CN109072104B - 用于包括甲烷化处理的发电系统和方法 - Google Patents

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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Abstract

本申请涉及一种发电系统，所述发电系统适于在使用固体或液体碳氢化合物或含碳燃料时利用碳捕捉实现高效率发电。更具体地，所述固体或液体燃料首先在部分氧化反应器中被部分氧化，所述部分氧化反应器被配置成提供富含甲烷含量的输出流。所产生的部分氧化的流可以被冷却、过滤、附加地冷却，然后作为燃烧燃料被引导到发电系统的燃烧器。部分氧化的流与被压缩的循环CO2流和氧气组合。燃烧流横穿汽轮机被膨胀以便发电并且通过回热式换热器。循环CO2流被压缩并且以有利于对组合系统提供提高的效率的方式穿过回热式换热器和可选的POX换热器。

Description

用于包括甲烷化处理的发电系统和方法
技术领域
本发明涉及用于产生诸如电的动力的系统和方法。特别地，所述系统和方法可以在燃料部分氧化后提供具有增加的甲烷含量的燃料材料。
背景技术
基于燃料燃烧的常规发电方法通常缺少同时实现高效率发电和碳捕捉两者的能力。当在燃烧反应中使用固体燃料时，由于燃烧产物流中剩余的固体和惰性氮气含量，该限制被放大。因此，在本领域中存在对用于高效率发电的系统和方法的不断增长的需求，从而允许减少CO2排放和/或提高所产生的二氧化碳隔离的容易性。
具有碳捕捉的高效率发电领域的一份公布(授予Allam等人的美国专利No.8,596,075)提供了一种解决方案，在该解决方案中，通过在足够高的压力和温度下在部分氧化反应器中与氧气和可选的蒸汽反应来气化固体燃料，例如煤、褐煤、石油-焦炭(pet-coke)或生物质，以使固体燃料几乎完全转变成气态燃料，所述气态燃料主要包括作为可燃成分的一氧化碳和氢气以及诸如H2S、CS2、羰基硫化物(COS)、HCN和NH3的燃烧产生的杂质。部分氧化的净产物气体被冷却，灰分被分离，并且可选地被压缩以允许其作为燃料被引入到发电系统的燃烧室中。部分氧化系统和发电系统的工作压力可以使得不需要压缩燃料气体。发电系统燃烧器使用燃烧后存在的过量O2进行工作，这确保了燃料和燃烧产生的杂质从还原状态转变为它们的主要包括SO2和NO的氧化形式。部分氧化反应器可以设有以蒸发方式冷却的壁，在大约800℃的温度水平下在灰分移除之前用高压循环CO2气流冷却部分氧化产物气体。部分氧化气体必需进一步冷却到约400℃，以便确保所有细灰颗粒与固化的挥发性无机成分一起冷凝和过滤以防止下游设备的固体沉积、腐蚀和堵塞。部分氧化气体从800℃至400℃的冷却必须在具有用于高压部分氧化气体的管的换热器中进行，所述用于高压部分氧化气体的管由于鲍氏(Boudouard)碳形成反应和部分氧化气体中的高CO分压而抵抗金属涂粉腐蚀。这在下面的式(1)中示出。
CO+CO＝C+CO2 (1)
所述管必须设计成允许定期水洗以除去由存在于尤其是煤和褐煤的固体燃料中的挥发性无机成分的凝聚而得到的固体沉积物。
尽管上述公开内容具有进步性，但是其中描述的系统和方法对使用固体燃料作为发电燃烧燃料时出现的问题仍然没有提供最有利的解决方案。因此，仍然需要用于具有碳捕捉的固体燃料的高效燃烧的其它系统和方法。
发明内容
本申请提供了一种用于发电的系统和方法，其中固体或液体燃料可以被部分氧化，并且部分被氧化的流可以被传递到发电系统。特别地，所述系统和方法可以被配置成使得部分被氧化的流富含甲烷含量。
在一个或多个实施例中，本申请可以提供一种使用部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)的组合发电的方法，所述方法包括：在足以部分氧化固体或液体燃料的条件下，将所述固体或液体燃料、氧气和催化剂在POX反应器中组合并形成包括含有甲烷的燃料气体的POX流；将所述POX流冷却至约500℃或更低的温度；从所述POX流分离固体、熔融金属和酸性气体中的一种或多种；将所述POX流传递到POX换热器，并且通过将所述POX流逆着冷却流冷却至约100℃或更低的温度并形成POX燃料气体流，而从所述POX流排出一定量的热量；使所述POX燃料气体流穿过分离器容器并分离所述POX燃料气体流中存在的任何水的至少一部分；将所述POX燃料气体流压缩到约12MPa或更高的压力；在PPS燃烧器中燃烧所述POX燃料气体以形成处于至少约10MPa的压力和至少约800℃的温度下的燃烧产物流；以及使所述燃烧产物流横穿PPS汽轮机而被膨胀以便发电并形成膨胀的PPS燃烧产物流；其中被压缩的POX燃料气体流的甲烷含量占POX燃料气体流的总体积约20％或更高，优选甲烷含量为约30％或更高、约50％或更高、约60％或更高、约70％或更高、约80％或更高、约90％或更高、或约95％或更高。
在其它实施例中，所述发电方法能够关于可以以任何数量和顺序组合的以下陈述中的一个或多个来定义。
所述催化剂可以选自由碱金属、碱土金属、过渡金属、它们的化合物、它们的复合物及它们的组合物组成的群组。
所述POX反应器可以在约1000℃或更低的温度，优选地，约800℃或更低的温度，或约600℃或更低的温度下工作。
所述方法可还包括向所述POX反应器添加蒸汽。
对来自所述POX反应器的POX流的冷却可包括使所述POX流逆着冷却流通过对流冷却器，所述冷却流优选可包括以下中的一种或多种：从PPS排出并返回PPS的高压循环流体流；高压水流；氮气流；高压O2和CO2流；POX反应器液体燃料供给流；以及清洁且冷却的POX燃料气体流。
从所述POX流分离的固体可包含灰分颗粒、未反应的炭和催化剂中的一种或多种。
从所述POX流分离固体、熔融金属和酸性气体中的一种或多种可包括使所述POX流穿过颗粒过滤器和水洗器。
在将所述POX流传递到POX换热器的步骤之前，所述方法可包括使所述POX流的至少一部分穿过催化水气体变换反应器，其中所述催化水气体变换反应器配置成将所述POX流中的CO和H2O转变成CO2和H2。
离开所述催化水气体变换反应器的POX燃料气体可具有约5:1至约1:1的H2：CO比率。
在将所述POX流传递到所述POX换热器的步骤之前，所述方法可包括使所述POX流的至少一部分穿过被配置成将羰基硫化物(COS)转化为H2S的COS水解反应器。
通过所述POX换热器的POX流可逆着包含以下一种或多种的冷却流冷却：从PPS排出并返回PPS的高压循环流体流；高压水流；氮气流；高压O2和CO2流；POX反应器液体燃料供给流；以及清洁和冷却的POX燃料气体流。
在将所述POX燃料气体流压缩到约12MPa或更高的压力的步骤之前，所述POX燃料气体流的至少一部分可通过汞去除单元和酸性气体去除单元中的一者或两者。
所述POX燃料气体流的至少一部分可通过被配置成从所述POX燃料气体除去汞的经活化的、浸渍硫的碳床吸附系统。
所述POX燃料气体流的至少一部分可以通过酸性气体去除单元，其中所述酸性气体去除单元被配置为从所述POX燃料气体流中去除H2S和CO2中的至少一种的部分或几乎全部。
在将所述POX燃料气体流压缩到约12MPa或更高的压力的步骤之前，所述POX燃料气体流的至少一部分可通过被配置成将CO和H2转变成CH4和H2O的甲烷化单元。
所述甲烷化单元可以是催化单元，并且甲烷化可选地可以使用镍基催化剂进行。
离开所述甲烷化单元的所述POX燃料气体可具有按体积计约75％或更高的甲烷含量。
