Интегрирование тепла при захвате со2

Изобретение относится к способам выработки электроэнергии. Способ выработки электроэнергии путем сжигания углеродосодержащих топлив и захвата CO₂, в котором рециркулируемую охлаждающую воду из охладителя прямого контакта в трубе (16) рециркуляции охлаждают в теплообменнике (17), который расположен в трубе (16) рециркуляции. В трубу (16) подают охлаждающую воду и отводят соответственно через трубы (70, 70') рециркуляции воды, соединенные с теплообменником (17). Воду, отводимую из теплообменника (17) через линию (70') рециркуляции, дросселируют через клапан (73) дросселирования и расширительный бак (74). Воду из расширительного бака (74) отводят через линию (78) для рециркуляции воды в качестве промывочной воды в охладитель прямого контакта отгоночной колонны (66). Пар в отгоночном баке вводят в качестве дополнительного отгоночного пара испарения в отгоночную колонну через линию (77) для пара, соединенную с расширительным баком (74). Технический результат заключается в обеспечении максимального вывода тепла. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области захвата CO₂ из газов, содержащих CO₂, таких как отходящие газы, получаемые при сгорании углеродосодержащих топлив. Более конкретно, изобретение относится к улучшению захвата CO₂ для уменьшения потребности в энергии установки для захвата CO₂.

Уровень техники

Выброс CO₂ в результате сгорания углеродосодержащих топлив, в частности ископаемых топлив, представляет собой серьезную проблему, из-за парникового эффекта CO₂ в атмосфере. Один из подходов для снижения эмиссии CO₂ в атмосферу представляет собой захват CO₂ из отходящих газов, получаемых при сгорании углеродосодержащих топлив, и безопасное хранение захваченного CO₂. В последнее десятилетие или т.п. было предложено множество решений для захвата CO₂.

Технологии, предложенные для захвата CO₂, могут быть разделены по категориям на три основные группы:

1. Поглощение CO₂, когда CO₂ реверсивно поглощается из отходящего газа так, что получается обедненный CO₂ отходящий газ, и абсорбент регенерируют для получения CO₂, который дополнительно обрабатывают и подают на хранение.

2. Преобразование топлива, когда углеводородные топлива преобразуют (реформируют) в водород и CO₂. CO₂ отделяют от водорода и подают на безопасное хранение, в то время как водород используют как топливо.

3. Окситопливо, когда углеродосодержащее топливо сжигают в присутствии кислорода, который был отделен от воздуха. Замена воздуха кислородом позволяет получить отходящий газ, в основном содержащий CO₂ и пар, которые могут быть разделены в результате охлаждения и испарения.

В публикации WO 2004/001301 (SARGAS AS) 31.12.2003 описана установка, в которой углеродосодержащее топливо сжигают при повышенном давлении, выхлопные газы охлаждают внутри камеры сгорания путем генерирования пара в трубах для пара в камере сгорания, CO₂ отделяют от отходящего газа путем поглощения/десорбции для получения обедненного отходящего газа и CO₂ для хранения, и обедненный отходящий газ после этого расширяют в газовой турбине.

В публикации WO 2006/107209 (SARGAS AS) 10.12.2000 описана установка для сжигания угля с непосредственным горением под давлением в псевдоожиженном слое, в которой улучшены впрыск топлива и предварительная обработка отходящих газов.

Сжигание углеродсодержащего топлива при повышенном давлении и охлаждение находящихся под давлением сгораемых газов из камеры сгорания уменьшает объем топочного газа относительно аналогичного количества топочного газа при атмосферном давлении. Кроме того, повышенное давление и охлаждение процесса сгорания позволяет получить, по существу, стехиометрическое сгорание. По существу, стехиометрическое сгорание дает остаточное содержание кислорода <5% об., такое как <4% об. или <3% об., уменьшает расход массы воздуха, требуемого для получения заданного количества энергии. Повышенное давление в комбинации с уменьшенным массовым потоком воздуха приводит к существенному снижению общего объема отходящих газов, для которых требуется обработка.

Кроме того, это приводит к существенному повышению концентрации и парциального давления CO₂ в топочном газе, что существенно упрощает устройство и уменьшает энергию, требуемую для захвата CO₂.

Публикация WO 2010/020604 относится к установке и способу удаления или существенного уменьшения количества NOx и SOx в отходящем газе судового дизельного двигателя. Кроме того, добавление модуля для удаления CO₂ в такой установке представлено на фиг.6 и в соответствующем описании. Для удаления загрязнений, таких как утечка аммиака из модуля SCR (ИКВ, избирательного каталитического восстановления), используются газоочистители. Кроме того, предусмотрены охладители для охлаждения промывочного раствора в газоочистителях.

В данной заявке, однако, не выполняются меры по экономии энергии путем передачи тепла между охладителями и другими процессами установки.

Публикация WO 2000/035340 относится к модулю захвата CO₂ для электростанции, где пар для уменьшения нагрузки в ребойлере генерируют путем выпаривания обедненного поглотителя, извлеченного из нижней части отгоночной колонны. Генерируемый пар может быть дополнительно сжат, и к нему может быть добавлена дополнительная вода, как конденсат из расширительного бака на пути отделения пара от CO₂ после отгоночной колонны. При этом, однако, отсутствует какое-либо упоминание или обозначение использования промывочной воды из охладителя прямого контакта в верхней части отгоночной колонны для генерирования пара, или дополнительный нагрев упомянутой промывочной воды в теплообменнике для охладителя непосредственного контакта для поступающего отходящего газа, для улучшения эффективности энергии при захвате CO₂.

Все способы и процессы по захвату CO₂ являются потребляющими энергию. Существенные усилия поэтому были направлены на выработку способов и процессов, приводящих к меньшему потреблению энергии, для уменьшения потери энергии, часто в форме пара при относительно низкой температуре и давлении, и охлаждающей воды. Много подходов было предложено для интегрирования тепла из нескольких этапов процесса, для обеспечения передачи тепла, произведенного на одном этапе, в процесс, в котором требуется тепло. Цель таких подходов состоит в том, чтобы получить более эффективные способы и процессы для электростанции для производства электроэнергии из углеродосодержащих топлив при одновременном захвате CO₂.

