專利名稱：利用再循環(huán)工作流體的先進混雜式煤氣化循環(huán)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用再循環(huán)工作流體的混雜式氣化循環(huán)，以及一種操作此類系統(tǒng)生成電能的方法。
背景技術：
全球氣候變化與溫室氣體例如二氧化碳(CO2)的排放之間的關系已有詳盡的報導。傳統(tǒng)的礦物燃料燃燒發(fā)電廠，例如煤粉燃燒發(fā)電廠，產生大量的CO2。因此，似乎始終存在提高這種發(fā)電廠的效率以及開發(fā)改進工藝以降低其CO2排放的動力。所開發(fā)的用以實現(xiàn)這些目標的主要方法之一基于在氣化器中將煤氣化生成合成氣，該合成氣在下游燃燒器中燃燒。
M.De Lallo等最近公開的論文“Evaluation of Innovative FossilCycles Incorporating CO2Removal”論述了幾種從燃煤電廠去除/分離CO2的已知方法，該論文在2000年10月8-11日在加利福尼亞的洛山磯召開的2000氣化工藝會議上發(fā)表。該論文揭示當將這種CO2去除和/或分離系統(tǒng)用于煤粉燃燒發(fā)電廠的后端時，會降低電廠效率多達十一個百分點，相當于每噸$30的CO2去除費用。為對比起見，文中涉及的所有美元量都用2003美元表述。
例如，在傳統(tǒng)的吹氧整體式氣化組合循環(huán)(IGCC)發(fā)電廠中，一氧化碳(CO)常常經(jīng)水-氣變換為燃氣渦輪機上游的氫氣(H2)和CO2。然后經(jīng)吸收和解吸或用膜將這類CO2分離和濃縮，然后壓縮封存。然而，這類方法耗能、昂貴，并且由于從溶劑再生CO2以及伴隨變換的能量損失，使系統(tǒng)效率降低。(由于氫氣的低熱值(LHV)比CO低，以每摩爾計，當CO變換為H2時損失15％的LHV。因而，為了補償變換的損失，需要由氣化過程生成更多的合成氣。得自變換反應的低品位熱補償系統(tǒng)損失。)據(jù)估算，采用這種工藝的IGCC發(fā)電廠有六個百分點的效率損失，以及每噸$15的CO2去除費用。
U.S.6,269,624描述了一種使氣態(tài)燃料與氧燃燒的組合循環(huán)發(fā)電方法，將燃氣渦輪排放氣中的部分二氧化碳再循環(huán)回燃氣渦輪燃燒器。收集在再循環(huán)氣中的二氧化碳從與燃氣渦輪相連的氣體壓縮機的下游冷凝。
U.S.5,572,861披露了一種IGCC方法，將再循環(huán)的二氧化碳在一系列燃氣渦輪燃燒器中用作稀釋流體。將燃氣渦輪排放的二氧化碳在多級壓縮機中壓縮，包括部分二氧化碳的級間分離，并導向冷凝單元。按照本發(fā)明，在加壓氣化器中伴著氧氣與蒸汽的混合物使煤氣化生成合成氣。此方法采用非常復雜的裝置，例如合成氣高溫壓縮機。
GB1,298,434描述了一種方法，用純氧使煤氣化并使生成的氣體在鍋爐爐膛中與氧氣一起燃燒。水蒸汽從鍋爐爐膛的煙道氣中冷凝，部分剩余二氧化碳再循環(huán)回氣化器和鍋爐去控制它們的溫度，另一部分二氧化碳在多級壓縮機中壓縮并分多步冷卻，從而形成液體二氧化碳。但是，這種循環(huán)的熱效率不太高，同時基于蒸汽渦輪的蘭金循環(huán)僅以較低的效率發(fā)電。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目標是提供一種采用再循環(huán)工作流體的簡單混雜氣化循環(huán)系統(tǒng)和一種使用該混雜氣化循環(huán)系統(tǒng)的方法，以高效地生成電能。
