能量產生系統及其方法

2023-07-05 19:05:36 3

專利名稱：能量產生系統及其方法
技術領域：
本發明一般涉及利用清潔燃料燃燒的能量產生系統及其方法。
背景技術：
能量產生行業所面臨的挑戰性問題之一是燃料燃燒過程中產生的溫室氣體的捕獲問題。更具體而言，主要挑戰是對二氧化碳(CO2)的捕獲，因為這種分子結構是在燃燒過程中排放的主要溫室氣體。CO2的捕獲有幾種技術。它們一般分為以下幾類燃燒後捕獲、氧-燃料燃燒和燃燒前捕獲。

發明內容
在燃燒後捕獲技術中，在燃料燃燒後將CO2從煙氣中分離出來。這可以通過多種方式完成，但最常見的成熟技術利用以胺類進行的化學吸收，所述胺類包括伯胺，如單乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA);仲胺，如二乙醇胺(DEA)、二異丙基胺(DIPA);和叔胺，如三乙醇胺(TEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)。近幾年還開始使用冷凍氨。在二氧化碳被吸收到溶劑中後進行汽提和壓縮，同時將溶劑再生。這種方法需要大量的能量，因此迫使CO2捕獲成本聞昂。氧-燃料燃燒使用純氧(O2)代替空氣進行燃料的燃燒。這種方法生成富含CO2的煙氣，這使得更容易捕獲co2。這種技術的缺點是，用於從空氣中分離O2的空氣分離單元十分昂貴，並需要消耗大量的能量，從而降低了動力裝置的效率。在燃燒前捕獲中，燃料在燃燒之前通過與O2反應而部分氧化，生成合成氣(CO和氫氣的混合物)。合成氣隨後變換(經由水煤氣變換反應)產生氫氣和富CO2氣體。然後，將CO2與氫氣分離,燃燒氫氣只釋放出水蒸汽。這種技術的缺點在於設備成本較大，以及由於燃料部分氧化和O2生產所造成的能量損耗。在CO2被捕獲後，它需要被重複利用或封存，以避免其釋放到大氣中。由於化學和食品工業只能消耗一小部分由全球發電廠產生的CO2，其餘的CO2需要被注入到地質層組中永久儲存。雖然對這種方法已有一些研究，甚至在一些地方進行了驗證，但其存儲的長期安全性仍令人擔憂。此外,這種方法本質上放棄了 CO2中的碳，並沒有將其回收。長遠來看，在即使對全球煤炭儲量而言碳量也有限的情況下，這種方法並沒有最優化地利用現有自然資源。在本領域中需要一種能夠在燃燒燃料的同時回收反應產物並且不會降低效率和提高運行成本的新型系統和方法。本發明提出了一種高效率能量產生循環，該循環能夠固有地獲得基本上純淨的二氧化碳(CO2)煙氣流。本發明的技術將作為燃料的一氧化碳(CO)的氧-燃料燃燒與二氧化碳作為工作流體的使用結合起來。這種燃燒可以在諸如輪機(例如燃氣輪機)或內燃機等許多種熱機/燃機中進行。
這裡應該注意的是，本發明的該構思中使用的術語「熱機」是指任何將熱量轉換成功和/或電力的發動機。熱量一般可以來自燃料燃燒、太陽輻射、地熱能、核反應或任何其他熱源。產生的煙氣將包括基本上純淨的CO2，雖然在大型系統中可能與周圍大氣發生相互洩漏，但不會實質上改變該工藝。由此產生的煙氣中的CO2的體積分數可能為大約85%至大於99%。至少一部分CO2可以再循環到熱機(例如燃氣輪機)中，在那裡它可以用作工作流體(例如，代替燃氣輪機中的空氣)。此外，由於CO2是系統中唯一的燃燒產物，它可以自發動機排出後被隔離，而無需傳統CO2捕獲方案中那樣顯著的成本。根據本發明，熱機排出的至少一部分CO2被回收為CO和02。這可以通過多種方法完成，如熱化學和/或催化工藝和/或電化學還原氣態CO2、光催化方法或通過電解。將CO2還原成CO和O2提供了氧-燃料燃燒需要的O2，而不再需要空氣分離單元(ASU)。輔助ASU仍然可以集成到本發明的系統中作為系統中由於損耗而補充O2的來源，或用於分離可能會洩漏到系統中的環境氣體(如氮氣)。本發明的系統可以使用任何已知的0)2還原技術。例如，這樣的電化學還原技術包括由本申請的發明人之一開發 並在國際申請PCT/IL2009000743 (在此通過弓I用併入本文)中描述的技術。利用光電、催化、電解和熱化學工藝解離CO2的各種其他方法也可以使用。根據PCT/IL2009000743中描述的技術的一些實施方式，CO2還原成CO和O2利用了包括熱離子陰極或光電陰極和陽極並被構造並能夠運行以發射電子的電子源，以及用於產生能量足以解離反應物氣體分子(0)2和/或!120)的電場的電場發生器。陰極和陽極之間以預定的距離彼此隔開而界定出反應氣體室，該反應氣體室被構造為並能夠運行以經由該室之內的解離電子吸附(DEA)裝置使電子和反應物氣體分子之間相互作用。具有所需能量的電子將分子解離成產物化合物(O2、和CO和/或H2)。考慮到使用熱離子陰極，本系統包括熱能量源，所述熱能量源被構造為並能夠運行以將熱能供給到電子源，從而提高電子源的溫度並從熱離子陰極產生熱離子電子發射。熱離子陰極可與所述電場發生器或可運行而在陰極和陽極之間施加電勢的單獨的電場發生器相連，降低陰極的勢壘並增加發射的電子數。熱離子陰極可以形成有保護塗層，以防止暴露於包括C02、C0、0_和O2的氣體環境下。保護塗層可包括氧化物層。保護塗層可被構造成通過降低陰極的功函數經由隧道效應而使電子可以傳輸。因此，根據本發明的一大方面，提供了一種用於運行熱機的能量產生系統(能量產生發動機或裝置)。所述系統包括:還原單元，其由外部能量源供能並被構造為並能夠運行以將CO2還原成CO和O2，所述CO2還原單元具有與熱機的氣體出口相連以輸入CO2的氣體入口，並具有CO和O2氣體出口 ；和燃燒室，所述燃燒室具有多個氣體入口和可與熱機的氣體入口連接的氣體出口，所述多個氣體入口包括與所述還原單元的出口連接用於接收CO和O2氣體的氣體入口和用於接收CO2工作流體的氣體入口，所述燃燒室被構造為並能夠運行以引起所述CO和O2氣體之間的反應從而燃燒CO氣體形成CO2氣體，並通過所述氣體出口供應基本上純淨的CO2氣體來驅動熱機，所述系統從而經由CO2的還原實現了由所述外部能量源驅動的熱機運行。熱機可以包括燃氣輪機、蒸汽輪機和內燃機中的至少一種。
在一些實施方式中，燃燒室進一步包括另外的入口，該另外的入口與所述熱機的氣體出口相連並被構造為用於接收由熱機排出的至少一部分co2。優選的是，所述系統包括與燃燒室的一個或多個入口連接的一個或多個壓縮機，這些壓縮機被構造為並能夠運行以壓縮CO2並將至少一部分經壓縮的CO2供給到燃燒室。所述壓縮機也可以連接到熱機的氣體入口，該壓縮機被構造為並能夠運行以將至少一部分經壓縮的CO2引入熱機。該系統可以包括另外的(第二)壓縮機，該壓縮機連接到CO2還原單元的氣體入口，並被構造為用於壓縮由熱機排出的CO2並將至少一部分經壓縮的CO2供給到CO2還原單
