CN101187338B - 具有二氧化碳隔离的发电***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有二氧化碳隔离的发电***和方法。一种发电***包括第一涡轮机和第二涡轮机。第一涡轮机包括低压压缩机(14)和高压压缩机(16)。燃烧室(22)燃烧压缩氧化剂和燃料流而产生热烟道气(31)。第一涡轮机还包括用于接收该烟道气并产生富含二氧化碳的废气的高压膨胀器(20)。低压膨胀器(22)产生第一最终废气(52)和电能。二氧化碳分离***(28)接收废气(38)并提供进给到低压膨胀器(22)的二氧化碳贫气。第二涡轮机包括压缩机区段(64)，该压缩机区段将再循环流(71)从高压压缩机(70)排出到第二燃烧室(72)并将分流(84)从低压压缩机(68)供应到第一涡轮机的高压压缩机(16)。
Description
技术领域
本发明总体上涉及发电(power generation)和二氧化碳的有效回收。更具体地，本发明涉及燃气轮机废气压缩和再循环与二氧化碳分离和再回收的集成。
背景技术
由于在燃烧过程中，碳转化为二氧化碳(CO2)，燃烧诸如化石燃料的含碳燃料的发电***产生CO2作为副产物。从利用化石燃料的发电厂(power plant)排放CO2日益受动国家条例和国际条约的制裁，例如京都议定书和欧盟排放交易机制。随着CO2排放成本的增加，对于经济发电而言降低CO2的排放很重要。由于废气的低CO2含量和低(环境)压力，从发电***，例如从燃气轮机的废气中除去或回收二氧化碳(CO2)通常是不经济的。因此，包含CO2的废气通常会释放到大气中，而不是隔离地释放到海洋、矿山、油井、地质盐田贮藏处等。
燃气轮机装置运转布雷顿循环。它们使用压缩机压缩燃烧室上游的入口空气。于是引入和点燃了燃料以便产生经由涡轮机部分进入和膨胀的高温高压气体。涡轮机部分向发电机和压缩机供给动力。燃气轮机也能够燃烧从原油至天然气的宽范围的液态燃料和气态燃料。
目前具有三种大体上公认的用来降低从该种发电站排放的CO2的方法。第一种方法是在和空气燃烧后从废气中收集CO2，其中，在燃烧中产生的CO2通过吸收处理、薄膜、隔膜、低温处理或其结合等以便从废气中除去。该方法，一般称为燃烧后收集，通常致力于降低从发电站的大气废气中排放的CO2。第二种方法包括降低燃料的碳含量。在该方法中，燃料在燃烧之前首先转化成H2和CO2。因此，在进入燃气轮机之前有可能收集到燃料的碳含量。第三种方法包括氧燃料(oxy-fuel)处理。在该方法中，纯氧相对于空气用作氧化剂，从而产生了由二氧化碳和水组成的废气。
燃烧后CO2收集处理的主要缺点在于CO2分压力由于废气中的CO2浓度低(通常占发电厂所燃烧天然气体积的3-4％)而非常低，因此需要大的昂贵的装置以便除去CO2。尽管通风管处的CO2浓度及其分压力可以通过废气的部分再循环到燃气轮机的压缩机而提高，但其仍保持相当地低(占大约6-10％的体积)。低的CO2分压力和大的气体体积以燃烧后收集的方式预示着除开非常大型及昂贵设备外相对于CO2的除去会导致非常高的能量成本。这些因素都较大地提供了发电成本。因此需要一种技术，其提供了经济地再回收从依赖于含碳燃料的发电***(例如，燃气轮机)中排出的CO2。
发明内容
