TW201339406A - 發電廠之熱整合 - Google Patents

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TW201339406A TW101130018A TW101130018A TW201339406A TW 201339406 A TW201339406 A TW 201339406A TW 101130018 A TW101130018 A TW 101130018A TW 101130018 A TW101130018 A TW 101130018A TW 201339406 A TW201339406 A TW 201339406A
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Olaf Stallmann
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Abstract

本發明係關於一種用於回收發電廠熱量之系統及方法，其中將來自煙道氣冷凝器(11)之熱量在第一凝結液再熱器(19)中用於加熱來自汽輪機(7)之凝結液。使來自經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣流之熱量在第二凝結液再熱器(21)中轉移至該汽輪機凝結液以進一步加熱其之部分。

Description

發電廠之熱整合
本發明係關於用於自在存有含氧氣體下燃燒燃料且產生蒸汽而驅動汽輪機之鍋爐中所產生之富二氧化碳煙道氣將熱量轉移至於汽輪機中產生之汽輪機凝結液之系統及方法。
近年來，明白溫室氣體之產生會導致全球暖化及溫室氣體產生量之進一步增加會加速全球暖化。由於已確定二氧化碳(CO2)為主要的溫室氣體，因而碳捕獲及儲存(CCS)被視為係減少溫室氣體排放至大氣中及控制全球暖化的主要可行方法之一。本文中CCS係定義為CO2捕獲、壓縮、輸送及儲存之過程。捕獲係定義為在燃燒碳基燃料之後自煙道氣除去CO2或在燃燒之前移除及處理碳之過程。然而，CCS及特定言之壓縮含二氧化碳之煙道氣為會消耗相當大量電力，繼而減低發電廠能量效率之程序。因此已提出將壓縮煙道氣時所產生的熱量用於發電廠的其他部分。
WO 2011/006862揭示一種回收因冷卻經壓縮煙道氣所產生之熱量之發電廠。將低壓煙道氣壓縮機之排放物引導至與熱量回收系統連接的換熱器。該系統係連接至給水預熱器或凝結液抽出泵，意指部分的凝結液可經煙道氣直接加熱及繞過低壓加熱器，因而減小該等加熱器之蒸汽消耗量且使該廠可產生更多電力。
儘管該系統呈現具有CO2捕獲之發電廠之能效改良，仍 有需要回收發電廠中熱量之進一步解決辦法。
根據本文所例示說明之一態樣，提供一種可操作用於自在存有含氧氣體下燃燒燃料且產生蒸汽而驅動汽輪機之鍋爐中所產生之富二氧化碳煙道氣將熱量轉移至於汽輪機中產生之汽輪機凝結液之熱量回收系統，該熱量回收系統包括：煙道氣冷凝器，其經配置以冷卻該富二氧化碳煙道氣致使蒸氣自該煙道氣凝結出，至少一個壓縮階段，其經配置以壓縮在該煙道氣冷凝器下游之該富二氧化碳煙道氣而形成經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣流，用於將該汽輪機凝結液之至少一部分自該汽輪機進送至第一凝結液再熱器之第一管，該第一凝結液再熱器係經配置以自該煙道氣冷凝器將熱量轉移至該汽輪機凝結液，而形成在第一溫度下之汽輪機凝結液經加熱流，用於將該在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之至少第一部分進送至第二凝結液再熱器之第二管，該第二凝結液再熱器係經配置以自經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣流轉移熱量至該在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，而形成在第二溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，該第二溫度係高於該第一溫度，及用於將該在第二溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之至 少一部分進送至該鍋爐之回流管。
