СИСТЕМА ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ВКЛЮЧАЮЩАЯ В СЕБЯ ГАЗОВУЮ ТУРБИНУ С ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННЫМ ПАРОГЕНЕРАТОРОМ И УЛАВЛИВАНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА, И СПОСОБ Российский патент 2025 года по МПК F02C6/18 F02C7/08 F23B10/02 F01K23/10 B01D53/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее описание относится к удалению диоксида углерода из дымовых газов газотурбинной системы. Варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, в частности, относятся к удалению диоксида углерода из дымовых газов комбинированного газотурбинного цикла с дожиганием.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Диоксид углерода представляет самую большую долю парниковых газов, которые являются основной причиной изменения климата и повышения температуры окружающей среды. Многие виды человеческой деятельности связаны с образованием диоксида углерода. Среди них большую роль играет производство электроэнергии с использованием ископаемых видов топлива, включая уголь, нефть и природный газ. В последние годы в попытке стимулировать исследования по поиску технических решений, направленных на сокращение выбросов диоксида углерода в атмосферу, многие государства применяют углеродный налог за каждую тонну выбросов парниковых газов. Предприятия, а также потребители, которые в конечном итоге несут дополнительные расходы, связанные с этим налогом, для сокращения выбросов парниковых газов и, соответственно, ограничения суммы углеродного налога планируют принять такие меры, как внедрение новых технологий или переход с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии.

Выбросы диоксида углерода могут быть сокращены путем перехода на альтернативные источники энергии или за счет улавливания диоксида углерода из дымовых газов, образующихся при сжигании ископаемого топлива, и предотвращения его выброса в атмосферу. Для снижения объема парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу, было разработано несколько подходов, направленных на улавливание диоксида углерода из дымовых газов.

При проектировании крупных электростанций все большее значение приобретает реализация действенных мер по повышению эффективности улавливания диоксида углерода, а также эффективности теплового цикла, который преобразует тепловую энергию в полезную механическую энергию и в конечном итоге в электрическую энергию.

Основная проблема в удалении диоксида углерода из дымовых газов, образующихся в процессе сгорания, таком как сжигание ископаемого топлива в газотурбинном двигателе, состоит в низкой концентрации диоксида углерода в дымовых газах и низком давлении (близком к давлению окружающей среды) дымовых газов. Эти факторы делают процесс улавливания неэффективным и дорогостоящим. Улавливание диоксида углерода становится эффективным способом сокращения выбросов диоксида углерода только в случае, если экономия с точки зрения углеродного налога выше, чем стоимость процесса улавливания диоксида углерода, с точки зрения как капитальных затрат, так и затрат на эксплуатацию системы.

По сути системы улавливания диоксида углерода не только дороги в строительстве и занимают много места, но и требуют значительного количества энергии для работы.

Комбинированные циклы газовой турбины включают в себя верхний цикл газовой турбины (цикл Брайтона) и нижний паровой цикл (цикл Хирна или Ренкина), который рекуперирует тепло из дымовых газов газовой турбины с целью генерации дополнительной энергии в паровой турбине. Дымовые газы из газовой турбины охлаждаются в теплоутилизационном парогенераторе (HRSG) для генерации перегретого пара, который затем расширяется в паровой турбине для генерации механической энергии. Молярный процент диоксида углерода в дымовых газах, которые выбрасываются при давлении, близком к давлению окружающей среды, и температуре около 90 °С, составляет около 3–3,5%. Переработка таких дымовых газов с низким содержанием CO₂ в блоке улавливания диоксида углерода оказалась неэффективной и негативно влияет на общую эффективность установки.

Варианты осуществления комбинированных циклов и простых газотурбинных циклов, включая котел-утилизатор и установку рекуперации диоксида углерода, описаны в EP3756752. В этих известных вариантах осуществления поток дымовых газов из электроэнергетической установки на газовой турбине разделяют на первый поток дымовых газов и второй поток дымовых газов. Первый поток дымовых газов протекает через первый котел-утилизатор, а второй поток дымовых газов проходит в обход первого котла-утилизатора. Часть первого потока дымовых газов может быть выпущена в окружающую среду через дымоход. Оставшийся первый поток дымовых газов и второй поток дымовых газов соединяют вместе и подают через дополнительный котел-утилизатор, который объединяют с блоком удаления оксидов азота для селективного каталитического удаления. В блок удаления оксидов азота подают восстановительный агент для каталитической реакции с оксидами азота. Температура дымовых газов, протекающих через блок удаления оксидов азота, регулируется путем изменения расхода первого и второго потоков дымовых газов и количества дымовых газов, выделяемых в окружающую среду после первого котла-утилизатора, таким образом, что в блоке удаления оксидов азота достигается наиболее подходящая температура. После удаления оксидов азота из дымовых газов, протекающих через блок удаления оксидов азота, дымовые газы перерабатываются в блоке улавливания диоксида углерода. Диоксид углерода удаляется из дымовых газов, а свободные от диоксида углерода дымовые газы выпускаются в окружающую среду. Улавливаемый диоксид углерода сжимают и при необходимости дополнительно перерабатывают с целью хранения или транспортировки. Эти известные системы фактически не повышают эффективность системы улавливания диоксида углерода.