在一个方面，一种发电***包括第一涡轮机***。第一涡轮机***包括第一压缩机区段，该第一压缩机区段包括至少两个级。该两个级包括流体连接到第一高压压缩机的第一低压压缩机，该第一高压压缩机构造成供给第一部分的氧化剂和第二部分的氧化剂。第一燃烧室构造成燃烧所述第一部分的压缩氧化剂和含碳基燃料的第一燃料流并产生第一热烟道气(flue gas)。第一涡轮机***还包括第一膨胀器区段，该第一膨胀器区段具有用于接收所述第一热烟道气的入口并且产生富含CO2的第一膨胀废气。第一高压膨胀器流体连接到构造成产生第一废气和电能的第一低压膨胀器。CO2分离***流体连接到高压膨胀器以便从所述第一高压膨胀器接收所述第一膨胀废气并且提供随后进给到所述第一低压膨胀器的CO2贫气(lean gas)。发电***还包括第二涡轮机***，该第二涡轮机***包括第二压缩机区段，该第二压缩机区段包含至少两个级。该两个级包括流体连接到第二高压压缩机的第二低压压缩机，其中，所述高压压缩机构造成接收所述第二部分的压缩氧化剂。第二燃烧室构造成燃烧含碳基燃料的第二燃料流并且产生第二热烟道气，而第二膨胀器区段构造成接收所述第二热烟道气并且产生第二最终废气和电能。第二压缩机区段构造成接收含二氧化碳的所述第二最终废气并且将再循环流从所述第二高压压缩机排出到所述第二燃烧室以及将分流从所述第二低压压缩机排出到所述第一高压压缩机。
在另一方面，一种发电***包括第一涡轮机***。该第一涡轮机***包括第一压缩机区段，该第一压缩机区段包括至少两个级。该两个级包括流体连接到第一高压压缩机的第一低压压缩机，该第一低压压缩机构造成供给第一部分的压缩氧化剂，而高压压缩机构造成供给第一压缩混合流。第一燃烧室构造成燃烧含碳基燃料的第一燃料流和第一压缩混合气体并产生第一热烟道气。该第一涡轮机***还包括包含至少两个级的第一膨胀器区段，该第一膨胀器区段具有用于接收第一热烟道气的入口。该两个级包括第一高压膨胀器，该第一高压膨胀器流体连接到构造成产生第一最终废气和电能的第一低压膨胀器。该发电***还包括具有第二压缩机区段的第二涡轮机***，该第二压缩机区段包括至少两个级。该两个级包括流体连接到第二高压压缩机的第二低压压缩机，其中，低压压缩机构造成产生分流而高压压缩机构造成产生第二混合流。第二燃烧室构造成燃烧第二混合流和含碳基燃料的第二燃料流并且产生第二热烟道气。第二膨胀器区段构造成接收第二热烟道气并且产生第二最终废气和电能。该发电***还包括流体连接到该第一压缩机区段和该第二压缩机区段的CO2分离***。该CO2分离***构造成接收分流并产生CO2贫流。该第二压缩机区段构造成接收含二氧化碳的第二最终废气以及将第二混合流从高压压缩机排出到第二燃烧室。
在又一方面，一种用于发电的方法包括在压缩机区段内压缩氧化剂以便产生第一部分的压缩氧化剂和第二部分的压缩氧化剂，以及燃烧第一燃料和该第一部分的压缩氧化剂以便产生热烟道气。该方法还包括在膨胀器区段膨胀该热烟道气并产生电能，其中，该膨胀器区段构造成接收包括至少两个级的热烟道气。该两个级包括高压膨胀器，该高压膨胀器构造成产生富含CO2的第一膨胀废气。该高压膨胀器流体连接到构造成产生第一最终废气和电能的低压膨胀器。该方法还包括在CO2分离器内从第一膨胀废气中分离CO2并且将CO2贫气引入到低压膨胀器，以及在压缩机区段中压缩第二部分的压缩氧化剂。该压缩机区段包括至少两个级。该两个级包括流体连接到第二高压压缩机的第二低压压缩机，其中，该高压压缩机构造成接收第二部分的压缩氧化剂。该方法还包括燃烧第二燃料流和含碳基燃料的再循环流并产生第二热烟道气；以及膨胀该第二热烟道气并产生第二最终废气和电能。该第二压缩机区段构造成接收含二氧化碳的第二最终废气和从第二高压压缩机中排出再循环流以及将分流从第二低压压缩机排出到第一高压压缩机。
附图说明
参照附图阅读以下的详细描述，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面以及优点，在所有附图中，相同的符号代表同样的部件，其中：
图1为根据本发明某些实施例包括两个涡轮机***的示范性发电***的示意图；
图2为根据本发明某些实施例包括两个涡轮机***的另一示范性发电***的示意图；
图3为根据本发明某些实施例包括两个涡轮机***的又一示范性发电***的示意图；和
图4为根据本发明某些实施例包括两个涡轮机***的另一发电***的示意图。
