СПОСОБ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ ПОСРЕДСТВОМ СЖИГАНИЯ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО ТОПЛИВА В, ПО СУЩЕСТВУ, ЧИСТОМ КИСЛОРОДЕ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ ПОСРЕДСТВОМ СЖИГАНИЯ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО ТОПЛИВА В, ПО СУЩЕСТВУ, ЧИСТОМ КИСЛОРОДЕ, СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ ПОСРЕДСТВОМ СЖИГАНИЯ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО ТОПЛИВА ОТ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ВОЗДУХЕ ДО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В, ПО СУЩЕСТВУ, ЧИСТОМ КИСЛОРОДЕ Российский патент 2011 года по МПК F23B99/00 F23L7/00 F23J15/06 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу эффективного сжигания топлива в кислороде и к энергетической установке для эффективного сжигания топлива в кислороде, а также к способу модификации процесса выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива от сжигания топлива в воздухе до сжигания топлива в по существу чистом кислороде. Более точно, настоящее изобретение относится к сжиганию топлива в чистом кислороде, включающему в себя удаление диоксида углерода, при котором затраты или потери выработанной энергии, обусловленные удалением диоксида углерода, минимизируются.

Описание уровня техники, имеющего отношение к изобретению

Сжигание топлива в чистом кислороде представляет собой один из способов, предложенных для удаления CO₂ из газообразных продуктов сгорания, выходящих из энергетического котла, такого как пылеугольный (РС) котел или котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем (СFB). Сжигание топлива в чистом кислороде базируется на сжигании углеродсодержащего топлива в по существу чистом кислороде, как правило, со степенью чистоты приблизительно 95%, для получения диоксида углерода и воды в качестве основных компонентов отходящего газа, выходящего из котла. Тем самым улавливание диоксида углерода может осуществляться сравнительно легко, и при этом отсутствует необходимость в отделении его от потока газа, имеющего азот в качестве его основного компонента, как в случае сжигания топлива в воздухе.

Сжигание топлива в чистом кислороде является более сложным, чем обычное сжигание, вследствие необходимости в источнике кислорода, как правило, в установке (ASU) для разделения воздуха методом глубокого охлаждения, в которой воздух охлаждается и сжимается так, что кислород может быть отделен от других компонентов воздуха, главным образом, азота. СО₂ может быть отделен от отходящего газа, например посредством охлаждения его до сравнительно низкой температуры и посредством сжатия его до высокого давления, как правило, превышающего 110 бар. Как получение кислорода, так и сжатие/очистка диоксида углерода увеличивают суммарные издержки производства, связанные с процессом выработки энергии, например за счет уменьшения полезной мощности, вырабатываемой в данном процессе.

Паровой цикл энергетического котла содержит некоторое количество ступеней нагрева, в которых питательная вода с низкой температурой, получаемая из конденсатора, превращается в высокотемпературный пар, который будет подаваться в паровую турбину высокого давления. Процесс нагрева питательной воды включает в себя стадии предварительного нагрева, испарения и перегрева. Обычно предварительный нагрев воды состоит из нагрева паром, который отбирается из паровых турбин, и последней стадии предварительного нагрева в одном или нескольких экономайзерах, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа. Пример обычного парового цикла энергетического котла показан в патенте США No. 4430962.

Парообразующие поверхности теплообмена обычно выполнены в виде топочных экранов котла, и поверхности перегрева и возможные поверхности предварительного нагрева наиболее часто расположены в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа. Для увеличения термического кпд котла в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа обычно расположен воздухоподогреватель, находящийся за экономайзером по ходу потока, при этом отходящий газ будет охлаждаться до конечной температуры, которая, как правило, составляет от 150 до 120°С. Пример энергетического котла с воздухоподогревателем показан в патенте США No. 4205630.

В патенте США No. 6202574 предложен агрегат сгорания для сжигания ископаемого топлива в по существу чистом кислороде для образования отходящего газа, имеющего диоксид углерода и воду в качестве компонентов с наибольшим содержанием в нем. Часть отходящего газа посредством рециркуляции возвращается в агрегат сгорания, а остальная часть отходящего газа подвергается сжатию и обработке для получения диоксида углерода в жидкой фазе. Подвергнутый рециркуляции отходящий газ и поток по существу чистого кислорода предварительно нагреваются посредством отходящего газа в соответствующих газовых теплообменниках.

В патенте США No. 6935251 предложен способ сжигания топлива в потоке окислителя, содержащем обогащенный кислородом поток газа, имеющем содержание кислорода от 21 до 100%, смешанном с топочным газом, для образования топочного газа, имеющего массовую скорость потока, которая меньше массовой скорости потока топочного газа, образованного при использовании воздуха в качестве потока окислителя, в результате чего размеры системы борьбы с загрязнением, вызываемым топочным газом, могут быть уменьшены.

В каждом из патентов США No.No. 5344627 и 6883327 описан обычный процесс парообразования, в котором СО₂ удаляется из отходящего газа посредством абсорбции с помощью растворителя, при этом часть пара, выходящего из паровых турбин высокого давления или промежуточного давления расширяется во вспомогательных турбинах для приведения в действие компрессора для диоксида углерода и вспомогательного оборудования. Данные процессы могут быть использованы для минимизации, в некоторой степени, затрат или минимизации снижения полезной мощности, вырабатываемой в данном процессе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в разработке способа сжигания топлива в кислороде и к энергетической установке для сжигания топлива в кислороде, при которых затраты или потери выработанной энергии, обусловленные удалением диоксида углерода, минимизируются.

