CN113348230A - 带有固体燃料制备系统的全蒸汽气化 - Google Patents

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Abstract

一种含碳燃料气化系统，其包括：微粉化炭制备系统，其包括具有粉碎机功能的输送反应器，接收固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽，产生微粉化炭、蒸汽和挥发性物质；间接气化器，其包括含固体密相床的压力容器反应器。导流管可以位于压力容器内部或外部。燃烧器通过氢气和空气的燃烧提供用于气化反应的热量，和提供流过导流管的燃烧产物。分配器板接收来自微粉化炭制备系统出口的微粉化炭、蒸汽和脱除挥发性物质的烃。间接气化器在一定温度下使微粉化炭与蒸汽混合，从而使它们转化为含氢和一氧化碳的合成气。

Description

带有固体燃料制备系统的全蒸汽气化
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2019年1月23日提交的标题为“All-Steam Gasification with SolidFuel Preparation System”的美国临时申请No.62/795,663的非临时申请。本申请还涉及2016年8月3日提交的标题为“All-Steam Gasification with Carbon Capture”的美国专利申请No.15/227,137(现在为美国专利US 10,443,005)；2016年10月5日提交的标题为“Method and Apparatus for Adiabatic Calcium Looping”的美国专利申请No.15/286,514；和2018年1月11日提交的标题为“All-Steam Gasification for Supercritical CO2Power Cycle System”的美国专利申请No.15/868,334。这些美国专利申请在此作为参考引入。
简介
有关大气中CO2温室气体累积的全球变暧的担忧日益增加。化石燃料消耗的增长仍继续攀升。因此，特别是对于发电和其它应用来说，仍迫切需要高效和有效的低碳技术。
整体气化联合循环(IGCC)技术是最清洁的煤产能方法。与常规煤电厂相比，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。余热被捕集为第二透平供应动力，以产生更多的电，导致高效发电。产生包括肥料、甲醇、柴油燃料和许多其它化学品的各种固体燃料的气化现在很常用。气化对于环境有利，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。需要更高效、更小和更低成本的气化系统，以确保有效的IGCC系统可用于未来各种类型的电厂。这些发电系统还受益于有效的碳捕集，并受益于与超临界CO2电力循环技术的整合，该技术支持高效低成本发电，同时减少电厂占地面积。
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描述了本发明的带有碳捕集的全蒸汽气化系统的系统框图。
图2描述了本发明的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的系统框图。
图3描述了本发明的用于带有碳捕集的一般性超临界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。
图4描述了挥发性物质脱除器和气化器系统400的一个实施方案，其包括挥发性物质脱除器402，挥发性物质脱除器402为本发明的气化器406直接提供挥发性物质和微粉化炭。
图5描述了本发明的间接气化器的一个实施方案。
图6描述了本发明的用于多联产用途的燃烧产物系统的一个实施方案。
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。用于煤电厂的带有碳捕集的现有技术如(整体气化联合循环(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，和因此没有得到广泛利用。这导致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。
本发明涉及一种占地面积小、效率高的带有碳捕集的全蒸汽气化系统，其可促进有益的IGCC技术的广泛采用。应用微粉化炭作为原料的带有间接气化器的全蒸汽气化(ASG)是有利的，因为其通过水释放氢气而为气化提供氧气，从而减少发电机组的CO2排放，同时为发电机组生产不含氮的合成气。因为氢气是碳捕集需要的无碳燃料，氢气产率的增加提高了IGCC装置的效率，从带碳捕集的常规系统的约32％增加至利用新系统的约43％的更高热值(HHV)。由于每个子系统的独特设计，还使燃料和投资的成本大幅度降低。
例如，全蒸汽气化已用于天然气和蒸汽联产(COGAS)、炭-油能源开发(COED)中。另外，CO2接收工艺系统应用蒸汽气化和许多生物质气化器。但这些系统不用氢气产热或使碳捕集用途与能量组合。本发明在全蒸汽气化和碳捕集系统中碳捕集的效率与应用常规技术而无碳捕集的最有效燃煤电厂的效率一样高。本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统采用各种类型的固体燃料，如煤和生物质。
