用于发电设施的改进的二氧化碳捕集界面的制作方法

发明领域

本文所公开的发明涉及化石燃料发电设施，更特别地，使得该设施适于从燃烧废气中移除和捕集二氧化碳的系统。

现有技术论述

用于燃烧化石燃料以产生电能的各种商业系统和方法已应用许多年了。使用该系统的一个困难之处在于，它们排放出大量的二氧化碳—一种温室气体。据信温室气体如二氧化碳在大量释放至大气中时会导致有害后果。因此，化石燃料电厂已注重于具有更低温室气体排放的系统和方法。

一种更有效燃烧化石燃料且因此产生更低二氧化碳排放物的系统利用了称为增压流化床燃烧的技术。在该系统中，将燃料如煤炭引入增压容器中并燃烧，同时使空气料流强制通过该燃料。发现与一些其它系统和方法相比，这导致煤炭燃烧更完全且二氧化碳排放更低。

观察到一种从增压流化床燃烧的废气排放中移除和捕集二氧化碳的方法可进一步减少二氧化碳排放，条件是该方法能与流化床燃烧技术相容。一种从气体料流中移除和捕集二氧化碳的方法称为Benfield方法。在Benfield方法中，在碳酸钾的增压水溶液中吸收二氧化碳和其它气态组分。已发现当与增压流化床系统联用时，Benfield方法是有效的，条件是满足Benfield方法的操作条件。特别地，必须满足最高操作温度、二氧化硫和氮氧化物(nitrous oxide)的浓度。由于增压流化床燃烧方法废气中的温度、二氧化硫和氮氧化物相对于那些要求较高，因此需要在增压流化床燃烧方法和Benfield方法之间的界面。

美国专利8,752,384显示并描述了一种用于与增压流化床燃烧方法联用的Benfield方法中的界面。在该系统中，将来自增压流化床燃烧容器的废气提供至热回收蒸汽发生器中。所述热回收蒸汽发生器利用废气的一部分热能，从而将给水转化成蒸汽。然后使用所述蒸汽来驱动汽轮发电机，并使用汽轮发电机的电能来驱动电动机，所述电动机驱动空气压缩机。所述空气压缩机将供入增压流化床燃烧容器的空气加压。

通过移除颗粒物和二氧化硫而对离开热回收蒸汽发生器的废气进行调节，然后提供至Benfield处理装置以移除和捕集二氧化碳。在启动期间，经调节的废气(也称为烟道气)并不满足Benfield方法的温度要求，因此将烟道气转至绕开Benfield处理装置。

为了使得该系统更有效，借助第二设备—气体膨胀机来驱动将空气压入增压流化床燃烧容器的空气压缩机。所述气体膨胀机将烟道气中的能量转化成与空气压缩机偶联的轴中的机械功。

该系统的一个困难之处在于，烟道气在气体膨胀机中的膨胀导致烟道气温度降低。在一些情况下，这可导致在气体膨胀机中结冰或者可导致烟道气在空气排放烟囱中形成酸性冷凝物。该困难无法通过使烟道气保持通常较高温度而避免，因为该较高的烟道气温度与用于移除二氧化碳的Benfield方法不相容。

因此，现有技术需要一种发电系统，其中使用Benfield技术从废气中移除二氧化碳的增压流化床燃烧装置还保持烟道气中的足够高的温度，从而避免与气体膨胀机和空气排放烟囱中的低温条件有关的困难。