Другая цель настоящего изобретения заключается в разработке способа модификации процесса выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива от сжигания в воздухе до сжигания в кислороде, включая удаление диоксида углерода, при котором общие затраты или потери минимизируются.

В соответствии с одним аспектом изобретения разработан способ выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива в по существу чистом кислороде, при этом способ включает в себя следующие операции: (а) подачу углеродсодержащего топлива в топку; (b) подачу по существу чистого кислорода из источника (запаса) кислорода в топку для сжигания топлива в кислороде для образования отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду; (с) выпуск отходящего газа через посредство канала для отходящего газа из топки; (d) извлечение всего количества низкопотенциального тепла из отходящего газа посредством использования множества охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды; (е) превращение предварительно нагретой питательной воды в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа; (f) повышение давления первой части отходящего газа в множестве компрессоров для отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода; (g) возврат второй части отходящего газа посредством рециркуляции в топку через посредство канала для рециркуляции отходящего газа; (h) расширение пара в паротурбинной системе для приведения в действие генератора мощности; (i) отбор всего количества пара из паротурбинной системы и использование первой части отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла составляет более 50% от всего количества извлеченного низкопотенциального тепла, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и при этом способ включает в себя дополнительную операцию: (j) расширение второй части отобранного пара, по меньшей мере, в одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие, по меньшей мере, одного компрессора или, по меньшей мере, одного насоса энергетической установки.

Предпочтительно первая часть отобранного пара обеспечивает менее 50% от всего тепла, используемого для предварительного нагрева питательной воды.

Предпочтительно вторая часть отобранного пара составляет, по меньшей мере, 50% от всего количества отобранного пара.

Предпочтительно температура второй части отходящего газа при подаче его в топку составляет менее 200°С.

Предпочтительно по существу чистый кислород смешивают со второй частью отходящего газа до подачи кислорода и второй части отходящего газа в топку, с тем чтобы образовать вводимый газ.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения разработана энергетическая установка для выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива в по существу чистом кислороде, при этом энергетическая установка содержит: топку для сжигания топлива; канал для кислорода, соединенный с топкой для подачи по существу чистого кислорода из источника кислорода в топку для сжигания топлива в кислороде для образования отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду; канал для отходящего газа, соединенный с топкой для выпуска отходящего газа из топки; паровой цикл для превращения питательной воды в пар, включающий в себя экономайзерную систему, предназначенную для предварительного нагрева питательной воды, и теплопередающие поверхности, расположенные в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа, предназначенные для извлечения высокопотенциального тепла для превращения предварительно нагретой питательной воды в пар; множество охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, предназначенных для извлечения всего количества низкопотенциального тепла из отходящего газа, при этом часть охладителей для отходящего газа образует экономайзерную систему; множество компрессоров для отходящего газа, предназначенных для повышения давления первой части отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода; канал для рециркуляции отходящего газа, предназначенный для возврата второй части отходящего газа в топку посредством рециркуляции; паротурбинную систему, предназначенную для расширения пара для приведения в действие генератора мощности, при этом паротурбинная система содержит средство для отбора всего количества пара; средства для использования первой части отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды, при этом экономайзерная система предназначена для извлечения в ней при нормальном рабочем режиме более 50% от всего количества низкопотенциального тепла, подлежащего извлечению газоохладителями, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и при этом энергетическая установка дополнительно содержит: по меньшей мере, одну вспомогательную паровую турбину для расширения второй части отобранного пара для приведения в действие, по меньшей мере, одного компрессора или, по меньшей мере, одного насоса энергетической установки.

Предпочтительно канал для кислорода соединен с каналом для рециркуляции отходящего газа для подачи вводимого газа, состоящего из по существу чистого кислорода и второй части отходящего газа, в топку.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения разработан способ модификации процесса выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива от сжигания топлива в воздухе до сжигания топлива в по существу чистом кислороде, при этом исходный процесс включает в себя следующие операции: (а) подачу углеродсодержащего топлива в топку с первой скоростью подачи топлива; (b) подачу воздуха при определенной температуре вводимого воздуха в топку для сжигания топлива в воздухе для образования отходящего газа с топки с первым интервалом температур; (с) выпуск отходящего газа из топки через посредство канала для отходящего газа; (d) извлечение первого общего количества низкопотенциального тепла из отходящего газа в охладителях для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть первого общего количества низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды; (е) превращение предварительно нагретой питательной воды в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа; и (f) расширение пара в паротурбинной системе для приведения в действие генератора мощности и отбор пара из паротурбинной системы, при этом, по меньшей мере, часть отобранного пара используется для предварительного нагрева питательной воды, модифицированный процесс включает в себя следующие операции: (а') подачу углеродсодержащего топлива в топку со второй скоростью подачи топлива; (b') подачу по существу чистого кислорода из источника кислорода в топку с некоторой скоростью подачи кислорода для сжигания топлива в кислороде для образования отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду, со второй температурой; (с') выпуск отходящего газа из топки через посредство канала для отходящего газа; (d') извлечение второго общего количества низкопотенциального тепла из отходящего газа в модифицированном комплекте охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть второго общего количества низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды; (е') превращение предварительно нагретой питательной воды в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа; (f') повышение давления части отходящего газа в множестве компрессоров для отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода; (g') возврат другой части отходящего газа посредством рециркуляции в топку через посредство канала для рециркуляции отходящего газа; (h') расширение пара в паротурбинной системе для приведения в действие генератора; (i') отбор всего количества пара из паротурбинной системы и использование первой части отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды, при этом первая часть второго общего количества низкопотенциального тепла больше первой части первого общего количества низкопотенциального тепла, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и при этом способ включает в себя дополнительную операцию: (j') расширение второй части отобранного пара, по меньшей мере, в одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие, по меньшей мере, одного компрессора или, по меньшей мере, одного насоса энергетической установки.

