TW201309978A - 煙道氣再循環 - Google Patents

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Gian-Luigi Agostinelli
Richard Carroni
Peter Ulrich Koss
Andreas Brautsch
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Abstract

在用於燃氣輪機煙道氣再循環以再循環產生於一燃氣輪機發電系統之燃氣輪機中之一煙道氣之至少一部分之一種系統及一種方法中，一氧饋送單元(18)經配置以使一經再循環煙道氣流(14)與一富氧氧載體材料接觸，其中該載體材料係藉由將氧釋放至該經再循環煙道氣流(14)而轉變為一氧耗乏狀態以便形成一富氧煙道氣流(9)。一管道(10)經配置用於將該富氧煙道氣流(9)轉送至一燃氣輪機(4)，且一氧洗滌器單元(19)經配置以自該氧饋送單元(18)接收該氧耗乏氧載體材料之至少一部分，以使一含氧氣流(21)與該氧耗乏氧載體材料接觸，其中該氧載體材料係藉由自該含氧氣流(21)捕捉氧而轉變為一富氧狀態以便形成一氧耗乏氣流(22)，且將該富氧氧載體材料之至少一部分返回至該氧饋送單元(18)。

Description

煙道氣再循環
本發明係關於用於一燃氣輪機發電系統中之煙道氣再循環之方法及系統。
近年來，已顯而易見溫室氣體之產生導致全球變暖且溫室氣體產生之進一步增加將加速全球變暖。由於二氧化碳(CO2)被識別為一主要溫室氣體，因此將碳捕捉及儲存(CCS)視為減少溫室氣體至大氣中之釋放且控制全球變暖之可能主要手段之一。在此背景下，將CCS定義為CO2捕捉、壓縮、運輸及儲存之程序。將捕捉定義為其中在一基於碳之燃料燃燒之後自煙道氣移除CO2或在燃燒之前移除並處理碳之一程序。將用以自一煙道氣或燃料氣流移除CO2之任何吸收劑、吸附劑或其它手段之再生視為捕捉程序之部分。
燃燒後CO2捕捉係用於包括組合式循環發電設備(CCPP)之化石燃料發電設備之一商業上有前途之技術。在燃燒後捕捉中，自一煙道氣移除CO2。將剩餘煙道氣釋放至大氣且壓縮CO2以用於運輸及儲存。存在數種自一煙道氣體移除CO2之技術，諸如吸收、吸附、膜分離及低溫分離。
用於CO2捕捉之所有已知技術需要相對大量之能量。由於一習用CCPP之煙道氣中之僅約4%之相對低CO2濃度，用於一習用CCPP之CO2捕捉單元每kg所捕捉之CO2將比用於具有一相對較高CO2濃度之其他類型之化石燃料發電設 備(如燃煤發電設備)之CO2捕捉單元成本更高且消耗更多能量。
CCPP煙道氣中之CO2濃度取決於燃料組合物、燃氣輪機類型及負荷，且可取決於燃氣輪機之操作條件而實質變化。CO2濃度之此變化可對CO2捕捉單元之效能、效率及可操作性有害。
為增加一CCPP之煙道氣中之CO2濃度，已知用於再循環煙道氣之各種方法，如(舉例而言)WO 2010/072710所闡述。此等方法減小煙道氣之總量且增加CO2濃度，且藉此減小一吸收體之所需流容量、捕捉系統之電力消耗、用於捕捉系統之資金支出，且增加CO2捕捉單元之效率。
理想地，經再循環CO2之量應盡可能得高，以便增加CO2濃度且減小將在CO2捕捉單元中處理之煙道氣流速。另一方面，燃氣輪機燃燒室必須具有一最小氧濃度以保證適當燃燒。此又意指可再循環之煙道氣之量係有限的，以便確保至少最小所需量之氧可供用於燃燒室。
