CZ2004440A3

CZ2004440A3 - Způsob řízení teploty vstupního paliva spalovací turbíny pro dosažení maximálního energetického výstupu

Info

Publication number: CZ2004440A3
Application number: CZ2004440A
Authority: CZ
Inventors: Paul S. Wallace; Kay A. Johnson
Original assignee: Texaco Development Corporation
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-09-15
Also published as: EP1423595A4; PL367787A1; CN1551946A; ZA200401271B; US6588212B1; MXPA04002063A; KR20040032946A; CA2459332A1; JP2005502811A; WO2003023214A1; EP1423595A1

Description

Předložený vynález se týká způsobu řízení teploty vstupního paliva spalovací turbíny pro dosažení maximálního energetického výstupu.

Dosavadní stav techniky

Energetické generátorové systémy, které pracují na bázi integrovaného zplyňovacího kombinovaného cyklu následujícím textu bude tento cyklus označován zkratkou IGCC, která pochází z anglického výrazu Integrated Gasification Combined Cycle ), jsou používány v různých aplikacích po celém světě pro účely generování elektrické energie pomocí procesu zplyňování palivového zdroje. U takovýchto systémů je vytvářen, plynový proud ze surového palivového syntézního plynu, který obsahuje H₂, CO, C0₂ a H₂0. Uvedený plynový proud ze surového palivového syntézního plynu je přitom vytvořen ve zhášecím zplyňovacím reaktoru pomocí částečné oxidační reakce uhlovodíkového paliva s plynem, který obsahuje volný kyslík, přičemž při tomto procesu je běžně používán teplotní moderátor, jakým je například pára.

Vytvořený syntézní plyn je ochlazen pomocí zhášení ve vodě • · za účelem vytvoření proudu zhašeného saturovaného syntézního plynu, přičemž velikosti teplot se pohybují typicky v rozsahu přibližně 450 °F až 550 °F a velikosti tlaku se pohybují v rozsahu typicky přibližně 700 až 1500 psia. Detailnější popis jednoho takového procesu je možné nalézt v U.S. patentu s číslem 5,345,756.

Vytvořený syntézní plyn je poté obvykle ochlazen na teploty o velikostech, které se nacházejí v rozsahu mezi 40 °F až 140 °F, a je vyčištěn v jednotce pro odstraňování kyselého jjiynu _r v\ z-»i i ř? ň tt -S + τ τ ·*7 i 1/- —i 1 *-> π Ρίο r-v r~\ k-N <--s z-’ k-ι « 1/- z—\ vs z-m i e + ΛΗ 1 s~\

JVL-d-Ci v a i ικτ w r couru pro odstranění H₂S a COS z proudu syntézního plynu. Vyčištěný syntézní plyn je smíchán s ředícím plynem, jakým je například dusíkový plyn nebo vodní pára, přičemž poté je přiveden do spalovací komory plynové turbíny za účelem vygenerování elektrické energie. Proudění hmoty ředícího plynu pomáhá zvýšit efektivitu procesu generování elektrické energié a rovněž tak napomáhá snížit podíl N0_x plynů, které jsou vyprodukovány při spalování syntézního plynu ve spalovací komoře plynové turbíny. U IGCC procesů, které jsou známy z dosavadního stavu techniky, je přitom výhodné přehřát směs syntézního plynu / ředidla na její maximální dosažitelnou teplotu, která se obvykle nachází v rozsahu mezi 350 °F a 1000 °F, ještě před tím, než je uvedená směs syntézního plynu / ředidla zavedena do spalovací komory plynové turbíny. Toto ohřátí je přitom obvykle prováděno při vysokém nebo nízkém tlaku páry. Tepelná energie, která je pohlcena směsí syntézního plynu / ředidla v průběhu procesu přehřívání, je zkombinována s chemickou energií, která je uvolněna syntézním plynem v průběhu procesu spalování. Horké plyny, která vznikly • ·

- 3 .při spalování, jsou odvedeny do expandéru / generátoru, který přemění energii, jenž se uvolnila z plynu, na energii elektrickou.

V této souvislosti je potřeba uvést skutečnost, že obvykle je upřednostňován vzduchový a dusíkový integrovaný IGCC systém s ohledem na jeho potenciál při dosahování provozu, který se vyznačuje maximální celkovou účinností. Vzduch je stlačen ve vzduchovém , kompresoru plynové turbíny, který se obvykle nachází podél stejné hřídele, na jaké je umístěn ve výše uvedeném popise zmíněný spalovací plynový expandér. Část stlačeného vzduchu je spálena společně se syntézním plynem ve spalovací komoře plynové turbíny. Zbývající část vzduchu, tedy oddělený vzduch, je ochlazen v proudu ředidla plynové turbíny a je přiveden do vzduchové sěparační jednotky ( v následujícím textu bude vzduchová sěparační jednotka označována zkratkou ASU, jenž pochází z anglického výrazu Air Separation Unit ), která do plynové turbíny dodává kyslík, jenž je používán v průběhu procesu zplyňování, a dusík, jenž je používán jako ředidlo.

V závěr je odpadové teplo z plynové turbíny obvykle použito pro účely vytváření páry, přičemž k tomuto účelu je obvykle použit teplo zachycující parní generátor ( v následujícím textu bude tento teplo zachycující parní generátor označován zkratkou HRSG, která pochází z anglického výrazu Heat Recovery Steam Generátor ). Vyprodukovaná pára je obvykle použita jako teplotní moderátor ve zplyňovací jednotce nebo je použita pro účely přehřátí dodávaného plynu syntézního plynu / ředidla do plynové turbíny, přičemž zbývající množství páry je obvykle použito v parní turbíně pro účely vygenerování další elektrické energie. Různě ...modifikované varianty tohoto obecného procesu, který je znám z dosavadního stavu techniky, je možné nalézt v U.S. patentech s čísly 5,715,671, 5,345,756, 5,117,623 a 5,078,752.