Предпочтительно вторая скорость подачи топлива, по меньшей мере, на 10% больше первой скорости подачи топлива.

Предпочтительно первая часть отобранного пара, по меньшей мере, на 30% меньше части отобранного пара, которая на операции (f) исходного процесса используется для предварительного нагрева питательной воды.

Предпочтительно температура второй части отходящего газа при подаче его в топку ниже определенной температуры вводимого воздуха.

Предпочтительно в модифицированном процессе по существу чистый кислород смешивают со второй частью отходящего газа до подачи кислорода и второй части отходящего газа в топку, с тем чтобы образовать вводимый газ.

В дальнейшем тепло, которое извлекается в процессе сгорания при высоких температурах посредством парообразующих поверхностей, поверхностей нагрева пароперегревателя или поверхностей нагрева промежуточного пароперегревателя, названо высокопотенциальным теплом, и тепло, которое извлекается из отходящего газа при более низких температурах посредством экономайзеров или одного или нескольких газовых теплообменников, названо низкопотенциальным теплом.

В обычных энергетических котлах большая часть предварительного нагрева питательной воды, как правило, более 70% предварительного нагрева, обычно выполняется посредством использования пара, отбираемого из паровых турбин, и, соответственно, доля предварительного нагрева посредством низкопотенциального тепла отходящего газа посредством экономайзеров значительно ниже, как правило, составляет менее 30%. Вследствие относительно незначительного использования экономайзеров большая часть низкопотенциального тепла от отходящего газа обычно извлекается из отходящего газа в одном или нескольких регенеративных или извлекаемых подогревателях для вводимого газа. Соответственно, часть низкопотенциального тепла, которая извлекается в экономайзерах, так называемая первая часть низкопотенциального тепла, обычно составляет менее 50% от всего количества извлеченного низкотемпературного тепла.

В соответствии с настоящим изобретением первая часть извлеченного низкопотенциального тепла больше, чем в обычных котлах, и предпочтительно составляет более 50%, даже более предпочтительно - более 80% от всего количества извлеченного низкопотенциального тепла. Данные высокие степени извлечения тепла предпочтительно обеспечиваются посредством размещения дополнительных поверхностей экономайзеров в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа. Тем самым последняя поверхность экономайзера предпочтительно расположена в канале для отходящего газа в месте, в котором температура отходящего газа предпочтительно составляет менее 200°С, даже более предпочтительно - менее 100°С. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, одна поверхность экономайзера используется в качестве охладителя внутренней ступени между двумя компрессорами для отходящего газа.

Использование развитых (оребренных) поверхностей экономайзеров обеспечивает увеличение доли нагрева питательной воды, выполняемого экономайзерами, и, соответственно, уменьшается необходимость в нагреве питательной воды посредством отобранного пара. Предпочтительно, менее 50% нагрева питательной воды обеспечивается посредством отобранного пара. Соответственно, сравнительно большая другая часть, предпочтительно составляющая более 50% отобранного пара, так называемая вторая часть отобранного пара, может быть использована для других целей. В соответствии с настоящим изобретением вторая часть отобранного пара расширяется, по меньшей мере, в одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие, по меньшей мере, одного компрессора или, по меньшей мере, одного насоса энергетической установки.

В соответствии с ранее предложенными конструкциями для котла, предназначенного для сжигания топлива в чистом кислороде, полезная мощность, обеспечиваемая котлом, значительно уменьшается вследствие мощности собственных нужд, необходимой для получения по существу чистого кислорода и для отделения диоксида углерода, сжатого до жидкости. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, часть компрессоров для отходящего газа приводится в действие непосредственно за счет механической энергии одной из вспомогательных паровых турбин. Таким образом, минимизируется потребность в мощности собственных нужд для сжатия диоксида углерода. В том случае, в котором источник кислорода содержит установку (ASU) для разделения воздуха методом глубокого охлаждения, имеющую компрессоры для повышения давления воздуха, один или несколько из данных компрессоров также могут быть приведены в действие непосредственно вспомогательными паровыми турбинами для дополнительного снижения потребности в мощности собственных нужд.

Прямым следствием извлечения сравнительно большой части низкопотенциального тепла на поверхностях экономайзеров является то, что сравнительно малая часть низкопотенциального тепла может быть извлечена в газовых теплообменниках, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения энергетическая установка не содержит никакого газового теплообменника для передачи тепла от отходящего газа подвергнутому рециркуляции отходящему газу или потоку по существу чистого кислорода. Альтернативно, энергетическая установка может содержать газовый теплообменник, обеспечивающий передачу тепла от отходящего газа подвергнутому рециркуляции отходящему газу или смеси подвергнутого рециркуляции отходящего газа и потока по существу чистого кислорода, но кпд газового теплообменника будет явно меньше, чем кпд типового воздухоподогревателя обычного энергетического котла.

