CN110312780A - 用于超临界co2电力循环系统的全蒸汽气化 - Google Patents

Abstract

用于超临界CO₂电力循环系统的含碳燃料气化系统，其包括：包括挥发性物质脱除器的微粉化炭制备系统，其接收固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽并产生微粉化炭、蒸汽、氢气和挥发性物质；间接气化器，其包括含气化室的容器，其接收微粉化炭、输送气体和蒸汽，其中气化室提供合成气、灰和蒸汽；燃烧室，其接收合成气和氧化剂并燃烧合成气和氧化剂的混合物以提供用于气化和用于加热进入物流的热量，从而产生蒸汽和CO₂，其中用于气化的热量通过循环耐高温砂从燃烧室转移至气化室。合成气冷却器冷却合成气和产生蒸汽。

Description

用于超临界CO2电力循环系统的全蒸汽气化

这里应用的小节标题只用作组织结构目的，不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2017年1月15日提交的标题为“All-Steam Gasification forSupercritical CO2Power Cycle System”的美国临时专利申请No.62/446,453的非临时申请。美国临时专利申请No.62/446,453的全部内容在此作为参考引入。

本申请还涉及2016年8月3日提交的标题为“All-Steam Gasification withCarbon Capture”的美国专利申请No.15/227,137，其要求2015年8月6日提交的标题为“Carbon Capture withAll-Steam Gasification”的美国临时专利申请No.62/201,625和2016年4月29日提交的标题为“All-Steam Gasification with Carbon Capture”的美国临时专利申请No.62/329,632的优先权。本申请还涉及2016年10月5日提交的标题为“Methodand Apparatus for Adiabatic Calcium Looping”的美国专利申请No.15/286,514，其要求2015年10月6日提交的标题为“Advanced Adiabatic Calcium Looping”的美国临时专利申请No.62/237,709的优先权。美国专利申请No.15/227,137和No.15/286,514以及美国临时专利申请No.62/201,625、No.62/329,632和No.62/237,709的全部内容在此作为参考引入。

简介

有关大气中CO₂温室气体累积的全球变暧问题持续升级。许多专家认为化石燃料能源发电系统的CO₂排放是最近几十年大气中CO₂增加的主要元凶。即使可再生能源和核能源均有明显增加，化石燃料消耗仍继续增长。因此，特别是对于发电和化学生产来说，仍迫切需要高效和有效的低碳技术。

整体气化联合循环(IGCC)技术被许多专家认为是最清洁的煤产能方法。与常规煤电厂产生的污染物相比，气化形成的污染物明显减少。IGCC电厂在透平机中燃烧合成气来发电。余热被捕集使第二透平发电，以产生更多的电，导致高效发电。通常应用各种固体燃料的气化来产生化学品，包括肥料、甲醇、柴油燃料和许多其它化学品。气化对于环境有利，这是因为其导致更少的污染、降低的二氧化碳排放、更少的固体废物和较少的用水量。

现在的兴趣在于应用超临界CO₂电力循环来改进IGCC清洁能量系统。美国政府已成立多个基金来激励超临界CO₂电力循环的研究和开发。应用超临界CO₂电力循环系统的早期市场活动正在进行。多个公司已公布实验装置来证实高达25MWe的庞大电量输出的可行性。

附图说明

在如下结合附图的详细描述中，更具体地描述了本发明的优选和示例性实施方案及其进一步优点。本领域熟练技术人员将会理解如下所述的附图只用于描述目的。所述附图不按比例，只是概括描述本发明的原理。附图不以任何方式限制申请人的发明范围。

图1描述了本发明的用于带有碳捕集系统的一般性超临界CO₂电力循环系统的利用空气基燃烧的全蒸汽气化系统的系统框图。

图2描述了带有用于脱除CO₂和氮气的绝热钙回路(ACL)的燃烧产物系统(POC)的实施方案。

图3描述了本发明的用于一般性超临界CO₂电力循环系统的利用氧气基燃烧的全蒸汽气化系统的系统框图。

具体实施方式

下面参考附图所示的示例性实施方案更为详细地描述本发明。虽然结合各实施方案和实施例描述了本发明，但本发明不限于这些实施方案。相反，本发明包括各种替代、调整和等价方案，正如本领域熟练技术人员所理解的。接触本发明的本领域普通技术人员将会理解在这里描述的本发明范围之内的附加实施、调整和实施方案以及其它应用领域。

当在说明书中提到“一个实施方案”时，指针对所述实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案内。在说明书各处出现的术语“在一个实施方案中”不必全部指同一实施方案。

