CN103270253B - 用于通过碳质燃料燃烧和co2捕集生产电力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种带有CO2捕集的碳质燃料燃烧的发电装置，包括：增压流化床燃烧室(2)；热管道(8、8′)，用于在该燃烧中冷却燃烧气体；直接接触式冷却器(15)；洁净的废气管道(18)，用于回收来自直接接触式冷却器(15)的废气并且将经冷却的废气引入到CO2吸收器(19)；其中贫废气管道(20)与吸收器(19)的顶部连接，用于回收来自吸收器(19)的贫废气，以及富吸收剂管道(30)与吸收器(19)的底部连接，用于回收富吸收剂并且将富吸收剂引入到汽提塔(32)，用于吸收剂的再生以产生贫吸收剂和CO2流，该CO2流可被进一步处理以产生洁净CO2，其中水再循环管道(16)与直接接触式冷却器(15)的底部连接，用于回收用过的冷却水，并且与直接接触式冷却器(15)的顶部连接，以使得在直接接触式冷却器的顶部再引入冷却水，其中，在再循环管道(16)中提供有连接到水循环管道(70、70′)的热交换器(17)，水循环管道(70、70′)分别用于将冷却水传送至热交换器和从热交换器回收冷却水，热交换器用于冷却在管道(16)中的循环的直接接触式冷却器的冷却水。

Description

用于通过碳质燃料燃烧和CO2捕集生产电力的方法
技术领域
本发明涉及从含CO2的气体，例如从碳质燃料燃烧的废气中捕集CO2的领域。更具体地，本发明涉及对CO2捕集的改进，用于CO2捕集的装置的能量需求的降低。
背景技术
由于大气中CO2的温室效应，引起对碳质燃料，更具体的是化石燃料的燃烧中释放CO2的关注。一种降低CO2排放至大气中的方法是从碳质燃料燃烧的废气中捕集CO2并安全存放捕集的CO2。过去的约十年间，已经提出了多个用于CO2捕集的方案。
提议的用于CO2捕集的技术可被归在三个主要组中：
1.CO2吸收：其中CO2从废气中可逆吸收以留下贫CO2废气，且使吸收剂再生以提供可被进一步处理和存放的CO2。
2.燃料转化：其中烃类燃料被转化(重整)成氢气和CO2。CO2与氢气分离并被安全地存放，而氢气被用作燃料。
3.富氧燃烧：其中碳质燃料在已经与空气分离的氧气的存在下燃烧。用氧气替代空气留下主要包括CO2的废气以及可通过冷却和闪蒸分离的蒸汽。
WO2004/001301A(SARGASAS)31.12.2003描述了在高压下燃烧碳质燃料的装置，其中通过在燃烧室中的蒸汽管中的蒸汽产生在燃烧室内部冷却燃烧气体，并且通过吸收/解吸从燃烧气体中分离CO2以产生贫燃烧气体和用于存放的CO2，且此后贫燃烧气体在整个燃气轮机中膨胀。
WO2006/107209A(SARGASAS)12.10.2006描述了包括在燃料喷射和废气预处理上改进的燃煤增压流化床燃烧装置。
相比于大气压下相似量的燃料气体，碳质燃料在高压下的燃烧以及来自燃烧室的增压燃烧气体的冷却降低了燃料气体的体积。此外，燃烧过程的高压以及冷却使得以充分的化学计量燃烧成为可能。产生＜5体积％，例如＜4体积％或＜3体积％的氧气残留量的充分的化学计量燃烧降低了用于特定生产电力的所需空气的质量流量。高压与降低的空气质量流量的结合使待处理的废气的总体积显著减少。此外，其显著地增加了燃料气体中的CO2的浓度和分压，大大简化了装备且降低了捕集CO2所需的能量。
WO2010/020684涉及一种用于去除或大幅降低来自船用柴油机的废气中的NOx和SOx的装置和方法。此外，图6和相应的描述中解释对在这种设备中增加用于CO2去除的单元进行了阐述。洗涤器被提供用于去除气体中的杂质，例如SCR单元泄露的氨。此外，冷却器被提供用于冷却洗涤器中的洗涤液。然而，该申请未提及通过在冷却器和装置中的其他过程之间传递热的节能措施。
