專利名稱：用于CO₂捕集的發(fā)電設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及具有集成的CO2捕集的發(fā)電設備以及CO2捕集就緒(O)2 capture ready)的發(fā)電設備。
背景技術(shù)：
近年來，溫室氣體的產(chǎn)生明顯導致全球變暖，而且溫室氣體的產(chǎn)生進一步增加將更加劇全球變暖。由于CO2(二氧化碳)被認為是主要的溫室氣體，碳捕集和存儲被認為是減少向大氣釋放溫室氣體并控制全球變暖的可能的主要方法。本申請將(X)2捕集、壓縮、運輸以及存儲過程稱為CCS。將從碳基燃料燃燒后的煙氣中除去(X)2或者在燃燒前除去并處理碳的過程稱為捕集。任何吸收劑、吸附劑的再生，或其他從煙氣或可燃氣體流中除去含碳的(X)2的方式被認為是部分捕集過程。目前認為最接近大規(guī)模工業(yè)應用的(X)2捕集技術(shù)是后燃燒捕集。在后燃燒捕集中， 從煙氣中除去co2。剩余煙氣釋放到大氣中并將CO2壓縮用于運輸和存儲。已知已有幾項從煙氣中除去CO2的技術(shù)，例如吸收、吸附、膜分離以及深冷分離(cryogenic separation)。用于(X)2捕集及壓縮的所有已知技術(shù)都需要相對大量的能量。有許多出版物關(guān)于通過將這些過程集成進發(fā)電設備，優(yōu)化了不同過程，減小了動力并損失了效率。EP1688173給出了用于后燃燒捕集的實例，以及用于減小功率輸出損失的方法，分別由CO2吸收，吸收液再生。這里建議提取蒸汽用于再生來自發(fā)電設備中蒸汽輪機的不同階段的吸收劑，以最小化渦輪機輸出的降低。同樣的背景下，W02007/073201建議使用壓縮(X)2流產(chǎn)生的壓縮熱來再生吸收劑。此外，例如在US2009/0173073中描述了使用旋渦噴嘴進行低溫CO2分離，并致力于優(yōu)化該方法的集成進入發(fā)電設備過程中。這些方法的目的是降低特定的(X)2捕集設備的動力需求，然而它們增加了設備及設備操作的復雜性。此外，復雜的集成方案致使難以將CO2捕集設備改造成現(xiàn)有發(fā)電設備或發(fā)電設備概念中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種化石燃燒發(fā)電設備(fossil fired power plant) 以及這種設備的操作方法，其中CO2捕集系統(tǒng)(也叫做CO2捕集設備)對設備的傳統(tǒng)部分產(chǎn)生的影響最小。此外，本發(fā)明提供了為改造CO2捕集設備準備就緒的發(fā)電設備，以及將現(xiàn)有設備改造成帶有(X)2捕集的發(fā)電設備的方法，和操作本發(fā)明目的設備的方法。為此，提出包括至少兩部分的設備包含至少一個傳統(tǒng)部分的設備，其基本設計為類似于不帶CO2捕集的常規(guī)發(fā)電設備，至少一個附加的化石燃燒發(fā)電設備部分，加上至少一個(X)2捕集系統(tǒng)，所述(X)2捕集系統(tǒng)設計成從來自于常規(guī)設備部分以及附加的(X)2發(fā)電設備部分的煙氣捕集co2。發(fā)電設備的傳統(tǒng)部分簡稱常規(guī)動力部分。附加發(fā)電設備部分稱為(X)2 動力部分。
本發(fā)明的一個主要部分是提供(X)2動力部分，其能夠提供操作(X)2捕集系統(tǒng)所需的蒸汽和動力，并提供(X)2捕集系統(tǒng)，其設計為從常規(guī)部分以及(X)2動力部分的煙氣中除去 C02。由于(X)2動力部分驅(qū)動整個(X)2捕集系統(tǒng)的能力，可以優(yōu)化常規(guī)設備而忽視(X)2捕集系統(tǒng)的要求。特別地，不需要從汽輪機或常規(guī)動力部分的任何其他蒸汽循環(huán)部分抽氣。此外， 可以保持常規(guī)動力部分與(X)2動力部分之間的機械的、電的以及控制接口最小。理想地將機械接口限于煙氣管道。理論上控制接口可以限于簡單的負載信號。根據(jù)電網(wǎng)要求和許可，二氧化碳動力部分設計成與(X)2捕集系統(tǒng)的動力需求相配或規(guī)模較大從而相比那些常規(guī)部分本身，增大整體設備的凈輸出。CO2動力部分本身可以優(yōu)化，以用于抽取大部分或所有的蒸汽用于CO2捕集系統(tǒng)的過程。在沒有任何折中的最優(yōu)條件下，常規(guī)部分與(X)2動力部分的分離使得可以獨立操作具有或不具有(X)2捕集的常規(guī)動力部分，否則需要所述折中以便于(X)2捕集。此外，可以使(X)2捕集對整體設備容量的影響最小化。根據(jù)操作許可和電網(wǎng)要求，如果(X)2捕集設備開始運轉(zhuǎn)或?qū)?X)2捕集設備添加到現(xiàn)有設備上，電網(wǎng)輸送的電力不應改變。根據(jù)文獻已知，在具有(X)2捕集的發(fā)電設備中，一旦(X)2捕集設備開始運轉(zhuǎn)，發(fā)電設備的容量明顯降低。即使當(X)2捕集設備未操作時，由于可能抽取蒸汽用于可能的(X)2捕集，一般會損害蒸汽循環(huán)的效率。常規(guī)動力部分和(X)2動力部分可以是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備或基于燃氣輪機的發(fā)電設備?；谌細廨啓C的發(fā)電設備例如是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備、簡單循環(huán)燃氣渦輪發(fā)電設備、 或帶有熱電聯(lián)產(chǎn)的燃氣輪機，或這些設備類型的組合。