В соответствии с настоящим изобретением вводимые газы могут содержать подаваемые в топку, отдельные потоки подвергнутого рециркуляции отходящего газа и сравнительно чистого кислорода, как правило, имеющего степень чистоты 95% или выше. Тем не менее, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения поток вводимого газа представляет собой комбинированный поток подвергнутого рециркуляции отходящего газа и по существу чистого кислорода. Вследствие того что энергетическая установка не содержит никаких газовых теплообменников для передачи тепла от отходящего газа газу, вводимому в топку, или того, что эффективность подобных теплообменников является низкой, температура вводимого газа остается сравнительно низкой. В соответствии с настоящим изобретением температура вводимого газа при подаче его в топку предпочтительно составляет менее 200°С, даже более предпочтительно - менее 100°С. Она несомненно ниже, чем в обычных энергетических котлах, в которых температура вводимого газа обычно составляет от 250 до 400°С, как правило, приблизительно 300°С.

Скорость подачи сравнительно чистого кислорода определяют на основе скорости подачи топлива для обеспечения достаточно полного сгорания топлива. Обычно скорость подачи кислорода регулируют посредством мониторинга содержания остаточного кислорода в отходящем газе, которое должно оставаться на соответствующем уровне, как правило, приблизительно 3%.

Вследствие высокой скорости потока вводимого газа теплосодержание вводимого газа оказывает значительное влияние на тепловой баланс топки. Из сравнительно низкой температуры вводимого газа следует то, что сравнительно большое количество топлива должно быть подано в топку для получения заданной температуры в топке. Особенно в том случае, когда настоящее изобретение используется для модернизации котла для сжигания в воздухе до котла для сжигания в кислороде, скорость подачи топлива предпочтительно увеличивается, по меньшей мере, на 10%, даже более предпочтительно, по меньшей мере, на 15%. Тем самым посредством использования процесса сжигания топлива в чистом кислороде в соответствии с настоящим изобретением в топке можно сжигать больше топлива, чем при использовании обычного сжигания в воздухе.

Температура в топке модернизированного котла предпочтительно может поддерживаться приблизительно такой же, как температура в исходном огневоздушном котле (котле для сжигания в воздухе), для поддержания исходной скорости образования пара и для избежания, например, коррозии или проблем, связанных с прочностью материала стенок топки. В том случае, когда теплопередача в топке является в основном радиационной, температура в топке вследствие высокой излучательной способности подвергнутого рециркуляции отходящего газа может быть даже немного меньше, чем температура в исходном процесса, и, тем не менее, теплопередача будет поддерживаться на исходном уровне. Таким образом, посредством использования настоящего изобретения огневоздушный (предназначенный для сжигания в воздухе) котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем или пылеугольный котел может быть сравнительно легко модернизирован для сжигания топлива в чистом кислороде.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения скорость подачи вводимого газа в модернизированном котле регулируют для поддержания исходной скорости газа в топке. Вследствие сниженной температуры вводимого газа по сравнению с температурой исходного вводимого воздуха скорость подачи топлива должна быть увеличена по сравнению с исходной скоростью подачи топлива для поддержания исходной температуры топки.

Тем не менее, вследствие более высокой теплоемкости отходящего газа в модернизированном процессе, имеющего диоксид углерода в качестве его основного компонента, по сравнению с теплоемкостью отходящего газа в исходном процессе, имеющего азот в качестве его исходного компонента, количество тепла, переносимого отходящим газом, увеличивается. Посредством этого увеличенное количество низкопотенциального тепла будет иметься в наличии для нагрева питательной воды в экономайзерах. Это также приводит к дополнительной экономии отобранного пара, который может быть предпочтительно расширен во вспомогательных паровых турбинах для приведения в действие компрессоров и/или насосов энергетической установки.

Когда скорость газа в топке поддерживается на исходном уровне, содержание кислорода во вводимом газе предпочтительно близко к содержанию кислорода в воздухе и, как правило, составляет от 18 до 28%. Например, когда скорость подачи топлива увеличивается на 17%, скорость рециркуляции отходящего газа предпочтительно регулируется таким образом, что содержание кислорода во вводимом газе составляет приблизительно 24%. Соответственно, соотношение массового расхода вводимого газа и топлива предпочтительно, по меньшей мере, на 10% выше, даже более предпочтительно, по меньшей мере, на 20% выше, чем соотношение массового расхода воздуха и топлива, которое используется при сжигании топлива в воздухе.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения скорость подачи топлива регулируют до заданного уровня, который в модернизированном котле предпочтительно, по меньшей мере, на 10% выше, даже более предпочтительно, по меньшей мере, на 15% выше, чем в исходном огневоздушном (предназначенном для сжигания в воздухе) котле, и скорость подачи вводимого газа в топку определяют так, чтобы получить заданную температуру в топке.

Преимуществом процесса выработки энергии посредством сжигания в чистом кислороде в соответствии с настоящим изобретением является то, что он может быть принят для использования сравнительно легко посредством модернизации обычного котла, предназначенного для сжигания в воздухе. Предпочтительно модернизация включает главным образом ввод в действие источника кислорода, такого как установка для разделения воздуха методом глубокого охлаждения, и оборудования для отделения диоксида углерода и повышение эффективности экономайзерной системы и скорости рециркуляции отходящего газа. В результате данных изменений часть отобранного пара может быть использована для выработки механической энергии для непосредственного приведения в действие компрессоров или насосов энергетической установки, что обеспечивает уменьшение потерь полезной мощности, вырабатываемой в энергетической установке.

