混合礦物燃料和太陽能加熱超鄰界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種整合式發(fā)電系統(tǒng)及方法，將燃燒發(fā)電與太陽能加熱結(jié)合。具體而言，利用二氧化碳的工作流體的封閉的循環(huán)燃燒系統(tǒng)可通過使二氧化碳工作流束的至少一部分通過太陽能加熱器，然后再通過燃燒器，來增加效率。
【專利說明】混合礦物燃料和太陽能加熱超鄰界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及太陽能加熱系統(tǒng)和方法與礦物燃料燃燒發(fā)電系統(tǒng)和方法的整合。更尤其是，該整合系統(tǒng)利用太陽能加熱來補(bǔ)充對(duì)燃燒發(fā)電系統(tǒng)和方法中再循環(huán)CO2蒸汽的燃燒加熱，從而實(shí)現(xiàn)效率的提聞。

【背景技術(shù)】
[0002]聚合式太陽能發(fā)電(CSP)系統(tǒng)典型的配置成將來自大面積的太陽光(例如來自一大片日光反射裝置)的太陽能聚合在相對(duì)較小的接收器中，在該接收器中所聚合的光被轉(zhuǎn)換成高熱。然后可將這些熱量用于產(chǎn)生電的常規(guī)手段，諸如加熱水來產(chǎn)生蒸汽，以用于連接至發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)。這種已知的CSP系統(tǒng)可存在各種缺陷。例如，許多現(xiàn)有的CSP系統(tǒng)僅可在最優(yōu)的日照條件下產(chǎn)生幾乎最大的能量，這受到日照小時(shí)數(shù)和當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件的限制。因此，現(xiàn)有的CSP系統(tǒng)僅在需要能量的時(shí)間的一部分時(shí)間中產(chǎn)生能量。而且，由于CSP系統(tǒng)一般僅起到用于集成式熱力功率產(chǎn)生循環(huán)(例如蒸汽循環(huán))的熱源的作用，CSP系統(tǒng)效率明顯受到所使用的熱力循環(huán)的限制。這些限制的最終結(jié)果為，以相對(duì)于通過燃燒礦物燃料作為熱源的常規(guī)系統(tǒng)產(chǎn)生的電力而言提高了的成本，通過已知CSP系統(tǒng)產(chǎn)生的太陽能電力向電網(wǎng)提供有限輸出。
[0003]CSP系統(tǒng)的效率一般與溫度相關(guān)。當(dāng)由于集中的太陽射線導(dǎo)致溫度升高時(shí)，可利用不同形式的轉(zhuǎn)換。例如，在高達(dá)約600°c的溫度下，諸如蒸汽渦輪機(jī)這樣的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)被使用，效率在約40%的范圍內(nèi)。在600°C以上的溫度下，燃?xì)廨啓C(jī)可以被使用，效率提高了幾個(gè)百分點(diǎn)。更高的溫度已被證明是有問題的，因?yàn)檫@需要不同的材料和技術(shù)。對(duì)于非常高的溫度，一種建議是與多級(jí)渦輪機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合地使用在約700°C至800°C的溫度下工作的液態(tài)氟化鹽，聲稱這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 50%范圍的熱效率。更高的操作溫度被看作是有益的，因?yàn)樗鼈兪沟迷O(shè)備能夠使用更高溫度的干熱交換器以用于熱排放，并且這減少了水的使用，這在可實(shí)現(xiàn)大型太陽能廠的地區(qū)(例如沙漠環(huán)境)中是很重要的。
[0004]盡管高溫系統(tǒng)很有前途，但以前對(duì)于實(shí)施CSP系統(tǒng)的嘗試僅提供了有限的成功，并且還沒有實(shí)現(xiàn)將CSP發(fā)電整合到主流中的經(jīng)濟(jì)而長(zhǎng)效的裝置。甚至對(duì)克服CSP技術(shù)中的基本缺陷的嘗試，在沒有太陽能輸出或僅有較低太陽能輸出的時(shí)間內(nèi)發(fā)電，還沒有使該技術(shù)在商業(yè)上可行。例如，能量存儲(chǔ)技術(shù)可延長(zhǎng)電能的產(chǎn)生，但是這些方法已經(jīng)被證明提供的容量有限(例如，蒸汽儲(chǔ)蓄器)并且昂貴和/或在技術(shù)上挑戰(zhàn)性(例如，熔融鹽槽)。其它技術(shù)已經(jīng)嘗試過使用天然氣來為在太陽能加熱器中利用的工作流體提供補(bǔ)充加熱。參見例如第6，739，136號(hào)美國(guó)專利。然而，這種已知的輔助加熱系統(tǒng)到目前為止也沒有成功克服前面提及的基礎(chǔ)太陽能熱轉(zhuǎn)換過程的有限效率。據(jù)此，在現(xiàn)有技術(shù)中仍需要高效的、成本有效的系統(tǒng)和方法，用于在發(fā)電中利用太陽能加熱。更具體地，目前仍需要這樣的系統(tǒng)和方法，其提供的電能適合持續(xù)引入電網(wǎng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開提供了一種以對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)都可改進(jìn)效率和降低成本的方式進(jìn)行的系統(tǒng)整合。更尤其是，本公開提供了發(fā)電系統(tǒng)和方法與太陽能加熱系統(tǒng)和方法的整合。具體地，該整合系統(tǒng)和方法可通過利用太陽能加熱系統(tǒng)作為供電循環(huán)的補(bǔ)充或備選熱源，提高了發(fā)電系統(tǒng)和方法中燃燒循環(huán)的效率。類似地，該整合系統(tǒng)和方法可展示出的效率相對(duì)于不具備該整合的太陽能加熱的同一發(fā)電周期的效率有所提高。這樣，該整合系統(tǒng)和方法可包括能夠彼此獨(dú)立操作的多個(gè)加熱器，其可被交替地(例如輪流地)操作，或者可同時(shí)操作，以加熱可被再循環(huán)穿過該系統(tǒng)的工作流體，該工作流體在此過程中被加熱、膨脹以用于發(fā)電、冷卻、可選地被凈化(purify)、壓縮，以及再次被加熱。
[0006]本公開的整合的系統(tǒng)和方法可利用任何適當(dāng)?shù)陌l(fā)電系統(tǒng)和方法，該發(fā)電系統(tǒng)和方法包括再循環(huán)工作流體，并且可改變成與用于提供發(fā)電系統(tǒng)中使用的加熱的至少一部分的太陽能加熱整合起來。在第2011/0179799號(hào)美國(guó)專利公開中說明了在封閉的燃燒循環(huán)中絕大多數(shù)使用CO2發(fā)電的系統(tǒng)和方法，在此結(jié)合該公開的全部?jī)?nèi)容作為參考，并且在各種實(shí)施例中，在該出版物中所揭示的這些發(fā)電系統(tǒng)和方法的一個(gè)或多個(gè)組件或條件可被結(jié)合到本公開的發(fā)電系統(tǒng)和方法中。燃燒循環(huán)可使用壓力比例較低的渦輪機(jī)，其使燃料在存在CO2工作流體流束(其一般至少部分地被再循環(huán)通過封閉系統(tǒng))的情況下在氧氣中燃燒形成的燃燒產(chǎn)物的混合物膨脹。在各種實(shí)施例中，諸如以上說明的CO2循環(huán)可被用在使用天然氣、煤，或其它含碳材料作為燃料源的電力生產(chǎn)中。熱渦輪機(jī)廢氣可被用于在節(jié)能熱交換器中至少部分地預(yù)熱再循環(huán)CO2I作流體流束。再循環(huán)CO2工作流體流束還可使用輔助熱源(諸如源于被用于為燃燒提供氧氣的O2生產(chǎn)設(shè)備的壓縮能量的熱量)來加熱。燃料和燃燒產(chǎn)生的雜質(zhì)(例如，硫化成分、C02、H20、灰、Hg等)可被分離出進(jìn)行處理，從而不產(chǎn)生大氣排放。該系統(tǒng)可產(chǎn)生高壓CO2再循環(huán)流束(B卩，作為工作流體進(jìn)行再循環(huán))以及高壓CO2產(chǎn)物流束(即，過量C02，其沒被再循環(huán)進(jìn)入燃燒循環(huán)并可被捕捉使用，例如用于提高油回收，或用于隔離)。這可通過在壓縮系統(tǒng)中對(duì)來自節(jié)能熱交換器的冷卻渦輪機(jī)廢氣流束進(jìn)行壓縮來實(shí)現(xiàn)，該壓縮系統(tǒng)可以是多級(jí)壓縮系統(tǒng)。
