CN103121661B - 脱碳燃料产生 - Google Patents

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Abstract

提供了系统和方法，用于产生和使用脱碳燃料发电。特别是，提供集成的系统和方法，用于生成合成气，从合成气中除去二氧化碳，和使用合成气来发电。

Description

脱碳燃料产生
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年11月17日提交的美国临时申请编号61/560887的优先权。该临时申请全部通过引用并入本文。
发明背景
本发明的主题涉及产生脱碳燃料和利用脱碳燃料发电的系统和方法。尤其是，本发明涉及集成的系统和方法，用于产生合成气，从合成气中除去二氧化碳，和使用合成气发电。
美国专利号4132065中描述了一种用于生产合成气的常规实践。该专利公开了一种用于生产合成气的连续的部分氧化气化过程。含烃燃料如天然气与含游离氧的气体(优选空气)任选地在诸如蒸汽或水的温度调节剂的存在下进行反应以生产合成气。合成气的一部分在压缩空气存在下燃烧以生成燃烧产物气体，燃烧产物气体在燃气涡轮中膨胀。含游离氧的气体由压缩机提供，压缩机被在燃气涡轮中的燃烧产物气体的膨胀所产生的至少一部分动力所驱动。
美国专利号6505467公开了一种从烃原料中产生电能、蒸汽和浓缩形式的二氧化碳的工艺。该工艺包括在空气驱动的自热反应器单元(ATR)中形成合成气，将形成的合成气热交换由此产生蒸汽，在CO变换反应器单元和二氧化碳分离单元中处理至少一部分合成气，形成浓缩二氧化碳和贫含氢气体，贫含氢气体在联合循环燃气涡轮中燃烧用于生产电能，来自涡轮的空气被供给到ATR单元。燃气涡轮的废气进行热交换产生蒸汽，与所述单元上游产生的蒸汽一起被用在发电机中，用于生产实质上不含二氧化碳的电能。蒸汽可以被送到燃气涡轮，用于稀释含氢气体混合物。
先前指认的专利的公开内容通过引用结合于此。
在本领域中需要一种系统和方法，用于产生脱碳燃料，和利用该燃料产生电力。此外，在本领域还需要一种系统和方法，可以改造现有发电设备，使现有发电设备使用脱碳燃料来产生电力。
发明内容
本发明通过提供可用于产生电力的脱碳燃料，和通过使现有发电设备能够改造以利用脱碳燃料产生电力，解决了常规实践所伴随的问题。本文所用的“脱碳燃料”被定义为燃烧时形成比天然气更少的二氧化碳的气态燃料。脱碳燃料通常包含大量的氢。广义地讲，本发明涉及将合成气生产与发电集成。
当本发明不用于改造现有的天然气联合循环(NGCC)发电设备来燃烧脱碳燃料(DF)时，关于发电设备和脱碳燃料产生(DFG)过程的集成可出现几个难题。例如，脱碳燃料联合循环(DFCC)产生的蒸汽可能不是处于用在DF生产过程适当的条件下，可减少压力或增加压力，这可使用额外的燃料，增加过程的碳强度。从DFCC蒸汽涡轮提取大量蒸汽可能导致及底循环效率低于在设计条件下操作，进一步降低了这种方法的效率。这些难题可以根据本发明克服，通过利用第二个蒸汽发生单元产生DFG工艺所需的和DFCC单元可能所需的蒸汽，因此，不依赖从DFCC提取蒸汽。
发明用于改造NGCC的一个方面，引入了第二个独立的蒸汽发生系统，其与DFG集成，并提供了对DFG需求优化的效用。为两个不同的系统引入独立的蒸汽发生系统对改造NGCC发电设备以使用DF意外地提供了几个好处，包括：优化第二蒸汽系统以在DFG工艺所采用的条件下最有效地产生蒸汽；通过定位DFG和DFCC在不同位置使二氧化碳的运输费用优化；从工艺中产生额外低碳强度电力。如本文所用，“低碳强度”旨在表示小于或等于约300lbs CO2/MWH。优选地，本文中所描述的工艺被配置以产生具有从约100至约200lbs CO2/MWh，或从约125至大约175lbs CO2/MWh碳强度的电力。
