ES2960368T3 - Optimización de calor de baja calidad de ciclos de energía recuperativa de CO2 supercrítico - Google Patents

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Abstract

La presente divulgación proporciona sistemas y métodos para la producción de energía. En particular, los sistemas y métodos utilizan la adición de calor a una corriente de escape de turbina expandida para aumentar la cantidad de calor disponible para recuperación y uso en la misma para calentar una corriente de dióxido de carbono comprimido para reciclar de regreso a una cámara de combustión del sistema de producción de energía. y método. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Optimización de calor de baja calidad de ciclos de energía recuperativa de CO2 supercrítico
Campo de la invención
La presente invención proporciona sistemas y métodos para la producción de energía con la combustión de un combustible carbonoso, así como el aporte de calor desde una fuente de calor de baja calidad, tal como una fuente de calor solar.
Antecedentes
El dióxido de carbono (CO<2>) es un producto conocido de la combustión de combustibles carbonosos, y se requieren sistemas de producción de energía que utilizan la combustión de combustibles carbonosos para capturar el CO<2>producido. La Patente de EE. UU. n.° 8.596.075 de Allam et al., describe un sistema de producción de energía que utiliza una corriente de trabajo de CO<2>mediante la cual el CO<2>producido a partir de la combustión se puede retirar para diversos usos finales. La Publicación de Patente de EE. UU. n.° 2013/0118145 de Palmer et al., describe un sistema de producción de energía que utiliza una corriente de trabajo de CO<2>mediante el cual una corriente de CO<2>reciclado calentado a alta presión se puede calentar aún más con un calentador solar. Esto parece requerir que el calentamiento solar se produzca dentro de una corriente de CO<2>supercrítica a presiones superiores a 150 bar (o incluso superiores a 300 bar) y a temperaturas superiores a 500°C. Sin embargo, tales condiciones de temperatura y presión plantean desafíos importantes con respecto al diseño de un receptor de energía solar concentrada (CSP) si el CO<2>supercrítico se va a calentar directamente. Si el CO<2>supercrítico se va a calentar mediante un circuito caloportador intermedio, el desafío es encontrar materiales intercambiadores de calor que no solo puedan soportar la alta temperatura y presión del CO<2>supercrítico, sino también los posibles efectos indeseables de los fluidos de transferencia del calentador que pueden ser utilizados con aplicaciones de CSP a altas temperaturas, tal como temperaturas superiores a 400°C. En consecuencia, sigue existiendo una necesidad en la técnica de sistemas y métodos adicionales para la producción de energía con la capacidad de incorporar calentamiento solar. El documento US 2017/058712 A1 describe además un sistema para la producción de energía utilizando ciclos de CO<2>anidados.
Compendio de la invención
La presente invención se refiere a sistemas y métodos mediante los cuales una variedad de fuentes de calor de baja calidad, tales como la energía solar, pueden integrarse eficazmente con un ciclo de energía de CO<2>supercrítico, tal como, por ejemplo, interconectando el calentamiento de baja calidad directamente con un tren intercambiador de calor recuperativo en lugar de utilizar la transferencia de calor terminal (por ejemplo, calentar a la temperatura más alta deseada en el ciclo). Como tal, la presente invención abarca sistemas y métodos de producción de energía mediante los cuales el calentamiento de baja calidad se integra con un ciclo de energía de CO<2>, tal como interactuando directamente con un intercambiador de calor recuperativo.
En algunas realizaciones de la presente invención, el gas de escape de una turbina se puede precalentar antes de que entre en el tren intercambiador de calor recuperativo y/o después de que entre en el tren intercambiador de calor recuperativo (es decir, a mitad de camino a través del intercambiador de calor del recuperador). El fluido de baja presión en el ciclo de energía de CO<2>se calienta directamente y al mismo tiempo proporciona recuperación de calor a alta temperatura en el CO<2>reciclado, pero sin comunicación directa con la fuente de calor de baja calidad, tal como un sistema de energía solar concentrada (CSP). Esta configuración puede ser ventajosa ya que reduce o elimina cualquier efecto indeseable que pueda surgir del contacto de un fluido caloportador intermedio con una corriente de CO<2>a alta presión en un intercambiador de calor. Como tal, se pueden minimizar los riesgos tecnológicos y comerciales.
El CO<2>a baja presión también se puede calentar mediante contacto directo con un fluido caloportador benigno que se puede gestionar de manera tal que el CO<2>reciclado no quede contaminado permanentemente. Por ejemplo, se puede utilizar un sistema CSP u otra forma de calor (por ejemplo, gases de combustión de una turbina de gas) para generar vapor (otros fluidos de trabajo podrían incluir CO<2>, así como compuestos que forman una fase de vapor por encima de aproximadamente 100°C y son líquidos a una temperatura no más fría que la ambiente). Este vapor puede luego fusionarse con el gas de escape de la turbina del ciclo de energía de CO<2>antes de que se introduzca en el tren intercambiador de calor recuperativo y/o después de que se introduzca en el tren intercambiador de calor recuperativo (es decir, a mitad de camino a través del intercambiador de calor del recuperador). Luego, el vapor se puede separar como agua líquida en una etapa de separación de agua especializada a la salida del tren intercambiador de calor recuperativo. Luego se puede bombear de regreso a la fuente de calor y convertirlo en vapor para comenzar el proceso nuevamente.
Las ventajas de los sistemas y métodos actualmente descritos se centran en optimizar aún más el rendimiento de transferencia de calor del tren intercambiador de calor recuperativo principal para elevar la temperatura del CO<2>reciclado que se introduce en la cámara de combustión/calentador. Esto es fundamentalmente diferente de los sistemas y métodos conocidos que utilizan el calentamiento solar calentando directamente la propia corriente de CO<2>reciclado.
