СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГАЗА Российский патент 2018 года по МПК B01D53/62 C01B32/50 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Настоящее изобретение относится к способу обработки газа. В частности, настоящее изобретение относится к способу обработки топочного газа, такого как газ от угольных котлов, например, таких, которые используют в установках для выработки электроэнергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] В процессе сгорания ископаемых топлив (которые используют на работающих на угле электростанциях) образуются газообразные отходы, включая диоксид углерода, монооксид углерода и оксиды азота. Указанные отходы являются не только источниками загрязнения воздуха, но также известно, что эти газы способствуют возникновению парникового эффекта, оказывающего влияние на изменения климата.

[003] Для того чтобы уменьшить загрязнение, вызываемое угольными электростанциями, были предприняты некоторые попытки улавливания и/или обработки топочных газов электростанций. Тем не менее, данные способы обычно приводят к соответствующему уменьшению выхода производимой электроэнергии от станции в электросеть.

[004] По этой причине, было бы полезным, если бы существовала возможность обеспечить способ обработки топочных газов (и/или улавливания диоксида углерода), образующихся на угольной электростанции, что уменьшило бы выход загрязняющих газов без сопутствующего уменьшения выхода производимой электроэнергии.

[005] Подразумевается, что при указании в настоящем документе ссылок на уровень техники, такая ссылка не предполагает допущение, что данная публикация образует часть общих знаний в данной области техники Австралии или любой другой страны.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[006] Настоящее изобретение направлено на способ обработки газа, который может по меньшей мере частично преодолеть по меньшей мере один из вышеописанных недостатков или обеспечить потребителя действенным или рентабельным выбором.

[007] С учетом вышеизложенного, данное изобретение в одной форме, в широком смысле, состоит в способе обработки газа, получаемого при сгорании ископаемого топлива в первой камере сгорания, при этом данный способ включает следующие этапы: подача газа во вторую камеру сгорания, сжигание газа во второй камере сгорания в присутствии кислорода и источника топлива с получением отходящего газа, и обеспечение обработки отходящего газа с получением концентрированного потока диоксида углерода.

[008] Газ, подвергнутый способу обработки в рамках настоящего изобретения, может быть получен при сгорании любого подходящего ископаемого топлива, включая природный газ, нефть (и нефтепродукты) и т.д. Тем не менее, в предпочтительном варианте реализации данного изобретения ископаемое топливо включает уголь. Любой подходящий тип угля может быть использован, такой как лигнит (бурый уголь), полубитуминозный уголь, битуминозный уголь, антрацит или их комбинация.

[009] Первая камера сгорания может быть любой подходящей формы. Предполагается, однако, что первая камера сгорания может быть расположена на угольной электростанции. По этой причине, в данном варианте реализации изобретения первая камера сгорания включает печь для сжигания угля. Подразумевается, что размер, конфигурация и условия работы первой камеры сгорания будут зависеть от большого числа факторов, включая тип сжигаемого угля, выход электроэнергии электростанции и т.д. В результате, точные характеристики первой камеры сгорания не являются существенными для настоящего изобретения.

[0010] Ввиду вышесказанного, предполагается, что тепло, производимое при сгорании ископаемого топлива в первой камере сгорания, будет использовано для испарения воды в нагревателе, соединенном с первой камерой сгорания, с получением пара. Указанный пар затем используют для запуска турбин, генерирующих электричество. Специалист данной области поймет указанную конфигурацию, и дальнейшие комментарии не понадобятся.

[0011] Подразумевается, что газ, получаемый при сгорании ископаемого топлива в первой камере сгорания, может содержать разные газообразные компоненты, такие как, но не ограниваясь ими, диоксид углерода, монооксид углерода и оксиды азота. Дополнительно, указанный газ может содержать твердые частицы материалов, таких как оксиды кремния, кальция, железа и алюминия (совместно называемые «зольный унос»). Подразумевается, что по меньшей мере часть газа может содержать углеводородный газ (хотя также предполагается, что часть твердых частиц может содержать несгоревшие углеводороды). Обычно, в зависимости от типа печи и угля, газ может содержать от 3% до 10% об./об. углеводородного газа. На традиционных угольных электростанциях газ, получаемый при сгорании угля, может в конечном итоге быть выпущен в атмосферу в виде топочных газов, что означает, что углеводороды в составе топочного газа также будут потеряны. Это не только вызывает загрязнения, но также приводит к уменьшению эффективности электростанции из-за потерь энергетической ценности углеводородов, выпущенных в атмосферу в составе топочного газа. Не ограничиваясь теорией, согласно оценкам, 10% или более от общего количества энергии, полученной от сгорания ископаемого топлива, может быть потеряно за счет уноса несгоревших углеводородов в виде топочного газа.

[0012] В рамках настоящего изобретения, топочный газ из первой камеры сгорания не выпускают в атмосферу. Вместо этого, указанный газ, полученный при сгорании ископаемого топлива в первой камере сгорания, подают во вторую камеру сгорания для последующего сжигания. Указанный газ может быть подан непосредственно из первой камеры сгорания во вторую камеру сгорания, используя подходящий способ. В предпочтительном варианте реализации данного изобретения, тем не менее, указанный газ может быть подвергнут обработке перед подачей во вторую камеру сгорания.

[0013] В некоторых вариантах реализации данного изобретения, указанный газ, выходящий из первой камеры сгорания, может быть проанализирован для определения состава топочного газа. По этой причине, в данном варианте реализации могут быть обеспечены один или более датчиков для анализа топочного газа, для того чтобы определить одно или более свойств топочного газа, относительные доли каждого газообразного компонента в топочном газе и т.д.

