專利名稱：低排放動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)的實(shí)施方式涉及聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)中的低排放動(dòng)力產(chǎn)生。
背景技術(shù)：
本章節(jié)意欲介紹本領(lǐng)域的多個(gè)方面，其可與本公開(kāi)的示例性實(shí)施方式相關(guān)。相信該討論幫助提供框架，以便于更好地理解本公開(kāi)的具體方面。因此，應(yīng)當(dāng)理解應(yīng)據(jù)此閱讀本章節(jié)，并不必承認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)。很多產(chǎn)油國(guó)家正經(jīng)歷動(dòng)力需求的強(qiáng)烈國(guó)內(nèi)增長(zhǎng)并對(duì)提高采收率法采油(EOR)感興趣，以提高從他們油藏采油。兩種常見(jiàn)的EOR技術(shù)包含用于油藏壓力保持的氮?dú)?N2)注入和用于EOR的混相驅(qū)動(dòng)(miscibleflooding)的二氧化碳(CO2)注入。也存在關(guān)于溫室氣體(GHG)排放的全球關(guān)注。該關(guān)注連同很多國(guó)家中的限制和交易政策的執(zhí)行使得減少CO2排放成為這些和其他國(guó)家以及其中操作烴生產(chǎn)系統(tǒng)的公司優(yōu)先考慮的事。—些降低CO2排放的方法包含燃料去碳化或利用溶劑諸如胺類的燃燒后捕獲。然而，這兩種方案昂貴并降低動(dòng)力產(chǎn)生效力，導(dǎo)致較低的動(dòng)力產(chǎn)生、增加的燃料需求和增加的電成本以滿足國(guó)內(nèi)動(dòng)力需求。具體地，氧、SO5^P NOx成分的存在使得胺溶劑吸收的使用非常成問(wèn)題。另一種方法是在結(jié)合循環(huán)中的含氧燃料(oxyfuel)燃?xì)鉁u輪(例如，其中來(lái)自燃?xì)鉁u輪布雷頓循環(huán)的廢熱被捕獲以制造蒸汽并且在蘭金循環(huán)中產(chǎn)生額外的動(dòng)力)。然而，沒(méi)有可在這樣的循環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)的商業(yè)可得的燃?xì)鉁u輪，并且生產(chǎn)高純氧要求的動(dòng)力顯著降低了該工藝的總體效力。一些研究已經(jīng)比較了這些工藝并顯示每種方法的一些優(yōu)勢(shì)。見(jiàn)例如Bolland, Olav,和 Undrijm, Henriette, Removal of CO2 from GasTurbine Power Plants:Evaluationof pre-and post-combustion methods, SINTEF Group, found athttp://www. energy,sintef. no/pubI/xergi/98/3/3art-8-engelsk. htm(1998)。降低CO2排放的其他方法包含諸如在天然氣聯(lián)合循環(huán)(NGCC)中的化學(xué)計(jì)量的廢氣再循環(huán)。在常規(guī)NGCC系統(tǒng)中，僅要求大約40%的空氣吸入體積，以提供燃料的充分的化學(xué)計(jì)量的燃燒，而剩余60%的空氣體積用于調(diào)節(jié)溫度和冷卻廢氣，以便適于引入隨后的膨脹器。額外的空氣體積也不利地在廢氣中產(chǎn)生難以去除的過(guò)量的氧。典型的NGCC產(chǎn)生低壓廢氣，其要求一部分產(chǎn)生的動(dòng)力提取CO2,用于埋存(sequestration)或E0R,從而減少NGCC的熱效力。進(jìn)一步，用于CO2提取的設(shè)備大并且昂貴，而且需要數(shù)個(gè)壓縮階段以便使環(huán)境壓力氣體達(dá)到EOR或埋存所需的壓力。這樣的限制是來(lái)自與其他化石燃料諸如煤的燃燒相關(guān)的低壓廢氣的燃燒后碳捕獲的典型特征。本領(lǐng)域中需求的上述討論意欲為代表性的，而不是窮盡的。解決一種或更多種這樣的需求或本領(lǐng)域一些其他相關(guān)缺點(diǎn)的技術(shù)將有益于聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)中的動(dòng)力產(chǎn)生?！?br>
發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)提供了利用綜合的CO2分離系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)力的系統(tǒng)和方法。示例性系統(tǒng)包含燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、熱交換器和CO2分離器。燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)可具有燃燒室，其被配置用于在壓縮的再循環(huán)流的存在下化學(xué)計(jì)量地燃燒壓縮的氧化劑和燃料，以便產(chǎn)生在膨脹器中進(jìn)行膨脹的排出物流，從而產(chǎn)生氣態(tài)廢流并且至少部分地驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)。壓縮的再循環(huán)流作為被配置用于調(diào)節(jié)排出物流的溫度的稀釋劑。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)可具有增壓器和一個(gè)或多個(gè)冷卻單元中的至少一個(gè)，所述一個(gè)或多個(gè)冷卻單元被配置用于提高氣態(tài)廢流的質(zhì)量流速，以向主壓縮機(jī)提供冷卻的再循環(huán)氣體。主壓縮機(jī)壓縮冷卻的再循環(huán)氣體并產(chǎn)生壓縮的再循環(huán)流，再循環(huán)流的一部分被引導(dǎo)至燃燒室，并且再循環(huán)流的一部分提供凈化流。CO2分離器可流體連接至凈化流并且可包括吸收器柱、第一閥門(mén)和再生柱。吸收器柱可被配置用于接收凈化流并且使其中的碳酸鉀溶劑循環(huán)，以吸收凈化流中的co2。吸收器柱排出富氮?dú)堄嗔骱吞妓釟潲}溶劑溶液。第一閥門(mén)可流體連接至吸收器柱并被配置用于閃蒸碳酸氫鹽溶劑溶液至接近大氣的壓力。再生柱可流體連接至第一閥門(mén)并被配置用于接收和煮沸碳酸氫鹽溶劑溶液，以從其中去除CO2和水，從而產(chǎn)生再生的碳酸鉀溶劑，以便再循環(huán)返回吸收器柱。本公開(kāi)進(jìn)一步提供了適于從廢氣再循環(huán)流中去除CO2的相關(guān)系統(tǒng)和方法。


本公開(kāi)的上述和其他優(yōu)勢(shì)可在回顧以下詳細(xì)描述和實(shí)施方式的非限制性實(shí)施例的附圖后變得顯而易見(jiàn)，其中圖I描繪了根據(jù)本公開(kāi)的一種或多種實(shí)施方式的用于低排放動(dòng)力產(chǎn)生和增強(qiáng)的CO2回收的綜合系統(tǒng)。圖2描繪了根據(jù)本公開(kāi)的一種或多種實(shí)施方式的用于低排放動(dòng)力產(chǎn)生和增強(qiáng)的CO2回收的另一個(gè)綜合系統(tǒng)。圖3描繪了根據(jù)本公開(kāi)的一種或多種實(shí)施方式的用于低排放動(dòng)力產(chǎn)生和提高采收率法采油的另一個(gè)綜合系統(tǒng)。圖4描繪了根據(jù)本公開(kāi)的一種或多種實(shí)施方式的說(shuō)明性的CO2捕獲系統(tǒng)。圖5描繪了根據(jù)本公開(kāi)的一種或多種實(shí)施方式的另一說(shuō)明性的CO2捕獲系統(tǒng)。圖6描繪了根據(jù)本公開(kāi)的一種或多種實(shí)施方式的另一說(shuō)明性的CO2捕獲系統(tǒng)。圖7描繪了根據(jù)本公開(kāi)的一種或多種實(shí)施方式的另一說(shuō)明性的CO2捕獲系統(tǒng)。圖8描繪了根據(jù)本公開(kāi)的一種或多種實(shí)施方式的用于提高采收率法采油的低排放動(dòng)力產(chǎn)生和氮?dú)馀蛎浀木C合系統(tǒng)。發(fā)明詳述 在以下詳述部分，本公開(kāi)的具體實(shí)施方式
結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述。然而，對(duì)于以下描述對(duì)于本公開(kāi)的特定實(shí)施方式或特定用途是特異性的而言，意欲僅用于示例性目的和簡(jiǎn)單地提供示例性實(shí)施方式的描述。因此，本公開(kāi)不限于以下描述的具體實(shí)施方式