Jak již bylo řečeno ve výše uvedeném popise, v případě IGCC procesů, které jsou již samy o sobě známy z dosavadního stavu techniky, je výhodné zahřát syntézní plyn / ředidlo na jejich maximální dosažitelnou teplotu ještě před samotným spálením v plynové turbíně. Například v U.S. patentu, s číslem 5,715,671 je syntézní plyn zahřát na teplotu o velikosti 390 °C ( 734 °F ) před tím, než je odveden do plynové turbíny, V U.S. patentu s číslem 5,345,756 je syntézní plyn ohřát až na teplotu o velikosti v rozsahu přibližně 350 °F ( 177 °C ) až 100 °F ( 538 °C ) před tím, než vstoupí do spalovací komory. V U.S. patentu s číslem 5,117,623 je upřednostňováno ohřátí syntézního plynu na teplotu o velikosti 200 °C ( 392 °F ). Konečně v U.S.. patentu s číslem 5,078,752 dosahuje syntézní plyn teplot o velikostech, které se nacházejí v rozsahu mezi 1,800 °F až 1,900 °F, nebo podle potřeby teplot až o velikostech, které se nacházejí v rozsahu mezi 2,000 °F a 2,300 °F.

V souladu s dosavadním stavem techniky je ohřívání syntézního plynu prováděno často společně s párou. Pára, která je používána k ohřátí syntézního plynu, proto není k dispozici parní turbíně pro účely přídavného produkce elektrické energie. Navíc při provozních podmínkách s velmi vysokými teplotami okolí je někdy žádoucí přidat určité množství ··»· ·« přídavné páry do syntézního plynu za účelem získání vyššího -energetického výstupu ze spalovací turbíny. V. této souvislosti je ovšem potřeba uvést skutečnost, že uvedené dodatečné přidání páry nepřijatelným způsobem sníží stabilitu plamene. Z ekonomického hlediska je přitom velice podstatné maximalizovat provozní kapacitu, sloužící pro generování elektrické energie, při vysokých teplotách okolí, jelikož cena elektrické energie, která je vyrobena při vysokých okolních teplotách, může být až 100-krát vyšší než cena elektrické energie, která byla vyrobena při. nižších teplotách okolí. Z tohoto úhlu pohledu by proto bylo žádoucí vyvinout TGCC proces, u kterého by byl ve spalovací komoře plynové turbíny používán chladnější syntézní plyn a nikoliv syntézní plyn, který byl předehřát pomocí páry. Díky tomuto konstrukčnímu opatření by potom' bylo k dispozici více páry pro účely generování elektrické energie v parní turbíně.

Podstata vynálezu

Předložený vynález se týká způsobu, u kterého je syntézní plyn a ředící plyn zahřát na teplotu o velikosti, která je přibližně o 100 °F až 200 °F větší než velikost teploty jejich rosného bodu, přičemž maximální teplota má velikost přibližně 350 °F ( 177 °C ) . Do syntézního plynu je přidáno palivo s vysokou mírou výhřevnosti, jakým je například zemní plyn.

Přidání paliva s vysokou mírou výhřevnosti je provedeno za účelem celkové hodnoty výhřevnosti paliva, které je dodáváno do spalovací komory plynové turbíny. S ohledem na nižší teplotu zásobovacího proudu syntézního plynu / ředidla jsou • · · velikosti průtoků zemního plynu a ředidla zvýšeny za účelem zajištěni stálé, hodnoty energetického výstupu plynové turbíny. I když přidání ředidla je nutné z důvodu snížení škodlivých N0_xplynů, které jsou vyprodukovány ve spalovací komoře, uvedené přidání ředidla také snižuje stabilitu plamene ve spalovací komoře. Přidání zemního plynu je používáno za účelem zvýšení míry výhřevnosti a za účelem současného udržení stabilního plamene ve spalovací komoře. Díky tomuto konstrukčnímu opatření je potom možné přidat přídavný ředící plyn do syntézního plynu.

Jelikož zásobovací proud syntézního plynu / ředidla není zahřát na vysoké teploty takovým způsobem, jak je tomu u dosavadního stavu techniky, přebytečná pára, která by jinak ohřívala zásobovací proud, je nyní k dispozici pro generování elektrické energie v parní turbíně. Díky tomuto konstrukčnímu opatření se potom dosáhne zvýšení jejího individuálního energetického výstupu a tedy i zvýšení celkového energetického výstupu IGCC procesu.

Předložený vynález si dále pokládá za úkol navrhnout alternativní použití pro oddělený vzduch. Dusík ze vzduchové separační jednotky, který, je používán jako ředidlo, je obvykle dodáván při teplotě o velikosti 280 °F ( 138 °C ) , přičemž je obvykle zahřát na stejnou teplotu, na jakou je zahřát i syntézní plyn, který je dodáván do spalovací komory plynové turbíny. Syntézní plyn je přitom dodáván při teplotě o velikosti, která se nachází v rozsahu 350 °F ( 177 °F ) až

1000 °F ( 538 °C ) nebo která je dokonce větší. U předloženého vynálezu je nutné ohřát proud ředidla pouze na teplotu o • · · • · ·

100 °F až 200 °F větší než je teplota jeho rosného bodu, přičemž maximální teplota má velikost přibližně 350 °F( 177 °C ). Protože většina tepla z odděleného vzduchu nebude použita pro ohřívání proudu ředidlo plynové turbíny, je možné toto teplo použít k vytvoření k proudu s nízkým až středním tlakem. Takto vytvořené přídavné množství páry může být použito ve zplyňovací jednotce. Díky tomuto konstrukčnímu opatření je potom možné využít více páry z HRSG pro generování elektrické energie v parní turbíně.

pat Π1 CÍi turbínách je možné zvýšit celkovou IGCC energetickou produkci o 5 - 10 %.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 zobrazuje běžný IGCC proces, který je již sám o sobě znám z dosavadního stavu techniky.