[0014] Предпочтительно, один или более датчиков располагают так, что топочный газ, покидая первую камеру сгорания, направляется через один или более датчиков. Информация, получаемая от одного или более датчиков, может быть проанализирована с использованием подходящего метода и в любое подходящее время. Тем не менее, в предпочтительном варианте реализации данного изобретения, информация, получаемая от одного или более датчиков, поступает в реальном времени в систему сбора данных. Можно использовать любую подходящую систему сбора информации, такую как один или более компьютеров, DCS, Scada, экспертные системы или подобные системы, или любую подходящую их комбинацию.

[0015] В предпочтительном варианте реализации информацию, поступающую через систему сбора информации от одного или более датчиков, можно проанализировать. Например, информацию может проанализировать оператор, представляющий собой человека, или она может быть проанализирована электронно. Предпочтительно, информацию анализируют электронно в реальном времени.

[0016] Предполагается, что информация, получаемая от одного или более датчиков, может быть проанализирована за счет сравнивания информации с существующими данными в системе сбора данных. Существующие данные могут быть данными, собранными ранее от одного или более датчиков, или данными, запрограммированными в систему сбора информации, или могут представлять собой их комбинацию.

[0017] Как только информация, поступившая от одного или более датчиков, проанализирована, могут быть сгенерированы выходные данные. Выходные данные могут быть представлены в любой подходящей форме и могут быть переданы оператору, представляющему собой человека, или переданы электронно на контроллер, связанный со второй камерой сгорания. Предпочтительно, выходные данные передают электронно в реальном времени на контроллер, связанный со второй камерой сгорания. В данном случае, условия сгорания во второй камере сгорания (то есть относительные доли топлива, кислорода и топочного газа, подаваемого во вторую камеру сгорания) могут быть проконтролированы таким образом, чтобы получить требуемые условия сгорания. Например, относительные доли топлива, кислорода и топочного газа можно проконтролировать таким образом, чтобы повысить до максимума тепло, получаемое во второй камере сгорания, минимизировать образование загрязняющих и/или парниковых газов и т.д.

[0018] В предпочтительном варианте реализации данного изобретения, выходные данные можно использовать для регулирования положения одного или более клапанов (например, клапанов между емкостью с кислородом и второй камерой сгорания, или емкостью с углеводородным топливом и второй камерой сгорания), для того чтобы контролировать скорость потока и/или объем углеводородного топлива, поступающего во вторую камеру сгорания. Предполагается, что в свою очередь, это может повлиять на состав отходящего газа, который образуется как продукт второй камеры сгорания.

[0019] За счет регулирования положения одного или более клапанов в ответ на собранную в реальном времени информацию о составе топочного газа можно контролировать и увеличивать до максимума эффективность горения во второй камере сгорания с минимальной задержкой между сбором информации и регулированием подачи материала во вторую камеру сгорания.

[0020] Данный газ может быть подвергнут обработке с использованием любого подходящего метода или комбинации методов. Например, данный газ можно фильтровать для удаления по меньшей мере части твердых частиц. Любой подходящий метод фильтрации может быть использован, включая рукавные фильтры, устройства электроосаждения, мокрые скрубберы, устройства ввода сухих сорбентов, распылительные сушильные абсорберы или любые подходящие их комбинации. Любое подходящее число этапов фильтрации можно использовать для того, чтобы уменьшить количество твердых частиц в топочном газе (в частности, количество зольного уноса в топочном газе) до требуемого уровня. В предпочтительном варианте реализации данного изобретения по меньшей мере примерно 80% твердых частиц, содержащихся в указанном газе, могут быть удалены в процессе фильтрации. Более предпочтительно, по меньшей мере примерно 90% твердых частиц, содержащихся в указанном газе, могут быть удалены в процессе фильтрации. Еще более предпочтительно, по меньшей мере примерно 95% твердых частиц, содержащихся в указанном газе, могут быть удалены в процессе фильтрации. Более предпочтительно, по меньшей мере примерно 99,5% твердых частиц могут быть удалены в процессе фильтрации.

[0021] В некоторых вариантах реализации данного изобретения, перед подачей во вторую камеру сгорания топочный газ можно подвергнуть сжатию. Сжатие топочного газа может быть выполнено после фильтрации газа или может быть выполнено непосредственно при выходе газа из первой камеры сгорания (и процесс фильтрации может быть или не может быть осуществлен после сжатия газа). Сжатие газа можно достигнуть с помощью любого подходящего компрессора, такого как объемный компрессор (такой как ротационный или поршневой компрессоры), динамические компрессоры (такие как центробежные или аксиальные компрессоры) или их комбинации. Предпочтительно, топочный газ сжимают до подачи во вторую камеру сгорания для уменьшения его объема: уменьшение объема топочного газа означает, что размер второй камеры сгорания может быть уменьшен по сравнению со случаем, когда топочный газ не подвергают сжатию.

[0022] Предпочтительно, между первой камерой сгорания и второй камерой сгорания могут быть обеспечены одна или более емкостей для хранения топочного газа. В данном случае, можно хранить некоторое количество топочного газа. Хранение количества топочного газа помогает в достижении равномерного функционирования второй камеры сгорания за счет того, что можно обеспечить постоянный поток топочного газа во вторую камеру сгорания.

[0023] Одна или более емкостей для хранения могут быть любой подходящей формы. Предпочтительно, тем не менее, одна или более емкостей для хранения включают сосуды для хранения, и в наиболее предпочтительном варианте реализации данного изобретения, емкости для хранения включают сосуды для хранения, способные обеспечить хранение сжатого газа.

[0024] Подразумевается, что число и объем требуемых емкостей для хранения будет существенно зависеть от количества производимого первой камерой сгорания топочного газа, степени сжатия указанного газа, размера второй камеры сгорания и т.д. Тем не менее, предполагается, что накопительная способность одной или более емкостей для хранения будет достаточной для обеспечения достижения непрерывного потока газа ко второй камере сгорания, несмотря на изменения в процессе получения топочного газа в первой камере сгорания. В данном случае вторая камера сгорания может работать непрерывно, независимо от режима первой камеры сгорания.

