專(zhuān)利名稱(chēng):清潔發(fā)電的方法
本發(fā)明涉及一種利用含碳燃料的部分氧化從該燃料中產(chǎn)生動(dòng)力，特別是電力的方法。
本發(fā)明提供一種用于從含碳燃料產(chǎn)生動(dòng)力的方法，它包括在超大氣壓下用氧氣或含氧氣體產(chǎn)生含有一氧化碳的氣流，使上述氣流膨脹而產(chǎn)生動(dòng)力，并且通過(guò)增加氧氣或一種含氧氣體至少使膨脹氣流的大部分基本上完全燃燒而產(chǎn)生額外的動(dòng)力，其特征在于，上述氣流在膨脹之前先進(jìn)行一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而至少使其中部分一氧化碳經(jīng)轉(zhuǎn)移反應(yīng)轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫。
一種可選擇的方案是來(lái)自部分氧化反應(yīng)器的氣流在轉(zhuǎn)移反應(yīng)步驟之前先用水驟冷，至少一部分為轉(zhuǎn)移反應(yīng)步驟所需的蒸汽是由水驟冷的蒸發(fā)中得到的;在膨脹之前先將轉(zhuǎn)移反應(yīng)后的氣流的溫度升高;在利用至少一部分氣流作為燃料而產(chǎn)生電力以前，對(duì)反應(yīng)和膨脹后的氣流進(jìn)行處理以除去硫化物。在該轉(zhuǎn)移反應(yīng)中有部分熱量可用于預(yù)熱膨脹之前的氣流。
幾種基于含碳燃料部分氧化產(chǎn)生動(dòng)力的方法是已知的，其中提到一氧化碳和蒸汽反應(yīng)而產(chǎn)生二氧化碳和氫。該反應(yīng)通常稱(chēng)為水煤氣反應(yīng)、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、變換或轉(zhuǎn)換反應(yīng)，這在合成氣體的生產(chǎn)中是周知的，在此，氫的量(對(duì)應(yīng)于一氧化碳的)的增加是所希望的，即使在有不希望的二氧化碳伴隨增加的時(shí)候也是如此。
EP-A-9524揭示了這樣一種方法，但在此情況下，二氧化碳是一種必需除去的雜質(zhì)。
在美國(guó)專(zhuān)利4074981中(第2列第29行及以下)描述了通過(guò)他們的發(fā)明所產(chǎn)生的氣體的種種用途。對(duì)于合成氣體，將氫和一氧化碳增加到最大量，意味著將二氧化碳減至最小量。對(duì)于用作還原氣，述及將二氧化碳減至最小量。對(duì)于用作具有高熱值的可燃?xì)怏w，將氫、一氧化碳和甲烷增加到最大量，在這里，再次意味著將二氧化碳減至最小量。
美國(guó)專(zhuān)利4202167揭示了一種方法，其中應(yīng)用了轉(zhuǎn)移反應(yīng)所生成的二氧化碳，但并未認(rèn)識(shí)到，通過(guò)使原料氣體在轉(zhuǎn)移反應(yīng)后最后燃燒前膨脹有可能再生(回收)動(dòng)力。
瑞士專(zhuān)利250478揭示了在氣體發(fā)生器和燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室之間的膨脹室的應(yīng)用。
美國(guó)專(zhuān)利3720625揭示了產(chǎn)生氫和/或氨的方法，并給出了轉(zhuǎn)移反應(yīng)的常規(guī)應(yīng)用。
在本發(fā)明中，含碳燃料可用為那些精通該技術(shù)的人所熟知的許多方法，在加壓情況下通過(guò)部分氧化而氣化(例如美國(guó)專(zhuān)利2992，906)。這些方法通常是用一種含氧氣體例如空氣，最好是用一種基本上是純氧的氣流來(lái)氣化含碳燃料。溫度大約在1000℃至1600℃左右。部分氧化的壓力則在15-250巴范圍內(nèi)，但一般在40-150巴范圍內(nèi)，適宜的含碳燃料的例子是原油、煤、天然氣、礦物油以及重燃油。也可用褐煤。
