Интеграция адсорбции при переменном давлении с энергоустановкой для улавливания/утилизации co2 и производства n2

Интеграция адсорбции при переменном давлении с энергоустановкой для улавливания/утилизации co2 и производства n2

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

В различных аспектах изобретение относится к производству энергии с низким уровнем выбросов с отделением и/или улавливанием образующихся выбросов.

Уровень техники

Улавливание газов, выбрасываемых из энергетических установок, представляет собой область повышающегося интереса. Энергетические установки, основанные на сгорании нефтяных продуктов, вырабатывают диоксид углерода в качестве побочного продукта реакции. Исторически после сгорания этот диоксид углерода выпускали в атмосферу. Однако, возрастает потребность в определении путей для нахождения альтернативных областей применения диоксида углерода, образованного при сгорании.

В энергетических установках с комбинированным циклом предоставляют эффективный способ выработки электричества от сжигания нефтяных продуктов или других топлив на основе углерода. В энергетических установках с комбинированным циклом можно оптимизировать начальную реакцию сгорания для снабжения энергией множества турбин для выработки электричества, что приводит к более эффективной выработки энергии. Однако, традиционные способы улавливания диоксида углерода приводят к уменьшению эффективности выработки электричества, в силу того, что требуется дополнительная энергия для улавливания и/или уменьшения диоксида углерода.

В WO 2012/003079 описывают системы и способы выработки электричества с использованием энергетической установки с комбинированным циклом на основе сжигания топлив на основе углерода. Данные системы и способы включают использование стехиометрических отношений топлив к кислороду в реакции сгорания, а также повторное использование газообразных продуктов сгорания как части входящего потока в реакцию сгорания. Продукты сгорания извлекают из системы как поток продувочного газа. CO₂ в потоке продувочного газа удаляют, например, используя растворитель, такой как карбонат калия.

В патенте US 6902602 описывают способы выполнения отделений с помощью короткоцикловой адсорбции, когда это требуется для минимизации или избежания взаимодействия между одним из отделяемых компонентов в потоке газа и компонентом газового потока, используемым для продувки установки короткоцикловой адсорбции. В качестве примера отмечают отделения водорода и диоксида углерода от потока синтез-газа, когда требуется избежать загрязнения потока полученного водорода любым кислородом из обычного содержащего кислород продувочного потока. Способы отделения включают использование одной или более стадий буферного газа в течение отделения, в которых для предотвращения загрязнения между стадиями способа отделения используют буфер, отличный от любых других компонентов.

В опубликованной патентной заявке US 2012/0125194 описывают автотермический цикл для улавливания CO₂. Газообразные продукты сгорания контактируют со слоем адсорбента для поглощения CO₂.CO₂ затем удаляют путем контактирования адсорбента с газом, содержащим пар. Получающийся выходящий газ, содержащий пар и CO₂, проводят в систему повторного сжатия пара для извлечения H₂O, CO₂ и тепла. Извлеченные H₂O и тепло затем используют для предоставления пара для стадии продувки. Описывают, что количество продувочного пара, требуемого для извлечения CO₂, составляет примерно 1 моль пара на моль входящего подаваемого газа. Описывают, что подачи входящего дымового газа имеют содержание CO₂, составляющее 15 мол.% или менее. Таким образом, молярное отношение пар/ CO₂ составляет по меньшей мере примерно 6 молей пара на моль CO₂. Описывают, что в данном способе извлекают по меньшей мере 90% углерода в газообразных продуктах сгорания как часть выходящего газа.

Другие потенциально относящиеся к данному вопросу публикации могут включать, в том числе, опубликованную патентную заявку US 2012/0318533, европейскую патентную заявку ЕР 2220338, статью Reijers et ai, Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48, 6966 и статью Wright et al., Energy Procedia, 2011, 4, 1457.

