專利名稱：帶有焦炭制備系統(tǒng)的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述的系統(tǒng)、方法及設(shè)備總地涉及清潔煤技術(shù)，更具體地涉及IGCC技術(shù)， 其可用于對現(xiàn)有粉煤(PC)發(fā)電裝置改造和升級以及新發(fā)電裝置(power plant)的建設(shè)。本發(fā)明提供系統(tǒng)，其采用由碳化器揮發(fā)物中除去的粉碎的焦炭(char)向碳化器提供熱源。該系統(tǒng)不僅更有效率和發(fā)出更多電量，而且可以在粉煤發(fā)電裝置中使用高灰分煤。本發(fā)明還提供內(nèi)部循環(huán)流化床氣化器，其可在同一個壓力容器中包括第二流化床，所述第二流化床可用作合成氣冷卻器，脫硫床和/或熱裂解床。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供用于改造現(xiàn)有裝置的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)。該系統(tǒng)總地包括內(nèi)部循環(huán)流化床碳化器，其由固體燃料形成合成氣和焦炭；合成氣冷卻器，其與所述碳化器連通；分離器，其與合成氣冷卻器連通，并將焦炭與合成氣分離；焦炭制備系統(tǒng)，其與分離器連通，所述系統(tǒng)制備待注射到碳化器中的焦炭；注射器，其接收來自焦炭制備系統(tǒng)的粉碎的焦炭，并且把粉碎的焦炭引入碳化器中，通過粉碎的焦炭向碳化器提供熱源。所述焦炭制備系統(tǒng)可以包括冷卻器，其從焦炭除去熱；粉碎機，其與冷卻器連通，其粉碎焦炭；和氣間室，其與粉碎機連通。在某些實施方式中，系統(tǒng)包括與所述分離器連通的暖氣清理系統(tǒng)和碳捕獲系統(tǒng)，其用于凈化合成氣。在某些實施方式中，系統(tǒng)包括與粉碎機連通的除灰器。在某些實施方式中，碳化器包括分配板，其設(shè)置在碳化器內(nèi)焦炭的環(huán)形沸騰床下面；和浸入管，其設(shè)置在碳化器的下面。另外或可選擇地，高密度顆粒流可以被添加到焦炭的環(huán)形沸騰床。這提高焦炭在沸騰床中的流速。在某些實施方式中，提供帶有出口的導(dǎo)流管和安裝在導(dǎo)流管的出口上的導(dǎo)流管延伸部分。延伸部分包括由錐形部分連接的上部和下部，使得上部的直徑大于下部。系統(tǒng)還包括設(shè)置在導(dǎo)流管出口上方使向下流出導(dǎo)流管的焦炭轉(zhuǎn)向的變流裝置，和使焦炭向下流入內(nèi)循環(huán)流化床的浸入管。在一些實施方式中，碳化器還包括設(shè)置在導(dǎo)流管延伸部分的上部中的分配板上的熱裂解流化床。在一些實施方式中，碳化器中可包括具有上層床和下層床的流化床，其中上層床為熱裂解流化床，下層床為碳化床。流化床可以是連續(xù)的，并具有界定上層床和下層床的兩個區(qū)域，或者上下床可以物理隔開，例如，將上層床設(shè)置在例如分配板上。在一些實施方式中，在碳化器下方安裝附聚器(agglomerator)。在一些實施方式中，粉狀焦炭與用于焦炭燃燒的空氣一起被注入設(shè)置在碳化器中的導(dǎo)流管的進(jìn)口，以及煤流以高于導(dǎo)流管的焦炭燃燒區(qū)域的水平被注入到導(dǎo)流管。在其他實施方式中，粉狀焦炭與用于焦炭燃燒的空氣流一起被注入位于設(shè)置在碳化器中的導(dǎo)流管外的焦炭的環(huán)形流化床下方的分配板下方的一個正壓室(plenum)中，并將煤注入導(dǎo)流管的進(jìn)口。在一些實施方式中，用于氣化環(huán)形床的蒸汽和氧化劑也被注入到所述分配板之下的正壓室。此外，在一些實施方式中，用于氣化環(huán)形床的氧化劑的部分或全部通過噴射管被輸送入位于分配板之上的環(huán)形床之中，以提供焦炭的有效燃燒。在一些實施方式中，分離器套被安裝在分配板的內(nèi)徑上，使得進(jìn)入導(dǎo)流管的焦炭流受限。在上述的任何實施方式中，固體燃料可以是煤，包括例如高灰煤。另一方面，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)現(xiàn)有化石燃料發(fā)電裝置的二氧化碳排放量減少的方法。該方法包括改造現(xiàn)有發(fā)電裝置以包括上述的任何系統(tǒng)和設(shè)備。在一些實施方式中， 系統(tǒng)包括碳捕集系統(tǒng)，且通過改造系統(tǒng)實現(xiàn)的節(jié)省額基本等于或小于建設(shè)新的沒有碳捕獲系統(tǒng)的燃煤發(fā)電裝置所需的費用。在一些實施方式中，經(jīng)改造的發(fā)電裝置至少實現(xiàn)二氧化碳排放量減少20 %、30 %、 40%或50%。在一些實施方式中，在改造的發(fā)電裝置中實現(xiàn)發(fā)電能力的提高。在另一方面，本發(fā)明提供用于使發(fā)電裝置的IGCC子系統(tǒng)提高效率的方法。該方法包括碳化固體燃料以產(chǎn)生合成氣流和焦炭細(xì)粉(char fines content)；將焦炭細(xì)粉與合成氣流分離；冷卻焦炭細(xì)粉；粉碎焦炭細(xì)粉；降低焦炭細(xì)粉中的細(xì)灰濃度；以及將焦炭細(xì)粉作為燃料注入碳化器中。通過將焦炭細(xì)粉返回到碳酸化器中來提高IGCC子系統(tǒng)的效率。