專利名稱：用于增加燃氣輪機排氣中二氧化碳含量的方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本公開內(nèi)容涉及用于增加燃氣輪機排氣氣流中二氧化碳(co2)含量的方法和用于 實現(xiàn)該方法的系統(tǒng)。
背景技術：
源自燃燒化石燃料的發(fā)電設備所產(chǎn)生的環(huán)境污染在全世界范圍內(nèi)受到關注。發(fā)電 設備排放可能有毒的空氣污染物，例如有毒的金屬和聚芳烴；酸雨前體，舉例而言，諸如二 氧化硫(S02)的硫氧化物(S0X)以及氮氧化物(N0X)；臭氧前體，舉例而言，例如N02和活性 有機氣體；顆粒物質(zhì)；以及溫室氣體，特別是C02。發(fā)電設備還排出潛在地有害的流出物到 地表水和地下水中，并產(chǎn)生大量的固體廢棄物，其中的一些可能是危險的。燃燒天然氣的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)(NGCC)發(fā)電設備每兆瓦時排放的C02的量比燃 燒粉煤的發(fā)電設備低。這是因為燃料中碳的百分比較低，并且還因為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備中 可實現(xiàn)的更高效率。結果，基于排氣氣流的總體積，NGCC設備的排氣中C02的濃度可為4% 的體積比，而在燃煤設備中可為12%的體積比。較低的C02濃度導致相對于C02的量的較 高的氧氣濃度。排氣氣流中低C02濃度和相應增加的氧氣濃度對NGCC設備中采用的C02俘 獲系統(tǒng)形成挑戰(zhàn)。圖1和圖2是代表當前現(xiàn)有的商用NGCC設備的示意圖。圖1是不進行排氣再循 環(huán)(EGR)的NGCC設備的示意圖。在圖1中，渦輪機100包括具有軸120的壓縮機110?？?氣在125處進入壓縮機的進口，由壓縮機110進行壓縮，且之后排出到燃燒系統(tǒng)130，在其 中燃燒舉例而言諸如天然氣的燃料135，以提供驅動渦輪145的高能燃燒氣體。在渦輪145 中，燃燒氣體的能量轉換為功，一部分功用來通過軸120驅動壓縮機110，而可獲得的有用 功的其余部分則可用來驅動負荷(未示出)。排氣然后從渦輪145排出到位于渦輪145的下游的熱回收蒸汽發(fā)生器200。然后， 排氣排出到二氧化碳分離系統(tǒng)155，在其中從排氣氣流分離出二氧化碳。從排氣氣流分離出 的二氧化碳受到隔離和儲存，而排氣氣流的其余部分則排出到大氣。圖2是使排氣再循環(huán)的NGCC設備的示圖。圖2中的設備除存在分流器210和空 氣混合器220之外與圖1中的設備相似。分流器210布置在熱回收蒸汽發(fā)生器200的下游 和二氧化碳分離系統(tǒng)155的上游。分流器210用來從排氣氣流分離出一部分排氣并將其排 出到空氣混合器220?？諝饣旌掀?20布置在分流器210的下游并接收再循環(huán)的排氣，其將 該再循環(huán)的排氣與另外的空氣相組合，以形成空氣-排氣混合物。然后，空氣-排氣混合物 輸送到壓縮機110。當在氧氣濃度高且因此C02濃度低的排氣氣流中操作時C02俘獲系統(tǒng)面臨多種挑 戰(zhàn)。低C02濃度導致使用大而昂貴的設施來處理該一定量的排氣。此外，低C02濃度降低了 C02分離的熱效率。高氧氣濃度將對恰是對氧化敏感的C02俘獲系統(tǒng)造成損壞。例如，胺凈化系統(tǒng)被 用來幫助從排氣氣流分離co2。在胺凈化系統(tǒng)中的胺溶劑由于排氣氣流中所含的氧氣的存在而開始降解。這由于用以幫助維護胺凈化系統(tǒng)的停機時間而導致效率降低。這增加了設 備的運行成本。此外，高氧氣濃度將使得大量氧氣能夠經(jīng)過C02分離系統(tǒng)。氧氣對隔離系統(tǒng)極為 有害，并且不能容許在被隔離的co2氣流中存在任何可感知的濃度。鑒于氧氣的有害性質(zhì)，希望從NGCC設備減少排氣氣流中氧氣的量，并且基于排氣 氣流的總體積將排氣氣流中存在的C02的量增加到約10%到約14%的體積比。
發(fā)明內(nèi)容