Сущность изобретения Один аспект настоящего изобретения относится к способу выработки энергии, включающему: сжатие рециркулируемого отработанного газа в основном компрессоре для образования сжатого рециклового отработанного газа, при этом сжатый рецикловый отработанный газ имеет температуру рецикла от примерно 400°C до примерно 500°C и давление рецикла от примерно 1,0 МПа абс .(10 бар абс.) до примерно 3,0 МПа абс. (30 бар аба), при этом рециркулируемый отработанный газ содержит по меньшей мере примерно 70 об.% N₂ и по меньшей мере примерно 10 об.% CO₂; сжатие обогащенного воздуха во входном компрессоре для выработки сжатого окислителя; пропускание первой части сжатого рециклового отработанного газа в камеру сгорания; стехиометрическое сжигание сжатого окислителя и топлива в камере сгорания в присутствии первой части сжатого рециклового отработанного газа, с получением таким образом выгружаемого потока, в котором первая часть сжатого рециклового отработанного газа действует как разбавитель, предназначенный для уменьшения температуры выгружаемого потока; расширение выгружаемого потока в расширителе для по меньшей мере частичного приведения в действие основного компрессора и выработки рециркулируемого отработанного газа; пропускание второй части рециркулируемого отработанного газа в реактор короткоцикловой адсорбции, содержащий адсорбирующий материал; адсорбцию CO₂ на адсорбирующем материале при температуре адсорбции, которая отличается от температуры рецикла менее чем примерно на 20°C, и при давлении адсорбции, которое отличается от давления рецикла менее чем примерно на 0,1 МПа (примерно 1 бар); извлечение потока N₂ с чистотой, составляющей по меньшей мере 95 об.%, из переднего конца реактора, при этом извлеченный поток N₂ имеет давление, которое отличается от давления отделения менее чем примерно на 50 кПа (примерно 0,5 бар); уменьшение давления в реакторе короткоцикловой адсорбции до давления, составляющего от примерно 0,1 МПа абс. (примерно 1,0 бар абс.) до примерно 0,3 МПа абс. (3,0 бар абс.) путем вывода потока выдувания из по меньшей мере одного конца реактора; и продувку реактора короткоцикловой адсорбции продувочным паром при давлении от примерно 0,1 МПа абс. (1,0 бар абс.) до примерно 0,3 МПа абс. (3,0 бар абс.) для выработки потока извлеченного CO₂, причем поток извлеченного CO₂ содержит по меньшей мере примерно 90% CO₂, присутствующего во второй части рециркулируемого отработанного газа и продувочный пар содержит менее 1,0 моля (например, менее примерно 0,8 моля) H₂O на моль CO₂ во второй части рециркулируемого отработанного газа.

