專利名稱：生產(chǎn)動(dòng)力的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將所謂濕空氣透平機(jī)循環(huán)(HAT)與部分氧化系統(tǒng)結(jié)合來(lái)進(jìn)行發(fā)電的新配置。
該配置包括以下步驟用氧或含氧氣體部分氧化燃料(氣化)以產(chǎn)生含可燃?xì)怏w和蒸汽的氣流，用水驟冷所述氣流以冷卻并飽和該氣流，從該氣流中除去硫化合物，在專用氣體透平機(jī)中燃燒該氣流(燃料氣)，直接利用燃料氣的蒸汽的能量。
將氣體透平機(jī)裝配成濕空氣透平機(jī)(HAT)循環(huán)旨在將該透平機(jī)循環(huán)中產(chǎn)生的顯熱以熱水形式傳遞到空氣飽和器，用以增濕并飽和助燃空氣。
由氣化產(chǎn)生的顯熱經(jīng)過(guò)水飽和并加熱燃料氣后，傳遞到HAT-循環(huán)。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化氣體生成區(qū)與HAT-循環(huán)之間的結(jié)合，從而使工廠的設(shè)計(jì)和操作簡(jiǎn)化，并使有關(guān)技術(shù)供應(yīng)者之間必要的協(xié)調(diào)減少到最低限度。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化燃?xì)馔钙綑C(jī)組的技術(shù)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。當(dāng)用作只燃燒天然氣的HAT-循環(huán)和與氣化車間結(jié)合在一起時(shí)，采用本發(fā)明均可利用相同的燃?xì)馔钙綑C(jī)。
本說(shuō)明書(shū)中所用的一些術(shù)語(yǔ)的意義如下氣化 用氧或含氧氣體部分氧化含碳燃料以產(chǎn)生含可燃?xì)怏w的氣流。氣化車間 該車間包括氣化以及下游的一些過(guò)程，以使來(lái)自氣化過(guò)程的可燃?xì)怏w適于在燃?xì)馔钙綑C(jī)中燃燒。HAT-循環(huán) 基本上如EP0150990B1中所述的濕空氣透平機(jī)循環(huán)。IGHAT氣化車間和HAT-循環(huán)的結(jié)合。CC 由燃?xì)馔钙綑C(jī)和蒸汽透平機(jī)循環(huán)組成的組合式循環(huán)裝置，蒸汽透平機(jī)循環(huán)從燃?xì)馔钙綑C(jī)的廢熱中接收其熱量。含碳燃料 本文中指任一種含碳的燃料，例如煤、油、生物燃料以及廢燃料。
背景技術(shù)：
當(dāng)利用燃?xì)馔钙綑C(jī)來(lái)生產(chǎn)動(dòng)力時(shí)，往往將燃?xì)馔钙綑C(jī)裝配成包括燃?xì)馔钙綑C(jī)和蒸汽透平機(jī)循環(huán)的所謂組合式循環(huán)(CC)配置，該燃?xì)馔钙綑C(jī)的空氣壓縮機(jī)安裝在與膨脹透平機(jī)相同的軸上，且設(shè)計(jì)成沒(méi)有中間冷卻器，而蒸汽透平機(jī)循環(huán)從該燃?xì)馔钙綑C(jī)的熱廢氣中吸取其熱量。
在有關(guān)氣化車間和CC結(jié)合(通常稱為IGCC)的現(xiàn)有技術(shù)中，包括為燃燒富燃料(例如天然氣或餾出物)而開(kāi)發(fā)的CC。當(dāng)采用來(lái)自氣化車間的貧(稀釋的)燃料供給這種CC時(shí)，必須降低來(lái)自燃?xì)馔钙綑C(jī)的空氣壓縮機(jī)的空氣的流量，以保持適當(dāng)?shù)娜細(xì)馔钙綑C(jī)的進(jìn)口溫度。如果該空氣壓縮機(jī)對(duì)其喘振點(diǎn)具有足夠的裕度，即可在CC中有效地實(shí)現(xiàn)這樣的降低。
