连续燃烧和CO2排放减少的热电设备以及操作此类型设备的方法

摘要

本发明描述了一种连续燃烧和CO2排放减少的热电设备，其包括经由每种情况下至少一个流动通道串联连接的以下组成部分：燃烧进料空气压缩机单元(1)，第一燃烧室(2)、高压涡轮级(3)、第二燃烧室(4)和低压涡轮级(5)，对于第二燃烧室和/或低压涡轮级可被供以用于冷却目的的冷却气流。本发明还描述了操作此类型热电设备的方法。本发明的改进之处在于：具有循环管线(6)，该循环管线将至少一些来自低压涡轮级(5)的废气流进料至压缩机单元(7)，具有冷却管线(8)，该冷却管线将至少一些压缩的来自压缩机单元(7)的废气流作为用于冷却目的的冷却气流进料至第二燃烧室(4)和/或低压涡轮级(5)，在冷却管线(8)中提供CO2分离单元(9)，其将至少一些CO2分离出冷却气流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续燃烧和CO₂排放减少的热电设备，优选气轮机设备，其包括经由在各种情况下至少一个流动通道而串联连接的以下组成部分：燃烧进料空气压缩机单元、第一燃烧室、高压涡轮级、第二燃烧室和低压涡轮级，第二燃烧室和/或低压涡轮级可被供以用于冷却目的的冷却气流。本发明还描述了一种操作上述类型的热电设备的方法。

背景技术

在全球变暖的情况下，一段时间以来已经努力减少温室气体、尤其是CO₂向大气中的排放。在此方面已经得到了很多进展，导致在化石燃料燃烧过程中产生的CO₂被部分地完全分离出去。在此方面，通过在燃烧室燃烧来产生电能用于驱动气轮机设备是特别值得注意的，由其排放的废物形成人类产生的排放体积的相当大比例。为了减少由气轮机设备产生的CO₂向开放大气的排放，已经有了由气轮机的废气流分离出CO₂公知技术，其是在最高可能压力下通过使废气流循环来分离CO₂。从根本上来讲，在废气流中的CO₂分压越高，则CO₂分离的效率越好。为了增加废气流的压力，以本身已知的方式，利用气轮机的燃烧进料空气压缩机单元压缩废气流，用新鲜空气稀释循环的废气流，结果是在一方面待被压缩机单元压缩的燃烧进料空气的氧含量减少，再者也使循环的废气的CO₂浓度减少。较低氧含量的结果是，通过循环的废气路线形成的压缩的混合空气当经由气轮机设备流动时，然后进料到燃烧器中，在燃烧器中，混合空气通过混合燃料转化为可燃的燃料/空气混合物，最后在燃烧室中点燃，尤其在某些情况下，发生所谓的燃烧不稳定，其中燃烧室内发生的燃烧无任何过量氧。这样性质的燃烧不稳定性一方面导致高CO排放，另一方面导致形成热声振荡，其会大大妨碍气轮机设备的操作。另一方面，在循环的、压缩的废气流中已经通过混合燃烧进料空气而减少的CO₂含量导致较低的CO₂分离效率。本发明试图补救此形式，提供一种操作气轮机设备的方式，其容许由循环的废气流中有效分离出CO₂，而不对稳定的燃烧器性能具有长期作用。

发明内容

本发明的目的是开发一种根据权利要求1前序部分的连续燃烧并CO2排放减少的热电设备，优选气轮机设备，其方式使得由气轮机设备的废气流分离CO₂的效率可被最优化，使设备工程技术方面的支出尽可能低，并且在操作性能、尤其在气轮机设备的排放方面不会具有长期的副作用。本发明的措施是进一步提供对已经运转的气轮机设备改装的选择。再者，本发明此方面的一个目的是提供操作气轮机的相应方法。

实现本发明目的技术方案在权利要求1中给出。权利要求16的主题是操作热电设备、尤其是气轮机的方法。有利地发展本发明构思的特征形成从属权利要求的主题，尤其可在说明书的示例性实施方案中找到。

