CN102089062A - 用于从化石燃料发电设备的废气中分离二氧化碳的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从化石燃料发电设备的烟气中分离二氧化碳的方法。在该方法中，首先在燃烧过程中燃烧化石燃料(2)，其中产生含二氧化碳的热废气(3)。在下一方法步骤中，含二氧化碳的废气(3)在吸收过程(4)中与吸收介质(5)接触，其中二氧化碳被吸收介质(5)吸收，且形成负载的吸收介质(6)。在后续的方法步骤中，在解吸过程(7)中从负载的吸收介质(6)中受热排出气态二氧化碳(8)。在此向解吸过程(7)输送蒸汽(9)，将该蒸汽(9)喷入负载的吸收介质(6)中，将通过蒸汽(9)的冷凝而释放的冷凝热转移至负载的吸收介质(6)上，同时降低解吸单元中二氧化碳的分压。

Description

用于从化石燃料发电设备的废气中分离二氧化碳的方法和装置
本发明涉及运行化石燃料发电设备的方法，特别涉及从化石燃料发电设备的废气中分离二氧化碳的方法。本发明另外涉及具有用于从废气分离二氧化碳的分离设备的化石燃料发电设备。
在以工业规模产生电能的化石燃料发电设备(fossilbefeuerte Kraftwerks-anlage)中，由于化石燃料的燃烧生成了大量含二氧化碳的废气。除了二氧化碳外，废气还含有其他组分，如气体氮气、二氧化硫、氮氧化物(Stickoxide)和水蒸汽以及固体颗粒、粉尘和烟灰。在新型或改良的发电设备中已经应用了固体组分的分离(Abscheidung)、硫氧化物(Schwefeloxide)的分离(Abtrennung)还有氮氧化物的催化除去。到目前为止，废气中含有的二氧化碳与废气一起排放至大气中。在大气中积聚的二氧化碳阻止地球的热辐射以及通过所谓的温室效应促进地球表面温度的升高。为了减少化石燃料发电设备中二氧化碳的排放量，可以从废气中分离出二氧化碳。
特别在化学工业中已知有不同的方法用于从气体混合物中分离二氧化碳。特别地，已知有吸收-解吸方法用于在燃烧过程(Post-combustion CO2Separation)后从废气中分离二氧化碳。
用吸收-解吸方法分离二氧化碳是通过洗涤剂(Waschmittel)实现的。在经典的吸收-解吸过程中，废气在吸收柱中与作为洗涤剂的选择性的溶剂接触。通过化学过程或物理过程吸收二氧化碳。已清洗的废气离开吸收柱进行另外的加工或排放。为了分离二氧化碳和再生溶剂，将负载二氧化碳的溶剂导入解吸柱中。在解吸柱中的分离可以热方式(thermisch)进行。此时，从负载的溶剂中排出气态二氧化碳和经蒸发的溶剂的气体-蒸汽混合物。接着将经蒸发的溶剂与气态二氧化碳分离。对二氧化碳进行多步压缩、冷却以及液化。所述二氧化碳可以液态或冻结状态送往存储或其他的用途。再生的溶剂回流至吸收柱中，在该吸收柱中又可以从含二氧化碳的废气中获取二氧化碳。
目前存在的从气体混合物中以工业规模分离二氧化碳的方法的主要问题是非常高的能耗，尤其需要用于解吸的热能。
已知的在发电过程中或发电过程之后操作的将二氧化碳从废气中分离的方法的普遍缺点是分离方法对发电过程产生显著降低其效率的影响。由于用于实施二氧化碳分离的能量必须从发电过程中获取，这导致了效率的降低。因此，与没有二氧化碳分离装置的化石燃料发电设备相比，具有二氧化碳分离装置的化石燃料发电设备的经济效益性明显更低。
本发明的目的是提供从化石燃料发电设备的废气中分离二氧化碳的方法，该方法实现了高分离效率同时实现了有利的发电过程的整体设备效率。
