用於氣體處理的系統的製作方法

2023-07-03 08:42:11 2

專利名稱：用於氣體處理的系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於處理由用於產生電能的燃燒化石燃料的動力裝置產生的氣體的系統。本發明特別涉及這樣的系統其用於處理氣體，以淨化這種氣體，以便幫助運送和存儲二氧化碳。
背景技術：
考慮到減少將溫室氣體二氧化碳(CO2)排放到大氣中，用於產生電能的燃燒化石燃料的動力裝置的煙道氣典型地配備有所謂的(X)2捕捉系統。包含在煙道氣中的(X)2氣體首先被分離，然後壓縮、乾燥和冷卻，並且因而被調節，以進行永久地存儲和進一步使用，例如增強的油回收。為了安全的運送、存儲或進一步使用，CO2需要具有某些品質。例如，為了進行增強的油回收，氣體將具有至少95%的(X)2濃度、小於50°C的溫度和13. SMpa的壓力。來自燃燒化石燃料的動力裝置的煙道氣不僅包括CO2，而且還包括多種另外的汙染物，例如水蒸氣、氧氣、氮氣、氬氣以及S03、SO2, NO、NO2，必須移除它們，以便滿足環境規章和關於運送和存儲(X)2的要求。所有這些汙染物和CO2本身可以各種濃度出現，這取決於化石燃料的類型、燃燒參數和燃燒器設計。包含在煙道氣中的CO2的百分比的範圍可為4% (在燃氣輪機燃燒氣體的情況下)至60%-90% (在燃煤鍋爐的情況下，空氣分離單元對燃燒過程提供另外的氧氣)。從煙道氣中移除汙染物不受技術障礙的限制，而是有點受額外成本和能源需求的限制，以及隨後受總體動力裝置效率的降低的限制。Minish M. Shah 的「Oxyfuel combustion for CO2 capture from pulverized coalboiler (用於從粉煤鍋爐中捕捉CO2的含氧燃料燃燒)，，(GHGT-7，溫哥華，2004年)公開了用於處理由燃燒化石燃料的鍋爐產生的煙道氣的系統的實例。該系統包括用於使煙道氣的一部分連同來自空氣分離單元的氧氣返回到燃煤鍋爐的再循環線路。煙道氣被引導通過用於移除灰燼和灰塵的過濾器(例如織物過濾器或靜電沉積器)，此外通過用於移除SOx的煙道氣脫硫單元，並且最終通過用於進行CO2淨化和壓縮的氣體處理單元。這個單元包括用於移除不能冷凝的氣體(例如02、NjPAr)的系統、用於移除水蒸氣的脫水系統，以及一系列壓縮和冷卻系統。這些包括未經淨化的煙道氣的第一低壓壓縮系統和經淨化(X)2的高壓壓縮系統，它們各自與冷卻器結合。為了進行壓縮，這樣的系統包括例如兩個多級離心壓縮機(低壓壓縮機和高壓壓縮機)和用於對惰性氣體進行脫水和低溫移除的、布置在低壓和高壓壓縮機之間的設備。多級離心壓縮機具有在各個壓縮機級後面的中間冷卻器，以便最大程度地降低壓縮的動力消耗。多級離心壓縮典型地包括4-6個壓縮級。因為壓縮機級的數量大，所以低壓和高壓壓縮機各自布置在具有單獨的驅動器的獨立的軸上。由中間冷卻器產生的熱是70°C -80°C的低水平的熱，這個熱典型地不被回收，而是改為消散到動力裝置的冷卻水系統中。用於移除惰性氣體的低溫系統產生受壓力的惰性氣體流，惰性氣體流典型地在適當的渦輪中膨脹，渦輪繼而驅動發電機，或者渦輪布置成提供機械動力的一部分來驅動壓縮機。