CN104781521B - 联合气化和发电方法 - Google Patents

Abstract

联合气化和发电方法，其中供应氧至气化器和氮至燃气轮机的空气分离单元所需的压缩空气的百分之30.0至60.0之间从燃气轮机的压缩机获取。包括燃气轮机，空气分离单元，用于产生燃气轮机燃料的气化器和气体调节系统的设施具有环境温度和压力和净功率输出的设定点以产生专属用户所需的电能。燃气轮机，在设计点具有以由空气分离单元所需的空气的总摩尔流速的4.8至6.0倍之间的比率从其压缩机压缩空气的能力，并且燃气轮机的压缩机以不小于其在设计点能力的百分之90来运行。

Description

联合气化和发电方法

技术领域

本发明涉及一种联合气化和发电方法，其中含碳物质在供有低温空气分离装置产生的氧的气化器中气化，以产生合成气，合成气在处理后用作一个或更多燃气轮机的燃料，燃气轮机供有来自空气分离装置的氮，并且其继而用以产生设备所需电力的至少一部分，并且供应压缩空气至低温空气分离装置。

背景技术

在本领域所知的整体气化和联合循环(IGCC)中，可气化煤并可发电。在IGCC中，煤或其它含碳物质的气化产生主要含有氢，一氧化碳和二氧化碳的合成气，合成气带有一定量的含甲烷以及含硫和氯化物的杂质。在典型的气化器中，含碳给料与蒸汽和氧反应以产生合成气。含碳材料既可直接给送至气化器或作为含碳材料的水浆给送至气化器。通常，通过空气分离单元(ASU air separation unit)将氧提供至气化器，在空气分离单元中，空气在低温下在蒸馏塔中精馏以产生氧。

在整体气化联合循环中，由气化所得的合成气冷却至适于其在羰基硫(COS)水解反应器中进一步处理的温度，羰基硫水解反应器将大部分羰基硫水解成硫化氢。合成气随后进一步冷却用于在溶剂洗涤装置内采用用于硫化氢和羰基硫从合成气分离的物理或化学吸收来分离硫化氢。所得的燃料气体随后给送至联接至发电机的燃气轮机以发电。热可通过冷却来自燃气轮机排放的排放物来回收以引起蒸汽并通过蒸汽轮机来产生额外的电力。

IGCC系统的优化传统上主要聚焦于资金成本而其次聚焦于效率。在对IGCC设备的输出没有限制时这样的聚焦特别恰当。在IGCC设备由公共事业公司或其中设备设计成将电力出售给电网的独立能源生产者拥有时这确实是对的。

IGCC系统还设计成将电力提供给专属用户(captive user)，例如精炼设备或设计成通过煤，石油焦或其它碳氢化合物给料生产氢或液体的设备，和/或可包括生产诸如环氧乙烷的化学生产的设备的综合体。在这种情况中，除电力以外，IGCC系统可提供诸如蒸汽，热水，锅炉给送水，燃料气体以及合成气等效用。在一些情况下，用于IGCC系统的合成气/燃料气体的源可来自专属用户综合体。来自IGCC设备的总电力输出可受限于由专属用户所需的加上操作IGCC设备(内部使用)所需的。通常，出售多余的电力给电网的选择由于经济考虑而是不实际的。这些考虑包括：对于过剩电力的低价以及法规的存在，这限制了出售者操作IGCC系统的能力，因为仅需提供专属用户的需求。

内部用户包括用于以下的电力：用于固体移动的传送器，在给送至气化器前降低固体碳氢化合物尺寸的碾压器/粉碎机，用于空气分离单元的压缩机，用于酸性气体去除，蒸汽，和其它子系统的泵，用于诸如仪器空气和启动锅炉的各种各样的需求的风机和压缩机，照明，以及其它各种各样的用途。来自IGCC设备的净功率应限定成发电机的净功率输出减去内部使用之间的差。该净功率供应至专属用户。

由于由商用气化系统产生的合成气的特性(成分变化和燃烧特性)，燃气轮机通常使用常规扩散燃烧器以用于燃烧燃料气体。NOx排放物通过使用诸如来自空气分离单元的蒸汽和氮的稀释剂来控制。稀释剂降低燃料气体的火焰温度并且降低由轮机燃烧器产生的NOx的水平。由于稀释剂添加可大大增加燃气轮机的重量，故燃气轮机的运行受影响。

