氣化系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氣化系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)包括氣化器、蒸汽發(fā)生器和燃燒系統(tǒng)，所述氣化器構(gòu)造為氣化原料和氧化劑以產(chǎn)生發(fā)生爐煤氣，所述蒸汽發(fā)生器構(gòu)造為將蒸汽供應(yīng)至所述氣化器，所述燃燒系統(tǒng)構(gòu)造為將廢氣供應(yīng)至所述蒸汽發(fā)生器以產(chǎn)生蒸汽。所述系統(tǒng)也包括廢氣注入系統(tǒng)，所述廢氣注入系統(tǒng)位于所述氣化器的上游，并流體聯(lián)接至所述氣化器。所述廢氣注入系統(tǒng)構(gòu)造為將來自所述燃燒系統(tǒng)的廢氣中的一部分供應(yīng)至所述氣化器。
【專利說明】氣化系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本說明書公開的主題涉及氣化系統(tǒng)，更特別地涉及用于氣化的系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)種類型的原料（例如煤、生物質(zhì)（biomass))可被氣化以用于產(chǎn)生電力、化學(xué)品、 合成燃料或者用于多種其他應(yīng)用。氣化通常涉及給料（feedstock)的部分氧化和一系列其 他反應(yīng)，從而產(chǎn)生可燃氣體（包括一氧化碳（C0)、氫氣（H 2)、痕量的甲烷（CH4))，或換言之， 發(fā)生爐煤氣（producer gas)。發(fā)生爐煤氣可例如作為高爐燃油的替代品而用于運行內(nèi)燃 發(fā)動機，也可用于制備甲醇、含氧化學(xué)品等。數(shù)個因素可影響氣化的總體效率，例如，氣化條 件（例如溫度、流速）、所用的原料類型、氧化劑（例如空氣、氧氣或它們的混合物）、稀釋劑 (例如蒸汽）或它們的組合可影響所產(chǎn)生的發(fā)生爐煤氣的組成和量，并因此影響發(fā)生爐煤 氣的熱值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 范圍與原始要求保護的本發(fā)明相同的某些實施例總結(jié)如下。這些實施例不旨在限 制所要求保護的本發(fā)明的范圍，相反，這些實施例僅旨在提供本發(fā)明的可能形式的簡要總 結(jié)。實際上，本發(fā)明可涵蓋可與如下所述的實施例類似或不同的多種形式。
[0004] 在本發(fā)明的第一實施例中，一種氣化系統(tǒng)包括氣化器、蒸汽發(fā)生器和燃燒系統(tǒng)，所 述氣化器構(gòu)造為氣化給料和氧化劑以產(chǎn)生發(fā)生爐煤氣，所述蒸汽發(fā)生器構(gòu)造為將蒸汽供應(yīng) 至所述氣化器，所述燃燒系統(tǒng)將廢氣供應(yīng)至所述蒸汽發(fā)生器以產(chǎn)生蒸汽。所述系統(tǒng)也包括 廢氣注入系統(tǒng)，所述廢氣注入系統(tǒng)位于所述氣化器的上游，并流體聯(lián)接至所述氣化器。所述 廢氣注入系統(tǒng)將來自所述燃燒系統(tǒng)的廢氣中的一部分供應(yīng)至所述氣化器。
[0005] 在本發(fā)明的第二實施例中，一種方法包括將燃料源和氣化劑提供至氣化器；將來 自燃燒系統(tǒng)的廢氣供應(yīng)至流體聯(lián)接至所述氣化器的蒸汽發(fā)生器，以產(chǎn)生蒸汽；以及將廢氣 的一部分供應(yīng)至所述氣化器。所述廢氣的一部分流動通過流體聯(lián)接至所述氣化器的廢氣注 入系統(tǒng)。所述方法也包括在所述氣化器中氣化燃料源、氣化劑、蒸汽和廢氣的一部分的混合 物，以產(chǎn)生發(fā)生爐煤氣。
[0006] 在本發(fā)明的第三實施例中，一種系統(tǒng)包括設(shè)置于永久性機械可讀介質(zhì)上的指令。 所述指令配置為將來自燃燒系統(tǒng)的廢氣供應(yīng)至位于氣化器上游的廢氣注入系統(tǒng)。所述廢氣 注入系統(tǒng)流體聯(lián)接至所述氣化器。所述指令也配置為將廢氣供應(yīng)至流體聯(lián)接至所述氣化器 的蒸汽發(fā)生器以產(chǎn)生蒸汽，并在所述氣化器中氣化給料、蒸汽和廢氣的混合物以產(chǎn)生發(fā)生 爐煤氣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 當參照附圖閱讀如下詳細描述時，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點將變得 更好理解，在整個附圖中，同樣的標記表示同樣的部件，其中 ：
