СПОСОБ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ CO В ПОТОКЕ СЖИГАНИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2012 года по МПК B01D53/62 F01K23/10 F02C3/34 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Эта заявка в целом относится к потокам сжигания, а более точно к снижению выбросов CO₂ в потоках сжигания.

Обеспокоенность загрязнением воздуха во всем мире привела к более строгим нормам выбросов. Эти нормы регулируют выброс оксидов азота (NOx), несгоревших углеводородов (НС), оксида углерода (СО) и двуокиси углерода (CO₂), вырабатываемых энергетической промышленностью. В частности, двуокись углерода была определена в качестве парникового газа, имея следствием различные технологии, внедряемые для снижения концентрации двуокиси углерода, выпускаемой в атмосферу.

Отсюда является желательным отделение СО₂ из энергетических установок и других промышленных установок, которые вырабатывают большие количества CO₂. Себестоимость улавливания СО₂ обычно оценивается как три четверти суммарной себестоимости улавливания, хранения, транспортировки и изоляции сажи.

Как результат есть сохраняющаяся потребность в технологиях удаления CO₂, например технологиях удаления СО₂, которые могут устанавливаться при модернизации в существующие энергетические установки и тому подобное.

Наиболее близким аналогом является US 2006112696, раскрывающий энергетическую установку, содержащую газотурбинные установки (12, 12'), содержащие компрессорные блоки (13, 13'), турбинные блоки (14, 14') и камеру сгорания (10). Топочные газы из камеры сгорания(10) охлаждаются и пропускаются через блок (11) очистки, где большая часть СO₂ удаляется из топочных газов и где очищенные топочные газы повторно нагреваются и вместе со сжатым потоком направляются в турбину (14), где давление потока уменьшается, перед тем как выйти в атмосферу. Камера сгорания (10) работает с двумя газовыми потоками, причем один газовый поток проходит внутри жаровой трубы, а другой поток проходит снаружи жаровой трубы. Такая конструкция позволяет увеличить энергетическую эффективность и уменьшить стоимость.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

В материалах настоящей заявки раскрыты варианты осуществления энергетических систем, систем удаления СО₂, способов для их использования и способов для снижения выбросов СO₂ в потоке сжигания.

В одном из вариантов осуществления способ для снижения выбросов в потоке сжигания содержит: выработку энергии в узле газотурбинного двигателя, при этом поток выхлопных газов выходит из узла газотурбинного двигателя, сжатие потока выхлопных газов и отделение СO₂ из потока выхлопных газов посредством пропускания СО₂ через мембрану для получения потока продукта CO₂ и обедненного СO₂ потока выхлопных газов.

В одном из вариантов осуществления энергетическая установка содержит: узел газотурбинного двигателя, сконфигурированный для выработки энергии и потока выхлопных газов, содержащего СO₂; и блок отделения СO₂, сконфигурированный для приема потока выхлопных газов. Блок отделения СO₂ содержит компрессор блока, сообщающийся по текучей среде с впускным отверстием реактора отделения СO₂ через теплообменник блока, и расширитель блока, сообщающийся по текучей среде с выпускным отверстием реактора отделения СO₂ через теплообменник блока.

В еще одном варианте осуществления способ для снижения выбросов в энергетической установке содержит: получение энергии в узле газотурбинного двигателя, при этом поток выхлопных газов выходит из узла газотурбинного двигателя; изменение рабочего давления потока выхлопных газов; изменение рабочей температуры потока выхлопных газов; пропускание СO₂ в потоке выхлопных газов через мембрану в реакторе отделения CO₂ для создания потока продукта CO₂ и обедненного CO₂ потока выхлопных газов; изменение температуры обедненного CO₂ потока выхлопных газов для создания охлажденного потока выхлопных газов и охлаждение воздуха, входящего в узел газотурбинного двигателя, охлажденным потоком выхлопных газов.

В одном из вариантов осуществления способ для снижения выбросов в потоке сжигания содержит: сжигание газового потока для создания потока выхлопных газов, содержащего двуокись углерода, и отделение CO₂ из потока выхлопных газов посредством пропускания CO₂ через мембрану для создания потока продукта CO₂ и обедненного CO₂ потока выхлопных газов.

