气体分离-轮机中整合的CO2捕获方法技术

基于吹扫的气体分离方法用于减少来自燃气发电厂的二氧化碳排放。本发明专利技术涉及至少两个压缩步骤、燃烧步骤、二氧化碳捕获步骤、功率生成步骤以及基于吹扫的膜分离步骤。压缩步骤之一用于产生在二氧化碳捕获步骤中处理的低压和低温压缩流，从而避免消耗大量能量以冷却压缩流的必要，该压缩流来自产生通常为20‑30巴或更高的高压流的典型压缩机。

Gas Separation-Integrated CO2 Capture Method in Turbine

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体分离-轮机中整合的CO2捕获方法
本专利技术涉及一种基于膜的气体分离方法，并且具体地涉及基于吹扫的膜分离方法以从燃烧气体中去除二氧化碳。更具体地，本专利技术使用整合至燃气发电厂的低压低温CO2捕获步骤。
技术介绍
下面给出的是关于本专利技术的某些方面的背景信息，因为它们可能涉及详细描述中提到的但不一定详细描述的技术特征。下面的讨论不应被解释为承认信息与要求保护的专利技术的相关性或所述材料的现有技术效果。世界上大部分的电力是由煤电厂产生的。这些工厂每生产一千瓦电就向大气排放～800克CO2。这些排放物是全球变暖的主要因素。天然气越来越多地被用来代替煤炭，特别是在美国，其定向钻井和水力压裂的发展已经产生了大量的低成本气体供应。天然气发电厂每生产一千瓦电力向大气排放～400克CO2，因此将燃料从煤炭转化为天然气可将CO2排放量减少一半。但是，从长期来看，如果要满足全球变暖目标，还需要控制天然气发电厂的排放。正在开发各种技术来分离来自发电厂烟道气的CO2，从而可以隔离CO2。胺吸收是领先的技术，但成本高，产生自身的大气排放，需要仔细的操作和维护，并且具有非常大的占地面积。膜技术也正在开发中并具有许多优点，包括降低资本和运营成本，模块化结构，占地面积小，无排放，并且不需要改变电厂蒸汽循环。然而，尽管已经建造了每天处理高达20吨CO2的示范机组，该技术并不像胺那样发达。在美国专利号7,962,020中，我们公开了一种从煤电厂烟道气中捕获CO2的膜方法。这些方法使用燃烧空气作为膜接触器中的吹扫流。空气吹扫从烟道气中剥离CO2，并将其再循环回锅炉。通过选择性回收CO2，烟道气中CO2的浓度增加，使其分离更容易。例如在美国专利号8,220,247中，这些方法随后被应用于燃气轮机发电厂。天然气轮机发电厂是高成本的、大型的和高度优化的机器。期望的是只需要对轮机进行微小改动，从而使这些CO2分离系统可以改装到现有的轮机上。然而，对于新工厂而言，大幅降低CO2捕获成本的最大希望是将捕获工艺整合到轮机设计中。在我们的美国专利号9,140,186中公开了一种这样的整合方法，这里在图4中示出。进气流406被引导至第一压缩机401a。压缩气体流443与燃烧器402中的进入的燃料气流416一起燃烧。然后来自燃烧器的热的高压气体流417膨胀通过燃气轮机403。燃气轮机分别通过轴405机械地连接到第一和第二压缩机401a和401b，以及发电机404。来自燃气轮机的低压废气(exhaustgas，排气)流419仍然是热的并且被送到余热锅炉420。该部分包括产生蒸汽421的锅炉，蒸汽可以被引导至蒸汽轮机(未示出)。离开蒸汽发生器的第一部分气体流425作为进料气体被输送至基于吹扫的膜分离步骤426。使用相对于氧气和氮气对二氧化碳更有选择性的膜进行步骤426。进料流425流过膜的进料侧，并且包含空气、富含氧气的空气或氧气的吹扫气流428流过渗透物侧。膜分离步骤将料流425分成与进料流425相比二氧化碳耗尽的残余物流429和渗透物流/吹扫流430。残余物流形成由该方法产生的经处理的烟道气。从膜单元中提取含有至少10体积％二氧化碳的渗透物/吹扫流430，并将其输送至压缩机101a，以形成至少部分进气流406至第一压缩步骤101a。轮机废气流的第二部分445被引导至第二压缩机401b。然后将第二压缩流444引导至气膜分离步骤412。步骤412使用相对于氧气和氮气对二氧化碳具有选择性的熔盐膜446，以将第二压缩流444分离成富含二氧化碳的渗透物流413和二氧化碳耗尽的残余物流414。步骤412从燃烧器任意位置去除产生的二氧化碳的至少50％至80％，或甚至90％。不需要通过步骤412去除高水平的二氧化碳，因为残余物流414不排放到大气中，而是送回到轮机403。然而，这种设计的一个缺点是正在进入气体分离装置的压缩空气非常热，约为500℃。实际上，这将CO2可渗透膜446限制为可以承受高温的非常昂贵的无机材料，例如陶瓷或沸石。如果要使用更容易获得且成本更低的聚合物膜，则需要大量冷却进料气以使气体达到30-100℃范围。因此，如果开发出对于CO2分离更经济的整合的气体分离-轮机方法将是有益的。
