減少發電裝置中二氧化碳排放的方法

2023-10-22 11:40:32

專利名稱：減少發電裝置中二氧化碳排放的方法
技術領域：
本發明涉及減少發電裝置中二氧化碳(co2)排放的方法。
背景技術：
世界上大部分能量供應通過在發電裝覃中燃燒燃料、特別是天然 氣或合成氣而提供。通常在一個或多個燃氣輪機中燃燒燃料，和將所得氣體用於產生蒸汽。隨後將蒸汽用於發電。燃料燃燒導致產生C02。 在最近的幾十年中，排放至大氣的C02量在全球範圍內已經明顯增大。 按Kyoto協議，必須減少C02排放，以防止或抵消不希望的氣候變化。燃氣輪機煙氣的C02濃度取決於所應用的燃料和燃燒以及熱回收 過程，和一般相對低，通常為3-15%。因此，減少0)2排放使得希望從 廢氣中分離出C02，因為壓縮和存放全部煙氣物流過於昂貴。因為這個 原因，所以使用專用的C02捕集設備以從煙氣物流中脫除C02和從而產 生濃縮的C02物流是有利的。例如在EP 1， 688， 173中描述了這樣的方法，其中描述了使用具有 吸收器和再生器的C02捕集設備的用於在海上平臺上回收二氧化碳和 發電的方法。在進入吸收器之前，使用鼓風機對含C02的廢氣加壓。對該鼓風機的需求增大了方法的總成本和操作複雜性。目前已經發現當產生加壓的含C02的廢氣時，可以實現更簡化的方法。發明內容為此，本發明提供用於減少發電裝置中C02排放的方法，其中所述發電裝置包括至少一個與熱回收蒸汽發生器設備偶聯的燃氣輪機，和 C02捕集設備包括吸收器和再生器，所述方法包括如下步驟(a) 將離開具有一定高壓的燃氣輪機的熱廢氣加入熱回收蒸汽發 生器設備中，以產生蒸汽和含二氧化碳的煙氣物流；(b) 通過在具有高操作壓力的吸收器中使含二氧化碳的煙氣物流 與吸收液體接觸而從所述煙氣物流中脫除二氧化碳，以獲得富含二氧 化碳的吸收液體和純化的煙氣物流，其中調節燃氣輪機的設置使得離 開燃氣輪機的熱廢氣的壓力為吸收器的高操作壓力的至少40%。
具體實施方式
在所述方法中，使用包括至少一個燃氣輪機的發電裝置。通常， 將燃料和含氧氣體加入燃氣輪機的燃燒區中。在燃氣輪機的燃燒區中， 燃料燃燒從而產生熱燃燒氣。熱燃燒氣在燃氣輪機中膨脹(通常經由排 列成行的膨脹器葉片序列)，和用於通過發電機發電。在燃氣輪機中燃 燒的適合燃料包括天然氣和合成氣。在步驟(a)中，將離開燃氣輪機的熱廢氣引入熱回收蒸汽發生器設 備中。離開燃氣輪機的熱廢氣具有一定的高壓。熱廢氣的壓力由燃氣 輪機的設置和/或構造決定。例如，通常燃氣輪機包括排列成行的膨脹 器葉片序列通過改變膨脹器葉片行數，可以增大燃氣輪機的背壓， 導致熱廢氣具有高壓。在所述方法中，調節燃氣輪機的設置和/或構造， 使得離開燃氣輪機的熱廢氣的壓力為C02捕集設備中的吸收器的操作 壓力的至少40%。優選地，離開燃氣輪機的熱廢氣的壓力為吸收器的 高操作壓力的至少50%，更優選為至少60%，仍然更優選為至少70%。決定燃氣輪機電功輸出的因素之一是燃氣輪機的入口和出口之間 的壓力差。不希望被具體的理論所束縛，假定更大的壓力差將導致更 高的電功輸出。更大的壓力差通常意味著燃氣輪機的入口壓力將高和 出口壓力將儘可能接近環境。在所述方法中，調節燃氣輪機的設置和/ 或構造，使得出口壓力有目的地升高，這意味著出口壓力高於環境壓 力。結果是，燃氣輪機的電功輸出將略微低於出口壓力接近環境壓力 的燃氣輪機。