ES2708352T3 - Sistema y método para generación de energía de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo de circulación de dióxido de carbono - Google Patents
Sistema y método para generación de energía de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo de circulación de dióxido de carbono Download PDFInfo
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Abstract
Un método de generación de energía, que comprende: expandir una corriente de CO2 a una presión de al menos aproximadamente 12 MPa a aproximadamente 60 MPa a través de una serie de primeras turbinas (3) y una última turbina (4) sobre una relación de la presión de al menos aproximadamente 20 para emitir desde la última turbina una corriente de descarga de la última turbina que está opcionalmente a una presión inferior a aproximadamente 0,15 MPa; calentar una corriente de descarga desde la primera turbina (3) antes de pasar a la última turbina (4) en una cámara de combustión (2) por combustión de un hidrocarburo o combustible carbonoso en la presencia de un oxidante y la corriente de descarga de la primera turbina para formar una corriente de escape de la cámara de combustión a una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C; refrigerar la corriente de descarga de la última turbina en un intercambiador de calor de recuperador (14); aislar al menos una porción del CO2 desde la corriente de descarga de la turbina refrigerada para formar la corriente de CO2 reciclado; comprimir la corriente de CO2 reciclado; calentar la corriente de CO2 reciclado comprimido en el intercambiador de calor de recuperador (14) contra la corriente de descarga de la última turbina; y pasar la corriente de CO2 reciclado a la serie de turbinas (3, 4).
Description
DESCRIPCION
Sistema y metodo para generacion de energla de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo de circulacion de dioxido de carbono
CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a sistemas y metodos para la generacion de energla, tal como electricidad, a traves del uso de un fluido circulante para la transferencia de energla generada a traves de la combustion de alta eficiencia de un combustible. En particular, el sistema y el metodo pueden utilizar dioxido de carbono como el fluido circulante. ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Se estima que los combustibles fosiles continuaran proporcionando el grueso de los requerimientos de energla electrica mundial durante los proximos 100 anos, mientras se desarrollan y despliegan fuentes de energla no carbon. Los metodos conocidos de generacion de potencia a traves de la combustion de combustibles fosiles y/o biomasa adecuada, sin embargo, estan afectados por los costes crecientes de la energla y por una production creciente de dioxido de carbono (CO2) y otras emisiones. El calentamiento global se considera de manera creciente como una consecuencia potencialmente catastrofica de las crecientes emisiones de carbono por las naciones desarrolladas y en vlas de desarrollo. La energla solar y eolica no parecen capaces de sustituir la combustion de combustibles fosiles a corto plazo, y la energla nuclear tiene peligros asociados tanto con la proliferation como tambien con el desecho de los residuos nucleares.
Los medios convencionales de produccion de potencia a partir de combustibles fosiles o biomasa adecuada son cargados ahora de manera creciente con un requerimiento de captura de CO2 a alta presion para suministro a sitios de recoleccion. Sin embargo, se ha probado que este requerimiento es diflcil de cumplir, puesto que la tecnologla actual solo proporciona eficiencias termicas muy bajas incluso para los mejores disenos de captura de CO2. Ademas, los costes de capital para conseguir la captura de CO2 son altos y esto da como resultado unos costes de la electricidad significativamente mas altos comparados con los sistemas que emiten CO2 a la atmosfera. De acuerdo con ello, existe una necesidad cada vez creciente en la tecnica de sistemas y metodos para la generacion de energla de alta eficiencia que permitan una reduction de la emision de CO2 y/o una facilidad mejorada de recoleccion de CO2 producido.
El documento U.S. 4.498.289 describe un sistema de energla de combustion directa que genera y emplea un gas de combustion que incluye dioxido de carbono o un fluido de trabajo que incluye una camara de combustion para quemar una mezcla que incluye oxlgeno combustible carbonoso y fluido de trabajo de dioxido de carbono a una primera presion por encima de 1100 PSI, proporcionando de esta manera un gas de combustion que incluye dioxido de carbono y agua sustancialmente a la primera presion y por encima de 31 °C. El documento WO 2004/044388 describe un sistema de generacion de energla quemado con oxlgeno con una camara de combustion a alta presion que tiene un subconjunto de control de la temperatura de reciclaje del agua y una camara de combustion de presion intermedia que tiene un subconjunto de control de la temperatura de reciclaje de CO2.
SUMARIO DE LA INVENCION
La presente invencion proporciona un metodo de generacion de energla de acuerdo con la reivindicacion 1 y un sistema de generacion de energla de acuerdo con la reivindicacion 10.
En ciertos aspectos, la invencion proporciona sistemas de produccion de energla que pueden producir energla a alta eficiencia con bajo coste de capital y tambien puede producir CO2 sustancialmente puro a la presion de tuberla para recoleccion. El CO2 puede ser reciclado tambien en el sistema de produccion de energla.
Los sistemas y metodos de la invencion se caracterizan por la capacidad de utilizar una amplia variedad de fuentes de combustible. Por ejemplo, la camara de combustion de alta eficiencia utilizada de acuerdo con la invencion puede utilizar combustibles gaseosos (por ejemplo, gas natural o gases derivados del carbon), llquidos (por ejemplo, hidrocarburos, alquitran) y solidos (por ejemplo, carbon, lignito, pet-coque). Incluso podrlan utilizarse otros combustibles, como se describen de otra manera aqul.
En otros aspectos, los sistemas y metodos de la invencion son particularmente utiles por que pueden exceder la mejor eficiencia de las estaciones actuales de energla de combustion de carbon que no proporcionan la captura de CO2. Tales estaciones de energla actuales pueden proporcionar, en el mejor de los casos, aproximadamente una eficiencia del 45 % (valor de calentamiento inferior, o “LHV” con presion del condensador de mercurio de 1,7 pulgadas utilizan do un carbon bituminoso. El presente sistema puede exceder tal eficiencia, suministrando al mismo tiempo tambien CO2 para recoleccion o una evacuation a presiones requeridas.
Todavla en otos aspectos, la presente invencion proporciona la capacidad de reducir el tamano flsico y el coste de capital de un sistema de generacion de potencia comparado con tecnologlas actuales utilizando un combustible similar. Por lo tanto, los metodos y sistemas de la presente invencion pueden reducir en una medida significativa los
costes de construccion asociados con sistemas de produccion de energla.
Todavla adicionalmente, los metodos y sistemas de la presente invencion pueden proporcionar la recuperacion virtualmente de 100 % del CO2 utilizado y/o producido, especialmente CO2 derivado de carbono presente en el combustible. Particularmente, el CO2 puede ser proporcionado como un gas seco purificado a presion de tuberla. Ademas, la invencion proporciona la capacidad de recuperar separadamente otro combustible e impurezas derivadas de la combustion para otro uso y/o evacuacion.
En un aspecto particular, la presente invencion se refiere a un metodo de generacion de energla que incorpora el uso de un fluido circulante, tal como CO2. En formas de realizacion especlficas, el metodo de generacion de energla de acuerdo con la invencion puede comprender introducir un combustible que contiene carbono, O2 y un fluido de circulacion de CO2 en una camara de combustion refrigerada por transpiracion. Especlficamente, el CO2 puede ser introducido a una presion de al menos aproximadamente 8 MPa (con preferencia al menos aproximadamente 400 °C). El metodo puede comprender, ademas, la combustion del combustible para proporcionar una corriente de producto de combustion que comprende CO2. Particularmente, la corriente de producto de combustion puede tener una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C. Ademas, el metodo puede comprender expandir la corriente de producto de combustion a traves de una serie de turbinas para generar energla y liberar una corriente de descarga de la turbina que comprende CO2. Con preferencia, el producto de combustion es expandido a traves de una relacion de la presion de al menos aproximadamente 20. En formas de realizacion especlficas. Puede ser deseable que el CO2 sea introducido en la camara de combustion a una presion de al menos aproximadamente 10 MPa, una presion de al menos aproximadamente 20 MPa, una temperatura de al menos aproximadamente 400 °C, o una temperatura de al menos aproximadamente 400 °C, o una temperatura de aproximadamente 700 °C. Se describen aqul incluso otros parametros de procesamiento posibles.
En algunas formas de realizacion, el fluido de circulacion de CO2 se puede introducir en la camara de combustion refrigerada por transpiracion como una mezcla con o ambos de O2 y el combustible que contiene carbono. En otras formas de realizacion, el fluido de circulacion de CO2 puede ser introducido en la camara de combustion refrigerada por transpiracion como todo o parte de un fluido de refrigeracion por transpiracion dirigido a traves de uno o mas pasos de suministro de fluido formados en la camara de combustion refrigerada por transpiracion. En formas de realizacion especlficas, el fluido de circulacion de CO2 puede ser introducido en la camara de combustion solo como el fluido de transpiracion.
La combustion se puede caracterizar por la temperatura de la combustion actual. Por ejemplo, la combustion se puede realizar a una temperatura de aproximadamente al menos 1.500 °C. En otras formas de realizacion, la combustion se puede realizar a una temperatura de aproximadamente 1,600 °C a aproximadamente 3.300 °C. La invencion se puede caracterizar por la pureza de O2 en la corriente de O2. Por ejemplo, en algunas formas de realizacion se puede utilizar aire ambiental. Sin embargo, en formas de realizacion especlficas, puede ser beneficioso purificar el contenido de oxlgeno. Por ejemplo, el O2 puede ser proporcionado como una corriente, en la que la concentracion molar del O2 es al menos 85 %. Aqul se describen incluso concentraciones mas especlficas. En formas de realizacion especlficas, la corriente de producto de combustion puede tener una temperatura de al menos aproximadamente 1.000 °C. Ademas, la corriente de producto de combustion puede tener una presion de al menos aproximadamente 90 % de la presion del CO2 introducido en la camara de combustion y es al menos aproximadamente 95 % de la presion del CO2 introducido en la camara de combustion.
La invencion se puede caracterizar por la relacion de los materiales especlficos introducidos en la camara de combustion. Por ejemplo, la relacion de CO2 en el fluido de circulacion de CO2 con respecto al carbono en el combustible introducido en la camara de combustion, sobre una base molar, puede ser de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 y puede ser de aproximadamente 10 a aproximadamente 30. Aqul se proporcionan incluso otras relaciones posibles.
La invencion se puede caracterizar, ademas, por que al menos una porcion del CO2 c en la corriente de descarga de la turbina se puede reciclar y reintroducir en la camara de combustion. Al menos una porcion del CO2 se puede descargar desde el sistema (tal como para recoleccion u otra evacuacion), por ejemplo a traves de una tuberla. En formas de realizacion especlficas, el CO2 en la corriente de descarga de la turbina puede estar en un estado gaseoso. Particularmente, la corriente de descarga de la turbina puede tener una presion inferior o igual a 7 MPa. En otras formas de realizacion, los metodos de la invencion pueden comprender, ademas, pasar la corriente de descarga de la turbina a traves de al menos un intercambiador de calor que refrigera la corriente de descarga de la turbina y proporciona corriente de fluido de circulacion de CO2 que tiene una temperatura inferior a aproximadamente 200 °C. Esto puede ser util para proporcionar la corriente de fluido de circulacion de CO2 en condiciones que pueden facilitar la retirada de uno o mas componentes secundarios (es decir, otros componentes
que CO2). En formas de realizacion especlficas, esto puede comprender pasar la corriente de descarga de la turbina a traves de una serie de al menos dos intercambiadores de calor. Mas especlficamente, el primer intercambiador de calor en la serie puede recibir la corriente de descarga de la turbina y reducir su temperatura, estando formado el primer intercambiador de calor de una aleacion de alta temperatura que resiste una temperatura de al menos aproximadamente 900 °C.
Los metodos de la invention pueden comprender tambien realizar una o mas etapas de separation sobre la corriente de fluido de circulation de CO2 para eliminar uno o mas componentes secundarios, que estan presentes en la corriente de fluido de circulacion ademas de CO2 , como se ha indicado mas arriba. Especlficamente, uno o mas componentes secundarios pueden comprender agua.
Los metodos de la invencion pueden comprender tambien presurizar una corriente de CO2. Por ejemplo, despues de la expansion de la corriente de producto de combustion y de la refrigeration de la corriente de descarga de la turbina, puede ser beneficioso presurizar la corriente para reciclarla a la camara de combustion. Especlficamente, los metodos pueden comprender pasar la corriente de fluido de circulacion de CO2 a traves de uno o mas compresores (por ejemplo, bombas) para presurizar la corriente de fluido de circulacion de CO2 a una presion de al menos aproximadamente MPa. Esto puede comprender, ademas, pasar la corriente de fluido de circulacion de CO2 a traves de una serie de al menos dos compresores para presurizar la corriente de fluido de circulacion de CO2. En ciertas formas de realizacion, la corriente de fluido de circulacion de CO2 puede ser presurizada a una presion de al menos aproximadamente 15 MPa. Pueden ser deseables todavla mas intervalos de presion, como se describe aqul de otra manera. En otras formas de realizacion, la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizada puede ser proporcionada en un estado fluido supercrltico. En algunas formas de realizacion, al menos una portion del CO2 en la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizada puede ser introducida en una tuberla presurizada para recoleccion (u otra evacuation, como ya se ha indicado anteriormente).
Ademas de la presurizacion, los metodos de la invencion pueden comprender tambien calentar la corriente de fluido de circulacion de CO2 previamente refrigerada para la introduction de nuevo a la camara de combustion (es decir, reciclar la corriente de fluido de circulacion de CO2). En algunas formas de realizacion, esto puede comprender calentar la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizada a una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C, al menos aproximadamente 400 °C, o al menos aproximadamente 700 °C. En ciertas formas de realizacion, la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizada se puede calentar hasta una temperatura que es inferior a la temperatura de la corriente de descarga de la turbina no mas de aproximadamente 50 °C. Aqul se proporcionan todavla otros intervalos de temperatura posibles. Especlficamente, tal calentamiento puede comprender pasar la corriente de fluido de circulacion de c O2 presurizada a traves del (los) mismo(s) intercambiador(es) de calor utilizados para refrigerar la corriente de descarga de la turbina. Tal calentamiento puede comprender la entrada de calor desde una fuente externa (es decir, distinta del calor re-capturado desde los intercambiadores de calor). En formas de realizacion especlficas, el calentamiento puede comprender el uso de calor extraldo desde una unidad de separacion de CO2. Con preferencia, este calor adicional es introducido en el extremo frlo de la unidad de intercambio de calor (o, cuando se utiliza una serie de intercambiadores de calor, delante del intercambiador de calor en la serie que trabaja sobre el intervalo maximo de temperatura).
En ciertas formas de realizacion, la invencion se puede caracterizar por la naturaleza de la corriente de producto de la combustion, que puede permitir la implementation de multiples turbinas. Por ejemplo, en algunas formas de realizacion, la corriente de producto de la combustion puede ser un fluido reductor que comprende uno o mas componentes combustibles (por ejemplo, componentes seleccionados del grupo que consta de H2, CO, CH4 , H2S, NH3 , y sus combinaciones). Esto puede ser controlado por la relation de O2 a combustible utilizada. En algunas formas de realizacion, la corriente de producto de la combustion puede contener componentes totalmente oxidados, tales como CO2 , H2O, y SO2 , as! como los componentes reducidos listados anteriormente. La composition real conseguida puede dependen de la relacion de O2 a combustible utilizad en la alimentation a la camara de combustion de transpiration. Mas especlficamente, la turbina utilizada en tales formas de realizacion puede comprender dos o mas unidades, cada una de las cuales tiene una entrada y una salida. En formas de realizacion especlficas, las unidades de turbina pueden ser accionadas de tal manera que la temperatura operativa en la entrada de cada unidad es sustancialmente la misma. Esto pude comprender anadir una cantidad de O2 a la corriente de fluido en la salida de la primera turbina (o la unidad de turbina precedente donde se utilizan tres o mas unidades). La provision de O2 puede permitir la combustion de uno o mas componentes combustibles descritos anteriormente, que eleva la temperatura de la corriente antes de entrar en la siguiente turbina en la serie. Esto da como resultado la capacidad de incrementar al maximo la energla producida a partir de los gases de la combustion en presencia del fluido de circulacion.
En otras formas de realizacion, la corriente de descarga de la turbina puede ser un fluido oxidante. Por ejemplo, la corriente de descarga de la turbina puede comprender una cantidad excesiva de O2.
En algunas formas de realizacion, la invencion se puede caracterizar por el estado de las varias corrientes. Por ejemplo, despues de la etapa de expansion de la corriente de producto de la combustion a traves de la serie de turbinas, la corriente de descarga de la turbina puede estar en un estado gaseoso. Este gas puede ser pasado a
traves de de al menos un intercambiador de calor para refrigerar la corriente de descarga de la turbina gaseosa para la separacion del O2 de otros componentes secundarios. Luego al menos una porcion del CO2 separado puede ser presurizada y transformada en un estado de fluido supercrltico y puede ser pasada de nuevo a traves del (los) mismo(s) intercambiador(es) de calor para calentar el CO2 para reciclarlo a la camara de combustion. En formas de realizacion especlficas, la diferencia de temperatura entre la temperatura de la corriente de descarga de la turbina que entra en el intercambiador de calor (o el primer intercambiador de calor cuando se utiliza una serie) desde la etapa de expansion y la temperatura del C o 2 fluido supercrltico, presurizado caliente que sale del mismo intercambiador de calor para reciclaje a la camara de combustion puede ser inferior a aproximadamente 50 °C.
Como se ha indicado anteriormente, la corriente de fluido que sale desde la camara de combustion de combustible puede comprender el fluido de circulation de CO2 ademas de uno u otros mas componentes, tales como productos de combustion. En algunas formas de realizacion, puede ser util reciclar al menos una porcion del CO2 y reintroducirlo en la camara de combustion de combustible. Por lo tanto, el fluido de circulacion puede ser un fluido reciclado. Naturalmente, se podrla utilizar CO2 de una fuente externa como el fluido de circulacion. El escape de la turbina puede ser refrigerado en un intercambiador de calor economizador y el calor extraldo puede ser utilizado para calentar el CO2 reciclado a alta presion. El escape refrigerado de la turbina que abandona el extremo de baja temperatura del intercambiador de calor puede contener componentes derivados del combustible o del proceso de la combustion, tales como H2O, SO2 , SO3, NO, NO2 , Hg, y HCl. En otras formas de realizacion, estos componentes pueden ser retirados de la corriente utilizando metodos adecuados. Otros componentes en esta corriente pueden comprender impurezas gaseosas inertes derivadas del combustible u oxidante tales como N2 , argon (Ar), y O2 excesivo. Estos pueden ser retirados por procesos adecuados separados. En otras formas de realizacion, el escape de la turbina puede estar a una presion que es inferior a la presion de condensation de CO2 en el escape de la turbina a la temperatura de los medios de refrigeration disponibles, de manera que no se puede formar ninguna fase llquida de CO2 cuando se refrigera el escape de la turbina, ya que esto permitira la separacion eficiente de agua como llquido desde el CO2 gaseosos que contendra la cantidad minima de de vapor de agua para permitir que el agua se condense. En otras formas de realizacion, el CO2 purificado puede ser comprimido ahora para producir la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado a alta presion con al menos una porcion del CO2 en el fluido que representa el carbono oxidado derivado de carbono en la alimentation de combustible a la camara de combustion, que puede ser introducido en una tuberla presurizada para recoleccion. La capacidad para transferir CO2 directamente desde el proceso de la combustion a una tuberla presurizada con tratamiento adicional o compresion minimos debido a la alta presion de la corriente de escape de la turbina es una ventaja distintiva sobre los metodos convencionales, en los que el CO2 es recuperado cerca de la presion atmosferica (es decir, aproximadamente 0,1 MPa) o es emite a la atmosfera. Ademas, el CO2 para recoleccion de acuerdo con la presente invention puede ser transferido de una manera que es mas eficiente y economica que la conocida hasta ahora.
El calor especifico del fluido de CO2 reciclado que entra en el intercambiador de calor, de manera ideal por encima de la presion critica, es alto y se reduce a medida que se eleva la temperatura. Es particularmente beneficioso que al menos una porcion del calor en los niveles mas bajos de la temperatura se derive desde una fuente externa. Esta podria ser, por ejemplo, un suministro de vapor a baja presion, que proporcionaria calor en condensacion. En otras formas de realizacion, esta fuente de calor podria derivarse de la operation de los compresores de aire empleados en la planta criogenica de separacion de aire que suministra oxidante a la camara de combustion en el modo adiabatico sin refrigeracion intermedia y extraction del calor de compresion con una corriente de ciclo cerrado de fluido de transferencia de calor utilizada para proporcionar calor a la corriente de CO2 reciclado.
En una forma de realizacion, un metodo de generation de potencia de acuerdo con la presente invencion puede comprender las siguientes etapas:
introducir un combustible, O2 y un fluido de circulacion de CO2 en una camara de combustion, siendo introducido el CO2 a una presion de al menos aproximadamente 8 MPa y una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C; quemar el combustible para proporcionar una corriente de producto de la combustion que comprende CO2, teniendo una corriente de producto de la combustion una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C;
expandir la corriente de producto de combustion a traves de una serie de turbinas para generar energia, teniendo la serie de turbinas una entrada para recibir la corriente de producto y una salida para liberar una corriente de descarga de la turbina que comprende CO2, donde el producto de la combustion se expande a traves de una relacion de la presion de al menos 20;
extraer calor desde la corriente de descarga de la turbina pasando la corriente de descarga de la turbina a traves de una unidad de intercambio de calor para proporcionar una corriente de descarga de la turbina refrigerada;
mover desde la corriente de descarga de la turbina refrigerada uno o mas componentes secundarios que estan presentes en la corriente de descarga de la turbina refrigerada ademas de CO2 para proporcionar una corriente de descarga de la turbina refrigerada;
comprimir la corriente de descarga de la turbina refrigerada purificada con un primer compresor a una presion por encima de la presion critica del CO2 para proporcionar una corriente de fluido de circulacion de CO2
supercrltico;
refrigerar la corriente de fluido de circulation de CO2 supercrltico a una temperatura, en la que su densidad es al menos aproximadamente 200 kg/m3;
pasar el fluido de circulacion de CO2 supercrltico de alta densidad a traves de un segundo compresor para presurizar el fluido de circulacion de CO2 a la presion requerida para la entrada en la camara de combustion; pasar el fluido de circulacion de CO2 supercrltico de alta presion, de alta densidad a traves de la misma unidad de intercambio de calor, de tal manera que el calor extraldo es utilizado para incrementar la temperatura del fluido de circulacion de CO2 ;
suministrar la cantidad adicional de calor al fluido de circulacion de CO2 supercrltico de alta presion, de alta densidad para que la diferencia entre la temperatura del fluido de circulacion de CO2 que sale desde la unidad de intercambio de calor para reciclado a la camara de combustion y la temperatura de la corriente de descarga de la turbina sea inferior a aproximadamente 50 °C; y
reciclar el fluido de circulacion de CO2 supercrltico de alta densidad a la camara de combustion.
En formas de realization particulares, los metodos y sistemas pueden ser particularmente utiles para combination con sistemas y metodos de energla existentes (por ejemplo, estaciones de energla quemadas con carbon de convention, reactores nucleares, y otros sistemas y metodos que pueden utilizar sistemas de calderas convencionales). Por lo tanto, en algunas formas de realizacion, entre la etapa de expansion y la etapa de extraction descritas anteriormente, los metodos de la invention pueden comprender pasar la corriente de descarga de la turbina a traves a traves de una segunda unidad de intercambio de calor. Tal segunda unidad de intercambio de calor puede utilizar calor de la corriente de descarga de la turbina para calentar una o mas corrientes derivadas de un sistema de energla de vapor (por ejemplo, un sistema de caldera convencional, que incluye estaciones de energla quemadas con carbon y rector nuclear). Las corrientes de vapor calentadas de esta manera pueden ser pasadas entonces a traves de una o mas turbinas para generar energla. Las corrientes que salen de las turbinas pueden ser procesadas mediante reciclado a traves de los componentes del sistema de energla convencional (por ejemplo, la caldera).
En otras formas de realizacion, el metodo de la invencion se puede caracterizar por uno o mas de los siguientes:
refrigerar la corriente de descarga de la turbina a una temperatura por debajo de su punto de roclo del agua; ademas
refrigerar la corriente de descarga de la turbina contra un medio de refrigeration a temperatura ambiente; condensar agua junto con uno o mas componentes secundarios para formar una solution que comprende uno o mas de H2SO4 , HNO3, HCl, y mercurio;
presurizar la corriente de descarga de la turbina refrigerada a una presion inferior a 15 MPa;
extraer una corriente de producto de CO2 a partir de la corriente de fluido de circulacion de CO2 supercrltico de alta presion, de alta densidad antes de pasar a traves de la unidad de intercambio de calor;
utilizar como el combustible una corriente de productos de combustion parcial;
quemar el combustible que contiene carbono con CO2 en presencia de fluido de circulacion de CO2, siendo proporcionados el combustible que contiene carbono, O2 , y el fluido de circulacion de CO2 en relaciones tales que el combustible que contiene carbono se oxida solo parcialmente para producir la corriente de producto de la combustion oxidado parcialmente que comprende un componente incombustible, CO2 y uno o mas de H2 , CO, CH4 , H2S, y NH3 ;
proporcionar el combustible que contiene carbono, O2 , y el fluido de circulacion de CO2 en relaciones tales que la temperatura de la corriente de producto de la combustion parcialmente oxidado es suficientemente baja para que todo el componente combustible en la corriente este en la forma de partlculas solidas; pasar la corriente de producto de la combustion parcialmente oxidado a traves de uno o mas filtros; utilizar el filtro para reducir la cantidad residual de componente incombustible por debajo de 2 mg/m3 del producto de la combustion parcialmente oxidado;
utilizar carbon, lignito, o coque de petroleo como el combustible;
proporcionar un combustible en partlculas como una suspension con CO2.
En otras formas de realizacion, la invencion se puede describir con relation a un metodo de generation de potencia, que comprende las siguientes etapas:
introducir combustible que contiene carbono, O2 , y el fluido de circulacion de CO2 en una camara de combustion refrigerada por transpiration, siendo introducido el CO2 a una presion de al menos aproximadamente 8 MPa y a una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C;
quemar el combustible para proporcionar una corriente de producto de combustion que comprende CO2 , teniendo la corriente de producto de combustion una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C; expandir la corriente de producto de la combustion a traves de una serie de turbinas para generar energla, teniendo la serie de turbinas una entrada para recibir la corriente de producto de la combustion y una salida para liberar una corriente de descarga de la turbina que comprende CO2, en la que la corriente de producto de la combustion se expande a traves de una relacion de la presion de al menos aproximadamente 20;
pasar la corriente de descarga de la turbina a traves de una serie de al menos dos intercambiadores de calor que extraen calor desde la corriente de descarga de la turbina y proporcionan la corriente de fluido de circulacion de CO2 ;
retirar de la corriente de fluido de circulacion de CO2 uno o mas componentes secundarios que estan presentes en la corriente de fluido de circulacion ademas de CO2 ;
pasar la corriente de fluido de circulacion de CO2 a traves de una serie de al menos dos compresores que incrementa la presion del fluido de circulacion de hasta al menos aproximadamente 8 MPa y transforma el CO2 en el fluido de circulacion desde un estado gaseoso hasta un estado de fluido supercrltico; y pasar el fluido de circulacion de CO2 a traves de la misma serie de al menos dos intercambiadores de calor que utiliza el calor extraldo para incrementar la temperatura del fluido de circulacion de CO2 hasta al menos aproximadamente 200 °C (u, opcionalmente, hasta una temperatura que es inferior a la temperatura de la corriente de descarga de la turbina en no mas de 50 °C). Esto especlficamente puede comprender la introduccion de calor adicional desde una fuente de calor externa (es decir, una fuente de calor no derivada directamente desde el paso de la corriente de descarga de la turbina a traves de intercambiador(es) de calor.
En otras formas de realizacion, la invencion se puede caracterizar por que se proporciona un metodo de alta eficiencia de generacion de energla a partir de la combustion de un combustible que contiene carbono sin liberacion de CO2 a la atmosfera. Especlficamente, el metodo puede comprender las siguientes etapas:
introducir el combustible que contiene carbono, O2 y fluido circulante de CO2 reciclado a una camara de combustion refrigerada por transpiracion en una relacion estequiometrica definida, siendo introducido el CO2 a una presion de al menos aproximadamente 8 MPa y una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C; quemar el combustible para proporcionar una corriente de producto de combustion que comprende CO2 , teniendo la corriente de producto de combustion una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C; expandir la corriente de producto de combustion a traves de una serie de turbinas para generar energla, teniendo la serie de turbinas una entrada para recibir la corriente de producto de combustion y una salida para liberar la corriente de producto de combustion que comprende CO2, en el que la corriente de producto de combustion se expande a traves de una relacion de la presion de al menos aproximadamente 20; pasar la corriente de descarga de la turbina a traves de una serie de al menos dos intercambiadores de calor que extraen calor desde la corriente de descarga de la turbina y proporcionan la corriente de fluido de circulacion de CO2 ;
pasar la corriente de fluido de circulacion de CO2 a traves de una serie de al menos dos compresores que incrementa la presion del fluido de circulacion de hasta al menos aproximadamente 8 MPa y transforma el CO2 en el fluido de circulacion desde un estado gaseoso hasta un estado de fluido supercrltico; y pasar la corriente de fluido de circulacion de CO2 a traves de una unidad de separacion, en la que la cantidad requerida estequiometricamente de CO2 es reciclada y dirigida a la camara de combustion y cualquier excede de CO2 es extraldo sin liberacion a la atmosfera; y
pasar el fluido de circulacion de CO2 reciclado a traves de la misma serie de al menos dos intercambiadores de calor que utiliza el calor extraldo para incrementar la temperatura del fluido de circulacion de CO2 hasta al menos aproximadamente 200 °C antes de la introduccion en la camara de combustion (u opcionalmente, hasta una temperatura que es inferior a la temperatura de la corriente de descarga de la turbina en no mas de 50 °C);
en el que la eficiencia de la combustion es mayor que 50 %, siendo calculada dicha eficiencia como la relacion de la energla neta generada en relacion a la energla termica de valor de calefaccion total inferior para que el combustible que contiene carbono genera la energla.
En otro aspecto, la invencion se puede describir en el sentido de que proporciona un sistema de generacion de energla. Especlficamente, un sistema de generacion de energla de acuerdo con la invencion puede comprender una camara de combustion refrigerada por transpiracion, una serie de turbinas de produccion de energla, al menos un intercambiador de calor, y al menos un compresor.
En formas de realizacion especlficas, la camara de combustion refrigerada por transpiracion puede tener al menos una entrada para recibir un combustible que contiene carbono, O2 y una corriente de fluido de circulacion de CO2. La camara de combustion puede tener, ademas, al menos una fase de combustion que quema el combustible en presencia de fluido de circulacion de CO2 y proporciona una corriente de producto de combustion que comprende CO2 a una presion definida (por ejemplo, al menos aproximadamente 8 MPa) y una temperatura (por ejemplo, al menos aproximadamente 800 °C).
La serie de turbinas de produccion de energla puede estar en comunicacion de fluido con la camara de combustion y puede tener una entrada para recibir la corriente de producto de combustion y una salida para la liberacion de una corriente de descarga de la turbina que comprende CO2. La serie de turbinas puede estar adaptada para expandir la corriente de producto de combustion a traves de una relacion de la presion de al menos aproximadamente 20.
El al menos un intercambiador de calor puede estar en comunicacion de fluido con la turbina para recibir la corriente
de descarga de la turbina. El (los) intercambiador(es) de calor puede(n) transferir calor desde la corriente de descarga de la turbina hasta la corriente de fluido de circulacion de CO2.
El al menos un compresor puede estar en comunicacion de fluido con el al menos un intercambiador de calor. El (los) compresor(es) puede(n) estar adaptado(s) para presurizar la corriente de fluido de circulacion de CO2 hasta una presion deseada.
Ademas de lo anterior, el sistema de generacion de energla de acuerdo con la invencion puede comprender uno o mas dispositivos de separacion posicionados entre el al menos un intercambiador de calor y el al menos un compresor. Tal(es) dispositivo(s) de separacion puede(n) ser util(es) para la retirada de uno o mas componentes secundarios presentes en el fluido de circulacion de CO2 ademas de CO2.
Todavla adicionalmente, el sistema de generacion de energla puede comprender una unidad de separacion de O2 que incluye uno o mas componentes que generan calor. De esta manera, el sistema de generacion de energla puede comprender uno o mas componentes de transferencia de calor que transfiere calor desde la unidad de separacion de O2 al fluido de circulacion de CO2 curso arriba desde la camara de combustion. Opcionalmente, el sistema de generacion de energla puede comprender una fuente de calor externa. Este podrla ser, por ejemplo, un suministro de vapor a baja presion que podrla proporcionar calor en condensacion. El sistema de generacion de energla podrla incluir de esta manera uno o mas componentes de transferencia de calor que transfieren calor desde el vapor hasta el fluido de circulacion de CO2 curso arriba desde la camara de combustion.
En otras formas de realizacion, un sistema de generacion de energla puede incluir uno o mas de los siguientes: un primer compresor adaptado para comprimir la corriente de fluido de circulacion de CO2 hasta una presion que esta por encima de la presion crltica de CO2 ;
un segundo compresor adaptado para comprimir la corriente de fluido de circulacion de CO2 hasta una presion requerida para la entrada en la camara de combustion;
un dispositivo de refrigeration adaptado para refrigerar la corriente de fluido de circulacion de CO2 hasta una temperatura en la que si densidad es mayor que aproximadamente 200 kg/m3 ;
uno o mas componentes de transferencia de calor que transfieren calor desde una fuente externa hasta la corriente de fluido de circulacion de CO2 curso arriba desde la camara de combustion y curso abajo desde la segunda camara de combustion;
una segunda camara de combustion localizada curso arriba desde y en comunicacion de fluido con la camara de combustion refrigerada por transpiration;
uno o mas filtros o dispositivos de separacion localizados entre la segunda camara de combustion y la camara de combustion refrigerada por transpiracion;
un dispositivo de mezcla para formar una suspension de un material combustible en partlculas con un medio de fluidization;
un dispositivo de trituration para la division en partlculas de un combustible solido.
En otras formas de realizacion, la presente invencion puede proporcionar un sistema de generacion de energla, que puede comprender lo siguiente: uno o mas inyectores para proporcionar combustible, un fluido de circulacion de CO2, y un oxidante; una camara de combustion refrigerada por transpiracion que tiene al menos una etapa de combustion que quema el combustible y proporciona una corriente de fluido de escape a una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C y una presion de al menos aproximadamente 4 MPa (con preferencia a al menos aproximadamente 8 MPa); una serie de turbinas de production de energla que tienen una entrada y una salida y en las que se produce energla a medida que la corriente de fluido de expande, estando disenada la turbina para expandir la corriente de fluido a traves de una relation de la presion de al menos aproximadamente 20; un intercambiador de calor para refrigerar la corriente de fluido que sale desde la salida de la turbina y para calentar el fluido de circulacion de CO2 ; y uno o mas dispositivos para separar la corriente de fluido que sale desde el intercambiador de calor en CO2 y uno u otros mas componentes para recuperation o desecho.
En otras formas de realizacion, el sistema de generacion de energla puede comprender tambien uno o mas dispositivos para suministrar al menos una portion del CO2 separado desde la corriente de fluido a una tuberla presurizada.