WO2009/035340涉及一种用于发电装置的CO2捕集单元，其中通过闪蒸从汽提塔底部回收的贫吸收剂产生用于降低再沸器能率的蒸汽。此外，产生的蒸汽可另外被压缩，并且可加入作为补给水，该补给水作为冷凝物来自用于使蒸汽和在汽提塔下游的CO2分离的路径中的闪蒸罐。然而，并未提到或指出利用来自汽提塔顶部的直接接触式冷却器的洗涤水来产生蒸汽，或者进一步在用于直接接触式冷却器的热交换器中加热所述洗涤水以引入废气，从而改进CO2捕集的能效。
用于CO2捕集的所有方法和工艺是消耗能量的。因此，已经投入大量的努力来发展能量消耗较低的方法和工艺以降低能量的损失，通常以相对低温和低压下的蒸汽以及冷却水的形式。针对几个工艺步骤中的热集成已经采取了许多方式来确定在一个阶段产生的热被传递到需热工艺(heatdemandingprocess)。这些方式的目标是得到用于从碳质燃料生产电能并同时捕集CO2的更有能效的方法、工艺以及装置。
然而，对包括CO2捕集的改进发电装置的能效的方案仍然存在很大的需求。本发明的目的在于提供一种用于提高能效的热集成的改进方案，即最大化作为碳质燃料的给定量化学能的有用能量(作为热和/或电)的输出。
发明内容
根据本发明，这里提供一种用于通过碳质燃料燃烧和CO2捕集生产电力的方法，其中，在含氧气体的存在和压力下使所述碳质燃料在燃烧室中燃烧；其中，通过在热管道内产生蒸汽使所述燃烧室中的燃烧气体冷却，所述热管道提供在所述燃烧室中；其中，通过废气管道经由热交换器以及废气处理单元回收废气，并且直接接触式冷却器与水再循环管道连接，用于使在所述直接接触式冷却器的底部收集的水再循环并且在冷却器的顶部再引入水，在该冷却器中，经部分冷却的废气被进一步冷却且通过逆流至水而被增湿；其中，通过洁净的废气管道从所述直接接触式冷却器回收所述废气，并且将该废气引入到CO2吸收器，在所述CO2吸收器中，贫吸收剂被引入到所述吸收器中的上部接触区域，以促使所述废气逆流流向液体CO2吸收剂以产生富吸收剂和CO2贫废气，所述富吸收剂在所述CO2吸收器底部被收集并被通过富吸收剂管道从所述CO2吸收器底部被回收，所述CO2贫废气通过连接至所述吸收器的贫废气管道从该吸收器的顶部被回收；其中，所述贫废气在洗涤段被洗涤，在热交换器中被加热，并且在整个涡轮机中扩张，以在被释放至大气之前产生电能；其中，所述富吸收剂管道被连接至将所述富吸收剂引入至汽提塔，用于所述吸收剂的再生以产生贫吸收剂和CO2流，所述贫吸收剂通过贫吸收剂再循环管线回收，在所述贫吸收剂再循环管线中，所述贫吸收剂被泵回至吸收器，所述CO2流被进一步处理以产生洁净的CO2；其中，所述CO2流被流经提供在所述汽提塔的顶部的直接接触式冷却器的冷却流体冷却；并且，其中通过提供在所述直接接触式冷却器下方的收集板来收集水，并且其中水再循环管线布置用于回收收集的水；其中，在提供于再循环管道中的热交换器中冷却再循环管道中的循环的直接接触式冷却器的冷却水，其中分别通过连接至所述热交换器的水再循环管道传送和回收冷却水；并且其中，通过再循环管线从所述热交换器回收的水在闪蒸阀和闪蒸罐上被闪蒸，其中，通过管线回收来自闪蒸罐的水以使水作为洗涤流体在汽提塔的直接接触式冷却器中再循环；并且其中，汽提罐中的水汽作为汽提塔中额外的汽提水汽通过连接至所述闪蒸罐的水汽管线被引入。
附图说明
图1为本发明的第一实施方式的原理图；
图2为本发明的第二实施方式的原理图；
图3为示出了在冷却期间的CO2/H2O的焓变随温度变化的曲线图；
图4为示出了比较常压设备和增压设备中的燃料气体的焓变随温度变化的曲线图；以及
图5为示出了H2O在整个贫吸收剂上的温度随蒸汽压变化的曲线图。
具体实施方式
图1为根据本发明的装置的示意图。含碳燃料(本文也称为碳质燃料)通过燃料管道1以5至50巴(bargauge)的压力(在下文中简称为巴(barg))被引入加压的燃烧室2。在燃烧室中的压力优选地在10巴以上，例如约15巴。
燃料可为天然气、油、煤、生物燃料或任何其它富碳燃料，并且本领域的技术人员熟知的是，燃料的引入方式和点燃方式依赖于燃料的类型。
通过进气孔3将空气或含氧气体引入压缩机4。通过电机5或燃气轮机6经由将在下文进一步描述的共用轴25来驱动压缩机4。技术人员将理解的是：压缩机4可表示一个或多个压缩机或串联连接的压缩机平台，可选地在独立的压缩机之间或压缩机步骤之间具有中间冷却器。对于非常大的系统可采用并联压缩机。
