专利名称：具有二氧化碳回收的湿空气涡轮机循环的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域为二氧化碳回收，且特别涉及从湿空气涡轮机循环中回收二氧化碳。
背景技术：
燃烧气体，且特别是来自燃气轮机的烟道气通常包括相当大量的二氧化碳，所述二氧化碳为已公知的温室气体。因此，从燃烧过程中分离和/或隔离二氧化碳在过去十年期间已得到了很大的关注，且存在多种本领域中已公知的从烟道气中除去二氧化碳的构造和方法。
例如，可利用如授权给Cooley等的美国专利No.4,130,403、授权给Duckett等的美国专利No.4,639,257或授权给Callahan的美国专利No.5,233,837中所述的一种或多种薄膜从各种气体流中除去二氧化碳。薄膜法对特定气体组分通常呈现出相对较高的选择性。此外，薄膜法通常可在没有能量消耗循环(例如，基于溶剂的二氧化碳去除通常所需的加热和/或冷却需要)的情况下进行操作。然而，且特别是根据供给气体的成分，薄膜寿命达不到所希望的程度，或供给气体在接触薄膜前需要进行预处理。此外，薄膜系统通常在相对较高的压差条件下进行操作，这使得有必要具备用于低压供给气体的增压器或其它压力增加设备，或者使得薄膜系统不适用于这种低压供给气体。
另一种可选方式是，可利用物理或化学溶剂去除二氧化碳，且用于溶剂的多种工艺构造在本领域中是已公知的。物理溶剂工艺特别有利，其中供给气体中的酸性气体分压相对较高。因此，所有或几乎所有物理溶剂在用于从通常接近大体压力的烟道气中除去二氧化碳方面仅呈现出有限的实用性，尤其是在烟道气具有相对较低的二氧化碳含量的情况下。
为了防止发生与使用物理溶剂相关联的问题，可采用化学溶剂以洗涤供给气体，其中化学溶剂在回收二氧化碳的下游重新产生。利用化学溶剂洗涤气体通常允许在相对较低的压力下从供给气体中除去二氧化碳。然而，这种方法通常是能量密集型且成本高的，且通常会发生与腐蚀和溶剂劣化相关的问题(参见例如，美国专利No.2,065,112、美国专利No.2,399,142、美国专利No.2,377,966、美国专利No.4,477,419或美国专利No.3,137,654)。此外，随着供给气体中二氧化碳分压的降低(例如，来自通过相对大量的过剩空气进行操作的燃气轮机的排出气体，以及来自湿空气涡轮机(HAT)循环的排出气体)，回收设备的尺寸以及增压器消耗的动力通常显著增加以克服回收设备中的压力降。
因此，尽管多种二氧化碳去除构造和工艺在本领域中是已公知的，但是它们全部或几乎全部存在一个或多个缺点，尤其是在供给气体中的二氧化碳分压和/或浓度相对较低的情况下。因此，仍有需要提供用于从各种气体，且尤其是具有相对较低的二氧化碳分压的气体中回收二氧化碳的改进构造和方法。
发明内容
本发明针对从烟道气中除去二氧化碳的方法和构造，其中至少部分所述烟道气被压缩至更高的压力，由此提高二氧化碳的去除效率。
在本发明主题的一个方面中，一种设备包括燃烧器，所述燃烧器在存在受热湿空气的情况下燃烧燃料以产生排出物，所述排出物在膨胀器中膨胀。压缩机(操作地连接到所述膨胀器上)压缩空气和至少一部分来自所述膨胀器的排出物以形成压缩混合气体，在酸性气体去除单元中从所述压缩混合气体中除去二氧化碳，且加湿器使如此形成的消耗了二氧化碳的压缩混合气体湿化以产生所述受热湿空气。
进一步特别优选地，在这种设备中利用所述排出物作为加热源对所述受热湿空气进行加热，且所述加湿器使用由所述压缩混合气体和所述排出气体中的至少一种加热的水。尽管预期了多种酸性气体去除方法，但是优选的酸性气体去除单元包括薄膜单元或采用溶剂(例如，基于胺的溶剂)。在另一种可选构造中，预期部分所述压缩混合气体还可被供给至所述燃烧器，且冷却器为所述膨胀排出物提供了冷却，由此冷凝来自所述膨胀排出物的水。
在所述酸性气体去除单元包括自动制冷单元的情况下，预期所述自动制冷单元从所述压缩混合气体的第一部分中除去二氧化碳，且加湿器使所述压缩混合气体的第二部分湿化以形成所述受热湿空气。
