CN1033530C - 由含碳燃料产生动力的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种综合燃气化联合循环过程和装置，通过增大由燃气轮机(24)所产生的动力与由汽轮机(25)所产生动力相比的比例，实现总热效率的提高。
通过在燃气化装置(1)的下游设置一个放热的催化反应器(5)以预热燃气轮机用的加有不燃气体的燃气，从而实现效率的提高。
Description
本发明涉及一种综合燃气化联合循环(integrated gasificationcombined cycle，即IGCC)的过程。具体地讲，本发明涉及的这种IGCC过程是通过提高由燃气轮机所产生的动力与由汽轮机所产生的动力相比的比率值，而获得总热效率的提高。为此在燃气化步骤的后面加上放热的催化反应器，以预热燃气轮机用的加有不燃气体的燃气。
综合燃气化联合循环装置用燃气轮机和汽轮机发出动力，其中，汽轮机所用的蒸汽是依靠燃气轮机排气中的热量或者燃气化步骤中的废热而产生的。另外，设置于燃气化步骤和燃气轮机之间的燃气膨胀机也产生动力。
通常，燃气轮机的热效率高于汽轮机，无论后者是背压式还是冷凝式。因此，IGCC过程中由燃气轮机发出的动力与汽轮机发出的动力的比率越高，IGCC过程的总热效率就越高。
假设燃气轮机产生的动力为Pg，汽轮机产生的动力为Ps，那么，在特定的总动力(Pg+Ps)的情况下，Pg/Ps的值越大，IGCC过程的效率越高。
蒸汽的两个主要来源是来自燃气化步骤的废热和来自燃气轮机的排气。燃气化步骤的效率越高。即为实现燃气化而转换成热量的能量越少，则来自燃气化步骤可用于产生蒸汽的热量也越少。燃气轮机的效率越高，亦即，燃气中转化成净轴功率的能量越多，排气中可用来产生蒸汽的热量就越少。
为了有较高的IGCC热效率，燃气化和燃气轮机效率应该尽可能高。此外，在高的燃气化和燃气轮机效率下，增大燃气轮机产生的动力对于提高IGCC动力的总热效率有重大意义。
本发明通过增加由进入燃气轮机的燃气所携带的显热，因此而增多燃气轮机所发生的动力，从而提高IGCC效率。
精通本技术领域的人都知道，燃气轮机燃料中，添加有携带废热进入燃气轮机的不可燃气体载热体，就会提高燃气轮机的效率。这种不可燃载热体可以是一种气体，如氮气或者二氧化碳，或者是一种蒸汽，如在饱和装置中蒸发后进入燃气的蒸汽或者直接喷到燃气中的水蒸汽。外加的不可燃气体使得可燃气体与不可燃气体的混合物能够在一定的温度下携带更多的显热，也就能携带更多热量进入燃气轮机，提高其效率。不可燃气体还提供了其它好处，例如，降低火焰温度，减少所产生的NOx，以及减少燃气轮机膨胀机所需要的冷却空气量。
联合碳化物公司、通用电气公司和德克萨哥公司于1991年10月的第10届EPRI燃气化研讨会上发表了名为“用于GCC装置的空气分离组合”的论文，其中讨论了加入氮气以提高IGCC热效率。
公开号为034781的欧洲专利申请90301974.3号中揭示了在一饱和器中利用燃气压力的有意降低来帮助加入不可燃水蒸汽。
但是，这些方案主要利用燃气化器的废热来预热进入燃气轮机之前的燃料和不可燃气流的混合物。
在授予奈斯的欧洲专利0259114B1号中，提供了一种用于从含碳燃料产生动力的方法，该方法在超大气压下用氧气或含氧气体使燃料部分氧化产生含一氧化碳气流；然后使生成的气体骤冷；再进入转移反应器进行转移反应，反应后的气体经升温后被膨胀产生动力，并流经除硫单元除硫；除硫后的气体与水蒸汽接触；最后通过增加氧气或一种含氧气体使该气流基本上完全燃烧而产生动力。该方法利用了在转移反应中产生的部分转移热量，但这部分热量用于预热膨胀之前的气流，并未增加输送给燃气轮机的燃气与不可燃气体的混合物所携带的显热。
因此本发明的一个目的是提供一种从含碳燃料产生动力的方法，该方法通过提高燃气轮机的效率来提高IGCC热效率。
