專利名稱：直接位于燃?xì)廨啓C(jī)上游的合成氣膨脹機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過部分氧化烴類燃料生產(chǎn)燃料氣并且在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒這種燃料氣以生產(chǎn)動(dòng)力的改進(jìn)技術(shù)，更具體地說，本發(fā)明涉及高效整體氣化總體循環(huán)(“IGCC”)方法，該方法在各段中加入氣體冷卻步驟，并且該方法是在高壓下操作以從冷卻的燃料氣中使熱量最大程度地用于動(dòng)力生產(chǎn)。發(fā)明背景目前，全世界均采用急冷動(dòng)力生產(chǎn)體系通過燃料氣化以生產(chǎn)動(dòng)力。在這種系統(tǒng)中，通過用含游離氧的氣體對(duì)烴類燃料進(jìn)行部分氧化生產(chǎn)出包含H2、CO、CO2和H2O的原料合成氣或合成燃料氣，該過程通常是在溫度調(diào)節(jié)劑存在下，于急冷式氣化反應(yīng)器中進(jìn)行的。
所產(chǎn)生的合成氣通過在水中急冷產(chǎn)生一種急冷的飽和合成氣物流，其溫度通常為約450-550°F，壓力通常為約700-1500psia。此類方法更為詳細(xì)的描述參見US 5,345,756(Jahnke等)，該文獻(xiàn)引入本文作為參考。
所產(chǎn)生的合成氣通常在酸氣除去單元中進(jìn)行純化，所述單元采用物理或化學(xué)溶劑以從氣體物流中除去H2S和COS。然后，將純化后的合成氣作為燃料氣加至帶有溫度調(diào)節(jié)劑如氮?dú)獾娜細(xì)廨啓C(jī)的燃燒器中。發(fā)明概述本發(fā)明直接在燃?xì)廨啓C(jī)的上游設(shè)置一個(gè)合成氣膨脹渦輪機(jī)或膨脹機(jī)，從而改善了作為用于燃?xì)廨啓C(jī)燃料的合成氣進(jìn)行燃燒以生產(chǎn)動(dòng)力的可靠性和效率。來自膨脹機(jī)的附加動(dòng)力輸出以及通過減少或消除來自用于控制氮氧化物的空氣分離單元的氮?dú)鈮嚎s可增加效率。附圖簡述

圖1為一種實(shí)施方案的流程示意圖，該實(shí)施方案中采用來自燃?xì)廨啓C(jī)的釋放空氣作為燃燒器中用于部分燃燒合成氣的氧源。
圖2為包括選擇性脫硫系統(tǒng)的圖1實(shí)施方案的流程示意圖。
圖3為另一種實(shí)施方案的流程示意圖，該實(shí)施方案采用來自空氣分離單元的高壓氧氣作為燃燒器中用于部分燃燒合成氣的氧源。
圖4為另一種實(shí)施方案的流程示意圖，其中，合成氣通過在熱回收蒸汽發(fā)生器的管中與燃?xì)廨啓C(jī)廢氣進(jìn)行熱交換而將合成氣加熱。
相應(yīng)的參考數(shù)字表明在各附圖中的相應(yīng)部分。優(yōu)選實(shí)施方案說明按照本發(fā)明，合成氣膨脹機(jī)或膨脹渦輪機(jī)直接位于燃?xì)廨啓C(jī)的上游。進(jìn)入膨脹機(jī)的合成氣混合物在約800-約1000°F。由于進(jìn)入膨脹機(jī)的氣體處于高溫下，因此，在熱合成氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前，可從熱合成氣的體積膨脹中得到大量的動(dòng)力，從而大大改善動(dòng)力生產(chǎn)循環(huán)中的效率。從膨脹機(jī)排出的燃料氣依然是熱的，并且這些未能通過膨脹機(jī)轉(zhuǎn)化成動(dòng)力的熱量被直接帶入燃?xì)廨啓C(jī)中，在此回收熱量。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器段之前，將熱空氣的排出物流從燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮器排放中除去。通過使熱空氣的排出物流與其它加工物流進(jìn)行熱交換，或者通過任一種可有效實(shí)現(xiàn)的其它冷卻措施而將其冷卻。
在冷卻后，空氣物流可用水飽和，并壓縮至約1000-約1200psig。即使空氣物流吸收水將增加壓縮機(jī)的負(fù)荷，空氣物流也可用水或氮?dú)怙柡鸵愿纳蒲h(huán)效率。
或者，空氣或氣體物流可被飽和或可第二壓縮機(jī)下游接受附加的飽和。然而，此時(shí)，氣體物流由于壓縮的熱量而被加熱，采用飽和器效果不好。
另一種可選擇的情形是，部分來自燃?xì)廨啓C(jī)的空氣可加至空氣分離單元，該單元能減少空氣分離單元空氣壓縮器的尺寸和動(dòng)力。進(jìn)而，可對(duì)來自空氣分離單元的氮?dú)膺M(jìn)行壓縮并送至燃?xì)廨啓C(jī)中或送至膨脹機(jī)上游的合成氣或空氣中以增加動(dòng)力輸出并減少燃?xì)廨啓C(jī)中氮氧化物(NOx)的形成。