本发明的其它方面参照下列标字母段落可以理解：
A.产生低碳强度电力的方法，包括：使第一气态烃流与蒸汽、含氧流或它们的组合反应，产生合成气流；使合成气流中的一氧化碳和水反应，形成氢和二氧化碳；从合成气流除去实质部分的二氧化碳，产生脱碳燃料流；在压缩空气存在下燃烧脱碳燃料流的第一部分，产生第一燃烧产物气体；将第一燃烧产物气体通过涡轮膨胀，产生电力；使用脱碳燃料流的第二部分以产生第一蒸汽流；和将第一蒸汽流与第一气态烃流反应。
B.段落A的方法，还包括：用膨胀的第一燃烧产物气体在热回收蒸汽发生单元中产生电力和蒸汽。
C.任何段落A至B的方法，其中脱碳燃料流的第二部分用于在蒸汽发生单元中产生第一蒸汽流。
D.任何段落A至C的方法，还包括在蒸汽发生单元中产生第二蒸汽流。
E.段落D的方法，还包括将第二蒸汽流的一部分导入涡轮。
F.任何段落D至E的方法，还包括将第二蒸汽流的一部分与脱碳燃料气流的第二部分组合形成蒸汽发生燃料流和将蒸汽发生燃料流导入蒸汽发生单元。
G.任何段落D至F的方法，其中第二蒸汽流比第一蒸汽流的压力更低。
H.产生低碳强度电力的方法，包括，使第一气态烃流与蒸汽、含氧流或它们的组合反应，以产生合成气流；使合成气流中的一氧化碳和水反应，以形成氢和二氧化碳；从合成气流中除去实质部分的二氧化碳，生成脱碳燃料流；在压缩空气存在下燃烧脱碳燃料流的第一部分，产生第一燃烧产物气体；将第一燃烧产物气体通过涡轮膨胀，产生电力；使用脱碳燃料流的第二部分产生第一蒸汽流；和将第一蒸汽流与第一气态烃流反应，其中所述脱碳燃料流的第二部分也用来产生电力。
I.段落H的方法，还包括使用膨胀的第一燃烧产物气体在热回收蒸汽发生单元中产生电力和蒸气。
J.任何段落H至I的方法，其中所述第一蒸汽流和电力通过脱碳燃料流的第二部分在组合热电联产单元中产生。
K.任何段落H至J的方法，还包括在热电联产单元中产生第二蒸汽流。
L.段落K的方法，还包括将第二蒸汽流的一部分导入涡轮。
M.任何段落K至L的方法，还包括，将第二蒸汽流的一部分与脱碳燃料流的第二部分组合以形成热电联产燃料流，和将热电联产燃料流导入热电联产单元。
N.任何段落K至M的方法，其中所述第二蒸汽流比第一蒸汽流的压力更低。
O.一种产生电力的系统，包括：合成气生成单元，水煤气变换单元，酸性气体去除单元，蒸气发生单元，燃气涡轮发电单元，热回收蒸汽发生单元，和蒸汽涡轮单元。
P.段落O的系统，其中所述合成气生成单元是蒸汽甲烷反应器，部分氧化反应器，或自热反应器。
Q.任何段落O至P的系统，其中所述蒸汽发生单元是燃烧加热器或热电联产单元。
R.任何段落O至Q的系统，其中所述蒸汽发生单元被配置为产生电力，蒸汽，和废气。
S.任何段落O至R的系统，其中所述燃气涡轮发电单元产生含有小于3.5％(体积)的二氧化碳的废气。
T.任何段落O至S的系统，其中所述燃气涡轮发电单元产生含有小于1.0％(体积)的二氧化碳的废气。
U.任何段落Q至T的系统，其中所述热电联产单元是燃气涡轮热回收蒸汽发生器或燃料电池。
附图说明
图1示出本发明的一方面，其中合成气生产与现有的天然气联合循环(NGCC)发电集成。
图2示出比较性基础案例，其中合成气生产通过从发电岛输出的蒸汽与发电集成。
图3示出本发明的另一方面，其中合成气生产与发电集成。