发明简述

根据本文所公开的发明，一种发电设施可包括增压流化床燃烧装置，其具有使得该设施与用于从燃烧气体中移除二氧化碳的装置相容的界面。所述界面可包括热回收蒸汽发生器，其响应于给水且结合增压流化床燃烧装置的废气而产生蒸汽。汽轮发电机可响应于由热回收蒸汽发生器提供的蒸汽而产生电能。为增压流化床燃烧装置提供增压空气的空气压缩机可具有第一驱动器如变速电动机，其与汽轮发电机电连接且与空气压缩机机械偶联。在瞬时启动条件下，驱动空气压缩机以将增压空气送入流化床燃烧装置的变速电动机的电力可由公用工程电力或本文所公开的发电循环外部的其它源提供。空气压缩机也可具有可为气体膨胀机的第二驱动器，其接收烟道气且与空气压缩机机械偶联。在一个实施方案中，第一换热器接收来自热回收蒸汽发生器的烟道气，第二换热器将烟道气排至气体膨胀机。在从第一气体膨胀机流至第二气体膨胀机的烟道气的通路中可包括用于移除和捕集二氧化碳的设备。第一换热器和第二换热器还可各自具有相应的输入口和输出口，其中第一换热器的输入口与第二换热器的输出口相连且第一换热器的输出口与第二换热器的输出口连接，从而建立通过第一和第二换热器的输入口和输出口的封闭流路。经由该封闭流路的热流体循环可将通过第一换热器的烟道气的热量传输至通过第二换热器的烟道气，从而将热量从第一换热器传输至第二换热器。这可导致从第二换热器流出的烟道气的温度高于从第一换热器流出的烟道气的温度。从第二换热器流至气体膨胀机的烟道气的温度足够高，从而避免气体膨胀机中的结冰条件以及避免在空气排放烟囱中形成酸性冷凝物。

优选地，在到达二氧化碳处理装置之前，对从所述第一换热器流至所述第二换热器的烟道气进行调节。该调节可包括移除颗粒物、移除二氧化硫和移除氮氧化物。以此方式移除颗粒物、二氧化硫和氮氧化物可改进二氧化碳移除和捕集装置的操作条件。在第一和第二换热器之间的烟道气的较低烟道气温度移除颗粒物还允许使用金属基体过滤器，其成本低于设计用来在较高温度使用的过滤器。

还优选地，本文所公开的发明可包括具有用于包括增压流化床燃烧装置的发电设施的界面的实施方案，和其中所述设施适于从增压流化床燃烧装置的废气中移除二氧化碳的装置。所述界面可包括热回收蒸汽发生器，当将给水提供至进水口且结合来自提供的增压流化床燃烧装置的废气时，所述热回收蒸汽发生器在蒸汽输出口处产生蒸汽且在废气输出口处产生烟道气。汽轮发电机与热回收蒸汽发生器的蒸汽输出口相连，从而使得汽轮发电机产生电力。与增压流化床燃烧装置的空气进料相连的空气压缩机具有电动机，所述电动机与汽轮发电机电连接且与空气压缩机机械偶联。空气压缩机也可具有作为气体膨胀机的第二驱动器，其可响应于烟道气且可与空气压缩机选择性机械偶联。与气体膨胀机的气体输入口连通的换热器可具有与热回收蒸汽发生器的蒸汽输出口连通的热流体输入口，从而使得换热器能提高流入气体膨胀机中的烟道气的温度。

还优选地，在所公开的界面中，所述热回收蒸汽发生器的烟道气输出与用于从废气中移除二氧化碳的装置的上游侧连通，且换热器的烟道气输入口与用于从废气中移除二氧化碳的装置的下游侧连通。可以建立热回收蒸汽发生器，从而使来自热回收蒸汽发生器的烟道气的温度与用于从烟道气中移除二氧化碳的装置所需的烟道气操作温度相容。

对本领域技术人员而言，本文所公开发明的其它实施方案、特征和优点将随着若干其本文优选实施方案的下文描述而变得显而易见。

附图简介

附图显示了本文所公开发明的若干本文优选实施方案，其中：

图1是发电设施的示意图，其包括用于移除二氧化碳的装置的改进的界面。所述界面具有在第一和第二换热器之间进行的热流体的闭合回路循环，从而将热量从二氧化碳移除装置的上游位置传输至二氧化碳移除装置的下游位置；和

图2为发电设施的示意图，其包括用于移除二氧化碳的装置的另一改进界面。所述界面具有热回收蒸汽发生器，其将来自增压流化床燃烧装置的烟道气的温度降至与二氧化碳移除装置相容的温度。所述热回收蒸汽发生器还为提高流至气体膨胀机的烟道气的温度的换热器提供蒸汽。

