温和气化联合循环发电设备的制作方法

专利名称：温和气化联合循环发电设备的制作方法
温和气化联合循环发电设备相关申请本申请与于2007年6月13日提交的美国临时申请序列No. 60/943，808和于2007 年10月12日提交的美国临时申请序列No. 60/979，468相关，并要求其优先权。这些申请 的全部内容明确地通过引用结合于本文中。
背景技术：
目前与清洁煤发电设备相关存在两种趋势混合的整体气化联合循环 (integrated gasification combined cycle) (IGCC)技术和现有的粉煤(PC)设备的改装 以降低它们的CO2排放。关于混合IGCC，第一代IGCC使用氧吹式气化器，而第二代IGCC使用气吹式气化。 这两种IGCC都试图气化尽可能多的煤。第三代IGCC使用碳化器，而不使用气化器，且只气 化一部分的煤，从而留下残余的炭。然后炭在燃烧器中进行燃烧，以提供额外的能量。已使 用各种不同的可互换的术语来描述第三代IGCC技术，包括温和气化、部分气化和混合式。关于利用IGCC改装现有的燃煤蒸汽设备，美国政府的国家能源管理系统(NEMS) 的政策研究反映了对降低现有的PC设备群体的(X)2排放的重要性和独特困难性的认识不 断提高。煤发电设备产生了占世界四分之一的(X)2排放，因此，试图显著降低世界排放的任 何计划都不能忽视煤发电设备。传统的低排放技术(例如风和核能技术)仅影响新的容量， 因此，现有的PC排放的问题仍然存在。拆毁这些设备在经济上是不可行的；另一选择为使 用也用于CCS的IGCC改装它们，这在经济上也是不可行的。NEMS研究的一个结论是，如果能够满足合适的经济条件，美国来自PC设备的(X)2 排放能够在2030年降低多达80%。但是为使这种方法在经济上可行，IGCC的成本必需显 著下降，且必需实行足够昂贵的碳帽(carbon cap)。

发明内容
本发明是基于(至少部分基于)洁净煤技术，单独或联合采用了混合IGCC技术和 现有的PC设备的改装(例如参见

图1)。一方面，本发明提供了一种用于降低二氧化碳排放和增加效率的混合整体气化联 合循环(IGCC)设备。该混合IGCC包括用于形成合成气的碳化器、合成气冷却器、热气清除 系统和由合成气作为燃料的燃气轮机。运行该混合IGCC设备使得合成气维持在合成气中 的挥发物质的焦油凝结温度以上的温度。在一些实施方式中，合成气是由固体燃料(例如 煤)形成的。另外地或可选地，可以使用生物质。在一些实施方式中，碳化器使用至少一个外部燃烧器加热输入流。在一些实施方式中，来自混合设备的炭在蒸汽设备中燃烧。另外，在一些实施方式 中，来自燃气轮机的废气被输送到蒸汽设备中，以回收其热量并通过汽轮发电机将其转化 为电力。在一些实施方式中，炭和一部分合成气均被输送到现有的蒸汽设备中。在一些实 施方式中，向所述蒸汽设备的燃烧室加入额外的空气。在一些实施方式中，热回收蒸汽发电机补充所述现有的蒸汽设备的热回收。在一些实施方式中，混合IGCC设备经改进用于碳捕集和储存，其中离开热气清除 系统的合成气依次通过一系列的压力容器，依次包括部分氧化器、合成气冷却器、水-煤气 变换反应器和用于从气体燃料分离二氧化碳的吸收系统，从而所述二氧化碳随后进行干燥 和在被隔离(sequestered)之前进行压缩。在一些实施方式中，碳化器包含压力容器内的喷动流化床，所述喷动床包含通流 管。在进一步的实施方式中，碳化器包含向环绕通流管的环形空间供应蒸汽和空气的分配 板，以及用于向碳化器供应煤并从碳化器中去除过量的炭的装置。在一些实施方式中，合成气冷却器包括含有冷却剂管的流化床。在一些实施方式中，来自合成气冷却器的废热重新注入到合成气或蒸汽流中或二 者中。在其中使用煤的一些实施方式中，煤在注入到碳化器之前使用煤预燃烧热处理 (PCTTC)系统进行干燥和加热。在一些实施方式中，包括包含大气压力双层流化床燃烧器的 煤干燥器，其中燃烧发生在下层流化床中，该下层流化床包含冷却剂管以维持其温度低于 燃料中灰分的熔融温度，且其中来自下层流化床的一种或多种燃烧产物经过上部的分配板 进入第二流化床，该第二流化床包含被干燥的煤。在一些实施方式中，进入冷却剂管的冷却 剂来自IGCC设备中的酸设备，其中从下层床冷却管流出的一些冷却剂被导向蒸汽轮机，而 其余的冷却剂被输送到PCTTC系统的煤加热器中，且其中从煤加热器流出的冷却剂被泵回 到燃烧器的下层流化床中冷却剂管的入口处。在一些实施方式中，合成气冷却器包括含有安装在翅片管板组件上的多个倾斜管 的分配板，其中倾斜管安装在当IGCC设备不运行时足以去除床材料的渗出液的斜面上。在一些实施方式中，碳化器中炭的流化床分为各自独立地供应蒸汽和空气的混合 物的段，且通过在煤供应减少的过程中使用附加段来气化炭而在煤进料减少的过程中维持 IGCC设备的效率。在一些实施方式中，包含碳酸钙的颗粒被注入到在碳化器的碳化器床中包括的分 配板上。在一些实施方式中，炭(例如离开碳化器和/或炭冷却器的炭)被粉碎，粉碎的炭 经过分离器以去除还包含汞的灰分的细颗粒。在一些实施方式中，分离器使用磁力或静电 力或两者以将炭与灰分分离。在一些实施方式中，气化水平为至少大约70%、优选至少大约75%、更优选至少 大约80%、更优选至少大约85%、更优选至少大约90%、更优选至少大约95%。在一些实 施方式中，合成气具有的热值为大约300BTU/SCF或更高。在其它实施方式中，合成气具有 的热值为大约350BTU/SCF或更高、大约400BTU/SCF或更高、大约450BTU/SCF或更高、大约 500BTU/SCF或更高。在一些实施方式中，合成气被维持在大约900° F或更高、大约950° F 或更高、大约1000° F或更高、大约1100° F或更高、或者大约1200° F或更高的温度下。 在一些实施方式中，碳转化率为大约80%或更高。在另一方面，本发明提供了改装现有的IGCC设备的方法，包括改装现有的IGCC设 备以提供根据之前权利要求中任一项所述的IGCC设备的步骤。在再另一方面，本发明提供了用于降低二氧化碳排放和/或增加效率和/或降低设备大小和/或降低水、煤或其它资源使用(例如与其它燃煤发电设备相比)的方法，其采 用在此描述的步骤。附图简述图1为一系列将本发明的示例性的混合IGCC与氧吹式IGCC、其它气吹式IGCC和 其它混合IGCC对比的表。图2和3为描述本发明的IGCC的示例性配置的流程图。图4为描述本方面的示例性的工艺流程的示意图。图5为描述本发明的示例性的碳化器的示意图。图6A、6B和6C为分别描述本发明的用于合成气冷却或脱硫的示例性分配板的顶 视图、正视图和侧面截面图的示意图。图7A和7B为分别描述㈧经改进以翻转的本发明的碳化器的示例性部分和⑶ 用于描述示例性的环形床的沿着图7A的这一碳化器的“A”线的截面的示意图。