Таким образом, согласно изобретению предлагается способ для снижения выбросов в потоке сжигания, при котором вырабатывают энергию в узле газотурбинного двигателя, причем поток выхлопных газов выходит из узла газотурбинного двигателя; сжимают поток выхлопных газов, выходящий из узла газотурбинного двигателя, в первом компрессоре блока отделения CO₂; отделяют CO₂ от потока выхлопных газов посредством пропускания потока выхлопных газов через мембрану для получения потока продукта CO₂ и обедненного CO₂ потока выхлопных газов; расширяют обедненный CO₂ поток выхлопных газов в расширителе блока отделения CO₂ для получения охлажденного обедненного СO₂ потока выхлопных газов и охлаждают воздух, который входит во второй компрессор узла газотурбинного двигателя, за счет пропускания охлажденного обедненного CO₂ потока выхлопных газов через теплообменник с указанным воздухом, входящим во второй компрессор.

Предпочтительно рабочее давление потока выхлопных газов регулируется до давления, меньшего чем или равного приблизительно 0,5 МПа, перед введением в реактор отделения CO₂ блока отделения CO₂.

Предпочтительно осуществляют рециркуляцию части потока выхлопных газов в узел газотурбинного двигателя перед тем, как вводят оставшуюся часть потока выхлопных газов в реактор отделения CO₂ блока отделения CO₂.

Предпочтительно, перед тем как сжимают поток выхлопных газов, рекуперируют тепло из потока выхлопных газов в парогенераторе рекуперации тепла, чтобы снизить рабочую температуру потока выхлопных газов.

Предпочтительно, перед тем как вводят поток выхлопных газов в реактор отделения CO₂ блока отделения CO₂ и после того как сжимают поток выхлопных газов, понижают рабочую температуру потока выхлопных газов в промежуточном охладителе.

Предпочтительно регулируют температуру обедненного CO₂ потока выхлопных газов в промежуточном охладителе.

Предпочтительно удаляют влагу из потока приточного воздуха в узел газотурбинного двигателя.

Предпочтительно снижают влагосодержание в обедненном CO₂ потоке выхлопных газов.

Предпочтительно отделяют обедненный CO₂ поток выхлопных газов в первую часть и вторую часть и объединяют первую часть обедненного CO₂ потока выхлопных газов с воздухом, входящим в узел газотурбинного двигателя.

Предпочтительно охлаждают поток выхлопных газов второй частью, перед тем как вводят поток выхлопных газов в реактор отделения CO₂.

Описанные выше и другие признаки проиллюстрированы последующими фигурами и подробным описанием.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее обратимся к фигурам, которые являются примерными, неограничивающими и на которых одинаковые экземпляры пронумерованы одинаково.

Фиг.1 - схематическая иллюстрация примерной энергетической установки с блоком отделения CO₂.

Фиг.2 - схематическая иллюстрация еще одного варианта осуществления энергетической установки с блоком отделения CO₂.

Фиг.3 - схематическая иллюстрация еще одного другого варианта осуществления энергетической установки с блоком отделения CO₂.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Выбросы двуокиси углерода (СO₂) из энергетических установок все больше и больше штрафуются согласно государственным и международным постановлениям, таким как протокол Киото и Схема торговли выбросами ЕС. С повышением себестоимости выбрасывания CO₂ снижение выброса CO₂ становится все более и более важным для экономически выгодного производства энергии. Технологии удаления CO₂ сосредотачиваются на очистке от CO₂ атмосферного потока топочного газа энергетической установки или других вырабатывающих CO₂ технологических процессов, каковое имеет результатом очень дорогостоящие и энергоемкие блоки удаления CO₂.

Использование рециркуляции топочного газа и наддува обогащенного CO₂ топочного газа повышает парциальное давление CO₂ в топочном газе энергетической установки, таким образом упрощая технологический процесс отделения CO₂. Сжатие также снижает объем газа, который должен обрабатываться в блоке удаления CO₂ таким образом снижая ассоциативно связанные капитальные и энергетические потребности. Настоящая система содержит блок отделения CO₂, который содержит компрессор, расширитель, теплообменник и реактор отделения CO₂. Реактор, который использует технологию мембраны CO₂, может обладать возможностями как преобразования оксида углерода (СО), так и удаления CO₂. Настоящее решение является легким для реализации на всех существующих и будущих энергетических установках, так как не требуется никакая интеграция с основной энергетической системой. По выбору по-прежнему могла бы быть реализована рекуперация теплоты из основной энергетической системы, в том числе рекуперация теплоты из выхлопного газа горячего газотурбинного двигателя или промежуточного охладителя газовой турбины (если имеется в распоряжении).