如果合適，可以設計CO2動力部分的尺寸以提供用于再生(X)2吸收劑或(X)2吸附劑所需的蒸汽?？梢宰顑?yōu)化蒸汽循環(huán)，以提供蒸汽用于再生CO2吸收劑或CO2吸附劑而不損害常規(guī)部分。可以設計CO2動力部分的尺寸以至少提供操作(X)2捕集設備所需要的全部輔助動力。此外，也可以設計其尺寸以提供用于(X)2 加壓所需的動力。通過不僅提供(X)2捕集設備而且提供具有(X)2捕集系統(tǒng)的(X)2動力部分，可以避免兩個缺點常規(guī)部分上的效率損失以及容量的降低。本發(fā)明的另一個主要部分是提供一種設備，其中，在從煙氣流的混合物中捕集CO2 之前，將常規(guī)部分的煙氣與(X)2捕集部分的煙氣混合。由于只需要有一個CO2捕集部分，混合煙氣流是有利的。這便于整體設備的操作， 并且可以縮減初期投資以及設備的操作費用。此外，取決于兩個煙氣流的CO2濃度，CO2捕集率以及捕集設備類型，從混合煙氣中捕集CO2所需的能量可以比從單獨分開的煙氣流中捕集(X)2所需的能量更低。特別地，如果常規(guī)動力部分的煙氣中具有第一 (X)2濃度，(X)2捕集部分的煙氣中具有不同于第一 (X)2濃度的第二 (X)2濃度。混合物具有質(zhì)量平均的煙氣濃度， 其高于較低的(X)2濃度，并且可以導致較好的整個系統(tǒng)的捕集性能。在一個實施方案中，常規(guī)動力部分是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備，即發(fā)電設備包括至少一個化石燃燒鍋爐以及(X)2動力部分，所述鍋爐帶有至少一個汽輪機，所述(X)2動力部分包括聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備。一般地，化石燃燒蒸汽發(fā)電設備的CO2濃度約為9-12% (摩爾)并且甚至可以達到更高的值。根據(jù)燃氣輪機的類型以及操作條件，燃氣輪機的煙氣中CO2的濃度約為2-5%(摩爾)。燃氣輪機的煙氣中CO2濃度的低負載值可甚至低至1-2% (摩爾)。這些低的(X)2 濃度使得不能從煙氣中有效除去C02。通過混合來自化石燃燒常規(guī)動力部分的煙氣與燃氣輪機的煙氣，整體CO2濃度保持在足夠高的水平，從而可以以高去除率有效除去co2。過去已經(jīng)有人提出將燃氣輪機的一部分煙氣再循環(huán)進入燃氣輪機的進氣中，以增大煙氣中的CO2濃度。然而，這需要額外的管道、煙氣冷卻器及其他設備，因此增大了空間需求以及設備的復雜性。此外，根據(jù)燃氣輪機的類型以及使用的燃料，循環(huán)比一般限于小于燃氣輪機的煙氣的約50%。這樣，即便煙氣再循環(huán)，煙氣中的CO2濃度保持在低于化石燃燒蒸汽發(fā)電設備的水平。因此，提出一種組合，其中常規(guī)動力部分是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備，CO2動力部分包括帶有煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備。在這個實施方案中，通過輔助設備、空間以及操作的努力，通過再循環(huán)增大燃氣輪機的煙氣中的(X)2濃度。此外，燃氣輪機的煙氣與化石燃燒蒸汽發(fā)電設備的煙氣混合，得到高的(X)2濃度用于有效除去co2。在另一個來自常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備捕集CO2的實施方案中，CO2動力部分基于化石燃燒蒸汽發(fā)電設備。相對于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備，化石燃燒的CO2捕集部分的煙氣與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備的煙氣混合增加了煙氣中的(X)2濃度，得到較好的(X)2捕集率。這可以在帶有或沒有煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備中實現(xiàn)。此外，常規(guī)動力部分和(X)2動力部分都可以是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備。在這種情況下， 兩個煙氣流的混合使得可以僅使用一個CO2捕集設備，從而縮減了需要的設備數(shù)目并簡化了整體設備布局。在另一個實施方案中，常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備可以與CO2捕集部分結(jié)合，CO2捕集部分基于帶有再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備。這使得可以對常規(guī)部分使用已有的燃氣輪機技術(shù)，并在CO2捕集部分方面結(jié)合最新技術(shù)。常規(guī)部分的煙氣中CO2濃度通過與來自CO2捕集部分的煙氣混合而增大，從而便于ω2捕集。該組合尤其適合改造應用到現(xiàn)有的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備中。由于操作限制或設備布置內(nèi)具體地點的限制，煙氣再循環(huán)可能對現(xiàn)有常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備不可行。然而，額外的(X)2捕集部分聯(lián)合循環(huán)可能基于新的設計用于再循環(huán)的燃氣輪機，并且設備布置可根據(jù) CO2捕集與再循環(huán)所需的空間進行設計。