En formas de realizacion especlficas, un sistema de acuerdo con la invencion puede comprender uno o mas componentes como se describen aqul, reequipados con un sistema de produccion de energla convencional, tal como una estacion de energla quemada con carbon, un reactor nuclear, o similar. Por ejemplo, un sistema de energla podrla comprende dos unidades de intercambio de calor (por ejemplo, una unidad primaria de intercambio de calor y una unidad secundaria de intercambio de calor). La unidad primaria de intercambio de calor podrla ser sustancialmente una unidad como se ha descrito aqul de otra manera, y la unidad secundaria de intercambio de calor podrla ser una unidad util para transferir calor desde el sistema de descarga de la turbina hasta una o mas corrientes de vapor (por ejemplo, desde una caldera asociada con el sistema de produccion de energla
convencional) para sobrecalentar las corrientes de vapor. Por lo tanto, un sistema de generacion de energla de acuerdo con la invention puede comprender una unidad secundaria de intercambio de calor localizada entre y en comunicacion de fluido con la turbina y la unidad primaria de intercambio de calor. El sistema de generacion de energla puede comprender de la misma manera una caldera en comunicacion de fluido con la unidad secundaria de intercambio de calor a traves de al menos una corriente de vapor. Todavla adicionalmente, el sistema de generacion de energla puede comprender al menos otra turbina de production de energla que tiene una entrada para recibir la al menos una corriente de vapor desde la unidad secundaria de intercambio de calor. De esta manera, el sistema se puede describir en el sentido de que comprende una turbina primeria de produccion de energla y una turbina secundaria de produccion de energla. La turbina primaria de produccion de energla puede ser la turbina en comunicacion de fluido con la camara de combustion de la invencion. La turbina secundaria de produccion de energla puede ser la turbina en comunicacion de fluido con calor de vapor, en particular una corriente de vapor sobrecalentado que es sobrecalentado con un calor desde la corriente de descarga desde la turbina primaria de produccion de energla. Tal sistema reequipado con uno o mas componentes de un sistema de produccion de energla convencional se describe aqul, en particular con relation a la figura 12 y el ejemplo 2. El uso de los terminos turbina primaria de produccion de energla y turbina segundaria de produccion de energla no deberla considerarse como limitation del alcance de la invencion y solo se utilizan para proporcionar claridad en la description.
En otro aspecto de la invencion, una corriente externa puede calentarse a una temperatura alta al final de intercambiador de calor por transferencia de calor desde la corriente de escape de la turbina de refrigeration y, como resultado, la corriente de reciclaje de alta presion abandonara el intercambiador de calor y entrara en la camara de combustion a una temperatura mas baja. En este caso, la cantidad de combustible quemado en la camara de combustion se puede incrementar, de manera que se mantiene la temperatura de entrada de la turbina. El valor de calefaccion del combustible extra quemado es equivalente a la carga termica extra impuesta sobre el intercambiador de calor.
En algunas formas de realization, la invencion se puede caracterizad por que proporciona una planta de proceso que produce potencia de extraction a partir de la circulation de un fluido de circulation predominantemente de CO2. En otras formas de realizacion, la invencion proporciona procesos, en los que se pueden cumplir ciertas condiciones. En formas de realizacion especlficas, la invencion se puede caracterizar, ademas, por una o mas de las siguientes acciones o dispositivos utiles para realizar tales acciones:
comprimir el fluido de circulacion de CO2 hasta una presion en exceso de la presion crltica de CO2 ; quemar directamente un combustible hidrocarburo solido, llquido o gaseoso en O2 sustancialmente puro con provision para mezclar un fluido de reciclaje supercrltico rico en CO2 para conseguir una temperatura de entrada de la turbina de potencia requerida - por ejemplo, mayor que aproximadamente 500 °C (u otro intervalo de temperatura como se describe aqul);
expandir una corriente supercrltica formada de productos de la combustion y de fluido rico en CO2 reciclado en una serie de turbinas con produccion de potencia de extraccion, en particular expansion hasta una presion que esta por encima de aproximadamente 2 MPa y por debajo a la que aparece una fase llquida de CO2 cuando el fluido es refrigerado a una temperatura consistente con el uso de medios de refrigeracion a temperatura ambiente (por ejemplo, aproximadamente 7,3 - 74 MPa);
introducir un escape de turbina en un intercambiador de calor, en el que el escape de turbina esta refrigerado, y el calor es transferido a un fluido supercrltico rico en CO2 reciclado;
refrigerar una corriente que contiene CO2 que abandona un intercambiador de calor contra un medio de refrigeracion a temperatura ambiente y separar una fase llquida de agua que contiene al menos concentraciones menores de CO2 y fase de CO2 gaseosa que contiene al menos una concentration menor de vapor de agua;
realizar una separation de agua de tal manera que permita un tiempo de residencia deseado (por ejemplo, hasta 10 segundos) con contacto Intimo entre Co2 gaseoso y agua llquida o una fase acida debil, de tal manera que puedan tener lugar reacciones que implican SO2 , SO3 , H2O, NO, NO2, O2 , y/o Hg dando como resultado la conversion de mas del 98 % de azufre presente en una corriente en H2SO4 y la conversion de mas del 90 % de oxidos de nitrogeno presentes en una corriente en HNO3 , y para la conversion de mas del 80 % de mercurio en una corriente en compuestos de mercurio soluble;
separar componentes no condensables (tales como N2 , Ar, y O2) a partir de una fase de CO2 gaseoso por refrigeracion a una temperatura proxima al punto de congelation de CO2 con una separacion de fase de gas/llquido que deja los N2 , Ar, y O2 predominantemente en la fase de gas;
comprimir una corriente de CO2 gaseoso purificado en un compresor de gas a una presion, a la que medios de refrigeracion a temperatura ambiente proporcionaran un fluido de CO2 de alta densidad (por ejemplo, con una densidad de al menos aproximadamente 200 kg/m3 , con preferencia de al menos aproximadamente 300 kg/m3 , o mas preferido al menos aproximadamente 400 kg/m3);
refrigerar CO2 comprimido con medios de refrigeracion a temperatura ambiente para formar un fluido supercrltico de CO2 de alta densidad (por ejemplo, con una densidad de al menos aproximadamente 200 kg/m3 , con preferencia de al menos aproximadamente 300 kg/m3 , o mas preferido al menos aproximadamente 400 kg/m3);
comprimir un fluido de CO2 de alta densidad en un compresor a una presion por encima de la presion crltica de CO2;
separar una corriente de CO2 a alta presion en dos corrientes separadas - una que entra en el extremo frlo de un intercambiador de calor y una segunda que se calienta utilizando una fuente de calefaccion externa disponible a una temperatura por debajo de aproximadamente 250 °C;
facilitar la transferencia de calor eficiente (incluyendo el uso de una fuente de calor externa opcional), de tal manera que la diferencia entre la temperatura de una corriente de descarga de la turbina que entra en el extremo caliente de un intercambiador de calor y la temperatura de un fluido de circulacion de CO2 reciclado que abandona el extremo caliente del mismo intercambiador de calor es inferior a aproximadamente 50 °C (u otro umbral de temperatura, como se describe aqul);
comprimir un fluido de circulacion de CO2 a una presion de aproximadamente 8 MPa a aproximadamente 50 MPa (u otro intervalo de presion, como se describe aqul);p
mezclar una corriente de O2 con al menos una porcion de una corriente de circulacion de CO2 reciclado y una corriente de combustible que contiene carbono para formar una corriente de fluido individual (o una suspension si se utiliza un combustible solido en polvo), que esta por debajo de la temperatura de autoignicion del combustible, y cuyas proporciones se ajustan para dar una temperatura de la llama adiabatica de aproximadamente 1.200 °C a 3.500 °C (u otro intervalo de temperatura como se describe aqul); mezclar al menos una porcion de un fluido de circulacion de CO2 reciclado con productos de la combustion para formar una corriente de fluido mixta a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 500 °C a 1.600 °C u otro intervalo de temperatura como se describe aqul);
producir una corriente de descarga de la turbina que tiene una presion de aproximadamente 2 MPa a aproximadamente 7,3 MPa (u otro intervalo de temperatura como se describe aqul);
calentar externamente una porcion de una corriente de fluido de circulacion de CO2 a alta presion utilizando calor de compresion derivado de la operacion de uno o mas compresores de aire de una planta de O2 criogenico (particularmente en un modo adiabatico) y/o un compresor de CO2 (particularmente en el modo adiabatico), siendo transferido el calor por circulacion de un fluido de transferencia de calor adecuado (incluyendo el propio fluido de CO2);
calentar una o mas corrientes de fluido externas en un intercambiador de calor con combustible extra equivalente quemado en un quemador, en el que una o mas de las corrientes de fluido externas pueden comprender vapor, que puede estar supercalentado en el intercambiador de calor:
utilizar calor suministrado por vapor de condensacion proporcionado a partir de una fuente externa para calentar externamente una porcion de una corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado;
refrigerar en un intercambiador de calor una corriente que contiene CO2 (que abandona el extremo frlo del intercambiador de calor) para proporcionar calor para calentar una corriente de fluido proporcionada externamente;
proporcionar una corriente de alimentacion de CO2, en la que la concentracion molar del O2 es al menos aproximadamente 85 % (u otro intervalo de concentracion como se describe aqul);
accionar una camara de combustion de tal manera que la concentracion de CO2 en una corriente de gas total que abandona una camara de combustion (es decir, una corriente de producto de combustion) y que entra en una turbina es mayor que aproximadamente 0,1 % molar;
realizar un proceso de produccion de potencia, de tal manera que se utiliza solo una camara de combustion para quemar completamente el combustible que contiene carbono en la camara de combustion; accionar una camara de combustion, de tal manera que la cantidad de O2 en la corriente de O2 que entra en la camara de combustion esta por debajo de la cantidad requerida para la combustion estequiometrica de la corriente de combustible que entra en la camara de combustion y de esta manera causar la produccion de uno o de ambos O2 y monoxido de carbono (CO) en la corriente de producto de la combustion;
y realizar un proceso utilizando dos o mas turbinas, cada una de las cuales tiene una presion de salida definida, en el que uno o ambos de H2 y CO estan presentes en la corriente de descarga que abandona la primera turbina (y las turbinas siguientes, si es aplicable, con la excepcion de la turbina final en la serie de turbinas) y parte o todos de los H2 y CO se queman por la adicion de una corriente de O2 delante de la entrada de la segunda y siguientes turbinas para elevar la temperatura de funcionamiento de cada una de la segunda o mas turbinas hasta un valor mas alto que da como resultado un exceso de O2 en la corriente de salida desde la ultima turbina, siendo tal exceso mayor que aproximadamente 0,1 % molar.
En otras formas de realizacion, la presente invencion puede proporcionar uno o mas de los siguientes:
calentar un fluido de circulacion de CO2 en un sistema de intercambio de calor contra la corriente de escape de refrigeracion de la turbina, de tal manera que la corriente de escape de la turbina se refrigera a una temperatura por debajo de su punto de roclo del agua;
refrigerar la corriente de escape de la turbina contra un medio de refrigeracion a temperatura ambiente y condensar agua junto combustible y purezas derivadas de la combustion que comprenden H2SO4 , HNO3, HCl, y otras impurezas tales como Hg y otros metales en forma de compuestos ionicos en solucion; comprimir el fluido de circulacion de CO2 purificado a una presion por encima de su presion crltica, pero por debajo de 10 MPa en un primer compresor;
refrigerar el fluido de circulacion hasta un punto en el que su densidad es mayor que 600 kg/m3 ; comprimir el fluido de circulacion de CO2 de alta densidad en un compresor a la presion requerida para superar la calda de la presion en el sistema y alimentar el fluido de CO2 en circulacion a la camara de combustion;
remover la corriente de producto de CO2 que contiene sustancialmente todo el CO2 formado por combustion de carbono en la corriente de fluido, siendo tomada la corriente de fluido o bien desde el flujo de descarga del primer compresor o del segundo compresor;
suministrar una cantidad adicional de calor al fluido de circulacion de CO2 a un nivel de temperatura que esta por encima del punto de roclo del agua de la corriente de escape de la turbina de refrigeracion o bien directamente al intercambiador de calor o por calentamiento de una corriente secundaria que comprende parte del fluido de circulacion de CO2, de manera que la diferencia de temperatura entre el fluido de circulacion de CO2 y el escape de la turbina en el extremo caliente del intercambiador de calor es inferior a 50 °C;
utilizar un fluido que comprende un combustible que contiene carbono que tiene un residuo incombustible que se oxida parcialmente con O2 en una camara de combustion refrigerada por transpiracion para producir una corriente que comprende H2 , CO, CH4 , H2S, NH3 y residuo incombustible, siendo alimentada la camara de combustion con parte del fluido de CO2 en circulacion para refrigerar los productos de la combustion parcialmente oxidados a una temperatura de 500 °C a 900 °C, donde la ceniza esta presente como partlculas solidas que se pueden retirar completamente desde la corriente de fluido de salida por un sistema de filtracion;
proporcionar una diferencia de temperatura entre la corriente de escape de la turbina de refrigeracion y la corriente de fluido de CO2 en circulacion de calefaccion en el punto en el que el flujo de corriente secundaria se remezcla con el fluido de CO2 en circulacion calentado por separado que esta entre 10 °C y 50 °C; proporcionar una presion de la corriente de escape de la turbina que abandona el extremo frlo del intercambiador de calor, de tal manera que no se forma ningun CO2 llquido cando esta corriente es refrigerada antes de la separacion de agua e impureza;
utilizar al menos parte de la corriente de escape de la turbina para sobrecalentar multiples corrientes de vapor derivadas de sistemas de potencia de vapor asociados con sistemas de calderas convencionales y reactores nucleares;
proporcionar calor de bajo nivel adicional a la corriente de CO2 en circulacion como vapor a uno o mas niveles de la presion tomada desde una fuente de vapor externa, tal como una estacion de energla;
utilizar una corriente de escape del dispositivo de expansion que abandona el extremo frlo del sistema de intercambio de calor para proporcionar calefaccion para al menos parte del condensador que abandona el condensador de vapor del sistema de generacion de potencia de vapor;
proporcionar calor de bajo nivel adicional para la corriente de CO2 en circulacion desde el escape caliente hasta una turbina de gas de ciclo abierto;
pasar un gas derivado de carbon parcialmente oxidado mas CO2 como combustible a una segunda camara de combustion para combustion completa;
accionar una camara de combustion individual con una relacion de O2 a combustible, de tal manera que parte del combustible se oxida en productos de oxidacion que comprenden CO2 , H2O, y SO2 y el resto del combustible se oxida en componentes que comprenden H2, CO, y H2S;
accionar dos turbina que superan la relacion de presion total requerida con O2 inyectado en el flujo de descarga de la primera turbina para quemar los componentes reducidos para recalentar el flujo de presion inmediato a una temperatura mas alta antes de que se expanda a traves de la segunda turbina.
Ademas de las formas de realizacion anteriores, la presente invencion es particularmente util por que los elementos y las etapas de los sistemas y metodos inventivos descritos aqul se pueden utilizar en una variedad de combinaciones que pueden proporcionar incrementos sorprendentes en eficiencia (por ejemplo, medida sobre una base de valor de calentamiento mas bajo (LHV)) y por que se pueden reducir de una manera beneficiosa los costes de capital asociados con sistemas conocidos utilizando fluido de trabajo de CO2 , as! como proporcionar produccion de energla a un coste significativamente reducido por unidad de energla producida. Ciertamente, ejemplos no limitativos de sistemas y metodos de acuerdo con la presente invencion que pueden proporcionar tales ventajas incluyen los siguientes.
Se utiliza particularmente una pluralidad de turbinas. En un ejemplo de realizacion especlfico de las mismas, se pueden utilizar dos turbinas y el sistema se puede adaptar para combustion de combustible oxigenado de un hidrocarburo o combustible carbonoso entre las dos turbinas. Tales formas de realizacion de turbinas multiples se pueden utilizar para incrementar la temperatura de entrada de la turbina curso abajo de la camara de combustion interpuesta. En formas de realizacion de turbinas multiples que comprenden dos o mas turbinas, se pueden incluir dos o mas camaras de combustion interpuestas. Ademas, en ciertas formas de realizacion, el numero de turbinas y de camaras de combustion en un sistema de turbinas multiples puede ser igual, de tal manera que la combustion se realiza antes de cada expansion de la turbina (por ejemplo, dos etapas de combustion, cada una de las cuales va seguida por la expansion de la turbina). A continuation se describen otras ventajas de las formas de realizacion de turbinas multiples con relacion a una forma de realizacion ejemplar de dos turbinas, y se entiende que tal description
se puede extender a formas de realizacion de turbinas multiples que comprenden tres, cuatro o incluso mas turbinas que pueden funcionar en serie o en paralelo y que comprenden solo combustion interpuesta asi como combustion antes de cada expansion de la turbina. En otras formas de realizacion, se puede utilizar una matriz de turbinas radiales.
En algunas formas de realizacion, la segunda turbina en un sistema de turbinas de dos fases puede tener una presion de descarga proxima a la presion atmosferica. Tal presion de descarga puede proporcionar un producto de CO2 neto que esta probablemente proximo a presion atmosferica. Tal presion de descarga puede ser beneficiosa, por lo tanto, para incrementar al maximo la salida de potencia para un flujo fijo de CO2 reciclado en el sistema. En particular, esto puede incrementar al maximo la relacion de la presion de todo el sistema de turbinas.
En algunas formas de realizacion, la entrada de la segunda turbina se puede definir por el flujo total que tiene la primera turbina. En otras formas de realizacion, la entrada de la segunda turbina se puede definir al menos en parte por una porcion del flujo de des carga de la primera turbina. Como una forma de realizacion ejemplar, un flujo en la segunda turbina puede contener el producto de CO2 neto derivado de la combustion del combustible total utilizado en uno o mas camaras de combustion.
En algunas formas de realizacion, la primera turbina puede ser una turbina de alta presion. Como tal, puede ser util para permitir que la temperatura de la entrada de la turbina a alta presion sea fijada en el valor mas alto posible para incrementar al maximo la salida de potencia de la turbina de alta presion, manteniendo al mismo tiempo la temperatura de salida de la segunda turbina a una temperatura constante. Por ejemplo, la temperatura constante se puede fijar por la temperatura operativa maxima de un intercambiador de calor de recuperacion a su presion de diseno, y esta presion se puede fijar por una o ambas de la presion de la camara de combustion de CO2 reciclado y la presion de entrada de la primera turbina.
En algunas formas de realizacion, la corriente de CO2 reciclado se puede calentar hasta una temperatura alta y se puede pasar a traves de la primera turbina sin pasar primero a traves de una camara de combustion. El escape desde la primera turbina puede ser entonces la entrada para la camara de combustion que forma un escape que debe ser la entrada para la segunda camara de combustion. En particular, la temperatura de entrada para la primera turbina puede tener un limite mas bajo que es igual a la temperatura de salida de la corriente de CO2 reciclado desde la primera turbina.
En algunas formas de realizacion, el calor excesivo en el flujo de descarga de la segunda turbina por encima del requerido para calentar la corriente de CO2 reciclado de alta presion se puede utilizar para precalentar las corrientes de oxigeno y de gas combustible que entran en las camaras de combustion de primera y segunda fases (o que entran en una sola camara de combustion en formas de realizacion en las que una sola camara de combustion esta interpuesta en una turbina de dos fases.
En algunas formas de realizacion, una corriente de oxigeno desde la planta de produccion de oxigeno a una presion de 1 bar (0,1 MPa) o mas alta se puede mezclar con CO2 para formar un oxidante diluido para combustion del combustible. En particular, esta corriente de oxidante se puede comprimir y precalentar contra todo o parte del escape desde una o desde ambas de la primera y segunda turbinas y se puede derivar para formar al menos parte del oxidante requerido en la camara de combustion de primera o segunda fase.
En algunas formas de realizacion, el CO2 reciclado proximo a presion atmosferica despues de la separation del agua Kquida puede ser comprimido a una presion por encima de la presion de solidification de CO2 en el intervalo desde aproximadamente 6 bares (0,6 MPa) hasta aproximadamente 10 bares (1 MPa) y se puede licuar el CO2 que puede ser bombeado entonces a la alta presion del sistema de CO2 reciclado, reduciendo de esta manera el requerimiento de potencia de la bomba del compresor de reciclado. El agente para proporcionar la refrigeration para licuacion del CO2 puede ser, por ejemplo, gas natural licuado (LNG). En particular, LNG que ha sido bombeado a una presion alta para suministro a un sistema de tuberias y se puede calentar desde una temperatura baja hasta una temperatura proxima a temperatura ambienta simultaneamente con refrigeracion del CO2. Opcionalmente, la segunda turbina puede descargar a una presion de aproximadamente 6 bares (0,6 MPa) hasta aproximadamente y 8 bares (0,8 MPA) y de esta manera evitar la necesidad de una camara de combustion de reciclado de CO2.
Otras formas de realizacion estan comprendidas por la presente invention como se describe con relacion a varias figuras y/o como se describe en la description siguiente de la invencion proporcionada aqui.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Habiendo descrito de esta manera la invencion en terminos generales, ahora se hara referencia a los dibujos que se acompanan, que no estan trazados necesariamente a escala y en los que:
La figura 1 es una ilustracion esquematica de un aparato de camara de combustion refrigerada por transpiracion.
La figura 2 es una ilustracion esquematica de una seccion transversal ejemplar de una pared de un miembro de transpiracion de un aparato de camara de combustion.
La figura 3A y la figura 3B ilustran de forma esquematica un proceso de ajuste en caliente para un conjunto de miembro de transpiracion de un aparato de camara de combustion.
La figura 4 ilustra de forma esquematica un aparato de eliminacion de producto contaminante de la combustion.
La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un ciclo de potencia.
La figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra el flujo de un fluido de circulacion de CO2 a traves de una unidad de separacion.
La figura 7 muestra un diagrama de flujo que ilustra la presurizacion utilizando una serie de dos o mas compresores o bombas en una unidad de presurizacion.
La figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra una unidad de intercambio de calor, en la que se utilizan tres intercambiadores de calor individuales en serie.
La figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra una unidad de turbina que utiliza dos turbinas accionadas en serie en un modo de reduccion.
La figura 10 es un diagrama de flujo que ilustra un sistema y metodo para la produccion de energla utilizando dos camaras de combustion.
La figura 11 es un diagrama de flujo que ilustra un sistema y metodo para la produccion de energla.
La figura 12 es un diagrama de flujo que ilustra un sistema y metodo para la produccion de energla que incorpora una caldera quemada con carbon convencional; y
La figura 13 es un diagrama de flujo que ilustra un sistema y metodo para la produccion de energla que incluye dos turbinas que funcionan en serie con dos camaras de combustion.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La presente invention se refiere a metodos de generation de energla. Tales metodos pueden comprender; expandir una corriente de CO2 reciclado comprimido a una presion de al menos aproximadamente 12 MPa a traves de una serie de una primera turbina y una ultima turbina sobre una relation de la presion de al menos aproximadamente 20 para emitir desde la ultima turbina una corriente de descarga de la ultima turbina que esta opcionalmente a una presion inferior a 0,15 MPa; calentar una corriente de descarga desde la primera turbina antes de pasar a la ultima turbina en una camara de combustion mediante la combustion de un hidrocarburo o combustible carbonoso en presencia de un oxidante y la corriente de descarga de la primera turbina para formar una corriente de escape de la camara de combustion en un intercambiador de calor de recuperador; aislar al menos una portion del CO2 desde la corriente de descarga de la turbina refrigerada para formar la corriente de CO2 reciclado; comprimir la corriente de CO2 reciclado; y pasar la corriente de CO2 reciclado a la serie de turbinas. La presente description se refiere tambien a sistemas de generacion de energla. Tales sistemas pueden comprimir: una primera turbina y una segunda turbina en serie que estan adaptadas para expandir una corriente de CO2 reciclado a alta presion entre una presion alta de aproximadamente 10 MPa hasta aproximadamente 60 MPa sobre una relacion de presion que es mayor que 20; una camara de combustion en una disposition de trabajo con una salida de la primera turbina y una entrada de la segunda turbina y adaptada para calentar la corriente de CO2 reciclado a alta presion; un intercambiador de calor de recuperation en juna disposicion de trabajo con una salida de la segunda turbina y adaptada para transferir calor entre una corriente de descarga desde la salida de la segunda turbina y la corriente de CO2 reciclado a alta presion; y al menos un compresor en una disposicion de trabajo con el intercambiador de calor de recuperacion y adaptado para presurizar la corriente de CO2 reciclado a una presion de al menos aproximadamente 10 MPa; en el que el intercambiador de calor de recuperador esta en una disposicion de trabajo con la primera turbina, de tal manera que la corriente de CO2 reciclado comprimido caliente pasa a la primera turbina.
La invencion se describe con mas detalle a continuation con referencia a varias formas de realization. Estas formas de realizacion estan previstas para que esta descripcion sea minuciosa y completa, y transferira todo el alcance de la invencion a los expertos en la tecnica; no obstante, se entiende que las formas de realizacion que no incluyen una pluralidad de turbinas y/ no expanden una corriente que comprende CO2 reciclado a traves de la relacion de la presion de al menos aproximadamente 20 no forman parte de la presente invencion, sino que representan tecnica anterior que es util para la comprension de la invencion. Cuando se utiliza en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones anexas, las formas singulares "uno", "una", "el", incluyen referentes plurales, a no ser que el contexto dicte claramente otra cosa.
La presente invencion proporciona sistemas y metodos para producir energla a traves del uso de una camara de combustion de combustible de alta eficiencia (tal como una camara de combustion refrigerada por transpiracion y un fluido de circulacion asociado (tal como un fluido de circulacion de CO2). El fluido de circulacion esta previsto en la camara de combustion junto con un combustible apropiado, cualquier oxidante necesario, y cualquiera de los materiales asociados que pueden ser utiles para combustion eficiente. En formas de realizacion especlficas, los metodos se pueden realizar utilizando una camara de combustion que opera a temperaturas muy altas (por ejemplo, en el intervalo desde aproximadamente 1.600 °C hasta aproximadamente 3.300 °C u otros intervalos de temperaturas, como se describen aqul), y la presencia del fluido circulante puede funcionar para moderar la temperatura de una corriente de fluido que sale desde la camara de combustion, de manera que la corriente de
fluido se puede utilizar en transferencia de energla para la produccion de potencia. Especlficamente, una corriente de producto de la combustion se puede expandir a traves de una serie de turbinas para generar potencia. La corriente de gas expandido se puede refrigerar para eliminar varios componentes de la corriente, tal como agua, y el calor extraldo desde la corriente de gas expandido se puede utilizar para calentar el fluido de circulacion de CO2. La corriente de fluido de circulacion purificado se puede presurizar entonces y calentar para reciclaje a traves de la camara de combustion. Si se desea, parte del CO2 de la corriente de producto de la combustion (es decir, que procede del CO2 formado por combustion de combustible que contiene carbono en presencia de oxlgeno) se puede extraer para retention u otra disposition, tal como transferencia a una tuberla de CO2. El sistema y metodos pueden hacer uso de parametros y componentes especlficos del proceso para incrementar al maximo la eficiencia del sistema y metodo, particularmente evitando al mismo tiempo la liberation de CO2 a la atmosfera. Como se describe aqul en particular, el fluido circulante esta ejemplificado por el uso de CO2 como el fluido circulante. Aunque el uso de un fluido circulante de CO2 es una forma de realization ventajosa de acuerdo con la invention, tal description no deberla interpretarse como limitation necesaria del alcance del fluido circulante que se puede utilizar en la invencion, si no se indica otra cosa.
En ciertas formas de realizacion, un sistema de generation de potencia de acuerdo con la invencion puede utilizar un fluido circulante que comprende en una medida predominante CO2. En otras palabras, la naturaleza qulmica del fluido circulante inmediatamente antes de la entrada en la camara de combustion es tal que el fluido circulante comprende predominantemente CO2. En este sentido, la palabra "predominantemente" puede significar que el fluido comprende al menos aproximadamente 90 % en concentration molar, al menos aproximadamente 91 % en concentration molar, al menos aproximadamente 92 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 93 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 94 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 95 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 96 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 97 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 98 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 99 % en concentracion molar de CO2. El fluido en circulacion inmediatamente antes de entrar en la camara de combustion comprende con preferencia sustancialmente solo CO2. En este sentido, la frase "sustancial mente solo" puede significar al menos aproximadamente 99,1 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 99,5 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 99,75 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 99,80 % en concentracion molar, al menos aproximadamente 99,9 % en concentracion molar de CO2. En la camara de combustion, el CO2 puede mezclarse con uno o mas componentes adicionales, que se pueden derivar del combustible, cualquier oxidante, y cualquier derivado de la combustion del combustible. Por lo tanto, el fluido circulante que sale desde la camara de combustion, que se puede describir aqul como una corriente de producto de la combustion, puede comprender CO2 junto con cantidades menores de otros materiales, tales como H2O, O2 , N2 , Ar, SO2, SO3 , NO, NO2 , HCl, Hg, y trazas de otros componentes que se pueden derivar del proceso de la combustion (por ejemplo, material en partlculas, tal como cecina o ceniza licuada), incluyendo otros combustibles. Como se describe con mas detalle a continuation, el proceso de la combustion se puede controlar de tal manera que la naturaleza de la corriente de fluido o bien se puede reducir u oxida, lo que puede proporcionar beneficios descritos en particular.
Los sistemas y metodos de la invencion pueden incorporar una o mas camaras de combustion utiles para la combustion de un combustible adecuado, como se describe aqul. Con preferencia, al menos una camara de combustion utilizada de acuerdo con la presente invencion es una camara de combustion de alta eficiencia capaz de proporcionar combustion sustancialmente completa de un combustible a una temperatura de combustion relativamente alta. La combustion a alta temperatura puede ser particularmente util para combustion sustancialmente completa del combustible y, por lo tanto, para incrementar al maximo la eficiencia. En varias formas de realizacion, combustion a alta temperatura puede significar combustion a una temperatura de al menos aproximadamente 1.200 °C, al menos aproximadamente 1.300 °C, al menos aproximadamente 1.400 °C, al menos aproximadamente 1.500 °C, al menos aproximadamente 1.600 °C, al menos aproximadamente 1.750 °C, al menos aproximadamente 2.000 °C, al menos aproximadamente 2.500 °C, o al menos aproximadamente 3.000 °C. En otras formas de realizacion, combustion a alta temperatura puede significar combustion a una temperatura de aproximadamente 1.200 °C a aproximadamente 5.000 °C, de aproximadamente 1.500 °C a aproximadamente 4.000 °C, de aproximadamente 1.600 °C a aproximadamente 3.500 °C, de aproximadamente 1.700 °C a aproximadamente 3.200 °C, de aproximadamente 1.800 °C a aproximadamente 3.100 °C, de aproximadamente 1.900 °C a aproximadamente 3.000 °C, o de aproximadamente 2.000 °C a aproximadamente 3.000 °C.
Se pueden utilizar varias camaras de combustion de acuerdo con la presente invencion. En algunas formas de realizacion, se puede utilizar solo una camara de combustion individual en los presentes sistemas y metodos. En algunas formas de realizacion, se puede utilizar una pluralidad de camaras de combustion y pueden funcionar en serie o en paralelo en combination con una pluralidad de turbinas de expansion. Las ventajas de las formas de realizacion multi-turbinas que utilizan una camara de combustion o una pluralidad de camaras de combustion se describen, ademas, aqul en relation con formas de realizacion ejemplares de tales sistemas y metodos. Debido a la flexibilidad, las camaras de combustion que se pueden utilizar de acuerdo con la presente invencion incluyen cualquier camara de combustion adaptada para funcionar en las condiciones variables de temperatura y presion de acuerdo con las varias formas de realizacion comprendidas por la presente invencion. Camaras de combustion utiles
de acuerdo con la presente invencion pueden incluir cualquier camara de combustion adaptada para combustion a las temperaturas y presiones descritas aqui, incluyendo combustion a alta temperatura. Como un ejemplo nolimitativo, una camara de combustion util puede ser cualquier camara de combustion que comprende un revestimiento que esta adaptado para refrigeracion con un medio de refrigeracion (por ejemplo una corriente de CO2 reciclado en algunas formas de realizacion de la presente invencion). Medios de refrigeracion ejemplares pueden incluir el paso de un medio de refrigeracion a traves de una o mas ranuras, taladros, refrigeracion desde el lado trasero, y pasadas.
En ciertas formas de realizacion, se pueden utilizar camaras de combustion refrigeradas por transpiracion. Un ejemplo de una camara de combustion refrigerada por transpiracion, que se puede utilizar en la invencion, se describe en la solicitud de patente de los EE.UU, N° 12/714.074,, presentada el 26 de Febrero de 2010. En algunas formas de realizacion, una camara de combustion refrigerada por transpiracion util de acuerdo con la invencion puede incluir una o mas zonas de intercambio de calor, uno o mas fluidos de refrigeracion y uno o mas fluidos de transpiracion. La refrigeracion por transpiracion puede ser util para prevenir la corrosion, la putrefaccion y la erosion en la camara de combustion y puede ser particularmente deseable cuando existen tales condiciones de combustion.
En un aspecto particular, una camara de combustion refrigerada por transpiracion de acuerdo con la invencion puede incluir una camara de combustion definida parcialmente por un miembro de transpiracion, en la que el miembro de transpiracion esta rodeado a menos parcialmente por un miembro de contention de la presion. La camara de combustion puede tener una portion de entrada y una portion de salida opuesta. La portion de entrada de la camara de combustion puede estar configurada para recibir el combustible que contiene carbono que debe quemarse dentro de la camara de combustion a una temperatura de combustion para formar un producto de combustion. La camara de combustion puede estar configurada, ademas, para dirigir el producto de la combustion hacia la porcion de salida. El miembro de transpiracion puede estar configurado para dirigir una sustancia de transpiracion a traves de mismo hacia la camara de combustion para interaction amortiguadora entre el producto de la combustion y el miembro de transpiracion. Ademas, la sustancia de transpiracion puede ser introducida en la camara de combustion para conseguir una temperatura de salida deseada del producto de la combustion. En formas de realizacion particulares, la sustancia de transpiracion puede comprender al menos parcialmente el fluido circulante. Las paredes de la camara de combustion pueden estar revestidas de material poroso a traves del cual se dirige y fluye la sustancia de transpiracion, tal como CO2 y/o H2O.
