專利名稱：聯(lián)合循環(huán)電廠使用的俘獲部分二氧化碳的重整系統(tǒng)的制作方法
^循環(huán)電廠fOT的俘獲部分二氧化碳的重整系統(tǒng)背景技術(shù)二氧化碳(co2)， 一種所謂的溫室氣體，是熔爐以皿電廠中的化石燃料 燃燒而產(chǎn)生的。近來的科學(xué)研究表明，二氧化碳以及其他溫室氣體的排放，例如甲烷(CI"和氧化氮(N20)，可對氣候的變化產(chǎn)生重要的影響。由二氧化 碳以及其他溫室氣體的排放所導(dǎo)致的、至少部分導(dǎo)致的氣候的變化趨勢已經(jīng)弓I 起了國際關(guān)注，并產(chǎn)生了與此相關(guān)的國際條約，例如京都條約。由于本國和國際上的關(guān)注，能量制造者一直在嘗試降低從發(fā)電廠排放的二 氧化碳含量。許多新建的發(fā)電廠是天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，或者'WGCC"發(fā)電 廠。盡管與煤發(fā)電廠相比，這幾電廠排放的二氧化碳顯著^K但在滿足不 斷提高的排放標(biāo)準(zhǔn)方面仍縱在著困難。近來，歐洲的麟制定者提議給規(guī)定 的發(fā)電廠每年可排放的二氧化碳量，設(shè)定一個(gè)最大限額。他們提議，二氧化碳 的排放量M該限額就需要為超出的量繳納"碳稅"。事實(shí)上，在瑞典當(dāng)?shù)匾呀?jīng) 存在這樣的碳稅。同樣的，擁喊、芬蘭和荷蘭最近也制定了碳稅。類似的有關(guān) 碳稅的提議也已經(jīng)在加利福尼亞和打算提高空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的美國其他州進(jìn)行了 討論。現(xiàn)有的發(fā)電廠可以利用甲垸水蒸氣重整(SMR)、自熱重整(ATR)以及 催化部分氧化(CPO)，將天然氣(NG)轉(zhuǎn)化為合成氣或包括氫，一氧化碳 的重 ，將其應(yīng)用于氣輪機(jī)發(fā)生器中，也可以是氫氣，用于氨的生產(chǎn)和精煉。 雖然重整物的使用可以有利的減少NOx的排放，但天然氣(NG)的重整反應(yīng) 以及發(fā)電需要的燃燒反應(yīng)可能會生成大量二氧化碳。為了使全部的天然氣進(jìn)行 重整，所使用的重整裝置必須非常大且昂貴。而且，如果使用的是甲^7jC蒸氣 重整裝置，該重整驢的爐子一側(cè)的操作纟鵬需要高達(dá)2600華氏度(。F)。在 這樣的溫度下，4頓的甲^7jC蒸氣重整體需要由昂貴的高溫合金制成。要捕 ^i^M整體產(chǎn)生的大量二氧化碳可能是更困難的事瞎。俘獲如此大量的二 氧化碳是昂貴的，并且降低了發(fā)電廠的整體效率，這是因?yàn)楦嗟膇t料需要被 用來俘獲過量排放的二氧化碳。因此，需要進(jìn)行大量的資產(chǎn)投資，使現(xiàn)有的發(fā)電廠具備符爐來越嚴(yán)格的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)的能力。因此，需要^一種發(fā)電廠，它可以利用更便宜的、更低纟顯度的重整， 來轉(zhuǎn)化天然氣，并且俘獲由此產(chǎn)生的一部分二氧化碳。這樣的系統(tǒng)由于是在較 低鵬下運(yùn)行，可以降低資產(chǎn)成本和運(yùn)作成本，f頓循環(huán)流來提高效率，并且 只俘獲超出發(fā)電廠年限額的二氧化碳排放量，因此避免了昂貴的碳稅。而且，如果該系統(tǒng)可以改進(jìn)現(xiàn)有NGCC發(fā)電廠，將是有利的。發(fā)明內(nèi)容這里公開的是能夠俘獲部分二氧化碳的天然氣g循環(huán)系統(tǒng)，以及該系統(tǒng) 的操作方法。在一種實(shí)施方式中， 一個(gè)g循環(huán)系統(tǒng)包括，包括預(yù)甲烷水蒸氣重整裝置的重整裝置單元，其中預(yù)甲^7乂蒸氣重整裝置被設(shè)定為在低于約800'c的溫度下運(yùn)行，并將混合it料流重整為第一重整流，其中所述混合it料流包括第^^燃料和蒸汽；含7K-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器的轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元，其中水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng) 器被設(shè)定為將第一重整流中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，并形成第二重整流； 二氧化碳去除單元，被設(shè)定為將第二重整流中的二氧化碳除去，并形成二氧化 碳流和第三重整流，其中小于約50%的存在于混合燃料流中的碳以二氧化碳的 形式被二氧化碳去除單元回收；氣輪機(jī)單元，被設(shè)定為接收第三重整流和第二 it料的混合物，并生成能量和廢氣流，其中所述廢氣流提供熱量來完成混合燃 料流的重整；以及蒸汽發(fā)生器單元，被設(shè)定為接收廢氣流，其中所述廢氣流的 熱量被轉(zhuǎn)化為水流，從而生成冷卻的廢氣流和用于蒸汽f&機(jī)及混^^i料流的蒸 汽。