Другой аспект настоящего изобретения относится к способу получения N₂ и CO₂ из потока отработанного газа из реактора, включающему: пропускание потока отработанного газа из реактора, содержащего по меньшей мере примерно 70 об.% N₂ и по меньшей мере примерно 10 об.% CO₂, в реактор короткоцикловой адсорбции, содержащий адсорбирующий материал, причем поток отработанного газа из реактора имеет давление от примерно 1,0 МПа абс. (примерно 10 бар абс.) до примерно 3,0 МПа абс. (примерно 30 бар абс); адсорбцию CO₂ на адсорбирующем материале при температуре адсорбции, составляющей по меньшей мере 400°C; извлечение потока N₂ с чистотой, составляющей по меньшей мере примерно 95 об.%, из переднего конца реактора, при этом извлеченный поток N₂ имеет давление, которое отличается от давления потока отработанного газа из реактора примерно на 50 кПа (примерно 0,5 бар) или менее; уменьшение давления в реакторе короткоцикловой адсорбции до давления, составляющего от примерно 0,1 МПа абс. (примерно 1,0 бар абс.) до примерно 0,3 МПа абс. (примерно 3,0 бар абс.) путем вывода потока выдувания из по меньшей мере одного конца реактора; и продувку реактора короткоцикловой адсорбции продувочным паром при давлении от примерно 0,1 МПа абс. (примерно 1,0 бар абс.) до примерно 0,3 МПа абс. (примерно 3,0 бар абс.) для выработки потока извлеченного CO₂, причем поток извлеченного CO₂ содержит по меньшей мере примерно 90% CO₂, присутствующего в потоке отработанного газа из реактора, и продувочный пар содержит менее примерно 1,0 моля (например, менее примерно 0,8 моля) H₂O на моль CO₂ в потоке отработанного газа из реактора.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к способу получения N₂ и CO₂ из потока отработанного газа из реактора, включающему: сжатие рециркулируемого отработанного газа для образования сжатого рециклового отработанного газа, при этом сжатый рецикловый отработанный газ имеет температуру рецикла от примерно 400°C до примерно 500°C и давление рецикла от примерно 1,0 МПа абс. (примерно 10 бар абс.) до примерно 3,0 МПа абс. (примерно 30 бар абс), при этом рециркулируемый отработанный газ содержит по меньшей мере примерно 70 об.% N₂ и по меньшей мере примерно 10 об.% CO₂; отделение CO₂ от N₂ по меньшей мере в части сжатого рециклового отработанного газа в процессе циклической адсорбции при переменном давлении, причем рабочий цикл процесса включает: пропускание по меньшей мере части сжатого рециклового отработанного газа в реактор короткоцикловой адсорбции, содержащий адсорбирующий материал, при этом поток отработанного газа из реактора имеет давление от примерно 1,0 МПа абс. (примерно 10 бар абс.) до примерно 3,0 МПа абс. (примерно 30 бар абс); адсорбцию CO₂ на адсорбирующем материале при температуре адсорбции, которая отличается от температуры рецикла менее чем примерно на 20°C, и при давлении адсорбции, которое отличается от давления рецикла менее чем примерно на 0,1 МПа (примерно 1 бар); извлечение потока N₂ с чистотой, составляющей по меньшей мере 95 об.%, из переднего конца реактора, при этом извлеченный поток N₂ имеет давление, которое отличается от давления потока отработанного газа из реактора примерно на 50 кПа (примерно 0,5 бар) или менее, и поток отделенного N₂ имеет температуру, которая отличается от температуры рецикла на 20°C или менее; уменьшение давления в реакторе короткоцикловой адсорбции до давления, составляющего от примерно 0,1 МПа абс. (примерно 1,0 бар абс.) до примерно 0,3 МПа абс. (примерно 3,0 бар абс.) путем вывода потока выдувания из по меньшей мере одного конца реактора; и продувку реактора короткоцикловой адсорбции продувочным паром при давлении от примерно 0,1 МПа абс. (примерно 1,0 бар абс.) до примерно 0,3 МПа абс. (примерно 3,0 бар абс.) для выработки потока извлеченного CO₂, причем поток извлеченного CO₂ содержит по меньшей мере примерно 90% CO₂, присутствующего в потоке отработанного газа из реактора и продувочный пар содержит менее примерно 1,0 моля (например, менее примерно 0,8 моля) H₂O на моль CO₂ в потоке отработанного газа из реактора; и разделение потока извлеченного CO₂ на поток продукта CO₂ и воду, при этом поток продукта CO₂ содержит по меньшей мере примерно 90 об.% CO₂, в котором по меньшей мере часть сжатого рециклового отработанного газа и продувочного пара содержит по меньшей мере примерно 95 об.% газов, введенных в реактор короткоцикловой адсорбции в течение рабочего цикла.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 схематически показан пример объединенной циклической системы для выработки электричества, основанной на сжигании топлива на основе углерода.

На Фиг. 2 схематически показана конфигурация способа адсорбции при переменном давлении.

На Фиг. 3 показан график чистоты CO₂ в зависимости от содержания продувочного пара для примера 4.

На Фиг. 4 графически показана структура циклов для сорбционной конструкции из 3-х сосудов без взаимосвязи между сосудами.

На Фиг. 5 графически показана структура циклов для сорбционной конструкции из 4-х сосудов без взаимосвязи между сосудами.

На Фиг. 6 графически показана структура циклов для сорбционной конструкции из 4-х сосудов с некоторым уровнем взаимосвязи между сосудами.

Подробное описание изобретения

В различных аспектах предложены системы и способы для выработки энергии с использованием турбин, при этом уменьшая и/или ограничивая выбросы в течение выработки энергии. В генерирующей системе с комбинированным циклом дымовой газ от реакции сгорания в газовой турбине также можно использовать для снабжения энергией паровой турбины. Дымовой газ затем можно повторно использовать как часть входящего в газовую турбину потока. Часть рециркулируемого отработанного газа можно эффективно отделить для выработки потока диоксида углерода высокой чистоты, при этом уменьшая и/или минимизируя требуемую для отделения энергию, без необходимости уменьшения температуры дымового газа. Это может позволить использовать другую (например, остающуюся) часть рециркулируемого отработанного газа, которая обычно может состоять по большей части из азота, для выработки дополнительного электричества, например, без необходимости настройки давления и/или температуры рециркулируемого отработанного газа для соответствия условиям, требуемым для способа отделения диоксида углерода. Таким образом, можно осуществить улучшенное извлечение энергии из системы с комбинированным циклом, при этом также вырабатывая потоки диоксида углерода и азота с относительно высокой чистотой.