Поэтому было бы целесообразно представить системы и способы для увеличения концентрации диоксида углерода в дымовых газах и повышения эффективности улавливания диоксида углерода.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту, в настоящем документе представлена газотурбинная система, включающая в себя газотурбинный двигатель, первый топливный трубопровод, который выполнен с возможностью подачи топлива в газотурбинный двигатель, и теплоутилизационный парогенератор, выполненный с возможностью приема дымовых газов, отводимых из газотурбинного двигателя. Система дополнительно содержит второй топливный трубопровод, выполненный с возможностью подачи топлива в дожигатель теплоутилизационного парогенератора. Блок улавливания диоксида углерода соединен по текучей среде с дымоходом теплоутилизационного парогенератора и выполнен с возможностью улавливания диоксида углерода из дымовых газов, отводимых из теплоутилизационного парогенератора. Рециркуляционный трубопровод рециркулирует дымовые газы из дымохода теплоутилизационного парогенератора в дожигатель теплоутилизационного парогенератора для увеличения концентрации диоксида углерода в дымовых газах, проходящих через блок улавливания диоксида углерода.

Для дополнительного увеличения концентрации диоксида углерода в дымовых газах, обработанных блоком улавливания диоксида углерода, в соответствии с вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, предусмотрена по меньшей мере одна возвратная линия диоксида углерода для рециркуляции потока газов, содержащего диоксид углерода, по меньшей мере частично обработанный блоком улавливания диоксида углерода, к газотурбинному двигателю, дожигателю или обоим.

Механическая энергия, генерируемая газотурбинным двигателем, может быть использована как таковая для приведения в действие вращающихся механизмов, таких как компрессор или компрессорная линия. В некоторых вариантах осуществления механическая энергия может быть полностью или частично преобразована в электрическую энергию.

Пар, генерируемый теплоутилизационным парогенератором, может использоваться в любом процессе, где требуется горячий пар, например, в бумажной промышленности. Тепловая энергия, содержащаяся в паре, также может использоваться для кондиционирования воздуха или отопления, такого как централизованное теплоснабжение и т. п.

В некоторых вариантах осуществления пар, образующийся в результате генерации пара с рекуперацией тепла, используется в качестве рабочей текучей среды в нижнем тепловом цикле, таком как цикл Ренкина или Хирна, для дополнительной генерации механической и/или электрической энергии.

В преимущественных вариантах осуществления газотурбинная система по настоящему описанию может являться частью установки сжижения природного газа для ее обеспечения электрической, механической и тепловой энергией.

Как подробнее будет описано ниже со ссылкой на примеры осуществления системы в соответствии с настоящим описанием, поток, содержащий диоксид углерода, может быть отведен после блока улавливания диоксида углерода, и в этом случае поток содержит бóльшую часть диоксида углерода. В других вариантах осуществления содержащий диоксид углерода поток газов может состоять из дымовых газов или содержать дымовые газы из теплоутилизационного парогенератора, охлажденные блоком улавливания диоксида углерода, например, в контактном охладителе системы процесса аммонизации с охлаждением.

Поток газов, содержащий диоксид углерода, который возвращается из блока улавливания диоксида углерода, может подаваться на сторону всасывания воздушного компрессора газотурбинного двигателя. Этот вариант особенно полезен, если рециркулируемый поток газов, содержащий диоксид углерода, содержит охлажденные дымовые газы, выходящие, например, из контактного охладителя в процессе аммонизации с охлаждением. В других вариантах осуществления диоксид углерода может быть рециркулирован в топливный модуль, который питает камеру сгорания газотурбинного двигателя и/или камеру дожигания теплоутилизационного парогенератора.

В соответствии с дополнительным аспектом в настоящем документе описан способ генерации электроэнергии с помощью газотурбинной системы, включающий следующие этапы:

подача воздуха и топлива в газотурбинный двигатель и генерация с его помощью механической энергии;

пропускание потока дымовых газов, выходящих из газотурбинного двигателя, через теплоутилизационный парогенератор;

подача топлива в дожигатель теплоутилизационного парогенератора;

генерация пара в теплоутилизационном парогенераторе;

рециркуляция части дымовых газов, выходящих из теплоутилизационного парогенератора, в дожигатель;

переработка оставшихся дымовых газов, выходящих из теплоутилизационного парогенератора, в блоке улавливания диоксида углерода и удаление диоксида углерода из дымовых газов; и

рециркуляция потока газов, содержащего диоксид углерода, из блока улавливания диоксида углерода по направлению к по меньшей мере одному из указанного газотурбинного двигателя и указанного дожигателя.

