CN102325966A - 用于气化的自生功率整合 - Google Patents

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Abstract

一种气化设备包括空气分离器，以及用于冷却在设备的气化器处所产生的气态产物的高温气体冷却器。构造了高温气体冷却器，且提供了一种方法来产生过热蒸汽，该过热蒸汽用于在蒸汽涡轮中生成电功率来满足至少空气分离器的功率需求。作为备选或此外，过热蒸汽可用于驱动位于空气分离器处的压缩机。高温气体冷却器还可构造成以便其仅产生蒸汽涡轮向包括空气分离器的气化设备供能所需的过热蒸汽量，或适于蒸汽涡轮向包括空气分离器的气化设备供能的过热蒸汽量，以及将电功率或过热蒸汽提供给其它使用装置。

Description

用于气化的自生功率整合
技术领域
本发明主要涉及气化设备，并且具体地涉及包括高温气体冷却器和空气分离单元的气化设备。
背景技术
各种类型的气化设施或设备是公知的。对于此类设施或设备的常见特征是具有封闭加压反应器性质的气化器，其中在存在蒸汽和受控量的空气或氧的情况下，通过在压力下对气化器中的碳氢化合物进料或燃料进行加热以将该进料或燃料转化成气态产物，有时称为″合成气″。所使用的典型碳氢化合物进料或燃料例如为煤、石油以及生物质。
将空气或氧引入气化器中经控制使得仅相对较小部分的进料或燃料完全地燃烧。这种燃料的部分燃烧提供了该过程所需的至少一部分热量。剩余的碳氢化合物进料或燃料在气化器中的热量和压力下化学地分解，引发产生气态产物的化学反应。所产生的具体气态产物部分地取决于所使用的进料类型和气化器内所施加的条件而变化。通常产生的气态产物的实例包括一氧化碳和氢。
通常优选的是在气化设施或设备中使用氧而非空气，因为使用空气需要处理大量氮气，而这样做可能会代价高昂。另外，氮可能不利地稀释所产生的气态产物。结果，气化设施通常将包括空气分离器，该空气分离器将空气中的氧与氮相分离，且仅将操作气化器所需的那样量的氧输送至气化器。
在气化过程中产生的气态产物可不同地应用。然而，通常气态产物首先进行冷却并清除颗粒物质和含硫化合物。该冷却过程可涉及使用可从气态产物中回收高温热量的诸如辐射式合成气体(合成气)冷却器的高温冷却器，以及可从气态产物中回收较低温热量的低温冷却器这两者。作为备选，冷却过程可提供对热合成气的骤冷，在此情况下，仅从气态产物中回收低温热量。在冷却和清洁之后，气态产物可转化为燃料或直接地用作燃料，或作为对于诸如塑料和化学肥料的化学产品的构成组分(building block)。作为备选或此外，气态产物在冷却和清洁之后可分离，且分离的氢可不同地应用，举例来说，例如用于燃料电池供能和提炼操作。
在特定的应用中，气化设备可结合到用于供送电功率的所谓整体气化联合循环或IGCC发电设施中。在IGCC发电设施中，在冷却和清洁之后，气态产物输送至联合循环发电设施，在该处，气态产物在燃气涡轮发电机中燃烧以产生电功率，且来自于燃气涡轮的排气热量用于产生蒸汽，该蒸汽用于向蒸汽涡轮发电机供能以便生成附加的电功率。
发明概述
下文提供了对本发明的简要概述，以便提供对本发明的一些示例性方面的基本理解。该概述并非对本发明的宽泛综述。此外，该概述并非意图标识本发明的关键元件，也非界定本发明的范围。该概述的唯一目的在于在稍后提供更为详细的描述之前，以简化形式提供本发明的一些概念。
根据一个方面，本发明提供了一种气化设备，该气化设备包括气化器和与该气化器成流体连通的高温气体冷却器。高温气体冷却器构造成用以接收和冷却在气化器处产生的一种或多个气体，回收通过冷却该一种或多种气体所产生的热量，以及使用回收热量产生过热蒸汽。气化设备包括与该气化设备相关联且与高温气体冷却器成流体连通的蒸汽利用装置。气体冷却器将至少一部分过热蒸汽输送至蒸汽利用装置。蒸汽利用装置由过热蒸汽操作，以便提供在气化设备内利用的输出。气化设备包括空气分离单元，该空气分离单元至少部分地由来自蒸汽利用装置输出的输出而操作。