此夕卜，Bin Xu、R. A. Stobbs、Vince White、R. A. Wall 的 「Future CO2 CaptureTechnology for the Canadian market (加拿大市場的未來CO2捕捉技術)」(工商企業&調整改革部，報告號 COAL R309，BERR//Pub，URN 07/1251，2007 年 3 月，第 1 頁-1 頁)公開了用於處理煙道氣(包括脫水、壓縮、冷卻和低溫處理)的系統。所使用的壓縮機是絕熱壓縮機，這允許在動力消耗和冷卻要求方面有改進。US 6，301，927公開了一種藉助於自動製冷來從進料氣體中分離出CO2的方法，其中，進料氣體首先被壓縮且在渦輪中膨脹。然後包含在進料氣體中的CO2被液化，並且在蒸汽-液體分離器中從進料氣體的氣態成分中分離出來。US 4，977，745公開了一種用於從煙道氣回收低純度(X)2的方法，其包括壓縮煙道氣，以及引導其通過水洗器和乾燥器，以及最後引導到CO2分離單元。US 7，416，716公開了一種方法和設備，其用於淨化二氧化碳，特別是用於從由燃煤的燃燒過程產生的(X)2煙道氣中移除和N0X。對於這一點，藉助於具有用於冷卻壓縮氣體的中間冷卻器的壓縮系來將煙道氣或未經淨化的(X)2氣體壓縮到升高的壓力，其中，以絕熱的方式執行壓縮中的一些。含有水蒸氣、02、S0X和NOxW壓縮氣體然後被引導到氣體/液體接觸裝置，以用水清洗氣態CO2,以移除SOx和N0X。發明概述考慮到描述的背景技術，本發明的目標在於，提供用於產生電能的、具有改進的煙道氣處理系統的燃燒化石燃料的動力裝置，煙道氣處理系統用於處理由動力裝置的化石燃料的燃燒產生的煙道氣。根據本發明，燃燒化石燃料的動力裝置包括後燃煙道氣處理系統，其中該系統包括-第一低壓煙道氣壓縮機，其中，第一低壓煙道氣壓縮機是沒有中間冷卻的絕熱軸向壓縮機，-一個或多個熱交換器，其布置在第一低壓煙道氣壓縮機的下遊，並且構造成和布置成將來自壓縮煙道氣的熱傳遞給動力裝置或與動力裝置連接的系統，-第二低壓煙道氣壓縮機，其布置在該一個或多個熱交換器的下遊，並且具有一個或多個級和一個或多個冷卻器，-用於通過從煙道氣中移除惰性氣體來對煙道氣進行低溫淨化的單元，其布置在第二低壓煙道氣壓縮機的下遊，以及-高壓(X)2壓縮機系統，其布置在用於低溫淨化的單元的下遊，並且構造成和布置成壓縮由用於低溫淨化的單元產生的CO2流，高壓CO2壓縮機系統具有若干個級和一個或多個冷卻器，-其中，第二低壓煙道氣壓縮機和高壓(X)2壓縮系統兩者結合在一個單個機器中，並且布置在由一個公共驅動器驅動的一個公共軸上。由於結合了絕熱壓縮機的原因，具有根據本發明的後燃煙道氣處理系統的動力裝置允許減少煙道氣壓縮所需的總動力消耗。此外，沒有中間冷卻器的絕熱壓縮機允許回收來自煙道氣的熱，以及允許在動力裝置或者與動力裝置連接的系統(例如工業消耗裝置或需要熱的其它消耗裝置)中使用該熱。因此，現在可從壓縮煙道氣中抽出將以別的方式從動力裝置中抽取的例如預熱給水所需的熱。因此根據本發明的系統有助於改進因而與煙道氣處理系統結合的動力裝置的總效率，但又不增加壓縮機機器的數量。
另外，根據本發明的煙道氣處理系統允許降低系統的初始投資成本。該系統總共包括具有兩個驅動器和兩個軸的僅兩個壓縮機器，即一方面，絕熱煙道氣壓縮機，而另一方面，第二低壓煙道氣壓縮機與高壓(X)2多級壓縮機的組合。儘管增加了絕熱壓縮機，但是系統的機器總數仍然是一樣的。最後，第二低壓煙道氣壓縮機和高壓(X)2壓縮機結合到一個機器中不但導致降低投資成本，而且還允許在動力裝置構造方面有空間效率。在本發明的一個特定的實施例中，結合到布置在一個軸上的一個機器中的第二低壓煙道氣壓縮系統和高壓(X)2壓縮系統包括兩個低壓壓縮機級和四至六個高壓壓縮機級。