En una o más realizaciones, la presente invención proporciona métodos para la generación de energía. En una realización según la invención y como se define en la reivindicación 1, el método comprende: quemar un combustible en una cámara de combustión con un oxidante en presencia de una corriente comprimida de dióxido de carbono para formar una corriente comprimida de producto de combustión; expandir la corriente comprimida de producto de combustión a través de una turbina para generar energía y proporcionar una corriente expandida de producto de combustión; hacer pasar la corriente expandida de producto de combustión a través de un intercambiador de calor principal para recuperar una cantidad disponible de calor del mismo y formar una corriente de escape enfriada de la turbina; eliminar agua de la corriente de escape enfriada de la turbina para proporcionar una corriente de dióxido de carbono; comprimir la corriente de dióxido de carbono para formar la corriente comprimida de dióxido de carbono; reciclar la corriente comprimida de dióxido de carbono de regreso a la cámara de combustión; calentar una corriente de fluido circulante en una fuente de calor de baja calidad para formar una corriente calentada de fluido circulante; y usar la corriente calentada de fluido circulante para aumentar la cantidad de calor disponible en la corriente expandida de producto de combustión que se recupera con el intercambiador de calor principal. En realizaciones adicionales, el método puede caracterizarse con respecto a una o más de las siguientes afirmaciones, que pueden combinarse en cualquier orden o número.
La corriente de fluido circulante se puede reciclar de nuevo a la fuente de calor de baja calidad para recalentarla después de usar la corriente calentada de fluido circulante para aumentar la cantidad disponible de calor en la corriente expandida de producto de combustión.
El calor se puede transferir desde la corriente calentada de fluido circulante aguas abajo de la turbina y aguas arriba del intercambiador de calor principal.
La corriente de escape expandida de la turbina y la corriente calentada de fluido circulante pueden pasar a través de un intercambiador de calor secundario.
La corriente calentada de fluido circulante puede pasar a través del intercambiador de calor principal.
La corriente calentada de fluido circulante se puede mezclar con la corriente de escape expandida de la turbina aguas abajo de la turbina y aguas arriba del intercambiador de calor principal.
La corriente calentada de fluido circulante se puede mezclar con la corriente de escape expandida de la turbina mientras que la corriente de escape expandida de la turbina pasa a través del intercambiador de calor principal.
Al menos una parte de la corriente de fluido circulante que se mezcla con la corriente de escape expandida de la turbina se puede separar de la corriente de escape expandida de la turbina después del paso a través del intercambiador de calor principal.
La corriente de escape expandida de la turbina mezclada con el fluido circulante puede pasar a través de una unidad de separación aguas abajo del intercambiador de calor principal.
La al menos una parte de la corriente de fluido circulante que se separa de la corriente de escape expandida de la turbina después del paso a través del intercambiador de calor principal se puede reciclar de nuevo a la fuente de calor de baja calidad para ser recalentada.
La corriente de fluido circulante puede comprender agua.
La corriente de fluido circulante puede comprender dióxido de carbono.
La corriente de fluido circulante puede comprender un refrigerante.
El intercambiador de calor principal puede comprender una pluralidad de unidades de intercambio de calor.
Se puede colocar un calentador lateral entre una primera unidad de intercambio de calor y una segunda unidad de intercambio de calor, la corriente de escape expandida de la turbina puede pasar a través del calentador lateral y la corriente calentada de fluido circulante puede pasar a través del calentador lateral para proporcionar calor a la corriente de escape expandida de la turbina.
La corriente calentada de fluido circulante se puede mezclar con la corriente de escape expandida de la turbina entre dos unidades de intercambio de calor de la pluralidad de unidades de intercambio de calor.
La fuente de calor de baja calidad puede ser un calentador solar.
En una o más realizaciones, la presente invención puede proporcionar sistemas para generación de energía. En una realización según la invención y como se define en la reivindicación 13, el sistema comprende: una cámara de combustión configurada para recibir un combustible, un oxidante y una corriente comprimida de dióxido de carbono; una turbina configurada para expandir una corriente de escape de la cámara de combustión recibida desde la cámara de combustión; un intercambiador de calor principal configurado para recuperar una cantidad disponible de calor de una corriente de escape expandida de la turbina recibida de la turbina; un separador configurado para eliminar agua de la corriente de escape expandida de la turbina recibida del intercambiador de calor principal; un compresor configurado para comprimir una corriente de dióxido de carbono recibida del separador; una línea configurada para hacer pasar dióxido de carbono comprimido desde el compresor a la cámara de combustión a través del intercambiador de calor principal; una fuente de calor de baja calidad configurada para proporcionar una corriente calentada de fluido circulante; y al menos un combinador configurado para combinar calor de la corriente calentada de fluido circulante con la corriente de escape expandida de la turbina aguas arriba del separador. En realizaciones adicionales, el sistema se puede caracterizar por una o más de las siguientes afirmaciones, que se pueden combinar en cualquier orden o número.
El al menos un combinador puede incluir un intercambiador de calor secundario situado aguas abajo de la turbina y aguas arriba del intercambiador de calor principal, estando configurado el intercambiador de calor secundario para intercambiar calor entre la corriente calentada de fluido circulante y la corriente de escape expandida de la turbina.
El intercambiador de calor principal puede comprender una pluralidad de unidades de intercambio de calor.
El combinador puede colocarse entre dos unidades de intercambio de calor de la pluralidad de unidades de intercambio de calor.
La fuente de calor de baja calidad puede ser un calentador solar.
Descripción de los dibujos
La FIG. 1 es un diagrama de flujo que muestra una realización a modo de ejemplo de un ciclo de generación de energía que utiliza calentamiento de baja calidad para calentar una corriente de baja presión según la presente invención sin mezclarse con la corriente de baja presión.