一種發(fā)電并且俘獲部分二氧化碳的方法，包括在預(yù)甲烷7夂蒸氣重整， 中對包含第一燃料和蒸汽的混合燃料流進(jìn)行重整，生成包括氫氣、 一氧化碳、 蒸汽的第一M流，在7jl-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中將第一重整流中的蒸汽和一氧化碳轉(zhuǎn) 化成包括二氧化碳和氫氣的第二重整流，在二氧化碳去除單元中除去第二重整 流中的二氧化碳，生成二氧化碳流和第三重整流，其中少于約50%的存在于混 合燃料流中的碳以二氧化碳的形式被二氧化碳去除單元回收，在氣輪機(jī)單元中 燃燒第三重整流和第二燃料流的混合物，生成廢氣流，并且在熱回收蒸汽發(fā)生 器中禾,廢氣流的熱量產(chǎn)生蒸汽，所述蒸汽被用來發(fā)電并且與第一燃料混合形 成混合燃料流。在另外一種實(shí)施方式中， 一種聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)包括包括熱回收蒸汽發(fā)生器的混合單元，所述熱回收蒸汽發(fā)生^l包括至少兩級，其中第一級包括預(yù)甲烷7jC蒸氣重整裝置，該甲烷7jC蒸氣重整裝置被設(shè)定為在低于約80(TC的溫度下運(yùn)行，禾,氣輪機(jī)的熱廢氣流中的熱量對混合燃料流進(jìn)行重整，生，一重整流，其中第二級利用廢氣流的熱量生成蒸汽；包括7k-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器的轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元， 所^7jC-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器被設(shè)定為將第一重整流中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳并生 成第二重整流；二氧化碳去除單元，被設(shè)定為除去第二重整流中的二氧化碳并 生成二氧化碳流和第三重整流，其中少于約50X的存在于混^jt料流中的碳以 二氧化碳的形式被二氧化碳去除單元回收；氣輪機(jī)單元，被設(shè)定為接收第二燃 料和第三重整流，并生成能量和j^流。


對照附圖，其中相同的元件以相同的編號出現(xiàn)附圖1描述了一種會,俘獲部分二氧化碳的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn)性范 例，以及附圖2描述了另外一種旨辦俘獲部分二氧化碳的I^循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn) 性范例。 部件列表10: NGCC發(fā)電系統(tǒng)12:重整裝置單元14:預(yù)甲^7jC蒸氣重整裝置16:熱交換器18:第"jt料20:蒸汽22:混合燃料流24:第一重整流26:辦啲第一重整流28:加熱的混^M料流30:轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元32:水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器34:第二重整流36:熱交換器38:糊的第二軍整流40:一氧化碳去除單元42:胺吸收器44:再生塔46:二氧化碳流48:第二重整流50:第二燃料52:富含氫的燃料流54:氣輪機(jī)單元58:部分60:氫化脫硫單元62:壓縮機(jī)64:燃燒器66:氣輪機(jī)68:發(fā)生器70:氧化劑72:壓縮的氧化劑74:戯混合物76:氣輪機(jī)詢荒77:部分78:蒸汽發(fā)生器單元80:熱回收蒸汽發(fā)生器81:第一級82:第二級83:第三級84:蒸汽輪機(jī)86:蒸汽發(fā)生器88:冷凝器90:蒸汽輪機(jī)流出流92:水流94:辨口排放流96:預(yù)甲^7K蒸氣重整，98:齢單元100: f^循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具體實(shí)施方式
