CN104673401A - 用于密封合成气冷却器的系统和方法 - Google Patents

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R.斯里帕达
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Abstract

本发明公开一种系统，所述系统包括合成气冷却器和兼容密封气体系统。所述合成气冷却器可配置用于冷却合成气。所述兼容密封气体系统可配置用于将兼容密封气体供应至所述合成气冷却器的密封件。所述密封件可配置用于阻止所述合成气进入所述合成气冷却器的外壁与所述合成气冷却器的所述管笼之间的通道。

Description

用于密封合成气冷却器的系统和方法
技术领域
本说明书公开的主题大体涉及气化系统，并且更具体地说，涉及用于密封合成气冷却器的系统和方法。
背景技术
气化系统可用于通过使各种烃原料(如煤)与蒸汽和氧气(O2)在气化器中起反应，来产生一氧化碳(CO)和氢气(H2)的气体混合物(例如，合成气体，或合成气)。合成气可在化工生产应用中进行处理和利用，或在联合循环动力设备中用作燃料。通常在相对高的压力和温度下发生气化过程。当合成气分配用于化工生产应用或用于联合循环动力设备时，可以期望冷却热合成气(例如)以便帮助维持合成气的稳定性。
合成气冷却器可用于冷却由气化器产生的合成气。由气化器产生的合成气还可包含腐蚀性气体，如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS)。
发明内容
下文概述了与最初所要求的本发明的范围相符的某些实施例。这些实施例并不意图限制本发明的范围，相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简述。实际上，本发明可以涵盖可与下述实施例类似或不同的各种形式。
在第一实施例中，系统包括配置用于冷却合成气的合成气冷却器。所述合成气冷却器包括密封件，所述密封件配置用于阻止合成气进入合成气冷却器的外壁与合成气冷却器的管笼之间的通道。所述系统还包括配置用于将兼容密封气体供应至合成气冷却器的密封件的兼容密封气体系统。
在第二实施例中，方法包括：使用设置在合成气冷却器中的密封件来阻止合成气进入合成气冷却器的外壁与合成气冷却器的管笼之间的通道；以及使用兼容密封气体系统来将兼容密封气体供应至所述密封件。
在第三实施例中，系统包括控制器，所述控制器包括共同存储一个或多个指令集的一个或多个有形的、非瞬时的、机器可读介质。所述控制器还包括一个或多个处理装置，所述一个或多个处理装置配置用于执行所述一个或多个指令集，以便控制合成气冷却器来冷却合成气并且使用设置在合成气冷却器中的密封件来阻止所述合成气进入合成气冷却器的外壁与合成气冷却器的管笼之间的通道，并且控制兼容密封气体系统来将兼容密封气体供应至所述密封件。
附图说明
在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：
图1为结合兼容密封气体系统的气化系统的实施例的方框图；
图2为与兼容密封气体系统连接的辐射合成气冷却器(RSC)的实施例的截面图；
图3为结合用于将ARG之前的合成气作为密封气体供应的兼容密封气体系统的气化系统的实施例的方框图；
图4为结合用于将AGR之后的合成气作为密封气体供应的兼容密封气体系统的气化系统的实施例的方框图；
图5为结合用于将二氧化碳作为密封气体供应的兼容密封气体系统的气化系统的实施例的方框图；
图6为结合用于将蒸汽作为密封气体供应的兼容密封气体系统的气化系统的实施例的方框图；以及
图7为用于将兼容密封气体提供至合成气冷却器的方法的实施例的过程流程图。
具体实施方式
下文将介绍本发明的一项或多项具体实施例。为了提供针对这些实施例的简要描述，可能不会在本说明书中描述实际实现方案中的所有特征。应了解，在任何工程或设计项目中开发任何此类实际实现方案时，均应当做出与实现方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的特定目标，例如，是否要遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会因实现方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发可能非常复杂耗时，但无论如何对受益于本公开案的一般技术人员而言，此类开发仍是常规的设计、建造和制造操作。
在介绍本发明各实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个该元件。术语“包括”和“具有”旨在表示包括性含义，且表示除了所列元件外，可能还有其他元件。
