CN102140963A - 用于稀释剂氮饱和的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于稀释剂氮饱和的方法与装置。具体而言，本发明提供了一种整体煤气化联合循环(IGCC)装置(21)。该装置包括：设置为用水蒸汽来饱和氮工艺气(NPG)的饱和器(41)，热回收蒸汽发生器(HRSG)(33)，延缓通过该饱和器的低压蒸汽回路，其中，该HRSG设置为将该低压蒸汽回路加热，该装置还包括压缩机(27)，以及设置为使用工艺余热与来自该压缩机的抽出空气将该NPG加热的热交换器(43，45，47)，其中，该加热的NPG从而变成稀释剂氮。
Description
技术领域
本发明大体上涉及整体煤气化联合循环(IGCC)(Integrated Gasification Combined Cycle)发电装置，并且更具体地说，涉及用于在IGCC装置中将稀释剂氮(diluent nitrogen)与干燥的合成气一起使用的方法与装置。
背景技术
在至少一些已知的IGCC装置中以及在一定的操作条件下，稀释剂与合成气相混合，以便提高通过燃烧器的质量流量(mass flow)。来自空气分离器的氮工艺气(nitrogen process gas)通常被用作稀释剂。当需要额外的稀释剂时，该合成气用水蒸汽而饱和，其作为额外的稀释剂。然而，将水蒸汽添加到该合成气中会导致该合成气热值上的变化。这样的变化会导致着火温度(firing temperature)不一致，和/或会不利地影响该燃烧器的性能和/或效率。而且，该合成气中的湿气不利地降低该燃烧器的着火温度以及燃烧器效率。因此，水蒸汽的添加可能引起的不利影响可能超过任何益处。
因此，需要将稀释剂供给到燃烧器中的方法与装置，以便保持合成气的恒定热值。保持恒定的加热有助于该燃烧器保持恒定的着火温度，使得也保持该燃烧器的性能和效率。另外，需要将稀释剂供给到该燃烧器中使得干燥的合成气能有效率地燃烧的方法与装置，以便提高该燃烧器的着火温度，并进一步改进该燃烧器的性能和效率。还需要有助于改进工艺余热的使用的方法与装置，以便提高IGCC装置的效率。
发明内容
在一方面，提供了用于在具有燃烧器的整体煤气化联合循环(IGCC)装置中将稀释剂引入合成气流中的一种方法。该装置还包括热回收蒸汽发生器(heat recovery steam generator)。该方法包括：产生氮工艺气(NPG)和水蒸汽，用该水蒸汽来饱和该NPG，使用来自该热回收蒸汽发生器(HRSG)、工艺余热以及压缩机抽出空气的热量来提高该饱和的NPG的温度，以及将基本上干燥的合成气与该饱和并且被加热的NPG一起供给到该燃烧器中。
在另一方面，本公开的一个实施例提供了一种用于使用氮饱和以及加热的方法，以便有助于提高具有燃烧器的IGCC的效率。该方法包括，使用低温位工艺热(low level process heat)将饱和的稀释剂氮预热，和使用低温位工艺热将蒸汽涡轮机冷凝物加热。
在还有另一方面，本公开的一个实施例提供了一种整体煤气化联合循环(IGCC)装置。该装置包括：设置为用水蒸汽来饱和NPG的饱和器(satuator)，热回收蒸汽发生器(HRSG)，以及通过该饱和器的低压蒸汽回路，其中，该HRSG设置为将该低压蒸汽回路加热。该装置还包括压缩机以及热交换器，该热交换器设置为使用工艺余热以及来自该压缩机的抽出空气将该NPG加热，其中，该加热的NPG从而变成稀释剂氮。
附图说明
图1是一示例性整体煤气化联合循环装置(IGCC)的框图，其包括用于将饱和的稀释剂与干燥的合成气供给至燃烧器的装置。
零部件清单
| 21 | IGCC装置 |
| 23 | 气化器 |
| 25 | 燃烧器 |
| 27 | 压缩机 |
| 29 | 涡轮机 |
| 31 | 发电机 |
| 33 | HRSG |
| 35 | 蒸汽涡轮机 |
| 37 | 发电机 |
| 39 | 空气分离器 |
| 41 | 饱和器 |
| 43 | 热交换器 |
| 45 | 热交换器 |
| 47 | 热交换器 |
具体实施方式
如本文中所使用的用语“合成气”指的是由部分氧化的烃类(hydro -carbonaceous)原料制造的合成气体。合成气基于所使用的原料而在其确切组分上改变，但通常主要地包括一氧化碳、氢、水、二氧化碳，并且还可能包括例如硫化氢这样的杂质。合成气被用来作为至少一些整体煤气化联合循环(IGCC)装置的燃烧器中的燃料。
在该示例性实施例中，IGCC装置21包括气化器23以及与涡轮机29和压缩机27处于流连通联接的燃烧器25。压缩机27在涡轮机29上游并与其处于流连通。涡轮机29可旋转地联接到发电机31上，并且涡轮机29与热回收蒸汽发生器(HRSG)33也处于流连通。HRSG33可旋转地联接到蒸汽涡轮机35上，蒸汽涡轮机35也可旋转地联接到一个另外的发电机37上。在该示例性实施例中，空气分离器39与气化器23和燃烧器25处于流连通联接。
