[发明专利]空气分离装置以及包括该空气分离装置的系统

说明书

技术领域

本发明大体上涉及空气分离装置以及包括所述空气分离装置的系统。确切地说，本发明涉及对液态空气中的氮气和氧气进行分离，以及混合这些产物以用于，例如，发电和自然资源回收等应用的系统。

背景技术

例如，在发电系统中，燃烧化石燃料生成的排气流中包括燃烧副产物：氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。无需从排气中除去NOx便可达到近零NOx的方法是氧-燃料燃烧工艺。在这个工艺方法中，使用纯氧(通常结合精洗煤气(secondary gas)，例如二氧化碳)而非空气作为氧化剂，因而产生的废气中具有可忽略不计的NOx排放物。此外，对于从氧污染度较低的CO₂生产中受益的应用，例如二氧化碳(CO₂)生产或隔离而言，氧-燃料燃烧是非常有发展前途的技术。在经由氧-燃料工艺运作的燃气涡轮机中，并不需要CO₂隔离装置，这是因为燃烧排气的主要成分主要包括CO₂以及水(H₂O)。通过使H₂O冷凝，可以产生高浓度CO₂流，而且所述流可用于CO₂隔离或其他CO₂应用。

空气分离装置(ASU)分离氧气和氮气，可用作氧-燃料工艺的氧气来源、并可用于单独提供高纯度氮气。ASU获取的高纯度氮气可以用于各种应用，例如强化油或气回收系统中的储油器或储气器管理。氮气和二氧化碳可在强化油回收技术(EOR)中用作注入流体。在EOR应用中，氮气可以用作二氧化碳的经济替代品。

较为有利的是，注入油井的氮气压力大于氮气和油的最低混相压力(minimum miscible pressure，MMP)。氮气与油形成混相段塞，从而有助于释放油，便于回收。因此，通常情况下，ASU所供应的低压气态氮在注入储油器之前，会先被压缩至高压。但是，在这些系统中，在ASU中与氧气分离的氮气随后会在气相状态被压缩至所需的压力，该过程需要大量动力/能量。

因此，仍需要一种用于发电的系统和方法，所述系统和方法可提供低含量/低程度的NOx和CO排放物，同时降低耗电量。

发明内容

简而言之，在一项实施例中，本发明提供一种系统。所述系统包括空气分离装置。所述空气分离装置包括：空气压缩装置，其经配置以产生压力大于约3巴(bars)的压缩空气；热交换器装置，其经配置以接收并冷却所述压缩空气，以产生冷却空气；第一蒸馏装置，其经配置以接收所述冷却空气、并产生包括液态氮的第一输出流；以及第一泵，其与所述第一蒸馏装置直接连通，且经配置可将所述第一输出流加压至大于大气压的压力。

所述第一泵经配置以将所述第一输出流加压至在约300巴到约500巴范围内的压力。所述系统进一步包括经配置以从所述第一泵中接收所述第一输出流的天然气或油回收井。所述第一泵与所述热交换器流体连通。所述第一蒸馏装置经配置以产生包括氮气和氧气的第二输出流。所述ASU进一步包括第二蒸馏装置，所述第二蒸馏装置经配置以接收来自所述第一蒸馏装置的所述第二输出流，并产生包括液态氧的第三输出流。所述ASU进一步包括第二泵，所述第二泵与所述第二蒸馏装置直接连通，且经配置以将所述第三输出流加压至在约30巴到约60巴范围内的压力。所述第二泵与所述热交换器流体连通。

所述系统进一步包括氧-燃料燃烧室，所述氧燃料燃烧室经配置以接收来自所述ASU的所述第三输出流，并产生废气。所述系统进一步包括涡轮机，所述涡轮机经配置以接收来自燃烧室的所述废气，并产生涡轮机排出废气。所述系统进一步包括冷凝器，所述冷凝器经配置以接收所述涡轮机排出废气，并产生二氧化碳流。所述系统包括经配置以接收所述二氧化碳流的油回收井。所述空气压缩装置经配置以产生压力在约15巴到约60巴范围内的压缩空气。所述ASU进一步包括膨胀器，所述膨胀器与热交换装置和第一蒸馏装置流体连通，且经配置以将所述冷却空气膨胀至大气压。

在另一项实施例中，本发明提供一种方法。所述方法包括以下步骤：在空气压缩装置内将空气压缩至大于约3巴的压力；使压缩空气通过热交换器装置，以冷却所述压缩空气；在蒸馏装置中蒸馏所冷却的空气流，以产生包括液态氮的第一流以及第二流；以及将所述第一流加压至大于大气压的压力。

所述方法进一步包括在第二蒸馏装置内蒸馏所述第二流，以产生包括液态氧的第三流；并进一步包括将所述第三流加压至在约30巴到约60巴范围内的压力。所述方法还进一步包括将所述第二流加压至在约30巴到约60巴范围内的压力。