[发明专利]利用固体燃料燃烧和碳捕获发电的系统和方法

说明书

本公开涉及用于使用固体燃料(诸如煤、生物质等)的直接燃烧来发电的系统和方法。这些系统和方法可以组合开环或半闭环循环的第一发电循环与使用再循环工作流体(优选为CO₂)的闭环循环的第二发电循环。来自开环或半闭环循环的至少一个流可以用于加热构件中，以向闭环循环中的工作流体提供热量。固体燃料可以在气态流被处理并可选地至少部分再循环到燃烧器作为再循环流(优选包括CO₂)之前，在促进固体的更容易去除的条件下燃烧。

技术领域

本公开提供了利用碳捕获发电的系统和方法。具体地，这些系统和方法可以提供开放或半封闭循环的固体燃料的直接燃烧，该燃烧具有独立于燃烧的可选的额外的封闭超临界CO₂循环。

背景技术

二氧化碳(CO₂)是含碳燃料燃烧的已知产物，并且需要使用含碳燃料燃烧的发电系统来捕获产生的CO₂。提供借助固体燃料(具体为煤)的燃烧进行的高效发电并同时捕获碳特别困难。已经关于具有碳捕获和封存(CCS)的超临界粉煤(SCPC)或关于具有CCS的整体煤气化联合循环(IGCC)提出了具有碳捕获的燃煤发电系统。然而，这种系统受到高费用和低效率(例如，以更低热值为基础接近30％)的困扰。作为一种另选方案，Allam等人的美国专利No.8596075描述了一种使用CO₂工作流的发电系统，据此，燃烧产生的CO₂可以在对应于CO₂循环压缩机和最终CO₂泵的入口和出口压力的压力下收回。虽然在这种系统中设想煤燃烧具有潜在更高的效率和更低的成本，但是必须安装完整的煤气化系统来产生煤合成气，然后将其燃烧以用于发电。气化系统与发电系统之间的集成增加了发电厂设计和操作的复杂度。而且，无法避免由于煤气化和合成气净化过程引起的效率损失。因此，在本领域中仍然需要用于用固体燃料的直接燃烧和碳捕获来发电的另外的系统和方法。

发明内容

本公开涉及固体燃料的直接燃烧能够用于发电的系统和方法。根据本公开，可以通过使用直接燃烧消除原本需要的整个煤气化、合成气清洁以及酸性气体去除系统。例如，这可以通过使用具有CO₂循环的燃氧煤燃烧和(可选)原位脱硫来实现。燃烧烟道气(优选不含硫和灰分)可以用于驱动CO₂涡轮机发电。煤燃烧所产生的热量可以传递到闭环超临界CO₂循环，以便由固气热交换器产生另外的电力。这种系统和方法可以在设计上相当简单，以较低的成本来实现并且表现出较高的效率，与此同时还一直实现完全的碳捕获。

在一个或多个实施方式中，在再循环的CO₂的存在下，固体燃料可以用氧气在高压燃烧器中完全氧化。燃烧温度(在一个示例中)可以在约900℃的范围内，并且可以由再循环的CO₂的流量和(可选地)再循环的固体的流量来实质控制。在一些实施方式中，可以将石灰石(CaSO₄)或类似材料直接添加到燃烧器中和/或燃烧器的下游，以与来自排气的硫物种(具体是SO₂和SO₃)的至少部分(并且优选地为大致全部)反应并去除。由此可见，硫燃烧和石灰石反应的热量可以被回收并完全用于发电。

排气可以被传递到过滤单元(例如，旋风和/或烛式过滤器)，以从排气去除大部分固体颗粒(例如，燃料灰分和CaSO₄)。从旋风分离器去除的固体颗粒将处于大致接近燃烧温度的温度(例如，在示例性实施方式中为约900℃)。固体可以传递到固体冷却器，以冷却至更低的温度(例如，降低至约600℃)，然后再循环回到燃烧器，以便衰减燃烧器的温度。