CN1886582A - 发电 - Google Patents

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Abstract

用全都处于压力下的煤层甲烷(51)，氧气(53)和一部分的产生自燃气轮机(7)以及经过热量回收蒸汽发生器(27)、主要是CO2的烟气(55)供应燃气轮机(7)的燃烧室(5)。热量回收蒸汽发生器(27)接收热烟气并产生驱动蒸汽轮机(29)的蒸汽(57)。将另一部分经过热量回收蒸汽发生器(27)的烟气流提供至适当的地下存储区域(3)。

Description

发电
本发明涉及一种产生电力的方法和设备，其基于应用煤层(coal bed)甲烷气作为驱动发电用燃气轮机(teram turbin)和蒸汽轮机的能量的来源。
这里将术语“煤层甲烷”理解为指的是从地下煤源获得的包含至少75体积％甲烷气的气体。
根据本发明，提供一种通过燃气轮机和蒸汽轮机发电的方法，其包含：
(a)将全都处于压力下的煤层甲烷、含氧气体、在燃气轮机中产生的烟气提供至燃气轮机的燃烧室，使煤层甲烷燃烧以及采用该加热(heated)的燃烧产物和烟气驱动所述燃气轮机；
(b)将所述燃气轮机中产生的热烟气流提供至热量回收蒸汽发生器，以及用所述烟气的热量通过与提供至蒸汽发生器中的水的热交换而产生蒸汽；
(c)将来自所述蒸汽发生器的蒸汽提供至蒸汽轮机以及用所述蒸汽驱动该蒸汽轮机；和
(d)将(i)一部分经过所述热量回收蒸汽发生器的来自所述燃气轮机的烟气流提供至该燃气轮机的燃烧室和(ii)另一部分经过热量回收蒸汽发生器的来自该燃气轮机的烟气流提供至适当的地下存储区域。
本发明方法和设备的特征之一在于其可以在没有CO2排放到大气中的情况下运行。
例如，将没有供入到燃气轮机的燃烧室的所有烟气(其无疑包含大量CO2)提供至适当的地下存储区，这是没有任何不利的环境影响的防止CO2排放入大气中的有效选择。
本发明的另一特征在于，在所述燃气轮机的燃烧室中使用来自该燃气轮机的部分烟气，使得可以减少、以及优选地完全代替燃气轮机的燃烧室中空气的使用。用氧气以及在这一方式的运行中主要是CO2的烟气完全代替空气，能克服与空气使用有关的重要问题。例如，空气的使用意味着来自燃气轮机的烟气流包含大量(通常至少70vol％)的氮气，一定量(通常10vol％)的氧气以及一定量(通常5-10vol％)的CO2。为了适当处理烟气流，氮气、氧气和CO2的混合物带来显著的气体分离问题。用氧气和烟气代替空气意味着来自所述热量回收蒸汽发生器的烟气流主要是CO2和水，可极大地简化来自燃气轮机的烟气的处理要求，因此其是产生主要是CO2的烟气流以及将该气流提供至燃气轮机的燃烧室的比较直接的实践(exercise)。
优选地提供至燃气轮机的燃烧室的含氧气体是氧气。
优选地提供至燃气轮机的燃烧室的烟气流主要是CO2。
优选地步骤(d)包含将部分烟气流提供至燃气轮机的燃烧室而剩余的烟气流提供至地下存储区。
优选地步骤(d)包含将烟气流作为液相提供至地下存储区域。
优选地所述地下存储区域是煤床层(coal bed seam)。
更优选地该地下存储区域是从中抽取出驱动所述燃气轮机的煤层甲烷的煤床层。关于这一点，用于抽取煤层甲烷的现有井结构可以用于以液相或气相将烟气转移至地下存储区域中。
优选地步骤(d)包含将所述烟气流经由用于从地下存储区域抽取煤层甲烷的现有井结构提供至该地下存储区域。
优选地步骤(d)包含从所述烟气中分离出水。
步骤(d)可以进一步包含：
(i)将所述烟气流压缩至第一压力(通常20-30bar)；和
(ii)将一部分经压缩的烟气流提供至所述燃气轮机的燃烧室。
步骤(d)可以进一步包含：
(i)将另一部分经压缩的烟气流压缩至更高的第二压力(通常至少70bar，更优选至少73bar)；
(ii)将来自步骤(i)的加压的烟气流冷却以及形成液相；和
(iii)将所述液相提供至地下存储区域。
根据本发明，也提供了一种通过燃气轮机和蒸汽轮机发电用的设备，其包含：
(a)燃气轮机；
(b)用于将全都处于压力下的煤层甲烷、含氧气体和所述燃气轮机中产生的烟气提供至燃烧所述煤层甲烷的燃气轮机的燃烧室以及用加热的燃烧产物和烟气驱动该燃气轮机的装置；
(c)通过与来自所述燃气轮机的烟气热交换而由供入到蒸汽发生器的水产生蒸汽的热量回收蒸汽发生器；
(d)适于由所述蒸汽发生器中产生的蒸汽驱动的蒸汽轮机；
(e)用于将(i)一部分经过所述热量回收蒸汽发生器的来自所述燃气轮机的烟气流提供至该燃气轮机的燃烧室以及(ii)另一部分经过热量回收蒸汽发生器的来自燃气轮机的烟气流提供至适当的地下存储区域的装置。
优选地，用于将一部分烟气流提供至燃气轮机的燃烧室以及将另一部分烟气流提供至适当的地下存储区域的装置包含将所述烟气流从气相转化成待提供至适当的地下存储区域的液相的装置。
在用于所述燃气轮机的燃烧室的含氧气体包括氧气的情况下，优选地所述设备进一步包含产生氧气的氧气装置。
参照附图进一步描述本发明，该附图是本发明发电方法和设备的一个实施方式，然而不是唯一的。