本发明的一个特征是也可以用于超临界CO2电力循环。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，但行为象液体。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。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。
因此，本发明的一些实施方案应用全蒸汽气化系统，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，和因此加速带有超临界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的一些实施方案由煤或其它原料产生氢气，用于发电和/或生产各种化学品。一些实施方案产生不含氮气的高纯氢气合成气用于诸如带有碳捕集贮存(CCS)的IGCC、煤液化(CTL)和多联产装置的应用。正如这里所应用，术语“多联产”指其能够提供多种产品的能力。相比于已知系统，本发明的带有固体燃料制备系统的全蒸汽气化和方法提供更高的效率、更低的成本和更小的占地面积。另外，本发明的带有固体燃料制备系统的全蒸汽气化和方法能够发电并多联产多种产品，具有世界级竞争力必须的经济性，同时应对与全球变暧相关的主要挑战。
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大量的氢气。应用空气鼓风方法将取消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，因此明显改进了效率和成本。另外，间接气化器能够生产多联产液体和化学品必须的不含氮气的氢气，同时通过保持空气不与关键物流混合而维持只发电模式和只CTL模式。
本发明的另一个特点是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，使得原料在小于1秒的情况下空气气化。这明显减小气化装置的尺寸，和增加模块化设备的能力。带有整体水煤气变换、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有价值的蒸汽。正如本申请的受让人Wormser Energy Solutions Inc.所提出的，本发明的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，以适应高温绝热钙回路(ACL)。
图1描述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，由固体燃料如煤生产电力和/或化学品。虽然结合煤的应用描述了本发明的多个方面，但本领域熟练技术人员应理解本发明不限于煤，也可以应用多种其它固体燃料。例如可以使用生物质、泥炭、木材、木屑和木炭。带有碳捕集的全蒸汽气化系统100也可以用于单个目的。
图1所示的带有碳捕集的全蒸汽气化系统100的实施方案包括固体燃料进料系统102，其接收固体燃料如煤。固体燃料进料系统102也可以应用氢气和空气并排放烟道气。固体进料系统102的一些实施方案应用旋转阀给料器或干固体进料泵和带有混合器的流化床煤干燥器。固体进料系统102为带有挥发性物质脱除器的炭制备系统104提供固体燃料。带有挥发性物质脱除器的炭制备系统104的一些实施方案包括挥发性物质脱除器、炭冷却器/蒸汽加热器、减压阀、粉碎机、静电分离器、空气锁和合成气-炭输送器。
本发明的一个方面是发现了应用带有挥发性物质脱除器的炭制备系统104的优点，所述系统应用包括粉碎功能的输送反应器。作为输送反应器操作且包括粉碎功能的实施方案消除了对逆流炭冷却器、减压阀、粉碎机和空气锁的需求。另外，带有挥发性物质脱除器的炭制备系统104的实施方案在出口处一起提供挥发性物质和微粉化炭。可以将该输出直接进料至下游的间接气化器106。
本发明的一个特点是微粉化炭的生产有利地加快了气化过程并减少了系统污染。炭制备系统104由从固体燃料进料系统102接收的固体燃料制备微粉化炭，并将其输送至间接气化器106。在固体燃料为煤的实施方案中，炭制备系统104可以接收具有适合于流化粒度的碎煤。在一些实施方案中，流化粒度小于11/4-英寸。
虽然有可能不用炭制备系统104而直接气化煤或其它固体燃料，但在有些系统中，优选的是首先将煤转化为炭，然后在间接气化器106中气化炭。这是因为由于煤颗粒内部的大部分受热解已经中空，所以炭比煤脆得多。热解产生具有一系列几何形状的炭颗粒。炭颗粒的几何形状可包括薄壳小球。这些炭颗粒也可以为“瑞士奶酪”类形状，有孔穿过所有材料的一部分。中空的几何结构使得炭颗粒破碎成比煤更小的碎片。很容易获得小于8微米的颗粒。例如，一些粉碎的炭颗粒的直径可能只有1/10。微粉化炭颗粒的小粒径(10-20微米)使气化加速。本发明应用微粉化炭的第二个特点是它具有非润湿特性。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，而不是相互或与其它表面碰撞。