根据本发明的气化系统可包括配置用于产生合成的气体或合成气的气化器，以及配置用于冷却所述合成气的合成气冷却器(例如，辐射合成气冷却器(或RSC)、或对流合成气冷却器(或CSC))。从气化器出来后，热合成气进入合成气冷却器内的包围区域(例如，管笼)进行冷却。所述管笼限制热合成气路径，并且包括充满冷却流体的管。所述合成气冷却器通过热合成气与管笼内的流体冷却管之间的热交换来从所述合成气提取热量。在合成气冷却器的管笼与外壁(例如，壳体)之间可存在环形物。这个环形物可用密封气体吹扫以便阻止或减少这个区域中的合成气累积，所述合成气累积可导致腐蚀，因为合成气可包含腐蚀性气体，如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS)。可对密封气体进行选择，以便其不与合成气冷却器的制造或构造中使用的材料相互作用(例如，腐蚀)。密封气体流经环形物，并且可在合成气从合成气冷却器中流出时在转移至下游系统(例如，合成气处理系统、化工生产系统或联合循环动力设备)之前与所述合成气混合。尽管氮气在某些密封气体系统中可用作合成气冷却器密封气体，但对于某些合成气应用(如化工生产应用)，氮气可为杂质。例如，当使用合成气产生甲醇时氮气为杂质，并且在净化合成气时为了去除氮气将花费额外的费用。因此，可能需要使用兼容气体(例如，非杂质和/或不影响下游系统操作的气体)作为合成气冷却器密封气体，以便减少或消除用于下游化工生产应用的合成气中的杂质。换言之，兼容密封气体为非腐蚀性的或抗腐蚀的密封气体，与下游系统兼容而不用从用于下游应用的合成气中去除所述密封气体。例如，兼容密封气体可为非氮气体(例如，不包含氮气的气体)。
相应地，本发明提供兼容密封气体系统，以便供应用于合成气冷却器的兼容密封气体。在一些实施例中，从合成气冷却器出来的合成气可由合成气处理系统进行处理，以便去除合成气中的腐蚀性气体。经处理的合成气的一部分可在作为密封气体供应至合成气冷却器前处理至需要的压力和温度。在其他实施例中，合成气处理系统的副产物(如二氧化碳)可用作合成气冷却器的密封气体。在另外的实施例中，由合成气冷却器因合成气与流体冷却管之间的热交换而产生的蒸汽，和/或由整合至和/或独立于气化系统的一些单元(例如，锅炉、蒸汽包、蒸汽涡轮机、热回收蒸汽发生器(HRSG)或它们的任意组合)产生的蒸汽，也可作为密封气体引导回到合成气冷却器。兼容密封气体的其他实例可包括一氧化碳(CO)、氢气(H2)或由化工生产系统产生的气体或它们的任意组合。
鉴于以上所述，图1描绘结合有兼容密封气体系统12的气化系统10的实施例的方框图。气化系统10可包括气化器14，在所述气化器14中碳质燃料源可与氧气和一些添加剂(如水)反应，以便通过统称为气化过程的一系列反应来产生合成气。燃料源可包括煤、石油焦、生物质、木基材料、农业废料、焦油和沥青或其他含碳材料。在气化过程期间，燃料源可在升高的压力(例如，绝对压力从约20巴至约85巴)和温度(例如，约700℃至约1600℃)下与有限量的氧气反应以便产生合成气16。合成气16可包括氢气和一氧化碳。还可形成其他不那么期望的组分，包括二氧化碳、微粒、粉尘和酸性气体(如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS))。
在图1所描绘的实施例中，气化器14配置用于将合成气16排放至合成气冷却器18中。如以下更详细讨论的，当合成气16流经合成气冷却器18时，它可通过与合成气冷却器18的管笼内的流体冷却表面(例如，管)交换热量而冷却下来。所述管笼为在合成气处理器18内限制合成气路径的包围件。在合成气冷却器18的管笼与外壁(例如，壳体)之间可存在环形物。如以上指出的，合成气16可包含酸性气体(如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS))，所述酸性气体为腐蚀性的，并且如果它们迁移至环形物中，可消极地影响合成气冷却器18的管笼或其他部分。为减少或消除此类消极影响(例如，腐蚀)，环形物可用密封气体吹扫，从而形成密封气体通道20以便阻止或减少所述环形物中的合成气累积。如以上指出的，可对密封气体(例如，非腐蚀性、下游系统兼容密封气体)进行选择，以便其不与合成气冷却器18的制造或构造中使用的材料相互作用(例如，腐蚀)。在图1所描绘的实施例中，密封气体可为由兼容密封气体系统12通过流动线22供应的兼容气体，所述流动线22将兼容密封气体系统12和密封气体通道20连接起来。
气化系统10可包括一个或多个传感器24，所述传感器24用于监控贯穿气化系统10的气体流和/或液体流的各种参数(例如，温度、压力、流速、气体组成或浓度等)。一个或多个传感器24可包括温度传感器、压力传感器、流速传感器、气泡传感器、湿度传感器、气体组成传感器或它们的任意组合。一个或多个传感器24可位于密封气体通道20内部、邻近所述通道20或与所述通道20流体连通，以便监控密封气体通道20内的密封气体的参数(例如，温度、压力、流速、气体组成或浓度等)。在一些实施例中，一个或多个传感器24可位于密封气体通道20外部，例如，在将兼容密封气体系统12与合成气冷却器18连接起来的流动线22上。
控制器26可处理从一个或多个传感器24接收的传感器反馈，并且可基于所述传感器反馈将控制信号发送至位于流动线22上的阀28。控制器26可包括分布式控制系统(DCS)，或完全或部分自动化的任何基于计算机的工作站。例如，控制器26可为采用通用处理器或专用处理器25的任意装置，所述通用处理器或专用处理器25通常都可包括用于存储关于例如压差和流速的指令的存储器电路27。处理器25可包括一个或多个处理装置，并且存储器电路27可包括一个或多个有形的、非瞬时的(即，无信号)机器可读介质，所述介质共同存储可由处理器执行的指令以便执行本说明书描述的方法和控制动作。所述机器可读介质可为任何可用的介质，所述介质可由处理器，或由任何通用计算机或专用计算机或者具有处理器的其他机器访问。