根據本文所例示說明之其他態樣，提供一種自在存有含氧氣體下燃燒燃料且產生蒸汽而驅動汽輪機之鍋爐中所產生之富二氧化碳煙道氣將熱量轉移至於汽輪機中產生之汽輪機凝結液之方法，該方法包括以下步驟：使該富二氧化碳煙道氣在煙道氣冷凝器中冷卻，使得蒸氣自該煙道氣凝結出，壓縮於該煙道氣冷凝器下游之煙道氣以形成經壓縮及加熱之煙道氣流，將該汽輪機凝結液之至少一部分自該汽輪機進送至第一凝結液再熱器，將熱量自該煙道氣冷凝器轉移至存於該第一凝結液再熱器中之該汽輪機凝結液，而形成在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，將該在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之至少第一部分進送至第二凝結液再熱器，自存於該第二凝結液再熱器中之經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣流轉移熱量至該在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，而形成在第二溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，該第二溫度係高於該第一溫度，及將該在第二溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之至少一部分進送至該鍋爐。
上述及其他特徵由以下圖式及詳細發明說明來例示。
現參照圖式，其等為例示性實施例，及其中類似的元件以類似的方式編號。
於如圖1所示之鍋爐系統1中，燃燒諸如煤或油之燃料之鍋爐3經由管道5供給蒸汽至冷凝式汽輪機7。來自該汽輪機7之凝結液經由管8離開該汽輪機7。於該鍋爐3中產生之富二氧化碳煙道氣經由管道9饋送至用於在壓縮前純化並冷卻該富二氧化碳煙道氣且進送至CCS系統之煙道氣冷凝器11。
所謂「富二氧化碳煙道氣」意指經該管道9離開該鍋爐3之煙道氣將含有至少40體積%二氧化碳CO2。通常，離開該鍋爐3之該煙道氣之50體積%以上為二氧化碳。「富二氧化碳煙道氣」之其餘部分將為約20至50體積%水蒸氣(H2O)、2至7體積%氧氣(O2)，因為在該鍋爐3中些微過量的氧氣通常為較佳，及總計約0至10體積%之其他氣體，主要包括氮氣(N2)及氬氣(Ar)，因為很難完全避免少量空氣洩漏。
於該煙道氣冷凝器11中，使富二氧化碳煙道氣與冷卻液(例如水)直接或間接接觸。該富二氧化碳煙道氣可在該煙道氣冷凝器11的底部供給且垂直向上移動同時以逆流流動方式與向下流動的冷卻液接觸，因而自該富二氧化碳煙道氣凝結出水蒸氣且使其溫度降低。經冷卻及純化之富二氧化碳煙道氣接著經由管道13離開該冷凝器11且經進送至壓縮階段15，在此該富二氧化碳煙道氣經壓縮且該過程經歷溫度升高。該經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣經管道16 離開該壓縮階段15。
自該富二氧化碳煙道氣凝結出之該蒸氣(煙道氣凝結液)連同冷卻液一起經管17離開該煙道氣冷凝器11。作為一替代方式，該冷卻液及凝結出的水蒸氣可在兩根不同管中離開該煙道氣冷凝器11，此通常為該冷卻液及該富二氧化碳煙道氣僅在該煙道氣冷凝器11中間接接觸之情況。該冷卻液可在冷卻之後經一未顯示之管返送至該煙道氣冷凝器11以供再使用。
兩換熱器或凝結液再熱器19及21係經配置用於在將汽輪機凝結液返回至該鍋爐3作為鍋爐給水之前將熱量轉移至離開該汽輪機7之該凝結液。第一凝結液再熱器19係配置在管17中，因此自該煙道氣冷凝器11將熱量轉移至該汽輪機凝結液。
該汽輪機凝結液之一部分經管8a饋送至該第一凝結液再熱器19並經加熱達第一溫度(例如50至90℃)。可注意儘管該第一凝結液再熱器19基於清晰原因而作為獨立裝置顯示於圖1中，但其亦可整合於該煙道氣冷凝器11中。存在多種自該煙道氣冷凝器11轉移熱量至該汽輪機凝結液之不同可能性。一種選擇係使在該煙道氣冷凝器11中經該富二氧化碳煙道氣加熱之冷卻液輸送通過該凝結液再熱器19。該冷卻液可與或可不與來自該煙道氣之凝結蒸氣混合，此取決於該冷卻液是否與該煙道氣直接或間接接觸。另一選擇係使該汽輪機凝結液作為冷卻液，因而藉由使該富二氧化碳煙道氣與存於該煙道氣冷凝器11中之該汽輪機凝結液間 接接觸，而使該煙道氣冷凝器11自身充當該第一凝結液再熱器19。
然後該管8b中該經加熱汽輪機凝結液之第一部分經管8d導流至該第二凝結液再熱器21，在此於該壓縮階段15中壓縮之該煙道氣將熱量轉移至該汽輪機凝結液之此部分，因而將其加熱至100至260℃之第二溫度。
該壓縮階段15可包括絕熱或基本絕熱型壓縮機，此意指可取得盡可能多的熱量來於該第二凝結液再熱器21中轉移，繼而減少系統之能量損耗。絕熱型壓縮機在壓縮該富二氧化碳煙道氣之後使該煙道氣的溫度升高至170℃至280℃，此繼而有效轉移熱量至存於該第二凝結液預熱器21中之該汽輪機凝結液。在該第二凝結液再熱器21之下游，在轉移熱量至該汽輪機凝結液之後，該二氧化碳煙道氣之溫度可降低至53℃。
該壓縮階段15可包括軸流式壓縮機，其可係或可不係絕熱的。其可實現更高效率之能量回收，因為與使用諸如具有離心式壓縮機之整體式齒輪設計之其他替代品之情況相比，煙道氣之溫度增量較高及壓縮功率需求較低。