J Li ο在一些實施方式中，所述系統包括與所述熱機連接的發電機。所述發電機被構造為並能夠運行以將由熱機產生的功轉換成電能。發電機可與所述壓縮機一起使用以提供使工作流體在閉合迴路循環中循環所需的能量。在一些實施方式中，所述系統包括連接在所述CO2還原單元的出口和所述燃燒室的入口之間的混合室。所述混合室被構造為並能夠運行以接收O2和CO並將CO和O2的混合物供給到燃燒室。在一些實施方式中，所述系統被構造為包括多於一個熱力循環的聯合循環。所述聯合循環可包括第一循環和第二循環，其中第一循環包括熱機，第二循環包括蘭金輪機。第二循環可包括與所述熱機出口連接並具有至少一個CO2入口和一個CO2出口的熱回收單元(HRU) 0所述HRU被構造為並能夠運行以將由所述熱機排出的CO2的至少一部分熱量轉移到在第二循環中循環的流體。所述HRU可包括利用CO2排氣的熱量將水轉換成蒸汽或熱蒸汽的蒸汽發生器，和與所述蒸汽發生器出口連接的至少一個蒸汽輪機。所述至少一個蒸汽輪機可與由所述蒸汽輪機驅動的第二發電機連接。在一些實施方式中，還原單元被構造為並能夠運行以將CO2與水或蒸汽的混合物還原成O2和合成氣(CO和H2的混合物)，所述燃燒室被構造為並能夠運行以使合成氣和O2反應生成CO2和水-蒸汽的混合物，並且所述熱機由包括CO2和水-蒸汽的混合物的所述燃燒室的氣體輸出驅動。在一些實施方式中，第二循環包括被構造為並能夠運行以將由蒸汽輪機排出的蒸汽冷凝而產生凝結水的冷凝器。所述系統可包括與蒸汽輪機連接並由蒸汽輪機驅動的中間冷卻壓縮機，所述中間冷卻壓縮機被構造為並能夠運行以壓縮所述熱機排出的流體並通過冷卻流體並經由與冷凝器產生的至少一部分水進行熱交換將所述流體導入所述燃燒室或蒸汽機。所述系統可利用外部能量源，所述外部能量源包括與所述還原單元連接的太陽能接收器，所述還原單元包括太陽能驅動的CO2解離反應器。所述系統可包括與所述燃燒室的另外的入口連接的太陽能接收器，所述太陽能接收器被構造為並能夠運行以在將流體供應到所述燃燒室之前將穿過所述另外的入口的流體預熱。所述系統可包括太陽能接收器，所述太陽能接收器至少連接到燃燒室的所述另外的入口和燃燒室的氣體出口。所述太陽能接收器被構造為並能夠運行以加熱與所述燃燒室並聯或在所述燃燒室上遊的流體。所述系統可包括置於所述太陽能接收器上遊的流量控制器。所述流量控制器被構造為並能夠運行以在所述太陽能接收器設置為與所述燃燒室並聯決定導入所述太陽能接收器或所述燃燒室的流量部分。所述太陽能接收器可連接到與所述燃燒室相連的主壓縮機的出口，所述太陽能接收器被構造為並能夠運行以加熱離開所述主壓縮機的經壓縮的流體。在一些實施方式中，所述還原單元包括緩衝儲存模塊，其用於接收來自所述HRU的流體，所述流體為CO2或所述的CO2與蒸汽或水的混合物；還原反應器，其被構造為並能夠運行以接收來自所述緩衝儲存模塊的所述流體並將CO2還原成CO和O2或將CO2與蒸汽或水的混合物還原成合成氣和O2;流量調節器，其調節從所述緩衝儲存模塊到所述還原反應器的流體流量；以及第一壓縮機和第二壓縮機，所述第一壓縮機被構造為並能夠運行以壓縮離開所述還原反應器的CO或合成氣並將經壓縮的CO或合成氣供給至所述燃燒室，所述第二壓縮機被構造為並能夠運行以壓縮離開所述還原反應器的O2並將經壓縮的O2供給至所述燃燒室。所述緩衝儲存模塊可接收來自外部來源的CO2或CO2與水或蒸汽的混合物。根據本發明的另一大方面，提供了一種用於運行向蒸汽輪機提供動力的蒸汽循環的系統，所述系統包括還原單元，其由外部能量源供能並被構造為並能夠運行以將CO2還原成CO和02，所述還原單元具有被構造為用於接收CO2的氣體入口，並具有CO和O2氣體出口 ；燃燒室，其具有被構造為用於接收來自所述還原單元的CO的第一氣體入口，被構造為用於接收來自所述還原單元的O2的第二氣體入口，和與所述還原單元的氣體入口相連的氣體出口，所述燃燒室被構造為並能夠運行以使所述CO和O2氣體之間發生反應，從而燃燒CO氣體生成CO2氣體，並將基本上純淨的CO2煙氣供給到所述還原單元；與所述燃燒室的出口連接的熱回收單元(HRU)，所述HRU至少具有一個入口和一個出口，並且被構造為並能夠運行以將所述燃燒室中產生的所述CO2的至少一部分熱量轉移到在所述蒸汽循環中循環的水和/或蒸汽中，從而為蒸汽循環提供動力並驅動蒸汽輪機。所述還原單元可包括CO2和水或蒸汽的混合物轉化為O2和合成氣(CO和H2的混合物)的還原反應。所述燃燒室中的反應可包括合成氣與O2之間生成所述CO2和水或蒸汽的混合物的反應。根據本發明的另一個方面，提供了一種用於發電的動力裝置，其包括蒸汽循環，所述蒸汽循環包括，所述蒸汽輪機具有用於接收高溫蒸汽的入口和用於排出與所述高溫蒸汽相比具有較低溫度和壓力的蒸汽和/或水的出口，所述蒸汽輪機由通過其中的蒸汽提供動力；用於將所述燃燒室的排氣的至少一部分熱量轉移至由所述蒸汽輪機排出的所述水和/或蒸汽、從而向所述蒸汽循環提供動力並驅動所述蒸汽輪機的上述系統；和與所述蒸汽輪機相連並被構造成用於利用由所述蒸汽輪機產生的功進行發電的發電機。所述動力裝置還可包括燃料燃燒室，所述燃料燃燒室用於在空氣中燃燒燃料並將在空氣中進行的所述燃燒的至少一種燃燒產物的至少一部分熱量在水和/或蒸汽進入所述蒸汽輪機前轉移到所述水和/或蒸汽中。所述燃料可包含煤或天然氣。
根據本發明的另一方面，提供了一種用於運行熱機的方法，所述方法包括(a)將CO2氣體還原成CO和O2氣體；(b)使所述CO和O2氣體反應，從而燃燒所述CO氣體，並生成基本上純淨的CO2排放氣體；(c)將所述CO2排放氣體供給到所述熱機，作為熱機的由熱產生功的過程中的工作氣體。由所述熱機排出的所述CO2氣體可以進一步被導入還原單元進行進一步反應；並且可以重複前面的步驟，因此產生一個重複利用由所述熱機排放的CO2產生CO和O2的熱機運行的閉合迴路循環。由所述熱機排出的至少一部分CO2氣體可燃燒從而作為循環中的工作流體使用。將CO2還原成CO和O2可以使用太陽能進行。將CO2還原成CO和O2可以使用外部來源供應的另外的CO2氣體進行。所述方法可包括通過使用由所述熱機產生的功來驅動與所述熱機連接的發電機，從而產生電能。CO可在燃燒之前與O2混合以產生CO和O2的混合物。可以從由所述熱機排出的所述CO2氣體中回收熱量。CO2排氣的熱量可用於加熱蒸汽或將水轉化成蒸汽。所述蒸汽可用於驅動至少一個蒸汽輪機。所述蒸汽輪機產生的功可用於產生電能。蒸汽可以在由所述CO2排氣的熱量供能的蘭金循環中進行再循環。CO2可以被壓縮並且經壓縮的所述CO2的至少一部分可以在燃燒中用作工作流體。使用所述熱機可驅動至少一個壓縮機，並且可將經壓縮的所述CO2的至少一部分供給到所述熱機。由所述熱機排出的所述CO2氣體的至少一部分可導入所述CO2 (或CO2和水)還原單元進行CO2或CO2和水的還原反應。CO2和水或蒸汽的混合物可以還原成合成氣(CO和H2的混合物)和單獨的02。合成氣與O2反應產生CO2和水的混合物。CO2和水或蒸汽的混合物被供給到所述熱機。由所述熱機排出的CO2和水或蒸汽的混合物被導入所述還原單元進行進一步還原。根據本發明的另一大方面，提供了一種用於使為蒸汽輪機提供動力的蒸汽循環運行的方法，所述方法包括(a)將CO2氣體還原成CO和O2氣體；(b)使所述CO和O2氣體發生反應，從而燃燒所述CO氣體並生成基本上純淨的CO2排放氣體；(c)將所述CO2排放氣體導入熱回收單元(HRU)以轉移所述排放氣體的至少一部分熱量來為所述蒸汽輪機提供動力，和(d)使由所述HRU排出的CO2能夠進一步還原成CO和O2氣體，然後燃燒所述CO氣體，由此在閉合迴路中運行。根據本發明的另一大方面，提供了一種用於發電的動力裝置，所述動力裝置包括蒸汽循環，所述蒸汽循環包括蒸汽輪機，所述蒸汽輪機具有用於接收高溫蒸汽的入口和用於排出與所述高溫蒸汽相比具有較低壓力和溫度的蒸汽和/或水的出口，所述蒸汽輪機由通過其中的蒸汽提供動力；
