專利名稱：具有二氧化碳隔離的發(fā)電系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及發(fā)電(power generation)和二氧化石灰的有效回 收。更具體地，本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)廢氣壓縮和再循環(huán)與二氧化碳 分離和再回收的集成。
背景技術(shù)：
由于在燃燒過程中，碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳((302)，燃燒諸如化石燃 料的含碳燃料的發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生(:02作為副產(chǎn)物。從利用化石燃料的 發(fā)電廠(power plant)排放C02日益受動(dòng)國(guó)家條例和國(guó)際條約的制裁， 例如京都議定書和歐盟排放交易機(jī)制。隨著CC^排放成本的增加， 對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)電而言降低<:02的排放很重要。由于廢氣的低C02含量 和低(環(huán)境)壓力，從發(fā)電系統(tǒng)，例如從燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中除去或回收 二氧化碳(CO》通常是不經(jīng)濟(jì)的。因此，包含co2的廢氣通常會(huì)釋放 到大氣中，而不是隔離地釋放到海洋、礦山、油井、地質(zhì)鹽田貯藏 處等。
燃?xì)廨啓C(jī)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)布雷頓循環(huán)。它們使用壓縮機(jī)壓縮燃燒室上 游的入口空氣。于是引入和點(diǎn)燃了燃料以便產(chǎn)生經(jīng)由渦輪機(jī)部分進(jìn) 入和膨脹的高溫高壓氣體。渦輪機(jī)部分向發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)供給動(dòng)力。 燃?xì)廨啓C(jī)也能夠燃燒從原油至天然氣的寬范圍的液態(tài)燃料和氣態(tài)燃 料。
目前具有三種大體上公認(rèn)的用來降低從該種發(fā)電站排放的co2
的方法。第一種方法是在和空氣燃燒后從廢氣中收集(302，其中，在
燃燒中產(chǎn)生的C02通過吸收處理、薄膜、隔膜、低溫處理或其結(jié)合
等以便從廢氣中除去。該方法， 一般稱為燃燒后收集，通常致力于
降低從發(fā)電站的大氣廢氣中排放的C02。第二種方法包括降低燃料的
碳含量。在該方法中，燃料在燃燒之前首先轉(zhuǎn)化成H2和CCV因此，
在進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前有可能收集到燃料的碳含量。第三種方法包括
氧燃料(oxy-fbel)處理。在該方法中，純氧相對(duì)于空氣用作氧化劑， 從而產(chǎn)生了由二氧化碳和水組成的廢氣。
燃燒后C02收集處理的主要缺點(diǎn)在于C02分壓力由于廢氣中的 C02濃度低(通常占發(fā)電廠所燃燒天然氣體積的3-4%)而非常低，因 此需要大的昂貴的裝置以便除去C02。盡管通風(fēng)管處的C02濃度及 其分壓力可以通過廢氣的部分再循環(huán)到燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)而提高， 但其仍保持相當(dāng)?shù)氐?占大約6-10%的體積)。低的CC^分壓力和大 的氣體體積以燃燒后收集的方式預(yù)示著除開非常大型及昂貴設(shè)備外 相對(duì)于co2的除去會(huì)導(dǎo)致非常高的能量成本。這些因素都較大地提 供了發(fā)電成本。因此需要一種技術(shù)，其提供了經(jīng)濟(jì)地再回收從依賴 于含碳燃料的發(fā)電系統(tǒng)(例如，燃?xì)廨啓C(jī))中排出的C02。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面， 一種發(fā)電系統(tǒng)包括第一渦輪機(jī)系統(tǒng)。第一渦輪4幾 系統(tǒng)包括第一壓縮機(jī)區(qū)段，該第一壓縮機(jī)區(qū)段包括至少兩個(gè)級(jí)。該 兩個(gè)級(jí)包括流體連接到第一高壓壓縮機(jī)的第一低壓壓縮機(jī)，該第一 高壓壓縮機(jī)構(gòu)造成供給第一部分的氧化劑和第二部分的氧化劑。第 一燃燒室構(gòu)造成燃燒所述第一部分的壓縮氧化劑和含碳基燃料的第 一燃料流并產(chǎn)生第一熱煙道氣(flue gas)。第一渦輪機(jī)系統(tǒng)還包括第一 膨脹器區(qū)段，該笫一膨脹器區(qū)段具有用于接收所述第一熱煙道氣的 入口并且產(chǎn)生富含(302的第一膨脹廢氣。第一高壓膨脹器流體連接 到構(gòu)造成產(chǎn)生第一廢氣和電能的第一低壓膨脹器。co2分離系統(tǒng)流體 連接到高壓膨脹器以便從所述第一高壓膨脹器接收所述第一膨脹廢 氣并且提供隨后進(jìn)給到所述第一低壓膨脹器的C02貧氣(lean gas)。 發(fā)電系統(tǒng)還包括第二渦輪機(jī)系統(tǒng)，該第二渦輪機(jī)系統(tǒng)包括第二壓縮
