DE112008003582T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Erleichtern der Produktion von Ersatzerdgas - Google Patents

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Paul S. Katy WALLACE
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Abstract

Verfahren zum Erzeugen von Ersatzerdgas (SNG), wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen eines Synthesegasstromes, der zumindest etwas Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) einschließt,
Abtrennen mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S aus mindestens einem Teil des bereitgestellten Synthesegasstromes und
Leiten mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S, die aus mindestens einem Teil des Synthesegasstromes abgetrennt wurden, zu mindestens einem von:
einem Absonderungssystem und
einem Vergasungsreaktor.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf integrierte Anlagen zur Vergasung mit kombiniertem Zyklus (IGCC) und Energieerzeugung und spezieller auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Optimieren der Produktion synthetischen Erdgases, der Wärmeübertragung mit einem Vergasungssystem und der Kohlendioxid (CO2)-Abtrennung zur Absonderung.
  • Zumindest einige bekannte IGCC-Anlagen umfassen ein Vergasungssystem, das mit mindestens einem Energie erzeugenden Turbinensystem integriert ist. So wandeln z. B. bekannte Vergasungssysteme eine Mischung von Brennstoff, Luft oder Sauerstoff, Dampf und/oder CO2 in ein synthetisches Gas oder „Syngas” um. Das Syngas wird zu dem Brenner einer Gasturbine geleitet, die einen Generator antreibt, der elektrische Energie an ein Leitungsnetz abgibt. Abgas von mindestens einigen bekannten Gasturbinen-Triebwerken wird zu einem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) geleitet, der Dampf zum Antreiben einer Dampfturbine erzeugt. Durch die Dampfturbine erzeugte Energie treibt ebenfalls einen elektrischen Generator an, der elektrische Energie in das Leitungsnetz abgibt.
  • Zumindest einige bekannte Vergasungssysteme, die mit IGCC-Anlagen verbunden sind, erzeugen einen Synthesegas-Brennstoff für Gasturbinen, der hauptsächlich Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) ist. Dieser Synthesegas-Brennstoff benötigt typi scherweise eine größere Massenströmung als Erdgas, um, verglichen mit Erdgas, eine ähnliche Wärmeabgabe zu erhalten. Diese zusätzliche Massenströmung kann signifikante Turbinen-Modifikationen erfordern und ist nicht direkt verträglich mit auf Standarderdgas beruhenden Gasturbinen.
  • Darüber hinaus benutzen mindestens einigen bekannte Gasturbinen zur Erleichterung der Regelung von NOx-Emissionen während des Turbinenbetriebes Brenner, die mit einem mageren Brennstoff/Luft-Verhältnis arbeiten und/oder die derart betrieben werden, dass Brennstoff vor dem Zugang zu der Reaktionszone des Brenners mit Luft vorvermischt wird. Das Vorvermischen kann das Verringern von Verbrennungstemperaturen erleichtern und nachfolgend NOx-Bildung vermindern, ohne dass die Zugabe eines Verdünnungsmittels erforderlich ist. Ist der benutzte Brennstoff jedoch ein Synthesegas-Brennstoff, dann kann der ausgewählte Synthesegas-Brennstoff genügend Wasserstoff (H2) enthalten, dass eine dazugehörige hohe Flammengeschwindigkeit die Selbstzündung, das Zurückschlagen und/oder Flammenhalten innerhalb einer Mischvorrichtung fördert. Eine derartige hohe Flammengeschwindigkeit mag jedoch nicht das gleichmäßige Vermischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung erleichtern. Es kann erforderlich sein, mindestens ein inertes Verdünnungsmittel, das Stickstoff (N2) einschließt, darauf jedoch nicht beschränkt ist, zu dem H2-reichen Brennstoffgassystem hinzugeben zu müssen, um die zu starke NOx-Bildung zu verhindern und Flammen-Selbstzündung, Zurückschlagen und/oder Flammenhalten unter Kontrolle zu bringen. Es sind jedoch nicht immer inerte Verdünnungsmittel verfügbar, sie können die Maschinenheizrate beeinträchtigen und/oder Kapital- und Betriebskosten erhöhen. Es kann als Verdünnungsmittel Dampf zu geführt werden, doch kann Dampf die Lebenserwartung der Komponenten des heißen Gaspfades verkürzen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In einem Aspekt wird ein Verfahren zum Erzeugen von Ersatzerdgas (SNG) bereitgestellt. Das Verfahren schließt das Bereitstellen eines Synthesegasstromes ein, der mindestens etwas Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) enthält. Das Verfahren schließt auch das Abtrennen mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S von mindestens einem Teil des bereitgestellten Synthesegasstromes ein. Das Verfahren schließt weiter das Leiten mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S, die von mindestens einem Teil des Synthesegasstromes abgetrennt sind, zu mindestens einem eines Systems zur Abtrennung zur Absonderung und einem Vergasungsreaktor ein.
  • In einem anderen Aspekt wird ein Vergasungssystem bereitgestellt. Das Vergasungssystem schließt mindestens einen Vergasungsreaktor ein, der dahingehend eingerichtet ist, dass er einen Gasstrom erzeugt, der mindestens etwas Schwefelwasserstoff (H2S) umfasst. Das System schließt auch ein Untersystem zur CO2-Abtrennung zur Absonderung ein, das in Strömungsverbindung mit dem Vergasungsreaktor gekoppelt ist. Das Untersystem zur CO2-Abtrennung zur Absonderung schließt mindestens einen Gas-Verschiebungsreaktor ein, der eingerichtet ist, innerhalb des Gasstromes CO2 zu erzeugen. Das Untersystem schließt auch mindestens eine Säuregas-Entfernungseinheit (AGRU) ein, die dahingehend eingerichtet ist, dass sie mindestens einen Teil des CO2 und H2S aus dem Gasstrom entfernt. Das Untersystem schließt weiter mindestens einen Kompressor ein, um das Leiten des CO2 und des H2S von der mindestens einen AGRU zu erleichtern.
  • In einem weiteren Aspekt wird eine integrierte Anlage zur Vergasung mit kombiniertem Zyklus (IGGC) und Energieerzeugung bereitgestellt. Die IGCC-Anlage schließt mindestens eine Gasturbinenmaschine ein, die in Strömungsverbindung mit mindestens einem Vergasungssystem steht. Das mindestens eine Vergasungssystem schließt mindestens einen Vergasungsreaktor ein, der dahingehend eingerichtet ist, dass er einen Gasstrom erzeugt, der mindestens etwa Schwefelwasserstoff (H2S) umfasst. Die IGCC-Anlage schließt auch ein Untersystem zur CO2-Abtrennung zur Absonderung ein, das in Strömungsverbindung mit dem Vergasungsreaktor gekoppelt ist. Das Untersystem zur CO2-Abtrennung zur Absonderung schließt mindestens einen Gas-Verschiebungsreaktor ein, der eingerichtet ist, innerhalb des Gasstromes CO2 zu erzeugen. Das Untersystem schließt auch mindestens eine Säuregas-Entfernungseinheit (AGRU) ein, die eingerichtet ist, mindestens einen Teil des CO2 und H2S aus dem Gasstrom zu entfernen. Das Untersystem schließt weiter mindestens einen Kompressor ein, um das Leiten des CO2 und des H2S von der mindestens einen AGRU zu erleichtern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften integrierten Anlage zur Vergasung mit kombiniertem Zyklus (IGCC) und Energieerzeugung,
  • 2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Vergasungssystems, das innerhalb der in 1 gezeigten IGCC-Energieerzeugungsanlage benutzt werden kann, und
  • 3 ist ein schematisches Diagramm eines anderen Vergasungssystems, das innerhalb der in 1 gezeigten IGCC-Energieerzeugungsnanlage benutzt werden kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften integrierten Anlage 100 zur Vergasung und zur Energieerzeugung mit kombiniertem Zyklus (IGCC). In der beispielhaften Ausführungsform schließt die IGCC-Anlage eine Gasturbinen-Maschine 110 ein. Die Maschine 110 weist einen Verdichter 112 auf, der mittels einer Welle 116 drehend mit einer Turbine 114 verbunden ist. Der Verdichter 112 ist zur Aufnahme von Luft bei lokalen atmosphärischen Drucken und Temperaturen eingerichtet. Die Turbine 114 ist mittels eines ersten Rotors 120 drehend mit einem ersten elektrischen Generator 118 verbunden. Die Maschine 110 weist auch mindestens einen Brenner 122 auf, der in Strömungsverbindung mit dem Verdichter 112 steht. Der Brenner 122 ist zur Aufnahme mindestens eines (nicht gezeigten) Teiles der den dem Verdichter 112 komprimierten Luft über eine Luftleitung 124 eingerichtet. Brenner 122 ist auch in Strömungsverbindung mit mindestens einer (weiter unten detaillierter beschriebenen) Brennstoffquelle gekoppelt und ist zur Aufnahme des Brennstoffes aus der Brennstoffquelle eingerichtet. Die Luft und der Brennstoff werden vermischt und innerhalb des Brenners 122 verbrannt wobei der Brenner 122 die Erzeugung (nicht gezeigter) heißer Verbrennungsgase erleichtert. Die Turbine 114 ist in Strömungsverbindung an den Brenner 122 angeschlossen und die Turbine 114 ist zur Aufnahme der heißen Verbrennungsgase über eine Verbrennungsgasleitung 126 eingerichtet. Turbine 114 ist auch zur Erleichterung der Umwandlung der Wärmeenergie innerhalb der Gase in Rotationsenergie eingerichtet. Die Rotationsenergie wird über einen Rotor 120 dem Generator 118 zugeführt, wobei der Generator 118 dazu eingerichtet ist, die Umwandlung der Rotationsenergie in (nicht gezeigte) elektrische Energie zur Übertragung an mindestens eine Last, einschließlich eines (nicht gezeigten) elektrischen Leitungsnetzes zu übertragen, darauf jedoch nicht beschränkt.
