[发明专利]气体分离-轮机中整合的CO2

说明书

基于吹扫的气体分离方法用于减少来自燃气发电厂的二氧化碳排放。本发明涉及至少两个压缩步骤、燃烧步骤、二氧化碳捕获步骤、功率生成步骤以及基于吹扫的膜分离步骤。压缩步骤之一用于产生在二氧化碳捕获步骤中处理的低压和低温压缩流，从而避免消耗大量能量以冷却压缩流的必要，该压缩流来自产生通常为20‑30巴或更高的高压流的典型压缩机。

技术领域

本发明涉及一种基于膜的气体分离方法，并且具体地涉及基于吹扫的膜分离方法以从燃烧气体中去除二氧化碳。更具体地，本发明使用整合至燃气发电厂的低压低温CO₂捕获步骤。

背景技术

下面给出的是关于本发明的某些方面的背景信息，因为它们可能涉及详细描述中提到的但不一定详细描述的技术特征。下面的讨论不应被解释为承认信息与要求保护的发明的相关性或所述材料的现有技术效果。

世界上大部分的电力是由煤电厂产生的。这些工厂每生产一千瓦电就向大气排放～800克CO₂。这些排放物是全球变暖的主要因素。天然气越来越多地被用来代替煤炭，特别是在美国，其定向钻井和水力压裂的发展已经产生了大量的低成本气体供应。天然气发电厂每生产一千瓦电力向大气排放～400克CO₂，因此将燃料从煤炭转化为天然气可将CO₂排放量减少一半。但是，从长期来看，如果要满足全球变暖目标，还需要控制天然气发电厂的排放。

正在开发各种技术来分离来自发电厂烟道气的CO₂，从而可以隔离 CO₂。胺吸收是领先的技术，但成本高，产生自身的大气排放，需要仔细的操作和维护，并且具有非常大的占地面积。膜技术也正在开发中并具有许多优点，包括降低资本和运营成本，模块化结构，占地面积小，无排放，并且不需要改变电厂蒸汽循环。然而，尽管已经建造了每天处理高达20 吨CO₂的示范机组，该技术并不像胺那样发达。

在美国专利号7,962,020中，我们公开了一种从煤电厂烟道气中捕获 CO₂的膜方法。这些方法使用燃烧空气作为膜接触器中的吹扫流。空气吹扫从烟道气中剥离CO₂，并将其再循环回锅炉。通过选择性回收CO₂，烟道气中CO₂的浓度增加，使其分离更容易。例如在美国专利号8,220,247 中，这些方法随后被应用于燃气轮机发电厂。

天然气轮机发电厂是高成本的、大型的和高度优化的机器。期望的是只需要对轮机进行微小改动，从而使这些CO₂分离系统可以改装到现有的轮机上。然而，对于新工厂而言，大幅降低CO₂捕获成本的最大希望是将捕获工艺整合到轮机设计中。

在我们的美国专利号9,140,186中公开了一种这样的整合方法，这里在图4中示出。进气流406被引导至第一压缩机401a。压缩气体流443 与燃烧器402中的进入的燃料气流416一起燃烧。然后来自燃烧器的热的高压气体流417膨胀通过燃气轮机403。燃气轮机分别通过轴405机械地连接到第一和第二压缩机401a和401b，以及发电机404。来自燃气轮机的低压废气(exhaust gas，排气)流419仍然是热的并且被送到余热锅炉 420。该部分包括产生蒸汽421的锅炉，蒸汽可以被引导至蒸汽轮机(未示出)。离开蒸汽发生器的第一部分气体流425作为进料气体被输送至基于吹扫的膜分离步骤426。

使用相对于氧气和氮气对二氧化碳更有选择性的膜进行步骤426。进料流425流过膜的进料侧，并且包含空气、富含氧气的空气或氧气的吹扫气流428流过渗透物侧。膜分离步骤将料流425分成与进料流425相比二氧化碳耗尽的残余物流429和渗透物流/吹扫流430。残余物流形成由该方法产生的经处理的烟道气。从膜单元中提取含有至少10体积％二氧化碳的渗透物/吹扫流430，并将其输送至压缩机101a，以形成至少部分进气流 406至第一压缩步骤101a。