用于低級燃料的整體式熱解以及氣流床氣化系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于低級燃料的整體式熱解以及氣流床氣化系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)串請案的交叉引用
[0002]本申請是2013年3月7日提交的美國專利申請序列號13/788，655的部分接續(xù)申請并且要求所述申請的優(yōu)先權(quán)，所述申請以引用的方式整體并入本說明書中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明領(lǐng)域總體涉及氣化系統(tǒng)，并且更具體地說，涉及用于從低級燃料生產(chǎn)合成天然氣(SNG)的氣化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]可將諸如煤、石油焦、生物質(zhì)、木質(zhì)材料、農(nóng)業(yè)廢物、焦油、焦?fàn)t煤氣和瀝青，以及其他含碳物質(zhì)的原料氣化，以用于產(chǎn)生電力、化工產(chǎn)品、合成燃料，并且用于其他各種應(yīng)用。氣化通常包括使碳質(zhì)燃料與氧氣在非常高的溫度下反應(yīng)來產(chǎn)生合成氣，所述合成氣是主要含有一氧化碳和氫氣的一種燃料。合成氣與氣化前處于其原始狀態(tài)的燃料相比典型地更有效地且更清潔地燃燒。合成氣可用于發(fā)電、化工生產(chǎn)以及其他任何合適的應(yīng)用。
[0005]然而，普遍已知為低級原料的一些含碳固體原料并不適合于和/或無法高效地結(jié)合一些已知?dú)饣到y(tǒng)一起使用。由于低級原料與氣化系統(tǒng)中通常使用的燃料相比具有低熱值和固有的高氧含量，所述低級原料通常并不是令人希望的。此外，低級燃料通常形成非常稀薄的漿料，并且典型的攜帶式氣化系統(tǒng)不能有效地利用這類燃料來生產(chǎn)合成氣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一方面，提供了一種用于低級燃料的氣化系統(tǒng)。所述氣化系統(tǒng)包括熱解單元，所述熱解單元配置用于接收低級燃料并且將所述低級燃料熱解來產(chǎn)生熱解氣體和固定碳。所述氣化系統(tǒng)還包括配置用于使用所述固定碳產(chǎn)生合成氣流的氣化器、以及配置用于冷卻所述合成氣流的冷卻器。連接在所述冷卻器與所述熱解單元之間的第一導(dǎo)管配置用于將所述合成氣流的至少一部分再循環(huán)至所述熱解單元中，其中所述再循環(huán)合成氣流與所述熱解氣體混合，以產(chǎn)生含有氣化副產(chǎn)物的富含烴的合成氣流。副產(chǎn)物回收系統(tǒng)連接至所述熱解單元，以用于從所述富含烴的合成氣流中去除所述氣化副產(chǎn)物。
[0007]在另一方面，提供了一種整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備。所述整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備包括至少一個氣化系統(tǒng)，所述氣化系統(tǒng)包括熱解單元，所述熱解單元配置用于接收低級燃料并且將所述低級燃料熱解來產(chǎn)生熱解氣體和固定碳。所述氣化系統(tǒng)還包括配置用于使用所述固定碳產(chǎn)生合成氣流的氣化器、以及配置用于冷卻所述合成氣流的冷卻器。連接在所述冷卻器與所述熱解單元之間的第一導(dǎo)管配置用于將所述合成氣流的至少一部分再循環(huán)至所述熱解單元中，其中所述再循環(huán)合成氣流與所述熱解氣體混合，以產(chǎn)生含有氣化副產(chǎn)物的富含烴的合成氣流。副產(chǎn)物回收系統(tǒng)連接至所述熱解單元，以用于從所述富含烴的合成氣流中去除所述氣化副產(chǎn)物。所述整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備還包括以流體連通的方式與所述冷卻器連接以接收所述合成氣流的至少一部分的至少一個燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。
[0008]在又另一方面，提供了一種將低級燃料氣化的方法。所述方法包括向熱解單元提供低級燃料的進(jìn)料，并且將所述低級燃料的進(jìn)料熱解以產(chǎn)生熱解氣體和固定碳。之后將所述固定碳引導(dǎo)至氣化器中，以用于將所述固定碳?xì)饣员惝a(chǎn)生合成氣流。所述合成氣流的至少一部分與所述熱解氣體混合以產(chǎn)生含有氣化副產(chǎn)物的富含烴的合成氣流，所述氣化副產(chǎn)物使用副產(chǎn)物回收系統(tǒng)從所述富含烴的合成氣流中去除。
【附圖說明】
[0009]圖1是示例性發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；以及
[0010]圖2是圖1中所示的系統(tǒng)的詳細(xì)示意圖。
【具體實施方式】