应该理解的是本发明方法的各个步骤可以以任何顺序和/或同时实施，只要本发明保持可操作即可。另外，应该理解的是本发明的设备和方法可以包括任意数量或全部所描述的实施方案，只要本发明保持可操作即可。

全球变暧和气候变化问题需要世界范围的燃煤电厂添加昂贵的控制以捕集和贮存CO₂，从而符合所需要的排放率。在北美和欧洲，用于煤电厂的带有碳捕集的现有技术如(IGCC)被证实在没有补偿的情况下不经济。运行碳捕集系统所需要的附加电力降低了效率和输出，和因此没有得到广泛利用。这导致在北美关停了多个老旧的燃煤电厂和取消了许多新装置。许多专家相信在辅助全世界过渡到可再生能源过程中煤仍是有价值的能源。预期用煤发电在亚洲仍将增长至少50年。

应用超临界CO₂电力循环的整体气化联合循环被证实为清洁煤能量产生的重要方法。目前正在建设验证型小试装置，以证实应用天然气燃料的输出高达25MWe的超临界CO₂电力循环的可行性。这些验证型小试装置和开发形成的大型工业电厂可以很大程度地受益于应用间接气化器的全蒸汽气化系统，从而在应用煤或其它含碳燃料时增加发电效率、减小尺寸和投资和通常造成更少的环境影响。

超临界CO₂为保持在临界压力和温度范围内的二氧化碳的流体态。在这些范围内，气体同时作为液体和气体。超临界CO₂具有许多想要的特征。超临界CO₂象气体一样流动，但象液体一样溶解材料。超临界CO₂在温和条件下达到超临界态。超临界CO₂的腐蚀性也比蒸汽更小，并且相比于蒸汽具有更有利的热稳定性，这有助于减少电力系统的排放。另外，超临界CO₂是无毒和不可燃的，因此应用它将减小电厂操作的负担，导致操作成本降低。同时，超临界CO₂是单相，因此其只需要单压力的废热换热器，这可以明显降低电厂成本。另外，超临界CO₂可以与许多不同的热源相接合。

超临界CO₂是用于发电透平特别好的工作流体。基于超临界CO₂电力循环的电力透平可以在多种发电用途中替代蒸汽循环，和可以在适中的入口温度下提供相当高的效率和相对低成本的电。应用超临界CO₂电力循环也可以导致透平机和换热器排放的降低。

本发明涉及可能包括碳捕集的全蒸汽气化系统，其与超临界CO₂电力循环相整合。当选择煤为燃料时，这种系统可以大幅提高效率，和加速带有超临界CO₂电力循环技术的气化的广泛采用。由于每一个子系统的独特设计，还使燃料和投资的成本大幅度降低。

本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统结合了几个有重大改进的已知技术。本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统由煤或其它原料产生氢气，用于发电和/或生产化学品。本发明的全蒸汽气化系统产生基本不含氮气的高纯氢气和/或合成气用于诸如带有碳捕集和贮存(CCS)的IGCC、煤液化(CTL)和多联产装置的应用。正如这里所应用，多联产为描述其多产品能力的术语。一个结果是本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统提供更高的效率，但其成本足够低以使得煤在限碳世界中具有竞争性。本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统在关键子系统中的组合改进的发电和多联产效率足以达到世界级的竞争力，具有足够低的排放来解决全球变暧问题。

另外，与其它已知方法相比，全蒸汽气化每磅煤或其它原料产生更大量的氢气。空气鼓风燃烧器取消了这种系统通常应用的用于生产氧气的大型昂贵的空气分离装置，明显改进了效率和成本。可以应用用氧气燃烧的全蒸汽气化与超临界CO₂电力循环系统整合。间接气化器能够生产多联产液体和化学品所需的基本不含氮气的氢气和合成气，同时通过保持空气不与临界物流混合而维持只发电模式和只煤液化模式。

另外，在挥发性物质脱除器和炭制备系统中产生的微粉化炭的应用使得原料在数秒内快速气化。微粉化炭的应用明显减小气化装置的尺寸，和增加模块化设备的能力。可能包括整体水煤气变换、应用高温固定床和石灰石基吸附剂的绝热钙回路强化了整个碳捕集系统。结果是管道质量的高压CO₂。高温方法能够在高温下回收来自变换反应器的热。这比现有技术常规变换系统中应用的低温变换产生更多的蒸汽。

这种系统避免了用蒸汽再生用于捕集二氧化碳的吸附剂的需求。应用专用高温换热器的整合高温热回收系统支持具有非常高效率的整个系统。最后，这种系统应用已知的热气清洁系统，近乎零排放，减轻空气污染，同时缩小温度循环。添加热气清洁系统平衡了在更高温度下合成气清洁的正常能力。