本文公開了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一壓縮機，其可操作以壓縮空氣；渦輪，該 渦輪布置在第一壓縮機的下游，該渦輪可操作以燃燒碳氫化合物燃料連同來自第一壓縮機 的壓縮空氣，用以產(chǎn)生排氣氣流；以及第二壓縮機，該第二壓縮機布置在渦輪的下游，該第 二壓縮機可操作以壓縮排氣氣流以及使壓縮過的排氣氣流循環(huán)到渦輪。本文公開了一種方法，該方法包括在第一壓縮機中壓縮空氣；在渦輪中燃燒空 氣連同碳氫化合物燃料；從渦輪產(chǎn)生排氣氣流；在第二壓縮機中壓縮排氣氣流；使壓縮過 的排氣氣流再循環(huán)到渦輪；從排氣氣流分離二氧化碳；以及儲存二氧化碳。
圖1是示出了用于減少C02排放的示例性現(xiàn)有技術系統(tǒng)的示意圖；圖2是示出了用于減少C02排放的示例性現(xiàn)有技術系統(tǒng)的另一示意圖；以及圖3是示出了用于減少排氣氣流中的二氧化碳且同時減少排氣氣流中的氧氣的 方法的另一示意圖。零件清單1000 系統(tǒng)150 排氣再循環(huán)系統(tǒng)402 軸410 第 二壓縮機420 渦輪430 燃燒系統(tǒng)440 熱回收蒸汽發(fā)生器450 分流器460 二氧化碳分離系統(tǒng)470 排氣凈化系統(tǒng)800 電機810 第一壓縮機
具體實施例方式以下對優(yōu)選實施例的詳細描述參照示出了具體實施例的附圖。具有不同結構和操 作的其它實施例并不背離本文所公開的主題的范圍。本文所使用的特定用詞只是為了方便讀者，且不應認為是對本發(fā)明的范圍進行限 制。例如，用詞“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“頂部”、“底部”、“水平”、“豎直”、“上游”、 “下游”、“之前”和“之后”等只是描述圖中所示的構造。事實上，本文所公開的主題的實施 例的一個或多個元件可沿任何方向定向，因此，除非另外指明，否則應將上述用詞理解為包 含此類變化。應該注意的是，如文中所用，用詞“第一”、“第二”等并不表示任何順序或重要性， 而是用來將一個元件與另一元件進行區(qū)分，并且用詞“該”、“一”和“一個”并不表示對數(shù)量 的限制，而是表示存在一個所引用的物件。此外，文中所公開的所有范圍都包含端點并且可 獨立地相結合。文中所用的用詞僅意在描述具體實施例而并非意圖對本發(fā)明進行限制。如 文中所用，單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”也認為包括復數(shù)形式，除非上下文清楚地另外指 明。還將理解的是，用詞“包括”和/或“包含”當在本說明書中使用時，指出了所述特征、整 數(shù)、步驟、操作、元件和/或構件的存在，但不排除一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、構件和/或它們的組合的存在或增加。此外，在描述本公開內(nèi)容的實施例中的構件的布置時，使用了用語“上游”和“下 游”。這些用語具有它們的一般含義。例如，如文中所用的“上游”裝置是指產(chǎn)生輸送到“下 游”裝置的流體輸出流的裝置。此外，“下游”裝置是指接收來自于“上游”裝置的輸出的裝 置。然而，對于本領域的技術人員來說顯然的是，在特定構造中，例如包括循環(huán)環(huán)路的系統(tǒng) 中，一個裝置既可在同一裝置的“上游”又可在其“下游”。本文公開了一種用于減少由燃氣輪機所產(chǎn)生的排氣氣流中氧氣含量的方法。該方 法包括與燃燒后二氧化碳俘獲相結合的排氣再循環(huán)。本文還公開了一種燃氣輪機系統(tǒng)，其 有利地包括具有燃燒后二氧化碳分離和儲存系統(tǒng)的“排氣再循環(huán)系統(tǒng)”，其能夠將燃氣輪機 的排氣氣流中的氧氣含量減少到基于排氣氣流的總體積低于或等于約12%的體積比，具體 而言低于或等于約10%的體積比，具體而言低于或等于約5%的體積比，具體而言低于或 等于約2%的體積比，以及更具體而言低于或等于約的體積比。通過使排氣持續(xù)地再循環(huán)用以回到產(chǎn)生該排氣的渦輪機，輸送到渦輪的氣流中的 氧氣量減少到低的穩(wěn)態(tài)值。這種氧氣含量的減少發(fā)生在排氣氣流每一次相繼經(jīng)過渦輪機的 過程中。二氧化碳檢測器持續(xù)地監(jiān)控排氣氣流中的二氧化碳含量。