用于减少燃烧流中的CO₂排放的方法和系统的制作方法

专利名称：用于减少燃烧流中的CO₂排放的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及燃烧流(combustion stream),本发明具体涉及减 少燃烧流中的(:02排放。
背景技术：
世界范围内的空气污染导致了更严格的排放标准。这些标准控 制着电力工业所产生的氮氧化物(NOx)、未燃烧的烃(HC)、 一氧化碳 (CO)和二氧化碳(CO》的排放。尤其是二氧化碳，它已经被认作是温 室气体，因此人们发展了多种技术来减少排放到大气中的二氧化碳 浓度。
因此，有必要把C02从发电设备(power plant)和其它产生大量C02 的商业设备中分离出来。大体上，收集co2的费用占到碳的收集、 储存、传输和隔离(sequestration)的总费用的约四分之三。
结果，需要继续发展(302去除技术，例如，能够在现有发电设 备及其类似物中更新的。02去除技术。

发明内容
本文公开了电力系统、032去除系统、这些系统的使用方法，以 及用于减少燃烧流中的(302排放的方法的实施例。
在一个实施例中，用于减少燃烧流中的排放的方法包括在燃 气涡轮机组件中产生电能，其中废气流从燃气涡轮机组件中排出； 压缩废气流；以及通过使所述废气流经过膜而把CC^从废气流中分 离，来产生C02产物流(product stream)和贫C02废气流(032 lean exhaust stream)。
在一个实施例中，发电设备包括燃气涡轮机组件，其构造成
能产生电能和包括C02的废气流；和(302分离单元，其构造成可招「 收废气流。C02分离单元包括单元压缩器和单元膨胀器，其中单元压 缩器通过单元热交换器与032分离反应器进口保持流体连通，而单 元膨胀器通过单元热交换器与032分离反应器出口保持流体连通。
在另一个实施例中，用于在发电设备中减少排放的方法，包括 在燃气涡轮机组件中发电，其中废气流从燃气涡轮机组件排出；改 变废气流的工作压力；改变废气流的工作温度；使废气流中的C02 经过032分离反应器内的膜，以产生(302产物流和贫(:02废气流； 改变贫(302废气流的温度，以产生冷却的废气流；并把进入燃气涡 轮机组件的空气与冷却的废气流一起冷却。
在一个实施例中，用于减少燃烧流中的排放的方法包括将气 流燃烧，以产生包含二氧化碳的废气流，并通过使所述废气流经过 膜而把032从废气流中分离，以产生(302产物流和贫。02废气流。
上述特征和其它特征将通过附图和详细描述来举例说明。


现在参见附图，这些附图仅仅是示范性的，而不是限制性的， 其中相同的数字作了相同的标号。
图l是带有0)2分离单元的发电设备的示例的示意图。
图2是带有C02分离单元的发电设备的另 一实施例的示意图。
图3是带有CC^分离单元的发电设备的又一实施例的示意图。
具体实施例方式
来自发电设备的二氧化碳(CO》排放越来越受到国内的和国际的 各种法头见头见范的制约，例如Kyoto protocol, EU Emission Trading Scheme的制约。随着C02排放费用的增加，降低032排放对于经济 型发电来说日益重要。(302去除技术关注于在发电设备的大气烟道气 流或其它产生032的过程中清除C02，这导致了庞大昂贵且耗能极
高的CC^去除单元的出现。
使用烟气循环并对富<302烟气加压，增加了发电设备烟气中co2 的局部压力，因此简化了 032分离过程。这种压缩还减少了要在032 去除单元中处理的气体体积；因此降低了相关的资金和能量需求。 本系统包括CC^分离单元，其具有压缩器、膨胀器、热交换器和(302 分离反应器。反应器使用(302膜技术，可以同时包括一氧化碳(CO) 转化和(302去除这两种功能。本解决方案很容易在所有现有及未来 的发电设备中实行，并且不需要集成在主电力系统中。任选地，还 可以从主电力系统中实行热回收，包括从热燃气涡轮机废气中、或 燃气涡轮机中间冷却器中(如果可能的话)进行热回收。