本文所优选的实施方案的描述

所公开发明的本文所优选的实施方案的一个示意图示于图1中，其中用于产生电力的设施10包括增压流化床燃烧装置12(本文称为“PFBCU 12”)。PFBCU 12包括增压空气容器和通过燃烧碳燃料床如煤床而加热的蒸汽锅炉。可借助一个或多个旋风分离器12a对来自燃烧容器的废气进行处理以移除颗粒物，然后经由管线13排出。为了促进PFBCU 12中的煤床更完全地燃烧，经由空气进料14向PFBCU12供应增压空气。来自PFBCU 12中锅炉的蒸汽经由管线15提供至汽轮发电机32，从而产生电力。在替代的实施方案中，来自PFBCU锅炉的蒸汽可用于直接加热的目的或者用作能源。

图1示意了适于发电设施10的界面，从而使发电设施10与用于从PFBCU 12的排出管线13排出的气体中移除和捕集二氧化碳的装置18(本文称为“CO₂捕集装置18”)相容。所述界面包括热回收蒸汽发生器20(本文称为“HRSG 20”)，其具有用于接收给水的进水口22和接收来自PFBCU 12的排出管线13的废气的废气输入口24。HRSG20还包括与进水口22连通的蒸汽输出口26、与废气输入口24连通的废气输出口28，和传热构件30。传热构件30位于HRSG 20的内部且介于废气输入口24和废气输出口28之间的通路与进水口22和蒸汽输出口26之间的通路之间。传热构件30将从废气输入口24经由HRSG 20流至废气输出口28的废气与从进水口22流至蒸汽输出口26的水和蒸汽物理隔离。同时，传热构件30将来自在废气输入口24和废气输出口28之间流动的废气的热量传导至从进水口22流至蒸汽输出口26的水。当HRSG 20中的水在蒸气压下在进水口22和蒸汽输出口26之间的通路中具有所吸收的足够热量时，水转化成蒸汽，该蒸汽在HRSG 20的蒸汽输出口26处产生。以此方式，HRSG20接收来自PFBCU 12的废气和在进水口22处接收给水，且在废气输出口28处提供废气和在蒸汽输出口26处提供蒸汽。在一个实施方案中，废气输出口28处的废气温度在145-255psi的压力可为650-350°F。

所述界面进一步包括汽轮发电机32，其具有与HRSG 20的蒸汽输出口26连通的蒸汽输入口34。汽轮发电机32响应于从HRSG 20的蒸汽输出口26流至蒸汽输入口34的蒸汽流且结合从PFBCU 12至汽轮发电机32的蒸汽而产生电力。

空气压缩机36具有与PFBCU 12的空气进料14连接的输出口38。空气压缩机36以合适的压力向PFBCU 12提供空气流，从而使燃料床流化并提高燃料的燃烧效率。空气压缩机36具有第一驱动器，其为变频电动机40。变频电动机40与汽轮发电机32的电力输出电连接。变频电动机40的轴与空气压缩机36的轴机械偶联，从而使得变频电动机40响应于汽轮发电机32的电力而驱动空气压缩机36。

空气压缩机36还具有第二驱动器，其为气体膨胀机42，其包括气体输入口44。气体膨胀机42响应于流入气体输入口44的增压气体流。离合器45连接在气体膨胀机42与空气压缩机36的轴之间。离合器45为空气压缩机的轴增加了额外的扭矩，并通过将气体膨胀机42经由离合器45选择性机械偶联至空气压缩机36而驱动空气压缩机达到全负荷。

