CN115803099A - 包括压缩机和膨胀机的二氧化碳捕获系统和使用这种系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是包括以下特征的CO2捕获系统：‑富CO2废气(6g)从外部第一源(6s)到压缩机(2)的入口(6)；和在高压(P)下压缩的、第一富CO2气体(6r)到达歧管(8)、到达壳体(10)的一个或多个出口(5)，壳体包封具有壁(11w)的燃烧室(11)的至少部分，‑其中，燃烧室(11)包括燃烧器(13)，燃烧器被布置成燃烧在高压(P)下分别从燃料管线(14)和空气供应管(15)供应的燃料(14f)和压缩空气(15c)，以形成第二富CO2气体(15r)，‑其中，在燃烧室(11)中的壁(11w)中设置有狭缝(12)，以使压缩的富CO2气体(6r)进入，以与在燃烧室(11)中形成的其他富CO2气体(15r)混合并冷却为第三富CO2废气(60r)；‑热交换器(16)，布置成在高压(P)下操作，并且将来自燃烧室(11)的热富CO2废气(60r)与主要在高压(P)下来自CO2提取设备(100)的返回贫CO2废气(60L)进行热交换，‑其中，返回的、现在加热的贫CO2废气(60L)经由歧管(9)返回到膨胀机(3)并经由出口(7)排出，膨胀机驱动压缩机(2)和CO2提取设备(100)。

Description

包括压缩机和膨胀机的二氧化碳捕获系统和使用这种系统的 方法
技术领域
本发明是CO2捕获工艺。在本发明的实施方案中，通过转换燃气轮机容易实现。本发明可以，例如，与产生600万瓦或更高功率的另一燃气轮机连接，同时，实际上燃气轮机产生的所有CO2都能以无毒的方式被提取出来，因此所有的CO2可以在压力下储存在储库中，或者在石油生产中用作压力辅助剂，或者作为工业生产的原料的一部分而包括在内。发明人已经得到了一种经济上可持续的方法。
更具体地说，它是一种CO2捕获方法，包括以下步骤：
-将来自外部第一源(6s)的富CO2废气(6g)通过压缩机(2)压缩并形成压缩的、第一富CO2气体(6r)并且为了预测事件的进程，压缩的、第一富CO2气体(6r)以及在压缩机(2)下游的工艺中形成的第二富CO2气体(15r)被输送到碳捕获回路，该碳捕获回路将现在的贫CO2气体(60L)(L用于“贫料”)返回到膨胀机(3)，膨胀机(3)优选与压缩机(2)连接在同一主轴上，从而回收贫CO2气体(60L)中的能量。
背景技术
申请人自己公开了一个专利申请WO2019172772，该专利申请使用具有压缩机、补燃室和膨胀机的类似结构，其中来自补燃室的烟道气在所谓的热碳酸钾(HPC)设备中循环用于热交换和CO2提取。
发明内容
本发明是一种装置和CO2捕获方法，包括以下步骤：
-通过压缩机(2)压缩来自[外部]第一源(6s)的富CO2废气(6g)，并形成压缩的第一富CO2气体(6r)，
-在燃烧室(11)中，通过具有压缩空气(15c)的燃烧器(13)燃烧燃料(14f)，并形成处于压力下的第二富CO2气体(15r)，
-将压缩的第一富CO2气体(6r)混合到第二富CO2气体中并对其进行冷却和形成所得的加压的第三富CO2气体(60r)。
-该加压的第三富CO2气体(60r)通过HPHT热交换器(16)排出，该HPHT热交换器将较热的第三富CO2气体(60r)与来自CO2再循环设备(100)的较冷的返回加压的贫CO2气体进行交换，
-其中冷却的、第三富CO2气体(60r)通过管道(17)从热交换器(16)通入CO2提取设备(100)，其中得到的较冷的贫CO2气体(60L)通过管道(18)返回HPHT热交换器(16)并通过HPHT热交换器(16)加热，
-其中返回的被加热的贫CO2气体(60L)通过膨胀机(3)膨胀。
本发明的装置和较小的特征在所附的一组要求中定义。
附图说明
本发明在附图中示出，其中，
图0是配置有转换式SGT300燃气轮机的本发明实施例的图示，并示出了本发明实施方案的一些中心特征，除了这里未示出的CO2提取设备(100)之外，图中示出了用于接收第一富CO2废气(6g)的转换式燃气轮机，其中，将原燃烧室(19)的顶部替换为用于将压缩的第一富CO2气体(6r)输送到一个或两个筒仓式燃烧室(11)的歧管(8)的出口，所述筒仓式燃烧室(11)用于供应具有供应燃料NG(14f)的压缩空气，其中较冷的供应的富CO2气体(6r)与燃烧器(13)下游所得的另一富CO2气体(15r)混合并冷却，并形成富CO2气体(60r)，该富CO2气体达到不需要的高温，并通过HPHT热交换器(16)经由第二歧管(9)输送到CO2提取设备(100)和从CO2提取设备输进入原始燃烧室的芯柱(stem)中，作为贫CO2废气(60L)，经由膨胀机(3)排出。燃烧室(11)燃烧压缩空气(15c)和燃料(14f)以产生平衡的、第二富CO2废气(15r)，该第二富CO2废气将在下游与第一富CO2废气(6c)混合和冷却以形成第三富CO2废气(60r)。19是燃气轮机壳体上的原始燃烧室，并且示出燃烧器已经被移除以形成压缩空气(6g)到歧管(8)的出口，并用于贫CO2气体(60L)在压力下从第二歧管(9)返回。6是烟道气(6g)的吸入口。3表示用于贫CO2烟道气(60L)的膨胀机。例如，所示SGT300工业燃气轮机最初具有62MW的输出功率和38：1的压力比。