例如，所述机器可读介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁性存储装置，或任何其他介质，所述其他介质可用于执行或存储机器可执行指令或数据结构形式的所需程序代码，并且可由处理器，或由任何通用计算机或专用计算机或者具有处理器的其他机器访问。当通过网络或其他通信连接(硬连线、无线，或者硬连线或无线的组合)将信息转移或者提供至机器时，所述机器适当地将所述连接视为机器可读介质。因此，任何所述连接适当地称为机器可读介质。上述各项的组合也包括在机器可读介质的范围内。例如，机器可执行指令包括指令和数据，所述指令和数据导致处理器，或任何通用计算机、专用计算机或专用处理机器来执行特定功能或功能组。在某些实施例中，气化系统10可包括在系统10的各种位置上的一个或多个传感器和阀，并且将这些传感器和阀连接起来的一个或多个控制器26可管理气化系统10的操作，包括气化、合成气冷却、密封气体供应、合成气处理以及化工生产应用。
从合成气冷却器18出来后，未处理的和冷却的合成气19可转移至合成气处理系统30，在所述合成气处理系统30中可对合成气19进行处理以便去除杂质(如二氧化碳、微粒和酸性气体)。例如，合成气处理系统30可包括各种单元，如洗涤器、变换反应器、低温气体冷却(LTGC)联动装置和/或酸性气体去除(AGR)单元。合成气洗涤器可从未处理的合成气19中去除不需要的微粒。来自合成气洗涤器的经洗涤的合成气相对地清除掉粉尘和烟灰。经洗涤的合成气可进入发生合成气变换反应的变换反应器中，其中一氧化碳与水反应以形成二氧化碳和氢气。这样，合成气的氢气含量可增加。LTGC联动装置可包括供给/产物热交换器以便进一步冷却所述合成气。合成气还可在AGR单元中通过一种或多种适当的溶剂进行吸收处理，在所述AGR单元中可从所述合成气中去除酸性气体(如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS))。AGR单元还可包括碳捕获系统，并且从而使二氧化碳从合成气分离出来。在某些实施例中，可以不同的顺序布置合成气处理系统30的一些单元，并且可修改、排除合成气处理系统30的一些单元，或可包括另外的单元。
离开合成气处理系统30后，经处理的合成气32可进入化工生产系统34，在所述化工生产系统34中所述经处理的合成气32可用于产生各种化学品(如甲醇、氨气、氢气或醋酸)中的任一种。如以上指出的，氮气如果用作合成气冷却器的密封气体，可与合成气一起离开合成气冷却器，并且从而可构成用于化工生产应用的合成气的杂质。根据本发明，兼容气体可用作合成气冷却器密封气体，从而消除或减少用于合成气化工生产应用的杂质去除。
如以下更详细讨论的，可将各种兼容气体源提供至兼容密封气体系统12。在一些实施例中，经处理的合成气32的一部分(例如，在去除酸性气体后)可通过流动线36提供至兼容密封气体系统12，用作合成气冷却器密封气体。在其他实施例中，当处理合成气时，通过流动线38从合成气处理系统30出来的一些气体(例如，在去除酸性气体后)也可用作合成气冷却器密封气体(如ARG之前的合成气，以及来自ARG的二氧化碳)。在某些实施例中，合成气冷却器18因为热传递而产生的蒸汽的一部分可通过流动线40提供至兼容密封气体系统12，并且引导回到合成气冷却器用作密封气体。在另外的实施例中，由化工生产系统34产生的气体的一部分(例如，无酸性气体)可通过流动线42提供至兼容密封气体系统12，用作合成气冷却器密封气体。
图2为可用于图1所示气化系统10的合成气冷却器18(例如，RSC)的实施例的截面图。RSC 18可具有轴向轴线50、径向轴线52和周向轴线54。此外，RSC 18可具有第一端56(例如，顶端)和第二端58(例如，底端)。如以上指出的，在气化器14中产生的合成气16可包括来自气化过程的微粒，并且合成气16和/或所述微粒可被引导至RSC 18中。RSC 18可配置用于在将合成气16转移至合成气处理系统30以及进一步向下游至化工生产系统34前，冷却合成气16。术语下游和上游相对于主合成气流动路径(例如，在系统之间，或在系统内)定义，以使得RSC 18在化工生产系统34的上游，并且RSC18的底端58在RSC 18的顶端56的下游。
在某些实施例中，RSC 18可包括壳体60(例如，外壁)，所述壳体60总体上配置用于保护和/或支撑RSC 18内的各种部件。壳体60(例如，中空环形包围件)在由径向轴线52和周向轴线54限定的平面上可具有基本圆形的截面形状，尽管可利用适用于促进合成气16冷却的任何形状或构成。
热交换壁62(例如，热交换结构、内壁、隔膜或管笼壁)可放置在壳体60内，并且热交换壁62可限定中央腔64(例如，管笼)，合成气16通过所述中央腔64沿从顶端56引导至底端58的主合成气流动路径66流动。RSC 18可包括一个或多个(例如，大约1个、4个、8个、12个、16个、20个、24个、28个、32个或更多个)热交换元件68，所述热交换元件68放置在中央腔64内并且配置用于当合成气16沿主合成气流动路径66流动时，从合成气16吸收热量。在一些实施例中，液体冷却剂(例如，水)可通过一个或多个导管70递送至热交换壁62和/或热交换元件68，以便于在合成气16沿主合成气流动路径66流动时冷却合成气16。在一些实施例中，液体冷却剂通过一个或多个导管70递送至热交换壁62的头部72(例如，底部头部)，和/或热交换元件68的头部74(例如，底部头部)。由于液体冷却剂与热合成气16之间的热交换，可产生蒸汽。在一些实施例中，蒸汽可通过一个或多个阀转移出RSC 18，并且随后递送至气化的其他部分以供再使用，如兼容密封气体系统12。
