CN104910985A - 煤气化和甲烷化反应工艺中的热集成 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤气化和甲烷化反应工艺中的热集成。具体而言，本发明涉及一种联合的气化、甲烷化以及动力岛蒸汽涡轮机的系统(100)。该系统包括甲烷化部分(202)和蒸汽涡轮机部分(204)。甲烷化部分包括新的热回收设计和用于获得所需的蒸汽与干燥气体的比例为1.1~2.2的相关控制。该甲烷化部分包括第一甲烷化反应器(214)、第二甲烷化反应器(216)、第三甲烷化反应器(218)以及与高压过热器、低压过热器、HP节热器集成的相关热回收。动力岛蒸汽涡轮机包括联接到甲烷化工艺中的过热器的输出上的输入。

Description

煤气化和甲烷化反应工艺中的热集成
本申请为2010年1月6日提交的专利申请“煤气化和甲烷化反应工艺中的热集成”（申请号：201010003822.7，申请人：通用电气公司）的分案申请。
技术领域
本公开的主题涉及甲烷化，尤其是涉及甲烷化反应工艺中的与煤气化工艺相集成的热回收。
背景技术
甲烷化是一种物理化学工艺，从来自生物质发酵或热化学气化的各种气体的混合物中产生甲烷。其主要成分是一氧化碳和氢。甲烷化工艺需要H2与CO的比例为3:1的清洁的合成气体(合成气)以向反应器供给。合成气通常在气化器中产生。在合成气为供给产物的情况下，甲烷化可产生合成天然气(synthetic natural gas，SNG)。
目前，大多数甲烷化工艺是独立的工艺，其包括气化部分和甲烷化部分。具备部分热回收的典型的气化工艺产生H2与CO的比例约为0.95至1.0的合成气。在气化器的下游加入触媒转化反应器，以转化CO与H2的比例。转化需要湿润的合成气，且蒸汽与干燥气体的比例约为1.1至2.2(随着触媒效率的类型而改变)。传统上，因为从辐射合成气体冷却器(radiant synthesis gas cooler，RSC)的骤冷器离开的合成气不具有足够的湿气，所以添加蒸汽至转化反应工艺。
发明内容
根据本发明的一个方面，提出了一种联合的甲烷化和蒸汽涡轮机的系统。该系统包括甲烷化部分和蒸汽涡轮机部分。甲烷化部分包括：第一甲烷化反应器，具有配置成接收合成气体的输入和输出；第二甲烷化反应器，具有联接到第一甲烷化反应器的输出上的输入和输出；第三甲烷化反应器，具有联接到第二甲烷化反应器的输出上的输入和输出；以及低压过热器，联接在第二反应器和第三反应器之间，加热低压蒸汽。蒸汽涡轮机部分包括低压蒸汽涡轮机，该低压蒸汽涡轮机具有联接到低压过热器的输出上的输入。
根据本发明的另一个方面，提供了一种发电厂。该发电厂包括甲烷化部分和蒸汽涡轮机部分。该甲烷化部分包括：第一甲烷化反应器，具有配置成接收合成气体的输入和输出；第二甲烷化反应器，具有联接到第一甲烷化反应器的输出上的输入和输出；第三甲烷化反应器，具有联接到第二甲烷化反应器的输出上的输入和输出；以及低压过热器，联接在第二反应器和第三反应器之间，加热低压蒸汽。蒸汽涡轮机部分包括低压蒸汽涡轮机，该低压蒸汽涡轮机具有联接到低压过热器的输出上的输入。
通过以下结合附图的描述，本发明的这些和其他的优点和特征将变得清楚。
附图说明
被认为是发明的本主题被特别指出并在所附权利要求中被明确主张。本发明的上述及其他的特征和优点通过以下结合附图的详细描述而变得清楚，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的气化工艺的示意图；以及
图2是根据本发明的一个实施例的联合的甲烷化和蒸汽涡轮机系统的示意图。
通过参照附图的示例，详细的描述解释了本发明的实施例，以及优点和特征。
部件列表
102 合成气热回收和微粒清洗系统
104 气化器
105 集成的RSC/骤冷器
106 RSC部分
108 骤冷器部分
110 合成气洗涤器
114 第一泵
116 第二泵
112 转化/LTGC
200 联合的甲烷化和动力岛蒸汽涡轮机工艺系统
202 甲烷化部分
204 动力岛
206 低压过热器