本发明的可以包括与超临界CO₂电力循环系统整合的碳捕集的全蒸汽气化的优点是提供甚至更高的效率。这些系统中的全蒸汽气化每磅煤产生更多氢气，和比CO₂气化系统快约三倍。本发明的微粉化炭比现有技术的氧气鼓风气化器快得多。在一些实施方案中，间接气化器应用空气，因此不需要大型空气分离装置。应用热气清洁(WGCU)进一步提高效率，从而这些系统匹配更高温碳捕集方法的效率。

本发明全蒸汽气化系统的一个特征是间接气化器产生的CO与H₂的比可以通过改变提供给间接气化器的蒸汽、碳和其它物料的量而变化。以这种方式，可以优化CO与H₂的比。在一些实施方案中，优化所产生的CO与H₂的比以与特定超临界CO₂电力循环系统或超临界CO₂电力循环系统的特定设置整合。

除了应用CO₂做透平机工作流体外，超临界二氧化碳电力循环类似于其它透平循环。所述循环在高于CO₂的临界点以上操作，和不发生从液体至气体的变化。替代地，其在小的温度和压力范围下经历大的密度变化。一个优点是在高温下从紧凑的设备中提取大量能量。具体地，CO₂透平机组所应用的名义气体通道直径的数量级小于燃烧透平或蒸汽透平。

在一些已知的超临界CO₂电力循环系统中，CO₂被热源加热。当其在透平中膨胀时从CO₂中提取了能量。保持在一个或多个高效热回收器中提取的热来预热返回至主要热源的CO₂。热回收器通过限制循环热的废弃而增加效率。超临界CO₂电力循环提供具有吸引力的水消耗和排放数据。

图1描述了本发明的带有碳捕集系统的一般性超临界CO₂电力循环系统的利用空气基燃烧的全蒸汽气化系统100的系统框图。煤进料系统102的一些实施方案接收煤、H₂和空气，并排出烟气。同样，煤进料系统102的一些实施方案应用旋转阀加料器和带有混合器的流化床煤干燥器。

煤进料系统102提供固体燃料至微粉化炭制备系统104。微粉化炭制备系统104的一些实施方案例如包括各种组件，比如挥发性物质脱除器、炭冷却器/蒸汽加热器、排泄阀、粉碎机、静电分离器、气锁和合成气炭传送机。本发明的一个特征是可以应用微粉化炭制备系统104产生可有利地加速气化过程的微粉化炭。也就是说，微粉化炭制备系统104的一些实施方案由煤进料系统102接收的煤制备微粉化炭，并输送至间接气化器106。在这些实施方案中，微粉化炭制备系统104接收具有适于流化的粒度的粉碎煤。例如，小于1/4英寸的流化粒度是合适的。所述挥发性物质脱除器具有裂化所有焦油的能力。

在一个实施方案中，间接气化器为应用单个压力容器反应器进行燃烧和气化的内部循环流化床(ICFB)。应用单个压力容器反应器简化了操作并减小了设备尺寸。所述单个压力容器反应器在反应器的中心包括一个立管，也称为导流管。导流管中气体的流动是向上的，而导流管周围的密相固体流化床中固体的流动是向下的。密相固体流化床有时称作环形床，其设计得足够深以使煤完全气化。

在一个实施方案中，通过燃烧注入到导流管入口的燃料和空气操作间接气化器的燃烧器，以产生蒸汽气化反应需要的热。例如，所述燃料可以为碳、氢气或合成气。应用合成气或氢气排除了碳燃烧所需要的清洁系统。相比于围绕它的密相流化床反应器，燃烧减小了流动物流的密度。这在导流管底部产生压力差，造成环形区中的密相固体床层向下流动，在其中被向上流过导流管的气体夹带，从而造成热固体在反应器内部的连续循环。

构成流化密相固体床的固体为相对高密度的耐高温砂如氧化铝。高密度固体提供循环固体的足够流率以限制回路内温差为约200℉的可接受水平。循环流可以为燃料或合成气流的100倍。耐高温砂足够细，可以被通过分配器板进入的蒸汽和微粉化炭产生的合成气流流化。

ICFB间接气化器在足够高温度下使微粉化炭与蒸汽混合，以将它们转化为氢气和一氧化碳，即所谓的水煤气变换反应。反应的热量由气化器底部的燃烧器中氢气或合成气与空气的燃烧提供。燃烧的产品与向下流入混合器的热循环固体迅速混合。然后热固体和燃烧产物的混合物向上流过导流管。在其顶部，固体落回周围的流化密相固体床，而燃烧产物通过反应器顶部的排气口排出。导流管顶部的漏斗形状允许稀释床形成，其阻止了颗粒扬析进入稀相区。燃烧热保持床层材料处于热态，以提供用于气化的热量。固体向下流动，而碳和蒸汽以及然后由蒸汽-碳反应形成的氢气和一氧化碳(合成气)则向上流动。

