CN102388265B - 用于生成电功率的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种发电设施中的过热器，其使蒸汽过热到超过相关联的产生蒸汽的锅炉的操作限值的操作状况。该过热器燃烧具有冷却的再循环的燃烧气体的氧气和燃料，以便产生具有固定温度的富CO2的燃烧产物气体流。该燃烧气体被用作过热器的换热器中的传热流体。富CO2的废气流允许对基本纯净的CO2的有效捕集。该过热器可以作为位于锅炉外部的分立部件对现有发电设施进行翻新。该发电设施因而可以使其电功率输出增加，同时其总的每单位发电量的CO2排放减少，即使是在使用并不便宜但易于获得的化石燃料作为加热锅炉和/或过热器的主燃料时。

Description

用于生成电功率的方法及设备
技术领域
本发明总体上涉及在固定式发电设施中生成电功率。更具体地，本发明提供了用于以改进的效率和/或改进的二氧化碳捕集来产生电功率的方法和设备。
背景技术
用于在固定式发电设施中生成电功率的常规方法包括高压蒸汽的生成，以及该蒸汽到蒸汽涡轮机的供给，在蒸汽涡轮机中蒸汽压力下降并且该蒸汽驱动该涡轮机以生成电功率。例如，燃烧化石燃料的锅炉可以被用来产生供给到涡轮机串联队列中上游的蒸汽涡轮机的高压过热蒸汽，在该涡轮机串联队列中，蒸汽从高压涡轮机流到低压涡轮机，所有的涡轮机都连接到发电机的驱动轴以便产生电功率。可任选地，在返回蒸汽涡轮机队列用于进一步膨胀之前，该蒸汽可以在燃烧化石燃料的锅炉内采取中间压力并处于过热。
许多现有的发电设施都包括燃烧煤的锅炉，而燃烧煤的锅炉之所以是期望的，在于世界上大量的化石燃料都作为煤而保留存在。但令人不期望的是，来自燃烧煤的发电设施的每kWh发电量的CO2排放相对较高，并且可能比来自天然气供燃的联合循环的发电设施的CO2排放的两倍还多。此外，减少不期望的CO2排放的CO2捕集努力减小了发电设施的效率，并且导致了更高的功率生成成本。
所产生的电功率量是供给到涡轮机的蒸汽的温度和压力的蒸汽状况的函数。增加的蒸汽温度和压力倾向于增加电功率的产生，并因而增加总的功率产生效率。然而，涡轮机和锅炉的材料等等关于给定的发电设施对蒸汽状况提供了有影响的限制。尽管可以采用更高性能的涡轮机和锅炉，但是这些更高性能的装备的成本常常是过高的，尤其是对于高性能的锅炉。另外，在使用这样的高性能装备中可能存在其它问题。例如，对于常规的燃烧煤的蒸汽锅炉，在300bar(巴)的压力时可能存在600℃的操作限值。为了获得显著更高的温度和压力，可能需要非常昂贵的、具有高的镍含量的超级合金，其可能导致来自灰和炉渣沉积物以及腐蚀的问题。这些合金当前并未被许可用作蒸汽锅炉中，但是它们能够被用在使蒸汽过热的换热器中。因此，锅炉和/或涡轮机具有将功率产生效率的增加量作为实际对象来进行限制的操作限值。
所需要的是一种用于以更高的温度和压力获得蒸汽(并因而获得增加的功率生成效率)的方法和设备，而不需要昂贵的高性能锅炉，并且需要减少所产生的每kWh电的CO2排放，尤其是对于燃烧煤的发电设施而言。
发明内容
总体上，本发明提供了一种用于从蒸汽产生电功率的方法和设备，其中所述蒸汽包含在主锅炉外的过热器中的过热蒸汽流。根据本发明，过热器的传热流体是通过在基本上纯氧中燃烧碳质的或碳氢化合物燃料而产生的富CO2燃烧产物气体流，并且通过使燃烧气体的一部分再循环来控制燃烧室内的温度。富CO2燃烧产物气体流的产生考虑到了从随后冷却、冷凝及去除了液态水的净燃烧产物气体中对基本上纯CO2的捕集。对于给定的产生功率量(例如，每kWh)的给定的CO2排放水平或减少的CO2排放水平而言，这导致了增加的功率产生。
更具体地，一种用于在发电设施中产生电功率的示例性方法，其中所述发电设施具有锅炉，所述锅炉产生供应给蒸汽涡轮机的蒸汽流，所述蒸汽涡轮机驱动发电机，所述方法包括：产生由处于锅炉操作限值下的蒸汽状况的蒸汽构成的加压的高压蒸汽流；通过氧燃料燃烧过程中氧和燃料的燃烧来产生富CO2燃烧产物气体流，该燃烧产物气体流具有的温度高于相应的高压蒸汽流的温度；利用燃烧产物气体流从锅炉对高压蒸汽流进行加热以产生由处在高于该锅炉操作限值的蒸汽状况的蒸汽构成的过热高压蒸汽流；以及将该过热高压蒸汽流供给蒸汽涡轮机以驱动蒸汽涡轮机产生电功率。可任选地，能够从蒸汽涡轮机之一的排气中获取中间压力的蒸汽流，并且首先在蒸汽锅炉中过热，接着在外部的过热器内加热，然后以高于锅炉操作限值的温度返回到下一个蒸汽涡轮机的入口。该方法可以进一步包括对离开换热器的燃烧产物气体流的一部分进行处理，以便捕集基本纯净的CO2。
还提供了用于产生电功率的发电设施设备，其包括：锅炉，该锅炉配置成接收锅炉给水并产生由处在低于该锅炉操作限值的蒸汽状况的蒸汽构成的加压的高压蒸汽流；在该锅炉外部的蒸汽过热器；第一蒸汽涡轮机，其具有连接到换热器的蒸汽入口，以接收过热高压蒸汽流，该第一蒸汽涡轮机使过热高压蒸汽流膨胀以产生第一膨胀流，并且驱动发电机以产生电功率；以及，CO2捕集系统，其连接到换热器，从而导致离开换热器的富CO2燃烧产物气体流的至少一部分被输送到该CO2捕集系统，该CO2捕集系统能够处理富CO2燃烧产物气体流，并捕集净化的CO2。蒸汽过热器包括燃烧室，该燃烧室配置成在氧燃烧过程中燃烧氧气和燃料，以便生成富CO2的燃烧产物气体流，该富CO2燃烧产物气体流的温度高于高压蒸汽流、连接到锅炉的换热器、以及燃烧室的相应温度，并且被配置成利用从燃烧室接收的燃烧产物气体流来使从锅炉接收的高压蒸汽流过热，以便产生过热蒸汽流，该过热蒸汽流包括处在高于锅炉操作限值的蒸汽状况的蒸汽。