機(jī)區(qū)段，該第二壓縮機(jī)區(qū)段包含至少兩個(gè)級(jí)。該兩個(gè)級(jí)包括流體連 接到第二高壓壓縮機(jī)的第二低壓壓縮機(jī)，其中，所述高壓壓縮機(jī)構(gòu) 造成接收所述第二部分的壓縮氧化劑。第二燃燒室構(gòu)造成燃燒含碳 基燃料的第二燃料流并且產(chǎn)生第二熱煙道氣，而第二膨脹器區(qū)段構(gòu) 造成接收所述第二熱煙道氣并且產(chǎn)生第二最終廢氣和電能。第二壓 縮機(jī)區(qū)段構(gòu)造成接收含二氧化碳的所述第二最終廢氣并且將再循環(huán) 流從所述第二高壓壓縮機(jī)排出到所述第二燃燒室以及將分流從所述 第二低壓壓縮機(jī)排出到所述第 一 高壓壓縮機(jī)。
在另一方面， 一種發(fā)電系統(tǒng)包括第一渦輪沖幾系統(tǒng)。該第一渴輪 機(jī)系統(tǒng)包括第 一壓縮機(jī)區(qū)段，該第 一壓縮機(jī)區(qū)段包括至少兩個(gè)級(jí)。 該兩個(gè)級(jí)包括流體連接到第一高壓壓縮機(jī)的第一低壓壓縮機(jī)，該第 一低壓壓縮機(jī)構(gòu)造成供給第一部分的壓縮氧化劑，而高壓壓縮機(jī)構(gòu) 造成供給第一壓縮混合流。第一燃燒室構(gòu)造成燃燒含碳基燃料的第 一燃料流和第一壓縮混合氣體并產(chǎn)生第一熱煙道氣。該第一渦輪機(jī) 系統(tǒng)還包括包含至少兩個(gè)級(jí)的第 一膨脹器區(qū)段，該第 一膨脹器區(qū)段 具有用于接收第一熱煙道氣的入口 。該兩個(gè)級(jí)包括第一高壓膨脹器， 該第一高壓膨脹器流體連接到構(gòu)造成產(chǎn)生第一最終廢氣和電能的第 一低壓膨脹器。該發(fā)電系統(tǒng)還包括具有第二壓縮機(jī)區(qū)段的第二渦輪 機(jī)系統(tǒng)，該第二壓縮機(jī)區(qū)段包括至少兩個(gè)級(jí)。該兩個(gè)級(jí)包括流體連 接到第二高壓壓縮機(jī)的第二低壓壓縮機(jī)，其中，低壓壓縮機(jī)構(gòu)造成 產(chǎn)生分流而高壓壓縮機(jī)構(gòu)造成產(chǎn)生第二混合流。第二燃燒室構(gòu)造成 燃燒第二混合流和含碳基燃料的第二燃料流并且產(chǎn)生第二熱煙道 氣。第二膨脹器區(qū)段構(gòu)造成接收第二熱煙道氣并且產(chǎn)生第二最終廢 氣和電能。該發(fā)電系統(tǒng)還包括流體連接到該第 一壓縮機(jī)區(qū)^殳和該第
二壓縮才幾區(qū)^:的(302分離系統(tǒng)。該C02分,系統(tǒng)構(gòu)造成接收分流并 產(chǎn)生CC^貧流。該第二壓縮機(jī)區(qū)段構(gòu)造成接收含二氧化碳的第二最 終廢氣以及將第二混合流從高壓壓縮機(jī)排出到第二燃燒室。
在又一方面， 一種用于發(fā)電的方法包括在壓縮機(jī)區(qū)段內(nèi)壓縮氧 化劑以便產(chǎn)生第 一 部分的壓縮氧化劑和第二部分的壓縮氧化劑，以 及燃燒第一燃料和該第一部分的壓縮氧化劑以便產(chǎn)生熱煙道氣。該 方法還包括在膨脹器區(qū)段膨脹該熱煙道氣并產(chǎn)生電能，其中，該膨 脹器區(qū)段構(gòu)造成接收包括至少兩個(gè)級(jí)的熱煙道氣。該兩個(gè)級(jí)包括高 壓膨脹器，該高壓膨脹器構(gòu)造成產(chǎn)生富含C02的第一膨脹廢氣。該 高壓膨脹器流體連接到構(gòu)造成產(chǎn)生第一最終廢氣和電能的低壓膨脹
器。該方法還包括在C02分離器內(nèi)從第一膨脹廢氣中分離(302并且
將co2貧氣引入到低壓膨脹器，以及在壓縮機(jī)區(qū)段中壓縮第二部分
的壓縮氧化劑。該壓縮才幾區(qū)段包括至少兩個(gè)級(jí)。該兩個(gè)級(jí)包括流體 連接到第二高壓壓縮機(jī)的第二低壓壓縮機(jī)，其中，該高壓壓縮機(jī)構(gòu) 造成接收第二部分的壓縮氧化劑。該方法還包括燃燒第二燃料流和
含碳基燃料的再循環(huán)流并產(chǎn)生第二熱煙道氣；以及膨脹該第二熱煙 道氣并產(chǎn)生第二最終廢氣和電能。該第二壓縮機(jī)區(qū)段構(gòu)造成接收含 二氧化碳的第二最終廢氣和從第二高壓壓縮機(jī)中排出再循環(huán)流以及 將分流從第二低壓壓縮機(jī)排出到第 一 高壓壓縮機(jī)。


參照附圖閱讀以下的詳細(xì)描述，將更好地理解本發(fā)明的這些和
其它特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)，在所有附圖中，相同的符號(hào)代表同樣的 部件，其中
圖1為根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例包括兩個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)的示范性發(fā) 電系統(tǒng)的示意圖2為根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例包括兩個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)的另一示范 性發(fā)電系統(tǒng)的示意圖3為根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例包括兩個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)的又一示范 性發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；和