本发明的另一目的是提供整合了二氧化碳分离设备的化石燃料发电设备，其实现了高分离效率同时实现了有利的发电设备的总体效率。
根据本发明，上述针对方法的目的使用一种从化石燃料发电设备的废气中分离二氧化碳的方法得到解决，在该方法中，在燃烧过程中燃烧化石燃料，其中产生含二氧化碳的热废气，在吸收过程中含二氧化碳的废气与吸收介质接触，其中二氧化碳被吸收介质吸收，形成了负载的吸收介质(beladenes Absorptionsmedium)，在解吸过程中从负载的吸收介质中受热排出二氧化碳，并输入蒸汽，将蒸汽喷入负载的吸收介质中，其中通过蒸汽的冷凝而释放的冷凝热转移至负载的吸收介质上。
本发明从如下的考虑出发，直接引入负载的吸收介质中的冷凝热明显有助于二氧化碳受热排出(thermischen austreiben)。根据本发明将蒸汽引入解吸过程中。通过用蒸气的冷凝热促进解吸过程减轻了解吸过程中加热设备的负担。蒸汽在柱子内冷凝，由此冷凝热直接转移至负载的吸收介质上。因此可以使用低温蒸汽，因为例如在换热过程中进行间接热转移时没有因热转移发生损耗。
因为为了直接引入使用了具有低压和低温度水平的蒸汽，可以节省较高值蒸汽。否则该较高值蒸汽一般从低压轮机的溢流管道中获取。该节省的高值蒸汽可供给给汽轮机低压部分中的蒸汽膨胀过程用于产生电能。由此实现化石燃料发电设备的总体效率的提高。
除了通过引入冷凝热减轻加热设备的负担，通过本发明的方法如下进一步有利于解吸过程：通过引入的蒸汽降低了已经放出的二氧化碳的分压。这表示了气相中的二氧化碳浓度的降低，由此促进了连接在负载的吸收介质中的二氧化碳的排出。由此会有更少的吸收介质被蒸发，从而通过加热设备向解吸过程引入的热量更少。由于加热设备同样也是通过蒸汽运行的，从而减少蒸汽的消耗量。节省的蒸汽因此可以提供给发电过程，并有助于提高总体效率。
根据本发明，通过所述方法仅引入一部分的所需热能用于使二氧化碳从负载的吸收介质受热排出。所需热能的另一部分通过加热设备并且尤其是间接经过换热过程引入至解吸过程中。由此可以大量减少用于从负载的吸收介质排出二氧化碳所需的能量。因此节省的能量可以提供给发电过程，由此明显提高发电设备的功效。
由此，用于从化石燃料发电设备的废气中分离二氧化碳的方法实现了通过总体效率提高的化石燃料发电设备进行基本更有效的运行。这通过节省用于运行解吸过程的能量得以实现。此外，本发明实现了在满足经济效率的条件下后续安装二氧化碳分离设备。
有利的是，通过喷入的蒸汽量基本补偿(ausgleichen)了由于吸收/解吸过程从吸收剂循环的吸收介质散掉的量。可能的是，因为通过解吸过程中的蒸汽冷凝引入了水。因为使用的吸收介质一般是水溶性的，并且通过所述过程蒸发造成了吸收剂的损失，通过引入的水补偿了吸收剂-解吸剂循环中的吸收剂损失。在常用方法中，为了补偿吸收剂的损失存在补给水流。通过应用本发明的方法可以节省该补给水流。
在二氧化碳-分离方法的一个优选实施方式中，从多个位置向解吸过程中喷入输送的蒸汽。由此得到解吸过程内部的均匀分布。
用于喷入负载的吸收介质中的蒸汽优选地从分离过程上游的发电过程的蒸汽-冷凝液循环中获取。这样是可能的，因为可以使用低温蒸汽喷入负载的吸收介质中。这种蒸汽约为100～120℃热。然而一般需要更高温的蒸汽用于加热过程的加热，这是因为与换热器进行间接换热会损失热。具有更高能量的蒸汽一般例如从汽轮机的低压部分的溢流管道中获取。所述蒸汽具有约120～160℃的温度。
