SE418282B - Framstellning av en gasstrom innehallande vete och kolmonoxid for anvendning i en kraftproducerande gasturbin - Google Patents

Description

7812027 -6 all eller en del av den C02-rika strömmen från gasrenings- zonen, eller åtminstone en del av turbinavgasen, eller en blandning därav.

Gasströmmar innehållande H2 och G02, H20, 01-14, H23, COS, N2, Ar och partikelformigt kol, framställes genom par- tiell oxidation av ett kolvätebränsle med en ström av för- värmd, fritt syre innehållande gas, dvs. luft, syreberikad luft eller väsentligen rent syre, eventuellt i närvaro av en temperaturmodererande gas, i reaktionszonen på en gasgenera- tor för friflytande partiell oxidation, vid en temperatur i- området 980-4650°O och ett tryck i området 40-200 atmosfärer.

Den från gasgeneratorn avgående gasströmmen kyles, tvättas och, om nödvändigt, renas till att ge en ren produktgas. In- nan den införas i gasgeneratorn komprimeras den fritt syre innehållande gasen och uppvärmes sedan i en gaseldad över- trycksupphettare genom total förbränning eller partiell oxi- dation av en del av nämnda produktgas med luft. En andra del av produktgasen brännas med luft i förbränningskammaren på en gasturbin omfattande nämnda förbränningskammare och en ex- pansionsturbin. Förbränningsgasen från den eldade övertrycks- upphettaren, tillsammans med avgasen som lämnar förbränninge- kammaren, kan införas i den kraftutveoklande expansionstur- binen som arbetsfluidum. Alternativt kan förbränningsgasen från övertrycksupphettaren blandas med åtminstone en del av den kvarvarande produktgasen, och gasblandningen sedan införas i förbränningskammaren som bränsle. Kraft för drift av en elektrisk generator och åtminstone en kompressor för komprime- ring av fritt syre innehållande gas eller luft erhålles från nämnda expansionsturbin. En luft- eller syrehjälpkompressor kan drivas med en àngturbin. överhettad ånga för användning som arbetsfluidum i àngturbinen kan erhållas genom ledning av mättad ånga i indirekt värmeväxling med avgasen från nämnda expansionsturbin.

Uppfinningen.kommer att beskrivas närmare med hänvis- ning till bifogade ritning, som är en schematisk bild av en föredragen utföringsform av processen.

Denna uppfinning avser en förbättrad kontinuerlig för- gaeningsprocess med partiell oxidation för produktion av syn- tesgas, reduktionsgas eller bränslegas tillsammans med pro- .J 7812027-6 duktionen av mekanisk kraft och eventuellt elektrisk energi.

Den råa gasströmmen från gasgeneratorn innehåller H2 och CO och minst en förening från gruppen C02, H20, GH¿, H25, COS, N2, Ar och inneslutna fasta partiklar, t.ex. kol och aska.

Den utströmmande gasen produceras i den eldfast infodrade reaktionszonen på en separat, friflytande, icke fylld, bräns- legasgenerator för ickekatalytisk partiell oxidation. Gasge- neratorn är företrädesvis ett vertikalt tryckkärl av stål, såsom visats på ritningen och beskrivas i US-PS 2 992 906.

Ett brett område av brännbara, kolinnehâllande orga- niska material kan reageras i gasgeneratorn med en fritt syre innehållande gas, eventuellt i närvaro av en temperaturmode- rerande gas, till att producera den råa gasströmmen.

Uttrycket “kolvätehaltigt", för att beskriva olika- lämpliga inmatningar till gasgeneratorn för partiell oxida- tion, är avsett att innefatta gasformiga, flytande och fasta kolväten, kolhaltiga material och blandningar därav. I själva verket kan väsentligen alla brännbara kolinnehàllande orga- niska material, fossila bränslen, eller uppslamningar därav, inkluderas i definitionen av termen "kolvätehaltigt". Som exempel kan nämnas (1) pumpbara uppslamningar av fasta kol- bränslen, såsom kol, lignit, partikelformigt kol, petroleum- koks, koncentrerat kloakslam och blandningar därav i vatten eller i flytande kolväte, (2) suspensioner av fast material i gas, såsom finmalda fasta kolvätenbränslen dispergerade i antingen en temperaturmodererande gas eller i ett gasformigt kolväte, och (5) gas-vätska-fast material-dispersioner, såsom atomiserat vätskeformigt kolvätebränsle eller vatten och par- tikelformigt kol dispergerat i en temperaturmodererande gas.

Det kolvätehaltiga bränslet kan ha ett svavelinnehàll i om- rådet O-10 viktprocent och ett askinneháll i området O-50 vikt- procent.

Uttrycket flytande kolväte användes här för att be- skriva lämpliga flytande inmatningar, och är avsett att inne- fatta olika material såsom kondenserad petroleumgas, petro- leumdestillat och -rester, bensin, nafta, fotogen, ràpetroleum, asfalt, gasolja, restolja, tjärsandolja och skifferolja, olja härledd från kol, aromatiskt kolväte, t.ex. bensen, toluen eller xylenfraktioner, koltjära, gasolja från fluidiserad ka- _! 7812027-6 4 talytisk krackning, furfuralextrakt från kokosgasolja och blandningar därav. Gasformiga kolvätebränslen avser här lämp- liga gasformiga inmatningar bestående av metan, stan, propan,, butan, pentan, naturgas, vattengas, kokugnsgas, raffinaderi- gas, acetylen-bottengas, etylenavgas, syntesgas och blandning- ar därav. Både gasformiga och vätskeformiga matningar kan blandas och användas simultant, och kan inkludera paraffin-, olefin-, naften- och aromatföreningar i godtyckliga proportio- ner.