[0007]本公開提供了將封閉的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和方法與CSP(或其它太陽能加熱)系統(tǒng)和方法相整合的能力，以獲得高效的發(fā)電系統(tǒng)，其能夠在燃燒器或太陽能聚合器之間輪流對(duì)工作流體加熱，或者能夠同時(shí)利用燃燒加熱和太陽能加熱來加熱再循環(huán)工作流體。這樣的整合可提高例如封閉的CO2循環(huán)發(fā)電過程的效率，且完成大于50%、大于55%、大于60%、大于65%，或大于70%的碳的捕獲。
[0008]在特定實(shí)施例中，本公開可提供發(fā)電的方法，例如，一種發(fā)電的方法，其可包括在存在氧氣和CO2的主燃燒器中燃燒含碳燃料，以形成CO2再循環(huán)流束，并產(chǎn)生混合燃燒產(chǎn)物流束。該方法可進(jìn)一步包括:使混合的燃燒產(chǎn)物流束通過渦輪機(jī)以發(fā)電，并形成包括超臨界CO2的渦輪機(jī)廢氣流束；使包括超臨界CO2的渦輪機(jī)廢氣流束通過燃燒產(chǎn)物熱交換器，以將超臨界CO2轉(zhuǎn)換成包括氣態(tài)CO2的流束，可選地將該氣態(tài)CO2流束凈化(purify)，將CO2流束加壓以形成再循環(huán)CO2流束，使再循環(huán)CO2流束返回通過燃燒產(chǎn)物熱交換器以形成再次加熱的再循環(huán)CO2流束，使再加熱的再循環(huán)CO2流束通過太陽能加熱器，并將再循環(huán)CO2流束傳送到燃燒器。該方法可包括使再加熱的再循環(huán)CO2流束通過流量閥，由此再加熱的再循環(huán)CO2流束可被分裂成被傳送到燃燒器的第一部分和通過太陽能加熱器的第二部分，或者由此再加熱的再循環(huán)0)2流束可在通往燃燒器的通路或通往太陽能加熱器的通路之間交替。而且，在一些實(shí)施例中，該方法可包括，在使再加熱的再循環(huán)CO2流速去往主燃燒器之前，使來自太陽能加熱器的流束通過補(bǔ)充燃燒加熱器。
[0009]依據(jù)本公開的發(fā)電的方法可包括使來自主燃燒器的包含CO2的流束通過渦輪機(jī)以使包含CO2的流束膨脹、發(fā)電，并形成包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束。該方法可進(jìn)一步包括通過太陽能加熱器將來自渦輪機(jī)廢氣流束的CO2加熱。再進(jìn)一步地，該方法可包括將CO2從太陽能加熱器傳送到主燃燒器。在額外的實(shí)施例中，該方法可進(jìn)一步包括將CO2從太陽能加熱器傳送到燃燒加熱器，然后再傳送到主加熱器。同樣地，該方法可進(jìn)一步包括在換熱器中使包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束冷卻，以形成包含CO2的冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束。此后，該方法可包括在水分離器中將包含CO2的冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束凈化以從冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束中形成包括干燥CO2的流束。來自冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束的干燥的CO2可被加壓以形成加壓的含CO2的流束，并且該加壓的含CO2的流束在用太陽能加熱器加熱之前可在熱交換器中被加熱。
[0010]在一些實(shí)施例中，依據(jù)本公開的發(fā)電的方法可包括:使包含CO2的流束從主燃燒器通過渦輪機(jī)以使包含CO2的流束膨脹、發(fā)電，并形成包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束；在換熱器中冷卻包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束以形成冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束；將來自冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束的CO2加壓以形成加壓的含CO2的流束；在熱交換器中將加壓的含CO2的流束加熱；通過太陽能加熱器將加壓的含CO2的流束加熱；以及將被加壓和太陽能加熱的含CO2的流束傳送到主燃燒器。進(jìn)入渦輪機(jī)的含0)2的流束可處于約150bar(15Mpa)或更大的壓力下，并可處于約500°C或更高的溫度下。進(jìn)入渦輪機(jī)的含CO2的流束的壓力與包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束的壓力之比可為約12或更低。
[0011]在各種實(shí)施例中，將含CO2的流束加壓的步驟可包括使流束通過多個(gè)泵壓級(jí)。而且，含CO2的流束可在兩個(gè)泵壓級(jí)之間被冷卻。加壓的含CO2的流束的一部分可在加壓步驟之后且在通過太陽能加熱器之前通過補(bǔ)充熱量被加熱。例如，這些補(bǔ)充熱量可包括來自空氣分離設(shè)備的壓縮的熱量。被加壓的且被太陽能加熱的包含CO2的流束可在進(jìn)入主燃燒器之前從太陽能加熱器通過燃燒加熱器。
[0012]本方法可進(jìn)一步包括在存在氧氣和包含CO2的流束的主燃燒器中燃燒含碳燃料，使得通過渦輪機(jī)的加壓的且太陽能加熱的含CO2的流束進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)燃燒產(chǎn)物。該方法還可包括使被冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束從熱交換器通過分離器以將一種或多種燃燒產(chǎn)物與CO2分離。含碳燃料尤其可以是液體或氣體。
[0013]在其它實(shí)施例中，含碳燃料可包括部分氧化的燃燒產(chǎn)物的流束。例如，該方法可進(jìn)一步包括在存在O2和CO2的情況下在部分氧化燃燒器中燃燒固體燃料，固體燃料、O2和CO2以一定的比例提供，使得固體燃料僅部分被氧化以產(chǎn)生部分氧化的燃燒產(chǎn)物流束，其包括不可燃燒成分、CO2,H2, CO、CH4, H2S以及NH4中的一種或多種。固體燃料、O2,以及CO2具體可按一定比例提供以使得部分氧化的燃燒產(chǎn)物流束的溫度足夠低，流束中全部不可燃燒的組份都處于固體顆粒的形式。本方法還可包括使得部分氧化的燃燒產(chǎn)物流束通過一個(gè)或多個(gè)濾波器。固體燃料尤其可包括煤、褐煤，或石油焦。而且，固體燃料可具有顆粒的形式并可與CO2被漿料化。
[0014]如果需要，可控制被供給主燃燒器的含碳燃料和氧氣的量，使得在主燃燒器中燃燒的熱量與可從太陽能加熱器獲得的用于加熱通過太陽能加熱器的加壓的含CO2的流束的熱量成反比。例如，來自太陽能加熱器的可用熱量可在單個(gè)太陽能循環(huán)中改變超過10%。這樣，可控制供給燃燒器的含碳燃料和氧氣的量，使得被傳送到渦輪機(jī)的含CO2的流束的溫度在單個(gè)太陽能循環(huán)中可改變小于10%。
[0015]本公開的方法還可包括將加壓的含CO2的流束分裂成進(jìn)一步的各種流束。例如，在一些實(shí)施例中，這些方法可包括在進(jìn)入太陽能加熱器之前將離開熱交換器的加壓的含CO2的流束分裂，使得加壓的含CO2的流束的第一部分繼續(xù)到達(dá)太陽能加熱器，而加壓的含CO2的流束的第二部分傳送到主燃燒器，而不先通過太陽能燃燒器。在各種實(shí)施例中，太陽能加熱器可將含CO2的流束加熱至約500°C溫度或更高。在其它實(shí)施例中，太陽能加熱器可通過含CO2的流束被加熱。
[0016]本公開進(jìn)一步提供了發(fā)電系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，依據(jù)本公開的發(fā)電系統(tǒng)可包括以下部件:太陽能加熱器、與該太陽能加熱器流體連通的主燃燒器、與主燃燒器流體連通的發(fā)電渦輪機(jī)，與該發(fā)電渦輪機(jī)以及太陽能加熱器流體連通的熱交換器，以及與熱交換器流體連通的至少一個(gè)壓縮機(jī)。該系統(tǒng)還可包括被定位于太陽能加熱器和主燃燒器之間并與其流體連通的燃燒加熱器。而且，該系統(tǒng)可包括被定位于熱交換器和至少一個(gè)壓縮機(jī)之間并與該其流體連通的分離器。而且，該系統(tǒng)可包括空氣分離設(shè)備。這樣的空氣分離設(shè)備尤其可以是深冷空氣分離設(shè)備，其包括絕熱的主壓縮機(jī)和升壓壓縮機(jī)。在該系統(tǒng)中所使用的熱交換器可包括一系列兩個(gè)或多個(gè)熱交換器單元。