在本發明的另一個特定的實施例中，煙道氣處理系統包括布置在第二低壓煙道氣壓縮機的下遊的脫水單元。這允許有處理和使用產生CO2的更大可能性。在本發明的另一個特定的實施例中，煙道氣處理系統包括用於在絕熱壓縮機的下遊冷卻煙道氣的一個或多個熱交換器，其中，熱交換器(一個或多個)構造成與水流進行熱交換，該水流可為動力裝置或者用於在動力裝置內或與該動力裝置連接的系統中進行熱回收的任何其它水流系統的水/蒸汽循環的一部分。對於這個實施例，絕熱煙道氣壓縮機構造成使煙道氣的排出壓力為選定的壓力範圍。例如考慮關於動力裝置的水/蒸汽循環的最佳熱回收、絕熱壓縮機的最佳地最小化的動力消耗，以及在絕熱煙道氣壓縮機的下遊的低壓和高壓壓縮級而選擇這個壓力範圍。在一個實施例中，可將絕熱煙道氣壓縮機排出壓力設定成7巴絕對壓力至9巴絕對壓力。在這個壓力範圍以上，絕熱壓縮將比中間冷卻的離心壓縮機中的壓縮需要更多動力消耗。關於這個排出壓力，絕熱壓縮機的排出口處的溫度在1701至觀01的範圍中。這通過這樣的方式來允許有高效的熱回收例如通過使用專門的熱交換器來加熱來自動力裝置蒸汽/水循環的冷凝物。在熱回收之後，煙道氣在大約50°C的溫度處。然後在第二交換器中進一步冷卻，熱在第二交換器中消散。然後通過第二低壓煙道氣壓縮機(具有中間冷卻器的離心壓縮機)的兩個級來將煙道氣壓縮到30巴絕對壓力至40巴絕對壓力。例如通過使用具有6至8個級的一個整體齒輪式壓縮機，這兩個級可與具有4至6個級的高壓(X)2壓縮機容易地結合。絕熱壓縮機有助於改進由於壓縮煙道氣的冷卻產生的熱的回收。這可進一步改進與這種類型的煙道氣處理系統結合的動力裝置的總效率。根據本發明的動力裝置的另一個優點在於，與具有僅離心壓縮機的現有技術的動力裝置相比，煙道氣壓縮機(這些是絕熱和離心的)的數量保持恆定。在本發明的另一個特定的實施例中，第一低壓煙道氣壓縮機和第二低壓煙道氣壓縮機構造成使得絕熱壓縮機的排出壓力和低壓煙道氣壓縮機的第一級的排出壓力的比率在1.5至2. 5的範圍中。動力裝置可為任何種類的燃燒化石燃料的動力裝置，包括具有燃煤鍋爐的蒸汽輪機動力裝置，其中可用或不用空氣分離單元提供的另外的氧氣來運行這個鍋爐。燃燒化石燃料的動力裝置還可包括燃氣輪機或聯合循環動力裝置。在另一個實施例中，根據本發明的系統進一步包括一種用於移除或減少SO5^PNOx的系統。這種系統可布置在低壓煙道氣處理系統中，低壓煙道氣處理系統或者在煙道氣壓縮的上遊或者絕熱壓縮機的下遊。如果SOx和NOx移除系統布置在絕熱煙道氣壓縮機的下遊，則仍然可通過將煙道氣壓縮所需的其餘離心級與ω2壓縮所需的級結合在由一個驅動器驅動的一個機器中來實現所提出的發明。SO5^P NOx移除反應動力學以及反應器大小設置將影響絕熱壓縮機排出壓力的選擇。例如，排出壓力然後可升高到大約15巴絕對壓力，因而使煙道氣壓縮的一個級與ω2壓縮結合在一個多級離心壓縮機中。附圖簡述

