专利名称：基于气化发电的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种合成热电或发电的方法和装置。尤其涉及一种用于固态或液态燃料的合成热电和发电的集成气化燃烧系统。除了可以用传统的固态或液态燃料外，本发明的方法和装置也能用难于燃烧的可再生燃料，如生物物质。
背景技术：
包括如生物物质的可再生燃料在内的固态或液态燃料的气化方法和装置在本领域中早已熟悉。例如，Babu等人的美国专利4699632，提出了一种在一个气化容器中进行的纤维素原料的气化过程，其中纤维素原料被直接引进到一逆向的混合高热量惰性固体的流化床。Patel等人的美国专利4315758中提出了产生中等Btu的燃气或合成气体的固态燃料的气化过程。固态和/或液态燃料的气化被作为产生气态燃料的一种方法，该方法比固态和/或液态燃料的直接燃烧更能充足完全燃烧。然而，通过固态和/或液态燃料的气化得到的合成气体，除了温度高以外，也包括大量不期望得到的成分，这些成分必须在合成气体燃烧前除去。
有关固态和/或液态燃料如粉煤、废弃的衍生燃料，市区固体废物和生物等燃烧的方法和装置对于本领域中的技术人员也已熟知。这些装置包括自动加煤机、流化床燃烧器、加压流化床燃烧器和粉煤燃烧器。如Khinkis等人的美国专利5205227中提出了废物原料如市区固体废物、燃烧后的废物、或加煤器类型的炉子中的其他固体废物等燃烧的方法和装置。这些方法和装置被典型的应用于与产生蒸汽的工业用锅炉的组合中，反过来就是被用作蒸汽产生或发电的汽轮机中。这些方法和装置的一个问题就是需要处理所产生的大量的飞尘和底尘。解决该问题的一部分方案已在Khinkis等人的美国专利5937772中指出，其中粉尘被循环回到燃烧室以便回收和进一步燃烧飞尘中存在的碳。这些方法和装置的另一个问题是燃料在进入燃烧室之前需要频繁的预先干燥过程，尤其是关于可再生燃料如生物物质。然而传统系统的另一个问题是它们对影响这些系统在工作在一个由容量，效率，排放量和可靠性组成的始终如一的基础上的低热值和可变热值燃料缺乏耐受力。
发明内容
本发明的目的是提供一种将固态和/或液态燃料变换成热和/或电的方法和装置，其可比传统的能量转换方法提高能量转换效率(燃料转变为可用热和/或燃料转变为电)。
本发明的另一目的是提供一种可再生燃料如生物物质等转换的方法和装置，解决了这些燃料燃烧的相应困难。
本发明的另一目的是提供一种适应于处理燃料低热值和可变热值的将固态和/或液态燃料转换的方法和装置。
本发明的另外的目的是提供一种固态和/或液态燃料转换的装置和方法，提出了碳的利用和减少了传统系统产生的粉尘处理。
本发明的另一目的是提供一种固态和/或液态燃料转换的方法和装置，与传统的系统和方法相比该方法和装置减少排放量。
本发明的这些和其他目的通过一种将固态和/或液态燃料转变为合成气体、蒸汽和/或电的方法和装置来实现，其中固态和/或液态燃料总量的约1 0％到40％内的燃料被气化，形成合成气体，这里也叫着“合成气”。固态和/或液态燃料的剩余部分导入多级燃烧器的第一级中，形成燃烧产物、粉尘和/或焦炭。从气化器中得出的合成气体导入多级燃烧器第一级之后的第二级中，过烧氧化剂被导入在多级燃烧器第二级后的第三级中。产生在多级燃烧器中的粉尘和/或焦炭再循环到气化器中，以使燃烧器粉尘和/或焦炭蒸汽中碳的完全燃烧。
本发明的装置包括具有合成气出口、适于燃烧固态和/或液态燃料的多级燃烧器，该燃烧器具有至少一个与合成气出口流体连通以用于引导合成气到多级燃烧器的第二级中的合成气进口和至少一过烧氧化剂进口，该过氧化剂进口将过烧氧化剂导入多级燃烧器第二级之后的第三级中。粉尘循环装置用于将粉尘和/或焦炭从多级燃烧器循环到气化器中去。