通过压缩的空气管道7将空气和含氧气体从压缩机4引入到燃烧室2作为用于在燃烧室中燃烧的氧气源。控制被引入到燃烧室的空气和燃料以产生废气中的残留氧气含量低于5体积％，例如低于4体积％或低于3体积％。低残留氧气含量导致高CO2含量的燃料气。因此，当使用空气且残留的氧气如上所示时，废气中的CO2含量为约8体积％至约18体积％。
在燃烧室内部布置有热管道8、8′以通过在热管道8，8′内部分别产生蒸汽和过热蒸汽来冷却燃烧气体。通过热管道8，8′冷却燃烧气体，使得废气的排出温度为300至900℃。
依赖于预期燃料，在燃烧室中的内部布置可能是不同的。当使用煤作为燃料时，引入空气以产生用于燃烧的燃料的流化床并且在流化床中布置有热管道8、8′。当使用油或气体作为燃料时，在燃烧室中分别布置有两个或多个阶段(stage)的油燃烧器或气体燃烧器，并且在阶段之间布置有热管道8、8′以冷却每个阶段之间的燃烧气体。技术人员将理解的是，使用上述燃料或其它富碳燃料的组合也是有可能的。
上述涉及WO2004001301和WO2006107209描述了用于不同燃料的配置的实施例。
通过废气管道9从燃烧室回收废气，并且在热交换器10中将该废气冷却至在250和450℃之间的温度。
在热交换器10的下游布置有用于废气预处理的一个或多个单元。优选地，过滤单元11被布置在紧邻热交换器10的下游以从燃料气体中去除颗粒。对于具有低颗粒含量的废气，例如来自油或气体作为燃料的燃烧的废气，可省略过滤单元。然而，当使用煤时过滤单元是必须的，因为煤产生的颗粒，这些颗粒可能对气体处理单元的下游步骤不利。
空气存在下的碳质燃料燃烧产生NOx。除了其对环境的影响外，NOx也不利于CO2捕集。因此，在热交换器10和可选的过滤单元11的下游布置有选择性催化还原(SCR)单元12。根据已知技术，将尿素或NH3引入SCR单元并在整个催化剂上与NOx反应以去除NOx。在SCR单元中的温度优选在250和450℃之间。对于SCR单元的优选运行温度约为350℃。
SCR单元的下游布置有一个或多个热交换器和洗涤单元。第一热交换器13为燃料气体冷却单元，用于将废气冷却到250℃以下。第二示出的单元14可为平行洗涤器(co-currentscrubber)。根据气体组成和运行条件，洗涤器也可用于气体的冷却。
冷却单元13、14的下游布置有逆流洗涤器或直接接触式冷却器。通过再循环管道16将冷却水引入到接触区域15′上方的冷却器15内，且以逆流被带向废气，该废气被引入至接触区域下方的冷却器15内。水在冷却器15的底部收集，在热交换器17中冷却，且通过再循环管道16循环。
由于单元11、12、13、14和15的目的用于制备二氧化碳捕集用的废气，它们可共同称为预处理单元。
通过洁净的废气管线18从冷却器15回收冷却的废气，并将冷却的废气引入至吸收塔19的下面部分，在吸收塔19的下面部分，废气与吸收剂以逆流被带入在吸收器内的一个或多个接触区域19′、19″、19′″。吸收剂(一种流体，其捕集CO2，且可随后通过在气相中施加相对于在紧邻流体表面上方的CO2的分压较低的CO2分压而再生)通过贫吸收剂管线35将吸收剂引入在上部接触区域上方的吸收器。
通过吸收器内的吸收剂吸收废气中的CO2以产生通过富吸收剂管线30在吸收器的底部回收的负载CO2或富CO2的吸收剂。通过贫废气管线20回收贫废气，从该贫废气去除引入到吸收器中的废气中的多于80％，更优选多于95％的CO2。
吸收器中的压力略微低于燃烧室中的压力，例如比燃烧室中的压力低0.5至1巴，这与在吸收器4.0至49.5巴的压力相对应。
被引入至吸收器的废气的高压和高CO2含量的组合，使降低吸收器的体积和循环吸收剂的体积，同时得到的高效的CO2捕集成为可能。
在吸收器中使用的吸收剂优选地为热的碳酸钾水溶液。优选地，该吸收剂包括溶解在水中的15至35wt％的K2CO3。