  • Die IGCC-Anlage 100 weist auch eine Dampfturbinenmaschine 130 ein. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Maschine 130 eine Dampfturbine 132, die über einen zweiten Rotor 136 drehend mit einem zweiten elektrischen Generator 134 gekoppelt ist.
  • IGCC-Anlage 100 umfasst weiter ein Dampferzeugungssystem 140. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das System 140 mindestens einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) 142, der über mindestens eine Leitung 146 für erhitztes Boilerspeisewasser in Strömungsverbindung mit mindestens einer Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144 steht. Die Vorrichtung 144 ist zur Aufnahme von Boilerspeisewasser aus der Leitung 145 eingerichtet. Der HRSG 142 ist außerdem über mindestens eine Leitung 148 in mit der Turbine 114 verbunden. Der HRSG 142 ist zur Aufnahme (nicht gezeigten) Boilerspeisewassers aus der Vorrichtung 144 durch die Leitung 146 eingerichtet, um das Erhitzen des Boilerspeisewassers zu Dampf zu erleichtern. Der HRSG 142 ist auch zur Aufnahme von (nicht gezeigten) Abgasen von der Turbine 114 über die Abgasleitung 148 eingerichtet, um das Erhitzen des Boilerspeisewassers zu Dampf weiter zu erleichtern. Der HRSG 142 steht über eine Dampfleitung 150 mit der Turbine 132 in Strömungsverbindung.
  • Die Leitung 150 ist dazu eingerichtet, (nicht gezeigten) Dampf von dem HRSG 142 zu der Turbine 132 zu leiten. Die Turbine 132 ist dazu eingerichtet, den Dampf von dem HRSG 142 aufzunehmen und die thermische Energie des Dampfs in Rotationsenergie umzuwandeln. Die Rotationsenergie wird mittels des Rotors 136 zu dem Generator 134 übertragen, wobei der Generator 134 dazu eingerichtet ist, die Umwandlung der Rotations energie in (nicht gezeigte) elektrische Energie zur Übertragung an mindestens eine Last zu erleichtern, die das elektrische Leitungsnetz einschließt, darauf jedoch nicht beschränkt ist. Der Dampf wird kondensiert und als Boilerspeisewasser über eine Kondensatleitung 137 zurückgeführt.
  • Die IGCC-Anlage 100 schließt auch ein Vergasungssystem 200 ein. In der beispielhaften Ausführungsform schließt das System 200 mindestens eine Lufttrenneinheit 202 ein, die über eine Luftleitung 204 mit dem Verdichter Kompressor 112 in Strömungsverbindung steht. Die Lufttrenneinheit steht über eine Luftleitung 203 auch in Strömungsverbindung mit mindestens einem Kompressor 201, wobei der Kompressor 201 dazu eingerichtet ist, den Kompressor 112 zu unterstützen. Alternativ steht die Lufttrenneinheit 202 in Strömungsverbindung mit Luftquellen, die zur Verfügung gestellte Luftkompressoren und Lagereinheiten für komprimierte Luft (beide nicht gezeigt) einschließen, darauf jedoch nicht beschränkt sind. Die Einheit 202 ist eingerichtet, Luft in Sauerstoff (O2) und andere (nicht gezeigte) Bestandteile zu trennen. Die anderen Bestandteile werden über die Leitung 206 entlüftet.
  • System 200 schließt einen Vergasungsreaktor 208 ein, der in Strömungsverbindung mit Einheit 202 gekoppelt und eingerichtet ist, den O2 zu empfangen, der durch eine O2-Leitung 210 von Einheit 202 kommt. Reaktor 208 ist auch eingerichtet, Kohle 209 zu empfangen und die Produktion eines (nicht gezeigten) sauren synthetischen Gas(Syngas)-Stromes zu erleichtern.
  • Das System 200 schließt auch einen Gas-Verschiebungsreaktor 212 ein, der in Strömungsverbindung mit dem Reaktor 208 steht und dazu eingerichtet ist, den sauren Synthesegasstrom von dem Vergasungsreaktor 208 durch die saure Synthesegasleitung zu empfangen. Der Reaktor 212 steht auch in Strö mungsverbindung mit der Dampfleitung 150 und ist weiter dazu eingerichtet, mindestens einen Teil des Dampfes aufzunehmen, der durch eine Dampfleitung 211 von dem HRSG 142 kommt. Der Gas-Verschiebungsreaktor 212 ist weiter dahingehend eingerichtet, die Produktion eines verschobenen (nicht gezeigten) sauren Synthesegasstromes zu erleichtern, der Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) in erhöhten Konzentrationen einschließt, verglichen mit dem sauren Synthesegasstrom, der in dem Reaktor 208 produziert wird. In der beispielhaften Ausführungsform steht der Reaktor 212 über eine Wärmeübertragungs-Leitung 216 auch in Wärmeübertragungs-Verbindung mit der Hitzeübertragungs-Vorrichtung 144. Die Leitung 216 ist dazu eingerichtet, das Übertragen von Wärme zu erleichtern, die innerhalb des Reaktors 212 über exotherme chemische Reaktionen erzeugt wird, die mit dem Verschieben des Synthesegases verbunden sind. Die Vorrichtung 144 ist dazu eingerichtet, mindestens einen Teil der Wärme zu empfangen, die innerhalb des Reaktors 212 erzeugt wird. Alternativ sind der Reaktor 212 und die Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144 zu einem einzigen (nicht gezeigten) Stück Ausrüstung zusammengefasst.
  • Das System 200 schließt weiter eine Säuregas-Entfernungseinheit (AGRU) 218 ein, die in Strömungsverbindung mit dem Reaktor 212 steht und eingerichtet ist, den verschobenen sauren Synthesegasstrom mit den erhöhten CO2- und H2-Konzentrationen von dem Reaktor 212 durch eine Leitung 220 für das verschobene saure Synthesegas zu empfangen. Die AGRU 218 ist auch dazu eingerichtet, die Entfernung mindestens eines Teiles (nicht gezeigter) saurer Komponenten aus dem sauren verschobenen Synthesegasstrom über eine Säureleitung 222 zu erleichtern. Die AGRU 218 ist weiter dazu eingerichtet, die Entfernung mindestens eines Teiles des CO2 zu erleichtern, das in dem sauren verschobenen Synthesegasstrom enthalten ist. Die AGRU 218 ist auch dazu eingerichtet, das Produzieren eines (nicht gezeig ten) angesüßten Synthesegasstromes aus mindestens einem Teil des sauren Synthesegasstromes zu erleichtern. Die AGRU 218 ist in Strömungsverbindung mit dem Reaktor 208 über eine CO2-Leitung 224 gekoppelt, wobei ein (nicht gezeigter) Strom von CO2 zu vorbestimmten Teilen des (weiter unten diskutierten) Reaktors 208 geleitet wird.
  • Das System 200 schließt auch einen Methanisierungs-Reaktor 226 ein, der in Strömungsverbindung mit der AGRU 218 steht und dazu eingerichtet ist, den angesüßten Synthesegasstrom von der AGRU 218 über eine Leitung 228 für angesüßtes Synthesegas zu empfangen. Der Reaktor 226 ist auch dazu eingerichtet, das Produzieren eines Ersatzerdgas(SNG)-Stromes (nicht gezeigt) aus mindestens einem Teil des angesüßten Synthesegasstromes zu erleichtern. Der Reaktor 226 steht auch in Strömungsverbindung mit dem Brenner 122, wobei der SNG-Strom über eine SNG-Leitung 230 zu dem Brenner 122 geleitet wird. Darüber hinaus steht der Reaktor 226 über eine Wärmeübertragungs-Leitung 232 in Wärmeübertragungs-Verbindung mit dem HRSG 142. Eine solche Wärmeübertragungs-Verbindung erleichtert die Übertragung von Wärme zu dem HRSG 142, die durch das Verfahren zur Umwandlung des angesüßten Synthesegases in SNG erzeugt wird, das innerhalb des Reaktors 226 ausgeführt wird.
