CN102858434B - 用于减少燃烧流中的co2排放物的方法以及利用该方法的工业设备 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于减少排气流中的CO2排放物的方法，以及利用该方法的工业设备。在一个实施例中，一种用于减少燃烧流中的排放物的方法包括产生排气流以及压缩该流。使被压缩的排气流中的第一流再循环到产生步骤，并且将第二流提供给CO2分离系统。

Description

用于减少燃烧流中的CO2排放物的方法以及利用该方法的工业设备
技术领域
本申请涉及减少燃烧流中的CO2排放物。
背景技术
在全世界范围内对空气污染的关注导致了更严格的排放标准。这些标准控制由动力工业(powerindustry)产生的氮氧化物(NOX)、未燃烧的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、以及二氧化碳(CO2)的排放。特别地，二氧化碳已经被确定为温室气体，从而导致实施各种技术以减少被排放到大气的二氧化碳的浓度。
存在三种大体上公认的目前用来减少来自这样的发电站的CO2排放物的方式。第一种方法为在和空气燃烧之后从排气气体中捕获CO2，其中，通过吸收过程、吸附过程、膜、隔膜、低温过程或者其组合从排气气体中去除在燃烧期间产生的CO2。这种方法(一般称作为燃烧后捕获)通常集中在减少来自发电站的大气排气气体的CO2排放物。第二种方法包括降低燃料中的碳含量。在这种方法中，燃料在燃烧之前被首先转换成H2和CO2。因此，在(燃料)进入燃气涡轮之前捕获燃料中的碳含量成为可能，并且因此避免了CO2的形成。第三种方法包括氧化燃料(oxy-fuel)过程。在这种方法中，与空气相对，纯净的氧气被用作氧化剂，从而产生了由二氧化碳和水组成的烟道气。
燃烧后CO2捕获过程的主要缺点为在烟道气中CO2部分压力非常低(对于燃烧天然气的动力设备来说按体积典型地为3-4%)。尽管在烟道处的CO2浓度以及因此部分压力可通过使烟道气部分地再循环到燃气涡轮的压缩机来增加(在这方面参见例如美国专利No.5832712以及WO2009/098128)，但它仍然保持相当低(按体积大约6-10%)。并且，由于与纯净的空气相比的烟道气的稍微较低的等熵指数(也称为比热比率)，当采用了排气气体再循环时，对于燃烧天然气的动力设备来说，预期有功率和效率的损失。因为同样的原因，在燃气涡轮压缩机中压缩烟道气和空气的混合物是决不理想的。这些因素显著地增加了发电的成本。事实上，CO2捕获的成本大体估算为代表碳捕获、存储、运输、以及封存(sequestration)的总成本的四分之三。
因此，存在对于成本有效的CO2去除技术的持续需要。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于减少排气流中的CO2排放物的方法。该方法包括产生排气流以及压缩该流。使被压缩的排气流的第一流路再循环回到产生步骤。将该被压缩的流的第二流路提供至分离器，其中，然后从被压缩的排气流中分离CO2以提供基本上无CO2的排气流和液体CO2流。
还提供了工业设备。该设备包括用于生产产品和包括CO2的排气流的制造组件，并且还包括压缩机、再循环管线以及二氧化碳分离系统。压缩机接收包括CO2的排气流，并且产生被压缩的排气气体。压缩机包括构造成以便使被压缩的排气气体的第一流路再循环到制造组件中的上游点的第一管道。压缩机还包括构造成以便将被压缩的排气气体的第二流路提供至CO2分离系统的第二管道。CO2分离系统构造成以便接收被压缩的排气气体，并且产生基本上无CO2的排气流和液体CO2流。
还提供了天然气联合循环动力设备。该设备包括半开式燃烧循环以及闭式蒸汽循环，并且在运转中产生包括CO2的排气流。该设备还包括在燃烧循环和蒸汽循环下游的至少一个压缩机，以及CO2分离器。压缩机联接到流体地连接压缩机与开式燃烧循环的再循环管线。压缩机也流体地连接到CO2分离器。
附图说明
当参考附图(在其中，贯穿附图，相同的符号代表相同的零件)阅读随后的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，其中：