I definitionen av termen kolvätehaltig ingår också syr- satta kolvätehaltiga organiska material såsom kolhydrater, cellulosamaterial, aldehyder, organiska syror, alkoholer, ke- toner, syrsatt brännolja, flytande avfall och biprodukter från kemiska processer innehållande syrsatt kolvätehaltigt organiskt material och blandningar därav.

Den kolvätehaltiga inmatningen kan ha rumstemperatur eller kan företrädesvis förvärmas till en temperatur på 345- 65000, t.ex. 42700, men företrädesvis under sin kracknings- temperatur. Den kolvätehaltiga inmatningen kan införas i brän- naren i flytande fas eller i form av en förångad blandning med en temperaturmoderator. Lämpliga temperaturmoderatorer är ånga, vatten, C02-rik gas, kväve i luft, biproduktkväve från en konventionell luftsepareringsenhet och blandningar av dessa temperaturmoderatorer. Användningen av en tempera- turmoderator för moderering av temperaturen i reaktionszonen beror vanligen.på kol-väteförhållandet i inmatningen och sy- reinnehållet i oxideringsmedelströmmen. En temperaturmodera- tor kan.utlämnas med vissa gasformiga kolvätebränslen, men användes vanligen vid flytande kolvätebränslen och med väsent- ligen rent syre. Temperaturmoderatorn kan införas i blandning med den ena eller båda reaktantströmmarna. Alternativt kan temperaturmoderatorn införas i reaktionszonen på gasgenera- torn genom en separat ledning i brännaren. Den kan ha en temperatur i området från rumstemperatur till 65000, t.ex. 1 50-51 5%.

Viktförhâllandet total mängd H20 till bränsle som in- föras i reaktionszonen på gasgeneratorn ligger vanligen i området 0-5.

När relativt små mängder H20 införas i reaktionszonen, .J '7812027-6 exempelvis genom brännaren för kylning av brännarspetsen, kan H20 blandas med antingen den kolvätehaltiga inmatningen, den fritt syre innehållande gasen, temperaturmoderatorn eller en kombination därav. I detta fall kan viktförhàllandet vatten till kolvätehaltig inmatning vanligen ligga i området 0,0-1,0, och företrädesvis 0,0-0,2.

Uttrycket fritt syre innehållande gas avses här omfat- ta luft, syreberikad luft, dvs. mer än 21 molprocent syre, och väsentligen rent syre, dvs. mer än 95 molprocent syre, varvid återstoden omfattar Nä och ädelgaser. Fritt syrre in- nehållande gas kan införas i gasgeneratorns brännare vid en temperatur i området 204-98200. Den fritt syre innehållande gasen upphettas i en gaseldad övertrycksupphettare, som be- skrives närmare nedan, innan den införas i brännaren i gasge- neratorn. Förhållandet fritt syre i det i gasgeneratorn in- matade oxideringsmedlet till kol i inmatningen, O/G, atom/atom, ligger företrädesvis i området 0,?-4,5.

De inmatade strömmarna kan införas i reaktionszonen på gasgeneratorn med hjälp av en brännare, t.ex. en ringíor- mig brännare av den typ som beskrivas i US-PS 2 928 460. Var- je annan lämplig brännare kan också användas.

Inmatningsströmmarna reageras genom partiell oxidation i reaktionszonen på en friflytande gasgenerator vid en autogen temperatur i området 9ao-1e5o°c, tex. 1o95-1595°c, och via ett tryck i området 40-200 atmosfärer absolut, t.ex. 50-400 atmosfärer absolut. Ingen katalysator krävs. Reaktionstiden i gasgeneratorn är vanligen från 1 till 10 sekunder.

Den från generatorn utströmmande råa gasströmmen kan ha följande komposition i molprocent: H2 8,0-60,0, CO 8,0-70,0, 002 1,0-50,0, H20 2,0-50,0, CH4 0-50,0, H28 0,0-4,0, COS 0,0- O,?, N2 0,0-80,0, och Ar 0,0-4,8. Oreagerat partikelformigt kol, räknat på viktbasis av kolet i inmatningen, är vanligen närvarande i den utströmmande gasen i mängder på 0,2-20 vikt- procent vid vätskeformig inmatning, men är vanligen försumbar vid gasformiga kolväteinmatningar. Fasta bränslen, såsom kol, kan innehålla upp till 50 viktprocent aska. Den specifika sam- mansättningen av den utströmmande gasen beror på de aktuella dríftsbetingelserna och matarströmmarna. Syntesgas består hu- vudsakligen av H2+C0, större delen eller all H20 och C02 av- lägsnas från reducerande gas, och CH4-innehållet styres för J 7812027-s 6 bränslegas, och beror av det önskade förbränningsvärmet.

En kontinuerlig ström av het, utströmmande gas, vid vä- sentligen samma temperatur och tryck som i reaktionszonen, av- går från den axiella utloppsöppningen på gasgeneratorn och kyles sedan, tvättas, avvattnas och renas eventuellt.

Eventuellt kan, för kolvätehaltiga bränslen med ett högt askinnehåll såsom kol, en separationszon för fasta partiklar insättas mellan utloppsöppningen på gasgeneratorn och en gas- kylare.