  • Das System 200 schließt weiter mindestens einen Kompressor 234 ein, der über einen Teil der Leitung 224 in Strömungsverbindung mit der AGRU 218 steht. Der Kompressor 234 steht über eine Leitung 236 in Strömungsverbindung mit einem (nicht gezeigten) Absonderungssystem, wie einer Pipeline zur Injektion in verbesserter Ölrückgewinnungs- oder wasserhaltige Salinenanwendung, darauf jedoch nicht beschränkt.
  • In Betrieb empfängt der Kompressor 201 atmosphärische Luft, komprimiert die Luft und leitet die komprimierte Luft über Leitungen 203 und 204 zu einer Lufttrenneinheit 202. Die Einheit 202 kann auch über Leitungen 124 und 204 Luft von dem Kompressor 112 empfangen. Die komprimierte Luft wird in O2 und andere Bestandteile getrennt. Die anderen Bestandteile werden durch die Entlüftungsleitung 206 abgelassen und der O2 wird über die Leitung 210 zu dem Vergasungsreaktor 208 geleitet. Der Reaktor 208 empfängt den O2 über die Leitung 210, Kohle über 209 und CO2 vom der AGRU 218 über Leitung 224. Der Reaktor 208 erleichtert die Produktion eines sauren Synthesegasstromes, der über eine Leitung 214 zu dem Gas-Verschiebungsreaktor 212 geleitet wird. Dampf wird von dem HRSG 142 über Leitungen 150 und 211 zu dem Reaktor 212 geleitet. Der saure Synthesegasstrom wird benutzt, um über exotherme chemische Reaktionen den verschobenen sauren Synthesegasstrom zu erzeugen. Der verschobene Synthesegasstrom schließt CO2 und H2 bei erhöhten Konzentrationen ein, verglichen mit dem sauren Synthesegasstrom, der in dem Reaktor 208 erzeugt wird. Die Wärme der exothermen Reaktionen wird über eine Wärmeübertragungs-Leitung 216 zu der Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144 geleitet.
  • In Betrieb wird der verschobene Synthesegasstrom über die Leitung 220 zu der AGRU 218 geleitet, wobei saure Bestandteile über die Leitung 222 entfernt werden und CO2 wird über die Leitung 224 zu dem Reaktor 208 und/oder den Kompressor 234 (und schließlich einem Absonderungssystem) geleitet. Auf diese Weise erzeugt die AGRU 218 einen angesüßten Synthesegasstrom, der über die Leitung 228 zu dem Methanisierungs-Reaktor 226 geleitet wird, worin der SNG-Strom über exotherme chemische Reaktionen aus dem angesüßten Synthesegasstrom erzeugt wird. Die Wärme dieser Reaktionen wird über die Leitung 232 zu dem HRSG 142 geleitet und der SNG-Strom wird über die Leitung 230 zu dem Brenner 122 geleitet.
  • In Betrieb dreht die Turbine 114 den Kompressor 112 derart, dass der Kompressor 112 atmosphärische Luft empfängt und komprimiert und einen Teil der komprimierten Luft zu der Einheit 202 und einen Teil zu dem Brenner 122 leitet. Der Brenner 122 mischt und verbrennt Luft und SNG und leitet die heißen Verbrennungsgase zu der Turbine 114. Die heißen Gase bewirken die Drehung der Turbine 114, die dann mittels des Rotor 120 den ersten Generator 118 ebenso wie den Kompressor 112 drehen lässt.
  • Mindestens ein Teil der Verbrennungsgase wird über die Leitung 148 von der Turbine 114 zu dem HRSG 142 geleitet. Der zumindest eine Teil der in dem Reaktor 226 erzeugten Wärme wird über die Leitung 232 zu dem HRSG 142 geleitet. Mindestens ein Teil der in dem Reaktor 212 erzeugten Wärme wird zu der Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144 geleitet. Das Boilerspeisewasser wird über eine Leitung 145 zu der Vorrichtung 144 geleitet, wobei das Wasser mindestens einen Teil der innerhalb des Reaktors 212 erzeugten Wärme aufnimmt. Das warme Wasser wird über eine Leitung 146 zu dem HRSG 142 geleitet, wobei die Wärme von dem Reaktor 226 und eine Abgasleitung 148 das Wasser unter Bildung von Dampf sieden lassen. Der Dampf wird zu der Dampfturbine 132 geleitet und bewirkt eine Drehung der Turbine 132. Die Turbine 132 lässt über einen zweiten Rotor 136 einen zweiten Generator 134 rotieren. Mindestens ein Teil des Dampfes wird über die Leitung 211 zu dem Reaktor 212 geleitet. Der durch die Turbine 132 kondensierte Dampf wird zur weiteren Verwendung über die Leitung 137 zurückgeführt.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Vergasungssystems 200, das zusammen mit der IGCC-Energieerzeugungsanlage 100 benutzt werden kann. Das System 200 schließt einen Vergasungsreaktor 208 ein. Der Reaktor 208 schließt eine untere Stufe 240 und eine obere Stufe 242 ein.
  • In der beispielhaften Ausführungsform empfängt die untere Stufe 240 O2 durch die Leitung 210 derart, dass die untere Stufe 240 in Strömungsverbindung mit der (in 1 gezeigten) Lufttrenneinheit 202 gekoppelt ist.
  • Die CO2-Leitung 224 steht in Strömungsverbindung mit der CO2-Leitung 244 der unteren Stufe und der CO2-Leitung 246 der oberen Stufe. Die untere Stufe 240 und die obere Stufe 242 stehen in Strömungsverbindung mit der AGRU 218. Darüber hinaus empfangen die untere Stufe 240 und die obere Stufe 242 trockene Kohle über eine untere Kohleleitung 248 bzw. eine obere Kohleleitung 250.
  • Die untere Stufe 240 schließt einen Riegeltrichter 252 ein, der temporär flüssige Schlacke speichert, die von der unteren Stufe 240 empfangen wird. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Trichter 252 mit Wasser gefüllt. Alternativ hat der Trichter 252 irgendeine Konfiguration, die den Betrieb des Systems 200, wie es hierin beschrieben ist, erleichtert. Die Schlacke wird über Leitung 254 entfernt. Die obere Stufe 242 erleichtert die Entfernung eines (nicht gezeigten) mit festem Karbonisierungsprodukt (Char) (im Folgenden einfach „Karbonisierungsprodukt genannt) beladenen, sauren heißen Synthesegasstromes über eine Entfernungsleitung 256. Die Leitung 256 koppelt den Vergasungsreaktor 208 in Strömungsverbindung mit einem Separator 258. Der Separator 258 trennt saures heißes Synthesegas von dem Karbonisierungsprodukt, so dass das Karbonisierungsprodukt über eine Rückführungsleitung 260 zu der unteren Stufe 240 zurückgeführt werden kann. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Separator 258 ein zyklonartiger Separator. Alternativ ist der Separator 258 irgendeine Art von Separator, der den Betrieb des Systems 200, wie es hierin beschrieben ist, erleichtert.
  • Der Separator 258 steht über eine Leitung 264 in Strömungsverbindung mit einer Abschreckeinheit 262. Die Abschreckeinheit fügt Wasser hinzu (das über eine Leitung 263 kommt) und vermischt es mit dem sauren heißen Synthesegasstrom in der Leitung 264, um das Kühlen des heißen Synthesegasstromes zu erleichtern, so dass ein (nicht gezeigter) saurer abgeschreckter Synthesegasstrom gebildet wird. Die Abschreckeinheit 262 steht über eine Leitung 268 in Strömungsverbindung mit einer Feinteile entfernenden Einheit 266. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Einheit 266 eine Filtrationseinheit. Alternativ kann die Einheit 266 irgendeine Art von Einheit sein, die den Betrieb des Systems 200, wie es hierin beschrieben ist, erleichtert, einschließlich einer Wasserwascheinheit, darauf jedoch nicht beschränkt. Die aus dem sauren abgeschreckten Synthesegasstrom entfernten feinen Teilchen werden über eine Feinteilchen-Entfernungsleitung 270 zu einer (nicht gezeigten) feine Teilchen entfernenden Einheit geleitet. Die Einheit 266 steht auch über eine Leitung 271 in Strömungsverbindung mit Gas-Verschiebungsreaktor 212.
  • Das System 200 schließt ein Untersystem 274 zur CO2-Abtrennung zur Absonderung ein, das dahingehend eingerichtet ist, dass das Extrahieren und Zurückführen eines ersten Teiles des CO2 innerhalb des Systems 200 und das Leiten eines zweiten Teiles zu einem (nicht gezeigten) Absonderungssystem erleichtert. Das Untersystem 274 schließt den Reaktor 212 ein, der über die Leitung 271 in Strömungsverbindung mit der Einheit 266 steht und den sauren abgeschreckten Synthesegasstrom empfängt. Der Reaktor 212 steht in Strömungsverbindung mit der Dampfleitung 150 und empfängt mindestens einen Teil des über die Leitung 211 von dem HRSG 142 geleiteten Dampfes. Der Reaktor 212 steht weiter über die Leitung 216 in Wärmeübertragungs-Verbindung mit der Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144. Die Leitung 216 erleichtert das Übertragen von Wärme, die mit tels exothermer chemischer Reaktionen, die mit dem Verschieben des Synthesegases verbunden sind, innerhalb des Reaktors 212 erzeugt wird. Die Vorrichtung 144 empfängt mindestens einen Teil der innerhalb des Reaktors 212 erzeugten Wärme. Der HRSG 142 steht über die erhitztes Boilerspeisewasser führende Leitung 146 in Strömungsverbindung mit der Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144. Der Gas-Verschiebungsreaktor 212 erleichtert auch die Produktion eines (nicht gezeigten) verschobenen sauren Synthesegasstromes, der CO2 und H2 bei erhöhten Konzentrationen einschließt, verglichen mit dem im Reaktor 208 erzeugten sauren Synthesegasstrom.