因此，通常预期设备可包括涡轮机燃烧器，且特别是接收燃料和湿的消耗了二氧化碳的空气的湿空气涡轮机燃烧器，其中至少部分所述湿的消耗了二氧化碳的空气由一部分二氧化碳已被除去以进行回收后的所述湿空气涡轮机燃烧器的排出气体形成。这种构造中的二氧化碳有利地利用薄膜单元或溶剂从包含空气的二氧化碳(新鲜空气和包含二氧化碳的再循环烟道气的混合物)中被提取出。从另一个观点来看，所预期的设备，在所述设备中从涡轮机燃烧器的排出气体中除去二氧化碳，可因此包括压缩空气和至少一部分所述排出气体(再循环气体)以形成压缩混合气体的压缩机，其中在酸性气体去除单元中从所述压缩混合气体中除去二氧化碳。
从下列对本发明的优选实施例的详细描述以及附图中，将更易于理解本发明的各种目的、特征、方面和优点，在所述附图中相似的附图标记表示相似的部件。
图1是利用酸性气体去除单元中的薄膜或溶剂从排出气体中回收二氧化碳的典型构造的示意图；图2是利用酸性气体去除单元中的自动制冷单元从排出气体中回收二氧化碳的典型构造的示意图；和图3是利用部分湿化从排出气体中回收二氧化碳的另一种典型构造的示意图。
具体实施例方式
本发明人已发现可通过使至少部分排出气体再循环回到压缩机以增加压缩气体中的二氧化碳分压，且由此有利于利用适当的酸性气体去除技术(例如，利用物理或化学溶剂、二氧化碳特定薄膜或自动制冷工艺)除去二氧化碳，而在压力下回收燃气轮机的排出气体中包含的二氧化碳。
在图1所示的一个特定优选构造中，典型设备100包括用于产生动力的湿空气涡轮机循环，其中至少部分膨胀排出物再循环回压缩机用以在升高的压力下进行二氧化碳回收。更具体而言，燃烧器110接收燃料112和受热湿空气114′且产生排出物116，所述排出物随后在膨胀器120中膨胀。膨胀排出物118中的热量随后在回流换热器170中被至少部分地回收，所述回流换热器加热来自加湿器180的湿空气114、为蒸汽发生器提供热量且进一步通过节约装置170′加热用于加湿器180的水。
一部分膨胀和冷却排出物118A被排出，而另一部分膨胀和冷却排出物118B在冷却器140中被冷却以形成冷却膨胀排出物流118′(同时冷凝和分离出相当大部分的水)，所述冷却膨胀排出物流与空气132相结合且在操作连接到膨胀器120上的压缩机130中受到压缩。因此，压缩机130提供了压缩混合气体134，所述压缩混合气体在后冷却器160中被冷却，由此对加湿器中所使用的水的至少一部分进行加热。如此冷却的压缩混合气体134随后被供给至酸性气体去除单元150(优选为基于溶剂的酸性气体去除单元或基于薄膜的二氧化碳去除单元)。二氧化碳产物流152离开设备(例如作为商品)，同时消耗了二氧化碳的压缩混合气体136被供给至加湿器180。加湿器180从消耗了二氧化碳的压缩混合气体136中产生湿气体流114，其中所述湿气体流114在回流换热器170中被加热以形成受热湿气体流114′，所述受热湿气体流被供给进入燃烧器110(术语“湿气体流”和“湿空气”在此可互换地使用)。
因此，设备可包括在存在湿空气情况下燃烧燃料的燃烧器，其中所述燃烧器产生排出物，所述排出物在膨胀器中膨胀以形成膨胀排出物；操作连接到所述膨胀器上的压缩机，其中所述压缩机压缩空气和至少一部分所述膨胀排出物以形成压缩混合气体；从所述压缩混合气体中除去二氧化碳以形成消耗了二氧化碳的压缩混合气体的酸性气体去除单元；和使所述消耗了二氧化碳的压缩混合气体湿化以形成所述湿空气的加湿器。
另一种可选方式是，且特别是在二氧化碳在自动制冷单元中被除去的情况下，可采用图2所示的典型构造。如上面一样，设备200包括用于产生动力的湿空气涡轮机循环，其中至少部分膨胀排出物再循环回压缩机用以在升高的压力下进行二氧化碳回收。在这些构造中，燃烧器210接收燃料212和受热湿空气214′且产生排出物216，所述排出物随后在膨胀器220中膨胀。膨胀排出物218中的热量随后在回流换热器270中被至少部分地回收，所述回流换热器加热来自加湿器280的湿空气214、为蒸汽发生器(未示出)提供热量且进一步通过节约装置270′加热用于加湿器280的水。膨胀和冷却排出物218在冷却器240中被冷却以形成冷却膨胀排出物流218′(同时冷凝和分离出相当大部分的水)，所述冷却膨胀排出物流与空气232相结合且在被操作地连接到膨胀器220上的压缩机230中受到压缩。因此，压缩机230提供了压缩混合气体234，所述压缩混合气体在后冷却器260中被冷却，由此对加湿器中所使用的水的至少一部分进行加热。
