来将压缩的废气流154分离成包括CO2的流出流166和产物流164的多种分离方法中的任一种，其中产物流164通常包括氮气和氧气，并在一些情况下包括氩气。比如，分离器162可设计来使用化学分离方法分离压缩的废气流154，如热碳酸钾(“热罐”)分离、胺分离、或者使用吸附剂如分子筛的分离。其他分离方法可包括使用膜的物理分离，或者例如吸附动力学分离或控制冷冻区分离的方法。在一些实施方式中，可以使用上述分离方法的组合。流出流162可以用于多种下游应用，t匕如注入到烃储层中用于提高采收率法采油(EOR)、碳封存、存储、销售、或者再循环至燃烧室110中用于充当稀释剂以促进压缩的氧化剂114和第一燃料112的燃烧并且增加排出废气流116中CO2的浓度。流出流166也可以被排出或者燃烧。在一种或多种实施方式中，CO2分离方法可配置来使产物流164的温度或压力最大化。
[0044]在一种或多种实施方式中，从分离器162排出的产物流164可以任选地用于额外发电。比如，可在热交换器152中加热产物流164，该热交换器152配置来将来自压缩的废气流144的热传输到产物流164。从热交换器152排出后，产物流170然后可被引至膨胀机172。由产物膨胀机172产生的电力可用于多种用途，如至少部分驱动废气压缩机142或者一个或多个额外的压缩机(未不出)，或者用于驱动发电机。在一些实施方式中，当产物流注入到储层中以维持压力时，膨胀机172可用于驱动管道或者注射压缩机。
[0045]在一种或多种实施方式中，从膨胀机172排出的膨胀的产物流174可被引至热回收单元(未示出)，用于额外发电。产物流174，如同流出流166，也可用于多个应用，包括压力维持、额外发电、存储、或者排出。
[0046]现在参考图2，其描绘图1中发电系统100的可选配置，具体化为并描绘为系统200。因此，图2可通过参考图1最好地理解。在图2的系统200中，由燃烧器210和220分别提供压缩的废气流144和产物流170的补充加热。具体地，将压缩的废气流144引入辅助燃烧器210，该辅助燃烧器210配置来燃烧燃料流214，从而向压缩的废气流144补充热，导致压缩的废气流212具有比流144的温度更高的温度。燃料流214可具有与燃料流112相同的组成，或者可具有不同的组成。类似地，产物流170也被引入辅助燃烧器220，该辅助燃烧器220配置来燃烧燃料流224从而向产物流170补充热，导致产物流222具有比产物流170的温度更高的温度。燃料流224可具有与燃料流112和/或燃料流214相同的组成，或者可具有不同的组成。在一些实施方式中，燃料流224向燃烧器220供应无碳燃料，例如包括氢气的无碳燃料。在一种或多种实施方式中，单一控制系统可用于监测并控制压缩机118、燃烧室110、膨胀机106、HRSG126、冷却单元134、废气压缩机142、产物膨胀机172、和一个或两个辅助燃烧器210和220的一个、部分或者所有的启动、运转和关机。
[0047]尽管本公开可进行各种修改和可选形式，但上面讨论的示范性实施方式仅通过示例示出。本文中描述的任何实施方式的任何特征或配置均可结合任何其他任何实施方式或者多个其他实施方式(可行的情况下)，并且所有的这些结合都意欲在本发明的范围内。另夕卜，应当理解，本公开不意欲限于本文公开的【具体实施方式】。事实上，本公开包括落入所附权利要求的真正精神和范围之内的所有可选物、修改物和等同物。
【权利要求】
1.发电系统，其包括: 第一压缩机，其配置来接收并压缩一种或多种氧化剂； 第一燃烧室，其配置来接收并燃烧该压缩的氧化剂以及至少一种第一燃料，产生废气流； 第一膨胀机，其配置来接收来自所述第一燃烧室的所述废气流并产生气态废气流； 热回收蒸汽单元，其配置来接收并冷却所述气态废气流且产生蒸汽； 第一冷却单元，其配置来接收并进一步冷却所述气态废气流； 第二压缩机，其配置来接收并压缩所述气态废气流；和 分离器，其配置来接收该压缩的废气流并将其分离成CO2流出流和产物流。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括热交换器，其配置来接收来自所述第二压缩机的所述压缩的废气流并在将所述压缩的废气流引入所述分离器之前冷却所述压缩的废气流。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述热交换器通过与从所述分离器排出的所述产物流交换热，冷却所述压缩的废气流。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述热回收单元是热回收蒸汽发生器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述热回收蒸汽发生器包括风道燃烧器。
6.根据权利要求2所述的系统，进一步包括燃烧室，其配置来接收来自所述第二压缩机的所述压缩的废气流，并在将所述压缩的废气流引入所述热交换器之前加热所述压缩的废气流。
7.根据权利要求3所述的系统，进一步包括第二膨胀机，其配置来接收来自所述热交换器的所述产物流并使所述产物流膨胀。