燃气轮机排气被送至余热回收蒸汽发生器(HRSG)以产生输出至专属用户的蒸汽和/或用于在蒸汽轮机中发电。在需满足固定水平的内部和专属用户电力需求时，蒸汽轮机(多个)所产生的电力的量将降低燃气轮机的发电需求，重要的是要注意，气化器能力以及由此的IGCC系统的内部功率需求通常由燃气轮机所需的燃料来设置。最大效率的 系统是使用最少量的固体燃料来提供效用的系统(燃气轮机，蒸汽轮机，气化器以及空气分离单元的组合)。对于给定的气化器类型，总装置效率由所选的燃气轮机，蒸汽轮机性能，空气分离单元的设计以及空气分离单元与燃气轮机之间的整合来确定。

空气分离单元与燃气轮机的整合包括：氮回归至燃气轮机以用于NOx控制以及通常用于增加燃气轮机的输出至接近其最大功率额定，最大功率额定由机器(称为氮整合)的机械限制设定；从燃气轮机燃烧器获取的空气以用于给送空气至空气分离单元，而氮回归至燃气轮机(在用于空气分离单元的所有空气由燃气轮机压缩机提供时称为完整整合，且在用于空气分离单元的仅部分空气由燃气轮机压缩机提供时称为部分空气整合)。通常，由于回归至燃气轮机的氮的量是从ASU(空气分离单元)可获得的大量部分的氮(通常超过可获得的氮的40％)，空气分离单元被设计成用于产生低纯度的氧(通常在大约95mol％的氧)，其使用设计允许从精馏塔产生压力高于其中仅需要注入燃气轮机少量或无氮的装置的氧和氮。需要少量或无氮的情况的高压塔通常处于小于100psia的压力而低压塔少于大约20psia。在需要大量氮时，高压塔压力可超过200psia并且低压塔可超过50psia。高压操作的优点在于减低空气分离系统的总功率需求，通过降低提升氧和氮至末端使用压力(氧可需要大于500psia的压力且氮处于超过200psia的压力)的功率需求。在95mole％纯度的氧产生时，与低纯度氧相关的分离功率不会由压力增加而大幅改变。如果从燃气轮机获取的空气用作空气分离单元的给料，则燃气轮机压缩机的排放压力通常用于设置空气分离单元中的高压塔的压力。

IGCC系统中几乎总是使用氮回归至燃气轮机。完全整合被示出产生最有效率的IGCC系统，但具有难以启动的缺点，因为燃气轮机需要在高速率下操作，在延长的时期内使用启动燃料直到空气分离单元、气化器和下游处理单元运行。部分空气整合被考虑用于IGCC系统，其具有小于70℉的设计环境温度，在接近海平面的大气压下操 作。决定不使用部分整合的关键因素是对于出售电力至电网的系统，需要在设计条件下的最大化燃气轮机输出。在较高设计环境温度或海拔下，空气获取会降低燃气轮机膨胀器可得的空气并且不允许轮机取得其最大能力。在低环境温度下，可得的来自燃气轮机压缩机的空气比取得最大功率输出所需的更多，并且空气获取变得更可行。

如下文将论述的那样，本发明除了其它优点外提供了相比现有技术具有更高总能量效率的IGCC方法。

发明内容

本发明提供联合气化和发电方法。根据该方法，氧产物流和含碳物质引入气化器并且含碳物质气化以产生包括氢和一氧化碳的合成气流。合成气流在气体调节系统中处理，通过从合成器流去除颗粒和含硫化合物以产生燃料流，并且从合成气流回收热。应当理解，可选地，二氧化碳也可去除。燃料流引入至少一个燃气轮机的燃烧器并且电力通过联接至至少一个燃气轮机的至少一个发电机产生。空气在空气分离单元分离，通过压缩，纯化并冷却空气至适于其在蒸馏塔系统中精馏的温度并且随后在蒸馏塔系统内精馏空气以产生氧产物流和含氮流。至少一个发电机以所需的功率输出发电以至少部分地供应专属用户和包括气化器，气体调节系统，空气分离单元以及氮产物压缩机的设备的电力需求。如此处和权利要求中所述，术语“专属用户”指并入IGCC设备的设备，其使用并未用于IGCC设备中的电力并且因此电力不输出至电网。由空气分离单元所需的压缩空气的百分之30.0至60.0之间由从至少一个燃气轮机的压缩机获取的泄放空气流供应，而无须进一步压缩泄放空气流。至少部分的含氮流在氮产物压缩机中压缩以产生压缩氮流。压缩氮流被给送至燃料流，燃烧器和燃烧器下游膨胀器之前的位置中的至少一者中。