Obr. 2 zobrazuje jeden příklad provedení předloženého vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

U předloženého vynálezu je nejprve zakoupeno palivo s obsahem uhlíku, přičemž uvedené uhlíkaté palivo je poté připraveno pro přivedení do zplyňovacího reaktoru. Palivem s obsahem uhlíku může být jakýkoliv pevný, kapalný nebo plynný ·· ···· '44 4 • · hořlavý organický materiál, který je možné použit jako výchozí surovinu pro proces zplyňováni pro účely zajištění produkce· syntézního plynu. Výchozí surovinou pro proces zplyňování je obvykle uhlovodíkový materiál, který se skládá z jednoho nebo z většího počtu základních materiálů, který je obvykle organické povahy a který představuje zdroj vodíku a uhlíku pro reakce, které probíhají v průběhu procesu zplyňování. Uhlovodíkový materiál může nabývat plynného, kapalného nebo pevného skupenství nebo se podle potřeby může nacházet v kombinovaném skupenství. Jako příklad uvedeného kombinovaného skupenství je možné uvést například kapalně-pevné skupenství ve zkapalnělém stavu.

Fáze přípravy zásobovacích dodávek ovšem nemusí být nutná a její realizace závisí na složení a fyzikálním charakteru výchozích surovin. V této souvislosti je přitom obecně možné říci, že pevná paliva s obsahem uhlíku je potřeba zkapalnit s olejem nebo vodou před samotným přivedením do zplyňovacího zařízení. Kapalná a plynná paliva s. obsahem uhlíku mohou být vhodná pro přímé přiváděné do zplyňovacího zařízení, nicméně před samotným zavedením do zplyňovacího zařízení je možné je přípravně zpracovat za účelem odstranění jakýchkoliv nečistot, které se mohou nacházet v dodávaných surovinách.

Pod pojmem kapalné uhlovodíkové' palivo, ve výše uvedeném popise pro označení výchozích surovin, se přitom rozumí mimo který byl používán různých vhodných jiné také kapalné uhlovodíkové materiály, které je možné přečerpávat, a kapalné směsi pevných materiálů s obsahem uhlíku, které je možné přečerpávat, a jejich směsi. Vhodnou výchozí surovinou je ·· ···· ·· · například vodný roztok pevných paliv s obsahem uhlíku, které je možné přečerpávat. V této. souvislosti je přitom v podstatě možné říci, že pro definici pojmu kapalný uhlovodíkový je možné použít v podstatě jakýkoliv hořlavý kapalný organický materiál s obsahem uhlíku nebo jeho směsi. Mezi vhodné výchozí suroviny přitom patří například:

1. směsi pevných paliv s obsahem uhlíku, jakým je například uhlí, částicový uhlík, ropný koks, koncentrované drenážní kaly a jejich směsi, v

OCípctXj- uG-Í-íiGÍll KapaχΠΘΙΓι ΓιΟ5ΠΘΓΓι ϊΐίθύ1ίΙ_ζ játRym jS například voda, kapalný C0₂, kapalné uhlovodíkové palivo a jejich směsí;

2. kapalné palivové výchozí suroviny s obsahem uhlíku, které jsou vhodné pro zplyňovacího zařízení a mezi které patří různé materiály, jakým je například zkapalněný ropný plyn, ropné destiláty a rezidua, benzín, nafta, letecký petrolej, surová ropa, asfalt, topný olej, reziduální olej, olej z písku, jenž je přírodně impregnován ropou, a břidlicový olej, olej, jenž je získán z uhlí, aromatické uhlovodíky ( jakými jsou například frakce benzenu, toluenu a xylenu ), kamenouhelný dehet, frakční topný olej, získaný pomocí kapalného katalytického

krakovacího procesu,	furfurální směsi;	extrakt	koksového
topného oleje	a jejich
3. přičemž . pro	účely	definice	pojmu	kapalný
uhlovodíkový	je možné použít	rovněž	okysličené

·· *

- · · · • · · · · · * · · · · ♦*·· • · · · · · * ΛΛΛ Λ

·· uhlovodíkové organické materiály, mezi které patří například uhlovodíky, celulózní materiály, aldehydy, organické kyseliny, alkoholy, ketony, okysličený palivový olej, odpadové kapaliny a vedlejší produkty, jenž vznikly při procesech, u kterých byly použity okysličené uhlovodíkové organické materiály, a jejich směsi.

Mezi plynná uhlovodíková paliva, která mohou být spálena ve zplyňováním zařízení a to buď samostatně nebo společně š kapalným uhlovodíkovým palivem, patří odpařený kapalný zemní plyn, vypouštěný rafinérní plyn, Ci - C₄ uhlovodíkové plyny a odpadové plyny s obsahem uhlíku, které pocházejí z různých chemických procesů.

Pro provedení fáze .přípravy dodávaných materiálů ( pokud je samozřejmě použita ) je palivo s obsahem uhlíku přivedeno do zplyňovacího reaktoru nebo do zplyňovacího zařízení. Ve zplyňovacím zařízení je palivo s obsahem uhlíku sloučeno s reaktivním plynem s obsahem volného kyslíku. Pod uvedeným pojmem plyn s obsahem volného kyslíku se rozumí vzduch, kyslíkem obohacený vzduch, tedy vzduch s obsahem kyslíku větším než 21 molových % 0₂, a v podstatě čistý kyslík, tedy kyslíková směs s obsahem kyslíku větším než přibližně 90 % molových procent kyslík ( zbývající část směsi je obvykle tvořena N₂ a vzácnými plyny ) . V této souvislosti je přitom potřeba uvést, že je upřednostňován v podstatě čistý kyslík, jakým je například kyslík, který je vyprodukován vzduchovou separační jednotkou ( v následujícím textu bude tato vzduchová

separační jednotka označována zkratkou ASU, která pochází z anglického výrazu Air Separation Unit ) , Částečná oxidace uhlovodíkového materiál je s výhodou dokončena za přítomnosti teploty řídícího moderátoru, jakým je například pára, ve zplyňovací oblasti za účelem získání horkého syntetického plynu nebo syntézní plyn. V této souvislosti je přitom potřeba uvést, že v tomto dokumentu jsou používány pojmy syntézní plyn a syntetický plyn, které je z pohledu jejich smyslu možné vzájemně zaměňovat v celém rozsahu tohoto dokumentu.