Separationszonen för fasta partiklar kan innefatta varje lämplig gravitations- eller qødrmsqmuaxorl eller någon annan fysikalisk rengörningsanordning för avlägsnande av åt- minstone en del av det fasta material som kan vara inneslutet i den heta, utströmmande gasen, eller som kan strömma från gasgeneratorn, dvs. partikelformigt kol, aska, metallkompo- nenter, pannsten, slagg, bitar av eldfast material och bland- ningar därav. Exempelvis kan en uppsamlingsbebàllare, slagg- kammare, cyklonseparator, en elektrostatisk stoftavskiljare eller kombinationer av dessa användas. ' De fasta partiklarna separeras från den utströmmande gasen och återvinnas med mycket litet om något temperatur-- eller tryckfall i processgasströmmen. Typiska slaggkammare som kan användas visas på den bifogade ritningen och i rit- ningen till US-PS 5 528 950.

Företrädesvis kyles processgasströmmen som lämnar gas- generatorn eller separationszonen för fasta partiklar till en temperatur i området 95-65000, t.ex. 204-54500, genom in- direkt vërmeväxling med vatten i gaskylaren. Ånga produceras simultant i gaskylaren, vanligen med en temperatur i området aoh-zufc. Eventuellt kan denna ang-a överhettas till en tem- peratur i omrádet 400-650°C genom indirekt värmeväxling med turbinavgas på nedan beskrivet sätt.

Alternativt kan tidigare nämnda separationszon för fasta partiklar och gaskylaren ersättas genom direkt kylning av den utströmmande gasen från gasgeneratorn i vatten i en kyltank, såsom visas i US-PS 2 896 927. När processgasström- men bubblar genom vatten, som hàlles vid en temperatur i om- rådet 10-25200, skrubbas väsentligen alla kolpartiklar eller andra inneslutna fasta partiklar, såsom aska, från prooessgas- strömmen, och vatten föràngas. En dispersion av vatten och J '7812027-6 fasta partiklar, t.ex. partikelformigt kol eller aska, av- lägsnas från kyltankens botten och separerae genom konven- tionella separationsprooesser för vätska och fasta partiklar, t.ex. sedimentering, filtrering, centrifugering eller flytan- de kolväteextraktion. Klarat vatten kan återföras till kyl- tanken.

Enligt en föredragen utföringsform införas den från gasgeneratorn utströmmande gasen, sedan den kylts i en gas- kylare, i en gas-vätske-tvättzon, där den skrubbas med ett tvättfluidum, såsom flytande kolväte eller vatten, för att avlägsna varje eventuellt inneslutet partikelformigt kol. En lämplig vätska-gas-kolonn av tallrikstyp beskrives närmare i US-ES 5 916 582. Sålunda kan det partikelformiga kolet av- lägsnas genom ledning av processgasströmmen upp genom en tvättkolonn i direkt kontakt och motströmsflöde med ett lämp- ligt tvättfluidum, eller med utspädda blandningar av parti- kolïormlmt kol och tvättfluidum, som strömmar nedåt genom kolonnen. En uppelamning av partikelformigt kol ooh tvätt- fluidum avlägsnas från kolonnens botten och förse till en kolseparations- eller koncentrationszon. Detta kan åstad- kommas pá något konventionellt sätt som kan vara lämpligt, t.ex. filtrering, centrifugering, gravitationssedimentering eller genom flytande kolväteextraktion, t.ex. den process som beskrives i US-PS 2 992 906. Rent tvättfluidum eller ut- spädda blandningar av tvättfluidum och partikelformigt kol, recirkuleras till kolonnens topp för tvättning av mer gas.

Andra lämpliga konventionella gaskylnings- och renings- processer kan användas i kombination med eller i stället för tidigare nämnda tvättkolonn. Exempelvis kan prooessgasström- men införas under ytan av en kylande och tvättande vätska med hjälp av en dopprörsenhet. Processgasströmmen kan också ledas genom ett flertal tvättsteg inklusive en skrubber med mun- stycken eller venturimunstycken, såsom visas i US-PS 5 648 296.

Den tvättade processgasströmmen kan kylas under dagg- punkten och avvattnas genom indirekt värmeväxling med åtmins- tone en del av den H2+CO innehållande produktgasen och med pannmatarvatten. Vattnet som kondenserat från gasströmmen kan användas på annat ställe i processen, exempelvis i gastvätt- ningszonen eller vid framställningen av mataruppslamning av 7812027-6 vätska och fasta partiklar till gasgeneratorn.

I en annan utföringsform av uppfinningen kan bränslet till gasgeneratorn för partiell oxidation innehålla svavelför- eningar, som föreligger i den utströmmande gasen från genera- torn som H28 och COS. I detta fall kan det vara önskvärt att reducera koncentrationen av H28 och COS i processgasen till under den nivå som förorsakar kemisk attack på turbinen och gaskompressorerna. För att skydda omgivningen kan det vara önskvärt att reducera koncentrationen av G02, H25 och COS i produktgasen eller i turbinavgaserna, som ventileras till at- mosfären. Den kylda, tvättade och avvattnade processgasström- men kan renas genom avlägsnande av sura gaser, dvs. H25, COS och G02, i en syra-gasadsorptionszon. Fördelen med detta är att det möjliggör en reduktion av storleken av och kostnaden för gaskompressorerna. Detta förbättrar också sammansättningen av produktgasströmmen och förhindrar förorening av Omgivning- arna, när produktgasen användes som en bränslegas. Vidare för- hindrar detta också svavelföroreningar av den eventuella ka- talysator§ som produktgasen kan komma i kontakt med senare.

Vilken som helst lämplig, konventionell process kan an- vändas för att avlägsna de gasformiga föroreningarna, dvs.

H28, COS och C02, i gasreningszonen. Exempelvis kan kylning och fyskalisk eller kemisk absorption1mfi_lösningsmedel, såsom metanol, n-metylpyrrolidon, trietanolamin eller propylenkar- bonat eller alternativt med het kaliumkarbonat, användas. Vid lösningsmedelsabsorptionsprocesser, kan större delen av det C02 som absorberats i lösningsmedlet frigöras genom enkel ut- blåsning (flashing). Resten kan avlägsnas genom avdrivning.