在操作期间，气化器23将烃类原料部分氧化，以便制造合成气。燃烧器25将该合成气燃烧，以便产生高温、高压的气体。压缩机27将周围空气压缩，该空气然后与从燃烧器25排出的高压气体一起朝涡轮机29排出。当该高压气体膨胀时，其引起涡轮机29的旋转。当涡轮机29旋转时，其供给发电机31以动力。HRSG 33接收从涡轮机29排出的热的气体，并使用在这样的气体中所包含的热量将水煮沸从而产生蒸汽。所得到的蒸汽引起蒸汽涡轮机35的旋转，其供给发电机37以动力。
在一示例性实施例中，IGCC装置21还包括饱和器41、热交换器43、热交换器45和热交换器47。在其它实施例中，IGCC装置21不包括饱和器41、热交换器43、热交换器45和/或热交换器47的其中至少一个。
在操作中，空气分离器39接收周围空气，并将所接收的空气分离成氧气流和氮工艺气(NPG)流。该氧气流被引导至气化器23，用于在将烃类原料部分氧化中使用，以便制造合成气。在该示例性实施例中，该NPG包括按重量计大约95％的氮，并且可包括氧、氩和/或其它微量大气成分。而且，在该示例性实施例中，该NPG包括按重量计大约2％或更少的水蒸汽。当该NPG离开空气分离器39时，该NPG处于大约250°F(121℃)的温度与320磅/平方英寸(psig)(22.5千克/平方厘米)的压力。由于该NPG容易得到并且不可燃，在一些实施例中，空气分离器39将该NPG直接引导至燃烧器25，该NPG在那里被用来作为燃料稀释剂，以便有助于增加通过燃烧器25的质量流量。增加通过燃烧器25的质量流量有助于增加当该气体离开燃烧器25时所产生的推力的量。
当该NPG离开空气分离器39时，该NPG被引导至饱和器41。在一个实施例中，饱和器41增加了盘式塔(trayed tower)，其允许NPG和低压蒸汽以很少的压力损失或没有压力损失而混合。在其它实施例中，饱和器41可不同于盘式塔。在该示例性实施例中，该低压蒸汽从饱和器41循环流通至HRSG 33，然后再返回至饱和器41。更具体地说，在该示例性实施例中，该蒸汽在大约210°F(99℃)的温度下离开饱和器41，然后先是在HRSG 33中被加热至大约305°F(152℃)，之后被返回至饱和器41(该蒸汽在那里将其热量传给NPG)。离开饱和器41的饱和的NPG包括大约16％的水，并处于大约285°F(140℃)的温度。在至少一个实施例中，在该饱和的NPG到达燃烧器25之前，该NPG被过热，以便有助于在燃烧器25内部提供水冷凝(water condensation)，和有助于最小化或者至少降低燃烧器25所需能量的量。减少燃烧器25所需能量的量有助于提高燃烧器25的整体效率。
该饱和的NPG被热交换器43以及被热交换器45加热。在该饱和的NPG离开饱和器41之后，该NPG被传输通过热交换器43。在热交换器43中，工艺余热将其热量传给该饱和的NPG流。在一个实施例中，操作者可选择该工艺余热的来源。在另一实施例中，工艺余热的来源是预选的。此外，在一些实施例中，在大约700°F(371℃)的温度下排出的来自压缩机27的抽出空气在热交换器43中将其热量传给该饱和的NPG流。当该饱和的NPG离开热交换器43时，该NPG处于大约650°F(343℃)的温度和310磅/平方英寸(22千克/平方厘米)的压力。该饱和的NPG然后被引导通过热交换器45。在热交换器45中，处于大约800°F(427℃)的温度和220磅/平方英寸(15千克/平方厘米)的压力下的来自压缩机27的抽出空气将其热量传给该饱和的NPG流。
该饱和的NPG在大约680°F(360℃)的温度以及介于大约150到大约300磅/平方英寸的绝对压力(psia)(即10.5-21千克/平方厘米)之间的压力下从热交换器45排出。在另一实施例中，该饱和的NPG在大于300磅/平方英寸(绝对压力)(21千克/平方厘米)的压力下从热交换器45排出。该饱和的NPG然后被引导至燃烧器25，用来作为稀释剂。该饱和的NPG、基本上干燥的合成气、氧以及二氧化碳被喷射到燃烧器25中。干燥的合成气的使用导致供给至燃烧器25的燃料的近似恒定的热值。该恒定的燃料热值有助于燃烧器25以近似恒定的温度并且以改进的效率而操作。该干燥的合成气还可具有恒定但是较低的湿气水平。
处于大约800°F(427℃)的来自压缩机27的抽出空气在热交换器43中将其一些热量传给该饱和的NPG。抽出空气在大约700°F(371℃)的温度下从热交换器43排出，其中，该抽出空气然后在热交换器45中将其更多热量传给该饱和的NPG。从热交换器45排出之后，该抽出空气处于大约320°F(160℃)的温度。该抽出空气然后在热交换器47中将其更多热量传给来自蒸汽涡轮机35的冷凝物。该抽出空气在大约130°F(54℃)的温度下从热交换器47排出，并被引导至空气分离器39用于再使用。