还提供了一种用于改善现有发电设施性能的方法，所述现有发电设施包括生成经由入口供给到蒸汽涡轮机的蒸汽流的锅炉，其中所述蒸汽涡轮机使蒸汽流膨胀以促使蒸汽涡轮机驱动发电机产生电功率。该方法包括：提供在锅炉外部的蒸汽过热器，该蒸汽过热器具有燃烧室，该燃烧室配置成在氧燃料燃烧过程中燃烧氧气和燃料以便产生富CO2燃烧产物气体流，该富CO2燃烧产物气体流具有的温度高于锅炉的蒸汽流的相应温度；还包括提供换热器，该换热器配置成接收输入流并且通过从传热流体流的传热来使该输入流过热以产生过热蒸汽流，该换热器还被配置成使输入流的蒸汽过热到高于锅炉操作限值的蒸汽状况，该换热器还连接到燃烧室以接收作为传热流体流的燃烧产物气体流。该方法还包括：将换热器连接到锅炉，以便使换热器接收作为输入流的锅炉蒸汽流；给蒸汽涡轮机提供配置成用于过热蒸汽流的蒸汽状况的叶片；将换热器连接到蒸汽涡轮机的入口，以使蒸汽涡轮机接收过热蒸汽流，从而导致蒸汽涡轮机驱动发电机产生电功率；以及将换热器连接到CO2捕集系统，以便使离开该换热器的富CO2燃烧产物气体流的至少一部分被输送到该CO2捕集系统，该CO2捕集系统能够对富CO2燃烧产物气体流进行处理并捕集净化的CO2。
附图说明
现在将参照以下附图并作为示例来对本发明进行描述，附图中：
图1是现有技术的示例性常规固定式发电设施的示意图(流程图)；
图2是根据本发明的示例性固定式发电设施的示意图(流程图)；
图3是图2的发电设施的过热器的示意图(流程图)；
图4是根据本发明的示例性的替代的过热器示意图(流程图)；
图5提供了对应于图2的示例2的过程状况的表格形式的图示；
图6提供了对应于图3的示例3的过程状况的表格形式的图示；
图7是对应于示例1-3的数据的表格形式的图示。
应当注意的是，出于图示清楚的目的，已经将对于实际操作和/或安全操作是必需的但对于理解本发明却并非所要求的各种泵、换热器、控制阀门、控制系统以及其它装备从附图中省略，正如本领域中的技术人员将会理解的那样。
这些附图都包括在支持本文示例的选定点处的温度和压力。
具体实施方式
本发明提供了一种用于由蒸汽来产生电功率的方法和设备，其包括在主锅炉外部的过热器中使蒸汽流过热，其中过热器的传热流体由氧燃料燃烧过程中氧气和燃料的燃烧产生。氧燃料燃烧过程允许碳质燃料(例如煤)、碳氢化合物燃料、或其它可用燃料的燃烧，这些燃料的燃烧通常都不令人期望地产生高水平的CO2排放。另外，氧燃料燃烧过程产生富CO2燃烧产物气体流，其允许从氧燃料燃烧过程气体流中捕集基本纯净的CO2。对于给定的CO2排放水平而言，这导致了增加的功率产生，或者对于给定的功率产生量(例如，每kWh)而言，这导致了减少的CO2排放水平。
图1示出了现有技术的示例性常规固定式发电设施10的示意性图示(流程图)，其包括常规锅炉12，其通常进行操作以产生处于一定温度和压力状况的蒸汽，所述温度和压力状况由被许可用于锅炉构造的材料限制。在这种应用进行的时候，受限的蒸汽状况是大约300bar 600℃。锅炉12被供给以燃烧空气流100和燃料流101，并由此着火以便从高压锅炉给水流102中产生高压蒸汽流103。例如，锅炉102可以是烧粉煤的锅炉，其被供以粉煤的燃料流。应当注意到的是，在某些实施例中，取决于锅炉，离开锅炉的高压蒸汽流可以包括过热蒸汽。
由锅炉12生成的蒸汽流被供给到蒸汽涡轮机队列，该蒸汽涡轮机队列包括连接到对发电机18进行驱动的轴的分立的涡轮机。在该示例中，加压的(高压)蒸汽流13被供给到具有合适叶片的高压蒸汽涡轮机14的蒸汽入口，以便驱动发电机18产生电功率。涡轮机14产生第一膨胀蒸汽流104，其返回到锅炉用于重新加热。该第一膨胀蒸汽流104以减小的压力和温度重新进入锅炉，并且被重新加热到升高的温度，以便生成中间压力(重新加热)的蒸汽流105。该中间压力的蒸汽流105被供给到具有合适叶片的中间压力蒸汽涡轮机16的蒸汽入口，以便生成第二膨胀蒸汽流(低压蒸汽流)106，从而驱动发电机18。低压蒸汽流106被供给到具有合适叶片的低压蒸汽涡轮机18的流入口，以便产生第三膨胀蒸汽流(排气)107，其在冷凝器20中被冷凝以生成冷凝流。冷凝器的冷却介质可以是冷却水或环境空气，其将蒸汽冷凝至真空压力。冷凝流由给水泵22加压，并且可以最终结合到高压锅炉给水流102(未示出)中。要注意的是，锅炉12还产生废气流110。尽管煤是容易获取的、相对便宜的燃料源，但是煤的燃烧则在废气流中导致了不令人期望的高水平的CO2，其对环境造成了污染。
要认识到的是，作为典型的常规超临界锅炉的锅炉12由于在这样的锅炉中所使用的构造和材料的缘故而具有大约300bar、600℃/60bar、620℃的温度和压力操作限值(额定值)。因而，这样的锅炉不能安全操作以生成具有高于其操作限值的温度和压力的蒸汽流。一般而言，通过获得更高的温度和压力蒸汽状况将会增加功率产生效率，并且这样增加的功率产生效率还导致所生成的每单位电力具有减小的CO2排放。然而，蒸汽状况可以被增加以获得增加的功率产生效率的程度受限于锅炉的温度和压力操作限值。