Фиг.1 - схематическая иллюстрация примерной энергетической установки 6, которая включает в себя технологический процесс сжигания (например, примерный узел 10 газотурбинного двигателя). К тому же или в качестве альтернативы могут применяться другие возможные технологические процессы сжигания, такие как камера сгорания, топочная камера и другие технологические процессы, которые создают поток, содержащий CO₂ (например, правительственно регламентированные количества CO₂), такие как энергоустановки на угле, мазутные котлы, цементные и сталеплавильные заводы и так далее. Узел 10 газотурбинного двигателя включает в себя базовый газотурбинный двигатель 12, который включает в себя компрессор(ы) (например, компрессор 14 высокого давления (например, который может сжимать поток до давлений, больших чем или равных приблизительно 45 бар) и компрессор 20 низкого давления (например, который может сжимать вплоть до приблизительно 5 бар)), камеру(ы) 16 сгорания и турбину(ы) (например, турбину 18 высокого давления и турбину 22 низкого давления). Компрессор 14 высокого давления и турбина 18 высокого давления, по выбору, связаны первым валом 24, а компрессор 20 низкого давления может присоединяться к турбине промежуточного давления (не показана) вторым валом 26. В примерном варианте осуществления турбина 22 низкого давления присоединена к нагрузке, такой как генератор 28, через вал 30. В примерном варианте осуществления базовым газотурбинным двигателем 12 является LMS100, доступный для приобретения у General Electric Aircraft Engines (Авиационные двигатели Дженерал электрик), Цинцинати, Огайо.

Узел 10 газотурбинного двигателя, по выбору, может включать в себя промежуточный охладитель 40 для содействия снижению температуры сжатого воздушного потока, входящего в компрессор 14 высокого давления. Более точно, промежуточный охладитель 40 находится в сообщении по текучей среде между компрессором 20 низкого давления и компрессором 14 высокого давления из условия, чтобы воздушный поток, выпускаемый из компрессора 20 низкого давления, охлаждался перед подачей в компрессор 14 высокого давления. В примерном варианте осуществления промежуточный охладитель 40 является теплообменником типа «вода-воздух», который содержит рабочую текучую среду (не показано), протекающую через него. Например, рабочая текучая среда может быть сырой водой, которая канализируется из водоема, расположенного вблизи энергетической установки 8, например такого, как озеро. Не обязательно, промежуточный охладитель 40 является теплообменником типа «воздух-воздух», который содержит охлаждающий воздушный поток (не показан), протекающий через него.

Энергетическая установка 6 также, по выбору, включает в себя парогенератор 50 рекуперации тепла (HRSG), который сконфигурирован для приема относительно горячего потока выхлопных газов, выпускаемого из узла 10 газотурбинного двигателя, и переносит эту тепловую энергию в рабочую текучую среду, протекающую через HSRG 50, чтобы вырабатывать пар, который, в примерном варианте осуществления, может использоваться для приведения в движение паровой турбины 52 (смотрите фиг.2) Конденсатор 54 может быть расположен ниже по потоку HSRG 50, чтобы по существу удалять водяной пар из потока выхлопных газов, выпускаемых из HSRG 50, посредством понижения температуры газа. Влагопоглотитель (не показан) также может применяться ниже по потоку HRSG 50 и выше по потоку конденсатора 54, чтобы содействовать удалению воды из потока выхлопных газов. Влагопоглотитель может содержать систему обезвоживания воздуха с осушителем.

Энергетическая установка 6 дополнительно включает в себя примерный блок 32 отделения CO₂. Блок 32 отделения CO₂ содержит второй компрессор 60 низкого давления, расширитель 62 и вал 64, используемый для присоединения второго компрессора 60 низкого давления к расширителю 62. Расширитель, используемый в материалах настоящей заявки, может быть центробежной или осевой турбиной, благодаря которой газ высокого давления расширяется, чтобы производить работу, которая может использоваться для привода компрессора, такого как компрессор 60 низкого давления. Расширитель 62 (также указываемый ссылкой как турбодетандер или расширительная турбина) присоединен к первичному двигателю 66 (смотрите фиг.2), такому как электродвигатель, газовая турбина, возвратно-поступательный механизм или так далее, через вал 68. По существу первичный двигатель 66 используется для приведения в действие компрессора 60 низкого давления, поддерживаемого расширителем 62, как будет описано ниже. По выбору, система (ы) обезвоживания воздуха с осушителем может использоваться в блоке 32 отделения CO₂, например ниже по потоку реактора 80 отделения CO₂, ниже по потоку промежуточного охладителя 34.