Множество конфигураций системы и рабочих условий могут вносить вклад в выработку энергии с низкими выбросами, которые также можно эффективно отделять и/или улавливать для последующего использования. Например, входящий газовый поток в камеру сгорания газовой турбины можно выбрать так, чтобы он имел требуемый состав, например, приблизительно стехиометрическое соотношение топлива и кислорода. Имея приблизительно стехиометрическое отношение топлива к кислороду можно уменьшить количество непрореагировавшего кислорода, присутствующего в выходящем после сгорания газе. Это может облегчить отделение других продуктов сгорания, а также потенциально уменьшить/устранить производство соединений NO_x. В более общем смысле, приблизительно стехиометрическая реакция сгорания с требуемым сырьем может привести к отработанным газам, в основном состоящим из CO₂, N₂ и H₂O.

Другой пример конфигураций системы и/или рабочих условий, которые могут вносить вклад в выработку энергии с низкими выбросами, которые можно эффективно отделять и/или улавливать, может включать использование рециркулируемого отработанного газа как часть входящего газового потока. Газовый поток, выходящий из процесса сгорания, можно преимущественно использовать для снабжения энергией газовой турбины. После снабжения энергией газовой турбины этот газовый поток соответствует отработанному газу. Этот отработанный газ можно использовать в конфигурации с комбинированным циклом для снабжения энергией паровой турбины, используя теплообменник для извлечения тепла из отработанного газа. Этот отработанный газ после удаления воды затем можно повторно использовать как часть входящего газового потока. Отработанный газ преимущественно может иметь повышенную объемную процентную долю CO₂ по отношению к окружающему воздуху, что также может способствовать выбору содержания CO₂ в газовом потоке, входящем в реакцию сгорания. Регулирование количества CO₂ в продуктах сгорания может быть выгодным для увеличения выхода энергии, полученной из реакции сгорания.

Повторное использование всего отработанного газа может обеспечить удерживание всего углерода в отработанном газе в одном потоке до тех пор, пока поток не отведут в процесс улавливания углерода. Хотя обычно не весь рециркулируемый отработанный газ может потребоваться для обеспечения дополнительного газа для входящего для сгорания газового потока. В результате любой избыток отработанного газа можно отвести, например, для разделения на газовые потоки CO₂ и N₂ высокой чистоты. Удобное расположение в способе для выполнения этого отвода может находится после того, как рециркулируемый отработанный газ был модифицирован для достижения температуры и давления, требуемых для входящего для сгорания газового потока. На данном этапе может потребоваться выполнение разделения CO₂ и N₂, и при этом уменьшения/минимизирования количества потери энергии, обусловленного уменьшением температуры/давления. Например, обычные способы с использованием растворителя для разделения CO₂ и N₂ требуют уменьшения температуры рециркулируемого отработанного газа. Для таких традиционных способов с использованием растворителя, чтобы сохранить настолько много энергии в потоке N₂, насколько это возможно, можно использовать теплообменники для переноса тепла от рециркулируемого отработанного газа в поток отделенного N₂.

В некоторых аспектах разделение CO₂ и N₂ можно выполнять, используя способ адсорбции при переменном давлении (АПД) для разделения CO₂ и N₂ при температуре и давлении входящего в реакцию сгорания газового потока. Используя адсорбцию при переменном давлении для выполнения разделения можно обеспечить извлечение, например, по меньшей мере примерно 60% (такое как по меньшей мере примерно 65%, по меньшей мере примерно 70%, по меньшей мере примерно 75%, по меньшей мере примерно 80%, по меньшей мере примерно 85%, по меньшей мере примерно 90%, по меньшей мере примерно 95%, по меньшей мере примерно 97%, по меньшей мере примерно 98%, по меньшей мере примерно 99%, по меньшей мере примерно 99,3% или по меньшей мере примерно 99,5%) CO₂ в рециркулируемом отработанном газе, например, при этом также вырабатывая поток N₂ с чистотой по меньшей мере примерно 90% (такой как с чистотой по меньшей мере примерно 93%, с чистотой по меньшей мере примерно 95%, с чистотой по меньшей мере примерно 97%, с чистотой по меньшей мере примерно 98% или с чистотой по меньшей мере примерно 99%) и/или поток CO₂ с чистотой по меньшей мере примерно 80% (такой как с чистотой по меньшей мере примерно 85%, с чистотой по меньшей мере примерно 90%, с чистотой по меньшей мере примерно 95%, с чистотой по меньшей мере примерно 97%, с чистотой по меньшей мере примерно 98%, с чистотой по меньшей мере примерно 99%, с чистотой по меньшей мере примерно 99,3% или с чистотой по меньшей мере примерно 99,5%).

