二氧化碳循環(huán)到氣化系統(tǒng)的方法
【專利摘要】一種在IGCC系統(tǒng)中制備合成氣的方法，所述方法包括壓縮和加熱富二氧化碳?xì)?，以產(chǎn)生經(jīng)加熱壓縮的富二氧化碳?xì)?，將加熱壓縮的富二氧化碳?xì)馀c氧和原料混合，以形成原料混合物，使原料混合物經(jīng)過氣化，以產(chǎn)生合成氣，使合成氣在輻射合成氣冷卻器(144)中冷卻，使在輻射合成氣冷卻器中冷卻的合成氣與壓縮的富二氧化碳?xì)饨佑|，以進(jìn)一步冷卻合成氣，從產(chǎn)物混合物去除一定量富二氧化碳?xì)?，并在與氧和原料混合前壓縮去除的富二氧化碳?xì)狻?br>【專利說明】
二氧化碳循環(huán)到氣化系統(tǒng)的方法
[00011 本申請是以下申請的分案申請：申請日：2010年6月13日；申請?zhí)枺?010102134500; 發(fā)明名稱："二氧化碳循環(huán)到氣化系統(tǒng)的方法"。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 總體而言，本發(fā)明涉及改進(jìn)整體氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC)工廠的操作，更具體地講，涉 及使合成氣提供的富二氧化碳?xì)庠诩訜岷笱h(huán)到氣化器和/或輻射合成氣冷卻器入口的方 法。
【背景技術(shù)】
[0003] 在至少一些已知的整體氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC)系統(tǒng)中，從合成氣去除的二氧化碳 (更通常的情況是，富二氧化碳?xì)?排出或者用于制備化學(xué)品，一般不循環(huán)到氣化器(在本文 也稱為氣化反應(yīng)器）。在其中富二氧化碳?xì)庋h(huán)回到氣化器的那些系統(tǒng)中（即，在一些氣體 原料工廠和有些液體原料工廠)已實(shí)行該循環(huán)，以提高合成氣中一氧化碳與氫比率，用于加 工羰基合成化學(xué)品(oxo-chemical)的過程。然而，在這些過程中，未得到用氣體原料降低耗 氧量或提高碳轉(zhuǎn)化率相關(guān)的益處。
[0004] 因此，就在IGCC工廠中富二氧化碳?xì)獾奶幚矶?，需要提高IGCC效率。具體地講， 需要降低耗氧量和/或耗氫量和提高碳轉(zhuǎn)化率的氣化方法。另外，如果能夠提供與常規(guī)方法 相比需要較低熱值的冷卻方法從而提供更成本有效的經(jīng)濟(jì)替代方法將是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 現(xiàn)已意外地發(fā)現(xiàn)，通過在氣化系統(tǒng)(如用于IGCC工廠的氣化系統(tǒng)）中將富二氧化碳 氣循環(huán)到氣化器，自富二氧化碳?xì)獾难鯀⑴c氣化反應(yīng)，并促進(jìn)降低耗氧量和提高碳轉(zhuǎn)化率。 降低的耗氧量和較高的碳轉(zhuǎn)化率兩者均促進(jìn)提高IGCC工廠效率。如本文所述，富二氧化碳 氣與熱合成氣在輻射合成氣冷卻器入口混合有利改變逆水煤氣變換反應(yīng)，使得二氧化碳與 合成氣中的氫進(jìn)行吸熱反應(yīng)，從而促進(jìn)產(chǎn)生更多一氧化碳。增加一氧化碳促進(jìn)降低耗氫量 和提高IGCC效率。
[0006] 第一方面，本發(fā)明提供一種從氣化系統(tǒng)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方 法。所述方法包括在分離裝置中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)?壓縮富二氧化碳 氣;并將至少第一部分壓縮的富二氧化碳?xì)夤┑綒饣鳌?br>[0007] 另一方面，本發(fā)明提供一種從氣化系統(tǒng)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方 法。所述方法包括在分離裝置中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)?壓縮富二氧化碳 氣;在氣化器中產(chǎn)生第二合成氣混合物;將第二合成氣混合物和至少第一部分壓縮的富二 氧化碳?xì)饣旌?，以形成組合合成氣混合物;并將組合合成氣混合物引入福射合成氣冷卻器， 以促進(jìn)冷卻第二合成氣混合物。
