專利名稱：合成氣應(yīng)用中的能量回收的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及工業(yè)應(yīng)用中的能量回收，并且更具體地說，涉及合成氣應(yīng)用中的能量回收。
背景技術(shù)：
給料，例如煤、石油焦、生物質(zhì)、木基材料、農(nóng)業(yè)廢料、焦油、焦?fàn)t煤氣和浙青或其它含碳物品，可被氣化以用于電力、化學(xué)物、合成燃料的生產(chǎn)，或用于各種各樣的其它應(yīng)用。氣化涉及在非常高的溫度下使碳質(zhì)燃料與氧氣反應(yīng)以產(chǎn)生合成氣，它是一種包含一氧化碳和氫氣的燃料，該燃料比處于其初始狀態(tài)下的燃料更加高效地燃燒并且更為清潔。合成氣可用于發(fā)電、化學(xué)物生產(chǎn)或任何其它合適的應(yīng)用。然而，合成氣的生產(chǎn)可能導(dǎo)致一定程度的低效率，因而浪費(fèi)了能量。

發(fā)明內(nèi)容
以下概述了與最初申明權(quán)利的本發(fā)明的范圍相稱的某些實(shí)施例。這些實(shí)施例并不意圖限制申明權(quán)利的本發(fā)明的范圍，而是這些實(shí)施例僅僅意圖提供本發(fā)明的可能形式的簡(jiǎn)要概述。實(shí)際上，本發(fā)明可包含各種各樣的可與下述實(shí)施例相似或不同的形式。在第一實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括流動(dòng)路徑和沿著流動(dòng)路徑而設(shè)置的氣化區(qū)段。氣化區(qū)段構(gòu)造為用于將給料轉(zhuǎn)換成合成氣。該系統(tǒng)還包括設(shè)置在氣化區(qū)段的直接下游并構(gòu)造為用于過濾合成氣的滌氣器。該系統(tǒng)還包括沿著流動(dòng)路徑設(shè)置在滌氣器的直接下游并構(gòu)造為用于使合成氣膨脹的第一膨脹器。該合成氣包括未處理的合成氣。在第二實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括流動(dòng)路徑和沿著流動(dòng)路徑而設(shè)置在酸性氣體去除(AGR)區(qū)段上游的第一流體源。流體源包括加壓流體。該系統(tǒng)還包括第二流體源，其構(gòu)造為用于將第二流體與第一流體混合起來，以產(chǎn)生流體混合物。沿著流體路程在AGR的上游還設(shè)置了膨脹器。膨脹器構(gòu)造為用于使流體混合物膨脹和冷凝，以產(chǎn)生機(jī)械能、電功率或其組
口 o在第三實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括流動(dòng)路徑和沿著流動(dòng)路徑而設(shè)置的氣化區(qū)段。氣化區(qū)段構(gòu)造為用于將給料轉(zhuǎn)換成合成氣。該系統(tǒng)還包括沿著流動(dòng)路徑而設(shè)置在氣化區(qū)段下游并構(gòu)造為用于過濾合成氣的滌氣器。該系統(tǒng)另外包括沿著流動(dòng)路徑而設(shè)置在滌氣器下游的膨脹器。膨脹器構(gòu)造為用于使過濾后的合成氣膨脹。該系統(tǒng)還包括AGR區(qū)段，其沿著流動(dòng)路徑而設(shè)置在膨脹器的下游，并構(gòu)造為用于從過濾后的合成氣中去除酸性氣體。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)說明時(shí)，本發(fā)明的這些以及其它特征、方面和優(yōu)勢(shì)將得到更好地理解，其中在所有附圖中相似的標(biāo)號(hào)表示相似的部件，其中圖I顯示了包括膨脹器的氣化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；圖2顯示了包括膨脹器和水氣變換系統(tǒng)的氣化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；
圖3顯示了包括多個(gè)膨脹器的氣化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；且圖4顯示了包括整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGGC)系統(tǒng)和膨脹器的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。部件清單100氣化多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備；102給料；104熔劑；106儲(chǔ)存單元；108漿料制備單元；110水；111漿料燃料；112氣化器；114渣料；116氧氣；118空氣分離單元(ASU) ; 120空氣；122氮?dú)猓?24合成氣流；126渣料粗處理系統(tǒng)；128粗渣料；130滌氣器；132返回的冷凝物；134返回的灰水；136濕的合成氣；138膨脹器；140水；142水閃蒸系統(tǒng)；144高壓閃蒸氣體；146黑水；148灰水處理系統(tǒng)；150系統(tǒng)；152過量的水；153灰水預(yù)處理系統(tǒng)；154清潔水；155濾餅；156合成氣流；158低溫氣體冷卻(LTGC)系統(tǒng)；174動(dòng)力島；176水氣變換系統(tǒng)；160酸性氣體去除(AGR)系統(tǒng)；162過量冷凝物；164冷凝氨汽提系統(tǒng)；166無(wú)氨冷凝物；168含硫氣體；170冷卻后的合成氣流；172合成氣流；177化工系統(tǒng)；178合成氣流；180變換后的合成氣流；182冷卻的合成氣流；184處理后的合成氣流；186水氣變換系統(tǒng)；188合成氣流；190膨脹的合成氣流；192變換后的合成氣流；200整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動(dòng)力設(shè)備；202抽取空氣冷卻系統(tǒng)；204除氣器；206飽和蒸汽；208燃?xì)鉁u輪；210熱回收蒸汽發(fā)生(HRSG)系統(tǒng)；212蒸汽渦輪；214被加熱的冷凝物；216冷凝物；218空氣；