所述甲烷化单元可因放热的甲烷化反应产生热，并且这样产生的热可经由使离开甲烷化单元的所述POX燃料气体逆着冷却流通过甲烷化后换热器而被吸收，所述冷却流可优选地包括以下中的一个或多个：从PPS排出并返回PPS的高压循环流体流；高压水流；氮气流；高压O2和CO2流；POX反应器液体燃料供给流；以及清洁且冷却的POX燃料气体流。
所述方法可包括将所述POX燃料气体流从所述甲烷化单元传递到分离器，在所述分离器中除去所述甲烷化反应器中产生的任何水的至少一部分。
在将所述POX燃料气体流压缩到约12MPa或更高的压力的所述步骤之后并且在所述PPS燃烧器中燃烧所述POX燃料气体的所述步骤之前，所述方法可包括经由通过所述POX换热器来加热所述压缩的POX燃料气体；
所述方法还可包括：使膨胀的PPS燃烧产物流通过PPS回热式换热器(recuperatorheat exchanger)，并由此从PPS燃烧产物流排出热量并形成冷却的PPS燃烧产物流；可选地，使冷却的PPS燃烧产物流通过水冷却器；在PPS洗涤器中处理冷却的PPS燃烧产物流以通过除去几乎所有的非CO2成分而形成循环CO2流；和在PPS压缩器中对所述循环CO2流加压来形成压缩的循环CO2流。
在一个或多个实施例中，本申请可以尤其提供一种组合的部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)。例如，这种系统可包括：催化POX反应器，其适于在氧气、催化剂和可选的蒸汽存在的情形下部分氧化液体或固体燃料以形成包含燃料气体的POX流；适于冷却所述POX流的一种或多种部件；POX换热器，其适于从所述POX流排出热并输出经冷却的POX燃料气体；可选的汞去除单元；可选的酸性气体去除单元；可选的甲烷化单元；可选的甲烷化后换热器，其被配置成从离开所述甲烷化单元的流排出热；压缩器，其适于将所述POX燃料气体压缩到约10MPa或更高的压力；PPS燃烧器，其适于在氧气和压缩的循环CO2流存在情形下燃烧所述POX燃料气体，并形成处于约10MPa或更高压力的PPS燃烧产物流；汽轮机，其适于使所述PPS燃烧产物流膨胀并在连接的发电机中产生电力；回热式换热器，其适于从膨胀的PPS燃烧产物流排出热并将所述热添加到压缩的循环CO2流中；PPS压缩器，其适于将循环CO2流压缩到约10MPa或更高的压力并形成压缩的循环CO2流；可选的流动部件，其适于将压缩的循环CO2流的一部分引导到所述POX换热器；可选的流动部件，其适于将压缩的循环CO2流的一部分引导到所述PPS回热式换热器；和可选的流动部件，其适于将压缩的循环CO2流从所述POX换热器引导到PPS回热式换热器。
本发明包括但不限于以下实施例：
实施例1：一种使用部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)的组合来发电的方法，所述方法包括：在足以部分氧化固体或液体燃料的条件下，在POX反应器中组合固体或液体燃料、氧气和催化剂并形成包含甲烷的POX流；将所述POX流冷却到约500℃或更低的温度；从所述POX流分离固体、熔融金属和酸性气体中的一种或多种；将所述POX流传递到POX换热器，并通过将所述POX流逆着冷却流冷却到约100℃或更低的温度而从所述POX料流排出一定量的热并形成包含甲烷的POX燃料气体流；使所述POX燃料气体流穿过分离器容器并分离所述POX燃料气体流中存在的任何水的至少一部分；将所述POX燃料气体流压缩到约12MPa或更高的压力；在PPS燃烧器中燃烧所述POX燃料气体以形成处于至少约10MPa的压力和至少约800℃的温度的燃烧产物流；以及使所述燃烧产物流横穿PPS汽轮机膨胀以便发电并形成膨胀的PPS燃烧产物流；其中，被压缩到约12MPa或更高压力的POX燃料气体流具有按体积计占POX燃料气体流的总体积的约20％或更高的甲烷含量。
实施例2：任何先前或随后实施例的方法，其中，在POX反应器中使用的催化剂选自由碱金属、碱土金属、过渡金属、其化合物、其复合物及其组合组成的群组。
实施例3：任何先前或随后实施例的方法，其中，所述POX反应器在约1000℃或更低的温度下工作。
实施例4：任何先前或随后的实施例的方法，还包括向所述POX反应器添加蒸汽。
实施例5：任何先前或随后实施例的方法，其中，冷却来自所述POX反应器的POX流包括使所述POX流逆着冷却流穿过对流冷却器。
实施例6：任何先前或随后实施例的方法，其中，所述冷却流包含以下中的一种或多种：从PPS排出并返回到PPS的高压循环流体流；高压水流；氮气流；POX反应器液体燃料供给流；高压O2和CO2流；以及清洁且冷却的POX燃料气体流。
实施例7：任何先前或随后实施例的方法，其中，从所述POX流分离的固体包含灰分颗粒、未反应的炭、和催化剂中的一种或多种。
实施例8：任何先前或随后实施例的方法，其中，从所述POX流分离固体、熔融金属和酸性气体中的一种或多种包括使所述POX流穿过颗粒过滤器和水洗器。
实施例9：任何先前或随后实施例的方法，其中，在将所述POX流传递到所述POX换热器的步骤之前，所述方法包括使所述POX流的至少一部分穿过被配置成将所述POX流中的CO和H2O转化成CO2和H2的催化水气体变换反应器(catalytic water gas shift reactor)。
实施例10：任何先前或随后实施例的方法，其中，离开所述催化水气体变换反应器的POX燃料气体具有约5:1至约1:1的H2：CO比率。
实施例11：任何先前或随后实施例的方法，其中，在将所述POX流传递到所述POX换热器的步骤之前，所述方法包括使所述POX流的至少一部分穿过被配置成将COS转变成H2S的羰基硫化物(COS)水解反应器。
实施例12：任何先前或随后实施例的方法，其中，穿过所述POX换热器的POX流逆着包括以下中的一种或多种的冷却流冷流：从PPS排出并返回PPS的高压循环液体流；高压水流；氮气流；POX反应器液体燃料供给流；高压O2和CO2流；以及清洁且冷却的POX燃料气体流。
实施例13：任何先前或随后实施例的方法，其中，在将所述POX燃料气体流压缩到约12MPa或更高的压力之前，所述POX燃料气体流的至少一部分穿过汞去除单元和酸性气体去除单元中的一者或两者。
实施例14：任何先前或随后实施例的方法，其中，所述POX燃料气体流的至少一部分穿过被配置成从所述POX燃料气体中除去汞的活化的、浸渍硫的、碳床吸附系统。
实施例15：任何先前或随后实施例的方法，其中，所述POX燃料气体流的至少一部分穿过被配置成从所述POX燃料气体流中除去H2S和CO2中的至少一种的部分或几乎全部的酸性气体去除单元。
实施例16：任何先前或随后实施例的方法，其中，在将所述POX燃料气体流压缩到约12MPa或更高压力的步骤之前，所述POX燃料气体流的至少一部分穿过被配置成将CO和H2转变成CH4和H2O的甲烷化单元。
实施例17：任何先前或随后实施例的方法，其中，所述甲烷化单元是催化单元，并且可选地其中，甲烷化使用镍基催化剂进行。
实施例18：任何先前或随后实施例的方法，其中，离开所述甲烷化单元的POX燃料气体具有按体积计约50％或更高的甲烷含量。
实施例19：任何先前或随后实施例的方法，包括使离开所述甲烷化单元的POX燃料气体逆着冷却流穿过甲烷化后换热器，可选地其中，所述冷却流包括以下中的一种或多种：从PPS排出并返回PPS的高压循环流体流；高压水流；氮气流；高压O2和CO2流；POX反应器液体燃料供给流；以及清洁且冷却的POX燃料气体流。
实施例20：任何先前或随后实施例的方法，包括将所述POX燃料气体流从甲烷化单元传递到分离器，其中，除去在所述甲烷化反应器中产生的任何水的至少一部分。