本发明的这些和其他目的和特征将依据附图从下面的详细描述中更好地被理解，这里附图1是与本发明的一个实施例相应的一个气化和燃烧系统的示意图，该系统用于固态或液态燃料的合成生热和发电。
附图2是与本发明的另一个实施例相应的一个气化和燃烧系统的示意图，该系统用于固态或液态燃料的合成生热和发电。
附图3是与本发明的一个实施例相应的具有用于多级燃烧器的切线注入布置方式的合成气注入系统的平面图。
附图4是与本发明一实施例相应的具有用于多级燃烧器的注入布置方式的合成气注入系统的平面图。
附图5是与本发明一实施例相应的用于多级燃烧器的过烧空气系统的平面图。
附图6是与本发明一实施例相应的具有燃料干燥器的基于气化的合成热和发电系统的示意图。
附图7是与本发明一实施例相应的具有燃料干燥器和热回收蒸汽发生器的基于气化的合成热和发电系统的示意图。
附图8是与本发明一实施例相应的具有合成空气/蒸汽工作流体的基于气化的发电系统的示意图。
附图9是与本发明一实施例相应的具有一合成空气/蒸汽工作流体和水汽分离器系统的基于气化的合成热和发电系统的示意图。
附图10是与本发明一实施例相应的具有加压的固体燃烧器的基于气化的合成热和发电系统的示意图。
具体实施例方式
在此公开和请求保护的本发明是一种集成气化和燃烧的系统和方法，在固态和/或液态燃料合成热电和发电应用中，提高能量转换效率、减少NOk和CO2排放、增进包括燃烧稳定性、负荷跟踪、碳的完全燃烧及承受低热值和可变化热值燃料的燃烧性能，这里能量转换效率是指燃料能量转化成可用热和/或燃料转换成电的比率。该方法和装置应用于固态和液态燃料转变为燃气、蒸汽和电的过程中。本发明使气化器和传统的加煤机燃烧器、流化床燃烧器、加压流化床燃烧器或粉煤燃烧器组成初级燃烧区域，在其中占燃烧器系统燃料总量的约60％到90％的固态燃料被导入并燃烧。
如图1和2所示，本发明的装置(系统)包括具有合成气出口11的气化器10，由至少一个燃烧器壁26组成的多级燃烧器12，该燃烧壁具有至少一个固态燃料/和或液态燃料进口13、至少一个与气化器10的合成气出口11流体连通的合成气进口14和废气出口27。适用于本发明装置中的典型的气化器已在美国专利4699632和美国专利4315758中给出，现将两者结合于此作为参考。尽管有多种燃烧器适用于本发明的装置，举例说明，如图1实施例中的燃烧器12是一具有锅炉供水进口36和蒸汽出口37的加煤机锅炉。本发明的装置进一步包括具有与燃烧器12中的废气出口27流体连通的废气净化系统18，其中从燃烧器出来的废气中存在的颗粒例如飞尘都将被清除。
气化器10通过在温度约为1200华氏度到2000华氏度，气压达到约30个大气压时固态/和或液态燃料的部分氧化来产生合成气。气化器压力保持高于多级燃烧器12的操作压力约0.05到约1.5个大气压。系统总燃料的约10％到约40％的输入被导入到气化器10，在其中它们被空气、蒸汽和/或氧气的混合物部分氧化以产生一种可燃气体混合物，此处被称为“合成气体”或“合成气”，包括CO、CO2、H2、CH4、H2和H2O和由焦油和石油蒸发形成的某些高碳氢化合物。气化器中燃料的空气燃料比或气燃料比由于流化层的气化温度而维持在约0.25到约0.60之间。从气化器10中出来的热合成气通过合成气出口11和合成气进口14直接导入多级燃烧器12中，不需要经过冷却或净化。合成气作为再燃燃料通过合成气注入系统15导入燃烧器12中，该第一级或初级燃烧区域20之后的再燃燃料是在燃烧器12中被处理并通过液态和/或固态燃料的燃烧形成，形成第二级或再烧区域21，该区域是在燃烧器12中破坏NOk初始物和明显减少NOk形成的减少区域。