第一燃料燃燒室，其被構造為用於進行碳類燃料的氧-燃料燃燒並生成作為CO2和水或蒸汽的混合物的排放氣體，所述第一燃料燃燒室具有用於從外部來源接收所述燃料的燃料進口、用於接收氧氣的氧氣進口和用於排出所述排放氣體的出口；熱回收單元(HRU)，其被構造為用於將所述燃燒室的排放氣體的至少一部分熱量轉移至由所述蒸汽輪機排出的所述水和/或蒸汽，從而為所述蒸汽循環提供動力並驅動所述蒸汽輪機；還原單元，其被構造為用於接收離開所述HRU的所述燃燒室的排放氣體並將所述CO2和水或蒸汽的混合物還原成合成氣(CO和H2的混合物)和O2，所述還原單元具有用於將所述O2再引入所述第一燃料燃燒室的氧氣出口，以及用於排出所述合成氣的合成氣出口 ；合成氣儲存單元，用於接收並儲存由所述還原單元排出的所述合成氣；和發電機，所述發電機與所述蒸汽輪機相連並被構造為用於使用所述蒸汽輪機產生的功進行發電以供電網中使用。所述動力裝置可包括用於在空氣中燃燒第二燃料的第二燃料燃燒室和第二 HRU， 第二 HRU用於將在空氣中進行的所述燃燒的至少一種燃燒產物的至少一部分熱量轉移至由所述蒸汽輪機排出的所述水和/或蒸汽。所述第一和第二燃料中的至少一種包含煤或天然氣。


為了理解本發明和了解其如何在實踐中實施，現將參照附圖，通過僅僅非限制性的實例對實施方式進行說明，其中:圖1A-1D是顯示基於本發明的系統如何能夠運行熱機的實例以及使用CO作為燃燒燃料和CO2作為工作氣體的不同構成的總體示意框圖；圖2A-2C示意性描繪了本發明的系統用於運行熱機的實例以及合成氣(CC^PH2的混合物)用作燃燒燃料同時CO2和水的混合物用作工作氣體的不同構成的框圖；圖3示意性描繪了被構造為用於使向蒸汽輪機提供動力的蒸汽循環運行的本發明的系統的框圖；圖4A、4B和5 9示意性描繪了本發明的系統的不同可能構成的框圖；圖10是對如何通過利用蒸汽-蘭金循環的能量產生裝置來使用本發明的技術的示意性描述，其中用於產生蒸汽並使蒸汽過熱的一部分熱量由煤在空氣中燃燒提供，其餘熱量由用清潔O2燃燒CO(氧-燃料燃燒)提供，這兩種氣體都由CO2還原單元產生；並且圖11是對如何通過利用蒸汽-蘭金循環的能量產生裝置來使用本發明的技術的示意性描述，其中用於產生蒸汽並使蒸汽過熱的一部分熱量由煤在空氣中燃燒提供，其餘熱量由用CO2解離裝置提供的清潔O2燃燒煤(氧-燃料燃燒)提供。
具體實施例方式參見描述本發明的能量產生系統10的總體框圖的圖1A。系統10被構造為能夠運行熱機14，並包括由外部能量源25 (如太陽能或核能)供能的CO2還原單元16，和燃燒室12。還原單元16被構造為用於將CO2還原成CO和02，並具有用於輸入CO2的氣體入口
11、CO氣體出口 23和O2氣體出口 24。燃燒室12被構造為用於進行CO的氧-燃料燃燒，並具有與CO2還原單元16的氣體出口 23和24連接以接收CO和O2的氣體入口，和與熱機14的氣體入口連接的氣體(CO2)出口 21。離開燃燒室12的CO2由於CO的放熱燃燒而具有一定的熱量。這種經加熱的CO2被引入熱機14，在那裡熱量被轉化成功，例如轉動機械能的形式的功。然後CO2經由氣體出口 15離開熱機並隨後可以在進入還原單元16的氣體入口11之前由壓縮機19壓縮。於是，以這一構成，提供了經由CO2的還原由能量輸入驅動的熱機14的閉合迴路運行。燃燒室12被構造為並能夠運行以通過使CO與O2反應而燃燒CO，從而產生CO2工作流體的氣流。經由出口 21排出燃燒室16的該氣流是基本上純淨的CO2氣體。因此，基本上純淨的CO2氣體作為熱機14中的工作流體使用。通常，如果熱機14是燃氣輪機，那麼燃燒室12排出的工作流體的理想運行溫度為800°C 1400°C。在一些實施方式中，熱機連接到發電機20，發電機20被構造為並能夠運行以將熱機產生的功轉換成電能。在一些實施方式中，發電機(為與熱機連接的發電機20或不同元件)可連接到壓縮機19。壓縮機19由發電機驅動，從而提供流體在閉合迴路系統中循環所需的能量。在一些實施方式中，系統被構造為包括多於一個熱力循環的聯合循環。聯合循環可以包括:包括熱機14的上循環和包括熱回收單元(HRU) 17的下循環。在這種情況下，將來自熱機出口 15的CO2引入到HRU17，其中CO2排氣的殘餘熱量用於產生蒸汽，將在下文對此進一步詳細說明。將離開熱機14的CO2氣體從熱機14的出口 15引入到HRU17，並由HRU17排出到壓縮機19，由此使系統中的CO2再循環。本發明的系統和方法由此提供了一種低成本、高效率的循環，該循環可以大規模使用來產生能量且不向環境增加C02。該工藝涉及利用CO2作為工作流體，以及CO和O2的燃燒，同時將主要由CO2構成(B卩，CO2的體積分數可以為約80 90%至大於99%)的流出氣體轉移以封存或再循環到燃料中。本發明的技術利用了過程中產生的氧氣以及特別選擇的同樣在過程中產生的燃料(CO)的氧-燃料燃燒。CO是一種有毒的氣體，它在許多工業過程中廣泛用作工藝氣體，通常在接近它的產生處的地方就地使用。本發明的系統和方法利用CO2的清潔回收工藝，其中CO和O2都採用清潔能量源(如太陽能)產生，從而以熱量和/或電力的形式產生能量，而且不存在與經由空氣分離產生O2相關聯的增加的運營成本和能量密集度。現在參見圖1B，它描述了圖1A中的能量產生系統10的非限制性實施方式。圖1B所示的系統10』大體上與圖1A所示的類似，但包括一些其他元件。在圖1B的實例中，通過出口 15離開熱機14(並且可能穿過HRU17)的CO2排氣在節點30被分為兩部分。第一部分如上面所解釋的那樣通過入口 11引入到還原單元16中(例如，在通過壓縮機19後)，而第二部分通過氣體入口 13直接驅入燃燒室12。經由氣體入口 13到達燃燒室12的CO2用於將燃燒室12的壁冷卻到理想的工作溫度，然後與通過CO和O2的燃燒產生的CO2混合。離開燃燒室12後，其以適宜熱機14運行的溫度進入熱機14。可選地，熱機的CO2排氣的第二部分在節點32處進一步劃分為兩個氣流:第一個氣流如上面所解釋的經由氣體入口 13導入燃燒室12，第二個氣流經由管道9導入熱機14。如果這樣設計，經由管道9到達熱機14的CO2氣流還被用來降低由燃燒室12供應到熱機14的CO2的溫度。系統10還可以包括經由CO2入口 13與燃燒室12連接的主壓縮機18，並可被構造為並能夠運行以產生具有約4巴至約40巴的所需壓力的經壓縮的C02。主壓縮機18可將經壓縮的CO2的至少一部分供給到燃燒室12。可選地，壓縮機18由發電機(為與熱機連接的發電機20或不同元件)提供動力。在一些實施方式中，主壓縮機18同時連接到燃燒室12的CO2入口 13和熱機入口21，如虛線所示。在這種情況下，主壓縮機18將經壓縮的CO2的一部分供給到燃燒室12，並將經壓縮的CO2的一部分直接供給到熱機14。通過控制壓縮機18和/或輔助壓縮機19的運行，熱機14排出到還原單元16和燃燒室12的CO2的流量得到調節，從而能夠控制進入發動機14的CO2工作氣體的溫度和壓力。