虽然有可能不应用炭制备系统104而直接气化煤，但在许多系统中优选的是首先转化煤为炭，和然后在间接气化器106中气化炭。这是因为炭比煤更脆，因为煤颗粒内部的大部分由于热解已经中空。热解产生具有不同形状的炭颗粒。炭颗粒形状可能包括薄壳小球。炭颗粒也可以形成瑞士奶酪类形状。中空结构使得炭颗粒比煤粉碎为更小的碎块。很容易获得小于八微米的颗粒。小粒度的粉末化炭颗粒使气化加速。

应用微粉化炭的另一个特征是其是非润湿的，虽然其灰可能是粘性的。微粉化炭是非润湿的，因为颗粒保持夹带在它们流动的气体中，而不彼此碰撞或与其它表面碰撞。非润湿特性避免了现有技术中应用粉煤作固体燃料的烧煤电力系统中通常的结垢、熔结、结块和腐蚀。

本发明含碳燃料气化系统的一些实施方案包括微粉化炭制备系统104，其包括接收固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽并产生微粉化炭、蒸汽、挥发性物质和氢气的挥发性物质脱除器。在一些实施方案中，微粉化炭制备系统104包括冷却炭时预热蒸汽的逆流炭冷却器、降压阀、减小微粉化炭的平均粒度至小于10μ的粉碎机以及将微粉化炭重新加压入入口的气锁。在一个具体的实施方案中，所述含碳燃料为煤。在一些实施方案中，所述挥发性物质脱除器包括受热压力容器，其包含用于注入流化蒸汽的入口和用于脱除挥发性物质和粗炭的至少一个出口。

本发明用于带有碳捕集的一般性超临界CO₂电力循环系统的利用空气基燃烧的全蒸汽气化系统包括旋风分离器108，其分离微粉化炭制备系统104提供的粗炭与挥发性物质。离开微粉化炭制备系统104的挥发性物质中夹带的炭被旋风分离器108捕集。旋风分离器108具有为微粉化炭制备系统104提供粗炭的第一出口，和连接至间接气化器106入口的第二出口。在一些实施方案中，第二出口提供挥发性物质至间接气化器106。旋风分离器108的顶部气体被送至间接气化器106，从而应用平衡减少CH₄等的形成。

间接气化器106的一些实施方案包括含气化室110或气化器的容器，其接收来自微粉化炭制备系统104的微粉化炭，和其接收输送流体和蒸汽。在一些实施方案中，间接气化器106接收来自微粉化炭制备系统104出口的挥发性物质。在一些实施方案中，气化室110接收来自炭冷却器出口的蒸汽。气化室110的一些实施方案在一个或多个出口处产生合成气、灰和蒸汽。

间接气化器106也包括燃烧器112。燃烧器112也可以被称作燃烧室。燃烧器112的一些实施方案接收氢气或合成气和氧化剂的混合物并使氢气或合成气和氧化剂的混合物燃烧以提供用于气化的热量和用于加热入口物流的热量从而产生蒸汽和氮气。例如，混合物可以包括合成气(其主要为氢如约99％氢和1％一氧化碳)，或者可以包括少于10％一氧化碳(大于90％氢)或少于1％一氧化碳(>99％氢)的混合物。还例如，氧化剂可以为空气或氧气。在一些实施方案中，用于气化的热量通过循环耐高温砂而由燃烧器112输送至气化器110。

本发明的间接气化器106由微粉化炭产生合成气。已经应用现有技术的间接气化器由生物质制备甲烷和合成气。在一些实施方案中，在间接气化器106中用于反应的热在燃烧器112中通过燃烧产生和在气化器110中通过气化产生。由每一个室出来的气体保持分离状态。气化需要的室间的热转移通过循环热固体提供。热固体在燃烧器中加热和在气化器110中通过气化冷却。

应用本发明间接气化器的一个特点是其使得全蒸汽气化(ASG)成为可能。另外，在燃烧器112中应用空气燃烧的间接气化排除了对于大型氧气装置的需求，后者也称为空气分离装置(ASU)，同时有利于燃料生产和多联产。这是因为燃烧产物保持与合成气分离，从而避免了燃烧空气中的氮气污染合成气。排除了对氧气装置的需求将明显降低成本，也将明显减少系统的排放。本发明的间接气化器106有利地比现有技术的气化系统需要更少的氧化剂。在一个具体的实施方案中，间接气化器106应用的氧气供应约为现有技术气化所需要的8.5％和需要的空气供应约为现有技术气化器所需的40％。在各实施方案中，相比于现有技术气化，实现了很宽范围百分比的氧气和空气供应的节省。间接气化器106也接收由挥发性物质脱除器经过旋风分离器108提供的挥发性物质和甲烷。