這里公開了禾擁預(yù)甲烷水蒸氣重整體(SMR)和部分二氧化碳俘獲單元的聯(lián)合循環(huán)能量系統(tǒng)和方法。所述総循環(huán)系統(tǒng)通過熱回收俘獲氣輪機(jī)排放的it^中的能量來產(chǎn)生蒸汽，從而進(jìn)行了 Rankine (蒸m&機(jī))和Brayton (氣輪 機(jī))熱力學(xué)循環(huán)的聯(lián)合。與現(xiàn)有技術(shù)中使用傳統(tǒng)重整裝置的f^循環(huán)電廠相反， 這里公開的系統(tǒng)和方法有利的使用低溫預(yù)甲^7jC蒸氣重整裝置來重整僅僅一部 狀然氣(NG)，用于俘獲超出指定允許范圍的二氧化碳的排放。在傳統(tǒng)的預(yù) 甲^ZK蒸氣重整裝置中，反應(yīng)必須在高溫下進(jìn)行，例如高于100(TC，以便將甲 烷完^^化成氫氣。然而在這里公開的預(yù)甲烷水蒸氣重整裝置中，反應(yīng)溫度為 大約55(TC至大約800°C ，具體的是為大約60(TC至大約750°C ，更具體的為大 約65(TC。由于期望俘^M料流中少于約50%的碳，預(yù)甲^7K蒸氣重整裝置的 所要求的轉(zhuǎn)化效率僅僅需要達(dá)至鵬小于或者等于約70 %的甲烷轉(zhuǎn)化成氫氣和一 氧化碳即可。而且，這里公開的系統(tǒng)使用蓄熱式熱交換器來回收從預(yù)甲烷7jC蒸 氣重整裝置和水-氣轉(zhuǎn)換(WGS)反應(yīng)器中排出的重整物的熱量，用來對供給 預(yù)甲垸水蒸氣重整裝置的天然氣和蒸汽進(jìn)行預(yù)熱，因而提高了整個(gè)系統(tǒng)的效 率。所述預(yù)甲烷7乂蒸氣重整驢還可以^a現(xiàn)有的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)， 4吏其具備這里公開的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而無需進(jìn)纟于額外的資產(chǎn)花費(fèi)，也不需要為單 獨(dú)的甲^7K蒸氣重整裝置單元提供空間。這里^ffl術(shù)語的目的是為了描述而非限制。這里公開的具體結(jié)構(gòu)和功能的 細(xì)節(jié)不被認(rèn)為是限制的意思，僅僅是作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)和，用于教導(dǎo)本領(lǐng)域 熟練技術(shù)人員對本發(fā)明進(jìn)行不同的應(yīng)用的代表性資料。而且，這里使用的術(shù)語 "第一"、"第二"以及類似用語不^^任何順序或者重要性，僅僅是用來將一禾中 元件區(qū)別于另一種，術(shù)語"該"、"一個(gè)"、以及"一種"不表示對數(shù)量柳艮制，僅 僅表示存在所弓間的術(shù)語中的至少一種。用于連接數(shù)量詞的{斜布語"大約"包含 所述數(shù)量定值，并且具有上下文規(guī)定的意義(例如，包括特定數(shù)量測定值的誤 差度)。此外，涉及給定成分的相同含量或測量值的所有范圍包括端點(diǎn)并且可獨(dú)立結(jié)合。附圖1描述了一種范例性NGCC發(fā)電系統(tǒng)10，用來發(fā)電和俘獲排放的二 氧化碳。所述系統(tǒng)10包括含有預(yù)甲像乂蒸氣重整裝置14和熱交換器16的重 整裝置單元12。所述重整體單元12被設(shè)定為接收第一燃料18和蒸汽20， 將二者混合形成混合燃料流22，并且生成包括一氧化碳、氫氣、未轉(zhuǎn)化的燃料 和蒸汽的第一重整流24。所述熱交換器16將來自于第一重整流24的熱量轉(zhuǎn)移 到混^M料流22中，生成冷卻的第一重整流26和加熱的混合jt料流28。發(fā)電 系統(tǒng)10進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元30。纟^7令卻的第一重整流26送至轉(zhuǎn)換反應(yīng)單 元30，在WGS反應(yīng)器32中重整流26中的一氧化碳(CO)和蒸汽被轉(zhuǎn)化成 二氧化碳和氫氣。從WGS反應(yīng)器中排出的第二重整流34被送至熱^l奐器36。 熱交換器36將第二重整流34的熱量轉(zhuǎn)移至第"^it料18中，生成冷卻的第二 重整流38和加熱的第一jt料18。將冷卻的第二重整流38送至二氧化碳去除單 元40。所述二氧化碳去除單元40包括胺吸收器42和再生塔44，被設(shè)定為將 冷卻的第二重整流28中的二氧化碳除去，生成二氧化碳流46和第三重整流48， 其中第三重整流48包,氣、 一氧化碳和未轉(zhuǎn)化的燃料。將第三重整流48與第二燃料50進(jìn)行混合，生成富含氫的燃料流52，并將 其送至氣輪機(jī)單元54。