CN102859123B - 含碳燃料燃烧发电的方法及用于操作发电网络的方法 - Google Patents

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Abstract

对于包含向锅炉（7）提供供给的空气气体分离单元（2）和由锅炉提供供给的用于压缩和/或净化CO2的单元（16，20）的设备，根据所产生的电的销售价格和/或排放废气的费用来调整输送到压缩和/或净化单元中的废气的量。

Description

含碳燃料燃烧发电的方法及用于操作发电网络的方法
技术领域
本发明涉及一种发电的方法，其使用空气气体分离单元、利用空气或比空气更贫氮的氧化剂(该氧化剂源于空气气体分离单元)进行操作并且产生燃烧废气的燃烧单元、和用于压缩和/或净化源于燃烧单元所产生的燃烧废气的CO2的单元。
背景技术
气候变化是最大的环境挑战之一。大气中二氧化碳浓度的增加是造成全球变暖的极大原因。人为产生的CO2主要通过矿物燃料在发电站的燃烧排放到大气中。
为了阻止CO2的排放，设计了一种技术来捕集含碳燃料燃烧期间排放的CO2以便于将其隔离在地下。所产生的其中一个制约因素是CO2份额一般不超过15％的废气中的CO2的分离，这需要相当大的分离能量。
一种可能性在于，在燃烧的上游从空气中分离出氮，从而在锅炉出口处保留的所有物质几乎只有CO2和水，(即)燃烧产物。然后利用氧-燃料燃烧操作锅炉。可以利用氧回收一部分废气(主要是CO2)以避免在锅炉中达到太高的温度。由此以低成本实现CO2捕集。
这种技术在投资和在全球能源效率的角度来看均是有前途的。
电力生产商具有操作起来成本或大或小的各种生产装置，例如风轮机、核电站等，并且显然具有含碳燃料发电站(CFPS)。CFPS操作起来成本相对较高。根据本发明，发电方法的操作根据CFPS所生产的电的销售价格而变化。
同样地，根据该销售价格，电力生产商可以决定捕集CFPS所排放的所有或一些CO2，并且可以选择不去捕集它。
对CO2的部分捕集并不非常适合于氧-燃料燃烧技术。实际上，以100％的氧-燃料燃烧或以空气燃烧进行操作是必要的，但是很难避免这些规则。特别地，如果在废气中存在30％以上的氮，则分离CO2将会损失在流量更集中时所获得的所有优点。
因此，用于部分捕集的标准解决方案是，100％地投入空气分离单元(ASU)并且以其100％的容量进行操作。但是，可以仅投入一部分压缩和干燥单元(或者100％投入，但是仅使其操作到对应于需要捕集的CO2的程度)。不幸的是，这种压缩和干燥单元不像ASU那样，其仅占一小部分投入和自消耗能量。
此外，利用ASU以其100％的容量操作意味着随着时间的流逝消耗恒定量的能量，其不能够适应成本和可用能量输出的变化。
发明内容
因此，产生的一个问题是提出一种发电方法，该发电方法可以比已知方法更有利润地进行发电。
如果在给定时刻，电价非常高，这意味着生产的边际成本非常高。如果这种成本非常高，则可能需要供电网络以使用最终的生产装置。这些(生产装置)(例如柴油/燃料发生器单元、气体开式循环)具有显著减小的效率并且具有通常非常高的CO2排放系数。这些排放系数通常甚至比在低级模式中操作、被供应空气并且没有CO2分离的氧-燃料燃烧站的排放系数更高。
因此，根据本发明，建议通过使用氧-燃料燃烧站发电，甚至将CO2排放到大气中，而不去处理它，因为在全球规模上，该CO2排放将少于最终的生产装置的CO2排放。因此，当电非常贵时在氧-燃料燃烧站排放较多的CO2使得可以在网络规模上相对于现有技术减少CO2排放。
根据本发明的一个主题，提供了一种通过燃烧含碳燃料来发电的方法，其使用空气气体生产单元、用于燃烧含碳燃料的燃烧单元、和用于压缩和/或净化源于燃烧废气的CO2的单元(16，20)，所述用于燃烧含碳燃料的燃烧单元具有利用空气的第一操作模式和利用氧的第二操作模式，在第一操作模式中，对用于燃烧含碳燃料的单元供应空气并且不供应源于所述生产单元的富含氧的流体，在第二操作模式中，仅对用于燃烧含碳燃料的单元供应比空气更贫氮且更富氧的氧化剂，该氧化剂至少部分地源于空气气体；在所述方法中，在空气气体生产单元的操作期间，将空气输送到空气气体生产单元，在燃烧单元以及压缩和/或净化单元的操作期间，被输送到压缩和/或净化单元的燃烧废气的至少一部分源于燃烧单元，其特征在于，如果所产生的电的销售价格超出第一阈值、和/或如果由所述单元中的至少一个所消耗的电的购买价格超出第二阈值、和/或如果排放燃烧废气的价格低于第三阈值、和/或如果用于排放废气的价格与电的销售价格之间的比率低于第四阈值，则减少输送到压缩和/或净化单元的废气的量，可能的话减少到零，并且增加输送到空气中的废气的量，可选地同时将所有的废气都输送到空气中。