  • Das Untersystem 274 schließt auch die AGRU 218 ein, die in Strömungsverbindung mit dem Reaktor 212 steht und den verschobenen sauren Synthesegasstrom mit den erhöhten CO2- und H2-Konzentrationen durch die Leitung 220 von dem Reaktor 212 erhält. Die AGRU 218 erleichtert auch die Entfernung mindestens eines Teiles (nicht gezeigter) saurer Komponenten, die Schwefel- und Kohlensäure einschließen, darauf jedoch nicht beschränkt sind, aus dem sauren verschobenen Synthesegasstrom über die Leitung 222. Um die Säureentfernung weiter zu erleichtern, empfängt AGRU 218 ein Lösungsmittel, das Amin, Methanol und/oder Selexol®, darauf jedoch nicht beschränkt, einschließt, über eine Leitung 272. Eine solche Säureentfernung erleichtert dadurch das Erzeugen eines (nicht gezeigten) angesüßten Synthesegasstromes aus dem sauren Synthesegasstrom.
  • Die AGRU 218 erleichtert auch die Entfernung mindestens eines Teiles des gasförmigen CO2 und des gasförmigen Schwefel Wasserstoffes (H2S), die in dem sauren verschobenen Synthesegasstrom enthalten sind. In der beispielhaften Ausführungsform wird entweder ein an H2S armer CO2-(manchmal bezeichnet als ein süßer CO2)-Strom oder ein an H2S reicher CO2 (manchmal bezeichnet als ein saurer CO2) Strom (von denen keiner gezeigt ist) innerhalb der AGRU 218 erzeugt. Die Produktion von H2S-armen CO2- und H2S-reichen CO2-Strömen hängt von Faktoren ab, die Temperaturen und Drucke innerhalb der AGRU 218, Strömungsraten des Strömungsmittels (im Folgenden einfach „Strömungsraten” genannt) und das ausgewählte Lösungsmittel einschließen, darauf jedoch nicht beschränkt sind.
  • Die AGRU 218 steht in Strömungsverbindung über CO2-Leitung 224 mit Reaktor 208, wobei mindestens ein erster Teil entweder H2S-armen CO2-Stromes oder H2S-reichen CO2-Stromes über Leitungen 244 bzw. 246 zu der unteren Stufe 240 und zu der oberen Stufe 242 des Reaktors 208 geleitet wird, wobei solche Ströme innerhalb des Systems 200 zurückgeführt werden. Darüber hinaus steht die AGRU 218 über die Leitung 224 in Strömungsverbindung mit dem Kompressor 234, wobei mindestens ein Teil entweder des H2S-armen CO2-Stromes oder des H2S-reichen CO2-Stromes über die Leitung 236 zu dem Absonderungssystem geleitet wird. Das Absonderungssystem kann eine Pipeline zur Injektion in verbesserte Ölrückgewinnungs- oder wasserführende Salzlösungs-Anwendungen sein, darauf jedoch nicht beschränkt. Alternativ ist das Untersystem 274 dahingehend eingerichtet, dass es jeden der CO2-Ströme derart zu irgendeinem Teil des Systems 200 leitet, dass der Betrieb des Systems 200 erleichtert ist.
  • Der Methanisierungs-Reaktor 226 steht in Strömungsverbindung mit der AGRU 218 und empfängt den angesüßten Synthesegasstrom durch die Leitung 228 von der AGRU 218. Der Reaktor 226 erleichtert das Produzieren eines Ersatzerdgas(SNG)-Stromes (nicht gezeigt) aus mindestens einem Teil des angesüßten Synthesegasstromes. Der Reaktor 226 steht auch derart in Strömungsverbindung mit dem Brenner 122, dass der SNG-Strom über die Leitung 230 zu dem Brenner 122 geleitet wird. Darüber hinaus steht der Reaktor 226 über Leitung 232 in Wärmeübertragungs-Verbindung mit dem HRSG 142, um eine Übertragung von Wärme, die durch das Verfahren zum Umwandeln des angesüßten Synthesegases in SNG, das innerhalb des Reaktor 226 ausgeführt wird, erzeugt wird, zu der HRSG 142 erleichtern.
  • Ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen eines Ersatzerdgases (SNG) schließt das Bereitstellen eines Synthesegasstromes ein, der mindestens etwas Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) einschließt. Das Verfahren schließt auch das Abtrennen mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S von mindestens einem Teil des bereitgestellten Synthesegasstromes ein. Das Verfahren schließt weiter das Leiten mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S, die von mindestens einem Teil des Synthesegasstromes abgetrennt wurden, zu mindestens einem Absonderungs-Untersystem 274 und einem Vergasungsreaktor 208 ein.
  • Während des Betriebes werden O2 von der Trenneinheit 202 und vorerhitzte Kohle durch Leitungen 210 bzw. 248 in die untere Stufe 240 eingeführt. Die Kohle und der O2 werden mit einem vorerhitztem Karbonisierungsprodukt umgesetzt, das durch die Leitung 260 in die untere Stufe 240 eingeführt ist, um ein Synthesegas zu produzieren, das primär H2, CO, CO2 und mindestens etwas Schwefelwasserstoff (H2S) enthält. Zumindest ein Teil des H2S wird durch die Leitungen 224, 244 und 246 in den Reaktor 208 zurückgeführt, die den H2S-armen CO2-Strom und/oder den H2S-reichen CO2-Strom von der AGRU 218 zur Abtrennung zur Absonderung und zum Zurückführen innerhalb des Systems 200 zu dem Reaktor 208 leiten. Eine solche Synthesegasbildung erfolgt durch chemische Reaktionen, die der Natur nach inm Wesentlichen exotherm sind, und die dazugehörige Wärmeabgabe erzeugt Betriebstemperaturen innerhalb eine Bereiches von etwa 1371°C (2500°F) bis etwa 1649°C (3000°F). Zumindest einige der chemischen Reaktionen, die Synthesegas bilden, bilden auch eine (nicht gezeigte) Schlacke. Die hohen Temperaturen innerhalb der unteren Stufe 240 erleichtern das Aufrechterhalten einer geringen Viskosität der Schlacke, so dass im Wesentlichen der größte Teil der flüssigen Schlacke mittels Schwerkraft in den Trichter 252 befördert werden kann, wobei das relativ kalte Wasser in dem Trichter 252 ein rasches Abschrecken und Zerbrechen der Schlacke erleichtert. Das Synthesegas strömt durch den Reaktor 208 nach oben, wobei, durch zusätzliche Reaktionen in der oberen Stufe 242, ein Teil der Schlacke mitgerissen wird. In der beispielhaften Ausführungsform ist die in die untere Stufe 240 eingeführte Kohle eine trockene Kohle oder eine mit geringer Feuchte, die zu einer genügenden Teilchengröße pulverisiert ist, um das Mitreißen der pulverisierten Kohle mit dem Synthesegas zu erlauben, das von der unteren Stufe 240 zu der oberen Stufe 242 strömt.
  • In der beispielhaften Ausführungsform wird mindestens ein Teil des CO2-Stromes von der AGRU 218 durch die Leitungen 224 und 244 in die untere Stufe 240 eingeführt. Der CO2-Strom ist entweder ein H2S-armer CO2- oder ein H2S-reicher CO2-Strom, was von Faktoren abhängt, die Temperaturen und Drucke innerhalb der AGRU 218, Strömungsraten und ausgewähltes Lösungsmittel einschließen, darauf jedoch nicht beschränkt sind. Das zusätzliche CO2 erleichtert das Erhöhen einer Wirksamkeit der IGCC-Anlage 100 durch Vermindern der erforderlichen Massenströmungsrate von O2, der durch die Leitung 210 eingeführt wird. Die O2-Moleküle aus der Leitung 210 werden durch O2-Moleküle verdrängt, die durch die Dissoziation von CO2-Molekülen in ihre Bestandteile Kohlenstoff (C) und O2-Moleküle gebildet werden. Zusätzliche Luft zur Verbrennung innerhalb des Turbinentriebwerks-Brenners 122 ist für eine vorbestimmte Auslegung des Kompressors 112 verfügbar, was es erleichtert, dass die Gasturbinen-Maschine 110 bei oder jenseits der vorgesehenen Energieerzeugung arbeitet. Die Effizienz der IGCC-Anlage 100 wird darüber hinaus erhöht, da Dampf vom HRSG 142 nicht erforder lich ist, O2-Moleküle durch die Dissoziation des Dampfes in H2- und O2-Moleküle zu liefern. Spezifischer ist der verdrängte Dampf verfügbar zum Gebrauch innerhalb der Dampfturbinen-Maschine 130, was es erleichtert, dass die Dampfturbinen-Maschine 130 bei oder jenseits der vorgesehenen Energieerzeugung arbeitet. Das Verringern der Notwendigkeit zur Injektion von Dampf in den Reaktor 208 beseitigt aufgrund der Verdampfungswärme-Eigenschaften des Dampfes den dazugehörigen Verlust an Wärmeenergie innerhalb des Reaktors 208 wesentlich. Die untere Stufe 240 arbeitet, verglichen mit einigen bekannten Vergasungsreaktoren, bei einer relativ höheren Effizienz.