图8为本发明的示例性的煤制备系统的示意图。图9为本发明的示例性的炭制备系统的示意图。图10为描述本发明的IGCC的示例性配置的流程图。图11为本发明的示例性的床内(in-bed)脱硫器的示意图。图12为本包括CCS的本发明的示例性混合IGCC的示意图。图13为描述本发明中使用的示例性燃气轮机中的运行条件的表。图14为描述本发明中使用的示例性碳化器中的条件的表。图15为描述与其它IGCC相比的本发明的示例性混合IGCC的设备效率的图表。图16为描述现有蒸汽设备的效率对混合系统的效率的影响的图表。图17为描述向类似级别的IGCC提供合成气的气化器或碳化器的三种设计的尺寸 和运行参数的表。图18为描述两种冷却器(包括本发明的示例性合成气冷却器)的尺寸和运行参 数的表。图19为描述本发明的设备的典型污染物和去除的方法的表。图20为描述四种设备设计(包括本发明的一种)的效率的表。图21为描述七种设备设计(包括本发明的两种)的水消耗量的图表。图22和23为描述本发明的IGCC的示例性配置的流程图。图24A和24B为描述本发明的示例性IGCC的不同部分中的流速、温度和压力的 表。图25为比较气吹式碳化器、气吹式气化器和氧吹式气化器的不同特征的表。图沈为描述本发明的示例性的IGCC和常规的IGCC的气化器空气流和合成气流 速的表。
具体实施例方式本发明基于(至少部分基于)洁净煤技术。不希望局限于任何特定理论，据认为 本发明将会产生比现有的技术更加便宜的新电力，和/或将会降低新的和现有的燃煤发电 设备的二氧化碳(CO2)排放在无碳捕集和封存(CCQ时为20-35%，在具有CCS时为90%以上。在一些实施方式中，本发明用于改装任何类型或燃料的现有的发电设备，或用作独立 的新设备。在一些实施方式中，当用于改装时，与燃料无关，本发明比新的独立式设备使用 的冷却水少很多。在一些实施方式中，本发明提供了混合IGCC设备。作为此处所使用的术语“混合 IGCC设备”可与“混合设备”和“混合IGCC”互换使用，指同时产生作为燃气轮机燃料的合 成气和作为现有的蒸汽设备的燃料的炭的设备。在一些实施方式中，炭的一部分或全部用 于其它目的，例如用来制备炭煤球(char briquettes)。混合IGCC设备与其它混合IGCC不同，其保留煤中的挥发物作为燃料。此处所使 用的术语“挥发物”和“挥发物质”可互换使用，指烃气体和蒸气的混合物以及其它(非燃 料)气体。烃蒸气根据它们在凝结时的外观被称为焦油。典型地，只要合成气维持在最大凝结温度之上(例如高于大约900° F)，焦油就保 持汽化。以前的混合设备使用低温气体清除系统(其在低于焦油的凝结温度的温度下进行 操作)。因此，它们的气化器需要消除焦油以避免合成气清除系统中的结垢。在一些实施方 式中，挥发物是指中等-BTU燃料(例如大约500BTU/SCF)，是从常规的气吹式气化器中流出 的合成气的热值的大约4倍。以前的IGCC要求去除挥发物，因为它们的低温清除系统是在低于挥发物的凝结 温度的温度下运行的。来自煤的挥发物的热密度通常为大约500BTU/SCF，而来自常规气吹 式气化器的合成气的热密度通常为大约135BTU/SCF。近期已开发了用于合成气的热气清 除系统，其在挥发物的凝结温度之上运行。在一些实施方式中，本发明利用了热气清除系统 (WGCU)，其在合成气中挥发物的焦油凝结点之上运行。在一些实施方式中，本发明中使用的 气化器系列(train)使合成气温度维持在1000° F或更高。因此，在这些实施方式中，保留 挥发物而不是消除它们可能是可行的，因为它们不会发生凝结。保持挥发物的优势包括相 对于来自普通气吹式气化器的合成气而言所得到的合成气热密度优势，来自普通气吹式气 化器的合成气通常还包括一氧化碳、氢气、氮气和蒸汽。在一些实施方式中，挥发物在整个 气化系统中被维持在高于它们的凝结温度之上的温度，直到它们在燃气轮机中燃烧。在一 些实施方式中，按照本发明产生的合成气的热密度为大约300BTU/SCF。合成气的较高热密 度可以对应于例如气化、冷却或清洁合成气需要较小的设备。此处所使用的冠词“一”和“一个”，除非特别说明，意思是“一个或更多”或“至少 一个”。也就是说，不定冠词“一”或“一个”所指的本发明的任何要素并不排除存在该要素 多于一个的可能性。在一些实施方式中，本发明的混合IGCC设备被设计成在开始时不需要碳捕集和 储存(CCS)，因为隔离系统还未提供。在一些实施方式中，与本发明结合使用CCS可能使得 煤设备的(X)2放降低超过90%。在一些实施方式中，本发明的混合IGCC设备是碳-预备的 (carbon-ready)，因此与燃烧后清除相比可以将碳捕集的成本降到最低。将本发明升级到 CCS可以例如通过本发明的示例性混合IGCC设备相对于次最便宜的替代设备而节约的成 本来负担。一旦可以利用隔离，这可以使碳帽或利率上涨(rate hike)对CCS费用的影响 最小化或消除该影响。这一效果将会使担忧全球变暖但又不愿意进行高昂的投资来减小或 预防其发生的社会更易于接受关于CCS的新技术。不希望束缚于任何特定的理论，据认为在改装应用中，通过相对于发达国家现有的蒸汽设备的效率而言更高的设备效率实现了 CO2排放20-35%的降低，而相对于发展中国 家的现有的蒸汽设备的效率而言，实现高达45%的降低。在一些实施方式中，本发明的混合 IGCC的(X)2排放可被降低到低于新的燃气轮机联合循环设备可能达到的水平，使其成为近 期、甚至在碳隔离系统可以获得之前一种吸引人的煤气设备的替代方式。MM在一些实施方式中，本发明包括与任何其它IGCC的主要元件相同的主要元件为 联合循环设备供料的气化系统。例如，示例性的气化系统包括包含加压碳化器、加压合成气 冷却器和加压合成气清除系统的加压气化系列。示例性的联合循环设备包括燃气轮机和热 回收蒸汽发电机(HRSG)。HRSG可以是现有的PC设备、新建的HRSG，或在某些情况中为现有 的蒸汽设备和新的HRSG的组合。作为混合设备，本发明的示例性的IGCC设备产生提供给 现有的PC设备的炭。本发明的示例性的工艺流程图示于表4中。碳化器被供应煤、蒸汽和空气以产生 合成气。合成气由位于例如碳化器的压力容器的上部区域的流化床冷却器中的冷却剂管进 行冷却。离开碳化器的合成气流过旋流器，旋流器去除炭细粉、冷却它们，并将其输送到PC 设备。合成气然后流过热气清除系统(包括卤化物净气器、脱硫器和高温过滤器)。脱硫器 包括再生器，其排出气流供应给酸设备以制备硫酸。洁净的合成气离开过滤器，并在燃气轮 机的燃烧室中燃烧。将蒸汽加入到燃烧室中来增加输出和降低NOx的排放。一部分合成气 可用作“循环气”，即可以供应给碳化器的外部燃烧器和清洁高温过滤器中的元件。通过冷却器和气锁(airlock)从碳化器去除过量的炭。