В различных аспектах рабочие условия для реактора АПД можно выбрать так, чтобы облегчить процесс выработки энергии, при этом все еще эффективно улавливая отработанные газы. Используя относительно высокую температуру АПД можно сохранить содержание энергии в части N₂ рециркулируемого отработанного газа так, что поток газообразного N₂ можно использовать для снабжения энергией дополнительной турбины для выработки электричества. Наоборот, традиционный способ отделения CO₂, такой как отделение с использованием растворителя, обычно может потребовать настройки температуры и/или давления потока для облегчения отделения. Таким образом, вместо требуемой энергии для модифицирования рециркулируемого отработанного газа перед обработкой отработанных газов, использование реактора АПД может обеспечить способ улавливания, настраиваемый для соответствия рабочих условий выработке энергии.

Высокотемпературную АПД также можно выполнять с использованием рабочего цикла, избегая необходимости в высокотемпературном паре и/или другом энергоемком продувочном газе. Это может обеспечить извлекаемый CO₂ с высокой чистотой, и при этом уменьшение/минимизирование количества потери энергии для улавливания отработанных газов.

Способ с комбинированным циклом для выработки энергии с низкими выбросами

В различных аспектах предложены системы и способы для выработки энергии, вместе с тем регулируя и/или улавливая выбросы, произведенные в течение выработки энергии. Одной целью выработки энергии является использование входящего сырья (такого как топливо) настолько эффективно, насколько это возможно, так что можно увеличить/оптимизировать выработку энергии для данного количества топлива и/или оборудования. На основании условий эффективной выработки энергии цель регулирования/улавливания выбросов может обеспечить эффективное улавливание выбросов, при этом уменьшая/минимизируя изменения условий выработки энергии.

Используемый в данном документе термин «стехиометрическое сгорание» относится к реакции сгорания, имеющей объем реагентов, включающих топливо и окислитель, и объем продуктов, образованных путем сгорания реагентов, в которой по существу весь объем реагентов используют для образования продуктов. Используемый в данном документе термин «по существу стехиометрическое сгорание» относится к реакции сгорания, имеющей молярное отношение сгораемого топлива к кислороду, составляющее ± примерно 10%, например, ± примерно 5%, от кислорода, требуемого для стехиометрического соотношения. Например, стехиометрическое отношение топлива к кислороду для метана составляет 1:2 (СН₄+2O₂↔CO₂+H₂O), в то время, как пропан должен иметь стехиометрическое отношение топлива к кислороду, составляющее 1:5. Другой способ измерения по существу стехиометрического сгорания может представлять собой отношение подаваемого кислорода к кислороду, требуемому для стехиометрического сгорания, например, от примерно 0,9:1 до примерно 1,1:1 или от примерно 0,95:1 до примерно 1,05:1.

В некоторых аспектах описанный в данном документе способ можно использовать для производства электрической энергии со сверхнизким выбросом и CO₂ для увеличения извлечения нефти (УИН), увеличения извлечения углеводородов (УИУ) и/или применений для секвестрации/ улавливания, в таких случаях рабочие условия для УИН/УИУ могут быть аналогичными рабочим условиям применения для секвестрации/улавливания или могут слегка отличаться. В одном или более аспектах обогащенный кислородом газ (например, обогащенный воздух) и топливо можно стехиометрически или по существу стехиометрически сжечь и одновременно смешать с потоком рециркулируемого отработанного газа. Поток рециркулируемого отработанного газа, обычно включающий продукты сгорания, такие как CO₂, можно использовать как разбавитель для регулирования, настройки и/или другого уменьшения температуры сгорания и отработанного газа, который поступает в последующий расширитель. В результате использования обогащения кислородом, рециркулируемый отработанный газ может иметь повышенное содержание CO₂, что позволяет расширителю действовать при даже более высоких степенях расширения при тех же температурах на впуске и температурах выходящих газов, таким образом получая значительно повышенную мощность.

