氧燃烧厂与可获得的能量及待收集的CO

摘要

本发明涉及一种碳燃料燃烧方法，该方法利用一空气气体分离单元、一燃烧单元以及一用于压缩和/或净化来自燃烧烟气的CO

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳燃料燃烧方法，该方法利用一空气气体分离单元、一燃烧单元以及一用于压缩和/或净化来自燃烧烟气的CO₂的单元，所述燃烧单元利用空气或者来自于空气气体分离单元的氧化剂工作——其中氧化剂中的氮气比空气稀薄，其特征在于，由空气气体分离单元消耗的动力和/或由空气气体分离单元产生的氧气流和/或对来自燃烧烟气的CO₂的收集是随着时间变化的。

背景技术

气候变化是最大的环境挑战之一。大气中二氧化碳浓度的增加在很大程度上导致全球变暖。来自人类活动的CO₂基本上通过在发电厂中燃烧化石燃料排放到大气中。

为限制CO₂排放，一种技术致力于收集在碳燃料燃烧过程中释放的CO₂以将其封锁到地下。所存在的其中一个限制是如何从烟气——其中CO₂的含量通常不超过15％——中分离CO₂，但是这将消耗大量的能量来进行分离。

一种选择是在燃烧的上游从空气中分离氮气，然后在锅炉的出口处几乎仅剩下CO₂、水和燃烧产物。锅炉因此在燃料增氧燃烧模式下工作。一部分烟气(基本上是CO₂)可与氧气一起再循环以防止在锅炉中产生过高的温度。因此CO₂收集以较低的成本进行。

这种技术是有前途的，无论是从投资角度来看还是从整体能量效率来看。

只要用于引导和封锁CO₂的基础设施不是足够地近，或者只要所出售的每吨CO₂的价格不足够高，则收集由发电厂排放的所有CO₂从经济上来说就不划算。

一个解决方案是采用部分CO₂收集。然而，部分CO₂不是很适用于燃料增氧燃烧技术。实际上，必须在100％的燃料增氧燃烧模式或者100％的空气模式下工作，但从这些区域离开是困难的。这是因为，如果在烟气中存在大于30％的氮气，则CO₂分离将失去当气流较浓时所获得的所有优点。

因此，部分收集的参考方案需在ASU(空气分离单元)上投资100％并且在其100％的设备能力下工作。然而，可以在压缩/干燥单元上仅部分地投资(或者在其上投资100％但仅在有利于CO₂收集的水平下工作)。不幸的是，与ASU不同，这种压缩/干燥单元仅代表一小部分投资及由此消耗的能量。

此外，ASU在其100％的设备能力下工作意味着耗能量在所有时间内都恒定。这使得不能使操作与可获得的能耗和流量的变化相适配。

由此，产生的一个问题是如何提供一种适用于部分CO₂收集和可变能量供应的燃烧方法。

发明内容

本发明提供的一个技术方案是一种碳燃料燃烧方法，该方法利用一空气气体产生单元、一燃烧单元以及一用于压缩和/或净化来自燃烧烟气的CO₂的单元，所述燃烧单元利用空气或者其中的氮气比空气稀薄的、至少部分地来自于空气气体分离单元的氧化剂工作，其特征在于，在一有限的期间T内：

-由所述空气气体产生单元汲取的动力是可变的；并且/或者

-通过CO₂压缩和/或净化单元对来自燃烧烟气的CO₂的收集是间歇性的。

术语“空气气体产生单元”应当理解为是指一种包括空气气体分离单元、各低温储罐和其操作所需的管道系统的单元。

根据情况，根据本发明的方法可具有一个或多个下列特征：

-由空气气体产生单元产生的氧气流是可变的，

-由燃烧单元消耗的碳燃料在期间T内是恒定的，而由燃烧方法输出的动力在期间T内是可变的；

-燃烧单元交替地以空气和其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂工作；

-CO₂压缩和/或净化单元在期间T内具有至少一个停止阶段和至少一个工作阶段；

-空气气体产生单元汲取的动力在期间T的至少一部分内是可变的，但是在期间T的该同一部分内产生的氧气流是恒定的；

-当在燃烧单元中使用其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂时，空气气体产生单元切换到氧气产生阶段；