过量的炭由此被输送到改 装的PC设备、粉碎、净化并燃烧。现有的蒸汽设备的燃烧器已经过改进以燃烧炭而不是煤。 如果现有的锅炉被用作HRSG，燃气轮机的废气中的过量空气可用来燃烧炭。废气在通过冷 却器(如果需要或希望的话)之后通过绝热管被输送到现有的锅炉中。用于气化的空气(在外部燃烧器和脱硫器再生器中运行)来自燃气轮机的压缩 机。增压压缩机用于增加循环气、放气(bleed gas)和用于气动输送的废气的压力。过热 器用于预热用于气化炭的空气和蒸汽。碳化器在一些方面，本发明的混合IGCC使用碳化器。在一些实施方式中，碳化器形成合 成气。在一些实施方式中，本发明中使用的碳化器的设计和运行方式使其保留煤中的挥发 物质，而不是破坏它。在常规的碳化器中，空气被注入气化器中以通过部分燃烧来加热输入流。挥发物 主要由这一空气燃烧掉，且残留的焦油通过在足以热解它们的高温下运行气化器来去除。 在一些实施方式中，为了避免挥发物的破坏，本发明中使用的碳化器使用外部燃烧器加热 输入流，其燃烧产物是不含氧。注入本发明中使用的碳化器中以帮助气化炭的空气通过内 部分离器(在此称为“通流管”)与挥发物隔离。不希望束缚于任何特定的理论，据认为，结 果是气化所需要的和用来加热输入流的空气流减少大约2/3，合成气的体积流速降低大约 一半。因此，这就降低了气化系列中设备的大小和成本。在一些实施方式中，本发明包括流化床碳化器。示例性流化床碳化器56示于图5 中。示例性的碳化器由压力容器139和热流化炭的外环室140组成，该压力容器139包含
8由喷射口进料的内部区域，其流向向上。流化是由通过环室底部的分配板142注入的蒸汽 和空气引起的，蒸汽和空气还气化炭，产生了水-煤气。床周围的固体流通过喷射口中的气 体夹带炭开始，然后通过偏转器152偏转返回到环室，和以向下流过环室结束而完成循环。(煤、空气和蒸汽的)输入流由外部燃烧进行加热。在一些实施方式中，提供了放 射状地安装在碳化器周边的一系列燃烧器144。通过炭颗粒由来自燃烧器的气流夹带而加 热炭颗粒，燃烧器用于使碳化器保持在其设计温度下。中心管(“通流管” 150)促进了向上 的流动。燃烧器的顶部正好在通流管中的开口下面。可选地，单垂直燃烧室可以安装在通 流管入口以下的可控距离内。在一些实施方式中，外部燃烧器的气流受到控制以使循环气燃烧完全，从而形成 co2。碳燃烧完全仅使用常规气吹式气化器(其产生CO)所需的一半的空气。由于热解比 气化消耗的能量少，保留挥发物还降低了产生合成气需要的能量。总而言之，流向本发明的 碳化器的气流仅是常规气吹式气化器的气流的30% (参见例如图26)。在一些实施方式中，本发明包括喷动床流化床碳化器。带有中心喷射口以促进循 环的流化床气化器被称为“喷动床”。在一些实施方式中，喷动床反应器与本发明结合使用， 因为其在保持反应器的整个体积混合方面(称为“球形混合(global mixing)”的性质)表 现优异。例如，球形混合可以发生在15ft直径大的反应器中，这一反应器尺寸可以与本发 明结合使用以例如由单一容器向400-MW的发电设备供料。在一些实施方式中，喷动床使用通流管。在喷动床中使用通流管是不常见的。但 是它们已成功地在全尺寸(冷模式)的碳化器中经过测试。通流管促进了循环，并通过使 挥发物与环室中的空气隔离而保留挥发物。通过通流管的气流是在稀相中，因而其压力降 与流化床底部的压力相比较低。这促进了炭循环，这又进一步有助于使得炭温度在整个碳 化器中保持均勻。混合避免了可能使灰分成渣的热点或其中气化可能太慢的冷区的出现。在一些实施方式中，对注入环室底部的蒸汽和空气的流速进行计量以提供理想量 的水-煤气。放热反应(空气与炭反应的放热反应，形成一氧化碳)产生的热可被调节以 使其等于吸热反应(蒸汽加炭形成氢气)所需的热。水-煤气可以穿过炭，并从碳化器的 顶部流出(例如带有挥发物)。在一些实施方式中，来自空气的氮气与合成气保持混合。在一些实施方式中，空气和蒸汽被注入炭床底部的压力通风系统(plenum) 148 中，并通过压力通风系统顶面的泡罩170进入床。在一些实施方式中，过量的炭可通过碳化器底部的料斗以蒸汽(11)在“L”阀146 上的压力确定的速率从碳化器中移除。炭的速率可通过例如碳化器侧面的料位传感器来控 制，以使得床的顶部与通流管的顶部处于相同的高度。炭从底部移除可以例如降低或消除 可能另外地使床去流化的炭床中超大颗粒形成的可能性。从“L”阀开始，炭可以接着通过 被蒸汽管冷却的炭冷却器，然后通过气锁减压并输送到PC设备中。在一些实施方式中，为了运行碳化器，该装置通过打开外部燃烧器和产生流化气 流而用炭填充环室启动。循环以及炭的加热可以立即开始。当床已经到达其工作温度时， 可以通过煤进料管147将煤6供应到通流管底部。煤颗粒可被高流动性的循环炭包封并快 速加热。然后挥发物可通过热进行释放，并与循环炭和新脱挥发物的(devolatized)煤一 起从通流管顶部流出。在一些实施方式中，煤的热解主要在颗粒离开通流管时完成。在需要更多的反应时间时，热解可以进一步在炭床的上部区域中进行或完成。合成气冷却器在一些实施方式中，本发明的IGCC包括合成气冷却器。合成气冷却器138可以是 位于例如碳化器压力容器的上部区域中的具有嵌入的冷却剂管的流化床。冷却剂15可以 进入冷却剂管，并作为冷却剂16离开。流化床可以安置在允许合成气通过的分配器巧4上。 流化床156可以由例如低硅颗粒构成。在一些实施方式中，除了为维持自由流动材料的恒 定存量而可能有时需要的材料(例如低硅颗粒)以外不向床供料或由床供料。在一些实施 方式中，合成气冷却器安置在碳化器容器内，因而在碳化器和冷却器之间不需要在另外的 情况下需要的高维护、高温导管。在一些实施方式中，本发明包括分配板。示例性的分配板示于图6中。分配器可 由一系列的倾斜的管或喷嘴162组成，其相对于水平线的角度小于床材料的休止角。这一 构型可以阻碍或防止在停机过程中的材料渗出液。不希望局限于任何特定的理论，据认为， 由于通过管子的流是直的，在合成气中颗粒的聚集很少或没有。这种聚集可能发生在常规 的泡罩中，在此气体的方向发生改变。管可以安装在翅片管阵列上，其是焊接的翅片158和 管164的组件。流经管的冷却剂可使板保持冷却和结构完整。管组件可通过绝缘166与床 和环绕的气体隔离。管还可与翅片管组件隔离以避免焦油的凝结。在一些实施方式中，避 免结垢的设计和有效性与在双床流化床燃烧器中描述的那些相同或相似。在一些实施方式中，流化床冷却器比常规系统中使用的水-管热交换器具有更高 的传热系数，更低的合成气流速和/或更低的合成气温度差。因此，在一些实施方式中，流 化床冷却器小于常规系统中使用的水-管热交换器的大小的十分之一(参见例如图18)。 锅炉进水可用作冷却剂，因为它的低温进一步减少了需要的冷却管。