Модифицированный процесс выработки энергии предпочтительно включает в себя дополнительную операцию снижения температуры газа, вводимого в топку, и увеличения скорости сжигания топлива по сравнению с соответствующими показателями исходного процесса для поддержания исходной температуры топки. Посредством этого топка и основное производство пара могут сохраняться почти не измененными. Тем не менее, вследствие увеличенной теплоемкости отходящего газа даже большее количество тепла может быть извлечено поверхностями экономайзеров, и даже большее количество отобранного пара может быть расширено во вспомогательных парогенераторах для выработки механической мощности для увеличения вырабатываемой полезной мощности.

Вышеприведенное краткое описание, а также дополнительные цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными за счет ссылки на нижеследующее подробное описание предпочтительных в настоящее время, но, тем не менее, иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, рассматриваемых совместно с приложенным чертежом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

Чертеж представляет собой принципиальную схему энергетической установки для сжигания топлива в чистом кислороде в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чертеж показывает принципиальную схему энергетической установки 10 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Энергетическая установка 10 содержит котел 12, который может представлять собой, например, пылеугольный (РС) котел или котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB). Топка 14 котла содержит обычное средство 16 для подачи топлива, средство для введения кислородсодержащего вводимого газа 18 в топку и канал 20 для отходящего газа, предназначенный для выпуска отходящего газа, образуемого посредством сжигания топлива в кислороде, содержащемся во вводимом газе. Детали и тип некоторых элементов котла 12, таких как средство 16 для подачи топлива и средство 18 для подачи вводимого газа, естественно, зависят от типа котла. Однако подобные элементы, например горелки, углеразмольные мельницы, средства для подачи первичного и вторичного вводимого газа раздельно, не имеют важного значения для настоящего изобретения, и поэтому они не показаны на чертеже.

Кислородсодержащий вводимый газ предпочтительно представляет собой смесь по существу чистого кислорода, получаемого из потока 22 воздуха в установке (ASU) 24 для разделения воздуха, и части отходящего газа, которая подвергается рециркуляции посредством канала 26 для рециркуляции отходящего газа. Канал 26 для рециркуляции отходящего газа предпочтительно содержит средство, такое как вентилятор 28, для регулирования скорости рециркуляции отходящего газа. Скорость рециркуляции отходящего газа предпочтительно регулируется таким образом, что среднее содержание О₂ во вводимом газе близко к содержанию кислорода в воздухе, предпочтительно от 18 до 28%. В некоторых вариантах настоящего изобретения также существует возможность ввода потоков подвергнутого рециркуляции отходящего газа и по существу чистого кислорода отдельно в топку 14, например в разных частях топки.

Стенки топки 14 предпочтительно образованы в виде конструкции трубчатой стенки, которая образует испарительную теплопередающую поверхность 30, предназначенную для превращения предварительно нагретой питательной воды в пар. Находящаяся ближе по потоку часть 32 канала 20 для отходящего газа содержит теплопередающую поверхность 34 нагрева пароперегревателя, предназначенную для извлечения так называемого высокопотенциального тепла из отходящего газа для перегрева пара. Для простоты чертеж показывает только одну поверхность нагрева пароперегревателя, но на практике находящаяся ближе по потоку часть 32 канала для отходящего газа обычно содержит множество поверхностей нагрева пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя для извлечения высокопотенциального тепла. Отходящий газ, как правило, охлаждается посредством поверхностей нагрева пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя до приблизительно 450°С.

Отходящий газ, проходящий в находящейся дальше по потоку части 36 канала 20 для отходящего газа, то есть его часть, находящаяся за последним пароперегревателем 34 по ходу потока, по-прежнему несет значительное количество тепла, которое представляет собой так называемое низкопотенциальное тепло. Обычно как можно большая часть низкопотенциального тепла должна извлекаться для максимизации теплового кпд котла. Таким образом, находящаяся дальше по потоку часть канала 20 для отходящего газа содержит несколько теплопередающих поверхностей, из которых наиболее близко по потоку расположена конечная поверхность 38 экономайзера, где питательная вода нагревается до ее конечной температуры перед подачей ее к испарительным поверхностям 30.

За экономайзером 38 по ходу потока в некоторых случаях применения может быть расположен газовый теплообменник 40, который может представлять собой теплообменник извлекаемого или регенеративного типа, предназначенный для передачи тепла от отходящего газа газу, вводимому в котел 12. Подобный теплообменник может потребоваться, например, для нагрева первичного газа пылеугольного (РС) котла. Тем не менее, отличительным признаком настоящего изобретения является то, что эффективность (кпд) газового теплообменника меньше его эффективности в обычном энергетическом котле. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения между отходящим газом и вводимым газом отсутствует теплообменник. В особенности в том случае, в котором потоки подвергнутого циркуляции отходящего газа и по существу чистого кислорода подаются отдельно в топку, канал для подачи по существу чистого кислорода предпочтительно не содержит никакого газового теплообменника.

Следствием малой степени нагрева вводимого газа или даже отсутствия нагрева вводимого газа является то, что вводимый газ подается в топку 14 при сравнительно низкой температуре. Предпочтительно вводимый газ подается в печь при средней температуре, составляющей менее 200°С, даже более предпочтительно - при средней температуре, составляющей менее 100°С. Вследствие низкой температуры вводимого газа, скорости подачи соответственно топлива и кислорода предпочтительно могут быть увеличены для получения увеличенного количества тепла для поддержания соответствующей температуры в топке 14.

