專利名稱：改進的對環境無害的動力發生的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種綜合燃氣化聯合循環(integrated gasification combined cycle，即IGCC)的過程。具體地講，本發明涉及的這種IGCC過程是通過提高由燃氣輪機所產生的動力與由汽輪機所產生的動力相比的比率值，而獲得總熱效率的提高。為此在燃氣化步驟的后面加上放熱的催化反應器，以預熱燃氣輪機用的加有不燃氣體的燃氣。
綜合燃氣化聯合循環裝置用燃氣輪機和汽輪機發出動力，其中，汽輪機所用的蒸汽是依靠燃氣輪機排氣中的熱量或者燃氣化步驟中的廢熱而產生的。另外，設置于燃氣化步驟和燃氣輪機之間的燃氣膨脹機也產生動力。
通常，燃氣輪機的熱效率高于汽輪機，無論后者是背壓式還是冷凝式。因此，IGCC過程中由燃氣輪機發出的動力與汽輪機發出的動力的比率越高，IGCC過程的總熱效率就越高。
假設燃氣輪機產生的動力為Pg，汽輪機產生的動力為Ps，那么，在特定的總動力(Pg+Ps)的情況下，Pg/Ps的值越大，IGCC過程的效率越高。
蒸汽的兩個主要來源是來自燃氣化步驟的廢熱和來自燃氣輪機的排氣。燃氣化步驟的效率越高。即為實現燃氣化而轉換成熱量的能量越少，則來自燃氣化步驟可用于產生蒸汽的熱量也越少。燃氣輪機的效率越高，亦即，燃氣中轉化成凈軸功率的能量越多，排氣中可用來產生蒸汽的熱量就越少。
為了有較高的IGCC熱效率，燃氣化和燃氣輪機效率應該盡可能高。此外，在高的燃氣化和燃氣輪機效率下，增大燃氣輪機產生的動力對于提高IGCC動力的總熱效率有重大意義。
本發明通過增加由進入燃氣輪機的燃氣所攜帶的顯熱，因此而增多燃氣輪機所發生的動力，從而提高IGCC效率。
精通本技術領域的人都知道，燃氣輪機燃料中，添加有攜帶廢熱進入燃氣輪機的不可燃氣體載熱體，就會提高燃氣輪機的效率。這種不可燃載熱體可以是一種氣體，如氮氣或者二氧化碳，或者是一種蒸汽，如在飽和裝置中蒸發后進入燃氣的蒸汽或者直接噴到燃氣中的水蒸汽。外加的不可燃氣體使得可燃氣體與不可燃氣體的混合物能夠在一定的溫度下攜帶更多的顯熱，也就能攜帶更多熱量進入燃氣輪機，提高其效率。不可燃氣體還提供了其它好處，例如，降低火焰溫度，減少所產生的NOx，以及減少燃氣輪機膨脹機所需要的冷卻空氣量。
聯合碳化物公司、通用電氣公司和德克薩哥公司于1991年10月第10屆EPRI燃氣化研討會上發表了名為“用于GCC裝置的空氣分離組合”的論文，其中討論了加入氮氣以提高IGCC熱效率。
公開號為034781的歐洲專利申請90301974.3號中揭示了在一飽和器中利用燃氣壓力的有意降低來幫助加入不可燃水蒸汽。
但是，這些方案主要利用燃氣化器的廢熱來預熱進入燃氣輪機之前的燃料和不可燃氣流的混合物。
本發明提供了一種從含碳燃料發出動力的過程，它包括用氧或含氧氣體使燃料在超大氣壓下部分氧化，以獲得含有一氧化碳的氣流;在氧化步驟的下游直接用水對上述燃氣流進行驟冷，以增大燃氣流中的蒸汽含量，然后使燃氣流作一氧化碳轉移反應，使水蒸汽轉化為氫，并至少使一部分一氧化碳轉化為二氧化碳，并隨之有熱量放出，其中有關的一部分轉移熱用來加熱已被冷卻和流經去硫步驟以及加有不燃性氣體的轉移燃氣流，然后使不可燃氣體和轉移的去硫燃氣流混合物中絕大部分可燃的氣體同附加的氧或含氧氣體作充分完全燃燒，從而產生動力。
該過程最好包括用氧或含氧氣體使燃料部分氧化，以獲得含有超大氣壓一氧化碳的氣流;在氧化步驟的下游，用水對上述燃氣流直接進行驟冷以增大燃氣流中的蒸汽含量;確保該氣流處在足以起始放熱的轉移反應的溫度;然后使該燃氣流進行一氧化碳轉移反應，藉此，使蒸汽轉化成氫氣，至少一部分一氧化碳轉化成二氧化碳，并附帶有熱量放出;用熱交換器冷卻經加熱和轉移的燃氣流;從經冷卻并轉移的燃氣流中去除硫化物;給經去硫并轉移的氣流添加不可燃氣流;與熱的經轉移的燃氣流作熱交換，從而對不可燃和去硫轉移過的燃氣流混合物進行再熱，然后用外加的氧氣或含氧氣體使不可燃氣體和去硫轉移燃氣流混合物中絕大部分可燃的氣體充分完全燃燒，從而產生動力。