在一些實施方式中，在節點30劃分的CO2流量的第一和第二部分的大小和在節點32劃分的第一和第二氣流的大小可通過壓縮機18和19的運行進行控制。可選地或者作為替代，可在節點30和/或32放置雙向閥，用於對在節點30劃分的CO2流量的第一和第二部分的大小和在節點32劃分的第一和第二氣流的大小提供進一步控制。正如上面所解釋的，對所述第一和第二部分以及所述第一和第二氣流的調節使得能夠控制進入熱機14的CO2工作氣體的溫度和壓力。這種調節可以是手動或自動的。如果調節是自動的，則系統10包括控制單元(圖中未示出)、溫度傳感器(未圖示)和壓力傳感器(未圖示)。例如，溫度和壓力傳感器設置在燃燒室12的出口和熱機14的入口 21，且分別被構造為用於測量離開燃燒室12和進入熱機14的CO2的溫度和壓力。雖然未具體繪出，但應當注意，控制單元通常是計算機系統，該計算機系統尤其包括如下結構部分:與溫度和壓力傳感器連接並被構造為用於從其接收指示離開燃燒室12或進入熱機14的CO2的溫度和壓力的數據的輸入埠 ；存儲器件；處理器件，其被構造為用於通過使用合適的算法來處理和分析所測得的溫度和壓力數據，來確定測得的溫度和壓力值與理想值(或理想的溫度和 壓力範圍)之間的關係，以計算為使CO2在理想溫度(或在理想溫度範圍內)和理想壓力(或在理想壓力範圍內)離開燃燒室提供所需的所述第一和第二部分和所述第一和第二氣流的大小，並產生指示結果的控制數據。此外，該控制系統包括控制器，該控制器被構造為用於從處理單元接收控制信號/數據並操作壓縮機18和19以及相應的位於節點30和32的閥(如果有的話)，以實現節點30和32處合適的流量分離。參見圖1C，其描繪了用於清潔發電的本發明的系統100的非限制性示例的示意框圖。系統100被構造為並能夠運行以用O2燃燒CO，並提供基本上純淨的CO2作為反應產物。這種反應產物無需進一步提純即可封存。在一些實施方式中，系統100包括一個放置於CO2還原單元16和燃燒室12之間的混合室140。混合室140被構造為並能夠運行以從還原單元16的各出口 24和23接收O2和CO，並將CO和O2的混合物供給到燃燒室12。O2和CO可由此在進入燃燒室12之前混合。應注意的是，混合可直接在燃燒室12中進行，在燃燒室12裡，CO和O2 —起燃燒，產生CO2,CO2隨後與來自壓縮機18的經壓縮的CO2混合，產生CO2熱氣流(具有約800°C ^ 1400°C的典型溫度)。在此構成中，系統100包括具有上循環和下循環115的聯合循環，上循環包括燃氣輪機Iio (對應於圖1A-1B的熱機14)，下循環115包括蒸汽-蘭金輪機212。離開燃燒室12的熱壓縮CO2氣流運行輪機110，輪機110驅動發電機20，發電機20產生電力。來自燃氣輪機出口 15的CO2被引入蒸汽蘭金下循環115，其包括用於將輪機110中殘餘熱量轉移到另一介質(例如水/蒸汽)的熱回收單元(HRU)。向壓縮機18投入由HRU輸出的CO2的一部分或全部。在這個具體實施例中，HRU包括利用CO2的熱量來產生蒸汽135的蒸汽發生器114，並可選地還包括CO2-水熱交換器116。蒸汽發生器114中產生的並且可能還過熱的蒸汽用於為蒸汽輪機212提供動力，蒸汽輪機212驅動發電機120並產生電力。來自輪機212的排放蒸汽在冷凝器118中凝結並經由泵117 (如水泵)泵送至熱交換器116。蒸汽發生器114排出的CO2的廢熱用來加熱水-CO2熱交換器116中泵送的水。熱交換器116排出的C02134的至少一部分被引入壓縮機18作為燃料燃燒的工作流體。HRU CO2輸出132的一部分在CO2還原單元16中再循環。參見圖1D，其描繪了整體上標示為200的能量產生系統的一部分的另一構成的示意框圖。系統200大體上與圖1C中的上述系統100類似，不同之處在於其增加了與蒸汽輪機212連接並由其驅動的中間冷卻CO2壓縮機210。熱交換器211冷卻CO2並在將水引入蒸汽發生器114之前利用210中的CO2壓縮時產生的廢熱將水預熱。其協助熱交換器116，同時提高壓縮機210的效率。中間冷卻CO2壓縮機210利用蒸汽輪機循環的凝結水的至少一部分進行中間冷卻。中間冷卻CO2壓縮機210被構造為並能夠運行以產生經壓縮的C02。現在參見圖2A，其描繪了本發明的非限制性實例的示意框圖，根據該實例，提供了通過使用合成氣(CO和H2的混合物)作為燃燒燃料以及CO2和水(氣態形式)的混合物作為工作氣體來運行熱機14的能量產生系統40。能量產生系統40包括由外部能量源25 (如太陽能或核能)供能的CO2-水還原單元42和燃燒室12。還原單元42被構造為用於將CO2和水的混合物還原成O2以及CO和H2的混合物(合成氣)，並因此包括用於將CO2和水的混合物輸入至還原單元的氣體入口 44、合成氣出口 46和O2氣體出口 24。燃燒室12被構造為用於實現合成氣的氧-燃料燃燒，並具有連接到還原單元42的出口 46和24用於接收O2和合成氣的氣體入口，和可連接到熱機14的氣體入口的氣體(CO2和水的混合物)出口 50。離開燃燒室12的CO2和水的混合物因合成氣的放熱燃燒而被加熱。這種經加熱的CO2和水的混合物被引入到熱機14，在那裡一部分熱量被轉換成功，例如轉動機械能和/或電力的形式的功。排放的CO2和水的混合物隨後經由與還原單元42的氣體入口 44連接的氣體出口 52離開熱機14。因此，在系統40中，熱機14與還原單元42的氣體入口 44和燃燒室12的氣體出口 50連接，由此提供依靠從能量源25輸入到CO2和水的還原單元的外部能量驅動的熱機14的閉合迴路運行。熱機14可以運行發電機20來產生電力。與圖1A-1B中的系統10類似，系統40可與包括HRU17的下循環相連，並可包括用於在閉合迴路系統中循環流體的壓縮機19。此外，系統40可包括管道和至少一個壓縮機來將由燃燒室42排出的一部分CO2和水的混合物驅趕到熱機14中。參見描述系統100』的圖2B，它是圖2A中系統40的構成的具體但並非限制性的實例。系統100』通過循環除CO2外還含有水蒸汽的工作流體生成清潔電能。水的體積分數可為百分之幾 約50%。除CO2外還含有水蒸汽的工作流體隨後被引入到燃燒室12。燃燒產物使燃氣輪機110 (對應於圖1A-1B和圖2A中的熱機14)運行，燃氣輪機110旋轉並運行發電機20產生電力。燃氣輪機出口 15排出0)2和蒸汽的混合物，將其引入到蒸汽蘭金下循環115，該循環115包括蒸汽發生器/熱回收單元(HRU) 114以將輪機110中的殘餘熱量轉移到另一介質，如水/蒸汽。在蒸汽蘭金下循環115中，CO2和蒸汽的混合物的熱量用來在蒸汽發生器114中生成蒸汽並可能過度加熱該蒸汽。下循環115包括由蒸汽135供給的蒸汽輪機212。蒸汽輪機212驅動產生電力的發電機120。輪機212排出的蒸汽在冷凝器118中凝結，經由泵117泵送並可選地被引入熱交換器116。從蒸汽發生器114排出的CO2和水的混合物的廢熱用來預熱水-CO2熱交換器116中的泵送的水。蒸汽蘭金下循環CO2和水輸出的部分132中的水從排氣(主要為CO2和蒸汽)中分離，並引入CO2和水的還原單元42。