本发明的一个特点是在一些实施方案中，将微粉化炭与挥发性物质脱除器中产生的挥发性物质一起直接提供给间接气化器。本发明的间接气化器106由微粉化炭产生合成气。间接气化器106是常用的。正如图1所示，间接气化器106中的反应热通过在一个室108中的燃烧产生，气化在气化器/燃烧器108的另一个室107中进行。燃烧室108也可称为燃烧器。气化室107也可以称作气化器。从每个室流出的气体保持分离。气化所需的室之间的热传递由循环热固体提供。热固体在燃烧室108中加热，从而向气化室107提供热量。在一些实施方案中，热循环固体为流动的耐高温砂。
间接气化可以消除对氧气装置(也称为空气分离装置(ASU))的需求，同时仍能生产不含氮的合成气，用于针对图1所示的带有碳捕集的全蒸汽气化系统中的燃料生产。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的氮气污染合成气。间接气化是有利的，因为它提供了用于生产化学品的气化系统在效率和成本方面的提高。使用这里描述的应用煤作固体燃料的间接气化器106的实施方案的另一个特征是在燃烧室中使用氢气，通过完全燃烧提供气化热，使煤中的所有碳均用于生产合成气燃料。
气化室107接收来自炭制备系统104的蒸汽、微粉化炭和挥发性物质。这些物质用于气化器中。燃烧室108接收氧化剂和H2。气化室107也可以应用来自固体燃料液化系统120的甲烷。燃烧室108产生蒸汽和氮气作为燃烧产物，和将它们供应给燃烧产物系统110。间接气化器106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的热合成气冷却至适合于合成气清洁系统114的温度。合成气清洁系统去除污染物并将合成气送至碳捕集反应器116中。碳捕集反应器116产生的CO2被输送至管线。碳捕集反应器116也产生氢气和/或高氢合成气。
本发明的一个特点是系统中热量的有效再利用。集成的高温热回收系统118提供气化器蒸汽，并且还可为用于发电的蒸汽透平提供节流蒸汽。热回收系统118有效地回收在碳捕集反应器116中来自水煤气变换反应的高温热。在各种实施方案中，热回收系统118可针对具体用途进行优化。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使用由热回收系统118提供的热量。本发明的带有碳捕集的全蒸汽气化系统100中热回收系统118有效地回收和再利用来自高温系统的热量。热回收系统118的一些实施方案组合了炭冷却器、燃烧器产物、氢气冷却器、CO2冷却器、合成气冷却器、热气体清洁单元换热器和燃气轮机热回收蒸汽发生器。
本发明的一个特点是除了发电外还能生产化学品如液体燃料、甲醇、氨和脲。由碳捕集反应器116产生的氢和/或高氢合成气被送至固体燃料液化系统120。在一些实施方案中，固体燃料液化系统120使用常规的费-托反应器。
在一些实施方案中，固体燃料液化系统120有利地通过应用控制阀122控制绕经碳捕集反应器116的旁路提供对氢气与一氧化碳比的附加调节。这种旁路控制调节氢气与一氧化碳的比，以适合所要产生的特定化学品的化学需求。旁通气体越多，CO与H2的比越高，反之亦然。可以将甲烷再循环到碳捕集反应器116中，在其中被蒸汽重整为氢气。由固体燃料液化系统120循环甲烷消除了从产品中脱除甲烷通常需要的成本较高的分离技术如低温冷却。由碳捕集反应器产生的高氢合成气可以以与联合循环中的任何其它燃料相同的方式使用，同时减少CO2排放。
在本发明系统的一些实施方案中，来自碳捕集反应器116的氢气也被送至发电机组124。本发明的发电机组124可以对烟道气应用烟道气冷凝器，以有利地回收氢气燃烧产生的水分。由于进入发电机组124的氢气量和形成的水量很大，与常规IGCC相比，烟道气冷凝器提供用水量低的系统。发电机组124有利地应用来自燃烧产物系统110的蒸汽和N2。由于合成气清洁系统114效率高，合成气中的二氧化硫含量极低，使其冷凝成为可能。合成气中极低二氧化硫含量有利地消除了否则会发生的烟道腐蚀。本发明的发电机组124也可以具有更大尺寸的蒸汽轮机，以容纳除燃气轮机热回收蒸汽发生器之外的许多蒸汽源。
在常规的整体气化联合循环(IGCC)中，应用来自用于过程空气流的燃气轮机的抽取空气。空气的最佳抽取量取决于经济和运行方面的考虑。与现有技术的发电机组相比，本发明的发电机组124的一些实施方案应用不同量的空气抽取。本发明的发电机组可以用氢气作主要燃料，允许燃烧产物系统110流动蒸汽和氮气，返回发电机组124中的燃气透平以调节氢气火焰温度。因此，空气的最佳抽取量不同于已知的IGCC空气抽取系统。用于多联产用途(包括加热、冷却和发电)的发电机组124的实施方案很可能全部使用与现有技术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需的关键子系统。在这里描述固体燃料煤用来说明本发明的各个方面，但应理解可以使用多种其它固体燃料。另外，正如熟悉现有技术的人所公知的，替代的实施方案可以仅包含图1的实施方案中所示的一些子系统。例如，在只需要电的实施方案中，省略固体燃料液化系统120。在只需要煤液化或固体燃料液化的实施方案中，可根据配置省略发电机组124。