Энергетическая установка 8 также может включать в себя второй промежуточный охладитель или теплообменник 70 (смотрите фиг.2), который находится в сообщении по текучей среде с компрессором 60 низкого давления и расширителем 62. В действии поток выхлопных газов, выпускаемый из компрессора 60 низкого давления, канализируется через промежуточный охладитель 70, чтобы обеспечивать охлаждение перед тем, как поток выхлопных газов подается в блок 80 отделения CO₂ и расширитель 62. В примерном варианте осуществления промежуточный охладитель 70 является теплообменником типа «вода-воздух», который содержит рабочую текучую среду (не показан), протекающую через него. Например, как указано выше, рабочая текучая среда может быть сырой водой, которая канализируется из водоема, расположенного вблизи энергетической установки 8. По выбору, охлаждающая вода также может производиться с использованием влажной градирни и/или промежуточный охладитель 70 может быть теплообменником типа «воздух-воздух», который содержит охлаждающий воздушный поток (не показан), протекающий через него. Поток выхлопных газов, выпускаемый из расширителя 62, затем может подаваться в третий теплообменник 72, чтобы способствовать снижению рабочей температуры приточного воздуха, подаваемого в узел 10 газотурбинного двигателя, как будет описано ниже.

Во время работы окружающий воздух, втягиваемый в газовую турбину, канализируется через теплообменник 72, чтобы содействовать снижению рабочей температуры окружающего воздуха, подаваемого в узел 10 газотурбинного двигателя. Узел 10 газотурбинного двигателя эксплуатируется, как известно в данной области техники, и по существу создает поток выхлопных газов, имеющий температуру от приблизительно 600 градусов по Фаренгейту (°F) (316 градусов Цельсия (°С)) до приблизительно 1300°F (704°C). Поток выхлопных газов, выпускаемый из узла 10 газотурбинного двигателя, канализируется через HRSG 50, в котором существенная часть тепловой энергии из потока выхлопных газов переносится в цикл Ренкина рабочей текучей средой, канализируемой через него, чтобы вырабатывать пар, как описано выше, который может использоваться для приведения в движение паровой турбины 52. HSRG 50 способствует снижению рабочей температуры потока выхлопных газов до температуры, которая составляет приблизительно 75°F (24°С) и приблизительно 248°F (120°С). В примерном варианте осуществления HSRG 50 способствует снижению рабочей температуры потока выхлопных газов до температуры, которая составляет приблизительно 100°F (38°C). В других вариантах осуществления поток выхлопных газов может охлаждаться просто, без использования тепла, отведенного для полезного назначения, и/или он может связываться с другим технологическим процессом для выдачи тепла в виде пара или горячей воды. В одном из вариантов осуществления поток выхлопных газов также может канализироваться через дополнительные теплообменники (не показаны), чтобы дополнительно конденсировать воду из потока выхлопных газов, каковая вода затем выпускается, например, через конденсатор 54.

Как проиллюстрировано на фиг.1, в конфигурации, показанной на фиг.2, выше по потоку компрессора 60 доля выхлопного газа, по выбору, может рециркулироваться обратно и в основной узел 10 газотурбинного двигателя; например, от приблизительно 30 объемных % до приблизительно 70 объемных % потока выхлопных газов могут рециркулироваться для входа в узел газотурбинного двигателя с воздухом. Смешивание рециркулированного выхлопного газа и свежего воздуха может иметь место выше или ниже по потоку необязательного теплообменника 72. Рециркулирование доли потока выхлопного газа во впускное отверстие узла 10 газотурбинного двигателя повышает концентрацию CO₂ в рабочей текучей среде, тем самым увеличивая движущие силы для отделения CO₂ в реакторе 80 отделения CO₂. В дополнение, рециркуляция выхлопного газа может помочь понизить другие выбросы сжигания, например понижая формирование NOx.

Относительно холодный обезвоженный поток выхлопных газов затем сжимается в необязательном втором компрессоре 60 низкого давления, который, в примерном варианте осуществления, приводится в движение расширителем 62 и первичным двигателем 66, если необходимо. Второй компрессор 60 низкого давления может использоваться для повышения рабочего давления потока выхлопных газов, канализируемого через него, до давления, которое приблизительно в четыре раза выше, чем рабочее давление потока выхлопных газов, выпускаемого из узла 10 газотурбинного двигателя. Более того, канализация потока выхлопных газов через второй компрессор низкого давления заставляет температуру потока выхлопных газов повышаться. Поток выхлопных газов, выпускаемый из второго компрессора 60 низкого давления затем, по выбору, канализируется через второй промежуточный охладитель 70, чтобы содействовать снижению рабочей температуры потока выхлопных газов, если полезно для работы реактора 80 отделения CO₂ и/или системы. В примерном варианте осуществления второй промежуточный охладитель 70 способствует снижению рабочей температуры потока выхлопных газов до температуры, которая составляет приблизительно 100°F (38°C).

