Усовершенствованные системы и способы для снижения выбросов nox
Система для снижения выбросов NOx, содержащая: реформер, выполненный с возможностью приема топлива и получения обогащенного водородом потока, в котором обогащенный водородом поток содержит количество водорода, равное или меньшее примерно 10 объемным процентам; систему сгорания, выполненную с возможностью сжигания обогащенного водородом потока и получения электричества и выхлопного потока; и рекуператор, выполненный с возможностью рекуперирования тепла из выхлопного потока, причем рекуперированное тепло рециркулируют обратно в реформер. Способ для снижения выбросов NOx, включающий в себя: реформинг с помощью реформера топлива для получения обогащенного водородом потока, причем обогащенный водородом поток содержит монооксид углерода, диоксид углерода, топливо и водород в количестве примерно 10 объемных процентов или менее; отделение диоксида углерода от обогащенного водородом потока с помощью сепарационного блока для получения потока, обогащенного диоксидом углерода; сжигание обогащенного водородом потока на первой ступени камеры сгорания; введение на вторую ступень камеры сгорания потока, обогащенного диоксидом углерода, для дальнейшего сжигания обогащенного водородом потока, причем при сжигании на первой ступени и на второй ступени производится тепловая энергия, а также поток горячей сжатой газовой смеси; расширение потока горячей сжатой газовой смеси для получения электричества и выхлопного потока; рекуперацию тепловой энергии камеры сгорания и выхлопного потока; и рециркуляцию рекуперированной тепловой энергии в реформер. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса генерирования электроэнергии и снизить себестоимость реформинга. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОПИСАНИЕ
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Раскрытие данного изобретения относится к системе для снижения выбросов в системе генерирования электроэнергии, в которой использован обогащенный водородом топливный газ для ослабления выбросов в газотурбинном выхлопе.
Всемирное беспокойство загрязнением воздуха привело к появлению более строгих стандартов по выбросам. Эти стандарты регулируют выбросы оксидов азота, несгоревших углеводородов (UHC), монооксида углерода (CO), генерированного в результате работы газотурбинного двигателя. В частности, оксид азота образуется в газотурбинном двигателе вследствие высоких температур пламени в камере сгорания, возникающих в ходе работы двигателя.
Использование углеводородного топлива в камере сгорания турбины с двигателем внутреннего сгорания широко известно. Обычно, воздух и топливо подают в камеру сгорания, когда топливо сжигают в присутствии воздуха с получением горячего топочного газа. Горячий топочный газ затем подают в турбину, где он охлаждается и расширяется, производя энергию. Побочные продукты сгорания топлива обычно включают в себя экологически вредные токсины, такие как оксид азота и диоксид азота (называемые все вместе как NOx), CO, UHC (например, метан и летучие органические соединения, которые способствуют образованию атмосферного озона), и другие оксиды, включающие в себя оксиды серы (например, SO2 и SO3).
При сжигании топлива существует два источника выбросов NOx. Первичным источником NOx (известен как термический NOx) является связывание атмосферного азота в пламени камеры сгорания. Вторичной причиной выбросов NOx является конверсия азота, имеющегося в топливе (известного как азота, связанного с топливом). Количество NOx, генерируемого азотом, связанным с топливом, можно регулировать путем соответствующего подбора состава топлива и обработки топочного газа после сгорания. Как и во всех случаях циклических тепловых двигателей, повышенная температура сгорания означает повышенную эффективность. Однако проблема, вызванная повышенными температурами сгорания, заключается в количестве термически генерированного NOx. Количество термически генерированного NOx представляет собой экспоненциальную функцию температуры пламени камеры сгорания и количества времени, в течение которого топливная смесь находится при температуре пламени. Каждая топливовоздушная смесь обладает характеристикой температуры пламени, которая является функцией весового отношения воздуха к топливу (выраженного в виде соотношения эквивалентности, φ) топливовоздушной смеси, сжигаемой в камере сгорания. Таким образом, количество термически генерированного NOx зависит от времени нахождения в камере сгорания, давления и соотношения эквивалентности конкретной топливовоздушной смеси. Соотношение эквивалентности (φ) определяется следующей формулой:
φ=(mf/mo) фактическое/(mf/mo)стехиометрическое, где «mo» - масса окислителя, а «mf» - масса топлива.