示例1
参照图1和以上详述，锅炉12被供以燃烧空气流100和粉煤流101，并且着火以产生处于166bar和565℃的高压蒸汽流，该高压蒸汽流被供给到高压涡轮机14。离开高压涡轮机14的膨胀蒸汽流104以40bar的压力重新进入锅炉12并且被重新加热，从而以40bar的压力和565℃的温度生成中间压力(重新加热)的蒸汽流105。中间压力蒸汽流105被供给到中间压力涡轮机16以生成低压蒸汽流106，低压蒸汽流106被供给到低压蒸汽涡轮机18，从而以40bar生成第三膨胀蒸汽(排气)流107。这些涡轮机驱动发电机18以生成493.7MW的净电功率。对于供应到烧粉煤的锅炉的1256.1MW的煤而言，这提供了39.3％的效率(LHV)，具有422.3吨/小时的CO2排放(参见图8中的表3的“没有过热器”)。
图2是根据本发明的示例性固定式发电设施30的示意性图示。用于产生电功率的发电设施设备30类似于图1中所示的发电设施设备，其中包括相同的锅炉12、冷凝器20和给水泵22。因此，锅炉12配置成接收锅炉给水，并以低于锅炉温度和压力操作限值的温度和压力生成加压蒸汽流。
而且，发电设施设备30在各个部件之间可以包括类似(但不完全相同)的连接，正如将从图1和图2中认识到的那样。不同于图1的示例性常规发电设施10，图2的发电设施30包括在锅炉12外部的蒸汽过热器50，用于使来自锅炉12的蒸汽流过热到高于该锅炉操作限值的温度。下面参照图3对蒸汽过热器进行更加详细的讨论。
此外，图2的发电设施包括的涡轮机队列类似于图1的涡轮机队列，但是可以包括适于基于过热器的发电设施的温度和压力状况的不同涡轮机。应当注意的是，现有发电设施能够以相对较小的修改来转换成根据本发明的发电设施，包括提供新的涡轮机和/或以不同的叶片来翻新现有涡轮机，其中不同的叶片适于基于过热器的发电设施的蒸汽状况。另外，需要更大的发电机。因此，通过更换/重新配置现有涡轮机队列的涡轮机，增加过热器，以及实现相关的、相对简单直接的修改(诸如增加发电容量以适应来自蒸汽涡轮机的增加的轴功率产生量)，可以获得改进的发电设施，同时保留现有发电设施的基本数量，如以下更详细地讨论的那样。
用于图2的发电设施的功率产生过程总体上类似于上述图1的功率产生过程。不同于图1的发电设施的功率产生，对于图2的发电设施而言，离开锅炉的加压(相对高压)的蒸汽流103被作为输入流供给到过热器50，如以下参照图3所详述的那样。过热器50将加压的蒸汽流加热到高于锅炉的温度操作限值的温度，以生成过热的蒸汽流104。发电设施设备30包括第一蒸汽涡轮机32，第一蒸汽涡轮机32具有连接到换热器52的蒸汽入口以接收过热高压蒸汽流104，并且第一蒸汽涡轮机32还使过热高压蒸汽流104膨胀以产生第一膨胀流105，从而驱动发电机18产生电功率。涡轮机32可以是新涡轮机，或者可以是装配有合适叶片的现有涡轮机，用于过热高压蒸汽流104的蒸汽状况。
第一膨胀流105被供给到锅炉12以生成重新加热的中间压力蒸汽流106，其作为输入流供给到过热器50。过热器50将中间压力蒸汽流106重新加热到高于锅炉12的操作限值的蒸汽状况，以产生过热中间压力蒸汽流107。过热中间压力蒸汽流107被供给到具有合适叶片的中间压力蒸汽涡轮机34的蒸汽入口，然后供给到具有合适叶片的低压涡轮机36以驱动发电机18。低压涡轮机的排气流109以类似于上面参考图1所述那样的方式被冷凝和加压。
因此，使用处于较高蒸汽状况(即，具有高于锅炉温度操作限值的温度)的蒸汽，产生电功率的效率将较高，从而增加了产生的功率。而且，产生功率的这种增加是在不超过锅炉温度操作限值的情况下获得的。
图3是图2的发电设施的过热器50的示意性图示(流程图)。根据本发明，蒸汽过热器50包括换热器52，换热器52利用传热流体流来使输入流过热。更具体地，换热器52连接到锅炉12和燃烧室54，并且配置成使高压蒸汽流103过热，并且任选地，接收自锅炉12的中间压力蒸汽流106通过与接收自燃烧室54的燃烧产物气体(废气)流9进行间接的热交换来产生相应的过热蒸汽流104/107，该过热的蒸汽流包括蒸汽状况高于锅炉12操作限值的蒸汽。换热器52可以是各种合适的常规的、可商业获得的换热器中任意一种。作为示例，壳、管、以及板肋片的换热器可以用于该目的。具有高温高压性能的多流、扩散结合的板肋片换热器(例如，扩散结合的高镍合金微通道换热器，其接受高至800℃时350bar的操作状况)特别适合于本文所描述的目的。合适的扩散结合的微通道换热器可以商业获得，并且适于该目的。例如，由Heatric of Dorset，United Kingdom制造和/或销售的Heatric印刷电路扩散结合换热器可以被用于该目的。其它类型的换热器也可以用于该目的。
