促进合成天然气生产的方法和设备的制作方法

专利名称：促进合成天然气生产的方法和设备的制作方法
促进合成天然气生产的方法和设备
背景技术：
总体而言，本发明涉及整体气化联合循环(IGCC)发电工厂，更具体地讲，涉及优 化合成天然气生产、与气化系统的热量转移和二氧化碳(CO2)分离以螯合的方法和设备。至少一些已知的IGCC工厂包括气化系统，气化系统与至少一个动力产生涡轮机 系统集成。例如，已知的气化系统使燃料、空气或氧气、蒸汽和/或CO2的混合物转化成合 成气体或“合成气”。将合成气引导到燃气涡轮发动机的燃烧室，燃烧室为发电机提供动力， 发电机将电力提供到电网。来自至少一些已知燃气涡轮发动机的排气提供到热回收蒸汽发 生器(HRSG)，热回收蒸汽发生器产生用于驱动蒸汽涡轮机的蒸汽。蒸汽涡轮机产生的动力 也驱动发电机，发电机将电力提供到电网。至少一些与IGCC工厂有关的已知气化系统产生用于燃气涡轮发动机的合成气燃 料，合成气燃料主要为一氧化碳(CO)和氢气(H2)。此合成气燃料一般需要比天然气更高的 质量流量，以得到与天然气相似的放热。这种额外的质量流量可能需要显著的涡轮机改进， 并且不与以标准天然气为基础的燃气涡轮机直接相容。另外，为了在涡轮发动机操作期间促进控制NOx排放，至少一些已知的燃气涡轮发 动机使用以一定贫燃料/空气比率操作和/或在进入燃烧室反应区域之前使燃料与空气预 混的方式操作的燃烧室。预混可促进降低燃烧温度，且随后减少NOx生成，而不需要加入稀 释剂。然而，如果所用燃料为合成气燃料，则选择的合成气燃料可能包含足够的氢气(H2), 使得相关的高火焰速度可促进混合装置内自动点火、反点火和/或火焰保持。此外，此高火 焰速度可能不利于在燃烧前均勻燃料和空气混合。另外，可能需要向富H2燃料气系统加入 至少一种惰性稀释剂，包括但不限于氮气(N2)，以防止过多NOx生成，并控制火焰自动点火、 反点火和/或火焰保持。然而，惰性稀释剂并非总是可利用的，其可能不利影响发动机热速 率，并且/或者增加资本和操作成本。蒸汽可作为稀释剂引入，然而，蒸汽可缩短热气通道 部件的预期寿命。发明概述在一个方面，本发明提供一种生产合成天然气(SNG)的方法。所述方法包括提供 含至少一些二氧化碳(CO2)和硫化氢(H2S)的合成气流。所述方法还包括使至少一部分CO2 和至少一部分H2S从至少一部分提供的合成气流分离。所述方法进一步包括将从至少一部 分合成气流分离的至少一部分CO2和至少一部分H2S引导到分离以螯合系统和气化反应器 中的至少一个。在另一个方面，本发明提供一种气化系统。所述气化系统包括至少一个气化反应 器，所述气化反应器构造成产生含至少一些硫化氢(H2S)的气流。所述系统还包括与所述 气化反应器流体连通连接的CO2分离以螯合子系统。所述CO2分离以螯合子系统包括构造 成在所述气流内产生CO2的至少一个气体转换反应器。所述子系统还包括构造成从所述气 流去除至少一部分CO2和H2SW至少一个酸性气体去除装置(AGRU)。所述子系统进一步包 括促进从所述至少一个酸性气体去除装置引导CO2和H2S的至少一个压缩机。在另一个方面，本发明提供一种整体气化联合循环(IGCC)发电工厂。所述IGCC工厂包括与至少一个气化系统流体连通连接的至少一个燃气涡轮发动机。所述至少一个气化 系统包括至少一个气化反应器，所述气化反应器构造成产生含至少一些硫化氢(H2S)的气 流。所述IGCC工厂还包括与所述气化反应器流体连通连接的CO2分离以螯合子系统。所述 CO2分离以螯合子系统包括构造成在所述气流内产生CO2的至少一个气体转换反应器。所 述子系统还包括构造成从所述气流去除至少一部分CO2和H2S的至少一个酸性气体去除装 置(AGRU)。所述子系统进一步包括促进从所述至少一个酸性气体去除装置引导CO2和H2S 的至少一个压缩机。附图简述

图1为示例性整体气化联合循环(IGCC)发电工厂的示意图；图2为可用于图1所示IGCC发电工厂的示例性气化系统的示意图；并且图3为可用于图1所示IGCC发电工厂的供选气化系统的示意图。发明详述图1为示例性整体气化联合循环(IGCC)发电工厂100的示意图。在所述示例性 实施方案中，IGCC工厂包括燃气涡轮发动机110。发动机110包括通过轴116可旋转地连 接到涡轮机114的压缩机112。压缩机112构造成接收处于当地大气压力和温度的空气。 涡轮机114通过第一转子120可旋转地连接到第一发电机118。发动机110还包括与压缩 机112流体连通连接的至少一个燃烧室122。燃烧室122构造成通过空气导管124接收压 缩机112压缩的至少一部分空气(未显示)。燃烧室122还与至少一个燃料源(以下更详 细描述)流体连通连接，并且构造成从燃料源接收燃料。空气和燃料在燃烧室122内混合 并燃烧，燃烧室122促进产生热燃烧气体(未显示)。