根据附图，所述方法包括将下列气流提供至概括地由数字7所标示的燃气轮机的燃烧室5：
(a)经过专用的煤层甲烷压缩站(未示出)和供料管线51的来自地下来源3的煤层甲烷；
(b)在以空气分离装置11形式的氧气装置中产生、经过管线53、以化学计量燃烧所需量的氧气；
(c)经过管线55、从来自下文描述的轮机7的烟气流中提供的、主要是CO2的烟气。
在燃烧室5上游的混合器9中预混合氧气和烟气的气流。
将煤层甲烷和氧气/烟气的气流在16-28bar的预选压力下提供至燃烧室5。注意所述燃烧室可以以任何适合的压力运行。
煤层甲烷在燃烧室5中燃烧，将燃烧产物和烟气传送至轮机7的膨胀机13以及驱动位于膨胀机13中的涡轮叶片(未示出)。
轮机7的出口与发电机15和多级烟气压缩机组(multiple stage flue gascompressor train)17相连并且将它们驱动。
当所述发电方法以这种方式运行时，将轮机7的空气压缩机21中的空气在大约5bar压力下放出，传送至所述空气分离装置，用于产生燃气轮机7燃烧室5用的氧气。
来自轮机7的输出气流(即烟气)处于大气压力下以及通常温度为大约540℃。
使来自轮机7的烟气经过热量回收蒸汽发生器27，并用作由软化水产生高压蒸汽(通常约75bar或7.5MPa)以及反向提供(return supplied)至蒸汽发生器27的冷凝物的热源。
将高压蒸汽经由管线57提供至汽轮发电机29，用于运行汽轮发电机29并产生电力。
主要是CO2和水的来自热量回收蒸汽发生器27的烟气通常在125℃的温度下作为湿的烟气流经由出口19离开所述蒸汽发生器。
然后使所述湿烟气通过脱水器33，其从该气流中分离出水而产生干的烟气流。
接着使所述干的烟气流通过多级烟气压缩机组17。
在第一阶段压缩中，将烟气压缩至用于轮机7的燃烧室5必需的压力，在当前情况下也就是22bar。
将来自第一阶段出口的经压缩的烟气经由混合器9(通常是混合阀)提供至轮机7的燃烧室5，以及在供入到燃烧室5之前与来自空气分离器11的氧气混合。
将剩余的烟气提供至图中标成“阶段2”的第二压缩阶段，压缩至高压，通常在73bar以上，然后使经压缩的烟气气流通过冷凝器35。冷凝器35使该烟气流的温度冷却至31℃以下由此将烟气转化成液相。
使离开冷凝器的液态烟气流加压(需要的话)然后注入现有的生产井中。
当所述发电系统不是以上述方式运行时，特别是当发电系统不接收预混合的氧气和烟气的气流时，轮机7以常规方式(basis)运行：通过轮机进气口(未示出)吸取空气，在空气压缩机21中压缩，然后传送到燃烧室5以及与煤层甲烷混合，混合物在燃烧室5中燃烧。
更具体地，以更常规方式运行的选择方案可通过将所述多级烟气压缩机组17从轮机7断开而实现。
示于图中的本发明方法和设备的上述实施方式的关键部分如下：
(a)空气分离装置-需要该单元以产生用于在轮机燃烧室中煤层甲烷燃烧的氧气。通常，该装置是标准的无需定制的、大小适于处理煤层甲烷完全燃烧所需O2的单元。
(b)燃气轮机/发电机-通常，该单元是装有标准燃烧室的标准燃气轮机。将所述多级烟气压缩机用离合单元装配在同一根轴上，当轮机以常规方式运行时所述离合单元(clutch unit)能够使压缩机分离。大型多级压缩机与燃气轮机单元的连接在钢铁工业中是相当常见的，低Btu的钢厂气体在传送到燃烧室燃烧之前通过这些单元进行压缩。
(c)热量回收蒸汽发生器-通常，该单元是标准的双压不用火加热的单元(double pressure unfired unit)。
(d)蒸汽轮机/发电机-通常，该单元连同蒸汽循环辅助设备是标准的蒸汽轮机单元。
(e)烟气再循环和CO2地下存储系统-通常，该系统包含下列：
(i)脱水器/水分离单元(knockout unit)-通常该单元是简单的水分离装置，其中在水进入所述多级压缩单元之前将其从烟气流中分离出来。
(ii)CO2多级压缩机组-对于图1中所示的实施方式，通常将该单元设计成处理第一阶段压缩中的全部烟气流以及地下存储的较小烟气流。使该较小气流在将其传送至冷凝器之前加压至73bar以上。
(iii)冷凝器-需要该单元以在注入地下井中之前产生主要是CO2的液态烟气。
在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以对上述的本发明实施方式进行多种改进。
例如，在本发明方法和设备的另一实施方式(然而并非唯一的其他可能性)中，使来自蒸汽发生器27的烟气在传输至脱水器33之前经过同流换热器(recuperator)，使其冷却至通常为80℃的温度。另外，在所述多级烟气压缩机组17中第一阶段以后，没有像图中所示实施方式中的情形那样将干的烟气分成两股气流。相反地，在压缩机组17中压缩来自脱水器33的全部干燥烟气，然后通过冷凝器35。接着将来自冷凝器35的液体料流分成两股料流，将一股料流提供至地下存储区域而使另一股料流经过同流换热器31，通过与来自蒸汽发生器27的烟气流的热交换而转化为气相。然后使来自同流换热器31的重新形成的烟气经由混合器9提供至燃烧室5。

