CN103270255A - 空气分离设备和包括空气分离设备的整体气化联合循环设备 - Google Patents

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Abstract

一种空气分离单元（1），其从材料空气（A）生产并供应在气化炉设施（2）和/或气体净化设施（3）中使用的氮气（N）并且将富氧废气（B）供应到安装在气化炉设施（2）中的空压机（24），并在富氧废气于空压机（24）中与空气一起被加压之后将其作为气化剂的一部分引入气化炉（22）中。

Description

空气分离设备和包括空气分离设备的整体气化联合循环设备
技术领域
本发明涉及空气分离设备和方法及使用该空气分离设备的整体气化联合循环设备和方法，例如低温蒸馏方法氮气生产设备和使用该氮气生产设备的整体气化联合循环系统。
背景技术
通常习惯使用利用来自气化炉设施的气化气体的整体气化联合循环系统。这些系统将氮气在包括气化材料用的载体路径的炉内部用于不同目的，且因为对氮气的需求强烈，所以通常使用诸如使用低温蒸馏方法、空气分离设备和PSA（变压吸附方法）的那些的氮气生产设备。在这些氮生产设备中，利用空气作为主成分来通过压缩和净化工艺生产氮气和液氮。而且，这些气化炉要求把气化的氧或空气作为气化剂，但因为它们要求特定的压力，所以使用具有高能效的单独氧气生产设施。
例如，在JP-A-07286505中说明了一种使用氮生产设备的整体煤气化联合循环系统（IGCC）,如图6（A）和（B）所示。
更准确地说，在装备有气化炉101、气体冷却器102、气体净化装置103、燃气轮机105、废气锅炉107、汽轮机106和惰性气体压缩机装置112的整体煤气化联合循环系统中，燃气轮机105和汽轮机驱动发电机109产生电力，并把加压的惰性气体114作为冷却介质引入到气体冷却器102中以便实施热交换，以及通过燃烧室104把加压的惰性气体114引入到燃气轮机105中。公开了在气化炉101处利用所谓的氧喷射或空气喷射的方法供应氧作为气化剂的这种结构。
这里，首先说明如图6（A）中所示的所谓氧喷射气化炉的例子。被引入到气化炉101中的煤（一般是粉状煤）121在高温和强还原气氛中通过氧116气化，所述氧116小于从空压机110供应的空气中经由空气分离装置111分离的理论燃烧氧量，且通过氧压缩机113加压，然后在高温和高压状态下从气化炉101排放。
图6（B）示出气化炉101利用所谓的空气喷射方法的情况，其中大气用空压机119加压并供应给气化炉101以使煤121气化。它未装备有如上所述的空气分离装置111，而代之以使用一部分来自氮生产装置118的氮114作为用于气体冷却器102的冷却介质。另外在这种情况下，它在利用氮114的显热的过程方面完全相同，所述氮114的显热已从气体冷却器102进行热回收，并首先在燃气轮机105中利用，然后在废气锅炉107中转变为蒸汽以待在汽轮机106和106’中使用。
发明内容
按照本发明的一方面，提供了一种形成包括气化炉设施、气体净化设施和联合循环设施的整体气化联合循环系统的一部分的空气分离设备，该设备的特征在于，其包括用于生产在所述气化炉设施和/或气体净化设施中供应和使用的氮气的机构，并且其包括用于生产富氧气体的机构，该富氧气体与空气混合并被传送到压缩机（24）以便形成进料给气化炉的气化流。
按照其它可选的方面：
-富氧气体的纯度和流动速率被选择成使得被引入到所述气化炉中的气化流包含在22%mol.-35%mol.之间的氧，
-设备包括用低温蒸馏方法分离氮的净化塔、将空气冷却至接近它的液化温度的顶部冷凝器和热交换器、以及用于将蒸发的气体从顶部冷凝器引到所述热交换器以便用其作为富氧气体的机构。