任選的，可以將第三重整流48的一部分58送至氫化脫 硫(HDS)單元60，為第」燃料18的氫化脫硫反應(yīng)提供所需的氫氣。氣輪機(jī) 單元54包括壓縮機(jī)62，燃燒器64，氣輪機(jī)66，以織生器68。用壓縮機(jī)62 對氧化劑70進(jìn)行壓縮，然后與富含氫的燃料流52進(jìn)行混合。經(jīng)過壓縮的氧化 劑72與富含氫的jt料流52在燃燒器64中進(jìn)行燃燒，生成熱量和熱的壓縮燃 燒i^混合物74，并將其送至氣輪機(jī)66中。所述壓縮;^燒廢氣混合物74發(fā)生 膨脹來驅(qū)動輪機(jī)，隨后以廢氣流76的形式排入蒸汽發(fā)生器單元78。氣輪機(jī)廢 氣流76的一部分(77)被轉(zhuǎn)移到預(yù)甲^7jC蒸氣重整裝置18中，提供熱量完成 對混^jt料流28的重整。由膨脹的高壓混合氣驅(qū)動的輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，以本領(lǐng)域熟 練技術(shù)人員公知的方式，M51鍋爐68的方式轉(zhuǎn)化成育遣。所述蒸汽發(fā)生器單元78包括HRSG80，皿輪機(jī)84，以及蒸n^生器86。 所述HRSG80有三級81， 82和83，用來利用廢氣76中的余熱來產(chǎn)生蒸汽20。 蒸汽20用來與第一jt料18混合形成混^jt料流22。蒸汽20還被用來驅(qū)動在 預(yù)甲^7jC蒸氣重整裝置14中發(fā)生的重整反應(yīng)以及被用來經(jīng)由蒸n^機(jī)84和蒸汽發(fā)生器86進(jìn)行發(fā)電。蒸汽發(fā)生器78還可以進(jìn)一步包括冷凝器88，將蒸汽輪機(jī)出口流出的蒸汽流90冷凝成水流92。水流92可以再循環(huán)至熱回收蒸汽發(fā)生器80中用于生成蒸汽。.冷卻的廢氣流94可以被排放到環(huán)境中?，F(xiàn)在回到重整體單元12，所述預(yù)甲像JC蒸氣重整裝置14被設(shè)定為進(jìn)行第一燃料的重整，艦傳統(tǒng)的蒸汽重整過程進(jìn)行。然而，所述預(yù)甲^7R蒸氣重整體在低于現(xiàn)有甲烷水蒸氣重整體的溫度下進(jìn)行燃料的重整，因此，天然氣中的甲烷僅有部分被轉(zhuǎn)化成合成氣(包括氫氣和一氧化碳)，這將在下面進(jìn)《亍更加詳細(xì)的討論。^料18可以包括任何適合的氣體或者^f體。為了便于討論，所述第一燃料18將會指代天然氣。天然氣指的是氣體混合物，主要包括甲烷以及數(shù)量不等的乙垸、丙烷、丁烷以及其它氣體。典型的，供給NGCC系統(tǒng)10的天然氣給料中的大約5%-大約50%被送至預(yù)甲^7夂蒸氣重整體14中。特別是，約10%-30%天然氣被送至預(yù)甲烷7夂蒸氣重整體中轉(zhuǎn)化，更具體的大約20%。天然氣的主要構(gòu)成是甲垸(CH4)，它在兩步反應(yīng)中與蒸汽進(jìn)行反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。依照如附圖1所示的本發(fā)明的技術(shù)，所述第一反應(yīng)在預(yù)甲烷水蒸氣重整裝置14中發(fā)生，在那里甲烷與蒸汽反應(yīng)生成氫氣和一氧化碳，按照下述反應(yīng)(1)CH4 + H20o CO + 3H2AH°298 = + 251 kJmo廣1 (1)所述蒸汽重整反應(yīng)(1)是吸熱的。因此，蒸汽重整反應(yīng)需要消耗大量能量， 在整個(gè)重整過程中需要大量的熱量。如前所述，預(yù)甲^7jC蒸氣重整裝置14在 反應(yīng)溫度大約500。C-大約80(TC下運(yùn)行，具體的是在大約600。C-大約700。C下 運(yùn)行，更具體的是在大約65(TC下運(yùn)行。由于期望俘獲第^jt料流18中少于約 50 %的碳，預(yù)甲^7K蒸氣重整裝置的所要求的轉(zhuǎn)化效率僅僅是將小于或者等于 約70%的甲烷轉(zhuǎn)化成氫氣和1化碳即可。同樣的，預(yù)甲^/K蒸氣重整裝置可 以有利的在劍氐 鵬下運(yùn)行，從而降低了運(yùn)行成本，通過消除了對昂貴的高溫 合金的需微而降低了操作成本。預(yù)甲;K7jC蒸氣重整體可以包^i午多管道，M:這些，將氣輪機(jī)的熱廢氣流中的熱量傳遞給甲^^蒸氣重整催化劑，用^ift行吸熱反應(yīng)(1)。加熱的混合燃料流28流經(jīng)蒸汽重整催化劑，被轉(zhuǎn)化為包括氫氣、 一氧化碳、二氧化碳、未轉(zhuǎn)化的燃料以及蒸汽混合物的第一重整流24。然后，將氣輪機(jī)廢氣流中已經(jīng)冷卻的部分77送入煙囪準(zhǔn)備排空。