本發明還提供了一種用于實行上述過程的裝置，所產生的動力通常為軸功率，其大部分最好是轉換成電能。
本發明通過采用燃氣化步驟之后的反應器所產生的催化轉移熱量，來預熱輸送給燃氣輪機的燃氣與不可燃氣體的混合物，而實現了IGCC熱效率的提高。本發明采用一個驟冷燃氣化器，其后進行轉移和燃氣輪機進氣預熱，以增大由燃氣輪機所發生的那部分動力。
眾所周知，可利用干氣流發生器來回收燃氣化器的廢熱。廢熱用在汽輪機中，而非燃氣輪機中。本發明優先在燃氣輪機中利用燃氣化廢熱，其效率比汽輪機高。
在IGCC裝置中采用一氧化碳轉移反應的優點已由別人所揭示。在授予奈斯的歐洲專利0259114B1號中，轉移反應器放在驟冷燃氣化器之后，但它產生的熱量用來在單獨的膨脹機之前預熱該燃氣輪機用燃氣。授予蘇吉特和吉爾默的美國專利第4，202，167號中揭示出利用轉移來除去燃氣中不需要的鎳化物。
但是，在本發明中，轉移被用來提高燃氣輪機所產生的那部分動力，從而提高IGCC熱效率。燃氣化余熱首先用在驟冷中，以產生混入燃氣中的水蒸汽。該燃氣/水蒸汽混合物再經過放熱的催化轉移反應，并且，以蒸汽的形式把由此所產生的大部分顯熱傳送給燃氣輪機，而不是汽輪機。
轉移所需的預熱通過與熱水、蒸汽或主燃氣流或另一燃氣流作熱交換等手段來實現。
在燃氣/蒸汽混合物經過驟冷之后，通過與其它氣流作熱交換，可以回收一部分熱量，或者該熱量也可以用來產生蒸汽。
轉移的氣流在去硫之前或之后，可以通過減壓方式膨脹，這可以在膨脹渦輪機中進行，以產生軸功率;這最好在添加不可燃氣流之前進行。該不可燃氣流提高了輸送給燃氣輪機的燃氣流的熱容量。
從轉移反應釋放出的一部分熱量可以作其它用途，例如，在去硫與膨脹渦輪機之間過熱氣流，產生蒸汽，加熱蒸汽發生器給水，加熱其它氣流，或者用于給水飽和系統供熱。轉移熱的大部分最好用于預熱燃氣輪機的燃氣。
不可燃氣體可以是氮氣或二氧化碳，或者蒸汽，或者上述兩者及其以上的混合物。
圖1是一流程簡圖，示出本發明的第一實施例，該實施例利用燃氣與水蒸汽的混合氣體將顯熱帶入燃氣輪機。圖2是本發明第二實施例的流程簡圖，該實施例利用燃氣與不凝性不可燃氣體的混合物將顯熱帶入燃氣輪機。
本發明增大了在IGCC過程中燃氣輪機所產生的動力相對于汽輪機所產生動力的比率。因為燃氣輪機的熱效率本征地高于汽輪機的熱效率，所以，IGCC熱效率得到提高。在本發明的過程中避免了將燃氣化余熱用于產生蒸汽，而是將此余熱用于驟冷過程之中，形成適合的轉移反應條件，然后，利用該轉移反應中放出的至少一部分熱量來預熱進入燃氣輪機的燃氣。
例如，本發明的設想可以有效地應用在包括一個水飽和系統(water saturation system)的IGCC過程中，以增加燃氣的熱容量。在后文中，利用兩個實施例來說明本發明的過程。
在第一個實施例中，燃氣流經過去硫之后，由水蒸汽再次飽和，以增大其熱容量。在第二實施例中，燃氣流的熱容量是通過在去硫步驟之后加入氮氣而增大的。
現在，參照附圖1和表1，舉例說明本發明的第一實施例。
由液烴精煉廠的廢料或者烴與水的乳化液構成的燃料，在部分氧化裝置(1)中，在70巴的壓力下，與95%容積比的純氧起反應。得到的燃氣混合物由過量的水驟冷(2)，亦即，并非所有的水都汽化，并隨后降到壓力為63巴和溫度為243℃的飽和狀態。因此，該驟冷步驟除了是燃氣降溫步驟外，還是燃氣的清洗步驟。