Сгорание в промышленных газовых турбинах при стехиометрических условиях или по существу стехиометрических условиях (например, «слегка обогащенное» сгорание) может оказаться преимущественным для устранения затрат на удаление избытка кислорода. Охлаждая отработанный газ и конденсируя воду из потока охлажденного отработанного газа можно получить поток отработанного газа с относительно высоким содержанием CO₂. Наряду с тем, что часть рециркулируемого отработанного газа можно использовать для уменьшения температуры в замкнутом цикле Брайтона, остающийся продувочный поток можно использовать для применений УИН и/или увеличения извлечения углеводородов и/или можно получить электрическую энергию с небольшим выбросом в атмосферу или без выброса в атмосферу оксидов серы (SO_x), оксидов азота (NO_x) и/или CO₂. Результат этого способа может включать получение энергии в трех отдельных циклах и производство дополнительного CO₂. В некоторых аспектах выполнение стехиометрического сгорания может обеспечить выработку потока отработанного газа, по существу состоящего из CO₂, H₂O и N₂. Поток отработанного газа, по существу состоящего из CO₂, H₂O и N₂, определяют как поток отработанного газа, который содержит примерно 5 мол.% или менее молекул других газов, например, примерно 2,5 мол.% или менее или примерно 1 мол.% или менее.

На Фиг. 1 изображена схема иллюстративной объединенной системы 100 для выработки энергии и извлечения CO₂ с использованием устройства с комбинированным циклом согласно одному или более воплощениям. По меньшей мере в одном воплощении система 100 выработки энергии может включать систему 102 газовой турбины, отличающуюся замкнутым циклом Брайтона для производства энергии. Система 102 газовой турбины может иметь первый или основной компрессор 104, соединенный с расширителем 106 посредством вала 108. Вал 108 может быть любым механическим, электрическим и/или другим соединительным устройством, таким образом позволяя части механической энергии, выработанной расширителем 106, приводить в движение основной компрессор 104. По меньшей мере в одном воплощении система 102 газовой турбины может быть стандартной газовой турбиной, в которой основной компрессор 104 и расширитель 106 образуют стороны компрессора и расширителя, соответственно. В других воплощениях, однако, основной компрессор 104 и расширитель 106 могут быть отдельными компонентами в системе 102.

Система 102 газовой турбины также может включать камеру 110 сгорания, скомпонованную для сгорания топлива, вводимого через трубопровод 112, с окислителем, вводимым через трубопровод 114. В одном или более воплощений топливо в трубопроводе 112 может включать любой подходящий углеводородный газ или углеводородную жидкость, такие как природный газ, метан, этан, лигроин, бутан, пропан, синтез-газ, дизельное топливо, керосин, авиационное топливо, полученное из угля топливо, био-топливо, кислородсодержащее углеводородное сырье или любые их сочетания. Окислитель в трубопроводе 114 можно получить из второго или впускного компрессора 118, соединенного по текучей среде с камерой 110 сгорания и выполненного с возможностью сжатия подаваемого окислителя, вводимого через трубопровод 120. В одном или более воплощений подаваемый окислитель в трубопроводе 120 может включать атмосферный воздух, обогащенный воздух или их сочетания. Когда окислитель в трубопроводе 114 включает смесь атмосферного воздуха и обогащенного воздуха, обогащенный воздух можно сжать с помощью впускного компрессора 118 перед и/или после смешивания с атмосферным воздухом. Обогащенный воздух может иметь общую концентрацию кислорода, составляющую по меньшей мере примерно 30 об.%, например, по меньшей мере примерно 35 об.%, по меньшей мере примерно 40 об.%, по меньшей мере примерно 45 об.%, по меньшей мере примерно 50 об.%, от примерно 30 об.% до примерно 70 об.%, от примерно 30 об.% до примерно 65 об.%, от примерно 30 об.% до примерно 60 об.%, от примерно 30 об.% до примерно 55 об.%, от примерно 30 об.% до примерно 50 об.%, от примерно 35 об.% до примерно 70 об.%, от примерно 35 об.% до примерно 65 об.%, от примерно 35 об.% до примерно 60 об.%, от примерно 35 об.% до примерно 55 об.%, от примерно 35 об.% до примерно 50 об.%, от примерно 40 об.% до примерно 70 об.%, от примерно 40 об.% до примерно 65 об.%, от примерно 40 об.% до примерно 60 об.%, от примерно 40 об.% до примерно 55 об.%, от примерно 40 об.% до примерно 50 об.%, от примерно 45 об.% до примерно 70 об.%, от примерно 45 об.% до примерно 65 об.%, от примерно 45 об.% до примерно 60 об.%, от примерно 45 об.% до примерно 55 об.%, от примерно 45 об.% до примерно 50 об.%, от примерно 50 об.% до примерно 70 об.%, от примерно 50 об.% до примерно 65 об.% или от примерно 50 об.% до примерно 60 об.%.