Todavia en otros aspectos, el miembro de transpiracion 2332 se puede extender desde la porcion de entrada 222A hasta la porcion de salida 222B del miembro de transpiracion 230. En algunos casos, la estructura perforada/porosa del miembro de transpiracion interior 2332 se puede extender sustancialmente completamente (axialmente) desde la porcion de entrada 222A hasta la porcion de salida 222B, de tal manera que el fluido de transpiracion 210 se dirige sustancialmente dentro de toda la longitud de la camara de combustion 222. Es decir, que sustancialmente la totalidad del miembro de transpiracion interior 2332 puede estar configurada con una estructura perforada/porosa, de tal manera que toda la longitud de la camara de combustion 222 esta refrigerada por transpiracion. Mas particularmente, en algunos aspectos, el area acumulativa de perforacion/porosa puede ser sustancialmente igual al area de la superficie del miembro de transpiracion interior 2332. Todavia en otros aspectos, las perforaciones/poros pueden estar espaciados aparta en una densidad apropiada, de tal manera que se consigue una distribucion sustancialmente uniforme de la sustancia de transpiracion desde el miembro de transpiracion interior 2332 hasta la camara de combustion 222 (es decir, que no existen "puntos muertos", donde falte el flujo o la presencia de la sustancia de transpiracion 210). En un ejemplo, una pulgada cuadrada del miembro de transpiracion 2332 puede incluir una matriz de perforaciones/poros del orden de 250 x 250 por pulgada cuadrada, para proporcionar aproximadamente 62.500 poros / pulgada cuadrada, estando espaciadas tales perforaciones/poros aproximadamente 0,004 pulgadas (aproximadamente 0,1 mm). La relation entre el area de poros y el area total de la pared (% de porosidad) puede ser, por ejemplo, aproximadamente 50 %. La matriz de poros se puede variar sobre un amplio intervalo para adaptarse a otros parametros de diseno del sistema, tales como la caida de la presion deseada frente al caudal de flujo a traves del miembro de transpiracion. Se pueden utilizar tamanos de matrices desde aproximadamente 10 x 10 hasta aproximadamente 10.000 x 10.000 por pulgada con porcentajes de porosidad desde aproximadamente 10 % hasta aproximadamente 80 % en algunos ejemplos.
El flujo de la sustancia de transpiracion a traves de esta capa de transpiracion porosa y opcionalmente a traves de provisiones adicionales se puede configurar para conseguir una temperatura deseada de la salida de la corriente de fluido de salida total desde la camara de combustion. En algunas formas de realizacion, como se describen aqui, ademas, tal temperatura puede estar en el intervalo de aproximadamente 500 °C a aproximadamente 2.000 °C. Este flujo puede servir tambien para refrigerar el miembro de transpiracion a una temperatura por debajo de la temperatura operativa maxima admisible del material que forma el miembro de transpiracion. La sustancia de transpiracion puede servir tambien para prevenir la incidencia de cualquier material de ceniza Kquida o solida u otros contaminantes en el combustible que pueden corroer, pudrir o danar de otra manera las paredes. En tales casos, puede ser deseable utilizar un material para el miembro de transpiracion con una conductividad termica razonable para que el calor radiante incidente se pueda introducir radialmente hacia fuera a traves del miembro de transpiracion poroso y entonces pueda ser interceptado por transferencia de calor por convection desde las
superficies de la estructura de capa porosa hasta el fluido que pasa radialmente hacia dentro a traves de la capa de transpiracion. Tal configuracion puede permitir que la parte siguiente de la corriente dirigida a traves del miembro de transpiracion sea calentada a una temperatura en un intervalo deseable, tal como de aproximadamente 500 °C a aproximadamente 1000 °C, manteniendo simultaneamente la temperatura del miembro de transpiracion poroso dentro del intervalo de diseno del material utilizado para ello. Materiales para el miembro de transpiracion poroso pueden incluir, por ejemplo, ceramica porosa, esteras de fibras metalicas refractarias, secciones cillndricas perforadas y/o capas de metal sinterizado o polvos de metal sinterizado. Una segunda funcion del miembro de transpiracion puede ser asegurar un flujo radialmente interior sustancialmente uniforme del fluido de transpiracion as! como longitudinalmente a lo largo de la camara de combustion para conseguir buena mezcla entre la corriente de fluido de transpiracion y el producto de la combustion, promocionando al mismo tiempo un flujo axial uniforme a lo largo de la longitud de la camara de combustion. Una tercera funcion del miembro de transpiracion puede ser conseguir una velocidad de fluido diluyente radialmente hacia dentro para proporcionar una amortiguacion o para interceptar de otra manera que partlculas solidas y/o llquidas de ceniza u otros contaminantes dentro de los productos de combustion impacten en la superficie de la capa de transpiracion y causen bloqueo u otro dano. Tal factor puede ser importante, por ejemplo, cuando se quema un combustible, tal como carbon, que tiene un residuo no-combustible inerte residual. La pared interior de la caldera de presion de la camara de combustion que rodea el miembro de transpiracion se puede aislar tambien para aislar la corriente de fluido de transpiracion a alta temperatura dentro de la camara de combustion.
Una forma de realizacion de un aparato de camara de combustion apto para uso de acuerdo con la presente invention se ilustra de forma esquematica en la figura 1, siendo indicado el aparato de camara de combustion, en general, por el numero 220. En este ejemplo, el aparato de camara de combustion 220 puede estar configurado para quemar un solido en partlculas, tal como carbon, para formar un producto de combustion, aunque se puede utilizar cualquier otro material que contiene carbono combustible adecuado, como se describe aqul, como un combustible. La camara de combustion 222 puede estar definida por un miembro de transpiracion 230, que esta configurado para dirigir un fluido de transpiracion a traves del mismo hasta la camara de combustion 222 (es decir, para facilitar la refrigeration de transpiracion y/o para amortiguar la interaction entre el producto de combustion y el miembro de transpiracion 230). Un experto en la tecnica apreciara que el miembro de transpiracion 230 puede ser sustancialmente cillndrico para definir una camara de combustion 222 sustancialmente cillndrica, que tiene una portion de entrada 222A y una portion de salida 222B opuesta. El miembro de transpiracion 230 puede estar rodeado al menos parcialmente por un miembro de contention de la presion 2338. La porcion de entrada 222A de la camara de combustion 222 puede estar configurada para recibir una mezcla de combustible desde una disposition de mezcla, indicada, en general, por el numero 250. En otras formas de realizacion, tal disposicion de mezcla puede estar ausente y uno o mas de los materiales introducidos en la camara de combustion se pueden anadir por separado a traves de entradas independientes. De acuerdo con formas de realizacion particulares, la mezcla de combustible se puede quemar dentro de la camara de combustion 222 a una temperatura particular de la combustion para formar un producto de la combustion, en donde la camara de combustion 222 esta configurada, ademas, para dirigir el producto de la combustion hacia la porcion de salida 222B. Un dispositivo de elimination de calor 2350 (ver, por ejemplo, la figura 2) puede estar asociado con el miembro de contencion de presion 2338 y configurado para controlar su temperatura. En casos particulares, el dispositivo de eliminacion de calor 2350 puede comprender una camisa de transferencia de calor definida al menos parcialmente por una pared 2336 opuesta al miembro de contencion de la presion 2338, en donde un llquido puede ser circulado en camisas de circulation de agua 2337 definidas entre ellas. En una forma de realizacion, el llquido circulado puede ser agua.
En un aspecto particular, el miembro de transpiracion interior poroso 2332 esta configurado de esta manera para dirigir el fluido de transpiracion dentro de la camara de combustion 222, de tal manera que la sustancia de transpiracion 210 entra en la camara de combustion 222 en un angulo sustancialmente recto (90°) con respecto a la superficie interior del miembro de transpiracion interior 2332. Entre otras ventajas, la introduction de la sustancia de transpiracion 210 en el angulo sustancialmente recto con respecto al miembro de transpiracion interior 2332 puede facilitar o mejorar de otra manera el efecto de dirigir gotitas llquidas o solidas de escoria u otros contaminantes o vortices de fluido de la combustion fuera de la superficie interior del miembro de transpiracion interior 2332. La falta de contacto entre las gotitas llquidas o solidas de escoria puede prevenir la coalescencia de dichas gotitas en gotitas o masas grandes, que se conoce en la tecnica anterior que ocurren despues del contacto entre gotitas o partlculas y paredes solidas. La introduccion de la sustancia de transpiracion 210 en el angulo sustancialmente recto con respecto al miembro de transpiracion interior 2332 puede facilitar o mejorar de otra manera el efecto de prevenir la formation de vortices de fluido de la combustion con velocidad suficiente perpendicularmente a y en la proximidad del miembro de transpiracion interior que puede incidir sobre y danar el miembro de transpiracion interior. En tales casos, el miembro de transpiracion exterior 2331, el miembro de contencion de la presion 2338, la camisa de transferencia de calor 2336 y/o la capa de aislamiento 2339 pueden estar configurados, o bien individualmente o en combination, para proporcionar un efecto "colector" (es decir, para proporcionar un suministro distribuido sustancialmente uniforme) con respecto al suministro de la sustancia de transpiracion / fluido 210 a y a traves del miembro de transpiracion interior 2332 y dentro de la camara de combustion 222. Es decir, que se puede conseguir un suministro sustancialmente uniforme (en terminos de caudal de flujo, presion, o cualquier otra medida adecuada y apropiada) de la sustancia de transpiracion 210 dentro de la camara de combustion 222 configurando el miembro de
transpiracion exterior 2331, el miembro de contencion de la presion 2338, la camisa de transferencia de calor 2336 y/o la capa de aislamiento 2339 para proporcionar un suministro uniforme de la sustancia de transpiracion 210 al miembro de transpiracion interior 2332, o el suministro de la sustancia de transpiracion 210 alrededor de la superficie exterior del miembro de transpiracion interior 2332 puede adaptarse y configurarse particularmente, de tal manera que se consigue una distribucion sustancialmente uniforme de la sustancia de transpiracion 210 dentro de la camara de combustion 222. Tal distribucion sustancialmente uniforme puede prevenir la formacion de vortices de fluido de combustion caliente, que se pueden formar de otra manera por interaccion de flujo de transpiracion no-uniforme con el flujo de fluido de la combustion y cuyos vortices pueden incidir en y danar el miembro de transpiracion interior.
La disposition de mezcla 250 (cuando esta presente) puede estar configurada para mezclar un combustible carbonoso 254 con oxigeno enriquecido 242 y un fluido circulan te 236 para formar una mezcla de combustible 200. El combustible carbonoso 254 puede ser proporcionado en forma de un combustible carbonoso solido, un combustible carbonoso llquido y/o un combustible carbonoso gaseoso. El oxigeno enriquecido 242 puede ser oxigeno que tiene una pureza molar mayor que aproximadamente 85 %. El oxigeno enriquecido 242 puede ser suministrado, por ejemplo, por cualquier sistema/tecnica de separation conocidos en la tecnica, tal como, por ejemplo, un proceso de separacion de aire criogenico, o podrla implementarse un proceso de separacion de oxigeno de membrana de transporte de iones de alta temperatura (desde aire). El fluido circulante 236 puede ser dioxido de carbono, como se describe aqul. En casos donde el fluido carbonoso 254 es un solido en partlculas, tal como carbon en polvo 254A, la disposicion de mezcla 250 puede estar configurada, ademas, para mezclar el combustible carbonoso solido en partlculas 254A con una sustancia de fluidization 255. De acuerdo con un aspecto, el combustible carbonoso solido en partlculas 254A puede tener un tamano medio de las partlculas de entre aproximadamente 50 micras y aproximadamente 200 micras. De acuerdo con todavla otro aspecto, la sustancia de fluidizacion 255 puede comprender agua y/o CO2 llquido, que tiene una densidad de entre aproximadamente 450 kg/m3 y aproximadamente 1100 kg/m3 Mas particularmente, la sustancia de fluidizacion 255 puede cooperar con el combustible carbonoso solido en partlculas 254A para formar una suspension 250A que tiene, por ejemplo, entre aproximadamente 25 % en peso y aproximadamente 55 % en peso del combustible carbonoso solido en partlculas 254A. Aunque el oxigeno se muestra en la figura 1 mezclado con el combustible 254 y el fluid circulante 236 antes de la introduction en la camara de combustion 222, en algunos casos, el oxigeno 242 se puede introducir de forma separada en la camara de combustion 222, como sea necesario o deseado.
La disposicion de mezcla 250, en algunos aspectos, puede comprender, por ejemplo, una matriz de toberas de inyeccion espaciadas aparte (no mostradas) dispuestas alrededor de una pared extrema 223 del miembro de transpiracion 230 asociado con la portion de entrada 222A de la camara de combustion cillndrica 222. La inyeccion de combustible / mezcla de combustible en la camara de combustion 222 de esta manera puede proporcionar, por ejemplo, un area de superficie grande de corriente de entrada de mezcla de combustible inyectado por radiation. La temperatura de la mezcla de combustible inyectado se puede incrementar de esta manera rapidamente hasta la temperatura de ignition del combustible y puede dar como resultado una combustion compacta. La velocidad de inyeccion de la mezcla de combustible puede estar en el intervalo, por ejemplo, de entre aproximadamente 10 m/seg., aunque estos valores pueden depender de muchos factores, tales como la configuration de las toberas de inyeccion particulares. Tal disposicion de inyeccion puede adoptar muchas formas diferentes. Por ejemplo, la disposicion de inyeccion puede comprender una matriz de taladros, por ejemplo, en el intervalo de entre aproximadamente 0,5 mm y aproximadamente 3 mm de diametro, en donde el combustible inyectado serla inyectado a traves de ellos a una velocidad de entre aproximadamente 10 m/s y aproximadamente 40 m/s.
Como se muestra mas particularmente en la figura 2, la camara de combustion 222 puede ser definida por el miembro de transpiracion 230, que puede estar rodeado al menos parcialmente por un miembro de contencion de la presion 2338. En algunos casos, el miembro de contencion de la presion 2339 puede estar rodeado, ademas, al menos parcialmente, por una camisa de transferencia de calor 2336, en donde la camisa de transferencia de calor 2336 puede cooperar con el miembro de contencion de presion 2338 para definir uno o mas canales 2337 entre ellos, a traves de los cuales puede circular una corriente de agua de baja presion. Por medio de un mecanismo de evaporation, el agua circulada puede ser utilizada, por lo tanto, para controlar y/o mantener una temperatura seleccionada del miembro de contencion de la presion 2338, por ejemplo en un intervalo de aproximadamente 100°C a aproximadamente 250 °C. En algunos aspectos, una capa de aislamiento 2339 puede estar dispuesta entre el miembro de transpiracion 230 y el miembro de contencion de la presion 2338.
En algunos casos, el miembro de transpiracion 230 puede comprender, por ejemplo, otro miembro de transpiracion 2332, que esta dispuesto opuesto al miembro de transpiracion exterior 2331 desde el miembro de contencion de la presion 2338, y que define la camara de combustion 222. El miembro de transpiracion exterior 2331 puede estar comprendido por cualquier material adecuado resistente a la temperatura, tal como por ejemplo acero y aleaciones de acero, incluyendo acero in oxidable y aleaciones de nlquel. En algunos casos, el miembro de transpiracion exterior 2331 puede estar configurado para definir primeros pasos de suministro de fluido de transpiracion 2333A que se extienden a traves de ellos desde su superficie adyacente a la capa de aislamiento 2339 hasta su superficie adyacente al miembro de transpiracion interior 2332. Los primeros pasos de suministro de fluido de transpiracion 2333A pueden corresponder, en algunos casos a los pasos de suministro de fluido de transpiracion 2333B definidos
por el miembro de contencion de la presion 2338, la camisa de transferencia de calor 2336 y/o la capa de aislamiento 2339. Los primeros y segundos pasos de suministro de fluido de transpiracion 2333A, 2333B pueden estar configurados, por lo tanto, para cooperar para dirigir un fluido de transpiracion a traves de ellos hasta el miembro de transpiracion interior 2332. En algunos casos, como se muestra, por ejemplo, en la figura 1, el fluido de transpiracion 210 puede comprender el fluido circulante 236 y se puede obtener a partir de la misma fuente asociada con ellos. Los primeros y segundos pasos de suministro de fluido de transpiracion 2333A, 2333B pueden estar aislados, cuando sea necesario, para suministrar el fluido de transpiracion 210 (es decir, CO2) en suministro suficiente y a una presion suficiente, de tal manera que el fluido de transpiracion 210 se dirige a traves del miembro de transpiracion interior 2332 y dentro de la camara de combustion 222. Tales medidas, que implican al miembro de transpiracion 230 y al fluido de transpiracion 210 asociado, como se describe aqul, pueden permitir al aparato de la camara de combustion 220 operar a las presiones relativamente altas y a las temperaturas relativamente altas descritas de otra manera aqul.
A este respecto, el miembro de transpiracion interior 2332 puede estar comprendido, por ejemplo, de un material ceramico poroso, una material perforado, un material laminado, una estera porosa comprendida de fibras orientadas de forma aleatoria en dos dimensiones y ordenadas en la tercera dimension, o cualquier otro material adecuado o combinaciones de ellos que exhiben las caracterlsticas requeridas de los mismos como se describen aqul, a saber, multiples pasos o poros de flujo u otros orificios 2335 adecuados para recibir y dirigir el fluido de transpiracion a traves del miembro de transpiracion interior 2332. Ejemplos no limitativos de material poroso ceramico u otros materiales adecuados para tales sistemas de refrigeracion por transpiracion incluyen oxido de aluminio, oxido de circonio, circonio endurecido por transformation, cobre, molibdeno, volframio, volframio infiltrado con cobre, molibdeno revestido con volframio, cobre revestido con volframio, varias aleaciones de nlquel a alta temperatura, y materiales con funda o revestidos con renio. Las fuentes de tales materiales incluyen, por ejemplo, CoorsTek, Inc., (Golden, CO) (circonio); UltraMet Advanced Materials Solutions (Pacoima, CA) (revestimientos de metales refractarios); Orsam Sylvania (Danvers, MA) (volframio/cobre); y MarkeTech International, Inc. (Port Townsend, WA) (volframio). Ejemplos de materiales perforados adecuados para tales sistemas de refrigeracion por transpiracion incluyen todos los materiales y proveedores anteriores (donde las estructuras finales perforadas se pueden obtener, por ejemplo, perforando una estructura inicialmente no porosa utilizando metodos conocidos en la tecnica de fabrication). Ejemplos de materiales laminados adecuados incluyen todos los materiales y proveedores anteriores (donde las estructuras finales laminadas se pueden obtener, por ejemplo, laminando estructuras no porosas o parcialmente porosas, de tal manera que se pueda conseguir la porosidad final deseada utilizando metodos conocidos en la tecnica de fabricacion).
Las figuras 3A y 3B ilustran que, en un aspecto de un aparato de camara de combustion 220, la estructura que define la camara de combustion 222 puede estar formada a traves de ajuste de interferencia en "caliente" entre el miembro de transpiracion 230 y la estructura circundante, tal como el miembro de contencion de la presion 2338 o la capa de aislamiento 2339 dispuesta entre el miembro de transpiracion 230 y el miembro de contencion de la presion 2338. Por ejemplo, cuando esta relativamente "frlo", el miembro de transpiracion 230 puede estar dimensionado mas pequeno, radial y/o axialmente, con respecto al miembro de contencion de la presion 2338 circundante. Como tal, cuando se inserta en el miembro de contencion de la presion 2338, un intersticio radial y/o axial puede estar presente en medio (ver, por ejemplo, la figura 3A). Naturalmente, tales diferencias dimensionales pueden facilitar la insertion del miembro de transpiracion 230 en el miembro de contencion de la presion 2338. Si embargo, cuando se calienta, por ejemplo hacia la temperatura operativa, el miembro de transpiracion 230 puede estar configurado para expandirse radial y/o axialmente para reducir o eliminan los intersticios observados (ver, por ejemplo, la figura B). Actuando de esta manera, se puede formar un ajuste de interferencia axial y/o radial entre el miembro de transpiracion 230 y el miembro de contencion de la presion 2338. En caso que implican a un miembro de transpiracion 230 con un miembro de transpiracion exterior 2331 y un miembro de transpiracion interior 2332, tal ajuste de interferencia puede tener colocar el miembro de transpiracion interior 2332 bajo compresion. Materiales fragiles resistentes a alta temperatura adecuados, tales como una ceramica porosa, pueden utilizarse para el miembro de transpiracion interior 2332.
Con el miembro de transpiracion interior 2332 configurado de esta manera, la sustancia de transpiracion 210 puede comprender, por ejemplo, dioxido de carbono (es decir, desde la misma fuente que el fluido de circulation 236) dirigido a traves del miembro de transpiracion interior 2332, de tal manera que la sustancia de transpiracion 210 forma una capa de amortiguacion 231 (es decir, un a "pared de vapor") inmediatamente adyacente al miembro de transpiracion interior 2332 dentro de la camara de combustion 222, en donde la capa de amortiguacion 231 puede estar configurada para amortiguar la interaction entre el miembro de transpiracion interior 2332 y los elementos incombustibles licuados y calor asociado con el producto de la combustion. Es decir que, en algunos casos, el fluido de transpiracion 210 puede suministrarse a traves del miembro de transpiracion interior 2332, por ejemplo al menos a la presion dentro de la camara de combustion 222, en donde el caudal de flujo del fluido de transpiracion 210 (es decir, vapor de CO2) dentro de la camara de combustion 222 es suficiente para que el fluido de transpiracion 210 se mezcle con y refrigere los productos de la combustion para formar una mezcla de fluido de salida a una temperatura suficiente con respecto al requerimiento de entrada del proceso curso abajo siguiente (es decir, que una turbina puede requerir una temperatura de entrada, por ejemplo, de aproximadamente 1.225 °C), pero en donde la mezcla
de fluido de salida permanece suficientemente alta para mantener gotitas de escoria u otros contaminantes en el combustible en un estado fluido o Kquido. El estado Kquido de los elementos de combustible puede facilitar, por ejemplo, la separacion de tales contaminantes desde el producto de la combustion en forma liquida, con preferencia en una forma de flujo libre de baja viscosidad, que sera menos probable que obstruya o dane de otra manera cualquier sistema de eliminacion implementado para tal separacion. En la practica, tales requerimientos pueden depender de varios factores tales como el tipo de combustible carbonoso solido (es decir, carbon) empleado y las caracteristicas particulares de la escoria formada en el proceso de la combustion. Es decir, que la temperatura de la combustion dentro de la camara de combustion 222 puede ser tal que cualquier elemento combustible en el combustible carbonoso se licua dentro del producto de la combustion.
En aspectos particulares, el miembro de transpiracion interior poroso 2332 esta configurado de esta manera para dirigir el fluido de transpiracion y dentro de la camara de combustion 222 de una manera radialmente hacia dentro para formar una pared de barrera al fluid o capa de amortiguacion 231 alrededor de la superficie del miembro de transpiracion 2332 que define la camara de combustion 222 (ver, por ejemplo, la figura 2). La superficie del miembro de transpiracion interior 2332 es calentado tambien por producto de combustion. Como tal, el miembro de transpiracion interior poroso 2332 puede estar configurado para tener una conductividad termica adecuada, de tal manera que se calienta el fluido de transpiracion 210 que pasa a traves del miembro de transpiracion interior 2332, mientras el miembro de transpiracion interior poroso 2332 es refrigerado al mismo tiempo, resultando que la temperatura de la superficie del miembro de transpiracion interior 2332 que define la camara de combustion 222 es, por ejemplo, aproximadamente 1000 °C en la region de la temperatura maxima de la combustion. La pared de barrera al fluido o capa de amortiguacion 231 formada por el fluido de transpiracion 210 en cooperacion con el miembro de transpiracion 2332 amortigua de esta manera la interaccion entre el miembro de transpiracion interior 2332 y los productos de la combustion a alta temperatura y la escoria u otras particulas contaminantes y, como tal, amortigua el miembro de transpiracion interior 2332 de contacto, putrefaccion u otro dano. Ademas, el fluido de transpiracion 210 puede ser introducido en la camara de combustion 222 a traves del miembro de transpiracion interior 2332 de tal manera que regula una mezcla de salida del fluido de transpiracion 210 y el producto de la combustion alrededor de la porcion de salida 222B de la camara de combustion a una temperatura deseada (por ejemplo, aproximadamente 500 °C a aproximadamente 2000 °C.
En formas de realizacion especificas, el aparato de la camara de combustion 220 puede estar configurado de esta manera como un aparato de camara de combustion de alta eficiente, refrigerado por transpiracion capaz de proporcionar combustion relativamente completa de un combustible 254 a una temperatura operativa relativamente alta, como se describe aqui. Tal aparato de camara de combustion 220 puede implementar, en algunos casos, uno o mas fluidos de refrigeracion y/o uno o mas fluidos de transpiracion 210. En asociacion con el aparato de camara de combustion 220 se pueden implementar tambien componentes adicionales. Por ejemplo, se puede prever una unidad de separacion de aire para separar N2 y O2, y se puede prever un dispositivo inyector de combustible para recibir O2 desde la unidad de separacion de aire y combinar el O2 con un fluido circulante de CO2 , y una corriente de combustible que comprende un gas, un liquido, un fluido supercritico, o un combustible en particulas solidas en suspension en un fluido de CO2 de alta densidad.
En otro aspecto, el aparato de camara de combustion 220 refrigerado por transpiracion puede incluir un inyector de combustible para inyectar una corriente de fluido presurizado en la camara de combustion 222 del aparato de camara de combustion 220, en donde la corriente de fluido puede comprender un combustible carbonoso 254 procesado, un medio de fluidizacion 255 (que puede comprender el fluido circulante 236, como se describe aqui), y oxigeno 242. El oxigeno (enriquecido) 242 y el fluido circulante de CO2236 pueden combinarse como una mezcla supercritica homogenea. La cantidad de oxigeno presenta puede ser suficiente para quemar el combustible y producir productos de la combustion que tienen una composicion deseada. El aparato de camara de combustion 220 puede incluir tambien una camara de combustion 222, configurada como un volumen de combustion a alta temperatura, a alta presion, para recibir la corriente de combustible, asi como un fluido de transpiracion 210 que entra en el volumen de combustion a traves de las paredes de un miembro de transpiracion poroso 230 que define la camara de combustion 222. El caudal de alimentacion del fluido de transpiracion 210 puede ser utilizado para controlar la temperatura de la porcion de salida del aparato de camara de combustion / temperatura de la porcion de entrada de la turbia a un valor deseado y/o para refrigerar el miembro de transpiracion 230 a una temperatura compatible con el material que forma el miembro de transpiracion 230. El fluido de transpiracion 210 dirigido a traves del miembro de transpiracion 230 proporciona una capa de fluido / amortiguacion en la superficie del miembro de transpiracion 230 que define la camara de combustion 222, en donde la capa de fluido / amortiguacion puede prevenir que particulas de ceniza o escoria Kquida que resultan de cierta combustion de combustible interaction con las paredes expuestas del miembro de transpiracion 230.
La camara de combustion 222 puede estar configurada, ademas, de tal manera que la corriente de combustible (y el fluido circulante 236) pueden inyectarse o introducirse de otra manera en la camara de combustion 222 a una presion mayor que la presion a la que ocurre la combustion. El aparato de camara de combustion 220 puede incluir un miembro de contencion de la presion 2338 que rodea al menos parcialmente el miembro de transpiracion 230 que define la camara de combustion 230, en donde un miembro aislante 2339 puede disponerse entre el miembro de
contencion de la presion 2338 y el miembro de transpiracion 230. En algunos casos, un dispositivo de eliminacion de calor 2350, tal como un sistema de refrigeration con camisa de agua que define camisas de circulation de agua 2337, puede acoplarse con el miembro de contencion de la presion 2338 (es decir, en el exterior del miembro de contencion de la presion 2338 que forma la "cascara" del aparato de camara de combustion 220). El fluido de transpiracion 210 implementado en conexion con el miembro de transpiracion 230 del aparato de camara de combustion 220 puede ser, por ejemplo, CO2 mezclado con cantidades menores de H2O y/o un gas inerte, tal como N2 o argon. El miembro de transpiracion 230 puede comprender, por ejemplo, un metal poroso, una ceramica, una matriz compuesta, un colector de capas, cualquier otra estructura adecuada, o combinaciones de ellos. En algunos aspectos, la combustion dentro de la camara de combustion 222 puede producir una presion alta, corriente de producto de combustion de alta temperatura, que se puede dirigir posteriormente a un aparato de production de potencia, tal como una serie de turbinas, para expansion al mismo, como se describe mas completamente aqul.
Las presiones relativamente altas implementadas por formas de realization de un aparato de camara de combustion como se describen aqul, pueden funcionar para concentrar la energla producida de esta manera a una intensidad relativamente alta en un volumen mlnimo, resultando esencialmente una densidad de energla relativamente alta. La densidad de energla relativamente alta permite realizar el procesamiento curso abajo de de esta energla de una manera mas eficiente que a presiones mas bajas, y de esta manera proporciona un factor de viabilidad para la tecnologla. Aspectos de la presente invention pueden proporcionar de esta manera una densidad de energla en ordenes de magnitud mayores que las centrales de energla existentes (por ejemplo, en 10-100 veces). La densidad de energla mas alta incrementa la eficiencia del proceso, pero tambien reduce el coste del equipo necesario para implementar la transformation de energla desde energla termica a electricidad, reduciendo el tamano y la masa del equipo, por lo tanto el coste del equipo.
Como se describe aqul de otra manera, el aparato de camara de combustion utilizando en los metodos y sistemas inventivos pueden ser utiles para la combustion de una variedad de diferentes fuentes que contienen carbono. En formas de realizacion especlficas, el combustible que contiene carbono se puede quemar de manera sustancialmente completa, de tal modo que no se incluyen materiales incombustibles llquidos o solidos en la corriente de producto de la combustion. En algunas formas de realizacion, sin embargo, un combustible que contiene carbono solido (por ejemplo, carbon), que se puede utilizar en la invencion, puede resultar en la presencia de materiales incombustibles. En formas de realizacion especlficas, el aparato de camara de combustion puede incluir la capacidad de conseguir una temperatura de la combustion que causa que los elementos incombustibles en el combustible que contiene carbono se licuen durante el proceso de la combustion. En tales casos, se pueden aplicar provisiones para eliminar los elementos incombustibles licuados. La retirada se puede realizar, por ejemplo, utilizando separadores de ciclon, separadores de impacto, o lechos de filtros granulares refractarios graduados dispuestos en una configuration anular, o combinaciones de ellos. En formas de realizacion particulares, las gotitas pueden eliminarse de la corriente de fluido circulante a alta temperatura por una serie de separadores de ciclon, tales como, por ejemplo, un aparato separador 2340 como se muestra en la figura 4. En general, aspectos de tal separador ciclonico implementado por la presente invencion pueden comprender una pluralidad de dispositivos separadores centrlfugos 100 dispuestos en serie, que incluyen un dispositivo separador centrlfugo de entrada 100A configurado para recibir el producto de la combustion / corriente de fluido de salida y los elementos incombustibles licuados asociados con ellos, y un dispositivo separador centrlfugo de salida 100B configurado para el escape del producto de la combustion / corriente de fluido de salida que tiene los elementos incombustibles licuados sustancialmente eliminados de ellos. Cada dispositivo separador centrlfugo 100 incluye una pluralidad de elementos separadores centrlfugos o ciclones 11 dispuestos operativamente en paralelo alrededor de un tubo colector central 2, en donde cada elemento de separation centrlfugo o ciclon 1 esta configurado para eliminar al menos una portion de los elementos incombustibles licuados desde el producto de la combustion / corriente de fluido de salida, y para dirigir la porcion retirada de los elementos incombustibles licuados hasta un sumidero 20. Tal aparato separador 2340 puede estar configurado para operar a una presion elevada y, como tal, puede comprender una carcasa 125 que contiene presion configurada para alojar los dispositivos separadores centrlfugos y el sumidero. De acuerdo con tales aspectos, la carcasa 125 que contiene presion puede ser una extension del miembro de contencion de la presion 2338 que rodea tambien el aparato de camara de combustion 220, o la carcasa 125 que contiene presion puede ser un miembro separado capaz de acoplarse con el miembro de contencion de la presion 2338 asociado con el aparato de camara de combustion 220. En cualquier caso, debido a la temperatura elevada experimentada por el aparato separador 2340 a traves de la corriente de fluido de salida, la carcasa 125 que contiene presion puede incluir tambien un sistema de dispersion de calor, tal como una camisa de transferencia de calor que tiene un llquido circulado all! (no mostrado), acoplado operativamente con el para eliminar calor desde alll. En algunos aspectos, un dispositivo de recuperation de calor (no mostrado) puede acoplarse operativamente con la camisa de transferencia de calor, en donde el dispositivo de recuperacion de calor puede estar configurado para recibir el llquido circulado en la camisa de transferencia de calor y para recuperar energla termica desde ese llquido.
En formas de realizacion particulares, el aparato separador (de eliminacion de escoria) 2340, mostrado en la figura 4, puede estar configurado para estar dispuesto en serie con el aparato de camara de combustion 220 alrededor de la porcion de salida 222B del mismo para recibir la corriente de fluido de salida / productos de la combustion desde alll. La corriente de fluido de salida refrigerada por transpiracion desde el aparato de camara de combustion 220, con
las gotitas de escoria llquida (elementos incombustibles) all!, se puede dirigir para entrar en una provision de colector central 2A del dispositivo separador centrlfugo de entrada 100A a traves de un reductor conico 10. En un aspecto, el aparato separador 2340 puede incluir tres dispositivos separadores centrlfugos 100A, 100B, 100C (aunque un experto en la tecnica apreciara que tal aparato separador puede incluir uno, dos, tres o mas dispositivos separadores centrlfugos, como es necesario o deseado). En este caso, los tres dispositivos separadores centrlfugos 100A, 100B, 100C dispuestos operativamente en serie proporcionan una unidad de separacion ciclonica de 3 fases. Cada dispositivo separador centrlfugo incluye, por ejemplo, una pluralidad de elementos separadores centrlfugos (ciclones 1) dispuestos alrededor de la circunferencia del tubo colector central 2 correspondiente. Cada una de las provisiones de colector central 2A y los tubos de colector central 2 del dispositivo separador centrlfugo de entrada 100A, y el dispositivo separador centrlfugo medio 100C estan sellados en su extremo de salida. En esos casos, la corriente de fluido de salida se dirige a canales de ramificacion 11 que corresponden a cada uno de los elementos separadores centrlfugos (ciclones 1) del dispositivo separador centrlfugo 100 respectivo. Los canales de ramificacion 11 estan configurados para acoplarse con el extremo de entrada del ciclon 1 respectivo para formar una entrada tangencial all! (que causa, por ejemplo, que la corriente de fluido de salida que entra en el ciclon 1 interactue con la pared del ciclon 1 en un flujo en espiral). El canal de salida 3 desde cada ciclon 1 es conducido entonces a la porcion de entrada del tubo colector central 2 del dispositivo separador centrlfugo 100 respectivo. En el dispositivo separador centrlfugo de salida 100B, la corriente de fluido de salida (que tiene los elementos incombustibles sustancialmente separados de ella) se dirige desde el tubo colector central del dispositivo separador centrlfugo de salida 100B y a traves de un tubo colector 12 y una tobera de salida 5, de tal manera que la corriente de fluido de salida "limpia" puede ser dirigida entonces a un proceso siguiente, tal como el asociado con el aparato de transformacion. La disposicion de separacion ciclonica ejemplar de tres fases permite la retirada de escoria, por ejemplo, hasta por debajo de 5 ppm en masa en la corriente de fluido de salida.
