专利名称：高压输送气体选择和产生该气体的方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及发电装置中的二氧化碳再循环和酸性气体移除。
背景技术：
一般而言，整体煤气化联合循环(IGCC)发电装置能从各种烃进料(例如煤)相对清洁并且高效地产生能量。IGCC技术可通过使烃进料在气化器中与氧和蒸汽反应而转换成一氧化碳(CO)和氢(H2)的气体混合物，即，合成气。可使这些气体降低酸性、加工和用作常规联合循环发电装置中的燃料。举例而言，合成气可被进给到IGCC发电装置的燃气涡轮的燃烧器中并被点燃以便给燃气涡轮提供动力以用于发电。气化器通常从进给系统(例如干式进给系统)接收烃进料。举例而言，干式进给系统可使用输送气体(conveyance gas)。令人遗憾的是，输送气体可受限于各种因素，例如气化器的压力、输送气体的临界压力和输送气体的可用性。此外不期望的输送气体量可积聚在气体或合成气中。
发明内容
下面概述了符合新颖地被权利保护的本发明的范围的某些实施例。这些实施例不意图限制所要求权利保护的本发明的范围，相反，这些实施例意图仅仅提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可包括可类似于或不同于下面所述的实施例的多种形式。在第一实施例中，一种方法包括从由气化器产生的未处理合成气捕集二氧化碳以产生包括二氧化碳的气流，通过添加一氧化碳、氢、硫化氢或其任何组合来使该气流改性，以及，从酸性气体移除器提供气流至进给系统以用于气化器，以用作输送气体来输送进料到气化器内。在第二实施例中，一种系统包括气体加工系统，其设置为用以从酸性气体移除器输送二氧化碳流，改变二氧化碳流的组成以降低二氧化碳的分压，从而使得该分压低于二氧化碳的临界压力；以及，提供改性的二氧化碳流至用于气化器的进给系统。在第三实施例中，一种系统包括进给系统，其设置为用以使用输送气体来输送进料；气化器，其设置为用以从进给系统接收进料；气体加工系统，其设置为用以从气化器接收输出，其中，气体加工系统输出气流以用作输送气体，其中，合成气被添加至该气流。
当参考附图来阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相似的附图标记表示附图中相似的部件，其中图1是根据本发明的一个实施例的整体煤气化联合循环(IGCC)发电装置的示意性框图，其使处理的合成气被添加至二氧化碳再循环流；图2是根据本发明的另一实施例的图1的IGCC发电装置的示意性框图，其使未处理合成气被添加至二氧化碳再循环流；
图3是图1和图2的酸性气体移除器(AGR)单元的元件的第一实施例的示意性框图；以及
图4是根据本发明的一个实施例的用于使来自AGR的二氧化碳再循环流改性的工艺的流程图。
项目清单
100IGCC系统
102燃料源
103进料制备单元
104进给系统
105输送气体
106气化器
107渣
108气体加工单元
110硫加工装置
109路径
111产生硫
113可分离盐
112水处理单元
114再循环流
115路径
120燃烧器(CC)
118燃气涡轮发动机
122ASU
123补充空气压缩机
124DGAN压缩机
130涡轮(T)
131驱动轴
132压缩机(C)
134负载
136蒸汽涡轮发动机(ST)
138HRSG系统
140第二负载
142冷凝器
128冷却塔
144酸性低的合成气
146未处理合成气
148AGR单元
150闪蒸罐(flash tank)
160过程
162方框
164方框
166方框
168方框
170方框
172方框
174方框
具体实施例方式下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简洁描述， 可能未在说明书中描述实际实施例的所有特征。应当理解，在任何这样的实际实施的开发中(如在任何工程或设计项目中)，必须做出许多实施例特定的决策来实现开发者的特定目的，例如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束对于不同的实施例可不同。此外，应当理解，这样的开发努力可复杂并且耗时，但仍是本领域普通技术人员受益于本公开而设计、制作和制造的常规任务。当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示具有一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括性的并且意味着可存在除了所列元件之外的额外元件。本发明的实施例包括一种输送气体系统和用于具有酸性气体移除器(AGR)的气化系统的过程。来自酸性气体移除器的二氧化碳可被再循环至进给系统以用作输送气体。 本公开提供用于增加再循环流中的二氧化碳的分压的多个实施例。在一个实施例中，来自 AGR的酸性低或处理的合成气可被添加至二氧化碳再循环流。在另一实施例中，未处理合成气可被添加至二氧化碳再循环流。在还有其它实施例中，可选择AGR的闪蒸压力以实现再循环气体的所需组成。