DE69422190T2

DE69422190T2 - Teil-oxydationsverfahren mit energieperzeugung

Info

Publication number: DE69422190T2
Application number: DE69422190T
Authority: DE
Inventors: Frederick Jahnke; Pradeep Thacker; Paul Wallace
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1993-10-20
Filing date: 1994-10-18
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2014-10-19
Also published as: BG100522A; AU4992296A; SK44696A3; CA2174245A1; UA26415C2; EP0724687A4; ZA948237B; FI961365A; PL174137B1; NO311190B1; CO4410232A1; US5345756A; BR9408178A; NZ300008A; JP3136540B2; WO1995011379A3; EP0724687A1; FI961365A0; CZ110396A3; FI107284B

Description

Hinterrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Brenngas durch die Teiloxidation von kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen und das Verbrennen besagten Brenngases in einer Gasturbine zur Energieerzeugung.
Die Herstellung von Brenngas durch die Teiloxidation von flüssigem Kohlenwasserstoffbrennstoff; Kontrollieren des Molverhältnisses (CO/H&sub2;) des Brenngases durch Umkehr- Kohlenmonoxid-Konvertierung; Säubern und Reinigen des Brenngases; und Verbrennen des besagten Brenngasstromes in einer energieerzeugenden Gasturbine ist in dem mitübertragenen U.S. Patent No. 3,868,817 offenbart. Das Erhitzen von Wasser zur Verwendung bei der Sättigung von Brenngas wurde durchgeführt durch kontaktlosen indirekten Wärmeaustausch in U.S. Patent No. 5,117,623. Keines dieser Verfahren lehrt jedoch das hocheffiziente integrierte Vergasungsverfahren der Anmelder, das die Schritte einschließt: (1) Abkühlen des gequerichten gesättigten Stromes aus rohem Brenngas auf unterhalb des Taupunktes, um Wasser auszukondensieren, zur Verwendung beim Quenchen und Waschen des rohen Brenngases, und Maximieren der Waschwassertemperatur durch direkten Kontakt des Waschwassers mit dem gequerichten rohen Brenngasstrom unmittelbar stromabwärts eines Wärmetauschers zur Erzeugung von Dampf mit Zwischendruck, der überhitzt, und in eine Expansionsturbine als wenigstens ein Teil des Arbeitsfluids eingeleitet wird; und (2) Anordnen der Mittel zur Verringerung des Leitungsdruckes vor dem Erhitzen des Wassers zur Sättigung von Brenngas und Stickstoffgas und vor dem vollständigen Abkühlen des rohen Stromes aus nicht-gereinigtem Brenngas, um die beträchtliche Wassermenge zu nutzen, die zu diesem Zeitpunkt des Verfahrens im rohen Brenngas verblieben ist, die Heizkondensat zum Waschen des rohen Brenngases liefert.

ZUSAMMENFASSUNG

Eine bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Teiloxidationsverfahrens betrifft ein hochwirksames Verfahren für einen Kombinationszyklus mit integrierter Vergasung (IGCC), das eine Gasabkühlung in Stufen umfaßt und bei hohem Druck arbeitet, um zu ermöglichen, daß ein Maximum an Wärme aus dem gequerichten Brenngas bei der Energieerzeugung verwendet werden kann. Der Energieerzeugungsdampfzyklus ist optimiert, um die Maximierung des Prozeßdampfes zu unterstützen, der im Zyklus sehr effizient verwendet werden kann. Stickstoff aus einer Vergasungslufttrenneinheit und das Brenngas werden gesättigt und verwendet, um die Effizienz zu erhöhen und die Minimierung der NOx- Erzeugung zu unterstützen.
Das Verfahren besteht im wesentlichen aus den folgenden Schritten:
(1) Umsetzen eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes durch Teiloxidation, um einen Brenngasstrom zu erzeugen, Abkühlen besagten Brenngases durch Quenchen in Wasser, um einen Strom aus gequerichtem gesättigten Brenngas zu erzeugen, mit einer Temperatur im Bereich von etwa 177ºC bis 316ºC (350ºF bis 600ºF), wie etwa 232ºC bis 288ºC (450ºF bis 550ºF), und einem Druck im Bereich von etwa 3,5 bis 17 kPa (500 bis 2500 psia), wie etwa 5 bis 10 kPa (700 bis 1500 psia), Abkühlen besagten gequerichten gesättigten Brenngases durch indirekten Wärmeaustausch mit Kesselspeisewasser, wodurch die Temperatur besagten gequerichten Brenngases auf eine Temperatur im Bereich von etwa 210ºC bis 288ºC (410ºF bis 550ºF), wie etwa 216ºC bis 243ºC (420ºF bis 470ºF) verringert wird, während gleichzeitig besagtes Kesselspeisewasser in Dampf mit einem Zwischendruck im Bereich von etwa 1,9 bis 4 kPa (275 bis 600 psia), wie etwa 2 bis 2,8 kPa (300 bis 400 psia), umgewandelt wird, und Reinigen besagten gequerichten gesättigten Brenngases mit vorgewärmtem Waschwasser aus (2);
(2) Vorwärmen von Waschwasser, das Prozeßkondensat und Zusatzwasser umfaßt, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 191ºC bis 288ºC (375ºF bis 550ºF), wie etwa 204ºC bis 232ºC (400ºF bis 450ºF), durch direkten Wärmeaustausch in einer Einrichtung für direkten Kontakt zwischen Gas und Wasser mit abgekühltem gequerichten gesättigtem Brenngas, das (1) verläßt, wodurch die Temperatur besagten gequerichten gesättigten Brenngases auf eine Temperatur im Bereich von etwa 149ºC bis 282ºC (300ºF bis 540ºF), wie etwa 204ºC bis 232ºC (400ºF bis 450ºF), verringert wird, und Abtrennen von kondensiertem Wasser aus besagtem abgekühlten Brenngas;
(3) Verringern des Druckes besagten abgekühlten Brenngases aus (2) in der Höhe von etwa 0,7 bis 16 kPa (100 bis 2300 psia), wie etwa 1,4 bis 8,3 kPa (200 bis 1200 psia), weiteres Abkühlen besagten Brenngases auf eine Temperatur im Bereich von etwa 4ºC bis 60ºC (40ºF bis 140ºF), wie etwa 38ºC bis 49ºC (100ºF bis 120ºF), durch indirekten Wärmeaustausch mit kaltem Wasser, wodurch Wasser aus besagtem abgekühlten Brenngasstrom auskondensiert wird, während besagtes kalte Wasser erwärmt wird, um erwärmtes Wasser mit einer Temperatur im Bereich von etwa 107ºC bis 204ºC (225ºF bis 400ºF), wie etwa 135ºC bis 188ºC (275ºF bis 370ºF), zu erzeugen, und Einführen des in (2) und (3) ausgekondensierten Wassers in besagte Einrichtung für direkten Kontakt von Gas und Wasser in (2), in der es zur Verwendung als Gaswaschwasser erwärmt wird;
(4) Reinigen des abgekühlten Brenngasstromes aus (3);
(5) Sättigen eines Stromes aus Stickstoffgasstromes und des Stromes aus gereinigtem Brenngas aus (4) mit besagtem erwärmten Wasser aus (3);
(6) Überhitzen der gesättigten Ströme aus Brenngas und Stickstoffgas aus (5) auf eine Temperatur im Bereich von etwa 177ºC bis 538ºC (350ºF bis 1000ºF), wie etwa 260ºC bis 316ºC (500ºF bis 600ºF); und Einführen besagter Ströme aus überhitztem Brenngas und Stickstoffgas in den Vergasungsbrenner einer Gasturbine;
(7) Verbrennen besagten gesättigten Brenngases in besagtem Vergasungsbrenner bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1204ºC bis 1427ºC (2200ºF bis 2600ºF) und einem Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 7 kPa (100 bis 1000 psia), wie etwa 1 bis 3,5 kPa (150 bis 500 psia), in einer Gasturbine, um ein Abgas mit einer verringerten NOx- Menge zu erzeugen; und
(8) Leiten besagten Abgases durch eine Expansionsturbine zur Energieerzeugung mit einer erhöhten Leistung.
In einer Ausführungsform wird die thermische Energie im Turbinenabgas verwendet, um Dampf zu erzeugen. Der Dampf wird dann als das Arbeitsfluid in einer Dampfturbine verwendet, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Verfahrens erhöht wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung kann durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erlangt werden, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Es ist nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf das beschriebene besondere Verfahren oder die beschriebenen besonderen Materialien zu beschränken.