Detta kan genomföras mest ekonomiskt med kväve. Kväve kan vara tillgängligt som en billig biprodukt, när en konventionell luftseparationsenhet användes för produktion av väsentligen rent syre, dvs. 95 molprocent 02 eller mer, för användning som den fritt syre innehållande gasen, som användes i gasge- neratorn. Det regenererade lösningsmedlet recirkuleras sedan till absorptionskolonnen för återanvändning. När detta är nöd- vändigt, kan en slutlig rengöring åstadkommas genom ledning av processgasen genom järnoxid, zinkoxid eller aktiverat kol för att avlägsna kvarvarande spår av H23 eller organiska sul- fider.

J 9 7812027-6 På liknande sätt kan det H23 och COS innehållande lös- ningsmedlet regenereras genom utblåsning och avdrivning med kväve, eller alternativt genom upphettning och àterloppskok- ning vid reducerat tryck, utan användning av inert gas. H28 och GOS konverteras sedan till svavel genom någon lämplig process. Exempelvis kan Claus-processen användas för produk- tion av elementärt svavel från H25, vilket finns beskrivet i Krik-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Second Edition Volume 49, John Wiley, 4969, sid 553. Överskottet av S02 kan avlägsnas och elimineras i kemisk förening med kalksten, eller med hjälp av en lämplig kommersiell extraktionsprocess.

En ström av torr, tvättad och eventuellt renad pro- cessgas avgår från tvättnings- och reningszonen för gasen vid en temperatur i området 57-42?°C och vid ett tryck i området 40-480 atmosfärer absolut, t.ex. 5-70 atmosfärer absolut. Fö- reträdesvis är trycket på denna gasström väsentligen detsamma som i gasgeneratorn, minus det normala tryckfallet i ledning- ar och utrutstning. Dyrbara gaskompressorer kan därigenom undvikas. Sammansättningen av denna gasström, som också häri betecknas som den H2+CO-innehållande produktgasen, kan vara enligt följande, räknat i molprocent på torr basis: H2 45-70, G0 20-75, CH4 0-50, N2 0,0-70 och Ar 0,0-2,0. Åtminstone en del, t.ex. 50-400 volymprocent, företrä- desvis 70-80 volymprocent, av den H2+CO-innehållande produkt- gasströmmen användes internt i processen som bränslegas. Se- parata delar av denna bränslegas införes i en övertrycksupp- hettare och även i förbränningskammaren på en gasturbin. Tem- peraturen pà bränslegasen kan ökas genom indirekt värmeväx- ling med tvättad processgas. Den eventuellt återstående H2+C0- innehållande produktgasetrömmen, som icke användes internt, kan exporteras för användning som syntesgas, reducerande gas eller bränslegas. Den aktuella uppdelningen i internt och externt använd H2+C0-innehållande produktgas, beror av det ändamål, för vilket systemet är utformat. Om ändamålet exem- pelvis är att huvudsakligen producera kraft för export, med utgångspunkt från ett smutsigt bränsle och utan att förorena omgivningen, kyles de kylda och tvättade generatorgaserna even- tuellt under daggpunkten för att avlägsna H20, och renas för att avlägsna syragaser, dvs. C02, H25 och COS. All den H2+0O- -J 781202?-6 10 innehållande produktgasen som produceras användes sedan före- trädesvis internt i processen som bninslegas. l detta fall kan den tvättade, avvattnade och renade bränslegasen, som pro- duceras i processen, ha ett förbränningsvärme på 2,6-15,0 Kw/mš, företrädesvis 239-559 isf/må, f_en 5,55 Kw/mö.

Såsom tidigare nämnts, införes en del av den internt fördelade H2+GO-innehållande prodnktgasströmmen i en över- trycksupphettare som bränslegas. Överttrycksupphetttaren kan vara av varje konrentionell typ, innefattande en stängd för- bränningskammare, och utrustad med en brännåre för införande och sammanblandning av en komprimerad ström av bränslegas och luft. Ett utlopp är anordnat för utsläpp av förbränningsgas under tryck. En rörspiral är anordnad i förbränningskammaren.

En komprimerad ström av fritt syre innehållande gas ledes ge- nom denna rörspiral och upphettas till rätt temperatur för in- försel i gasgeneratorn. I förbränningskammaren på.övertryoks- upphettaren förbrännas bränslegasen eller reageras den med luft, som inträder i upphettaren vid en temperatur i området 95-57100.