具体实施方式
由附图示出了本发明的某些方面。现在参照图1，图1示出本发明的一个方面，用于生产低二氧化碳强度的电力。气态烃流1被送到合成气生成单元2。从天然气生成合成气的方法有数种。三个这样的方法是基于以下工艺：蒸汽甲烷重整(SMR)，其中用于重整反应的热量由燃烧加热器供给；部分氧化(POX)，其中在没有催化剂的情况下，天然气与氧和蒸汽组合；以及自热重整(ATR)，其包括部分氧化燃烧器，接着是催化剂床，向其中供入天然气、蒸汽和氧产生合成气。可符合本发明使用的SMR、POX和ATR的例子在美国专利号7988948、4132065和5628931中有披露，公开内容在此通过引用并入。
这三种工艺中的每一个都产生高温的合成气(例如，SMR：800至900℃，POX：1200至1400℃，和ATR：900至1100℃)。在这些工艺中产生的多余热量可用于产生蒸汽。多余量也可以部分用在辅助气体加热催化重整器(GHR)中。
合成气生成单元2，使用第一蒸汽流3作为反应物。所得的合成气流4包括氢，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，水，氮，和合成气生产中常见的其它气体。合成气流在水煤气变换反应单元6中被转换成粗氢流5。该粗氢流5被送到酸性气体去除单元7，以除去实质量的二氧化碳和其他可能存在的酸性气体。除去“实质量”或“实质部分”或其他类似术语，在此使用时，意味着在合成气流中至少约50％，优选至少约90％的CO2被去除。二氧化碳废气流8在压缩单元9中被调节和压缩以形成压缩的二氧化碳流10，适用于地下封存或作为增强的油回收剂在油田作业中注入。主要含有氢(例如，以体积计通常至少约40％的氢，优选大于50％)的脱碳燃料流11从酸性气体去除单元7抽出，并分裂以形成第一脱碳燃料流12，供给到燃气涡轮发电机单元13，这里，在压缩单元15中被压缩的空气流14与第一脱碳燃料流12燃烧产生热的废气流16并由第一发电机单元17产生电力。热废气流16被传递到热回收蒸汽发生单元18回收热量，产生第二蒸汽流19并送到蒸汽涡轮单元20，蒸汽涡轮单元20传递轴功至第二发电机单元21。从热回收蒸汽发生单元18中产生的废气流22，在很大程度上不含有二氧化碳，冷却后释放到大气中(例如，该流通常含有以体积计小于约10％的二氧化碳，优选小于2％)。
第二脱碳燃料流23被送到蒸汽发生单元24，其可以是例如产生蒸汽和电或轴功率的热电联产单元。蒸汽发生单元用于产生具有低碳强度的第一蒸汽流3，这是由于其使用脱碳燃料流23。蒸汽发生单元可以是燃烧加热器，或热电联产单元，例如燃气涡轮热回收蒸汽发生器，燃料电池，或其他产生电力和蒸汽的装置。如果热电联产单元是燃料电池，进一步纯化燃料流23可能是合适的(例如，由于燃料电池技术的纯度要求)。
任选地，可以在合成气生成单元2中使用氧化剂流25。
任选地，第一脱碳燃料流12的一部分可以被分离，以形成第三脱碳流26，第三脱碳流26可以提供到热回收蒸汽发生单元18以补充燃烧和蒸汽生产。
任选地，第二烃流27可以与第二脱碳燃料流23组合，在蒸汽发生单元24中作为燃料。第二烃流27可以是固体，气体或液体。
任选地，第三蒸汽流28可以从蒸汽发生单元24抽出，并供给到燃气涡轮发电机单元13。这样做是为了降低脱碳燃料的燃烧温度。
任选地，第三蒸汽流28可被分裂成第四蒸汽流29，与第一脱碳燃料流12组合。
任选地，第五蒸汽流30可由热电联产单元24产生和被供给到水煤气变换反应单元6或其上游。