參看附圖1，來自酸性氣體去除單元(未示出)的高壓低硫(sweet)合成氣2進(jìn)入合成氣飽和器4中，在該飽和器中用水6飽和，并以飽和的合成氣物流8排出。合成飽和器4也備有水出口9。
從燃?xì)廨啓C(jī)12中排出壓力為約200-300psig及溫度為約500-800°F的熱釋放空氣物流10，將其通過第一換熱器14，在此，它釋放出熱量給進(jìn)入鍋爐的進(jìn)料水物流16，形成高壓蒸氣物流18。冷卻后的空氣物流20從換熱器14中排出，進(jìn)入第二換熱器22中，在此，空氣物流進(jìn)一步被冷卻并以進(jìn)一步冷卻的空氣物流24排出。選擇性地，冷卻后的空氣物流24的一部分13可循環(huán)至空氣分離單元。燃?xì)廨啓C(jī)12也備有空氣入口11。
冷卻后的空氣物流24進(jìn)入第三換熱器30中，在此，其進(jìn)一步被冷卻，并以冷卻后的空氣物流32排出，進(jìn)入空氣飽和器34中，在此，空氣被經(jīng)管線36進(jìn)入的水飽和。飽和器備有水出口37。
飽和后的合成氣38從空氣飽和器34排出，進(jìn)入第二壓縮機(jī)40中，在此，其從約200-300psig被壓縮至約1000-1200psig，該壓力是氣化器的典型操作壓力，并以壓縮后的空氣物流42排出，與合成氣物流26一起進(jìn)入燃燒器28中。
飽和后的合成氣物流8通過換熱器22，在此，其與通過的空氣進(jìn)行熱交換，并作為加熱后的飽和合成氣物流26排出，并進(jìn)入燃燒器28中，在此進(jìn)行燃燒。
中間冷卻器(未示出)可選擇性地與第二壓縮機(jī)40一起使用。但是，由于壓縮的熱量進(jìn)入燃燒器28，并且，額外的動(dòng)力被轉(zhuǎn)化成燃燒值，高壓縮比且無級(jí)間冷卻可能是可行的。
需要指出，壓縮后的空氣物流42與合成氣物流26一起進(jìn)入燃燒器28中，并進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生在高溫下的燃燒產(chǎn)物與過量合成氣的混合物。
通常，僅合成氣26的一部分，大約占合成氣總量1-5％的合成氣物流在燃燒器28中進(jìn)行燃燒。而高壓合成氣的大部分則經(jīng)管線44旁路通過燃燒器28，并與排出燃燒器28的燃燒氣體29混合，形成約1000°F的燃燒氣體29與合成氣44的混合物46。
燃燒器28的燃燒室中的溫度可通過調(diào)節(jié)旁路通過燃燒器28的物流44中合成氣的量來改變。如果合成氣通過燃燒器28的量較小，則可獲得使未混合氣體蒸氣29的溫度特別高。
然后，混合氣體物流46進(jìn)入膨脹機(jī)48中，該膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)50連接。由于合成氣加熱改善了循環(huán)的效率，來自膨脹機(jī)48的大量動(dòng)力可易于被發(fā)動(dòng)機(jī)50接收。從膨脹機(jī)48排出的氣體52將依然很熱，溫度約250-700°F。熱氣體52可用作燃?xì)廨啓C(jī)12的燃料。因此，來自氣體46未通過膨脹機(jī)48轉(zhuǎn)化為動(dòng)力的熱量將作為燃料氣52中的熱量排放至燃?xì)廨啓C(jī)12中，通過發(fā)動(dòng)機(jī)54回收。
通過適當(dāng)?shù)乜刂葡到y(tǒng)的操作過程，可使進(jìn)入膨脹機(jī)48的燃料氣52保持在足夠低的BTU/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(BTU/SCF)上，以減少氮氧化物(N0x)的產(chǎn)生，同時(shí)，保持足夠的熱值在約80-150BTU/SCF，以確保在燃?xì)廨啓C(jī)12中有效且效率很高地燃燒。
通過控制在膨脹機(jī)48中通入氣體物流46之前用于在燃燒器28中對(duì)合成氣26的一部分進(jìn)行預(yù)燃燒的空氣量和通過控制加至進(jìn)入空氣飽和器34的高壓空氣中的飽和水36的用量，可控制燃料氣52的熱值。選擇性地，氮?dú)饣蚝铣蓺馕锪骺稍谶M(jìn)入膨脹機(jī)之前加至燃料物流中，或者在膨脹機(jī)的下游通過連接燃?xì)廨啓C(jī)12的選擇性管線58加至燃料物料中。
圖2為高溫脫硫?qū)嵤┓桨福渲?，來自燃燒?8及旁路合成氣物流44合并后的燃燒氣體46進(jìn)入高壓脫硫系統(tǒng)中，該系統(tǒng)由鐵酸鋅或類似物質(zhì)的床層60和62組成，通過管線64排出脫硫后的物流。