Чертеж показывает в находящейся дальше по потоку части 36 канала 20 для отходящего газа промежуточный экономайзер 42, два компрессора 44, 46 для отходящего газа и экономайзер 48, расположенный между компрессорами для промежуточного охлаждения. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что эффективность теплопередачи поверхностей экономайзера (38) выше, чем эффективность теплопередачи в паровом цикле обычного энергетического котла. Соответственно, некоторые из экономайзеров расположены в низкотемпературной части канала 20 для отходящего газа, предпочтительно в том месте, в котором отходящий газ охлаждается до температуры, составляющей менее 200°С, даже более предпочтительно - в том месте, в котором отходящий газ охлаждается до температуры, составляющей менее 100°С.

Вследствие низкой эффективности (низкого кпд) газового теплообменника и высокой эффективности экономайзеров 38, расположенных в находящейся дальше по потоку части 36 канала для отходящего газа, разделение низкопотенциального тепла по данным разным типам устройств в соответствии с настоящим изобретением несомненно отличается от соответствующего разделения в обычных энергетических котлах. Предпочтительно более 50%, даже более предпочтительно - более 80% извлекаемого низкопотенциального тепла извлекается в экономайзерах. Соответственно, предпочтительно менее 50%, даже более предпочтительно - менее 20% извлеченного низкопотенциального тепла извлекается в газовом теплообменнике.

Канал 20 для отходящего газа обычно содержит разные устройства для очистки отходящего газа от частиц и газообразных загрязняющих веществ, но поскольку они не имеют важного значения для настоящего изобретения, подобные устройства не показаны на чертеже. В соответствии с главной задачей сжигания топлива в чистом кислороде, то есть задачей удаления диоксида углерода из отходящего газа, концевая часть канала для отходящего газа снабжена средством для получения жидкого диоксида углерода, как правило, под давлением приблизительно 110 бар, так что он может быть перемещен для дальнейшего использования или для хранения его в соответствующем месте. Чертеж показывает два охладителя 42, 48 для отходящего газа, которые, как разъяснено выше, предпочтительно используются в качестве экономайзеров, и два компрессора 44, 46 для охлаждения и повышения давления отходящего газа. Система сжижения диоксида углерода обычно содержит на практике более двух ступеней охлаждения и сжатия, обычно, по меньшей мере, четыре ступени, для повышения кпд системы. На чертеже газовый охладитель 42 показан в виде конденсирующего охладителя, в результате чего вода удаляется из отходящего газа. Система отделения диоксида углерода также обычно содержит средства для полного удаления всей воды из отходящего газа и средства для отделения кислорода и возможных других примесей от диоксида углерода, которые, тем не менее, не показаны на чертеже. Подобные средства для обезвоживания и средства для отделения по отдельности известны в данной области техники.

Содержание воды в подвергнутом рециркуляции отходящем газе предпочтительно снижают до возврата отходящего газа в топку посредством рециркуляции. Следовательно, магистраль 26 для рециркуляции отходящего газа предпочтительно ответвляется от канала 20 для отходящего газа за конденсирующим охладителем 42 по ходу потока. Посредством этого содержание воды в газе, подвергнутом рециркуляции, уменьшается, что также вызывает уменьшение содержания воды в топке и в отходящем газе, выходящем из топки. Поскольку содержание O₂ в отходящем газе должно поддерживаться на соответствующем уровне, составляющем приблизительно 3 объемных процента, для гарантирования достаточно полного сгорания топлива уменьшение содержания воды обеспечивает уменьшение соотношения O₂/CO₂ в отходящем газе. Таким образом, посредством возврата обезвоженного газа посредством рециркуляции в топку потребность в отделении O₂ от диоксида углерода и потребность в получении O₂ в устройстве 24 для разделения воздуха могут быть минимизированы.

Перегретый пар отводится от поверхностей 34 нагрева пароперегревателя для расширения его в паровой турбине 50 для выработки энергии посредством генератора 52 мощности. Обычно паротурбинная система энергетического котла содержит паровые турбины высокого давления, промежуточного давления и низкого давления и предусматривает промежуточный нагрев пара между турбинами высокого давления и промежуточного давления. Для простоты и вследствие того, что детали паротурбинной системы не имеют важного значения для настоящего изобретения, чертеж показывает только одну паровую турбину.

Паровой цикл котла 12 содержит обычным образом конденсатор 54, расположенный за паровой турбиной 50 по ходу потока. Конденсированный пар, то есть питательная вода следующего парового цикла, отводится от конденсатора 54 для предварительного нагрева в первом экономайзере 48, промежуточном экономайзере 42 и конечном экономайзере 38 для превращения ее снова в пар на испарительных поверхностях 30.

Паровая турбина 50 также содержит магистраль 56 для отбора пара промежуточного давления из турбины. Первая часть отобранного пара подается в паровой подогреватель 58 для дополнительного подогрева питательной воды. Паровой цикл на практике обычно содержит множество магистралей для отбора пара и множество паровых подогревателей для питательной воды, но они не показаны на чертеже. Тем не менее, в соответствии с настоящим изобретением, вследствие высокой эффективности (высокого кпд) экономайзеров потребность в предварительном нагреве питательной воды посредством отобранного пара минимизируется. Следовательно, число паровых подогревателей 58 меньше, чем в обычных котлах, или использование паровых подогревателей минимизируется, например, посредством клапанов 60. Предпочтительно менее 50% предварительного нагрева питательной воды выполняется паровыми подогревателями 54 и более 50% - экономайзерами.