设施具有环境温度和压力以及标准净功率输出的设计点。如此处和权利要求中使用时，术语“净功率输出”指发电机或多个发电机的净功率输出减去由设施消耗的内部使用之间的差。该净功率供应至专 属用户。至少一个燃气轮机在设计点具有以由空气分离装置所需的空气的总摩尔流速的4.8至6.0倍的比率压缩空气的能力，并且至少一个燃气轮机的压缩机在不小于其设计点能力的百分之90.0的情况下操作。

在限定燃气轮机燃烧器性能时涉及从燃气轮机压缩机流来的气体，燃料以及稀释剂。通常由燃气轮机膨胀器产生的功率的大约一半用于驱动燃气轮机压缩机。燃气轮机压缩机在其在其设计点操作时效率最高。如较少空气被压缩，则燃气轮机膨胀器功率的大部分去往驱动空气压缩机，因此降低了燃气轮机的整体效率和发电机终端的电力输出。

依照本发明，提供了比现有技术中可见的在提供效用至专属用户的背景下更佳的燃气轮机或多个燃气轮机和空气压缩单元之间的匹配，在燃气轮机选择成能够以空气分离单元所需的空气的总摩尔流速的4.8至6.0倍之间的比率压缩空气时，燃气轮机能够供应空气至空气分离单元同时在不足以去除其最大能力的点操作。同时，空气的获取实际上增加燃气轮机压缩机效率并且降低内部功率消耗设施的电力消耗以及燃料消耗将降低。由于需要更少的燃料，将需要更少的煤或其它碳水化合物物质被气化，且因此更少的氧必须供应至气化器。因为更少的氧将必须供应，故由空气分离单元消耗的功率将降低，并且作为其直接结果，在燃料流生产中的气体调节中使用的装备的尺寸和功率消耗也降低。

设备的部分电力需求也可通过与蒸汽轮机联接的另一个发电机来供应，该发电机供应有余热回收蒸汽发生器中产生的蒸汽，余热回收蒸汽发生器连接至至少一个燃气轮机以接收燃气轮机的排放流以在余热回收蒸汽发生器内生产热。优选地，比率可在4.9至5.2倍的由空气分离装置所需要的空气总摩尔流速之间。并且泄放空气流可供应空气分离装置所需的压缩空气的百分之50.0。在本发明的具体实施例中，至少部分的含氮流具有足以允许发电机由燃气轮机驱动的预选 择流速，以产生所需电力输出的电力。在这方面，含氮流具有优选地大约等于泄放空气流的空气流速的氮流速。在具体实施例中，压缩氮流可由泄放空气流加热。

附图说明

尽管由权利要求书总结的说明书明确地指出申请人认为是其发明的主题的内容，但相信本发明在结合附图时更容易理解，其中：

图1是根据本发明的方法操作的IGCC设施的示意图；以及

图2是并入了图1中所示的IGCC设施的专属用户的设备的示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了设施1，其设计成使煤10气化并发电。这样的设施是IGCC设备。

煤通常通过轨道或驳船输送至计划地点，且随后通过诸如架式底部翻斗机、筒式驳船卸货机等装备来卸载至接收料斗中。来自料斗的煤直接给送到振动给送机中，并且排出到带式传送器上。传送器将煤传送至堆煤器，堆煤器将煤转移至长期储存堆或回收区域。回收器将煤装载至位于堆下的回收料斗中的振动给送器中。给送器将煤转移到带式传送器上，带式传送器将煤转移至位于碾压塔中的煤缓冲料仓(coal surge bin)。如果设施1位于煤矿附近，则煤的接收和处理子系统将更简单。例如，不需要长期储存。煤可直接传送至位于碾压塔中的煤缓冲料仓中。传送器随后将煤转移至转移塔，从转移塔，煤最终被装载入筒仓中。

