能量产生系统及其方法.pdf

本发明提供了用于运行热机的能量产生系统和方法。该能量产生方法包括：将CO2气体还原为CO和O2气体；使所述CO和O2气体反应，从而燃烧CO气体，并生成基本上纯净的CO2排气；和将所述CO2排气供给到热机作为热机的由热产生功的过程中的工作气体。

权利要求书一种用于运行热机的能量产生系统，所述系统包括：
还原单元，所述还原单元由外部能量源供能，并且被构造为并能够运行以将CO2还原成CO和O2，所述CO2还原单元具有与热机的气体出口相连的用于输入CO2的气体入口，并具有CO和O2气体出口，和
燃烧室，所述燃烧室具有多个气体入口和能够与所述热机的气体入口连接的气体出口，所述多个气体入口包括与所述还原单元的所述出口连接以接收CO和O2气体的气体入口和用于接收CO2工作流体的气体入口，所述燃烧室被构造为并能够运行而引起所述CO和O2气体之间的反应从而使所述CO气体燃烧形成CO2气体，并通过所述气体出口供给基本上纯净的CO2气体以驱动所述热机，
所述系统由此实现经CO2的还原而由所述外部能量源驱动的热机的运行。
如权利要求1所述的系统，所述燃烧室还具有另外的入口，所述另外的入口与所述热机的所述气体出口相连，并被构造为用于接收由所述热机排出的所述CO2中的至少一部分。
如权利要求1或2所述的系统，所述系统包括一个或多个压缩机，所述一个或多个压缩机与所述燃烧室的一个或多个入口相连，并且被构造为并能够运行以压缩CO2并将经压缩的所述CO2中的至少一部分供给到所述燃烧室。
如权利要求3所述的系统，其中，所述压缩机还连接到所述热机的气体出口，所述压缩机被构造为并能够运行以将经压缩的所述CO2中的至少一部分引入到所述热机中。
如权利要求1～4中任一项所述的系统，所述系统包括第二压缩机，所述第二压缩机连接到所述CO2还原单元的气体入口，并被构造为用于压缩由所述热机排出的CO2，并且将经压缩的所述CO2中的至少一部分供给到所述CO2还原单元。
如权利要求1～5中任一项所述的系统，所述系统包括连接到所述热机的发电机，所述发电机被构造为并能够运行以将由所述热机产生的功转化成电能。
如权利要求3～5中任一项所述的系统，其中，发电机连接到所述压缩机，所述压缩机由所述发电机驱动，从而提供在闭合回路循环内循环工作流体所需的动力。
如权利要求1～7中任一项所述的系统，所述系统包括连接在所述CO2还原单元的出口和所述燃烧室的入口之间的混合室，所述混合室被构造为并能够运行以接收O2和CO，并为所述燃烧室提供CO和O2的混合物。
如权利要求1～8中任一项所述的系统，其中，所述热机包括燃气轮机、蒸汽轮机和内燃机中的至少一种。
如权利要求1～9中任一项所述的系统，所述系统被构造为包括多于一个热力循环的联合循环。
如权利要求10所述的系统，其中，所述联合循环包括第一循环和第二循环，所述第一循环包括热机，所述第二循环包括兰金轮机。
如权利要求11所述的系统，其中，所述第二循环包括热回收单元(HRU)，所述热回收单元连接到所述热机出口，并且至少具有一个CO2入口和一个CO2出口，所述HRU被构造为并能够运行以将由所述热机排出的CO2的至少一部分热量转移到在所述第二循环中循环的流体。
如权利要求12所述的系统，其中，所述HRU包括蒸汽发生器和与所述蒸汽发生器的出口连接的至少一个蒸汽轮机，所示蒸汽发生器利用所述CO2排气的热量将水转变成蒸汽或热蒸汽。
如权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个蒸汽轮机连接到由所述蒸汽轮机驱动的第二发电机。
如权利要求1～14中任一项所述的系统，其中：
所述还原单元被构造为并能够运行以将CO2与水或蒸汽的混合物还原成O2和合成气(CO和H2的混合物)；
所述燃烧室被构造为并能够运行使合成气和O2反应生成CO2和水蒸气的混合物；并且
所述热机由包括所述CO2和水蒸气的混合物的所述燃烧室的气体输出驱动。
如权利要求10～15中任一项所述的系统，其中，所述第二循环包括冷凝器，所述冷凝器被构造为并能够运行以将由所述蒸汽轮机中排出的蒸汽冷凝而产生凝结水。
如权利要求16所述的系统，所述系统包括中间冷却压缩机，所述中间冷却压缩机连接到所述蒸汽轮机，并由所述蒸汽轮机驱动，所述中间冷却压缩机被构造为并能够运行以压缩由所述热机排出的流体，并且通过冷却所述流体并经由与所述冷凝器产生的至少一部分水进行热交换，将所述流体送往所述燃烧室或所述蒸汽机。
如权利要求1～17中任一项所述的系统，其中，所述外部能量源包括与所述还原单元连接的太阳能接收器，所述还原单元包括太阳能驱动的CO2解离反应器。
如权利要求2～18中任一项所述的系统，所述系统包括太阳能接收器，所述太阳能接收器连接到所述燃烧室的所述另外的入口，并且被构造为并能够运行以在将流体送入所述燃烧室之前将穿过所述另外的入口的所述流体预热。
如权利要求1～18中任一项所述的系统，所述系统包括太阳能接收器，所述太阳能接收器至少与所述燃烧室的所述另外的入口和所述燃烧室的所述气体出口连接，所述太阳能接收器被构造为并能够运行以加热与所述燃烧室并联或在所述燃烧室上游的流体。
如权利要求20所述的系统，所述系统包括置于所述太阳能接收器的上游的流量控制器，当所述太阳能接收器设置为与所述燃烧室并联时，所述流量控制器被构造为并能够运行以决定送往所述太阳能接收器或所述燃烧室的流量部分。
如权利要求18～21中任一项所述的系统，其中，所述太阳能接收器连接到与所述燃烧室相连的主压缩机的出口，所述太阳能接收器被构造为并能够运行以加热离开所述主压缩机的经压缩的流体。
如权利要求1～22中任一项所述的系统，其中，所述还原单元包括：
缓冲储存模块，所述储存模块用以接收来自所述HRU的所述流体，所述流体为CO2或所述CO2与蒸汽或水的混合物；
还原反应器，所述还原反应器被构造为并能够运行以接收来自所述缓冲储存模块的所述流体，并将CO2还原成CO和O2，或者将所述CO2与蒸汽或水的混合物还原成合成气和O2；
流量调节器，所述流量控制器用来调节从所述缓冲储存模块至所述还原反应器的流体流量；
第一压缩机和第二压缩机，所述第一压缩机被构造为并能够运行以压缩离开所述还原反应器的CO或合成气，并将经压缩的CO或合成气供给到所述燃烧室，第二压缩机被构造为并能够运行以压缩离开所述还原反应器的O2并将经压缩的O2供给到所述燃烧室。
如权利要求23所述的系统，其中，所述缓冲储存模块接收来自外部来源的CO2或CO2与水或蒸汽的混合物。
一种用于运行为蒸汽轮机提供动力的蒸汽循环的系统，所述系统包括：
还原单元，所述还原单元由外部能量源供能，并且被构造为并能够运行以将CO2还原成CO和O2，所述还原单元具有被构造为用于接收CO2的气体入口，并具有CO和O2气体出口；
燃烧室，所述燃烧室具有被构造为用于接收来自所述还原单元的CO的第一气体入口，被构造为用于接收来自所述还原单元的O2的第二气体入口，和与所述还原单元的气体入口相连的气体出口，所述燃烧室被构造为并能够运行以使所述CO和O2气体之间发生反应，从而燃烧所述CO气体而形成CO2气体，并将基本上纯净的CO2烟道气供给到所述还原单元；
