聯(lián)合氣化和發(fā)電的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聯(lián)合氣化和發(fā)電方法，其中含碳物質(zhì)在供有低溫空氣分離裝置產(chǎn) 生的氧的氣化器中氣化，以產(chǎn)生合成氣，合成氣在處理后用作一個(gè)或更多燃?xì)廨啓C(jī)的燃料， 燃?xì)廨啓C(jī)供有來自空氣分離裝置的氮，并且其繼而用以產(chǎn)生設(shè)備所需電力的至少一部分， 并且供應(yīng)壓縮空氣至低溫空氣分離裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在本領(lǐng)域所知的整體氣化和聯(lián)合循環(huán)（IGCC)中，可氣化煤并可發(fā)電。在IGCC中， 煤或其它含碳物質(zhì)的氣化產(chǎn)生主要含有氫，一氧化碳和二氧化碳的合成氣，合成氣帶有一 定量的含甲烷以及含硫和氯化物的雜質(zhì)。在典型的氣化器中，含碳給料與蒸汽和氧反應(yīng)以 產(chǎn)生合成氣。含碳材料既可直接給送至氣化器或作為含碳材料的水漿給送至氣化器。通常， 通過空氣分離單元（ASUairseparationunit)將氧提供至氣化器，在空氣分離單元中，空 氣在低溫下在蒸餾塔中精餾以產(chǎn)生氧。
[0003] 在整體氣化聯(lián)合循環(huán)中，由氣化所得的合成氣冷卻至適于其在羰基硫（cos)水解 反應(yīng)器中進(jìn)一步處理的溫度，羰基硫水解反應(yīng)器將大部分羰基硫水解成硫化氫。合成氣隨 后進(jìn)一步冷卻用于在溶劑洗滌裝置內(nèi)采用用于硫化氫和羰基硫從合成氣分離的物理或化 學(xué)吸收來分離硫化氫。所得的燃料氣體隨后給送至聯(lián)接至發(fā)電機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)以發(fā)電。熱可 通過冷卻來自燃?xì)廨啓C(jī)排放的排放物來回收以引起蒸汽并通過蒸汽輪機(jī)來產(chǎn)生額外的電 力。
[0004]IGCC系統(tǒng)的優(yōu)化傳統(tǒng)上主要聚焦于資金成本而其次聚焦于效率。在對(duì)IGCC設(shè)備 的輸出沒有限制時(shí)這樣的聚焦特別恰當(dāng)。在IGCC設(shè)備由公共事業(yè)公司或其中設(shè)備設(shè)計(jì)成 將電力出售給電網(wǎng)的獨(dú)立能源生產(chǎn)者擁有時(shí)這確實(shí)是對(duì)的。
[0005]IGCC系統(tǒng)還設(shè)計(jì)成將電力提供給專屬用戶（captiveuser)，例如精煉設(shè)備或設(shè)計(jì) 成通過煤，石油焦或其它碳?xì)浠衔锝o料生產(chǎn)氫或液體的設(shè)備，和/或可包括生產(chǎn)諸如環(huán) 氧乙烷的化學(xué)生產(chǎn)的設(shè)備的綜合體。在這種情況中，除電力以外，IGCC系統(tǒng)可提供諸如蒸 汽，熱水，鍋爐給送水，燃料氣體以及合成氣等效用。在一些情況下，用于IGCC系統(tǒng)的合成 氣/燃料氣體的源可來自專屬用戶綜合體。來自IGCC設(shè)備的總電力輸出可受限于由專屬 用戶所需的加上操作IGCC設(shè)備（內(nèi)部使用）所需的。通常，出售多余的電力給電網(wǎng)的選擇 由于經(jīng)濟(jì)考慮而是不實(shí)際的。這些考慮包括：對(duì)于過剩電力的低價(jià)以及法規(guī)的存在，這限制 了出售者操作IGCC系統(tǒng)的能力，因?yàn)閮H需提供專屬用戶的需求。
[0006] 內(nèi)部用戶包括用于以下的電力：用于固體移動(dòng)的傳送器，在給送至氣化器前降低 固體碳?xì)浠衔锍叽绲哪雺浩?粉碎機(jī)，用于空氣分離單元的壓縮機(jī)，用于酸性氣體去除， 蒸汽，和其它子系統(tǒng)的泵，用于諸如儀器空氣和啟動(dòng)鍋爐的各種各樣的需求的風(fēng)機(jī)和壓縮 機(jī)，照明，以及其它各種各樣的用途。來自IGCC設(shè)備的凈功率應(yīng)限定成發(fā)電機(jī)的凈功率輸 出減去內(nèi)部使用之間的差。該凈功率供應(yīng)至專屬用戶。