具体实施方式
本公开内容提供了一种在利用燃气轮机发电的发电厂内在高压时分离CO2以便降低CO2排放的处理。CO2在经过燃气轮机的膨胀通路或压缩通路的中途从富含CO2的烟道气中被除去。随着CO2的浓度和分压力的提高，观察到较低的能量损失以便除去CO2。
本发明的一个实施例提供了在发电***中运行的两种或多种示范性的燃气轮机***，该涡轮机***在经过压缩通路的中途相互连接并共享共有的压缩氧化剂供给。结果，燃气轮机的连接导致了处理中CO2浓度的提高，这有利于CO2的分离处理。在一个示例中，第一涡轮机***中的压缩机将氧化剂(通过导管)供给到第一涡轮机***中的燃烧室内以及第二涡轮机***中的燃烧室内。如下文所论述的那样，这可以用来从一个或多个燃气轮机的废气中提高第二涡轮机***中再循环流的CO2浓度。回收的CO2可作为产品进行销售、可用来增强油回收或者就地例如作为其它处理的原料消费。此外，CO2的该种回收降低了从发电***排放到环境中的CO2量。
现在参照图1，其示出了具有燃气轮机***11的示范性发电***10。燃气轮机***11通常包括第一压缩机区段12，该第一压缩机区段12典型地包括至少两个级。在该示范性实施例中，如图1所示，第一压缩机区段12包括流体连接到第一高压压缩机16的第一低压压缩机14，该第一高压压缩机16构造成供给第一部分的压缩氧化剂34和第二部分的压缩氧化剂36。第一涡轮机***11还包括第一燃烧室22、第一膨胀器区段18和发电机50，该第一膨胀器区段18用于供给驱动压缩机14和压缩机16所需的能量。第一燃烧室22构造成燃烧第一部分的压缩氧化剂34和包括碳基燃料的第一燃料流26并产生第一热烟道气31。
第一膨胀器区段18具有用于接收第一热烟道气31的入口且构造成具有至少两个级。该两个级包括第一高压膨胀器20，该第一高压膨胀器20构造成产生富含CO2的第一膨胀废气38。第一高压膨胀器20流体连接到第一低压膨胀器22，该第一低压膨胀器22构造成产生第一最终废气52和电能。
第一涡轮机***11还包括CO2分离***28，该CO2分离***28流体连接到第一高压膨胀器20以便从第一高压膨胀器20中接收第一膨胀废气38，并且该CO2分离***28用于向第一低压膨胀器22提供CO2贫气48。
发电***10还包括第二涡轮机***62，该第二涡轮机***62包括构造成具有至少两个级的第二压缩机区段64。该两个级包括流体连接到第二高压压缩机70的第二低压压缩机68。第二高压压缩机70构造成接收第二部分的压缩氧化剂36并产生再循环流71。第二燃烧室72构造成燃烧第二燃料流82和包含碳基燃料的再循环流71并产生第二热烟道气73。
第二膨胀器区段66构造成接收第二热烟道气73。第二膨胀器区段66典型地具有包括第二高压膨胀器74的至少两个级，该第二高压膨胀器74构造成产生第二膨胀废气75。第二高压膨胀器74流体连接到第二低压膨胀器76，该第二低压膨胀器76构造成产生第二最终废气88和经由发电机86产生电能。在一些实施例中，该第二膨胀器区段66包括单一级。
第二压缩机区段64构造成接收含二氧化碳的第二最终废气88并从高压压缩机70向第二燃烧室72提供再循环流71以及从低压压缩机68向第一高压压缩机的入口提供分流84。
如图1的实施例所示，CO2分离***28有利地包括了热交换器40和CO2分离器44。CO2分离器44可采用本领域公知的各种技术，包括但不限于变压吸附、化学吸收和薄膜分离等。为了从第一膨胀废气流38中分离出CO2，将第一膨胀废气38引入到热交换器40中以便降低温度并产生冷却的第一膨胀废气42。冷却的第一膨胀废气42被引入到CO2分离器中以便产生CO2富流110和CO2贫流46。CO2贫流46还包括一氧化碳(CO)、氮气(N2)以及未反应的燃料。CO2贫流46被引入到热交换器40中以便回收第一膨胀废气38的热量或从第一膨胀废气38中回收热量并产生加热的CO2贫流48。CO2贫流48被引入到低压膨胀器22中以便进一步膨胀并产生电能。