与所述燃烧室的出口连接的热回收单元(HRU)，所述HRU至少具有一个入口和一个出口，并且被构造为并能够运行以将所述燃烧室中产生的所述CO2的至少一部分热量转移到在所述蒸汽循环中循环的水和/或蒸汽中，从而为所述蒸汽循环提供动力并驱动所述蒸汽轮机。
如权利要求25所述的系统，其中：
所述还原单元包括将CO2与水或蒸汽的混合物还原成O2和合成气(CO和H2的混合物)；并且
所述燃烧室中的所述反应包括合成气与O2之间生成所述CO2与水或蒸汽的混合物的反应。
一种用于发电的动力装置，所述动力装置包括：
包括蒸汽轮机的蒸汽循环，所述蒸汽轮机具有用于接收高温蒸汽的入口和用于排出与所述高温蒸汽相比具有较低温度和压力的蒸汽和/或水的出口，所述蒸汽轮机由通过其中的蒸汽提供动力；
权利要求25或26所述的系统，所述系统用于将所述燃烧室的排气的至少一部分热量转移到由所述蒸汽轮机排出的所述水和/或蒸汽，从而为所述蒸汽循环提供动力并驱动所述蒸汽轮机；和
发电机，所述发电机与所述蒸汽轮机相连并被构造为用于利用由所述蒸汽轮机产生的功进行发电。
如权利要求27所述的动力装置，所述动力装置还包括燃料燃烧室，所述燃料燃烧室用于在空气中燃烧燃料，并将在空气中进行的所述燃烧的至少一种燃烧产物的至少一部分热量在所述水和/或蒸汽进入所述蒸汽轮机之前转移到所述水和/或蒸汽。
如权利要求28所述的动力装置，其中，所述燃料包含煤或天然气。
一种用于运行热机的方法，所述方法包括：
(a)将CO2气体还原成CO和O2气体；
(b)使所述CO和O2气体反应，从而燃烧所述CO气体，并生成基本上纯净的CO2排放气体；
(c)将所述CO2排放气体供给到所述热机，作为热机的由热产生功的过程中的工作气体。
如权利要求30所述的方法，所述方法还包括：
(d)将由所述热机排出的CO2气体送至还原单元以进行进一步还原；和
(e)重复之前的步骤；
通过重复利用由所述热机排出的CO2而产生CO和O2，所述方法由此而产生所述热机运行的闭合回路循环。
如权利要求30或31所述的方法，所述方法包括燃烧所述热机排出的至少一部分CO2气体，用于在所述循环中作为工作流体使用。
如权利要求30～32中任一项所述的方法，其中，将CO2还原成CO和O2利用太阳能进行。
如权利要求30～33中任一项所述的方法，其中，将CO2还原成CO和O2利用由外部来源提供的另外的CO2气体进行。
如权利要求30～34中任一项所述的方法，所述方法包括通过使用所述热机产生的功来驱动与所述热机连接的发电机从而产生电能。
如权利要求30～35中任一项所述的方法，所述方法包括在所述燃烧之前将所述CO和所述O2混合以产生CO和O2的混合物。
如权利要求30～36中任一项所述的方法，所述方法包括从由所述热机排出的所述CO2气体中回收热量。
如权利要求37所述的方法，所述方法包括使用来自于所述CO2排气的热量来加热蒸汽或将水转变成蒸汽。
如权利要求38所述的方法，所述方法包括使用所述蒸汽来驱动至少一个蒸汽轮机。
如权利要求39所述的方法，所述方法包括使用在所述蒸汽轮机中产生的功来产生电能。
如权利要求37～40中任一项所述的方法，所述方法包括将所述蒸汽在由来自所述CO2排气的所述热量提供动力的兰金循环中再循环。
如权利要求30～41中任一项所述的方法，所述方法包括压缩CO2并使用经压缩的所述CO2中的至少一部分在所述燃烧中作为工作流体。
如权利要求42所述的方法，所述方法包括通过使用所述热机驱动至少一个压缩机，并将经压缩的所述CO2中的至少一部分供给到所述热机。
如权利要求30～43中任一项所述的方法，所述方法包括将由所述热机排出的所述CO2气体中的至少一部分送至所述还原单元以还原CO2或CO2和水。
如权利要求30～44中任一项所述的方法，其中：
将CO2与水或蒸汽的混合物还原成合成气(CO和H2的混合物)和分离的O2；
合成气与O2反应生成CO2和水的混合物；
将所述CO2和水或蒸汽的混合物供给到所述热机；并且
将由所述热机排出的所述CO2和水或蒸汽的混合物送至所述还原单元进行进一步还原。
一种用于运行为蒸汽轮机提供动力的蒸汽循环的方法，所述方法包括：
(a)将CO2气体还原成CO和O2气体；
(b)使所述CO和O2气体发生反应，从而燃烧所述CO气体并生成基本上纯净的CO2排放气体；
(c)将所述CO2排放气体送至热回收单元(HRU)以转移所述排放气体的至少一部分热量来为所述蒸汽轮机提供动力，并使由所述HRU排出的CO2能够进一步还原成CO和O2气体然后燃烧所述CO气体，由此在闭合回路中进行运行。
如权利要求46所述的方法，其中：
将CO2和水或蒸汽的混合物还原成合成气(CO和H2的混合物)和O2；
使合成气和O2反应生成CO2和水的混合物；
将所述CO2和水或蒸汽的混合物送至所述HRU；并且
将由所述HRU排出的CO2和水或蒸汽的混合物送至所述还原单元进行进一步还原。
一种用于发电的动力装置，所述动力装置包括：
蒸汽循环，所述蒸汽循环包括蒸汽轮机，所述蒸汽轮机具有用于接收高温蒸汽的入口和用于排出与所述高温蒸汽相比具有较低压力和温度的蒸汽和/或水的出口，所述蒸汽轮机由其中通过的蒸汽提供动力；
第一燃料燃烧室，第一燃料燃烧室被构造为用于进行碳类燃料的氧‑燃料燃烧并生成作为CO2和水或蒸汽的混合物的排放气体，所述第一燃料燃烧室具有用于从外部来源接收所述燃料的燃料进口、用于接收氧气的氧气进口和用于排出所述排放气体的出口；
热回收单元(HRU)，所述热回收单元被构造为用于将所述燃烧室的排放气体的至少一部分热量转移至由所述蒸汽轮机排出的所述水和/或蒸汽，从而为所述蒸汽循环提供动力并驱动所述蒸汽轮机；
还原单元，所述还原单元被构造为用于接收离开所述HRU的所述燃烧室的排放气体并将所述CO2和水或蒸汽的混合物还原成合成气(CO和H2的混合物)和O2，所述还原单元具有用于将所述O2再引入所述第一燃料燃烧室的氧气出口，以及用于排出所述合成气的合成气出口；
合成气储存单元，所述合成气储存单元用于接收并储存由所述还原单元排出的所述合成气；和
发电机，所述发电机与所述蒸汽轮机相连并被构造为用于使用所述蒸汽轮机产生的功进行发电以供电网中使用。
如权利要求48所述的动力装置，所述动力装置还包括：
用于在空气中燃烧第二燃料的第二燃料燃烧室；和
第二HRU，第二HRU用于将在空气中进行的所述燃烧的至少一种燃烧产物的至少一部分热量转移至由所述蒸汽轮机排出的所述水和/或蒸汽。
如权利要求48或49所述的动力装置，其中，所述第一和第二燃料中的至少一种包含煤或天然气。

说明书能量产生系统及其方法
技术领域
本发明一般涉及利用清洁燃料燃烧的能量产生系统及其方法。
背景技术
能量产生行业所面临的挑战性问题之一是燃料燃烧过程中产生的温室气体的捕获问题。更具体而言，主要挑战是对二氧化碳(CO2)的捕获，因为这种分子结构是在燃烧过程中排放的主要温室气体。
CO2的捕获有几种技术。它们一般分为以下几类：燃烧后捕获、氧‑燃料燃烧和燃烧前捕获。
发明内容
