СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ СО В ПОТОКЕ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА Российский патент 2015 года по МПК B01D53/62 F23J15/00 F02C6/02 

Данная заявка относится к снижению выбросов СО₂ в потоках газообразных продуктов сгорания.

Заботы о предотвращении загрязнения воздуха во всем мире привели к более жестким нормам выбросов. Эти нормы регламентируют выбросы оксидов азота (NOx), несгоревших углеводородов (НС), моноксида углерода (СО) и диоксида углерода (СО₂), вырабатываемых энергетической промышленностью. В частности установлено, что диоксид углерода представляет собой парниковый газ, в результате чего разрабатывают различные технологии для снижения количества диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу.

В настоящее время существует три общепризнанных способа, используемых для снижения выбросов СО₂ от электростанций. Первый способ включает улавливание СО₂ после сжигания с воздухом из газообразных продуктов сгорания, где СО₂, образовавшийся при сжигании, удаляют из газообразных продуктов сгорания посредством процесса абсорбции, процесса адсорбции, мембран, диафрагм, криогенных процессов или их сочетания. Такой способ, называемый улавливанием из продуктов сгорания, обычно нацелен на снижение содержания СО₂ в выпускаемых в атмосферу газообразных продуктах сгорания электростанций. Второй способ включает снижение содержания углерода в топливе. В этом способе топливо перед сжиганием сначала преобразуют в Н₂ и СО₂. Таким образом, становится возможным улавливать углерод, содержащийся в топливе, перед его поступлением в газовую турбину и, следовательно, избегать образования СО₂. Третий способ включает процесс сжигания топлива в кислороде. В этом способе используют чистый кислород в качестве окислителя, в отличие от воздуха, что приводит к образованию дымового газа, состоящего из диоксида углерода и воды.

Основной недостаток способов улавливания СО₂ из продуктов сгорания состоит в том, что парциальное давление СО₂ в дымовом газе очень низкое (обычно 3-4 об.% для электроустановок со сжиганием природного газа). Хотя концентрацию СО₂ в выводной трубе и, следовательно, парциальное давление можно увеличивать путем частичной подачи рециклом дымового газа к компрессору газовой турбины (в этом отношении см., например, US 5832712 и WO 2009/098128), она все же остается достаточно низкой (приблизительно 6-10 об.%). И вследствие несколько пониженной изоэнтропической экспоненты (также известной как показатель адиабаты) дымового газа по сравнению с чистым воздухом, при рециркуляции газа ожидается ухудшение мощности и эффективности электроустановок со сжиганием природного газа. По этой же причине, сжатие смеси дымового газа и воздуха в компрессоре газовой турбине не является оптимальным. Эти факторы значительно увеличивают стоимость выработки электроэнергии. Фактически, стоимость улавливания СО₂ приблизительно составляет три четверти от общей стоимости улавливания, хранения, транспортировки и изоляции диоксида углерода.

Таким образом, существует настоятельная потребность в обеспечении экономически эффективных способов удаления СО₂.

В одном воплощении обеспечивают способ снижения выбросов СО₂ в газообразных продуктах сгорания. Способ включает выработку потока газообразных продуктов сгорания и сжатие потока. Первую часть сжатого потока газообразных продуктов сгорания подают рециклом обратно на стадию выработки. Вторую часть сжатого потока подают в сепаратор, в котором затем отделяют СО₂ от сжатого потока газообразных продуктов сгорания с получением потока газообразных продуктов сгорания, по существу не содержащего СО₂, и потока жидкого СО₂.

Также обеспечивают промышленную установку. Установка содержит производственный блок для получения продукта и выработки потока газообразных продуктов сгорания, включающего СО₂, а также содержит компрессор, линию рециркуляции и систему отделения диоксида углерода. Компрессор принимает поток газообразных продуктов сгорания, включающий СО₂, и обеспечивает сжатый поток газообразных продуктов сгорания. Компрессор включает первый трубопровод, сконструированный для рециркуляции первой части сжатого потока газообразных продуктов сгорания выше по технологической цепочке в производственный блок. Компрессор дополнительно включает второй трубопровод, сконструированный для подачи второй части сжатого потока газообразных продуктов сгорания в систему отделения СО₂. Система отделения СО₂ выполнена с возможностью приема сжатого потока газообразных продуктов сгорания и получения потока газообразных продуктов сгорания, по существу не содержащего СO₂, и потока жидкого СО₂.