Однако все еще остается огромная потребность в решениях, улучшающих энергетическую эффективность электростанций, включая захват CO₂. Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить новые и улучшенные решения по интегрированию тепла для повышения энергетической эффективности, то есть обеспечения максимального вывода полезной энергии в виде тепла и/или электричества для заданного количества химической энергии, представленной, как углеродосодержащее топливо.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ выработки электроэнергии путем сжигания углеродосодержащих топлив и захвата CO₂, в котором углеродосодержащее топливо сжигают в камере сгорания под давлением в присутствии газа, содержащего кислород, газообразные продукты сгорания охлаждают в камере сгорания путем генерирования пара внутри тепловых труб, предусмотренных в камере сгорания, отходящий газ отводят из камеры сгорания через трубу отходящего газа, через теплообменник (теплообменники) и модули обработки отходящего газа, и охладитель прямого контакта, соединенный с трубой рециркуляции воды для рециркуляции воды, собираемой в нижней части охладителя прямого контакта и повторного ввода воды в верхней части охладителя, причем в этом охладителе частично охлажденный отходящий газ дополнительно охлаждают и увлажняют в противотоке воды, отходящий газ выводят из охладителя прямого контакта через трубу очищенного отходящего газа и подают в поглотитель CO₂ и в этот поглотитель подают обедненный абсорбент выше верхней зоны контакта поглотителя для обеспечения потока отходящего газа в противотоке к жидкому абсорбенту CO₂, для получения обогащенного абсорбента, который собирают в нижней части поглотителя CO₂ и который выводят из него по трубе обогащенного абсорбента, и отходящий газ, обедненный CO₂, выводят из верхней части поглотителя через трубу обедненного отходящего газа, соединенную с поглотителем, обедненный отходящий газ промывают на участке промывки, нагревают в теплообменнике и расширяют в турбине для генерирования электроэнергии перед его выпуском в атмосферу, при этом труба обогащенного абсорбента соединена так, что она подает обогащенный абсорбент в отгоночную колонну для регенерирования абсорбента и получения обедненного абсорбента, который выводят через линию рециркуляции обедненного абсорбента, по которой обедненный абсорбент перекачивают обратно в поглотитель, и поток CO₂ дополнительно обрабатывают для получения чистого CO₂, при этом поток CO₂ охлаждают, используя охлаждающую текучую среду, протекающую через охладитель прямого контакта, который предусмотрен в верхней части отгоночной колонны, и воду собирают на пластине коллектора, предусмотренной в нижней части охладителя прямого контакта, и линия рециркуляции воды выполнена с возможностью отвода собранной воды, рециркулируемую охлаждающую воду из охладителя прямого контакта в трубе рециркуляции охлаждают в теплообменнике, который предусмотрен в трубе рециркуляции, куда охлаждающую воду подают и отводят соответственно через трубы рециркуляции воды, соединенные с теплообменником, и воду, отводимую из теплообменника через линию рециркуляции, дросселируют через клапан дросселирования и расширительный бак, воду из расширительного бака отводят через линию для рециркуляции воды в качестве промывочной воды в охладитель прямого контакта отгоночной колонны, и пар в отгоночном баке вводят как дополнительный отгоночный пар испарения в отгоночную колонну через линию для пара, соединенную с расширительным баком.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан принципиальный чертеж первого варианта осуществления в соответствии с изобретением,

на фиг.2 показан принципиальный чертеж второго варианта осуществления в соответствии с изобретением,

на фиг.3 показана схема, иллюстрирующая изменение энтальпии в зависимости от температуры для CO₂/H₂O во время охлаждения,

на фиг.4 показана схема, иллюстрирующая изменение энтальпии в зависимости от температуры для топочного газа, для сравнения атмосферной электростанции с электростанцией, работающей под давлением, и

на фиг.5 показана схема, иллюстрирующая зависимость температуры от давления пара для H₂O над обедненным абсорбентом.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показана иллюстрация установки в соответствии с настоящим изобретением. Топливо, которое содержит углерод, которое здесь также называется углеродсодержащим топливом, подают через трубу 1 для топлива в камеру 2 сгорания под давлением при давлении от 5 до 50 бар манометрического давления, которое ниже сокращенно обозначается, как barg (бар манометрического давления). Давление в камере сгорания предпочтительно составляет больше 10 бар манометрического давления, например приблизительно 15 бар манометрического давления.

Топливо может представлять собой природный газ, нефть, уголь, биотопливо или любое другое топливо, богатое углеродом, и способ подачи и сжигания топлива зависят от типа топлива, как хорошо известно для специалистов в данной области техники.

Воздух или газ, содержащий кислород, подают через воздухозаборник 3 в компрессор 4. Компрессор 4 приводится в движение от двигателя 5 или газовой турбины 6 через общий вал 25, как будет дополнительно описано ниже. Для специалиста в данной области техники будет понятно, что компрессор 4 может быть представлен, как один или больше компрессоров или каскадов компрессора, соединенных последовательно в случае необходимости с промежуточными охладителями между отдельными компрессорами или каскадами компрессора. Параллельные компрессоры могут использоваться для очень больших систем.

Воздух или газ, содержащий кислород, из компрессора 4 поступает через трубу 7 сжатого воздуха в камеру 2 сгорания, как источник кислорода для сгорания в камере сгорания. Воздухом и топливом, подаваемыми в камеру сгорания, управляют для получения остаточного содержания кислорода в отходящем газе ниже чем 6% об., например ниже чем 4% об. или ниже чем 3% об. Низкое содержание остаточного кислорода приводит к получению топочного газа с высоким содержанием CO₂. В соответствии с этим содержание CO₂ в отходящем газе составляет от приблизительно 8% до приблизительно 18% об., в случае, когда используется воздух, и при этом получают такие значения для остаточного кислорода, как обозначено выше.

