專利名稱：二氧化碳分離的發(fā)電系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及發(fā)電和二氧化碳的有效回收。更具體地，本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)排氣壓縮/再循環(huán)和二氧化碳分離/回收的集成。
背景技術(shù)：
由于在燃燒過程中，碳轉(zhuǎn)化為CO2，燃燒含碳(如化石燃料)的發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生二氧化碳(CO2)作為副產(chǎn)物。由于廢氣的低CO2含量和低(環(huán)境)壓力，從發(fā)電系統(tǒng)，如從燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中除去和回收二氧化碳(CO2)通常是不經(jīng)濟(jì)的。因此不幸的是，包含CO2的廢氣通常會排放到大氣中，而不是隔離的排放到海洋、礦山、油井、地質(zhì)鹽田貯藏處等。需要提供一種方法來經(jīng)濟(jì)地回收從依賴于含碳燃料的發(fā)電系統(tǒng)(如燃?xì)廨啓C(jī))排出的CO2。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，發(fā)電系統(tǒng)包括第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一燃燒室，其被配置為燃燒基本上不含基于碳的燃料、主要為氫氣的第一燃料流。第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)還包括第一壓縮機(jī)，其被配置為將第一部分的壓縮氧化劑提供給第一燃燒室，和第一渦輪機(jī)，其被配置為接收來自第一燃燒室的第一排出物，并產(chǎn)生第一廢氣和電能。發(fā)電系統(tǒng)還包括第二燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第二燃燒室，其被配置為燃燒第二燃料流以產(chǎn)生第二排出物。第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的第一壓縮機(jī)被配置為將第二部分的壓縮氧化劑提供給第二燃燒室。第二燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)還包括第二渦輪機(jī)，其被配置為接收來自第二燃燒室的第二排出物，以產(chǎn)生第二廢氣和電能，和第二壓縮機(jī)，其被配置為接收包含二氧化碳的第二排出物。第二壓縮機(jī)也被配置為將循環(huán)流排放到第二燃燒室，并將分流排放到適于回收二氧化碳的分離器系統(tǒng)中。
另一方面，發(fā)電系統(tǒng)包括第一渦輪機(jī)系統(tǒng)，其被配置為燃燒基本上不含基于碳的燃料的富氫流，并排放基本上不含二氧化碳的廢氣。發(fā)電系統(tǒng)還包括第二渦輪機(jī)系統(tǒng)，其被配置為燃燒基于碳的燃料，并將富含二氧化碳的壓縮流排放到適于回收二氧化碳的二氧化碳分離器中。第一渦輪機(jī)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)被配置為向第二渦輪機(jī)系統(tǒng)供應(yīng)空氣。發(fā)電系統(tǒng)不會將大量的二氧化碳排放到大氣中。
另一方面，提供一種方法，包括在第一渦輪機(jī)系統(tǒng)中燃燒氫氣和第一部分的壓縮氧化劑，并排放來自第一渦輪機(jī)系統(tǒng)的基本上不含二氧化碳的第一廢氣。該方法包括將來自第一渦輪機(jī)系統(tǒng)的第二部分的壓縮空氣引入到第二渦輪機(jī)系統(tǒng)，并在第二渦輪機(jī)系統(tǒng)中燃燒基于碳的化合物，且產(chǎn)生包含二氧化碳的第二廢氣。該方法還包括在第二渦輪機(jī)系統(tǒng)中內(nèi)部循環(huán)第二渦輪機(jī)系統(tǒng)的第二廢氣，以在第二渦輪機(jī)系統(tǒng)中濃縮二氧化碳，并在二氧化碳分離器中從第二廢氣中回收二氧化碳。