氧燃料燃烧室54配置成生成富CO2燃烧产物气体流，所述燃烧产物气体流包含很少或几乎不含氮稀释剂，并且通过在基本上纯氧中燃烧碳质燃料或碳氢化合物燃料而具有比高压蒸汽流的相应温度更高的温度，其中通过部分燃烧气体的再循环来控制该温度。纯度从约90mol％到高于约99mol％的氧气适合于该过程。氧燃料燃烧室54可以常规地设计成用于气体燃料、液体燃料或固体燃料的加压燃烧装置。由混合器/燃烧器设计构成的氧燃料燃烧室是优选的，这是因为这样的燃烧室具有对进入到燃烧室内的再循环的流进行混合的能力，使得所得到的被供给到换热器52的燃烧产物气体流可以被调节至将其温度维持在换热器52的操作温度限值内。优选地，燃烧室54配置成使氧气和燃料与从燃烧室54再循环的冷却的燃烧气体(流10、11、12)进行燃烧，以便调节燃烧产物气体流9的温度。正如本领域中普通技术人员将会认识到的那样，如果使用固体燃料，则必需有措施从加热气体流9中去除灰烬颗粒。
现在参考图3，将更加详细地讨论过热器50。在图5的表1中提供了过程状况。将氧气流6和燃料流8供给到氧燃料燃烧室54。氧气流6优选具有95％的纯度(95％mol％的氧气)。燃烧过程优选在尽可能最高压力或者接近最高压力时加以实现，如燃烧室设计所限制那样，该压力可以降低的范围为10bar到150bar。氧气和燃料的入口压力与所选择的燃烧压力一致。燃料入口温度是燃料类型和可用预热的函数。最大氧气供给温度可以是大约350℃。氧气是合适的燃烧介质，这是因为在高于20bar到30bar的压力时空气燃烧变得非常不经济，这种不经济是由于和加压氧气的生产相比的更高的压缩功率、以及CO2捕集的额外复杂性和费用的缘故。燃料流8可以是以气体、液体或固体形式的任意碳质燃烧或碳氢化合物燃料。例如，燃料可以作为从煤的部分氧化气化过程或者碳氢化合物的部分氧化气化过程所得到的气体来供应，例如，使用商业可获得的气化器，如本领域中技术人员将会认识到的那样。
因此，与天然气或其它燃料在空气中的常规燃烧相反，这样的碳质燃料或碳氢化合物燃料与基本上纯(例如，大于大约90mol％)氧在氧燃料燃烧过程中的燃烧导致了富CO2燃烧产物气体流，而对于天然气或其它燃料在空气中的常规燃烧而言，其燃烧产物气体流中的CO2排放通常较低，处于大约5％～10％摩尔成分(mol％)。如本文所用的，当如示例中那样使用天然气燃料时，“富CO2”的燃烧产物气体流包含至少约70mol％的CO2(干基状态)，更优选地，至少约85mol％的CO2。在该示例中，氧气流5和燃料流7通过在换热器56、58中与氧燃料燃烧室的燃烧产物气体流的间接热交换来预热，以便产生氧气流6和燃料流8，如以下将更加详细地讨论的那样。
因此，高压蒸汽流103(离开锅炉12，图2)被作为入口流1(图3)供给到过热器50(换热器52)，中间压力蒸汽流106(离开锅炉12，图2)作为输入流3被供给到过热器50(换热器52)，以便相应地生成作为输出流2和4(图3)的过热高压蒸汽流104(进入高压涡轮机32，图2)和过热中间压力蒸汽流107(进入中间压力涡轮机34，图2)。这些过热的流通过利用作为传热流体流从氧燃料燃烧室54供给到换热器52的燃烧产物气体流9的间接换热从而在换热器52中生成过热流。燃烧产物气体流9是燃烧产物废气和再循环且冷却的燃烧产物气体的混合气体流。燃烧产物气体流从换热器中以稍微低一些的压力和较低温度排出，如流10。流10被分成再循环流11和净燃烧产物气体流13。
再循环流11通过热风机60环流通过氧燃料燃烧室54。优选地，氧燃料燃烧室54配置成两级装置，其中再循环流11/12的一部分进入燃烧室54的第一级以缓和燃烧温度，而再循环流11/12的剩余部分在燃烧后进入燃烧室54的第二级以缓和被供给到换热器52的燃烧产物气体流9的温度。优选地，氧燃料燃烧过程以实际中尽可能高的升高的压力来加以实现，例如，超过40bar，优选为大于70bar。
在图3的实施例中，净燃烧产物气体流13被供给到具有合适叶片的产生功率的膨胀涡轮机62，其耦接至对发电机18进行驱动的驱动轴以便产生电功率。涡轮机62排出低压的净燃烧产物气体流14。流14在其对氧气流5和燃料流7进行加热时由换热器56、58中的间接换热来冷却，并且在其对离开给水泵22(图2)的冷凝物进行加热时由水加热器(换热器)64中的间接换热进一步冷却，并且又还在其对冷却水进行加热时由水加热器(换热器)66中的间接热交换进一步冷却。
所得到的冷却的气体产物流21然后被供给到相分离容器68，其中冷却的气体产物流21被分成作为流22去除的液态(冷凝的)水，和冷却的气体产物流23。气体流23经过CO2捕集系统100，其中气体流23能够被处理以捕集基本纯净的CO2，例如包含至少约95mol％的CO2，其可以由在范围90～98％内的净燃烧气体产物来补偿。优选的CO2捕集系统对气体进行压缩，去除惰性气体和O2，并以110bar或更高管道压力输送基本上纯CO2，以便进行处置或用于其它用途。
因此，发电设施设备30包括连接到换热器52的CO2捕集系统100，以促使离开换热器52的富CO2燃烧产物气体流的至少一部分被输送到CO2捕集系统，该CO2捕集系统能够处理富CO2燃烧产物气体流并捕集净化的CO2。