变压吸附(PSA)可用来从气体混合物中分离出二氧化碳。在PSA技术中，在高的分压力下，固体分子筛可比吸附其它气体更强地吸附二氧化碳。结果，在高压下，当该混合物经过吸附床时，从气体混合物中除去二氧化碳。床的再生通过减压和冲洗完成。通常对于临界操作，使用多个吸附容器来连续分离二氧化碳，其中，使用一个吸附床同时再生其它的吸附床。
薄膜分离技术也可用于从气体流中分离出二氧化碳。薄膜处理通常比吸收处理具有更高的能效并易于操作。用于高温二氧化碳分离的薄膜包括沸石膜和陶瓷薄膜，它们对CO2具有选择性。通常薄膜分离器在较高压力下更有效地运行，并且通过高压膨胀器出口处的高压有助于使用薄膜分离器从冷却的第一废气流38中分离出二氧化碳。分离CO2可获得的较高压力也减小了CO2分离器44的尺寸，由此增强了CO2分离处理的可行性和经济性。当使用高温薄膜分离CO2时进一步增强了发电和分离CO2的总效率。
另一种用于从第一膨胀废气38中分离CO2的技术可包括但不限于使用胺化学吸收CO2。第一膨胀废气38可冷却到适当的温度以便使用胺化学吸收二氧化碳。该技术基于烷醇胺(alkanol amine)或其它溶剂，该其它溶剂能够在相对低的温度下吸收二氧化碳，且容易通过升高富溶剂的温度而再生。在富溶剂的再生后获得二氧化碳富流110。该技术中所用的溶剂例如可包括三乙醇胺、一乙醇胺、二乙醇胺、二异丙醇胺、二甘醇胺和甲基二乙醇胺。另一种分离CO2的技术可为物理吸附。值得注意的是，上述所有的CO2分离技术或它们的组合都可用来有利地分离CO2。
CO2分离***28中的热交换器40通常为处理两种气态流即第一膨胀废气流38和CO2贫流46的气-气热交换器。随着在CO2分离器44中从第一膨胀废气流38中对CO2的分离，第一膨胀废气流38的体积高于排出CO2分离器44的CO2贫流46的体积。因此在热交换器40内自第一膨胀废气流38中释放的热量可不充分地用于加热CO2贫流46，而该余热可当使用化学吸收处理时用于在CO2分离器中再生溶剂。在一些实施例中，CO2分离***还包括除水***以便从第一膨胀废气38中除去水分，由此进一步减小CO2贫流46的体积。因此通过包括除水单元，提高了溶剂再生可获得的余热。由于有效利用了来自热交换器40的余热，提高了发电***10的总效率。
在一些实施例中，在运行期间，氧化剂24在第一低压压缩机14中被压缩到大约2巴至大约10巴并在第一中间冷却器17中冷却。压缩时中间冷却的基本原理包括部分地压缩气体然后在执行最终压缩到所需压力之前对其冷却，例如在高压压缩机16中。这样，降低了压缩功从而提高了循环处理的功率输出。由于现有的航改式(aeroderivative style)燃气轮机包括设置在压缩级中间的中间冷却器，所以在涡轮机设计中将中间冷却器结合到该***中不需要进一步的改变。同样地，第二中间冷却器104设置在第二低压压缩机68和第二高压压缩机70之间以便冷却已压缩的第二最终废气102。
第一涡轮机***11还包括第一热回收蒸汽发生器(以下称为HRSG)54。第一HRSG 54构造成使用来自第一膨胀器区段18的第一最终废气52的热量以便产生第一部分的蒸汽56和冷却的第一最终废气60。由于CO2分离***28构造成分离在第一燃烧室22中产生的热烟道气31的CO2含量，在CO2分离器中的高CO2分离率下，释放到大气中的已冷却的最终废气60基本上不含CO2。在第一HRSG 54中产生的该第一部分的蒸汽56基本上如图1所示在蒸汽循环中使用。同样地，第二涡轮机***62通常包括第二热回收蒸汽发生器(以下称为HRSG)90。在第二涡轮机***62中产生的第二最终废气流88可被引入到第二HRSG 90中。在该实施例中，第二HRSG 90大体上为闭环HRSG，其中，通常没有流排放到大气中。第二最终废气流88的热量可通过水流94进行回收以便生成第二部分的蒸汽92。在第一HRSG 54中产生的第一部分的蒸汽56和在第二HRSG 90中产生的第二部分的蒸汽92可在流涡轮机(未示出)中使用以便生成电能。代之以所示的HRSG，备选地可采用其它的底置(bottoming)热回收方法。