參照附圖閱讀以下的詳細(xì)描述，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)，在所有附圖中，相同的特征代表同樣的部分，其中圖1是根據(jù)本方法的實(shí)施方案示例性的集成發(fā)電系統(tǒng)和二氧化碳分離系統(tǒng)的流程圖；圖2是根據(jù)本方法的實(shí)施方案另一示例性的與氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)集成的發(fā)電系統(tǒng)的流程圖；和圖3是根據(jù)本方法的實(shí)施方案集成發(fā)電和二氧化碳回收的示例性方法的框圖。
具體實(shí)施例方式
本方法提供了在發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)行的、分享共同的壓縮氧化劑供給的兩個或多個的示例性燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。結(jié)果，在一個或多個用于回收由一個或多個的渦輪機(jī)產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)的渦輪機(jī)系統(tǒng)中可省去壓縮能力。在一個實(shí)施例中，第一渦輪機(jī)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)向第一渦輪機(jī)系統(tǒng)的燃燒室和第二渦輪機(jī)系統(tǒng)的燃燒室供應(yīng)氧化劑(通過導(dǎo)管)，在第二渦輪機(jī)系統(tǒng)不含壓縮機(jī)。如下面所討論的，這種省去的壓縮能力可用于二氧化碳(CO2)及一個或多個燃?xì)廨啓C(jī)廢氣的其它組分的分離和回收?；厥盏腃O2可作為產(chǎn)品銷售或就地例如作為其它過程的原料消費(fèi)。而且，CO2的這種回收可減少發(fā)電系統(tǒng)排放到環(huán)境中的CO2量。另外，如下面所討論的，可使烴燃料的重整(例如通過蒸汽)與燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行集成，以進(jìn)一步減少排放到環(huán)境中的CO2量。
在特定構(gòu)型中，至少一個渦輪機(jī)系統(tǒng)(即第一渦輪機(jī)系統(tǒng))可燃燒氫氣，因而排放基本不含二氧化碳的廢氣。而且，氫氣原料可例如通過重整基于碳的燃料(如天然氣，丙烷等)而就地產(chǎn)生。另一渦輪機(jī)系統(tǒng)(即第二渦輪機(jī)系統(tǒng))可燃燒烴或基于碳的燃料，因而排放含有二氧化碳的廢氣。如指出的，第二渦輪機(jī)系統(tǒng)中不用的壓縮機(jī)可用來便于從第二渦輪機(jī)的廢氣中分離和回收CO2，并最終減少從第二渦輪機(jī)系統(tǒng)的排放。有利的是，總結(jié)果可能是，發(fā)電系統(tǒng)消耗如天然氣的基于碳的燃料而不向環(huán)境排放大量CO2。再有，回收的CO2也可提供經(jīng)濟(jì)效益，如銷售或就地消耗。
最后，雖然討論集中在兩個渦輪機(jī)系統(tǒng)，一個主要燃燒氫氣，另一個燃燒基于碳的燃料，但應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，本方法的兩個渦輪機(jī)系統(tǒng)都可燃燒基于碳的燃料。如果這樣，根據(jù)具體構(gòu)型，CO2排放仍會減少，即減少一半或更多。而且，本方法包括各種方法構(gòu)型，包括采用兩個以上的渦輪機(jī)系統(tǒng)，將具有來自一個燃燒烴的渦輪機(jī)系統(tǒng)的CO2的廢氣，進(jìn)料到另一個也燃燒烴的渦輪機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)中，等等。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1說明示例性的發(fā)電系統(tǒng)10，其具有配置為用于氫氣原料14的第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)12，和配置為用于烴原料18(如天然氣、丙烷等)的第二燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)16。在所述實(shí)施例中，通過氧化劑導(dǎo)管20從第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)12向第二燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)16供給氧化劑。