在一些實施方式中，方法還包括去除合成氣中的污染物。方法包括過濾合成氣以提供過濾的合成氣；在固定床反應(yīng)器中吸附過濾的合成氣中的鹵化物組分；和用可再生脫硫器去除合成氣中的含硫組分，所述脫硫器包括可以交替用于吸附硫和再生吸附劑的用于連續(xù)脫硫的兩個循環(huán)流化床反應(yīng)器。另外或可選擇地，該方法還可包括降低合成氣中的二氧化碳含量，通過用可再生脫碳器從合成氣中去除二氧化碳組分，從而減少合成氣中的二氧化碳濃度，所述脫碳器包括可以交替用于吸附二氧化碳組分以及再生吸附二氧化碳組分的氧化鈣吸附劑的兩個循環(huán)流化床反應(yīng)器，以及，任選地，壓縮和儲存二氧化碳組分。在一些實施方式中，碳化過程也會產(chǎn)生一氧化碳，該方法還包括通過吸附劑促進(jìn)的反應(yīng)來去除一氧化碳。另外或可選擇地，在此描述的系統(tǒng)或方法還可包括或包括使用絕熱鈣循環(huán)系統(tǒng)降低合成氣中的碳含量。系統(tǒng)可包括至少一個固定床反應(yīng)器，其具有固定的吸附劑床，所述至少一個固定床反應(yīng)器被交替設(shè)置為加壓碳酸化器裝置和負(fù)壓的煅燒爐裝置；鈣基吸附劑，存在于固定的吸附劑床中，當(dāng)所述至少一個固定床反應(yīng)器被設(shè)置為碳酸化器裝置時其用于吸附合成氣中的碳，當(dāng)所述至少一個固定床反應(yīng)器被設(shè)置為煅燒爐裝置時其用于使碳解吸附；以及一個或多個閥機構(gòu)，其用于交替地將所述至少一個固定床反應(yīng)器設(shè)置為碳酸化器裝置和煅燒爐裝置。


參考附圖及流程圖說明本發(fā)明的示例性實施方式，其中圖1為說明用于發(fā)電的IGCC的示例性配置流程圖。圖2為說明示例性焦炭制備系統(tǒng)的流程圖。圖3為說明用于生產(chǎn)化學(xué)品的IGCC的示例性配置流程圖。圖4為說明示例性合成氣凈化系統(tǒng)的示意圖。圖5為說明通過內(nèi)循環(huán)流化床碳化器的主要流程示意圖。圖6為說明示例性碳化器的示意圖。圖7為說明帶有熱裂解和稀釋相流的碳化器的示意圖。圖8為說明帶有熱裂解的示例性碳化器的示意圖。圖9為說明環(huán)形床中的帶有稀釋相流和焦炭細(xì)粉燃燒的示例性碳化器的示意圖。圖10為說明再另一示例性碳化器的示意圖。圖11說明使用固定床反應(yīng)器進(jìn)行吸附劑促進(jìn)的反應(yīng)(SER)的示例性ACL系統(tǒng)。
具體實施例方式在此描述的系統(tǒng)、方法以及設(shè)備涉及可用于對現(xiàn)有粉煤發(fā)電裝置改造或用于新裝置建造的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)。各種實施方式以及子系統(tǒng)可單獨使用或聯(lián)合使用。在此提供，例如，用于在IGCC碳化器產(chǎn)生合成氣之后分離焦炭和合成氣以及在處理后作為燃料源將焦炭注入到碳化器的導(dǎo)流管中的系統(tǒng)、方法以及設(shè)備。在這些裝置中，允許焦炭細(xì)粉從碳酸化器逸出到揮發(fā)物中，并從合成氣中收集、冷卻、粉碎并返回氣化器，在其中作為燃料進(jìn)行燃燒。這極大地減小了氣化器系統(tǒng)的尺寸，且使系統(tǒng)能夠使用各種種類，包括各種檔次、含灰量和含濕量的煤。通過用于碳化器和脫硫器的內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器以及流化床合成氣冷卻器，使得較小的反應(yīng)器也是可能實現(xiàn)的。在某些實施方式中，IGCC為溫和吹空氣整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(MaGIC)裝置。MaGIC 裝置的幾種適合的實施方式記載在于2010年7月1日以WO 2010/075536公布的國際(PCT) 專利申請PCT/US2008/069455中，其以引用的方式完整地引入本文。MaGIC的兩個優(yōu)點涉及用空氣替代氧氣，這提高其效率并降低了資金成本30%，這大部分是由于消除了傳統(tǒng)IGCC 中的氧計劃。這些裝置用于例如現(xiàn)有燃煤裝置的改建動力裝置，并且由于設(shè)備具有較小的尺寸，可以適合于例如廢舊鍋爐的場所。淘汰鍋爐也能延長現(xiàn)有發(fā)電裝置的經(jīng)濟(jì)壽命，這對于現(xiàn)有裝置的經(jīng)濟(jì)的改建動力裝置是必要的。本文所述的裝置也能降低氣化所需的空氣量， 從而通過避免氣化器釋放出的揮發(fā)物的燃燒來減小氣化器系統(tǒng)的尺寸并降低成本。在此描述的系統(tǒng)、設(shè)備及方法的另一個優(yōu)點是即使配備了碳捕獲系統(tǒng)，本技術(shù)依然足夠廉價以提供與最低成本的替代物(包括粉煤發(fā)電裝置)提供的電力具有競爭性的新型電力來源。因此，與可減少排放，但在沒有碳排放稅或其他法定的資金來源時在經(jīng)濟(jì)上不可行的傳統(tǒng)“附加”技術(shù)相反，實現(xiàn)的真正的成本有益。除非另有指明，本文中所使用的冠詞“a”與“an”均表示“一個或多個”或者“至少一個”。也就是說，當(dāng)使用不定冠詞“a”或“an”時，不排除存在多于一個要素的可能性。本文使用的術(shù)語“裝置(plant) ”和“系統(tǒng)(system) ”可相互替換。