-来自空气气体分离单元的氧气全部或部分地以低温液体形式存储；

-存储的氧气用作燃烧方法各单元的外部设备的储备；

-当在燃烧单元中消耗氧气时，来自于空气气体产生单元的氧气浓度较低的低温液体的至少一部分在离开空气气体分离单元时被存储；

-在氧气由空气气体分离单元液化时，在同一空气气体分离单元内消耗在离开空气气体分离单元时被存储的氧气浓度较低的低温液体；

-当燃烧单元以其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂工作时，至少一部分燃烧烟气在被引入燃烧单元之前与由空气气体产生单元生产的氧气相混合；

-空气气体产生单元在期间T内具有至少一个停止阶段或者降低输出阶段、以及至少一个输出高于降低输出的工作阶段，并且，由停止阶段或降低输出阶段切换到具有较高输出的工作阶段所需的时间小于一小时，优选小于30分钟，更优选小于15分钟；

-由停止阶段或降低输出阶段切换到具有较高输出的工作阶段所需的时间通过喷射到空气气体分离单元内和/或从空气气体分离单元汲取的低温液体缩短；

-当产生氧气所需的能量能够以低于平均水平的较低成本获得时，至少部分地存储由空气气体分离单元产生的氧气；

-当用于产生氧气所需的能量能够以高于平均水平的较高成本获得时，空气气体分离单元消耗存储的氧气；

-来自CO₂压缩和/或净化单元的CO₂至少部分被存储，用以平滑产生的CO₂的量；

-CO₂压缩和/或净化阶段与其中此CO₂压缩和/或净化所需的能量能够以低于平均水平的较低成本获得的阶段重合；

-空气气体产生单元、燃烧单元及CO₂压缩和/或净化单元被自动地控制，以与操作这些单元所需的能量成本的变化适配；

-CO₂压缩和/或净化单元使用压缩机和/或干燥单元，优选使用低温单元；

-根据包括吸附阶段和再生阶段的压力循环，干燥单元包括填充以吸附剂的单一容器，其中所述吸附阶段与燃烧单元以其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂工作的阶段重合，而所述再生阶段与燃烧单元以空气工作的阶段重合；以及

-来自CO₂压缩和/或净化单元的CO₂被存储于容器中，或者供给到CO₂管线以用于工业用途或者供给到地下储罐。

术语“可变动力或流动”应当理解为动力或流动可在期间T的过程中变化。

此外，本发明的主题还包括一种碳燃料燃烧装置，包括：空气气体产生单元、燃烧单元、用于压缩和/或净化来自燃烧烟气的CO₂的单元，所述燃烧单元利用空气或者其中的氮气比空气稀薄的、来自于空气气体分离单元的氧化剂工作，其特征在于，这三个单元的工作由计算机控制，从而使得在有限的期间T内：

-由空气气体产生单元汲取的动力是可变的；并且/或者

-通过CO₂压缩和/或净化单元对来自燃烧烟气的CO₂的收集是间歇性的。

优选地，根据本发明的装置包括一个将燃烧单元的出口连接到燃烧单元的入口的CO₂再循环管线。

再循环管线一方面用于将至少一部分燃烧烟气返回到燃烧单元，另一方面用于在此管线内混合由空气分离单元生产的氧气。由此返回的燃烧烟气用作燃烧单元内的热稳定物质。这是因为若仅利用氧气作为氧化剂，将在燃烧单元内得到高于2000℃的温度。由此返回的燃烧烟气使得温度能够降低到燃烧单元的设计温度，即优选地低于1200℃的温度。