此外，混合煙氣的CO2濃度比不帶再循環(huán)的常規(guī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備的煙氣的(X)2濃度更高。在另一個實施方案中，常規(guī)動力部分以及(X)2動力部分都包括帶有再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備。這固有的優(yōu)點是兩個設備部分僅使用一個(X)2捕集系統(tǒng)。此外，可以應用兩個不同的再循環(huán)率。通常，目前現(xiàn)有的燃氣輪機的再循環(huán)率限于煙氣中的低餾分，得到的煙氣中CO2濃度仍然是中等的。它一般保持在低于6%，沒有任何設計修改以實現(xiàn)高再循環(huán)率。設計用于煙氣再循環(huán)的燃氣輪機的再循環(huán)率使得可以再循環(huán)煙氣中較高餾分，導致煙氣中CO2濃度高。這種燃氣輪機一般可以用于CO2動力部分，特別是在改造應用中。通過混合兩個煙氣流，平均(X)2濃度將使得可以從整個煙氣流中有效捕集co2。本發(fā)明的一個實施方案涉及燃燒碳基燃料的發(fā)電設備，其制備用于添加或改造 CO2捕集設備。這種類型的設備也被稱為捕集就緒。這種捕集就緒設備的主要區(qū)別特征是設備布置沒有設計成簡單地提供將來的(X)2捕集系統(tǒng)所需的空間，而是設計成用于完整的 CO2捕集設備，即，將來的(X)2捕集系統(tǒng)加上將來的(X)2動力部分用于驅(qū)動(X)2捕集系統(tǒng)。此夕卜，提供用于煙氣系統(tǒng)的空間，煙氣系統(tǒng)用于混合常規(guī)動力部分和(X)2動力部分的煙氣流。在一個實施方案中，已經(jīng)設計了捕集就緒常用設備的排氣管(stack)，用于最終設備的最大化煙氣流，最終設備包括常規(guī)部分與(X)2動力部分。此外，安裝的排氣管最后根據(jù) CO2動力部分定位。設置常規(guī)動力部分與將來的CO2動力部分(future CO2 power part), 以使它們相鄰排出煙氣以使煙氣管道最少。此外，一旦改造，煙氣管道可以已經(jīng)包括風門 (flap)、擋板(damper)或分流器以將煙氣導向CO2捕集系統(tǒng)。這使得可以在建造CO2動力部分期間，常規(guī)部分正常運轉(zhuǎn)。CO2動力部分可以獨立于常規(guī)動力部分的操作運行，并且(X)2 捕集系統(tǒng)本身可以利用CO2動力部分的煙氣進行測試并且運行達到它的部分容量。為了從常規(guī)動力部分中改成(X)2捕集，必須改變風門、擋板或分流器釋放煙氣的方向。一旦(X)2捕集設備開始全部運轉(zhuǎn)，常規(guī)動力部分的部分原始煙道就變成旁路管道，這部分煙道位于擋板或分流器下游。為了將來用作旁路排氣管，改造的已有常規(guī)發(fā)電設備的排氣管設計成具有流量，需要所述流量以使常規(guī)動力部分與將來的(X)2動力部分的混合煙氣繞過將來的(X)2 捕集系統(tǒng)。考慮到(X)2捕集系統(tǒng)的額外壓力損失，可以提供用于煙氣鼓風機的空間。這將允許為了用于直接引導煙氣到排氣管的管道的初始背壓優(yōu)化常規(guī)動力部分。在一個實施方案中，煙氣鼓風機安裝在分流器或擋板的下游并且僅用于CO2捕集操作。除了單個機械接口，在常規(guī)動力部分、CO2動力部分以及CO2捕集系統(tǒng)之間還需要控制接口。此外，普通的電氣系統(tǒng)以及電網(wǎng)連接是有利的。所提出的設備設置的一個主要優(yōu)點是，可以將現(xiàn)有不帶(X)2捕集的化石燃燒常規(guī)發(fā)電設備改造或升級為具有CO2捕集的發(fā)電設備，而無需對現(xiàn)有發(fā)電設備作任何顯著的改變。本發(fā)明的一個部分是將現(xiàn)有不帶(X)2捕集的化石燃燒常規(guī)發(fā)電設備改造成具有(X)2捕集的發(fā)電設備的方法。根據(jù)該方法，CO2動力部分、煙氣管道以及CO2捕集系統(tǒng)建造在現(xiàn)有常規(guī)發(fā)電設備附近，其中，煙氣管道設計成能混合現(xiàn)有常規(guī)動力部分以及CO2動力部分的煙氣，其中(X)2捕集系統(tǒng)設計成能從混合煙氣中捕集CO2,并且其中(X)2動力部分設計成能至少提供從混合煙氣中捕集(X)2所需的熱能和/或電能。根據(jù)該方法的實施方案，在常規(guī)發(fā)電設備正常操作時，建造CO2捕集系統(tǒng)、煙氣管道以及(X)2動力部分，并且現(xiàn)有化石燃燒常規(guī)發(fā)電設備的操作僅在將現(xiàn)有化石燃燒常規(guī)發(fā)電設備連接到額外的或改變的煙道上時中斷，隨后再次啟動運轉(zhuǎn)(recommissioning)。根據(jù)現(xiàn)有設備的排氣管，改變總煙氣流可能需要新的排氣管。排氣管或排氣管改造被認為屬于煙氣管道的一部分。因此，最小化了現(xiàn)有發(fā)電設備商業(yè)操作的間斷。再連接或改變煙道所需時間可以縮減到小于正常進度的檢修停機時間。(X)2動力部分可以平行于現(xiàn)有設備的商業(yè)操作而運轉(zhuǎn)。此外，當系統(tǒng)利用來自CO2動力部分的煙氣時，能夠進行CO2捕集系統(tǒng)的主要運轉(zhuǎn)工作。本發(fā)明的進一步的主題是操作具有上述(X)2捕集系統(tǒng)的熱電設備的方法，所述熱電設備用于燃燒碳基燃料。根據(jù)優(yōu)化目標，上述發(fā)電設備允許靈活操作CO2捕集，并且確定不同的操作方法。 可能的優(yōu)化目標是，例如最高功率、最大效率以及最大CO2捕集率。