任选地，第六蒸汽流31可以被提供给酸性气体去除单元7以提供用于再生酸性气体去除剂的热量。该热量可以由其它传热流体供给。
任选地，第七蒸汽流32可以从系统中输出。
任选地，第八蒸汽流33可以从第二蒸汽流19中提取，并在设备内提供给另一个工艺，或输出以给另一个工艺提供能量。
任选地，燃料流34可提供给蒸汽发生单元24作为此工艺的附加燃料。燃料流34可以是在二氧化碳的去除过程中从化学或物理溶剂过程释放的气体或从吸附过程除去的尾气流。
实施例
提供下列实施例来说明本发明的某些方面，并且不旨在限制所附的权利要求的范围。
合成气生成单元2，水煤气变换反应器6，酸性气体去除7单元以及发电单元的稳态热和物质平衡模拟提供了本发明优点的一个实施例。在这个实施例中，合成气生成单元是对天然气作用的吹氧自热重整器(ATR)，接着是水煤气变换催化反应器。用于重整器的氧由空气分离单元(ASU)提供，ASU还提供工艺中使用的氮。酸性气体去除单元使用基于胺的溶剂，包括吸附塔以及低压闪蒸和再沸器汽提塔，并设计大小以除去粗氢流中存在的90％的二氧化碳。发电单元使用脱碳燃料设备，并包括与单一蒸汽涡轮联合循环排列的燃气涡轮。为了限制在燃气涡轮中的火焰温度，并因此在设计的热和机械的边界条件内操作以及限制NOx排放，脱碳燃料被ASU供给的可利用N2以及一些中压蒸汽(MP蒸汽)稀释以到达合适的热值。
现在参照图2，图2示出了一个基础案例，其中用于脱碳燃料产生单元DFG2和燃气涡轮燃料稀释的蒸汽从来自DFCC发电单元的蒸汽循环输出(注意，流和工艺单元的标记与图1相同)。
天然气流1被送至ATR单元2与氧流25和蒸汽流3组合。产生的合成气流4含有氢，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，水，氮，和合成气生产中常见的其他气体。合成气流在水煤气变换反应单元6中转换成粗氢流5。粗氢流5被送入基于胺溶剂的酸性气体去除单元7以除去实质量的二氧化碳和其他可能存在的酸性气体。将二氧化碳从胺溶剂汽提所用的热量通过与过程合成气的热量集成而提供。二氧化碳废气流8在压缩单元9中调节和压缩以形成压缩的二氧化碳流10，适合用于地下封存，用于作为增强的油回收剂在油田作业中注入，或用于化学生产，以及适合二氧化碳的其他用途。
主要含有氢的脱碳燃料流11从酸性气体去除单元7中抽出，并与氮流36混合，然后进一步用适量的蒸汽流29稀释，以达到合适的热值，以形成脱碳燃气涡轮燃料流12。燃气涡轮燃料流12供给燃气涡轮发电机单元13，其中空气流14在压缩单元15中被压缩，与燃气涡轮脱碳燃料流12燃烧产生热废气流16，和用第一发电机单元17产生电力。热废气流16传递到热回收蒸汽发生单元18，其中回收热量并生成第二蒸汽流19，送至蒸汽涡轮单元20，蒸汽涡轮单元20传递轴功至第二发电机单元21。蒸汽流19的一部分被转移到蒸汽流33中，进一步被分裂成：蒸汽流29，用作流12的燃料稀释剂；和流3，用作重整器2中的重整反应的反应物。脱碳燃料燃烧所得的废气流22很大程度上不含有二氧化碳，冷却后可被释放到大气中。
现在参照图3，图3示出了本发明的一个方面，其中图2所示的例子通过添加热电联产单元而改进，热电联产单元使用来自脱碳燃料生产单元的燃料以产生用于该过程的动力和蒸汽，因此避免了从联合循环发电单元提取蒸汽。(注意，在图3中的流和工艺单元与图1和图2的标记相同)。