本發(fā)明的另一個目標是提供一種采用再循環(huán)工作流體的簡單混雜氣化循環(huán)系統(tǒng)和一種消除或降低二氧化碳到大氣的排放的混雜氣化循環(huán)系統(tǒng)。
為實現(xiàn)本發(fā)明的這些和其它目標，如附帶的權利要求中所述，提供了一種新型發(fā)電裝置和方法。
在一種方式中，本發(fā)明提供一種發(fā)電系統(tǒng)，包含新鮮純氧(O2)源；帶有固體燃料入口和新鮮純氧入口的氣化器，其在升高的壓力P1下運行將所述固體燃料轉化成包含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣及包含焦炭的固體殘渣；顆粒分離器，與所述氣化器以流體連接的形式安裝，用于分離所述氣化器排放的合成氣中的焦炭顆粒；合成氣燃燒器，帶有新鮮純氧入口和顆粒分離器排放的合成氣的入口，用于燃燒合成氣以生成包含二氧化碳(CO2)、水和過量氧的排放氣；燃氣渦輪，與合成氣燃燒器以流體連接的形式安裝，用于使排放氣膨脹，從而用與燃氣渦輪連接的發(fā)電機發(fā)電，并通過燃氣渦輪的出口放出膨脹的排放氣；蒸汽發(fā)生器，與所述燃氣渦輪的出口以流體連接的形式安裝，包含用以放出處理過的排放氣的出口；氣體壓縮機系統(tǒng)，帶有與蒸汽發(fā)生器的出口流體連接的入口和用于放出壓縮的排放氣流的出口，及用于將壓縮排放氣流的第一部分通至氣化器的裝置，以控制氣化器的溫度、為氣化過程提供蒸汽以及減少對新鮮純氧的需求。
在另一種方式中，本發(fā)明提供一種發(fā)電方法，其中該方法包含步驟(a)從氧源供應新鮮純氧；(b)將固體燃料和新鮮純氧引入氣化器，將所述固體燃料轉化成包含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣以及包含焦炭的固體殘渣；(c)將來自氣化器的合成氣通至顆粒分離器，在顆粒分離器中使焦炭與合成氣分離；(d)顆粒分離器流出的合成氣與新鮮純氧在合成氣燃燒器中燃燒，生成包含二氧化碳(CO2)、水和過量氧氣的排放氣；(e)使排放氣在與合成氣燃燒器以流體連接的形式安裝的燃氣渦輪中膨脹，用與燃氣渦輪連接的發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)燃氣渦輪的出口放出膨脹的排放氣；(f)將來自燃氣渦輪的膨脹排放氣通至蒸汽發(fā)生器，經(jīng)蒸汽發(fā)生器的出口放出處理過的排放氣；(g)將來自蒸汽發(fā)生器的處理過的排放氣引入氣體壓縮機系統(tǒng)；以及(h)將壓縮排放氣流的第一部分通至氣化器，以控制氣化器的溫度、為氣化過程提供CO2和蒸汽，以及減少其內對新鮮純氧的需求。
如文中所用，術語“純氧”應當廣義地解釋為包括任何由濃縮氧源生成的氧氣流，濃縮氧源例如為低溫空氣分離器、例如分離膜或變壓吸附系統(tǒng)的非低溫空氣分離器、貯氧罐或類似物。作為例子，由低溫空氣分離器生成的氧氣流通常具有超過95％的氧濃度，由非低溫空氣分離器生成的氧氣流通常具有約90-約95％之間的氧濃度。然而，只要由濃縮氧源生成，氧濃度略低于90％的氧氣流也包含在術語純氧的范圍內。術語“新鮮”氧氣是指由新鮮純氧源供應的氧氣，與再循環(huán)入系統(tǒng)的氧氣相對。
本發(fā)明提供一種先進的混雜氣化循環(huán)，將CO2再循環(huán)回氣化器，用作氣化反應物和工作流體。氣化器優(yōu)選為加壓循環(huán)流化床(PCFB)氣化器，通常在高達約55個大氣壓或更高的壓力下運行，將諸如煤之類的固體燃料氣化。相應地，氣體壓縮機系統(tǒng)將排放氣的壓力提高至優(yōu)選至少與氣化器的運行壓力一樣高的壓力，該系統(tǒng)提供待再循環(huán)回氣化器的主要包含二氧化碳及一些水和氧氣的壓縮氣體。
