專利名稱：二氧化碳循環(huán)到氣化系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總體而言，本發(fā)明涉及改進(jìn)整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)工廠的操作，更具體地講， 涉及使合成氣提供的富二氧化碳?xì)庠诩訜岷笱h(huán)到氣化器和/或輻射合成氣冷卻器入口 的方法。
背景技術(shù)：
在至少一些已知的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)中，從合成氣去除的二氧化碳 (更通常的情況是，富二氧化碳?xì)?排出或者用于制備化學(xué)品，一般不循環(huán)到氣化器(在本 文也稱為氣化反應(yīng)器)。在其中富二氧化碳?xì)庋h(huán)回到氣化器的那些系統(tǒng)中(即，在一些氣 體原料工廠和有些液體原料工廠)已實行該循環(huán)，以提高合成氣中一氧化碳與氫比率，用 于加工羰基合成化學(xué)品(oxo-chemical)的過程。然而，在這些過程中，未得到用氣體原料 降低耗氧量或提高碳轉(zhuǎn)化率相關(guān)的益處。因此，就在IGCC工廠中富二氧化碳?xì)獾奶幚矶?，需要提高IGCC效率。具體地講， 需要降低耗氧量和/或耗氫量和提高碳轉(zhuǎn)化率的氣化方法。另外，如果能夠提供與常規(guī)方 法相比需要較低熱值的冷卻方法從而提供更成本有效的經(jīng)濟(jì)替代方法將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)已意外地發(fā)現(xiàn)，通過在氣化系統(tǒng)(如用于IGCC工廠的氣化系統(tǒng))中將富二氧化 碳?xì)庋h(huán)到氣化器，自富二氧化碳?xì)獾难鯀⑴c氣化反應(yīng)，并促進(jìn)降低耗氧量和提高碳轉(zhuǎn)化 率。降低的耗氧量和較高的碳轉(zhuǎn)化率兩者均促進(jìn)提高IGCC工廠效率。如本文所述，富二氧 化碳?xì)馀c熱合成氣在輻射合成氣冷卻器入口混合有利改變逆水煤氣變換反應(yīng)，使得二氧化 碳與合成氣中的氫進(jìn)行吸熱反應(yīng)，從而促進(jìn)產(chǎn)生更多一氧化碳。增加一氧化碳促進(jìn)降低耗 氫量和提高IGCC效率。第一方面，本發(fā)明提供一種從氣化系統(tǒng)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方 法。所述方法包括在分離裝置中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)?；壓縮富二氧化碳 氣；并將至少第一部分壓縮的富二氧化碳?xì)夤┑綒饣?。另一方面，本發(fā)明提供一種從氣化系統(tǒng)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方 法。所述方法包括在分離裝置中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)?；壓縮富二氧化碳 氣；在氣化器中產(chǎn)生第二合成氣混合物；將第二合成氣混合物和至少第一部分壓縮的富二 氧化碳?xì)饣旌?，以形成組合合成氣混合物；并將組合合成氣混合物引入輻射合成氣冷卻器， 以促進(jìn)冷卻第二合成氣混合物。另一方面，本發(fā)明提供一種從氣化系統(tǒng)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方 法。所述方法包括在分離裝置中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)猓粔嚎s富二氧化碳 氣；在氣化器中產(chǎn)生第二合成氣混合物；將第二合成氣混合物和至少第一部分壓縮的富二 氧化碳?xì)饣旌?，以形成組合合成氣混合物；并將組合合成氣混合物引入對流合成氣冷卻器， 以促進(jìn)冷卻第二合成氣混合物。


圖1為示例性整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電工廠的示意圖；并且圖2為顯示本發(fā)明的示例性方法的示意圖，其中來自分離裝置中合成氣的富二氧 化碳?xì)庋h(huán)到氣化器、輻射合成氣冷卻器和對流合成氣冷卻器之一。