已經發現，儘管燃氣輪機電功輸出略低，但是整個過程 仍然是更有利的，因為C02捕集設備的能量需求明顯較低。現在，在進入0)2捕集設備的吸收器之前，煙氣需要少量加壓或不需要加壓。 因此，現在可以省卻在進入0)2吸收器之前通常用於使煙氣物流加壓的昂貴的和耗能的設備。優選地，熱廢氣的溫度為350-700°C，更優選400-650°C。熱廢氣 的組成可以變化，取決於燃氣輪機中燃燒的燃料氣體和燃氣輪機中的 條件。通常，熱廢氣含有10-15%的02。通常，熱廢氣含有3-6%的C02。熱回收蒸汽發生器設備是提供從熱廢氣中回收熱量和將該熱量轉 化成蒸汽的工具的任意設備。例如，熱回收蒸汽發生器設備可以包括 多根堆疊方式安裝的管。將水泵送和循環通過所述管，並可以保持在 高溫高壓下。熱廢氣加熱所述管，和用於產生蒸汽。可以設計熱回收 蒸汽發生器設備，以產生一種、兩種或三種類型的蒸汽高壓蒸汽、 中壓蒸汽和低壓蒸汽。優選地，設計蒸汽發生器以產生至少一定量的高壓蒸汽，因為高 壓蒸汽可用於發電。適合地，高壓蒸汽的壓力為90-150bara，優選為 90-125bara,更優選為100-115bara 適合地，也產生低壓蒸汽，4氐 壓蒸汽壓力優選為2-10bara,更優選至8bara，仍然更優選4-6bara。 該低壓蒸汽用於使含C02的吸收液體再生。在優選實施方案中，在熱回收蒸汽發生設備中燃燒一定量的燃料， 以產生附加蒸汽。該實施方案提供通過調節加入熱回收蒸汽發生器設 備的燃料量而控制熱回收蒸汽發生器設備中產生的蒸汽的量和類型的 可能性。優選地，使用低壓蒸汽管路以將加熱蒸汽從熱回收蒸汽發生 器輸送至C02捕集設備。適合地，以閉合迴路排列低壓蒸汽管路，以 使產生的用於發電的蒸汽與過程換熱器中使用的蒸汽隔離。熱回收蒸汽發生器設備排出含C02的煙氣。煙氣的組成除了其它的 以外取決於燃氣輪機中使用的燃料類型。適合地，煙氣包含 0. 25-30% (v/v)的C02,優選l-20%(v/v)。煙氣通常還含有氧，優選為 0. 25-20% (v/v)，更優選5-15%(v/v)，仍然更優選1-10% (v/v)。在步驟(b)中，通過在高壓下使煙氣與吸收液體接觸而脫除C02， 適合地在吸收器中進行。適合地，吸收在相對低溫下和在高操作壓力下發生。高壓表示C02吸收器的操作壓力高於環境壓力。優選地，吸收器的操作壓力為50-200 mbarg，更優選70-150 mbarg。因為煙氣已 經具有高壓，所以煙氣壓力和吸收器操作壓力之間的壓力差相對小。 因此，在進入吸收器之前，煙氣不需要被加壓或需要被加壓至較低的 程度。考慮到大量煙氣待加壓，使用更小的鼓風機或完全取消鼓風機 將導致對整個過程的相當可觀的成本節省。因為煙氣的溫度通常相對 高，所以優選在進入吸收器之前使煙氣冷卻。吸收液體可以是能夠從煙氣物流中脫除C02的任意吸收液體，所述 煙氣物流包含氧和具有相對低濃度的CO"該吸收液體可包括化學和物 理溶劑或這些的組合。適合的物理溶劑包括聚乙二醇的二甲基醚化合物。適合的化學溶劑包括氨和胺化合物。在一個實施方案中，吸收液體包含選自單乙醇胺(MEA)、 二乙醇胺 (DEA) 、 二甘醇胺(DGA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和三乙醇胺(TEA)的一種 或多種胺。