本发明公开了一种连续燃烧和CO₂排放减少的热电设备、优选气轮机，其包括经由每种情况下至少一个流动通道串联连接的以下组成部分：燃烧进料空气压缩机单元、第一燃烧室、高压涡轮级、第二燃烧室和低压涡轮级，第二燃烧室和/或低压涡轮级可被供以用于冷却目的的冷却气流，其改进方式是提供循环管线，其将至少一些来自低压涡轮级的废气流进料至冷却单元。至少一些来自冷却单元的压缩的废气流作为用于冷却目的的冷却气流经由冷却管线进料至第二燃烧室和/或低压涡轮级，结果是暴露于在第二燃烧室内形成的热气体中的气轮机组成部分可被有效地冷却。再者，在冷却管线中提供CO₂分离单元，其将至少一些CO₂分离出冷却气流。本发明因此实质上基于连续燃烧的气轮机设备，其中利用相应设置的压缩机单元，将循环气体压缩至发生CO₂分离的中等压力，并且其还容许消耗CO₂的废气流作为冷却气流在所述中等压力水平下进料至第二燃烧室中，并且优选也进入至低压涡轮级中用于冷却目的。为了有效地冷却的目的，预压缩的、循环废气流在进入CO₂分离单元之前，其流过冷却器。通过连续燃烧，用于冷却第二燃烧室的那部分冷却气流被升温回到低压涡轮机的工作温度，结果是没有效率损失。进一步的细节可参考附图在示例性实施方案中找到。

在优选实施方案中，称作连续燃烧器级的第二燃烧室的燃烧提供部分氧化的用途，其中，为了设置化学计量燃烧，第二燃烧室与氧化单元结合，通过该氧化单元，用于第二燃烧室燃烧的燃料至少部分氧化，释放氢气，并点燃，至少与消耗掉CO₂的废气流一起用作冷却气体，以形成化学计量的燃料/氧气混合物。来自高压涡轮级的热气体可以与冷却气流成比例地混合至在冷却的、消耗CO₂的废气流中存在的氧含量。在本文中，可由以下描述的示例性实施方案得到进一步的细节。

原则上，循环废气流的压缩可在燃烧进料空气压缩机单元的低压压缩机部分内进行，然而在此情况下，结果是混合有新鲜空气，所带来的缺点在以下介绍中描述。在特别有利的实施方案中，废气压缩机单元被提供作为压缩循环废气流的额外部分，用于增加废气流的压力至特定的中等压力水平，以便作为冷却气体被向上进料流入上述连续的燃烧器单元，并且流入低压涡轮级。

因此，本发明的操作具有连续燃烧和减少CO₂释放的热电设备的方法的特征在于以下事实：至少一些来自低压涡轮级的废气被循环、压缩并且进料至CO₂分离，以得到CO₂，并且消耗CO₂的废气流被提供作为冷却气流用于冷却目的。

本发明的简要描述

以下将在示例性实施方案的基础上通过实施例、并且参考附图来描述本发明，但并不限制本发明总的构思。

图1所示为本身已知的具有连续燃烧的气轮机(现有技术)

图2-7所示为连续燃烧和减少CO₂含量的废气流的本发明的气轮机设备的示意性工艺流程图。

实施本发明的方式、工业应用性

图1所示为本身已知的具有连续燃烧的气轮机装置的示意性的、简化的工艺流程图。该气轮机设备基本上包括高压涡轮级3和低压涡轮级5，位于这两个级之间的是连续燃烧4。进料空气L在燃烧进料空气压缩机单元1中经由两个压缩机级LP、HP被压缩至高压水平。此空气与燃料B预混合，并且在标准燃烧室2中燃烧。在燃烧室3中产生的热气体然后在高压涡轮级3中膨胀至中等压力。因为来自第一个轻微预混燃烧的热气体仍含有超过半数的原始氧含量，所以在特定连续燃烧室4的上游立即再次混合燃料B并点燃。此再加热的热气体在低压涡轮级5的下游膨胀至大气压，膨胀的热气体以废气流A的形式完全被释放到开放大气中。对于已经在低压压缩机部分LP中预压缩的燃烧进料空气中的一些，特别有利的是将其分叉并利用冷却单元KAI来冷却，然后为了冷却目的进料至连续燃烧室4中，并且也进料至低压涡轮级5中。

由上述的并且本身公知的具有连续燃烧和分级操作的气轮机设备进行，根据图2所示的示例性实施方案，来自低压涡轮级5的废气A经由循环管线6循环入用于低压压缩机单元7的进料空气流中，在压缩机单元7中，循环的废气流与进料空气混合，并且压缩至中等压力水平。循环废气A有利地沿着循环管线6流过热交换器单元D，在热交换器D处，热量转移到循环水蒸汽中，例如用于驱动汽轮机的循环水蒸汽(未更详细地显示)。再者，循环管线6提供了冷却器单元KAI，其中首先冷却废气，并通过冷凝来除湿。