Beschreibung der Erfindung

Im vorliegenden Verfahren wird ein roher Brenngasstrom, der im wesentlichen H&sub2;, CO, CO&sub2;, H&sub2;O, mitgerissenes teilchenförmiges Material, das teilchenförmigen Kohlenstoff und Asche umfaßt; und wenigstens ein Material aus der Gruppe N&sub2;, Ar, COS, CH&sub4;, NH&sub3;, HCN, HCOOH und Schlacke umfaßt, durch Teiloxidation eines flüssigen und/oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes erzeugt, der eine wäßrige Aufschlämmung von festem kohlenstoffhaltigen Brennstoff mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas, typischerweise in der Gegenwart eines Temperaturmoderators, in der Reaktionszone eines nicht mit Füllkörpern versehenen, vertikalen, nicht-katalytischen Freifluß-Teiloxidationsgasgenerators erzeugt. Das Gewichtsverhältnis von H&sub2;O zu Brennstoff in der Reaktionszone liegt im Bereich von etwa 0,1 bis 5 und vorzugsweise etwa 0,2 bis 0,7. Das Atomverhältnis von freiem Sauerstoff zu Kohlenstoff im Brennstoff (O/C-Verhältnis) liegt im Bereich von etwa 0,6 bis 1,6 und vorzugsweise von 0,8 bis 1,4. Die Reaktionszeit liegt im Bereich von etwa 0,1 bis 50 Sekunden, wie etwa 2 bis 6 Sekunden.
Der Rohbrenngasgenerator umfaßt einen vertikalen zylindrisch ausgebildeten Stahldruckbehälter, ausgekleidet mit refraktorischem Material, wie etwa dargestellt im mitübertragenen U.S. Pat. No. 2,809,104, das hierin durch Bezugnahme miteinbezogen wird. Eine typische Quenchtrommel ist ebenfalls in besagtem Patent dargestellt. Ein Brenner, wie etwa dargestellt im mitübertragenen U.S. Pat. No. 2,928,460, das hierin durch Bezugnahme miteinbezogen wird, kann verwendet werden, um die Zuführströme in die Reaktionszone einzuführen.
Ein weiter Bereich von brennbaren flüssigen und/oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen oder wäßrigen Aufschlämmungen von festem kohlenstoffhaltigen Brennstoff können im Gasgenerator mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas in der Gegenwart des die Temperatur moderierenden Gases umgesetzt werden, um das Synthesegas zu erzeugen.
Der Begriff flüssiger kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff, wie er hierin verwendet wird, um verschiedene geeignete Beschickungsmaterialien zu beschreiben, soll pumpbare flüssige Kohlenwasserstoffmaterialien und pumpbare flüssige Aufschlämmungen von festen kohlenstoffhaltigen Materialien und Mischungen derselben einschließen. Zum Beispiel sind pumpbare wäßrige Aufschlämmungen von festen kohlenstofthaltigen Brennstoffen geeignete Beschickungsmaterialien. Tatsächlich kann im wesentlichen jedes brennbare kohlenstoffhaltige flüssige organische Material, oder Aufschlämmungen desselben, in die Definition des Begriffes "flüssig kohlenwasserstoffhaltig" einbezogen werden. Es gibt z. B.:
(1) pumpbare Aufschlämmungen von festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, wie etwa Kohle, teilchenförmigem Kohlenstoff, Erdölkoks, konzentriertem Klärschlamm und Mischungen derselben, in einem verdampfbaren flüssigen Träger, wie etwa Wasser, flüssigem CO&sub2;, flüssigem Kohlenwasserstoffbrennstoff und Mischungen derselben;
(2) geeignete flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffbeschickungsmaterialien für den Vergaser sollen verschiedene Materialien einschließen, wie etwa verflüssigtes Erdgas, Erdöldestillate und -rückstände, Benzin, Naphtha, Kerosin, Rohöl, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teersandöl und Schieferöl, aus Kohle gewonnenes Öl, aromatische Kohlenwasserstoffe (wie etwa Benzol-, Toluol-, Xylolfraktionen), Kohleteer, Kreislaufgasöl aus katalytischen Wirbelschicht-Krackprozessen, Furfuralextrakt von Kokergasöl und Mischungen derselben;
(3) ebenfalls eingeschlossen in die Definition des Begriffes flüssig kohlenwasserstoffhaltig sind sauerstoffhaltige kohlenwasserstoffhaltige organische Materialien, einschließlich Kohlehydrate, Cellulosematerialien, Aldehyde, organische Säuren, Alkohole, Ketone, sauerstofthaltige Brennstofföle, Abfallflüssigkeiten und Nebenprodukte aus chemischen Prozessen, die sauerstofthaltige kohlenwasserstoffhaltige Materialien enthalten, und Mischungen derselben.
Gasförmige kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe, die im Teiloxidationsvergaser allein oder zusammen mit dem flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff verbrannt werden können, schließen verdampftes flüssiges Erdgas, Raffinerieabgas, C&sub1;-C&sub4;-Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase und kohlenstoffhaltige Abfallgase aus chemischen Prozessen ein.
Das flüssige kohlenwasserstoffhaltige Beschickungsmaterial kann bei Raumtemperatur liegen oder es kann auf eine Temperatur bis zu einer Höhe von etwa 316ºC bis 649ºC (600ºF bis 1200ºF) vorgewärmt werden, aber vorzugsweise unterhalb seiner Kracktemperatur. Das flüssige kohlenwasserstoffhaltige Beschickungsmaterial kann in den Gasgeneratorbrenner in flüssiger Phase in einer verdampften Mischung mit dem Temperaturmoderator eingeführt werden.
Die Notwendigkeit eines Temperaturmoderators, um die Temperatur in der Reaktionszone des Gasgenerator zu steuern, hängt im allgemeinen von den Verhältnissen Kohlenstoff zu Wasserstoff des Beschickungsmaterials und dem Sauerstoffgehalt des Oxidationsmittelstromes ab. Ein Temperaturmoderator wird mit flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen mit im wesentlichen reinem Sauerstoff verwendet. Wasser oder Dampf ist der bevorzugte Temperaturmoderator. Dampf kann als ein Temperaturmoderator in Vermischung mit einem oder beiden Reaktantenströmen eingeführt werden. Alternativ kann der Temperaturmoderator in die Reaktionszone des Gasgenerators über eine separate Leitung im Brenner eingeführt werden. Weitere Temperaturmoderatoren schließen CO&sub2;-reiches Gas, Stickstoff und rückgeführtes Synthesegas ein.
Der Begriff freien Sauerstoff enthaltendes Gas, wie hierin verwendet, bedeutet Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft, d. h. mehr als 21 Mol% O&sub2;, und im wesentlichen reinen Sauerstoff, d. h. mehr als etwa 95 Mol% Sauerstoff (wobei der Rest üblicherweise N&sub2; und Edelgase umfaßt). Freien Sauerstoff enthaltendes Gas kann über den Teiloxidationsbrenner bei einer Temperatur im Bereich von etwa Umgebungstemperatur bis 482ºC (900ºF) eingeführt werden.
Der rohe Brenngasstrom tritt aus der Reaktionszone mit einer Temperatur im Bereich von etwa 927ºC bis 1927ºC (1700ºF bis 3500ºF) und vorzugsweise 1093ºC bis 1538ºC (2000ºF bis 2800ºF) und bei einem Druck im Bereich von etwa 3,5 bis 17 kPa (500 bis 2500 psia) und vorzugsweise 5 bis 10,3 kPa (700 bis 1500 psia) aus. Die Zusammensetzung des heißen rohen abgehenden Gasstromes ist etwa wie folgt, in Molprozent: H&sub2; 10 bis 70, CO 15 bis 57, CO&sub2; 0,1 bis 25, H&sub2;O 0,1 bis 20, CH&sub4; 0 bis 60, NH&sub3; 0 bis 5, H&sub2;S 0 bis 5, COS 0 bis 0,1, N&sub2; 0 bis 60, Ar 0 bis 2,0, HCN und HCOOH 0 bis 100 Teile pro Million (Gewichtsbasis). Teilchenförmiger Kohlenstoff ist im Bereich von etwa 0 bis 20 Gew.-% vorhanden (Basis: Kohlenstoffgehalt im ursprünglichen Beschickungsmaterial). Asche und/oder geschmolzene Schlacke können in den Mengen von 0 bis 5,0 bzw. 0 bis 60 Gew.-% des ursprünglichen flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen oder festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffbeschickungsmaterials vorhanden sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wird der gesamte heiße rohe abgehende Brenngasstrom, der die mit refraktorischem Material ausgekleidete Reaktionszone des Teiloxidationsgasgenerators mit im wesentlichen derselben Temperatur und demselben Druck wie in der Reaktionszone verläßt, abzüglich dem üblichen Abfall in den Leitungen, direkt in ein Wasserbecken eingeleitet, das im Boden einer Quenchtrommel oder eines Quenchtankes enthalten ist, wie etwa demjenigen, der im mitübertragenen U.S. Pat. No. 2,896,927 beschrieben ist, das hierin durch Bezugnahme miteinbezogen wird. Das vorliegende Verfahren ist insofern einzigartig, als daß eine Hochdruck-Quench- Vergasungskonfiguration verwendet wird, um die Investment- und Erhaltungskosten zu minimieren und die Temperatur des gequerichten Gases zu maximieren. Wenn Wärme aus dem aus dem Vergaser austretenden Gas vor dem Quenchen abgezogen würde oder wenn der Vergaser bei niedrigem Druck betrieben würde, hätte das gequerichte Gas eine zu niedrige Temperatur, um den Zwischendruckdampf zu erzeugen, der für die wirksame Integration in den Dampfzyklus erforderlich ist.