在燃烧后捕获技术中，在燃料燃烧后将CO2从烟气中分离出来。这可以通过多种方式完成，但最常见的成熟技术利用以胺类进行的化学吸收，所述胺类包括：伯胺，如单乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA)；仲胺，如二乙醇胺(DEA)、二异丙基胺(DIPA)；和叔胺，如三乙醇胺(TEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)。近几年还开始使用冷冻氨。在二氧化碳被吸收到溶剂中后进行汽提和压缩，同时将溶剂再生。这种方法需要大量的能量，因此迫使CO2捕获成本高昂。
氧‑燃料燃烧使用纯氧(O2)代替空气进行燃料的燃烧。这种方法生成富含CO2的烟气，这使得更容易捕获CO2。这种技术的缺点是，用于从空气中分离O2的空气分离单元十分昂贵，并需要消耗大量的能量，从而降低了动力装置的效率。
在燃烧前捕获中，燃料在燃烧之前通过与O2反应而部分氧化，生成合成气(CO和氢气的混合物)。合成气随后变换(经由水煤气变换反应)产生氢气和富CO2气体。然后，将CO2与氢气分离，燃烧氢气只释放出水蒸汽。这种技术的缺点在于设备成本较大，以及由于燃料部分氧化和O2生产所造成的能量损耗。
在CO2被捕获后，它需要被重复利用或封存，以避免其释放到大气中。由于化学和食品工业只能消耗一小部分由全球发电厂产生的CO2，其余的CO2需要被注入到地质层组中永久储存。虽然对这种方法已有一些研究，甚至在一些地方进行了验证，但其存储的长期安全性仍令人担忧。此外，这种方法本质上放弃了CO2中的碳，并没有将其回收。长远来看，在即使对全球煤炭储量而言碳量也有限的情况下，这种方法并没有最优化地利用现有自然资源。
在本领域中需要一种能够在燃烧燃料的同时回收反应产物并且不会降低效率和提高运行成本的新型系统和方法。
本发明提出了一种高效率能量产生循环，该循环能够固有地获得基本上纯净的二氧化碳(CO2)烟气流。本发明的技术将作为燃料的一氧化碳(CO)的氧‑燃料燃烧与二氧化碳作为工作流体的使用结合起来。这种燃烧可以在诸如轮机(例如燃气轮机)或内燃机等许多种热机/燃机中进行。
这里应该注意的是，本发明的该构思中使用的术语“热机”是指任何将热量转换成功和/或电力的发动机。热量一般可以来自燃料燃烧、太阳辐射、地热能、核反应或任何其他热源。
产生的烟气将包括基本上纯净的CO2，虽然在大型系统中可能与周围大气发生相互泄漏，但不会实质上改变该工艺。由此产生的烟气中的CO2的体积分数可能为大约85％至大于99％。至少一部分CO2可以再循环到热机(例如燃气轮机)中，在那里它可以用作工作流体(例如，代替燃气轮机中的空气)。
此外，由于CO2是系统中唯一的燃烧产物，它可以自发动机排出后被隔离，而无需传统CO2捕获方案中那样显著的成本。
根据本发明，热机排出的至少一部分CO2被回收为CO和O2。这可以通过多种方法完成，如热化学和/或催化工艺和/或电化学还原气态CO2、光催化方法或通过电解。将CO2还原成CO和O2提供了氧‑燃料燃烧需要的O2，而不再需要空气分离单元(ASU)。辅助ASU仍然可以集成到本发明的系统中作为系统中由于损耗而补充O2的来源，或用于分离可能会泄漏到系统中的环境气体(如氮气)。
本发明的系统可以使用任何已知的CO2还原技术。例如，这样的电化学还原技术包括由本申请的发明人之一开发并在国际申请PCT/IL2009000743(在此通过引用并入本文)中描述的技术。利用光电、催化、电解和热化学工艺解离CO2的各种其他方法也可以使用。
根据PCT/IL2009000743中描述的技术的一些实施方式，CO2还原成CO和O2利用了包括热离子阴极或光电阴极和阳极并被构造并能够运行以发射电子的电子源，以及用于产生能量足以解离反应物气体分子(CO2和/或H2O)的电场的电场发生器。阴极和阳极之间以预定的距离彼此隔开而界定出反应气体室，该反应气体室被构造为并能够运行以经由该室之内的解离电子吸附(DEA)装置使电子和反应物气体分子之间相互作用。具有所需能量的电子将分子解离成产物化合物(O2、和CO和/或H2)。考虑到使用热离子阴极，本系统包括热能量源，所述热能量源被构造为并能够运行以将热能供给到电子源，从而提高电子源的温度并从热离子阴极产生热离子电子发射。热离子阴极可与所述电场发生器或可运行而在阴极和阳极之间施加电势的单独的电场发生器相连，降低阴极的势垒并增加发射的电子数。热离子阴极可以形成有保护涂层，以防止暴露于包括CO2、CO、O‑和O2的气体环境下。保护涂层可包括氧化物层。保护涂层可被构造成通过降低阴极的功函数经由隧道效应而使电子可以传输。
因此，根据本发明的一大方面，提供了一种用于运行热机的能量产生系统(能量产生发动机或装置)。所述系统包括：还原单元，其由外部能量源供能并被构造为并能够运行以将CO2还原成CO和O2，所述CO2还原单元具有与热机的气体出口相连以输入CO2的气体入口，并具有CO和O2气体出口；和燃烧室，所述燃烧室具有多个气体入口和可与热机的气体入口连接的气体出口，所述多个气体入口包括与所述还原单元的出口连接用于接收CO和O2气体的气体入口和用于接收CO2工作流体的气体入口，所述燃烧室被构造为并能够运行以引起所述CO和O2气体之间的反应从而燃烧CO气体形成CO2气体，并通过所述气体出口供应基本上纯净的CO2气体来驱动热机，所述系统从而经由CO2的还原实现了由所述外部能量源驱动的热机运行。
热机可以包括燃气轮机、蒸汽轮机和内燃机中的至少一种。
在一些实施方式中，燃烧室进一步包括另外的入口，该另外的入口与所述热机的气体出口相连并被构造为用于接收由热机排出的至少一部分CO2。
优选的是，所述系统包括与燃烧室的一个或多个入口连接的一个或多个压缩机，这些压缩机被构造为并能够运行以压缩CO2并将至少一部分经压缩的CO2供给到燃烧室。所述压缩机也可以连接到热机的气体入口，该压缩机被构造为并能够运行以将至少一部分经压缩的CO2引入热机。
该系统可以包括另外的(第二)压缩机，该压缩机连接到CO2还原单元的气体入口，并被构造为用于压缩由热机排出的CO2并将至少一部分经压缩的CO2供给到CO2还原单元。
在一些实施方式中，所述系统包括与所述热机连接的发电机。所述发电机被构造为并能够运行以将由热机产生的功转换成电能。
发电机可与所述压缩机一起使用以提供使工作流体在闭合回路循环中循环所需的能量。
在一些实施方式中，所述系统包括连接在所述CO2还原单元的出口和所述燃烧室的入口之间的混合室。所述混合室被构造为并能够运行以接收O2和CO并将CO和O2的混合物供给到燃烧室。
在一些实施方式中，所述系统被构造为包括多于一个热力循环的联合循环。所述联合循环可包括第一循环和第二循环，其中第一循环包括热机，第二循环包括兰金轮机。第二循环可包括与所述热机出口连接并具有至少一个CO2入口和一个CO2出口的热回收单元(HRU)。所述HRU被构造为并能够运行以将由所述热机排出的CO2的至少一部分热量转移到在第二循环中循环的流体。所述HRU可包括利用CO2排气的热量将水转换成蒸汽或热蒸汽的蒸汽发生器，和与所述蒸汽发生器出口连接的至少一个蒸汽轮机。所述至少一个蒸汽轮机可与由所述蒸汽轮机驱动的第二发电机连接。