Также обеспечивают промышленную установку комбинированного цикла со сжиганием природного газа. Установка включает полуоткрытый цикл сжигания и замкнутый паровой цикл, и при эксплуатации она вырабатывает поток газообразных продуктов сгорания, включающих СО₂. Установка дополнительно включает по меньшей мере один компрессор ниже по технологической цепочке относительно цикла сжигания и парового цикла, а также сепаратор СО₂. Компрессор соединен с линией рециркуляции, которая соединяет по текучей среде компрессор с открытым циклом сжигания. Компрессор также соединен по текучей среде с сепаратором СО₂.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятны после прочтения нижеследующего, подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых подобные символы обозначают подобные элементы на всех чертежах, где:

на Фиг.1 схематически представлена энергетическая установка комбинированного цикла со сжиганием природного газа, в соответствии с одним воплощением;

на Фиг.2 схематически представлена энергетическая установка комбинированного цикла со сжиганием природного газа, в соответствии с другим воплощением;

на Фиг.3 схематически представлена энергетическая установка комбинированного цикла со сжиганием природного газа, в соответствии с еще одним воплощением;

на Фиг.4 схематически представлена энергетическая установка комбинированного цикла со сжиганием природного газа в соответствии с еще одним воплощением и

На Фиг.5 схематически представлена энергетическая установка комбинированного цикла со сжиганием природного газа в соответствии с еще одним воплощением.

Любые указанные здесь интервалы компонентного состава являются включающими и могут быть использованы в сочетании (например, интервалы «до приблизительно 25 масс.%» или, более конкретно, «от приблизительно 5 масс.% до приблизительно 20 масс.%» включают предельные значения и все промежуточные значения этих интервалов). Массовое содержание указано исходя из массы всей композиции, если не указано иное, и отношения также приведены на основе массовых количеств. Кроме того, термин «сочетание» охватывает композиции, смеси, продукты реакции и т.п. Кроме того, здесь термины «первый», «второй» и т.п. не обозначают какой-либо порядок, количество или значимость, а используются, чтобы отличать один элемент от другого.

Термины в единственном числе здесь не обозначают ограничение количества, а подразумевают наличие по меньшей мере одного из упоминаемых элементов. Наречие «приблизительно», используемое в связи с количественным признаком, включает указанную величину, и имеет значение, следующее из контекста (например, включает долю погрешности при измерении конкретного количественного признака). Окончание множественного числа, как используют здесь, подразумевает включение употребляемого с этим окончанием элемента как в единственном, так и во множественном числе, таким образом включая один или более таких элементов (например, «поток(и)» может включать один или более потоков).

Ссылки по всему описанию на «одно воплощение», «другое воплощение», «воплощение» и т.д. означают, что определенный элемент (например, признак, конструкция и/или характеристика), описанный в связи с таким воплощением, включен по меньшей мере в одно описанное здесь воплощение и может присутствовать или не присутствовать в других воплощениях. Кроме того, следует понимать, что описанные существенные признаки изобретения могут быть объединены любым подходящим образом в различных воплощениях.

В настоящем изобретении обеспечивают способ и системы снижения содержания СО₂ в отходящих потоках, например, промышленных установок. В способе по изобретению используют не только подачу рециклом газообразных продуктов сгорания, но и сжатие газообразных продуктов сгорания. Важно отметить, что сжатие газообразных продуктов сгорания осуществляют перед введением его в компрессор газовой турбины и/или в его смесь с чистым воздухом. И таким образом, ухудшение мощности и эффективности энергетических установок со сжиганием природного газа, которое иначе могло бы происходить при рециркуляции газообразных продуктов сгорания, из-за более низкого показателя адиабаты газообразных продуктов сгорания по сравнению с чистым воздухом, может быть сведено к минимуму или даже устранено.