Дополнительные варианты осуществления системы и способа согласно настоящему описанию приведены ниже и изложены в прилагаемой формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Ниже кратко описаны сопроводительные графические материалы, причем:

Фиг. 1 иллюстрирует систему, содержащую комбинированный цикл газовой турбины с дожиганием и улавливанием диоксида углерода, в соответствии с вариантом осуществления;

Фиг. 2 иллюстрирует систему, содержащую комбинированный цикл газовой турбины с дожиганием и улавливанием диоксида углерода, в соответствии с дополнительным вариантом осуществления;

Фиг. 3 иллюстрирует систему, содержащую комбинированный цикл газовой турбины с дожиганием и улавливанием диоксида углерода, в соответствии с дополнительным вариантом осуществления;

Фиг. 4 иллюстрирует систему, содержащую комбинированный цикл газовой турбины с дожиганием и улавливанием диоксида углерода, в соответствии с еще одним вариантом осуществления;

На Фиг. 5 проиллюстрирована схема процесса аммонизации с охлаждением для улавливания диоксида углерода, которая может быть использована в системе, показанной на Фиг. 1–4; и

на Фиг. 6 представлена блок-схема, обобщающая способ в соответствии с настоящим описанием.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Для повышения эффективности улавливания диоксида углерода в системе, включающей в себя газотурбинный двигатель и теплоутилизационный парогенератор с дожигателем, поток газов, содержащий диоксид углерода, отводят из блока улавливания диоксида углерода и рециркулируют в газотурбинный двигатель, в дожигатель теплоутилизационного парогенератора или и в то и в другое. В частности, поток газов, содержащий диоксид углерода, может быть отведен от выпуска диоксида углерода из блока улавливания диоксида углерода, и в этом случае рециркулируемый поток содержит в основном диоксид углерода. Альтернативно или в комбинации дымовые газы, выходящие из теплоутилизационного парогенератора, охлаждают в секции блока улавливания диоксида углерода в качестве первой стадии процесса улавливания диоксида углерода. Часть охлажденных дымовых газов отводят и рециркулируют в газотурбинный двигатель, а оставшиеся охлажденные дымовые газы подвергают дополнительной обработке через блок улавливания диоксида углерода.

Обратимся теперь к графическим материалам: на Фиг. 1 показан первый вариант осуществления системы 1 генерации электроэнергии, включающей в себя газотурбинный двигатель и блок улавливания диоксида углерода.

Система 1 включает в себя газотурбинный двигатель 3, соединенный с возможностью передачи приводного усилия с первым электрическим генератором 5. Газотурбинный двигатель 3 может содержать любой тип газовой турбины, выполненной с возможностью приведения в действие электрического генератора 5. Например, газотурбинный двигатель 3 может содержать газовую турбину большой мощности или авиационную газовую турбину, например 1-каскадный, 1,5-каскадный, 2-каскадный или 3-каскадный газотурбинный двигатель.

Газотурбинный двигатель 3 обычно содержит секцию 3.1 воздушного компрессора, которая может включать в себя один или более воздушных компрессоров, например воздушный компрессор низкого давления и воздушный компрессор высокого давления. Газотурбинный двигатель 3 дополнительно содержит камеру 3.2 сгорания газовой турбины, в которую топливо подается через топливный трубопровод 4, и секцию 3.3 турбины. Секция 3.3 турбины может содержать одно или более турбинных колес. Один или более валов 6 соединяют турбинное (-ые) колесо (-а) с воздушным (-ыми) компрессором (-ами) и первым электрическим генератором 5.

Первый электрический генератор 5 может быть электрически соединен с сетью 7 распределения электроэнергии, которая может питать электрические устройства и машины системы. В частности, электроэнергия, генерируемая первым электрическим генератором 5, может быть использована для питания электродвигателя, который в свою очередь приводит в действие машину, такую как турбомашина, например компрессор или компрессорная линия.

В других вариантах осуществления газотурбинный двигатель 3 может быть соединен с возможностью передачи приводного усилия с приводимой машиной, например с компрессором или компрессорной установкой, таким образом, что механическая энергия, генерируемая газотурбинным двигателем 3, используется для непосредственного привода приводимой машины без преобразования механической энергии в электрическую энергию.

В некоторых вариантах осуществления компрессор (-ы) или компрессорная (-ые) линия (-ии), прямо или косвенно приводимые в действие газотурбинным двигателем 3, могут представлять собой холодильные компрессоры системы сжижения природного газа, выполненные с возможностью сжижения природного газа, или газовые компрессоры для трубопровода природного газа и т. п.

Нагнетательная сторона газотурбинного двигателя 3 соединена по текучей среде через канал 9 дымовых газов с теплоутилизационным парогенератором 11. Как подробнее будет описано ниже, теплоутилизационный парогенератор отводит тепло из дымовых газов газотурбинного двигателя 3 и использует его для генерации пара. В варианте осуществления согласно Фиг. 1 система 1 представляет собой комбинированный газотурбинный цикл, в котором пар, генерируемый в теплоутилизационном парогенераторе, используется в нижнем цикле 13, содержащем паровую турбину 15, которая может быть соединена с возможностью передачи приводного усилия со вторым электрическим генератором 17. Паровая турбина 15 преобразует часть тепловой энергии, содержащейся в горячем паре с высоким давлением, в механическую энергию для приведения в действие электрогенератора 17. Последний может быть соединен с сетью 7 распределения электроэнергии.