[0008] 另一方面，本發(fā)明提供一種從氣化系統(tǒng)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方 法。所述方法包括在分離裝置中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)?壓縮富二氧化碳 氣;在氣化器中產(chǎn)生第二合成氣混合物;將第二合成氣混合物和至少第一部分壓縮的富二 氧化碳?xì)饣旌?，以形成組合合成氣混合物;并將組合合成氣混合物引入對流合成氣冷卻器， 以促進(jìn)冷卻第二合成氣混合物。
【附圖說明】
[0009] 圖1為示例性整體氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC)發(fā)電工廠的示意圖；并且
[0010] 圖2為顯示本發(fā)明的示例性方法的示意圖，其中來自分離裝置中合成氣的富二氧 化碳?xì)庋h(huán)到氣化器、福射合成氣冷卻器和對流合成氣冷卻器之一。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 圖1為示例性整體氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC)發(fā)電工廠100的示意圖。圖2為顯示本發(fā)明 的示例性方法的示意圖。雖然圖1只描繪IGCC工廠100的一部分，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了 解，本文所述方法可用于完全I(xiàn)GCC工廠(包括至少一個蒸汽渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī))和/或在本領(lǐng) 域已知的結(jié)構(gòu)類似IGCC工廠。
[0012] 另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，雖然本文用IGCC發(fā)電工廠描述，但在不脫離本發(fā) 明的范圍下，任何已知的分離和/或氣化系統(tǒng)均可利用本發(fā)明。更具體地講，包括提供物理 和/或化學(xué)分離、變壓吸附、變溫吸附、膜分離等及其組合的分離裝置的系統(tǒng)均可適合地利 用本發(fā)明的方法。
[0013] 在示例性實(shí)施方案中，IGCC工廠100包括氣化系統(tǒng)200。另外，在所述示例性實(shí)施方 案中，系統(tǒng)200包括通過空氣導(dǎo)管204與空氣源(未顯示)流動連通的至少一個空氣分離裝置 202。此空氣源可包括但不限于專用空氣壓縮機(jī)和/或壓縮空氣存儲裝置(均未顯示）。裝置 202將空氣分離成氧氣(〇2)、氮?dú)?N2)，其他組分通過排氣口（未顯不)釋放。
[0014] 系統(tǒng)200包括氣化器208,氣化器208與裝置202流動連通，并接收通過O2導(dǎo)管210從 裝置202引導(dǎo)的0 2。系統(tǒng)200還包括煤研磨和制漿裝置211。裝置211分別通過供煤管212和供 水管213與煤源和水源（均未顯示)流動連通。裝置211構(gòu)造成混合煤和水，以形成煤漿反應(yīng) 物流，下文稱為"原料"（未顯示），煤漿反應(yīng)物流通過煤漿導(dǎo)管214引導(dǎo)到反應(yīng)器208。