此外，上述技术中的任一种或组合可在一个实施例中组合。图1是可由合成气体(即，合成气)提供动力的整体煤气化联合循环(IGCC)系统100的一个实施例的图。IGCC系统100的元件可包括燃料源102(例如固体进料)，其可用作用于IGCC的能量源。燃料源102可包括煤(包括低硫含量煤)、石油焦炭、生物质 (biomass)、木基材料、农业废料、焦油、焦炉煤气和浙青，或者其它含碳物质。燃料源102的固体燃料可被传送至进料制备单元103。进料制备单元103例如可通过将燃料源102切碎、研磨、粉碎、磨碎、压块或粒化而重整燃料源102的大小或形状以产生进料。所制备的进料然后可传送至进给系统104，进给系统104可使用输送气体105 和泵或其它合适机构使进料增压。这样的进给系统可被称作干式进给系统或波斯美崔克 (posimetric)进给系统。在某些实施例中，进给系统104可在大于至少1000磅/平方英寸(绝对压力)的压力下操作。如下面进一步描述的那样，输送气体105可从来自AGR的改性的二氧化碳再循环流接收。进料可从进给系统104传送至气化器106。气化器106可将进料转换成合成气(例如一氧化碳与氢的组合)。取决于所用气化器106的类型，该转换可通过使进料在高压(例如从大约20巴至85巴)和高温(例如大约700摄氏度至1600摄氏度)下遭受到受控量的蒸汽和氧。气化过程可包括使进料经历热解过程，进料在其中被加热。取决于用于产生进料的燃料源102，气化器106内的温度在热解过程期间范围可从大约150摄氏度至700摄氏度。在热解过程期间加热进料可产生固体(例如炭化物)和残余气体(例如一氧化碳、 氢和氮)。源于热解过程的自进料剩余的炭化物可仅占初始进料的重量的大约30%。然后可在气化器106中发生燃烧过程。该燃烧可包括将氧引导至炭化物和残余气体。炭化物和残余气体可与氧起反应以形成二氧化碳和一氧化碳，其提供热以用于随后的气化反应。燃烧过程期间的温度范围可从大约700摄氏度至1600摄氏度。然后，蒸汽可在气化步骤期间被引入气化器106内。炭化物可在从大约800摄氏度至1100摄氏度的范围的温度下与二氧化碳和蒸汽反应以产生一氧化碳和氢。实质上，气化器利用蒸汽和氧以允许某些进料“燃烧”以产生一氧化碳和能量，其驱动将另外的进料转换成氢和额外的二氧化碳的第二反应。这样，由气化器106制造合成的气体。该合成的气体可包括大约85%的一氧化碳和氢，以及CH4、HC1、HF、C0S、NH3、HCN和H2S (基于进料的硫含量)。该合成的气体可被称作原料或未处理合成气，并且可包括按体积少于大约20%的H2S。气化器106还可产生废料 (例如渣107)，其可为湿灰材料。该渣107可从气化器106移除并被处置为例如路基或其它建筑材料。为了处理该未处理合成气，可利用气体加工单元108。气体加工单元108可包括 AGR并且可处理该未处理合成气以从该未处理合成气移除HCl、HF、COS、HCN和&S，其可包括分离富含的酸性气体并经由路径109将其传送至硫加工装置110。酸性气体可由硫加工装置110加工以产生硫111。此外，气体加工单元108可经由水处理单元112从未处理合成气分离盐113，水处理单元112可利用水净化技术从未处理合成气产生可用的盐113。 气体加工单元108可产生二氧化碳(CO2)，由此(X)2从未处理合成气被移除并被传送至再循环流114。如下面进一步描述的那样，二氧化碳再循环流114可作为输送气体105被再循环至进给单元104。如本文所用的用语“二氧化碳再循环流”指来自气体加工单元的流输出， 其包括CO2,例如按体积至少大约90 %的C02。然而，应当理解，二氧化碳再循环流可包括来自处理过程的其它化合物，例如H2S、CO以及H2,或其它化合物。在上面所述的过程之后，沿着路径115离开气体加工单元108的气体可包括处理的合成气(例如基本上无硫的)，以及残余气体组分(例如NH3(氨))。在这个方面，处理的合成气可主要包括H2和CO2,少量的C0，并且可基本上除掉H2S。应当注意，基于气体加工单元108中实现的CO2捕集的水平，处理的合成气中的CO和H2的百分比可增加。这种处理的合成气可被传送至燃气涡轮发动机118的燃烧器120(例如燃烧室)作为可燃的燃料。IGCC系统100还可包括空气分离单元(ASU) 122。ASU 122可操作用以将空气分离成组分气体，例如通过蒸馏技术。ASU 122可将氧从供给到它上的来自补充空气压缩机123 的空气分离，并且ASU 122可将分离的氧输送至气化器106。另外，ASU 122可将分离的氮传送至稀释剂氮(DGAN)压缩机124。DGAN压缩机IM可将从ASU 122接收的氮压缩至至少等于燃烧器120中那样的压力水平，以便不干涉合成气的合适燃烧。因此，一旦DGAN压缩机124已将氮适当地压缩至合适水平，DGAN压缩机IM就可将压缩的氮传送至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。