CN102575178A - 带有焦炭制备系统的整体煤气化联合循环装置 - Google Patents

带有焦炭制备系统的整体煤气化联合循环装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供包括整体煤气化联合循环技术的系统、方法及设备以对现有的装置进行改造。该系统包括，例如，用于在内部循环流化床碳化器产生合成气之后分离焦炭细粉和合成气以及作为燃料源将焦炭注入到碳化器的导流管中的子系统。因此，将生产效率和发电量提高到使得现有燃煤装置可以包括碳捕获系统以显著减少二氧化碳排放的程度。

Description

带有焦炭制备系统的整体煤气化联合循环装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年9月18日提交的名称为″Coal Gasifcation″的第61/243687号美国专利申请、2009年9月18日提交的名称为″Pressure-Swing Calcium Looping(PSCL)″的第61/243906号美国专利申请、2009年9月19日提交的名称为″Calcium Looping″的第61/244035号美国专利申请、2010年7月16日提交的名称为″Carbon CaptureSystems for Airblown Integrated Gasification Combined Cycles″的第61/365187号美国专利申请、2009年12月23日提交的名称为″MildGasification Combined-Cycle Powerplant″的第PCT/US2009/069455号国际专利申请的优先权。本申请还涉及2008年6月13日提交的名称为″Mild Gasification Combined-Cycle Powerplant″的PCT/US2008/067022号国际专利申请和2010年9月20日提交、代理人代码为118135-00520、名称为″Systems，Devices And Methods For Calcium Looping″的AlexWormser的PCT/US2010/######号国际专利申请的优先权。这些申请的内容以引用的方式完整地引入本文。
技术领域
本发明描述的系统、方法及设备总地涉及清洁煤技术，更具体地涉及IGCC技术，其可用于对现有粉煤(PC)发电装置改造和升级以及新发电装置(power plant)的建设。本发明提供系统，其采用由碳化器挥发物中除去的粉碎的焦炭(char)向碳化器提供热源。该系统不仅更有效率和发出更多电量，而且可以在粉煤发电装置中使用高灰分煤。本发明还提供内部循环流化床气化器，其可在同一个压力容器中包括第二流化床，所述第二流化床可用作合成气冷却器，脱硫床和/或热裂解床。
发明内容
一方面，本发明提供用于改造现有装置的整体煤气化联合循环(IGCC)系统。该系统总地包括：内部循环流化床碳化器，其由固体燃料形成合成气和焦炭；合成气冷却器，其与所述碳化器连通；分离器，其与合成气冷却器连通，并将焦炭与合成气分离；焦炭制备系统，其与分离器连通，所述系统制备待注射到碳化器中的焦炭；注射器，其接收来自焦炭制备系统的粉碎的焦炭，并且把粉碎的焦炭引入碳化器中，通过粉碎的焦炭向碳化器提供热源。所述焦炭制备系统可以包括：冷却器，其从焦炭除去热；粉碎机，其与冷却器连通，其粉碎焦炭；和气闸室，其与粉碎机连通。在某些实施方式中，系统包括与所述分离器连通的暖气清理系统和碳捕获系统，其用于净化合成气。在某些实施方式中，系统包括与粉碎机连通的除灰器。在某些实施方式中，碳化器包括分配板，其设置在碳化器内焦炭的环形沸腾床下面；和浸入管，其设置在碳化器的下面。另外或可选择地，高密度颗粒流可以被添加到焦炭的环形沸腾床。这提高焦炭在沸腾床中的流速。
在某些实施方式中，提供带有出口的导流管和安装在导流管的出口上的导流管延伸部分。延伸部分包括由锥形部分连接的上部和下部，使得上部的直径大于下部。系统还包括设置在导流管出口上方使向下流出导流管的焦炭转向的变流装置，和使焦炭向下流入内循环流化床的浸入管。在一些实施方式中，碳化器还包括设置在导流管延伸部分的上部中的分配板上的热裂解流化床。
在一些实施方式中，碳化器中可包括具有上层床和下层床的流化床，其中上层床为热裂解流化床，下层床为碳化床。流化床可以是连续的，并具有界定上层床和下层床的两个区域，或者上下床可以物理隔开，例如，将上层床设置在例如分配板上。在一些实施方式中，在碳化器下方安装附聚器(agglomerator)。