[0025] Передачу топочного газа между первой и второй камерами сгорания можно достигнуть, используя любой подходящий метод. Например, топочный газ, можно подавать, используя один или более насосов, нагнетателей или подобных устройств, или любую подходящую их комбинацию. Альтернативно, топочный газ (который легче воздуха) может просто подниматься вдоль по меньшей мере части дистанции между первой камерой сгорания и второй камерой сгорания.

[0026] Вторая камера сгорания может быть любой подходящей формы. В предпочтительном варианте реализации, тем не менее, вторая камера сгорания включает печь. Размер и конфигурация второй камеры сгорания будут завесить от множества факторов, включая количество подвергаемого обработке топочного газа, содержания углеводородов в топочном газе и т.д., и подразумевается, что точный размер и конфигурация второй камеры сгорания не являются существенными для настоящего изобретения.

[0027] Как было указано выше, топочный газ сжигают во второй камере сгорания в присутствии кислорода и источника топлива. Может быть использован любой подходящий источник топлива; тем не менее, в предпочтительном варианте реализации данного изобретения, источник топлива включает источник углеводородов. В некоторых вариантах реализации данного изобретения источник топлива может содержать газ угольных пластов, природный газ (включая сжиженный природный газ или сжатый природный газ), газ, образующийся при пиролизе сланцевого масла, или метан, или любую подходящую их комбинацию.

[0028] Предпочтительно, если источник топлива является легкодоступным, газ угольных пластов используют в качестве источника топлива. Причина состоит в том, что доля тепла, получаемого при сгорании газа угольных пластов, образуется вследствие окисления водорода с образованием воды. По этой причине, использование газа угольных пластов приводит к образованию меньшего количества диоксида углерода, чем при использовании других видов топлив. Предпочтительно, источник топлива, используемый во второй камере сгорания, производит меньше диоксида углерода на грамм сжигаемого топлива, по сравнению с топливом, используемым в первой камере сгорания.

[0029] Данный источник топлива можно вводить во вторую камеру сгорания, используя любой подходящий метод, включая подачу через одну или более трубок, фурм или аналогичных приспособлений, или их комбинацию. Альтернативно, топливо можно подавать во вторую камеру сгорания, используя один или более фланцев.

[0030] Кислород можно подавать во вторую печь сгорания в любой подходящей форме. Например, любой подходящий газ, в котором присутствует кислород (такой как воздух окружающей среды или сжатый воздух), можно подавать в печь. Тем не менее, использование воздуха как источника кислорода может не подходить по причине высокого содержания в воздухе азота. По этой причине, в некоторых вариантах реализации источник кислорода может включать газ, имеющий относительно высокое содержание кислорода, такой как очищенный газообразный кислород.

[0031] Подразумевается, что относительные количества кислорода и топлива, вводимые во вторую камеру сгорания, будут существенно зависеть от количества топочного газа, поступающего во вторую камеру сгорания, состава топочного газа, степени сжатия топочного газа и т.д. Тем не менее, предполагается, что относительные количества кислорода и топлива, добавляемых во вторую камеру сгорания, будут варьироваться для того, чтобы поддерживать существенно постоянную рабочую температуру внутри второй камеры сгорания.

[0032] В альтернативном варианте реализации данного изобретения, топочный газ можно смешивать с кислородом и источником топлива перед введением топочного газа во вторую камеру сгорания. Предполагается, что такая схема может привести к высокой степени контроля за составом и/или скоростью потока газообразной смеси, поступающей во вторую камеру сгорания.

[0033] Кислород и топливо могут подаваться во вторую камеру сгорания из емкостей или аналогичных сосудов, расположенных вблизи или около электростанции, и данные емкости могут пополняться периодически. Альтернативно, установка, способная производить чистый кислород, может располагаться на самой или вблизи электростанции для того, чтобы кислород поступал непосредственно во вторую камеру сгорания. Более того, топливо можно подавать непосредственно во вторую камеру сгорания от источника топлива, такого как скважина газа угольных пластов или аналогичные источники.

[0034] Предпочтительно, рабочая температура внутри второй камеры сгорания выше, чем рабочей температуры в первой камере сгорания. Предполагается, что более высокая температура во второй камере сгорания может привести к сжиганию несгоревших углеводородов, содержащихся в топочном газе. Дополнительно, предполагается, что другие загрязняющие вещества в топочном газе (такие как NO_x, монооксид углерода и т.д.) могут также сгореть во второй камере сгорания, в результате чего уменьшается количество парникового газа, выходящего с электростанции.

[0035] Может быть использована любая подходящая рабочая температура внутри второй камеры сгорания. Тем не менее, в предпочтительном варианте реализации данного изобретения, рабочая температура во второй камере сгорания может составлять от примерно 1200°C до примерно 2400°C. Более предпочтительно, чтобы рабочая температура во второй камере сгорания может составлять от примерно 1500°C до примерно 2000°C. В наиболее предпочтительном варианте рабочая температура во второй камере сгорания может составлять примерно 1800°C.

[0036] В предпочтительном варианте реализации данного изобретения, по меньшей мере часть тепла, производимого при сгорании печного газа во второй камере сгорания, можно использовать для приведения в действие одного или более электрогенераторов. Например, тепло, производимое при сгорании печного газа, можно использовать для работы одной или более турбин (например, за счет генерирования пара в нагревателе), где одна или более турбин могут быть связаны с одним или более генераторами так, что запуск одной или более турбин приводят к выработке электричества одним или более генераторами. Электричество, сгенерированное при запуске одной или более турбин, можно использовать любым подходящим способом; тем не менее, предполагается, что в предпочтительном варианте реализации данного изобретения, электричество, вырабатываемое при запуске одной или более турбин, может поступать в электрическую сеть для бытового, коммерческого и/или промышленного использования. Альтернативно, по меньшей мере часть электроэнергии, выработанной второй камерой сгорания, можно использовать для запуска одного или более видов оборудования, необходимого для осуществления способа, описываемого в настоящем изобретении.