再循環過程於是可同時包括CO2解離成CO和02，以及水解離成H2和02。在這種情況下，CO和H2的混合物(合成氣)經由還原單元的出口 46被引入到混合室140，同時O2經由還原單元的出口 24被引入到混合室140。因此，合成氣可被引入燃燒室12從而用作發動機中的燃料，在燃燒室12裡它與CO2和水的解離產生的O2進行燃燒。熱交換器116排出的CO2和蒸汽的混合物的另一部分134』可被引回到壓縮機18作為燃料燃燒室12中的工作流體和燃氣輪機110中的工作流體。圖2C描述了系統200'，它呈現了圖2A中的系統40的構成的另一個具體但並非限制性的實例。系統200』與圖2B中的上述系統200的不同之處是系統200』包括連接到蒸汽輪機212並由其驅動的中間冷卻CO2和水壓縮機210。熱交換器211冷卻CO2和水的混合物並在將水引入到蒸汽發生器114之前利用210中CO2和水壓縮時產生的廢熱將水預熱(類似於圖1D中的實例)。它協助熱交換器116，同時提高壓縮機210的效率。系統200'的所有其他的構成和運行的細節類似於上述的系統200。參見圖3，其描繪了大體上與圖1A-1B中顯示的系統10類似的系統10'的示意框圖，但在這個實例中，燃燒室12排放的熱C0221用來驅動蒸汽蘭金循環115。離開燃燒室12的熱壓縮CO2蒸汽引入到蒸汽蘭金循環115，該循環115包括被構造為蒸汽發生器17的熱回收單元(HRU)。可將HRU輸出的CO2的一部分或全部投入壓縮機19。在這個具體實例中，HRU包括利用CO2熱量來產生蒸汽135的蒸汽發生器17。蒸汽發生器17中產生的並可能過熱的蒸汽用於為蒸汽輪機212提供動力，蒸汽輪機212驅動發電機120產生電力。從輪機212排出的蒸汽在冷凝器118中凝結並經由泵117(如水泵)泵送。蒸汽發生器17排出的CO2的廢熱用來加熱所泵送的水。這種構成可以用於，例如，改進現有的動力裝置，其中將燃燒的部分或全部燃料(如煤)替換為CO2還原過程中所使用的清潔能量源(如太陽能)。圖3的實例涉及CO2工作氣體還原成CO燃料和O2然後通過CO燃料的氧-燃料燃燒再次形成CO2的循環。應當注意的是，系統10』也可通過CO2和水工作氣體還原成合成氣燃料和O2、所述合成氣燃料和O2又隨後通過燃燒重新結合產生CO2和水工作氣體的循環來工作。圖2A、2B和2C描述了這樣的循環。參見圖4A，其描繪了整體上標示為300的系統的一部分的另一種構成的示意框圖。在圖4A所示的實例中，太陽能接收器310顯示為用於預熱引入燃燒室12的C02。太陽能接收器310連接到壓縮機18的輸出和燃燒室12的入口，並在經壓縮的氣體被引入燃燒室12之前對其預熱。太陽能接收器310可以是本領域中已知的任何典型的太陽能接收器。雖然沒有具體示出，也可以將同一太陽能接收器或另外的太陽能接收器連接到包括太陽能驅動的CO2解離反應器的CO2還原單元16。
系統300因此包括燃燒室12、燃氣輪機110、與燃氣輪機110相連的壓縮機18、混合室140、蒸汽蘭金下循環115和至少一個太陽能接收器310。參見圖4B，其描繪了整體上標示為300』的系統的一部分的另一種構成的示意框圖。系統300'與系統300 (圖4A)的不同之處在於太陽能接收器310並聯連接到燃燒室12。使用了流量控制單元，例如雙埠閥31，其一方面連接到燃燒室12的入口，另一方面連接到壓縮機18的出口，以控制引導至太陽能接收器310或燃燒室12的流量部分。這些部分可基於太陽能的可用性來確定。此外，這些部分可以根據為影響引入到燃氣輪機110的CO2工作氣體的溫度而對進入燃燒室12的CO2進行加熱的需要來選擇。在這樣的情況下，溫度傳感器(未示出)可以放置在燃燒室12內或燃燒室的出口處，以測量從燃燒室12排出的CO2的溫度。閥31的運行可因此根據溫度傳感器測得的溫度進行控制。如果從燃燒室12排出的CO2的溫度高於理想溫度(或理想溫度範圍)，則可控制該閥來增加直接流入燃燒室的CO2流量並減少流入太陽能接收器310的CO2流量，從而將較冷的CO2引入燃燒室
12。相反，如果從燃燒室12排出的CO2的溫度低於理想溫度(或理想溫度範圍)，則可控制該閥來減少直接流入燃燒室的CO2流量並增加流入太陽能接收器310的CO2流量，從而將經加熱的CO2引入燃燒室12。閥31的運行可以由用戶進行和/或通過適當預編程的控制系統(未示出)進行。如上所述，這樣的控制系統包括輸入埠，該埠連接到溫度傳感器用於從溫度傳感器接收指示離開燃燒室12的CO2的溫度的數據；存儲器件；處理器件，該處理器件被構造為用於處理和分析所測量的數據以決定其與理想溫度條件(理想溫度值或理想溫度範圍)之間的關係，用於決定應引導至太陽能接收器310和燃燒室12的CO2流量部分的大小以確保離開燃燒室的CO2的溫度滿足預定條件，並用於產生指示結果的控制信號；和控制器/操縱單元，其被構造為用於從處理單元接收控制信號，和相應地操縱閥31，以將適合的部分引導至太陽能接收器310和燃燒室12。參見圖5，其描繪了整體上標示為400的系統的一部分的另一種構成的示意框圖。系統400與上述系統200 (圖1D)的不同之處在於它將太陽能接收器310用於預熱引入燃燒室12的C02。系統400因此包括太陽能接收器310、燃燒室12、燃氣輪機110、與燃氣輪機110相連的壓縮機18、與蒸汽輪機212相連的中間冷卻壓縮機210、混合室140和包括蒸汽發生器114和蒸汽輪機212的蒸汽蘭金下循環115。參見圖6,其描繪了整體上標不為500的系統的另一種構成的不意框圖。系統500包括由外部能量源525 (如太陽能)供能的CO2還原單元16。CO2還原單元16作為在反應器560中將CO2轉化成CO和O2的再循環模塊運行。引入反應器560的CO2經由流量調節器562來自緩衝儲存罐568。在緩衝儲存罐568中，經由入口 510投入用於加熱蒸汽蘭金下循環的CO2,以及可選地經由入口 567投入來自補充CO2來源的CO2，如來自化石燃料裝置的氣流。反應器560排出的O2由壓縮機564壓縮並儲存在O2緩衝儲存罐566中，O2緩衝儲存罐566可調節進入混合室140的O2流量。反應器560排出的CO由壓縮機563壓縮並儲存在可調節進入混合室140的CO流量的CO緩衝儲存罐565中。輪機110運行所需的時間和時長可能與CO2還原單元16運行的時段不同。通過對CO2儲存罐568和/或CO儲存罐565和O2儲存罐566的流量調節使得進入燃氣輪機110的工作氣體流量能夠設定在輪機110運行所需的時間和時長。CO2還原單元16由外部能量源25驅動。可選地，該外部能量源包括將太陽能轉化為用於運行還原單元16的功和/或電力的太陽能轉換器單元。這種轉換器可只在日照時(大約每天8 12小時)運行。此外，CO2還原單元16也可以由燃氣輪機110和蒸汽輪機212中的至少一個提供動力，使還原單元16在不同時段(例如當太陽光可用性較低時)能夠運行。由燃氣輪機110和/或蒸汽輪機212向還原單元16提供能量可延長至每天多至24小時，並可以與外部能量源結合使用或代替外部能量源結合使用。系統500實現了重複由使用燃氣輪機110排出的CO2產生自身的燃料的閉合循環。