EP0150990B1(Process for Producing Power)公開(kāi)了一種可以代替CC的方法，用來(lái)回收燃料中的化學(xué)能，以便利用燃?xì)馔钙綑C(jī)生產(chǎn)電力。在該燃?xì)馔钙綑C(jī)的廢氣中和壓縮空氣中的顯熱可以用來(lái)飽和壓縮后含有水的助燃空氣，并在燃燒前預(yù)熱該飽和空氣和燃料。這種生產(chǎn)動(dòng)力的方法已取消了蒸汽循環(huán)，通常稱之為濕空氣透平機(jī)循環(huán)或HAT-循環(huán)。
氣化車間和HAT-循環(huán)的結(jié)合，稱為IGHAT(氣化和濕空氣透平機(jī)循環(huán)的結(jié)合)，已研究多年。敘述IGHAT目前技術(shù)發(fā)展水平的主要著作是1991年3月美國(guó)電力研究院(Electric Power Research Ins-titute)所著的″A Comparison of Humid Air Turbine(HAT)Cycle and Combined-Cycle Power Plants″報(bào)告(IE-7300)。該方法的設(shè)計(jì)途徑是基于將所有來(lái)自氣化和HAT-循環(huán)的顯熱用來(lái)產(chǎn)生熱水，在壓縮空氣作為助燃空氣輸送到燃?xì)馔钙綑C(jī)之前，該熱水用來(lái)增濕HAT-循環(huán)中的壓縮空氣。這種熱組合的形式導(dǎo)致兩個(gè)缺點(diǎn)1.氣化車間和HAT-循環(huán)高度地結(jié)合，因而要求兩個(gè)不同機(jī)構(gòu)之間強(qiáng)有力的商務(wù)和技術(shù)協(xié)調(diào)，在許多情況下，這些機(jī)構(gòu)在商業(yè)上分開(kāi)可能有利。這種高度的結(jié)合還導(dǎo)致復(fù)雜的操作程序，在啟動(dòng)、停機(jī)和負(fù)載變化時(shí)尤為如此。
2.在使用天然氣作為燃料的單獨(dú)HAT-循環(huán)和結(jié)合成IGHAT工廠的HAT-循環(huán)之間，壓縮空氣流的增濕度以及空氣流量的大小差別很大。因此，為了使其在這兩種用途中有效地運(yùn)行，必須對(duì)燃?xì)馔钙綑C(jī)在機(jī)械上作不同的改變。這就使燃?xì)馔钙綑C(jī)的開(kāi)發(fā)和制造作業(yè)的費(fèi)用大幅度地增加。
美國(guó)專利5,117,623(Operating Flexibility in IGCCstations)公開(kāi)了一種用于回收來(lái)自用氧或含氧氣體部分氧化含碳燃料(氣化)的顯熱的方法，該方法利用水驟冷以冷卻并用水飽和來(lái)自所述氣化的可燃?xì)饬?，將該氣流通過(guò)熱交換器，在其中通過(guò)與循環(huán)水進(jìn)行熱交換進(jìn)一步將該氣流冷卻，以便從氣流中冷凝液態(tài)水，通過(guò)降低其壓力使該氣流膨脹以及在降低其壓力前或后，從該氣流中除去硫化合物，再飽和并加熱該氣流，然后在燃?xì)馔钙綑C(jī)中燃燒該氣流以生產(chǎn)動(dòng)力，其中上述循環(huán)水用來(lái)為再飽和該氣流供熱。該方法還包括在將驟冷后的氣流通過(guò)所述熱交換器加熱循環(huán)水之前，將該驟冷后的氣流通過(guò)鍋爐以產(chǎn)生蒸汽的步驟。
以上發(fā)明揭示了一種利用脫硫后氣體的水飽和及蒸汽的產(chǎn)生將顯熱從氣化傳遞到CC的簡(jiǎn)單方法。為了使熱傳導(dǎo)更有效，該方法包括在氣體膨脹器中膨脹氣體以生產(chǎn)動(dòng)力。
EP0259114B1(Clean Electric Power Generation)公開(kāi)了一種由含碳燃料生產(chǎn)電力的方法，該方法包括用氧或含氧氣體部分氧化燃料(氣化)，在超計(jì)大氣壓下產(chǎn)生含一氧化碳和氫的氣流(合成氣)，用水驟冷該氣流產(chǎn)生水飽和的氣流，使所述氣流膨脹以生產(chǎn)動(dòng)力，以及用補(bǔ)充的氧或含氧氣體燃燒該膨脹后的氣流以生產(chǎn)更多的動(dòng)力，其特征在于，在膨脹前，將所述氣流進(jìn)行一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而使其中的至少一些一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫。該方法也包括脫硫步驟。該方法還包括在將驟冷后的氣流送到一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)之前，將驟冷后的氣流通過(guò)鍋爐以產(chǎn)生蒸汽的步驟。