热交换壁62可配置用于使壳体60与沿主合成气流动路径66流动的合成气16和/或微粒基本隔离。此外，环形通道20可在热交换壁62与壳体60之间延伸，或可由热交换壁62和壳体60限定。密封气体76(例如，兼容密封气体，或非杂质和/或不影响下游系统操作的非腐蚀性的或抗腐蚀性的密封气体)可通过气体入口78(例如，气体入口78可连接至环形通道20)提供或递送至环形通道20中。如以下详细讨论的，兼容密封气体可为部分处理的合成气(例如，具有酸性气体的变换反应合成气)、经处理的合成气(例如，无酸性气体的合成气、无酸性气体的过程气体)、二氧化碳、蒸汽、天然气、高炉煤气、由化工生产系统产生的产物气体或它们的组合。兼容密封气体可由兼容气体系统12供应至环形通道20。如所示，在环形通道20内，密封气体76可沿密封气体路径80流动，并且通过位于气体入口78下游的气体出口82(例如，气体出口82可连接至环形通道20)离开环形通道20。环形通道20内的密封气体76的参数(如温度、压力、流速、气体组成或浓度)可沿密封气体路径80由传感器24进行监控。在一些实施例中，传感器24可位于RSC 18外，例如，在密封气体入口78附近。控制器26可处理从传感器24接收的传感器反馈，并且可基于所述传感器反馈将控制信号发送至位于流动线22上的阀28。例如，如果从传感器24接收的传感器反馈表明应添加更多的密封气体，控制器26将输出信号发送至阀28以便进一步打开它，从而允许更多的密封气体流动至环形通道29中。类似地，如果从传感器24接收的传感器反馈表明应添加更少的密封气体，控制器26将输出信号发送至阀28以便部分关闭它，从而允许更少的密封气体流动至环形通道29中。
热交换壁62、中央腔64和/或热交换元件68可为第一区域84的一部分或可限定第一区域84(例如，上部区域或热交换区域)，所述第一区域84通常在RSC 18的第二区域86(例如，下部区域或骤冷区域)的上游。从而，合成气16和/或微粒可沿热交换区域84内的主合成气流动路径66朝向RSC 18的骤冷区域86流动。
骤冷区域86可具有骤冷室90，所述骤冷室90配置用于进一步冷却合成气16和/或从合成气16中去除微粒。如所示，汲取管92可从热交换区域84朝向骤冷室90延伸。汲取管92也可采用适用于促进合成气16冷却和/或用于引导合成气16朝向骤冷室90的任何形式。骤冷室90可包括具有液体冷却剂(如水)的浴槽94(例如，水浴槽)，尽管可使用任何适用于使合成气16骤冷的液体(例如，非反应性液体)。在一些实施例中，汲取管92的下端可延伸至液体冷却剂中，以便促进合成气16流动至流体冷却剂中。合成气16可通过与浴槽94中的液体冷却剂接触进行冷却，并且随后可从液体冷却剂流出并且朝向合成气出口88。尽管示出一个合成气出口88，在一些实施例中可设置多个合成气出口88。此外，骤冷室90可便于洗涤合成气16，并且可使合成气16中的微粒朝向排放它们的微粒出口96引导。
如以上指出的，密封气体可通过密封气体出口82从环形通道20转移出。然而应指出，密封气体还可迁移至骤冷室90中，且由此与冷却合成气混合并通过合成气出口88从RSC 18转移出。相应地，在无公开实施例的情况下，密封气体可构成冷却合成气的杂质并且可转移至下游系统。例如，在某些密封气体系统中，氮气用作RSC 18的密封气体，并且从RSC 18出来的冷却合成气可包含氮气。对于使用合成气产生甲醇、氨气或氢气的下游化工生产系统，氮气可构成不期望的杂质。因此，在公开的实施例中，兼容气体可用作RSC的密封气体，以便消除或减少将来自密封气体的杂质引导至合成气的下游化工生产应用。
根据本发明，图3至图6示出结合兼容密封气体系统的气化系统的实施例的方框图，所述兼容密封气体系统使用不同的兼容气体作为合成气冷却器密封气体。图3至图6中所描绘的实施例的具体特征可被结合、排除或修改。例如，在某些实施例中，兼容密封气体可供应两种或更多种兼容气体作为合成气冷却器密封气体。
图3为结合兼容密封气体系统101的气化系统100的实施例的方框图，所述兼容密封气体系统101使用ARG之前的合成气(例如，在AGR上游获得的合成气)作为合成气冷却器18的密封气体。由于系统100包括类似于图1所示系统10的部件，将针对相同元件使用相同参考数字以与以上相对于图1所描述的气化系统10类似的方式来讨论气化系统100的部件。
如以上所描述的，气化器14可产生合成气16。合成气16可包括氢气和一氧化碳。还可包括其他较少需要的组分，例如二氧化碳和酸性气体(如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS))。可使合成气16提供至合成气冷却器18，在所述合成气冷却器18中可使所述合成气16冷却和/或骤冷以便去除微粒。
冷却合成气19可从合成气冷却器18转移至合成气处理系统30。在所描绘的实施例中，合成气处理系统30可包括变换/LTGC单元102和AGR单元106。如以上所讨论的，变换/LTGC单元102可执行在其中一氧化碳与水反应以形成二氧化碳和氢气的合成气变换反应，并且从而增加合成气的氢气含量。变换/LTGC单元102还可包括低温气体冷却联动装置，在所述低温气体冷却联动装置中进料/产物热交换器可用于冷却经变换的合成气。在某些实施例中，变换/LTGC单元102可被修改以便具有两个单独单元(即变换反应器和LTGC)，所述两个单独单元相结合以便执行变换/LTGC单元102的基本相同的功能。