Обогащенный CO₂ поток выхлопных газов, выпускаемый из промежуточного охладителя 70, входит в реактор 80 отделения CO₂. Реактор 80 отделения CO₂ может содержать различные технологические процессы отделения CO₂, такие как технологии избирательной к CO₂ мембраны, сорбционные технологические процессы (адсорбцию и/или абсорбцию), диафрагмы, криогенные технологические процессы и так далее, а также сочетания, содержащие, по меньшей мере, один из вышеизложенных технологических процессов. Мембраны могут изолироваться от протекания потока выхлопных газов любым образом, который, по выбору, дает чистящему газу возможность удалять CO₂, не входя в поток выхлопных газов. Например, CO₂ проходит через стенки мембраны в замкнутую область на другой стороне мембраны, тогда как поток выхлопных газов продолжается через реактор. Чистящий газ входит в замкнутую область, проходя мимо мембран и удаляя CO₂, который прошел через стенки мембран. Чистящий газ, необязательно, выносит CO₂ из реактора через обособленный выход, нежели остаток потока выхлопных газов.

Мембраны (а) являются избирательными к CO₂, а потому непрерывно удаляют вырабатываемый CO₂, в том числе CO₂, который, по выбору, вырабатывается из СО на катализаторном участке(ах), который может быть добавлен к мембране, если требуется. Мембрана может содержать любой мембранный материал который стабилен при рабочих условиях и обладает требуемой проницаемостью и избирательностью к CO₂ при рабочих условиях. Возможные мембранные материалы, которые избирательны в отношении CO₂, включают в себя некоторые неорганические и полимерные материалы, а также сочетания, содержащие, по меньшей мере, один из этих материалов. Неорганические материалы включают в себя микропористый углерод, микропористый кремний, микропористый титанистый кремний, микропористый смешанный оксид и цеолитовые материалы, а также сочетания, содержащие, по меньшей мере, один из этих материалов. Некоторые возможные мембранные материалы описаны в заявке №11/263165 на выдачу патента США Рууду и другим, зарегистрированной 31 октября 2005 г.

Тогда как не должны ограничиваться конкретными теоретическими основами, механизмы для избирательности к CO₂ в микропористых материалах включают в себя поверхностную диффузию и капиллярную конденсацию. Материал, который обладает сродством для CO₂ относительно других газов в потоке, будет показывать предпочтительную адсорбцию и поверхностную диффузию CO₂. Более того, наличие адсорбированных молекул CO₂ благодаря капиллярной конденсации будет эффективно блокировать пору от газов с более слабой адсорбцией, тем самым затрудняя их транспортировку. Избирательность к газу благодаря мембране определяется относительными вкладами течения Кнудсена и поверхностной диффузии в суммарную транспортировку газа. Например, чтобы достичь избирательности к CO₂, поверхностная диффузия должна делать значительный вклад в суммарную транспортировку CO₂. Скорость поверхностной диффузии зависит от адсорбированного количества CO₂ и его относительной подвижности.

Для первого приближения поверхностный коэффициент диффузии газа на материале может оцениваться по теплоте адсорбции. Поскольку коэффициент диффузии изменяется экспоненциально с отрицательной величиной теплоты адсорбции, материалы с более низкой теплотой адсорбции демонстрируют более высокий поверхностный коэффициент диффузии. Физически это означает, что материалы, пригодные для функциональных материалов, обладают большей сродственностью для CO₂, чем для других газов в потоке, но сродственность для CO₂ велика не настолько, что CO₂ привязывается к поверхности без транспортировки через поровый канал. Низкая теплота адсорбции соответствует слабо связанному CO₂, что благоприятствует высоким коэффициентам диффузии. Соответственно, материалы, которые пригодны для использования в качестве функционального материала, характеризуются высокой производной поверхностного покрытия (dθ/dp) и низкой теплотой адсорбции (ΔН). Эти свойства могут определяться по изотермам адсорбции CO₂ материалов, и надлежащие материалы могут выбираться. В примерном варианте осуществления керамика содержит материал, такой как SiO₂, BaTiО₃, ВаZrО₃, LаFеО₃, а также сочетания, содержащие, по меньшей мере, один из этих материалов. Эти оксиды теоретически показывают существенно высокую подвижность касательно поверхностной диффузии СO₂ и отсюда могут обеспечивать требуемую проницаемость.