以上發(fā)明揭示了一種利用脫硫后氣體的水飽和及蒸汽的產(chǎn)生將顯熱從氣化傳遞到CC的方法。為了使熱傳導(dǎo)更有效，該方法包括一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)和在氣體膨脹器中膨脹氣體以生產(chǎn)動(dòng)力。
對(duì)本發(fā)明的描述本發(fā)明以能量效率高和技術(shù)上簡(jiǎn)單的方式將氣化車間和HAT-循環(huán)結(jié)合在一起，同時(shí)簡(jiǎn)化了適用于HAT-循環(huán)的燃?xì)馔钙綑C(jī)的開(kāi)發(fā)。
在氣化過(guò)程中發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的最終結(jié)果是放熱的，且通?？蓪⒑既剂现?5-30％的能含量轉(zhuǎn)化為顯熱，其中約80％是可回收的，而20％成為熱損失。利用水驟冷來(lái)冷卻并用水飽和產(chǎn)生含可燃?xì)怏w氣流的氣體，來(lái)自氣化的可回收的顯熱以該氣體的溫度加上水驟冷中產(chǎn)生的水蒸汽的潛熱表示。本發(fā)明包括將所述可回收的熱量傳遞到HAT-循環(huán)的新方法。
現(xiàn)以采用兩種不同原理凈化氣體中硫的兩個(gè)實(shí)施例，舉例說(shuō)明本發(fā)明，即實(shí)施例1常規(guī)冷氣凈化(CGCU)實(shí)施例2熱氣凈化(HGCU)，在工業(yè)化過(guò)程中實(shí)施例1.采用CGCU的氣化車間本發(fā)明在高氣化壓力、優(yōu)選大于60巴下顯得特別有利，因?yàn)樵谳^高壓力下，水飽和的氣流會(huì)在較高溫度下達(dá)到平衡，從而可以在較高的壓力下從位于水驟冷下游的鍋爐中產(chǎn)生蒸汽。接著，氣體在所述鍋爐的下游冷卻，氣體膨脹，以及凈化氣體再飽和，在該過(guò)程中，在所述膨脹前或后，于20-40℃下進(jìn)行脫硫，接著按美國(guó)專利5,117,623中提出的工藝流程進(jìn)行。
這樣，來(lái)自氣化的可回收的顯熱以來(lái)自鍋爐的中壓蒸汽的形式、以飽和、凈化氣流中蒸汽的形式以及以凈化氣流中附加熱量的形式從氣化車間輸出，導(dǎo)致整個(gè)再飽和的凈化氣流的溫度升高。
來(lái)自空氣分離車間(通常是IGCC或IGHAT綜合車間的一部分)的壓縮機(jī)的中間冷卻器的顯熱也可以熱水回路的形式引入凈化氣再飽和回路。實(shí)施例2.采用HGCU的氣化車間本發(fā)明在高氣化壓力、優(yōu)選大于60巴下顯得特別有利，因?yàn)樵谳^高壓力下，水飽和的氣流會(huì)在較高溫度下達(dá)到平衡，從而可在較高的壓力下從位于水驟冷下游的鍋爐中產(chǎn)生蒸汽。
在氣流處理后，接著按EP0259114B1中提出的工藝流程進(jìn)行，該工藝是將所述鍋爐中產(chǎn)生的氣流進(jìn)行一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其后，將該氣流在HGCU中凈化脫除硫化合物，該凈化過(guò)程在350-500℃溫度下進(jìn)行。然后，在送入HAT-循環(huán)之前，將凈化后的氣流輸送到氣體膨脹器中生產(chǎn)電力。
這樣，來(lái)自氣化和所述放熱的一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)的可回收的顯熱以來(lái)自鍋爐的中壓蒸汽的形式、以含在凈化氣流中的水蒸汽形式以及加熱增濕的凈化氣流所產(chǎn)生的附加熱函的形式從氣化車間輸出。實(shí)施例1和2在本文中用兩個(gè)實(shí)施例說(shuō)明的新概念的主要特點(diǎn)是將由氣化過(guò)程中回收的顯熱1.與凈化的燃料氣一起，和2.以中壓氣流的形式傳遞到HAT-循環(huán)。