[0015] 氣化器208分別通過導(dǎo)管214和210接收原料和〇2。氣化器208促進(jìn)產(chǎn)生熱的粗合成 氣體(合成氣)流(未顯不）。粗合成氣包含一氧化碳(CO)、氫氣(H2)、二氧化碳(C〇2)、硫化羰 (COS)和硫化氫(H 2S)。雖然通常將CO2XOS和H2S統(tǒng)稱為酸性氣體或粗合成氣的酸性氣體組 分，但從現(xiàn)在起將CO 2與其余酸性氣體組分分開討論。另外，氣化器208也產(chǎn)生作為合成氣制 備的副產(chǎn)物的熱渣流(未顯示）。將渣流通過熱渣導(dǎo)管216引導(dǎo)到渣處理裝置215。裝置215使 渣驟冷并破碎成小渣片，其中產(chǎn)生渣去除流并通過導(dǎo)管217引導(dǎo)。
[0016] 參照圖1，氣化器208通過熱合成氣導(dǎo)管218與輻射合成氣冷卻器(RSC)144流動連 通。RSC 144接收熱粗合成氣流，并通過導(dǎo)管146將至少一部分熱轉(zhuǎn)移到熱回收蒸汽發(fā)生器 (HRSG)142。隨后，RSC 144產(chǎn)生經(jīng)冷卻的粗合成氣流(未顯示），經(jīng)冷卻的粗合成氣流通過合 成氣導(dǎo)管219引導(dǎo)到對流合成氣冷卻器(CSC)260<XSC 260進(jìn)一步使粗合成氣流冷卻。
[0017] 再次參照圖1和2,經(jīng)冷卻的粗合成氣流然后通過合成氣導(dǎo)管220引導(dǎo)到合成氣洗 滌器(在圖2中概括地示于270)和低溫氣體冷卻(LTGC)裝置221。裝置221去除粗合成氣流內(nèi) 夾帶的顆粒物質(zhì)，并促進(jìn)所除去的物質(zhì)通過飛灰導(dǎo)管222去除。裝置221也對粗合成氣流提 供另外的冷卻。另外，裝置221通過水解使粗合成氣流中的至少一部分COS轉(zhuǎn)化成H2S和CO2。
[0018] 系統(tǒng)200也包括分離裝置250,分離裝置250與裝置221流動連通，并經(jīng)由粗合成氣 導(dǎo)管225接收經(jīng)冷卻的粗合成氣流。裝置250促進(jìn)從粗合成氣流去除至少一部分酸組分(未 顯示），如以下更詳細(xì)討論。此類酸性氣體組分包括但不限于C0 2、⑶3和出5。另外，在一個方 面，裝置250通過導(dǎo)管223與減硫子系統(tǒng)275流動連通。子系統(tǒng)275也接收并促進(jìn)至少一些所 述酸性氣體組分分離成包括但不限于C0 2、C0S和H2S的各組分。通過裝置250和子系統(tǒng)275分 離和去除這些C〇2、COS和H2S促進(jìn)產(chǎn)生清潔合成氣流(未顯示），清潔合成氣流通過清潔合成 氣導(dǎo)管228引導(dǎo)到燃?xì)鉁u輪機(jī)114。
[0019] 參照圖1和2,裝置250通過富CO2氣流導(dǎo)管224將富⑶2氣流引導(dǎo)到氣化器208。本文 所用"富二氧化碳?xì)?或"富CO 2氣"是指具有超過50 %重量二氧化碳的氣流。一方面，最終整 合富酸氣流(未顯示)包含富CO2氣流且也包含已通過上述減硫子系統(tǒng)275和任選的尾氣處 理裝置(TGU)277進(jìn)一步從粗合成氣流分離的預(yù)定濃度的COS和H 2S(未顯示）。在一些實(shí)施方 案中，如圖2所示，在分離COS和H2S后，含COS和H 2S的物流在與富CO2氣流混合前通過壓縮機(jī) 300壓縮，并通過富CO2氣流導(dǎo)管224引導(dǎo)到氣化器208。
[0020] 分離裝置250從合成氣去除約15%至約50 %的富二氧化碳?xì)?，基于合成氣中存?的全部二氧化碳的摩爾數(shù)計算。如上提到，所述CO2作為富CO 2氣流(在本文中也稱為"循環(huán)富 CO2氣流"）或者與COS和H2S作為最終整合富酸氣流引導(dǎo)到氣化器208。
[0021] 分離裝置250通過導(dǎo)管224與氣化器208流動連通，其中循環(huán)富CO2氣流分預(yù)定批次 引導(dǎo)到氣化器208。如圖2進(jìn)一步顯示，自裝置250的富⑶ 2氣通過CO2壓縮機(jī)302壓縮，并在由 導(dǎo)管224引導(dǎo)時通過CO2加熱器304加熱。