间接气化对于用于生产化学品的气化系统的效率和成本两方面均产生改进。应用间接气化器106的附加重要特征是在燃烧器112中应用氢气和/或合成气提供气化热量，使待应用的煤中的全部或大量碳产生每磅煤最大量的氢气。

间接气化器106在提供至合成气冷却器114的一个出口处产生合成气。合成气冷却器114的一些实施方案具有连接至间接气化器106的气化器110的出口的入口，其中合成气冷却器114冷却合成气，并在出口处产生蒸汽。合成气冷却器114为小蒸汽循环116提供蒸汽。小蒸汽循环116在一些实施方案中可以为超临界CO₂电力循环的一部分。在一些实施方案中，合成气冷却器114为空气分离装置或其它驱动器提供合成气冷却的蒸汽，同时提供过量电力。

合成气冷却器114包括压力容器。在一些实施方案中，合成气冷却器114中有多个流化床，其由流化床中包埋的带有蒸汽管的分配器板支撑。流化床的湍动防止了常规火管换热器中可能发生的累积。合成气冷却器114中应用多个床层(在较低温度下操作的后续床层向上流动)增加了应用来自合成气冷却器114的废热的蒸汽透平的效率。合成气冷却器114的一些实施方案应用的流化床冷却器设计显示出比常规火管冷却器明显更高的换热系数。应用这种合成气冷却器114减小了换热器的尺寸和成本。

应用带有碳捕集系统的全蒸汽气化的超临界CO₂电力循环系统100的一些实施方案应用合成气清洁系统120，其具有接收来自合成气冷却器114出口的冷却合成气的入口以脱除杂质。所述合成气冷却器114冷却离开间接气化器106的热合成气至合成气清洁系统120所需的温度。在合成气清洁系统120的一些实施方案中，转运脱硫器处理合成气，然后送至脱除灰的烛式过滤器中。需要时，将合成气送至精制脱硫器。吸附剂再生器应用来自增压空压机的空气收集由吸附剂材料从转运脱硫器脱除的二氧化硫。这种二氧化硫可以被送至直接硫转化器以产生硫。最终，应用多污染物洗涤器按需脱除汞以及氨、砷和硒。

本发明的合成气清洁系统120的一些实施方案应用图1所示的热气清洁系统(WGCU)，其由总部位于北卡罗莱纳州的Research Triangle Park的Research TriangleInstitute开发。这种类型的合成气清洁系统可以高效脱除基本上所有的污染物，包括硫、颗粒物质和微量元素如氨、汞、硒和砷。应用WGCU可以将排放降至低于EPA标准的最严水平。也脱除氨以减小NOx排放。

合成气清洁系统120脱除污染物并将合成气送至压缩机122。压缩机122可以为超临界CO₂电力循环118的一部分(图中未示出)。压缩机122压缩合成气至适合于超临界CO₂电力循环118供应输入的压力和温度。在一个具体的实施方案中，压缩机122提供600-700PSI和500℉的约300Btu/cuft的不含氮气合成气。超临界CO₂电力循环118产生二氧化碳和电力。

间接气化器106的第二输出为带有绝热钙回路(ACL)系统的燃烧产物(POC)系统124提供燃烧产物、蒸汽、氮气和二氧化碳。燃烧系统的绝热钙回路应用绝热变压吸附和固定床碳捕集系统由固体燃料产生的合成气或燃烧产物中脱除碳化合物。绝热指过程中不为吸附剂添加热量或从中脱除热量。替代地，通过吸附剂本身的温度变化提供或脱除反应热。这意味着吸附剂在碳化过程中加热而在煅烧过程中冷却回其原始温度，随后重复所述循环。

本发明的带有ACL的POC系统124的一些实施方案从来自间接气化器106的加压燃烧产物物流脱除二氧化碳。在各实施方案中，应用本发明的带有ACL的POC系统124来脱除二氧化碳。

本发明的带有ACL的POC系统124内的ACL系统有时称作带有变压钙回路的POC。变压钙回路不同于现有技术的变温钙回路系统，后者有时用于燃烧后碳捕集系统，其中两个反应器处于相同的压力，但温度不同。在变温钙回路中，通常应用两个固定床反应器。变压钙回路克服了现有技术中变温系统的许多局限性。变压钙回路可以消除吸附剂颗粒的高磨损。变压钙回路不需要应用氧气来燃烧燃料，后者不方便且昂贵。