实施例21：任何先前或随后实施例的方法，其中，在将所述POX燃料气体流压缩到约12MPa或更高压力之后并且在PPS燃烧器中燃烧所述POX燃料气体之前，所述方法包括经由通过POX换热器来加热所述压缩的POX燃料气体；
实施例22：任何先前或随后实施例的方法，还包括：使所述膨胀的PPS燃烧产物流穿过PPS回热式换热器，并且由此从所述PPS燃烧产物流排出热并形成冷却的PPS燃烧产物流；可选地，使所述冷却的PPS燃烧产物流穿过水冷却器；在PPS洗涤器中处理所述冷却的PPS燃烧产物流，以通过除去几乎所有非CO2成分来形成循环CO2流；以及在PPS压缩器中对所述循环CO2流加压以形成压缩的循环CO2流。
实施例23：一种组合的部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)，包括：催化POX反应器(catalytic POX reactor)，其适于在存在氧气、催化剂和可选的蒸汽的情形下部分地氧化液体或固体燃料，以形成包含甲烷的POX流；适于冷却所述POX流的一种或多种部件；POX换热器，其适于从所述POX流排出热并且输出冷却的POX燃料气体；压缩器，其适于将所述POX燃料气体压缩到约10MPa或更高的压力；PPS燃烧器，其适于在存在氧和压缩的循环CO2流的情形下燃烧所述POX燃料气体，并且形成处于约10MPa或更高的压力的PPS燃烧产物流；汽轮机，其适于膨胀所述PPS燃烧产物流并且在连接的发电机中发电；回热式换热器，其适于从所述膨胀的PPS燃烧产物流排出热并且将热添加到所述压缩的循环CO2流；以及PPS压缩器，其适于将所述循环CO2流压缩到约10MPa或更高的压力并且形成压缩的循环CO2流。
实施例24：根据任何先前或随后实施例的组合的部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)，还包括汞去除单元。
实施例25：根据先前或随后实施例的组合的部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)，还包括酸性气体去除单元。
实施例26：根据先前或随后实施例的组合的部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)，还包括甲烷化单元。
实施例27：根据先前或随后实施例的组合的部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)，还包括甲烷化后换热器，其被配置成从离开甲烷化单元的流排出热。
实施例28：根据先前或随后实施例的组合的部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)，还包括流动部件，其适于将所述压缩的循环CO2流的一部分引导到所述POX换热器。
实施例29：根据先前或随后实施例的组合的部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)，还包括流动部件，其适于将所述压缩的循环CO2流的一部分引导到所述PPS回热式换热器。
实施例30：根据先前或随后实施例的组合的部分氧化(POX)系统和发电系统(PPS)，还包括流动部件，其适于将所述压缩的循环CO2流从所述POX换热器引导到所述PPS回热式换热器。
本申请的这些和其它特征、方面和优势将在阅读下面的详细描述以及下面简单说明的附图后变得明显。本发明包括两个、三个、四个或更多个上述实施例的任意组合以及任意两个、三个、四个或更多个本申请中列出的特征或要素的组合，不管这些特征或要素在本申请的具体实施例的描述中是否明确地被组合。本申请旨在整体上阅读，使得在它的各方面和实施例的任一个中公开的发明的任意分离的特征或要素应当视为可组合的，除非上下文另有明确规定。
附图说明
因而，已经使用一般用语对本发明进行了说明，下面将参考附图进行说明。附图不是按照比例绘制的，其中：
图1是示出根据本申请的组合的POX系统和PPS的示例性实施例的流程图，其中，PPS使用从POX系统中的液体或固体碳氢化合物或含碳燃料的部分氧化产生的燃料气体来发电；和
图2是示出可与PPS组合的POX系统的示例性实施例的流程图，其中POX系统配置成提供富含甲烷的燃料流。
具体实施方式
现在，本发明将在下面参考各实施例进行更全面的描述。提供这些实施例以使本申请更细致和更完整，并且将对本领域技术人员全面阐述本发明的保护范围。的确，本发明可以以不同的方式实现，但是不应理解为限制于这里列出的实施例；相反，提供这些实施例以使本申请满足可申请的法定要求。如这里(包括所附的权利要求书)使用的，单数形式“一”、“一个”、“所述”包括复数个所指对象，除非上下文另有明确规定。
本申请的系统和方法适于实现含碳燃料-尤其是固体燃料和/或液体燃料-的部分氧化(POX)。根据本申请可用的燃料的非限制性示例包括煤、褐煤、石油焦炭、沥青、生物质、水藻、木头、分级的可燃的固体废弃物、柏油、旧轮胎、原油、包含其它灰分的液体燃料等。
含碳燃料在POX反应器中的部分氧化形成可根据其成分来定义的POX流。特别地，POX流可包括燃料气体和可选的一种或多种杂质(可氧化的杂质和不可氧化的杂质)。POX燃料气体流(包括至少一部分杂质或者几乎不包含任何杂质，特别是不可氧化的杂质)可输入到发电系统的燃烧器中。例如，可与本申请的系统和方法相结合的燃烧器和相关发电循环在授予Allam等人的美国专利No.8,596,075中描述，该美国专利的公开内容通过引用并入本申请。’075专利的方法主要使用CO2作为工作流体来实现发电。特别地，所述方法使用汽轮机，汽轮机使高压循环CO2流和燃料燃烧产生的燃烧产物的混合物膨胀。纯氧能够用作燃烧过程中的氧化剂，并且氧化剂可以在传递到燃烧器之前用循环的CO2稀释。热的汽轮机废气用于部分地预热高压循环CO2流。循环CO2流也使用不是从热的汽轮机废气产生的附加的热来加热。例如，可使用氧气生产厂的送气的压缩能。所有燃料和燃烧得到的杂质(例如硫化物、NO、NO2、CO2、H2O、Hg等)分离，以不向大气排出废气。
具体地，本申请的系统和方法可以表征为POX系统和发电系统(PPS)的组合。’075专利中描述的电力循环是根据本申请可以使用的PPS的示例。特别地，POX燃料气体流可以引入到PPS燃烧器作为用于燃烧器的燃料流的部分或全部。在高压燃烧循环中，来自POX流的燃料气体必须大体上压缩到发电系统燃烧器中需要的高压。例如，POX燃料气体流可以在压缩器中压缩到约10MPa或更高的压力、约15MPa或更高的压力、约20MPa或更高的压力、或者约25MPa或更高的压力。在其它实施例中，所述压力可以是约8MPa到约50MPa、约15MPa到约45MPa、或者约20MPa到约40MPa。
POX系统和PPS系统的组合在授予Allam等人的美国专利No.8,776,532中进行了描述，该美国专利的公开内容通过引用并入本申请。本申请的系统和方法可包括在其中描述的系统和方法的各个方面。
因氧气与固体或液体燃料反应得到的POX燃料气体流可包括在引入POX燃料气体流到PPS燃烧器中之前能够除去的变化数量的固体和熔融固体。具体地，POX燃料气体流能够在需要时冷却到灰分和其它固体材料能够被除去的温度。这有利于防止POX系统和PPS中的设备的下游污染。在POX燃料气体流冷却过程中放出的热可传输到发电系统以使发电系统的整体效率最高。特别地，该热可用于部分地加热在燃烧产物流冷却之后且循环CO2流体输入回到发电系统的燃烧器中之前，在发电中循环的循环CO2流体的至少一部分。特别地，该热可在循环CO2流体压缩后添加到循环CO2流体。作为另外的示例，该热可在到达POX反应器之前用于加热燃料或者燃料供给流的分量，以便减少POX反应器中的耗氧量。可选地，传递到POX反应器和/或传递到发电系统燃烧器的燃料流和/或氧气也可加热相同或不同的换热器中的冷却的POX流。
