用于低级燃料的整体式热解以及气流床气化系统和方法
【专利说明】用于低级燃料的整体式热解以及气流床气化系统和方法
[0001]相关串请案的交叉引用
[0002]本申请是2013年3月7日提交的美国专利申请序列号13/788，655的部分接续申请并且要求所述申请的优先权，所述申请以引用的方式整体并入本说明书中。
技术领域
[0003]本发明领域总体涉及气化系统，并且更具体地说，涉及用于从低级燃料生产合成天然气(SNG)的气化系统。
【背景技术】
[0004]可将诸如煤、石油焦、生物质、木质材料、农业废物、焦油、焦炉煤气和沥青，以及其他含碳物质的原料气化，以用于产生电力、化工产品、合成燃料，并且用于其他各种应用。气化通常包括使碳质燃料与氧气在非常高的温度下反应来产生合成气，所述合成气是主要含有一氧化碳和氢气的一种燃料。合成气与气化前处于其原始状态的燃料相比典型地更有效地且更清洁地燃烧。合成气可用于发电、化工生产以及其他任何合适的应用。
[0005]然而，普遍已知为低级原料的一些含碳固体原料并不适合于和/或无法高效地结合一些已知气化系统一起使用。由于低级原料与气化系统中通常使用的燃料相比具有低热值和固有的高氧含量，所述低级原料通常并不是令人希望的。此外，低级燃料通常形成非常稀薄的浆料，并且典型的携带式气化系统不能有效地利用这类燃料来生产合成气。
【发明内容】
[0006]在一方面，提供了一种用于低级燃料的气化系统。所述气化系统包括热解单元，所述热解单元配置用于接收低级燃料并且将所述低级燃料热解来产生热解气体和固定碳。所述气化系统还包括配置用于使用所述固定碳产生合成气流的气化器、以及配置用于冷却所述合成气流的冷却器。连接在所述冷却器与所述热解单元之间的第一导管配置用于将所述合成气流的至少一部分再循环至所述热解单元中，其中所述再循环合成气流与所述热解气体混合，以产生含有气化副产物的富含烃的合成气流。副产物回收系统连接至所述热解单元，以用于从所述富含烃的合成气流中去除所述气化副产物。
[0007]在另一方面，提供了一种整体气化联合循环发电设备。所述整体气化联合循环发电设备包括至少一个气化系统，所述气化系统包括热解单元，所述热解单元配置用于接收低级燃料并且将所述低级燃料热解来产生热解气体和固定碳。所述气化系统还包括配置用于使用所述固定碳产生合成气流的气化器、以及配置用于冷却所述合成气流的冷却器。连接在所述冷却器与所述热解单元之间的第一导管配置用于将所述合成气流的至少一部分再循环至所述热解单元中，其中所述再循环合成气流与所述热解气体混合，以产生含有气化副产物的富含烃的合成气流。副产物回收系统连接至所述热解单元，以用于从所述富含烃的合成气流中去除所述气化副产物。所述整体气化联合循环发电设备还包括以流体连通的方式与所述冷却器连接以接收所述合成气流的至少一部分的至少一个燃气涡轮发动机。
[0008]在又另一方面，提供了一种将低级燃料气化的方法。所述方法包括向热解单元提供低级燃料的进料，并且将所述低级燃料的进料热解以产生热解气体和固定碳。之后将所述固定碳引导至气化器中，以用于将所述固定碳气化以便产生合成气流。所述合成气流的至少一部分与所述热解气体混合以产生含有气化副产物的富含烃的合成气流，所述气化副产物使用副产物回收系统从所述富含烃的合成气流中去除。
【附图说明】
[0009]图1是示例性发电系统的示意图；以及
[0010]图2是图1中所示的系统的详细示意图。
【具体实施方式】
[0011]图1是生产和/或燃烧合成气体(即，合成气)来发电和/或制造化工产品的示例性气化设施10的示意图，所述气化设施10例如是整体气化联合循环(IGCC)发电系统。系统10包括为低级燃料的燃料源12。燃料源12可包括低级煤、石油、焦炭、生物质、木质材料、农业废料、焦油、焦炉煤气以及沥青，和/或其他含碳原料。如本说明书中所使用的，“低级”的煤通常具有比烟煤(例如，次烟煤或褐煤)更低的等级。在一些情况下，低级煤可具有相对较高的氧含量，如按重量计的约13%至35%。低级煤可具有其他特征，包括如在约10%至40%的范围内的相对较高的含水量，以及如在约3%至50%的范围内的相对较高的干灰含量。低级煤大量存在于美国的中部大陆地区(如粉河盆地煤(Powder River Basincoal))以及中国(如褐煤)。在一些情况下，诸如甘蔗渣的生物质燃料可具有相对较高的氧含量，如按重量计的约30%至45%。甘蔗渣可具有其他特征，包括如在约20%至70%的范围内的相对较高的含水量，这使得所述甘蔗渣难以在未进一步处理的情况下用于气化中。由于这类煤和甘蔗渣固有的低热值和高含水量，低级原料可能无法有效地用于一些已知的气化器(例如，气流床气化器)。