在隨合成氣夾帶的焦炭和其它固體顆粒在顆粒分離器中分離之前，優(yōu)選將氣化器排放的合成氣在合成氣冷卻器中冷卻。顆粒分離器優(yōu)選金屬管形過濾器元件。如果需要，在將合成氣通向氣體燃燒器之前，可用傳統(tǒng)方法從合成氣中清除對燃氣渦輪有害的其它物質。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)選包含用于將壓縮排放氣流的第二部分通至合成氣燃燒器的裝置，例如適宜的管線、管道及類似物。當排放氣主要包含二氧化碳時，可將其用于控制合成氣燃燒器內的燃燒溫度，以控制從可能存在于合成氣中的少量氮氣生成氮氧化物(NOx)。通常，壓縮排放氣含一些水，這也有助于控制NOx。該氣體中還含有一些過量氧氣，這減少了合成氣燃燒器中對新鮮純氧的需求。
氣體壓縮機系統(tǒng)包含燃氣渦輪壓縮機和增壓壓縮機較為有利，燃氣渦輪壓縮機與燃氣渦輪的軸連接。燃氣渦輪壓縮機通常將排放氣壓縮至適于將氣體通至合成氣燃燒器的壓力，并且選擇增壓壓縮機的壓縮比以使其出口壓力與氣化器的壓力相對應。
燃氣渦輪壓縮機為分級壓縮機較為有利，其包含級間注水冷卻系統(tǒng)以降低壓縮機的電力需求以及增加壓縮的排放氣流的濕度。在本發(fā)明的發(fā)電循環(huán)中，注水有助于合成氣燃燒器的NOx控制并增強氣化器中的氣化作用。
根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，將壓縮排放氣的第三部分從氣體壓縮機系統(tǒng)的出口導向二氧化碳冷凝段。如果該排放氣被壓縮至例如約55個大氣壓，該壓力相應于氣化器的運行壓力，就可以簡單地通過將該氣體冷卻至相對較高的溫度例如約15℃而將排放氣中的二氧化碳冷凝。因而，在本發(fā)明的組合循環(huán)中，二氧化碳冷凝段無需用于分離CO2的分離壓縮機也是可以的。
為避免冰的形成，在二氧化碳的最終冷凝之前，在二氧化碳冷凝段中從排放氣中分離出水。通過從排放氣中分離出二氧化碳，形成主要包含純氧的排出氣流。這樣，CO2冷凝段生成獨立的冷凝二氧化碳流和水流，以及主要包含氧氣的剩余氣流?？蓪⑸傻囊后wCO2封存或用于多種用途。優(yōu)選將主要包含純氧的排出氣流通至空氣分離元件，即通至新鮮純氧源以增強其效率。在一些應用中，將出口氣流直接通至合成氣燃燒器會比較有利，用于降低其中對新鮮純氧的需求。
根據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式，系統(tǒng)包含燒焦鍋爐。在燒焦鍋爐中，作為氣化器的底灰收集的、以及作為飛灰從氣化器下游的顆粒分離器收集的焦炭可與純氧燃燒用以生產蒸汽。燒焦鍋爐生成過熱蒸汽用以用燃氣渦輪發(fā)電。燒焦鍋爐為常壓循環(huán)流化床(ACFB)鍋爐比較有利。因此，來自加壓氣化器和顆粒分離器的灰流在被引入燒焦鍋爐之前，必須在減壓單元中減壓。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)選包含將燃氣渦輪放出的部分排放氣從燃氣渦輪導向燒焦鍋爐的裝置，這類用于傳導的裝置包括適宜的管線、管道和其類似物。由于排放氣中的CO2和水，通向燒焦鍋爐的排放氣控制燒焦鍋爐的運行溫度。另一方面，排放氣中的過量氧氣減少了燒焦鍋爐中對新鮮純氧的需求。燒焦鍋爐產生煙道氣，該煙道氣可以用滌氣器或傳統(tǒng)裝置凈化，用冷卻器冷卻至約65℃的溫度并經(jīng)由進氣通風風扇通至氣體壓縮機系統(tǒng)。