[0017]在一些實(shí)施例中，本系統(tǒng)可包括部分氧化燃燒器，其具有與主燃燒器的入口流體連通的出口。該系統(tǒng)還可包括被定位在部分氧化燃燒器的出口和主燃燒器入口之間并與其流體連通的過濾器。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括被定位在熱交換器的熱端出口的下游并與其流體連通的分裂器，所述分裂器具有與部分氧化燃燒器流體連通的第一出口和與太陽能加熱器流體連通的第二出口。在其它實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括被定位在熱交換器的熱端出口下游并與其流體連通的分裂器，所述分裂器具有與主燃燒器流體連通的第一出口，和與太陽能加熱器流體連通的第二出口。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括被定位在熱交換器的熱端出口下游并與其流體連通的流量閥，所述流量閥具有與主燃燒器流體連通的第一出口，和與太陽能加熱器流體連通的第二出口，所述流量閥適用于使流在太陽能加熱器和主燃燒器之間交替。
[0018]本公開的發(fā)電方法的特征尤其在于:與發(fā)電的總體效率的關(guān)系。例如，可以較低加熱值實(shí)現(xiàn)至少為60%的總體效率的發(fā)電。在其它實(shí)施例中，該效率可以是至少65%。因此，本揭示系統(tǒng)和方法滿足了對(duì)通過捕捉和存儲(chǔ)碳(CCS)進(jìn)行發(fā)電的需求。然而通過常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CCS已經(jīng)被證實(shí)是很困難并且/或者并不是成本高效的。本揭示方法利用封閉的循環(huán)燃燒可達(dá)到高效并且滿足CCS的需求，并且同時(shí)全部以成本高效的方式實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是示出依據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)和方法的流程圖，其中太陽能加熱器與燃燒器和渦輪機(jī)整合在一起；
[0020]圖2是示出依據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)和方法的流程圖，其中包括主燃燒器和太陽能加熱器；
[0021]圖3是示出依據(jù)本公開的進(jìn)一步的實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)和方法的流程圖，其中除了主燃燒器以外還包括了部分氧化燃燒器；
[0022]圖4是示出依據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)和方法的流程圖，其中包括分裂器以在太陽能加熱器與主燃燒器之間分裂再循環(huán)CO2流束；
[0023]圖5是示出依據(jù)本公開的又進(jìn)一步的實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)和方法的流程圖，其中包括分裂器以將再循環(huán)CO2流束分裂成進(jìn)入太陽能加熱器、部分氧化燃燒器和主燃燒器的三個(gè)流束；
[0024]圖6是示出依據(jù)本公開的再另一個(gè)實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)和方法的流程圖，其中包括兩個(gè)定位流量閥以使再循環(huán)CO2流束在太陽能加熱器和主燃燒器之間交替；
[0025]圖7是示出依據(jù)本公開的又進(jìn)一步的實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)和方法的流程圖，其中包括兩個(gè)定位流量閥以在太陽能加熱器和燃燒器流之間輪換再循環(huán)CO2流束，其繼而在部分氧化燃燒與主氧化器之間被分裂；以及
[0026]圖8是太陽能循環(huán)加熱圖，其示出在示例性單個(gè)太陽能循環(huán)期間由依據(jù)本公開特定實(shí)施例的系統(tǒng)的不同加熱組件提供的相對(duì)加熱。

【具體實(shí)施方式】
[0027]現(xiàn)在將通過參考各種實(shí)施例在下面更充分地說明本發(fā)明。提供這些實(shí)施例使得本公開將變得全面且完整，并且將向那些本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的范圍。本發(fā)明可以不同的形式實(shí)現(xiàn)，并不應(yīng)直譯成限制于在此所闡述的實(shí)施例中；而是，可提供這些實(shí)施例使得本公開將符合可申請(qǐng)的法律要求。如在本說明書以及隨附的權(quán)利要求書中所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“該”，包括復(fù)數(shù)形式的參考物，除非上下文作出相反的明確指示。
[0028]正如在前面已經(jīng)提到的，第2011/0179799號(hào)美國(guó)專利公開說明了其中利用了 CO2循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施例中，CO2流通流體可以與含碳燃料(例如NG、煤、合成氣、生物質(zhì)(b1mass),等)和諸如空氣或O2這樣的氧化劑一起提供在適用于高溫、高壓條件的燃燒器中。這樣的系統(tǒng)和方法可包括在高溫(例如，約500°C或更高、約750°C或更高、約1000°C或更高，或者約1200°C或更高)下操作的燃燒器，并且流通流體的存在可起到中和(moderate)離開燃燒器的流體流束的溫度的作用，使得該流體流束可被用在發(fā)電的能量傳輸中。在高溫和高壓下反應(yīng)過程的特性，以及較高的再循環(huán)CO2濃度，可提供良好的處理效率和反應(yīng)速度。燃燒產(chǎn)物流束可在至少一個(gè)渦輪機(jī)中膨脹從而生成功率。然后可使膨脹的氣體流束冷卻以從流束中除去燃燒副產(chǎn)品和/或雜質(zhì)，并且從膨脹的氣體流束中抽取的熱量可被用于加熱再循環(huán)回到燃燒器的CO2流通流體。
[0029]在冷卻階段，可對(duì)燃燒流束進(jìn)行處理以便除去水分和其它雜質(zhì)，從而提供基本上純凈的CO2流束，用于與燃燒材料再循環(huán)返回通過燃燒器。經(jīng)過凈化的CO2流束一般為氣體狀態(tài)，并且使流束經(jīng)歷必要的調(diào)節(jié)使得CO2為超臨界狀態(tài)是有益的。例如，在燃燒流束膨脹通過用于發(fā)電的渦輪機(jī)、被冷卻，和被凈化成包括基本純凈的C02(例如，CO2占質(zhì)量的至少95%、占質(zhì)量的至少97%，或者占質(zhì)量的至少99% )之后，生成的再循環(huán)CO2流束可被壓縮以使其壓力升高，例如升高至約80bar (SMpa)。第二個(gè)壓縮步驟可被用于使壓力提高至接近燃燒器中的壓力，例如，約200bar (20Mpa)、約250bar (25MPa)，或者約300bar (30MPa)。在壓縮步驟之間，CO2流束可被冷卻以提高流束密度，以便減少將流束泵壓至較高壓力所需的能量輸入。然后最終加壓的再循環(huán)CO2流束可進(jìn)一步被加熱并輸入回到燃燒器中。
[0030]雖然以上所說明的發(fā)電系統(tǒng)和方法與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)和方法相比，提高了效率(并且在同時(shí)捕捉所產(chǎn)生的碳也是這樣)。本公開的系統(tǒng)和方法可通過與聚合太陽能(CSP)系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)一步提高循環(huán)效率。該CSP系統(tǒng)可在可用太陽光充足的時(shí)間中提供對(duì)再循環(huán)CO2流束的加熱，來代替在燃燒循環(huán)中使用燃燒器，或者該CSP系統(tǒng)可提供對(duì)再循環(huán)CO2流束的補(bǔ)充加熱，以減少燃燒循環(huán)中燃燒器的燃料需求。
[0031]依據(jù)本公開的可用的CSP系統(tǒng)可包括適于充分聚合太陽能以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)中的工作流體進(jìn)行必要加熱的任意太陽能集熱器，諸如在本文中所說明的。優(yōu)選地，可使用高溫太陽能收集器。依據(jù)本公開可用于聚合太陽能的太陽能收集器系統(tǒng)的一個(gè)非限制性示例為拋物面槽，其中，可使用一系列彎曲的、帶鏡面的槽來將直接的太陽輻射反射到沿槽的長(zhǎng)度蔓延并被定位在反射器焦點(diǎn)處的包含流體的收集器管道(也稱為接收器、吸收器，或收集器)上。該槽沿一個(gè)軸為拋物線形，而在正交軸上是線性的。可每日和/或按季節(jié)來調(diào)整該槽的位置，以使太陽輻射收集最大化。吸收器流體可流至中央加熱器。電力塔(也成為中央塔發(fā)電廠或定日鏡發(fā)電廠)是另一個(gè)示例，可利用定日鏡場(chǎng)將聚合陽光聚焦在收集器上，收集器一般位于場(chǎng)中央的塔頂。在這樣的系統(tǒng)中，定日鏡可被定位成垂直陣列(例如，盤狀或拋物線配置)以聚集太陽能來加熱塔上的收集器。菲涅爾(Fresnel)反射器是依據(jù)本公開可使用的可用太陽能聚合技術(shù)的進(jìn)一步的示例。