La FIG. 2 es un diagrama de flujo que muestra una realización a modo de ejemplo de un ciclo de generación de energía que utiliza calentamiento de baja calidad para calentar una corriente de baja presión según la presente invención combinando una corriente de calentamiento con la corriente de baja presión y eliminando la corriente de calentamiento posteriormente.
La FIG. 3A a la FIG. 3D proporcionan diagramas de flujo, por ejemplo, realizaciones de una parte de un ciclo de generación de energía que ilustran la adición de calor a una corriente de escape de una turbina con respecto al paso a través de una pluralidad de unidades de intercambio de calor.
Descripción detallada
La presente materia objeto se describirá ahora más completamente a continuación con referencia a realizaciones a modo de ejemplo de la misma. Estas realizaciones a modo de ejemplo se describen de manera que esta invención sea minuciosa y completa, y transmita completamente el alcance del materia objeto a los expertos en la materia. De hecho, la materia objeto en cuestión puede materializarse de muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones establecidas en el presente documento; más bien, estas realizaciones se proporcionan para que esta invención satisfaga los requisitos legales aplicables. Tal como se utiliza en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una", "el", "la", incluyen referentes en plural a menos que el contexto dicte claramente lo contrario.
La presente invención se refiere a sistemas y métodos para la producción de energía. Los sistemas y métodos pueden ejemplificarse con respecto a diversas realizaciones en donde el calentamiento solar se integra con un ciclo de energía en donde una corriente de CO<2>reciclada a alta presión y alta temperatura se calienta adicionalmente (por ejemplo, en una cámara de combustión), se expande en una turbina para la producción de energía, se enfría en un intercambiador de calor recuperativo, se vuelve a presurizar y se recalienta en el intercambiador de calor recuperativo. Ejemplos no limitantes de sistemas y métodos para la producción de energía, y elementos de los mismos, que pueden ser adecuados para su uso según la presente invención se describen en Patente de EE. UU. N.° 8.596.075, Patente de EE. UU. N.28.776.532, Patente de EE. UU. N.28.959.887, Patente de EE. UU. N.28.986.002, Patente de EE. UU. N.2 9.068.743, Patente de EE. UU. N.29.416.728, Patente de EE. UU. N.29.546.814, Patente de EE. UU. N.210.018.115, y Publicación de EE. UU. N.° 2012/0067054. A diferencia de los sistemas y métodos anteriores que utilizan calentamiento de baja calidad, los sistemas y métodos actualmente descritos no requieren que una corriente de CO<2>reciclada se sobrecaliente después de haber sido calentada en un tren intercambiador de calor recuperativo.
En una o más realizaciones a modo de ejemplo, se proporciona calor de baja calidad directamente al tren intercambiador de calor recuperativo. Como se usa en el presente documento, calor de baja calidad puede significar calor en un intervalo de aproximadamente 100°C a aproximadamente 550°C, de aproximadamente 150°C a aproximadamente 500°C o de aproximadamente 200°C a aproximadamente 450°C. Básicamente, esto puede eliminar cualquier necesidad de integración de calor de una fuente externa adicional, tal como el calor de compresión de una unidad de separación de aire (ASU), un compresor de gas caliente y/u otras fuentes. El calor de baja calidad, por ejemplo, puede calentar directa o indirectamente el escape de la turbina en medio del tren intercambiador de calor recuperativo. La adición de calor permite que el desequilibrio C<p>entre el escape de la turbina y el CO<2>reciclado se mitigue, aumentando así la temperatura de reciclaje de CO<2>en la cámara de combustión.
En una o más realizaciones, se pueden combinar varios tipos de calentamiento aditivo. En tales casos, las fuentes de calentamiento combinadas se pueden añadir particularmente a diferentes corrientes en diferentes puntos del ciclo. Por ejemplo, se puede proporcionar calentamiento adicional desde una ASU y/o un compresor de gas caliente a una corriente de reciclaje que ya está comprimida y lista para reciclarse nuevamente en una cámara de combustión (por ejemplo, se añade a la corriente de reciclaje mientras la corriente de reciclaje se calienta en el intercambiador de calor o se añade en algún punto entre el extremo caliente del intercambiador de calor y la cámara de combustión). En tales casos, también se puede añadir calor de baja calidad a la corriente de escape de la turbina para que pueda sobrecalentarse antes de introducirse en el tren intercambiador de calor recuperativo. Una parte del fluido caloportador también se puede enfriar por debajo de la temperatura de escape de la turbina para proporcionar un calentamiento de baja calidad aún mayor, y esto complementa el calentamiento proporcionado por la ASU y/o el compresor de gas caliente o incluso reduce la cantidad de calentamiento que debe ser proporcionado por tales fuentes. Este calor suplementario proporciona el mismo beneficio C<p>como se ha indicado anteriormente. También puede permitir que se reduzca el flujo a través de compresores no refrigerados (compresor de gas caliente a compresor interenfriado) utilizados para la generación de calor de baja calidad, minimizando así el consumo de carga parásita interna y aumentando la generación neta de energía. La adición de calor de baja calidad no solo aumenta la eficiencia sino también la exportación de energía, ya que puede reducir la necesidad de generación interna de calor, lo que conduce a una mayor eficiencia neta, pero a una reducción de la producción de energía. Alternativamente, el flujo a través de compresores generadores de calor de baja calidad no enfriados no puede reducirse y el exceso de calor disponible en el tren intercambiador de calor recuperativo puede usarse para complementar térmicamente un proceso industrial de terceros, tal como en un sistema combinado de calor y energía, o para reducir el tamaño efectivo del tren intercambiador de calor principal. La adición de calentamiento de baja calidad según la presente invención es particularmente beneficiosa porque puede aumentar las temperaturas internas dentro del intercambiador de calor y reducir el tamaño relativo del intercambiador de calor.
