專利名稱：低排放熱電廠的制作方法
技術領域：
本發明涉及在燃燒產物膨脹到大氣壓之前調整增壓的非絕熱燃燒室內燃燒產物中CO2含量的方法，實施該方法的裝置，和利用該方法的熱電廠。
背景技術：
在過去150年中，大氣中CO2的濃度增加近30％。甲烷的濃度增加一倍，而氮氧化物的濃度約增加15％。這增加了大氣的溫室效應，它導致以下的結果●地球表面的平均溫度在過去的100年中約提高0.5℃，且在過去的10年中有加速的趨勢。
●在相同的周期內降雨約增加1％。
●由于冰川融化和因水升溫而膨脹使海平面升高15至20cm。
我們預期，溫室氣體的增長排放使氣候將繼續發生變化。在未來的50年中溫度可以升高0.6℃至2.5℃。學術界普遍認為，礦物燃料的增長利用使CO2的排放按指數方式增加，本質上已改變自然的CO2平衡，它是這種發展的直接原因。
重要的是，立即采取行動以穩定大氣中的CO2含量。若收集熱電廠中產生的CO2和安全地存放，這種情況是可以實現的。人們認為，收集CO2表示3/4的總成本用于控制CO2排放到大氣中。
因此，我們需要一種從排放氣體中去除大部分CO2的節能，低成本，耐用和簡單的方法以緩解這種情況。若無需長期研究的不久將來可以實現這種方法是十分有益的。
熱電廠排放的氣體通常包含4％至10％體積比的CO2，其中燃氣輪機通常有最低值，而在形成蒸汽的冷卻時僅在燃燒室中達到最高值。
有三種可以穩定大氣中CO2含量的機會。除了捕獲CO2以外，可以利用諸如生物量的非污染能源，或可以開發非常有效的熱電廠。捕獲CO2是經濟效果最好的。然而，相對少的研發工作用于捕獲CO2，至今實施方法的特征是低效率或需要十分長期和昂貴的研發工作。所有捕獲CO2的方法包含一個或多個以下的原理●吸收CO2在接近大氣壓下使燃燒后的廢氣與胺溶液接觸。一些CO2在胺溶液中被吸收，通過加熱可以再產生胺溶液。這種技術的主要問題是，在需要凈化的氣體中我們處理低的CO2分壓，通常為0.04巴。能量消耗變得非常高(約高于凈化1.5巴CO2分壓的3倍)。凈化熱電廠變得非常昂貴，而凈化程度和熱電廠規模是限制因素。所以，研發工作集中到增大CO2的分壓。另一種方案是，廢氣被冷卻并通過燃氣輪機再循環。這種方案的效應由于燃氣輪機的性質是非常有限的。另一種方案是，壓縮需要冷卻的廢氣，再次冷卻，例如，利用胺溶液凈化，在二次燃氣輪機中加熱升溫和膨脹，由它驅動二次壓縮機。按照這種方式，可以升高CO2的分壓，例如，升高到0.5巴，使凈化變得更有效。重要的缺點是，廢氣中氧的分壓也變高，例如，1.5巴，而胺通常在氧的分壓高于0.2巴下迅速地退化。此外，我們需要成本很高的額外設備。存在一次和二次熱電廠的其他組合。
●空氣分離把進入燃燒裝置的空氣分離成氧和氮，在熱電廠中可以利用循環的CO2作為氣態推進劑。不利用氮稀釋形成的CO2，廢氣中的CO2就有相對高的分壓，接近于1巴。于是，可以相對簡單地分離燃燒后的過量CO2，從而可以簡化CO2的收集裝置。然而，這種系統的總成本變得相對地高，因為除了熱電廠以外我們還需要有生產氧的龐大工廠。純氧的生產和燃燒是對安全性的重大挑戰，而且對材料有很大的要求。這還可能非常需要開發新的渦輪機。
●燃料轉換碳氫化合物燃料在稱之為為重整爐的增壓處理裝置中被轉換(再生成)氫和CO2。重整爐的產品包含高分壓的CO2，因此，可以分離和存放CO2或按照其他的方式使用。氫用作燃料。總的熱電廠廠變得復雜和成本昂貴，因為它包含氫生產工廠和熱電廠。