預(yù)甲烷 7K蒸氣重整催化劑可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何傳統(tǒng)甲^7jC蒸氣重整催化劑，例如鎳基催化劑。任選的，所述重整單元12可以進(jìn)一步包括適用于蒸汽20與第一燃料18混合的原料飽和電路。在第一重整流24任選的被熱交換器16進(jìn)行冷卻之后，所述冷卻的第一重整流26 iSA轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元30 。蒸汽重整反應(yīng)的第二反應(yīng)發(fā)生在^VGS反應(yīng)器32中，在那里冷卻的第一重整流26中的一氧化碳和蒸汽被轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣，按照下述反應(yīng)(2)CO + H20 o C02 + H2 AH =-41.16 kJ/mol (2)置換反應(yīng)(2)是在變換催化劑存在的情況下發(fā)生的輕微吸熱反應(yīng)。因此， 當(dāng)反艦行的時(shí)候，第一重整流26穿過催化齊蛛而導(dǎo)敷驢升高。所述置換 催化劑可以包括高M(jìn)S換催化劑(HTS)或者低iSS換催化劑(LTS)或者HTS 和LTS催化劑的組合物。在WGS32中，反應(yīng)溫度可以是大約20(TC-大約600 °C。然而，保持低溫可以促使反應(yīng)(2)向右進(jìn)行，即產(chǎn)生更多的氫氣和二氧 化碳，產(chǎn)生更少的蒸汽和一氧化碳。因此，所述WGS可以在大約30(TC-大約 40(TC的范圍內(nèi)運(yùn)行，更具體的是在大約35(TC下運(yùn)行。第一重整流26向二氧 化碳和氫氣的轉(zhuǎn)化形成了第二重整流34。而且，所述重整裝置單元12和轉(zhuǎn)換 反應(yīng)單元30可以是單獨(dú)的設(shè)備(如附圖1中所示)，或者可以是一臺包括預(yù)甲 ^7jC蒸氣重整器14以及水一氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)器32的設(shè)備。二氧化碳去除單元40可以包括胺吸收器42和再生塔44。所述第二重整流 34可以在熱交換器36中敝賴卩至適當(dāng)?shù)臏囟?，以便更好的利用胺進(jìn)行二氧化 碳的化學(xué)吸收。這項(xiàng)技術(shù)要以烷醇胺溶劑為基礎(chǔ)，所述烷醇胺歸腰具有在相 對低溫的條件下吸收二氧化碳的能力，并且可以通過升高富M媼度的方式很 容易的被回收。用于這項(xiàng)技術(shù)的溶齊呵以包括，例如三乙醇胺，單乙醇胺，二 乙醇胺，二異丙醇胺，二甘醇胺，甲基二乙醇胺，及其類似物。如上所述，俘 獲的二氧化碳可以少于第一」Jt料18中的碳的50%。俘^^夠的二氧化碳，避 免因?yàn)榕欧綘t過二氧化碳年排放限額而可能得至啲碳稅處罰。然而，與現(xiàn)有技 術(shù)的完全俘獲二氧化碳系統(tǒng)相比，本發(fā)明公開的系統(tǒng)具有減少的資金投資和運(yùn) 行成本以及提高的能量效率。由此生產(chǎn)并俘獲的二氧化碳流46可以容易的被 排放到期望的場所。例如，這些二氧化碳可以被方便的排放至煤些場所中，在 該場所中二氧化碳可以被注入到適合的用于儲存(扣押)的地下結(jié)構(gòu)中，或者 注入到油田中用來提高采油率(EOR)，赫被用于加工過程中。二氧化碳去除單元40中余下的流是第三 流48，主要包括氫氣， 一氧 化碳，未禾胸的燃料以及水。將該流送至氣輪機(jī)單元54中用于燃燒。任選的， 該流的一部分58可以被送至氫化脫硫單元60。在氫化脫硫單元60中，第"l)t 料18中含有的硫在氫化脫硫單元60中的直接脫硫柱中，通過氫化脫硫作用被 轉(zhuǎn)化成硫化氫。得到的氫化硫隨后被硫吸收器吸收和除去，或者被氫化脫硫單 元60中的脫硫柱下游的吸收單元所吸收除去。從第"l)t料18中除去硫是有利 的，因?yàn)榱蚩梢远净A(yù)蒸汽重Mf崔化劑。fflil轉(zhuǎn)移第三重整流48的一部分58， 氫化脫硫過程所需的氫氣可以由閉合循環(huán)所提供，而不需要^ffl單獨(dú)的氫氣源 流。所述氫化脫硫單元60可以在大約20(TC-大約40(TC下運(yùn)行，具體的是在 大約25(TC-大約350。C下運(yùn)行。氫化脫硫過程中^ffi的催化劑可以是現(xiàn)有的氫 化脫硫催化劑，例如那些可商業(yè)購買的、由Sud Chemie或者Haldor Topsoe公 司生產(chǎn)的，例如硫化鉬鈷或者硫化鎳鉬。第三重整流48禾口第二燃料50進(jìn)行混合，然后被送至氣輪機(jī)單元54中， 生成富含氫的燃料流52。