任何包含在來(lái)自部分氧化反應(yīng)器里的熱氣流里的顆粒物質(zhì)最好在使一氧化碳起反應(yīng)之前就除去，以免弄污通常用來(lái)促進(jìn)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的催化劑，雖然采用保護(hù)床也是可以的。顆粒物質(zhì)可通過(guò)使用任一常規(guī)方法，例如靜電沉積、水洗、旋風(fēng)除塵器、過(guò)濾器來(lái)除去，但最好是通過(guò)用水驟冷法把它洗掉的方式除去。在部分氧化反應(yīng)器后使用驟冷法，可以在部分氧化反應(yīng)器的工作壓力方面，更重要的是在所使用的含碳燃料特別是煤的類(lèi)型方面獲得較大的靈活性。
來(lái)自部分氧化反應(yīng)器的氣體可在鍋爐的冷卻和/或在膨脹之前驟冷。
由于許多燃料含有硫，因此，一般總需要有一個(gè)除硫的步驟，該步驟在最終燃燒之前進(jìn)行。
在轉(zhuǎn)移反應(yīng)器和/或膨脹器之前除去硫化物是可能的。然而，當(dāng)今的除硫系統(tǒng)是在比較低的溫度下工作的。這樣的溫度意味著在熱氣驟冷以后出現(xiàn)的大部分蒸汽將被冷凝掉。為了其后一氧化碳與蒸汽起反應(yīng)，必需加入蒸汽。
在除去硫化物的過(guò)程中，一些二氧化碳也會(huì)被除去。但本發(fā)明的意圖是要保持最初出現(xiàn)的二氧化碳，因?yàn)槟菢幼鍪潜容^經(jīng)濟(jì)的。
這是本發(fā)明的一個(gè)重要部分。當(dāng)氣體作為燃料燃燒時(shí)，包含在氣體里的二氧化碳使生成的NOx還原。并且，當(dāng)氣體在轉(zhuǎn)移反應(yīng)后膨脹時(shí)和當(dāng)氣體最終燃燒時(shí)，二氫化碳的膨脹都能產(chǎn)生動(dòng)力。
轉(zhuǎn)移反應(yīng)所必需的水或蒸汽可通過(guò)將水或蒸汽加到部分氧化反應(yīng)器，和/或通過(guò)在部分氧化步驟里的反應(yīng)，和/或在部分氧化步驟之后的驟冷步驟里，和/或通過(guò)直接加入水或蒸汽而得到。
在最佳實(shí)施例里，與一氧化碳反應(yīng)及在反應(yīng)結(jié)束時(shí)要保持以給出所要求的轉(zhuǎn)移反應(yīng)平衡所需要的水或蒸汽是通過(guò)將驟冷水加入離開(kāi)部分氧化反應(yīng)器的熾熱氣體中進(jìn)行蒸發(fā)而得到的，這樣安排有可以冷卻來(lái)自部分氧化反應(yīng)器的熾熱氣體以便使它們更易控制的附加優(yōu)點(diǎn)。至于冷卻，有可能發(fā)生驟冷水的部分或完全蒸發(fā)。然而，由于上面給出的理由，最好是部分蒸發(fā)。
通常，轉(zhuǎn)移反應(yīng)催化劑需要水來(lái)保持其活性。一般說(shuō)來(lái)，進(jìn)到催化劑的水對(duì)乾氣體的克分子比在0.3至1.7范圍內(nèi)。比率最好是0.5至1.2。然后讓氣體起絕熱反應(yīng)。藉助新型的催化劑，流出的氣體將非常接近轉(zhuǎn)移反應(yīng)平衡態(tài)。
一種轉(zhuǎn)移反應(yīng)催化劑由混有氧化鉻的、并由重量比為1%至15%的另一種金屬例如鉀、釷、鈾、鋇或銻的氧化物促進(jìn)的氧化鐵組成。反應(yīng)在260℃至565℃發(fā)生(500°F至1050°F)。