[0022] 在一個實(shí)施方案中，在操作中分別通過導(dǎo)管210和214的O2和原料可與通過導(dǎo)管 224和402的已在壓縮機(jī)302中壓縮并且可已在或未在加熱器304中加熱的富⑶ 2氣混合。所 得原料混合物供到氣化器208的入口 306a、306b和306c，其中根據(jù)常規(guī)方法進(jìn)行氣化，以產(chǎn) 生合成氣。
[0023]已發(fā)現(xiàn)，通過在一部分供入氣化器之前壓縮和/或加熱富⑶2氣，可促進(jìn)在氣化系 統(tǒng)200中氣化期間和IGCC工廠100中隨后過程中提高碳轉(zhuǎn)化率。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明 的方法與常規(guī)氣化系統(tǒng)相比可提高碳轉(zhuǎn)化率至多約3%。提高碳轉(zhuǎn)化率促進(jìn)提高IGCC工廠 100的效率。更具體地講，通過提高氣化器208中的碳轉(zhuǎn)化率，可由Boudouard反應(yīng)：
[0024] CQ2 + C + 2CO [0025]和逆水煤氣變換反應(yīng)：
[0026] C〇2 + H2 CO 屮 H2Q'
[0027] 提高一氧化碳(CO)濃度。
[0028] 通過提高一氧化碳產(chǎn)量，可促進(jìn)在氣化期間降低耗氧量，這進(jìn)一步促進(jìn)提高IGCC 工廠100的效率。具體地講，在壓縮富C〇2氣時，在氣化期間需要較少氧，因?yàn)樵贐oudouard反 應(yīng)和逆水煤氣變換反應(yīng)中產(chǎn)生的CO提供了氧源。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法與常規(guī) 氣化系統(tǒng)相比可降低每單位合成氣產(chǎn)量(即，氫和CO產(chǎn)量)耗氧量至多約2%。
[0029]在分離裝置250中從合成氣混合物分離的富⑶:^氣通常壓縮到高于常規(guī)IGCC工廠 100的氣化器208中的壓力約50鎊/平方英寸至約300鎊/平方英寸的壓力。氣化器壓力通常 為約400鎊/平方英寸至約900鎊/平方英寸。
[0030] 另一方面，如果加熱富CO2氣，則在氣化期間需要較少O2加熱合成氣。具體地講，加 熱的富CO 2氣已加到合成氣，因此，不需要將溫度提高到常規(guī)氣化范圍產(chǎn)生所需的熱粗合成 氣。因此，促進(jìn)更有效的IGCC氣化過程。
[0031] 壓縮的富⑶2氣通常具有約200°F(93.3°C)至約300°F(148.9°C)的溫度。在加熱 時，通常將壓縮的富CO 2氣加熱到約550°F(278.8°C)至約700°F(371.1°C)的溫度。例如，在 一個方面，將壓縮的富CO 2氣加熱到約650°F(343.3°C)的溫度。
[0032] 除了降低耗氧量外，較高碳轉(zhuǎn)化率(在壓縮和/或加熱富CO2氣時產(chǎn)生)可導(dǎo)致通過 上述逆水煤氣變換反應(yīng)降低耗氫量。具體地講，CO具有與出相比較低的熱值。因此，通過在 氣化方法用CO代替H 2，可提高效率。
[0033] 在氣化器208中產(chǎn)生的合成氣在出口 310離開氣化器208。如上一般所述，熱粗合成 氣引導(dǎo)到RSC 144和CSC 260,其中使合成氣冷卻，然后引導(dǎo)到合成氣洗滌器270、LTGC裝置 221并最終引導(dǎo)到分離裝置250。
[0034]在一個方面，通過在加入點(diǎn)312使熱粗合成氣混合物與通過分離裝置250分離的經(jīng) 導(dǎo)管404的一部分壓縮和/或加熱富二氧化碳?xì)饣旌希孕纬山M合合成氣混合物，可在引入 RSC 144前冷卻熱粗合成氣。然后，可通過入口 314將組合合成氣混合物引入RSC 144,在此 將其冷卻。
[0035]已發(fā)現(xiàn)，通過使氣化器208中產(chǎn)生的熱粗合成氣與一部分壓縮和/或加熱的富⑶2 氣混合，可進(jìn)一步使IGCC工廠100更有效地運(yùn)行。具體地講，如上所述，經(jīng)壓縮和/或加熱的 富CO2氣通過逆水煤氣變換反應(yīng)提高碳轉(zhuǎn)化率，從而降低耗氫量。由于CO具有與出相比較低 的熱值，與H 2相比CO還能夠更有效地被冷卻，因此得到較低成本和較高效率IGCC工廠100。 [0036]另外，在一些工廠中，分離系統(tǒng)進(jìn)一步在輻射合成氣冷卻器144中包括煙灰吹除， 以吹去冷卻器144的管上的灰渣沉積物。通常用氮(N 2)吹除煙灰。然而，利用本發(fā)明的方法， 可用CO2代替犯吹除煙灰，這提供進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。具體地講，由于CO 2KN2密度大，因此吹除煙 灰需要較少C02。另外已發(fā)現(xiàn)，0) 2比他更容易從合成氣分離。
[0037] 經(jīng)冷卻的合成氣在出口 318離開RSC 144,并且可引導(dǎo)到CSC260進(jìn)一步冷卻。具體 地講，在一個實(shí)施方案中，使合成氣進(jìn)一步冷卻到約900°F(482.2°C)至約1600°F(871.1°C) 溫度，更具體地講，冷卻到約1300°F(704.4°C)溫度。一旦冷卻，就可將合成氣引入合成氣洗 滌器270和LTGC裝置221，用于去除粗合成氣流內(nèi)夾帶的顆粒物質(zhì)，然后引入分離裝置250， 以促進(jìn)至少一些酸性氣體組分分離成包括但不限于C0 2、C0S和H2S的各組分。
[0038] 在一個方面，經(jīng)冷卻的合成氣離開RSC 144,并在加入點(diǎn)320與通過分離裝置250分 離的一部分壓縮富二氧化碳?xì)饣旌?，以形成組合合成氣混合物。通常如果在加入點(diǎn)320加入 壓縮的富CO2氣，則不在CO 2加熱器304加熱富CO2氣。由于不加熱壓縮的富CO2氣，可允許經(jīng)冷 卻的合成氣進(jìn)一步冷卻。
[0039] 一旦混合，就將組合合成氣混合物供到對流合成氣冷卻器(CSC)260的入口 322,在 此經(jīng)過進(jìn)一步冷卻。在出口326離開CSC 260的經(jīng)冷卻合成氣通常為約400°F(204.4°C)至約 800°F(426.7°C)的溫度。然后將經(jīng)冷卻的合成氣供到合成氣洗滌器270、LTGC裝置221和分 離裝置250。
[0040]雖然本文描述為對經(jīng)壓縮和/或加熱富CO2氣進(jìn)入氣化系統(tǒng)200的合成氣混合物的 多個連續(xù)加入點(diǎn)進(jìn)行操作，但應(yīng)認(rèn)識到，經(jīng)壓縮的富CO2氣可只在一個或在兩個上述加入點(diǎn) 加入而不脫離本發(fā)明的范圍。例如，在一個方面，首先在氣化器208中只用O2和原料產(chǎn)生合 成氣（不加入經(jīng)壓縮和/或加熱的富CO2氣），然后可使合成氣混合物在加入點(diǎn)312與第一部 分經(jīng)壓縮和/或加熱的富CO 2氣混合，并在RSC 144中冷卻。在另一個方面，從O2和原料產(chǎn)生合 成氣，并在RSC 144中冷卻。一旦經(jīng)冷卻的合成氣在出口 318離開RSC 144,經(jīng)冷卻的合成氣 就可在加入點(diǎn)320與第一部分經(jīng)壓縮和/或加熱的富⑶2氣混合，并在CSC 260中進(jìn)一步冷 卻。
[0041] 使用本發(fā)明的方法的一個另外優(yōu)點(diǎn)包括不需要在IGCC工廠100中包含除硫子系統(tǒng) 275。具體地講，由于經(jīng)壓縮和/或加熱的富二氧化碳?xì)鈴姆蛛x裝置250去除并再次與合成氣 混合，富CO 2氣不必經(jīng)過純化除硫。因此，可優(yōu)化分離裝置250，以允許富CO2氣含硫。