Сжатие газообразных продуктов сгорания также служит для увеличения давления и, таким образом, уменьшения объема газообразных продуктов сгорания. Рециркуляция сжатого потока газообразных продуктов сгорания повышает концентрацию СО₂ в газообразных продуктах сгорания. Таким образом, в результате упрощают удаление СО₂ из газообразных продуктов сгорания и снижают капитальные и энергетические затраты, требующиеся для осуществления этого, по сравнению с затратами при удалении СО₂ из несжатого потока газообразных продуктов сгорания, поскольку меньше энергии требуется для вымораживания СО₂ из сжатого потока газообразных продуктов сгорания по сравнению с несжатым потоком газообразных продуктов сгорания. В конечном счете, СО₂ отделяют с использованием криогенной техники при давлении, большем или равном давлению окружающей среды, но меньшем, чем давление в тройной точке СO₂. И следовательно, извлеченный СO₂ может быть накачен до своего конечного давления, а не сжат.

В результате, в способе и установках по изобретению может быть использовано по меньшей мере на 10% меньше энергии, или по меньшей мере на 20% меньше, или даже по меньшей мере на 30% меньше, чем в традиционных способах и установках для удаления СО₂ из потока газообразных продуктов сгорания. Эту экономию энергии можно дополнительно увеличить в тех воплощениях способов и/или установок, где из горячих газообразных продуктов сгорания извлекают тепло.

Способ по настоящему изобретению включает выработку потока газообразных продуктов сгорания, включающего СО₂. Поток газообразных продуктов сгорания сжимают и подают рециклом для увеличения в нем концентрации СO₂. В общем, можно использовать любую степень сжатия, которая обеспечит даже минимальное повышение давления потока газообразных продуктов сгорания, и конкретная степень сжатия может определяться исходной концентрацией СО₂, других компонентов потока газообразных продуктов сгорания, предпочтительно используемым механизмом отделения СО₂ и т.п. С другой стороны, в тех воплощениях, в которых механизм отделения СО₂ предпочтительно включает криогенный сепаратор, газообразные продукты сгорания предпочтительно не следует сжимать до более высокого давления, чем давление, соответствующее тройной точке СO₂, т.е. приблизительно 0,5 МПа (5 атм.).

Первую часть сжатого потока газообразных продуктов сгорания подают рециклом обратно на стадию выработки. Конкретное количество сжатого потока газообразных продуктов сгорания, подаваемого рециклом в качестве первой части, можно выбирать, исходя из требуемого увеличения концентрации СO₂ в газообразных продуктах сгорания. В общем, увеличения концентрации СО₂ в потоке газообразных продуктов сгорания можно ожидать, когда по меньшей мере приблизительно 10%, или приблизительно 20%, или приблизительно 30%, или приблизительно 40% или даже до приблизительно 50% сжатого потока газообразных продуктов сгорания подают рециклом на стадию выработки.

Вторую часть сжатого потока газообразных продуктов сгорания подают в сепаратор, в котором затем СO₂ отделяют от сжатого потока газообразных продуктов сгорания с получением потока газообразных продуктов сгорания, по существу не содержащего СО₂, и жидкого СО₂. Сепаратор предпочтительно включает криогенный сепаратор, также обычно называемый «устройством для вымораживания СО₂», используемый отдельно или в сочетании с другими способами отделения СO₂, такими как способы с применением селективной относительно СО₂ мембраны, процессы сорбции (адсорбции и/или абсорбции), диафрагмы и т.п. Такие способы, так же как и параметры их эксплуатации, хорошо известны специалистам в данной области техники. Примеры подходящих мембранных технологий и подробное описание их применения раскрыты в US №2008/0104958 и US 2008/0127632, Finkenrath, включенных в данную заявку посредством ссылки, в той их части, которая не находится в противоречии с указаниями данной заявки.

В некоторых воплощениях используют один или более криогенных сепараторов для удаления СО₂ из потока газообразных продуктов сгорания. Криогенные сепараторы для удаления СО₂ известны в технике, многие из них имеются в продаже, и любой из них можно использовать в способе по изобретению. Как известно специалистам в данной области техники, принцип работы криогенных сепараторов основан на «вымораживании» СО₂ в виде твердой фазы из сжатого потока газообразных продуктов сгорания. Затем «снег» из СO₂ собирают, сжимают и расплавляют. Затем расплавленный СО₂ сжимают до его конечного давления для хранения или применения.