涡轮机114与燃烧室122流体连通连 接，涡轮机114构造成通过燃烧气体导管126接收热燃烧气体。涡轮机114也构造成促进 气体内的热能转化成旋转能。旋转能通过转子120传送到发电机118，其中发电机118构造 成促进旋转能量转化成用于传送到至少一个负载的电能(未显示)，负载包括但不限于电 网(未显示)。IGCC工厂100还包括蒸汽涡轮发动机130。在所述示例性实施方案中，发动机130 包括通过第二转子136可旋转地连接到第二发电机134的蒸汽涡轮机132。IGCC工厂100进一步包括蒸汽产生系统140。在所述示例性实施方案中，系统140 包括至少一个热回收蒸汽发生器(HRSG) 142，热回收蒸汽发生器142通过至少一个热锅炉 给水导管146与至少一个热转移装置144流体连通连接。装置144构造成从导管145接收 锅炉给水。HRSG 142也通过至少一个导管148与涡轮机114流体连通连接。为了促进将锅 炉给水加热成蒸汽，HRSG 142构造成通过导管146从装置144接收锅炉给水(未显示)。为 了进一步促进将锅炉给水加热成蒸汽，HRSG 142还构造成通过排气导管148从涡轮机114 接收排气(未显示)。HRSG 142通过蒸汽导管150与涡轮机132流体连通连接。导管150构造成将蒸汽(未显示)从HRSG 142引导到涡轮机132。涡轮机132构 造成从HRSG 142接收蒸汽，并使蒸汽中的热能转化成旋转能。旋转能通过转子136传送到 发电机134，其中发电机134构造成促进旋转能转化成用于传送到至少一个负载的电能(未 显示)，负载包括但不限于电网。将蒸汽冷凝，并通过冷凝液管137作为锅炉给水返回。IGCC工厂100还包括气化系统200。在所述示例性实施方案中，系统200包括通 过空气导管204与压缩机112流体连通连接的至少一个空气分离装置202。空气分离装置也通过空气导管203与至少一个压缩机201流体连通连接，其中压缩机201构造成补充压 缩机112。或者，空气分离装置202与空气源流体连通连接，空气源包括但不限于专用空气 压缩机和压缩空气存储装置(均未显示)。装置202构造成使空气分离成氧气(O2)和其他 成分(均未显示)。其他成分通过排气口 206释放。系统200包括气化反应器208，气化反应器208与装置202流体连通连接，并构造 成通过O2导管210接收从装置202引导的02。反应器208也构造成接收煤209，并促进产 生酸性合成气(合成气体)流(未显示)。系统200也包括气体转换反应器212，气体转换反应器212与反应器208流体连通 连接，并构造成通过酸性合成气导管214从气化反应器208接收酸性合成气流。反应器212 也与蒸汽导管150流体连通连接，并进一步构造成通过蒸汽导管211接收从HRSG 142引导 的至少一部分蒸汽。气体转换反应器212进一步构造成促进产生转换的酸性合成气流(未 显示)，与反应器208中产生的酸性合成气流比较，此气流包含增加浓度的二氧化碳(CO2) 和氢气(H2)。在所述示例性实施方案中，反应器212也通过热转移导管216与热转移装置 144热转移连通连接。导管216构造成促进通过与转换合成气相关的放热化学反应在反应 器212内产生的热量转移。装置144构造成接收反应器212内产生的至少一部分热量。或 者，反应器212和热转移装置144合并成单件式设备(未显示)。系统200进一步包括酸性气体去除装置(AGRU) 218，此装置与反应器212流体连通 连接，并构造成从反应器212通过转换的酸性合成气导管220接收具有增加的CO2和H2浓 度的转换的酸性合成气流。AGRU 218也构造成促进通过酸导管222从酸性转换的合成气流 去除至少一部分酸成分(未显示)。AGRU 218进一步构造成促进去除酸性转换的合成气流 中包含的至少一部分C02。AGRU 218也构造成促进从至少一部分酸性合成气流产生脱硫的 合成气流(未显示)。AGRU218通过CO2导管224与反应器208流体连通连接，其中CO2流 (未显示)引导到反应器208的预定部分(以下进一步讨论)。系统200也包括甲烷化反应器226，甲烷化反应器226与AGRU218流体连通连接， 并构造成通过脱硫的合成气导管228从AGRU 218接收脱硫的合成气流。反应器226还构 造成促进从至少一部分脱硫的合成气流产生合成天然气(SNG)流(未显示)。反应器226 也与燃烧室122流体连通连接，其中SNG流通过SNG导管230引导到燃烧室122。另外，反 应器226通过热转移导管232与HRSG 142热转移连通连接。这种热转移连通促进由反应 器226内进行的脱硫合成气-SNG转化过程产生的热量到HRSG 142的转移。系统200进一步包括通过导管224的一部分与AGRU 218流体连通连接的至少一 个压缩机234。压缩机234通过导管236与螯合系统(未显示)流体连通连接，螯合系统如 但不限于在增强油回收或咸水含水层应用中注入用的管线。