在一些实施方式中，还原单元被构造为并能够运行以将CO2与水或蒸汽的混合物还原成O2和合成气(CO和H2的混合物)，所述燃烧室被构造为并能够运行以使合成气和O2反应生成CO2和水‑蒸汽的混合物，并且所述热机由包括CO2和水‑蒸汽的混合物的所述燃烧室的气体输出驱动。
在一些实施方式中，第二循环包括被构造为并能够运行以将由蒸汽轮机排出的蒸汽冷凝而产生凝结水的冷凝器。所述系统可包括与蒸汽轮机连接并由蒸汽轮机驱动的中间冷却压缩机，所述中间冷却压缩机被构造为并能够运行以压缩所述热机排出的流体并通过冷却流体并经由与冷凝器产生的至少一部分水进行热交换将所述流体导入所述燃烧室或蒸汽机。
所述系统可利用外部能量源，所述外部能量源包括与所述还原单元连接的太阳能接收器，所述还原单元包括太阳能驱动的CO2解离反应器。
所述系统可包括与所述燃烧室的另外的入口连接的太阳能接收器，所述太阳能接收器被构造为并能够运行以在将流体供应到所述燃烧室之前将穿过所述另外的入口的流体预热。
所述系统可包括太阳能接收器，所述太阳能接收器至少连接到燃烧室的所述另外的入口和燃烧室的气体出口。所述太阳能接收器被构造为并能够运行以加热与所述燃烧室并联或在所述燃烧室上游的流体。所述系统可包括置于所述太阳能接收器上游的流量控制器。所述流量控制器被构造为并能够运行以在所述太阳能接收器设置为与所述燃烧室并联决定导入所述太阳能接收器或所述燃烧室的流量部分。所述太阳能接收器可连接到与所述燃烧室相连的主压缩机的出口，所述太阳能接收器被构造为并能够运行以加热离开所述主压缩机的经压缩的流体。
在一些实施方式中，所述还原单元包括：缓冲储存模块，其用于接收来自所述HRU的流体，所述流体为CO2或所述的CO2与蒸汽或水的混合物；还原反应器，其被构造为并能够运行以接收来自所述缓冲储存模块的所述流体并将CO2还原成CO和O2或将CO2与蒸汽或水的混合物还原成合成气和O2；流量调节器，其调节从所述缓冲储存模块到所述还原反应器的流体流量；以及第一压缩机和第二压缩机，所述第一压缩机被构造为并能够运行以压缩离开所述还原反应器的CO或合成气并将经压缩的CO或合成气供给至所述燃烧室，所述第二压缩机被构造为并能够运行以压缩离开所述还原反应器的O2并将经压缩的O2供给至所述燃烧室。所述缓冲储存模块可接收来自外部来源的CO2或CO2与水或蒸汽的混合物。
根据本发明的另一大方面，提供了一种用于运行向蒸汽轮机提供动力的蒸汽循环的系统，所述系统包括：
还原单元，其由外部能量源供能并被构造为并能够运行以将CO2还原成CO和O2，所述还原单元具有被构造为用于接收CO2的气体入口，并具有CO和O2气体出口；
燃烧室，其具有被构造为用于接收来自所述还原单元的CO的第一气体入口，被构造为用于接收来自所述还原单元的O2的第二气体入口，和与所述还原单元的气体入口相连的气体出口，所述燃烧室被构造为并能够运行以使所述CO和O2气体之间发生反应，从而燃烧CO气体生成CO2气体，并将基本上纯净的CO2烟气供给到所述还原单元；
与所述燃烧室的出口连接的热回收单元(HRU)，所述HRU至少具有一个入口和一个出口，并且被构造为并能够运行以将所述燃烧室中产生的所述CO2的至少一部分热量转移到在所述蒸汽循环中循环的水和/或蒸汽中，从而为蒸汽循环提供动力并驱动蒸汽轮机。
所述还原单元可包括CO2和水或蒸汽的混合物转化为O2和合成气(CO和H2的混合物)的还原反应。所述燃烧室中的反应可包括合成气与O2之间生成所述CO2和水或蒸汽的混合物的反应。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于发电的动力装置，其包括：
蒸汽循环，所述蒸汽循环包括，所述蒸汽轮机具有用于接收高温蒸汽的入口和用于排出与所述高温蒸汽相比具有较低温度和压力的蒸汽和/或水的出口，所述蒸汽轮机由通过其中的蒸汽提供动力；
用于将所述燃烧室的排气的至少一部分热量转移至由所述蒸汽轮机排出的所述水和/或蒸汽、从而向所述蒸汽循环提供动力并驱动所述蒸汽轮机的上述系统；和
与所述蒸汽轮机相连并被构造成用于利用由所述蒸汽轮机产生的功进行发电的发电机。
所述动力装置还可包括燃料燃烧室，所述燃料燃烧室用于在空气中燃烧燃料并将在空气中进行的所述燃烧的至少一种燃烧产物的至少一部分热量在水和/或蒸汽进入所述蒸汽轮机前转移到所述水和/或蒸汽中。所述燃料可包含煤或天然气。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于运行热机的方法，所述方法包括：
(a)将CO2气体还原成CO和O2气体；
(b)使所述CO和O2气体反应，从而燃烧所述CO气体，并生成基本上纯净的CO2排放气体；
(c)将所述CO2排放气体供给到所述热机，作为热机的由热产生功的过程中的工作气体。
由所述热机排出的所述CO2气体可以进一步被导入还原单元进行进一步反应；并且可以重复前面的步骤，因此产生一个重复利用由所述热机排放的CO2产生CO和O2的热机运行的闭合回路循环。
由所述热机排出的至少一部分CO2气体可燃烧从而作为循环中的工作流体使用。
将CO2还原成CO和O2可以使用太阳能进行。
将CO2还原成CO和O2可以使用外部来源供应的另外的CO2气体进行。
所述方法可包括通过使用由所述热机产生的功来驱动与所述热机连接的发电机，从而产生电能。
CO可在燃烧之前与O2混合以产生CO和O2的混合物。
可以从由所述热机排出的所述CO2气体中回收热量。CO2排气的热量可用于加热蒸汽或将水转化成蒸汽。所述蒸汽可用于驱动至少一个蒸汽轮机。所述蒸汽轮机产生的功可用于产生电能。蒸汽可以在由所述CO2排气的热量供能的兰金循环中进行再循环。
CO2可以被压缩并且经压缩的所述CO2的至少一部分可以在燃烧中用作工作流体。使用所述热机可驱动至少一个压缩机，并且可将经压缩的所述CO2的至少一部分供给到所述热机。
由所述热机排出的所述CO2气体的至少一部分可导入所述CO2(或CO2和水)还原单元进行CO2或CO2和水的还原反应。
CO2和水或蒸汽的混合物可以还原成合成气(CO和H2的混合物)和单独的O2。合成气与O2反应产生CO2和水的混合物。CO2和水或蒸汽的混合物被供给到所述热机。由所述热机排出的CO2和水或蒸汽的混合物被导入所述还原单元进行进一步还原。
根据本发明的另一大方面，提供了一种用于使为蒸汽轮机提供动力的蒸汽循环运行的方法，所述方法包括：
(a)将CO2气体还原成CO和O2气体；
(b)使所述CO和O2气体发生反应，从而燃烧所述CO气体并生成基本上纯净的CO2排放气体；
(c)将所述CO2排放气体导入热回收单元(HRU)以转移所述排放气体的至少一部分热量来为所述蒸汽轮机提供动力，和(d)使由所述HRU排出的CO2能够进一步还原成CO和O2气体，然后燃烧所述CO气体，由此在闭合回路中运行。
根据本发明的另一大方面，提供了一种用于发电的动力装置，所述动力装置包括：
蒸汽循环，所述蒸汽循环包括蒸汽轮机，所述蒸汽轮机具有用于接收高温蒸汽的入口和用于排出与所述高温蒸汽相比具有较低压力和温度的蒸汽和/或水的出口，所述蒸汽轮机由通过其中的蒸汽提供动力；
