联合气化和发电的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种联合气化和发电方法，其中含碳物质在供有低温空气分离装置产 生的氧的气化器中气化，以产生合成气，合成气在处理后用作一个或更多燃气轮机的燃料， 燃气轮机供有来自空气分离装置的氮，并且其继而用以产生设备所需电力的至少一部分， 并且供应压缩空气至低温空气分离装置。
【背景技术】
[0002] 在本领域所知的整体气化和联合循环（IGCC)中，可气化煤并可发电。在IGCC中， 煤或其它含碳物质的气化产生主要含有氢，一氧化碳和二氧化碳的合成气，合成气带有一 定量的含甲烷以及含硫和氯化物的杂质。在典型的气化器中，含碳给料与蒸汽和氧反应以 产生合成气。含碳材料既可直接给送至气化器或作为含碳材料的水浆给送至气化器。通常， 通过空气分离单元（ASUairseparationunit)将氧提供至气化器，在空气分离单元中，空 气在低温下在蒸馏塔中精馏以产生氧。
[0003] 在整体气化联合循环中，由气化所得的合成气冷却至适于其在羰基硫（cos)水解 反应器中进一步处理的温度，羰基硫水解反应器将大部分羰基硫水解成硫化氢。合成气随 后进一步冷却用于在溶剂洗涤装置内采用用于硫化氢和羰基硫从合成气分离的物理或化 学吸收来分离硫化氢。所得的燃料气体随后给送至联接至发电机的燃气轮机以发电。热可 通过冷却来自燃气轮机排放的排放物来回收以引起蒸汽并通过蒸汽轮机来产生额外的电 力。
[0004]IGCC系统的优化传统上主要聚焦于资金成本而其次聚焦于效率。在对IGCC设备 的输出没有限制时这样的聚焦特别恰当。在IGCC设备由公共事业公司或其中设备设计成 将电力出售给电网的独立能源生产者拥有时这确实是对的。
[0005]IGCC系统还设计成将电力提供给专属用户（captiveuser)，例如精炼设备或设计 成通过煤，石油焦或其它碳氢化合物给料生产氢或液体的设备，和/或可包括生产诸如环 氧乙烷的化学生产的设备的综合体。在这种情况中，除电力以外，IGCC系统可提供诸如蒸 汽，热水，锅炉给送水，燃料气体以及合成气等效用。在一些情况下，用于IGCC系统的合成 气/燃料气体的源可来自专属用户综合体。来自IGCC设备的总电力输出可受限于由专属 用户所需的加上操作IGCC设备（内部使用）所需的。通常，出售多余的电力给电网的选择 由于经济考虑而是不实际的。这些考虑包括：对于过剩电力的低价以及法规的存在，这限制 了出售者操作IGCC系统的能力，因为仅需提供专属用户的需求。
[0006] 内部用户包括用于以下的电力：用于固体移动的传送器，在给送至气化器前降低 固体碳氢化合物尺寸的碾压器/粉碎机，用于空气分离单元的压缩机，用于酸性气体去除， 蒸汽，和其它子系统的泵，用于诸如仪器空气和启动锅炉的各种各样的需求的风机和压缩 机，照明，以及其它各种各样的用途。来自IGCC设备的净功率应限定成发电机的净功率输 出减去内部使用之间的差。该净功率供应至专属用户。
[0007] 由于由商用气化系统产生的合成气的特性（成分变化和燃烧特性），燃气轮机通 常使用常规扩散燃烧器以用于燃烧燃料气体。NOx排放物通过使用诸如来自空气分离单元 的蒸汽和氮的稀释剂来控制。稀释剂降低燃料气体的火焰温度并且降低由轮机燃烧器产生 的NOx的水平。由于稀释剂添加可大大增加燃气轮机的重量，故燃气轮机的运行受影响。
[0008] 燃气轮机排气被送至余热回收蒸汽发生器（HRSG)以产生输出至专属用户的蒸汽 和/或用于在蒸汽轮机中发电。在需满足固定水平的内部和专属用户电力需求时，蒸汽轮 机（多个）所产生的电力的量将降低燃气轮机的发电需求，重要的是要注意，气化器能力以 及由此的IGCC系统的内部功率需求通常由燃气轮机所需的燃料来设置。最大效率的系统 是使用最少量的固体燃料来提供效用的系统（燃气轮机，蒸汽轮机，气化器以及空气分离 单元的组合）。对于给定的气化器类型，总装置效率由所选的燃气轮机，蒸汽轮机性能，空气 分离单元的设计以及空气分离单元与燃气轮机之间的整合来确定。