208 第一高压节热器
210 第二高压节热器
236 高压过热器
212 预热器
120 酸性气体去除器
214 第一甲烷化反应器
216 第二甲烷化反应器
218 第三甲烷化反应器
220 闪蒸罐
222 方向箭头
224 冷凝剂输出箭头
112 转化反应器
204 蒸汽涡轮机部分
230 高压蒸汽涡轮机
232 中压蒸汽涡轮机
234 低压蒸汽涡轮机
236 高压过热器
238 回收处理器
256 脱气器
262 LP泵
252 后处理部分
254 冷凝器
258 中压节热器
260 第一泵
264 第三泵。
具体实施方式
本发明的实施例致力于一种用于热回收的辐射合成气体冷却器(RSC)/SGC(Syngas cooler：合成气冷却器)，该热回收来自集成有骤冷的气化器，该骤冷具备相关控制以获取所需的蒸汽与干燥气体的比例。该实施例可允许消除需要添加到转化触媒的额外蒸汽。本发明的实施例也可引入一种新的工艺方案，其用于气化与具有联接的蒸汽涡轮机/动力岛的甲烷化工艺的热回收集成。
根据本发明的第一方面，提供了一种新的联接有RSC/SGC (Radiant Syngas cooler/Syngas cooler：辐射合成气冷却器/合成气冷却器)的气化器的优化设计，该气化器的下游联接有骤冷腔/洗涤器，该骤冷腔/洗涤器具备相关控制，以给出蒸汽与干燥气体比的1-2.2的比例的优化比，允许使用第三部分的触媒的转化，从此降低对于转化触媒的传统蒸汽引入的成本/需要。
根据本发明的第二方面，提供了联合有甲烷化和蒸汽涡轮机系统的优化的气化工艺。该系统包括气化部分、甲烷化部分以及蒸汽涡轮机部分。甲烷化部分包括第一甲烷化反应器和第二甲烷化反应器，第一甲烷化反应器具有配置成接收合成气体的输入和输出，第一反应器的输出联接到HP过热器上，第二甲烷化反应器具有联接到HP过热器的输出上的输入和输出，第二甲烷化反应器联接到LP过热器和HP节热器#2上。HP节热器#2的输出与第三甲烷化反应器的入口联接。第三甲烷化反应器的出口与HP节热器#1联接。蒸汽涡轮机部分包括高/中压和低压的蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机具有联接到高/低压过热器的输出上的输入。
根据本发明的另一方面，提供了一种具备气化/甲烷化工艺的集成动力岛。该发电厂包括MP节热器、脱气器、冷凝器以及具备高压和低压提取的蒸汽涡轮机。使用甲烷化反应器#2的出口处的可用能量，使气化岛中的LTGC(Low Temperature gas cooling：低温气体冷却)中的净低压蒸汽在甲烷化工艺中过热。该过热的LP蒸汽被引入动力岛中的LP蒸汽涡轮机。来自LP蒸汽涡轮机的提取蒸汽被用来约束脱气器。气化工艺中的来自合成气冷却器的高压蒸汽在甲烷化工艺中过热，并被引入HP蒸汽涡轮机。来自HP蒸汽涡轮机的提取蒸汽被用于节省气化岛中的大部分SRU(Sulfur Recovery unit：硫回收单元)工艺所需的中压(600-800 psig)锅炉给水。
如以上广泛讨论的那样，甲烷化工艺需要被供给至甲烷化部分(包括一个或多个甲烷化反应器)的H2与CO的比例为3:1的清洁的合成气。具备部分热回收工艺的典型的气化产生H2与CO的比例约为0.95至1的合成气。为了提高H2与CO的比例，在气化器的下游加入触媒转化反应器，以转化CO与H2的比例。为了正常地运行，转化反应器需要大约1.1至大约2.2(该值可根据触媒效率而变化)的蒸汽与干燥气体的比例。在现有技术中，这可能需要将蒸汽添加到转化反应器中，因为在骤冷器中骤冷的RSC输出不具有所需范围内的蒸汽与干燥气体的比例。即，在传统上，将蒸汽添加到转化反应工艺中，因为从接收RSC的输出的骤冷器离开的合成气不具有足够的湿气。