具体实施方式

术语“燃烧单元”应当理解为是指锅炉或者焚烧炉，优选是指循环流化床锅炉或者粉煤锅炉。

术语“循环流化床锅炉”应当理解为是指其中燃料悬浮在空气中进行燃烧的锅炉。

术语“粉煤锅炉”应当理解为是指其中燃料被研磨得很细的锅炉。

术语“期间T”应当理解为是指一时间段，该时间段可介于1小时和一年之间。如果期间T为1小时、1天或1周的量级，则空气气体分离单元持续工作并在没有直接在锅炉中消耗氧气时将氧气存储起来。如果交替工作期间较长(一个月或一个季度)，则空气气体分离单元必须开启或者停止。

术语“交替工作”应当理解为是指可设想期间T的多个分段。在期间T被分成其中燃烧单元以空气工作的阶段和其中该同一燃烧单元以氧化剂——其中的氮气比空气中的氮气稀薄——工作的阶段的情况下，这些阶段中的每一个可占据整个期间T的时间的20至80％，优选为30至70％，更优选为50％。在其中期间被分成n个其中燃烧单元以空气工作的阶段以及n个其中燃烧单元以氧化剂(其中的氮气比空气中的氮气稀薄)工作的阶段的情况下，这些阶段中的每一个可占据期间T的20/n至80/n％，优选为30/n至70/n％，更优选为50/n％。然而，无论如何分割，利用空气工作的阶段总是跟随着利用氧化剂(其中的氮气比空气中的氮气稀薄)工作的阶段，反之亦然。

术语“碳燃料”应当理解为是指例如煤、褐煤、家庭垃圾或者任何生物质燃料(植物残渣、用于燃烧的植物产品等)。

用语“其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂”应当理解为是指氧气或者O₂/CO₂混合物。

用于操作燃烧过程中各个单元所需的能量来自发电单元本身——所述发电单元被供应以所生产的氧气，或者经由电力传输网络来自其他发电单元，或者由可再生能源(太阳电池板、风轮机、水电站坝等)直接供电。

图1示出了一个根据本发明的用于部分CO₂收集的总示意图，本发明使用了一个空气气体分离单元、一个燃烧单元和一个CO₂压缩和/或净化单元，燃烧单元采用粉煤锅炉并且以空气和其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂交替地工作。

空气1被引入空气气体分离单元2，空气气体分离单元2然后产生一恒定的或者可变的氧气3气流。氧气3在燃烧单元7以空气工作时被存储，或者在燃烧单元7以脱氮的氧化剂工作时被送到混合器4，在混合器4处，氧气3可通过CO₂再循环管线与富含CO₂的再循环气体6混合。来自混合器4的氧化剂5随后被引入粉煤锅炉7，粉煤锅炉7随后以其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂工作。

燃料8——这里是供给的煤炭——在被引入粉煤锅炉7之前首先被送到粉碎机10。

由锅炉输出的蒸汽在蒸汽轮机11中膨胀，这传递机械功。该功借助于交流发电机12转换成电能。

燃烧烟气13本身在14处除尘，并且在送入CO₂压缩/净化单元16(CPU)之前可选地在15处脱硫。

来自CPU单元16的净化的CO₂17可随后被装瓶和/或运输和/或存储在18处。

在其中锅炉7以空气工作的情况下，空气19被引入锅炉7且燃烧烟气13在14处除尘并且在15处脱硫，但是不送入CPU单元。不收集CO₂。

图2示出的附图解释在根据本发明的燃烧过程中使用的三个主单元在“燃料增氧燃烧”模式下的操作。这三个单元为空气气体分离单元(ASU)、燃烧单元和CO₂压缩/净化单元(CPU)。术语“燃料增氧燃烧”模式应当理解为是指具有如下特征的模式：利用其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂燃烧并且收集CO₂。