，而是它包含落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有可選方案、更改和等價(jià)物。本文所用的多種術(shù)語(yǔ)定義如下。對(duì)于在權(quán)利要求中使用的術(shù)語(yǔ)在以下未定義而言，其應(yīng)該給予在已經(jīng)給予該術(shù)語(yǔ)的相關(guān)領(lǐng)域中的人最廣泛的定義，如在至少一個(gè)印刷出版物或授權(quán)的專利中反映的。如本文所用的，術(shù)語(yǔ)“天然氣”指的是從原油井(相關(guān)的氣體)或從地下含氣地層(非相關(guān)的氣體)獲得的多成分氣體。天然氣的組成和壓力可顯著變化。典型的天然氣流含有甲烷(CH4)作為主要成分，即大于50mol%的天然氣流為甲烷。天然氣流也可含有乙烷(C2H6)、較高分子量烴(例如，C3-C2tl烴)、一種或多種酸性氣體(例如，硫化氫、二氧化碳)或其任何組合。天然氣也可含有少量雜質(zhì)，諸如水、氮?dú)?、硫化鐵、蠟、原油或其任何組合。如本文所用的，術(shù)語(yǔ)“化學(xué)計(jì)量的燃燒”指的是具有一定體積的包括燃料和氧化劑的反應(yīng)物和一定體積的由燃燒反應(yīng)物形成的產(chǎn)物的燃燒反應(yīng)，其中反應(yīng)物的整個(gè)體積用于形成該產(chǎn)物。如本文所用的，術(shù)語(yǔ)“基本上化學(xué)計(jì)量的燃燒”指的是具有燃燒燃料與氧的摩爾比在以下范圍中的燃燒反應(yīng)從大約化學(xué)計(jì)量比要求的氧加或減10%，或更優(yōu)選從大約化學(xué)計(jì)量比要求的氧加或減5%。例如，對(duì)于甲烷，燃料與氧的化學(xué)計(jì)量比為1:2(CH4+202>C02+2H20)。丙烷將具有燃料與氧為1:5的化學(xué)計(jì)量比。測(cè)量基本上化學(xué)計(jì)量的燃燒的另一種方法為供應(yīng)的氧與化學(xué)計(jì)量的燃燒需要的氧的比，諸如從大約0. 9:1至大約I. 1:1，或更優(yōu)選從大約0. 95:1至大約1.05:1。目前公開(kāi)的系統(tǒng)和工藝的實(shí)施方式可用于生產(chǎn)超低排放電力和CO2，用于提高采收率法采油(EOR)或埋存應(yīng)用。根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施方式，空氣和燃料的混合物可被化學(xué)計(jì)量地或基本上化學(xué)計(jì)量地燃燒并與再循環(huán)的廢氣流混合。通常包含燃燒產(chǎn)物諸如CO2的再循環(huán)的廢氣流可用作稀釋劑以控制或以其他方式調(diào)節(jié)化學(xué)計(jì)量的燃燒溫度和進(jìn)入隨后的膨脹器的廢氣的溫度。通過(guò)冷卻廢氣和從流冷凝出水，可以產(chǎn)生相對(duì)高含量的CO2流。盡管一部分再循環(huán)的廢氣可用于閉合布雷頓循環(huán)中的溫度調(diào)節(jié)，但剩余的凈化流可用于EOR應(yīng)用，并且可產(chǎn)生電力，很少或沒(méi)有S0X、NOx或CO2排放至大氣。燃料的化學(xué)計(jì)量的或基本上化學(xué)計(jì)量的燃燒，結(jié)合壓力提高或在被壓縮用于再循環(huán)之前廢氣的質(zhì)量流速的另外增加可使CO2分壓比在常規(guī)燃?xì)鉁u輪廢氣中高得多。結(jié)果，CO2分離器中的碳捕獲可利用較小能量密集溶劑諸如碳酸鉀(K2CO3)或碳酸鈉(Na2CO3)進(jìn)行。廢氣中氧氣(O2)、S0X和NOx的存在使胺溶劑(例如，MEA，DEA, MDEA和相關(guān)溶劑)的使用困難——即使利用更高的壓力和增加的CO2含量，因?yàn)榘啡軇┛稍谒鼈兇嬖跁r(shí)分解。碳酸鉀或碳酸鈉溶劑耐受本公開(kāi)的最小氧含量而不分解。此外，碳酸鉀容易吸收SOx或NOxJf其轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的肥料，諸如亞硫酸鉀(K2SO3)和硝酸鉀(KNO3)。這些肥料可以容易地以環(huán)境無(wú)害的方式排出?，F(xiàn)在參考附圖，圖I描繪了根據(jù)一種或多種實(shí)施方式利用聯(lián)合循環(huán)布置，用于動(dòng)力產(chǎn)生和CO2回收的說(shuō)明性綜合系統(tǒng)100的示意圖。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)100可包含燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)102，其以產(chǎn)生動(dòng)力的、閉合的布雷頓循環(huán)為特征。燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)102可具有經(jīng)軸108連接至膨脹器106的第一或主壓縮機(jī)104。軸108可為任何機(jī)械、電或其他動(dòng)力連接的，從而允許由膨脹器106產(chǎn)生的一部分機(jī)械能驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)104。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)102可為標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)鉁u輪，其中主壓縮機(jī)104和膨脹器106分別 形成壓縮機(jī)和膨脹器末端。然而，在其他實(shí)施方式中，主壓縮機(jī)104和膨脹器106可為系統(tǒng)102中單獨(dú)的組件。燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)102也可包含燃燒室110，其被配置用于燃燒與管線114中壓縮的氧化劑混合的管線112中的燃料。在一種或多種實(shí)施方式中，管線112中的燃料可包含任何合適的烴氣體或液體，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、煤衍生的燃料、生物燃料、氧化烴原料或其組合。管線114中壓縮的氧化劑可源于流體連接至燃燒室110并且適于壓縮供應(yīng)氧化劑120的第二或入口壓縮機(jī)118。在一種或多種實(shí)施方式中，供應(yīng)氧化劑120可包含任何合適的含氧氣體，諸如空氣、富氧空氣、氧耗盡的空氣、純氧或其組合。如將在以下更詳細(xì)地描述的，燃燒室110也可接收壓縮的再循環(huán)流144—其包含主要具有CO2和氮?dú)獬煞值膹U氣。壓縮的再循環(huán)流144可源于主壓縮機(jī)104并適于幫助促進(jìn)管線114中壓縮的氧化劑和管線112中燃料的化學(xué)計(jì)量的或基本上化學(xué)計(jì)量的燃燒，并也增加廢氣中CO2的濃度。在壓縮的回收流144的存在下，管線116中的廢氣可作為管線112中的燃料和管線114中壓縮的氧化劑的燃燒產(chǎn)物而產(chǎn)生。廢氣116被引導(dǎo)至膨脹器106的入口。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，管線112中的燃料可主要為天然氣，從而產(chǎn)生包含體積部分的蒸發(fā)的水、CO2、氮?dú)狻⒀趸?NOx)和氧化硫(SOx)的管線116中的廢氣。在一些實(shí)施方式中，小部分未燃燒的燃料或其他化合物也可由于燃燒平衡限制存在于管線116中的廢氣中。當(dāng)排出物流116通過(guò)膨脹器106擴(kuò)張時(shí)，它產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力，以驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)104、電發(fā)生器或其他設(shè)施，并同時(shí)產(chǎn)生具有提高的CO2含量的管線122中的氣態(tài)廢氣，導(dǎo)致管線144中壓縮的再循環(huán)廢氣的流入。當(dāng)管線116中的廢氣通過(guò)膨脹器106膨脹時(shí)，它產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力，以驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)104、發(fā)電機(jī)或其他設(shè)施，并且也產(chǎn)生具有提高的CO2含量的管線122中的氣態(tài)廢氣，其由管線144中壓縮的再循環(huán)廢氣的流入產(chǎn)生。