CN102597672B - 用于气体处理的系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，一种用于产生电能的、具有用于处理由化石燃料的燃烧产生的烟道气的系统(1)的动力装置包括：用于烟道气的第一低压压缩的绝热压缩机(5)，以及第二多级低压烟道气压缩系统(14)和多级高压CO2压缩系统(15)，其中低压烟道气压缩系统和高压CO2压缩系统两者结合在一个单个机器(C2)中，并且布置在由一个公共驱动器(17)驱动的一个公共轴(16)上。热交换器(8)有助于改进对由于经绝热压缩的烟道气的冷却而产生的热的回收。本发明允许改进与这个处理系统结合的动力装置的总体动力效率，以及降低投资成本。

Description

用于气体处理的系统
技术领域
本发明涉及用于处理由用于产生电能的燃烧化石燃料的动力装置产生的气体的系统。本发明特别涉及这样的系统：其用于处理气体，以净化这种气体，以便帮助运送和存储二氧化碳。
背景技术
考虑到减少将温室气体二氧化碳(CO2)排放到大气中，用于产生电能的燃烧化石燃料的动力装置的烟道气典型地配备有所谓的CO2捕捉系统。包含在烟道气中的CO2气体首先被分离，然后压缩、干燥和冷却，并且因而被调节，以进行永久地存储和进一步使用，例如增强的油回收。为了安全的运送、存储或进一步使用，CO2需要具有某些品质。例如，为了进行增强的油回收，气体将具有至少95％的CO2浓度、小于50℃的温度和13.8Mpa的压力。来自燃烧化石燃料的动力装置的烟道气不仅包括CO2，而且还包括多种另外的污染物，例如水蒸气、氧气、氮气、氩气以及SO3、SO2、NO、NO2，必须移除它们，以便满足环境规章和关于运送和存储CO2的要求。所有这些污染物和CO2本身可以各种浓度出现，这取决于化石燃料的类型、燃烧参数和燃烧器设计。包含在烟道气中的CO2的百分比的范围可为4％(在燃气轮机燃烧气体的情况下)至60％-90％(在燃煤锅炉的情况下，空气分离单元对燃烧过程提供另外的氧气)。从烟道气中移除污染物不受技术障碍的限制，而是有点受额外成本和能源需求的限制，以及随后受总体动力装置效率的降低的限制。
Minish M.Shah的“Oxyfuel combustion for CO2 capture frompulverized coal boiler(用于从粉煤锅炉中捕捉CO2的含氧燃料燃烧)”(GHGT-7，温哥华，2004年)公开了用于处理由燃烧化石燃料的锅炉产生的烟道气的系统的实例。该系统包括用于使烟道气的一部分连同来自空气分离单元的氧气返回到燃煤锅炉的再循环线路。烟道气被引导通过用于移除灰烬和灰尘的过滤器(例如织物过滤器或静电沉积器)，此外通过用于移除SOX的烟道气脱硫单元，并且最终通过用于进行CO2净化和压缩的气体处理单元。这个单元包括用于移除不能冷凝的气体(例如O2、N2和Ar)的系统、用于移除水蒸气的脱水系统，以及一系列压缩和冷却系统。这些包括未经净化的烟道气的第一低压压缩系统和经净化CO2的高压压缩系统，它们各自与冷却器结合。
为了进行压缩，这样的系统包括例如两个多级离心压缩机(低压压缩机和高压压缩机)和用于对惰性气体进行脱水和低温移除的、布置在低压和高压压缩机之间的设备。多级离心压缩机具有在各个压缩机级后面的中间冷却器，以便最大程度地降低压缩的动力消耗。多级离心压缩典型地包括4-6个压缩级。因为压缩机级的数量大，所以低压和高压压缩机各自布置在具有单独的驱动器的独立的轴上。由中间冷却器产生的热是70℃-80℃的低水平的热，这个热典型地不被回收，而是改为消散到动力装置的冷却水系统中。用于移除惰性气体的低温系统产生受压力的惰性气体流，惰性气体流典型地在适当的涡轮中膨胀，涡轮继而驱动发电机，或者涡轮布置成提供机械动力的一部分来驱动压缩机。