在轉(zhuǎn)移反應(yīng)后發(fā)生膨脹。氣體最好在該反應(yīng)后立即膨脹，因?yàn)樵诜磻?yīng)期間釋放的熱量使氣流的溫度上升，因而使膨脹更為有效。然而，可以在轉(zhuǎn)移和膨脹步驟之間對(duì)氣流進(jìn)行補(bǔ)充加熱，例如通過(guò)使氣體進(jìn)一步部分氧化或在下游燃?xì)廨啓C(jī)的排出氣體對(duì)流加熱區(qū)域由符加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。也可以間接地使用轉(zhuǎn)移反應(yīng)的熱量在膨脹之前加熱氣體。
膨脹后的氣體可用來(lái)預(yù)熱輸入轉(zhuǎn)移反應(yīng)器的氣體。
即使氣體在轉(zhuǎn)移反應(yīng)和膨脹之間冷卻，也可獲得某種益處(在最佳實(shí)施例中，氣體是完全不會(huì)冷卻的)。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的氣體在膨脹前被冷卻到204℃(400°F)以上(最好是不低于330℃的溫度)時(shí)，本發(fā)明還是可應(yīng)用的。
在產(chǎn)生動(dòng)力的過(guò)程中結(jié)合使用轉(zhuǎn)移反應(yīng)和膨脹具有許多優(yōu)點(diǎn)。
(a)存在的某些氧硫化碳(COS)同時(shí)反應(yīng)而成硫化氫，硫變成了硫化氫就可以容易除去;
(b)氣體的燃燒溫度大大地降低，這帶來(lái)一非常重要的優(yōu)點(diǎn)減少了所產(chǎn)生的氮的氧化物(NOx)的量，這將有助于減少酸雨;
(c)上面的(b)意味著為了減少NOx的產(chǎn)生而必須加入到燃燒的氣流中以降低其溫度的水或蒸汽可以大大地減少或甚至可以不加，這又可以提高輪機(jī)葉片的壽命;并且(d)放出熱最的轉(zhuǎn)移反應(yīng)能有效地用于在膨脹之前預(yù)熱氣流。
電力能籍助使用燃?xì)廨啓C(jī)和/或使用一蒸汽系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生。本發(fā)明工藝過(guò)程中蒸汽可在一適當(dāng)階段產(chǎn)生，例如可在所使用的任何燃?xì)廨啓C(jī)的排氣過(guò)程中產(chǎn)生。
當(dāng)氣體最終燃燒時(shí)，為了進(jìn)一步減少產(chǎn)生的氮的氧化物(NOx)的量，可使燃料氣體處于水的飽和狀態(tài)。而且，此氣體可在飽和前和/或后加熱?；蛘呖蓪⑺诓伙柡蜖顟B(tài)下加熱(或者加水或蒸汽)以便向燃燒器提供熾熱的可燃?xì)怏w。
現(xiàn)在作為一個(gè)例子，參照?qǐng)D1(為了方便起見(jiàn)，將它分為圖1A和1B兩部分)和表1來(lái)描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。在本例中，原料是重原油和水的乳膠，它的含硫量(重量比)為2-3%左右。
在實(shí)際尺寸的設(shè)備中，實(shí)際的裝置包括兩條平行的氣體發(fā)生線，它向三條平行的燃?xì)廨啓C(jī)線送料，接著將料輸送到一對(duì)流加熱區(qū)域。然而，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下面的例子在整個(gè)過(guò)程中都是基于一條氣體發(fā)生線來(lái)闡述的。
在一部分氧化單元內(nèi)，原料乳膠在70巴的壓力下與99.5%的純氧起反應(yīng)。所產(chǎn)生的混合氣體用過(guò)量的水驟冷(即，不是所有的水都蒸發(fā))，降至60巴的壓力和244℃的飽和條件。部分氧化單元和驟冷在圖1中由標(biāo)號(hào)(10)表示。因而該驟冷步驟是除了氣體冷卻步驟以外的氣體洗滌步驟。