Potřeba použití teplotního moderátoru pro řízení teploty v reakční zóně plynového generátoru přitom obecně řečeno závisí na poměrech obsahu uhlíku a vodíku ve výchozích surovinách a na obsahu kyslíku v proudu oxidačního činidla. Teplotní moderátor se přitom běžně používá v souvislosti s kapalnými uhlovodíkovými palivy s v podstatě čistým kyslíkem. Voda nebo pára přitom představují upřednostňované teplotní moderátory. Pro účely realizace funkce teplotního moderátoru může být přivedena pára bud’ v podobě přísady do jednoho proudu s jedním odpovídající reaktantem nebo v podobě přísady do obou proudů s odpovídajícími reaktanty. Teplotní moderátor přitom může být zaveden do reakční zóny plynového generátoru pomocí samostatných potrubí, která se nachází v zásobovacím vedení. Mezi jiné teplotní moderátory přitom patří také plyn s vysokým obsahem C0₂, dusík a recyklovaný syntetický plyn.

Zplyňovací reaktor obecně obsahuje reakční zónu, které je vyrobena z vertikální ocelové tlakové nádoby, která má válcový

Φ· ·· • φ φ φ φ φ φ φ

- 12 tvar a která je spojena s odolnou zhášecí komora, jakým je například komora,, která je popsána v U.S. patentu s číslem 2,809,104, na kterou se předložený vynález tímto odkazuje. Pro účely přivádění zásobovacích proudů do reakční zóny může být použito zásobovací vedení, jaké je popsáno například v U.S. patentu s číslem 2,928,460, na které se předložený vynález tímto odkazuje. Reaktanty, které se nachází v reakční zóně zplyňovacího zařízení, běžně dosahují teplot o velikostech, které se nachází v rozsahu přibližně 1,700 °F ( 927 °C ) až

3,000 °F ( 1649 °F ), přičemž uvedené teploty se typičtěji rozsahu velikostí od přibližně

2,000 nabývá tlak, atmosfér ( 1093 °F ) do 2,800 °F ( 1538 °C ) . Tlak se přitom typicky nachází v rozsahu velikostí od přibližně jedné atmosféry ( 101 kPa ) do přibližně 250 atmosfér ( 25331 kPa .) , přičemž mnohem typičtěji se tlak nachází v rozsahu velikostí od přibližně 15 atmosfér ( 1520 kPa ) do přibližně 150 atmosfér ( 15,199 kPa ), přičemž nejtypičtější velikosti, kterých se nachází v rozsahu hodnot od ' přibližně ( 6080 kPa ) do přibližně 80 atmosfér ( 8106 kPa ,). Viz U.S. patent s číslem 3,945, 942, který popisuje konstrukční uspořádání zásobovacího vedení pro částečnou oxidaci. Dále viz U.S. patent s číslem 5, 656, 044, který popisuje způsob a zařízení pro zplyňování organických materiálů. Rovněž také viz U.S. patenty s čísly 5,435,940, 4,851,013, a 4,159,238, .který popisují několik z mnoha zplyňovacích procesů, které jsou známy z dosavadního stavu techniky. Předložený vynález se tímto odkazuje na celý rozsah patentových dokumentů, zmíněných ve výše uvedeném popise.

-4

Horký syntetický plyn nebo syntézní plyn, který představuje produkt procesu zplyňování, obsahuje oxid· uhelnatý a vodík. Mezi další materiály, které je možné často nalézt v syntetickém plynu, patří sirovodík, oxid uhličitý, čpavek, kyanidy a částice v podobě uhlíku a stopových kovů. Celkový obsah znečisťujících látek v přiváděných materiálech je určován druhem přiváděných materiálů a konkrétním typem použitého zplyňovacího procesu, přičemž rovněž závisí na panujících provozních podmínkách. V každém případě je však upřednostňováno takové odstranění uvedených znečisťujících látek, které nežádoucím nebo neúnosným či nepraktickým způsobem nezkomplikuje dosavadní charakter proces zplyňování, přičemž odstraněni kyselých plynů ( jakými jsou například C0₂ a H₂S ) je považováno za velmi žádoucí a'výhodné.

V průběhu odvádění syntetického plynu ze zplyňovacího zařízení je uvedený syntetický plyn veden přes zplyňovací zhášecí komoru pro účely čištění. Turbulentní podmínky, které panují ve zhášecím bubnu a které jsou způsobeny velkými objemy plyny, jenž probublávají vodou, pomáhají odstranit pomocí vody podstatnou část pevných látek, které se nacházejí v odpadním plynu. Ve zhášecí komoře dojde k vytvoření velkého množství páry, která saturuje proud syntézního plynu.· Proud surového plynu je ochlazen ve zhášecím bubnu a je z bubnu odváděn při teplotě o velikosti v rozsahu hodnot přibližně od 350 °F do 600 °F ( přibližně 175 °C až 315 °C ) - například v rozsahu hodnot přibližně od 450 °F do 550 °F (. přibližně 230 °C až

290 °C ). Tlak se přitom nachází v rozsahu hodnot od přibližně 500 do 2500 psia - například okolo hodnoty 1000 psia. V této souvislosti rovněž uveďme, že čerstvá zhášecí ·· • · · · voda je s výhodou tvořena směsí běžné vody a kondenzované vody, která byla následně vyprodukována v rámci uvedeného procesu.

Syntézní plyn může být podle potřeby podroben dalším procesům chlazení a čištění, které jsou zahrnují pročišťovací techniky, u kterých je syntézní plyn zaveden do pročišťovacího zařízení a přiveden do kontaktu s vodním sprejem, který dále ochladí syntézní plyn a který rovněž odstraní částice a iontové složky ze syntetického plynu. Na počátku ochlazený plyn je ještě před tím, než bude použít jako syntetický plyn, podroben procesu odstraňování síry.