從熱電廠捕獲CO2各種方法的共同特征是，它們都是在實施凈化操作的處理裝置中追求高的CO2分壓。此外，其他一些方法的特征是長期，昂貴和危險的開發工作，典型的期限是15年的研究以及在獲得工作經驗之前需要5至10年以上的時間。對于沒有凈化設備的熱電廠，預期的電效率高達56％至58％，而樂觀地估計有凈化設備的熱電廠為45％至50％。
延長的開發期限對環境是非常不利的。在2002年秋季的聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)會議上，著重強調“迫切需要解決全球性CO2排放的連續指數方式增長”，并使用諸如“盡可能快”和“需要超出京都議定書規定的目標”的詞語。
因此，我們需要能夠克服上述問題的熱電廠，它有以下的特征●不需要長期研發的可實現方案，最好是利用已測試合格的旋轉設備。
●適合于足夠的CO2分壓，從而可以有效地利用常規的吸收裝置，這意味著CO2分壓高達1.5巴。
●捕獲CO2的最低廢氣流體積。
●氧的分壓下降到捕獲CO2的0.2巴，從而使吸收劑的退化減至最小。
●可以有效地凈化NOX，凈化操作通常是在300至400℃的溫度范圍內實施。增壓系統中的凈化操作是最佳的。
●與同類系統一致的效率。
●可以有高于400MW的龐大裝置。
●不需要利用二次發電系統，重整爐，制作氧氣過程或燃料轉換過程。
●在浮動結構的船塢上建造熱電廠，可以實現成本優勢的小型和耐用熱電廠。這就可以在海上裝置上使用。
發明內容
按照本發明，提供一種從含碳燃料中產生電功率的方法，其中燃料是在燃燒室中增壓的有氧環境下燃燒。燃燒后的廢氣被分離成富CO2餾分和貧CO2餾分，對富CO2餾分進行處理，使它不排放到周圍環境中，而在貧CO2餾分排放到周圍環境之前，使它通過一個或多個渦輪機發生膨脹，用于其他過程的運行和/或產生電能，其中在通過汽輪機膨脹產生蒸汽時，燃燒室中的溫度下降，而汽輪機連接到產生電能的發電機。如上所述，在燃燒室中壓力下的燃燒具有很大的優點，在燃燒產物中可以得到高的CO2分壓和低的氧氣分壓，而無須氣體的再循環并且沒有燃燒產物的異常高溫。
例如，從燃燒室內燃燒中取出大于50％，最好大于60％，更好大于70％，或大于80％的蒸汽形式熱能。在取出的大部分能量是蒸汽形式情況下，可以減小效率與重要裝置的依賴關系，例如，高溫增壓熱交換器(600℃以上)，并把這種裝置的使用減至最小。這是通過大大減小這種裝置上負荷實現的。
最好是，在通過渦輪機膨脹之前，利用與貧CO2餾分的熱交換冷卻燃燒室中的廢氣以加熱貧CO2餾分。這導致增大的效率，它是利用廢氣中的熱能驅動渦輪機。
最好是，水和/或空氣添加到凈化的貧CO2餾分以增大貧CO2餾分從燃燒室的熱廢氣中吸取熱量的能力。
類似地，在燃料饋送到燃燒室之前最好對它加熱。我們發現，這可以增大總過程的效率，即，燃料中盡可能多的化學能轉換成電能。
最好是，通過與空氣壓縮機中部分蒸汽流的熱交換使燃料加熱，且其中熱交換之后冷卻的壓縮空氣流提供給貧CO2餾分以增大它的熱容量。
與這種方式進行組合，可以提供大量“廉價”的低壓蒸汽，即，沒有明顯地影響再生產吸收劑的熱電廠效率。與此同時，可以使大部分這種低級能以及一連串壓縮CO2的冷卻器中低級能返回的可能性增大，這是對產生電功率的有用貢獻。收集低級能用于能量生產的細節包括在熱電廠的適當位置上使用增壓空氣-水混合物，它可以使水蒸發，從而在遠遠低于現有壓力的水沸點溫度下取出更多的能量。
