CN103906557A - 用于从烟道气体中去除二氧化碳的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于从以化石燃料（2）运行的发电厂放出的烟道气体（3）中去除二氧化碳的方法和系统。在所述方法和系统中，二氧化碳是通过一个吸收过程（16）使用一种洗涤液体（14）而从该烟道气体（3）中被去除的。满载的洗涤液体（12）在一个解吸过程（11）中被再生。该再生过程所需能量的至少一部分是使用低压蒸汽来供给的，该低压蒸汽是在进入一个低压蒸汽涡轮机（6）之前从该发电厂的蒸汽/水回路中被抽出的。该低压蒸汽被供给到一个中间蒸汽涡轮机（9）。该低压蒸汽被膨胀到小于3.5巴的排出压力并且然后被供给到该解吸过程（11）。根据本发明，该解吸过程（11）的压力是由一个调节装置根据该中间蒸汽涡轮机（9）的排出压力而调节的。

Description

用于从烟道气体中去除二氧化碳的方法和系统

本发明涉及用于从以化石燃料运行的发电厂的烟道气体中去除二氧化碳的方法和系统，二氧化碳是通过一个吸收过程、使用一种洗涤液体而被从该烟道气体中去除的，并且满载的洗涤液体在解吸过程中被再生，再生所需能量的至少一部分是通过低压蒸汽传送的，该低压蒸汽在进入一个低压蒸汽涡轮机之前从该发电厂的蒸汽/水回路中被抽出，并且该低压蒸汽被传送到一个前置蒸汽涡轮机，在该前置蒸汽涡轮机中该蒸汽被膨胀到小于3.5巴的出口压力，并且该蒸汽的能量然后被传送到该解吸过程。

二氧化碳作为一种温室气体促使气候变暖。因此付出了很多努力来减少发电厂在燃烧化石燃料的过程中释放的二氧化碳。燃烧之后分离CO₂被称为后燃烧技术。凭借长久的运行经验，基于烟道气体洗涤的后燃烧技术特别在分离二氧化碳方面是尤其成功。

发电厂中化石燃料在大气压下的燃烧过程中产生烟道气体。在这种情况下CO₂含量按体积计达到3%至13%。因此获得仅仅0.03巴至0.13巴的CO₂分压。在这样低的CO₂分压下，要求具备尽可能高的摄取能力的洗涤液体。因此，优选地采用通过化学吸收从烟道气体中去除二氧化碳的洗涤液体。为此目的，例如可以使用一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）或甲基二乙醇胺（MDEA）。

满载CO₂的洗涤液体在一个解吸过程中被再生，在该解吸过程中二氧化碳通过热能的递送而被驱出。为此目的，该洗涤液体被加热到沸腾温度。该沸腾温度取决于该解吸过程运行时的压力。

随后，再生后的洗涤液体被再次传送到该吸收过程。该解吸过程中释放的二氧化碳被传送而储存。储存可以在地下岩层中作为固存来进行。通过化学吸收的后燃烧分离技术的主要优点是，常规发电厂可以用一种优化的并且成功的技术翻新而无需太多费用。这种方法的缺点是用于对洗涤液体进行再生的能量方面的高费用。因此，在燃煤发电厂中，预期由于随后的CO₂去除将导致大约13%的效率损失。如果这个效率损失具有显著减低，采用该方法才是经济上可行的。

降低额外能量需求的一个步骤是将该CO₂分离过程整合到该发电厂的水/蒸汽回路中。蒸汽锅炉产生的蒸汽被传送到一个蒸汽涡轮机单元。这个单元包括多个高压涡轮机和多个低压涡轮机。还可以在这些高压涡轮机与低压涡轮机之间连接多个中压涡轮机。这些涡轮机可以是多个独立的涡轮机或者是可再分成一个高压部分、一个中压部分以及一个低压部分的一台机器。

将该洗涤液体再生所需的能量的至少一部分是通过从该发电厂的蒸汽/水回路中抽出的低压蒸汽传送的。低压蒸汽应当理解成是指在进入该发电厂的这些低压蒸汽涡轮机之前抽出的蒸汽。该低压蒸汽按一般规则具有5巴到6巴的压力。该低压蒸汽在下文中也称为LP蒸汽。

该LP蒸汽被传送到一个冷凝热交换器，该冷凝热交换器被连接到一个解吸柱的贮槽上。该LP蒸汽发生冷凝并且将热能传递给该解吸柱中的洗涤液体。为了确保足够高的温度差用于热传递，该解吸柱在大约2巴的压力下运行。在这个压力下，该洗涤液体的沸腾温度达到大约120℃。