系統500因此包括燃燒室12、燃氣輪機110、與燃氣輪機110相連的壓縮機18、混合室140、蒸汽蘭金下循環115和CO2還原單元16，可選地由外部能量源25(如太陽能)供能。參見圖7，其描繪了整體上標示為600的系統的另一種構成的示意框圖。系統600與上述系統500 (圖6)的不同之處在於，除了壓縮機18以外，引入中間冷卻CO2壓縮機210來壓縮供給到燃燒室的CO2,使用分別與圖1D和圖5中的系統200和400相同的構成。系統600因此包括燃燒室12、燃氣輪機110、壓縮機18、與蒸汽輪機212相連的中間冷卻壓縮機210、混合室140、蒸汽蘭金下循環115和CO2還原單元16，可選地由外部能量源25 (如太陽能)供能。參見圖8，其描繪了整體上標示為700的系統的另一種構成的示意框圖。系統700與系統500 (圖6)的不同之處在於它引入用於在使用構成分別與圖4A和圖5中的系統300和400相同的將CO2引入燃燒室112之前預熱CO2的太陽能接收器310。系統700因此包括燃燒室12、燃氣輪機110、與燃氣輪機110相連的壓縮機18、混合室140、蒸汽蘭金下循環115、太陽能接收器310和CO2還原單元16，可選地由外部能量源525 (如太陽能)供能。參見圖9，其描繪了整體上標示為800的系統的另一種構成的示意框圖。系統800與系統600 (圖7)的不同之處在於引入了用於在將CO2引入燃燒室112之前預熱CO2的太陽能接收器310。系統800因此包括燃燒室12、燃氣輪機110、與蒸汽輪機212相連的中間冷卻壓縮機210、混合室140、蒸汽蘭金下循環115、太陽能接收器810、壓縮機18、CO2還原單元550，由外部能量源525 (如太陽能)供能。在圖6 9的實例中，系統基於CO2還原成CO和O2以及CO和02反應生成C02。然而，應當注意，圖6 9中的系統構成可以修改為使系統基於CO2和水或蒸汽的混合物還原為合成氣和02，以及合成氣和O2反應生成CO2和水或蒸汽的混合物。這樣的過程在上面進行了詳細描述，可參見圖2A 2C。如果圖6 9的系統如此修改，緩衝儲存罐568將被構造為用於儲存CO2和水的混合物，並可能經由入口 567接收CO2和水的混合物的至少一部分。反應器560將被構造為用於將CO2和水的混合物還原成合成氣和O2。CO儲存罐565將被構造為用於儲存合成氣和調節流入混合室或燃燒室的合成氣流量。現在參見圖10，其提供了可以如何將本發明的原理用於使用蒸汽蘭金循環的能量產生裝置900的實例。這裡，用於產生和過度加熱蒸汽的一部分熱量通過用清潔的O2燃燒CO提供，而O2和CO均產生於CO2解離反應器560中，其餘的熱量可選地由燃料(例如煤)在空氣中燃燒提供。能量產生裝置900包括可選的標準燃料(如煤或天然氣)燃燒室和蒸汽發生器902X0的氧-燃料燃燒室和蒸汽發生器12、C02儲存罐906、C02還原單元16和蒸汽蘭金循環115。能量產生裝置900因此包括與上述圖3中的系統10』類似的用於運行CO2、⑶和O2的第一循環的系統。用於進行蒸汽蘭金循環115的其他系統在上面參考圖1C 1D、4A 4B、5 9進行了描述，它們也可以可選地包括燃料燃燒室902。用於運行包括將CO氧-燃料燃燒成CO2的第一循環的系統，經由HRU17a將熱量供應到用於進行蒸汽蘭金循環115的系統。標準燃料燃燒室902 (如果存在的話)經由HRU17b將熱量提供到用於進行蒸汽蘭金循環115的系統。裝置900的使用降低(或甚至消除)了使用在空氣中燃燒的燃料(如煤或天然氣)的需求。一般情況下，來自燃料在空氣中燃燒的排放氣流主要為菸灰、n2、o2、co2、h2o的混合物並包括小部分的各種有害副產物，如SO2和NOx。菸灰、SO2和NOx通常在燃料燃燒室902的排氣煙囪中清除。將CO2與其他混合物成分分離，特別是與N2和O2分離，是非常昂貴且低效的過程。CO在燃燒室12中的氧-燃料燃燒產生了接近清潔的CO2氣流——沒有N2或NOx產生；只有相當少的菸灰和SO2，它們的清除因此也相對容易。清除之後，也沒有必要將CO2與其他排氣分離。因此作為氧-燃料燃燒的裝置900中的燃燒部分降低了在空氣中燃燒燃料產生的有害物質的排放。在蒸汽蘭金循環115中，通過蒸汽和/或水與燃燒室12產生的熱CO2之間經由HRU17a的熱交換，以及通過蒸汽135與燃燒室902中標準燃料燃燒產生的經加熱的燃燒產物之間經由HRU17b的熱交換，蒸汽135被過度加熱。HRU17a和17b可串聯或並聯運行。蒸汽135隨後被引入與發電機120連接的輪機212，該發電機120向電網904供電。蒸汽135將其一部分熱能在輪機212中釋放，然後以蒸汽或蒸汽/水的混合物的形式排出輪機212。該混合物隨後在冷凝器118中冷凝為100%的液體水，在水泵117中泵送至輪機所需壓力並再引導至HRU17a和HRU17b中再次進行加熱。HRU17a類似於圖1A IB中的HRU17，並可包括蒸汽發生器114和/或水-CO2熱交換器116，如上參照圖1C 1D、圖3、圖4A 4B、圖5 9所述。如上所述，CO2還原單元16可以是任何已知的合適的類型，例如PCT/IL2009000743中所描述的類型。應當注意，動力裝置900還可通過下述循環來工作，該循環中CO2和水工作氣體還原成合成氣燃料和O2，然後合成氣燃料和O2通過燃燒重新結合產生CO2和水工作氣體。這樣的循環在上面參考圖2A、2B和2C進行了描述。現在參見圖11，其描繪了在利用蒸汽蘭金循環的能量產生裝置920中應用本發明的原理的示例。在裝置920中，用於產生和過度加熱蒸汽的部分或全部熱量通過在氧-燃料燃燒室922中用清潔的(純度為約90%或更高)02燃燒燃料(例如煤)提供，所用的該O2在CO2和水的解離裝置中產生。可選地，其餘熱量通過在第二標準燃料燃燒室902中進行空氣中的燃料(如煤或天然氣)燃燒來串聯或並聯地提供。裝置920和上述圖10中的裝置900之間的不同之處在於，裝置900的CO2燃燒室12被替換為裝置920中的燃料燃燒室922。在燃燒室922中，燃料(如煤或天然氣)與基本上純淨的氧氣反應(氧-燃料燃燒)。燃料由外部儲器(如煤儲存設施或天然氣儲存罐)提供到燃燒室，而不是在CO2 (或CO2和水)解離反應器中產生。氧-燃料燃燒的產物是主要為CO2和H2O的熱混合物，該混合物經由HRU17a(類似於上述的HRU17)將其熱量轉移到蒸汽蘭金循環115。CO2和水隨後被引導至CO2和水還原單元42 (如圖2A 2C中所描述)，並在此解離成合成氣(CO和H2的混合物)和02。CO2和水儲存器908可用於控制流入還原單元42的CO2和水的流量。在還原單元42中的解離過程之後，氧氣被轉移到O2儲存罐566，用於燃料燃燒室922中的燃料(如煤)的氧-燃料燃燒。還原單元42產生的CO和H2的混合物被送至合成氣儲存罐924供進一步用於其他用途，如生產其他燃料——例如，用於運輸的液體燃料(如甲醇、柴油或煤油類航空燃油)。和圖10的裝置900類似，裝置920的使用也減少了燃料在空氣中燃燒所產生的有害產物的排放，因為裝置920中的至少一部分燃燒是氧-燃料燃燒。因此，本發明提供了一種可以用於各種用途的新穎、有效的能量產生系統。本領域技術人員將容易地認識到，可以對上文所述的本發明的實施方式進行各種改造和變化，而不會脫離所附權利要求中限定的本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於運行熱機的能量產生系統，所述系統包括: 還原單元，所述還原單元由外部能量源供能，並且被構造為並能夠運行以將CO2還原成CO和02，所述CO2還原單元具有與熱機的氣體出口相連的用於輸入CO2的氣體入口，並具有CO和O2氣體出口，和 燃燒室，所述燃燒室具有多個氣體入口和能夠與所述熱機的氣體入口連接的氣體出口，所述多個氣體入口包括與所述還原單元的所述出口連接以接收CO和O2氣體的氣體入口和用於接收CO2工作流體的氣體入口，所述燃燒室被構造為並能夠運行而引起所述CO和O2氣體之間的反應從而使所述CO氣體燃燒形成CO2氣體，並通過所述氣體出口供給基本上純淨的CO2氣體以驅動所述熱機， 所述系統由此實現經CO2的還原而由所述外部能量源驅動的熱機的運行。