Die Quenchtrommel ist unterhalb der Reaktionszone des Gasgenerators angeordnet und der Strom aus rohem Brenngas, den sie aufnimmt, trägt im wesentlichen die gesamte Asche und/oder Schlacke und den teilchenförmigen Kohlenstoffruß mit sich, die die Reaktionszone des Gasgenerators verlassen. Der turbulente Zustand in der Quenchtrommel, hervorgerufen durch die großen Gasvolumina, die durch das Wasser hindurchperlen, hilft dabei, daß das Wasser einen Großteil der Feststoffe aus dem abgehenden Gas herauswäscht. Große Dampfmengen werden im Quenchbehälter erzeugt und sättigen den Gasstrom. Der Rohgasstrom wird in der Quenchtrommel abgekühlt und verläßt sie mit einer Temperatur im Bereich von etwa 177ºC bis 316ºC (350ºF bis 600ºF), wie etwa 232ºC bis 288ºC (450ºF bis 550ºF), und einem Druck im Bereich von etwa 3,5 bis 17 kPa (500 bis 2500 psia), wie etwa 5 bis 10,3 kPa (700 bis 1500 psia). Vorteilhafterweise ist das frische Quenchwasser, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Mischung aus Zusatzwasser und später im Verfahren erzeugtem Kondensat. Der Ausdruck "und/oder" wird hierin in seiner üblichen Weise verwendet. Zum Beispiel bedeutet A und/oder B entweder A oder B oder A + B.
Um das Verstopfen von stromabwärts angeordneten Katalysatorbetten und/oder das Verunreinigen von Flüssiglösemittelabsorptionsmitteln zu verhindern, die in den anschließenden Gasreinigungsschritten verwendet werden können, wird der abgekühlte und teilweise gereinigte Brenngasstrom, der die Quenchtrommel verläßt, durch Kontakt mit heißem Waschwasser in einer weiteren Gasreinigungszone weiter gereinigt. Diese Gasreinigungszone kann eine herkömmliche Öffnung einschließen, wie etwa dargestellt und beschrieben im mitübertragenen U.S. Pat. No. 3,524,630, das hierin durch Bezugnahme mit einbezogen, und herkömmliche Venturigaswäscher und Zerstäubungsvorrichtungen, zusammen mit einer Gaswaschkammer, wie dargestellt und beschrieben im mitübertragenen U.S. Pat. No. 3,232,727, das hierin durch Bezugnahme miteinbezogen ist. In der Gaswaschkammer wird der Strom aus rohem Brenngas mit Waschwasser gewaschen, das heißes Rücklaufkondensat und Zusatzwasser umfaßt, wie hierin beschrieben. In einer Ausführungsform wird der Gasstrom, der den mit dem Vergaser verbundenen Quenchtank verläßt, zum Beispiel mit Waschwasser z. B. in einem Venturigaswäscher gewaschen und in innigen Kontakt gebracht. Die Verwendung eines Venturigaswäschers in der Gasreinigungszone ist jedoch fakultativ. Das Brenngas strömt in ein Becken mit Gaswaschwasser, das im Boden einer Gaswaschkammer enthalten ist, hinein und durch dieses hindurch nach oben. Das gewaschene Gas wird anschließend durch einen mit Füllkörpern gefüllten Abschnitt oder Böden in den oberen Teil der Gaswaschkammer geleitet, wo es mit Kondensat in Kontakt kommt, d. h. Waschwasser, das in einer Abwärtsrichtung fließt. Waschwasser im Boden der Gaswaschkammer kann zu einem Venturigaswäscher rückgeführt werden, wenn es einen gibt, und/oder zum mit dem Vergaser verbundenen Quenchtank.
Mit dem im vorliegenden Verfahren verwendeten Gasreinigungsprozeß wird die Menge an festen Teilchen im gewaschenen Brenngasstrom auf sehr niedriges Niveau verringert, wie etwa weniger als 3 Teile pro Million (ppm) und vorzugsweise weniger als etwa 1 ppm. Das vorliegende Verfahren ist einzigartig durch die Maximierung der Waschwassertemperatur auf einen Wert im Bereich von etwa 190ºC bis 288ºC (375ºF bis 550ºF), wie etwa 204ºC bis 232ºC (400ºF bis 450ºF) durch Verwendung direkten Kontaktes des Waschwassers mit dem Prozeßbrenngas unmittelbar stromabwärts der nominalen Dampferzeugung mit einem Zwischendruck im Bereich von etwa 1,9 bis 4 kPa (275 bis 600 psia), wie etwa 2,1 bis 2,8 kPa (300 bis 400 psia), und einer Temperatur im Bereich von 210ºC bis 252ºC (410ºF bis 486ºF), wie etwa 214ºC bis 229ºC (418ºF bis 445ºF). Im Waschwassererhitzer wird das gequerichte gesättigte Brenngas auf eine Temperatur im Bereich von etwa 210ºC bis 288ºC (410ºF bis 550ºF), wie etwa 216ºC bis 243ºC (420ºF bis 470ºF), verringert. Jede herkömmliche Kammer für direkten Kontakt von Gas und Flüssigkeit kann als der Waschwassererhitzer verwendet werden, einschließlich herkömmliche Säulen mit Böden und Füllkörperfüllung. Direkter Kontakt minimiert die Temperaturannäherung zwischen dem Wasser und dem Gas, wodurch die Erwärmung maximiert wird. Wärmeeintrag in das Waschwasser wird die Wärme im Gaswäscher-Überkopfgas erhöhen und dadurch die Erzeugung von Zwischendruckdampf erhöhen. Der Zwischendruckdampf (IPS) wird in einem herkömmlichen Wärmetauscher durch indirekten Wärmeaustausch zwischen Kesselspeisewasser (BFW) und gequerichtem heißen gesättigten Brenngas erzeugt. Der IPS- Wärmetauscher kann nach dem Quenchen und vor der Rohbrenngaswaschzone angeordnet werden. Alternativ kann der IPS-Wärmetauscher nach der Waschzone angeordnet werden, wie in der Zeichnung dargestellt.
In einer Ausführungsform wird das Brenngas, das aus dem Waschwassererhitzer austritt, durch einen Wärmetauscher geleitet, in dem durch indirekten Wärmeaustausch mit Kesselspeisewasser Dampf mit einem mittleren Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 1,9 kPa (100 bis 275 psia), wie etwa 1 bis 1,7 kPa (150 bis 250 psia), und einer Temperatur im Bereich von etwa 163ºC bis 210ºC (325ºF bis 410ºF), wie etwa 181ºC bis 205ºC (358ºF bis 401ºF), erzeugt wird. Das Brenngas verläßt den Mitteldruckwärmetauscher mit einer Temperatur im Bereich von etwa 149ºC bis 260ºC (300ºF bis 500ºF), wie etwa 182ºC bis 221ºC (360ºF bis 430ºF), und tritt in einen Abscheider zum Abscheiden von Kondensat aus dem Brenngas ein.
Im nächsten Verfahrensschritt wird der Druck des Brenngases in einer Druckverringerungszone in der Höhe von etwa 0,7 bis 15,9 kPa (100 bis 2300 psia), wie etwa 1,4 bis 8,3 kPa (200 bis 1200 psia), verringert. Der Druck wird verringert, um mit dem Betriebsdruck der stromabwärts angeordneten Verbrennungsturbine zusammenzupassen. Weiter wird dadurch Dampf bei niedrigeren Drücken vor der Entfernung von saurem Gas erzeugt. Das vorliegende Verfahren ist insofern einzigartig, als daß die Leistung der Druckverringerungsmittel erhöht wird, indem sie im Prozeßstrom vor der vollständigen Abkühlung des Brenngases angeordnet werden. An dieser Stelle befindet sich noch eine beträchtliche Menge Wasser im Brenngas, das dem Ausdehnungszyklus Massen- und Energieleistung hinzufügt. Die Anordnung der Druckverringerungsmittel ist im Hinblick auf den Wirkungsgrad optimiert. In einer Ausführungsform umfassen die Druckverringerungsmittel ein Druckverringerungsventil, das mit einer Düse in Reihe geschaltet sein kann oder nicht. In einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Druckverringerungszone einen indirekten Wärmetauscher (Brenngaserhitzer) und eine Expansionsturbine, um den Leitungsdruck des Brenngases zu verringern, während Energie erzeugt wird. Heißes Wasser, das in einem stromabwärts angeordneten Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) durch Wärmeaustausch zwischen Abgas aus einer Verbrennungsturbine und Wasser erzeugt wird, wird verwendet, um den Prozeßbrenngasstrom auf eine Temperatur zu erhitzen, um eine Temperatur im Bereich von mehr als 5,6ºC bis 56ºC (10ºF bis 100ºF) oberhalb des Taupunktes nach der Ausdehnung des Brenngases in der Expansionsturbine zu erhalten.