在操作中，压缩机201接收常压空气，压缩空气，并将压缩空气通过导管203和204 引导到空气分离装置202。装置202也可通过导管124和204从压缩机112接收空气。将 压缩空气分离成O2和其他成分。其他成分通过排气口 206排出，O2通过导管210引导到气 化反应器208。反应器208通过导管210接收02，接收煤209，并通过导管224从AGRU 218 接收C02。反应器208促进产生酸性合成气流，酸性合成气流通过导管214引导到气体转换 反应器212。蒸汽通过导管150和211从HRSG 142引导到反应器212。酸性合成气流用于 通过放热化学反应产生转换的酸性合成气流。与反应器208中产生的酸性合成气流相比，转换的合成气流包含增加浓度的CO2和H2。自放热反应的热量通过热转移导管216引导到 热转移装置144。另外，在操作中，转换的合成气流通过导管220引导到AGRU218，其中酸性成分通 过导管222去除，CO2通过导管224引导到反应器208和/或压缩机234(并最终引导到螯 合系统)。以此方式，AGRU218产生脱硫的合成气流，此气流通过通道228引导到甲烷化反 应器226，其中通过放热化学反应由脱硫的合成气流产生SNG流。来自反应的热量通过导管 232引导到HRSG 142，SNG流通过导管230引导到燃烧室122。另外，在操作中，涡轮机114使压缩机112旋转，使得压缩机112接收并压缩常压 空气，并且将一部分压缩空气引导到装置202，一部分引导到燃烧室122。燃烧室122使空 气和SNG混合并燃烧，并将热燃烧气体引导到涡轮机114。热气体引起涡轮机114旋转，随 后通过转子120使第一发电机118旋转，并且使压缩机112旋转。至少一部分燃烧气体通过导管148从涡轮机114引导到HRSG142。在反应器226 中产生的至少一部分热量也通过导管232引导到HRSG 142。另外，将反应器212中产生的 至少一部分热量引导到热转移装置144。锅炉给水通过导管145引导到装置144，其中水接 收反应器212内产生的至少一部分热量。热水通过导管146引导到HRSG 142，其中自反应 器226和排气导管148的热量使水沸腾成蒸汽。蒸汽被引导到蒸汽涡轮机132，并引起涡 轮机132旋转。涡轮机132通过第二转子136使第二发电机134旋转。至少一部分蒸汽通 过导管211引导到反应器212。由涡轮机132冷凝的蒸汽通过导管137循环以供进一步使 用。图2为可用于IGCC发电工厂100的示例性气化系统200的示意图。系统200包 括气化反应器208。反应器208包括下级240和上级242。在所述示例性实施方案中，下级 240通过导管210接收02，使得下级240与空气分离装置202 (图1中显示)流体连通连接。CO2导管224与下级CO2导管244和上级CO2导管246流体连通连接。因此，下级 240和上级242流体连通连接到AGRU 218。另外，下级240和上级242分别通过下煤导管 248和上煤导管250接收干煤。下级240包括锁斗252，锁斗252临时储存从下级240接收的液态渣。在此示例 性实施方案中，锁斗252用水填充。或者，锁斗252具有促进本文所述系统200操作的任何 结构。渣通过导管254去除。上级242促进通过去除导管256去除载焦的酸性热合成气流 (未显示)。导管256使气化反应器208与分离器258流体连通连接。分离器258使酸性 热合成气从焦分离，以便能够使焦通过返回导管260循环回到下级240。在此示例性实施方 案中，分离器258为旋风型分离器。或者，分离器258为促进本文所述系统200操作的任何 类型分离器。分离器258通过导管264与骤冷装置262流体连通连接。骤冷装置262加入水 (通过导管263引导)，并使水与导管264中的酸性热合成气流混合，以促进热合成气流冷 却，以便形成酸性骤冷的合成气流(未显示)。骤冷装置262通过导管268与细屑去除装置 268流体连通连接。在此示例性实施方案中，装置266为过滤型装置。或者，装置266为促 进操作本文所述系统200的任何类型装置，包括但不限于水洗涤类型装置。从酸性骤冷的 合成气流去除的细屑通过细屑去除导管270引导到细屑去除装置(未显示)。装置266也 通过导管271与气体转换反应器212流体连通连接。