来自筒仓的煤随后通过位于每个筒仓下方的振动给送器给送至传送器上。传送器将煤10输送至燃料准备系统12，其可包括一个或更多棒磨机给料料斗。通常，给料料斗尺寸定成提供大约两至八小时的缓冲能力。料斗出口排出在重量给送器上，其继而给送至燃料准备系统12的棒磨机。如本领域所知的，每个棒磨机通常尺寸定成处理气化的煤给送需求的百分之50-75。在使用浆给送气化器时，棒磨机 碾压煤，并利用通过浆水泵输送的来自浆水储槽的处理过的浆水14来润湿煤。煤浆通过滚筒筛排出至棒磨机排出储槽，并且随后浆被泵送至浆储存储槽中。最终的浆的干燥固体浓度通常在50-75％的范围内。煤碾压系统装备有粉尘消除系统，其包括由润湿剂辅助的喷水器。所需的粉尘消除程度取决于当地环境法规。所有储槽装备有竖直搅拌器以保持煤浆的固体悬浮。煤碾压和浆准备系统中的装备由适合于系统中存在的腐蚀环境的材料制造。储槽和搅拌器衬有橡胶。泵或衬有橡胶或为硬化金属以使腐蚀最小化。浆16随后被给送至气化器单元18，其可包括一个气化器或并联连接的多个气化器。

备选地，可使用干燥给料气化器(未示出)，其使用闸斗料斗以用于固体加压，并且使用氮，二氧化碳和在一些情况下使用合成气以将固体转移至气化器中。在干燥给送气化器中，使用蒸汽以缓和气化器内的反应温度。用于不同类型的含碳给送材料例如煤，石油焦的气化器是本领域已知的。构造可为流化床，移动床或气流床。特别对于较高阶煤而言，大多煤气化器为气流床类型。对于具有高灰尘组分的低阶煤，流化床气化器可能是优选的选择。然而，本文所示的气化器单元18是气流床浆给送气化器。

对于气流床煤气化器的操作压力通常在从300.0至1500.0psig并且更通常在从500.0至1100.0psig的范围中。

气化器单元18将煤、石油焦或类似碳氢化合物给送材料转变成含氢和一氧化碳的合成气。

浆给送泵从浆馏储槽抽吸，并且排出物被送至气化器单元18中所含的气化器的喷烧器。空气分离装置20通过含氧流22将氧供应至气化器单元18的喷烧器。高纯度(高于99.8％)或低纯度(大于95mol％)的氧可由气化器单元18利用。在图1中，空气分离装置20产生低纯度的氧，即大于85mol百分比且小于99.8mol百分比。气化器单元18中的碳的转变一般相当高并且可为大约百分之98。

如本领域技术人员将了解的，气化器单元18将包括气化器容腔， 其为衬有耐熔材料的高压燃烧室。煤浆16和含氧流22给送通过喷烧器。煤浆16和氧在气化器单元18中反应使得不会完全氧化成水和二氧化碳。温度可超过大约2400℉。含氢和一氧化碳的流24，称为合成气或合成气体通过固体含碳给送材料的分解而生成。除了氢和一氧化碳外，合成气在冷却和除水之后还包含较少量的水蒸汽和二氧化碳，以及少量的硫化氢，羰基硫，甲烷，氩和氮。在气化器中的热使煤粉尘液化。来自反应器的热的合成气和熔融固体流入淬冷区段，其中合成气由迎面的淬冷水流26冷却。也可利用其它冷却手段，例如辐射热交换。尽管合成气离开气化器的气化区段时处于大致大于1500.0℉且通常大于2400.0℉，但离开淬冷和/或热回收区段的合成气的实际温度可大大低于1500.0℉，例如400.0-800.0℉。熔渣处理系统(未示出)储存并处置由气化过程去除的熔渣27。