  • Die in der oberen Stufe 242 ausgeführten chemischen Reaktionen werden bei einer Temperatur im Bereich von etwa 816°C (1500°F) bis etwa 982°C (1800°F) und bei einem Druck von mehr als etwa 30 bar oder 3000 Kilopascal (kPa) (435 US-Pfund pro Quadratzoll (psi)) mit einer genügenden Aufenthaltszeit ausgeführt, die es erleichtert, dass die Recktanten in der oberen Stufe 242 mit der Kohle reagieren. Zusätzliche trockene vorerhitzte Kohle und CO2 werden darüber hinaus durch die Leitungen 250 bzw. 246 in die obere Stufe 242 eingeführt. Das Synthesegas und andere Bestandteile, die von der unteren Stufe 240 aufsteigen, und die zusätzliche Kohle und CO2 werden zur Bildung exothermer chemischer Reaktionen vermischt, die auch Dampf, Karbonisierungsprodukt, Methan (CH4) und andere gasförmige Kohlenwasserstoffe (einschließlich C2 + oder Kohlenwasserstoffmoleküle mit mindestens zwei Kohlenstoffatomen) bilden. Die C2 +-Kohlenwasserstoffmoleküle und ein Teil des CH4 reagiert mit dem Dampf und CO2 zur Bildung eines heißen, mit Karbonisierungsprodukt beladenen Synthesegasstromes. Der Temperaturbereich der oberen Stufe 242 wird vorbestimmt, um die Bildung von CH4 zu erleichtern und die Bildung von C2 +-Kohlenwasserstoffmolekülen zu mildern.
  • Zumindest ein Produkt der chemischen Reaktionen innerhalb der oberen Stufe 242, d. h. zwischen der vorerhitzten Kohle und dem Synthesegas, ist ein wenig Schwefel enthaltendes Karbonisierungsprodukt, das in dem heißen sauren Synthesegas, das CH4, H2, CO, CO2 und mindestens etwa H2S enthält, mitgerissen wird. Der Teil des H2S, der innerhalb des Reaktors 208 erzeugt wird, wird zumindest teilweise mit dem H2S vermischt, der mit den CO2-Strömen durch die Leitungen 244 und 246 injiziert wird. Der Schwefelgehalt des Karbonisierungsproduktes wird durch Umsetzen der pulverisierten Kohle mit dem Synthesegas in Gegenwart von H2 und Dampf bei erhöhten Temperaturen und Drucken bei einem minimalen Niveau gehalten.
  • Das wenig Schwefel aufweisende Karbonisierungsprodukt und die flüssige Schlacke, die in dem heißen sauren Synthesegasstrom mitgerissen werden, werden aus der oberen Stufe 242 abgezogen und durch die Leitung 256 in den Separator 258 geleitet. Ein beträchtlicher Anteil des Karbonisierungsproduktes und der Schlacke wird in dem Separator 258 aus dem heißen sauren Synthesegasstrom abgetrennt und daraus abgezogen. Das Karbonisierungsprodukt und die Schlacke werden durch die Leitung 260 in die untere Stufe 240 zur Verwendung als ein Reaktant bzw. zur Entsorgung geleitet.
  • Das heiße saure Synthesegas wird durch die Leitung 264 von dem Separator 258 zu der Abschreckeinheit 262 geleitet. Die Abschreckeinheit 262 erleichtert die Entfernung irgendeines verbliebenen Karbonisierungsproduktes und von Schlacke innerhalb des Synthesegasstromes. Durch die Leitung 263 wird Wasser in den Synthesegasstrom injiziert, wobei das mitgerissene Karbonisierungsprodukt und Schlacke rasch abgekühlt und versprödet werden, um das Zerbrechen der Schlacke und des Karbonisierungsproduktes in kleine Teile zu erleichtern. Das Wasser wird verdampft und die mit der latenten Verdampfungswärme des Was sers verbundene Wärmeenergie wird aus dem heißen sauren Synthesegasstrom entfernt und die Synthesegasstrom-Temperatur wird auf etwa 900°C (1652°F) gesenkt. Der innerhalb des heißen sauren Synthesegasstromes mitgerissene Dampf wird für (unten beschriebene) nachfolgende Gasverschiebungs-Reaktionen mit einem Dampf-zu-Trockengas-Verhältnis von etwa 0,8–0,9 benutzt. Der Synthesegasstrom mit dem mitgerissenen Dampf, Karbonisierungsprodukt und Schlacke wird zu der Einheit 266 zur Entfernung von feinen Teilchen durch die Leitung 268 geleitet, wobei die feinen Teilchen des Karbonisierungsproduktes und der Schlacke entfernt werden. In der beispielhaften Ausführungsform werden die Feinteilchen des Karbonisierungsproduktes und der Schlacke zur Benutzung als ein Reaktant bzw. zur Entsorgung durch die Leitung 270 in die untere Stufe 240 geleitet. Alternativ werden die feinen Teilchen des Karbonisierungsproduktes und der Schlacke zu einer (nicht gezeigten) Sammeleinheit zur Entsorgung geleitet.
  • Der heiße saure dampfbeladene Synthesegasstrom wird durch die Leitung 271 von der Einheit 266 zu dem Gas-Verschiebungsreaktor 212 geleitet. Der Reaktor 212 erleichtert die Bildung von CO2 und H2 aus dem CO und H2O (in Form von Dampf) innerhalb des Synthesegasstromes durch eine exotherme chemische Reaktion: CO + H2O ⇔ CO2 + H2 (1)
  • Darüber hinaus wird Wärme aus dem heißen Synthesegasstrom durch die Leitung 216 in das Boilerspeisewasser und die Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144 geleitet. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitung 216 und die Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144 innerhalb des Reaktors 212 als ein Wärmeaustauscher aus Hülle und Rohr eingerichtet. Alternativ weisen die Leitung 216 und die Vorrichtung 144 irgendeine Konfi guration auf, die den Betrieb der IGCC-Anlage 100, wie hierin beschrieben, erleichtert. Das erhitzte Boilerspeisewasser wird zur Umwandlung in Dampf (weiter unten detaillierter beschrieben) durch Leitung 146 zu dem HRSG 142 geleitet. Der heiße saure Synthesegasstrom, der in den Reaktor 212 geleitet wird, wird daher von etwa 900°C (1652°F) auf eine Temperatur oberhalb etwa 371°C (700°F) abgekühlt und wird zu einem gekühlten sauren Synthesegasstrom mit einer erhöhten Konzentration an CO2 und H2 und mit einem Dampf-zu-Trockengas-Verhältnis von weniger als etwa 0,2–0,5 und mit einem H2-zu-CO-Verhältnis von mindestens etwa 3,0 verschoben. Es ist daher genügend H2 aus dem ursprünglichen Vergasungsverfahren und dem nachfolgenden Wassergas-Verschiebungsverfahren verfügbar, um die stöchiometrischen Anforderungen für die Methanisierungsreaktion zu erfüllen, wobei es ein drei-zu-eins-Verhältnis von H2-Molekülen zu CO-Molekülen gibt (weiter unten detaillierter beschrieben).
  • Der verschobene, gekühlte saure Synthesegasstrom wird durch die Leitung 220 von dem Reaktor 212 zu der AGRU 218 geleitet. Die AGRU 218 erleichtert in erster Linie die Entfernung von H2S und CO2 aus dem Synthesegasstrom, der aus dem Reaktor 212 geleitet wird. Das mit dem Synthesegasstrom vermischte H2S, das entweder in dem Reaktor 208 erzeugt oder in diesen injiziert worden ist, kommt innerhalb des AGRU 218 mit einem selektiven Lösungsmittel in Kontakt. In der beispielhaften Ausführungsform ist das in AGRU 218 benutzte Lösungsmittel ein Amin. Alternativ schließt das Lösungsmittel Methanol und/oder Selexol® ein, ist darauf jedoch nicht beschränkt. Das Lösungsmittel wird durch die Lösungsmittelleitung 272 in die AGRU 218 geleitet. Ein konzentrierter H2S-Strom wird durch die Leitung 222 an dem Boden der AGRU 218 zu der (nicht gezeigten) Rückgewinnungseinheit abgezogen, die mit weiteren Rückgewinnungsverfahren verbunden ist. Zusätzlich wird CO2 in Form von Kohlensäure ebenfalls entfernt und in einer ähnlichen Weise entsorgt. In der beispielhaften Ausführungsform wird gasförmiges CO2 innerhalb von AGRU 218 gesammelt und als ein CO2-Strom zu den Leitungen 224, 244 und 246 des Reaktors 208 geleitet. Der CO2-Strom ist entweder ein H2S-armer CO2- oder ein H2S-reicher CO2-Strom, was von Faktoren abhängt, die Temperaturen und Drucke innerhalb der AGRU 218, Strömungsraten und ausgewähltes Lösungsmittel einschließen, darauf jedoch nicht beschränkt sind. Alternativ wird der CO2-Strom zu anderen Komponenten innerhalb des Systems 200 oder über den Kompressor 234 und die Leitung 236 zu einem Untersystem zur CO2-Abtrennung zur Absonderung geleitet.