图1更详细地示出了本发明的实施方案，并给出了燃烧室(11)的概貌，燃烧室(11)具有带狭缝(12)的壁(11w)以冷却压缩的富CO2废气(6r)。将来自第一源(6s)的富CO2气体(6g)送入压缩机(2)。热交换器(16)接收来自燃烧室(11)的附加燃烧气体(15r)和烟道气(6r)，并通过来自CO2捕获设备的管道(18)与返回气体(60L)进行热交换。附图标记(1)表示转换后的燃气轮机，其中壳体上的燃烧室已经如上所述地移除了它们的燃烧头，从壳体的出口5和返回到壳体的出口5与燃气轮机(1)上的出口相同，燃气轮机以出口为起点。在(19)，普通燃烧室在转换之前结束。此处，环形域(5)将废气(6r)引导到环形歧管(8)上，并且进一步引导到围绕燃烧室(11)的外壳(10)上。在一个实施方案中，具有通向燃烧室(11)的倾斜出口。
发电机(G)在冷侧并用作起动电动机，并且在起动之后实际上仅向CO2捕获工艺输送能量。
通常，在原有的燃气轮机(1)中，我们需要冷却膨胀机(3)，这现在不是必需的，因为我们运行的温度如此低。(4)表示现在冗余的冷却管线。
本文中通过仅从燃烧室(11)获得760℃，而不是1050℃，设计和建造热交换器(16)变得更容易，因为我们可以使用“现成的”热交换器代替耐高温热交换器HE。来自烟道气(6)的未燃烧的氧气不参与燃烧，因为它在燃气(14)和燃烧室(11)顶部的压缩空气(15)之间发生燃烧后通过狭缝(12)流入，因此它只冷却燃烧气体(15r)。
燃料管线(14)向燃烧器(13)供给天然气NG(14f)。
在燃烧室(11)的壁(11w)中形成狭缝(12)，其中来自外壳(10)的第一富CO2废气(6r)仅在燃烧后混合到燃烧室(11)中，以稀释第二富CO2燃烧气体(15r)。来自压缩机的废气(6r)不参与新的燃烧，其只需要新鲜的压缩空气(15c)和新的燃气(14f)，优选天然气(NG)。
从燃烧室(11)顶部的压缩空气管线(15)进入的压缩空气(15c)向燃烧器(13)供给空气，其从(13)排放燃烧气体(15r)，T＝1800℃-1900℃，但体积仅为第一富CO2烟道气(6r)的约1/5。因此，我们避免了制造将以低氧含量燃烧的燃烧器，这将大大简化，并且可以使用普通燃气燃烧器。
来自外壳(10)中的压缩机(2)的烟道气(6r)冷却燃烧室(11)中的壁(11w)。(11w)表示燃烧室(11)中的壁(11w)。
来自膨胀机(3)的废气(7)具有低CO2含量。
图中示出了例如350℃-500℃，其取决于来自压缩机的压力。附图标记(5)是来自压缩机(2)的压缩的富CO2气体(6r)的出口(5)。在压力P＝13巴下，T＝通常为350摄氏度。
在该图中，在该实施方案中的热交换器(16)没有气源(15)冷却热交换器(16)的壳体的复杂性，如图4所示。
这种布置的显著优点是，因为不必使用设计成燃烧O2含量大大降低的压缩废气(6r)的燃烧器，而是使用在燃烧器(13)的上游注入压缩空气(15c)和加压燃料(14f)的燃烧器(13)；可以使用几乎“现成的”普通燃烧器，并使用气体和燃料之间的普通混合比，这在结构和计算方面提供了经济上的节省，并且燃料(14f)的燃烧更加清洁，而不必进行特别的修改。在一个实施方案中，燃烧室(11)配备有陶瓷砖，其中更冷的富CO2气体(6r)冷却燃烧室(11)的壁(11w)。来自燃烧室(11)的低烟气出口温度有助于防止腐蚀。这也意味着如果燃烧室中的温度约1500g摄氏度，这是现代燃气轮机中膨胀机的正常初始温度，则可以使用更便宜的钢质量。
图2在透视图中示出了压缩的富CO2气体(6r)经由同轴壳体(19)(即，其中一个同轴壳体(19))从压缩机(2)排出的出口(5)，和在压力(P)下应当返回到膨胀机(3)的返回贫CO2气体(60L)的壳体的内同轴回流。在这种情况下，壳体相对于转换后的燃气涡轮(2，3)的轴倾斜取向，如图1所示。此外，图中示出了从出口(5)到环形歧管(8)的径向出口，其进一步通向围绕燃烧室(11)的外壳(10)，以及从用于贫CO2气体(60L)的热交换器(16)返回到环形歧管(9)的回流，该回流返回膨胀机(3)。这种具有环形歧管的布置的显著优点是围绕壳体的均匀热膨胀，这防止了设备中的热应力。环形歧管(9)返回膨胀机(3)。环形歧管(8)，其进一步通向围绕燃烧室(11)的外壳(10)，以及贫CO2气体(60L)从热交换器(16)返回到环形歧管(9)的返回通道，环形歧管(9)返回到膨胀机(3)。具有环形歧管的这种布置的一个相当大的优点是围绕壳体的均匀的热膨胀，这防止了设备中的热张力。环形歧管(9)返回到膨胀机(3)。环形歧管(8)通向围绕燃烧室(11)的外壳(10)。