Скорость генерирования NOx максимальна при соотношении эквивалентности, равном 1,0, когда температура пламени равна стехиометрической, адиабатической температуре пламени. При стехиометрических условиях топливо и кислород расходуются полностью. Как правило, скорость генерирования NOx понижается с понижением соотношения эквивалентности (т.е. оно составляет менее 1,0 и топливовоздушная смесь бедна топливом). При соотношении эквивалентности менее 1,0 для стехиометрического горения требуется больше воздуха и, следовательно, больше кислорода. Это приводит к более низкой температуре пламени, что, в свою очередь, приводит к уменьшению количества генерируемого NOx. Однако, поскольку соотношение эквивалентности снижается, топливовоздушная смесь становится смесью с очень низким содержанием топлива и пламя не может гореть хорошо или может стать нестабильным и начать гаснуть. Когда соотношение эквивалентности превышает 1,0, количество топлива превышает необходимое количество, которое можно сжигать подходящим количеством кислорода (богатая горючая смесь). Это также приводит к температуре пламени, более низкой, чем адиабатическая температура пламени, и, в свою очередь, приводит к значительному снижению образования NOx, однако топливо истрачивается, делая такую систему дорогостоящей и неэффективной.
В системах генерирования электроэнергии согласно известному уровню техники использованы обогащенные водородом потоки в газовых турбинах для снижения генерирования NOx за счет сниженных температур пламени и повышенного удобства использования. Генерирование водорода может быть дорогостоящим, однако и эти системы генерирования электроэнергии иногда функционируют с эффективностью меньшей, чем оптимальная. Поэтому, что является необходимым, так это способ для снижения выбросов NОx в системах генерирования электроэнергии за счет использования обогащенного водородом потока при снижении себестоимости как производства электроэнергии, так и топлива, что, таким образом, приводит к повышенным преимуществам в эффективности системы и в удобстве ее эксплуатации.
Следовательно, остается необходимость в усовершенствованной системе генерирования электроэнергии с использованием обогащенных водородом топливных газов, которые могут привести к ослаблению газотурбинных выбросов, не страдающей от потерь производительности процесса.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ
В данном документе раскрыты системы и способы для снижения вредных выбросов в системе генерации электроэнергии. В одном варианте воплощения система для снижения выбросов NOx включает в себя реформер, сконфигурированный для приема топлива и получения обогащенного водородом потока, в котором обогащенный водородом поток содержит количество водорода, равное или меньше примерно 10 объемным процентам, систему сгорания, сконфигурированную для сжигания обогащенного водородом потока газа и получения электричества и выхлопного потока, и рекуператора, сконфигурированного для рекуперирования тепла из выхлопного потока, причем утилизированное тепло повторно возвращают в реформер. Обогащенный водородом поток повышает диапазон работоспособности системы сгорания, рекуперированное тепло выхлопного потока можно использовать для получения пара, реформер может представлять собой паровой предварительный реформер или реформер для каталитического неполного окисления. Система дополнительно может содержать второй реформер, выполненный с возможностью приема топлива и получения потока, обогащенного диоксидом углерода, причем поток, обогащенный диоксидом углерода, можно сжигать в системе сгорания.
В другом варианте воплощения система для снижения выбросов NOx включает в себя реформер, сконфигурированный для приема топлива и получения обогащенного водородом потока, причем обогащенный водородом поток содержит монооксид углерода, диоксид углерода, водород и топливо. Система также включает в себя сепаратор, имеющий жидкостное сообщение с реформером, причем сепаратор сконфигурирован для приема обогащенного водородом потока и для отделения диоксида углерода от обогащенного водородом потока и получения потока, обогащенного диоксидом углерода. Кроме того, система включает в себя систему сгорания, имеющую жидкостное сообщение с реформером и с сепаратором, включая камеру сгорания, содержащую первую ступень и вторую ступень и сконфигурированную для приема потока, обогащенного водородом, и потока, обогащенного диоксидом углерода, причем поток, обогащенный водородом, сгорает на первой ступени, а поток, обогащенный диоксидом углерода, сгорает на второй ступени. При этом камера сгорания генерирует тепловую энергию и горячий поток сжатой газовой смеси, и газотурбинный генератор, имеющий жидкостное сообщение с камерой сгорания, причем газотурбинный генератор сконфигурирован для расширения горячего потока сжатой газовой смеси, а также для получения электричества и выхлопного потока. Наконец, система включает в себя рекуператор, имеющий жидкостное сообщение с системой сгорания, сконфигурированный для утилизации тепловой энергии из камеры сгорания и выхлопного потока, причем утилизированное тепло возвращают обратно в реформер.