在“燃料增氧燃烧”模式中，下列物质引入ASU 2中：

-空气1；和

-在上一“空气”模式阶段中以低温液态形式存储的氧气9。

ASU 2然后产生氧气量a+b，其对应于在“直接”的氧气产量a中加入在上一“空气”模式阶段中存储的氧气产量b。

ASU 2还生产氧浓度较低的低温液体c。

由ASU 2生产的氧气a+b随后在被送到燃烧单元之前通过CO₂再循环管线与富含CO₂的再循环气体6混合，与“空气”模式相比，其不再被供应以空气19。

来自燃烧单元17的富含CO₂的燃烧烟气13随后被送到CO₂压缩/净化单元16，用于装瓶和/或运输和/或存储在18处。

当燃烧单元由此以其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂工作时——即以氧气或者氧气/二氧化碳混合物工作时，引入到燃烧单元的氧气由持续工作的空气分离单元(ASU)产生。由此，ASU必须产生与燃烧单元的工作阶段——该工作阶段以其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂工作——相适应的额定O₂流，而在其它时间没有任何产出。其原理是当燃烧单元以空气工作时以液体形式存储氧气，且当燃烧单元以其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂工作时消耗所存储的氧气。由于ASU在存储能量的消耗过程中持续工作，所以两种产品的产出增加。为了避免液化能量的损失，适量的氧气浓度较低的气体——优选为氮气或空气——在氧气消耗过程中被液化。当氧气被液化时，ASU从空气中分离氧气，但是实际液化由在上一氧气消耗阶段中积累的氧气浓度较低的液化液体在ASU内的消耗提供。

在此第一情形下，ASU由此以最优方式和“气体模式”持续工作。其只需供给用以分离空气气体而不是用于液化的能量——其中液化所需能量要高很多。最后，由于ASU仅产生燃烧所需的氧气，消耗的总能量与存储的CO₂量成比例——收集的能量效率没有下降。

根据本发明的另一方面，还能够生产持续的气态氧气量，气态氧气随后被液化和存储或者直接送到锅炉，但不在空气压缩机中汲取恒定的机械动力。在此情况下，当能量能够以低于平均成本的成本获得时，ASU生产的氧气多于所需要的。此时，相比于所需消耗的氧气而言为多余的氧气以液体形式存储。当能源成本显著超出其平均成本时，减少ASU的氧气生产并且气化先前存储的氧气将是值得的。然后可以恒定地产生气态氧气，同时仅在能源成本有利时消耗能源。这种类型的操作在图6中示出。为了在氧气气化和液化过程中不浪费能量，低温液体在氧气气化过程中形成并存储，且在形成液态氧气储备时消耗。

下述两个概念可结合在同一装置中：

-一方面，动力汲取为恒定的可变(间隙)氧气生产，

-另一方面，根据能量成本，动力汲取可变的恒定氧气生产，

其中提供了部分CO₂收集而没有生产超过需要的氧气，并且ASU在其额定产量下使用，同时仍然能够在所述动力最为便宜时调节由ASU汲取的电力。

图3所示的示意图解释在根据本发明的燃烧过程中使用的三个主单元在“空气”模式下的操作。

术语“空气”模式应当理解为是指具有下述特征的模式：在空气中燃烧并且不收集CO₂。

在“空气”模式中，在ASU 2中引入：

-空气1；和

-在上一阶段的“燃料增氧燃烧”模式中存储的氧气浓度较低的低温液体c。

ASU 2随后生产氧气浓度较低的气体d和氧气9，其中氧气9呈低温液体形式、将被存储。

燃烧单元7随后接收空气19作为单一氧化剂，并且来自燃烧单元7的燃烧烟气13不送往CPU单元。烟气13在除尘和脱硫后被排入大气中。

为了从一种模式切换到另一模式——例如从“空气”模式切换到“燃料增氧燃烧”模式，CO₂再循环管线被逐渐地装载以来自于燃烧单元的燃烧烟气并装载以由空气气体分离单元生产的氧气，并且供给到燃烧单元的吸入空气减少。当燃烧单元不再供给以空气时，操作处于“燃料增氧燃烧”模式。为了返回，操作以相反的顺序执行，应当很快理解，由燃烧空气引入的氮气在烟气中出现，该氮气逐渐地增加。由此，稳定的CO₂通过空气和再循环的氮气转换为稳定的N₂。因此从一个模式转变为另一模式是容易和平滑的。

