CN110168058B - 利用部分氧化的动力生产系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种动力生产系统，其适于将固体或液体燃料部分氧化形成包含燃料气的部分氧化流而实现高效动力生产。该燃料气流在作为燃烧燃料被引导至动力生产系统的燃烧器前，可经历淬火、过滤和冷却中的一种或多种。将所述部分氧化流与压缩的循环CO2流以及氧气组合。该燃烧流通过涡轮机膨胀而产生动力并通过回热器热交换器。可进一步处理膨胀并冷却的排气流从而提供所述循环CO2流，以利于提高所述组合系统效率的方式将该循环CO2流压缩并使其通过一个或多个回热器热交换器。

Description

利用部分氧化的动力生产系统和方法
技术领域
本发明涉及用于产生动力(诸如电力)的系统和方法，其利用燃料燃烧中的部分氧化。
背景技术
传统利用燃料燃烧的动力生产装置通常缺乏同时实现高效动力生成和碳捕获的能力。当在燃烧反应中使用固体燃料时，保留在燃烧产物流中的固体及惰性氮气含量放大了这种局限。因此，本领域对用于高效动力生成系统和方法的需求不断增长，其可降低CO2排放和/或更便于隔离产生的二氧化碳。
具有碳捕获的高效动力生成领域公开的Allam等人的一项专利号为8596075的美国专利提供了一种解决方案，其中固体燃料(如煤、褐煤、石油焦或生物质)通过在足够高的压力和温度下运行的部分氧化反应器中与氧气和任选的蒸汽反应而气化，从而允许所述固体燃料基本上完全转化为气态燃料，该气态燃料主要包括作为可燃组分的一氧化碳和氢气以及燃烧衍生的杂质，例如H2S、CS2、硫化羰(COS)、HCN和NH3。将部分氧化的净产物气体冷却，分离灰分，并任选地将其压缩从而将其作为燃料引入动力生成系统的燃烧室。所述部分氧化系统和动力生成系统的运行压力可使燃料气不需要压缩。动力生成系统燃烧器在燃烧后存在过量O2的情况下运行，这确保所述燃料和燃烧衍生的杂质从还原态转化为其氧化形式，该氧化形式主要包含SO2和NO。所述部分氧化反应器可设有蒸腾冷却壁，其中在约800℃的温度水平下除去灰分之前，高压循环CO2流冷却所述部分氧化产物气体。所述部分氧化气体有必要进一步冷却至约400℃，以确保所有细灰分颗粒与固化的挥发性无机组分一起冷凝并过滤，从而防止固体沉积、腐蚀和堵塞下游设备。所述部分氧化气体从800℃冷却到400℃，这必须在带有用于所述高压部分氧化气体的管的换热器中进行，由于所述部分氧化气体中的高CO分压及Boudouard碳形成反应，这些管须能抵抗金属粉尘腐蚀。这在下面的式(1)中示出。
CO+CO＝C+CO2 (1)
这些管必须设计成允许定期水洗，从而除去固体燃料(特别是煤和褐煤)中存在的挥发性无机组分冷凝产生的固体沉积物。
尽管上述公开物取得了进展，但其中描述的系统和方法仍然没有提供最有利的方案以解决利用固体燃料作为动力生产燃烧燃料时出现的问题。因此，仍然需要其他具有碳捕获的用于固体燃料的高效燃烧的系统和方法。
发明内容
本公开提供了通过燃料燃烧实现高效动力生产同时实现碳捕获的系统和方法。特别地，所述公开的系统和方法可使用部分氧化(POX)反应器，其中将所述燃料燃烧从而产生包含部分氧化产物的POX流。可将所述POX流引导至燃烧器，其中至少一些所述部分氧化产物基本上被完全氧化而产生燃烧产物流。
例如，Allam等人专利号为8776532的美国专利公开了利用部分氧化进行动力生产的系统和方法，其公开内容通过引用整体并入本文。本公开提供的系统和方法可包含Allam等人所述专利中的一种或多种元件，但其为高效动力生产提供了进一步的优点，该高效动力生产包括燃料的部分氧化，以及随后的至少一部分部分氧化产物的燃烧。
在一个或多个实施方案中，本公开可涉及一种使用部分氧化(POX)系统和动力生产系统(PPS)的组合产生动力的方法。在非限制性示例中，该方法可包括至少如下步骤：
在POX反应器中使固体或液体燃料与氧气结合，条件是足以使所述燃料部分氧化并在第一温度下形成包含燃料气的POX流；
从包含所述燃料气的所述POX流除去不形成一部分所述燃料气的至少一部分任何固体组分或气体组分；
在POX热交换器中将包含所述燃料气的所述POX流冷却至第二、较低温度；
通过从包含所述燃料气的所述POX流中除去至少一部分任意液态水和酸性气体净化包含所述燃料气的所述POX流，并从而形成所述燃料气流；
将所述燃料气流压缩至约12MPa或更高的压力；
使所述燃料气流在PPS燃烧器中燃烧以在至少约10MPa的压力和至少约800℃的温度下形成燃烧产物流；
使所述燃烧产物流通过PPS涡轮机膨胀以产生动力并形成膨胀的PPS燃烧产物流；
使所述膨胀的PPS燃烧产物流通过PPS回热器热交换器，从而从所述PPS燃烧产物流排出热量并形成冷却的PPS燃烧产物流；
从所述冷却的PPS燃烧产物流中除去至少一部分一种或多种杂质，以形成循环CO2流；以及
在PPS压缩机将所述循环CO2流加压而形成压缩的循环CO2流。
在进一步的实施方案中，可用涉及以下陈述的任何一个或多个进一步定义上述方法，所述陈述可以任意数量或顺序组合。
所述POX反应器可为气化炉。
所述POX反应器可为流化床反应器。
所述POX反应器可为催化反应器。
所述方法可包括在所述POX热交换器中将包含所述燃料气的所述POX流冷却之前，将包含所述燃料气的所述POX流的温度降低至小于所述第一温度且大于所述第二温度的温度。
降低包含所述燃料气的所述POX流的温度的步骤可包括向所述POX反应器中添加淬火流体。
所述淬火流体可包括水和CO2中的一种或两种。
所述方法可进一步包括在所述压缩之后且在所述燃烧之前加热所述燃料气流。
加热所述燃料气流的步骤可包括使所述燃料气流通过所述PPS回热器热交换器。
所述方法可进一步包括在适于将COS转化为H2S的硫化羰(COS)水解反应器中处理一部分包含所述燃料气的所述POX流。
所述方法可进一步包括将蒸汽和CO2中的一种或两种提供到所述POX反应器中。
所述POX热交换器可配置成使靠着以下中的一种或多种从包含所述燃料气的所述POX流排出热量：一部分所述压缩的循环CO2流；加压水流；氮气流；加压O2和CO2流；燃气流。
该方法可进一步包括使包含所述燃料气的一部分所述POX流通过变换反应器，该变换反应器配置成将H2和CO2的混合物转化为CO和H2O的混合物，或配置成将CO和H2O的混合物转化为H2和CO2的混合物。
该方法可进一步包括将一部分包含所述燃料气的所述POX流与一部分所述循环CO2流混合而形成混合物，并在所述变换反应器中处理该混合物。
所述变换反应器可以是反向水煤气变换(WGS)反应器。
该方法可进一步包括使包含所述燃料气的一部分所述POX流通过温脱硫单元，该温脱硫单元构配置成从包含所述燃料气流的所述POX流除去H2S、COS和重金属中的一种或多种。
该方法可进一步包括使包含所述燃料气的至少一部分所述POX流通过活化吸附系统，该活化吸附系统配置成从包含所述燃料气的所述POX流除去汞。
该方法可进一步包括使至少一部分所述燃料气流通过酸性气体去除单元，该酸性气体去除单元被配置成分离存在于所述燃料气流中的至少一部分任何H2S和至少一部分任何CO2中的一种或两种。
该方法可进一步包括使至少一部分所述燃料气流通过催化甲烷化系统，该催化甲烷化系统配置成将CO和H2转化为CH4和H2O。
至少一部分所述压缩的循环CO2流可在所述PPS回热器热交换器中加热并通入所述PPS燃烧器。
一部分所述压缩的循环CO2流可通入所述POX热交换器。
所述压缩的循环CO2流可离开所述POX热交换器并通入所述PPS回热器热交换器。
一部分所述压缩的循环CO2流可通入所述POX反应器。
在所述POX反应器中将所述固体或液体燃料与氧气混合之前，可将一部分所述压缩的循环CO2流与所述固体或液体燃料组合。
所述固体或液体燃料可包括由固体燃料与液体或超临界CO2组合形成的燃料浆料。
在一个或多个实施方案中，本公开可进一步涉及配置为用于动力生产的系统。该系统特别包括部分氧化(POX)系统和动力生产系统(PPS)的组合。该组合系统可包括多个部件的组合。最低限度地，该组合系统可包括：
催化或非催化POX反应器，适于在氧气(及任选的蒸汽、CO2和/或催化剂)存在下将液体或固体燃料部分氧化，从而形成包含燃料气的POX流；