在該實(shí)施例中，第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)12包括第一燃燒室22，配置為燃燒第一燃料流(基本上不含基于碳的燃料、主要為氫氣的氫氣原料14)，第一壓縮機(jī)24，配置為將第一部分的壓縮氧化劑26提供給第一燃燒室22，和第一渦輪機(jī)28，配置為接收來自第一燃燒室22的第一排出物30，并產(chǎn)生第一廢氣32和電能。示例性的發(fā)電系統(tǒng)10也可包括第二燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)16，其具有第二燃燒室36，配置為燃燒第二燃料流(烴原料18)，其中第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)12的第一壓縮機(jī)22配置為將氧化劑20供給(第二部分的壓縮氧化劑36)第二燃燒室34。第二燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)16還可包括第二渦輪機(jī)38，配置為接收來自第二燃燒室34的第二排放物40，并產(chǎn)生第二廢氣42和電能，和第二壓縮機(jī)44，配置為接收包含二氧化碳的第二排放物40，并將循環(huán)流46排放到第二燃燒室34中，和將分流48排放到適于從分流48中回收二氧化碳的分離系統(tǒng)50中。
在所述實(shí)施方案中，第一渦輪機(jī)系統(tǒng)12通常包括壓縮機(jī)24、渦輪機(jī)28、轉(zhuǎn)軸52，通過轉(zhuǎn)軸52，渦輪機(jī)28驅(qū)動壓縮機(jī)24。第一渦輪機(jī)系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)454和第一熱回收蒸汽發(fā)生器(下文稱HRSG)56。類似地，第二渦輪機(jī)系統(tǒng)16通常包括壓縮機(jī)44、渦輪機(jī)38、轉(zhuǎn)軸42，通過轉(zhuǎn)軸58，渦輪機(jī)38驅(qū)動壓縮機(jī)44。第二渦輪機(jī)系統(tǒng)16還包括發(fā)電機(jī)60和第二熱回收蒸汽發(fā)生器(下文稱HRSG)62。
在運(yùn)行中，示例性的壓縮機(jī)24和44為多級壓縮機(jī)，其包括成排的固定輪葉和轉(zhuǎn)動葉片。壓縮機(jī)24引入空氣264，并產(chǎn)生壓縮空氣流20。壓縮空氣流20被分成兩個流。第一部分的壓縮空氣26被引入第一燃燒室22。第一燃燒室22配置為接收第一燃料流14和第一部分的壓縮氧化劑26。第一燃料流14和氧化劑流26可預(yù)混合并注入第一燃燒室22中。在一些實(shí)施方案中，第一燃料14和第一部分的壓縮氧化劑26可分別注入第一燃燒室22中。在此處描述的發(fā)電系統(tǒng)的各種實(shí)施方案中，氧化劑為環(huán)境空氣?？梢岳斫獾氖?，來自壓縮機(jī)24的壓縮氧化劑20可包括其它任何合適的含氧氣體，例如，富氧空氣、貧氧空氣和/或純氧。第一燃燒室22中的燃燒過程產(chǎn)生第一排放流30。
如說明的，來自第一燃燒室22的第一排放流30可被引入到第一燃?xì)廨啓C(jī)28中。如指出的，發(fā)電系統(tǒng)10包括與第一燃?xì)廨啓C(jī)28相連的發(fā)電機(jī)54。進(jìn)料到第一燃?xì)廨啓C(jī)28中的熱的第一排放流30的熱力膨脹產(chǎn)生動力以驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)28，其反過來通過發(fā)電機(jī)54產(chǎn)生電。在該實(shí)施方案中，來自發(fā)電機(jī)54的電能可被轉(zhuǎn)化成適當(dāng)?shù)男问?，并被提供給分配動力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格(未示出)。來自第一燃?xì)廨啓C(jī)28的膨脹的第一廢氣32可被進(jìn)料到第一HRSG 56中，用以回收膨脹的第一廢氣流32的熱含量。水流64可被進(jìn)料到第一HRSG 56中，其反過來可至少部分利用從來自第一燃?xì)廨啓C(jī)28的熱膨脹的第一廢氣流32中回收的熱量，產(chǎn)生第一部分的蒸汽66。來自第一HRSG 56的冷卻的第一廢氣68可排入大氣。