[0032]在本公開的特定實(shí)施例中，CSP系統(tǒng)可包括太陽能聚合器和太陽能加熱器。一般地，太陽能聚合器可包括如以上提及的用于聚攏和聚合太陽輻射的定日鏡、反射鏡、透鏡等。太陽能加熱器可包括適用于傳遞來自所收集和聚合的太陽輻射的熱量和/或?qū)崃哭D(zhuǎn)化成功的一個(gè)或多個(gè)組件。例如，天陽能加熱器可包括吸熱器，熱量被存儲(chǔ)在其中并且熱量可從這里被傳遞至另一種材料或流體，諸如從此通過的包含CO2的流束。在其它實(shí)施例中，太陽能加熱器可包括太陽能循環(huán)工作流體(例如，含CO2的流束、熔鹽液等)。這樣的工作流體可通過如上所提及的那樣用于加熱的收集器管道，或者可僅存在于太陽能加熱器中以便通過收集的和聚合的太陽輻射進(jìn)行加熱(例如，在電力塔中)。太陽能加熱器因此可包括用于將熱量從太陽能循環(huán)工作流體傳遞至其它材料或流體，例如含CO2的流束，的熱量傳遞組件。在這樣的實(shí)施例中，術(shù)語太陽能加熱器可涵蓋以下這樣的分立單元，太陽能循環(huán)工作流體通過該分立單元并且該分立單元適于以換熱關(guān)系使含CO2的流束(作為示例)從此通過。術(shù)語太陽能加熱器還可涵蓋更昂貴的系統(tǒng)，由此太陽能循環(huán)工作流體可從集熱部分通過到達(dá)傳熱部分，在此來自太陽能循環(huán)工作流體的熱量可被傳遞到另一種材料或流體，正如已經(jīng)說明的。
[0033]在各種實(shí)施例中，依據(jù)本公開的發(fā)電方法可包括使含CO2的流束從主燃燒器通過潤(rùn)輪機(jī)以使含CO2的流束膨脹、發(fā)電(generate power)、并形成包含CO2的潤(rùn)輪機(jī)廢氣流束。包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束可在換熱器中被冷卻，形成冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束。該方法可進(jìn)一步包括將來自冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束的CO2加壓，以形成加壓的含CO2的流束，并且可在換熱器中加熱該流束。經(jīng)再加熱的加壓含CO2的流束可通過太陽能加熱器被進(jìn)一步加熱，例如使加壓的含CO2的流束通過太陽能加熱器，或可包括在加壓的含CO2的流束與太陽能加熱循環(huán)工作流體(例如，熔鹽液或單獨(dú)的CCV流束)之間進(jìn)行熱交換。進(jìn)一步地，該方法可包括將經(jīng)加壓和太陽能加熱的含CO2的流束傳遞到主燃燒器。
[0034]在圖1的示圖中示出了依據(jù)本公開的發(fā)電系統(tǒng)。如從其中可見的，該系統(tǒng)大體上包括太陽能加熱器90，其與主燃燒器10流體連通，主燃燒器10繼而與渦輪機(jī)20流體連通。在使用中，氣體燃料流束7 (或如本文中所討論的其它燃料類型)與氧氣流束5和含CO2的流束92 —起被引入主燃燒器。燃料可與氧氣一起在主燃燒器中燃燒，作為工作流體存在的CO2可再循環(huán)穿過封閉系統(tǒng)?？蓪–O2和任意的燃燒產(chǎn)物且被加壓的燃燒器排出流束12傳遞到渦輪機(jī)，在該渦輪機(jī)中燃燒器排出流束膨脹發(fā)電，形成渦輪機(jī)廢氣流束22。根據(jù)渦輪機(jī)廢氣流束的性質(zhì)，可進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行處理，例如除去可能存在的燃燒產(chǎn)物，例如水和/或過剩的C02。因此，依據(jù)本公開的系統(tǒng)可包括在此另外說明的各種其他組件。來自被進(jìn)一步處理的渦輪機(jī)廢氣流束的CO2可作為CO2再循環(huán)流束34被輸入太陽能加熱器90。太陽能加熱器排出流束92因此可將CO2引導(dǎo)返回燃燒器，作為再循環(huán)工作流體。
[0035]在一些實(shí)施例中，燃燒器10可完全關(guān)閉，例如在峰值太陽能產(chǎn)熱期間。在這種情況下，太陽能加熱器排出流束92的熱量可足夠抵消對(duì)燃燒器燃燒的熱量的需求。這樣，循環(huán)流束可充分地不含有雜質(zhì)，可進(jìn)行連續(xù)的循環(huán)而不需要冷卻和除去燃燒產(chǎn)物。因此，渦輪機(jī)廢氣流束22可被直接傳遞到太陽能加熱器90并因此變成CO2再循環(huán)流束。在其它實(shí)施例中，渦輪機(jī)廢氣流束可通過一個(gè)或多個(gè)泵和/或壓縮機(jī)(例如見圖2)，以在渦輪機(jī)廢氣流束作為CO2再循環(huán)流束通過太陽能加熱器之前對(duì)渦輪機(jī)廢氣流束加壓。
[0036]雖然，如果希望，燃燒器10可在峰值太陽能生熱期間被關(guān)閉，但是可能有利的是使所有部件連續(xù)工作地那樣操作整合系統(tǒng)。在單個(gè)太陽能循環(huán)中，太陽能聚合器系統(tǒng)提供的加熱可發(fā)生變化。在此使用時(shí)，單個(gè)太陽能循環(huán)旨在表示單個(gè)的一天24小時(shí)，其可從任意點(diǎn)開始測(cè)量，例如從午夜到午夜，或者從正午到正午。在陽光照射的時(shí)間中，太陽能加熱將是可用的，并且一般在從日出到峰值日照時(shí)間是不斷增強(qiáng)的，然后隨著接近日落而減少。根據(jù)太陽能加熱器的特性和太陽能熱量存儲(chǔ)的可用性，太陽能加熱器產(chǎn)生的熱量將在單個(gè)太陽能循環(huán)中增加和減少。這樣，來自太陽能加熱器的可用熱量可在單個(gè)太陽能循環(huán)中變化例如5 %或更多、10 %或更多、20 %或更多、30 %或更多，或者50 %或更多。在一些實(shí)施例中，在單個(gè)太陽能循環(huán)中可從太陽能加熱器獲得的熱量可改變5%至75%、10%至70%，或者15%至60%。但是，經(jīng)由目前所揭示的整合系統(tǒng)的連續(xù)操作，可保持恒定的渦輪機(jī)入口溫度。
[0037]在峰值太陽能可用的時(shí)間中，太陽輻射可被聚合在太陽能加熱器中以向循環(huán)通過系統(tǒng)達(dá)到渦輪機(jī)的CO2提供高達(dá)100%的所需熱量。隨著可用的太陽能減少，輸入燃燒器的燃料和氧氣的量可按照維持期望的渦輪機(jī)入口溫度的需要而增加。當(dāng)可用太陽能不足的期間，如果需要，該系統(tǒng)可單靠燃燒燃料來工作。本公開的系統(tǒng)和方法可進(jìn)一步允許在峰值載荷期間使用燃燒燃料，并且如果條件允許可返回僅使用太陽能或主要使用太陽能的基礎(chǔ)載荷操作?？蓪?duì)被提供給燃燒器的燃燒燃料和氧氣的量進(jìn)行控制，使得主燃燒器中的燃燒熱量與可從太陽能加熱器獲得的用于加熱從其中通過的含CO2的流束的熱量成反比關(guān)系。正如以上所討論的，這可以保證在渦輪機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)處維持基本恒定的溫度。例如，可控制被供給燃燒器的含碳燃料和氧氣的量，使得在單個(gè)太陽能循環(huán)中被傳遞到渦輪機(jī)的含CO2的流束的溫度可改變小于2 %。在其它實(shí)施例中，被傳遞到渦輪機(jī)的含CO2的流束的溫度在單個(gè)太陽能循環(huán)中可改變少于5%、少于10%，或者少于15%。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，被傳遞到渦輪機(jī)的含CO2的流束的溫度在單個(gè)太陽能循環(huán)中可改變約2%至約15%、約3%至約12%，或者約5%至約10%。
[0038]如以上所討論的，依據(jù)本公開對(duì)系統(tǒng)的操作可由于若干個(gè)原因而具有優(yōu)勢(shì)。例如，這可以使操作方法簡(jiǎn)單些，因?yàn)樵谔柲芗訜崞骱椭魅紵髦g進(jìn)行的復(fù)雜的轉(zhuǎn)換循環(huán)可以被避免。此外，該燃燒系統(tǒng)和方法的效率可明顯提高。例如，整合式系統(tǒng)中，總能量輸出的約25%來自于太陽能(例如，每天有6個(gè)日照峰值小時(shí))，并且其中燃燒循環(huán)具有獨(dú)立效率(使用天然氣燃料)約50%，然后在使用天然氣燃料的整合式系統(tǒng)的給定24小時(shí)持續(xù)時(shí)間中平均效率可為約66 %。