En la FIG. 1 se ilustra un sistema de producción de energía 10 a modo de ejemplo para llevar a cabo el método de producción de energía según la presente invención. Como se muestra en la misma, una cámara de combustión 110 está configurada para recibir un oxidante en la línea 103 desde la fuente de oxidante 102 y para recibir un combustible en la línea 105 desde la fuente de combustible 104. El combustible de la línea 105 se quema en la cámara de combustión 110 con el oxidante de la línea 103 para formar el escape de la cámara de combustión que sale de la cámara de combustión en la línea 117. El escape de la cámara de combustión en la línea 117 pasa a través de una turbina 120 para generar energía en el generador 125, y el escape expandido de la cámara de combustión sale de la turbina como escape de turbina en la línea 123. Se puede hacer referencia a la turbina 120 como una primera turbina o una turbina principal. El escape expandido de la turbina que sale de la turbina principal 120 en la línea 123 pasa a través de un intercambiador de calor recuperativo 130 para enfriar el escape de la turbina y proporcionar calor a una o más corrientes adicionales. Se puede hacer referencia al intercambiador de calor recuperativo 130 como un primer intercambiador de calor o un intercambiador de calor principal. El escape enfriado de la turbina sale del intercambiador de calor principal 130 en la línea 133 y pasa a un separador de agua 135 para la purificación del CO<2>en la corriente de escape de la turbina. El agua y cualquier elemento arrastrado se retiran a través de la línea 137, y se elimina CO<2>sustancialmente puro que sale del separador de agua 135 en la línea 139. El CO<2>sustancialmente puro en la línea 139 se comprime primero en el compresor 140 antes de pasar a través de la línea 141 a una bomba 145 para formar la corriente de CO<2>reciclado en la línea 147 a una presión adecuada para la entrada de regreso a la cámara de combustión 110. Aunque se ilustran un compresor 140 y una bomba 145, se entiende que se puede usar uno o una combinación de elementos para la compresión de la corriente de CO<2>reciclado. Por ejemplo, se puede utilizar un compresor multietapa interenfriado. Una fracción del CO<2>reciclado en la línea 147 se puede extraer del sistema a través de la línea de CO<2>producto 149. Adicional o alternativamente, el CO<2>producto puede retirarse a diferentes presiones de la línea 139 y/o la línea 141. El CO<2>reciclado en la línea 147 se calienta mediante el paso de regreso a través del intercambiador de calor principal 130 para salir como línea 151 para reciclarse de regreso a la cámara de combustión 110. De esta manera, la línea 151 está configurada para hacer pasar dióxido de carbono comprimido desde el compresor 140 (particularmente desde el compresor y la bomba 145) a la cámara de combustión 110 a través del intercambiador de calor principal 130. Si se desea, una parte del CO<2>reciclado en la línea 151 y/o la línea 147 y/o la línea 141 se puede retirar y añadir a la línea 103 para usarlo como diluyente para el oxidante en la línea 103.
Se utiliza una fuente de calor de baja calidad 170 para proporcionar calentamiento a una corriente circulante. Se puede utilizar cualquier fuente de calor capaz de proporcionar calentamiento en el intervalo de temperatura necesario. En algunas realizaciones se puede utilizar una unidad de calentamiento CSP. En ejemplos adicionales, se puede usar una turbina de gas u otra fuente de calor conocida utilizada normalmente en un método de generación de energía. Preferiblemente, la fuente de calor de baja calidad 170 está configurada para proporcionar una corriente calentada de fluido circulante a una temperatura en un intervalo de aproximadamente 100°C a aproximadamente 550°C, de aproximadamente 150°C a aproximadamente 500°C o de aproximadamente 200°C a aproximadamente 450°C. El fluido circulante puede ser cualquier material que pueda fluir en las condiciones de temperatura requeridas y que proporcione una transferencia de calor eficiente. En las realizaciones ejemplificadas, la corriente de fluido circulante para la transferencia de calor de baja calidad no necesita ser necesariamente compatible con la corriente de escape de la turbina, ya que las dos corrientes no están mezcladas.
Como se muestra en la FIG. 1, se proporciona un fluido circulante a la fuente de calor de baja calidad 170 a través de la tubería 169, y se puede proporcionar fluido de reposición según sea necesario durante el funcionamiento del sistema de producción de energía 10. El fluido circulante se calienta en la fuente de calor de baja calidad 170 a la temperatura deseada y pasa a través de la línea 171 para transferir el calor a la corriente de escape de la turbina en la línea 123. El sistema 10 incluye al menos un combinador que está configurado para combinar calor de la corriente calentada de fluido circulante con la corriente de escape expandida de la turbina. El combinador puede adoptar una variedad de formas y puede ser cualquier elemento adecuado para transferir calor entre corrientes y/o mezclar corrientes directamente. Ejemplos no limitantes de elementos que pueden ser útiles como combinador en el presente documento incluyen un intercambiador de calor, un calentador lateral, una unión, una válvula, una unidad de mezcla y similares.
