發電方法和系統的製作方法

2023-10-23 18:46:37 2

專利名稱：發電方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於發電的方法和系統，特別涉及改進具有二氧化碳的捕獲和相關的 封存(associated sequestration)的氣化發電站(power station)的操作的方法和系統。
背景技術：
在本說明書中，當引用或討論與知識(knowledge)有關的文獻(documents)、會議 文件(act)或短文(item)時，該引用或討論並不是承認所述與知識有關的文獻、會議文件、 短文或其任何組合在優先權日⑴是公知常識的一部分；或(ii)已知與解決說明書中涉及的任何問題的嘗試相關。在可預見的將來，無論是工業化國家還是發展中國家的相當一部分能源需求都將 繼續由燃煤發電站提供。然而，燃燒化石燃料(例如煤)會向大氣中釋放大量二氧化碳 (co2)，而現在公認的是這會潛在地促成災難性的全球變暖。因此有必要開發有助於繼續使 用煤作為燃料源，但又能減少大氣中的C02釋放量的技術。二氧化碳的捕獲與儲存是這種技術的例子，其中燃煤發電站產生的C02被捕 獲、壓縮和儲存，而不釋放到大氣中。已經提出利用地下的地質地層(subterranean geological formations)作為捕獲的C02的合適儲存點，在實踐中稱為「地質封存 (geosequestration)，，。氣化發電站有助於在燃燒燃料源產生電之前將來自含碳燃料源的C02捕獲。然 後捕獲的C02可以方便地運輸到地質封存點。本領域技術人員公知的是，煤的煤氣化 (gasification)涉及使煤或其它含碳燃料源、氧化劑(例如空氣或氧氣)和水蒸汽在高溫 高壓下反應生成主要由氫和一氧化碳(C0)組成的合成氣(synthesis gas，syngas)。合成 氣被冷卻(或驟冷)並除去當中所有不需要的物質(例如灰)，然後在水煤氣變換反應中將 C0轉化為co2，該反應還產生額外的氫。C02在氣化器單元的合成氣流中被捕獲，然後被壓縮成超臨界流體以備後續的地 質封存。剩餘的富氫氣體能夠被燃燒，為燃氣輪機(gas turbine)提供動力以產生電能，或 者用於為燃料電池提供燃料。在聯合循環發電設備(combined-cycle power plant)內，來 自燃氣輪機的廢熱也用於使蒸汽通過蒸汽輪機(steam turbine)產生額外的電能。使用合 成氣作為燃氣輪機燃料源的聯合循環發電設備被稱為整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電設 備。進行C02捕獲和封存的氣化發電設備(gasification-based power plants)是已 知的，優化其中實施的發電方法的各種手段已描述於專利文獻中。例如，第5，724，805號美 國專利描述了將捕獲的C02進行再循環以提高燃氣輪機效率的氣化發電設備。第6，333,015 號美國專利描述了利用再循環的C02改善氣化反應的氣化發電設備。特別是，其中描述了 主氣化器和和副氣化器，在主氣化器中產生的合成氣在碳源(例如焦炭床層)和C02的存 在下於副氣化器中進一步反應。而在副氣化器中產生的合成氣隨後用於為燃氣輪機提供動力(同傳統工藝)，從輪機廢氣中分離的C02再循環回副氣化器中。第5，265，410號美國專利描述了從燃氣輪機廢氣中分離C02，再循環至燃燒室，以 調整和維持其中燃燒的氣體的溫度。