Método para generación de potencia de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo circulante de dióxido de carbono.

Un método para generación de potencia que comprende:

introducir un combustible (254) que contiene carbono,

O2 (242) y un fluido (236) circulante de CO2 en una cámara de combustión (220), siendo introducido el CO2 a una presión de al menos aproximadamente 12 MPa y una temperatura de al menos aproximadamente 400 ºC;

someter a combustión el combustible (242) que contiene carbono para proporcionar una corriente (40) de producto de combustión que comprende CO2, teniendo la corriente (40) de producto de combustión una temperatura de al menos aproximadamente 800 ºC;

expandir la corriente (40) de producto de combustión a través de una turbina (320) para generar potencia, teniendo la turbina (320) una entrada para recibir la corriente (40) de producto de combustión y una salida para liberar una corriente (50) de descarga de turbina que comprende CO2, en donde la relación de la presión de la corriente (40) de producto de combustión en la entrada en comparación con la presión de la corriente (50) de descarga de turbina en la salida es menor de aproximadamente 12;

retirar calor de la corriente (50) de descarga de turbina pasando la corriente (50) de descarga de turbina a través de una unidad (420) de intercambio de calor primaria para proporcionar una corriente (60) de descarga de turbina enfriada;

eliminar de la corriente (60) de descarga de turbina enfriada uno o más componentes secundarios que están presentes en la corriente (60) de descarga de turbina enfriada además de CO2 para proporcionar una corriente (65) de descarga de turbina enfriada purificada;

comprimir la corriente (65) de descarga de turbina enfriada, purificada con un primer compresor (630) hasta una presión por encima de la presión crítica de CO2 para proporcionar una corriente (66) fluida circulante de CO2 supercrítico;

enfriar la corriente (66) fluida circulante de CO2 supercrítico hasta una temperatura donde su densidad es al menos aproximadamente 200 kg/m3;

pasar el fluido (67) circulante de CO2 de alta densidad, supercrítico a través de un segundo compresor (650) para presurizar el fluido (70) circulante de CO2 a la presión requerida para entrada a la cámara de combustión;

pasar (70) circulante de CO2 a alta presión, de alta densidad, supercrítico, a través de la misma unidad (420) de intercambio de calor primaria de tal manera que el calor extraído es utilizado para incrementar la temperatura de fluido (70) circulante de CO2;

suministrar una cantidad adicional de calor (Q) al fluido (70) circulante de CO2 a alta presión, de alta densidad, supercrítico, para incrementar la temperatura del fluido (70) circulante de CO2 de manera que la diferencia entre la temperatura del fluido (70) circulante de CO2 que sale de la unidad (420) de intercambio de calor primaria para recircular a la cámara de combustión (220) y la temperatura de la corriente (50) de descarga de turbina es menor de aproximadamente 50 ºC; y

recircular el fluido (70) circulante de CO2 de alta densidad, supercrítico, calentado, hacia la cámara de combustión.

Método para generación de potencia de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo circulante de dióxido de carbono.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención está dirigida a métodos para la generación de potencia, tal como electricidad, a través del uso 5 de un fluido circulante para transferir energía generada a través de combustión de alta eficiencia de un combustible que contiene carbono. Particularmente, el sistema y método puede utilizar dióxido de carbono como fluido circulante.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se estima que los combustibles fósiles continuaran proveyendo el mayor volumen de los requerimientos de potencia eléctrica del mundo durante los próximos 100 años mientras que las fuentes no carbonáceas están desarrolladas y 10 en decadencia. Los métodos conocidos para generación de potencia a través de la combustión de combustibles fósiles y/o biomasa adecuada, sin embargo, están plagados por costes de energía elevados y una creciente producción de dióxido de carbono (CO2) y otras emisiones. El calentamiento global es visto crecientemente como una consecuencia potencialmente catastrófica de las emisiones incrementadas de carbono por las naciones desarrolladas y en desarrollo. La energía solar y eólica no parecen ser capaces de remplazar la combustión de 15 combustibles fósiles a corto plazo, y la energía nuclear tiene peligros asociados con la proliferación y desecho de los residuos nucleares.