Die Temperatur des expandierten Prozeßbrenngasstromes liegt im Bereich von etwa 121ºC bis 427ºC (250ºF bis 800ºF), wie etwa 300ºF bis 450ºF, und muß auf eine Temperatur im Bereich von 4ºC bis 60ºC (40ºF bis 140ºF), wie etwa 38ºC bis 49ºC (100ºF bis 120ºF), verringert werden, bevor er in die Rückgewinnungszone für saures Gas eingeführt wird, um alles H&sub2;S und COS zu entfernen. Im vorliegenden Verfahren werden Mehrfach- Wärmetauscher verwendet, um die Temperatur des Prozeßbrenngasstromes zu verringern und Wärme auf niedrigem Niveau für Brenngas- und Stickstoffsättigung zu gewinnen. Da Stickstoff so wie Wasser verwendet wird, um den BTU/SCF des Brennstoffes für die Verbrennungsturbine, die stromabwärts angeordnet ist, zu verringern, wird der Sättigungsgrad des Brennstoffes, um NOx zu steuern und die Gasturbinenleistung zu verstärken, in großem Umfang verringert. Dies ermöglicht, daß die Bodentemperatur der Sättigungsvorrichtungen niedrig genug ist, um unter Verwendung von Niedrigwärme (d. h. niedriger Temperatur) erwärmt zu werden. Der Abschnitt zur Gewinnung der Niedrigwärme umfaßt von etwa 2 bis 7, z. B. 5, indirekte Wärmetauscher in Reihe, durch die der Prozeßgasstrom strömt und dadurch abgekühlt wird. Ein Abscheider zur Abtrennung von kondensiertem Wasser ist nach jedem oder zumindest nach dem letzten Wärmetauscher angeordnet. Das kondensierte Wasser, das in diesen Abscheidern gesammelt wird, wird in den zuvor beschriebenen Waschwassererhitzer gepumpt. Das Kühlmittel für wenigstens einen der Wärmetauscher ist Kreislaufwasser mit einer Temperatur im Bereich von etwa 27ºC bis 149ºC (80ºF bis 300ºF), wie etwa 38ºC bis 93ºC (100ºF bis 200ºF). Das Kreislaufwasser wird durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Brenngas in einem Wärmetauscher erhitzt. Das resultierende heiße Wasser, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 107ºC bis 204ºC (225ºF bis 400ºF), wie etwa 135ºC bis 188ºC (275ºF bis 370ºF), wird anschließend in die Stickstoffsättigungsvorrichtung eingeführt und auch in die Brenngassättigungsvorrichtung. Beide Sättigungsvorrichtungen liegen bei einem Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 7 kPa (100 bis 1000 psia), wie etwa 1 bis 3,5 kPa (150 bis 500 psia). Kesselspeisewasser mit einer Temperatur im Bereich von etwa 24ºC bis 121ºC (75ºF bis 250ºF) ist das Kühlmittel für wenigstens einen der indirekten Wärmetauscher. Auf diese Weise kann Niederdruck-Prozeßdampf mit einem Druck im Bereich von etwa 0,04 bis 1 kPa (5 bis 150 psia), wie etwa 0,2 bis 0,3 kPa (30 bis 50 psia), in einem indirekten Wärmetauscher erzeugt werden. In einer Ausführungsform kann Dampfkondensat aus der Dampfturbine, die stromabwärts angeordnet ist, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 32ºC bis 177ºC (90ºF bis 350ºF), wie etwa 38ºC bis 121ºC (100ºF bis 250ºF), in einem indirekten Wärmetauscher wieder erhitzt, zur HRSG für zusätzliches Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von etwa 371ºC bis 982ºC (700ºF bis 1800ºF), wie etwa 427ºC bis 649ºC (800ºF bis 1200ºF), und einen Druck im Bereich von etwa 4 bis 20,7 kPa (600 bis 3000 psia), wie etwa 9 bis 11,7 kPa (1300 bis 1700 psia), rückgeführt und in eine mehrstufige Expansionsturbine als das Arbeitsfluid in eine der Stufen eingeführt werden. Durch die vorgenannten Mehrfach-Wärmetauscher kann die Temperatur des Prozeßbrenngasstromes nach der Expansion in den folgenden Stufen reduziert werden: (1) 93ºC bis 204ºC (200ºF bis 400ºF), (2) 93ºC bis 160ºC (200ºF bis 320ºF), (3) 38ºC bis 149ºC (100ºF bis 300ºF), (4) 38ºC bis 93ºC (100ºF bis 200ºF) und (5) 27ºC bis 49ºC (80ºF bis 120ºF). So wird beim vorliegenden Verfahren Wärme auf niedrigem Niveau aus der Prozeßabkühlung wirksam in einer Mehrzahl von Wärmetauschern verwendet, die die Wärme zur (1) Sättigung des Brenngases und von N&sub2;, (2) Erzeugung von Niederdruckdampf, der in den Prozeßbereichen erforderlich ist, wie etwa der Sauergasrückgewinnung (AGR) und der Schwefelrückgewinnungseinheit (SRU), und (3) zur Wiedererwärmung von kaltem Dampfkondensat liefern.
Der Prozeßbrenngasstrom kann mit jedem geeigneten herkömmlichen System gereinigt werden, z. B. in einer Sauergasrückgewinnungszone, die physikalische oder chemische Absorption mit einem flüssigen Lösungsmittel einsetzt, z. B. kaltes Methanol, N- Methylpyrrolidon, Dimethylether oder Polyethylenglykol und inhibiertes oder nicht- inhibiertes Amin. Sauergase, z. B. CO&sub2;, H&sub2;S und COS, sind bei hohen Drücken und niedriger Temperatur in Methanol hoch löslich. Wenn der Druck verringert und die Temperatur des reichen Lösungsmittels angehoben wird, können diese Gase ohne weiteres aus dem Lösungsmittel gestrippt werden. Das WS und COS können in eine Fraktion hineinkonzentriert werden, die geeignet ist für die Zuführung zu einer herkömmlichen Claus- Einheit, d. h. einer Schwefelrückgewinnungseinheit (SRU), in der elementarer Schwefel erzeugt wird. Siehe Kirk-Otthmer Encyclopedia of Chemical Technology, Second Edition, Vol. 19, John Wiley, 1969, Seite 353. Es wird Bezug genommen auf das mitübertragene U.S. Patent No. 4,052,176. Diese Literaturstellen werden hierin durch Bezugnahme mit einbezogen.
Eine herkömmliche Lufttrenneinheit (ASU) wird verwendet, um Luft in getrennte Ströme aus im wesentlichem reinem Sauerstoffgas und Stickstoffgas zu trennen. Das gesamte Stickstoffgas oder ein Teil davon wird mit Wasser gesättigt, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 177ºC bis 538ºC (350ºF bis 1000ºF), wie etwa 260ºC bis 316ºC (500ºF bis 600ºF), unter Verwendung von Energie aus Kesselspeisewasser überhitzt und zusammen mit dem Brenngasstrom, der gesättigt und anschließend auf eine ähnliche Temperatur überhitzt wurde, in den Vergasungsbrenner einer Gasturbine eingeführt. Das gesättigte Brenngas und das gesättigte Stickstoffgas werden vor der Verbrennung überhitzt, um jede Möglichkeit einer Turbinenschaufelerosion durch Flüssigkeitsübertragung zu verringern. Jeder Stickstoffgas- und Brenngasstrom, der in den Vergasungsbrenner eintritt, enthält in etwa 1 bis 50 Vol.-%, wie etwa 5 bis 30 Vol.-% H&sub2;O. Durch Sättigen des Stickstoffgases wird die Menge an Stickstoffgas, die für NOx-Reduktion erforderlich ist, verringert und der Wirkungsgrad für die Verwendung von Wärme auf niedrigem Niveau erhöht.
Der Sauerstoffgasstrom aus der ASU einer Temperatur im Bereich von etwa Umgebungstemperatur bis 482ºC (900ºF) wird in die Reaktionszone des Teiloxidationsgasgenerators über einen Durchlaß in einem Ringbrenner eingeführt. In einer Ausführungsform wird der Sauerstoffgasstrom zunächst mit Wasser gesättigt, um einen Sauerstoffgasstrom mit einer Temperatur im Bereich von etwa 49ºC bis 260ºC (120ºF bis 500ºF), wie etwa 66ºC bis 177ºC (150ºF bis 350ºF) zu erzeugen, und enthält etwa 1 bis 50% H&sub2;O, wie etwa 5 bis 35 Vol.-% H&sub2;O. Vorteilhafterweise wird im vorliegenden Verfahren, wenn Sauerstoffsättigung unter Verwendung von Wärme auf niedrigem Niveau verwendet wird, dieses den Wirkungsgrad des Verfahrens durch Erhöhung der erzeugten Menge an Zwischendruckdampf erhöhen. In Fällen, in denen die Vergasung Dampftemperaturmoderation erfordert, wird der Dampf im Sauerstoff aus der Sättigung diesen Dampf mit höherem Druck verdrängen, wodurch der Wirkungsgrad sogar noch mehr erhöht wird, indem ermöglicht wird, daß besagter verdrängter Dampf mit höherem Druck im Hochdruckabschnitt des Dampfenergiezyklus Energie erzeugt.
Luft wird mittels eines Turbokompressors komprimiert, der von einer koaxialen Expansionsturbine angetrieben wird, die zusammen mit dem Vergasungsbrenner die hauptsächlichen Teile der Gasturbine sind. Die komprimierte Luft tritt in den Vergasungsbrenner mit einer Temperatur im Bereich von etwa 204ºC bis 454ºC (400ºF bis 850ºF) und bei im wesentlichen demselben Druck wie das gesättigte Brenngas und das gesättigte Stickstoffgas ein. Das Abgas verläßt den Vergasungsbrenner mit einer Temperatur im Bereich von etwa 760ºC bis 1649ºC (1400ºF bis 3000ºF) und üblicherweise etwa 1260ºC bis 1316ºC (2300ºF bis 2400ºF) und bei einem Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 7 kPa (100 bis 1000 psia) oder höher und vorzugsweise 1 bis 3,5 kPa (150 bis 500 psia) oder höher. Das Abgas hat die folgende typische Analyse in Molprozent: CO&sub2; 4-20, H&sub2;O 4-20, N&sub2; 75-80 und O&sub2; 0-20. Aufgrund der Einführung von gesättigtem N2 und gesättigtem Brenngas ist die Konzentration an Stickstoffoxiden (NOx) im Abgas praktisch 0, unterhalb 50 ppm (vol) auf trockener 2% O&sub2;-Basis. Elektrizität wird durch einen koaxialen elektrischen Generator erzeugt, der von besagter Expansionsturbine angetrieben wird.