在一些实施方式中，粉状焦炭与用于焦炭燃烧的空气一起被注入设置在碳化器中的导流管的进口，以及煤流以高于导流管的焦炭燃烧区域的水平被注入到导流管。
在其他实施方式中，粉状焦炭与用于焦炭燃烧的空气流一起被注入位于设置在碳化器中的导流管外的焦炭的环形流化床下方的分配板下方的一个正压室(plenum)中，并将煤注入导流管的进口。在一些实施方式中，用于气化环形床的蒸汽和氧化剂也被注入到所述分配板之下的正压室。此外，在一些实施方式中，用于气化环形床的氧化剂的部分或全部通过喷射管被输送入位于分配板之上的环形床之中，以提供焦炭的有效燃烧。在一些实施方式中，分离器套被安装在分配板的内径上，使得进入导流管的焦炭流受限。在上述的任何实施方式中，固体燃料可以是煤，包括例如高灰煤。
另一方面，本发明提供一种实现现有化石燃料发电装置的二氧化碳排放量减少的方法。该方法包括改造现有发电装置以包括上述的任何系统和设备。在一些实施方式中，系统包括碳捕集系统，且通过改造系统实现的节省额基本等于或小于建设新的没有碳捕获系统的燃煤发电装置所需的费用。
在一些实施方式中，经改造的发电装置至少实现二氧化碳排放量减少20％、30％、40％或50％。在一些实施方式中，在改造的发电装置中实现发电能力的提高。
在另一方面，本发明提供用于使发电装置的IGCC子系统提高效率的方法。该方法包括：碳化固体燃料以产生合成气流和焦炭细粉(charfines content)；将焦炭细粉与合成气流分离；冷却焦炭细粉；粉碎焦炭细粉；降低焦炭细粉中的细灰浓度；以及将焦炭细粉作为燃料注入碳化器中。通过将焦炭细粉返回到碳酸化器中来提高IGCC子系统的效率。
在一些实施方式中，方法还包括去除合成气中的污染物。方法包括：过滤合成气以提供过滤的合成气；在固定床反应器中吸附过滤的合成气中的卤化物组分；和用可再生脱硫器去除合成气中的含硫组分，所述脱硫器包括可以交替用于吸附硫和再生吸附剂的用于连续脱硫的两个循环流化床反应器。
另外或可选择地，该方法还可包括降低合成气中的二氧化碳含量，通过用可再生脱碳器从合成气中去除二氧化碳组分，从而减少合成气中的二氧化碳浓度，所述脱碳器包括可以交替用于吸附二氧化碳组分以及再生吸附二氧化碳组分的氧化钙吸附剂的两个循环流化床反应器，以及，任选地，压缩和储存二氧化碳组分。在一些实施方式中，碳化过程也会产生一氧化碳，该方法还包括通过吸附剂促进的反应来去除一氧化碳。
另外或可选择地，在此描述的系统或方法还可包括或包括使用绝热钙循环系统降低合成气中的碳含量。系统可包括：至少一个固定床反应器，其具有固定的吸附剂床，所述至少一个固定床反应器被交替设置为加压碳酸化器装置和负压的煅烧炉装置；钙基吸附剂，存在于固定的吸附剂床中，当所述至少一个固定床反应器被设置为碳酸化器装置时其用于吸附合成气中的碳，当所述至少一个固定床反应器被设置为煅烧炉装置时其用于使碳解吸附；以及一个或多个阀机构，其用于交替地将所述至少一个固定床反应器设置为碳酸化器装置和煅烧炉装置。
附图说明
参考附图及流程图说明本发明的示例性实施方式，其中：
图1为说明用于发电的IGCC的示例性配置流程图。
图2为说明示例性焦炭制备系统的流程图。
图3为说明用于生产化学品的IGCC的示例性配置流程图。
图4为说明示例性合成气净化系统的示意图。
图5为说明通过内循环流化床碳化器的主要流程示意图。
图6为说明示例性碳化器的示意图。
图7为说明带有热裂解和稀释相流的碳化器的示意图。
图8为说明带有热裂解的示例性碳化器的示意图。
图9为说明环形床中的带有稀释相流和焦炭细粉燃烧的示例性碳化器的示意图。
图10为说明再另一示例性碳化器的示意图。
图11说明使用固定床反应器进行吸附剂促进的反应(SER)的示例性ACL系统。
具体实施方式
在此描述的系统、方法以及设备涉及可用于对现有粉煤发电装置改造或用于新装置建造的整体煤气化联合循环(IGCC)技术。各种实施方式以及子系统可单独使用或联合使用。在此提供，例如，用于在IGCC碳化器产生合成气之后分离焦炭和合成气以及在处理后作为燃料源将焦炭注入到碳化器的导流管中的系统、方法以及设备。在这些装置中，允许焦炭细粉从碳酸化器逸出到挥发物中，并从合成气中收集、冷却、粉碎并返回气化器，在其中作为燃料进行燃烧。这极大地减小了气化器系统的尺寸，且使系统能够使用各种种类，包括各种档次、含灰量和含湿量的煤。通过用于碳化器和脱硫器的内循环反应器以及流化床合成气冷却器，使得较小的反应器也是可能实现的。
在某些实施方式中，IGCC为温和吹空气整体煤气化联合循环(MaGIC)装置。MaGIC装置的几种适合的实施方式记载在于2010年7月1日以WO 2010/075536公布的国际(PCT)专利申请PCT/US2008/069455中，其以引用的方式完整地引入本文。MaGIC的两个优点涉及用空气替代氧气，这提高其效率并降低了资金成本30％，这大部分是由于消除了传统IGCC中的氧计划。
这些装置用于例如现有燃煤装置的改建动力装置，并且由于设备具有较小的尺寸，可以适合于例如废旧锅炉的场所。淘汰锅炉也能延长现有发电装置的经济寿命，这对于现有装置的经济的改建动力装置是必要的。本文所述的装置也能降低气化所需的空气量，从而通过避免气化器释放出的挥发物的燃烧来减小气化器系统的尺寸并降低成本。
在此描述的系统、设备及方法的另一个优点是：即使配备了碳捕获系统，本技术依然足够廉价以提供与最低成本的替代物(包括粉煤发电装置)提供的电力具有竞争性的新型电力来源。因此，与可减少排放，但在没有碳排放税或其他法定的资金来源时在经济上不可行的传统“附加”技术相反，实现的真正的成本有益。
除非另有指明，本文中所使用的冠词“a”与“an”均表示“一个或多个”或者“至少一个”。也就是说，当使用不定冠词“a”或“an”时，不排除存在多于一个要素的可能性。
本文使用的术语“装置(plant)”和“系统(system)”可相互替换。
在此所用的术语“改造(retrofit)”和“改建动力装置(repowder)”和“升级(update)”可相互替换。
本文使用的术语“挥发物(volatiles)”和“挥发性物质(volatilematter)”可相互替换使用，指烃气体和蒸气，以及其它(非燃料)气体(例如，当加热到足够高的温度时所释放出的气体)。有些烃蒸气根据其冷凝时的外观被称作焦油。
图1说明示例性的工艺流程图。碳化器10中被填入煤、蒸汽及空气来制备合成气及焦炭。合成气及焦炭流过冷却器20和然后流过旋风分离器30，旋风分离器30从合成气中除去焦炭细粉。合成气流过可包含例如卤化物洗涤器、脱硫器及高温过滤器(参见图4)的暖气清理系统40，以去除例如灰及硫酸。合成气流至碳捕获50，例如煅烧炉，在此二氧化碳被去除。碳捕获产生的氢气与氮气流到气体涡轮机60，以及烟道气被送入热回收蒸汽发生器(HRSG)70。HRSG可以是现有的PC装置，新建设的HRSG，或在有些情况下是现有蒸汽装置与新HRSG的组合。来自HRSG的蒸汽然后可被送去供给蒸汽轮机80的动力。如图2中更详细说明，在旋风分离器30分离出的焦炭流入焦炭制备系统90，在此除去灰，并将焦炭送回至碳化器10作为燃料注入。在某些实施方式中，碳化器10与合成气冷却器20被设置在同一个压力容器中(如图6)。
在碳化器中燃烧焦炭细粉的一个好处是消除了与部分气化替代物有关的问题。在改造现有装置中，可淘汰现有锅炉以便为在此描述的新设备腾出位置，以及也为了能延长装置的寿命，由此使升级负担得起。还能消除淘汰的锅炉燃烧大量焦炭的低效率。
本系统和方法对于外部流化床的设计也是有利的，在该设计中焦炭细粉在外部流化床中燃烧，昂贵的冷却器和过滤器是必要的。另外，在外部流化床中，燃烧焦炭细粉需要燃烧空气大大增加了随后必须冷却的和清洁的空气的体积流量。
典型的焦炭制备系统在图2中描述，且该系统包括接收来自旋风分离器的焦炭的冷却器91以及在一些实施方式中来自碳化器的溢出物(未显示)。然后焦炭流过粉碎机92、除灰的分离器93、以及气闸室94，之后粉碎的焦炭流向碳化器。来自加压气化器的焦炭比来自例如粉煤炉的焦炭反应活性更低。另一方面，焦炭比煤更脆，所以粉碎机生产的颗粒度更小。颗粒越小，燃烧越快且完全燃烧所需要的流化床的体积也越小。没有粉碎，焦炭颗粒不能完全燃烧，如用高级煤时在外部循环气化器中的高未燃烧碳损耗所显示的。
图2的分离器用于降低粉碎煤装置所产生的粉煤灰的碳浓度，以使其，例如更适合作为生产水泥的原料。焦炭的灰浓度要比煤中灰浓度高几倍，因为焦炭中包含所有的灰，但在气化后仅有一小部分的碳保留在焦炭内。煤中的标准灰含量例如低于10％，期望在不使用灰分离器的情况下燃烧效率足够高，以使其是不必要的，但是高灰浓度使焦炭更不易燃并且燃烧效率低。因此，高灰含量的煤，特别是对于灰为固有的高灰煤，采用灰分离。按照惯例，高灰煤的可用性很有限，然而，这里所介绍的焦炭制备系统现在可以使用高灰煤，这个系统除去或降低灰含量。
图3是一个流程图，描述IGCC的另一个典型配置，用于生产化学制品，如氨、生产化学品(如甲醇和Fischer-Tropsch液体)的氢-CO混合物。燃料的生产本身多联产，使得生产电能时对其需求是高的，并且燃料是在非高峰期生产的。该系统基本和图1所描述的一样，除了将合成气转化为化学品的下游合成器，和去除保留在燃料中的所有甲烷的转化器。在该实施方式中，从碳捕获50中释放出来的氢和氮流过合成器62，然后到达分离器64。当需要供电时，来自分离器64的未转化的合成气被送到动力岛66。
图4是说明典型的合成气净化系统40的图。合成气流过烛形过滤器441、卤化物洗涤器442、脱硫器443，最后到旋风分离器444。脱硫器443包括：再生器445，其排出的流被供给酸厂以生产硫酸；和吸收塔446。旋风分离器去除合成气中的任何吸附剂细粉。典型的和适合的合成气净化系统进一步记载在2010年7月1日以WO 2010/075536公开的国际专利申请PCT/US2008/069455的例如第110段等以及图4中，其内容以引用的方式完整地引入本文。
图5描述了通过典型的内部循环流化床碳化器或气化器的主要流程。焦炭101被注入碳化器10的底部到导流管的150的入口，同时煤106流动进入焦炭注射喷射109的上面部分。合成气107从碳化器10的顶部产生。循环床以稀释相流或活塞流向上流过导流管150，并从导流管外部回到密相流动床。尽管在图1的流程系统中有一些反应器外的循环流程，它较小，代表少于外部循环系统的循环流的1％。
与沸腾床气化器相比，循环流化床反应器具有更剧烈的混合，从而降低了温度梯度。这依次还会减少熔渣的可能性，并能使反应器具有用于特殊目的(如保留挥发物和提供热解的无氧区，从而降低焦油的形成的分离)的区域。更剧烈混合也使得大规模生产变得更容易。
与外部循环系统相比，内部循环气化器的益处包括结构简单和更小的高度。根据图5的流程图构造的典型气化器可以只有25英尺高，而在例如Wilsonville Power Systems Development Facility，<<http://psdf.southernco.com>>(2006年6月16日访问)所讨论的外部循环流化床气化器为150英尺高。后者更大的高度的部分原因是需要足够高的浸入管以承受通过该系统的压降。由于在此所述的系统和方法的外部循环固体是冷却的固体，机械气闸室94(图2)可用于再循环这些固体，省去了浸入管。由于其较高通过速度，外部循环气化器的气化器部分也较高。
此外，外部循环气化器煤供料比在此所述的系统少约10倍。因此，煤必须粉碎成例如-0.03英寸，而在此所述的系统的尺寸例如-0.25英寸。这使得外部循环气化器旋风分离器很难捕获焦炭细粉，结果，只有高反应活性的低级煤在传送气化器中被有效气化。
可用于在此所述的系统和方法的较粗煤供料是有利的，由于煤足够粗颗粒而保留在焦炭床中直到大部分被气化。最终，约15％的煤变得足够细而被合成气夹带。然而，这些颗粒仍足够粗糙而容易由旋风分离器捕获。因此，碳的利用取决于焦炭燃烧器的效率，如果大小合适，其对于低级和高级煤，碳的利用与其他粉煤系统的一样高，一般超过99％。如以下关于图8所讨论的，一些典型碳化器实施方式采用附聚器从系统中去除灰。这种情况下，不需要外部的除灰器。
图6描述适合与暖气清理系统一起使用的碳化器，在该系统中，合成气的温度从不低于焦油冷凝温度。在此所述的其他典型实施方式包括带热裂解的碳化器(图7和9)和带有环形床中的焦炭细粉燃烧(图8)的碳化器。
参考图6，在压力容器639内设置典型内部循环流化床碳化器610和流化床合成气冷却器638。将水流612提供给流化床合成气冷却器638以冷却流化床638，水流作为蒸汽613排出。焦炭640的流化床向上循环通过导流管650的内部并向下到外部。焦炭601和空气610在混合器641中混合并通过燃烧器644在导流管650底部注入到焦炭的床中。由通过例如分配板的注入的蒸汽608引起流化，其也使焦碳气化，生成一氧化碳和氢的混合物。床周围的固体流通过导流管650中的气体首先夹带焦炭，通过变流装置652继续变流回到环面，以通过向下流过环面来结束，从而完成循环。变流装置652使粗焦炭变流或淘洗，同时合成气和焦炭细粉进到流化床638。输入流(煤606、空气610和蒸汽608)可被外部燃烧器(未显示)加热。导流管650促进向上流动。与焦炭640的流化床相连的导管661，以控制碳化器610中焦炭温度的速度，从碳化器610去除焦炭。
在一些实施方式中，采用喷动流化床碳化器。如果中央喷射器穿过表面，则带有中央喷射器以促进循环的流化床称为“喷动床”，如果中央喷射器不穿过表面，则称为“喷射床”。在一些实施方式中，使用喷动反应器，因为它在保持混合反应器的总体积上有优势，称为“总混合”。例如，总混合可能发生在直径大到15英尺的反应器中，按照多个实施方式反应器的尺寸可用于，例如，由单个容器向400-MW发电装置供料。
导流管一般促进循环，以及通过将挥发物与环面中的空气隔离还将挥发物保留。通过导流管的流是稀释相，所以与流化床底部的压力相比压降较小。这促进焦炭循环，从而进一步有助于保持整个碳化器的焦炭温度均匀。混合避免出现使灰成渣的高温点或使气化过慢的冷区域。
在一些实施方式中，计量注入环面底部的蒸汽和空气的流速以提供期望的水-气的量。放热反应(空气与焦炭反应形成一氧化碳)产生的热可以被改进或控制，使得它与吸热反应(蒸汽加焦炭反应生成氢)所需的能量平衡。水-气可流经焦炭并从碳化器的顶部出来(例如带有来自导流管的挥发物)，从而形成合成气。在某些实施方式中，来自空气的氮也与合成气混合。
在某些实施方式中，空气和蒸汽被注入焦炭床底部的正压室中，并通过正压室顶部表面中的鼓泡盖进入床中，如记载在2010年7月1日以WO2010/075536公布的国际专利申请PCT/US2008/069455的，例如图7A和7B以及相应描述中，其内容以引用的方式完整地引入本文。
在一些实施方式中，多余的焦炭可以从碳化器通过其底部料斗以控制阀控制的速度被去除。典型的控制阀使用蒸汽流的压力来调节焦炭通过该阀的流量。焦炭流速例如可通过在碳化器一侧的液位传感器来控制，从而使床的顶部在期望点。在一些实施方式中，期望的点与导流管顶部的高度相同。可优选从底部去除焦炭，因为，例如，它可减少或消除焦炭床中聚集过大颗粒的可能性，而聚集过大颗粒可能使流化床不流化。从“L”阀，焦炭然后可以通过焦炭冷却器，在通过气闸室减压之前，可通过蒸汽管进行冷却。
在一些实施方式中，煤的热解将在很大程度上到颗粒离开导流管时完成。在某种程度上，需要更多的反应时间，热解可能在焦炭床的上部区域进一步完成。
来自导流管的淘选物通过高处的变流装置返回到环形床。“淘选物”是由于太粗而不被合成气夹带的颗粒，被提供足够的自由空间(freeboard)避免淘选物从反应器中溢出。变流装置可用于减少或甚至消除自由空间的使用。
相反地，无论来自导流管还是环形床的焦炭细粉的颗粒足够小，从而可被合成气夹带，而不论自由空间有多高。离开变流装置的颗粒通过导流管使淘选物转移回到床层中，同时允许焦炭细粉从顶部离开。
在一些实施方式中，暖气清理系统是在低于焦油冷凝温度下运行。如果是这样，可以增加热裂解挥发物中的焦油的上层床，如图7和9所描述的。碳化器的操作在某些方面可以类似于图6所描述的，由此在导流管的内部发生向上流动和在外部向下流动，导流管由热焦炭的流化床环绕。
在图7和9所述的上部床为流化床784、984中的挥发物提供足够的停留时间以使焦油热裂解，例如，约2-4秒。如果床材料是具有催化性，如白云岩或橄榄石，则时间将更短。而通过较高的床层温度也可提高热裂解，热裂解可以在较低温度，例如，1550℉发生。
在一些实施方式中，如图7和9，利用半煅烧的白云石的流动，上层流化床784、984可用于热裂解和使合成气脱硫。为此，床层必须在1500℉左右温度操作，在更高的温度下使白云石失活，在更低的温度下，不能煅烧白云石。只要碳化器床也在足够高的温度下操作以避免形成酚类(高于1550℉)，它应该可以提供两种功能。如果暖气清理系统的脱硫器不能获得足够高的脱硫效率，则这种双重功能是有用的。
在图7的碳化器710中采用似漏斗形状的导流管延长部分780，部分地，以最小化碳化器直径。由于较低的流化床中的速度必然相对慢，焦炭床740在碳化器的较低区域环形占有大部分的横截面，而在发生稀释相流动的导流管750中的速度则快得多。导流管750中的高速度可显著减小直径。在中央部分包含带有分配板786的沸腾流化床784的碳化器的上面部分782中，可允许来自环形床784的合成气707以高速度流动。因此，在两个区域中压力容器739的直径可以保持较小。
在图7中，变流装置752使粗焦炭变流回到流化床中的同时允许合成气和焦炭细粉进入合成气冷却器，以及进入用于使焦炭向下流动的浸入管788。焦炭701和空气710进入混合器741，并注入导流管750底部的焦炭床层。
如果热解在导流管中基本完成，那么仅仅来自导流管的物流需要热裂解以去除焦油。然而，如果热解不能在煤处于导流管期间完成，从环形床依然排放一些挥发物。如果该排放足以污染下游设备，则上层床可以延伸到整个反应器直径，这将增加反应器的直径。另外或可选择地，上层床的材料也可以由粗糙、致密的材料制成，其表面的速度相对高，从而限制碳化器直径增加的量。
再另一个可替代的碳化器设计如图8所示，其中，焦碳细粉是在环形床中燃烧。碳化器810包括被焦炭的环形碳流化床环绕的导流管850。导流管850的顶部淹没在焦炭884的上层床之下，其用于分离来自合成气807的夹带的焦炭并热裂解挥发物中的焦油。蒸汽808和空气810通过歧管889中的喷射管818进入上层床884。通过使用夹带循环的焦炭的垂直喷射809促进导流管850中的向上流动。通过导流管850的流是活塞流(slug flow)，而环形床中的流是沸腾床流。通过向导流管850中注射煤806，消除高结块煤的团聚的风险，以及保存挥发物。在基本无氧气氛下将煤806注入到导流管850中，以及由进入环形流化床840底部的分配板814的气体向系统提供热。床中的灰由附聚器816去除。在某些实施方式中，附聚器816去除碳化器810中的灰，降低焦炭的密度。在某些实施方式中，通过使用附聚器816可减小或消除对除灰器(参见例如图2中的分离器93)的需求。
通过首先燃烧顶部822的流化床中的焦炭颗粒使附聚器816工作，附聚器加热颗粒足以使灰软化并形成较大的颗粒(或附集)。然后附集物流动通过附聚器816的下部824，其中空气流动足够低以保持颗粒不流化。因此，通过底部引入的空气逆流冷却这些颗粒。一旦颗粒到达附聚器的底部，便会冷却得足以通过下面的气闸室去除。
与图6所示的实施方式相反，其中碳酸化器的热源是注入到环形床下的分配板中的热气体，在图8中，热来自经过分配板814的焦炭细粉的燃烧。
在某些实施方式中，如图8所示的喷射管818还可用于最小化在环形床底部焦炭细粉的蒸汽冷却以及最大化燃烧效率。分离器套820也可用于最小化未燃烧的焦炭逃逸进入导流管850中。在某些实施方式中，省略附聚器。
图7和图8的设计之间的一个区别涉及焦炭颗粒密度。图8的碳化器的附聚器816通过优先移除灰而降低在床层中的细灰浓度到低水平，从而导致非常低的床层密度，通常每立方英尺小于10磅。另一方面，图7的碳化器的溢流管761用于移除固体时，从床移除的焦炭颗粒含有碳和灰，所以平均床层密度较高，在每立方英尺20至40磅之间。
在高密度床层的实施方式中，焦炭密度的影响在于环形床的流体静压力非常有助于焦炭的循环，而在低密度床层的实施方式中，循环主要是由于导流管的进入。后者相比前者是更弱的机制，因此循环流动慢得多，通常，图8的设计的煤供料速率低于30次，而图7的设计的煤供料率超过100次。较低的循环比率增加回路周围的温度差，这会导致烧成渣。然而，对于图8的活塞流需要低密度，否则，导流管的入口处的喷射太弱以至于不能提供足够的循环。
如图7所示的高密度设计也具有比图8所示的低密度设计更小的直径。在目前所述的实施方式之前，一般吹空气气化器的主要特征至少已经是其庞大的整体尺寸，在这一点上使得花费足以减少或抵消因消除氧装置而相对于吹氧系统所具有的成本优势。其庞大尺寸的部分原因是气化焦碳细粉所需额外的自由空间体积(这部分体积由温和气化去除)，以及沸腾床中必须保持较低的表观速度，以防止将床层材料吹出床层。
在图8的实施方式中，避免淘洗所需要的焦炭床的表观流速特别低，一般在1.2至1.5英尺/秒之间。由于其较高的密度，图7的碳化器中的焦炭床可在稍微更高的速度(例如2.5英尺/秒)下操作，这减小其直径。其结果，例如对于400-MW的IGCC，对于图7和图9的实施方式仅需要一个碳化器，而图8的实施方式则需要两个。尽管如此，只要辅助系统(如供料器)不明显增加成本，碳化器的成本通常少于装置成本的5％。因此，尽管低的表观速度，图8中的实施方式仍然可用。
如图9所示的再另一个可替代的碳化器结合图7和图8的实施方式的特征，其中图8的焦炭燃烧的方案替换为图7的焦炭燃烧方案。这种实施方式的优点是最小化导流管的高度以及反应器高度。在图9中，变流装置952接收来自导流管950的挥发物和焦炭954，并使粗的焦炭变流返回流化床中，同时使合成气和焦炭细粉经过分配板986去进行热裂化器982，以及浸入管988提供焦炭的向下流动。经过分配板914，焦炭901和空气910进入流化床。通过燃烧喷射器，煤906和再循环的气体被注入导流管950底部的焦炭的床层。该实施方式的另外的特征是导流管延伸部分980。来自热裂化器982的合成气907流入冷却器(未显示)。该实施方式的其他特征是如上所述的溢流管981。
内部循环碳化器的另一个实施方式如图10所示。不论燃料的反应活性或燃烧速度，该实施方式提供高焦炭循环速率。煤1010被风动输送到碳化器并进入导流管1008，在此与来自环形床1020的热焦炭1014混合。焦炭细粉1016被风动输送到碳化器，连同它们的燃烧空气以及用于在区域1020的环形沸腾床中气化焦炭的空气和蒸汽。焦炭细粉通过正压室1006和分配板1004进入碳化器。焦炭床层1022提供来自导流管1009的挥发物的热裂解，以及还通过覆盖导流管出口来防止焦炭的喷雾进入到自由空间1026。
延伸部1000在分配器1004下使压力容器1024扩大并达到排管1012的底部。延伸部作为浸入管1018通过提高在导流管1008的底部进入的焦炭的流体静压头来提高焦炭流1014的流动。延伸部1018提供足够的流体静压头，其通过导流管促进循环，即使煤为非常活性或低燃烧速率，两者会降低气化器床1022的高度。因此可获得高循环流速以向输入的煤提供足够的热以使其达到床层温度并彻底热解。高循环速率也防止在导流管中结块煤的聚集。
如果焦炭密度太低，由于高结块煤中形成煤胞，可降低循环流速。通过添加增加循环固体的平均密度的惰性颗粒材料，如白云石，可以提高流速。
在某些实施方式中，在此所述的系统和方法进一步使用去除或减少二氧化碳的排放的ALC系统。图11说明一种利用固定床反应器实现吸附剂促进的反应(SER)的典型的ALC系统。固定床反应器是其床层中的材料保持固定的反应器。图11的典型ALC系统包括反应器1102和1104，其中每个可设置作为煅烧炉和碳酸化器运行。当图11中的阀在所示的位置时，反应器1102为碳酸化器以及反应器1104为煅烧炉。当每个阀的位置颠倒时，反应器1102是煅烧炉以及1104反应器是碳酸化器。在优选的实施方式中，每个反应器除了包含用于甲烷蒸汽重整的催化剂外，还包含吸附剂的床。在典型实施方式中，催化剂是多孔镍。
在图11的典型实施方式中，含有蒸汽的合成气1101通过进口1110进入反应器1102。合成气在床层108中脱碳，并经出口1112排出反应器。从那里以管输送到冷却器1114和管道1116，管道在IGCC的情况下与燃气涡轮机相连，或在化工厂的情况下与合成器连接。
同时，通过压缩机1124产生的反应器1104中的真空能使反应器1104中的吸附剂被煅烧，通过出口1118排放二氧化碳流，排放的二氧化碳流由冷却器1122冷却以确保压缩机1124有效运行。压缩机组件1120中的进一步阶段，其中仅显示两个阶段，每一个包括后面连接着中间冷却器1126的压缩机1124。压缩机组件1120将二氧化碳压缩到管道压力。组件1120的最后阶段包括冷却器1128，二氧化碳被冷却器冷却后进入去封存点的管线1128。
典型ACL系统的另外的实施方式已在2010年9月20日提交、代理人代码为118135-00520、名称为″Systems，Devices And Methods ForCalcium Looping″的Alex Wormser国际专利申请PCT/US2010/######中讨论和示出，其内容以引用方式完整地引入本文。
应注意，在此所述的本发明的实施方式可包括类似的特征、要素、安排、配置、步骤等。因此，为清楚起见，附上一些包含附图标记的附图以供参照。然而，共同的附图标记决不意味着显示相同或基本类似的特征，但代之以只是简单地表示功能基本类似(如实现类似功能的特征)。

Claims (22)

1.整体煤气化联合循环(IGCC)系统，用于改造现有装置，其包括：
内部循环流化床碳化器，其由固体燃料形成合成气和焦炭；
合成气冷却器，其与所述碳化器连通；
分离器，其与合成气冷却器连通，并将焦炭与合成气分离；
焦炭制备系统，其与分离器连通，所述系统制备待注射到碳化器中的焦炭，所述焦炭制备系统包括：
冷却器，其从焦炭除去热；
粉碎机，其与冷却器连通，其粉碎焦炭；
气闸室，其与粉碎机连通；
注射器，其接收来自焦炭制备系统的粉碎的焦炭，并且把粉碎的焦炭引入碳化器中，通过粉碎的焦炭向碳化器提供热源。
2.如权利要求1所述的系统，还包括与所述分离器连通的暖气清理系统和碳捕获系统，其用于净化合成气。
3.如权利要求1所述的系统，还包括与所述粉碎机连通的除灰器。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述碳化器包括：
分配板，其设置在碳化器内焦炭的环形沸腾床下面；和
浸入管，其设置在碳化器的下面。
5.如权利要求3所述的系统，其中高密度颗粒流被添加到焦炭的环形沸腾床。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述碳化器还包括热裂解流化床。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述碳化器还包括带有上层床和下层床的流化床，其中上层床是热裂解流化床，下层床是碳化床。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述粉碎的焦炭与用于燃烧焦炭的空气流一起被注入到设置在所述碳化器中的导流管的进口，以及煤流以高于导流管的焦炭燃烧区域的水平被注入到导流管。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述粉碎的焦炭与用于燃烧焦炭的空气流一起被注入到分配板下面的正压室，所述分配板位于设置在碳化器中的导流管外的焦炭的环形流化床之下，以及煤被注入到导流管的进口。
10.如权利要求9所述的系统，其中用于气化环形床层的蒸汽和氧化剂也被注入到所述分配板之下的正压室。
11.如权利要求9所述的系统，其中用于气化环形床层的氧化剂的部分或全部通过喷射管被输送入位于分配板之上的环形床之中，以提供焦炭的有效燃烧。
12.如权利要求9所述的系统，其中分离器套被安装在分配板的内径上，使得进入导流管的焦炭流受限。
13.根据上述任一项权利要求所述的系统，其中固体燃料是煤。
14.一种实现现有化石燃料发电装置的二氧化碳排放量的减少的方法，所述方法包括：改造现有发电装置以包括前述任一项权利要求的系统。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述系统包括碳捕获系统，且通过改造系统实现的节省额基本等于或小于建设新的没有碳捕获系统的燃煤发电装置所需的费用。
16.如权利要求14所述的方法，其中至少二氧化碳的排放量的20％减少通过所述改造的发电装置实现。
17.前述任一项权利要求所述的方法，其中提高的发电能力在所述改造的发电装置实现。
18.一种方法，用于实现来自现有化石燃料发电装置的二氧化碳排放量的减少以及提高发电装置IGCC子系统的效率，所述方法包括：
碳化固体燃料以产生合成气流和焦炭细粉；
将焦炭细粉与合成气流分离；
冷却焦炭细粉；
粉碎焦炭细粉；
降低焦炭细粉中的细灰浓度；以及
将焦炭细粉作为燃料注入碳化器中；
其中，通过将焦炭细粉返回到碳酸化器中并作为燃料，来提高IGCC子系统的效率。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述方法还包括从合成气中去除污染物，所述方法包括：
过滤合成气以提供过滤的合成气；
在固定床反应器中吸附过滤的合成气中的卤化物组分；和
用可再生脱硫器去除合成气中的含硫组分，所述脱硫器包括可以交替用于吸附硫和再生吸附剂的用于连续脱硫的两个循环流化床反应器。
20.如权利要求18或19所述的方法，其中所述方法还包括减少合成气中二氧化碳的含量，所述方法包括：
用可再生脱碳器从合成气中去除二氧化碳组分，从而减少合成气中的二氧化碳浓度，所述脱碳器包括可以交替用于吸附二氧化碳组分以及再生吸附二氧化碳组分的氧化钙吸附剂的两个循环流化床反应器，以及
压缩和储存二氧化碳组分。
21.如18、19或20所述的方法，其中所述碳化步骤也产生一氧化碳，以及所述方法还包括通过吸附剂促进的反应来去除一氧化碳。
22.根据上述任一权利要求所述的系统或方法，其中所述系统还包括，或所述方法还包括使用用于减少合成气中碳含量的绝热钙循环系统，所述系统包括：
至少一个固定床反应器，其具有固定的吸附剂床，所述至少一个固定床反应器被交替设置为加压碳酸化器装置和负压的煅烧炉装置；
钙基吸附剂，存在于固定的吸附剂床中，当所述至少一个固定床反应器被设置为碳酸化器装置时其用于吸附合成气中的碳，当所述至少一个固定床反应器被设置为煅烧炉装置时其用于使碳解吸附；
以及一个或多个阀机构，其用于交替地将所述至少一个固定床反应器设置为碳酸化器装置和煅烧炉装置。
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