Благодаря экономии затрат и энергии, способ по настоящему изобретению с преимуществом внедряют в промышленные процессы и установки, которые вырабатывают потоки газообразных продуктов сгорания, включающие СO₂. Более того, способ легко можно реализовать на всех существующих и возможных будущих энергетических установках, поскольку не требуется объединение с главной системой электропитания. В некоторых воплощениях такие промышленные установки могут включать теплообменник, который может быть объединен с главной системой электропитания, если требуется. Такое объединение может привести к снижению потребляемой мощности, необходимой для питания других блоков промышленной установки, или даже способствовать обеспечению энергетической автономности блоков отделения СO₂.

Примеры промышленных установок, на которых можно реализовать преимущества изобретения, включают установки, в которых используют процессы сжигания, например, энергетические установки, работающие на угле, котлы, работающие на жидком топливе, цементные или сталелитейные производства и т.д. В общем, такие производства включают производственный блок для получения продукта и выработки потока газообразных продуктов сгорания, включающего СO₂. Такие установки также включают компрессор, линию рециркуляции и систему отделения диоксида углерода. В компрессор поступает поток газообразных продуктов сгорания, включающий СO₂, и в нем получают сжатый поток газообразных продуктов сгорания. Компрессор включает первый трубопровод, сконструированный для подачи рециклом первой части сжатого потока газообразных продуктов сгорания выше по технологической цепочке в производственный блок. Компрессор также включает второй трубопровод, сконструированный для подачи второй части сжатого потока газообразных продуктов сгорания в систему отделения СО₂. Система отделения СO₂ выполнена с возможностью приема сжатого потока газообразных продуктов сгорания и получения потока газообразных продуктов сгорания, по существу не содержащего СO₂, и потока жидкого СО₂.

Один конкретный тип промышленных установок, на которых можно реализовать преимущества изобретения, включает энергетические установки, работающие на природном газе, например, энергетические установки комбинированного цикла со сжиганием природного газа. На Фиг.1 схематически представлено одно воплощение энергетической установки комбинированного цикла со сжиганием природного газа.

Установка 100 включает полуоткрытый цикл 101 сжигания, включающий первый второй компрессор 102, вход 134 для природного газа, камеру сгорания 104 и расширитель 106, и замкнутый паровой цикл 103, включающий паровую турбину 108 и генератор 110. Полуоткрытый цикл 101 сжигания и замкнутый паровой цикл установлены на одном валу и, таким образом, как показано на Фиг.1, механически соединены, но не соединены по текучей среде.

Установка 100 дополнительно включает теплообменник 116. Теплообменник 116 сообщается по потоку с расширителем 106 и паровой турбиной 108. При эксплуатации, относительно горячий поток газообразных продуктов сгорания, выходящий из расширителя 106, направляют через теплообменник 116. Теплота горячего потока газообразных продуктов сгорания передается рабочей текучей среде, проходящей через теплообменник 116, например, в некоторых воплощениях, парогенератор-рекуператор или ПГРК, для выработки пара, который используют для производства дополнительной мощности в паровой турбине 108. В некоторых воплощениях теплообменник 116 представляет собой бесконтактный теплообменник, т.е., в таком теплообменнике воду или пар из замкнутого парового цикла 103 подают через трубопровод 120 и пропускают через трубы (не показаны) теплообменника 116, а газообразные продукты сгорания из полуоткрытого цикла 101 сжигания подают через трубопровод 118 и пропускают между трубами (не показаны) теплообменника 116.

Конденсатор 112 может быть расположен ниже по технологической цепочке от паровой турбины 108 для преобразования потока, выходящего из паровой турбины 108, в воду путем снижения температуры. Насос 114 также может быть размещен ниже по технологической цепочке от конденсатора 112 для увеличения давления воды перед поступлением в теплообменник 116.