图1是发电设备6示例的示意图，其包括燃烧过程(例如示范性 的燃气涡轮机组件10)。其它可能的燃烧过程也可以(或备选地)使用， 诸如燃烧室、熔炉和其它产生包括C02的流的过程(例如政府规控的 032量)，诸如燃煤发电设备、燃油锅炉、水泥厂钢铁厂等等。燃气 涡轮机组件10包括核心燃气涡轮机12，其包括一个或多个压缩器(例 如，高压压缩器14(例如，它可以把流压缩到大于或等于约45bar的 压强)和低压压缩器20(例如，它能够压缩到约5bar的压强))， 一个或 多个燃烧室16，以及一个或多个涡轮机(例如高压涡轮机18和低压 涡轮机22)。高压压缩器(HPC)14和高压涡轮机(HPT)18可选地由第 一轴杆24联接，而低压压缩器(LPC)20可以由第二轴杆26联接到中 压涡轮机(未示出)上。在示范性实施例中，低压涡轮机(LPT)22通过 轴杆30联接到负载，例如发电机28上。在该示范性实施例中，核 心燃气涡轮机12是Ohio州Cincinnati市General Electric Aircraft Engine公司的LMS100型燃气涡轮机。
燃气涡轮机组件10可选地能够包括中间冷却器40，以利于进入 高压压缩器14的已压缩气流的温度的降低。更具体地，中间冷却器 40在低压压缩器20和高压压缩器14之间保持流体连通，使得从低 压压缩器20排放的气流在供给到高压压缩器14之前冷却。在示范
性实施例中，中间冷却器40是从水到气的热交换器，其具有流经其 中的工作流体(未示出)。例如，工作流体可以是从发电设备8附近的 水域(例如湖泊)引来的未净化的水。可选的是，中间冷却器40是从 气到气的热交换器，其具有流经其中的冷却气流(未示出)。
发电设备6还可选地包括热回收蒸汽发电机(heat recovery steam generator, HRSG)50，其构造成可以接收从燃气涡轮机组件10排放的 相对热的废气流，并可以把该热量传递到流经HSRG50的工作流体， 以产生在示范性实施例中可以用来驱动流涡轮机52的流(见图2)。冷 凝器54可以放置在HSRG50的下游，以通过降低气体温度从HSRG50 中排放的废气流中大幅去除水蒸汽。还可以把除湿器(未示出)用在 HRSG50的下游和冷凝器54的上游，以促进废气流中的水的去除。 除湿器可以包括干燥剂气体千燥系统。
发电设备6还包括示范性的(302分离单元32。 032分离单元32 包括第二低压压缩器60、膨胀器62和用来把第二低压压缩器60联 接到膨胀器62的轴杆64。此处使用的膨胀器，可以是离心涡轮机或 轴向流涡轮机，通过其高压气体可以膨胀，以产生可以用来驱动压 縮器、例如低压压缩器60的功。膨胀器62(也称为涡轮膨胀机或膨 胀涡轮机)通过轴杆68连接到原动机66(见图2)，诸如电动机、燃气 涡轮机、往复式以动机等等。同样，原动机66用来在膨胀器62的 辅助下驱动低压压缩器60,这将在下文描述。可选的是， 一个或多 个干燥剂气体干燥系统可以用在CC^分离单元32中，例如032分离 反应器80的下游，中间冷却器34的下游。
发电设备8还可以包括第二中间冷却器或热交换器70(见图2)， 其与低压压缩器60和膨胀器62保持流体连通。在工作中，从低压 压缩器60中排放的废气流被引导经过中间冷却器70以在废气流供 给到(302分离单元80和膨胀器62之前提供冷却。在示范性实施例 中，中间冷却器70是从水到气的热交换器，其具有流经其中的工作 流体(未示出)。例如，如上所述，工作流体可以是从发电设备8附近的水域中引来的未净化的水。可选的是，冷水还可以通过湿冷却塔
来产生，并且/或者中间冷却器70也可以是从气到气的热交换器，其 具有流经其中的冷却气流(未示出)。然后，从膨胀器62中排放的废 气流可以供给到第三热交换器72,以利于供给到燃气涡轮机组件10 的入口空气的工作温度的下降，这将在下文讨论。