在此所用的術(shù)語“改造(retrofit)”和“改建動力裝置(r印owder) ”和“升級 (update)”可相互替換。本文使用的術(shù)語“揮發(fā)物(volatiles)”和“揮發(fā)性物質(zhì)(volatile matter) ”可相互替換使用，指烴氣體和蒸氣，以及其它(非燃料)氣體(例如，當(dāng)加熱到足夠高的溫度時所釋放出的氣體)。有些烴蒸氣根據(jù)其冷凝時的外觀被稱作焦油。圖1說明示例性的工藝流程圖。碳化器10中被填入煤、蒸汽及空氣來制備合成氣及焦炭。合成氣及焦炭流過冷卻器20和然后流過旋風(fēng)分離器30，旋風(fēng)分離器30從合成氣中除去焦炭細(xì)粉。合成氣流過可包含例如鹵化物洗滌器、脫硫器及高溫過濾器(參見圖4) 的暖氣清理系統(tǒng)40，以去除例如灰及硫酸。合成氣流至碳捕獲50，例如煅燒爐，在此二氧化碳被去除。碳捕獲產(chǎn)生的氫氣與氮氣流到氣體渦輪機60，以及煙道氣被送入熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)70。HRSG可以是現(xiàn)有的PC裝置，新建設(shè)的HRSG，或在有些情況下是現(xiàn)有蒸汽裝置與新HRSG的組合。來自HRSG的蒸汽然后可被送去供給蒸汽輪機80的動力。如圖2中更詳細(xì)說明，在旋風(fēng)分離器30分離出的焦炭流入焦炭制備系統(tǒng)90，在此除去灰，并將焦炭送回至碳化器10作為燃料注入。在某些實施方式中，碳化器10與合成氣冷卻器20被設(shè)置在同一個壓力容器中(如圖6)。在碳化器中燃燒焦炭細(xì)粉的一個好處是消除了與部分氣化替代物有關(guān)的問題。在改造現(xiàn)有裝置中，可淘汰現(xiàn)有鍋爐以便為在此描述的新設(shè)備騰出位置，以及也為了能延長裝置的壽命，由此使升級負(fù)擔(dān)得起。還能消除淘汰的鍋爐燃燒大量焦炭的低效率。本系統(tǒng)和方法對于外部流化床的設(shè)計也是有利的，在該設(shè)計中焦炭細(xì)粉在外部流化床中燃燒，昂貴的冷卻器和過濾器是必要的。另外，在外部流化床中，燃燒焦炭細(xì)粉需要燃燒空氣大大增加了隨后必須冷卻的和清潔的空氣的體積流量。典型的焦炭制備系統(tǒng)在圖2中描述，且該系統(tǒng)包括接收來自旋風(fēng)分離器的焦炭的冷卻器91以及在一些實施方式中來自碳化器的溢出物(未顯示)。然后焦炭流過粉碎機 92、除灰的分離器93、以及氣間室94，之后粉碎的焦炭流向碳化器。來自加壓氣化器的焦炭比來自例如粉煤爐的焦炭反應(yīng)活性更低。另一方面，焦炭比煤更脆，所以粉碎機生產(chǎn)的顆粒度更小。顆粒越小，燃燒越快且完全燃燒所需要的流化床的體積也越小。沒有粉碎，焦炭顆粒不能完全燃燒，如用高級煤時在外部循環(huán)氣化器中的高未燃燒碳損耗所顯示的。圖2的分離器用于降低粉碎煤裝置所產(chǎn)生的粉煤灰的碳濃度，以使其，例如更適合作為生產(chǎn)水泥的原料。焦炭的灰濃度要比煤中灰濃度高幾倍，因為焦炭中包含所有的灰， 但在氣化后僅有一小部分的碳保留在焦炭內(nèi)。煤中的標(biāo)準(zhǔn)灰含量例如低于10%，期望在不使用灰分離器的情況下燃燒效率足夠高，以使其是不必要的，但是高灰濃度使焦炭更不易燃并且燃燒效率低。因此，高灰含量的煤，特別是對于灰為固有的高灰煤，采用灰分離。按照慣例，高灰煤的可用性很有限，然而，這里所介紹的焦炭制備系統(tǒng)現(xiàn)在可以使用高灰煤， 這個系統(tǒng)除去或降低灰含量。圖3是一個流程圖，描述IGCC的另一個典型配置，用于生產(chǎn)化學(xué)制品，如氨、生產(chǎn)化學(xué)品(如甲醇和Fischer-Tropsch液體)的氫-CO混合物。燃料的生產(chǎn)本身多聯(lián)產(chǎn)，使得生產(chǎn)電能時對其需求是高的，并且燃料是在非高峰期生產(chǎn)的。該系統(tǒng)基本和圖1所描述的一樣，除了將合成氣轉(zhuǎn)化為化學(xué)品的下游合成器，和去除保留在燃料中的所有甲烷的轉(zhuǎn)化器。在該實施方式中，從碳捕獲50中釋放出來的氫和氮流過合成器62，然后到達(dá)分離器 64。當(dāng)需要供電時，來自分離器64的未轉(zhuǎn)化的合成氣被送到動力島66。圖4是說明典型的合成氣凈化系統(tǒng)40的圖。合成氣流過燭形過濾器441、鹵化物洗滌器442、脫硫器443，最后到旋風(fēng)分離器444。脫硫器443包括再生器445，其排出的流被供給酸廠以生產(chǎn)硫酸；和吸收塔446。旋風(fēng)分離器去除合成氣中的任何吸附劑細(xì)粉。典型的和適合的合成氣凈化系統(tǒng)進(jìn)一步記載在2010年7月1日以WO 2010/075536公開的國際專利申請PCT/US2008/069455的例如第110段等以及圖4中，其內(nèi)容以引用的方式完整地引入本文。圖5描述了通過典型的內(nèi)部循環(huán)流化床碳化器或氣化器的主要流程。焦炭101被注入碳化器10的底部到導(dǎo)流管的150的入口，同時煤106流動進(jìn)入焦炭注射噴射109的上面部分。合成氣107從碳化器10的頂部產(chǎn)生。循環(huán)床以稀釋相流或活塞流向上流過導(dǎo)流管150，并從導(dǎo)流管外部回到密相流動床。