[0037] В некоторых вариантах реализации данного изобретения, по меньшей мере часть тепла, получаемого при сгорании топочного газа во второй камере сгорания, может быть направлена в первую камеру сгорания. В данном варианте реализации предполагается, что тепло, получаемое при сгорании ископаемого топлива в первой камере сгорания, может быть использовано для создания пара в нагревателе, соединенным с первой камерой сгорания, при этом пар в свою очередь приводит в действие одну или более турбин для выработки электроэнергии.

[0038] Существует множество преимуществ, связанных с подачей по меньшей мере части тепла, получаемого при сгорании топочного газа во второй камере сгорания, в первую камеру сгорания. Не последним среди данных преимуществ является тот факт, что подача дополнительного тепла в первую камеру сгорания способствует уменьшению необходимого количества сжигаемого ископаемого топлива для достижения требуемых рабочих параметров внутри первой камеры сгорания. Дополнительно, более высокой энергетической эффективности процесса достигают благодаря сжиганию углеводородов во второй камере сгорания, которые в ином случае уйдут с топочным газом. В дополнение к этому, комбинация более высокой энергетической эффективности процесса со снижением количества ископаемого топлива, используемого в первой камере сгорания, приводит к уменьшению количества парниковых газов (таких как диоксид углерода), образуемых на единицу вырабатываемой электроэнергии.

[0039] В качестве альтернативы подачи дополнительного тепла, производимого во второй камере сгорания, для уменьшения количества используемого ископаемого топлива, предполагается обеспечение одного или более дополнительных генераторов, и тепло, производимое во второй камере сгорания, может быть использовано для обеспечения работы одного или более дополнительных генераторов. В данном случае, количество вырабатываемого электричества можно повысить без увеличения количества используемого ископаемого топлива в первой камере сгорания.

[0040] В альтернативном варианте реализации данного изобретения, вторая камера сгорания может включать один или более турбогенераторов. В данном варианте реализации данного изобретения предполагается, что топочный газ можно подавать на один или более турбогенераторов, и он может сгорать в присутствии кислорода и источника топлива. Генерируемое электричество можно подавать в накопительную систему до подачи в электросеть.

[0041] Как описано выше, отходящий газ образуется при сгорании топочного печного газа во второй камере сгорания. Предполагается, что благодаря способам обработки от твердых частиц, которым желательно подвергать топочный газ после его выхода из первой камеры сгорания, отходящий газ по существу не содержит твердых частиц. Несмотря на это, во многих вариантах реализации данного изобретения отходящий газ, выходящий из второй камеры сгорания, можно подвергать процессу сепарации для удаления каких-либо остаточных твердых частиц и/или монооксида углерода (если он присутствует). Данный отходящий газ может быть подвергнут обработке с использованием любого подходящего метода или комбинации методов. Например, отходящий газ можно фильтровать с использованием рукавных фильтров, устройств электроосаждения, мокрых скрубберов, устройств ввода сухих сорбентов, распылительных сушильных абсорберов, фильтров из гидроокиси кальция или любых приемлемых их комбинаций. Предпочтительно, любое остающееся остаточное тепло в отходящем газе может быть направлено в один или более теплообменников перед фильтрацией отходящего газа. Любое подходящее количество этапов фильтрации можно использовать для того, чтобы уменьшить до необходимого уровня количество твердых частиц и/или нежелательных газов (таких как монооксид углерода) в отходящем газе. В определенном варианте реализации данного изобретения, отходящий газ можно подвергать достаточной фильтрации для того, чтобы уменьшить содержание твердых частиц и/или нежелательных газов в отходящем газе до уровней, при которых отходящий газ можно выпускать в атмосферу. Например, опасным может быть (или даже незаконным в некоторых юрисдикциях) выпускать в атмосферу отходящий газ, который содержит нежелательные газы, такие как диоксид углерода, в количестве более определенного уровня. По этой причине, в данной ситуации, уровень нежелательного газа или газов можно уменьшить до уровня, который является приемлемым (например, менее чем примерно 0,5% для монооксида углерода).

[0042] В предпочтительном варианте реализации данного изобретения, отходящий газ можно охлаждать после выхода из второй камеры сгорания. Отходящий газ можно охлаждать любым подходящим методом. Например, охлаждения отходящего газа можно достигать в процессе фильтрации (таком как мокрое скруббирование). Альтернативно, отходящий газ можно направлять через один или более охлаждающих устройств (таких как теплообменники или аналогичные им аппараты) для того, чтобы охладить отходящий газ.

[0043] Тепло, полученное от отходящего газа, можно использовать для любых подходящих целей. Например, в некоторых вариантах реализации данного изобретения тепло, полученное от отходящего газа, может быть использовано для высушивания угля, используемого в первой камере сгорания.

[0044] Предпочтительно, отходящий газ можно подвергать сепарации для того, чтобы отделить определенные газообразные компоненты отходящего газа от остальных газообразных компонентов. В некоторых вариантах реализации данного изобретения процесс сепарации может быть адаптирован для отделения загрязняющих компонентов отходящего газа от не загрязняющих компонентов. Например, в частном варианте реализации данного изобретения, процесс сепарации может быть использован для отделения парникового газообразного компонента отходящего газа от не парникового газообразного компонента. В большинстве предпочтительных вариантах реализации данного изобретения, процесс сепарации может быть адаптирован для отделения диоксида углерода от остальных газообразных компонентов отходящего газа.