在工作期间，吸入燃气涡轮机的环境空气被引导经过热交换器72 以促进供给到燃气涡轮机组件10环境空气的工作温度的下降。燃气 涡專仑机组件10以本领域已知的方式工作，而同样地，产生具有从约 600度华氏温度(。F)(316度摄氏温度(。C))到约1300。F(704。C)温度的废 气流。从燃气涡轮机组件10排放的废气流被引导经过HRSG50,其 中来自废气流的热量的大部分都传递到Rankine循环中，该循环具有 引过其中的工作流体以产生流(如上所述)，可以用来驱动流涡轮机 52。 HSRG50有利于把废气流的工作温度减少到约75。F(24。C)和约 248。F(120。C)。在示范性实施例中，HSRG50有利于把废气流的工作 温度减少到约100。F(38。C)。在其它实施例中，废气流可以是简单冷 却的，而并不把热能用在有用的目的上，且/或可以连接到另一过程 上以蒸汽或热水的形式来提供热能。在一个实施例中，废气流还可 以被引导经过附加的热交换器(未示出)，以进一步从废气流中冷凝 水，然后通过冷凝器54把该冷凝水排放(例如)。
如图1所示，在图2所示的结构中，在压缩器60的上游， 一部 分废气可选地回流到主燃气涡轮机组件10;例如，约30%体积至约 70%体积的废气流可以循环以和空气一起进入燃气涡轮机组件。回流 废气和新鲜空气的混合可以发生在可选的热交换器72的上游或下 游。^^一部分废气流回流到燃气涡轮机组件10的入口增加了工作流 体中的032浓度，因此在(302分离反应器80中增加了用于032分离 的驱动力。此外，废气循环有利于降低其它的燃烧排放，例如降低 NOx的形成。
然后，相对较冷而干燥的废气流在可选的第二低压压缩器60中
压缩，其在示范性实施例中由膨胀器62和原动机66驱动(如果需要 的话)。第二低压压缩器60可以用来增加引过其中的废气流的工作压 力，使之接近从燃气涡轮机组件IO排;改的废气流的工作压力的四倍。 而且，引导废气流经过第二低压压缩器使得废气流的温度增加。然 后，从第二低压压缩器60中排放的废气流可选地被引导经过第二中 间冷却器70以促进废气流的工作温度的降低，如果有利于(:02分离 反应器80和/或系统的工作的话。在示范性实施例中，第二中间冷却 器70促进废气流的工作温度降低到约100。F(38。C)。
从中间冷却器70中排放的富C02废气流(C02 rich exhaust stream) 进入0)2分离反应器80。 032分离反应器80可以包括多种032分离 工艺，诸如002选择膜技术、吸附工艺(吸附和/或吸收)，隔膜 (diaphragm),低温学工艺等等，以及包括了上述至少一种前述工艺的 组合。膜可以是以任何可选地允许吹扫气在不进入废气流的情况下
去除(:02的方式而和废气流的流密封隔绝。例如，(:02经过膜壁以包 围膜的其它侧的区域，而废气流继续经过反应器。吹扫气进入保卫 区域，经过膜并去除穿过膜壁的co2。吹扫气可选地通过分离出口把 032带出反应器，而不是保留在剩下的废气流中。
一个或多个膜是对(302具有选择性的，并且因此不断地去除所
产生的co2,包括在一个或多个催化剂部分可选地由co生成的co2， 所述催化剂部分可以加在膜上，如果需要的话。所述膜可以包括在 工作条件下稳定且具有所需co2渗透性和选择性的任何膜材料。可
能的0)2选择性膜材料包括某些无机和聚合物材料，以及包括至少
一种这些材料的组合。无机材料包括多微孔碳、多微孔石圭、多微孔
娃酸《太(microporous titanosilicate)、多微孔混合氧化物和沸石材料， 以及包括至少一种这些材料的组合。 一些可能的膜材料在2005年10 月31日由Ruud等人提交的美国专利申请No.11/263165中有介绍。
不局限于特定理论的是，在多微孔材料中用于(302选择性的机 理包括表面扩散和毛细凝聚。相对于流中其它气体而具有CC^亲合