从变换/LTGC单元102出来的变换/冷却合成气104可转移至AGR单元106。AGR单元106可包括可吸收包含在合成气104中的酸性气体(如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS))的一种或多种合适的溶剂。AGR单元106还可包括碳捕获系统，并且从而使二氧化碳从合成气104分离出来。从AGR单元106出来的经处理的合成气32随后可转移至化工生产系统34，例如以便产生化学品(如甲醇、氨气、氢气或醋酸)。在某些实施例中，在合成气处理系统30中可包括另外的单元，并且可修改或排除合成气处理系统30中的一些单元。
从变换/LTGC单元102出来的经变换的/冷却的合成气104也可称为ARG之前的合成气104。如以上指出的，因为合成气104尚未由AGR单元106进行处理，合成气104可包含二氧化碳和酸性气体(如硫化氢((H2S)和硫化羰(COS))。合成气104的一部分(例如，ARG之前的合成气108)可被提供至兼容密封系统101，以便作为密封气体供应至合成气冷却器18。
在所描绘的实施例中，ARG之前的合成气108可被转移至H2S吸收床110，其中可从ARG之前的合成气108中去除硫化氢(H2S)和硫化羰(COS)。H2S吸收床110可包括一种或多种物理溶剂、化学溶剂和/或混合物理/化学溶剂，所述混合物理/化学溶剂与ARG之前的合成气108中的硫化氢(H2S)和/或硫化羰(COS)结合和/或反应。相应地，从H2S吸收床110出来的经处理的ARG之前的合成气112可包括合成气(即，氢气和一氧化碳)和二氧化碳(CO2)，具有减少的和/或低浓度的酸性气体。例如，经处理的ARG之前的合成气112可包括小于大约0.015ppm、或0.01ppm、或0.005ppm的硫化氢(H2S)。经处理的ARG之前的合成气112还可包括小于大约0.015ppm或0.01ppm或0.005ppm的硫化羰(COS)。在一些实施例中，经处理的ARG之前的合成气112可包括(以摩尔分数表示)大约64％至74％的合成气、25％至35％的二氧化碳以及1％至2％的其他气体(如氩气)。在某些实施例中，经处理的ARG之前的合成气112的确切组成将取决于气化过程、变换反应和H2S吸收床效率(除其他因素外)而变化。
在将经处理的ARG之前的合成气112转移至合成气冷却器18的密封气体通道20用作密封气体前，可对经处理的ARG之前的合成气112进行加压或加热。在所描绘的实施例中，经处理的ARG之前的合成气112可转移至压缩机114进行加压。如以上指出的，在合成气冷却器18内部，所述合成气可迁移至环形通道20中，并且相应地可能需要密封气体具有大于所述合成气的压力，以便于阻止合成气在环形通道20中的累积。例如，加压的ARG之前的合成气116可具有在大约30至100巴、40至90巴、50至80巴或60至70巴之间的压力。通过另一个实施例，加压的ARG之前的合成气116可具有大约65巴的压力。
在所描绘的实施例中，加压的ARG之前的合成气116可转移至加热器118进行加热。为减少或消除密封气体在管笼外表面上的凝结，从而降低环形通道20内的密封气体吹扫效率，可能需要密封气体在进入环形通道20前进行加热。例如，加热的ARG之前的合成气119可具有在大约250℃至400℃、270℃至380℃、290℃至360℃或310℃至330℃之间的温度。通过另一个实施例，加热的ARG之前的合成气119可具有大约320℃的温度。在一些实施例中，经处理的ARG之前的合成气112可在由压缩机114加压前先由加热器118加热。
加热和加压的ARG之前的合成气119随后可转移至合成气冷却器18的密封气体通道20用作密封气体。如以上讨论的，传感器24可位于密封气体通道20内，以便监控密封气体通道20内的密封气体的参数(例如，温度、压力、流速、气体组成或浓度等)。在一些实施例中，传感器24可位于密封气体通道20外，例如，在兼容密封气体系统101与合成气冷却器18之间的流动线上。控制器26可处理从传感器24接收的传感器反馈，并且可基于所述传感器反馈将控制信号发送至阀28。阀28可用于控制ARG之前的合成气119的流动。在一些实施例中，控制器26可将控制信号发送至压缩机114和加热器118，以便获得ARG之前的合成气的所需压力和温度。
图4为结合兼容密封气体系统121的气化系统120的实施例的方框图，所述兼容密封气体系统121使用AGR之后的合成气(例如，在AGR下游获得的合成气)作为合成气冷却器18的密封气体。气化系统120和兼容密封气体系统121包括类似于图3的气化系统100和兼容密封气体系统101的部件，并且相应地将使用用于相同元件的相同参考数字参考图3以类似的方式来讨论。
如以上所描述的，气化器14可产生合成气16，所述合成气16可由合成气冷却器18冷却。冷却合成气19可从合成气冷却器18转移至合成气处理系统30，所述合成气处理系统30可包括变换/LTGC单元102以及AGR单元106。