图3是相对于图1的改进并且对应于从上面看的图4，并示出了本发明的一个实施方案，它构成了对图2的实施方案的改进。图3是转换后的燃气轮机的部分的原理示意图，转换后的燃气轮机包括本发明中的位于板料的上部中左侧的压缩机(2)和其右侧的膨胀机(3)。附图标记(19)是原始的“燃烧器壳体”，现在没有普通的燃烧器顶部并且连接到环形歧管(8)和(9)。第一富CO2压缩空气(6r)从压缩机(2)涌入转换式燃烧器壳体(19)的区段和轮廓(outline)中，并涌入第一返回环形歧管(8)的区段中，进一步流到燃烧器(11)中，并在热交换器(16)中冷却，并从热交换器(16)输出到CO2提取设备(100)，贫CO2气体(66L)从CO2提取设备(100)返回到HTHP热交换器(16)。在该实施方案中，新的是，压缩空气管线冷却外壳，在于它进入HTHP热交换器(16)的顶部，并且随着管线(15)继续运行到燃烧室(16)的顶部，仍然处于压力(P)下，但是现在预热并用燃料(14f)注入，并由燃烧器(13)点燃。压缩空气(15)来自单独供电的电动压缩机。这可以被加压，从而在开始整个工艺之前预热整个系统。该电动机可以由煤发电厂的电力供电，该煤发电厂也可以是烟道气(6g)的来源(6s)。
压缩空气(15c)(来自单独驱动的电动压缩机)经由热交换器(16)进入(15)，并最终被送入燃烧室(15)的顶部，将气体输送到燃烧器(13)。这从(13)排出的燃烧气体的T＝1800～1900，但其体积仅为烟道气的约1/5。因此，我们避免了制造将以较低氧含量燃烧的燃烧器，这将大大简化。
图4也是相对于图1的改进并对应于图3，但是其是是环形歧管(8)和(9)以及壳体(10)中的燃烧室(11)的部分截面和视图。压缩空气管线(15)中的压缩空气(15c)冷却热交换器(16)上的外壳。引入燃烧室(最终)的压缩空气(15)向下进入并冷却壳体(16)，并继续(15)到燃烧室(11)。因此，我们可以调节燃烧室(11)中的温度，同时冷却热交换器(16)的壁。压缩空气(15)在热交换器(16)的顶部以350摄氏度流入，并且被加热到大约400摄氏度，并且以T＝约400摄氏度进一步流入燃烧室(11)的顶部。它有助于热交换器(16)的壳体具有如此低的温度，使得与在更高的温度下操作相比，它可以更容易地和用更薄的钢制造。
此外，热交换器(16)的垂直部分被示出为具有用于压缩空气供应的气体冷却的外壳，该外壳形成在管道(15)中的压缩空气路径的一部分，该路径终止于燃烧室(11)的顶部。
在本发明中，在燃烧室(11)和热交换器(16)之间以及在热交换器(16)和环形歧管(9)之间不需要同轴管。对此的解释是，这些管道的直径大约为1米，并且我们可以使用能够承受当前温度的高质量钢，从而避免在我们自己的工艺中必需的同轴冷却外壳。在该较低温度下，我们避免了钢的高温氧化。
图5是根据图3和4的本发明的一个实施方案，并且是在压缩机(2)和膨胀机(3)轴线上轴向观察的截面和部分视图，这里示出了环形歧管和可能的两对燃烧室(11)和热交换器(16)中的至少一对。该图可以是对称的，这里仅示出一半。这里可以有两个燃烧室(11)和与一个公共的或两个分开的CO2捕获设备相连的两个热交换器(16)，并且在这个实施方案中，壳体(19)分别从歧管(9)和(8)进出，径向定向并且热应力变得非常低。该图可以是对称的，这里仅示出一半。可以有两个燃烧室(11)和两个CO2捕获设备(100)。
这里有一个通向燃烧室(11)的径向出口。这里是燃气轮机的旧燃烧室的位置(19)。这种转换式燃气轮机(1)的目的之一是压缩空气(6)，并且实际上不产生用于输出的能量，即使该工艺整体上释放能量。因此，我们采用现有的燃气涡轮发电机，并将其转化为本发明，该发明包括压缩机，以有效和有利的方法获得纯化的CO2气体。因此，我们在高分压下将CO2转化为K2CO3-“热碳酸钾”，-该方法需要高压。HPC是无毒、无害、环保的友好的CO2捕获工艺。环形管线/歧管(8)和(9)是有利的。这里，由于径向管线是径向定向的，因此没有热应力。
图6是SGT A-65“工业Trent 60”航改式燃气轮机的透视图，燃气轮机可转换用于本发明，其中燃气轮机在此示出，在转换之后成为左侧的发电机(G)，用于富CO2废气(6g)的进气口(6)、压缩机(2)、壳体(‘19’)(其将被移除以转换成本发明)具有燃烧器顶部，并转换成用于出口和返回的壳体(19)，以及右侧的膨胀机(3)。径向壳体(“19”)对应于图3、4和5所示的位置(19)。
图7是包含在本发明实施方案中的CO2提取设备(100)的流程图。热回收单元(24)具有136℃的水入口温度/来自(21)94℃的烟道气的温度，温度差值为42℃。
具体实施方式
本发明是一种CO2捕获系统，包括以下特征：
-富CO2废气(6g)从外部第一源(6s)到压缩机(2)的入口(6)；和在压力(P)下压缩的第一富CO2气体(6r)到达歧管(8)、到达壳体(10)的一个或多个出口(5)，该壳体(10)包封具有壁(11w)的燃烧室的至少部分，