力(affinity)的材料会表现出更好的(302吸附和032表面扩散作用。另 外，所吸附的C02分子经过毛细凝聚会有效地阻止吸附性更差的气 体进入气孔，并因此而干扰它们的传输。经过膜的气体选择性由 Knudsen流和表面扩散在整个气体传输中的相对比重而决定。例如， 为获得CC^选择性，表面扩散必须在整个(302传输中占显著比重。 表面扩散率取决于所吸附的C02量及其相对可动性(mobility)。
作为第 一步的近似，气体在材料上的表面扩散率可以从所吸附 的热能来估计。由于扩散率与所吸附热能呈负指数的变化关系，具 有较低吸附热能的材料表现出较高的表面扩散率。从物理上来说， 这意味着适合于功能材料的材料具有较大的C02亲合力(相比较于流 中其它气体的亲合力)，但是该(302亲合力没有大到足够使(302约束 在表面上而不传输经过气孔通道。低的吸附热能相应于弱约束的 C02，其利于高的扩散率。因此，适合用作功能材料的材料的特征在 于，高表面覆盖导数(de/dp)和低的吸附热(AH)。这些性质可以由材料 的C(V吸附等温线来确定，并由此选择合适的材料。在示范性实施 例中，陶瓷包括诸如Si02、 BaTi03、 BaZr03、 LaFe03等材料和包括 了至少一种这些材料的组合。这些氧化物在理论上表现出足够高的 用于(302表面扩散的可动性，并因此而可以提供所需的渗透性。
在实际中，膜常常包括分离层，其设置在支承层上。对于不对 称的无机膜，多孔的支承部可以包括不同于分离层的材料。用于不 对称无机膜的支承材料包括多孔的氧化铝、二氧化钛、堇青石、碳、 石英玻璃(例如Vycor⑧牌)和金属，以及包括有这些材料中至少一种 的组合。多孔的金属支承层包括含铁材料、镍材料和包括这些材料 中至少一种的组合，诸如不锈钢、铁基合金和镍基合金。聚合膜可 以设置在聚合支承部或无机支承部上。所述膜可以包括聚合物材料(诸 如聚醚和聚醚混合物)和混合膜(例如硅烷化的，氧化铝膜)。硅烷， 诸如2-乙酰氧基乙基，2-甲氧基羰基乙基和3-氨基丙基，可以与陶 瓷膜一体地形成，以获得选择性的(302传输。
从0)2分离反应器80中排放的贫(302废气流可选地可以通过膨 胀器62膨胀，从已加压的废气中吸取功，以驱动低压压缩器60，因 此大大地降低了废气流的温度。例如，在一个实施例中，从膨胀器62 中排出的废气流的温度为约30。F(-1。C)至约-30。F(-34。C)。在该示范 性实施例中，从膨胀器62中排出的废气流的温度接近-20。F。然后相 对较冷的废气流可以被引导经过热交换器72以促进入口空气流的冷 却，并促进引导到燃气涡轮机组件10的气流的空气密度的增加，因 此增加了核心燃气涡轮机12的效率和输出功率。因此，流到燃气涡 轮机的空气流的入口温度的降低，就导致增加了质量流量和效率， 从而有效地减少了 C02分离过程的经济上的影响。
图3是另一示范性发电设备100的示意图。该发电设备100基 本上类似于发电设备8，如图2所示。在该示范性实施例中，发电设 备100不包括热交换器72,而相对较冷而干燥的从膨胀器62中排放 的废气流被分成第一空气流部分110和第二空气流部分112,第一空 气流部分110直接排放入燃气涡轮机组件10的入口内，而笫二空气 流部分112 ^f支引导经过位于第二低压压缩器上游的热交换器120。可 选的是，在进入燃气涡轮机组件10之前，可以利用一个或多个干燥 剂气体干燥系统来从笫一空气流部分110和/或入口气流中去除湿
在工作期间，第一空气流110被直接引导入供给到燃气涡轮机 组件12的入口空气流。更具体地，当与空气流110混合时，任何还 夹带在内引入的新鲜空气流内的湿气冷凝成相对较小的或微观的小 滴，这形成了细雾或薄雾。然后，该细雾或薄雾被引导入低压压缩 器20中，小滴在其中蒸发，以促进供给到核心燃气涡轮机12的气 流的工作温度的降低。因此，引入核心燃气涡轮机12的气流的温度 降低，因此减少了压缩过程中所需要的功，而增加了燃气涡轮机组 件10的总效率。流110的含氧量由于燃气涡轮机10内的燃烧过程 而减少。把该流与新鲜空气混合导致了燃烧室16中燃烧空气的含氧