如此冷却的压缩混合气体234随后被分成供给至加湿器280的第一流234A和供给至自动制冷单元250的第二流234B。二氧化碳产物流252离开设备(例如作为商品)，同时消耗了二氧化碳的排出气体238作为排出物离开设备。加湿器280从第一流234A中产生湿气体流214，其中所述湿气体流214在回流换热器270中被加热以形成受热湿气体流214′，所述受热湿气体流随后被供给进入燃烧器210。
因此，设备可包括在存在湿空气情况下燃烧燃料的燃烧器，其中所述燃烧器产生排出物，所述排出物在膨胀器中膨胀以形成膨胀排出物；操作地连接到所述膨胀器上的压缩机，其中所述压缩机压缩空气和至少一部分所述膨胀排出物以形成压缩混合气体；从所述压缩混合气体的第一部分中除去二氧化碳的自动制冷单元；和使所述压缩混合气体的第二部分湿化以形成所述湿空气的加湿器。
在又一个预期构造中，如图3所示，典型设备300包括燃气轮机(例如，大型General Electric 7FA+e)，所述燃气轮机具有在湿空气涡轮机循环中达20％至30％的抽气能力用以产生动力，其中至少部分膨胀排出物再循环回压缩机用以在升高的压力下进行二氧化碳回收。此处，燃烧器310接收燃料312和受热湿空气314′以产生排出物316，所述排出物在膨胀器320中膨胀。膨胀排出物318中的热量在热量回收蒸汽发生器370中被至少部分地回收。
一部分膨胀和冷却排出物318A被排出，而另一部分膨胀和冷却排出物318B在冷却器340中被冷却以形成冷却膨胀排出物流318′(同时冷凝和分离出相当大部分的水)，所述冷却膨胀排出物流与空气332相结合且在被操作地连接到膨胀器320上的压缩机330中受到压缩。因此，压缩机330提供了压缩混合气体334。一部分压缩混合气体334A被直接供给至燃烧器310(以与常规燃气轮机中实施方式相似的方式)，而另一部分压缩混合气体334B在后冷却器360中被冷却，由此对加湿器中所使用的水的至少一部分进行加热。如此冷却的压缩混合气体334B随后被供给至酸性气体去除单元350(优选为基于溶剂的酸性气体去除单元或基于薄膜的二氧化碳去除单元)。二氧化碳产物流352离开设备(例如作为商品)，同时消耗了二氧化碳的压缩混合气体336被供给至加湿器380。加湿器380从消耗了二氧化碳的压缩混合气体336中产生湿气体流314，其中所述湿气体流314在后冷却器360中被加热以形成受热湿气体流314′，所述受热湿气体流被供给进入燃烧器310。
因此，应该认识到，所预期的构造显著有利于回收具有相对较低的二氧化碳分压的烟道气中包含的二氧化碳，在使用大量过剩空气的燃气轮机的情况下，这是所特别希望的。因此，与多种已公知的构造相比较，二氧化碳回收设备的尺寸以及由增压器消耗以克服二氧化碳回收设备(例如直接接触冷却器和吸收器)的压力降的动力在根据本发明主题的构造中可显著减少。
尽管可在多种包括驱动负载(例如发生器或压缩机)的涡轮机的构造中采用排出气体再循环，但是其中排出物至少部分地再循环的设备构造通常优选为包括湿空气涡轮机(HAT)的设备，且在授权给Rao的美国专利No.4,829,763中描述了包括湿空气涡轮机的典型设备，所述专利在此作为参考被引用。在预期构造包括湿空气涡轮机循环的情况下，特别是应该意识到，预期的二氧化碳去除构造可克服已公知的湿空气涡轮机循环以前存在的困难。尤其是，以前已公知的湿空气涡轮机循环构造通常需要定制的涡轮机械，其中燃气轮机的压缩机需要远小于膨胀器。通过在使用基于溶剂的工艺的情况下从系统中除去二氧化碳，或通过在利用膨胀器上游的基于薄膜或自动制冷装置的工艺的情况下除去二氧化碳和其它气体组分，附加的水蒸汽可被供应至燃烧器和/或膨胀器，而不显著改变通过引擎的压缩机和膨胀器的相对气体流动。因此，所预期的构造不仅期望改进基于燃气轮机的设备中二氧化碳回收的经济性，而且期望实现对现有回流换热燃气轮机(例如，可从Sulzer Turbo或MAN GHH Borsig购买得到的回流换热燃气轮机)的二氧化碳回收。
此外，预期根据本发明主题的构造和方法还可用于具有10MW或更小容量的相对较小的动力设备中，以从燃烧气体中回收二氧化碳。另一种可选方式是，所预期的构造和方法可被包括在其中采用燃气轮机以驱动压缩机或发生器的所有设备中。