在本文所述发电***的各种实施例中，氧化剂为环境空气。应当理解，来自第一压缩机区段12的已压缩氧化剂可包括任何其它适当的含氧气体，例如富氧空气、少氧空气和/或纯氧。
第一燃料流26和第二燃料流82可包括任何适当的烃气体或液体，例如天然气、甲烷、石脑油、丁烷、丙烷、合成气、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化的烃原料及其混合物等。在一个实施例中，燃料主要为天然气(NG)，因此，来自第一燃烧室22的第一热烟道气31和来自第二燃烧室72的第二热烟道气73可包括水、CO2、N2、未燃烧燃料以及其它化合物。
来自第二HRSG 90的已冷却的第二最终废气流96通常被引入到废气冷却器或水分分离器98中，以便分离在第二燃烧室72中的燃烧处理中所形成的水。废气冷却器98可用来控制压缩机68的入口状况，尤其是温度。来自水分分离器98的排出流100通常至少包括CO2和N2。排出流100通常在第二压缩机区段64中压缩以便产生压缩流102。运行中，在启动后运行的初始阶段中，压缩流102中的CO2浓度不是大量的，因此全部的流102可作为再循环流71和第二部分的压缩氧化剂36一起再循环返回到第二燃烧室72。该种再循环操作通常会增加压缩流102中的CO2浓度。当压缩流102中的CO2浓度达到所需水平时，分流84可被引入到第一高压压缩机16中。可使用控制阀结构(未示出)以便有助于将分流84转移和引入到第一燃烧室22中。例如，可将控制阀设置在承载分流的导管上，并且控制阀的运行依赖于测量压缩流102中CO2浓度的在线仪器或传感器。通过控制再循环流71和分流84提高了第二涡轮机***中的CO2浓度，从而提高了离开第一燃烧室22的第一热烟道气31中的CO2浓度。
在如图1所描述的该示范性实施例中，大量二氧化碳的隔离得以完成。在大的CO2分离器44中，自第一燃烧室22中产生的第一最终废气52基本上不会含有二氧化碳，而排放到大气中的冷却的第一最终废气流60通常不会释放与不具有CO2收集的类似技术相比而大幅减少的二氧化碳量。在第二燃烧室72中产生的二氧化碳可浓缩成再循环流71。分流84中的CO2含量和在第一燃烧室22中产生的CO2一起在CO2分离***28中被分离，而CO2流110可根据二氧化碳的需求而被封装或在商业市场上销售。CO2分离***中产生的CO2富流110在分配于其它使用之前可在压缩机112中压缩。
图2示出了另一示范性发电***140，其中，两个涡轮机***经由处于压缩机区段中间的共有的中间冷却器而连接。示范性发电***140包括共有的中间冷却器146，该中间冷却器146流体连接到第一压缩机区段12和第二压缩机区段64。来自第一低压压缩机14中的压缩氧化剂流142与来自第二低压压缩机68中的分流148一起混合和引入到共有的中间冷却器146中。共有的中间冷却器146构造成冷却压缩氧化剂142和分流148并产生引入到第一高压压缩机16中的第一混合流144和引入到第二高压压缩机70中的第二混合流150。第一高压压缩机16产生引入到第一燃烧室22的第一压缩混合流34，而第二高压压缩机70产生引入到第二燃烧室72的第二压缩混合流或者再循环流71。在一些实施例中，自中间冷却器释放的热量可用来驱动诸如胺汽提(amine stripping)的CO2分离处理或者诸如有机兰金循环的其它热回收循环。