特別地，常規(guī)動力部份、CO2動力部分以及CO2捕集系統(tǒng)的啟動、裝載以及卸載的順序可以用作控制參數(shù)以優(yōu)化設備運轉(zhuǎn)。例如，如果常規(guī)動力部分是蒸汽發(fā)電設備，一般它的啟動相對緩慢，即，數(shù)小時。在啟動期間，不優(yōu)化用于CO2捕集的煙氣成分和溫度。然而，在這期間釋放的總(X)2比一般操作周期內(nèi)釋放的CO2少。因此，公認為僅在常規(guī)部分裝載到高載荷或者基本載荷后開始進行(X)2捕集。如果(X)2動力部分是基于燃氣輪機的發(fā)電設備，其可以更快地啟動并裝載，它開始具有的時間延遲，匹配于常規(guī)動力部分的啟動和裝載與(X)2動力部分的啟動和裝載之間的時間差。此外，在CO2動力部分輸送足夠動力以操作(X)2捕集系統(tǒng)之后，(X)2捕集系統(tǒng)啟動并裝載。根據(jù)使用的(X)2捕集系統(tǒng)，CO2捕集系統(tǒng)的啟動可以發(fā)生在幾分鐘之內(nèi)，可能的實例使用旋渦噴嘴分離co2，其由電動機驅(qū)動。然而，對于(X)2捕集系統(tǒng)的類型，例如吸收或吸附系統(tǒng)，啟動可能使用較長時間，約一個或幾個小時。在整體設備的啟動期間，必須考慮(X)2 捕集系統(tǒng)的啟動時間。如果需要，考慮到(X)2捕集系統(tǒng)的啟動時間，必須較早地啟動(X)2動力部分。根據(jù)不同設備的啟動時間，一旦需要，可以在常規(guī)動力部分以前啟動CO2動力部分， 以保證(X)2捕集。根據(jù)電網(wǎng)或分配器的要求，為了能夠快速裝載發(fā)電設備，提出這樣一種方法，其中，通過第一裝載常規(guī)部分與(X)2動力部分改變設備的凈功率輸出，以滿足凈功率輸出目標，并且CO2捕集系統(tǒng)開始運轉(zhuǎn)，以及捕集率增加到目標捕集率。當(X)2捕集系統(tǒng)運行和/ 或增加捕集率時，凈功率輸出保持不變，并且設備的總發(fā)電量進一步增加以滿足(X)2捕集系統(tǒng)增加的動力消耗。為了簡化常規(guī)動力部分與CO2動力部分之間的控制接口，可以使用兩種獨立的動力控制方法可以控制CO2動力部分的裝載，以與CO2捕集系統(tǒng)的主要工作參數(shù)相關(guān)，CO2捕集系統(tǒng)主要的工作參數(shù)例如(X)2捕集系統(tǒng)動力需求、整個混合煙氣的質(zhì)量流、混合煙氣流的CO2 含量，或這些參數(shù)的組合，或其他代表捕集系統(tǒng)運行情況的參數(shù)。常規(guī)動力部分的裝載控制用于控制發(fā)電設備的凈功率輸出。一般地，常規(guī)動力部分和CO2動力部分通過一個共同的連接件與電網(wǎng)連接。通過該電網(wǎng)連接件向電網(wǎng)輸送的總功率為凈功率并且應該符合電網(wǎng)的動力需求。根據(jù)該實施方案，在電網(wǎng)動力需求與CO2動力部分的任何過量凈功率輸出之間，控制常規(guī)動力部分以輸出不同的動力，后者除了驅(qū)動(X)2 捕集系統(tǒng)外還用于輸送。此處描述的化石燃燒蒸汽發(fā)電設備一般是燃煤蒸汽發(fā)電設備。然而，本發(fā)明也適用于任何其他類型的化石燃燒蒸汽發(fā)電設備，例如燃油或燃氣蒸汽發(fā)電設備。


下面將結(jié)合附圖更詳細地描述本發(fā)明的特性以及優(yōu)點。相關(guān)附圖 圖1示意性地顯示了一種發(fā)電設備，其由帶有化石燃燒蒸汽發(fā)電設備作為CO2動力部分的化石燃燒常規(guī)蒸汽動力部分與(X)2捕集系統(tǒng)組成， 圖2示意性地顯示了一種發(fā)電設備，其由帶有燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)設備作為CO2動力部分的化石燃燒常規(guī)蒸汽動力部分與(X)2捕集系統(tǒng)組成，圖3示意性地顯示了化石燃燒常規(guī)蒸汽動力部分與CO2捕集系統(tǒng)，所述化石燃燒常規(guī)蒸汽動力部分具有帶煙氣再循環(huán)的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)設備作為CO2動力部分，圖4示意性地顯示了一種發(fā)電設備，其由聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備作為常規(guī)動力部分和 CO2捕集系統(tǒng)組成，所述聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備具有帶煙氣再循環(huán)的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)設備作為CO2動力部分，圖5示意性地顯示了一種發(fā)電設備，其由帶有CO2動力部分的常規(guī)動力部分以及 CO2捕集系統(tǒng)組成，常規(guī)動力部分和(X)2動力部分兩個設備部分都是帶有煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備，圖6示意性地顯示了一種發(fā)電設備，其由帶燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)設備的化石燃燒常規(guī)蒸汽動力部分與CO2捕集系統(tǒng)組成，所述燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)設備帶有煙氣再循環(huán)作為CO2動力部分，其中在CO2捕集操作期間低壓汽輪機可以通過離合器(clutch)去耦 (decouple)，圖7示意性地顯示了對于煙氣的不同(X)2濃度，可實現(xiàn)的(X)2捕集率與用于捕集 CO2的有效比能的關(guān)系。