[发明专利]与能量转换系统面接的具有二氧化碳捕获的高压矿物燃料氧燃烧系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃烧系统和操作燃烧系统的方法，且特定地涉及操作连接到能量转换系统的燃烧系统。更特定而言，本发明涉及一种使用超临界二氧化碳在压力下用来氧燃烧的燃烧系统，和一种操作所述系统以与封闭的超临界二氧化碳布雷顿（Brayton）循环系统面接的方法。

发明背景

温室气体到大气的排放以惊人的速度增加，且其中由于增加使用矿物燃料，二氧化碳的排放是全球变暖和气候变化的主要原因，导致国际上努力开发较少依赖于矿物燃料的低碳能源途径。然而，替代燃料对矿物燃料的相对成本呈现出显著缺点，导致在转型到低碳经济的期间努力开发的技术可使用矿物燃料但没有温室气体排放的严重影响。对于工业过程，如发电，这些努力包括改进从过程捕获二氧化碳且增加发电过程的效率的方法。在发电的情况中，这些方法是燃烧前二氧化碳捕获、燃烧后二氧化碳捕获和伴随二氧化碳捕获的氧-燃料燃烧。然而，这些方法的每个均具有二氧化碳捕获厂的资金和运营成本，以及在氧吹气化炉或氧-燃料过程的情况中从已知低温空气分离单元产生氧气的额外高成本的相关缺点。除了构建和运营的高成本之外，还已知关于这些方法的每个的其它缺点，包括技术的复杂性和相关风险，以及对比于先前的工厂运营（特别是发电）的低能源效率。

已作出提议将封闭的布雷顿循环与核能热源集成，或与太阳能热源集成。然而，这些源的每个呈现出基于源的本质的固有缺点和显著的成本缺点，使得如果可实质上减少或消除二氧化碳排放，那么对于热源使用矿物燃料仍然具吸引力。

目前已发现可通过在加压燃烧系统中的简单、有效、紧凑且低排放的过程而解决并克服上文认定的许多缺点以及其它缺点，加压燃烧系统被构建来与能量转换系统，尤其是封闭的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，或类似系统（诸如但不限于，用于发电的系统）面接。本发明的系统和方法提供与能量转换系统集成的高效近零排放的加压氧-燃料燃烧过程。本发明的燃烧系统和方法可用以矿物燃料的各种形式（即，作为气体、液体或固体燃料）的矿物燃料来操作。

在本发明的系统和方法中，由界面热交换器将热提供到能量转换系统，且可由燃料和氧气的质量流速以及离开热交换器进入燃烧器的部分烟道气体流的选择性再循环而部分缓和并控制燃烧的温度以及因此传递到并通过热交换器的燃烧产物流，以便在热交换器处满足能量转换系统的热能需求。

还发现可通过使用烟道气体流以预热进入的燃料供应和进入的氧气供应来实现额外效率。取决于能量转换系统的构造，来自该系统的余热可用于预热燃烧系统的进入的燃料和氧气供应。另外可通过使用烟道气体流以驱动连接到循环泵的原动机来实现进一步的效率。此外，燃烧系统的高压操作超过二氧化碳超临界压力，避免了二氧化碳排气流压缩所需的能量以用来存储或使用。另外，加压的烟道气体排气流可使用较不能源密集型的技术（如薄膜）而纯化。

发明概要

因此本发明试图提供一种操作连接到能量转换系统的燃烧系统，燃烧系统包括

（i）燃烧构件，其被构建和配置来选择性地操作于超过大气压的燃烧压力下，且包括燃烧器，燃烧器具有

（a）至少一个燃烧室；

（b）燃料输入构件，其被构建和配置来在超过所选燃烧压力的压力下接收燃料供应；

（c）氧气输入构件，其被构建和配置来接收具有至少70%纯度且在超过所选燃烧压力的压力下的氧气供应；

（d）二氧化碳输入构件，其被构建和配置来接收在超过所选燃烧压力的压力下的超临界二氧化碳供应；

（e）至少一个燃烧产物出口构件，其定义燃烧器的出口流路以从燃烧室和燃烧器去除燃烧产物；和

（f）至少一个燃烧产物流再循环入口构件；

（ii）氧气递送构件，其操作地连接到氧气输入构件；

（iii）燃料递送构件，其操作地连接到燃料输入构件；

（iv）至少第一热交换器构件，其被构建和配置来操作连接到能量转换系统，其具有输入区域、排出区域和至少第一流道，至少第一流道定义输入区域与排出区域之间用于从燃烧器接收的燃烧产物的流路；

（v）燃烧排气构件，其包括流道；

（vi）再循环构件，其操作地连接到至少一个燃烧产物流再循环入口构件，且包括至少一个循环泵；和

（vii）燃烧排出构件，其操作地连接到第一热交换器构件的排出区域以去除燃烧产物，且燃烧排出构件包括

（a）划分构件，其用于将燃烧产物分成再循环流和排气流；

（b）再循环流递送构件，其操作地连接到再循环构件；和

（c）排气流递送构件，其操作地连接到燃烧排气构件。