Syntetický plyn je poté přiveden do jednotky pro odstraňování kyselého plynu, díky čemuž je možné odstranit sirné znečišťující látky ze syntézního plynu. Jednotky pro odstraňování kyselého plynu, které slouží pro zpracování syntetického plynu a které obvykle používají aminová nebo fyzikální rozpouštědla, odstraňují kyselé plyny ze smíšeného proudu syntetického plynu / čistícího plynu, přičemž zejména odstraňují sirovodík. Jednotky pro odstraňování kyselého plynu jsou běžné provozovány při nízkých teplotách. Poté, co je syntetický plyn ochlazen pod teplotu o velikosti přibližně 130 °C, s výhodou pak pod teplotu o velikosti přibližně 90 °C, je možné jednoduchým způsobem odstranit znečisťující látky z plynu, zejména pak je možné jednoduše odstranit sloučeniny síry a kyselé plyny. Syntetický plyn je přiveden do styku s rozpouštědlem ve slučovacím zařízení pro odstraňování kyselého plynu. Uvedeným slučovacím zařízením přitom může být jakékoliv slučovací zařízení, které je známo z dosavadního

- 15 stavu techniky a mezi která patří pásové nebo stupňové kolony, ’rovoz slučovacího zařízeni pro odstraňování kyselého plynu je sám o sobě již dobře znám z dosavadního stavu techniky. Sirovodík z jednotky pro odstraňování kyselého plynu obvykle slouží jako výchozí surovina pro proces pro zpětné získání síry, přičemž jakékoliv množství zpětně získaného oxidu uhličitého je vypuštěno do atmosféry.

Syntézní plyn může být poté použit pro generování elektrické energie. Syntézní plyn je pouze mírně přehřát o přibližně 100 °F až 200 °F nad teplotu svého rosného bodu nebo maximálně na přibližně 350 “F, což se liší od ohřátí na svou maximální teplotu, jak je tomu u způsobů podle dosavadního stavu techniky, u kterých jsou někdy přesahovány teploty o velikostech i přes 1000 °F. Syntézní plyn je . poté spálen a spálený plyn je odveden za účelem vygenerování elektrické energie elektrickým generátorem, které je poháněn expanzní turbínou. Hodnota výhřevnosti a složení syntézního plynu představují důležité faktory, které je potřeba zvážit v situaci, kdy zamýšlíme použít daný syntézní plyn pj výroby elektrické energie. Proto může dojít k situaci, kdy je za účelem zvýšení hodnoty výhřevnosti zásobovacího proudu, který je přiváděn do spalovací komory, potřeba použít přídavné palivo s vysokou hodnotou výhřevnosti a přidat jej k syntéznímu plynu. Uvedeným . palivem s vysokou hodnotou výhřevnosti přitom může být například zemní plyn.

Doplnění palivového syntézního plynu plynové turbíny pomocí nehořlavého plynného nosného média pro teplo nebo ředícího • · c* • · * · plynu,, jenž přivádí odpadové teplo do plynové turbíny, zvýší celkovou účinnost plynové turbíny. Podobným nehořlavým nosným médiem pro teplo můž-e být plyn, jakým je například dusík nebo oxid uhličitý, nebo vodní pára, která je buď přímo vypařena do palivového plynu v saturačním zařízení nebo je přivedena přímo v podobě páry. Přídavný proud nehořlavého plynu přitom umožňuje, aby směs hořlavého palivového plynu a nehořlavého plynu pohltila větší množství tepla při dané teplotě a tedy aby přinášela více tepla do plynové turbíny. Díky tomuto konstrukčnímu opatření se přitom zvýší celková účinnost ředícího plynu, dodávaných do spalovací komory, je možné v průběhu dané časové jednotky dodávat větší množství plynu do spalovací komory pro dosažení stejného objemového průtoku plynu. Větší průtok hmoty plynu tedy umožňuje dosáhnout přivedení dodatečného přídavného tepla do spalovací komory, díky čemuž dojde k pokrytí určitých latentních tepelných ztrát, které je možné očekávat v průběhu procesu dodávání plynu při uvedení nižší teplotě. V souvislosti s touto skutečností je v tuto chvíli potřeba konstatovat, že bylo zjištěno, že pro výrobu elektrické energie je možné použít páru, která by v jiném případě pouze ohřívala syntézní plyn a / nebo ředící plyn. Díky tomuto konstrukčnímu opatření se přitom zvýší celková účinnost jednotky pro výrobu elektrické * energie.

Díky nehořlavému plynu je také možné docílit i jiných výhody, jakými jsou například snížení teploty plamene ' a snížení produkce N0_x plynů. Díky zavedení saturovaného N₂ a saturovaného . palivového plynu je koncentrace oxidů dusíku • · · · • · ( ΝΟχ ) ve výfukových plynech v podstatě nulová - pod 20 ppm ( obj.. ) v suchém 15 % O₂ základu. Dusík je obvykle přehřát na teplotu, která je podobná teplotě syntetického plynu, který je přiváděn do spalovací komory. Díky předloženému vynálezu je proto možné podstatným způsobem snížit množství energie, které je potřebné k ohřátí dusíku, jelikož ohřívání bude prováděno tak, aby se odpovídající plyny ohřály na přibližně 350 °F nebo méně namísto až 1000 °F nebo i více.

Do zásobovacího proudu spalovací komory je také běžně který je poháněn koaxiální expanzní turbínou, která společně se spalovací komorou tvoří základní části plynové turbiny... Stlačený vzduch vstupuje do spalovací komory při teplotách o velikostech v. rozsahu přibližně 400 °F až 850 °F ( přibližně 425 °C až 455 °C ) a při v podstatě stejném tlaku, jaký má syntézní plyn a ředící plyn. Část stlačeného vzduchu může být zavedena do vzduchové separační jednotky ( ASU ) , která potom bude na základě této vstupní suroviny bude dodávat kyslík, který je určený pro fázi zplyňování, a dusíkové ředidlo do plynové turbíny. Před zavedením do ASU je ovšem možné část stlačeného vzduchu z proudu pro ASU.použít pro ohřátí proudu dusíkového ředidla na jeho požadovanou teplotu. Jelikož k ohřátí N₂ je potřeba mnohem nižší množství tepla, je podstatná část vzduch nyní k dispozici pro generování páry pro využití v roli teplotního moderátoru ve zplyňovacím reaktoru. Uvedenou podstatnou část vzduchu je rovněž možné využít k předehřátí proudu syntetického plynu, přiváděného do spalovací komory, nebo je možné ji použít pro přídavnou produkci elektrické energie v parním cyklu IGCC procesu. S ohledem na výše uvedené • · · · · · « • · φ · i Φ Φ « tb β Φ · * skutečnosti je proto možné říci, že větší množství páry, vyprodukované v následujícím teplo zachycujícím parním generátoru, je nyní s výhodou možné použít k výrobě elektrické energie.

