專利名稱：包括二氧化碳濃度控制系統(tǒng)和方法的渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及渦輪機(jī)技術(shù)，并且更具體而言，涉及用于控制渦輪機(jī)中的二氧化碳(CO2)濃度的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
金屬鑄造廠常使用高爐來利用焦炭將鐵礦石還原成精煉鐵。高爐產(chǎn)生具有低熱值的高爐氣。高爐氣常被用作燃料，以對(duì)鑄造廠中的各種機(jī)器供以動(dòng)力。例如，高爐氣可以用于對(duì)渦輪機(jī)供以動(dòng)力，渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)為鑄造廠生產(chǎn)電力的發(fā)電機(jī)。就是說，來自壓縮機(jī)區(qū)段的壓縮空氣與高爐氣相混合，在燃燒器中點(diǎn)燃并且被引入渦輪機(jī)的渦輪區(qū)段中。渦輪區(qū)段聯(lián)接至構(gòu)造成為鑄造廠生產(chǎn)電能的發(fā)電機(jī)。通常，高爐氣為約60%氮?dú)狻?8-20%二氧化碳以及一些氧氣，且剩余物為一氧化碳。作為貧燃料(lean fuel)，高爐氣以高流動(dòng)速率被引進(jìn)渦輪機(jī)燃燒器室中。高流動(dòng)速率可能導(dǎo)致燃燒器區(qū)段達(dá)到停車極限(stall limit)。因而，從壓縮機(jī)區(qū)段抽取空氣并且供入渦輪區(qū)段的排氣部分，以防止壓縮機(jī)停車。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，渦輪機(jī)包括壓縮機(jī)區(qū)段、可操作地連接至壓縮機(jī)區(qū)段的渦輪區(qū)段、在壓縮機(jī)區(qū)段和渦輪區(qū)段之間流體地連接的燃燒器以及流體地連接至燃燒器的二氧化碳(CO2)抽取系統(tǒng)。(X)2抽取系統(tǒng)包括CO2分離器。(X)2分離器將充滿(X)2的入口氣流分離成第一氣流和第二氣流。第一氣流基本沒有CO2，而第二氣流包括co2。第一氣流被弓I導(dǎo)至燃燒器，而第二氣流通過排出導(dǎo)管。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，高爐氣發(fā)電設(shè)備包括包含排氣部分的高爐和流體地連接至該高爐的排氣部分的爐氣壓縮機(jī)。爐氣壓縮機(jī)對(duì)來自高爐的高爐氣進(jìn)行加壓。煤氣爐發(fā)電設(shè)備還包括渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)具有壓縮機(jī)區(qū)段、可操作地連接至壓縮機(jī)區(qū)段的渦輪區(qū)段以及在壓縮機(jī)區(qū)段和渦輪區(qū)段之間流體地連接的燃燒器。二氧化碳(CO2)抽取系統(tǒng)流體地連接至爐氣壓縮機(jī)和燃燒器。CO2抽取系統(tǒng)包括CO2分離器。CO2分離器將來自爐氣壓縮機(jī)的充滿(X)2的入口氣流分離成第一氣流和第二氣流。第一氣流基本上沒有CO2，而第二氣流包括co2。第一氣流被引導(dǎo)至燃燒器，而第二氣流通過排出管道進(jìn)行傳遞。根據(jù)本發(fā)明的又另一方面，一種運(yùn)轉(zhuǎn)高爐氣發(fā)電設(shè)備的方法包括產(chǎn)生包含二氧化碳(CO2)的高爐氣；將高爐氣導(dǎo)入爐氣壓縮機(jī)內(nèi)以形成加壓的高爐氣；將加壓的高爐氣傳遞至CO2抽取系統(tǒng)內(nèi)；從加壓的高爐氣抽取CO2,以形成基本上沒有CO2的第一加壓的氣流和包括(X)2的第二加壓的氣流；以及將第一加壓的氣流導(dǎo)入渦輪機(jī)的燃燒器內(nèi)。根據(jù)下面結(jié)合了圖形的說明書，這些優(yōu)點(diǎn)和特征以及其它的優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加顯而易見。


