專利名稱：在氣化過程中的空氣抽取的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生動(dòng)力的合成氣體的制造和燃燒。更具體地說，本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪更有效的利用。
某些含碳材料的氣化和隨后的燃燒提供了有利于環(huán)境的產(chǎn)生動(dòng)力方法，與其它的不利于環(huán)境的原料不同。煤炭，包括石油焦和其他含碳原料的石油基原料，碳?xì)浠衔飶U料，殘留油脂，和重原油副產(chǎn)品經(jīng)常用于氣化反應(yīng)以產(chǎn)生氫和一氧化碳混合物，通常稱為“合成氣體”。合成氣體常含有許多雜質(zhì)，例如氨和硫化氫。在氣體燃燒之前需清除這些雜質(zhì)。因此合成氣體可作為清潔燃料用于發(fā)電。
含碳材料的氣化過程需要高壓空氣。效率較高的氣化反應(yīng)器在壓力超過10大氣壓工作，常常超過80大氣壓。含碳材料在局部氧化反應(yīng)器內(nèi)與有限量的含氧氣體反應(yīng)而氣化。最有效的氣化過程使用實(shí)質(zhì)上純氧，即超過95％克分子的氧。為了獲得這種氧要使用供給壓縮空氣的空氣分離工廠?？諝夥蛛x工廠的產(chǎn)品為兩種氣流，一種為實(shí)質(zhì)上的純氧氣，一種為氮?dú)狻Ｑ鯕獾膲毫Φ陀诠┙o分離設(shè)備空氣流的壓力，以及在引入反應(yīng)器之前氧氣常常還需要再次壓縮。這些氣化反應(yīng)器需要大量的壓縮空氣，而過程的經(jīng)濟(jì)性取決于任何副產(chǎn)品的有效利用。
用于氣化含碳材料的局部氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，氧化反應(yīng)器產(chǎn)生的熱量最好利用于發(fā)電。但是與碳?xì)浠衔锉容^，合成氣體是部分氧化產(chǎn)品。因此合成氣體的隨后燃燒所需的氧氣比相同量碳?xì)浠衔镆佟?br> 氣化/產(chǎn)生動(dòng)力的裝置通常具有空氣分離裝置，氣化器，以及燃?xì)鉁u輪。空氣分離裝置為氣化器供氧。氣化器將氧氣和碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為可燃的清潔氣體燃料，即合成氣體。燃?xì)鉁u輪使用來自氣化器的燃料來產(chǎn)生動(dòng)力。
燃?xì)鉁u輪在商業(yè)上以各種預(yù)定尺寸供應(yīng)。因此，在希望的功率量已經(jīng)固定或?qū)饣鞴┙o量已固定的項(xiàng)目而言，希望用途的燃?xì)鉁u輪往往過大而損害項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。典型的系統(tǒng)的說明可參見美國專利號(hào)，4,017,272；5,081,845；5,295,350；5,394,686；5,410,869；5,421,166；5,501,078；5,609,041，這些文件結(jié)合作為本發(fā)明的參考。
因此要求有更有效地利用燃?xì)鉁u輪的方法，而不管合成氣體的供給是否確定或者所希望的功率量是否確定。
本發(fā)明是在燃?xì)鉁u輪內(nèi)用合成氣體產(chǎn)生動(dòng)力的方法，燃?xì)鉁u輪包括空氣壓縮機(jī)，燃燒室和膨脹渦輪。本發(fā)明包括由空氣壓縮機(jī)連續(xù)排出部分壓縮空氣和將壓縮空氣供給至制造合成氣體使用的空氣分離裝置，而供給的壓縮空氣保證了制造合成氣體使用的空氣分離裝置部分壓縮空氣的需要。本發(fā)明還包括連續(xù)混合氣化的碳?xì)浠衔锱c合成氣體以產(chǎn)生燃料氣體，控制燃料氣體中添加的氣化的碳?xì)浠衔锪渴箍諝鈮嚎s機(jī)的輸出與燃燒室空氣需要相匹配，以及引入燃料氣體至燃燒室。這兩個(gè)方法結(jié)合使用是有利的。