La FIG. 1 ilustra vías alternativas para el fluido circulante en la línea 171. El fluido circulante puede pasar a través de la línea 172 para proporcionar calentamiento al escape de la turbina en la línea 123 antes del paso al intercambiador de calor principal 130. Como se ilustra mediante las líneas discontinuas, se puede incluir un calentador de línea 129 opcional para facilitar la transferencia de calor desde la línea 172 a la línea 123. Por tanto, el calentador de línea 129 puede denominarse intercambiador de calor secundario. Alternativamente, el fluido circulante puede pasar a través del conducto 173 para proporcionar calentamiento al escape de la turbina en el conducto 123 durante el paso a través del intercambiador de calor principal. Preferiblemente, el fluido circulante en la tubería 173 se proporciona hasta un punto en el intercambiador de calor principal 130 de modo que la transferencia de calor se efectúe antes de que el escape de la turbina haya perdido una parte significativa de su calor. Por ejemplo, la temperatura de escape de la turbina puede estar al 40%, al menos al 50%, al menos al 60%, al menos al 70%, al menos al 80% o al menos al 90% de su temperatura original (por ejemplo, hasta un máximo de 99,9%) en el punto durante el paso a través del intercambiador de calor principal 130 cuando se transfiere calor desde el fluido circulante en la línea 173. En ciertas realizaciones, el fluido circulante en la línea 173 puede transferir su calor al escape de la turbina en la línea 123 mientras pasa a través el escape de la turbina principal 130 mientras que la temperatura del escape de la turbina está en el intervalo de aproximadamente 150°C a aproximadamente 550°C, de aproximadamente 200°C a aproximadamente 500°C, de aproximadamente 250°C a aproximadamente 475°C o de aproximadamente 300°C a aproximadamente 450°C. El fluido circulante en la línea 171 puede pasar únicamente a través de la línea 172, puede pasar únicamente a través de la línea 173 o puede dividirse para el paso entre la línea 172 y la línea 173. En el caso de la última configuración, se puede incluir un divisor (no ilustrado) para controlar la razón de fluido circulante que se divide entre la línea 172 y la línea 173. Por lo tanto, es posible transferir calor desde la corriente calentada de fluido circulante aguas abajo de la turbina y aguas arriba del intercambiador de calor principal. Alternativamente, es posible transferir calor desde la corriente calentada de fluido circulante en un punto del ciclo que está aguas arriba del extremo frío del intercambiador de calor principal.
La corriente calentada de fluido circulante procedente de la fuente de calor de baja calidad 170 se utiliza para aumentar la cantidad de calor disponible en la corriente expandida de producto de combustión. La cantidad de calor disponible en la corriente expandida de producto de combustión se utiliza para calentar la corriente comprimida de dióxido de carbono que regresa a la cámara de combustión, y es deseable recuperar calor de la corriente de escape expandida de la turbina para proporcionar dicho calentamiento. Sin embargo, existen límites definidos en cuanto a la cantidad de calor que se puede recuperar de esta manera. Añadiendo calor de la corriente calentada de fluido circulante a la corriente de escape expandida de la turbina, es posible aumentar la cantidad disponible de calor que se puede extraer en el intercambiador de calor principal 130 para calentar la corriente comprimida de dióxido de carbono. Preferiblemente, la adición de calor de la corriente calentada de fluido circulante que sale de la fuente de calor de baja calidad es suficiente para aumentar la cantidad disponible de calor de la corriente de escape expandida de la turbina en al menos un 5%, al menos un 10% o al menos un 20%. Por ejemplo, la adición de calor de la corriente calentada de fluido circulante puede ser suficiente para aumentar la cantidad disponible de calor de la corriente de escape expandida de la turbina en al menos 3°C, al menos 5°C, al menos 10°C, al menos 20°C, al menos 50°C, o al menos 100°C (hasta un máximo de 300°C). Más particularmente, la adición de calor de la corriente calentada de fluido circulante puede ser suficiente para aumentar la cantidad disponible de calor de la corriente de escape expandida de la turbina de aproximadamente 10°C a aproximadamente 300°C, de aproximadamente 20°C a aproximadamente 200°C o de aproximadamente 25°C a aproximadamente 100°C. El aumento en la cantidad de calor disponible se puede calcular midiendo la temperatura de la corriente comprimida de dióxido de carbono que sale del extremo caliente del intercambiador de calor principal 130 con la adición del calor de la corriente calentada de fluido circulante a la corriente de escape expandida de la turbina y sin adición del calor de la corriente calentada de fluido circulante a la corriente de escape expandida de la turbina mientras se mantiene sustancialmente constante la temperatura de la corriente de escape expandida de la turbina que sale de la turbina. En algunas realizaciones, como cuando el fluido circulante calentado se mezcla con la corriente de escape de la turbina, se proporciona un aumento beneficioso en el flujo másico de calentamiento total que está a la temperatura de escape original de la turbina. Así, en realizaciones de ejemplo, el flujo másico de fluido calentado que pasa a través del intercambiador de calor principal hacia el extremo frío del mismo se puede aumentar en al menos un 5%, al menos un 10%, al menos un 15%, al menos un 20%, al menos un 30%, al menos un 40%, al menos un 50%, al menos un 75% o al menos un 90% con respecto a la masa de la corriente de escape que sale inmediatamente de la turbina (por ejemplo, con un aumento de masa máximo del 200%). En ciertas realizaciones, el flujo másico de fluido calentado que pasa a través del intercambiador de calor principal hacia el extremo frío del mismo se puede aumentar de aproximadamente 5% a aproximadamente 200%, de aproximadamente 10% a aproximadamente 150%, de aproximadamente 20% a aproximadamente 100% o de aproximadamente 25% a aproximadamente 90%.
Después de la transferencia de calor a la corriente de escape de la turbina, el fluido circulante pasa para recalentarse en la línea 177. Se puede proporcionar un enfriador 175 opcional en la línea 177 para reducir la temperatura del mismo y opcionalmente para retirar el calor disponible adicional para su uso en el sistema de producción de energía 10. El fluido circulante luego pasa a través de la línea 177 nuevamente a través de la fuente de calor de baja calidad para recalentarse a la temperatura deseada.
En una o más realizaciones, el fluido circulante puede ser un material que está configurado para formar una fase de vapor por encima de una temperatura de aproximadamente 100°C y está configurado para convertirse en un líquido a una temperatura más baja (por ejemplo, líquido a aproximadamente temperatura ambiente, tal como en un intervalo de aproximadamente 15°C a aproximadamente 90°C, de aproximadamente 18°C a aproximadamente 80°C o de aproximadamente 20°C a aproximadamente 70°C). En algunas realizaciones, se puede utilizar agua como fluido circulante. En otras realizaciones, se puede usar dióxido de carbono como fluido circulante. En realizaciones adicionales, se puede utilizar una mezcla de agua y dióxido de carbono como fluido circulante. En otras realizaciones más, se pueden utilizar refrigerantes conocidos como fluido circulante.