-其中燃烧室(11)包括燃烧器(13)，燃烧器被布置成燃烧在压力(P)下分别从燃料管线(14)和空气供应管供应的燃料(14f)和压缩空气(15c)，以形成第二富CO2气体作为燃烧气体，其中在燃烧室(11)的壁(11w)中设置有狭缝(12)，以使压缩的富CO2气体(6r)进入，以与在燃烧室(11)中形成的燃烧的富CO2气体(15r)混合并冷却为富CO2废气(60r)(注意，压缩的富CO2气体(6r)基本上不参与燃料(14f)和压缩空气(15c)的燃烧；其进入下游燃烧，稀释其它富CO2气体(15r))；
-布置成优选在高于12巴的压力(P)下操作的热交换器(16)，优选HPHT热交换器，并且在基本上相同的压力(P)下，将来自燃烧室(11)的热富CO2废气(60r)与来自CO2提取设备(100)的返回的贫CO2废气(60L)进行热交换，
-返回的、现在被加热的贫CO2废气(60L)经由歧管(9)被引导回到膨胀机(3)并经由出口排出，膨胀机(3)驱动压缩机(2)和CO2提取设备(100)。
根据本发明，压缩空气(15c)仅在燃烧器(13)处导致燃料(14f)的燃烧，并形成第二富CO2气体(15r)，并且与来压缩机(2)的废气(6r)的混合首先发生在形成其他富CO2气体(15r)的下游。这是本发明的一个基本方面。因此，压缩空气(15c)可以只被引入燃烧器(13)并与燃料(14f)一起燃烧，而不与来自压缩机(2)的贫氧压缩烟道气(6r)混合。这意味着可以使用普通的燃烧器(13)并避免在低氧浓度下燃烧燃料，这简化了设备，提供了更快和更容易的燃烧并降低了所得富CO2烟道气(60r)中的所得温度。
本发明是CO2捕获工艺。更具体地说，它是一种包括以下步骤的CO2捕获方法：
-通过压缩机(2)压缩来自外部第一源(6s)的富CO2废气(6g)，并形成压缩的第一富CO2气体(6r)，以及，为了预测事件的进程，将压缩的富CO2气体(6r)以及在压缩机(2)下游的工艺中形成的第二富CO2气体(15r)，它们一起形成富CO2气体(60r)，送出到碳捕获回路(100)，碳捕获回路(100)将现在的贫CO2气体(60L)(L用于“贫料”)返回到膨胀机(3)，膨胀机(3)优选与压缩机(2)连接在同一主轴上，从而回收贫CO2气体中的能量。
注意几个点：
a)这，即本发明，不是燃气轮机，而是看起来像燃气轮机。但是差别是绝对必要的。有利地，使用具有相对小的起始点修改的转换式燃气轮机，其本身是燃气轮机，并且可以使用现有的“现成的”燃气轮机，诸如带有相对于涡轮轴线倾斜的燃气燃烧器的“SGT-300工业燃气轮机”，参见图0或“SGT-A65(工业Trent60)航改式燃气轮机”，请参见图6，带有相对于涡轮轴线的径向燃气燃烧器，并且其中，压缩机(2)和膨胀机(3)按原设计使用，并且彼此相关，并且在这两种情况下，拆卸燃烧器的顶部并断开压缩气流以流过燃烧室的一部分，以及使气流间接返回到膨胀机。
b)所述燃气轮机与本发明的显著区别在于燃气轮机产生，通过其冷端与轴相连的发电机，能量进行输出，而在本发明中，压缩的富CO2气体(6r)中的能量和在燃烧室(11)中产生的附加能量为本发明所改进/调整，本身用于在压力(P)下驱动CO2捕获方法，包括CO2回收设备其本身需要能量，以及用于驱动将压缩空气和燃料输送到燃烧过程中的第二压缩机。
c)通过CO2提取设备取出一定量的CO2。为了补偿在压缩机(2)和膨胀机(3)之间取出的这种CO2气体量，在该过程中，燃料和压缩空气被供应到燃烧室中的燃烧器。供应的气体和燃料的量(根据CO2的“损失”份额进行调整)形成一定量的贫CO2气体(15L)，其平衡了通过膨胀机(3)的量，从而可以使用压缩机(2)和膨胀机(3)形成“标准”燃气轮机而不需要升级支撑轴承，可以将其转换以供我们使用。换句话说：该系统实际上是被设计成能够驱动发电机的转换式燃气轮机，输送到高效压缩机，高效压缩机将烟道气输送到用于加压捕获的CO2的设备，并且其中通过燃烧空气和燃料形成用于总提取CO2的补偿气体体积，以便使通过压缩机的量与通过膨胀机的量平衡。
d)本发明的方法不从可能将其废气(6g)输送到其自身的燃气轮机盗取能量，它消耗在其自身方法中供应的燃料(14)的能量。该燃料(14)本身是运行该方法的费用，并且它明显地花费在它所做的事情上，但在主要条件下，将为CO2回收设备中捕获的CO2付费，因为除了石油生产商使用CO2增加石油产量付费外，美国当局为捕获的每吨CO2提供税收抵免，所谓的EOR：增强的石油回收。本发明的一个显著优点是，在本方法中，每捕获一吨二氧化碳，可以获得与我们当前方法中消耗的一样多(或更多)的补偿。
e)本发明实现了将烟道气中的压力(P)显著增加到至少8巴，优选高于12巴，或高于16巴，或者更优选高于19巴，并且因此在很大程度上减少了CO2捕获设备的体积和热需求，同时，使得能够在CO2提取设备(100)中进行作为本发明的一个实施方案的加压捕获工艺。
f)显著的不同之处在于，本发明可以有利地利用燃气涡轮气体燃烧器壳体和它们的同轴返回管，并且将它们的顶部移除，并且将过渡部装配到压缩废气(6c)的出口歧管(8)和用于贫CO2返回气体(6L、15L)返回膨胀机的返回歧管(9)。粗略地说，在出口歧管(8)上连接大筒仓式燃烧室(11)，其中燃烧室(11)连接到热交换器(16)上并且连接到CO2捕获系统(100)上，并且其中经由热交换器(16)返回到返回歧管(9)并且返回到膨胀机(3)。