Trycket på bränslegasen och luftinmatningen till övertrycks- upphettaren är företrädesvis väsentligen detsamma som trycket i gasgenaratorn, minus det normala tryckfallet i ledningar och utrustning. Antingen sker total förbränning eller partiell oxidation av bränslegasen i övertrycksupphettaren, beroende på atomförhållandet O/C som råder. Mängden intern fördelad H2+GO innehållande gas, som införas i övertrycksupphettaren utgör endast en liten procentuell del av den totala mängden genererad gas, t.ex. 2-20 volymprocent. Denna mängd bränslegas är emellertid tillräcklig för att upphetta all den fritt syre innehållande gas som införas i gasgeneratorn, till en tempe- retur i omradet 2o4-9s2°c, företrädesvis Lies-gare, helst 482-649°G. När en del av den fritt syre innehållande gasen reageras i övertrycksupphettaren, tages företrädesvis denna del från hnvudströmmen av den fritt syre innehållande gasen, innan huvudströmmen ledes in i upphettaren\ På detta sätt kan upphettarens storlek reduceras. I en annan utföringsform kankela huvudströmmen av fritt syre innehållande gas ledas ge- nom upphettaren. Därefter kan en del av den upphettade, fritt syre innehållande gasen som lämnar upphettaren avskiljas och brännas med bränslegasen i upphettaren. 7812027-6 44 Åtminstone en del, och företrädesvis all förbränninge- gas, som lämnar övertrycksupphettaren vid en temperatur pà 7so-'1e49°c, sex. e15-927°c och vid en; tryck på 5-70 atmos- färer absolut, t.ex. 40-20 atmosfärer absolut, införes i en gasturbin. Gasturbinen omfattar en förbränningesektion och en turbinsektion. Förbränníngsgasen från övertrycksupphettaren kan införas i endera sektionen.på gasturbinen. I en föredragen utföringsform, införes en del av den H3+CO innehållande pro- duktgasen i övertrycksupphettaren och återstoden av den in- ternt fördelade delen införes i förbränningskammaren på gas- turbinen, där den förbrännas med luft. Luften inträder i för- bränningskammaren vid en temperatur på 93-474°C och vid vä- sentligen samma tryck som den H2+CO innehållande gasen matas in i förbränningskammaren. Avgas lämnar íörbränningskammaren på gasturbinen vid en temperatur av 760-464900, t.ex. 845- 92700, och vid ett tryck på 5-70 atmosfärer absolut, t.ex. 40-20 atmosfärer absolut. Avgasströmmen från förbränninge- kammaren pà gasturbinen kan sedan blandas med åtminstone en del och företrädesvis all förbrännhg-sgas från den tidigare beskrivna övertrycksupphettaren för produktion av en ren gas- ström. När denna gasström ledes genom åtminstone en kraftut- vecklande expansionsturbin som arbetsfluidum, kan mera arbete erhållas. När total förbränning äger rum i övertrycksupphet- taren, kan blandningen av förhränningsgas från upphettaren och avgas från förbränningskammaren ha följande typiska ana- lys i molprocentz C02 4-20, H20 4-20, Ng 75-80, och 02 0-45.

Endast mycket små koncentrationer av kväveoxider, dvs. NOX, kan påvisas i förbränningsgasen. Detta beror på den relativt låga temperatur som råder i ïörbränningskammaren, vilket pri- märt är resultatet av den relativt låga adiabatiska flemtem- peraturen på den förbättrade bränslegasen. Vidare är SO2-in- nehållet i gasströmmen noll och dess inneslutna partikelinne- håll försumbert.

Företrädesvis blandas förbränningsgasströmmen från över- tryckupphettaren med avgasen från förbränningskammaren på gas- turbinen, före införandet av gasblandningen till turbinbladen.

Alternativt kan förbränningsgasströmmen från övertrycksupp- hettaren och avgesströmmen från gasturbinens förbränningskam- mare införas till turbinbladen som separata strömmar. i aa7¿v2a@27;G 42 I en utföringsform införes åtminstone en del av och fö- reträdesvis all förbränningsgas från övertrycksupphettaren, tillsammans med luft och den del av den internt fördelade H2+GO innehållande bränslegasströmmen, som icke brännes i övertrycks- upphettaren, i förbränningskamaren på gasturbinen där förbrän- ning äger rum. I detta fall kan det vara fördelaktigt att för- reagera bränslegasen i övertrycksupphettarens förbränningskam- mare genom partiell oxidation, så att förbränningsgasen kan innehålla något H2 och CO. Förbränningsgasen från övertrycks- upphettaren kan strömma in i förbränningskammaren företrädes- vis i blandning med bränslegasen. Alternativt kan förbränninge- gasen införas i blandning med luft. Åtminstone en elektrisk generator och åtminstone en kompressor kan vara kopplade till och drivna av turbinens axel över en utväxling, som medger steglös reglering av hastigheten. Luft kan före införandet i gasturbinen och in i övertrycksupphettaren komprimeras med hjälp av en sådan kompressor till lämpligt tryck, t.ex. 10-480 atmosfärer absolut. Eventuellt kan.en fritt syre innehållande gas, t.ex. syrgas eller syreanrikad luft, kcmprimeras av en separat kompressor, driven av gasturbinen, till ett tryck strax ovanför trycket i gasgeneratorn och sedan ledas genom övertrycksupphettaren. Om den fritt syre innehållande gasen, som matas till gasgeneratorn, är luft, kan en av de gastur- bindrivna kompressorerna uteslutas. Återvinning av det kännbara värmet i den tvättade av- gasen, som lämnar expansionsturbinen vid en temperatur på 426-649°C och ett tryck av 1,0-7,0 atmosfärer absolut, kan ske genom värmeväxling med mättad ånga, producerad i en spill- värmekdkare eller i en gaskylare, anordnad medströms gasge- neratorn. Den rena avgasen kan sedan släppas ut i atmosfären utan att förorsaka förorening: Överhettad ånga kan produceras med en temperatur på 599-64900. Den överhettade ångan kan an- vändas som arbetsmedium i åtminstone en expansionsturbin. Ångturbinens axel kan t.ex. vara kopplad över en variabel ut- växking till axeln på en turbokompressor, till en elektrisk generator eller till bådadera. I en utföringsform komprimeras fritt syre innehållande gas partiellt av kompressorn, som dri- ves av gasturbinen, kyles, komprimeras ytterligare av en ång- turbindriven hjälpkompressor, och ledes sedan genom övertrycks- '7812027-'6 upphettaren, där den upphettas.

