CN108026459B - 带有碳捕集的全蒸汽气化 - Google Patents

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Abstract

用于带有碳捕集的全蒸汽气化的含碳燃料气化系统包括微粉化焦炭制备系统,其包括接收固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽并在出口处产生微粉化焦炭、蒸汽、挥发物、氢气和挥发物的脱挥发分装置。间接气化器包括容器,该容器包括接收微粉化焦炭、输送流体和蒸汽的气化室。气化室在一个或多个出口处产生合成气、灰分和蒸汽。燃烧室接收氢气和氧化剂的混合物并且燃烧氢气和氧化剂的混合物以提供用于气化和加热流入物流的热量,从而产生蒸汽和氮气。通过使难熔沙子循环将用于气化的热量从燃烧室转移到气化室。本发明的系统生产用于诸如具有CCS、CTL和多联产装置的IGCC的应用的无氮高氢合成气。

Description

带有碳捕集的全蒸汽气化
本文所使用的章节标题仅用于组织目的,不应被解释为以任何方式限制本申请中描述的主题。
相关申请的交叉引用
本申请是2015年8月6日提交的题为“Carbon Capture with All-SteamGasification”的美国临时专利申请号62/201,625和2016年4月29日提交的题为“All-Steam Gasification with Carbon Capture”的美国临时专利申请号62/329,632的正常申请。美国临时专利申请No.62/201,625和62/329,632的全部内容通过引用并入本文。
简介
对二氧化碳温室气体在大气中积累的全球变暖担忧持续增长。现在大气中的二氧化碳浓度比过去几十万年的任何时候都要高。化石燃料发电系统的二氧化碳排放是近几十年来大气中二氧化碳增加的主要原凶。与此同时,全球化石燃料的需求和使用量也在持续增长。即使可再生能源和核能方面大幅增加,化石燃料消耗仍不断上升。因此,特别需要高效和有效的低碳技术,尤其是发电和化学品生产。
整体煤气化联合循环(IGCC)技术是利用煤炭发电的最清洁的方法。气化产生的杂质比传统燃煤电厂要少得多。IGCC发电厂在涡轮机中燃烧合成气来发电。捕集多余的热量为第二台涡轮提供动力,从而发电更多,以实现高效发电。目前,常见各种固体燃料气化生产化学品,包括化肥、甲醇、柴油和许多其它化学品。气化对环境有利,产生较少污染,减少二氧化碳排放,减少固体废物,和降低用水量。
发明内容
含碳燃料气化系统包括微粉化焦炭制备系统,其包括接收固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽的脱挥发分装置。微粉化焦炭制备系统在出口处产生微粉化的焦炭、蒸汽、挥发物和氢气。在一些实施方案中,焦炭制备系统包括在冷却焦炭时预热蒸汽的逆流焦炭冷却器、减压阀、将微粉化焦炭的平均尺寸降低到10μ以下的粉碎机以及将微粉化焦炭重新加压至入口要求的气锁。在一个具体实施方案中,含碳燃料是煤。在一些实施方案中,脱挥发分装置包括加热的压力容器,其包括用于注入流化蒸汽的入口和用于除去挥发物和粗焦炭的至少一个出口。
间接气化器包括容器,该容器包括接收来自微粉化焦炭制备系统的微粉化焦炭并且接收输送流体和蒸汽的气化室。气化室也可以被称为气化器。在一些实施方案中,间接气化器从微粉化焦炭制备系统的出口接收挥发物。在一些实施方案中,气化室从微粉化焦炭制备系统的出口接收蒸汽。还有,在一些实施方案中,气化室具有与热回收系统入口连接的出口,使得热回收系统接收来自气化室的蒸汽。气化室在一个或多个出口处产生合成气、灰分和蒸汽。
间接气化器还包括燃烧室。燃烧室也可以被称为燃烧器。燃烧室接收氢气和氧化剂的混合物,并且燃烧氢气和氧化剂的混合物以提供热量用于气化和加热流入的物流,从而产生蒸汽和氮气。例如,氧化剂可以是空气。通过使难熔沙子循环将用于气化的热量从燃烧室转移到气化室。在一些实施方案中,由间接气化器的燃烧器产生的蒸汽和氮气被引导至燃气轮机发电系统。在一些实施方案中,由间接气化器的燃烧室产生的蒸汽和氮气被引导至连接到发电机的膨胀器和发电模块中的烟囱式冷凝器,然后在系统烟囱排出。
含碳燃料气化系统还可以还包括将过程焦炭与挥发物分离的旋风分离器,其中旋风分离器具有位于脱挥发分装置下游的提供粗焦炭的第一出口和与间接气化器的入口连接的第二出口。
含碳燃料气化系统还可以还包括合成气冷却器,该合成气冷却器具有与间接气化器的气化室的出口连接的入口,其中合成气冷却器冷却合成气,并且在出口处产生蒸汽。具有从合成气冷却器出口接收冷却合成气的入口的合成气净化系统可用于去除杂质。