WO 2010/072710揭示藉由摻合來自一空氣分離單元之氧或富氧空氣(基於低溫分離)來增加煙道氣再循環速率，藉此保持氧濃度以滿足最小所需位準。在WO 2010/072710中，注意，可應用氧或富氧空氣之混合，惟應當考量一空氣分離單元及CO2捕捉系統之效能與成本之折衷。可注意，此一空氣分離單元之操作在資金成本及輔助消耗方面並不便宜。
根據本文中所圖解說明之態樣，提供用於煙道氣再循環之一種系統及一種方法，藉其可在一燃氣輪機發電系統中增加經再循環煙道氣之量。
根據本文中所圖解說明之一項態樣，提供一種用於再循環產生於一燃氣輪機發電系統之一燃氣輪機中之一煙道氣之至少一部分的燃氣輪機煙道氣再循環系統，其包含一氧饋送單元，其經配置以使一經再循環煙道氣流與一富氧氧載體材料接觸，其中該氧載體材料係藉由將氧釋放至該經再循環煙道氣流而轉變為一氧耗乏狀態以便形成一富氧煙道氣流，及一管道，其用於將該富氧煙道氣流轉送至一燃氣輪機，一氧洗滌器單元，其經配置以自該氧饋送單元接收該氧耗乏氧載體材料之至少一部分，以使一含氧氣流與該氧耗乏氧載體材料接觸，其中該氧載體材料係藉由自該含氧氣流捕捉氧而轉變為一富氧狀態，以便形成一氧耗乏氣流，且將該富氧氧載體材料之至少一部分返回至該氧饋送單元。
根據本文中所圖解說明之其他態樣，提供一種包含此一燃氣輪機煙道氣再循環系統之組合式循環燃氣輪機發電設備。
根據本文中所圖解說明之其他態樣，一種用於再循環一燃氣輪機發電系統中之一煙道氣之至少一部分之方法包含以下步驟：使一經再循環煙道氣流與一富氧氧載體材料接觸，其中 藉由將氧釋放至該煙道氣流而將該載體材料轉變為一氧耗乏狀態以便形成一富氧煙道氣流，將該富氧煙道氣流轉送至一燃氣輪機，使一含氧氣流與該氧耗乏氧載體材料接觸，其中藉由自該氣流捕捉氧而將該載體材料轉變為一富氧狀態，以便形成一氧耗乏氣流，及使如此形成之該富氧氧載體材料與該經再循環煙道氣流重新接觸。
藉由以下各圖及詳細說明例示以上所闡述特徵及其他特徵。
現在參考各圖，其係例示性實施例，且其中相似元件以相似方式編號。
其中可使用用於煙道氣再循環之所提出系統及方法之一基於燃氣輪機發電系統1包含一習用CCPP、用於煙道氣再循環之系統2及一CO2捕捉單元3。
燃燒前CO2捕捉及煙道氣再循環之一配置展示於圖1中。給驅動一發電機5之一燃氣輪機4供應壓縮機進口氣體6及燃料7。壓縮機進口氣體6係環境空氣8與煙道氣9之一混合物，其係經由一管道10再循環。在一壓縮機11中壓縮進口氣體6。經壓縮氣體用於一燃燒器12中之燃料7之燃燒，且經加壓熱氣體在一渦輪機13中膨脹。其主要輸出係電動力及熱煙道氣。可注意，所揭示之用於煙道氣再循環之系統及方法亦係結合一再熱式燃氣輪機有用的，其中存在一個 以上燃燒器及渦輪機。
煙道氣之一第一部分流14(亦即，煙道氣之一部分)經由煙道氣再循環系統2再循環至燃氣輪機4之壓縮機11之進口，在此處其與環境空氣8混合。可注意，將亦可能將煙道氣再循環至除實際上產生煙道氣之燃氣輪機以外之另一燃氣輪機。
在其去往壓縮機進口之路途上，經再循環煙道氣通常通過自一熱煙道氣流回收熱之一熱回收蒸汽產生器(HRSG)15。HRSG 15產生可用以驅動一蒸汽輪機(未展示)之蒸汽。在與環境空氣8混合之前可將煙道氣在一煙道氣冷卻器16中冷卻。