具體實施例方式圖1為示例性整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電工廠100的示意圖。圖2為顯示本 發(fā)明的示例性方法的示意圖。雖然圖1只描繪IGCC工廠100的一部分，但本領(lǐng)域的技術(shù)人 員應(yīng)了解，本文所述方法可用于完全I(xiàn)GCC工廠(包括至少一個蒸汽渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī))和/ 或在本領(lǐng)域已知的結(jié)構(gòu)類似IGCC工廠。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，雖然本文用IGCC發(fā)電工廠描述，但在不脫離本 發(fā)明的范圍下，任何已知的分離和/或氣化系統(tǒng)均可利用本發(fā)明。更具體地講，包括提供物 理和/或化學(xué)分離、變壓吸附、變溫吸附、膜分離等及其組合的分離裝置的系統(tǒng)均可適合地 利用本發(fā)明的方法。在示例性實施方案中，IGCC工廠100包括氣化系統(tǒng)200。另外，在所述示例性實施 方案中，系統(tǒng)200包括通過空氣導(dǎo)管204與空氣源(未顯示)流動連通的至少一個空氣分 離裝置202。此空氣源可包括但不限于專用空氣壓縮機(jī)和/或壓縮空氣存儲裝置(均未顯 示)。裝置202將空氣分離成氧氣(O2)、氮?dú)?N2),其他組分通過排氣口(未顯示)釋放。系統(tǒng)200包括氣化器208，氣化器208與裝置202流動連通，并接收通過O2導(dǎo)管 210從裝置202引導(dǎo)的02。系統(tǒng)200還包括煤研磨和制漿裝置211。裝置211分別通過供 煤管212和供水管213與煤源和水源(均未顯示)流動連通。裝置211構(gòu)造成混合煤和水， 以形成煤漿反應(yīng)物流，下文稱為“原料”(未顯示)，煤漿反應(yīng)物流通過煤漿導(dǎo)管214引導(dǎo)到 反應(yīng)器208。氣化器208分別通過導(dǎo)管214和210接收原料和02。氣化器208促進(jìn)產(chǎn)生熱的 粗合成氣體(合成氣)流(未顯示)。粗合成氣包含一氧化碳(CO)、氫氣(H2)、二氧化碳 (CO2)、硫化羰(COS)和硫化氫(H2S)。雖然通常將C02、C0S和H2S統(tǒng)稱為酸性氣體或粗合成 氣的酸性氣體組分，但從現(xiàn)在起將CO2與其余酸性氣體組分分開討論。另外，氣化器208也 產(chǎn)生作為合成氣制備的副產(chǎn)物的熱渣流(未顯示)。將渣流通過熱渣導(dǎo)管216引導(dǎo)到渣處 理裝置215。裝置215使渣驟冷并破碎成小渣片，其中產(chǎn)生渣去除流并通過導(dǎo)管217引導(dǎo)。參照圖1，氣化器208通過熱合成氣導(dǎo)管218與輻射合成氣冷卻器(RSC) 144流動 連通。RSC 144接收熱粗合成氣流，并通過導(dǎo)管146將至少一部分熱轉(zhuǎn)移到熱回收蒸汽發(fā)生 器(HRSG)142。隨后，RSC 144產(chǎn)生經(jīng)冷卻的粗合成氣流(未顯示)，經(jīng)冷卻的粗合成氣流 通過合成氣導(dǎo)管219引導(dǎo)到對流合成氣冷卻器(CSC) 260。CSC 260進(jìn)一步使粗合成氣流冷 卻。再次參照圖1和2，經(jīng)冷卻的粗合成氣流然后通過合成氣導(dǎo)管220弓丨導(dǎo)到合成氣洗 滌器(在圖2中概括地示于270)和低溫氣體冷卻(LTGC)裝置221。裝置221去除粗合成 氣流內(nèi)夾帶的顆粒物質(zhì)，并促進(jìn)所除去的物質(zhì)通過飛灰導(dǎo)管222去除。裝置221也對粗合 成氣流提供另外的冷卻。另外，裝置221通過水解使粗合成氣流中的至少一部分COS轉(zhuǎn)化成 H2S 禾口 CO2。系統(tǒng)200也包括分離裝置250，分離裝置250與裝置221流動連通，并經(jīng)由粗合成 氣導(dǎo)管225接收經(jīng)冷卻的粗合成氣流。裝置250促進(jìn)從粗合成氣流去除至少一部分酸組分 (未顯示)，如以下更詳細(xì)討論。此類酸性氣體組分包括但不限于C02、C0S*H2S。另外，在 一個方面，裝置250通過導(dǎo)管223與減硫子系統(tǒng)275流動連通。子系統(tǒng)275也接收并促進(jìn) 至少一些所述酸性氣體組分分離成包括但不限于C02、COS和H2S的各組分。