當排氣氣流中二氧化碳 的量基于排氣氣流的總體積為約10%到約14%的體積比時，可通過二氧化碳分離系統(tǒng)從 排氣氣流分離和俘獲二氧化碳。在分離后，二氧化碳受到隔離。在俘獲過程期間，二氧化碳從煙道氣(flue gas)分離，形成兩股離開二氧化碳分 離系統(tǒng)的氣流。第一氣流包括C02濃度比如果不用于使排氣氣流循環(huán)而已進入二氧化碳分 離系統(tǒng)的排氣的co2濃度低的排氣。排氣氣流中co2的濃度因此基于燃氣輪機所排放的原 始排氣氣流中的總摩爾數(shù)降低50%到95%摩爾比。排氣氣流的第一股氣流排放到大氣。第 二股氣流包括被分離的C02，其具有最高可能的C02濃度并且通常希望此C02濃度基于第二 股氣流中的總摩爾數(shù)大于或等于約95%的C02摩爾比，具體而言大于或等于約97%的C02 摩爾比，以及更具體而言大于或等于約98%的C02摩爾比。第二股氣流以不包括將其泄放 到大氣的一定方式進行儲存。通常，將其在地下儲存在礦井中或儲存在地下的地質(zhì)結構中。用以減少排氣氣流中氧氣的量的排氣再循環(huán)具有許多優(yōu)點。通過將氧氣的量減 少到低于或等于排氣氣流體積的約5%的體積比，具體而言低于或等于約2%的體積比，用 于從氧氣分離二氧化碳的胺溶劑的降解(由于氧化)大幅減少。此外，在排氣氣流中將氧 氣的水平減少到低于或等于約2%的體積比使得可利用隔膜和離子液體來實現(xiàn)二氧化碳分 離。稍后將詳細說明其它優(yōu)點。排氣再循環(huán)通常包括使所排放的排氣的一部分經(jīng)過燃氣輪機的進口部分再循環(huán)。 排氣然后在燃燒前與進入的空氣流混合。排氣再循環(huán)過程有助于去除和隔離濃縮的co2，并 且還可用來降低N0X和S0X排放水平。現(xiàn)參照圖3，用于(通過增加二氧化碳含量同時減少氧氣含量)使排氣循環(huán)的系統(tǒng) 1000包括第一壓縮機810和燃燒系統(tǒng)430。電機800與第一壓縮機810連通并驅動壓縮機 810。燃燒系統(tǒng)430設置了用于燃燒燃料和壓縮空氣的混合物并且將其排出到第二壓縮機 410的裝置，在第二壓縮機410中，該混合物與循環(huán)的排氣相混合并用來驅動渦輪420。在一個實施例中，該系統(tǒng)包括燃燒系統(tǒng)430，燃料和壓縮空氣的混合物在其中燃 燒；第二壓縮機410，循環(huán)的排氣和可選的進入空氣可在其中燃燒；渦輪420，其將燃燒氣體的能量轉換為功；可選的熱回收蒸汽發(fā)生器440 ；分流器450 ；排氣凈化系統(tǒng)470 ；以及二氧 化碳分離系統(tǒng)460。第一壓縮機810和燃燒系統(tǒng)430位于渦輪420的上游。如在圖3中可看到的，渦輪420、可選的熱回收蒸汽發(fā)生器440、排氣再循環(huán)系統(tǒng) 150和二氧化碳分離系統(tǒng)450互相成流體連通。熱回收蒸汽發(fā)生器440位于渦輪機420的 下游，而分流器450、二氧化碳分離器460和排氣凈化系統(tǒng)470位于熱回收蒸汽發(fā)生器440 的下游。在一個實施例中，在一種運行系統(tǒng)1000的方法中，空氣在第一壓縮機800中受到 壓縮并且與燃料一起在燃燒系統(tǒng)430中燃燒。加壓燃燒氣體排出到渦輪420并且驅動渦 輪。在燃燒中可使用碳氫化合物燃料，例如汽油、柴油、天然氣等。示例性的燃料是天然氣。 在渦輪420中，加壓燃燒氣體的能量轉換為功，其中的一部分功用來通過軸402驅動壓縮機 410，而可獲得的有用功的其余部分則可用來驅動負荷(未示出)。碳氫化合物燃料在渦輪420中的燃燒產(chǎn)生排氣氣流。排氣氣流包括第一量的二氧 化碳和第一量的氧氣。排氣氣流排出到熱回收蒸汽發(fā)生器440。在熱回收蒸汽發(fā)生器440 中從排氣氣流提取熱量后，排氣氣流排出到分流器450，在其中將排氣氣流的第一部分引導 到二氧化碳分離器460同時使排氣氣流的第二部分再循環(huán)。再循環(huán)的排氣氣流(即，第二 部分)在下文中將稱為“再循環(huán)的排氣氣流”。引導到二氧化碳分離器的空氣如上所述分為兩股氣流。一股氣流(第二氣流)富 含二氧化碳并被排出到隔離系統(tǒng)，而另一股氣流(第一氣流)主要地包含具有很少二氧化 碳的排氣并被排出到大氣?