在一些應用中，優(yōu)選將燃氣渦輪放出的部分排放氣經(jīng)發(fā)熱蒸汽發(fā)生器(HRSG)通向氣體壓縮機系統(tǒng)。取決于系統(tǒng)的操作模式，膨脹排放氣在HRSG和燒焦鍋爐之間的分配可以變化。通常任何時刻膨脹排放氣僅通向HRSG和燒焦鍋爐中的一個。系統(tǒng)也可以僅包含將膨脹排放氣從燃氣渦輪導向燒焦鍋爐的裝置或將膨脹排放氣從燃氣渦輪導向HRSG的裝置。
附圖簡述

圖1是表示基于本發(fā)明的混雜煤氣化循環(huán)的發(fā)電廠的示意工藝流程圖。
圖1中以框形表示的每個組件各自都是公知的。因此，這類組件的細節(jié)此處不作詳細描述。
優(yōu)選實施方式的描述圖1中所例舉的混雜循環(huán)發(fā)電廠10表示本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式。該發(fā)電廠包括分氣化器12，優(yōu)選加壓循環(huán)流化床(PCFB)氣化器；合成氣冷卻器14和顆粒分離器16。顆粒分離器16優(yōu)選多孔金屬阻擋濾片。例如煤的固體燃料流18和純氧20被引入氣化器12，在此轉化成合成氣流22和含焦炭的固體殘渣。在升高的壓力下操作氣化器12比較有利，通常為高達約55atm的壓力，但是壓力也可以低于或更高于55atm。
當進料到氣化器的組分反應時，生成熱的合成氣。合成氣主要包含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)。在PCFB氣化器中，合成氣垂直向上傳送流化床的一些固體殘渣穿過反應器進入循環(huán)旋風除塵器(未示出)。從床層淘析出并包含在合成氣中的固體在旋風除塵器中收集并經(jīng)浸入管(未示出)返回氣化器底部的密層。熱固體的循環(huán)起到熱飛輪的作用，有助于促進有效的固-氣化學反應。如果需要，可將沙子加入PCFB氣化器12中以保持床層的總量并促進氣化過程。
純氧氣流20源自氧源24，該氧源優(yōu)選低溫空氣分離單元(ASU)，將進入的空氣流26轉化為獨立的氮氣(N2)流28和氧氣(O2)流30。ASU24生成分別用于加壓和常壓工藝的獨立的高壓氧氣流30和近環(huán)境壓力的氧氣流32比較有利。在本發(fā)明的一些應用中，氧源24可以是除低溫分離器之外的一些其它類型，例如基于變壓吸附的分離器或膜分離。氧源也可以僅是一套從外部氧源定期地再充填的液氧罐。
優(yōu)選將來自燃氣渦輪壓縮機36(以下描述)的包含CO2、O2和蒸汽的氣流34也注入氣化器12，為氣化反應提供組分和控制處理溫度。也可以在將來自燃氣渦輪壓縮機36的氣流34和純氧氣流20引入氣化器12之前先將其混合。氣化器12的處理溫度范圍通常為約900℃-約1100℃，取決于燃料類型。
離開循環(huán)旋風除塵器之后，合成氣通常穿過火管型合成氣冷卻器14，進入例如多孔金屬(管形)阻擋濾片的顆粒分離器16，在此清除合成氣中的顆粒物質。如果需要，合成氣可在冷卻氣體凈化步驟中進一步凈化(未示出)，該步驟采用滌氣器或其它傳統(tǒng)合成氣凈化裝置。合成氣凈化裝置的適宜類型取決于幾種公知的因素，包括氣化器12中采用的燃料的類型和品質。