本发明的另一个目的是提供一种用上述方法从含碳燃料产生动力的装置，从而通过提高燃气轮机的效率来提高IGCC热效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种从含碳燃料产生动力的方法，它包括：利用氧气或含氧气体在超大气压力下使燃料部分氧化，以产生含有一氧化碳的气流；在氧化步骤的下游，直接用水对上述燃气流进行骤冷，从而增加气流中的蒸汽含量，然后使该气流作一氧化碳催化转移反应，使水蒸汽转移成氢气，并且至少使一部分一氧化碳转换成二氧化碳，并随之有热量放出，其中，所放出的转换热中至少一部分用于再加热已被冷却和流经去硫步骤，并加有不燃性气体的转移燃气流；然后，用外加的氧气或含氧气体使不燃气流与转移后的去硫燃气流的再加热混合物中的至少绝大部分完全燃烧，从而在综合燃气化联合循环过程中产生动力；其中，所述方法还包括在加入不燃性气流之前或之后降低已冷却的转移后的去硫燃气流的压力，从而对该气流进行降压的步骤。
该过程最好包括：用氧或含氧气体使燃料部分氧化，以获得含有超大气压一氧化碳的气流；在氧化步骤的下游，用水对上述燃气流直接进行骤冷以增大燃气流中的蒸汽含量；确保该气流处在足以起始放热的转移反应的温度；然后使该燃气流进行一氧化碳转移反应，藉此，使蒸汽转化成氢气，至少一部分一氧化碳转化成二氧化碳，并附带有热量放出；用热交换器冷却经加热和转移的燃气流；从经冷却并转移的燃气流中去除硫化物；给经去硫并转移的气流添加不可燃气流；与热的经转移的燃气流作热交换，从而对不可燃和去硫转移过的燃气流混合物进行再热，然后用外加的氧气或含氧气体使不可燃气体和去硫转移燃气流混合物中绝大部分可燃的气体充分完全燃烧，从而产生动力，其中在加入不燃性气流之前或之后降低已冷却的转移后的去硫燃气流的压力，从而对气流进行降压。
本发明还提供了一种在综合燃气联合循环过程中用含碳燃料产生动力的装置，它包括：用于在超大气压力下用氧气或含氧气体使燃料部分氧化，以产生含有一氧化碳的气流的装置；在部分氧化装置的下游的骤冷器，用于直接用水骤冷所述气流；用于在必需的时候加热该气流到足够的温度，以起始放热的转移反应的装置；用于使该气流进行一氧化碳催化转移反应的装置，藉此，其中的至少一部分一氧化碳被转移成二氧化碳，并随之有热量放出；将转移燃气流的热量交换给经过了去硫装置和加入不燃气流的装置后的、混有不燃气流的转移燃气流的装置；以及用外加的氧气或含氧气体使去硫转移燃气流和不燃气流的混合物中至少绝大部分完全燃烧从而在综合燃气化联合循环过程中产生动力的装置；其中，它还包括在加入不燃性气流之前或之后降低已冷却的转移后的去硫燃气流的压力，从而对该气流进行降压的装置。
本发明通过采用燃气化步骤之后的反应器所产生的催化转移热量，来预热输送给燃气轮机的燃气与不可燃气体的混合物，而实现了IGCC热效率的提高。本发明采用一个骤冷燃气化器，其后进行转移和燃气轮机进气预热，以增大由燃气轮机所发生的那部分动力。
众所周知，可利用干气流发生器来回收燃气化器的废热。废热用在汽轮机中，而非燃气轮机中。本发明优先在燃气轮机中利用燃气化废热，其效率比汽轮机高。
在IGCC装置中采用一氧化碳转移反应的优点已由别人所揭示。在授予奈斯的欧洲专利0259114B1号中，转移反应器放在骤冷燃气化器之后，但它产生的热量用来在单独的膨胀机之前预热该燃气轮机用燃气。授予苏吉特和吉尔默的美国专利第4,202,167号中揭示出利用转移来除去燃气中不需要的镍化物。
但是，在本发明中，转移被用来提高燃气轮机所产生的那部分动力，从而提高IGCC热效率。燃气化余热首先用在骤冷中，以产生混入燃气中的水蒸汽。该燃气/水蒸汽混合物再经过放热的催化转移反应，并且，以蒸汽的形式把由此所产生的大部分显热传送给燃气轮机，而不是汽轮机。
转移所需的预热通过与热水、蒸汽或主燃气流或另一燃气流作热交换等手段来实现。
在燃气/蒸汽混合物经过骤冷之后，通过与其它气流作热交换，可以回收一部分热量，或者该热量也可以用来产生蒸汽。
转移的气流在去硫之前或之后，可以通过减压方式膨胀，这可以在膨胀涡轮机中进行，以产生轴功率；这最好在添加不可燃气流之前进行。该不可燃气流提高了输送给燃气轮机的燃气流的热容量。
从转移反应释放出的一部分热量可以作其它用途，例如，在去硫与膨胀涡轮机之间过热气流，产生蒸汽，加热蒸汽发生器给水，加热其它气流，或者用于给水饱和系统供热。转移热的大部分最好用于预热燃气轮机的燃气。
不可燃气体可以是氮气或二氧化碳，或者蒸汽，或者上述两者及其以上的混合物。
图1是一流程简图，示出本发明的第一实施例，该实施例利用燃气与水蒸汽的混合气体将显热带入燃气轮机。图2是本发明第二实施例的流程简图，该实施例利用燃气与不凝性不可燃气体的混合物将显热带入燃气轮机。