經由將處理之一管道30將煙道氣之一第二部分流16饋送至CO2捕捉單元3以便萃取CO2且將其儲存於一習用儲存設備中，且將耗乏CO2之煙道氣17自CO2捕捉單元3釋放至環境中。萃取並儲存CO2之程序通常表示為吸存(sequestration)。
可注意，用於煙道氣再循環之系統亦可用於不具有CO2捕捉之一CCPP中。增加經再循環煙道氣之量然後可用於增加燃燒溫度或用於增加煙道氣中之NOx之量，以使一NOx捕捉單元更高效地操作。
煙道氣再循環系統包含一氧饋送單元18及一氧洗滌器單元19。經由一管道27將來自渦輪機13之熱煙道氣饋送至氧饋送單元18，在此處使其與一富氧氧載體材料接觸，該富氧氧載體材料釋放氧至熱煙道氣以形成一富氧煙道氣流 9。
在此背景下熱煙道氣應理解為處於一足夠高之溫度之煙道氣以致使以一所要速率自一特定氧載體材料釋放氧。致使載體材料(諸如下文更詳細論述之金屬氧化物)釋放氧之一典型溫度係400℃至1000℃，且典型燃氣輪機排放煙道氣溫度在此範圍內。若需要，則可在煙道氣流14進入氧饋送器單元18之前藉由在一選用補充燃燒單元20中加熱經再循環煙道氣流14來增加該溫度。
當將氧釋放至熱煙道氣時，氧載體材料轉變為一氧耗乏狀態。經由一管28將氧耗乏氧載體材料或其至少一部分饋送至氧洗滌器單元19，在此處使其與含氧氣體(諸如空氣)或含有最少10%之氧之另一氣體之一流21接觸。氧耗乏氧載體材料自氣流21吸收或捕捉氧，在此程序中氧載體材料轉變為其富氧狀態且形成氧耗乏氣體之一流22。
氧耗乏空氣流22將含有來自氧洗滌器單元19中之放熱程序之一定量熱，且可在一HRSG 23中回收此熱，以產生可用以驅動一蒸汽輪機(未展示)之蒸汽。
然後經由一管29將富氧氧載體材料饋送回至氧饋送單元18以便在一重複循環中再次向煙道氣釋放氧。
釋放及捕捉氧之此程序可表示為化學循環，且一類似程序用於化學循環燃燒中，其可用於燃燒諸如煤、生物能及其他時機性燃料等燃料之發電設備中。如(例如)WO 09111380中所闡述之此化學循環燃燒利用一高溫程序，由此(舉例而言)在稱為一氧化器之一第一反應器與稱為一還 原器之一第二反應器之間「循環」諸如基於鈣或金屬之化合物等固體。在該氧化器中，注入至該氧化器中之氧由氧化反應中之固體捕捉。舉例而言，所捕捉之氧然後由經氧化固體攜載至該還原器以用於諸如煤之一燃料之燃燒及/或氣化。在該還原器中之一還原反應之後，將不再具有所捕捉之氧之固體返回至該氧化器以再次氧化，且該循環重複。
在本文中所圖解說明之系統及方法中，氧改為釋放至經再循環熱煙道氣，藉此增加經再循環煙道氣中之氧含量，從而又使一燃氣輪機發電系統中之一較高煙道氣再循環比成為可能。此處，氧載體材料亦可呈一金屬氧化物(諸如氧化鎳、氧化銅或氧化鐵)之形式。另一選擇係使用自然鈦鐵礦。可注意，對氧載體材料之選擇不限於本文中所提及之彼等材料；實際上，可採用使用乾式化學之任何種類之富O2程序。在圖1中，氧載體材料表示為處於其富氧狀態之MexOy及處於其氧耗乏狀態之MexOy-1，但可注意此陳述僅用於說明性目的。
可以一固體材料之形式，諸如以一粉末或小顆粒之形式供應氧載體材料，其具有提供一大接觸面積從而增加氣體-固體質量轉移比且又從而減少所需反應時間之優點。