取决于发电过程的运行方式或考虑发电过程中的其他参数，有利的是从不与发电过程连接的蒸汽产生过程中获取蒸汽。由此减轻了发电过程的负担，从而提高了发电设备的效率。该蒸汽源可以是蒸汽产生过程，例如特别供应用于分离过程的蒸汽产生过程，或其他的蒸汽源，其设置用来持续地例如提供用于过程蒸汽(Prozessdampf)或热蒸汽(Heizdampf)。
优选地，仅将一部分输送的蒸汽喷入负载的吸收介质中。另一部分的输送蒸汽与负载的吸收介质进行热交换。由此供应用于解吸过程的蒸汽分成两个平行的蒸汽流。两个蒸汽流的分配通过调节过程进行调节。
在二氧化碳-分离方法的一个有利改进方案中，输送的蒸汽首先与负载的吸收介质进行热交换，接着将一部分蒸汽喷入负载的吸收介质中。有利的是，即提供高温蒸汽用于实施分离过程。蒸汽通过与负载的吸收介质进行热交换减少了焓，并且接着将至少一部分喷入解吸过程中。
根据本发明，针对化石燃料发电设备的目标通过燃烧设备下游的分离设备实现，用于从含二氧化碳的废气中分离出二氧化碳，其中分离设备(Abscheideeinrichtung)具有用于吸收气态二氧化碳的吸收单元以及放出气态二氧化碳的解吸单元，所述解吸单元具有用于蒸汽的喷入设备，该喷入设备连接至蒸汽管道，从而在分离设备运行时可将蒸汽喷入解吸单元中。
本发明出于如下考虑，通过喷入设备使得蒸汽可喷入解吸单元中，其中所述蒸汽在解吸单元中冷凝且释放出冷凝热，从而通过引入的冷凝热从已负载二氧化碳的吸收介质中可受热排出二氧化碳。
喷入设备包括蒸汽管道，该蒸汽管道流经解吸单元，且优选形成环形。也可以在解吸单元中在不同高度上配置多个环形管道。
在化石燃料发电设备的一个优选实施方案中，喷入设备配置在解吸单元的下部区域中。在此，解吸单元包括沿垂直轴定向的塔
Figure BDA0000043508840000041
塔在上部区域具有入口且在下部区域具有出口。因此，在运行时负载的吸收介质可引入至上部区域中，并可在下部区域导出再生的吸收介质，由此使得负载的吸收介质可以经过解吸单元。因此，从吸收介质中排出二氧化碳尤其可以加热方式进行，因为由此可以借助发电过程中供应的热能。解吸单元也可以具有多个塔。这类塔在化学工业中已知为柱子(Kolonne)且用于通过热学方法分离物质混合物。这通过利用不同相之间的平衡状态得以实现。
在解吸单元的下部区域是液相的负载二氧化碳的吸收介质。通过也在解吸单元的下部区域中配置的加热设备，负载的吸收介质是可加热的。解吸单元的下部区域也可以称为槽(Sumpf)。尽可能接近槽配置喷口装置在喷入蒸汽时有利地作用于已经溶解的二氧化碳的分压。可实现的分压减少表示在气相中的二氧化碳浓度的降低，由此促进排出与负载的吸收介质结合的二氧化碳。从而需要较少的能量用于加热设备的加热。如使用可用蒸汽加热的加热设备，那么通过发电设备中的节省的蒸汽量可以产生电能，从而提高了发电设备的总体效率。
在化石燃料发电设备的一个优选实施方案中，喷入设备包括喷口装置，该喷口装置具有多个喷头。优选的是多个喷头分布在整个喷口装置中，从而通过喷口可导入的蒸汽可以均匀地引入解吸单元中。在此，喷头优选指向负载的吸收介质的流动方向上。这防止了不期望的流动并确保了有目标地将蒸汽喷入解吸单元中，优选以均匀地方式喷入。
有利的是，喷入设备经过蒸汽管道连接溢流管道的分接头或连接汽轮机的蒸汽冷凝液管道。对喷入设备经蒸汽管道所连接的蒸汽获取位置的选择根据所需的以及可获得的蒸汽参数进行确定。一定的用于喷入解吸单元中的蒸汽必须具有高于冷凝点的参数(气压和温度)。优选地，从蒸汽-冷凝液管道中获取蒸汽，该蒸汽-冷凝液管道连接汽轮机的低压段与冷凝器。流进蒸汽-冷凝液管道中的蒸汽具有约100～120℃的温度。