一个或多个适于使所述POX流与淬火流体接触的部件；
POX热交换器，适于靠着以下中的一个或多个从所述POX流排出热量：一部分压缩的循环CO2流、高压水流、从ASU排出的氮气流、高压O2/CO2流、清洁并冷却的燃料气，并从所述POX热交换器输出冷却的POX流；
压缩机，适于将所述冷却的POX流(或来自所述POX流的燃料气)压缩至约10MPa或更高的压力；
PPS燃烧器，适于使来自所述POX流的所述燃料气在氧气和一部分所述压缩的循环CO2流的存在下燃烧，并在约10MPa或更高的压力下形成PPS燃烧产物流；
涡轮机，适于将所述PPS燃烧产物流扩张并在连接的发生器中产生动力；
回热器热交换器，适于从所述膨胀的PPS燃烧产物流中提取热量，并将该热量加到所述压缩的循环CO2流中；
PPS压缩机，适于将循环CO2流压缩至约10MPa或更高的压力并形成所述压缩的循环CO2流；以及
流部件(例如，流线)，适于将一种或多种流传送到所述组合系统的一个或多个不同部件。
在某些实施方案中，所述组合系统可包含一个或多个其他部件。例如，本公开旨在涵盖包括上面所列出的部件以及可以任何顺序和任何数量组合的下述部件中的一个或多个的组合系统。因此，所述组合系统可包括下述任何一个、两个、三个或更多：
高温热交换器，例如辐射冷却器或对流冷却器，配置成从部分淬火的POX流中回收高级热量(例如，约900℃或更低温度的POX流)；
POX洗涤器，适于将存在于该淬火的POX流中的至少一部分固体和/或可溶性酸性气体分离；
过滤装置，适于从单相淬火的POX流中分离固化的灰分颗粒；
催化变换反应器，适于将H2和CO2的混合物转化为CO和H2O的混合物，或将CO和H2O的混合物转化为H2和CO2的混合物；
COS水解反应器，适用于将COS转化为H2S；
温脱硫装置，适于通过利用可再生的固体吸附剂从所述POX流中除去H2S、COS和重金属；
分离器，适于将任何液态水与POX流分离；
活化吸附系统，适于从所述POX流中除去汞；
燃烧前酸性气体去除单元，适于将所述POX流中存在的至少一部分任何H2S和/或CO2分离；
催化甲烷化系统，适于将所述POX流(或来自所述POX流的燃料气流)中的CO和H2转化为CH4和H2O；
PPS洗涤塔，适于将H2SO4、HNO3和水溶性Hg盐中的一种或多种从所述膨胀的PPS燃烧产物流中分离，并输出循环CO2流；
适于将一部分所述压缩的循环CO2流引导至所述POX热交换器的流部件；
适于将一部分所述压缩的循环CO2流引导至所述PPS回热器热交换器的流部件；
适于将所述压缩的循环CO2流从所述POX热交换器引导至所述PPS回热器热交换器的流部件；
适于将一部分所述压缩的循环CO2流引导至所述POX反应器的流部件，例如用于控制所述POX反应器的操作运行温度；以及
适于将一部分所述压缩的循环CO2流引导至所述固体燃料供给系统，从而将粉碎的固体燃料驱动至所述POX反应器中的流部件。
在一个或多个实施方案中，本公开可特别涉及一种包括部分氧化(POX)系统和动力生产系统(PPS)的动力生产单元，其中所述动力生产单元包括：
POX反应器；
POX洗涤器单元，包括与所述POX反应器的出口流体连通的入口；
POX热交换器，包括与所述洗涤器单元的出口流体连通的入口；
POX水分离器，包括与所述POX热交换器的出口流体连通的入口；
POX酸性气体去除系统，包括与所述水分离器的出口流体连通的入口；
POX压缩机，包括与所述酸性气体去除系统的出口流体连通的入口；
PPS燃烧器，包括与所述POX压缩机的出口流体连通的入口，并配置成从其接收燃料气；
PPS涡轮机，包括与所述PPS燃烧器的出口流体连通的入口，并配置成从其接收燃烧产物流；
PPS回热器热交换器，包括与所述PPS涡轮机的出口流体连通的入口；
PPS分离器，包括与所述PPS回热器热交换器的出口流体连通的入口；以及
PPS压缩机，包括与所述PPS分离器的出口流体连通的入口。
在进一步的实施方案中，所述动力生产单元可以关于如下陈述中的一个或多个来表征，所述陈述可以任意数量或顺序组合。
所述动力生产单元可进一步包括下述一个或多个：固体燃料供给系统；变换反应器；羰基硫(COS)水解反应器；脱硫单元；活化吸附单元；以及催化甲烷化系统。
所述动力生产单元可进一步包括位于所述POX热交换器和所述PPS回热器热交换器之间的闭合传热回路。
所述动力生产单元可涵盖下述情况中的一种或多种：所述POX水分离器包括与所述POX反应器的入口流体连通的出口；所述PPS压缩机包括与所述POX热交换器的入口流体连通的出口；所述PPS压缩机包括与所述PPS回热器热交换器的入口流体连通的出口。
所述动力生产单元还可包括下述一个或多个：用于所述PPS压缩机与所述POX热交换器之间流体连通的一条或多条流线；用于所述PPS压缩机与所述PPS回热器热交换器之间流体连通的一条或多条流线；以及用于所述PPS压缩机与所述POX反应器之间流体连通的一条或多条流线。
在一个或多个实施方案中，可使用不同的燃料来启动动力生产单元。例如，气体燃料流可用在所述POX反应器和所述PPS燃烧器中的一个或两个中，直至所述POX系统和/或所述PPS以稳定状态运行。
附图说明
已对本发明进行了经概括描述，现将参考附图，所述附图不一定按比例绘制，其中：
图1示出了根据本公开的组合POX系统和PPS的示例性实施方案的流程图，其中所述PPS利用源自所述POX系统中的液态或固态碳氢化合物或含碳燃料的部分氧化的燃料气而产生动力；
图2示出了图1所示的一部分所述组合系统的流程图，其中所示部分特别显示了用于生产出口H2或H2+CO混合物的所述组合系统的元件；
图3示出了根据本公开实施方案的冷却装置的布置的流程图；
图4示出了根据本公开实施方案的变换反应器、COS水解反应器和脱硫单元的布置的流程图；
图5示出了根据本公开实施方案的酸性气体去除系统、活化吸收系统和催化甲烷化系统的布置的流程图；以及
图6示出了根据本公开实施方案的配置成用于在POX热交换器和PPS回热器热交换器之间传递热量的闭合传热回路的流程图。
具体实施方式
现将通过参考各种实施方案更全面地描述本发明。提供这些实施方案是为了使本公开彻底和完整，这些实施方案将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。事实上，本发明可以多种不同的形式实施，且不应该被解释为局限于这里所阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使本公开满足适用的法律要求。如说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确说明，单数形式“一(a/an)”、“所述的(the)”包括复数指示物。
本公开的系统和方法适于实现含碳燃料(特别是固体燃料和/或液体燃料)的部分氧化(POX)。根据本公开可使用的燃料的非限制性实例包括煤、褐煤、石油焦、沥青、生物质、藻类、木材、分级可燃固体废物垃圾、柏油、旧轮胎、原油、其他含灰液体燃料等等。所述燃料可作为粉末状固体、作为高粘性流体、作为压块固体而提供至POX反应器。
所述POX反应器中所述含碳燃料的部分氧化形成POX流，该POX流可根据其组分来定义。特别地，所述POX流可包含燃料气和任选的一种或多种杂质(可氧化杂质和不可氧化杂质)。取自离开所述POX反应器的流中的所述燃料气可输送至动力生产系统的燃烧器中。例如，在Allam等人的专利号为8596075的美国专利中描述了可与本公开的系统和方法结合的燃烧器和相关的动力生产循环，所述专利公开内容通过引用并入本发明。这种燃烧器和相关的动力生产循环在本文中可称为“Allam循环”。Allam循环的方法主要使用CO2作为工作液来实现动力生产。具体地，该方法使用涡轮机使高压循环CO2流及所述燃料燃烧产生的燃烧产物的混合物膨胀。纯氧可用作该燃烧过程的氧化剂。该热涡轮机排气用于部分预热所述高压循环CO2流。所述Allam循环的所述循环CO2流也使用附加热量加热，该附加热量并非来自所述热涡轮机排气。例如，可使用O2生产设备空气进料的压缩动力。所有燃料和燃烧衍生的杂质(如硫化合物、NO、NO2、CO2、H2O、Hg等)均可分离处理而不被排放到大气中。