Способ для снижения выбросов NOx включает в себя реформинг с помощью реформера топлива для получения потока, обогащенного водородом, причем обогащенный водородом поток содержит монооксид углерода, диоксид углерода, водород и топливо в количестве примерно 10 объемных процентов или менее, разделение диоксида углерода и потока, обогащенного водородом, с помощью сепаратора для получения потока, обогащенного диоксидом углерода, сжигание потока газа, обогащенного водородом, на первой ступени камеры сгорания, сжигание потока, обогащенного диоксидом углерода, на второй ступени камеры сгорания, причем сгорание на первой ступени и на второй ступени приводит к получению тепловой энергии и горячего потока сжатой газовой смеси, расширение горячего потока сжатой газовой смеси с получением электричества и выхлопного потока, рекуперацию тепловой энергии из камеры сгорания и выхлопного потока и рециклирование утилизированного тепла обратно в реформер. Обогащенный водородом поток может содержать примерно 1-3 объемных процентов водорода, выбросы NОx можно снизить примерно от 9 миллионных долей до примерно 3 миллионных долей или менее.
Вышеописанный и другие признаки разъяснены с помощью следующих чертежей и подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Обратимся теперь к чертежам, которые отображают примеры осуществления и в которых аналогичные элементы пронумерованы одинаково.
Фигура 1 иллюстрирует принципиальную схему технологического процесса первой примерной системы генерирования электроэнергии;
Фигура 2 графически иллюстрирует вариант выбросов и применение отношения воздуха к топливу при температуре зоны сгорания и применение камеры сгорания с использованием топлива, обогащенного водородом;
Фигура 3 иллюстрирует принципиальную схему технологического процесса примерной системы реформера;
Фигура 4 иллюстрирует принципиальную схему технологического процесса другой примерной системы реформера;
Фигура 5 иллюстрирует принципиальную схему технологического процесса еще одной системы реформера.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
В данном документе раскрыты усовершенствованные системы генерирования электроэнергии и способы для снижения выбросов оксидов азота (NOx) в газовых турбинах простого цикла. В отличие от систем генерирования электроэнергии согласно уровню техники в системах, раскрытых в данном документе, использовано топливо, обогащенное водородом, с низкой концентрацией водорода для снижения температуры пламени в камере сгорания, а также поглощение и рециркуляция энергии из выхлопного потока с повышением эффективности процесса и снижением себестоимости реформинга. Более того, раскрытые системы поддаются модернизации до существующих систем генерирования электроэнергии для обеспечения таких же сниженных затрат на реформинг и повышенной эффективности. Терминология, используемая в данном документе, приводится с целью описания, а не ограничения. Конкретные структурные и функциональные подробности, раскрытые в настоящем документе, не следует интерпретировать как ограничивающие, а лишь в качестве основы для формулы изобретения и представительного источника для обучения специалистов в данной области техники разнообразному применению изобретения. Кроме того, в целях настоящего документа термины «первый», «второй» и т.п. не означают никакого порядка или степени важности, а используются, чтобы отличить один элемент от другого. Дополнительно все диапазоны, указывающие на одинаковое количество данного компонента или измерения, включают в себя конечные точки и комбинируются независимо друг от друга.
Обратимся теперь к Фигуре 1, где изображена энергосистема 100 простого цикла. Система 100 содержит реформер 110, сконфигурированный для переработки топлива 112 с получением обогащенного водородом потока 114. Обогащенный водородом поток 114 смешивают с дополнительным топливом 120 и окислителем 122, а затем вводят в систему 116 сгорания и сжигают с получением энергии, например, электрической, которую можно соединять с электросетью 118.
Система 100 генерирует энергию со снижением количества NOx-загрязнителей за счет использования обогащенного водородом потока 114, имеющего низкую концентрацию водорода. Обогащенное водородом топливо снижает температуру пламени системы 116 сгорания по сравнению с использованием единичного топлива, например природного газа. Как обсуждалось ранее, температура пламени здесь является функцией соотношения эквивалентности, причем соотношение эквивалентности есть мера отношения топлива к окислителю в системе сгорания. При соотношении эквивалентности достигнуты стехиометрические условия 1,0 и температура пламени максимальная. Большая часть NOx-газов образуется обычно при этих высоких температурах пламени. При соотношениях эквивалентности менее 1,0 система 116 сгорания находится в «обедненном» состоянии и генерирование NOx быстро снижается. Система сгорания может функционировать в «обедненном» состоянии при ослаблении потока топлива или усилении потока окислителя, однако диапазон работоспособности при этих условиях ограничен и могут возникнуть проблемы затухания пламени. Более того, если температура пламени слишком низка, может возникнуть избыточное количество монооксида углерода и несгоревших углеводородов. Добавляя в топливо газообразный водород, более широкий диапазон работоспособности возможен из-за низкого предела воспламеняемости водорода. Дополнительно добавление обогащенного водородом потока 114 к системе 116 сгорания успешно способствует поддержанию стабильности топливоподачи при минимизации генерирования загрязнителей в отличие от регулирования выбросов за счет варьирования топливоподачи, что может привести к физическому повреждению системы сгорания.