进一步预期如此分离的二氧化碳可被用于多种工艺中，且特别预期的工艺包括尿素设备和增强型油回收装置。另一种可选方式是，分离的二氧化碳可被出售用于医疗或营养学用途、用于冷冻工艺中、或被泵入矿山、海洋或其它二氧化碳可至少被暂时隔离的场所内。所预期构造中加湿器的补给水可由多种来源提供，所述来源包括废水(例如来自设备内)、再循环水或淡水。
就预期酸性气体去除单元而言，应该认识到，所有用于从气体中分离出二氧化碳的已公知工艺适于与在此所提出的教导相结合。然而，特别优选的方法和构造包括基于物理溶剂的工艺(参见例如，美国专利No.2,863,527、美国专利No.2,926,751、美国专利No.3,505,784、美国专利No.2,649,166或美国专利No.3,773,896，所有专利在此作为参考被引用)、基于化学溶剂的工艺(参见例如，美国专利No.3,563,695或美国专利No.2,177,068，所述两个专利在此作为参考被引用)、薄膜工艺(参见例如，美国专利No.4,705,540或美国专利No.4,741,744，所述两个专利在此作为参考被引用)和自动制冷装置(参见例如，美国专利No.6,301,927，所述专利在此作为参考被引用)。
在二氧化碳去除包括基于薄膜或溶剂的工艺的情况下，如图1所示，应该认识到再循环膨胀排出物118B的量可显著变化且在所有因素中将尤其取决于具体的二氧化碳去除单元和/或压缩混合气体中的二氧化碳分压。因此，通常预期再循环膨胀排出物118B的量可在总膨胀排出物118的0vol％至100vol％(体积百分比)的范围内。然而，且特别是在排出气体具有相对较低的二氧化碳分压的情况下，再循环膨胀排出物118B的量优选在总膨胀排出物118的约25vol％至75vol％之间。
相似地，如图2所示，在采用自动制冷装置的情况下，应该认识到根据具体操作参数，被供给至自动制冷单元的压缩混合气体流234B的量可显著变化。然而，在大多数操作条件下，压缩混合气体流234B的适当量将在约20vol％至80vol％之间的范围内。在所预期构造包括部分湿空气涡轮机构造的情况下，如图3所示，被直接供应至燃烧器的混合压缩气体334A的量可有利地在约5vol％和50vol％之间。然而，根据具体构造，混合压缩气体334A的量还可高于50vol％。就再循环回压缩机的冷却膨胀排出气体流318B而言，预期适当的量将显著变化。然而，冷却膨胀排出气体流318B的量通常优选将在约25vol％至约75vol％之间的范围内。
可以多种方式执行再循环冷却膨胀排出气体流的混合，且在此适当地预期所有已公知的混合方式。例如，在现有设备改型成根据本发明主题的构造的情况下，可在压缩机入口上游的混合容器中执行混合。另一方面，在根据本发明主题的构造从无到有构建而成的情况下，可通过将再循环气体以及新鲜空气供应至压缩机入口而执行混合。
因此，本发明人通常预期设备可包括接收燃料和湿的消耗了二氧化碳的气体流的湿空气涡轮机燃烧器，其中至少部分湿的消耗了二氧化碳的气体流由湿空气涡轮机燃烧器的排出气体形成。这种设备有利地可进一步包括加湿器，其中加湿器中使用的水由压缩混合气体和排出气体中的至少一种加热。在此使用的术语“消耗了二氧化碳的气体流”指的是在前已经从中除去了至少一部分二氧化碳的任何气体。
从另一个观点来看，其中从涡轮机燃烧器的排出气体中除去二氧化碳的设备将包括压缩空气和至少一部分排出气体以形成压缩混合气体的压缩机，其中在酸性气体去除单元中从压缩混合气体中除去二氧化碳。
因此，已经披露了具有二氧化碳回收的湿空气涡轮机循环的具体实施例和应用。然而，本领域的技术人员应该易于理解，除了已经描述的那些构造外的更多变型是可能的，而不偏离此处的发明理念。因此，本发明主题不排他地限于所附权利要求中。此外，在解释说明书和权利要求的过程中，所有术语应以与本文一致的最广泛可能的方式进行解释。具体而言，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应以不排他地方式被解释为指的是元件、部件或步骤，这表明参考元件、部件或步骤可以存在、或被使用、或与未明示参考的其它元件、部件或步骤相结合。