图2描述了本发明的带有碳捕集系统的一般性超临界CO2电力循环的利用空气基燃烧的全蒸汽气化系统200的系统框图。固体燃料进料系统202的一些实施方案接收煤、H2和空气，并排出烟气。同样，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或干固体进料泵。固体燃料进料系统202提供固体燃料至带有挥发性物质脱除器的微粉化炭制备系统204。同样，微粉化炭制备系统204的一些实施方案可以按包括粉碎功能的输送反应器操作，其在出口处产生微粉化炭和挥发性物质。所述挥发性物质包括CH4和H2。微粉化炭制备系统204的一些实施方案由固体燃料进料系统202接收的煤制备微粉化炭，并与挥发性物质一起输送至间接气化器206。在一些实施方案中，微粉化炭制备系统204接收具有适于流化的粒度的粉碎煤。例如，小于11/4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206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，有时称为导流管。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，和通常构造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212，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50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。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相床形成，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204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206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。热解可以产生具有多种不同形状的炭颗粒。例如，炭颗粒形状可以包括薄壳小球。炭颗粒也可以为“瑞士奶酪”类形状，因为相比于煤，中空结构使得炭颗粒比煤粉碎为更小的碎片。很容易获得小于8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可以具有非润湿特征。微粉化炭可以为非润湿的，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。非润湿特性避免了已知应用粉煤作固体燃料的烧煤电力系统中常见的结垢、熔结、结块和腐蚀。
本发明固体燃料气化系统的一些实施方案包括带有挥发性物质脱除器的微粉化炭制备系统204，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、挥发性物质和氢气。间接气化器206的一些实施方案包括含气化室210的容器或气化器，其接收来自微粉化炭制备系统204的微粉化炭和挥发性物质并且接收蒸汽。气化室210的一些实施方案在一个或多个出口处产生合成气、灰分和蒸汽。
间接气化改进了用于发电和产生化学品的气化系统的效率和成本。间接气化器206也包括燃烧器212。燃烧器212也可以被称作燃烧室。燃烧器212的一些实施方案接收和燃烧合成气和空气的混合物，以提供用于气化和POC系统的热量。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212输送至气化器210。
本发明的间接气化器206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206中用于反应的热通过在燃烧器212中的燃烧产生和在气化器210中进行气化。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传递通过循环热固体提供。热固体在燃烧器中加热和在气化器210中通过气化冷却。
应用本发明间接气化器206的一个特点是它使得全蒸汽气化(ASG)成为可能。另外，在燃烧器212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206的一些实施方案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206应用的氧气供应约为现有技术氧气鼓风气化所需要的5％。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206在一个出口处产生提供至合成气冷却器214的合成气。合成气冷却器214的一些实施方案具有连接至间接气化器206的气化器210的出口的入口，其中合成气冷却器214冷却合成气，并在出口处产生蒸汽。合成气冷却器214提供处理后蒸汽216。