На Фигуре 2 показано графическое представление увеличенного диапазона работоспособности при сниженных выбросах NOx за счет использования топлива, обогащенного водородом, по сравнению с единичным топливом, например природным газом. Дополняя природный газ водородом, можно получить больший диапазон работоспособности для системы генерирования энергии и для одновременного поддержания низких выбросов. Для повышения этого повышенного диапазона работоспособности требуются исключительно низкие концентрации водорода. Для топлива требуется предпочтительно примерно менее 10 объемных процентов (объемн.%), а более предпочтительно примерно 1-3 объемн.% водорода. Тогда как такая концентрация снижает количество вредных выбросов и повышает кпд камеры сгорания, низкая концентрация водорода также означает сниженную себестоимость реформинга для систем, в которых используют высокочистый водород с практически 100%-ной концентрацией. Как будет более подробно обсуждаться ниже, можно использовать реформеры, такие как реформеры для каталитического неполного окисления (CPO, КНО), поскольку такие реформеры генерируют продукт реформинга с относительно низкими отношениями водорода к монооксиду углерода.
Обратившись снова к Фигуре 1, можно увидеть, что система 100 дополнительно содержит рекуператор 124. Рекуператор 124 успешно преобразует тепло от выхлопного 126 потока, которое иначе могло быть потеряно в данной системе с простым циклом, в рециркулируемое 128 тепло, возвращаемое назад в реформер 110. Рекуператор 124 может (необязательно) дополнительно генерировать поток 130 от выхлопного 126 потока для реформинга топлива 112. Рекуператор 124 выгодно преобразует тепло системы 116 сгорания, которое иначе могло быть потеряно, в энергию, используемую реформером 110. Рециркуляция повышает общую эффективность процесса, снижая, кроме того, расходы на эксплуатацию реформера 110.
Реформер 110 может представлять собой любой реформер, подходящий для получения обогащенного водородом топливного потока. Фигуры 4 и 5 иллюстрируют две образцовые системы реформинга - 300 и 400. Система 300 реформинга согласно Фигуре 4 содержит паровой предварительный реформер 310. Сочетание топлива 312 с теплом 328 и паром 330, оба из которых могут быть рециркулированы из рекуператора (не показан), активизирует преобразование топлива, например природного газа, как показано в реакциях 1 и 2 ниже.
| CnHm+nH20->nCO+(m/2+n)H2 | (1) |
| CO+H2O->CO2+H2 | (2) |
Реакция 1 реформинга протекает в присутствии подходящего катализатора реформинга пара, такого как никель. Реакция 1 реформинга сильно эндотермическая; поэтому поток 328 пара из рекуператора рециклируют обратно в предварительный 310 реформер в целях подачи тепла для реакции. Процесс реформинга приводит к образованию измененного газа (также широко известного как синтетический газ), который обозначен как обогащенный водородом поток 314. Обогащенный водородом поток 314 содержит монооксид углерода (CO), диоксид углерода (CO2), водород (H2), неутилизированное топливо и воду. Обогащенный водородом поток 314 можно (необязательно) предварительно перерабатывать перед его подачей в систему сгорания (не показана). Охладитель 332 и этап 334 удаления воды, обозначенные как необязательные компоненты системы 300 реформинга в виде пунктирных линий, можно использовать для охлаждения и удаления воды из обогащенного водородом потока 314.
Фигура 5 иллюстрирует второй образцовый вариант воплощения системы 400 реформера. Система 400 реформера содержит реформер 410 каталитического неполного окисления (CPO, КНО), а не предварительный реформер пара системы 300. Для CPO-реформинга окислитель 422 используют в сочетании с топливом 412 и паром 430 для образования обогащенного водородом потока 414. Реакция CPO-реформинга в две стадии 3 и 4, как показано ниже.
| CnH1n+n/202->nCO+m/2H2 | (3) |
| CnHm+nH20->nCO+(m/2+n)H2 | (4) |
Реакция 3 - экзотермическая, тогда как реакция 4 - эндотермическая. Топливо 412 смешивают с окислителем 422 и одновременно частично окисляют путем реакции 3, а пар подвергают реформингу путем реакции 4. В качестве необязательного варианта, большее количество водорода и CO2 можно создать путем продолжения реформинга путем третьей реакции 5, указанной ниже.
| CO+H2O«--»H2+CO2 | (5) |
Реакция 5 известна как реакция конверсии водяного газа и протекает в присутствии катализатора. CO2, полученный путем этой реакции, можно успешно отделять и использовать в системе сгорания (не показана), как будет более подробно описано ниже. Подобно системе 300 реформинга пара, описанной выше, система CPO-реформинга 400 может также включать в себя охладитель 432 и этап 434 удаления воды, обозначенные пунктирными линиями в качестве необязательных компонентов системы реформинга 400 и предназначенные для охлаждения и удаления воды из потока 414, обогащенного водородом.