在說明書所附的權(quán)利要求中特別地指出并且明要求保護(hù)被視為本發(fā)明的主題。根據(jù)下面結(jié)合了附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述特征和優(yōu)點(diǎn)以及其它的特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，在附圖中圖1是根據(jù)示范性實(shí)施例的一個(gè)方面的包括渦輪機(jī)的高爐氣發(fā)電設(shè)備的示意圖，該渦輪機(jī)具有用于控制(X)2濃度的系統(tǒng)；圖2是根據(jù)示范性實(shí)施例的另一方面的包括渦輪機(jī)的高爐氣發(fā)電設(shè)備的示意圖，該渦輪機(jī)具有用于控制(X)2濃度的系統(tǒng)；以及圖3是根據(jù)示范性實(shí)施例的又另一方面的包括渦輪機(jī)的高爐氣發(fā)電設(shè)備的示意圖，該渦輪機(jī)具有用于控制(X)2濃度的系統(tǒng)。詳細(xì)描述參考了附圖以示例的方式解釋了本發(fā)明的實(shí)施例，連同優(yōu)點(diǎn)和特征。部件列表2:高爐氣發(fā)電設(shè)備4 渦輪機(jī)6:壓縮機(jī)區(qū)段8:渦輪區(qū)段10 公共壓縮機(jī)/渦輪軸12:燃燒器14、33 排氣部分(8)16 熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)30 高爐40 爐氣壓縮機(jī)(rec)50 二氧化碳抽取系統(tǒng)54 二氧化碳分離器56 二氧化碳膜59 加壓的高爐氣64 第一加壓的氣流66 第二加壓的氣流69 燃料管道72 排出管道75、89:控制閥部件76 渦輪排氣管道78 二級(jí)排出管道79 抽取空氣80 抽取空氣管道
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，根據(jù)示范性實(shí)施例的高爐氣(Bre)發(fā)電設(shè)備總體以2指示。Bre發(fā)電設(shè)備2包括渦輪機(jī)4，該渦輪機(jī)4具有由公共的壓縮機(jī)/渦輪軸10可操作地連接的壓縮機(jī)區(qū)段6和渦輪區(qū)段8。壓縮機(jī)區(qū)段6和渦輪區(qū)段8由燃燒器12流體地連接。渦輪區(qū)段8包括流體地連接至熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 16的排氣部分14。Bre發(fā)電設(shè)備2還包括高爐30，該高爐30具有流體地連接至爐氣壓縮機(jī)(rec)40的排氣部分33。利用該布置，來自高爐30的爐氣被rec 40加壓并且作為燃料傳遞至燃燒器12。加壓的爐氣與一些來自壓縮機(jī)區(qū)段6的抽取空氣混合并且點(diǎn)燃，以形成燃燒氣體。然后，燃燒氣體傳遞至渦輪區(qū)段8的第一級(jí)。渦輪區(qū)段8將來自燃燒氣體的熱能轉(zhuǎn)換為用于運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的機(jī)械能/轉(zhuǎn)動(dòng)能，該發(fā)電機(jī)為高爐設(shè)施提供動(dòng)力。根據(jù)示范性的實(shí)施例，在到達(dá)燃燒器12之前，從加壓的高爐氣中除去二氧化碳(CO2)。從加壓的高爐氣中除去(X)2減少了來自壓縮機(jī)區(qū)段6的必需的抽取空氣的量，從而允許燃燒器12中更高的燃燒溫度。降低燃燒需要的抽取空氣的量和提高燃燒器中的燃燒溫度改善了燃?xì)鉁u輪機(jī)的性能。為了除去CO2，加壓的高爐氣通過二氧化碳抽取系統(tǒng)50。二氧化碳抽取系統(tǒng)50包括二氧化碳分離器M，根據(jù)該示范性的實(shí)施例的一個(gè)方面，該二氧化碳分離器M采取二氧化碳膜56的形式。根據(jù)示范性的實(shí)施例，加壓的高爐氣59從RX 40傳入二氧化碳抽取系統(tǒng)50中。二氧化碳分離器M將加壓的高爐氣59分離成基本上沒有二氧化碳的第一加壓的氣流64和包括二氧化碳的第二加壓的氣流66。