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明，帶有CO2捕集的發(fā)電設備的主要組件是常規(guī)動力部分1丄02動力部分 2以及(X)2捕集系統(tǒng)12。圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的設備布置的第一實例。在該實施例中， 常規(guī)動力部分1是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備41。其包括鍋爐3，向其提供化石燃料8和空氣 7。燃料7與空氣8燃燒產(chǎn)生流通蒸汽(live steam)9和常規(guī)動力部分煙氣15。此外，包括由流通蒸汽9驅(qū)動的汽輪機10、產(chǎn)生電力的發(fā)電機5、以及冷凝器18，給水19從冷凝器18 回到鍋爐。由于不是本發(fā)明的主題，簡化并示意性地顯示蒸汽循環(huán)，未顯示不同的蒸汽壓力水平、給水泵等。在此處所示的實施例中，CO2動力部分2是化石燃燒背壓蒸汽發(fā)電設備42。它包括鍋爐3，向其提供燃料8和空氣7。燃料7與空氣8燃燒產(chǎn)生流通蒸汽9與(X)2動力部分煙氣14。此外，它包括由流通蒸汽9驅(qū)動的背壓式汽輪機(back pressure steam turbine) 4, 產(chǎn)生電力的發(fā)電機5。低壓蒸汽11經(jīng)由蒸汽管道離開背壓蒸汽輪機4提供給(X)2捕集系統(tǒng) 12。冷凝物13從CO2捕集系統(tǒng)12回到鍋爐3。由于不是本發(fā)明的主題，也簡化并示意性地顯示該蒸汽循環(huán)，未顯示不同的蒸汽壓力水平，給水泵等等。CO2捕集系統(tǒng)12用方框示意性地顯示，其從混合煙氣37中除去CO2，混合煙氣37 由常規(guī)動力部分煙氣15和CO2動力部分煙氣14組成。(X)2耗盡的煙氣16從(X)2捕集單元釋放到排氣管16。如果CO2捕集單元12沒有操作，它可以經(jīng)由煙氣旁路繞過。為了控制旁路，在煙道中設置用于常規(guī)動力部分20的煙氣的旁路風門以及用于(X)2動力部分21的旁路風門。CO2捕集系統(tǒng)12由例如(X)2吸收單元和再生單元組成，在所述(X)2吸收單元中通過吸收劑從混合煙氣37中除去CO2,在所述再生單元中從吸收劑中釋放C02。根據(jù)煙氣溫度和 CO2吸收單元的工作溫度范圍，可能需要煙氣冷卻器6。捕集的(X)2送去壓縮并存儲17。
圖2示意性地顯示了一種發(fā)電設備，其由化石燃燒常規(guī)蒸汽發(fā)電設備41、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備30和CO2捕集系統(tǒng)12組成。蒸汽發(fā)電設備41和(X)2捕集系統(tǒng)12與圖1中所示的相似。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備30包括燃氣輪機和帶有水蒸汽循環(huán)的熱回收蒸汽發(fā)生器39。 燃氣輪機包括對進氣7加壓的壓縮機31、燃燒器32、以及渦輪機33并驅(qū)動發(fā)電機5。壓縮氣體用于燃料8在燃燒器32中的燃燒，加壓的熱氣在渦輪機33內(nèi)擴張。它的主要輸出是來自發(fā)電機5的電力以及熱煙氣34。熱煙氣34通過熱回收蒸汽發(fā)生器39 (HRSG)使其產(chǎn)生流通蒸汽9。煙氣以較低溫度水平離開HRSG39并作為CO2動力部分14的煙氣進入(X)2捕集系統(tǒng)12。此外，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備30包括由流通蒸汽9驅(qū)動的背壓式汽輪機4，和產(chǎn)生電力的發(fā)電機5。低壓蒸汽11經(jīng)由蒸汽管道提供到CO2捕集系統(tǒng)12。冷凝物13或低級蒸汽從(X)2捕集系統(tǒng)12返回到鍋爐3。由于不是本發(fā)明的主題，也簡化并示意性地顯示該蒸汽循環(huán)，未顯示蒸汽壓力水平差，給水泵等。圖3示意性地顯示了一種發(fā)電設備的另一個實施例，其由化石燃燒常規(guī)蒸汽發(fā)電設備41、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備40以及CO2捕集系統(tǒng)12組成。主要的部件與圖2所示相似。然而，此處顯示的燃氣輪機是帶有煙氣再循環(huán)的燃氣輪機。煙氣的可控制部分在控制風門處轉(zhuǎn)向用于煙氣再循環(huán)22并經(jīng)煙氣再循環(huán)管線35再循環(huán)到進氣7。再循環(huán)的煙氣在煙氣冷卻器36中冷卻以限制或控制煙氣輪機壓縮機31的入口溫度。煙氣冷卻器36 —般包括冷凝物分離器(未示出)，其從冷卻的煙氣中除去冷凝物。圖4示意性地顯示了一種發(fā)電設備，其由聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備30作為常規(guī)動力部分 1，帶有煙氣再循環(huán)40的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)設備作為CO2動力部分2，以及(X)2捕集系統(tǒng)12 組成。