La FIG. 2 ilustra un sistema de producción de energía sustancialmente similar al sistema mostrado en la FIG. 1 pero que está configurado para la mezcla del fluido circulante con la corriente de escape de la turbina para efectuar el calentamiento de la misma. Como se ilustra en la FIG. 2, se proporciona un fluido circulante a la fuente de calor de baja calidad 170 a través de la tubería 169, y se puede proporcionar fluido de reposición según sea necesario durante el funcionamiento del sistema de producción de energía 10. El fluido circulante se calienta en la fuente de calor de baja calidad 170 a la temperatura deseada y pasa a través de la línea 171 para transferir el calor a la corriente de escape de la turbina en la línea 123. La FIG. 2 ilustra nuevamente vías alternativas para el fluido circulante en la línea 171. El fluido circulante puede pasar a través de la línea 172 para proporcionar calentamiento al escape de la turbina en la línea 123 antes del paso al intercambiador de calor principal 130. El fluido circulante puede pasar a través de la línea 173 para proporcionar calentamiento al escape de la turbina en la línea 123 durante el paso a través del intercambiador de calor principal 130. En cualquier caso, el fluido circulante puede combinarse con el escape de la turbina para formar una corriente mixta. Como tal, la corriente que sale del intercambiador de calor principal en la línea 133 comprende el escape de la turbina combinado con el fluido circulante. La corriente combinada se puede procesar en el separador de agua 135 para eliminar agua del escape de la turbina, saliendo el agua por la línea 137. En las realizaciones en donde se usa agua como fluido circulante, una fracción del agua de la línea 137 se puede desviar en línea 178 a la línea 177 para el paso de regreso a la fuente de calor de baja calidad 170. Si se desea, se puede proporcionar un divisor, válvula o elemento similar (no ilustrado en la FIG. 2) en la línea 137 para facilitar la eliminación de la proporción adecuada de la agua en la línea 137. En realizaciones en donde el fluido circulante comprende dióxido de carbono, el dióxido de carbono se puede eliminar de la línea 139 que sale por la parte superior del separador de agua 135. Específicamente, una fracción del dióxido de carbono de la línea 139 se puede desviar en la línea 179 a la línea 177 para el paso de regreso a la fuente de calor de baja calidad 170. Nuevamente, se puede proporcionar un divisor, válvula o elemento similar (no ilustrado en la FIG. 2) en la línea 139 para facilitar la eliminación de la proporción adecuada de dióxido de carbono en la línea 139. En una o más realizaciones, se pueden incluir una o más unidades de separación adicionales para facilitar la separación del fluido circulante para reciclarlo de nuevo a la fuente de calor de baja calidad. Por ejemplo, se puede colocar una primera unidad de separación de fluidos 136a en la línea 133 para eliminar el fluido circulante de la corriente de escape de la turbina entre el intercambiador de calor principal y el separador de agua 135. Como otro ejemplo, se puede colocar una segunda unidad de separación de fluidos 136b en la línea 139 para la eliminación del fluido circulante de la corriente de CO<2>reciclado entre el separador de agua 135 y el compresor 140. Como otro ejemplo más, se puede colocar una tercera unidad de separación de fluidos 136c en la línea 137 para eliminar el fluido circulante de la corriente de agua que sale del separador de agua 135. En cada caso, se puede proporcionar una línea adicional para el paso del fluido circulante eliminado de regreso a la línea 177 para su paso a la fuente de calor de baja calidad 170.
Además del calentamiento de baja calidad, con los sistemas y métodos actuales se puede proporcionar aún más calentamiento. Si bien el calentamiento de baja calidad es particularmente beneficioso para proporcionar calentamiento adicional a la corriente de escape de la turbina antes de la compresión, aún puede ser útil proporcionar calentamiento adicional a la corriente de CO<2>comprimida y reciclada. Haciendo referencia a la FIG. 2, se puede proporcionar una fuente de calor adicional 190, y se puede proporcionar calor a través de la línea 191, que puede ser una corriente de un fluido de calentamiento que se puede usar para transferir calor a la corriente de CO<2>comprimida y reciclada. El calor de la fuente de calor 190 añadida se puede añadir en cualquier punto a la corriente en la línea 151. Como tal, el calor de la fuente de calor añadida se puede añadir a la corriente de CO<2>reciclado mientras se está calentando en el intercambiador de calor principal 130 o después del paso a través del intercambiador de calor principal y antes del paso a la cámara de combustión 110. Si se desea, se puede usar un intercambiador de calor suplementario para el intercambio de calor entre una corriente en la línea 191 y la corriente de CO<2>comprimida y reciclada en la línea 151. Asimismo, se puede utilizar un calentador lateral de una manera similar a la descrita con respecto a la FIG. 3A y FIG. 3B. La fuente de calor 190 añadida puede ser, por ejemplo, una ASU, una corriente de vapor de una caldera, una corriente de un compresor de gas caliente o similares.