本公开所述的系统和方法具体可表征为POX系统和动力生产系统(PPS)的组合。所述Allam循环是可根据本公开使用的PPS示例。特别地，可将来自所述POX流的燃料气作为所述燃烧器的部分或全部燃料流引入所述PPS燃烧器。在高压燃烧循环中，来自所述POX流的所述燃料气通常必须被压缩至所述动力生产系统燃烧器所需的高压。例如，来自所述POX流的所述燃料气可在压缩机中压缩至约10MPa或更高、约15MPa或更高、约20MPa或更高、或约25MPa或更高的压力。在其他实施方案中，该压力可为约8MPa至约50MPa、约15MPa至约45MPa、或约20MPa至约40MPa。
Allam等人专利号为8776532的美国专利描述了POX系统和PPS系统的结合，其公开内容通过引用并入此发明。本公开所述的系统和方法可包括其中描述的所述系统和方法的各个方面。
氧气与固体或液体燃料的反应可提供包含燃料气的POX流，基于所使用的POX反应器的类型，所述流可包含不同量的固体及熔融固体，将所述燃料气引入所述PPS燃烧器之前可除去这些固体。具体地，可根据需要，将包含所述燃料气的所述POX流冷却至可除去灰分及其他固体材料的温度。然而，在一些实施方案中，可在冷却之前除去固体。这种去除可有利于防止所述POX系统及所述PPS中的设备在下游被污染。在冷却所述POX流期间释放的热量可传递至所述动力生产系统，从而使该动力生产系统的整体效率最大化。特别地，在所述燃烧产物流冷却之后且所述循环CO2流体输回所述动力生产系统的所述燃烧器之前，该热量可用于部分地加热在所述动力生产过程中循环的至少一部分所述循环CO2流体。特别地，所述循环CO2流体压缩之后，可将热该量添加到所述循环CO2流体中。任选地，所述POX反应器和/或所述动力生产系统燃烧器所需的氧气也可被加热以对抗在相同或不同的热交换器中冷却的所述POX流。
根据本公开使用的所述POX反应器可包括已知可用于形成部分燃烧气体的任意反应器。例如，可使用用于形成合成气的气化器。同样，可使用流化床反应器。此外，所述反应器可以是催化反应器或非催化反应器。离开所述POX反应器的所述POX流可包含如本发明进一步描述的燃料气。应理解，本发明使用的术语“POX流”是指离开所述POX反应器的流，其包括燃料气及任选的一种或多种污染物或非燃料气材料。来自所述POX流的所述燃料气可以从中分离，例如通过除去所述污染物——例如固体、硫、金属、水、酸性气体等。因而，可对所述POX流进行充分处理(例如，纯化和/或转化)，从而提供可基本上为纯的所得燃料气——即，可基本上仅包括本发明所述的在所述PPS燃烧器中可燃的燃料气的组分。然而，如需要，所述燃料气流可以配置成包括可燃固体和/或可燃液体含量，其可以在所述PPS燃烧器中燃烧。
所述POX反应器可适于提供具有第一温度的输出POX流，所述POX流可冷却成第二、温度较低的流。基于所使用的所述POX反应器，包含离开所述POX反应器的燃料气的所述POX流可处于约1200℃或更高、约1300℃或更高、或约1400℃或更高的温度。更特别地，该温度可为约1000℃至约2000℃、约1200℃至约1800℃、或约1300℃至约1600℃。在其他实施方案中，所述POX反应器可配置成用于在显著较低的温度下操作。在这样的实施方案中，包含离开所述POX反应器的燃料气的所述POX流可处于约300℃或更高、约400℃或更高、或约500℃或更高的温度。更特别地，该温度可为约300℃至约1000℃、约350℃至约900℃、或约400℃至约800℃。在各种实施方案中，可利用一个或多个步骤来冷却所述POX流(从而冷却用于输入到另外燃烧器的所述该燃料气)，优选地冷却至大约环境温度。
在一个或多个实施方案中，可将在如上所述的温度下即刻离开所述POX反应器的所述POX流冷却至较低温度。冷却可包括使用一个或多个热交换器。备选地或附加地，可通过将淬火流体引入所述POX反应器而对包含所述燃料气的所述POX流进行淬火。淬火和/或冷却可在从所述POX流中分离出固体之后进行、从所述POX流中分离出固体之前进行或者两者都可。优选地，淬火和/或冷却将所述POX燃料气流的温度降低约100℃或更高、约200℃或更高、约300℃、约400℃或更高、或约500℃或更高。在一些实施方案中，可认为淬火是将所述POX流冷却至所述第二、较低的温度。然而，如本发明进一步描述的，淬火可以被认为是中间冷却步骤，所述POX流随后再被冷却至所述第二、较低的温度。
淬火可通过将所述POX流与一种或多种淬火流体混合来进行。可根据本公开使用的淬火流体的非限制性实例包括循环的POX流(即，燃料气或包括燃料气及一种或多种杂质的所述POX流)、淬火流体温度下的水、液体CO2、其混合物等。在一些实施方案中，例如，干燥进料气化器可与作为进料气体或闭锁料斗而提供的CO2一起使用。在其他实例中，可使用其他大体惰性的气体，例如N2。有用的淬火流体温度可为约150℃或更低、约100℃或更低、约75℃或更低、或约60℃或更低。所述淬火流体温度特别地可为约10℃至约150℃、约15℃至约100℃、或约20℃至约75℃。在使用水淬火的实施方案中，一部分所述水可以蒸发，从而得到燃料气、蒸汽和液态水部分的混合物，该液态水部分洗掉大部分灰分颗粒。该总液体和蒸汽的温度将决定于所述POX反应器中使用的压力及用于淬火的液态水的量。
离开所述POX燃烧器的所述POX流可被处理以便除去不形成所述燃料气的至少一部分的任何固体组分或气体组分。这种处理可包括各种纯化步骤和/或转化步骤。
在一些实施方案中，离开所述POX反应器的POX流(未淬火或已淬火或以其他方式冷却)可在COS水解反应器中处理。这有利于将COS转换为H2S。此外，所述POX流可在温热的脱硫单元中处理。这有利于使用例如可再生固体吸附剂(例如氧化锌)从所述POX流中除去H2S、COS和重金属。COS水解及脱硫可以按顺序(以任何顺序)进行，或者可以仅进行其中一种过程。
在一个或多个实施方案中，该系统和方法可配置成用于从所述冷却的POX流蒸气中分离任何液态水和大部分的任何灰分颗粒或其他固体。可使用任何常规的分离或过滤装置除去所述固体。合适的固体去除部件的非限制性实例包括旋风过滤器、沉降槽、烛式过滤器、袋式过滤器、液体洗涤塔等。这些部件可配置成用于去除固体和/或可溶性气体。例如，可使用水洗涤器。
所述POX流的冷却可包括多个阶段。可使用一个或多个热交换器，首先冷却该流，从中分离出固体，然后进一步冷却，例如至接近环境温度。特别地，POX热交换器可适于将来自所述POX流(其任选已经淬火和/或以其他方式冷却至低于所述POX反应器温度的温度)的热量传递至所述动力生产系统利用的所述高压CO2循环流的一个或多个部分。例如，所述热量可传递至取自所述CO2循环压缩机排出物的所述高压CO2循环流和/或传递至用于所述动力生产循环的回热器热交换器中的一个或多个适当的位置。通过改变所述热循环过程而确保热循环处于与经济型热交换器尺寸相符的最高温度水平，可确定向所述PPS回热器热交换器注入热量的温度选择以及取自所述PPS回热器热交换器以将在所述淬火的燃料气冷却器中加热的流的数量和入口温度。
在一些实施方案中，根据本公开的方法可包括在所述POX反应器中将所述固体或液体燃料部分氧化，从而形成第一温度下的包含所述燃料气的所述POX流。所述POX流可任选地在所述POX反应器内、在所述POX反应器的单独区段内、或在单独的淬火容器内淬火至较低温度。可处理包含所述燃料气的所述POX流以便除去至少一部分不形成一部分所述燃料气的任何固体组分或气体组分。例如，可通过洗涤器处理所述POX流。随后，所述POX流可任选地通过变换反应器、COS水解反应器和温热脱硫单元中的一个或多个进行处理。然后可将所述POX流在所述POX热交换器中冷却至第二较、低温度。随后可通过从中除去任何水并从中除去任何酸性气体来将所述冷却的POX流纯化。此时，所述基本上纯化的流可被认为是源自所述POX流的燃料气流。然而，应理解，该流同样可称为包含燃料气的POX流，其中所述燃料气占到该流的大部分(以摩尔％计)。所述燃料气流可任选地通过活化吸收系统和催化甲烷化系统中的一种或两种进行处理。此后，可将所述燃料气压缩至适于输入至所述PPS燃烧器的压力。