在所描绘的实施例中，经处理的合成气32的一部分(例如，后ARG合成气122)可被提供至兼容密封系统121，用于作为密封气体供应至合成气冷却器18。如以上指出的，AGR之后的合成气122可基本无二氧化碳和酸性气体(如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS))。例如，AGR之后的合成气122还可包括小于大约0.015ppm或0.01ppm或0.005ppm的二氧化碳，或(按体积计)小于大约5％、4％、3％、2％或1％。AGR之后的合成气122可包括小于大约0.015ppm或0.01ppm或0.005ppm的硫化氢(H2S)和/或硫化羰(COS)，或(按体积计)小于大约5％、4％、3％、2％或1％。在一些实施例中，AGR之后的合成气122可包括(以摩尔分数表示)大约99％的合成气和1％的其他气体(例如，包括氩气)。在某些实施例中，AGR之后的合成气122的确切组成将取决于气化过程、变换反应和AGR效率(除其他因素外)而变化。
在将后ARG合成气122转移至合成气冷却器18的密封气体通道20用作密封气体前，可类似于图3所示的ARG之前的合成气112对AGR之后的合成气122进行加压或加热。在所描绘的实施例中，AGR之后的合成气122可转移至压缩机114进行加压。例如，加压的AGR之后的合成气124可具有在大约30至100巴、40至90巴、50至80巴或60至70巴之间的压力。通过另一个实施例，加压的AGR之后的合成气124可具有大约65巴的压力。
在所描绘的实施例中，加压的AGR之后的合成气124可转移至加热器118进行加热。例如，加热的AGR之后的合成气126可具有在大约250℃至400℃、270℃至380℃、290℃至360℃或310℃至330℃之间的温度。通过另一个实施例，加热的ARG之前的合成气126可具有大约320℃的温度。在一些实施例中，AGR之后的合成气122可在由压缩机114加压前首先由加热器118加热。
图5为结合兼容密封气体系统131的气化系统130的实施例的方框图，所述兼容密封气体系统131使用二氧化碳(例如，按体积计至少70％、80％、90％、95％、96％、97％、98％、99％纯的CO2)作为合成气冷却器18的密封气体。气化系统130和兼容密封气体系统131包括类似于图3的气化系统100和兼容密封气体系统101的部件，并且相应地将使用用于相同元件的相同参考数字参考图3以类似的方式来讨论。
如以上所描述的，气化器14可产生合成气16，所述合成气16可由合成气冷却器18冷却。冷却合成气19可从合成气冷却器18转移至合成气处理系统30，所述合成气处理系统30可包括变换/LTGC单元102以及AGR单元106。
如以上指出的，AGR单元106可包括碳捕获系统，并且从而使二氧化碳132从合成气104分离出来。在所描绘的实施例中，在AGR单元106中进行处理的从所述合成气分离出来的二氧化碳132可被提供至兼容密封系统121，以便作为密封气体供应至合成气冷却器18。兼容密封气体系统131包括CO2回收塔134以便从合成气104中捕获和/或净化二氧化碳。在一些实施例中，CO2回收塔134可为AGR单元106的一部分。如以上指出的，二氧化碳132(或从CO2回收塔134出来的二氧化碳136)可基本无酸性气体(如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS))。例如，二氧化碳132(或二氧化碳136)可包括小于大约0.015ppm或0.01ppm或0.005ppm的硫化氢(H2S)和/或硫化羰(COS)或(按体积计)小于大约5％、4％、3％、2％或1％。
在将二氧化碳136转移至合成气冷却器18的密封气体通道20用作密封气体前，可类似于图3所示ARG之前的合成气112和图4所示AGR之后的合成气122对二氧化碳136进行加压和加热。在所描绘的实施例中，二氧化碳136可转移至压缩机114进行加压。例如，加压的二氧化碳138可具有在大约30至100巴、40至90巴、50至80巴、或60至70巴之间的压力。通过另一个实施例，加压的二氧化碳138可具有大约65巴的压力。
在所描绘的实施例中，加压的二氧化碳138可转移至加热器118进行加热。例如，加热的二氧化碳140可具有在大约250℃至400℃、270℃至380℃、290℃至360℃或310℃至330℃之间的温度。通过另一个实施例，加热的二氧化碳140可具有大约320℃的温度。在一些实施例中，二氧化碳136可在由压缩机114加压前先由加热器118加热。
图6为结合兼容密封气体系统151的气化系统150的实施例的方框图，所述兼容密封气体系统151使用蒸汽作为合成气冷却器18的密封气体。气化系统150包括类似于图1所示气化系统的部件，并且相应地，将针对相同元件使用相同参考数字以相对于图1类似的方式来讨论。
如以上所描述的，气化器14可产生合成气16，所述合成气16可由合成气冷却器18冷却。蒸汽152可由合成气冷却器18从热合成气16与液体冷却剂(例如，水)之间的热交换产生，所述液体冷却剂用于冷却管笼内部的合成气。在所描绘的实施例中，蒸汽152可被提供至兼容密封系统151，用于作为密封气体供应至合成气冷却器18。在某些实施例中，蒸汽152可从整合至和/或独立于气化器系统150的一些单元产生，包括锅炉、蒸汽包、蒸汽涡轮机或热回收蒸汽发生器(HRSG)或它们的任意组合。
如所示，兼容密封气体系统151可包括过热器154和压力排泄件158。蒸汽152可转移至过热器154进行过热(例如，在进行温度测量的情况下，在绝对压力下加热至高于它的汽化点)。例如，过热蒸汽156可具有在大约250℃至400℃、270℃至380℃、290℃至360℃或310℃至330℃之间的温度。通过另一个实施例，加热的蒸汽156可具有大约320℃的温度。