天然气流1被送至ATR单元2，与氧流25和蒸汽流3组合。产生的合成气流4含有氢，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，水，氮，和合成气生产中常见的其他气体。合成气流在水煤气变换反应单元6中转换成粗氢流5。粗氢流5被送入基于胺溶剂的酸性气体去除单元7以除去实质量的二氧化碳和其他可能存在的酸性气体。将二氧化碳从胺溶剂汽提所用的热量通过与过程合成气的热量集成而提供。二氧化碳废气流8在压缩单元9中调节和压缩以形成压缩的二氧化碳流10，适合用于地下封存，用于作为增强的油回收剂在油田作业中注入，化学生产，以及二氧化碳的其他适合用途。
主要含有氢的脱碳燃料流11从酸性气体去除单元7中抽出，并与氮流36混合，形成稀释脱碳燃料流。稀释脱碳燃料流被分裂成流23，进一步用适量的蒸汽流35稀释，以达到可用作热电联产单元24燃料的合适热值，然后第一稀释脱碳燃料流的剩余部分进一步用适量的蒸汽流29稀释，以达到合适的热值形成脱碳燃气涡轮燃料流12。热电联产单元使用具有合适热值的稀释脱碳燃料流生产用作工艺中的燃料稀释剂的中压蒸汽流28，和用作重整器2中的重整反应的反应物的高压蒸汽流3。热电联产单元24还产生电力(通过发电单元25)和废气流32，废气流32很大程度上不含有二氧化碳，冷却后被释放到大气中。燃气涡轮燃料流12被送入燃气涡轮发电机单元13，其中空气流14在压缩单元15中被压缩，并与燃气涡轮脱碳燃料流12燃烧产生热废气流16和用第一发电机单元17产生电力。热废气流16传递到热回收蒸汽发生单元18，其中回收热量，生成第二蒸汽流19并送至蒸汽涡轮单元20，蒸汽涡轮单元20传递轴功至第二发电机单元21。脱碳燃料燃烧得到的废气流22很大程度上不含有二氧化碳，冷却后可被释放到大气中。
显示在图2(基础案例)和图3(具有热电联产单元)中的实施例已使用ASPEN Plus连同如下假设进行模拟：
-设计脱碳燃料产生单元DFG的大小，以产生与两个GE 7FA燃气涡轮的热耗率匹配的足够的燃料(LHV：共3,525 MMBTU/hr或8,275.66BTU/kW.hr)。
-在燃气涡轮中使用的脱碳燃料的合适的热值是150 BTU/SCF(LHV)。
-热电联产单元包括燃气涡轮，燃气涡轮使用具有150 BTU/SCF(LHV)热值的稀释脱碳燃料和与DFCC主要发电单元中的涡轮有相同热耗率8,275.66 BTU/kW.hr。热电联产单元的燃气涡轮中废气的热量被回收到热回收蒸汽发生器中产生用于重整工艺(流3)和燃料稀释(流28)二者的准确量的HP蒸汽和MP蒸汽。
模拟结果总结于表1。
表1
这个示例模拟表明，相比于在与DFCC主要发电单元相分离的蒸汽和电力产生单元中未结合使用脱碳燃料的系统，本发明得到较高的电力产生(556 MW与472 MW)和较高的总热效率(39.8％与39.3％)。
各种术语已定义如上。权利要求书中所用的术语达到的程度并不限于上述定义，它应该给予相关领域技术人员给予该术语的最广泛的定义，如至少一个印刷出版物或发行专利中所反映的。此外，引用在本专利中的所有专利，测试程序，其他出版物或文件通过引用被完全并入至对于所有允许此种并入的权限此种公开内容与本申请不一致的程度。
本发明的某些实施方案和特征已使用一组数值的上限和一组数值的下限进行描述。为了简洁起见，只有某些范围在此明确披露。然而，应该理解，除另有说明外，预期从任何下限至任何上限的范围。同样，来自任何下限的范围可结合任何其他下限来描述未明确描述的范围，以及来自任何上限的范围可结合任何其他上限来描述未明确描述的范围。此外，尽管未明确描述，范围包括它的端点之间的每个点或个别值。因此，每个点或个别值可以作为自身的下限或上限与任何其他点或个别值或任何其他上限或下限结合，来描述未明确描述的范围。所有数值是“大约”或“近似”指示值，并考虑本领域普通技术人员所预期的实验误差和偏差。