[0007] 由于由商用氣化系統(tǒng)產(chǎn)生的合成氣的特性（成分變化和燃燒特性），燃?xì)廨啓C(jī)通 常使用常規(guī)擴(kuò)散燃燒器以用于燃燒燃料氣體。NOx排放物通過使用諸如來自空氣分離單元 的蒸汽和氮的稀釋劑來控制。稀釋劑降低燃料氣體的火焰溫度并且降低由輪機(jī)燃燒器產(chǎn)生 的NOx的水平。由于稀釋劑添加可大大增加燃?xì)廨啓C(jī)的重量，故燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行受影響。
[0008] 燃?xì)廨啓C(jī)排氣被送至余熱回收蒸汽發(fā)生器（HRSG)以產(chǎn)生輸出至專屬用戶的蒸汽 和/或用于在蒸汽輪機(jī)中發(fā)電。在需滿足固定水平的內(nèi)部和專屬用戶電力需求時(shí)，蒸汽輪 機(jī)（多個(gè)）所產(chǎn)生的電力的量將降低燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電需求，重要的是要注意，氣化器能力以 及由此的IGCC系統(tǒng)的內(nèi)部功率需求通常由燃?xì)廨啓C(jī)所需的燃料來設(shè)置。最大效率的系統(tǒng) 是使用最少量的固體燃料來提供效用的系統(tǒng)（燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)，氣化器以及空氣分離 單元的組合）。對(duì)于給定的氣化器類型，總裝置效率由所選的燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)性能，空氣 分離單元的設(shè)計(jì)以及空氣分離單元與燃?xì)廨啓C(jī)之間的整合來確定。
[0009] 空氣分離單元與燃?xì)廨啓C(jī)的整合包括：氮回歸至燃?xì)廨啓C(jī)以用于NOx控制以及通 常用于增加燃?xì)廨啓C(jī)的輸出至接近其最大功率額定，最大功率額定由機(jī)器（稱為氮整合） 的機(jī)械限制設(shè)定；從燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器獲取的空氣以用于給送空氣至空氣分離單元，而氮回 歸至燃?xì)廨啓C(jī)（在用于空氣分離單元的所有空氣由燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)提供時(shí)稱為完整整合， 且在用于空氣分離單元的僅部分空氣由燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)提供時(shí)稱為部分空氣整合）。通常， 由于回歸至燃?xì)廨啓C(jī)的氮的量是從ASU(空氣分離單元）可獲得的大量部分的氮（通常超 過可獲得的氮的40% )，空氣分離單元被設(shè)計(jì)成用于產(chǎn)生低純度的氧（通常在大約95mol% 的氧），其使用設(shè)計(jì)允許從精餾塔產(chǎn)生壓力高于其中僅需要注入燃?xì)廨啓C(jī)少量或無(wú)氮的裝 置的氧和氮。需要少量或無(wú)氮的情況的高壓塔通常處于小于lOOpsia的壓力而低壓塔少于 大約20psia。在需要大量氮時(shí)，高壓塔壓力可超過200psia并且低壓塔可超過50psia。高 壓操作的優(yōu)點(diǎn)在于減低空氣分離系統(tǒng)的總功率需求，通過降低提升氧和氮至末端使用壓力 (氧可需要大于500psia的壓力且氮處于超過200psia的壓力）的功率需求。在95mole% 純度的氧產(chǎn)生時(shí)，與低純度氧相關(guān)的分離功率不會(huì)由壓力增加而大幅改變。如果從燃?xì)廨?機(jī)獲取的空氣用作空氣分離單元的給料，則燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)的排放壓力通常用于設(shè)置空氣 分離單元中的高壓塔的壓力。