合成气冷却器214包括压力容器。在一些实施方案中，合成气冷却器214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214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214的废热的蒸汽透平的效率。合成气冷却器214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214减小了换热器的尺寸和成本。
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200的一些实施方案应用合成气清洁系统220，其具有入口接收来自合成气冷却器214出口的冷却合成气以脱除杂质。所述合成气冷却器214冷却离开间接气化器206的热合成气至合成气清洁系统220所需的温度。在合成气清洁系统220的一些实施方案中，输送脱硫器处理合成气，然后送至脱除灰分的烛式过滤器中。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输送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220的一些实施方案应用图2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220脱除污染物并将合成气送至合成气压缩机222。合成气压缩机222可以是单独的或为超临界CO2电力循环218的一部分。合成气压缩机222压缩合成气至适合于超临界CO2电力循环218供应输入的压力和温度。超临界CO2电力循环218产生二氧化碳和电力。
间接气化器206的第二输出为带有绝热钙回路(ACL)系统的燃烧产物(POC)系统224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。术语“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224的一些实施方案从来自间接气化器206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224来脱除二氧化碳。本发明的POC与ACL组合的系统224有时称作带有变压钙回路的POC。变压钙回路不同于已知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224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224的其它好处包括提供相对高的装置效率，和提供相对高的碳捕集效率。同时，不象已知技术系统中应用的常规胺吸附剂，本发明带有ACL的POC系统224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224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。
另外，本发明带有ACL的POC系统224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224提供膨胀机功(电或机械功)。带有ACL的POC系统224在第二出口处提供蒸汽经冷却器和冷凝器228至烟道。带有ACL的POC系统224也在第三出口处为超临界CO2电力循环218提供二氧化碳。在一些实施方案中，带有ACL的POC系统224为超临界CO2电力循环218提供约3-28PSI和温度通常低于1,800℉的纯CO2物流。
图3描述了本发明的用于带有碳捕集的一般性超临界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所示的本发明的用于带有碳捕集的一般性超临界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2所示的系统。但在图3的用于带有碳捕集的一般性超临界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2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为间接气化器308的气化器312提供微粉化炭和挥发性物质(CH4、H2)。微粉化炭制备系统304的一些实施方案可以按包括粉碎功能的输送反应器来操作，其在出口处产生微粉化炭和挥发性物质。气化器312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产生处理后蒸汽315。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。
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。
间接气化器308的输出为燃烧产物系统(POC)322提供燃烧产物。POC系统322可包括膨胀机透平以提供电力。将燃烧产物系统322的输出提供给超临界CO2电力循环316。在各实施方案中，燃烧产物系统322为特定超临界CO2电力循环提供合适条件的CO2/蒸汽混合物。