引入到第一燃燒室22的第一燃料流14通?；旧喜话ㄈ魏翁己浚砂ㄏ鄬Ω邼舛鹊臍錃?。這種性質(zhì)的燃料來源包括但不限于管路供應(yīng)、卡車供應(yīng)、管道拖車供應(yīng)、容器(即球形存儲器)、能夠存儲氣態(tài)或液態(tài)氫氣的氫氣存儲器，等等?？蛇x擇的氫氣可通過烴的重整(如通過蒸汽)或其它方法就地產(chǎn)生，并用作如圖2的示例性系統(tǒng)中所述的第一渦輪機(jī)系統(tǒng)12的第一燃料流14。
如圖1所描述的，來自第一壓縮機(jī)24的第二部分的壓縮氧化劑36被引入第二渦輪機(jī)系統(tǒng)16的第二燃燒室34中。第二燃料流18也可被引入到第二燃燒室34中以產(chǎn)生第二排放流40。第二排放流40通常在第二渦輪機(jī)38中膨脹，以產(chǎn)生第二廢氣流42，該廢氣流42可被引入到第二HRSG 62中。在該實(shí)施方案中，第二HRSG 62通常是封閉的環(huán)路HRSG，其中通常沒有流排入大氣。第二廢氣流42的熱含量可以通過水流70回收，以產(chǎn)生第二部分的蒸汽72。第一HRSG 56中產(chǎn)生的第一部分的蒸汽66和第二HRSG 62中產(chǎn)生的第二部分的蒸汽72可用于汽輪機(jī)74中，以通過例如發(fā)電機(jī)76產(chǎn)生電能。
第二燃料流18可包括任何合適的烴氣體或液體，例如天然氣、甲烷、石腦油、丁烷、丙烷、合成氣、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化的烴原料及其混合物，等等。在一個實(shí)施方案中，燃料主要為天然氣(NG)，因此，來自第二燃燒室34的第二排放流40可能包括水、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮?dú)?N2)、未燃燒燃料以及其它化合物。
來自第二HRSG 62的冷卻的第二廢氣流78通常被引入到水分分離器80中，以分離在第二燃燒室34中的燃燒過程中形成的水。水分分離器80的出口流82通常包括至少CO2、CO、N2和未燃燒烴。出口流82通常在第二壓縮機(jī)44中壓縮以產(chǎn)生壓縮流84。在運(yùn)行中，在開始工作后的運(yùn)行的初始階段中，壓縮流84中CO2的濃度不是大量的，因此全部的流可作為循環(huán)流46循環(huán)返回到第二燃燒室34。這種循環(huán)操作通常會增加壓縮流84中的CO2濃度。當(dāng)壓縮流84中的CO2濃度達(dá)到期望的水平時，分流或分流48可被引入到下游CO2分離器單元50中?？墒褂每刂崎y結(jié)構(gòu)(未示出)以便于將分流48轉(zhuǎn)移和引入到CO2分離器中。例如，控制閥可被置于運(yùn)載分流的導(dǎo)管上，并且控制閥的運(yùn)行依賴于測量壓縮流84中CO2濃度的在線儀器或傳感器。最后，下游CO2分離器單元50可產(chǎn)生具有相當(dāng)高濃度CO2的出口流86，和主要含有CO、未燃燒燃料和N2的CO2貧流88。
在如圖1所描述的該示例性實(shí)施方案中，大量二氧化碳分離得以完成。由于第一燃燒室22中燃燒的燃料基本上為純氫，因而在第一燃燒室22中的燃燒過程中通常不會形成二氧化碳。因此從第一燃燒室22產(chǎn)生的第一廢氣32不含二氧化碳，并且排放到大氣中的冷卻的第一廢氣流68不會釋放任何二氧化碳。第二燃燒室34產(chǎn)生的二氧化碳可被分離為濃縮的二氧化碳流86，根據(jù)二氧化碳的需求其被封裝或在商業(yè)市場上出售。