[0008] 圖1為示出了一種產(chǎn)生濃縮發(fā)生爐煤氣的方法的框圖；
[0009] 圖2為包括廢氣注入系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器的氣化系統(tǒng)的一個實施例的示意性框圖； 且
[0010] 圖3為如圖2所示的氣化系統(tǒng)的一個實施例的示意性框圖。

【具體實施方式】
[0011] 本發(fā)明的一個或多個特定實施例將如下描述。為了提供這些實施例的簡明描述， 實際實施的所有特征可能不在說明書中描述。應(yīng)了解在任何這種實際實施的開發(fā)中，如同 在任何工程或設(shè)計項目中一樣，必須進行許多實施相關(guān)的決定以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標， 如符合系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的限制，一個實施與另一個實施的特定目標可能不同。此外，應(yīng) 了解這種開發(fā)能力可能是復(fù)雜且耗時的，但對于具有本公開的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言 仍然是設(shè)計、裝配和制造的常規(guī)任務(wù)。
[0012] 當介紹本發(fā)明的各個實施例的構(gòu)件時，冠詞"一"、"所述"旨在意指存在一個或多 個構(gòu)件。術(shù)語"包含"、"包括"和"具有"旨在為包括的，并意指存在除了所列要素之外的另 外的要素。
[0013] 所公開的實施例包括用于獲得氣化系統(tǒng)的改進效率的系統(tǒng)和方法。特別地，所公 開的實施例包括一種廢氣注入系統(tǒng)，其可將氣體（例如循環(huán)氣，如廢氣）分配至氣化器。廢 氣可由多種燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生，如爐子，燃氣渦輪發(fā)動機、往復(fù)式發(fā)動機或它們的任意組合。廢 氣可包含二氧化碳（C0 2)、一氧化碳（C0)、水蒸氣、氮氣、殘余氧氣、未燃燒的燃料（例如烴 類）和其他組分。在氣化器中，將氣化劑（例如空氣）引入氣化器中，并與給料（feedstock) 或燃料源反應(yīng)以產(chǎn)生發(fā)生爐煤氣（例如合成氣）和各種副產(chǎn)物（如炭和灰分）。所得發(fā)生 爐煤氣將熱的形式的能量提供至氣化系統(tǒng)的過程。在所述實施例中，廢氣注入系統(tǒng)分配廢 氣，并將廢氣中的一部分供應(yīng)至氣化器。這降低了氣化燃料源所需的氣化劑的量，并產(chǎn)生富 含一氧化碳（C0)和氫氣（H 2)的發(fā)生爐煤氣。
[0014] 相比于未富含C0和H2的所得氣體，富含C0和H2的發(fā)生爐煤氣可具有更高的熱值。 熱值可用于限定燃料的能量特性。例如，燃料的熱值可定義為通過燃燒指定量的燃料而釋 放的熱量。特別地，低熱值（LHV)可定義為通過燃燒指定量（例如最初在25°C或另一參比 狀態(tài)下）并使燃燒產(chǎn)物的溫度返回至目標溫度（例如150°C )而釋放的熱量。LHV可以以 兆焦（MJ)/千克（kg)的單位計。在如下討論中，LHV可用于表示各種燃料的熱值（heating value)，但其不旨在以任何方式限定。在所公開的實施例的范圍內(nèi)，可使用任何其他值來表 征給料/原料的能量和/或熱輸出。
[0015] 現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，參照圖1，示出了一種用于產(chǎn)生富含氫氣（H2)和一氧化碳（C0)的 發(fā)生爐煤氣的方法10。方法10包括將燃料源提供至給料/原料制備系統(tǒng)，以制備用于氣化 的燃料源（框12)。燃料源可包括任何類型的碳質(zhì)燃料，如煤、石油焦和生物質(zhì)（biomass)。 例如，生物質(zhì)可包括農(nóng)業(yè)廢物、木材、鋸屑等。原料制備系統(tǒng)可將燃料源的尺寸降低至適用 于氣化的尺寸。原料制備系統(tǒng)也可干燥燃料源，以將燃料源的含濕量降低至用于有效氣化 的所需范圍。
[0016] 方法10也包括提供具有在原料制備系統(tǒng)中加工的燃料源的氣化器（框16)。 當在氣化器中時，燃料源被部分氧化。作為部分氧化的部分，可加熱燃料源以發(fā)生熱解 (pyrolysis)過程。根據(jù)某些實施例，氣體取決于所用的燃料源的類型，在熱解過程中氣化 器內(nèi)部的溫度可為大約150°C至700°C。在熱解過程中燃料源的加熱可產(chǎn)生固體（例如， 炭）和殘余氣體（例如，一氧化碳（C0)和氫氣（H 2))。