按照本发明的另一方面，提供了一种整体气化联合循环设备，其包括气化炉设施、气体净化设施、和联合循环设施，使用根据权利要求1-3中的任一项所述的空气分离设备，且其特征在于，其包括用于将氮气从空气分离设备传送到气化炉设施和/或气体净化设施的机构，和用于将空气分离设备产生的富氧气体传送到形成气化炉设施的一部分的压缩机的机构、用于将空气传送到压缩机的机构和用于将气化剂从压缩机传送到气化炉的机构；
富氧气体能通过混合器或用空气作为吸入流体的喷射器与空气混合。
按照权利要求5所述的整体气化联合循环设备可包括用于将从所述气化炉供应的气体作为燃烧气体传送到联合循环设施中的气体燃烧装置的机构、用于将通过压缩机加压的压缩气体分成两部分的机构、用于将一部分引入气体燃烧装置且将另一部分作为气化剂引入气化炉中的机构。
压缩机优选地联接到气体燃烧设施的涡轮机上。
按照本发明的另一方面，提供了一种在包括气化炉设施、气体净化设施和联合循环设施的整体气化联合循环系统内发生的空气分离工艺，其特征在于，该工艺产生在所述气化炉设施和/或气体净化设施中供应和使用的氮气，并且其产生与空气混合并被传送到压缩机以便形成进料给气化炉的气化流的富氧气体。
富氧气体的纯度和流动速率优选地选择为，使得引入所述气化炉中的气化流包含在22%mol.和35%mol.之间的氧。
空气优选地在低温净化塔中通过蒸馏作用分离以便产生氮，并且其中将富氧气体从塔的顶部冷凝器除去并在将空气冷却至其液化温度的热交换器中加热以便形成富氧气体。
按照本发明的另一方面，提供了一种整体气化联合循环工艺，其包括气化炉设施、气体净化设施、和联合循环设施，使用根据权利要求8-10中的任一项所述的空气分离设备，其中，将来自空气分离设备的氮气传送到气化炉设施和/或气体净化设施，并将由空气分离设备所产生的富氧气体传送到形成气化炉设施的一部分的压缩机以与空气一起被压缩，将压缩的混合物作为气化剂传送到气化炉中。
优选地，将从所述气化炉供应的气体作为燃烧气体传送到联合循环设施中的气体燃烧装置，将用压缩机加压的压缩气体分成两部分，并将一部分引入气体燃烧装置而将另一部分作为气化剂在气化炉中使用。
压缩机优选地使用气体燃烧设施的涡轮机驱动。
在一个变型中，将在压缩机中压缩的全部气体传送到气化炉。
富氧气体（B）包含大于35%mol.的氧，优选地至少55%mol.的氧。
然而，利用如上所述氮生产设备和使用所述氮生产设备的整体气化联合循环系统，不时会发生下列各种问题。
（i）在所述氧喷射IGCC系统中，需要将来自空气分离装置的氧气高度加压以便将其喷射到IGCC中。为了供应这种高压氧，装备有安全措施的气体接触材料和造价高的氧压缩装置变得很必要。
（ii）另一方面，在空气喷射IGCC系统中，一般供应加压到大约2～5MPa的空气且不需要氧压缩机，但在气化炉处的燃烧效率比氧喷射IGCC系统低，且还必须解决改善其燃烧效率的问题。
（iii）另外，如众所周知的，在高助燃性质情况下操作和处理氧在法律上或实际上都受到特殊的限制。处理比空气的氧浓度更高的氧浓度也受限制，并要求满足对所供应的氧气的限制条件，因为由JIGA（日本工业气体协会）或EIGA（欧洲工业气体协会）所规定的对空压机的氧纯度允许范围（低于35%；此后称之为“EIGA允许范围”）适用于待作为气化剂压缩和供应的目标流体。
本发明的目的是提供能够有效地供应在适合于工作状态的条件下的整体气化联合循环系统所需的氮和氧的氮生产设备，以及使用具有高能效的氮生产设备作为整个系统的整体气化联合循环系统。
由于所述问题，本发明人进行了大量研究并发现，通过下述氮生产设备和利用该氮生产设备的整体气化联合循环系统能达到该目的。
本发明是构成整体气化联合循环系统的一部分的氮生产设备，且其特征在于，其使用空气作为它的源材料生产在所述气化炉设施和气体净化设施中供应和使用的氮气，将通过从所述材料空气提取氮气所产生的富氧废气供应给安装在所述气化炉设施处的压缩机的主侧以便压缩空气，并在所述富氧废气于所述压缩机中与空气一起压缩之后将其作为用于所述气化炉的气化剂的一部分引入。