POX反应器可适于提供温度为约600℃或更高、约800℃或更高、约1000℃或更高、或约1200℃或更高的输出的POX燃料气体流。更具体地，所述温度可以是约600℃至约2000℃、约700℃至约1800℃、或约800℃至约1600℃。在各种实施例中，可利用一个或多个步骤来冷却POX流(并因此冷却用于输入到另一燃烧器的燃料气体)到例如大约环境温度。
在一个或多个实施例中，可以将在如上所述温度下立即离开POX反应器的POX流淬火至较低温度。备选地或附加地，POX流可穿过一个或多个冷却器。优选地，淬火和/或冷却将使POX流的温度降低至约500℃或更低、约400℃或更低、或约300℃或更低。
淬火可以通过将POX流与一种或多种淬火流体混合来进行。根据本申请可使用的淬火流体的非限制性示例包括循环的POX产物流(即，POX产物的至少一部分，其已经冷却至淬火流体温度，然后在POX气体换热器中冷却，随后是液态水分离)、处于淬火流体温度的水、液体CO2、它们的混合物等。有用的淬火流体温度可以为约150℃或更低、约100℃或更低、约75℃或更低、或约60℃或更低。淬火流体温度尤其可以为约10℃至约150℃、约15℃至约100℃、或约20℃至约75℃。在使用水淬火的实施例中，一部分水可被蒸发，因而得到燃料气体、蒸汽和液态水部分的混合物，其洗涤掉大部分灰分颗粒。总液体和蒸汽的温度将由POX反应器中使用的压力和用于淬火的液体水的量确定。
在一个或多个实施例中，本系统和方法可以被配置用于从冷却的POX流蒸汽中分离任何液态水和大部分任何灰分颗粒或其它固体。可以使用任何常规的分离或过滤装置进行固体的去除。合适的固体去除部件的非限制性示例包括旋风过滤器、沉降槽、烛式过滤器、袋式过滤器、液体洗涤塔等。这样的部件可以被配置用于去除固体和/或可溶性气体。例如，可以使用水洗器。
冷却的POX流可使用一个或多个换热器进一步冷却到例如接近环境温度。特别地，换热器可适于将热从淬火/冷却的POX流传输到发电系统中使用的高压CO2循环流的一个或多个部分。例如，所述热可以传输到从CO2循环压缩器排放获取的高压CO2循环流和/或到在发电循环中使用的回热式换热器中的一个或多个合适的点。通过改变热回收过程以确保热回收处于与经济的换热器尺寸一致的最大温度水平，可以确定用于将热注入PPS回热式换热器的温度以及从待在淬火的燃料气体冷却器中加热的PPS回热式换热器获取的流的数量和输入温度的选择。
POX反应器中使用的固体燃料可以以多种形式提供。在上述实施例中，固体燃料可以以颗粒形式提供，优选地，可以以细粉末状态提供，并且可以与诸如水、液体CO2及其组合的浆料介质制浆。在POX反应器中使用的含碳燃料可以是液体，例如加热的沥青，在这种情况下可能不需要制浆流体。
在一些实施例中，根据本申请的POX反应器可适于在高于发电系统燃烧器中压力的压力下工作。发电系统燃烧器特别地可使用CO2作为在系统中连续循环的工作流体。优选地，所述POX流可以通过如本申请描述的热交换来冷却，并且冷却的POX流(即燃料气体)可以在发电系统中使用，而不需要进一步压缩。所述POX反应器可包括适于含碳燃料燃烧的任何反应器，特别地，其中燃料仅部分氧化，并且特别地，其中反应器适于在高于如本申请所述的发电系统燃烧器的工作压力的压力下运行。在示例性的非限制性实施例中，POX燃烧器可以利用蒸发冷却，例如授予Palmer等人的美国专利No.9,416,728，授予Palmer等人的美国专利No.9,068,743，和授予Palmer等人的美国专利No.8,986,002，这些美国专利的公开内容通过引用整体并入本申请。POX燃烧器特别地可适于接收燃料流和用于燃料流燃烧的氧气源。可选地，催化剂可以包括在POX反应器中和/或催化剂可以被引入POX反应器中，例如与燃料混合。可选地，蒸汽流可以被引入POX反应器中。
在进一步的实施例中，根据本申请的POX反应器可适于在低于发电系统燃烧器压力的压力下工作。在这样的实施例中，用作发电系统燃烧器中的燃料的POX流可以在进入发电系统燃烧器之前被压缩。POX反应器可以包括任何市售的系统。根据本申请有用的市售系统的非限制性示例包括壳牌(Shell)干粉状煤供给夹带流反应器、GE/Texaco淬火反应器、西门子(Siemens)冷却筛淬火反应器或类似系统。有用的POX反应器可包括从POX燃烧装置吸收辐射热的内部热传输部分。在这样的实施例中，来自发电系统的高压循环的CO2流的一部分可被加热并在较高温度下返回到PPS系统。例如，在约400℃或更高温度下的循环的CO2可在POX反应器内加热到约450℃至约600℃的温度，并返回至发电系统中的回热式换热器，在其中其可在类似温度下与高压循环CO2流的另一部分再混合。
根据本申请的POX反应器与发电系统的组合可提供各种有用的方面。例如，该组合可被定义为杂质(例如来自煤或其它固体燃料和来自燃料的部分氧化)可被保留在进入发电系统燃烧器的冷却的高压POX流中。这些杂质可包括H2S、COS、CS2、HCN、NH3、Hg。这些和其它杂质可在发电系统燃烧器中氧化，以便形成例如SO2、CO2、N2、NO和Hg，它们然后可从发电系统中去除。例如，从发电系统燃烧器排出流冷凝的水流可以是酸性的，其包括HNO3、H2SO4和溶解的无机盐中的一种或多种，如美国专利申请公开No.2011/0179799中所述的。然而，在一个或多个实施例中，几乎所有杂质可以在被引入PPS燃烧器中之前从POX燃料流中除去。例如，如本申请进一步描述的，可以有利的是提供POX流作为富含甲烷流(即，根据引入PPS燃烧器的POX燃料气体流的总体积，包括约20％或更多、约30％或更多、约50％或更多、约60％或更多、约70％或更多、约80％或更多、约90％或更多、或约95％或更多的甲烷)。固体燃料通过POX反应器而不是直接通过发电系统燃烧器的处理能够在除去可能结垢的反应产物(特别是灰分和其它固体)的能力方面是特别有用的。
本申请的系统和方法可适于提供在POX流的冷却期间释放的几乎所有热的回收(优选冷却到接近环境温度)以及进入到发电系统中的循环的高压CO2流中的热的回收。这种额外的加热尤其可以在发电系统的回热式换热器中的较低温度水平下提供。以这种方式输入额外的热可以对发电系统的整体效率提供显著的积极影响。该效果是由于与400℃至800℃的较高温度范围相比，在50℃至400℃的较低温度范围内的高压循环CO2流的比热更高，以及在发电系统的回热式换热器中冷却的汽轮机废气流的比热更低。该显著差异意味着在回热式换热器中在50℃至400℃的温度范围内需要显著的附加热来加热循环CO2流。从POX流换热器中的经淬火的POX流获得的附加热对发电系统燃烧器提供有效量的附加热，其基本上等于燃料气体本身燃烧时释放的热量。