通過裝置250 和子系統(tǒng)275分離和去除這些C02、C0S和H2S促進(jìn)產(chǎn)生清潔合成氣流(未顯示)，清潔合成 氣流通過清潔合成氣導(dǎo)管228引導(dǎo)到燃?xì)鉁u輪機(jī)114。參照圖1和2，裝置250通過富CO2氣流導(dǎo)管224將富CO2氣流引導(dǎo)到氣化器208。 本文所用“富二氧化碳?xì)狻被颉案籆O2氣”是指具有超過50%重量二氧化碳的氣流。一方面， 最終整合富酸氣流(未顯示)包含富CO2氣流且也包含已通過上述減硫子系統(tǒng)275和任選 的尾氣處理裝置(TGU) 277進(jìn)一步從粗合成氣流分離的預(yù)定濃度的COS和H2S (未顯示)。在 一些實施方案中，如圖2所示，在分離COS和H2S后，含COS和H2S的物流在與富CO2氣流混 合前通過壓縮機(jī)300壓縮，并通過富CO2氣流導(dǎo)管224引導(dǎo)到氣化器208。分離裝置250從合成氣去除約15 %至約50 %的富二氧化碳?xì)?，基于合成氣中存?的全部二氧化碳的摩爾數(shù)計算。如上提到，所述CO2作為富CO2氣流(在本文中也稱為“循 環(huán)富CO2氣流”)或者與COS和H2S作為最終整合富酸氣流引導(dǎo)到氣化器208。分離裝置250通過導(dǎo)管224與氣化器208流動連通，其中循環(huán)富CO2氣流分預(yù)定 批次引導(dǎo)到氣化器208。如圖2進(jìn)一步顯示，自裝置250的富CO2氣通過CO2壓縮機(jī)302壓 縮，并在由導(dǎo)管224引導(dǎo)時通過CO2加熱器304加熱。在一個實施方案中，在操作中分別通過導(dǎo)管210和214的O2和原料可與通過導(dǎo)管 224和402的已在壓縮機(jī)302中壓縮并且可已在或未在加熱器304中加熱的富CO2氣混合。 所得原料混合物供到氣化器208的入口 306a、306b和306c，其中根據(jù)常規(guī)方法進(jìn)行氣化，以
產(chǎn)生合成氣。已發(fā)現(xiàn)，通過在一部分供入氣化器之前壓縮和/或加熱富CO2氣，可促進(jìn)在氣化系 統(tǒng)200中氣化期間和IGCC工廠100中隨后過程中提高碳轉(zhuǎn)化率。在一個實施方案中，本發(fā) 明的方法與常規(guī)氣化系統(tǒng)相比可提高碳轉(zhuǎn)化率至多約3 %。提高碳轉(zhuǎn)化率促進(jìn)提高IGCC工 廠100的效率。更具體地講，通過提高氣化器208中的碳轉(zhuǎn)化率，可由Boudouard反應(yīng)C02+C — 2C0和逆水煤氣變換反應(yīng)C02+H2 — CCHH2O提高一氧化碳(CO)濃度。通過提高一氧化碳產(chǎn)量，可促進(jìn)在氣化期間降低耗氧量，這進(jìn)一步促進(jìn)提高IGCC 工廠100的效率。具體地講，在壓縮富CO2氣時，在氣化期間需要較少氧，因為在Boudouard 反應(yīng)和逆水煤氣變換反應(yīng)中產(chǎn)生的CO提供了氧源。在一個實施方案中，本發(fā)明的方法與常 規(guī)氣化系統(tǒng)相比可降低每單位合成氣產(chǎn)量(即，氫和CO產(chǎn)量)耗氧量至多約2%。在分離裝置250中從合成氣混合物分離的富CO2氣通常壓縮到高于常規(guī)IGCC工 廠100的氣化器208中的壓力約50磅/平方英寸至約300磅/平方英寸的壓力。氣化器 壓力通常為約400磅/平方英寸至約900磅/平方英寸。
另一方面，如果加熱富CO2氣，則在氣化期間需要較少O2加熱合成氣。具體地講， 加熱的富CO2氣已加到合成氣，因此，不需要將溫度提高到常規(guī)氣化范圍產(chǎn)生所需的熱粗合 成氣。因此，促進(jìn)更有效的IGCC氣化過程。壓縮的富CO2氣通常具有約200° F(93.3°C)至約300° F(148. 9°C )的溫度。在 加熱時，通常將壓縮的富CO2氣加熱到約550° F(278. 8°C )至約700° F(371. 1°C )的溫 度。例如，在一個方面，將壓縮的富CO2氣加熱到約650° F(343. 3°C )的溫度。除了降低耗氧量外，較高碳轉(zhuǎn)化率(在壓縮和/或加熱富CO2氣時產(chǎn)生)可導(dǎo)致 通過上述逆水煤氣變換反應(yīng)降低耗氫量。具體地講，CO具有與H2相比較低的熱值。因此， 通過在氣化方法用CO代替H2,可提高效率。在氣化器208中產(chǎn)生的合成氣在出口 310離開氣化器208。