圖4為根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例包括兩個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)的另一發(fā)電 系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本公開內(nèi)容提供了 一種在利用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的發(fā)電廠內(nèi)在高壓
時(shí)分離C02以便降低C02排放的處理。co2在經(jīng)過燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹 通路或壓縮通路的中途從富含(:02的煙道氣中被除去。隨著032的
濃度和分壓力的提高，觀察到較低的能量損失以便除去co2。
本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例提供了在發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)行的兩種或多種示 范性的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，該渦輪機(jī)系統(tǒng)在經(jīng)過壓縮通路的中途相互連 接并共享共有的壓縮氧化劑供給。結(jié)果，燃?xì)廨啓C(jī)的連接導(dǎo)致了處
理中C02濃度的提高，這有利于(302的分離處理。在一個(gè)示例中，
第 一 渦輪機(jī)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)將氧化劑(通過導(dǎo)管)供給到第 一 渦輪機(jī)系 統(tǒng)中的燃燒室內(nèi)以及第二渦輪機(jī)系統(tǒng)中的燃燒室內(nèi)。如下文所論述 的那樣，這可以用來從一個(gè)或多個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中提高第二渦輪
機(jī)系統(tǒng)中再循環(huán)流的<:02濃度?；厥盏腃02可作為產(chǎn)品進(jìn)行銷售、
可用來增強(qiáng)油回收或者就地例如作為其它處理的原料消費(fèi)。此外，co2 的該種回收降低了從發(fā)電系統(tǒng)排放到環(huán)境中的co2f。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，其示出了具有燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)11的示范性發(fā)電系
統(tǒng)10。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)11通常包括第一壓縮機(jī)區(qū)段12,該第一壓縮 機(jī)區(qū)段12典型地包括至少兩個(gè)級(jí)。在該示范性實(shí)施例中，如圖l所 示，第一壓縮機(jī)區(qū)段12包括流體連接到第一高壓壓縮機(jī)16的第一 低壓壓縮機(jī)14,該第一高壓壓縮機(jī)16構(gòu)造成供給第一部分的壓縮氧 化劑34和第二部分的壓縮氧化劑36。第一渦輪機(jī)系統(tǒng)11還包括第 一燃燒室22、第一膨脹器區(qū)段18和發(fā)電機(jī)50,該第一膨脹器區(qū)段18 用于供給驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)14和壓縮機(jī)16所需的能量。第一燃燒室22構(gòu) 造成燃燒第一部分的壓縮氧化劑34和包括碳基燃料的第一燃料流26 并產(chǎn)生第一熱煙道氣31。
第一膨脹器區(qū)段18具有用于接收第一熱煙道氣31的入口且構(gòu) 造成具有至少兩個(gè)級(jí)。該兩個(gè)級(jí)包括第一高壓膨脹器20，該第一高 壓膨脹器20構(gòu)造成產(chǎn)生富含(302的第一膨脹廢氣38。第一高壓膨脹
器20流體連接到第一低壓膨脹器22,該第一低壓膨脹器22構(gòu)造成 產(chǎn)生第一最終廢氣52和電能。
第 一渦輪機(jī)系統(tǒng)11還包括C02分離系統(tǒng)28 ，該C02分離系統(tǒng)28 流體連接到第一高壓膨脹器20以便從第一高壓膨脹器20中接收第 一膨脹廢氣38，并且該C02分離系統(tǒng)28用于向第一低壓膨脹器22 提供032貧氣48。
發(fā)電系統(tǒng)10還包括第二渦輪機(jī)系統(tǒng)62，該第二渦輪機(jī)系統(tǒng)62 包括構(gòu)造成具有至少兩個(gè)級(jí)的第二壓縮機(jī)區(qū)段64。該兩個(gè)級(jí)包括流 體連接到第二高壓壓縮機(jī)70的第二低壓壓縮機(jī)68。第二高壓壓縮才幾 70構(gòu)造成接收第二部分的壓縮氧化劑36并產(chǎn)生再循環(huán)流71。第二 燃燒室72構(gòu)造成燃燒第二燃料流82和包含碳基燃料的再循環(huán)流71 并產(chǎn)生第二熱煙道氣73。
第二膨脹器區(qū)段66構(gòu)造成接收第二熱煙道氣73。第二膨脹器區(qū) 段66典型地具有包括第二高壓膨脹器74的至少兩個(gè)級(jí)，該第二高 壓膨脹器74構(gòu)造成產(chǎn)生第二膨脹廢氣75。第二高壓膨脹器74流體 連接到第二低壓膨脹器76，該第二低壓膨脹器76構(gòu)造成產(chǎn)生第二最 終廢氣88和經(jīng)由發(fā)電機(jī)86產(chǎn)生電能。在一些實(shí)施例中，該第二膨 脹器區(qū)段66包括單一級(jí)。