所述第二燃料包括燃料的殘雑，即被送至發(fā)電系統(tǒng) 10的天然氣。典型的，在被趟NGCC系統(tǒng)10的天然氣中，大約50%-大約 95%的天然氣可以作為燃料在氣輪機(jī)單元54中被消耗。具體的是，大約70%-大約90%的天然氣被燃燒器64所消耗，更具體的是，大約80%的天然氣被用 來俘獲聯(lián)合循環(huán)電廠產(chǎn)生的二氧化碳總量的10%。將富含氫的jt料流52注入 燃燒器64中，在壓縮的氧化劑72存在下進(jìn)行燃燒，生成熱的壓縮j^混合物 74。與僅使用第二燃料50的燃燒器相比，富含氫的燃料在燃燒器64中擴(kuò)大了 火焰穩(wěn)定性，因此燃燒器可以是較干凈的，并且火焰的溫度較低。結(jié)果是得到 了NOx排方力K平較低的燃燒^，這是由于;)t燒器64中較低的火焰^g導(dǎo)致 的。與僅4頓第二燃料50的燃燒器相比，該燃燒器還可以進(jìn)一步具備翻料能 力。而且，將氫氣摻入天然氣可以給it燒器提供一個(gè)更大的可操作性，在發(fā)電 的同時(shí)保持低水平的排放。然后將熱的壓縮混仏體74排出燃燒器64，并流 經(jīng)氣輪機(jī)66，在那里，熱的壓縮混合氣體74發(fā)生部分冷卻和膨脹，從而產(chǎn)生 機(jī)械動力。所述機(jī)械動力經(jīng)由發(fā)生器68轉(zhuǎn)化為肯旨量。膨脹并部分7賴啲戯76 排出氣輪機(jī)66并進(jìn)入蒸汽發(fā)生器單元78。蒸汽發(fā)生器單元78包括HRSG80，它回收排方M氣76的余熱并生皿汽 20。所述熱回收蒸汽發(fā)生器80具有三級81， 82和83，用于7軸卩廢氣76并生成蒸汽20。將蒸汽20的一部分,蒸汽輪機(jī)84，在那里蒸汽20發(fā)生膨脹并 ^4口，從而產(chǎn)生機(jī)械動力。隨后由發(fā)生器86將機(jī)械動力轉(zhuǎn)化成能量。所述膨 脹荊賴口的蒸汽排出輪機(jī)84，并且在冷凝器88中進(jìn)一步被y賴卩和壓縮，生成 7X流92并注入熱回收蒸汽發(fā)生器80中。將已經(jīng)7賴啲戯94送至煙囪排空。 如上所述，蒸汽20的剩余物與第一燃料18混合后生成混合燃料流22，隨后將 混合燃料流22送至預(yù)甲^7]C蒸氣重整裝置14中。通過將蒸汽20的剩，送 至預(yù)甲烷7K蒸氣重整體14，系統(tǒng)10有利的無需^頓額》卜的蒸汽發(fā)生器來提 供用于驅(qū)動重整反應(yīng)的蒸汽。附圖2描述了另外一種范例性發(fā)電系統(tǒng)100。注意的是，與附圖1中的第 一實(shí)M^"式相同的組件的描述在這里被省略了 。在附圖2中，熱回收蒸汽發(fā)生器80的第一級81 (如附圖1中所示)是預(yù) 甲^7jC蒸氣重整裝置96。附圖2中的發(fā)電系統(tǒng)100將蒸汽發(fā)生器單元78 (附 圖1中)與重整裝置單元12 (附圖1中)進(jìn)行g(shù)，形成g單元98。熱回 收蒸汽發(fā)生器80的第一級96被 作為預(yù)甲烷水蒸氣重整裝置。所述熱回收 蒸汽發(fā)生器80可以是一種管殼式熱交換器。同樣的，預(yù)甲^7jC蒸氣重整催化 劑可以被塞進(jìn)HRSG80的第一級96的管程處(即7令端)。廢氣76可以流經(jīng)熱 回收蒸汽發(fā)生器80的第一級96的殼程(即熱端)。第一級96被設(shè)定為在大約 60(TC-大約90(TC的范圍內(nèi)運(yùn)fi1。將預(yù)熱的混合"^料流28流經(jīng)第一部分96的 ，中的催化劑，以便〗tM料發(fā)生重整，生成第一重整流24，如第一種實(shí) 式中所述。熱的氣輪機(jī)廢氣76流經(jīng)第一部分96的殼程，為驅(qū)動前述吸熱蒸汽 重整反應(yīng)(1)提供了所需的熱量。HRSG80剩下的部分82和83將廢氣76中 的余熱傳遞到水92中，生成蒸汽20。任選的，熱^l奐器16可以作為一部分被 包括在齢單元98中，用來將第一重整流24中的熱量傳遞給混合燃料流22。ffiii將HRSG80的第一部分96 6fcit成為一個(gè)預(yù)甲^7K蒸氣重整裝置，使 得建成本發(fā)明公開的具有部分二氧化碳俘獲能力的NGCC發(fā)電系統(tǒng)的資產(chǎn)成 本得以降低?？梢怨?jié)省KZ1—個(gè)單獨(dú)的預(yù)甲^7K蒸氣重整裝置的資金，也可以節(jié)省^這樣一個(gè)單元需要的空間。而且，對于大多數(shù)含有熱回收蒸汽發(fā)生器的發(fā)電廠來說，可以將這些單元^t成包括預(yù)HRSG的部分，從而節(jié)省了， 現(xiàn)有發(fā)電廠所需的資金和空間，使現(xiàn)有NGCC電廠具有與本發(fā)明公開的部分 俘獲二氧化碳系統(tǒng)具有相同的低成本的優(yōu)點(diǎn)。