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系统200包括CO2分离以螯合子系统274，子系统274构造成促进提取第一部分 CO2，并促进第一部分CO2在系统200内循环，并将第二部分引导到螯合系统(未显示)。子 系统274包括反应器212，反应器212通过导管271与装置266流体连通连接，并接收酸性 骤冷的合成气流。反应器212与蒸汽导管150流体连通连接，并通过导管211接收从HRSG 142引导的至少一部分蒸汽。反应器212进一步通过导管216与热转移装置144热转移连 通连接。导管216促进通过与转换合成气相关的放热化学反应在反应器212内产生的热量 转移。装置144接收反应器212内产生的至少一部分热量。HRSG 142通过热锅炉给水导管 146与热转移装置144流体连通连接。气体转换反应器212也促进产生转换的酸性合成气 流(未显示)，与反应器208中产生的酸性合成气流比较，此气流包含增加浓度的CO2和H2。子系统274也包括AGRU 218，AGRU 218与反应器212流体连通连接，并通过导管 220从反应器212接收具有增加的CO2和H2浓度的转换的酸性合成气流。AGRU 218也促进 通过导管222从酸性转换的合成气流去除至少一部分酸成分(未显示)，酸成分包括但不限 于硫酸和碳酸。为了进一步促进去除酸，AGRU 218通过导管272接收溶剂，溶剂包括但不 限于胺、甲醇和/或Selexol 。因此，这种除酸由酸性合成气流产生脱硫的合成气流(未显 示)°AGRU 218也促进去除酸性转换的合成气流中包含的至少一部分气态0)2和气态硫 化氢(H2S)。在所述示例性实施方案中，在AGRU218内产生贫H2S的CO2 (有时称为脱硫CO2) 流或富H2S的CO2 (有时称为酸性CO2)流(均未显示)。产生贫H2S的CO2流和富H2S的CO2 流取决于多种因素，包括但不限于AGRU 218内的温度和压力、流体流速和选择的溶剂。AGRU 218通过CO2导管224与反应器208流体连通连接，其中至少第一部分贫H2S 的CO2流或富H2S的CO2流分别通过导管244和246引导到反应器208下级240和上级242， 其中这些流在系统200内循环。另外，AGRU 218通过导管224与压缩机234流体连通连接， 其中至少第二部分贫H2S的CO2流或富H2S的CO2流通过导管236引导到螯合系统。所述螯 合系统可以为但不限于在增强油回收或咸水含水层应用中注入用的管线。或者，子系统274 构造成将任一个CO2流引导到系统200的任何部分，以便促进操作系统200。甲烷化反应器226与AGRU 218流体连通连接，并通过导管228从AGRU 218接收 脱硫的合成气流。反应器226促进由至少一部分脱硫的合成气流产生合成天然气(SNG)流 (未显示)。反应器226也与燃烧室122流体连通连接，使得SNG流通过导管230引导到燃 烧室122。另外，反应器226也通过导管232与HRSG 142热转移连通，以促进由反应器226 内进行的脱硫合成气-SNG转化过程产生的热量到HRSG 142的转移。一种生产合成天然气(SNG)的示例性方法包括提供含至少一些二氧化碳(CO2)和 硫化氢(H2S)的合成气流。所述方法还包括使至少一部分CO2和至少一部分H2S从至少一 部分提供的合成气流分离。所述方法进一步包括将从至少一部分合成气流分离的至少一部 分CO2和至少一部分H2S引导到至少一个螯合子系统274和气化反应器208。在操作期间，将自分离装置202的O2和经预热的煤分别通过导管210和248引入 下级240。煤和O2与通过导管260引入下级240的经预热焦反应，以产生主要含H2、C0、C02 和至少一些硫化氢(H2S)的合成气。至少一部分H2S通过导管224、244和246循环到反应 器208，这些导管将贫H2S的CO2流和/或富H2S的CO2流从AGRU 218引导到反应器208，分 离以螯合并在系统200内循环。这些合成气通过基本为放热性质的化学反应生成，相关的放热产生约1371°C (2500° F)至约1649°C (3000° F)的工作温度。生成合成气的至少一 些化学反应也生成渣(未显示)。下级240内的高温促进保持渣的低粘度，使得基本大部分 液态渣能够重力送入料斗252，其中料斗252中的较冷的水促进渣快速骤冷和破碎。合成 气向上流动通过反应器208，其中通过在上级242中附加反应夹带一些渣。在所述示例性 实施方案中，引入下级240的煤为干或低水分煤，这种煤被磨成足够粒径，以允许用从下级 240流到上级242的合成气夹带被磨碎的煤。在所述示例性实施方案中，自AGRU 218的至少一部分CO2流通过导管224和244 引入下级240。取决于多种因素，CO2流为贫H2S的CO2流和富H2S的CO2流，这些因素包括 但不限于AGRU 218内的温度和压力、流体流速和选择的溶剂。这种另外的CO2通过减小经 导管210引入的O2的所需质量流速提高IGCC工厂100的效率。自导管210的O2分子用 CO2分子离解成其组成碳(C)和O2分子生成的O2分子代替。就这点而论，用于在涡轮发动 机燃烧室122内燃烧的另外的空气可用于预定压缩机112额定值，从而促进燃气涡轮发动 机110在额定功率产生下或超出额定功率产生下操作。