驟冷以后產(chǎn)生的氣體就是表1中的氣流1。氣體通過(guò)直接利用它的熱容量在鍋爐(11)里每小時(shí)產(chǎn)生約45噸蒸汽而被冷卻到232℃。上述鍋爐(11)的鍋爐供應(yīng)水是在20巴這樣一個(gè)相當(dāng)高的壓力下提供的。從冷卻氣體中冷凝出來(lái)的水在轉(zhuǎn)筒(12)內(nèi)除去，剩下蒸汽對(duì)于氣體之比為1.0的原料氣體。除去的水通過(guò)泵(20)再返回到部分氧化單元(10)作為驟冷水。氣體(表1的氣流2)在熱交換器(13)里預(yù)熱以后，在330℃的溫度下進(jìn)入催化轉(zhuǎn)移反應(yīng)器(14)。在508℃和約58巴的條件下發(fā)生絕熱的轉(zhuǎn)移反應(yīng)以產(chǎn)生轉(zhuǎn)移的氣體(表1的氣流3)。轉(zhuǎn)移的氣體立即通過(guò)熾熱氣體膨脹器(15)下降到約28巴和396℃，從而產(chǎn)生25兆瓦的功率。
膨脹的氣體接著在熱交換器(13)和(16)內(nèi)冷卻至200℃。放出的熱量用于預(yù)熱供給轉(zhuǎn)移反應(yīng)器(14)的氣體，以及用于在交換器(16)里對(duì)生成的可燃?xì)怏w在其最終燃燒之前加熱，經(jīng)過(guò)熱交換器(13)以后，溫度為295℃。冷卻的轉(zhuǎn)移氣體接著進(jìn)入另一個(gè)催化劑反應(yīng)器(17)，在那里氧硫化碳(COS)降至低含量，以給出如表1中的氣流4那樣的氣流。由于用去硫工藝除去氧硫化碳比除去由它產(chǎn)生的硫化氫困難得多，所以該步驟是需要的。
通過(guò)一個(gè)余熱鍋爐(18)從來(lái)自反應(yīng)器(17)的氣體進(jìn)一步回收熱量。在余熱鍋爐(18)里，每小時(shí)產(chǎn)生壓力為5巴的蒸汽約65噸，冷凝液則在160℃下，在轉(zhuǎn)筒(19)里被分離。部分在轉(zhuǎn)筒(12)里分離的冷凝液加入在232℃下在上游產(chǎn)生的冷凝液(在轉(zhuǎn)筒(19)中分離的)并通過(guò)泵(20)返回部分氧化單元(10)用于原料氣體的驟冷。由于在離開(kāi)轉(zhuǎn)筒(19)后的氣體內(nèi)還存在相當(dāng)?shù)挠行崃浚糠譄崃吭诮粨Q器(21)里被用來(lái)驅(qū)動(dòng)一吸收致冷單元(28)，使溫度自160℃降低至145℃，而部分熱量則在除硫單元(27)的再沸器(22)中加以利用。在分離筒(23)里進(jìn)一步冷凝分離以后，使用熱交換器(24)將氣流剩余的有效熱量用來(lái)使水加熱(產(chǎn)生熱水)。最后，使用熱交換器(25)，用冷卻水將氣流冷卻到40℃，冷凝液在轉(zhuǎn)筒(26)里除去。
現(xiàn)在冷卻氣體(表1的氣流5)是26巴，并含有約32%(體積比)的二氧化碳，但它混雜了約1%的硫化物，主要是碳化氫。除硫單元(27)應(yīng)能除去氣流里所有的硫，使它降至低于約百萬(wàn)分之五十，卻保留大部分二氧化碳，目前有幾種方法可供選擇，例如Sulphurox，Selexol.Purisol或者Alkazid法等。在某些情況下，它們需要再沸的熱量，用以從溶劑中除去硫化氫。同時(shí)還需要致冷作用使得使用物理溶劑的方法里所固有的大溶液環(huán)流速率減至最小。在圖1B中，畫(huà)出了一個(gè)使用物理溶劑的除硫單元(27)。致冷作用是通過(guò)氨吸收單元(28)提供的。致冷所需要的熱量是從交換器(21)里出來(lái)的氣流中取得的。用于除硫單元里溶劑解吸的再沸的熱量同樣是由交換器(22)提供的。