g)与我们自己的方法的显著区别在于燃烧室(11)不是补燃室，而是燃烧室。差异显著。在本发明中，没有明显的补燃，但是稀释和冷却由压缩空气(15c)形成的富CO2燃烧气体(15r)的压缩废气(6c)和在燃烧室(11)中形成该非常热的富CO2燃烧产物(15r)之前在燃烧室的一部分中燃烧的燃料(14f)的混合物混合有较冷的废气。本发明的非常重要的优点是，以这种新的方式在燃烧室和热交换器的出口部分中不产生更高的温度，从而在可以是高压热交换器的热交换器(16)中可以使用普通类型的钢种，并且因此避免了非常昂贵的钢种，并且在其他方面避免了高温腐蚀(氧化)，在另外特别高温开发的高压-高温热交换器中，其将否则经受完全的补燃(在本发明中已避免)。
CO2提取设备中压力(P)的损失是微不足道的，在0.4巴的范围内。
调节系统
在本发明的一个实施方案中，该系统具有调节系统(9)，该调节系统被布置成将压缩空气(15c)和燃料(14f)的供给量调节为基本上等于CO2提取设备中提取的CO2的量，使得在膨胀机(3)上流出的气体量(60L)对应于通过压缩机(2)流入的气体量(6g)。
压力条件
在本发明的一个实施方案中，因此，压力在CO2捕获系统中，该CO2捕获系统包括压缩机(2)的出口、歧管(8，9)、燃烧室(11)、HPHT热交换器(16)、提取设备(100)和膨胀机(3)的入口，其布置成使得富CO2气体(6r，15r，60r)和所得的贫CO2气体(60L)中的压力(P)高于12巴，优选高于16巴，更优选高于19巴。
基于K2CO3的CO2提取
根据本发明的一个实施方案，CO2提取设备(100)是所谓的热碳酸钾K2CO3-设备，其中提取设备(100)包括吸收塔(21)，吸收塔在压力(P)下且用包含水和碳酸钾K2CO3的混合物的吸收介质操作，其中在吸收塔(21)中的反应是：
CO2+K2CO3+H2O＝2KHCO3。
发电机和起动电动机
根据本发明的一个实施方案，发电机/起动电动机(G)与压缩机(2)和膨胀机(3)连接，它们优选安装在一个共同的轴上，并且优选在入口(6)的冷侧，并且其中发电机(G)产生在膨胀机(3)中回收的能量，以总体驱动在压缩机(2)、CO2提取设备(100)和系统中的工艺。
在另一个实施方案中，发电机/起动电动机(G)连接到压缩机(2)，并被布置成在起动之前对系统加压，并且其中，到电动机(G)的能量从外部、从干线或者优选地从火力发电厂中的发电机获取，该火力发电厂还产生第一富CO2气体(6s)。
在本发明的一个实施方案中，燃烧室(11)是筒仓式燃烧室(11)。
环形歧管
在本发明的一个实施方案中，第一歧管(8)和第二歧管(9)布置成环形歧管，该环形歧管围绕壳体(19)布置，并且连接到来自压缩机(2)的出口(5)和到膨胀机(3)的返回部，其中壳体(19)在其他方面构成转换式燃气轮机上的燃烧器(19’)，但燃烧器顶部已被移除。
在本发明的一个实施方案中，压缩机(2)的出口(5)是围绕从压缩机(2)和膨胀机(3)之间的壳体的改进型返回(19)的同轴出口(5)，该改进型返回(19)以其它方式用于燃气轮机中的燃烧器(19’)。
压缩空气的预热
根据本发明的一个实施方案，压缩空气管线(15)经过HPHT热交换器(16)上的冷却外壳，该冷却外壳被布置成冷却热交换器(16)的压力壳，热交换器(16)在燃烧室(11)的顶部注入之前预热压缩空气(15c)(参见图4)。
在本发明的一个实施例中，在壳体(10)中的燃烧室(11)的下部在内侧包覆有陶瓷砖(10f)，用于屏蔽来自燃烧器(13)处的燃料(14f)和压缩空气(15c)的燃烧过程的辐射热。
本发明的方法
上面我们已经描述了用于CO2捕获的系统。下面将对本发明的方法进行相应的描述，该方法是CO2捕获方法，包括以下步骤：
-通过压缩机(2)压缩来自外部第一源(6s)的富CO2废气(6g)，并形成压缩的第一富CO2气体(6r)，
-在燃烧室(11)中，通过具有压缩空气(15c)的燃烧器(13)燃烧燃料(14f)，并形成处于压力(P)下的第二富CO2气体(15r)，
-将压缩的第一富CO2气体(6r)混合到第二富CO2气体中并对其进行冷却和形成所得的加压的第三富CO2气体(60r)；
-该加压的第三富CO2气体(60r)通过热交换器(16)排出，优选高压、高温热交换器，该热交换器(16)将较热的第三富CO2气体(60r)与来自CO2提取设备(100)的较冷的返回加压的贫CO2气体(60L)进行热交换，
-其中被冷却的、第三富CO2气体(60r)通过管道(17)从热交换器(16)通入CO2提取设备(100)，并且其中得到的较冷的贫CO2气体(60L)通过管线(18)返回热交换器(16)并通过热交换器(16)加热，
-其中返回的加热的贫CO2气体(60L)通过膨胀机(3)膨胀。
在本发明的一个实施方案中，因为这里我们仅从燃烧室(11)获得760℃，而不是1050℃，如果另外使用补燃器技术，设计和构建热交换器(16)变得更容易，因为我们可以使用“现成的”热交换器(16)，而不是能够承受高达1050℃的温度的耐高温的热交换器。