本发明带有ACL的POC系统124的一个优点是其需要相对较小的设备空间。本发明的绝热钙回路设备的实施方案通常只有现有技术的常规空气鼓风设备的几分之一。本发明带有ACL的POC系统124的其它好处包括提供相对高的装置效率、提供相对高的碳捕集效率。同时，不象现有技术系统中应用的常规胺吸附剂，本发明带有ACL的POC系统124中应用的吸附剂是非毒性的。另外，这些非毒性吸附剂不需要用热量进行外部再生。

本发明带有ACL的POC系统124也不需要用蒸汽再生吸附剂。这是因为钙回路在一个反应器(“碳化器”)中从气体中捕集碳，和在第二反应器(“煅烧器”)中由吸附剂中释放二氧化碳。

本发明带有ACL的POC系统124在一个出口处转化高温气为功。在一些实施方案中，带有ACL的POC系统124提供膨胀机功(电或机械功)。带有ACL的POC系统124在第二出口处提供蒸汽经冷却器和冷凝器128至堆栈。带有ACL的POC系统124也在第三出口处为超临界CO₂电力循环118提供二氧化碳。在一些实施方案中，带有ACL的POC系统124为超临界CO₂电力循环118提供约3-28PSI和温度通常低于1,800℉的纯CO₂物流。

图2描述了带有用于脱除CO₂和氮气的绝热钙回路(ACL)的燃烧产物系统(POC)200的实施方案。参考图1和图2，来自间接气化器106的燃烧器112的氮气、二氧化碳和蒸汽在约1800°F进料至第一再生换热器202。第一再生换热器202的输出提供了过滤器204的输入，其脱除了可能磨损的砂。过滤器204的输出提供了第二再生换热器206的输入，其加热燃烧产物和在出口处提供变压绝热钙回路设备208的输入。变压绝热钙回路设备208在一个出口处产生二氧化碳，和在第二出口处产生氮气，所述第二输出引入发电膨胀机210。燃烧产物冷却器212冷却来自膨胀机210的第二出口的输出，并将氮气和蒸汽214提供给冷凝器或堆栈(图中未示出)。

图3描述了本发明的用于一般性超临界CO₂电力循环系统的利用氧气基燃烧的全蒸汽气化系统300的系统框图。图3所示的用于一般性超临界CO₂电力循环系统的利用氧气基燃烧的全蒸汽气化系统300的实施方案类似于图1所示的用于带有碳捕集系统的一般性超临界CO₂电力循环系统的利用空气基燃烧的全蒸汽气化系统100。但在图3的用于一般性超临界CO₂电力循环系统的利用氧气基燃烧的全蒸汽气化系统300中，不象图1所示提供空气，而是向燃烧器提供氧气。氧气需要调节剂如CO₂。

应用固体燃料进料系统302为微粉化炭制备系统304提供固体含碳燃料。在一些方法中，燃料为煤。炭制备系统304在出口处为间接气化器308的燃烧器306的入口提供炭。在离开微粉化炭制备系统304的挥发性物质中夹带的炭被旋风分离器310捕集。旋风分离器310提供粗炭返回微粉化炭制备系统304中的粉碎机。旋风分离器310的顶部气体被送至间接气化器312中的气化器312，从而应用平衡减少CH₄的形成。

气化器312进料蒸汽、甲烷和氢气和为合成气冷却器314提供不含氮气的合成气。合成气冷却器314在出口处产生蒸汽，其被送至小蒸汽循环315入口。在一些实施方案中小蒸汽循环315可以为超临界CO₂电力循环316的一部分。在一些实施方案中，合成气冷却器314也为空气分离装置或其它驱动器(图中未示出)提供蒸汽。合成气冷却器314为热气清洁(WGCU)318提供不含氮气的冷却合成气。在各实施方案中，WGCU 318从合成气中脱除污染物如颗粒、硫化合物、氢气和其它微量污染物。使来自WGCU 318的合成气通过合成气压缩机320，然后提供至超临界CO₂电力循环316的入口。合成气压缩机320也可以是CO₂电力循环316的一部分。在一些实施方案中，压缩机320为超临界CO₂电力循环316提供压力约为600-700PSI和温度约为500℉的约300Btu/cuft的不含氮气的合成气。