盡管在圖1的流程系統(tǒng)中有一些反應(yīng)器外的循環(huán)流程，它較小，代表少于外部循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)流的1 %。與沸騰床氣化器相比，循環(huán)流化床反應(yīng)器具有更劇烈的混合，從而降低了溫度梯度。這依次還會減少熔渣的可能性，并能使反應(yīng)器具有用于特殊目的(如保留揮發(fā)物和提供熱解的無氧區(qū)，從而降低焦油的形成的分離)的區(qū)域。更劇烈混合也使得大規(guī)模生產(chǎn)變得更容易。與外部循環(huán)系統(tǒng)相比，內(nèi)部循環(huán)氣化器的益處包括結(jié)構(gòu)簡單和更小的高度。根據(jù)圖5的流程圖構(gòu)造的典型氣化器可以只有25英尺高，而在例如Wilsonville Power Systems Development Facility, <<http://psdf. southernco. com>> (2006 年 6 月 16 日訪問)所討論的外部循環(huán)流化床氣化器為150英尺高。后者更大的高度的部分原因是需要足夠高的浸入管以承受通過該系統(tǒng)的壓降。由于在此所述的系統(tǒng)和方法的外部循環(huán)固體是冷卻的固體，機械氣閘室94(圖2)可用于再循環(huán)這些固體，省去了浸入管。由于其較高通過速度，外部循環(huán)氣化器的氣化器部分也較高。此外，外部循環(huán)氣化器煤供料比在此所述的系統(tǒng)少約10倍。因此，煤必須粉碎成例如-0. 03英寸，而在此所述的系統(tǒng)的尺寸例如-0. 25英寸。這使得外部循環(huán)氣化器旋風(fēng)分離器很難捕獲焦炭細(xì)粉，結(jié)果，只有高反應(yīng)活性的低級煤在傳送氣化器中被有效氣化?？捎糜谠诖怂龅南到y(tǒng)和方法的較粗煤供料是有利的，由于煤足夠粗顆粒而保留在焦炭床中直到大部分被氣化。最終，約15%的煤變得足夠細(xì)而被合成氣夾帶。然而，這些顆粒仍足夠粗糙而容易由旋風(fēng)分離器捕獲。因此，碳的利用取決于焦炭燃燒器的效率，如果大小合適，其對于低級和高級煤，碳的利用與其他粉煤系統(tǒng)的一樣高，一般超過99%。如以下關(guān)于圖8所討論的，一些典型碳化器實施方式采用附聚器從系統(tǒng)中去除灰。這種情況下， 不需要外部的除灰器。圖6描述適合與暖氣清理系統(tǒng)一起使用的碳化器，在該系統(tǒng)中，合成氣的溫度從不低于焦油冷凝溫度。在此所述的其他典型實施方式包括帶熱裂解的碳化器(圖7和9) 和帶有環(huán)形床中的焦炭細(xì)粉燃燒(圖8)的碳化器。
參考圖6，在壓力容器639內(nèi)設(shè)置典型內(nèi)部循環(huán)流化床碳化器610和流化床合成氣冷卻器638。將水流612提供給流化床合成氣冷卻器638以冷卻流化床638，水流作為蒸汽 613排出。焦炭640的流化床向上循環(huán)通過導(dǎo)流管650的內(nèi)部并向下到外部。焦炭601和空氣610在混合器641中混合并通過燃燒器644在導(dǎo)流管650底部注入到焦炭的床中。由通過例如分配板的注入的蒸汽608引起流化，其也使焦碳?xì)饣?，生成一氧化碳和氫的混合物?床周圍的固體流通過導(dǎo)流管650中的氣體首先夾帶焦炭，通過變流裝置652繼續(xù)變流回到環(huán)面，以通過向下流過環(huán)面來結(jié)束，從而完成循環(huán)。變流裝置652使粗焦炭變流或淘洗，同時合成氣和焦炭細(xì)粉進(jìn)到流化床638。輸入流(煤606、空氣610和蒸汽608)可被外部燃燒器(未顯示)加熱。導(dǎo)流管650促進(jìn)向上流動。與焦炭640的流化床相連的導(dǎo)管661，以控制碳化器610中焦炭溫度的速度，從碳化器610去除焦炭。在一些實施方式中，采用噴動流化床碳化器。如果中央噴射器穿過表面，則帶有中央噴射器以促進(jìn)循環(huán)的流化床稱為“噴動床”，如果中央噴射器不穿過表面，則稱為“噴射床”。在一些實施方式中，使用噴動反應(yīng)器，因為它在保持混合反應(yīng)器的總體積上有優(yōu)勢，稱為“總混合”。例如，總混合可能發(fā)生在直徑大到15英尺的反應(yīng)器中，按照多個實施方式反應(yīng)器的尺寸可用于，例如，由單個容器向400-MW發(fā)電裝置供料。導(dǎo)流管一般促進(jìn)循環(huán)，以及通過將揮發(fā)物與環(huán)面中的空氣隔離還將揮發(fā)物保留。 通過導(dǎo)流管的流是稀釋相，所以與流化床底部的壓力相比壓降較小。這促進(jìn)焦炭循環(huán)，從而進(jìn)一步有助于保持整個碳化器的焦炭溫度均勻?；旌媳苊獬霈F(xiàn)使灰成渣的高溫點或使氣化過慢的冷區(qū)域。在一些實施方式中，計量注入環(huán)面底部的蒸汽和空氣的流速以提供期望的水-氣的量。放熱反應(yīng)(空氣與焦炭反應(yīng)形成一氧化碳)產(chǎn)生的熱可以被改進(jìn)或控制，使得它與吸熱反應(yīng)(蒸汽加焦炭反應(yīng)生成氫)所需的能量平衡。水-氣可流經(jīng)焦炭并從碳化器的頂部出來(例如帶有來自導(dǎo)流管的揮發(fā)物)，從而形成合成氣。在某些實施方式中，來自空氣的氮也與合成氣混合。