該配置基于圖3所示的配置。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備30代替蒸汽發(fā)電設備41用作常規(guī)動力部分1。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備30包括燃氣輪機、帶有水蒸汽循環(huán)的熱回收蒸汽發(fā)生器39。燃氣輪機包括壓縮機31，進氣7在其中壓縮，燃燒器32以及渦輪機33，并驅(qū)動發(fā)電機5。壓縮氣體用于燃料8在燃燒器32中的燃燒，加壓的熱氣在渦輪機33中膨脹。它的主要輸出是來自發(fā)電機5的電力和熱煙氣34。熱煙氣34通過熱回收蒸汽發(fā)生器39使其產(chǎn)生流通蒸汽 9。煙氣以較低的溫度水平離開HRSG39并進入(X)2捕集系統(tǒng)12作為常規(guī)動力部分15的煙氣。此外，它包括由流通蒸汽9驅(qū)動的蒸汽輪機10、產(chǎn)生電力的發(fā)電機5以及冷凝器18，給水19從冷凝器18回到HRSG39。圖5示意性地顯示了一種發(fā)電設備的另一個實施例，其由帶有煙氣再循環(huán)40的兩個聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備和CO2捕集系統(tǒng)12組成。主要部件與圖4所示相似。然而，常規(guī)動力部分1的燃氣輪機也是具有煙氣再循環(huán)的燃氣輪機。煙氣的可控制部分在控制風門處轉(zhuǎn)向用于煙氣再循環(huán)22并經(jīng)由煙氣再循環(huán)管線35再循環(huán)到進氣7。再循環(huán)煙氣在煙氣冷卻器 36中冷卻以限制或控制燃氣輪機壓縮機31的入口溫度。煙氣冷卻器36 —般包括冷凝物分離器(未示出)，從冷卻的煙氣中除去冷凝物。圖6以圖3為基礎，并示意性地顯示了一種發(fā)電設備，其由化石燃燒常規(guī)蒸汽發(fā)電設備41、帶有煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備40、以及(X)2捕集系統(tǒng)12組成。蒸汽發(fā)電設備41和(X)2捕集系統(tǒng)12與圖3中所示的那些相似。為了增加CO2動力部分2的操作靈活性，相對于圖3所示的實施方案修正了水蒸汽循環(huán)。在該實施方案中，水蒸汽循環(huán)增加了額外的蒸汽控制閥38、低壓汽輪機M、冷凝器 18以及給水管線19。該配置使得可以使用低壓蒸汽11產(chǎn)生額外的電力，以防完全不需要或者不需要所有的低壓蒸汽11用于操作(X)2捕集系統(tǒng)12。蒸汽控制閥38控制低壓蒸汽11 的分流，直接通向(X)2捕集系統(tǒng)12和低壓汽輪機24。蒸汽控制閥38示意地顯示為三通閥。 可選地，也可以使用其他控制手段，例如雙控制閥。蒸汽輪機M可以通過離合器23機械地連接到發(fā)電機5。例如自動的超越離合器 (automatic overrunning clutch)可用于連接低壓汽輪機M到發(fā)電機5和背壓式汽輪機 4的現(xiàn)有軸上。如果低壓蒸汽用于CO2捕集系統(tǒng)12，這種設置使得可以停止低壓汽輪機M。 一旦過量低壓蒸汽可用，過量蒸汽直接經(jīng)由蒸汽控制閥23導向低壓汽輪機M。運行中，離合器23自動地嚙合并且低壓汽輪機M可以加負荷以驅(qū)動發(fā)電機5，因而增大設備的電力生產(chǎn)。圖7示意性地顯示了對于煙氣中不同(X)2濃度C1X2和C3，可實現(xiàn)的(X)2捕集率r。 與用以捕集(X)2的有效比能ero2之間的關(guān)系。該圖顯示了在CO2捕集前混合兩個煙氣流具有優(yōu)勢的原因。增大CO2濃度C丨捕集率r。增加，其可以由給定的比能ea)2實現(xiàn)從煙氣中捕集(X)2 而獲得。此外，可實現(xiàn)的捕集率r。與比能eC02成正比，比能如2可以用來從煙氣中捕集C02。 對各種濃度CpC2以及C3,可實現(xiàn)的捕集率r。顯示了捕集(X)2特性趨勢與有效比能ea)2捕集 CO2的關(guān)系。最初所有的曲線顯示梯級斜度，其變得較小并漸近地接近100%的捕集率r。。 然而，梯度變化的捕集率r。取決于煙氣中的(X)2濃度。對于低(X)2濃度C1，在相對低捕集率r。發(fā)生明顯的梯度變化。對于高(X)2濃度C2 或C3,良好的梯級坡度持續(xù)達到約為90%或更多的高捕集率r。。由于不同的捕集率，發(fā)生梯度變化，達到約為90%高的捕集率的比能eC02相對于煙氣中的低(X)2濃度按指數(shù)規(guī)律地增力口，例如濃度q。結(jié)果，如果第一煙氣流具有低的(X)2濃度C1而第二煙氣流具有高的(X)2濃度C3,混合以獲得具有平均(X)2濃度C2的混合煙氣37，達到特定目標捕集率r。, t例如83% 需要的能量降低，比從兩個單獨的煙氣流中捕集(X)2需要的能量低。上面描述的典型實施方案以及附圖中為本領域技術(shù)人員公開的實施方案包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)，附圖中公開的實施方案不同于所述示例實施方案。例如，低壓汽輪機M可以設置在單獨的軸上以驅(qū)動單獨的發(fā)電機產(chǎn)生電力；或者蒸汽輪機和任何聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備的燃氣輪機可以是單軸布置。作為另一個實施例，CO2動力部分煙氣14和常規(guī)動力部分煙氣15可以在旁路風門 20、21上游混合，這樣，所有煙氣僅需要一個旁路風門。此外，配置兩個煙氣冷卻器6是有利的，一個用于常規(guī)動力部分煙氣15，一個用于CO2動力部分煙氣14。例如，如果常規(guī)動力部分煙氣15與(X)2動力部分煙氣14的溫度不同時是這種情況。在上述實施例中，描述了單個燃氣輪機。應當理解，也可以使用如US5577378中舉例描述的連續(xù)燃氣輪機，也稱作帶再熱燃燒室(reheat combustor)的燃氣輪機。也可以使用連續(xù)燃氣輪機與基于單個燃氣輪機的發(fā)電設備的組合。連續(xù)燃氣輪機的應用是有利的， 因為它們的煙氣中CO2濃度一般比單個燃氣輪機中的更高。此外，任何上述實施例可以利用具有或不具有煙氣再循環(huán)的燃氣輪機來實現(xiàn)。附圖標記列表