具體實(shí)施例方式以下將描述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)特定實(shí)施例。為了致力于提供這些實(shí)施例的簡(jiǎn)明描述，在說明書中可能沒有描述實(shí)際實(shí)施的所有特征。應(yīng)該懂得，在任何這種實(shí)際實(shí)施的開發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，必須做出許多對(duì)于實(shí)施而言專有的決策，以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目的，例如與涉及系統(tǒng)及涉及商業(yè)的約束的適應(yīng)性，其可能根據(jù)不同的實(shí)施而彼此有所不同。此外，應(yīng)該懂得這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜且耗時(shí)的，但對(duì)于受益于本公開的普通技術(shù)人員而言，其仍然將是設(shè)計(jì)、構(gòu)造和制造的例行工作。當(dāng)介紹本發(fā)明的各種實(shí)施例的元件時(shí)，冠詞“一 ”、“ 一個(gè)”、“這個(gè)”和“所述”都意圖表示有一個(gè)或多個(gè)元件。詞語(yǔ)“包括”、“包含”和“具有”都意圖為包括性的，且意味著除了列出的元件之外，還可以有另外的元件。所公開的實(shí)施例包括一種利用氣化工藝由碳質(zhì)燃料生產(chǎn)動(dòng)力和/或化學(xué)物的工藝，在這種工藝中“浪費(fèi)的”能量被捕獲并用于提供額外的動(dòng)力。如以下關(guān)于圖I更詳細(xì)地所述，在該氣化工藝中，碳質(zhì)燃料通過添加氧氣(或含氧氣體)進(jìn)行部分氧化，從而產(chǎn)生合成氣流，其包括一氧化碳和氫氣。合成氣流可通過滌氣器進(jìn)行進(jìn)一步過濾或“洗滌”，以便除去例如顆粒物質(zhì)和夾帶的固體。在本文所述的某些實(shí)施例中，合成氣流然后可進(jìn)入在滌氣器的直接下游的膨脹器中。進(jìn)入膨脹器中的合成氣流可被稱為“未處理的”合成氣，因?yàn)樵摵铣蓺馕唇?jīng)歷酸性氣體去除工藝。膨脹器使得能夠捕獲合成氣流中的能量，該能量否則不 會(huì)被再捕獲。更具體地說，合成氣流包括存在于合成氣的質(zhì)量流中的熱能和動(dòng)能，該能量典型地將不會(huì)被再捕獲。將理解，動(dòng)能包括由于合成氣的質(zhì)量效應(yīng)(和流動(dòng))以及合成氣中的壓力而引起的能量。例如，合成氣可能已被冷卻，釋放大量熱能，并使合成氣流減速或停止。使合成氣冷卻和/或減速還可減少流中的壓力。所公開的實(shí)施例還可在使合成氣膨脹之前對(duì)合成氣添加水，從而進(jìn)一步增加合成氣流的流中的質(zhì)量，相應(yīng)地增加再捕獲的動(dòng)力。實(shí)際上，在膨脹器中可使用“濕的”合成氣，其在膨脹器入口處包含按體積計(jì)大約在0. 1%至65%水之間的水濃度。
在一個(gè)實(shí)施例中，離開滌氣器下游的合成氣流可被引導(dǎo)至水氣變換反應(yīng)器中，從而將一氧化碳和水轉(zhuǎn)換成額外的氫氣和二氧化碳。在這個(gè)實(shí)施例中，膨脹器可定位在變換反應(yīng)器的直接下游，而不是定位在滌氣器的直接下游。在又一實(shí)施例中，變換反應(yīng)器可定位在膨脹器的直接下游。在這個(gè)實(shí)施例中，合成氣流在經(jīng)歷變換反應(yīng)之前首先進(jìn)行膨脹，以用于能量的回收。實(shí)際上，如以下更詳細(xì)所述，一個(gè)或多個(gè)膨脹器可定位在滌氣器的下游或其它氣化設(shè)備構(gòu)件(例如酸性氣體去除工藝)的下游的多個(gè)位置。濕的合成氣的膨脹使得能夠進(jìn)行能量的捕獲，該能量否則將會(huì)由于例如冷卻合成氣而損失了。實(shí)際上，在制造化學(xué)物的氣化設(shè)備(包括整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)氣化設(shè)備)中的動(dòng)力生產(chǎn)都可通過利用本文公開的膨脹器技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。此外，通過經(jīng)由濕的合成氣的直接膨脹回收否則會(huì)被浪費(fèi)的能量可實(shí)現(xiàn)更低的投資成本、更低的運(yùn)營(yíng)成本和更高的效率。記住前面所述，圖I描繪了氣化多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備100的一個(gè)實(shí)施例，其可生產(chǎn)和/或燃燒合成氣體，即，合成氣，以用于轉(zhuǎn)換成電力和/或合成氣的變換部分，以便制造化學(xué)物。將懂得，雖然所描繪的實(shí)施例通過利用動(dòng)力島(power island) 174而朝向電力生產(chǎn)進(jìn)行連接(gear)，但是其它實(shí)施例可以可選地不包括動(dòng)力島174。例如，其它設(shè)備100的實(shí)施例可包括化工設(shè)備、合成氣生產(chǎn)設(shè)備或任何其它適合于基于合成氣的化學(xué)物或化學(xué)成分的生產(chǎn)的工業(yè)設(shè)備。