在某些實施方式中，空氣和蒸汽被注入焦炭床底部的正壓室中，并通過正壓室頂部表面中的鼓泡蓋進(jìn)入床中，如記載在2010年7月1日以W02010/075536公布的國際專利申請PCT/US2008/069455的，例如圖7A和7B以及相應(yīng)描述中，其內(nèi)容以引用的方式完整地引入本文。在一些實施方式中，多余的焦炭可以從碳化器通過其底部料斗以控制閥控制的速度被去除。典型的控制閥使用蒸汽流的壓力來調(diào)節(jié)焦炭通過該閥的流量。焦炭流速例如可通過在碳化器一側(cè)的液位傳感器來控制，從而使床的頂部在期望點。在一些實施方式中，期望的點與導(dǎo)流管頂部的高度相同?？蓛?yōu)選從底部去除焦炭，因為，例如，它可減少或消除焦炭床中聚集過大顆粒的可能性，而聚集過大顆?？赡苁沽骰膊涣骰?。從“L”閥，焦炭然后可以通過焦炭冷卻器，在通過氣間室減壓之前，可通過蒸汽管進(jìn)行冷卻。在一些實施方式中，煤的熱解將在很大程度上到顆粒離開導(dǎo)流管時完成。在某種程度上，需要更多的反應(yīng)時間，熱解可能在焦炭床的上部區(qū)域進(jìn)一步完成。來自導(dǎo)流管的淘選物通過高處的變流裝置返回到環(huán)形床?！疤赃x物”是由于太粗而不被合成氣夾帶的顆粒，被提供足夠的自由空間(freeboard)避免淘選物從反應(yīng)器中溢出。變流裝置可用于減少或甚至消除自由空間的使用。
相反地，無論來自導(dǎo)流管還是環(huán)形床的焦炭細(xì)粉的顆粒足夠小，從而可被合成氣夾帶，而不論自由空間有多高。離開變流裝置的顆粒通過導(dǎo)流管使淘選物轉(zhuǎn)移回到床層中， 同時允許焦炭細(xì)粉從頂部離開。在一些實施方式中，暖氣清理系統(tǒng)是在低于焦油冷凝溫度下運行。如果是這樣，可以增加熱裂解揮發(fā)物中的焦油的上層床，如圖7和9所描述的。碳化器的操作在某些方面可以類似于圖6所描述的，由此在導(dǎo)流管的內(nèi)部發(fā)生向上流動和在外部向下流動，導(dǎo)流管由熱焦炭的流化床環(huán)繞。在圖7和9所述的上部床為流化床784、984中的揮發(fā)物提供足夠的停留時間以使焦油熱裂解，例如，約2-4秒。如果床材料是具有催化性，如白云巖或橄欖石，則時間將更短。而通過較高的床層溫度也可提高熱裂解，熱裂解可以在較低溫度，例如，1550下發(fā)生。在一些實施方式中，如圖7和9，利用半煅燒的白云石的流動，上層流化床784、984 可用于熱裂解和使合成氣脫硫。為此，床層必須在1500 °F左右溫度操作，在更高的溫度下使白云石失活，在更低的溫度下，不能煅燒白云石。只要碳化器床也在足夠高的溫度下操作以避免形成酚類(高于1550 T )，它應(yīng)該可以提供兩種功能。如果暖氣清理系統(tǒng)的脫硫器不能獲得足夠高的脫硫效率，則這種雙重功能是有用的。在圖7的碳化器710中采用似漏斗形狀的導(dǎo)流管延長部分780，部分地，以最小化碳化器直徑。由于較低的流化床中的速度必然相對慢，焦炭床740在碳化器的較低區(qū)域環(huán)形占有大部分的橫截面，而在發(fā)生稀釋相流動的導(dǎo)流管750中的速度則快得多。導(dǎo)流管750 中的高速度可顯著減小直徑。在中央部分包含帶有分配板786的沸騰流化床784的碳化器的上面部分782中，可允許來自環(huán)形床784的合成氣707以高速度流動。因此，在兩個區(qū)域中壓力容器739的直徑可以保持較小。在圖7中，變流裝置752使粗焦炭變流回到流化床中的同時允許合成氣和焦炭細(xì)粉進(jìn)入合成氣冷卻器，以及進(jìn)入用于使焦炭向下流動的浸入管788。焦炭701和空氣710進(jìn)入混合器741，并注入導(dǎo)流管750底部的焦炭床層。如果熱解在導(dǎo)流管中基本完成，那么僅僅來自導(dǎo)流管的物流需要熱裂解以去除焦油。然而，如果熱解不能在煤處于導(dǎo)流管期間完成，從環(huán)形床依然排放一些揮發(fā)物。如果該排放足以污染下游設(shè)備，則上層床可以延伸到整個反應(yīng)器直徑，這將增加反應(yīng)器的直徑。另外或可選擇地，上層床的材料也可以由粗糙、致密的材料制成，其表面的速度相對高，從而限制碳化器直徑增加的量。再另一個可替代的碳化器設(shè)計如圖8所示，其中，焦碳細(xì)粉是在環(huán)形床中燃燒。碳化器810包括被焦炭的環(huán)形碳流化床環(huán)繞的導(dǎo)流管850。導(dǎo)流管850的頂部淹沒在焦炭884 的上層床之下，其用于分離來自合成氣807的夾帶的焦炭并熱裂解揮發(fā)物中的焦油。蒸汽 808和空氣810通過歧管889中的噴射管818進(jìn)入上層床884。通過使用夾帶循環(huán)的焦炭的垂直噴射809促進(jìn)導(dǎo)流管850中的向上流動。通過導(dǎo)流管850的流是活塞流(slug flow)， 而環(huán)形床中的流是沸騰床流。通過向?qū)Я鞴?50中注射煤806，消除高結(jié)塊煤的團(tuán)聚的風(fēng)險，以及保存揮發(fā)物。在基本無氧氣氛下將煤806注入到導(dǎo)流管850中，以及由進(jìn)入環(huán)形流化床840底部的分配板814的氣體向系統(tǒng)提供熱。床中的灰由附聚器816去除。在某些實施方式中，附聚器816去除碳化器810中的灰，降低焦炭的密度。在某些實施方式中，通過使用附聚器816可減小或消除對除灰器(參見例如圖2中的分離器93)的需求。
通過首先燃燒頂部822的流化床中的焦炭顆粒使附聚器816工作，附聚器加熱顆粒足以使灰軟化并形成較大的顆粒(或附集)。然后附集物流動通過附聚器816的下部 824，其中空氣流動足夠低以保持顆粒不流化。因此，通過底部引入的空氣逆流冷卻這些顆粒。一旦顆粒到達(dá)附聚器的底部，便會冷卻得足以通過下面的氣閘室去除。與圖6所示的實施方式相反，其中碳酸化器的熱源是注入到環(huán)形床下的分配板中的熱氣體，在圖8中，熱來自經(jīng)過分配板814的焦炭細(xì)粉的燃燒。在某些實施方式中，如圖8所示的噴射管818還可用于最小化在環(huán)形床底部焦炭細(xì)粉的蒸汽冷卻以及最大化燃燒效率。分離器套820也可用于最小化未燃燒的焦炭逃逸進(jìn)入導(dǎo)流管850中。在某些實施方式中，省略附聚器。圖7和圖8的設(shè)計之間的一個區(qū)別涉及焦炭顆粒密度。圖8的碳化器的附聚器 816通過優(yōu)先移除灰而降低在床層中的細(xì)灰濃度到低水平，從而導(dǎo)致非常低的床層密度，通常每立方英尺小于10磅。另一方面，圖7的碳化器的溢流管761用于移除固體時，從床移除的焦炭顆粒含有碳和灰，所以平均床層密度較高，在每立方英尺20至40磅之間。在高密度床層的實施方式中，焦炭密度的影響在于環(huán)形床的流體靜壓力非常有助于焦炭的循環(huán)，而在低密度床層的實施方式中，循環(huán)主要是由于導(dǎo)流管的進(jìn)入。后者相比前者是更弱的機制，因此循環(huán)流動慢得多，通常，圖8的設(shè)計的煤供料速率低于30次，而圖7 的設(shè)計的煤供料率超過100次。較低的循環(huán)比率增加回路周圍的溫度差，這會導(dǎo)致燒成渣。 然而，對于圖8的活塞流需要低密度，否則，導(dǎo)流管的入口處的噴射太弱以至于不能提供足夠的循環(huán)。如圖7所示的高密度設(shè)計也具有比圖8所示的低密度設(shè)計更小的直徑。在目前所述的實施方式之前，一般吹空氣氣化器的主要特征至少已經(jīng)是其龐大的整體尺寸，在這一點上使得花費足以減少或抵消因消除氧裝置而相對于吹氧系統(tǒng)所具有的成本優(yōu)勢。其龐大尺寸的部分原因是氣化焦碳細(xì)粉所需額外的自由空間體積(這部分體積由溫和氣化去除)，以及沸騰床中必須保持較低的表觀速度，以防止將床層材料吹出床層。在圖8的實施方式中，避免淘洗所需要的焦炭床的表觀流速特別低，一般在1. 2至 1. 5英尺/秒之間。由于其較高的密度，圖7的碳化器中的焦炭床可在稍微更高的速度(例如2. 5英尺/秒)下操作，這減小其直徑。其結(jié)果，例如對于400-MW的IGCC，對于圖7和圖 9的實施方式僅需要一個碳化器，而圖8的實施方式則需要兩個。盡管如此，只要輔助系統(tǒng) (如供料器)不明顯增加成本，碳化器的成本通常少于裝置成本的5%。因此，盡管低的表觀速度，圖8中的實施方式仍然可用。如圖9所示的再另一個可替代的碳化器結(jié)合圖7和圖8的實施方式的特征，其中圖8的焦炭燃燒的方案替換為圖7的焦炭燃燒方案。這種實施方式的優(yōu)點是最小化導(dǎo)流管的高度以及反應(yīng)器高度。在圖9中，變流裝置952接收來自導(dǎo)流管950的揮發(fā)物和焦炭 954，并使粗的焦炭變流返回流化床中，同時使合成氣和焦炭細(xì)粉經(jīng)過分配板986去進(jìn)行熱裂化器982，以及浸入管988提供焦炭的向下流動。經(jīng)過分配板914，焦炭901和空氣910 進(jìn)入流化床。通過燃燒噴射器，煤906和再循環(huán)的氣體被注入導(dǎo)流管950底部的焦炭的床層。該實施方式的另外的特征是導(dǎo)流管延伸部分980。來自熱裂化器982的合成氣907流入冷卻器(未顯示)。該實施方式的其他特征是如上所述的溢流管981。內(nèi)部循環(huán)碳化器的另一個實施方式如圖10所示。不論燃料的反應(yīng)活性或燃燒速度，該實施方式提供高焦炭循環(huán)速率。煤1010被風(fēng)動輸送到碳化器并進(jìn)入導(dǎo)流管1008，在此與來自環(huán)形床1020的熱焦炭1014混合。焦炭細(xì)粉1016被風(fēng)動輸送到碳化器，連同它們的燃燒空氣以及用于在區(qū)域1020的環(huán)形沸騰床中氣化焦炭的空氣和蒸汽。焦炭細(xì)粉通過正壓室1006和分配板1004進(jìn)入碳化器。焦炭床層1022提供來自導(dǎo)流管1009的揮發(fā)物的熱裂解，以及還通過覆蓋導(dǎo)流管出口來防止焦炭的噴霧進(jìn)入到自由空間1(^6。延伸部1000在分配器1004下使壓力容器IOM擴(kuò)大并達(dá)到排管1012的底部。延伸部作為浸入管1018通過提高在導(dǎo)流管1008的底部進(jìn)入的焦炭的流體靜壓頭來提高焦炭流1014的流動。延伸部1018提供足夠的流體靜壓頭，其通過導(dǎo)流管促進(jìn)循環(huán)，即使煤為非?；钚曰虻腿紵俾?，兩者會降低氣化器床1022的高度。因此可獲得高循環(huán)流速以向輸入的煤提供足夠的熱以使其達(dá)到床層溫度并徹底熱解。高循環(huán)速率也防止在導(dǎo)流管中結(jié)塊煤的聚集。如果焦炭密度太低，由于高結(jié)塊煤中形成煤胞，可降低循環(huán)流速。通過添加增加循環(huán)固體的平均密度的惰性顆粒材料，如白云石，可以提高流速。在某些實施方式中，在此所述的系統(tǒng)和方法進(jìn)一步使用去除或減少二氧化碳的排放的ALC系統(tǒng)。圖11說明一種利用固定床反應(yīng)器實現(xiàn)吸附劑促進(jìn)的反應(yīng)(SER)的典型的 ALC系統(tǒng)。固定床反應(yīng)器是其床層中的材料保持固定的反應(yīng)器。圖11的典型ALC系統(tǒng)包括反應(yīng)器1102和1104，其中每個可設(shè)置作為煅燒爐和碳酸化器運行。當(dāng)圖11中的閥在所示的位置時，反應(yīng)器1102為碳酸化器以及反應(yīng)器1104為煅燒爐。當(dāng)每個閥的位置顛倒時，反應(yīng)器1102是煅燒爐以及1104反應(yīng)器是碳酸化器。在優(yōu)選的實施方式中，每個反應(yīng)器除了包含用于甲烷蒸汽重整的催化劑外，還包含吸附劑的床。在典型實施方式中，催化劑是多孔
ο在圖11的典型實施方式中，含有蒸汽的合成氣1101通過進(jìn)口 1110進(jìn)入反應(yīng)器 1102。合成氣在床層108中脫碳，并經(jīng)出口 1112排出反應(yīng)器。從那里以管輸送到冷卻器 1114和管道1116，管道在IGCC的情況下與燃?xì)鉁u輪機相連，或在化工廠的情況下與合成器連接。同時，通過壓縮機IlM產(chǎn)生的反應(yīng)器1104中的真空能使反應(yīng)器1104中的吸附劑被煅燒，通過出口 1118排放二氧化碳流，排放的二氧化碳流由冷卻器1122冷卻以確保壓縮機IlM有效運行。壓縮機組件1120中的進(jìn)一步階段，其中僅顯示兩個階段，每一個包括后面連接著中間冷卻器1126的壓縮機11M。壓縮機組件1120將二氧化碳壓縮到管道壓力。組件1120的最后階段包括冷卻器11 ，二氧化碳被冷卻器冷卻后進(jìn)入去封存點的管線 1128。典型ACL系統(tǒng)的另外的實施方式已在2010年9月20日提交、代理人代碼為 118135-00520、名稱為"Systems，Devices And Methods For Calcium Looping"的 Alex Wormser國際專利申請PCT/US2010/######中討論和示出，其內(nèi)容以引用方式完整地引入本文。應(yīng)注意，在此所述的本發(fā)明的實施方式可包括類似的特征、要素、安排、配置、步驟等。因此，為清楚起見，附上一些包含附圖標(biāo)記的附圖以供參照。然而，共同的附圖標(biāo)記決不意味著顯示相同或基本類似的特征，但代之以只是簡單地表示功能基本類似(如實現(xiàn)類似功能的特征)。
權(quán)利要求
1.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)，用于改造現(xiàn)有裝置，其包括 內(nèi)部循環(huán)流化床碳化器，其由固體燃料形成合成氣和焦炭；合成氣冷卻器，其與所述碳化器連通； 分離器，其與合成氣冷卻器連通，并將焦炭與合成氣分離；焦炭制備系統(tǒng)，其與分離器連通，所述系統(tǒng)制備待注射到碳化器中的焦炭，所述焦炭制備系統(tǒng)包括冷卻器，其從焦炭除去熱；粉碎機，其與冷卻器連通，其粉碎焦炭；氣閘室，其與粉碎機連通；注射器，其接收來自焦炭制備系統(tǒng)的粉碎的焦炭，并且把粉碎的焦炭引入碳化器中，通過粉碎的焦炭向碳化器提供熱源。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括與所述分離器連通的暖氣清理系統(tǒng)和碳捕獲系統(tǒng)，其用于凈化合成氣。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括與所述粉碎機連通的除灰器。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述碳化器包括 分配板，其設(shè)置在碳化器內(nèi)焦炭的環(huán)形沸騰床下面；和浸入管，其設(shè)置在碳化器的下面。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中高密度顆粒流被添加到焦炭的環(huán)形沸騰床。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述碳化器還包括熱裂解流化床。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述碳化器還包括帶有上層床和下層床的流化床， 其中上層床是熱裂解流化床，下層床是碳化床。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述粉碎的焦炭與用于燃燒焦炭的空氣流一起被注入到設(shè)置在所述碳化器中的導(dǎo)流管的進(jìn)口，以及煤流以高于導(dǎo)流管的焦炭燃燒區(qū)域的水平被注入到導(dǎo)流管。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述粉碎的焦炭與用于燃燒焦炭的空氣流一起被注入到分配板下面的正壓室，所述分配板位于設(shè)置在碳化器中的導(dǎo)流管外的焦炭的環(huán)形流化床之下，以及煤被注入到導(dǎo)流管的進(jìn)口。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中用于氣化環(huán)形床層的蒸汽和氧化劑也被注入到所述分配板之下的正壓室。
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中用于氣化環(huán)形床層的氧化劑的部分或全部通過噴射管被輸送入位于分配板之上的環(huán)形床之中，以提供焦炭的有效燃燒。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中分離器套被安裝在分配板的內(nèi)徑上，使得進(jìn)入導(dǎo)流管的焦炭流受限。
13.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中固體燃料是煤。
14.一種實現(xiàn)現(xiàn)有化石燃料發(fā)電裝置的二氧化碳排放量的減少的方法，所述方法包括 改造現(xiàn)有發(fā)電裝置以包括前述任一項權(quán)利要求的系統(tǒng)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述系統(tǒng)包括碳捕獲系統(tǒng)，且通過改造系統(tǒng)實現(xiàn)的節(jié)省額基本等于或小于建設(shè)新的沒有碳捕獲系統(tǒng)的燃煤發(fā)電裝置所需的費用。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中至少二氧化碳的排放量的20%減少通過所述改造的發(fā)電裝置實現(xiàn)。
17.前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中提高的發(fā)電能力在所述改造的發(fā)電裝置實現(xiàn)。
18.一種方法，用于實現(xiàn)來自現(xiàn)有化石燃料發(fā)電裝置的二氧化碳排放量的減少以及提高發(fā)電裝置IGCC子系統(tǒng)的效率，所述方法包括碳化固體燃料以產(chǎn)生合成氣流和焦炭細(xì)粉； 將焦炭細(xì)粉與合成氣流分離； 冷卻焦炭細(xì)粉； 粉碎焦炭細(xì)粉；降低焦炭細(xì)粉中的細(xì)灰濃度；以及將焦炭細(xì)粉作為燃料注入碳化器中；其中，通過將焦炭細(xì)粉返回到碳酸化器中并作為燃料，來提高IGCC子系統(tǒng)的效率。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述方法還包括從合成氣中去除污染物，所述方法包括過濾合成氣以提供過濾的合成氣；在固定床反應(yīng)器中吸附過濾的合成氣中的鹵化物組分；和用可再生脫硫器去除合成氣中的含硫組分，所述脫硫器包括可以交替用于吸附硫和再生吸附劑的用于連續(xù)脫硫的兩個循環(huán)流化床反應(yīng)器。
20.如權(quán)利要求18或19所述的方法，其中所述方法還包括減少合成氣中二氧化碳的含量，所述方法包括用可再生脫碳器從合成氣中去除二氧化碳組分，從而減少合成氣中的二氧化碳濃度， 所述脫碳器包括可以交替用于吸附二氧化碳組分以及再生吸附二氧化碳組分的氧化鈣吸附劑的兩個循環(huán)流化床反應(yīng)器，以及壓縮和儲存二氧化碳組分。
21.如18、19或20所述的方法，其中所述碳化步驟也產(chǎn)生一氧化碳，以及所述方法還包括通過吸附劑促進(jìn)的反應(yīng)來去除一氧化碳。
22.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)或方法，其中所述系統(tǒng)還包括，或所述方法還包括使用用于減少合成氣中碳含量的絕熱鈣循環(huán)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個固定床反應(yīng)器，其具有固定的吸附劑床，所述至少一個固定床反應(yīng)器被交替設(shè)置為加壓碳酸化器裝置和負(fù)壓的煅燒爐裝置；鈣基吸附劑，存在于固定的吸附劑床中，當(dāng)所述至少一個固定床反應(yīng)器被設(shè)置為碳酸化器裝置時其用于吸附合成氣中的碳，當(dāng)所述至少一個固定床反應(yīng)器被設(shè)置為煅燒爐裝置時其用于使碳解吸附；以及一個或多個閥機構(gòu)，其用于交替地將所述至少一個固定床反應(yīng)器設(shè)置為碳酸化器裝置和煅燒爐裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供包括整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的系統(tǒng)、方法及設(shè)備以對現(xiàn)有的裝置進(jìn)行改造。該系統(tǒng)包括，例如，用于在內(nèi)部循環(huán)流化床碳化器產(chǎn)生合成氣之后分離焦炭細(xì)粉和合成氣以及作為燃料源將焦炭注入到碳化器的導(dǎo)流管中的子系統(tǒng)。因此，將生產(chǎn)效率和發(fā)電量提高到使得現(xiàn)有燃煤裝置可以包括碳捕獲系統(tǒng)以顯著減少二氧化碳排放的程度。
文檔編號C10J3/54GK102575178SQ201080041732
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者A·沃姆瑟 申請人:沃姆瑟能源解決方案公司