排放废气的价格对应于在将含二氧化碳的气体排到大气中时所需缴纳的碳排放税。
当提到在空气操作期间不向锅炉输送来自于生产单元的富含氧的流体时，不排除将少量富含氧的流量(占空气流量的至多5％)输送到锅炉的可能性。
空气操作的概念也不排除燃烧单元可以接纳来自于不同于空气气体生产单元的其它源的其它氧化剂的可能性，例如一部分废气。类似地，氧操作的概念不排除燃烧单元可以接纳来自于不同于空气气体生产单元的其它源的其它氧化剂的可能性。
根据其它可选特征：
–如果所产生的电的销售价格超出第一阈值、和/或如果由所述单元中的至少一个所消耗的电的购买价格超出第二阈值，则减少输送到空气气体分离单元的空气的量和/或从所述空气气体分离单元输送到所述燃烧单元的氧化剂的量，并且增加输送到所述燃烧单元的空气的量。
–如果电的销售价格超出第一阈值，则减少输送到空气气体分离单元的空气的量和/或从所述分离单元输送的氧化剂的量，可能的话减少到零，并且对所述燃烧单元供应空气，该燃烧单元不再接收比空气更贫氮且更富氧的氧化剂。
–如果电的销售价格高于第四阈值，则增加输送到所述燃烧单元的空气的量，可能的话从零增加，所述第四阈值根据需要可以小于、等于或大于第一阈值。
–如果电的销售价格超出第一阈值，则所述燃烧单元仅利用空气操作，并且可能的话，如果电的销售价格低于第一阈值，则所述燃烧单元仅利用比空气更贫氮的氧化剂操作。
–如果电的价格低于一阈值，则输送到空气气体分离单元的空气中的氧的量多于从所述空气分离单元输送到所述燃烧单元的氧化剂中的氧的量。
–如果电的价格高于一阈值，则输送到空气气体分离单元的空气中的氧的量少于从所述空气气体分离单元输送到所述燃烧单元的氧化剂中的氧的量。
–所述氧化剂中的氧的量的一部分是通过以液体形式存储的氧化剂的蒸发来提供的。
–如果电的销售价格低于一阈值，则减少输送到空气气体分离单元的空气的量、和/或从所述分离单元输送的氧化剂的量、和/或输送到所述压缩和/或净化单元的废气的量，可能的话减少到零。
–如果电的销售价格低于一阈值，则燃烧单元不操作。
–对处于操作中的燃烧单元总是供应属于含碳燃料的燃料。
–对处于操作中的燃烧单元总是供应基本相同的含碳燃料，与电的价格无关。
–对处于操作中的燃烧单元总是供应煤。
根据本发明的另一个主题，提供了一种用于操作发电网络的方法，所述发电网络与一第一单元和至少一第二发电单元连接，该第一单元按照上面所述的方法进行操作，该第二发电单元在名义操作中每小时向大气中释放第一给定量的二氧化碳，其中，如果所产生的电的销售价格超出第一阈值，则第一单元将操作，每小时向大气中释放比所述第一量更少的二氧化碳，而第二单元不操作。
“空气气体生产单元”意思是包括用于将气体从空气中分离出来的单元、各种低温存储元件和其操作所必需的管道的单元。该单元可以通过低温蒸馏进行操作。
“燃烧单元”意思是例如锅炉或者焚化炉，优选地是循环流化床锅炉或煤粉炉。
“循环流化床锅炉”意思是其中的燃料在空气或氧中悬浮燃烧的锅炉。
“煤粉炉”意思是其中的燃料被粉碎得非常细的锅炉。
“含碳燃料”包括例如煤碳、褐煤、生活垃圾、任何生物质燃料(专用于燃烧的植物废料、植物产品等)。
“比空气更贫氮的氧化剂”意思是相对于空气含有更多的氧(特别是60mol％的氧、优选地至少90mol％的氧)的流体。可以将另一种氧化剂例如一部分废气输送到CFPS。
燃烧方法中所使用的各个单元的操作所必需的能量来自于至少部分地由所产生的氧作为供给的发电单元本身、或者经由输电网络来自于另一发电单元、或者从一可再生源(太阳能电池板、风轮机、水电站坝等)直接供电。
附图说明
图1示出了能够根据本发明的方法操作以用于从空气气体分离单元、从燃烧单元和从CO2压缩和净化单元捕集CO2的组件的总图，其中所述燃烧单元使用粉煤锅炉并且可选择地利用比空气贫氮的氧化剂和利用空气进行操作。
具体实施方式
空气输送管路1连接到空气气体分离单元2，空气气体分离单元2连接到氧生产管路3。氧管路3连接到存储元件21并且间接连接到燃烧单元7。在此，燃烧单元7为煤粉锅炉7。氧管路首先连接到混合器4，从而允许通过管路6、18再循环的CO2与氧的混合。氧化剂输送管路5连接到混合器4并且连接到煤粉锅炉7。