WO2009/076575A2披露了一种方法，在该方法中蒸汽被引入一个涡轮机级联中，并且一个低压室蒸汽的上游从一个前置涡轮机分支出来并且被传送到该前置涡轮机。来自该前置涡轮机的蒸汽被用于将一种吸收剂再生，该吸收剂已用于将酸性气体从排气流中分离出。此外，EP2 286 894A1披露了一种方法，其中多个涡轮机被串联连接并且蒸汽在一个低压涡轮机的上游被分支出来。分支出的蒸汽被传送到一个前置涡轮机，其中来自该前置涡轮机的、处于1.5巴到20巴的压力下的蒸汽被用于对一种满载酸性气体的吸收剂进行处理。根据EP2 286 894A1，提供了用于使离开该前置涡轮机的蒸汽的出口压力稳定的一个检查装置。然而，从现有技术中已知的这些方法和设备的效率有待提高。

本发明的目的是要降低由于随后的CO₂洗涤导致的发电厂效率损失。

本发明的目的和用于实现这个目的的解决方案是在开篇提及类型的一种方法，其特征在于，该方法具有一个调节装置，该调节装置根据前置蒸汽涡轮机的出口压力而设定解吸过程的压力。

根据本发明，低压蒸汽是被传送到一个前置蒸汽涡轮机，在该前置蒸汽涡轮机中该低压蒸汽被膨胀到小于3.5巴的出口压力。该蒸汽的能量随后被传送给该解吸过程。

根据本发明，该方法包括一个前置蒸汽涡轮机。与常规方法相比，低压蒸汽并非被直接传导至该解吸过程、而是首先被传送到这个前置蒸汽涡轮机，在该前置蒸汽涡轮机中发生了膨胀，至小于3.5巴的出口压力。在该方法的一个有利变体中，发生了膨胀，至小于3巴、优选小于2.5巴、尤其小于2巴的出口压力。证明出尤其有益的是该蒸汽以小于1.5巴的压力离开该前置蒸汽涡轮机。

在本发明的一个尤其有利的形式中，该前置蒸汽涡轮机被设计成一个低压蒸汽涡轮机。这个另外的低压蒸汽涡轮机可以被整合到该发电厂的涡轮机部分中。包括该前置蒸汽涡轮机在内的所有这些涡轮机在旋转意义上设置一个共同轴，该共同轴驱动一个共同发电机。

在另一个变体中，该前置蒸汽涡轮机被设计成一个独立的机器。在这种情况下，该前置蒸汽涡轮机在旋转意义上设置一个专用轴，该专用轴驱动一个专用发电机或机器。例如，一个压缩机或泵可以由该前置蒸汽涡轮机来驱动。

在膨胀之后，该蒸汽被传送到该解吸柱的再沸器中。再沸器在本发明的背景下应当被理解成是连接到解吸柱的贮槽上的一个冷凝热交换器。该蒸汽发生冷凝并且将热传递给满载CO₂的洗涤液体。

由于在该前置蒸汽涡轮机中LP蒸汽的膨胀，额外地产生了电流。由于该蒸汽具有更低的压力并且因此在该前置蒸汽涡轮机的下游具有更低的温度，与常规方法相比，该解吸柱中的温度也是降低的以便确保有效的热传递。这样确保了驱动温度梯度是足够高的。该温度是通过降低该解吸过程运行时的压力而下降。

根据本发明，该解吸柱中的压力是通过一个调节装置根据该前置蒸汽涡轮机的出口压力而自动设定的。为此目的，例如可以使用一个PID控制器。

取决于该前置蒸汽涡轮机的出口压力，对该解吸柱中的压力进行适配。该洗涤液体的沸腾温度并且因此该解吸柱的贮槽必须被加热到的温度是根据该解吸柱中的压力来设定的。下表通过举例的方式示出了多个工艺参数的赋值。

表1：工艺参数

该前置蒸汽涡轮机中的蒸汽越膨胀，产生的电能的量就越高。该洗涤液体的沸腾温度越低，加热该解吸柱所要求的热能就越少。

不仅额外地回收电能而且减少加热该解吸柱所需要的热能，根据本发明的方法还提供了正的能量效应，减少了由随后的CO₂洗涤导致的效率损失。因此，二氧化碳的解吸热随着沸腾温度的下降而减小。该解吸热在该洗涤液体的再生中的能量需求中占最大份额。这是由以下这些事例而被证实的：