這些特征的組合可以實現競爭效率在43.5％至46％范圍內的熱電廠，或更取決于優化程度和CO2凈化程度。應當可能達到90％或更高的凈化程度。
此外，我們描述一種含碳燃料，最好是碳氫化合物的熱電廠，包括燃燒室，其中燃料是在增壓的有氧環境下燃燒；排氣管，用于引導燃燒室中燃燒后廢氣到接觸裝置，使冷卻之后的廢氣與吸收劑接觸，其中大部分CO2被吸收，而廢氣中的其他氣體沒有被吸收；氣管(14)，用于接觸裝置中的未吸收氣體；再加熱裝置，用于重新加熱貧CO2餾分氣體流；膨脹裝置，在排放到周圍環境之前膨脹這種加熱的貧CO2餾分氣體流；和運送裝置，用于從接觸裝置運送有吸收的CO2的吸收劑到堆放處或到吸收劑再生裝置，用于循環到接觸裝置，其中燃燒室包括提供蒸汽的裝置和管路，用于饋送蒸汽到汽輪機進行膨脹。
最好是，熱電廠包括冷凝室，用于廢氣中水的凝結，它安排在接觸裝置之前。按照這種方式，可以去除廢氣燃燒后產生的水分。水在凈化過程中是多余的，因為它可以損傷/破壞吸收劑。
最好是，熱電廠包括提供裝置，用于提供冷凝室中凝結的水給貧CO2餾分以增大這種餾分的熱容量。
最好是，燃燒室包括外殼和內殼，在外殼與內殼之間流動冷卻劑，并且安排用于覆蓋燃燒室內表面的管道，以及通過管道循環水的裝置。
現在參照優選實施例和附圖更詳細地描述本發明，其中圖1是簡化的流程圖，它表示按照本發明燃氣熱電廠的基本實施例；圖2是具有增大效率的另一個實施例；圖3是增壓燃燒室的實施例，其中借助于循環CO2氣體和循環鍋爐用水保護外殼以抵擋燃燒產物的溫度。
具體實施例方式
首先描述圖1所示的基本配置。流程圖與熱電廠的規模無關，但是此處描述的是指400MW的熱電廠。
含氧氣體，例如，空氣，富氧空氣或氧氣，在以下的描述和權利要求書中都稱之為“空氣”，它沿空氣管路1進入熱電廠，和在壓縮機2，2′中被壓縮。壓縮機可以是一級，但最好是，壓縮機2是串聯的兩個或多個壓縮機，最好是在壓縮機2與2′之間有空氣的冷卻，如兩個壓縮機之間冷卻管路3′中空氣的熱交換器45。圖1所示的壓縮機2，2′最好是在本發明有利的工作壓力下，約為16巴。進入的空氣在壓縮機2′中被壓縮到約4巴。壓縮的空氣從壓縮機2′通過管路3′被引入到壓縮機2。在引入到壓縮機2之前，管路3′中的空氣是在兩個壓縮機之間的熱交換器45中被冷卻。在壓縮機2中，空氣進一步壓縮到約16.7巴的壓力。在這種熱電廠中，燃燒所需的空氣約為400kg air/s。
壓縮的空氣從壓縮機2通過管路3被引入到燃燒室6。空氣的壓力調整到燃燒室中的工作壓力，從而使空氣進入燃燒室。此處，壓力必須在燃燒室的工作壓力之上，例如，在0.5巴至1巴之間，如0.7巴。
含碳或碳化合物的燃料，例如，諸如煤氣或汽油的碳氫化合物通過燃料供給管9饋送到燃燒室6。將要進入到燃燒室6的燃料被泵(未畫出)等裝置壓縮到這樣大的壓力，迫使該燃料進入燃燒室。因此，此時的壓力必須在燃燒室的工作壓力之上，例如，在0.5巴至1巴之間，如0.7巴。在使用天然氣的情況下，這種熱電廠利用約19kg gas/s的天然氣。
由于排放這種氣體的環境警報特征，最好是使用給出廢氣中低NOX含量的噴燃器。利用這種噴燃器，來自低NOX噴燃器的鍋爐中NOX減小至50ppm以下。按照已知的測試技術，利用凈化裝置(未畫出)中的NH3()，可以去除其余的NOX。這種凈化操作在大氣壓下可以有高達90％的效率，但在16巴下可以有更高的效率。所以，可以凈化到5ppm。采用熱交換器，該氣體可以達到這種過程中最佳的溫度。還存在沒有NH3的其他方法，與NH3相關的方法給出一些NH3“下降”。