優(yōu)選將顆粒分離器16收集的飛灰流38和/或從PCFB氣化器12移出的底灰流40收集到減壓器42，并以輸送至燒焦鍋爐44，在此燃燒灰中的焦炭為蒸汽渦輪(未示出)生產蒸汽。燒焦鍋爐44優(yōu)選為常壓循環(huán)流化床(ACFB)鍋爐，但也可以是一些其它類型的鍋爐，例如懸浮燃燒鍋爐。
將清潔合成氣流46通至氣體燃燒器48，在此燃燒生成熱氣，該熱氣在燃氣渦輪50中膨脹，經(jīng)發(fā)電機52發(fā)電。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，優(yōu)選在燃氣渦輪50的上游無需水-氣變換和從合成氣分離CO2。因而，消除了伴隨這些操作的循環(huán)效率與燃氣渦輪動力的損失。
合成氣與空氣分離單元24供應的純氧54在氣體燃燒器48中燃燒。來自燃氣渦輪壓縮機36的壓縮氣流56流進氣體燃燒器48。壓縮氣體56包含CO2和蒸汽，這降低燃燒反應的溫度并由此限制氮氧化物(NOx)的生成量。壓縮氣體56還包含一些氧氣，這減少ASU 24對新鮮純氧的需求。而且，燃燒室內氣體量的增加提供了更高效的氣體膨脹，從而在燃氣渦輪50中更高效地發(fā)電。在一些應用中，也可以將來自CO2冷凝單元58(以下描述)的富O2氣流(圖1中未示出)通至氣體燃燒器48。
來自燃氣渦輪的排放氣60是一種大部分的CO2與蒸汽和氧氣的混合物，其中氧濃度通常約為3體積％。根據(jù)本發(fā)明，這些未使用的氧氣可以用在氣化器12、氣體燃燒器48和燒焦鍋爐44中。相應地，優(yōu)選將來自燃氣渦輪50的排放氣流60輸送至燒焦鍋爐44。
在燒焦鍋爐44中，以空氣分離單元24中生成的純氧流62作為主要氧化劑，將從氣化器12和/或顆粒分離器16中回收并在減壓器42中減壓的焦炭燃燒。來自燃氣渦輪50的熱排放氣流60為焦炭燃燒提供額外的氧氣。由于其高CO2含量，排放氣控制燒焦鍋爐44的溫度。燒焦鍋爐44產生過熱蒸汽較為有利，可將過熱蒸汽用于驅動蒸汽渦輪(未示出)發(fā)電。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，操作氣化器12使碳轉化率對煙煤為約60％-約80％，對亞煙煤則接近95％。作為例子，當將Illinois#6用作燃料時，炭渣中將出現(xiàn)約20-40％的煤碳，該炭渣將在燒焦鍋爐44中燃燒。需要時，也可以將附加的固體燃料流64例如煤引入燒焦鍋爐44。
優(yōu)選地，將石灰石、氨和/或尿素注入燒焦鍋爐44中以控制二氧化硫(SO2)和NOx的生成。石灰石通常通過以硫酸鈣(CaSO4)的形式捕獲SO2而將其分離。另一方面，氨和/或尿素將NOx化學還原為氮氣(N2)和水。優(yōu)選將底灰66從燒焦鍋爐44收集并從系統(tǒng)移至垃圾場或類似地方。
優(yōu)選以設定的路線使燒焦鍋爐44的排放物穿過諸如袋濾除塵室的除塵器68和冷卻器70。含有一系列過濾器的袋濾除塵室68除去排放氣中的大部分飛灰。在冷卻器70中將排放氣冷卻至低溫，例如約30℃。在冷卻器70中，一些水被冷凝并從排放氣中除去。冷卻后，優(yōu)選使氣體在引入燃氣渦輪壓縮機36之前流過進氣通風風扇72。
也可以將來自燃氣渦輪50的排放氣60，或其一部分引入發(fā)熱蒸汽發(fā)生器(HRSG)74，在其中通過從熱排放氣攝取熱量而生成過熱蒸汽以驅動蒸汽渦輪(未示出)。非必須地，可以將部分清潔合成氣46通至(未示出)HRSG74，并在其內燃燒以提高排放氣的能量含量。在氣體冷卻器76中將HRSG74的排放氣最終冷卻至低溫，例如約30℃。在此冷卻階段，排放氣中的部分水蒸氣從系統(tǒng)移出。然后將冷排放氣送至燃氣渦輪壓縮機36。