可以各种形式提供所述POX反应器中使用的所述燃料。在上述实施方案中，固体燃料可以颗粒形式提供，优选为细粉状态，且可用浆料介质浆化。在一些实施方案中，所述浆料介质可包含例如水、液态CO2及其组合。液态CO2可至少部分地由循环自所述动力生产系统的CO2形成。所述POX反应器中使用的所述含碳燃料可以是液体，例如加热的沥青，在其中可不需要浆液。在一些实施方案中，粉末状固体燃料可与CO2(和/或N2)混合并注入所述POX反应器中，例如干燥进料气化器，其中CO2用作闭锁料斗的进料气体。
除去灰分后，通过在所述热交换器中冷却所述淬火的POX流而释放的热量可被转移至取自所述动力生产系统的所述高压CO2循环流的一个或多个部分。所述淬火流体可以是分离液态水后离开所述POX热交换器的冷端后循环的POX流，或可以是冷凝且分离的水。它也可以是燃料气和水的组合。更进一步地，它可以是循环的CO2、或燃料气或水的组合、或二者与CO2的组合。在其他实施方案中，氮气流(例如，抽取自空气分离单元)可用作淬火流体。此外，可使用O2和CO2高压流。
在一些实施方案中，所述淬火流体的来源可至关重要。采用CO2浆化介质的实施方案可导致源自所述固体燃料进料(例如煤)中存在的氢和水的水的净产量。因此可处理分离的液态水而分离溶解在所述水中的可燃组分。这些分离的可燃物可被压缩并返回所述动力生产系统燃烧器。然后，可回收清洁后的水流至所述固体燃料浆化系统或所述POX淬火系统，可将任何多余的水发送到所述动力生产系统，在那里其可用来稀释产生于Allam等人专利号为8596075的美国专利所述的动力生产系统的所述水分离阶段的任何H2SO4/HNO3酸。在用水对所述固体燃料进行浆化的实施方案中，存在于所述高温POX流中的水可与产生于所述固体燃料中碳的部分氧化的CO反应，从而产生氢气和一氧化碳。H2和CO的体积比可为约1：1。
所述变换反应中的这种水消耗可以指示水缺乏，然后在所述动力生产系统中产生的水可返回到所述POX系统以产生所述固体燃料煤浆，从而弥补这种消耗。随后可将所述净冷却的POX流(即所述燃料气流)压缩至所需压力，以便在所述动力生产燃烧器中燃烧。在各种实施方案中，本公开所述的系统和方法可适于生产内部淬火流体，以便与离开所述POX反应器的所述高温POX流一起使用。这可产生于POX反应、固体去除、热交换冷却、和水分离这样的连续步骤。来自所述POX流的净燃气量可被压缩，且在含有较高浓度的可燃气体(例如，H2和CO)且具有热值的情况下被输送至所述动力生产系统燃烧器，所述较高浓度的可燃气体(例如，H2和CO)和热值将确保所述动力生产系统燃烧室中的有益燃烧条件。
在一个或多个实施方案中，可使用反向水煤气变换(WGS)反应器。例如，在一些实施方案中，来自所述PPS的一部分循环CO2流可与至少一部分所述POX流(或来自所述POX流的燃料气)组合，且该组合可被引导至所述反向WGS反应器。这可用于将CO2和H2转化为CO和H2O。
在一些实施方案中，根据本公开的POX反应器可适于在高于所述动力生产系统燃烧器的压力下运行。所述动力生产系统燃烧器尤其可使用CO2作为工作液在系统中连续循环。优选地，流可使用冷却的POX流或水作为淬火介质，通过本发明所述的热交换对所述POX流进行淬火和冷却，且所述冷却的POX流(即，燃料气)可用于所述动力生产系统而无需需要进一步压缩。所述POX反应器可包括适于含碳燃料燃烧的任何反应器，特别是其中所述燃料仅部分氧化，且特别是其中所述反应器适于在高于本发明所述的动力生产系统燃烧器的运行压力下工作。在示例性的非限制性实施方案中，POX燃烧器可利用蒸腾冷却，其中冷却流体(例如CO2)通过围绕所述POX燃烧室的多孔蒸腾层，这特别有益于防止灰烬撞击及附聚。Palmer等人公开号为2010/0300063的美国专利申请、Palmer等人公开号为2011/0083435的美国专利申请、以及Palmer等人公开号为2012/0073261的美国专利申请中所描述了可用于根据本公开的POX反应器的蒸腾冷却的示例性实施方案，这些美国专利申请的公开内容在此作为参考并入本发明。所述POX燃烧器尤其可适于接收燃料流和用于所述燃料流燃烧的氧源。任选地，所述POX反应器中可包含催化剂和/或催化剂可引入所述POX反应器，例如与燃料混合引入。任选地，可将蒸汽流引入所述POX反应器。
在进一步的实施方案中，根据本公开的POX反应器可适于在低于所述动力生产系统燃烧器的压力下运行。在这样的实施方案中，来自用于所述动力生产系统燃烧器的所述POX流的燃料气流在进入所述动力生产系统燃烧器之前可被压缩。如果需要，例如可通过一个或多个本发明另外描述的热交换器对所述燃料气流进行预热。所述POX反应器可包括任何市售系统。根据本发明有用的市售系统的非限制性实例包括Shell干粉煤进料夹带流反应器、GE/Texaco淬火反应器、Siemens冷却筛淬火反应器或类似系统。有用的POX反应器可包括吸收来自所述POX燃烧器的辐射热的内部传热部分。在进一步的示例中，所述内部传热部分可配置成用于传导和/或对流加热。在这样的实施方案中，可加热来自所述动力生产系统的一部分所述高压循环CO2流并将其在较高温度下返回所述PPS系统。如上所述，取自所述PPS系统用于加热的循环流可在任何压力下取出，例如约10巴至约400巴的压力，因此，在进行上文所讨论的加热之前，所述循环流可处于任何温度，例如，约为50℃或更高(例如，约50℃至约500℃或约100℃至约400℃)。例如，可将约400℃的温度下循环的CO2在所述POX反应器内加热至约450℃至约600℃的温度，并且将其返回所述动力生产系统的回热式热交换器，其中它可与相似温度下的另一部分所述高压循环CO2流再混合。在一些实施方案中，可将热量传递至高压水流从而产生饱和或过热蒸汽。
根据本公开的POX反应器与动力生产系统的组合可提供各种有用的方面。作为例子，该组合可定义为：杂质(例如来自煤或其他固体燃料以及来自所述燃料的部分氧化)可保留在进入所述动力生产系统燃烧器的所述冷却的高压POX流中。这些杂质可包括H2S、COS、CS2、HCN、NH3、Hg。这些杂质和其它杂质可在所述动力生产系统燃烧器中氧化而形成例如SO2、CO2、N2、NO和Hg，然后可从所述动力生产系统中除去该SO2、CO2、N2、NO和Hg。例如，如Allam等人专利号为8596075的美国专利所述，从所述动力生产系统燃烧器出口流冷凝的水流可以是酸性的，包含HNO3、H2SO4和溶解的无机盐中的一种或多种。在一个或多个实施方案中，至少一部分所述杂质可循环回所述POX系统。例如，离开装有NH3和HCN的水洗涤器的水可用作水-煤浆系统的补充水，由此所述NH3和HCN起到在所述POX反应器中提供额外热值的作用。作为另一个实例，NH3可用作除硫系统的一部分，由此燃烧氨产生NOX。
考虑到去除可能的结垢反应产物的能力，通过所述POX反应器而非直接通过动力生产系统燃烧器来处理所述固体燃料可能特别有益。例如，离开所述POX反应器的POX流可被淬火至约400℃或更低的温度，该温度有助于确保来自煤(或来自煤或其他固体燃料的其他熔融杂质)的灰分处于可去除的固体形式。优选地，可将固体杂质去除至非常低的浓度且至足够低的粒度，从而基本上防止堵塞和/或腐蚀所述动力生产系统的部件(例如热交换器、涡轮机、压缩机等)。
除了前述内容，将来自所述POX反应器的所述POX流淬火可适于提供低于本发明定义的温度的淬火的POX流，流并且足够低以确保所述固体燃料中任何无机组分的气相浓度同样足够低，从而基本上防止在所述动力生产系统的一个或多个部件中沉积。例如，煤的部分氧化可产生一种或多种碱金属盐，包括NaCl、CaSO4和KCl，这些可通过本发明所讨论的方式除去。因此，虽然杂质可能通过所述POX流并在所述PPS燃烧器中燃烧，但优选可进行本发明另外描述的纯化和/或转化步骤中的一个或多个，从而为所述PPS燃烧器提供基本上纯的燃料气——即，包含大部分摩尔％、包含至少75摩尔％、包含至少90摩尔％、包含至少95摩尔％、或包含至少99摩尔％的燃料气(例如，不包含水、不可燃固体、金属和酸性气体)。