本发明的基本优点是得到加压燃烧和加压清洁。在一个实施方案中，我们现在实现从6达到19.5巴(或更高压力)的烟道气，从而获得CO2回收设备(100)的高效率并显著减少占地面积。这提高了功效并显著降低了该工艺的成本，包括我们自己参与开发的工艺。
进出平衡量
根据本发明的方法的一个实施方案，压缩空气(15c)和燃料(14f)的供给量相对于CO2提取设备中提取的CO2量被基本相等地调节，使得在膨胀机(3)上流出的气体量(60L)对应于通过压缩机(2)流入的气体量(6g)，即，在燃烧室中燃烧的附加气体(15c、14f)(调节其CO2含量)对应于在提取设备(100)中取出的CO2的量，并且因此可以使用现有的燃气轮机结构作为本发明的实施方案的基础。这节省了大量的开发成本，并且允许在本发明的实施方案的构造中节省大量的时间。
压力比
如前所述，在压缩机(2)的出口和膨胀机(3)的入口之间的工艺中，富CO2气体(6r、15r、60r、60L)中的压力高于12巴，优选高于16巴，更优选高于19巴。
热碳酸钾工艺
在根据本发明的CO2捕获方法中，所谓的热碳酸钾(HPC)工艺在CO2提取设备(100)中使用。优选地，CO2提取设备(100)主要在气体(60r、60L)中的气体压力下操作，所述气体对应于压缩机(2)的、并且在燃烧室(11)和热交换器(16)中、并且进一步返回到膨胀机(3)的气体。膨胀机(3)在与燃烧室(11)中的压力相对应的压力下操作，燃烧室(11)具有在管道、热交换器、NOx吸收单元(SCR)(30)、用于加热吸收液体的锅炉(31)和离心机(28)中产生的约0.4巴的压降的减少。
根据本发明的一个实施方案，在提取设备(100)中使用具有吸收介质的吸收塔(21)，所述吸收介质包括水和碳酸钾K2CO3的混合物，其中在吸收塔(21)中的反应是
CO2+K2CO3+H2O＝2KHCO3。
该方程是化学计量平衡的。
根据本发明的方法的一个实施方案，发电机/起动电动机(G)与压缩机(2)和膨胀机(3)连接，优选地在共同的轴上连接，并且优选地在入口(6)处的冷侧上，并且其中发电机(G)产生在膨胀机(3)中回收的能量，以总体驱动在压缩机(2)、CO2提取设备(100)和系统中的工艺。发电机的容量将覆盖用于泵送燃料、润滑油、压缩空气等的系统的辅助系统，发电机可切换为用作起动电动机，以覆盖整个工艺的辅助系统，从而在启动燃烧器(13)、CO2提取设备(100)、燃料(14f)的压力喷灌注、供应的供应气体(15c)的压缩、润滑油的循环等之前，可使用压缩机(2)对整个系统加压。
根据一个实施方案，第一富CO2废气(6s)从外部燃气轮机(6s)供应。在另一个实施方案中，来源是燃煤火力发电厂、水泥厂、精炼厂裂解器或垃圾焚烧厂，其供应富CO2废气(6g)。
然后我们参考图7：
转换后的燃气轮机的功能主要限于压缩来自外部源的烟道气，以及在发电机(G)中产生足够的电力以驱动涡轮机的辅助系统。发电机(G)还具有作为起动电动机的功能。吸收器(21)将在12巴或更高的压力(P)下工作。这意味着具有低选择性的环境友好的吸收剂可以用作碳酸钾(K2CO3)。此外，与在大气压下的吸收相比，吸收器(21)的成本将降低到约1/12。在大气压下，可以仅使用具有高选择性的吸收剂，诸如单乙烯胺。向MEA中加入昂贵的化学物质，以减少变性、腐蚀、起泡和形成堵塞稳定的盐。此外，从这样的设备排放到大气中的烟道气将含有致癌性化学物质，诸如NIR-亚硝基苯胺。甚至极低的浓度，大于1纳克/立方米，也会造成健康风险。
在本发明的一个实施方案中，烟道气(60r)在热交换器(16)处具有选择为760℃的入口温度(也参见图1)。烟道气的相对较低温度是由于供应到燃烧器(13)的天然气量减少。通过仅向燃烧器供应气体，压缩空气(15c)，可以使用标准燃烧器。热交换器(16)以在保证操作的情况下购买的以足够低的水平在烟道气温度下操作。而且，温度很低，避免了高温氧化。
在本发明的一个实施方案中，温度为275℃的热烟道气(60r)从热交换器(20)通到用于供给氨(NH3)的喷嘴(27)。在喷嘴下游，NH3和烟道气在具有“导流叶片”的管中混合，该管在NOx捕获单元(30)的上游，NOx捕获单元(30)可在选择性催化还原单元(SCR)处操作。该单元优选在270摄氏度的最佳温度下操作。从选择性催化还原(SCR)(30)，烟道气通过管道被引导到用于加热吸收液的锅炉(31)。
与传统的蒸汽加热相比，这种布置降低了成本。烟道气从锅炉(31)通入离心机(28)。离心机从烟道气中分离水。这是非常有利的，因为防止了向吸收器(21)中的吸收液供水和对吸收液的污染。
将从离心机(28)分离的水通向自清洁过滤器(26)。水从过滤器(26)被通向高压泵(25)。然后，将加压水被通向热回收单元(24)中的喷嘴，使得来自吸收器(21)的烟道气的温度在进入热交换器(20)之前升高。
因此，燃气燃烧器(13)将在清洁的空气中工作。