在管8b中該第一溫度下之該經加熱凝結液之第二部分經管8c返回至位於蒸汽凝結液預熱器23上游之管8中，繞過該第二預熱器21。於該蒸汽凝結液預熱器23，或視情況可能為一系列蒸汽凝結液預熱器中，該凝結液經進一步加熱至例如100至180℃之溫度。該凝結液預熱器23藉由使用來自該汽輪機7之抽出蒸汽加熱汽輪機凝結液。為簡明起 見，圖1中未顯示用於自該汽輪機7將蒸汽轉移至該蒸汽凝結液預熱器23之管。
經加熱至該第二溫度之該蒸汽凝結液之至少一部分經管8e返回至位於該凝結液預熱器23下游之該管8且供應回至該鍋爐3。該汽輪機凝結液之一部分已在該第一及第二再熱器19及21中再加熱意指該凝結液預熱器23需要較少加熱容量(預熱器較少或較小)。
經加熱之凝結液最終經該管8返回至該鍋爐3作為鍋爐給水。該經加熱之凝結液可能可替代地用於另一鍋爐，然該熱量回收系統之原理仍相同。
此兩凝結液再熱器19及21藉由利用在煙道氣通過該煙道氣冷凝器11時來自該煙道氣之熱量及在煙道氣於該壓縮階段15中壓縮時來自該煙道氣之熱量而可實現有效率的熱量回收至該鍋爐給水。離開該壓縮階段15之該經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣必須經冷卻才可於準備在CCS系統中捕獲二氧化碳之許多階段(未圖示)中經進一步壓縮及處理，且藉由針對該冷卻使用該第二凝結液再熱器21，損失較少能量。
煙道氣冷凝器或存於該煙道氣冷凝器11中之冷卻液亦需要冷卻，以使該煙道氣冷凝器可自煙道氣凝結出蒸氣。藉由使用該第一凝結液再熱器19，藉由自該煙道氣冷凝器將熱量轉移至該汽輪機凝結液而實現此冷卻。此利用在該煙道氣經冷卻及純化以準備壓縮時自其消散的熱量，繼而產生進一步的能量節約。
換言之，在用於回收發電廠熱量之系統及方法中，將來自該煙道氣冷凝器11之熱量在該第一凝結液再熱器19中用於加熱來自該汽輪機7之凝結液。來自該經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣流之熱量在該第二凝結液再熱器21中轉移至該汽輪機凝結液以進一步加熱其之部分。
儘管本發明已參考許多較佳實施例加以論述，然熟習此項相關技藝者當明瞭可做出多種變化及可利用等效物替代其要件而不脫離本發明之範疇。此外，可做出多種修改以使特定情況或材料適於本發明之教示而不脫離其基本範疇。因此，本發明不欲受限於經揭示為被認為係實施本發明之最佳模式之特定實施例，反之本發明意欲包括屬於隨附申請專利範圍之範疇內之所有實施例。此外，術語第一、第二等之使用並不表示任何順序或重要性，而係該等術語第一、第二等係用以將一要件與另一要件作區分。
1‧‧‧鍋爐系統
3‧‧‧鍋爐
5‧‧‧管道
7‧‧‧冷凝式汽輪機
8‧‧‧管
8a‧‧‧管
8b‧‧‧管
8c‧‧‧管
8d‧‧‧管
8e‧‧‧管
9‧‧‧管道
11‧‧‧煙道氣冷凝器
13‧‧‧管道
15‧‧‧壓縮階段
16‧‧‧管道
17‧‧‧管
19‧‧‧第一凝結液再熱器/換熱器
21‧‧‧第二凝結液再熱器/換熱器
23‧‧‧蒸汽凝結液預熱器
圖1示意性地繪示一種熱量回收系統。
1‧‧‧鍋爐系統
3‧‧‧鍋爐
5‧‧‧管道
7‧‧‧冷凝式汽輪機
8‧‧‧管
8a‧‧‧管
8b‧‧‧管
8c‧‧‧管
8d‧‧‧管
8e‧‧‧管
9‧‧‧管道
11‧‧‧煙道氣冷凝器
13‧‧‧管道
15‧‧‧壓縮階段
16‧‧‧管道
17‧‧‧管
19‧‧‧第一凝結液再熱器/換熱器
21‧‧‧第二凝結液再熱器/換熱器
23‧‧‧蒸汽凝結液預熱器

Claims (12)

  1. 一種熱量回收系統，其可操作用於自在存有含氧氣體下燃燒燃料且產生蒸汽而驅動汽輪機(7)之鍋爐(3)中所產生之富二氧化碳煙道氣將熱量轉移至於該汽輪機(7)中產生之汽輪機凝結液，該熱量回收系統包括：煙道氣冷凝器(11)，其經配置以冷卻該富二氧化碳煙道氣致使蒸汽自該煙道氣凝結出，至少一個壓縮階段(15)，其經配置以壓縮在該煙道氣冷凝器(11)下游之該富二氧化碳煙道氣，而形成經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣流，用於將該汽輪機凝結液之至少一部分自該汽輪機(7)進送至第一凝結液再熱器(19)之第一管(8,8a)，該第一凝結液再熱器(19)係經配置以自該煙道氣冷凝器(11)將熱量轉移至該汽輪機凝結液，而形成在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，用於將該在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之至少第一部分進送至第二凝結液再熱器(21)之第二管(8b,8d)，該第二凝結液再熱器(21)係經配置以自經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣流轉移熱量至該在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，而形成在第二溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，該第二溫度係高於該第一溫度，及用於將該在第二溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之 至少一部分進送至該鍋爐之回流管(8)。