图1的界面进一步包括两个以闭合回路关系连接在一起的换热器。更具体地，热提取换热器46包括烟道气输入口48和烟道气输出口50，烟道气输出口50经由热提取换热器46内部的通路与烟道气输入口48连通。热提取换热器46还包括热流体输入口52和热流体输出口54，热流体输出口54经由热提取换热器46内部的通路与热流体输入口52连通。经由热提取换热器46在烟道气输入口48和烟道气输出口50之间的通路与经由热提取换热器46在热流体输入口52和热流体输出口54之间的通路隔离。将两个通路隔开的热提取换热器46的内部结构是导热性的，从而使得来自流经第一通路的烟道气的热量传输至流经第二通路的热流体。其结果是烟道气输出口50处的烟道气温度低于输入口48处的烟道气温度，且热流体输出口54处的热流体温度高于热流体输入口52处的热流体温度。例如，在一个实施方案中，烟道气48在145-255psi可为900-650°F。

第二换热器与热提取换热器46以闭合回路关系连接。更具体地，热增加换热器56包括烟道气输入口58和烟道气输出口60，烟道气输出口60经由热增加换热器56内部的通路与烟道气输入口58连通。热增加换热器56还包括热流体输入口62和热流体输出口64，热流体输出口64经由热增加换热器56内部的通路与热流体输入口62连通。经由热增加换热器56在烟道气输入口58和烟道气输出口60之间的通路与经由热提取换热器56在热流体输入口62和热流体输出口64之间的通路隔离。将两个通路隔开的热增加换热器56的内部结构是导热性的，从而使得来自流经第二通路的热流体的热量传输至流经第一通路的烟道气。其结果是烟道气输出口60处的烟道气温度高于烟道气输入口58处的烟道气温度，且热流体输出口64处的热流体温度低于热流体输入口62处的热流体温度。

就烟道气的流动方向而言，热提取换热器46位于HRSG 20的下游，其中热提取换热器46的烟道气输入口48与HRSG 20的废气输出口28连通。同样，热增加换热器56位于热提取换热器46的下游，其中热提取换热器46的烟道气输出口50与热增加换热器56的烟道气输入口58连通。

通过热提取换热器46的热流体与通过热增加换热器56的热流体闭合回路连接。更具体地，热提取换热器46的热流体输入口52经由管线63a与热增加换热器56的热流体输出口64连通，且热提取换热器46的热流体输出口54经由管线63b与热增加换热器56的热流体输入口62连通。热流体借助泵63c循环通过热提取换热器46和热增加换热器56的闭合回路，从而将来自流经热提取换热器46的烟道气的热量传输至流经热增加换热器56的烟道气。该传热导致从热增加换热器56的烟道气输出口60流至气体膨胀机42的气体输入口44的烟道气的温度高于从热提取换热器46的烟道气输出口50流出的烟道气的温度。例如，在一个实施方案中，热增加换热器56的烟道气输入口58处的烟道气温度在120-230psi可为230-212°F，而热增加换热器56的烟道气输出口60处的烟道气温度在115-225psi可为900-650°F。

在换热器46和56之间的闭合回路中循环的热流体必须为在高温是稳定的类型(即，不在液态和气态之间转变)。Syltherm^TM是该热流体的一个实例。

从热增加换热器56流至气体膨胀机42的烟道气的温度的提高大大改进了气体膨胀机42的效率。此外，这避免了气体膨胀机42中的结冰条件和排放烟囱中的酸冷凝条件。一般而言，优选烟囱中的温度高于250°F以避免酸冷凝。

还如图1所公开的界面所示，热提取换热器46的烟道气输出口50和热增加换热器56的烟道气输入口58经由若干连接状态而选择性连通。在第一状态下，它们分别与CO₂捕集装置18的输入101和气体输出103连通。在第二状态下，它们与绕开CO₂捕集装置18的旁通管线68的相对端连通。第二状态可用于使得在CO₂捕集装置18处于维修期间或者在建立合适的操作温度和系统效率之前的启动期间，发电设施能持续运行。当热提取换热器46的烟道气输出口50和热增加换热器56的烟道气输入58以第二状态连接至旁通管线68的相对端时，热提取换热器46和热增加换热器56之间的传热是不必要的。在此期间，热流体在热提取换热器46和热增加换热器56之间经由管线63a和63b的循环通过例如位于热流体输出口54与热流体输入口62之间的管线63b中的阀70和位于热流体输入口52与热流体输出口64之间的管线63a中的阀72阻塞。通过关闭阀70和72，防止了热流体经由所述闭合回路的流动，从而使得流经热提取换热器46的气体的热量不传输至流经热增加换热器56的烟道气。以此方式，所述界面以第一状态与CO₂捕集装置18连接时的气体膨胀机42处的烟道气的温度条件基本上与所述界面以第二状态与旁通管线68连接且烟道气绕开CO₂捕集装置18时的气体膨胀机42处的温度条件相同。