燃烧器306进料氧气和合成气。在一些实施方案中，由WGCU 318为燃烧器306提供合成气。在一些实施方案中，由为超临界CO₂电力循环316进料的相同装置提供氧气。在其它实施方案中，氧气由单独的空气分离装置或其它氧气产生设备提供。在一些实施方案中，相比于已知的气化器，燃烧器306需要的氧气供应少约50％。

间接气化器308的输出为燃烧产物调节器322提供燃烧产物。将燃烧产物调节器322的输出提供给超临界CO₂电力循环316。在各实施方案中，燃烧产物调节器322为特定超临界CO₂电力循环提供合适条件下的CO₂/蒸汽混合物。

用于超临界CO₂电力循环系统的全蒸汽气化系统的一个优点是其尺寸小。在一些实施方案中，对于500MWe的装置，气化器为小于50英尺高的单个容器。这仅为现有技术气化器的几分之一。本发明的合成气冷却器结构为约40英尺高的单个结构。这约为现有技术合成气冷却器单元的1/4。

在约100英尺高的单个结构中提供本发明的硫化氢吸收器。这约为现有技术的硫化氢脱除系统的1/4。本发明的一个实施方案提供120英尺高的两个CO₂吸收器，其约为现有技术系统的1/2。在一些具体的实施方案中，对于500MWe的单一装置来说，气化器312包含50英尺高的可运输流化床气化器。相比于具有一半电力容量的装置需要现场制造的许多现有技术系统，通过提供小于100英尺高的设备尺寸，系统的许多部件可以通过车辆低成本运输。

因为CO₂、合成气、蒸汽和电力可以在不需要CO₂闪蒸罐或水煤气变换反应器的情况下提供给超临界CO₂电力循环316，用于超临界CO₂电力循环系统的全蒸汽气化系统的物理尺寸进一步减小。另外，本发明的一些实施方案只需要三个在约10％体积下的50％的煤进料/干燥器。这与需要六个煤进料/干燥器的现有技术系统形成对比。因此，本发明的方法和设备在占用空间上有明显节省，在操作和维护上也相对简化。本发明的各实施方案比竞争性现有技术的成本减少了一半。

等价方案

虽然结合各实施方案描述了申请人的发明，但申请人的发明不限于这些实施方案。相反，正如本领域熟练技术人员所理解的，申请人的发明包括在不偏离本发明实质和范围下获得的各种替代、调整和等价方案。

Claims (38)

1.用于超临界CO₂电力循环系统的含碳燃料气化系统，其包括：

a)包括挥发性物质脱除器的微粉化炭制备系统，设计所述微粉化炭制备系统以接收固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽，以在一个或多个出口处产生微粉化炭、蒸汽、氢气和挥发性物质；

b)间接气化器，其包括：

i.含气化室的容器，设计所述容器以接收来自微粉化炭制备系统的一个或多个出口的微粉化炭、输送气体和蒸汽，所述气化室在一个或多个出口处提供合成气、灰和蒸汽；和

ii.燃烧室，设计所述燃烧室以接收合成气和氧化剂并燃烧合成气和氧化剂的混合物以提供用于气化和用于加热进入物流的热量，从而产生蒸汽和CO₂，所述燃烧室还设计用来通过循环耐高温砂将用于气化的热量从燃烧室转移至气化室。

c)合成气冷却器，其具有连接至间接气化器的气化室的一个或多个出口之一的入口，设计所述合成气冷却器以冷却合成气和在出口处产生蒸汽；和

d)超临界CO₂电力循环系统，其具有连接至合成气冷却器出口的入口，所述超临界CO₂电力循环系统实施用于发电的超临界CO₂电力循环。

2.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述容器包括燃烧室。

3.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中设计所述间接气化器以接收来自微粉化炭制备系统一个出口的挥发性物质和氢气。

4.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述挥发性物质脱除器包括含用于注入流化蒸汽的入口的受热压力容器和用于脱除挥发性物质和粗炭的至少一个出口。

5.权利要求1的含碳燃料气化系统，还包括连接至微粉化炭制备系统的出口的旋风分离器，所述旋风分离器将粗炭与挥发性物质分离，和在第一出口处提供粗炭和在第二出口处提供挥发性物质，其中第二出口与间接气化器的入口相连。

6.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中设计所述微粉化炭制备系统以接收包括煤的含碳燃料。

7.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中将由间接气化器的燃烧器产生的蒸汽、氮气和CO₂引至实施绝热钙回路以脱除CO₂的燃烧产物系统。

8.权利要求7的含碳燃料气化系统，其中将所脱除的CO₂转移至超临界CO₂电力循环系统中。

9.权利要求1的含碳燃料气化系统，还包括接收来自合成气冷却器的蒸汽的小蒸汽循环。

10.权利要求9的含碳燃料气化系统，其中超临界CO₂电力循环系统包括小蒸汽循环。

11.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述燃烧合成气与氧化剂的混合物以提供用于气化和用于加热进入物流的热量的燃烧室进一步产生蒸汽和氮气。