1常規(guī)動力部分20)2動力部分3 鍋爐4背壓式汽輪機5發(fā)電機6煙氣冷卻器7 空氣8 燃料9流通蒸汽10蒸汽輪機11低壓蒸汽120)2捕集系統(tǒng)13冷凝物或低級返回蒸汽HCO2動力部分煙氣15常規(guī)動力部分煙氣16C02耗盡的煙氣17用于壓縮和存儲的(X)218冷凝器19 給水20用于常規(guī)動力部分的煙氣的旁路風門21用于(X)2動力部分的煙氣的旁路風門22用于煙氣再循環(huán)的控制風門23離合器M低壓汽輪機30聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備31壓縮機32燃燒器33渦輪機34燃氣輪機煙氣35煙氣再循環(huán)管線36煙氣冷卻器37混合煙氣38蒸汽控制閥39HRSG40具有煙氣再循環(huán)燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備41蒸汽發(fā)電設備42背壓式蒸汽發(fā)電設備43來自常規(guī)部分的旁路管44來自CO2動力部分的旁路管
C丨濃度增加 C1、C2、C3煙氣中的ω2濃度r。捕集率rc,t目標捕集率如20)2捕集所需的比能
權(quán)利要求
1.發(fā)電設備，其包括常規(guī)動力部分(1)、0)2動力部分O)、混合常規(guī)動力部分(1)和 CO2動力部分O)的煙氣流的煙氣系統(tǒng)、以及用于從混合煙氣(37)中除去CO2的CO2捕集系統(tǒng)(12)，其中所述常規(guī)動力部分(1)是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備或基于燃氣輪機的發(fā)電設備，并且其中所述CO2動力部分( 是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備或基于燃氣輪機的發(fā)電設備， 其設計成至少提供從混合煙氣(37)質(zhì)量流中捕集CO2所需的熱和/或電力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)電設備，其特征在于所述常規(guī)動力部分(1)的煙氣具有第一(X)2 濃度，并且所述CO2動力部分O)的煙氣具有不同于第一 CO2濃度的第二 CO2濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的發(fā)電設備，其特征在于，所述常規(guī)動力部分(1)是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備并且所述CO2動力部分( 是燃氣輪機發(fā)電設備，或者所述常規(guī)動力部分(1) 是基于燃氣輪機的發(fā)電設備，所述CO2動力部分( 是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的發(fā)電設備，其特征在于，其包括具有煙氣再循環(huán)的基于燃氣輪機的發(fā)電設備。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的發(fā)電設備，其特征在于，所述常規(guī)動力部分(1)和CO2動力部分(2)是基于燃氣輪機的發(fā)電設備，其中CO2動力部分O)的燃氣輪機具有煙氣再循環(huán)，所述常規(guī)動力部分(1)不具有煙氣再循環(huán)，或者設計再循環(huán)率低于所述CO2動力部分O)的設計再循環(huán)率。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的發(fā)電設備，其特征在于，所述0)2動力部分( 是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備，所述聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備具有至少一個背壓式汽輪機(4)用于為CO2捕集系統(tǒng) (12)提供低壓蒸汽或中壓蒸汽。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的發(fā)電設備，其特征在于，設定背壓式汽輪機的大小以輸送(X)2 捕集系統(tǒng)(12)的設計蒸汽流。