第6，877，322號美國專利進一步描述了使用「混合」氣 化循環(「hybrid」 gasification cycle)的發電設備，其中來自蒸汽發生器的廢氣經壓縮 後再循環回氣化器中以控制其內部溫度並有助於氣化反應。如上所述，在氣化器中產生的合成氣在去除汙染物、水煤氣變換(water-shift) 和分離0)2之前，先要進行驟冷。一般，驟冷發生在氣化器的驟冷室內，其中熱合成氣可感 知的熱量(sensible heat)用於蒸發水。在第W003/080503號專利申請中，水自發電過程 的其它部分再循環以用作驟冷流體。合成氣可以部分驟冷(冷卻至大約900°C的溫度)或完全驟冷(冷卻至大約200°C 的溫度)。合成氣驟冷也會受使用再循環的先經驟冷的合成氣的影響。然而，再循環合成氣 驟冷需要使用專用的合成氣壓縮機，因此會降低整個發電工藝的效率。因此，需要開發允許合成氣驟冷的改進的氣化發電方法。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種發電方法，其包括氣化(gasifying)含碳燃料源以產生合成氣；冷卻合成氣；從冷卻的合成氣中去除二氧化碳，留下適用於發電的可燃氣體；壓縮去除的二氧化碳，以將其儲存或封存；以及將至少一部分壓縮的二氧化碳用於冷卻步驟。本質上，本發明的方法單獨使用高壓二氧化碳或者將高壓二氧化碳與來自氣化器 的冷卻的合成氣組合使用，使從氣化器出來的極熱合成氣驟冷，可選擇地，還可以將其與水 基流體(例如霧化噴淋)組合使用。本發明的方法無需提供用於再循環合成氣的驟冷目的的驟冷流體專用壓縮機。本 發明代之利用已經壓縮的流體源，也就是在運往封存點之前的經過壓縮的二氧化碳形式的 流體源，並以更符合工業經濟的方式重新調配壓縮的二氧化碳。可選擇地，本發明的方法包括下列步驟將壓縮的二氧化碳與引出的冷卻的合成氣流組合以提高其壓力，以及在冷卻步驟中使用壓縮的合成氣和二氧化碳。根據本發明的這一實施方式，再循環的二氧化碳有效地代替了冷卻的可燃氣體壓 縮機，因而使氣體的再循環驟冷無需專用的合成氣壓縮機。二氧化碳的壓力必須足夠高，以提供組合的合成氣/ 二氧化碳驟冷流，驟冷流的 速率基本上不超過驟冷合成氣所需的速率。方便的是，超臨界流體形式的二氧化碳(例如 在封存管線中發現的)的壓力合適地高，可以與冷卻的合成氣組合，並用作驟冷流體。優選地，組合步驟包括用壓縮的二氧化碳引出冷卻的可燃氣體。根據本發明的第二實施方式，提供了一種發電系統，其包括氣化器，用於氣化含碳燃料源以產生合成氣；
冷卻合成氣的裝置(means)；從冷卻的合成氣中去除二氧化碳，以留下適於發電的可燃氣體的裝置；壓縮機，用於壓縮去除的二氧化碳，以將其儲存或封存；以及將至少一部分壓縮的二氧化碳再引向冷卻裝置的裝置，用於冷卻合成氣。優選地，該發電系統，包括發電設備(a power plant)；用於運輸儲存或封存的壓縮的二氧化碳的運輸管線系統；以及閥裝置，其適合於在發電設備關閉(shutdown)時，將一定體積的壓縮的二氧化碳 保留在運輸管線系統中，所述被保留的二氧化碳可以在發電設備啟動期間用作驟冷流體。該運輸管線系統可以包括合適的儲存裝置，例如緩衝儲存裝置。本發明的優選形式有助於改善使用合成氣驟冷的氣化發電設備的啟動和/或關 閉所涉及的問題，無論其是否帶輔助的水噴霧(assisted wateratomisation)。可選擇地，該發電系統包括介於冷卻裝置和壓縮機之間的引出器(eductor)，該引 出器被設置成將冷卻的合成氣帶往(entrain)冷卻裝置，以將壓縮的二氧化碳再引向冷卻
直o根據本發明的優選實施方式，該系統包括用可燃氣體發電的聯合循環發電設備。