根據(jù)該示范性實(shí)施例的一個(gè)方面，“基本上沒有”應(yīng)當(dāng)被理解為意味著第一加壓的氣流64中95%沒有二氧化碳。根據(jù)該示范性的實(shí)施例的另一方面，第一加壓的氣流64中98%沒有二氧化碳。根據(jù)該示范性的實(shí)施例的又一方面，第一加壓的氣流64中99%沒有二氧化碳。根據(jù)該示范性的實(shí)施例的還另一方面，第一加壓的氣流64完全地100%沒有二氧化碳。第一加壓的氣流64通過燃料管道69并且繼續(xù)傳遞至燃燒器12，以在渦輪機(jī)4中用作燃料。第二加壓的氣流66通過具有控制閥部件75的排出管道72，并且，根據(jù)所顯示的示范性實(shí)施例，經(jīng)由排氣管道76而被引導(dǎo)至渦輪區(qū)段8的排氣部分14。進(jìn)一步根據(jù)示范性實(shí)施例，控制閥部件75被選擇性地打開/關(guān)閉，以建立第二加壓的氣流66的期望的流動(dòng)速率?？刂频诙訅旱臍饬?6的流動(dòng)速率建立了第一加壓的氣流64中二氧化碳的期望水平?？刂频谝患訅旱臍饬髦械?X)2的水平允許燃燒器12的更加靈活的控制，從而進(jìn)一步改進(jìn)了渦輪機(jī)4的性能和排放遵從?，F(xiàn)在，將參照?qǐng)D2來描述示范性實(shí)施例的另一方面，其中，相似的標(biāo)號(hào)在各自的圖中代表相應(yīng)的部分。根據(jù)所顯示的布置，第二加壓的氣流66從排出管道72導(dǎo)入二級(jí)排出管道78中。第二加壓的氣流66可以從二級(jí)排出管道78釋放至周圍環(huán)境，或者傳遞至用于儲(chǔ)存或其它用途的另一系統(tǒng)。在該布置中，為了從Bre發(fā)電設(shè)備2抽取額外的功效，夾帶的二氧化碳可能被捕獲并用于其它目的，而不是在排氣部分14中傳遞第二加壓的氣流66?，F(xiàn)在，將參照?qǐng)D3來描述示范性實(shí)施例的又一方面，其中，相似的標(biāo)號(hào)在各自的圖中代表相應(yīng)的部分。根據(jù)所顯示的布置，除了接收來自rec 40的加壓的高爐氣59之外，二氧化碳抽取系統(tǒng)50還接收來自壓縮機(jī)區(qū)段6的抽取空氣79。更具體而言，壓縮機(jī)區(qū)段6由抽取空氣管道80流體地連接至二氧化碳分離器M。抽取空氣管道80設(shè)有選擇性地打開/關(guān)閉以控制抽取空氣的流動(dòng)速率的抽取空氣控制閥部件89，以將抽取空氣79從壓縮機(jī)區(qū)段6輸送至二氧化碳分離器M。利用該布置，抽取空氣控制閥部件89可以獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)以及/或者結(jié)合控制閥部件75運(yùn)轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)第一加壓的氣流64中的二氧化碳的量。如所顯示的，第二加壓的氣流66可能被引導(dǎo)至渦輪區(qū)段6的排氣部分14，或者傳遞至用于備選用途的收集系統(tǒng)。
在這點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)懂得，示范性實(shí)施例提供了用于控制高爐發(fā)電設(shè)備的燃料氣流中二氧化碳的量的系統(tǒng)?？刂铺峁┲寥紵鞯臓t氣中的(X)2的量減少了來自壓縮機(jī)區(qū)段的必需的抽取空氣的量。通過降低易燃混合物中的CO2的量，在燃燒器中有可能采用更高的燃燒溫度。降低壓縮機(jī)保護(hù)所需要的抽取空氣的量和提高燃燒器中的燃燒溫度改善了燃?xì)鉁u輪的性能。盡管僅僅聯(lián)系有限數(shù)量的實(shí)施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是，應(yīng)當(dāng)容易懂得，本發(fā)明不限于此類公開的實(shí)施例。反之，能夠修改本發(fā)明，以結(jié)合許多迄今未描述的、但是與本發(fā)明的要旨和范圍相當(dāng)?shù)淖兏?、改變、替換或者等同布置。