Поскольку потребность в использовании отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды минимизируется, часть отобранного пара предпочтительно может быть использована для других целей. В соответствии с настоящим изобретением вторая часть отобранного пара расширяется во вспомогательной паровой турбине 62. Паровая турбина 62 обеспечивает преобразование энергии отобранного пара в механическую энергию, которая может быть использована предпочтительно для непосредственного приведения в действие компрессоров или насосов энергетической установки. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения вспомогательная паровая турбина 62 используется для непосредственного приведения в действие компрессоров 44, 46 для отходящего газа. Альтернативно, вспомогательная паровая турбина 62 может быть использована для непосредственного приведения в действие компрессора в установке 40 для разделения воздуха.

В качестве примера воздействия настоящего изобретения на кпд энергетической установки, в которой используется сжигание топлива в чистом кислороде, была проанализирована модернизация котла сверхкритического давления с циркулирующим псевдоожиженным слоем и сжиганием в воздухе, рассчитанного на 460 МВт электрической энергии, до котла с сжиганием топлива в чистом кислороде. За счет использования признаков настоящего изобретения, то есть за счет увеличения поверхностей экономайзеров, увеличения скорости подачи топлива на 17% и рециркуляции холодного и сухого отходящего газа таким образом, чтобы содержание кислорода во вводимом газе составляло 24%, обеспечения незначительного увеличения потока газа от 1466 м³/с до 1505 м³/с и повышения температуры кипящего слоя от 855°С до 900°С, снижение полезной мощности установки составило 11%, что несомненно меньше, чем снижение, составляющее 21,4%, которое было получено при соответствующем обычном процессе сжигания топлива в чистом кислороде. Согласно расчетам, посредством использования настоящего изобретения скорость удаления CO₂ была увеличена от 75,5 кг/с до 106,4 кг/с, и потери энергии на удаление CO₂ были уменьшены с 333 кВт·ч на тонну CO₂ до 126 кВт·ч на тонну CO₂. Одновременно затраты на удаление CO₂ были уменьшены с 27,7 доллара на тонну CO₂ до 19,9 доллара на тонну CO₂, и общие затраты на энергию были снижены от 7,3 цента на 1 кВт·ч до 6,5 цента на 1 кВт·ч, что довольно близко к 5,0 цента на 1 кВт·ч, то есть стоимости энергии при соответствующей выработке энергии при сжигании в воздухе без удаления CO₂.

Несмотря на то что изобретение было описано здесь в виде примеров в связи с тем, что в настоящее время считается наиболее предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, но предназначено для охвата различных комбинаций или модификаций его признаков и ряда других применений, включенных в объем изобретения, определенный в приложенной формуле изобретения.

Изобретение относится к области энергетики. Способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в по существу чистом кислороде, при этом способ включает в себя следующие этапы, на которых: (a) подают углеродсодержащее топливо в топку; (b) подают по существу чистый кислород из источника кислорода в топку для сжигания топлива в кислороде для получения отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду; (c) выпускают отходящий газ из топки посредством канала для отходящего газа; (d) извлекают все количество низкопотенциального тепла из отходящего газа посредством использования множества охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды; (e) превращают предварительно нагретую питательную воду в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа; (f) повышают давление первой части отходящего газа во множестве компрессоров для отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода; (g) рециркулируют вторую часть отходящего газа в топку посредством канала для рециркуляции отходящего газа; (h) расширяют пар в паротурбинной системе для приведения в действие генератора мощности; (i) отбирают все количество пара из паротурбинной системы и используют первую часть отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла составляет более 50% от всего количества извлеченного низкопотенциального тепла, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и способ включает в себя дополнительную операцию: (j) расширяют вторую часть отобранного пара в, по меньшей мере, одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие, по меньшей мере, одного компрессора или, по меньшей мере, одного насоса энергетической установки. Изобретение позволяет минимизировать затраты или потери выработанной энергии, обусловленные удалением диоксида углерода. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, при этом способ включает в себя следующие этапы, на которых:
(a) подают углеродсодержащее топливо в топку;
(b) подают, по существу, чистый кислород из источника кислорода в топку для сжигания топлива в кислороде для получения отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду;
(c) выпускают отходящий газ из топки посредством канала для отходящего газа;
(d) извлекают все количество низкопотенциального тепла из отходящего газа посредством использования множества охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды;
(e) превращают предварительно нагретую питательную воду в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа;
(f) повышают давление первой части отходящего газа во множестве компрессоров для отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода;
(g) рециркулируют вторую часть отходящего газа в топку посредством канала для рециркуляции отходящего газа;
(h) расширяют пар в паротурбинной системе для приведения в действие генератора мощности;
(i) отбирают все количество пара из паротурбинной системы и используют первую часть отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды,
при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла составляет более 50% от всего количества извлеченного низкопотенциального тепла, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и способ включает в себя дополнительную операцию:
(j) расширяют вторую часть отобранного пара в, по меньшей мере, одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие, по меньшей мере, одного компрессора или, по меньшей мере, одного насоса энергетической установки.

2. Способ по п.1, в котором первая часть отобранного пара обеспечивает менее 50% от всего тепла, используемого для предварительного нагрева питательной воды.