圖2說明了具有氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)102的示例性發(fā)電系統(tǒng)100。在此實(shí)施例中，氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)102可包括蒸汽重整區(qū)104。燃料106如天然氣和蒸汽108通常被引入到重整區(qū)104中以生產(chǎn)重整油110。
通常，用蒸汽重整烴燃料如天然氣會產(chǎn)生氫氣。這個過程通常是能量增加的(即蒸汽重整反應(yīng)是吸熱的)，并且在整個重整過程中會吸收大量熱量。在天然氣的例子中，主要組分是甲烷(CH4)，其與蒸汽以兩步反應(yīng)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。通過重整過程，天然氣可按照下列反應(yīng)(1)和(2)被轉(zhuǎn)化成氫氣(1)(2)至少一部分進(jìn)來的燃料106在重整區(qū)104中通過重整過程被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氫氣。重整反應(yīng)(1)通常在適宜的蒸汽重整催化劑如鎳存在下進(jìn)行。重整反應(yīng)(1)通常是高度吸熱的，反應(yīng)熱大約為88630BTU/摩爾。其它烴燃料的重整反應(yīng)是類似吸熱的。一氧化碳和水在重整區(qū)104中可進(jìn)一步反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳。這可通過已知為水氣變換反應(yīng)的放熱反應(yīng)(2)來完成。重整油流110通常包括至少一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氫氣(H2)、未利用的燃料和水。氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)102可包括換熱器112和氫氣分離器120。利用換熱器112可將重整油流110冷卻到約200℃-約400℃的溫度，以產(chǎn)生冷卻的重整油流118。其它示例性的溫度范圍包括約225℃-約375℃和約250℃-約350℃。冷卻的重整油流118可被引入到分離單元120中，該分離單元120從冷卻的重整油流118中分離氫氣，并產(chǎn)生富氫蒸汽124和除氣流122。
進(jìn)口燃料流106可包含任何合適的氣體或液體，例如天然氣、甲烷、石腦油、丁烷、丙烷、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化的烴原料及其混合物。通常，在一些實(shí)施方案中，燃料為天然氣(NG)。
在所描述的實(shí)施方案中，換熱器112配置為從重整油流110提取熱量并利用該熱量從水114產(chǎn)生蒸汽116。來自氫氣分離器120的除氣122可包括水、CO、CO2、未燃燒燃料和氫氣。在某些實(shí)施方案中，除氣流122可通過流126與補(bǔ)充的燃料和氧化劑例如空氣混合，并被引入到燃燒爐108中以產(chǎn)生熱量用于重整區(qū)104中的吸熱重整反應(yīng)。雖然在圖2所示的示例性實(shí)施方案中說明了蒸汽甲烷重整為產(chǎn)生氫氣的方法，但也可使用任何其它過程，包括但不限于自熱重整、部分氧化、催化部分氧化。
從其它氣體中分離氫氣以產(chǎn)生基本上純氫氣的富氫流124的技術(shù)可包括變壓吸附(PSA)、反滲透、分子篩、膜分離和其它分離技術(shù)。尤其是使用膜，各種各樣的聚合物可用于氫氣選擇性膜，其例如在相對低的溫度下操作。
在一些實(shí)施方案中，氫氣分離器120可使用深冷分離技術(shù)。當(dāng)回收多種分餾物和多種產(chǎn)品重要時，可使用深冷分離。在一個實(shí)施方案中，冷卻的重整油118被壓縮到約900pisa，然后用使CO2液化的冷凝器冷卻到室溫。從該過程中氫氣可以氣體回收，而CO2通常以液體從冷凝器底部除去。
在圖2所描述的實(shí)施方案中，燃燒爐108配置為產(chǎn)生含有至少水、CO2、CO和氮?dú)獾膹U氣流128。在此實(shí)施方案中，廢氣流128被引入到第二HRSG 62中以回收熱含量，并與膨脹的第二廢氣流42混合，在第二渦輪機(jī)系統(tǒng)16中循環(huán)，以分離廢氣流128中的CO2含量。
