用于控制CO2捕获用废热的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201280015834.9 | 申请日 | 2012-03-30 | 公开(公告)号 | CN103534444A | 公开(公告)日 | 2014-01-22 |
| 申请人 | 阿尔斯通技术有限公司; 陶氏环球技术有限责任公司; | 发明人 | N.B.汉达加马; R.R.科特达瓦拉; S.荣松; A.M.普菲菲尔; O.德雷尼克; J.马尚; C.N.舒伯特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于基于到发电单元(119)的 蒸汽 流和/或由发电单元(119)产生的功率的变化而将蒸 汽提 供至气体回收单元(130)的系统和方法。气体回收单元(130)可以是热 力 发电单元(100)的一部分，并且可以是包括两个或更多再生塔(153)的胺基CO2回收单元。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种设备(100)，包括： |
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| 说明书全文 | 用于控制CO2捕获用废热的系统和方法[0001] 本申请根据35 U.S.C. §119(e)要求在2011年3月31日提交的名称为“A SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING WASTE HEAT FOR CO2 CAPTURE”(用于控制CO2捕获用废热的系统和方法)的临时专利申请序列号61/469,919的优先权，该申请的公开内容以引用方式全文并入本文中。 [0002] 相关申请的交叉引用本申请涉及在2011年3月31日与本申请同时提交的名称为“A SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING WASTE HEAT FOR CO2 CAPTURE”(用于控制CO2捕获用废热的系统和方法)的代理人案卷号No. W09/078-0(27849-0011)的美国专利申请No. 61/469,915，该申请转让给本发明的受让人且以引用方式全文并入本文中。 技术领域背景技术[0004] 化石燃料和天然气发电站常规地使用蒸汽涡轮和其它机械来将热量转换为电力。这些燃料的燃烧产生包括酸性气体的烟气流，酸性气体包括二氧化碳CO2、氮氧化物NOx和硫氧化物SOx。已经尝试减少来自这些发电站的酸性气体的排放，并且特别是减少包括CO2的温室气体的排放。这样，CO2捕获系统已整合到这些发电站中。已在这方面取得许多进步，从而导致在化石燃料燃烧期间产生的CO2被部分地至完全地与燃烧气体分离。最近，已对使用氨水从燃烧气体流中去除酸性气体污染物的水吸收和汽提工艺产生兴趣。 [0005] 气体吸收是其中气体混合物的可溶组分被溶解在液体中的过程。气体/液体接触可以是逆流的或顺流的，其中逆流接触是最常见的。汽提基本上是吸收的逆过程，因为它涉及挥发性组分从液体混合物向气体的转移。在典型的二氧化碳去除工艺中，利用吸收从燃烧气体去除二氧化碳，并且随后利用汽提再生溶剂并捕获包含在溶剂中的二氧化碳。一旦二氧化碳从燃烧气体和其它气体中去除，它就可以被捕获和压缩以在包括封存、甲醇制造和三次油回收的多种应用中使用。 [0006] 为了实现吸收剂溶液的再生，从吸收塔底部抽出的富溶剂被引入汽提塔的上半部，并且富溶剂在压力下被保持在其沸点处或附近的高温下。保持高温所需的热量通过使汽提塔中包含的吸收剂溶液再沸腾而提供，这需要能量且因此增加总运营成本。 