本发明的实施方案可以基于燃气轮机SGT5-2000E-187MW/50Hz。
在燃烧室(‘19’)中
富CO2气体(6r)不会流入筒仓式燃烧室(11)的顶部。只有压缩空气(15c)和燃料(14f)被送入燃烧室(11)顶部的燃烧器(13)。
富CO2气体(6r)将通过壁(11w)中的狭缝(12)被送入燃烧室中，以冷却来自燃烧器(13)的燃烧气体(15r)并混合到燃烧气体(15r)中。
初步计算：
送入燃烧器(13)的诸如燃料(14f)的天然气：4Kg/sec
到燃烧器(13)的加压空气(15c)：111Kg/sec
发电机(G)供电：37MW
废气、从燃烧室(11)出来的第三富CO2气体(60r)的温度为：756摄氏度
从热交换器(16)到膨胀机(3)的返回气体(60L)温度：700℃
捕获的CO2量：103kg/sec。
系统的启动：
提供给静止变频器(SFC)的电功率(60Hz)，用于：
-发电机/电力启动机(G)
-离合器/燃气涡轮发电机
功率消耗者：
Figure BDA0003982509320000161
Figure BDA0003982509320000171
购买外部功率：83MW，估计价格为4cents/kwh；3320$/h
我们参考图1：(1)是构成本发明的起点的转换式燃气轮机。(‘4’)：是现在不必要的从压缩机(2)到膨胀机(3)的冷却管线，也没有被来自6号的气体代替，因为膨胀机(3)对污染物敏感。膨胀机(3)的冷却要求通常需要压缩机(2)的总和的5％，但是现在所有的都进入CO2捕获。这带来5％的改善。
部件列表：
Figure BDA0003982509320000172
Figure BDA0003982509320000181
Figure BDA0003982509320000191

Claims (22)

1.一种CO2捕获系统，包括以下特征：
-富CO2废气(6g)从第一源(6s)到压缩机(2)的入口(6)；和在压力(P)下压缩的第一富CO2气体(6r)到歧管(8)、到壳体(10)的一个或多个出口(5)，所述壳体包封具有壁(11w)的燃烧室(11)的至少部分，
-其中，所述燃烧室(11)包括燃烧器(13)，燃烧器被布置成燃烧在压力(P)下分别从燃料管线(14)和空气供应管(15)供应的燃料(14f)和压缩空气(15c)，以形成第二富CO2气体(15r)，
-其中，在燃烧室(11)中的壁(11w)中设置有狭缝(12)，以使压缩的第一富CO2气体(6r)进入，以与在所述燃烧室(11)中形成的所述第二富CO2气体(15r)混合并冷却为第三富CO2废气(60r)；
-热交换器(16)，布置成在压力(P)下操作，并且将来自所述燃烧室(11)的热富CO2废气(60r)与主要在压力(P)下来自CO2提取设备(100)的返回的贫CO2废气(60L)进行热交换，
-其中，返回的、现在被加热的贫CO2废气(60L)经由歧管(9)被引导回到膨胀机(3)并经由出口(7)被引导排出，所述膨胀机驱动所述压缩机(2)和所述CO2提取设备(100)。
2.根据权利要求1所述的CO2捕获系统，包括控制系统(9)，所述控制系统被布置成将压缩空气(15c)和燃料(14f)的供给量调节为基本上等于CO2提取设备中提取的CO2量，使得在所述膨胀机(3)上流出的气体量(60L)对应于通过所述压缩机(2)流入的气体量(6g)。
3.根据权利要求1或2所述的CO2捕获系统，其中，所述压缩机、所述歧管(8，9)、所述燃烧室(11)、所述HPHT热交换器(16)、所述提取设备(100)和所述膨胀机(3)适合于所述富CO2气体(6r、15r、60r)和所得的贫CO2气体(60L)中的压力(P)高于12巴，优选高于16巴，和更优选高于19巴。
4.根据前述权利要求中任一项所述的CO2捕获系统，其中，所述CO2提取设备(100)是所谓的热碳酸钾K2CO3设备，所述提取设备(100)包括吸收塔(21)，所述吸收塔在所述压力(P)下用包含水和碳酸钾K2CO3的混合物的吸收介质操作，其中在所述吸收塔(21)中的反应是：
CO2+K2CO3+H2O＝2KHCO3。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的CO2捕获系统，
-其中，发电机/起动电动机(G)连接到所述压缩机(2)和所述膨胀机(3)，所述压缩机和所述膨胀机优选在共同的轴上，并且优选在所述入口(6)的冷侧上，并且其中所述发电机(G)被布置成产生在所述膨胀机(3)中回收的能量，以总体驱动在所述压缩机(2)、所述CO2提取设备(100)和所述系统中的工艺。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的CO2捕获系统，
-其中，发电机/起动电动机(G)连接到所述压缩机(2)，并且被布置成在起动之前对所述系统加压，并且其中所述电动机(G)的能量从外部、从电网或者优选地从火力发电厂中的发电机获取，所述火力发电厂还产生第一富CO2气体(6s)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的CO2捕获系统，