第二壓縮機(jī)區(qū)段64構(gòu)造成接收含二氧化碳的第二最終廢氣88 并從高壓壓縮機(jī)70向第二燃燒室72提供再循環(huán)流71以及從低壓壓 縮機(jī)68向第一高壓壓縮機(jī)的入口提供分流84。
如圖1的實(shí)施例所示，(302分離系統(tǒng)28有利地包括了熱交換器 40和032分離器44。 (302分離器44可采用本領(lǐng)域公知的各種技術(shù)， 包括但不限于變壓吸附、化學(xué)吸收和薄膜分離等。為了從第一膨脹 廢氣流38中分離出C02，將第一膨脹廢氣38引入到熱交換器40中 以便降低溫度并產(chǎn)生冷卻的第一膨脹廢氣42。冷卻的第一膨脹廢氣 42被引入到(302分離器中以便產(chǎn)生 <:〇2富流110和CO2貧流46。CO2 貧流46還包括一氧化碳(CO)、氮?dú)?N2)以及未反應(yīng)的燃料。(:〇2貧
流46被引入到熱交換器40中以便回收第一膨脹廢氣38的熱量或從 第一膨脹廢氣38中回收熱量并產(chǎn)生加熱的(:02貧流48。 0)2貧流48 被引入到低壓膨脹器22中以便進(jìn)一步膨脹并產(chǎn)生電能。
變壓吸附(PSA)可用來從氣體混合物中分離出二氧化碳。在PSA 技術(shù)中，在高的分壓力下，固體分子篩可比吸附其它氣體更強(qiáng)地吸 附二氧化碳。結(jié)果，在高壓下，當(dāng)該混合物經(jīng)過吸附床時(shí)，從氣體 混合物中除去二氧化碳。床的再生通過減壓和沖洗完成。通常對(duì)于 臨界操作，使用多個(gè)吸附容器來連續(xù)分離二氧化碳，其中，使用一 個(gè)吸附床同時(shí)再生其它的吸附床。
薄膜分離技術(shù)也可用于從氣體流中分離出二氧化碳。薄膜處理 通常比吸收處理具有更高的能效并易于操作。用于高溫二氧化碳分 離的薄膜包括沸石膜和陶瓷薄膜，它們對(duì)C02具有選擇性。通常薄 膜分離器在較高壓力下更有效地運(yùn)行，并且通過高壓膨脹器出口處 的高壓有助于使用薄膜分離器從冷卻的第一廢氣流38中分離出二氧 化碳。分離C02可獲得的較高壓力也減小了 (302分離器44的尺寸， 由此增強(qiáng)了 CC^分離處理的可行性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)使用高溫薄膜分離 032時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)了發(fā)電和分離C02的總效率。
另一種用于從第一膨脹廢氣38中分離0)2的技術(shù)可包括但不限 于使用胺化學(xué)吸收C02。第一膨脹廢氣38可冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟纫员?使用胺化學(xué)吸收二氧化碳。該技術(shù)基于烷醇胺(alkanol amine)或其它 溶劑，該其它溶劑能夠在相對(duì)低的溫度下吸收二氧化碳，且容易通 過升高富溶劑的溫度而再生。在富溶劑的再生后獲得二氧化碳富流 110。該技術(shù)中所用的溶劑例如可包括三乙醇胺、 一乙醇胺、二乙醇 胺、二異丙醇胺、二甘醇胺和曱基二乙醇胺。另一種分離032的技 術(shù)可為物理吸附。值得注意的是，上述所有的(302分離技術(shù)或它們 的組合都可用來有利地分離C02。
C02分離系統(tǒng)28中的熱交換器40通常為處理兩種氣態(tài)流即第一 膨脹廢氣流38和C02貧流46的氣-氣熱交換器。隨著在C02分離
器44中從第一膨脹廢氣流38中對(duì)C02的分離，第一膨脹廢氣流38 的體積高于排出(302分離器44的032貧流46的體積。因此在熱交 換器40內(nèi)自第一膨脹廢氣流38中釋放的熱量可不充分地用于加熱 C02貧流46,而該余熱可當(dāng)使用化學(xué)吸收處理時(shí)用于在(302分離器 中再生溶劑。在一些實(shí)施例中，CC^分離系統(tǒng)還包括除水系統(tǒng)以便從 第一膨脹廢氣38中除去水分，由此進(jìn)一步減小C02貧流46的體積。 因此通過包括除水單元，提高了溶劑再生可獲得的余熱。由于有效 利用了來自熱交換器40的余熱，提高了發(fā)電系統(tǒng)10的總效率。
在一些實(shí)施例中，在運(yùn)行期間，氧化劑24在第一低壓壓縮機(jī)14 中被壓縮到大約2巴至大約10巴并在第一中間冷卻器17中冷卻。 壓縮時(shí)中間冷卻的基本原理包括部分地壓縮氣體然后在執(zhí)行最終壓 縮到所需壓力之前對(duì)其冷卻，例如在高壓壓縮機(jī)16中。這樣，降低 了壓縮功從而提高了循環(huán)處理的功率輸出。由于現(xiàn)有的航改式 (aeroderivative style)燃?xì)廨啓C(jī)包括設(shè)置在壓縮級(jí)中間的中間冷卻器， 所以在渦輪機(jī)設(shè)計(jì)中將中間冷卻器結(jié)合到該系統(tǒng)中不需要進(jìn)一步的 改變。同樣地，第二中間冷卻器104設(shè)置在第二低壓壓縮機(jī)68和第 二高壓壓縮沖幾70之間以<更冷卻已壓縮的第二最終廢氣102。
第一渦輪機(jī)系統(tǒng)11還包括第一熱回收蒸汽發(fā)生器(以下稱為 HRSG)54。第一 HRSG 54構(gòu)造成使用來自第 一膨脹器區(qū)段18的第一 最終廢氣52的熱量以便產(chǎn)生第一部分的蒸汽56和冷卻的第一最終 廢氣60。由于(302分離系統(tǒng)28構(gòu)造成分離在第一燃燒室22中產(chǎn)生 的熱煙道氣31的C02含量，在C02分離器中的高C02分離率下，釋 放到大氣中的已冷卻的最終廢氣60基本上不含C02。在第一 HRSG 54 中產(chǎn)生的該第一部分的蒸汽56基本上如圖1所示在蒸汽循環(huán)中使 用。同樣地，第二渦輪機(jī)系統(tǒng)62通常包括第二熱回收蒸汽發(fā)生器(以 下稱為HRSG)90。在第二渦輪機(jī)系統(tǒng)62中產(chǎn)生的第二最終廢氣流88 可被引入到第二HRSG90中。在該實(shí)施例中，第二HRSG90大體上 為閉環(huán)HRSG，其中，通常沒有流排;改到大氣中。第二最終廢氣流88