В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, паровая турбина 15 содержит секцию 15.1 паровой турбины высокого давления и секцию 15.2 паровой турбины низкого давления. В других вариантах осуществления (не показанных) может быть предусмотрено другое количество секций паровой турбины.

Перегретый пар может подаваться на вход секции 15.1 паровой турбины высокого давления по паропроводу 15.3 перегретого пара. Частично расширившийся пар из секции 15.1 паровой турбины высокого давления может быть возвращен в теплоутилизационный парогенератор 11 через линию 15.4 возврата пара и еще раз перегрет при более низком давлении, а затем подан через вторую линию 15.5 перегретого пара в секцию 15.2 паровой турбины низкого давления.

В других вариантах осуществления можно избежать двойного перегрева или предусмотреть более двух перегревов.

Нижний цикл 13 дополнительно содержит конденсатор 19 и насос 21, который возвращает воду под давлением обратно в теплоутилизационный парогенератор 11 по водоводу 23.

В варианте осуществления, показанном на графических материалах, нижний цикл представляет собой цикл Ренкина с регенерацией. В примере осуществления, показанном на Фиг. 1, частичный поток частично расширившегося пара отводится по линии 15.6 регенерации из секции 15.2 паровой турбины низкого давления или из точки выше от нее по потоку и добавляется (в 15.7) к холодной воде под давлением, подаваемой насосом 21, а затем попадает в теплоутилизационный парогенератор 11.

В других вариантах осуществления регенерация может не использоваться, или может быть предусмотрено более одной стадии регенерации при различных уровнях температуры и давления.

В других вариантах осуществления (не показанных) система 1 может представлять собой совместную генерирующую систему, которая генерирует механическую энергию посредством газотурбинного двигателя 3 и нагретый пар в теплоутилизационном парогенераторе 11, причем нагретый пар используется для целей, отличных от генерации электроэнергии в паровой турбине.

Отработанные дымовые газы из теплоутилизационного парогенератора 11 отводятся через дымоход 25. Отработанные дымовые газы по-прежнему содержат остаточное количество кислорода, которое по меньшей мере частично используется в процессе дожигания в теплоутилизационном парогенераторе 11 с целью увеличения содержания диоксида углерода в дымовых газах.

Поток дымовых газов из дымохода 25 разделяется на основной поток, который подается по линии 29 в блок 31 улавливания диоксида углерода, и на рециркулированный поток, который подается по рециркуляционному трубопроводу 33, включающему в себя нагнетательный вентилятор 35, обратно в теплоутилизационный парогенератор и, более конкретно, в дожигатель 37 теплоутилизационного парогенератора 11. Позицией 39 обозначен топливный трубопровод, подающий топливо в дожигатель 37. Дымовые газы из газотурбинного двигателя 3 смешивают с потоком рециркулируемых дымовых газов из рециркуляционного трубопровода 33 и смешивают с топливом из топливного трубопровода 39 для сжигания топлива в дожигателе 37.

Дожигание в дожигателе 37 увеличивает молярный процент (%моль) диоксида углерода и уменьшает остаточное содержание кислорода в дымовых газах, подаваемых в блок 31 улавливания диоксида углерода. Дополнительная тепловая энергия, генерируемая дожиганием в теплоутилизационном парогенераторе 11, генерирует дополнительное количество пара, т. е. количество пара, генерируемого теплоутилизационным парогенератором, увеличивается по отношению к количеству пара, генерируемого теплоутилизационным парогенератором, не содержащим дожигатель, за счет более высокой тепловой энергии, обеспечиваемой при сжигании топлива, которое подается через топливный трубопровод 39.

Блок 31 улавливания диоксида углерода может быть основан на любой подходящей технологии улавливания диоксида углерода. В некоторых вариантах осуществления блок 31 улавливания диоксида углерода может быть основан на так называемом процессе аммонизации с охлаждением (CAP), при котором дымовые газы охлаждают, а диоксид углерода удаляют из него с использованием раствора аммиака. В соответствии с другими вариантами осуществления блок 31 улавливания диоксида углерода может осуществлять смешанный солевой процесс, или может включать в себя, например, установку мембранного разделения, или может быть основан на любом другом технически и экономически осуществимом процессе улавливания диоксида углерода.

Независимо от характера процесса разделения и удаления диоксида углерода, используемого блоком 31 улавливания диоксида углерода, эффект обработки дымовых газов в блоке 31 улавливания диоксида углерода заключается в удалении по меньшей мере части диоксида углерода из дымовых газов, подаваемых через линию 29. Через линию 41 в атмосферу выбрасываются дымовые газы с низким содержанием CO₂, содержащие пониженное количество углекислого газа или не содержащие углекислого газа. Углекислый газ, удаляемый из дымовых газов, образует поток, почти полностью состоящий из диоксида углерода, который подается через выпускной канал 43 углекислого газа. Углекислый газ из выпускного канала 43 может храниться в подходящих местах хранения CO₂, таких как, например, заброшенные нефтяные и газовые месторождения, глубокие соленосные формации или другие места хранения, приспособленные для этой цели.