ASU je používána pro účely rozdělování vzduchu na, samostatné proudy, které obsahují v podstatě čistý plynný kyslík a plynný dusík. Část nebo všechen plynný dusík je saturovaný pomocí vody, mírně přehřát a poté je přiveden do spalovací komory plynové turbíny, přičemž do spalovací komory plynu a se zemním

Ί, <r*\ -X i ťt A, H.

uwjjtxc; jjxxvaucu částečnou oxidaci jedním průchodem.

plynem. Proud plynného kyslíku z ASU je

H/-X UX-v-> < Ί , -· ~ Λ j______ — rcdACiii z-kjny p_Ly iikj v ciikj y entd r ct uui u pj_u pomocí prstencovitého zásobovací vedení s

Horký výfukový plyn, který je odváděn z oblasti expanzní turbíny, je před tím, než je vypuštěn do atmosféry, proveden běžným teplo zachycujícím parním generátorem ( v následujícím textu bude tento teplo zachycující parní generátor označován zkratkou HRSG, která pochází z anglického výrazu Heat Recovery Steam Generátor ). V HRSG je přitom produkována pára pro pohánění běžné parní turbíny, která obsahuje vzájemně propojenou soustavu, jenž se skládá z vysokotlaké expanzní turbíny a koaxiální střední expanzní turbíny, přičemž v uvedené jednotce je také produkována pára, které je potřebná pro zajištění chodu celého procesu. Přehřátá vysokotlaká pára, která byla vyprodukována v HRSG, může být přivedena do vysokotlaké expanzní turbíny ( v následujícím textu bude tato vysokotlaká expanzní turbína označována zkratkou HPT, která «ϊ φ φ · φφφ φ φ φ φ« pochází z anglického výrazu High Pressure Expansion Turbině ) za účelem, generování elektrické energie; Středotlaká výfuková pára opouští HPT, přičemž může být rovněž přehřátá v HRSG, a je přiváděna do středotlaké expanzní turbíny ( v následujícím textu bude tato středotlaká expanzní turbína označována zkratkou IPT, která pochází z anglického výrazu Intermediate Pressure Expansion Turbině ) za účelem generování přídavné elektrické energie. Produkce elektrické energie, u které je využívána pára, je velmi podobná produkci elektrické energie, která je založena na spáleném plynu. Expandující psia je ¥suen2 expanzními turomami, pricernz pohání elektrické generátory za účelem vygenerování elektrické a n o i* fn

Část vyprodukované páry přitom může být potřeba použít k zahřátí proudu syntézního plynu a / nebo ředidla nebo může být potřeba ji použít pro zavedení do zplyňovacího reaktoru jako teplotního moderátoru. Jinou, možností využití části vyprodukované páry může být její přidání do spalovací komory plynové turbíny jako ředidla. Protože teplotní požadavky uvedených proudů syntézního plynu a ředidla jsou mnohem nižší a protože horký vzduch k dispozici jak pro účely ohřívání proudu ředidlo, tak i pro účely produkce přídavné páry, je větší množství páry k dispozici pro účely jejího použití v parních turbínách pro účely produkce elektrické energie.

Obr. 1 zobrazuje běžný IGCC proces, který je v souladu s dosavadním stavem techniky. U tohoto procesu je syntetický plyn 2, který je obvykle vyprodukován ve zplyňovacím reaktoru, jenž je sám o sobě již znám z dosavadního stavu techniky, a který je vyčištěn ž důvodů odstranění jakýchkoliv sirných • · · * ©· ,·· ·' © · · · · * ϊ · V * i e © © · e · · © · • ·· ©

sloučenin, jenž se nachází v syntetickém plynu, předehřát v .tepelném výměníku £ za pomoci páry 4 3 na (svou maximální dosažitelnou teplotu, který obvykle činí 1000 °F nebo i více. Zahřátý syntetický plyn 6 je podle potřeby sloučen se zemním plynem £, přídavnou párou 9 a zahřátým dusíkem 14, který je saturován vodou, přičemž uvedené přídavné substance jsou obvykle zahřátý na v podstatě stejnou teplotu, na kterou je zahřát i syntetický plyn. Lze obecně konstatovat, že zahřátý dusík 14 je dodáván ze vzduchové separační jednotky ( nezobrazeno na doprovodných obrázcích ) s teplotou o i j r i í tří i . LUXUVClii v uuuu přičemž je dodáván v podobě saturovaného dusíkového proudu 10.

Uvedený dusík je zahřát pomocí výměníku 12, přičemž dále může výměníku 15 tak, aby dosáhl plynu. Kombinace syntetického plynu £ a zahřátého dusíku se stlačeným vzduchem 30 do turbíny.

horkého vzduchu 31 v tepelném být za pomocí páry ohříván ve zvýšené teploty syntézního plynu 6, přídavného zemního je přivedena ve spojení spalovací komory 16 plynové

Výsledný spálený plyn 18 expanduje v expandéru 20, který pohání hřídel 22. Hřídel 22 umožňuje produkci elektrické energie v generátoru 24, stejně tak jako umožňuje stlačování vzduchového proudu 26. Vzduchový proud 26 je stlačen v kompresoru 28, který je spojen s hřídelí 22. Část stlačeného vzduchu 30 je přivedena do Spalovací komory, díky čemuž je dodáván kyslík pro spalování syntetického plynu. Zbývající část stlačeného vzduchu 31 je používána pro rychlé ohřívání dusíkového proudu 10, přičemž poté je obvykle odvedena pomocí vedení 32 do vzduchové separační jednotky, která byla zmíněna ·· · v

- 21.

« Φ · < s * » » 4» · 9

9 ·· ·» • · '9 9

9 9999 * « e» ·.

ve výše uvedeném popise.