本发明的实施例可包括一种具备RSC/SGC的优化设计的气化器，该RSC/SGC与下游的骤冷/洗涤器和相关控制集成。在一个实施例中，集成的RSC/骤冷器以其输出具有所需的蒸汽与干燥气体的比例的方式运行。例如，蒸汽与干燥气体的比例可为大约1.1至大约2.2。在一个实施例中，这可通过增加离开RSC/SGC而到达集成的RSC/骤冷器的骤冷部分中的骤冷腔的合成气的温度而实现。第二个实施例是加热通向LTGC(Low Temperature Gas cooling：低温气体冷却)部分中的洗涤器的循环冷凝剂，以增加洗涤器的出口处的气体中的水含量。在一个实施例中，这可通过将甲烷化工艺和RSC集成而实现，从而向RSC提供在甲烷化工艺中回收的能量(以蒸汽或热水的形式)，从而提高其输出的蒸汽含量。因此，在引入转化反应器前，集成的系统可不需要常规地用于对干燥气体进行加湿的额外蒸汽的产生，并且，因而减少不回收的能量。
图1显示了根据本发明的一个实施例的集成系统的示例。在该实施例中，气化器104产生原始的合成气输出。气化器104是气化发生的地方。气化是一种工艺，其通过使原料与受控制的量的氧气和/或蒸汽在高温下反应而将诸如煤、石油、或生物质的含碳物质转化为一氧化碳和氢。由此产生的气体混合物被称为合成气体或“合成气”，其本身为一种燃料。气化是一种从许多不同类型的有机物质中提取能量的非常有效的方法，并也可具有作为清洁的废物处理技术的应用。
在一个实施例中，气化器104联接到合成气热回收和颗粒清洁部分102上。合成气热回收和颗粒清洁部分102可包括集成的RSC/骤冷器105。集成的RSC/骤冷器105可包括两个部分，RSC部分106和骤冷部分108。RSC部分106作为热交换器，并冷却从气化器104接收的合成气。设计和控制该RSC部分106，以满足通向骤冷器108的合成气的所需的出口温度。在骤冷器108中进一步进行冷却。在一个实施例中，能够以离开骤冷器的合成气具有足够的湿气含量以允许转化的方式从常规的骤冷器修改为骤冷器108。通过控制从RSC 105至骤冷器108的合成气出口温度，从而获得所需的进入合成气的水蒸发。不论如何，在任何实施例中，有益的结果可能包括离开骤冷器108时合成气中所包含的蒸汽的较大比例。
在一个实施例中，骤冷器108的输出联接到以常规方式运行的合成气洗涤器110上。制备部分102还可包括其他可选构件，例如，第一泵114以及用来在集成的RSC/骤冷器105和合成气洗涤器110之间移动水的第二泵116。在一个实施例中，转化/LTGC 112中的热的冷凝剂循环回到洗涤器110，这将导致湿润的合成气以所需的蒸汽与干燥气体的比例通过通常的洗涤器。沿着图2中所描述的动力岛从甲烷化工艺中的热集成供应通向RSC 118的节省的锅炉给水。
合成气洗涤器110的输出联接到转化反应器112上。在一个实施例中，转化反应器112的下游还可包括低温气体冷却，在该低温气体冷却中，回收低级别的能量(主要是在加热循环至洗涤器的冷凝剂和低压蒸汽产生的方面)。在现有技术中，转化反应器112可要求蒸汽输入，因为离开通常的洗涤器的气体并不满足转化所需的蒸汽与干燥气体的比例。根据本发明的实施例，因为离开合成气制备部分102的合成气的蒸汽与干燥气体的比例具有所需的比例。因此，即使存在输入，转化反应器112也不包括蒸汽输入或不接收蒸汽。有利地，转化反应器112不具有在现有技术中能量被回收并最终损失的蒸汽。
转化反应器112的输出联接到酸性气体去除器120上，以消除或减少合成气中的硫。然后，将合成气输送到以下参照图2更详细地描述的甲烷化工艺202。
图2显示了联合的甲烷化和动力岛蒸汽涡轮机工艺系统200(联合系统)的示例。联合系统200包括互连的甲烷化部分202和动力岛部分204。甲烷化部分202和动力岛部分也与气化部分102和转化/低温气体冷却部分112集成。在现有技术中，甲烷化部分不互联到或联接到气化部分或具备蒸汽涡轮机的动力岛部分。在一个实施例中，甲烷化部分202包括低压过热器206、第一高压节热器208以及第二高压节热器210，这些不包括在现有的甲烷化部分中。系统200还可包括在现有技术的甲烷化部分中不包括的高压过热器236。