在一些实施例中，在淬火和去除灰分之后从POX反应器中排出的燃料气体可主要包括约250℃至约400℃温度的H2、CO、CO2和H2O。该燃料气体流的一部分可用于生产纯H2、CO或具有变化的H2/CO比率的纯H2和CO组合。大规模H2生产的典型应用可以是例如精炼厂中的加氢脱硫和加氢裂化，并且潜在地作为车辆燃料。H2和CO混合物的典型应用可以是例如费-托烃液体生产(例如，H2与CO之比为约1.5至约3，特别地约2.2)和甲醇生产(例如，H2与CO之比为约1.5至约2.5，特别地约2)。在每种情况下，H2与CO的比率必须从POX燃料气体流中的约1或更小的比率增加，其中所述比率取决于POX反应器的工作参数(例如，温度和/或压力)、使用CO2或水作为固体燃料的制浆介质、以及固体燃料中的H2/碳的比率。在POX产物气体中具有更多水的水基浆料导致正在转变为H2和CO2的显著比例的CO和H2O，给定H2/CO的比率刚好低于1。基于CO2的浆料具有低得多的H2/CO比率。可能有用的是，使至少一部分分离的经淬火的POX燃料气体流通过催化变换反应器以借助于与蒸汽反应将CO转化为H2，如下式(2)所示。
CO+H2O＝H2+CO2 (2)
这可以在灰分去除之后使用在约250℃至约400℃温度下获得的燃料气体的一部分并且通过使用抗硫CO变换催化剂(例如基于变换反应器中的钴-钼的催化剂)来实现。富含H2的燃料气体部分则可以在单独通过POX换热器时冷却。在放热变换反应中释放的热可以如前所述地传输到PPS中。排出的经变换的气体然后可以与剩余的冷却的POX流的一部分混合，并且组合的流可以通过被设计为以所需的H2/CO比率分离H2和CO作为单个非吸附组分的多床压力摆动吸附器(multi-bed pressure swing adsorber)，同时吸附的组分可以包含所有的硫化合物、HCN、NH3、Hg、CO2、H2O和大多数CH4。该未被吸附的部分还可能含有一些从POX反应器中使用的煤(或其它固体或液体燃料)和氧得到的N2和Ar。这些惰性成分优选将低于5％的总浓度，这对于到费-托和甲醇反应器的气体供给而言是可接受的。如果需要生产纯H2产物，则将仅向PSA供给经变换的冷却气体。来自PSA的接近大气压的废气与所有煤和POX产生的呈还原形式的杂质将被压缩并返回到剩余的POX燃料气体以在PPS燃烧器中燃烧。
参考图1描述具有部分氧化固体燃料的发电系统的一个实施例，其中，固体燃料以将要在POX反应器4中部分氧化的煤供给流21的形式提供。煤流21在大颗粒破碎机1中被粉碎和部分干燥，大颗粒破碎机1还供给干燥的氮气流23，该氮气流23包括从空气分离单元6取得的处于大约82℃(180°F)温度的N2，空气分离单元6从空气进气流62产生氧气流32和60及氮气流23。优选地，干燥的氮气流23可顶着离开PPS中的回热式换热器的富含CO2的汽轮机废气的较高温度流而被加热。在小颗粒破碎机2中将煤(通过线路24)进一步粉碎至优选为约250微米或更小的颗粒大小，以提供被引导至浆料混合器3的微粒状煤流25。在浆料混合器3中，将微粒状煤与CO2浆料介质流29混合，CO2浆料介质流29优选地具有约8.5MPa或更高的压力。在该实施例中，CO2浆料介质流29中的CO2处于约17℃的温度。CO2浆料介质流29中的CO2具有约865kg/m3的密度。在与CO2混合之前，粉末状煤在闭锁料斗系统中或通过其它方式增加压力到8.5MPa。煤/CO2浆料流26离开浆料混合器3并优选地包含约45％重量的煤。或者，浆料介质可以是水流。粉末状煤喷射系统还可配置为干燥供给系统，其中粉末状加压煤被夹带在氮气流中供给到POX燃烧室中。然后将浆料流26泵送到POX反应器4中，在POX反应器4中，浆料流26与氧气流56混合，氧气流56优选地包含97％摩尔或更大的氧浓度。POX反应器4优选地在约8.5MPa的压力和约1400℃的温度下工作；然而，关于离开POX反应器的POX流的性质，温度和压力可以是如这里公开的温度和压力范围的任何组合。因此，制备煤浆的条件可相应地调节。
POX反应器4适于部分地氧化煤并形成POX流，POX流可离开POX反应器并进入淬火室(未示出)或可在POX反应器本身内淬火，如图1所示。POX流可包括燃料气体，所述燃料气体可包括一种或多种可燃(即可氧化的)材料，包括但不限于H2、CO、CH4、H2S、COS、CS2、HCN、NH3。此外，POX流可以包括从煤(或其它固体燃料)得到的Hg和其它杂质，以及诸如从氧气流56得到的惰性材料(例如N2和Ar)，加上其它痕量成分。POX流还可包括一种或多种诸如灰或渣的不可燃材料，它们可根据需要从POX流过滤掉。
POX流(在POX反应器内或单独的成分)通过与淬火流体(本实施例中的液体水流57)混合而淬火。如图所示，液体水流57在限制喷嘴中的基座附近进入POX反应器。淬火流的添加冷却POX流成分，以优选地低于约304℃的水饱和温度(尽管也涵盖更高的温度)。淬火温度优选地也可以是诸如灰和渣的不可燃物呈固体形式的温度。过量的淬火水与渣和大部分细灰分聚集在POX反应器容器(或单独的淬火容器)的贮槽中，从那里移除以进一步处理。经淬火的POX流58进入洗涤器单元5，洗涤器单元5包括水洗塔，接着进入适于将粉尘负载降低到约4mg/m3或更少的燃料气体、约3mg/m3或更少的燃料气体、或约2mg/m3或更少的燃料气体的细筒式过滤器。洗涤器单元5还可包括使洗涤水循环和还为了丢弃而处理灰流66所需的所有设备和泵。对POX反应器灰处理和气体清洁有用的系统的示例性实施例是GE/TexacoPOX系统，其具有煤/水浆料燃烧装置，备选地可以被修改为接受煤/CO2浆料。
清洁的燃料气体加蒸汽流55在换热器7中被冷却。离开流59在换热器9中逆着冷却水进一步冷却。液体水46在分离容器8中与输入流61分离并在泵11中泵送回到POX反应器淬火，并与一些来自流38的添加补充水生成淬火水流57。净燃料气流47在多级离心压缩机10中被压缩至适于作为流48输入到发电系统燃烧器14的压力。作为示例，燃料气流47可以被压缩到约30.5MPa的压力。压缩的燃料气体流48在回热式换热器12中被加热至适于输入到发电系统燃烧器14的温度。作为例子，压缩的燃料气体流48可以被加热到大约746℃的温度。加热的燃料气体流64在发电系统燃烧器14中燃烧，在那里它与氧气和CO2组合。在所示实施例中，组合的O2/CO2流51以摩尔计包括30％O2和70％CO2。优选地，组合的O2/CO2流51已加热至适于输入到发电系统燃烧器14的温度。例如，组合的O2/CO2流51可在回热式换热器12中加热到约746℃的温度。热的循环CO2流52从回热式换热器12被引导并且处于适于输入到发电系统燃烧器14的温度。作为例子，热的循环CO2流52可被加热到约746℃的温度。
在发电系统燃烧器中，来自燃烧气体燃烧的燃烧气体用热的循环CO2流52冷却，在所示实施例中产生处于约1150℃的温度和约30MPa的压力的组合的燃烧产物流50。组合的燃料产物流50在连接到发电机65的汽轮机13中膨胀到约3MPa的压力，产生输出电力63。汽轮机输出流49在回热式换热器12中冷却，在所示实施例中，汽轮机输出流49作为在约64℃温度下的冷却的产物流53离开。流53在水冷却器16中冷却到约17℃的温度。进一步冷却的汽轮机输出流54进入洗涤塔17，洗涤塔17具有输出流40，该输出流40主要通过循环泵18循环到塔的封装区段上方的洗涤塔液体入口41，该入口接收进一步冷却的汽轮机输出流54。流40的一部分作为流39分流出来以进一步处理。当汽轮机废气在回热式换热器12中冷却到水露点以下时，发生以下反应。
NO+1/2O2＝NO2 (3)
NO2+SO2＝SO3+NO (4)
SO3+H2O＝H2SO4 (5)
上述反应将在存在液态水、氮氧化物、SO2/SO3和过量氧时进行。由于式(3)中所示的限制性反应在3MPa下快速进行，并且式(4)和式(5)的反应非常快，因此SO2/SO3浓度降低到非常低的水平。当所有硫氧化物已转化为硫酸时，氮氧化物按照以下反应顺序以每次通过约95％的转变率转变为硝酸。