2.如權利要求1所述的系統，所述燃燒室還具有另外的入口，所述另外的入口與所述熱機的所述氣體出口相連，並被構造為用於接收由所述熱機排出的所述CO2中的至少一部分。
3.如權利要求1或2所述的系統，所述系統包括一個或多個壓縮機，所述一個或多個壓縮機與所述燃燒室的一個或多個入口相連，並且被構造為並能夠運行以壓縮CO2並將經壓縮的所述CO2中的至少一部分供給到所述燃燒室。
4.如權利要求3所述的系統，其中，所述壓縮機還連接到所述熱機的氣體出口，所述壓縮機被構造為並能夠運行以將經壓縮的所述CO2中的至少一部分引入到所述熱機中。
5.如權利要求1 4中任一項所述的系統，所述系統包括第二壓縮機，所述第二壓縮機連接到所述CO2還原單元的氣體入口，並被構造為用於壓縮由所述熱機排出的CO2,並且將經壓縮的所述CO2中的至少一部分供給到所述CO2還原單元。
6.如權利要求1 5中任一項所述的系統，所述系統包括連接到所述熱機的發電機，所述發電機被構造為並能夠運行以將由所述熱機產生的功轉化成電能。
7.如權利要求3 5中任一項所述的系統，其中，發電機連接到所述壓縮機，所述壓縮機由所述發電機驅動，從而提供在閉合迴路循環內循環工作流體所需的動力。
8.如權利要求1 7中任一項所述的系統，所述系統包括連接在所述CO2還原單元的出口和所述燃燒室的入口之間的混合室，所述混合室被構造為並能夠運行以接收O2和CO，並為所述燃燒室提供CO和O2的混合物。
9.如權利要求1 8中任一項所述的系統，其中，所述熱機包括燃氣輪機、蒸汽輪機和內燃機中的至少一種。
10.如權利要求1 9中任一項所述的系統,所述系統被構造為包括多於一個熱力循環的聯合循環。
11.如權利要求10所述的系統，其中，所述聯合循環包括第一循環和第二循環，所述第一循環包括熱機，所述第二循環包括蘭金輪機。
12.如權利要求11所述的系統，其中，所述第二循環包括熱回收單元(HRU)，所述熱回收單元連接到所述熱機出口，並且至少具有一個CO2入口和一個CO2出口，所述HRU被構造為並能夠運行以將由所述熱機排出的CO2的至少一部分熱量轉移到在所述第二循環中循環的流體。
13.如權利要求12所述的系統，其中，所述HRU包括蒸汽發生器和與所述蒸汽發生器的出口連接的至少一個蒸汽輪機，所示蒸汽發生器利用所述CO2排氣的熱量將水轉變成蒸汽或熱蒸汽。
14.如權利要求13所述的系統，其中，所述至少一個蒸汽輪機連接到由所述蒸汽輪機驅動的第二發電機。
15.如權利要求1 14中任一項所述的系統，其中: 所述還原單元被構造為並能夠運行以將CO2與水或蒸汽的混合物還原成O2和合成氣(CO和H2的混合物)； 所述燃燒室被構造為並能夠運行使合成氣和O2反應生成CO2和水蒸氣的混合物；並且 所述熱機由包括所述CO2和水蒸氣的混合物的所述燃燒室的氣體輸出驅動。
16.如權利要求10 15中任一項所述的系統，其中，所述第二循環包括冷凝器，所述冷凝器被構造為並能夠運行以將由所述蒸汽輪機中排出的蒸汽冷凝而產生凝結水。
17.如權利要求16所述的系統，所述系統包括中間冷卻壓縮機，所述中間冷卻壓縮機連接到所述蒸汽輪機，並由所述蒸汽輪機驅動，所述中間冷卻壓縮機被構造為並能夠運行以壓縮由所述熱機排出的流體，並且通過冷卻所述流體並經由與所述冷凝器產生的至少一部分水進行熱交換，將所述流體送往所述燃燒室或所述蒸汽機。
18.如權利要求1 17中任一項所述的系統，其中，所述外部能量源包括與所述還原單元連接的太陽能接收器，所述還原單元包括太陽能驅動的CO2解離反應器。
19.如權利要求2 18中任一項所述的系統，所述系統包括太陽能接收器，所述太陽能接收器連接到所述燃燒室的所述另外的入口，並且被構造為並能夠運行以在將流體送入所述燃燒室之前將穿過所述另外的入口的所述流體預熱。
20.如權利要求1 18中任一項所述的系統，所述系統包括太陽能接收器，所述太陽能接收器至少與所述燃燒室的所述另外的入口和所述燃燒室的所述氣體出口連接，所述太陽能接收器被構造為並能夠運行以加熱與所述燃燒室並聯或在所述燃燒室上遊的流體。
21.如權利要求20所述的系統，所述系統包括置於所述太陽能接收器的上遊的流量控制器，當所述太陽能接收器設置為與所述燃燒室並聯時，所述流量控制器被構造為並能夠運行以決定送往所述太陽能接收器或所述燃燒室的流量部分。
22.如權利要求18 21中任一項所述的系統，其中，所述太陽能接收器連接到與所述燃燒室相連的主壓縮機的出口，所述太陽能接收器被構造為並能夠運行以加熱離開所述主壓縮機的經壓縮的流體。
23.如權利要求1 22中任一項所述的系統，其中，所述還原單元包括: 緩衝儲存模塊，所述儲存模塊用以接收來自所述HRU的所述流體，所述流體為CO2或所述CO2與蒸汽或水的混合物； 還原反應器，所述還原反應器被構造為並能夠運行以接收來自所述緩衝儲存模塊的所述流體，並將CO2還原成CO和02，或者將所述CO2與蒸汽或水的混合物還原成合成氣和O2 ； 流量調節器，所述流量控制器用來調節從所述緩衝儲存模塊至所述還原反應器的流體流量； 第一壓縮機和第二壓縮機，所述第一壓縮機被構造為並能夠運行以壓縮離開所述還原反應器的CO或合成氣，並將經壓縮的CO或合成氣供給到所述燃燒室，第二壓縮機被構造為並能夠運行以壓縮離開所述還原反應器的O2並將經壓縮的O2供給到所述燃燒室。
24.如權利要求23所述的系統，其中，所述緩衝儲存模塊接收來自外部來源的CO2或CO2與水或蒸汽的混合物。
25.一種用於運行為蒸汽輪機提供動力的蒸汽循環的系統，所述系統包括: 還原單元，所述還原單元由外部能量源供能，並且被構造為並能夠運行以將CO2還原成CO和02，所述還原單元具有被構造為用於接收CO2的氣體入口，並具有CO和O2氣體出口 ；燃燒室，所述燃燒室具有被構造為用於接收來自所述還原單元的CO的第一氣體入口，被構造為用於接收來自所述還原單元的O2的第二氣體入口，和與所述還原單元的氣體入口相連的氣體出口，所述燃燒室被構造為並能夠運行以使所述CO和O2氣體之間發生反應，從而燃燒所述CO氣體而形成CO2氣體，並將基本上純淨的CO2煙道氣供給到所述還原單元；與所述燃燒室的出口連接的熱回收單元(HRU)，所述HRU至少具有一個入口和一個出口，並且被構造為並能夠運行以將所述燃燒室中產生的所述CO2的至少一部分熱量轉移到在所述蒸汽循環中循環的水和/或蒸汽中，從而為所述蒸汽循環提供動力並驅動所述蒸汽輪機。