給料102，例如固體進(jìn)料可被用作用于氣化動(dòng)力設(shè)備100的能源。給料102可包括煤、石油焦、生物質(zhì)、木基材料、農(nóng)業(yè)廢料、焦油、焦?fàn)t煤氣和浙青或其它含碳物品。給料102和熔劑(f Iuxant) 104可被傳送至給料處理和儲(chǔ)存單元106中。在給料處理和儲(chǔ)存單元106中可為給料102添加熔劑104，從而調(diào)整給料102的熔融性狀。熔劑104可包括例如沙礫、巖石、石灰石、鋁土礦和鐵礦。給料處理和儲(chǔ)存單元106然后可將給料102和熔劑104的混合物引導(dǎo)至給料研磨和漿料制備單元108中。給料研磨和漿料制備單元108例如可通過對(duì)給料102和熔劑104的混合物進(jìn)行斬切、碾磨、破碎、粉碎、壓塊或堆積而重設(shè)給料102和熔劑104的混合物的尺寸或形狀，從而產(chǎn)生氣化燃料。另外，在給料研磨和漿料制備單元108中可為給料102和熔劑104的混合物添加水110或其它合適的液體，以產(chǎn)生漿料燃料111。漿料燃料111可被傳送到氣化器112中，以用于氣化操作。要注意，用于氣化操作的進(jìn)料可包括固體進(jìn)料、液體進(jìn)料和/或氣體進(jìn)料。氣化器112可將燃料轉(zhuǎn)換成合成氣，例如一氧化碳和氫氣的組合物。根據(jù)所利用的燃料類型，這種轉(zhuǎn)換可通過在升高的壓力(例如從大約40巴-90巴)和升高的溫度(例如大約1200°C -1500°C )下使燃料經(jīng)受受控?cái)?shù)量的任何調(diào)節(jié)劑和有限的氧氣來實(shí)現(xiàn)。燃料在高溫分解工藝期間的加熱可產(chǎn)生渣料114和殘留氣體(例如一氧化碳、氫氣和氮?dú)?。然后在氣化器112中可發(fā)生部分氧化工藝(即，氣化)。為了幫助這種氣化工藝，可從空氣分離單元(ASU) 118中將氧氣116供給氣化器112。ASU 118可操作，以便通過例如蒸餾技術(shù)將空氣120分離成成分氣體，蒸餾技術(shù)可以是低溫的，或者可利用壓力擺動(dòng)吸附(PSA)。ASU 118可從供給它的空氣120中分離出氧氣116，并可將分離出的氧氣116傳送至氣化器112。另外，ASU 118可從空氣120中分離出氮?dú)?22，例如以用于收集或用于在發(fā)電中進(jìn)一步使用。炭和殘留氣體可與氧氣116起反應(yīng)以形成二氧化碳和一氧化碳，其提供用于后續(xù)氣化反應(yīng)的熱量。在氣化過程期間的溫度可在大約1200°C至大約1500°C的范圍內(nèi)。另外，可將蒸汽引入氣化器112中。氣化器112利用蒸汽和有限的氧氣116以容許某些給料燃燒，從而產(chǎn)生一氧化碳和能量，其可驅(qū)動(dòng)第二反應(yīng)，該第二反應(yīng)將更多的給料轉(zhuǎn)換成氫氣和額外的二氧化碳。這樣，由氣化器112制造了所得的合成氣流124。這種合成氣流124可包括大約73%的一氧化碳和氫氣，以及C02、H2O, CH4, HC1、HF、COS、NH3, HCN和H2S (基于給料的硫含量)。這種所得的氣體可被稱為未處理的合成氣124，因?yàn)槠浒鏗2S。氣化器112還可能產(chǎn)生廢棄物，例如洛料114,其可能是濕的灰焊材料。這種洛料114可被傳送至洛料粗處理系統(tǒng)126。渣料粗處理系統(tǒng)126可產(chǎn)生有待出售以便例如用作路基或用作另一建筑材料的粗渣料128。合成氣流124可進(jìn)入滌氣器130中，其適合于除去或“洗滌”某些顆粒物質(zhì)和其它污染物。任意數(shù)量的合適的洗滌技術(shù)都可使用。例如，滌氣器130可使用噴水，其從返回的冷凝物132和返回的灰水134中獲得水的供給。合成氣流124可接觸噴水，這會(huì)使諸如焦油和油的某些可凝結(jié)物冷凝。合成氣流124還可進(jìn)入水池，以用于除去顆粒物質(zhì)。也就是說，合成氣流124可在水池中進(jìn)行水冷，從而清洗合成氣流124。合成氣流124可收集滌氣器130中額外的水團(tuán)。實(shí)際上,合成氣流124的總的質(zhì)量流可通過添加滌氣器130中的水團(tuán)來增加。在一個(gè)實(shí)施例中，然后可將增加了水團(tuán)的“濕的”合成氣136引導(dǎo)至適合于通過合成氣流136的膨脹而進(jìn)行能量回收的膨脹器138中。在某些實(shí)施例中，離開滌氣器130的合成氣流136可包括按體積計(jì)大約在0. 1%至65%水之間的水濃度，大約在190°C至400°C之間的溫度，以及大約在40巴與70巴之間的壓力。在另一實(shí)施例中，水濃度可大約為零。在這個(gè)實(shí)施例中，流可以在膨脹之前過熱。實(shí)際上，水濃度可按體積計(jì)從0. 1%至65%水而不同。膨脹器138可以是渦輪膨脹器(即膨脹渦輪)，其適合于將流體流(例如液體或氣體)轉(zhuǎn)換成電功率。更具體地說，膨脹器138可通過利用沿周向設(shè)置在軸上的多個(gè)葉片或?qū)~而將合成氣流136的質(zhì)量流和熱能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(即，機(jī)械能)。然后可例如通過利用發(fā)電機(jī)將軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電功率。在某些實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可包含在膨脹器138中。這樣，濕的(或干的)合成氣流136可在滌氣器130的直接下游用于產(chǎn)生額外的電功率。膨脹工藝額外的好處包括冷卻合成氣流136，以用于在膨脹器138下游的其它工藝中使用。