En cada fase del aparato separador 2340, la escoria llquida separada es dirigida desde cada uno de los ciclones 1 a traves de tubos de salida 4 que se extienden hacia un sumidero 20. La escoria llquida separada es dirigida entonces a una tobera o tubo de salida 14 que se extiende desde el sumidero 20 y la carcasa 125 que contiene presion para eliminar y/o recuperar los componentes de la misma. En la realizacion de la retirada de la escoria, la escoria llquida puede dirigirse a traves de una seccion 6 refrigerada con agua o de otra manera a traves de una seccion que tiene una presion alta, conexion de agua frla, en donde la interaccion con el agua causa que la escoria llquida se solidifique y/o granule. La mezcla de escoria solidificada y agua se puede separar entonces en un recipiente (provision de coleccion) 7 en una mezcla fluida de escoria y agua, que puede eliminarse, particularmente despues de la reduccion de la presion, a traves de una valvula 9 adecuada, mientras cualquier gas residual puede ser eliminado a traves de una llnea separada 8. Una pareja de recipientes con sistemas asociados que funcionan en secuencia puede permitir el funcionamiento continuo del sistema en algunas formas de realizacion.
Puesto que el aparato separador 2340 puede ser implementado en combinacion con la corriente de producto de la combustion a temperatura relativamente alta (es decir, a una temperatura suficiente para mantener los elementos incombustibles en forma llquida con una viscosidad relativamente baja) puede ser deseable, en algunos casos, que superficies del aparato separador 2340 expuestas a uno de entre la corriente de producto de combustion / fluido de salida y los elementos incombustibles licuados asociados con ello este compuesto por un material configurado para tener al menos una de entre una resistencia a alta temperatura, una resistencia a alto corrosion y una conductividad termica baja. Ejemplos de tales materiales pueden incluir oxido de circonio y oxido de aluminio, aunque tales ejemplos no estan destinados para ser limitativos de ninguna manera. Como tal, en ciertos aspectos, el aparato separador 2340 puede estar configurado para remover sustancialmente los elementos incombustibles licuados a partir de la corriente de producto de la combustion / fluido de salida y para mantener los elementos incombustibles en una forma llquida de baja viscosidad al menos hasta se retirada desde el sumidero 20. Naturalmente, en formas de realizacion en las que se utiliza un combustible no-solido y no se incluyen materiales incombustibles en la corriente de producto de combustion, puede ser innecesaria la adicion del separador de escoria.
En algunas formas de realizacion, el aparato separador 2340 puede utilizarse para separar residuo de ceniza solida en partlculas desde la combustion de cualquier combustible que produce un residuo solido incombustible, tal como carbon. Por ejemplo, el carbon podrla triturarse hasta un tamano deseado (por ejemplo, un tamano tal que menos del 1% en peso del material en partlculas o carbon en polvo comprende partlculas mayores que 100 pm de tamano) y suspenderse con CO2 llquido. En formas de realizacion especlficas, el CO2 llquido podrla estar a una temperatura de aproximadamente -40 °C a aproximadamente -18 °C. La suspension podrla comprender de aproximadamente 40 % a aproximadamente 60 % en peso de carbon. La suspension puede presurizarse entonces hasta la presion de combustion requerida. Con referencia a la figura 1, la corriente de reciclado 236 podrla dividirse en relacion al modo de entrada en la camara de combustion 220. Una primera porcion (corrientes 236a) podrla introducirse en la camara de combustion 220 a traves de la disposicion de mezcla 250, y una segunda porcion (corriente 236b) podrla introducirse en la camara de combustion 220 pasandola a traves de la capa de refrigeracion por transpiracion 230. Como se ha descrito anteriormente, es posible accionar el quemador 220 con una relacion de O2 a combustible que da como resultado la formacion de una mezcla de gas reductor (por ejemplo, que comprende H2, CH4, CO, H2S, y/o NH3). La porcion de corriente 236 que entra en la camara de combustion a traves de la capa de refrigeracion por
transpiracion 230 puede utilizarse para refrigerar la mezcla de los gases de la combustion y el fluido de circulacion de CO2 a una temperatura sustancialmente por debajo de la temperatura de solidification de la ceniza (por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 500 °C a 900 °C. La corriente total de gas 5 desde el aparato separador 2340 puede pasarse a traves de una unidad de filtration, que reduce el nivel de la ceniza en partlculas solidas residuales hasta un valor muy bajo (por ejemplo, por debajo de aproximadamente 2 mg/m3 de gas que pasa a traves del filtro). Este gas limpio puede ser quemado entonces en una segunda camara de combustion, donde puede ser diluido con otra portion de la corriente de fluido de reciclado 236. En tales formas de realization, la corriente de fluido reciclado 236 podrla distribuirse entre las dos camaras de combustion, cuando sea necesario.
Cualquier material que contiene carbono puede utilizarse como combustible de acuerdo con la presente invention. En particular, debido a las altas presiones y a las altas temperaturas mantenidas por el aparato de camara de combustion quemada con oxlgeno utilizado en los metodos y sistemas de la invencion, combustibles utiles incluyen, pero no estan limitados a varios grados y tipos de carbon, madera, aceite, fueloil, gas natural, gas combustible basado de carbon , alquitran a partir de arenas bituminosas, bitumen, biomasa, algas, basuras de desecho solidas combustibles graduadas, asfalto, neumaticos usados, diesel, gasolina, queroseno (JP-5, JP-4), gases derivados de la gasification o pirolisis de material hidrocarbonoso, etanol, biocombustibles solidos y llquidos. Esto se puede considerar una diferencia importante con respecto a los sistemas y metodos de la tecnica anterior. Por ejemplo, sistemas conocidos en la tecnica para combustion de combustibles solidos, tales como carbon, requieren disenos considerablemente diferentes de los sistemas para combustion de combustibles no-solidos, tales como gas natural.
Los combustibles pueden ser procesados de manera adecuada para permitir la inyeccion en el aparato de combustion en caudales suficientes y a presiones por encima de la presion dentro de la camara de combustion. Tales combustibles pueden estar en forma llquida, en suspension, gel o pasta con fluidez y viscosidad apropiadas a temperaturas ambiente o a temperaturas elevadas. Por ejemplo, el combustible puede proporcionarse a una temperatura de aproximadamente 30 °C a aproximadamente 500 °C, de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 450 °C, de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 425°C, o de aproximadamente 75 °C a aproximadamente 400 °C. Cualquier material combustible solido puede triturarse o molerse o procesarse de otra manera para reducir los tamanos de las partlculas, como sea apropiado. Se puede anadir un medio de fluidization o de suspension, como sea necesario, para conseguir una forma adecuada y cumplir los requerimientos de flujo para bombeo a alta presion. Naturalmente, un medio de fluidizacion puede no ser necesario dependiendo de la forma del combustible (es decir, llquido o gas). De la misma manera, el fluido circulante circulado puede utilizarse como el medio de fluidizacion, en algunas formas de realizacion.
Fluidos de transpiracion adecuados en una camara de combustion utiles de acuerdo con la invencion pueden incluir cualquier fluido capaz de fluir en una cantidad y presion suficientes a traves del revestimiento interior para formar la pared de vapor. En la presente forma de realizacion, CO2 puede ser un fluido de transpiracion ideal por que la pared de vapor formada tiene buenas propiedades de aislamiento termico as! como propiedades de absorcion de luz visible y UV. CO2 puede utilizarse como un fluido supercrltico. Otros ejemplos de fluidos de transpiracion incluyen H2O, gases de producto de la combustion refrigerados reciclados desde la corriente descendente, oxlgeno, hidrogeno, gas natural, metano, y otros hidrocarburos ligeros. Los combustibles pueden utilizarse especialmente como fluidos de transpiracion durante el arranque de la camara de combustion para conseguir temperaturas y presiones operativas apropiadas en la camara de combustion antes de la inyeccion de la fuente de combustible principal. Tambien se pueden utilizar combustibles como fluidos de transpiracion para ajustar la temperatura y la presion operativas de la camara de combustion durante la conmutacion entre fuentes principales de combustible, tales como cuando se conmuta de carbon a biomasa como el combustible principal. En algunas formas de realizacion, pueden utilizarse dos o mas fluidos de transpiracion. Ademas, se pueden utilizar diferentes fluidos de transpiracion en diferentes posiciones a lo largo de la camara de combustion. Por ejemplo, puede utilizarse un primer fluido de transpiracion en una zona de intercambio de calor a alta temperatura y puede utilizarse un segundo fluido de transpiracion en una zona de intercambio de calor a baja temperatura. El fluido de transpiracion puede optimizarse para las condiciones de temperatura y presion de la camara de combustion donde el fluido de transpiracion forma la pared de vapor. En el presente ejemplo, el fluido de transpiracion es CO2 reciclado precalentado.
En un aspecto, la presente invencion proporciona metodos de generation de potencia. Especlficamente, los metodos puede hace uso tambien de camaras de combustion de alta eficiencia, como se describe aqul. Los metodos inventivos hacen uso tambien de camaras de combustion de alta eficiencia, como un ejemplo no-limitativo, una camara de combustion refrigerada por transpiracion. Asimismo se pueden utilizar otras camaras de combustion. En particular, la invencion esta destinada a comprender cualquier tipo de camara de combustion que pueda ser reconocida como util a la luz de la presente invencion. En ciertas formas de realizacion, los metodos pueden describirse, en general, en relation al diagrama de flujo mostrado en la figura 5. Como se ve all!, esta prevista una camara de combustion 220 y all! estan previstas varias entradas. Un combustible que contiene carbono 254 y O2242 (cuando sea necesario) pueden introducirse en la camara de combustion 220 junto con un fluido circulante 236 (CO2 en la presente forma de realizacion). Una disposition de mezcla 250 ilustrada por una llnea de trazos indica que este componente esta presente opcionalmente. Especlficamente, cualquier combination de dos o de todos los tres
materiales (combustible, O2 y fluido de circulacion de CO2) puede combinarse en la disposicion de mezcla 250 antes de la introduccion en la camara de combustion 220. Aunque se ilustra una camara de combustion individual en la figura 5, se entiende que se puede utilizar una pluralidad de camaras de combustion en sistemas y metodos de acuerdo con la presente invencion, como se ejemplifica, ademas, aqul. Por lo tanto, aunque la siguiente description puede hacerse en referencia a una camara de combustion individual, se entiende que las condiciones de trabajo descritas pueden aplicarse de manera independiente a dos o mas camaras de combustion en el mismo ciclo.
En varias formas de realization, puede ser deseable que los materiales que entran en la camara de combustion exhiban caracterlsticas flsicas especlficas que pueden facilitar la operation eficiente deseable del metodo de generation de potencia. Por ejemplo, en ciertas formas de realizacion, puede ser deseable que el CO2 en el fluido de circulacion de CO2 sea introducido en la camara de combustion a una presion y/o temperatura definidas. Especlficamente, puede ser beneficioso que el CO2 introducido en la camara de combustion tenga una presion de al menos aproximadamente 8 MPa. En otras formas de realizacion, el CO2 introducido en la camara de combustion puede estar a una presion de al menos aproximadamente 10 MPa, al menos aproximadamente 12 MPa, al menos aproximadamente 14 MPa, al menos aproximadamente 15 MPa, al menos aproximadamente 16 MPa, al menos aproximadamente 18 MPa, al menos aproximadamente 20 MPa, al menos aproximadamente 22 MPa, al menos aproximadamente 24 MPa, o al menos aproximadamente 25 MPa. En otras formas de realizacion, la presion puede ser de aproximadamente 8 MPa a aproximadamente 50 MPa, de aproximadamente12 MPa a aproximadamente 50 MPa, de aproximadamente15 MPa a aproximadamente 50 MPa, de aproximadamente20 MPa a aproximadamente 50 MPa, de aproximadamente 22 MPa a aproximadamente 50 MPa, de aproximadamente 22 MPa a aproximadamente 45 MPa, de aproximadamente 22 MPa a aproximadamente 40 MPa, de aproximadamente 25 MPa a aproximadamente 40 MPa, o de aproximadamente 25 MPa a aproximadamente 35 MPa. Ademas, puede ser beneficioso que el CO2 introducido en la camara de combustion pueda estar a una temperatura de al menos aproximadamente 250 °C, al menos aproximadamente 300 °C, al menos aproximadamente 350 °C, al menos aproximadamente 400 °C, al menos aproximadamente 450 °C, al menos aproximadamente 500 ’C, al menos aproximadamente 550 °C, al menos aproximadamente 600 °C, al menos aproximadamente 650 ’C, al menos aproximadamente 700 °C, al menos aproximadamente 750 °C, al menos aproximadamente 800 ’C, al menos aproximadamente 850 °C, o al menos aproximadamente 900 °C.
En algunas formas de realizacion, puede ser deseable que el combustible introducido en la camara de combustion sea proporcionado en condiciones especlficas. Por ejemplo, en ciertas formas de realizacion, puede ser deseable que el combustible que contiene carbono sea introducido en la camara de combustion a una presion y/o temperatura definidas. En algunas formas de realizacion, el combustible que contiene carbono puede ser introducido en la camara de combustion en condiciones que son identicas o sustancialmente similares al fluido de circulacion de CO2. La frase "condiciones sustancialmente similares" puede significar un parametro de condition que esta dentro de 5 %, dentro de 4 %, dentro de 3 %, dentro de 2 % o dentro de 1 % del parametro de condicion referenciado descrito aqul (por ejemplo, el parametro de condicion para el fluido de circulacion de CO2) En ciertas formas de realizacion, el combustible que contiene carbono puede mezclarse con el fluido de circulacion de CO2 antes de la introduccion en la camara de combustion. En tales formas de realizacion serla esperado que el combustible que contiene carbono y el fluido de circulacion de CO2 estuvieran en condiciones identicas o sustancialmente similares (que especlficamente pueden comprender las condiciones descritas en relation al fluido de circulacion de CO2). En otras formas de realizacion, el combustible que contiene carbono puede introducirse en la camara de combustion separadamente del fluido de circulacion de CO2. En tales casos, el combustible que contiene carbono puede ser introducido todavla a una presion como se describe en relacion al fluido de circulacion de CO2. En algunas formas de realizacion, puede ser util mantener el combustible que contiene carbono a una temperatura que es diferente de la temperatura del fluido de circulacion de CO2 antes de la introduccion en la camara de combustion. Por ejemplo, el combustible que contiene carbono puede introducirse en la camara de combustion a una temperatura de aproximadamente 30 °C a aproximadamente 800 °C, de aproximadamente 35 °C a aproximadamente 700 °C, de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 600 °C, de aproximadamente 45 °C a aproximadamente 500 °C, de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 400 °C, de aproximadamente 55 °C a aproximadamente 300 °C, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 200 °C, de aproximadamente 65 °C a aproximadamente 175 °C, o de aproximadamente 70 °C a aproximadamente 150 °C.
En otras formas de realizacion, puede ser deseable que el O2 introducido en la camara de combustion sea proporcionado en condiciones especlficas, Tales condiciones pueden ser incidentes en el metodo de proporcionar el O2. Por ejemplo, puede ser deseable proporcionar el O2 a una presion especlfica. Puede ser beneficios que el O2 introducido en la camara de combustion tenga una presion de al menos aproximadamente 8 MPa. En otras formas de realizacion, el O2 introducido en la camara de combustion puede estar a una presion de al menos aproximadamente 10 MPa, al menos aproximadamente 12 MPa, al menos aproximadamente 14 MPa, al menos aproximadamente 15 MPa, al menos aproximadamente 16 MPa, al menos aproximadamente 18 MPa, al menos aproximadamente 20 MPa, al menos aproximadamente 22 MPa, al menos aproximadamente 24 MPa, al menos aproximadamente 25 MPa, al menos aproximadamente 30 MPa, al menos aproximadamente 35 MPa, al menos aproximadamente 40 MPa, al menos aproximadamente 45 MPa, o al menos aproximadamente 50 MPa. La provision del O2 puede comprender el uso de un separador de aire (o separador de oxlgeno), tal como un concentrador de O2
criogenico, un separador de transporte de O2 , o cualquier aparato similar, tal como un separador de transporte de iones de O2 para separar O2 del aire ambiental. De forma separada, o en combination con ella, la provision de O2 puede incluir presurizar el O2 para conseguir la presion deseada, como se ha descrito anteriormente. Tal action puede causar calentamiento del O2. En algunas formas de realization, puede ser deseable que el O2 este a una temperatura deseada que es diferente de la temperatura conseguida inherentemente por presurizacion del gas. Por ejemplo, puede ser deseable que el O2 sea proporcionado a la camara de combustion a una temperatura de 30 °C a aproximadamente 900 °C, de aproximadamente35 °C a aproximadamente 800 °C, de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 700 °C, de aproximadamente 45 °C a aproximadamente 600 °C, de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 500 °C, de aproximadamente 55 °C a aproximadamente 400 °C, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 300 °C, de aproximadamente65 °C a aproximadamente 250 °C, o de aproximadamente 70 °C a aproximadamente 200 °C. En algunas formas de realizacion, el O2 puede introducirse en la camara de combustion en condiciones identicas o sustancialmente similares a las condiciones del fluido circulante de CO2 y/o el combustible que contiene carbono. Este puede resultar de la mezcla de componentes antes de la introduction en la camara de combustion o puede resultar a partir de metodos especlficos de preparation del O2 para introduccion en la camara de combustion. En formas de realizacion particulares, el O2 puede combinarse con una cantidad de O2 en una proportion molar definida, de manera que el O2 puede proporcionarse a la misma temperatura de la corriente de fluido de circulation de CO2. Por ejemplo, la combinacion podrla realizarse a una temperatura por debajo de 100 °C, mientras el CO2 esta a una presion supercrltica. Esto elimina el peligro de combustion asociada con calentamiento de O2 puro solo debido al efecto de dilution del CO2. Tal mezcla podrla estar en una relation CO2/O2 de aproximadamente 1:2 a aproximadamente 5:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 4:1, o de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 3:1.
En algunas formas de realizacion, puede ser util que el O2 suministrado a la camara de combustion este sustancialmente purificado (es decir, mejorado en terminos del contenido molar de O2 en relacion a otros componentes naturalmente presentes en el aire). En ciertas formas de realizacion, el O2 puede tener una pureza mayor que aproximadamente 50 % molar, mayor que aproximadamente 60 % molar, mayor que aproximadamente 70 % molar, mayor que aproximadamente 80 % molar, mayor que aproximadamente 85 % molar, mayor que aproximadamente 90 % molar, mayor que aproximadamente 95 % molar, mayor que aproximadamente 96 % molar, mayor que aproximadamente 97 % molar, mayor que aproximadamente 98 % molar, mayor que aproximadamente 99 % molar, o mayor que aproximadamente 99,5 % molar. En otra formas de realizacion, el O2 puede tener una pureza molar de aproximadamente 85 % a aproximadamente 99,6 % molar, de aproximadamente 85 % a aproximadamente 99 % molar, aproximadamente 90 % a aproximadamente 99 % molar, de aproximadamente 90 % a aproximadamente 98 % molar, o de aproximadamente 90 % a aproximadamente 97 % molar. La recuperation general de CO2 a partir del carbono en el combustible favorece el uso de purezas mas altas en el intervalo de al menos 99,5 % molar.
El fluido de circulacion de CO2 puede introducirse en la camara de combustion en la entrada de la camara de combustion junto con el CO2 y el combustible que contiene carbono. Como se ha descrito anteriormente en relacion a una camara de combustion refrigerada por transpiration, sin embargo, el fluido de circulacion de CO2 puede ser introducido tambien a la camara de combustion refrigerada por transpiracion como todo o parte del fluido de refrigeration por transpiracion dirigido al miembro de transpiracion a traves de uno o mas pasos de suministro de fluido de transpiracion formados en la camara de combustion refrigerada por transpiracion. En algunas formas de realizacion, el fluido de circulacion de CO2 puede introducirse en la camara de combustion en la entrada de la camara de combustion (es decir, junto con el O2 y el combustible), y el fluido de circulacion de CO2 puede introducirse tambien en la camara de combustion a traves del miembro de combustion como todo o parte del fluido de refrigeracion por transpiracion. En otras formas de realizacion, el fluido de circulacion de CO2 puede ser introducido en la camara de combustion solo a traves del miembro de transpiracion como todo o parte del fluido de refrigeracion por transpiracion (es decir, que no se introduce CO2 en la entrada de la camara de combustion con el O2 y el combustible).
En algunas formas de realizacion, la invention se puede caracterizad con respecto a la relacion de los varios componentes introduciros en la camara de combustion. Con el fin de conseguir eficiencia maxima de combustion, puede ser util quemar el combustible que contiene carbono a alta temperatura. La temperatura de combustion y la temperatura de la corriente de producto de combustion que abandona la camara de combustion, sin embargo, puede ser necesario controlarlas dentro de parametros definidos. Con esta finalidad, puede ser util proporcionar el fluido de circulacion de CO2 a una relacion especlfica con el combustible para que la temperatura de combustion y/o la temperatura de entrada de la turbina se puedan controlar dentro del intervalo deseado, incrementando al mismo tiempo tambien la cantidad de energla que se puede convertir en potencia. En formas de realizacion especlficas, esto se puede conseguir ajustando la relacion de la corriente de fluido de circulacion de CO2 al carbono en el combustible. La relacion deseada puede ser influenciada por la temperatura de entrada deseada de la turbina as! como por la diferencia de temperatura entre las corrientes de entrada y de salida en el extremo caliente del intercambiador de calor, como se describe mas completamente aqul. La relacion se puede describir especlficamente como la relacion molar del CO2 en el fluido de circulacion de CO2 al carbono presente en el combustible que contiene carbono. Para determinar la cantidad molar del CO2 introducido en la camara de combustion, en algunas
formas de realizacion, todo el contenido de CO2 proporcionado a la camara de combustion (es decir, introducido en la entrada con el combustible y el O2 , asi como cualquier CO2 utilizado como un fluido de refrigeracion por transpiracion) se incluye en el calculo. En formas de realizacion especificas, sin embargo, el calculo se puede basar solamente en la cantidad molar de CO2 introducido en la entrada de la camara de combustion (es decir, excluyendo cualquier CO2 utilizado como un fluido de refrigeracion por transpiracion). En formas de realizacion, en las que se introduce el CO2 en la camara de combustion solo como un fluido de refrigeracion por transpiracion, el calculo se basa en el contenido de CO2 introducido en la camara de combustion como el fluido de refrigeracion por transpiracion. Por lo tanto, la relacion puede describirse como el contenido molar de la entrada de CO2 en la entrada de la camara de combustion en relacion al carbono en la entrada de combustible a la camara de combustion. Alternativamente, la relacion puede describirse como el contenido molar de CO2 introducido en la camara de combustion a traves del fluido de refrigeracion por transpiracion en relacion al cambio en el combustible introducido en la camara de combustion.
En ciertas formas de realizacion, la relacion de fluido de circulacion de CO2 a carbono en el combustible introducido en la camara de combustion, sobre una base molar, puede ser de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 (es decir, de aproximadamente 10 moles de CO2 por 1 mol de carbono en el combustible a aproximadamente 50 moles de CO2 por 1 mol de carbono en el combustible). En otras formas de realizacion. la relacion de CO2 en el fluido de circulacion de CO2 a carbono en el combustible puede ser de aproximadamente 15 a aproximadamente 50, de aproximadamente 20 a aproximadamente 50, de aproximadamente 25 a aproximadamente 50, de aproximadamente 30 a aproximadamente 50, de aproximadamente 15 a aproximadamente 45, de aproximadamente 20 a aproximadamente 45, de aproximadamente 25 a aproximadamente 45, de aproximadamente 30 a aproximadamente 45, de aproximadamente 15 a aproximadamente 40, de aproximadamente 20 a aproximadamente 40, de aproximadamente 25 a aproximadamente 40, o de aproximadamente 30 a aproximadamente 40. En otras formas de realizacion, la relacion de CO2 en el fluido circulante a carbono en el combustible puede ser al menos aproximadamente 5, al menos aproximadamente 10, al menos aproximadamente 15, al menos aproximadamente 20, al menos aproximadamente 25, o al menos aproximadamente 30.
La relacion molar de CO2 introducido en la camara de combustion a carbono presente en el combustible que contiene carbono puede tener un impacto importante sobre la eficiencia termica del sistema general. Este impacto sobre la eficiencia puede ser impactado tambien por el diseno y la funcion de otros componentes del sistema, incluyendo el intercambiador de calor, el separador de agua y la unidad de presurizacion. La combinacion de los varios elementos del sistema y metodo descritos aqui conduce aqui a la capacidad para conseguir alta eficiencia termica en las relaciones especificas CO2/C. Sistemas y metodos anteriormente conocidos que no incluyen los varios elementos descritos aqui requeririan tipicamente una relacion molar de CO2/C que es significativamente menor que la utilizada en la presente invention para conseguir eficiencias que se aproximan a las conseguidas aqui. Sin embrago, las presente invencion ha identificado sistemas y metodos altamente efectivos que exceden a los que se puede utilizar en la tecnica conocida. El uso de relaciones molares CO2/C de acuerdo con la presente invencion es, ademas, ventajoso para diluir impurezas en la corriente de combustion. Los efectos corrosivos o erosivos de impurezas (por ejemplo, cloruros y azufre) sobre los componentes del sistema se disminuyen de esta manera grandemente. Actualmente no se puede utilizar con alto contenido de cloruro y/o alto contenido de azufre en sistemas conocidos debido a que los productos de combustion de tal carbon (que incluye HCL y H2SO4) son demasiado corrosivos y erosivos para que resistan los componentes de la planta de potencia. Muchas otras impurezas (por ejemplo, particulas de ceniza solidas y materiales que contienen elementos tales como plomo, yodo, antimonio y mercurio) pueden causar tambien dano interno grave en los componentes de la planta de potencia a altas temperaturas. El efecto diluyente del CO2 reciclado puede aliviar grandemente o eliminar los efectos perjudiciales de tales impurezas sobre componentes de la planta de potencia. La selection de relaciones molares CO2/C puede implicar entonces una consideration compleja de efectos sobre la eficiencia y la erosion y corrosion de los componentes de la planta y del diseno de los componentes del sistema de reciclado de CO2 y, por lo tanto, las relaciones molares CO2/C incrementadas con una alta eficiencia termica que podria no haber sido prevista por la tecnica conocida. Las relaciones molares CO2/C altas proporcionan, por lo tanto, al menos las ventajas mencionadas anteriormente.
De manera similar, puede ser util controlar el contenido de O2 introducido en la camara de combustion. Esto puede depender particularmente de la naturaleza de la operation de la camara de combustion, Como se describe aqui mas completamente, los metodos y sistemas de la invencion pueden permitir la operacion en un modo totalmente oxidante, un modo totalmente reductor, o variaciones a ambos. En un modo totalmente oxidante, la cantidad de O2 proporcionada a la camara de combustion seria con preferencia al menos una cantidad estequiometrica necesaria para conseguir la oxidation completa del combustible que contiene carbono. En ciertas formas de realizacion, la cantidad de O2 proporcionada estaria en exceso de la cantidad estequiometrica indicada en y al menos aproximadamente 0,1 % molar, al menos aproximadamente 0,25 % molar, al menos aproximadamente 0,5 % molar, al menos aproximadamente 1 % molar, al menos aproximadamente 2 % molar, al menos aproximadamente 3 % molar, al menos aproximadamente 4 % molar, o al menos aproximadamente 5 % molar. En otras formas de realizacion, estaria en exceso de la cantidad estequiometrica indicada en aproximadamente 0.1 % a aproximadamente 5 % molar, de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 4 % molar, o de aproximadamente
0,5 % a aproximadamente 3 % molar. En el modo totalmente reductor, la cantidad de O2 proporcionada a la camara de combustion serla con preferencia una cantidad estequiometrica necesaria para convertir el combustible que contiene carbono a los componentes H2, CO, CH4 , H2S, y NH3 mas un exceso de al menos aproximadamente 0,1 % molar, al menos aproximadamente 0,25 % molar, al menos aproximadamente 0,5 % molar, al menos aproximadamente 1 % molar, al menos aproximadamente 2 % molar, al menos aproximadamente 3 % molar, al menos aproximadamente 4 % molar, o al menos aproximadamente 5 % molar. En otras formas de realizacion, la cantidad de O2 proporcionada estarla en exceso de la cantidad estequiometrica indicada en aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 5 % molar, de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 4 % molar, o de aproximadamente 0.5 % a aproximadamente 3 % molar.
Los metodos de la invencion se pueden caracterizar, en algunas formas de realizacion en relacion al estado flsico del CO2 a traves de las varias etapas en el proceso. Se reconoce el CO2 como existente en varios estados dependiendo de las condiciones flsicas del material. El CO2 tiene un punto triple en 0,518 MPa y -56.6 °C, pero el CO2 tiene tambien una presion y temperatura crlticas de 7,38 MPa y 31,1 °C. Mas alla de este punto crltico, el CO2 existe como un fluido supercrltico, y la presente invencion se ha dado cuenta de la capacidad para incrementar al maximo la eficiencia de generacion de potencia manteniendo el CO2 en un estado especlfico en puntos especlficos en el ciclo. En formas de realizacion especlficas, el CO2 introducido en la camara de combustion esta con preferencia en forma de un fluido supercrltico.
Se entiende que la eficiencia de un sistema o metodo de generacion de potencia describe la relacion de salida de energla por el sistema o metodo a la entrada de energla en el sistema o metodo. En el caso de un sistema o metodo de produccion de potencia, la eficiencia se describe a menudo como la relacion de la salida de electricidad o potencia (por ejemplo, en megavatios o Mw) a la rejilla del consumidor a la energla termica total de menor valor calefactor del combustible quemado para generar la electricidad (o potencia). Esta relacion se puede referir entonces como la eficiencia neta del sistema o metodo (sobre una base LHV). Esta eficiencia puede tener en cuenta toda la energla requerida para procesos internos del sistema o metodo, incluyendo la produccion de oxlgeno purificado (por ejemplo, a traves de una unidad de separacion de aire), presurizacion de CO2 para transporte a una tuberla presurizada y otras condiciones del sistema o del metodo que requieran la entrada de energla.
En varias formas de realizacion, los sistemas y metodos de la presente invencion pueden hacer uso de manera predominante de CO2 como un fluido de trabajo en un ciclo, en el que se quema combustible que contiene carbono (es decir, en una camara de combustion) en O2 sustancialmente puro a una presion en exceso de la presion crltica de O2 para producir una corriente de producto de la combustion. Esta corriente se expande a traves de una serie de turbinas y entonces se pasa a traves de un intercambiador de calor de recuperador. En el intercambiador de calor, el escape de la turbina precalienta un fluido de circulacion de CO2 reciclado en un estado supercrltico. El fluido de circulacion de CO2 reciclado es introducido en la camara de combustion donde se mezcla con los productos de la combustion del combustible que contiene carbono para dar un flujo total a una temperatura de entrada maxima definida de la turbina. La invencion proporciona eficiencia excelente al menos en parte debido al reconocimiento de los beneficios de reducir al mlnimo la diferencia de temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor del recuperador. Esta reduction al mlnimo se puede conseguir utilizando una fuente de calor de nivel de baja temperatura para calentar una portion del CO2 reciclado antes de la introduction en la camara de combustion. A estos niveles inferiores de temperatura, el calor especlfico y la densidad del CO2 supercrltico son muy altos, y este calentamiento extra puede permitir que el flujo de escape de la turbina precaliente el CO2 hasta una temperatura mucho mas alta, y esto puede reducir significativamente la diferencia de temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor de recuperador. Fuentes de calor a baja de temperatura utiles en formas de realizacion especificas son los compresores de aire utilizando en la planta de separacion de aire criogenico accionado adiabaticamente o el flujo de escape caliente desde una turbina de gas convencional. En formas de realizacion especlficas de la presente invencion, la diferencia de la temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor de recuperador es inferior a aproximadamente 50 °C, y con preferencia esta en el intervalo de aproximadamente 10 °C a aproximadamente 30 °C. El uso de una relacion de baja presion (por ejemplo, por debajo de aproximadamente 12) es otro factor que puede incrementar la eficiencia. El uso de CO2 como un fluido de trabajo acoplado con la relacion de baja presion (por ejemplo, aproximadamente 12) es otro factor que puede incrementar la eficiencia. El uso de CO2 como un fluido de trabajo acoplado con la relacion de baja presion reduce la perdida de energia al elevar la presion del escape refrigerado de la turbina a la presion de reciclado. Otra ventaja es la capacidad para producir la cantidad de carbono en el combustible convertido a CO2 como un fluido de alta presion por encima de la presion supercritica de CO2 a la presion de la tuberia (tipicamente de aproximadamente 10 MPa a aproximadamente 20 MPa) con consumo muy pequeno de potencia parasita adicional proximo al 100 % de la captura de carbono desde el combustible. Tales parametros del sistema y metodo se describen, ademas, aqui todavia con mas detalle. Ademas, se pueden identificar varias combinaciones de camaras de combustion, turbinas, e intercambio de calor para proporcionar eficiencias y reducciones de costes todavia mas que un ejemplo basico de los sistemas y metodos descritos actualmente. Ciertas formas de realizacion de tales combinaciones se describen aqui; no obstante, la invencion se describe primero a continuation en relacion a elementos basicos de los sistemas y metodos para proporcionar una description completa de la naturaleza de la invencion y, en particular, sus varios componentes que pueden impartir ventajas distintivas sobre la tecnica conocida. Posteriormente, todavia mas
ventajas de los sistemas y metodos descritos actualmente que pueden conocerse a traves de combinaciones adecuadas de elementos y condiciones de trabajo del sistema que resultan de la presente invencion se ejemplifican en formas de realizacion adicionales.
Volviendo a la figura 5, el combustible que contiene carbono 254 introducido en la camara de combustion 220 junto con el O2242 y el fluido de circulacion de CO2236 es quemado para proporcionar una corriente de producto de la combustion 40. En formas de realizacion especlficas, la camara de combustion 220 puede ser una camara de combustion refrigerada por transpiracion, o cualquier otra camara de combustion adecuada, tales como las ya descritas anteriormente. La temperatura de la combustion puede variar dependiendo de los parametros especlficos del proceso - por ejemplo, el tipo de combustible que contiene carbono utilizado, la relacion molar de CO2 a O2 introducido en la camara de combustion. En formas de realizacion especlficas, la temperatura de la combustion es una temperatura como se ha descrito anteriormente en relacion a la descripcion de la camara de combustion refrigerada por transpiracion. En formas de realizacion particularmente preferidas, pueden ser ventajosas temperaturas de la combustion en exceso de aproximadamente 1.300 °C, como se describe aqul.
Tambien puede ser util controlar la temperatura de la combustion de tal manera que la corriente de producto de la combustion que abandona la camara de combustion tiene una temperatura deseada. Por ejemplo, puede ser util que la corriente de producto de la combustion que sale de la camara de combustion tenga una temperatura de al menos aproximadamente 700 °C, al menos aproximadamente 750 °C, al menos aproximadamente 800 °C, al menos aproximadamente 850 °C, al menos aproximadamente 900 °C, al menos aproximadamente 950 °C, al menos aproximadamente 1000 °C, al menos aproximadamente 1.050 °C, al menos aproximadamente 1.100 °C, al menos aproximadamente 1.200 °C, al menos aproximadamente 1.300 °C, al menos aproximadamente 1.400 °C, al menos aproximadamente 1.500 °C, o al menos aproximadamente 1.600 °C. En algunas formas de realizacion, la corriente de producto de la combustion puede tener una temperatura de aproximadamente 700 °C a aproximadamente 1.600 °C, de aproximadamente 800 °C a aproximadamente 1.600 °C, de aproximadamente 850 °C a aproximadamente 1.500 °C, de aproximadamente 900 °C a aproximadamente 1.400 °C, de aproximadamente 950 °C a aproximadamente 1,350 °C, o de aproximadamente 1,000 °C a aproximadamente 1.300 °C.