图4描述了本发明的包括挥发性物质脱除器402的挥发性物质脱除器和气化器系统400的一个实施方案，所述挥发性物质脱除器402向气化器406直接提供挥发性物质和微粉化炭。挥发性物质脱除器402接收固体燃料404和H2、O2和蒸汽。在包括应用旋转阀的一些实例中，也接收CO2。固体燃料404在挥发性物质脱除器402中通过空气/H2或O2/CO2/合成气的燃烧而加热。挥发性物质脱除器402可以按包括粉碎功能的输送反应器而操作。将由挥发性物质脱除器402产生的挥发性物质和微粉化炭直接提供给气化器406。气化器406向燃烧产物系统输送燃烧产物，然后例如送到发电机组。
图5描述了本发明的间接气化器500的一个实施方案。图5所示的这种间接气化器500的特定实施方案是内部循环流化床(ICFB)。ICFB应用单个压力容器反应器502进行燃烧和气化。这种单个的压力容器反应器502简化了操作并减小了设备尺寸。压力容器反应器502在反应器中心处包括一个任选的立管，也称作导流管504。导流管504中的气体和固体是向上流动的，而降液管521中的固体508以及包围导流管504的固体密相流化床506是向下流动的。设计固体密相流化床506，使其足够深以使煤完全气化，从而释放掉几乎全部的挥发性物质。但应理解一些实施方案不包括导流管504。在这些实施方案的一部分中，导流管位于压力容器外部。
将燃料和燃烧空气注入导流管504的入口处，相比于包围它的密相流化床反应器，减小了其中流动物流的密度。这在导流管的底部产生压差，造成在环状区域中固体密相床506向下流动，在其中被向上流过导流管504的气体所夹带，从而造成热固体绕反应器502内部连续循环。固体密相床506有时也称为环形床。包含固体的固体密相流化床506是相对高密度的耐高温砂508如氧化铝。这些材料的高密度增加了循环流率，并因此可以循环更多量的热量。循环流率可以为燃料(炭)流率的30倍。高的循环流率是想要的，因为这限制了床层材料在由反应器一个区流向另一个区时的温度变化。
间接气化器500使微粉化炭与蒸汽在足够高温度下混合，以使它们转化为氢气和一氧化碳。反应热由气化器500底部燃烧器512中氢气和空气的燃烧提供。燃烧产物迅速地与向下流入混合器的热循环固体混合。然后热固体和燃烧产物的混合物向上流过导流管504。在其顶部，固体落回周围的固体密相流化床506，而燃烧产物通过反应器顶部的排放口514流出。导流管504顶部处的漏斗形状允许形成稀相床516，其阻止了陶析颗粒进入自由空间。
燃烧热保持床层材料为热态，从而提供了气化热，气化发生在环形床或固体密相床506中。固体向下流动，而炭和蒸汽、以及由蒸汽-炭反应制得的氢气和一氧化碳(合成气)向上流动。这些向上流动的气体在反应器502的一侧通过开孔518离开。必须注意离开排放口514和开孔518的两股出口物流永不混合。否则燃烧空气中的氮气将会污染合成气，这对煤液化过程来说是不可接受的。
因为导流管504内物质(包括气体和热固体)的密度小于固体密相床506环形床层中密相流化物质的密度，因此发生反应器502中的循环。这种设置自动维持循环。所述循环固体由高密度耐高温砂508如氧化铝制成以传递热量。需要高密度来提供足够的循环固体流率，以将回路温差限制在可接受水平如约200°F。耐高温砂508足够细，可通过由分配器板520进入的蒸汽、微粉化炭和来自挥发性物质脱除器(图中未示出)的挥发性物质产生的合成气510的流动而流化。
在一些实施方案中，进入导流管504的优选燃料为氢气，而不是炭。这是因为应用氢气消除了用于炭燃烧的清洁系统的需求。在这些实施方案中，氢气和空气在燃烧器中在导流管入口下方点火，然后与循环热固体流混合。然后将燃烧产物、空气和蒸汽导入发电机组用于多种用途。
导流管504的顶部倾斜并沿气化器床层区域延伸。这种结构可以减小死区，并提供沿流化床的均匀流动。向上部降液管521注入少量蒸汽将防止或限制燃烧产物夹带于合成气510中。类似设计下部降液管522，通过维持流率足以克服逆流气体的流动而避免燃烧产物的夹带。在各种实施方案中，可以在各种替代的已知碳捕集系统中吸收和回收在本发明的全蒸汽气化和碳捕集系统的在先反应器中形成的所有二氧化碳。应理解间接气化器的一些实施方案不依赖于导流管504。
图6描述了本发明的用于多联产用途的燃烧产物系统600的一个实施方案。燃烧产物系统600的这个实施方案可以用作本发明各系统的POC元件。例如，燃烧产物系统600可以为针对图1描述的POC元件110的全部或部分、针对图2描述的带ACL的POC系统224的全部或部分或针对图3描述的POC调节元件322的全部或部分。
在用于多联产用途的燃烧产物系统600中，来自间接气化器的燃烧器的N2、蒸汽、灰分和痕量O2物流进入燃烧系统600。在图6所示的实施方案中，氮气、蒸汽和其它材料的物流602拆分为两股物流。拆分比由电力和化学品的需求确定，这对于多联产用途来说是特定的。第一物流流过一个或多个冷却器如冷却器604、606。然后第一物流流入过滤器608和然后至燃气轮机610。第一物流提供用于氢气燃烧的稀释剂，从而控制NOx产生和发电量增加。
当不需要发电时，应用换热器和烛式过滤器系统612使第二物流再生冷却和过滤。然后在膨胀机614中使第二物流泄压以产生电力。第二物流可以流过冷却器616和随后流过烟道。冷凝和循环水分，同时将氮气排放到大气中。图6所示的实施方案代表了可与本发明全蒸汽气化系统整合的POC系统的一个实例。