本发明增大了在IGCC过程中燃气轮机所产生的动力相对于汽轮机所产生动力的比率。因为燃气轮机的热效率本征地高于汽轮机的热效率，所以，IGCC热效率得到提高。在本发明的过程中避免了将燃气化余热用于产生蒸汽，而是将此余热用于骤冷过程之中，形成适合的转移反应条件，然后，利用该转移反应中放出的至少一部分热量来预热进入燃气轮机的燃气。
例如，本发明的设想可以有效地应用在包括一个水饱和系统(water saturation system)的IGCC过程中，以增加燃气的热容量。在后文中，利用两个实施例来说明本发明的过程。
在第一个实施例中，燃气流经过去硫之后，由水蒸汽再次饱和，以增大其热容量。在第二实施例中，燃气流的热容量是通过在去硫步骤之后加入氮气而增大的。
现在，参照附图1和表1，举例说明本发明的第一实施例。
由液烃精炼厂的废料或者烃与水的乳化液构成的燃料，在部分氧化装置(1)中，在70巴的压力下，与95％容积比的纯氧起反应。得到的燃气混合物由过量的水骤冷(2)，亦即，并非所有的水都汽化，并随后降到压力为63巴和温度为243℃的饱和状态。因此，该骤冷步骤除了是燃气降温步骤外，还是燃气的清洗步骤。
骤冷之后产生的燃气在表1中称为气流2，它经过一个分离罐(4)和一个热交换器(8)，然后进入转移催化反应器(5)。小型的互换式热交换器(8)用来预热进入的燃气和蒸汽混合物。该热交换器用于促使转移反应开始，并防止蒸汽凝结在转移催化剂上。
图1中，在部分氧化反应(1)和骤冷(2)之后，首先在蒸汽发生器(3)中产生压力为21巴的高压蒸汽，部分是为了调节蒸汽燃气比率，也是为了进行温度调节，以便随后在260℃至472℃之间进行转移反应。在放热的转移反应中释放出的一部分热量用在热交换器(6)中，将蒸汽发生器(3)产生的蒸汽过热至340℃。燃气流在热交换器(8)中与转移反应器的入口燃气作热交换之后，在热交换器(7)和(9)中用来将去硫的水饱和燃气作为燃料供给燃气轮机(24)之前将其预热至390℃。
在最后的燃气预热交换器(9)之后，蒸汽发生器(11)产生7巴的低压蒸汽。来自蒸汽发生器(3)和(6)的高压过热蒸汽和来自蒸汽发生器(11)的低压蒸汽供入与燃气轮机(24)联合运转的汽轮机(25)中。
在分离罐(4)、(10)和(12)中收集的凝结水，与补充水一起再循环至骤冷器(2)。
燃气进而在交换器(13)中通过与去硫燃气作热交换而被冷却，并经过水回路热交换器(15)、补充水热交换器(17)和最后的冷却水热交换器(19)，得到冷却。凝结水在分离罐(14)、(16)、(18)中被收集起来，再循环到骤冷器(2)。
冷却后的燃气被供入一个常规的去硫设备(未示出)，在其中，燃气中的硫化物被有选择地去除。然后，该去硫燃气在热交换器(13)中被重新加热至125℃，并在燃气膨胀机(21)中膨胀到压力为21巴。燃气膨胀机(21)的轴功率可用来发电。
然后，低压去硫燃气通过一个接有循环泵(23)的饱和器(22)，由水蒸汽饱和至出口温度为127℃。在送入燃气轮机(24)之前，再在热交换器(9)和(7)中与转移后的热燃气作热交换，过热至390℃。
表1中以本实施例作为具体例子，列出了图1中标着1至7的主要燃气流的质量和能量平衡。
现在参照图2，举例说明本发明的第二实施例。其中设备序号用得与图1中相同。
如图1一样，由液烃精炼厂废料或者烃与水的乳化液构成的燃料在部分氧化装置(1)中，在一定压力下与氧起反应。得到的燃气混合物由过量的水骤冷(2)，亦即，并非所有的水都汽化，降至饱和状态。因此，该骤冷步骤除了作为燃气冷却步骤之外，还是气体清洗步骤。
此外，转移催化反应器(5)有一小型互换式热交换器(8)，用于预热入口的燃气/蒸汽混合物。该热交换器用于使转移反应起始，并防止蒸汽冷凝在转移催化剂上。这种预热可以用其它手段实现，例如，通过与热水、蒸汽或者另一燃气流的热交换来实现。
在骤冷(2)之后，由一系列热交换器(6、7、8、9)从燃气/蒸汽混合物回收热量，以加热其它燃气流，或者产生蒸汽。
在图2所示实施例中，紧接着部分氧化反应(1)和骤冷(2)，首先由蒸汽发生器(3)产生高压蒸汽，部分是为了调整蒸汽/燃气比率，也是为了在转移反应之前进行温度控制。在放热的转移反应中释放的一部分热量在热交换器(6)中用来使蒸汽发生器(3)产生的蒸汽过热。燃气流在热交换器(8)中与转移反应器的入口燃气作热交换之后，在热交换器(7)和(9)中预热混有氮气的去硫水饱和气体，然后所述混和物作为燃气输入燃气轮机(24)。