另外，由于不需要自HRSG 142的蒸 汽通过蒸汽离解成H2和O2分子提供O2分子，IGCC工厂100效率提高。更具体地讲，代替的 蒸汽可用于燃气涡轮发动机130内，从而促进蒸汽涡轮发动机130在额定功率产生下或超 出额定功率产生下操作。另外，减少将蒸汽注入反应器208的需要基本上消除由于蒸发性 质的蒸汽热在反应器208内的相关热能损失。因此，下级240与一些已知的气化反应器比 较以相对较高效率操作。在上级242中发生的化学反应在约816°C (1500° F)至约982°C (1800° F)的温 度和超过约30bar或3000千帕(kPa) (435磅/平方英寸(psi))的压力以足以促进反应 物在上级242与煤反应的停留时间进行。此外，另外的干燥、经预热的煤和CO2分别通过导 管250和246引入上级242。从下级240上升的合成气和其他成分与另外的煤和CO2 —起 混合，产生放热化学反应，反应也生成蒸汽、焦、甲烷(CH4)和其他气态烃(包括C2+或具有 至少两个碳原子的烃分子)。C2+烃分子和一部分CH4与蒸汽和CO2反应成热的载焦合成气 流。预定上级242的温度范围以促进生成CH4和缓和生成C2+烃分子。在上级242内的化学反应(即，预热的煤和合成气之间)的至少一种产物为低硫 焦，这种焦夹在含CH4、H2、C0、C02和至少一些H2S的热酸性合成气中。在反应器208内产生 的部分H2S至少部分与通过导管244和246随CO2流注入的H2S混合。通过磨碎的煤与合 成气在H2和蒸汽存在下在升高的温度和压力反应，可使焦的硫含量保持在最低水平。夹带在热的酸性合成气流中的低硫焦和液态渣从上级242取出，并通过导管256 引入分离器258。焦和渣的基本部分在分离器258中从热的酸性合成气流分离，并由其取 出。焦和渣通过导管260引入下级240，分别用作反应物和用于处理。热的酸性合成气通过导管264从分离器258引导到骤冷装置262。骤冷装置262 促进去除合成气流内的任何剩余焦和渣。水通过导管263注入合成气流，其中夹带的焦和 渣快速冷却并且脆化，以促进渣和焦破碎成细屑。水被蒸发，与水的蒸发潜热相关的热能从 热的酸性合成气流去除，合成气流温度降低到约900°C (1652° F)。夹带在热的酸性合成气 流中的蒸汽用于随后气体转换反应(下述)，并且蒸汽-干燥气体比率为约0.8-0.9。具有 夹带的蒸汽、焦和渣的合成气流通过导管268引导到细屑去除装置266，在其中去除焦和渣 细屑。在所述示例性实施方案中，将焦和渣细屑通过导管270引入下级240，分别用作反应物和用于处理。或者，将焦和渣细屑引导到收集装置(未显示)用于处理。热的酸性载蒸汽合成气流通过导管271从装置266引导到气体转换反应器212。 反应器212促进在合成气流内通过以下放热化学反应从0)和吐0(蒸汽态)生成0)2和吐
CO + H2O ^ CO2 + H2(1)另外，热量从热合成气流通过导管216和热转移装置144转移到锅炉给水。在所 述示例性实施方案中，导管216和热转移装置144在反应器212内构造为管壳式热交换器。 或者，导管216和装置144具有促进本文所述IGCC工厂100操作的任何结构。经加热的锅 炉给水通过导管146引导到HRSG 142，用于转化成蒸汽(以下更详细描述)。因此，引入反 应器212的热酸性合成气流从约900°C (1652° F)冷却到高于约371°C (700° F)，并转换 成冷却的酸性合成气流，此气流具有增加的CO2和吐浓度、小于约0. 2-0. 5的蒸汽-干燥气 体比率和至少约3. O的H2-CO比率。因此，可从初始气化过程和随后水煤气转换过程得到足 够的H2，以满足甲烷化反应的化学计量要求，其中存在3 1比率的H2分子与CO分子(以 下更详细描述)。经转换的冷却酸性合成气流通过导管220从反应器212引导到AGRU 218。AGRU 218主要促进从自反应器212引导的合成气流去除H2S和C02。与反应器208内产生或注入 反应器208的合成气流混合的H2S接触AGRU 218内的选择性溶剂。在此示例性实施方案 中，在AGRU 218中使用的溶剂为胺。或者，所述溶剂包括但不限于甲醇和/或Selexol 。溶 剂通过溶剂导管272引导到AGRU 218。浓H2S流从AGRU 218底部通过导管222取出至与 另外的回收过程相关的回收装置(未显示)。另外，碳酸形式的CO2也以类似方式去除和处 理。另外，在所述示例性实施方案中，气态0)2在々6冊218内收集，并作为CCV流引导到反 应器208导管224，244和246。CO2流为贫H2S的CO2流和富H2S的CO2流，这取决于多种因 素，包括但不限于AGRU218内的温度和压力、流体流速和选择的溶剂。或者，将CCV流引导 到系统200内的其他部件，或者通过压缩机234和导管236引导到CO2分离以螯合子系统。本文所述的收集和循环CO2的方法促进用于螯合的CO2分离的有效方法。另外，此 方法促进由于注入反应器208的O2增加提高气化反应器208的产量。经脱硫的合成气流通过导管228从AGRU 218引导到甲烷化反应器226。经脱硫的 合成气流基本不含H2S和CO2,并且包含成比例增加浓度的CH4和H2。合成气流也包含使CO 完全转化成CH4所需的至少3 1的吐/0)比的化学计量的H2。在此示例性实施方案中，反 应器226用在本领域已知的至少一种催化剂促进放热化学反应，如