如之前所述的那样，压缩的氮可从DGAN压缩机IM传送至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。燃气涡轮发动机118可包括涡轮130、驱动轴131和压缩机132，以及燃烧器120。燃烧器120可接收燃料(例如合成气)，该燃料可在压力下从燃料喷嘴喷射。该燃料可与压缩空气以及来自DGAN压缩机IM的压缩的氮混合，并且在燃烧器120内燃烧。该燃烧可形成热的增压的排出气体。燃烧器120可将排出气体朝涡轮130的排气出口引导。随着来自燃烧器120的排出气体经过涡轮130，该排出气体可迫使涡轮130中的涡轮叶片沿着燃气涡轮发动机118的轴线旋转驱动轴131。如所示的那样，驱动轴131被连接至燃气涡轮发动机118的许多构件，包括压缩机132。驱动轴131可将涡轮130连接至压缩机132以形成转子。压缩机132可包括联接到驱动轴131上的叶片。因此，涡轮130中涡轮叶片的旋转可导致将涡轮130连接至压缩机132的驱动轴131旋转，以使压缩机132内的叶片旋转。压缩机132中的叶片的这种旋转导致压缩机132压缩经由压缩机132中的进气口接收的空气。该压缩空气然后被进给至燃烧器120，并且与燃料和压缩的氮混合以允许更高效的燃烧。驱动轴131还可连接至负载 134，负载134可为固定负载，例如用于发电的发电机(例如在发电装置中)。实际上，负载 134可为任何合适的装置，其由燃气涡轮发动机118的旋转输出提供动力。IGCC系统100还可包括蒸汽涡轮发动机136和热回收蒸汽发生(HRSG)系统138。 蒸汽涡轮发动机136可驱动第二负载140。第二负载140也可为用于发电的发电机。但是， 第一负载134与第二负载140可为能够由燃气涡轮发动机118与蒸汽涡轮发动机136驱动的其它类型的负载。另外，虽然燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136可驱动单独的负载134和140，如在所示的实施例中示出的那样，但是，燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136也可串联使用以便经由单个轴驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机136以及燃气涡轮发动机118的特定构造可为实施例特定的并且可包括任何组合的段。系统100还可包括HRSG 138。来自燃气涡轮发动机118的热的排出气体可被传送到HRSG 138内并且用于加热水和产生蒸汽，以用于给蒸汽涡轮发动机136提供动力。来自例如蒸汽涡轮发动机136的低压段的排气可被引导到冷凝器142内。冷凝器142可利用冷却塔1 来以冷水交换热水。冷却塔1 用于向冷凝器142提供冷水以帮助冷凝从蒸汽涡轮发动机136传送至冷凝器142的蒸汽。来自冷凝器142的冷凝物又可被引导到HRSG 138内。同样，来自燃气涡轮发动机118的排气也可被引导到HRSG 138内以加热来自冷凝器142的水以及产生蒸汽。在诸如IGCC系统100这样的联合循环系统中，热的排气可从燃气涡轮发动机118 流动并且传送到HRSG 138，其可在HRSG 138那里用于产生高压、高温的蒸汽。由HRSG 138 产生的蒸汽可然后经过蒸汽涡轮发动机136以用于发电。另外，产生的蒸汽也可被供给至其中可使用蒸汽的任何其它过程，例如供给至气化器106。燃气涡轮发动机118发电循环 (generation cycle)通常被称作“顶循环”，而蒸汽涡轮发动机136发电循环通常被称作 “底循环”。通过组合这两种循环(如图1中所示)，IGCC系统100可在两个循环中导致更高的效率。特别地，来自顶循环的排出的热可被捕集并用于产生蒸汽以用在底循环中。如上面所提到的那样，气体加工单元108 (例如AGR)可从未处理合成气捕集(X)2以用于再循环流114中。该再循环流114可再循环以用作进给系统104中的输送气体105。 但是，在具有相对较高压力的进给系统104的某些实施例中，再循环流114的CO2组成可不适合用于进给系统104中，因为CO2具有大约1070磅/平方英尺的临界压力。如图1中所
8示，可将处理的合成气144添加至再循环流114。处理的合成气144可从气体加工单元108 的处理的合成气输出(路径11 添加。如上面所提到的那样，由于来自气体加工单元108 的处理的合成气144包括CO和压(并且，在某些实施例中包括H2Q，改性的再循环流中的 CO2的分压可低于(X)2的临界压力，从而确保再循环流114对于输送气体105的适合性。因此，输送气体105可被增压到进给系统104所需的压力。此外，来自处理的合成气的任何过量的CO和吐将在气化器中被加工并且将不积聚在该系统中。在其它实施例中，再循环流114可通过向再循环流114添加未处理合成气而改性。 图2描绘了 IGCC系统100的另一实施例，其中未处理合成气146被添加至再循环流114。 如上面所描述的那样，气体加工单元108(例如AGR)可从未处理合成气捕集CO2以用于再循环流114，以便给进给系统104提供输送气体105。