Тепловые трубы 8, 8' расположены внутри камеры сгорания для охлаждения газов сгорания и генерируют пар и перегретый пар внутри тепловых труб 8, 8' соответственно. Газы сгорания охлаждаются тепловыми трубами 8, 8' таким образом, что выходная температура отходящего газа составляет от 300 до 900 градусов C.

В зависимости от предназначенного для использования топлива внутренняя компоновка камеры сгорания может быть разной. При использовании угля в качестве топлива воздух подают для получения псевдоожиженного слоя топлива для сгорания, и тепловые трубы 8, 8' располагают в этом псевдоожиженном слое. При использовании нефти или газа в качестве топлива два или больше каскада нефтяных горелок или газовых горелок соответственно располагают в камере сгорания, и тепловые трубы 8, 8' размещают между каскадами для охлаждения газов сгорания между каждым каскадом. Для специалиста в данной области техники также будет понятно, что возможно использовать комбинацию упомянутых топлив или других топлив, богатых углеродом.

В упомянутых выше WO 2004001301 и WO 2006107209 описаны примеры конфигураций для различных топлив.

Отходящий газ отводят из камеры сгорания через трубу 9 отходящего газа и охлаждают в теплообменнике 10 до температуры от 250 до 450 градусов C.

Один или больше модулей для предварительной обработки отходящего газа расположены после теплообменника 10. Предпочтительно модуль 11 фильтра расположен непосредственно после теплообменника 10 для удаления частиц из газов сгорания. Модуль фильтра может быть исключен для отходящего газа, имеющего низкое содержание частиц, такого как отходящий газ, получаемый при сгорании нефти или газа, в качестве топлива. Модуль фильтра, однако, обязательно должен быть установлен при использовании угля, поскольку уголь приводит к формированию повышенного содержания частиц, которые могут оказать отрицательное влияние на каскады, расположенные после модуля обработки газа.

При сгорании углеродсодержащего топлива в присутствии воздуха образуется NOx. Помимо его влияния на окружающую среду NOx также может оказывать отрицательное влияние на захват CO₂. Поэтому модуль 12 избирательного каталитического восстановления (SCR) расположен после теплообменника 10 и устанавливаемого при необходимости модуля 11 фильтра. Мочевину или NH₃ подают в модуль SCR, где происходит ее реакция с NOx на катализаторе для удаления NOx в соответствии с хорошо известной технологией. Температура в модуле SCR предпочтительно составляет от 250 до 450 градусов C. Предпочтительная рабочая температура для модуля SCR должна быть выше приблизительно 350 градусов C.

После модуля SCR расположены один или больше теплообменников и модулей очистителей газа. Первый теплообменник 13 представляет собой модуль охлаждения топочного газа, предназначенный для охлаждения топочных газов до температуры ниже 250 градусов C. Второй представленный модуль 14 может представлять собой газоочиститель с параллельным потоком. В зависимости от состава газа и рабочих условий газоочиститель также может способствовать охлаждению газа.

После модулей 13, 14 охлаждения установлены газоочиститель с параллельным потоком или охладитель 15 прямого контакта. Охлаждающую воду подают через трубу 16 рециркуляции в охладитель 15 выше зоны 15' контакта в противопотоке с отходящим газом, который подают в охладитель 15 ниже зоны контакта. Воду собирают в нижней части охладителя 15, охлаждают в теплообменнике 17 и возвращают в процесс через трубу 16 рециркуляции.

Модули 11, 12, 13, 14 и 15 могут совместно называться модулями предварительной обработки, поскольку их цель состоит в том, чтобы подготовить отходящий газ для захвата CO₂.

Охлажденный отходящий газ отбирают из охладителя 15 через линию 18 очищенного отходящего газа и подают в нижнюю часть поглотительной колонны 19, где отходящий газ подают в противоток с абсорбентом в одной или более зон 19', 19'', 19''' контакта внутри поглотителя. Абсорбент, текучая среда, которая захватывает CO₂ и может впоследствии быть регенерирована при приложении низкого парциального давления CO₂ в газовой фазе относительно парциального давления CO₂ непосредственно над поверхностью текучей среды, подают в поглотитель над верхней контактной зоной через линию 35 обедненного абсорбента.

CO₂ в отходящем газе поглощается абсорбентом внутри поглотителя для получения насыщенного CO₂ или обогащенного абсорбента, который отбирают из нижней части поглотителя через линию 30 обогащенного абсорбента. Обедненный отходящий газ, из которого было удалено больше, чем 80%, более предпочтительно, больше чем 95% CO₂ в отходящем газе, поданном в поглотитель, отбирают через линию 20 обедненного отходящего газа.

Давление в поглотителе несколько ниже, чем давление в камере сгорания, например, на 0,5-1 бар ниже, чем давление в камере сгорания, что соответствует давлению в поглотителе от 4,0 до 49,5 бар манометрического давления.

Комбинация высокого давления и высокого содержания CO₂ в отходящем газе, подаваемом в поглотитель, позволяет уменьшить объем поглотителя и объем циркулирующего абсорбента одновременно с достижением высокой эффективности захвата CO₂.

В поглотителе предпочтительно используется абсорбент на основе горячего водного раствора углекислого калия. Предпочтительно абсорбент содержит от 15 до 35% масс. K₂CO₃, растворенного в воде.

В системах горячего карбоната калия CO₂ поглощается в соответствии со следующим общим уравнением:

(1) K₂CO₃ + CO₂ + H₂O <--> 2KHCO₃-ΔH_rl = -32,29 кДж/моль CO₂

Обедненный отходящий газ отводят в верхней части поглотителя 19 через линию обедненного отходящего газа и подают на участок 21 промывки, где обедненный отходящий газ подают в противотоке с промывочной водой на участке 21' контакта. Промывочную воду собирают в нижней части промывочного участка через линию 22 рециркуляции промывочной воды и повторно вводят в промывочный участок над участком 21' контакта.

Промытый обедненный отходящий газ отбирают из верхней части промывочного участка через трубу 23 обработанного газа.