第一燃料燃烧室，其被构造为用于进行碳类燃料的氧‑燃料燃烧并生成作为CO2和水或蒸汽的混合物的排放气体，所述第一燃料燃烧室具有用于从外部来源接收所述燃料的燃料进口、用于接收氧气的氧气进口和用于排出所述排放气体的出口；
热回收单元(HRU)，其被构造为用于将所述燃烧室的排放气体的至少一部分热量转移至由所述蒸汽轮机排出的所述水和/或蒸汽，从而为所述蒸汽循环提供动力并驱动所述蒸汽轮机；
还原单元，其被构造为用于接收离开所述HRU的所述燃烧室的排放气体并将所述CO2和水或蒸汽的混合物还原成合成气(CO和H2的混合物)和O2，所述还原单元具有用于将所述O2再引入所述第一燃料燃烧室的氧气出口，以及用于排出所述合成气的合成气出口；
合成气储存单元，用于接收并储存由所述还原单元排出的所述合成气；和
发电机，所述发电机与所述蒸汽轮机相连并被构造为用于使用所述蒸汽轮机产生的功进行发电以供电网中使用。
所述动力装置可包括用于在空气中燃烧第二燃料的第二燃料燃烧室和第二HRU，第二HRU用于将在空气中进行的所述燃烧的至少一种燃烧产物的至少一部分热量转移至由所述蒸汽轮机排出的所述水和/或蒸汽。所述第一和第二燃料中的至少一种包含煤或天然气。
附图说明
为了理解本发明和了解其如何在实践中实施，现将参照附图，通过仅仅非限制性的实例对实施方式进行说明，其中：
图1A‑1D是显示基于本发明的系统如何能够运行热机的实例以及使用CO作为燃烧燃料和CO2作为工作气体的不同构成的总体示意框图；
图2A‑2C示意性描绘了本发明的系统用于运行热机的实例以及合成气(CO和H2的混合物)用作燃烧燃料同时CO2和水的混合物用作工作气体的不同构成的框图；
图3示意性描绘了被构造为用于使向蒸汽轮机提供动力的蒸汽循环运行的本发明的系统的框图；
图4A、4B和5～9示意性描绘了本发明的系统的不同可能构成的框图；
图10是对如何通过利用蒸汽‑兰金循环的能量产生装置来使用本发明的技术的示意性描述，其中用于产生蒸汽并使蒸汽过热的一部分热量由煤在空气中燃烧提供，其余热量由用清洁O2燃烧CO(氧‑燃料燃烧)提供，这两种气体都由CO2还原单元产生；并且
图11是对如何通过利用蒸汽‑兰金循环的能量产生装置来使用本发明的技术的示意性描述，其中用于产生蒸汽并使蒸汽过热的一部分热量由煤在空气中燃烧提供，其余热量由用CO2解离装置提供的清洁O2燃烧煤(氧‑燃料燃烧)提供。
具体实施方式
参见描述本发明的能量产生系统10的总体框图的图1A。系统10被构造为能够运行热机14，并包括由外部能量源25(如太阳能或核能)供能的CO2还原单元16，和燃烧室12。还原单元16被构造为用于将CO2还原成CO和O2，并具有用于输入CO2的气体入口11、CO气体出口23和O2气体出口24。燃烧室12被构造为用于进行CO的氧‑燃料燃烧，并具有与CO2还原单元16的气体出口23和24连接以接收CO和O2的气体入口，和与热机14的气体入口连接的气体(CO2)出口21。离开燃烧室12的CO2由于CO的放热燃烧而具有一定的热量。这种经加热的CO2被引入热机14，在那里热量被转化成功，例如转动机械能的形式的功。然后CO2经由气体出口15离开热机并随后可以在进入还原单元16的气体入口11之前由压缩机19压缩。于是，以这一构成，提供了经由CO2的还原由能量输入驱动的热机14的闭合回路运行。
燃烧室12被构造为并能够运行以通过使CO与O2反应而燃烧CO，从而产生CO2工作流体的气流。经由出口21排出燃烧室16的该气流是基本上纯净的CO2气体。因此，基本上纯净的CO2气体作为热机14中的工作流体使用。通常，如果热机14是燃气轮机，那么燃烧室12排出的工作流体的理想运行温度为800℃～1400℃。
在一些实施方式中，热机连接到发电机20，发电机20被构造为并能够运行以将热机产生的功转换成电能。
在一些实施方式中，发电机(为与热机连接的发电机20或不同元件)可连接到压缩机19。压缩机19由发电机驱动，从而提供流体在闭合回路系统中循环所需的能量。
在一些实施方式中，系统被构造为包括多于一个热力循环的联合循环。联合循环可以包括：包括热机14的上循环和包括热回收单元(HRU)17的下循环。在这种情况下，将来自热机出口15的CO2引入到HRU17，其中CO2排气的残余热量用于产生蒸汽，将在下文对此进一步详细说明。将离开热机14的CO2气体从热机14的出口15引入到HRU17，并由HRU17排出到压缩机19，由此使系统中的CO2再循环。
本发明的系统和方法由此提供了一种低成本、高效率的循环，该循环可以大规模使用来产生能量且不向环境增加CO2。该工艺涉及利用CO2作为工作流体，以及CO和O2的燃烧，同时将主要由CO2构成(即，CO2的体积分数可以为约80～90％至大于99％)的流出气体转移以封存或再循环到燃料中。
本发明的技术利用了过程中产生的氧气以及特别选择的同样在过程中产生的燃料(CO)的氧‑燃料燃烧。
CO是一种有毒的气体，它在许多工业过程中广泛用作工艺气体，通常在接近它的产生处的地方就地使用。本发明的系统和方法利用CO2的清洁回收工艺，其中CO和O2都采用清洁能量源(如太阳能)产生，从而以热量和/或电力的形式产生能量，而且不存在与经由空气分离产生O2相关联的增加的运营成本和能量密集度。
现在参见图1B，它描述了图1A中的能量产生系统10的非限制性实施方式。图1B所示的系统10’大体上与图1A所示的类似，但包括一些其他元件。在图1B的实例中，通过出口15离开热机14(并且可能穿过HRU17)的CO2排气在节点30被分为两部分。第一部分如上面所解释的那样通过入口11引入到还原单元16中(例如，在通过压缩机19后)，而第二部分通过气体入口13直接驱入燃烧室12。经由气体入口13到达燃烧室12的CO2用于将燃烧室12的壁冷却到理想的工作温度，然后与通过CO和O2的燃烧产生的CO2混合。离开燃烧室12后，其以适宜热机14运行的温度进入热机14。
可选地，热机的CO2排气的第二部分在节点32处进一步划分为两个气流：第一个气流如上面所解释的经由气体入口13导入燃烧室12，第二个气流经由管道9导入热机14。如果这样设计，经由管道9到达热机14的CO2气流还被用来降低由燃烧室12供应到热机14的CO2的温度。
系统10还可以包括经由CO2入口13与燃烧室12连接的主压缩机18，并可被构造为并能够运行以产生具有约4巴至约40巴的所需压力的经压缩的CO2。主压缩机18可将经压缩的CO2的至少一部分供给到燃烧室12。可选地，压缩机18由发电机(为与热机连接的发电机20或不同元件)提供动力。
在一些实施方式中，主压缩机18同时连接到燃烧室12的CO2入口13和热机入口21，如虚线所示。在这种情况下，主压缩机18将经压缩的CO2的一部分供给到燃烧室12，并将经压缩的CO2的一部分直接供给到热机14。通过控制压缩机18和/或辅助压缩机19的运行，热机14排出到还原单元16和燃烧室12的CO2的流量得到调节，从而能够控制进入发动机14的CO2工作气体的温度和压力。
在一些实施方式中，在节点30划分的CO2流量的第一和第二部分的大小和在节点32划分的第一和第二气流的大小可通过压缩机18和19的运行进行控制。可选地或者作为替代，可在节点30和/或32放置双向阀，用于对在节点30划分的CO2流量的第一和第二部分的大小和在节点32划分的第一和第二气流的大小提供进一步控制。