发明内容[0008] 本发明的一个目的是提供用于高效地提供热量至与蒸汽发电系统整合的酸性气体吸收/汽提工艺的系统和方法。 [0009] 本发明的另一目的是通过使用为酸性气体捕获系统提供能量的来自不同涡轮级和水和/或蒸汽循环位置的蒸汽抽出点(提取点)的特殊布置来优化总体功率设备性能。 [0010] 本发明的另一目的是提供用于为酸性气体捕获系统提供能量的来自不同涡轮级和水和/或蒸汽循环位置的蒸汽抽出点(提取点)的特殊布置，该布置可以设计成新的或改装到现有发电系统设计中。 [0011] 本公开的另一目的是提供用于整合蒸汽发电负载和用于酸性气体捕获的能量产生的工艺控制方案。 [0012] 相应地且根据用于酸性气体捕获的已知技术的操作和设计参数，本发明的目的可在于能量的减少。 [0013] 而且，本发明的目的可在于在用于酸性气体吸收的此类技术中使用的化学物的减少排放的环境、健康和/或经济上的改进。 [0014] 在一个方面，公开了一种设备，该设备包括：锅炉单元，其产生蒸汽；发电单元，其包括从锅炉单元接收蒸汽的至少一个发电涡轮；气体回收单元，其包括两个或更多再生塔；以及二级蒸汽源，其将蒸汽以不同速率提供至两个或更多再生塔中的每一个。 [0015] 在另一方面，公开了一种用于将蒸汽提供至气体回收单元的方法，该方法包括：将蒸汽从锅炉单元或发电单元提供至二级蒸汽源；以及从二级蒸汽源排放蒸汽；将从二级蒸汽源排放的蒸汽以不同速率提供至气体回收单元的两个或更多再生塔。附图说明 [0016] 现在参照附图，附图为示例性实施例且其中相同元件用相同数字标示。 [0017] 图1示出根据本公开的实施例的设备的示意性简化流程图。 [0018] 图2示出根据本公开的另一实施例的设备的示意性简化流程图。 [0019] 图3示出根据本公开的另一实施例的设备的示意性简化流程图。 [0020] 图4示出根据本公开的另一实施例的设备的示意性简化流程图。 [0021] 图5示出根据本公开的另一实施例的设备的示意性简化流程图。 [0022] 图6示出根据本公开的另一实施例的设备的示意性简化流程图。 [0023] 图7示出根据本公开的另一实施例的设备的示意性简化流程图。 [0024] 图8示出根据本公开的另一实施例的设备的示意性简化流程图。 [0025] 图9示出根据本公开的另一实施例的设备的示意性简化流程图。 具体实施方式[0026] 下面参照附图描述根据本发明的用于利用发电蒸汽为酸性气体回收提供能量的系统和工艺的具体实施例。 [0027] 图1示出根据本公开的实施例的设备100的示意性简化流程图。在一个实施例中，热力系统100可以是热力设备。在另一实施例中，设备100可以是包括产生含二氧化碳烟气的燃烧设施和至少一个蒸汽单元的设备或设施。蒸汽单元可以是蒸汽涡轮发电单元。 [0028] 如在图1中可见，设备100包括一级蒸汽源110、发电单元119和气体回收单元130。在该示例性实施例中，一级蒸汽源110是蒸汽锅炉单元。蒸汽锅炉单元110可包括从化石燃料产生蒸汽的一个或多个蒸汽锅炉。燃料可以是煤、泥煤、生物质、合成气/燃料、天然气或者在燃烧时产生诸如酸性气体的含气体污染物烟气的其它碳燃料源。 [0029] 发电单元119包括一级蒸汽用户120和发电单元125。在该示例性实施例中，一级蒸汽用户120为一个或多个蒸汽涡轮。一个或多个蒸汽涡轮120联接到发电单元125，以便为发电机125提供用于产生电力125A的机械能。电力可提供至电网(未示出)。在该示例性实施例中，一个或多个蒸汽涡轮120包括高压(HP)涡轮121、中压(IP)涡轮122和低压(LP)涡轮123。在另一实施例中，一个或多个蒸汽涡轮120可包括类似或不同的(多个)操作压力的任意数量的涡轮的组合。 [0030] 如在图1中进一步可见，发电单元119还包括二级蒸汽用户124。