进水可以在床内管中 沸腾，且其出口温度可以通过调节进水流速进行控制。在一些实施方式中，本发明中不采用常规的合成气冷却器(例如火管锅炉)，因为 挥发物凝结可能导致焦油的聚集。因此，在一些实施方式中，流化床的湍流使得不会发生聚集。合成气旋流器在一些实施方式中，本发明包括合成气旋流器。一些炭可从碳化器中排出，特别在 较高水平的气化下。与飞灰不同，大部分的炭足够粗粒以在旋流器78中捕获。旋流器捕获 物(catch)49可在冷却器80中冷却，然后与离开炭冷却器的炭47合并。然后这两股料流 可以通过传送线50输送到PC设备中。卤化物净气器在一些实施方式中，本发明包括卤化物净气器。卤化物净气器82可以去除氯化氢 和其它卤化物。在一些实施方式中，卤化物净气器由两个100% -容量的压力容器组成，各 压力容器充填了苏打石或天然碱(其活性成分为碳酸氢钠的矿物)的卵石床。一个容器可 以正常地使用，计划的工作时间为两个月。第二个容器可被净化、冷却、排空用过的床材料 和再装料。容器可以具有适于卤化物净气器的任何大小，例如直径为5、10、15或20英尺和 高度为10、20、30或40英尺。在一些实施方式中，容器的直径大约为13英尺，高度为大约 25英尺。容器可用适于卤化物净气器的任何材料(例如碳钢)制作，具有稳定级不锈钢的 内衬里和耐火衬里。
转i云.月兌硫器(transport desulfurizer)在一些实施方式中，本发明包括转运脱硫器。转运脱硫器84可以使用例如通常用 于炼油厂的反应器设计。在一些实施方式中，转运脱硫器由吸收合成气中的硫化合物(例 如通过锌基吸附剂的颗粒)的吸收器回路和恢复吸附剂的再生器回路构成。吸附剂可在吸 收器中转化为硫化锌，并在再生器中回复为氧化锌。各回路可由立管(riser)(分别为90和96)、旋流器(分别为86和92)和浸入管 (分别为88和94)组成。吸附剂可随流入气一起注入各立管的底部，在旋流器中分离，然后 在浸入管的底部重新注入。立管可由在相对稀释的状态中运行，使得空隙率为大约95%。 流过吸收器的大约10%的吸附剂可连续地通过再生器循环，且在一些实施方式中，仅有大 约10%的吸附剂颗粒的活性成分在其再生之前参与反应。在一些实施方式中，这些条件产 生高于大约95%的捕获效率，例如高于大约96%、97%、98%、99%或甚至99. 95%。在一些实施方式中，尽管再生作用中的反应为放热的，吸收在与WGCU的其它部分 大致相同的温度下发生。因此，在一些实施方式中，WG⑶中的气体达到大约1300° F，例如 大约1400° F或大约1500° F。在特定实施方式中，WG⑶中的气体达到大约1400° F。离 开再生器的气体可包含二氧化硫，然后在被送至酸设备100之前在冷却器98中冷却。酸设备在一些实施方式中，本方面包括酸设备。酸设备将再生器气体中的二氧化硫转化 为硫酸。与产生元素硫的设备不同，酸设备产生了大量的蒸汽。随着二氧化硫转化为SO3 (例 如在大约800° F下)蒸汽可在连续的催化反应中产生。蒸汽37可被捕获并重新使用，从 而进一步提高了本发明的效率。在一些实施方式中，本发明使用了产生元素硫则不是硫酸 的酸设备100的替代装置，克劳斯(Claus)装置。金属烛形过滤器在一些实施方式中，本发明包括金属烛形过滤器。金属烛形过滤器102为用于去 除飞灰和剥落吸附剂的多孔结构的阵列。在一些实施方式中，单个过滤器由当时已被烧结 的合金筛构成。得到的厚壁结构可以得到非常高的收集效率。像袋式集尘室或织物过滤器 一样操作，该过滤器可以使用脱出其表面上的滤饼的循环气55的高压脉冲进行清洁，从而 使其落入箱子中以清除。在各过滤器元件上的自动阀可以在它产生泄露的情况下自动地将 它隔离。该阀可以足够快速地作用以避免涡轮刀片的损伤(如果发生这种情况)。燃气轮机在一些实施方式中，本发明包括燃气轮机。最初为天然气联合循环发电设备 (NGCC)设计的燃气轮机可以用于IGCC。自从1960年代引入燃气轮机以后，燃气轮机的容 量和轮机入口温度一起在提高，这增加了它们的效率而同时降低了每kW的成本。在用于 描述本发明性能的计算中使用的燃气轮机62是基于西门子SGT6-6000G型，也就是之前的 Siemens-Westinghouse W501G。在一些实施方式中，与本发明结合的使用合成气的燃气轮机可以无需改造直接运 行。在另一些实施方式中，燃气轮机经过改造。例如，燃气轮机可通过开放经膨胀器的入口 叶片进行改造以适应合成气的较高体积流速。这可以增加喘振边界并降低熄火的危险。使 用合成气运行的燃气轮机可能比使用天然气运行的轮机具有更高的流速和功率输出。在一 些情况中，这有可能接近轮机轴的转矩极限。
在一些使用合成气的实施方式中，通常为天然气的预混合设计(用于使NOx排放 最小化)的燃烧室必须是用于合成气的喷嘴混合(或扩散设计)以避免由于合成气中的氢 气引起的逆燃。在一些实施方式中，甚至扩散燃烧器也可以满足为IGCC建立的NOx标准 (15ppmv)。一些燃气轮机可能由于合成气中的氢形成的湿气而发生热腐蚀。在一些实施方 式中，本发明中使用的燃气轮机经过适应改造以不发生由合成气中的氢气形成的湿气导致 的热腐蚀。以合成气运行的燃气轮机在热值太低时可能会遭遇熄火，且来自常规的气吹式系 统的合成气有时接近于这一极限。在一些实施方式中，本发明产生的合成气的热值足够高 以避免熄火。在一些实施方式中，本发明产生的合成气的热值为大约300BTU/SCF。辅助系统本发明可以包括一种或多种辅助压缩机。在一些实施方式中，增压空气压缩机120 和循环气压缩机130和134用于克服通过气化器系列的压力降。压缩机上游的冷却器120、 122和132可用于提高效率并降低成本。在一些实施方式中，在第一循环气压缩机之前不使 用冷却器，以避免焦油沉积。废气压缩机110也可用于气动传送炭到PC设备。废气可以来 自例如HRSG或蒸汽设备的烟道。本发明可以包括一个或多个热交换器。在一些实施方式中，主要的热交换器128、 138和244从炭和合成气中回收热量。大量的热交换还可以发生在酸设备100中。在一些实施方式中，废热回收到进入气化器的热流中，例如通过过热器116。不 希望局限于任何特定的理论，据认为使用废热来预加热到碳化器的流提供了最高的转化效 率，还降低了外部燃烧器的燃料需求，随之降低了到气化器的气流和相应的合成气流速。在 一些实施方式中，合成气冷却器2M用于使来自燃气轮机的压缩机排出空气27过热。在一 些实施方式中，煤被干燥和预热，例如参见图8中。在一些实施方式中，不使流入外部燃烧器的气流过热而使得NOx的排放最小化。 在进一步实施方式中，用于合成气冷却器58的冷却剂为蒸汽而不是空气，因为在流化床冷 却器138中可能没有足够的空间提供给空气管。本发明可以进一步包括炭冷却器。