[0045] Любой походящий метод сепарации может быть использован для достижения требуемого разделения компонентов отходящего газа. Например, отходящий газ можно охлаждать, чтобы инициировать фазовый переход в газообразных компонентах, С обеспечением таким образом разделения компонентов. Альтернативно, один или более фильтров могут быть использованы для разделения компонентов отходящего газа.

[0046] В предпочтительном варианте реализации данного изобретения, один или более мембранных фильтров (селективные газопроницаемые мембраны) могут быть использованы для сепарации компонентов отходящего газа. Любой походящий мембранный фильтр может быть использован, такой как пористые мембраны, непористые полимерные мембраны или смешанные матричные мембраны.

[0047] Предпочтительно, мембранные фильтры в рамках данного изобретения включают непористые полимерные мембраны, и в некоторых вариантах реализации мембранные фильтры могут быть получены из фильтров из сплетенного стекловолокна, политетрафторэтилена, поли(триметилсилилпропина), поли(4-метил-1-пентина), кремнийорганического соединения, поли(2,6-диметил-1,4-фениленоксида), полисульфона, полиэфиримидов, полиимидов или любых их комбинаций. Подразумевается, что, когда мембранный фильтр используют для разделения газообразных компонентов отходящего газа, целесообразно охлаждать отходящий газ до разделения для того, чтобы защитить мембранные фильтры от повреждения ввиду высокой температуры газа.

[0048] Предполагается, что в непористой полимерной мембране, газы разделяют благодаря их разной растворимости и диффузионной способности в полимерах. На проницаемость непористых полимерных мембран в основном влияет комбинация растворимости газа в полимере мембраны и диффузионной способности газа в полимере. Как правило, газовая проницаемость в непористых полимерных мембранах возникает тогда, когда газы, обладающие относительно малыми размерами молекул, диффундируют через мембрану по полимерным цепям в соответствии с формированием локальных промежутков за счет теплового движения полимерных сегментов. Подразумевается, что диффузионная способность газа зависит в основном от размера его молекул, что обеспечивает селективную проницаемость мембраны в отношении различных газов.

[0049] Соответственно, давление отходящего газа может быть повышено перед приведением его в контакт с одним или более мембранными фильтрами. Увеличение давления отходящего газа можно достигнуть при помощи любого подходящего метода, и давление отходящего газа может быть изменено до любого подходящего давления. Предпочтительно, тем не менее, отходящий газ сжимают в достаточной степени так, чтобы повышение давления отходящего газа создавало достаточную движущую силу для прохождения отходящего газа через один или более мембранных фильтров.

[0050] Предпочтительно, так как отходящий газ контактирует с мембранным фильтром, первая часть отходящего газа проходит через мембранный фильтр (первый концентрированный поток), в то время как вторая часть отходящего газа не способна пройти через мембранный фильтр (первый возвратный поток). Первый концентрированный поток может содержать большое количество парниковых газов или содержать малое количество парниковых газов, в зависимости от типа используемого мембранного фильтра. Предпочтительно, тем не менее, первый концентрированный поток представляет собой парниковый газ (и, в частности, диоксид углерода). По этой причине, данный мембранный фильтр функционирует как селективная газопроницаемая мембрана.

[0051] Предполагается, что любой подходящий из мембранных фильтров может быть использован. В дополнение, можно использовать любое подходящее число этапов фильтрования. Например, в некоторых вариантах реализации данного изобретения может быть желательным получение концентрированного потока диоксида углерода для дальнейшего использования. В данном варианте реализации данного изобретения, может быть желательным пропускать отходящий газ через множество этапов фильтрования до тех пор, пока концентрация диоксида углерода в потоке диоксида углерода не достигнет требуемого уровня.

[0052] Более конкретно, предполагается, что отходящий газ может быть приведен в контакт с первым мембранным фильтром, и часть отходящего газа, проходящая через первый мембранный фильтр, образует первый концентрированный поток, содержащий относительно высокую концентрацию диоксида углерода, в то время как часть отходящего газа, неспособная пройти через первый мембранный фильтр, образует первый возвратный поток, который содержит относительно низкую концентрацию диоксида углерода.

[0053] Предпочтительно, первый концентрированный поток может быть приведен в контакт со вторым мембранным фильтром, и часть первого концентрированного потока, проходящая через второй мембранный фильтр, образует второй концентрированный поток, содержащий более высокую концентрацию диоксида углерода, чем первый концентрированный поток. Часть первого концентрированного потока, которая не способна пройти через второй мембранный фильтр, образует второй возвратный поток, содержащий относительно низкую концентрацию диоксида углерода.

[0054] Следует понимать, что термин «первый мембранный фильтр» и «второй мембранный фильтр» могут обозначать один мембранный фильтр, или множество мембранных фильтров, вместе образующих один этап сепарации.

[0055] Такой процесс сепарации может повторяться через столько стадий разделения, сколько будет необходимо, до тех пор, пока концентрация диоксида углерода в последнем концентрированном потоке не достигнет необходимого уровня. Любой подходящий уровень концентрации диоксида углерода может быть необходимым, хотя в некоторых вариантах реализации данного изобретения необходимый уровень диоксида углерода в конечном концентрированном потоке может быть выше 75% об./об. Более предпочтительно, необходимый уровень диоксида углерода в конечном концентрированном потоке может быть выше 85% об./об. Наиболее предпочтительно, необходимый уровень диоксида углерода в конечном концентрированном потоке может быть выше 90% об./об.