Följande fördelar erhålles med föreliggande uppfinning: (1) En tvättad och renad H2+C0 innehållande produktgas kan produceras från lágvärdiga eller oönskade bränslen. (2) Produktgasen har ett förbättrat värmevärde och kan brännas som bränsle i en kraftproducerande gasturbin utan att förorena atmosfären. (5) Processutrustning med mindre dimension kan genom- gående användas för samma uppehållstid, dvs. kompressorer, förgasare, gaskylare, utvalda värmeväxlare och reningssystem. (4) Färre förbränningsproblem uppträder i gasturbinens förbränningskammare, i första hand med kylningsmetoder för fönbränningskammaren.

Uppfinningen skall nu beskrivas närmare med hänvisning till bifogade, schematiska ritning, som visar en utföringsform av den ovan beskrivna processen i detalj. Alla ledningar och all utrustning är företrädesvis isolerade för att minimera värmeförlusterna.

Med hänvisning till ritningen, har gasgeneratorn 1 för friflytande partiell oxidation, infodrad med eldfast material 2 såsom tidigare beskrivits, en nppströms axiellt inriktad, flänsad inloppsöppning 3, en nedströms axiellt inriktad, flän~ sad utloppsöppning 4, och en ofylld reaktionszon 5. En bränna~ re 6 med ringformigt brännarmunstycke såsom tidigare beskrivits, är med sin centrumpassage 7 axiellt inriktad med gasgeneratorns 4 axel, i inloppsöppningen 3. Gentrumpassagen 7 har ett flän- eat, uppströmábeläget inlopp 8 och ett konvergerande, koniskt utformat, nedströms beläget munstycke 9 vid brännarens spets.

Brännaren 6 är också försedd med en koncentrisk, koaxiell, ringformig passage, som har ett uppströms beläget, flänsat in- lopp 10 och en nedströms belägen, koniskt formad, utgångspas- sage 44. Även andra typer av brännare kan användas.

En kontinuerlig ström av fritt syre innehållande gas upphettas genom att matas genom en spiral 20 i en gaseldad, övertrycksupphettare 21, och matas sedan genom ledningen 22 in i det flänsade inloppet 8 på brännaren 6. Ett kolvätehal- tigt bränsle, exempelvis en uppslamning av kol och vatten, eventuellt i blandning med en temperaturmoderator såsom H20, införas i brännaren 6 med hjälp av ledningen 25 och inloppet 40. 7812027-6- 44 En sfäriskt formad, eldfast infodrad eller isolerad, flänsad T-anslutning 50 är ansluten vid inloppet 54 till ut- loppet 4 på gasgeneratorn 4. Det axiellt inriktade utloppet 52 är förbundet till inloppet 55 på en isolerad slaggbehàlla- re 54. Det flänsade, axiella utloppet 55 är normalt stängt genom ledningen 59 och ventilen 40.

Den utströmmande gasen från gasgeneratorn 4 strömmar genom utloppet 4. Sedan strömmar den in i anslutningen 50 ge- nom inloppet 54 och lämnar genom utloppet 57 och den isole- rade ledningen 58. Eventuellt partikelformigt, fast material, såsom slagg, kol, metaller eller eldfasfiinfodring, som av- separerar från den uströmmande gasen i anslutningen 50, sam- las upp i botten på slaggbehâllaren 54. Materialet i slagg- behållaren 34 avlägsnas periodiskt genom ledningen 59, ven- tilen 40, ledningen 44 och genom ett konventionellt på rit- ningen icke visat tippningssystem.

Den utströmmande generatorgasen kyles i gaskylaren 42 genom indirekt värmeväxling med ett kylmedium, t.ex. pann- matarvatten från ledningen 45. Eennmatarvattnet kan förvärmas på annat ställe i systemet. Ånga produceras i gaskylaren 42 och kan avgå, t.ex. som mättad ånga genom ledningen 44, 45 och 46 för användning på annat ställe i systemet. Eventuellt avdrages åtminstone en del av ångan genom ledningen 47, ven- tilen 48 och ledningen 49.

Den kylda processgasströmmen i ledningen 55, innehål- lande medryckt partikelformigt kol och eventuellt även andra fasta partiklar, matas in i gasreningszonen 56, där den skrub- bas med ett tvättfluidum, såsom vatten från ledningen 57. Par- tikelformigt kol och eventuellt andra kvarvarande fasta par- tiklar avlägsnas fràn gasströmmen och lämnar som en kol-vat- tendispersion i ledningen 58. Den rena processgasströmmen i ledningen 59 avvattnas genom kylning under daggpunkten, genom ledning av den rena processgasströmmen genom värmeväxlaren 60, ledningen 61, kylaren 62 och ledningen 65. Kondenserat vatten avlägsnas i utstötningskärlet 64 och lämnar genom ledningen 65. Eventuella syra-gasföroreningar som finns närvarande kan eventuellt avlägsnas i en konventionell gasreningszon 70. I detta fall ledes den kylda, tvättade och avvattnade process- gasströmmen genom ledningarna 74 och 72. Syragaser såsom C02, J ,5 7a1zo27-6 H28 och COS kan avlägsnas och avgå genom ledningen 73. Förbi- ledningsledningen 74, ventilen 75 och ledningen 76 är anord- nade för användning, om rening av gasströmmen icke är nödvän» dig. Processgasströmmen i ledningen 76 eller den renade gas- strömmen i ledningen 77 innehåller H2+CO-innehållande produkt gas. Atminstone en del av den H2+G0-innehållande produktgasen i ledningen 78 användes nedströms i processen som bränelegas. Ãterstoden av produktgasen kan exporteras genom ledningen 79, ventilen 80 och ledningen 81.