如圖2的實(shí)施方案所示，二氧化碳分離器單元850具有換熱器130和CO2分離器134。二氧化碳分離器134可使用本領(lǐng)域已知的各種技術(shù)，包括但不限于變壓吸附、化學(xué)吸收和膜分離等等。為了從分流48中分離CO2，分流48被引入到換熱器130中，以降低溫度和產(chǎn)生冷卻的分流132。冷卻的分流132被引入到CO2分離器134中，以生成CO2富流136和CO2貧流138。CO2貧流138還包括CO、N2和未反應(yīng)的燃料。CO2貧流138被引入到換熱器130中以回收分流48中的熱含量，并產(chǎn)生加熱的CO2貧流140。在一個實(shí)施方案中，加熱的CO2貧流140被引入到第一燃燒室14中，以利用加熱的CO2貧流140中未反應(yīng)的燃料。
變壓吸附(PSA)可用來從氣體混合物中分離二氧化碳。在PSA技術(shù)中，在高的分壓下，固體分子篩可比吸附其它氣體更強(qiáng)地吸附二氧化碳。結(jié)果，在高壓下，當(dāng)該混合物經(jīng)過吸附床時，從氣體混合物中除去二氧化碳。床的再生通過減壓和沖洗完成。通常對于臨界操作，使用許多吸附容器來連續(xù)分離二氧化碳，其中使用一個吸附床，同時再生其它的吸附床。
另一種從氣體流中分離二氧化碳的技術(shù)是化學(xué)吸收，使用氧化物如氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO)或其組合。在一個實(shí)施方案中，在高壓和高溫下，CO2被CaO吸收形成碳酸鈣(CaCO3)，由此從氣體混合物中除去CO2。吸收劑CaO通過煅燒CaCO3再生，其可使CaCO3重新形成CaO。
膜分離技術(shù)也可用于氣體流中分離二氧化碳。膜方法通常比吸收方法具有更高的能效并更易于操作。用于高溫二氧化碳分離的膜包括沸石和陶瓷膜，它們對CO2具有選擇性。然而，膜技術(shù)的分離效率低，通過膜分離不能獲得二氧化碳的完全分離。通常膜分離器在較高壓力下更有效地運(yùn)行，通過第二壓縮機(jī)44中的壓縮來獲得高壓，便于使用膜分離器從來自第二壓縮機(jī)44的分流48中分離二氧化碳。從分流48中分離CO2可獲得的較高壓力也減小了CO2分離器134的尺寸，由此加強(qiáng)了CO2分離過程的可行性和經(jīng)濟(jì)性。
另一種用于從分流80中分離CO2的技術(shù)可包括，但不限于，使用胺化學(xué)吸收CO2。分流48可被冷卻到一個合適的溫度，以利用使用胺化學(xué)吸收二氧化碳。該技術(shù)基于烷醇胺溶劑，其能夠在相對低的溫度下吸收二氧化碳，且容易通過升高富溶劑的溫度而再生。在富溶劑的再生后獲得二氧化碳富流136。該技術(shù)中所用的溶劑可包括三乙醇胺、一乙醇胺、二乙醇胺、二異丙胺、二甘醇胺和甲基二乙醇胺。另一種分離CO2的技術(shù)可為物理吸收。值得注意的是，上述所有的CO2分離技術(shù)或者它們的組合都可用來有利地分離CO2。
如圖1-2所描述的示例性發(fā)電系統(tǒng)有幾個優(yōu)點(diǎn)。示例性系統(tǒng)便于與CO2分離一起清潔地發(fā)電。從系統(tǒng)釋放到環(huán)境中的唯一廢氣流為來自第一HRSG 56的冷卻的第一廢氣流68，該冷卻的第一廢氣流68基本不含CO2。因此通過該發(fā)電系統(tǒng)獲得了更低的排放。在第一燃燒室122的燃燒過程中或在氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)102中產(chǎn)生的CO2用CO2分離器進(jìn)行分離，并且根據(jù)二氧化碳的需求，分離的CO2可適當(dāng)?shù)胤庋b用于油的回收或在商業(yè)市場上出售。
此處公開的發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)需要彈性地控制由重整器從重整油流產(chǎn)生氫氣和產(chǎn)生電能。在所公開的發(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生的氫氣可有幾種利用方式。產(chǎn)生的氫氣可被循環(huán)到燃燒器作為燃料使用，以獲得二氧化碳向大氣的零排放。產(chǎn)生的氫氣可以氣態(tài)形式或液體形式存儲和運(yùn)輸，如通過液化廠。產(chǎn)生的氫氣也可在燃料電池中用作燃料以產(chǎn)生另外的動力。