Das heiße Abgas, das den Expansionsturbinenabschnitt der Gasturbine mit einer Temperatur im Bereich von etwa 427ºC bis 816ºC (800ºF bis 1500ºF) und einem Druck im Bereich von entweder 0,07 bis 0,14 kPa (10 bis 20 psia) verläßt, wird durch einen herkömmlichen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) geleitet, bevor es über einen Schornstein mit einer Temperatur im Bereich von etwa 66ºC bis 232ºC (150ºF bis 450ºF) an die Atmosphäre abgegeben wird. Dampf zum Betreiben einer herkömmlichen Dampfturbine, die eine Hochdruckexpansionsturbine im Tandem mit einer koaxialen Zwischenexpansionsturbine umfaßt, und Dampf für Prozeßerfordernisse wird im HRSG erzeugt. Zum Beispiel wird überhitzter Hochdruckdampf aus dem HRSG mit einer Temperatur im Bereich von etwa 371ºC bis 982ºC (700ºF bis 1800ºF), wie etwa 127ºC bis 649ºC (800ºF bis 1200ºF) und einem Druck im Bereich von etwa 4 bis 20,7 kPa (600 bis 3000 psia), wie etwa 9 bis 11,7 kPa (1300 bis 1700 psia), in eine Hochdruckexpansionsturbine (HPT) eingeführt. Zwischendruckabdampf mit einer Temperatur im Bereich von etwa 204ºC bis 649ºC (400ºF bis 1200ºF), wie etwa 260ºC bis 482ºC (500ºF bis 900ºF), und einem Druck im Bereich von etwa 1,4 bis 5,5 kPa (200 bis 800 psia), wie etwa 2 bis 3,5 kPa (300 bis 500 psia), verläßt die HPT und wird mit Zwischendruckdampf aus dem Brenngaskühlsystem vereinigt. Die Mischung wird im HRSG überhitzt und in die Mitteldruckexpansionsturbine (IPT) mit einer Temperatur im Bereich von etwa 371ºC bis 982ºC (700ºF bis 1800ºF), wie etwa 427ºC bis 649ºC (800ºF bis 1200ºF) und einem Druck im Bereich von etwa 1,4 bis 4,1 kPa (200 bis 600 psia), wie etwa 2 bis 2,7 kPa (290 bis 390 psia) eingeführt. Falls er erzeugt wird, kann ein Strom aus Mitteldruckdampf aus dem Brenngaskühlsystem im HRSG auf eine Temperatur im Bereich von etwa 316ºC bis 816ºC (600ºF bis 1500ºF), wie etwa 371ºC bis 538ºC (700ºF bis 1000ºF), und einen Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 1,9 kPa (100 bis 275 psia), wie etwa 0,97 bis 1,4 kPa (140 bis 200 psia), überhitzt und durch eine Stufe der Zwischendruckexpansionsturbine geleitet werden.
Abdampf aus der Zwischenexpansionsturbine wird abgekühlt, kondensiert, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 32ºC bis 177ºC (90ºF bis 350ºF) wie etwa 38ºC bis 121ºC (100ºF bis 250ºF), in einem Wärmetauscher im Brenngaskühlsystem wiedererwärmt und auf einen Druck im Bereich von etwa 0,03 bis 1 kPa (5 bis 150 psia), wie etwa 0,08 bis 0,5 kPa (12 bis 75 psia) gepumpt und zur Umwandlung in überhitzten Hochdruckdampf, Zwischendruckdampf und Niederdruckdampf durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Gasturbinenabgas, das dort hindurchströmt, rückgeführt. Die koaxialen Hochdruck- und Zwischendruckexpansionsturbinen treiben einen elektrischen Generator zur Erzeugung von Elektrizität an.
Vorteilhafterweise wird der Dampfzyklus mit dem vorliegenden Verfahren in einer Weise optimiert, die den Einlaßdruck der Zweitstufenturbine auf ein Niveau verringert, welches die Verwendung der höchsten Menge von prozeßerzeugtem Dampf, d. h. Zwischendruckdampf im Bereich von etwa 1,9 bis 4 kPa (275 bis 600 psia), direkt im Wiedererwärmungszyklus erlaubt. Tatsächlich wird dieser Druck so weit wie möglich verringert, ohne die Dampfzykluseffizienz signifikant zu verringern, so daß die Menge an Prozeßdampf, die zur Verwendung im Wiedererwärmungszyklus erzeugt wird, maximiert wird.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung kann erhalten werden durch die Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung, die das zuvor beschriebene Verfahren im Detail darstellt. Obgleich die Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens dieser Erfindung veranschaulicht, ist sie nicht dazu gedacht, das dargestellte kontinuierliche Verfahren auf die besonderen Apparate oder Materialien, die beschrieben sind, zu beschränken.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist ein nicht-katalytischer, refraktorisch ausgekleideter Freiflußbrenngasgenerator 1, wie zuvor beschrieben, mit einer axial ausgerichteten, stromaufwärtig angeflanschten Einlaßöffnung 2 und einer stromabwärtig angeflanschten Austrittsöffnung 3 ausgestattet. Ringbrenner 4, wie zuvor beschrieben, mit Zentraldurchlaß 5 in Flucht mit der Achse von Gasgenerator 1 ist in Einlaßöffnung 2 angebracht. Ein konzentrischer koaxialer Ringdurchlaß 6 ist ebenfalls vorgesehen.
Eine pumpbare wäßrige Kohleaufschlämmung in Leitung 7 wird über Ringdurchlaß 6 von Brenner 4 eingeführt. Ein Strom aus freien Sauerstoff enthaltendem Gas in Leitung 8 wird über Zentraldurchlaß S eingeführt. Die zwei Zuführströme treffen aufeinander, zerstäuben und reagieren durch Teiloxidation in Reaktionszone 9 von Gasgenerator 1. Der heiße Strom aus rohem Brenngas, der H&sub2;, CO, CO&sub2;, H&sub2;O, N&sub2;, Ar, H&sub2;S und COS umfaßt, strömt durch Tauchrohr 10 nach unten und erfährt eine Quenchkühlung in einem Wasserpool, der in Quenchtank 15 enthalten ist, der am Boden von Gasgenerator 1 angeordnet ist. Schlacke und teilchenförmiges Material werden periodisch über Austrittsöffnung 3, Leitung 16, Ventil 17, Leitung 18, Schleuse 19, Leitung 20, Ventil 21 und Leitung 22 entnommen.
Das gequerichte rohe Brenngas wird durch Leitung 23 in Gaswaschkolonne 24 geleitet, wo es von mitgerissenem Ruß und teilchenförmigem Material mit heißem Waschwasser aus Leitung 25 sauber gewaschen wird. Mittels Pumpe 26 wird Wasser aus dem Boden von Waschkolonne 24 durch Leitungen 27 und 28 und in Quenschtank 15 hineingepumpt. Das saubere rohe Brenngas, das Gaswaschkolonne 24 durch Leitung 29 verläßt, wird in Wärmetauscher 30 durch indirekten, d. h. ohne Kontakt, Wärmeaustausch mit Kesselspeisewasser (BFW) abgekühlt. Das BFW tritt durch Leitung 31 ein und tritt durch Leitung 32 als Dampf mit einem Zwischendruck im Bereich von etwa 275 bis 600 psia, wie etwa 300 bis 400 psia, aus. Der Strom aus heißem rohen Brenngas in Leitung 33 tritt in Waschwassererwärmer 37 ein, wo er in direkten Kontakt und direkten Wärmeaustausch mit einer Mischung aus Kondensat und Zusatzwasser aus Leitung 39, Pumpe 54, Leitung 58 und Umlaufwasserspeichertank 41 kommt. Zusatzwasser wird in das System durch Leitung 40 und Speichertank 41 eingeführt. Spülwasser, um zu verhindern, daß sich Verunreinigungen im System aufbauen, wird periodisch durch Leitung 36 abgezogen. Kondensat aus dem Boden von Abscheidern, die im Niederdruckheizabschnitt des Verfahrens angeordnet sind, strömt in Kondensatspeichertank 41. Heißes Waschwasser wird dadurch in Heizeinrichtung 37 erzeugt, während gleichzeitig der Brenngasstrom abgekühlt wird und ihm eine letzte Reinigung zuteil wird. Mittels Pumpe 43 wird das heiße Waschwasser am Boden von Heizeinrichtung 37 durch Leitungen 44, 48 und 25 in Gaswaschkolonne 24 gepumpt.
Wenn Ventil 45 in Leitung 46 geschlossen und Ventil 47 in Leitung 50 geöffnet ist, wird das saubere rohe Brenngas, das Waschwasserheizeinrichtung 37 verläßt, durch Leitungen 49, 50 und 51 in Abscheider 53 geleitet. Kondensat aus dem Boden von Abscheider 53 wird mittels Pumpe 43 durch Leitungen 55, 48 und 25 in Gaswaschkolonne 24 geleitet.
In einer Ausführungsform, wenn Ventil 47 geschlossen und Ventil 45 geöffnet ist, wird das saubere Brenngas in Leitung 46 durch Leitung 57 und Wärmetauscher 60 geleitet. BFW tritt in Wärmetauscher 60 durch Leitung 61 ein und tritt durch Leitung 62 als Dampf mit einem mittleren Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 1,9 kPa (100 bis 275 psia), wie etwa 1 bis 1,4 kPa (150 bis 200 psia), aus. Das abgekühlte Brenngas tritt durch Leitung 52 aus und tritt in Abscheider 53 ein.
