生物质转化反应器发电系统和方法
【专利摘要】本发明提供一种用于使用生物质气化所产生的合成气发电的方法和系统。示例性发电系统包括：生物质干燥器，用于接收生物质；生物质转化反应器（生物质气化器或蒸汽生物质转化器），用于接收干燥生物质并从其产生合成气；以及外部燃烧器，用于燃烧所述合成气并加热工作流体以驱动联接到发电机的涡轮机。所述外部燃烧器包括热交换器元件，用于将所述合成气燃烧中所产生的热量传递到所述工作流体中，同时保持所述工作流体与所述合成气和合成气燃烧产物隔离。
【专利说明】生物质转化反应器发电系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及一种整体气化联合循环(IGCC)发电系统，确切地说，涉及一种并入从生物质材料产生的燃料的涡轮机发电系统。
【背景技术】
[0002]至少一些已知的IGCC系统包括气化系统，所述气化系统与至少一个发电涡轮机系统形成一体。许多这些IGCC系统均包括气化器，所述气化器产生可燃气体或者可燃气体前体，所述可燃气体前体进一步处理成可燃气体(称为“合成气”)。此类IGCC系统通常进一步包括燃气涡轮机，所述合成气在所述燃气涡轮机中燃烧和/或所述燃气涡轮机受燃烧合成气所产生的燃烧副产物驱动。
[0003]理想的合成气或合成气前体原料源是生物质材料，因为使用生物质材料能够降低对其他合成气原料源的依赖性，例如基于化石燃料的原料，例如煤、焦炭等。但是，由于多个原因，使用生物质材料作为合成气原料存在一定问题。从生物质材料产生的合成气通常受到焦油、灰分、颗粒或其他污染物的污染，所述污染物可能损坏燃气涡轮发动机的内部部件。此外，为了在燃气涡轮发动机中燃烧，合成气通常必须压缩和/或冷却，然后再喷射到燃气涡轮发动机中。压缩合成气需要消耗能量，因而降低IGCC系统的效率。合成气冷却通常通过水洗来实现，类似地，所述冷却也需要消耗能量，致使效率相应地下降。
[0004]因此，需要提供一种使用生物质材料作为原料来产生合成气的IGCC动力装置系统和方法，以利用从生物质材料产生动力的优势，包括降低对基于化石燃料的原料的依赖性。还需要提供一种以合成气作为燃料的IGCC动力装置系统和方法，其通过减少或消除压缩或冷却合成气的需要来改进效率。
【发明内容】
[0005]一方面，本发明提供了一种用于使用生物质原料发电的发电系统。所述发电系统包括生物质转化反应器，所述生物质转化反应器联接到生物质原料源，所述生物质转化反应器配置成产生合成气。所述发电系统还包括燃烧器，所述燃烧器联接到所述生物质转化反应器。所述发电系统还包括第一热交换器元件，所述第一热交换器元件在所述燃烧器内与工作流体源流动连通地联接，当所述工作流体流过所述第一热交换器元件时，所述工作流体从合成气燃烧中接收热量，其中所述工作流体与所述合成气和燃烧产物隔离。所述发电系统还包括涡轮机，所述涡轮机流动连通地联接在所述第一热交换器元件的下游，所述涡轮机由受热工作流体驱动。
[0006]另一方面，本发明提供一种用于从生物质原料发电的方法。所述方法包括将生物质原料从生物质原料源输送到生物质转化反应器，所述生物质转化反应器联接到所述生物质原料源。所述方法还包括将所述生物质原料转化成合成气。所述方法还包括将所述合成气输送到燃烧器，所述燃烧器联接到所述生物质转化反应器。所述方法还包括使工作流体从工作流体源流过第一热交换器元件，所述第一热交换器元件联接在所述燃烧器内。所述方法还包括在所述工作流体流过所述第一热交换器元件时，将所述合成气燃烧所产生的热量传递到所述工作流体中，以使所述工作流体与所述合成气和燃烧产物隔离。所述方法还包括将受热工作流体输送到涡轮机中，所述涡轮机流动连通地联接在所述第一热交换器元件下游，所述涡轮机由受热工作流体驱动。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是用于使用生物质所产生的合成气发电的一个示例性系统的示意图。