先前部分所描述的发电***有利地使用了CO2分离***的定位以便有效地分离燃烧处理中产生的CO2。如图1所示，CO2在燃烧后被除去，或者更具体地讲，从以经过燃气轮机膨胀器中途的压力所提取的废气中除去。由于用于分离的驱动力的提高以及设备尺寸和成本的降低，从受压废气中除去CO2是有利的。然而，废气的提取压力越高，它的提取温度就会越高。由于材料的制约，根据流体38的温度，对比燃烧器出口将温度降低到700摄氏度左右至100摄氏度左右的CO2分离***28的设计是有利的。尽管直接在燃烧室22之后的热烟道气流31中可获得的压力高于第一膨胀废气38的压力，但在膨胀路径之间的中途(midway)定位CO2分离***的权衡(trade off)是热烟道气31的1300摄氏度左右的高温。在航改式(aeroderivativestyle)燃气轮机中，如图1所示，多个压缩和膨胀级导致了高压缩率。因此，由于压缩机区段所产生的压力相当地高，所以在膨胀器区段之间的中途内可获得的压力足够地高以便设计节约成本和高效的CO2分离***。
前面部分所描述的发电***还有利地连接了如图1至图2所示的两个涡轮机***。燃气轮机通过在低压压缩机之后提取工作流体而连接，优选是在共有的中间冷却器(图2)或分离的中间冷却器(图1)中被冷却之后。在现有的航改式燃气轮机中，已经存在经过压缩通路的中途用于提取和重注入工作流体的端口，该端口可用来大大降低涡轮机所需的改动以便如图1至图2所示结合该两个涡轮机***的连接。以适中的压力和低压(在经过压缩通路的中途可获得)连接涡轮机***因适中的流体温度而减小了效率损失和降低了对昂贵材料的需求。
如图2所示，氧化剂和分流先于在高压压缩机内被连续压缩之前进行混合从而促进了较好的混合处理。因此，避免了对额外的混合装置的需求，该额外的混合装置通常设计成提升工作流体的温度和成分的均匀性以及减小燃气轮机之间的流体交叉(cross-over)对压缩机性能的影响。
图3示出了又一示范性发电***，其中，CO2分离***设置在第一涡轮机***的压缩级和第二涡轮机***的压缩级之间的中途。如图3所示，CO2分离***162设置在第一压缩机区段12和第二压缩机区段64的中间。CO2分离***162构造成接收来自第二中间冷却器104的分流174以及产生CO2贫流168和CO2富流176。来自第一中间冷却器17的第一部分的氧化剂164与CO2贫流168混合并被引入到第一高压压缩机16内以便产生第一压缩混合流34。来自第一中间冷却器17的第二部分的氧化剂166与来自第二中间冷却器104的第二分流106混合并被引入到第二高压压缩机70中以便产生第二混合压缩流或者再循环流71。任选地，中间冷却器17和中间冷却器104也可直接放置在相应的高压压缩机16和高压压缩机70的入口前方。
CO2分离***162包括CO2分离器170以便产生CO2富流176和CO2贫流168。自分流174中分离CO2具有几个优点。在低压压缩机68的出口处可获得的压力是足够的以便设计节约成本和高效的CO2分离器。输送到CO2分离***的分流174的体积相对较小。因此，在经过压缩机区段的中途安装CO2分离***162的资本成本与图1至图2所示的CO2分离***相比需要较低的资本成本。此外，在将新鲜的氧化剂流164和富含CO2的第二分流106一起混合之前，可分别使用第一中间冷却器17和第二中间冷却器104对该两种流有利地进行冷却。自中间冷却器排出的热量，例如蒸汽产品，可用来增强热回收***的效率或者用来驱动CO2分离处理。第二中间冷却器104还可用来将分流174冷却到CO2分离器44的运行温度。