如上所述，本發(fā)明公開的系統(tǒng)中使用的燃料優(yōu)選的包括天然氣。然而，該 系統(tǒng)可以被設(shè)定為使用任何適合的氣體或液體作為燃料，例如生物氣(主要包括甲烷)，液化石油氣(LPG)，石腦油，丁烷，丙烷，柴油，煤油，乙醇，甲醇，航空燃料，來自于煤的燃料，生物燃料，氧化烴原料，以及它們的混合物。值得注意的是，第」燃料18和第二燃料50中的每一種都可以選自Jd^燃料的 例子中。在一種實(shí)船式中，第Ht料18和第二燃料50是相同的。本發(fā)明公 開的系統(tǒng)中使用的氧化劑70可以包括任何含有氧氣的適當(dāng)氣體，例如空氣， 富氧空氣，氧氣艦的空氣，或者來自于空氣分離單元(ASU)中的氧氣。這里描述的NGCC發(fā)電系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)。與使用完整的甲烷水蒸氣重整 裝置單元對甲烷進(jìn)纟亍完全轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)相比，這里描述的系統(tǒng)i!31引入低溫、低 成本的預(yù)甲^7K蒸氣重整裝置單元對甲^iS行部分轉(zhuǎn)化，來斷氐燃料成本、資 產(chǎn)成本以及能源成本。類似的，與俘獲燃料流中的全部碳成分相比，僅俘獲一 部分的二氧化碳(為避免碳稅處罰而需要捕獲的量)會斷氐資產(chǎn)和育繊的消耗。 同樣的，放置于有利位置的熱交換器和系統(tǒng)中形成的循環(huán)回路提高了整體效 率。而且，這里公開的部分俘獲二氧化碳的NGCC系統(tǒng)可以有利的改進(jìn)現(xiàn)有 的NGCC發(fā)電廠，用來減少排放，避免可能產(chǎn)生的排放處罰或碳稅。這里公 開的系統(tǒng)具有的低溫運(yùn)行及占用空間小的特性，意 它們可以以最少的資產(chǎn) 被引入到現(xiàn)有發(fā)電廠中，無需進(jìn)行大規(guī)模的資產(chǎn)投資。盡管本發(fā)明假照范例性實(shí)施方式進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解， 可以對組件進(jìn)行各種改變并且可以使用等價(jià)物對其進(jìn)行替換，而不會背離本發(fā) 明的范圍。此外，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，可以進(jìn)行很多^itt適應(yīng)特殊的情形或 者材料，不會背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)上的范圍。因此，這里公開的特定實(shí)皿式只 是預(yù)期的肯,實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，并不構(gòu)成對發(fā)明的限制，本發(fā)明將包括 落入附后的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的全部實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)(10，100)，包括包括預(yù)甲烷水蒸氣重整裝置(14，96)的重整裝置單元(12)，被設(shè)定為在低于約800℃的溫度下運(yùn)行，并將混合燃料流(22)重整為第一重整流(24)，其中所述的混合燃料流包括第一燃料(18)和蒸汽(20)；包括水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(32)的轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元(30)，被設(shè)定為將第一重整流中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，并形成第二重整流(34)；二氧化碳去除單元(40)，被設(shè)定為將第二重整流中的二氧化碳除去，并形成二氧化碳流(46)和第三重整流(48)，其中小于約50％的存在于第一燃料中的碳以二氧化碳的形式被二氧化碳去除單元回收；氣輪機(jī)單元(54)，被設(shè)定為接收第三重整流和第二燃料(50)的混合物，并生成能量和廢氣流(74)，其中所述的廢氣流提供熱量來完成混合燃料流的重整；以及蒸汽發(fā)生器單元(78)，被設(shè)定為接收廢氣流，其中廢氣流的熱量被轉(zhuǎn)化為水流(92)，從而生成冷卻的廢氣流(94)和用于蒸汽輪機(jī)(84)及混合燃料流的蒸汽。