在一些实施方式中，炭冷却器1 为包含活动 床热交换器的压力容器。例如，在一些实施方式中，炭颗粒瀑布样经过热交换器管路，并通 过使得来自容器底部的物质以比进料更快的速度移除而保持在自由下落状态，这使得热交 换器不被填塞。在一些实施方式中，热传递是逆流的，水13在冷却器的底部进入，而过热的 蒸汽14从顶部离开。本发明的混合IGCC还可以使用其它的组件而不会偏离本发明的范围。本发明的示例性燃料本发明适于所有级别的煤以及生物质。但是在一些实施方式中，本发明不适于使 用石油焦(其可能反应性太低)或城市固体废弃物(其可能太异质而不能流化)。适于本发明的混合IGCC使用的燃料包括但不局限于烟煤、次烟煤、褐色煤 (brown coal)、褐煤(lignite)、煤渣、高灰分煤和生物质。烟煤和次烟煤不需要进行特殊的处理而使用它们。但是，煤的品级确实影响设备 的大小和运行条件。由于煤的反应性随品级提高而降低，如果需要非常高水平的气化，则较 低品级的煤是优选的。同时，煤的品级越高，煤的挥发物含量就越低，这意味着需要更多的气化。这随之又增加了炭床140的截面积。褐色煤(或褐煤)的高湿度(高于60%重量)和钠含量可能需要特殊的处理。仅 使用加热的常规干燥器是不合乎需要的，因为它们均是高燃料消耗的和高成本的。在一些 实施方式中，由德国公司RWE于1980年代研发的蒸汽流化床干燥(SFBD)用于处理褐色煤 或褐煤。SFBD被描述为反向热泵。最新版本被称为“细粒WTA”。WTA将煤干燥到相对低的 湿度水平(低至12% )且使用非常少的能量(原煤的12. 2kff/kg/s)。在褐煤和生物质为燃料(两者的钠含量通常较高)中的流化床气化器，钠结合灰 分中的硅酸盐以形成渣块。为了避免这种现象，常规气吹式气化器的流化床温度已被降到 1400° F这么低，结果导致不能接受的低碳转化率，低至75%。在常规气化器中，床中的颗 粒主要为灰分，其为易于结渣的成分。在碳化器中，碳-灰分的比例高许多倍，这可以降低 结渣的倾向，因为碳是非粘性的。但是，碳化器下游的颗粒具有较高浓度的灰分。下游颗粒的短停留时间可以抑制 聚集。但是，如果确实发生了结渣，微细的高岭石和/或方解石粉末可以注入到碳化器的自 由空间(freeboard)中以用作钠的“吸气剂”。然后在过滤器处与飞灰一起收集这些粉末。 粉末可以一次性使用，因为不然的话它们本身可能会变成粘性的。在氧吹式IGCC的合成气冷却器中，冷却损失非常严重以至于氧吹式气化器不适 于高灰分煤。有鉴于此，本发明是用于高灰分煤的任何IGCC中最适合的，因为它可以通过 合成气冷却器的温度降和质量流最小化。但是，进入现有的PC设备的炭中的灰分量显著高 于其取代的煤中的灰分量，因为其超过40%的热值已在通流管中被除去。常规生产的生物质(例如木材或柳枝稷)比煤贵几倍。但是，由于其避免了隔离 的需要，一旦强制执行碳帽，生物质可能比现在更具竞争力。生物质的主要优势在于它们可 以提供煤的长期替代，或者用在具有生物质但是没有煤或煤非常少的国家中。仅需要极小 的改造-主要是在燃料进料系统和上述结渣预防措施中-就可以使生物质用于最初为燃烧 煤而设计的设备中。降荷(Turndown)降荷是所有类型发电设备的主要问题，因为到目前为止储存电力通常还是不现实 的。常规的蒸汽设备可以以很小的效率变化调整到其额定功率的20%，但是联合循环设备 的燃气轮机的效率随着容量的降低而快速下降。这反过来要求使用燃气轮机调峰设备，但 是调峰设备使用昂贵的燃料，并且效率较低。在一些实施方式中，本发明的混合IGCC可以通过同时降低煤的进料速率和增加 气化速率提供降荷而仍维持高的效率。因此燃气轮机的燃料能量可以维持恒定，而供应给 PC设备的炭及其功率产生降低。为了实现这一目的，本发明碳化器中的环形床可由图7中径向分隔器172形成的 一系列分开的拱形段构成。由分隔器建立的段可根据功率需求单独地流化。在全负载时， 当最大量的合成气在通流管中通过热解产生时，一些段可留作备用。随着负载降低，可以启 动更多数目的备用段。图7示出了具有相同大小的段，但是为了进行更精细的控制，它们也 可被制成不同的大小。备用的段可以通过向其中注入空气而短暂地周期性启动，以维持其 温度接近于碳化器的设计点。里
常规的IGCC中使用的去除汞的技术使用低温工艺，其可能不适用于本发明中，因 为其要求合成气低于焦油凝结温度。因此，在一些实施方式中，本发明提供了在PC设备的 烟道中使用选择性催化反应器(SCR)、织物过滤器或静电沉降器(ESP)和/或废气脱硫器 (FGD)捕获汞的联合效益(参见例如图12)。在一些实施方式(例如使用SCR、ESP和/或 FGD的实施方式)中，本发明的汞捕获不需要特殊或附加的处理而去除了大约90 %的汞。替 代方式或补充方式为在烟道258之前向锅炉的废气中注入化学处理的活化碳。由于许多煤 设备每年仅产生几磅的汞，这可能是可行的选择。成本可以通过使用本发明产生的碳进一 步降低，这是因为来自气吹式气化器的炭与市售活性碳中使用的炭的反应性几乎相同。其它的选择包括图8的煤制备系统和图9的炭制备系统，两者在后续部分中有所 描述。本发明的示例件配置型号1.(参见例如图2).型号1为可用于新装置中的本发明的示例性版本。型号 1为带有其自身的热回收蒸汽发电机(HRSG)的混合装置。尽管型号1可被用于未开发地 区(greenfield)的应用中，但它也可以定位于现有的PC设备位置的附近。邻近可以提高 从碳化器向蒸汽设备转移炭的方便性，且允许与其它辅助设备(balance-of-plant)装置 共享。在一些实施方式中，型号1的电力成本是本发明的所有配置中最低的，但是它可能比 其它配置的(X)2排放要高，并使用更多的水。型号2.(参见例如图3).在其应用的特定实施方式中，本发明用于改装现有的PC 设备。来自燃气轮机62的废气和来自碳化器56的炭均被输送到用作HRSG的现有蒸汽设 备72中。本发明设备的容量和至锅炉的炭流速均可以在改装前被设计来匹配现有蒸汽设 备的流速和温度。在一些实施方式中，这一设计使用了大约70%的气化水平。气化水平被定义为 到达碳化器的煤中用于产生合成气的能量百分比。煤中剩余的能量可能在发送到改装的 蒸汽设备的炭中。在一些实施方式中，改装的设备的发电容量为现有蒸汽设备容量的大约型号3.(参见例如图10).在一些实施方式中，例如在型号3中，合成气和炭都在 改装的蒸汽设备中燃烧。在一些实施方式中，这一设计根据煤品级别的不同利用了高达 80-90%的更高气化水平。气化水平越高，从碳化器流出的过量的炭就越少，直到达到气化 的最大水平时，这一流量变为零。较高气化水平的优势包括降低锅炉设备中的灰分浓度； 由于燃烧的炭较少和由于合成气增加了燃烧的效率，改装的锅炉的未燃烧碳损失降低；在 低承载时使用合成气替代辅助燃料来稳定燃烧；和在CCS应用中必需通过燃烧后净气器去 除的二氧化碳量最小化。