圖1顯示了根據本發明的、可結合在用於產生電的動力裝置中的煙道氣處理系統的一個實施例的簡圖。部件列表1用於處理煙道氣的系統2來自動力裝置的煙道氣線路3用於經淨化(X)2氣體的線路4用於運送、存儲或進一步使用經淨化CO2的系統5絕熱壓縮機6驅動器7煙道氣線路8熱交換器9用於冷卻介質的系統10煙道氣線路1熱交換器12用於冷卻介質的系統13煙道氣線路14用於煙道氣的低壓壓縮機15用於CO2氣體的高壓壓縮機16 車由17用於聯合的低壓和高壓壓縮機的驅動器18煙道氣線路19脫水單元20低溫單元21用於惰性氣體的線路22用於排出的惰性氣體的膨脹器Cl絕熱壓縮機C2聯合壓縮機機器HR熱回收系統實現本發明的最佳模式圖1顯示了用於處理由燃燒化石燃料的動力裝置產生的煙道氣的煙道氣處理系統1。除了線路2之外未顯示動力裝置本身，線路2引導由化石燃料的燃燒產生的煙道氣，以產生工作介質來驅動渦輪。處理系統1本質上包括將煙道氣引導到全部以提到的順序串聯布置的第一壓縮機系統Cl、熱回收系統HR、第二壓縮機系統C2的煙道氣線路2，以及用於將分離出的(X)2引導到一設施以供另外的使用的(X)2線路3。煙道氣線路2從動力裝置通往第一壓縮機系統Cl，第一壓縮機系統Cl包括絕熱煙道氣壓縮機5。熱回收系統HR包括用於冷卻壓縮機Cl釋放的壓縮煙道氣以及將來自煙道氣的熱傳遞給動力裝置的熱交換器。第二壓縮機系統C2包括用於煙道氣的低壓壓縮和經淨化(X)2的高壓壓縮的聯合的多級的和中間冷卻式壓縮機系統。最後，線路3引導經淨化和壓縮的CO2遠離系統1，到達另一個系統4，以對(X)2進行運送、存儲或進一步使用，例如增強的油回收。煙道氣如所顯示的那樣通過線路2被引導到系統1，其中煙道氣可由例如燃煤鍋爐、氣體燃燒室或燃燒全氧燃燒(oxyfired)煤的鍋爐產生。因而，它們可包含各種濃度的CO2氣體，例如4%或更多(在有或沒有煙道氣再循環的燃氣輪機動力裝置的情況下)，或高達60%-90% (在用於蒸汽輪機動力裝置的燃燒全氧燃燒煤的鍋爐的情況下)。在鍋爐或燃燒室之後，可在諸如靜電沉積器或織物過濾器的過濾器或用於移除硫的任何其它處理單元中預熱煙道氣。此外，可在用於移除NOx或汞的設備中處理煙道氣。煙道氣線路2將含有(X)2的煙道氣攜帶傳送到低壓絕熱煙道氣壓縮機5，低壓絕熱煙道氣壓縮機5由驅動器6驅動，並且構造成將煙道氣壓縮到5巴絕對壓力至20巴絕對壓力的排出壓力。可用5巴絕對壓力至8巴絕對壓力(例如7巴絕對壓力)的排出壓力的構造來達到用於壓縮的最小化的動力消耗。絕熱壓縮機5構造成壓縮到不超過20巴的排出壓力。壓縮到高於這個極限的排出壓力將增加動力消耗，使得使用絕熱壓縮機不再有任何好處。這是因為在大約8巴絕對壓力的壓力之後，絕熱(軸向)動力消耗變得高於中間冷卻式離心壓縮機的動力消耗。在這個壓力之後，在軸向機器中具有較高效的輪的好處被由於在缺乏中間冷卻的情況下的氣體溫度的提高而引起的動力消耗的增加抵銷超過。在壓縮機排出口處，壓縮煙道氣可具有大約200°C _280°C的溫度。將通過使動力消耗最小化來設定絕熱壓縮機的最優排出壓力，但是也通過另外的參數來設定，例如水/蒸汽循環的結合、SO5^n NOx (如果有的話)的中間移除，以及機器的選擇。線路7從低壓煙道氣壓縮機5的排出口通往第一熱交換器8，壓縮的和熱的煙道氣流以與水流或另一種冷卻介質流逆流的方式流過第一熱交換器8。通過線路9來將冷卻介質從熱交換器8引導到用於在動力裝置內的系統或與動力裝置連接的系統中進行熱回收的系統。與改為在這個位置上使用離心壓縮機的情況相比，絕熱/軸向煙道氣壓縮機5允許在較高的溫度(170°C -240°C )處回收來自煙道氣的熱。可在動力裝置中有效地使用這個熱。例如，在所顯示的實施例中，熱回收系統是蒸汽輪機系統的水/蒸汽循環9。在特定的實例中，這個水流連接到給水預熱器或冷凝物抽取泵上。冷凝物的一部分可由煙道氣直接加熱，因而繞過低壓加熱器。