具有连接到合成气净化系统出口的入口的碳捕集系统可用于产生二氧化碳和氢气。碳捕集系统可以包括具有镍基催化剂的碳捕集反应器,所述镍基催化剂能够通过蒸汽重整去除合成气中过量的甲烷。碳捕集反应器使用蒸汽进行水煤气变换反应。合成气净化系统中的精制脱硫器可用于将合成气的SO2浓度降低到避免催化剂被二氧化硫中毒的水平。镍基催化剂可以安装在吸附剂组件的表面上。
在一些实施方案中,将固体燃料液化系统连接到输送氢气的碳捕集出口。固体燃料液化系统具有与合成气净化系统出口和碳捕集系统出口连接的入口。固体燃料液化系统接收合成气和氢气流,并且在第一出口产生甲烷和在第二出口产生柴油、甲醇、汽油和航空燃料中的至少一种。在这些实施方案中,间接气化器接收来自微粉化焦炭制备系统的出口的挥发物。固体燃料液化系统的第一出口连接到间接气化器的入口。固体燃料液化系统向间接气化器中包含气化室的容器提供甲烷。在各种实施方案中,气体流量控制器位于合成气净化系统和固体燃料液化系统之间,以便使用来自合成气净化系统出口的合成气调节合成气中的一氧化碳/氢气比至固体燃料液化系统要求的。
附图说明
根据优选和示例性实施方案,在以下结合附图的详细描述中更具体地描述本发明及其进一步优点。本领域技术人员将理解下述附图仅用于说明目的。附图不一定按比例,而是通常重在描述发明原理。这些附图不以任何方式限制申请人发明的范围。
图1示出了本发明的碳捕集全蒸汽气化系统的系统框图。
图2示出了本发明的焦炭制备系统和气化器系统的实施方案。
图3示出了本发明的脱挥发分装置的实施方案。
图4示出了本发明的间接气化器的实施方案。
图5示出了本发明的合成气冷却器的实施方案。
图6示出了本发明的合成气净化系统的实施方案。
图7示出了本发明的碳捕集反应器系统的实施方案。
图8示出了本发明的甲烷蒸汽重整的相图。
图9示出了本发明的多联产应用的燃烧系统的产品的实施方案。
具体实施方案
现在将参考附图中所示的示例性实施方案来更详细地描述本发明。尽管结合各种实施方案和实施例描述本发明,但本发明不限于这些实施方案。相反,如本领域技术人员将理解的,本发明涵盖各种替代、调整和等同方案。接触本发明的本领域普通技术人员将认识到在本文所描述的本发明范围内的其它实施方式、调整和实施方案以及其它应用领域。
说明书中提及“一个实施方案”或“实施方案”意味着结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性在本发明的至少一个实施方案中。说明书中多处出现的短语“在一个实施方案中”不一定都指同一实施方案。
应该理解,本发明方法的各个步骤可以以任何顺序和/或同时进行,只要发明可操作即可。此外,应该理解,本发明的装置和方法可以包括任何数量或所有描述的实施方案,只要发明可操作即可。
全球变暖和气候变化问题要求世界范围内的燃煤电厂增加昂贵的控制以捕集和储存二氧化碳,以达到所要求的排放率。目前的技术如用于煤电厂的带有碳捕集的IGCC技术,在没有补贴的情况下已被证明是不经济的。运行碳捕集系统所需的额外电能降低了效率,因此没有被广泛采用。这导致了老煤厂的关闭和许多新工厂的取消。尽管如此,许多专家仍认为,煤是帮助世界转向可再生能源的宝贵能源。
本发明涉及带有碳捕集的全蒸汽气化系统,该系统可以明显提高有益的IGCC技术的效率和加速其广泛采用。全蒸汽气化(ASG)是有利的,因为它可以通过燃料完全燃烧提供用于气化的热源。这是通过使用间接气化器完成的,而不是如传统系统中一样将碳部分氧化成CO。该方法使气化器中每磅碳产生的净氢量增加到三倍以上,并且使总氢量(包括在变换反应器中产生的氢)增加了大约30%。由于氢气是碳捕集所需的无碳燃料,氢气产量的增加提高了整体煤气化联合循环(IGCC)装置的效率,从带有碳捕集传统系统的约32%提高到带有新系统的48%的更高热值(HHV)。由于每个子系统中独特的设计,燃料和资本成本的降低甚至更大。
全蒸汽气化已被用于例如组合气和蒸汽(COGAS)、焦油能源开发(COED)中。此外,CO2接收器处理系统使用蒸汽气化。但这些系统并没有将碳捕集应用与本发明的能源生产或煤厂结合起来。本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统中碳捕集的效率现在要高于使用没有碳捕集的传统技术的最高效的煤电厂。本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统适用于各种类型的固体燃料,例如煤和生物质。