权利要求
1.一种设备，包括在存在湿气体流的情况下燃烧燃料的燃烧器，其中所述燃烧器产生排出物，所述排出物在膨胀器中膨胀以形成膨胀排出物；操作地连接到所述膨胀器上的压缩机，其中所述压缩机压缩空气和至少一部分所述膨胀排出物以形成压缩混合气体；从所述压缩混合气体中除去二氧化碳以形成消耗了二氧化碳的压缩混合气体的酸性气体去除单元；和使所述消耗了二氧化碳的压缩混合气体湿化以形成所述湿气体流的加湿器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中利用所述排出物作为加热源对所述湿气体流进行加热，且其中所述受热湿气体流被供给至所述燃烧器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述加湿器使用由所述压缩混合气体和所述排出气体中的至少一种加热的水。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述酸性气体去除单元包括吸收至少部分所述二氧化碳的溶剂。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述溶剂为化学溶剂。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述酸性气体去除单元包括薄膜单元。
7.根据权利要求1所述的设备，其中部分所述压缩混合气体被供给至所述燃烧器。
8.根据权利要求1所述的设备，进一步包括冷却所述膨胀排出物且由此冷凝来自所述膨胀排出物的水的冷却器。
9.一种设备，包括在存在湿气体流的情况下燃烧燃料的燃烧器，其中所述燃烧器产生排出物，所述排出物在膨胀器中膨胀以形成膨胀排出物；操作地连接到所述膨胀器上的压缩机，其中所述压缩机压缩空气和至少一部分所述膨胀排出物以形成压缩混合气体；从所述压缩混合气体的第一部分中除去二氧化碳的自动制冷单元；和使所述压缩混合气体的第二部分湿化以形成所述湿气体流的加湿器。
10.根据权利要求7所述的设备，其中利用所述排出物作为加热源对所述湿气体流进行加热，且其中所述受热湿空气被供给至所述燃烧器。
11.根据权利要求7所述的设备，其中所述加湿器使用由所述压缩混合气体和所述排出气体中的至少一种加热的水。
12.根据权利要求9所述的设备，进一步包括冷却所述膨胀排出物且由此冷凝来自所述膨胀排出物的水的冷却器。
13.一种设备，包括接收燃料和湿的消耗了二氧化碳的气体流的湿空气涡轮机燃烧器，其中至少部分所述湿的消耗了二氧化碳的气体流由所述湿空气涡轮机燃烧器的排出气体形成。
14.根据权利要求13所述的设备，其中利用薄膜单元从所述湿的消耗了二氧化碳的气体流中提取出二氧化碳。
15.根据权利要求13所述的设备，其中利用吸收至少部分所述二氧化碳的溶剂从所述湿的消耗了二氧化碳的气体流中提取出二氧化碳。
15.根据权利要求13所述的设备，进一步包括加湿器，其中所述加湿器中使用的水由所述压缩混合气体和所述排出气体中的至少一种加热。
17.一种设备，其中二氧化碳从涡轮机燃烧器的排出气体中被除去，包括压缩空气和至少一部分所述排出气体以形成压缩混合气体的压缩机，其中在酸性气体去除单元中从所述压缩混合气体中除去二氧化碳。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述酸性气体去除单元包括薄膜单元。
19.根据权利要求17所述的设备，其中所述酸性气体去除单元包括吸收至少部分所述二氧化碳的溶剂。
20.根据权利要求17所述的设备，进一步包括加湿器，其中所述加湿器中使用的水由所述压缩混合气体和所述排出气体中的至少一种加热。
全文摘要
二氧化碳(152)在压缩机(130)后被除去，所述压缩机压缩来自燃气轮机(120)的压缩空气(132)和再循环排出气体(118′)的混合物。所述消耗了二氧化碳的气体(136)被湿化(180、114)且被供给至所述燃烧器(110)。
文档编号F02C3/00GK1759233SQ03826176
公开日2006年4月12日 申请日期2003年3月18日 优先权日2003年3月18日
发明者A·劳 申请人:弗劳尔公司