因此，图2和图3的发电设施可以被用于在发电设施中产生电功率所用的方法中，其中该方法包括例如通过使预加热的锅炉给水通过锅炉来产生加压的高压蒸汽流，所述加压的高压蒸汽流由蒸汽状况低于锅炉操作限值的蒸汽构成，。该方法可以进一步包括通过氧气和燃料在氧燃料燃烧过程中的燃烧来生成富CO2的燃烧产物气体流，该燃烧产物气体流具有的温度高于高压蒸汽流的相应温度，例如，通过氧气和燃料在氧燃料燃烧室内的燃烧。该方法还可以进一步包括利用燃烧产物气体流对来自锅炉的高压蒸汽流进行加热，以便产生由具有高于锅炉操作限值的蒸汽状况的蒸汽构成的过热高压蒸汽流，例如，通过使燃烧产物气体流经过换热器以使通过该换热器的任何输入流过热，并且使高压蒸汽流作为输入流通过该换热器。而且，该方法可以包括将过热高压蒸汽流供给到蒸汽涡轮机以驱动该蒸汽涡轮机产生电功率，例如，通过将过热高压蒸汽流供给到第一涡轮机的蒸汽入口，该第一涡轮机被耦接以便通过使该流膨胀来驱动发电机。氧燃料燃烧过程优选以高于大气压力的升高压力来实现。该方法还可以包括对离开换热器的燃烧产物气体流的至少一部分进行处理(例如，通过净化和/或压缩)，以便捕集基本纯净的CO2，例如，通过至少将离开换热器的燃烧产物气体流的比例分配部分供给到CO2捕集系统，该CO2捕集系统处理富CO2燃烧产物气体流并且捕集净化的CO2。
设施可以包括重新加热/过热环路，如上所述那样。因此，该方法可以进一步包括对离开蒸汽涡轮机的第一膨胀蒸汽流进行加热，以便产生由具有低于锅炉操作限值的蒸汽状况的蒸汽构成的加压的中间压力蒸汽流，例如，通过使第一膨胀蒸汽流通过锅炉。该方法可以进一步包括利用燃烧产物气体流对中间压力蒸汽流进行加热，以便产生由具有高于锅炉操作限值的蒸汽状况的蒸汽构成的过热中间压力蒸汽流，例如，通过使中间压力蒸汽流作为第二输入流进入到换热器中。此外，该方法可以包括将过热中间压力蒸汽流供给到第二蒸汽涡轮机，该第二涡轮蒸汽机被耦接以便驱动发电机，例如，通过将过热中间压力蒸汽流供给到被耦接以驱动发电机的第二蒸汽涡轮机的相应的蒸汽入口。在涡轮机队列中，该方法可以进一步包括将离开第二蒸汽涡轮机的第二膨胀流供给到被耦接以驱动发电机的第三蒸汽涡轮机。
示例2
参照图2和图3，离开锅炉的高压蒸汽流103在处于166bar、565℃时被作为输入流供给到过热器50。过热器50生成处于166bar、700℃的过热高压蒸汽流104，其被供给到高压涡轮机32。离开涡轮机32的第一膨胀流105被供给到锅炉12以生成处于40bar、565℃的中间压力(重新加热)的蒸汽流106。过热器50将中间压力的蒸汽流106进行重新加热至高于锅炉操作限值的蒸汽状况，以便生成处于40bar、720℃的过热中间压力蒸汽流107，其被供给到中间压力涡轮机34，然后被供给到低压涡轮机36。第三膨胀蒸汽(排气)流109以40mbar离开低压涡轮机36。低压涡轮机的排气流109以类似于上面参照图1所描述的方式的方式被冷凝和加压。
供给到氧燃料燃烧室54的氧气流6是基本纯净的(例如95mol％的氧气)，并且以41bar、300℃被供应。供给到氧燃料燃烧室54的燃料流8是以41bar、300℃供应的天然气。燃烧产物气体流9被以41bar、780℃供给到换热器52，并且作为流10以40bar、670℃从该换热器排出。通过使燃烧气体的一部分再循环到燃烧室54，控制该燃烧室内的温度，以防止损害换热器52。参见流10、11和12。涡轮机62排出1.1bar、319.4℃的低压的净燃烧产物气体流14。流14在对氧气流5和燃料流7加热时被冷却到大约89℃，并在对离开给水泵22(图2)的冷凝物加热并因而对锅炉给水进行预热时被进一步冷却至大约40℃，而在对冷却水进行加热时被又进一步冷却到大约30℃。所得到的冷却的气体产物流21具有作为流22分开和去除的冷凝水，并且所得到的包含大约84mol％的CO2的冷却的气体产物流23被送到CO2捕集系统100，用于压缩和净化处理。
在该示例中，涡轮机驱动发电机18以生成670.8MW的净电功率(参见图7、表3、选项A)。对于供应至烧粉煤的锅炉的1256.1MW的煤以及供应至过热器的356.0MW的燃料气体而言，这提供了41.6％的总效率(LHV)，以及49.8％的增加效率。增加的功率生成和效率是以在CO2排放中仅3.2吨/小时的增加来实现的，其中总的CO2排放为425.5吨/小时。显然，避免了148.3吨/小时的CO2排放(相对于参照图1所描述的过程)，并且捕集了68.3吨/小时的CO2。要认识到的是，该被捕集的CO2可以按照需要进行布置，包括用于工业目的的存储和重新销售。在图5和图7的表1和表3中提供了关于该示例的额外数据。
图4是根据本发明的示例性替代的过热器的示意性图示(流程图)。图4的过热器类似于图3的过热器，正如从图3以及从图6的表2中给定的过程状况中认识到的那样。不同于图3的过热器，图4的过热器消除了膨胀涡轮机62。这允许在净燃烧产物气体流13中维持更高的压力，并且最终在供给到CO2捕集系统100的流20中维持更高的压力。相对于图3，该配置消除了膨胀涡轮机62和低压CO2压缩机，因而简化了过热器并减少了过热器的投资费用。令人惊喜的是，这还在电功率的生成量和总的热效率中导致了仅仅非常微小的改变，如表3的示例中所显示的那样。
示例3
参照图2和图4，离开锅炉的高压蒸汽流103被以166bar、565℃作为输入流供给到过热器50。过热器50生成166bar、700℃的过热高压蒸汽流104。锅炉对第一膨胀流105重新加热以生成40bar、565℃的中间压力(重新加热)的蒸汽流106。过热器50将中间压力的蒸汽流重新加热到高于锅炉操作限值的蒸汽状况，以便生成40bar、720℃的过热中间压力蒸汽流107，其被供给到中间压力涡轮机34，然后被供给到低压涡轮机36。第三膨胀蒸汽(排气)流190以40mbar离开低压涡轮机36。低压涡轮机的排气流109以类似于上面参照图1详述的方式的方式被冷凝和加压。