以下將參照附圖對本發明的實施方式作進一步的解釋和說明，其中，圖1為說明本發明的第一實施方式的流程圖，該實施方式是在具有二氧化碳的捕 獲和相關封存操作的氣化發電設備內進行的；以及圖2為說明本發明的第二實施方式的流程圖，該實施方式是在具有二氧化碳的捕 獲和相關封存操作的氣化發電設備內進行的。附圖的詳細說明參照圖1，所示出的為具有C02的捕獲和相關地質封存操作的整體煤氣化聯合 循環(IGCC)發電設備10。發電設備10適合進行基本負荷發電(baseload electricity generation)。發電設備10包括夾帶流氣化器(entrained flow gasifier) 12、合成氣處理和C02 去除室18、C02壓縮機20和壓縮的C02的運輸管線22。隔離閥(isolation valves) 21、隔 離閥23、隔離閥23A、隔離閥25和隔離閥27介於許多的這些組件之間，以下將對其功能作 更詳細的描述。在一相關的例子中，運輸管線22長220km，將壓縮的C02運輸至昆士蘭州北部的 Denison Trough地區。該地區已被澳大利亞政府確認具有適合儲存壓縮的C02的結構。值 得注意的是，該區域含有天然氣沉積，其已經具有較高水平的天然存在的C02。而且，該地區 在地震方面也是穩定的。使用一系列的井和分配管線(未顯示)，將C02注入到地下距地面達2km的含鹽蓄 水層中進行永久封存。本領域技術人員還會意識到，管線22可以不直接通向封存點，壓縮的C02可以進 行中間的儲存和運輸，例如管線系統可以包括合適的緩衝儲存裝置，或者可以連接至另一儲存裝置，例如位於海上、鐵路和公路上的容器以進一步將壓縮的C02運輸至作為最終封存 點的目的地。本領域技術人員理應明白，發電設備10還包括起輔助作用的基礎設施，例如煤處 理裝置、氣體計量裝置、火警探測裝置、廢物處理裝置等，以及相關的基礎設施建築物，例如 控制室、實驗室、車間、倉庫等。含碳燃料源通過供料管線14進料到氣化器12。隨後氣化燃料源(見下文)，殘渣 通過出口 16從氣化器中去除。夾帶流氣化器12的含碳燃料源一般是在煤粉碎機(未示出)裡產生的粉末狀的 煤。燃料源於氣化器12中高壓下，在氧氣和水蒸汽(通過供料管線13輸送)的存在下反 應生成主要由氫氣和一氧化碳組成的合成氣。C02也存在於合成氣中，但通常量相當少。在氣化器12的出口 17處，合成氣的溫度約為1500°C，這導致存在於合成氣中的 礦物物質為液態或粘性物質。為了保護下遊的裝置免受由這些液體和粘性物質沉積在裝置 表面而導致的汙垢的影響，合成氣必須冷卻(或「驟冷」)到800至900°C的溫度(部分驟 冷)，或者在某些情況下，冷卻到低至200°C。經驟冷的合成氣輸入到合成氣處理和C02去除系統18，在那裡首先去除不需要的 物質，例如粉塵、含硫化合物和含氮化合物。然後經過冷卻和淨化的合成氣經歷包括加入水和合適催化劑的水煤氣變換反應。 變換反應的結果是將一氧化碳的熱值轉移給氫氣，並將一氧化碳轉化為C02。通過水煤氣變 換反應還產生額外的氫。下一步，將0)2從合成氣中分離出來。co2的分離可以通過運用Selexol 工藝實現， 在該工藝中薩列克蘇爾溶劑(Selexol solvent)在較高壓力(一般為2. 07至6. 89MPa)下 從合成氣中溶解C02。然後富含C02的溶劑在壓力和/或汽提下還原，以釋放和回收0)2，氫 作為單獨流(separatestream)回收。可以在C02去除系統18中應用的其他可選擇的或額外的C02分離技術，包括使用 下列物質的技術其他可選擇的物理溶劑，例如Genosorb ;胺-基化學溶劑，例如單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)或甲基二乙醇胺(MDEA)， 或者組合的物理/化學溶劑，例如Sulfinol 。