图1为根据一个实施例的天然气联合循环动力设备的示意图；
图2为根据另一个实施例的天然气联合循环动力设备的示意图；
图3为根据另一个实施例的天然气联合循环动力设备的示意图；
图4为根据另一个实施例的天然气联合循环动力设备的示意图；且
图5为根据又一个实施例的级联式设备的示意图。
具体实施方式
本文公开的任何组成范围为包括性的并且为可组合的(例如“高达大约25%重量”，或者更具体地说，“大约5%重量到大约20％重量”的范围包括范围的端点和所有的中间值)。以全部成分的重量为基础提供重量水平－除非以别的方式指出；并且也以重量为基础提供了比率。此外，术语“组合物”包括掺合物、混合物、反应产物等等。另外，术语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来区分一个元件与另一个元件。
术语“一”和“一个”在本文中不表示数量的限制，而是表示存在所引用的项目中的至少一个。连同数量使用的修饰语“大约”包括所说明的值，并且具有由上下文规定的意思(例如包括与特定数量的测量相关的误差度)。本文使用的后缀“(一个或多个)”意图包括它修饰的术语的单数和复数两者，因此包括一个或多个那样的术语(例如“流(一个或多个)”可包括一个或多个流)。
在整个说明书中参考“一个实施例”、“另一个实施例”、“一实施例”等等意指结合实施例描述的特定的元件(例如特征、结构和/或特点)包括在本文描述的至少一个实施例中，并且在其它的实施例中可出现或可不出现。另外，要理解，所描述的创造性的特征可以任何合适的方式结合在不同的实施例中。
本文提供了用于减少例如动力设备的排放物流中的CO2的方法和系统。本方法不仅利用排气气体再循环，而且还利用排气气体的压缩。重要的是，压缩排气气体在将排气气体引入到燃气涡轮压缩机中和/或其与纯净的空气混合之前进行。且因此，对于采用排气气体再循环的燃烧天然气的动力设备来说否则可期望有的功率和效率损失(由于与纯净的空气相比排气气体的比热的较小的比率)可被最小化或者甚至消除。
压缩排气气体还用来增加排气气体的压力，并且因此减少排气气体的体积。再循环被压缩的排气气体增加了排气气体中的CO2的浓度。结果，因此简化了从排气气体中去除CO2，并且相比于与从没有被压缩的排气气体中去除CO2相关联的资金和能量花费，这样做所要求的资金和能量花费会减少，因为与没有被压缩的排气流相比，可能会需要更少的能量来冷冻来自被压缩的排气气体流中的CO2。最终，以大于或者等于环境压力但低于CO2的三态点处的压力的压力来低温分离CO2。且因此，回收的CO2可被泵浦至其最终压力，而不是被压缩。
因此，本文所公开的方法和设备可使用比提供从排气流去除CO2的常规的方法和设备少至少10％的能量、或者少至少20％(的能量)、或者甚至少至少30％(的能量)。在方法和/或设备的那些实施例(其中，从热的排气气体中回收热)中，可进一步最大化这些能量节省。
本方法包括产生包括CO2的排气流。压缩以及再循环排气流以增加其中的CO2浓度。一般而言，可使用将提供排气流中的压力的甚至最小限度的增加的任何压缩量，并且准确的量可由CO2的初始浓度、排气流中的其它成分、合乎需要地使用的CO2分离机构等规定。另一方面，在其中CO2分离机构合乎需要地包括低温分离器的那些实施例中，排气气体将合乎需要地不会被压缩到大于CO2的三态点(即大约5大气压)的压力。
使被压缩的排气流的第一流路再循环回到产生步骤。在第一流路中再循环的被压缩的排气流的特定的量可基于期望的排气气体中的CO2浓度的增加来选择。一般而言，当被压缩的排气流中的至少大约10％、或者大约20％、或者大约30％、或者大约40％、或者甚至高达大约50％被再循环到产生步骤时，可期望看到排气流中的CO2浓度的增加。
将被压缩的排气流的第二流路提供至分离器，其中，然后从被压缩的排气流中分离CO2以便提供基本上无CO2的排气流和液体CO2。分离器合乎需要地包括低温分离器，其也通常被称作为“CO2冷冻单元”，或者单独使用，或者与其它的CO2分离过程－诸如CO2选择性膜技术、吸着过程(吸附和/或吸收)、隔膜等－组合使用。这样的方法以及用于它们的操作的参数对本领域普通技术人员是众所周知的。在Finkenrath的美国专利公布No.2008/0104958和No.2008/0127632中公开了合适的膜技术的示例以及它们的使用的细节，这些专利公布因此通过引用而在它们与本文中的教导不相冲突的程度上结合在本文中。
