[发明专利]能量产生系统及其方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及利用清洁燃料燃烧的能量产生系统及其方法。

背景技术

能量产生行业所面临的挑战性问题之一是燃料燃烧过程中产生的温室气体的捕获问题。更具体而言，主要挑战是对二氧化碳(CO₂)的捕获，因为这种分子结构是在燃烧过程中排放的主要温室气体。

CO₂的捕获有几种技术。它们一般分为以下几类：燃烧后捕获、氧-燃料燃烧和燃烧前捕获。

发明内容

在燃烧后捕获技术中，在燃料燃烧后将CO₂从烟气中分离出来。这可以通过多种方式完成，但最常见的成熟技术利用以胺类进行的化学吸收，所述胺类包括：伯胺，如单乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA)；仲胺，如二乙醇胺(DEA)、二异丙基胺(DIPA)；和叔胺，如三乙醇胺(TEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)。近几年还开始使用冷冻氨。在二氧化碳被吸收到溶剂中后进行汽提和压缩，同时将溶剂再生。这种方法需要大量的能量，因此迫使CO₂捕获成本高昂。

氧-燃料燃烧使用纯氧(O₂)代替空气进行燃料的燃烧。这种方法生成富含CO₂的烟气，这使得更容易捕获CO₂。这种技术的缺点是，用于从空气中分离O₂的空气分离单元十分昂贵，并需要消耗大量的能量，从而降低了动力装置的效率。

在燃烧前捕获中，燃料在燃烧之前通过与O₂反应而部分氧化，生成合成气(CO和氢气的混合物)。合成气随后变换(经由水煤气变换反应)产生氢气和富CO₂气体。然后，将CO₂与氢气分离，燃烧氢气只释放出水蒸汽。这种技术的缺点在于设备成本较大，以及由于燃料部分氧化和O₂生产所造成的能量损耗。

在CO₂被捕获后，它需要被重复利用或封存，以避免其释放到大气中。由于化学和食品工业只能消耗一小部分由全球发电厂产生的CO₂，其余的CO₂需要被注入到地质层组中永久储存。虽然对这种方法已有一些研究，甚至在一些地方进行了验证，但其存储的长期安全性仍令人担忧。此外，这种方法本质上放弃了CO₂中的碳，并没有将其回收。长远来看，在即使对全球煤炭储量而言碳量也有限的情况下，这种方法并没有最优化地利用现有自然资源。

在本领域中需要一种能够在燃烧燃料的同时回收反应产物并且不会降低效率和提高运行成本的新型系统和方法。

本发明提出了一种高效率能量产生循环，该循环能够固有地获得基本上纯净的二氧化碳(CO₂)烟气流。本发明的技术将作为燃料的一氧化碳(CO)的氧-燃料燃烧与二氧化碳作为工作流体的使用结合起来。这种燃烧可以在诸如轮机(例如燃气轮机)或内燃机等许多种热机/燃机中进行。

这里应该注意的是，本发明的该构思中使用的术语“热机”是指任何将热量转换成功和/或电力的发动机。热量一般可以来自燃料燃烧、太阳辐射、地热能、核反应或任何其他热源。

产生的烟气将包括基本上纯净的CO₂，虽然在大型系统中可能与周围大气发生相互泄漏，但不会实质上改变该工艺。由此产生的烟气中的CO₂的体积分数可能为大约85％至大于99％。至少一部分CO₂可以再循环到热机(例如燃气轮机)中，在那里它可以用作工作流体(例如，代替燃气轮机中的空气)。

此外，由于CO₂是系统中唯一的燃烧产物，它可以自发动机排出后被隔离，而无需传统CO₂捕获方案中那样显著的成本。

根据本发明，热机排出的至少一部分CO₂被回收为CO和O₂。这可以通过多种方法完成，如热化学和/或催化工艺和/或电化学还原气态CO₂、光催化方法或通过电解。将CO₂还原成CO和O₂提供了氧-燃料燃烧需要的O₂，而不再需要空气分离单元(ASU)。辅助ASU仍然可以集成到本发明的系统中作为系统中由于损耗而补充O₂的来源，或用于分离可能会泄漏到系统中的环境气体(如氮气)。