Como se ha descrito anteriormente, la presion del CO2 a traves del ciclo de produccion de potencia puede ser un parametro crltico para incrementar al maximo la eficiencia del ciclo. Aunque puede ser importante que los materiales introducidos en la camara de combustion tengan una presion definida especlficamente, asimismo puede ser importante que la corriente de producto de la combustion tenga una presion definida. Especlficamente, la presion de la corriente de producto de la combustion puede estar relacionada con la presion del fluido de circulacion de CO2 que se introduce en la camara de combustion. En formas de realizacion especlficas, la presion de la corriente de producto de la combustion puede ser al menos aproximadamente 90 % de la presion de CO2 introducido en la camara de combustion - es decir, en el fluido en circulacion. En otras formas de realizacion, la presion de la corriente de producto de la combustion puede ser al menos aproximadamente 91 %, al menos aproximadamente 92 %, al menos aproximadamente 93 %, al menos aproximadamente 94 %, al menos aproximadamente 95 %, al menos aproximadamente 96 %, al menos aproximadamente 97 %, al menos aproximadamente 98 %, o al menos aproximadamente 99 % de la presion del CO2 introducido en la camara de combustion.
La composicion qulmica de la corriente de producto de la combustion que sale desde la camara de combustion puede variar dependiendo del tipo de combustible que contiene carbono utilizado. De manera importante, la corriente de producto de la combustion comprendera CO2 que sera reciclado y reintroducido en la camara de combustion o en otros ciclos, como se describe mas completamente a continuacion. Ademas, el CO2 en exceso (incluyendo el CO2 producido por combustion del combustible) puede ser extraldo desde el fluido de circulacion de CO2 (particularmente a una presion adecuada para transferencia directa a una tuberla de CO2) para recogida u otra disposicion que no incluye la liberacion a la atmosfera. En otras formas de realizacion, la corriente de producto de la combustion puede comprender uno o mas de vapor de agua SO2 , SO3 , HCI, NO, NO2 , Hg, exceso de O2 , N2 , Ar, y posiblemente otros contaminantes que se puede preajustar en el combustible que es quemado. Estos materiales presentes en la corriente de producto de la combustion pueden persistir en la corriente de fluido de circulacion de CO2, si no se retiran, tal como por procesos descritos aqul. Tales materiales presentes, ademas del CO2, pueden referirse aqul como "componentes secundarios".
Como se ve en la figura 5, la corriente de producto de la combustion 40 se puede dirigir a una turbina 3420 (que representa una serie de turbinas), en donde la corriente de producto de la combustion 40 se expande para generar potencia por ejemplo, a traves de un generador para producir electricidad, que no se muestra en la ilustracion). Las turbinas 320 pueden tener una entrada pare recibir la corriente de producto de la combustion 40 y una salida para liberacion de una corriente de descarga de la turbina 50 que comprende CO2. Aunque se muestra una sola turbina 320 en la figura 5, se entiende que la invencion comprende el uso de una serie de turbinas, estando las turbinas multiples opcionalmente separadas por uno o mas componentes, tales como otro componente de la combustion, un componente de compresion, un componente de separador o similar. Ademas de la descripcion adicional proporcionada de otra manera aqul, las ventajas asociadas con tales formas de realizacion de turbinas multiples se pueden reconocer particularmente a la luz de la forma de realizacion ejemplar describa en el Ejemplo 3.
De nuevo, los parametros del proceso pueden controlarse estrechamente en esta etapa para incrementar al maximo la eficiencia del ciclo. La eficiencia de la planta de potencia de gas natural existente es criticamente dependiente de las temperaturas de entrada de la turbina. Por ejemplo, se ha realizado trabajo extensivo como gran coste para conseguir tecnologia de la turbina que permite temperaturas de entrada tan altas como aproximadamente 1.350 °C. Cuanto mas alta es la temperatura de entrada de la turbina, mas alta es la eficiencia de la planta, pero tambien es mas costosa la turbina y potencialmente, mas corto es el tiempo de vida util. Algunos servicios publicos se resisten a pagar los precios mas altos y tienen tambien el riesgo de vida mas corta. Aunque la presente invencion puede hacer uso de tales turbinas para incrementar todavia mas la eficiencia en algunas formas de realization, esto no se requiere. En formas de realizacion especificas, los presentes sistemas y metodos pueden conseguir le eficiencia deseada, utilizando al mismo tiempo temperatura de entrada de la turbina en un intervalo mucho mas bajo, como se ha descrito anteriormente. Por lo tanto, la invencion puede caracterizarse en terminos de conseguir una eficiencia especifica, como se describe aqui, proporcionando al mismo tiempo una corriente de producto de la combustion a una entrada de la turbina a una temperatura definida, como se describe aqui, que puede ser significativamente menor que las temperaturas reconocidas en la tecnica como necesarias para conseguir la misma eficiencia con el mismo combustible.
Como se ha indicado anteriormente, la corriente de producto de la combustion 40 que abandona la camara de combustion 220 tiene con preferencia una presion que esta estrechamente alineada a la presion de la presion del fluido de circulation de CO2 que entra en la camara de combustion 220. En formas de realizacion especificas, la corriente de producto de la combustion 40 esta, por lo tanto, a una temperatura y presion tales que el CO2 presente en la corriente esta en un estado fluido supercritico. Cuando las corrientes de producto de la combustion 40 se expande a traves de las turbinas 320, se reduce la presion de la corriente. Con preferencia, esta caida de la presion es controlada de tal manera que la corriente de producto de la combustion 40 esta en una relation definida con la presion de la corriente de descarga de la turbina 50. En ciertas formas de realizacion, la relacion de la presion de la corriente de producto de la combustion en la entrada de las turbinas comparada con la corriente de descarga de la turbina en la salida de las turbinas es al menos aproximadamente 20. Esta se puede definir como la relacion de la presion de entrada (lp); a la presion de salida (Op) (es decir, (lp/Op).
En formas de realizacion especificas, puede ser deseable que la corriente de descarga de la turbina este en condicione tales que el CO2 en la corriente no esta ya en un estado supercritico, sino que esta mas bien en un estado gaseoso. Por ejemplo, proporcionar el CO2 en un estado gaseoso puede facilitar la elimination de cualquier componente secundario. En algunas formas de realizacion, la corriente de descarga de la turbina tiene una presion que esta por debajo de la presion donde el CO2 estaria en un estado supercritico. Con preferencia, la corriente de descarga de la turbina tiene una presion que es menos que aproximadamente 7,3 MPa, es menor que o igual a aproximadamente 7 MPa, menor que o igual a aproximadamente 6,5 MPa, menor que o igual a aproximadamente 6 MPa, menor que o igual a aproximadamente 5,5 MPa, menor que o igual a aproximadamente 5 MPa, menor que o igual a aproximadamente 4,5 MPa, menor que o igual a aproximadamente 4 MPa, menor que o igual a aproximadamente 3,5 MPa, menor que o igual a aproximadamente 3 MPa, menor que o igual a aproximadamente 2,5 MPa, menor que o igual a aproximadamente 2 MPa, o menor que o igual a aproximadamente 1.5 MPa. En otras formas de realizacion, la presion de la corriente de descarga de la turbina puede ser de aproximadamente 1,5 MPa a aproximadamente 7 MPa, de aproximadamente 3 MPa a aproximadamente 7 MPa, o de aproximadamente 4 MPa a aproximadamente 7 MPa. Con preferencia, la presion de la corriente de descarga de la turbina es menor que la presion de condensation de CO2 a las temperaturas de refrigeration que se encuentran por la corriente (por ejemplo, refrigeracion ambiente). Por lo tanto, es preferible de acuerdo con la invencion que el CO2 curso abajo de las turbinas 320 (y con preferencia curso arriba desde la unidad de presurizacion 620) se mantenga en un estado gaseoso y no se permita que alcance condiciones en las que se puede formar CO2 liquido.
Ademas de las ventajas que resultan de la utilization de las relaciones de presion diferencial descritas anteriormente, se pueden proporcionar otras ventajas cuando se utilizan multiples turbinas en los sistemas y metodos de la invencion. En particular, las relaciones de la presion anteriores se pueden aplicar solo a una turbina individual en la serie. Una u otras mas turbinas en la serie pueden adaptarse para proporcionar una descarga en un extremo bajo de los intervalos de la presion descritos anteriormente. Por ejemplo, en formas de realizacion donde una turbina proporciona una descarga a una presion menor que o igual a la presion supercritica de CO2 o incluso menor que o igual a 1,5 MPa, la turbina o turbinas pueden adaptarse para descargar corrientes a presiones que estan proximas o a presion ambiente.
Aunque el paso de la corriente de producto de la combustion a traves de las turbinas puede conducir a una cierta cantidad de reduction de la temperatura, la corriente de descarga de la turbina tendra tipicamente una temperatura que podria impedir la retirada de eventuales componentes secundarios presentes en la corriente de producto de la combustion. Por ejemplo, la corriente de descarga de la turbina puede tener una temperatura de aproximadamente 500 °C a aproximadamente 1.000 °C, de aproximadamente 600 °C a aproximadamente 1000 °C, de aproximadamente 700 °C a aproximadamente 1,000 °C, o de aproximadamente 800 °C a aproximadamente 1000 °C. Debido a la temperatura relativamente alta de la corriente de producto de la combustion, puede ser beneficioso
que la turbina este formada de materiales capaces de resistir tales temperaturas. Tambien puede ser util que las turbinas comprenden un material que proporciona buena resistencia quimica al tipo de materiales secundarios que pueden estar presentes en la corriente de producto de la combustion.
En algunas formas de realizacion, por lo tanto, puede ser util pasar la corriente de descarga de la turbina 50 a traves de al menos un intercambiador de calor 420 que refrigera la corriente de descarga de la turbina 50 y proporciona una corriente de fluido de circulacion de CO2 que tiene una temperatura en un intervalo definido. En formas de realizacion especificas el fluido de circulacion de CO2 60 que abandona el intercambiador de calor 420 (o el intercambiador de calor final en la serie cuando se utilizan dos o mas intercambiadores de calor) tiene una temperatura de menos de aproximadamente 200 °C, de menos de aproximadamente 150 °C, de menos de aproximadamente 125 °C, de menos de aproximadamente 100 °C, de menos de aproximadamente 95 °C, de menos de aproximadamente 90 °C, de menos de aproximadamente 85 °C, de menos de aproximadamente 80 °C, de de aproximadamente 75 °C, de menos de aproximadamente 70 °C, de menos de aproximadamente 65 °C, de de aproximadamente 60 °C, de menos de aproximadamente 55 °C, de menos de aproximadamente 50 °C, de de aproximadamente 45 °C, o de menos de aproximadamente 40 °C.
Como se ha indicado anteriormente, puede ser beneficioso que la presion de la descarga de la turbina tenga una presion en una relacion especifica con la presion de la corriente de producto de la combustion. En formas de realizacion especificas, la corriente de descarga de la turbina pasara directamente a traves de uno o mas intercambiadores de calor descritos aqui sin pasar a traves de cualquier otro componente del sistema. Por lo tanto, la relacion de la presion se puede describir en relacion con la relacion de la presion de la corriente de producto de la combustion cuando sale desde la camara de combustion comparada con la presion de la corriente que entra en el extremo caliente del intercambiador de calor (o el primer intercambiador de calor cuando se utiliza una serie de intercambiadores de calor). De nuevo esta relacion de la presion es inferior a aproximadamente 12, En otras formas de realizacion, la relacion de la presion de la corriente de producto de la combustion a la presion que entra en el intercambiador de calor puede ser inferior a aproximadamente 11, inferior a aproximadamente 10, inferior a aproximadamente 9, inferior a aproximadamente 8, o inferior a aproximadamente 7. En otras formas de realizacion, esta relacion de la presion puede ser de aproximadamente 1,5 a aproximadamente 10, de aproximadamente 2 a aproximadamente 9, de aproximadamente 2 a aproximadamente 8, de aproximadamente 3 a aproximadamente 8, o de aproximadamente 4 a aproximadamente 8.
Una corriente de descarga de la turbina (o una porcion de ella) pasa directamente a una camara de combustion y entonces a una o mas turbinas adicionales (y, opcionalmente, a una u otras mas camaras de combustion) antes de pasar a traves de un intercambiador de calor. Ademas, se entiende que una corriente de descarga de una turbina en serie como se describe aqui puede estar a una temperatura mas baja que la corriente de entrada de la turbina.
Aunque el uso de una camara de combustion refrigerada por transpiracion permite combustion a alto calor, los sistemas y metodos de la presente invencion se pueden caracterizar por la capacidad de proporcionar tambien una corriente de descarga de la turbia a un intercambiador de calor (o serie de intercambiadores de calor) a una temperatura que es suficientemente baja para reducir los costes asociados con el sistema. incrementar el periodo de vida util del (los) intercambiador(es) de calor y mejorar el rendimiento y la fiabilidad del sistema. En formas de realizacion especificas, la temperatura de trabajo mas alta para un intercambiador de calor en un sistema o metodo de acuerdo con la presente invencion es inferior a aproximadamente 1.100 °C, inferior a aproximadamente 1000 °C, inferior a aproximadamente 975 °C, inferior a aproximadamente 950 °C, inferior a aproximadamente 925 °C o inferior a aproximadamente 900 °C.
En ciertas formas de realizacion, puede ser particularmente util que el intercambiador de calor 420 comprende al menos dos intercambiadores de calor en serie para recibir la corriente de descarga de la turbina 50 y refrigerarla hasta una temperatura deseada. El tipo de intercambiador de calor utilizado puede variar dependiendo de las condiciones de la corriente que entra en el intercambiador de calor. Por ejemplo, la corriente de descarga de la turbina 50 puede estar a una temperatura relativamente alta, como se ha descrito anteriormente, y por lo tanto, puede ser util que el intercambiador de calor que recibe directamente la corriente de descarga de la turbina 50 este formado de materiales de alto rendimiento disenados para resistir condiciones extremas. Por ejemplo, el primer intercambiador de calor en la serie de intercambiadores de calor puede comprenden un aleacion de INCONEL® o material similar. Con preferencia, el primer intercambiador de calor en la serie comprende un material capaz de resistir una temperatura de trabajo consistente de al menos aproximadamente 700 °C, al menos aproximadamente
750 °C, al menos aproximadamente 800 °C, al menos aproximadamente 850 °C, al menos aproximadamente 900
°C, al menos aproximadamente 950 °C, al menos aproximadamente 1000 °C, al menos aproximadamente 1.100 °C, o al menos aproximadamente 1.200 °C. Tambien puede ser util que uno o mas de los intercambiadores de calor comprenden un material que proporciona buena resistencia quimica al tipo de materiales secundarios que pueden estar presentan en la corriente de producto de la combustion. Las aleaciones de INCONEL® estan disponibles de Special Metals Corporation, y algunas formas de realizacion pueden incluir aleaciones basadas en niquel-croo austenitico. Ejemplos de aleaciones que pueden ser utiles incluyen INCONEL® 600, INCONEL® 601, INCONEL® 601GC, INCONEL® 603XL, INCONEL® 617, INCONEL® 625, INCONEL® 625LCF, INCONEL® 686, INCONEL®
690, INCONEL® 693, INCONEL® 706, INCONEL® 718, INCONEL® 718SPF™, INCONEL® 722, INCONEL® 725, INCONEL® 740, INCONEL® X-750, INCONEL® 751, INCONEL® MA754, INCONEL® MA758, INCONEL® 783, INCONEL® 903, INCONEL® N06230, INCONEL® C-276, INCONEL® G-3, INCONEL® HX, INCONEL® 22. Un ejemplo de un diseno de intercambiador de calor favorable es un intercambiador de calor de placa compacta adherida por difusion con aletas fresadas qulmicamente en las placas fabricadas en un material a alta temperatura, tal como una de las aleaciones descritas aqul. Intercambiadores de calor adecuados pueden incluir aquellos disponibles bajo la marca HEATRIC® (disponible de Meggitt USA, Houston, TX).
El primer intercambiador de calor en la serie puede transferir suficientemente calor desde la corriente de descarga de la turbina, de tal manera que uno o mas intercambiadores de calor presentes en la serie pueden estar formados de materiales mas convencionales - por ejemplo acero inoxidable. En formas de realizacion especlficas, al menos dos intercambiadores de calor o al menos tres intercambiadores de calor se utilizan en una serie para refrigerar la corriente de descarga de la turbina a la temperatura deseada. La utilidad de usar intercambiadores de calor multiples en una serie puede verse particularmente en la descripcion siguiente con respecto a la transferencia de calor desde la corriente de descarga de la turbina al fluido de circulacion de CO2 para re-calentar el fluido de circulacion antes de la introduction en la camara de combustion.
En algunas formas de realizacion, los metodos y sistemas pueden caracterizarse por que son un metodo o sistema de combustion de una fase. Esto se puede conseguir a traves del uso de una camara de combustion de alta eficiencia, tal como una camara de combustion refrigerada por transpiration descrita anteriormente. Esencialmente, el combustible puede quemarse sustancialmente completamente en la camara de combustion individual, de tal manera que es innecesario proporcionar una serie de camaras de combustion para quemar completamente el combustible. De acuerdo con ello, en algunas formas de realizacion, los metodos y sistemas de la invention se pueden describir de tal manera que la camara de combustion refrigerada por transpiracion es la unica camara de combustion. En otras formas de realizacion, los metodos y sistemas se pueden describir de tal forma que la combustion ocurre solo en la camara de combustion refrigerada por transpiracion individual antes de pasar la corriente de descarga al intercambiador de calor. Todavla en otras formas de realizacion, los metodos y sistemas se pueden describir de tal manera que la corriente de descarga se pasa directamente al intercambiador de calor sin pasar a traves de otra camara de combustion.
Despues de la refrigeration, la corriente de fluido de circulacion de CO2 60 que sale desde el al menos un intercambiador de calor 420 se puede someter a otro procesamiento para separar eventuales componentes secundarios que permanecen en la corriente de fluido de circulacion de c O2 desde la combustion del combustible. Como se muestra en la figura 5, la corriente de fluido de circulacion 60 puede ser dirigida hacia una o mas unidades de separation 520. Como se describe con mas detalle a continuation, la presente invencion se puede caracterizar particularmente por la capacidad para proporcionar un metodo de alta eficiencia de generation de potencia a partir de la combustion de combustible que contiene carbono sin liberation de CO2 a la atmosfera. Esto se puede conseguir, al menos en parte, utilizando el CO2 formado en combustion del combustible de contiene carbono como el fluido circulante en el ciclo de production de potencia. En algunas formas de realizacion, sin embargo, la combustion continua y el reciclado de CO2 como el fluido circulante puede causar una acumulacion de CO2 en el sistema. En tales casos, puede ser util extraer al menos una portion del CO2 desde el fluido circulante (por ejemplo, una cantidad aproximadamente equivalente a la cantidad de CO2 derivado de la combustion del combustible que contiene carbono). Tal extraction de CO2 se puede desechar por cualquier metodo adecuado. En formas de realizacion especlficas, el CO2 se puede dirigir a una tuberla para recogida o disposition por medios adecuados, como se describe mas adelante.
Puede ser un requerimiento de una especificacion del sistema de tuberla de CO2 que el CO2 que entre en la tuberla este sustancialmente libre de agua para prevenir la corrosion del acero utilizado para la tuberla. Aunque se podrla introducir CO2 "humedo" directamente en una tuberla de acero inoxidable de CO2, esto no siempre es posible y , de hecho, puede ser mas deseable utilizar una tuberla de acero al carbono debido a cuestiones de costes. De acuerdo con ello, en ciertas formas de realizacion, el agua presente en el fluido de circulacion de CO2 (por ejemplo, agua formada durante la combustion del combustible que contiene carbono y que persiste en la corriente de producto de la combustion, la corriente de descarga de la turbina, y la corriente de fluido de circulacion de CO2) se puede eliminar en su mayor parte como una fase llquida desde la corriente de fluido de circulacion de CO2 refrigerada. En formas de realizacion especlficas, esto se puede conseguir proporcionando el fluido de circulacion de CO2 (por ejemplo, en un estado gaseoso) a una presion que es inferior al punto en el que el CO2 presente en la mezcla de gas se licua cuando se refrigera la mezcla de gas a la temperatura minima alcanzada con medios de refrigeracion a temperatura ambiente. Por ejemplo, el fluido de circulacion de CO2 particularmente puede ser proporcionado a una presion inferior a 7,38 MPa durante la separacion de componentes secundarios desde alli. Se puede requerir una temperatura todavia mas baja si se utilizan medios de refrigeracion a una temperatura en el intervalo de temperatura ambiente o sustancialmente inferior a la temperatura ambiente. Esto permite la separacion de agua como un liquido y tambien reduce al minimo la contamination de la corriente de circulacion de CO2 purificado 65 que abandona la unidad de separacion. Esto puede limitar tambien la presion de descarga de la turbina a un valor que es inferior a la presion critica del gas de escape de la turbina. La presion real puede depender de la temperatura de los medios de
refrigeracion ambiente disponible. Por ejemplo, si la separacion de agua tiene lugar a 30 °C, entonces una presion de 7 MPa permite un margen de 0,38 MPa a la presion de condensacion de CO2. El fluido de circulacion de CO2 que abandona el intercambiador de calor y entra en la unidad de separacion puede proporcionarse a una presion que es sustancialmente la misma que la presion en la salida de la serie de turbinas.
En formas de realizacion especlficas, la corriente de circulacion de CO2 purificado 65 despues de la separacion de agua no comprende vapor de agua o sustancialmente ningun vapor de agua. En algunas formas de realizacion, la corriente de circulacion de CO2 purificado se puede caracterizar por que comprende vapor de agua en juna cantidad de solo de menos de 1,5 % sobre una base molar, de menos de 1,25 % sobre una base molar, de menos de 1 % sobre una base molar, de menos de 0,9 % sobre una base molar, o de menos de 0,8 % sobre una base molar, de menos de 0,7 % sobre una base molar, de menos de 0,6 % sobre una base molar, de menos de 0,5 % sobre una base molar, de menos de 0,4 % sobre una base molar, de menos de 0,3 % sobre una base molar, de menos de 0,2 % sobre una base molar, o de menos de 0,1 % sobre una base molar. En algunas formas de realizacion, la corriente de circulacion de CO2 purificado puede comprender vapor de agua solo en una cantidad de aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 1,5 % sobre una base molar, de aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 1 % sobre una base molar, de aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 0,75 % sobre una base molar, de aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 0,5 % sobre una base molar, de aproximadamente 0,01 % a aproximadamente 0,25 % sobre una base molar, de aproximadamente 0,05 % a aproximadamente 0,5 % sobre una base molar, o de aproximadamente 0,05 % a aproximadamente 0,25 % sobre una base molar.
Puede ser altamente ventajoso proporcionar el fluido de circulacion de CO2 en las condiciones de temperatura y de presion definidas anteriormente para facilitar la separacion de componentes secundarios, tales como agua. En otras palabras, la presente invencion puede preverse particularmente para mantener el fluido de circulacion de CO2 en condiciones deseadas, de tal manera que el CO2 y el agua en el fluido de circulacion de CO2 antes de la separacion estan en estados deseados que facilitan la separacion. Proporcionando el fluido de circulacion de CO2 a una presion como se ha descrito anteriormente, se puede reducir la temperatura de la corriente de fluido hasta un punto donde el agua en la corriente estara en un estado llquido y, por lo tanto, sera mas facil de separar desde el CO2 gaseoso.
En ciertas formas de realizacion, puede ser deseable proporcionar otras condiciones de secado para que el fluido de circulacion de CO2 purificado este completamente o sustancialmente libre de agua. Como se ha indicado anteriormente, la separacion de agua desde el fluido de circulacion de CO2 en base a diferencias de fase en los materiales puede dejar una porcion menor (es decir, baja concentracion) de agua permaneciendo en el fluido de circulacion de CO2. En algunas formas de realizacion, puede ser aceptable continuar con el fluido de circulacion de CO2 que tiene la porcion de agua permaneciendo alll. En otras formas de realizacion, puede ser util someter el fluido de circulacion de CO2 a otro tratamiento para facilitar la retirada de todo o parte del agua remanente. Por ejemplo, una baja concentracion de agua se puede retirar por medio de secadores desecantes u otros medios que fueran adecuados a la luz de la presente descripcion.
Proporcionar el fluido de circulacion de CO2 a las unidades de separacion a la presion definida puede ser particularmente beneficioso para incrementar al maximo de nuevo la eficiencia del ciclo de potencia. Especlficamente, proporcionar el fluido de circulacion de CO2 en el intervalo de presion definido puede permitir que el fluido de circulacion de CO2 purificado en la fase de gas sea comprimido a una presion alta con consumo mlnimo de potencia total. Como se describe a continuacion, tal presurizacion puede requerirse para que parte del fluido de circulacion de CO2 purificado pueda ser reciclado a la camara de combustion y parte pueda ser suministrado a una presion requerida en la tuberla (por ejemplo, de aproximadamente 10 MPa a aproximadamente 20 MPa). Esto ilustra, ademas, los beneficios de reducir al mlnimo la relacion de la presion de entrada a salida de las turbinas de expansion, como se ha descrito anteriormente. Esto funciona para incrementar la eficiencia general del ciclo y tambien para permitir que la presion de descarga desde las turbinas este en el intervalo deseable descrito anteriormente para la separacion de agua y otros componentes secundarios desde el fluido de circulacion de CO2.
Una forma de realizacion del flujo del fluido de circulacion de CO2 a traves de una unidad de separacion 520 se ilustra en la figura 6. Como se ve aqul, la corriente de fluido de circulacion de CO2 desde el intercambiador de calor se puede pasar a traves de un intercambiador de calor de agua frla 530 que utiliza agua para retirar adicionalmente calor desde el fluido de circulacion de CO260 (o cualquier dispositivo que funciona de forma similar) y descargar un fluido de circulacion de CO2 de fase mixta 61, en donde el CO2 permanece como un gas y el agua en el fluido de circulacion de CO2 se convierte en una fase llquida. Por ejemplo, el paso del fluido de circulacion de CO260 a traves del intercambiador de calor de agua frla 530 puede enfriar el fluido de circulacion de CO2 a una temperatura inferior a aproximadamente 50 °C, inferior a aproximadamente 55 °C, inferior a aproximadamente 40 °C, inferior a aproximadamente 45 °C, inferior a aproximadamente 40 °C, o inferior a aproximadamente 30 °C. Con preferencia, la presion del fluido de circulacion de CO2 es sustancialmente inalterada por el paso a traves del intercambiador de calor de agua frla 530. El fluido de circulacion de CO2 de fase mixta 51 es dirigida a una unidad de separacion de agua 540, en donde se descarga una corriente de agua llquida 62a desde el separador 520. Asimismo, la salida de la unidad de separacion de agua 540 es la corriente de fluido de circulacion de CO2 enriquecida 62d. Esta corriente enriquecida puede salir directamente desde el separador 520 como la corriente de fluido de circulacion de CO2
enriquecida 65. En formas de realizacion alternativas (como se ilustra por las corrientes y componente representados por lineas de trazos), la corriente de fluido de circulacion de CO2 enriquecida 62d puede ser dirigida a una o mas unidades de separacion 550 adicionales para retirada de otros componentes secundarios, como se describe mas completamente a continuacion. En formas de realizacion especificas, cualquier componente secundario adicional del fluido de circulacion de CO2 puede ser retirado despues de la eliminacion del agua. El fluido de circulacion de CO2 sale entonces de las una o mas unidades de separacion adicionales como el fluido de circulacion de CO2 purificado 65. En algunas formas de realizacion, sin embargo, el fluido de circulacion de CO2 de fase mixta 61 puede ser dirigido primero para retirada de uno o mas componentes secundarios antes de la retirada de agua, y la corriente parcialmente purificada puede ser dirigida entonces a la unidad de separacion de agua 540. Un experto en la tecnica provisto con esta descripcion puede concebir las varias combinaciones de separadores que pueden ser deseables, y todas estas combinaciones estan destinadas a ser incorporadas por la presente invencion.
Como se ha indicado anteriormente, ademas de agua, el fluido de circulacion de CO2 puede contener otros componentes secundarios, tales como impurezas derivadas del combustible, derivadas de la combustion, y derivadas del oxigeno. Tales componentes secundarios se pueden retirar tambien del fluido de circulacion de CO2 gaseoso refrigerado en y aproximadamente al mismo tiempo que la separacion de agua. Por ejemplo, ademas del vapor de agua, se pueden eliminar componentes secundarios tales como as SO2 , SO3 , HCI, NO, NO2 , Hg, y en exceso O2, N2 y Ar. Estos componentes secundarios del fluido de circulacion de CO2 (reconocidos a menudo como impurezas o contaminantes) se pueden retirar todos desde el fluido de circulacion de CO2 refrigerado utilizando metodos apropiados (por ejemplo, metodos definidos en la Publication de Solicitud de Patente de los EE.UU. N° 2008/0226515 y las Solicitudes de Patentes Europeas Nos. EP1952874 y EP1953486). SO2 y SO3 pueden convertirse 100 % a acido sulfurico, mientras que >95 % del NO y NO2 se pueden convertir en acido nitrico. Cualquier exceso de O2 presente en el fluido de circulacion de CO2 puede separarse como una corriente enriquecida para reciclaje opcional a la camara de combustion. Los gases inertes presentes (por ejemplo, N2 y Ar) se pueden ventilar a baja presion a la atmosfera. En ciertas formas de realizacion, el fluido de circulacion de CO2 puede ser purificado, por lo tanto, de tal manera que el CO2 derivado del carbono en el combustible que es quemado puede suministrarse finalmente como una corriente pura de alta densidad. En formas de realizacion especificas, el fluido de circulacion de CO2 purificado puede comprender CO2 en una concentration de al menos 98,5 % molar, al menos 99 % molar, al menos 99,5 % molar, o al menos 98,8 % molar. Ademas, el fluido de circulacion de CO2 puede proporcionarse a una presion deseada para entrada directa en una tuberia de CO2 - por ejemplo, al menos aproximadamente 10 MPa, al menos aproximadamente 15 MPa, o al menos aproximadamente 20 MPa.
Para resumir lo anterior, en una forma de realizacion, la combustion del combustible que contiene carbono 254 en la presencia de O2242 y un fluido de circulacion de CO2 en una camara de combustion adecuada puede formar una corriente de producto de combustion 40 que tiene una temperatura y presion relativamente altas. Esta corriente de producto de la combustion 40 que comprende una cantidad relativamente grande de CO2 se puede pasar a traves de las turbinas 320 para expandir la corriente de producto de la combustion 40, reduciendo de esta manera la presion de la corriente y la generation de potencia. La corriente de descarga de la turbina 50 que abandona la salida de las turbinas 320 esta a una presion reducida, pero retiene todavia una temperatura relativamente alta,. Debido a los contaminantes e impurezas en la corriente de producto de la combustion, es beneficios separar tales contaminantes e impurezas para reciclar el fluido de circulacion de CO2 de retorno al sistema. Para conseguir esta separacion, la corriente de descarga de la turbina 50 es refrigera por el paso a traves de uno o mas intercambiadores de calor 420. La separacion de los productos secundarios (por ejemplo, agua y otros contaminantes e impurezas) se puede conseguir como se ha descrito anteriormente. Para reciclar el fluido de circulacion de CO2 de retorno a la camara de combustion, es necesario recalentar y represurizar el fluido de circulacion de CO2. En ciertas formas de realizacion, la presenta invencion se puede caracterizar por la implementation de etapas especificas del proceso para incrementar al maximo la eficiencia del ciclo de generacion de potencia, previniendo al mismo tiempo la descarga de contaminantes (por ejemplo, CO2) a la atmosfera. Esta particularidad se puede ver en relation al recalentamiento y represurizacion del fluido de circulacion de CO2 purificado que sale de la unidad de separacion.
Como se ilustra en la figura 5, el fluido de circulacion de CO2 purificado 65 que abandona la una o mas unidades de separacion 520 puede pasarse a traves de una o mas unidades de presurizacion 620 (por ejemplo, bombas, compresores o similares) para incrementar la presion del fluido de circulacion de CO2 purificado 65. En ciertas formas de realizacion, el fluido de circulacion de CO2 purificado 65 puede ser comprimido a una presion de al menos aproximadamente 7,5 MPa o al menos aproximadamente 8 MPa. En algunas formas de realizacion, se puede utilizar una unidad de presurizacion individual para incrementar la presion del fluido de circulacion de CO2 purificado hasta la presion deseada descrita aqui para la introduction en la camara de combustion 220.
En formas de realizacion especificas, se puede realizar la presurizacion utilizando una serie de dos o mas compresores (por ejemplo, bombas) en la unidad de presurizacion 620. Tal forma de realizacion se muestra en la figura 7, en la que el fluido de circulacion de CO265 presurizado se pasa a traves de un primer compresor 630 para comprimir el fluido de circulacion de CO265 hasta una primera presion (que esta con preferencia por encima de la presion critica del CO2) y de esta manera formar la corriente 66. La corriente 66 se puede dirigir a un intercambiador de calor de agua caliente 640 que extrae calor (por ejemplo, calor formado por la action de presurizacion del primer compresor) y forma vapor 67, que esta con preferencia a una temperatura que esta proxima a ambienta. La corriente
67 se puede dirigir a un segundo compresor 650 que se utiliza para presurizar el fluido de circulacion de CO2 a una segunda presion que es mayor que la primera presion. Como se describe a continuacion, la segunda presion puede ser sustancialmente similar a la presion deseada para el fluido de circulacion de CO2 cuando entra (o recicla) a la camara de combustion.
En formas de realizacion especlficas, el primer compresor 630 puede utilizarse para incrementar la presion del fluido de circulacion de CO2 purificado de tal manera que el fluido de circulacion de CO2 purificado se transforma desde un estado gaseoso a un estado fluido supercrltico. En formas de realizacion especlficas, el fluido de circulacion de CO2 purificado puede ser presurizado en el primer compresor 630 a una presion de aproximadamente 7,5 MPa a aproximadamente 20 MPa, de aproximadamente 7,5 MPa a aproximadamente 15 MPa, de aproximadamente 7,5 MPa a aproximadamente 12 MPa, de aproximadamente 7,5 MPa a aproximadamente 10 MPa, o de aproximadamente 8 MPa a aproximadamente 10 MPa. La corriente 66 que sale desde el primer compresor 630 (que esta en un estado fluido supercrltico) se pasa entonces a traves del intercambiador de calor 640 de agua frla (o cualquier dispositivo que funciona de forma similar) que puede refrigerar el fluido de circulacion de CO2 a una temperatura suficiente para formar un fluido de alta densidad, que se puede bombear de manera mas eficiente a una presion todavla mayor. Esto puede ser significativo a la luz del volumen grande de CO2 que se esta reciclando para uso como el fluido de circulacion. El bombeo de un volumen grande de CO2 en el estado fluido supercrltico puede ser un drenaje de energla significativo en el sistema. No obstante, la presente invencion tiene en cuenta el incremento beneficioso de la eficiencia que puede ser proporcionada densificando el CO2 y reduciendo de esta manera el volumen total de CO2 supercrltico que es bombeado de retorno a la camara de combustion para reciclaje. En formas de realizacion especlficas, el fluido de circulacion de CO2 puede proporcionarse a una densidad de al menos aproximadamente 200 kg/m3, al menos aproximadamente 250 kg/m3 , al menos aproximadamente 300 kg/m3 , al menos aproximadamente 350 kg/m3 , al menos aproximadamente 400 kg/m3, al menos aproximadamente 450 kg/m3 , al menos aproximadamente 500 kg/m3 , al menos aproximadamente 550 kg/m3, al menos aproximadamente 600 kg/m3 , al menos aproximadamente 650 kg/m3 , al menos aproximadamente 700 kg/m3 , al menos aproximadamente 750 kg/m3 , al menos aproximadamente 800 kg/m3, al menos aproximadamente 850 kg/m3 , al menos aproximadamente 900 kg/m3, al menos aproximadamente 950 kg/m3 , o al menos aproximadamente 1000 kg/m3 despues de la descarga desde el intercambiador de calor de agua frla 640 (o antes del paso a traves de la unidad de intercambio de calor 420 para calentamiento). En otras formas de realizacion, la densidad puede ser de aproximadamente 150 kg/m3 a aproximadamente 1.100 kg/m3 , de aproximadamente 200 kg/m3a aproximadamente 1000 kg/m3 , de aproximadamente 400 kg/m3 a aproximadamente 950 kg/m3 , de aproximadamente 500 kg/m3 a aproximadamente 900 kg/m3, o de aproximadamente 500 kg/m3 a aproximadamente 800 kg/m3.