燃燒室6中的燃燒發生在從大氣壓至超大氣壓的壓力下，例如，從1.5巴至30巴，從5巴至25巴，和從10巴至20巴。根據隨后凈化和CO2分離的要求以及燃氣輪機和空氣壓縮機的操作經驗，約16巴的壓力是特別合適的。在此處給出的例子中，燃燒是在約16巴壓力下進行的。
燃燒的總熱量約為900MW。
控制含氧氣體和燃料的供給，使燃燒室中廢氣的剩余含氧量是在1％至10％之間，最好是在1.5％至6％之間，更好的是在2％至4％之間。這遠遠低于燃氣輪機中的含氧量，燃氣輪機中廢氣通常包含約15％的氧。
在燃燒中，通過水管4提供的水被加熱以產生蒸汽，借助于蒸汽出口5饋送并通過汽輪機53膨脹。此后，從汽輪機53膨脹的蒸汽借助于管路4′引入到燃燒室6中被再次加熱。再加熱的蒸汽沿管路5′離開燃燒室，它被引入到汽輪機54中發生膨脹。
來自汽輪機54的蒸汽沿管路56引入到低壓渦輪機57，在其中再發生膨脹。汽輪機53，54和低壓渦輪機57最好安排在共同的軸55上，軸55驅動發電機58以產生電能。
來自低壓渦輪機57的大部分膨脹蒸汽/凝結水通過管路59引入到熱交換器60，利用外部冷卻水使凝結水進一步冷卻。在冷卻/完全凝結之后，管路59中的水借助于泵61泵升到所需的壓力作進一步循環。這種相對冷的水可用于維持熱電廠中各個位置處的低溫能量，它可以與需要冷卻的較暖蒸汽流進行熱交換。這就可以利用/維持低溫熱能，它對于良好的能源經濟是十分重要的。
此處所示的熱交換器62使管路59中的冷蒸汽流與管路63中的較暖蒸汽流進行熱交換。管路63中的蒸汽流是從低壓渦輪機中沒有完全膨脹的蒸汽中取出的蒸汽流。管路63中的蒸汽流借助于泵64被再次泵升到進一步循環所需的壓力。管路59和63中的蒸汽流沿管路65聚合在一起，它們在熱交換器67中與廢氣管路41中燃燒產生的廢氣進行熱交換，在水饋送到水箱66中之前吸取剩余的熱量。
可以沿管路68取出管路59中部分冷卻水流，并通過熱交換進行加熱，在管路68中的水引入到水箱66之前，最初可能是在熱交換器69中與管路41中的部分冷卻廢氣進行熱交換，此后與管路3′中的熱空氣進行熱交換。
水箱66中的水通過管路70引入到泵71，其中水被泵升到所需的壓力。來自泵71的水沿管路70引入到熱交換器17，其中利用與管路41中的溫暖廢氣進行熱交換使水加熱。理想的是，分別從管路72的汽輪機53和管路73的汽輪機54中取出少量的蒸汽流，這些蒸汽流與管路70中蒸汽流的側邊蒸汽流熱交換，如管路76所示，并利用這些蒸汽流使水加熱。來自熱交換器17和74中加熱的水分別引入到管路4和用于燃燒室的冷卻。
利用這種生產蒸汽的方法冷卻燃燒室6中的氣體，因此，燃燒室中的工作溫度可以保持在700℃至900℃的范圍內，通常是在800℃至850℃的范圍內。從燃燒室的燃燒中取出大于50％，最好大于60％，更好大于70％的熱能作為燃燒室冷卻的熱蒸汽。
從燃燒室中去除非常大的熱量保證，可以利用空氣中的大部分氧氣，而不會使溫度變得不可接受的高。這能夠使廢氣中有高的CO2濃度，相對于產生的能量消耗少量的空氣，從而獲得重要的優點，只須凈化相對小體積的廢氣流。當大部分的電能是在有效燃汽輪機中產生時，可以大大減輕重要氣體-氣體熱交換器8上的熱負荷，從而使它有較小的尺寸和較簡單的結構。低溫和減輕的熱負荷還意味著，與較高的溫度和熱負荷比較，我們遇到的熱膨脹和腐蝕問題就較小。從而可以降低熱電廠成本和維護費用，與此同時，產生較多的能量和簡化廢氣的凈化操作，而沒有電效率的巨大損失。