Охлажденный поток газообразных продуктов сгорания выпускают из теплообменника 116 и подают в первый компрессор 118. В воплощении, показанном на Фиг.1, ниже по технологической цепочке от первого компрессора 118, первую часть сжатого потока газообразных продуктов сгорания подают рециклом через трубопровод 120 обратно и в полуоткрытый цикл 101 сжигания, и более конкретно, во второй компрессор 102. В некоторых воплощениях, приблизительно до 20 об.%, или приблизительно 30 об.%, или приблизительно 40 об.% или даже приблизительно до 50 об.% сжатого потока газообразных продуктов сгорания, можно подавать на вход в открытый цикл 101 сжигания с помощью воздуха во втором компрессоре 102. Сжатие потока газообразных продуктов сгорания перед входом в первый компрессор 102 увеличивает концентрацию СО₂ в рабочей текучей среде, тем самым увеличивая движущие силы для отделения СО₂ в блоке 122 отделения СО₂.

Вторую часть сжатого потока газообразных продуктов сгорания подают в блок 122 отделения СO₂ из первого компрессора 118 через трубопровод 124. В некоторых воплощениях блок 122 отделения СО₂ включает криогенный сепаратор СО₂, используемый отдельно или в сочетании с другими способами отделения СО₂, такими как способ с применением селективных относительно СО₂ мембран, процессы сорбции (адсорбции и/или абсорбции), диафрагмы и т.п. Способы, основанные на селективных относительно СО₂ мембранах, описаны, например, в US 2008/0134660, включенном во всей свой полноте в данную заявку посредством ссылки.

В блоке 122 отделения СО₂ получают поток газообразных продуктов сгорания, по существу не содержащий СО₂, который выпускают через трубопровод 126, и отделенный вымораживанием СO₂, который собирают, сжимают, расплавляют и подают в насос 128, в котором его накачивают до сверхкритического давления для транспортировки через трубопровод 130.

Установку 100 комбинированного цикла со сжиганием природного газа эксплуатируют известным в технике способом, и сама по себе она вырабатывает поток газообразных продуктов сгорания, имеющих температуру от приблизительно 316°С (600°F) до приблизительно 704°С (1300°F). Поток газообразных продуктов сгорания, выходящий из полуоткрытого цикла 101 сжигания, направляют через теплообменник 116, в котором значительную часть теплоты потока газообразных продуктов сгорания передают в замкнутый паровой цикл 103, с помощью рабочей текучей среды, направляемой через него, для выработки пара, который можно использовать для запуска паровой турбины 108 и генератора 110. В других воплощениях поток газообразных продуктов сгорания можно просто охлаждать, без рекуперации тепла для практического применения и/или его можно подавать в другой процесс для поставки тепла в форме пара или горячей воды.

Теплообменник 116 способствует снижению рабочей температуры потока газообразных продуктов сгорания до температуры, которая составляет от приблизительно 24°С (75°F) до приблизительно 120°С (248°F). В некоторых воплощениях теплообменник 116 способствует снижению рабочей температуры потока газообразных продуктов сгорания до температуры, которая составляет приблизительно 38°С (100°F).

Относительно холодный сухой поток газообразных продуктов сгорания затем сжимают в первом компрессоре 118. Если требуется, перед подачей потока газообразных продуктов сгорания в первый компрессор 118, его температуру можно дополнительно снижать путем пропускания потока газообразных продуктов сгорания через теплообменник, скруббер с водяным орошением или т.п. (не показано). В некоторых воплощениях такой теплообменник/скруббер с водяным орошением (не показан) можно использовать для конденсации воды, присутствующей в газообразных продуктах сгорания, а также для снижения температуры потока газообразных продуктов сгорания, например, до приблизительно 40°С, чтобы понизить требующуюся мощность сжатия.

Первый компрессор 118 при необходимости можно использовать для увеличения рабочего давления направляемого в него потока газообразных продуктов сгорания, до давления, приблизительно в четыре или пять раз большего, чем рабочее давление потока газообразных продуктов сгорания, выпускаемого из теплообменника 116. Более того, направление потока газообразных продуктов сгорания через первый компрессор 118 приводит к увеличению температуры потока. И поэтому, в некоторых воплощениях, после выпуска из первого компрессора 118, поток газообразных продуктов сгорания можно пропускать через теплообменник или скруббер с водяным орошением, чтобы снизить его температуру.

Такой теплообменник может быть функционально связан с трубопроводом 124 или трубопроводом 120, при необходимости. Функционально связанный с трубопроводом 124, такой теплообменник или скруббер с водяным орошением может способствовать снижению рабочей температуры потока газообразных продуктов сгорания, что в свою очередь, может давать преимущество при эксплуатации блока 122 отделения СО₂.