根据下面的整个可逆反应，在热的碳酸钾体系中吸收CO2：
通过贫废气管线在吸收器19的顶部回收贫废气，并将其引入至洗涤部21，在洗涤部21中，贫废气以逆流被带入接触部21′中与洗涤水接触。通过洗涤水循环管线22在洗涤部的底部收集洗涤水并将其重新引入在接触部21′上方的洗涤部。通过处理过的废气管道23从洗涤部的顶部回收经洗涤的贫废气。
将处理过的废管道23中的气体引入至热交换器10，在热交换器10中，经处理的废气被离开燃烧室2的热的未经处理的废气加热。
因此，然后将经加热且经处理的废气引入到燃气轮机6，在燃气轮机6中，气体膨胀以在发电机24中产生电能。通过扩张的废气管道26回收膨胀的气体，该气体在通过废气出口28释放到大气之前在热交换器27中被冷却。
压缩机4和气体涡轮机6可布置在共用轴25上，从而通过来自燃气轮机6的转动能使压缩机4至少部分地运转。然而，目前，优选的是压缩机通过电动机5来运转，并且燃气轮机使发电机24运转以产生电能。压缩机4和燃气轮机6的分离在装置的运转中产生更大的灵活性。
富吸收剂，即负载CO2的吸收剂在吸收器19的底部收集，并通过富吸收剂管道30从其中回收。管道30中的富吸收剂在被引入至汽提塔32之前，在闪蒸阀31上方闪蒸至压力略微高于1绝对巴(barabsolute)，例如1.2绝对巴，下文简称为绝对巴(bara)。在管线30(图1中未示出)中，可存在闪蒸罐或抽提单元，用于去除从燃料气体吸入到吸收剂的不期望的爆炸性成分，例如氧气。
在汽提塔32中布置有一个或多个接触部32′、32″、32′″。富吸收剂被引入至汽提器的上接触部的上方，并且与被引入至最低接触部的下方的蒸汽逆流。由于汽提器中低压力和CO2的稀释，汽提器中的CO2的低分压导致上述反应(1)中的平衡向左移动，且CO2从吸收剂中释放。
贫吸收剂在汽提塔32的底部收集，并通过贫吸收剂管道33回收。贫吸收剂管道33分成两个管道：第一贫吸收剂再沸器管道34，该第一贫吸收剂再沸器管道34在再沸器36中加热以由作为汽提气体通过蒸汽管线37被引入汽提塔的液体产生蒸发；以及贫吸收剂循环管线35，在贫吸收剂循环管线35中，贫吸收剂被泵回至吸收器19。在管线35中提供有泵38和冷却器39以分别泵入和冷却吸收剂，且因此在吸收剂被引入吸收器之前，增加吸收剂的压力。
通过CO2回收管道40在汽提塔的顶部收集CO2和蒸汽。解吸器直接接触式冷却器66被布置在接触区域32′、32″、32′″的上方，以及在通过管道30将富吸收剂引入到汽提塔32以冷却离开上接触区域的水汽(vapour)和CO2气体混合物的点上方。冷却流体被引入到直接接触式冷却器部的上方，并被允许流经直接接触式冷却器部66。在直接冷却器接触部的下方布置有收集板(collectorplate)65以允许水汽向上穿过汽提塔32，并且防止冷却流体流入接触区域32′、32″、32′″。通过水循环管道70回收收集板65处收集的流体，并如下所述利用。
在冷却器41中冷却管道40中的水汽，并将水汽引入到闪蒸罐42。通过液体返回管道43在闪蒸罐42的底部收集在冷却器41中冷却形成的液体，并将该液体引入到汽提塔32。或者，图1中未示出，液体可以规定路线到达吸收塔19的顶部。液体平衡管道44可提供用于将液体添加至管道43或从管道43中去除液体以平衡水的循环量。
通过CO2回收管道45回收闪蒸罐42中的气体相，并在该气体被进一步处理前，将该气体相通过压缩机47压缩，且在热交换器48中冷却，以产生通过CO2排出管道46排出的经压缩的干燥CO2。
将在收集板65处收集且通过管道70回收的冷却流体引入到上述热交换器17中以冷却在循环管道16中的循环冷却水。泵71优选地可布置在管线71中以使水循环。如下文所述，通过管道70′从热交换器17回收加热的流体，并将加热的流体引入到上述标识的热交换器48以被该热交换器48中的压缩的CO2和蒸汽进一步加热。然后，进一步加热的流体通过水管道72从热交换器48中回收，在闪蒸阀73上闪蒸，随后将闪蒸后的流体引入到闪蒸罐74，以产生在闪蒸罐74的底部收集的水和在闪蒸罐74的顶部收集并通过蒸汽管道77回收的蒸汽。在蒸汽管道77中布置有压缩机75，其后有可选的调温冷却器66。然后，通过管线37将在蒸汽管道77中的蒸汽作为汽提蒸汽引入到汽提塔32。图1中未示出，在管线70中的流体可以规定路线直接到达闪蒸阀73，或可在额外的或不同于热交换器17和48的低温能量源中被加热。这种热源的实例是洗涤器14、压缩机4、冷热气自动调节机，或在管线26和/或28中的残余热。更多的热量降低了压缩机75的功率需求，并且可提高整个系统的热效率。