此外，膨脹器138可從合成氣中冷凝出冷凝物，例如水。實(shí)際上，在某些實(shí)施例中，由膨脹器138冷凝的冷凝物可包括存在于合成氣流136中的0. 1%至65%的水。要注意，可使用多個(gè)膨脹器138，而且可將膨脹器138放置在設(shè)備100中的其它位置。實(shí)際上，在以下關(guān)于圖2-4所述的其它實(shí)施例中，可將一個(gè)或多個(gè)膨脹器138設(shè)置在氣化器112下游的其它位置。此外，在其它實(shí)施例中，多個(gè)氣化器112可匯集或連接起來，以便將合成氣引導(dǎo)至一組或多個(gè)膨脹器138。實(shí)際上，一個(gè)或多個(gè)氣化器112可為一個(gè)或多個(gè)膨脹器138 “提供進(jìn)料”。繼續(xù)參照?qǐng)D1，滌氣器130還可產(chǎn)生包含顆粒物質(zhì)的水140，顆粒物質(zhì)在洗滌工藝期間從合成氣流124中除去。然后可將水140引導(dǎo)至水閃蒸系統(tǒng)142中，以用于進(jìn)一步處理。水閃蒸系統(tǒng)142可使水140暴露于閃蒸罐中，在閃蒸罐中將水140閃蒸或蒸發(fā)成高壓閃蒸氣體144，留下“黑”水146。黑水146包括非常大量的顆粒物質(zhì)和夾帶的固體，其將在洗滌工藝期間被除去。然后可將這種黑水146引導(dǎo)至渣料和灰水精處理系統(tǒng)148中，以用于重復(fù)使用。例如，渣料和灰水精處理系統(tǒng)148可處理黑水148，以回收固體和水150，以用于在額外的漿料燃料111的制備過程中由給料研磨和漿料制備系統(tǒng)108重復(fù)使用。渣料和灰水精處理系統(tǒng)148還可生產(chǎn)灰水134，其適合于在滌氣器130的洗滌工藝中重復(fù)使用。實(shí)際上，通過在洗滌工藝中重復(fù)使用水134以及通過在給料制備工藝中重復(fù)使用固體和水150來進(jìn)一步提高設(shè)備效率。過量的水152可被引導(dǎo)至灰水預(yù)處理系統(tǒng)153，以用于進(jìn)一步處理。灰水預(yù)處理系統(tǒng)153可過濾和清潔水152，并將清潔后的水154引導(dǎo)至生物池(biopond)中，以用于進(jìn)一步的過濾和重復(fù)使用。濾餅155也可通過渣料和灰水精處理系統(tǒng)148來生產(chǎn)，其可包括不可重復(fù)使用的精細(xì)顆粒，例如粉末狀灰燼。繼續(xù)合成氣處理，離開膨脹器138下游的合成氣流156可通過低溫氣體冷卻(LTGC)系統(tǒng)158而被進(jìn)一步冷卻至大約在50°C _150°C之間的溫度。在某些實(shí)施例中，其它合成氣處理還可包括硫化羰(COS)水解和脫汞工藝。例如，合成氣流156可通過利用冷凝式熱交換器和相關(guān)聯(lián)的分離罐而被冷卻至接近環(huán)境溫度。合成氣流156然后可繼續(xù)至反應(yīng)器中，該反應(yīng)器適合于將COS轉(zhuǎn)換成硫化氫(H2S)，以便使酸性氣體去除系統(tǒng)(AGR) 160中能夠有更完全的硫移除。另外，合成氣流156可被傳送至例如碳吸附床上，該碳吸附床適合于捕獲存在于合成氣流156中的汞。另外或備選地，合成氣流156可被傳送至水氣變換系統(tǒng)176中，以便處理合成氣流156，以用于化學(xué)物生產(chǎn)。水氣變換系統(tǒng)176使得能調(diào)整合成氣中的氫氣對(duì)一氧化碳的比率。更具體地說，水氣變換系統(tǒng)176可包括適合于執(zhí)行水氣變換反應(yīng)的變換反應(yīng)器，在變換反應(yīng)中，一氧化碳與水(例如蒸汽)起反應(yīng)，以形成二氧化碳和氫氣。變換后的合成氣然后可如上所述被第二 LTGC系統(tǒng)158冷卻。然后可將冷卻后的合成氣傳送至用于去除酸性氣體的第二 AGR 160中，且然后傳送至適合于從合成氣中生產(chǎn)出一種或多種化學(xué)物的化工系統(tǒng)177中。當(dāng)?shù)蜏貧怏w冷卻系統(tǒng)158冷卻合成氣流156時(shí)，流156中的很大一部分水蒸氣發(fā)生冷凝。然后可傳送這種冷凝物132，以用于在洗滌操作期間被滌氣器130重復(fù)使用。過量的冷凝物162可被傳送，以用于冷凝氨汽提系統(tǒng)164進(jìn)行處理，冷凝氨汽提系統(tǒng)164適合于從冷凝物中除去氨(NH3)。如上所述，然后可將基本無(wú)氨的冷凝物166引導(dǎo)至渣料和灰水精處理系統(tǒng)148中，以用于在處理水146的過程中重復(fù)使用。另外，然后可將氨汽提工藝期間所產(chǎn)生的含硫氣體168引導(dǎo)至硫回收單元(SRU)中，以用于進(jìn)一步的處理和脫硫。在被低溫氣體冷卻系統(tǒng)158冷卻之后，可將冷卻后的合成氣流170引導(dǎo)至酸性氣體去除系統(tǒng)(AGR) 160中。AGR 160然后可處理合成氣流170，以去除H2S和C02。例如，物理溶劑(例如Selexol )和/或化學(xué)溶劑(例如水性甲基二乙醇胺(MDEA))都可用于去除H2S和C02。然后可將處理后的或“清潔”的合成氣流172引導(dǎo)至動(dòng)力系統(tǒng)(例如動(dòng)力島)174中，以用于動(dòng)力的產(chǎn)生和/或用于化學(xué)物生產(chǎn)。例如，動(dòng)力系統(tǒng)174可包括燃?xì)鉁u輪，其適合于利用合成氣作為燃料，并且將燃料轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能量。然后可通過發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn) 換成電功率。實(shí)際上，動(dòng)力設(shè)備100使得能將合成氣轉(zhuǎn)換成電功率，同時(shí)通過合成氣流在滌氣器130的直接下游的膨脹而提高能量效率。