Обогащенный СO₂ поток газообразных продуктов сгорания, выпускаемый из первого компрессора 118, поступает в блок 122 отделения СO₂ через трубопровод 124. Как описано выше, блок 122 отделения СO₂ включает блок вымораживания СO₂, используемый отдельно или в сочетании с другими процессами отделения СO₂, такими как способы с применением селективных относительно СO₂ мембран, процессы сорбции (адсорбции и/или абсорбции), диафрагмы и тому подобное.

Блок вымораживания СO₂ обеспечивает выполнение процесса глубокой заморозки, предпочтительно смешанного холодильного цикла, который позволяет снизить температуру потока газообразных продуктов сгорания до - 150°С и замораживать СO₂ при давлении, большем или равном атмосферному, но более низком, чем давление в тройной точке СO₂. По мере замерзания СO₂, его отделяют от потока газообразных продуктов сгорания, по существу не содержащего СO₂. Затем твердый СO₂ собирают и расплавляют, используя например низкотемпературное тепло от потока газообразных продуктов сгорания. После того, как СO₂ переходит в жидкое состояние, его накачивают до сверхкритического давления, которое требуется для его транспортировки, изоляции и повторной закачки.

На Фиг.2 представлена схема установки 200 комбинированного цикла со сжиганием природного газа, в соответствии с другим воплощением. Кроме элементов, описанных выше в связи с Фиг.1, установка 200 включает дополнительный, третий компрессор 230 для дополнительного сжатия газообразных продуктов сгорания в линии 220 рециркуляции. А сжатый, рециркулируемый поток газообразных продуктов сгорания объединяют со сжатым воздухом на входе в расширитель 206.

Введение сжатого воздуха на вход расширителя 206 может служить для охлаждения лопастей расширителя, снижая или устраняя необходимость отведение воздуха из компрессора. То есть, поскольку давление потока газообразных продуктов сгорания, выходящего из первого компрессора 218 ограничено давлением, допустимым в блоке 222 отделения СО₂, до давления в тройной точке С0₂, или приблизительно 5 атмосфер, то давление потока газообразных продуктов сгорания, рециркулируемого и добавляемого в полуоткрытый цикл 201 сжигания после камеры сгорания 204 и перед расширителем 206, должно быть увеличено до давления, по существу эквивалентного давлению в расширителе 206, например, до приблизительно от 20 до 40 атмосфер, иначе поток в трубопроводе 220 меняет направление на обратное. Сжатый поток газообразных продуктов сгорания также может охлаждать лопасти расширителя 206 и снижать или устранять необходимость отведения воздуха из компрессора 202 для этих целей. В результате, в данном воплощении обеспечивают дополнительное снижение недостатков полуоткрытого цикла 201 сжигания.

На Фиг.3 схематически представлен пример установки 300 комбинированного цикла со сжиганием природного газа, в соответствии с еще одним воплощением. Кроме элементов, описанных выше в связи с Фиг.1, установка 300 включает дополнительный компрессор 332 для сжатия воздуха на входе до давления, по существу эквивалентного давлению сжатого, рециркулируемого потока газообразных продуктов сгорания. Сжатый воздух и сжатый рециркулируемый поток газообразных продуктов сгорания объединяют в клапане 336, перед введением в полуоткрытый цикл 301 сжигания в компрессоре 302.

На Фиг.4 схематически представлен пример промышленной установки в соответствии с еще одним воплощением. Кроме элементов, описанных выше в связи с Фиг.3, установка 400 включает промежуточный охладитель 438. При работе, сжатый воздух и сжатый рециркулируемый поток газообразных продуктов сгорания объединяют в клапане 436, перед введением в промежуточный охладитель 438. Промежуточный охладитель 438 предназначен для снижения температуры сжатой газовой смеси низкого давления перед дальнейшим сжатием во втором компрессоре 402. При снижении температуры газовой смеси, также уменьшается работа сжатия второго компрессора 402. Таким образом, газотурбинный цикл с промежуточным охлаждением может иметь более высокую эффективность, чем газотурбинный цикл без промежуточного охлаждения при той же степени сжатия. В представленном в качестве примера воплощении установка 400 может включать LMS 100, изготавливаемый General Electric Aircraft Engines, Цинциннати, Огайо.