圖3說明發(fā)電和二氧化碳分離集成的示例性方法150。該方法包括將第一燃料和空氣送入第一渦輪機(jī)系統(tǒng)，并產(chǎn)生壓縮空氣、第一廢氣和電能，如步驟152所示。該方法還包括將一部分壓縮空氣和第二燃料送入到第二渦輪機(jī)系統(tǒng)，以產(chǎn)生第二廢氣和電能，如步驟154所示。第二廢氣在第二渦輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，直到第二廢氣流中CO2的濃度增大，如步驟156所示。一旦第二廢氣流中的濃度達(dá)到特定水平，就從第二壓縮機(jī)的出口取出分流(或支流)，如步驟158所示。在如160所示的下一步驟中，在CO2分離器中處理分流，以產(chǎn)生富含CO2的出口流。該方法還可包括使用如前面部分所述的重整方法，產(chǎn)生富氫燃料用于第一渦輪機(jī)系統(tǒng)。
雖然此處僅說明和描述了本發(fā)明的一些特征，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可做出許多改進(jìn)和變化。因此，可以理解，附加的權(quán)利要求意圖覆蓋落入本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神內(nèi)的所有這種改進(jìn)和變化。
部件表10發(fā)電系統(tǒng)12第一渦輪機(jī)系統(tǒng)14第一燃料16第二渦輪機(jī)系統(tǒng)18第二燃料20壓縮氧化劑22第一燃燒室24第一壓縮機(jī)26第一部分的壓縮氧化劑28第一渦輪機(jī)30第一排出物32第一廢氣34第二燃燒室36第二部分的壓縮氧化劑38第二渦輪機(jī)40第二排出物42第二廢氣44第二壓縮機(jī)46循環(huán)流48分流50CO2分離單元52轉(zhuǎn)軸
54發(fā)電機(jī)56第一HRSG58轉(zhuǎn)軸60發(fā)電機(jī)62第二HRSG64水66第一部分的蒸汽68冷卻的第一廢氣70水72第二部分的蒸汽74汽輪機(jī)76發(fā)電機(jī)78冷卻的第二廢氣80水分分離器82水分分離器的出口物84來自第二壓縮機(jī)44的壓縮流86CO2富流88CO2貧流9092949698100發(fā)電系統(tǒng)102氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)104重整區(qū)106燃料108燃燒爐110重整油112換熱器
114水116蒸汽118冷卻的重整油120氫氣分離器122除氣124富氫流126補(bǔ)充燃料和空氣128燃燒爐的廢氣130換熱器132冷卻的分流134CO2分離器136CO2富流138CO2貧流140加熱的CO2貧流142144146148150發(fā)電方法152第一步154第二步156第三步158第四步160第五步
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(12)，包括第一燃燒室(22)，配置為燃燒主要為氫氣的第一燃料(14)流，該第一燃料流基本上不含基于碳的燃料、；第一壓縮機(jī)(24)，配置為將第一部分的壓縮氧化劑(26)提供給第一燃燒室(22)；和第一渦輪機(jī)(28)，配置為接收來自第一燃燒室(22)的第一排出物(30)，并產(chǎn)生第一廢氣(32)和電能；和第二燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(16)，包括第二燃燒室(34)，配置為燃燒第二燃料(18)流以產(chǎn)生第二排出物(40)，其中第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(12)的第一壓縮機(jī)(24)配置為將第二部分的壓縮氧化劑(36)供給第二燃燒室；和第二渦輪機(jī)(38)，配置為接收來自第二燃燒室(34)的第二排出物，以產(chǎn)生第二廢氣(42)和電能；和第二壓縮機(jī)(44)，配置為接收包含二氧化碳的第二排出物(42)，并將循環(huán)流(46)排放到第二燃燒室(34)，將分流(48)排放到適于回收二氧化碳的分離器系統(tǒng)(50)中。