優(yōu)選燃氣渦輪壓縮機36為帶有通過注水78進行級間冷卻的分級壓縮機。注水78降低壓縮動力需求并增加壓縮排放氣的濕度。當將壓縮排放氣通至氣化器12和氣體燃燒器48時，壓縮氣體蒸汽含量的提高增強了氣化器12中的氣化作用，并有助于控制氣體燃燒器48中的NOx。
優(yōu)選將包含CO2、O2和蒸汽的壓縮排放氣分成三部份。大部分氣體被注入氣體燃燒器48并在燃氣渦輪50中膨脹。在將壓縮排放氣的剩余部分分成通入氣化器12的部分和通至CO2冷凝段58的部分之前，可以將其經(jīng)末端壓縮機80(增壓壓縮機)進一步壓縮。
優(yōu)選將通至CO2冷凝段58的壓縮氣體在熱交換器82中通過將熱量傳遞給ASU24放出的冷O2流30、32進行首次冷卻。在冷卻器84中進一步冷卻壓縮氣體，以從排放氣中首次除去水，然后液化排放氣中的CO2。由于CO2處于高壓，液化CO2所需的溫度就較高，例如對于57atm的壓力約為16℃。CO2冷凝段58提供冷凝CO2流86，優(yōu)選用泵88將其進一步加壓，并經(jīng)CO2管線90送去處理或進一步使用。
CO2冷凝段58之后，剩余的排放氣為主要包含氧氣的冷氣體流92。優(yōu)選將冷氣體流92通至空氣分離器24，以減少O2需求量、節(jié)省動力以及充當空氣分離器的冷卻劑?？蛇x地，可將富O2氣體92通至(未示出)氣體燃燒器48，由此進一步降低其內對新鮮純氧的需求。
存在于壓縮排放氣中、例如源自燒焦鍋爐44的二氧化硫(SO2)可CO2冷凝段58中與CO2一起冷凝。因而，特別是當處理生成的液體CO2時，可以從本混雜氣化循環(huán)中免除分離硫的俘獲裝置上述發(fā)電廠慮及高效和經(jīng)濟地使用寬范圍的較廉價煤，同時致力于解決CO2對環(huán)境的破壞作用。其優(yōu)點包括能夠分離CO2而無需昂貴的耗能變換、化學/物理吸附和/或脫附。例如，如與傳統(tǒng)發(fā)電廠相對比，采用依據(jù)本發(fā)明的發(fā)電廠去除CO2的預期費用每噸低于$10，而傳統(tǒng)發(fā)電廠的費用從煤粉發(fā)電廠的每噸$30變化到傳統(tǒng)吹氧IGCC發(fā)電廠的每噸$15。
上述發(fā)電廠的其它優(yōu)點包括(i)通過再循環(huán)排放氣中所含的過量氧使整體耗氧量最小化；(ii)免除了傳統(tǒng)IGCC發(fā)電廠中為支撐水變換反應所需的大量蒸汽需求；以及(iii)通過使CO2可在氣體壓縮機的排放壓力下使用，或通過完全消除對傳統(tǒng)IGCC發(fā)電廠中通常采用的用于CO2分離的分離壓縮機的需要，而降低CO2分離壓縮機的動力需求。
因而，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電廠將提供一種用于發(fā)電的系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有用于消除燃煤電廠的CO2排放的更簡單、更可靠及廉價的裝置；并且將大大降低伴隨從排放氣去除CO2并將其加工以傳送至封存地的傳統(tǒng)工藝而來的發(fā)電廠效率的損失。
以上例子是對本發(fā)明優(yōu)選實施方式的舉例說明。然而，如本領域普通技術人員所能理解的，取決于發(fā)電廠的需要，上述本發(fā)明的許多方面，例如氣化器和焦炭子系統(tǒng)，可以采用其它的形式。而且，盡管組件的上述排布是目前優(yōu)選的配置，但是顯然取決于各種設計考慮，該系統(tǒng)的各種組件可以重新排布和/或以相互間不同的組合來使用。
權利要求