動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)100也可包含廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)124。在一種或多種實(shí)施方式中，EGR系統(tǒng)124可包含流體連接至蒸汽燃?xì)鉁u輪128的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 126或類似設(shè)備。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，HRSG 126和蒸汽燃?xì)鉁u輪128的組合可以表征為閉合的蘭金循環(huán)。結(jié)合燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)102、HRSG 126和蒸汽燃?xì)鉁u輪128可形成聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力產(chǎn)生工廠的一部分，諸如天然氣聯(lián)合循環(huán)(NGCC)工廠。管線122中的氣態(tài)廢氣可被發(fā)送至HRSG 126，以產(chǎn)生管線130中的蒸汽流和管線132中的冷卻的廢氣。在一個(gè)實(shí)施方式中，管線130中的蒸汽可被發(fā)送至蒸汽燃?xì)鉁u輪128以產(chǎn)生額外的電力。管線132中冷卻的廢氣可被發(fā)送至返回主壓縮機(jī)104的再循環(huán)回路中的任何種類裝置和/或設(shè)施。在說(shuō)明的實(shí)施中，冷卻單元和/或增壓器以不同的順序和構(gòu)造進(jìn)行顯示和描述，其中的每一個(gè)都可被理解為適于增加冷卻的廢氣的質(zhì)量流速。通過(guò)增加進(jìn)入主壓縮機(jī)的冷卻的廢氣的質(zhì)量流速，可從主壓縮機(jī)獲得更高的出口壓力。在一些實(shí)施中，并如圖I所示，再循環(huán)回路可包括至少一個(gè)冷卻單元134，其被配置用于降低管線132中冷卻的廢氣的溫度并且產(chǎn)生冷卻的再循環(huán)氣流140。在一種或多種實(shí)施方式中，冷卻單元134可為直接接觸冷卻器、調(diào)溫冷卻器(trim cooler)、機(jī)械制冷單元或其組合。冷卻單元134也可被配置用于經(jīng)水排泄流138去除一部分冷凝水，水排泄流138可在至少一個(gè)實(shí)施方式中經(jīng)管線141按路線發(fā)送至HRSG126，以提供用于產(chǎn)生管線130中額外的蒸汽的水源。在一種或多種實(shí)施方式中，冷卻的再循環(huán)氣流140可被引導(dǎo)至流體連接至冷卻單元134的增壓器142。在冷卻單元134中，冷卻管線132中的冷卻的廢氣可減少壓縮增壓器142中冷卻的再循環(huán)氣流140需要的動(dòng)力。增壓器142可被配置用于在冷卻的再循環(huán)氣流140被引入主壓縮機(jī)104之前增加·其壓力。與常規(guī)風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相反，增壓器142增加冷卻的再循環(huán)氣流140的總體密度，從而引導(dǎo)相同體積流量至主壓縮機(jī)104的增加的質(zhì)量流速。因?yàn)橹鲏嚎s機(jī)104通常是體積-流量限制的，引導(dǎo)更多質(zhì)量流量通過(guò)主壓縮機(jī)104可導(dǎo)致來(lái)自主壓縮機(jī)104的較高排出壓力，從而經(jīng)過(guò)膨脹器106轉(zhuǎn)換成較高的壓力比。經(jīng)過(guò)膨脹器106產(chǎn)生的較高壓力比可允許較高的入口溫度，并且因此增加膨脹器106的動(dòng)力和效力。這可證明是有利的，因?yàn)楦缓珻O2的排出物116通常保持較高的比熱容。這可證明是有利的，因?yàn)楣芫€116中富含CO2的廢氣通常保持較高的比熱容。主壓縮機(jī)104可被配置用于壓縮從增壓器142接收的冷卻的再循環(huán)氣流140至稍高于燃燒室110壓力的壓力，從而產(chǎn)生壓縮的再循環(huán)流144。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，凈化流146可從壓縮的再循環(huán)流144流出并隨后在CO2分離器148中進(jìn)行處理以在升高的壓力下經(jīng)管線150捕獲C02。管線150中分離的CO2可用于出售，用于需要二氧化碳的另一個(gè)工藝，和/或被壓縮和注入陸地油藏，用于提高采收率法采油(EOR)、埋存或另一個(gè)目的?；旧虾谋MCO2并且主要由氮?dú)饨M成的殘余流151可源于CO2分離器148。在一種或多種實(shí)施方式中，殘余流151可在流體連接至CO2分離器148的氣體膨脹器152諸如產(chǎn)生動(dòng)力的氮?dú)馀蛎浧髦羞M(jìn)行膨脹。如圖1-3所描繪的，氣體膨脹器152可通過(guò)公共軸154或其他機(jī)械、電或其他動(dòng)力連接任選地連接至入口壓縮機(jī)118，從而允許由氣體膨脹器152產(chǎn)生的一部分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)入口壓縮機(jī)118。在氣體膨脹器152中膨脹后，主要由氮?dú)饨M成的管線156中的廢氣可被排出至大氣或在本領(lǐng)域已知的其他下游應(yīng)用中實(shí)施。例如，膨脹的氮?dú)饬骺捎糜谡舭l(fā)冷卻工藝，其被配置用于進(jìn)一步降低廢氣溫度，如在同時(shí)提交的名稱為“Stoichiometric Combustion with Exhaust Gas Recirculation and DirectContactCooler (具有廢氣再循環(huán)和直接接觸冷卻器的化學(xué)計(jì)量的燃燒)”的美國(guó)專利申請(qǐng)中大體描述的，其內(nèi)容在此通過(guò)引用并入至與本公開(kāi)一致。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，氣體膨脹器152、入口壓縮機(jī)118和CO2分離器的組合可以表征為開(kāi)放的布雷頓循環(huán),或系統(tǒng)100的第三動(dòng)力產(chǎn)生部件。然而，在其他實(shí)施方式中，氣體膨脹器152可用于向其他應(yīng)用提供動(dòng)力，并且不直接連接至化學(xué)計(jì)量的壓縮機(jī)118。例如，在由膨脹器152產(chǎn)生的動(dòng)力和壓縮機(jī)118的要求之間存在大量失配。在這種情況下，膨脹器152可適于驅(qū)動(dòng)需要較少動(dòng)力的較小的壓縮機(jī)(未示出)。另外地或可選地，膨脹器152可適于驅(qū)動(dòng)其他裝備，視情況而定。仍在其他實(shí)施方式中，如圖8描繪的，氣體膨脹器152可用下游壓縮機(jī)188取代，該下游壓縮機(jī)被配置用于壓縮殘余流151和產(chǎn)生管線190中的壓縮的廢氣。在一種或多種實(shí)施方式中，管線190中壓縮的廢氣可適于注入油藏用于壓力保持應(yīng)用。在甲烷氣體通常被重新注入烴井以保持井壓的應(yīng)用中，壓縮殘余流151可證明是有利的。例如，管線190中加壓的氮?dú)饪商娲蛔⑷霟N井，并且任何殘余甲烷氣體可被出售或以其他方式用作相關(guān)應(yīng)用中的燃料，諸如提供管線112中的燃料。如本文所述的EGR系統(tǒng)124——特別是增加了增壓器142，可被實(shí)施以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)100的廢氣中較高濃度的CO2，從而允許更有效的CO2分離，用于隨后的埋存、壓力保持或EOR應(yīng)用。例如，本文公開(kāi)的實(shí)施方式可有效增加廢氣流中CO2的濃度至大約10vol%或更高。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，燃燒室110可適于化學(xué)計(jì)量地燃燒管線112中的燃料和管線114 中壓縮的氧化劑的進(jìn)入混合物。為了調(diào)節(jié)化學(xué)計(jì)量燃燒的溫度，以滿足膨脹器106入口溫度和成分冷卻要求，源于壓縮的再循環(huán)流144的一部分廢氣可被注入燃燒室110作為稀釋齊U。因此，本公開(kāi)的實(shí)施方式可基本上消除來(lái)自廢氣的任何過(guò)量的氧，同時(shí)增加其CO2組分。如此，管線122中的氣態(tài)廢氣可具有小于大約3. Ovo 1%的氧，或小于大約I. Ovo 1%的氧，或小于大約0. lvol%的氧，或甚至小于大約0. 001vol%的氧?，F(xiàn)在將討論系統(tǒng)100的示例性操作的細(xì)節(jié)。