Pro provedení expanze v expandéru 20, jsou spálené plyny odvedeny pomocí vedení 34 do teplo zachycujícího parního generátoru 36 ( HRSG ), přičemž poté jsou vypuštěny do atmosféry pomocí komínu 38. ^u tohoto systému je ohřátá voda 66 přeměněna na páru 40 za pomocí tepla, uvolněného ze spálených plynů 34. Určité množství páry je poté posláno vedením 41 do zplyňovací jednotky, aby zde působilo ve funkci teplotního moderátoru. Část páry 42 je použita k předehřátí syntetického spalovací komory, zatímco zbývající část 44 páry expanduje v elektricko cucx y -L č generátoru 50. Expandovaná pára 52 zkondenzuje ve výměníku 54 a je sloučena se zkondenzovanou párou 62, která byla použita pro předehřátí syntetického plynu. K proudu zkondenzované páry je přidána ohřátá voda 64, přičemž výsledný proud je pomocí vedení 66 přiveden zpět do HRSG 36.

Obr. 2 zobrazuje jeden příklad provedení předloženého vynálezu. Za účelem zjednodušení přiložených doprovodných obrázků a popisu předloženého vynálezu jsou na obr. 2 označovány konstrukční součásti, které odpovídají konstrukčním součástem podle obr. 2, pomocí vztahových značek se stejným čísly. U způsobu podle obr. 2 je syntetický plyn 2 obvykle vyprodukován ve zplyňovacím reaktoru, jenž je sám o sobě již znám z dosavadního stavu techniky, a je vyčištěn z důvodů odstranění jakýchkoliv sirných sloučenin, jenž se nachází v syntetickém plynu. Syntetický plyn ovšem není předehřát na svou maximální dosažitelnou teplotu, nýbrž je zahřát teplotu, * * · · « • * '· > 4) » i *

která je o 100 °F až 200 °F větší než teplota jeho rosného

bodu,	nebo	je	ohřát	na maximální teplotu, je	jíž velikost je
přibližně	350	°F. Proto není nutné používat	přídavnou páru,
která	by	v	j iném	případě byla použita	k předehřátí

syntetického plynu na mnohem vyšší teplotu, nýbrž je možné tuto páru použít k produkci elektrické energie. . Syntetický plyn 6 je sloučen se zemním plynem 8ý přídavnou párou 9. ^azahřátým dusík 14, který je saturován vodou, přičemž uvedené přídavné substance jsou obvykle zahřátý na. v podstatě stejnou teplotu, na kterou je zahřát i syntetický plyn. Lze obecně

Λ. kj i i í> L- O- L- V J v O. i dusík 14 je dodáván ze vzduchové separační jednotky ( nezobrazeno na doprovodných obrázcích ) s teplotou o velikosti přibližně 280 °F, přičemž je saturován vodou ( nezobrazeno na doprovodných obrázcích ) a přičemž je dodáván v podobě saturovaného dusíkového proudu 10. Uvedený dusíkový proud je poté zahřát pomocí horkého vzduchu 33 v tepelném výměníku 12, . přičemž dále může být za pomocí páry ohříván ve výměníku 15. Parní ohřívání dusíku již není potřeba, protože dusík může být dodáván do spalovací komory při nižších teplotách. Kombinace syntetického plynu 6, zemního plynu 8_, přídavné páry 9 a zahřátého dusíku 14 je přivedena ve spojení se stlačeným vzduchem 30 do spalovací komory 16 plynové turbíny.

Výsledný spálený plyn 18 expanduje v expandéru 20, který pohání hřídel 22. Hřídel 22 umožňuje produkci elektrické energie v generátoru 24, stejně tak jako umožňuje stlačování vzduchového proudu 26. Vzduchový . proud 26 je stlačen v kompresoru 28, který je spojen s hřídelí 22. Část stlačeného vzduchu 30 je přivedena do spalovací komory, díky čemuž je * Φ ·

Φ · ·

Φ Φ ΦΦΦΦ dodáván kyslík pro spalování syntetického plynu. Zbývající část stlačeného vzduchu 31 je poté zpracována za účelem zpětného získání přebytečného tepla ve stlačeném vzduchu. Část stlačeného vzduch 33 je přitom použita pro ohřátí dusíkového proudu 10. Jelikož není potřeba ohřívat dusík na tak vysokou teplotu, jak je tomu v případě způsobu, který je znám z dosavadního stavu techniky, je díky této skutečnosti určité množství horkého stlačeného vzduchu k dispozici pro účely produkce páry. Druhá část stlačeného vzduchu 31 proto v tepelném výměníku 35 vymění své teplo s ohřátou vodou 68. Díky tomuto konstrukčnímu opatření je vyprodukována přídavná pára 70, kterou je možné použít ve zplyňovacím reaktoru nebo pro účely předehřátí syntézního plynu, jenž je dodáván do spalovací komory, čímž se nahradí cenná pára, která je používána pro účely generování elektrické energie a která je u způsobů, jenž jsou známy z dosavadního stavu techniky, používána k jiným účelům než ke generování elektrické energie. Poté, co je uvedená pára použita jako přenosové médium pro teplo, je poté vzduch přednostně přiveden pomocí vedení 32 do vzduchové separační jednotky, která již byla zmíněna ve výše uvedeném popise.