甲烷化部分202在预热器212接收具有大约3的H2与CO的比例的合成气。预热器212例如从酸性气体去除器120(图1)接收合成气。预热器212将合成气加热至第一甲烷化反应器214所需的标准温度。像常规的甲烷化工艺那样，第一甲烷化反应器214的输出被输送至第二甲烷化反应器216，第二甲烷反应器216的输出被输送至第三甲烷化反应器218。第三甲烷化反应器218的输出被输送至闪蒸罐220，在该闪蒸罐中，将甲烷化工艺中产生的天然气产物(甲烷)与处理冷凝剂分离。天然气产物经由箭头222所标出的输出而输出。在一个实施例中，该处理冷凝剂经由冷凝剂输出箭头224所标出的输出而输出。在一个实施例中，向转化反应器112(图1)的低温气体冷却部分的KO罐提供处理冷凝剂。
本发明的实施例致力于将甲烷化工艺与具备蒸汽涡轮机的动力岛部分204集成，以创建联合的工艺200。在一些实施例中，与标准的甲烷化工艺相比，该联接可允许提高热回收。
在一个实施例中，蒸汽涡轮机部分204包括高压蒸汽涡轮机230。高压蒸汽涡轮机230的蒸汽输出联接到中压蒸汽涡轮机232的输入上。类似地，中压蒸汽涡轮机232的蒸汽输出联接到低压蒸汽涡轮机234的输入上。
在一个实施例中，高压蒸汽涡轮机230从联接到第一甲烷化反应器214的输出上的高压过热器236接收过热的高压蒸汽。来自第一甲烷化反应器214的反应产物的热被用来使高压过热器236中的来自联合的RSC 105(图1)的高压蒸汽过热。在一个实施例中，在由循环处理器238处理之后，来自第一甲烷化反应器214的反应产物的一部分被反馈至第一甲烷化反应器214。
来自第一甲烷化反应器214的反应产物的另一部分被供给至第二甲烷化反应器216的输入。第二甲烷化反应器216的输出产物被供给至第三甲烷化反应器218的输入。
在一个实施例中，来自第二甲烷化反应器216的输出产物的能量用以使在转化/LTGC部分112(图1)中产生的低压蒸汽在联接到第二甲烷化反应器216的输出上的低压过热器206中过热。低压过热器206使低压蒸汽过热，并向低压蒸汽涡轮机234的输入提供过热的低压蒸汽。第二甲烷化反应器218的输出产物也作为热源而被供给至第二高压节热器208。第二高压节热器208加热用于RSC 118(图1)的高压锅炉供给的水。第一高压节热器210联接到第三甲烷化反应器218上，使得来自第三甲烷化反应器218的输出产物加热从动力岛蒸汽涡轮机组204接收的高压锅炉给水。尤其是，将水从输出泵250泵至第一高压节热器210，在第一高压节热器210中，水被来自第三甲烷化反应器218的输出产物加热。
如上所述，本发明的一个实施例致力于将甲烷化工艺与动力岛蒸汽涡轮机组集成，以及与气化工艺(图1)集成。例如，在一个实施例中，这可以通过在低压过热器206中使低压蒸汽过热并向低压蒸汽涡轮机234提供由此产生的蒸汽而实现。来自脱气器256的脱气的水被提供至第一高压节热器210，在第一高压节热器210中，水被第三甲烷化反应器218的输出产物加热。然后，热水被提供至第二高压节热器208，在第二高压节热器208中，水被第二甲烷化反应器216的输出产物加热。在高压给水处向RSC 105(图1)提供热水。来自LP泵262的LP锅炉给水被提供至转化/低温气体冷却部分112，以用于LP蒸汽的产生。在上述方式中，气化工艺、甲烷化工艺以及蒸汽涡轮机彼此集成。这可有利地从集成工艺中提供增加的能量回收。
再次参照图2，蒸汽涡轮机204可包括后处理部分252。后处理部分252处理水和蒸汽，以制备用在集成系统的其他部分中的水。在一个实施例中，后处理部分252包括冷凝器254、脱气器256、中压节热器258以及多个泵。冷凝器254联接到低压汽涡轮机234和中压节热器258的蒸汽输出上。蒸汽冷凝剂的形式的冷凝器的输出被提供至转化反应器/低温气体冷却部分112(图1)，以回收低级别的能量。来自该部分的蒸汽冷凝剂被第一泵260泵至脱气器256。脱气器256还可接收闪蒸箱蒸汽、从低压蒸汽涡轮机234提取的低压蒸汽以及来自气化的处理冷凝剂(如图1所示)。脱气器256产生排出蒸汽和脱气的水，通过第二泵262将其泵至低压锅炉以用于气化给水。通过第三泵264将第二泵的输出泵至用于气化的中压给水补偿，并泵至中压节热器258。