[0056] В некоторых вариантах реализации данного изобретения, титан-силикатное молекулярное сито может быть использовано вместо (или совместно с) мембранного фильтра. Предполагается, что структура молекулярного сита может позволить определенным газам (таким как азот) проникать через неподвижный слой абсорбентного материала при повышенном давлении (например, в диапазоне от примерно 6,8 атм до примерно 27,2 атм). Данные газы затем могут удаляться из абсорбентного материала и, если они являются не загрязняющими, могут быть выпущены в атмосферу. Удаление газов может быть достигнуто с использованием любого подходящего метода, такого как, но не ограничиваясь, использование насоса низкого давления (такого как вакуумный насос).

[0057] Возвратные потоки могут быть использованы для любых подходящих целей. Например, возвратные потоки можно подвергать процессу сепарации, так что составляющие возвратный поток газы могут быть использованы или собраны для продажи или т.п. Альтернативно, предполагается, что главным компонентом возвратных потоков является азот, что означает, что возвратные потоки можно выпускать в атмосферу с незначительным воздействием на окружающую среду или его отсутствием.

[0058] Конечный концентрированный поток может быть использован для любых подходящих целей. Тем не менее, предполагается, что конечный концентрированный поток не выпускают в атмосферу из-за высокого содержания диоксида углерода. Вместо этого, предпочтительно, конечный концентрированный поток используют таким образом, чтобы углерод не попал в атмосферу. Например, конечный концентрированный поток может быть собран в газообразной или жидкой форме (с или без дальнейшей очистки) для продажи и/или использования в применениях, где требуется диоксид углерода.

[0059] В других вариантах реализации данного изобретения, конечный концентрированный поток может использоваться для производства метана и/или метанола. В данном варианте реализации, метан/метанол, произведенный с использованием конечного концентрированного потока, может быть использован во второй камере сгорания, вследствие чего снижаются затраты на источник углеводородного топлива, используемого во второй камере сгорания.

[0060] Альтернативно, конечный концентрированный поток можно подвергнуть такой обработке, что углерод в данном потоке улавливают так, что предотвращают его попадание в атмосферу. Любой подходящий способ улавливания может быть использован. Например, конечный концентрированный поток может улавливаться в синтетической породе или заполнителях. В данном варианте реализации, предполагается, что диоксид углерода может улавливаться в форме карбонатов двухвалентных катионов.

[0061] В других вариантах реализации, диоксид углерода может улавливаться в строительные материалы (включая кирпич, керамическую плитку, цементную плиту, трубы, деревянные балки, раковины, колонны, гипсокартон, плиты из волокнистого цемента, бетонные плиты, звукопоглощающие экраны, изолирующие материалы или аналогичные материалы или любые походящие их комбинации). Предполагается, что в данном варианте реализации, диоксид углерода может улавливаться в форме двухвалентных катионов.

[0062] В другом аспекте, настоящее изобретение состоит основном в способе обработки топочного газа, получаемого при сгорании угля на угольных электростанциях, при этом данный способ включает следующие этапы: сжигание угля в первой печи, сбор топочного газа, выходящего из первой печи, обеспечение сжатия топочного газа с получением сжатого газа, подача сжатого газа во вторую печь, сжигание сжатого газа во второй печи в присутствии кислорода и источника топлива с получением отходящего газа, и обеспечение прохождения отходящего газа через одну или более мембран с получением концентрированного потока диоксида углерода.

[0063] Любые из признаков, описанных в настоящем документе, можно объединить в любую комбинацию с любым одним или более другими признаками, описанными в рамках данного изобретения.

[0064] Ссылка на любой источник уровня техники в данном описании не является и не должна приниматься как ссылка на источник или как любая форма предположения, что данный источник уровня техники формирует часть общего известного уровня техники.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0065] Сущность настоящего изобретения может стать более понятной из следующих предпочтительных, но не ограничивающих примеров.

[0066] Два образца топочного газа были получены на угольной электростанции Квинсленд (Queensland), использующей черный уголь. Образцы топочного газа были проанализированы для определения их состава. Состав образцов топочного газа приведен в Таблице 1 ниже.

[0067] Средние значения для образца 1 и образца 2 были рассчитаны таким образом, чтобы получить усредненную композицию топочного газа. Затем были выполнены расчеты, для определения количества кислорода, требуемого для полного сгорания всех горючих газов в усредненной композиции топочного газа. Соотношения требуемого общего количества кислорода (включая сумму добавленного кислорода и кислорода, находящегося в усредненной композиции топочного газа) к добавке топлива (в форме метана) при различных условиях горения представлены в Таблице 2 ниже. Следует отметить, что для полного сгорания всех горючих газов, требуется некоторый избыток кислорода. По этой причине, расчеты использованные для получения данных Таблицы 2, были основаны на поддержании минимальной концентрации кислорода в 2% (по сухому веществу об./об.) в отходящем газе.

[0068] Такие же условия горения, которые приведены в Таблице 2, затем использовали для расчета полезной термической энергии и термической эффективности вторичного сгорания усредненной композиции топочного газа. Данные результаты приведены в Таблице 3 ниже:

[0069] Также были рассчитаны химические составы отходящих газов после вторичного сгорания при различных условиях сгорания, приведенных в таблицах 2 и 3. Результаты этих расчетов приведены ниже в Таблице 4.

[0070] Наконец, были рассчитаны удельное количество получаемого диоксида углерода на единицу произведенной полезной термической энергии, а также требуемое количество чистого кислорода на единицу произведенной полезной термической энергии. Данные; результаты приведены в Таблице 5 ниже.

[0071] Результаты, представленные в таблице 4, показывают, что при всех условиях; горения, данный способ настоящего изобретения обеспечивает получение потока; отходящего газа, имеющего значительно более высокую концентрацию диоксида углерода, чем топочный газ. Более того, данный способ характеризуется увеличением концентрации диоксида углерода в отходящем газе с ростом температуры.