一系列单元操作随后进行，它们共同被称为气体调节系统28。取决于给料，气化器的类型以及气化器操作条件，杂质可包括颗粒，焦油，酸性气体，如含二氧化碳，氨，硫的种类，以及其它无机物质，例如碱性化合物。杂质可在一个单元操作中去除或在用于去除特定污染物的一系列单元操作中去除。气体调节系统28通常采用已知技术。例如，气体清洁单元30利用本领域已知的技术：洗涤器，旋流器和过滤器来去除颗粒；COS水解单元以将COS转化成H₂S。气体调节系统28还包括气化器合成气在热回收区段32所需的冷却，其可包括多个热交换器(例如，锅炉，节热器)。通常，蒸汽在气体冷却区段的一部分产生，以用于加工的其它部分。这些操作的具体细节对本领域技术人员而言是熟知的。并且，尽管未在图1中明确描绘，气体清洁区段30的一些单元操作可在热回收区段32的一些热交换器之后。在热交换器32中热回收后，用于去除硫化合物和/或CO₂的酸性气体去除在酸性气体去除单元34执行，其可通过多个市场上可获得的技术来实现。这些包括使用物理溶剂，化学溶剂(例如，胺)和物理吸收剂(例如，PSA，VPSA)的工序以用于硫化合物和/或CO₂的大量去除。酸性 气体去除单元34还可包含吸收剂床，用于精化硫和其它污染物从合成气的去除直到燃气轮机系统可接受的水平。使用气流床气化器(其中离开气化器的气化区段的气化器合成气大致大于1500.0℉且通常大于2400.0℉)将降低气体调节系统28的复杂性。具体而言，来自气流床气化器的合成气的焦油和甲烷组分趋于较低甚至不存在。气体调节系统28因此处理含氢和一氧化碳的流24以产生含有氢和一氧化碳的燃料流36，其被给送至燃气轮机38。酸性气体流37从酸性气体去除单元34排出。

空气分离单元20可包括带有级间冷却的多级压缩系统40以压缩空气流42。空气流42所含的空气在压缩后在预纯化单元43中纯化，预纯化单元43具有吸收剂床，其根据异相压力摆动或温度摆动吸收循环操作以用于移除较高沸点杂质，例如二氧化碳和水蒸汽。所得的压缩和纯化空气随后冷却至适于其在热交换器中蒸馏并且随后在蒸馏塔系统44内精馏的温度。为了补偿泄漏至冷盒壳体蒸馏塔的热和热交换器的温热末端损失，还包括涡轮膨胀器以产生排放流。该排放流可通过在增压压缩机中进一步压缩空气，并且随后将空气引入上或下塔膨胀器来产生，或可为氮膨胀循环，其中部分含氮流膨胀并且随后被引回入热交换器中。尽管未示出，上述元件将并入空气分离单元20中。

在图1中所示的实施例中，空气分离单元20供应低纯度(95.0mol％)氧作为含氧流22至气化器单元18，其处于超过气化器操作压力100.0至250.0psia的压力下。尽管未示出，这可方便地实现，通过泵送富氧液体流以加压并随后在空气分离单元20的热交换器中通过与已增压至高压的待分离的空气的一部分间接热交换来加热该流至环境温度。由燃气轮机38产生的泄放流部分46组成给送至空气分离单元20的空气的一部分，通常在空气分离单元所需空气的百分之30.0至百分之60.0之间。泄放流从燃气轮机的压缩机48获取，压缩机48以其已知的操作压缩环境空气49。这降低了在空气分离单元 20中的压缩机的尺寸和数量，并且降低了与该装置有关的压缩机的功率需求。除了低纯度氧以外，特别的空气分离单元20还产生高纯度氮流51和废氮流52。废氮流52在氮压缩机54中被压缩至200.0至500.0psia之间并且被注入燃气轮机系统38的燃烧器56中。尽管由空气分离单元20所产生的所有的废氮可出于该目的使用，但通常只有其一部分将这样使用，并且未出于该目的使用的废氮被排出作为排出流58。如所示，泄放空气流46可与废氮流52在其在氮压缩机54中压缩后在热交换器60中间接热交换，以进一步加热废氮流52并且以冷却泄放空气流46。应当理解，尽管装置可产生高纯度氮和废氮两者，本发明的实施例可能其中空气分离单元20只产生高纯度氮或废氮以用于注入燃气轮机38的燃烧器56中。