-其中，所述燃烧室(11)是筒仓式燃烧室(11)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的CO2捕获系统，
-其中，所述第一歧管(8)和所述第二歧管(9)是围绕所述壳体(19)布置的环形歧管，并且连接到来自所述压缩机(2)的出口(5)和到所述膨胀机(3)的返回部。
9.根据前述权利要求中任一项所述的CO2捕获系统，
-其中，来自所述压缩机(2)的出口(5)是围绕在所述压缩机(2)和所述膨胀机(3)之间的所述壳体(19)的返回管的同轴出口(5)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的CO2捕获系统，
-其中，压缩空气管线(15)被引导经过所述HPHT热交换器(16)上的冷却外壳，所述冷却外壳被布置成冷却所述热交换器(16)的压力壳，所述热交换器(16)在所述燃烧室(11)的顶部注入之前预热所述压缩空气(15c)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的CO2捕获系统，
-其中，压缩空气(15c)仅被引入燃烧器(13)，而不与来自所述压缩机(2)的空气/烟道气混合。
12.根据前述权利要求中任一项所述的CO2捕获系统，
-其中，所述燃烧室(11)的下部[在所述壳体(10)中]在内部包覆有用于屏蔽来自燃烧器(13)处的燃料(14f)和压缩空气(15c)的燃烧过程的辐射热的陶瓷砖(10f)。
13.一种CO2捕获方法，包括以下步骤：
-通过压缩机(2)压缩来自第一源(6s)的富CO2废气(6g)，并形成压缩的第一富CO2气体(6r)，
-在燃烧室(11)中，通过具有压缩空气(15c)的燃烧器(13)燃烧燃料(14f)，并形成处于压力(P)下的第二富CO2气体(15r)，
-将压缩的第一富CO2气体(6r)混合到第二富CO2气体(15r)中并对其进行冷却以形成所得的加压的第三富CO2气体(60r)；
-所述加压的第三富CO2气体(60r)通过HPHT热交换器(16)排出，所述HPHT热交换器将较热的第三富CO2气体(60r)与来自CO2提取设备(100)的较冷的返回加压的贫CO2气体(60L)进行热交换，
-其中，冷却的、第三富CO2气体(60r)通过管道(17)从热交换器(16)通入所述CO2提取设备(100)，并且其中所得的较冷的贫CO2气体(60L)在压力下通过管线(18)返回所述热交换器(16)并通过所述热交换器加热，
-其中，返回的被加热的贫CO2气体(60L)通过膨胀机(3)膨胀。
14.根据权利要求13所述的CO2捕获方法，其中，压缩空气(15c)和燃料(14f)的供给量相对于所述CO2提取设备中提取的CO2量被基本相等地调节，使得在所述膨胀机(3)上流出的气体量(60L)对应于通过所述压缩机(2)流入的气体量(6g)。
15.根据前述权利要求13-14中任一项所述的CO2捕获方法，其中，所述方法中富CO2气体(6r、15r、60r、60L)中的压力高于12巴，优选高于16巴，更优选高于19巴。
16.根据前述权利要求13-15中任一项所述的CO2捕获方法，其中，在所述CO2提取设备(100)中使用所谓的热碳酸钾(HPC)工艺。
17.根据前述权利要求13-16中任一项所述的CO2捕获方法，其中，所述CO2提取设备(100)主要在与压缩机(2)的、并且在所述燃烧室(11)和所述热交换器(16)中、并且进一步返回到所述膨胀机(3)的气体相对应的气体(60r、60L)中的气体压力下操作。
18.根据前述权利要求13-17中任一项所述的CO2捕获方法，其中，在提取设备(100)中使用具有包含水和碳酸钾K2CO3的混合物的吸收介质的吸收塔(21)，其中所述吸收塔中的反应是
CO2+K2CO3+H2O＝2KHCO3。
19.根据权利要求13-18中的一项所述的CO2捕获方法，其中，发电机/起动电动机(G)连接到所述压缩机(2)和所述膨胀机(3)，优选在共同的轴上，并且优选在所述入口(6)的冷侧上，并且其中所述发电机(G)产生在所述膨胀机(3)中回收的能量，以总体驱动在所述压缩机(2)、所述CO2提取设备(100)和所述系统中的工艺。
20.根据权利要求13-19中任一项所述的CO2捕获方法，其中，所述发电机/起动电动机(G)连接到所述压缩机，并且在起动之前对所述系统加压，并且其中所述电动机(G)的能量从外部、从电网或者优选地从火力发电厂中获取，所述火力发电厂还产生第一富CO2气体(6s)。
21.根据前述权利要求13-20中任一项所述的CO2捕获方法，
-其中，所述第一富CO2废气(6s)从外部燃气轮机(6s)供给。
22.根据前述权利要求10-18中任一项所述的CO2捕获方法，
-其中，所述第一源(6s)是燃煤的火力发电厂(6s)或水泥厂、精炼厂裂解器或垃圾焚烧厂，其供应富CO2废气(6g)。
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