另外，如以下關(guān)于圖2-4更詳細(xì)所述，可使用其它位置來放置膨脹器138。圖2顯示了具有水氣變換系統(tǒng)176的氣化多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備100的某些實(shí)施例。在所示的實(shí)施例中，上面參照?qǐng)DI詳細(xì)描述的某些構(gòu)件用相似的元件標(biāo)號(hào)來表示。類似于圖1，圖2的實(shí)施例也可受益于膨脹器138的使用，以用于增強(qiáng)能量回收。在所示的實(shí)施例中，膨脹器138可或者定位在水氣變換系統(tǒng)176的直接下游，或者定位在水氣變換系統(tǒng)176的直接上游。實(shí)際上，結(jié)合水氣變換系統(tǒng)176 —起利用膨脹器138使得能捕獲額外的能量，并增強(qiáng)多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備100的電功率生產(chǎn)。水氣變換系統(tǒng)176使得能調(diào)節(jié)合成氣中的氫氣對(duì)一氧化碳的比率。更具體地說，水氣變換系統(tǒng)176可包括適合于執(zhí)行水氣變換反應(yīng)的變換反應(yīng)器，在該變換反應(yīng)器中，一氧化碳與水(例如蒸汽)起反應(yīng)而形成二氧化碳和氫氣。該工藝可將合成氣中的氫氣對(duì)一氧化碳的比率從大約I : I調(diào)整至變換后的合成氣，該變換后的合成氣包括大約3 I的 氫氣對(duì)一氧化碳的比率。應(yīng)該注意在所描繪的實(shí)施例中，水氣變換系統(tǒng)176是“酸性”水氣變換系統(tǒng)176。也就是說，在水氣變換反應(yīng)期間，硫可能存在于供入水氣變換系統(tǒng)176的合成氣中。在一個(gè)實(shí)施例中，合成氣流136被直接傳送到水氣變換系統(tǒng)176中。水氣變換系統(tǒng)176然后可使用變換反應(yīng)器，以使得能夠?qū)⒑铣蓺饬?36的成分重新調(diào)整至大約3 I的氫氣對(duì)一氧化碳的比率。變換反應(yīng)是放熱的，并且離開水氣變換系統(tǒng)176的合成氣流178可以處于比合成氣流136更高的溫度下。例如，溫度可增加大約50°C，100°C，40(rC。膨脹器138然后可使更高溫度的合成氣流178膨脹，并將合成氣流178的流動(dòng)和熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。機(jī)械能則可通過發(fā)電機(jī)的使用而轉(zhuǎn)換成電功率。實(shí)際上，膨脹器138可通過捕獲由于水氣變換系統(tǒng)176所產(chǎn)生的額外的熱能并生產(chǎn)額外的電功率來改進(jìn)多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備100中的總體能量生產(chǎn)。在另一實(shí)施例中，水氣變換系統(tǒng)176可定位在膨脹器138的下游。在這個(gè)實(shí)施例中，如上所述，在將膨脹的合成氣流156引導(dǎo)至水氣變換系統(tǒng)176中之前，膨脹器138可首先使合成氣流136膨脹。水氣變換系統(tǒng)176然后可利用變換反應(yīng)，以便將氫氣對(duì)一氧化碳的比率修改至大約3 I的比率。如上所述，變換后的合成氣流180然后可被低溫氣體冷卻系統(tǒng)158處理，并作為冷卻的合成氣流182傳送至AGR160中。AGR 160可通過從合成氣流182中去除H2S和CO2而處理冷卻的變換后的合成氣流182，且然后將處理后的合成氣流184引導(dǎo)至動(dòng)力系統(tǒng)174中。在包括水氣變換系統(tǒng)176的實(shí)施例中，可修改動(dòng)力系統(tǒng)174，以利用合成氣流184中的變換后的氫氣對(duì)一氧化碳的比率。例如，動(dòng)力系統(tǒng)174可包括燃?xì)鉁u輪，其適合于利用具有較高氫含量的合成氣。動(dòng)力系統(tǒng)174然后可將變換后的合成氣流184轉(zhuǎn)換成電功率。另外或備選地，化工系統(tǒng)177可處理合成氣，以用于化學(xué)物生產(chǎn)。因此，多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備100可通過在變換合成氣之前或之后使合成氣膨脹而增加動(dòng)力生產(chǎn)。圖3顯示了多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備100的某些實(shí)施例，其包括使用定位在AGR 160下游的膨脹器138。在所示的實(shí)施例中，上面參照?qǐng)DI詳細(xì)描述的某些構(gòu)件用相似的元件標(biāo)號(hào)來表示。實(shí)際上，膨脹器138適合于使合成氣在AGR 160的上游和/或AGR 160的下游膨脹。通過經(jīng)由在AGR 160上游和/或下游使用膨脹器138再捕獲能量，多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備100可提高效率并獲得額外的動(dòng)力輸出。上面已經(jīng)參照?qǐng)D1-2描述了 AGR 160上游的膨脹器138的使用。以下更詳細(xì)地描述AGR 160下游的膨脹器138的使用。在一個(gè)實(shí)施例中，合成氣流184從AGR 160的直接下游離開。合成氣流184是清潔的合成氣流，也就是說，AGR 160已經(jīng)從合成氣流184中去除了硫。在這個(gè)實(shí)施例中，合成氣流184然后可被引導(dǎo)至水氣變換系統(tǒng)186中。