2NO2+H2O＝HNO2+HNO3 (6)
3HNO2＝HNO3+2NO+H2O (7)
NO+1/2O2＝NO2 (8)
返回图1，存在于净液体酸产物流39中的硝酸将存在的任何汞转变为氯化汞。洗涤塔17优选地配备有额外的水洗和酸雾去除部分。由于实际上所有上述反应都在洗涤塔17的上游进行，所以洗涤塔17的主要功能是作为有效的稀释酸去除装置。混合酸在混合器15中用石灰石浆料流36(或其它合适的碱)处理，产生硫酸钙和硝酸钙流37。任何其他痕量金属盐也可以被分离。硝酸钙和溶解盐去除之后的残余水流38可以用作冷却塔或POX淬火系统的补充或者作为循环到洗涤塔17的洗涤水。
在大约2.9MPa的压力下离开洗涤塔17的主要CO2流42在多级中间冷却的压缩器19，接着是稠密流体多级泵中被压缩到适于输入到发电系统燃烧器的压力，例如大约30.5MPa。压缩的CO2排放流35在约54℃的温度下离开泵19的最后一级，并且该流的一部分(流70)在回热式换热器12中被加热到约746℃的温度，作为CO2流52离开。
该实施例中的空气分离设备6在约8.6MPa的压力下产生99.5％摩尔氧气纯度的产物流，其分成两个单独的流。氧气流60在换热器7中加热到约294℃的温度，作为流56离开，以用在POX反应器4中以供煤部分氧化。剩余的氧气流32与CO2在约8.6MPa的压力下混合。具体地，CO2作为流30从压缩机19的中间级排出，并且部分流31与氧气流32混合，得到约30％O2和70％CO2摩尔的混合物。该稀释的O2流33在多级中间冷却压缩机20中被压缩到约30.5MPa的压力，并且排放流34在回热式换热器12中被加热到约746℃的温度并且作为流51进入发电系统燃烧器14。纯O2流32的稀释有利于使在发电系统燃烧器14中燃烧所需的氧气在不需要抗氧材料的情况下被加热到高温。这确保了发电系统的安全工作。30％O2流有用于将发电系统14中的绝热燃烧温度调节至约2400℃的值。CO2流30的剩余部分是CO2流29，其提供CO2以使粉末状煤成浆并且被引导至浆料混合器3。
在换热器7中淬火的POX气体的冷却对于将最大量的热传输到发电系统以使总效率最高是有用的。发电系统在从接近环境温度到约400℃的温度范围内需要来自外部源的大量热量。这可以通过在空气分离设备6中使用绝热空气压缩机并将压缩的热传输到部分高压循环CO2流来提供。在本实施例中，所需的外部加热负荷通过在换热器7中冷却淬火的POX气体并加热两个高压循环流来提供。在约54℃的温度下的高压循环CO2流28和在回热式换热器12中从中间温度点取得的约120℃的高压循环CO2流43被加热，以提供在约294℃温度下的组合的加热输出流44，组合的加热输出流44返回以在回热式换热器12中在相应温度点与主循环CO2流混合。可选地，输出流67也可在相应的温度点返回到回热式换热器以便也与主循环CO2流混合。
在示例性实施例中，换热器7可以是高压钎焊或扩散粘结的多通道单元。在POX气体加液态水中存在杂质的情形下，材料结构优选是耐腐蚀的。回热式换热器12优选是扩散粘结的多通道单元。该单元优选适于在高达约800℃的温度下工作并且在低于约200℃的温度下耐酸腐蚀。示例性的合适材料是特种金属合金740。在一些实施例中，换热器12的热端处的平均温度可以降低到750℃以下，并且在这些情况下，合金617可能是合适的。可选地，200℃至540℃之间的中间部分可由不锈钢制成。在200℃以下可能发生酸腐蚀的部分可以构造成允许每隔一段时间更换一次。
在一个或多个实施例中，POX系统可配置成提供富含甲烷的燃料流。这种POX系统可以包含本申请中另外描述的任何元件。特别地，这种POX系统可以包括催化POX反应器，其可以配置成在催化剂和可选的蒸汽存在情形下用氧气部分地氧化固体或液体燃料，以形成与不存在催化剂情形下的部分氧化相比富含甲烷含量的POX产物流。催化剂可包括任何适于促进含碳或碳氢化合物类燃料的部分氧化中甲烷产生的催化剂。例如，合适的催化剂可包括碱金属、碱土金属、过渡金属、它们的化合物、它们的络合物、以及其组合。例如，镍或支撑的镍催化剂可能是有用的。根据本申请的实施例可以用于产生含有相对高甲烷含量的POX燃料流的催化POX反应成分的示例描述于美国专利公布No.2003/0167961、2006/0265953、2007/000177、2007/083072、2007/0277437、2009/0048476、2009/0090056、2009/0090055、2009/0165383、2009/0166588、2009/0165379、2009/0170968、2009/0165380、2009/0165381、2009/0165361、2009/0165382、2009/0169449、2009/0169448、2009/0165376、2009/0165384、2010/0076235、2011/0031439、2011/0062721和2011/0064648，这些美国专利公布的公开内容在此通过援引并入本申请。
在一些实施例中，被配置用于增加甲烷含量的POX系统可以在相对温和的条件下特别地操作。例如，POX反应器的工作温度可以是约1000℃或更低、约800℃或更低、约600℃或更低、或约400℃或更低(例如，具有约200℃的下限)。更具体地说，POX反应器的工作温度可以是约300℃至约1000℃、约325℃至约900℃、约350℃至约800℃、或约400℃至约700℃。
具有甲烷化处理的POX系统的示例性实施例在下面结合图2进行描述。如图所示，将固体燃料流115、氧气源流56和蒸汽流116注入POX反应器4中以使固体燃料部分氧化。催化剂也可以被提供给POX反应器4。所述催化剂可以在POX反应器中静止和/或可以是流体。例如，微粒状催化剂可以与燃料流115组合。输入到POX反应器4的蒸汽流116可以有利于将工作温度控制在期望的范围内和/或使产物流中的甲烷产率最大化。离开POX反应器4的POX产物流85可包含H2、CO、CO2、H2O、炭、CH4，H2S、COS、CS2、HCN和NH3的任何组合。在一个或多个实施例中，利用催化反应可有利于显著增加POX燃烧流的甲烷含量，超过可能的甲烷含量。因此，离开POX反应器4的POX产物流85可以表征为富含甲烷含量。与不使用催化剂情形下形成的相应流中存在的甲烷相比，富含甲烷的流可包含按体积计多至少5％、至少10％、至少20％、或至少30％(例如，5％至95％、10％至75％、或20％至60％)的甲烷。在一些实施例中，离开POX反应器4的POX产物流85可具有按体积计占POX产物流总体积的至少10％、至少15％、至少20％、或至少25％体积的甲烷含量(具有按体积计95％、85％或75％的最高上限的甲烷含量)。
POX产物流85被传递到对流冷却器86，以将POX燃烧流冷却到约500℃或更低、约400℃或更低、或约300℃或更低(具有约100℃的下限)。在对流冷却器86中使用的冷却流可以包括从PPS排出并返回PPS的高压循环流体流、高压水流、从用于固体燃料干燥过程的空气分离单元排出的氮气流、高压O2/CO2流、和/或清洁且冷却的POX燃料气体流。附加地或替代地，可使用其它冷却单元，包括但不限于淬火单元。
离开对流冷却器86的冷却的POX产物流87被引导到过滤器单元88以从POX产物流中除去固体。从过滤器单元88排出的固体流117可包括例如灰分颗粒、未燃烧的炭、和催化剂。从固体流117中排出的任何催化剂可以被送到用于催化剂回收的催化剂回收系统，例如在美国专利公布No.2010/0168495和美国专利公布No.2011/0031439中描述的，这两份美国专利公布的公开内容通过引用并入本申请。