通过管线78回收来自闪蒸罐74的液体，并通过管道43将该液体作为洗涤液体引入到汽提塔直接接触式冷却器。因此，优选地在管线78中布置有泵79以提供足够的压力。
将用于燃烧室的冷却水从水管道50引入到热管道8。通过蒸汽管道51回收在热管道8中产生的蒸汽，并且使该蒸汽在整个高压蒸汽涡轮机52中膨胀。通过管线53将来自高压轮机部的蒸汽引入到蒸汽再热器8′，并且通过蒸汽管道54回收所得到的蒸汽。在管道54中的过热蒸汽在蒸汽涡轮机55的中压部和低压部中膨胀。通过膨胀蒸汽管道56从蒸汽涡轮机部55回收完全膨胀的蒸汽，并且将该蒸汽在冷却器57中冷却以产生存放于水收集罐58中的水。通过管线50经由热交换器27回收罐58中收集的水，在热交换器27中，在水被再引入至热管道8之前，水被纯化的废气加热。
优选地，第一蒸汽涡轮机部52和第二蒸汽涡轮机部55和用于产生电能的发电机81一起布置在共用轴80上。蒸汽循环和蒸汽循环的最优化对于本领域的技术人员是已知的。
通过部分膨胀蒸汽管道59从第二中间压力蒸汽涡轮机部55回收部分膨胀的蒸汽。将管道59中部分膨胀的蒸汽引入到湿度调节器，在湿度调节器中，利用从水管道61引入的水喷雾来冷却该蒸汽。通过再沸器蒸汽管道62从湿度调节器60回收经冷却的蒸汽，并将该蒸汽用于再沸器36中的贫吸收剂的间接加热以由贫吸收剂产生蒸汽。通过冷凝管线63回收由通过管道62引入到再沸器36的蒸汽冷凝产生的水，并将该水引入至罐58中。
技术人员将理解的是：在本说明书提到的接触部，例如接触部15′、15″、15′″、19′、19″、19′″、21′、21″、21′″、32′、32″、32′″为以下接触部，其优选地包括结构化包装材料和/或非结构化包装材料以增加内表面积，并因此增加在接触部中的液体和气体之间的接触面积。
图2示出了本发明的具体实施方式，该实施方式相对于参照图1描述的实施方式具有更高的能效。与图1的实施方式相比，图2的实施方式唯一的不同是下文将描述的贫吸收剂的闪蒸。尽管贫吸收剂的闪蒸本身作为提高能效的方式是已知的，但是其与参照图1所述的热转化特征的结合不是已知的。
通过返回至吸收器19的管线33将离开汽提塔的贫吸收剂的部分引入到闪蒸阀90，并且随后释放到闪蒸罐91。通过蒸汽管线92回收闪蒸罐91中的气相，并该气相被蒸汽压缩机93以压缩并且由此加热该蒸汽。然后通过压缩蒸汽管线94将经压缩且加热的蒸汽作为汽提气体引入到汽提塔。从闪蒸罐92的底部回收在闪蒸罐92的底部收集的液相，并通过泵95将其泵入贫吸收剂管线35。在该实施方式中，未使用冷却器39。
实施例1
根据反应式1)吸收上述CO2：
根据等式2)给出反应式的平衡：
(2)Keq＝(HCO3 -)2/[(CO3 2-)PCO2]
根据等式3)限定吸收剂的饱和度：
(3)s＝2x#摩尔(KHCO3)/[#摩尔/K2CO3)+2x#摩尔(KHCO3)]。
在吸收装置/解吸装置的操作中，目标饱和度为：对于贫吸收剂，s＝0.30(最小0.1)，因为较高程度的K2CO3再生需要额外的能量并且通常对于上述CO2过程不是必须的；以及对于富吸收剂，s＝0.60(最大0.7)，因为较高浓度的KHCO3导致较高的吸收剂负载，但是也可导致结晶化温度的不期望的增高。
通常在80至110℃下运行吸收器，而根据压力在90至120℃运行解吸器(汽提器)，由于K2CO3的较高压力和较高浓度，通常解吸器中的温度在顶部为92℃，在底部为110℃。
供给到解吸器用于解吸/汽提主要为蒸汽的CO2的能量被用于：
