[发明专利]用于产生高压氧的低温空气分离方法

说明书

本发明涉及一种低温空气分离方法，所述低温空气分离方法提供高压氧用于燃料(例如含碳燃料)的富氧燃烧。所述空气分离方法可以直接集成到利用诸如CO₂的工作流体的闭式循环发电过程中。有利的是，所述空气分离方法可以消除对空气压缩级之间的中间冷却的需要，并且相反，使得绝热压缩热再循环到其中额外的热量供应有益的另外的方法中的工艺步骤中。

技术领域

本发明涉及用于产生高压液氧流的方法和系统。具体来说，所述方法和系统可以用于提供用于不同或相关方法或系统，例如像发电系统中的高压气态氧气流。

背景技术

利用一种或多种化石燃料的燃烧以二氧化碳作为工作流体发电的系统和方法描述于美国专利号8,596,075中，该美国专利以引用的方式整体并入本文。这样的系统和方法利用基本上纯的氧气使化石燃料在高压(例如约200巴至500巴)和高温下燃烧。在一些实例中，所述化石燃料可以是天然气(即主要由甲烷组成的烃气体混合物)和/或源自于煤、生物质和/或残余石油精炼产品，例如像重质残油馏分或石油焦的部分氧化的化石燃料。无论化石燃料如何，都需要大量的高压气态氧。这样的系统和方法已经被证实经由向没有从燃烧产物流中回热式换热的发电机添加热量来提供提高的效率。在一个方面，所添加的热量可以源自于在低温氧气产生过程中增加入口空气流的压力的压缩机产生的绝热和/或源自于二氧化碳再循环压缩机。

大气空气包含许多不同的气体组分，主要是氮气和氧气，而且还包含少量的其他物质，如稀有气体(例如氩气)、甲烷、水蒸气以及二氧化碳。大气空气的一种或多种组分可以使用空气分离方法和系统(即“空气分离单元”、“空气分离设备”或“ASU”)分离并且以纯化形式提供。存在用于空气分离工艺的已知技术，如低温蒸馏(例如低温空气分离循环)、膜分离、变压吸附(PSA)和真空变压吸附(VPSA)以及在高温氧离子传输陶瓷混合氧化物膜系统中从空气中分离氧气。在可用的方法中，低温蒸馏对于将空气分离成它的高纯度和高压的组成部分是特别有利的。

泵送液氧循环是一种用于产生高压氧的示例性低温空气分离循环。举例来说，用于低温空气分离循环的泵送液氧循环可以包括液氧泵，所述液氧泵被配置成将高压液氧输送通过热交换器以通过冷却和/或冷凝高压空气或氮气的补充流将高压液氧加热到环境温度。

尽管用于工业过程的大规模氧气生产已经实施了超过100年，但是迄今为止使用的最高氧气压力仅接近约100巴。已经以超过300巴的压力为高压气瓶生产氧气，但是这种用于一般低流量的生产工艺利用泵送液氧的小型往复泵，然后使用间接加热的热交换器，例如使用从环境空气或热水外部供应的热量间接地将液氧加热到环境温度。因此，在本领域中仍然需要用于产生高压氧的另外的系统和方法，所述高压氧诸如适用作发电系统和方法中的氧化剂。

发明内容

在各个方面，本发明涉及一种低温空气分离方法，所述低温空气分离方法可用于产生高压氧气流以用于一个或多个另外的过程，例如像包括燃料的富氧燃烧的发电系统中。所产生的氧优选地处于气态或超临界状态。具体来说，这样的燃烧可以在使用例如CO₂工作流体的工作流体的闭式循环发电过程中进行。根据本公开的各个方面的空气分离方法可以许多特定的优势为特征。举例来说，所述空气分离方法可以有利地提供一种低成本方法以在低温空气分离方法中利用高效泵送液氧循环产生处于约200巴至约500巴的压力的环境温度氧气。在一些方面，所述低温空气分离方法可以与绝热空气压缩机结合以将空气分离单元与发电系统集成。根据本公开的另一个方面，所述方法可以包括利用与高压紧凑型热交换器集成的高压空气进料流的膨胀涡轮机的膨胀部分的布置以提供最佳的热交换面积和基于总氧气成本的总体最佳循环效率。

根据一个方面，所述系统和方法可以提供以两个不同的压力从低温空气分离循环中产生两个单独的氧气流。第一氧气流可以用于产生处于约200巴至约500巴范围的压力的氧气以用于发电系统的燃烧室中。根据一些方面，第二氧气流可以用于产生处于约30巴至约150巴范围的压力的氧气以用于重质燃料部分氧化反应器中，所述重质燃料部分氧化反应器被配置成产生待用于发电系统的燃烧室中的燃料气流。