此外，盡管描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但是，應(yīng)當(dāng)懂得，本發(fā)明的方面可以僅僅包括其中一些所描述的實(shí)施例。因而，本發(fā)明不視為由前述的說明書所限制，而是僅僅由所附的權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)(4)，包括:壓縮機(jī)區(qū)段(6)；渦輪區(qū)段(8)，其可操作地連接至所述壓縮機(jī)區(qū)段(6)；燃燒器(12)，其在所述壓縮機(jī)區(qū)段(6)和所述渦輪區(qū)段( 之間流體地連接；以及二氧化碳(CO2)抽取系統(tǒng)(50)，其流體地連接至所述燃燒器(12)，所述CO2抽取系統(tǒng)(50)包括CO2分離器(M)，所述CO2分離器(54)將充滿(X)2的入口氣流分離成第一氣流(64)和第二氣流(66)，所述第一氣流(64)基本上沒有CO2，而所述第二氣流(66)包括CO2,所述第一氣流(64)被引導(dǎo)至所述燃燒器(12)，而所述第二氣流(66)通過排出管道(72)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)G)，其特征在于，所述渦輪機(jī)(4)還包括布置在所述排出管道(7 中的排出氣體閥部件(75，89)，所述排出氣體閥部件(75，89)被選擇性地打開，以控制所述第一氣流(64)中的(X)2濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機(jī)G)，其特征在于，所述排出管道(7 流體地連接至所述渦輪區(qū)段⑶。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機(jī)G)，其特征在于，所述排出管道(7 流體地連接至所述渦輪區(qū)段(8)的排氣部分(14，33)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)G)，其特征在于，所述渦輪機(jī)(4)還包括抽取空氣管道(80)，其流體地連接所述壓縮機(jī)區(qū)段(6)和所述CO2抽取系統(tǒng)(50)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪機(jī)G)，其特征在于，所述渦輪機(jī)(4)還包括布置在所述抽取空氣管道(80)中的抽取空氣閥部件(75，89)，所述抽取空氣閥部件(75，89)被選擇性地打開，以控制所述第一氣流(64)中的(X)2濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)(4)，其特征在于，所述(X)2分離器(54)包括(X)2膜(56)。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括二氧化碳濃度控制系統(tǒng)和方法的渦輪機(jī)，具體而言，涉及一種渦輪機(jī)(4)，其包括壓縮機(jī)區(qū)段(6)、可操作地連接至壓縮機(jī)區(qū)段(6)的渦輪區(qū)段(8)、在壓縮機(jī)區(qū)段(6)和渦輪區(qū)段(8)之間流體地連接的燃燒器(12)以及流體地連接至燃燒器(12)的二氧化碳(CO2)抽取系統(tǒng)(50)。CO2抽取系統(tǒng)(50)包括CO2分離器(54)。CO2分離器(54)將充滿CO2的入口氣流分離成第一氣流(64)和第二氣流(66)。第一氣流(64)基本上沒有CO2，而第二氣流(66)包括CO2。第一氣流(64)被引導(dǎo)至燃燒器(12)，而第二氣流(66)通過排出管道(72)。
文檔編號(hào)F01D25/30GK102562312SQ20111034646
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者A·R·蘭加斯瓦米, C·M·喬世, M·蒂亞加拉延, P·南達(dá)戈帕爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司