的熱量可通過水流94進(jìn)行回收以便生成第二部分的蒸汽92。在第一 HRSG 54中產(chǎn)生的第一部分的蒸汽56和在第二 HRSG 90中產(chǎn)生的 第二部分的蒸汽92可在流渦輪機(jī)(未示出)中使用以便生成電能。代 之以所示的HRSG,備選地可采用其它的底置(bottoming)熱回收方 法。
在本文所述發(fā)電系統(tǒng)的各種實(shí)施例中，氧化劑為環(huán)境空氣。應(yīng) 當(dāng)理解，來自第一壓縮機(jī)區(qū)段12的已壓縮氧化劑可包括任何其它適 當(dāng)?shù)暮鯕怏w，例如富氧空氣、少氧空氣和/或純氧。
第一燃料流26和第二燃料流82可包括任何適當(dāng)?shù)臒N氣體或液 體，例如天然氣、曱烷、石腦油、丁烷、丙烷、合成氣、柴油、煤 油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化的烴原料及其混合物 等。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料主要為天然氣(NG)，因此，來自第一燃 燒室22的第一熱煙道氣31和來自第二燃燒室72的第二熱煙道氣73 可包括水、C02、 N2、未燃燒燃料以及其它化合物。
來自第二 HRSG 90的已冷卻的第二最終廢氣流96通常被引入到 廢氣冷卻器或水分分離器98中，以便分離在第二燃燒室72中的燃 燒處理中所形成的水。廢氣冷卻器98可用來控制壓縮機(jī)68的入口 狀況，尤其是溫度。來自水分分離器98的排出流100通常至少包括 C02和N2。排出流100通常在第二壓縮機(jī)區(qū)段64中壓縮以便產(chǎn)生壓 縮流102。運(yùn)行中，在啟動(dòng)后運(yùn)行的初始階段中，壓縮流102中的C02 濃度不是大量的，因此全部的流102可作為再循環(huán)流71和第二部分 的壓縮氧化劑36—起再循環(huán)返回到第二燃燒室72。該種再循環(huán)操作 通常會(huì)增加壓縮流102中的C02濃度。當(dāng)壓縮流102中的C02濃度 達(dá)到所需水平時(shí)，分流84可被引入到第一高壓壓縮機(jī)16中?？墒?用控制閥結(jié)構(gòu)(未示出)以^f更有助于將分流84轉(zhuǎn)移和引入到第一燃燒 室22中。例如，可將控制閥設(shè)置在承載分流的導(dǎo)管上，并且控制閥 的運(yùn)行依賴于測(cè)量壓縮流102中(:〇2濃度的在線儀器或傳感器。通 過控制再循環(huán)流71和分流84提高了第二渦輪機(jī)系統(tǒng)中的C02濃度，
從而提高了離開第一燃燒室22的第一熱煙道氣31中的(302濃度。
在如圖1所描述的該示范性實(shí)施例中，大量二氧化碳的隔離得
以完成。在大的C02分離器44中，自第一燃燒室22中產(chǎn)生的第一 最終廢氣52基本上不會(huì)含有二氧化碳，而排放到大氣中的冷卻的第 一最終廢氣流60通常不會(huì)釋放與不具有032收集的類似技術(shù)相比而 大幅減少的二氧化碳量。在第二燃燒室72中產(chǎn)生的二氧化碳可濃縮 成再循環(huán)流71。分流84中的C02含量和在第一燃燒室22中產(chǎn)生的 C02 —起在C02分離系統(tǒng)28中被分離，而C02流110可根據(jù)二氧化 碳的需求而被封裝或在商業(yè)市場(chǎng)上銷售。(:02分離系統(tǒng)中產(chǎn)生的co2 富流UO在分配于其它使用之前可在壓縮機(jī)112中壓縮。
圖2示出了另一示范性發(fā)電系統(tǒng)140，其中，兩個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)經(jīng) 由處于壓縮機(jī)區(qū)段中間的共有的中間冷卻器而連接。示范性發(fā)電系 統(tǒng)140包括共有的中間冷卻器146,該中間冷卻器146流體連接到第 一壓縮機(jī)區(qū)段12和第二壓縮機(jī)區(qū)段64。來自第一低壓壓縮機(jī)14中 的壓縮氧化劑流142與來自第二低壓壓縮機(jī)68中的分流148 —起混 合和引入到共有的中間冷卻器146中。共有的中間冷卻器146構(gòu)造 成冷卻壓縮氧化劑142和分流148并產(chǎn)生引入到第一高壓壓縮才幾16 中的第一混合流144和引入到第二高壓壓縮機(jī)70中的第二混合流 150。第一高壓壓縮機(jī)16產(chǎn)生引入到第一燃燒室22的第一壓縮混合 流34,而第二高壓壓縮機(jī)70產(chǎn)生引入到第二燃燒室72的第二壓縮 混合流或者再循環(huán)流71。在一些實(shí)施例中，自中間冷卻器釋放的熱 量可用來驅(qū)動(dòng)諸如胺汽提(amine stripping)的CC^分離處理或者諸如 有機(jī)蘭金循環(huán)的其它熱回收循環(huán)。
先前部分所描述的發(fā)電系統(tǒng)有利地使用了 co2分離系統(tǒng)的定位 以便有效地分離燃燒處理中產(chǎn)生的co2。如圖l所示，(:〇2在燃燒后 被除去，或者更具體地講，從以經(jīng)過燃?xì)廨啓C(jī)膨脹器中途的壓力所 提取的廢氣中除去。由于用于分離的驅(qū)動(dòng)力的提高以及設(shè)備尺寸和 成本的降低，從受壓廢氣中除去C02是有利的。然而，廢氣的提取