实例1

用于一乙醇胺（MEA）再生的能量，

-在120℃时，需要110kJ/mol CO₂

-在40℃时，仅需要85kJ/mol CO₂。

在叔胺情况下，这个差距甚至更大，如由以下实例所示出的：

实例2

用于甲基二乙醇胺（MDEA）再生的能量：

-在120℃时，需要110kJ/mol CO₂，

-在40℃时，仅需要70kJ/mol CO₂。

以简单的方式同样应用到钾碱溶液：

实例3

用于钾碱溶液再生的能量：

-在120℃时，需要50kJ/mol CO₂，

-在40℃时，仅需要27kJ/mol CO₂。

在所有这三个实例中，用于将洗涤液体再生所需的能量下降。

在根据本发明的方法中，获得了进一步的正能量效应，因为该冷凝热交换器中释放的比冷凝热随着压力的减小而增大。

在常规方法中，5.5巴的LP蒸汽在再沸器中被冷凝。在这种情况下，释放了2097kJ/kg的比冷凝热。当使用了前置蒸汽涡轮机时如果该LP蒸汽被减小到2.5巴的出口压力，则在这个压力下该比冷凝热达到2225kJ/kg。由此获得6%的蒸汽节约。

再生后的洗涤液体被再次用于二氧化碳的吸收。该吸收过程是在低温下实行的。因此再生后的洗涤液体必须被冷却。相比之下，满载CO₂的洗涤液体必须被加热以用于在该解吸柱中再生。为此目的，使用一个热交换器，该热交换器将来自热的再生后的洗涤液体的热量传递给该冷的满载的洗涤液体。由于在根据本发明的方法中该洗涤液体的沸腾温度更低，因此仅仅有相对少的热量必须从该热的再生后的洗涤液体传递给该冷的满载的洗涤液体。因此热交换所需的交换表面明显变小，其结果是可以采用更加紧凑并且更加成本有效的热交换器。

从该洗涤液体中驱出的二氧化碳被压缩以用于其随后的储存，例如在固存的背景下。根据本发明的方法的结果是，二氧化碳离开该解吸柱时的压力被降低。这必然引起就压缩而言的额外费用。然而，与上述能量节约效果相比，就压缩而言的额外费用是明显更低的。

本发明的目的还在于一种如权利要求8所述的用于实行上述方法的系统。该系统的多个有利的优化方案被描述在权利要求9至11中。

本发明的进一步的特征和优点将从通过一个附图对一个示例性实施例的说明中以及从该附图本身中得出。该单一附图示出了用于从燃煤发电厂的烟道气体中去除CO₂的方法和系统简图。

该图中图解地展示了一个燃煤发电厂。空气和煤被传送到一个锅炉1，如箭头2所指示的。包含二氧化碳的烟道气体3离开锅炉1。在锅炉1中产生蒸汽。该发电厂的水/蒸汽回路包括一个高压蒸汽涡轮机4、两个中压蒸汽涡轮机5以及四个低压蒸汽涡轮机6。一个发电机7被安排在涡轮机区段的末端处。

低压蒸汽的一个子流8从这些低压蒸汽涡轮机6的上游分支出来。该低压蒸汽具有5.5巴的压力。该低压蒸汽的子流8在一个前置蒸汽涡轮机9膨胀到1.5巴的压力。膨胀后的蒸汽被传送到一个冷凝热交换器10，该冷凝热交换器被设计成一个再沸器。在该冷凝热交换器10中，该蒸汽在1.5巴下冷凝。

在该示例性实施例中，该前置蒸汽涡轮机9被设计成一个独立的机器。该前置蒸汽涡轮机9在旋转意义上设置一个专用轴，该专用轴驱动一个专用组件19。在该示例性实施例中该组件19是一个发电机。

冷凝热交换器10使一个解吸单元11的贮槽升温。在该示例性实施例中，该解吸单元11是一个解吸柱。满载CO₂的洗涤液体12的一个流被传送到该解吸单元11。二氧化碳在该解吸单元11中被驱出并且在该解吸柱的顶部出在一条管线13中被排出。排出的CO₂被传送以用于压缩。

再生后的洗涤液体14在该解吸柱的底部被排出并且被传导经过一个热交换器15。热的再生后的洗涤液体14释放热量给满载CO₂的冷的洗涤液体12，该冷的洗涤液体是在一个吸收单元16的底部抽出的，该吸收单元被设计成一个柱。

烟道气体3在已经经过了烟道气体处理17之后被传送到该吸收单元16。在该吸收单元16中，二氧化碳被一种洗涤液体14从该烟道气体中洗出。净化掉CO₂后的烟道气体18在该吸收单元16的顶部被排出。