При функционировании реформеры оптимизируют для получения обогащенного водородом потока, имеющего концентрацию водорода менее примерно 10 (мас./объем.) процентов. При этой низкой концентрации раскрытая система генерирования энергии способна функционировать при более низких затратах, чем системы, в которых использованы высокие концентрации, или даже системы с подачей чистого сырьевого водорода в собственные камеры сгорания. При использовании низкой концентрации водорода в топливе эксплуатационные расходы на реформер снижены и избыточное сепарационное оборудование для дальнейшего повышения концентрации водорода необязательно.
Обращаясь теперь снова к Фигуре 1, следует отметить, что обогащенный водородом поток 114 попадает в систему 116 сгорания. Система 116 сгорания может дополнительно содержать компрессор 132, камеру 134 сгорания и газотурбинный генератор 136. Обогащенный водородом поток 114, входящий в камеру 134 сгорания системы 116 сгорания, может быть недостаточно горячим и сжатым для приведения в действие газовой турбины 136; поэтому поток 114 можно пополнить дополнительным топливом 120 и окислителем 122. После добавления в камеру 134 сгорания дополнительного топлива 120 и окислителя 122 смешанный газовый поток 138 становится достаточно горячим и сжатым для эффективного приведения в действие газотурбинного генератора 136, что приводит к эффективному производству электроэнергии, подаваемой в электросеть 118, а горячий выхлопной 126 поток улавливают с помощью рекуператора 124.
Топливо 112 и 120 может содержать любой подходящий газ или жидкость, например природный газ, метан, лигроин, бутан, пропан, дизельное топливо, керосин, авиационное топливо, топливо из угля, биологическое топливо, сырье на основе окисленного углеводорода, и смеси, содержащие один или несколько вышеупомянутых видов топлива. В некоторых вариантах воплощения является предпочтительным, чтобы топливо содержало природный газ. Окислитель 122 может содержать любой подходящий газ, содержащий кислород, такой, например, как воздух, воздух, обогащенный кислородом, воздух, обедненный кислородом, чистый кислород, и т. п. Как указано выше, обогащенный водородом поток 114 может содержать монооксид углерода, диоксид углерода, водород, неутилизированное топливо и воду. Для системы, раскрытой в данном документе, является предпочтительным, чтобы обогащенный водородом поток содержал менее примерно 10 мас./объем. процентов водорода и даже более предпочтительно примерно 1 мас./объем. - 3 мас./объем. процентов. Количества водорода в потоке 114 достаточно лишь для повышения диапазона работоспособности температуры пламени, как показано на Фигуре 2. Повышенные концентрации водорода приводят к повышенным затратам на оборудование и эксплуатацию, а также, возможно, имеют неблагоприятный эффект повышения выбросов NOx в системе.
При эксплуатации сжатый окислитель 122 подают в камеру 134 сгорания, смешивают с дополнительным топливом 120 и обогащенным водородом потоком 114 и поджигают. В некоторых вариантах воплощения в горелках камеры 134 сгорания можно использовать предварительно перемешанные смеси топлива 114 и 120 и окислителя 122, и они могут содержать системы предварительно смешанных закрученных потоков или незакрученных потоков. Можно также использовать радиальные, аксиальные и/или двойные завихрители противоположного вращения. Камера 134 сгорания производит тепловую энергию и горячие сжатые газовые смеси 138, которые подают в газотурбинный генератор 136. Сжатые газовые смеси 138 подвергают расширению для приведения турбин в действие, а затем последовательно выпускают в виде выхлопного 126 потока в рекуператор 124. Вращение турбины за счет расширенных газовых смесей под высоким давлением можно преобразовать в электроэнергию с помощью газотурбинного генератора 136 способом, широко известным специалистам в данной области техники. Электроэнергию можно затем подавать в электросеть 118.