技术实现思路
本专利技术是一种涉及基于吹扫的膜气体分离步骤的方法，该方法用于减少来自燃气发电厂的二氧化碳排放。基于吹扫的膜气体分离步骤从轮机废气中去除二氧化碳并将其与进入的吹扫气流一起返回至第一压缩步骤。该方法还包括第二压缩步骤、燃烧步骤、和膨胀/发电步骤。该方法进一步包括整合在第一和第二压缩步骤之间的二氧化碳捕获步骤。碳捕获步骤涉及处理来自第一压缩步骤的压缩气流以产生从该方法中提取的富含二氧化碳的流，以及在燃烧步骤之前被输送至第二压缩步骤中进一步压缩的二氧化碳耗尽的流。通过将二氧化碳捕获步骤整合至轮机压缩方法中，可以产生相当大的能量和成本节省。二氧化碳捕获方法可以如在常规方法中那样在30巴的压缩气流上进行，但是这种气体非常热，通常为约500至800℃。将该气体冷却至对于传统的膜、或者可以处理该热气体的吸收或吸附方法足够低的温度，将是昂贵的并且将损失驱动涡轮膨胀机所需的大部分热量。通过在约2至10巴的范围内将碳捕获单元置于中间压缩阶段，所需的冷却量大大减少。Benfield碳酸钾方法可在100至120℃的温度下操作。一些聚合物膜也可以在这些温度下操作。这意味着仅需要有限的冷却，因此大大简化了方法。因此，本专利技术的基本实施方式是一种用于控制来自燃烧过程的二氧化碳废气的方法，该方法包括：(a)在第一压缩装置中压缩含氧气的流，从而产生第一压缩气流；(b)将至少一部分第一压缩气流输送至适于选择性地去除二氧化碳的气体分离装置，从而产生富含二氧化碳的流和二氧化碳耗尽的流；(c)在第二压缩装置中压缩二氧化碳耗尽的流，从而产生第二压缩气流；(d)在燃烧装置中燃烧至少一部分第二压缩气流与气态燃料，从而产生燃烧气流；(e)将作为工作气流的一部分的燃烧气流输送至机械耦接至发电机的燃气轮机装置，并操作该燃气轮机装置，从而生成电力并产生轮机废气流；(f)使至少一部分轮机废气流通过膜分离步骤，其中该膜分离步骤包括：(i)提供具有进料侧和渗透物侧的膜，并且相对于氮气选择性地可渗透二氧化碳，和相对于氧气选择性地可渗透二氧化碳，(ii)使轮机废气流的第一部分通过进料侧，(iii)使空气、富含氧气的空气或氧气作为吹扫流通过渗透物侧，(iv)从进料侧提取残余物流，该残余物流与轮机废气流相比，二氧化碳被耗尽，和(v)从渗透物侧提取包含氧气和二氧化碳的渗透物流；以及(g)将渗透物流通入步骤(a)作为至少一部分含氧气的气体。压缩步骤可以使用单独的分立压缩机或使用单个压缩机组或装置来执行，该压缩机组或装置已被改进以允许在机组的中间阶段从压缩装置去除一部分压缩气体。也可以在适当的压缩阶段将气体引入压缩机组。压缩机通常连接到通常在同一轴上的一个或多个燃气轮机。在步骤(a)中的压缩之后，将要被输送至气体分离装置的气体通常处于约2-10巴的压力，更优选约2-5巴，并且温度低于约200℃。取决于气体分离装置的优选操作条件，可能需要在第一压缩气流作为进料进入二氧化碳去除/捕获步骤之前，例如通过与其它工艺流的热交换来冷却第一压缩气流。步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于控制来自燃烧过程的二氧化碳废气的方法，所述方法包括：(a)在第一压缩步骤中压缩含氧气的流，从而产生第一压缩气流；(b)将至少一部分所述第一压缩气流输送至适于选择性地去除二氧化碳的气体分离装置，从而产生富含二氧化碳的流和二氧化碳耗尽的流；(c)在第二压缩步骤中压缩所述二氧化碳耗尽的流，从而产生第二压缩气流；(d)在燃烧装置中燃烧至少一部分所述第二压缩气流与气态燃料，从而产生燃烧气流；(e)将作为工作气流的一部分的所述燃烧气流输送至机械耦接至发电机的燃气轮机装置，并操作所述燃气轮机装置，从而生成电力并产生轮机废气流；(f)使至少一部分所述轮机废气流通过膜分离步骤，其中所述膜分离步骤包括：(i)提供具有进料侧和渗透物侧的膜，并且所述膜相对于氮气选择性地可渗透二氧化碳，以及所述膜相对于氧气选择性地可渗透二氧化碳，(ii)使所述轮机废气流的第一部分通过所述进料侧，(iii)使空气、富含氧气的空气或氧气作为吹扫流通过所述渗透物侧，(iv)从所述进料侧提取残余物流，所述残余物流与所述轮机废气流相比，二氧化碳被耗尽，和(v)从所述渗透物侧提取包含氧气和二氧化碳的渗透物流；以及(g)将所述渗透物流通入步骤(a)作为至少一部分含氧气的气体。