图1还以虚线显示了一个替代的实施方案，其中气体膨胀机42处的烟道气的温度条件基本上保持恒定，其独立于所述界面是以第一状态与流经CO₂捕集装置18的烟道气连接还是以第二状态与流经旁通管线68而不流经CO₂捕集装置18的烟道气连接。在该替代的实施方案中，当烟道气不流经CO₂捕集装置18时，来自HRSG 20的烟道气经由管线78而绕开热提取换热器46，且经由管线79而绕开热增加换热器56。以此方式，当CO₂捕集装置18以第一状态与所述界面能动地连接时和当CO₂捕集装置18以第二状态连接且被绕开时，所述界面使得气体膨胀机42处的烟道气温度条件保持基本上一致。

图1进一步显示了金属介质过滤器80，其与热提取换热器46的烟道气输出口50连通。热提取换热器46将烟道气温度通常由烟道气输入口48处于145-255psi的约900-650°F降至金属介质过滤器80下游侧于140-250psi的约900-350°F。输出口50处的较低烟道气温度有助于在烟道气通路中使用金属介质过滤器，从而可从烟道气料流中移除颗粒物，这使得烟道气的下游处理要清洁得多。金属介质过滤器是有利的，因为与用于在较高烟道气温度移除颗粒物的过滤器如织物过滤器相比，其具有较低的成本。热提取换热器46的烟道气输出口50处的较低烟道气温度的另一优点包括设计用于较低温度的较低成本的膨胀机42。借助金属介质过滤器80移除颗粒物还降低了由颗粒物冲击所导致的气体膨胀机42中的转子叶片的腐蚀。

CO₂捕集装置18要求颗粒物、二氧化硫和氮氧化物的最大容许限度。图1还显示了二氧化硫移除装置82，其与金属介质过滤器80的输出连通和位于金属介质过滤器的下游。二氧化硫移除装置82可例如通过使用湿式洗涤器、干或喷雾干燥吸收技术如本领域技术人员所已知的那些以注入SO₂捕集试剂来运行。二氧化硫移除装置82下游侧的烟道气温度在130-240psi可为350-212°F。

此外，所公开的系统可包括氮氧化物处理装置84如选择性催化还原装置。在优选的实施方案中，这可位于PFBCU 12排出管线13下游的烟道气料流中。借助金属介质过滤器80、二氧化硫移除装置82和氮氧化物处理装置84的烟道气处理调节了烟道气，从而满足借助CO₂捕集装置18进行处理的优选操作条件。

此外，图1显示可使用多个换热器如换热器85a、85b、85c和85d来控制所公开系统各个位置处的烟道气温度，以用于预热PFBCU 12和HRSG 20的给水的目的。以此方式预热给水提高了发电设施10的效率。在图1实施方案的实例中，换热器85a和85b具有相应的对烟道气流开放的气体侧和将热量传输至换热器85c和85d的液体侧。换热器85c和85d具有相应的水侧，其具有输入和输出口，从而使得换热器85c预热PFBCU 12的给水，且换热器85d预热HRSG 20的给水。

图2为发电设施的示意图，其具有本文所公开发明的界面的替代性实施方案。与图1所示和描述那些相同的图2所示系统的元件和特征以相同的附图标记表示。类似于图1的系统，在图2的系统中，PFBCU 12从空气进料14接收空气并送入保持在PFBCU 12中的煤床中。适于使发电设施与CO₂捕集装置18相容从而处理来自PFBCU 12的废气的界面包括HRSG 20，其响应于提供给进水口22的给水且结合从PFBCU 12提供至废气输入口24的废气而在蒸汽输出口26处产生蒸汽，且在废气输出口28处产生烟道气。汽轮发电机32的蒸汽输入口34与HRSG 20的蒸汽输出口26连接，从而使得汽轮发电机32响应于提供至蒸汽输入口34的蒸汽而产生电力。