已经通过低压冷却器部分LP预压缩至中等压力的废气然后经由冷却管线8通入CO₂分离单元9，其中由于占优势的高中等压力水平而发生非常有效的CO₂分离，在CO₂分离单元9的上游有利地提供另外的冷却器单元KA2。本身已知的分离装置，例如基于MEA或物理作用分离器、例如基于膜的化学吸收，适合于CO₂分离单元。介于70-99％的CO₂分离器效率可借助于此类型的CO₂分离单元来实现。为了冷却目的，来自CO₂分离单元9的消耗CO₂废气流通入连续燃烧器单元4和低压涡轮级5，连续燃烧的结果是：用于冷却第二燃烧室的那部分冷却气流升温回到低压涡轮机的工作温度，从而没有效率损失。

只要连续压缩机级4使用过量氧气操作，在燃烧室内就形成空气动力学稳定的预混物火焰前锋，即燃烧操作是稳定的。然而，如果循环废气量增加至使得进料至第一燃烧室2的高压缩燃烧空气中的氧含量仅刚刚足以完成所供应燃料B燃烧的量，那么连续燃烧器级4中的燃烧在甚至更低的进入氧含量下发生，而无氧过量。虽然为了实现特别高水平的CO₂除去结合最大可能的废气循环，此状态是特别希望的，另外在此类型的操作模式下，在各燃烧区内的最小氧含量导致非常低的NOx排放值，但是经验显示在这些燃烧条件下，产生燃烧不稳定，例如热声振荡、高CO排放和预混物火焰的突然熄灭。面对这些负面燃烧现象，同时为了能够开发出已经描述的在化学计量氧条件下的优点，利用了所谓的部分氧化。在此，也参考图3所示的示例性实施方案，其说明了一个气轮机装置的工艺流程图，除了改变连续燃烧器级4，其余的与图2所说明的工艺流程图相同。为了避免重复，对于已经在图2中描述的附图标记的解释，参考上面给出的相应示例性实施方案。

在下文中，假设循环废气混合入燃烧进料空气L中至程度为：使得用于燃烧室2的进料空气中的氧含量刚刚足以用于所供应的燃料B的燃烧。如上面所解释的，在燃烧室4中的连续燃烧在缺乏氧的条件下发生。为了避免上面描述的相关缺点，燃料B首先在氧缺乏条件下于氧化单元11中反应。氧化单元11被有利地设计为这样一个催化剂单元：一方面被加入待氧化的燃料B，另一方面加入氧的量为理论氧需求的20-75％，以完全氧化所述燃料。所述量的供应的氧经由进料管线10导入，该进料管线10使来自冷却管线8的消耗CO₂的废气部分分叉。如果消耗CO₂的废气流中所包含的氧含量不足以满足进行部分氧化所续的氧含量，那么对于来自高压涡轮级3的热气体中的一些，可另外与消耗CO₂废气流经由进料管线12混合，以便进料到氧化级11中。

在氧化级11内部分氧化的结果是，一些氢气由燃料B的烃化合物分离出来，并且在部分氧化级11之后以自由氢的形式存在于进入连续燃烧级4之前的热出口混合物中。如果然后将来自高压涡轮级3的热气体与含有氢组分的此气体混合物一起进料到连续燃烧级4，那么存在的氢的高压和高反应性导致仍以氢、CO和残留烃存在的燃料的自发反应和完全燃烧。此燃烧器混合物的高反应性特别有利地导致在连续燃烧级4内的稳定燃烧，从而可完全避免热声振荡、高CO释放和预混合物燃烧器火焰熄灭方面的在介绍中提到的缺点。

在实施部分氧化的有利的实施方案中，在连续燃烧级4内使用燃料进料喷枪是适当的，在该连续燃烧级4内，因为需要释放氢气，通过使用催化剂而发生所供应燃料B的反应。

虽然上述措施用于优化在燃烧室2和4中发生的燃烧过程，但根据本发明，主要任务是减少由气轮机装置中释放的废气的CO₂含量。进料至本发明冷却管线8中使用的CO₂分离单元9中的CO₂浓度越高，所述分离单元就越高效率地运转。为实现此目的，在图2和3所示的示例性实施方案中，利用燃烧进料空气压缩机单元1的低压压缩机部分LP来预压缩循环废气。然而，此实施方案的一个缺点是：循环废气与所供应的进料空气L混合，并因此他们在低压压缩机部分LP内被压缩在一起。因此，稀释的、预压缩的废气流流入CO₂分离单元9中。为了避免此“稀释效应”，参照图4所示示例性实施方案，计划将分离压缩机用于循环废气。为此目的，将单独的废气压缩机单元7设置在共同轴W上，燃烧进料空气压缩机单元1和高压及低压涡轮级3、5沿该共同轴W布置，所述单独的废气压缩机单元7中仅循环废气经由循环管线6被压缩并且然后经由冷却器单元KA2进料到CO₂分离单元9中。在此方式中，在废气中保持高CO₂浓度，结果是可增加CO₂分离单元9的效率。在燃烧过程的化学计量运转模式的情况下，如上所述，废气不再含有任何氧气，并且因此也可不再例如通过部分氧化用于燃烧。因此，图4所示示例性实施方案的工艺流程图不是提供部分氧化级，而是减少CO₂的废气现在仅在连续燃烧级4和低压涡轮级5内用于冷却目的。提供循环管线13用于设定在燃烧室2、4内燃烧过程的化学计量操作模式，经由所述燃烧室2、4，为了与进料空气L计量混合，将已经在废气压缩机单元内压缩的循环废气在流过CO₂分离单元9之后，直接以冷却的方式、或以减少CO₂的方式进料至高压压缩机级HP。