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中分離器系統(tǒng)(50)包含換熱器(130)，配置為從分流回收熱量，和二氧化碳分離器(134)，配置為產(chǎn)生二氧化碳富流和二氧化碳貧流。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中換熱器(130)包含一個配置的交叉換熱器，配置為從與來自二氧化碳分離器(134)的二氧化碳貧流熱交換的分流(48)回收熱量。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中二氧化碳分離器(134)包含膜單元。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括第一熱回收蒸氣發(fā)生器(56)，配置為回收來自第一廢氣(32)的熱量，并產(chǎn)生第一部分的蒸汽(66)；和第二熱回收蒸氣發(fā)生器(62)，配置為回收來自第二廢氣(42)的熱量，并產(chǎn)生第二部分的蒸汽(72)。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)(102)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)(102)包括重整區(qū)(104)，配置為重整化石燃料，以產(chǎn)生包括氫氣的重整油(110)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)(102)還包括換熱器(112)和氫氣分離器(120)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中氫氣分離器(120)采用變壓吸附。
10.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括第一渦輪機(jī)系統(tǒng)(12)，配置為燃燒基本上不含基于碳的燃料的富氫流，并排放基本上不含二氧化碳的廢氣；和第二渦輪機(jī)系統(tǒng)(16)，配置為燃燒基于碳的燃料，并將壓縮的二氧化碳富流排放到適于回收二氧化碳的二氧化碳分離器(134)中，其中第一渦輪機(jī)系統(tǒng)(12)中的壓縮機(jī)配置為向第二渦輪機(jī)系統(tǒng)(16)提供空氣；其中發(fā)電系統(tǒng)不將大量的二氧化碳排放到大氣中。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)電系統(tǒng)和方法，該發(fā)電系統(tǒng)包括第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(12)，其包括第一燃燒室(22)，配置為燃燒基本上不含基于碳的燃料的第一燃料流。第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(12)還包括第一壓縮機(jī)(24)和第一渦輪機(jī)(28)。發(fā)電系統(tǒng)還包括第二燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(16)，其包括第二燃燒室(34)。第一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(12)的第一壓縮機(jī)(24)配置為將第二部分的壓縮氧化劑(36)供給第二燃燒室(34)。第二燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(16)還包括第二渦輪機(jī)(38)和第二壓縮機(jī)(44)。第二壓縮機(jī)(44)也配置為將循環(huán)流(46)排放到第二燃燒室(34)，并將分流(48)排放到適于回收二氧化碳的分離器系統(tǒng)(50)中。
文檔編號C01B3/24GK1959085SQ20061014229
公開日2007年5月9日 申請日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者C·巴蘭, M·J·鮑曼, J·R·希布什曼二世, A·T·埃武萊特, J·L·莫萊森 申請人:通用電氣公司