[0039]在圖2中提供的流程圖示出了本公開的系統(tǒng)和方法的特定實(shí)施例。關(guān)于該附圖，氣體燃料流束3在泵6中被泵壓，形成加壓氣體燃料流束7，其被引入主燃燒器10。在一個(gè)示例中，氣體燃料可以是天然氣；但是，也可以是其它氣體燃料，例如合成氣。此外，可使用液體燃料。在圖2所涵蓋的這些實(shí)施例中，來自空氣分離設(shè)備110的氧氣流束5也被引入燃燒器。該空氣分離設(shè)備可被用于從空氣源I提供經(jīng)純化的(purified)氧氣。例如，氧氣流束可包括純度為約95%摩爾或更高、約97%摩爾或更高，或者約99%摩爾或更高的氧氣。在燃燒器中，燃料在存在CO2再循環(huán)流束的情況下與氧氣燃燒形成燃燒器排出流束12，其在本實(shí)施例中包括CO2工作流體和任意燃燒產(chǎn)物，例如水和/或C02。
[0040]主燃燒器可以是適于在所需溫度和壓力下燃燒的任意燃燒器，其包括但不限于蒸騰冷卻燃燒器。被傳遞到燃燒器的CO2再循環(huán)流束可設(shè)置在約150bar(15MPa)或更高、約200bar (20MPa)或更高、約250bar (25MPa)或更高，或者約300bar (30MPa)或更高的壓力下。在其它實(shí)施例中，壓力可以是約150bar(15MPa)至約400bar (40MPa)、約200bar (20MPa)至約380bar (38MPa)，或者約250bar (25MPa)至約350bar (35MPa)。在主燃燒器中燃燒可在例如約500°C或更高、約600°C或更高，或者約700°C或更高的溫度下進(jìn)行。在其它實(shí)施例中，燃燒可在約500°C至約1800°C、約550°C至約1600°C，或者約600°C至約1200°C的溫度下進(jìn)行。在其它實(shí)施例中，如在本文中另外說明的那樣可以使用更多的溫度范圍。在各種實(shí)施例中，在燃燒器排出流束12中的CO2可處于超臨界狀態(tài)。
[0041]包括CO2的燃燒器排出流束被傳送到發(fā)電渦輪機(jī)20，其經(jīng)由發(fā)電機(jī)25產(chǎn)生電能。該發(fā)電方法特征可在于渦輪機(jī)兩端的壓力比。燃燒器排出流束(進(jìn)入渦輪機(jī))的壓力與包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束(離開渦輪機(jī))的壓力之比可為約12或更小、約10或更小，或者約8或更小。而且，壓力之比可以是約4至約12、約5至約10，或者約6至約10。
[0042]離開渦輪機(jī)20的渦輪機(jī)廢氣流束22可通過經(jīng)過熱交換器30被冷卻以降低其溫度。這尤其可被用于從渦輪機(jī)廢氣流束分離任意雜質(zhì)(例如燃燒產(chǎn)物)。換熱器(在一些實(shí)施例中可以表示為燃燒產(chǎn)物換熱器)可在一些實(shí)施例中為多級(jí)換熱器或一系列兩個(gè)或更多個(gè)，優(yōu)選為三個(gè)，串聯(lián)的換熱單元。在這樣的系列中，第一串聯(lián)換熱單元(從熱端傳至冷端)可在較高較寬的溫度范圍內(nèi)傳遞熱量，例如，從渦輪機(jī)出口溫度至約150°C至約200°C的范圍。第二串聯(lián)換熱單元可在中間較窄的溫度范圍內(nèi)傳遞熱量，例如從第一串聯(lián)換熱單元的離開溫度至約80°C至約140°C的范圍。第三串聯(lián)換熱單元可在較低溫度范圍內(nèi)傳遞熱量，例如在約20°C至約75°C的范圍內(nèi)。這樣的范圍也可應(yīng)用于從串聯(lián)的每一個(gè)換熱單元的冷端傳送到熱端的流體。這樣的串聯(lián)可以是有益的，因?yàn)閺拇?lián)換熱單元的冷端傳遞到換熱單元熱端的CO2再循環(huán)流束的額外加熱可在定義的點(diǎn)處被輸入。例如，離開第三串聯(lián)換熱單元并進(jìn)入第二串聯(lián)換熱單元的流束可被分裂，一部分可進(jìn)入第二串聯(lián)換熱單元，同時(shí)另一部分通過外部源被加熱，該外部源例如是從空氣分離設(shè)備捕捉的壓縮熱量。較高的加熱部分然后可與離開第二串聯(lián)換熱單元并進(jìn)入第一串聯(lián)換熱單元的流束合并。這樣的增加的熱量可有益于將CO2再循環(huán)流束的溫度帶入相對(duì)于渦輪機(jī)廢氣流束溫度的優(yōu)選閾值內(nèi)。具體地，CO2再循環(huán)流束可被加熱至比渦輪機(jī)廢氣流束溫度低50°C或更多、低40°C或更多，或者低30°C或更多的范圍內(nèi)。
[0043]離開換熱器30的被冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束32優(yōu)選地包括氣體狀態(tài)的CO2并可經(jīng)過低溫冷卻器40 (例如，水冷器)，其可用于將渦輪機(jī)廢氣流束冷卻至接近環(huán)境溫度。在特定實(shí)施例中，低溫冷卻器可將氣體CO2流束冷卻至約501:或更低、約401:或更低、或者約30°C或更低的溫度。這樣的系統(tǒng)組件尤其是可選的。低溫輸出流束42可被送入分離器50，該分離器在所示出的實(shí)施例中特定為水分離器。因此，水流束54從中被抽出，并且被干燥的CO2流束52離開分離器并可穿過一個(gè)或多個(gè)泵或壓縮機(jī)。
[0044]正如所示出的，干燥的CO2流束52穿過泵60，其可被用于使干燥的CO2流束的壓力升高至足以使得CO2處于超臨界狀態(tài)的壓力。例如，該壓力可被升高至約75bar(7.5Mpa)或更高，或者約80bar (8Mpa)或更高。由此產(chǎn)生的泵排放CO2流束62可在致密冷卻器70中被進(jìn)一步冷卻，該致密冷卻器可尤其被用于使超臨界CO2的密度提高以降低將CO2流束壓縮至可用于再循環(huán)至燃燒器10的壓力的能量需求。流束尤其可被增加密度至約200kg/m3或更高、約400kg/m3或更高,約600kg/m3或更高,或者約800kg/m3或更高。致密冷卻器排放CO2流束72然后可通過壓縮機(jī)80，以將其壓力提高至優(yōu)選地在以上描述的與用于輸入至燃燒器的CO2再循環(huán)流束有關(guān)的范圍內(nèi)。壓縮的CO2排放流束82可被分裂或可整體返回至燃燒循環(huán)。有益地，如果需要，任何過剩的CO2 (例如，由燃燒產(chǎn)生的CO2)都可被抽取出作為高壓CO2管線流束84，即，在適于輸入至管線的條件下。對(duì)于抽取出的CO2的任何期望的使用(例如提高油回收、隔離，等)都被涵蓋在本公開中。
[0045]壓縮CO2排放流束(再循環(huán)部分)86可被送回?fù)Q熱器30以將含CO2的流束加熱至處于或接近渦輪機(jī)排放流束的溫度。在特定實(shí)施例中，離開換熱器的再循環(huán)CO2流束的溫度可與渦輪機(jī)排放流束的溫度僅相差約50°C或更少。如果需要，在通過熱交換器之前或期間，可向含CO2的流束輸入額外的加熱。例如，源于在空氣分離單元110中絕熱壓縮的熱量可被添加至含CO2的流束。正如所示出的，高溫傳熱流束112可從空氣分離設(shè)備傳送至換熱單元(例如，到達(dá)進(jìn)入換熱器或進(jìn)入多級(jí)換熱器的一個(gè)或多個(gè)換熱單元的流束)，并且低溫傳熱流束114可從換熱器傳回空氣分離設(shè)備。
[0046]離開換熱器30的流束可被表示為CO2再循環(huán)流束。這樣，CO2再循環(huán)流束34可處于適于輸入燃燒器10的壓力和/或溫度下。在所示出的實(shí)施例中，CO2再循環(huán)流束首先被送入太陽能加熱器90，其可以是單個(gè)單元也可以是CSP系統(tǒng)的組件，正如以上已經(jīng)說明的。如圖所示，太陽能射線222從太陽能聚合器220反射，并且聚合的太陽輻射224被收集在太陽能加熱器中。通過太陽能加熱器的CO2再循環(huán)流束可依據(jù)CSP系統(tǒng)的狀態(tài)而發(fā)生改變或不變。如圖所示，流體流束直接穿過太陽能加熱器以直接從聚合系統(tǒng)重新獲得熱量。在其它實(shí)施例中，工作流體流束(即，再循環(huán)CCV流束)可與次工作流體(例如，太陽能循環(huán)工作流體)相互作用形成熱交換關(guān)系。這樣的次工作流體可循環(huán)通過太陽能聚合器系統(tǒng)以便加熱，正如以上關(guān)于已知太陽能熱收集器說明的那樣。例如，在太陽能集熱器系統(tǒng)中可結(jié)合熔鹽工作流體，并且進(jìn)入太陽能加熱器的再循環(huán)CO2流束可從熔鹽工作流體接收熱量。
