[发明专利]用氮气工作流体高效产生动力的系统和方法

说明书

技术领域

本公开内容提供了使用N₂工作流体通过在空气中燃烧燃料产生动力的高效方法。

背景技术

随着全世界能源需求持续增长，对于额外的动力生产过程也存在日益增长的需求。当前使用天然气燃料或馏出烃类燃料（distillate hydrocarbon fuel）产生动力的高效方法是结合了天然气的循环（NGCC）的系统，其包括布雷顿循环燃汽轮机（Brayton Cycle gas turbine）和兰金循环蒸汽系统（Rankine cycle steam system）。商业可用的最大燃汽轮机在ISO（国际标准化组织）条件下能够从NGCC系统输出约450MW（兆瓦）至约550MW范围内的动力，且低热值效率在约56%至约60%范围内。当前利用燃煤锅炉加蒸汽发电机的单套单元是可用的，基于最高可达到的蒸汽条件以及当前最好的锅炉设计和材料，其可具有大于1,000MW的动力输出，并提供高达约45%的净电效率。利用单蒸汽涡轮机且动力输出大于1,000MW的核反应堆是可用的。

除上述以外，第2011/0179799号美国专利公开公开了一种高压低压比动力循环，其使用在存在高浓度的氧气氛下燃烧的碳质或烃类燃料，并因此需要提供高纯度的氧源。燃烧产物通过在热交换器中已经被涡轮机排出流加热的高温、高压以及高度提纯的CO₂流的再循环而被冷却。

如上所见，本领域现有的以及新兴的技术需要使用多个循环和/或提供高度提纯的材料用于燃烧。此外，仍需要使用在空气中燃烧天然气或馏出燃料的动力系统，其能从单套提供高达500MW或更高的动力输出。

发明内容

目前所描述的用于动力生产的系统和方法对于提供高效率的动力生产可以是非常有用的，并且可展示出一种或多种下述特征：

所公开的系统和方法在比常规NGCC系统低的最大涡轮机温度下可达到与常规NGCC系统相当的效率。

所公开的系统和方法在与常规的NGCC系统相等的涡轮机温度下可达到比常规NGCC系统更高的效率。

所公开的系统和方法可具有比常规NGCC系统显著更低的资本成本。

所公开的系统和方法可利用单一工作流体。

所公开的系统和方法可利用除蒸汽系统以外的装置来驱动涡轮机。

所公开的系统和方法可比NGCC系统显著地更为紧凑。

所公开的系统和方法在废气中可具有的CO₂浓度显著高于NGCC废气中大致3%的浓度，使得可使用适当的去除系统更加容易地捕捉CO₂。

所公开的系统和方法可利用空气作为低成本氧化剂源，而不需要高纯度氧气。

所公开的系统和方法可提供接近化学计量的燃烧条件，其能够导致过量惰性气体的产生，该惰性气体可被排放到大气中。

所公开的系统和方法可在动力生产中通过使流经过一个或多个涡轮机膨胀来利用包含惰性气体的高压流。

所公开的系统和方法可提供一种操作动力生产过程的方法，其中化石燃料可在高压下在空气中以接近化学计量的条件在具有足够的高压低压比的封闭循环中燃烧，使得氧在燃烧器中燃烧之后留下的加压过量惰性气体可膨胀至大气压，产生额外动力的最大化生产。

此外，在一个实施方式中，本公开内容提供了动力生产系统。该动力生产系统可包括：第一燃烧器，其被配置成在第一再循环流存在下燃烧第一燃料流和第一空气流，以产生第一燃烧流；第一涡轮机，其被配置成使第一燃烧流膨胀，以及，第一热交换器，其被配置成从第一涡轮机接收至少一部分第一排放流。该第一热交换器可被配置成利用该部分第一排放流，来加热第一空气流以及至少一部分由第一排放流产生的第一再循环流。动力生产系统还可包括第二燃烧器，其被配置成在由第一排放流产生的第二再循环流存在下燃烧第二燃烧流和第二空气流，以产生第二燃烧流；第二涡轮机，其被配置成使第二燃烧流膨胀；以及第二热交换器，其被配置成加热第二空气流和第二再循环流。