燃气轮机系统38选自市场上可得的由本领域已知的各个公司制造的轮机。所示的具体机器是轴流式且为具有可变进口引导叶轮的定速单元式。所选择的轮机通常包括先进筒式冷却技术，压缩机空气动力学设计和允许较高的焚烧温度的先进合金。燃气轮机通常设计以用于与天然气体焚烧，但还可与来自低Btu的IGCC的合成气燃料气体流36焚烧。这将需要一些修改以恰当地在燃烧器56中燃烧合成气并且使燃烧产物在机器的膨胀器62中膨胀。这些包括以本领域已知的方式重新设计燃烧器的喷烧器。尽管仅示出了一个这类的燃气轮机38，但在本发明的实际应用中，可使用两个或更多的燃气轮机。

进入空气在压缩机48中压缩至140.0至350.0psia之间。如上文所述，压缩机排出空气的一部分，优选地在空气分离单元20的压缩空气需求的百分之30.0至百分之60.0之间的泄放空气流46被获取。排出空气的剩余部分来到燃烧器56以支持合成气的燃烧。处于比压缩机排出压力高100psi以上的压力下的加压合成气通常给送至燃气轮机的流控制系统，其在将包括在燃烧器56内的多个并联的扩散燃烧器中燃烧。再次，如上文所述，通常，由空气分离单元20产生的废氮的一部分(通常在百分之40.0至百分之75.0之间)在氮压缩机54中 被压缩至燃气轮机压缩机排出压力以上大约20-100psi，并在热交换器60内使用获取的空气来加热至获取空气温度的大约50-100℉内，并且被给送至燃烧器56。在这方面，压缩的废氮可给送入燃烧器56中，如直接给送入燃烧器或给送至燃烧器56的上游，或者在进入燃烧器56之前给送进入燃料流36，或在燃气轮机的膨胀器62之前给送至燃烧器56下游，或以上组合。在135.0至340.0psia的压力下和2000.0℉至2600℉之间的温度下产生的热燃烧产物在膨胀器62中膨胀以在与燃气轮机38机械联接的发电机64中发电。

热可优选地被回收，并且通过在燃气轮机38中产生的排放流66中所含的燃料气体来生成蒸汽，这借助于余热回收蒸汽发生器68"HRSG"。HRSG 68是水平气流，鼓式，多压力设计，在焚烧IGCC合成气时其与燃气轮机排放气体的特征匹配。排放流66中所含的燃料气体在离开燃气轮机38时大约1050℉，并且被传送通过HRSG68以回收热能，并且作为烟道气体70离开HRSG 68时处于250℉-400℉。

HRSG68包括高压(HP)鼓，其产生在大约900-2000psig的蒸汽。该蒸汽过热至950°-1050℉。输出蒸汽流72可产生以在图2中所示的设备2内使用。此外，中压(IP)蒸汽流73可产生，过热并输出作为输出流以在整个综合体内使用。剩余的蒸汽作为高压蒸汽流74和中压蒸汽流75被发送至蒸汽轮机76。

除了生成且使蒸汽过热以外，HRSG 68还为冷/热的再加热流执行再加热任务以用于蒸汽轮机76，提供冷凝物和给送水加热，并且还提供用于冷凝物的除气的热。蒸汽的自然循环通过利用由于蒸汽的温差所产生的密度差异而在HRSG 68中实现。HRSG 68中所含的鼓包括湿气分离器、内部挡板以及用于给送水/蒸汽的管道。所有管，包括节热器，过热器和集流器和鼓都装备有泄放口。

蒸汽轮机76通常包括高压区段，中压区段和低压区段，所有区段都通过公用轴连接至发电机78。蒸汽作为冷凝物80从冷凝器(未示 出)排放时处于大约2.5psia和130℉。尽管上述使用排放气体流66将为常态，但本领域技术人员可理解的，可能存在本发明的实施例，其中这样的电力仅通过燃气轮机38生成。