Claims (14)

1.一种通过燃气轮机和蒸汽轮机的发电方法，其包含：
(a)将全都处于压力下的煤层甲烷、含氧气体和在所述燃气轮机中产生的烟气提供至该燃气轮机的燃烧室，使煤层甲烷燃烧以及采用加热的燃烧产物和烟气驱动所述燃气轮机；
(b)将在所述燃气轮机中产生的热烟气流提供至热量回收蒸汽发生器，用所述烟气的热量通过与供应到所述蒸汽发生器中的水的热交换而产生蒸汽；
(c)将来自所述蒸汽发生器的蒸汽提供至蒸汽轮机以及用该蒸汽驱动所述蒸汽轮机；和
(d)将(i)一部分经过所述热量回收蒸汽发生器的来自燃气轮机的烟气流提供至所述燃气轮机的燃烧室以及(ii)另一部分经过所述热量回收蒸汽发生器的来自燃气轮机的烟气流提供至适当的地下存储区域。
2.权利要求1中所述的方法，其中提供至所述燃气轮机的燃烧室的含氧气体是氧气。
3.权利要求1或2中所述的方法，其中提供至所述燃气轮机的燃烧室的烟气流主要是CO2。
4.前述任一项权利要求中所述的方法，其中步骤(d)包含将部分的含CO2的烟气流提供至所述燃气轮机的燃烧室而将剩余的烟气流提供至所述地下存储区域。
5.前述任一项权利要求中所述的方法，其中步骤(d)包含将所述烟气流作为液相提供至所述地下存储区域。
6.前述任一项权利要求中所述的方法，其中所述地下存储区域是煤床层。
7.权利要求6中所述的方法，其中所述地下存储区域是从中抽取出驱动所述燃气轮机的煤层甲烷的煤床层。
8.权利要求7中所述的方法，其中步骤(d)包含将所述烟气流经由用于从所述地下存储区域抽取煤层甲烷的现有井结构提供至该地下存储区域。
9.前述任一项权利要求中所述的方法，其中步骤(d)包含从所述烟气中分离水。
10.前述任一项权利要求中所述的方法，其中步骤(d)包含：
(i)将所述烟气流压缩至第一压力(通常是20-30bar)；和
(ii)将一部分经压缩的烟气提供至所述燃气轮机的燃烧室。
11.权利要求10中所述的方法，其中步骤(d)进一步包含：
(i)将另一部分经压缩的烟气流压缩至更高的第二压力(通常至少70bar，更典型地至少73bar)；
(ii)使来自步骤(i)的经加压的烟气流冷却以及形成液相；和
(iii)将该液相提供至所述地下存储区域。
12.一种通过燃气轮机和蒸汽轮机发电的设备，其包含：
(a)燃气轮机；
(b)用于将全都处于压力下的煤层甲烷、含氧气体和在所述燃气轮机中产生的烟气提供至燃烧所述煤层甲烷的燃气轮机的燃烧室以及用加热的燃烧产物和烟气驱动该燃气轮机的装置；
(c)热量回收蒸汽发生器，用于通过与来自所述燃气轮机的烟气热交换而由供应到蒸汽发生器中的水产生蒸汽；
(d)适于由所述蒸汽发生器中产生的蒸汽驱动的蒸汽轮机；
(e)用于将(i)一部分经过所述热量回收蒸汽发生器的来自所述燃气轮机的烟气流提供至所述燃气轮机的燃烧室以及(ii)另一部分经过所述热量回收蒸汽发生器的来自燃气轮机的烟气流提供至适当的地下存储区域的装置。
13.权利要求12中所述的设备，其中用于将一部分所述烟气流提供至燃气轮机的燃烧室以及将另一部分烟气流提供至适当的地下存储区域的装置包含用于将所述烟气从气相转化成待提供到所述地下存储区域的液相的装置。
14.权利要求12或13中所述的设备，其中，在用于所述燃气轮机的燃烧室的含氧气体包括氧气的情况下，所述设备进一步包含产生氧气用的氧气装置。
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