专利名称：用于增加燃气轮机排气中二氧化碳含量的方法及其系统的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及用于增加燃气轮机排气气流中二氧化碳(co2)含量的方法和用于 实现该方法的系统。
背景技术：
源自燃烧化石燃料的发电设备所产生的环境污染在全世界范围内受到关注。发电 设备排放可能有毒的空气污染物，例如有毒的金属和聚芳烃；酸雨前体，举例而言，诸如二 氧化硫(S02)的硫氧化物(S0X)以及氮氧化物(N0X)；臭氧前体，举例而言，例如N02和活性 有机气体；颗粒物质；以及温室气体，特别是C02。发电设备还排出潜在地有害的流出物到 地表水和地下水中，并产生大量的固体废弃物，其中的一些可能是危险的。燃烧天然气的燃气轮机联合循环(NGCC)发电设备每兆瓦时排放的C02的量比燃 烧粉煤的发电设备低。这是因为燃料中碳的百分比较低，并且还因为联合循环发电设备中 可实现的更高效率。结果，基于排气气流的总体积，NGCC设备的排气中C02的浓度可为4% 的体积比，而在燃煤设备中可为12%的体积比。较低的C02浓度导致相对于C02的量的较 高的氧气浓度。排气气流中低C02浓度和相应增加的氧气浓度对NGCC设备中采用的C02俘 获系统形成挑战。图1和图2是代表当前现有的商用NGCC设备的示意图。图1是不进行排气再循 环(EGR)的NGCC设备的示意图。在图1中，涡轮机100包括具有轴120的压缩机110。空 气在125处进入压缩机的进口，由压缩机110进行压缩，且之后排出到燃烧系统130，在其 中燃烧举例而言诸如天然气的燃料135，以提供驱动涡轮145的高能燃烧气体。在涡轮145 中，燃烧气体的能量转换为功，一部分功用来通过轴120驱动压缩机110，而可获得的有用 功的其余部分则可用来驱动负荷(未示出)。排气然后从涡轮145排出到位于涡轮145的下游的热回收蒸汽发生器200。然后， 排气排出到二氧化碳分离系统155，在其中从排气气流分离出二氧化碳。从排气气流分离出 的二氧化碳受到隔离和储存，而排气气流的其余部分则排出到大气。图2是使排气再循环的NGCC设备的示图。图2中的设备除存在分流器210和空 气混合器220之外与图1中的设备相似。分流器210布置在热回收蒸汽发生器200的下游 和二氧化碳分离系统155的上游。分流器210用来从排气气流分离出一部分排气并将其排 出到空气混合器220。空气混合器220布置在分流器210的下游并接收再循环的排气，其将 该再循环的排气与另外的空气相组合，以形成空气-排气混合物。然后，空气-排气混合物 输送到压缩机110。当在氧气浓度高且因此C02浓度低的排气气流中操作时C02俘获系统面临多种挑 战。低C02浓度导致使用大而昂贵的设施来处理该一定量的排气。此外，低C02浓度降低了 C02分离的热效率。高氧气浓度将对恰是对氧化敏感的C02俘获系统造成损坏。例如，胺净化系统被 用来帮助从排气气流分离co2。在胺净化系统中的胺溶剂由于排气气流中所含的氧气的存在而开始降解。这由于用以帮助维护胺净化系统的停机时间而导致效率降低。这增加了设 备的运行成本。此外，高氧气浓度将使得大量氧气能够经过C02分离系统。氧气对隔离系统极为 有害，并且不能容许在被隔离的co2气流中存在任何可感知的浓度。鉴于氧气的有害性质，希望从NGCC设备减少排气气流中氧气的量，并且基于排气 气流的总体积将排气气流中存在的C02的量增加到约10%到约14%的体积比。
发明内容
本文公开了一种系统，该系统包括第一压缩机，其可操作以压缩空气；涡轮，该 涡轮布置在第一压缩机的下游，该涡轮可操作以燃烧碳氢化合物燃料连同来自第一压缩机 的压缩空气，用以产生排气气流；以及第二压缩机，该第二压缩机布置在涡轮的下游，该第 二压缩机可操作以压缩排气气流以及使压缩过的排气气流循环到涡轮。本文公开了一种方法，该方法包括在第一压缩机中压缩空气；在涡轮中燃烧空 气连同碳氢化合物燃料；从涡轮产生排气气流；在第二压缩机中压缩排气气流；使压缩过 的排气气流再循环到涡轮；从排气气流分离二氧化碳；以及储存二氧化碳。
图1是示出了用于减少C02排放的示例性现有技术系统的示意图；图2是示出了用于减少C02排放的示例性现有技术系统的另一示意图；以及图3是示出了用于减少排气气流中的二氧化碳且同时减少排气气流中的氧气的 方法的另一示意图。零件清单1000 系统150 排气再循环系统402 轴410 第 二压缩机420 涡轮430 燃烧系统440 热回收蒸汽发生器450 分流器460 二氧化碳分离系统470 排气净化系统800 电机810 第一压缩机