本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统包括6项主要改进的技术。本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统从煤或其它用于电力和/或化学品生产的原料生产氢气。本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统生产无氮高氢合成气,用于诸如带有碳捕集存储(CCS)的IGCC、煤液化(CTL)和多联产装置等应用。如本文所用,多联产是用于描述其多产品能力的术语。本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统提供了更高的效率,但其成本足够低,使得煤炭在限制碳排放的世界中具有竞争力。本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统的关键子系统的综合改进产生了电力和多联产,在解决全球变暖问题的同时,为全球竞争力提供了必要的经济条件。
此外,与其它已知方法相比,全蒸汽气化每磅煤或其它原料产生的氢气量要大得多。吹气法取消通常用于这种系统的生产氧气的昂贵的大型空气分离装置,这明显提高了效率和成本。间接气化器使液体和化学品多联产所必需的无氮氢气成为可能,同时通过阻止空气与临界物流混合保持纯电力和纯CTL模式。
此外,使用在脱挥发分装置和焦炭制备系统中产生的微粉化焦炭可以在几秒钟内使原料气化。这明显缩小了气化装置的规模,并提高了模块化设备的生产能力。使用高温固定床和石灰石基吸附剂的带有一体化水煤气变换的绝热钙循环强化了整个碳捕集系统。其结果是管道质量的高压二氧化碳。高温过程使变换反应器的热量能够在高温下回收。这样产生的蒸汽比现有技术传统变换系统中使用的较低温度变换更多。
这种系统不再需要蒸汽再生用于捕集二氧化碳的吸附剂。使用专用高温换热器的集成高温热回收系统以非常高的效率支持整个系统。最后,这种系统利用已知的近乎零排放的热气净化系统,在缩短温度循环的同时减轻空气污染。添加热气净化系统撬动了在合成气净化高温下的正常能力。
图1示出了本发明的带有碳捕集的全蒸汽气化系统100的系统框图。带有碳捕集的全蒸汽气化系统100适用于多联产。在多联产中,电力或化学品或两者都是由固体燃料如煤产生的。虽然本发明的许多方面结合使用煤来描述,但本领域技术人员将认识到本发明不限于煤,也可以使用许多其它的固体燃料。例如可以使用生物质、泥煤、木材、木屑和木炭。
图1中所示的带有碳捕集的全蒸汽气化系统100的实施方案包括输入煤、H2和空气并排出烟气的煤进料系统102。煤进料系统102的一些实施方案使用带有混合器的旋转阀给料器和流化床煤干燥器。煤进料系统102向焦炭制备系统104提供固体燃料。焦炭制备系统104包括脱挥发分装置、焦炭冷却器/蒸汽加热器、减压阀、粉碎机、静电分离器、气锁和合成气焦炭输送机。
本发明的一个特征是微粉化焦炭的生产,其有利地加速了气化过程和减少了系统污染。焦炭制备系统104由经煤进料系统102接收的煤制备微粉化焦炭,并将其转移到间接气化器106。为了由使用煤的焦炭制备系统的实施方案生产微粉化焦炭,焦炭制备系统104接收具有适于流化的尺寸的碎煤。在一些实施方案中,流化尺寸小于1/4英寸。然后将碎煤微粉化。
尽管可以不使用焦炭制备系统104而直接气化煤,但在一些系统中优选首先将煤转化成焦炭和然后气化焦炭。这是因为由于煤颗粒内部大部分已经被热解中空化使得焦炭比煤更脆。热解产生一系列几何形状的焦炭颗粒。焦炭颗粒的几何形状可以包括薄壳球体。焦炭颗粒的几何形状也可以与瑞士奶酪相似。中空的几何形状使焦炭颗粒在粉碎后的碎片比煤更小。很容易获得8微米以下的颗粒。有些碎焦炭的颗粒直径为碎煤的十分之一和体积为千分之一。小的碎焦炭颗粒尺寸加速了气化。
使用本发明的微粉化焦炭的第二个特征是它的不润湿性,尽管灰可能是粘性的。微粉化焦炭是不润湿的,因为颗粒保持夹带在它们流动其中的气体中,而不是互相碰撞或与其它表面碰撞。不润湿的特点避免了现有技术中使用煤粉作为固体燃料的燃煤动力系统中常见的结垢、结块、团聚和腐蚀。
本发明的间接气化器106由微粉化焦炭产生合成气。现有技术的间接气化器主要用于由生物质产生甲烷。如图1所示,用于间接气化器106中反应的热量通过在气化器/燃烧器108的一个室中燃烧并在另一个室中气化而产生。气化器/燃烧器108的燃烧室也可以被称为燃烧器。气化器/燃烧器108的气化器室也可以被称为气化器。从每个腔室出来的气体保持分离。气化所需的室之间的热传递通过循环热固体来提供。热固体在燃烧器中被加热和在气化器中被气化冷却。在一些实施方案中,热循环固体是流动的难熔沙子。