在该示例性实施例中，二级蒸汽用户124为辅助蒸汽涡轮。辅助蒸汽涡轮124可以是背压涡轮。辅助蒸汽涡轮124联接到辅助发电机152。辅助发电机152产生可提供至电网、设备局域电网或其它局域能量供应(未示出)的电力152A。提供至电网的能量的量可根据电网负载要求而增加或减小。电网负载要求可为辅助蒸汽涡轮124的速度控制(未示出)提供设定点。在一个实施例中，设定点可基于辅助涡轮124的排放蒸汽的压力而具有超驰。 [0031] 气体回收单元130可以是酸性气体捕获和回收单元。气体回收单元130包括CO2吸收单元130a和CO2再生单元130b。在一个实施例中，气体回收单元130可以是胺基洗涤单元。在一个实施例中，气体回收单元130可以是用于CO2捕获的先进胺工艺。在一个实施例中，先进胺工艺可以是包括基质汽提配置的双基质方案。 [0032] CO2吸收单元130a包括CO2吸收器(吸收器)231。CO2再生单元130b包括两个或更多再生塔153。两个或更多再生塔153中的每个再生塔包括两个或更多再沸器140。在一个实施例中，再生塔中的一个或多个可具有两个或更多再沸器。两个或更多再生塔153的布置可被称为基质汽提配置。在该示例性实施例中，两个或更多再生塔153包括高压(HP)再生塔154和相关联的第一再沸器141以及低压(LP)再生塔155和相关联的第二再沸器142。 [0033] 吸收器231经由进料管线231a被供以来自蒸汽锅炉单元110的包含CO2的气体流。气体流可以是烟气流。在一个实施例中，烟气在被提供至吸收器231之前可由烟气脱硫单元(未示出)和/或冷却单元(未示出)处理。在吸收器231中，烟气与通过吸收从烟气去除CO2的溶剂溶液接触。溶剂溶液可以是胺基溶剂溶液。已去除CO2的烟气流经由排放管线231b从吸收器231排放。吸收器231还可包括用于消除任何溶剂残留物的流体洗涤循环232，其可包括流体洗涤泵233和流体洗涤冷却器234。 [0034] 为了实现溶剂溶液的再生，从吸收器231底部抽出的富CO2溶剂溶液被引入到两个或更多再生塔153中的每一个的上半部中，并且富溶剂被保持在使每个塔中的CO2在压力下沸腾的温度。保持沸点所需的热量由与每个再生塔相关联的一个或多个再沸器提供。再沸过程由待再生的溶液部分与处于适当温度的热流体之间的间接热交换来实现。在再生的过程中，包含在保持在其沸点的待再生的富溶剂中的二氧化碳被释放并由吸收剂溶液的蒸气汽提。包含汽提的CO2的蒸气在再生塔的顶部处出现且穿过冷凝器系统，该系统将由离开再生塔的带有气态CO2的吸收剂溶液的蒸气的冷凝所产生的液相返回到再生塔。在再生塔的底部，也称为贫溶剂溶液的经再生的热吸收剂溶液被抽出并再循环。 [0035] 在该示例性实施例中，HP再生塔154和LP再生塔155通过流体互连系统235与CO2吸收器231互连，流体互连系统235使用于CO2吸收/解吸的溶剂溶液流通。流体互连系统包括贫冷却器236、半贫冷却器237、LP富溶液泵238、HP富溶液泵239、半贫/富热交换器240、半贫溶液泵241、贫/富热交换器242、贫溶液泵243和各种管线及进料口，如图所示。 [0036] 从富含CO2的CO2吸收器排放的来自CO2吸收器231的诸如胺溶液的溶剂溶液，或换言之富CO2溶剂，被提供至HP再生塔154和LP再生塔155，在此，CO2被从溶剂中汽提。CO2分别经由排放管线244和245从HP再生塔154和LP再生塔155被排放，排放管线244和245结合而形成排放管线246。排放管线246供给CO2冷却器，在此，残余的水分被从CO2流去除。CO2产品流经由CO2产品排放管线248从气体回收单元130被排放。 [0037] 如在图1中进一步可见，蒸汽锅炉单元110经由高压蒸汽管线126将高压蒸汽提供至高压涡轮121。