[0017] 在將燃料源添加至氣化器之前、過程中或之后，方法10也包括將一種或多種氣化 劑添加至氣化器（框20)。將氣化劑添加至氣化器允許燃料源發(fā)生部分氧化過程。氣化劑 可包括空氣、氮氣（N 2)、二氧化碳（C02)、氧氣（02)、蒸汽或它們的組合。炭/碳（char)和殘 余氣體可與氣化劑反應(yīng)以形成C0 2和C0,這提供了用于任何隨后的氣化反應(yīng)的熱量。根據(jù) 某些實施例，在部分氧化過程中的溫度可為大約700°C至1600°C。
[0018] 除了將氣化劑添加至氣化器之外（或者作為將氣化劑添加至氣化器的部分），方 法10包括將廢氣和蒸汽添加至氣化器（框22)。廢氣由動力產(chǎn)生裝置（例如燃燒系統(tǒng)）產(chǎn) 生，所述動力產(chǎn)生裝置通過廢氣注入系統(tǒng)（例如導(dǎo)管、注射噴嘴、閥等）而流體聯(lián)接至氣化 器。燃燒系統(tǒng)可包括燃氣渦輪發(fā)動機、內(nèi)燃機、爐子或它們的任意組合。此外，可使用例如 來自在熱回收蒸汽發(fā)生器（HRSG)中的廢氣的熱量來產(chǎn)生蒸汽。反應(yīng)的廢氣和蒸汽的添加 可增加在燃料源的氣化過程中產(chǎn)生的C0和H 2的量。
[0019] 在將燃料源、氣化劑和來自動力產(chǎn)生裝置的廢氣添加至氣化器之后，方法10包括 氣化燃料源（框24)。如以下圖示1所示，在氣化過程中，引入氣化器中的蒸汽可與炭反應(yīng) 而產(chǎn)生H 2、C0和C02 (反應(yīng)1)。蒸汽也可與在氣化過程中產(chǎn)生的C0反應(yīng)，以通過稱為水煤 氣變換反應(yīng)的過程而產(chǎn)生更多的〇)2和!1 2(圖示1，反應(yīng)2)。此外，蒸汽可與在燃燒過程中 產(chǎn)生的甲烷（CH4)反應(yīng)，以產(chǎn)生另外的0)和4 (圖示1，反應(yīng)3)。
[0020] 1.)炭 +H20 - C0+H2
[0021] 2· ) C0+H20 - C02+H2
[0022] 3. ) CH4+H20 - C0+3H2
[0023] 圖示 1
[0024] 除了炭與蒸汽之間的反應(yīng)之外，炭也可在稱為Boudouard反應(yīng)（示于如下圖示2 中）的過程中與C0 2反應(yīng)，以產(chǎn)生更多的CO。Boudouard反應(yīng)為雙向的，即C0也可產(chǎn)生C02 和炭（碳）。不可氣化的炭為不希望的，因此有利的是Boudouard反應(yīng)產(chǎn)生C0并降低炭的 量。為此目的，可將C02注入氣化器中，以使在Boudouard反應(yīng)過程中產(chǎn)生的炭的量達到最 少。在某些實施例中，〇) 2從由在氣化系統(tǒng)中的燃燒系統(tǒng)（例如爐子、燃氣輪機或往復(fù)式發(fā) 動機）所產(chǎn)生的廢氣提供，如以下詳細描述。

【權(quán)利要求】
1. 一種氣化系統(tǒng)，其包括： 氣化器，所述氣化器構(gòu)造為氣化原料和氧化劑以產(chǎn)生發(fā)生爐煤氣； 蒸汽發(fā)生器，所述蒸汽發(fā)生器構(gòu)造為將蒸汽供應(yīng)至所述氣化器； 燃燒系統(tǒng)，所述燃燒系統(tǒng)構(gòu)造為將廢氣供應(yīng)至所述蒸汽發(fā)生器以產(chǎn)生蒸汽；以及 廢氣注入系統(tǒng)，所述廢氣注入系統(tǒng)位于所述氣化器的上游、并流體聯(lián)接至所述氣化器， 其中所述廢氣注入系統(tǒng)構(gòu)造為將來自所述燃燒系統(tǒng)的廢氣中的一部分供應(yīng)至所述氣化器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其包括閥，所述閥構(gòu)造為在所述蒸汽發(fā)生器與所述廢 氣注入系統(tǒng)之間分配廢氣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述閥構(gòu)造為調(diào)節(jié)流向所述蒸汽發(fā)生器 的廢氣的流速。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述廢氣注入系統(tǒng)包括流動誘導(dǎo)裝置，所 述流動誘導(dǎo)裝置構(gòu)造為促使廢氣的一部分通過所述廢氣注入系統(tǒng)并進入氣化器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述流動誘導(dǎo)裝置包括鼓風機。