MEA是特別優選的胺，因為它能夠吸收相對高百分數的 C02 (體積0)2/體積MEA)。因此，包含MEA的吸收液體適合於從具有低 濃度0)2、通常是3-10體積°/。0)2的煙氣中脫除0)2。在另一個實施方案中，吸收液體包含選自甲基二乙醇胺(MDEA)、 三乙醇胺(TEA)、 N，N'-二 (羥基烷基)哌溱、N，N，N'，N'-四(羥基烷 基)-l， 6-己二胺和叔烷基胺磺酸化合物的一種或多種胺。優選地，N， N'-二 (羥基烷基)哌溱是N， N'-二- (2-羥基乙基)哌溱和/ 或N, N'-二- (3-羥基丙基)哌嗪。優選地，四(羥基烷基)-l，6-己二胺是N，N，N'，N'-四(2-羥基乙 基)-l， 6-己二胺和/或N， N， N'，N'-四(2-羥基丙基)-l， 6-己二胺。優選地，叔烷基胺磺酸化合物選自4- (2-羥基乙基)-l-哌噪乙烷磺 酸、4-(2-羥基乙基)-l-哌嗪丙烷磺酸、4-(2-羥基乙基)哌嗪-1-(2-羥基丙烷磺酸)和1， 4-哌溱二 (磺酸)。在又一個實施方案中，吸收液體包含N-乙基二乙醇胺(EDEA)。在特別優選的實施方案中，吸收液體包含氨。在煙氣物流包含可測量量的氧、適合地為1-20y。(v/v)的氧的情況 下，優選將緩蝕劑加入吸收液體。適合的緩蝕劑為例如US6，036，888 中描述的。在大多數情況下，希望擁有連續的過程，包括吸收液體的再生。 因此，優選所述方法還包括步驟(c):通過在再生器中在高溫下使富含 二氧化碳的吸收液體與汽提氣體接觸而使富含二氧化碳的吸收液體再 生，以獲得再生的吸收液體和富含二氧化碳的氣體物流。應理解，用 於再生的條件尤其取決於吸收液體的類型和吸收步驟中使用的條件。 適合地，再生在與吸收不同的溫度和/或不同的壓力下發生。在吸收液體包含胺的情況下，優選再生溫度為100-200匸。在吸收 液體包含含水胺的情況下，再生優選在l-5bara的壓力下發生。在吸收液體包含氨的情況下，適合地，吸收步驟在低於環境溫度 的溫度下進行，優選為0-10X:，更優選為2-8'C。再生步驟適合地在 比吸收步驟中使用的更高的溫度下進行。當使用含氨的吸收液體時， 離開再生器的富含C02的氣體物流具有高壓。適合地，富含C02的氣體 物流的壓力為5-8bara，優選6-8bara。在其中富含C02的氣體物流需 要在高壓下的應用中，例如當將它用於注入地下地層中時，有利之處 是富含C02的氣體物流已經在高壓下。通常，需要一系列的壓縮機， 以將富含C02的氣體物流加壓至所需高壓。已經在高壓下的富含C02 的氣體物流更容易進行進一步加壓。任選地，所述方法還包括步驟(d):在熱回收蒸汽發生設備中燃燒 一定量的燃料，以產生附加蒸汽。優選地，通過使用附加量的蒸汽， 至少部分滿足了再生步驟的熱量需求。燃燒的燃料量優選使得附加量 的蒸汽足以提供用於使吸收液體再生所需熱量的至少80%，更優選至 少90%,仍然更優選至少95%和最優選100°/。。進行步驟(d)的優選方式是監控由熱回收蒸汽發生器設備產生的 電，和根據電量調節加入熱回收蒸汽發生器設備中的燃料量。如前面 所解釋的，在熱回收蒸汽發生器設備中，優選在蒸汽渦輪中產生高壓 蒸汽，將所述高壓蒸汽例如經由與蒸汽渦輪偶聯的發電機轉化成電。當C02捕集設備運轉時，由於用於加熱C02捕集設備的再生器所需的從熱回收蒸汽發生器設備中抽出的蒸汽量，使得與蒸汽渦輪偶聯的發電 機的電功輸出將下降。