如可被理解的，在任何本文公開(kāi)的實(shí)施方式的不同部件中實(shí)現(xiàn)或經(jīng)歷的具體溫度和壓力可取決于使用的氧化劑的純度和膨脹器、壓縮機(jī)、冷卻器等的具體制造和/或型號(hào)等等這些因素變化。因此，將理解本文描述的特定數(shù)據(jù)僅是為了說(shuō)明性目的并且不應(yīng)當(dāng)被理解為其唯一的解釋。在一個(gè)實(shí)施方式中，入口壓縮機(jī)118可被配置為化學(xué)計(jì)量的壓縮機(jī)，其在大約280psia和大約300psia之間范圍的壓力下提供管線114中壓縮的氧化劑。然而，同樣在本文中考慮的是航改式(aeroderivative)燃?xì)鉂?rùn)輪技術(shù),其可產(chǎn)生和消耗高達(dá)大約750psia和更多的壓力。主壓縮機(jī)104可被配置用于再循環(huán)和壓縮再循環(huán)的廢氣成為稍高于燃燒室110壓力的壓力下或在燃燒室110壓力下的壓縮的再循環(huán)流144，并且在燃燒室110中使用一部分再循環(huán)的廢氣作為稀釋劑。因?yàn)槿紵?10中需要的稀釋劑的量可取決于用于化學(xué)計(jì)量的燃燒的氧化劑的純度或膨脹器106的型號(hào)，熱電偶環(huán)和/或氧傳感器(未示出)可與燃燒室和/或膨脹器關(guān)聯(lián)放置。例如，熱電偶和/或氧傳感器可被放置在燃燒室110的出口上、膨脹器106的入口上和/或膨脹器106的出口上。在操作中，熱電偶和傳感器可適于確定一個(gè)或多個(gè)流的組成和/或溫度，用于確定要求作為稀釋劑以冷卻燃燒產(chǎn)物至要求的膨脹器入口溫度的廢氣的體積。另外地或可選地，熱電偶和傳感器可適于確定被注入燃燒室110的氧化劑的量。因此，響應(yīng)于由熱電偶檢測(cè)的熱要求和由氧傳感器檢測(cè)的氧水平，管線144中壓縮的再循環(huán)氣體的體積質(zhì)量流和/或管線114中壓縮的氧化劑可被操縱或控制以符合要求。體積質(zhì)量流速可通過(guò)任何合適的流量控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，其可與熱電偶和/或氧傳感器電通信。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，可在化學(xué)計(jì)量的燃燒期間通過(guò)燃燒室110經(jīng)歷大約12-13psia的壓力降。管線112中的燃料和管線114中壓縮的氧化劑的燃燒可產(chǎn)生大約2000 °F和大約3000 °F2間的溫度以及范圍從250psia至大約300psia的壓力。因?yàn)樵黾拥馁|(zhì)量流和源于壓縮的再循環(huán)流144的富含CO2的廢氣的較高比熱容，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)膨脹器106的較高的壓力比，從而允許較高的入口溫度和增加的膨脹器106動(dòng)力。離開(kāi)膨脹器106的管線122中的氣態(tài)廢氣122可具有在或接近環(huán)境的壓力。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，管線122中的氣態(tài)廢氣122可具有大約 15. 2psia的壓力。在通過(guò)HRSG126之前，管線122中的氣態(tài)廢氣122的溫度可在大約1180 °F至大約1250 °F的范圍內(nèi)，以產(chǎn)生管線130中的蒸汽和管線132中的冷卻的廢氣。管線132中的冷卻的廢氣可具有從大約190 °F至大約200 ° 范圍內(nèi)的溫度。在一種或多種實(shí)施方式中，冷卻單元134可降低管線132中冷卻的廢氣的溫度，從而產(chǎn)生具有溫度在大約32 T和120 °F之間的冷卻的再循環(huán)氣流140，主要取決于在具體的位置和在具體季節(jié)期間的濕球溫度。根據(jù)一種或多種實(shí)施方式，增壓器142可被配置用于提高冷卻的再循環(huán)體流140的壓力至范圍從大約17. Ipsia至大約21psia的壓力。另外地或可選地，冷卻的再循環(huán)氣流的質(zhì)量流速可通過(guò)其他手段諸如冷卻提高。結(jié)果，主壓縮機(jī)104接收和壓縮具有較高的密度和增加的質(zhì)量流的再循環(huán)的廢氣，從而允許充分較高的排出壓力，同時(shí)保持相同或相似的壓力比。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，從主壓縮機(jī)104排出的壓縮的再循環(huán)流144的溫度可為大約800 °F，壓力為大約280psia。下表提供了具有和不具有增壓器142增加的益處的基于聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪的測(cè)試結(jié)果和性能評(píng)估，如本文所述的。表I
三循環(huán)性能比較
再循環(huán)循環(huán)再循環(huán)循環(huán)功率(MW)_ W/0增壓器 W/増壓器
燃?xì)鉁u輪膨脹器功率—10551150
主ffi縮機(jī)—538— 542
風(fēng)扇或增座器—13— 27
入n樂(lè)縮機(jī)_ 283315
總ffi縮功率_ 835883
凈燃?xì)鉁u輪功率—216261蒸汽渦輪凈功率395407 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械凈功率_ 611668 輔助損失—1315
z減氣膨脹器功率_ 156181
聯(lián)合循環(huán)功率__598__653_
.效力___
燃料消耗率(mBTU/hr)__5947__6322
發(fā)熱量(BTU/kWh)__9949__9680_
聯(lián)合循環(huán)效率(％lhv)__343__35J_
_CO；凈化壓力(psia)__280__308_如應(yīng)從表I顯而易見(jiàn)的，由于壓力比增加，包含增壓器142的實(shí)施方式可使得膨脹器106功率(即，“燃?xì)鉁u輪膨脹器功率”)增加。盡管主壓縮機(jī)104的功率需求可增加，但它的增加不只被膨脹器106的功率輸出增加抵消，從而導(dǎo)致大約l%lhv(較低的加熱值)的總體熱動(dòng)力性能效力改善。此外，增加增壓器142或在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中冷卻可也增加氮?dú)馀蛎浧?52的功率輸出和凈化流146管線中的CO2凈化壓力。由于較高的CO2分壓，凈化流146的凈化壓力的增加可導(dǎo)致CO2分離器148中改善的溶劑處理性能。這種改善可包含但不限于，用于溶劑提取工藝的減小的設(shè)備尺寸形式的總體資金花費(fèi)的減少?，F(xiàn)在參考圖2，其描繪的是圖I的動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)100的可選實(shí)施方式，實(shí)施并且描述為系統(tǒng)200。如此，參考圖I可最好地理解圖2。類似于圖I的系統(tǒng)100，圖2的系統(tǒng)200包含連接至廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)124或以其他方式由廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)124支持的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)102。然而，圖2中的EGR系統(tǒng)124可包含如此實(shí)施方式，其中增壓器142跟隨HRSG 126或可以其他方式被流體連接至HRSG 126。如此，管線132中的冷卻的廢氣可在冷卻單元134中被降溫之前在增壓器142中進(jìn)行壓縮。因此，冷卻單元134可用作適于去除由增壓器142產(chǎn)生的壓縮熱的后冷卻器。與先前公開(kāi)的實(shí)施方式一樣，水排泄流138可或可不按路線發(fā)送至HRSG 126，以產(chǎn)生管線130中額外的蒸汽。