根据一个方面，本发明提供了一种操作气化设备的方法，该气化设备包括气化器、高温气体冷却器和空气分离单元。该方法包括在气化器处产生一种或多种气体，以及将在气化器处产生的一种或多种气体输送至高温气体冷却器。该方法包括在高温气体冷却器处冷却从气化器输送至高温气体冷却器的一种或多种气体，以及回收通过此种冷却一种或多种气体所产生的热量。该方法包括使用通过在高温气体冷却器处冷却一种或多种气体所产生的回收热量来产生过热蒸汽。该方法包括将至少一部分过热蒸汽输送至与气化设备相关联的蒸汽利用装置。该方法还包括利用过热蒸汽来操作蒸汽利用装置，以便提供在气化设备内利用的输出。
附图说明
本发明所涉及领域的普通技术人员在参照附图阅读如下描述时，本发明的前述及其它方面将变得明显，在附图中：
图1为示出本发明一些示例性实施例的示意性流程图。
具体实施方式
附图中描述和示出了结合本发明的一个或多个方面的示例性实施例。这些示出的实例并非意图限制本发明。例如，本发明的一个或多个方面可在其它实施例且甚至是其它类型的装置中使用。而且，本文所用的一些用语仅是为了方便，而并非作为对本发明的限制。此外，在附图中，相同的参考标号用于标示相同的元件。
图1中，气化设备或设施示意性地示为包括气化器10，该气化器10具有可为使用碳氢化合物进料的任一类型的反应容器的性质。此类气化器对于本领域的普通技术人员广为公知，且这里不再详细描述。空气分离单元12也包括在气化设施内，该空气分离单元12将空气中的氧与氮以及其它气体相分离，并将在气化器中执行气化反应所需那样量的氧输送至气化器10。
气化设备还包括与气化器成流体连通的高温气体冷却器14。冷却器14构造成用以接收和冷却在气化器10处生成的一种或多种气体(通常称为″合成气″)，以及回收通过冷却该一种或多种气体所产生的热量。冷却器14还构造成用以使用回收的热量来产生过热蒸汽。在22处，从冷却器14处的合成气中除去固体颗粒物质。可使用的高温气体冷却器的实例为所谓的辐射式合成气体(或合成气)冷却器，其为本领域普通技术人员所熟知，但也可使用其它类型的高温气体冷却器。
气化设备还包括低温气体冷却器16，该冷却器16与高温气体冷却器14成流体连通。冷却器16构造成用以接收和进一步冷却起初在高温气体冷却器处冷却的一种或多种气体，以及在冷却器16处从该一种或多种气体回收热量。此后，气体传送至除去含硫化合物的除硫单元18。气体然后处于可以多种方式使用的状态，举例而言例如用于发电设施的燃料或用于化学产品的构成组分，如图1中在20处所示。
已经公知的是，设计和构造成用以产生蒸汽的高温气体冷却器通常具有并非良好地适用于发电的蒸汽涡轮发电机的特性。然而，根据本发明的一个方面，为辐射式合成气冷却器或其它冷却器的高温气体冷却器14构造成用以从在气化器10中产生的一种或多种气体回收热量并使用该回收的热量来产生过热蒸汽，该过热蒸汽特别适合应用于蒸汽涡轮发电机。冷却器14如何构造以便其产生过热蒸汽的细节在文中未作详细描述，因为如此进行的方式为本领域普通技术人员所熟知。
转到过热蒸汽一旦产生则如何使用的描述，注意的是，图1中所示的气化设备包括蒸汽涡轮26，其在24处与高温气体冷却器14成流体连通。蒸汽涡轮构造成用以使用至少一部分过热蒸汽来产生电功率，其中，过热蒸汽使用从在冷却器14处冷却的一种或多种高温气体所回收的热量在冷却器14处产生。就此而论，空气分离单元12如在28处示意性所示的那样电性地连接到蒸汽涡轮26上，且构造成用以使用在蒸汽涡轮26处产生的电功率来操作。此外或作为备选，可与空气分离单元12一起包括在内的压缩机单元如在30处所示的那样与高温气体冷却器14成流体连通，且构造成以便接收至少一部分过热蒸汽，其中，过热蒸汽使用通过冷却在气化器10处生成的一种或多种气体而产生的回收热量，由此过热蒸汽驱动压缩机单元。过热蒸汽驱动空气分离单元的压缩机的方式对于本领域中普通技术人员广为所知，且在此未作描述。因此，蒸汽涡轮26、空气分离单元12的压缩机单元，或蒸汽涡轮和压缩机单元两者都为与气化设备相关联且与高温气体冷却器成流体连通的蒸汽利用装置的实例。