在一些实施例中，使用一个或多个低温分离器来从排气流中去除CO2。用于去除CO2的低温分离器在本领域中是已知的，许多可以商业的方式获得，并且在该方法中可使用这些(低温分离器)中的任何一种。如本领域普通技术人员已知的，低温分离器以从被压缩的排气流中将CO2“冷冻”为固体的方式来运转。然后收集、压缩以及融化CO2“雪状物”。融化的CO2然后被泵浦到其用于存储或使用的最终压力。
由于当前的方法提供的成本和能量节省，当前的方法被有利地结合到产生包括CO2的排气流的工业过程和设备中。另外，该方法易于在所有现有的和未来的动力设备上实施，因为不需要与主功率系统集成。在一些实施例中，如果需要，这样的工业设备可结合可与主功率系统集成的热交换器。这样的集成可导致降低驱动工业设备的其它构件所需要的功率需求，或者甚至帮助使CO2分离构件能量能够自我维持。
可从所描述的原理的结合受益的工业设备的示例包括燃烧过程，诸如燃煤动力设备、燃油锅炉、水泥或钢铁厂等。一般而言，这样的设备将包括用于生产产品和包括CO2的排气流的制造组件。这样的设备还将合乎需要地包括压缩机、再循环管线以及二氧化碳分离系统。压缩机接收包括CO2的排气流，并且产生被压缩的排气气体。压缩机包括构造成以便使被压缩的排气气体的第一流路再循环到制造组件中的上游点的第一管道。压缩机还包括构造成以便将被压缩的排气气体的第二流路提供至CO2分离系统的第二管道。CO2分离系统构造成以便接收被压缩的排气气体，并且产生基本上无CO2的排气流和液体CO2流。
可从本文描述的方法和原理的结合中受益的工业设备的一种特定的类别包括天然气动力设备，例如天然气联合循环动力设备。图1为天然气联合循环动力设备的一个实施例的示意图。
设备100包括：半开式燃烧循环101，其包括第一个第二压缩机102、天然气入口134、燃烧器104以及膨胀器106；以及闭式蒸汽循环103，其包括蒸汽涡轮108和发电机110。半开式燃烧循环101和闭式蒸汽循环安装在同一根轴上，且因此如图1所示，以机械的方式连接，而不是流体地连接。
设备100还包括热交换器116。热交换器116与膨胀器106和蒸汽涡轮108流连通。在运转中，从膨胀器106排出的相对热的排气流被引导通过热交换器116。来自热的排气流的热能被转移到流过热交换器116(例如在某些实施例中，热回收蒸汽发生器或者HRSG)的工作流体，以产生被用来在蒸汽涡轮108中产生更多的功率的蒸汽。在一些实施例中，热交换器116为非接触式的热交换器，即在热交换器中，来自闭式蒸汽循环103的水或蒸汽经由管道120被提供给并且穿过热交换器116中的管(未示出)，并且来自半开式燃烧循环101的排气气体经由管道118被提供给热交换器116内的管(未示出)，并且环绕该管而经过。
冷凝器112可位于蒸汽涡轮108下游，以通过降低温度将从蒸汽涡轮108排出的流转换成水。在冷凝器112下游还可采用泵114，以在进入到热交换器116之前增加水的压力。
被冷却的排气气体离开热交换器116并且被提供给第一压缩机118。在图1示出的实施例中，在第一压缩机118的下游，使被压缩的排气气体的第一流穿过管道120再循环回来并且再循环到半开式燃烧循环101，并且更特别地讲，再循环到第二压缩机102。在一些实施例中，可使被压缩的排气流的高达大约20％体积、或者大约30％体积、或者大约40％体积、或者甚至高达大约50％体积再循环，以在第二压缩机102处与空气一起进入开式燃烧循环101。在第一压缩机102的入口之前压缩排气流增加了工作流体中的CO2浓度，因此增加了在CO2分离单元122中用于CO2分离的驱动力。
将被压缩的排气气体的第二流从第一压缩机118经由管道124提供给CO2分离单元122。在一些实施例中，CO2分离单元122包括CO2低温分离器，或者单独使用，或者与其它的CO2分离过程－诸如CO2选择性膜技术、吸着过程(吸附和/或吸收)、隔膜等等－组合使用。例如在美国专利公布序列No.2008/0134660中公开了CO2膜技术，该公开因此通过引用以其整体结合在本文中。