另一方面，通過(guò)進(jìn)一步飽和該燃料氣流或通過(guò)將中壓蒸汽注入凈化的燃料氣，可以將中壓蒸汽中的顯熱或其一部分傳遞到HAT-循環(huán)。
來(lái)自空氣分離裝置的壓縮熱也可以作為飽和熱加到凈化燃料氣中。
根據(jù)本發(fā)明，HAT-循環(huán)通過(guò)凈化、飽和燃料氣接收來(lái)自氣化的大部分顯熱，而小部分則以中壓蒸汽的形式加到HAT-循環(huán)的空氣飽和器下游的飽和空氣流中。或者所有可利用的顯熱通過(guò)燃料氣傳遞。
下面參照附圖
對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明，該附圖示出了根據(jù)上述兩個(gè)實(shí)施例實(shí)施本發(fā)明的操作程序。
該附圖用氣化車間和HAT-循環(huán)兩套主要裝置說(shuō)明本發(fā)明的總工藝方案，所示的空氣分離車間11是氣化車間的一部分。
含碳的原料經(jīng)管線1與來(lái)自空氣分離裝置11的氧經(jīng)氧供料管線4A一起供入氣化和水驟冷裝置2。裝置2在操作壓力下產(chǎn)生以水蒸汽飽和的可燃?xì)饬?，該氣流?jīng)管線3輸送到生產(chǎn)鍋爐4產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽經(jīng)管線31輸送到HAT-循環(huán)。
在實(shí)施例1中，所述氣流在裝置5中進(jìn)一步冷卻，所產(chǎn)生的熱水用于裝置8中的氣流的再飽和、凈化氣的飽和。在氣體冷卻裝置5和氣體再飽和裝置8之間，該氣流通過(guò)硫凈化裝置6和膨脹裝置7。通過(guò)利用來(lái)自空氣分離車間11的壓縮機(jī)的中間和后冷卻器的壓縮熱，可以實(shí)現(xiàn)凈化氣體的附加再飽和。所述熱量從空氣分離車間11經(jīng)管線12以熱水形式傳遞到再飽和裝置8。凈化、再飽和的氣體經(jīng)管線13輸送到HAT-循環(huán)。
在實(shí)施例2中，來(lái)自鍋爐4的氣流輸送到CO轉(zhuǎn)化裝置9，其后是用于脫硫的熱氣凈化裝置10和氣體膨脹裝置7。含水蒸汽的凈化氣流經(jīng)管線13輸送到HAT-循環(huán)。
氣體膨脹裝置7利用裝有生產(chǎn)電力的交流發(fā)電機(jī)的氣體膨脹器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
氣化車間應(yīng)在高壓、優(yōu)選大于60巴下操作，結(jié)果使鍋爐4輸出的蒸汽獲得更好的蒸汽數(shù)據(jù)，而且還可增加氣體膨脹裝置7的動(dòng)力產(chǎn)量。
HAT-循環(huán)中的燃?xì)馔钙綑C(jī)組由燃?xì)馔钙綑C(jī)15、空氣壓縮機(jī)14和安裝在同一軸17上的交流發(fā)電機(jī)16組成。
空氣經(jīng)管線22輸送到空氣壓縮機(jī)14，該處裝有利用水作為冷卻介質(zhì)的中間和后冷卻器，空氣在壓縮機(jī)中分級(jí)地壓縮。將所述水輸送到空氣飽和裝置18，在此熱水以及被燃?xì)馔钙綑C(jī)廢氣27加熱的熱水與裝置18內(nèi)空氣飽和器柱中的冷卻壓縮空氣相遇，所述空氣從空氣壓縮機(jī)14經(jīng)管線23輸送到裝置18。飽和空氣32以及經(jīng)管線31輸送到HAT-循環(huán)的來(lái)自氣化車間的中壓蒸汽進(jìn)一步在熱回收裝置19中加熱，然后經(jīng)管線24連同從氣化車間經(jīng)管線13進(jìn)入HAT-循環(huán)的可燃?xì)怏w輸送到燃燒室21。來(lái)自燃燒室21的熱廢氣30驅(qū)動(dòng)膨脹透平機(jī)15，然后經(jīng)管線27輸送到熱回收裝置19。來(lái)自氣體透平機(jī)廢氣的熱量在裝置19中傳遞給飽和空氣和熱水，飽和空氣經(jīng)管線24輸送到燃燒室21，熱水經(jīng)管線26輸送到空氣飽和器裝置18。從熱回收裝置19排出的冷卻廢氣經(jīng)管線28和煙囪20排放到大氣中。由煙囪20造成的水損失通過(guò)經(jīng)管線29添加到HAT-循環(huán)的新水補(bǔ)充。