供给到氧燃料燃烧室54的氧气流6是95mol％的氧气，并且以41bar、350℃被供应。供给到氧燃料燃烧室54的燃料流8是以41bar、550℃供应的天然气。燃烧产物气体流9被以41bar、800℃供给到换热器52，并且作为流10以40bar、595℃从该换热器排出。净的燃烧产物气体流13在对燃料流7加热时被冷却到大约392℃，并在对氧气流5加热时被进一步冷却到大约228℃，在对离开给水泵22(图2)的锅炉给水加热时被进一步冷却至大约213℃，又在对来自流冷凝器的冷凝物加热时被进一步冷却到大约40℃，而通过与冷却水的间接换热被进一步冷却到大约30℃。所得到的冷却的气体产物流18具有作为流19被分开和去除的冷凝水，并且所得到的包含大约87mol％的CO2的冷却的气体产物流20被送到CO2捕集系统100，用于通过压缩和净化进行处理。
在该示例中，涡轮机驱动发电机18以生成661.5MW的净电功率(参见图7、表3、选项B)。对于供应至烧粉煤的锅炉的1256.1MW的煤以及供应至过热器的342.9MW的燃料气体而言，这提供了41.4％的总效率(LHV)，以及48.9％的增加效率。增加的功率生成和效率是以在CO2排放中仅1.4吨/小时的增加来实现的，其中总的CO2排放为423.7吨/小时(相对于参照图1所描述的过程)。显然，避免了142.0吨/小时的CO2排放(相对于参照图1所描述的过程)，并且捕集了65.4吨/小时的CO2。要认识到的是，该被捕集的CO2可以按照需要加以布置，包括用于工业目的的存储和重新销售。在图6和图7的表1和表3中提供了关于该示例的额外数据。
因此，如表3中所示，示例性发电站以39.3％的效率(LHV)生成了493.7MW的电功率。增加由天然气着火的过热器(没有CO2捕集)以42.2％的总效率提供了增加的186.4MW的电功率，而天然气的增加为52.3％。该系统可转换成提供了CO2捕集就绪的系统。为了提供CO2捕集，需要增加CO2压缩和净化单元，以便从富CO2燃烧产物气体流中捕集CO2。
基于省略了膨胀涡轮机62的情形，示例性的CO2捕集系统(包括CO2净化和到110bar的管线压力的压缩)的增加给出了增加的167.8MW的电功率和48.9％的天然气消耗效率，如表3中所示那样。这有利地比较了当前技术的替换物，包括通过催化重整或自热重整来将天然气转换为H2+CO2，然后通过胺溶剂去除CO2，以及氢气在结合了气体涡轮机的循环发电系统中的燃烧，其通常产出在44％到47％范围内的效率。另外，该示例性的基于过热器的系统被确信具有简单和低投资费用的优势。
要注意的是，根据本发明，在固定式发电设施的替代性实施例中，蒸汽锅炉由核反应堆加热。在这样的实施例中，加压的水反应器被用作图2的锅炉12，以便产生具有相对较低温度和压力的蒸汽。Westinghouse的1300MWe 4环路反应器产生具有71.6bar、289℃的蒸汽。热转换到电功率的净效率仅为33.9％(不包括冷却水和地点传输的损失)。图3中限定的过热器和处于71.6bar且过热到600℃的蒸汽的使用，以及与处于20.7bar且过热到600℃的蒸汽的使用将增加净功率到3105MWe(考虑到氧气生成量、CO2净化、以及到200bar的CO2压缩，但不包括冷却水和传输损失)。该过程将需要23455吨/天的氧气和3008MW(LHV)的天然气燃料，以便进行氧燃料燃烧。总的效率(核+天然气热量)是45.4％，同时增加的功率(相对于天然气热量测量)具有60％的效率。
如上所述，可以使用各种不同燃料来让氧燃料燃烧室54燃烧。作为示例，在某些实施例中，煤气化器可以用于生成合适的燃料气体，用于替代上述示例中确定的天然气。例如，商业可用的干燥夹带流类型的Shell和Uhde气化器可以被用于该目的，或者煤/水悬浮液供料的气化器，例如GE或ConocoPhilips气化器。对于干燥供给类型，可能期望从燃料气体中过滤掉夹带的灰烬颗粒，其可能会堵塞换热器的微通道，等等。合适的过滤器介质，例如维持在400℃～500℃的陶瓷烛(ceramic candles)可以用于该目的。这可能需要气化器排出的气体例如在废热锅炉中被冷却，然后再使其经过燃烧室54。可能有利的是，在废热锅炉内产生加压的蒸汽流，任选地使该流过热，然后将其供给到主锅炉系统，例如，与离开高压涡轮机的中间压力流混合。在这样的实施例中，两个饱和的中间压力蒸汽流可以被混合，然后组合的流在锅炉12中被重新加热，然后在过热器50中被过热。
要注意到的是，对于气化器产物流而言不需要变换或选择性H2S去除系统，如通常对于产生电功率的煤气化结合的循环气体涡轮机系统所需要的那样。因此，在包括化石燃料气化器的实施例中，接收自气化器的燃料包括从气化过程中得到的任意H2S和COS，而H2S和COS的燃烧的热量被有利地用于使流过热。因而，优选的是，该燃料未被冷却到其正常的从气化器的热气过滤器离开的温度之下，也不应当经历任何选择性的H2S去除、催化COS水解、或任意其它不纯的去除过程。另外，在合适的实施例中，接收自气化器的燃料可以包括来自气化过程的任意流，以及任何随后的水淬过程，从而使得这样的流的热量被有利地用于流的过热。此外，燃烧后的净废气产物将处于氧化环境中。因此，来自煤、稀释剂或petcoke气化器的燃料气体流中存在的H2S和COS将被燃烧，在燃烧产物(废气)气体流中产生SO2、SO3、CO2和H2O。废气流还将包含从处于氧化状态的煤供给得到的其它气态杂质。该废气大多是CO2，具有过剩的O2和相对少量的N2+Ar(从氧气中的杂质获得，或者从煤供给中获得)。有利地，废气将包含非常少的NOx，这是因为废气的再循环控制了燃烧产物气体流从氧燃料燃烧器的离开温度以及再循环气体流中的N2的低浓度。