Los medios convencionales de producción de potencia a partir de combustibles sólidos o biomasas adecuadas están siendo recargados crecientemente con requerimientos para la captura de CO2 a alta presión para distribución a sitios de retención. Está probado que este requerimiento es difícil de satisfacer, sin embargo, puesto que la tecnología 20 actual solamente proporciona eficiencias térmicas muy bajas incluso para los mejores diseños para la captura de CO2. Además, los costes de capital para lograr la captura de CO2 son altos, y esto da como resultado costes de electricidad significativamente más altos en comparación con los sistemas que emiten el CO2 hacia la atmosfera. De acuerdo con lo anterior, hay una necesidad siempre creciente en la técnica por sistemas y métodos para la generación de potencia de alta eficiencia permitiendo una reducción de la emisión CO2 y/o una facilidad mejorada 25 para la retención del CO2 producido.

La US 4, 498, 289 divulga un sistema de potencia de quema directa mejorada que genera y emplea un gas de combustión el cual incluye dióxido de carbono o un fluido de trabajo que incluye una cámara de combustión para quemar una mezcla que incluye oxígeno, combustible carbonáceo y dióxido de carbono recirculado como fluido de trabajo a una primera presión de por encima de 1100 PSI (aproximadamente 7.6 MPa) proveyendo por tanto un gas 30 de combustión que incluye dióxido de carbono y agua a sustancialmente la primera presión y por encima de 31 °C. Una primera turbina permite que el gas se expanda a través de la misma para generar potencia y reducir la presión del gas de combustión hasta una segunda presión por debajo de 1100 PSI (aproximadamente 7.6 MPa) a la vez que mantiene la temperatura del gas por encima de 31 °C. Un segundo quemador calienta el gas de combustión hasta una temperatura más alta y una segunda turbina permite que el gas se expanda a través de la misma para generar 35 potencia y reducir la presión hasta una tercera presión a la vez que mantiene la temperatura del gas por encima de 31 °C. Un intercambiador de calor incluye ductos, en una relación de intercambio de calor. Los ductos conducen el fluido de dióxido de carbono recirculado a sustancialmente la primera presión a través de los mismos y a la cámara de combustión. El ducto conduce el gas de combustión desde la turbina a través del mismo para transferir calor al fluido de trabajo de dióxido de carbono recirculado para condensar al menos una porción del agua en el gas de 40 combustión pero mantener el dióxido de carbono del mismo en una fase gaseosa. El agua condensada es separada del gas. Un condensador enfría el gas hasta una primera temperatura por encima de 31 °C y un compresor comprime el gas hasta una cuarta presión de al menos 1100 PSI (aproximadamente 7.6 MPa) pero por debajo de la primera presión. Un segundo condensador enfría el gas hasta una segunda temperatura por debajo de la primera temperatura pero por encima de 31 °C y un segundo compresor comprime el gas hasta sustancialmente la primera 45 presión para proporcionar un fluido de trabajo de dióxido de carbono recirculado el cual es suministrado al intercambiador de calor.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un método para generación de potencia de acuerdo con la reivindicación 1.

En ciertos aspectos, la invención proporciona sistemas para la producción de potencia que pueden producir potencia 50 a alta eficiencia con bajo coste de capital y también puede producir CO2 sustancialmente puro a presión de tubería para retención. El CO2 también puede ser recirculado hacia el sistema de producción de potencia.

Los sistemas y métodos de la invención están caracterizados por la capacidad de utilizar una amplia variedad de fuentes de combustible. Por ejemplo, la cámara de combustión de alta eficiencia utilizada de acuerdo con la invención puede hacer uso de combustibles gaseosos (por ejemplo, gas natural o gases derivados del carbón) , 55 líquidos (por ejemplo, hidrocarburos, bitumen) y sólidos (por ejemplo carbón, lignito, coque de petróleo) . Incluso podrían utilizarse combustibles adicionales, diferentes como se describe aquí de otra manera.

En otros aspectos, los métodos y sistemas de la invención son particularmente útiles en que pueden exceder la mejor eficiencia de las estaciones de potencia de quema de carbón actuales que no proporcionan la captura de CO2. Tales estaciones de potencia actuales pueden proporcionar, como máximo, aproximadamente 45% de eficiencia (valor de calentamiento inferior o "LHV") con 1.7 pulgadas de mercurio (aproximadamente 5.8 kPa) de presión de condensador utilizando un carbón bituminoso. El sistema presente puede exceder tal eficiencia a la vez que 5 suministra CO2 para retención u otros residuos a presiones requeridas.