；诘诙饬鞯目傮w積，第二氣流通常包括大于或等于約90% 體積比的二氧化碳的量，具體而言大于或等于約95%的體積比，以及更具體而言大于或等 于約98%的體積比。再循環(huán)的排氣氣流在排氣凈化器470中進行過濾和凈化，之后將其排出到第二壓 縮機410，在第二壓縮機410中，該排氣氣流受到壓縮并被排出到燃燒系統(tǒng)430，以便與另外 的壓縮空氣和燃料相混合和燃燒?？諝庀鄬τ诠饺紵到y(tǒng)430的排氣氣流的體積比率 可達到約0.05 1，具體而言可達到約0. 1 1，以及更具體而言可達到約0.25 1。包含 低氧氣量的少量循環(huán)的排氣以冷卻和泄漏空氣的形式(TCLA)被供應到渦輪。如上所述，分流器450將排氣氣流分為第一部分和第二部分?；谶M入分流器450 的排氣流的總體積，第一部分為約40 %到約80 %的體積比，具體而言為約45 %到約65 %的 體積比，以及更具體而言為約50%到約60%的體積比?；谶M入分流器450的排氣流的總 體積，第二部分為約20%到約60%的體積比，具體而言為約35%到約55%的體積比，以及 更具體而言為約40%到約50%的體積比。采用先進的燃燒器設計，離開燃燒系統(tǒng)430的氧 氣水平基于離開渦輪420的排氣流的總體積可達到低于2%的體積比。排氣再循環(huán)連同先 進燃燒器設計的結合將容許第二部分基于進入分流器450的排氣流的總體積為約60%到 約80%的體積比。在排氣凈化器470中經(jīng)受過濾后的排氣氣流第一次再循環(huán)到渦輪。排氣氣流在第 一次期間在渦輪中經(jīng)受進一步燃燒，以嚴生自行循環(huán)到渦輪的排氣氣流，用于第二次經(jīng)過 渦輪。經(jīng)受第二次經(jīng)過的排氣氣流包括第二量的二氧化碳和第二量的氧氣。由于排氣氣流中包含的第一量的氧氣的燃燒，在第一次經(jīng)過期間排氣氣流中的第 一量的氧氣的體積比率通常大于在第二次經(jīng)過期間第二量的氧氣相對于排氣氣流的體積比率。然而，在第一次經(jīng)過渦輪期間排氣氣流中第一量的二氧化碳的體積比率小于在第二 次經(jīng)過渦輪期間第二量的二氧化碳相對于排氣氣流的體積比率。這是因為氧氣燃燒而形成 二氧化碳。因此通過重復地使排氣氣流經(jīng)過渦輪再循環(huán)，排氣氣流中的氧氣含量逐漸減少， 同時二氧化碳含量增加。應該注意的是，由于再循環(huán)，基于再循環(huán)的排氣氣流的總體積，二 氧化碳的體積從約3%的體積比增加到約18%的體積比，具體而言從約4%的體積比增加 到約16%的體積比，并且更具體而言從約5%的體積比增加到約14%的體積比。當排氣氣 流所包括的二氧化碳的量為排氣氣流的總體積的約10%到約14%的體積比時，排氣氣流 已達到穩(wěn)定狀態(tài)。在排氣氣流的再循環(huán)期間，在再循環(huán)的排氣氣流中存在的氧氣的量在每次經(jīng)過渦 輪420期間相繼地減少。隨著通向渦輪的進入空氣中存在的氧氣由于再循環(huán)而減少，在排 氣氣流中氧氣的比例相對于在排氣氣流中存在的二氧化碳的量而減少。在排氣氣流接連經(jīng) 過渦輪機的期間，在排氣氣流中氧氣的比例減少，同時二氧化碳的比例增加。本文所公開的排氣再循環(huán)系統(tǒng)可應用于產(chǎn)生氣態(tài)流體的各種渦輪機，例如重負荷 燃氣輪機、航空改型式燃氣輪機等(下文稱為“燃氣輪機”)。它可應用于單個燃氣輪機或 應用于多個燃氣輪機。它還可應用于以簡單循環(huán)運行或以聯(lián)合循環(huán)構造運行的燃氣輪機。用以減少排氣氣流中氧氣的量的排氣再循環(huán)具有許多優(yōu)點。成本便宜，因為其不 必使用另外的設施。減少了用于修理和維護的停機時間量。通過基于再循環(huán)的排氣氣流的 體積將氧氣的量減少到低于或等于約2%的體積比，具體而言低于或等于約的體積比， 用于從氧氣分離二氧化碳的胺溶劑(通過氧化)的降解大幅減少雖然已參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但本領域的技術人員將會理解的是，可 作出各種改變并且可用等同物代替其元件而不背離本發(fā)明的范圍。此外，可作出許多改型 來使特定情形或材料與本發(fā)明的教導相匹配而不背離本發(fā)明的實質(zhì)范圍。因此，本發(fā)明不 應認為局限于作為為實施本發(fā)明而構思出的最佳方式所公開的具體實施例。