本公开所述的系统和方法可适于循环所述POX流冷却期间(优选冷却到接近环境温度)释放的基本所有热量，以及将所述热量循环至所述动力生产系统的所述循环高压CO2流中。尤其可在所述动力生产系统的所述回热器热交换器中的较低温度水平下进行这种额外加热。以这种方式输入额外热量可对所述动力生产系统的整体效率提供显著的积极影响。这种影响是由于所述高压循环CO2流在50℃至400℃的较低温度范围内比在400℃至800℃的较高温度范围内的比热高得多，并且由于在所述动力生产系统的所述回热器热交换器中冷却的所述涡轮机废气流的比热较低。这种显著的差异意味着在50℃至400℃的温度范围内在所述回热器热交换器加热所述循环CO2流需要大量额外的热量。从所述POX流热交换器中淬火的POX流获得的额外热量为所述动力生产系统燃烧器提供有效量的额外热量，该额外热量基本上等于燃料气本身燃烧时所释放的热量。
在使用循环水流将所述POX反应器淬火至饱和的各种实施方案中，所述淬火的POX流冷却至接近环境温度的温度-热释放曲线显示了在所述淬火水蒸发而产生的所述水蒸气开始凝聚时大量初始热释放。随着所述POX流冷却，每单位温度下降的热量释放逐步减少。该效果需要利用取自所述动力生产系统高压循环流中的两个单独的高压循环CO2流从所述冷却淬火的POX流中循环热量。在一些实施方案中，该第一高压循环CO2流可在约45℃至约70℃的温度下从所述CO2循环压缩机排出物中取出。该第二高压循环CO2流可在所述回热器热交换器中的一个位置处从所述高压循环流中获取，所述回热器热交换器中存在与所述涡轮机排气冷却流露点的小的温度接近。随着所述冷却淬火的POX流的含水开始冷凝，这两股流可一起从该冷却淬火的POX流提供大量初始的热释放，该大量初始的热释放可在尽可能高的温度水平下有效转移回所述高压CO2循环流。在一些实施方案中，所述POX流可部分淬火至第一温度，例如低至约900℃、约700℃、约500℃、或约400℃的温度。当采用部分淬火时，所述部分淬火温度和所述淬火POX流的水露点之间存在冷却范围，并且与低于所述POX流的水露点的温度范围相比，该冷却范围可能要求较低流量的循环高压CO2有效地除去所述淬火POX流中可用的这部分热量。这可通过在接近和/或低于所述淬火POX流的水露点温度的温度时移除一部分所述加热高压循环CO2流来实现，而剩余部分在接近和/或低于淬火温度的温度下移除。然后，所述加热的高压循环CO2流可在与所述回热器热交换器中的高压循环CO2的总体流动相应的温度点返回所述回热器热交换器。在各种实施方案中，可提供在所述POX冷却热交换器中所述两股流与单个返回流组合的选项。在一些实施方案中，可使用多于两股高压循环流体。
在一些实施方案中，淬火和除灰之后，从所述POX反应器中取出的所述燃料气可主要包含约250℃至约400℃温度的H2、CO、CO2和H2O。可采用一部分该燃料气流生产纯H2、CO或具有不同H2与CO比的H2和CO组合。大规模H2生产的典型应用可以是例如炼油厂中的加氢脱硫和加氢裂化，也可潜在用作车辆燃料。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比率约为2.2)及甲醇生产(例如，H2与CO比率约为2.0)。在每种情况下，所述POX流(或来自所述POX流的燃料气流)中的H2与CO比率必须从约1或更小的值增加，其中该比例取决于作为所述固体燃料的浆料介质的CO2或水的使用。POX产物气体中含有更多水的水基浆料导致显著比例的CO转化为H2和CO2，使得H2与CO的比率略低于1。CO2基浆料中H2与CO的比率要低得多。有用的是，使至少部分从所述淬火的POX流中分离的所述燃料气通过催化变换反应器，从而通过与蒸汽反应将CO转化为H2，如下面式(2)所示。
CO+H2O＝H2+CO2 (2)
这可使用除去灰分后在约250℃至约400℃的温度下取得的一部分所述燃料气并通过使用耐硫CO变换催化剂(例如基于所述变换反应器中的钴的催化剂)来实现。然后，富含H2的该部分燃料气可在单独通过所述POX热交换器时冷却。如前所述，该放热转移反应中释放的热量可转移至所述PPS中。然后，可将该出口变换气与部分剩余的冷却的POX流混合，可使该合并流通过多床变压吸附器，该多床变压吸附器设计成以所需的H2与CO比率将H2和CO作为单个非吸附组分分离，而吸附组分可含有所有硫化合物、HCN、NH3、Hg、CO2、H2O和大部分CH4。该未吸附的馏分还可含有一些来自所述煤(或其他固体或液体燃料)的N2和Ar以及所述POX反应器中使用的氧。这些惰性组分优选低于5％的总浓度，这对于费-托和甲醇反应器的气体进料都是可接受的。如需纯H2产品，则仅将所述变换冷却气馈送至所述PSA。来自所述PSA且包含煤和POX衍生的所有还原态杂质的接近大气压的废气将被压缩并从POX流返回到流剩余燃料气，用于在所述PPS燃烧器中燃烧。
在一些实施方案中，至少一部分水淬的POX流可通过反向WGS反应器。例如，可在反向WGS反应器中处理包含温度为约900℃或更高的燃料气的水淬的POX流，从而将H2和CO2的混合物转化为包含CO和H2O的混合物的变换反应堆出口气体。
在一些实施方案中，所述POX流(或来自POX流的燃料气)可通过酸性气体去除单元处理，例如，从而分离其中存在的至少一部分任何H2S和/或CO2。特别地，可在所述POX热交换器中冷却所述POX流并从所述POX流中除去水之后再进行酸性气体去除。优选将所述燃料气压缩至用于引入所述PPS燃烧器的压力之前进行酸性气体去除。该酸性气体去除过程可分为三种通用类型：化学试剂、物理溶剂及混合溶剂。酸性气体去除过程的非限制性实例包括Rectisol、Sulfinol、MDEA、Selexol、含水二异丙醇(ADIP)胺及FLEXSORB。一种方法可涉及使用两阶段的Selexol过程(UOP LLC,USA)，其中在第一阶段除去H2S，在第二阶段除去CO2。可将来自酸性气体去除的H2S通过本领域技术人员已知的任何方法(包括克劳斯法)转化为液态元素硫，或通过本领域技术人员已知的任何方法(包括湿硫酸法)转化为商业级硫酸。通过酸性气体去除从所述POX流中除去的CO2可被压缩并合并到所述压缩的循环CO2流中，从而通至所述PPS燃烧器。在一些实施方案中，所述POX燃料流可通过活化吸附系统而从中除去汞。
在一个或多个实施方案中，所述POX流(或来自所述POX流的燃料气)可通过甲烷化系统进行处理。特别地，甲烷化可在所述POX热交换器中冷却所述POX流并从所述POX流中除去水之后进行。优选将所述燃料气压缩至用于引入所述PPS燃烧器的压力之前进行甲烷化。在一些实施方案中，在所述催化POX反应器中产生的所述燃料气在通过水煤气变换反应器后可具有约3：1的H2与CO比率。H2S和CO2可在所述酸性气体去除过程中去除，离开所述酸性气体去除过程的具有高甲烷含量的所述POX燃料气可主要包含CO、H2和CH4。离开所述甲烷化系统的所述燃料气可具有约50体积％或更高、约75体积％或更高、约85体积％或更高、约90体积％或更高、或约95体积％或更高的甲烷含量。甲烷化过程释放的热量可循环于一个或多个热交换器中。这些热交换器中的冷却流可包括取自所述PPS并返回所述PPS的高压循环液流、高压水流、取自ASU用于所述固体燃料干燥过程的氮气流、高压O2/CO2流、和/或清洁冷却的燃料气流。示例性甲烷化过程包括Haldor Topsoe使用的高温TREMPTM过程。参见，例如，专利号为8530529的美国专利，其公开内容作为参考并入本发明。
图1描述了利用使固体燃料部分氧化的动力生产系统的一个实施方案，其中固体燃料以给煤流21的形式提供，以在POX反应器4中部分氧化。在大颗粒破碎机1中将煤流21压碎并部分干燥，所述大颗粒破碎机1还被馈送取自空气分离单元6且包含约82℃(180°F)的N2的干燥氮气流23，空气分离单元6由进气流62产生氧气流32和60以及氮气流23。优选地，干燥氮气流23可在所述PPS中逆着离开所述回热器热交换器的富含CO2且温度较高的涡轮机排气流而被加热。过量的氮气流22离开大颗粒破碎机1。在小颗粒破碎机2中，流24中部分破碎的煤进一步粉碎至优选约250微米或更小的颗粒尺寸，从而提供特殊煤流25，该特殊煤流25被引导至浆料混合器3。在浆料混合器3中，将所述特殊煤与CO2浆料介质流29混合，浆料介质流29优选具有约8.5MPa或更高的压力。在该实施方案中，CO2浆料介质流29中的CO2的温度约为17℃。CO2浆料介质流29中的CO2的密度约为865kg/m3。在与CO2混合之前，所述粉煤在闭锁料斗系统中或通过其它方式加压至8.5MPa。煤/CO2浆料流26离开浆料混合器3且优选包含约45重量％的煤。或者，所述浆料介质可为水流。所述粉煤喷射系统也可配置为干式进料系统，其中所述粉末加压煤夹带在氮气流中并馈送至所述POX燃烧器。然后，浆料流26被泵送至所述POX反应器4中，在其中与氧气流56合并，氧气流56优选包含95摩尔％或更高的氧气浓度。POX反应器4优选在约8.5MPa的压力和约1400℃的温度下运行；然而，该温度和压力可为本发明中所公开的与离开所述POX反应器的所述POX流的性质有关的任何温度和压力的组合。相应地，可调节所述煤浆的制备条件。