Den H2+00 innehållande produktgasen i ledningen 78 brännas som en bränslegas i övertrycksupphettaren 21, och i en gasturbin, som innefattar en förbränningskammre 82 och en expansionsturbin 85. Strömmen av bränslegas i ledningen 78 upp- hettas eventuellt i värmeväxleren 60, matas genom ledningen 85, och uppdelas sedan i tvâ strömmar. Den ena strömmen av bränslegas matas in i ledningen 86, som leder till inloppet 87 på brännaren 88 i förbränningskammaren 89 på övertrycks- upphettaren 21. Den andra bränslegasströmmen matas genom led- ninrna 90 och 91 och in i förbränningskammaren 82 på den ovannämnda gasturbinen.

Luft från ledningen 95 matas genom inloppet 96 pà brän- naren 88 i övertrycksupphettaren 21. Förbränning äger rum i upphettaren 21, och förbränningsgasen strömmar ut genom led- ningen 97. I den föredragna utföringsformen med ventilen 98 stängd och ventilen 99 öppen, matas förbränningsgasen från ledningen 97 genom ledningen 100 och blandas i ledningen 101 med avgasen som lämnar förbränningøskammaren 82 genom led- ningen 102. Gasblendningen införes sedan genom ledningen 101 i expansionsturbinen 85 som arbetsfluidum. I en annan utfö- ringsform, med ventilen 98 öppen och ventilen 99 stängd, le- des förbränningsgasen från ledningen 97 in i förbränningskam- maren 82 på gasturbinen genom ledningen 105, ventilen 98, ledningen 104 och in i ledningen 91, där den blandas med bränslegasen från ledningen 90. Gasblandningen införas sedan genom ledningen 128 i förbränningskammaren 82. Efter förbrän- ning går avgasen från förbränningskammaren 82 genom ledning- arna 102 och 101 in i expansionsturbinen 85 som arbetsfluidum.

Eventuellt kan expansionsturbinen 85 vara kopplad till en elektrisk generator 105 genom en axel 106. Kompressorn 1fi8 7812027 6 16 för fritt syre innehållande gas, och eventuellt luftkompressorn 109 drives av turbinen 83, exempelvis genom axlarna 110 och 111.När den fritt syre innehållande gasen är luft är kompres- sorn 109 icke nödvändig. När den fritt syre innehållande gasen är väsentligt rent syre eller syreanrikad luft, inkluderas bå- da kompressorerna 108 och 109 i systemet.

Enligt den föredragna utföringsformen är den fritt sy- re innehållande gasen luft i ledningen 112. Luftkompressorn 109 och hjälpkompressorn 140 kan kopplas ur systemet genom stängning av ventilerna 115 och 114 och öppning av ventilerna 115, 116 och 117. All luft för systemet komprimeras då av kom- pressorn 108.

En första del komprimerad luft matas in i gasgeneratorn genom ledningen 120 till 124, övertrycksupphettaren 21, spi- ralen 20, ledningen 22 och inloppet 8 på brännaren 6. En and- ra del av luften som komprimerats i kompressorn 108 matas in i förbränningskammaren 82 på gasturbinen genom ledningarna 120 och 125 till 128. En tredje del av den luft som komprime- rats i kompressorn 108 matas in i brännaren 88 i övertrycks- upphettæren 21 genom ledningarna 120, 125, 126, 127, 129, 95 och inloppet 96.

I en annan utföringsform är den fritt syre innehållan- de gasen i ledningen 112 väsentligen ren syrgas, som komprime- ras i kompressorn.108, upphettas i övertrycksupphettaren 21 och införes i brännaren 6 på gasgeneratorn 1. Luftkompressorn 109 inkluderas nu i systemet. I detta fall är ventilen 115 stängd och ventilen 115 öppen. Luft till ledningen 155 kompri- meras i kompressorn 109 och en första del matas genom led- ningarna 156, 157, 127 och 128 in i förbränningskammaren 82.

En andra del av luften ledes in i brännaren 88 på övertrycks- upphettaren 21 genom ledningarna 156, 157, 127, 129, 95 och inloppet 96.

I en annan utföringsform kan en hjälpkompressor 140 för luft eller fritt syre innehållande gas användas för att öka trycket på den komprimerade luften eller den fritt syre innehållande gasen, som ursprungligen komprimerades av kom- presaorn'108. Åtminstone en del av denna komprimerade gas- ström införes slutligen i gasgeneratorn 1 sedan den upphet- tats i övertrycksupphettaren 21. I detta fall är ventilen 117 stängd.och ventilen 114 öppen, och den fritt syre inne- 17 '1812027-6 hållande gasen i ledningen 121 matas genom ledningarna 141, 142, värmeväxlaren 143, ledningen 144, värmeväxlaren 145 odh ledningen 146 in i hjälpkompressorn 140. Den komprimerade ström- men av fritt syre innehållande gas matas sedan genom ledning- en 147, värmeväxlaren 145, ledningarna 148 och 124, spiralen 20 i övertrycksupphettaren 21, ledningen 22 och inloppet 8 på brännaren 6. Den fritt syre innehållande gasen som passerar genom värmeväxlaren 145 kyles genom indirekt värmeväxling med vatten. Exempelvis kan pannmatarvatten i ledningen 149 för- värmas i värmeväxlaren 145 och sedan avgå genom ledningen 150.

Det förvärmda pannmatarvattnet kan införas i gaskylaren 42 genom ledningen 45 och konverteras till ånga på det sätt som beskrivits tidigare.