Газ в трубе 23 обработанного отходящего газа подают в теплообменник 10, где обработанный отходящий газ нагревают, используя горячий необработанный отходящий газ, выходящий из камеры 2 сгорания.

Нагретый таким образом обработанный отходящий газ затем подают в газовую турбину 6, где газ расширяется для генерирования электроэнергии в генераторе 24. Расширенный газ отбирают через трубу 28 расширенного отходящего газа, который охлаждается в теплообменнике 27, прежде, чем он будет выпущен в атмосферу через выход 28 отходящего газа.

Компрессор 4 и газовая турбина 6 могут быть расположены на общем валу 25, таким образом, что компрессор 4, по меньшей мере, частично работает за счет энергии вращения от газовой турбины 6. Однако в настоящее время предпочтительно, чтобы компрессор работал от электродвигателя 5, и чтобы газовая турбина осуществляла привод генератора 24 для генерирования электроэнергии. Разделение компрессора 4 и газовой турбины 6 обеспечивает большую гибкость при работе установки.

Обогащенный абсорбент, то есть абсорбент, насыщенный CO₂, собирают в нижней части поглотителя 19 и отбирают оттуда через трубу 30 обогащенного абсорбента. Давление обогащенного абсорбента в трубе 30 сбрасывают в клапане 31 дросселирования до давления несколько выше 1 бар абсолютного значения, такого как 1,2 бара абсолютного значения, которое ниже обозначается bara (бары абсолютного значения), перед подачей в испарительную колонну 32. В линии 30, которая не показана на фиг.1, может быть расположен расширительный бак или испарительный модуль, предназначенный для удаления нежелательных летучих компонентов, абсорбируемых из топочного газа в абсорбент, таких как кислород.

Один или более участков 32', 32'', 32''' контакта расположены в отгоночной колонне 32. Обогащенный абсорбент подают выше верхнего участка контакта отгоночного участка, и в противотоке с паром, подаваемым ниже самого нижнего участка контакта. Низкое парциальное давление CO₂ на отгоночном участке, которое представляет собой результат более низкого давления и разбавления CO₂ на отгоночном участке, приводит к тому, что равновесие в уравнении (1), представленном выше, будет сдвинуто в левую строну, и CO₂ будет выведен из абсорбента.

Обедненный абсорбент собирают в нижней части отгоночной колонны 32 и отбирают через трубу 33 обедненного абсорбента. Труба 33 обедненного абсорбента разделена на две, первую трубу 34 обедненного абсорбента ребойлера, которая нагревается в ребойлере 36 для испарения жидкости, которую подают, как отогоночный газ в отгоночную колонну через линию 37 пара, и линию 35 рециркуляции обедненного абсорбента, по которой обедненный абсорбент перекачивается обратно в поглотитель 19. Насос 38 и охладитель 39 предусмотрены в линии 35 для перекачки и, таким образом, повышения давления абсорбента, для охлаждения абсорбента соответственно перед тем, как абсорбент будет подан в поглотитель.

CO₂ и пар собирают в верхней части отгоночной колонны через трубу 40 отбора CO₂. Охладитель 66 прямого контакта десорбера расположен над зонами 32', 32'', 32''' контакта и выше точки, где обогащенный абсорбент вводят в отгоночную колонну 32 через трубу 30, для охлаждения смеси пара и газообразного CO₂, выходящего из верхней зоны контакта. Охлаждающую текучую среду подают выше участка охладителя прямого контакта и обеспечивают возможность ее протекания через участок 66 охладителя прямого контакта. Пластина 65 коллектора расположена ниже участка охладителя прямого контакта, что обеспечивает возможность протекания пара по пути в направлении вверх отгоночной колонны 32, и предотвращает возможность протекания охлаждающей текучей среды в зоны 32', 32'', 32''' контакта. Текучую среду, собирающуюся на пластине 65 коллектора, отбирают через трубу 70 рециркуляции воды и используют, как описано ниже.

Пар в трубе 40 охлаждают в охладителе 41 и подают в расширительный бак 42. Жидкость, формируемую в результате охлаждения в охладителе 41, собирают в нижней части расширительного бака 42 через трубу 43 возврата жидкости и подают в отгоночную колонну 32. В качестве альтернативы, что не показано на фиг.1, жидкость может быть направлена в верхнюю часть отгоночной колонны 19. Труба 44 баланса жидкости может быть предусмотрена с тем, чтобы добавлять жидкость в трубу 43 или удалять жидкость из трубы 43 для баланса величины циркуляции воды.

Газообразную фазу из расширительного бака 42 отбирают через трубу 45 отбора CO₂, ее сжимают посредством компрессора 47 и охлаждают в теплообменнике 48 прежде, чем газ будет дополнительно обработан для получения сухого и сжатого CO_2, который экспортируют через трубу 46 экспорта CO₂.

Охлаждаемую текучую среду, собираемую на пластине 65 коллектора и отбираемую через трубу 70, подают в упомянутый выше теплообменник 17 для охлаждения рециркулирующей охлаждающей воды в трубе 16 рециркуляции. Насос 71 мог быть установлен предпочтительно в линии 70 для циркуляции воды. Как будет описано ниже, нагретую текучую среду отбирают из теплообменника 17 через трубу 70' и подают в указанный выше теплообменник 48 для дополнительного нагрева от сжатого CO₂ и пара, находящегося в нем. Кроме того, нагретую текучую среду затем отбирают из теплообменника 48 через трубу 72 для воды, сбрасывают ее давление и испаряют в клапане 73 дросселирования перед тем, как испарившуюся текучую среду подадут в расширительный бак 74 для получения воды, которую собирают в его нижней части, и пара, который собирают в верхней части расширительного бака 74 и отбирают через трубу 77 для пара. Компрессор 75 установлен в трубе 77 для пара, после чего следует необязательный корректирующий охладитель 76. Пар в линии 77 для пара затем подают как отгоночный пар через линию 37 в отгоночную колонну 32. На фиг.1 не показано, что текучая среда в линии 70 может быть направлена непосредственно в клапан 73 дросселирования, или может быть нагрета от источников энергии низкой температуры, в дополнение к или вместо теплообменников 17 и 48. Примеры таких источников тепла представляют собой газоочиститель 14, компрессор 4 промежуточных охладителей, или линии 26 и/или 28 остаточного тепла. Большее количество тепла уменьшает требования к энергии в компрессоре 75 и может увеличивать общую тепловую эффективность системы.