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述流動誘導(dǎo)裝置構(gòu)造為增加所述氣化 器與所述廢氣注入系統(tǒng)之間的壓差。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒系統(tǒng)包括燃氣渦輪發(fā)動機或內(nèi) 燃機。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣化器構(gòu)造為將發(fā)生爐煤氣傳遞至 所述蒸汽發(fā)生器，以將熱量從所述發(fā)生爐煤氣傳遞至水流以產(chǎn)生蒸汽。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述原料包含農(nóng)業(yè)廢物、木材、鋸屑、煤或 它們的組合中的至少一者。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其包括廢氣冷卻器，所述廢氣冷卻器構(gòu)造為在所述廢 氣的一部分進入所述氣化器之前經(jīng)由熱交換而冷卻所述廢氣的一部分。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述廢氣冷卻器為位于所述廢氣注入 系統(tǒng)內(nèi)的間接熱交換器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述廢氣經(jīng)由廢氣與氧化劑之間的直接 熱交換而冷卻。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其包括氣體處理系統(tǒng)，所述氣體處理系統(tǒng)構(gòu)造為處理 來自所述氣化器的發(fā)生爐煤氣。
14. 一種方法，其包括： 將燃料源和氣化劑提供至氣化器； 將來自燃燒系統(tǒng)的廢氣供應(yīng)至流體聯(lián)接至所述氣化器的蒸汽發(fā)生器，以產(chǎn)生蒸汽； 將所述廢氣的一部分供應(yīng)至所述氣化器，其中所述廢氣的所述部分流動通過位于所述 氣化器的上游并流體聯(lián)接至所述氣化器的廢氣注入系統(tǒng)；以及 在所述氣化器中氣化燃料源、氣化劑、蒸汽和廢氣的一部分的混合物，以產(chǎn)生發(fā)生爐煤 氣。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其包括使用流動誘導(dǎo)裝置促使所述廢氣的所述部分 流動通過所述廢氣注入系統(tǒng)，所述流動誘導(dǎo)裝置構(gòu)造為促使所述廢氣的第二部分流動通過 所述廢氣注入系統(tǒng)并進入所述氣化器。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其包括使用閥調(diào)節(jié)進入所述氣化器的所述廢氣的一 部分的流動，所述閥構(gòu)造為在所述蒸汽發(fā)生器與所述廢氣注入系統(tǒng)之間分配廢氣。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述燃燒系統(tǒng)包括燃氣渦輪發(fā)動機或 內(nèi)燃機。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其包括將熱量從所述發(fā)生爐煤氣傳遞至所述蒸汽發(fā) 生器中的水流，以產(chǎn)生蒸汽。
19. 一種系統(tǒng)，其包括： 設(shè)置于永久性機械可讀介質(zhì)上的裝置，其中所述裝置配置為： 將來自燃燒系統(tǒng)的廢氣供應(yīng)至位于氣化器上游的廢氣注入系統(tǒng)，其中所述廢氣注入系 統(tǒng)流體聯(lián)接至所述氣化器； 將廢氣供應(yīng)至流體聯(lián)接至所述氣化器的蒸汽發(fā)生器以產(chǎn)生蒸汽；以及 在所述氣化器中氣化原料、蒸汽和廢氣的混合物以產(chǎn)生發(fā)生爐煤氣。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括具有所述裝置的控制器，并且所述裝 置配置為控制具有所述氣化器的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC)發(fā)電設(shè)備的操作。
【文檔編號】C10J3/72GK104232163SQ201410250585
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月6日
【發(fā)明者】S. 納法德 P., I. 德索扎 A., A. 德普伊 R. 申請人:通用電氣公司