尽管未示出，但本领域技术人员所了解的，实用子系统将提供以用于与设备1连接。这样的实用子系统将加工若干个非现场物件，包括水供应和处理，水管理，冷却水供应，冷凝物处理，除气，废水处理，固体废物管理，空气排放物管理，煤接收和储存，在干给送气化器的情况下的煤干燥。在设备2中(见图2)这样的实用子系统将存在于专属用户4内。此外，这样的实用子系统提供在煤浆准备16中使用的水流14，在气化器18中用作淬冷的水蒸汽26，以及送至余热回收蒸汽发生器"HRSG"68的除气锅炉给送水82。

参考图2，示出了设备2作为将并入设施1和在发电机64和78中产生的未在设施1中消耗的电力84的专属用户4的设备类型的示例。在这方面，在设施1中，产生的电力的一部分在空气分离单元20，氮压缩机54，在煤准备12中使用的压缩机和泵，气化18和气体调节操作28和各种其它各种各样的用途例如仪器中消耗。尽管电网3可用于设备2中所含的所有元件的备用和启动目的，但一旦设施1上线，则将不再从电网3取得电力。专属用户4可进行这类操作，如通过费托技术的液体燃料生产或可能将甲醇与汽油结合(MTG技术)的甲醇合成气，来自气化或蒸汽甲烷重整的氢产物，精炼化学综合体以产生甲醇、乙醇、烯烃(olefins)等。

再次参考图1，设施1的性能由以下来优化：适当的燃气轮机的选择，由燃气轮机38供应的空气的量，燃气轮机38的运行以及由燃气轮机38使用的氮52的量。重要的是注意设施1具有环境温度和压力以及燃气轮机功率输出的设计点。至于燃气轮机功率输出，燃气轮机的选择基于设备2(即，设施1和专属用户，即大致由图2中的参考数字4所表示的所发生的工序)的总发电需求。在存在时，将考虑到蒸汽轮机的发电能力。因此，在考虑由蒸汽轮机76可产生的电力的情 况下，燃气轮机功率输出是所需的功率输出，其在联接至发电机64时将产生足以用于整个设备2的电力。

此外，燃气轮机的选择还基于使用的燃气轮机38的压缩机48具有足够能力以满足对于空气分离单元20的空气流需求。在这方面，在设计条件下，可在完全空气压缩机能力下压缩的空气质量或换而言之，摩尔流速与由空气分离单元所需的空气的质量的比在4.8至6.0之间。(优选在4.9至5.2之间)。应当理解，尽管前述论述基于单个燃气轮机，但相同的益处可利用两个或更多燃气轮机来获得。在该情况下，多燃气轮机将具有足够的压缩机性能以遵从该比。所选的燃气轮机空气获取设置在空气分离单元空气率的50％，并且氮回归被设置成提供IGCC系统和专属用户需求所需的能减去由蒸汽轮机发生器(如果存在)产生的电力所需的量。如果比大于6.0，则较小的燃气轮机将提供优化性能。在比为6.0或更大时，燃气轮机空气压缩机将对于在空气分离需求的百分之50的空气获取而言是过大的。轮机压缩机在设计点下应当在不小于其操作能力的百分之90.0的情况下操作。在百分之90.0以下操作，则燃气轮机压缩机效率将降级。尽管，通常废氮流52的流速将在泄放空气流46的流速的百分之60.0至110.0之间，但在废氮流52的流速大约等于泄放空气流46的流速时可实现进一步的效率。

对于系统操作中燃气轮机设计空气率除以空气分离单元设计空气率大约为5.0且没有空气获取的情况，氮添加至燃气轮机燃烧器用于NOx控制将降低燃气轮机压缩机空气流至设计空气流速的90％或更少。在50％的空气提出时，相同燃气轮机空气压缩机在大于95％的最大速率下操作。为保证满足燃气轮机功率输出需求的氮回归速率至少足以用于NOx控制，或换而言之足以使排放气体流66中NOx降低至低于大约20ppmv。氮回归速率的下限可基于NOx排放物需求设置。

在比小于4.8时，更大燃气轮机应当被选择以优化性能。例如，如已由发明者在本文中模拟的那样，如果比小于4.6，则将必须选择 更大的燃气轮机，因为燃气轮机空气压缩机将太小难以实现有效空气获取。全部功率需求可能在没有空气获取和氮添加的情况下提供。由于空气分离装置的主空气压缩机的流需求，整个装置效率将降低因为内部功率需求相对空气获取选择相对将增加，并且将需求大量氮以用于功率扩大。