2. 禾又利要求1所述的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其中蒸汽發(fā)生器單元(78)進(jìn)一步 包括熱回收蒸汽發(fā)生器(80)，所述熱回收蒸汽發(fā)生器包括至少兩級(81， 82)， 其中一級(81)包括預(yù)甲烷水蒸氣重整裝置(96)，所述預(yù)甲垸水蒸氣重整裝 置利用廢氣流中的熱量進(jìn)行混合燃料流的重整。
3. 權(quán)利要求1所述的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其中重整，單元進(jìn)一步包括熱交 換器(16)，其被設(shè)定為接收第一重整流和混合燃料流，其中來自于第一重整 流的熱量被傳遞到混合流中，形成冷卻的第一重整流(26)和加熱的混合燃料 流(28)，其中加熱的混合燃料流被,預(yù)甲^7jC蒸氣重整裝置中。
4. 權(quán)利要求1所述的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元(30)進(jìn)一步包 括熱交換器(36)，其被設(shè)定為接收第二重整流和第一燃料，其中來自于第二 重整流的熱量被傳遞到第一燃料中，形成冷卻的第二重整流(38)和加熱的第 一燃料。
5. 權(quán)利要求4所述的齢循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括氫化脫硫單元(60)，其被設(shè)定為接收第"^it料(18)，其中第三重整流(48)的一部分與第一燃料(18) 進(jìn)行混合，并被送至氫化脫硫單元(60)。
6. 權(quán)利要求1所述的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其中重整單元(12)具有的甲垸轉(zhuǎn) 化率小于或者等于約70%。
7. —種產(chǎn)生能量并且俘獲部分二氧化碳的方法，包括 在預(yù)甲烷7K蒸氣重整裝置(14， 96)中對包含第一燃料(18)和蒸汽(20)的混合燃料流(22)進(jìn)行重整，在低于大約80(TC下進(jìn)行，生成包織氣、一 氧化碳、蒸汽的第一重整流(24);在7K-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(32)中將第一重整流中的蒸汽和一氧化碳轉(zhuǎn)化成包括 二氧化碳和氫氣的第二重整流(34);在二氧化碳去除單元(40)中除去第二重整流中的二氧化碳，生成二氧化 碳流(46)和第三重整流(48)，其中少于約50%的存在于第一燃料中的碳以 二氧化碳的形式被二氧化碳去除單元回收；在氣輪機(jī)單元(54)中燃燒第三重整流和第二燃料流(50)的混合物，生 成能量和產(chǎn)生廢氣流(76);以及在熱回收蒸汽發(fā)生器(80)中利用廢氣流的熱量產(chǎn)生蒸汽，所述蒸汽被用 來發(fā)電并且與第一燃料08)混合形成混合燃料流(22)。
8. 禾又利要求7的方法，其中重整反應(yīng)也發(fā)生在熱回收蒸汽發(fā)生器(80) 中，所述熱回收蒸汽發(fā)生器具有至少兩級(81， 82)，在第一級(81)中包括 預(yù)甲烷水蒸氣重整裝置(96)，所述預(yù)甲烷7K蒸氣重整裝置也利用來自于廢氣 流的熱量進(jìn)行混合燃料流(22)的重整，生成第一重整流(24)。
9. 權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括在熱交換器中將第一重整流的熱量傳 遞到混合it料流中，生成冷卻的第一重整流和預(yù)熱的混合燃料流，其中所述加 熱的混合燃料流被送至預(yù)甲烷7jC蒸氣重整裝置中。
10. 權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括在熱交換器中將第二重整流的熱量傳 遞到第一jt料中，生成冷卻的第二重整流和加熱的第一Jt料。
全文摘要
一種減少NO_X排放的系統(tǒng)，包括被設(shè)定為接收燃料和產(chǎn)生富含氫氣流體的重整裝置，被設(shè)定為燃燒富含氫氣流體和產(chǎn)生電力及廢氣流的燃燒系統(tǒng)，以及被設(shè)定為回收廢氣流中的熱量回收裝置，其中回收的熱量被循環(huán)送回至重整裝置中。
文檔編號C10L3/10GK101274746SQ200710305168
公開日2008年10月1日 申請日期2007年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月3日
發(fā)明者A·T·埃武萊特, M·J·鮑曼, S·D·桑博恩, 科 劉 申請人:通用電氣公司