[0008]图2是用于使用生物质所产生的合成气发电的另一个示例性系统的示意图。
[0009]图3是用于使用生物质所产生的合成气发电的另一个示例性系统的示意图。
[0010]图4是用于使用生物质所产生的合成气发电的另一个示例性系统的示意图。
【具体实施方式】
[0011]尽管本发明多个示例性实施例的特定特征可以在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这只是为了便于说明。根据本发明的原则，附图中的任何特征可以结合其他任何附图中的任何特征来参考和/或提出权利要求。
[0012]图1是用于使用生物质所产生的合成气发电的不例性系统100的不意图。系统100包括生物质干燥器102，所述生物质干燥器从源104接收生物质。生物质转化反应器106从生物质干燥器102接收干燥生物质108。生物质转化反应器106可以是可用于将生物质转化成合成气从而使本说明书中所述的系统具有所述功能的任何合适装置。例如，生物质转化反应器106可以是生物质气化器或蒸汽生物质转化器。生物质转化反应器106排放合成气110。合成气110主要包括氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)。合成气110排放到外部燃烧器112中，其中合成气110与鼓风机116提供的空气114 (通常是环境空气)一起燃烧。在一个替代实施例中，压缩机(未图示)可以用于鼓风机116中的适当位置。外部燃烧器112排出外部燃烧器排气136，所述排气流过排气清洗装置135。外部燃烧器112包括与压缩机120和涡轮机122流动连通地联接的热交换器元件118流动连通地联接。压缩机120以旋转方式通过传动结构132联接到涡轮机122。系统100进一步包括发电机124，所述发电机以旋转方式通过传动结构123联接到涡轮机122。
[0013]环境空气126输送到压缩机120，所述压缩机排出压缩空气128，所述压缩空气反过来输送到外部燃烧器112中。外部燃烧器112排出受热压缩空气130，所述受热压缩空气输送到涡轮机122，然后从涡轮机122作为涡轮机排气134排出。受热的压缩空气130在涡轮机122中膨胀，致使涡轮机122旋转，从而使发电机124旋转。涡轮机排气134与外部燃烧器排气136相组合以为生物质干燥器102提供排气138。流过热交换器140之后，冷却气体142随后从联接到生物质干燥器102的通风口 144排出以释放到大气中，或者输送到根据需要配备的其他气体净化设备(未图示)。
[0014]在系统100中，合成气110和外部燃烧器排气136与压缩机120和涡轮机122隔离。因此，压缩机120和涡轮机122不受焦油、灰分和其他颗粒以及生物质所产生的合成气及其燃烧产物中存在的其他污染物的破坏作用影响。此外，生物质产生的合成气110输送到外部燃烧器112，而无需为冷却或去除污染物做出任何特定配置。
[0015]图2是用于使用生物质所产生的合成气发电的替代性示例性系统200的示意图。系统200包括生物质干燥器202，所述生物质干燥器从源204接收生物质。生物质转化反应器206从生物质干燥器202接收干燥生物质208并排出合成气210。生物质转化反应器206还包括热交换器元件250，所述热交换器元件与压缩机220和涡轮机222流动连通地联接。合成气210输送到外部燃烧器212中，其中合成气210与鼓风机216供应的空气214(通常为环境空气)一起燃烧。在替代实施例中，压缩机(未图示)可以可以代替鼓风机216使用。外部燃烧器212排出外部燃烧器排气236。外部燃烧器212包括热交换器元件218，所述热交换器元件与压缩机220、热交换器元件250和涡轮机222流动连通地联接流动连通地联接。压缩机220通过传动结构232以旋转方式联接到涡轮机222。发电机224通过传动结构223以旋转方式联接到涡轮机222。