在所描绘的实施例中，过热蒸汽156可转移至可使加热蒸汽156的压力减小的压力排泄件158。例如，减压的蒸汽160可具有在大约30至100巴、40至90巴、50至80巴、或60至70巴之间的压力。通过另一个实施例，减压的蒸汽160可具有大约65巴的压力。在一些实施例中，阀28可用于减小过热蒸汽156的压力，并且相应地可不使用单独的压力排泄件158。在某些实施例中，从合成气冷却器18产生的蒸汽152可在由过热器154加热前先由压力排泄件158减压。
图7为用于将兼容密封气体提供至合成气冷却器18的方法170的实施例的过程流程图。在一些实施例中，可修改、排除一些步骤，或可包括另外的步骤。方法170通过在气化器14中产生合成气16(步骤172)来开始。随后可在合成气冷却器18中冷却气化器14的合成气(步骤176)。如以上指出的，合成气16可包含酸性气体(如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS))，所述酸性气体为腐蚀性的，并且如果它们迁移至环形物20中，可消极地影响合成气冷却器18的管笼或其他部分。兼容密封气体可流入或吹扫环形物20，以便减少或消除此类消极影响(例如，腐蚀)。兼容密封气体可由兼容密封气体系统供应，在所述兼容密封气体系统中可将所述密封气体处理至所需温度和压力以用于密封合成气冷却器18(步骤180)。
可由合成气冷却器18从热合成气16与冷却剂之间的热交换中产生蒸汽152(步骤178)。在一些实施例中，这个蒸汽可被提供至兼容气体系统(如箭头174指示)，并且在被处理至所需温度和压力后，可使所述蒸汽转移至气化器冷却器用作密封气体(步骤180)。
可使从合成气冷却器18出来的冷却合成气19从合成气冷却器转移至合成气处理系统30，在所述合成气处理系统30中可处理所述合成气以便去除杂质，如二氧化碳、微粒和酸性气体(步骤184)。在本发明的实施例中，合成气处理系统30可包括变换/LTGC单元102和AGR单元106。在一些实施例中，可将AGR之后的合成气122的一部分提供至兼容密封气体系统12，用作合成气冷却器18的密封气体(如186指示)。在其他实施例中，从合成气处理系统30进行的合成气处理过程中出来的一些气体(如ARG之前的合成气108，以及由AGR 106分离的二氧化碳132)也可用作合成气冷却器18的密封气体(如188指示)。兼容密封气体系统可处理所述兼容气体至所需温度和压力(步骤180)，并且随后将兼容气体转移至合成气冷却器18用作密封气体。
来自合成气处理系统30的经处理的合成气32随后可进入化工生产系统34，以便产生各种化学品(如甲醇、氨气、氢气或醋酸)中的任一种(步骤190)。如以上指出的，在无公开实施例的情况下，氮气可用作合成气冷却器18的密封气体，可与合成气19一起离开合成气冷却器18，并且从而可构成用于化工生产应用的合成气19的杂质。根据本发明，兼容气体可用作合成气冷却器18的密封气体，从而消除或减少用于合成气19的化工生产应用的氮气杂质去除。
本发明的技术效果包括使用兼容气体作为用于密封合成气冷却器环形物的密封气体。由气化器14产生的合成气16可包含酸性气体，如硫化氢(H2S)和硫化羰(COS)。在无公开实施例的情况下，所述酸性气体可迁移至合成气冷却器18的环形物20中，导致合成气冷却器18的内部部分腐蚀。用密封气体吹扫所述环形物可帮助减少或消除由酸性气体导致的腐蚀。在无公开实施例的情况下，氮气可用作合成气冷却器密封气体，并且从而可将杂质引导至下游化工生产系统34。有利地，从气化过程(或其他处)产生的兼容气体可用作合成气冷却器密封气体。所述兼容气体可包括ARG之前的合成气108、AGR之后的合成气122、由AGR 106分离的二氧化碳132以及从所述合成气冷却器产生的蒸汽152。所述兼容气体的使用也可由与一个或多个传感器(例如，用于监控温度、压力、流速和组成)连接的一个或多个控制器控制。
本说明书使用各个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种系统，所述系统包括：
合成气冷却器，其配置用于冷却合成气，其中所述合成气冷却器包括密封件，所述密封件配置用于阻止所述合成气进入所述合成气冷却器的外壁与所述合成气冷却器的管笼之间的通道；以及
兼容密封气体系统，其配置用于将兼容密封气体供应至所述合成气冷却器的所述密封件。
2.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：
气化器，其配置用于从燃料与氧化剂的部分氧化产生所述合成气；
合成气处理系统，其配置用于处理所述合成气以便产生经处理的合成气；以及
化工生产系统，其配置用于从与所述经处理的合成气的化学反应产生化学产物。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述兼容密封气体系统配置用于将二氧化碳、蒸汽、合成气或经处理的合成气中的至少一种或它们的任意组合作为所述兼容密封气体进行供应。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述合成气处理系统包括变换反应器，所述变换反应器配置用于执行所述合成气的水气变换反应以便产生经变换的合成气，并且所述兼容密封气体系统配置用于将所述经变换的合成气的至少一部分作为所述兼容密封气体供应至所述密封件。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述兼容密封气体系统包括：