Текучую среду из расширительного бака 74 отбирают через линию 78 и подают как промывочную жидкость в охладитель прямого контакта отгоночной колонны через трубу 43. Насос 79 предпочтительно установлен в линии 78 для обеспечения в ней достаточного давления.

Охлаждающую воду из камеры сгорания подают в тепловую трубу 8 из водопроводной трубы 50. Пар, генерируемый в тепловой трубе 8, отбирают через трубу 51 для пара и расширяют в паровой турбине 52 высокого давления. Пар из участка турбины высокого давления подают через линию 53 в повторный нагреватель 8' пара, и полученный в результате пар отбирают через трубу 54 для пара. Перегретый пар в трубе 54 расширяется на промежуточном участке и участке низкого давления паровой турбины 55. Полностью расширившийся пар отбирают из участка 55 паровой турбины через трубу 56 для расширенного пара и охлаждают в охладителе 57 для получения воды, которая оседает в баке 68 сбора воды. Воду, собирающуюся в баке 68, отбирают через линию 50, через теплообменник 27, где воду нагревают от очищенного отходящего газа, прежде чем вода будет повторно подана в тепловую трубу 8.

Первый 52 и второй 55 участки паровой турбины предпочтительно установлены на общем валу 80 вместе с генератором 81 для генерирования электроэнергии. Цикл пара и его оптимизация хорошо известны для специалиста в данной области техники.

Частично расширенный пар отбирают из второго участка 55 паровой турбины промежуточного давления через трубу 59 частично расширенного пара. Частично расширенный пар по трубе 59 подают в увлажнитель, где пар охлаждается распыляемой водой, подаваемой из трубы 61 для воды. Охлажденный пар отбирают из увлажнителя 60 через трубу 62 пара ребойлера и используют для опосредованного нагрева обедненного абсорбента в ребойлере 36 для получения пара из обедненного абсорбента. Воду от конденсата пара, подаваемую в ребойлер 36 через трубу 62, отбирают через линию 63 конденсата и подают в бак 58.

Для специалиста в данной области техники будет понятно, что участки контакта, упомянутые в настоящем описании, такие как участки 15', 15'',15''', 19', 19'', 19''', 21', 21'', 21''', 32', 32'', 32''' представляют собой участки контакта, предпочтительно состоящие из структурированной и/или неструктурированной набивки, для увеличения площади внутренней поверхности и, таким образом, площади контакта между жидкостью и газом на участках контакта.

На фиг.2 иллюстрируется специфичный вариант осуществления настоящего изобретения, который обеспечивает еще более высокую энергетическую эффективность, чем вариант осуществления, описанный со ссылкой на фиг.1. Единственная разница между вариантом осуществления фиг.2 по сравнению с фиг.1 состоит в расширении обедненного абсорбента, как будет описано ниже. Расширение обедненного абсорбента, как средство улучшения энергетической эффективности, по сути хорошо известно, но не в связи со свойствами сохранения тепла, как описано со ссылкой на фиг.1.

Часть обедненного абсорбента, покидающую отгоночную колонну через линию 33, которая должна вернуться в поглотитель 19, вводят в клапан 90 дросселирования и затем выводят в расширительный бак 91. Газовую фазу в расширительном баке 91 отбирают через линию 92 для пара и сжимают с помощью компрессора 93 пара для сжатия и, таким образом, нагрева пара. Сжатый и нагретый пар затем подают как отгоночный газ в отгоночную колонну через линию 94 сжатого пара. Жидкую фазу, собирающуюся в нижней части расширительного бака 92, отбирают из нее и перекачивают в линию 35 обедненного абсорбента с помощью насоса 95. В данном варианте осуществления охладитель 39 не используется.

Пример 1

Как отмечено выше, CO₂ абсорбируют в соответствии с уравнением 1);

(1) K₂CO₃ + CO₂ + H₂O <--> 2KHCO₃-ΔH_rl = -32,29 кДж/моль CO₂

Равновесие для уравнения обеспечивается в соответствии с уравнением 2):

(2) K_eq = (HCO₃ ^-)²/[(CO₃ ^2-)PCO₂]

Насыщенность абсорбента определяется по следующему уравнению 3):

(3) s = 2x#mol(KHCO₃)/[#mol/K₂CO₃) + 2x#mol (KHCO₃)].

Во время работы установки абсорбции/десорбции целевые значения насыщенности составляют: s=0,30 для обедненного абсорбента (min 0,1), поскольку более высокая степень регенерации K₂CO₃ требует дополнительной энергии и обычно не требуется для процесса CO₂, описанного выше, и s=0,60 (максимум 0,7) для обогащенного абсорбента, поскольку более высокая концентрация KHCO₃ приводит к более высокой загрузке абсорбента, но может привести к нежелательному увеличению температуры кристаллизации.

Поглотитель обычно работает при температуре от 80 до 110 градусов C, в то время как десорбер (отгоночная секция) работает при температуре от 90 до 120 градусов C в зависимости от давления, обычно температура в десорбере составляет 92 градуса C в верхней части и 110 градусов C в нижней части из-за более высокого давления и более высокой концентрации K₂CO₃.

Энергия, подаваемая в десорбер для десорбции/удаления CO_2, в основном в виде пара, используется для:

1. нагрева абсорбента

2. нагрева рециркулируемой жидкости

3. обеспечения тепла реакции, даже если тепло реакции очень низкое для некоторых абсорбентов, таких как на основе горячих систем карбоната калия

4. получения десорбирующего пара (приблизительно от 0,8 до 1,2 раза больше массы CO₂ в верхней части десорбера, в зависимости от свойств абсорбента).