參照圖1，燃燒室6中的廢氣被引導通過廢氣管10，通過一個或多個氣體-氣體熱交換器8，11和調溫冷卻器12，其中輸出廢氣在引入到接觸裝置13之前被冷卻，接觸裝置13使廢氣與吸收劑接觸。接觸裝置13中的壓力接近燃燒室6中的壓力，因為壓力的減小僅僅相當于通過熱交換器8，11和調溫冷卻器12的壓力下降。
燃燒室6中燃燒產生和在廢氣通過熱交換器冷卻時凝結的水在接觸裝置13之前的脫水器50中被分離。水可以稀釋或損壞接觸裝置中的吸收劑。
在附圖中，熱交換器8，11是串聯連接的兩個熱交換器。熱交換器的數目和這些熱交換器的尺寸取決于實際熱電廠的實際規模和設計，因此它隨不同的熱電廠而變化。典型的熱電廠包含串聯連接的兩個至四個熱交換器。接觸裝置13中的溫度取決于吸收劑，因此，它是給出高溶解度的較低溫度與促進吸收過程相關反應的較高溫度之間折衷。典型的溫度是，水在20℃以下，胺為50℃，而利用諸如碳酸鉀的無機溶液為80至100℃。
優選的吸收劑是諸如水，胺溶液或無機水溶液的液體，例如，碳酸溶液，它在高壓和高的CO2分壓下可以吸收相對大量的CO2。接觸裝置13中的吸收劑最好使廢氣的很大內表面逆流減小。
接觸裝置最好工作在增高的壓力下，例如，大于8巴，更好的是在10巴以上。該壓力還可以更高，例如，高于15巴或20巴。
沒有被溶劑吸收的廢氣中的氣體從接觸裝置引導通過氣管14，通過熱交換器11，8，其中該氣體在渦輪機15，15′中膨脹之前被加熱，因此，該能量能夠用作以后過程中熱的高壓氣體。最好是，從脫水器50通過管路52取出的水被泵51泵浦，并與凈化氣體一起引入到管路14。水在凈化氣體的加熱時被蒸發，并給氣體提供水凝結和凈化中去除的部分質量，從而增大氣體的熱容量。
在接觸裝置13與熱交換器11，8之間管路14中插入壓縮機也可以提高效率。這種壓縮可以加熱氣體，隨后可以再取出熱量，從而使熱交換器中有更大的壓力差，因此，在較小的面積上可以得到更好的熱交換，從而可以利用較廉價的熱交換器。
在從管路3取出的小壓縮氣體流中饋送蒸汽，還可以補償由于去除CO2而減小的質量流，冷卻這種氣體，例如，通過預熱圖2所示的燃燒氣體9，可以使熱量不損失，并在熱交換器11之前引入它進入凈化的氣體。最好是，該氣體與管路14中的氣體有大致相同的溫度，所以，應當按照這種氣體估算冷卻。
最好是，渦輪機15是多個渦輪機，例如，串聯連接的兩個渦輪機15和15′，其中管路14′引導渦輪機15中部分膨脹的氣體到渦輪機15′。
最好是，壓縮機2′和渦輪機15′安排在共同的軸40′上和估算壓縮機2′和渦輪機15′，使渦輪機15′的動能正好足夠驅動壓縮機2′。渦輪機15與壓縮機2和發電機16一起安排在軸40上。來自渦輪機15的動能大于驅動壓縮機2所需的動能，因此，剩余的動能可用在相同軸上放置的發電機16以產生電能。發電機在起動熱電廠時作為電動機。如果需要，這種動能當然也可用于其他的目的，例如，吸收劑的循環泵，鍋爐水的循環泵，真空泵，富CO2餾分的壓縮機，或這些裝置的組合。
從渦輪機15開始，渦輪機15中膨脹輸出的氣體引導通過熱交換器17，其中氣體的剩余熱量可用在熱電廠的適當設備中。在所示的實施例中，這種熱量用于加熱管路14中的水。