正如上面所解释的，对所述第一和第二部分以及所述第一和第二气流的调节使得能够控制进入热机14的CO2工作气体的温度和压力。这种调节可以是手动或自动的。如果调节是自动的，则系统10包括控制单元(图中未示出)、温度传感器(未图示)和压力传感器(未图示)。例如，温度和压力传感器设置在燃烧室12的出口和热机14的入口21，且分别被构造为用于测量离开燃烧室12和进入热机14的CO2的温度和压力。
虽然未具体绘出，但应当注意，控制单元通常是计算机系统，该计算机系统尤其包括如下结构部分：与温度和压力传感器连接并被构造为用于从其接收指示离开燃烧室12或进入热机14的CO2的温度和压力的数据的输入端口；存储器件；处理器件，其被构造为用于通过使用合适的算法来处理和分析所测得的温度和压力数据，来确定测得的温度和压力值与理想值(或理想的温度和压力范围)之间的关系，以计算为使CO2在理想温度(或在理想温度范围内)和理想压力(或在理想压力范围内)离开燃烧室提供所需的所述第一和第二部分和所述第一和第二气流的大小，并产生指示结果的控制数据。此外，该控制系统包括控制器，该控制器被构造为用于从处理单元接收控制信号/数据并操作压缩机18和19以及相应的位于节点30和32的阀(如果有的话)，以实现节点30和32处合适的流量分离。
参见图1C，其描绘了用于清洁发电的本发明的系统100的非限制性示例的示意框图。系统100被构造为并能够运行以用O2燃烧CO，并提供基本上纯净的CO2作为反应产物。这种反应产物无需进一步提纯即可封存。
在一些实施方式中，系统100包括一个放置于CO2还原单元16和燃烧室12之间的混合室140。混合室140被构造为并能够运行以从还原单元16的各出口24和23接收O2和CO，并将CO和O2的混合物供给到燃烧室12。O2和CO可由此在进入燃烧室12之前混合。应注意的是，混合可直接在燃烧室12中进行，在燃烧室12里，CO和O2一起燃烧，产生CO2，CO2随后与来自压缩机18的经压缩的CO2混合，产生CO2热气流(具有约800℃1400℃的典型温度)。
在此构成中，系统100包括具有上循环和下循环115的联合循环，上循环包括燃气轮机110(对应于图1A‑1B的热机14)，下循环115包括蒸汽‑兰金轮机212。离开燃烧室12的热压缩CO2气流运行轮机110，轮机110驱动发电机20，发电机20产生电力。来自燃气轮机出口15的CO2被引入蒸汽兰金下循环115，其包括用于将轮机110中残余热量转移到另一介质(例如水/蒸汽)的热回收单元(HRU)。向压缩机18投入由HRU输出的CO2的一部分或全部。
在这个具体实施例中，HRU包括利用CO2的热量来产生蒸汽135的蒸汽发生器114，并可选地还包括CO2‑水热交换器116。蒸汽发生器114中产生的并且可能还过热的蒸汽用于为蒸汽轮机212提供动力，蒸汽轮机212驱动发电机120并产生电力。来自轮机212的排放蒸汽在冷凝器118中凝结并经由泵117(如水泵)泵送至热交换器116。蒸汽发生器114排出的CO2的废热用来加热水‑CO2热交换器116中泵送的水。热交换器116排出的CO2134的至少一部分被引入压缩机18作为燃料燃烧的工作流体。HRU CO2输出132的一部分在CO2还原单元16中再循环。
参见图1D，其描绘了整体上标示为200的能量产生系统的一部分的另一构成的示意框图。系统200大体上与图1C中的上述系统100类似，不同之处在于其增加了与蒸汽轮机212连接并由其驱动的中间冷却CO2压缩机210。热交换器211冷却CO2并在将水引入蒸汽发生器114之前利用210中的CO2压缩时产生的废热将水预热。其协助热交换器116，同时提高压缩机210的效率。中间冷却CO2压缩机210利用蒸汽轮机循环的凝结水的至少一部分进行中间冷却。中间冷却CO2压缩机210被构造为并能够运行以产生经压缩的CO2。
现在参见图2A，其描绘了本发明的非限制性实例的示意框图，根据该实例，提供了通过使用合成气(CO和H2的混合物)作为燃烧燃料以及CO2和水(气态形式)的混合物作为工作气体来运行热机14的能量产生系统40。能量产生系统40包括由外部能量源25(如太阳能或核能)供能的CO2‑水还原单元42和燃烧室12。
还原单元42被构造为用于将CO2和水的混合物还原成O2以及CO和H2的混合物(合成气)，并因此包括用于将CO2和水的混合物输入至还原单元的气体入口44、合成气出口46和O2气体出口24。燃烧室12被构造为用于实现合成气的氧‑燃料燃烧，并具有连接到还原单元42的出口46和24用于接收O2和合成气的气体入口，和可连接到热机14的气体入口的气体(CO2和水的混合物)出口50。离开燃烧室12的CO2和水的混合物因合成气的放热燃烧而被加热。这种经加热的CO2和水的混合物被引入到热机14，在那里一部分热量被转换成功，例如转动机械能和/或电力的形式的功。排放的CO2和水的混合物随后经由与还原单元42的气体入口44连接的气体出口52离开热机14。因此，在系统40中，热机14与还原单元42的气体入口44和燃烧室12的气体出口50连接，由此提供依靠从能量源25输入到CO2和水的还原单元的外部能量驱动的热机14的闭合回路运行。热机14可以运行发电机20来产生电力。
与图1A‑1B中的系统10类似，系统40可与包括HRU17的下循环相连，并可包括用于在闭合回路系统中循环流体的压缩机19。此外，系统40可包括管道和至少一个压缩机来将由燃烧室42排出的一部分CO2和水的混合物驱赶到热机14中。
参见描述系统100'的图2B，它是图2A中系统40的构成的具体但并非限制性的实例。系统100'通过循环除CO2外还含有水蒸汽的工作流体生成清洁电能。水的体积分数可为百分之几～约50％。除CO2外还含有水蒸汽的工作流体随后被引入到燃烧室12。燃烧产物使燃气轮机110(对应于图1A‑1B和图2A中的热机14)运行，燃气轮机110旋转并运行发电机20产生电力。燃气轮机出口15排出CO2和蒸汽的混合物，将其引入到蒸汽兰金下循环115，该循环115包括蒸汽发生器/热回收单元(HRU)114以将轮机110中的残余热量转移到另一介质，如水/蒸汽。在蒸汽兰金下循环115中，CO2和蒸汽的混合物的热量用来在蒸汽发生器114中生成蒸汽并可能过度加热该蒸汽。下循环115包括由蒸汽135供给的蒸汽轮机212。蒸汽轮机212驱动产生电力的发电机120。轮机212排出的蒸汽在冷凝器118中凝结，经由泵117泵送并可选地被引入热交换器116。从蒸汽发生器114排出的CO2和水的混合物的废热用来预热水‑CO2热交换器116中的泵送的水。蒸汽兰金下循环CO2和水输出的部分132中的水从排气(主要为CO2和蒸汽)中分离，并引入CO2和水的还原单元42。再循环过程于是可同时包括CO2解离成CO和O2，以及水解离成H2和O2。在这种情况下，CO和H2的混合物(合成气)经由还原单元的出口46被引入到混合室140，同时O2经由还原单元的出口24被引入到混合室140。因此，合成气可被引入燃烧室12从而用作发动机中的燃料，在燃烧室12里它与CO2和水的解离产生的O2进行燃烧。热交换器116排出的CO2和蒸汽的混合物的另一部分134'可被引回到压缩机18作为燃料燃烧室12中的工作流体和燃气轮机110中的工作流体。