  • Die Verfahren des Sammelns und Rückführens von CO2, wie hierin beschrieben, erleichtern ein wirksames Verfahren der CO2-Abtrennung zur Absonderung. Darüber hinaus erleichtern solche Verfahren die Erhöhung des Durchsatzes des Vergasungsreaktors 208 aufgrund der erhöhten O2-Injektion in den Reaktor 208.
  • Der angesüßte Synthesegasstrom wird vom AGRU 218 durch die Leitung 228 zu dem Methanisierungs-Reaktor 226 geleitet. Der angesüßte Synthesegasstrom ist im Wesentlichen frei von H2S und CO2 und schließt proportional erhöhte Konzentrationen von CH4 und H2 ein. Der Synthesegasstrom schließt auch eine stöchiometrische Menge an H2 ein, die erforderlich ist, das CO vollständig in CH4 umzuwandeln, d. h., mindestens 3:1 mit Bezug auf das H2/CO-Verhältnis. In der beispielhaften Ausführungsform benutzt Reaktor 226 mindestens einen im Stande der Technik bekannten Katalysator, um eine exotherme chemische Reaktion zu erleichtern, wie: CO + 3H2 ⇔ CH4 + H2O (2)
  • Der H2 in dem Reaktor 226 wandelt mindestens etwa 95% des verbliebenen CO in CH4 derart um, dass ein SNG-Strom, der durch die Leitung 230 zu dem Brenner 122 geleitet wird, mehr als 90% CH4 und weniger als 0,1% CO, bezogen auf das Volumen, enthält.
  • Das SNG, das, wie hierin beschrieben, hergestellt ist, erleichtert den Gebrauch von Brennern mit trockenem geringen NOx innerhalb der Gasturbine 110, während eine Notwendigkeit für Verdünnungsmittel vermindert wird. Darüber hinaus erleichtert eine solche SNG-Produktion die Benutzung existierender Gasturbinen-Modelle mit wenig Modifikation, um eine wirksame Verbrennung zu bewirken. Darüber hinaus erhöht ein solches SNG eine Sicherheitsgrenze im Vergleich zu Brennstoffen, die höhere H2-Konzentrationen aufweisen.
  • Die in den exothermen chemischen Reaktionen innerhalb des Reaktors 226 erzeugte Wärme wird durch die Leitung 232 zu dem HRSG 142 übertragen, um das Sieden des Speisewassers zu erleichtern, das durch Leitung 146 zu dem HRSG 142 geleitet wird. Der erzeugte Dampf wird durch die Leitung 150 zu der Turbine 132 geleitet. Eine solche Wärmeerzeugung hat den Nutzen der Verbesserung der Gesamteffizienz der IGCC-Anlage 100. Darüber hinaus erleichtert die erhöhte Temperatur des SNG eine verbesserte Wirksamkeit der Verbrennung innerhalb des Brenners 122. In der beispielhaften Ausführungsform sind der Reaktor 226 und die Leitung 232 innerhalb des HRSG 142 als ein Wärmeaustauscher mit Hülle und Rohr eingerichtet. Alternativ haben die Leitung 232, der Reaktor 226 und der HRSG 142 irgendeine Konfiguration, die den Betrieb der IGCC-Anlage 100, wie sie hierin beschrieben ist, erleichtert.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm eines anderen Vergasungssystems 300, das zusammen mit der IGCC-Energieerzeugsungsanlage 100 benutzt werden kann. Das System 300 ist im Wesentlichen ähnlich dem (in 2 gezeigten) System 200 vom Reaktor 208 bis zu dem Reaktor 212, wie oben beschrieben.
  • Das System 300 schließt einen gekühlten Methanisierungs-Reaktor 302 ein, der in Strömungsverbindung mit dem Reaktor 212 gekoppelt ist und den verschobenen sauren Synthesegasstrom mit erhöhten CO2- und Wasserstoff H2-Konzentrationen vom Reaktor 212 durch Leitung 220 erhält. Der Reaktor 302 ist ähnlich Reaktor 226, wie er oben beschrieben ist. Der Reaktor 302 erleichtert auch das Erzeugen eines partiell methanisierten (nicht gezeigten) Synthesegasstromes aus zumindest einem Teil des verschobenen sauren Synthesegasstromes. Darüber hinaus ist der Reaktor 302 in Wärmeübertragungs-Verbindung über eine Leitung 304 mit dem HRSG 142 gekoppelt. Eine solche Wärmeübertragungs-Verbindung erleichtert die Übertragung von Wärme zu dem HRSG 142, die durch das Umwandlungsverfahren vom saurem Synthesegas in partiell methanisiertes Synthesegas erzeugt wird, das innerhalb des Reaktors 302 ausgeführt wird. In dieser anderen Ausführungsform sind der Reaktor 302 und die Leitung 304 innerhalb des HRSG 142 enthalten und sind als Wärmeaustauscher vom Hülle-und-Rohr-Typ eingerichtet, darauf jedoch nicht beschränkt. Alternativ können der Reaktor 304, der Reaktor 302 und HRSG der 142 irgendeine Konfiguration haben, die den Betrieb der IGCC-Anlage 100, wie sie hierin beschrieben ist, erleichtert. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Reaktor 302 auch in Strömungsverbindung mit der Wärmeübertragungs-Vorrichtung 304 gekoppelt, wobei ein teilweise methanisierter Synthesegasstrom durch die Leitung 308 zu der Vorrichtung 306 geleitet wird. Alternativ sind der Reaktor 302 und die Wärmeübertragungs-Vorrichtung 306 in einem (nicht gezeigten) einzigen Ausrüstungsstück zusammengefasst.
  • Die Vorrichtung 306 empfängt den teilweise methanisierten Synthesegasstrom und überträgt mindestens einen Teil der darin enthaltenen Wärme auf das Boilerspeisewasser. Die Vorrichtung 306 erhitzt auch das Boilerspeisewasser teilweise, bevor das Wasser zu dem HRSG 142 geleitet wird. In dieser anderen Ausführungsform ist mindestens eine der Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144 und der Vorrichtung 306 äquivalent einem Boilervorwärmer, wie im Stande der Technik bekannt. Entweder die Vorrichtung 144 oder die Vorrichtung 306 ist äquivalent einer Heizvorrichtung für Boilerspeisewasser, wie im Stande der Technik bekannt. Die Auswahl, welche der Vorrichtungen 144 und 306 ein Vorwärmer ist, hängt von Faktoren ab, die den Wärmegehalt der dazugehörigen eingelassenen Strömungsmittel einschließen, darauf jedoch nicht beschränkt sind.
  • Die Vorrichtung 306 steht durch eine Leitung 310 in Strömungsverbindung mit einem Trimmkühler 309. der Kühler 308 ist eingerichtet, den teilweise methanisierten Synthesegasstrom zu kühlen, der von der Vorrichtung 306 kommt, und einen signifikanten Teil der verbliebenen latenten Verdampfungswärme derart zu abzuführen, dass der Dampf innerhalb des Synthesegasstromes kondensiert wird. Der Kühler 309 steht über die Leitung 314 in Strömungsverbindung mit der Ausbrechtrommel 312. Die Ausbrechtrommel 312 steht auch über Leitung 315 in Strömungsverbindung mit einem (nicht gezeigten) Kondensat-Rückführungssystem. Der Kühler 309 steht über die Leitung 316 in Strömungsverbindung mit der AGRU 218, wobei die übrigen Teile des Systems 300 im Wesentlichen ähnlich den entsprechenden Äquivalenten in dem System 200 sind.
  • Während des Betriebes bildet das System 300 bis zu und einschließlich dem Reaktor 212 den verschobenen sauren Synthesegasstrom, wie oben beschrieben. Der Synthesegasstrom schließt eine erhöhte Konzentration von CO2 und H2 bei einem Dampf-zu-Trockengas-Verhältnis von weniger als etwa 0,2–0,5 und einem H2-zu-CO-Verhältnis von mindestens etwa 3,0 ein. Es ist daher genügend H2 verfügbar, um die stöchiometrische Anfor derung für die Methanisierungsreaktion zu erfüllen, wobei es ein 3:1-Verhältnis von H2-Molekülen zu CO-Molekülen gibt.