高压蒸汽可以处于在约270巴和300巴之间的压力以及在约600℃和700℃之间的温度下。提供至高压涡轮121的高压蒸汽的流量与总设备负载成比例。总设备负载是由设备100产生的功率的总量。高压蒸汽经由辅助高压(HP)蒸汽管线126A从高压蒸汽管线126被抽出并供给至辅助涡轮124，该辅助涡轮124联接到辅助发电机152以产生电力。 [0038] 压力减小的蒸汽被从辅助涡轮124排放并经由辅助蒸汽管线124a提供至气体回收单元130。压力减小的蒸汽可以在约5巴和约20巴之间的压力下和小于约300℃的温度下提供。 [0039] 提供至气体回收单元130的压力减小的蒸汽分别经由第一和第二辅助蒸汽管线124a2、124a1提供至第一再沸器141和第二再沸器142。压力减小的蒸汽被同时且以不同速率提供至两个或更多再生塔153中的每一个。以不同速率提供蒸汽可包括在不同压力、温度和/或流量下提供蒸汽。以不同速率将蒸汽提供至两个或更多再生塔153中的每一个可用来将不同量的能量提供至两个或更多再生塔153中的每一个，以提高每个再生塔的可控性。通过使用诸如但不限于阀门、膨胀装置、节流装置和它们的任意组合的一个或多个蒸汽控制装置来控制蒸汽的质量，蒸汽被以不同速率提供至两个或更多再生塔153。然而，再生器153同步工作，CO2汽提速率和塔压力是不同的，以相对于CO2捕获和能量优化气体捕获和回收系统130。第一辅助蒸汽管线124a2和第二辅助蒸汽管线124a1以不同速率向第一再沸器141和第二再沸器142提供蒸汽，这将不同量的能量提供至第一再沸器141和第二再沸器142以提高每个再沸器的可控性，这随后分别提高了HP再生塔154和LP再生塔155的可控性。通过控制蒸汽分别到第一再沸器141和第二再沸器142的速率而改进对HP再生塔154和LP再生塔155的控制，发电单元119的功率产生被最小程度地减少，或者换言之，导致设备100的功率产生的最小损失。因此，独立且灵活地提供热负荷输送以保持系统的最佳性。在另一实施例中，压力减小的蒸汽经由两个或更多辅助蒸汽管线提供至两个或更多再沸器140。 [0040] 根据所提供的系统和方法，到辅助涡轮124的蒸汽流量与由设备100产生的功率成比例。换言之，由设备100产生的更多功率导致可提供至辅助涡轮124的更多蒸汽和可提供至酸性气体回收单元130的更多蒸汽。这在设备负载变化时提供了粗略的预期控制措施。 [0041] 在另一实施例中，到辅助涡轮124的蒸汽和提供至HP涡轮121的蒸汽的比率可被计算和保持到固定值。所计算的比率可以为HP涡轮的速度控制提供设定点，以最小化归因于对到辅助涡轮的流节流的压力损失。在另一实施例中，低压(LP)再生塔155的顶级塔温度可用来设定第二再沸器142中的再沸器负荷。 [0042] 从辅助涡轮124到两个或更多再沸器140的蒸汽流可用来控制CO2在HP和LP再生塔154、155中的再生，因为从辅助涡轮124到第一和第二再沸器141、142的蒸汽流可用来控制HP和LP再生塔154、155的温度。 [0043] 如图1中所示，抽出蒸汽的位置大体上显示在蒸汽管线上。然而，图1和本公开中随后的附图意图包括在提供所期望蒸汽质量的蒸汽源的管线或部件位置处抽入蒸汽。例如，可从热交换器、冷凝器、旁通、涡轮结构或提供期望质量的蒸汽的其它蒸汽通过部件抽出蒸汽。 [0044] 图2示出根据本公开的另一实施例的设备200的示意性简化流程图。设备200的主要部件与上文参照图1的设备100示出和描述的相同。然而，在该实施例中，来往于辅助涡轮124的蒸汽从在HP涡轮121和IP涡轮122之间的IP蒸汽管线210抽出且经由辅助IP蒸汽管线210A被提供至辅助涡轮124。在一个实施例中，IP蒸汽管线210中的蒸汽在约50巴和约60巴之间。