CO2分离单元122生产排出管道126的基本上无CO2的排气气体，和冷冻的CO2，其被收集、压缩、融化以及输送到泵128，其中，CO2经由管道130被泵浦到用于运输的超临界压力。
天然气联合循环设备100以在本领域中已知的方式运转，并且因而产生具有从大约600华氏度(°F)(316摄氏度(°C))到大约1300°F(704°C)的温度的排气流。从开式燃烧循环101排出的排气流被引导通过热交换器116，在其中，来自排气流的热能的相当大的一部分被转移到闭式蒸汽循环103，其中，工作流体被引导通过其中以产生可用来驱动蒸汽涡轮108和发电机110的蒸汽。在其它的实施例中，排气流可在没有利用丢弃给有用的目的的热的情况下简单地冷却，和/或其可被链接到另外的过程以便以蒸汽或热水的形式提供热。
热交换器116有利于将排气流的操作温度降低到大约75°F(24°C)和大约248°F(120°C)之间的温度。在一些实施例中，热交换器116有利于将排气流的操作温度降低到大约为100°F(38°C)的温度。
然后在第一压缩机118中压缩相对冷却的干燥的排气流。如果需要，在将排气流提供给第一压缩机118之前，排气流的温度可通过使该排气流穿过热交换器、湿式洗涤器等等(未示出)来进一步降低。在一些实施例中，这样的热交换器/湿式洗涤器(未示出)可用来冷凝在排气气体中存在的水，以及将排气流的温度降低到例如大约40°C，使得减少所需要的压缩功率。
第一压缩机118将合乎需要地用来将被引导穿过其中的排气流的操作压力增加到从热交换器116排出的排气流的操作压力的高达大约四倍或五倍的压力。此外，引导排气流通过第一压缩机118引起排气流的温度升高。且因此在一些实施例中，一旦从第一压缩机118排出，就可以可选地使排气流穿过热交换器或湿式洗涤器以降低排气流的温度。
这样的热交换器可根据需要相对于管道124或管道120操作地设置。当相对于管道124操作地设置时，这样的热交换器或湿式洗涤器可有利于降低排气流的操作温度，这又可有利于操作CO2分离单元122。
从第一压缩机118排出的富含CO2的排气流经由管道124进入CO2分离单元122。如上所述，CO2分离单元122包括CO2冷冻单元，或者单独使用，或者与其它的CO2分离过程－诸如CO2选择性膜技术，吸着过程(吸附和/或吸收)、隔膜等等－组合使用。
CO2冷冻单元包括先进的制冷过程，优选混合制冷剂循环，其能够将排气流的温度降低到-150°C，并且以大于或等于大气压但低于CO2的三态点处的压力的压力来冷冻CO2。当CO2冷冻时，其从基本上无CO2的排气流中分离。随后使用例如来自排气流的低温热来收集和融化固体CO2。一旦CO2处于液态，其就被泵浦到运输、封存以及再注入目的所要求的超临界压力。
图2为根据另一实施例的示例性天然气联合循环设备200的示意图。除了上面连同图1描述的那些构件之外，设备200包括附加的第三压缩机230，以便进一步压缩在再循环管线220中的排气气体。并且，在膨胀器206的入口处组合被压缩的再循环的排气气体与被压缩的空气。
在膨胀器206过程的入口处引入被压缩的空气可起作用来冷却膨胀器的叶片，从而减少或消除使空气从压缩机转向。即，因为离开第一压缩机218的排气气体的压力由在CO2分离单元222内可接受的压力限制到CO2的三态点处的压力、或者限制到大约5大气压，必须将在燃烧器204之后并且在膨胀器206之前的被再循环的以及被加到半开式燃烧循环201的排气气体的压力增加到基本上与膨胀器206内的压力相等，例如增加到大约20到40大气压，否则在管道220中的流将反向。被压缩的排气气体还可冷却膨胀器206的叶片，并且减少或消除用于这种目的的使来自压缩机202的空气转向的需要。结果，该实施例可为半开式燃烧循环201提供损失的进一步减少。
图3为根据另一实施例的示范性天然气联合循环设备300的示意图。除了上面连同图1描述的那些构件之外，设备300包括附加的压缩机332以将入口空气压缩到与被压缩的再循环的排气气体的压力基本上相等的压力。在阀336处、在于压缩机302处引入到半开式燃烧循环301之前，组合被压缩的空气和被压缩的再循环的排气气体。