[0016]环境空气226输送到压缩机220中，所述压缩机排出压缩空气228，所述压缩空气又输送到生物质转化反应器206中。具体来说，压缩空气228经由热交换器元件250输送到生物质转化反应器206中，获取在气化过程中释放的热量。生物质转化反应器206排出受热压缩空气229，所述压缩空气输送到外部燃烧器212中，其中受热的压缩空气229在流过热交换器元件218期间进一步获取热量。
[0017]合成气210燃烧中产生的热量传递到受热的压缩空气229中，从而产生进一步受热的压缩空气230。进一步受热的压缩空气230输送到涡轮机222中并且膨胀，致使涡轮机222旋转，从而旋转发电机224。涡轮机222排出涡轮机排气234。外部燃烧器212与交换器252流动连通地联接。外部燃烧器排气236输送到热交换器252以向锅炉给水254释放热量，产生受热的锅炉给水255。外部燃烧器排气236随后输送到排气清洗装置235。受热的锅炉给水255输送到热交换器256，所述热交换器与涡轮机222流动连通地联接，其中受热的锅炉给水255进一步从涡轮机排气234获取热量，并且转换成蒸汽258。蒸汽258随后又输送到蒸汽涡轮机(未图示)中以进一步产生电力或机械动力，或者输出以作他用。涡轮机排气234和外部燃烧器排气236相组合以提供排气238，所述排气流过联接到生物质干燥器202的热交换器240。之后，冷却气体242从联接到生物质干燥器202的通风口 244排出以释放到大气中。
[0018]与本说明书中所述的系统100类似，在系统200中，合成气210和外部燃烧器排气236与压缩机220和涡轮机222隔离。因此，压缩机220和涡轮机222不受焦油、灰分和其他颗粒以及生物质所产生的合成气及其燃烧产物中存在的其他污染物的破坏作用影响。此夕卜，生物质产生的合成气210输送到外部燃烧器212，而无需为冷却或去除污染物做出任何特定配置。
[0019]图3是用于使用生物质所产生的合成气发电的另一替代性示例性系统300的示意图。系统300包括生物质干燥器302，所述生物质干燥器从源304接收生物质。生物质转化反应器306从生物质干燥器302接收干燥生物质308并排出合成气310。生物质转化反应器306还包括热交换器元件350，所述热交换器元件与压缩机320和涡轮机322流动连通地联接。合成气310输送到外部燃烧器312中，其中合成气310与鼓风机314供应的空气316 (通常为环境空气)一起燃烧。在替代实施例中，压缩机(未图示)可以可以代替鼓风机316使用。外部燃烧器312包括热交换器元件318，所述热交换器元件与压缩机320和涡轮机322流动连通地联接。外部燃烧器312排出外部燃烧器排气336。压缩机320通过传动结构332以旋转方式联接到涡轮机322。发电机324通过传动结构323以旋转方式联接到涡轮机322。
[0020]环境空气326输送到压缩机320中，所述压缩机排出压缩空气328，所述压缩空气又输送到生物质转化反应器306中。具体来说，压缩空气328流过热交换器元件350，获取在气化过程中释放的热量。生物质转化反应器306排出受热的压缩空气329，所述受热压缩空气输送到外部燃烧器312中，其中受热的压缩空气329在流过热交换器元件318期间进一步获取热量。所产生的进一步受热压缩空气330输送到涡轮机322中并且膨胀，致使涡轮机322旋转，从而旋转发电机324。涡轮机322排出涡轮机排气334。
[0021]外部燃烧器312与热交换器352流动连通地联接，所述热交换器还与涡轮机322流动连通地联接以接收涡轮机排气334。外部燃烧器排气336输送到热交换器352中，其中外部燃烧器排气336向锅炉给水354传热。在流过热交换器352期间，涡轮机排气334还向锅炉给水354释放热量。涡轮机排气334基本上仅为受热空气，其经由通风口 360排放到大气中。外部燃烧器排气336流过排气清洗设备362，以去除颗粒和其他污染物。经过清洗的外部燃烧器排气336随后经由通风口 364释放到大气中。锅炉给水354在流过热交换器352之后,将转化成蒸汽366。蒸汽366的一部分338输送到生物质干燥器302以干燥生物质原料。蒸汽366的另一部分368输送到蒸汽涡轮机(未图示)以产生额外电力或机械动力，或者输出到需要供应蒸汽的其他位置。蒸汽部分338流过联接到生物质干燥器302的热交换器元件340。冷却蒸汽342随后输送到通风口 344以释放到大气中，或者输送到其他设备中(未图不)。