  • In dieser alternativen Ausführungsform wird der verschobene saure Synthesegasstrom durch die Leitung 220 von dem Reaktor 212 zu dem Methanisierungs-Reaktor 302 geleitet. Der Reaktor 302 erleichtert eine mindestens teilweise Umwandlung des CO zu CH4 in einer Weise, ähnlich der in dem Reaktor 226. Der H2 in dem Reaktor 302 wandelt etwa 80% bis 90% des CO in H2O und CH4 um. Die in den exothermen chemischen Reaktionen innerhalb des Reaktors 302 erzeugte Wärme wird durch Leitung 304 zu dem HRSG 142 geleitet, um das Sieden des Speisewassers, das in den HRSG 142 geleitet wird, zu erleichtern. Eine solche Wärmeerzeugung hat den Nutzen der Verbesserung der Gesamteffizienz der IGCC-Anlage 100. Alternativ sind die Reaktoren 212 und 302 in einem (nicht gezeigtes) einzelnen Ausrüstungsstück zusammengefasst, wobei ein Wassergas-Verschiebungsteil stromaufwärts eines Methanisierungsteiles liegt und Leitung 220 weggelassen wird.
  • Ein (nicht gezeigter) heißer saurer verschobener Synthesegasstrom, der innerhalb des Reaktor 302 erzeugt ist, wird durch die Leitung 308 zu der Wärmeübertragungs-Vorrichtung 306 geleitet. Die innerhalb des Synthesegasstromes enthaltene Wärme wird mittels der Vorrichtung 306 zu dem Boilerspeisewasser übertragen, um die Gesamteffizienz der IGCC-Anlage 100 leichter zu verbessern. Ein gekühlter saurer verschobener Synthesegasstrom wird von Vorrichtung 306 zu dem Trimmkühler 309 geleitet. Der Trimmkühler 309 erleichtert das Entfernen mindestens eines Teiles der verbliebenen latenten Verdampfungswärme aus dem Synthesegasstrom derart, dass ein beträchtlicher Anteil des verbleibenden H2O kondensiert und aus dem Synthesegasstrom über die Ausbrechtrommel 312 entfernt wird. Das (nicht gezeigte) Kondensat wird von der Trommel 312 zu dem Kondensat- Rückführungssystem zur Wiederverwendung in der Abschreckeinheit 262 und/oder der Einheit 266 zur Entfernung feinteiligen Materials geleitet.
  • Ein im Wesentlicher trockener, gekühlter saurer und teilweise methanisierter Synthesegasstrom (nicht gezeigt) wird durch die Leitung 316 zu der AGRU 218 geleitet. In dieser anderen Ausführungsform erleichtert das Leiten eines solchen Synthesegasstromes zu der AGRU 218 das Anwenden eines Verfahrens zum Entfernen eines Säuregases mittels gekühltem Mageröl, wie im Stande der Technik bekannt, anstelle eines oder zusätzlich zu dem Amin-Verfahren, wie oben beschrieben. Das Anwenden des Verfahrens mit gekühltem magerem Öl erleichtert die Verringerung des Einsatzes von Aminen, was eine Verringerung der Betriebskosten in Anlage 100 erleichtert. Eine solche Anwendung erleichtert auch eine Verringerung bei der Produktion wärmestabiler Salze, die typischerweise mit dem Einsatz von Aminen zur Säuregasentfernung verbunden ist. Solche wärmestabilen Salze können die Produktion zusätzlicher korrosiver Säuren erleichtern und die Wirksamkeit der Amine verringern, die Säure innerhalb des Synthesegasstromes wirksam zu entfernen.
  • Alternativ erleichtert das Leiten eines Synthesegasstromes zu der AGRU 218 das Benutzen eines Erdgas-Ansüßungsmembransystems, wie im Stande der Technik bekannt, anstelle des oder zusätzlich zu dem Amin-Verfahren, wie oben beschrieben. Das Benutzen eines Membransystems zur Massentrennung erleichtert das Verringern des Einsatzes von Aminen, was eine Reduktion der Betriebskosten in der Anlage 100 erleichtert.
  • Der zu dem Brenner 122 geleitete SNG-Strom wird im Wesentlichen wie oben beschrieben mit der Ausnahme hergestellt, dass der Reaktor 226 das übrige CO und H2 in dem teilweise methani sierten Synthesegasstrom zur Produktion von CH4 und H2O, wie oben beschrieben, umwandelt.
  • Alternativ steht die AGRU 218 über die CO2-Leitung 224 in Strömungsverbindung mit dem Reaktor 208, wobei mindestens ein erster Teil entweder des H2S-mageren CO2-Stromes oder des H2S-reichen CO2-Stromes durch die Leitungen 244 bzw. 246 zu der unteren Stufe 240 und der oberen Stufe 242 des Reaktor 208 geleitet wird, wobei solche Ströme innerhalb des Systems 200 zurückgeführt werden. Darüber hinaus steht die AGRU 218 über die Leitung 224 in Strömungsverbindung mit dem Kompressor 234, wobei mindestens ein zweiter Teil des entweder H2S-mageren CO2-Stromes oder des H2S-reichen CO2-Stromes über die Leitung 236 zu einem (nicht gezeigten) Absonderungssystem geleitet wird. Das Absonderungssystem kann eine Pipeline zur Injektion in verbesserte Ölrückgewinnungs- oder Salinenbewässerungs-Anlagen sein, ist darauf jedoch nicht beschränkt.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung für Ersatzerdgas- oder SNG-Produktion, wie hierin beschrieben, erleichtert den Betrieb integrierter Anlagen für Vergasung mit kombiniertem Zyklus(IGCC)-Energieerzeugung und spezifisch SNG-Produktionssystemen. Spezifischer erleichtert das Sammeln und Zurückführen von Kohlendioxid (CO2)-Molekülen innerhalb des SNG-Produktionssystems ein Verfahren zur CO2-Abtrennung zur Absonderung. Spezifisch erleichtert das Konfigurieren des IGCC- und SNG-Produktionssystems, wie hierin beschrieben, das optimale Erzeugen und Sammeln von Wärme aus den exothermen chemischen Reaktionen in dem SNG-Produktionsverfahren, um die Verbesserung der thermischen Effizienz der IGCC-Anlage zu erleichtern. Darüber hinaus erleichtern das Verfahren und die Ausrüstung zum Produzieren eines solchen SNG, wie hierin beschrieben, das Modifizieren existierender, im Dienst befindlicher Gasturbinen durch Verringern von Hardware-Modifikationen ebenso wie Verringern von Kapital- und Laborkosten, die mit dem Bewirken solcher Modifikationen verbunden sind.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der SNG-Produktion, wie mit IGCC-Anlagen verbunden, sind oben detailliert beschrieben. Die Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen noch auf die spezifischen dargestellten IGCC-Anlagen beschränkt.
  • Während die Erfindung in Form verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung mit Modifikation innerhalb des Geistes und Umfanges der Ansprüche ausgeführt werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Verfahren zum Erzeugen von Ersatzerdgas (SNG) schlieft das Bereitstellen eines Synthesegasstromes ein, der mindestens etwas Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) einschlieft. Das Verfahren schlieft auch das Abtrennen mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S von mindestens einem Teil des bereitgestellten Synthesegasstromes ein. Das Verfahren schlieft weiter das Leiten mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S, die von dem mindestens einen Teil des Synthesegasstromes abgetrennt wurden, zu mindestens einem Absonderungssystem und einem Vergasungsreaktor ein.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Erzeugen von Ersatzerdgas (SNG), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Synthesegasstromes, der zumindest etwas Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) einschließt, Abtrennen mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S aus mindestens einem Teil des bereitgestellten Synthesegasstromes und Leiten mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S, die aus mindestens einem Teil des Synthesegasstromes abgetrennt wurden, zu mindestens einem von: einem Absonderungssystem und einem Vergasungsreaktor.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bereitstellen eines Synthesegasstromes, der mindestens etwas CO2 einschließt, umfasst: Erzeugen eines Synthesegasstromes mit dem mindestens einen Vergasungsreaktor, Leiten mindestens eins Teiles des Synthesegasstromes zu mindestens einem Gas-Verschiebungsreaktor und Erzeugen eines verschobenen Synthesegasstromes, der mindestens etwas Kohlendioxid (CO2) einschließt, in dem mindestens einen Gas-Verschiebungsreaktor.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Erzeugen eines verschobenen Synthesegasstromes das Übertragen von Wärme von mindestens einem Teil des mindestens einen Gas-Verschiebungsreaktors mittels mindestens einer Wärmeübertragungs-Vorrichtung umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Abtrennen mindestens eines Teiles des CO2 und mindestens eines Teiles des H2S von mindestens einem Teil des Synthesegasstromes umfasst: Leiten des verschobenen Synthesegasstromes, der mindestens etwas CO2 und mindestens etwa H2S einschließt, zu mindestens einer Säuregas-Entfernungseinheit (AGRU) und Abtrennen mindestens eines Teiles des CO2 und H2S von mindestens einem Teil des verschobenen Synthesegasstromes innerhalb der mindestens einen AGRU.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Abtrennen mindestens eines Teiles des CO2 und H2S von mindestens einem Teil des verschobenen Synthesegasstromes zumindest eines von Folgemdem beinhaltet: Bilden eines CO2-Stromes, der H2S unterhalb einer vorbestimmten Grenze enthält, wodurch ein H2S-armer CO2-Strom gebildet wird, Bilden eines CO2-Stromes, der H2S oberhalb einer vorbestimmten Grenze enthält, wodurch ein H2S-reicher CO2-Strom gebildet wird, und Bilden eines sauren H2S-Gasstromes.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Bilden eines CO2-Stromes, der H2S unterhalb einer vorbestimmten Grenze enthält, das Injizieren mindestens eines Teiles des mindestens einen H2S-armen CO2-Stromes in einen Vergasungsreaktor umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Bilden eines CO2-Stromes, der H2S oberhalb einer vorbestimmten Grenze enthält, das Injizieren mindestens eines Teiles des mindestens einen H2S-reichen CO2-Stromes in mindestens einen des Vergasungsreaktors und des Absonderungssystems umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Bilden eines CO2-Stromes, der H2S unterhalb einer vorbestimmten Grenze enthält, das Injizieren mindestens eines Teiles des mindestens einen H2S-armen CO2-Stromes in mindestens einen des Vergasungsreaktors und des Absonderungssystems umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Kuppeln mindestens eines Teiles eines Dampferzeugungssystems in Wärmeübertragungs-Verbindung mit mindestens einem von: mindestens einem Teil mindestens eines Gas-Verschiebungsreaktors und mindestens einem Teil mindestens eines Methanisierungs-Reaktors.