具体实施例方式以下对优选实施例的详细描述参照示出了具体实施例的附图。具有不同结构和操 作的其它实施例并不背离本文所公开的主题的范围。本文所使用的特定用词只是为了方便读者，且不应认为是对本发明的范围进行限 制。例如，用词“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“水平”、“竖直”、“上游”、 “下游”、“之前”和“之后”等只是描述图中所示的构造。事实上，本文所公开的主题的实施 例的一个或多个元件可沿任何方向定向，因此，除非另外指明，否则应将上述用词理解为包 含此类变化。应该注意的是，如文中所用，用词“第一”、“第二”等并不表示任何顺序或重要性， 而是用来将一个元件与另一元件进行区分，并且用词“该”、“一”和“一个”并不表示对数量 的限制，而是表示存在一个所引用的物件。此外，文中所公开的所有范围都包含端点并且可 独立地相结合。文中所用的用词仅意在描述具体实施例而并非意图对本发明进行限制。如 文中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也认为包括复数形式，除非上下文清楚地另外指 明。还将理解的是，用词“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，指出了所述特征、整 数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合的存在或增加。此外，在描述本公开内容的实施例中的构件的布置时，使用了用语“上游”和“下 游”。这些用语具有它们的一般含义。例如，如文中所用的“上游”装置是指产生输送到“下 游”装置的流体输出流的装置。此外，“下游”装置是指接收来自于“上游”装置的输出的装 置。然而，对于本领域的技术人员来说显然的是，在特定构造中，例如包括循环环路的系统 中，一个装置既可在同一装置的“上游”又可在其“下游”。本文公开了一种用于减少由燃气轮机所产生的排气气流中氧气含量的方法。该方 法包括与燃烧后二氧化碳俘获相结合的排气再循环。本文还公开了一种燃气轮机系统，其 有利地包括具有燃烧后二氧化碳分离和储存系统的“排气再循环系统”，其能够将燃气轮机 的排气气流中的氧气含量减少到基于排气气流的总体积低于或等于约12%的体积比，具体 而言低于或等于约10%的体积比，具体而言低于或等于约5%的体积比，具体而言低于或 等于约2%的体积比，以及更具体而言低于或等于约的体积比。通过使排气持续地再循环用以回到产生该排气的涡轮机，输送到涡轮的气流中的 氧气量减少到低的稳态值。这种氧气含量的减少发生在排气气流每一次相继经过涡轮机的 过程中。二氧化碳检测器持续地监控排气气流中的二氧化碳含量。当排气气流中二氧化碳 的量基于排气气流的总体积为约10%到约14%的体积比时，可通过二氧化碳分离系统从 排气气流分离和俘获二氧化碳。在分离后，二氧化碳受到隔离。在俘获过程期间，二氧化碳从烟道气(flue gas)分离，形成两股离开二氧化碳分 离系统的气流。第一气流包括C02浓度比如果不用于使排气气流循环而已进入二氧化碳分 离系统的排气的co2浓度低的排气。排气气流中co2的浓度因此基于燃气轮机所排放的原 始排气气流中的总摩尔数降低50%到95%摩尔比。排气气流的第一股气流排放到大气。第 二股气流包括被分离的C02，其具有最高可能的C02浓度并且通常希望此C02浓度基于第二 股气流中的总摩尔数大于或等于约95%的C02摩尔比，具体而言大于或等于约97%的C02 摩尔比，以及更具体而言大于或等于约98%的C02摩尔比。第二股气流以不包括将其泄放 到大气的一定方式进行储存。通常，将其在地下储存在矿井中或储存在地下的地质结构中。用以减少排气气流中氧气的量的排气再循环具有许多优点。通过将氧气的量减 少到低于或等于排气气流体积的约5%的体积比，具体而言低于或等于约2%的体积比，用 于从氧气分离二氧化碳的胺溶剂的降解(由于氧化)大幅减少。此外，在排气气流中将氧 气的水平减少到低于或等于约2%的体积比使得可利用隔膜和离子液体来实现二氧化碳分 离。稍后将详细说明其它优点。排气再循环通常包括使所排放的排气的一部分经过燃气轮机的进口部分再循环。 排气然后在燃烧前与进入的空气流混合。排气再循环过程有助于去除和隔离浓缩的co2，并 且还可用来降低N0X和S0X排放水平。现参照图3，用于(通过增加二氧化碳含量同时减少氧气含量)使排气循环的系统 1000包括第一压缩机810和燃烧系统430。电机800与第一压缩机810连通并驱动压缩机 810。燃烧系统430设置了用于燃烧燃料和压缩空气的混合物并且将其排出到第二压缩机 410的装置，在第二压缩机410中，该混合物与循环的排气相混合并用来驱动涡轮420。