[0011]圖1是生產(chǎn)和/或燃燒合成氣體(即，合成氣)來發(fā)電和/或制造化工產(chǎn)品的示例性氣化設(shè)施10的示意圖，所述氣化設(shè)施10例如是整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)10包括為低級燃料的燃料源12。燃料源12可包括低級煤、石油、焦炭、生物質(zhì)、木質(zhì)材料、農(nóng)業(yè)廢料、焦油、焦?fàn)t煤氣以及瀝青，和/或其他含碳原料。如本說明書中所使用的，“低級”的煤通常具有比煙煤(例如，次煙煤或褐煤)更低的等級。在一些情況下，低級煤可具有相對較高的氧含量，如按重量計的約13%至35%。低級煤可具有其他特征，包括如在約10%至40%的范圍內(nèi)的相對較高的含水量，以及如在約3%至50%的范圍內(nèi)的相對較高的干灰含量。低級煤大量存在于美國的中部大陸地區(qū)(如粉河盆地煤(Powder River Basincoal))以及中國(如褐煤)。在一些情況下，諸如甘蔗渣的生物質(zhì)燃料可具有相對較高的氧含量，如按重量計的約30%至45%。甘蔗渣可具有其他特征，包括如在約20%至70%的范圍內(nèi)的相對較高的含水量，這使得所述甘蔗渣難以在未進(jìn)一步處理的情況下用于氣化中。由于這類煤和甘蔗渣固有的低熱值和高含水量，低級原料可能無法有效地用于一些已知的氣化器(例如，氣流床氣化器)。
[0012]在示例性實施例中，將原料14(例如，低級煤或諸如甘蔗渣的生物質(zhì)燃料)運(yùn)送至原料研磨單元16，所述原料研磨單元16通過將原料14切碎、碾磨、磨碎、粉碎、制團(tuán)、和/或造粒來對原料14調(diào)整大小或使之再成形以便產(chǎn)生氣化燃料17。之后將原料17運(yùn)送至干燥單元18，在所述干燥單元18中所述原料17暴露于足夠高的溫度下，以便促進(jìn)去除燃料17中的水分。干燥單元18產(chǎn)生運(yùn)送至熱解單元22的干燥原料20。在可替代的實施例中，干燥單元18和熱解單元22可為將燃料17干燥和熱解的單個的操作單元。
[0013]在示例性實施例中，熱解單元22使用熱解工藝來將經(jīng)干燥的原料20熱解?？商娲?，熱解單元22可為使得系統(tǒng)10能夠按照本說明書中所述起作用的任何類型的熱解單元。熱解單元22內(nèi)部的溫度的范圍可為約150°C至約800°C，這取決于所使用的熱解單元的類型。在熱解過程期間加熱干燥原料20基本上去除了低級燃料中的任何殘留水分和揮發(fā)成分，并且可產(chǎn)生固體24 (例如，焦炭、固定碳)和熱解氣體26，所述熱解氣體26包含不凝烴(例如但不限于甲烷)；以及可凝烴(例如但不限于焦油和輕質(zhì)油)。來自熱解過程的固定碳可重達(dá)最初原料的重量的約20%至40%。具有相對較高含水量的低級燃料如低級煤和甘蔗渣的氣化傳統(tǒng)上來說是一個比較困難的過程。然而，使這類燃料經(jīng)受本說明書中所述的熱解過程有助于降低燃料的氧含量和含水量，以使得固體焦炭24中存在比原料20中相對更高濃度的碳含量，從而增加燃料的熱值。
[0014]在示例性實施例中，將焦炭24引導(dǎo)至漿料制備單元28，在所述漿料制備單元28中，水30或另一種合適的液體可添加至焦炭24中以產(chǎn)生漿料原料32。在至少一個實施例中，將熱解氣體26的至少一部分引導(dǎo)至壓縮系統(tǒng)27，并且將可凝烴冷凝成液體，所述液體之后可像水30 —樣引導(dǎo)至漿料制備單元28以用于產(chǎn)生漿料32。這尤其適用于使用諸如甘蔗渣的生物質(zhì)燃料的情況，因為甘蔗渣的含水量顯著大于低級煤的含水量。在另一個實施例中，在干燥單元18中從進(jìn)料中去除的水分的一部分被冷凝來提供產(chǎn)生漿料中使用的水30?？商娲兀蛘呓Y(jié)合水30，當(dāng)諸如甘蔗渣的生物質(zhì)用作燃料時，可將未處理的研磨的甘蔗渣原料31引入漿料制備單元28中以提供產(chǎn)生漿料原料32所需的液體。研磨原料31被處理成使得研磨操作能破壞甘鹿渣的蜂窩狀結(jié)構(gòu)(cellular structure)，從而使得截留在甘蔗渣中的內(nèi)部水被釋放為外部水30，以供漿料制備單元28使用。此外，熱解氣體26的至少一部分29 (不凝烴)繞過漿料制備單元28，并且與漿料32分開地引導(dǎo)至氣化器34中，或者可繞過氣化器34而引導(dǎo)至下游清潔器中以用作發(fā)電中的燃料氣體。將漿料原料32從漿料制備單元28輸送至氣化器34。
[0015]在示例性實施例中，氣化器34是氣流床氣化器。可替代地，氣化器34可為使得系統(tǒng)10能夠按照本說明書中所述起作用的任何類型的氣化器。氣化器34將漿料原料32轉(zhuǎn)化成合成氣，例如，一氧化碳和氫氣的組合。這種轉(zhuǎn)化可通過以下方式來完成:取決于燃料的類型和所使用的氣化器的類型，在高壓(例如，在約20巴與90巴之間)下且在高溫(例如，在約700°C與1600°C之間)下，使燃料經(jīng)受控制量的合適的慢化劑和亞化學(xué)計量量的氧氣。氣化期間的燃料的轉(zhuǎn)化可產(chǎn)生渣36(例如，熔融灰分材料)和殘余氣體(例如，帶有極少量的甲烷、氮?dú)?、氬氣、硫化氫和硫化羰的一氧化碳、氫氣、二氧化碳以及水蒸?。渣36可從氣化器34中去除，急冷并且例如作為路基或者作為另一種建筑材料來處置掉。
[0016]在示例性實施例中，部分氧化過程(即，氣化)可在氣化器34中發(fā)生。為了促進(jìn)氣化過程，將氧氣流38從空氣分離單元(ASU) 40供應(yīng)至氣化器34中。ASU 40通過