1.吸收剂的加热；
2.循环液体的加热；
3.反应热，尽管反应热对于一些吸收剂(例如那些热的碳酸钾类体系)来说非常低；
4.汽提蒸汽的产生(根据吸收剂的性质，在解吸器的顶部为CO2的质量的约0.8至1.2倍)。
对于增压流化床型的燃煤发电装置，煤与SOx吸附剂以及通常25％的水一起进料以形成被注入燃烧室的流化床的浆液。在275LHV低加热值(LHV)的燃烧速率，以及282MW高加热值(HHV)的燃烧速率下，在燃烧室的热管中产生蒸汽。通常约在165绝对巴和565℃下，在管8中产生86kg/s蒸汽并且该蒸汽在整个涡轮机52中膨胀。
该膨胀的蒸汽在40绝对巴的热管8′中被再加热至约565℃，并且在整个蒸汽涡轮机55中膨胀。通常，在各种压力下从蒸汽涡轮机阶段回收约18kg/s蒸汽，并将其用于锅炉的预热。为了清晰起见未在图1和图2中示出。此外，在约4绝对巴下，在管线59中回收来自蒸汽涡轮机的蒸汽。应该最大程度地降低这种回收的量。基于此，在整个蒸汽涡轮机内完全膨胀的蒸汽的量为86kg/s减去约18kg/s减去在管线59中的蒸汽流。其对应于68kg/s减去在管线59中的任何蒸汽。通过管线56回收来自涡轮机55的完全膨胀的蒸汽，并且作为锅炉进料水循环进热管8，而一些12kg/s蒸汽部分膨胀并且通过管道59回收。通过管道59回收的蒸汽通常具有约258℃的温度和4绝对巴的压力，但是该温度和压力也根据蒸汽涡轮机系统而变化。在湿度调节器60中冷却该蒸汽以产生约4绝对巴和144℃的蒸汽，该蒸汽被引入至解吸器36的再沸器中用于间接加热以在再沸器中产生蒸汽。
或者，假定蒸汽涡轮机的绝热效率为90％，通过管线59回收的4绝对巴和258℃的蒸汽可在约27℃下膨胀至约0.035绝对巴以使得每千克膨胀的气体产生约0.7MJ电能。对于120MW蒸汽涡轮机，如果在管线59中的流量为零，从4b绝对巴阶段至冷凝器的蒸汽流量约为68kg/sec。燃烧室产生约24.5kg/sCO2，其中约22kg/s被捕集(90％捕集)。当用于运行解吸器所需的潜热为3.6MJ/kg捕集的CO2时，需要约80MW的潜热。当在4绝对巴下冷却至饱和温度且在4绝对巴下冷凝时，4绝对巴、258℃的蒸汽的热含量约为2.4MJ/kg。因此，所需的来自蒸汽涡轮机的蒸汽的量约为80/2.4kg/s，或约为34kg/s。来自蒸汽涡轮机的功率的损失为34*0.7MW或约为24MW。
在汽提塔再沸器36的冷的一面，压力略微高于大气压。因此，现在，从提取自蒸汽涡轮机的蒸汽产生的产物为例如在约110℃(在该压力下贫吸收剂的沸点)温度下的1.2绝对巴的蒸汽。
在如上的相同假定下，也就是，使从吸附剂汽提出22kg/s的CO2，所需要的能量为3.6MJ/kgCO2或约80MW潜热和显热。其相应于在再沸器中产生的至解吸器底部的约34kg/h蒸汽流量。
这里，约12kg/s的被冷凝以供热至上述的项目1)至3)。剩余的约22kg/s被用作项目4)的汽提蒸汽。该蒸汽与再回收的CO2一起在解吸器包装材料的顶部排出。这就意味着：用于汽提的能量本质上为用CO2稀释汽提蒸汽损失的能量。混合有22kg/sH2O的22kg/sCO2意味着存在约70摩尔％的H2O。所以H2O分压从在解吸器的底部略微高于1绝对巴降低到在顶部约0.7绝对巴(当总压力为1.0绝对巴时，相应水的露点约为90℃)。在实际中，该蒸汽被冷凝以得到CO2，并且因此汽提蒸汽的潜热损失，该损失是比与因被再回收的CO2稀释产生汽提蒸汽的分压下降相关的损失大得多的损失。理想的是维持该潜热，并且仅仅供给能量来补偿汽提蒸汽分压的损失。
图3中示出了汽提气体的冷凝引起的焓变随冷凝温度的变化。随着水的冷凝，水蒸汽的分压降低，需要较低的温度以进行进一步冷凝。因此，为了再回收汽提器的直接接触式冷却器部66中的额外的热量，经由管线78和泵78的来自闪蒸罐74的冷却水需要变得更冷些。这就降低了闪蒸罐74中的压力，并因此减少了压缩机75所需的工作。如果从直接接触式冷却器部66回收了较少的热量，并且该差异由较高温度的独立热源来供给，然后在闪蒸罐中的温度可能更高。这也产生更高的压力并且压缩机75所需的工作更少。