在一个实施例中，该系统包括燃烧系统430，燃料和压缩空气的混合物在其中燃 烧；第二压缩机410，循环的排气和可选的进入空气可在其中燃烧；涡轮420，其将燃烧气体的能量转换为功；可选的热回收蒸汽发生器440 ；分流器450 ；排气净化系统470 ；以及二氧 化碳分离系统460。第一压缩机810和燃烧系统430位于涡轮420的上游。如在图3中可看到的，涡轮420、可选的热回收蒸汽发生器440、排气再循环系统 150和二氧化碳分离系统450互相成流体连通。热回收蒸汽发生器440位于涡轮机420的 下游，而分流器450、二氧化碳分离器460和排气净化系统470位于热回收蒸汽发生器440 的下游。在一个实施例中，在一种运行系统1000的方法中，空气在第一压缩机800中受到 压缩并且与燃料一起在燃烧系统430中燃烧。加压燃烧气体排出到涡轮420并且驱动涡 轮。在燃烧中可使用碳氢化合物燃料，例如汽油、柴油、天然气等。示例性的燃料是天然气。 在涡轮420中，加压燃烧气体的能量转换为功，其中的一部分功用来通过轴402驱动压缩机 410，而可获得的有用功的其余部分则可用来驱动负荷(未示出)。碳氢化合物燃料在涡轮420中的燃烧产生排气气流。排气气流包括第一量的二氧 化碳和第一量的氧气。排气气流排出到热回收蒸汽发生器440。在热回收蒸汽发生器440 中从排气气流提取热量后，排气气流排出到分流器450，在其中将排气气流的第一部分引导 到二氧化碳分离器460同时使排气气流的第二部分再循环。再循环的排气气流(即，第二 部分)在下文中将称为“再循环的排气气流”。引导到二氧化碳分离器的空气如上所述分为两股气流。一股气流(第二气流)富 含二氧化碳并被排出到隔离系统，而另一股气流(第一气流)主要地包含具有很少二氧化 碳的排气并被排出到大气。基于第二气流的总体积，第二气流通常包括大于或等于约90% 体积比的二氧化碳的量，具体而言大于或等于约95%的体积比，以及更具体而言大于或等 于约98%的体积比。再循环的排气气流在排气净化器470中进行过滤和净化，之后将其排出到第二压 缩机410，在第二压缩机410中，该排气气流受到压缩并被排出到燃烧系统430，以便与另外 的压缩空气和燃料相混合和燃烧。空气相对于供应到燃烧系统430的排气气流的体积比率 可达到约0.05 1，具体而言可达到约0. 1 1，以及更具体而言可达到约0.25 1。包含 低氧气量的少量循环的排气以冷却和泄漏空气的形式(TCLA)被供应到涡轮。如上所述，分流器450将排气气流分为第一部分和第二部分。基于进入分流器450 的排气流的总体积，第一部分为约40 %到约80 %的体积比，具体而言为约45 %到约65 %的 体积比，以及更具体而言为约50%到约60%的体积比。基于进入分流器450的排气流的总 体积，第二部分为约20%到约60%的体积比，具体而言为约35%到约55%的体积比，以及 更具体而言为约40%到约50%的体积比。采用先进的燃烧器设计，离开燃烧系统430的氧 气水平基于离开涡轮420的排气流的总体积可达到低于2%的体积比。排气再循环连同先 进燃烧器设计的结合将容许第二部分基于进入分流器450的排气流的总体积为约60%到 约80%的体积比。在排气净化器470中经受过滤后的排气气流第一次再循环到涡轮。排气气流在第 一次期间在涡轮中经受进一步燃烧，以严生自行循环到涡轮的排气气流，用于第二次经过 涡轮。经受第二次经过的排气气流包括第二量的二氧化碳和第二量的氧气。由于排气气流中包含的第一量的氧气的燃烧，在第一次经过期间排气气流中的第 一量的氧气的体积比率通常大于在第二次经过期间第二量的氧气相对于排气气流的体积比率。然而，在第一次经过涡轮期间排气气流中第一量的二氧化碳的体积比率小于在第二 次经过涡轮期间第二量的二氧化碳相对于排气气流的体积比率。这是因为氧气燃烧而形成 二氧化碳。因此通过重复地使排气气流经过涡轮再循环，排气气流中的氧气含量逐渐减少， 同时二氧化碳含量增加。应该注意的是，由于再循环，基于再循环的排气气流的总体积，二 氧化碳的体积从约3%的体积比增加到约18%的体积比，具体而言从约4%的体积比增加 到约16%的体积比，并且更具体而言从约5%的体积比增加到约14%的体积比。当排气气 流所包括的二氧化碳的量为排气气流的总体积的约10%到约14%的体积比时，排气气流 已达到稳定状态。在排气气流的再循环期间，在再循环的排气气流中存在的氧气的量在每次经过涡 轮420期间相继地减少。随着通向涡轮的进入空气中存在的氧气由于再循环而减少，在排 气气流中氧气的比例相对于在排气气流中存在的二氧化碳的量而减少。在排气气流接连经 过涡轮机的期间，在排气气流中氧气的比例减少，同时二氧化碳的比例增加。