En formas de realizacion especlficas, el paso de la corriente 66 a traves del intercambiador de calor de agua frla 649 puede enfriar el fluido de circulacion de CO2 a una temperatura inferior a aproximadamente 60 °C, inferior a aproximadamente 50 °C, inferior a aproximadamente 40 °C, o inferior a aproximadamente 30 °C. En otras formas de realizacion, la temperatura del fluido de circulacion de CO2 que abandona el int3ercambiador de calor de agua frla 640 como corriente 67 puede ser de aproximadamente 15 °C a aproximadamente 50 °C, de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 45 °C, o de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 40 °C. El fluido de circulacion de CO2 en la corriente 67 que entra en el segundo compresor esta con preferencia en condiciones que facilitan el bombeo eficiente de energla de la corriente hasta una presion deseada como se describe aqul para introduccion del fluido de circulacion de CO2 en la camara de combustion. Por ejemplo, la corriente de fluido de circulacion de CO2 supercrltico presurizado 70 se puede presurizar adicionalmente hasta una presion de al menos aproximadamente 12 MPa, al menos aproximadamente 15 MPa, al menos aproximadamente 16 MPa, al menos aproximadamente 18 MPa, al menos aproximadamente 20 MPa, o al menos aproximadamente 25 MPa. En algunas formas de realizacion, la corriente de fluido de circulacion de CO2 supercrltico presurizado 70 se puede presurizar adicionalmente hasta una presion de aproximadamente 15 MPa a aproximadamente 50 MPa, de aproximadamente 20 MPa a aproximadamente 45 MPa, o de aproximadamente 25 MPa a aproximadamente 40 MPa. Se puede utilizar cualquier tipo de compresor capaz de trabajar a las temperaturas indicadas, y capaz de conseguir las presiones descritas, tal como una bomba de fases multiples a alta presion.
La corriente de fluido de circulacion de CO2 supercrltico 70 que abandona una o mas unidades de presurizacion 620 se puede dirigir de retorno a los intercambiadores de calor utilizados anteriormente para refrigerar la corriente de descarga de la turbina 50. Como se muestra en la figura 5, la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 70 se puede pasar primero a traves de un divisor de la corriente 720 que forma la corriente de fluido de tuberla de CO2 80 y la corriente de fluido de circulacion de CO2 85 (que sera sustancialmente identica a la corriente de circulacion de fluido de CO270, excepto la cantidad real de c O2 presente en la corriente). Por lo tanto, en algunas formas de realizacion, al menos una porcion del CO2 en la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado es introducida en una tuberla presurizada para recogida. La cantidad de CO2 retirado de la corriente de fluido de circulacion de CO2 y dirigida a la tuberla (u otros medios de recogida o disposicion) se puede variar en funcion del contenido deseado de CO2 a introducido en la camara de combustion para controlar la temperatura de la combustion y el contenido real de CO2 presente en la corriente de descarga de la combustion que sale desde la camara de combustion. En algunas formas de realizacion, la cantidad de CO2 extralda como se ha descrito anteriormente puede ser sustancialmente la cantidad de CO2 formada a partir de la combustion del combustible que contiene
carbono en la camara de combustion.
Para conseguir una operacion de alta eficiencia, puede ser beneficioso que el fluido de circulacion de CO2 que abandona la unidad de presurizacion 620 sea calentado hasta una temperatura a la que el fluido supercrltico tiene un calor especlfico mucho mas bajo. Esto es un equivalente a proporcionar una entrada de calor muy grande sobre un intervalo de temperatura comparativamente bajo. El uso de una fuente de calor externa (por ejemplo una fuente de calor a temperatura relativamente baja) para proporcionar calentamiento adicional para una porcion del fluido de circulacion de CO2 reciclado permite a la unidad de intercambio de calor 420 operar con una diferencia de temperatura pequena entre la corriente de escape de la turbina 50 y la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado 236 en el extremo caliente de la unidad de intercambio de calor 420 (o el primer intercambiador de calor cuando se utiliza una serie de dos o mas intercambiadores de calor). En formas de realizacion especlficas, el paso del fluido de circulacion de CO2 presurizado a traves del uno o mas intercambiadores de calor puede ser util para calentar la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado a una temperatura deseada para entrada de la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado en la camara de combustion. En ciertas formas de realizacion, la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado se calienta a una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C, al menos aproximadamente 300 °C, al menos aproximadamente 400 °C, al menos aproximadamente 500 °C, al menos aproximadamente 600 °C, al menos aproximadamente 700 °C, o al menos aproximadamente 800 °C antes de la entrada de la corriente de fluido de circulacion de CO2 en la camara de combustion. En algunas formas de realizacion, el calentamiento puede ser hasta una temperatura de aproximadamente 500 °C a aproximadamente 1,200 °C, de aproximadamente 550 °C a aproximadamente 1000 °C, o de aproximadamente 600 °C a aproximadamente 950 °C.
La figura 8 ilustra una forma de realizacion de una unidad de intercambio de calor 420, en la que se utilizan tres intercambiadores de calor individuales en serie para extraer calor desde la corriente de descarga de la turbina 50 para proporcionar una corriente de fluido de circulacion de CO260 en condiciones adecuadas para la retirada de componen tres secundarios y simultaneamente anadir calor a la corriente de fluido de circulacion de CO2 supercrltico presurizado 70 (u 85) antes del reciclado e introduccion de la corriente de fluido de circulacion de CO2236 en la camara de combustion. Como se describe mas adelante, los presentes sistemas y metodos pueden retroajustarse a sistemas de potencia convencionales (por ejemplo, plantas de potencia quemadas con carbon) para incrementar la eficiencia y/o su salida. En algunas formas de realizacion, la unidad de intercambio de calor 420 descrita a continuacion puede referirse, por lo tanto, como la unidad de intercambio de calor primaria en tal retroajuste, donde se utiliza tambien una unida de intercambio de calor secundaria (como se ilustra en la figura 12). La unidad de intercambio de calor secundaria podrla ser, por lo tanto, uno o mas intercambiadores de calor utilizados para sobrecalentar una corriente de vapor, por ejemplo. El uso de los terminos unidad de intercambio de calor primaria y unidad de intercambio de calor secundaria no deberlan interpretarse como limitacion del alcance de la invencion y solo se utilizan para proporcionar claridad de descripcion.
.En las formas de realizacion de la figura 8, la corriente de descarga de la turbina 50 entre en la serie de intercambiadores de calor 420 pasando primero a traves del primer intercambiador de calor 430 para proporcionar la corriente 52, que tendra una temperatura mas baja que la temperatura de la corriente de descarga de la turbina 50. El primer intercambiador de calor 430 puede describirse como un intercambiador de calor de alta temperatura, ya que recibe la corriente mas caliente en la serie - es decir, la corriente de descarga de la turbina 50 - y de esta manera transfiere calor en el intervalo mas alto de la temperatura a la serie de intercambiadores de calor 420. Como se ha descrito anteriormente, el primer intercambiador de calor 430 que recibe la corriente de descarga de la turbina a temperatura relativamente alta 50 puede comprender aleaciones especiales u otros materiales adecuados para hacer que el intercambiador de calor sea adecuado para resistir las temperaturas indicadas. La temperatura de la corriente de descarga de la turbina 50 se puede reducir en una medida significativa por el paso a traves del primer intercambiador de calor 430 (que se puede aplicar tambien a otras formas de realizacion, donde se utilizan menos de tres o mas de tres intercambiadores de calor individuales). En algunas formas de realizacion, la temperatura de la corriente 52 que abandona el primer intercambiador de calor 430 puede ser menor que la temperatura de la corriente de descarga de la turbina 50 en al menos aproximadamente 100 °C, al menos aproximadamente 200 °C, al menos aproximadamente 300 °C, al menos aproximadamente 400 °C, al menos aproximadamente 450 °C, al menos aproximadamente 500 °C, al menos aproximadamente 550 °C, al menos aproximadamente 575 °C, o al menos aproximadamente 600 °C. En formas de realizacion especlficas, la temperatura de la corriente 52 puede ser de aproximadamente 100 °C a aproximadamente 800 °C, de aproximadamente 150 °C a aproximadamente 600 °C, o de aproximadamente 200 °C a aproximadamente 500 °C. En formas de realizacion preferidas, la presion de la corriente 52 que abandona el primer intercambiador de calor 430 es sustancialmente similar a la presion de la corriente de descarga de la turbina 50. Especlficamente, la presion de la corriente 62 que abandona el primer intercambiador de4 calor 430 puede ser al menos 90 %, al menos 91 %, al menos 92 %, al menos 93 %, al menos 94 %, al menos 95 %, al menos 96 %, al menos 97 %, al menos 98 %, al menos 99 %, al menos 99,5 %, o al menos 99,8 % de la presion de la corriente de descarga de la turbina 50.
La corriente 52 que abandona el primer intercambiador de calor 430 se pasa a traves del segundo intercambiador de calor 440 para producir la corriente 56, que tiene una temperatura que es inferior a la temperatura de la corriente 52
que entra en el segundo intercambiador de calor 440.EI segundo intercambiador de calor 440 puede describirse como un intercambiador de calor de temperatura intermedia, ya que transfiere calor en un intervalo de temperatura intermedia (es decir, un intervalo inferior al primer intercambiador de calor 430, pero mayor que el tercer intercambiador de calor 450). En algunas formas de realizacion, la diferencia de la temperatura entre la primera corriente 52 y la segunda corriente 56 puede ser sustancialmente menor que la diferencia de la temperatura entre la corriente de descarga de la turbina 50 y la corriente 52 que abandona el primer intercambiador de calor. En algunas formas de realizacion, la temperatura de la corriente 56 que abandona el segundo intercambiador de calor 440 puede ser menor que la temperatura de la corriente 52 que entra en el segundo intercambiador de calor 440 en aproximadamente 10 °C a aproximadamente 200 °C, aproximadamente 20 °C a aproximadamente 175 °C, aproximadamente 30 °C a aproximadamente 150 °C, o aproximadamente 40 °C a aproximadamente 140 °C. En formas de realizacion especlficas, la temperatura de la corriente 56 puede ser de 75 °C a aproximadamente 600 °C, de aproximadamente 100 °C a aproximadamente 400 °C, o de aproximadamente 100 °C a aproximadamente 300 °C. De nuevo, se puede preferir que la presion de la corriente 56 que abandona el segundo intercambiador de calor 440 sea sustancialmente similar a la presion de la corriente 52 que entra en el segundo intercambiador de calor 440. De manera especlfica, la presion de la corriente 56 que abandona el segundo intercambiador de calor 440 puede ser al menos 90 %, al menos 91 %, al menos 92 %, al menos 93 %, al menos 94 %, al menos 95 %, al menos 96 %, al menos 97 %, al menos 98 %, al menos 99 %, al menos 99,5 %, o al menos 99,8 % de la presion de la corriente 52 que entra en el segundo intercambiador de calor 440.
La corriente 56 que abandona el segundo intercambiador de calor 440 se pasa a traves del tercer intercambiador de calor 450 para producir la corriente de fluido de circulacion de CO260, que tiene una temperatura que es inferior a la temperatura de la corriente 56 que entra en el tercer intercambiador de calor 450. El tercer intercambiador de calor 450 puede describirse como un intercambiador de calor que transfiere calor en el intervalo de temperatura minima de la serie de transferencia de calor 420. En algunas formas de realizacion, la temperatura de la corriente de fluido de circulacion de CO260 que abandona el tercer intercambiador de calor 450 puede ser inferior a la temperatura de la corriente 56 que entra en el tercer intercambiador de calor 450 en aproximadamente 10 °C a aproximadamente 250 °C, aproximadamente 15 °C a aproximadamente 200 °C, aproximadamente 20 °C a aproximadamente 175 °C, o aproximadamente 25 °C a aproximadamente 150 °C. En formas de realizacion especlficas, la temperatura de la corriente 60 puede ser de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 200 °C, de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 100 °C, o de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 90 °C. De nuevo, se puede preferir que la presion de la corriente de fluido de circulacion de CO260 que abandona el tercer intercambiador de calor 450 sea sustancialmente similar a la presion de la corriente 56 que entra en el tercer intercambiador de calor 450. Especlficamente, la presion de la corriente de fluido de circulacion de CO260 que abandona el tercer intercambiador de calor 450 puede ser al menos 90 %, al menos 91 %, al menos 92 %, al menos 93 %, al menos 94 %, al menos 95 %, al menos 96 %, al menos 97 %, al menos 98 %, al menos 99 %, al menos 99,5 %, o al menos 99,8 % de la presion de la corriente 56 que entra en el tercer intercambiador de calor 450.
La corriente de fluido de circulacion de CO2 que abandona el tercer intercambiador de calor 450 (y que, por lo tanto, abandona la unidad de intercambiador de calor 420 en general) puede dirigirse a uno o mas unidades de separation 520, como se ha descrito anteriormente. Tambien como se ha descrito anteriormente, la corriente de fluido de circulacion de CO2 puede someterse a uno o mas tipos de separacion para eliminar componentes secundarios desde la corriente, que es presurizada entonces para retornar a la camara de combustion como el fluido de circulacion reciclado (opcionalmente con una portion del CO2 separado para entrada en una tuberla de CO2 u otros medios de recogida o disposition sin ventilation a la atmosfera.
Volviendo a la figura 8, la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 70 (u 85 si se pasa primero a traves de un aparato de separacion, como se muestra en la figura 5) de puede dirigir de retorno a traves de la misma serie de tres intercambiadores de calor, para que el calor extraldo originalmente a traves de los intercambiadores de calor se pueda utilizar para impartir calor a la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 70 antes de entrar en la camara de combustion 220. Tlpicamente, el calor impartido a la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 70 por el paso a traves de los tres intercambiadores de calor (450, 440, y 430) puede ser relativamente proporcional a la cantidad de calor extraldo por los intercambiadores de calor, como se ha descrito anteriormente.
En algunas formas de realizacion, la invention se puede caracterizar por la diferencia de temperatura de las corrientes que salen y entran en el extremo frio del intercambiador de calor (o el ultimo intercambiador de calor en una serie). Con referencia a la figura 8, esto se puede referir especlficamente a la diferencia de la temperatura de las corrientes 60 y 70. Esta diferencia de la temperatura de las corrientes en el extremo frio del intercambiador de calor (o del ultimo intercambiador de calor en una serie) es especlficamente mayor que cero y puede estar en el intervalo de aproximadamente 2 °C a aproximadamente 50 °C, de aproximadamente 3 °C a aproximadamente 40 °C, de aproximadamente 4 °C a aproximadamente 30 °C, o de aproximadamente 5 °C a aproximadamente 20 °C.
En algunas formas de realizacion, la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 70 se puede pasar directamente a traves de los tres intercambiadores de calor en serie. Por ejemplo, la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 70 (es decir, a una temperatura relativamente baja) puede pasar a traves del tercer
intercambiador de calor 450 para formar la corriente 71 a una temperatura incrementada, que se puede pasar directamente a traves del segundo intercambiador de calor 440 para formar la corriente 73 a una temperatura incrementada, que se puede pasar directamente a traves del primer intercambiador de calor 430 para formar la corriente de fluido de circulation de CO2 presurizado a alta temperatura 236 que se puede dirigir a la camara de combustion.
En formas de realization particulares, sin embargo, la presente invention se puede caracterizar por el uso de una fuente de calor externas para incrementar adicionalmente la temperatura del fluido de circulacion de CO2 reciclado. Por ejemplo, como se ilustra en la figura 8, despues del paso de la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 70 a traves del primer intercambiador de calor 450, la corriente 71 formada, en lugar de pasar directamente al segundo intercambiador de calor 440 se puede pasar a traves de un componente de division 460 que divide la corriente 71 en dos corrientes 71b y 72a. La corriente 71b puede pasarse a traves del segundo intercambiador de calor 440 como se ha descrito de otra manera anteriormente. La corriente 72aa puede pasarse a traves de un radiador lateral 470 que se puede usar para impartir una cantidad adicional de calor a la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 70 ademas del calor impartido por los propios intercambiadores de calor.
Las cantidades relativas del fluido de circulacion de CO2 presurizado desde la corriente 71 que se dirigen al segundo intercambiador de calor 440 y al radiador lateral 470 se pueden variar en funcion de las condiciones de trabajo del sistema y la temperatura final deseada de la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado para entrada en la camara de combustion 220. En ciertas formas de realizacion, la relation molar de CO2 en la corriente 71b dirigida al segundo intercambiador de calor 440 y la corriente 72a dirigida al radiador lateral 470 puede ser de aproximadamente 1:2 a aproximadamente 20:1 (es decir, de aproximadamente 1 mol de CO2 en la corriente 71b por 2 moles de CO2 en la corriente 72a a aproximadamente 20 moles de CO2 en la corriente 71b por 1 mol de CO2 en la corriente 72a). En otras formas de realizacion, la relacion molar de CO2 en la corriente 71b dirigida al segundo intercambiador de calor 440 y la corriente 72a dirigida al radiador lateral 470 puede ser de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 20:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 16:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 12:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 10:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 8:1, o de aproximadamente 4:1 a aproximadamente 6:1.
El radiador lateral puede comprender cualquier aparato util para impartir calor al fluido de circulacion de CO2. En algunas formas de realizacion, la energla (es decir, calor) proporcionada por el radiador lateral puede ser introducida en el sistema desde una fuente exterior. En formas de realizacion particulares, de acuerdo con la invencion, sin embargo, la eficiencia del ciclo se puede incrementar utilizando calor residual que se genera en uno o mas puntos en el ciclo. Por ejemplo, la production de CO2 para entrada en la camara de combustion puede producir calor. Unidades de separation de aire conocidas pueden generar calor como sub-producto del proceso de separation. Ademas, puede ser util que el O2 sea proporcionado a una presion incrementada, tal como se ha descrito anteriormente, y tal presurizacion del gas puede generar tambien calor como un sub-producto. Por ejemplo, se puede producir O2 por la operation de un proceso de separacion de aire criogenico, en el que el oxlgeno es presurizado en el proceso por bombeo de oxlgeno llquido que es calentado de una manera eficiente temperatura ambiente conservando la refrigeration. Tal planta de oxlgeno criogenico bombado puede tener dos compresores de aire, los cuales dos pueden ser accionados adiabaticamente sin refrigeracion entre-fases, de manera que el aire presurizado caliente pueden ser refrigerado hasta una temperatura que esta proxima a y/o mayor que la temperatura de la corriente que es calentada por la fuente externa (por ejemplo, la corriente 72a en la figura 8). En ajustes de la tecnica conocidos, tal calor es inutilizado o puede ser realmente un drenaje en el sistema, ya que se requieren sistemas de refrigeracion secundarios para eliminar el calor sub-producto. En la presente invencion, sin embargo, se puede utilizar un refrigerante para extraer el calor generados desde el proceso de separacion del aire y proporcionar el calor al radiador lateral ilustrado en la figura 8. En otras formas de realizacion, el radiador lateral podrla ser el mismo la unidad de separacion de aire (o un dispositivo asociado) y el fluido de circulacion del aire de CO2 (por ejemplo, la corriente 72a en la figura 8) podrla ser recirculado el mismo directamente a traves de un sistema de refrigerante o asociado con la unidad de separacion de aire para extraer el calor generado en el proceso de separacion del aire. Mas especlficamente, el calor anadido puede obtenerse por la operacion del compresor de CO2 adiabaticamente y retirado el calor de compresor en post-radiadores contra un fluido circulante de transferencia de calor que transfiere el calor de compresor para calentar parte del fluido de circulacion de CO2 a alta presion o por transferencia de calor directa a la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado a alta presion (por ejemplo, la corriente 72a en la figura 8). Ademas, la adicion de tal calo no esta limitada necesariamente a la portion descrita con relacion a la figura 8, sino que podrla entrar en el ciclo en cualquier punto despues de la separacion de los componentes secundarios desde el fluido de circulacion de CO2 (pero con preferencia antes del paso del fluido de circulacion de CO2 a traves del intercambiador de calor directamente curso arriba desde la entrada en la camara de combustion). Naturalmente, cualquier metodo similar de utilization de residuos generados en el ciclo de produccion de potencia estarla comprendido tambien por la presente invencion, tal como el uso de un suministro de vapor a una temperatura de condensation adecuada o el gas de escape caliente desde una turbina de gas de ciclo abierto convencional.
La cantidad de calor impartido por el radiador lateral 470 puede variar en funcion de los materiales y aparatos
utilizados as! como la temperatura ultima que debe alcanzarse para la corriente de fluido de circulation de CO2 para
la entrada en la camara de combustion 220. En algunas formas de realization, el radiador lateral 470 incrementa
efectivamente la temperatura de la corriente 72a en al menos aproximadamente 10 °C, al menos aproximadamente
20 °C, al menos aproximadamente 30 °C, al menos aproximadamente 40 °C, al menos aproximadamente 50 °C, al
menos aproximadamente 60 °C, al menos aproximadamente 70 °C, al menos aproximadamente 80 °C, al menos
aproximadamente 90 °C, o al menos aproximadamente 100 °C. En otras formas de realizacion, el radiador lateral
470 procesa efectivamente la temperatura de la corriente 72a de aproximadamente 10 °C a aproximadamente 200
°C, de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 175 °C, o de aproximadamente 75 °C a aproximadamente 150
°C. En aspectos especlficos, el radiador lateral 470 incrementa la temperatura de la corriente 72a hasta dentro de al
menos aproximadamente 15 °C, dentro de al menos aproximadamente 12 °C, dentro de al menos aproximadamente
10 °C, dentro de al menos aproximadamente 7 °C, o dentro de al menos aproximadamente 5 °C de la temperatura
de la corriente 73 que abandona al intercambiador de calor 440.
Por esta adicion de una fuente de calor adicional, la corriente 71 que abandona el tercer intercambiador de calor 450
pedes ser sobrecalentada mas alla de la capacidad del calor disponible en el segundo intercambiador de calor 440
para calentar la corriente de calor 71 si toda la cantidad de CO2 en la corriente ha sido dirigida a traves del segundo
intercambiador de calor 440. Por medio de la division de la corriente, el calor disponible en el segundo
intercambiador de calor 440 puede ser impartido totalmente al contenido parcial del fluido de circulacion de CO2 en
la corriente 71b mientras el calor disponible desde el radiador lateral 470 puede ser impartido totalmente al
contenido parcial del fluido de circulacion de CO2 en la corriente 72a. Por lo tanto, se puede ver que la temperatura
de las corrientes combinadas que entran en el primer intercambiador de calor 430, cuando se utiliza el metodo de
division alternativo, puede ser mayor que la temperatura de la corriente 73 que sale desde el segundo
intercambiador de calor 440 si la cantidad total del fluido de circulacion de CO2 en la corriente 71 se dirige al
segundo intercambiador de calor 440 de lugar de ser dividida y tratada por separado, como se ha descrito
anteriormente. En algunas formas de realizacion, el calor incrementado ganado por el metodo de division puede ser
suficientemente significativo para limitar si o no la corriente de fluido de circulacion de CO2 esta suficientemente
caliente antes de entrar en la camara de combustion.
Como se ve en la figura 8, la corriente 71b que abandona el divisor 460 se pasa a traves del segundo intercambiador
de calor 440 para formar la corriente 73, que se dirige hacia la mezcladora 480 que combina la corriente 73 con la
corriente 72b descargada desde el radiador lateral 470. La corriente combinada 74 se pasa entonces a traves
entonces a traves del primer intercambiador de calor 430 para calentar el fluido de circulacion de CO2 a una
temperatura que esta sustancialmente proxima a la temperatura de la corriente de descarga de la turbina cuando
entra en el primer intercambiador de calor 430. Esta proximidad de las temperaturas en las corrientes de fluido en el
extremo caliente del primer intercambiador de calor se puede aplicar a otras formas de realizacion de la invention,
en las que se utilizan menos de tres o mas de tres intercambiadores de calor y se puede aplicar al primer
intercambiador de calor a traves del cual se pasa el fluido de circulacion de CO2 despues de la descarga desde las
turbinas. La capacidad para conseguir esta proximidad en la temperatura de las corrientes de fluido en el extremo
caliente del primer intercambiador de calor puede ser una caracterlstica clave de la invencion para alcanzar niveles
de eficiencia deseados. En ciertas formas de realizacion, la diferencia entre la temperatura de la corriente de
descarga de la turbina que entra en el primer intercambiador de calor en llnea desde las turbinas (es decir, despues
de la expansion en las turbinas) y la temperatura de la corriente de fluido de circulacion de CO2 que abandona el
intercambiador de calor para reciclado a la camara de combustion puede ser inferior a aproximadamente 80 °C,
inferior a aproximadamente 75 °C, inferior a aproximadamente 70 °C, inferior a aproximadamente 65 °C, inferior a
aproximadamente 60 °C, inferior a aproximadamente 55 °C, inferior a aproximadamente 50 °C, inferior a aproximadamente 45 °C, inferior a aproximadamente 40 °C, inferior a aproximadamente 35 °C, inferior a aproximadamente 30 °C, inferior a aproximadamente 25 °C, inferior a aproximadamente 20 °C, o inferior a
aproximadamente 15 °C.
Como se puede ver a partir de lo anterior, la eficiencia de los sistemas y metodos de la presente invencion se puede
facilitar grandemente por el control preciso de la diferencia de la temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor 429 (o el primer intercambiador de calor 430 en la serie ilustrada en la figura 8) entre la
corriente de descarga de la turbina 50 y la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado 236. En formas de
realizacion preferidas, esta diferencia de la temperatura es inferior a 50 °C. Aunque no se desea unirse por teorla, se
ha encontrado de acuerdo con la presente invencion que el calor disponible para calentar el fluido de circulacion de
CO2 reciclado (por ejemplo calor tomado desde la corriente de descarga de a turbina en el uno o mas
intercambiadores de calor) puede ser inadecuado para calentar suficientemente la corriente total de fluido de
circulacion de CO2 reciclado. La presente invencion ha reconocido que esto puede ser superado dividiendo la
corriente 71 de manera que la corriente 71b entra en el intercambiador de calor 440 y la corriente 72a entra en la
fuente de calor externa 470 que proporciona la fuente externa adicional de calor que eleva la temperatura de la
corriente 72b que abandona el intercambiador de calor 440, como ya se ha descrito anteriormente. Las corrientes
72b y 73 se combinan entonces para formar la corriente 74. El caudal de flujo de la corriente 71b (es tambien la
corriente 72a) se puede controlar por la diferencia de temperatura en el extremo frlo del intercambiador de calor 440.
La cantidad de calor externo requerido para superar la insuficiencia termica descrita anteriormente se puede reducir
al mlnimo haciendo que la temperatura de la corriente 56 sea lo mas baja posible y entonces reduciendo al mlnimo la diferencia de la temperatura del extremo frlo del intercambiador de calo 440. El vapor de agua presente en la corriente 56 que resulta de los productos de la combustion alcanza su punto de roclo a una temperatura que depende de la composicion de la corriente 56 y su presion. Por debajo de esta temperatura, la condensacion del agua incrementa grandemente el mCp efectivo de la corriente 56 con respecto a la corriente 60 y proporciona todo el calor requerido para calentar la corriente de reciclado total 70 a la corriente 71. La temperatura de la corriente 56 que abandona el intercambiador de calor 440 entre las corrientes 56 y 71 puede ser con preferencia al menos aproximadamente 3 °C, al menos aproximadamente 6 °C, al menos aproximadamente 9 °C, al menos aproximadamente 12 °C, al menos aproximadamente 15 °C, al menos aproximadamente 18 °C, o al menos aproximadamente 20 °C.
Volviendo a la figura 5, el fluido de circulacion de CO2 236 puede ser precalentado antes de ser reciclado a la camara de combustion 220, tal como se describe en relacion a al menos un intercambiador de calor 420, que recibe la corriente de descarga de la turbina caliente 50 despues del paso a traves de las turbinas de expansion 320. Para incrementar al maximo la eficiencia del ciclo, puede ser util operar las turbinas de expansion 320 a una temperatura de entrada tan alta como sea posible consistente con los materiales de construccion disponibles de la trayectoria de entrada de gas caliente y las palas de las turbinas altamente estresadas, as! como la temperatura maxima disponible en el intercambiador de calor 420 consistente con las presiones operativas del sistema. La trayectoria de entrada caliente de la corriente de entrada de la turbina y las primeras hileras de palas de las turbinas se pueden refrigerar por cualquier medio util. En algunas formas de realizacion, a eficiencia se puede incrementar al maximo utilizando parte del fluido de circulacion de CO2 reciclado a alta presion. Especlficamente, el fluido de circulacion de CO2 a temperatura mas baja (por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 200 °C) se puede extraer desde el ciclo delante del extreme frlo del intercambiador de calor 420 o desde un punto intermedio en el intercambiador de calor 420 cuando se utiliza una serie de unidades de intercambiadores multiples (por ejemplo de las corrientes 71, 72a, 71b, 72b, 73, o 74 en la figura. 8). El fluido de refrigeracion de las palas se puede descargar desde agujeros en la pala de la turbina y se puede introducir directamente en el flujo de la turbina.
El funcionamiento de un quemador de alta eficiencia, tal como una camara de combustion refrigerada por transpiracion, puede producir un gas de la combustion que es un gas oxidante con exceso de concentracion de oxlgeno (tal como en el intervalo de 0,1 % a aproximadamente 5 % molar). Alternativamente, la camara de combustion puede producir un gas de la combustion que es un gas reductor con ciertas concentraciones de uno o mas H2, CO, CH4 , H2S, y NH3. Esto es particularmente beneficioso de acuerdo con la invencion para usar una serie de unidades de turbina (por ejemplo 2, 3 o mas unidades). De manera beneficiosa, todas las unidades pueden operar con la misma temperatura de entrada, y esto permite incrementar al maximo la potencia de salida para una relacion dada de la presion de alimentacion de la primera turbina y la presion general.
Un ejemplo de una unidad de turbina 320 que utiliza dos turbinas 330, 340 accionadas en serie en un modo reductor se muestra en la figura 9. Como se ve all!, la corriente de producto de la combustion 40 se dirige a la primera turbina 330. En tales formas de realizacion, la corriente de producto de la combustion 40 esta disenada (por ejemplo, a traves del control del combustible usado, la cantidad de O2 usado, y las condiciones operativas de la camara de combustion) para que sea un gas reductor con uno o mas componentes combustibles en el, como se ha descrito anteriormente. La corriente de producto de la combustion 40 se expande a traves de la primera turbina 330 para producir potencia (tal como en asociacion con un generador electrico, no mostrado en esta ilustracion) y formar una primera corriente de descarga 42. Antes de la introduccion en la segunda turbina 340, se puede anadir una cantidad predeterminada de O2 a la primera corriente de descarga de la turbina 42. Esta abandona el oxlgeno excesivo mientras eleva la temperatura de entrada en la segunda unidad de turbina 340 hasta sustancialmente el miso valor que la temperatura de entrada a la primera unidad de turbina 330. Por ejemplo, la temperatura de la corriente de descarga 42 desde la primera unidad de turbina 330 puede estar en el intervalo de aproximadamente 500 °C a aproximadamente 1000 °C. Cuando esta en el modo reductor, la adicion del O2 a la corriente de descarga 42 a esta temperatura puede causar que el gas en la corriente sea calentado por la combustion del gas combustible en exceso hasta una temperatura en el intervalo de aproximadamente 700 °C a aproximadamente 1.600 °C, que es sustancialmente el mismo intervalo de temperatura que la corriente de producto de la combustion 40 que entra en la camara de combustion 220 antes de entrar en la primera unidad de turbina 330. En otras palabras, la temperatura operativa en la entrada de cada una de las dos turbinas difiere en no mas que aproximadamente 10 %, no mas que aproximadamente 9 %, no mas que aproximadamente 8 %, no mas que aproximadamente 7 %, o no mas que aproximadamente 6 %, no mas que aproximadamente 5 %, no mas que aproximadamente 4 %, no mas que aproximadamente 3 %, no mas que aproximadamente 2 %, o no mas que aproximadamente 1 %. Etapas de recalentamiento similares para otras unidades de turbinas podrlan realizarse tambien hasta la extension de que permanezca combustible residual.
La composicion se puede mejorar por el uso de un catalizador adecuado en el espacio de la combustion alimentado con oxlgeno, si se requiere. Las ventajas de tales sistemas y metodos de acuerdo con la presente invencion que utilizan una pluralidad de turbinas y, opcionalmente, una pluralidad de camaras de combustion se describen todavla mas adelante. En ciertas formas de realizacion, se puede utilizar un ciclo de potencia como se describe aqul para
retroajustar estaciones de potencia existentes, tal como por la introduccion de un fluido calefactor a alta temperatura, a alta presion (por ejemplo, la corriente de descarga de la turbina descrita aqui) en el ciclo de sobrecalentamiento del vapor de una estacion de potencia de ciclo Ranking convencional. Esta podria ser una estacion de energia potencia quemada con carbon o estacion de energia nuclear con un ciclo de calor de reactor de agua hirviendo (BWR) o de reactor de agua presurizada (PWR). Esto incrementa efectivamente la eficiencia y la salida de potencia de la estacion de energia Ranking vapor por el sobrecalentamiento del vapor hasta una temperatura mucho mas alta que la temperatura maxima del vapor sobrecalentado producido en el sistema existente. En el caso de una caldera quemada con carbon pulverizado, las temperaturas del vapor son actualmente hasta un maximo de aproximadamente 600 °C, mientras que las condiciones del vapor en una estacion de energia nuclear son generalmente hasta aproximadamente 320 °C. Utilizando el sobrecalentamiento posible con el intercambio de calor en los presentes sistemas y metodos de la invencion, la temperatura del vapor se puede elevar hasta por encima de 700 °C. Esto conduce a la conversion directa de la energia termica en potencia extra del estator, puesto que el combustible adicional quemado para sobrecalentar el vapor se convierte en energia extra en la estacion de energia basada en vapor proporcionando una unidad secundaria de intercambio de calor. Por ejemplo, la corriente de descarga de la turbina descrita en relacion a los presentes metodos y sistemas de la invencion podria dirigirse a traves de la unidad secundaria de intercambio de calor antes de pasar a traves de la unidad primaria de intercambio de calor, como se describe de otra manera aqui. El calor obtenido en la segunda unidad de intercambio de calor podria utilizarse para sobrecalentar el valor desde la caldera, como se ha descrito anteriormente. El vapor sobrecalentado podria dirigirse hacia una o mas turbinas para generar potencia. La corriente de descarga de la turbina, despues de pasar a traves de la unidad secundaria de intercambio de calor, podria dirigirse entonces a la unidad primaria de intercambio de calor, como se describe de otra manera aqui. Tal sistema y metodo se describe en el Ejemplo 2 y se ilustra en la figura 12. Ademas, es posible tomar bajo a baja presion desde la entrada de la turbina final de vapor y usarlo para calentar parte del fluido de circulacion de CO2 , como se ha descrito anteriormente. En formas de realizacion especificas, el condensado desde la estacion de energia de vapor se puede calentar hasta una temperatura intermedia antes de la des-aireacion utilizando una corriente de fluido de circulacion de CO2 , que abandona el extremo frio de la unidad de intercambio de calor (por ejemplo, a una temperatura de aproximadamente 80 °C en algunas formas de realizacion). Este calentamiento utiliza normalmente vapor drenado tomado desde la entrada a la fase final de la turbina de vapor LP, de manera que el efecto neto sobre la eficiencia de la estacion de energia de vapor del deficit para presente calentamiento de la corriente lateral se compensa por el pre-calentamiento del condensado, que conserva vapor drenado.