26.如權利要求25所述的系統，其中: 所述還原單元包括將CO2與水或蒸汽的混合物還原成O2和合成氣(CO和H2的混合物);並且 所述燃燒室中的所述反應包括合成氣與O2之間生成所述CO2與水或蒸汽的混合物的反應。
27.一種用於發電的動力裝置，所述動力裝置包括: 包括蒸汽輪機的蒸汽循環，所述蒸汽輪機具有用於接收高溫蒸汽的入口和用於排出與所述高溫蒸汽相比具有較低溫度和壓力的蒸汽和/或水的出口，所述蒸汽輪機由通過其中的蒸汽提供動力； 權利要求25或26所述的系統，所述系統用於將所述燃燒室的排氣的至少一部分熱量轉移到由所述蒸汽輪機排出的所述水和/或蒸汽，從而為所述蒸汽循環提供動力並驅動所述蒸汽輪機；和 發電機，所述發電機與所述蒸汽輪機相連並被構造為用於利用由所述蒸汽輪機產生的功進行發電。
28.如權利要求27所述的動力裝置，所述動力裝置還包括燃料燃燒室，所述燃料燃燒室用於在空氣中燃燒燃料，並將在空氣中進行的所述燃燒的至少一種燃燒產物的至少一部分熱量在所述水和/或蒸汽進入所述蒸汽輪機之前轉移到所述水和/或蒸汽。
29.如權利要求28所述的動力裝置，其中，所述燃料包含煤或天然氣。
30.一種用於運行熱機的方法，所述方法包括: (a)將CO2氣體還原成CO和O2氣體； (b)使所述CO和O2氣體反應，從而燃燒所述CO氣體，並生成基本上純淨的CO2排放氣體； (c)將所述CO2排放氣體供給到所述熱機，作為熱機的由熱產生功的過程中的工作氣體。
31.如權利要求30所述的方法，所述方法還包括: (d)將由所述熱機排出的CO2氣體送至還原單元以進行進一步還原；和(e)重複之前的步驟； 通過重複利用由所述熱機排出的CO2而產生CO和O2，所述方法由此而產生所述熱機運行的閉合迴路循環。
32.如權利要求30或31所述的方法，所述方法包括燃燒所述熱機排出的至少一部分CO2氣體，用於在所述循環中作為工作流體使用。
33.如權利要求30 32中任一項所述的方法，其中，將CO2還原成CO和O2利用太陽能進行。
34.如權利要求30 33中任一項所述的方法，其中，將CO2還原成CO和O2利用由外部來源提供的另外的CO2氣體進行。
35.如權利要求30 34中任一項所述的方法，所述方法包括通過使用所述熱機產生的功來驅動與所述熱機連接的發電機從而產生電能。
36.如權利要求30 35中任一項所述的方法，所述方法包括在所述燃燒之前將所述CO和所述O2混合以產生CO和O2的混合物。
37.如權利要求30 36中任一項所述的方法，所述方法包括從由所述熱機排出的所述CO2氣體中回收熱量。
38.如權利要求37所述的方法，所述方法包括使用來自於所述CO2排氣的熱量來加熱蒸汽或將水轉變成蒸汽。
39.如權利要求38所述的方法，所述方法包括使用所述蒸汽來驅動至少一個蒸汽輪機。
40.如權利要求39所述的方法，所述方法包括使用在所述蒸汽輪機中產生的功來產生電能。
41.如權利要求37 40中任一項所述的方法，所述方法包括將所述蒸汽在由來自所述CO2排氣的所述熱量提供動力的蘭金循環中再循環。
42.如權利要求30 41中任一項所述的方法，所述方法包括壓縮CO2並使用經壓縮的所述CO2中的至少一部分在所述燃燒中作為工作流體。
43.如權利要求42所述的方法，所述方法包括通過使用所述熱機驅動至少一個壓縮機，並將經壓縮的所述CO2中的至少一部分供給到所述熱機。
44.如權利要求30 43中任一項所述的方法，所述方法包括將由所述熱機排出的所述CO2氣體中的至少一部分送至所述還原單元以還原CO2或CO2和水。
45.如權利要求30 44中任一項所述的方法，其中: 將CO2與水或蒸汽的混合物還原成合成氣(CO和H2的混合物)和分離的O2 ； 合成氣與O2反應生成CO2和水的混合物； 將所述CO2和水或蒸汽的混合物供給到所述熱機；並且 將由所述熱機排出的所述CO2和水或蒸汽的混合物送至所述還原單元進行進一步還原。
46.一種用於運行為蒸汽輪機提供動力的蒸汽循環的方法，所述方法包括: (a)將CO2氣體還原成CO和O2氣體； (b)使所述CO和O2氣體發生反應，從而燃燒所述CO氣體並生成基本上純淨的CO2排放氣體；(C)將所述CO2排放氣體送至熱回收單元(HRU)以轉移所述排放氣體的至少一部分熱量來為所述蒸汽輪機提供動力，並使由所述HRU排出的CO2能夠進一步還原成CO和O2氣體然後燃燒所述CO氣體，由此在閉合迴路中進行運行。
47.如權利要求46所述的方法，其中: 將CO2和水或蒸汽的混合物還原成合成氣(CO和H2的混合物)和O2 ; 使合成氣和O2反應生成CO2和水的混合物； 將所述CO2和水或蒸汽的混合物送至所述HRU ;並且 將由所述HRU排出的CO2和水或蒸汽的混合物送至所述還原單元進行進一步還原。
48.一種用於發電的動力裝置，所述動力裝置包括: 蒸汽循環，所述蒸汽循環包括蒸汽輪機，所述蒸汽輪機具有用於接收高溫蒸汽的入口和用於排出與所述高溫蒸汽相比具有較低壓力和溫度的蒸汽和/或水的出口，所述蒸汽輪機由其中通過的蒸汽提供動力； 第一燃料燃燒室，第一燃料燃燒室被構造為用於進行碳類燃料的氧-燃料燃燒並生成作為CO2和水或蒸汽的混合物的排放氣體，所述第一燃料燃燒室具有用於從外部來源接收所述燃料的燃料進口、用於接收氧氣的氧氣進口和用於排出所述排放氣體的出口 ； 熱回收單元(HRU)，所述熱回收單元被構造為用於將所述燃燒室的排放氣體的至少一部分熱量轉移至由所述蒸汽輪機排出的所述水和/或蒸汽，從而為所述蒸汽循環提供動力並驅動所述蒸汽輪機； 還原單元，所述還原單元被構造為用於接收離開所述HRU的所述燃燒室的排放氣體並將所述CO2和水或蒸汽的混合物還原成合成氣(CO和H2的混合物)和O2，所述還原單元具有用於將所述O2再引入所述第一燃料燃燒室的氧氣出口，以及用於排出所述合成氣的合成氣出口 ； 合成氣儲存單元，所述合成氣儲存單元用於接收並儲存由所述還原單元排出的所述合成氣；和 發電機，所述發電機與所述蒸汽輪機相連並被構造為用於使用所述蒸汽輪機產生的功進行發電以供電網中使用。
49.如權利要求48所述的動力裝置，所述動力裝置還包括: 用於在空氣中燃燒第二燃料的第二燃料燃燒室；和 第二 HRU，第二 HRU用於將在空氣中進行的所述燃燒的至少一種燃燒產物的至少一部分熱量轉移至由所述蒸汽輪機排出的所述水和/或蒸汽。
50.如權利要求48或49所述的 動力裝置，其中，所述第一和第二燃料中的至少一種包含煤或天然氣。
全文摘要
本發明提供了用於運行熱機的能量產生系統和方法。該能量產生方法包括將CO2氣體還原為CO和O2氣體；使所述CO和O2氣體反應，從而燃燒CO氣體，並生成基本上純淨的CO2排氣；和將所述CO2排氣供給到熱機作為熱機的由熱產生功的過程中的工作氣體。
文檔編號F02C1/10GK103080501SQ201180042691
公開日2013年5月1日 申請日期2011年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者雅各布·卡尼, U·噶比 申請人:曳達研究和發展有限公司