关于投资，ASU的尺寸基于要生产的氧气量并因此还保持与CO₂收集成比例。

CO₂收集单元本身——即CO₂压缩/净化单元——的尺寸基于离开燃烧单元的CO₂总流量。这是因为，对于以其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂工作的燃烧而言，瞬时CO₂流量与以完全收集模式工作的燃烧相等。

CO₂净化单元本身用于干燥来自燃烧锅炉的CO₂。

当净化单元为低温单元时，可以随时地停止和再启动，因为其可以保持低温达数个小时，即使单元不工作。由此，在本发明中，净化单元优选在锅炉以空气工作时停止。

当净化单元是吸附单元时，得益于如下事实：锅炉交替工作以降低吸附单元的成本。

为了彻底干燥(残余水分降低到百万分之一的量级)，现有技术教导使用两个装填以吸附剂的容器，一个干燥气体(吸附剂含有水分)，而另一个通过干燥气体和/或处于低压的气体和/或较热的气体(例如从ASU汲取的氮气)的流经而被再生(去除水分)。

在本发明中，仅仅使用单一容器，其压力循环与锅炉的工作循环联系在一起。当燃烧单元以其中的氮气比空气中的氮气稀薄的氧化剂工作时进行吸附，当燃烧单元以空气工作时进行再生。

这样的优化使得设备的成本降低，因为较少的一个容器意味着较少的阀、管道和吸附剂。

由CO₂净化单元生产的CO₂将理想地具有足以用于其地下封锁的纯度(例如，水分含量小于600ppmv，氧气含量小于1ppmv)。

根据本发明的过程还能够：

-或者是对于固定的O₂产量而言减少了在峰值时间的电力消耗；

-或者是偶尔停止氧气生产，同时不基于待传输的最大氧气流来确定ASU的尺寸；

-或者组合上述两个方面。

下面的例子解释了这些不同的选项。

示例

产生150MWe净值的现有发电站必须被改进以收集一部分产生的CO₂。在工作的起初几年内，不是所有的CO₂都将被收集，这是为了保证产出或者是因为每吨排出的CO₂的价格使得这样做不合理。仅仅一半的CO₂被收集，即相比于每年1百万吨的CO₂产量，每年收集大约500000吨。使用恒定产量的ASU实施部分收集的方案。额外的动力需求是：

15MW用于压缩和净化CO₂(因为在燃料增氧燃烧模式下处理的CO₂瞬时流量与如果所有CO₂都被收集时的CO₂瞬时流量相同)；

12MW用于ASU——对于100％收集而言，ASU将需要24MW；

输入电网的净电力(即，电网的用户可使用的售出电力)因此在两个值之间摆动，即：

进行收集的一半时间内的123MWe和

不进行收集的一半时间内的138MWe。

这是因为，当不收集CO₂时，收集单元停止，即比在收集CO₂期间少15MW的电力。然而，ASU在此示例中继续以其额定值工作。

收集因此应当在夜间发生，大致对应谷值时段。

图4示出了ASU的工作，所示出的动力由此非常恒定而不管生产阶段如何。

可做出改进。这是因为，在峰值时段，由ASU汲取的动力可进一步减少，且可在其余时间稍微增加。动力需求由此变成：

15MW用于CO₂压缩/净化(因为在燃料增氧燃烧模式下处理的CO₂瞬时流量与如果所有CO₂都被收集时的CO₂瞬时流量相同)；

大多数时间12.6MW用于ASU(在示例中，24小时中的22小时)

在其动力针对所选择的2个峰值负载时段被分为两部分时，6MW用于ASU；并且

输入到电网的净电力在下列3个值之间摆动：

进行收集的一半时间内的122.4MWe，

不进行收集的一半时间内除了2个峰值时段之外的137.4MWe，以及

两个白天峰值时段的144MWe。

该操作(仅针对ASU)在图5中示出。