使用本发明的间接气化器106的一个特征是它使得全蒸汽气化(ASG)成为可能。此外,间接气化不再需要用于燃料生产的氧气装置,也被称为空气分离单元(ASU)。这是因为燃烧产物与合成气保持分离,从而避免了燃烧空气中氮气对合成气的污染。间接气化改善了用于生产化学品的气化系统的效率和成本。使用本发明的间接气化器106的另一个重要特征是在燃烧室中使用氢完全燃烧提供用于气化的热量允许煤中的所有碳均被用于使每磅煤产生最大量的氢。
间接气化器106从焦炭制备系统104接收蒸汽和微粉化焦炭。间接气化器106也接收氧化剂和H2。间接气化器还使用由焦炭制备系统104提供的挥发物和甲烷。间接气化器106产生蒸汽和氮气作为燃烧系统产品110。间接气化器产生的合成气提供给合成气冷却器112。合成气冷却器112将离开间接气化器106的热合成气冷却到合成气净化系统114所需的温度。合成气净化系统去除杂质并将合成气输送到碳捕集反应器116。碳捕集反应器116产生的CO2被送到管线中。碳捕集反应器116还产生氢气和/或高氢合成气。
本发明的一个特征是系统中热量的有效再利用。集成的高温热回收系统118为大量的气化器蒸汽提供蒸汽加热,并为用于发电的蒸汽轮机提供节流蒸汽。热回收系统118有效地从碳捕集反应器116中的水煤气变换反应回收高温热量。在各种实施方案中,热回收系统118可针对各种应用进行优化。在一些实施方案中,间接气化器106使用热回收系统118提供的热量。在一些实施方案中,碳捕集反应器116使用热回收系统118提供的热量。热回收系统118从本发明的带有碳捕集的全蒸汽气化系统100的高温系统中有效地回收和再利用热。热回收系统118的一些实施方案结合了焦炭冷却器、燃烧器产物、氢气冷却器、CO2冷却器、合成气冷却器、热气体净化单元换热器和燃气轮机热回收蒸汽发生器。
本发明的一个特征是除了提供动力之外还能够生产化学品,例如液体燃料、甲醇、氨和尿素。由碳捕集反应器116产生的氢气和/或高氢合成气被输送至煤液化系统120。在一些实施方案中,煤液化系统120使用传统的费-托变换器。本领域技术人员将认识到,在本发明的其中固体燃料不是煤的带有碳捕集的全蒸汽气化系统的实施方案中,使用固体燃料流化系统而不是煤液化系统120。
在一些实施方案中,煤液化系统120有利地通过使用控制阀122来控制碳捕集反应器116中碳酸化器周围的旁路来提供对氢气与一氧化碳比的额外调整。该旁路控制调节氢气与一氧化碳比适应了所生产的特定化学品的化学需求。旁通气体越多,CO与H2比越高,反之亦然。甲烷可以被循环到碳捕集反应器116,在那里被蒸汽重整成氢气。这种从固体燃料液化系统120再循环甲烷取消了通常需要的昂贵分离技术如低温冷却从产物中除去甲烷。由碳捕集反应器产生的高氢合成气可以以与联合循环中任何其它燃料相同的方式使用。
在本发明的系统的一些实施方案中,来自碳捕集反应器的氢气也被送到发电模块124。本发明的发电模块124使用用于烟囱气体的烟囱式冷凝器,其有利地回收由氢燃烧产生的水分。发电模块124有利地使用来自燃烧产物110的蒸汽和N2。由于气化的蒸汽量大,与传统的IGCC相比,烟囱式冷凝器提供了用水非常少的系统。由于合成气净化系统114的高效率,合成气中非常低的二氧化硫使冷凝变得可行。二氧化硫含量非常低的合成气有利地消除了否则会发生的烟道腐蚀。本发明的发电模块124的特性还在于较大尺寸的蒸汽涡轮机来容纳除燃气轮机热回收蒸汽发生器以外的许多蒸汽源。
在现有技术的传统整体煤气化联合循环(IGCC)中使用来自燃气轮机的用于过程空气流的空气抽取。最佳空气抽取量取决于经济和操作考虑。与现有技术的发电模块相比,本发明的发电模块124的一些实施方案使用了不同的空气抽取量。这是因为本发明使用氢气作为主要燃料并且燃烧系统110产物蒸汽和氮气流返回到发电模块124中的燃气轮机。因此,最佳空气抽取量不同于现有技术IGCC的空气抽取。用于包括加热、冷却和发电在内的多联产应用的发电模块124的实施方案也将使用与现有技术IGCC不同的最佳空气抽取量。
图1的带有碳捕集的全蒸汽气化系统100包括气化固体或液体燃料所必需的关键子系统。应用固体燃料煤描述本发明,但应理解也可以使用许多其它固体燃料。此外,替代实施方案可以仅包含图1实施方案中所示的部分子系统,正如熟悉现有技术的人所熟知的那样。例如,在仅需要发电的实施方案中,省略了煤液化系统120。在仅需要煤液化或固体燃料流化的实施方案中,可以根据配置省略发电模块124。