На практике мембрана часто содержит разделительный слой, который нанесен поверх слоя основы. Для асимметричных неорганических мембран пористая основа может содержать материал, который отличен от разделительного слоя. Материалы основы для асимметричных неорганических мембран включают в себя пористый алюминий, титан, кордиерит, углерод, кварцевое стекло (например, Vycor®) и металлы, а также сочетания, содержащие, по меньшей мере, один из этих материалов. Слои основы пористого металла включают в себя черные металлы, никелевые материалы и сочетания, содержащие, по меньшей мере, один из этих материалов, такие как нержавеющая сталь, сплавы на основе железа и сплавы на основе никеля. Полимерные мембраны могут наноситься на полимерные или неорганические основы. Мембраны могут включать в себя полимерные материалы, такие как полиэфиры и полиэфирные смеси, и гибридные мембраны, такие как силанизированные гамма-корундовые мембраны. Силаны, такие как 2-ацитоксиэтил, 2-карбометоксиэтил и 3-аминопропил, могут объединяться с керамическими мембранами для достижения избирательной транспортировки CO₂.

Обедненный CO₂ поток выхлопных газов, выпускаемый из реактора 80 отделения CO₂, по выбору, может расширяться благодаря расширителю 62, который извлекает работу из сжатых выхлопных газов, чтобы приводить в движение компрессор 60 низкого давления, таким образом существенно снижая температуру потока выхлопных газов. Например, в одном из вариантов осуществления температура потока выхлопных газов, выпускаемого из расширителя 62, составляет от приблизительно 30°F (-1°C) до приблизительно -30°F (-34°С). В примерном варианте осуществления температура потока выхлопных газов, выпускаемого из расширителя 62, составляет приблизительно -20°F. Относительно более холодный поток выхлопных газов затем может канализироваться через теплообменник 72, чтобы способствовать охлаждению потока приточного воздуха и чтобы содействовать повышению плотности воздуха воздушного потока, который канализируется в узел 10 газотурбинного двигателя, таким образом повышая коэффициент полезного действия и выходную мощность базового газотурбинного двигателя 12. Как результат, снижение температуры впуска воздушного потока в газовую турбину увеличивает его массовый расход и коэффициент полезного действия, снижая экономическое воздействие технологического процесса отделения СO₂.

Фиг.3 - схематическая иллюстрация другой примерной энергетической установки 100. Энергетическая установка 100, по существу, подобна энергетической установке 8, показанной на фиг.2. В примерном варианте осуществления энергетическая установка 100 не включает в себя теплообменник 72, вернее, относительно холодный обезвоженный поток выхлопных газов из расширителя 62 отделяется в первую часть 110 потока воздуха, которая выпускается непосредственно во впускное отверстие узла 10 газотурбинного двигателя, и вторую часть 112 потока воздуха, которая канализируется через теплообменник 120, который расположен выше по потоку от второго компрессора низкого давления. По выбору, перед входом в узел 10 газовой турбины влага может быть удалена из первой части 110 потока воздуха и/или приточного воздушного потока с использованием систем(ы) обезвоживания воздуха с осушителем.

Во время работы первая часть 110 потока воздуха канализируется непосредственно в поток приточного воздуха, подаваемый в узел 12 газотурбинного двигателя. Более точно, любая влага, по-прежнему переносимая в поступающем потоке свежего воздуха, конденсируется в относительно небольшие или микроскопические капельки, которые создают тонкий туман или дымку, когда смешиваются с первой частью 110 потока воздуха. Туман или дымка затем канализируется в компрессор 20 низкого давления, при этом капельки испаряются, чтобы способствовать снижению рабочей температуры воздушного потока, подаваемого в базовый газотурбинный двигатель 12. Как результат, температура воздушного потока, канализируемого в базовый газотурбинный двигатель 12, снижается, таким образом уменьшая работу, необходимую в технологическом процессе сжатия, и повышая суммарный коэффициент полезного действия узла 10 газотурбинного двигателя. Содержание кислорода первой части 110 потока воздуха снижено вследствие технологического процесса сжигания в газовой турбине 10. Смешивание этого потока со свежим воздухом имеет результатом общее снижение содержания кислорода воздуха для горения в камере 16 сгорания, способствующее снижению формирования NOx в камере сгорания.

Вторая часть 112 потока воздуха может канализироваться через теплообменник 120, чтобы содействовать удалению тепловой энергии из потока выхлопных газов, канализируемого во второй компрессор 60 низкого давления, и чтобы содействовать конденсации и удалению воды, переносимой в потоке отработанного воздуха, перед входом потока отработанного воздуха во второй компрессор 60 низкого давления.