在所示的裝置中，通過管路19，借助于熱交換器20和解吸裝置18內的膨脹裝置(未畫出)，從接觸裝置13饋送含CO2的溶劑。解吸裝置18中的壓力取決于吸收劑的選擇，吸收的CO2量和熱量回收的要求。其壓力通常低于接觸裝置13中的壓力，它一般是在周圍環境壓力之上的0.2巴與1巴之間。
為了增大從解吸裝置的吸收劑中排放的吸收氣體，通常在解吸裝置底部去除部分的吸收劑，并引導它通過循環加熱器22的循環管道44，其中吸收劑是在返回到解吸裝置18之前被加熱。可以從熱電廠的另一個位置取出給循環加熱器22的熱能，例如，從低溫渦輪機57取出合適壓力和溫度的蒸汽流，并在管路76中引入到熱交換器22，循環管道44中的蒸汽流被管路76中較熱的蒸汽流加熱。從管路76中取出的蒸汽在熱交換器中凝結，并借助于泵77再泵浦到水箱66。例如，在管路76中可以取出溫度為200℃和壓力為2.4巴的30kg steam/s。
當接觸裝置13是在輸入氣體中高的CO2分壓下驅動時，這種循環加熱器的能量要求減至最小。與此同時，使用的蒸汽有低值，因為它已經通過高壓渦輪機53和中壓渦輪機54部分地發生膨脹。
從它的頂部去除解吸裝置18中排放的富CO2氣體，最好是，引導它通過凝結器23進行冷卻，并在引導通過CO2管道25之前，作為液體分離器24中的富CO2氣體流。液體分離器24中分離出的液體通過液體傳輸管26返回到解吸裝置。
從解吸裝置18底部去除再生的吸收劑，并泵浦通過循環管道43，在它返回到吸收裝置13之前，在熱交換器20中冷卻，還可能在另一些熱交換器中冷卻。
來自液體分離器24的富CO2氣體流通過CO2傳輸管道25引入到壓縮機系統28，所述壓縮機系統包含若干個壓縮步驟，其中按照這樣的方式壓縮氣體，它可以安全地儲存，運輸，堆放或出售。這種壓縮機系統中的部件和結構是普通型，在此不對它作進一步的描述。根據熱電廠的設計和控制參數，這種富CO2氣體流通常包含燃燒后總CO2的約80-95％，最好是大于90％。
從接觸裝置13通過管道14引出的氣體有低的CO2含量，通常是燃燒后總CO2的約10％。如上所述，通過管路52給這種氣體提供從廢氣中已去除的水，在通過渦輪機15，15′膨脹之前，利用與熱交換器11和8中熱廢氣進行熱交換對它進行加熱。
本方法和裝置的重要特征是，從燃燒室6的燃燒后取出的大部分熱能是作為用于驅動汽輪機53，54和57的蒸汽。取出的大部分熱能是作為蒸汽，其特征是，它與常規的方法有很大的不同，燃燒室中的溫度和燃燒室中廢氣的溫度是適當的，并適合于燃氣輪機的運行，且燃燒室的壓力殼層進一步被冷卻，盡管幾乎充分利用空氣中的氧含量，仍然產生高的CO2分壓。這導致相當低的負荷和對熱交換器8的要求，這是熱電廠的微弱部分，其中大部分的熱能是從在燃燒后廢氣驅動的燃氣輪機中取出。這在表1中給予說明，表1給出按照本發明熱電廠的一些重要測量值。
表1400MW熱電廠中不同裝置/不同位置的壓力，溫度，數量和效應。
在不偏離本發明思想的條件下，按照圖1所示本發明熱電廠的中配置可以隨熱交換器，泵等而變化。此處利用符號表示的元件可以是類似元件或不同元件的組合，它們給出所需和描述的功能。因此，我們描述的熱交換器可以是熱交換器的組合。同樣地，這種熱電廠能夠包括此處沒有描述的其他元件，例如，交換少量能量的熱交換器，泵或調整某些元件壓力的減壓閥，等等。
類似地，在特定熱電廠的工程和優化期間，我們能夠偏離描述的質量和能量流的細節。