脫硫氣(表1的氣流6)在40℃和25巴的氣壓下離開(kāi)除硫單元(27)，它基本上不含硫。在分離出一些氣體供燃?xì)廨啓C(jī)柱排出氣后燃使用(表1的氣流11)以后，余下的氣體(表1的氣流7)通向飽和器填充柱(30)，在那里，它在150℃下與水的環(huán)流蒸汽接觸，水的熱量是從燃?xì)廨啓C(jī)(31，32，33)排出氣對(duì)流加熱區(qū)域(34A)里的加熱螺旋管(40)得到的。可燃?xì)怏w離開(kāi)時(shí)具有130℃的飽和蒸汽，并通過(guò)從交換器(16)里的原始轉(zhuǎn)移氣體回收的熱量進(jìn)一步加熱到280℃。
用于燃?xì)廨啓C(jī)的加熱的可燃?xì)怏w被輸送到燃燒室(31)，并藉助來(lái)自由燃?xì)廨啓C(jī)(33)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)(32)的空氣燃燒。凈功率輸出驅(qū)動(dòng)一交流發(fā)電機(jī)(52)產(chǎn)生電力。本例中，在280℃和24巴的條件下輸送到燃?xì)廨啓C(jī)的可燃?xì)怏w(表1的氣流10)包含約27%(體積比)的二氧化碳(折干計(jì)算)，11%(體積比)的蒸汽。由于具有燃燒室壓力的占體積38%的惰性氣體，主要是二氧化碳的存在，這組成了一種高效的燃?xì)廨啓C(jī)燃料。這減小了空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷，從而增加了可利用來(lái)發(fā)電的凈功率量。對(duì)于所描述的本發(fā)明的實(shí)施例，燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生225兆瓦的凈功率。
排出的氣體(表1的氣流12)在約470℃的溫度下離開(kāi)燃?xì)廨啓C(jī)。為了使存在于這些氣體中的大量熱量得到最佳的利用，在后燃室(34)里先將溫度上升到575℃。該后燃室利用部分在前一階段產(chǎn)生的脫硫氣(表1的氣流(11))作為其燃料。流出的氣體接著通向?qū)α骷訜釁^(qū)域(34A)，在那里，通過(guò)用于種種產(chǎn)生蒸汽和過(guò)熱工作狀態(tài)的一連串熱回收螺旋管。余熱鍋爐螺旋管(36)及其關(guān)聯(lián)的水加熱器加熱螺旋管(38)具有每小時(shí)產(chǎn)生氣壓為100巴的蒸汽約370噸的能力。該蒸汽在螺旋管(35)里過(guò)熱到500℃，接著通向相連的汽輪機(jī)(41-44)。這些都工作在100巴和冷凝條件0.03巴之間，中間有一次重新加熱(5巴)，四個(gè)汽輪機(jī)總共產(chǎn)生約157兆瓦功率。
此外，在驟冷以后，即在鍋爐(11)里，立即產(chǎn)生的20巴的每小時(shí)45噸的蒸汽在對(duì)流加熱區(qū)域(34)的螺旋管(37)里過(guò)熱到290℃，并通向汽輪機(jī)(42)。在余熱鍋爐(48)里產(chǎn)生的另外5巴蒸汽加到5巴蒸汽內(nèi)，它們?cè)诼菪?39)里一起從約160℃一直預(yù)熱到275℃。在經(jīng)過(guò)最后一個(gè)汽輪機(jī)(44)以后，濕蒸汽(干燥度為90%)在水冷卻熱交換器(45)里冷凝，冷凝液被水泵(46)泵到螺旋管(47，48)里預(yù)熱至120℃，并經(jīng)由除氣機(jī)(49)和再循環(huán)泵(50)返回到蒸汽回路。蒸汽回路的補(bǔ)給水被輸入除氣機(jī)(49)。
如上所述，對(duì)流加熱區(qū)域的熱回收還包括為飽和器柱(30)提供熱水的水加熱器(40)。來(lái)自對(duì)流加熱區(qū)域(34A)的煙道氣(表1的氣流13)從對(duì)流加熱區(qū)域(34A)經(jīng)由煙囪(51)通向大氣。
現(xiàn)在回到除硫單元(27)，流出的包含已被分離的硫化物的氣流(表1的氣流8)含有約25%(克分子)的硫化物，并很適合于處理和用克勞斯窯(29)回收硫。來(lái)自克勞斯窯(29)的尾氣通過(guò)例如“斯科特”過(guò)程(Scot Process)進(jìn)一步處理，為此目的，在除硫單元前取出一還原氣(表1中的氣流9)。僅含有微量硫的最終的尾氣帶著其他剩余的排放物輸送到后燃室(34)。然而，產(chǎn)生的煙通氣的含硫量仍不高于百萬(wàn)分之十五。