На Фиг.5 схематически показано другое воплощения. Более конкретно, на Фиг.5 представлена каскадная установка 500, в которой последовательно расположены две газотурбинные энергетические установки, установка 540, расположенная выше по технологической цепочке, и установка 542, расположенная ниже по технологической цепочке. В воплощении показано, что установка 542, расположенная ниже по технологической цепочке, снабжена первым компрессором 518, трубопроводом 520 и блоком 522 отделения СО₂. Преимущество данной конфигурации состоит в том, что концентрация СО₂ и парциальное давление в потоке газообразных продуктов сгорания установки 542, расположенной ниже по технологической цепочке, возрастают относительно этих величин для единственной установки комбинированного цикла со сжиганием природного газа, что облегчает процесс отделения СO₂.

Установку 540, расположенную выше по технологической цепочке, эксплуатируют известным в технике образом, и сама по себе она вырабатывает поток газообразных продуктов сгорания с температурой от приблизительно 316°С (600°F) до приблизительно 704°С (1300°F). Поток газообразных продуктов сгорания, выходящий из полуоткрытого цикла 501 сжигания, направляют через теплообменник 516, в котором значительная часть теплоты потока газообразных продуктов сгорания передается в замкнутый паровой цикл 503. Более конкретно, теплообменник 516 способствует снижению рабочей температуры потока газообразных продуктов сгорания до температуры, которая составляет от приблизительно 24°С (75°F) до приблизительно 120°С (248°F), или до температуры приблизительно 38°С (100°F). Поток газообразных продуктов сгорания из установки 540, расположенной выше по технологической цепочке, и более конкретно, из теплообменника 516 подают в установку 542, расположенную ниже по технологической цепочке, и эту установку затем эксплуатируют по существу так же, как описано выше в связи с Фиг.1.

Хотя изобретение описано со ссылками на предпочтительные воплощения, специалистам в данной области техники понятно, что могут быть выполнены различные изменения и могут быть сделаны равноценные замены элементов без выхода за пределы области защиты изобретения. Кроме того, могут быть выполнены различные изменения для адаптации конкретных ситуаций или материалов к идеям изобретения, без выходе за пределы его основной области защиты. Таким образом, изобретение не ограничено конкретными воплощениями, описанными в качестве предпочтительных вариантов реализации данного изобретения, а включает все воплощения, попадающие в область защиты, определенную в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к снижению выбросов СО₂ в потоках газообразных продуктов сгорания и промышленным установкам для осуществления этого способа. Способ включает выработку потока газообразных продуктов сгорания, охлаждение потока газообразных продуктов сгорания с использованием теплообменника, сжатие потока газообразных продуктов сгорания, подачу рециклом первой части сжатого потока газообразных продуктов сгорания на стадию выработки и отделение СО₂ от второй части сжатого потока газообразных продуктов сгорания с получением потока жидкого СO₂ и потока газообразных продуктов сгорания, по существу не содержащего СO₂. Промышленная установка содержит производственный блок для получения продукта и выработки потока газообразных продуктов сгорания, включающего СO₂, компрессор, линию рециркуляции, соединенную с компрессором и производственным блоком, и сепаратор СO₂. Изобретение обеспечивает экономически эффективный способ удаления СO₂. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ снижения выбросов СО₂ в потоке газообразных продуктов сгорания, включающий:
выработку потока газообразных продуктов сгорания;
охлаждение потока газообразных продуктов сгорания с использованием теплообменника;
сжатие потока газообразных продуктов сгорания;
подачу рециклом первой части сжатого потока газообразных продуктов сгорания на стадию выработки и
отделение СО₂ от второй части сжатого потока газообразных продуктов сгорания с получением потока жидкого СО₂ и потока газообразных продуктов сгорания, по существу не содержащего CO₂.

2. Способ по п. 1, в котором поток газообразных продуктов сгорания вырабатывают в процессе сжигания.