El metodo general descrito anteriormente para la produccion de potencia (es decir, ciclo de potencia) se puede implementar de acuerdo con la invencion utilizando un sistema de produccion de potencia adecuado, como se describe aqui. Generalmente, un sistema de produccion de potencia de acuerdo con la invencion puede comprender cualquiera de los componentes descritos aqui en relacion al metodo de produccion de potencia. Por ejemplo, un sistema de produccion de potencia puede comprender una camara de combustion para quemar un combustible que contiene carbono en la presencia de O2 y de un fluido de circulacion de CO2. Especificamente, la camara de combustion puede ser una camara de combustion refrigerada por transpiracion, como se describe aqui; no obstante, tambien se pueden utilizar aqui otras camaras de combustion capaces de operar en las condiciones descritas de otra manera aqui. La camara de combustion se puede caracterizar especificamente en relacion a las condiciones de la combustion bajo las que opera asi como componentes especificos de la propia camara de combustion. En algunas formas de realizacion, el sistema puede comprender uno o mas inyectores para proporcionar el combustible que contiene carbono (y opcionalmente un medio de fluidizacion) el O2 y el fluido de circulacion de CO2. El sistema puede incluir componentes para la eliminacion de escoria liquida. La camara de combustion puede producir un gas combustible a una temperatura a la que las particulas de ceniza solida se pueden filtrar efectivamente desde el gas, y el gas se puede mezclar con CO2 frio y se puede quemar en una segunda camara de combustion. La camara de combustion puede incluir al menos una etapa de combustion que quema el combustible que contiene carbono en la presencia del fluido de circulacion de CO2 para proporcionar una corriente producto de la combustion que comprende CO2 a una presion y temperatura como se describen aqui.
El sistema comprende, ademas, una serie de turbinas de produccion de potencia en comunicacion de fluido con la camara de combustion. Las turbinas pueden tener una entrada para recibir la corriente de producto de la combustion y una salida para la liberation de de una corriente de descarga de la turbina que comprende CO2. Se puede producir potencia a medida que la corriente de fluido se expande, estando disenadas las turbinas para mantener la corriente de fluido en una relacion de la presion (Ip/Op) deseada, como se describe aqui.
El sistema puede comprender al menos un intercambiador de calor en comunicacion de fluido con las turbinas para recibir la corriente de descarga de las turbinas y refrigerar la corriente para formar una corriente de fluido de circulacion de CO2 refrigerado. De la misma manera, el al menos un intercambiador de calor se puede utilizar para calentar el fluido de circulacion de CO2 que se introduce en la camara de combustion. El (los) intercambiador(es) de calor se puede(n) caracterizar de una manera especifica en relacion a los materiales a partir de los cuales esta(n) constituido, por que permite(n) el funcionamiento en condiciones especificas, como se describe aqui.
El sistema puede comprender tambien uno o mas dispositivos para separar la corriente de fluido de circulacion de
CO2 que sale desde el intercambiador de calor en CO2 y uno u otros mas componentes para recuperacion o disposicion. De manera especifica, el sistema puede comprender medios para separar agua (u otras impurezas descritas aqui) a partir de la corriente de fluido de circulacion de CO2.
El sistema puede comprender, ademas, uno o mas dispositivos (por ejemplo, compresores) en comunicacion de fluido con el al menos un intercambiador de calor y/o en comunicacion de fluido con uno o mas de los dispositivos de separation) para comprimir el fluido de circulacion de CO2 purificado. Ademas, el sistema puede comprender medios para separar el fluido de circulacion de CO2 en dos corrientes, una corriente para el paso a traves del intercambiador de calor y en la camara de combustion y una segunda corriente para suministro a una tuberia presurizada (u otros medios para recogida y/o disposicion del CO2).
En algunas formas de realization, se pueden incluir incluso otros componentes en el sistema. Por ejemplo, el sistema puede comprender una unidad de separacion de O2 para suministro de O2 dentro de la camara de combustion (o en un inyector p dispositivo similar mezclar el O2 con uno u otros mas materiales). En algunas formas de realizacion, la unidad de separacion de aire puede generar calor. De esta manera, puede ser util que el sistema comprenda, ademas, uno o mas componentes de transferencia de calor que transfieren calor desde la unidad de separacion de aire hasta la corriente de fluido de circulacion de CO2 curso arriba desde la camara de combustion. En otras formas de realizacion, un sistema de acuerdo con la invention puede comprender cualquiera o todos los componentes descritos de otra manera aqui en relation al ciclo de generation de potencia y los metodos de generacion de potencia.
En otras formas de realizacion, la invencion comprende sistemas y metodos particularmente utiles en la production de potencia utilizando un combustible (tal como carbon) que deja un residuo incombustible despues de la combustion. En ciertas formas de realizacion, tales materiales incombustibles se pueden eliminar de la corriente de producto de la combustion a traves del uso de un dispositivo apropiado, tal como un aparato de retirada de contaminantes ilustrado en la figura 4. Sin embargo, en otras formas de realizacion, puede ser util gestionar los materiales incombustibles a traves del uso de un sistema de camaras de combustion multiples, tales como se ilustran en la figura 10.
Como se muestra en la figura 10, el combustible de carbon 254 se puede pasar a traves de un aparato triturador 900 para proporcionar un carbon en polvo. En formas de realizacion especificas, el carbon puede tener un tamano medio de las particulas de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 500 pm, de aproximadamente 25 pm a aproximadamente 400 pm, o de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 200 pm. En otras formas de realizacion, el carbon se puede describir por que mas del 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 %, o 99.5 % de las particulas de carbon tienen un tamano medio inferior a aproximadamente 500 pm, 450 pm, 400 pm, 350 pm, 300 pm, 250 pm, 200 pm, 150 pm, o 100 pm. El carbon en polvo se puede mezclar con una sustancia de fluidization para proporcionar en carbon en la forma de una suspension. En la figura 10, el carbon en polvo se combina en la mezcladora una toma lateral de CO268 desde el fluido de circulacion de CO2 reciclado. En la figura 10, la toma lateral de CO268 se extrae desde la corriente 67, que ha sido sometida a procesamiento para proporcionar el fluido de circulacion de CO2 en un estado supercritico de alta densidad. En formas de realizacion especificas, el CO2 utilizado para formar la suspension de carbon puede tener una densidad de aproximadamente 450 kg/m3 a aproximadamente 1.100 kg/m3. Mas particularmente, la toma lateral de CO268 puede cooperar con el carbon en particulas para formar una suspension 255 que tiene, por ejemplo, entre aproximadamente 10 % en peso y aproximadamente 75 % en peso o entre aproximadamente 25 % en peso y aproximadamente 55 % en peso del carbon en particulas. Ademas, el CO2 tomado en la toma lateral 68 utilizado para formar la suspension puede estar a una temperatura inferior a aproximadamente 0 °C, inferior a aproximadamente -10 °C, inferior a aproximadamente -20 °C, o inferior a aproximadamente -30 °C. En otras formas de realizacion, el CO2 tomado en la toma lateral 68 utilizado para formar la suspension puede estar a una temperatura de aproximadamente 0 °C a aproximadamente -60 °C, de aproximadamente -10 °C a aproximadamente -50 °C, o de aproximadamente -18 °C a aproximadamente -40 °C.
La suspension de carbon en polvo/CO2255 se transfiere desde la mezcladora 910 a traves de una bomba 920 hasta una camara de combustion de oxidation parcial 930. Se forma una corriente de O2 utilizando una unidad de separacion de aire 30 que separa aire 241 en O2 purificado, como se describe aqui. La corriente de CO2 es dividida en la corriente de O2 243, que se dirige a la camara de combustion de oxidacion parcial 220. En la forma de realizacion de la figura 10, una corriente de CO2 86 es tomada desde la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado 85 para uso en la refrigeration de la camara de combustion de oxidacion parcial 930. En otras formas de realizacion, el CO2 para uso en la refrigeracion de la camara de combustion de oxidacion parcial 930 se puede tomar de la corriente 236 en lugar de la corriente 86 o la corriente 236. Con preferencia, la cantidad de CO2 tomada es suficiente para refrigerar la temperatura de la corriente 256, de tal manera que la ceniza esta presente en una forma solida que se puede retirar con seguridad. Como se describe aqui de otra manera, el Co 2, carbon y O2 son proporcionados a la camara de combustion de oxidacion parcial 930 en relaciones tales que el carbon en oxidado solo parcialmente para producir una corriente de producto de la combustion 256 oxidada parcialmente, que comprende CO2 junto con uno o mas de H2, CO, CH4 , H2S, y NH. El CO2 , carbon y O2 son introducidos tambien en
la camara de combustion de oxidacion parcial 930 en relaciones necesarias para que la temperatura de la corriente de producto de la combustion parcialmente oxidado 356 sea suficientemente baja para que toda la ceniza presente en la corrientes 256 este en la forma de partlculas solidas que se pueden retirar facilmente por uno o mas separadores de ciclon y/o filtros. La forma de realizacion de la figura 10 ilustra la retirada de la ceniza por medio de filtro 940. En formas de realizacion especlficas. La temperatura de la corriente de producto de la combustion parcialmente oxidado 356 puede ser inferior a aproximadamente 1.100 °C, inferior a aproximadamente 1.000 °C, inferior a aproximadamente 900 °C, inferior a aproximadamente 800 °C, o inferior a aproximadamente 700 °C. En otras formas de realizacion, la temperatura de la corriente de producto de la combustion parcialmente oxidado 356 puede ser de aproximadamente 300 °C a aproximadamente 1.000 °C, de aproximadamente 400 °C a aproximadamente 950 °C, o aproximadamente 500 °C a aproximadamente 900 °C.
La corriente de combustion filtrada, parcialmente oxidada 257 puede introducirse directamente en la segunda camara de combustion 220, que puede ser una camara de combustion refrigerada por transpiracion, como se describe de otra manera aqul. Esta entrada esta prevista junto con la corriente de O2242, y la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado 236. La combustion en este punto se puede realizar de manera similar como se describe de otra manera aqul. Los materiales de la combustion corriente de producto de la combustion 256 oxidada parcialmente son quemados en la camara de combustion 220 en la presencia de O2 y CO2 para proporcionar la corriente de combustion 40. Esta corriente se expande a traves de las turbinas 320 para producir potencia (por ejemplo, a traves del generador 1209). La corriente de descarga de la turbina 50 se pasa a traves de una unidad de intercambiador de calor 420 (que puede ser una serie de intercambiadores de calor, tal como se describe en relacion a la figura 8). La corriente de fluido de circulacion de CO260 se pasa a traves del intercambiador de calor de agua frla 530 para formar la corriente 61, que se pasa al separador 540 para la retirada de componentes secundarios (por ejemplo, H2O, SO2 , SO4 , NO2 , NO3 , y Hg) en la corriente 62. El separador 540 puede ser sustancialmente similar a la columna 1330 descrita en relacion a la figura 12 a continuacion. Con preferencia, el separador 540 comprende un reactor que proporciona un contactor con tiempos de resistencia suficientes para que las impurezas puedan reaccionar con agua para formar materiales (por ejemplo, acidos) que son eliminados facilmente. La corriente de fluido de circulacion de CO2 purificado 65 se pasa a traves del primer compresor 630 para formar la corriente 66, que se refrigera con el intercambiador de calor de agua frla 640 para proporcionar el fluido de circulacion de CO2 supercrltico de alta densidad 67. Como se ha descrito anteriormente, una porcion de la corriente 67 se puede extraer como corriente 68 para uso como el medio de fluidizacion en la mezcladora 910 para formar la corriente de suspension de carbon 255. La corriente de fluido de circulacion de CO2 supercrltico de alta densidad 67 es presurizada, ademas, de otra manera en el compresor 650 para formar la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado, supercrltico de alta densidad 70. Una porcion del CO2 en la corriente 70 se puede extraer en el punto 720, como se describe aqul en relacion a la figura 5 y la figura 11 para proporcionar la corriente 80 a la tuberla de CO2 o a otros medios de recogida. La porcion restante del CO2 funciona como corriente de fluido de circulacion de CO2 supercrltico de alta densidad 85, una porcion de la cual se puede extraer como corriente 86 para uso para refrigeracion de la camara de combustion de oxidacion parcial 930, como se ha descrito anteriormente. De otra manera, la corriente 85 es pasada de retorno a traves del intercambiador de calor 420 (o una serie de intercambiadores de calor, como se describe en relacion a la figura 8) para calentar la corriente y finalmente formar la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado 236 para introduccion en la camara de combustion 220. Como se ha descrito anteriormente, se puede utilizar una fuente de calor externa en combinacion con la unidad de intercambiador de calor 420 para proporcionar la eficiencia necesaria. De la misma manera, otros parametros de los sistemas y metodos como se describen de otra manera aqul se pueden aplicar al sistema y metodo de acuerdo con la figura 10, tales como temperaturas y presiones del vapor, as! como otras condiciones operativas para la unidad de turbina 320, la unidad de intercambiador de calor 420, la unidad de separacion 520, y la unidad de compresor 630.
La description anterior se ha referido a varios elementos de los sistemas y metodos descritos actualmente que pueden proporcionar incrementos inesperados en eficiencia que no han sido descritos hasta ahora en la tecnica. De manera sorprendente, la presente invention es todavla mas beneficiosa por que se pueden conseguir ganancias adicionales significativas a traves de la utilization caldas directas de la temperatura y/o de la presion en cualquier punto de un ciclo cerrado de production de potencia, como se describe aqul utilizando un fluido de trabajo de CO2. Combinaciones especlficas de dispositivos de expansion y de camaras de combustion, que se pueden adaptar para operation en serie o en paralelo, pueden comprender una variedad de condiciones, en donde el calentamiento de un fluido en la camara de combustion y/o la refrigeracion del fluido en el dispositivo de expansion es opcional, y se pueden posicionar en uno o mas segmentos del ciclo cerrado para recuperar energla disponible de una manera que no se habla reconocido hasta ahora.
En formas de realizacion particulares, por ejemplo, sistemas y metodos de la presente invencion pueden comprender un sistema de turbina que esta adaptado para incrementar al maximo la salida de potencia para un flujo de Co2 reciclado de alta presion fijo dado y presion utilizando una o mas turbinas adicionales. En formas de realizacion especlficas, una o mas de las otras turbinas pueden tomar parte o todo el flujo de descarga desde la primera turbina. El flujo desde la primera turbina se puede recalentar opcionalmente utilizando una segunda camara de combustion de oxi-combustible, y el flujo recalentado se puede expandir entonces hasta cerca de presion atmosferica a traves de una o mas turbinas adicionales. El flujo desde uno o mas dispositivos de expansion
adicionales se puede utilizar para proporcionar al menos parte del flujo de refrigeration total utilizado para calentar la corriente de CO2 reciclado de alta presion.
La presion de entrada de la segunda turbina (o turbinas siguientes en una serie) se puede definir por la presion de descarga de la primera turbina (o la turbina curso arriba inmediata en una serie) menos la calda de la presion a traves de la tuberla y cualquiera camara de combustion interpuesta entre las turbinas. Ademas, la temperatura de descarga de la segunda turbina (o turbinas siguientes en una serie, se puede definir por la temperatura maxima de diseno del intercambiador de calor recuperativo e la presion que se define por la presion de la corriente de entrada de la turbina de maxima presion.
En una forma de realization se pueden usar dos turbinas y todo el flujo desde la primera turbina puede ser recalentado y mezclado con productos de la combustion de un combustible hidrocarburo y/o combustible gaseoso carbonoso con oxlgeno en una segunda camara de combustion interpuesta y entonces se expande en una segunda turbina que produce potencia de estator adicional. Puesto que la temperatura de salida de la turbina se fija por las condiciones de diseno del intercambiador de calor de recuperador, la temperatura de entrada de la segunda turbina esta fijada de una manera similar una vez que se ha determinado la presion de salida de la segunda turbina.
En algunas formas de realizacion una o mas de las turbinas utilizadas en los sistemas y metodos descritos se pueden adaptar para proporcionar energla mecanica desde la potencia del estator de la turbina (es decir, mas que producir energla electrica). Una o mas turbinas pueden estar entonces en una conexion de trabajo mecanico con uno o mas componentes adicionales de los presentes sistemas y metodos (por ejemplo, un compresor, una bomba, una unidad de separation de aire). Por ejemplo, una pluralidad de turbinas puede estar en una conexion mecanica con una o mas componentes adicionales, incluyendo un generador. En otro ejemplo, cada una de una pluralidad de turbinas puede estar por separado en conexion mecanica con un componente individual utilizando la potencia del estator de la turbina. En otras formas de realizacion, la conexion de trabajo mecanico se puede utilizaren combination con otro sistema o metodo. En particular, cualquier sistema o metodo industrial que se beneficie de la provision de potencia a partir de la rotation mecanica se puede combinar con los metodos y sistemas descritos actualmente.
En otras formas de realizacion, la salida de potencia de la segunda turbina (o de otra turbina cuando se utilizan tres o mas turbinas) se puede incrementar al maximo a traves de la operation de tal manera que la presion de descarga de la turbina esta proxima a la presion atmosferica. Especlficamente, esto puede permitir la calda de la presion a traves del intercambiador de calor recuperativo, el refrigerador del ambienta, y los componentes separadores de agua llquida de todo el ciclo de production de energla. La presion puede estar con preferencia por encima de 0,9 bares (0,09 MPa) para evitar caudales de flujo volumetrico grandes en el compresor de CO2 reciclado.
En algunas formas de realizacion, una turbina individual de fases multiples puede utilizarse de acuerdo con la presente description. En otras formas de realizacion,. se puede utilizar una pluralidad de turbinas de fase individual. La temperatura de salida fija de la segunda turbina puede conducir a una temperatura de entrada definida por la relation entre la presion de salida de la primera turbina y la presion de la segunda turbina. En general, se ha encontrado que la temperatura de entrada de la primera turbina se puede fijar ahora en el valor mas alto posible consistente con el diseno, material y consideraciones de vida, lo que significa que la potencia de salida de la primera turbina se puede incrementar considerablemente comparada con un caso de una turbina individual. La razon para esto es que puesto que toda la salida de la primera turbina entra ahora en la segunda turbina, no existe ahora ya ninguna limitation de la temperatura sobre la temperatura de salida de la primera turbina causada por consideraciones de diseno para el intercambiador re calor recuperativo, debido a que el flujo de salida de la primera turbina no pasa ya a traves del intercambiador de calor recuperativo. La temperatura de entrada de la segunda turbina puede ser mas alta que la temperatura de descarga de la primera turbina que resulta de la segunda camara de combustion de oxi-combustible, que calienta por combustion directa el flujo de entrada de la segunda turbina en el caso de flujo completo de la primera temperatura dentro de la segunda turbina. La temperatura de entrada de CO2 reciclado a la primera camara de combustion y la temperatura de salida de la segunda turbina son virtualmente identicas para los casos de turbina individual y de dos turbinas, como se define con todo el flujo de descarga de la primera turbina que entra en la segunda turbina. La potencia de salida de la primera turbina se incrementa, sin embargo, considerablemente incrementando la temperatura de entrada con la combustion de oxi-combustible de mas combustible gaseoso en la primera camara de combustion. El valor del combustible adicional quemado en el caso de dos turbinas se convierte en potencia del estator cerca del 100 % de eficiencia. Esto conduce a un incremento significativo en la salida total de potencia y eficiencia para el sistema de dos turbinas comparado con un sistema de una turbina individual. El incremento en el equipo instalado y el coste del sistema de dos turbinas es basicamente tomar el caso de una turbina individual y anadir la segunda turbina y camara de combustion mas el compresor de reciclado adicional para incrementar la presion desde cerca de la presion atmosferica hasta la presion de salida de la turbina refrigerada del caso de una turbina individual. Este no es un incremento grande de coste comparado con el incremento en potencia de salida que es hasta 280 %. Utilizando numeros de diseno de proceso real representativo para un sistema, la eficiencia utilizando combustible de gas natural esta en el intervalo de 58,5 % a 62 % en (base de vapor calefactor inferior) en Condiciones ISO con todo el CO2 producido a presion atmosferica.
La compresion del producto neto de CO2 a 300 bares (30 MPa) reducira estas eficiencias en aproximadamente 1,8 puntos porcentuales dependiendo principalmente de las eficiencias del compresor y de la turbia.
El combustible y oxlgeno adicionales utilizados en la segunda camara de combustion se anade al flujo de la segunda turbina y resulta en un flujo de escape adicional pequeno de la turbina disponible para otras actividades de calentamiento, una vez que la cantidad de flujo de la turbina requerid para calentar el CO2 reciclado a alta presion ha sido utilizada en el intercambiador de calor recuperativo. Este flujo pequeno adicional esta tlpicamente en el intervalo de 4 % a 8 % del flujo total de la segunda turbina cuando todo el flujo de la primera turbina pasa a la segunda turbina. Este flujo a temperatura de descarga de la turbina se puede utilizar para precalentar el combustible utilizado en las dos turbinas y el oxidante utilizado en la segunda camara de combustion. Hay que indicar que el oxidante utilizado en la primera camara de combustion se diluye generalmente con CO2 y de calienta en el intercambiador de calor regenerativo.
El sistema de dos turbinas puede utilizar un calor de nivel de baja temperatura para contribuir al calentamiento la corriente de reciclado de CO2 a alta presion derivada tlpicamente de la compresion adiabatica de al menos parte de la alimentacion de aire a la planta de separation de aire criogenico, aunque tambien estan comprendidas otras fuentes de calor. En algunas formas de realization, parte de la energla termica presente en el flujo de descarga de exceso de la segunda turbina puede ser utilizada para proporcionar al menos parte de este ciclo de calentamiento de CO2 reciclado de nivel de baja temperatura. La operation de la segunda turbina a una presion de descarga proxima a la presion atmosferica significa que una portion de oxlgeno requerido para la primera camara de combustion puede ser producido a partir de la planta de oxlgeno cerca de la presion atmosferica. Entonces se puede mezclar con el CO2 reciclado aproximadamente a presion atmosferica. Entonces se puede mezclar con CO2 reciclado a presion aproximadamente atmosferica despues de la separacion del agua llquida, dando una composition de 15 % a 450 % molar de O2, que es comprimido entonces a la presion de descarga de la corriente de reciclado a alta presion de CO2 con un incremento de la presion equivalente a la calda de la presion a traves del sistema de quemadores de la primera camara de combustion. Esto puede proporcionar una alternativa a la production de oxlgeno a partir de la planta de separacion de aire a las presiones mas altas requeridas para las camaras de combustion.
En algunas formas de realizacion, el flujo en la segunda turbina puede estar limitado a la cantidad de un contenido de CO2 que es igual al carbono oxidado presente en el combustible utilizado en la primera y segunda camaras de combustion. En este caso, todo el flujo de descarga del segundo dispositivo de expansion a presion proxima a la atmosferica se puede pasar a traves de un conjunto separado de pasos en el intercambiador de calor recuperativo. Se puede descargar a la atmosfera despues de abandonar el extremo frlo del intercambiador de calor recuperativo. Si el producto de CO2 neto debe ser recuperado para desecho, se puede comprimir a la presion de aspiration del compresor de CO2 reciclado a alta presion y se puede producir a cualquier presion a partir de ese punto hasta la presion de reciclado que entra en el intercambiador de calor recuperativo para suministro de un sistema de tuberla para desecho.
En algunas formas de realizacion de un sistema de dos tuberlas, todo el flujo de la primera tuberla puede pasar a traves de la segunda tuberla que tiene una presion de descarga proxima a la atmosferica. Tales formas de realizacion pueden integrarse con una instalacion calefactora de gas natural llquido presurizado utilizada para suministro de gas natural desde un terminal de reception de LNG hasta un sistema de tuberla de gas natural a alta presion. Un sistema de este tipo que utiliza una turbina individual se describe en la Solicitud de Patente de los EE.UU en tramitacion con la presente N° 13/666.522. En tales formas de realizacion, el CO2 a presion proxima a la atmosferica desde la segunda turbina, despues de la separacion del agua llquida, se puede comprimir a una presion en el intervalo de aproximadamente 6 bares (0,6 MPa) a aproximadamente 10 bares (1 MPa), que esta por encima de la presion de congelation del CO2 de 5,18 bares (0,518 MPa). El gas CO2 se seca entonces en un secador secante hasta un punto de roclo inferior a -56°C y se pasa a un intercambiador de calor de licuacion, donde es licuado contra una corriente de gas natural a alta presion en condiciones de entrada que tienen tlpicamente una presion en el intervalo de aproximadamente 40 bares (4 MPa) a aproximadamente 70 bares (7 MPa) y una temperatura en el intervalo de aproximadamente -160 °C a aproximadamente -140 °C. El gas natural abandona el licuador de CO2 a una temperatura proxima a aproximadamente 10°C a aproximadamente 20°C hasta la temperatura de entrada del CO2. El CO2 licuado es bombeado en una bomba centrlfuga de fases multiples a la presion requerida de reciclado de CO2. El producto CO2 neto se puede producir a partir de la planta como CO2 llquido a una presion de aproximadamente 6 bares (6 MPa) a 10 bares (1 MPa). Este CO2 llquido se puede transportar facilmente para desecho o uso para recuperacion mejorada del aceite. Tal uso se describe en la Publication de Patente de los EE.UU. N° 2012/0067568 a nombre de Palmer et al. En el caso de su uso para recuperation mejorada de aceite, el O2 y el contenido de gas inerte se pueden ajustar para caer dentro del intervalo de partes por millon para cumplir las especificaciones de pureza requeridas. Una variante particular de este sistema es accionar la segunda turbina con una presion de descarga en el intervalo de aproximadamente 6.5 bares (0,65 MPa) a aproximadamente 10,5 bares (1.05 MPa) para que no se requiera ningun compresor de CO2 despues de la refrigeration en el intercambiador de calor recuperativo, refrigerador ambiente y separador de agua. La temperatura de entrada de la segunda turbina se reducira debido a la relation de presion inferior. Ambas de estas formas de realizacion pueden proporcionar eficiencias muy altas debido a la reduction grande en potencia de compresion de
CO2 y en ahorro en gas natural que normalmente serla consumido en un radiador de bano de agua de combustion sumergido para elevar la temperatura del gas natural frlo a alta presion a cerca de temperatura ambiente para el transporte por tuberla.
EXPERIMENTAL
La invencion se describe a continuacion, ademas, en relacion a ejemplos especlficos. Los ejemplos son proporcionados para ilustrar ciertas formas de realizacion de la invencion y no deberlan interpretarse como limitacion de la invencion.
EJEMPLO 1
Sistema y metodo para la produccion de energla con combustion de metano utilizando un fluido de circulacion de CO2 reciclado
Un ejemplo de antecedentes para llevar a cabo un sistema y metodo de acuerdo con la presente invencion se ilustra en la figura 11. La descripcion siguiente describe el sistema en relacion a un ciclo especlfico en condiciones especlficas utilizando un modelo por ordenador.
En este modelo, una corriente de combustible metano (CH4) 254 a una temperatura de 134 °C y una presion de 30,4 MPa se combina con una corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado 236 a una temperatura de 860 °C y una presion de 30,3 MPa (y, por lo tanto, en un estado fluido supercrltico) en una mezcladora 252 antes de la introduccion en una camara de combustion refrigerada por transpiracion 220. Se utiliza una unidad de separation de aire 30 para proporcionar O2 concentrado a una temperatura de 105 °C y una presion de 30,5 MPa. La unidad de separacion de aire produce tambien calor (Q) que es retirado para uso en el proceso. El O2 se combina en la camara de combustion 220 con la corriente de combustible de metano 254 y el fluido de circulacion de CO2 236 donde ocurre la combustion para proporcionar la corriente de producto de la combustion 40 a una temperatura de 1189 °C y una presion de 30 MPa. El c O2, O2 y metano son proporcionados en una relacion molar de aproximadamente 35:2:1 (es decir, lbmol/h - libras moles por hora). La combustion en esta forma de realizacion utiliza entrada de energla a una tasa de 344.935 Btu/h (363.932 kJ/h).
La corriente de producto de la combustion 40 se expande a traves de la turbina 320 para producir la corriente de descarga de la turbina 50 a una temperatura de 885 °C y una presion de 5 MPa (estando el CO2 en la corriente de descarga de la turbina 50 en un estado gaseoso). La expansion de la corriente de producto de la combustion 40 a traves de la turbina 320 produce energla a una tasa de 83,5 kilovatios por hora (kW/h).
La corriente de descarga de la turbina 50 se pasa entonces a traves de una serie de tres intercambiadores de calor para refrigerar sucesivamente la corriente para elimination de componentes secundarios. El paso a traves del primer intercambiador de calor 430 produce la corriente 52 a una temperatura de 237 °C y una presion de 5 MPa. La corriente 52 se pasa a traves de un segundo intercambiador de calor 440 para producir la corriente 56 a una temperatura de 123 °C y una presion de 5 MPa. La corriente 56 se pasa a traves del tercer intercambiador de calor 450 para producir la corriente 60 a una temperatura de 80 °C y una presion de 5 MPa.
Despues del paso del fluido de circulacion de CO2 reciclado a traves de la serie de intercambiadores de calor, la corriente 60 es refrigerada todavla mas por el paso a traves de un intercambiador de calor de agua frla 530. Agua (C) a una temperatura de 24 °C es ciclada a traves del intercambiador de calor de agua frla 530 para refrigerar la corriente de fluido de circulacion de CO260 a una temperatura de 27 °C y de esta manera condensar cualquier agua presente en la corriente de fluido de circulacion de CO2. La corriente de fluido de circulacion de CO2 refrigerado 61 se pasa entonces a traves de una unidad de separacion de agua 540, de tal manera que el agua llquida es retirada y descargada como corriente 62a. La corriente de fluido de circulacion de CO2 “seco” 65 se descarga desde la unidad de separacion de agua 540 a una temperatura de 34 °C y una presion de 3 MPa.
La corriente de fluido de circulacion de CO2 seco 65 (que esta todavla en un estado gaseoso) se pasa a continuacion a traves de una primera unidad de compresion 630 en un sistema de presurizacion de dos fases. La corriente de fluido de circulacion de CO2 es presurizada a 8 MPa, que eleva asimismo la temperatura de la corriente de fluido de circulacion de CO2 a 78 °C. Esto requiere una entrada de energla de 5.22 kW/h. Esta corriente de fluido de circulacion de CO2 fluido supercrltico 66 se pasa entonces a traves de un segundo intercambiador de calor de agua frla 640 donde la corriente de fluido de circulacion de CO2 fluido supercrltico 66 se refrigera con agua a una temperatura de 24 °C para producir una corriente de fluido de circulacion de CO2 fluido supercrltico refrigerado 67 a una temperatura de 27 °C, una presion de 8 MPa, y una densidad de 762 kg/m3. Esta corriente se pasa entonces a traves de una segunda unidad de compresion 650 para formar la corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 70 a una temperatura de 69 °C y una presion de 30,5 MPa. Esto requiere una entrada de energla de 8,23 kW/h. Esta corriente se pasa a traves de un divisor de tuberla 720. de manea que 1 lbml (libra mol) de CO2 se dirige a una tuberla presurizada a traves de la corriente 80, y 34,1 lbmol (libras mol) de CO2 se dirige como corriente 85 de retorno a traves de la serie de tres intercambiadores de calor para recalentar la corriente de fluido de circulacion de CO2 antes de entrar en la camara de combustion 220.
La corriente de fluido de circulacion de CO2 presurizado 85 se pasa a traves del tercer intercambiador de calor 450 para formar la corriente 71 a una temperatura de 114 °C y una presion de 30,5 MPa. La corriente 71 se pasa a traves del divisor 460, de tal manera que 27,3 lbmol (libras mol) de CO2 se dirigen en la corriente 72a a traves del radiador lateral 470. Cada una de la corriente 71b y la corriente 72a tiene una temperatura de 114 °C a una presion de 30,5 MPa. El radiador lateral 470 utiliza calor (Q) desde la unidad de separador de aire 30 para proporcionar calor adicional a la corriente de fluido de circulacion de CO2. El paso de la corriente 71b a traves del segundo intercambiador de calor 440 produce la corriente 73 a una temperatura de 224 °C y una presion de 30,5 MPa. El paso de la corriente 72a a traves del radiador lateral 470 forma la corriente 72b que esta asimismo a una temperatura de 224 °C y una presion de 30,4 MPa. Las corrientes 73 y 72b se combinan en la mezcladora 480 para formar la corriente 74 a una temperatura de 224 °C y una presion de 30,3 MPa. La corriente 74 se pasa entonces a traves del primer intercambiador de calor 430 para proporcionar la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado 236 a una temperatura de 860 °C y una presion de 30,0 MPa para entrada de retorno en la camara de combustion 220.
La eficiencia para el ciclo modelado anterior se calculo sobre la base de la energla generada en comparacion con el LHV del combustible metano y la entrada de energla adicional en el sistema, como se ha descrito anteriormente. En las condiciones del modelo, se consiguio una eficiencia de aproximadamente 53,9 %. Esto es particularmente sorprendente por que tal eficiencia excelente se puede conseguir previniendo al mismo tiempo la descarga a la atmosfera de cualquier CO2 (en particular cualquier CO2 que procede de la combustion del combustible que contiene carbono).
EJEMPLO 2
Sistema y metodo para produccion de energla con una estacion de energla de carbon pulverizado retroajustada para unos de un fluido de circulacion de CO2 reciclado
Otro ejemplo de antecedentes para llevar a cabo un sistema y metodo de acuerdo con la presente invencion se ilustra en la figura 12. La descripcion siguiente describe el sistema en relacion a un ciclo especlfico en condiciones especlficas utilizando un modelo matematico. Este modelo ilustra la capacidad para retroajustar un sistema y modelo como se describe aqul a una estacion de energla quemada con carbon pulverizado convencional.