[0072] Из данных Таблицы 5 также видно, что получение диоксида углерода на единицу полезной термической энергии при вторичном сгорании (когда в качестве источника топлива используют метан) составляет примерно половину от количества диоксида углерода, получаемого при сгорании угля на электростанции. В дополнение, общее количество диоксида углерода, произведенного на единицу полезной термической энергии при первичном и вторичном сгорании, меньше, чем количество диоксида углерода при сгорании угля на электростанции. Это явным образом демонстрирует, что данный способ настоящего изобретения приводит к уменьшению диоксида углерода на единицу полезной термической энергии по сравнению с одностадийным сжиганием угля на угольной электростанции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0073] Предпочтительные особенности, варианты реализации и варианты исполнения данного изобретения могут стать понятными из следующего подробного описания, которое предоставляет достаточную информацию специалистам в данной области техники для осуществления настоящего изобретения. Подробное описание не должно рассматриваться как ограничивающее каким-либо образом объем предшествующего краткого описания настоящего изобретения. Подробное описание предоставит ссылку на ряд чертежей следующим образом:

[0074] На Фиг. 1 представлена схематическая диаграмма способа обработки газа согласно любому варианту реализации настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

[0075] На фиг. 1 представлена схематическая диаграмма способа обработки газа согласно любому варианту реализации настоящего изобретения. Данный способ включает угольную электростанцию, включающую первую емкость 10 сгорания в форме печи для сжигания угля. Топочный газ, покидающий данную печь 10, направляется на один или более датчиков 11 для установления типа и количества составных газов поточного газа. Информация, собранная одним или более датчиками 11, направляется в систему сбора данных (не показана), такую как компьютер, DCS, Scada или аналогичную им систему. Сбор информации осуществляют в режиме реального времени, как только топочный газ покидает печь 10.

[0076] После этого, топочные газы направляют в систему 12 фильтрации, для того чтобы удалить из газа по существу все твердые частицы. Твердые частицы собирают и утилизируют, при этом способ утилизации зависит от состава твердых частиц.

[0077] Когда твердые частицы удалены из газа, топочный газ подвергают сжатию в компрессоре 13 до того, как он поступит в емкость 14 хранения.

[0078] Когда возникает необходимость, сжатый топочный газ подают из емкости 14 хранения во вторую камеру 15 сгорания в форме второй печи. Топочный газ и, в частности, содержащиеся в сжатом газе углеводороды, сжигают во второй камере 15 сгорания в присутствии кислорода, подаваемого из кислородного резервуара 16, и углеводородного топлива, подаваемого из топливной емкости 17.

[0079] Вторая камера сгорания 15 также снабжена системой 18 искрового зажигания для обеспечения зажигания смеси в камере 15. Система 18 искрового зажигания может работать непрерывно или может использоваться только по необходимости (например, для перезапуска печи 15 после отключения). В вариантах реализации данного изобретения система 18 искрового зажигания работает непрерывно, при этом система 18 искрового зажигания может функционировать с или без импульсного режима.

[0080] Система сбора информации (не показана) анализирует собранную одним или более датчиками 11 информацию и сравнивает ее с запрограммированной информацией с получением анализированных данных. Анализированные данные затем передают в систему 18 искрового зажигания, которая, в свою очередь, контролирует относительные количества углеводородного топлива и кислорода, поступающих из топливной емкости 17 и кислородной емкости 16, соответственно, во вторую камеру сгорания 15.

[0081] По этой причине, за счет контроля количеств поступающих углеводородного топлива и кислорода во вторую камеру 15 сгорания на основании композиции топочного газа, система сбора информации (не показана) способна создавать смесь внутри второй камеры 15 сгорания так, что это не только эффективно для получения большого количества тепла от второй камеры 15 сгорания, но также минимизирует образование загрязняющих или парниковых газов.

[0082] Тепло 19, генерируемое при сгорании в печи 15, используют для создания электричества в электрическом генераторе 20 (который может включать турбину и генератор, или любое подходящее альтернативное устройство), и генерируемое электричество поступает в электрическую сеть 21.

[0083] В данном варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фигуре 1, контролирующий эффективность клапан 22 направляет часть 23 тепла, образуемого во второй печи 15, обратно в первую печь 10, где его используют для создания пара в нагревателе (не показан), при этом пар используется для приведения в движение турбины (не показана) и генерирования электричества. При направлении части 23 тепла, получаемого во второй печи 15, обратно в первую печь 10, снижается количество угля, требуемого для сжигания в первой печи 10, для того чтобы достигнуть необходимого для работы нагревателя (не показан) количества тепла.

[0084] Отходящий газ 24, образуемый во второй печи 15, направляют в скруббер (в частности, в мокрый скруббер) или фильтр 25 для улавливания частиц для удаления любых остаточных твердых частиц в отходящем газе 24. Дополнительно, пропуская отходящий газ 24 через скруббер или фильтр 25 для улавливания частиц, также снижается температура отходящего газа 24.

[0085] Отходящий газ 24, покидающий скруббер или фильтр 25 для улавливания частиц, приводят в контакт с первой газоразделительной мембраной 26. Мембрана 26 является селективной газопроницаемой мембраной, что означает, что определенные газы (в данном случае диоксид углерода) способны проникать через мембрану 26, в то время как другие газы (включая азот, кислород и т.д.) не способны проникать через мембрану 26. По этой причине отходящий газ 24 разделяют на первый концентрированный поток 27 (который содержит относительно высокую концентрацию диоксида углерода) и первый возвратный поток 28 (который содержит относительно низкую концентрацию диоксида углерода). Первый концентрированный поток 27 приводят в контакт со второй газоразделительной мембраной 29, и снова определенные газы (в данном случае диоксид углерода) могут проникать через мембрану 29, в то время как другие газы (в том числе азот, кислород и т.д.) не способны проникать через мембрану 29. По этой причине первый концентрированный поток 27 разделяют на второй концентрированный поток 30 (в котором содержание диоксида больше, чем в первом концентрированном потоке 27) и второй возвратный поток 31 (в котором относительно низкое содержание диоксида углерода).