[0047]如上所述，在收集充足的太陽能期間，太陽能加熱器可被加熱至一定溫度，其中從太陽能加熱器通過的CO2再循環(huán)流束的溫度被提高。在收集到的太陽能較少的時(shí)間，太陽能加熱器可處于基本上與離開換熱器的CO2再循環(huán)流束一樣的溫度，并且CO2再循環(huán)流束可既不被加熱也不被冷卻。在收集到的太陽能極少或沒有的時(shí)間，該太陽能加熱器的溫度可由于CO2再循環(huán)流束從此經(jīng)過而升高。這可能是有益的，因?yàn)樘柲芗訜崞骺杀痪S持在基本恒定的溫度下，例如，在太陽能加熱器的峰值加熱溫度的約5%以內(nèi)、約10%以內(nèi)、約20%以內(nèi)，或者約30%以內(nèi)。在已知的太陽能聚合系統(tǒng)中，接收器一般在每個(gè)太陽能周期期間由非常熱循環(huán)至非常冷。這種熱循環(huán)對(duì)接收器提出了設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，并且可能由于熱應(yīng)力日復(fù)一日地累積起來而導(dǎo)致接收器(即，太陽能加熱器)失效，或者需要其設(shè)計(jì)在溫度上受到限制，這限制了性能。在本公開所提及的實(shí)施例中，其中處于或接近系統(tǒng)操作溫度的CO2流束穩(wěn)定地流過接收器，可避免日常的溫度循環(huán)。太陽能加熱器因此可更加可靠并且可為更高的溫度而建造，能夠達(dá)到更高的效率。
[0048]有時(shí)，包括再循環(huán)CO2的太陽能加熱器排出流束92可處于主燃燒器10所要求的輸入溫度以下的溫度。因此，在一些實(shí)施例中，燃燒加熱器100可被定位在太陽能加熱器的輸出和主燃燒器的輸入之間。燃燒加熱器可例如燃燒氣體燃料流束7的一部分或分離燃料流束，以提供逐步提高CO2再循環(huán)流束的溫度所需的低水平加熱。燃燒加熱器排出流束102因此可處于為了輸入至主燃燒器而需要的溫度下，并且可直接被傳送進(jìn)主燃燒器。正如將體會(huì)到的，燃燒加熱器可以是可選的，并且，在其存在時(shí)，可僅在當(dāng)太陽能加熱器排出流束處于所需溫度閾值以下時(shí)的非峰值太陽能發(fā)電時(shí)間段期間點(diǎn)燃。
[0049]如圖2所示，本公開的整合式系統(tǒng)可包括可伸縮熱屏蔽200。在非峰值太陽能發(fā)電時(shí)間段期間可采用該熱屏蔽來抵抗太陽能加熱器90的熱損失，同時(shí)太陽能聚合器220提供的加熱不足以維持太陽能加熱器所需要的高溫。該熱屏蔽可包括有利于抵抗太陽能加熱器的輻射性損失和/或提供反射性加熱(即，將輻射性損失反射回太陽能加熱器)的任意材料。該熱屏蔽是可伸縮的，使得在峰值太陽能發(fā)電時(shí)間段中，所有可用的太陽能輻射都可被引導(dǎo)至太陽能加熱器以使得熱容量最大化。
[0050]依據(jù)本公開的系統(tǒng)和方法還可包括熱量?jī)?chǔ)存，以使得來自太陽能加熱器的熱輸入最大化。在某些實(shí)施例中，太陽能加熱器和相關(guān)聯(lián)的聚合系統(tǒng)可僅提供本發(fā)電系統(tǒng)和方法所需的總熱量的一部分。因此，其被用于維持恒定的、最少的燃燒流體流入主燃燒器中用于所需的必要的最小加熱。但是，在一些實(shí)施例中，太陽能加熱器極其相關(guān)聯(lián)的聚合系統(tǒng)可提供超過了總體發(fā)電系統(tǒng)和方法的操作條件所需的加熱的過剩加熱。在這樣的實(shí)施例中，所揭示的系統(tǒng)和方法可包括一個(gè)或多個(gè)熱量?jī)?chǔ)存組件，諸如加熱的CO2儲(chǔ)存器或加熱的熔鹽儲(chǔ)存器。所儲(chǔ)存的熱量(例如，在CO2儲(chǔ)存罐或熔鹽儲(chǔ)存罐中)然后可在非峰值太陽能加熱時(shí)間段期間被取出，以進(jìn)一步補(bǔ)充來自主燃燒器的加熱并保存了在峰值太陽能加熱時(shí)間段期間太陽能加熱器所產(chǎn)生的過剩的熱量。例如，基于約為2，063kWh/m2的美國(guó)西南部照射率進(jìn)行的計(jì)算已經(jīng)顯示出，依據(jù)本公開的特定實(shí)施例的系統(tǒng)可在峰值太陽能加熱時(shí)間段以100%太陽能導(dǎo)致的加熱進(jìn)行操作，并且輸入該系統(tǒng)的總太陽能熱量可接近系統(tǒng)容量的
32.9%。
[0051]雖然本公開是參考圖2中利用氣體或液體燃料討論的，但是該整合式系統(tǒng)和方法還可利用固體燃料，例如煤、褐煤、生物質(zhì)、廢料，和石油焦。在一些實(shí)施例中，可能有用的是包括用于固體燃料的預(yù)燃燒器，提供可在主燃燒器中燃燒的可燃燒產(chǎn)物的輸出流束。在圖3中示出了示例性實(shí)施例，其中，氧氣流束5可被分裂，并且POX氧氣流束354可與加壓的特殊化的燃料漿332 —起被輸入部分氧化(POX)燃燒器360。為了制備這種漿料，固體燃料流束305(例如，煤)在磨粉機(jī)310中被研磨以提供特殊化的固體燃料流束312，其在由發(fā)電機(jī)321供電的混合器320中被漿料化。特殊化的固體燃料與從致密冷卻器排放CO2流束72抽取出的CO2漿料部分74相結(jié)合，然后通過壓縮機(jī)80加壓。此時(shí)優(yōu)選地為超臨界的CO2與特殊化固體燃料混合以形成低壓漿料332，其然后通過漿料泵330以提供加壓的、特殊化的燃料漿料332，作為POX燃燒器的輸入。進(jìn)一步被輸入至POX燃燒器的是CO2再循環(huán)流束POX部分38，其可例如經(jīng)由分裂器35從CO2再循環(huán)流束34中獲取。同樣離開分裂器的是CO2再循環(huán)流束太陽能加熱器部分36。
[0052]在POX燃燒器中的燃燒提供了 POX燃燒流束362，其可包括各種組份。在特定實(shí)施例中，可按比例提供固體燃料、O2以及CO2，使得固體燃料的部分氧化產(chǎn)生燃燒流束，其包括不可燃燒組分、CO2，和H2、CO、CH4, H2S和NH3中的一種或多種。POX燃燒流束可通過過濾器370以除去例如灰質(zhì)的所有不可燃燒組分。產(chǎn)生的過濾POX燃燒流束374可作為燃燒燃料被引入主燃燒器10，并基本上可僅包括氣體和/或液體燃料材料。過濾的顆粒流束372可從過濾器中被抽取出以進(jìn)行沉積。
[0053]結(jié)合以上公開，圖3中所涵蓋的實(shí)施例基本上包括參考圖2所討論的另外的系統(tǒng)組件，并且其中所使用的方法可以參考圖2所討論的方式執(zhí)行。尤其是，燃燒器排出流束12可在渦輪機(jī)20中膨脹。渦輪機(jī)廢氣流束22可通過換熱器30被冷卻。如果需要，冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束可在低溫冷卻器40中進(jìn)一步被冷卻，并且低溫輸出流束42可在分離器50中被分離出任意的水分和其它雜質(zhì)，作為雜質(zhì)流束54。干燥的CO2流束52可在泵60中被加壓，并且泵排放CO2流束62可在致密冷卻器70中被冷卻和增加密度。致密冷卻器排放CO2流束可如前所述地被分裂成被引入混合器的分量74和在壓縮機(jī)80中被壓縮的剩余分量72。壓縮的CO2排放CO2流束可被分裂。壓縮的CO2排放流束(再循環(huán)分量)86可被送回至換熱器，并且壓縮的CO2排放流束(過濾分量)88可被送入過濾器370。管線的所有剩余高壓CO2可如以上所討論的被抽取出。離開換熱器熱端的CO2再循環(huán)流束34可如上所提及的在分裂器35處被分裂成如以上參考圖3已經(jīng)討論的那樣穿過該系統(tǒng)的各個(gè)分量。
[0054]返回圖2，C02再循環(huán)流束34可被配置成通過太陽能加熱器90以及可選的燃燒加熱器100，然后才進(jìn)入主燃燒器10。在其它實(shí)施例中，例如在圖3中，CO2再循環(huán)流束可被可選地分裂。雖然CO2流束被分裂以用于輸入圖3中的POX燃燒器，這樣的分裂可被用于引導(dǎo)CO2流入該系統(tǒng)的其它組件。例如，如圖4所見，離開換熱器30的熱端的CO2再循環(huán)流束可穿過燃燒再循環(huán)CO2分裂器135以形成兩個(gè)排出流束。CO2再循環(huán)太陽能加熱器分裂流束136可被引導(dǎo)穿過太陽能加熱器90，并且CO2再循環(huán)主燃燒器分裂流束137可直接進(jìn)入主燃燒器10。燃燒再循環(huán)CO2分裂器可以是例如簡(jiǎn)單的流分裂器，其可對(duì)進(jìn)入的CO2再循環(huán)流束進(jìn)行固定比例劃分，或者可對(duì)進(jìn)入的CO2再循環(huán)流束進(jìn)行可變的劃分。固定劃分的范圍以質(zhì)量流為基礎(chǔ)可從10:90太陽能加熱器流比主燃燒器流至90:10的太陽能加熱器流比主燃燒器流。其它固定比例的劃分(太陽能加熱器流比主燃燒器流)以質(zhì)量流為基礎(chǔ)可為20:80至80:20、30:70至70:30，或者40:60至60:40。在使用可變劃分的實(shí)施例中，太陽能加熱器和主燃燒器的流比率可基于太陽能加熱器的產(chǎn)熱狀態(tài)而變化。