尽管上述涉及本发明的实施方案和其供选的实施方案，来自本发明的各种改变，修改和变更可由本领域技术人员预期，而不偏离其旨在的精神和范围的情况。本发明仅旨在由所附的权利要求书的条款限制。

Claims (17)

1.一种用于产生低碳强度电力的方法，其包括：
使第一气态烃流与蒸汽、含氧流或它们的组合反应，产生合成气流；
使合成气流中的一氧化碳和水反应，形成氢和二氧化碳；
从合成气流中除去实质部分的二氧化碳，产生脱碳燃料流；
在压缩空气存在下燃烧脱碳燃料流的第一部分，产生第一燃烧产物气体；
将第一燃烧产物气体通过涡轮膨胀，产生电力；
用脱碳燃料流的第二部分在蒸汽发生单元中产生第一蒸汽流；
将第一蒸汽流与第一气态烃流反应；
在蒸汽发生单元中产生第二蒸汽流；和
将第二蒸汽流的一部分导入涡轮。
2.如权利要求1的方法，还包括用膨胀的第一燃烧产物气体，在热回收蒸汽发生单元中产生电力和蒸汽。
3.如权利要求1的方法，还包括将第二蒸汽流的一部分与脱碳燃料流的第二部分组合形成蒸汽发生燃料流，和将蒸汽发生燃料流导入蒸汽发生单元。
4.如权利要求1的方法，其中第二蒸汽流的压力低于第一蒸汽流。
5.一种用于产生低碳强度电力的方法，包括：
使第一气态烃流与蒸汽、含氧流或它们的组合反应，产生合成气流；
使合成气流中的一氧化碳和水反应，形成氢和二氧化碳；
从合成气流中除去实质部分的二氧化碳，产生脱碳燃料流；
在压缩空气存在下燃烧脱碳燃料流的第一部分，产生第一燃烧产物气体；
将第一燃烧产物气体通过涡轮膨胀，产生电力；
用脱碳燃料流的第二部分在蒸汽发生单元中产生第一蒸汽流；
将第一蒸汽流与第一气态烃流反应；
在蒸汽发生单元中产生第二蒸汽流；和
将第二蒸汽流的一部分导入涡轮；
其中脱碳燃料流的第二部分也用来产生电力。
6.如权利要求5的方法，还包括用膨胀的第一燃烧产物气体在热回收蒸汽发生单元中产生电力和蒸汽。
7.如权利要求5的方法，其中第一蒸汽流和电力通过脱碳燃料流的第二部分在组合热电联产单元中生成。
8.如权利要求7的方法，还包括在热电联产单元中生成第二蒸汽流。
9.如权利要求8的方法，还包括将第二蒸汽流的一部分与脱碳燃料流的第二部分组合以形成热电联产燃料流，并将热电联产燃料流导入热电联产单元。
10.如权利要求8的方法，其中第二蒸汽流的压力低于第一蒸汽流。
11.一种用于产生电力的系统，其包括：
合成气生成单元，
水煤气变换单元，
酸性气体去除单元，
蒸气发生单元，
燃气涡轮发电单元，
热回收蒸汽发生单元，和
蒸汽涡轮单元，
其中所述蒸汽发生单元提供第一蒸汽流至合成气生成单元，以及提供第二蒸汽流至燃气涡轮发电单元。
12.如权利要求11的系统，其中所述的合成气生成单元是蒸汽甲烷反应器，部分氧化反应器，或者自热反应器。
13.如权利要求11的系统，其中所述的蒸汽发生单元是燃烧加热器或热电联产单元。
14.如权利要求13的系统，其中所述的蒸汽发生单元是被配置为生产电力、蒸汽和废气的热电联产单元。
15.如权利要求14的系统，其中所述的燃气涡轮发电单元产生的废气包括小于3.5％体积的二氧化碳。
16.如权利要求15的系统，其中所述的燃气涡轮发电单元产生的废气包括小于1.0％体积的二氧化碳。
17.如权利要求13的系统，其中所述的热电联产单元是燃气涡轮热回收蒸汽发生器或燃料电池。
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