壓力越高，它的提取溫度就會(huì)越高。由于材料的制約，根據(jù)流體38 的溫度，對(duì)比燃燒器出口將溫度降低到700攝氏度左右至100攝氏 度左右的C02分離系統(tǒng)28的設(shè)計(jì)是有利的。盡管直接在燃燒室22 之后的熱煙道氣流31中可獲得的壓力高于第一膨脹廢氣38的壓力， 但在膨脹路徑之間的中途(midway)定位(]02分離系統(tǒng)的權(quán)衡(trade off) 是熱煙道氣31的1300攝氏度左右的高溫。在航改式(aeroderivative style)燃?xì)廨啓C(jī)中，如圖1所示，多個(gè)壓縮和膨脹級(jí)導(dǎo)致了高壓縮率。 因此，由于壓縮機(jī)區(qū)段所產(chǎn)生的壓力相當(dāng)?shù)馗?，所以在膨脹器區(qū)段 之間的中途內(nèi)可獲得的壓力足夠地高以便設(shè)計(jì)節(jié)約成本和高效的co2 分離系統(tǒng)。
前面部分所描述的發(fā)電系統(tǒng)還有利地連接了如圖1至圖2所示 的兩個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)通過在低壓壓縮機(jī)之后提取工作流體 而連接，優(yōu)選是在共有的中間冷卻器(圖2)或分離的中間冷卻器(圖1) 中被冷卻之后。在現(xiàn)有的航改式燃?xì)廨啓C(jī)中，已經(jīng)存在經(jīng)過壓縮通 路的中途用于提取和重注入工作流體的端口 ，該端口可用來大大降 低渦輪機(jī)所需的改動(dòng)以便如圖1至圖2所示結(jié)合該兩個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)
輪機(jī)系統(tǒng)因適中的流體溫度而減小了效率損失和降低了對(duì)昂貴材料 的需求。
如圖2所示，氧化劑和分流先于在高壓壓縮機(jī)內(nèi)被連續(xù)壓縮之 前進(jìn)行混合從而促進(jìn)了較好的混合處理。因此，避免了對(duì)額外的混 合裝置的需求，該額外的混合裝置通常設(shè)計(jì)成提升工作流體的溫度 和成分的均勻性以及減小燃?xì)廨啓C(jī)之間的流體交叉(cross-over)對(duì)壓縮 機(jī)性能的影響。
圖3示出了又一示范性發(fā)電系統(tǒng)，其中，(302分離系統(tǒng)設(shè)置在第 一渦輪機(jī)系統(tǒng)的壓縮級(jí)和第二渦輪機(jī)系統(tǒng)的壓縮級(jí)之間的中途。如 圖3所示，(302分離系統(tǒng)162設(shè)置在第一壓縮機(jī)區(qū)段12和第二壓縮 機(jī)區(qū)段64的中間。(302分離系統(tǒng)162構(gòu)造成接收來自第二中間冷卻
器104的分流174以及產(chǎn)生(302貧流168和(:02富流176。來自第一 中間冷卻器17的第一部分的氧化劑164與(:02貧流168混合并被引 入到第一高壓壓縮機(jī)16內(nèi)以便產(chǎn)生第一壓縮混合流34。來自第一中 間冷卻器17的第二部分的氧化劑166與來自第二中間冷卻器104的 第二分流106混合并被引入到第二高壓壓縮機(jī)70中以便產(chǎn)生第二混 合壓縮流或者再循環(huán)流71。任選地，中間冷卻器17和中間冷卻器104 也可直接放置在相應(yīng)的高壓壓縮機(jī)16和高壓壓縮才幾70的入口前方。
<:02分離系統(tǒng)162包括(302分離器170以便產(chǎn)生C02富流176 和C02貧流168。自分流174中分離C02具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在低壓壓縮 機(jī)68的出口處可獲得的壓力是足夠的以便設(shè)計(jì)節(jié)約成本和高效的 CC^分離器。輸送到CC^分離系統(tǒng)的分流174的體積相對(duì)較小。因此， 在經(jīng)過壓縮機(jī)區(qū)段的中途安裝(:02分離系統(tǒng)162的資本成本與圖1 至圖2所示的(302分離系統(tǒng)相比需要較低的資本成本。此外，在將 新鮮的氧化劑流164和富含C02的第二分流106 —起混合之前，可 分別使用第一中間冷卻器17和第二中間冷卻器104對(duì)該兩種流有利 地進(jìn)行冷卻。自中間冷卻器排出的熱量，例如蒸汽產(chǎn)品，可用來增 強(qiáng)熱回收系統(tǒng)的效率或者用來驅(qū)動(dòng)(302分離處理。第二中間冷卻器 104還可用來將分流174冷卻到(:02分離器44的運(yùn)行溫度。
圖4示出了另一示范性發(fā)電系統(tǒng)200，其中，(302分離系統(tǒng)放置 在第一渦輪機(jī)系統(tǒng)的壓縮級(jí)和第二渦輪機(jī)系統(tǒng)的壓縮級(jí)之間的中 途。示范性發(fā)電系統(tǒng)200包括設(shè)置在(302分離系統(tǒng)162和第一壓縮 才幾區(qū)^殳12中間的共有的中間冷卻器201。來自(:〇2分離系統(tǒng)162的 C02貧氣206和來自第一低壓壓縮機(jī)14的壓縮氧化劑流202 —起混 合并被引入到共有的中間冷卻器201中。離開共有的中間冷卻器201 的冷卻混合流被分開，且第一混合流210被輸送到第一高壓壓縮機(jī)16 而第二混合流208被輸送到第二高壓壓縮機(jī)70。共有的中間冷卻器 的使用降低了發(fā)電系統(tǒng)200的成本。
圖1至圖4所示出的各個(gè)實(shí)施例可進(jìn)一步包括再加熱燃燒器(未