Для электростанции, работающей на угле типа псевдоожиженного слоя под давлением, уголь подают вместе с сорбентом SOx и обычно 25% воды для формирования пасты, которую впрыскивают в псевдоожиженный слой камеры сгорания. При скорости сгорания 275 LHV нижнего значения нагрева (LHV, НЗН) и 282 МВТ верхнего значения нагрева (HHV, ВЗН) пар генерируется в тепловых трубах в камере сгорания. Обычно генерируется 86 кг/с пара с давлением приблизительно 185 бар абсолютного значения и 565 градусов C в трубе 8, и этот пар расширяется в паровой турбине 52.

Расширенный пар подвергают повторному нагреву до приблизительно 565 градусов C приблизительно при 40 бар абсолютного значения в тепловой трубе 8', и он расширяется в паровой турбине 55. Как правило, приблизительно 18 кг/с пара отбирают из каскадов паровой турбины при различных давлениях и используют для предварительного нагрева бойлера. Это не показано на фиг.1 и 2 для ясности изображения. Кроме того, пар отбирают из паровой турбины в линию 59 под давлением приблизительно 4 бар абсолютного значения. Количество такого отбора должно быть минимизировано. На основе этого количество пара, который полностью расширился в паровой турбине, составляет 86 кг/с минус приблизительно 18 кг/с, минус поток пара по линии 59. Это соответствует 68 кг/с минус пар, протекающий в линии 59. Полностью расширенный пар отбирают из турбины 55 через линию 56 и рециркулируют в качестве воды, подаваемой в бойлер, в тепловой трубе 8, тогда как приблизительно 12 кг/с пара частично расширяется и отбирается через трубу 59. Пар, отбираемый через трубу 59, обычно имеет температуру приблизительно 258 градусов C и давление 4 бар абсолютного значения, но температура и давление могут изменяться в зависимости от системы паровой турбины. Этот пар охлаждается в увлажнителе 60 для получения пара при давлении приблизительно 4 бар абсолютного значения и 144 градуса C, который подают в ребойлер десорбера 36 для опосредованного нагрева, для получения в нем пара.

Пар, отбираемый через линию 59 при давлении 4 бар абсолютного значения и температуре 258 градусов C, может в качестве альтернативы быть расширен приблизительно до 0,035 бар абсолютного значения при приблизительно 27 градусах C для получения приблизительно 0,7 МДж электроэнергии на кг расширенного пара, предполагая, что адиабатическая эффективность паровой турбины составляет 90%. Для паровой турбины 120 МВт пар протекает из каскада 4 бар абсолютного значения в конденсатор, поток которого составляет приблизительно 68 кг /с, если поток в линии 59 равен нулю. Камера сгорания производит порядка 24,5 кг/с CO_2, из которых приблизительно 22 кг/с захватывается (90% захвата). Когда латентное тепло, требуемое для работы десорбера, составляет 3,6 МДж на килограмм захваченного CO₂, требуется приблизительно 80 МВт латентного тепла. Содержание тепла у пара с давлением 4 бар абсолютного значения при 258 градусов C, при охлаждении до температуры насыщения при 4 бар абсолютного значения и конденсации при 4 бар абсолютного значения составляет приблизительно 2,4 МДж/кг. Требуемое количество пара из паровой турбины поэтому составляет 80/2,4 кг/с, или приблизительно 34 кг/с. Потеря энергии паровой турбины при этом составляет 34*0,7 МВт или приблизительно 24 МВт.

На холодной стороне ребойлера 36 отгоночной секции давление несколько выше атмосферного. Поэтому продукт, получаемый из пара, выделяемого из паровой турбины, теперь представляет собой пар с давлением, например, 1,2 бар абсолютного значения при температуре приблизительно 110 градусов C, что составляет точку кипения обедненного абсорбента при таком давлении.

В соответствии с тем же предположением, что и выше, то есть, что 22 кг/с CO₂ удаляется из абсорбента, требуемая энергия составляет 3,6 МДж/кг CO₂ или приблизительно 80 МВт латентного и измеряющего температуру тепла. Это соответствует потоку приблизительно 34 кг/час пара, сгенерированного в ребойлере, в нижнюю часть десорбера.

Следовательно, приблизительно 12 кг/с конденсируется для обеспечения тепла для пунктов 1)-3), представленных выше. Остальные приблизительно 22 кг/с используются как отгоночный пар, пункт 4). Этот пар выходит через верхнюю часть набивки десорбера вместе с восстанавливаемым CO₂. Это означает, что энергия, используемая для отгонки, по существу представляет собой потерянную энергию в результате разбавления пара десорбции CO₂. 22 кг/с CO₂, смешанного с 22 кг/с H₂O, означает, что присутствует приблизительно 70% моль H₂O. Таким образом, парциальное давление H₂O уменьшается от уровня несколько выше 1 бар абсолютного значения в нижней части десорбера до приблизительно 0,7 бар абсолютного значения в верхней части (что соответствует точке росы H₂O при приблизительно 90 градусов C, когда общее давление составляет 1,0 бар абсолютного значения). На практике этот пар конденсируют для получения CO₂, и латентное тепло отгоночного пара поэтому теряется, что представляет собой намного большие потери, чем потери, связанные с уменьшением парциального давления отгоночного пара в результате разбавления восстановленным CO₂. При этом желательно сохранить это латентное тепло и подавать энергию только для компенсации потерь парциального давления отгоночного пара.

Изменение энтальпии в результате конденсации отгоночного газа в зависимости от температуры конденсации показано на фиг.3. По мере конденсации воды парциальное давление пара воды уменьшается, и требуется более низкая температура для дальнейшей конденсации. Поэтому для восстановления дополнительного тепла на участке 66 охладителя прямого контакта десорбера охлаждающая вода, подаваемая из расширительного бака 74 через линию 78 и насос 79, должна быть более холодной. Это уменьшает давление в расширительном баке 74 и поэтому работу, требуемую от компрессора 75. Если меньшее количество тепла будет восстановлено на участке 66 охладителя прямого контакта, и эта разность будет подана в отдельный источник тепла с более высокой температурой, тогда температура в расширительном баке может быть более высокой. Это также определяет более высокое давление и меньшую работу, требуемую от компрессора 75.