根据图3，在80至90℃范围内可再回收的热量共计约28MW，其可在通过管道70回收的洗涤水中从解吸器直接接触式冷却器部66再回收。
在解吸器直接接触式冷却器66中再回收的热能是用于在本方法中用于获得热量的重要来源。通过与水直接接触冷却来冷却从解吸器/汽提中回收的CO2/蒸汽。由于该冷却，在蒸汽饱和的气体中的蒸汽被冷凝，并因此将水蒸汽与所需的产物(CO2)分离。
可再回收热量的另一个重要的来源是燃料气体直接接触式冷却器15。燃料气体在约115至120℃的温度下进入燃料气体直接接触式冷却器15。其含有来自燃烧过程中的水蒸汽，或者来自气体、油、或生物燃料的一部分的氢的燃烧或来自可作为水浆液进料至燃烧室2中的燃料进料体系，例如煤。水蒸汽饱和温度取决于水蒸汽的量和压力。煤燃料以浆液进料至燃烧室且压力约为12至13绝对巴时，燃料气体饱和温度约为115℃。如果使用天然气燃料，水蒸汽的量将更高，并且饱和温度将较高。如果压力较低，饱和温度将较低。由于燃料气体处于高压下，且含有显著量的蒸汽的事实，蒸汽的冷凝将在相对较高的饱和温度下开始，产生显著量的热量形式的可再回收的高温能量。图4示出了当燃料气体被冷却时，压力对高温可再回收热量的量的影响。假定燃料气体流速为111kg/s，其中燃料气体入口温度为115℃且燃料气体出口温度为100℃以及燃料气体水含量为14.5％，绘制该曲线。
大气(传统)体系和根据本发明的体系之间的不同是：在增压体系中的水蒸汽冷凝。即使是H2O蒸汽的量可能相同，大气系统具有低得多的H2O分压，且因此，燃料气体的冷却不产生冷凝物，导致大幅降低的能量恢复。
根据本发明，燃料气体在优选作为直接接触式冷却器使用的冷凝器中被冷却至约100℃，在直接接触式冷却器中，燃料气体以逆流流经包装材料至循环水。该水捕集气体中的能量并且在热交换器17中冷却，热交换器17接收来自解吸器直接接触式冷却器的冷却水，进一步加热该水且供给更多的能量。
图4中的点曲线仅仅用于对比，示出本体系对于更传统的大气压CO2捕集系统的一个优势，在传统大气压CO2捕集系统中，从相同的燃料气体中将获得非常少的有用的能量(在此情况下位高于100℃的能力)。
热能再回收的第三来源为CO2压缩机冷却器48。在压缩冷却器中的有用能量的量低于上述冷却器中的能量的量，但是压缩冷却器中的温度较高。
表1示出了由本发明的带有CO2捕集的发电装置产生的净功率，其作为通过在燃料气体直接接触式冷却器15(在表中用“冷凝器”来表示)中，在解吸器直接接触式冷却器部66(在表中用“解吸器”来表示)，以及在压缩机中间冷却器48(在表中用“压缩机”来表示)中的热再生而产生的蒸汽的函数。
表1
表1清楚地示出了，由于提高了从该装置的所述三个元件的热量回收，蒸汽涡轮机的净功率增大，并且示出了本发明的最重要的优点。
当本发明产生且压缩了20kg/s蒸汽，并且该蒸汽经由规定路线至解吸器的底部代替来自蒸汽涡轮机的相同量的4绝对巴的蒸汽时，净功率，蒸汽涡轮机输出减去闪蒸压缩机功率增加了超过10MW。
通过闪蒸和压缩的蒸汽产量的进一步提高，例如提高至25kg/s，需要在闪蒸压缩机能率的较大增加，并且净功率的增加小很多。超出25kg/s的产量将对净蒸汽涡轮机输出减去闪蒸压缩机能率无影响或有不利影响。
实施例2
该实施例示出了来自闪蒸罐81的蒸汽作为汽提气体闪蒸，压缩且注入至再生塔的额外效果，如图2所示。
图5示出了作为约100℃的温度的函数的贫吸收剂的蒸汽压力。贫吸收剂的热容量约为3.0kJ/kg-K。1000kg/s的贫吸收剂流速且从约112℃(在解吸器的底部的近似温度)冷却至约98.6℃(吸收剂进料至解吸器的顶部的近似温度)，产生约1000*3.0*(112-98.6)kW＝40000kW。
对于22kg/s的CO2的产量和3.6MJ/kgCO2的蒸汽中潜热形式的总解吸器热量需求，总热量需求为约80MW。因此，贫闪蒸(leanflash)可产生该热量的约50％。