В материалах настоящей заявки описаны способ и система для снижения выбросов энергетической установки, а также повышения коэффициента полезного действия энергетической установки. Способ включает в себя повышение отделения по существу всего CO₂, переносимого в выхлопном газе с использованием реактора отделения CO₂, где СО в потоке выхлопных газов преобразуется в CO₂, a CO₂ удаляется благодаря избирательной к CO₂ мембране, чтобы вырабатывать обедненный CO₂ поток. Обедненный CO₂ поток может выпускаться и/или может рециркулироваться в узел газотурбинного двигателя. Это может достигаться посредством использования потока выхлопных газов из узла газотурбинного двигателя без повышения давления и/или снижения температуры. Например, поток выхлопных газов может обрабатываться в реакторе отделения CO₂ при температуре от приблизительно 250°С до приблизительно 500°С (например, от приблизительно 300°С до приблизительно 450°С) и при давлении, приблизительно меньшем, чем 5 бар (0,5 мегапаскалей (МПа); более точно, например, от приблизительно 1 бара до приблизительно 4 бар (от приблизительно 0,1 МПа до приблизительно 0,4 МПа)). Более того, обедненный CO₂ поток из реактора отделения CO₂ может проходить непосредственно в расширитель (например, турбину), например, не проходя через теплообменник. Этот технологический процесс даже со сжатием до приблизительно 5 бар может удалять большее чем или равное приблизительно 80 объемным % CO₂ в потоке выхлопных газов или, более точно, может удаляться от приблизительно 80 объемных % до приблизительно 90 объемных % CO₂ в потоке выхлопных газов.

Дополнительные преимущества включают в себя тот факт, что нет необходимости в интегрировании блока компрессора-расширителя в основную энергетическую систему; настоящее изобретение является допускающим установку при модернизации в существующие системы с улавливанием CO₂. Пригодность для установки при модернизации не ограничивается энергетическими циклами, основанными на газовых турбинах, но может применяться к любым технологическим процессам сжигания, вырабатывающим CO₂. По выбору, теплообменник может интегрироваться с основной энергетической системой, если полезно. Это привело бы к снижению потребляемой энергии, необходимой для привода блока компрессора-расширителя, или даже помогло бы сделать его энергетически самоподдерживаемым. Это может снизить или устранить необходимость наличия (большего) первичного двигателя или мотора. В качестве альтернативы или в дополнение может использоваться необязательный повторный нагрев в пределах блока компрессора-расширителя посредством теплообменника или подобного (которое показано на чертеже), и/или другие стратегии рекуперации тепла и адиабатического насыщения могут преимущественно использоваться для минимизации энергетических потребностей в блоке компрессора-расширителя. Адиабатическое расширение рабочей текучей среды после сжатия может применяться для использования технологического тепла и повышения массового расхода текучей среды, тем самым повышая суммарный коэффициент полезного действия цикла и приводя к повышенной выработке энергии в секции расширителя при расширении обедненного CO₂ рабочей текучей среды.

В противоположность повторному нагреву находящаяся под давлением рабочая текучая среда в компрессоре-расширителе, по выбору, может охлаждаться и может расширяться до атмосферного давления после удаления CO₂. В этом случае холодная (с очень низкими или даже отрицательными температурами) расширенная рабочая текучая среда может использоваться для входного вымораживания приточного потока в основную газовую турбину.

Диапазоны, раскрытые в материалах настоящей заявки, являются включительными и объединенными (например, «вплоть до приблизительно 25 весовых % или, более точно, от приблизительно 5 весовых % до приблизительно 20 весовых %» является включающим конечные точки и все промежуточные значения диапазонов «от приблизительно 5 весовых % до приблизительно 25 весовых %» и т.д.). «Объединение» является включающим смеси, композиции, сплавы, продукты реакции и тому подобное. Более того, термины «первый», «второй» и тому подобные в материалах настоящей заявки не обозначают какой-либо порядок, количество или важность, а скорее используются для проведения отличия одного элемента от другого, а термины в единственном числе, приведенные в материалах настоящей заявки, не обозначают ограничение по количеству, а скорее обозначают наличие, по меньшей мере, одного из указываемых ссылкой предмета. Модификатор «приблизительно», используемый в связи с количеством, является включающим в себя значение переменной состояния и имеет значение, продиктованное контекстом (например, включает в себя уровень погрешности, ассоциативно связанной с измерением конкретного количества). Окончания, обозначающие множественное число, в качестве используемых в материалах настоящей заявки, предназначены для включения в состав как единственного, так и множественного числа термина, который они модифицируют, тем самым учитывая один или большее количество такого термина (например, пигмент(ы) включает в себя один или более пигментов). Ссылка по всему описанию изобретения на «один из вариантов осуществления», «другой вариант осуществления», «вариант осуществления» и так далее означает, что конкретный элемент (например, признак, конструкция и/или характеристика), описанный в связи с вариантом осуществления, включен в, по меньшей мере, один вариант осуществления, описанный в материалах настоящей заявки, и может быть или может не быть представлен в других вариантах осуществления. В дополнение, должно быть понятно, что описанные элементы могут комбинироваться любым подходящим образом в различных вариантах осуществления.