虽然仅结合有限数量的实施例而详细地描述了本发明，但是应该容易理解本发明并不限于这些公开的实施例。相反，可将本发明修改，以接合迄今为止未描述的任何数量的变型、变更、替换或等同布置，但这些与本发明的要旨和范围相称。此外，虽然已描述了本发明的各种实施例，但可以理解本发明的方面可以仅包括其中一些所描述的实施例。因此，本发明不应被视为由上述描述限制，而仅由所附的权利要求的范围限制。

Claims (12)

1. 一种联合的气化、甲烷化以及具备蒸汽涡轮机的动力岛的系统，该系统包括：
甲烷化部分，所述甲烷化部分包括：
第一甲烷化反应器，具有配置成接收合成气体的输入和输出；
第二甲烷化反应器，具有联接到所述第一甲烷化反应器的输出上的输入和输出；
第三甲烷化反应器，具有联接到所述第二甲烷化反应器的输出上的输入和输出；以及
低压过热器，联接在所述第二反应器和所述第三反应器之间，加热低压蒸汽；
蒸汽涡轮机部分，所述蒸汽涡轮机部分包括：
低压蒸汽涡轮机，具有联接到所述低压过热器的输出上的输入；
后处理部分，其处理水和蒸汽，以制备用在所述系统的其它部分中的水。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述甲烷化部分还包括：
联接到所述第三甲烷化反应器的输出上的闪蒸罐、
联接在所述第三甲烷化反应器和所述闪蒸罐之间的第一高压节热器。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述甲烷化部分还包括：
联接在所述第二甲烷化反应器和所述第三甲烷化反应器之间的第二高压节热器。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一高压节热器接收来自所述蒸汽涡轮机部分的锅炉给水。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二高压节热器从所述第一高压节热器接收热水，并向高压锅炉提供热水，以供给辐射合成气冷却器。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蒸汽涡轮机部分还包括高压蒸汽涡轮机，
所述甲烷化部分还包括联接在所述第一甲烷化反应器和所述第二甲烷化反应器之间的高压过热器，所述高压过热器接收高压蒸汽，使蒸汽过热并向所述高压蒸汽涡轮机提供蒸汽。
7. 一种发电厂，包括：
甲烷化部分，所述甲烷化部分包括：
第一甲烷化反应器，具有配置成接收合成气体的输入和输出；
第二甲烷化反应器，具有联接到所述第一甲烷化反应器的输出上的输入和输出；
第三甲烷化反应器，具有联接到所述第二甲烷化反应器的输出上的输入和输出；以及
低压过热器，联接在所述第二反应器和所述第三反应器之间，加热低压蒸汽；
蒸汽涡轮机部分，所述蒸汽涡轮机部分包括：
低压蒸汽涡轮机，具有联接到所述低压过热器的输出上的输入；
后处理部分，其处理水和蒸汽，以制备用在所述系统的其它部分中的水。
8. 根据权利要求7所述的发电厂，其特征在于，所述甲烷化部分还包括：
联接到所述第三甲烷化反应器的输出上的闪蒸罐、
联接在所述第三甲烷化反应器和所述闪蒸罐之间的第一高压节热器。
9. 根据权利要求8所述的发电厂，其特征在于，所述甲烷化部分还包括：
联接在所述第二甲烷化反应器和所述第三甲烷化反应器之间的第二高压节热器。
10. 根据权利要求9所述的发电厂，其特征在于，所述第一高压节热器接收来自所述蒸汽涡轮机部分的锅炉给水。
11. 根据权利要求10所述的发电厂，其特征在于，所述第二高压节热器从所述第一高压节热器接收热水，并向高压锅炉提供热水，以供给辐射合成气冷却器。
12. 根据权利要求7所述的发电厂，其特征在于，所述蒸汽涡轮机部分还包括高压蒸汽涡轮机，
所述甲烷化部分还包括联接在所述第一甲烷化反应器和所述第二甲烷化反应器之间的高压过热器，所述高压过热器接收高压蒸汽，使蒸汽过热并向所述高压蒸汽涡轮机提供蒸汽。
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