[0012]在示例性实施例中，将原料14(例如，低级煤或诸如甘蔗渣的生物质燃料)运送至原料研磨单元16，所述原料研磨单元16通过将原料14切碎、碾磨、磨碎、粉碎、制团、和/或造粒来对原料14调整大小或使之再成形以便产生气化燃料17。之后将原料17运送至干燥单元18，在所述干燥单元18中所述原料17暴露于足够高的温度下，以便促进去除燃料17中的水分。干燥单元18产生运送至热解单元22的干燥原料20。在可替代的实施例中，干燥单元18和热解单元22可为将燃料17干燥和热解的单个的操作单元。
[0013]在示例性实施例中，热解单元22使用热解工艺来将经干燥的原料20热解。可替代地，热解单元22可为使得系统10能够按照本说明书中所述起作用的任何类型的热解单元。热解单元22内部的温度的范围可为约150°C至约800°C，这取决于所使用的热解单元的类型。在热解过程期间加热干燥原料20基本上去除了低级燃料中的任何残留水分和挥发成分，并且可产生固体24 (例如，焦炭、固定碳)和热解气体26，所述热解气体26包含不凝烃(例如但不限于甲烷)；以及可凝烃(例如但不限于焦油和轻质油)。来自热解过程的固定碳可重达最初原料的重量的约20%至40%。具有相对较高含水量的低级燃料如低级煤和甘蔗渣的气化传统上来说是一个比较困难的过程。然而，使这类燃料经受本说明书中所述的热解过程有助于降低燃料的氧含量和含水量，以使得固体焦炭24中存在比原料20中相对更高浓度的碳含量，从而增加燃料的热值。
[0014]在示例性实施例中，将焦炭24引导至浆料制备单元28，在所述浆料制备单元28中，水30或另一种合适的液体可添加至焦炭24中以产生浆料原料32。在至少一个实施例中，将热解气体26的至少一部分引导至压缩系统27，并且将可凝烃冷凝成液体，所述液体之后可像水30 —样引导至浆料制备单元28以用于产生浆料32。这尤其适用于使用诸如甘蔗渣的生物质燃料的情况，因为甘蔗渣的含水量显著大于低级煤的含水量。在另一个实施例中，在干燥单元18中从进料中去除的水分的一部分被冷凝来提供产生浆料中使用的水30。可替代地，或者结合水30，当诸如甘蔗渣的生物质用作燃料时，可将未处理的研磨的甘蔗渣原料31引入浆料制备单元28中以提供产生浆料原料32所需的液体。研磨原料31被处理成使得研磨操作能破坏甘鹿渣的蜂窝状结构(cellular structure)，从而使得截留在甘蔗渣中的内部水被释放为外部水30，以供浆料制备单元28使用。此外，热解气体26的至少一部分29 (不凝烃)绕过浆料制备单元28，并且与浆料32分开地引导至气化器34中，或者可绕过气化器34而引导至下游清洁器中以用作发电中的燃料气体。将浆料原料32从浆料制备单元28输送至气化器34。
[0015]在示例性实施例中，气化器34是气流床气化器。可替代地，气化器34可为使得系统10能够按照本说明书中所述起作用的任何类型的气化器。气化器34将浆料原料32转化成合成气，例如，一氧化碳和氢气的组合。这种转化可通过以下方式来完成:取决于燃料的类型和所使用的气化器的类型，在高压(例如，在约20巴与90巴之间)下且在高温(例如，在约700°C与1600°C之间)下，使燃料经受控制量的合适的慢化剂和亚化学计量量的氧气。气化期间的燃料的转化可产生渣36(例如，熔融灰分材料)和残余气体(例如，带有极少量的甲烷、氮气、氩气、硫化氢和硫化羰的一氧化碳、氢气、二氧化碳以及水蒸气)。渣36可从气化器34中去除，急冷并且例如作为路基或者作为另一种建筑材料来处置掉。
[0016]在示例性实施例中，部分氧化过程(即，气化)可在气化器34中发生。为了促进气化过程，将氧气流38从空气分离单元(ASU) 40供应至气化器34中。ASU 40通过