En una o más realizaciones, el intercambiador de calor principal 130 puede estar formado por una pluralidad de unidades de intercambio de calor. El calor procedente de la fuente de calor de baja calidad 170 puede añadirse entonces al escape de la turbina en la línea 123 en diversos puntos y de diversas maneras. En la realización de ejemplo de la FIG. 3A (que muestra solo una parte del sistema de producción de energía que por lo demás se ilustra en la FIG. 1 y la FIG. 2), la corriente de escape de la turbina pasa a través de una primera unidad de intercambio de calor 130a, una segunda unidad de intercambio de calor 130b y una tercera unidad de intercambio de calor 130c. Aunque se ilustran tres unidades de intercambio de calor, se entiende que se pueden usar dos unidades de intercambio de calor, o se pueden utilizar más de tres unidades de intercambio de calor. Como se ilustra, la primera unidad de intercambio de calor 130a es una unidad de alta temperatura, la segunda unidad de intercambio de calor 130b es una unidad de temperatura intermedia y la tercera unidad de intercambio de calor 130c es una unidad de baja temperatura. La corriente de escape de la turbina en la línea 123 pasa secuencialmente a través de las unidades de intercambio de calor. Después de pasar a través de la primera unidad de intercambio de calor, la corriente de escape de la turbina pasa a través de un primer calentador lateral 132a donde se calienta contra la corriente de fluido circulante en la línea 171 que pasa en contracorriente a través del primer calentador lateral. De esta manera, la corriente de escape de la turbina se calienta en el intervalo de temperatura entre la primera unidad de intercambio de calor 130a y la segunda unidad de intercambio de calor 130b.
En otra realización a modo de ejemplo, como se ilustra en la FIG. 3B, la corriente de escape de la turbina en la línea 123 pasa a través de un segundo calentador lateral 132b después de pasar a través de la segunda unidad de intercambio de calor 130b y antes de pasar a través de la tercera unidad de intercambio de calor 130c. De nuevo, la corriente de escape de la turbina se calienta contra la corriente de fluido circulante en la línea 171 que pasa en contracorriente a través del segundo calentador lateral 132b. De esta manera, la corriente de escape de la turbina se calienta en el intervalo de temperatura entre la segunda unidad de intercambio de calor 130b y la tercera unidad de intercambio de calor 130c. En algunas realizaciones, tanto el primer calentador lateral 132a como el segundo calentador lateral 132b pueden estar presentes, y el fluido circulante en la línea 171 puede dividirse de manera que una primera fracción del fluido circulante calentado que sale de la fuente de calor de baja calidad 170 se hace pasar a través del primer calentador lateral 132a, y una segunda fracción del fluido circulante calentado que sale de la fuente de calor de baja calidad se hace pasar a través del segundo calentador lateral 132b. La razón entre la primera fracción y la segunda fracción se puede ajustar según sea necesario. Por ejemplo, la primera fracción y la segunda fracción pueden estar en una proporción en peso de aproximadamente 4:1 a aproximadamente 1:4, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 1:2 o de aproximadamente 1:1. Aunque no se ilustra, la presente invención también abarca realizaciones en donde se coloca un calentador lateral aguas arriba de la primera unidad de intercambio de calor 130a para calentar la corriente de escape de la turbina en la línea 123 antes del paso a la primera unidad de intercambio de calor.
De manera similar a lo anterior, se pueden utilizar una pluralidad de unidades de intercambio de calor en realizaciones en donde el fluido circulante se mezcla con la corriente de escape de la turbina. Como se ilustra en la FIG. 3C, la corriente de escape de la turbina en la línea 123 pasa secuencialmente a través de la primera unidad de intercambio de calor 130a, la segunda unidad de intercambio de calor 130b y la tercera unidad de intercambio de calor 130c. Una primera unión 134a está situada entre la primera unidad de intercambio de calor 130a y la segunda unidad de intercambio de calor 130b. La corriente de fluido de circulación de calor en la línea 171 se fusiona con la corriente de escape de la turbina en la primera unión 134a para formar una corriente mixta. Luego, la corriente mixta pasa a través de la segunda unidad de intercambio de calor 130b y la tercera unidad de intercambio de calor 130c antes de pasar a una primera unidad de separación de fluidos 136a. El fluido circulante se separa y sale por la línea 177 para regresar al calentador de baja calidad para recalentarse, y la corriente de escape de la turbina sale por la línea 133 para su posterior procesamiento como se describe de otro modo en el presente documento. De esta manera, la corriente de escape de la turbina se calienta en el intervalo de temperatura entre la primera unidad de intercambio de calor 130a y la segunda unidad de intercambio de calor 130b.
En la FIG. 3d se muestra otro ejemplo de realización, en donde una segunda unión 134b está situada entre la segunda unidad de intercambio de calor 130b y la tercera unidad de intercambio de calor 130c. La corriente de fluido de circulación de calor en la línea 171 se fusiona con la corriente de escape de la turbina en la segunda unión 134b para formar una corriente mixta. Luego, la corriente mixta pasa a través de la tercera unidad de intercambio de calor 130c antes de pasar a una primera unidad de separación de fluidos 136a. El fluido circulante se separa y sale por la línea 177 para regresar al calentador de baja calidad para recalentarse, y la corriente de escape de la turbina sale por la línea 133 para su posterior procesamiento como se describe de otro modo en el presente documento. De esta manera, la corriente de escape de la turbina se calienta en el intervalo de temperatura entre la segunda unidad de intercambio de calor 130b y la tercera unidad de intercambio de calor 130c. En algunas realizaciones, tanto la primera unión 134a como la segunda unión 134b pueden estar presentes, y el fluido circulante en la línea 171 se puede dividir de manera que una primera fracción del fluido circulante calentado que sale de la fuente de calor de baja calidad 170 pasa a la primera unión, y una segunda fracción del fluido circulante calentado que sale de la fuente de calor de baja calidad pasa a la segunda unión. La razón entre la primera fracción y la segunda fracción se puede ajustar según sea necesario y puede estar en un intervalo como el descrito anteriormente. Aunque no se ilustra, la presente invención también abarca realizaciones en donde se coloca una unión aguas arriba de la primera unidad de intercambio de calor 130a para calentar la corriente de escape de la turbina en la línea 123 antes del paso a la primera unidad de intercambio de calor.