低壓加熱器的蒸汽消耗降低，以及因此，有較多蒸汽在循環蒸汽輪機中膨脹，而且裝置可產生較多電功率。由於使用絕熱/軸向煙道氣壓縮機的原因，與具有僅離心煙道氣壓縮機的動力裝置的淨輸出相比，可實現動力裝置的淨功率輸出的0. 5%至的增益。儘管具有與具有僅離心壓縮機的動力裝置相同的數量的壓縮機機器，但是根據本發明的動力裝置實現了較大的輸出。在穿過熱交換器8之後，煙道氣具有例如50°C的溫度。在煙道氣側上，熱交換器8通過線路10來連接到另一個熱交換器或冷卻器11上，其中煙道氣進一步冷卻到例如30°C的溫度。由這個冷卻產生的熱是低級的，並且可消散。線路13從冷卻器11通往聯合壓縮系統C2，聯合壓縮系統C2由驅動器17驅動且包括布置在軸16上且由驅動器17驅動的低壓煙道氣壓縮機14、高壓(X)2壓縮機15。低壓煙道氣壓縮機可具有例如具有中間冷卻器的離心壓縮機的兩個級，而高壓(X)2壓縮機可具有例如具有中間冷卻器的四至六個級。如果絕熱壓縮機的排出壓力較低(在5巴絕對壓力至20巴絕對壓力之間給定的排出壓力範圍內)，則離心低壓煙道氣壓縮機也可具有三個級而非兩個級。被低壓壓縮機14壓縮到例如30巴絕對壓力的煙道氣通過線路18被引導到脫水單元19，以及之後被引導到低溫單元20。在低溫單元中，煙道氣分離，從而產生經淨化CO2氣體流和含有像氮氣、氧氣和氬氣一樣的惰性氣體的排出氣體。排出氣體通過線路21被送到膨脹器22，膨脹器22可安裝在同一個軸16上，或者安裝在獨立的軸上。在根據本發明的煙道氣處理系統中，低壓煙道氣壓縮系統14和高壓CO2壓縮系統15布置在同一個軸上，而低壓煙道氣壓縮系統則布置在低溫淨化系統的上遊，並且高壓(X)2壓縮系統布置在淨化系統的下遊。 現有主要含有足以進行運送和存儲的濃度的(X)2的經低溫淨化的煙道氣被從單元20引導到高壓壓縮機系統15，以進一步壓縮到110巴絕對壓力的壓力，最後通過線路3來將該煙道氣從高壓壓縮機系統15引導到系統4，以進一步使用C02。可優化低溫工藝，其中，分別以兩個不同的壓力在兩個單個流中將經淨化0)2氣體供給到壓縮機系統15，通過這樣，最大程度地降低了壓縮機動力消耗。一個第一低壓線路將經淨化(X)2氣體供給到壓縮機系統15的前部入口，而第二介質壓力線路將經淨化CO2氣體供給到壓縮機系統15的中間級。
權利要求
1.一種用於產生電能的燃燒化石燃料的動力裝置，包括用於處理由所述化石燃料的燃燒產生的煙道氣的系統，其特徵在於，所述煙道氣處理系統包括-第一低壓煙道氣壓縮機(5)，其中，所述第一低壓煙道氣壓縮機( 是沒有中間冷卻的絕熱的軸向壓縮機，-一個或多個熱交換器(8，11)，其布置在所述第一低壓煙道氣壓縮機( 的下遊，並且構造成和布置成將來自壓縮煙道氣的熱傳遞給所述動力裝置或與所述動力裝置連接的系統，-第二低壓煙道氣壓縮機(14)，其布置在所述一個或多個熱交換器(8，11)的下遊，並且具有一個或多個級和一個或多個冷卻器，-用於通過從所述煙道氣中移除惰性氣體來對所述煙道氣進行低溫淨化的單元00)，其布置在所述第二低壓煙道氣壓縮機(14)的下遊，以及-高壓CO2壓縮機系統(15)，其布置在所述用於低溫淨化的單元OO)的下遊，並且構造成和布置成壓縮由所述用於低溫淨化的單元OO)產生的CO2流，所述高壓CO2壓縮機系統(1 具有若干個級和一個或多個冷卻器，-其中，所述第二低壓煙道氣壓縮機(14)和所述高壓CO2壓縮系統(1 兩者結合在一個單個機器(C2)中，並且布置在由一個公共驅動器(17)驅動的一個公共軸(16)上。