[0042] 盡管結(jié)合與目前被認(rèn)為是最實(shí)際的優(yōu)選實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但應(yīng)了解，本發(fā) 明不限于所公開的實(shí)施方案，相反，本發(fā)明旨在涵蓋包含在隨附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi) 的不同修改和等價方案。
[0043]部件清單

【主權(quán)項】
1. 一種從氣化系統(tǒng)(200)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方法，所述方法包括： 在分離裝置(250)中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)猓? 壓縮富二氧化碳?xì)?并且 將至少第一部分壓縮的富二氧化碳?xì)夤┑綒饣鳌?. 權(quán)利要求1的方法，其中在氣化時產(chǎn)生第二合成氣混合物，所述方法進(jìn)一步包括使第 二合成氣混合物在輻射合成氣冷卻器(144)中冷卻。3. 權(quán)利要求2的方法，所述方法進(jìn)一步包括將經(jīng)冷卻的第二合成氣混合物供到合成氣 洗滌器(270)。4. 權(quán)利要求2的方法，所述方法進(jìn)一步包括使第二合成氣混合物與第二部分經(jīng)壓縮的 富二氧化碳?xì)庠谳椛浜铣蓺饫鋮s器(144)中接觸，以促進(jìn)第二合成氣混合物冷卻。5. 權(quán)利要求4的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 使經(jīng)冷卻的第二合成氣混合物與第三部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)饨佑|，以形成混合 物;并且 將混合物引導(dǎo)到對流合成氣冷卻器(260)。6. 權(quán)利要求1的方法，所述方法進(jìn)一步包括在第一部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)夤┤霘?化器(208)之前加熱經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)狻?. 權(quán)利要求1的方法，其中所述在分離裝置(250)中從第一合成氣混合物去除富二氧化 碳?xì)獍ㄈコs15%至約50%的富二氧化碳?xì)猓诘谝缓铣蓺饣旌衔镏写嬖诘娜慷趸?碳的摩爾數(shù)計算。8. 權(quán)利要求1的方法，其中所述供入第一部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)獯龠M(jìn)碳轉(zhuǎn)化率提 高至多約3%。9. 權(quán)利要求1的方法，其中所述供入第一部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)獯龠M(jìn)每單位合成 氣產(chǎn)量耗氧量降低至多約2%。10. -種從氣化系統(tǒng)(200)的第一合成氣混合物循環(huán)二氧化碳的方法，所述方法包括： 在分離裝置(250)中從第一合成氣混合物去除富二氧化碳?xì)猓?壓縮富二氧化碳?xì)猓? 在氣化器(208)中產(chǎn)生第二合成氣混合物； 使第二合成氣混合物和至少第一部分經(jīng)壓縮的富二氧化碳?xì)饣旌希孕纬山M合合成氣 混合物;并且 將組合合成氣混合物引導(dǎo)到對流合成氣冷卻器，以促進(jìn)第二合成氣混合物冷卻。
【文檔編號】C10J3/72GK105861063SQ201610213050
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2010年6月13日
【發(fā)明人】J·D·溫特, P·S·華萊士, G·古爾科, P·S·薩克
【申請人】通用電氣公司