В некоторых вариантах осуществления часть пара, генерируемого теплоутилизационным парогенератором 11, может быть использована для работы блока 31 улавливания диоксида углерода, в который пар может подаваться по паропроводу 47 непосредственно из теплоутилизационного парогенератора 11. В дополнение к паропроводу 47 или в качестве альтернативы ему пар может подаваться в блок 31 улавливания диоксида углерода также по линии, которая отводит частично расширившийся пар из паровой турбины 15, в частности, из секции 15.2 паровой турбины низкого давления, как показано на иллюстрации линией 47X, или из секции 15.1 паровой турбины высокого давления (не показана).

Рециркуляция выхлопных газов через рециркуляционный трубопровод 33 и дожигание в дожигателе 37 повышают эффективность блока 31 улавливания диоксида углерода благодаря более высокой концентрации диоксида углерода в дымовых газах, обрабатываемых с помощью блока 31 улавливания диоксида углерода. Общая эффективность системы 1 снижается из-за увеличения количества топлива, необходимого для работы дожигателя, но повышенная эффективность улавливания углекислого газа делает систему экономически ценной и экологичной благодаря значительному сокращению (примерно на 90%) выбросов парниковых газов.

Молярный процент диоксида углерода в дымовых газах, подаваемых по линии 29 в блок 31 улавливания диоксида углерода, может быть увеличен с 3–3,2% (что является нормальным молярным процентом диоксида углерода в дымовых газах газовой турбины без дожигания или рециркуляции отработавших дымовых газов в теплоутилизационном парогенераторе) до примерно 8,2–8,5%.

Для улучшения результатов с точки зрения повышенного молярного процента диоксида углерода в дымовых газах, выделяемых теплоутилизационным парогенератором 11, предусмотрена линия 51 отвода диоксида углерода, которая соединяет выпускной канал 43 диоксида углерода с блоком 53 подготовки топлива, который может подавать топливо в камеру 3.2 сгорания газовой турбины (топливный трубопровод 4) и/или в дожигатель 37 (топливный трубопровод 39). Диоксид углерода из нагнетательного канала 43, находящийся под давлением около 120 бар, смешивается с топливом, и смесь топлива и CO₂ подается в камеру сгорания газовой турбины 3.2, или в дожигатель 37, или в оба устройства. Количество диоксида углерода, добавляемого в топливо, не оказывает отрицательного влияния на процесс сгорания, но увеличивает общее процентное содержание диоксида углерода в отработавших дымовых газах в дымоходе 25 теплоутилизационного парогенератора 11, тем самым повышая эффективность процесса улавливания диоксида углерода, осуществляемого блоком 31 улавливания диоксида углерода.

С системой, показанной на Фиг. 1, можно ожидать около 8,7–8,8% (моль) диоксида углерода в отработавших дымовых газах, выходящих из теплоутилизационного парогенератора 11 и подаваемых в блок 31 улавливания диоксида углерода. Повышенное молярное содержание диоксида углерода в дымовых газах является полезным с точки зрения эффективности процесса улавливания диоксида углерода, осуществляемого блоком 31 улавливания диоксида углерода.

В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрена линия 60 подачи дополнительного окислителя, через которую окислитель (воздух, чистый кислород или другие кислородсодержащие газовые смеси) поступает в дожигатель 37, как схематически показано на Фиг. 1.

По-прежнему учитывая ссылки на Фиг. 1, на Фиг. 2 показан еще один дополнительный вариант осуществления системы в соответствии с настоящим описанием. Одинаковые номера позиций обозначают те же самые или эквивалентные компоненты или части системы, уже показанные на Фиг. 1 и описанные выше, и не будут подробно описываться повторно.

В системе 1 на Фиг. 2 линия 51 отвода диоксида углерода исключена, и весь поток диоксида углерода, подаваемый блоком 31 улавливания диоксида углерода, удаляется через выпускной канал 43 диоксида углерода.

Чтобы повысить эффективность улавливания диоксида углерода в блоке 31 улавливания диоксида углерода, в варианте осуществления на Фиг. 3 предусмотрен рециркуляционный трубопровод 61 дымовых газов, который соединяет блок 31 улавливания диоксида углерода с воздухозаборником газотурбинного двигателя 3. Впускное отверстие рециркуляционного трубопровода 61 может быть соединено по текучей среде с секцией блока 31 улавливания диоксида углерода, где присутствуют охлажденные дымовые газы. Например, рециркуляционный трубопровод 61 дымовых газов может собирать дымовые газы при температуре в диапазоне от примерно 5 °C до примерно 20 °C, предпочтительно от примерно 5 °C до примерно 15 °C.