В частности, у камеры 134 сгорания может быть несколько ступеней функционирования. На первой ступени в камеру 134 сгорания можно вводить обогащенный водородом поток 114. Как указано выше, топливо, богатое водородом, снижает температуру пламени при повышении порога срыва пламени при работе с обедненной смесью. Камера сгорания поэтому пригодна для функционирования при пониженной температуре, что, таким образом, снижает выбросы NOx без ущерба для параметров работоспособности, таких как порог срыва пламени при работе. На второй ступени поток 121, богатый CO2, можно вводить в камеру сгорания после введения туда потока 114, обогащенного водородом. На второй ступени поток 121, обогащенный CO2, вводят для его предварительного перемешивания с топливом, обогащенным водородом, в присутствии воздуха и дальнейшего снижения температуры пламени. Используя поток, богатый CO2, в камере сгорания, можно эксплуатировать потенциал высокого давления потока за счет расширения газа по турбине для генерирования энергии. Как описано, разделение потока обогащенного водородом топлива на ступени внутри камеры сгорания снижает выбросы NOx за счет дальнейшего снижения температуры пламени.
Этот обогащенный CО2 поток 121 можно получать посредством второго реформера, функционирующего при температурном режиме, отличном от системы реформера 300, с получением обогащенного CО2 потоком топлива способом, известным специалистам в данной области техники. В качестве альтернативы, используя систему реформера 400, CO2 можно отделять после протекания реакции конверсии водяного газа с помощью сепарационного устройства сепараторного блока (не показано). В сепараторном блоке для отделения CO2 можно применять различные технологии, известные из уровня техники, включая (но без ограничений) адсорбцию с колебанием давления, химическую абсорбцию и мембранную сепарацию для отделения CO2 от обогащенного водородом потока.
Адсорбцию с колебанием давления (PSA) можно использовать для отделения диоксида углерода от смеси газов, содержащих водород. В технологиях PSA при высоком парциальном давлении твердые молекулярные сита могут адсорбировать диоксид углерода сильнее, чем водород. В результате при повышенных давлениях диоксид углерода удаляется из смесей газов, содержащих водород при пропускании этих смесей через адсорбционный слой. Регенерацию слоя выполняют путем сброса давления и продувки. Обычно, для критических режимов работы, для непрерывного отделения диоксида углерода используют несколько адсорбционных сосудов, причем один адсорбционный слой используют во время регенерации остальных.
Другая технология отделения диоксида углерода от газового потока представляет собой химическую абсорбцию с использованием оксидов, таких как оксид кальция (CaO) и оксид магния (MgO) или их сочетание. В одном варианте воплощения при повышенном давлении и температуре CO2 абсорбируется CaO, образуя карбонат кальция (СаСО3), и, таким образом, CO2 удаляется из газовой смеси. Сорбент CaO регенерируют кальцинированием СаСО3, который можно снова преобразовывать в CaO.
Для отделения диоксида углерода от газового потока можно также использовать технологию мембранной сепарации. Мембранные процессы обычно бывают более энергетически эффективными и легкими для эксплуатации, чем процессы абсорбции. Мембраны, используемые для высокотемпературной сепарации диоксида углерода, включают в себя цеолит и керамические мембраны, которые являются селективными к CO2. Однако эффективность сепарации, демонстрируемая мембранными технологиями, является низкой, и с помощью мембранной сепарации невозможно получить полное отделение диоксида углерода. Обычно мембранные сепараторы работают более эффективно при повышенных давлениях, и использование мембранного сепаратора для отделения диоксида углерода от выходящего 60 потока, испускаемого из конверсионного 56 реактора, можно осуществлять путем дальнейшего сжатия выходящего 60 потока перед сепарацией CO2.
Еще одна технология, используемая для отделения CO2 от обогащенного водородом потока 114, может включать в себя (но без ограничений) химическую абсорбцию CO2 с использованием аминов. Обогащенный водородом поток 114 можно охлаждать до подходящей температуры для использования химической абсорбции диоксида углерода с использованием аминов. Данная технология основана на алканоламиновых растворителях, которые имеют способность к поглощению диоксида углерода при относительно низких температурах и легко регенерируются путем повышения температуры обогащенных растворителей. Поток, обогащенный диоксидом углерода, получают после регенерации обогащенного растворителя. Растворители, используемые в данной технологии, могут включать в себя триэтаноламин, моноэтаноламин, диэтаноламин, диизопропаноламин, дигликольамин и метилдиэтаноламин.
В некоторых вариантах воплощения сепаратор диоксида углерода может содержать, по меньшей мере, один адсорбционный слой, в котором для отделения диоксида углерода от обогащенного водородом потока 114 использована PSA-технология. В некоторых других вариантах воплощения сепаратор диоксида углерода может содержать, по меньшей мере, один абсорбционный сосуд, в котором использована технология химической абсорбции. В еще одном варианте воплощения сепаратор диоксида углерода содержит, по меньшей мере, один мембранный сепаратор. Поток, обогащенный диоксидом углерода, можно генерировать в сепарационном элементе, используя различные технологии, описанные в настоящем документе.