分離C02之後，氫含量高的合成氣通過出口 19從0)2去除系統18出來，並引入到 聯合循環發電設備，在燃氣輪機(未顯示)中燃燒並發電，或者引入到燃料電池發電。應當 注意到，與燃燒含碳燃料源(例如煤)相比，在燃燒氫含量高的合成氣的過程中，只有少量 的co2被釋放至大氣中。而且，如本領域技術人員所知，IGCC發電設備還可以包括從由燃氣輪機排出的廢 氣中回收熱量的裝置(未顯示)，所述熱量用於產生水蒸汽以通過蒸汽輪機產生額外的電 能。聯合循環發電設備的能量效率比開放式循環發電設備(也就是沒有回收廢熱為蒸汽輪 機提供動力的循環發電設備)更高，每單位的co2排放產生更多的電能。據估計，氣化、水煤氣變換和C02分離工藝能夠將煤中的共約70%至95%的碳以 分離和封存的co2的形式來轉化和回收。
經分離的C02通過出口從分離系統18排出，引入壓縮機20，壓縮成超臨界流體。壓縮之後，C02沿著傳送管線22運輸到封存點，注入選定的地質地層中進行長期封存。壓縮的C02輸出流的一部分經由管線29引向氣化器12的出口 17。這樣，壓縮的 C02能夠用作從氣化器17出來的熱合成氣的驟冷流體。C02的高載熱能力使得驟冷特別有 效，使得實現驟冷所需要的水的量明顯減少。用作驟冷流體的壓縮的C02的量可以通過選 擇性的調整控制閥23，控制閥23A來控制。現參照圖2，其所示為本發明另一實施方式。該實施方式與圖1所示的實施方式的 不同之處在於，從C02去除系統18排出的冷卻的合成氣流的一部分被引向位於管線29上 的文丘裡型(venturi-type)引出器31 (其他的去往IGCC發電設備)，該管線將壓縮的C02 由壓縮機20導回氣化器的出口 17。引出器31使用高壓C02將冷卻的合成氣流帶到氣化器出口 17，從而產生用於從氣 化器12出來的熱合成氣的合成氣/C02組合驟冷液。壓縮的0)2可以提高合成氣的壓力(並因此提高其淨質量流量)，無需專用的合成 氣壓縮機，從而實現與傳統方法相比具有更高能量效率的驟冷。在發電設備10的正常操作中，每一隔離閥21、隔離閥23、隔離閥23A、隔離閥25 和隔離閥27都是開啟的，以允許發電設備的功能單元中的驟冷的合成氣、氫氣和壓縮的C02 的自由流動。在發電設備關閉的時候，隔離閥21、隔離閥23、隔離閥23A、隔離閥25、隔離閥 27是關閉的。這會導致大量的壓縮的0)2保留在閥27下遊的運輸管線22系統中。因而， 在發電設備10啟動時，開啟閥23和27，使系統裡的壓縮的C02在啟動期間與水一起使用或 作為水的另一選擇使用。在啟動期間使用高壓C02(單獨使用或者與再循環的冷卻的合成氣組合使用)會 減小在發電設備啟動期間與單獨使用水相關的風險。這些風險包括由於液態水接觸組件 表面而引起的對組件(例如氣化器12、氣化器出口管線17和合成氣清潔系統(syngas cleanup system) 18)造成的裝置損壞。在關閉期間，使用高壓C02(單獨使用或者與再循環的冷卻的合成氣組合使用)能 夠減小類似的與水的使用相關的風險。壓縮的C02還可以用作將粉末狀的含碳燃料源沿管線14運輸到氣化器的動力氣 體(motive gas)源。對本發明的修改和改進對本領域的技術人員來說是顯而易見的。這些修改和改進 都將涵蓋在本發明的保護範圍之內。在本發明的說明書和權利要求書中使用的「包括」一詞和「包括」類的詞語並不限 制要求保護的本發明排除任何變型方式或其他內容。對本發明的修改和改進對本領域的技術人員來說是顯而易見的。這些修改和改進 都將涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種發電方法，包括氣化含碳燃料源以產生合成氣；冷卻合成氣；從冷卻的合成氣中去除二氧化碳，留下適用於發電的可燃氣體；壓縮被去除的二氧化碳，以將其儲存或封存；以及在冷卻步驟中使用至少一部分壓縮的二氧化碳。