本文所公开的排气再循环系统可应用于产生气态流体的各种涡轮机，例如重负荷 燃气轮机、航空改型式燃气轮机等(下文称为“燃气轮机”)。它可应用于单个燃气轮机或 应用于多个燃气轮机。它还可应用于以简单循环运行或以联合循环构造运行的燃气轮机。用以减少排气气流中氧气的量的排气再循环具有许多优点。成本便宜，因为其不 必使用另外的设施。减少了用于修理和维护的停机时间量。通过基于再循环的排气气流的 体积将氧气的量减少到低于或等于约2%的体积比，具体而言低于或等于约的体积比， 用于从氧气分离二氧化碳的胺溶剂(通过氧化)的降解大幅减少虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将会理解的是，可 作出各种改变并且可用等同物代替其元件而不背离本发明的范围。此外，可作出许多改型 来使特定情形或材料与本发明的教导相匹配而不背离本发明的实质范围。因此，本发明不 应认为局限于作为为实施本发明而构思出的最佳方式所公开的具体实施例。
权利要求
一种方法，包括在第一压缩机(810)中压缩空气；在涡轮(420)中燃烧所述空气连同碳氢化合物燃料；从所述涡轮(420)产生排气气流；将所述排气气流分离成第一部分和第二部分；从所述第一部分分离二氧化碳；在第二压缩机(410)中压缩所述第二部分；以及使压缩的所述第二部分再循环到所述涡轮(420)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述排气气流中的二氧化碳的量从来 自所述涡轮(420)的排气气流的总体积的约3%的体积比增加到约18%的体积比。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，空气相对于供应到所述涡轮(420)的排气 气流的比率达到约0.25 1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述排气气流中的氧气含量基于来自 所述涡轮(420)的排气气流的总体积低于或等于约12%的体积比。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于来自所述涡轮(420)的排气气流的总 体积，所述第一部分为约40 %到约80 %的体积比，而所述第二部分为约20 %到约60 %的体 积比。
6.一种使用根据权利要求1所述的方法的系统(1000)。
7.一种系统(1000)，包括第一压缩机(810)，所述第一压缩机(810)可操作以压缩空气； 涡轮(420)，所述涡轮(420)布置在所述第一压缩机(810)的下游，所述涡轮(420)可 操作以燃烧碳氢化合物燃料连同来自所述第一压缩机(810)的压缩空气，以产生排气气 流；以及第二压缩机(410)，所述第二压缩机(410)布置在所述涡轮(420)的下游，所述第二 压缩机(410)可操作以压缩所述排气气流以及使压缩的所述排气气流循环到所述涡轮 (420)。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括燃烧系统(430)，所述燃 烧系统(430)可操作以燃烧所述压缩空气和所述碳氢化合物燃料。
9.根据权利要求7或权利要求8中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括二 氧化碳分离系统(460)，所述二氧化碳分离系统(460)用于从排气流提取二氧化碳。
10.根据权利要求7、权利要求8或权利要求9中任一项所述的系统，其特征在于，所述 系统还包括分流器(450)，所述分流器(450)可操作以将所述排气气流分为第一部分和第 二部分，所述第一部分排出到二氧化碳分离器(460)而所述第二部分再循环到所述第二压 缩机(410)。
全文摘要
本文涉及用于增加燃气轮机排气中二氧化碳含量的方法及其系统。公开了一种系统(1000)，包括第一压缩机(810)，其可操作以压缩空气；涡轮(420)，其布置在第一压缩机的下游，可操作以燃烧碳氢化合物燃料连同来自第一压缩机的压缩空气，以产生排气气流；以及第二压缩机(410)，其布置在涡轮(420)的下游，可操作以压缩排气气流并且使压缩的排气气流循环到涡轮。公开了一种方法，包括在第一压缩机(810)中压缩空气；在涡轮(420)中燃烧空气连同碳氢化合物燃料；从涡轮(420)产生排气气流；在第二压缩机(410)中压缩排气气流；使压缩的第二部分再循环到涡轮；从排气气流分离二氧化碳；以及储存二氧化碳。
文档编号F02C3/34GK101845994SQ20101000553
公开日2010年9月29日 申请日期2010年1月15日 优先权日2009年1月16日
发明者S·D·德拉珀 申请人:通用电气公司