在化石燃料发电设备的一个特别改进方案中，解吸单元包括用蒸汽加热的加热设备，该加热设备经蒸汽管道连接喷入设备，从而来自加热设备的蒸汽可导入喷入设备中，且可引入至解吸单元中。该配置要求使用更高温度的蒸汽，该蒸汽优选从汽轮机的中压部分和低压部分之间的溢流管道中获取。该蒸汽首先通过蒸汽与负载的吸收介质进行热交换来驱动加热设备。这降低了蒸汽的温度。通过连接加热设备与喷入设备的蒸汽管道，具有较低温度的蒸汽即可导入喷入设备中，并且经过喷入设备可喷入解吸单元中。
以类似的方式从上述二氧化碳-分离方法的相应的改进方案中给出化石燃料发电设备的其它优势。
以下通过附图进一步阐述本发明的实施例。图示为：
图1二氧化碳分离方法的实施例
图2具有汽轮机和二氧化碳分离装置的化石燃料发电设备的实施例
图3具有燃气轮机和汽轮机以及二氧化碳分离装置的化石燃料发电设备的实施例
图1示出二氧化碳-分离方法的实施例，特别是将蒸汽9喷入解吸过程7中。该方法主要包括燃烧过程1、吸收过程4和解吸过程7。
在燃烧过程1中产生含二氧化碳的废气3，废气3应当通过二氧化碳-分离方法释放出二氧化碳。为此，将含二氧化碳的废气3输送至吸收过程4。此外，向吸收过程输送吸收介质5。在吸收过程4中，含二氧化碳的废气3与吸收介质5接触，由此二氧化碳被吸收介质5吸收，且形成负载的吸收介质6以及几乎不含二氧化碳的废气。
将负载的吸收介质6输送至解吸过程7中，在此得到再生(regenerieren)。为了进行再生，仅将蒸汽9喷入解吸过程中。蒸汽冷凝成水并在此释放出冷凝热。该冷凝热促进了再生过程。通过再生形成了再生的吸收介质11以及气态二氧化碳8和蒸汽态吸收介质的气体-蒸汽混合物。所述气体-蒸汽混合物通过分离过程分离成冷凝的吸收介质和气态二氧化碳8。没有示出冷凝的吸收介质回流至吸收介质5的循环中。气态二氧化碳8现在可以输送至压缩机过程，在这里气态二氧化碳被液化以用于后续的加工或运输。
图2是化石燃料发电设备14的实施例，其包括汽轮机装置25和用于二氧化碳的分离装置16。
汽轮机装置25在燃烧设备15的上游。所述燃烧设备15包括燃烧室27，化石燃料可通过燃料输送管道输送至燃烧室27中。在燃烧室27中实现可输送的燃料的燃烧，其中产生含二氧化碳的废气3以及蒸汽。燃烧室27通过蒸汽管道40连接汽轮机装置25的汽轮机29。所述汽轮机29可由输入的蒸汽驱动。汽轮机29再经过轴来驱动发电机30进行发电。离开汽轮机29的蒸汽通过管道输送至冷凝器37中。冷凝器37再经过蒸汽-冷凝液管道24连接燃烧室27用于回流冷凝蒸汽。在蒸汽-冷凝液管道24中接通冷凝液泵28用于输送冷凝液。
含二氧化碳的废气3离开燃烧室，并且经过废气管道39可输送至包括分离设备16的吸收单元17。烟气净化系统31、烟气冷却器32以及鼓风机33连接至烟气管道39中。烟气净化系统31可以例如包括脱硫设备或其它用于净化烟气的系统。通过烟气冷却器32排出了含二氧化碳的烟气3中的热量。烟气冷却的必要性取决于在吸收单元中所需的温度水平。烟气净化系统31、烟气冷却器32以及鼓风机是任选的，并且可以以其它次序配置。
分离设备16主要包括吸收单元17和解吸单元18。吸收单元17可以包括多个柱子，该柱子配有所谓填料(Packung)的构件。填料用于扩大表面积，这对于从烟气中将二氧化碳吸收进入吸收介质中是有利的。除了含二氧化碳的烟气3之外，经过用于再生吸收介质的管道48还可吸收介质输送至吸收单元17中。通过含二氧化碳的废气3和吸收介质的流经可实现净化烟气，从而经过烟气管道39基本将不含二氧化碳的烟气导出。在吸收单元17中通过净化所生成的负载的吸收介质6经过用于负载的吸收介质的管道47可输送至解吸单元中。