较高水平气化的唯一缺陷为煤气化器系列的容量和成本可能会增 加。型号4.(参见例如图22).在一些实施方式中，例如，在型号4中，向现有的锅炉72 中添加空气以补充来自燃气轮机62的废气中的空气而用于燃烧炭。在一些实施方式中，这 一设计使用了低水平气化，这是在本发明的附加的发电容量低于额定的设备输出(其为型 号2提供的设备输出)时所采用的。型号5.(参见例如图23).在一些实施方式中，例如，在型号5中，向系统添加HRSG 66来补充改装的蒸汽设备72的热回收。例如，当本发明的发电设备要求的附加功率比型号2的功率大时，可以使用如型号5的实施方式。用于碳捕集和封存(CCS)的升级在一些实施方式中，本发明的混合IGCC设备为碳-预备的，这意味着它们可被改 造以提供CCS。升级的目标为降低改装的蒸汽设备的CO2排放。在一些实施方式中，改装的 蒸汽设备的(X)2排放降低超过50 %，例如超过60 %、70 %、80 %或90 %。在特定实施方式中， 改装的蒸汽设备的CO2排放降低超过90%。降低可能来自本发明提供的效率增加和来自其 CCS。在一些实施方式中，本发明的混合IGCC设备的预燃烧碳捕集系统比烟道-气系统 更经济地去除co2。这可能是例如由于净气器中的高压力和浓度造成的。在一些实施方式 中，本发明的混合IGCC设备使用预燃烧碳捕集以除去70至90%的C02。剩余量在现有的 蒸汽设备处通过烟道-气净气器去除。这里存在许多的配置选择和用于在它们中进行选择的标准，包括但不局限于使在 升级过程中要求的设备变化最小化、成为碳-预备所需的初步投资最小化、保留非CCS版本 的技术的原始效益和降低合成气中的甲烷到与所需的CO2降低水平一致的水平。图12为包括CCS的混合IGCC设备配置的示意性图示。升级的发电设备可以使用 成熟的技术(变换反应器246和吸收系统M8)首先将合成气转化为氢气、二氧化碳和氮气 的混合物。然后吸收器可以将CO2与氢气/氮气混合物分离。氢气/氮气混合物可用作燃 气轮机62的燃料，而(X)2进行干燥、压缩和隔离(例如在地质储存中)。如果需要纯氢气， 可以使用第二分离器来去除氮气。在升级过程中，任何CCS系统需要的设备以外的仅有额外设备可能是部分氧化器 242及其合成气冷却器M4。部分氧化器起到加压炉的作用，而合成气冷却器为加压的热交 换器。在一些实施方式中，部分氧化器将焦油转化为炭和气体的混合物，并将一部分甲 烷转化为一氧化碳和水蒸汽。其工作温度可由进入的气流进行控制。温度的选择可基于降 低焦油和甲烷到可接受的水平的需要。部分氧化器下游的合成气冷却器244可将合成气恢 复到变换反应器所需要的温度。由于这一热量可回收到燃气轮机的排出空气中，部分燃烧 应该对设备的效率仅有很小的影响。与氧吹式碳化器相比，合成气中与氢气混合的氮气可能增加变换反应器和吸收装 置的大小和成本。因此，在一些实施方式中，本发明中使用的碳化器56使用氧气运行以避 免由氮气引起的复杂问题。在另一方面，合成气中的氮气增加了燃气轮机的电力容量，从而 降低了使用蒸汽填充膨胀器的需要，同时还降低了 NOx的排放。因此，在一些实施方式中， 本发明的氧吹式IGCC将氮气重新注入燃气轮机中。空气的使用还降低了氧气设备的成本 和效率损失。替代的配置通过碳化器外部燃烧器144提供了单独的空气注入，而没有来自燃烧 的循环气的燃烧产物。这将先一步烧掉一些挥发物，从而降低部分氧化器所需要的空气和 热量。为了弥补这一效应，可以扩大热气清除系统的通流容量。图12还描述了现有的蒸汽设备下游的净气器系列，其可用于本发明中。尽管本 发明不需要使用它们来降低(X)2的排放，它们的存在进一步降低了排放(如在现有的设备 中)。
蒸汽设备中的灰分浓度供应给改装的蒸汽设备的炭中灰分浓度通常比它所代替的煤高40%。使用低灰分 煤(例如仅包含的灰分的澳大利亚褐煤)，其对运行的影响是可忽略的。在使用高灰分 煤(例如印度和中国的一些煤)另一种极端情况下，炭中的较高灰分可能使其在粉煤锅炉 中变得不可燃。即使在中等的灰分水平下，灰分浓度增加将需要增大灰分处置系统和烟道 气颗粒收集器。如果可行的话，简单的解决方案包括清洗煤、将其与具有较低灰分含量的煤进行 混合或使用较低灰分煤。因此，在一些实施方式中，本发明中使用的煤被清洗或与具有较低 灰分含量的煤混合。在其它实施方式中，本发明使用低灰分煤。另一种部分解决方案为煤 制备系统(图8)中的筛选机或分离器以及炭制备系统(图9)中的分离器，这两者在下面 均有描述。灰分与炭的额外分离可由粉碎机2 上游的分选机252进行，或优选地由粉碎机 下游的分离器2 进行。完整的解决方案是使用型号3(图10)来提高气化的水平，并转送 足够的合成气以使通过PC设备的燃料恢复到原始灰分浓度。在所有的可能性中，最经济的解决方案为这些方法中一种以上方法的组合。煤制备系统在一些实施方式中，本发明的混合IGCC包括煤制备系统。参见例如图8。图8中 描述的煤制备系统使用Astern Research Institute(WRI)正在研发的称为煤预燃烧热处 理(PCTTC)的方法。PCTTC的优势包括取决于煤的类型在其第一阶段中去除煤中50-80% 的汞，以及在加热器下游的煤筛选机中去除大约残余量的一半。去除汞是PCTTC系统的最 初目的。PCTTC的益处还可能包括降低流向锅炉设备的灰分量以及降低碳化器外部燃烧器 的热需求，这又使得合成气体积流速、设备成本降低和设备效率提高。PCTTC也可以为燃烧 来自高温过滤器102和现有锅炉设备的ESP 260的流出物飞灰中未燃烧的碳提供便利的系 统，以及为酸设备100中产生的低温蒸汽提供了便利的过热源。运行中，PCTTC系统在空气干燥器210中在温度250°至300° F之间干燥煤，然后 在流化床加热器196中将其加热到550° F以从煤的有机部分中释放汞。离开煤加热器的 循环“清扫”空气可以流经第二床188(其中高温吸附剂去除汞)，然后再循环到加热器中。用于流化床燃烧室的主燃料可以是自IGCC设备的汽化器系列过滤器102和锅炉 设备的静电沉降器260收集的飞灰中的碳。在一些实施方式中，煤用来补充这一主燃料。因 此，流化床燃料时可以提高设备的碳利用率，而使得飞灰成为适于销售的用于水泥制备的 低碳补充物。炭制备设备在一些实施方式中，本发明的混合IGCC包含碳制备系统。参见例如图9。在一些 实施方式中，去除灰分的最后阶段是改装的蒸汽设备处粉碎机下游的分离器228。磁力分离 器或静电分离器的任一种或两者都可用于去除灰分。不希望束缚于任何特定的理论，据认 为，对于具有细微嵌入的灰分的高灰分煤，在煤比在系统其它任何地方更精细地分割时，此 处的收集效率是最高的。在一些实施方式中，电磁分离器在已作用于顺磁性的矿物磁黄铁矿(FeSx)(其通 过碳化器的加热由煤中非磁性硫化铁矿转化而来)。在一些实施方式中，由于大量的剩余汞