通過監控熱回收發生器設備的與蒸汽渦輪偶聯 的發電機的輸出，可以調節熱回收蒸汽發生器設備中燃燒的燃料量。 在輸出下降的情況下，可以增大燃燒的燃料量。優選地，在不明顯降 低與蒸汽渦輪偶聯的發電機的電功輸出的條件下，預先確定為了能夠滿足C02捕集設備的再生器的熱量需求而燃燒的燃料量。將C02捕集設備未運轉時與蒸汽渦輪偶聯的發電機的電功輸出作為基準，和隨後確定為了實現相同輸出而燃燒的燃料量。在熱回收蒸汽發生器設備中燃燒的適合燃料包括天然氣和合成氣。步驟(d)中一定量燃料的燃燒需要存在氧。可以將該氧供應至熱回 收蒸汽發生器設備，但優選熱廢氣含有氧，和該氧的至少一部分用於步驟(d)的燃料燃燒中。作為使用來自熱廢氣的氧的結果，離開熱回收 蒸汽發生器設備的煙氣中氧量將更低。這有利於C02吸收過程，特別 是當使用胺吸收液體時。氧可以導致胺降解，和可以導致吸收液體中 降解產物的形成。因此，煙氣的氧含量更低將導致更少的胺降解和更 少的降解產物的形成。優選地，使用二氧化碳壓縮機使富含二氧化碳的氣體物流加壓， 以產生加壓的二氧化碳物流。需要驅動二氧化碳壓縮機。當熱回收蒸 汽發生器設備中產生的部分蒸汽用於驅動二氧化碳壓縮機時，實現了 良好的熱聯合。優選地，加壓C02物流的壓力為40-300bara，更優選50-300bara。 可以將具有這些優選範圍內壓力的C02物流用於多種目的，特別是用 於強化油、煤層甲烷的採收、或用於地下地層中的隔離。特別是對於 其中將加壓C02物流注入地下地層中的目的，需要高壓。在優選實施 方案中，將加壓C02物流用於強化油採收。通過將C02注入油儲層中， 可以增大油採收率。通常，將加壓C02物流注入油儲層中，其中它與 存在的一些油混合。C02和油的混合物將置換出通過傳統注入不能置換出的油。下面將參考附

圖1僅以舉例方式描述本發明。在圖1中，顯示了包括燃氣輪機(l)、熱回收蒸汽發生器設備(2) 和C02捕集設備(3)的發電裝置。在燃氣輪機中，將含氧氣體經管線4 供應至壓縮機5。將燃料經管線6供應至燃燒器7，和在壓縮的含氧氣 體存在下燃燒。將所得燃燒氣在膨脹器8中膨脹，和用於在發電機9 中發電。將舍C02和氧的剩餘廢氣經管線IO導向熱回收蒸汽發生器設 備2。在熱回收蒸汽發生器設備中，在加熱區11中用熱廢氣加熱水以 產生蒸汽。將蒸汽經管線12導入蒸汽渦輪13中，以在發電機14中產 生附加電功。任選地，將一定量的燃料經管線15導入熱回收蒸汽發生 器設備和利用來自廢氣的氧燃燒，以產生附加蒸汽。將含C02和氧並 具有增大的壓力的熱煙氣經管線16導入胺吸收器17。優選地，將熱 煙氣首先在冷卻器(未顯示)中冷卻。在胺吸收器17中，C02從煙氣中 轉移至胺吸收器內含有的胺液體中。將貧含二氧化碳的純化的煙氣經 管線18從胺吸收器中導出。將富含C02的胺液體經管線19從胺吸收 器導入再生器20。在再生器中，使富含C02的胺液體減壓，和在高溫 下與汽提氣體接觸，從而將C02從胺液體中轉移至汽提氣體中，以獲 得再生的胺液體和富含C02的氣體物流。將富含C02的氣體物流經管線 21從再生器中導出。優選地，使用C02壓縮機(未顯示)使富含C02的氣 體物流加壓，和在其它位置使用加壓C02物流。將再生的胺液體經管 線22從再生器導入胺吸收器。利用經管線23從蒸汽渦輪13導入再生 器的低壓蒸汽供應為提供再生器高溫所需的熱量。