为了允许输送气体105的增加的压力， 可将未处理合成气146添加至再循环流114。未处理合成气146可从自气化器106输出的未处理合成气添加。如上面所提到的那样，由于原料合成气146可包括CO、H2以及(取决于进料的组分)H2S，改性的再循环流114中的CO2的分压可低于(X)2的临界压力。因此，输送气体105可被增压至比包括更大量CO2的未改性再循环流更高的压力。另外，来自处理的合成气的任何过量的CO、H2和将在气化器中被加工并且将不积聚在该系统中。在其它实施例中，气体加工单元108的输出可被改性，例如通过改变AGR的闪蒸过程的压力，以改变二氧化碳再循环流114的组分。图3示出了上面所论述的气体加工单元 108的一个实施例的示意性框图。气体加工单元108可包括AGR单元148，其操作用以从所接收的未处理合成气(该合成气可从像低硫含量煤这样的低硫燃料源产生)移除例如H2S 和CO2,从而导致未处理合成气中更低浓度的(按体积大约小于0. 1 %，0. 2%、0. 5%、1 % 或2%)。在一个实施例中，AGR单元148可接收未处理合成气，并且可加工该未处理合成气以产生(富含H2S的)酸性气体，用于沿着路径109传送。另外，AGR单元148可加工未处理合成气以产生(X)2再循环流114。最后，通过从所接收的未处理合成气移除和CO2, AGR单元148可产生处理的合成气，以用于沿着路径115传送。这样，AGR单元148可操作用以使得未处理合成气“降低酸性”(即，从未处理合成气移除酸性气体，以及从未处理合成气移除CO2)。AGR单元148可包括(X)2回收单元，其可包括单个闪蒸罐或多组闪蒸罐150(例如许多、一组或一排闪蒸罐)。闪蒸罐可为用于经由罐中的压力降低而从液体分离气体的罐。 更确切地说，如果溶解在溶剂中的气体的蒸气压力大于给定罐中的压力，那么气体将从溶剂分离(例如逸出)。从溶剂分离的气体的量可基于不同因素，例如溶剂的类型、闪蒸罐的操作温度和/或闪蒸罐内的压力。因此，CO2流的组成可通过改变闪蒸压力而改变。通过改变(X)2流的组成，再循环流中的(X)2的分压可低于(X)2的临界压力，从而能使从再循环流进给的输送气体的压力升高。CO2再循环流可包括例如按体积大约90%的CO2,同时其余的包括H2S。更确切地说，沿着路径114传送的CO2流可包括至少等于或大于按体积大约90%、95%或更多的C02。 此外，(X)2中的量可通过改变回收单元150的闪蒸罐中的溶剂的压力而改变。举例而言， 为了增加CO2流中的H2S,闪蒸罐中的溶剂的压力可被降低到介于大约100磅/平方英尺与 250磅/平方英尺之间。在一个实施例中，沿着路径109传送的酸性气体可包括按体积至少大约25%的H2S,即使从低硫含量燃料产生。更确切地说，沿着路径109传送的酸性气体可包括按体积至少等于或大于大约25 %、30 %、35 %、40 %或更多的&S。最后，沿着路径115传送的酸性低的合成气可包括最多大约25ppm&4S。此外，AGR 148可设置为允许从酸性气体合适地回收硫，并且可满足例如在诸如提高石油采收率这样的应用中使用(X)2的某些环境法规，以及关于使用合成气作为IGCC系统100中的燃料源的某些环境法规。应当理解，本发明的实施例可使用上述技术中的任何一种或组合以用于使再循环流114改性。举例而言，IGCC系统100的一个实施例可包括通过添加酸性低的合成气144、 添加未处理合成气146和/或改进AGR 148以增加再循环流114中的H2S来使再循环流114 改性。此外，虽然图1和图2的实施例描绘了 IGCC系统100中所使用的气体加工单元108 的酸性低的合成气输出，但是，在其它实施例中，酸性低的合成气输出可用作任何合适过程和系统的燃料。图4描绘了根据本发明的一个实施例的用于从改性的再循环流产生输送气体的过程160。如上面所论述的那样，可在IGCC系统100中或具有气化器和气体加工单元的任何其它系统中实施过程160以用于产生酸性低的合成气。首先，未处理合成气可通过气体加工单元108(方框16 接收，例如从气化器106。未处理合成气可被加工用以产生CO2再循环流114(方框164)，以及用以处理该合成气以产生酸性低的合成气(方框166)。如上面所述，可改变再循环流114的组成以便允许用作进给系统104中的高压输送气体。如上面在图1中所述的那样，从气体加工单元108输出的某些酸性低的合成气可被添加至再循环流(方框168)，从而添加或增加再循环流中的CO和H2。另外，如上面在图 3中所述的那样，可改变气体加工单元108中的AGR过程以增加再循环流114中的H2S(方框170)，例如通过降低闪蒸罐中使用的溶剂的压力。最后，如上面在图2中所述的那样，来自气化器106的未处理合成气可被添加至再循环流114 (方框17 ，从而添加或增加再循环流中的C0、H2S和H2。改性的再循环流114可被提供作为进给系统104的输送气体105 (方框174)。如上面所述，再循环流114中(X)2降低的分压可允许再循环流114在被用作输送气体105时更大的增压，而不涉及超过更富含CO2的流的临界压力。该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还允许本领域技术人员来实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。