Wenn Ventil 64 in Leitung 65 geschlossen und Druckreduzierungsventil 66 in Leitung 67 geöffnet ist, wird das Brenngas in Leitung 68 durch Leitungen 67, 69, fakultativ Düse 70, Leitungen 71 und 72 und Wärmetauscher 73 geleitet. Hierdurch kann der Druck des Brenngases stromabwärts von Ventil 66 und/oder Düse 70 auf ein Niveau verringert werden, das geeignet ist für die anschließende Verbrennung von gereinigtem gesättigen Brenngas in Vergasungsbrenner 75 einer Gasturbine, die stromabwärts angeordnet, ist und Vergasungsbrenner 75 und Expansionsturbine 76 umfaßt. Luftkompressor 77 zum Komprimieren von Luft aus Leitung 78 ist auf derselben Welle 79 der Expansionsturbine 76 angeordnet. Elektrischer Generator 80 wird durch Welle 81 in Verlängerung von Welle 79 angetrieben.
Alternativ kann der stromabwärtige Druck des Brenngases mittels einer Expansionsturbine 88 verringert werden. In solch einem Fall, wenn Ventil 66 geschlossen und Ventil 64 geöffnet ist, wird das Brenngas in Leitung 65 durch Leitung 85, Heizeinrichtung 86, Leitung 87 und Expansionsturbine 88 geleitet.
Zusätzliche Wärme auf niedrigem Niveau wird aus dem Brenngasstrom in Leitung 72 entnommen, indem das Brenngas durch mehrere, d. h. 2 bis 7, wie etwa 5, indirekte Wärmetauscher in Reihe geleitet wird. Die Temperatur des Brenngases wird dadurch schrittweise verringert. Ein Abscheider folgt auf jeden oder wenigstens den letzten Wärmetauscher, um das Kondensat abzutrennen, das sich im Brenngas bildet, wenn es auf unterhalb des Taupunktes abgekühlt wird. Das Brenngas kann zunehmend weniger Wasser halten, wenn es nacheinander durch jeden Gaskühler strömt, wodurch seine Temperatur zunehmend verringert wird. BFW oder ein Umlaufwasserstrom kann das Kühlmittel sein. Zum Beispiel strömt das Brenngas in Leitung 72 in Reihe durch Wärmetauscher 73, Leitung 92, Abscheider 93, Leitung 94, Wärmetauscher 95, Leitung 96, Abscheider 97, Leitung 98, Wärmetauscher 99, Leitung 100, Abscheider 101, Leitung 102, Dampfkondensatheizeinrichtung 103, Leitung 104, Abscheider 105, Leitung 106, Wärmetauscher 107, Leitung 108, Abscheider 109 und Leitung 110. Die Temperatur des Brenngases in Leitung 110 ist dazu geeignet, daß das Brenngas im herkömmlichen Sauergasentfernungs(AGR)-Schritt weiterverarbeitet werden kann, der in 111 stattfindet. Abgas, d. h. H&sub2;S und COS, strömen durch Leitung 112 in Schwefelrückgewinnungseinheit 113. Schwefel wird rückgewonnen und durch Leitung 114 ausgetragen. Gereinigtes Brenngas in Leitung 115 wird in Sättiger 116 geleitet. Kondensat aus dem Boden der Abscheider 93, 97, 101, 105 und 109 strömen durch Leitungen 122, 123, 124, 125 bzw. 126 und durch Leitung 127, 128, 129, 130, 131 und auch in Kondensatspeichertank 41.
Brenngas, das durch Wärmetauscher 73 und 99 strömt, wird durch eine zirkulierende Wasserschleife abgekühlt. Beginnend mit Pumpe 135 wird das kalte Wasser durch Leitungen 136, 137, Wärmetauscher 99, Leitung 138, Wärmetauscher 73, Leitungen 139, 140, Sättiger 116 und Leitungen 142 und 143 gepumpt. Ein Strom aus mit Wasser gesättigtem Brenngas wird durch Leitung 144, Wärmetauscher 145, wo er überhitzt wird, und Leitung 146 in Vergasungsbrenner 75 der Gasturbine geleitet. Das erhitzte kalte Wasser in Leitung 139 wird aufgetrennt und ein Teil wird durch Leitung 131 in 132 und Stickstoffgassättiger 133 geleitet. Mittels Pumpe 149 wird das kalte Wasser am Boden von Sättiger 133 durch Leitung 150, 151, 152 und 137 in Wärmetauscher 99 geleitet. Zusatzwasser wird in das zirkulierende Wassersystem durch Leitung 153 eingeführt.
Luft in Leitung 155 wird in einer herkömmlichen Lufttrenneinheit (ASU) 156 in einen Stickstoffentlüftungsstrom in Leitung 154, einen Stickstoffgasstrom in Leitung 157 und einen Sauerstoffgasstrom in Leitung 160 aufgetrennt. Der Stickstoffgasstrom in Leitung 157 wird in Sättiger 133 mit Wasser gesättigt. Der gesättigte Stickstoffstrom wird durch Leitung 158 geleitet, im indirekten Wärmetauscher 159 überhitzt und in Vergasungsbrenner 75 der Gasturbine über Leitung 174 eingeführt. Der Strom aus im wesentlichen reinem Sauerstoffgas verläßt ASU 156 durch Leitung 160. Wenn Ventil 161 in Leitung 162 geschlossen und Ventil 163 in Leitung 164 geöffnet ist, wird der Sauerstoffstrom durch Leitung 165 und 8 in Zentraldurchlaß 5 von Brenner 4 geleitet. Alternativ kann der Sauerstoffstrom in Leitung 160 mit Wasser gesättigt werden, bevor er in Gasgenerator 1 eingeführt wird. In solch einem Fall wird Ventil 163 geschlossen und Ventil 161 wird geöffnet. Der Sauerstoffgasstrom wird durch Leitungen 162 und 166 in Sauerstoffsättiger 167 geleitet. Der Sauerstoffgasstrom, der mit Wasser gesättigt ist, wird anschließend durch Leitung 168 und 8 in Zentraldurchlaß 5 von Brenner 4 geleitet. Kesselspeisewasserauffüllung in Leitung 169 wird durch Leitung 170 geleitet, gegen zirkulierendes Wasser 139 im indirekten Wärmetauscher 171 erwärmt und über Leitung 172 in den Sauerstoffgassättiger 167 geleitet. Mittels Pumpe 173 wird BFW zu Sättiger 167 durch Leitungen 174, 170 und 172 rückgeführt.
Vorteilhafterweise schließt eine Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens einen Dampfzyklus zur Energieerzeugung ein. Energie wird dadurch aus dem heißen Abgas entzogen, das Expansionsturbine 76 über Leitung 180 verläßt und durch Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) 181 strömt. Zum Beispiel wird Dampf, der Wärmetauscher 30 über Leitung 32 mit einem Zwischendruck (IP) im Bereich von etwa 1,9 bis 4 kPa (275 bis 600 psia), wie etwa 2 bis 2,8 kPa (300 bis 400 psia), verläßt, mit IP- Abdampf aus Hochdruckturbine 211 vermischt. Die IP-Dampfmischung wird durch Leitung 182 in HRSG 181 geleitet und auf eine Temperatur im Bereich von 371ºC bis 982ºC (700ºF bis 1800ºF), wie etwa 427ºC bis 649ºC (800ºF bis 1200ºF), überhitzt, indem sie in indirektem Wärmeaustausch mit dem heißen Abgas aus Leitung 180 geleitet wird. Der überhitzte IP-Dampf wird durch Leitung 189 in IP-Expansionsturbine als zumindest ein Teil des Arbeitsfluids geleitet. Das abgekühlte Abgas, das HRSG 181 verläßt, kann durch Schornstein 183 strömen. Hochdruckdampf, der im HRSG aus vorgewärmtem Dampfkondensat erzeugt wird, wird durch Leitung 184 als das Arbeitsfluid in Hochdruckexpansionsturbine 185 geleitet.
In einer Ausführungsform wird zusätzlicher Mitteldruckdampf in Leitung 62 aus dem indirekten Wärmetauscher 60 und mit einem mittleren Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 1,9 kPa (100 bis 275 psia), wie etwa 1 bis 1,4 kPa (150 bis 200 psia), durch Leitung 186 in HRSG 181 geleitet und auf eine Temperatur im Bereich von etwa 316ºC bis 816ºC (600ºF bis 1500ºF), wie etwa 371ºC bis 538ºC (700ºF bis 1000ºF), geleitet, indem er in indirekten Wärmeaustausch mit dem heißen Abgas aus Leitung 180 geleitet wird. Der Mitteldruckdampf wird durch Leitung 187 als das Arbeitsfluid in eine andere Stufe in Expansionsturbine 185 geleitet.
Die koaxialen Expansionsturbinen 211 und 185 treiben den elektrischen Generator 195 über Welle 196 an. Abdampf in Leitung 197 wird durch Wärmeaustausch mit kaltem Wasser, das aus Leitung 199 eintritt und über Leitung 200 austritt, in Kühler 198 abgekühlt und kondensiert. Kondensiertes Kesselspeisewasser in Leitung 201 wird in Wärmetauscher 103 durch indirekten Wärmeaustausch mit dem rohen Brenngas aus Leitung 102 vorgewärmt. In einer Ausführungsform wird das vorgewärmte Kesselspeisewasser in Leitung 202 durch aufeinanderfolgende Durchgänge durch HRSG 181 erwärmt, wobei Niederdruckdampf in zwischengeschalteten Entwässerungsschritten abgetrennt wird, um Hochdruckdampf mit einer Temperatur im Bereich von etwa 371ºC bis 982ºC (700ºF bis 1800ºF), wie etwa 427ºC bis 649ºC (800ºF bis 1200ºF), und einem Druck im Bereich von etwa 4 bis 20,7 kPa (600 bis 3000 psia), wie etwa 9 bis 11,7 kPa (1300 bis 1700 psia), zu erzeugen. In solch einem Fall wird der Hochdruckdampf in HRSG 181 überhitzt und durch Leitung 184 als das Arbeitsfluid in Expansionsturbine 211 geleitet. HP-Expansionsturbine 211 ist mit IP-Expansionsturbine 185 über die gemeinsame Welle 213 verbunden.
Obgleich Modifikationen und Variationen der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang derselben abzuweichen, sollten nur solche Beschränkungen auferlegt werden, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angegeben sind.