8.捕集就緒的發(fā)電設備，其包括常規(guī)動力部分(1)、添加CO2捕集設備所需的空間，包括CO2動力部分O)、混合常規(guī)動力部分(1)和CO2動力部分O)的煙氣流的煙氣系統(tǒng)，以及設計成從混合煙氣(37)質(zhì)量流中除去(X)2的(X)2捕集系統(tǒng)(12)，其中所述常規(guī)動力部分(1)是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備或基于燃氣輪機的發(fā)電設備，其中所述CO2動力部分( 是化石燃燒蒸汽發(fā)電設備或基于燃氣輪機的發(fā)電設備，其設計成至少提供從混合煙氣(37)質(zhì)量流中捕集CO2所需的熱和/或電力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的捕集就緒的發(fā)電設備，其特征在于，設計布局，使得所述常規(guī)動力部分(1)和將來的CO2捕集動力部分O)的煙氣設置成相鄰排出它們的煙氣，之后有混合煙氣所需空間以及CO2捕集系統(tǒng)(12)所需空間，以最小化所需的煙氣管道。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的捕集就緒的發(fā)電設備，其特征在于，設計布局，以提供空間從 CO2動力部分(2)到CO2捕集系統(tǒng)(12)的電力和蒸汽供應管線。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10任一項的捕集就緒的發(fā)電設備，其特征在于，煙氣管道包括混合段，用于將來連接0)2動力部分O)，煙氣風門或擋板，具有一個關(guān)閉的分支制備用于連接到將來的CO2捕集系統(tǒng)(1 以及一個通向排氣管的分支，其中所述排氣管設計具有流量， 所述流量用于使所述常規(guī)動力部分(1)和將來的CO2動力部分O)的混合煙氣(37)繞過將來的(X)2捕集系統(tǒng)(12)。
12.用于將現(xiàn)有不帶(X)2捕集的現(xiàn)有化石燃燒常規(guī)發(fā)電設備改造為具有(X)2捕集的發(fā)電設備的方法，其特征在于，在現(xiàn)有常規(guī)動力部分旁邊建造CO2動力部分、煙氣管道，以及(X)2捕集系統(tǒng)(12)，其中，設計所述CO2捕集系統(tǒng)(1 以從常規(guī)動力部分和CO2動力部分的混合煙氣(37)中捕集CO2，并且其中設計所述CO2動力部分以至少提供從混合煙氣(37)質(zhì)量流中捕集(X)2所需要的電能和/或熱能。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征在于，在所述常規(guī)動力部分操作過程中建造CO2捕集系統(tǒng)(12)、煙氣管道和CO2動力部分O)，而僅中斷現(xiàn)有化石燃燒常規(guī)動力部分的操作用于將現(xiàn)有化石燃燒常規(guī)動力部分連接到額外的或改變的煙氣管道上，以及用于隨后的再次啟動運轉(zhuǎn)。
14.操作權(quán)利要求1-7之一的發(fā)電設備的方法，其特征在于，使用以下順序作為控制參數(shù)以優(yōu)化整體設備運轉(zhuǎn)啟動、裝載和卸載常規(guī)動力部分(1)丄02動力部分O)以及CO2捕集系統(tǒng)(12)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，為了最小化啟動和裝載期間的(X)2排放，第一啟動CO2動力部分(1)，第二啟動CO2捕集系統(tǒng)(12)，第三啟動常規(guī)動力部分(1)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，在啟動和裝載期間，設備的凈功率輸出通過第一裝載常規(guī)動力部分(1)和CO2動力部分( 獲得，并且在獲得目標凈功率輸出之后，啟動(X)2捕集系統(tǒng)(12)和/或增大它的(X)2捕集率以達到目標捕集率，并且在CO2捕集系統(tǒng) (12)運行和/或增大捕集率時，設備的總功率輸出進一步增大。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16任一項的方法，其特征在于，為了穩(wěn)態(tài)運行，控制(X)2動力部分 (2)的負載以與總混合煙氣(37)質(zhì)量流相關(guān)，與混合煙氣(37)流的CO2含量相關(guān)，與CO2捕集系統(tǒng)(12)的需用功率相關(guān)，或與這些參數(shù)的組合相關(guān)，并且常規(guī)動力部分(1)的負載設置用于控制發(fā)電設備的凈功率輸出。
全文摘要
由于CO2被認為是主要的溫室氣體，它的捕集與存儲對控制全球變暖很有必要。設計用于CO2捕集與壓縮的發(fā)電設備，改造已有的發(fā)電設備，以及改造常規(guī)發(fā)電設備為CO2捕集設備的有效方式，它們的競爭性將使得可以較早地利用CO2捕集系統(tǒng)(12)。本發(fā)明的目的在于提供一種化石燃燒發(fā)電設備，其中CO2捕集系統(tǒng)(12)對設備的常規(guī)部分影響最小，以及操作這種設備的方法。此外，本發(fā)明的目標是一種已經(jīng)用于改造CO2捕集設備的發(fā)電設備，以及一種將現(xiàn)有設備改造成具有CO2捕集的發(fā)電設備的方法，和操作這種類型設備的方法。本發(fā)明的一個主要部分在于添加發(fā)電設備部分，其能提供操作CO2捕集系統(tǒng)(12)所需的蒸汽和動力，以及提供CO2捕集系統(tǒng)(12)，其具有從常規(guī)的以及附加動力部分的煙氣流中除去CO2的容量。
文檔編號B01D53/62GK102574049SQ201080042994
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者C·馬耶, F·德魯, H·G·納格爾, 李洪濤 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司