图4为根据另一实施例的示范性的工业设备的示意图。除了上面连同图3所描述的那些构件之外，设备400包括中间冷却器438。在运转中，在阀436处、在引入到中间冷却器438之前组合被压缩的空气和被压缩的再循环的排气气体。中间冷却器438运转，以在低压被压缩气体混合物在第二压缩机402中进一步压缩之前降低低压被压缩气体混合物的温度。当气体混合物的温度降低时，第二压缩机402的压缩功也降低。因此，对于同样的压缩比，中间冷却的燃气涡轮循环可具有比无中间冷却的燃气涡轮循环更高的效率。在示范性的实施例中，设备400可包括可从俄亥俄州辛辛那提市通用电气航空发动机(GeneralElectricAircraftEngines,Cincinnati,Ohio)得到的LMS100。
图5为另一个实施例的示意图。更特别地讲，图5示出了级联设备500，在其中，两个燃气涡轮动力设备－上游设备540和下游设备542－串联构造。在示出的实施例中，下游设备542设有第一压缩机518、管道520以及CO2分离单元522。该构造的优点为，相对于有利于CO2分离过程的单一天然气联合循环设备的CO2浓度和部分压力，下游设备542的排气流中的CO2浓度和部分压力得以增加。
上游设备540以在本领域中已知的方式运转，并且因而产生具有从大约600华氏度(°F)(316摄氏度(°C))到大约1300°F(704°C)的温度的排气流。将从半开式燃烧循环501排出的排气流引导通过热交换器516，在其中，来自排气流的热能的相当大的一部分被转移到闭式蒸汽循环503。更特别地讲，热交换器516有利于将排气流的操作温度降低到在大约75°F(24°C)和大约248°F(120°C)之间的温度，或者降低到大约100°F(38°C)的温度。将来自上游设备540(并且更特别地讲，热交换器516)的排气流提供给下游设备542，其然后基本上如上面结合图1所描述的那样运转。
虽然已经参考优选的实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可做出不同的改变并且等效物可替代本发明的元件。另外，在不背离本发明的本质范围的情况下，可做出许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是，本发明不限于作为为了实施本发明而构思的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (24)

1.一种用于减少工业设备的排气流中的CO2排放物的方法，包括：
所述工业设备产生排气流；
使用热交换器将所述排气流冷却；
使直接来自所述热交换器的被冷却后的所述排气流流过第一压缩机以压缩所述排气流；
使被压缩的排气流的第一流路再循环到所述工业设备中以与进入所述工业设备的空气混合，
其中所述工业设备包括第二压缩机；以及
从所述被压缩的排气流的第二流中分离CO2，以产生液体CO2流以及无CO2的排气流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由燃烧过程产生所述排气流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由燃煤的或燃烧天然气的动力设备、燃油锅炉、或者水泥或钢铁厂产生所述排气流。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由燃烧天然气的动力设备产生所述排气流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用低温分离器、CO2选择性膜技术、吸附过程、吸收过程、隔膜、或者这些的组合从所述被压缩的排气流的所述第二流中分离所述CO2。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用低温分离器从所述被压缩的排气流的所述第二流中分离所述CO2。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述排气流压缩至小于5大气压的压力。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述排气流压缩至从1大气压到4大气压的压力。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述被压缩的排气流的高达50％在所述第一流路中再循环。