要注意到是，期望实现煤的气化，随后在实际中尽可能高的压力下实现氧燃料的燃烧。维持燃料流相对较高的压力提高了功率回收，减少了经过过热器/换热器的氧燃料的传热气体的体积流量。
应当注意的是，在实施例中从煤气化器获得燃料，单个且合适尺寸的气化器可以提供足够的燃料气体以供应多个分立的蒸汽锅炉，每个蒸汽锅炉都与对应的根据本发明的过热器相关联。由于和烧粉煤的锅炉相比，煤气化器的更低可用性上升，所以在这样的实施例中可能必需提供次级燃料流，其可以是即刻可用的，以便在当前未由煤气化器供应足够燃料的事件中维持过热器的操作。在这样的实施例中，氧燃料燃烧室被专门配置成具有双燃料着火能力。具有双燃料着火能力的燃烧室是商业可获得的，并且在本领域中是公知的。作为示例，天然气燃料或液体碳氢化合物燃料可以被用作次级燃料。在启动操作期间使用次级燃料可能是有利的，或者在计划的气化器系统维护期间使用次级燃料可能是有利的。
应当认识到，与本发明一致低，过热器可以被增加到现有的产生电功率的发电设施，其包括被设计用于当前蒸汽状况的现有的烧煤的、核的、或其它锅炉。因此，可改进发电设施的发电性能。此外，本发明氧燃料燃烧室内的氧气燃烧对过热器的加热，允许燃烧碳质燃料或碳氢化合物燃料以生成富CO2燃烧产物气体流，其非常适于通过CO2捕集系统的CO2捕集。由于根据本发明从氧燃料燃烧室的燃烧产物气体流中捕集CO2，所以没有显著增加发电设施的CO2排放。因此，增加了发电设施的功率生成量，且减少了其每kWh的CO2排放。
正如从以上详述中所显而易见的那样，一种用于改进现有的用于产生电功率的发电设施的性能的方法包括提供在锅炉外部的蒸汽过热器。如上所述，过热器包括配置成在氧燃料燃烧过程中燃烧氧气和燃料，以便生成富CO2燃烧产物气体流，该富CO2燃烧产物气体流具有的温度高于发电设施的锅炉的蒸汽流的相应温度。过热器还包括换热器，该换热器配置成接收输入流并使该输入流过热，以便通过来自传热流体流的传热而产生过热的蒸汽流。该换热器配置成使输入流的蒸汽过热到高于锅炉操作限值的蒸汽状况。换热器连接到燃烧室以接收燃烧产物气体流作为传热流体流。该方法进一步包括将换热器连接至锅炉，以便促使换热器接收锅炉的蒸汽流作为输入流。
由于进入涡轮机队列的蒸汽状况中的改变，所以可能需要对涡轮机队列中的涡轮机进行改变。因此，该方法进一步包括提供具有如下配置的叶片的蒸汽涡轮机，所述叶片配置成用于过热蒸汽流的蒸汽状况。这可以包括提供具有合适尺寸和叶片的新的蒸汽涡轮机，代替发电设施的现有涡轮机中相应的一个。替代地，这可以包括仅使用新的叶片来更换发电设施的现有蒸汽涡轮机的叶片，新的叶片配置成用于过热蒸汽流的蒸汽状况。在具有高压、中间压力和低压涡轮机的发电设施中(如图2和图3中所示)，用新的高压涡轮机替代现有的高压涡轮机可能是合适的，并且重新更换中间压力和低压涡轮机的叶片可能是合适的。
该方法进一步包括将换热器连接到蒸汽涡轮机入口，例如，在涡轮机队列中，以促使蒸汽涡轮机接收过热蒸汽流，从而促使蒸汽涡轮机驱动发电机产生电功率。此外，该方法包括将换热器连接到CO2捕集系统以促使离开换热器的富CO2燃烧产物气体流的至少一部分被输送到该CO2捕集系统，该CO2捕集系统能够处理富CO2的燃烧产物气体流并且捕集净化的CO2。
尽管本文已经描述了本发明的原理，但是本领域的技术人员要理解的是，该描述仅仅是作为示例，并不作为对本发明范围的限制。因此，所附权利要求应覆盖落入本发明真实精神和范围内的全部修改。

Claims (15)

1.一种用于产生电功率的方法，所述方法包括：
加热锅炉中的水，从而以第一温度和第一压力产生加压蒸汽流，所述第一温度和第一压力低于所述锅炉的温度和压力操作限值；
燃烧基本纯净的氧气和燃料以产生燃烧产物气体流，所述燃烧产物气体流具有的相应温度比所述加压蒸汽流的第一温度高，通过增加所述燃烧产物气体流的冷却部分，所述相应温度被控制成保持低于换热器的限值；
通过在所述换热器中与所述燃烧产物气体流的间接换热来加热所述加压蒸汽流，以产生过热加压蒸汽流，所述过热加压蒸汽流具有高于所述锅炉的温度操作限值的第二温度；以及