此外，Bin Xu、R.A.Stobbs、Vince White、R.A.Wall的“Future CO2Capture Technology for the Canadian market(加拿大市场的未来CO2捕捉技术)”(工商企业&调整改革部，报告号COAL R309，BERR//Pub，URN 07/1251，2007年3月，第124页-129页)公开了用于处理烟道气(包括脱水、压缩、冷却和低温处理)的系统。所使用的压缩机是绝热压缩机，这允许在动力消耗和冷却要求方面有改进。
US 6,301,927公开了一种借助于自动制冷来从进料气体中分离出CO2的方法，其中，进料气体首先被压缩且在涡轮中膨胀。然后包含在进料气体中的CO2被液化，并且在蒸汽-液体分离器中从进料气体的气态成分中分离出来。
US 4,977,745公开了一种用于从烟道气回收低纯度CO2的方法，其包括压缩烟道气，以及引导其通过水洗器和干燥器，以及最后引导到CO2分离单元。
US 7,416,716公开了一种方法和设备，其用于净化二氧化碳，特别是用于从由燃煤的燃烧过程产生的CO2烟道气中移除SO2和NOX。对于这一点，借助于具有用于冷却压缩气体的中间冷却器的压缩系来将烟道气或未经净化的CO2气体压缩到升高的压力，其中，以绝热的方式执行压缩中的一些。含有水蒸气、O2、SOX和NOX的压缩气体然后被引导到气体/液体接触装置，以用水清洗气态CO2，以移除SOX和NOX。
发明概述
考虑到描述的背景技术，本发明的目标在于，提供用于产生电能的、具有改进的烟道气处理系统的燃烧化石燃料的动力装置，烟道气处理系统用于处理由动力装置的化石燃料的燃烧产生的烟道气。
根据本发明，燃烧化石燃料的动力装置包括后燃烟道气处理系统，其中该系统包括
-第一低压烟道气压缩机，其中，第一低压烟道气压缩机是没有中间冷却的绝热轴向压缩机，
-一个或多个热交换器，其布置在第一低压烟道气压缩机的下游，并且构造成和布置成将来自压缩烟道气的热传递给动力装置或与动力装置连接的系统，
-第二低压烟道气压缩机，其布置在该一个或多个热交换器的下游，并且具有一个或多个级和一个或多个冷却器，
-用于通过从烟道气中移除惰性气体来对烟道气进行低温净化的单元，其布置在第二低压烟道气压缩机的下游，以及
-高压CO2压缩机系统，其布置在用于低温净化的单元的下游，并且构造成和布置成压缩由用于低温净化的单元产生的CO2流，高压CO2压缩机系统具有若干个级和一个或多个冷却器，
-其中，第二低压烟道气压缩机和高压CO2压缩系统两者结合在一个单个机器中，并且布置在由一个公共驱动器驱动的一个公共轴上。
由于结合了绝热压缩机的原因，具有根据本发明的后燃烟道气处理系统的动力装置允许减少烟道气压缩所需的总动力消耗。此外，没有中间冷却器的绝热压缩机允许回收来自烟道气的热，以及允许在动力装置或者与动力装置连接的系统(例如工业消耗装置或需要热的其它消耗装置)中使用该热。因此，现在可从压缩烟道气中抽出将以别的方式从动力装置中抽取的例如预热给水所需的热。因此根据本发明的系统有助于改进因而与烟道气处理系统结合的动力装置的总效率，但又不增加压缩机机器的数量。
另外，根据本发明的烟道气处理系统允许降低系统的初始投资成本。该系统总共包括具有两个驱动器和两个轴的仅两个压缩机器，即一方面，绝热烟道气压缩机，而另一方面，第二低压烟道气压缩机与高压CO2多级压缩机的组合。尽管增加了绝热压缩机，但是系统的机器总数仍然是一样的。最后，第二低压烟道气压缩机和高压CO2压缩机结合到一个机器中不但导致降低投资成本，而且还允许在动力装置构造方面有空间效率。
在本发明的一个特定的实施例中，结合到布置在一个轴上的一个机器中的第二低压烟道气压缩系统和高压CO2压缩系统包括两个低压压缩机级和四至六个高压压缩机级。
在本发明的另一个特定的实施例中，烟道气处理系统包括布置在第二低压烟道气压缩机的下游的脱水单元。这允许有处理和使用产生CO2的更大可能性。
在本发明的另一个特定的实施例中，烟道气处理系统包括用于在绝热压缩机的下游冷却烟道气的一个或多个热交换器，其中，热交换器(一个或多个)构造成与水流进行热交换，该水流可为动力装置或者用于在动力装置内或与该动力装置连接的系统中进行热回收的任何其它水流系统的水/蒸汽循环的一部分。对于这个实施例，绝热烟道气压缩机构造成使烟道气的排出压力为选定的压力范围。例如考虑关于动力装置的水/蒸汽循环的最佳热回收、绝热压缩机的最佳地最小化的动力消耗，以及在绝热烟道气压缩机的下游的低压和高压压缩级而选择这个压力范围。