燃料(在该情况下是原煤)入口管线8连接到粉碎机10，所述粉碎机10连接到煤粉锅炉7。
来自于煤粉锅炉7的蒸汽管路连接到蒸汽轮机11，所述蒸汽轮机11可以提供机械力。借助于交流发电机12可以将所述力转换为能量来供电。
燃烧废气管路13连接到除尘单元14，并可选地连接到脱硫单元15。可以将废气送到CO2压缩和/或净化单元(CPU)20或者通过管路23将其排放到大气中。单元16可以是调节单元比如压缩单元，单元9可以是预处理单元。
根据电销售价格和/或购买价格，所述组件存在五种操作模式。
1)非常高的电价和低的用于将锅炉废气排放到空气中的价格
如果由所述组件产生的电的价格超出第一阈值，并且同时用于排放锅炉废气的价格低于第二阈值，则不再对所述锅炉供应氧，而是仅供应空气。在这种情况下，不再对空气分离装置2供应空气，并且既不产生氧也不产生氮。类似地，CPU单元20不操作，并且不通过管路23排放废气。当用于排放废气的价格与所产生的电的价格之间的比率低于第三阈值时，也可以在运行中设定该操作模式。所述压缩单元16不操作。
在这种情况下，将空气分离装置和CPU单元所消耗的电售出、而不是使用所述电来操作这些装置具有更大的价值。
还可以通过停止向空气分离装置输送空气、并且仅对锅炉供应存储的氧化剂继续操作CPU单元20来仅将空气分离装置关闭。
2)高电价
与电比较便宜时空气分离装置2所产生的空气气体(一部分产品源于被分离的产品的蒸发)相比，空气分离装置2分离较少的空气。
CPU单元20像压缩单元16一样也操作，并且对锅炉供应氧。
在这种情况下，输送到空气分离装置2的空气中的氧的量可以少于输送到煤粉锅炉7的流量5中的氧的量。
3)适中的电价
CPU单元20还操作，并且对锅炉供应氧。
锅炉以比高电价时(前一情况)的速率低的速率操作。与电比较便宜时空气分离装置2所产生的空气气体(一部分产品源于被分离的产品的蒸发)相比，空气分离装置2分离较少的空气。
4)低电价
在这种情况下，电的生产是适中的。对煤粉锅炉7供应氧。煤粉锅炉7以非常低的速率操作，也就是说以例如大致50％(的速率)，该速率比前一适中电价的情况进一步减小。因为锅炉不以其最大生产量操作，所以产生的废气将减少，并且因此CPU单元20以减少的CO2生产量进行操作。与空气分离装置2所产生的空气气体(一部分被分离的空气以液体形式进行存储)相比，空气分离装置2分离较多的空气。
在这种情况下，输送到空气分离装置2的空气流量1中的氧的量可以多于输送到煤粉锅炉7的流量5中的氧的量。
5)非常低的电价
空气分离装置尽管操作但仅产生被输送到多个存储元件或输送到一个存储元件(如果仅有一种产品)的液体产品。如果该液体存储元件或者这些液体存储元件已满，则空气分离装置2不操作。CPU单元20不操作，压缩单元16或煤粉锅炉7也不操作。
如果锅炉正在操作，则不管电价如何都对其供应煤。
为了操作发电网络，需要对所使用的发电装置做出选择。可以将网络连接到根据上述方法操作的第一单元，其中，如果电的销售价格非常高，则空气分离装置不操作，仅对锅炉供应空气，并将产生的废气排放到大气中，每小时释放一定量的二氧化碳。这对于操作第二发电单元可能是适宜的，该第二发电单元在名义操作中每小时向大气释放给定量的二氧化碳，该给定量的二氧化碳比锅炉所释放的二氧化碳更多。

Claims (14)

1.一种通过含碳燃料的燃烧来发电的方法，其使用空气气体生产单元(2)、用于燃烧含碳燃料的燃烧单元(7)和用于压缩和/或净化源于燃烧废气的CO2的单元(16，20)，其中，所述空气气体生产单元(2)包括一空气气体分离单元，所述燃烧含碳燃料的燃烧单元(7)具有利用空气的第一操作模式和利用氧的第二操作模式，在第一操作模式中，对燃烧含碳燃料的单元供应空气，并且不供应源于所述生产单元的富含氧的流体，在第二操作模式中，仅对燃烧含碳燃料的单元供应比空气更贫氮且更富氧的氧化剂，该氧化剂至少部分地源于空气气体分离单元；在该方法中，在空气气体生产单元的操作期间，将空气输送到空气气体生产单元，在燃烧单元以及压缩和/或净化单元的操作期间，被输送到压缩和/或净化单元的燃烧废气的至少一部分源于燃烧单元，其中，如果所产生的电的销售价格超出第一阈值、和/或如果由所述空气气体生产单元(2)及用于压缩和/或净化源于燃烧废气的CO2的单元(16，20)中的至少一个所消耗的电的购买价格超出第二阈值，则减少输送到压缩和/或净化单元的废气的量，可能的话减少到零，并且增加输送到空气中的废气的量，