[0010]IGCC系統(tǒng)中幾乎總是使用氮回歸至燃?xì)廨啓C(jī)。完全整合被示出產(chǎn)生最有效率的IGCC系統(tǒng)，但具有難以啟動(dòng)的缺點(diǎn)，因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)需要在高速率下操作，在延長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi) 使用啟動(dòng)燃料直到空氣分離單元、氣化器和下游處理單元運(yùn)行。部分空氣整合被考慮用于 IGCC系統(tǒng)，其具有小于70 °F的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度，在接近海平面的大氣壓下操作。決定不使用 部分整合的關(guān)鍵因素是對(duì)于出售電力至電網(wǎng)的系統(tǒng)，需要在設(shè)計(jì)條件下的最大化燃?xì)廨啓C(jī) 輸出。在較高設(shè)計(jì)環(huán)境溫度或海拔下，空氣獲取會(huì)降低燃?xì)廨啓C(jī)膨脹器可得的空氣并且不 允許輪機(jī)取得其最大能力。在低環(huán)境溫度下，可得的來自燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)的空氣比取得最 大功率輸出所需的更多，并且空氣獲取變得更可行。
[0011] 如下文將論述的那樣，本發(fā)明除了其它優(yōu)點(diǎn)外提供了相比現(xiàn)有技術(shù)具有更高總能 量效率的IGCC方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明提供聯(lián)合氣化和發(fā)電方法。根據(jù)該方法，氧產(chǎn)物流和含碳物質(zhì)引入氣化器 并且含碳物質(zhì)氣化以產(chǎn)生包括氫和一氧化碳的合成氣流。合成氣流在氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)中處 理，通過從合成器流去除顆粒和含硫化合物以產(chǎn)生燃料流，并且從合成氣流回收熱。應(yīng)當(dāng)理 解，可選地，二氧化碳也可去除。燃料流引入至少一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器并且電力通過聯(lián)接 至至少一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的至少一個(gè)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生?？諝庠诳諝夥蛛x單元分離，通過壓縮，純化并 冷卻空氣至適于其在蒸餾塔系統(tǒng)中精餾的溫度并且隨后在蒸餾塔系統(tǒng)內(nèi)精餾空氣以產(chǎn)生 氧產(chǎn)物流和含氮流。至少一個(gè)發(fā)電機(jī)以所需的功率輸出發(fā)電以至少部分地供應(yīng)專屬用戶 和包括氣化器，氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)，空氣分離單元以及氮產(chǎn)物壓縮機(jī)的設(shè)備的電力需求。如此處 和權(quán)利要求中所述，術(shù)語(yǔ)"專屬用戶"指并入IGCC設(shè)備的設(shè)備，其使用并未用于IGCC設(shè)備 中的電力并且因此電力不輸出至電網(wǎng)。由空氣分離單元所需的壓縮空氣的百分之30. 0至 60. 0之間由從至少一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)獲取的泄放空氣流供應(yīng)，而無(wú)須進(jìn)一步壓縮泄放 空氣流。至少部分的含氮流在氮產(chǎn)物壓縮機(jī)中壓縮以產(chǎn)生壓縮氮流。壓縮氮流被給送至燃 料流，燃燒器和燃燒器下游膨脹器之前的位置中的至少