1.一種發(fā)電系統(tǒng)，包含新鮮純氧(O2)源；氣化器，帶有固體燃料入口和新鮮純氧入口，在升高的壓力P1下運行以將所述固體燃料轉化成包含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣及包含焦炭的固體殘渣；顆粒分離器，與所述氣化器以流體連接的形式安裝，用于分離所述氣化器排放的合成氣中的焦炭顆粒；合成氣燃燒器，帶有新鮮純氧入口和顆粒分離器排放的合成氣的入口，用于燃燒合成氣以生成包含二氧化碳(CO2)、水和過量氧的排放氣；燃氣渦輪，與合成氣燃燒器以流體連接的形式安裝，用于使排放氣膨脹，從而用與燃氣渦輪連接的發(fā)電機發(fā)電，并通過燃氣渦輪的出口放出膨脹的排放氣；蒸汽發(fā)生器，與所述燃氣渦輪的出口以流體連接的形式安裝，包含用以放出處理過的排放氣的出口；以及氣體壓縮機系統(tǒng)，帶有與蒸汽發(fā)生器的出口流體連接的入口和用于放出壓縮的排放氣流的出口；其特征在于該系統(tǒng)包含用于將壓縮排放氣流的第一部分通至氣化器的裝置，以控制氣化器的溫度、為氣化過程提供CO2和蒸汽、以及減少其內對新鮮純氧的需求。
2.權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包含用于將壓縮排放氣流的第二部分通至合成氣燃燒器的裝置，以控制合成氣燃燒器的溫度和減少其內對新鮮純氧的需求。
3.權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述氣體壓縮機系統(tǒng)包含與燃氣渦輪的軸連接的燃氣渦輪壓縮機，以及增壓壓縮機，將排放氣進一步壓縮至至少為氣化器的壓力P1的壓力，所述用于將壓縮排放氣流的第二部分通至合成氣燃燒器的裝置與燃氣渦輪壓縮機的出口連接。
4.權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于所述燃氣渦輪壓縮機包含級間注水系統(tǒng)，以降低所述氣體壓縮機系統(tǒng)的電力需求，以及增濕壓縮的排放氣流，從而有助于控制合成氣燃燒器內的NOx并增強所述氣化器中的氣化作用。
5.權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包含與所述氣體壓縮機系統(tǒng)的所述出口流體連接的二氧化碳冷凝段，用以生產冷凝CO2流和主要包含O2的剩余氣流。
6.權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于所述新鮮純氧源包含低溫空氣分離器，并且該系統(tǒng)包含用于將主要包含O2的氣流從所述二氧化碳冷凝段通至所述低溫空氣分離器的裝置。
7.權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)包含燒焦鍋爐，該鍋爐帶有新鮮純氧入口和由所述氣化器和所述顆粒分離器至少之一所排放的焦炭的入口，以燃燒焦炭以生產蒸汽用以發(fā)電，并將煙道氣通至所述氣體壓縮機系統(tǒng)的所述入口。
8.權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述燒焦鍋爐是常壓循環(huán)流化床鍋爐。
9.權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述蒸汽發(fā)生器包括燒焦鍋爐。
10.權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述蒸汽發(fā)生器包括發(fā)熱蒸汽發(fā)生器。