量的净减少，同时有利于减少燃烧室中NOx的形成。
第二空气流部分112可以被引导经过热交换器120，以利于从引 入第二低压压缩器60的废气流中去除热量，并有利于在废气空气流 进入第二低压压缩器60之前，把夹带在废气空气流中的水冷凝并去除。
本文所介绍的是用于减少发电设备排放并增加发电设备效率的 一种方法和系统。该方法包括利用C02分离反应器增加分离夹带在 废气内的几乎所有C02，在该反应器中废气流中的CO转化成co2， 并且(302经过032选择膜而去除，以产生贫032流。贫C02流可以
排出及/或循环回燃气涡轮机组件。这可以通过利用来自燃气涡轮机 组件的废气流而不增加压力且/或不降低温度来实现。例如，废气流
可以在032分离反应器中在约250°C到约500。C(例如，约300。C到 约450。C)的温度下和约低于5bar(0.5兆帕(MPa))的压强下处理；例如， 更具体地为约lbar到约4bar(约0.1MPa到约0.4MPa))。另外，来自 (302分离反应器的贫COr流可以直接传递到膨胀器(例如涡轮机)，例 如，不经过热交换器。该过程(甚至在压缩到约5bar时)可以去除大于 或等于废气流中的约80%体积的C02，或更具体而言，可以去除废 气流中的约80%体积到约90%体积的C02。
其它的优点还包括，不需要把压缩器-膨胀器单元集成在主电力 系统内；本系统能够更新成现有的带(302收集的系统。可更新性不 限于基于燃气涡轮机的动力循环，而是可以应用到任何产生C02的 燃烧过程。可选的是，热交换器可以集成在主电力系统内，如果有 利的话。这会减少驱动压缩器-膨胀器单元所必需的电力需求，甚至 还有利于能量自给。然后这还会减少或消除对(大型)原动机或发动机 的需求。作为备选或作为附加，可以在压缩器-膨胀器单元内通过热 交换器或类似物(其已经在附图中显示)进行可选的重新加热，并且/或 者使用其它热回收策略和增湿作用，以有利地降低压缩器-膨胀器单 元内的电力需求。可以在压缩之后对工作流体进行增湿，以利用过程热能并增加流体的质量流量，并因此而增加循环的总效率，且在 贫0)2工作流体膨胀时，增加膨胀器部分中的发电。
与重新加热相比，压缩器-膨胀器内的已加压工作流体可以可选
地冷却，且可以在去除032后膨胀到大气压力。在这种情况下，冷
的(温度非常低，甚至低于零度)的膨胀的工作流体可以用于在入口对
进入主燃气涡轮机的入口流进行激冷(chilling)。
本文所公开的范围是包括性的和组合性的(例如，"高达约25%的 重量，或更具体而言约5%到约20%的重量"，其范围包括了端点值 和"约5%到约25%的重量"范围内的所有中间值等)。"组合"则包括了 混合物、混合剂、合金、反应成分等。另外，用语"第一"、"第二"等， 在本文中不表示任何顺序、程度或重要性，而是用来区分一个元件 与另 一个元件，且用语"一"和"一个"在本文中不表示对数量的限制， 而表示所述的物体至少有一个。修饰语"约"与数量词一起使用，其包 括了所称的值，并具有上下文中所含的意思(例如包括与特定质量的 测量有关的误差程度)。"一个或多个"在本文中用来表示其修饰的词 语包括单数和复数的情况，因此包括一个或多个该词语(例如， 一个 或多个冷却剂包括一个冷却剂或多个冷却剂)。在整个说明书中所用 的参考"一个实施例"、"另一实施例"、"实施例，，等，表示连同实施 例一起介绍的特定要素(例如特征、结构及/或特性)包括在本文所介绍 的至少一个实施例中，并且可以包括在其它实施例中，当然也可以 不包括在其它实施例中。此外，应当理解，所介绍的元件可以以任 何合适的方式结合在多种实施例中。
所有引用的专利、专利申请和其它参考文献通过引用整体地结 合于本文中。然而，如果本申请中的用语和所述结合于本文中的参 考文献中的用语有矛盾或有沖突，本申请中的用语具有优先的权重。