Claims

1. Ein Teiloxidationsverfahren, welches umfaßt:

(1) Umsetzen eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas in einer Teiloxidationsreaktionszone, um einen Strom aus Brenngas zu erzeugen, Abkühlen besagten Brenngases durch Quenchen in Wasser, um einen Strom aus gequerichtem gesättigten Brenngas mit einer Temperatur im Bereich von etwa 177ºC bis 316ºC (350ºF bis 600ºF) und einem Druck im Bereich von etwa 3,5 bis 17 kPa (500 bis 2500 psia) zu erzeugen, Abkühlen besagten gequerichten gesättigten Brenngases durch indirekten Wärmeaustausch mit Kesselspeisewasser, wodurch die Temperatur besagten gequerichten Brenngases auf eine Temperatur im Bereich von etwa 210ºC bis 288º (410ºF bis 550ºF) verringert wird, während gleichzeitig besagtes Kesselspeisewasser in Dampf mit einem Zwischendruck im Bereich von etwa 1,9 bis 4 kPa (275 bis 600 psia) umgewandelt wird, und Reinigen besagten gequerichten gesättigten Brenngases mit vorgewärmtem Waschwasser aus (2);

(2) Vorwärmen von Waschwasser, das Prozeßkondensat und Zusatzwasser umfaßt, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 191ºC bis 288ºC (375ºF bis 550ºF) durch direkten Wärmeaustausch in einer Einrichtung für direkten Kontakt zwischen Gas und Wasser mit abgekühltem gequerichten gesättigten Brenngas, das (1) verläßt, wodurch die Temperatur besagten abgekühlten gequerichten gesättigten Brenngases auf eine Temperatur im Bereich von etwa 149ºC bis 282ºC (300ºF bis 540ºF) verringert wird, und Abtrennen von kondensiertem Wasser aus besagtem abgekühlten Brenngas;

(3) Verringern des Druckes besagten abgekühlten Brenngases aus (2) in der Höhe von etwa 0,7 bis 16 kPa (100 bis 2300 psia), weiteres Abkühlen besagten Brenngases auf eine Temperatur im Bereich von etwa 4ºC bis 60ºC (40ºF bis 140ºF) durch indirekten Wärmeaustausch mit kaltem Wasser, wodurch Wasser aus besagtem abgekühlten Brenngasstrom auskondensiert wird, während besagtes kaltes Wasser erwärmt wird, um erwärmtes Wasser mit einer Temperatur im Bereich von etwa 107ºC bis 204ºC (225ºF bis 400ºF) zu erzeugen, und Einführen des in (2) und (3) auskondensierten Wassers in besagte Einrichtung für direkten Kontakt von Gas und Wasser in (2), in der es zur Verwendung als Gaswaschwasser erwärmt wird;

(4) Reinigen des abgekühlten Brenngasstromes aus (3);

(5) Sättigen eines Stromes aus Stickstoffgas und des Stromes aus gereinigtem Brenngas aus (4) mit besagtem erwärmten Wasser aus (3);

(6) Überhitzen der gesättigten Ströme aus Brenngas und Stickstoffgas aus (5) auf eine Temperatur im Bereich von etwa 177ºC bis 538ºC (350ºF bis 1000ºF); und Einführen besagter Ströme aus überhitztem Brenngas und Stickstoffgas in den Vergasungsbrenner einer Gasturbine;

(7) Verbrennen besagten gesättigten Brenngases mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas in besagtem Vergasungsbrenner bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1204ºC bis 1427ºC (2200ºF bis 2600ºF) und einem Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 6,9 kPa (100 bis 1000 psia) in der Gasturbine, um ein Abgas mit einer verringerten NOx-Menge zu erzeugen; und

(8) Leiten besagten Abgases durch eine Expansionsturbine zur Energieerzeugung mit einer erhöhten Leistung.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Waschwassers aus besagter Gaswaschzone in besagte Gasquenchzone eingeführt wird.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in (3) der Druck besagten abgekühlten Brenngases durch eine Druckverringerungseinrichtung verringert wird.