如图1中在32处示意性示出的那样，高温气体冷却器14还可与除蒸汽涡轮26和/或空气分离单元12处的压缩机之外的过热蒸汽使用装置(user)成流体连通，包括在气化设备自身处的其它使用装置和与气化设备分离的其它使用装置，由此在高温气体冷却器14处产生的至少一部分过热蒸汽可输送至此类使用装置。例如，高压蒸汽可在下游的提炼或化学处理设施中使用，或在与气化设施分离的发电设施中使用。
类似的是，如图1中在34处示意性示出的那样，蒸汽涡轮26还可电性地连接到除空气分离单元12之外的电功率使用装置上，包括在气化设备自身处的其它使用装置和与气化设备分离的其它使用装置，由此在蒸汽涡轮26处生成的至少一部分电功率作为可选的输出功率可输送至与气化设备分离的此类电功率使用装置，由此在涡轮26处生成的至少一部分电功率可输送至与气化设备分离的此种电功率使用装置。在涡轮26处生成的部分电功率还可在34处传输至气化设施自身内的其它位置。
因此，可为电力和/或压缩力的蒸汽利用装置(例如，蒸汽涡轮26、空气分离单元12的压缩机单元，或蒸汽涡轮和压缩机单元两者)的输出在气化设备内得以使用。
再次转到低温气体冷却器16，如上文所述，该冷却器构造成用以接收和进一步冷却起初在高温气体冷却器14处冷却的一种或多种气体以及从该一种或多种气体回收热量。低温气体冷却器16可构造成用以将来自在低温气体冷却器16处冷却的一种或多种气体的回收热量用来至少部分地加热锅炉供水，如在图1中以诸如管路的传送装置50所示那样，以便在高温气体冷却器14处使用。此种布置可容许附加的蒸汽生成并产生较高的系统效率。
再次参看蒸汽涡轮26，该蒸汽涡轮可与低温气体冷却器16成流体连通，由此来自于蒸汽涡轮的蒸汽冷凝物可输送至低温气体冷却器，如在图1中以40示意性地所示。蒸汽冷凝物然后变为如在直接前段中所述的高温气体冷却器14中使用的部分锅炉供水。
在一个特定的示例性实施例中，高温气体冷却器14构造成用以仅产生在蒸汽涡轮26处仅生成仅足以满足气化设备总能量需求的电功率所需的过热蒸汽量。在另一特定示例性实施例中，超过仅满足气化设备总能量需求所需的任何热量都可以多种方式来处理。例如，热量可用于生成低压蒸汽以便输出至处理操作，或热量可通过使用冷却水或风扇来耗散。
基于本发明实施例的前述说明，将应理解的是，提供了一种操作气化设备的方法，该气化设备包括气化器10、高温气体冷却器14，举例来说例如辐射式合成气体冷却器，以及空气分离单元12。一方面，该方法包括在气化器10处生成一种或多种气体、将在气化器处生成的一种或多种气体传输至高温气体冷却器、在高温气体冷却器处冷却从气化器输送至高温气体冷却器的一种或多种气体，以及回收通过此种冷却一种或多种气体所产生的热量。本发明还涉及使用通过在高温气体冷却器14处冷却一种或多种气体而产生的回收热量来产生过热蒸汽、将在高温气体冷却器处冷却一种或多种气体而回收的热量所产生的过热蒸汽的至少一部分输送至蒸汽涡轮26、使用输送至蒸汽涡轮的过热蒸汽来在蒸汽涡轮处生成电功率，以及将在蒸汽涡轮处生成的电功率的至少一部分输送至空气分离单元12。
在另一示例性实施例中，本发明涉及一种操作气化设备的方法，该气化设备包括气化器10、高温气体冷却器14，举例来说例如辐射式合成气体冷却器，以及空气分离单元12，其中，该方法包括在气化器处生成一种或多种气体、将在气化器10处生成的一种或多种气体输送至高温气体冷却器、在高温气体冷却器14处冷却从气化器输送至高温气体冷却器的一种或多种气体，以及回收通过此种冷却一种或多种气体所产生的热量。该方法还包括使用通过在高温气体冷却器14处冷却一种或多种气体所产生的回收热量来产生过热蒸汽、将至少一部分过热蒸汽输送至在空气分离单元12处的压缩机，以及使用输送至压缩机的过热蒸汽来驱动在空气分离单元处的压缩机。