通過組合可以大大提高效率，其中燃氣被預熱，與此同時，增加的冷卻空氣量提供到熱交換器11的冷側面。可以從需要冷卻的不同位置取出加熱這種氣體的能量，或可以從圖2所示的壓縮機2，2′中取出。例如，從氣體流3中取出約45kg air/s的空氣。借助于熱交換器80，增加的空氣量引入到管路7，它與管路9中15℃的19kg/s的輸入燃氣進行熱交換，使燃氣加熱到約240℃，而空氣冷卻到約60℃。管路7中的冷卻空氣引入到管路14，把它添加到廢氣中以給出較大的氣體流體積和較大的質量，從而增加該氣體吸取熱量的能力，并借助于熱交換器8，11冷卻管路10中的廢氣。根據計算，圖2所示的這種預熱可以提高熱電廠中燃燒后熱能轉換成電功率的效率約1％。
若我們沒有利用壓縮空氣中的熱量與燃料進行熱交換，則可以直接從壓縮機2，2′或從分開的壓縮機(未畫出)中提供空氣給管路7。
高溫和高壓對熱元件的結構和材料選擇提出很高的要求。元件的構造，例如，高壓和高溫的燃燒室和熱交換器是復雜和昂貴的。傳統的優選壓力燃燒室需要選取昂貴的材料。在燃燒室壁是由互相套合的兩個或多個殼層構成情況下，其中外殼是受壓殼層，且外殼的溫度可以保持在350℃以下，最好是在300℃以下，可以降低燃燒室的結構成本和脆弱性。
圖3表示這樣一種燃燒室100，包括外殼101，內殼102，可以在外殼與內殼之間流動的冷卻劑，例如，CO2。可以通過冷卻劑管道106添加CO2。取出加熱的CO2，并借助于CO2的冷卻管路(未畫出)進行循環。最好是，來自熱CO2的熱能添加到需要熱量過程的蒸汽流中，借助于管路(未畫出)傳輸到圖1和圖2所示的一些熱交換器，或未畫出的熱交換器。
燃料和含氧氣體，例如，凈化氣體，富氧空氣或空氣，分別通過管路9和3提供給一個或多個噴燃器103。
如圖3所示，CO2還可以作為煙道氣圍繞管道107從燃燒室順向流動到熱交換器，它還可用作熱交換器中的冷卻劑。調整內殼與外殼之間循環的CO2量，使外殼101的溫度不超過350℃，最好不超過300℃。保持外殼的溫度在350℃以下，我們就可以利用相對廉價的材料，因此，與經受較高溫度的外殼比較，生產就變得較簡單和廉價。
內殼102安排在外殼101內，內殼102是利用耐熱材料制成。最好是，內殼的內側面與外側面之間沒有壓力差或僅僅很小的壓力差，從而使它沒有大的壓力負荷。如果需要，燃燒室壁可以包含兩個以上的殼層。
燃燒室的內壁，即，內殼102的內側面，覆蓋一個或多個管道104，它們是沿內壁排列的一個或多個螺旋管。最好是，螺旋管104覆蓋內殼的整個內表面，并保護內表面以抵擋燃燒室內的燃燒產物，與此同時，它降低燃燒室和燃燒室內壁102的溫度。螺旋管104使鍋爐水的蒸汽流溫度不超過300℃至350℃，它可以抵擋外部壓力殼層的溫度。給螺旋管104中水添加的這種熱量可以對鍋爐水進行預熱，借助于熱交換器循環增壓的氣體，其中這些熱量用于需要加熱到相關的溫度的管路中。
利用熱螺旋管105還降低燃燒室中的溫度，熱螺旋管105是安裝在燃燒室內部幾個熱螺旋管的組合。熱螺旋管105是通過管路4和4′和/或直接來自管道104提供水/蒸汽的熱螺旋管。
高溫熱交換器不應當重復地降溫和升溫，如果它還有作為壓力容器的功能。所以，最好是，熱的熱交換器，即，蒸汽流溫度高于350℃的熱交換器，它是由外部受壓殼層和內殼構成，在兩個殼層之間流動諸如CO2或氮氣的冷卻劑，其方式類似于燃燒室。或者，熱交換器周圍的容器可以利用鍋爐水作為冷卻劑直接或間接地冷卻。另一種方案是在增壓燃燒室內部構造熱交換器，此時它不再具有壓力容器的功能。