通过使所述过热加压蒸汽流通过蒸汽涡轮机以驱动发电机来产生电功率。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述基本纯净的氧气包括纯度大于90 mol%的氧气。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：处理所述燃烧产物气体流的至少一部分以捕集基本纯净的CO2。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述锅炉通过选自燃烧粉煤和核裂变构成的组中的过程来加热。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述加压蒸汽流在扩散结合的高镍合金微通道换热器中被加热，且其中所述燃料选自以下燃料构成的组中，即：气态、液态和固态形式之一的碳质燃料；以气态、液态和固态形式之一的碳氢化合物燃料；由煤的部分氧化气化得到的气体；由碳氢化合物的部分氧化气化得到的气体；来自化石燃料气化器的、包括了从气化以及任何随后的水淬中所得到的蒸汽的气体；来自化石燃料气化器的、包括了从气化得到的H2S和COS的气体；以及它们的组合。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述燃烧产物气体流包括干基状态下至少70 mol%的CO2。
7.如权利要求1所述的方法，其中，离开所述换热器的所述燃烧产物气体流的至少一部分被送到预热器以对所述水进行预热。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在连接到所述发电机的膨胀涡轮机中使离开所述换热器的所述燃烧产物气体流的至少一部分膨胀，所述膨胀涡轮机以大约大气压力排出排气流。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：通过利用了所述膨胀涡轮机的排气流的间接换热来对供给到所述锅炉的水进行预热。
10.如权利要求1所述的方法，其中，离开所述锅炉的加压蒸汽流包括过热蒸汽。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
对离开所述蒸汽涡轮机的第一膨胀蒸汽流进行加热，从而以第三温度和第二压力生成重新加热的蒸汽流，所述第三温度和第二压力低于所述锅炉的温度和压力操作限值；
通过利用所述燃烧产物气体流的间接换热来对所述重新加热的蒸汽流进行加热，从而以第四温度产生过热的重新加热的蒸汽流，所述第四温度高于所述锅炉的温度操作限值；
通过使所述过热的重新加热的蒸汽流通过对所述发电机进行驱动的第二蒸汽涡轮机来生成电功率，所述第二蒸汽涡轮机产生第二膨胀流。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述氧气和燃料在燃烧室中以10 bar到150 bar范围内的高压力燃烧。
13.如权利要求1所述的方法，用于改进现有的产生电功率的发电设施的性能，所述发电设施包括以所述第一温度和第一压力产生加压蒸汽流的锅炉，所述加压蒸汽流经由入口被供给到所述蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机对所述发电机进行驱动，以便产生电功率，所述方法进一步包括：
在所述锅炉外部提供蒸汽过热器，所述蒸汽过热器包括：
    燃烧室，其配置成燃烧所述氧气和燃料以便产生所述燃烧产物气体流，所述燃烧产物气体流具有比所述加压蒸汽流的第一温度高的相应温度，所述燃烧室配置成使所述燃烧产物气体流的一部分再循环；
    将所述换热器连接到所述锅炉，以使所述换热器接收所述锅炉的加压蒸汽流，所述换热器配置成接收所述加压蒸汽流，以便通过利用换热流体流的间接换热来使所述加压蒸汽流过热，从而产生具有高于所述锅炉的温度操作限值的第二温度的过热蒸汽流，所述换热器连接到所述燃烧室以接收所述燃烧产物气体流作为所述换热流体流；
提供所述蒸汽涡轮机，其叶片被配置成用于所述过热蒸汽流的温度和压力状况；
将所述换热器连接到所述蒸汽涡轮机的入口，以使所述蒸汽涡轮机接收所述过热蒸汽流，从而使所述蒸汽涡轮机驱动所述发电机产生电功率；以及
将所述换热器连接到CO2捕集系统，以使离开所述换热器的燃烧产物气体流的至少一部分被输送到所述CO2捕集系统，所述CO2捕集系统能够处理所述燃烧产物气体流并捕集净化的CO2。
14.一种用于产生电功率的发电设施设备，所述设备包括：
锅炉，所述锅炉配置成接收锅炉给水，以便以第一温度和第一压力产生加压蒸汽流，所述第一温度和第一压力低于所述锅炉的温度和压力操作限值；
位于所述锅炉外部的蒸汽过热器，所述蒸汽过热器包括：
    燃烧室，所述燃烧室配置成燃烧氧气和燃料以产生燃烧产物气体流，所述燃烧产物气体流具有比所述第一温度高的相应温度；以及
    换热器，所述换热器连接到所述锅炉和所述燃烧室，并且配置成通过利用了所述燃烧产物气体流的间接换热来使所述加压蒸汽流过热，以便产生过热加压蒸汽流，所述过热加压蒸汽流包括处于第二温度的蒸汽，所述第二温度高于所述锅炉的温度操作限值；
第一蒸汽涡轮机，所述第一蒸汽涡轮机具有连接到所述换热器的蒸汽入口，以便接收并膨胀所述过热加压蒸汽流，从而产生第一膨胀流并驱动发电机产生电功率；以及
CO2捕集系统，所述CO2捕集系统连接到所述换热器，以使离开所述换热器的燃烧产物气体流的至少一部分被输送到所述CO2捕集系统，所述CO2捕集系统能够处理所述燃烧产物气体流并捕集净化的CO2。
15.如权利要求14所述的发电设施设备，其中，所述燃烧室配置成燃烧与从所述换热器再循环来的冷却的燃烧气体混合的氧气和燃料。
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