權利要求
1.一種用於減少發電裝置中CO2排放的方法，其中所述發電裝置包括至少一個與熱回收蒸汽發生器設備偶聯的燃氣輪機，和CO2捕集設備包括吸收器和再生器，所述方法包括如下步驟(a)將離開具有一定高壓的燃氣輪機的熱廢氣加入熱回收蒸汽發生器設備中，以產生蒸汽和含二氧化碳的煙氣物流；(b)通過在具有高操作壓力的吸收器中使含二氧化碳的煙氣物流與吸收液體接觸而從所述煙氣物流中脫除二氧化碳，以獲得富含二氧化碳的吸收液體和純化的煙氣物流，其中調節燃氣輪機的設置和/或構造使得離開燃氣輪機的熱廢氣的壓力為吸收器的高操作壓力的至少40％。
2. 權利要求l的方法，其中離開燃氣輪機的熱廢氣的壓力為吸收 器的高操作壓力的至少50%，優選至少60%，更優選至少70%。
3. 權利要求1或2的方法，其中吸收器的高操作壓力為50-200 mbarg,優選70-150 mbarg。
4. 權利要求l-3任一項的方法，還包括如下步驟(c) 通過在再生器中在高溫下使富含二氧化碳的吸收液體與汽提 氣體接觸而使富含二氧化碳的吸收液體再生，以獲得再生的吸收液體 和富含二氧化碳的氣體物流。
5. 權利要求l-4任一項的方法，所述方法還包括如下步驟(d) 利用二氧化碳壓縮機使富含二氧化碳的氣體物流加壓，其中優選將熱回收蒸汽發生器設備中產生的蒸汽的第一部分用於驅動二氧化 碳壓縮才幾。
6. 前述權利要求任一項的方法，其中在熱回收蒸汽發生器設備中 燃燒一定量的燃料，以產生附加量的蒸汽，其中優選熱回收蒸汽發生 器設備中燃燒的燃料量使得附加量的蒸汽足以提供使吸收液體再生所 需熱量的至少80%。
7. 前述權利要求任一項的方法，其中熱回收蒸汽發生器設備中產生的至少部分蒸汽是高壓蒸汽，優選壓力為90-125bara,更優選為 100-115bara。
8. 權利要求5-7任一項的方法，其中將加壓的富含二氧化碳的氣 體物流用於強化油採收。
9. 前述權利要求任一項的方法，其中吸收液體包含胺，優選為選 自單乙醇胺(MEA)、 二乙醇胺(DEA)、 二甘醇胺(DGA)、曱基二乙醇胺 (MDEA)、三乙醇胺(TEA) 、 N-乙基二乙醇胺(EDEA) 、 N, N'-二 (羥基烷基) 哌溱、N， N， N'， N'-四(羥基烷基)-l， 6-己二胺和叔烷基胺磺酸化合物的 一種或多種胺。
10. 權利要求1-8任一項的方法，其中吸收液體包含物理溶劑或氨。
全文摘要
一種用於減少發電裝置中CO2排放的方法，其中所述發電裝置包括至少一個與熱回收蒸汽發生器設備偶聯的燃氣輪機，和CO2捕集設備包括吸收器和再生器，所述方法包括如下步驟(a)將離開具有一定高壓的燃氣輪機的熱廢氣加入熱回收蒸汽發生器設備中，以產生蒸汽和含二氧化碳的煙氣物流；(b)通過在具有高操作壓力的吸收器中使含二氧化碳的煙氣物流與吸收液體接觸而從所述煙氣物流中脫除二氧化碳，以獲得富含二氧化碳的吸收液體和純化的煙氣物流，其中調節燃氣輪機的設置和/或構造使得離開燃氣輪機的熱廢氣的壓力為吸收器的高操作壓力的至少40％。
文檔編號B01D53/62GK101622054SQ200880006105
公開日2010年1月6日 申請日期2008年1月23日 優先權日2007年1月25日
發明者G·普羅託帕帕斯, K-J·李 申請人:國際殼牌研究有限公司