POX反应器4适于使所述煤部分氧化并形成POX流，该POX流可离开所述POX反应器并进入淬火室(未示出)或可在所述POX反应器自身内淬火，如图1所示。所述POX流可包含燃料气，该燃料气可包含一种或多种可燃(即可氧化)材料，包括但不限于H2、CO、CH4、H2S、COS、CS2、HCN、NH3。此外，所述POX流可包含Hg和来自所述煤(或其他固体燃料)的其它杂质以及惰性材料(例如，N2和Ar)，例如衍生自氧气流56，以及其他痕量组分。所述POX流还可包含一种或多种不可燃材料，例如炭、灰或炉渣，其可根据需要从所述POX流中过滤。
所述POX流(在所述POX反应器内部或在单独的部件中)通过与淬火液(在本实施方案中为液态水流57)混合而淬火。如图所示，液态水流57在限制喷嘴中进入所述POX反应器的基部附近。加入淬火流使所述POX流组分优选冷却至低于约304℃的水饱和温度(尽管也包括更高的温度)。淬火温度优选也可为使不可燃物(如灰和炉渣)处于固体形式的温度。过量的淬火水与炉渣和大量细灰一起在所述POX反应器容器(或单独的淬火容器)的贮槽中聚集，并从中除去以进行进一步处理。淬火的POX流58通过洗涤器单元5，洗涤器单元5包括水洗涤塔及紧随其后的精细筒式过滤器，该精细筒式过滤器适于将粉尘负荷降低至约4mg/m3或更低的燃料气、约3mg/m3或更少的燃料气、或约2mg/m3或更少的燃料气。洗涤器单元5还可包括循环所述洗涤水及处理灰流66以备清除所需的所有设备和泵。具有煤/水浆料燃烧器的GE/Texaco POX系统为用于POX反应器灰分处理及气体清洁的系统的示例性实施方案可选地，该系统可被改性从而接受煤/CO2浆料。这样，固体可通过一种或多种固体去除组分从包含所述燃料气的所述POX流中除去。
如图3所示，可根据需要使用额外的冷却单元。特别地，如图3所示，离开POX反应器4的POX流58a可通过冷却器101(例如，辐射冷却器或对流冷却器)，并在进入洗涤器单元5之前作为冷却的POX流58b离开。在一个或多个实施方案中，进一步的处理单元可用于处理通过洗涤器单元5和POX热交换器7之间的POX流55。如图4所示，离开洗涤器单元5的POX流55a可在通过POX热交换器7之前通过变换反应器102、COS水解反应器103和温热脱硫单元104中的一个或多个(具有中间流55b、55c和55d)。应理解，所述元件是可选的，且可仅使用所述元件中的一个或两个。此外，当使用两种或更多种元件时，可以任何顺序提供变换反应器102、COS水解反应器103和温热脱硫单元104。
所述清洁的燃料气加蒸汽流55在POX热交换器7中冷却。出口流59在热交换器9中通过与冷却水接触而进一步冷却。液体水46在分离容器8中与入口流61分离，并泵入泵11中返回到所述POX反应器并与来自流38的一些补充添加水一起生成淬火水流57。在一些实施方案中，所得流是净燃料气流47，随后，该净燃料气流47可在多级离心压缩机10中压缩至适合作为流48输入到动力生产系统燃烧器14的压力。例如，燃料气流47可被压缩至约30.5MPa的压力。
在一个或多个实施方案中，离开分离容器8的流可以是中间燃料气流47a，该中间燃料气流47a还包括用于除去的材料和/或可进一步进行处理升级。例如，如图5所示，中间燃料气流47a可在转到压缩机10(具有中间流47b、47c和47D)之前通过酸性气体去除单元105、活化吸附系统106和催化甲烷化系统107中的一个或多个。应理解，所述元件是可选的，可仅使用所述元件中的一个或两个。此外，当使用两种或更多种元件时，酸性气体去除单元105、活化吸附系统106和催化甲烷化系统107可以任何顺序提供。
在某些实施方案中，优选存在酸性气体去除单元105。这样，可在压缩所述燃料气之前除去酸性气体，例如硫化氢、卤化氢、二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物。在一些实施方案中，同样可优选存在活化吸附单元106。
压缩燃料气流48在回热器热交换器12中被加热到适于输入到动力生产系统燃烧器14的温度。例如，压缩燃料气流48可被加热至大约746℃的温度。加热的燃料气流64在动力生产系统燃烧器14中燃烧，在动力生成系统燃烧器14中，其与氧气和CO2组合。在所示实施方案中，组合的O2/CO2流51以摩尔计包含25％O2和75％CO2。优选将组合的O2/CO2流51加热至适合于输入至动力生产系统燃烧器14的温度。例如，可在回热器热交换器12中将组合的O2/CO2流51加热至约746℃的温度。热的循环CO2流52从回热器热交换器12导出且处于适于输入至动力生产系统燃烧器14的温度。例如，热的循环CO2流52可被加热到约746℃的温度。
在所示实施方案中，所述燃料气燃烧产生的燃烧气体与所述热的循环CO2流52在所述动力生产系统燃烧器中一起冷却，产生温度约1150℃、压力约30MPa的组合燃烧产物流50。将该燃烧产物流50在耦接到发电机65的涡轮机13中膨胀到约3MPa的压力，发电机65产生输出功率63。在所示实施方案中，涡轮机出口流49在回热器热交换器12中冷却，作为冷却产物流53在约64℃的温度下离开。在水冷却器16中将流53冷却至约17℃的温度。进一步冷却的涡轮机出口流54进入洗涤塔17，洗涤塔17具有出口流40，大部分出口流40通过循环泵18循环至洗涤塔液体入口41，洗涤塔液体入口41位于接收进一步冷却的涡轮机出口流54的塔的填充段的上方。一部分流40以流39的形式被分离出来用于进一步处理。当所述涡轮机排气在回热器热交换器12中冷却到水露点以下时，发生以下反应。
NO+1/2O2＝NO (3)
NO2+SO2＝SO3+NO (4)
SO3+H2O＝H2SO4 (5)
上述反应将在液态水、氮氧化物、SO2/SO3和过量氧的存在下进行。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浓度降低至非常低的水平。当所有硫氧化物均转化为硫酸时，所述氮氧化物按照下述反应顺序以每通过一次约95％的转化率转化为硝酸。
2NO2+H2O＝HNO2+HNO3 (6)
3HNO2＝HNO3+2NO+H2O (7)
NO+1/2O2＝NO2 (8)
回到图1，存在于净液体酸产物流39中的硝酸会将存在的任何汞转化为氯化汞。洗涤塔17优选配备有额外的水洗和酸雾去除部分。由于上述所有反应实际上都将发生在洗涤塔17的上游，洗涤塔17的主要功能是充当有效的稀酸去除装置。在混合器15中用石灰石浆料流36(或其它合适的碱)处理混合酸而产生石膏和硝酸钙流37。也可分离任何其他痕量金属盐。除去硝酸钙及溶解的盐之后的残余水流38可用作冷却塔或所述POX淬火系统的补充物或作为洗涤水循环至洗涤塔17。
在多级中冷式压缩机/稠密流体多级泵19中，将在约2.9MPa的压力下离开洗涤塔17的主要的CO2流42压缩至适于输入到所述动力生产系统燃烧器的压力，例如约30.5MPa。压缩的CO2排出流35在约54℃的温度下离开泵19的最后一级，且该排出流的一部分(流70)在回热器热交换器12中被加热至约746℃的温度，作为CO2流52离开。