Подавая обогащенное водородом топливо и обогащенный CО2 поток (необязательно) в камеру сгорания, можно снизить количество загрязнителей окружающей среды, а именно выбросов NOx, примерно от 9 миллионных долей (ppm) до примерно 3 ppm или менее. Это позволяет системам генерирования электроэнергии отвечать все более возрастающим стандартам выбросов EPA (Environmental Protection Agency, Агентство по охране окружающей среды). В энергосистемах согласно уровню техники, для дальнейшей обработки выхлопных газообразных продуктов сгорания, в целях удовлетворения требованиям норм выбросов, требуется дополнительное оборудование, такое как системы избирательного каталитического восстановления (SCR, selective catalytic reduction), ловушки NOx и т.п. Такое оборудование не только дорогостоящее, но также требует дополнительного пространства, которого может не хватить для существующих энергосистем. Поскольку система, раскрытая в данном документе, успешно снижает выбросы в камере сгорания, единственный дополнительный элемент, который требуется для таких существующих энергосистем, - это рекуператор, для которого требуется меньше пространства и капиталовложений по сравнению с вышеописанными устройствами для обработки продуктов сгорания. Более того, рекуператор успешно восстанавливает тепло или снижает его потери от системы сгорания и в результате снижает эксплуатационные затраты на реформер.
Рекуператор 124 может представлять собой известный тип теплообменника, посредством которого тепловую энергию можно передавать от камеры сгорания и выхлопного 126 потока, например, потоку сжатого воздуха без перемешивания двух потоков. Нагревая поток сжатого воздуха выхлопным потоком 126, можно избежать затрат на стандартные нагреватели или регенеративные нагреватели, повышающие температуру реформера 110, и, в свою очередь, можно охладить выхлопной 126 поток перед его выпуском в атмосферу. Тепловую энергию системы 116 сгорания можно (необязательно) дополнительно использовать для нагрева входящего водного потока с получением потока 130, который можно затем повторно запустить в реформер 110.
На Фигуре 3 проиллюстрирована комбинированная циклическая система 150, имеющая теплоутилизационный парогенератор (HRSG) 152 вместо рекуператора 124 в системе 100 простого цикла. HRSG 152 утилизирует отходящее тепло выхлопного газа 126 газовой турбины 136, генерируя поток 156 и обеспечивая тепло для реформера 110. Воду 154 пропускают через HRSG 152. Высокотемпературное тепло из газотурбинного выхлопа 126 передается воде с образованием пара 156 и низкотемпературного тепла 160. Часть пара 156 передается тепловой турбине 158, в которой пар расширяется и охлаждается, генерируя, таким образом, механическую энергию. Механическая энергия затем преобразуется в электроэнергию генератором и передается электросети 118. Расширенный, охлажденный пар (не обязательно) может покидать паровую турбину 158, а затем охлаждаться и конденсироваться в конденсаторе с образованием воды 154 для HRSG 152, образуя, таким образом, замкнутый цикл и повышая общую эффективность системы.
Оставшееся низкотемпературное тепло 160 газотурбинного выхлопа 126 подают в низкотемпературный изотермический 110 реформер, в котором используют низкотемпературное тепло 160 для активизации эндотермической реакции преобразования для преобразования топлива 112. Низкотемпературное тепло 160 извлекают с помощью реформера 110, а полученный в результате охлажденный выхлопной газ подают в вытяжную трубу для выпуска в атмосферу.
Повторим еще раз, - как раскрыто в данном документе выше, указанные системы и процессы включают в себя использование обогащенного водородом топлива низкой концентрации в системе сгорания с рекуператором для рециркуляции низкотемпературного тепла газотурбинного выхлопа в реформер; таким образом, повышение порога срыва пламени при работе с обедненной смесью, снижение вредных выбросов и повышение эффективности системы, - все вместе снижает эксплуатационные расходы. Реформер успешно сконфигурирован таким образом, что он является изотермическим и функционирует при низких температурах и, таким образом, допускает использование низкотемпературного тепла газотурбинного выхлопа для преобразования топлива и получения обогащенного водородом топлива. Вышеуказанную систему можно также успешно подгонять под существующую систему генерирования электроэнергии для соответствия изменяющимся нормам выбросов в окружающую среду.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на образцовый вариант воплощения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в его элементы можно вносить различные видоизменения, и их можно заменять эквивалентами, не отступая от объема изобретения. В дополнение, можно сделать много модификаций для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям изобретения, не отступая от его основного объема. Поэтому подразумевается не то, что изобретение должно быть ограничено конкретным вариантом воплощения, раскрытым в качестве наилучшего варианта, предполагаемого для осуществления данного изобретения, а то, что изобретение должно включать в себя все варианты воплощения, входящие в рамки объема прилагаемой формулы изобретения.
СПЕЦИФИКАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ
| 100 | Энергосистема простого цикла |
| 110 | Реформер |
| 112 | Топливо |
| 114 | Обогащенный водородом поток |
| 116 | Система сгорания |
| 118 | Электросеть |
| 120 | Дополнительное топливо |
| 121 | Поток, обогащенный диоксидом углерода |
| 122 | Окислитель |
| 124 | Рекуператор |
| 126 | Выхлопной поток |
| 128 | Рециркулируемое тепло |
| 130 | Пар |
| 132 | Компрессор |
| 134 | Камера сгорания |
| 136 | Газовая турбина |
| 138 | Поток газовой смеси |
| 150 | Система комбинированного цикла |
| 152 | Парогенератор для утилизации тепла |
| 154 | Вода |
| 156 | Пар |
| 158 | Паровая турбина |
| 160 | Низкотемпературное тепло |
| 300 | Система реформера |
| 310 | Паровой предварительный реформер |
| 312 | Топливо |
| 314 | Обогащенный водородом поток |
| 328 | Тепло |
| 330 | Пар |
| 332 | Охладитель |
| 334 | Этап удаления воды |
| 400 | Система реформера |
| 410 | Реформер каталитического неполного окисления |
| 412 | Топливо |
| 414 | Обогащенный водородом поток |
| 422 | Окислитель |
| 430 | Пар |
| 432 | Охладитель |
| 434 | Этап удаления воды |
1. Система (100,150) для снижения выбросов NOx, содержащая:
реформер (110, 300, 400), выполненный с возможностью приема топлива (112, 312, 412) и получения обогащенного водородом потока (114, 314, 414), в котором обогащенный водородом поток содержит количество водорода, равное или меньшее примерно 10 объемным процентам;
систему (116) сгорания, выполненную с возможностью сжигания обогащенного водородом потока и получения электричества и выхлопного (126) потока; и
рекуператор (124, 152), выполненный с возможностью рекуперирования тепла (128) из выхлопного потока, причем рекуперированное тепло рециркулируют обратно в реформер.
2. Система (100, 150) по п.1, в которой обогащенный водородом поток содержит примерно 1-3 объемных процентов водорода.
3. Система (100, 150) по п.1, в которой обогащенный водородом поток повышает диапазон работоспособности системы сгорания.
4. Система (100, 150) по п.1, в которой рекуперированное тепло выхлопного потока используют для получения пара.
5. Система (100, 150) по п.1, в которой реформер представляет собой паровой (310) предварительный реформер или реформер (410) для каталитического неполного окисления.
6. Система (100, 150) по п.1, в которой выбросы NOx снижены примерно от 9 миллионных долей до примерно 3 миллионных долей или менее.
7. Система (100, 150) по п.1, дополнительно содержащая второй реформер, выполненный с возможностью приема топлива и получения потока (121), обогащенного диоксидом углерода, причем поток, обогащенный диоксидом углерода, сжигают в системе сгорания.
8. Способ для снижения выбросов NOx, включающий в себя:
реформинг с помощью реформера (110, 300, 400) топлива (112) для получения обогащенного водородом потока (114, 314, 414), причем обогащенный водородом поток содержит монооксид углерода, диоксид углерода, топливо и водород в количестве примерно 10 объемных процентов или менее;
отделение диоксида углерода от обогащенного водородом потока с помощью сепарационного блока для получения потока (121), обогащенного диоксидом углерода;
сжигание обогащенного водородом потока на первой ступени камеры (134) сгорания;
введение на вторую ступень камеры сгорания потока, обогащенного диоксидом углерода, для дальнейшего сжигания обогащенного водородом потока, причем при сжигании на первой ступени и на второй ступени производится тепловая энергия, а также поток (138) горячей сжатой газовой смеси;
расширение потока горячей сжатой газовой смеси для получения электричества и выхлопного (126) потока;
рекуперацию тепловой энергии (128, 160) камеры сгорания и выхлопного потока; и
рециркуляцию рекуперированной тепловой энергии в реформер.
9. Способ по п.8, в котором обогащенный водородом поток (114, 314, 414) содержит примерно 1-3 объемных процентов водорода.
10. Способ по п.8, в котором при снижении выбросов NOx количество выбросов NOx снижается от примерно 9 миллионных долей до примерно 3 миллионных долей или менее.