图2C描述了系统200′，它呈现了图2A中的系统40的构成的另一个具体但并非限制性的实例。系统200'与图2B中的上述系统200的不同之处是系统200'包括连接到蒸汽轮机212并由其驱动的中间冷却CO2和水压缩机210。热交换器211冷却CO2和水的混合物并在将水引入到蒸汽发生器114之前利用210中CO2和水压缩时产生的废热将水预热(类似于图1D中的实例)。它协助热交换器116，同时提高压缩机210的效率。系统200′的所有其他的构成和运行的细节类似于上述的系统200。
参见图3，其描绘了大体上与图1A‑1B中显示的系统10类似的系统10′的示意框图，但在这个实例中，燃烧室12排放的热CO221用来驱动蒸汽兰金循环115。离开燃烧室12的热压缩CO2蒸汽引入到蒸汽兰金循环115，该循环115包括被构造为蒸汽发生器17的热回收单元(HRU)。可将HRU输出的CO2的一部分或全部投入压缩机19。在这个具体实例中，HRU包括利用CO2热量来产生蒸汽135的蒸汽发生器17。蒸汽发生器17中产生的并可能过热的蒸汽用于为蒸汽轮机212提供动力，蒸汽轮机212驱动发电机120产生电力。从轮机212排出的蒸汽在冷凝器118中凝结并经由泵117(如水泵)泵送。蒸汽发生器17排出的CO2的废热用来加热所泵送的水。这种构成可以用于，例如，改进现有的动力装置，其中将燃烧的部分或全部燃料(如煤)替换为CO2还原过程中所使用的清洁能量源(如太阳能)。
图3的实例涉及CO2工作气体还原成CO燃料和O2然后通过CO燃料的氧‑燃料燃烧再次形成CO2的循环。应当注意的是，系统10'也可通过CO2和水工作气体还原成合成气燃料和O2、所述合成气燃料和O2又随后通过燃烧重新结合产生CO2和水工作气体的循环来工作。图2A、2B和2C描述了这样的循环。
参见图4A，其描绘了整体上标示为300的系统的一部分的另一种构成的示意框图。在图4A所示的实例中，太阳能接收器310显示为用于预热引入燃烧室12的CO2。太阳能接收器310连接到压缩机18的输出和燃烧室12的入口，并在经压缩的气体被引入燃烧室12之前对其预热。太阳能接收器310可以是本领域中已知的任何典型的太阳能接收器。
虽然没有具体示出，也可以将同一太阳能接收器或另外的太阳能接收器连接到包括太阳能驱动的CO2解离反应器的CO2还原单元16。
系统300因此包括燃烧室12、燃气轮机110、与燃气轮机110相连的压缩机18、混合室140、蒸汽兰金下循环115和至少一个太阳能接收器310。
参见图4B，其描绘了整体上标示为300’的系统的一部分的另一种构成的示意框图。系统300′与系统300(图4A)的不同之处在于太阳能接收器310并联连接到燃烧室12。使用了流量控制单元，例如双端口阀31，其一方面连接到燃烧室12的入口，另一方面连接到压缩机18的出口，以控制引导至太阳能接收器310或燃烧室12的流量部分。这些部分可基于太阳能的可用性来确定。此外，这些部分可以根据为影响引入到燃气轮机110的CO2工作气体的温度而对进入燃烧室12的CO2进行加热的需要来选择。在这样的情况下，温度传感器(未示出)可以放置在燃烧室12内或燃烧室的出口处，以测量从燃烧室12排出的CO2的温度。阀31的运行可因此根据温度传感器测得的温度进行控制。如果从燃烧室12排出的CO2的温度高于理想温度(或理想温度范围)，则可控制该阀来增加直接流入燃烧室的CO2流量并减少流入太阳能接收器310的CO2流量，从而将较冷的CO2引入燃烧室12。相反，如果从燃烧室12排出的CO2的温度低于理想温度(或理想温度范围)，则可控制该阀来减少直接流入燃烧室的CO2流量并增加流入太阳能接收器310的CO2流量，从而将经加热的CO2引入燃烧室12。阀31的运行可以由用户进行和/或通过适当预编程的控制系统(未示出)进行。如上所述，这样的控制系统包括：输入端口，该端口连接到温度传感器用于从温度传感器接收指示离开燃烧室12的CO2的温度的数据；存储器件；处理器件，该处理器件被构造为用于处理和分析所测量的数据以决定其与理想温度条件(理想温度值或理想温度范围)之间的关系，用于决定应引导至太阳能接收器310和燃烧室12的CO2流量部分的大小以确保离开燃烧室的CO2的温度满足预定条件，并用于产生指示结果的控制信号；和控制器/操纵单元，其被构造为用于从处理单元接收控制信号，和相应地操纵阀31，以将适合的部分引导至太阳能接收器310和燃烧室12。
参见图5，其描绘了整体上标示为400的系统的一部分的另一种构成的示意框图。系统400与上述系统200(图1D)的不同之处在于它将太阳能接收器310用于预热引入燃烧室12的CO2。系统400因此包括太阳能接收器310、燃烧室12、燃气轮机110、与燃气轮机110相连的压缩机18、与蒸汽轮机212相连的中间冷却压缩机210、混合室140和包括蒸汽发生器114和蒸汽轮机212的蒸汽兰金下循环115。
参见图6，其描绘了整体上标示为500的系统的另一种构成的示意框图。系统500包括由外部能量源525(如太阳能)供能的CO2还原单元16。CO2还原单元16作为在反应器560中将CO2转化成CO和O2的再循环模块运行。引入反应器560的CO2经由流量调节器562来自缓冲储存罐568。在缓冲储存罐568中，经由入口510投入用于加热蒸汽兰金下循环的CO2，以及可选地经由入口567投入来自补充CO2来源的CO2，如来自化石燃料装置的气流。反应器560排出的O2由压缩机564压缩并储存在O2缓冲储存罐566中，O2缓冲储存罐566可调节进入混合室140的O2流量。反应器560排出的CO由压缩机563压缩并储存在可调节进入混合室140的CO流量的CO缓冲储存罐565中。轮机110运行所需的时间和时长可能与CO2还原单元16运行的时段不同。通过对CO2储存罐568和/或CO储存罐565和O2储存罐566的流量调节使得进入燃气轮机110的工作气体流量能够设定在轮机110运行所需的时间和时长。CO2还原单元16由外部能量源25驱动。可选地，该外部能量源包括将太阳能转化为用于运行还原单元16的功和/或电力的太阳能转换器单元。这种转换器可只在日照时(大约每天8～12小时)运行。此外，CO2还原单元16也可以由燃气轮机110和蒸汽轮机212中的至少一个提供动力，使还原单元16在不同时段(例如当太阳光可用性较低时)能够运行。由燃气轮机110和/或蒸汽轮机212向还原单元16提供能量可延长至每天多至24小时，并可以与外部能量源结合使用或代替外部能量源结合使用。
系统500实现了重复由使用燃气轮机110排出的CO2产生自身的燃料的闭合循环。系统500因此包括燃烧室12、燃气轮机110、与燃气轮机110相连的压缩机18、混合室140、蒸汽兰金下循环115和CO2还原单元16，可选地由外部能量源25(如太阳能)供能。