3. Способ по п.1, в котором вторая часть отобранного пара составляет, по меньшей мере, 50% от всего количества отобранного пара.

4. Способ по п.1, в котором температура второй части отходящего газа при подаче его в топку составляет менее 200°С.

5. Способ по п.1, в котором, по существу, чистый кислород смешивают со второй частью отходящего газа до подачи кислорода и второй части отходящего газа в топку с тем, чтобы образовать вводимый газ.

6. Способ по п.5, в котором среднее объемное содержание кислорода во вводимом газе составляет от приблизительно 18 до приблизительно 28%.

7. Энергетическая установка для выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, при этом энергетическая установка содержит:
топку для сжигания топлива;
канал для кислорода, соединенный с топкой для подачи, по существу, чистого кислорода из источника кислорода в топку для сжигания топлива в кислороде для получения отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду;
канал для отходящего газа, соединенный с топкой для выпуска отходящего газа из топки;
паровой цикл для превращения питательной воды в пар, включающий в себя экономайзерную систему для предварительного нагрева питательной воды и теплопередающие поверхности, расположенные в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа для извлечения высокопотенциального тепла для превращения предварительно нагретой питательной воды в пар;
множество охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, предназначенных для извлечения всего количества низкопотенциального тепла из отходящего газа, при этом часть охладителей для отходящего газа образует экономайзерную систему;
множество компрессоров для отходящего газа для повышения давления первой части отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода;
канал для рециркуляции отходящего газа, предназначенный для подачи второй части отходящего газа в топку;
паротурбинную систему для расширения пара для приведения в действие генератора мощности, при этом паротурбинная система содержит средство для отбора всего количества пара;
средства для использования первой части отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды,
при этом экономайзерная система выполнена с возможностью извлечения в ней, при нормальном рабочем режиме, более 50% от всего количества низкопотенциального тепла, подлежащего извлечению газоохладителями, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и при этом энергетическая установка дополнительно содержит:
по меньшей мере, одну вспомогательную паровую турбину для расширения второй части отобранного пара для приведения в действие, по меньшей мере, одного компрессора или, по меньшей мере, одного насоса энергетической установки.

8. Энергетическая установка по п.7, в которой канал для кислорода соединен с каналом для рециркуляции отходящего газа для подачи вводимого газа, состоящего из, по существу, чистого кислорода и второй части отходящего газа, в топку.

9. Способ модификации процесса выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива от сжигания топлива в воздухе до сжигания топлива в, по существу, чистом кислороде, при этом исходный процесс включает в себя следующие этапы, на которых:
(a) подают углеродсодержащее топливо в топку с первой скоростью подачи топлива;
(b) подают воздух при определенной температуре вводимого воздуха в топку для сжигания топлива в воздухе для получения отходящего газа с первым интервалом температур;
(c) выпускают отходящий газ из топки посредством канала для отходящего газа;
(d) извлекают первое общее количество низкопотенциального тепла из отходящего газа в охладителях для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть первого общего количества низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды;
(e) превращают предварительно нагретую питательную воду в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа; и
(f) расширяют пар в паротурбинной системе для приведения в действие генератора мощности и отбирают пар из паротурбинной системы, при этом, по меньшей мере, часть отобранного пара используется для предварительного нагрева питательной воды,
модифицированный процесс включает в себя следующие этапы, на которых:
(а′) подают углеродсодержащее топливо в топку со второй скоростью подачи топлива;
(b′) подают, по существу, чистый кислород из источника кислорода в топку с некоторой скоростью подачи кислорода для сжигания топлива в кислороде для образования отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду, со вторым интервалом температур;
(с′) выпускают отходящий газ из топки посредством канала для отходящего газа;
(d′) извлекают второе общее количество низкопотенциального тепла из отходящего газа в модифицированном комплекте охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть второго общего количества низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды;
(е′) превращают предварительно нагретую питательную воду в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа;
(f′) повышают давление части отходящего газа во множестве компрессоров для отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода;
(g′) подают другую часть отходящего газа в топку посредством канала для рециркуляции отходящего газа;
(h′) расширяют пар в паротурбинной системе для приведения в действие генератора;
(i′) отбирают все количество пара из паротурбинной системы и используют первую часть отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды,
при этом первая часть второго общего количества низкопотенциального тепла больше первой части первого общего количества низкопотенциального тепла, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и при этом способ включает в себя дополнительный этап, на котором:
(j′) расширяют вторую часть отобранного пара, по меньшей мере, в одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие, по меньшей мере, одного компрессора или, по меньшей мере, одного насоса энергетической установки.

10. Способ по п.9, в котором вторая скорость подачи топлива, по меньшей мере, на 10% больше первой скорости подачи топлива.

11. Способ по п.9, в котором первая часть отобранного пара, по меньшей мере, на 30% меньше части отобранного пара, которая на операции (f) исходного процесса используется для предварительного нагрева питательной воды.

12. Способ по п.9, в котором температура второй части отходящего газа при подаче его в топку ниже определенной температуры вводимого воздуха.

13. Способ по п.9, в котором в модифицированном процессе, по существу, чистый кислород смешивают со второй частью отходящего газа до подачи кислорода и второй части отходящего газа в топку с тем, чтобы образовать вводимый газ.

14. Способ по п.13, в котором соотношение массового расхода вводимого газа и топлива, по меньшей мере, на 10% выше соотношения массового расхода воздуха и топлива, которое используется в исходном процессе.