16包含在硫化铁矿中，因此有可能在分离器中将其除去。碳制备设备中的粉碎机2 可以通过使颗粒大小最小化而使锅炉的碳利用最大 化。压力下形成的碳(在混合IGCC中发生)有时比在粉煤设备中形成的碳反应性更低，从 而造成了在改装的锅炉设备中更低碳利用率。另一方面，如果炭是在惰性(即非氧化)气 氛中形成的，则即使是在压力下，其反应性也与PC锅炉中的炭大致相同。在一些实施方式 中，发生热解的区域(例如通流管150)保持不含空气，因此热解是在惰性气氛中发生的。炭比煤更脆，因此从粉碎机排出的颗粒将会更小。因此，在一些实施方式中，使用 炭制备设备将促进碳的燃尽。保留在离开锅炉设备的飞灰中的碳可以在煤制备设备包含的 流化床燃烧室174的下层床中燃烧。床内脱硫器在一些实施方式中，本发明的混合IGCC包含窗内脱硫器。参见例如图11。脱硫的 替代的方式可以是使用碳酸钙矿物(例如石灰石或白云石)的流化床。在这一方法中，碳 酸钙可通过床温度煅烧成氧化钙和二氧化碳。因为流化床有可能不如转运脱硫器有效，因此还可以使用转运脱硫器。但是，使用 流化床显著地降低了脱硫气流35。这随之又减少了用来填充膨胀器所需要的蒸汽，且总的 说来，设备的效率上升了 1_2%。用过的吸附剂通过硫酸化器(sulfator)进行处理的，其中 吸附剂(如CaQ在氧化气氛中转化为硫酸钙。离开硫酸化器的吸附剂适合做垃圾处理，且 还可以用作混凝土成分。喷雾冷却器流化床合成气冷却器138的替代方式为喷雾冷却器，从而合成气在喷入水的腔室 中被冷却。取决于燃气轮机的水需求，这可能降低设备的效率。微处理器在一些实施方式中，本发明包括经编程以操作本发明的混合IGCC的一种或多种 功能的微处理器。因此，在一些实施方式中，微处理器被编程以维持合成气处于高于合成气 中挥发物质的焦油凝结温度的温度直到合成气在燃气轮机中燃烧。在一些实施方式中，本 发明涉及包含被编程以维持合成气的温度高于合成气中挥发物质的焦油凝结温度直到合 成气在燃气轮机中燃烧的微处理器的设备。Ml图13描述了本发明的示例性的燃气轮机的操作条件，图14描述了本发明的示例 性的碳化器的条件。在一些实施方式中，混合IGCC的效率显著高于任何其它现有技术的效率。本发明 的设备效率(参见例如图15)可以比其它气吹式系统的效率高一些。在一些实施方式中， 本发明的碳化器需要较少的气流，这降低了与合成气冷却器相关的损失以及压缩机所需的 辅助动力。在一些实施方式中，例如在改装应用中，现有的蒸汽设备的效率影响联合系统的 效率(参见例如图16)。图16中具有36. 8% HHV效率的基础情况的(base-case)蒸汽 设备使用了具有涡轮的三个阶段的亚临界蒸汽循环。HP、IP和LP涡轮的入口条件分别为 1800psia xl050° F；342psia χ 1050° F；342psia/485° F。在一些实施方式中，本发明实现了低的资本成本。本发明的气化系统的成本例如可以仅与电力模块(power block)相同，这使得其总资本成本低于新的粉煤设备的成本。如 图25所示，常规的IGCC的成本使得其无法与常规的PC设备相竞争。在一些实施方式中， 本发明提供了低的资本成本，同时具有高效率和煤的低成本。这一组合使得按照本发明产 生的电力的成本比PC设备(第二便宜的电源)低25-30%。在一些实施方式中，本发明相对于其它IGCC实现的大部分(例如超过一半)的成 本节约来自气化器(图17)和合成气冷却器(图18)两者的尺寸减小。图17描述了向额 定功率类似的IGCC提供合成气的气化器或碳化器的三种设计的大小和操作参数。在一些实施方式中，混合IGCC的尺寸减小大部分是由于气化器和碳化器尺寸之 间的差异。这可能是由于前者需要气化炭细粉而后者不需要。常规的碳化器(中间栏)可 能由于两种原因比本发明的碳化器大。常规的碳化器通常需要较深的炭床以热裂解挥发 物(参见图17，第三行)。此外，本发明碳化器的通流管中的速度(参见图17，第8行)可 能比流化床的表面速率高很多，从而达到通过本发明的碳化器的平均速度的两倍(参见图 17，第9行)。因此，在一些实施方式中，碳化器的大小小于常规的气吹式气化器的10%。在一些实施方式中，本发明的合成气冷却器还小于常规的冷却器(例如小10倍)。 例如，冷却管的传热系数在流化床中可以比在常规冷却器的火管热交换器的对流中高很 多。此外，与本发明相关的合成气流速可以比常规的气吹式气化器IGCC低，例如仅为一半。 此外，床温度在常规的气化器中可能较高以热裂解挥发物，这使得热交换器的大小增加。在一些实施方式中，本发明使用了外部燃烧。与常规的气吹式IGCC相比，使用外 部燃烧可以降低到碳化器的气流70%和降低合成气的体积流速一半(参见例如图沈)。这 随之可以等量地降低气化器系列(包括热气清除系统)的大小。合起来，与本发明相关的 资本成本和电力成本可比气吹式IGCC低30-40%，和比常规的PC设备低25-30%。关于气体排放，本发明IGCC的烟道中的颗粒浓度与最严格的环境空气污染标准 (30 μ g/cu Μ)大致相同。参见例如图19。在一些实施方式中，当配备有硫净气器时，二氧 化硫的排放也比常规的燃煤发电设备低1-2个数量级。在一些实施方式中，本发明达到了现有的NOx空气污染标准。在一些实施方式中， 改进的燃烧器设计可以进一步降低NOx的排放，或者选择性催化反应器(SCR)(如图12中) 可用于降低NOx的排放达到另外的80%。在一些实施方式中，本发明的混合IGCC提供了比常规的发电设备更高的效率。图 20描述了与其它设备相比的本发明的示例性IGCC的效率。如图20所示，用按照本发明的混 合IGCC改装的蒸汽设备排放的额外CO2仅为建造新的煤设备的一半(排放的增加为72%对 141%).但是，如果建造以天然气为燃料的联合循环设备，则来自改装设备的排放据估计高 大约10%。来自使用本发明方案的新设备的排放可以通过使设备降低额定值(de-rating) 而降低10 %的量(或更多)。这可以通过建造全尺寸设备并以全容量的90 %运行或者建造 稍小些的装置并以90%的容量运行蒸汽设备来完成。因此，在一些实施方式中，这将会使得 新的煤设备能够满足发达国家的共同需求-ω2的排放不超过相同容量的天然气设备的排 放。即使在CCS可以获得之前，煤设备优于气设备的益处包括燃煤电力相对于天然气 燃料电力的成本优势以及在IGCC改装方面潜在CCS系统相对于天然气设备的可承受性 (affordability)。天然气燃料联合循环设备排放的(X)2仍然为使用本发明的新IGCC的60% (型号1)。使用本发明，节约的费用用于负担CCS，但是使用NGCC设备时时没有这样 的节约。因此，这些设备在(X)2方面可能很长时间保持不受控制。 蒸汽设备需要大量的冷却剂来冷凝用过的蒸汽，但是IGCC的燃气轮机不使用任 何冷却水(参见例如图21)。在一些实施方式中，本发明的混合IGCC仍然需要一些水，主要 用于气化和用于添加到膨胀器中，但是，水消耗的净增加比替代的技术要小很多。