在最后的燃气预热热交换器(9)之后，蒸汽发生器(11)产生低压蒸汽。来自热交换器(6)的高压过热蒸汽和来自热交换器(11)的低压蒸汽供入与燃气轮机(24)联合工作的汽轮机(25)。
在分离罐(4)、(10)和(12)中收集的凝结水，与补充水一起，再循环到骤冷器(2)。
燃气在热交换器(13)中与去硫燃气作热交换而得到冷却，再经过氮气加热器(26)，最后经过冷却水热交换器(19)，得到冷却，在分离罐(14)、(27)和(20)中收集的凝结水，再循环至骤冷器(2)。
冷却后的燃气再被供入一常规的去硫设备(未示出)，在其中，包含在燃气中的硫化物被有选择地去除。去硫燃气然后在热交换器(13)中被再次加热，并在一燃气膨胀机(21)中膨胀。燃气膨胀机(21)的轴功率可用来发电。
在热交换器(26)中预热后的氮气流再加到低压去硫燃气中，其混合物在热交换器(9)和(7)中与转移后的热燃气作热交换，得到过热，再供入燃气轮机(24)。
表1
Claims (9)
1.一种在综合燃气化联合循环过程中，从含碳燃料产生动力的方法，它包括：利用氧气或含氧气体在超大气压力下使燃料部分氧化，以产生含有一氧化碳的气流；在氧化步骤的下游，直接用水对上述燃气流进行骤冷，从而增加气流中的蒸汽含量，然后使该气流作一氧化碳催化转移反应，使水蒸汽转移成氢气，并且至少使一部分一氧化碳转换成二氧化碳，并随之有热量放出，其中，所放出的转换热中至少一部分用于再加热已被冷却和流经去硫步骤，并加有不燃性气体的转移燃气流；然后，用外加的氧气或含氧气体使不燃气流与转移后的去硫燃气流的再加热混合物中的至少绝大部分完全燃烧，从而在综合燃气化联合循环过程中产生动力；其特征在于，所述方法还包括在加入不燃性气流之前或之后降低已冷却的转移后的去硫燃气流的压力，从而对该气流进行降压的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不燃气体是水蒸汽。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不燃气体是氮气。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不燃气体是二氧化碳。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不燃气体是水蒸汽、氮气和二氧化碳三者中两者或两者以上的混合物。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，它还包括在使骤冷后的气流进行所述放热转移反应之前使该气流通过一个蒸汽发生器以产生蒸汽的步骤。
7.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述压力的降低在一个膨胀式发动机中完成，以产生轴功率。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述压力的降低在一个膨胀式发动机中完成，以产生轴功率。
9.一种在综合燃气联合循环过程中用含碳燃料产主动力的装置，它包括：用于在超大气压力下用氧气或含氧气体使燃料部分氧化，以产生含有一氧化碳的气流的装置；在部分氧化装置的下游的骤冷器，用于直接用水骤冷所述气流；用于在必需的时候加热该气流到足够的温度，以起始放热的转移反应的装置；用于使该气流进行一氧化碳催化转移反应的装置，藉此，其中的至少一部分一氧化碳被转移成二氧化碳，并随之有热量放出；将转移燃气流的热量交换给经过了去硫装置和加入不燃气流的装置后的、混有不燃气流的转移燃气流的装置；以及用外加的氧气或含氧气体使去硫转移燃气流和不燃气流的混合物中至少绝大部分完全燃烧从而在综合燃气化联合循环过程中产生动力的装置；其特征在于，它还包括在加入不燃性气流之前或之后降低已冷却的转移后的去硫燃气流的压力，从而对该气流进行降压的装置。
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