示出)，該再加熱燃燒器設(shè)置在第二高壓膨脹器74和第二低壓膨脹器
76之間。再加熱燃燒器對(duì)于可能的既定壓縮率有助于提高功率輸出。 第二熱煙道氣73的溫度在其經(jīng)過第二高壓膨脹器74的膨脹后降低。 由于一部分的第二膨脹氣體75 ^皮輸送到再加熱燃燒器，來自再加熱 燃燒器的輸出流的溫度因再加熱燃燒器中的燃燒處理而升高。來自 再加熱燃燒器的熱的輸出流被引入到低壓膨脹器76中以便進(jìn)一步膨 脹從而產(chǎn)生電能，并且由于再加熱燃燒器的輸出流內(nèi)溫度的升高， 提高了總功率輸出。
前面段落內(nèi)所描述的發(fā)電循環(huán)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。C02分離系統(tǒng)有利 地設(shè)置在圖1至圖2所示的低壓膨脹器和高壓膨脹器之間。來自高 壓膨脹器的第一膨脹廢氣與燃燒器出口相比通常將溫度降低到例如 700攝氏度左右至1000攝氏度左右，但仍然具有一定壓力，該壓力 是足夠的以便當(dāng)使用薄膜分離器或PSA時(shí)在032分離器內(nèi)提供高的 C02分離效率。由于第一膨脹廢氣處于大約2巴至大約30巴的高壓 以及與燃燒器出口相比具有降低的溫度，所以也降低了安裝C02分 離系統(tǒng)的尺寸和資本成本。在此所描述的發(fā)電系統(tǒng)由于從燃燒室產(chǎn) 生的全部的032被引入到C02分離系統(tǒng)中而構(gòu)造成實(shí)現(xiàn)大量C02的 隔離。在實(shí)施例中，在其中包括了兩個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)，第二渦輪機(jī)系 統(tǒng)的燃燒產(chǎn)物如上文所述以閉環(huán)形式再循環(huán)以便在被引入到第 一燃 燒室之前構(gòu)建優(yōu)化的C02濃度水平。因此從這樣的發(fā)電系統(tǒng)釋放到 大氣中的廢氣基本上不含C02。
如圖3所示(302分離系統(tǒng)定位在經(jīng)過壓縮通路的中途降低了早 先所述的(302分離系統(tǒng)的資本成本。該實(shí)施例中的CC^分離系統(tǒng)還 有利地利用了中間冷卻器對(duì)分流冷卻以便有效分離co2從而提高了 動(dòng)力循環(huán)的總效率。
上文所述的發(fā)電系統(tǒng)可使用用于在經(jīng)過壓縮通路的中途提取和 再注入工作流體的航改式渦輪機(jī)的現(xiàn)有設(shè)計(jì)。這大大降低了重新設(shè) 計(jì)渦輪才兒系統(tǒng)的工作和成本。兩個(gè)渦輪才幾系統(tǒng)連4妄的效率和有效性
因在較低溫度和壓力時(shí)連接燃?xì)廨啓C(jī)而提高，從而導(dǎo)致了材料成本 的降低。
通常，集成C02的分離和隔離的發(fā)電循環(huán)與不具有C02分離的 發(fā)電循環(huán)相比表現(xiàn)出在總循環(huán)效率上的實(shí)質(zhì)性下降(處于大約10%個(gè) 點(diǎn)的范圍)。但上文所述的發(fā)電系統(tǒng)在總循環(huán)效率上表現(xiàn)出少得多的
下降，這是由于以下原因?qū)02分離系統(tǒng)定位在經(jīng)過膨脹部分的 中途，通過利用甚至是在高壓膨脹器的出口處的相當(dāng)高的壓力從而 提高了 C02的分離效率，這有助于降低動(dòng)力循環(huán)內(nèi)使用C02收集的 效率損失。此外，再加熱燃燒器的使用和利用在C02分離系統(tǒng)的氣 -氣交換器內(nèi)產(chǎn)生的余熱，進(jìn)一步提高了循環(huán)效率。因此，結(jié)合有 具有上文所述的co2分離的發(fā)電系統(tǒng)的總能量損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于具有co2 收集的傳統(tǒng)的動(dòng)力循環(huán)。
雖然此處僅僅說明和描述了本發(fā)明的一些特征，但本領(lǐng)域的技 術(shù)人員將可做出許多改進(jìn)和變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解，附加的權(quán)利要 求意圖覆蓋落入本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神內(nèi)的所有該種改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電系統(tǒng)(10)，其包括第一渦輪機(jī)系統(tǒng)(11)，所述第一渦輪機(jī)系統(tǒng)(11)包括包括至少兩個(gè)級(jí)的第一壓縮機(jī)區(qū)段(12)，所述至少兩個(gè)級(jí)包括流體連接到第一高壓壓縮機(jī)(16)上的第一低壓壓縮機(jī)(14)，所述第一高壓壓縮機(jī)(16)構(gòu)造成供給第一部分的壓縮氧化劑和第二部分的壓縮氧化劑；第一燃燒室(22)，所述第一燃燒室(22)構(gòu)造成燃燒所述第一部分的壓縮氧化劑和含碳基燃料的第一燃料流并且產(chǎn)生第一熱煙道氣(31)；包含至少兩個(gè)級(jí)的第一膨脹器區(qū)段(18)，所述第一膨脹器區(qū)段(18)具有用于接收所述第一熱煙道氣(31)的入口，所述至少兩個(gè)級(jí)包括構(gòu)造成產(chǎn)生富含二氧化碳的第一膨脹廢氣(38)的第一高壓膨脹器(20)，所述第一高壓膨脹器(20)流體連接到構(gòu)造成產(chǎn)生第一廢氣(52)和電能的第