按照本发明的一个实施例，如图3所示，合成气注入系统15由很多的导致合成气切线喷射的切线方式布置的合成气喷射器40组成。按照本发明的另一个实施例，如图4所示，合成气喷射器40呈碰撞式布置，从而从一个合成气喷射器导入的合成气碰撞到从另一个合成气喷射器导入的蒸汽上。叠加的气流也增加了放热和随后的初级燃烧区域20的气体混合。这样，与存在于再燃合成气中氢、氢气的合成提高了燃烧的稳定性和通过固态或液态燃料中湿度增加和/或燃料热值减少的过程来维持燃烧器负载。最终的燃烧通过过烧氧化剂或空气系统16在第三级或第三燃烧区域22中来完成，该区域由导入燃烧器12中的燃烧氧化剂的总量的约30％到50％的过烧氧化剂导入所形成，布置在再燃区域21之后。根据如图5所示的本发明的一实施例，优选的过烧氧化剂系统喷射装置由很多的对立的氧化剂喷射器30组成。
按照本发明的一个特别优选的实施例，根据用在气化器10和燃烧器12中的燃料，从燃烧器12中得到的底尘17和/或从废气净化系统18中得到的飞尘的至少一部分被按大小分类并且通过用作流化床媒介的粉尘循环系统1 9传输到气化器10中。因此可增强燃烧器粉尘蒸汽中的碳完全燃烧。同样，当实际上经过燃烧器12的全部高度时，气化器合成气中携带的未转变的碳将进一步转换。燃烧器效率通过提高燃料中碳的利用而增加。
按照本发明系统的一个实施例，一用于在系统中发电的燃气涡轮发电机系统23，其以加压的热空气作为工作流体，结果使发电效率比传统的蒸汽汽轮机系统高50％以上。涡轮压缩器24周围空气在燃烧器12的位于过烧空气系统16和燃烧气体出口27之间的高温空气热交换器28内被加热到约1200华氏度到2000华氏度，该热交换器在锅炉的蒸汽过烧床处具有周围温度压缩空气进口29和热压缩空气出口31。气体涡轮的工作流体的间接热消除了其他基于气化的集成发电系统为满足汽轮机气体质量的严格要求而进行的典型的热气体的净化需要。本发明的基于气化集成的发电系统也提高了燃烧稳定性和在熔炉中的温度一致性，使热循环和加速高温空气热管道故障的过烧点最小化。涡轮燃烧器25具有与热交换器28的压缩热空气出口31流体连通的预热压缩空气进口32，气态燃料进口38和高温空气出口33，在含少量的天然气的过空气模式下点火以将空气温度提高到约2100华氏度至2600华氏度，因此进一步增加了系统效率。本发明的基于气化的集成发电系统进一步包括气体涡轮23，该气体涡轮具有与涡轮燃烧器25的高温出口33流体连通的高温空气进口34和气体涡轮排气出口35。从气体涡轮23排出的空气温度约为700华氏度可被用作燃烧器12中的燃烧空气和/或过烧空气，也可用作供给到气化器10的空气。按照本发明的一个实施例，加煤机锅炉的蒸汽发生器床在蒸汽废热发电装置的左边。按照本发明的另一个实施例，蒸汽发生器床被附加空气加热器表面所取代，以使发电量最大。在这种最大电量的情况下，气体涡轮23的附加的热排放空气可有效地用于如图6中的生物物质等湿燃料的干燥，和/或用于如图7中的蒸汽产生过程。
如图6所示，按照本发明的一实施例，基于气化的发电系统进一步包括具有一与气体涡轮23的气体涡轮排气出口35流体连通的热排放空气进口55和干燥燃料出口51的固态燃料干燥器50，通过干燥燃料出口，干燥的固态燃料经管路52导入到燃烧器12中。为了收集产生在燃料干燥器50中的燃料粉尘，该系统进一步包括燃料干燥粉尘收集器53，该收集器具有与燃料干燥器50流体连通的燃料粉尘进口56，通过该收集器，来自燃料干燥器50的燃料粉尘经管路54收集。被收集的燃料粉尘作为初级燃料的一部分可被循环到燃烧器12，或者作为再燃燃料通过合成气注入系统15导入燃烧器12中。