Обогащенный воздух можно получить из любого одного или нескольких источников, включая применение различных технологий выше по потоку от впускного компрессора 118 для получения обогащенного воздуха. Например, обогащенный воздух можно получить из таких технологий разделения, как мембранное разделение, адсорбция при переменном давлении, адсорбция при переменной температуре, потоки побочных продуктов из азотной станции и/или их сочетаний. Обогащенный воздух можно дополнительно или альтернативно получить из установки разделения воздуха (УРВ), такой как криогенная УРВ, для получения азота для поддержания давления или других целей. Возвратный поток из УРВ может быть обогащен кислородом, например, иметь общее содержание кислорода от примерно 50 об.% до примерно 70 об.%. Этот возвратный поток можно использовать в качестве по меньшей мере части обогащенного воздуха и затем разбавленный, если это необходимо, необработанным атмосферным воздухом для получения требуемой для применения концентрации кислорода.

Как будет описано подробнее ниже, камера 110 сгорания также может получать сжатый рецикловый отработанный газ в трубопроводе 144, включая рециркулирование отработанного газа, преимущественно содержащего CO₂ и азотные компоненты. Сжатый рецикловый отработанный газ в трубопроводе 144 можно получить из основного компрессора 104 и приспособить для помощи в способствовании стехиометрического или по существу стехиометрического сгорания сжатого окислителя в трубопроводе 114 и топлива в трубопроводе 112 путем уменьшения температуры продуктов сгорания. Как можно понять, рециркуляция отработанного газа может служить для увеличения концентрации CO₂ в отработанном газе.

Отработанный газ в трубопроводе 116, направляемый на вход расширителя 106, может быть выработан как продукт сгорания топлива в трубопроводе 112 и сжатого окислителя в трубопроводе 114 в присутствии сжатого рециклового отработанного газа в трубопроводе 144. По меньшей мере в одном воплощении топливо в трубопроводе 112 может в основном представлять собой природный газ, при этом через трубопровод 116 вырабатывается выпуск или отработанный газ, который может включать объемные доли испаренной воды, CO₂, азота, оксидов азота (NO_x) и оксидов серы (SO_x). В некоторых воплощениях в силу ограничений равновесного сгорания в отработанном газе в трубопроводе 116 также могут присутствовать небольшая часть несгоревшего в трубопроводе 112 топлива или другие соединения. По мере того, как отработанный газ в трубопроводе 116 расширяется через расширитель 106, он может вырабатывать механическую энергию для приведения в движение основного компрессора 104, электрического генератора и/или других приспособлений, а также можно получать отработанный газ в трубопроводе 122, имеющий повышенное содержание CO₂, получающееся от впуска сжатого рециклового отработанного газа в трубопровод 144. В некоторых применениях расширитель 106 можно приспособить для получения дополнительной механической энергии, которую можно использовать для других целей.

Дополнительно или альтернативно, система 100 выработки энергии может включать систему 124 рециркуляции отработанного газа (РОГ), которая может включать котел-утилизатор (КУ) 126 или аналогичное устройство, соединенное по текучей среде с парогазовой турбиной 128. По меньшей мере в одном воплощении сочетание КУ 126 и парогазовой турбины 128 можно охарактеризовать как замкнутый цикл Ренкина с производством энергии. В сочетании с газотурбинной системой 102 КУ 126 и парогазовая турбина 128 могут образовывать часть энергетической установки с комбинированным циклом, такой как установки с комбинированным циклом со сжиганием природного газа (КЦСПГ). Отработанный газ в трубопроводе 122 можно ввести в КУ 126, чтобы вырабатывать пар через трубопровод 130 и охлажденный отработанный газ в трубопровод 132. Дополнительно или альтернативно, пар в трубопроводе 130 можно направить в парогазовую турбину 128 для выработки дополнительной электрической энергии.