在另一实施例中，IP蒸汽管线210中的蒸汽在约58巴和约60巴之间。在另一实施例中，IP蒸汽管线210中的蒸汽在约450℃和620℃之间。在另一实施例中，IP蒸汽管线210中的蒸汽在约480℃和520℃之间。在又一实施例中，IP蒸汽管线中的温度为约500℃。 [0045] 图3示出根据本公开的另一实施例的设备300的示意性简化流程图。设备300的主要部件与上文参照图1的设备100示出和描述的相同。然而，在该实施例中，来往于辅助涡轮124的蒸汽从在IP涡轮122和LP涡轮123之间的LP蒸汽管线310抽出。 [0046] 在一个实施例中，LP蒸汽管线310中的蒸汽在约3巴和约7巴之间。在另一实施例中，LP蒸汽管线310中的蒸汽在约4巴和约6巴之间。在另一实施例中，LP管线310中的蒸汽为约5巴。在另一实施例中，LP进料管线310中的蒸汽在约300℃和400℃之间。在另一实施例中，LP蒸汽管线310中的蒸汽在约340℃和400℃之间。在又一实施例中，LP蒸汽管线中的温度为约400℃。 [0047] 图4示出根据本公开的另一实施例的设备400的示意性简化流程图。设备400的主要部件与上文参照图1的设备100示出和描述的相同。然而，在该实施例中，辅助涡轮124被供以来自辅助锅炉410的蒸汽。由于提供了辅助锅炉410，因而从蒸汽锅炉单元110到酸性气体回收单元130的烟气流和热输入被断开。在一个实施例中，当主锅炉上的负载变化时，辅助锅炉410上的负载也变化。辅助锅炉410上的负载可改变，以保持由辅助锅炉 410和蒸汽锅炉单元110产生的蒸汽的比率。在另一实施例中，通过基于到蒸汽锅炉单元 110的燃料进料的变化改变到辅助锅炉410的燃料进料，从而改变辅助锅炉410上的负载。 [0048] 图5示出根据本公开的另一实施例的设备500的示意性简化流程图。设备500的主要部件与上文参照图1的设备100示出和描述的相同。在该实施例中，二级蒸汽用户524为蒸汽混合器。蒸汽混合器524可以是蒸汽饱和器。在另一实施例中，二级蒸汽用户524可以是接收相同或不同蒸汽质量的一个或多个蒸汽进料并产生期望蒸汽质量的所得蒸汽排放的蒸汽装置。蒸汽饱和器524接收相同或类似蒸汽质量的蒸汽进料并结合各种蒸汽进料以产生期望蒸汽质量的蒸汽排放。在一个实施例中，蒸汽排放是饱和蒸汽排放。蒸汽进料可以是蒸汽、饱和或超饱和蒸汽以及水的任意组合。蒸汽饱和器524被供以来自蒸汽锅炉单元110和来自发电单元119中的各个抽汽点的蒸汽。 [0049] 锅炉单元110包括一级锅炉回路110a和二级锅炉回路110b。一级锅炉回路110a经由一级进料管线111a接收水并经由高压蒸汽管线126排放蒸汽。二级锅炉回路110b经由二级进料管线111b接收水并经由二级蒸汽管线516排放蒸汽。在一个实施例中，经由二级蒸汽管线516排放的蒸汽为高压蒸汽。 [0050] 蒸汽饱和器524从二级蒸汽管线516接收蒸汽。在一个实施例中，来自二级蒸汽管线516的蒸汽以在约250巴至约320巴之间的压力和在约580℃和约700℃之间的温度提供至蒸汽饱和器524。在另一实施例中，二级蒸汽管线516以在约280巴至约300巴之间的压力和在约600℃和约670℃之间的温度将蒸汽提供至蒸汽饱和器524。 [0051] 如图5中可见，蒸汽饱和器524被进一步供以来自发电单元119的蒸汽，包括：经由辅助HP蒸汽管线126A来自HP蒸汽管线126的HP蒸汽；经由辅助IP蒸汽管线210A来自在HP涡轮121和IP涡轮122之间的IP蒸汽进料管线210的IP蒸汽；经由辅助LP蒸汽管线310A来自在IP涡轮122和LP涡轮123之间的LP蒸汽管线310的LP蒸汽；以及经由辅助排放蒸汽管线520A来自从LP涡轮123排放蒸汽的排放蒸汽管线520的排放蒸汽。 [0052] 在一个实施例中，来自二级蒸汽管线516的蒸汽在约500℃和约600℃之间。在另一实施例中，来自二级蒸汽管线516的蒸汽在约510℃和约565℃之间。在另一实施例中，来自二级蒸汽管线516的蒸汽在约150巴和约175巴之间。在另一实施例中，来自二级蒸汽管线516的蒸汽在约160巴和约165巴之间。 [0053] 蒸汽以产生经由辅助蒸汽管线124a到酸性气体回收单元130的期望蒸汽流的方式提供并结合到蒸汽饱和器524。在一个实施例中，压力减小的蒸汽可在约5巴和约20巴之间的压力下和在小于约300℃的温度下提供。压力减小的蒸汽被提供至第一再沸器141和第二再沸器142。在另一实施例中，压力减小的蒸汽被提供至一个或多个再沸器。根据发电单元119需求，辅助蒸汽管线以及二级蒸汽管线516中的一个或多个可被利用或关闭。 [0054] 图6示出根据本公开的另一实施例的设备600的示意性简化流程图。设备600的主要部件与上文参照图3的设备300示出和描述的相同。然而，在该实施例中，流量控制装置610代替辅助涡轮124(图3)作为二级蒸汽源150。流量控制装置610设置在辅助LP蒸汽管线310A上。流量控制装置610可以是节流阀。流量控制装置610可以被选择、控制和/或调整以调节提供至辅助涡轮124的蒸汽的量。在另一实施例中，流量控制装置610可代替图2的辅助涡轮124并设置在辅助IP蒸汽管线210A上。在又一实施例中，流量控制装置610可代替图1的辅助涡轮124并设置在辅助HP蒸汽管线126A上。 [0055] 图7示出根据本公开的另一实施例的设备700的示意性简化流程图。设备700的主要部件与上文参照图1的设备100示出和描述的相同。然而，在该实施例中，到辅助涡轮124的蒸汽管线是取代辅助HP蒸汽管线126A(图1)的辅助结合蒸汽管线726A。辅助蒸汽管线726A从辅助HP蒸汽管线126A、辅助IP蒸汽管线210A和辅助LP蒸汽管线310A接收蒸汽。 [0056] 图8示出根据本公开的另一实施例的设备800的示意性简化流程图。设备800的主要部件与上文参照图2的设备200示出和描述的相同。然而，在该实施例中，辅助蒸汽管线124a仅将蒸汽提供至LP再生塔155，而不提供至HP再生塔154。替代地，来自LP蒸汽管线310的蒸汽经由辅助LP蒸汽管线310A提供至第二辅助蒸汽涡轮824。第二辅助蒸汽涡轮824联接到第二辅助发电机852以产生电力852A。在另一实施例中，可使用一个或多个第二辅助蒸汽涡轮824。蒸汽经由将蒸汽提供至HP再生塔154的第二辅助蒸汽管线824A从第二辅助蒸汽涡轮810排放。在另一实施例中，来自HP蒸汽管线126的蒸汽经由辅助HP蒸汽管线126A提供至辅助涡轮124。在又一实施例中，来自HP蒸汽管线126和辅助LP蒸汽管线210两者的蒸汽被提供至辅助涡轮124。 [0057] 图9示出根据本公开的另一实施例的设备900的示意性简化流程图。设备900的主要部件与上文参照图3的设备300示出和描述的相同。然而，在该实施例中，辅助蒸汽管线124a仅将蒸汽提供至LP再生塔155，而不提供至HP再生塔154。替代地，来自辅助蒸汽管线124a的至少一些蒸汽经由辅助蒸汽旁通管线910A旁通至第二辅助蒸汽涡轮924。在另一实施例中，可使用一个或多个第二辅助蒸汽涡轮924。第二辅助蒸汽涡轮924联接到第二辅助发电机952以产生电力952A。蒸汽经由将蒸汽提供至HP再生塔154的第二辅助蒸汽管线924A从第二辅助蒸汽涡轮910排放。在另一实施例中，可将来自HP蒸汽管线126、IP蒸汽管线210和LP蒸汽管线310中的一个或任意组合的蒸汽提供至辅助涡轮124。 |
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