一低壓膨脹器(22)上；和二氧化碳分離系統(tǒng)(28)，所述二氧化碳分離系統(tǒng)(28)流體連接到所述高壓膨脹器(20)上以便從所述第一高壓膨脹器(20)接收所述第一膨脹廢氣(38)以及提供隨后進(jìn)給到所述第一低壓膨脹器(22)的二氧化碳貧氣(48)；以及第二渦輪機(jī)系統(tǒng)(62)，所述第二渦輪機(jī)系統(tǒng)(62)包括包括至少兩個(gè)級(jí)的第二壓縮機(jī)區(qū)段(64)，所述至少兩個(gè)級(jí)包括流體連接到第二高壓壓縮機(jī)(70)上的第二低壓壓縮機(jī)(68)，其中，所述高壓壓縮機(jī)(70)構(gòu)造成接收所述第二部分的壓縮氧化劑；第二燃燒室(72)，所述第二燃燒室(72)構(gòu)造成燃燒含碳基燃料的第二燃料流(82)并且產(chǎn)生第二熱煙道氣(73)；和第二膨脹器區(qū)段(66)，所述第二膨脹器區(qū)段(66)構(gòu)造成接收所述第二熱煙道氣(73)并且產(chǎn)生第二最終廢氣(88)和電能；其中，所述第二壓縮機(jī)區(qū)段(64)構(gòu)造成接收含二氧化碳的所述第二最終廢氣(88)并且將再循環(huán)流(71)從所述第二高壓壓縮機(jī)(70)排出到所述第二燃燒室(72)以及將分流(84)從所述第二低壓壓縮機(jī)(68)排出到所述第一高壓壓縮機(jī)(16)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述二氧化 碳分離系統(tǒng)(28)包括熱交換器(40)和二氧化碳分離器(44)，所述熱交 換器(40)構(gòu)造成從所述第一膨脹廢氣(38)中回收熱量并產(chǎn)生冷卻的第 一膨脹廢氣(42)，所述二氧化碳分離器(44)構(gòu)造成接收所述冷卻的二 氧化碳富流(42)并產(chǎn)生二氧化碳貧流(46)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換 器(40)包括交叉交換器，所述交叉交換器構(gòu)造成從所述第一膨脹廢氣 (38)中回收熱量并與來自所述二氧化碳分離器(44)的所述二氧化^ 灰貧 流(46)交換。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述二氧化 碳分離器(44)包括薄膜單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述第一燃 料和所述第二燃料包括天然氣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還 包括第 一熱回收蒸汽發(fā)生器(54)和第二熱回收蒸汽發(fā)生器(90)，所述 第 一熱回收蒸汽發(fā)生器(54)構(gòu)造成從所述第 一最終廢氣(52)中回收熱 量并產(chǎn)生第一部分的蒸汽(56)，所述第二熱回收蒸汽發(fā)生器(90)構(gòu)造 成從所述第二最終廢氣(88)中回收熱量并產(chǎn)生第二部分的蒸汽(92)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還 包括至少一個(gè)中間冷卻器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一 個(gè)中間冷卻器包括共有的中間冷卻器(M6)，所述共有的中間冷卻器 (146)設(shè)置在所述第一壓縮機(jī)區(qū)段和所述第二壓縮機(jī)區(qū)段的中間并且 流體連接到所述第一低壓壓縮機(jī)和所述第二低壓壓縮機(jī)以及所述第 一高壓壓縮機(jī)和所述第二高壓壓縮機(jī)上。
9, 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一 個(gè)中間冷卻器包括第一中間冷卻器和第二中間冷卻器，所述第一中 間冷卻器設(shè)置在所述第一低壓壓縮機(jī)和所述第一高壓壓縮機(jī)之間， 所述第二中間冷卻器設(shè)置在所述第二低壓壓縮機(jī)和所述第二高壓壓 縮才幾之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述第一 最終廢氣(52)基本上不含二氧化碳。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有二氧化碳隔離的發(fā)電系統(tǒng)和方法。該發(fā)電系統(tǒng)(10)包括第一渦輪機(jī)系統(tǒng)(11)和第二渦輪機(jī)系統(tǒng)(62)。第一渦輪機(jī)系統(tǒng)(11)包括具有至少兩個(gè)級(jí)第一壓縮機(jī)區(qū)段(12)、第一燃燒室(22)、具有至少兩個(gè)級(jí)的第一膨脹器區(qū)段(18)和CO₂分離系統(tǒng)(28)。第二渦輪機(jī)系統(tǒng)(62)包括包含至少兩個(gè)級(jí)的第二壓縮機(jī)區(qū)段(64)、第二燃燒室(72)和第二膨脹器區(qū)段(66)。第二壓縮機(jī)區(qū)段(64)接收含二氧化碳的第二最終廢氣(88)并將再循環(huán)流(71)從第二高壓壓縮機(jī)(70)排出到第二燃燒室(72)以及將分流(84)從第二低壓壓縮機(jī)(68)排出到第一高壓壓縮機(jī)(70)。
文檔編號(hào)F02C3/20GK101187338SQ20071016508
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月7日
發(fā)明者M·巴特萊特, M·芬肯拉思 申請(qǐng)人:通用電氣公司