例如，在峰值太陽能加熱時(shí)間段，質(zhì)量流的50%或更高、75%或更高、80%或更高，或者90%或更高可被引入太陽能加熱器。在較低的太陽能加熱時(shí)間段期間，質(zhì)量流(例如，以上提及的相同質(zhì)量流比率)的大部分可被引入主燃燒器。對(duì)于變流閥的自動(dòng)控制也可被涵蓋在內(nèi)。具體地，太陽能加熱器的熱輸出可被連續(xù)地或間歇地監(jiān)控并與預(yù)定的CO2流量表進(jìn)行比較。通過燃燒再循環(huán)CO2分裂器的CO2質(zhì)量流可隨著太陽能加熱器的熱量輸出在太陽能循環(huán)中增加和減少而被自動(dòng)調(diào)節(jié)。例如，隨著來自太陽能加熱器的可用熱量增加，CO2質(zhì)量流的百分比可被自動(dòng)地且按比例地增加成CO2再循環(huán)太陽能加熱器分支和減少成CO2再循環(huán)主燃燒器分支。隨著來自太陽能加熱器的可用熱量增加，CO2質(zhì)量流的百分比可被自動(dòng)地且按比例地減少成CO2再循環(huán)太陽能加熱器分支和增加成CO2再循環(huán)主燃燒器分支。因此，本公開的系統(tǒng)可包括計(jì)算控制元件，其包括適于測(cè)量來自太陽能加熱器的可用熱量并適于在需要調(diào)節(jié)CO2再循環(huán)流束的太陽能加熱器流和主燃燒器流時(shí)打開和關(guān)閉流量閥的硬件和/或軟件。
[0055]類似的對(duì)CO2再循環(huán)流束的分裂可在使用固體燃料和部分氧化燃燒器的實(shí)施例中提供。在圖5中，例如，示出了與以上參考圖3所討論的基本相似的系統(tǒng)。圖5中的實(shí)施例的不同點(diǎn)在于，分裂器35已經(jīng)被重新定位并被配置成將CO2再循環(huán)流束34分裂成三個(gè)單獨(dú)的流束。CO2再循環(huán)流束POX分量38再次直接通過POX燃燒器360。CO2再循環(huán)流束太陽能加熱器分量36同樣再次直接通過太陽能加熱器90。專門的CO2再循環(huán)主燃燒器分量37現(xiàn)在被直接提供給主燃燒器10。如參考圖5，圖5中的分裂器可被配置成固定比例劃分或可變比例劃分。在一些實(shí)施例中，通過分裂器的CO2再循環(huán)流束流的主要部分(基于質(zhì)量流量)可被引導(dǎo)至三個(gè)流束中的一個(gè)。換句話說，通過分裂器的CO2再循環(huán)流束流的主要部分(基于質(zhì)量流量)可被引至POX燃燒器，或者通過分裂器的CO2再循環(huán)流束流的主要部分(基于質(zhì)量流量)可被引至太陽能加熱器，或者穿過分裂器的CO2再循環(huán)流束流的主要部分(基于質(zhì)量流量)可被引至主燃燒器。
[0056]返回圖2，如果需要，CO2再循環(huán)流束34可被交替地整體引至太陽能加熱器90或主燃燒器10。例如，如圖6所示，兩個(gè)定位流量閥235可被定位在CO2再循環(huán)流束的線上。流量閥可被置于太陽能加熱器位置處，使得CO2再循環(huán)流束的100%進(jìn)入CO2再循環(huán)太陽能加熱器回路236中的太陽能加熱器90。這種配置可在峰值太陽能加熱時(shí)刻期間被使用，使得所有CO2再循環(huán)流束在太陽能加熱器中被加熱。在這樣的實(shí)施例中，燃燒加熱器可尤其被省略，這是因?yàn)樘柲芗訜崞髋懦隽魇?2不需要被額外加熱，并且太陽能加熱器排出流束可直接進(jìn)入主燃燒器。流量閥備選地可被放置在主燃燒器位置處，使得100%的CO2再循環(huán)流束進(jìn)入在CO2再循環(huán)主燃燒器回路237中的主燃燒器10。這種配置可在太陽能加熱器中提供的加熱不足以將CO2再循環(huán)流束加熱至進(jìn)入主燃燒器所需的溫度時(shí)的非峰值太陽能加熱時(shí)刻期間被使用。然后CO2再循環(huán)流束的全部可在主燃燒器中被加熱至所需溫度。
[0057]兩個(gè)定位流量閥的使用也可被用在其中在POX燃燒器中燃燒固體燃料然后在主燃燒器中燃燒部分氧化產(chǎn)物的實(shí)施例中。例如，如圖7所見，兩個(gè)定位流量閥235被定位在CO2再循環(huán)流束34的線上。流量閥可被放置在太陽能加熱器的位置上，使得100%的CO2再循環(huán)流束傳送到CO2再循環(huán)太陽能加熱器回路236中的太陽能加熱器90。這種配置可在峰值太陽能加熱時(shí)間中使用，使得所有CO2再循環(huán)流束在太陽能加熱器中被加熱。在這樣的實(shí)施例中，尤其不需要燃燒加熱器，因?yàn)閷⒉粫?huì)需要對(duì)太陽能加熱器排出流束92進(jìn)行額外的加熱，并且然后太陽能加熱器排出流束可直接進(jìn)入主燃燒器。流量閥可備選地被放置在合并的燃燒器位置，使得100%的CO2再循環(huán)流束傳送到CO2再循環(huán)合并燃燒器回路239中的這兩個(gè)燃燒器。該回路具體地可在燃燒再循環(huán)CO2分裂器135中分裂，其中再循環(huán)CO2的一部分可以CO2再循環(huán)流束POX分量38的形式被送入POX燃燒器360，并且再循環(huán)CO2的一部分可以CO2再循環(huán)主燃燒器分量37的形式被送入主燃燒器10。
[0058]正如從前面可見的，本公開的整合式系統(tǒng)和方法可尤其有利于利用來自CSP系統(tǒng)的所有可用的加熱，改善燃燒發(fā)電系統(tǒng)和方法的效率。這在圖8中被示出，其中相對(duì)加熱來自利用天然氣作為燃料的整合式系統(tǒng)和方法中的各種源。這樣的加熱源被映射到從午夜到午夜的示例性太陽能循環(huán)上。正如從中所見，在不是白天的時(shí)間中，主燃燒器被點(diǎn)燃使得主燃燒時(shí)間段401負(fù)責(zé)整合式系統(tǒng)中的大部分乃至全部加熱。當(dāng)日出開始時(shí)，主燃燒時(shí)間段可終止，(雖然可能發(fā)生更緩和的降低)同時(shí)太陽能加熱時(shí)間段403增長(zhǎng)。在隨著接近于峰值太陽能輸出太陽能加熱增加的期間，燃燒加熱器可被點(diǎn)燃以對(duì)加熱進(jìn)行補(bǔ)充，并且燃燒器加熱時(shí)間段405可開始并逐漸縮短。隨著峰值太陽能輸出開始減小，燃燒器加熱器時(shí)間段可再次開始增長(zhǎng)直到太陽能加熱足夠低的點(diǎn)，使得主燃燒時(shí)間段開始并主導(dǎo)熱量產(chǎn)生。在主燃燒器時(shí)間段期間，可實(shí)施熱屏蔽的運(yùn)用407以減少太陽能加熱器的熱損失。
[0059]在此闡述的本發(fā)明的許多變形和其它實(shí)施例將進(jìn)入一個(gè)本領(lǐng)域技術(shù)人員的腦海中，對(duì)于他們來說有關(guān)這些發(fā)明有利于教導(dǎo)前述說明。應(yīng)理解的是，本公開并不限于所揭示的具體實(shí)施例并且其變形和其它實(shí)施例意圖被包括在隨附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。雖然在本文中采用了特定的術(shù)語，但是他們以廣義的且說明性的語感被使用并不是為了限制的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)電方法，所述方法包括: 使來自主燃燒器的含CO2的流束通過渦輪機(jī)以使所述含CO2的流束膨脹、發(fā)電，并且形成包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束； 在換熱器中冷卻所述包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束以形成冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束； 將來自所述冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束的CO2加壓以形成加壓的含CO2的流束； 在所述換熱器中加熱所述加壓的含CO2的流束； 進(jìn)一步通過太陽能加熱器加熱所述加壓的含CO2的流束；以及 將所述加壓的且太陽能加熱的含CO2的流束傳送至所述主燃燒器。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)入所述渦輪機(jī)的所述含CO2的流束處于約150bar (15MPa)或更高的壓力下。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)入所述渦輪機(jī)的所述含CO2的流束處于約500°C或更高的溫度下。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)入所述渦輪機(jī)的所述含CO2的流束的壓力與所述包括CO2的渦輪機(jī)廢氣流束的壓力之比為約12或更小。