尽管本发明已经参考优选实施例而介绍，本领域技术人员应当 理解，在不背离本发明的范围的前提下，就可以进行各种修改，并 且用等同物来代替其中的元件。此外，在不背离本发明基本范围前
提下，可以进行大量的修改来适应特殊情况或本发明所示范的材料。 因此，本发明并不限于所公开的作为本发明最佳实施方式的实施例， 而是包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于减少燃烧流中的排放的方法，包括将气流燃烧，以产生包含二氧化碳的废气流；并且通过使所述废气流经过膜而从所述废气流中分离CO2，以产生CO2产物流和贫CO2废气流。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃烧所述气流还 包括在燃气涡轮机组件(l0)中发电；并且还包括压缩所述废气流。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括， 在压缩所述废气流之前，在热回收蒸汽发电机(50)内从所述废气流中回收热能，以降低所述废气流的工作温度；并且在把所述废气流引至C02分离反应器之前和在压缩所述废气流 之后，在中间冷却器(34)内降低所述废气流的工作温度。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所 述废气流在^f皮引至所述C02分离反应器之前其工作压强^皮调节到小 于或等于约0.5MPa的压强。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所 述方法还包括，在把所述废气流的一部分引入到所述032分离反应 器之前，把所述废气流的其余部分循环到所述燃气涡轮机组件(IO)。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所 述方法还包括减少所述贫(302废气流内的含湿量。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所 述方法还包括，把所述贫032废气流分成第一部分(110)和第二部分 (112)，并且把所述贫032废气流的所述第一部分(110)与进入所述燃 气涡轮机组件(10)的空气结合起来。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所 述方法还包括，以已冷却的所述废气流来冷却进入所述燃气涡4仑机 组件(10)的空气。
9. 一种发电设备(6,8),包括燃气涡轮机组件(IO),其构造成能够发电且产生包括C02的废 气流；并且C02分离单元，其构造成能够接收所述废气流，其中，所述C02 分离单元包括通过单元热交换器(34)与C02分离反应器入口保持流 体连通的单元压缩器，以及通过所述单元热交换器(34)与所述C02 分离反应器出口保持流体连通的单元膨胀器(62)。
10. 根据权利要求9所述的发电设备(6,8)，其特征在于，所述发 电设备还包括冷凝器，其构造成能够接收来自所述燃气涡轮机组件(IO) 中的废气流，并能够从所述废气流中去除水分，并且所述(:02分离 单元构造成能够接收来自所述冷凝器中的废气流。
全文摘要
本文公开了一种系统和方法，其用于减少发电设备(6，8)的CO₂排放。在一个实施例中，用于减少燃烧流中的排放的方法，包括将气流燃烧，以产生包含二氧化碳的废气流，并通过使所述废气流经过膜从该废气流中分离CO₂，以产生CO₂产物流和贫CO₂废气流。
文档编号F23J15/02GK101201171SQ20071019426
公开日2008年6月18日 申请日期2007年12月10日 优先权日2006年12月11日
发明者M·巴特莱特, M·芬肯拉思, N·D·乔希, S·M·-N·霍夫曼 申请人:通用电气公司