  10. Vergasungssystem, umfassend: mindestens einen Vergasungsreaktor, der zur Erzeugung eines Gasstromes eingerichtet ist, der mindestens etwas Schwefelwasserstoff (H2S) umfasst, ein Untersystem zur CO2-Abtrennung zur Absonderung, das in Strömungsverbindung mit dem Vergasungsreaktor gekoppelt ist, wobei das Untersystem umfasst: mindestens einen Gas-Verschiebungsreaktor, der eingerichtet ist, innerhalb des Gasstromes CO2 zu erzeugen, mindestens eine Säuregas-Entfernungseinheit (AGRU), die eingerichtet ist, mindestens einen Teil des CO2 und des H2S aus dem Gasstrom zu entfernen, und mindestens einen Kompressor, um das Leiten des CO2 und des H2S von der mindestens einen AGRU zu erleichtern.
  11. Vergasungssystem nach Anspruch 10, worin die AGRU weiter eingerichtet ist, mindestens einen von: einem CO2-Strom, der H2S unterhalb einer vorbestimmten Grenze umfasst, wodurch ein H2S-armer CO2-Strom gebildet wird, einem CO2-Strom, der H2S oberhalb einer vorbestimmten Grenze umfasst, wodurch ein H2S-reicher CO2-Strom gebildet wird, und einem H2S-Säuregasstrom, zu erzeugen.
  12. Vergasungssystem nach Anspruch 11, worin der Vergasungsreaktor eingerichtet ist, mindestens einen von: den H2S-armen CO2-Strom und den H2S-reichen CO2-Strom auf zunehmen.
  13. Vergasungssystem nach Anspruch 10, worin der mindestens eine Gas-Verschiebungsreaktor in Strömungsverbindung mit dem Vergasungsreaktor und der AGRU gekoppelt ist, der mindestens eine Gas-Verschiebungsreaktor eingerichtet ist, mindestens einen Teil der aus mindestens einer exothermen chemischen Reaktion freigesetzten Wärme abzufangen, wobei der mindestens eine Gas-Verschiebungsreaktor eines von: in Wärmeübertragungs-Verbindung mit mindestens einer externen Wärmeübertragungs-Vorrichtung gekoppelt und mit mindestens einer integrierten Wärmeübertragungs-Vorrichtung in einer einheitlichen Umhüllung zusammengefasst ist.
  14. Vergasungssystem nach Anspruch 10, weiter umfassend mindestens einen Methanisierungsreaktor, der in Strömungsverbindung mit der AGRU gekoppelt ist, der mindestens eine Methanisierungsreaktor eingerichtet ist, mindestens einen Teil der aus mindestens einer exothermen chemischen Reaktion freigesetzten Wärme abzufangen, wobei der mindestens eine Methanisierungsreaktor eines von: in Wärmeübertragungs-Verbindung mit mindestens einer externen Wärmeübertragungs-Vorrichtung gekoppelt und mit mindestens einer integrierten Wärmeübertragungs-Vorrichtung in einer einheitlichen Umhüllung zusammengefasst ist.
  15. Integrierte Anlage zur Vergasung mit kombiniertem Zyklus (IGCC)/Energieerzeugung, umfassend mindestens ein Gasturbinen-Triebwerk, das in Strömungsverbindung mit mindestens einem Vergasungssystem gekoppelt ist, wobei das mindestens eine Vergasungssystem umfasst: mindestens einen Vergasungsreaktor, der eingerichtet ist, einen Gastrom zu erzeugen, der mindestens etwas Schwefelwasserstoff (H2S) umfasst, ein Untersystem zur CO2-Abtrennung zur Absonderung, das in Strömungsverbindung mit dem Vergasungsreaktor gekoppelt ist, wobei das Untersystem umfasst: mindestens einen Gas-Verschiebungsreaktor, der eingerichtet ist, CO2 innerhalb des Gasstromes zu erzeugen, mindestens eine Säuregas-Entfernungseinheit (AGRU), die eingerichtet ist, mindestens einen Teil des CO2 und des H2S aus dem Gasstrom zu entfernen, und mindestens einen Kompressor, der das Leiten des mindestens einen Teiles des CO2 und des H2S von der mindestens einen AGRU erleichtert.
  16. IGCC-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 15, worin die AGRU weiter eingerichtet ist, mindestens einen von: einem CO2-Strom, der H2S unterhalb einer vorbestimmten Grenze umfasst, wodurch ein H2S-armer CO2-Strom gebildet wird, einem CO2-Strom, der H2S oberhalb einer vorbestimmten Grenze umfasst, wodurch ein H2S-reicher CO2-Strom gebildet wird, und einem H2S-Säuregasstrom zu erzeugen.
  17. IGCC-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 16, worin der Vergasungsreaktor eingerichtet ist, mindestens einen Teil von mindestens einem: dem H2S-armen CO2-Strom und dem H2S-reichen CO2-Strom zu empfangen.
  18. IGCC-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 15, weiter umfassend mindestens einen Methanisierungsreaktor, der in Strömungsverbindung mit der AGRU gekoppelt ist, wobei der mindestens eine Methanisierungsreaktor eingerichtet ist, mindestens einen Teil der Wärme, die von mindestens einer exothermen chemischen Reaktion freigesetzt wird, abzufangen, wobei der mindestens eine Methanisierungsreaktor eines ist von: in Wärmeübertragungs-Verbindung mit mindestens einer externen Wärmeübertragungs-Vorrichtung gekoppelt und mit mindestens einer integrierten Wärmeübertragungs-Vorrichtung in einer einheitlichen Umhüllung zusammengefasst.
  19. IGCC-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 17, worin der Methanisierungsreaktor in Strömungsverbindung mit dem Gas-Verschiebungsreaktor gekoppelt ist, der mindestens eine Methanisierungsreaktor eingerichtet ist, mindestens einen Teil der Wärme abzufangen, die von mindestens einer exothermen chemischen Reaktion freigesetzt ist, wobei der mindestens eine Methanisierungsreaktor eines ist von: in Wärmeübertragungs-Verbindung mit mindestens einer externen Wärmeübertragungs-Vorrichtung gekoppelt und mit mindestens einer integrierten Wärmeübertragungs-Vorrichtung in einer einheitlichen Umhüllung zusammengefasst.
  20. IGCC-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 15, worin der mindestens eine Gas-Verschiebungsreaktor als ein Gas-Verschiebungsreaktorteil innerhalb einer integrierten Vorrichtung eingerichtet ist, wobei die integrierte Vorrichtung einen Methanisierungs-Reaktorteil stromabwärts des Gas-Verschiebungsreaktorteiles umfasst, wobei der Methanisierungs-Reaktorteil eingerichtet ist, mindestens einen Teil der Wärme abzufangen, die von mindestens einer exothermen chemischen Reaktion freigesetzt ist, wobei der mindestens eine Methanisierungs-Reaktorteil eines ist von: in Wärmeübertragungs-Verbindung mit mindestens einer externen Wärmeübertragungs-Vorrichtung gekoppelt und mit mindestens einer integrierten Wärmeübertragungs-Vorrichtung in einem einheitlichen Abschnitt der integrierten Vorrichtung zusammengefasst.
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