图2示出本发明的焦炭制备系统和气化器系统200的实施方案。脱挥发分装置202接收固体燃料,例如碎煤204。碎煤204在脱挥发分装置202中与H2和O2混合。来自脱挥发分装置202的挥发物被送至旋风分离器206,旋风分离器206产生的粗焦炭被送至焦炭冷却器/蒸汽加热器208。旋风分离器206将挥发物送至气化器210。来自旋风分离器206的顶部气体被送至气化器210,从而使用平衡来最小化CH4等的形成。夹带在离开脱挥发分装置202顶部的挥发物中的焦炭被旋风分离器206捕集,然后返回到焦炭冷却器/蒸汽加热器208。
脱挥发分装置202向焦炭冷却器/蒸汽加热器208提供热的粗焦炭。焦炭在焦炭冷却器/蒸汽加热器208的逆流换热器中被蒸汽冷却。通过抽取蒸汽生产冷焦炭。焦炭冷却器/蒸汽加热器208将热蒸汽释放到气化器中以便重新使用。焦炭温度由粉碎机的热操作极限决定。在进入焦炭冷却器/蒸汽加热器208中的换热器之前,蒸汽被预冷却到焦炭温度。换热器出口处的蒸汽被输送至气化器210,在那里高温蒸汽减少了加热气化器210所需的燃料。
在一些实施方案中,将脱挥发分装置添加剂注入脱挥发分装置以中和钠基杂质的效果。添加剂同避免焦炭冷却器/蒸汽加热器208形成沉积物。特别地,脱挥发分添加剂避免并减少了现有技术整体煤气化联合循环(IGCC)冷却器和烛式过滤器中常见的不希望的沉积物。
离开焦炭冷却器/蒸汽加热器208的换热器的焦炭然后通过减压阀212减压以将系统保持在粉碎机的压力操作极限范围内。来自焦炭冷却器/蒸汽加热器208的冷焦炭通过减压阀212到达粉碎机214。焦炭在粉碎机214中被进一步处理以将焦炭颗粒粉碎至小于8微米。
在一些实施方案中,粉碎机214下游的静电分离器也可用于降低焦炭物流中的灰分浓度。在粉碎机214下游去除灰分有利地减少了换热器的热气净化系统中的烛式过滤器所需的过滤。即使灰分没有被完全去除,情况也是如此。焦炭颗粒尺寸非常小降低了过滤效率。因为通过小颗粒滤饼的高压降增加了所需的净化频率,所以热气净化系统中过滤器的操作寿命缩短。
在粉碎机214的出口,通过使用气锁216和合成气输送系统218将焦炭返回到气化器210的操作压力。在合成气输送系统218中,气溶胶焦炭由合成气输送。如图1所示,气化器210将合成气送至合成气冷却器112。气化器210也连接到燃烧系统110的产物。
图3示出了本发明的脱挥发分装置300的实施方案。参照图1和3,脱挥发分装置300位于焦炭制备系统104内。脱挥发分装置300通过热解过程产生焦炭。热解是在没有氧气的情况下在高温下发生的有机材料热分解和化学分解。本发明的脱挥发分装置与西屋公司在其Waltz Mills研究机构于二十世纪七十年代开发的ICFB类似。
首先将碎煤302或其它固体燃料进料到反应器304中。在反应器304底部将氢气和氧气输入和使用燃烧器306燃烧。燃烧后与返回的热固体混合。新鲜煤在反应器304底部附近被送入导流管308中,并被循环的热固体加热。在导流管出口上方形成焦炭床310,防止从导流管排出的高速射流穿透,从而使脱挥发分装置中颗粒的淘析最小化。塔顶床310还热裂解挥发物中的焦油,使其变成气态烃如甲烷。蒸汽312被用于床层流化以形成流化床313。在脱挥发分装置中使用氧气代替空气,以避免空气中氮气对挥发物的污染。这使得合成气可用于多联产或进行煤液化。夹带在离开脱挥发分装置塔顶314的挥发物中的焦炭被旋风分离器捕集并返回至焦炭制备系统,同时大部分焦炭通过反应器304的溢流管316离开脱挥发分装置。
图4示出了本发明的间接气化器400的实施方案。图4的间接气化器400的实施方案是内循环流化床(ICFB)。ICFB使用单个压力容器反应器402来燃烧和气化。该单个压力容器反应器402简化了操作并减小了设备尺寸。压力容器反应器402包括在反应器中心处的立管(也称为导流管404)。导流管404中气体的流动是向上的,而围绕导流管404的密相固体流化床406中固体的流动是向下的。密相固体流化床406被设计得足够深以使煤完全脱除挥发物,因此所有的挥发物都被释放出来。
燃料和助燃空气被注入导流管404的入口,由此与围绕它的密相流化床反应器的密度相比降低了那里流动物流的密度。这在导流管底部产生了压力差,导致环形部分中的密相固体床406向下流动,在那里它们被在导流管404内上流的气体夹带,从而导致热固体围绕反应器402内部连续循环。密相固体床406有时被称为环形床。构成密相固体流化床406的固体是相对高密度的难熔沙子408,例如氧化铝。该高密度增加了循环速率,从而增加了可以循环的热量。循环流量可以是燃料或合成气410的流量的100倍。高的循环速率是希望的,因为这限制了床层材料从反应器一个区流到另一个区时的温度变化。