這里使用的術(shù)語“燃?xì)鉁u輪”系指包括空氣壓縮機(jī)、燃燒室和渦輪膨脹器的裝置?？諝獗粔嚎s供給燃燒所用的氧氣。壓縮空氣隨后與燃料氣體一起供給進(jìn)入燃燒室。燃燒產(chǎn)物通過膨脹器運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生動(dòng)力。
這里使用的術(shù)語“合成氣體”系指含有氫氣，一氧化碳或它們的混合氣體，氫氣/一氧化碳比可以達(dá)到但并非必須達(dá)到約1∶1。在合成氣體中常有一些惰性氣體，特別是氮?dú)狻?br> 本發(fā)明為用合成氣體產(chǎn)生動(dòng)力的方法。合成氣體可用任何局部氧化法制造。典型的方法是合成氣體用局部氧化或氣化反應(yīng)器制造，在其中燃料與氧氣反應(yīng)生成氫氣和一氧化碳。氣化過程為本專業(yè)已知的，可參見美國專利Nos.4,099,382和4,178,758。最好氣化過程使用實(shí)質(zhì)上的純氧，即超過95％克分子氧的氣體。
燃?xì)鉁u輪為一個(gè)整體設(shè)備，包括空氣壓縮機(jī)，燃燒室和膨脹渦輪。這些設(shè)備設(shè)計(jì)使用普通燃料，例如天然氣。天然氣的主要成分為甲烷。一個(gè)甲烷分子與由空氣壓縮機(jī)獲得的兩個(gè)氧分子在燃燒過程中結(jié)合。另一方面，兩個(gè)合成氣體分子，它們是氫氣，一氧化碳或兩者，僅與一個(gè)氧分子在燃燒過程中反應(yīng)。因此，給定量的合成氣體的燃燒大致需要相同量天然氣的燃燒需要的空氣量的1/4。
在燃?xì)鉁u輪中空氣壓縮機(jī)、燃燒室和渦輪與燃料，如天然氣的較高的壓縮空氣要求相匹配。當(dāng)使用來自氣化器的合成氣體作為燃料時(shí)，燃?xì)鉁u輪的空氣壓縮機(jī)部分為超尺寸的。因?yàn)檫@些設(shè)備按分散的尺寸制造和銷售，對(duì)于特殊的用途它們經(jīng)常是超尺寸的。
如果需要渦輪的動(dòng)力量固定，則聯(lián)合循環(huán)的輸出動(dòng)力必須降低。在本發(fā)明中是采用由供給空氣分離裝置用的燃?xì)鉁u輪的空氣壓縮機(jī)抽取空氣來完成上述要求。這樣就降低了燃?xì)鉁u輪的輸出動(dòng)力和減少了項(xiàng)目的投資費(fèi)用，因?yàn)榭諝夥蛛x裝置內(nèi)空氣壓縮機(jī)的尺寸減小了。
因此本發(fā)明為在燃?xì)鉁u輪內(nèi)使用合成氣體產(chǎn)生動(dòng)力的方法，使用的燃?xì)鉁u輪具有空氣壓縮機(jī)，燃燒室和膨脹渦輪。該方法包括由空氣壓縮機(jī)連續(xù)抽出部分壓縮空氣以及把壓縮空氣供給至制造合成氣體的空氣分離裝置，其中供給的壓縮空氣保證了空氣分離裝置部分要求的一部分壓縮空氣?？諝夥蛛x裝置提供了制造合成氣體使用的氧氣。至少約20％，優(yōu)選地為至少約40％，更優(yōu)選地為至少50％的由燃?xì)鉁u輪提供的空氣壓縮機(jī)的輸出傳送至空氣分離裝置。壓縮空氣隨后轉(zhuǎn)換成部分含氧的氣體供給至氣化反應(yīng)器。
由燃?xì)鉁u輪傳送至空氣分離裝置的壓縮空氣量最好能夠調(diào)節(jié)，例如使用可變位置控制閥調(diào)節(jié)。在氣化反應(yīng)器以降低的輸出工作時(shí)，氣化反應(yīng)器所需的氧量也減少。如果添加輔助燃料(如天然氣)來保持渦輪工作，則燃?xì)鉁u輪的氧需要量增加。最好用可變位置控制閥將壓縮空氣轉(zhuǎn)移到最需要空氣的產(chǎn)生動(dòng)力系統(tǒng)，無論是燃燒室或空氣分離裝置。