Охлажденный отработанный газ в трубопроводе 132 можно направить в первое охлаждающее устройство 134, выполненное с возможностью охлаждения охлажденного отработанного газа в трубопроводе 132 и выработки потока 140 охлажденного рециклового газа. Первое охлаждающее устройство 134 может включать, например, один или более контактных охладителей, охладителей-доводчиков, испарительных охлаждающих устройств или любое их сочетание. Первое охлаждающее устройство 134 дополнительно или альтернативно может быть выполнено с возможностью удаления части любой конденсированной воды из охлажденного отработанного газа в трубопроводе 132 посредством потока 138 выпавшей воды. По меньшей мере в одном воплощении поток 138 выпавшей воды можно направить в КУ 126 через трубопровод 141 для обеспечения источника воды для выработки дополнительного пара в трубопроводе 130. Дополнительно или альтернативно, воду, извлеченную посредством потока 138 выпавшей воды, можно использовать для других применений ниже по потоку, таких как способы дополнительного теплообмена.

В большинстве воплощений поток 140 охлажденного рециклового газа можно направить во вспомогательный компрессор 142. Охлаждение охлажденного отработанного газа в трубопроводе 132 в первом охлаждающем устройстве 134 может понизить энергию, требуемую для сжатия потока 140 охлажденного рециклового газа во вспомогательном компрессоре 142. В отличие от традиционной вентиляционной или воздуходувной системы вспомогательный компрессор 142 можно сконфигурировать для сжатия и, таким образом, увеличения общей плотности потока 140 охлажденного рециклового газа, вследствие этого направляя рецикловый газ с повышенным давлением в трубопровод 145 ниже по потоку, где рецикловый газ с повышенным давлением в трубопроводе 145 может таким образом показывать увеличенный массовый расход при том же объемном расходе. Это может оказаться преимущественным, так как основной компрессор 104 может быть ограничен в объемном расходе и направление большего массового расхода через основной компрессор 104 может привести к более высоким выходным давлениям, которые вследствие этого преобразовываются в более высокие перепады давления по всему расширителю 106. Более высокие перепады давления, образованные по всему расширителю 106, могут обеспечить более высокие температуры на входе и, таким образом, увеличение в расширителе 106 энергии и/или эффективности. Как можно понять, это может оказаться преимущественным, так как богатый CO₂ отработанный газ в трубопроводе 116 обычно может иметь более высокую удельную теплоемкость.

Так как давление всасывания основного компрессора 104 обычно может зависеть от его температуры всасывания, температура всасывания охладителя вообще может требовать меньшей энергии для работы основного компрессора 104 при том же массовом расходе. Следовательно, рецикловый газ при повышенном давлении в трубопроводе 145 при необходимости можно направлять, например, во второе охлаждающее устройство 136, которое может включать один или более контактных охладителей, охладителей-доводчиков, испарительных охлаждающих устройств или любое их сочетание. По меньшей мере в одном воплощении второе охлаждающее устройство 136 может служить вторичным охладителем, выполненным с возможностью удаления по меньшей мере части тепла от сжатия, вырабатываемого вспомогательным компрессором 142 на рецикловом газе с повышенным давлением в трубопроводе 145. Второе охлаждающее устройство 136 дополнительно или альтернативно может извлекать дополнительную конденсированную воду посредством потока 143 выпавшей воды. В некоторых таких воплощениях потоки 138, 143 выпавшей воды можно свести в поток 141 и можно направить в КУ 126 или можно не направлять в КУ 126 для выработки дополнительного пара через трубопровод 130. Хотя в данном документе описывают только первое и второе охлаждающие устройства 134, 136, любое требуемое количество охлаждающих устройств можно применять для того, чтобы они подходили для различных применений, не отклоняясь от области защиты данного изобретения.

Основной компрессор 104 может быть выполнен с возможностью получения и сжатия рециклового газа с повышенным давлением в трубопроводе 145 до давления, совпадающего в пределах допуска с давлением в камере 110 сгорания, или выше него, в следствие этого вырабатывая сжатый рецикловый отработанный газ в трубопровод 144. Как можно понять, охлаждение рециклового газа с повышенным давлением в трубопроводе 145 во втором охлаждающем устройстве 136 после сжатия во вспомогательном компрессоре 142 может обеспечить увеличенный объемный массовый расход отработанного газа в основной компрессор 104. Следовательно, это может уменьшить количество энергии, требуемой для сжатия рециклового газа с повышенным давлением в трубопроводе 145 до заранее определенного давления.

Во многих воплощениях продувочный поток 146 можно извлечь из сжатого рециклового отработанного газа в трубопроводе 144 и зат