Pro provedení expanze v expandéru 20, jsou spálené plyny odvedeny pomocí vedení 34 do teplo zachycujícího parního generátoru 36 ( HRSG ), přičemž poté jsou vypuštěny do atmosféry pomocí komínu 38 . U tohoto systému je ohřátá voda 69 přeměněna na páru 40 za pomocí tepla, uvolněného ze spálených plynů 34 . Množství páry, které je potřeba k předehřátí syntetického plynu, je sníženo nebo dokonce zcela odstraněno, pokud je parní proud 7 0 používán k předhřívání syntetického plynu. I když může být potřeba dodat páru do zplyňovacího zařízení pomocí vedení 41, může být tato dodávka nahrazena pomocí parního proudu 70. Nicméně v této souvislosti je potřeba říci, že určité množství páry _9 může být v podobě parního proudu stále dodáváno do spalovací komory 16 plynové turbíny za účelem maximalizace jejího energetického výstupu. Nicméně bez ohledu na tento fakt podstatná část vyprodukované páry expanduje v expandéru 46 za účelem produkce elektrické energie v generátoru 50. Expandovaná pára 52 zkondenzuje ve výměníku 54 a je sloučena s ohřátou vodou 64, přičemž výsledný proud je sloučen s proudem zkondenzované páry a pomocí vedení 66 přiveden zpět do HRSG 36. Část ohřáté voda je pomocí vedení 68 přivedena do výměníku 35, kde je přeměněna na páru 70 pomocí vzduchovéhoproudu 31 s horkým stlačeným vzduchem. Páru 70 je potom možné použít ve zplyňovacím reaktoru nebo je možné ji použít pro předehřátí dodávek syntetického plynu, jenž jsou přiváděny do spalovací komory. Díky tomuto konstrukčnímu opatření je odstraněna nutnost používat k uvedenému účelu páru, která byla vyprodukována v parní smyčce pro generování elektrické energie / HRSG. Jiný alternativní způsob využití páry 70 přitom může spočívat také ve využití k produkci přídavné elektrické energie v parním cyklu IGCC procesu.

Ve výše uvedeném popise zmíněné příklady provedení předloženého vynálezu jsou určeny k tomu, aby představovaly zjednodušené schématické diagramy potencionálních příkladů provedení předloženého vynálezu. Odborníkovi se znalostí dosavadního stavu techniky v oblasti chemického inženýrství je přitom jasné a zřejmé, že konkrétní detaily jakéhokoliv ·· »»·· konkrétního příkladu provedení předloženého vynálezu se mohou různě lišit a závisí na ...umístění a potřebách uvažovaného systému. Všechny takovéto diagramy, schématické alternativy a příklady provedení, které realizují předložený vynález, jsou považovány za srozumitelné pro odborníka, který je obeznámen s dosavadním stavem techniky, a rovněž za součást rámce podstaty předloženého vynálezu.

I když byla zařízení, konstrukční součásti a způsoby podle předloženého vynálezu popsány na základě ' upřednostňovaných příkladů provedení předloženého vynálezu, je odborníkovi se znalostí dosavadního stavu techniky, že způsob, který byl popsán ve výše uvedeném popisu, )zne j-UZiiýiui zpusooy modifikace, dosavadního modifikovat, aniž by se přitom porušila podstata a rámec předloženého vynálezu. Všechny uvedené podobné náhrady a které jsou zřejmé odborníkovi se znalostí stavu techniky, jsou považovány za součást podstaty a myšlenky předloženého vynálezu.

Zastupuj e

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob, vyznačující se tím, že obsahuje ohřátí směsi palivového plynu a ředícího plynu na teplotu mezi přibližně 100 °F až přibližně 200 °F nad rosným bodem směsi a dodávání směsi do spalovací komory plynové turbíny.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že směs je zahřáta na maximální teplotu o velikosti přibližně 350 °F.
3 7r\ri enk /-Ν/-Ί Ί o η ó rolzn Ί τγτγττί a -í i e a τη Ťo na' 1 i νΛνν _- · í_l S-z' W Sz'X i S-4 ' J --A -u f w — « aaaaaaaa, f f-z _< -x. -J_ v v γ plyn je syntézní plyn, který je vyprodukován ve zplyňovacím reaktoru.
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že kapalné uhlovodíkové palivo je ve zplyňovacím reaktoru sloučeno s plynem s obsahem volného kyslíku a teplotním moderátorem pro produkci syntézního plynu.
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že syntézní plyn je zpracován v jednotce pro odstraňování kyselého plynu.

6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že ředící plyn je zvolen ze skupiny, která obsahuje dusík, oxid uhličitý a vodní páru. 7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že ředící plyn je dusík, který je vyprodukován vzduchovou separační

jednotkou.

4 44 4 4 4 »* 4444 ·· ·

4 4 4 4 4 4 4 4 4

4 4 4 ' 4 · 4 4 4 4 4

44 4 4 4 4 444 44444

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

4 4 4 4 4 4 4 4 4.4 4
8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že směs dále obsahuje palivo s vysokou hodnotou výhřevnosti.
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že palivem s vysokou hodnotou výhřevnosti je zemní plyn.
10. Způsob podle nároku 1, dále obsahuje vzduch.

vyznačující se tím, že směs
11. Způsob podle nároku. 1, vyznačující se tím, že produktem spalovací komory je horký výfukový plyn, přičemž horký výfukový plyn je poté zpracován v teplo zachycujícím parním generátoru pro snížení teploty horkého výfukového plynu vyprodukováním páry v teplo zachycujícím parním generátoru.
12. Způsob podle nároku .11, vyznačující se tím, že pára expanduje pro produkci elektrické energie.
13. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že produktem spalovací komory je horký výfukový plyn, přičemž horký výfukový plyn poté expanduje v expandéru pro . produkci elektrické energie.
14. Způsob podle nároku 13, vyznačující se tím, že expandér pohání turbokompresor, který je používán pro stlačování vzduchu.
15. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že část stlačeného vzduchu z turbokompresoru je přivedena do spalovací komory.

Β Β
16. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že část stlačeného vzduchu z turbokompresoru je používána pro generování páry pomocí ohřívání proudu vody.
17. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že pára je používána jako teplotní moderátor ve zplyňovacím reaktoru.
18. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že pára je používána pro produkci elektrické energie.
19. Způsob palivového podle nároku 14, vyznačující se tím, že část vzduchu z turbokompresoru je používána pro ohřívání plynu.
20. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že část stlačeného vzduchu z turbokompresoru je přiváděna do vzduchové separační jednotky, přičemž vzduchová separační jednotka separuje vzduch na kyslíkový proud a dusíkový proud.
21. Způsob podle nároku 20, vyznačující se tím, že před tím, než je část stlačeného vzduchu z turbokompresoru přivedena do vzduchové separační . jednotky, je dusík ohřát pomocí části stlačeného vzduchu z turbokompresoru, která je přiváděna do vzduchové separační jednotky.