在圖2中，將一空氣壓縮機24添加至燃氣輪機系統。壓縮機24提供環境空氣8之一預壓縮，此又意指煙道氣再循環及CO2捕捉兩者以一經加壓狀態發生。此可有利於提供CO2捕捉單元及煙道氣再循環系統2之一更高效操作，此乃 因當在壓力下操作系統時，減小穿過系統之體積流量。作為一進一步選項，可提供另一渦輪機25，以使得CO2單元仍在壓力下操作，而燃料氣體再循環系統在大氣壓力中操作，如在圖1中所展示之系統中。
圖1中所展示之系統及圖2中所展示之系統兩者可經設計以將煙道氣中之CO2含量自約15%增加至約75%，此意指可在CO2捕捉單元3中使用一低溫純化。藉由結合與環境空氣8混合之額外氧(如圖2中之虛線所展示)及經再循環富氧煙道氣9(當饋送至壓縮機11時)來使用可在設計條件下達成或在瞬變期間保持設計煙道氣再循環比及因此煙道氣中之設計CO2百分比。作為一替代方案或另外，該額外氧可注入至燃燒室12中，如圖2中之虛線所展示。至系統中之額外氧饋送又可允許發電設備操作期間之較快速瞬變及更大靈活性。
在圖3中，展示煙道氣再循環系統2之一替代配置。在此系統中，煙道氣在燃氣輪機之後***成兩個流14及16'。經由一管道31引導流16'以使其通過一主HRSG 26，而另一流以結合圖1及圖2所闡述之相同方式通過煙道氣再循環系統2。HRSG 15再次自氧饋送器單元18中之包括來自放熱程序之所添加熱之熱煙道氣回收熱，而主HRSG 26自熱煙道氣流16'回收熱。來自HRSG 15之蒸汽可用於主水蒸汽循環中或其可直接用於CO2捕捉單元中。此替代方案使避免主HRSG 26與富氧煙道氣之間的接觸成為可能，此在氧饋送器操作溫度與一典型CCPP HRSG不相容之情形下係有利 的。其亦限制因自氧載體材料至一較小區域之灰塵之污髒，此又意指可在不影響用於發電之主蒸汽產生之情形下清潔此區域。
作為一進一步替代方案，亦可將圖1及圖2中所展示之配置與圖3中所展示之配置組合，以使得來自渦輪機13之煙道氣流劃分成三個流，一個流去往CO2捕捉單元，對應於流16，一個流去往一主HRSG 26，對應於16'，但不具有至一CO2捕捉單元之轉向，且然後回到燃氣輪機，且對應於流14之第三流通過氧饋送單元18且然後回到燃氣輪機。
一種用於在一燃氣輪機發電系統中再循環一煙道氣之至少一部分之方法包含以下步驟使一經再循環煙道氣流14與一富氧氧載體材料接觸，其中藉由將氧釋放至該煙道氣流14而將該載體材料轉變為一氧耗乏狀態以便形成一富氧煙道氣流9，將該富氧煙道氣流9轉送至一燃氣輪機4，使一含氧氣流21與該氧耗乏氧載體材料接觸，其中藉由自該氣流21捕捉氧而將該載體材料轉變為一富氧狀態，以便形成一氧耗乏氣流22，及使如此形成之該富氧氧載體材料與該經再循環煙道氣流14重新接觸。
因此以一循環或重複方式執行此等步驟，以便在氧饋送器單元(在此處氧載體材料自富氧狀態轉變為氧耗乏狀態)與氧洗滌器單元(在此處氧載體材料自氧耗乏狀態轉變為富氧狀態)之間連續饋送氧載體材料。如在此背景下所使 用之術語連續明顯允許(例如)在需要清潔之情形下將程序暫停。
本文中所圖解說明之用於煙道氣再循環之系統及方法提供增加經再循環煙道氣中之氧含量之一能量高效且成本有效之方式，從而使煙道氣再循環比之一增加成為可能。此又意指煙道氣中之二氧化碳含量增加，從而提供一個二氧化碳捕捉程序之一更高效操作。可使用本文中所圖解說明之煙道氣再循環系統及方法達成之增加之煙道氣再循環比亦提供實現一較高燃燒溫度及煙道氣中之氮氧化物NOx含量之一增加以達成一更高效NOx移除程序之優點。