空气压缩机36具有第一驱动器，其中电动机40与汽轮发电机32的电力输出电连接，且与空气压缩机36机械偶联。空气压缩机36还具有作为第二驱动器的气体膨胀机42，其具有气体输入口44。气体膨胀机42响应于流入气体输入口44的烟道气流，且与空气压缩机36选择性机械偶联。

在图2的实施方案中，换热器86具有热流体输入口88、热流体排出口90、烟道气输入口92和烟道气输出口94。热流体输入口88经由换热器86内部的第一通路与热流体排出口90连通。烟道气输入口92经由换热器86内部的第二通路与烟道气输出口94连通。换热器86的烟道气输出口94还与气体膨胀机42的气体输入口44连通，且换热器86的热流体输入口88还与PFBCU 12的蒸汽或HRSG 20的蒸汽输出口26或二者连通。换热器86响应于流入热流体输入口88的蒸汽流且结合流入烟道气输入口92的烟道气流而在烟道气输出口94处提供加热的烟道气。气体膨胀机42的气体输入口44处的烟道气温度高于进入换热器86的烟道气输入口92的烟道气温度。

在图2所示的界面中，HRSG 20的烟道气输出口28和换热器86的烟道气输入口92与CO₂捕集装置18连通，其中烟道气输出口28位于CO₂捕集装置18的上游，烟道气输入口92位于CO₂捕集装置的下游。在图2的实施方案中，调节经由HRSG 20的传热构件30的传热，从而使得来自废气输出口28的烟道气的温度与用于CO₂捕集装置18以从烟道气中移除二氧化碳的烟道气的优选操作温度一致。

在图2的界面中，HRSG 20的废气输出口28和换热器86的烟道气输入口92选择性地以第一状态连接，从而使得它们与CO₂捕集装置18连通，或者替代地，使它们以第二状态与旁通管线68连通，同时避开CO₂捕集装置18。经由HRSG 20的传热构件30的传热使得当废气输出口28与换热器86的烟道气输出口94以第一状态连接(其中它们与CO₂捕集装置18连通)时，且还当废气输出口28与换热器86的烟道气输出94以第二状态连接(其中它们与旁通管线68连通)时，来自HRSG 20的废气输出口28的烟道气的温度与用于CO₂捕集装置18的烟道气的优选操作温度相容。

图2所示的界面还可包括二氧化硫移除装置82。二氧化硫移除装置82与HRSG 20的废气输出口28连通且位于其下游，且还与换热器86的烟道气输入口92连通且位于其上游。所述界面还可包括氮氧化物处理装置84，其与HRSG 20的废气输入口24连通且位于其上游，且还与PFBCU 12的废气连通且位于其下游。

此外，在图2的界面中，用于从烟道气中移除颗粒物的过滤器如金属介质过滤器80与HRSG 20的废气输出口28连通且位于其下游，且还与换热器86的烟道气输入口92连通且位于其上游。由于HRSG20将烟道气的温度降至与适于CO₂捕集装置18的处理温度相容的温度，因此可使用较低成本的金属介质过滤器。

图2的界面还可包括至少一个额外的换热器96，其具有蒸汽输入口98、热流体排出口100、给水输入口102和给水输出口104。给水输入口102与给水源106连接。换热器96的给水输出口104与换热器85c的进水口22连通且位于其上游，蒸汽输入口98与换热器86连通且位于其下游。以此方式，换热器96从换热器86排出的蒸汽中回收热量，并利用回收的热量来预热PFBCU 12的给水。

尽管线本文已显示和描述了本文所公开发明的若干优选实施方案，然而所公开的发明不限于此，且可以以各种方式体现在所附的权利要求的范围内。