3. Способ по п. 2, в котором поток газообразных продуктов сгорания вырабатывают на энергетических установках, работающих на угле или природном газе, в котлах, работающих на жидком топливе, или на цементном или сталелитейном производстве.

4. Способ по п. 3, в котором поток газообразных продуктов сгорания вырабатывают на энергетических установках, работающих на природном газе.

5. Способ по п. 1, в котором СО₂ отделяют от второй части сжатого потока газообразных продуктов сгорания с использованием криогенного сепаратора, способа с применением селективных относительно СО₂ мембран, процесса адсорбции, процесса абсорбции, диафрагмы или их сочетания.

6. Способ по п. 1, в котором СО₂ отделяют от второй части сжатого потока газообразных продуктов сгорания с применением криогенного сепаратора.

7. Способ по п. 6, в котором поток газообразных продуктов сгорания сжимают до давления менее приблизительно 0,5 МПа (5 атм.).

8. Способ по п. 7, в котором поток газообразных продуктов сгорания сжимают до давления от приблизительно 0,1 МПа до приблизительно 0,4 МПа (от 1 атм до 4 атм).

9. Способ по п. 1, в котором приблизительно до 50% сжатого потока газообразных продуктов сгорания направляют рециклом в качестве первой части потока.

10. Промышленная установка для получения продукта и выработки потока газообразных продуктов сгорания, включающего СО₂, содержащая
производственный блок для получения продукта и выработки потока газообразных продуктов сгорания, включающего СО₂; компрессор;
теплообменник, функционально соединенный с компрессором, для охлаждения потока газообразных продуктов сгорания;
линию рециркуляции, соединенную с компрессором и производственным блоком, и
сепаратор СО₂.

11. Промышленная установка по п. 10, в которой производственный блок вырабатывает энергию.

12. Промышленная установка по п. 11, в которой производственный блок вырабатывает энергию посредством процесса сжигания.

13. Промышленная установка по п. 12, где в процессе сжигают природный газ.

14. Промышленная установка по п. 10, в которой сепаратор СО₂ включает криогенный сепаратор, устройство с применением селективных относительно СО₂ мембран, процесс адсорбции, процесс абсорбции, диафрагму или их сочетание.

15. Промышленная установка по п. 14, в которой сепаратор CO₂ включает криогенный сепаратор.

16. Энергетическая установка комбинированного цикла со сжиганием природного газа, в которой вырабатывают поток газообразных продуктов сгорания, включающих СО₂, содержащая:
полуоткрытый цикл сжигания;
замкнутый паровой цикл;
сепаратор СО₂ и
по меньшей мере один компрессор, функционально размещенный ниже по технологической цепочке относительно открытого цикла сжигания и замкнутого парового цикла и соединенный (i) с линией рециркуляции, которая обеспечивает соединение по текучей среде компрессора с полуоткрытым циклом сжигания, (ii) с трубопроводом, который обеспечивает соединение по текучей среде компрессора с сепаратором СО₂, и (iii) с теплообменником, функционально соединенным с компрессором, для охлаждения потока газообразных продуктов сгорания.

17. Установка по п. 16, дополнительно включающая по меньшей мере второй компрессор, функционально связанный с линией рециркуляции.

18. Установка по п. 17, в которой полуоткрытый цикл сжигания включает камеру сгорания и расширитель, и в которой линия рециркуляции соединена по текучей среде со входом расширителя.

19. Установка по п. 16, дополнительно включающая входной воздушный компрессор, функционально размещенный выше по технологической цепочке относительно открытого цикла сжигания, и в которой линия рециркуляции соединена по текучей среде с клапаном, функционально размещенным между воздушным компрессором и открытым циклом сжигания.

20. Установка по п. 19, дополнительно включающая промежуточный охладитель, функционально размещенный между клапаном и открытым циклом сжигания.

21. Установка по п. 16, дополнительно включающая по меньшей мере один теплообменник.

22. Установка по п. 21, в которой по меньшей мере один теплообменник функционально связан с линией рециркуляции.

23. Установка по п. 21, в которой по меньшей мере один теплообменник функционально связан с первым компрессором, сепаратором СО₂ или обоими устройствами.

24. Установка по п. 16, функционально связанная по меньшей мере с одной другой энергетической установкой комбинированного цикла со сжиганием природного газа.