间接气化器400在足够高的温度下将微粉化焦炭与蒸汽混合,通过所谓的水煤气反应将其转化成氢气和一氧化碳。反应热由气化器400底部燃烧器412中氢气和空气的燃烧提供。燃烧产物与向下流入混合器的热循环固体快速混合。热固体和燃烧产物的混合物然后向上流过导流管。在其顶部,固体落回到周围的密相固体流化床406,而燃烧产物通过反应器顶部的通风口414排出。导流管404顶部的漏斗形状允许形成稀相床416,以防止颗粒淘析到稀相床中。
燃烧热使床材料保持热态,以为环形床或密相固体床406中发生的气化提供热量。固体在那里向下流动,而焦炭和蒸汽以及然后由蒸汽焦炭反应制成的氢气和一氧化碳(合成气)向上流动。这些向上流动的气体通过反应器402侧壁开口418离开。注意的是,离开通风口414和开口418的两个出口物流从不混合,否则助燃空气中的氮气将污染合成气,这在煤液化过程中是不可接受的。
在反应器402中发生循环是因为导流管404内由气体和热固体组成的材料的密度低于密相固体床406环形床中密相流化材料的密度。因此,这种设置自动维持循环。循环固体由高密度难熔沙子408如氧化铝组成以转移热量。需要高密度来提供循环固体的足够流速,以将环路周围的温差限制在约200℉的可接受水平。难熔沙子408足够细以被合成气410的流动流化,所述合成气通过由通过分配器板420进入的蒸汽和微粉化焦炭产生。
在一些实施方案中,用于导流管的优选燃料是氢气,而不是焦炭。这是因为使用氢气不再需要用于焦炭燃烧的净化系统。在这些实施方案中,在导流管入口下面的燃烧器中用空气点燃氢气,然后与循环热固体流混合。然后燃烧产物、空气和蒸汽被引导到发电模块用于多个目的。
导流管404的顶部倾斜并在气化器床层截面上延伸。这种几何结构既能使死区最少,又能在流化床截面上提供均匀流动。将少量蒸汽注入上部下降管421以防止燃烧产物的夹带部分被夹带到合成气410中。下部下降管422类似设计以通过保持流率足以克服抵消气流来避免燃烧产物的夹带。在各种实施方案中,在本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统之前的反应器中形成的任何二氧化碳均可在各种可替代的已知碳捕集系统中被吸收和回收。
图5示出了本发明的合成气冷却器500的实施方案。离开气化器的热合成气被冷却到合成气冷却器500中的合成气净化系统所需的温度。在图5的实施方案中,采用流化床冷却器设计,这是因为与传统的火管冷却器相比它具有明显更高的传热系数。这个特点减小了换热器的尺寸和成本。合成气冷却器包括压力容器502。合成气冷却器容纳多个由分布板506支撑的流化床504。蒸汽管508埋入流化床504中。流化床504的湍流防止了在传统的火管换热器中可能发生的积聚。在合成气冷却器500中使用多个床,其中向上流动的连续床在较低温度下操作提高了用于利用合成气冷却器500的废热的蒸汽轮机的效率。
图6示出了本发明的合成气净化系统600的实施方案。来自合成气冷却器的合成气被输入到运输脱硫器602中,然后被传送到去除灰分的烛式过滤器604。如果需要,合成气然后被传送到精制脱硫器606。最后,多杂质洗涤器608用于根据需要去除汞、氨、砷和硒。合成气净化系统600的出口连接到具有水煤气变换的碳捕集系统。吸收剂再生器610使用来自增压空气压缩机的空气来收集利用吸收剂材料经运输脱硫器除去的二氧化硫。该二氧化硫被送至直接硫转化器612以生产硫。
本发明的合成气净化系统的一些实施方案使用由Research Triangle Institute开发的热气净化系统。这种合成气净化系统具有很高的去除所有杂质的效率,包括硫、颗粒物质和微量元素如氨、汞、硒和砷。这使得排放量低于最严格的EPA标准水平。氨被去除以使NOx排放最小化。碳捕集系统之后可以设置多杂质系统,以便与高温钙循环系统达到最佳的温度匹配。
图7示出了本发明的碳捕集反应器系统700的实施方案。碳捕集反应器系统700产生高氢合成气和二氧化碳。碳捕集反应器系统700使用绝热钙循环环。碳捕集反应器系统700包括水煤气变换反应、一系列换热器和CO2压缩系统。水煤气变换反应是一氧化碳和水蒸气形成二氧化碳和氢气(水煤气)的反应。如果需要,也可以添加甲烷重整。
在碳捕集反应器系统700中,来自合成气净化系统的清洁合成气经由阀706、708被送至碳化器702和煅烧器704,所述阀706、708自动控制物流的接通和断开。变压吸附碳捕集系统的组合从合成气中去除碳化合物。在二氧化碳释放期间,变换系统(包括适当的蓄能器和高温阀门)避免了在每个循环结束时合成气和二氧化碳的污染。捕集的二氧化碳在710阶段被冷却和压缩,然后被运走,在盐碱含水层中封存或用于强化油采收(EOR)或其它用途如干甲烷重整。由于变压系统,使用可变压缩单元节省1/3的压缩功率。