本发明的一个方面还提供了示例性的方法，其中，在前面两段中描述的方法中产生的过热蒸汽的至少一部分输送至与气化设备分离的一个或多个过热蒸汽使用装置。本发明的另一方面提供了示例性的方法，其中，如前面两段的方法中所述的由过热蒸汽在蒸汽涡轮26处生成的电功率的至少一部分输送至与气化设备分离的一个或多个电功率使用装置。
本发明的另一方面提供了一种示例性方法，其中气化设备包括低温气体冷却器16，且该方法包括将在高温气体冷却器14处冷却的一种或多种气体输送至低温气体冷却器、在低温气体冷却器处冷却从高温气体冷却器输送至低温气体冷却器的一种或多种气体，以及当一种或多种气体在低温气体冷却器处冷却时从由高温气体冷却器输送至低温气体冷却器的该一种或多种气体中回收热量。该方法还包括将从来自于高温气体冷却器14的在低温气体冷却器16处冷却的一种或多种气体中回收的热量用来至少部分地加热锅炉供水以便在高温气体冷却器处使用，以及将至少部分地由回收热量加热的锅炉供水输送至高温气体冷却器。
本发明的另一方面提供了一种示例性方法，其中在蒸汽涡轮26处生成的蒸汽冷凝物输送至低温气体冷却器16。
本发明的又一方面提供了一种示例性方法，其中在高温气体冷却器14处生成的所有过热蒸汽都输送至蒸汽涡轮26，且高温气体冷却器构造成以便其仅产生在蒸汽涡轮26处仅生成仅足以满足气化设备总能量需求的电功率所需的过热蒸汽量。
本发明的再一个方面提供了一种示例性方法，其中在高温气体冷却器14处生成的所有过热蒸汽都输送至蒸汽涡轮26，且高温气体冷却器构造成以便其仅产生在蒸汽涡轮处仅生成仅足以满足空气分离单元12总能量需求的电功率所需的过热蒸汽量。
本发明的又一个方面提供了一种示例性方法，其中在高温气体冷却器14处生成的所有过热蒸汽都输送至在空气分离单元12处的压缩机，且高温气体冷却器构造成以便其仅产生仅满足空气分离单元处压缩机的能量需求所需的过热蒸汽量。
本发明已参照上述示例性实施例进行了描述。在阅读和理解本说明书时，其他人员将构想出改型和备选方案。结合本发明一个或多个方面的示例性实施例旨在包括归入所附权利要求范围内的所有这些改型和备选方案。

Claims (28)

1.一种气化设备，包括：
气化器；
与所述气化器成流体连通的高温气体冷却器，所述高温气体冷却器构造成用以接收和冷却在所述气化器处生成的一种或多种气体、回收通过使所述一种或多种气体冷却所产生的热量，以及使用所回收的热量来产生过热蒸汽；
与所述气化设备相关联且与所述高温气体冷却器成流体连通的蒸汽利用装置，所述气体冷却器将所述过热蒸汽的至少一部分输送至所述蒸汽利用装置，所述蒸汽利用装置由所述过热蒸汽操作，以便提供在所述气化设备中利用的输出，以及
由来自于所述蒸汽利用装置的输出的输出至少部分地操作的空气分离单元。
2.根据权利要求1所述的气化设备，其特征在于，所述蒸汽利用装置包括蒸汽涡轮，所述蒸汽涡轮与所述高温气体冷却器成流体连通且构造成用以使用所述过热蒸汽的至少一部分来生成电功率，所述过热蒸汽使用所回收的热量在所述高温气体冷却器处产生；以及所述空气分离单元电性地连接到所述蒸汽涡轮上，且构造成使用在所述蒸汽涡轮处生成的电功率来操作。
3.根据权利要求2所述的气化设备，其特征在于，所述高温气体冷却器包括辐射式合成气体冷却器。
4.根据权利要求2所述的气化设备，其特征在于，所述高温气体冷却器还与同所述气化设备分离的过热蒸汽使用装置成流体连通，由此在所述高温气体冷却器处产生的过热蒸汽的至少一部分能输送至与所述气化设备分离的过热蒸汽使用装置。
5.根据权利要求2所述的气化设备，其特征在于，所述蒸汽涡轮还电性地连接到与所述气化设备分离的电功率使用装置上，由此在所述蒸汽涡轮处生成的电功率的至少一部分能输送至与所述气化设备分离的电功率使用装置。