离开过滤器单元88的冷却且过滤的POX产物流89传递到水洗器单元90，水洗器单元90可被配置成除去所有细颗粒。另外，水洗器单元90可被配置成除去任何可溶性酸性气体，例如NH3。
清洁的POX燃料流91可经历一个或多个转变步骤以改变流的组分。如图2所示，清洁的POX燃料流91通过分流器92以将所述流分流成第一级分流93和第二级分流94。POX燃料第一级分流93被送到催化COS水解单元95，用于将COS转变成H2S。POX燃料第二级分流94被引导到催化水气体变换反应器96以将CO和H2O转变成CO2和H2。离开催化COS水解单元95和催化水气体变换反应器97的流可以合并为POX燃料流97。如果需要，整个POX燃料流91可通过催化COS水解单元95处理，或整个POX燃料流91可通过催化水气体变换反应器96处理。例如，在一个或多个实施例中，在水气体变换反应器96中使用的催化剂可以被配置为也水解COS。因此，起催化作用的COS水解单元95可以不存在。分流器92的分流比可以通过固定POX燃料流97的H2/CO比率来确定。例如，POX燃料流97的H2/CO比率可以为约5:1至约1:1、约4:1至约2:1、或大约3:1。该比率可以基于将要进行的下游甲烷化过程所需的最终甲烷含量来限定，在下游甲烷化过程中，CO+3H2生成CH4+H2O。例如，3:1的比率特别有用于获得具有按体积计大于90％的甲烷含量的最终合成气。
POX燃料流97通过POX换热器7，以通过将POX燃料流逆着冷却流冷却到大约100℃或更低的温度来排出一定量的热。例如，如图所示，氧气流60在POX换热器7中逆着POX燃料流97被加热并作为流56离开(流56可在POX反应器4中用于煤的部分氧化-如图1所示的)。高压循环CO2流28和高压循环CO2流43(先前关于图1讨论了)可在POX换热器中加热以提供在回热式换热器12中与主循环CO2流混合的组合的加热输出流44。输出流67也可返回到回热式换热器12以与主循环CO2流混合。
离开POX换热器7的POX燃料流98可以用换热器99中的冷却水进一步冷却到例如约35℃的温度。离开水冷换热器99的POX燃料流100穿过分离器101，冷凝的水流103可从分离器101排出。根据POX燃料气体的组分(其可以根据POX反应器中被氧化的燃料的组分进行变化)，可以期望进一步清洁POX燃料气体。如图2的实施例所示，POX燃料流102被传递到汞和酸性气体去除单元104。离开单元104的示例性酸性气体流可包括H2S流105和CO2流106(尽管也可排出其它酸性气体)。作为一个示例，可将H2S流105转变成液态元素硫(liquidelemental sulfur)，例如使用克劳斯法，或可转变成商业品质的硫酸，例如使用湿硫酸法。从除酸性气体单元去除的CO2流106可被压缩并合并到图1中的压缩的循环CO2流35中，或者可另外使用或隔离。在各种实施例中，可以使用单独的汞去除单元，可以使用单独的酸性气体去除单元，或者可以使用组合的汞和酸性气体去除单元。
汞去除单元的非限制性示例可包括活化的、浸渍硫的碳床吸附系统。作为非限制性示例，去除酸性气体可以使用化学试剂、物理溶剂和混合溶剂中的一种或任何组合。可以使用的酸性气体去除方法的具体的但非限制性示例包括：甲醇溶剂系统(例如，
Figure GDA0002769238340000231
)；复合溶剂系统(例如，
Figure GDA0002769238340000232
其是二异丙醇胺(30-45％)或甲基二乙醇胺(MDEA)、环丁砜(四氢噻吩二氧化物)(40-60％)、和水(5-15％)的混合物)；胺处理系统(例如，利用二乙醇胺(DEA)、单乙醇胺(MEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、和二异丙醇胺(DIPA))；SELEXOLTM，即(聚乙二醇的二甲基醚)；和FLEXSORBTM(即位阻胺)。一种示例性方法可包括使用两级SELEXOLTM过程(可从UOP LLC,USA得到)，其中在第一级除去H2S，在第二级除去CO2。
POX燃料流107可传递到甲烷化单元108中，甲烷化单元108可配置成将CO和H2转变成CH4和H2O。甲烷化单元108可以是利用例如镍基催化剂的催化单元。可以在甲烷化单元108中进行的甲烷化过程的非限制性示例是在美国专利No.8,530,529中描述的高温TREMPTM过程，该美国专利的公开内容通过引用并入本申请。
离开甲烷化单元108的POX燃料流109可以表征为富含甲烷的POX燃料气体，并且可以具有按体积计占所述流的总体积的约50％或更高、约60％或更高、约70％或更高、约80％或更高、约85％或更高、约90％或更高、或约95％或更高的甲烷含量(具有上限99.9％)。从甲烷化过程释放的热量可在一个或多个换热器中被回收，所述换热器可以与甲烷化单元108集成或用作附加的部件。
富含甲烷的POX燃料流109可以在水冷换热器110中进一步冷却到例如大约20℃的温度。冷却的富含甲烷的POX燃料流111可通过分离器112以去除流114中的水、已在甲烷化单元108中产生的水。
冷却的、清洁的、富含甲烷的POX燃料气流113可以利用如图1所示的压缩器压缩。例如，POX燃料气体流113可以在图1中的压缩器10中被压缩到大约30.5MPa的压力，然后被压缩的POX燃料气体可以被送到发电系统。冷凝的水流103和114可以被泵送到稍微高于POX反应器4的工作压力的压力，并且加压的流可以在对流冷却器86中、和/或在POX换热器7中、和/或在PPS换热器12(参见图1)中被加热以形成蒸汽，所述蒸汽的至少一部分可以在被输入到POX反应器4的流116中使用。
在一个或多个实施例中，可以不存在关于图2所示的POX系统的某些部件。例如，参照图2，离开水洗器单元90的清洁的POX燃料流91可被直接传递到POX换热器7。POX燃料气体流98仍可通过换热器99中的冷却水进一步冷却(例如，到约20℃的温度)，并且冷凝水可在分离器101中分离并作为冷凝水流103排出。基本上不含液态水的冷却的POX燃料流102可以直接传递到图1中的压缩器10，在压缩器10中，POX燃料流102可以被压缩到例如大约30.5MPa的压力，然后被送到图1中的发电系统。如关于图2所描述的简化系统可能是有益的，例如，降低资本成本和工作成本。此外，可以根据对系统的减小的寄生负载来提高整体系统效率。
受益于上述描述和相关附图中呈现的教导，本主题所属领域的技术人员将想到本申请主题的许多改型和其它实施例。因此，应当理解，本申请不限于这里描述的具体实施例，并且改型和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。尽管这里采用了特定的术语，但是它们仅在一般的和描述性的意义上使用，而不是为了限制的目的。

Claims (26)

1.一种使用部分氧化POX系统和发电系统PPS的组合发电的方法，所述方法包括：
在足以部分氧化燃料的条件下，组合POX反应器中的固体或液体燃料、氧气、和催化剂并形成包括甲烷的POX流；
冷却所述POX流到500℃或更低的温度；
从所述POX流分离固体、熔融金属和酸性气体中的一种或多种；
将所述POX流传递到POX换热器并且通过逆着冷却流将所述POX流冷却到100℃或更低的温度而从所述POX流排出一定量的热，并形成包含甲烷的POX燃料气体流；