進(jìn)入高溫脫硫系統(tǒng)的燃燒氣體46已通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)低溫脫硫方法脫除了大部分的硫。這一類常規(guī)方法大多包括COS水解步驟以使脫硫率增加約1-2％。
采用本發(fā)明所述的高溫脫硫系統(tǒng)將會(huì)消除對(duì)COS水解的需求，并能除去最后的痕量硫。由于脫硫系統(tǒng)僅需脫除最后痕量的硫，因此，與從合成氣中脫除所有硫的系統(tǒng)相比，高溫脫硫系統(tǒng)的尺寸可非常小。此外，來自用經(jīng)管線66引入的蒸氣和氧氣對(duì)床層60和62再生的酸性氣體可經(jīng)管線68返回氣化器(未示出)中，消除了對(duì)任何附加硫回收處理的需要并使間歇加工或?qū)γ摿虼策M(jìn)行再生更為方便地進(jìn)行。
圖3為采用純氧氣而非氧氣和空氣作為氧化劑以使合成氣進(jìn)行部分燃燒以增加溫度的簡化過程。在圖1中所公開的排放空氣的加工系統(tǒng)被來自空氣分離單元(未示出)的高壓氧氣代替，高壓氧氣通過管線70加至燃燒器28中，并與來自酸性氣體脫除單元或合成氣飽和器4的部分高壓合成氣26一起燃燒。來自合成氣飽和器4的高壓脫硫合成氣8進(jìn)入換熱器14中并經(jīng)管線26排出，并進(jìn)入燃燒器28中。
該實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)是，氧氣易于在升高的壓力下以來自被加至氣化器的氧氣的側(cè)流或滑流得到。該實(shí)施方案也可用于改進(jìn)現(xiàn)有的高壓氣化動(dòng)力系統(tǒng)。
圖4顯示了僅通過熱交換對(duì)合成氣進(jìn)行加熱的另一種方式，從而避免在燃燒器28中進(jìn)行部分燃燒。該實(shí)施方案是用于將合成氣加熱至高溫的最有效的配置。用水飽和的合成氣物流8進(jìn)入熱回收蒸氣發(fā)生器80中，在此它被由燃?xì)廨啓C(jī)12排出的熱廢氣82間接加熱。
合成氣8的加熱優(yōu)選這樣來進(jìn)行，即使合成氣通過熱回收蒸氣發(fā)生器80中的管子，與使蒸氣過熱的方式類似，雖然也可采用間接加熱。由于可從燃?xì)廨啓C(jī)廢氣得到高溫，合成氣易于被加熱至約700-1000°F，根本無需燃燒合成氣，合成氣以物流84存在。
與用氧氣使部分合成氣燃燒的方案相比，采用直接來自熱回收蒸氣發(fā)生器80的熱量在膨脹機(jī)48中對(duì)合成氣進(jìn)行加熱是更為有效的，并可消除與氧氣生產(chǎn)相關(guān)的能量需求。由于采用了直接位于燃?xì)廨啓C(jī)12上游的膨脹機(jī)48，這使得該實(shí)施方案與膨脹機(jī)48位于冷卻線路中部需要非常長合成氣傳輸管線的方案相比更實(shí)際可行。
因此，膨脹機(jī)48可直接位于燃?xì)廨啓C(jī)12的上游被加熱的合成氣管線84上。這消除了為冷卻膨脹機(jī)廢氣的需求，并使成本降低。
膨脹機(jī)48的入口溫度優(yōu)選設(shè)置成可使排出燃料氣52的廢氣溫度為550°F，并允許對(duì)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)12的燃料氣52采用標(biāo)準(zhǔn)高溫燃料控制閥。通常，對(duì)于加至膨脹機(jī)48的被加熱合成氣進(jìn)料84來說，要求進(jìn)料溫度為約800-1000°F。加至膨脹機(jī)48的進(jìn)料84可通過所述手段進(jìn)行預(yù)加熱，包括用蒸氣或其它加工物流進(jìn)行熱交換以達(dá)到約550°F。
加熱至約800°F或以上的溫度所需的其余熱量則通過在燃燒器28中氧氣或空氣于合成氣中燃燒完成，或者通過在熱回收蒸氣發(fā)生器80中進(jìn)行熱交換完成。
合成氣飽和器4可用氮?dú)怙柡推鞔妗?duì)于給定的整體空氣分離單元設(shè)計(jì)而言，燃料氣和氮?dú)馕锪鲙缀蹙哂邢嗤牧魉?，這種變化對(duì)成本沒有什么影響。
膨脹機(jī)可與氮?dú)鈮嚎s機(jī)連接并驅(qū)動(dòng)該壓縮機(jī)，這消除了對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求，并消除了相關(guān)的電力費(fèi)用和效率損失。