[0009] 空气分离单元与燃气轮机的整合包括：氮回归至燃气轮机以用于NOx控制以及通 常用于增加燃气轮机的输出至接近其最大功率额定，最大功率额定由机器（称为氮整合） 的机械限制设定；从燃气轮机燃烧器获取的空气以用于给送空气至空气分离单元，而氮回 归至燃气轮机（在用于空气分离单元的所有空气由燃气轮机压缩机提供时称为完整整合， 且在用于空气分离单元的仅部分空气由燃气轮机压缩机提供时称为部分空气整合）。通常， 由于回归至燃气轮机的氮的量是从ASU(空气分离单元）可获得的大量部分的氮（通常超 过可获得的氮的40% )，空气分离单元被设计成用于产生低纯度的氧（通常在大约95mol% 的氧），其使用设计允许从精馏塔产生压力高于其中仅需要注入燃气轮机少量或无氮的装 置的氧和氮。需要少量或无氮的情况的高压塔通常处于小于lOOpsia的压力而低压塔少于 大约20psia。在需要大量氮时，高压塔压力可超过200psia并且低压塔可超过50psia。高 压操作的优点在于减低空气分离系统的总功率需求，通过降低提升氧和氮至末端使用压力 (氧可需要大于500psia的压力且氮处于超过200psia的压力）的功率需求。在95mole% 纯度的氧产生时，与低纯度氧相关的分离功率不会由压力增加而大幅改变。如果从燃气轮 机获取的空气用作空气分离单元的给料，则燃气轮机压缩机的排放压力通常用于设置空气 分离单元中的高压塔的压力。
[0010]IGCC系统中几乎总是使用氮回归至燃气轮机。完全整合被示出产生最有效率的IGCC系统，但具有难以启动的缺点，因为燃气轮机需要在高速率下操作，在延长的时期内 使用启动燃料直到空气分离单元、气化器和下游处理单元运行。部分空气整合被考虑用于 IGCC系统，其具有小于70 °F的设计环境温度，在接近海平面的大气压下操作。决定不使用 部分整合的关键因素是对于出售电力至电网的系统，需要在设计条件下的最大化燃气轮机 输出。在较高设计环境温度或海拔下，空气获取会降低燃气轮机膨胀器可得的空气并且不 允许轮机取得其最大能力。在低环境温度下，可得的来自燃气轮机压缩机的空气比取得最 大功率输出所需的更多，并且空气获取变得更可行。
[0011] 如下文将论述的那样，本发明除了其它优点外提供了相比现有技术具有更高总能 量效率的IGCC方法。
【发明内容】
[0012] 本发明提供联合气化和发电方法。根据该方法，氧产物流和含碳物质引入气化器 并且含碳物质气化以产生包括氢和一氧化碳的合成气流。合成气流在气体调节系统中处 理，通过从合成器流去除颗粒和含硫化合物以产生燃料流，并且从合成气流回收热。应当理 解，可选地，二氧化碳也可去除。燃料流引入至少一个燃气轮机的燃烧器并且电力通过联接 至至少一个燃气轮机的至少一个发电机产生。空气在空气分离单元分离，通过压缩，纯化并 冷却空气至适于其在蒸馏塔系统中精馏的温度并且随后在蒸馏塔系统内精馏空气以产生 氧产物流和含氮流。至少一个发电机以所需的功率输出发电以至少部分地供应专属用户 和包括气化器，气体调节系统，空气分离单元以及氮产物压缩机的设备的电力需求。如此处 和权利要求中所述，术语"专属用户"指并入IGCC设备的设备，其使用并未用于IGCC设备 中的电力并且因此电力不输出至电网。由空气分离单元所需的压缩空气的百分之30. 0至 60. 0之间由从至少一个燃气轮机的压缩机获取的泄放空气流供应，而无须进一步压缩泄放 空气流。至少部分的含氮流在氮产物压缩机中压缩以产生压缩氮流。压缩氮流被给送至燃 料流，燃烧器和燃烧器下游膨胀器之前的位置中的至少