在至少一已知的IGCC系统中，来自蒸汽涡轮机的冷凝物在HRSG中被加热。然而，在本发明的实施例中，HRSG 33将蒸汽加热，用于在饱和器41中使用。来自蒸汽涡轮机35的冷凝物被利用工艺余热来加热。在至少一个实施例中，这种产物余热(waste product heat)的来源可由操作者选择，或者在另一实施例中，从任何其它来源预选。
本公开的一些实施例的一个区别特征在于，仅仅将稀释剂氮饱和，而不将合成气饱和，并且HRSG 33是主要热源。
来自蒸汽涡轮机35的冷凝物在从蒸汽涡轮机35排出时处于大约100°F(38℃)的温度。该冷凝物被引导通过热交换器47，该冷凝物在那里从自压缩机27排出的抽出空气的热量以及来自工艺余热的热量中获取其中一些热量。该冷凝物从热交换器47排出之后处于大约210°F(99℃)的温度，并被引导至HRSG 33用于加热成蒸汽，以便被蒸汽涡轮机35使用。
使用低温位工艺热来提高该饱和的NPG以及来自蒸汽涡轮机35的冷凝物的温度，这有助于增加IGCC 21的热回收并提高其效率。更具体地说，本发明的实施例提供了用以将稀释剂供给到燃烧器中的方法与装置，保持了合成气的恒定热值。保持恒定加热有助于该燃烧器保持恒定的着火温度，使得也保持了该燃烧器的性能和效率。另外，本发明的实施例提供了将稀释剂供给到燃烧器中的方法与装置，以便干燥的合成气能有效率地燃烧，从而提高该燃烧器的着火温度，并进一步改进该燃烧器的性能和效率。另外，本发明的实施例提供了有助于改进工艺余热的使用的方法与装置，以便提高IGCC装置的效率。
当介绍本发明或其优选实施例的要素时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“所述”意图表示具有一个或多个该要素。用语“包括”、“包含”和“具有”意图具有包含性，并允许除了所列要素之外的另外的要素。用语“在一个实施例中”、“在至少一个实施例中”或者“在一些实施例中”不意图将任何所指特征和/或要素的包含物严格限定于一个实施例。在任一实施例中所述的特征和/或要素可被包括在任何其它实施例中，除非这样的特征和/或要素彼此之间是排斥的。
本文所述的温度、压力和其它数据展示了或表明了一示例性实施例的操作条件，并不一定意图作为任何特定实施例所要求的规范。
因为在上述构造和方法中，可不脱离本发明的范围而作出许多修改，所以，上述描述中所包括的以及附图中所示的所有内容应当解释为是说明性的，而不应当以限制性的意义来解释。
Claims (10)
1.一种整体煤气化联合循环(IGCC)装置(21)，所述装置包括：
饱和器(41)，其设置为用水蒸汽来饱和氮工艺气(NPG)；
热回收蒸汽发生器(HRSG)(33)；
延缓通过所述饱和器的低压蒸汽回路，其中，所述HRSG设置为将所述低压蒸汽回路加热；
压缩机(27)；以及
热交换器(43，45，47)，其设置为使用工艺余热与来自所述压缩机的抽出空气将所述NPG加热，其中，所述加热的NPG由此变成稀释剂氮。
2.根据权利要求1所述的装置(21)，其特征在于，所述装置还包括燃烧器(25)和气化器(23)，所述气化器(23)设置为：
产生基本上干燥的合成气；以及
将所述基本上干燥的合成气与饱和的所述稀释剂氮混合，以便有助于增加通过所述燃烧器的质量流量。
3.根据权利要求2所述的装置(21)，其特征在于，所述装置还设置为，产生供给到所述燃烧器(25)的近似恒定热值的燃料。
4.根据权利要求3所述的装置(21)，其特征在于，所述燃烧器(25)在近似恒定的温度下被操作。
5.一种用于在具有燃烧器(25)与热回收蒸汽发生器(33)的整体煤气化联合循环(IGCC)装置(21)中将稀释剂引到合成气流中的方法，所述方法包括：
产生氮工艺气(NPG)和水蒸汽；
用所述水蒸汽来饱和所述氮工艺气(NPG)；
使用来自所述热回收蒸汽发生器(HRSG)、工艺余热以及压缩机抽出空气的热量提高所述饱和的NPG的温度；以及
将基本上干燥的合成气与所述饱和并且被加热的NPG一起供给至所述燃烧器。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述供给所述基本上干燥的合成气还包括，供给处于恒定湿气水平的基本上干燥的合成气。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在大体上恒定的着火温度下操作所述燃烧器(25)。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述供给所述基本上干燥的合成气还包括，供给具有恒定热值的合成气。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在大体上恒定的着火温度下操作所述燃烧器(25)。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，使用所述热回收蒸汽发生器(33)加热用于将所述NPG饱和的所述蒸汽。
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