对于约2250kJ/kg(约1.2绝对巴)的蒸汽潜热，其与约17.8kg/s蒸汽相对应。其必须由约0.75绝对巴压缩至1.2绝对巴。假定绝热功率为80％，压缩机能率约为2.0MW。
表2总结了的闪蒸贫吸收剂对蒸汽涡轮机的总输出的影响。
表2
表2清楚地示出了在来自蒸汽涡轮机的总输出上的贫吸附剂的闪蒸。结合实施例1的能量特征，与没有碳捕集的120MW相比较，净功率可从96MW增加到115MW。
反应式1)的反应热较低的事实对于碳酸钾体系是有利的，因为在吸收器中相应的反应放热低，由此有利于吸收器中的吸收剂的加热。在吸收器中的吸收剂的加热能够使得反应向左移动并且因此降低吸收剂的吸收能力。

Claims (2)

1.一种用于通过碳质燃料燃烧和CO2捕集生产电力的方法，
其中，在含氧气体的存在和压力下使所述碳质燃料在燃烧室(2)中燃烧；
其中，通过在热管道内产生蒸汽使所述燃烧室中的燃烧气体冷却，所述热管道提供在所述燃烧室中；
其中，通过第一废气管道(9)经由第一热交换器(10)以及废气处理单元(11、12)从所述燃烧室回收废气，并且第一直接接触式冷却器(15)与第一水再循环管道(16)连接，用于使在所述第一直接接触式冷却器(15)的底部收集的水再循环并且在所述第一直接接触式冷却器(15)的顶部再引入水，在该第一直接接触式冷却器(15)中，经部分冷却的废气被进一步冷却且通过逆流至水而被增湿；
其中，通过洁净的第二废气管道(18)从所述第一直接接触式冷却器(15)回收所述废气，并且将该废气引入到CO2吸收器(19)，在所述CO2吸收器(19)中，贫吸收剂被引入到所述CO2吸收器(19)中的上部接触区域(19”’)，以促使所述废气逆流流向液体CO2吸收剂以产生富吸收剂和CO2贫废气，所述富吸收剂在所述CO2吸收器底部被收集并被通过富吸收剂管道(30)从所述CO2吸收器(19)底部被回收，所述CO2贫废气通过连接至所述CO2吸收器(19)的贫废气管道(20)从该CO2吸收器(19)的顶部被回收；
其中，所述CO2贫废气在洗涤段被洗涤，在所述第一热交换器(10)中被加热，并且在整个涡轮机中扩张，以在被释放至大气之前产生电能；
其中，所述富吸收剂管道(30)被连接至将所述富吸收剂引入至汽提塔(32)，用于所述吸收剂的再生以产生贫吸收剂和CO2流，所述贫吸收剂通过贫吸收剂再循环管线(35)回收，在所述贫吸收剂再循环管线(35)中，所述贫吸收剂被泵回至CO2吸收器(19)，所述CO2流被进一步处理以产生洁净的CO2；
其中，所述CO2流被流经提供在所述汽提塔(32)的顶部的第二直接接触式冷却器(66)的冷却流体冷却；并且，其中通过提供在所述第二直接接触式冷却器(66)下方的收集板(65)来收集水，并且其中第二水再循环管道(70)布置用于回收收集的水；
所述方法的特征在于：在提供于所述第一水再循环管道(16)中的第二热交换器(17)中冷却所述第一水再循环管道(16)中的循环的第一直接接触式冷却器(15)的冷却水，其中分别通过连接至所述第二热交换器(17)的所述第二水再循环管道(70)和第三水再循环管道(70’)传送和回收冷却水；并且
其中，通过所述第三水再循环管道(70’)从所述第二热交换器(17)回收的水在闪蒸阀(73)和闪蒸罐(74)上被闪蒸，其中，通过第一管线(78)回收来自闪蒸罐(74)的水以使水作为洗涤流体在汽提塔的第二直接接触式冷却器(66)中再循环；并且
其中，所述闪蒸罐(74)中的水汽通过连接至所述闪蒸罐(74)的水汽管线(77)被引入所述汽提塔中作为额外的汽提水汽。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第三水再循环管道(70’)中的流体被引入到闪蒸阀(73)上进行闪蒸之前，在第三热交换器(48)中加热所述第三水再循环管道(70’)中的流体，所述第三热交换器(48)提供用于冷却压缩的CO2和蒸汽。
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