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述含CO2的流束加壓的步驟包括使所述流束通過多個(gè)加壓級(jí)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括在兩個(gè)加壓級(jí)之間冷卻所述含CO2的流束。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述加壓步驟之后并且在被所述太陽能加熱器加熱之前，所述加壓的含CO2的流束的一部分通過補(bǔ)充的熱量被加熱。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述補(bǔ)充的熱量包括來自空氣分離設(shè)備的壓縮的熱量。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在將來自所述太陽能加熱器的所述加壓的且太陽能加熱的含CO2的流束傳送到所述主燃燒器之前，使該來自所述太陽能加熱器的所述加壓的且太陽能加熱的含CO2的流束通過燃燒加熱器。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在主燃燒器中在存在氧氣和所述含CO2的流束的條件下燃燒含碳燃料，使得通過所述渦輪機(jī)的所述加壓且太陽能加熱的含CO2的流束進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)燃燒產(chǎn)物。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括在分離器中通過將一個(gè)或多個(gè)所述燃燒產(chǎn)物與所述CO2分離，來凈化來自所述換熱器的所述冷卻的渦輪機(jī)廢氣流束。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述含碳燃料是液體或氣體。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述燃料包括部分氧化的燃燒產(chǎn)物的流束。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括在部分氧化燃燒器中在存在O2和CO2的情況下燃燒固體燃料，所述固體燃料、O2和CO2按一定比例提供，使得所述固體燃料僅被部分氧化，以產(chǎn)生所述部分氧化的燃燒產(chǎn)物流束，其包括不可燃燒的組份、CO2以及H2、CO、CH4,H2S和NH3中的一個(gè)或多個(gè)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述固體燃料、02和0)2以一定比例提供，使得所述部分氧化的燃燒產(chǎn)物流束的溫度足夠低，所述流束中所有所述不可燃燒的組份具有固體顆粒的形式。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括使部分氧化的燃燒產(chǎn)物流束通過一個(gè)或多個(gè)過濾器。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述固體燃料包括煤、褐煤、生物質(zhì)，或石油焦。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述固體燃料具有顆粒的形式并且與CO2被漿料化。
19.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，控制被提供給所述主燃燒器的含碳燃料和氧氣的量，使得在所述主燃燒器中燃燒的熱量與可從所述太陽能加熱器獲得的用于加熱通過所述太陽能加熱器的所述加壓的含CO2的流束的熱量成反比關(guān)系。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，可從所述太陽能加熱器獲得的熱量在單個(gè)太陽能循環(huán)中改變大于10%。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，控制被提供給所述燃燒器的所述含碳燃料和氧氣的量，使得被傳送至所述渦輪機(jī)的所述含CO2的流束的溫度在所述單個(gè)太陽能循環(huán)中改變小于10%。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在用所述太陽能加熱器加熱之前將離開所述換熱器的所述加壓的含CO2的流束分裂，使得所述加壓的含CO2的流束的第一部分繼續(xù)進(jìn)入所述太陽能加熱步驟，且所述加壓的含CO2的流束的第二部分被傳送至所述主燃燒器，而不首先由所述太陽能加熱器加熱。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述太陽能加熱器將所述含CO2的流束加熱至約500°C或更高的溫度。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述太陽能加熱器被所述含CO2的流束加熱。
25.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)電實(shí)現(xiàn)了至少60%的基于較低加熱值的總體效率。
26.—種發(fā)電系統(tǒng),包括: 太陽能加熱器； 主燃燒器，其與所述太陽能加熱器流體連通； 發(fā)電渦輪機(jī)，其與所述主燃燒器流體連通； 換熱器，其與所述發(fā)電渦輪機(jī)和所述太陽能加熱器流體連通；以及 至少一個(gè)壓縮機(jī)，其與所述換熱器流體連通。
27.如權(quán)利要求26所述的發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)一步包括被定位在所述太陽能加熱器和所述主燃燒器之間并與所述太陽能加熱器和所述主燃燒器流體連通的燃燒加熱器。
28.如權(quán)利要求26所述的發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)一步包括被定位在所述換熱器和所述至少一個(gè)壓縮機(jī)之間并與所述換熱器和所述至少一個(gè)壓縮機(jī)流體連通的分離器。
29.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括空氣分離設(shè)備。
30.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中，所述空氣分離設(shè)備為深冷空氣分離設(shè)備，其包括絕熱的主壓縮機(jī)和增壓壓縮機(jī)。
31.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述換熱器包括一系列兩個(gè)或更多個(gè)換熱單元。
32.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括部分氧化燃燒器，其具有與所述主燃燒器的入口流體連通的出口。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括被定位在所述部分氧化燃燒器的所述出口和所述主燃燒器的所述入口之間并與其流體連通的過濾器。
34.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括被定位在所述換熱器的熱端出口下游并與該熱端出口流體連通的分裂器，所述分裂器具有與所述部分氧化燃燒器流體連通的第一出口，和與所述太陽能加熱器流體連通的第二出口。
35.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括被定位在所述換熱器的熱端出口下游并與該熱端出口流體連通的分裂器，所述分裂器具有與所述主燃燒器流體連通的第一出口，和與所述太陽能加熱器流體連通的第二出口。
36.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括流量閥，其被定位在所述換熱器的熱端出口的下游并與該熱端出口流體連通，所述流量閥具有與所述主燃燒器流體連通的第一出口，和與所述太陽能加熱器流體連通的第二出口，所述流量閥適于使流在所述太陽能加熱器和所述主燃燒器之間交替。
【文檔編號(hào)】F03G6/06GK104169578SQ201280066893
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月11日
【發(fā)明者】M.R.帕爾默, J.E.菲特維特, D.A.弗里德, G.W.小布朗 申請(qǐng)人:帕爾默實(shí)驗(yàn)室有限責(zé)任公司, 八河流資產(chǎn)有限責(zé)任公司