吸收剂泵34和交叉电流换热器35连接至用于负载的吸收介质的管道47中。吸收剂泵34用于输送负载的吸收剂6。在交叉电流换热器35中负载的吸收介质6可以相对的方向导入至热的再生的吸收介质11中。由此可实现对负载的吸收介质6进行预热。
解吸单元18可以包括多个柱子，该柱子配有所谓填料的构件。填料用于扩大表面积，这对于负载的吸收介质7的解吸是有利的。解吸单元进一步包括喷入设备19，该喷入设备配置在解吸单元的下部区域中。喷入设备19包括可导入蒸汽的管道以及具有多个喷头21的喷口装置20，通过该喷头由喷入设备19可导入的蒸汽可以喷入至解吸单元17中。所述喷入优选在吸收介质的流动方向上进行，也就是说从上至下进行。喷入设备19通过蒸汽管道22连接汽轮机29的溢流管道23的分接头。这里未示出的是可选的蒸汽管道，该蒸汽管道使得喷入设备19与蒸汽-冷凝液管道24连接。同样也可以从其他的蒸汽管道中获取蒸汽用于输入喷入设备19中。
在解吸单元18中从负载的吸收介质6中尽可能释放出二氧化碳，从而形成气态二氧化碳8以及再生的吸收介质11。离开解吸单元18的再生吸收介质11的一部分经过加热设备26加热，并且重新输送至解吸单元18中。作为加热设备使用的是重沸器。离开解吸单元18的再生吸收介质11的另一部分经过用于再生吸收介质的管道48输送至吸收单元17中。吸收剂泵34’、交叉电流换热器35和吸收剂冷却器36连接至用于再生吸收介质的管道48中。通过交叉电流交换器35和吸收剂冷却器36可以减少再生吸收介质中的热量。吸收剂冷却器36的使用是任选的。
此外，解吸单元18经过气体管道49连接分离装置38。在该分离装置(所谓的气提塔-冷凝器(Stripper-Kondensator))中，蒸汽态吸收介质和气态二氧化碳的分离通过吸收介质的冷凝进行。冷凝的吸收介质可以经过冷凝液管道50回流至解吸单元18中。气态二氧化碳供给给其他的加工，例如液化。
图3中的化石燃料发电设备14显示了具有二氧化碳分离设备16的燃气轮机和汽轮机发电设备51。燃气轮机和汽轮机发电设备51在分离设备16的上游。燃气轮机和汽轮机发电设备51包括燃气轮机单元和汽轮机单元。燃气轮机单元主要包括燃气轮机43，其经过轴与空气压缩器41和发电机30连接。空气压缩器41连接燃烧室42。燃料输送管道46同样与燃烧室连接。燃烧生成的含二氧化碳的废气经过烟气管道可输送至燃气轮机43。离开燃气轮机43的含二氧化碳的废气通过烟气管道可输送至汽轮机单元中。汽轮机单元包括加热蒸汽发生器45、汽轮机29、发电机30和冷凝器37。烟气管道与汽轮机单元的加热蒸汽发生器45连接。加热蒸汽发生器45供应用于产生蒸汽，并经过蒸汽管道向汽轮机39提供蒸汽。汽轮机39经过轴与发电机连接用于发电。下游的分离设备16的设置基本与图2中的蒸汽发电机类似。
通过本发明，在二氧化碳排放减少的发电设备中实现了高效率。通过直接将蒸汽喷入解吸单元中，使得槽式蒸发器(Sumpfverdampfer)减轻负担，并通过添加低值蒸汽(niederwertiger Dampf)节省了高值蒸汽(
Figure BDA0000043508840000081
Dampf)。由此节省了用于运行解吸过程的能量。用于从含二氧化碳的废气中分离二氧化碳的装置是化石燃料发电设备的组成部分。通过电路技术的改进，可以比常见的化石燃料发电设备的气体净化设备实现效率的提高。