如上一般所述，熱粗 合成氣引導(dǎo)到RSC 144和CSC 260，其中使合成氣冷卻，然后引導(dǎo)到合成氣洗滌器270、LTGC 裝置221并最終引導(dǎo)到分離裝置250。在一個方面，通過在加入點312使熱粗合成氣混合物與通過分離裝置250分離的 經(jīng)導(dǎo)管404的一部分壓縮和/或加熱富二氧化碳?xì)饣旌希孕纬山M合合成氣混合物，可在引 入RSC 144前冷卻熱粗合成氣。然后，可通過入口 314將組合合成氣混合物引入RSC 144， 在此將其冷卻。已發(fā)現(xiàn)，通過使氣化器208中產(chǎn)生的熱粗合成氣與一部分壓縮和/或加熱的富CO2 氣混合，可進(jìn)一步使IGCC工廠100更有效地運(yùn)行。具體地講，如上所述，經(jīng)壓縮和/或加熱 的富CO2氣通過逆水煤氣變換反應(yīng)提高碳轉(zhuǎn)化率，從而降低耗氫量。由于CO具有與H2相比 較低的熱值，與H2相比CO還能夠更有效地被冷卻，因此得到較低成本和較高效率IGCC工 廠 100。另外，在一些工廠中，分離系統(tǒng)進(jìn)一步在輻射合成氣冷卻器144中包括煙灰吹除， 以吹去冷卻器144的管上的灰渣沉積物。通常用氮(N2)吹除煙灰。然而，利用本發(fā)明的方 法，可用CO2代替N2吹除煙灰，這提供進(jìn)一步的優(yōu)點。具體地講，由于CO2比N2密度大，因此 吹除煙灰需要較少C02。另外已發(fā)現(xiàn)，CO2比N2更容易從合成氣分離。經(jīng)冷卻的合成氣在出口 318離開RSC 144，并且可引導(dǎo)到CSC260進(jìn)一步冷 卻。具體地講，在一個實施方案中，使合成氣進(jìn)一步冷卻到約900° F(482.2°C)至約 1600° F(871. TC )溫度，更具體地講，冷卻到約1300° F(704. 4°C )溫度。一旦冷卻，就 可將合成氣引入合成氣洗滌器270和LTGC裝置221，用于去除粗合成氣流內(nèi)夾帶的顆粒物 質(zhì)，然后引入分離裝置250，以促進(jìn)至少一些酸性氣體組分分離成包括但不限于C02、COS和 H2S的各組分。在一個方面，經(jīng)冷卻的合成氣離開RSC 144，并在加入點320與通過分離裝置250 分離的一部分壓縮富二氧化碳?xì)饣旌?，以形成組合合成氣混合物。通常如果在加入點320 加入壓縮的富CO2氣，則不在CO2加熱器304加熱富CO2氣。由于不加熱壓縮的富CO2氣，可 允許經(jīng)冷卻的合成氣進(jìn)一步冷卻。一旦混合，就將組合合成氣混合物供到對流合成氣冷卻器(CSC)260的入 口 322，在此經(jīng)過進(jìn)一步冷卻。在出口 326離開CSC 260的經(jīng)冷卻合成氣通常為約 400° F(204.4°C )至約800° F(426. 7°C )的溫度。然后將經(jīng)冷卻的合成氣供到合成氣洗 滌器270、LTGC裝置221和分離裝置250。
雖然本文描述為對經(jīng)壓縮和/或加熱富CO2氣進(jìn)入氣化系統(tǒng)200的合成氣混合物 的多個連續(xù)加入點進(jìn)行操作，但應(yīng)認(rèn)識到，經(jīng)壓縮的富CO2氣可只在一個或在兩個上述加入 點加入而不脫離本發(fā)明的范圍。例如，在一個方面，首先在氣化器208中只用O2和原料產(chǎn)生 合成氣(不加入經(jīng)壓縮和/或加熱的富CO2氣)，然后可使合成氣混合物在加入點312與第 一部分經(jīng)壓縮和/或加熱的富CO2氣混合，并在RSC 144中冷卻。在另一個方面，從O2和原 料產(chǎn)生合成氣，并在RSC 144中冷卻。一旦經(jīng)冷卻的合成氣在出口 318離開RSC 144，經(jīng)冷 卻的合成氣就可在加入點320與第一部分經(jīng)壓縮和/或加熱的富CO2氣混合，并在CSC 260 中進(jìn)一步冷卻。使用本發(fā)明的方法的一個另外優(yōu)點包括不需要在IGCC工廠100中包含除硫子系 統(tǒng)275。具體地講，由于經(jīng)壓縮和/或加熱的富二氧化碳?xì)鈴姆蛛x裝置250去除并再次與合 成氣混合，富CO2氣不必經(jīng)過純化除硫。因此，可優(yōu)化分離裝置250，以允許富CO2氣含硫。盡管結(jié)合與目前被認(rèn)為是最實際的優(yōu)選實施方案描述了本發(fā)明，但應(yīng)了解，本發(fā) 明不限于所公開的實施方案，相反，本發(fā)明旨在涵蓋包含在隨附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi) 的不同修改和等價方案。部件清單