本發(fā)明具有以下若干優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明可提供低BTU/SCF燃料，可控制該燃料的最佳BTU含量，從而提供有效燃燒和最小NOx；本發(fā)明可以消除對(duì)氮?dú)鈮嚎s機(jī)的需求，由空氣分離單元控制BTU含量，消除了對(duì)壓力較低的惰性氣體進(jìn)行壓縮的需求。本發(fā)明還在膨脹前消除以來自氣體中的硫，改善了膨脹單元的可靠性并降低了投資成本；本發(fā)明使進(jìn)入膨脹機(jī)的氣體溫度最大化，從而產(chǎn)生動(dòng)力最多，并改善了使用膨脹機(jī)時(shí)整個(gè)循環(huán)過程的效率；本發(fā)明也可采用標(biāo)準(zhǔn)壓力空氣分離單元設(shè)計(jì)或管路氧氣，允許進(jìn)行有效氣化動(dòng)力生產(chǎn)；當(dāng)加入高溫脫硫單元時(shí)，本發(fā)明還可減少硫釋放至ppm級(jí)。
當(dāng)需要保持對(duì)動(dòng)力循環(huán)盡可能小的影響時(shí)，系統(tǒng)可成旁路設(shè)置。在旁路模式中，蒸氣注入可用于保持低NOx生產(chǎn)，合成氣燃料可直接從合成氣飽和器進(jìn)入燃燒器。
權(quán)利要求
1.一種用于增加動(dòng)力生產(chǎn)單元效率的系統(tǒng)，其中，通過在氣化器中對(duì)烴燃料進(jìn)行部分氧化反應(yīng)生產(chǎn)在升高溫度和壓力下的合成氣，其中，合成氣用作動(dòng)力生產(chǎn)單元中的燃料以產(chǎn)生動(dòng)力，其改進(jìn)之處是，該系統(tǒng)包括直接在動(dòng)力產(chǎn)生單元的上游設(shè)置高溫氣體膨脹機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括在高溫氣體膨脹機(jī)上游的合成氣飽和器、熱交換裝置和燃燒器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)與來自動(dòng)力產(chǎn)生單元的空氣源連接的換熱器，空氣飽和器和壓縮機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，還包括用于從排出燃燒器的氣體中除去硫的高溫脫硫系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，動(dòng)力產(chǎn)生單元為燃?xì)廨啓C(jī)。
6.一種用于增加動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)效率的方法，其中，通過在氣化器中對(duì)烴燃料進(jìn)行部分氧化反應(yīng)生產(chǎn)在升高溫度和壓力下的合成氣，其中，在燃?xì)廨啓C(jī)中，合成氣用作動(dòng)力生產(chǎn)單元中的燃料以產(chǎn)生動(dòng)力，其中，所述的合成氣在用作所述燃?xì)廨啓C(jī)的燃料之前被清潔和冷卻，其改進(jìn)之處是，在將合成氣用作燃?xì)廨啓C(jī)的燃料之前，通過在膨脹單元中減少合成氣的壓力以使合成氣的體積膨脹，并通過與膨脹單元連接的發(fā)動(dòng)機(jī)從合成氣的膨脹中得到動(dòng)力，所述發(fā)動(dòng)機(jī)與膨脹單元直接相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，部分合成氣在膨脹前被部分燃燒。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，在膨脹前所述的部分燃燒的合成氣與未燃燒的部分合成氣混合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，在進(jìn)行部分燃燒前從合成氣中將那部分未燃燒的合成氣分離開。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，部分燃燒的合成氣物流進(jìn)行高溫脫硫處理。
全文摘要
本發(fā)明改善了用作為燃?xì)廨啓C(jī)(12)燃料的合成氣進(jìn)行燃燒以生產(chǎn)動(dòng)力的可靠性，這種改善是通過直接在燃?xì)廨啓C(jī)的上游設(shè)置合成氣膨脹機(jī)(48)實(shí)現(xiàn)的。通過附加的來自膨脹機(jī)的動(dòng)力輸出以及通過減少或消除用于控制氮?dú)庋趸目諝夥蛛x單元的氮?dú)鈮嚎s，使效率增加。
文檔編號(hào)C10JGK1239533SQ98801387
公開日1999年12月22日 申請(qǐng)日期1998年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月12日
發(fā)明者F·C·加赫克 申請(qǐng)人:德士古發(fā)展公司