在一个实施例中，可将绝热烟道气压缩机排出压力设定成7巴绝对压力至9巴绝对压力。在这个压力范围以上，绝热压缩将比中间冷却的离心压缩机中的压缩需要更多动力消耗。关于这个排出压力，绝热压缩机的排出口处的温度在170℃至280℃的范围中。这通过这样的方式来允许有高效的热回收：例如通过使用专门的热交换器来加热来自动力装置蒸汽/水循环的冷凝物。在热回收之后，烟道气在大约50℃的温度处。然后在第二交换器中进一步冷却，热在第二交换器中消散。然后通过第二低压烟道气压缩机(具有中间冷却器的离心压缩机)的两个级来将烟道气压缩到30巴绝对压力至40巴绝对压力。例如通过使用具有6至8个级的一个整体齿轮式压缩机，这两个级可与具有4至6个级的高压CO2压缩机容易地结合。绝热压缩机有助于改进由于压缩烟道气的冷却产生的热的回收。这可进一步改进与这种类型的烟道气处理系统结合的动力装置的总效率。根据本发明的动力装置的另一个优点在于，与具有仅离心压缩机的现有技术的动力装置相比，烟道气压缩机(这些是绝热和离心的)的数量保持恒定。
在本发明的另一个特定的实施例中，第一低压烟道气压缩机和第二低压烟道气压缩机构造成使得绝热压缩机的排出压力和低压烟道气压缩机的第一级的排出压力的比率在1.5至2.5的范围中。
动力装置可为任何种类的燃烧化石燃料的动力装置，包括具有燃煤锅炉的蒸汽轮机动力装置，其中可用或不用空气分离单元提供的另外的氧气来运行这个锅炉。燃烧化石燃料的动力装置还可包括燃气轮机或联合循环动力装置。
在另一个实施例中，根据本发明的系统进一步包括一种用于移除或减少SOX和NOX的系统。这种系统可布置在低压烟道气处理系统中，低压烟道气处理系统或者在烟道气压缩的上游或者绝热压缩机的下游。如果SOX和NOX移除系统布置在绝热烟道气压缩机的下游，则仍然可通过将烟道气压缩所需的其余离心级与CO2压缩所需的级结合在由一个驱动器驱动的一个机器中来实现所提出的发明。SOX和NOX移除反应动力学以及反应器大小设置将影响绝热压缩机排出压力的选择。例如，排出压力然后可升高到大约15巴绝对压力，因而使烟道气压缩的一个级与CO2压缩结合在一个多级离心压缩机中。
附图简述
图1显示了根据本发明的、可结合在用于产生电的动力装置中的烟道气处理系统的一个实施例的简图。
部件列表
1用于处理烟道气的系统
2来自动力装置的烟道气线路
3用于经净化CO2气体的线路
4用于运送、存储或进一步使用经净化CO2的系统
5绝热压缩机
6驱动器
7烟道气线路
8热交换器
9用于冷却介质的系统
10烟道气线路
1热交换器
12用于冷却介质的系统
13烟道气线路
14用于烟道气的低压压缩机
15用于CO2气体的高压压缩机
16轴
17用于联合的低压和高压压缩机的驱动器
18烟道气线路
19脱水单元
20低温单元
21用于惰性气体的线路
22用于排出的惰性气体的膨胀器
C1绝热压缩机
C2联合压缩机机器
HR热回收系统
实现本发明的最佳模式
图1显示了用于处理由燃烧化石燃料的动力装置产生的烟道气的烟道气处理系统1。除了线路2之外未显示动力装置本身，线路2引导由化石燃料的燃烧产生的烟道气，以产生工作介质来驱动涡轮。处理系统1本质上包括将烟道气引导到全部以提到的顺序串联布置的第一压缩机系统C1、热回收系统HR、第二压缩机系统C2的烟道气线路2，以及用于将分离出的CO2引导到一设施以供另外的使用的CO2线路3。烟道气线路2从动力装置通往第一压缩机系统C1，第一压缩机系统C1包括绝热烟道气压缩机5。热回收系统HR包括用于冷却压缩机C1释放的压缩烟道气以及将来自烟道气的热传递给动力装置的热交换器。第二压缩机系统C2包括用于烟道气的低压压缩和经净化CO2的高压压缩的联合的多级的和中间冷却式压缩机系统。最后，线路3引导经净化和压缩的CO2远离系统1，到达另一个系统4，以对CO2进行运送、存储或进一步使用，例如增强的油回收。