本发明的一个特征是认识到有可能提供比已知系统更简化的产生微粉化炭并提供给气化器的系统。直接向气化器提供在炭制备系统(包括具有粉碎功能的挥发性物质脱除器)中产生的微粉化炭和挥发性物质，大幅减小了组件的数量、系统的复杂性和依赖全蒸汽气化的固体燃料系统的占地面积。另外，直接向气化器提供在炭制备系统(包括挥发性物质脱除器和粉碎机)中产生的微粉化炭和挥发性物质，在多个出口提供了包括电力和/或化学品的产出，且可以应用碳捕集。这些气化器系统也可以应用氢气作燃料，从而不再需要用于炭燃烧的清洁系统。这些特征支持更简单、更小和更有效的用于清洁发电和多联产的系统。
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 (17)

1.一种含碳燃料气化系统，其包括：
a)微粉化炭制备系统，其包括具有粉碎机功能的输送反应器，接收固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽以提供用于挥发性物质脱除的热量，所述微粉化炭制备系统在出口处产生微粉化炭、蒸汽和挥发性物质；和
b)间接气化器，其包括压力容器反应器，所述压力容器反应器包括：
i)压力容器中的导流管；
ii)环绕导流管的固体密相床；
iii)位于导流管下部的燃烧器，其通过氢气和空气的燃烧提供用于气化反应的热量，和提供流过导流管且在位于压力容器内的排放口离开的燃烧产物；和
iv)分配器板，其接收来自微粉化炭制备系统出口的微粉化炭、蒸汽和脱除挥发性物质的烃，
其中所述间接气化器在一定温度下使微粉化炭与蒸汽混合，从而使它们转化为含氢和一氧化碳的合成气。
2.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述导流管在其顶部区域形成漏斗状。
3.权利要求1的含碳燃料气化系统，还包括在导流管顶部附近设置的开孔，通过该开孔蒸汽-炭反应产生的合成气离开压力容器。
4.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中设置导流管的开孔，通过该开孔蒸汽-炭反应产生的合成气离开压力容器，从而离开排放口的流体物流和离开开孔的流体物流永不相混，由此避免空气污染所产生的合成气。
5.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述间接气化器在一定温度下使微粉化炭与蒸汽混合，从而使它们转化为包含不含氮的氢和一氧化碳的合成气。
6.权利要求1的含碳燃料气化系统，还包括设置在导流管顶部附近的固体稀相床。
7.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述固体密相床包含耐高温砂。
8.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述固体密相床包含氧化铝。
9.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中选择所述固体密相床的密度，以提供循环固体的流率，由此限制绕循环固体回路的温差小于200°F。
10.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中构造所述压力容器，从而使固体密相床的循环流率大于炭进料流率。
11.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中构造所述压力容器，从而使固体密相床的循环流率比炭进料流率大至多30倍。
12.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中所述导流管位于压力容器的中心。
13.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中构造所述微粉化炭制备系统以应用O2/CO2/合成气产生用于挥发性物质脱除的热量。
14.权利要求1的含碳燃料气化系统，其中构造所述间接气化器燃烧器以应用O2/CO2/合成气产生用于气化的热量。
15.一种含碳燃料气化系统，其包括：
a)微粉化炭制备系统，其包括具有粉碎机功能的输送反应器，接收固体含碳燃料、氢气、氧气和流化蒸汽，所述微粉化炭制备系统在出口处产生微粉化炭、蒸汽和挥发性物质；和
b)间接气化器，其包括:
i)压力容器反应器；
ii)固体密相床；和
iii)燃烧器，其通过氢气和空气的燃烧提供用于气化反应的热量，和提供燃烧产物，
其中所述间接气化器在一定温度下使微粉化炭与蒸汽混合，从而使它们转化为含氢和一氧化碳的合成气。
16.权利要求15的含碳燃料气化系统，其中构造所述微粉化炭制备系统以应用O2/CO2/合成气产生用于挥发性物质脱除的热量。
17.权利要求15的含碳燃料气化系统，其中构造所述间接气化器燃烧器以应用O2/CO2/合成气产生用于气化的热量。
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