水氣變換系統(tǒng)186可適合于調(diào)整具有減少的硫含量的合成氣中的氫氣對(duì)一氧化碳的比率。例如，可使用基于鉻或銅的催化劑，其適合于使一氧化碳和水能夠轉(zhuǎn)換成氫氣和二氧化碳。由于減少了合成氣184中的硫含量，由水氣變換系統(tǒng)186實(shí)現(xiàn)的變換反應(yīng)是“脫硫的”變換反應(yīng)。脫硫的變換反應(yīng)是放熱的，并且由于反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能可例如通過將膨脹器138放置在水氣變換系統(tǒng)186的直接下游來捕獲。在這個(gè)實(shí)施例中，增加至合成氣流188的質(zhì)量流上的熱量可通過定位在水氣變換系統(tǒng)186的直接下游的膨脹器138而轉(zhuǎn)換成電能。如上面提到的那樣，膨脹器138可將存在于合成氣188的質(zhì)量流中的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則可用于驅(qū)動(dòng)適合于生產(chǎn)額外的電功率的發(fā)電機(jī)。在另一實(shí)施例中，離開AGR 160下游的流184可被直接傳送到膨脹器138中。在這個(gè)實(shí)施例中，膨脹器138使合成氣流184膨脹，并將膨脹的合成氣流190引導(dǎo)至水氣變換系統(tǒng)186中。在膨脹器138中膨脹期間，合成氣可將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。因此，合成氣流190 可比合成氣流188更為冷卻。然后可將更為冷卻的合成氣流190引導(dǎo)至水氣變換系統(tǒng)186中，以用于進(jìn)一步處理。在這個(gè)實(shí)施例中，水氣變換系統(tǒng)186可通過利用低溫變換反應(yīng),例如包含銅-鋅-鋁催化劑成分的變換反應(yīng)而有利地使用更為冷卻的合成氣。如早前提到的那樣，變換反應(yīng)將導(dǎo)致合成氣具有更高的氫氣比。因此，可將變換后的合成氣流192(或合成氣流190)傳送到動(dòng)力系統(tǒng)174中，以用作燃料。另外或備選地，可將合成氣流192引導(dǎo)至用于化學(xué)物生產(chǎn)的化工系統(tǒng)177中。AGR 160下游的膨脹器138的使用容許再捕獲能量，該能量否則將不會(huì)被利用。例如，由于水氣變換系統(tǒng)186所產(chǎn)生的額外的熱量可被膨脹器138使用于生產(chǎn)電力。實(shí)際上，多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備100的其它實(shí)施例，例如以下圖4中更詳細(xì)描述的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)實(shí)施例可使用膨脹器138，以提高設(shè)備效率，并使得能夠?qū)崿F(xiàn)額外的電功率的生產(chǎn)。圖4描繪了 IGCC動(dòng)力設(shè)備200的一個(gè)實(shí)施例，其也可包括化學(xué)物生產(chǎn)(多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備)以及一個(gè)或多個(gè)適合于改進(jìn)電功率生產(chǎn)的膨脹器138。在所示的實(shí)施例中，上面參照?qǐng)DI詳細(xì)描述的某些構(gòu)件用相似的元件標(biāo)號(hào)來表示。如上面關(guān)于圖1-3提到的那樣，膨脹器138將存在于合成氣流中的能量轉(zhuǎn)換成電功率。此外，所描繪的實(shí)施例包括某些系統(tǒng)，例如氮?dú)饧訜岷统槿】諝饫鋮s系統(tǒng)202以及除氣器204，其適合于將IGCC技術(shù)與膨脹器138的使用結(jié)合起來。在聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備中，例如IGCC動(dòng)力設(shè)備200中，如以下所述，通過例如重復(fù)使用由低溫氣體冷卻系統(tǒng)158所產(chǎn)生的飽和蒸汽206，可獲得額外的能量效率。在一個(gè)實(shí)施例中，膨脹器138設(shè)置在滌氣器132的直接下游，并用于將合成氣流136轉(zhuǎn)換成額外的電功率。在另一實(shí)施例中，水氣變換系統(tǒng)176放置在滌氣器132的直接下游，并且膨脹器138設(shè)置在水氣變換系統(tǒng)176的直接下游。在這個(gè)實(shí)施例中，變換后的合成氣流178進(jìn)行膨脹，并被轉(zhuǎn)換成電功率。然后可將膨脹后的合成氣流156 (或膨脹后的合成氣流180)引導(dǎo)至低溫氣體冷卻系統(tǒng)158中。另外或備選地，如圖所示，膨脹器138可設(shè)置在水氣變換系統(tǒng)186的下游。實(shí)際上，膨脹器138可設(shè)置在AGR 160的上游和/或下游，并且使用存在于合成氣流184(或合成氣流188)中的質(zhì)量流能量來生產(chǎn)額外的電功率。在所描繪的也可包括化學(xué)物生產(chǎn)的IGCC實(shí)施例中，低溫氣體冷卻系統(tǒng)158可冷卻合成氣，并在冷卻工藝期間產(chǎn)生飽和蒸汽206。然后可將該飽和蒸汽206引導(dǎo)至動(dòng)力系統(tǒng)174中，以用于進(jìn)一步重復(fù)使用。實(shí)際上，動(dòng)力系統(tǒng)174可包括例如燃?xì)鉁u輪208、熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)系統(tǒng)210和蒸汽渦輪212。