En todavía otro aspecto, la presente invención proporciona la capacidad de reducir el tamaño físico y el coste de capital de un sistema de generación de potencia en comparación con tecnologías actuales que utilizan un combustible similar. Así, los métodos y sistemas de la presente invención pueden reducir significativamente los costes de construcción asociados con los sistemas de producción de potencia. 10

Todavía adicionalmente, los métodos y sistemas de la presente invención pueden proporcionar la recuperación de virtualmente el 100% del CO2 utilizado y/o producido, especialmente el CO2 derivado del carbono presente en el combustible. Particularmente, el CO2 puede ser provisto como un gas secado, purificado a presión de tubería. Además, la invención proporciona la capacidad de recuperar separadamente otras impurezas derivadas de los combustibles y la combustión para uso y/o desecho. 15

En un aspecto particular, la presente invención está dirigida a un método para generación de potencia que incorpora el uso de un fluido circulante, tal como CO2. En realizaciones específicas, un método de generación de potencia de acuerdo con la invención puede comprender la introducción de un combustible que contiene carbono, O2 y un fluido circulante de CO2 en una cámara de combustión enfriada por transpiración. Específicamente, el CO2 puede ser introducido a una presión de al menos aproximadamente 8 MPa (preferiblemente al menos aproximadamente 12 20 MPa) y una temperatura de al menos aproximadamente 200 °C (preferiblemente al menos aproximadamente 400 °C) . El método puede comprender adicionalmente la combustión del combustible para proporcionar una corriente del producto de combustión que comprende CO2. Particularmente, la corriente del producto de combustión puede tener una temperatura de al menos aproximadamente 800 °C. Adicionalmente, el método puede comprender la expansión de la corriente del producto de combustión a través de una turbina para generar potencia, teniendo la turbina una 25 entrada para recibir la corriente del producto de combustión y una salida para liberar la corriente de descarga de la turbina que comprende CO2. Preferiblemente, la relación de presión de la corriente del producto de combustión en la entrada en comparación con la corriente de descarga de la turbina a la salida puede ser de menos de aproximadamente 12. En realizaciones específicas, puede ser deseable que el CO2 sea introducido... [Seguir leyendo]

1. Un método para generación de potencia que comprende:

introducir un combustible (254) que contiene carbono, O2 (242) y un fluido (236) circulante de CO2 en una cámara de combustión (220) , siendo introducido el CO2 a una presión de al menos aproximadamente 12 MPa y una temperatura de al menos aproximadamente 400 ºC; 5

someter a combustión el combustible (242) que contiene carbono para proporcionar una corriente (40) de producto de combustión que comprende CO2, teniendo la corriente (40) de producto de combustión una temperatura de al menos aproximadamente 800 ºC;

expandir la corriente (40) de producto de combustión a través de una turbina (320) para generar potencia, teniendo la turbina (320) una entrada para recibir la corriente (40) de producto de combustión y una salida para liberar una 10 corriente (50) de descarga de turbina que comprende CO2, en donde la relación de la presión de la corriente (40) de producto de combustión en la entrada en comparación con la presión de la corriente (50) de descarga de turbina en la salida es menor de aproximadamente 12;

retirar calor de la corriente (50) de descarga de turbina pasando la corriente (50) de descarga de turbina a través de una unidad (420) de intercambio de calor primaria para proporcionar una corriente (60) de descarga de turbina 15 enfriada;

eliminar de la corriente (60) de descarga de turbina enfriada uno o más componentes secundarios que están presentes en la corriente (60) de descarga de turbina enfriada además de CO2 para proporcionar una corriente (65) de descarga de turbina enfriada purificada;

comprimir la corriente (65) de descarga de turbina enfriada, purificada con un primer compresor (630) hasta una 20 presión por encima de la presión crítica de CO2 para proporcionar una corriente (66) fluida circulante de CO2 supercrítico;

enfriar la corriente (66) fluida circulante de CO2 supercrítico hasta una temperatura donde su densidad es al menos aproximadamente 200 kg/m3;

pasar el fluido (67) circulante de CO2 de alta densidad, supercrítico a través de un segundo compresor (650) para 25 presurizar el fluido (70) circulante de CO2 a la presión requerida para entrada a la cámara de combustión;

pasar (70) circulante de CO2 a alta presión, de alta densidad, supercrítico, a través de la misma unidad (420) de intercambio de calor primaria de tal manera que el calor extraído es utilizado para incrementar la temperatura de fluido (70) circulante de CO2;

suministrar una cantidad adicional de calor (Q) al fluido (70) circulante de CO2 a alta presión, de alta densidad, 30 supercrítico, para incrementar la temperatura del fluido (70) circulante de CO2 de manera que la diferencia entre la temperatura del fluido (70) circulante de CO2 que sale de la unidad (420) de intercambio de calor primaria para recircular a la cámara de combustión (220) y la temperatura de la corriente (50) de descarga de turbina es menor de aproximadamente 50 ºC; y recircular el fluido (70) circulante de CO2 de alta densidad, supercrítico, calentado, hacia la cámara de combustión 35