按照本发明的一实施例，如图7所示，本发明的基于气化的发电系统包括用于产生蒸汽的热回收蒸汽发生器60，该发生器具有与气体涡轮排放空气出口35流体连通的气体涡轮排放空气进口57。这种情况下，气体涡轮23的的加热排放空气，不仅用于干燥固态燃料，而且用于增加在热回收蒸汽发生器60中的蒸汽。
按照如图8所示的一实施例，本发明的系统进一步包括调节装置61，该装置具有高压锅炉供水进口58和注水系统62，在供水进口中，锅炉供水被预热。调节装置61中的预热的锅炉供水与空气在注水系统62中进行混合。从注水系统62得到的压缩空气和/或水混合物经管路63导入燃烧器12中，以产生过烧空气/蒸汽混合物，接着，该过烧空气/蒸汽混合物经预热的空气进口32导入涡轮燃烧器25中，然后被用作气体涡轮23中的工作流体。在这种情况下，在热回收蒸汽发生器60中增加的蒸汽通过蒸汽涡轮截止循环64被用作附加发电。
按照如图9所示的另一实施例，本发明的装置进一步包括水汽分离器65和直接喷射冷凝器66。水汽分离器65与燃料干燥粉尘收集器53流体连通，直接喷射冷凝器66与水汽分离器65流体连通，从而在水汽分离器65中，水汽从燃料干燥粉尘收集器53中出来的干燥排放空气中分离出来，在直接喷射冷凝器66中进行冷凝以用于锅炉供水。按照本发明的一实施例，水汽分离器是膜分离器。
按照如图10所示的本发明的一实施例，燃烧器12为一加压燃烧器，该燃烧器具有一与加压旋流器68流体连通的燃气或排放气体出口67。根据该实施例，从加压旋流器68中出来的加压热燃气在燃气涡轮23中膨胀，进行发电。
本发明的方法和装置将固态和液态燃料转变为合成气体、蒸汽和/或电。按照本发明方法的一实施例，约10％到40％的固态和/或液态燃料被导入到气化器中进行气化，形成合成气体。在空气/燃料燃烧率为在约0.25到0.60之间以及温度在约1200华氏度和2000华氏度之间时，实施燃料的气化。60％到90％的固态燃料和/或液态燃料的剩余部分被导入多级燃烧器的第一级中，导致燃烧产物、粉尘和/或焦炭的形成。按照本发明的一优选实施例，多级燃烧器包括三级。在气化器中产生的未处理的合成气导入多级燃烧器的第二级中，第二级在第一级的的下游，过烧氧化剂如空气、氧气或含氧丰富的空气被导入多级燃烧器的第三级，第三级在第二级下游。过烧氧化物导入的结果是实现了燃烧器燃料和合成气两者的最终燃烧。从燃烧器中得到的粉尘和/或焦炭被导入气化器，以增加燃烧器的粉尘和/或焦炭蒸汽中的碳的完全燃烧。
按照本发明中的一个实施例，压缩到约10到30个大气压范围内的压缩空气被多级燃烧器热中的一部分加热到范围为约1400华氏度到约2000华氏度的温度。多级燃烧器中热的第二部分用于产生蒸汽。按照一实施例，通过在超大气条件下直接燃烧少量净化燃料如天然气或石油等，加热压缩空气的温度上升到约2100华氏度和约2600华氏度的范围内。高压、过烧空气可在燃气涡轮中膨胀以产生电。
按照本发明方法的一实施例，膨胀气体可用作多级燃烧器中的初级燃烧空气和/或过烧空气，也可用作气化器中的气化空气，和/或用作固态燃料干燥和/或高压电产生情况下的蒸汽的产生。按照本发明的一实施例，空气和水的混合物代替过烧压缩空气加热以产生空气和蒸汽的混合物。
在前面的说明书中，本发明已经结合特定的优选实施例对本发明进行了描述。其中，很多细节是为示意目的，对于本领域的普通技术人员来说，本发明允许其他实施方式，在此描述的细节可以不脱离本发明原理而变化。
权利要求