图4示出了另一示范性发电***200，其中，CO2分离***放置在第一涡轮机***的压缩级和第二涡轮机***的压缩级之间的中途。示范性发电***200包括设置在CO2分离***162和第一压缩机区段12中间的共有的中间冷却器201。来自CO2分离***162的CO2贫气206和来自第一低压压缩机14的压缩氧化剂流202一起混合并被引入到共有的中间冷却器201中。离开共有的中间冷却器201的冷却混合流被分开，且第一混合流210被输送到第一高压压缩机16而第二混合流208被输送到第二高压压缩机70。共有的中间冷却器的使用降低了发电***200的成本。
图1至图4所示出的各个实施例可进一步包括再加热燃烧器(未示出)，该再加热燃烧器设置在第二高压膨胀器74和第二低压膨胀器76之间。再加热燃烧器对于可能的既定压缩率有助于提高功率输出。第二热烟道气73的温度在其经过第二高压膨胀器74的膨胀后降低。由于一部分的第二膨胀气体75被输送到再加热燃烧器，来自再加热燃烧器的输出流的温度因再加热燃烧器中的燃烧处理而升高。来自再加热燃烧器的热的输出流被引入到低压膨胀器76中以便进一步膨胀从而产生电能，并且由于再加热燃烧器的输出流内温度的升高，提高了总功率输出。
前面段落内所描述的发电循环具有几个优点。CO2分离***有利地设置在图1至图2所示的低压膨胀器和高压膨胀器之间。来自高压膨胀器的第一膨胀废气与燃烧器出口相比通常将温度降低到例如700摄氏度左右至1000摄氏度左右，但仍然具有一定压力，该压力是足够的以便当使用薄膜分离器或PSA时在CO2分离器内提供高的CO2分离效率。由于第一膨胀废气处于大约2巴至大约30巴的高压以及与燃烧器出口相比具有降低的温度，所以也降低了安装CO2分离***的尺寸和资本成本。在此所描述的发电***由于从燃烧室产生的全部的CO2被引入到CO2分离***中而构造成实现大量CO2的隔离。在实施例中，在其中包括了两个涡轮机***，第二涡轮机***的燃烧产物如上文所述以闭环形式再循环以便在被引入到第一燃烧室之前构建优化的CO2浓度水平。因此从这样的发电***释放到大气中的废气基本上不含CO2。
如图3所示CO2分离***定位在经过压缩通路的中途降低了早先所述的CO2分离***的资本成本。该实施例中的CO2分离***还有利地利用了中间冷却器对分流冷却以便有效分离CO2从而提高了动力循环的总效率。
上文所述的发电***可使用用于在经过压缩通路的中途提取和再注入工作流体的航改式涡轮机的现有设计。这大大降低了重新设计涡轮机***的工作和成本。两个涡轮机***连接的效率和有效性因在较低温度和压力时连接燃气轮机而提高，从而导致了材料成本的降低。
通常，集成CO2的分离和隔离的发电循环与不具有CO2分离的发电循环相比表现出在总循环效率上的实质性下降(处于大约10％个点的范围)。但上文所述的发电***在总循环效率上表现出少得多的下降，这是由于以下原因：将CO2分离***定位在经过膨胀部分的中途，通过利用甚至是在高压膨胀器的出口处的相当高的压力从而提高了CO2的分离效率，这有助于降低动力循环内使用CO2收集的效率损失。此外，再加热燃烧器的使用和利用在CO2分离***的气-气交换器内产生的余热，进一步提高了循环效率。因此，结合有具有上文所述的CO2分离的发电***的总能量损失远远小于具有CO2收集的传统的动力循环。
虽然此处仅仅说明和描述了本发明的一些特征，但本领域的技术人员将可做出许多改进和变化。因此，应当理解，附加的权利要求意图覆盖落入本发明的实质精神内的所有该种改进和变化。
Claims (10)
1.一种发电***(10)，其包括：
第一涡轮机***(11)，所述第一涡轮机***(11)包括：
包括至少两个级的第一压缩机区段(12)，所述至少两个级包括流体连接到第一高压压缩机(16)上的第一低压压缩机(14)，所述第一低压压缩机(14)构造成供给第一部分的压缩氧化剂和第二部分的压缩氧化剂，所述第一高压压缩机(16)构造成接收所述第一部分的压缩氧化剂；