10.一种用于生产产品和包括CO2的排气流的工业设备，包括：
用于生产产品和包括CO2的排气流的制造组件；
第一压缩机，其用于压缩所述包括CO2的排气流；
操作地将所述第一压缩机联接到所述制造组件的再循环管线，其将被压缩的包括CO2的排气流的第一流路再循环到所述制造组件以与进入所述制造组件的空气混合；以及
CO2分离器，其与所述第一压缩机联结且从所述被压缩的包括CO2排气流的第二流中分离CO2，以产生液体CO2流以及无CO2的排气流；
其中所述制造组件包括第二压缩机。
11.根据权利要求10所述的工业设备，其特征在于，所述制造组件产生功率。
12.根据权利要求11所述的工业设备，其特征在于，所述制造组件经由燃烧过程产生功率。
13.根据权利要求12所述的工业设备，其特征在于，所述过程燃烧天然气。
14.根据权利要求10所述的工业设备，其特征在于，所述CO2分离器包括低温分离器、CO2选择性膜技术、吸附过程、吸收过程、隔膜、或者这些的组合。
15.根据权利要求14所述的工业设备，其特征在于，所述CO2分离器包括低温分离器。
16.一种产生包括CO2的排气流的天然气联合循环动力设备，所述设备包括：
半开式燃烧循环，其产生所述包括CO2的排气流；
闭式蒸汽循环；
CO2分离器；以及
第一压缩机，其操作地设置在所述开式燃烧循环和所述闭式蒸汽循环的下游，并且联接到(i)流体地连接所述第一压缩机与所述半开式燃烧循环的再循环管线以及(ii)将所述第一压缩机流体地连接到所述CO2分离器的管道；
其中所述再循环管线将被压缩的包括CO2的排气流的第一流路再循环到所述半开式燃烧循环以与来自上游半开式燃烧循环且进入所述半开式燃烧循环的排气流混合，所述上游半开式燃烧循环与所述半开式燃烧循环串联连接，所述CO2分离器从所述被压缩的包括CO2排气流的第二流中分离CO2，以产生液体CO2流以及无CO2的排气流；
其中所述半开式燃烧循环还包括第二压缩机。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述第二压缩机相对于所述再循环管线操作地设置。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述半开式燃烧循环包括燃烧器和膨胀器，并且其中，所述再循环管线流体地连接到所述膨胀器的入口。
19.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，还包括操作地设置在所述开式燃烧循环上游的入口空气压缩机，并且其中，所述再循环管线流体地连接到操作地设置在所述空气压缩机和所述开式燃烧循环之间的阀。
20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，还包括操作地设置在所述阀和所述开式燃烧循环之间的中间冷却器。
21.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，还包括至少一个热交换器。
22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述至少一个热交换器相对于所述再循环管线操作地设置。
23.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述至少一个热交换器相对于所述第一压缩机、所述CO2分离器或者两者操作地设置。
24.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，其相对于至少一个其它的天然气联合循环动力设备操作地设置。
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