Все указанные ссылкой патенты, заявки на патент и другие ссылочные материалы включены в материалы настоящей заявки посредством ссылки во всей своей полноте. Однако, если термин в настоящей заявке опровергает или вступает в противоречие с термином во включенной в состав ссылке, термин из настоящей заявки имеет преимущественное значение над вступающим в противоречие термином из включенной в состав ссылки.

Несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на преимущественный вариант осуществления, специалистами в данной области техники будет пониматься, что могут производиться различные изменения, а эквиваленты могут заменяться на его элементы, не выходя из объема изобретения. В дополнение, могут быть произведены многочисленные модификации, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал к доктринам изобретения, не выходя за пределы изобретения. Поэтому подразумевается, что изобретение не будет ограничиваться конкретным вариантом осуществления, раскрытым в качестве наилучшего варианта, предполагаемого для осуществления этого изобретения, но что изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения.

Способ для снижения выбросов в потоке сжигания, при котором вырабатывают энергию в узле газотурбинного двигателя. Поток выхлопных газов выходит из узла газотурбинного двигателя. Сжимают поток выхлопных газов, выходящий из узла газотурбинного двигателя, в первом компрессоре блока отделения СО₂. Отделяют СО₂ от потока выхлопных газов посредством пропускания потока выхлопных газов через мембрану для получения потока продукта СО₂ и обедненного СО₂ потока выхлопных газов. Расширяют обедненный СО₂ поток выхлопных газов в расширителе блока отделения СО₂ для получения охлажденного обедненного СО₂ потока выхлопных газов. Охлаждают воздух, который входит во второй компрессор узла газотурбинного двигателя, за счет пропускания охлажденного обедненного СО₂ потока выхлопных газов через теплообменник с указанным воздухом, входящим во второй компрессор. Достигается упрощение реализации способа при его высокой эффективности. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ для снижения выбросов в потоке сжигания, при котором:
вырабатывают энергию в узле газотурбинного двигателя, причем поток выхлопных газов выходит из узла газотурбинного двигателя;
сжимают поток выхлопных газов, выходящий из узла газотурбинного двигателя, в первом компрессоре блока отделения СО₂;
отделяют СО₂ от потока выхлопных газов посредством пропускания потока выхлопных газов через мембрану для получения потока продукта СО₂ и обедненного СО₂ потока выхлопных газов;
расширяют обедненный СО₂ поток выхлопных газов в расширителе блока отделения СО₂ для получения охлажденного обедненного СО₂ потока выхлопных газов; и
охлаждают воздух, который входит во второй компрессор узла газотурбинного двигателя, за счет пропускания охлажденного обедненного СО₂ потока выхлопных газов через теплообменник с указанным воздухом, входящим во второй компрессор.

2. Способ по п.1, при котором рабочее давление потока выхлопных газов регулируется до давления, меньшего чем или равного приблизительно 0,5 МПа, перед введением в реактор отделения СО₂ блока отделения СО₂.

3. Способ по п.1, дополнительно при котором осуществляют рециркуляцию части потока выхлопных газов в узел газотурбинного двигателя перед тем, как вводят оставшуюся часть потока выхлопных газов в реактор отделения СО₂ блока отделения СО₂.

4. Способ по п.1, дополнительно при котором перед тем, как сжимают поток выхлопных газов, рекуперируют тепло из потока выхлопных газов в парогенераторе рекуперации тепла, чтобы снизить рабочую температуру потока выхлопных газов.

5. Способ по п.4, дополнительно при котором перед тем как вводят поток выхлопных газов в реактор отделения СО₂ блока отделения СО₂ и после того, как сжимают поток выхлопных газов, понижают рабочую температуру потока выхлопных газов в промежуточном охладителе.

6. Способ по п.5, дополнительно при котором регулируют температуру обедненного СО₂ потока выхлопных газов в промежуточном охладителе.

7. Способ по п.1, дополнительно при котором удаляют влагу из потока приточного воздуха в узел газотурбинного двигателя.

8. Способ по п.1, дополнительно при котором снижают влагосодержание в обедненном СО₂ потоке выхлопных газов.

9. Способ по п.1, дополнительно при котором отделяют обедненный CO₂ поток выхлопных газов в первую часть и вторую часть, и объединяют первую часть обедненного СО₂ потока выхлопных газов с воздухом, входящим в узел газотурбинного двигателя.

10. Способ по п.9, дополнительно при котором охлаждают поток выхлопных газов второй частью перед тем как вводят поток выхлопных газов в реактор отделения СО₂.