第一燃烧室(22)，所述第一燃烧室(22)构造成燃烧所述第一部分的压缩氧化剂和含碳基燃料的第一燃料流并且产生第一热烟道气(31)；
包含至少两个级的第一膨胀器区段(18)，所述第一膨胀器区段(18)具有用于接收所述第一热烟道气(31)的入口，所述至少两个级包括构造成产生富含二氧化碳的第一膨胀废气(38)的第一高压膨胀器(20)，所述第一高压膨胀器(20)流体连接到构造成产生第一最终废气(52)和电能的第一低压膨胀器(22)上；和
二氧化碳分离***(28)，所述二氧化碳分离***(28)流体连接到所述高压膨胀器(20)上以便从所述第一高压膨胀器(20)接收所述第一膨胀废气(38)以及提供随后进给到所述第一低压膨胀器(22)的二氧化碳贫气(48)；
以及
第二涡轮机***(62)，所述第二涡轮机***(62)包括：
包括至少两个级的第二压缩机区段(64)，所述至少两个级包括流体连接到第二高压压缩机(70)上的第二低压压缩机(68)，其中，所述高压压缩机(70)构造成接收所述第二部分的压缩氧化剂；
第二燃烧室(72)，所述第二燃烧室(72)构造成燃烧含碳基燃料的第二燃料流(82)并且产生第二热烟道气(73)；和
第二膨胀器区段(66)，所述第二膨胀器区段(66)构造成接收所述第二热烟道气(73)并且产生第二最终废气(88)和电能；
其中，所述第二压缩机区段(64)构造成接收含二氧化碳的所述第二最终废气(88)并且将再循环流(71)从所述第二高压压缩机(70)排出到所述第二燃烧室(72)以及将分流(84)从所述第二低压压缩机(68)排出到所述第一高压压缩机(16)。
2.根据权利要求1所述的发电***，其特征在于，所述二氧化碳分离***(28)包括热交换器(40)和二氧化碳分离器(44)，所述热交换器(40)构造成从所述第一膨胀废气(38)中回收热量并产生冷却的第一膨胀废气(42)，所述二氧化碳分离器(44)构造成接收所述冷却的二氧化碳富流(42)并产生二氧化碳贫流(46)。
3.根据权利要求2所述的发电***，其特征在于，所述热交换器(40)包括交叉交换器，所述交叉交换器构造成从所述第一膨胀废气(38)中回收热量并与来自所述二氧化碳分离器(44)的所述二氧化碳贫流(46)交换。
4.根据权利要求2所述的发电***，其特征在于，所述二氧化碳分离器(44)包括薄膜单元。
5.根据权利要求1所述的发电***，其特征在于，所述第一燃料和所述第二燃料包括天然气。
6.根据权利要求1所述的发电***，其特征在于，所述***还包括第一热回收蒸汽发生器(54)和第二热回收蒸汽发生器(90)，所述第一热回收蒸汽发生器(54)构造成从所述第一最终废气(52)中回收热量并产生第一部分的蒸汽(56)，所述第二热回收蒸汽发生器(90)构造成从所述第二最终废气(88)中回收热量并产生第二部分的蒸汽(92)。
7.根据权利要求1所述的发电***，其特征在于，所述***还包括至少一个中间冷却器。
8.根据权利要求7所述的发电***，其特征在于，所述至少一个中间冷却器包括共有的中间冷却器(146)，所述共有的中间冷却器(146)设置在所述第一压缩机区段和所述第二压缩机区段的中间并且流体连接到所述第一低压压缩机和所述第二低压压缩机以及所述第一高压压缩机和所述第二高压压缩机上。
9.根据权利要求7所述的发电***，其特征在于，所述至少一个中间冷却器包括第一中间冷却器和第二中间冷却器，所述第一中间冷却器设置在所述第一低压压缩机和所述第一高压压缩机之间，所述第二中间冷却器设置在所述第二低压压缩机和所述第二高压压缩机之间。
10.根据权利要求1所述的发电***，其特征在于，所述第一最终废气(52)不含二氧化碳。
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