[0022]与本说明书中所述的系统100和200类似，在系统300中，合成气310和外部燃烧器排气336与压缩机320和涡轮机322隔离。因此，压缩机320和涡轮机322不受焦油、灰分和其他颗粒以及生物质所产生的合成气及其燃烧产物中存在的其他污染物的破坏作用影响。
[0023]图4是用于使用生物质所产生的合成气发电的另一替代性示例性系统400的示意图。系统400包括生物质干燥器402，所述生物质干燥器402从源404接收生物质。生物质转化反应器406从生物质干燥器402接收干燥生物质408，并且排出合成气410。在示例性实施例中，生物质转化反应器406是蒸汽生物质转化器，并且包括壳体407和热交换盘管488，所述热交换盘管延伸穿过生物质转化反应器406，用于输送生物质408。合成气410输送到外部燃烧器412中，其中合成气410与鼓风机416供应的空气414 (通常为环境空气)一起燃烧。在替代实施例中，压缩机(未图不)可以代替鼓风机416使用。外部燃烧器412包括热交换器元件418，所述热交换器元件与压缩机420和涡轮机422流动连通地联接。外部燃烧器412排出外部燃烧器排气436。压缩机420通过传动结构432以旋转方式联接到涡轮机422。发电机424通过传动结构423以旋转方式联接到涡轮机422。
[0024]环境空气426输送到压缩机420中，所述压缩机排出压缩空气428，所述压缩空气又输送到外部燃烧器412中，其中压缩空气428在流过热交换器元件418期间获取热量。所产生的受热压缩空气430输送到涡轮机422并且膨胀，致使涡轮机422旋转，从而旋转发电机424。涡轮机422排出涡轮机排气434。
[0025]在示例性实施例中，外部燃烧器排气436的一部分496输送到生物质转化反应器406以为蒸汽生物质转化反应提供热量。部分496可以提供生物质转化反应器406的所有热需要量。在替代实施例中，部分496可以仅提供生物质转化反应器406的一部分热需要量。在此类情况下，来自源492的燃料490和来自源495的空气494通过鼓风机497输送到壳体407中，并且燃烧以提供剩余的热需要量。在另一替代实施例中，压缩机(现在示出)可以代替鼓风机497使用。在另一替代实施例中，燃料490和空气494的燃烧提供了生物质转化反应器406所需的所有热量，并且没有任何外部燃烧器排气436转向流入生物质转化反应器406中。在外部燃烧器436未用于向生物质转化反应器406提供热量的实施例中，燃烧490和空气494燃烧所产生的燃烧产物作为烟道排气排出500。在外部燃烧器排气436的部分496用于向生物质转化反应器406提供热量的实施例中，冷却部分499输送到排气清洗装置502，然后排放504到大气中，以确保在释放到大气中之前已去除合成气污染物。如果通过结合使用外部燃烧排气部分496与额外燃料490与空气494的燃烧来向生物质转化反应器406提供热量，则额外燃烧490和空气494的燃烧用作部分496的第二燃烧级，以便完全燃烧部分496中存在的合成气污染物。
[0026]在示例性实施例中，外部燃烧器412与热交换器452流动连通地联接。来自锅炉给水源456的锅炉给水454输送到热交换器452。如果部分496的量小于外部燃烧器排气436总量，则经由热交换器兀件458将外部燃烧器排气436的部分460输送到热交换器452,其中部分460向锅炉给水454传热以产生蒸汽462。涡轮机排气434经由热交换器元件466输送到热交换器464。来自源470的锅炉给水468流过热交换器464，以从涡轮机排气434向锅炉给水468传热以产生蒸汽472。蒸汽462和472组合以形成蒸汽流478。
[0027]蒸汽流478的部分480可用作过量输出蒸汽。蒸汽流478的另一部分482作为蒸汽部分484提供到生物质干燥器402，并且作为蒸汽部分486提供到生物质转化反应器406。在示例性实施例中，蒸汽部分482可以是过热蒸汽。在替代实施例中，蒸汽部分482中可以存在其他类型的蒸汽。蒸汽部分484流过热交换器元件506以向生物质408传热，之后，蒸汽部分484排放508到大气中。蒸汽部分486与生物质408混合并流过盘管(或者其他热交换导管)488，所述盘管通过生物质转化反应器406联接，以将合成气410输送到外部燃烧器412。燃料490和空气494燃烧所产生的热量以及外部燃烧器排气436的部分496内所含的热量(如有)传递到生物质408和流过盘管488的蒸汽部分486中。
[0028]与本说明书中所述的系统100、200和300类似，在系统400中，合成气410和外部燃烧器排气436与压缩机420和润轮机422隔尚。因此,压缩机420和润轮机422不受焦油、灰分和其他颗粒以及生物质所产生的合成气及其燃烧产物中存在的其他污染物的破坏作用影响。
[0029]与已知的整体气化联合循环(IGCC)发电系统相反，本说明书中所述的生物质转化反应器发电系统使生物质产生的合成气能够用于发电，同时避免敏感压缩机和/或涡轮机部件潜在地受到与生物质材料所产生的合成气相关的破坏性作用影响。这是通过将生物质所产生的合成气的流动通道与用于压缩机和涡轮机中的工作流体的流动通道分开来实现的。此外，本说明书中所述的生物质转化反应器发电系统还无需冷却和/或压缩合成气，而在燃耗合成气并且将合成气燃烧产物直接添加到压缩机和涡轮机中的工作流体中时，例如在燃气涡轮机应用中，这种措施是必需的。
[0030]以上详细描述了一种用于使用生物质产生的合成气发电的方法和系统的不例性实施例。所述方法和系统并不限于本说明书中所述的特定实施例，相反，本说明书中所述系统的部件和/或方法的步骤可以独立于其他部件和/或步骤使用。例如，本说明书中所述的方法和系统还可以与其他发电方案结合使用，并不限于仅使用本说明书中所述的部件进行实践。
[0031]本说明书使用了各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。
[0032]尽管已就各种具体实施例来描述本发明，但是所属领域中的技术人员将认识到，可以通过在权利要求书的精神和范围内作出修改来实践本发明。
【权利要求】
1.一种用于使用生物质原料发电的发电系统，所述发电系统包括: 生物质转化反应器，所述生物质转化反应器联接到生物质原料源，所述生物质转化反应器配置成产生合成气； 燃烧器，所述燃烧器联接到所述生物质转化反应器； 第一热交换器元件，所述第一热交换器元件联接在所述燃烧器中与工作流体源流动连通，当所述工作流体流过所述第一热交换器元件时，所述工作流体从合成气燃烧中接收热量，其中所述工作流体与所述合成气以及燃烧产物隔离；以及 涡轮机，所述涡轮机在所述第一热交换器元件的下游流动连通地联接，所述涡轮机由所述受热的工作流体驱动。
2.根据权利要求1所述的发电系统，进一步包括鼓风机，所述鼓风机与燃烧空气源和所述燃烧器流动连通地联接。
3.根据权利要求1所述的发电系统，进一步包括生物质干燥器，所述生物质干燥器与所述生物质原料源和所述生物质转化反应器流动连通地联接。
4.根据权利要求3所述的发电系统，进一步包括第二热交换器元件，所述第二热交换器元件位于所述生物质干燥器内，所述第二热交换器元件与所述燃烧器和所述涡轮机中的至少一者流动连通地联接。
5.根据权利要求 1所述的发电系统，进一步包括压缩机，所述压缩机与所述第一热交换器元件和所述涡轮机流动连通地联接。
6.根据权利要求5所述的发电系统，进一步包括第二热交换器元件，所述第二热交换器元件联接在所述生物质转化反应器中，所述第二热交换器元件与所述压缩机和所述第一热交换器元件流动连通地联接。