冷卻的再循環(huán)氣流140可隨后被引導(dǎo)至主壓縮機(jī)104，在那里它如上所討論的被進(jìn)一步壓縮，從而產(chǎn)生壓縮的再循環(huán)流144。如可理解的，在增壓器142中壓縮后，冷卻冷卻單元134中管線132中的冷卻的廢氣可減少在隨后的主壓縮機(jī)104中壓縮冷卻的再循環(huán)氣流140至預(yù)定壓力需要的動(dòng)力的量。圖3描繪了圖I的低排放動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)100的另一個(gè)實(shí)施方式，實(shí)施為系統(tǒng)300。如此，參考圖I和2可最好地理解圖3。分別類似于圖I和2描述的系統(tǒng)100、200，系統(tǒng)300包含由EGR系統(tǒng)124支持的或以其他方式連接至EGR系統(tǒng)124的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)102。然而，圖3中的EGR系統(tǒng)124可包含第一冷卻單元134和第二冷卻單元136，在其間具有流體連接的增壓器142。與先前的實(shí)施方式一樣，每個(gè)冷卻單元134、136都可為直接接觸冷卻器、調(diào)溫冷卻器或類似物，如本領(lǐng)域已知的。在一種或多種實(shí)施方式中，從HRSG 126排出的管線132中的冷卻的廢氣可被發(fā)送至第一冷卻單元134，以產(chǎn)生冷凝水排泄流138和冷卻的再循環(huán)氣流140。冷卻的再循環(huán)氣流140可被引導(dǎo)至增壓器142，以便提高冷卻的再循環(huán)氣流140的壓力，并隨后將它引導(dǎo)至第二冷卻單元136。第二冷卻單元136可用作后冷卻器，其適于去除由增壓器142產(chǎn)生的壓縮熱，并且也經(jīng)水排泄流143去除額外的冷凝水。在一種或多種實(shí)施方式中，每個(gè)水排泄流138、143可或可不按路線發(fā)送至HRSG 126，以產(chǎn)生管線130中額外的蒸汽。冷卻的再循環(huán)氣流140可隨后被引入主壓縮機(jī)104，以產(chǎn)生稍高于燃燒室110壓力或處于燃燒室110壓力下的壓縮的再循環(huán)流144。如可理解的，在第一冷卻單元134中冷卻管線132中的冷卻的廢氣可減少在增壓器142中壓縮冷卻的再循環(huán)氣流140需要的動(dòng)力的量。另外，在第二冷卻單元136中進(jìn)一步冷卻廢氣可減少壓縮冷卻的再循環(huán)氣流140至隨后的主壓縮機(jī)104中的預(yù)定壓力需要的動(dòng)力的量。燃燒室110中化學(xué)計(jì)量的燃燒和通過(guò)冷卻單元134，136去除水的結(jié)合允許廢氣(例如，流122，132，140和/或144)中的CO2含量積累至大約10vol%或更高，其高于常規(guī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的廢氣。這些作用，加上由增壓器142和/或冷卻單元的實(shí)施和作用引起的更高的質(zhì)量流速的影響，使得CO2分壓比常規(guī)燃?xì)鉁u輪廢氣高得多。因此，這允許利用較小能量密集溶劑諸如碳酸鉀(K2CO3)溶劑技術(shù)的CO2分離器148中的碳捕獲。
氧氣(O2)、S0X和NOx的存在使胺溶劑(例如，MEA、DEA、MDEA和相關(guān)溶劑)的使用困難，即使利用更高的壓力和增加的CO2含量，因?yàn)檫@些氣體可引起胺分解。然而，碳酸鉀是非反應(yīng)性的并對(duì)氧的任何作用免疫。盡管在燃燒室110進(jìn)行的反應(yīng)意欲為化學(xué)計(jì)量的，但由于燃燒平衡限制，小部分氧仍然可存在于凈化流146中。盡管在該應(yīng)用中使用MEA溶劑將要求顯著的溶劑收回和復(fù)雜的處理，但碳酸鉀溶劑的使用消除了基于氧的溶劑分解。碳酸鉀容易地吸收廢氣中的SOx或NOx，將這些化合物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的肥料，諸如亞硫酸鉀(K2SO3)和硝酸鉀(KNO3)。具體地，SO2, SO3和NO2都在水中形成相當(dāng)強(qiáng)的酸，比CO2強(qiáng)得多。因此，它們將優(yōu)選在溶劑溶液中被吸收，但將成為熱穩(wěn)定的鹽(HSS)并且將不被再生作用去除。另一方面，NO和N2O具有低溶解度，并且與NO2相比更難以吸收，并趨于以較低濃度存在。作為簡(jiǎn)單的肥料，亞硫酸鉀和硝酸鉀可以容易地以環(huán)境無(wú)害的方式排出，只要沒(méi)有其他有毒化合物諸如緩蝕劑、活性劑等被加入至溶劑系統(tǒng)。當(dāng)去除硫酸鹽和硝酸鹽化 合物時(shí)，氫氧化鉀(KOH)可被加入用于溶劑組成(makeup)。因?yàn)闅溲趸洖橄喈?dāng)便宜的化學(xué)品，這可被非常經(jīng)濟(jì)地完成。參考圖4，描繪的是如本文描述的可采用碳酸鉀溶劑技術(shù)的CO2分離系統(tǒng)400的示例性實(shí)施方式。CO2分離系統(tǒng)400可為或形成CO2分離器148的至少一部分，如本文參考圖1-3大體描述的。在一種或多種實(shí)施方式中，系統(tǒng)400可被配置用于在大約800 0F的溫度和在大約270psia至大約280psia的壓力下接收從壓縮的再循環(huán)流144 (圖1_3)流出的凈化流 146。主要含有氮、CO2和多余的燃燒水的凈化流146可在熱交換器402中被冷卻至大約250 °F至大約300 °F范圍內(nèi)的溫度，從而產(chǎn)生管線404中的冷卻的凈化流。在一個(gè)實(shí)施方式中，熱交換器402可產(chǎn)生蒸汽以與來(lái)自HRSG 126的蒸汽流130(圖1_3)結(jié)合。在CO2分離系統(tǒng)400中從凈化流146提取CO2在位于或接近凈化流146的升高的壓力和在大約150 0F的溫度下產(chǎn)生富氮?dú)堄嗔?51。在至少一種實(shí)施方式中，熱交換器402可為流體連接至殘余流151的交叉交換熱交換器，并且其被配置用于提取與冷卻凈化流146相關(guān)的熱能，以便重新加熱殘余流151。一旦重新加熱，主要由具有大約750 °F的溫度和大約270-280psia的壓力的氮?dú)庹魵饨M成的殘余流151可隨后被膨脹以產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力，如以上大體描述的。管線404中冷卻的凈化流可被弓I導(dǎo)至吸收器柱406，在此使來(lái)自管線408的溶劑循環(huán)，并且殘余流151同時(shí)在頂部排出，用于進(jìn)一步下游處理。在一個(gè)實(shí)施方式中，溶劑為碳酸鉀的基于水的鹽溶液。當(dāng)與競(jìng)爭(zhēng)的溶劑諸如MEA相比時(shí)，碳酸鉀溶劑是非常耐受溫度的。結(jié)果，如需要的，可將凈化流146的冷卻最小化，并且可允許更高溫度的凈化流146進(jìn)入吸收器柱406，而不引起熱分解的擔(dān)心。因此，可更改凈化流146的冷卻程度以符合工藝熱要求，而不是冷卻以避免分解。隨著CO2被吸收器柱406中的碳酸鉀吸收，它與水反應(yīng)以形成碳酸(H2CO3),隨后是碳酸氫根(HCO3-)。碳酸的酸性部分(H+)可與碳酸根離子(CO,)反應(yīng)以形成另外的碳酸氫根離子。因此，全部反應(yīng)可為如下
CO2 + H2O ■+■ K2COi ^ 2 KHCO3結(jié)果，充足的碳酸氫鹽溶劑可經(jīng)管線410從吸收器柱406的底部排出并且被引導(dǎo)至再生柱412。在一個(gè)實(shí)施方式中，位于管線410中的第一或中間閥門(mén)414可被配置用于在碳酸氫鹽溶劑引入再生柱412之前閃蒸碳酸氫鹽溶劑至較低的接近大氣的壓力。在至少一種實(shí)施方式中，第一閥門(mén)414可為液壓渦輪，其被配置用于產(chǎn)生額外的動(dòng)力。在至少一種實(shí)施方式中，再生柱412可在超過(guò)水的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的溫度下操作。例如，再生柱412可在范圍從大約220 °F、大約230 °F或大約240 °F至大約280 °F、大約290 °卩或大約300 ° 的溫度下操作。再生柱412可在范圍從大約Opsig至大約IOpsig的壓力下操作。在至少一種實(shí)施方式中，再生柱412可被配置用于在大約3psig的壓力下操作。再生柱412可被配置用于使用在其中循環(huán)的蒸汽煮沸碳酸氫鹽溶劑并逆轉(zhuǎn)在吸收器柱406中進(jìn)行的反應(yīng)，從而產(chǎn)生適于經(jīng)以下管線416再循環(huán)的再生的貧(lean)碳酸鉀溶劑。在至少一種實(shí)施方式中，管線泵418或類似物可經(jīng)管線420驅(qū)動(dòng)至少一部分貧碳酸鉀溶劑返回吸收器柱406。在向吸收器柱406的途中，一部分貧碳酸鉀溶劑可作為熱穩(wěn)定鹽(HSS)經(jīng)管線423去除。如上所述，經(jīng)管線423提取的說(shuō)明性的HSS可包含復(fù)合肥料諸如但不限于亞硫 酸鉀和/或硝酸鉀。為了彌補(bǔ)經(jīng)管線423去除的碳酸鉀含量的損失，并保持全部溶液濃度(strength)，氫氧化鉀流可隨后經(jīng)管線425加入。在一種或多種實(shí)施方式中，氫氧化鉀用作溶劑組成。管線420中的貧碳酸鉀溶劑可隨后被任選地引導(dǎo)通過(guò)第一冷卻單元422。在一種或多種實(shí)施方式中，第一冷卻單兀422可為例如空氣冷卻器或散熱器型熱交換器,其被配置用于降低溶劑的溫度。