该实施方案中的空气分离设备6在约8.6MPa的压力下产生99.5摩尔％氧纯度的产物流，该产物流分成两个单独的流。将氧气流60在热交换器7中加热至约294℃的温度，作为流56离开，用于POX反应器4中煤的部分氧化。剩余的氧气流32在约8.6MPa的压力下与CO2混合。具体地，CO2以流30的形式从压缩机19的中间级取出，且一部分流31与氧气流32混合，得到约25摩尔％O2和75摩尔％CO2的组合物。该稀释的O2流33在多级中冷式却压缩机20中被压缩至约30.5MPa的压力，排气流34在回热器热交换器12中被加热至约746℃的温度并以流51的形式进入所述动力生产系统燃烧器14。稀释纯氧气流32有利于将动力生产系统燃烧器14中燃烧所需的氧气在不需要抗氧化材料的情况下加热到较高温度。这确保了动力生产系统的安全运行。30％的O2流可用于将动力生产系统14中的绝热燃烧温度调节至约2400℃的值。CO2流30的剩余部分即CO2流29，该CO2流29为粉煤成浆提供CO2并被引导至浆料混合器3。
在热交换器7中将所述淬火的POX气体冷却有助于将尽可能大的热量传递至所述动力生产系统，从而使总效率最大化。所述动力生产系统需要来自从接近环境温度至约400℃的温度范围的外部源的大量热量。这可通过在空气分离设备6中使用绝热空气压缩机并将压缩热传递至部分所述高压循环CO2流来提供。在本实施方案中，通过在POX热交换器7中冷却所述淬火的POX气体并加热两股高压循环流而提供所需的外部加热负载。加热取自回热器热交换器12的中间温度点的约54℃的高压循环CO2流28及约120℃的高压循环CO2流43，从而提供约294℃的组合加热出口流44，该组合加热出口流44在相应温度点处返回至回热器热交换器12，并与所述主循环CO2流混合。任选地，出口流67也可在相应的温度点返回至回热器热交换器并与所述主循环CO2流混合。
在一个或多个实施方案中，通过专用传热回路可有助于为POX热交换器7和PPS回热器热交换器12之间的热传递提供条件。例如，如图6所示，传热流体流109经由泵108在POX热交换器7和PPS回热器热交换器12之间循环。传热流体流109的压力可高于环境压力，例如高达约30MPa、高达约20MPa、或高达约10MPa的压力。在特定实施方案中，传热流体流109可将热量从POX热交换器7传递至PPS回热器热交换器12。
在示例性实施方案中，热交换器7可以是高压钎焊或扩散结合的多通道单元。在所述POX气体加液态水中的杂质存在的情况下，构造材料优选是耐腐蚀的。回热器热交换器12优选是扩散结合的多通道单元。该单元优选适于在高达约800℃的温度下运行且在低于约200℃的温度下耐酸腐蚀。特种金属合金740是示例性合适的材料。在一些实施方案中，热交换器12的热端处的平均温度可降至750℃以下，在这种情况下，合金617可适合使用。可选地，200℃至540℃之间的中间部分可由不锈钢制成。在200℃以下可能受到酸腐蚀的部分可构造成允许每隔一段时间更换一次。
在进一步的实施方案中，可对用于处理所述POX流的元件进行替代设置。在示例性实施方案中，图2示出了可选设置，其中POX产品既用于生产用于动力生产系统的燃料气，又用于生产分离及纯化的H2和CO的混合物。除去灰分后，侧流90从淬火的POX气流55取出并通过具有耐硫的钴基变换催化剂(或其它合适的材料)的催化变换转化器91。较高温度的出口气流92在热交换器7中冷却至约60℃，以流73的形式离开，并在热交换器74中通过冷却水进一步冷却至约20℃的流75。冷凝水78在分离器77中分离，冷却后的气流76进入多床变压吸附单元79。将分离器77中分离的水78加入到液态水流46中。变压吸附单元(PSA)79设计成用于将入口气流76分离成约8MPa的压力下离开该单元的纯H2或纯H2和CO流80、含有所有所述杂质(例如，H2S、COS、CS2、HCN、NH3、Hg和其他痕量组分)的废气流93以及H2、CO、CO2、CH4和H2O的一些组合。所述杂质的分离使得这些组分在H2或H2和CO产物流80中的浓度低于1ppm。这种设置使用含有高浓度CO的冷却POX气体流83与变换后的冷却气流76混合，从而产生流72，该流72通过PSA单元79，并提供8MPa的产物流80，该产物流80具有所需的流量和所需的H2与CO比率。如果需要纯H2，则流83为零。将来自PSA79的压力为0.12MPa的废气流93在多级中冷式压缩机81中压缩至约8MPa，将排气流82添加至燃料气流47中从而将其压缩并传递至动力生产系统燃烧器14(参见图1)。在压缩机10中将总燃料气流压缩至约30.5MPa，将所得高压燃料气流48经由回热器热交换器12送至动力生产系统燃烧器14(参见图1)。这种设置确保了所有煤和POX衍生杂质均转移到所述动力生产系统，其中这些杂质在动力生产系统燃烧器14中被氧化。在各种实施方案中，变换反应中的额外水消耗可根据式(9)进行，可能需要一些额外的流量补充。
H2O+CO＝CO2+H2 (9)
由上可见，特别地，本公开可提供使用部分氧化(POX)系统和动力生产系统(PPS)的组合生产动力的方法。可通过实施本发明描述的过程步骤的任何组合来定义所述方法。
本公开进一步可提供包括部分氧化(POX)系统和动力生产系统(PPS)的动力生产单元。所述单元可包括以下任何部件：POX反应器；POX洗涤器或其他过滤单元；POX热交换器；POX水分离器；POX酸性气体去除系统；POX压缩机；PPS燃烧器；PPS涡轮机；PPS回热器热交换器；PPS分离器；PPS压缩机；固体燃料给料系统；变换反应堆；羰基硫(COS)水解反应器；脱硫装置；活化吸附单元；催化甲烷化系统；以及所述POX热交换器和所述PPS热交换器之间的闭合传热回路。除前述之外，所述动力生产单元可包括将任何所述部件互连的流线，从而为所述部件之间的流体流动提供条件，所述动力生产单元可根据需要包括阀、连接器和控制器，从而促进所述各个部件之间的流体流动。而且，应当理解，前述部件将包括本发明所述的动力生产单元运行期间用于流体流入其中的入口和用于流体从其流出的出口。同样地，在各种部件(或其入口和/或出口)被描述为流体连通的程度上，应当理解，所述流体连通可包括设置在所述部件(或其入口/出口)之间的流线的存在以及设置在所述部件之间的一个或多个其他部件的存在。此外，应当理解，在包括处理流动流体的多个部件的动力生产单元中，某些部件可被认为处于其他相应部件的上游和/或其他相应部件的下游。至少可从附图明显看出一部件处于另一相应部件的上游和/或下游。因此，在附图所示第一部件从第二部件接收流体流动的程度上，应当理解，所述第一部件处于所述第二部件的上游，所述第二部件处于所述第一部件的下游。同样地，处于所述第二部件下游的第三部件同样被认为处于所述第一部件的下游，根据附图和本文的进一步描述，这种关系是显而易见的。
在结合本发明所述系统和方法的元件的各种实施方案中，所公开的系统和方法的总效率大于50％(基于较低热值(LHV)、具有代表性的涡轮机和压缩机效率以及热交换器温度差和压降)。此外，在基本上完全除去所有其他燃料、POX及燃烧衍生杂质的同时提供CCS。衍生自燃料流21中碳的过量CO2以物流71的形式在30.5MPa的压力下从所述循环CO2系统中除去(参见图1)。这可通过以下方式促进：所述系统和方法可适于在约15MPa或更高、约20MPa或更高、约25MPa或更高、或约30MPa或更高的压力下提供基本上所有所述燃料衍生的CO2。有利地，这种高效率可通过低成本系统实现，例如使用市售POX反应器系统和高压CO2工作流体动力循环，如在Allam等人专利号为8596075的美国专利中所述。作为对比例，已经证明，具有二氧化碳捕集和压缩到管道压力的现有商业煤基综合气化联合循环(IGCC)动力生产系统在可比较的基础上效率仅为34％至39％，且资金成本更高。
受益于前述说明书和相关附图中所呈现的教导，本主题所属领域的技术人员将想到本公开主题的许多修改和其他实施方案。因此，应当理解，本公开不限于其中所描述的具体实施方案，修改和其它实方案旨在包括于所附权利要求的范围内。尽管本发明采用了特定术语，但其仅用于一般性和描述性意义，而非用于限制性目的。

Claims (29)

1.一种使用部分氧化POX系统和动力生产系统PPS的组合产生动力的方法，该方法包括：
在POX反应器中使固体或液体燃料与氧气在足以使所述燃料部分氧化并在第一温度下形成包含燃料气的POX流的条件下组合；
从包含所述燃料气的所述POX流除去不形成一部分所述燃料气的至少一部分任何固体组分或气体组分，所述除去在洗涤器单元中进行；
在适于将羰基硫COS转化为H2S的羰基硫水解反应器中处理来自所述洗涤器单元的包含所述燃料气的所述POX流的至少一部分；