.Se introduce una corriente de O2 1056 a una presion de 30,5 MPa en una camara de combustion 220 refrigerada por transpiracion junto con un combustible que contiene carbono 1055 (por ejemplo, gas derivado de carbon producido por oxidacion parcial) a una presion de 30,5 MPa y una corriente de fluido de circulacion de CO2 1053 a una presion de 30,5 MPa. El O2 puede ser recibido desde un separador de aire o dispositivo similar que puede producir calor (Q), que se puede retirar para uso en el sistema, tal como para producir vapor para expansion o para anadir calor a una corriente de fluido de circulacion de CO2 refrigerado. La combustion del combustible en la camara de combustion 220 produce una corriente de producto de la combustion 1054 a una temperatura de 1.150 °C y una presion de 30,0 MPa. Esta corriente se expande a traves de una turbina 320 (que puede referirse, en general, como una turbina de produccion de energla primaria) para producir energla accionando un generador electrico 1209. La corriente de descarga de la turbina de expansion 1001 a una temperatura de 775 °C y una presion de aproximadamente 3,0 MPa se introduce en el extremo caliente de un intercambiador de calor 1100, donde el calor de la corriente de descarga de la turbina de la corriente de descarga de turbina 1001 se utiliza para sobrecalentar el flujo de vapor a alta presion 1031 y el flujo de corriente de presion intermedia 1032 producido en una estacion de energla quemada con carbon en polvo 1800 convencional. El agua 1810 y el carbon 1810 alimentados a la caldera son introducidos en la estacion de energla 1800 para producir los flujos de vapor 1031 y 1032 por combustion del carbon 1810. La transferencia de calor en el intercambiador de calor sobrecalienta los flujos de vapor 1031 y 1032 desde una temperatura de aproximadamente 550 °C hasta una temperatura de aproximadamente 750 °C para formar los flujos de vapor 1033 y 1034, que se retornan a la estacion de energla como se describe a continuacion. Este metodo consigue temperaturas muy altas del vapor sin la necesidad de utilizar aleaciones de expansivas a alta temperatura en las calderas de vapor grandes de una estacion de energla convencional que quema carbon cerca de presion atmosferica. Los flujos de vapor 1033 y 1034 se expanden en una turbina de tres fases 1200 (que se puede referir, en general, como una turbina de produccion de energla secundaria) que acciona un generador electrico 1210. El vapor 1035 que sale desde la turbina 1200 se condensa en un condensador 1220. El condensado tratado 1036 es bombeado a alta presion con una bomba de agua de alimentacion 1230 y entonces es vaporizado y sobrecalentado en la caldera quemada con carbon 1800 para descarga al intercambiador de calor 1100, como se ha descrito anteriormente. Este sistema se utiliza para incrementar la salida de energla y la eficiencia de una estacion de energla quemada con carbon existente.
El intercambiador de calor 100 es un intercambiador de calor de placa adherida por difusion del tipo Heatric con pasos perforados qulmicamente construidos con aleacion de alto contenido de nlquel, a alta temperatura, tal como la aleacion 617, que es capaz de gestionar altas presiones y temperaturas que permiten un vapor significativamente sobrecalentado y el funcionamiento en condiciones oxidantes. Este intercambiador de calor es una unidad de intercambiador de calor de alta eficiencia con altos coeficientes de transferencia de calor para todos los fluidos.
La porcion remanente del sistema y metodos ilustrados en la figuras 12 es similar en estructura y funcionamiento a los sistemas y metodos descritos de otra manera aqui. Especificamente, la corriente de descarga de la turbina de expansion 1001 se refrigera en el intercambiador de calor 1100 y abandona el extremo frio del intercambiador de calor 1100 como corriente de descarga 1037, que esta a una temperatura de 575 °C. esta corriente es refrigerada adicionalmente contra una porcion del condensado 1057 desde el condenador 1230 de la estacion de energia en un tercer intercambiador de calor 1310 hasta una temperatura de 40 °C para formar la corriente 1039 que es refrigerada adicionalmente a una temperatura de 27 °C contra el agua de refrigeracion en un intercambiador de calor 1320 de agua fria para formar la corriente 1040 a una presion de 2,87 MPa. El intercambiador de calor 1300 puede ser unidad de difusion de acero inoxidable Heatric 310.
La corriente refrigerada 1040 a 30 °C es alimentada a la base de una columna empaquetada 1330, que esta equipada con una bomba de circulacion 1340 que proporciona una corriente de circulacion de acido debil a contracorriente que estable contacto a contra-corriente entre el gas de entrada y el acido debil de depuracion. Los SO2 , SO3 , NO, y NO2 se convierten en HNO3 y H2SO4 y son absorbidos en el liquido junto con agua condensada y cualquier otro componente soluble en agua. El producto liquido neto desde la columna 1330 es removido en la linea 10342 y la presion se reduce a presion atmosferica y entra en un separador 1360. CO2 disuelto se descarga en la linea 1043, se comprime utilizando una bomba 1350 hasta una presion de 2,85 MPa y fluye como corriente 1044 para unirse con la corriente 1045 que abandona la parte superior de la columna 1330. Estas corrientes combinadas forman el fluido de circulacion de CO2 que sera reciclado de retorno a la camara de combustion. H2SO4 y HNO3 disueltos en agua abandonan como corriente 1046 la base del separador 1360. Las concentraciones dependen de la composition del combustible y de la temperatura en la columna del contactor 1330. Hay que indicar que acido nitrico esta presente con preferencia en la corriente de acido 1046, ya que el acido nitrico reaccionara con cualquier mercurio presente y eliminara esta impureza completamente.
La corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado que entra en el compresor 1380 se seca primero hasta un punto de rocio de aproximadamente 60 °C en un secador de secante y entonces se purifica para eliminar O2 , N2 , y Ar utilizando un esquema de separation a baja temperatura como se muestra en la solicitud de patente europea EP1952874A1.
La corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado comprimido 1047 que abandona el compresor 1380 a una presion de 8,5 MPa es refrigerada con agua de refrigeracion a 27 °C en un intercambiador de calor de agua fria 1370 que forma la corriente de fluido de CO2 supercritico dentro 1048, que se bombea a una presion de 30,5 MPa y una temperatura de 74 °C en la bomba 1390 para formar la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado a alta presion 1050. Una porcion del CO2 es retirado de la corriente 1050 como corriente de producto de CO2 1049 para ser recogido o dispuesto de otra manera sin descarga a la atmosfera. En esta forma de realization, la corriente de producto de CO2 1049 se reduce en presion a la presion requerida de la tuberia de aproximadamente 20 MPa y se pasa a una tuberia de CO2.
La porcion remanente de la corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado a alta presion (ahora la corriente 1051) entra en el extremo frio del intercambiador de calor 1300. Esta corriente, que es un fluido supercritico denso a 74 °C, debe recibir una cantidad considerable de calor de grado bajo para convertirla en un fluido con un calor especifico mucho mas bajo a una temperatura de 237 °C. En esta forma de realizacion, tal calor de grado bajo es proporcionado por una corriente de vapor LP 1052 a una presion de 0,65 MPa tomada desde la corriente de vapor que entra en la turbina de vapor a baja presion de la estacion de energia convencional junto con calor adiabatico de compresion derivado de compresores de aire en la planta de oxigeno criogenico que suministra la corriente de O2 1056. La corriente de baja presion sale del intercambiador de calor 1300 como corriente 1301. Opcionalmente, todo el calor puede ser proporcionado utilizando un numero de corrientes de vapor disponibles desde la estacion de energia quemada con carbon a presiones de hasta 3,8 MPa. Esta energia podria ser proporcionada tambien desde el calor (Q) formado por la unidad de separacion de aire, como se ha descrito anteriormente. El calentamiento de la corriente lateral de parte de la corriente de CO2 reciclado proporciona una parte grande del calor requerido en el extremo frio del intercambiador de calor 1300 y permite una diferencia de temperatura pequena de solo aproximadamente 25 °C en el extremo caliente del intercambiador de calor 1300, lo que incrementa la eficiencia general.
La corriente de fluido de circulacion de CO2 reciclado a alta presion, a alta temperatura 1053 abandona el intercambiador de calor 1300 a una temperatura de 550 °C y entra en la camara de combustion 220, donde se utiliza para refrigerar los gases de la combustion derivados de la combustion de una corriente de gas natural 1055 (en esta forma de realizacion) con la corriente de oxigeno al 97 % molar 1056 para producir la corriente de producto de la combustion 1054, como se ha descrito anteriormente. En esta forma de realizacion, la trayectoria caliente de la turbina y las primeras hileras de palas de la turbina son refrigeradas utilizando una corriente de CO2 1058 tomada desde la corriente de descarga de la bomba 1050 a una temperatura de 74 °C. Si el sistema descrito anteriormente es accionado como una estacion de energia autonoma combustible de gas natural simulado por CH4 puro, entonces la corriente de CO2 reciclado 1053 entre en la camara de combustion a una temperatura de aproximadamente 750 °C y el escape de la turbina 1001 entra en el intercambiador de calor 1300 a una temperatura de aproximadamente
775 °C.
La eficiencia del sistema de energla autonomo en esta forma de realizacion es 53,0 % (LHV). Esta cifra incluye el consumo de potencia para la planta de O2 criogenico y la alimentacion de gas natural y los compresores de CO2. Si el combustible era un carbon simulado con un valor de calentamiento de 27,92 Mj/kg (por ejemplo, parcialmente oxidado con ceniza retirada en una primera camara de combustion y unidad de filtracion seguida por la combustion de la mezcla de gas combustible y Co 2 en una segunda camara de combustion), entonces la eficiencia serla 54 % (LHV). En ambos casos, virtualmente el 100 % del CO2 derivado de carbono en el combustible serla producido a 20 MPa de presion de la tuberla.
El sistema y el metodo descritos anteriormente e ilustrados en la figura 12 con combustible de carbon se pueden caracterizar por que se aplican a una estacion de energla con parametros especlficos descritos a continuacion. El efecto de convertir una estacion de energla quemada con carbon en polvo de acuerdo con la presente invencion se calcula de la siguiente manera:
Condiciones del vapor Vapor HP: 16.6 MPa, 565 °C, flujo: 473,14 kg/seg.
Vapor LP: 4,02 MPa, 565 °C, flujo: 371,62 kg/seg.
Salida neta de energla: 493.7.Mw
Carbon para la estacion existente: 1256,1 Mw
Eficiencia (LHV) neta: 39,31 %
Captura de CO2 %: 0
Planta convertida con mejora de la estacion existente incorporando un sistema y metodo siguientes:
Salida neta de energla del sistema de energla de CO2 : 371.7 Mw
Energla neta de la estacion existente: 639.1 Mw
Energla neta total: 1010.8Mw
Carbon para el sistema de energla de CO2 : 1053.6 Mw
Carbon para la estacion existente: 1256.1 Mw
Eficiencia general (LHV) neta: 43.76 %
Captura de CO2 capture %: 45.6 % *
• Observar que ni se captura ningun CO2 desde la estacion existente en este ejemplo
EJEMPLO 3
Sistema y metodo para produccion de energla con combustion de metano utilizando un fluido de circulacion de CO2 reciclado con multiples etapas de expansion
La figura 13 muestra un sistema y metodo de acuerdo con la presente invencion, que comprende dos turbinas que funcionan en serie con dos camaras de combustion que quemad gas natural utilizando oxlgeno puro como oxidante para precalentar las corrientes de entrada a cada una de las turbinas. La presencia de la segunda turbina de expansion incrementa significativamente la relacion de la presion del sistema total de turbinas, reteniendo al mismo tiempo virtualmente el mismo regimen de calor del intercambiador de calor recuperativo. Este forma de realizacion se beneficia, ademas, de del incremento de la eficiencia proporcionado por la entrada de calor generado externamente (como se describe aqul) a un nivel de temperatura en el intervalo de aproximadamente 150 °C a 400 °C en la corriente de CO2 reciclado a alta presion en el intercambiador de calor recuperativo. La fuente de este calor adicional es el calor de compresion adiabatico del compresor de aire principal en la planta de separacion de aire criogenico.
La forma de realizacion descrita en este ejemplo se puede definir por las siguientes ventajas. Se utilizan dos turbinas en serie para expandir un corriente de CO2 reciclado calienta a alta presion entre una alta presion en el intervalo de 100 bares a 600 bares sobre una relacion de la presion que es mayor que 20. Preferiblemente, la presion de descarga de la segunda turbina esta por debajo de 1,5 bares y de una manera optima esta aproximadamente en 1,1 bares. En otras formas de realizacion, tales caldas de la presion se pueden con seguir a traves del uso de tres o mas turbinas. Las dos turbinas tienen flujos de entrada que son precalentados por combustion de un hidrocarburo o combustible carbonoso en oxlgeno puro. En otras formas de realizacion, puede que no se requiera combustion antes de cada etapa de expansion. La segunda turbina deriva su flujo de entrada desde al menos parte del flujo de descarga desde la primera turbina junto con productos de la combustion a partir de la segunda camara de combustion de precalentamiento. La temperatura maxima de salida de la segunda turbina se fija por la temperatura maxima disponible del material utilizado para construir el intercambiador de calor recuperativo en su extremo caliente y en la presencia de la corriente de CO2 reciclado a alta presion, que entra en la camara de combustion de la primera turbina. Cuando el flujo total desde la primera turbina se utiliza como el flujo de entrada a la segunda camara de combustion, entonces la temperatura de entrada de la primera turbina puede ser lo mas alta posible
sobre la base de las propiedades de los materiales utilizados para su construccion con el fin de incrementar al maximo la salida de potencia de la primera y segunda turbinas. Cuando el flujo total desde la primera turbina se utiliza como el flujo de entrada a la segunda camara de combustion, la relacion de la presion de la primera turbina se fija por la necesidad de incrementar al maximo la salida de potencia disponible desde la primera mas la segunda turbina a una presion de entrada dada y la temperatura del CO2 reciclado a alta presion a la primera camara de combustion y una presion de salida dada y temperatura de salida definida de la segunda turbina. Cada temperatura y presion de entrada para la primera turbina conduce a una relacion de la presion optima diferente para la primera turbina, una vez que se han definido la presion de entrada de la primera turbina y la presion de salida de la segunda turbina. Al menos parte del flujo de salida desde la segunda turbina se utiliza para proporcional al menos parte del regimen de calor en el intercambiador de calor recuperativo utilizado para precalentar la corriente de CO2 reciclado a alta presion que entra en la primera camara de combustion. En general, existe un exceso de flujo de salida de la segunda turbina por encima del requerido para el paso a traves del intercambiador de calor recuperativo para calentar el CO2 reciclado a alta presion y fluye oxlgeno a la primera camara de combustion. Este se utiliza para al menos parte del precalentamiento de oxlgeno para la segunda camara de combustion mas gas natural para la primera y segunda camaras de combustion.
Una forma de realizacion ejemplar de un sistema de produccion de energla de acuerdo con la presente invencion se muestra en la figura 13. Se entiende que los numeros de referencia en la figura 13 se refieren solo a elementos ilustrados en la figura 13. La presencia de los mismos numeros de referencia en una o mas de las figuras 1 a 12 no esta destinada a referenciar los mismos elementos.
El sistema de la figura 13 comprende dos turbinas en serie 3 y 4 que reciben corriente de fluido ricos en CO2 a alta temperatura 67 y 57 y se montan en este caso sobre un arbol comun que acciona un generador electrico 5 que produce salida de energla electrica 68. La corriente de flujo de entrada 67 de la turbina 3 esta a una presion de 295 bares y a una temperatura de 1154 °C. Ha sido calentada en una camara de combustion 1 por combustion de una corriente de gas natural 44 (simulada en este caso por propiedades de metano puro) a 204 °C y 304,4 bare utilizando una corriente oxidante 52 a 304,2 bares y 735 °C que comprende 25,6 % en mol de O2 y 74,4 % de CO2 , junto con una corriente de CO2 reciclado 56 a 303,4 bares y 735 °C. El CO2 reciclado total mas CO2 diluyente en el oxidante CO2 + O2 es 29,2 veces mayor que el CO2 producido por oxidacion completa de combustible CH4. La corriente de escape 37 a 30 bares y 746 °C que abandona la turbinas 1 se divide en dos partes. La corriente 36 se mezcla con una corriente de oxlgeno 35 a 30 bares y 316 °C y proporciona una corriente oxidante combinada 39 que quema una corriente de metano 40 a 30 bares y 204 °C. Los productos de la combustion son enfriados con la segunda corriente parcial 38 dando una corriente de entrada 57 de la turbina 4 a 29,1 bares y 1269 °C. La corriente de salida de la turbina 58 a 1,1 bares y 738 °C es refrigerada en los intercambiadores de calor recuperativos 14 y 13 que salen como corriente 60. Esta corriente junto con una parte de la corriente 58, corriente 71, que ha sido utilizada para precalentar corrientes de alimentacion, esta a una presion de 1,04 bares y 79 °C. Se refrigera en un refrigerador de agua de contacto directo 9 a 17,2 °C saliendo como corriente 63. El agua llquida que abandona la base de la empaquetadura utilizada para contacto directo entre agua y CO2 se recoge en la b ase de 9 y se bombea por la bomba 75 a traves del refrigerador de agua 10 hasta la parte superior de la torre 9. El agua producto neto producida por el ciclo de energla es retirada como corriente 62 para desecho. La corriente de salida 63 es comprimida en un sistema de compresor axial/centrlfugo de fases multiples mostrado como dos unidades separadas 6, que es refrigerada intermedia, y 7 que no tiene refrigeradores intermedios separados por un refrigerador intermedio 8 con corrientes de entrada y de salida 64 y 65 a una presion de 30 bares. Estos dos elementos compresores de reciclado de CO2 separados se montan directamente sobre la turbina de gas comun mas el arbol de accionamiento del generador electrico. Esto proporciona una carga de frenado sobre las turbinas para prevenir el exceso de velocidad cuando el sistema funciona bajo en presion despues de una desconexion del sistema. La corriente de salida 12 del compresor 12 a 57,5 bares y 93,3 °C se utiliza para calentar la salida desde una bomba 11 en el intercambiador de calor 75 a 35 bares desde 54,4 °C a 73,9 °C. La corriente de salida de CO2 a 57,5 bares es refrigerada a 60 °C y luego es refrigerada y condensada en el intercambiador de calor 12 formando una alimentacion de CO2 llquido a la bomba 11. El calentamiento de CO2 introducido en el intercambiador de calor recuperativo 13 asegura que la corriente 60 este por encima de su punto de roclo. Hay que indicar que estas temperaturas y la presion correspondiente del CO2 de 57,5 bares son relevantes para las condiciones ISO para el sistema. A temperaturas ambiente mas altas, la presion de descarga del compresor 7 serla fijada aproximadamente en el intervalo de 57,5 bares a 100 bares, pero en todos estos casos, el CO2 estarla a una densidad alta apropiada para una bomba centrlfuga de fases multiples 11. El flujo de descarga 47 de la bomba 11 se divide en dos corrientes. La corriente 46 se mezcla con una corriente de oxlgeno 27 a 305 bares y 15,5 °C formando la corriente oxidante 45 que se calienta en los pre-radiadores 15 y 73 a una temperatura de 252 °C y entonces se calienta en el intercambiador de calor recuperativo 14 para formar la corriente oxidante a alta presion 52. La corriente 48 se divide de nuevo en dos corrientes. La corriente de flujo de CO2 reciclado a alta presion mayor se calienta en 13 y 14 formando la corriente de reciclado caliente 52. La corriente de flujo menor 49 se desvla del intercambiador de calor recuperativo 13 de temperatura mas baja y se calienta a 185 °C como corriente 50 en el intercambiador de calor 15 contra la corriente de aire 24, que ha sido comprimida adiabaticamente en el compresor 16 con flujo de aire atmosferico 23, a 5,7 bares y 226 °C. La corriente 50 reune la corriente de CO2 caliente 54 y la corriente combinada 55 se calienta adicionalmente en 14 formando la corriente de CO2 reciclado caliente 56. La corriente de alimentacion de aire
refrigerado 25 que abandona 15 a 79,4 °C es refrigerada en un refrigerador de agua 17 de contacto directo y es pasada a traves de un dispositivo de adsorcion oscilante termico 18 que elimina todo el agua y CO2. El volumen de la corriente de aire 29 entra en la caja frla de un a planta de separacion de aire criogenico 20. La porcion menor 30 entra en un compresor de aire 19 engranado integralmente de cinco fases que produce dos corrientes de aire presurizadas 31 a 60 bares y 32 a 100 bares, que entran tambien en la caja frla y se utilizan para calentar las corrientes de oxlgeno de producto 34 a 30 bares y 27 a 305 bares hasta cerca de temperatura ambiente. La corriente de descarga 58 de la segunda turbina se divide en dos partes. La porcion mayor 77 se requiere para precalentar el CO2 reciclado y las corrientes oxidantes en los intercambiadores de calor recuperativo 13 y 14, La porcion menor 69 pasa en serie a traves de los intercambiadores de calor de precalentamiento 73 y 22. La unidad 22 se utiliza para precalentar la corriente de alimentacion de metano total 43 a 40 bares y 15 °C, que se divide en una porcion 41 utilizada como combustible en la camara de combustion 2 y una porcion 78 que es comprimida a 304,5 bares en el compresor refrigerado intermedio 21 y suministrada al pre-calentado 22 como corriente 42. La corriente de producto de CO2 neta 66 derivada desde la corriente de metano oxidado 77 se puede producir a 1,04 bares a partir de la corriente 60 y a 304,8 bares a partir de la corriente 48 o a cualquier otra presion entre fases en los compresores 6 y 7.
En una forma de realizacion alternativa, todo el oxlgeno desde el separador de aire puede ser suministrado a una presion de 32 bares. El O2 para la camara de combustion 1 se mezcla con CO2 tomado desde la corriente 65 y comprimido en un compresor adicional a 305 bares. Se precalienta entonces como se ha descrito anteriormente y se utiliza como corriente oxidante 52. La corriente de O2 restante es precalentada y suministrada como corriente 35 a la camara de combustion 2.
En otra forma de realizacion alternativa, la porcion de oxlgeno para la camara de combustion 2 desde el separador de aire se puede suministrar a 30 bares y la porcion requerida para la camara de combustion 1 a 1,2 bares se puede tomar y mezclar con una porcion de CO2 tomado desde la corriente 63. La mezcla de oxidante es comprimida entonces a 305 bares en un compresor de fases multiples, luego es calentada en 15, 73 y 14 como anteriormente.
El efecto de incrementar la temperatura de entrada de la turbina 1 se puede ver en la Tabla siguiente, que se basa en el caso donde el O2 para la camara de combustion 1 se produce a una presion de 1,2 bares a partir de ASU y se mezcla con 1 bar de CO2 de la corriente 65 y se comprime en un compresor de fases multiples refrigerado intermedio a 305 bares. Esta Tabla se base en condiciones ISO utilizando metano puro como el combustible con un producto neto de CO2 a 1 bar de presion y todo el agua derivada de la combustion del combustible producida como llquido a 17,2 °C. Todos estos casos se basan en una presion de entrada de la turbina 1 de 295 bares y una presion de salida de 30 bares y una presion de entrada de la turbina 2 de 29,1 bares y una presion de salida de 1,1 bares.
Muchas modificaciones y otras formas de realizacion de la invencion vendran a la mente de un experto en la tecnica a la que pertenece esta invencion con el beneficio de las ensenanzas presentadas en las descripciones anteriores y los dibujos asociados. Por lo tanto, debe entenderse que la invencion no esta limitada a las formas de realizacion especlficas descritas, pero su alcance se define por las reivindicaciones anexas. Aunque se emplean aqul terminos especlficos, se utilizan en un sentido general y descriptivo y no para fines de limitacion.
Claims (17)
1. Un metodo de generacion de energla, que comprende:
expandir una corriente de CO2 a una presion de al menos aproximadamente 12 MPa a aproximadamente 60 MPa a traves de una serie de primeras turbinas (3) y una ultima turbina (4) sobre una relacion de la presion de al menos aproximadamente 20 para emitir desde la ultima turbina una corriente de descarga de la ultima turbina que esta opcionalmente a una presion inferior a aproximadamente 0,15 MPa;
calentar una corriente de descarga desde la primera turbina (3) antes de pasar a la ultima turbina (4) en una camara de combustion (2) por combustion de un hidrocarburo o combustible carbonoso en la presencia de un oxidante y la corriente de descarga de la primera turbina para formar una corriente de escape de la camara de combustion a una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C;
refrigerar la corriente de descarga de la ultima turbina en un intercambiador de calor de recuperador (14); aislar al menos una porcion del CO2 desde la corriente de descarga de la turbina refrigerada para formar la corriente de CO2 reciclado;
comprimir la corriente de CO2 reciclado;
calentar la corriente de CO2 reciclado comprimido en el intercambiador de calor de recuperador (14) contra la corriente de descarga de la ultima turbina;
y pasar la corriente de CO2 reciclado a la serie de turbinas (3, 4).
2. El metodo de la reivindicacion 1, en donde la compresion comprender pasar la corriente de CO2 reciclado a traves de un compresor (6, 7) de fases multiples que comprime la corriente de CO2 reciclado a una presion de al menos aproximadamente 5.75 MPa y luego a traves de una bomba (11) que incrementa la presion hasta al menos aproximadamente 12 MPa; en particular, en donde el compresor de fases multiples comprende un primer compresor (6) que incluye al menos dos unidades que estan refrigeradas intermedias, y mas particularmente en donde el compresor de fases multiples comprende un segundo compresor (7), y en donde el metodo comprende, ademas, la refrigeracion intermedia entre el primer compresor y el segundo compresor; con preferencia en donde la corriente de CO2 reciclado que sale desde el primer compresor (6) esta a una presion de al menos aproximadamente 3 MPa.
3. El metodo de la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, que comprende, ademas, extraer una porcion de la corriente de descarga de la ultima turbina curso arriba del intercambiador de calor de recuperador (14) y pasar la porcion extralda de la corriente de descarga de la ultima turbina a traves de uno o mas intercambiadores de calor (22) adicionales para proporcionar calor a uno o mas corrientes adicionales, que opcionalmente son uno o ambos del hidrocarburo o combustible carbonoso y el oxlgeno introducido a la camara de combustion (2) o a otra camara de combustion opcional.
4. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el metodo comprende, ademas, proporcionar calor adicional desde una fuente diferente a al menos una porcion de la corriente de CO2 reciclado antes de expandir la corriente de CO2 reciclado a traves de la serie de turbinas; particularmente en donde el metodo comprende, ademas, extraer una corriente lateral desde la corriente de CO2 reciclado comprimido y anadir el calor adicional a la corriente lateral extralda de CO2 reciclado comprimido; con preferencia en donde la combinacion de calentamiento en el intercambiador de calor de recuperador contra la corriente de descarga de la ultima turbina y el calor adicional desde una fuente diferente es suficiente para que la diferencia de la temperatura entre el CO2 reciclado expandido a traves de la serie de turbinas (3, 4) y la temperatura de la corriente de descarga de la ultima turbina sea inferior a aproximadamente 50 °C.
5. El metodo de la reivindicacion 4, en donde la fuente de calor adicional es una unidad de separacion de aire (20).
6. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende, ademas, pasar la corriente de CO2 reciclado a otra camara de combustion (1) antes de expandir la corriente de CO2 reciclado comprimido a traves de una serie de turbinas (3, 4), y en donde una corriente de escape desde la otra camara de combustion (1) entra en la primera turbina (3) a una presion de aproximadamente 12 MPa a aproximadamente 60 MPa.
7. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende, ademas, pasar la corriente de CO2 reciclado comprimido a un intercambiador de calor de licuacion para licuar la corriente de CO2 reciclado comprimido contra una corriente de gas natural llquido (LNG) a alta presion e incrementar la temperatura de la corriente de LNG; particularmente en donde el metodo comprende una o ambas de las siguientes caracterlsticas:
la corriente de LNG esta a una presion de aproximadamente 4 MPa a aproximadamente 7 MPa y a una temperatura de aproximadamente -160 °C a aproximadamente -140 °C;
la corriente de LNG que sale del intercambiador de calor de licuacion esta a una temperatura que esta dentro de aproximadamente 10°C a aproximadamente 20°C de la temperatura de entrada de la corriente de CO2 reciclado comprimido en el intercambiador de calor de licuacion.
8. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde una o ambas de la primera y ultima turbina (3, 4) estan en una conexion de trabajo mecanico con uno o mas componentes adicionales utilizados en el metodo, de tal manera que la potencia del estator proporcionada por una o ambas de la primera y ultima turbinas es transferida mecanicamente a uno o mas componentes adicionales; particularmente en donde el metodo comprende una o ambas de las siguientes caracterlsticas:
uno o mas componentes adicionales son un compresor (6), una bomba (11), o una unidad de separacion de aire (10); y
una o ambas de la primera y ultima turbinas (3, 4) proporcionan tambien potencia de estator a un generador (5).
9. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde una o ambas de la primera y ultima turbinas (3, 4) comprende una o mas turbinas radiales.
10. - Un sistema de generacion de energla, que comprende:
una primera turbina (3) y una segunda turbina (4) en serie que estan adaptadas para expandir una corriente de CO2 reciclado a alta presion entre una alta presion de aproximadamente 10 MPa a aproximadamente 60 MPa sobre una relacion de la presion que es mayor que 20;
una camara de combustion (2) que tiene una entrada en disposicion de trabajo con una salida de la primera turbina (3) y que tiene una salida en disposicion de trabajo con una entrada de la segunda turbina (4) y que esta adaptada para calentar el vapor de CO2 reciclado a alta presion;
una intercambiador de calor de recuperador (14) que tiene una primera entrada en una disposicion de trabajo con una salida de la segunda turbina (4) y adaptada para transferir calor entre una corriente de descarga desde la salida de la segunda turbina y la corriente de CO2 reciclado a alta presion; y
al menos un compresor (6, 7) que tiene una salida en disposicion de trabajo con una segunda entrada del intercambiador de calor de recuperador y adaptada para presurizar la corriente de CO2 reciclado a una presion de al menos aproximadamente 10 MPa;
en donde una salida del intercambiador de calor de recuperador (14) esta en una disposicion de trabajo con una entrada de la primera turbina (3), de tal manera que la corriente de CO2 reciclado comprimido caliente pasa desde la salida del al menos un compresor (6, 7) hasta una entrada de la primera turbina a traves del intercambiador de calor de recuperador (14).
11. El sistema de generacion de energla de la reivindicacion 10, en donde la camara de combustion (2) es una segunda camara de combustion, y en donde el sistema comprende, ademas, una primera camara de combustion (1) que tiene una entrada y una salida y que esta adaptada para quemar un combustible en presencia de una corriente de CO2 reciclado y proporcionar una primera corriente de escape de la camara de combustion a una presion de aproximadamente 12 MPa a aproximadamente 60 MPa;
en donde la primera turbina (3) esta en disposicion de trabajo con la primera camara de combustion (1) y comprende una entrada adaptada para recibir la primera corriente de escape de la camara de combustion y una salida adaptada para emitir una corriente de descarga de la primera turbina;
en donde la segunda camara de combustion (2) esta en disposicion de trabajo con una salida de la primera turbina (3) y comprende una entrada para recibirla corriente de descarga de la primera turbina y una salida adaptada para emitir una segunda corriente de escape de la camara de combustion;
en donde la segunda turbina (4) esta en disposicion de trabajo con la segunda camara de combustion (2) y comprende una entrada adaptada para recibir la segunda corriente de salida de la camara de combustion y una salida adaptada para emitir una corriente de descarga de la segunda turbina que opcionalmente esta a una presion inferior a aproximadamente 0,15 MPa, estando adaptadas la primera y segunda turbinas para expandir sus corrientes respectivas de tal manera que la relacion de la presion en la entrada de la primera turbina a la salida de la segunda turbina es al menos aproximadamente 20;
en donde la primera entrada del intercambiador de calor de recuperador (14) esta adaptada para recibir la corriente de descarga de la segunda turbina y transferir calor desde all! hasta la corriente de CO2 reciclado; y
en donde la salida del al menos un compresor (6, 7) esta en disposicion de trabajo con la segunda entrada del intercambiador de calor de recuperador (14), de tal manera que la corriente de CO2 reciclado pasa al intercambiador de calor de recuperador para calentamiento contra la corriente de descarga de la segunda turbina, estando adaptado el al menos un compresor para presurizar la corriente de CO2 reciclado a una presion de al menos aproximadamente 12 MPa;
en el que la salida del intercambiador de calor de recuperador (14) esta en una disposicion de trabajo con la entrada de la primera camara de combustion (1), de tal manera que la corriente de CO2 reciclado comprimido caliente pasa a la primera camara de combustion antes de pasar a la entrada de la primera turbina.
12. El sistema de generacion de energla de la reivindicacion 11, que comprende, ademas, un divisor posicionado curso arriba del intercambiador de calor de recuperador y adaptado para dividir una porcion de la corriente de descarga de la segunda turbina, y que comprende opcionalmente, ademas, uno o mas intercambiadores de calor
(73, 22) adicionales adaptados para recibir la porcion dividida de la corriente de descarga de la segunda turbina, y calentar una o mas corrientes adicionales.
13. El sistema de generacion de energla de la reivindicacion 11 o la reivindicacion 12, en donde el al menos un compresor (6, 7) comprende un compresor de fases multiples adaptado para comprimir la corriente de CO2 reciclado a una presion de al menos aproximadamente 5,75 MPa y una bomba (11) adaptada para incrementar la presion a al menos aproximadamente 12 MPa; particularmente en donde el compresor de fases multiples (6, 7) comprende un primer compresor (6) que incluye al menos dos unidades que estan refrigeradas intermedias; y mas particularmente en donde el compresor de fases multiples comprende un segundo compresor (7), y en donde el sistema comprende, ademas, un refrigerador intermedio (8) entre el primer compresor (6) y el segundo compresor (7).
14. El sistema de generacion de energla de la reivindicacion 11, que comprende, ademas, un elemento de transferencia de calor en una disposicion de trabajo con el intercambiador de calor de recuperador y adaptado para proporcionar calor desde una fuente diferente a al menos una porcion de la corriente de CO2 reciclado; particularmente en donde la fuente de calor adicional es una unidad de separacion de aire (20).
15. El sistema de generacion de energla de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, que comprende, ademas, un intercambiador de calor de licuacion; particularmente en donde el intercambiador de calor de licuacion esta adaptado para posicionar la corriente de CO2 reciclado comprimido y una corriente de gas natural llquido (LNG) a alta presion en una relacion de intercambio de calor para licuar la corriente de CO2 reciclado comprimido y para incrementar la temperatura de la corriente de LNG.
16. El sistema de generacion de energla de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, en donde uno o ambas de la primera y segunda turbinas (3, 4) estan en una conexion de trabajo mecanico con uno o mas componentes adicionales del sistema, estando adaptada dicha conexion de trabajo mecanica para transferir mecanicamente potencia del estator proporcionara por una o ambas de la primera y segunda turbinas (3, 4) a uno o mas componentes adicionales; particularmente en donde el uno o mas componentes adicionales son un compresor (6), una bomba (11) o una unidad de separacion de aire (20).
17. El sistema de generacion de energla de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 16, en donde una o ambas de la primera y segunda turbinas (3, 4) comprende una o mas turbinas radiales.
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