CO + 3H2 台 CH4 + H2O.(2)反应器226中的H2使至少约95 %的剩余CO转化成CH4,使得含超过90 %体积CH4 和小于0. 体积CO的SNG流通过导管230引导到燃烧室122。如本文所述产生的SNG促进在燃气涡轮机110内使用干燥、低NOx燃烧物 (combustor)，同时减少需要稀释剂。另外，如此产生SNG促进以很小改动用现有的燃气涡 轮机模型实现有效燃烧。另外，这种SNG与具有较高H2浓度的燃料比较提高了安全限度。在反应器226内在放热化学反应中产生的热量通过导管232转移到HRSG 142，以 促进通过导管146引导到HRSG 142的给水沸腾。产生的蒸汽通过导管150引导到涡轮机132。如此产热具有提高IGCC工厂100总效率的益处。另外，提高的SNG温度促进提高燃 烧室122内燃烧的效率。在所述示例性实施方案中，反应器226和导管232在HRSG 142内 构造为管壳式热交换器。或者，导管232、反应器226和HRSG 142具有促进本文所述IGCC 工厂100操作的任何结构。图3为可用于IGCC发电工厂100的供选气化系统300的示意图。系统300从反 应器208到反应器212基本类似于系统200 (显示于图2中)，如上所述。系统300包括冷却的甲烷化反应器302，甲烷化反应器302与反应器212流体连通 连接，并通过导管220从反应器212接收具有增加的CO2和氢H2浓度的转换的酸性合成气 流。反应器302类似于上述反应器226。反应器302也促进由至少一部分转换的酸性合成 气流产生部分甲烷化的合成气流(未显示)。另外，反应器302通过导管304与HRSG 142 热转移连通连接。这种热转移连通促进由反应器302内进行的酸性合成气_部分甲烷化合 成气转化过程产生的热量到HRSG142的转移。在此供选实施方案中，反应器302和导管304 被容纳在HRSG 142内，并且构造为但不限于管壳式热交换器。或者，导管304、反应器302 和HRSG 142具有促进本文所述IGCC工厂100操作的任何结构。在所述示例性实施方案中， 反应器302也与热转移装置306流体连通连接，其中部分甲烷化合成气流通过导管308引 导到装置306。或者，反应器302和热转移装置306合并成单件式设备(未显示)。装置306接收部分甲烷化的合成气流，并将其中所含的至少一部分热量转移到锅 炉给水。装置306也在水引导到HRSG 142之前部分加热锅炉给水。在此供选的实施方案 中，热转移装置144和装置306中的至少一个相当于在本领域已知的锅炉燃料节约器。因 此，装置144或306相当于在本领域已知的锅炉给水加热器。选择装置144和306中哪一 个为燃料节约器取决于多种因素，包括但不限于相关入口流体的焓。装置306通过导管310与调温冷却器309流体连通连接。冷却器309构造成冷却 从装置306引导的部分甲烷化合成气流，并去除显著部分剩余蒸发潜热，以便使合成气流 内的蒸汽冷凝。冷却器309通过导管314与分离鼓312流体连通连接。分离鼓312也通过 导管315与冷凝液回收系统(未显示)流体连通连接。冷却器309通过导管316与AGRU 218流体连通连接，其中系统300的剩余部分基本类似于系统200中的相关等同物。在操作期间，直到并且包括反应器212的系统300形成上述转换的酸性合成气流。 所述合成气流包括增加浓度的CO2和H2,并且具有小于约0. 2-0. 5的蒸汽-干燥气体比率 和至少约3. 0的H2-CO比率。因此，可得到足够的H2,以满足甲烷化反应的化学计量要求， 其中存在3 1比率的H2分子与CO分子。在此供选的实施方案中，经转换的酸性合成气流通过导管220从反应器212引导 到甲烷化反应器302。反应器302以类似于反应器226的方式促进CO至少部分转化成CH4。 反应器302中的H2使约80%至90% CO转化成H2O和CH4。在反应器302内在放热化学反 应中产生的热量通过导管304转移到HRSG 142，以促进引导到HRSG 142的给水沸腾成蒸 汽。如此产热具有提高IGCC工厂100总效率的益处。或者，反应器212和302合并成单件 式设备(未显示)，其中水煤气转换部分在甲烷化部分的上游，并且去除导管220。