其特征在于，如果所产生的电的销售价格超出第一阈值、和/或如果由所述空气气体生产单元(2)及用于压缩和/或净化源于燃烧废气的CO2的单元(16，20)中的至少一个所消耗的电的购买价格超出第二阈值，则减少输送到空气气体生产单元(2)的空气的量和/或从所述空气气体生产单元输送到所述燃烧单元(7)的氧化剂的量，并且增加输送到所述燃烧单元的空气的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所产生的电的销售价格超出第一阈值、和/或如果由所述空气气体生产单元(2)及用于压缩和/或净化源于燃烧废气的CO2的单元(16，20)中的至少一个所消耗的电的购买价格超出第二阈值，则同时将所有的废气都输送到空气中。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所产生的电的销售价格超出第一阈值，则减少输送到空气气体生产单元(2)的空气的量和/或从所述空气气体生产单元输送的氧化剂的量，可能的话减少到零，并且对所述燃烧单元(7)供应空气，该燃烧单元不再接收比空气更贫氮且更富氧的氧化剂。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，如果电的销售价格高于第四阈值，则增加输送到所述燃烧单元(7)的空气的量，可能的话从零增加，所述第四阈值根据需要可以小于、等于或大于第一阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果电的销售价格超出第一阈值，则所述燃烧单元(7)仅利用空气操作，并且可能的话，如果电的销售价格低于第一阈值，则所述燃烧单元仅利用比空气更贫氮的氧化剂操作。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，如果电的价格低于一阈值，则输送到空气气体生产单元(2)的空气中的氧的量多于从所述空气气体生产单元(2)输送到所述燃烧单元(7)的氧化剂中的氧的量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，如果电的价格高于一阈值，则输送到空气气体生产单元(2)的空气中的氧的量少于从所述空气气体生产单元输送到所述燃烧单元的氧化剂中的氧的量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述氧化剂中的氧的量的一部分是通过以液体形式存储的氧化剂的蒸发来提供的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，如果电的销售价格低于一阈值，则减少输送到空气气体生产单元(2)的空气的量、和/或从所述空气气体生产单元输送的氧化剂的量、和/或输送到所述压缩和/或净化源于燃烧废气的CO2的单元(16，20)的废气的量，可能的话减少到零。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，如果电的销售价格低于一阈值，则燃烧单元(7)不操作。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，对处于操作中的燃烧单元(7)总是供应属于含碳燃料的燃料。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，对处于操作中的燃烧单元(7)总是供应基本相同的含碳燃料，与电的价格无关。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，对处于操作中的燃烧单元(7)总是供应煤。
14.一种用于操作发电网络的方法，所述发电网络与第一单元和至少一第二发电单元连接，所述第一单元按照前述权利要求中的一项所述的方法进行操作，所述第二发电单元在名义操作中每小时向大气中释放第一给定量的二氧化碳，其中，如果所产生的电的销售价格超出第一阈值，则第一单元将操作，每小时向大气中释放比所述第一给定量更少的二氧化碳，而第二单元不操作。
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