雖然已參考若干個較佳實施例闡述了本發明，但熟習此項技術者應瞭解，可對該等實施例作各種改變且可用等效物替代其要素而不背離本發明之範疇。另外，為適應一特定情形或材料亦可對本發明之教示作諸多修改而不背離本發明之實質範疇。因此，本文並非意欲將本發明限於所揭示的作為實施本發明最佳所涵蓋模式之特定實施例，而是意欲使本發明包括歸屬於隨附申請專利範圍之範疇內之所有實施例。此外，術語第一、第二等之使用不表示任何次序或重要性，而是使用術語第一、第二等區分一個元件與另一個元件。
1‧‧‧基於燃氣輪機發電系統
2‧‧‧用於煙道氣再循環之系統/煙道氣再循環系統/系統
3‧‧‧CO2捕捉單元/二氧化碳捕捉單元
4‧‧‧燃氣輪機
5‧‧‧發電機
6‧‧‧壓縮機進口氣體/進口氣體
7‧‧‧燃料
8‧‧‧環境空氣
9‧‧‧富氧煙道氣流/煙道氣/經再循環富氧煙道氣/第一煙道氣流
10‧‧‧管道
11‧‧‧壓縮機
12‧‧‧燃燒器/燃燒室
13‧‧‧渦輪機
14‧‧‧經再循環煙道氣流/第一部分流/煙道氣流/流
15‧‧‧熱回收蒸汽產生器/第一熱回收蒸汽產生器
16‧‧‧煙道氣冷卻器/第二部分流/流/第二流
16'‧‧‧流/熱煙道氣流
17‧‧‧耗乏CO2之煙道氣
18‧‧‧氧饋送單元/氧饋送器單元
19‧‧‧氧洗滌器單元
20‧‧‧選用補充燃燒單元/補充燃燒單元
21‧‧‧含氧氣流/流/氣流
22‧‧‧氧耗乏氣流/氧耗乏氣體之一流
23‧‧‧熱回收蒸汽產生器/第三熱回收蒸汽產生器
24‧‧‧空氣壓縮機/壓縮機
26‧‧‧主熱回收蒸汽產生器
27‧‧‧管道
28‧‧‧管
29‧‧‧管
30‧‧‧管道
31‧‧‧管道
圖1展示具有一煙道氣再循環系統之一燃氣輪機發電系統，圖2展示該燃氣輪機發電系統之一變體，及 圖3展示該燃氣輪機發電系統之另一變體。
1‧‧‧基於燃氣輪機發電系統
2‧‧‧用於煙道氣再循環之系統/煙道氣再循環系統/系統
3‧‧‧CO2捕捉單元/二氧化碳捕捉單元
4‧‧‧燃氣輪機
5‧‧‧發電機
6‧‧‧壓縮機進口氣體/進口氣體
7‧‧‧燃料
8‧‧‧環境空氣
9‧‧‧富氧煙道氣流/煙道氣/經再循環富氧煙道氣/第一煙道氣流
10‧‧‧管道
11‧‧‧壓縮機
12‧‧‧燃燒器/燃燒室
13‧‧‧渦輪機
14‧‧‧經再循環煙道氣流/第一部分流/煙道氣流/流
15‧‧‧熱回收蒸汽產生器/第一熱回收蒸汽產生器
16‧‧‧煙道氣冷卻器/第二部分流/流/第二流
17‧‧‧耗乏CO2之煙道氣
18‧‧‧氧饋送單元/氧饋送器單元
19‧‧‧氧洗滌器單元
20‧‧‧選用補充燃燒單元/補充燃燒單元
21‧‧‧含氧氣流/流/氣流
22‧‧‧氧耗乏氣流/氧耗乏氣體之一流
23‧‧‧熱回收蒸汽產生器/第三熱回收蒸汽產生器
27‧‧‧管道
28‧‧‧管
29‧‧‧管
30‧‧‧管道

Claims (15)

  1. 一種用於再循環產生於一燃氣輪機發電系統之一燃氣輪機中之一煙道氣之至少一部分的燃氣輪機煙道氣再循環系統，其包含一氧饋送單元(18)，其經配置以使一經再循環煙道氣流(14)與一富氧氧載體材料接觸，其中該氧載體材料係藉由將氧釋放至該經再循環煙道氣流(14)而轉變為一氧耗乏狀態以便形成一富氧煙道氣流(9)，及一管道(10)，其用於將該富氧煙道氣流(9)轉送至一燃氣輪機(4)，一氧洗滌器單元(19)，其經配置以自該氧饋送單元(18)接收該氧耗乏氧載體材料之至少一部分，以使一含氧氣流(21)與該氧耗乏氧載體材料接觸，其中該氧載體材料係藉由自該含氧氣流(21)捕捉氧而轉變為一富氧狀態，以便形成一氧耗乏氣流(22)，且將該富氧氧載體材料之至少一部分返回至該氧饋送單元(18)。