在反应器302内产生的热酸性转换合成气流(未显示)通过导管308引导到热转 移装置306。合成气流内所含的热量通过装置306转移到锅炉给水，以促进提高IGCC工厂 100的总效率。经冷却的酸性转换合成气流从装置306引导到调温冷却器309。调温冷却器309促进从合成气流去除至少一些剩余的蒸发潜热，以便剩余H2O的基本部分被冷凝，并 通过分离鼓312从合成气流去除。冷凝液(未显示)从鼓312引导到冷凝液循环系统，供 骤冷装置262和/或细屑去除装置266重新使用。基本干燥的冷却酸性部分甲烷化合成气流(未显示)通过导管316引导到AGRU 218。在此供选的实施方案中，将此合成气流引导到AGRU 218促进使用本领域已知的冷冻 贫油酸性气体去除过程代替上述胺相关过程，或除上述胺相关过程之外还使用本领域已知 的冷冻贫油酸性气体去除过程。使用冷冻贫油过程促进减少胺的使用，从而促进降低设备 100操作成本。这种用法也促进减少通常与用胺进行酸性气体去除相关的热稳定盐的产生。 这种热稳定盐可促进产生另外的腐蚀性酸，并且可降低胺有效去除合成气流内酸的效率。或者，将此合成气流引导到AGRU 218促进使用在本领域已知的天然气脱硫膜系 统代替上述胺相关过程，或除上述胺相关过程之外还使用在本领域已知的天然气脱硫膜系 统。用膜系统间歇分离促进减少胺的使用，从而促进降低设备100操作成本。引导到燃烧室122的SNG流基本如上所述产生，不同之处在于反应器226使部分 甲烷化合成气流中剩余的CO和H2转化以产生上述CH4和H20。另外，作为选择，AGRU 218通过CO2导管224与反应器208流体连通连接，其中至 少第一部分贫H2S的CO2流或富H2S的CO2流分别通过导管244和246引导到反应器208下 级240和上级242，其中这些流在系统200内循环。另外，AGRU 218通过导管224与压缩机 234流体连通连接，其中至少第二部分贫H2S的CO2流或富H2S的CO2流通过导管236引导 到螯合系统(未显示)。螯合系统可以为但不限于在增强油回收或咸水含水层应用中注入 用的管线。本文所述生产合成天然气即SNG的方法和装置促进整体气化联合循环(IGCC)发 电工厂的操作，具体地讲，促进SNG生产系统的操作。更具体地讲，在SNG生产系统内收集 和循环二氧化碳(CO2)分子促进CO2分离以螯合的方法。再具体地讲，如本文所述构造IGCC 和SNG生产系统促进在SNG生产过程中优化从放热化学反应产生和收集热量，以促进提高 IGCC工厂热效率。另外，如本文所述生产此类SNG的方法和设备促进通过减少硬件改动和 减少与进行此改动相关的资金和劳动力成本来改进现有在用的燃气涡轮机。以上详细描述了与IGCC工厂相关的SNG生产的示例性实施方案。这些方法、装置 和系统既不限于本文所述的具体实施方案，也不限于具体说明的IGCC工厂。虽然已就各种具体实施方案方面描述了本发明，但本领域的技术人员应认识到， 可在权利要求的精神和范围内对本发明作出修改。
权利要求
一种生产合成天然气(SNG)的方法，所述方法包括提供包含至少一些二氧化碳(CO2)和硫化氢(H2S)的合成气流；使至少一部分CO2和至少一部分H2S从至少一部分提供的合成气流分离；并且将从至少一部分合成气流分离的至少一部分CO2和至少一部分H2S引导到螯合系统；和气化反应器中的至少一个。
2.权利要求1的方法，其中提供包含至少一些CO2的合成气流包括 用所述至少一个气化反应器生产合成气流；将至少一部分所述合成气流引导到至少一个气体转换反应器；并且在所述至少一个气体转换反应器中生产包含至少一些二氧化碳(CO2)的转换合成气流。
3.权利要求2的方法，其中生产转换合成气流包括通过至少一个热转移装置从所述至 少一个气体转换反应器的至少一部分转移热量。
4.权利要求1的方法，其中从至少一部分合成气流分离至少一部分CO2和至少一部分 H2S包括将包含至少一些CO2和至少一些H2S的转换合成气流引导到至少一个酸性气体去除装 置(AGRU)；并且在所述至少一个酸性气体去除装置内从至少一部分转换合成气流分离至少一部分CO2 和 H2S。
5.权利要求4的方法，其中从至少一部分转换合成气流分离至少一部分CO2和H2S包 括至少下列之一形成包含低于预定限度H2S的CO2流，从而形成贫H2S的CO2流； 形成包含高于预定限度H2S的CO2流，从而形成富H2S的CO2流；和 形成H2S酸性气体流。
6.权利要求5的方法，其中形成包含低于预定限度H2S的CO2流包括将至少一部分所 述至少一个贫H2S的CO2流注入气化反应器。
7.权利要求5的方法，其中形成包含高于预定限度H2S的CO2流包括将至少一部分所 述至少一个富H2S的CO2流注入气化反应器和螯合系统中的至少一个。
8.权利要求5的方法，其中形成包含低于预定限度H2S的CO2流包括将至少一部分所 述至少一个贫H2S的CO2流注入气化反应器和螯合系统中的至少一个。