權(quán)利要求
一種從氣化系統(tǒng)(200)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方法，所述方法包括在分離裝置(250)中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)猓粔嚎s富二氧化碳?xì)?；并且將至少第一部分壓縮的富二氧化碳?xì)夤┑綒饣鳌?br> 2.權(quán)利要求1的方法，其中在氣化時產(chǎn)生第二合成氣混合物，所述方法進(jìn)一步包括使 第二合成氣混合物在輻射合成氣冷卻器(144)中冷卻。
3.權(quán)利要求2的方法，所述方法進(jìn)一步包括將經(jīng)冷卻的第二合成氣混合物供到合成氣 洗滌器(270)。
4.權(quán)利要求2的方法，所述方法進(jìn)一步包括使第二合成氣混合物與第二部分經(jīng)壓縮的 富二氧化碳?xì)庠谳椛浜铣蓺饫鋮s器(144)中接觸，以促進(jìn)第二合成氣混合物冷卻。
5.權(quán)利要求4的方法，所述方法進(jìn)一步包括使經(jīng)冷卻的第二合成氣混合物與第三部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)饨佑|，以形成混合 物；并且將混合物引導(dǎo)到對流合成氣冷卻器(260)。
6.權(quán)利要求1的方法，所述方法進(jìn)一步包括在第一部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)夤┤霘?化器(208)之前加熱經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)狻?br> 7.權(quán)利要求1的方法，其中所述在分離裝置(250)中從第一合成氣混合物去除富二氧 化碳?xì)獍ㄈコs15%至約50%的富二氧化碳?xì)?，基于第一合成氣混合物中存在的全?二氧化碳的摩爾數(shù)計算。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述供入第一部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)獯龠M(jìn)碳轉(zhuǎn)化率提 高至多約3%。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述供入第一部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)獯龠M(jìn)每單位合成 氣產(chǎn)量耗氧量降低至多約2%。
10.一種從氣化系統(tǒng)(200)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方法，所述方法包括在分離裝置(250)中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)?；壓縮富二氧化碳?xì)?；在氣化?208)中產(chǎn)生第二合成氣混合物；使第二合成氣混合物和至少第一部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)饣旌?，以形成組合合成氣 混合物；并且將組合合成氣混合物引導(dǎo)到對流合成氣冷卻器，以促進(jìn)第二合成氣混合物冷卻。
全文摘要
一種在IGCC系統(tǒng)中制備合成氣的方法，所述方法包括壓縮和加熱富二氧化碳?xì)?，以產(chǎn)生經(jīng)加熱壓縮的富二氧化碳?xì)?，將加熱壓縮的富二氧化碳?xì)馀c氧和原料混合，以形成原料混合物，使原料混合物經(jīng)過氣化，以產(chǎn)生合成氣，使合成氣在輻射合成氣冷卻器(144)中冷卻，使在輻射合成氣冷卻器中冷卻的合成氣與壓縮的富二氧化碳?xì)饨佑|，以進(jìn)一步冷卻合成氣，從產(chǎn)物混合物去除一定量富二氧化碳?xì)?，并在與氧和原料混合前壓縮去除的富二氧化碳?xì)狻?br> 文檔編號C10J3/72GK101928604SQ201010213450
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17日
發(fā)明者G·古爾科, J·D·溫特, P·S·華萊士, P·S·薩克 申請人:通用電氣公司