6.根据权利要求2所述的气化设备，其特征在于，所述气化设备还包括：
与所述高温气体冷却器成流体连通的低温气体冷却器，所述低温气体冷却器构造成用以接收和冷却起初在所述高温气体冷却器处冷却的一种或多种气体，且从在所述低温气体冷却器处冷却的一种或多种气体回收热量来至少部分地加热锅炉供水以在所述高温气体冷却器处使用；以及
传送装置，所述传送装置构造成用以将锅炉供水从所述低温气体冷却器输送至所述高温气体冷却器，所述锅炉供水由在所述低温气体冷却器处回收的热量至少部分地加热。
7.根据权利要求2所述的气化设备，其特征在于，所述高温气体冷却器构造成用以仅产生在所述蒸汽涡轮处仅生成仅足以满足所述气化设备的总能量需求的电功率所需的过热蒸汽量。
8.根据权利要求2所述的气化设备，其特征在于，所述高温气体冷却器构造成用以仅产生在所述蒸汽涡轮处仅生成仅足以满足所述空气分离器的总能量需求的电功率所需的过热蒸汽量。
9.根据权利要求1所述的气化设备，其特征在于，所述蒸汽利用装置包括所述空气分离单元的压缩机单元，所述压缩机单元与所述高温气体冷却器成流体连通且构造成以便接收所述过热蒸汽的至少一部分以驱动所述压缩机单元。
10.根据权利要求9所述的气化设备，其特征在于，所述高温气体冷却器包括辐射式合成气体冷却器。
11.根据权利要求9所述的气化设备，其特征在于，所述高温气体冷却器还与同所述气化设备分离的过热蒸汽使用装置成流体连通，由此在所述高温气体冷却器处产生的过热蒸汽的至少一部分能输送至与所述气化设备分离的过热蒸汽使用装置。
12.根据权利要求9所述的气化设备，其特征在于，所述气化设备还包括：
与所述高温气体冷却器成流体连通的低温气体冷却器，所述低温气体冷却器构造成用以接收和冷却起初在所述高温气体冷却器处冷却的一种或多种气体，且从在所述低温气体冷却器处冷却的一种或多种气体回收热量来至少部分地加热锅炉供水以在所述高温气体冷却器处使用；以及
传送装置，所述传送装置构造成用以将锅炉供水从所述低温气体冷却器输送至所述高温气体冷却器，所述锅炉供水由在所述低温气体冷却器处回收的热量至少部分地加热。
13.根据权利要求9所述的气化设备，其特征在于，所述气化设备还包括：
与所述高温气体冷却器成流体连通的低温气体冷却器，所述低温气体冷却器构造成用以接收和冷却起初在所述高温气体冷却器处冷却的一种或多种气体，且从在所述低温气体冷却器处冷却的一种或多种气体回收热量；
其中，所述蒸汽涡轮与所述低温气体冷却器成流体连通，由此来自于所述蒸汽涡轮的蒸汽冷凝物能输送至所述低温气体冷却器。
14.根据权利要求9所述的气化设备，其特征在于，所述高温气体冷却器构造成用以仅产生仅满足所述空气分离单元处的所述压缩机的能量需求所需的过热蒸汽量。
15.一种操作包括气化器、高温气体冷却器和空气分离单元的气化设备的方法，包括：
在所述气化器处生成一种或多种气体；
将在所述气化器处生成的一种或多种气体输送至所述高温气体冷却器；
在所述高温气体冷却器处冷却从所述气化器输送至所述高温气体冷却器的一种或多种气体并回收通过此种冷却所述一种或多种气体而产生的热量；
使用通过在所述高温气体冷却处冷却所述一种或多种气体而产生的回收热量来产生过热蒸汽；
将所述过热蒸汽的至少一部分输送至与所述气化设备相关联的蒸汽利用装置；以及