В соответствии с фиг.3 восстанавливаемое тепло в диапазоне от 80-90 градусов C требует приблизительно 28 МВт, которые могут быть получены на участке 66 охладителя прямого контакта десорбера в промывочной воде, отводимой через трубу 70.

Тепловая энергия, получаемая в охладителе 66 прямого контакта десорбера, представляет собой важный источник для получения тепла в настоящем процессе. CO₂/пар, выводимый из десорбера/отгоночного участка, охлаждается путем охлаждения водой в результате прямого контакта. В результате такого охлаждения пар из газа, насыщенного паром, конденсируется, и, таким образом, происходит отделение пара воды от требуемого продукта, который представляет собой CO₂.

Другой важный источник получения тепла представляет собой охладитель 15 прямого контакта топочного газа. Топочный газ поступает в вентилятор - охладитель 15 прямого контакта топочного газа при температуре приблизительно от 115 до 120 градусов C. Он содержит пары воды, полученные в результате процесса сгорания либо в результате сгорания водорода, который составляет часть газа, нефти, угля или биотоплива, или из системы подачи топлива, такого как уголь, который может подаваться в камеру 2 сгорания в виде пасты с водой. Температура насыщения паров воды зависит от количества паров воды и давления. Когда угольное топливо подают в камеру сгорания в виде пасты, и давление составляет приблизительно 12-13 бар абсолютного значения, температура насыщения топочного газа составляет приблизительно 115 градусов C. Если используется топливо в виде природного газа, количество паров воды будет более высоким, и температура насыщения будет более высокой. Если давление будет ниже, температура насыщения будет ниже. Вследствие того, что топочный газ находится при повышенном давлении и содержит существенное количество пара, конденсация пара начинается при температуре насыщения, которая относительно высока, в результате чего получают существенное количество восстанавливаемой высокотемпературной энергии в форме тепла. На фиг.4 представлена иллюстрация зависимости давления от количества высокотемпературного восстанавливаемого тепла при охлаждении топочного газа. Эта кривая была получена на основе предположения, что поток топочного газа составляет 111 кг/с, где входная температура топочного газа составляет 115 градусов C, и выходная температура топочного газа составляет 100 градусов C, и содержание воды в топочном газе составляет 14,5%.

Разница между атмосферными (традиционными) системами и системой в соответствии с настоящим изобретением состоит в конденсации паров воды в системе под давлением. Атмосферная система имеет гораздо более низкое парциальное давление H₂O, даже при том, что количество паров H₂O может быть таким же, и поэтому охлаждение топочных газов не приводит к получению конденсата, в результате чего происходит меньшая рекуперация энергии.

В соответствии с настоящим изобретением топочный газ охлаждают до приблизительно 100 градусов C в конденсаторе, который предпочтительно выполнен в виде охладителя прямого контакта, где топочный газ протекает через набивку в противотоке с циркулирующей водой. Эта вода устанавливает энергию газа и охлаждается в теплообменнике 17, который принимает охлаждающую воду из охладителя прямого контакта десорбера, дополнительно нагревая эту воду и подавая больше энергии.

Пунктирная кривая на фиг.4 представлена только для сравнения и представляет одно преимущество данной системы по сравнению с более традиционными атмосферными системами захвата CO₂, где очень малое количество полезной энергии (энергии выше 100 градусов C в данном случае) может быть получено из того же топочного газа.

Третий источник получения тепловой энергии представляет собой охладитель (охладители) 48 компрессора CO₂. Количество доступной энергии в охладителе (охладителях) при сжатии будет ниже, чем в охладителях, упомянутых выше, но температура будет выше.

В таблице 1 иллюстрируется суммарная энергия, генерируемая настоящей электростанцией с захватом CO₂, как функция пара, производимого посредством настоящей регенерации тепла в охладителе 15 с прямым контактом топочного газа (в таблице обозначен как "Конденсатор"), на участке 60 охладителя с прямым контактом десорбера (В таблице обозначен как "Десорбер"), и промежуточном охладителе (охладителях) 48 компрессора (В таблице обозначены как "Компрессоры").

Таблица 1
Произведено пара(расширительный бак 74), кг/с	Источник тепла для производства пара	Пар 4 бар абсолютного значения*, кг/с	Паровая турбина, МВт	Компрессор испарителя, МВт	Суммарная мощность, МВт
Охладитель 66 десорбера, МВт	Охладитель 17 конденсатора, МВт	Охладители 48 компрессора, МВт
0	-	-	-	34	96	-	96
10	5	11	6	24	103	-1,1	101,9
16	16	11	6	19	106,5	-2,2	104,3
20	28	11	6	14	110	-3,6	106,4
25	39	11	6	9	113,5	-6,4	107,1
*Паровая турбина с боковым выпуском. С нулевым боковым выпуском, выход паровой турбины составляет 120 МВт.

В таблице 1 ясно иллюстрируется увеличение суммарной мощности паровой турбины как результат увеличения извлеченного тепла из упомянутых трех элементов установки и иллюстрируются наиболее важные преимущества настоящего изобретения.

Суммарная мощность, выход паровой турбины минус мощность компрессора испарителя, увеличивается более чем на 10 МВт, когда генерируют 20 кг/с пара и сжимают в соответствии с изобретением и направляют в нижнюю часть десорбера, заменяя такое же количество пара при давлении 4 бар абсолютного значения из паровой турбины.

Дальнейшее увеличение генерирования пара путем испарения и сжатия, например до 25 кг/с, требует значительного увеличения производительности компрессора, и увеличение суммарной мощности при этом будет намного меньшим. Производительность за пределами 25 кг/с не приводит к какому-либо отрицательному вкладу в суммарный выход паровой турбины минус производительность компрессора испарителя.

Пример 2

В этом примере иллюстрируется дополнительный эффект испарения и сжатия и впрыска пара из расширительного бака 81 в колонну регенератора в качестве газа десорбции, как представлено со ссылкой на фиг.2.