如果被使用，第一冷卻單元422可被配置用于降低貧碳酸鉀溶劑的溫度至范圍從大約230 °F和大約60 °F之間的溫度。如可理解的，在至少一種實(shí)施方式中，HSS可以可選地在第一冷卻單元422后作為肥料去除，以及加入氫氧化鉀。為了產(chǎn)生在再生柱412中循環(huán)的蒸汽和保持再生需要的熱，管線416中的至少一部分貧碳酸鉀溶劑可經(jīng)管線417被引導(dǎo)至再沸器419。再沸器419可被配置用于升高管線417中的貧碳酸鉀溶劑的溫度，并使加熱的再生的碳酸鉀溶劑經(jīng)管線421返回再生柱。在至少一種實(shí)施方式中，再沸器419可被供應(yīng)來(lái)自HRSG 126(圖1-3)的熱。然而，在其他實(shí)施方式中，再沸器419可被供應(yīng)來(lái)自蒸汽燃?xì)鉁u輪128 (圖1-3)的排出物的熱。包含在凈化流146中的水可在吸收器柱406中冷凝進(jìn)入溶劑溶液，并隨后在再生柱412中煮沸。因此，再生柱412可進(jìn)一步經(jīng)頂部管線424排出CO2蒸氣和任何殘余水。在至少一種實(shí)施方式中，CO2蒸氣和殘余水在被引入冷凝器428之前可被引導(dǎo)通過(guò)第二冷卻單元426，諸如空氣冷卻器或散熱器型熱交換器。冷凝器428可被配置用于將殘余水與任何回收的CO2分離并且引導(dǎo)分離的水進(jìn)入下面的管線430，同時(shí)供應(yīng)回收的CO2頂部進(jìn)入管線150。如可理解的，管線150可為與以上參考圖1-3描述的相同的管線150。在至少一種實(shí)施方式中，管線150中分離的0)2可隨后被壓縮用于應(yīng)用，諸如CO2埋存、提高采收率法采油、CO2出售、碳捕獲和/或其組合。在一個(gè)實(shí)施方式中，管線430中至少一部分分離的水可利用泵432經(jīng)管線434再循環(huán)返回再生柱412中，以允許系統(tǒng)中的水平衡保持不變。水經(jīng)流404不斷地被引入溶劑，并隨后經(jīng)管線436，150和151去除。為了保持溶劑狀態(tài)和濃度，水必須在系統(tǒng)400內(nèi)保持平衡。因此，在管線434中再循環(huán)的水可允許水返回，以便管線421中產(chǎn)生的蒸汽可獨(dú)立于該水平衡而受到控制。換言之，該再循環(huán)的水可用作用于再生柱412中蒸汽產(chǎn)生的給水或產(chǎn)生來(lái)自供應(yīng)冷卻的低壓蒸汽。在其他實(shí)施方式中，管線430中一部分殘余水可經(jīng)管線436被處理為新鮮工藝用水。例如，盡管含有一部分溶解的CO2，但管線436中的水可用于灌溉水，被處理用于鍋爐給水，和/或其他工藝用水。現(xiàn)在參考圖5，描繪的是CO2分離系統(tǒng)500的另一個(gè)說(shuō)明性的實(shí)施方式，在一些方面類似于圖4的系統(tǒng)400。如此，整個(gè)系統(tǒng)500將不詳細(xì)進(jìn)行描述，但可參考圖4最好地理解。然而，圖4的系統(tǒng)400可表征為單一階段碳酸鉀工藝，圖5的系統(tǒng)500可在至少一種實(shí)施方式中表征為兩階段碳酸鉀工藝。如所描繪的，CO2分離系統(tǒng)500可包含“半貧”溶劑再循環(huán)回路，其中一部分溶劑可在完成再生之前經(jīng)管線502從再生柱412收回。在至少一種實(shí)施方式中，經(jīng)管線502收回的該部分溶劑可為通過(guò)再生柱412循環(huán)的整個(gè)溶劑體積的大約50%或更多。在再生柱412中剩余的溶劑溶液的平衡可被完全再生，如上所述，并經(jīng)其下面的管線416被排出。位于管線502內(nèi)的泵504可引導(dǎo)半貧溶劑溶液至吸收器柱406。在一個(gè)實(shí)施方式中，半貧溶劑溶液可被向下供應(yīng)506進(jìn)入吸收器柱406。作為僅部分再生的，管線502中的半貧溶劑不能從處于吸收器柱406中較高位置的較低濃度的氣體吸收C02。相反，其可被供應(yīng)進(jìn)入吸收器柱406，在那里它以吸收最大量的CO2,并不稀釋經(jīng)管線408進(jìn)入吸收器柱406的全貧溶劑。 系統(tǒng)500中的該變化可要求比圖4的系統(tǒng)400更高的溶劑循環(huán)流速，但可需要更少的外部熱能以去除C02。以該提高的熱效率，與在凈化流146中包含的熱負(fù)荷相比，系統(tǒng)500可需要更少的再沸器419熱負(fù)荷。換言之，引入的凈化流146的熱可能能夠滿足全部再沸器419熱要求。因此，如果注入殘余流151用于E0R，系統(tǒng)500可為熱自給自足的并且不需要來(lái)自動(dòng)力渦輪機(jī)HRSG 126的補(bǔ)充熱?，F(xiàn)在參考圖6，描繪的是CO2分離系統(tǒng)600的另一個(gè)示例性實(shí)施方式，在一些方面分別類似于圖4和5的系統(tǒng)400、500。如此，整個(gè)系統(tǒng)600將不詳細(xì)進(jìn)行描述，但可參考圖4和5最好地理解。如所描繪的，充分的碳酸氫鹽溶劑可經(jīng)管線410從吸收器柱406底部排出，并且在被引入分離器604之前利用第一閥門(mén)602降低壓力。在一個(gè)實(shí)施方式中，第一閥門(mén)602可被配置用于降低碳酸氫鹽溶劑的壓力從凈化流146壓力(例如，在大約270-280psia之間)至中等壓力水平。在一種或多種實(shí)施方式中，中等壓力水平可在范圍大約20psia至大約50psia內(nèi)。分離器604可被配置用于接收降低壓力的溶液并且經(jīng)頂部管線606去除至少一部分C02。在一種或多種實(shí)施方式中，管線606中去除的CO2可在冷卻單元608中冷卻，并且隨后被供應(yīng)進(jìn)入下游壓縮系統(tǒng)607。在一種或多種實(shí)施方式中，冷卻單元608可為直接接觸冷卻器、調(diào)溫冷卻器、機(jī)械制冷單元或其組合。因?yàn)楣芫€606中去除部分的CO2處于升高的壓力，雖然凈化流146和大氣的壓力之間中等壓力，它也可被注入下游壓縮系統(tǒng)607的中間階段，從而降低壓縮系統(tǒng)607上要求的壓縮負(fù)載。在分離器604中剩余的余量CO2和碳酸氫鹽溶劑可經(jīng)下面的管線610從分離器604排出，并且在被引導(dǎo)入再生柱412之前利用第二閥門(mén)612閃蒸至流611中更低的接近大氣的壓力。在系統(tǒng)600的一些實(shí)施方式中，隨后可如上參考分別如圖4或5所描繪的系統(tǒng)400或系統(tǒng)500所述，發(fā)生全部的溶劑再生。例如，如上所述，分離部分的CO2可經(jīng)管線150在或接近大氣壓下從冷凝器428提取并且被引導(dǎo)至下游壓縮系統(tǒng)607的第一壓縮階段。因此，下游壓縮系統(tǒng)607可接收基本上包含捕獲的CO2的至少兩個(gè)供應(yīng)流；一個(gè)供應(yīng)流具有管線606中的被注入中間壓縮階段的高壓CO2，和第二供應(yīng)流具有管線150中的低壓CO2并在第一壓縮階段被注入。如可理解的，這樣的布置可在實(shí)際上不增加再生器柱412熱負(fù)載的情況下降低在制備用于EOR或埋存中對(duì)CO2壓縮的動(dòng)力要求。源于系統(tǒng)600的至少一個(gè)益處是從再生柱412產(chǎn)生純的或接近純的CO2流的能力。存在于管線410中的CO2流的污染物可包含水和溶解在循環(huán)溶劑中的一些易揮發(fā)氣體(例如，N2, CO、Ar等)。系統(tǒng)600可適于去除基本上所有這些易揮發(fā)氣體，留下僅具有高純度CO2和水的再生柱412頂部流424。在一種或多種實(shí)施方式中，頂部管線424中的CO2濃度可為系統(tǒng)600中全部CO2流量的大約2/3。一旦從水被分離，管線150中的一部分CO2可被引導(dǎo)入凈化管線614并且被捕獲用于非EOR用途，諸如化學(xué)原料、食品生產(chǎn)等。如可理解的，可結(jié)合參考圖5-6公開(kāi)的實(shí)施方式和特征，而不脫離本公開(kāi)。因此，下表和補(bǔ)充信息為上述實(shí)施方式和/或特征的結(jié)合提供了說(shuō)明性工藝數(shù)據(jù)。顯示在表中的溶劑流和氣流參考數(shù)字可參考圖5-6。表2-工藝數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.