在POX热交换器中将来自所述COS水解反应器的包含所述燃料气的所述POX流冷却至第二温度；
通过从来自所述POX热交换器的包含所述燃料气的所述POX流中除去液态水和酸性气体来净化包含所述燃料气的所述POX流，并从而形成燃料气流；
将所述燃料气流压缩至12MPa或更高的压力；
使所述燃料气流在PPS燃烧器中燃烧以在至少10MPa的压力和至少800℃的温度下形成燃烧产物流；
使所述燃烧产物流通过PPS涡轮机膨胀以产生动力并形成膨胀的PPS燃烧产物流；
使所述膨胀的PPS燃烧产物流通过PPS回热器热交换器，从而从所述PPS燃烧产物流排出热量并形成冷却的PPS燃烧产物流；
从所述冷却的PPS燃烧产物流除去至少一部分一种或多种杂质，以形成循环CO2流；以及
在PPS压缩机中将所述循环CO2流加压而形成压缩的循环CO2流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述POX反应器是气化炉。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述POX反应器是流化床反应器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述POX反应器是催化反应器。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述POX热交换器中将包含所述燃料气的所述POX流冷却之前，将包含所述燃料气的所述POX流的温度降低至小于所述第一温度且大于所述第二温度的温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，降低包含所述燃料气的所述POX流的温度包括向所述POX反应器中添加淬火流体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述淬火流体包括水和CO2中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述压缩之后且在所述燃烧之前加热所述燃料气流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，加热所述燃料气流包括使所述燃料气流通过所述PPS回热器热交换器。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将蒸汽和CO2中的一种或两种提供到所述POX反应器中。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述POX热交换器配置成靠着以下中的一种或多种从包含所述燃料气的所述POX流排出热量：一部分所述压缩的循环CO2流；加压水流；氮气流；加压O2和CO2流；燃料气流。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使包含所述燃料气的一部分所述POX流通过变换反应器，所述变换反应器配置成将H2和CO2的混合物转化为CO和H2O的混合物，或配置成将CO和H2O的混合物转化为H2和CO2的混合物。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将包含所述燃料气的一部分所述POX流与一部分所述循环CO2流混合而形成混合物，并在所述变换反应器中处理该混合物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述变换反应器是反向水煤气变换WGS反应器。
15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使包含所述燃料气的一部分所述POX流通过温脱硫单元，该温脱硫单元构造成从包含所述燃料气流的所述POX流除去H2S、COS和重金属中的一种或多种。
16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使包含所述燃料气的至少一部分所述POX流通过活化吸附系统，所述活化吸附系统配置成从包含所述燃料气的所述POX流除去汞。
17.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使至少一部分所述燃料气流通过酸性气体去除单元，所述酸性气体去除单元配置成将存在于所述燃料气流中的至少一部分任何H2S和至少一部分任何CO2中的一种或两种分离。
18.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使至少一部分所述燃料气流通过催化甲烷化系统，所述催化甲烷化系统配置成将CO和H2转化为CH4和H2O。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，将至少一部分所述压缩的循环CO2流在所述PPS回热器热交换器中加热并通入所述PPS燃烧器。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，将一部分所述压缩的循环CO2流通入所述POX热交换器。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述压缩的循环CO2流离开所述POX热交换器并被通入所述PPS回热器热交换器。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，将一部分所述压缩的循环CO2流通入所述POX反应器。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，在POX反应器中将所述固体或液体燃料与所述氧气组合之前，将一部分所述压缩的循环CO2流与所述固体或液体燃料组合。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固体或液体燃料包括由固体燃料与液体或超临界CO2组合形成的燃料浆料。
25.一种动力生产单元，包括部分氧化POX系统和动力生产系统PPS，所述动力生产单元包括：
POX反应器；
POX洗涤器单元，包括与所述POX反应器的出口流体连通的入口；
羰基硫COS水解反应器，包括与所述POX洗涤器单元的出口流体连通的入口；
POX热交换器，包括与所述COS水解反应器的出口流体连通的入口；
POX水分离器，包括与所述POX热交换器的出口流体连通的入口；
POX酸性气体去除系统，包括与所述水分离器的出口流体连通的入口；
POX压缩机，包括与所述酸性气体去除系统的出口流体连通的入口；
PPS燃烧器，包括与所述POX压缩机的出口流体连通的入口，并配置成从其接收燃料气；
PPS涡轮机，包括与所述PPS燃烧器的出口流体连通的入口，并配置成从其接收燃烧产物流；
PPS回热器热交换器，包括与所述PPS涡轮机的出口流体连通的入口；
PPS分离器，包括与所述PPS回热器热交换器的出口流体连通的入口；以及
PPS压缩机，包括与所述PPS分离器的出口流体连通的入口。
26.根据权利要求25所述的动力生产单元，进一步包括以下中一个或多个：
固体燃料供给系统；
变换反应器；
脱硫单元；
活化吸附单元；以及
催化甲烷化系统。
27.根据权利要求25所述的动力生产单元，进一步包括在所述POX热交换器和所述PPS回热器热交换器之间的闭合传热回路。
28.根据权利要求25所述的动力生产单元，其中，下述情况中的一种或多种适用：
所述POX水分离器包括与所述POX反应器的入口流体连通的出口；
所述PPS压缩机包括与所述POX热交换器的入口流体连通的出口；以及
所述PPS压缩机包括与所述PPS回热器热交换器的入口流体连通的出口。
29.根据权利要求25所述的动力生产单元，进一步包括以下中一个或多个：
用于所述PPS压缩机与所述POX热交换器之间流体连通的一条或多条流线；
用于所述PPS压缩机与所述PPS回热器热交换器之间流体连通的一条或多条流线；以及
用于所述PPS压缩机和所述POX反应器之间流体连通的一条或多条流线。
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