下表示出本发明的益处的模拟示例。

表

在两种情况中，两个燃气轮机与一个空气分离单元20一起使用。此外，存在两个气化系列，换而言之，两个气化器18和空气调节系统28，以及一个HRSG 68和一个蒸汽轮机76。并且，在两种情况中，至燃气轮机压缩机与至空气分离单元的空气流速的比都是5.0。燃气轮机空气压缩机流在情况1中在设计条件下(91℉，海平面压力，并且净装置输出244兆瓦)大于95.0％的燃气轮机的空气流能力。对于情况2，燃气轮机空气流能力是设计条件下完全能力的90％。在情况1中，依照本发明，空气压缩需求的50.0是从燃气轮机供应的。在情况2中，没有从燃气轮机的空气获取。清楚的是，燃气轮机输出在情况1中为222.0兆瓦，相对于300.0兆瓦的最大可能功率输出，以及由空气分离单元20产生的废氮的百分之54回归至燃气轮机。同样清楚的是，在情况2中，由空气分离压缩机消耗的功率大于情况1，并且总体效率更低。因此在情况1中由燃气轮机所产生的所需的电力小于情况2，这导致对于情况1的.更低的煤的使用速率。在这方面，能量效率基于 电力所含的能量(热能等同)以及离开设施1的蒸汽所含的热能比上由燃烧的热来测量的包含于给送至气化器的煤的热潜能来确定。

尽管参考优选实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员而言可能想到可作出多个改变，添加和省略而不偏离如所附权利要求所述的本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种联合气化和发电方法，包括：

将氧产物流和含碳物质引入至少一个气化器中，并且使所述含碳物质气化以产生包括氢和一氧化碳的合成气体流；

在气体调节系统中，通过从所述合成气体流中去除颗粒和含硫化合物来处理所述合成气体流以产生燃料流，并且从所述合成气体流回收热；

将所述燃料流引入至少一个燃气轮机的燃烧器；

通过与至少一个燃气轮机联接的至少一个发电机来发电；

在空气分离单元中分离空气，通过压缩，纯化和冷却空气至适于其在蒸馏塔系统中精馏的温度，并且在所述蒸馏塔系统内精馏所述空气以产生所述氧产物流和含氮流；

所述至少一个发电机以所需的功率输出来发电以至少部分地供应专属用户和包括所述气化器、所述气体调节系统、所述空气分离单元和氮产物压缩机的设施的电力需求；

通过从所述至少一个燃气轮机的压缩机获取的泄放空气流而不再进一步压缩所述泄放空气流来供应所述空气分离单元所需的压缩空气的百分之30.0至百分之60.0之间；

在氮产物压缩机中压缩所述含氮流的至少一部分以产生压缩的氮流；

将所述压缩的氮流给送至以下中的至少一者：所述燃料流、所述燃烧器以及所述燃烧器下游膨胀器前的位置；

所述设施具有环境温度和压力以及净功率输出的设计点；以及

所述至少一个燃气轮机在所述设计点具有以由空气分离装置所需的空气的总摩尔流速的4.8至6.0倍之间的比率由其压缩机压缩空气的能力，并且所述至少一个燃气轮机的所述压缩机在所述设计点以不小于其能力的百分之90来运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，并入有设施和专属用户的设备的电力需求还由联接至蒸汽轮机的另一个发电机供应，所述蒸汽轮机供应有余热蒸汽发生器产生的蒸汽，所述余热蒸汽发生器连接至所述至少一个燃气轮机以接收燃气轮机排放流以在所述余热回收蒸汽发生器内产生热。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比率是由所述空气分离装置所需的空气的总摩尔流速的4.9至5.2倍之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泄放空气流供应由所述空气分离单元所需的压缩空气的百分之50.0。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少部分的所述含氮流具有足以允许所述发电机由所述燃气轮机驱动以所需的电力输出发电的预选择的流速。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氮流具有大约等于所述泄放空气流的空气流速的氮流速。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩的氮流由所述泄放空气流加热。