11.權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述氣化器是加壓循環(huán)流化床氣化器。
12.權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述顆粒分離器包括至少一個金屬管形過濾器。
13.一種發(fā)電方法，包含步驟(a)從氧源供應新鮮純氧；(b)將固體燃料和新鮮純氧引入氣化器，將所述固體燃料轉化成包含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣以及包含焦炭的固體殘渣；(c)將來自氣化器的合成氣通至顆粒分離器，在顆粒分離器中使焦炭與合成氣分離；(d)顆粒分離器流出的合成氣與新鮮純氧在合成氣燃燒器中燃燒，生成包含二氧化碳(CO2)、水和過量氧氣的排放氣；(e)使排放氣在與合成氣燃燒器以流體連接形式安裝的燃氣渦輪中膨脹，用與燃氣渦輪連接的發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)燃氣渦輪的出口放出膨脹的排放氣；(f)將來自燃氣渦輪的膨脹排放氣通至蒸汽發(fā)生器，經(jīng)蒸汽發(fā)生器的出口放出處理過的排放氣；(g)將來自蒸汽發(fā)生器的處理過的排放氣引至氣體壓縮機系統(tǒng)的入口，以及在氣體壓縮機系統(tǒng)中形成壓縮排放氣流；其特征在于該方法進一步包含步驟(h)將壓縮排放氣流的第一部分通至氣化器，以控制氣化器的溫度、為氣化過程提供CO2和蒸汽，以及減少其內對新鮮純氧的需求。
14.權利要求13所述的方法，其特征在于該方法還包含步驟(i)將壓縮排放氣流的第二部分通至合成氣燃燒器，用以控制合成氣燃燒器的溫度和減少其內對新鮮純氧的需求。
15.權利要求14所述的方法，其特征在于步驟(g)中，處理過的排放氣在與燃氣渦輪軸連接的燃氣渦輪壓縮機中首先壓縮至壓力P2，其次在增壓壓縮機中壓縮至至少等于氣化器的壓力P1的壓力，并且在步驟(i)中將壓縮的排放氣以壓力P2從燃氣渦輪燃燒器通至合成氣燃燒器。
16.權利要求15所述的方法，其特征在于該方法還包含步驟(j)將水注入燃氣渦輪壓縮機級間的排放氣中，以降低所需的壓縮電力需求、增濕壓縮的排放氣流，從而有助于控制合成氣燃燒器內的NOx并增強氣化器中的氣化作用。
17.權利要求13所述的方法，其特征在于該方法還包含步驟(k)將壓縮排放氣的第三部分通至二氧化碳冷凝段，生成冷凝二氧化碳流和主要包含氧氣的剩余氣流。
18.權利要求13所述的方法，其特征在于氧源是低溫空氣分離器，并且該方法還包含步驟(l)將主要包含氧氣的氣流從二氧化碳冷凝段通向氧源。
19.權利要求13所述的方法，其特征在于該方法還包含步驟(m)在燒焦鍋爐中通過使氣化器和顆粒分離器至少之一排出的焦炭在新鮮純氧下燃燒，產出用于發(fā)電的蒸汽以及煙道氣，并將煙道氣通至氣體壓縮機系統(tǒng)的入口。
20.權利要求19所述的方法，其特征在于步驟(f)中蒸汽發(fā)生器包括燒焦鍋爐。
21.權利要求13所述的方法，其特征在于步驟(f)中蒸汽發(fā)生器包括發(fā)熱蒸汽發(fā)生器。
全文摘要
一種帶有混雜氣化循環(huán)(10)的發(fā)電系統(tǒng)，其中將CO
文檔編號F01K23/06GK1701162SQ03825224
公開日2005年11月23日 申請日期2003年9月17日 優(yōu)先權日2002年9月17日
發(fā)明者范鎮(zhèn) 申請人:福斯特能源公司