  2. 如請求項1之系統，其進一步包含一補充燃燒單元(20)，用於在該氧饋送器單元(18)上游加熱該煙道氣流(14)。
  3. 如請求項1之系統，該系統經配置以將產生於該燃氣輪機(4)中之一煙道氣流***成係通過該氧饋送單元(18)之該經再循環煙道氣流(14)之一第一流及被饋送至一個二氧化碳捕捉單元(3)之一第二流(16)。
  4. 如請求項1之系統，其中該系統進一步包含配置於該氧饋送單元(18)下游以自該富氧煙道氣流(9)回收熱之一第 一熱回收蒸汽產生器(15)。
  5. 如請求項1之系統，該系統經配置以將該經再循環煙道氣流***成通過該氧饋送單元(18)之一第一流及至少部分地饋送至一個二氧化碳捕捉單元(3)之一第二流(16)，其中該系統(2)進一步包含一第一熱回收蒸汽產生器(15)，其經配置以在該氧饋送單元(18)下游自該第一煙道氣流(9)回收熱，及一第二熱回收蒸汽產生器(26)，其經配置以在該二氧化碳捕捉單元(3)上游自該第二流(16)回收熱。
  6. 如請求項1之系統，其進一步包含一第三熱回收蒸汽產生器(23)，該第三熱回收蒸汽產生器(23)經配置以自該氧耗乏氣流(22)回收熱。
  7. 如請求項1之系統，其中該氧載體材料包含一金屬氧化物。
  8. 如請求項1之系統，其中該氧載體材料係呈一粉末或小顆粒之形式。
  9. 如請求項1之系統，其中與該氧載體材料接觸之該經再循環煙道氣之溫度係400℃至1000℃。
  10. 一種組合式循環燃氣輪機發電設備，其包含如請求項1之燃氣輪機煙道氣再循環系統。
  11. 如請求項10之組合式循環發電設備，其進一步包含一個二氧化碳捕捉單元(3)，用於自產生於該組合式循環燃氣輪機發電設備中之煙道氣吸存二氧化碳。
  12. 一種用於在一燃氣輪機發電系統中再循環一煙道氣之至 少一部分之方法，其包含以下步驟：使一經再循環煙道氣流(14)與一富氧氧載體材料接觸，其中藉由將氧釋放至該煙道氣流(14)而將該載體材料轉變為一氧耗乏狀態以便形成一富氧煙道氣流(9)，將該富氧煙道氣流(9)轉送至一燃氣輪機(4)，使一含氧氣流(21)與該氧耗乏氧載體材料接觸，其中藉由自該氣流(21)捕捉氧而將該載體材料轉變為一富氧狀態，以便形成一氧耗乏氣流(22)，及使如此形成之該富氧氧載體材料與該經再循環煙道氣流(14)重新接觸。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包含在該使該煙道氣流(14)與該富氧載體材料接觸之步驟之前加熱該經再循環煙道氣流(14)之步驟。
  14. 如請求項12之方法，其中該經再循環煙道氣流(14)之溫度係400℃至1000℃。
  15. 如請求項12之方法，其進一步包含自該氧耗乏氣流(22)回收熱之步驟。
TW101119609A 2011-06-01 2012-05-31 煙道氣再循環 TW201309978A (zh)

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