2.根據權利要求1所述的發電方法，其中在冷卻步驟中使用的壓縮的二氧化碳為超臨 界流體狀態。
3.根據權利要求1或2所述的發電方法，其進一步包括控制在冷卻步驟中使用的壓縮 的二氧化碳的量的步驟。
4.根據權利要求3所述的發電方法，其中在冷卻步驟中使用的壓縮的二氧化碳的量是 通過使用閥裝置來控制的。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的發電方法，其進一步包括將壓縮的二氧化碳與 第二流體混合以提高其壓力和淨質量流量的步驟，和在冷卻步驟中使用該混合的壓縮的二 氧化碳和第二流體的步驟。
6.根據權利要求5所述的發電方法，其中所述第二流體是先前冷卻的合成氣的引出流。
7.根據權利要求5或6所述的發電方法，其中的組合步驟包括用壓縮的二氧化碳引出 第二流體，從而將第二流體蒸汽帶走用於冷卻步驟的步驟。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的發電方法，其中的去除步驟包括進行Selexol 工藝。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的發電方法，其中的去除步驟包括使用下列溶劑 中的任何一種或多種物理溶劑；胺_基化學溶劑；組合的物理/化學溶劑。
10.一種發電系統，包括氣化器，其用於氣化含碳燃料源以產生合成氣； 冷卻合成氣的裝置；從冷卻的合成氣中去除二氧化碳，留下適用於發電的可燃氣體的裝置； 壓縮機，用於壓縮去除的二氧化碳，以將其儲存或封存；以及 將至少一部分壓縮的二氧化碳再引向冷卻裝置的裝置，用於冷卻合成氣。
11.根據權利要求10所述的發電系統，其進一步包括在將壓縮的二氧化碳再引向用於 冷卻合成氣的冷卻裝置之前，將壓縮的二氧化碳和第二流體組合以提高其壓力和淨質量流 量的裝置。
12.根據權利要求10所述的發電系統，其中所述第二流體是先前冷卻的合成氣的引出流。
13.根據權利要求11或12所述的發電系統，其中的組合裝置包括介於冷卻裝置和壓縮 機之間的引出器，該引出器被設置成用壓縮的二氧化碳引出第二流體，從而將第二流體和 壓縮的二氧化碳的組合流帶往冷卻裝置。
14.根據權利要求10至13中任一項所述的發電系統，其中從冷卻的合成氣中去除二氧 化碳的裝置包括進行Selexol 工藝的裝置。
15.根據權利要求10至14中任一項所述的發電系統，其進一步包括 發電設備；用於運輸儲存或封存的壓縮二氧化碳的運輸管線系統；以及閥裝置，其適合於在發電設備關閉時，將一定量的壓縮的二氧化碳保留在運輸管線系 統中，所述保留的二氧化碳能在發電設備啟動期間用作驟冷流體。
全文摘要
本發明涉及發電方法和系統(10)，包括氣化(12)含碳燃料源以產生合成氣(17)；冷卻合成氣；從冷卻的合成氣(18)中去除二氧化碳，留下適用於發電的可燃氣體(19)；壓縮(20)去除的二氧化碳，以將其儲存或封存；以及將至少一些壓縮的二氧化碳用於冷卻步驟。本發明還提供實施上述方法的系統，其包括合適的閥裝置。
文檔編號F02C3/34GK101802140SQ200880101461
公開日2010年8月11日 申請日期2008年7月31日 優先權日2007年8月1日
發明者馬丁·奧廷格 申請人:澤羅根有限公司