7.根据权利要求1所述的发电系统，进一步包括至少一个热交换器，所述热交换器联接到锅炉给水源并联接到所述燃烧器和所述涡轮机中的至少一者。
8.根据权利要求7所述的发电系统，其中所述至少一个热交换器包括: 第一热交换器，所述第一热交换器与所述燃烧器流动连通地联接；以及 第二热交换器，所述第二热交换器与所述涡轮机流动连通地联接。
9.根据权利要求1所述的发电系统，进一步包括发电机，所述发电机以旋转方式联接到所述涡轮机。
10.根据权利要求1所述的发电系统，进一步包括将从所述燃烧器排出的排气的一部分输送到所述生物质转化反应器，以向所述生物质转化反应器提供热量。
11.一种使用生物质原料发电的方法，所述方法包括: 将生物质原料从生物质原料源输送到联接到所述生物质原料源的生物质转化反应器； 将所述生物质原料转化成合成气； 将所述合成气输送到联接到所述生物质转化反应器的燃烧器； 使工作流体从工作流体源流过第一热交换器元件，所述第一热交换器元件联接在所述燃烧器内； 在所述工作流体流过所述第一热交换器元件时，将所述合成气燃烧所产生的热量传递到所述工作流体中，以使所述工作流体与所述合成气和燃烧产物隔离；以及将受热工作流体输送到涡轮机中，所述涡轮机流动连通地联接在所述第一热交换器元件下游，所述涡轮机由受热工作流体驱动。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括使燃烧空气从燃烧空气源流过鼓风机，所述鼓风机与所述燃烧器流动连通地联接。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括使所述生物质原料流过生物质干燥器，所述生物质干燥器与所述生物质原料源和所述生物质转化反应器流动连通地联接。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括输送从所述燃烧器和所述涡轮机中的至少一者的排气流过位于所述生物质干燥器中的第二热交换器元件，所述第二热交换器元件与所述燃烧器和所述涡轮机中的至少一者流动连通地联接。
15.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括使所述工作流体流过压缩机，所述压缩机与所述第一热交换器元件和所述涡轮机流动连通地联接。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法进一步包括使所述工作流体流过第二热交换器元件，所述第二热交换器元件联接在所述生物质转化反应器内，所述第二热交换器元件与所述压缩机和所述第一热交换器元件流动连通地联接。
17.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括: 使锅炉给水从锅炉给水 源流过至少一个热交换器，所述热交换器与所述燃烧器和所述涡轮机中的至少一者流动连通地联接。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一个热交换器包括: 第一热交换器，所述第一热交换器与所述燃烧器流动连通地联接；以及 第二热交换器，所述第二热交换器与所述涡轮机流动连通地联接。
19.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括驱动发电机，所述发电机以旋转方式联接到所述涡轮机。
20.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括输送从所述燃烧器排出的排气的一部分到所述生物质转化反应器，以向所述生物质转化反应器提供热量。
【文档编号】F02C1/05GK103899417SQ201310722561
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2012年12月26日
【发明者】R.A.德皮伊, T.F.莱宁格尔, 方一川, R.K.查德维克 申请人:通用电气公司