碳捕集反应器系统700中的吸附剂强化反应(SER)起作用,因为吸附剂一旦形成就将变换反应的二氧化碳去除。这产生了非常低的二氧化碳分压,按Le Chatelier的原理这使变换反应在比不存在吸附剂时明显更高的温度下发生。没有SER,变换反应仅在低温下和催化剂存在下发生。SER允许高得多的温度,这使变换反应产生的热量可用于发电。
图8示出了与本发明的甲烷蒸汽重整反应相关的相图800。甲烷蒸汽重整发生在高温变换反应器中。如果合成气中含有甲烷,则甲烷会在燃气轮机中燃烧并形成二氧化碳。产生的甲烷量取决于焦炭中灰分的催化效果、脱挥发分装置的温度和压力、来自煤液化装置的量以及间接气化器中的平衡。为了使甲烷产量最小化,脱挥发分装置在不使灰熔融或结块的尽可能高(通常在2100°F以下)的温度下运行。如果合成气中的甲烷浓度足够高,导致系统超过规定的二氧化碳排放限制,则可以在碳捕集系统的碳化器容器中使用催化剂进行蒸汽重整以去除多达94%的甲烷,如可在图8的数据中看到的。在碳捕集反应器中使用镍基催化剂来重整甲烷。合成气中硫的浓度必须非常低,以避免催化剂中毒。在热气净化装置中可以包含任选的硫精制装置来满足这个要求。在单个容器中发生全部三个反应的过程被称为SM-SER,其中“SM”是指蒸汽甲烷重整。
本发明的一个特征是能够使用空气替代氧气,取得了明显的节约。当合成气被用于制备化学品时,这是使用间接气化器的一个优点。图9示出了本发明的多联产应用的燃烧系统900的产品的实施方案(也参见图1的元件110)。来自间接气化器的燃烧器的氮、蒸汽,灰分和痕量氧气的物流902进入燃烧系统900的产物。在图9的实施方案中,氮、蒸汽和其它物质的物流902被分成两股物流。这种分割与多联产应用中特定的功率和化学品要求成比例。一股物流流过一个或多个冷却器904、906。该物流然后流到过滤器908并作为氢气燃烧的稀释剂进入燃气轮机910,由此控制NOx产量并产生功率放大。当不需要动力时,第二物股流利用换热器和烛式过滤器系统912进行再生冷却和过滤。然后第二股物流在膨胀器914中被减压以产生动力。第二股物流可以通过冷却器916,然后通到烟囱。水分冷凝并循环使用,而氮气排入大气。
等同方案
虽然已经结合各种实施方案描述了申请人的发明,但申请人的发明并不限于这些实施方案。相反,申请人的发明涵盖了本领域技术人员将会理解的可以在不偏离发明精神和范围的情况下获得的各种替代、调整和等同方案。

Claims (41)

1.一种含碳燃料气化系统,包括:
a)微粉化焦炭制备系统,其包括接收固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽的脱挥发分装置,该微粉化焦炭制备系统在出口处产生微粉化焦炭、蒸汽、挥发物和氢气;和
b)间接气化器,包括:
i.包含气化室的容器,该气化室接收来自微粉化焦炭制备系统的微粉化焦炭,并接收输送流体和蒸汽,该气化室在一个或多个出口处产生合成气、灰分和蒸汽;和
ii.接收氢气和空气的混合物的燃烧室,该燃烧室燃烧氢气和空气的混合物以提供用于气化和加热流入物流的热量,从而产生蒸汽和氮气,通过使难熔沙子循环将用于气化的热量从燃烧室转移到气化室。
2.权利要求1的含碳燃料气化系统,其中间接气化器还接收来自微粉化焦炭制备系统的出口处的挥发物。
3.权利要求1的含碳燃料气化系统,其中脱挥发分装置包括加热的压力容器,该容器包括用于注入流化蒸汽的入口和至少一个用于除去挥发物和粗焦炭的出口。
4.权利要求1的含碳燃料气化系统,还包括将粗焦炭与挥发物分离的旋风分离器,该旋风分离器具有位于脱挥发分装置下游的提供粗焦炭的第一出口和与间接气化器的入口连接的第二出口。
5.权利要求1的含碳燃料气化系统,其中含碳燃料包括煤。
6.权利要求1的含碳燃料气化系统,其中由间接气化器的燃烧室产生的蒸汽和氮气被引导至燃气涡轮发电系统。
7.权利要求1的含碳燃料气化系统,其中由间接气化器的燃烧室产生的蒸汽和氮气被引导至连接到发电机的膨胀器以及发电模块中的烟囱式冷凝器,然后在系统烟囱中排出。
8.权利要求1的含碳燃料气化系统,还包括具有与气化室的出口连接的入口的合成气冷却器,该合成气冷却器冷却合成气,并且在出口处产生蒸汽。
9.权利要求8的含碳燃料气化系统,还包括具有从合成气冷却器的出口接收冷却合成气的入口的合成气净化系统,该合成气净化系统处理合成气以去除杂质。
10.权利要求9的含碳燃料气化系统,还包括具有与合成气净化系统出口连接的入口的碳捕集系统,该碳捕集系统产生二氧化碳和氢气。
11.权利要求10的含碳燃料气化系统,其中碳捕集系统包括包含镍基催化剂的碳捕集反应器,其能够使合成气中的过量甲烷通过蒸汽重整被去除。
12.权利要求11的含碳燃料气化系统,其中合成气净化系统还包括将合成气的SO2浓度降低到保护镍基催化剂免于被二氧化硫中毒的水平的精制脱硫器。
13.权利要求11的含碳燃料气化系统,其中镍基催化剂安装在吸附剂组件的表面上。
14.权利要求11的含碳燃料气化系统,其中碳捕集系统使用蒸汽进行水煤气变换反应。
15.权利要求10的含碳燃料气化系统,还包括具有与合成气净化系统出口和碳捕集系统出口连接的入口的固体燃料液化系统,该固体燃料液化系统接收合成气和氢气流,并且在第一出口产生甲烷和在第二出口产生柴油、甲醇、汽油和航空燃料中的至少一种。
16.权利要求15的含碳燃料气化系统,其中间接气化器接收来自微粉化焦炭制备系统的出口的挥发物,固体燃料液化系统的第一出口与间接气化器的入口连接,固体燃料液化系统向间接气化器中包含气化室的容器提供甲烷。
17.权利要求15的含碳燃料气化系统,还包括位于合成气净化系统出口和固体燃料液化系统入口之间的气体流量控制器,该气体流量控制器调节合成气中一氧化碳/氢气比。
18.权利要求1的含碳燃料气化系统,其中气化室具有与微粉化焦炭制备系统的出口连接的入口,以使气化室接收来自微粉化焦炭制备系统的蒸汽。
19.权利要求1的含碳燃料气化系统,其中气化室具有与热回收系统入口连接的出口,以使热回收系统接收来自气化室的蒸汽。
20.权利要求1的含碳燃料气化系统,其中微粉化焦炭制备系统还包括在冷却微粉化焦炭时预热蒸汽的逆流焦炭冷却器、减压阀、将微粉化焦炭的平均尺寸降低到10μ以下的粉碎机以及将微粉化焦炭重新加压的气锁。
21.一种含碳燃料气化方法,该方法包括:
a)用包括脱挥发分装置的微粉化焦炭制备系统由固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽生产微粉化焦炭、蒸汽、挥发物和氢气;
b)用包含具有气化室的容器的间接气化器从微粉化焦炭制备合成气和蒸汽;和
c)在燃烧室中燃烧氢气和空气的混合物以提供用于气化的热量和用于加热流入物流的热量,从而产生蒸汽和氮气。
22.权利要求21的方法,其中固体含碳燃料包括煤。
23.权利要求21的方法,其中该方法包括全蒸汽气化。
24.权利要求21的方法,还包括将流化蒸汽注入脱挥发分装置内加热的压力容器中以及从加热的压力容器去除挥发物和粗焦炭。
25.权利要求21的方法,其中生产合成气还包括向间接气化器提供来自微粉化焦炭制备系统的挥发物。
26.权利要求21的方法,还包括用旋风分离器将粗焦炭与挥发物分离和将粗焦炭注入到脱挥发分装置的下游以及将挥发物注入到间接气化器中。
27.权利要求21的方法,还包括将燃烧氢气和空气的混合物产生的蒸汽和氮气引导至燃气涡轮发电系统。
28.权利要求21的方法,还包括将燃烧氢气和空气的混合物产生的蒸汽和氮气引导至膨胀器和然后至发电模块中的烟囱式冷凝器。
29.权利要求21的方法,还包括用具有与间接气化器的出口连接的入口的合成气冷却器产生蒸汽。
30.权利要求21的方法,还包括用具有从合成气冷却器的出口接收冷却合成气的入口的合成气净化系统处理合成气以减少杂质。
31.权利要求30的方法,还包括使用来自合成气净化系统出口的合成气将合成气中的一氧化碳/氢气比调节至固体燃料液化系统要求的。
32.权利要求21的方法,还包括使用具有与合成气净化系统出口连接的入口的碳捕集系统产生二氧化碳和氢气。
33.权利要求21的方法,还包括使用碳捕集系统进行水煤气变换。
34.权利要求21的方法,还包括使用固体燃料液化系统产生甲烷及柴油、甲醇、汽油和航空燃料中的至少一种。
35.权利要求21的方法,还包括使用固体燃料液化系统产生甲烷和烃化学品。
36.权利要求21的方法,还包括向包含间接气化器中的气化室的容器提供甲烷。
37.权利要求21的方法,还包括从固体燃料液化系统向间接气化器提供甲烷。
38.权利要求21的方法,还包括在气化室中从蒸汽加热器接收蒸汽。
39.权利要求21的方法,还包括在气化室中从蒸汽发生器接收蒸汽。
40.权利要求21的方法,还包括在气化室中从微粉化焦炭制备系统接收蒸汽。
41.权利要求21的方法,还包括在气化室中从热回收系统接收蒸汽。
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