1.一种将固态和液态燃料转换为合成气体、蒸汽和电中的至少一种的方法，该方法包括下述步骤将固态燃料和液态燃料中的至少一种的约10％到40％在气化器中气化，形成合成气体；将所述固态和所述液态燃料中的所述至少一种的剩余部分导入多级燃烧器的第一级，产生燃烧产物以及粉尘和焦炭的至少一种；将所述的合成气体导入到所述的多级燃烧器第一级下游的第二级中去；将过烧氧化剂导入所述多级燃烧器所述的第二级下游的第三级中去；和将所述粉尘和所述的焦炭中的至少一种导入所述的气化器中。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括压缩空气到约10到30个大气压，产生压缩空气，转移产生在所述多级燃烧器中的热的一部分到所述压缩空气，以使其具有约为1200华氏度到2000华氏度的温度，用所述的热的一部分来产生蒸汽。
3.如权利要求2所述的方法，其中，将所述压缩空气的所述温度通过涡轮燃烧器中的气态燃料和液态燃料的至少一种的直接燃烧升高到范围在约2100华氏度到2600华氏度内的高温。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述气化器中的气化压力范围比所述燃烧器的运行压力高约0.05到约1.5个大气压。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述的过烧氧化剂由导入所述多级燃烧器的氧化剂的总量的约30％到50％所组成。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述预热压缩空气在燃气涡轮中膨胀，形成膨胀气体，导致发电。
7.如权利要求2所述的方法，其中所述压缩空气在所述的多级燃烧器内的空气热交换器中间接加热。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述压缩空气由在操作上与所述燃气涡轮相连的涡轮压缩器产生。
9.如权利要求6所述的方法，其中将所述膨胀气体导入所述气化器和所述多级燃烧器中的至少一个中。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述膨胀气体用于在将所述固态燃料送入所述多级燃烧器之前干燥所述的固态燃料。
11.如权利要求6所述的方法，其中所述的膨胀气体用于增加热回收蒸汽发生器中的蒸汽。
12.如权利要求2所述的方法，其中所述的多级燃烧器是一锅炉。
13.如权利要求12所述的方法，其中将锅炉供水预热，并与所述的压缩空气混合，形成供水/压缩空气混合物，所述的供水/压缩空气混合物在所述的多级燃烧器中加热，产生过烧蒸汽/压缩空气混合物，将所述的过烧蒸汽/压缩空气混合物作为工作流体导入燃气涡轮中。
14.一种装置，其包括具有合成气出口的气化器；适于燃烧固态和/或液态燃料中至少一种的多级燃烧器，该多级燃烧器具有至少一个与所述合成气出口流体连通的合成气进口，该合成气出口用于引导合成气到所述多级燃烧器的所述第一级下游的第二级中，和至少一过烧氧化剂进口，该过烧氧化剂进口将过烧氧化剂导入所述多级燃烧器的所述第二级下游的第三级中；和用于将粉尘和/或焦炭从多级燃烧器循环到气化器中去的粉尘循环装置。
15.如权利要求14所述的装置，进一步包括涡轮发电机装置，该发电机包括具有周围空气进口和压缩空气出口的涡轮空气压缩器和具有与所述压缩空气出口流体连通的加热压缩空气进口的燃气涡轮。
16.如权利要求15所述的装置，进一步包括用于使产生在所述的多级燃烧器中的飞尘循环到所述气化器中的飞尘循环系统。
