[发明专利]用于增加燃气轮机排气中二氧化碳含量的方法及其系统

说明书

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(SO₂)的硫氧化物(SO_x)以及氮氧化物(NO_x)；臭氧前体，举例而言，例如NO₂和活性有机气体；颗粒物质；以及温室气体，特别是CO₂。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CO₂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CO₂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CO₂浓度导致相对于CO₂的量的较高的氧气浓度。排气气流中低CO₂浓度和相应增加的氧气浓度对NGCC设备中采用的CO₂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CO₂浓度低的排气气流中操作时CO₂俘获系统面临多种挑战。低CO₂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CO₂浓度降低了CO₂分离的热效率。

高氧气浓度将对恰是对氧化敏感的CO₂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CO₂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CO₂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。