驟冷之后產生的燃氣在表1中稱為氣流2，它經過一個分離罐(4)和一個熱交換器(8)，然后進入轉移催化反應器(5)。小型的互換式熱交換器(8)用來預熱進入的燃氣和蒸汽混合物。該熱交換器用于促使轉移反應開始，并防止蒸汽凝結在轉移催化劑上。
圖1中，在部分氧化反應(1)和驟冷(2)之后，首先在蒸汽發生器(3)中產生壓力為21巴的高壓蒸汽，部分是為了調節蒸汽燃氣比率，也是為了進行溫度調節，以便隨后在260℃至472℃之間進行轉移反應。在放熱的轉移反應中釋放出的一部分熱量用在熱交換器(6)中，將蒸汽發生器(3)產生的蒸汽過熱至340℃。燃氣流在熱交換器(8)中與轉移反應器的入口燃氣作熱交換之后，在熱交換器(7)和(9)中用來將去硫的水飽和燃氣作為燃料供給燃氣輪機(24)之前將其預熱至390℃。
在最后的燃氣預熱交換器(9)之后，蒸汽發生器(11)產生7巴的低壓蒸汽。來自蒸汽發生器(3)和(6)的高壓過熱蒸汽和來自蒸汽發生器(11)的低壓蒸汽供入與燃氣輪機(24)聯合運轉的汽輪機(25)中。
在分離罐(4)、(10)和(12)中收集的凝結水，與補充水一起再循環至驟冷器(2)。
燃氣進而在交換器(13)中通過與去硫燃氣作熱交換而被冷卻，并經過水回路熱交換器(15)、補充水熱交換器(17)和最后的冷卻水熱交換器(19)，得到冷卻。凝結水在分離罐(14)、(16)、(18)中被收集起來，再循環到驟冷器(2)。
冷卻后的燃氣被供入一個常規的去硫設備(未示出)，在其中，燃氣中的硫化物被有選擇地去除。然后，該去硫燃氣在熱交換器(13)中被重新加熱至125℃，并在燃氣膨脹機(21)中膨脹到壓力為21巴。燃氣膨脹機(21)的軸功率可用來發電。
然后，低壓去硫燃氣通過一個接有循環泵(23)的飽和器(22)，由水蒸汽飽和至出口溫度為127℃。在送入燃氣輪機(24)之前，再在熱交換器(9)和(7)中與轉移后的熱燃氣作熱交換，過熱至390℃。
表1中以本實施例作為具體例子，列出了圖1中標著1至7的主要燃氣流的質量和能量平衡。
現在參照圖2，舉例說明本發明的第二實施例。其中設備序號用得與圖1中相同。
如圖1一樣，由液烴精煉廠廢料或者烴與水的乳化液構成的燃料在部分氧化裝置(1)中，在一定壓力下與氧起反應。得到的燃氣混合物由過量的水驟冷(2)，亦即，并非所有的水都汽化，降至飽和狀態。因此，該驟冷步驟除了作為燃氣冷卻步驟之外，還是氣體清洗步驟。
此外，轉移催化反應器(5)有一小型互換式熱交換器(8)，用于預熱入口的燃氣/蒸汽混合物。該熱交換器用于使轉移反應起始，并防止蒸汽冷凝在轉移催化劑上。這種預熱可以用其它手段實現，例如，通過與熱水、蒸汽或者另一燃氣流的熱交換來實現。
在驟冷(2)之后，由一系列熱交換器(6、7、8、9)從燃氣/蒸汽混合物回收熱量，以加熱其它燃氣流，或者產生蒸汽。
在圖2所示實施例中，緊接著部分氧化反應(1)和驟冷(2)，首先由蒸汽發生器(3)產生高壓蒸汽，部分是為了調整蒸汽/燃氣比率，也是為了在轉移反應之前進行溫度控制。在放熱的轉移反應中釋放的一部分熱量在熱交換器(6)中用來使蒸汽發生器(3)產生的蒸汽過熱。燃氣流在熱交換器(8)中與轉移反應器的入口燃氣作熱交換之后，在熱交換器(7)和(9)中預熱混有氮氣的去硫水飽和氣體，然后所述混和物作為燃氣輸入燃氣輪機(24)。
在最后的燃氣預熱熱交換器(9)之后，蒸汽發生器(11)產生低壓蒸汽。來自熱交換器(6)的高壓過熱蒸汽和來自熱交換器(11)的低壓蒸汽供入與燃氣輪機(24)聯合工作的汽輪機(25)。
在分離罐(4)、(10)和(12)中收集的凝結水，與補充水一起，再循環到驟冷器(2)。
燃氣在熱交換器(13)中與去硫燃氣作熱交換而得到冷卻，再經過氮氣加熱器(26)，最后經過冷卻水熱交換器(19)，得到冷卻，在分離罐(14)、(27)和(20)中收集的凝結水，再循環至驟冷器(2)。