Los sistemas y métodos anteriores son particularmente beneficiosos para la integración de fuentes de calor de baja calidad (tales como sistemas de calentamiento solar) con sistemas y métodos que utilizan una corriente de trabajo de CO<2>. Se entiende, sin embargo, que tales sistemas y métodos pueden usarse para cualquier fluido de trabajo con disparidades en los valores de C<p>entre alta y baja presión.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para generación de energía, comprendiendo el método:
quemar un combustible en una cámara de combustión (110) con un oxidante en presencia de una corriente comprimida de dióxido de carbono para formar una corriente comprimida de producto de combustión; expandir la corriente comprimida de producto de combustión a través de una turbina (120) para generar energía y proporcionar una corriente expandida de producto de combustión;
hacer pasar la corriente expandida de producto de combustión a través de un intercambiador de calor principal (130) para recuperar una cantidad disponible de calor del mismo y formar una corriente de escape enfriada de la turbina;
eliminar agua de la corriente de escape enfriada de la turbina para proporcionar una corriente de dióxido de carbono;
comprimir la corriente de dióxido de carbono para formar la corriente comprimida de dióxido de carbono; reciclar la corriente comprimida de dióxido de carbono de regreso a la cámara de combustión (110); calentar una corriente de fluido circulante en una fuente de calor de baja calidad (170) para formar una corriente calentada de fluido circulante; y
usar la corriente calentada de fluido circulante para aumentar la cantidad de calor disponible en la corriente expandida de producto de combustión que se recupera con el intercambiador de calor principal (130).
2. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente de fluido circulante se recicla de nuevo a la fuente de calor de baja calidad (170) para recalentarse después de usar la corriente calentada de fluido circulante para aumentar la cantidad de calor disponible en la corriente expandida de producto de combustión.
3. El método de la reivindicación 1, en donde el calor se transfiere desde la corriente calentada de fluido circulante aguas abajo de la turbina (120) y aguas arriba del intercambiador de calor principal (130); preferiblemente en donde la corriente de escape expandida de la turbina y la corriente calentada de fluido circulante pasan a través de un intercambiador de calor secundario (129).
4. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente calentada de fluido circulante se hace pasar a través del intercambiador de calor principal (130).
5. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente calentada de fluido circulante se mezcla con la corriente de escape expandida de la turbina aguas abajo de la turbina (120) y aguas arriba del intercambiador de calor principal (130).
6. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente calentada de fluido circulante se mezcla con la corriente de escape expandida de la turbina mientras la corriente de escape expandida de la turbina pasa a través del intercambiador de calor principal (130).
7. El método de la reivindicación 6, en donde al menos una parte de la corriente de fluido circulante que se mezcla con la corriente de escape expandida de la turbina se separa de la corriente de escape expandida de la turbina después del paso a través del intercambiador de calor principal (130); preferiblemente en donde se aplican una o ambas de las siguientes condiciones:
la corriente de escape expandida de la turbina mezclada con el fluido circulante se hace pasar a través de una unidad de separación (135) aguas abajo del intercambiador de calor principal (130);
la al menos una parte de la corriente de fluido circulante que se separa de la corriente de escape expandida de la turbina después del paso a través del intercambiador de calor principal (130) se recicla de nuevo a la fuente de calor de baja calidad (170) para ser recalentada.
8. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente de fluido circulante comprende agua.
9. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente de fluido circulante comprende dióxido de carbono.
10. El método de la reivindicación 1, en donde el intercambiador de calor principal (130) comprende una pluralidad de unidades de intercambio de calor.
11. El método de la reivindicación 10, en donde se aplican una o ambas de las siguientes condiciones:
un calentador lateral (132a) está situado entre una primera unidad de intercambio de calor (130a) y una segunda unidad de intercambio de calor (130b), la corriente de escape expandida de la turbina pasa a través del calentador lateral (132a), y la corriente calentada de fluido circulante pasa a través del calentador lateral (132a) para proporcionar calor a la corriente de escape expandida de la turbina;
la corriente calentada de fluido circulante se mezcla con la corriente de escape expandida de la turbina entre dos unidades de intercambio de calor de la pluralidad de unidades de intercambio de calor.
12. El método de la reivindicación 1, en donde la fuente de calor de baja calidad (170) es un calentador solar.
13. Un sistema para generación de energía, comprendiendo el sistema:
una cámara de combustión (110) configurada para recibir un combustible, un oxidante y una corriente comprimida de dióxido de carbono;
una turbina (120) configurada para expandir una corriente de escape de la cámara de combustión recibida desde la cámara de combustión (110);
un intercambiador de calor principal (130) configurado para recuperar una cantidad disponible de calor de una corriente de escape expandida de la turbina recibida de la turbina (120);
un separador (135) configurado para eliminar agua de la corriente de escape expandida de la turbina recibida desde el intercambiador de calor principal (130);
un compresor (140) configurado para comprimir una corriente de dióxido de carbono recibida del separador (135);
una línea configurada para hacer pasar el dióxido de carbono comprimida del compresor (140) a la cámara de combustión (110) a través del intercambiador de calor principal (130);
una fuente de calor de baja calidad (170) configurada para proporcionar una corriente calentada de fluido circulante; y
al menos un combinador configurado para combinar el calor de la corriente calentada de fluido circulante con la corriente de escape expandida de la turbina aguas arriba del separador (135).
14. El sistema de la reivindicación 13, en donde se aplican una o ambas de las siguientes condiciones:
el al menos un combinador incluye un intercambiador de calor secundario (129) situado aguas abajo de la turbina (120) y aguas arriba del intercambiador de calor principal (130), estando configurado el intercambiador de calor secundario (129) para intercambiar calor entre la corriente calentada de fluido circulante y la corriente de escape expandida de la turbina;
la fuente de calor de baja calidad (170) es un calentador solar.
15. El sistema de la reivindicación 13, en donde el intercambiador de calor principal (130) comprende una pluralidad de unidades de intercambio de calor; preferiblemente en donde el combinador está situado entre dos unidades de intercambio de calor de la pluralidad de unidades de intercambio de calor.
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