硫化氢吸收器，其配置用于从所述经变换的合成气的所述部分去除硫化氢；
压缩机，其配置用于增加所述经变换的合成气的所述部分的压力；以及
加热器，其配置用于增加所述经变换的合成气的所述部分的温度。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述合成气处理系统包括酸性气体去除AGR系统，所述酸性气体去除AGR系统配置用于从所述合成气去除酸性气体以便产生所述经处理的合成气，所述兼容密封气体系统配置用于将所述经处理的合成气的至少一部分作为所述兼容密封气体供应至所述密封件，并且所述兼容密封气体系统包括配置用于增加所述经处理的合成气的所述部分的压力的压缩机。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述合成气冷却器配置用于从冷却所述合成气中产生蒸汽，并且所述兼容密封气体系统配置用于将所述蒸汽作为所述兼容密封气体供应至所述密封件。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述兼容密封气体系统包括：
过热器，其配置用于使来自所述合成气冷却器的所述蒸汽过热以便产生过热蒸汽；以及
压力排泄装置，其配置用于减少作为所述兼容密封气体供应至所述密封件的所述过热蒸汽的压力。
9.根据权利要求1所述的系统，所述系统包括：配置用于产生蒸汽作为所述兼容密封气体的锅炉、蒸汽包、蒸汽涡轮机或热回收蒸汽发生器(HRSG)中的至少一个或它们的任意组合。
10.根据权利要求2所述的系统，其中所述合成气处理系统包括碳捕获系统，所述碳捕获系统配置用于使二氧化碳与所述合成气分离，所述兼容密封气体系统配置用于将所述二氧化碳的至少一部分作为所述兼容密封气体供应至所述密封件，并且所述兼容密封气体系统包括配置用于增加所述二氧化碳的所述部分的压力的压缩机。
11.一种方法，所述方法包括：
使用设置在所述合成气冷却器中的密封件来阻止合成气进入合成气冷却器的外壁与所述合成气冷却器的管笼之间的通道；以及
使用兼容密封气体系统将兼容密封气体供应至所述密封件。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：
在气化器中从燃料与氧化剂的部分氧化产生所述合成气；
冷却所述合成气冷却器中的所述合成气以便产生蒸汽；
使用合成气处理系统来处理所述合成气以便产生经处理的合成气；以及
使所述经处理的合成气在化工生产系统中起反应以便产生化学产物。
13.根据权利要求12所述的系统，其中供应所述兼容密封气体包括：
使用所述合成气处理系统的变换反应器执行所述合成气的水气变换反应，以便产生经变换的合成气；以及
使用所述兼容密封气体系统将所述经变换的合成气的至少一部分作为所述兼容密封气体发送至所述密封件。
14.根据权利要求12所述的方法，其中供应所述兼容密封气体包括：使用所述兼容密封气体系统将所述经处理的合成气的至少一部分作为所述兼容密封气体发送。
15.根据权利要求12所述的方法，其中供应所述兼容密封气体包括：使用所述兼容密封气体系统将通过所述合成气冷却器由冷却所述合成气而产生的所述蒸汽的至少一部分作为所述兼容密封气体发送。
16.根据权利要求12所述的方法，其中供应所述兼容密封气体包括：使用所述兼容密封气体系统将在所述合成气处理系统内由所述碳捕获系统从所述合成气分离的二氧化碳的至少一部分作为所述兼容密封气体发送。
17.一种系统，所述系统包括：
控制器，所述控制器包括：
共同存储一个或多个指令集的一个或多个有形的、非瞬时的、机器可读介质；以及
一个或多个处理装置，所述处理装置配置用于执行所述一个或多个指令集以便：
控制合成气冷却器来冷却合成气，以及使用设置在所述合成气冷却器中的密封件来阻止所述合成气进入所述合成气冷却器的外壁与所述合成气冷却器的管笼之间的通道；以及
控制兼容密封气体系统将兼容密封气体供应至所述密封件。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述一个或多个处理装置配置用于执行所述一个或多个指令集以便：
控制气化器来从燃料与氧化剂的部分氧化产生所述合成气；
控制合成气处理系统来处理所述合成气以产生经处理的合成气；以及
控制化工生产系统以便使所述经处理的合成气起反应来产生化学产物。
19.根据权利要求17所述的系统，所述系统包括传感器，所述传感器配置用于将表明所述通道的流速、温度、压力、组成中的至少一个或它们的任意组合的输入信号提供至所述控制器，并且其中所述一个或多个处理装置配置用于执行所述一个或多个指令集，以便响应所述输入信号来调整所述兼容密封气体系统。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述一个或多个处理装置配置用于执行所述一个或多个指令集以便供应所述兼容密封气体，所述兼容密封气体包括二氧化碳、蒸汽、合成气或经处理的合成气中的至少一种或它们的任意组合。
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