权利要求
1.一种用于降低二氧化碳排放和增加效率的混合整体气化联合循环(IGCC)设备，该 混合IGCC包括形成合成气的碳化器； 合成气冷却器； 热气清除系统；和以所述合成气作为燃料的燃气轮机，其中，运行该混合IGCC设备使得合成气被维持在高于合成气中挥发物质的焦油凝结 温度的温度直到合成气在燃气轮机中燃烧。
2.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中所述合成气由煤形成。
3.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中将输入流带到碳化器的热量是通过外部 燃烧提供的。
4.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中来自该混合设备的炭在蒸汽设备中燃；BsJyCi。
5.根据权利要求4所述的混合IGCC设备，其中来自所述燃气轮机的废气被输送到所述 蒸汽设备中，以回收其热量并由汽轮发电机将其转化为电力。
6.根据权利要求5所述的混合IGCC设备，其中炭和一部分合成气被输送到现有的蒸汽 设备中。
7.根据权利要求5所述的混合IGCC设备，其中向所述蒸汽设备的燃烧室中添加额外的空气。
8.根据权利要求5所述的混合IGCC设备，其中以热回收蒸汽发生器对所述现有蒸汽设 备的热回收形成补充。
9.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中所述混合IGCC设备经改进用于碳捕 集和储存，其中离开热气清除系统的合成气依次通过顺序包含部分氧化器、合成气冷却器、 水-煤气变换反应器和用于将气体燃料与二氧化碳分离的吸收系统的一系列压力容器，使 得所述二氧化碳在被隔离之前进行干燥和压缩。
10.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中所述碳化器包括压力容器内的喷动流 化床，所述喷动床整合了通流管。
11.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中所述合成气冷却器包含含有冷却剂管 的流化床。
12.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中来自合成气冷却器的废热重新注入到 合成气或蒸汽流中或重新注入到二者中。
13.根据权利要求2所述的混合IGCC设备，其中煤在注入到碳化器中之前使用煤预燃 烧热处理(PCTTC)系统进行干燥和加热。
14.根据权利要求13所述的混合IGCC设备，包括煤干燥器，该干燥器包含大气压力双 层流化床燃烧器，其中燃烧发生在下层流化床中，该下层流化床包含冷却剂管以维持其温 度低于燃料中灰分的熔融温度，且其中来自该下层流化床的一种或多种燃烧产物经过上部 的分配板进入第二流化床，该第二流化床包含被干燥的煤。
15.根据权利要求14所述的混合IGCC设备，其中进入冷却剂管的冷却剂来自IGCC设 备中的酸设备，其中从下层床冷却管流出的一些冷却剂被导向蒸汽轮机，其余的冷却剂被输送到PCTTC系统的煤加热器中，且由此从煤加热器流出的冷却剂被泵回到燃烧器下层流 化床中冷却剂管的入口处。
16.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中所述合成气冷却器包括含有安装在翅 片管板组件上的多个倾斜管的分配板，其中倾斜管安装在当IGCC设备不运行时足以去除 床材料渗出液的斜面上。
17.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中碳化器中炭的流化床分为各独立地输 入蒸汽和空气混合物的段，且其中通过使用附加段在煤进料减少的过程中来气化炭，而在 煤进料 减少的过程中维持IGCC设备的效率。
18.根据权利要求1所述的混合IGCC设备，其中包含碳酸钙的颗粒的流化床被注入到 碳化器中碳化器床之上。
19.根据权利要求4所述的混合IGCC设备，其中所述炭被粉碎，且粉碎的炭通过分离器 以去除还包含汞的灰分的细颗粒，且其中分离器使用磁力或静电力或使用两者将灰分与炭 分离。
20.根据前述权利要求中任一项所述的混合IGCC设备，其中气化水平为至少大约 70%、优选至少大约80%、更优选至少大约90%。
21.一种改装现有的IGCC设备的方法，包括根据前述权利要求中任一项所述改装现有 IGCC设备的步骤。
22.一种用于降低二氧化碳排放和增加效率的混合整体气化联合循环(IGCC)设备，该 混合IGCC包含形成合成气的碳化器；其中该碳化器包含压力容器内的喷动流化床，所述喷动床整合 有通流管；合成气冷却器；热气清除系统；和以合成气作为燃料的燃气轮机，其中，运行所述混合IGCC设备使得合成气被维持在高于合成气中挥发物质的焦油凝 结温度的温度直到合成气在燃气轮机中燃烧，且其中将输入流带到碳化器的热量是通过外 部燃烧提供的。
23.一种通过根据前述权利要求中任一项升级或改装现有的IGCC设备来实现CO2排放 降低的方法。
24.根据权利要求23所述的方法，其中实现至少20%的(X)2排放降低。
25.一种从煤中去除汞的方法，该方法包括在包含大气压力双层流化床燃烧器的煤预 燃烧热处理(PCTTC)系统中处理煤，其中燃烧发生在下层流化床中，该下层流化床包含冷 却剂管以维持其温度低于燃料中灰分的熔融温度，且其中来自该下层流化床的一种或多种 燃烧产物经过上部的分配板并进入第二流化床，该第二流化床包含被干燥的煤。
26.根据权利要求25所述的方法，其中进入冷却剂管的冷却剂来自IGCC设备的酸设 备，其中从所述下层床冷却管流出的一些冷却剂被导向蒸汽轮机，其余的冷却剂被输送到 PCTTC系统的煤加热器中，且因而从煤加热器流出的冷却剂被泵回到燃烧器下层流化床中 冷却剂管的入口处。
全文摘要
本发明提供了一种用于降低二氧化碳排放并提高效率的混合整体气化联合循环(IGCC)设备，其中合成气被维持在高于合成气中挥发物质的焦油凝结温度的温度。本发明还提供了用于改装现有的IGCC设备以降低二氧化碳排放、增加效率、降低设备大小和/或降低水、煤或其它资源用量的方法和装置。
文档编号C10J3/60GK102083947SQ200880024923
公开日2011年6月1日 申请日期2008年6月13日 优先权日2007年6月13日
发明者A·沃姆瑟 申请人:沃姆瑟能源解决方案公司