冷卻后的燃氣再被供入一常規的去硫設備(未示出)，在其中，包含在燃氣中的硫化物被有選擇地去除。去硫燃氣然后在熱交換器(13)中被再次加熱，并在一燃氣膨脹機(21)中膨脹。燃氣膨脹機(21)的軸功率可用來發電。
在熱交換器(26)中預熱后的氮氣流再加到低壓去硫燃氣中，其混合物在熱交換器(9)和(7)中與轉移后的熱燃氣作熱交換，得到過熱，再供入燃氣輪機(24)。
權利要求
1.一種從含碳燃料發出動力的方法，其特征在于，它包括利用氧氣或含氧氣體在超大氣壓力下使燃料部分氧化，以產生含有一氧化碳的氣流；在氧化步驟的下游，直接用水對上述燃氣流進行驟冷，從而增加氣流中的蒸汽含量，然后使該氣流作一氧化碳轉移反應，使水蒸汽轉移成氫氣，并且至少使一部分一氧化碳轉換成二氧化碳，并隨之有熱量放出，其中，所放出的轉換熱中至少一部分用于加熱已被冷卻和流經去硫步驟，并加有不燃性氣體的轉移燃氣流；然后，用外加的氧氣或含氧氣體使不燃氣流與轉移后的去硫燃氣流的混合物中的絕大部分完全燃燒，以產生動力。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述不燃氣體是水蒸汽。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述不燃氣體是氮氣。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述不燃氣體是二氧化碳。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述不燃氣體是水蒸汽、氧氣和二氧化碳三者中兩者或兩者以上的混合物。
6.如權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，它還包括在使驟冷后的氣流進行所述放熱轉移反應之前使該氣流通過一個蒸汽發生器以產生蒸汽的步驟。
7.如權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，它還包括在加入所述不燃氣流之前降低所述去硫氣流的壓力的步驟。
8.如權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，所述壓力的降低在一個膨脹式發動機中完成，以產生軸功率。
9.一種用含碳燃料生產能源的裝置，其特征在于，它包括用于在超大氣壓力下用氧氣或含氧氣體使燃料部分氧化，以產生含有一氧化碳的氣流的裝置;在部分氧化裝置的下游的驟冷器，用于直接用水驟冷所述的氣流;用于在必需的時間加熱該氣流到足夠的溫度，以起始放熱的轉移反應的裝置;用于使該氣流進行一氧化碳轉移反應的裝置，藉此，其中的至少一部分一氧化碳被轉移成二氧化碳，并隨之有熱量放出;將轉移燃氣流的熱量交換給經過了去硫裝置和加入不燃氣流的裝置的混有不燃氣流的轉移燃氣流的裝置;以及用外加的氧氣或含氧氣體使去硫轉移燃氣流中至少絕大部分完全燃燒以發出動力的裝置。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，它還包括在去除硫化物之后和在加入不燃氣流的裝置之前，用于降低轉移燃氣流的壓力的裝置。
11.用前面任一權利要求中所述的方法或裝置生產出的電力形式的動力。
全文摘要
一種綜合燃氣化聯合循環過程和裝置，通過增大由燃氣輪機(24)所產生的動力與由汽輪機(25)所產生動力相比的比例，實現總熱效率的提高。通過在燃氣化裝置(1)的下游設置一個放熱的催化反應器(5)以預熱燃氣輪機用的加有不燃氣體的燃氣，從而實現效率的提高。
文檔編號F01K23/06GK1064730SQ9210165
公開日1992年9月23日 申請日期1992年3月11日 優先權日1991年3月11日
發明者約翰·格里菲思 申請人:H&G加工承包有限公司