  2. 如請求項1之熱量回收系統，其進一步包括用於自該第一凝結液再熱器(19)將該在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之第二部分進送至凝結液預熱器(23)以利用來自該汽輪機(7)之蒸汽預熱汽輪機凝結液之第三管(8b,8c,8)，該第二部分繞過該第二凝結液再熱器(21)。
  3. 如請求項1至2中任一項之熱量回收系統，其進一步包括用於自該第二凝結液再熱器(21)將該在第二溫度下之凝結液之經加熱流之該第一部分進送至該鍋爐(3)之第四管(8e,8)，該第一部分繞過利用來自該汽輪機(7)之蒸汽預熱汽輪機凝結液之預熱器(23)。
  4. 如請求項1至2中任一項之熱量回收系統，其中該煙道氣冷凝器(11)係經配置以藉由使該煙道氣與冷卻液直接或間接接觸來冷卻該煙道氣從而形成冷卻液之經加熱流，及其中該第一凝結液再熱器(19)係經配置以自該冷卻液之經加熱流轉移熱量至該汽輪機凝結液。
  5. 如請求項3之熱量回收系統，其中該煙道氣冷凝器(11)係經配置以藉由使該富二氧化碳煙道氣與該汽輪機凝結液間接接觸來冷卻該富二氧化碳煙道氣，因此該煙道氣冷凝器(11)發揮作為該第一凝結液再熱器之功能。
  6. 如請求項1至2中任一項之熱量回收系統，其中該至少一個壓縮階段(15)包括絕熱壓縮機。
  7. 如請求項1至2中任一項之熱量回收系統，其中該至少一個壓縮階段(15)包括軸流式壓縮機。
  8. 一種自在存有含氧氣體下燃燒燃料且產生蒸汽而驅動汽輪機(7)之鍋爐(3)中所產生之富二氧化碳煙道氣將熱量轉移至於該汽輪機(7)中產生之汽輪機凝結液之方法，其包括以下步驟：使該富二氧化碳煙道氣在煙道氣冷凝器(11)中冷卻，使得蒸汽自該煙道氣凝結出，壓縮於該煙道氣冷凝器(11)下游之煙道氣以形成經壓縮及加熱之煙道氣流，將該汽輪機凝結液之至少一部分自該汽輪機(7)進送至第一凝結液再熱器(19)，將熱量自該煙道氣冷凝器(11)轉移至存於該第一凝結液再熱器(19)中之該汽輪機(7)凝結液，而形成在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，將該在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之至少第一部分進送至第二凝結液再熱器(21)，自存於該第二凝結液再熱器(21)中之經壓縮及加熱之富二氧化碳煙道氣流轉移熱量至該在第一溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，而形成在第二溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流，該第二溫度係高於該第一溫度，及將該在第二溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之至少一部分進送至該鍋爐(3)。
  9. 如請求項8之方法，其進一步包括以下步驟：自該第一凝結液再熱器(19)將該在第一溫度下之凝結液之經加熱流之第二部分進送至利用來自該汽輪機(7)之 蒸汽預熱汽輪機凝結液之凝結液預熱器(23)，該第二部分繞過該第二凝結液再熱器(21)。
  10. 如請求項8至9中任一項之方法，其進一步包括以下步驟：自該第二凝結液再熱器(21)將該在第二溫度下之汽輪機凝結液之經加熱流之該第一部分進送至該鍋爐(3)，該第一部分繞過利用來自該汽輪機(7)之蒸汽預熱汽輪機凝結液之預熱器(23)。
  11. 如請求項10之方法，其中冷卻存於該煙道氣冷凝器(11)中之該煙道氣之該步驟包括使該煙道氣與冷卻液直接或間接接觸從而形成冷卻液之經加熱流，及其中將熱量轉移至存於該第一凝結液再熱器(19)中之該凝結液之該步驟包括將熱量自該冷卻液之經加熱流轉移至該汽輪機凝結液。
  12. 如請求項8至9中任一項之方法，其中冷卻存於該煙道氣冷凝器(11)中之該富二氧化碳煙道氣之該步驟包括使該富二氧化碳煙道氣與該汽輪機凝結液間接接觸，以致該煙道氣冷凝器(11)發揮作為該第一凝結液再熱器之功能。
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