8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括燃烧室，其配置来接收来自所述热交换器的所述产物流，并在将所述产物流引入所述第二膨胀机之前加热所述产物流。
9.根据权利要求2所述的系统，进一步包括第二冷却单元，其配置来接收来自所述热交换器的所述压缩的废气流，并在将所述压缩的废气流引入所述分离器之前进一步冷却所述压缩的废气流。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述分离器使用选自以下的分离方法:热碳酸钾分离、胺分离、分子筛分离、膜分离、吸附动力学分离、控制冷冻区分离、或者它们的组合。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述分离器使用热碳酸钾分离方法。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述产物流包括氧气和氮气。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述CO2流出流用于烃储层中的提高采收率法采油。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述产物流用于在烃储层中维持压力。
15.根据权利要求8所述的系统，其中所述燃烧室使用无碳燃料。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述燃料源包括氢气。
17.发电方法，其包括: 在第一压缩机中压缩一种或多种氧化剂； 向第一燃烧室供应该压缩的氧化剂和至少一种第一燃料； 在所述第一燃烧室中燃烧所述压缩的氧化剂和所述至少一种燃料，产生废气流；在第一膨胀机中使所述废气流膨胀，产生气态废气流； 在热回收单元中冷却所述气态废气流； 在冷却单元中进一步冷却所述气态废气流； 在第二压缩机中压缩所述气态废气流以产生压缩的废气流；以及 分离所述压缩的废气流以产生包括CO2的流出流和产物流。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在分离所述压缩的废气流之前在热交换器中冷却所述压缩的废气流。
19.根据权利要求18所述的方法，其中通过与所述产物流交换热冷却所述压缩的废气流。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述热回收单元是热回收蒸汽发生器。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述热回收蒸汽发生器包括风道燃烧器。
22.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在将所述压缩的废气流引入所述热交换器中之前加热所述压缩的废气流。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述压缩的废气流在燃烧室中被加热。
24.根据权利要求19所述的方法，进一步包括接收来自所述热交换器的所述产物流并使所述产物流在第二膨胀机中膨胀，从而发电。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括接收来自所述热交换器的所述产物流并在膨胀所述产物流之前加热所 述产物流。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述产物流在燃烧室中被加热。
27.根据权利要求18所述的方法，进一步包括接收来自所述热交换器的所述压缩的废气流并在分离所述压缩的废气流之前进一步冷却所述压缩的废气流。
28.根据权利要求17所述的方法，其中所述压缩的废气流使用选自以下的分离方法进行分离:热碳酸钾分离、胺分离、分子筛分离、膜分离、吸附动力学分离、控制冷冻区分离、或者它们的组合。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述压缩的废气流使用热碳酸钾分离方法分离。
30.根据权利要求17所述的方法，其中所述产物流包括氮气和氧气。
31.根据权利要求17所述的方法，进一步包括压缩所述流出流并将所述压缩的流出流注入到烃储层中用于提高采收率法采油。
32.根据权利要求24所述的方法，进一步包括向烃储层供应所述膨胀的产物流以维持压力。
33.根据权利要求26所述的方法，其中所述燃烧室使用无碳燃料源。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述燃料源包括氢气。
【文档编号】B01D53/00GK103442783SQ201280013783
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年3月5日 优先权日:2011年3月22日
【发明者】F·F·米特瑞克, O·A·斯特斯, S·K·达安卡, R·A·亨廷顿, D·M·奥戴, R·H·欧尔菲克, R·D·登顿 申请人:埃克森美孚上游研究公司