燃?xì)鉁u輪208可使用合成氣作為燃料以驅(qū)動(dòng)第一負(fù)載，例如適合于生產(chǎn)電功率的發(fā)電機(jī)。蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)212然后可驅(qū)動(dòng)第二負(fù)載，例如第二發(fā)電機(jī)。另外，雖然燃?xì)鉁u輪208和蒸汽渦輪212可驅(qū)動(dòng)單獨(dú)的負(fù)載,但燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)208和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)212還可以串聯(lián)使用，以便經(jīng)由單個(gè)軸來驅(qū)動(dòng)單個(gè)負(fù)載。蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)212以及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)208的具體構(gòu)造可為對(duì)于實(shí)施而言專有的，并且可能包括部分的任意組合。來自氮?dú)饧訜岷统槿】諝饫鋮s系統(tǒng)202中的被加熱的氮?dú)饪杀灰龑?dǎo)至動(dòng)力系統(tǒng)174中，以用作燃?xì)鉁u輪208中的燃燒稀釋劑，從而提高燃?xì)鉁u輪效率。來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)208的加熱的排氣可傳送至HRSG 210中，并用于加熱水和產(chǎn)生蒸汽，蒸汽用于驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。HRSG 210中的一些水可能由除氣器204來提供。也就是說，除氣器204可從離開低溫氣體冷卻系統(tǒng)158的被加熱的返回的冷凝物214中去除某些氣體(例如氧氣)，并將水提供給動(dòng)力系統(tǒng)174。另外，來自低溫氣體冷卻系統(tǒng)158的飽和蒸汽206還可在其于HRSG 210中過熱之后用于驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪。實(shí)際上,在諸如IGCC動(dòng)力設(shè)備200的聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備中，熱的排氣可從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)208流出并傳送至HRSG 210中，其在此處可用于產(chǎn)生高壓高溫蒸汽。通過HRSG210產(chǎn)生的蒸汽然后可穿過蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)212，以用于發(fā)電。另外，產(chǎn)生的蒸汽還可供給任何其它可使用蒸汽的工藝，例如氣化器112中。額外的重復(fù)使用效率是可行的，例如重復(fù)使用由于動(dòng)力系統(tǒng)174操作所產(chǎn)生的冷凝物216。冷凝物216可被引導(dǎo)至低溫氣體冷卻系統(tǒng)158，以用于冷卻操作。類似地，在燃?xì)鉁u輪操作期間所抽取的空氣218可通過系統(tǒng)202進(jìn)行處理，并引導(dǎo)至ASU 118中，以用于分離成氮?dú)夂脱鯕?。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)208的發(fā)電循環(huán)經(jīng)常被認(rèn)為是頂層循環(huán)，而蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)212的發(fā)電循環(huán)經(jīng)常被認(rèn)為是底層循環(huán)。通過將這兩個(gè)循環(huán)與膨脹器138的使用結(jié)合起來，IGCC動(dòng)力設(shè)備200可導(dǎo)致這兩個(gè)循環(huán)中有更大的效率。本發(fā)明的技術(shù)效果包括通過使用一個(gè)或多個(gè)適合于將合成氣流轉(zhuǎn)換成電功率的膨脹器而提高氣化效率和動(dòng)力生產(chǎn)。膨脹器可定位在氣化設(shè)備中的多種位置，包括滌氣器的直接下游的位置。此外，膨脹器可用于各種類型的氣化多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備中，包括IGCC動(dòng)力設(shè)備。另外，合成氣流可包括“濕的”合成氣流。實(shí)際上，合成氣流可包括在去除酸性氣體之前為合成氣添加的水。通過利用一個(gè)或多個(gè)膨脹器捕獲否則將不會(huì)被利用的能量，所公開的實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的提高動(dòng)力輸出的氣化設(shè)備。本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并 且還使本領(lǐng)域中的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和利用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何所含方法。本發(fā)明的可獲得專利保護(hù)的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域中的技術(shù)人員想到的其它示例。