[0086] В варианте реализации, представленном на фигуре 1, второй концентрированный поток 30 представляет собой конечный концентрированный поток, когда содержание диоксида углерода в потоке достигает требуемого уровня. Второй концентрированный поток 30 затем может подвергаться дальнейшей обработке. Например, второй концентрированный поток 30 могут собирать в виде жидкого или газообразного диоксида углерода и использовать в любых подходящих применениях. Альтернативно, диоксид углерода можно улавливать на строительных материалах, искусственных породах или заполнителях или аналогичных материалах для того, чтобы предотвратить попадание диоксида углерода в атмосферу.

[0087] Первый возвратный поток 28 и второй возвратный поток 31 (в обоих низкое содержание диоксида углерода и высокое содержание таких газов, как азот) могут быть выпущены в атмосферу через дымоход или стэк 32. Если это является необходимым, часть 33 топочного газа из первой камеры 10 сгорания также может быть выпущена в атмосферу.

[0088] Значительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что включение второй камеры 15 сгорания и связанных мембран 26, 29 не требуют какого-либо изменения существующей конструкции электростанции, и дополнительное оборудование можно добавить в существующую технологическую схему с относительной простотой.

[0089] В настоящем описании и формуле изобретения (если имеется) термин «включающий» и его производные «включает» и «включать» распространяется на каждую описанную систему, но не исключает включение одной или более дополнительных систем.

[0090] Ссылка в указанном описании на «один вариант реализации» или «некоторый вариант реализации» означает, что определенные признак, структура или характеристика, описанные в связи с данным вариантом реализации, включены в по меньшей мере один вариант реализации данного изобретения. По этой причине, появление фраз «в одном варианте реализации» или «в некотором варианте реализации» в различных местах настоящей спецификации необязательно все ссылаются на один и тот же вариант реализации. Более того, определенный признак, структуры или характеристики можно объединять любым подходящим образом в одну или более комбинаций.

[0091] В соответствии с нормами законодательства, данное изобретение было описано языком более или менее принятым для структурных или методических особенностей. Следует понимать, что данное изобретение не ограничено конкретными характеристиками, показанными или описанными, так как средства, описанные в настоящем документе, включают предпочтительные формы реализации данного изобретения. Настоящее изобретение, по этой причине, заявлено в любой из его возможных форм или модификаций в пределах соответствующего объема прилагаемой формулы изобретения, надлежащим образом понимаемой специалистами в данной области техники.

Изобретение может быть использовано при очистке топочного газа от диоксида углерода. Газ, полученный при сгорании угля в первой камере сгорания 10, фильтруют и подают во вторую камеру сгорания 15. Во второй камере сгорания 15 происходит сжигание газа при температуре в диапазоне от 1200 °С до 2400 °С в присутствии кислорода и источника топлива. Полученный отходящий газ обрабатывают с использованием мембранных фильтров для отделения концентрированного потока диоксида углерода от потока, содержащего азот. Часть тепла, получаемого при сжигании газа во второй камере сгорания 15, используют для обеспечения работы одного или более устройств, генерирующих электричество. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил., 5 табл.

1. Способ обработки газа, получаемого при сжигании угля в первой камере сгорания, включающий следующие этапы: фильтрование газа с удалением по меньшей мере части твердых частиц, присутствующих в газе; подача газа во вторую камеру сгорания, сжигание газа при рабочей температуре в диапазоне от 1200°С до 2400°С во второй камере сгорания в присутствии кислорода и источника топлива с получением отходящего газа и обеспечение обработки отходящего газа с использованием одного или более мембранных фильтров с отделением концентрированного потока диоксида углерода от потока, содержащего азот, и при этом по меньшей мере часть тепла, получаемого при сжигании газа во второй камере сгорания, используют для обеспечения работы одного или более устройств, генерирующих электричество.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед подачей во вторую камеру сгорания обеспечивают сжатие газа.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вторая камера сгорания включает печь.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что источник топлива включает источник углеводородов.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочая температура во второй камере сгорания находится в диапазоне от 1500°С до 2000°С.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что рабочая температура во второй камере сгорания составляет 1800°С.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что по меньшей мере часть тепла, получаемого при сжигании газа во второй камере сгорания, направляют в первую камеру сгорания.

8. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что концентрация диоксида углерода в концентрированном потоке диоксида углерода составляет более 90% об./об.

9. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что концентрированный поток диоксида углерода собирают для продажи и/или применения.

10. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что концентрированный поток диоксида углерода подвергают обработке таким образом, что углерод в концентрированном потоке диоксида углерода улавливают и тем самым предотвращают его попадание в атмосферу.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что углерод в концентрированном потоке диоксида углерода улавливают в искусственной породе, заполнителе и/или строительных материалах.

12. Способ обработки топочного газа, получаемого при сжигании угля на угольных электростанциях, включающий следующие этапы: сжигание угля в первой печи, сбор топочного газа, выходящего из первой печи; фильтрование топочного газа с удалением по меньшей мере части твердых частиц, присутствующих в топочном газе; обеспечение сжатия топочного газа с получением сжатого газа, подача сжатого газа во вторую печь, сжигание сжатого газа во второй печи при рабочей температуре в диапазоне от 1200°С до 2400°С в присутствии кислорода и источника топлива с получением отходящего газа и обеспечение прохождения отходящего газа через одну или более сепарационных мембран с отделением концентрированного потока диоксида углерода от потока, содержащего азот, и при этом по меньшей мере часть тепла, получаемого при сжигании сжатого газа во второй камере сгорания, используют для обеспечения работы одного или более устройств, генерирующих электричество.