4. Das Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Druckverringerungseinrichtung ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus einem Ventil, einer Düse und einer Expansionsturbine besteht.

5. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in (3) besagtes Brenngas schrittweise in mehreren indirekten Wärmetauschern abgekühlt wird.

6. Das Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel für besagte Wärmetauscher Kreislaufwasser und/oder Kesselspeisewasser ist.

7. Das Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Sättigung besagten freien Sauerstoff enthaltenden Gases mit Wasser vor dem Einführen besagten freien Sauerstoff enthaltenden Gases in besagte Teiloxidationsreaktionszone.

8. Das Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Abtrennung von Luft in einer herkömmlichen Lufttrenneinheit in einen Strom aus Sauerstoffgas und einen Strom aus Stickstoffgas, Einführen besagten Sauerstoffgasstromes in besagte Teiloxidationsreaktionszone als besagtes freien Sauerstoff enthaltendes Gas und Sättigen besagten Stromes aus Stickstoffgas zur Verwendung in (5).

9. Das Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Leitens besagten Abgases aus (8) durch einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator in indirektem Wärmeaustausch mit besagtem Dampf mit Zwischendruck aus (1), wodurch besagter Dampf mit Zwischendruck überhitzt wird, und Leiten besagten überhitzten Dampfes mit Zwischendruck durch eine Expansionsturbine als zumindest einen Teil des Arbeitsfluids.

10. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagter kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus flüssigen und/oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen und einer pumpbaren Aufschlämmung von festem kohlenstoffhaltigen Brennstoff besteht.

11. Das Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß besagte pumpbare Aufschlämmung von festem kohlenstofthaltigen Brennstoff ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Kohle, teilchenförmigem Kohlenstoff, Erdölkoks, konzentriertem Klärschlamm und Mischungen derselben besteht, in einem verdampfbaren flüssigen Träger, der ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Wasser, flüssigem CO&sub2;, flüssigem Kohlenwasserstoffbrennstoff und Mischungen derselben besteht.

12. Das Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß besagter flüssiger kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus verflüssigtem Erdölgas, Erdöldestillaten und -rückständen, Benzin, Naphtha, Kerosin, Rohöl, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teersandöl und Schieferöl, aus Kohle gewonnenem Öl, aromatischen Kohlenwasserstoffen (wie etwa Benzol-, Toluol-, Xylol-Fraktionen), Kohleteer, Kreislaufgasöl aus katalytischen Wirbelschichtkrackprozessen, Furfuralextrakt aus Kokergasöl und Mischungen derselben besteht.

13. Das Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß besagter gasförmiger kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus verdampftem flüssigen Erdgas, Raffinerieabgas, C&sub1;-C&sub4;-Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen und kohlenstoffhaltigen Abfallgasen aus chemischen Prozessen besteht.

14. Das Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Reinigung des Stromes aus gequerichtem gesättigten Brenngas gleichzeitig mit dem Vorwärmen besagten Waschwassers in (2).

15. Ein Teiloxidationsverfahren zur Energieerzeugung, welches umfaßt:

(1) Umsetzen eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas durch Teiloxidation, um einen Strom aus Brenngas zu erzeugen, Abkühlen besagten Brenngases durch Quenchen in Wasser, um einen Strom aus gequerichtem gesättigten Brenngas mit einer Temperatur im Bereich von etwa 350ºF bis 600ºF und einem Druck im Bereich von etwa 500 bis 2500 psia zu erzeugen, Abkühlen besagten gequerichten gesättigten Brenngases durch indirekten Wärmeaustausch mit Kesselspeisewasser, wodurch die Temperatur besagten gequerichten Brenngases auf eine Temperatur im Bereich von etwa 210ºC bis 288ºC (410ºF bis 550ºF) verringert wird, während gleichzeitig besagtes Kesselspeisewasser in Dampf mit einem Zwischendruck im Bereich von etwa 1,9 bis 4 kPa (275 bis 600 psia) umgewandelt wird, und Reinigen besagten gequerichten gesättigten Brenngases mit vorgewärmtem Waschwasser aus (2) entweder vor oder nach besagter Abkühlung;

(2) Vorwärmen von Waschwasser, das Prozeßkondensat und Zusatzwasser umfaßt, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 190ºC bis 288ºC (375ºF bis 550ºF) durch direkten Wärmeaustausch in einer Einrichtung für direkten Kontakt von Gas und Wasser mit abgekühltem gequerichten gesättigten Brenngas, das (1) verläßt, wodurch die Temperatur besagten abgekühlten gequerichten gesättigten Brenngases auf eine Temperatur im Bereich von etwa 149ºC bis 282ºC (300ºF bis 540ºF) verringert wird, und Abtrennen von kondensiertem Wasser aus besagtem abgekühlten Brenngas;

(3) Verringern der Temperatur des gesättigten Brenngases aus (2) auf eine Temperatur im Bereich von etwa 149ºC bis 260ºC (300ºF bis 500ºF) durch indirekten Wärmeaustausch mit Kesselspeisewasser, wodurch Dampf mit einem mittleren Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 1,9 kPa (100 bis 275 psia) erzeugt wird, und Abtrennen von kondensiertem Wasser aus besagtem abgekühlten Brenngasstrom;

(4) Erwärmen des abgekühlten Brenngasstromes aus (3) auf eine Temperatur, um eine Temperatur im Bereich von mehr als 5,6ºC bis 56ºC (10ºF bis 100ºF) oberhalb des Taupunktes zu erreichen, nach Expansionsschritt (5);

(5) Verringern des Druckes des Stromes aus Brenngas aus (4) in der Höhe von etwa 0,7 bis 16 kPa (100 bis 2300 psia) mittels einer Expansionsturbine;

(6) Abkühlen des Stromes aus Brenngas aus (5) auf eine Temperatur im Bereich von etwa 4ºC bis 60ºC (40ºF bis 140ºF) durch indirekten Wärmeaustausch mit kaltem Wasser, wodurch Wasser aus dem abgekühlten Brenngasstrom auskondensiert wird, während besagtes kaltes Wasser erwärmt wird, um erwärmtes Wasser mit einer Temperatur im Bereich von ungefähr 107ºC bis 204ºC (225ºF bis 400ºF) zu erzeugen, und Einführen besagten kondensierten Wassers und des in (2) und (3) auskondensierten Wassers in besagte Einrichtung für direkten Kontakt von Gas und Wasser in (2), in der es zur Verwendung als Gaswaschwasser erwärmt wird;

(7) Reinigen des abgekühlten Brenngasstroms aus (6);

(8) Sättigen eines Stromes aus Stickstoffgas und eines Stromes aus gereinigtem Brenngas aus (7) mit besagtem erwärmten Wasser aus (6);

(9) Überhitzen der gesättigten Ströme aus Brenngas und Stickstoffgas aus (8) auf eine Temperatur im Bereich von etwa 177ºC bis 538ºC (350ºF bis 1000ºF); und Einführen besagter überhitzten Brenngas- und Stickstoffgasströme in den Vergasungsbrenner einer Gasturbine;

(10) Verbrennen besagten gesättigten Brenngases mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas in besagtem Vergasungsbrenner bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1204ºC bis 1427ºC (2200ºF bis 2600ºF) und einem Druck im Bereich von etwa 0,7 bis 6,9 kPa (100 bis 1000 psia) in der Gasturbine, um ein Abgas mit einer verringerten NOx-Menge zu erzeugen; und

(11) Leiten besagten Abgases durch eine Expansionsturbine zur Energieerzeugung mit einer erhöhten Leistung.