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.16 US 15/353,3101.一种用于控制来自燃烧过程的二氧化碳废气的方法，所述方法包括：(a)在第一压缩步骤中压缩含氧气的流，从而产生第一压缩气流；(b)将至少一部分所述第一压缩气流输送至适于选择性地去除二氧化碳的气体分离装置，从而产生富含二氧化碳的流和二氧化碳耗尽的流；(c)在第二压缩步骤中压缩所述二氧化碳耗尽的流，从而产生第二压缩气流；(d)在燃烧装置中燃烧至少一部分所述第二压缩气流与气态燃料，从而产生燃烧气流；(e)将作为工作气流的一部分的所述燃烧气流输送至机械耦接至发电机的燃气轮机装置，并操作所述燃气轮机装置，从而生成电力并产生轮机废气流；(f)使至少一部分所述轮机废气流通过膜分离步骤，其中所述膜分离步骤包括：(i)提供具有进料侧和渗透物侧的膜，并且所述膜相对于氮气选择性地可渗透二氧化碳，以及所述膜相对于氧气选择性地可渗透二氧化碳，(ii)使所述轮机废气流的第一部分通过所述进料侧，(iii)使空气、富含氧气的空气或氧气作为吹扫流通过所述渗透物侧，(iv)从所述进料侧提取残余物流，所述残余物流与所述轮机废气流相比，二氧化碳被耗尽，和(v)从所述渗透物侧提取包含氧气和二氧化碳的渗透物流；以及(g)将所述渗透物流通入步骤(a)作为至少一部分含氧气的气体。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体分离装置选自由以下各项组成的组：吸收、吸附、液化和膜分离。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述气体分离装置是膜分离装置。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述膜分离装置包括聚合物膜。5.根据权利要求1所述方法，进一步包括以下步骤：将所述第二压缩气流的第二部分通入步骤(e)作为所述工作气流的一部分。6.根据权利要求1或5所述的方法，进一步包括以下步骤：(h)在进行步骤(f)之前，将所述轮机废气流的第二部分通入步骤(a)作为至少一部分所述含氧气的气体。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：在进行步骤(f)之前，将至少一部分所述轮机废气流输送至余热锅炉。8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：在进行步骤(f)之前，冷却至少一部分所述轮机废气流。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述残余物流具有小于5体积％的二氧化碳浓度。10.根据权利要求1所述的方法，其中在约2巴至约10巴的范围内的压力下，从所述第一压缩步骤中提取所述第一压缩气流。11.根据权利要求1所述的方法，其中在约30巴下，从所述第二压缩步骤中提取所述第二压缩气流。12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在步骤(b)之前，将所述第一压缩气体冷却至约30-100℃的温度。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述气态燃料包括天然气。14.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(c)之前，将第一压缩流的第二部分与来自步骤(b)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：理查德·W·贝克，蒂莫西·C·梅克尔，
申请(专利权)人：膜技术与研究公司，
类型：发明
国别省市：美国,US