綜合的CO2分離系統(tǒng)，包括 具有燃燒室的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，所述燃燒室被配置用于在壓縮的再循環(huán)流的存在下化學(xué)計(jì)量地燃燒壓縮的氧化劑和燃料，以便產(chǎn)生排出物流，所述排出物流在膨脹器中膨脹，從而產(chǎn)生氣態(tài)廢流并且至少部分地驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)，其中所述壓縮的再循環(huán)流用作被配置用于調(diào)節(jié)所述排出物流的溫度的稀釋劑； 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其具有增壓器和一個(gè)或多個(gè)冷卻單元中的至少一個(gè)，其被配置用于提高所述氣態(tài)廢流的質(zhì)量流速以向所述主壓縮機(jī)提供冷卻的再循環(huán)氣體，其中所述主壓縮機(jī)壓縮所述冷卻的再循環(huán)氣體并且產(chǎn)生所述壓縮的再循環(huán)流，所述壓縮的再循環(huán)流的一部分被引導(dǎo)至所述燃燒室，并且所述壓縮的再循環(huán)流的一部分提供凈化流；和 流體連接至所述凈化流的CO2分離器，所述CO2分離器包括 吸收器柱，其被配置用于接收所述凈化流并且使碳酸鉀溶劑在其中循環(huán)，以吸收所述凈化流中的CO2，其中所述吸收器柱排出富氮?dú)堄嗔骱吞妓釟潲}溶劑溶液； 第一閥門(mén)，其流體連接至所述吸收器柱并被配置用于閃蒸所述碳酸氫鹽溶劑溶液至接近大氣的壓力；和 再生柱，其流體連接至所述第一閥門(mén)并被配置用于接收和煮沸所述碳酸氫鹽溶劑溶液以從其中去除CO2和水，從而產(chǎn)生再循環(huán)返回所述吸收器柱的再生的碳酸鉀溶劑。
2.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述凈化流的溫度為大約800T，并且所述凈化流的壓力為大約280psia。
3.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與所述凈化流相關(guān)聯(lián)的熱交換器，其中所述熱交換器為交叉交換熱交換器，其被配置用于降低所述凈化流的溫度至大約250 °F和大約300 °F之間。
4.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述再生柱在大約3psig的壓力下操作。
5.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括再沸器，其流體連接至所述再生柱，并且被配置用于接收和加熱一部分所述再生的碳酸鉀溶劑并且產(chǎn)生加熱的再生的碳酸鉀溶劑。
6.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述再沸器被配置用于使所述加熱的再生的碳酸鉀溶劑再循環(huán)返回所述再生柱，以產(chǎn)生用于煮沸所述碳酸氫鹽溶劑溶液的蒸汽。
7.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括冷凝器，其流體連接至所述再生柱，并且被配置用于接收和分離從所述碳酸氫鹽溶劑溶液中去除的所述CO2和水，其中所述CO2被弓I導(dǎo)至下游壓縮系統(tǒng)。
8.權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中與所述CO2分離的一部分所述水被用泵輸送返回所述再生柱，以產(chǎn)生蒸汽。
9.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中一部分所述碳酸氫鹽溶劑溶液在完成溶劑再生之前從所述再生柱中收回，并且再循環(huán)和向下供應(yīng)至所述吸收器柱。
10.權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中碳酸氫鹽溶劑溶液總量的大約50%或更多在完成溶劑再生之前從所述再生柱中收回。
11.綜合的CO2分離系統(tǒng)，包括 具有燃燒室的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，所述燃燒室被配置用于在壓縮的再循環(huán)流的存在下，化學(xué)計(jì)量地燃燒壓縮的氧化劑和燃料，以便在膨脹器中膨脹排出物流，從而產(chǎn)生氣態(tài)廢流并且至少部分地驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)，其中所述壓縮的再循環(huán)流用作被配置用于調(diào)節(jié)所述排出物流的溫度的稀釋劑； 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其具有增壓器和流體連接至所述增壓器的一個(gè)或多個(gè)冷卻單元，所述增壓器被配置用于接收和提高所述氣態(tài)廢流的壓力，所述一個(gè)或多個(gè)冷卻單元被配置用于冷卻所述氣態(tài)廢流，并且向所述主壓縮機(jī)提供冷卻的再循環(huán)氣體，其中所述主壓縮機(jī)壓縮所述冷卻的再循環(huán)氣體并且產(chǎn)生所述壓縮的再循環(huán)流； 凈化流，其流體連接至所述壓縮的再循環(huán)流并且具有熱交換器，所述熱交換器被配置用于降低所述凈化流的溫度并產(chǎn)生冷卻的凈化流；和 CO2分離器，其流體連接至所述熱交換器，所述CO2分離器包括 吸收器柱，其被配置用于接收所述冷卻的凈化流并且使碳酸鉀溶劑在其中循環(huán)，以吸收所述冷卻的凈化流中的CO2，其中所述吸收器柱排出富氮?dú)堄嗔骱吞妓釟潲}溶劑溶液； 第一閥門(mén)，其流體連接至所述吸收器柱并且被配置用于閃蒸所述碳酸氫鹽溶劑溶液至較低的壓力，從而產(chǎn)生壓力降低的溶液； 分離器，其流體連接至所述第一閥門(mén)并且被配置用于接收所述壓力降低的溶液并且從其中去除第一部分的CO2,以便被注入下游壓縮系統(tǒng)的內(nèi)階段； 第二閥門(mén)，其流體連接至所述分離器并且被配置用于接收剩余部分的所述壓力降低的溶液，并且閃蒸剩余部分至接近大氣壓，從而產(chǎn)生接近大氣壓的碳酸氫鹽溶劑溶液；和再生柱，其流體連接至所述第二閥門(mén)并且被配置用于接收和煮沸所述接近大氣壓的碳酸氫鹽溶劑溶液，以去除第二部分的CO2和水，從而產(chǎn)生再生的碳酸鉀溶劑，以便再循環(huán)返回所述吸收器柱。
12.權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述凈化流的溫度為大約800T，并且所述凈化流的壓力為大約280psia。
13.權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述熱交換器為交叉交換熱交換器，其被配置用于降低所述凈化流的溫度至大約250 °F和大約300 °F之間。
14.權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括高壓冷卻單元，其被配置用于在注入所述下游壓縮系統(tǒng)的所述內(nèi)階段之前冷卻所述第一部分的C02。
15.權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括冷凝器，其流體連接至所述再生柱，并且被配置用于從所述水中分離所述第二部分的CO2并且引導(dǎo)所述第二部分的CO2至所述下游壓縮系統(tǒng)的第一階段。
16.分離CO2的方法，包括 在燃燒室中且在壓縮的再循環(huán)流的存在下，化學(xué)計(jì)量地燃燒壓縮的氧化劑和燃料，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)并且產(chǎn)生氣態(tài)廢流的在膨脹器中膨脹的排出物流，其中所述壓縮的再循環(huán)流調(diào)節(jié)所述排出物流的溫度； 用增壓器提高所述氣態(tài)廢流的壓力并且用流體連接至所述增壓器的一個(gè)或多個(gè)冷卻單元冷卻所述氣態(tài)廢流，借此將冷卻的再循環(huán)氣體引導(dǎo)至所述主壓縮機(jī)用于壓縮，其中所述主壓縮機(jī)壓縮所述冷卻的再循環(huán)氣體，以產(chǎn)生所述壓縮的再循環(huán)流； 用熱交換器冷卻流體連接至壓縮的再循環(huán)流的凈化流，以產(chǎn)生冷卻的凈化流； 引導(dǎo)所述冷卻的凈化流至具有碳酸鉀溶劑在其中循環(huán)的吸收器柱，所述碳酸鉀溶劑被配置用于吸收存在于所述冷卻的凈化流中的CO2 ； 從所述吸收器柱排出富氮?dú)堄嗔骱吞妓釟潲}溶劑溶液；通過(guò)閥門(mén)閃蒸所述碳酸氫鹽溶劑溶液至接近大氣的壓力； 在再生柱中煮沸所述碳酸氫鹽溶劑溶液，以從其中去除CO2和水，從而產(chǎn)生再生的碳酸鉀溶劑；和 使所述再生的碳酸鉀溶劑再循環(huán)返回所述吸收器柱。
17.權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括提高再沸器中一部分所述再生的碳酸鉀溶劑的溫度，以產(chǎn)生加熱的再生的碳酸鉀溶劑。