I en utföringsform ökas eventuellt den termiska verk- ningsgraden pà processen genom användning av det kännbara vürmet i evgasen från expansionsturbinen 85 för överhettning av mättad ånga som producerats i systemet. Den överhettade ångan användes sedan som arbetsfluidum i åtminstone en ång- turbin för produktion av mekaniskt arbete, elektrisk kraft eller bâdadera. Exempelvis matas den rena avgasen från turbi- nen 85 genom ledningen 155, överhettaren 156, ledningen 157, spillvärmekokaren 158 och ledningen 159 till skorstenen. Med ventilerna 48 och 160 stängda och ventilerna 46, 161 och 162 öppna, kan mättad ånga matas genom ledningarna 165, 164, över- hettaren 156 och ledningarna 165 till 168 in i àngturbinen 169 som arbetsfluidum. Ängturbinen 169 är kopplad till hjälp- kompressorn 140, exempelvis genom axeln 170. Eventuellt kan osksà överhettad ånga i ledningen 166 matas genom ledningarna 171 och 172 in i ångturbinen 175 som arbetsfluidum. Ångturbi- nen 175 kan kopplas till en elektrisk generator 174 genom axeln 175. Utblàsningsànga från àngturbinen 175 ledes genom ledningen 177 till àngkondensorn 178. En liknande sätt matas utblåsningsânga från ångturbinen 169 genom ledningen 179 in i àngkondensorn 178. Kondenserat vatten, dvs. pennmatarvatten, kan pumpas genom pumpen 180 genom ledningarna 185 till 188, kylaren 62, och ledningen 189 till spillvärmekokaren 158. Mät- tad ånga i ledningen 190 kan matas genom ledningen 164 in i överhetttaren 156. Eventuellt kan en del av pannmatarvattnet i ledningen 187 matas genom ledningen 191, ventilen 192 och _] 47812027 ~6~ 48 ledningen 495 in i ledningen 449, där det förvärmes i värme- växlaren 445, på det sätt som beskrivits tidigare. Make-up-vat- ten kan införas i systemet genom ledningen 494, ventilen 495 och ledningen 496.

När ångturbinerna 469 eller 475 eller båda, icke ingår i systemet, kan ventilerna 464 eller 462 eller båda vara stäng- da. Ventilen 460 kan sedan öppnas och överhettad ånga exporte- ras genom ledningarna 497 och 498.

I en annan utföringsform kan den fritt syre innehållan- de gasen i ledningen 424 förvärmas till en temperatur på 426- 595°C genom indirekt växmeväxling med en del av avgasen från turbinen 85, innan den ledes genom övertyrcksupphettaren 24.

Claims (9)

7812027-'6 19 Patentkrav

1. 4. Irocess för partiell oxidation av ett kolvätehal- tigt bränsle och generering av kraft, innefattande stegen (1) produktion av en rå processgasström, innehållande H2 och' GO, genom partiell oxidation av ett kolvätehaltigt bränsle med en upphettad ström av fritt syre innehållande gas, eventuellt i närvaro av en temperaturmoderator,vid en temperatur på 980- 4650°C och ett tryck på 40-200 atmosfärer absolut, (2) avlägs- nande av eventuella medryckta fasta partiklar, kylning, tvätt- ning, avvattning och eventuell rening av den råa prooessgase strömmen från (1) till att ge en H2 och G0 innehållande gas- ström, k ä n n e t e c k n a d av (5) uppdelning av åtmins- tone en del av den H2 och 00 innehållande gasströmmen från (2) i en första gasström som reageras i förbränningskammaren på en övertryoksupphettare till att ge en ström av förbränninge- gas, och en andra gasström,som brännes som bränsle i förbrän- ningskammæen på en gasturbin, omfattande nämnda förbränninge- kammare och en expansionsturbin, till att ge en avgasström, och matning av denna avgasström genom nämnda expansionstur- bin som arbetsfluidum, och (4) komprimering av en ström av fritt syre innehållande gas i en gaskomprimeringsanordning, driven av nämnda expansionsturbin, upphettning av åtminstone en del av den komprimerade, fritt syre innehållande gasen i övertrycksupphettaren, och införande av den upphettade, kom- primerade, fritt syre innehållande gasen i gasgeneratorn i Steg (4).

2. Erocess enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone en del av förbränningsgasen från övertrycks- upphettaren i steg (5) införes i expansionsturbinen i bland- ning med avgasströmmen från förbränningskammaren i gasturbi- nen.

3. 5. Erocess enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone en del av ïörbränningsgasen i steg (5) införes --i förbränningskammaren.

4. Erocess enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av .'?.8,12027-6 20 att íörbräningsgasen iníöres i förbränningskammaren i bland- ning med den andra gasströmmen.

5. Process enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att all förbränningsgas från övertrycksupphettaren i steg (3) och hela avgasströmmen från steg (5) separat införas i expan- sionsturbinen.

6. Process enligt krav 4-5, k ä n n e t e c k n a d av att avgasen som lämnar turbinen i steg (5) matas i indi- rekt värmeväxling med mättad ånga till att ge överhettad ånga, som inïöres som arbetsfluidnm i en turboelektrisk generator och/eller i en turbokompressor för komprimering av strömmen av fritt syre innehållande gas i steg (4).

7. Process enligt krav 1-6, k ä n n e t e c k n a d av att elektrisk energi produceras med hjälp av en elektrisk generator, driven av expansionsturbinen.

8. Process enligt krav 1-7, k ä n n e t e c k n a d av att hela den H2 och GO innehållande gasströmmen uppdelas till nämnda första och andra gasströmmar i steg (5).

9. Erocess enligt krav 4-7, k ä n n e t e c k n a d av att en del av den H2 och CO innehållande gasströmmen upp- delas i nämnda första och andra gasströmmar i steg (5) och att återstoden återvinnes som produktgas.