權利要求
一種方法，包括在第一壓縮機(810)中壓縮空氣；在渦輪(420)中燃燒所述空氣連同碳氫化合物燃料；從所述渦輪(420)產(chǎn)生排氣氣流；將所述排氣氣流分離成第一部分和第二部分；從所述第一部分分離二氧化碳；在第二壓縮機(410)中壓縮所述第二部分；以及使壓縮的所述第二部分再循環(huán)到所述渦輪(420)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述排氣氣流中的二氧化碳的量從來 自所述渦輪(420)的排氣氣流的總體積的約3%的體積比增加到約18%的體積比。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，空氣相對于供應到所述渦輪(420)的排氣 氣流的比率達到約0.25 1。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述排氣氣流中的氧氣含量基于來自 所述渦輪(420)的排氣氣流的總體積低于或等于約12%的體積比。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，基于來自所述渦輪(420)的排氣氣流的總 體積，所述第一部分為約40 %到約80 %的體積比，而所述第二部分為約20 %到約60 %的體 積比。
6.一種使用根據(jù)權利要求1所述的方法的系統(tǒng)(1000)。
7.一種系統(tǒng)(1000)，包括第一壓縮機(810)，所述第一壓縮機(810)可操作以壓縮空氣； 渦輪(420)，所述渦輪(420)布置在所述第一壓縮機(810)的下游，所述渦輪(420)可 操作以燃燒碳氫化合物燃料連同來自所述第一壓縮機(810)的壓縮空氣，以產(chǎn)生排氣氣 流；以及第二壓縮機(410)，所述第二壓縮機(410)布置在所述渦輪(420)的下游，所述第二 壓縮機(410)可操作以壓縮所述排氣氣流以及使壓縮的所述排氣氣流循環(huán)到所述渦輪 (420)。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括燃燒系統(tǒng)(430)，所述燃 燒系統(tǒng)(430)可操作以燃燒所述壓縮空氣和所述碳氫化合物燃料。
9.根據(jù)權利要求7或權利要求8中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括二 氧化碳分離系統(tǒng)(460)，所述二氧化碳分離系統(tǒng)(460)用于從排氣流提取二氧化碳。
10.根據(jù)權利要求7、權利要求8或權利要求9中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述 系統(tǒng)還包括分流器(450)，所述分流器(450)可操作以將所述排氣氣流分為第一部分和第 二部分，所述第一部分排出到二氧化碳分離器(460)而所述第二部分再循環(huán)到所述第二壓 縮機(410)。
全文摘要
本文涉及用于增加燃氣輪機排氣中二氧化碳含量的方法及其系統(tǒng)。公開了一種系統(tǒng)(1000)，包括第一壓縮機(810)，其可操作以壓縮空氣；渦輪(420)，其布置在第一壓縮機的下游，可操作以燃燒碳氫化合物燃料連同來自第一壓縮機的壓縮空氣，以產(chǎn)生排氣氣流；以及第二壓縮機(410)，其布置在渦輪(420)的下游，可操作以壓縮排氣氣流并且使壓縮的排氣氣流循環(huán)到渦輪。公開了一種方法，包括在第一壓縮機(810)中壓縮空氣；在渦輪(420)中燃燒空氣連同碳氫化合物燃料；從渦輪(420)產(chǎn)生排氣氣流；在第二壓縮機(410)中壓縮排氣氣流；使壓縮的第二部分再循環(huán)到渦輪；從排氣氣流分離二氧化碳；以及儲存二氧化碳。
文檔編號F02C3/34GK101845994SQ20101000553
公開日2010年9月29日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權日2009年1月16日
發(fā)明者S·D·德拉珀 申請人:通用電氣公司