在如上所述的常规整体气化联合循环系统中的问题用基于整体技术概念的结构不能消除，因为整体气化联合循环系统和氮（氧）生产设备已经分别单独地根据它们各自的要求和规格成形。本发明提供用于整体气化联合循环系统中的氮生产设备的结构，该结构由于根据诸如用于氮气和富氧废气的温度条件、压力条件和流率条件之类的气体性质确定气化剂中氧浓度的最佳范围而具有最大的能效和可操作性，所述氮气和富氧废气能从使用氮气作为其主要工作气体（以后称之为“工艺气体”）的整体气化联合循环系统中的氮生产设备中供应。更准确地说，可以将具有所需压力的氮气供应给诸如气化炉和气体净化设施之类的设施，且同时将压缩的富氧气化剂引入气化炉而通过将低压废气供应给用于压缩空气的压缩机（以后称之为“空压机”）的主侧而将氧浓度保持在所述EIGA的允许范围内。如上所述，它使提供能有效地和在适合工作状况的条件下供应所需的氮和氧的氮生产设备并构造高能效的整体气化联合循环系统变得可行。
本发明是上述氮气供应装置，其特征在于，被供应到所述压缩机的主侧的废气的流率控制成，使得被引入所述气化炉的气化剂中的氧浓度为大约22-35%。
当在加压条件下供应气化剂时，由于控制作为气化剂的一部分所供应的富氧废气的流动速率的结构，本发明将气化剂中的氧浓度保持在所述EIGA允许范围内，同时使得能实施导致燃烧效率改善和降低空压机上的负担的有效气化过程。另外，降低空压机上的负担也允许选择低成本空压机并减小流动路径中每个部件的材料上的负担。
本发明是上述氮气生产设备，其特征在于，其装备有净化塔和热交换器，所述净化塔利用低温蒸馏方法净化材料空气并分离氮，所述热交换器将材料空气冷却至接近其液化温度，并将返回气体从所述净化塔引入所述热交换器以便用其作为所述富氧废气。
在使用净化塔利用低温蒸馏方法的空气分离装置中，甚至可用较简单的单塔类型来连续地供应具有所需压力的氮气，并且同时连续地提取具有几乎恒定的氧浓度的接近环境压力的富氧废气。也就是说，如上所述的这种结构能够供应为形成在适合于工作状况的条件下高能效整体气化联合循环系统所要求的氮和氧，且不仅能有效使用氮气生产设备，而且还建立整个整体气化联合循环系统的有效使用。
本发明也是包括气化炉设施、气化净化设施、和联合循环设施，使用任何所述氮气生产设备的整体气化联合循环系统，其特征在于，来自所述氮生产设备的氮气被供应给所述气化炉设施和气体净化设施，同时从材料空气提取所述氮气所产生的富氧废气通过安装在所述气化炉设施中的空压机被加压，然后作为待被引入所述气化炉中的气化剂的一部分被引入所述空压机的主侧。
利用如上所述的这种结构，使得利用富氧废气作为氧浓度调节剂来生产具有最佳浓度的气化剂且同时提供高能效整体气化联合循环系统而没有增加特殊组分和特殊操作的必要性变成可行。
本发明是所述整体气化联合循环系统且其特征在于，所述废气通过混合器或使用所述空气作为吸入流体的喷射器与空气混合。
为了产生具有最佳浓度的气化剂，需要确保空气和废气的定量一致性以便与空气混合。本发明使得能通过在空压机的主侧处安装混合器或喷射器来充分混合并供应废气形成具有一致氧浓度的气化剂，并形成整体气化联合循环系统以便实施有效的气化过程和气化气体的燃烧处理。
本发明也是所述整体气化联合循环系统，其特征在于，从所述气化炉供应的气化的气体作为燃烧气体被引入所述联合循环设施中的气体燃烧装置，通过所述空压机加压的压缩气体被分开，并且一部分作为所述气化剂、另一部分作为用于所述气体燃烧装置的助燃气体被引入气体燃烧装置。
在整体气化联合循环系统中，气化炉中稳定的气化处理以及同时所产生的气化的气体在联合循环设施的气体燃烧装置中的稳定燃烧处理对确保高能效也是重要的。本发明使得能通过提供具有与作为气体燃烧装置中燃烧处理的助燃气体的气化剂组成相同的压缩气体实施稳定而高效的燃烧处理。
附图说明
图1是本发明的整体气化联合循环系统的基本结构示例的示意图。
图2是本发明的氮生产设备的结构示例的示意图。
图3是本发明的氮生产设备的另一结构示例的示意图。
图4是本发明的整体气化联合循环系统的结构示例no.2的示意图。
图5是本发明的整体气化联合循环系统的结构示例no.3的示意图。
图6是利用常规技术的整体气化联合循环系统的结构示例的示意图。
具体实施方式
用于实施本发明的最佳结构
本发明的氮生产设备（在下文称之为“发明设备”）构成整体气化联合循环系统（在下文称之为“发明系统”）的一部分，该发明系统包括气化炉、气体净化设施和联合循环设施，且其特征在于，它用空气作为材料生产和供应在所述气化炉和气体净化设施中所用的氮气、将从所述材料空气中提取氮气所产生的富氧废气供应给安装在气化炉设施处的空压机的主侧、并在用空气通过所述压缩机加压之后将它作为用于前述气化炉的气化剂的一部分将其引入。此后，以附图为基础用IGCC作为例子说明本发明的实施例。
发明系统的基本结构示例
发明系统利用来自发明设备的氮气和氧气的示意性基本结构示例在图1（结构示例1）中示出。发明系统包括空气分离设备1、气化炉设施2、气体净化设施3、和联合循环系统4，所述空气分离设备1供应来自材料空气A的氮气N和富氧废气B，气化材料（在IGCC的情况下是煤）C、气化剂Ma和工作气体N1被引入所述气化炉设施2并且气化炉设施2供应气化的气体G，气化的气体G被引入所述气体净化设施3并且气体净化设施3供应已经过冷却、除尘和净化的燃料气体F，燃料气体和助燃气体（图中未示出）被引入所述联合循环系统4并且联合循环系统4将通过燃烧反应所产生的能量转变成电力。
发明设备1接收材料空气A并供应如有必要通过氮气压缩机（图中未示出）加压到所需压力（例如2～5MPa）的氮气N和具有低压（大致为环境压力水平）的富氧废气B。利用从发明设备1供应的氮气N作为气化炉设施2处的工作气体N1和作为气体净化设施3处的工作气体N2，废气B被供应给气化炉设施中的空压机24的主侧并用作气化剂Ma的一部分。关于发明设备1的结构细节将在下文提供。在把通过低温蒸馏方法所产生的液氮用泵（图中未示出）加压之后用热交换器（图中未示出）产生氮气N也是可行的。
气化炉设施
气化炉设施2包括气化材料C和工作气体N1被引入其中并供应气化材料C的材料供应装置21、气化材料C和气化剂Ma被引入其中并供应气化的气体G的气化炉22、和空压机24，在该空压机24处将从发明设备1供应的废气B添加到通过过滤器23净化的空气中，然后与引入的气化剂Ma混合，并将混合物加压和供应给气化炉22。将经过搅拌并分散处理成易于化学反应的状态的气化材料C安全而平稳地输送并引入到气化炉22中。这时，通过在气化炉22内无氧气氛中预热来促进气化反应。在气化炉22中，通过使气化材料C中所含有的碳组分或含氧碳氢化合物组分与气化剂Ma中所含的氧反应而产生包含一氧化碳（CO）和氢（H2O）的气化的气体G。这时，如同IGCC一样，在存在包含未反应的碳和碳氢化合物的残留物R如焦炭的情况下，理想的是将残留物R回流到气化炉22以便实施再反应。在气化炉22中，理想的是安装温度控制传感器和如有必要安装能控制H2O、CO或H2O、或者多种组分如残留氧的浓度控制传感器（图中未示出）。
关于气化材料C，除了煤之外，能使用石油重质残渣、生物质或轮胎碎片。当把气化材料C引入到气化炉22中，或者在引入之前暂时储存它时，理想的是用惰性气体作为处理气体施加载体处理或气氛处理。在与处理气体接触时间长的情况下，除了提高像载体处理这类过程的效率之外，还能防止随着由气化材料C的部分反应（反应热）所产生的反应热促进反应而生成诸如高度反应性气化的气体之类组分的危险。关于工作气体N1，使用来自发明设备1的氮气N。工作气体N1的引入量和供应压力通过气化材料C的供应速率和性质或材料供应装置21的容量进行调节。
被引入到气化炉22的气化剂Ma的压力和流动速率用空压机24调节。这里，理想的是气化剂Ma的氧浓度为大约22%～35%。为了降低供应压力和提高气化剂Ma的气化反应速率，理想的是氧浓度高，但是氧浓度越高，空压机24的负荷也变得越大。另外从如上所述的EIGA的容许范围来看，优选的是浓度为35%或更低。而且，理想的是氧的浓度为大约22%或比用于伴随诸如气化材料C的组成可变性之类的因素的气化反应的氧浓度控制范围高。随着从发明装备1供应的废气B被加入并与通过过滤器23净化的空气混合，在空压机24的主侧的会合点25处产生具有高氧浓度的气化剂Ma。这里，可通过用混合器（图中未示出）代替会合点25来改善废气B的均质性。随着在环境压力下加入废气B，它减小了空压机24的负荷，并且同时减小了在发明设备1的废气B的供应侧上的负荷。而且，通过供应高浓度氧降低供应压力减小了空压机24上的负荷，同时允许选择更低成本的空压机24并减小了流动路径的每个部分的材料上的负荷。
气体净化设施
气体净化设施3包括冷却装置31、除尘装置32、和净化装置33，所述冷却装置31冷却从气化炉22供应的气化的气体G，所述除尘装置32除去气化的气体G中的粉尘，而所述净化装置33分离和除去诸如焦油组分和CO2之类的组分。气化的气体G被净化和作为燃料气体F被供应给联合循环设施4。因为在除尘装置32所分离的残留物中包含未反应的高沸点碳和碳氢化合物如焦炭和焦油，所以通过漏斗34使其回流到气化炉22中。此时，将来自发明设备1的氮气N作为工作气体N2引入到漏斗34中并用于搅拌处理和载体处理。工作气体N2的引入量和供应压力通过气化材料C的供应量和性质调节。因为工作气体N2如同工作气体N1一样被引入气化炉22，且二者能在相同压力下供应，所以二者能共同从发明设备1供应。而且，在净化装置33内部充装有诸如氧化铁吸附剂和MDEA（甲基二乙醇胺）之类的物质。
联合循环设施
联合循环设施4包括燃烧装置41、燃气轮机42、发电机43、和废气锅炉44，从净化装置33供应的燃料气体和助燃气体（图中未示出）被引入所述燃烧装置41并且该燃烧装置供应由燃烧反应所产生的燃烧废气E，燃烧废气E被引入所述燃气轮机42并且该燃气轮机驱动涡轮机，所述发电机43连接到燃气轮机42上并把燃烧能转变成电力，从燃气轮机42供应的燃烧废气E被引入所述废气锅炉44并且用于诸如产生蒸汽之类的目的。将在燃烧装置41中所产生的高温和高压燃烧能有效地转变成发电能。用来在废气锅炉44中产生蒸汽的废气在经过必要处理的情况下应用并排放到大气中。
发明设备的结构示例
关于在发明系统中所用的发明设备1，能使用具有净化塔的低温蒸馏方法、具有分子筛的PSA类型或TSA类型、或者使用聚合物膜组件的分离膜类型。因为期望将无氧氮气或等同物作为工作气体N1和N2，所以发明系统通过使用这种氮气生产装置配置。此时，理想的是测量从发明设备1供应的氮气N或废气中的氧浓度，且还通过安装内置调节阀和/或测量计调节供应压力和供应流率。
（1）具有净化塔的低温蒸馏法氮气生产设备
图2示出本发明的工艺的示意性第一实施例，其中使用利用净化塔的低温蒸馏设备1。发明设备1包括净化材料空气A并用低温蒸馏方法分离氮气N的净化塔11、和将材料空气A冷却到接近其液化温度的热交换器12。更准确地说，已通过热交换器12在低温下液化的材料气体A被引入到净化塔11的塔下部区段11a，并由于沸点差而在塔的净化区段11b处净化以产生氮气N。从净化塔11的塔顶区段11c供应的低温氮气N通过热交换器12被加热并以大约0.5-1.2MPa的压力供应。即使利用较简单的单塔类型，也能以期望的压力连续地供应氮气N。
在塔下部区段11a处已变得富含氧的液态空气La作为冷却源的一部分被引入到冷凝器11d中，并且它的一部分另外气化和然后通过热交换器12被加热，并作为废气B供应。可以连续地提取具有几乎恒定的氧浓度和接近环境压力的废气B。此时，从冷凝器11d排出的富氧废气B被进一步引入到膨胀涡轮机12a中，在主热交换器12处用作冷却介质，然后被排放到系统外部。这使它能起到对用于氮气N的冷却源的补充作用。而且，根据需要，具有期望压力的液化的氮Ln被引入到净化区段11c。这可供补充与所需氮气N的量相当的材料，同时起补充用于冷凝器11d的冷却源的作用。在适合于氮和氧的操作利用的条件下供应所需的氮和氧的量是可行的。
（2）具有分子筛的PSA类型氮气生产设备
图3示出使用分子筛的PSA类型发明设备1的示意性结构示例。发明设备1包括吸附塔单元、转换单元14、和缓冲罐15，所述吸附塔单元装备有两个充填有选择性地吸附材料空气A中的氧的吸附剂的吸附塔13a和13b，所述转换装置14装备有允许转换材料空气A的供应的开关阀V1～V4和允许转换再循环气体Ba到吸附塔13a和13b的供应的开关阀V5～V8，所述缓冲罐15安装在废气Ba的供应流动路径处。其具有将期望压力下的加压材料空气A和氮气供应给吸附塔中具有低温的一者的作用，同时具有将环境压力水平下的再循环气体和富氧废气供应给具有高温的另一个吸附塔的作用。而且，通过将废气B引入到具有所需容量的罐15中并临时储存它使废气B的氧浓度均匀并降低温度是可行的。
关于吸附剂，使用像具有高选择性氧吸附能力的分子筛碳（MSC）这样的物品。通过利用由于分子的大小—氮
Figure BDA0000337939330000111
和氧
Figure BDA0000337939330000112
—而导致的吸附速度的不同，利用具有如同MSC一样的分子筛功能的吸附剂能分离氮气和氧气。也就是说，当把包括氧气和氮气的混合气体引入到吸附塔13a和13b中时，因为它们的吸附速度之间的差异大，所以氮气和氧气在吸附的早期阶段短时间内（1～2分钟）分离。尤其是当把加压的混合气体引入到吸附塔13a和13b中时，具有较小分子的氧首先被吸附而大多数氮通过。另一方面，当降低具有吸附的氧的吸附塔13a和13b的压力时，所吸附的氧被释放。通过在充填以具有分子筛功能的吸附剂的吸附塔13a和13b中重复通过增加压力吸附和通过降低压力释放的该过程，可以连续地分离氮气和氧气。
更准确地说，通过打开开关阀V1和V7及关闭开关阀V3和V5，可以将材料空气A引入其中一个吸附塔（例如13a）中，在吸附塔13a中利用吸附剂选择性地除去加压材料空气A中的氧，并提取出氮气N。同时，通过打开开关阀V4和V6，及关闭开关阀V2和V8，可以将再循环气体Ba引入另一个吸附塔（例如13b）中，从吸附塔13b中的吸附剂释放出氧，并取出富氧废气B。而且，通过反向转换开关阀V1～V8的操作，并且在吸附塔13b中形成增加的压力状态和在吸附塔13a中形成减小的压力状态，能类似地提取出氮气和富氧废气B。
如上所述，通过安装两个吸附塔13a和13b且交替转换这两个过程，可以用具有较小容量的吸附塔13a和13b保持连续地高去除效率而同时确保高去除效率。关于再循环气体Ba，使用低纯度氮气或在发明系统中已经使用且不含氧的净化的气体（例如已经净化的燃烧废气E）。在适合于工作状况的条件下供应所需的氮和氧是可行的。此外，通过采用多个吸附塔并且交替地转换它们的操作，可以连续地供应氮和氧。代替使用8个开关阀V1～V8的上述发明设备1，也可使用三通转换阀或四通转换阀以将其制成更简单的结构。
发明系统的其它结构示例
发明系统基于所述结构示例1，且如能从如上所述发明设备1用的不同结构示例中选择那样，也能采用还与气化炉设施2、气体净化设施3和联合循环设施4有关的不同应用的结构示例，而同时与使用来自发明设备1的废气B有关的不同应用是可行的。作为发明系统的其它结构示例，下面说明若干结构示例（结构示例2和3），其中一个结构示例的特征在于，其涉及气化剂Ma的生产，而另一个结构示例的特征在于，其涉及助燃气体Mb在燃烧装置41中的使用。
（1）图4示出发明系统的第二实施例。发明系统的特征在于，使用空气作为吸入流体的喷射器26安装在所述图1的气化炉设施2的会合点25中。通过使用喷射器26的恒压吸入功能或快速混合功能，能保证空气和待与空气混合的废气的定量容量，并稳定地产生具有最佳浓度的气化剂。尤其是通过将喷射器26安装在空压机24的主侧上的减压流动路径中，能实施在恒定流率下的稳定吸入作用，而没有外部负荷波动对在恒定压力下从发明设备1供应的废气B的影响。因此，除了空气通过喷射器26具有恒定的流率的吸入功能之外，能一直形成具有稳定而均匀的氧浓度的气体作为混合的气化剂Ma。
（2）图5示出发明系统的第三实施例。发明系统的特征在于，通过空压机24加压的压缩气体M如此分开，以便一部分作为气化剂Ma被供应给气化炉22，而另一部分作为气体燃烧装置41的助燃气体Ma被供应给气体燃烧装置41。这也可适用于所述结构示例1和2。通过供应具有与气化剂Ma相同组成的压缩气体M作为助燃气体Mb用于在气体燃烧装置41处燃烧处理，也能将其应用于发明系统的联合循环设施4处的燃烧反应以便由于高燃烧效率而改善发电效率。
使用氮气N的条件的检验
这里，提供氮气N和气化剂Ma及助燃气体Mb的供应速率之间的相互定量关系的检验。由于水和氩的量是微小的，所以把它们近似看成0（零），且假定氮气N是纯氮。下面是在废气B能作为助燃气体Mb的一部分供应的条件下检验的结果。由于来自发明设备1的富氧废气B的供应量b是材料空气A的引入量a减去氮气N的供应量c的余数，所以在例如废气B包含60%氧的情况下能从氮组分和氧组分的平衡形成下列方程1～3。
a＊0.79=c+b＊0.40         （方程1）
a＊0.21=b＊0.60           （方程2）
Figure BDA0000337939330000131
             （方程3）
也就是说，能供应氮气N的供应量的54%。这里，如果用废气B的生产量b中的供应量b1作为与空气的吸入量d混合的供应量e的35%的气化剂Ma的一部分，则能形成下列方程4～6：
e＊0.65=d＊0.79+b1＊0.40         （方程4）
e＊0.35=d＊0.21+b1＊0.60         （方程5）
                   （方程6）
也就是说，所使用的气化剂Ma的量的大约36%变成所使用的废气B的量，且假定废气B的生产量b等于供应量b1，则能形成下面方程7。
Figure BDA0000337939330000141
                    （方程7）
也就是说，可供应大约是氮气生产量的150%的气化剂Ma的量。因此，在待用作气化剂Ma的量小于那个量的情况下，废气B能作为助燃气体Mb的一部分供应。
工业适用性
上文用IGCC作为例子说明了本发明关于使用来自气化炉设施的气化气体作为燃料的整体气化联合循环系统的装置结构，但本发明不限于上面提供的那些结构，并且也能在诸如化学工艺之类的工艺和各种不同的处理炉中使用。
代号说明
1       发明设备
2       气化炉设施
21      材料供应装置
22      气化炉
23      过滤器
24      空压机
25      会合点
3       气体净化设施
31      冷却装置
32      除尘装置
33      净化装置
34      漏斗
4       联合循环设施
41      燃烧装置
42      燃气轮机
43      发电机
44      废气锅炉
A       材料空气
B       废气
C       气化材料
E       燃烧废气
F       燃料气体
G       气化气体
Ma      气化剂
N       氮气
N1，N2  工作气体
R       残留物

Claims (15)

1.一种空气分离设备，其形成包括气化炉设施（2）、气体净化设施（3）和联合循环设施（4）的整体气化联合循环系统的一部分，其特征在于，所述空气分离设备包括用于生产在所述气化炉设施和/或气体净化设施中供应和使用的氮气（N1，N2）的机构，并且包括用于生产富氧气体（B）的机构，所述富氧气体与空气混合并被传送到压缩机（24）以形成供给气化炉的气化流。
2.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，所述富氧气体的纯度和流率被选择成使得被引入所述气化炉的气化流包含介于22%mol.和35%mol.之间的氧。
3.按照权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括利用低温蒸馏方法净化空气和分离氮的净化塔（11）、顶部冷凝器（11d）和将空气冷却至接近其液化温度的热交换器（12）、以及用于将蒸发的气体从所述顶部冷凝器引入所述热交换器以便将其用作富氧气体（B）的机构。
4.一种整体气化联合循环设备，包括气化炉设施（2）、气体净化设施（3）和联合循环设施（4），使用按照权利要求1至3中的任一项所述的空气分离设备（1），其特征在于，所述整体气化联合循环设备包括用于将氮气从所述空气分离设备传送到所述气化炉设施（2）和/或气体净化设施（3）的机构，以及用于将从所述空气分离设备产生的富氧气体（B）传送到形成所述气化炉设施的一部分的压缩机（24）的机构、用于将空气传送到所述压缩机（24）的机构和用于将气化剂（Ma）从所述压缩机传送到气化炉（22）的机构。
5.按照权利要求4所述的整体气化联合循环设备，其特征在于，所述富氧气体（B）通过混合器（25）或使用空气作为吸入流体的喷射器（26）与空气混合。
6.按照权利要求5所述的整体气化联合循环设备，包括用于将从所述气化炉供应的气体（F）作为燃烧气体传送到所述联合循环设施中的气体燃烧装置（41）的机构、用于将通过所述压缩机（24）加压的压缩气体分成两部分的机构、用于将一部分（Mb）引入所述气体燃烧装置中并将另一部分（Ma）作为气化剂引入所述气化炉（22）中的机构。
7.按照权利要求4，5或6所述的设备，其中，所述压缩机（24）联接在气体燃烧设施的涡轮机（42）上。
8.一种在整体气化联合循环系统内发生的空气分离方法，所述整体气化联合循环系统包括气化炉设施（2）、气体净化设施（3）和联合循环设施（4），其特征在于，所述方法产生在所述气化炉设施和/或气体净化设施中供应和使用的氮气（N1，N2），并且产生与空气混合并被传送到压缩机（24）以形成供给气化炉的气化流的富氧气体（B）。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述富氧气体的纯度和流率被选择成使得被引入所述气化炉的气化流包含介于22%mol.和35%mol.之间的氧。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其中，在低温净化塔（11）中通过蒸馏分离空气以生产氮，将富氧气体从所述净化塔的顶部冷凝器移除并在热交换器（12）中加热以形成富氧气体（B），所述热交换器将空气冷却至接近其液化温度。
11.一种整体气化联合循环方法，包括气化炉设施（2）、气体净化设施（3）和联合循环设施（4），使用按照权利要求8-10中的任一项所述的空气分离设备（1），其中，将来自所述空气分离设备的氮气传送到所述气化炉设施（2）和/或气体净化设施（3），将从所述空气分离设备产生的富氧气体（B）传送到形成所述气化炉设施的一部分的压缩机（24）以与空气一起被压缩，将压缩的混合物作为气化剂（Ma）传送到气化炉（22）。
12.按照权利要求11所述的整体气化联合循环方法，其特征在于，将从所述气化炉供应的气体（F）作为燃烧气体引入所述联合循环设施中的气体燃烧装置（41），将通过所述压缩机（24）加压的压缩气体分成两部分并且将一部分（Mb）引入所述气体燃烧装置中且将另一部分（Ma）在所述气化炉（22）中用作气化剂。
13.按照权利要求10，11或12所述的方法，其中，使用气体燃烧设施的涡轮机（42）驱动所述压缩机（24）。
14.按照权利要求10-13中任一项所述的方法，其中，将在所述压缩机中压缩的所有气体都传送到所述气化炉（22）。
15.按照权利要求10-14中任一项所述的方法，其中，所述富氧气体（B）包含大于35%mol.的氧。
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