本發(fā)明的另一目的是添加輔助燃料以提高最終燃料氣體的熱量以便獲得較平坦的工作渦輪的輸出或更有效地利用燃?xì)鉁u輪的全部能力。因此本發(fā)明為在燃?xì)鉁u輪內(nèi)用合成氣體產(chǎn)生動(dòng)力的方法，所用燃?xì)鉁u輪包括空氣壓縮機(jī)、燃燒室和膨脹渦輪。本發(fā)明還包括監(jiān)控合成氣體流以探測(cè)合成氣體流率的增加或增少，連續(xù)混合氣體碳?xì)浠衔锱c合成氣體以生成燃料氣體，控制添加到燃料氣體中的氣體碳?xì)淞恳员憧諝鈮嚎s機(jī)的輸出與燃燒室的空氣需要匹配或者燃燒室的絕對(duì)能力匹配，以及引導(dǎo)燃料氣體至燃燒室。
監(jiān)控合成氣體流以簡單探測(cè)合成氣體流率增減的方法可用于改變添加的氣體碳?xì)浠衔锪?。如果添加的氣體碳?xì)浠衔锪繉?shí)質(zhì)上固定，則沒有必要監(jiān)控合成氣體流率。
本方法可更充分地利用燃?xì)鉁u輪的能力。借助空氣壓縮和輸出與燃燒室空氣需要量匹配，這意味空氣壓縮機(jī)至燃燒室的輸出提供了引入燃燒室燃料氣體完全燃燒所需空氣量的約90％至130％，最好為約96％至104％。借助燃料氣體的完全燃燒，這意味燃料氣體中的可燃成分，即一氧化碳，氫和碳?xì)浠衔锏闹辽?5％重量氧化為二氧化碳和水。
合成氣體連續(xù)地與氣體碳?xì)浠衔锘旌?。氣體的混合可在管子或燃燒室內(nèi)進(jìn)行。如果氣體碳?xì)浠衔餅榧?xì)彌散液滴，那么液滴可懸浮在合成氣體內(nèi)或者呈分離的氣流，隨后與合成氣體混合。
氣體碳?xì)浠衔锖幸环N或多種天然氣，氣體輕碳?xì)浠衔锘蛟跉怏w中細(xì)彌散的液體燃料滴。氣體輕碳?xì)浠衔锇ㄒ夯烊粴?，如甲烷，丙烷，丁烷，戊烷，己烷或其混合物?br> 在燃燒室的額定功率下操作燃?xì)鉁u輪常常是有利的。如果燃料是天然氣和合成氣體的混合氣，則常常有過剩的壓縮空氣能力，以及燃燒室能力可能受其氣體通過能力的限制。然而，如果輔助燃料為氣體輕碳?xì)浠衔锘蚣?xì)彌散液體碳?xì)浠衔铮瑒t燃燒室的能力可能受壓縮空氣供給的限制。最后，燃燒室額定功率可能受燃?xì)鉁u輪產(chǎn)生動(dòng)力的額定功率的限制。
借助添加輔助燃料至燃燒室，可以平衡燃?xì)鉁u輪的輸出。這樣就可在氣化器不工作時(shí)使燃?xì)鉁u輪把壓縮空氣供給至空氣分離裝置。在合成氣體生產(chǎn)嚴(yán)重受限制或停頓時(shí)，輔助燃料可使渦輪繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
為了在氣化過程受干擾時(shí)使渦輪工作不停頓，最好至少25％的燃料氣體熱量由正常工作時(shí)的輔助氣體碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生。
氣體碳?xì)浠衔锱c合成氣體最好在引入之前已混合好，以保證燃料氣體混合良好。在氣體碳?xì)浠衔镙斎牍苈飞献詈迷O(shè)置可變位置控制閥，從而可使引入燃料氣體的氣體碳?xì)浠衔锪靠梢宰兓詽M足動(dòng)力要求，或者使合成氣體生產(chǎn)率的變化平坦，以保持燃?xì)鉁u輪在希望的額定功率下工作，或者使燃?xì)鉁u輪空氣壓縮機(jī)的輸出與燃燒室內(nèi)燃料氣體的氧氣需要量匹配。當(dāng)合成氣體產(chǎn)量高時(shí)，添加至燃料的氣體碳?xì)浠衔锪靠梢詼p少。然而，常常增加一些氣體碳?xì)浠衔镏寥剂蠚怏w是有利的。
具有足夠的輔助的氣體碳?xì)浠衔锶剂先萘恳彩怯欣?，這樣一來如果氣化過程中斷，隨后引入的氣體碳?xì)浠衔锪孔阋员３譁u輪工作。當(dāng)氣化器恢復(fù)工作后，氣體碳?xì)浠衔锪靠梢越档鸵员闫骄忁D(zhuǎn)回至混合燃料氣體，而不使燃?xì)鉁u輪的工作停頓。