Claims (12)

1.用于从化石燃料发电设备的烟气中分离二氧化碳的方法，其中
a)在燃烧过程(1)中燃烧化石燃料(2)，其中产生含二氧化碳的热废气(3)，
b)在吸收过程(4)中含二氧化碳的废气(3)与吸收介质(5)接触，其中二氧化碳被吸收介质(5)吸收，且形成负载的吸收介质(6)，
c)在解吸过程(7)中从负载的吸收介质(6)中受热排出气态二氧化碳(8)，
d)输送蒸汽(9)，将蒸汽(9)喷入负载的吸收介质(6)中，其中将通过蒸汽(9)冷凝而释放的冷凝热转移至负载的吸收介质(6)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过喷入的蒸汽的量基本补偿由于吸收过程(4)/解吸过程(7)从吸收剂循环中散出的吸收介质(5)的量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述蒸汽(9)在多个位置上喷入解吸过程(7)中。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其中喷入的蒸汽(9)从化石燃料发电设备的蒸汽-冷凝液-循环中获取。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其中喷入的蒸汽(9)从蒸汽产生过程中获取，所述蒸汽产生过程不与发电设备的发电过程连接。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中只将输送的蒸汽(9)的一部分喷入负载的吸收介质(6)中，且输送的蒸汽(9)的另一部分与负载的吸收介质(6)进行热交换。
7.根据根据权利要求1～6中任一项所述的方法，其中
a)输送的蒸汽(9)和负载的吸收介质进行热交换，其中形成了焓减少的蒸汽(13)，
b)将一部分的焓减少的蒸汽(13)喷入负载的吸收介质(6)中。
8.化石燃料发电设备(14)，其具有燃烧设备(15)下游的分离设备(16)，用于从含二氧化碳的废气(3)中分离出二氧化碳，其中所述分离设备(16)具有用于吸收气态二氧化碳的吸收单元(17)和排放气态二氧化碳的解吸单元(18)，
其特征在于，所述解吸单元(18)具有连接在蒸汽管道(22)上的蒸汽喷入设备(19)，从而在分离设备(16)运行时蒸汽可被喷入解吸单元(18)中。
9.根据权利要求8所述的化石燃料发电设备(14)，其特征在于，在解吸单元(18)的下部区域中设置喷口装置(20)。
10.根据权利要求8或9所述的化石燃料发电设备(14)，其特征在于，所述喷入设备(19)包括喷口装置(20)，其中所述喷口装置(20)具有多个喷头(21)，所述喷头(21)指向负载的吸收介质(6)的流动方向。
11.根据权利要求8～10中任一项所述的化石燃料发电设备(14)，其特征在于，所述喷入设备(19)通过蒸汽管道(22)连接溢流管道(23)的分接头或连接汽轮机装置(25)的蒸汽冷凝液管道(24)。
12.根据权利要求8～10中任一项所述的化石燃料发电设备(14)，其特征在于，所述解吸单元(18)包括可用蒸汽加热的加热设备(26)，且喷入设备(19)通过蒸汽管道(22)连接加热设备(26)，从而蒸汽可以从加热设备(26)经过喷入设备(19)喷入解吸单元(18)中。
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