17.如权利要求15所述的装置，进一步包括在所述涡轮空气压缩器和所述燃气涡轮之间的压缩空气加热器，该加热器具有与所述涡轮空气压缩器的所述压缩空气出口流体连通的压缩空气进口和与所述燃气涡轮的所述加热压缩空气进口流体连通的加热压缩空气出口。
18.如权利要求15所述的装置，进一步包括在所述压缩空气出口和所述加热压缩空气进口之间的水/空气混合器，该混合器具有与所述压缩空气出口流体连通的压缩空气进口，与所述供水系统流体连通的水进口和与所述加热压缩空气进口流体连通的压缩空气/水混合物出口。
19.如权利要求15所述的装置，其中所述的燃气涡轮包括与所述气化器、所述至少一个过氧化剂进口和用于导入初级燃烧空气到所述第一级的多级燃烧器的燃烧空气进口中的至少一个流体连通的膨胀气进口。
20.如权利要求19所述的装置，进一步包括固态燃料干燥器，该干燥器具有与所述膨胀气出口流体连通的膨胀气进口、湿固态燃料进口、与所述多级燃烧器的固态燃料进口流体连通的干燥固态燃料出口，和与具有粉尘收集器排放空气出口的燃料干燥粉尘收集器流体连通的燃料干燥器粉尘出口。
21.如权利要求20所述的装置，其中所述的燃料干燥器粉尘收集器具有与至少一个所述固态燃料进口和所述至少一个合成气进口流体连通的燃料细粉尘出口。
22.如权利要求21所述的装置，进一步包括水汽/空气分离器，该分离器具有与所述粉尘收集器排放空气出口流体连通的排放空气进口、将通过所述的排放空气进口导入到所述的水汽/空气分离器中的排放空气中的水汽除去的水汽/空气分离装置、干燥排放空气出口和水汽出口。
23.如权利要求22所述的装置，进一步包括具有与所述水汽/空气分离器的水汽出口流体连通的水汽进口和冷凝水出口的冷凝器。
24.如权利要求23所述的装置，进一步包括在所述压缩空气出口和所述加热压缩空气进口之间的水/空气混合器，该混合器具有与所述压缩空气出口流体连通的压缩空气进口，与所述供水系统流体连通的水进口和与所述加热压缩空气进口流体连通的压缩空气/水混合物出口。
25如权利要求19所述的装置，进一步包括热回收蒸汽发生器，该发生器具有与所述膨胀气体出口流体连通的膨胀气体进口、与供水系统流体连通的供水进口和蒸汽出口。
26.如权利要求25所述的装置，进一步包括发电的蒸汽涡轮，该蒸汽涡轮具有与所述的热回收蒸汽发生器的蒸汽出口流体连通的蒸汽进口。
27.如权利要求16所述的装置，其中所述的飞尘循环系统包括至少一加压旋流器，该旋流器具有与多级燃烧器的排放气体出口流体连通的排放气体进口，飞尘去除出口和旋流器排放气体出口。
28.如权利要求27所述的装置，进一步包括一第二燃气涡轮，所述第二燃气涡轮与所述涡轮空气压缩器在操作上连接，具有与所述旋流器排放气体出口流体连通的涡轮排放气体进口。
29.如权利要求22所述的装置，其中所述的水汽/空气分离器是膜分离器。
30.如权利要求17所述的装置，其中所述的压缩空气加热器在多级燃烧器内部。
全文摘要
一种将固态和/或液态燃料转变为合成气体、蒸汽和/或电的方法和装置，其中固态和/或液态燃料的约10％到40％内的燃料导入气化器被气化，形成合成气体。固态和/或液态燃料的剩余部分导入多级燃烧器的第一级中，形成燃烧产物、粉尘和/或焦炭。合成气体导入多级燃烧器第一级下游的第二级中，过烧氧化剂被导入在多级燃烧器第二级下游的第三级中。从多级燃烧器中产生的粉尘和/或焦炭再循环到气化器中。
文档编号F02C3/20GK1429892SQ0212817
公开日2003年7月16日 申请日期2002年12月10日 优先权日2001年12月10日
发明者B·布赖恩, I·拉博维特塞尔 申请人:瓦斯技术研究所