12.权利要求11的含碳燃料气化系统，还包括连接至驱动器和冷凝器组的膨胀机，所述膨胀机接收由间接气化器的燃烧室产生的蒸汽和氮气。

13.权利要求12的含碳燃料气化系统，其中所述驱动器包括发电机。

14.权利要求1的含碳燃料气化系统，还包括合成气清洁系统，其具有接收来自合成气冷却器出口的合成气的入口，所述合成气清洁系统处理合成气以分离杂质。

15.权利要求14的含碳燃料气化系统，还包括合成气压缩机，其压缩分离出杂质的合成气，并为超临界CO₂电力循环系统提供分离出杂质的加压合成气。

16.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述气化室接收来自微粉化炭制备系统的一个或多个出口的蒸汽。

17.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述气化室接收来自热回收系统的出口的蒸汽。

18.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述微粉化炭制备系统还包括在冷却炭时预热蒸汽的逆流炭冷却器、降压阀、减小炭平均粒度至小于10_μ的粉碎机以及将微粉化炭重新加压至入口的气锁。

19.含碳燃料的气化方法，所述方法包括：

a)由固体含碳燃料、氢气和氧气产生微粉化炭、蒸汽、挥发性物质和氢气；

b)用包含挥发性物质脱除器的微粉化炭制备系统流化蒸汽；

c)用包含具有气化室的容器的间接气化器由所产生的微粉化炭产生合成气和蒸汽；

d)在间接气化器的燃烧室中利用氧化剂燃烧氢气和一氧化碳的混合物以提供用于气化的热量和用于加热进入气流的热量，从而产生CO₂；

e)用连接至间接气化器的合成气冷却器产生蒸汽；和

f)将由间接气化器产生的CO₂引至超临界CO₂电力循环系统。

20.权利要求19的方法，其中在燃烧室中利用氧化剂燃烧氢气和一氧化碳的混合物以提供用于气化的热量和用于加热进入气流的热量，产生引至带有绝热钙回路的燃烧产物系统的蒸汽和氮气。

21.权利要求19的方法，其中在燃烧室中利用氧化剂燃烧氢气和一氧化碳的混合物以提供用于气化的热量和用于加热进入气流的热量，产生引至带有碳捕集系统的燃烧产物系统的蒸汽和氮气。

22.权利要求21的方法，还包括将由燃烧器产生的蒸汽和氮气引至膨胀机和然后引至冷凝器组。

23.权利要求19的方法，其中在燃烧室中利用氧化剂燃烧氢气和一氧化碳的混合物以提供用于气化的热量和用于加热进入气流的热量，产生引至超临界CO₂电力循环系统的蒸汽。

24.权利要求19的方法，其中所述方法还包括实施全蒸汽气化。

25.权利要求19的方法，其中所述氧化剂包括氧气。

26.权利要求19的方法，其中所述氧化剂包括空气。

27.权利要求19的方法，其中在燃烧室中利用氧化剂燃烧氢气和一氧化碳的混合物还包括向氧化剂中添加CO₂。

28.权利要求19的方法，其中所述含碳燃料包括煤。

29.权利要求19的方法，其中生产合成气包括向间接气化器提供来自微粉化炭制备系统的挥发性物质。

30.权利要求19的方法，还包括在挥发性物质脱除器中将流化蒸汽注入受热的压力容器和由受热的压力容器脱除挥发性物质和粗炭。

31.权利要求19的方法，还包括用旋风分离器使粗炭与挥发性物质分离，和将分离的粗炭注入微粉化炭制备系统和将挥发性物质注入间接气化器。

32.权利要求19的方法，还包括在引至超临界CO₂电力循环系统的入口之前，将间接气化器燃烧器产生的蒸汽和CO₂引至燃烧产物调节系统。

33.权利要求19的方法，还包括用合成气清洁系统处理合成气以减少杂质。

34.权利要求19的方法，还包括在气化室中接收来自蒸汽加热器的蒸汽。

35.权利要求19的方法，还包括在气化室中接收来自热回收系统的蒸汽。

36.权利要求19的方法，其中用间接气化器由微粉化炭生产合成气和蒸汽还包括向间接气化器提供来自微粉化炭制备系统的挥发性物质。

37.权利要求19的方法，还包括将合成气冷却器产生的蒸汽引至小蒸汽循环。

38.权利要求37的方法，其中所述超临界CO₂电力循环系统包括小蒸汽循环。