2. El método de la reivindicación 1, en donde dicha etapa de eliminación comprende enfriar adicionalmente la corriente (50) de descarga de turbina (50) contra un medio de enfriamiento a temperatura ambiente, opcionalmente en donde dicho enfriamiento adicional condensa agua (62a) junto con uno o más componentes secundarios para formar una disolución que comprende uno o más de H2SO4, HNO3, HCl, y mercurio.

3. El método de la reivindicación 1, en donde una corriente (80) de CO2 producto es retirada de la corriente (70) de 40 fluido circulante de CO2 a alta presión, de alta densidad, supercrítica antes de pasar a través de la unidad (420) de intercambio de calor primaria, opcionalmente en donde la corriente (80) de CO2 producto comprende sustancialmente todo el CO2 formado por la combustión del carbono en el combustible (254) que contiene carbono, y/o opcionalmente en donde la corriente (80) de CO2 producto está a una presión compatible con la entrada directa a una tubería de CO2 a alta presión. 45

4. El método de la reivindicación 1, en donde combustible (254) que contiene carbono comprende una corriente (256) de productos de combustión parcial, opcionalmente en donde la corriente (256) de productos de combustión parcial es producida sometiendo a combustión un combustible (254) que contiene carbono con O2 (243) en la presencia de un fluido (86) circulante de CO2, siendo provistos el combustible (254) que contiene carbono, O2 (243) , y fluido (86) circulante de CO2 en relaciones tales que el combustible (254) que contiene carbono es oxidado sólo 50 parcialmente para formar la corriente (256) que comprende un componente incombustible, CO2, y uno o más de H2, CO, CH4, H2S, y NH3, y, opcionalmente en donde el combustible (254) que contiene carbono comprende carbón, lignito, o coque de petróleo, opcionalmente en donde el combustible (254) que contiene carbono está en forma de partículas y es provisto en forma de un lodo (255) con CO2.

5. El método de la reivindicación 4, en donde el combustible (254) que contiene carbono, O2 (243) , y fluido (86) circulante de CO2 son provistos en relaciones tales que la temperatura de la corriente (256) de producto de 5 combustión parcial es suficientemente baja de forma que todo el componente incombustible en la corriente (256) está en la forma de partículas sólidas, opcionalmente en donde la temperatura de la corriente (256) de producto de combustión parcial es aproximadamente 500 ºC a aproximadamente 900 ºC; u opcionalmente que comprende adicionalmente pasar la corriente (256) de producto de combustión parcial a través de uno o más filtros (940) , y opcionalmente de manera 10 adicional en donde el filtro (940) reduce la cantidad residual de componente incombustible a menos de aproximadamente 2 mg/m3 de la corriente (256) de producto combustión parcial.

6. El método de la reivindicación 1, en donde:

el fluido (236) circulante de CO2 es introducido a una presión de al menos aproximadamente 15 MPa, opcionalmente a una presión de al menos aproximadamente 20 MPa; 15

o en donde el fluido (236) circulante de CO2 es introducido a una temperatura de al menos aproximadamente 600 ºC, opcionalmente al menos aproximadamente 700 ºC.

7. El método de la reivindicación 1, en donde:

la corriente (40) de producto de combustión tiene una temperatura de al menos aproximadamente 1000 ºC, o en donde la corriente (40) de producto de combustión tiene una presión que es al menos aproximadamente 90% 20 de la presión del CO2 (236) introducido en la cámara de combustión (220) , opcionalmente al menos aproximadamente 95% de la presión del CO2 (236) introducido en la cámara de combustión (220) .