Фиг. 5 иллюстрирует схему известной установки для процесса аммонизации с охлаждением для улавливания диоксида углерода. Подробная информация о такой системе изложена, например, в документе Ola Augustons et al., Chilled Ammonia Process Scale-up and Lessons Learned; доступном на www.sciencedirect.com, который был представлен на XIII Международной конференции по технологиям борьбы с парниковым газом, GHGT-13, 14–18, № 2016, г. Лозанна, Швейцария. Система, обозначенная в целом как 81, включает в себя контактный охладитель 83, в котором дымовые газы из газовой турбины охлаждаются перед подачей в абсорбер 85 диоксида углерода. Система дополнительно содержит регенератор 87, отгонное устройство 89, станцию 91 промывки водой и контактный нагреватель 93, в котором дымовые газы, из которых удаляется диоксид углерода в абсорбере 85, нагреваются перед выпуском в окружающую среду. Структура и работа системы известны и описаны не будут. Кроме того, схематическое изображение на Фиг. 5 представлено только в качестве примера технологической системы процесса аммонизации с охлаждением. Известно несколько модификаций базовой компоновки системы.

Как правило, часть охлажденных дымовых газов, выходящих из контактного охладителя 83, может быть рециркулирована по рециркуляционному трубопроводу 61 охлажденных дымовых газов по направлению к стороне всасывания воздушного компрессора 3.1, показанного на Фиг. 1–4.

Охлажденные дымовые газы, рециркулируемые через линию 61, подаются на всасывающую сторону воздушного компрессора 3.1 газотурбинного двигателя 3 и смешиваются с воздухом, всасываемым воздушным компрессором 3.1.

Эффект рециркуляции охлажденных дымовых газов двоякий. С одной стороны, процент диоксида углерода в потоке, поступающем в камеру сгорания газовой турбины 3.2, увеличивается, что в свою очередь увеличивает молярный процент диоксида углерода и уменьшает количество остаточного кислорода в дымовых газах, поступающих в теплоутилизационный парогенератор 11. Можно ожидать уменьшения рециркуляции отработавших дымовых газов через линию 33 и нагнетатель 35, что в свою очередь уменьшает количество энергии, необходимой для рециркуляции дымовых газов.

С другой стороны, поскольку температура рециркуляции дымовых газов через линию 61 обычно ниже температуры окружающей среды, ожидается увеличение тепловой эффективности верхнего термодинамического цикла, осуществляемого газотурбинным двигателем 3.

По-прежнему учитывая ссылки на Фиг. 1 и 2, на Фиг. 3 показан еще один вариант осуществления системы 1, при котором усовершенствования, показанные на Фиг. 1 и 2, объединены в общую систему для обеспечения более высокой концентрации диоксида углерода в дымовых газах, обрабатываемых блоком 31 улавливания диоксида углерода. Номера позиций, используемые на Фиг. 1 и 2, также используются на Фиг. 3 для обозначения тех же частей и компонентов системы, которые не будут описываться повторно.

На Фиг. 3 рециркуляционный трубопровод 61 охлажденных дымовых газов и линию 51 отвода диоксида углерода используют совместно для увеличения содержания диоксида углерода в дымовых газах, обрабатываемых блоком 31 улавливания диоксида углерода.

По-прежнему учитывая ссылки на Фиг. 1, 2 и 3, на Фиг. 4 показан альтернативный вариант осуществления для повышения содержания диоксида углерода на стороне всасывания воздушного компрессора 3.1 газотурбинного двигателя 3. Те же номера позиций, которые используются на Фиг. 1 и 2, указывают на те же или эквивалентные части и компоненты, уже описанные в связи с Фиг. 1 и 2, и не будут подробно описываться повторно.

В варианте осуществления, показанном на Фиг. 4, рециркуляционный трубопровод 71 отработавших дымовых газов соединяет выпускной конец газотурбинного двигателя 3 с его впуском. Таким образом, часть дымовых газов, отводимых из секции 3.3 турбины, которая содержит больший процент диоксида углерода по сравнению с атмосферным воздухом, из-за процесса горения смешивается с окружающим воздухом для увеличения процента диоксида углерода в воздухе горения, подаваемом в камеру 3.2 сгорания газовой турбины. Это приводит к более высокой концентрации диоксида углерода в дымовых газах в дымоходе 25 и, в конечном счете, в дымовых газах, обрабатываемых с помощью блока 31 улавливания диоксида углерода.

Перед смешиванием со свежим воздухом рециркулируемые отработавшие дымовые газы в рециркуляционном трубопроводе 71 отработавших дымовых газов охлаждают в охладителе 73, расположенном вдоль рециркуляционного трубопровода 71 отработавших дымовых газов. Рециркулируемые дымовые газы в рециркуляционном трубопроводе 71 отработавших дымовых газов могут подвергаться очистке потока, направленной на удаление частиц или других загрязнений из отработавших дымовых газов, которые могут вредить работе газотурбинного двигателя 3. Для этой цели вдоль рециркуляционного трубопровода 71 отработавших дымовых газов, предпочтительно ниже по потоку от охладителя 73, предусмотрен типовой блок 75 очистки потока.

Тепловая энергия (стрелка Q), удаляемая из рециркулируемых отработавших дымовых газов, протекающих по рециркуляционному трубопроводу 71 отработавших дымовых газов, может быть использована в одной или более секциях системы 1 или в отдельном процессе или системе (не показана). Например, тепло от охладителя 73 может быть использовано для предварительного нагрева топлива, подаваемого в дожигатель 37 и/или в камеру 3.2 сгорания газовой турбины. Тепловая энергия Q из охладителя 73 также может использоваться в блоке 31 улавливания диоксида углерода и/или в нижнем цикле 13, например, для предварительного нагрева воды из конденсатора 19 перед подачей в теплоутилизационный парогенератор 11.