烟道气如所显示的那样通过线路2被引导到系统1，其中烟道气可由例如燃煤锅炉、气体燃烧室或燃烧全氧燃烧(oxyfired)煤的锅炉产生。因而，它们可包含各种浓度的CO2气体，例如4％或更多(在有或没有烟道气再循环的燃气轮机动力装置的情况下)，或高达60％-90％(在用于蒸汽轮机动力装置的燃烧全氧燃烧煤的锅炉的情况下)。在锅炉或燃烧室之后，可在诸如静电沉积器或织物过滤器的过滤器或用于移除硫的任何其它处理单元中预热烟道气。此外，可在用于移除NOX或汞的设备中处理烟道气。
烟道气线路2将含有CO2的烟道气携带传送到低压绝热烟道气压缩机5，低压绝热烟道气压缩机5由驱动器6驱动，并且构造成将烟道气压缩到5巴绝对压力至20巴绝对压力的排出压力。可用5巴绝对压力至8巴绝对压力(例如7巴绝对压力)的排出压力的构造来达到用于压缩的最小化的动力消耗。绝热压缩机5构造成压缩到不超过20巴的排出压力。压缩到高于这个极限的排出压力将增加动力消耗，使得使用绝热压缩机不再有任何好处。这是因为在大约8巴绝对压力的压力之后，绝热(轴向)动力消耗变得高于中间冷却式离心压缩机的动力消耗。在这个压力之后，在轴向机器中具有较高效的轮的好处被由于在缺乏中间冷却的情况下的气体温度的提高而引起的动力消耗的增加抵销超过。在压缩机排出口处，压缩烟道气可具有大约200℃-280℃的温度。
将通过使动力消耗最小化来设定绝热压缩机的最优排出压力，但是也通过另外的参数来设定，例如水/蒸汽循环的结合、SOX和NOX(如果有的话)的中间移除，以及机器的选择。
线路7从低压烟道气压缩机5的排出口通往第一热交换器8，压缩的和热的烟道气流以与水流或另一种冷却介质流逆流的方式流过第一热交换器8。通过线路9来将冷却介质从热交换器8引导到用于在动力装置内的系统或与动力装置连接的系统中进行热回收的系统。与改为在这个位置上使用离心压缩机的情况相比，绝热/轴向烟道气压缩机5允许在较高的温度(170℃-240℃)处回收来自烟道气的热。可在动力装置中有效地使用这个热。例如，在所显示的实施例中，热回收系统是蒸汽轮机系统的水/蒸汽循环9。在特定的实例中，这个水流连接到给水预热器或冷凝物抽取泵上。冷凝物的一部分可由烟道气直接加热，因而绕过低压加热器。低压加热器的蒸汽消耗降低，以及因此，有较多蒸汽在循环蒸汽轮机中膨胀，而且装置可产生较多电功率。由于使用绝热/轴向烟道气压缩机的原因，与具有仅离心烟道气压缩机的动力装置的净输出相比，可实现动力装置的净功率输出的0.5％至1％的增益。尽管具有与具有仅离心压缩机的动力装置相同的数量的压缩机机器，但是根据本发明的动力装置实现了较大的输出。
在穿过热交换器8之后，烟道气具有例如50℃的温度。在烟道气侧上，热交换器8通过线路10来连接到另一个热交换器或冷却器11上，其中烟道气进一步冷却到例如30℃的温度。由这个冷却产生的热是低级的，并且可消散。
线路13从冷却器11通往联合压缩系统C2，联合压缩系统C2由驱动器17驱动且包括布置在轴16上且由驱动器17驱动的低压烟道气压缩机14、高压CO2压缩机15。低压烟道气压缩机可具有例如具有中间冷却器的离心压缩机的两个级，而高压CO2压缩机可具有例如具有中间冷却器的四至六个级。如果绝热压缩机的排出压力较低(在5巴绝对压力至20巴绝对压力之间给定的排出压力范围内)，则离心低压烟道气压缩机也可具有三个级而非两个级。被低压压缩机14压缩到例如30巴绝对压力的烟道气通过线路18被引导到脱水单元19，以及之后被引导到低温单元20。在低温单元中，烟道气分离，从而产生经净化CO2气体流和含有像氮气、氧气和氩气一样的惰性气体的排出气体。排出气体通过线路21被送到膨胀器22，膨胀器22可安装在同一个轴16上，或者安装在独立的轴上。在根据本发明的烟道气处理系统中，低压烟道气压缩系统14和高压CO2压缩系统15布置在同一个轴上，而低压烟道气压缩系统则布置在低温净化系统的上游，并且高压CO2压缩系统布置在净化系统的下游。