8. El método de la reivindicación 1, en donde la relación de la presión de la corriente (40) de producto de combustión en la entrada comparada con la presión de la corriente (50) de descarga de turbina en la salida es de aproximadamente 1.5 a aproximadamente 10, de forma opcional aproximadamente 2 a aproximadamente 8. 25

9. El método de la reivindicación 1, en donde la relación de CO2 en el fluido (236) circulante de CO2 a carbono en el combustible (254) que contiene carbono introducido a la cámara de combustión, sobre una base molar, es aproximadamente 10 hasta aproximadamente 50; o en donde la relación de CO2 en el fluido (236) circulante de CO2 a O2 (242) introducido en la cámara de combustión, sobre una base molar, es aproximadamente 10 hasta aproximadamente 30. 30

10. El método de la reivindicación 1, donde el CO2 en la corriente (50) de descarga de la turbina está en un estado gaseoso; o en donde la corriente (50) de descarga de la turbina tiene una presión de menos de o igual a 7 MPa.

11. El método de la reivindicación 1, en donde la unidad (420) de intercambio de calor primaria comprende una serie de al menos tres intercambiadores de calor (430, 440, 450) , opcionalmente en donde el primer intercambiador (430) de calor en la serie recibe la corriente (50) de descarga de turbina y reduce la temperatura de la misma, estando 35 formado el primer intercambiador (430) de calor a partir de una aleación para alta temperatura que soporta una temperatura de al menos aproximadamente 700 ºC.

12. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente (70) de fluido circulante de CO2 de alta densidad, supercrítico, después de pasar a través del segundo compresor (650) tiene una presión de al menos aproximadamente 15 MPa, opcionalmente al menos aproximadamente 25 MPa. 40

13. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente (66) de fluido circulante de CO2 supercrítico es enfriada a una temperatura en donde su densidad es al menos aproximadamente 400 kg/m3.

14. El método de la reivindicación 1, en donde dicha cantidad adicional de calor (Q) comprende el calor extraído de una unidad (30) de separación de O2.

15. El método de la reivindicación 1, en donde el O2 (242) es provisto en una cantidad tal que parte del combustible 45 (254) que contiene carbono es oxidado a productos de oxidación que comprenden uno o más de CO2, H2O, y SO2, y la parte remanente del combustible (254) que contiene carbono es oxidada a uno o más componentes combustibles seleccionados del grupo consistente de H2, CO, CH4, H2S, NH3, y combinaciones de los mismos; opcionalmente en donde la turbina (320) comprende dos unidades (330, 340) teniendo cada una una entrada y una salida, y en donde la temperatura de operación en la entrada de cada unidad (330, 340) es sustancialmente la misma; y de forma 50

adicional opcionalmente en donde el método comprende agregar una cantidad de O2 a la corriente (42) de fluido a la salida de la primera unidad (330) de turbina.

16. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente (50) de descarga de turbina es un fluido oxidante que comprende una cantidad en exceso de O2.

17. El método de la reivindicación 1, en donde la cámara de combustión (220) comprende una cámara de 5 combustión enfriada por transpiración; opcionalmente en donde el fluido (236) circulante de CO2 es introducido a la cámara de combustión (220) enfriada por transpiración como todo o parte de un fluido (210) de enfriamiento por transpiración dirigido a través de uno o más pasos (2333A, 2333B) para suministro de fluido de transpiración formado en la cámara de combustión (220) enfriada por transpiración.

18. El método de la reivindicación 1, en donde dicha combustión es llevada a cabo a una temperatura de al menos 10 aproximadamente 1300 ºC o a una temperatura de aproximadamente 1200 ºC hasta aproximadamente 5000 ºC.

19. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente (50) de descarga de la turbina es pasada directamente hacia la unidad (420) de intercambiador de calor primaria sin paso a través de una cámara de combustión adicional.

20. El método de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente, entre dicha etapa de combustión y dicha etapa de expansión, pasar la corriente (40) de producto de combustión a través de al menos un aparato (2340) para 15 eliminar contaminantes en un estado sólido o líquido.

21. El método de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente, entre dicha etapa de expansión y dicha etapa de extracción, pasar la corriente (1001) de descarga de turbina a través de una unidad (1100) de intercambio de calor secundaria; opcionalmente en donde dicha unidad (1100) de intercambio de calor secundaria utiliza calor de la corriente (1001) de descarga de turbina para calentar una o más corrientes (1033, 1034) derivadas de un sistema de 20 potencia a vapor (1800) ; preferiblemente en donde:

el sistema (1800) de potencia a vapor comprende un sistema de caldera convencional, opcionalmente una estación de potencia de quema de carbón; o en donde el sistema de potencia de vapor (1800) comprende un reactor nuclear; opcionalmente en donde la una o más corrientes (1033, 1034) de vapor calentadas son pasadas a través de una o más turbinas (1200) para generar potencia. 25