具有燃料氣體即輔助的氣體碳?xì)浠衔锏谋嚷实奶綔y(cè)或計(jì)算裝置也是有利的。燃料氣體的熱值以及達(dá)到完全燃燒所需的空氣量均與此比率有關(guān)。因此，最好具有控制閥裝置，使由燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)送至空氣分離裝置的壓縮空氣受燃料氣體中氣體碳?xì)浠衔锪康挠绊?。如果燃料氣體具有較大比例的氣體碳?xì)淞浚瑒t轉(zhuǎn)送至空氣分離裝置的壓縮空氣量可以減少以供給足夠的空氣至燃燒室。
優(yōu)選的氣體碳?xì)浠衔餅樘烊粴?。管路質(zhì)量的天然氣為通常至少含95％克分子甲烷的氣體。本發(fā)明使用的天然氣不要求是管路質(zhì)量，可以含有一定量的惰性氣體，如二氧化碳和氮?dú)?。天然氣?yōu)選地含有至少約50％，更優(yōu)選地含有至少75％克分子甲烷。在氣體碳?xì)浠衔锖刑烊粴獾膽?yīng)用中，優(yōu)選地至少約25％，更優(yōu)選地至少約40％，最優(yōu)選地至少約50％體積的燃料氣體為天然氣。
在許多用途中，抽取燃?xì)鉁u輪的部分壓縮空氣用于空氣分離裝置以及添加輔助的氣體碳?xì)浠衔镏寥剂蠚怏w兩者都是有利的。這樣做可以更有效地利用燃?xì)鉁u輪的容量，發(fā)揮燃?xì)鉁u輪空氣壓縮機(jī)的過剩容量，以及在氣化過程出現(xiàn)干擾時(shí)使燃?xì)鉁u輪不停頓地工作。當(dāng)本發(fā)明的兩方面同時(shí)使用時(shí)，氣體碳?xì)浠衔飪?yōu)選地含有至少約20％，更優(yōu)選地至少約30％的燃料氣體的熱量，以及優(yōu)選地至少約15％，更優(yōu)選地至少約30％的燃?xì)鉁u輪的空氣壓縮機(jī)輸出由旁路傳送至空氣分離裝置。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的示意圖。它包括一個(gè)氣化器10，一個(gè)空氣分離裝置12，通過連接管28向氣化器10供給氧氣，空氣壓縮機(jī)14從連接管32抽取低壓或大氣壓的空氣和供給空氣分離裝置12所需的至少部分壓縮空氣，燃?xì)鉁u輪包括一個(gè)燃?xì)鉁u輪空氣壓縮機(jī)18，一個(gè)燃燒室20和一個(gè)膨脹渦輪22。合成氣體通過連接管16傳送至燃燒室20，以及隨后輔助的氣體碳?xì)浠衔锶剂贤ㄟ^連接管24傳送至燃燒室20。合成氣體和輔助的氣體碳?xì)浠衔镌诘竭_(dá)燃燒室20之前最好混合。燃?xì)鉁u輪空氣壓縮機(jī)過剩的壓縮空氣通過連接管24傳送至空氣分離裝置12。
權(quán)利要求
1.一種在具有空氣壓縮機(jī)，燃燒室及膨脹渦輪的燃?xì)鉁u輪內(nèi)用合成氣體產(chǎn)生動(dòng)力的方法，它包括a.連續(xù)混合氣體碳?xì)浠衔锱c合成氣體以產(chǎn)生燃料氣體，b.控制添加至燃料氣體的氣體碳?xì)浠衔锏牧渴箍諝鈮嚎s機(jī)的輸出與燃燒室的空氣需要量匹配，以滿足希望的燃燒室能力，以及c.將燃料氣體引入燃燒室。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特在于氣體碳?xì)浠衔锇ㄒ环N或多種天然氣，氣化的輕碳?xì)浠衔铮蛟跉怏w中細(xì)彌散的液體燃料滴。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括控制燃料氣體的引入率，使空氣壓縮機(jī)的輸出供應(yīng)為燃料氣體完全燃燒所需空氣的約90％和130％之間。
4.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于氣體碳?xì)浠衔锖兄辽偌s25％燃料氣體的熱值。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氣體碳?xì)浠衔锖刑烊粴狻?br> 6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于天然氣具有至少約25％燃料氣體的體積。