LP蒸汽的子流8是在中间涡轮机中从5.5巴的压力膨胀到1.5巴的出口压力。在这个压力下，该蒸汽在冷凝热交换器10中冷凝。为了确保足够高的温度梯度由于冷凝热交换器10中的热传递，在解吸单元11中设定1巴的压力。因此在解吸单元11的贮槽处设定该洗涤液体的为95℃的沸腾温度。

与根据现有技术的方法相比，该LP蒸汽通过额外的前置蒸汽涡轮机9从5.5巴膨胀到1.5巴并且随后在解吸单元11的冷凝热交换器10中在1.5巴下冷凝（该解吸单元11是在1巴的绝对压力下运行）使得电流产生的损失减少大约27%。在这种情况下，计算得出，CO₂去除的比能量花费为3400kJ/kg去除的CO₂。这是针对含有按重量计30%一乙醇胺的MEA溶液的比能耗值。在这种情况下还尚未考虑由于降低的解吸温度以及较低的解吸热带来的节约。

在根据本发明的方法中，解吸单元11是在1巴的压力下运行，相比之下，根据现有技术的方法中在解吸柱中设定了2巴的压力。驱出的CO₂从1巴的压力到2巴的额外压缩已经被包含在所计算出的27%的节约的可能性中。

Claims (11)

1.一种用于从以化石燃料运行的发电厂的烟道气体（3）中去除二氧化碳的方法，二氧化碳是通过一个吸收过程（16）使用一种洗涤液体（14）而从该烟道气体（3）中被去除的，并且满载的洗涤液体（12）在一个解吸过程（11）中被再生，再生所需能量的至少一部分是通过低压蒸汽传送的，该低压蒸汽是在进入一个低压蒸汽涡轮机（6）之前从该发电厂的蒸汽/水回路中被抽出的，该低压蒸汽被传送到一个前置蒸汽涡轮机（9），在该前置蒸汽涡轮机中该蒸汽被膨胀到小于3.5巴的出口压力，并且该蒸汽的能量然后被传送给该解吸过程（11），其特征在于，该方法具有一个调节装置，该调节装置根据该前置蒸汽涡轮机（9）的出口压力来设定该解吸过程（11）的压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该前置蒸汽涡轮机（9）中的低压蒸汽被膨胀到小于3巴、优选小于2.5巴、尤其小于2巴的出口压力。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在该前置蒸汽涡轮机（9）中膨胀的蒸汽被传送到一个冷凝热交换器（10），能量通过该冷凝热交换器被传递给该解吸过程（11）。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，该前置蒸汽涡轮机（9）被整合在该发电厂的涡轮机部分中，该前置蒸汽涡轮机（9）与该发电厂的这些蒸汽涡轮机（4，5，6）一起驱动一个共同的发电机（7）。

5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，该前置蒸汽涡轮机（9）驱动一个专用发电机（19）或机器。

6.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，该解吸过程（11）的温度被用作一个调节参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，一个解吸柱（11）的贮槽中的温度被用作一个调节参数。

8.一种用于实施如权利要求1至7之一所述的方法的系统，该系统具有

-一个吸收单元（16），在该吸收单元中通过使用一种洗涤液体（14）能将二氧化碳从该烟道气体（3）中去除，以及

-用于使该满载的洗涤液体（12）再生的一个解吸单元（11），

再生所需能量的至少一部分是通过低压蒸汽可传送的，该低压蒸汽是在进入一个低压蒸汽涡轮机（6）之前从该发电厂的蒸汽/水回路中被抽出的，该系统具有一个前置蒸汽涡轮机（9），该前置蒸汽涡轮机被安排在该解吸单元（11）的上游并且在该前置蒸汽涡轮机中该抽出的低压蒸汽能被膨胀到小于3.5巴的出口压力，并且一个装置被提供用于将该蒸汽的能量传送给该解吸单元（11），其特征在于，该系统包括一个调节装置，该调节装置根据该前置蒸汽涡轮机（9）的出口压力来设定该解吸单元（11）中的压力。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在该前置蒸汽涡轮机（9）中膨胀的蒸汽可以被传送到一个冷凝热交换器（10）以便将能量传递给该解吸单元（11）。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，该前置蒸汽涡轮机（9）被整合在该发电厂的涡轮机部分中，该前置蒸汽涡轮机（9）与该发电厂的这些蒸汽涡轮机（4，5，6）一起驱动一个共同的主发电机（7）。

11.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，该前置蒸汽涡轮机（9）驱动一个专用发电机（19）或机器。

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