10
权利要求
1.一种方法(160)，包括从由气化器(106)产生的未处理合成气捕集二氧化碳以产生包括二氧化碳的气流 (114)；通过添加一氧化碳、氢、硫化氢的其中至少一种或其任何组合来使所述气流(114)改性；以及提供所述气流(114)至进给系统(104)，以用作输送气体(105)将进料(102)输送到所述气化器(106)内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述气流(114)改性包括从气体加工单元(108)添加处理的合成气(144)至所述气流(114)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述气流(114)改性包括从所述气化器 (106)添加未处理合成气(146)至所述气流(114)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述气流(114)改性包括改变气体处理单元(148)的闪蒸过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，改变所述闪蒸过程包括调节闪蒸罐(150) 中使用的溶剂的压力。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进给系统(104)包括干式进给系统。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述进给系统(104)包括固体进给系统， 所述固体进给系统设置为用以输送颗粒状煤。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在酸性气体移除器(148)中从所述未处理合成气(146)移除硫化氢。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进给系统(104)的所述输送气体 (105)处于比所述气化器(106)更高的压力。
10.一种系统(100)，包括进给系统(104)，所述进给系统(104)设置为用以使用输送气体(105)来输送进料 (102)；气化器(106)，所述气化器(106)设置为用以从所述进给系统(104)接收进料(102)；以及气体加工系统(108)，所述气体加工系统(108)设置为用以从所述气化器(106)接收输出，其中，所述气体加工系统(108)输出气流(114)以用作所述输送气体(105)，其中，合成气(144 ； 146)被添加至所述气流(114)。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，未处理合成气(146)、酸性低的合成气 (144)或其组合被添加至所述气流(114)。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述气体加工系统(108)包括酸性气体移除器(148)，所述酸性气体移除器(148)设置为用以从所述气化器(106)的输出移除二氧化碳。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述气体加工单元(108)包括酸性气体移除器(148)，所述酸性气体移除器(148)设置为用以从所述气化器(106)的输出移除硫化Μ,ο
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统包括燃气涡轮发动机(118)， 所述燃气涡轮发动机(118)设置为用以从所述气体加工系统(108)接收第二气流(115)。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述进给系统(104)包括波斯美崔克进给系统。
全文摘要
本发明涉及高压输送气体选择和产生该气体的方法。具体而言，提供了一种方法(160)，其包括从接收自气化器(106)的未处理合成气移除二氧化碳以产生包括二氧化碳的气流(114)，通过添加一氧化碳、氢、硫化氢或其任何组合而使气流(114)改性，以及，从酸性气体移除器(148)提供气流(114)至进给系统(104)，以用作输送气体(105)来输送进料(102)到气化器(106)内。还提供了实施这些和其它方法的系统(100)。
文档编号C10J3/50GK102424761SQ201110218839
公开日2012年4月25日 申请日期2011年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者A·马宗达, J·S·斯蒂芬森, S·R·米什拉 申请人:通用电气公司