如果這些其它示例具有并非不同于權(quán)利要求的文字語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)元件，或者如果其包括與權(quán)利要求的文字語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差異的等效的結(jié)構(gòu)元件，那么這些其它示例都意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括 流動(dòng)路徑； 氣化區(qū)段(112)，其沿著所述流動(dòng)路徑而設(shè)置，并且構(gòu)造為用于將給料(102)轉(zhuǎn)換成合成氣； 滌氣器(130)，其設(shè)置在所述氣化區(qū)段(112)的直接下游，并構(gòu)造為用于過濾所述合成氣；和 第一膨脹器(138)，其沿著所述流動(dòng)路徑設(shè)置在所述滌氣器(130)的直接下游，并構(gòu)造為用于使所述合成氣膨脹，其中所述合成氣包括未處理的合成氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)構(gòu)造為用于將水團(tuán)添加至所述未處理的合成氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)構(gòu)造為用于在所述第一膨脹器(138)的上游將水團(tuán)添加至所述未處理的合成氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)構(gòu)造為用于通過使水團(tuán)飽和而將所述水團(tuán)添加至所述未處理的合成氣中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水團(tuán)包括被加熱的水團(tuán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述未處理的合成氣包括具有至少大約0.1 %至65 %的H2O的濕的合成氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一膨脹器(138)包括構(gòu)造為用于產(chǎn)生機(jī)械能、電功率或它們的組合的渦輪膨脹器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一膨脹器(138)構(gòu)造為用于使來自所述未處理的合成氣的物質(zhì)冷凝。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述物質(zhì)包括冷凝物，其具有從所述未處理的合成氣中冷凝出的大約0. I %至65%的H20。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣化區(qū)段(112)包括整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)氣化區(qū)段。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括沿著所述流動(dòng)路徑而設(shè)置在所述第一膨脹器(138)的下游的酸性氣體去除(AGR)區(qū)段(160)，其中所述AGR區(qū)段(160)構(gòu)造為用于處理所述未處理的合成氣，以去除酸性氣體并產(chǎn)生處理后的合成氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括第二膨脹器(138)，該第二膨脹器(138)沿著所述流動(dòng)路徑而設(shè)置在所述AGR區(qū)段(160)的下游，并構(gòu)造為用于使所述處理后的合成氣膨脹。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括第二膨脹器(138)，該第二膨脹器(138)沿著所述流動(dòng)路徑而設(shè)置在所述第一膨脹器(138)的下游，并構(gòu)造為用于使所述合成氣膨脹。
14.一種系統(tǒng),包括 流動(dòng)路徑； 第一流體源(112，130)，具有加壓流體，并沿著所述流動(dòng)路徑而設(shè)置在酸性氣體去除(AGR)區(qū)段(160)的上游； 第二流體源，構(gòu)造為用于將第二流體與所述第一流體混合起來，以產(chǎn)生流體混合物；和沿著所述流體路徑而設(shè)置在所述AGR(160)上游的膨脹器(138);其中所述膨脹器(138)構(gòu)造為用于使所述流體混合物膨脹和冷凝以產(chǎn)生機(jī)械能、電功率或它們的組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二流體源包括水源。
全文摘要
本發(fā)明涉及合成氣應(yīng)用中的能量回收。所公開的實(shí)施例包括用于利用膨脹器(138)的系統(tǒng)。在第一實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括流動(dòng)路徑和沿著流動(dòng)路徑而設(shè)置的氣化區(qū)段(112)。氣化區(qū)段(112)構(gòu)造為用于將給料(102)轉(zhuǎn)換成合成氣。該系統(tǒng)還包括設(shè)置在氣化區(qū)段(112)的直接下游并構(gòu)造為用于過濾合成氣的滌氣器(130)。該系統(tǒng)還包括沿著流動(dòng)路徑設(shè)置在滌氣器(130)的直接下游并構(gòu)造為用于使合成氣膨脹的第一膨脹器(138)。該合成氣包括未處理的合成氣。
文檔編號(hào)C10J3/72GK102627981SQ20121003584
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月7日
發(fā)明者K·R·霍斯拉維安, P·J·麥肯納, R·F·泰里 申請(qǐng)人:通用電氣公司