使所述POX燃料气体流穿过分离器容器，并且分离存在于所述POX燃料气体流中的任何水的至少一部分；
将所述POX燃料气体流压缩到12MPa或更高的压力；
在PPS燃烧器中燃烧所述POX燃料气体以形成处于至少10MPa的压力和至少800℃的温度的燃烧产物流；和
使所述燃烧产物流横穿PPS汽轮机膨胀以便发电并形成膨胀的PPS燃烧产物流；
其中，被压缩到12MPa或更高压力的POX燃料气体流具有以体积计占所述POX燃料气体流的总体积20％或更高的甲烷含量，
其中，在将所述POX燃料气体流压缩到12MPa或更高压力的步骤之前，所述POX燃料气体流的至少一部分穿过被配置成将CO和H2转变成CH4和H2O的甲烷化单元。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述POX反应器中使用的催化剂选自由碱金属、碱土金属、过渡金属、它们的化合物、它们的复合物、以及它们的组合物组成的群组。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述POX反应器在1000℃或更低的温度下工作。
4.如权利要求1或2所述的方法，还包括将蒸汽添加到所述POX反应器。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，冷却来自所述POX反应器的所述POX流包括使所述POX流逆着冷却流穿过对流冷却器。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述冷却流包括下述中的一种或多种：
从所述PPS排出并返回到所述PPS的高压循环流体流；
高压水流；
氮气流；
POX反应器液体燃料供给流；
高压O2和CO2流；和
清洁且冷却的POX燃料气体流。
7.如权利要求1或2所述的方法，其中，从所述POX流分离的固体包括灰分颗粒、未反应的炭、和催化剂中的一种或多种。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中，从所述POX流分离固体、熔融金属、和酸性气体中的一种或多种包括使所述POX流穿过颗粒过滤器和水洗器。
9.如权利要求1或2所述的方法，其中，在将所述POX流传递到所述POX换热器的步骤之前，所述方法包括使所述POX流的至少一部分穿过催化水气体变换反应器，所述催化水气体变换反应器配置成将所述POX流中的CO和H2O转变成CO2和H2。
10.如权利要求9所述的方法，其中，离开所述催化水气体变换反应器的所述POX燃料气体具有5：1到1：1的H2与CO比率。
11.如权利要求1或2所述的方法，其中，在将所述POX流传递到所述POX换热器的步骤之前，所述方法包括使所述POX流的至少一部分穿过被配置成将COS转换成H2S的羰基硫化物COS水解反应器。
12.如权利要求1或2所述的方法，其中，穿过所述POX换热器的所述POX流逆着包括下述中一种或多种的冷却流冷却：
从所述PPS排出并返回到所述PPS的高压循环流体流；
高压水流；
氮气流；
POX反应器液体燃料供给流；
高压O2和CO2流；和
清洁且冷却的POX燃料气体流。
13.如权利要求1或2所述的方法，其中，在压缩所述POX燃料气体流到12MPa或更高压力之前，所述POX燃料气体流的至少一部分穿汞过除单元和酸性气体去除单元中的一者或两者。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述POX燃料气体流的至少一部分穿过活化的、浸渍硫的碳床吸附系统，所述碳床吸附系统被配置成从所述POX燃料气体中除去汞。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述POX燃料气体流的至少一部分穿过酸性气体去除单元，所述酸性气体去除单元配置成从所述POX燃料气体流除去H2S和CO2中的至少一种的部分或基本上全部。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述甲烷化单元是催化单元。
17.如权利要求16所述的方法，其中，离开所述甲烷化单元的所述POX燃料气体具有按体积计50％或更高的甲烷含量。
18.如权利要求16所述的方法，其中，甲烷化使用镍基催化剂执行。
19.如权利要求16所述的方法，包括使离开所述甲烷化单元的所述POX燃料气体逆着冷却流穿过甲烷化后换热器。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述冷却流包括下述中的一种或多种：从所述PPS排出并返回到所述PPS的高压循环流体流；高压水流；氮气流；高压O2和CO2流；POX反应器液体燃料供给流；以及清洁且冷却的POX燃料气体流。
21.如权利要求16所述的方法，包括将所述POX燃料气体流从所述甲烷化单元传递到分离器，其中在甲烷化反应器中产生的任何水的至少一部分被除去。
22.如权利要求1或2所述的方法，其中，在将所述POX燃料气体流压缩到12MPa或更高的压力之后并且在所述PPS燃烧器中燃烧所述POX燃料气体之前，所述方法包括通过穿过所述POX换热器来加热所述压缩的POX燃料气体。
23.如权利要求1或2所述的方法，还包括：
使所述膨胀的PPS燃烧产物流穿过PPS回热式换热器，并由此从所述PPS燃烧产物流排出热并形成冷却的PPS燃烧产物流；
通过除去几乎所有非CO2成分，在PPS洗涤器中处理所述冷却的PPS燃烧产物流以形成循环CO2流；和
在PPS压缩器中对所述循环CO2流加压以形成压缩的循环CO2流。
24.如权利要求23所述的方法，还包括：使所述冷却的PPS燃烧产物流穿过水冷却器。
25.一种组合的部分氧化POX系统和发电系统PPS，包括：
催化POX反应器，所述催化POX反应器适于在氧气、催化剂和蒸汽存在的条件下部分地氧化液体或固体燃料以形成包含甲烷的POX流；
一个或多个部件，所述部件适于冷却所述POX流；
POX换热器，所述POX换热器适于从所述POX流排出热并且输出冷却的POX燃料气体；
压缩器，所述压缩器适于将所述POX燃料气体压缩到10MPa或更高的压力；
PPS燃烧器，所述PPS燃烧器适于在氧气和压缩的循环CO2流存在的条件下燃烧所述POX燃料气体，并形成处于10MPa或更高压力的PPS燃烧产物流；
汽轮机，所述汽轮机适于膨胀所述PPS燃烧产物流并在连接的发电机中产生电能；
回热式换热器，所述回热式换热器适于从所述膨胀的PPS燃烧产物流排出热并且将所述热添加到所述压缩的循环CO2流；以及
PPS压缩器，所述PPS压缩器适于将所述循环CO2流压缩到10MPa或更高的压力，并且形成所述压缩的循环CO2流，
其中，在将所述POX燃料气体流压缩到12MPa或更高压力的步骤之前，所述POX燃料气体流的至少一部分穿过被配置成将CO和H2转变成CH4和H2O的甲烷化单元。
26.如权利要求25所述的组合的部分氧化系统和发电系统，还包括以下中的一个或多个：
汞去除单元；
酸性气体去除单元；
甲烷化单元；
甲烷化后换热器，所述甲烷化后换热器配置成从离开甲烷化单元的流排出热；
适于将所述压缩的循环CO2流的一部分引导到所述POX换热器的流动部件；
适于将所述压缩的循环CO2流的一部分引导到所述PPS回热式换热器流动部件；以及
适于将所述压缩的循环CO2流从所述POX换热器引导到所述PPS回热式换热器的流动部件。
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