现有主要含有足以进行运送和存储的浓度的CO2的经低温净化的烟道气被从单元20引导到高压压缩机系统15，以进一步压缩到110巴绝对压力的压力，最后通过线路3来将该烟道气从高压压缩机系统15引导到系统4，以进一步使用CO2。可优化低温工艺，其中，分别以两个不同的压力在两个单个流中将经净化CO2气体供给到压缩机系统15，通过这样，最大程度地降低了压缩机动力消耗。一个第一低压线路将经净化CO2气体供给到压缩机系统15的前部入口，而第二介质压力线路将经净化CO2气体供给到压缩机系统15的中间级。

Claims (12)

1.一种用于处理来自用于产生电能的燃烧化石燃料的动力装置的烟道气的系统，包括：
用于所述烟道气的第一低压压缩的绝热压缩机；
具有一个或多个级和一个或多个冷却器的第二低压烟道气压缩系统；以及
具有若干个级和一个或多个冷却器的高压CO2压缩系统，其中，所述第二低压烟道气压缩系统和所述高压CO2压缩系统两者结合在一个单个机器中，布置在一个公共轴上，并且由一个公共驱动器驱动；
其中，所述绝热压缩机构造成使所述烟道气的排出压力为在7巴绝对压力至9巴绝对压力的范围内的压力。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括用于通过从所述烟道气中移除惰性气体来对所述烟道气进行低温净化的单元，其中，所述用于低温净化的单元布置在所述第二低压烟道气压缩系统的下游和所述高压CO2压缩系统的上游。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括布置在所述第二低压烟道气压缩系统的下游的脱水单元。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括布置在一个单个轴上的两个低压压缩机级和四至六个高压压缩机级。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括布置在所述绝热压缩机的下游的热交换器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括构造成与水流系统进行热交换以进行热回收的热交换器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括构造成与水流系统进行热交换以进行热回收的热交换器，其中，所述水流系统是蒸汽轮机动力装置的水/蒸汽循环的一部分。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括构造成与水流系统进行热交换以进行热回收的热交换器，其中，所述水流系统连接到冷凝物抽取泵上。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述绝热压缩机和低压压缩系统构造成使得所述绝热压缩机的排出压力与所述低压压缩系统的第一级的排出压力的比率在1.5至2. 5的范围中。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括用于低压经净化CO2气体的第一线路和用于中压经净化CO2气体的第二线路，所述第一线路从低温净化单元通往所述高压CO2压缩系统的第一入口，所述第二线路从所述低温净化单元通往所述高压CO2压缩系统的中间级。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括用于移除或减少SOX和NOX的系统，其布置在或者在所述用于烟道气压缩的系统的上游或者在所述绝热压缩机的后面的低压烟道气处理系统中。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统与燃烧气体、煤、全氧燃烧煤的动力装置或者与具有用于后燃CO2捕捉的设施的燃气轮机动力装置结合。
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