На Фиг. 4 рециркуляционный трубопровод 61 охлажденных дымовых газов (Фиг. 2 и 3) не используется. Однако комбинация рециркуляционных трубопроводов 71 и 61 в одной и той же системе не исключена. Кроме того, в настоящем документе также описана система 1, содержащая комбинацию рециркуляционных трубопроводов 61 и 71, но без линии 51 отвода диоксида углерода.

На Фиг. 6 представлена блок-схема, обобщающая способ в соответствии с настоящим описанием. Способ, проиллюстрированный на Фиг. 6, включает этап 101 подачи воздуха и топлива в газотурбинный двигатель 3 и генерации с его помощью механической энергии. На этапе 102 отвод потока дымовых газов из газотурбинного двигателя 3 направляется через теплоутилизационный парогенератор 11. На следующем этапе 103 топливо подается в дожигатель 37 теплоутилизационного парогенератора 11, а в теплоутилизационном парогенераторе генерируется пар (этап 104). Как описано выше, дымовые газы, отводимые из теплоутилизационного парогенератора, частично рециркулируются в дожигатель (этап 105), в то время как оставшуюся часть дымовых газов обрабатывают в блоке 31 улавливания диоксида углерода для удаления из них диоксида углерода (этап 106). Поток газов, содержащий диоксид углерода, из блока улавливания диоксида углерода возвращается в газотурбинный двигатель и/или в дожигатель (этап 107).

Типовые варианты реализации изобретения были описаны выше и проиллюстрированы в прилагаемых графических материалах. Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения, опущения и добавления можно внести в то, что конкретно описано в настоящем документе, без отступления от объема изобретения, определенного в следующей формуле изобретения.

Например, может быть предусмотрена дополнительная линия 26 подачи топлива и дополнительная линия 28 подачи кислорода или воздуха для подачи низкокачественного топлива в дожигатель и, при необходимости, дополнительного кислорода. В то время как топливо, подаваемое через топливный модуль 53 в газотурбинный двигатель, может представлять собой газообразное топливо или любое другое высококачественное топливо, дополнительная линия 26 подачи топлива может подавать топливо, отличное от топлива, подаваемого топливным модулем 53, например, менее благородное топливо, такое как уголь, отходы других процессов, например продукты, обычно предназначенные для сжигания в факеле, и т. п. При необходимости в дополнительной линии подачи топлива может быть предусмотрена установка предварительной обработки топлива, или на выходе из дожигателя или теплоутилизационного парогенератора может быть предусмотрена установка доочистки газа сгорания.

Газотурбинная система (1) включает в себя газотурбинный двигатель (3), первый топливный трубопровод (4), выполненный с возможностью подачи топлива в газотурбинный двигатель (3), теплоутилизационный парогенератор (11), выполненный с возможностью приема дымовых газов, отводимых из газотурбинного двигателя (3), и второй топливный трубопровод (39), выполненный с возможностью подачи топлива в дожигатель (37) теплоутилизационного парогенератора (11). Блок (31) улавливания диоксида углерода соединен по текучей среде с дымоходом (25) теплоутилизационного парогенератора (11). Рециркуляционный трубопровод (33) рециркулирует дымовые газы из дымохода (25) теплоутилизационного парогенератора (11) в дожигатель (37) в теплоутилизационном парогенераторе (11). Возвратная линия (51; 61) диоксида углерода рециркулирует поток газов, содержащий диоксид углерода, из блока (31) улавливания диоксида углерода по направлению к газотурбинному двигателю (3) или дожигателю (37). В настоящем документе также описан способ генерации электроэнергии с улучшенным улавливанием диоксида углерода. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газотурбинная система (1), содержащая: газотурбинный двигатель (3); первый топливный трубопровод (4), выполненный с возможностью подачи топлива в газотурбинный двигатель (3); теплоутилизационный парогенератор (11), выполненный с возможностью приема дымовых газов, отводимых из газотурбинного двигателя (3); второй топливный трубопровод (39), выполненный с возможностью подачи топлива в дожигатель (37) теплоутилизационного парогенератора (11); блок (31) улавливания диоксида углерода, соединенный по текучей среде с дымоходом (25) теплоутилизационного парогенератора (11) и выполненный с возможностью улавливания диоксида углерода из дымовых газов, отводимых из теплоутилизационного парогенератора (11); рециркуляционный трубопровод (33), выполненный с возможностью рециркуляции дымовых газов из дымохода (25) теплоутилизационного парогенератора (11) в дожигатель (37) в теплоутилизационном парогенераторе (11); и по меньшей мере одну возвратную линию (51; 61) диоксида углерода, выполненную с возможностью рециркуляции потока газов, содержащего диоксид углерода, который по меньшей мере частично обработан блоком (31) улавливания диоксида углерода, по направлению к по меньшей мере одному из указанного газотурбинного двигателя (3) и указанного дожигателя (37).