2.根據權利要求1所述的動力裝置，其特徵在於，所述煙道氣處理系統(1)另外包括布置在所述第二低壓煙道氣壓縮機(14)的下遊的脫水單元(19)。
3.根據權利要求1所述的動力裝置，其特徵在於，所述第二低壓煙道氣壓縮機(14)包括兩個低壓壓縮機級，而所述高壓CO2壓縮機系統(15)包括布置在一個單個軸上的四至六個高壓壓縮機級。
4.根據權利要求1所述的動力裝置，其特徵在於，所述第二低壓煙道氣壓縮機(14)包括三個低壓壓縮機級，而所述高壓CO2壓縮機系統(15)包括布置在一個單個軸上的四至六個高壓壓縮機級。
5.根據權利要求1所述的動力裝置，其特徵在於，所述熱交換器(8)構造成與水流系統(9)進行熱交換，以進行熱回收。
6.根據權利要求5所述的動力裝置，其特徵在於，所述水流系統(9)是蒸汽輪機動力裝置的水/蒸汽循環的一部分。
7.根據權利要求6所述的動力裝置，其特徵在於，所述水流系統(9)連接到冷凝物抽取泵上。
8.根據權利要求1所述的動力裝置，其特徵在於，所述絕熱壓縮機( 構造成使所述煙道氣的排出壓力為在5巴絕對壓力至20巴絕對壓力的範圍中的壓力。
9.根據權利要求8所述的動力裝置，其特徵在於，所述絕熱壓縮機( 構造成使所述煙道氣的排出壓力為在7巴絕對壓力至9巴絕對壓力的範圍中的壓力。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的動力裝置，其特徵在於，所述第一絕熱低壓煙道氣壓縮機( 和所述第二低壓煙道氣壓縮機(14)構造成使得所述第一絕熱壓縮機(5)的排出壓力與所述第二低壓煙道氣壓縮機(14)的第一級的排出壓力的比率在1. 5至2. 5的範圍中。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的動力裝置，其特徵在於，用於低壓經淨化CO2氣體的第一線路從所述低溫淨化單元00)通往所述高壓CO2壓縮系統(15)的第一入口，而用於中壓經淨化0)2氣體的第二線路從所述低溫淨化單元00)通往所述高壓CO2壓縮系統(15)的中間級。
12.根據前述權利要求中的任一項所述的動力裝置，其特徵在於，所述煙道氣處理系統(1)包括用於移除或減少SO5^n NOxW系統，其布置在或者在所述煙道氣壓縮機(5，14)的上遊或者在所述絕熱壓縮機( 後面的低壓煙道氣處理系統中。
13.根據前述權利要求中的任一項所述的動力裝置，其特徵在於，所述動力裝置是燃燒氣體、煤、全氧燃燒煤的裝置，或者是燃氣輪機動力裝置。
全文摘要
根據本發明，一種用於產生電能的、具有用於處理由化石燃料的燃燒產生的煙道氣的系統(1)的動力裝置包括用於煙道氣的第一低壓壓縮的絕熱壓縮機(5)，以及第二多級低壓煙道氣壓縮系統(14)和多級高壓CO2壓縮系統(15)，其中低壓煙道氣壓縮系統和高壓CO2壓縮系統兩者結合在一個單個機器(C2)中，並且布置在由一個公共驅動器(17)驅動的一個公共軸(16)上。熱交換器(8)有助於改進對由於經絕熱壓縮的煙道氣的冷卻而產生的熱的回收。本發明允許改進與這個處理系統結合的動力裝置的總體動力效率，以及降低投資成本。
文檔編號F25J3/02GK102597672SQ201080032347
公開日2012年7月18日 申請日期2010年7月12日 優先權日2009年7月13日
發明者F·格拉尼耶 申請人:阿爾斯通技術有限公司