7.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于天然氣具有至少約40％燃料氣體的體積。
8.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于天然氣具有至少約50％燃料氣體的體積。
9.一種在具有空氣壓縮機(jī)，燃燒室及膨脹渦輪的燃?xì)鉁u輪內(nèi)用合成氣體產(chǎn)生動(dòng)力的方法，包括由空氣壓縮機(jī)連續(xù)排出部分壓縮空氣以及供應(yīng)壓縮空氣至制造合成氣體用的空氣分離裝置，其中供應(yīng)的壓縮空氣提供了空氣分離裝置要求的壓縮空氣比率。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于至少約20％的空氣壓縮機(jī)輸出由旁路傳送至空氣分離裝置。
11.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于至少約40％的空氣壓縮機(jī)輸出由旁路傳送至空氣分離裝置。
12.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于至少約50％的空氣壓縮機(jī)輸出由旁路傳送至空氣分離裝置。
13.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于還包括a.連續(xù)混合氣體碳?xì)浠衔锱c合成氣體以產(chǎn)生燃料氣體，b.控制添加至燃料氣體的氣體碳?xì)浠衔锏牧渴箍諝鈮嚎s機(jī)的輸出與燃燒室的空氣需要量匹配，以滿足希望的燃燒室能力，以及c.引入燃料氣體至燃燒室。
14.按照權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于氣體碳?xì)浠衔锖兄辽偌s20％的燃料氣體熱量，以及至少約15％的空氣壓縮機(jī)輸出由旁路傳送至空氣分離裝置。
15.按照權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于氣體碳?xì)浠衔锖兄辽偌s30％的燃料氣體熱量，以及至少約30％的空氣壓縮機(jī)輸出由旁路傳送至空氣分離裝置。
全文摘要
在燃?xì)鉁u輪內(nèi)用合成氣體產(chǎn)生動(dòng)力的方法,燃?xì)鉁u輪具有空氣壓縮機(jī)(18),燃燒室(20)及膨脹渦輪(22)。本發(fā)明包括由空氣壓縮機(jī)(18)連續(xù)排出部分壓縮空氣(26)以及供給壓縮空氣(26)至制造合成氣體用的空氣分離裝置(12),而供給的壓縮空氣(26)保證了制造合成氣體用的空氣分離裝置(12)需要的壓縮空氣比率。本發(fā)明還包括連續(xù)混合氣體碳?xì)浠衔?24)與合成氣體(16)以產(chǎn)生燃料氣體,控制添加至燃料氣體的氣體碳?xì)浠衔锪?24)以便空氣壓縮機(jī)的輸出與燃燒室的空氣需要量相匹配以及引入燃料氣體至燃燒室(20)。將此兩個(gè)方法結(jié)合起來以便由燃?xì)鉁u輪獲得最大的動(dòng)力是有利的。
文檔編號(hào)G06F17/30GK1264460SQ9880731
公開日2000年8月23日 申請(qǐng)日期1998年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月6日
發(fā)明者保羅·S·華萊士, 凱·A·約翰遜, 德龍姆·D·費(fèi)爾 申請(qǐng)人:德士古發(fā)展公司