對于一些元件，實施其他的特定結構調整也是適宜的，具體地說，改進操作安全性，降低制造成本，和減小磨損和相關差錯的危險。因此，可以利用諸如CO2的冷卻氣體冷卻燃燒室6的殼層和諸如熱交換器的其他的熱元件，例如，熱交換器8。冷卻氣體中的這種熱能可以提供給熱交換器，用于可以利用低級能的過程中位置上加熱，具體地說，這涉及燃燒室的水預熱。增壓燃燒室和增壓熱交換器冷卻到低于350℃的殼層溫度，可以實現利用高張力，低合金和非昂貴鋼質量的機會。該系統還可用于熱電廠起動之前加熱這些元件。這樣做可以減小熱張力和降低壓力殼層和管道破裂的危險。
權利要求
1.一種從含碳燃料中產生電能的方法，其中燃料是在燃燒室中增壓的有氧環境下燃燒，燃燒后的廢氣被分離成富CO2餾分和貧CO2餾分，對富CO2餾分進行處理，使它不排放到周圍環境中，而在貧CO2餾分排放到周圍環境之前，使它通過一個或多個渦輪機發生膨脹，用于其他過程的運行和/或產生電能，其中在產生通過汽輪機膨脹的蒸汽期間，燃燒室中的溫度被降低，而汽輪機連接到產生電能的發電機。
2.按照權利要求1的方法，其中從燃燒室的燃燒中取出大于50％，最好大于60％，更好大于70％，例如80％以上的蒸汽形式的熱能。
3.按照權利要求1或2的方法，其中在通過渦輪機膨脹之前，利用與貧CO2餾分的熱交換冷卻燃燒室中的廢氣以加熱貧CO2餾分。
4.按照權利要求3的方法，其中水和/或空氣添加到凈化的貧CO2餾分中，以增大貧CO2餾分從燃燒室的熱廢氣中吸取熱量的能力。
5.按照以上權利要求中任何一個的方法，其中在燃料饋送到燃燒室之前對它加熱。
6.按照權利要求5的方法，其中通過與空氣壓縮機中部分蒸汽流的熱交換使燃料加熱，且其中熱交換之后冷卻的壓縮空氣流提供給貧CO2餾分以增大它的熱容量。
7.一種含碳燃料，最好是碳氫化合物的熱電廠，包括燃燒室(6)，其中燃料是在增壓的有氧環境下燃燒；氣管(10)，用于引導燃燒室(6)中的燃燒廢氣到接觸裝置(13)，使冷卻之后的廢氣與吸收劑接觸，其中大部分CO2被吸收，而廢氣中的其他氣體大部分沒有被吸收；氣管(14)，用于接觸裝置中的未吸收氣體；再加熱裝置，用于重新加熱貧CO2餾分氣體流；膨脹裝置，在排放到周圍環境之前膨脹所述加熱的貧CO2餾分氣體流；和運送裝置，用于從接觸裝置運送有吸收的CO2的吸收劑到堆放處或到吸收劑再生裝置(18)，用于再循環到接觸裝置，其中燃燒室(6)包括提供蒸汽的裝置和管路5，5′，用于引導蒸汽到汽輪機(53，54，57)進行膨脹。
8.按照權利要求7的熱電廠，包括冷凝室(50)，用于廢氣中水的凝結，它安排在接觸裝置(13)之前。
9.按照權利要求8的熱電廠，包括裝置(51，52)，用于添加冷凝室(50)中凝結的水到貧CO2餾分以增大該餾分的熱容量。
10.按照權利要求7或8的熱電廠，其中燃燒室(100)包括外殼(101)和內殼(102)，在外殼與內殼之間流動冷卻劑并且安排有用于覆蓋燃燒室(100)內表面的管道(104)，以及通過管道(104)循環水的裝置。
全文摘要
我們描述一種從含碳燃料中產生電功率的方法，其中燃料是在燃燒室中增壓的有氧環境下燃燒。燃燒后的廢氣被分離成富CO
文檔編號B01D53/14GK1671463SQ03817500
公開日2005年9月21日 申請日期2003年6月20日 優先權日2002年6月21日
發明者托·克利斯坦森, 克納特·鮑賽斯, 漢瑞克·弗雷斯切爾 申請人:薩加斯公司