本發(fā)明提出的HAT燃?xì)馔钙綑C(jī)優(yōu)選設(shè)計(jì)成燃燒富燃料(例如天然氣)的透平機(jī)?，F(xiàn)今通用的所有燃?xì)馔钙綑C(jī)都設(shè)計(jì)成燃燒富燃料(通常是天然氣和餾出物)的形式。當(dāng)采用上述通用的燃?xì)馔钙綑C(jī)燃燒貧燃料(例如來(lái)自氣化車間的飽和氣體)時(shí)，為了使膨脹透平機(jī)的進(jìn)口溫度保持恒定，必須將來(lái)自燃?xì)馔钙綑C(jī)的空氣壓縮機(jī)的空氣流量降低。某些燃?xì)馔钙綑C(jī)的生產(chǎn)廠家可以實(shí)現(xiàn)這一目的而不致降低工廠的動(dòng)力生產(chǎn)效率。本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理優(yōu)選也適用于為HAT-循環(huán)而設(shè)計(jì)的燃?xì)馔钙綑C(jī)，意圖是當(dāng)燃燒室21經(jīng)管線13接收貧氣，且當(dāng)飽和空氣流量隨著經(jīng)管線31的補(bǔ)充蒸汽流量而增加時(shí)，將通過(guò)管線22流入空氣壓縮機(jī)的空氣流量降低，以保持在氣體透平機(jī)進(jìn)口設(shè)計(jì)溫度下管線30中燃燒室出口氣體的溫度。這種設(shè)計(jì)原理可使燃?xì)馔钙綑C(jī)生產(chǎn)廠家只需開(kāi)發(fā)一種適合于在僅以天然氣供料的HAT-循環(huán)以及在IGHAT應(yīng)用中有效地運(yùn)行的新型燃?xì)馔钙綑C(jī)。
本發(fā)明所提出的氣化車間和HAT-循環(huán)之間的熱傳導(dǎo)還可以簡(jiǎn)化IGHAT工廠的設(shè)計(jì)、施工和操作以及主要技術(shù)供應(yīng)者所作的承諾，因?yàn)楹苋菀状_定IGHAT中兩套主要裝置之間的界區(qū)。
權(quán)利要求
1.一種從含碳燃料生產(chǎn)動(dòng)力的方法，該方法包括用氧或含氧氣體部分氧化燃料以產(chǎn)生可燃?xì)饬骱惋@熱，所述顯熱或其主要部分與可燃?xì)怏w一起傳遞到動(dòng)力生產(chǎn)裝置，所述動(dòng)力生產(chǎn)裝置是濕空氣透平機(jī)循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中部分氧化在高于40巴的壓力下進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中部分氧化在高于60巴的壓力下進(jìn)行。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中利用蒸汽將小部分顯熱傳遞到動(dòng)力生產(chǎn)裝置。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中來(lái)自至少一臺(tái)空氣分離裝置的壓縮機(jī)的中間和后冷卻器的顯熱用來(lái)在可燃?xì)怏w輸送到動(dòng)力生產(chǎn)裝置之前進(jìn)一步飽和所述氣體。
全文摘要
一種從含碳燃料生產(chǎn)動(dòng)力的方法，該方法包括用氧或含氧氣體部分氧化燃料以產(chǎn)生可燃?xì)饬骱惋@熱，所述顯熱或其主要部分與可燃?xì)怏w一起傳遞到動(dòng)力生產(chǎn)裝置，所述動(dòng)力生產(chǎn)裝置是濕空氣透平機(jī)循環(huán)。
文檔編號(hào)F02C6/18GK1117753SQ9419120
公開(kāi)日1996年2月28日 申請(qǐng)日期1994年2月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月16日
發(fā)明者I·蘭達(dá)夫 申請(qǐng)人:奈康布疊加有限公司