9.权利要求1的方法，所述方法进一步包括使至少一部分蒸汽产生系统与至少下列之 一热转移连通至少一个气体转换反应器的至少一部分；和 至少一个甲烷化反应器的至少一部分。
10.一种气化系统，所述气化系统包括至少一个气化反应器，所述气化反应器构造成产生含至少一些硫化氢(H2S)的气流； 与所述气化反应器流体连通连接的CO2分离以螯合子系统，所述子系统包括 构造成在所述气流内产生CO2的至少一个气体转换反应器；构造成从所述气流去除至少一部分CO2和H2S的至少一个酸性气体去除装置(AGRU)；和促进从所述至少一个酸性气体去除装置引导CO2和H2S的至少一个压缩机。
11.权利要求10的气化系统，其中所述酸性气体去除装置进一步构造成产生至少下列 之一包含低于预定限度H2S的CO2流，从而形成贫H2S的CO2流； 包含高于预定限度H2S的CO2流，从而形成富H2S的CO2流；和 H2S酸性气体流。
12.权利要求11的气化系统，其中所述气化反应器构造成接收至少下列之一 贫H2S的CO2流；和富H2S的CO2流。
13.权利要求10的气化系统，其中所述至少一个气体转换反应器与所述气化反应器和 所述酸性气体去除装置流体连通连接，所述至少一个气体转换反应器构造成收集从至少一 个放热化学反应释放的至少一部分热量，其中所述至少一个气体转换反应器为下列之一与至少一个外部热转移装置热转移连通连接；和 与至少一个集成热转移装置合并在单元外壳中。
14.权利要求10的气化系统，所述气化系统进一步包括与所述酸性气体去除装置流体 连通连接的至少一个甲烷化反应器，所述至少一个甲烷化反应器构造成收集从至少一个放 热化学反应释放的至少一部分热量，其中所述至少一个甲烷化反应器为下列之一与至少一个外部热转移装置热转移连通连接；和 与至少一个集成热转移装置合并在单元外壳中。
15.一种整体气化联合循环(IGCC)发电工厂，所述发电工厂包括与至少一个气化系统 流体连通连接的至少一个燃气涡轮发动机，所述至少一个气化系统包括至少一个气化反应器，所述气化反应器构造成产生含至少一些硫化氢(H2S)的气流； 与所述气化反应器流体连通连接的CO2分离以螯合子系统，所述子系统包括 构造成在所述气流内产生CO2的至少一个气体转换反应器；至少一个酸性气体去除装置(AGRU)，所述酸性气体去除装置构造成从所述气流去除至 少一部分CO2和H2S ；和促进从所述至少一个酸性气体去除装置引导所述至少一部分CO2和H2S的至少一个压 缩机。
16.权利要求15的IGCC发电工厂，其中所述酸性气体去除装置进一步构造成产生至少 下列之一包含低于预定限度H2S的CO2流，从而形成贫H2S的CO2流； 包含高于预定限度H2S的CO2流，从而形成富H2S的CO2流；知 H2S酸性气体流。
17.权利要求16的IGCC发电工厂，其中所述气化反应器构造成接收至少下列之一的至 少一部分贫H2S的CO2流；和 富H2S的CO2流。
18.权利要求15的IGCC发电工厂，所述IGCC发电工厂进一步包括与所述酸性气体去 除装置流体连通连接的至少一个甲烷化反应器，所述至少一个甲烷化反应器构造成收集从 至少一个放热化学反应释放的至少一部分热量，其中所述至少一个甲烷化反应器为下列之与至少一个外部热转移装置热转移连通连接；和与至少一个集成热转移装置合并在单元外壳中。
19.权利要求17的IGCC发电工厂，其中所述甲烷化反应器与所述气体转换反应器流体 连通连接，所述至少一个甲烷化反应器构造成收集从至少一个放热化学反应释放的至少一 部分热量，其中所述至少一个甲烷化反应器为下列之一与至少一个外部热转移装置热转移连通连接；和与至少一个集成热转移装置合并在单元外壳中。
20.权利要求15的IGCC发电工厂，其中所述至少一个气体转换反应器在集成装置内构 造成为气体转换反应器部分，所述集成装置包括在所述气体转换反应器部分下游的甲烷化 反应器部分，所述甲烷化反应器部分构造成收集从至少一个放热化学反应释放的至少一部 分热量，其中所述至少一个甲烷化反应器部分为下列之一与至少一个外部热转移装置热转移连通连接；和与至少一个集成热转移装置合并在所述集成装置的单元部分。全文摘要
一种生产合成天然气(SNG)的方法，所述方法包括提供含至少一些二氧化碳(CO2)和硫化氢(H2S)的合成气流。所述方法还包括使至少一部分CO2和至少一部分H2S从至少一部分提供的合成气流分离。所述方法进一步包括将至少一部分从合成气流分离的至少一部分CO2和至少一部分H2S引导到螯合系统和气化反应器中的至少一个。
文档编号C10L3/08GK101910380SQ200880124658
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月17日 优先权日2008年1月7日
发明者A·弗里德曼, P·S·华莱士 申请人:通用电气公司