在循环废气流超过CO₂分离单元9的摄取容量的形式下，任选使用旁路管线14使CO₂分离单元9分流作为压缩和冷却的循环废气流的部分。

图5说明了另一示例性实施方案，其类似于图4所示的示例性实施方案，提供了单独的CO₂压缩机级7；另外，通过部分氧化发生连续燃烧，进料到部分氧化级11的氧量经由旁路管线15提供，该旁路管线15位于低压压缩机部分LP的下游，容许一些预压缩的进料空气L从容地流入氧化单元11，其中燃料被部分氧化，释放氢气。替代旁路管线或与旁路管线15结合，来自高压涡轮级3的热气体也可经由进料管线12进料到氧化单元11中，以便实施燃料B的部分氧化。

上述所有的示例性实施方案都涉及气轮机设备，沿其单轴W布置发电机单元1、燃烧进料空气压缩机单元1和高压涡轮级3和低压涡轮级5。在循环废气于单独的废气压缩机单元7中压缩的情况下，该单独的废气压缩机单元7也沿共同轴7布置。

不仅仅促进在已经运行的气轮机设备中本发明措施的改变，推荐将用于压缩循环废气的压缩机单元布置在单独驱动的轴上。此类型的气轮机设备的工艺流程图在图6中说明。如果使用已经在图2中描述的工艺流程图作为基础，图6中所示的气轮机设备的区别之处在于还提供了另一个轴W′，其通过包括高压涡轮机部分3′和低压涡轮机部分5′的独立的气轮机来驱动。高压涡轮机部分3′和低压涡轮机部分5′各自用热气体进料，所述热气体各自来自燃烧室2′和4′。为了向燃烧室2′和4′供应以燃烧所需的燃烧进料空气，类似于高压压缩机级HP，高压压缩机级HP′被供应以预压缩的进料空气L，该预压缩的进料空气L源自燃烧进料空气压缩机单元1的低压压缩机级LP。相反，循环废气经由循环管线6进料到燃烧进料空气压缩机单元1′的低压压缩机级LP′中，并压缩至中等压力，该循环废气不与燃烧进料空气混合，而是仅经由冷却出口管线通入CO₂分离单元9中。

在低压压缩机级LP′内独立压缩循环废气的结果是，高压缩、尤其是高浓度的CO₂废气流被进料到CO₂分离单元中，然后CO₂可从废气流中非常有效率地分离出来。如以上示例性实施方案所描述的，大量减少CO₂的废气流同样为了冷却目的进料到连续燃烧室4和4′中，也进料到低压涡轮级5和5′中。

虽然图6说明的气轮机设备可相当程度地减少来自气轮机装置的废气流A的CO₂含量，但是由于系统原因，不可能将CO₂完全分离出排入开放大气的废气流。这是因为低压涡轮级5的废气组分包含在废气流A中，并且由于缺乏循环而保留在废气流中。然而，也为了最小化这些组分，提供了最后的图7所示的示例性实施方案用于部分氧化。图7所说明的工艺流程图代表对图6所说明的工艺流程图在已经参照图5所描述的部分氧化方面的改进。在图7所示的示例性实施方案中，旁路管线15、15′用于准确提供占完全氧化所需理论氧量20-75％的氧气，其与催化燃料转化导致的氢气释放相结合，产生确保稳定燃烧过程的反应性可燃混合物。

附图标记表

1、1′        燃烧进料空气压缩机单元

2、2′        第一燃烧室

3、3′        高压涡轮级

4、4′        第二燃烧室、连续燃烧室

5、5′        低压涡轮级

6             循环管线

7             缩机单元

8             冷却管线

9             CO₂分离单元

10            出口管线

11            氧化单元

12            出口管线

13            返回管线

14            旁路管线

15            旁路管线

A             废气

D             热交换器单元

KA1、KA2      冷却器单元

G             发电机

LP、LP′      低压压缩机级

HP、HP′      高压压缩机级

B             燃料