18.權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括使所述加熱的再生的碳酸鉀溶劑再循環(huán)返回至所述再生柱，以產(chǎn)生用于煮沸所述碳酸氫鹽溶劑溶液的蒸汽。
19.權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在流體連接至所述再生柱的冷凝器中，將所述CO2從所述水中分離，所述水是從所述碳酸氫鹽溶劑溶液中去除的；并引導(dǎo)所述CO2至下 游壓縮系統(tǒng)。
20.權(quán)利要求19所述的方法，引導(dǎo)一部分在所述分離中與CO2分離的所述水返回至所述再生柱，以產(chǎn)生蒸汽。
21.權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在完成溶劑再生之前，從所述再生柱收回一部分所述碳酸氫鹽溶劑溶液，并將所述收回的碳酸氫鹽溶劑溶液向下供應(yīng)至所述吸收器柱。
22.綜合的CO2分離系統(tǒng)，包括 具有燃燒室的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，所述燃燒室被配置用于在壓縮的再循環(huán)流的存在下，化學(xué)計(jì)量地燃燒壓縮的氧化劑和燃料，以便在膨脹器中膨脹排出物流，從而產(chǎn)生氣態(tài)廢流并且至少部分地驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)，其中所述壓縮的再循環(huán)流用作被配置用于調(diào)節(jié)所述排出物流溫度的稀釋劑； 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其具有增壓器和流體連接至所述增壓器的一個(gè)或多個(gè)冷卻單元，所述增壓器被配置用于接收和提高所述氣態(tài)廢流的壓力，并且所述一個(gè)或多個(gè)冷卻單元被配置用于冷卻所述氣態(tài)廢流并且向所述主壓縮機(jī)提供冷卻的再循環(huán)氣體，其中所述主壓縮機(jī)壓縮所述冷卻的再循環(huán)氣體并且產(chǎn)生所述壓縮的再循環(huán)流； 凈化流，其流體連接至所述壓縮的再循環(huán)流并且具有熱交換器，所述熱交換器被配置用于降低所述凈化流的溫度并且產(chǎn)生冷卻的凈化流和低壓蒸汽；和 CO2分離器，其流體連接至所述熱交換器，所述CO2分離器包括 吸收器柱，其被配置用于接收所述冷卻的凈化流并且使碳酸鉀溶劑在其中循環(huán)，以吸收在所述冷卻的凈化流中的CO2，其中所述吸收器柱排出富氮?dú)堄嗔骱吞妓釟潲}溶劑溶液； 閥門(mén)，其流體連接至所述吸收器柱并且被配置用于閃蒸所述碳酸氫鹽溶劑溶液至接近大氣的壓力； 再生柱，其流體連接至所述閥門(mén)并且被配置用于接收和煮沸所述碳酸氫鹽溶劑溶液，以從其中去除第一部分的CO2和水，從而產(chǎn)生再生的碳酸鉀溶劑； 一個(gè)或多個(gè)混合室，其流體連接至所述再生柱和相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)引射器，所述一個(gè)或多個(gè)混合室被配置用于接收所述再生的碳酸鉀溶劑，和所述一個(gè)或多個(gè)引射器被配置用于從所述熱交換器接收所述低壓蒸汽并且閃蒸-煮沸所述再生的碳酸鉀溶劑，以提取第二部分的CO2和水，以便再循環(huán)返回所述再生柱；和 泵，其流體連接至所述一個(gè)或多個(gè)混合室中的至少一個(gè)，并且被配置用于引導(dǎo)剩余部分的再生的碳酸鉀溶劑返回至所述吸收器柱。
23.權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述低壓蒸汽具有大約50psig或更高的壓力。
24.權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括冷凝器，其流體連接至所述再生柱并且被配置用于從所述水中分離所述第一部分的CO2，所述水是從所述再生柱去除的，并且引導(dǎo)所述第一部分的CO2至下游壓縮系統(tǒng)。
25.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中與所述CO2分離的第一部分的所述水用泵輸送返回至所述再生柱，以產(chǎn)生蒸汽。
26.權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中與所述CO2分離的第二部分的所述水被引導(dǎo)至所述熱交換器，以產(chǎn)生所述低壓蒸汽。
27.權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括再沸器，其流體連接至所述再生柱并且被配置用于接收和加熱一部分所述再生的碳酸鉀溶劑并且產(chǎn)生加熱的再生的碳酸鉀溶劑，以便再循環(huán)返回至所述再生柱，以產(chǎn)生用于煮沸所述碳酸氫鹽溶劑溶液的蒸汽。
28.分離CO2的方法，包括 在燃燒室中和在壓縮的再循環(huán)流的存在下化學(xué)計(jì)量地燃燒壓縮的氧化劑和燃料，從而產(chǎn)生在膨脹器中膨脹的排出物流，其驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)并產(chǎn)生氣態(tài)廢流，其中所述壓縮的再循環(huán)流調(diào)節(jié)所述排出物流的溫度； 用增壓器增加所述氣態(tài)廢流的壓力并且用流體連接至所述增壓器的一個(gè)或多個(gè)冷卻單元冷卻所述氣態(tài)廢流，借此將冷卻的再循環(huán)氣體引導(dǎo)至所述主壓縮機(jī)用于壓縮，其中所述主壓縮機(jī)壓縮所述冷卻的再循環(huán)氣體，以產(chǎn)生所述壓縮的再循環(huán)流； 用熱交換器冷卻流體連接至壓縮的再循環(huán)流的凈化流，以產(chǎn)生冷卻的凈化流和低壓蒸汽； 引導(dǎo)所述冷卻的凈化流至具有碳酸鉀溶劑在其中循環(huán)的吸收器柱，所述碳酸鉀溶劑被配置用于吸收存在于所述冷卻的凈化流中的CO2 ； 從所述吸收器柱排出富氮?dú)堄嗔骱吞妓釟潲}溶劑溶液； 通過(guò)閥門(mén)閃蒸所述碳酸氫鹽溶劑溶液至接近大氣的壓力； 在再生柱中煮沸所述碳酸氫鹽溶劑溶液，以從其中去除第一部分的CO2和水，從而產(chǎn)生再生的碳酸鉀溶劑； 將所述低壓蒸汽注入流體連接至一個(gè)或多個(gè)混合室的一個(gè)或多個(gè)引射器，其中所述一個(gè)或多個(gè)混合室被配置用于接收所述再生的碳酸鉀溶劑； 在流體連接至一個(gè)或多個(gè)引射器的一個(gè)或多個(gè)混合室中閃蒸-煮沸來(lái)自所述再生柱的所述再生的碳酸鉀溶劑，以產(chǎn)生包括第二部分的CO2和水的流出物； 使通過(guò)所述一個(gè)或多個(gè)引射器的所述低壓蒸汽加速，以從所述一個(gè)或多個(gè)混合室中提取所述流出物，其中所述流出物再循環(huán)返回至所述再生柱； 使剩余部分的再生的碳酸鉀溶劑再循環(huán)返回至所述吸收器柱。
29.權(quán)利要求28所述的方法，進(jìn)一步包括在流體連接至所述再生柱的冷凝器中，從所述水中分離所述第一部分的CO2，所述水是從所述碳酸氫鹽溶劑溶液中去除的，并且引導(dǎo)所述CO2至下游壓縮系統(tǒng)。
30.權(quán)利要求29所述的方法，進(jìn)一步包括引導(dǎo)在所述冷凝器中與所述CO2分離的第一部分的所述水返回至所述再生柱，以產(chǎn)生蒸汽。
31.權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括引導(dǎo)在所述冷凝器中與所述CO2分離的第二部分的所述水至所述熱交換器，以產(chǎn)生所述低壓蒸汽。
全文摘要
提供了用于在聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力工廠中的低排放動(dòng)力產(chǎn)生的CO2分離的方法和系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)包含燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其在壓縮的再循環(huán)流的存在下化學(xué)計(jì)量地燃燒燃料和氧化劑，以提供機(jī)械動(dòng)力和氣態(tài)廢氣。壓縮的再循環(huán)流作為稀釋劑，以調(diào)節(jié)燃燒工藝的溫度。增壓器可在氣態(tài)廢氣被壓縮成為壓縮的再循環(huán)流之前提高其壓力。凈化流從壓縮的再循環(huán)流流出并被引導(dǎo)至被配置用于利用碳酸鉀溶劑從凈化流吸收CO2的CO2分離器。
文檔編號(hào)F02C7/22GK102971508SQ201180033271
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者R·H·歐爾菲克, M·明特 申請(qǐng)人:埃克森美孚上游研究公司