2. Газотурбинная система (1) по п. 1, дополнительно содержащая нижний термодинамический цикл (13), который включает в себя паровую турбину (15), выполненную с возможностью расширения пара, генерируемого теплоутилизационным парогенератором (11), и получения из него механической энергии.

3. Газотурбинная система (1) по п. 2, дополнительно содержащая электрический генератор (17), соединенный с возможностью передачи приводного усилия с паровой турбиной (15).

4. Газотурбинная система (1) по пп. 1, 2 или 3, дополнительно содержащая электрический генератор (5), соединенный с возможностью передачи приводного усилия с газотурбинным двигателем (3).

5. Газотурбинная система (1) по одному или более из предшествующих пунктов, в которой возвратная линия диоксида углерода содержит линию (51) отвода диоксида углерода, соединенную по текучей среде с выпускным каналом (43) диоксида углерода блока (31) улавливания диоксида углерода и с блоком (53) подготовки топлива, соединенным по текучей среде с по меньшей мере одним из первого топливного трубопровода (4) и второго топливного трубопровода (39); при этом в процессе эксплуатации диоксид углерода, отводимый через линию (51) отвода диоксида углерода, подмешивают в топливо.

6. Газотурбинная система (1) по одному или более из предшествующих пунктов, в которой возвратная линия диоксида углерода содержит рециркуляционный трубопровод (61) охлажденных дымовых газов, соединенный по текучей среде с блоком (31) улавливания диоксида углерода и со стороной всасывания воздушного компрессора (3.1) газотурбинного двигателя (3); в процессе эксплуатации рециркуляционный трубопровод (61) отводит объем охлажденных дымовых газов из блока (31) улавливания диоксида углерода к воздушному компрессору (3.1) газотурбинного двигателя (3).

7. Газотурбинная система (1) по одному или более из предшествующих пунктов, дополнительно включающая в себя рециркуляционный трубопровод (71) турбины, имеющий впускное отверстие, соединенное по текучей среде с выходом турбинной секции (3.3) газотурбинного двигателя (3), и выпускное отверстие, соединенное по текучей среде со стороной всасывания воздушного компрессора (3.1) газотурбинного двигателя (3); при этом в процессе эксплуатации объем дымовых газов из турбинной секции (3.3) газотурбинного двигателя (3) рециркулируют на сторону всасывания воздушного компрессора (3.1) газотурбинного двигателя (3) через рециркуляционный трубопровод (71) турбины.

8. Газотурбинная система (1) по п. 7, в которой рециркуляционный трубопровод (71) турбины включает в себя охладитель (73).

9. Газотурбинная система (1) по п. 7 или 8, в которой рециркуляционный трубопровод (71) турбины включает в себя блок (75) очистки потока.

10. Способ генерации электроэнергии с помощью газотурбинной системы, включающий следующие этапы: подача воздуха и топлива в газотурбинный двигатель (3) и генерация с его помощью механической энергии; пропускание потока дымовых газов, выходящих из газотурбинного двигателя (3), через теплоутилизационный парогенератор (11); подача топлива в дожигатель (37) теплоутилизационного парогенератора (11); генерация пара в теплоутилизационном парогенераторе; рециркуляция части дымовых газов, выходящих из теплоутилизационного парогенератора (11), в дожигатель (37); переработка оставшихся дымовых газов, выходящих из теплоутилизационного парогенератора, в блоке (31) улавливания диоксида углерода и удаление диоксида углерода из дымовых газов; и рециркуляция потока газов, содержащего диоксид углерода, из блока (31) улавливания диоксида углерода по направлению к по меньшей мере одному из указанного газотурбинного двигателя (3) и указанного дожигателя (37).

11. Способ по п. 10, дополнительно включающий этап генерации механической энергии в нижнем термодинамическом цикле (13), включающем в себя паровую турбину (15), с использованием пара, генерируемого теплоутилизационным парогенератором (11).

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий этап преобразования механической энергии, генерируемой паровой турбиной, в электрическую энергию.

13. Способ по пп. 10, 11 или 12, дополнительно включающий этап преобразования механической энергии, генерируемой газотурбинным двигателем (3), в электрическую энергию.

14. Способ по одному или более из пп. 10–13, в котором этап рециркуляции потока газов, содержащего диоксид углерода, включает этап смешивания рециркулируемого потока газов, содержащего диоксид углерода, с топливом, подаваемым в по меньшей мере один из указанного газотурбинного двигателя (3) и указанного дожигателя (37).

15. Способ по одному или более из пп. 10–14, в котором этап рециркуляции потока газов, содержащего диоксид углерода, включает этап отвода дымовых газов, охлажденных в блоке (31) улавливания диоксида углерода, на сторону всасывания газотурбинного двигателя (3).

16. Способ по одному или более из пп. 10–15, дополнительно включающий этап рециркуляции дымовых газов, выходящих со стороны нагнетания газотурбинного двигателя (3), на сторону всасывания газотурбинного двигателя (3).