На фиг.5 иллюстрируется давление пара обедненного абсорбента как функция температуры при приблизительно 100 градусах C. Теплоемкость обедненного абсорбента составляет приблизительно 3,0 кДж/кг-K при потоке обедненного абсорбента 1000 кг/с и при охлаждении от приблизительно 112 градусов C (приблизительная температура в нижней части десорбера) до приблизительно 98,6 градусов C (приблизительная температура подачи обедненного абсорбента в верхнюю часть поглотителя) приблизительно составляет генерирование 1000*3,0*(112-98,6) кВт = 40000 кВт.

При производстве 22 кг/с CO₂ и общем требовании к теплу десорбера, в форме латентного тепла пара, 3,9 МДж/кг CO₂ общее требование по теплу составляет приблизительно 80 МВт. Следовательно, обедненная десорбция позволяет получить приблизительно 50% этого тепла.

При латентном тепле пара приблизительно 2250 кДж/кг (при приблизительно 1,2 бара абсолютного значения) это соответствует приблизительно 17,8 кг/с пара. Этот пар должен быть сжат от приблизительно 0,75 бар абсолютного значения до приблизительно 1,2 бар абсолютного значения. Производительность компрессора тогда составляет приблизительно 2,0 МВт, предполагая адиабатическую эффективность 80%.

В таблице 2 приведено влияние испарения обедненного абсорбента на общий выход мощности паровой турбины.

Таблица 2
Источник пара	Пар в результате испарения, кг/с	Латентное тепло пара испарения, МВт	Сжатие пара испарения, МВт	Пар 4 бар абсолютного значения*, кг/с	Мощность паровой турбины, МВт	Суммарная мощность, МВт
Паровая турбина	0	0	0	34	96	96
Настоящее изобретение	17,8	40	-3,0	<1	120	115
Расширение обедненной жидкости	17,8	40	-2,0
*Паровая турбина с боковым выводом. При нулевом боковом отводе выход паровой турбины составляет приблизительно 120 МВт.

В таблице 2 ясно иллюстрируется влияние расширения обедненного абсорбента на общую выходную мощность паровой турбины. При комбинировании свойств энергии по примеру 1 суммарная мощность может быть увеличена с 96 МВт до 115 МВт по сравнению с 120 МВт без захвата углерода.

Тот факт, что тепло реакции по уравнению 1 относительно мало, представляет собой преимущество для систем с карбонатом калия, поскольку соответствующее экзотермическое тепло реакции в поглотителе будет низким, и, таким образом, нагрев абсорбента в поглотителе будет низким. Нагрев абсорбента в поглотителе может сдвинуть реакцию влево и, таким образом, уменьшить способность поглощения абсорбента.

1. Способ выработки электроэнергии путем сжигания углеродосодержащего топлива и захвата CO₂, при котором углеродосодержащее топливо сжигают в камере (2) сгорания под давлением в присутствии газа, содержащего кислород, газообразные продукты сгорания охлаждают путем генерирования пара внутри тепловых труб, расположенных в камере сгорания, отходящий газ отводят из камеры сгорания через трубу (9) отходящего газа, теплообменник или теплообменники (10), модули (11, 12) обработки отходящего газа, охладитель (15) прямого контакта, соединенный с трубой (16) рециркуляции воды для рециркуляции воды, собираемой в нижней части охладителя (15) прямого контакта и повторного ввода воды в верхнюю часть охладителя, в котором частично охлажденный отходящий газ дополнительно охлаждают и увлажняют в противотоке воды, отходящий газ выводят из охладителя (15) прямого контакта через трубу (18) очищенного отходящего газа и подают в поглотитель (19) CO₂, в который подают обедненный абсорбент выше верхней зоны (19''') контакта поглотителя (19) с обеспечением потока отходящего газа в противотоке к жидкому абсорбенту CO₂ с получением обогащенного абсорбента, который собирают в нижней части поглотителя CO₂ и выводят из него по трубе (30) обогащенного абсорбента, при этом отходящий газ, обедненный CO₂, выводят из верхней части поглотителя (19) через трубу (20) обедненного отходящего газа, соединенную с поглотителем (19), обедненный отходящий газ промывают на участке промывки, нагревают в теплообменнике и расширяют в турбине для генерирования электроэнергии перед его выпуском в атмосферу, при этом труба (30) обогащенного абсорбента соединена так, что через нее обогащенный абсорбент подают в отгоночную колонну (32) для регенерирования абсорбента с получением обедненного абсорбента, который выводят через линию (35) рециркуляции обедненного абсорбента, по которой обедненный абсорбент перекачивают обратно в поглотитель (19), и поток CO₂, который дополнительно обрабатывают с получением чистого CO₂, поток CO₂ охлаждают, используя охлаждающую текучую среду, протекающую через охладитель (66) прямого контакта, который предусмотрен в верхней части отгоночной колонны (32), а воду собирают на пластине (65) коллектора, предусмотренной в нижней части охладителя (15) прямого контакта, при этом линию (70) рециркуляции воды выполняют с возможностью отвода собранной воды, отличающийся тем, что рециркулируемую охлаждающую воду из охладителя (15) прямого контакта в трубе (16) рециркуляции охлаждают в теплообменнике (17), который расположен в трубе (16) рециркуляции, в который охлаждающую воду подают и отводят соответственно через трубы (70, 70') рециркуляции воды, соединенные с теплообменником (17), а воду, отводимую из теплообменника (17) через линию (70') рециркуляции, дросселируют через клапан (73) дросселирования и расширительный бак (74), из расширительного бака (74) воду отводят через линию (78) для рециркуляции ее в качестве промывочной воды в охладитель (15) прямого контакта отгоночной колонны (66), а пар в отгоночном баке вводят как дополнительный отгоночный пар испарения в отгоночную колонну (66) через линию (77) для пара, соединенную с расширительным баком (74).

2. Способ по п.1, в котором текучую среду в трубе (70') нагревают в теплообменнике (48), в который подают холодный сжатый CO₂ и пар до поступления текучей среды в трубу (70') после расширения в клапане (73) дросселирования.