参见图7，其描绘了整体上标示为600的系统的另一种构成的示意框图。系统600与上述系统500(图6)的不同之处在于，除了压缩机18以外，引入中间冷却CO2压缩机210来压缩供给到燃烧室的CO2，使用分别与图1D和图5中的系统200和400相同的构成。系统600因此包括燃烧室12、燃气轮机110、压缩机18、与蒸汽轮机212相连的中间冷却压缩机210、混合室140、蒸汽兰金下循环115和CO2还原单元16，可选地由外部能量源25(如太阳能)供能。
参见图8，其描绘了整体上标示为700的系统的另一种构成的示意框图。系统700与系统500(图6)的不同之处在于它引入用于在使用构成分别与图4A和图5中的系统300和400相同的将CO2引入燃烧室112之前预热CO2的太阳能接收器310。系统700因此包括燃烧室12、燃气轮机110、与燃气轮机110相连的压缩机18、混合室140、蒸汽兰金下循环115、太阳能接收器310和CO2还原单元16，可选地由外部能量源525(如太阳能)供能。
参见图9，其描绘了整体上标示为800的系统的另一种构成的示意框图。系统800与系统600(图7)的不同之处在于引入了用于在将CO2引入燃烧室112之前预热CO2的太阳能接收器310。系统800因此包括燃烧室12、燃气轮机110、与蒸汽轮机212相连的中间冷却压缩机210、混合室140、蒸汽兰金下循环115、太阳能接收器810、压缩机18、CO2还原单元550，由外部能量源525(如太阳能)供能。
在图6～9的实例中，系统基于CO2还原成CO和O2以及CO和O2反应生成CO2。然而，应当注意，图6～9中的系统构成可以修改为使系统基于CO2和水或蒸汽的混合物还原为合成气和O2，以及合成气和O2反应生成CO2和水或蒸汽的混合物。这样的过程在上面进行了详细描述，可参见图2A～2C。如果图6～9的系统如此修改，缓冲储存罐568将被构造为用于储存CO2和水的混合物，并可能经由入口567接收CO2和水的混合物的至少一部分。反应器560将被构造为用于将CO2和水的混合物还原成合成气和O2。CO储存罐565将被构造为用于储存合成气和调节流入混合室或燃烧室的合成气流量。
现在参见图10，其提供了可以如何将本发明的原理用于使用蒸汽兰金循环的能量产生装置900的实例。这里，用于产生和过度加热蒸汽的一部分热量通过用清洁的O2燃烧CO提供，而O2和CO均产生于CO2解离反应器560中，其余的热量可选地由燃料(例如煤)在空气中燃烧提供。
能量产生装置900包括可选的标准燃料(如煤或天然气)燃烧室和蒸汽发生器902、CO的氧‑燃料燃烧室和蒸汽发生器12、CO2储存罐906、CO2还原单元16和蒸汽兰金循环115。能量产生装置900因此包括与上述图3中的系统10'类似的用于运行CO2、CO和O2的第一循环的系统。用于进行蒸汽兰金循环115的其他系统在上面参考图1C～1D、4A～4B、5～9进行了描述，它们也可以可选地包括燃料燃烧室902。用于运行包括将CO氧‑燃料燃烧成CO2的第一循环的系统，经由HRU17a将热量供应到用于进行蒸汽兰金循环115的系统。标准燃料燃烧室902(如果存在的话)经由HRU17b将热量提供到用于进行蒸汽兰金循环115的系统。
装置900的使用降低(或甚至消除)了使用在空气中燃烧的燃料(如煤或天然气)的需求。一般情况下，来自燃料在空气中燃烧的排放气流主要为烟灰、N2、O2、CO2、H2O的混合物并包括小部分的各种有害副产物，如SO2和NOx。烟灰、SO2和NOx通常在燃料燃烧室902的排气烟囱中清除。将CO2与其他混合物成分分离，特别是与N2和O2分离，是非常昂贵且低效的过程。CO在燃烧室12中的氧‑燃料燃烧产生了接近清洁的CO2气流——没有N2或NOx产生；只有相当少的烟灰和SO2，它们的清除因此也相对容易。清除之后，也没有必要将CO2与其他排气分离。因此作为氧‑燃料燃烧的装置900中的燃烧部分降低了在空气中燃烧燃料产生的有害物质的排放。
在蒸汽兰金循环115中，通过蒸汽和/或水与燃烧室12产生的热CO2之间经由HRU17a的热交换，以及通过蒸汽135与燃烧室902中标准燃料燃烧产生的经加热的燃烧产物之间经由HRU17b的热交换，蒸汽135被过度加热。HRU17a和17b可串联或并联运行。蒸汽135随后被引入与发电机120连接的轮机212，该发电机120向电网904供电。蒸汽135将其一部分热能在轮机212中释放，然后以蒸汽或蒸汽/水的混合物的形式排出轮机212。该混合物随后在冷凝器118中冷凝为100％的液体水，在水泵117中泵送至轮机所需压力并再引导至HRU17a和HRU17b中再次进行加热。HRU17a类似于图1A～1B中的HRU17，并可包括蒸汽发生器114和/或水‑CO2热交换器116，如上参照图1C～1D、图3、图4A～4B、图5～9所述。如上所述，CO2还原单元16可以是任何已知的合适的类型，例如PCT/IL2009000743中所描述的类型。
应当注意，动力装置900还可通过下述循环来工作，该循环中CO2和水工作气体还原成合成气燃料和O2，然后合成气燃料和O2通过燃烧重新结合产生CO2和水工作气体。这样的循环在上面参考图2A、2B和2C进行了描述。
现在参见图11，其描绘了在利用蒸汽兰金循环的能量产生装置920中应用本发明的原理的示例。在装置920中，用于产生和过度加热蒸汽的部分或全部热量通过在氧‑燃料燃烧室922中用清洁的(纯度为约90％或更高)O2燃烧燃料(例如煤)提供，所用的该O2在CO2和水的解离装置中产生。可选地，其余热量通过在第二标准燃料燃烧室902中进行空气中的燃料(如煤或天然气)燃烧来串联或并联地提供。
装置920和上述图10中的装置900之间的不同之处在于，装置900的CO2燃烧室12被替换为装置920中的燃料燃烧室922。在燃烧室922中，燃料(如煤或天然气)与基本上纯净的氧气反应(氧‑燃料燃烧)。燃料由外部储器(如煤储存设施或天然气储存罐)提供到燃烧室，而不是在CO2(或CO2和水)解离反应器中产生。氧‑燃料燃烧的产物是主要为CO2和H2O的热混合物，该混合物经由HRU17a(类似于上述的HRU17)将其热量转移到蒸汽兰金循环115。CO2和水随后被引导至CO2和水还原单元42(如图2A～2C中所描述)，并在此解离成合成气(CO和H2的混合物)和O2。CO2和水储存器908可用于控制流入还原单元42的CO2和水的流量。在还原单元42中的解离过程之后，氧气被转移到O2储存罐566，用于燃料燃烧室922中的燃料(如煤)的氧‑燃料燃烧。还原单元42产生的CO和H2的混合物被送至合成气储存罐924供进一步用于其他用途，如生产其他燃料——例如，用于运输的液体燃料(如甲醇、柴油或煤油类航空燃油)。和图10的装置900类似，装置920的使用也减少了燃料在空气中燃烧所产生的有害产物的排放，因为装置920中的至少一部分燃烧是氧‑燃料燃烧。
因此，本发明提供了一种可以用于各种用途的新颖、有效的能量产生系统。本领域技术人员将容易地认识到，可以对上文所述的本发明的实施方式进行各种改造和变化，而不会脱离所附权利要求中限定的本发明的范围。