利用所述过热蒸汽来操作所述蒸汽利用装置以提供在所述气化设备内利用的输出。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述过热蒸汽的至少一部分输送至蒸汽利用装置的步骤包括将部分所述过热蒸汽输送至作为所述蒸汽利用装置的蒸汽涡轮，操作所述蒸汽利用装置的步骤包括使用输送给所述蒸汽涡轮的过热蒸汽来操作蒸汽涡轮和在所述蒸汽涡轮处生成电功率，以及将在所述蒸汽涡轮处生成的电功率的至少一部分输送至所述空气分离单元。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述高温气体冷却器包括辐射式合成气体冷却器。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述过热蒸汽的至少一部分输送至与所述气化设备分离的过热蒸汽使用装置。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述蒸汽涡轮处生成的电功率的至少一部分输送至与所述气化设备分离的电功率使用装置。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述气化设备包括低温气体冷却器，以及所述方法还包括：
将已在所述高温气体冷却器处冷却的一种或多种气体输送至所述低温气体冷却器；
在所述低温气体冷却器处冷却从所述高温气体冷却器输送至所述低温气体冷却器的一种或多种气体；
当所述一种或多种气体在所述低温气体冷却器处冷却时，从由所述高温气体冷却器输送至所述低温气体冷却器的所述一种或多种气体中回收热量；
将来自于所述高温气体冷却器的在所述低温气体冷却器处冷却的一种或多种气体的回收热量用来至少部分地加热锅炉供水以在所述高温气体冷却器处使用；以及
将由在所述低温气体冷却器处冷却的一种或多种气体的回收热量至少部分地加热的锅炉供水输送至所述高温气体冷却器。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将在所述蒸汽涡轮处生成的蒸汽冷凝物输送至所述低温气体冷却器。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述气化设备包括低温气体冷却器，以及所述方法还包括：
将在所述蒸汽涡轮处生成的蒸汽冷凝物输送至所述低温气体冷却器。
23.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述高温气体冷却器处生成的所有过热蒸汽都输送至所述蒸汽涡轮，以及所述高温气体冷却器构造成以便其仅产生在所述蒸汽涡轮处仅生成仅足以满足所述气化设备的总能量需求的电功率所需的过热蒸汽量。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述高温气体冷却器处生成的所有过热蒸汽都输送至所述蒸汽涡轮，以及所述高温气体冷却器构造成以便其仅产生在所述蒸汽涡轮处仅生成仅足以满足所述空气分离器的总能量需求的电功率所需的过热蒸汽量。
25.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述过热蒸汽的至少一部分输送至蒸汽利用装置的步骤包括将部分所述过热蒸汽输送至作为所述蒸汽利用装置的位于所述空气分离单元处的压缩机，以及操作所述蒸汽利用装置的步骤包括使用输送至所述压缩机的过热蒸汽来驱动位于所述空气分离单元处的压缩机。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述高温气体冷却器包括辐射式合成气体冷却器。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述过热蒸汽的至少一部分输送至与所述气化设备分离的过热蒸汽使用装置。
28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，在所述高温气体冷却器处生成的所有过热蒸汽都输送至位于所述空气分离单元处的所述压缩机，以及所述高温气体冷却器构造成以便其仅产生仅满足位于所述空气分离单元处的所述压缩机的能量需求所需的过热蒸汽量。
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