權(quán)利要求
1.一種用于從含碳燃料產(chǎn)生動(dòng)力的方法，包括在超大氣壓下用氧氣或一種含氧氣體使燃料部分氧化以產(chǎn)生含有一氧化碳的氣流，使上述氣流膨脹而產(chǎn)生動(dòng)力，并且用另外附加的氧氣或一種含氧氣體至少使膨脹氣流的大部分完全燃燒而產(chǎn)生附加的動(dòng)力，其特征在于，上述氣流在膨脹之前先進(jìn)行一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而其中至少部分一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫。
2.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于在轉(zhuǎn)移反應(yīng)步驟之前，氣流用水驟冷，用于上述轉(zhuǎn)移反應(yīng)的至少一部分水或蒸汽是從驟冷的水得到的。
3.按照權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征在于，轉(zhuǎn)移后的氣流的溫度在膨脹之前先升高。
4.按照權(quán)利要求
1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，包括去除硫的步驟。
5.按照權(quán)利要求
1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，基本上膨脹氣流中所有的一氧化碳和氫都被用來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。
6.按照權(quán)利要求
1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在上述的轉(zhuǎn)移反應(yīng)中，至少有一部分熱量被用來(lái)預(yù)熱膨脹以前的氣流。
7.按照權(quán)利要求
1所述的方法，本質(zhì)上如上面所述。
8.一種用于權(quán)利要求
1至7中任一項(xiàng)所述的方法的裝置。
9.按照權(quán)利要求
1至8中任一項(xiàng)所述的用于產(chǎn)生電形式的動(dòng)力的方法或裝置。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明揭示了一種從含碳燃料產(chǎn)生動(dòng)力，特別是電力的方法，它包括在超大氣壓下用氧氣或一種含氧氣體對(duì)燃料進(jìn)行部分氧化以產(chǎn)生含有一氧化碳的氣流，使上述氣流膨脹而產(chǎn)生動(dòng)力，并且用另加的氧氣或一種含氧氣體至少使膨脹氣流的大部分基本上完全燃燒而產(chǎn)生附加的動(dòng)力，其特征在于，上述氣流在膨脹之前先進(jìn)行一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而其中至少一部分一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫。
文檔編號(hào)F02C7/22GK87106025SQ87106025
公開(kāi)日1988年3月9日 申請(qǐng)日期1987年8月28日
發(fā)明者特里弗·威里斯 申請(qǐng)人:漢弗萊及格拉斯戈有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan