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CN102186956A - 用于整体锅炉给水加热的方法和系统 - Google Patents

用于整体锅炉给水加热的方法和系统 Download PDF

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Abstract

提供了用于气化器系统的方法和系统。该气化器系统包括：包括合成气冷却器的气化器，合成气冷却器构造成将热量从气化器的反应区传递到通过合成气冷却器的流体流；与合成气冷却器以流连通的方式联接的反应容器，其中，该反应容器适于接收流体流，以及在放热变换反应中产生热量。系统还包括与反应容器以流连通的方式联接的热交换器，该热交换器适于使用产生的热量来产生相对高压力的蒸汽。

Description

用于整体锅炉给水加热的方法和系统
技术领域
本发明一般地涉及整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统，且更具体而言涉及用于优化IGCC系统中气化器合成气冷却器和变换系统之间的传热的方法和系统。
背景技术
至少一些已知的IGCC系统包括与至少一个产生动力的涡轮系统结合的气化系统。例如，已知的气化器将燃料、空气或氧气、蒸汽、石灰石和/或其它添加剂的混合物转化成部分燃烧的气体的输出，有时称为“合成气”。热的燃烧气体供应到燃气涡轮发动机的燃烧器，燃气涡轮发动机给发电机提供动力，发电机将电功率供应到电网。来自至少一些已知的燃气涡轮发动机的排气供应到热回收蒸汽发生器，热回收蒸汽发生器产生用于驱动蒸汽涡轮的蒸汽。由蒸汽涡轮产生的动力还驱动发电机，发电机向电网提供电功率。
至少一些已知的气化过程使用具有供给产物交换器的单独的变换热回收系统。这种构造需要外部热源来预热气化供给，以启动变换反应器中的放热反应。在此构造中的预热导致中压和中等压力蒸汽的产生，该蒸汽在过程的其它部分中用途有限，且降低了总的设备效率。
发明内容
在一个实施例中，一种气化器系统包括：包括合成气冷却器的气化器，合成气冷却器构造成将热量从气化器的反应区传递到通过合成气冷却器的流体流；与合成气冷却器以流连通的方式联接的反应容器，其中，反应容器适于接收流体流，以及在放热变换反应中产生热量。该系统还包括与反应容器以流连通的方式联接的热交换器，其中，热交换器适于使用产生的热量来产生相对高压力的蒸汽。
在另一个实施例中，一种操作气化器系统的方法包括将变换供给流供应至变换反应器，使用变换反应器中的放热变换反应在变换流出物流中产生热量，以及将变换流出物流引导至热交换器，使得使用产生的热量来产生相对高压力的蒸汽。
在又另一个实施例中，一种气化系统包括：压力容器，其包括构造成从压力容器中的反应区移除热量的内部合成气冷却器；与压力容器成流连通的变换反应器，该变换反应器构造成接收来自压力容器的合成气流；以及与第一热交换器的第一回路成流连通的高压蒸汽供给流，第一热交换器构造成预热高压蒸汽供给流。
附图说明
图1是示例性的已知的整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统的示意图；以及
图2是包括具有整体合成气冷却器和变换系统的气化器的、图1所示的IGCC的一部分的示意图。
图3是根据本发明的另一个示例性实施例的IGCC(在图1中显示)的一部分的示意图。
具体实施方式
图1是示例性的已知的整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统50的示意图。IGCC系统50一般包括主空气压缩机52、以流连通的方式联接到压缩机52上的空气分离单元54、以流连通的方式联接到空气分离单元54上的气化器56、以流连通的方式联接到气化器56上的燃气涡轮发动机10，以及蒸汽涡轮58。在运行中，压缩机52压缩环境空气。压缩空气被引导至空气分离单元54。在一些实施例中，除了压缩机52之外或作为压缩机52的备选，来自燃气涡轮发动机压缩机12的压缩空气被供应至空气分离单元54。空气分离单元54使用压缩空气来产生用于由气化器56使用的氧气。更具体而言，空气分离单元54将压缩空气分离成单独的氧气流和气体副产物流(有时称为“过程气体”)。由空气分离单元54产生的过程气体包括氮气，且将在本文中称为“氮气过程气体”。氮气过程气体还可包括其它气体，例如但不限于氧气和/或氩气。例如，在一些实施例中，氮气过程气体包括介于约95％和约100％之间的氮气。氧气流被引导至气化器56，以用于产生由燃气涡轮发动机10用作燃料的部分燃烧的气体(在本文中称为“合成气”)，如以下更加详细地描述的那样。在一些已知的IGCC系统50中，氮气过程气体流，即空气分离单元54的副产物中的至少一些被排到大气中。另外，在一些已知的IGCC系统50中，一些氮气过程气体流喷射到燃气涡轮发动机燃烧器14内的燃烧区(未显示)中，以有利于控制发动机10的排放，且更具体而言，有利于降低燃烧温度，且减少来自发动机10的一氧化二氮排放。IGCC系统50可包括用于在氮气过程气体流喷射到燃烧区中之前压缩该氮气过程气体的压缩机60。
气化器56将燃料、由空气分离单元54供应的氧气、蒸汽和/或石灰石的混合物转化成用于由燃气涡轮发动机10用作燃料的合成气的输出。虽然气化器56可使用任何燃料，但是在一些已知的IGCC系统50中，气化器56使用煤、石油焦、残油、油乳胶、柏油砂和/或其它类似的燃料。在一些已知的IGCC系统50中，由气化器56产生的合成气包括二氧化碳。由气化器56产生的合成气在引导至燃气涡轮发动机燃烧器14进行燃烧之前可在清洁装置62中清洁。二氧化碳可在清洁期间从合成气中分离，而且在一些已知的IGCC系统50中，可将二氧化碳排到大气中。来自燃气涡轮发动机10的动力输出驱动发电机64，发电机64将电功率供应到电网(未显示)。来自燃气涡轮发动机10的排气供应到热回收蒸汽发生器(HRSG)66，热回收蒸汽发生器66产生用于驱动蒸汽涡轮58的蒸汽。由蒸汽涡轮58产生的动力驱动发电机68，发电机68向电网提供电功率。在一些已知的IGCC系统50中，来自HRSG 66的蒸汽供应到气化器56，以产生合成气。
在示例性实施例中，气化器56包括延伸通过气化器56的喷射喷嘴70。喷射喷嘴70包括在喷射喷嘴70的远端74处的喷嘴末梢72。喷射喷嘴70进一步包括端口(未在图1中显示)，该端口构造成将流体流引到喷嘴末梢72附近，使得流体流有利于降低喷嘴末梢72的至少一部分的温度。在示例性实施例中，喷射喷嘴70构造成将氨流引导到喷嘴末梢72附近，使得氨流有利于降低喷嘴末梢72的至少一部分的温度。
在示例性实施例中，IGCC系统50包括构造成从由气化器56排放出的合成气流接收冷凝物的合成气冷凝物脱离塔。冷凝物典型地包括溶解在冷凝物中的一定量的氨。由于氮气和氢气在气化器56中的结合，在气化器56中形成溶解氨的至少一部分。为了从冷凝物中去除溶解氨，将冷凝物升高到足以在冷凝物中引起沸腾的温度。脱离的氨从脱离塔76中排出，且以比气化器的压力更高的压力返回到气化器56，以在邻近喷嘴末梢72的气化器的温度相对高的区域中分解。喷射氨使得邻近喷嘴末梢72的高温区域附近的氨流有利于冷却喷嘴末梢72。
图2是包括具有整体辐射式合成气冷却器202和变换系统204的气化器56的、根据本发明的示例性实施例的IGCC 50的一部分的示意图。虽然在图2中示为整体辐射式合成气冷却器，但是在其它实施例中，冷却器202可定位在与气化器56分开的容器中。在示例性实施例中，通过导管203将合成气流引导至变换系统204，变换系统204包括变换分离鼓206，该变换分离鼓206容许合成气流膨胀，以及结果性的冷凝物滴出，冷凝物可收集在变换分离鼓206内，且使用泵208将该冷凝物泵送回气化器56中。将合成气流出物引导至热交换器210，在热交换器210中，流过热交换器210的管道的冷凝的高压蒸汽流将其热含量的一部分传递至分离的合成气。在示例性实施例中，合成气的温度从约450°F升高到约550°F。将预热的合成气引导至两级变换反应器212，在该两级变换反应器212中，放热催化反应通过以下公式将一氧化碳和水转化成二氧化碳和氢气：
Figure BPA00001207936500051
在示例性实施例中，在变换反应器212的两级之间的中间点处，部分变换的气体在重新进入变换反应器212以经历第二变换反应之前被引导到至少一个热交换器214。将变换的合成气引导通过节热器216，该节热器216有利于使用来自变换的合成气的热量来预热高压蒸汽给水。高压蒸汽收集在气化器蒸汽鼓218中，以在整个系统50中使用。
在启动期间，来自合成气冷却器202的热给水用来预热变换供给。热的变换排气在热交换器214中产生高压蒸汽，且预热到合成气冷却器202的给水。此构造容许仅产生高压蒸汽，而不产生中压蒸汽和低压蒸汽，且消除了对单独的启动变换预热器的需要。还完全将节约的锅炉给水提供给合成气冷却器，以进行最大的蒸汽发生。
图3是包括具有整体辐射式合成气冷却器202和变换系统302的、根据本发明的另一个示例性实施例的IGCC 50的一部分的示意图。在其它实施例中，冷却器202定位在与气化器56以流连通的方式联接的单独的容器中。在示例性实施例中，通过导管203将合成气流引导至变换分离鼓206。变换分离鼓206容许合成气流膨胀，以及结果性的冷凝物滴出，冷凝物收集在变换分离鼓206中，且使用泵208将该冷凝物泵送回气化器56中。来自变换分离鼓206的合成气流出物被引导至热交换器210，在热交换器210中，流过热交换器210的管道的冷凝的高压蒸汽流或来自例如HRSG 66的给水将其热含量的一部分传递至分离的合成气。在示例性实施例中，合成气的温度从约450°F升高到约550°F。通过导管306将预热的合成气引导至变换反应器304，在变换反应器304中，放热催化反应将一氧化碳和水转化成二氧化碳和氢气。放热反应的热量使离开的合成气的温度从约550°F升高到约800°F。
在示例性实施例中，将变换的合成气引导通过节流器216，节流器216有利于使用来自变换的合成气的热量来预热高压蒸汽给水，且将变换的合成气冷却到约300°F到约400°F。然后将合成气引导至低温气体冷却单元(未显示)，以进行另外的处理。通过导管308将节约的给水引导至鼓218。
在启动期间，热的变换排气用来在预热器216中将来自HRSG的相对冷的给水从约300°F预热到约600°F。随着启动继续以及给水温度升高，可通过导管310将给水直接引导至鼓218。
以上详细描述了优化IGCC系统中的气化器、合成气冷却器和变换系统之间的传热的气化系统和方法的示例性实施例。所示出的气化系统构件不限于本文描述的具体实施例，而是相反，可独立地且与本文描述的其它构件分开来使用各个系统的构件。例如，以上描述的气化系统构件也可与不同的IGCC系统构件结合起来使用，或者与燃气涡轮发动机动力设备或联合循环动力设备分开使用。
以上描述的气化系统和方法是成本有效且高度可靠的。方法容许优化气化器、合成气冷却器和变换系统之间的传热，且容许仅产生高压蒸汽，而不产生中压蒸汽和低压蒸汽，且消除了对单独的启动变换预热器的需要。因此，本文描述的气化系统和方法有利于诸如整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统的气化系统以成本有效和可靠的方式操作。
虽然已经根据各种具体实施例来描述了本发明，但是将认可，可用在权利要求书的精神和范围内的修改来实践本发明。

Claims (20)

1.一种气化器系统，包括：
包括合成气冷却器的气化器，所述合成气冷却器构造成将热量从所述气化器的反应区传递至通过所述合成气冷却器的流体流；
与所述合成气冷却器以流连通的方式联接的反应容器，所述反应容器适于接收所述流体流，以及在放热变换反应中产生热量；以及
与所述反应容器以流连通的方式联接的一个或多个热交换器，所述热交换器适于以下操作中的至少一个：冷却或加热给水流，以及使用产生的热量来产生相对高压力的蒸汽。
2.根据权利要求1所述的气化器系统，其特征在于，所述流体流包括合成气流，所述合成气包括一氧化碳(CO)，所述变换反应包括水与所述CO的反应，以至少产生氢气、二氧化碳和热量。
3.根据权利要求1所述的气化器系统，其特征在于，所述热交换器包括构造成引导给水流通过所述热交换器的给水回路，以及构造成引导合成气流通过所述热交换器的合成气回路，所述热交换器适于将热量从所述合成气流回路传递至所述给水流。
4.根据权利要求1所述的气化器系统，其特征在于，所述气化器系统还包括适于使用变换的合成气流来预热给水流的节热器。
5.根据权利要求1所述的气化器系统，其特征在于，所述反应器包括变换反应器。
6.根据权利要求1所述的气化器系统，其特征在于，所述气化器系统还包括第二变换反应器。
7.根据权利要求1所述的气化器系统，其特征在于，所述气化器系统还包括适于预热至所述变换反应器的供给流的变换热交换器。
8.一种操作气化器系统的方法，包括：
将变换供给流供应至变换反应器；
使用所述变换反应器中的放热变换反应在变换流出物流中产生热量；以及
将所述变换流出物流引导至热交换器，使得执行以下操作中的至少一个操作：在所述变换流出物和给水之间传递热量，以及使用产生的热量来产生相对高压力的蒸汽。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用冷凝的高压蒸汽来预热所述变换供给。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述热交换器中预热冷凝的高压蒸汽。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用所述变换反应器中的放热变换反应来在变换流出物流中产生热量包括使用两级变换反应器中的放热变换反应来在变换流出物流中产生热量。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将给水流从给水供应引导至所述热交换器。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用节热器来预热所述给水流，所述节热器适于有利于将热量从来自所述变换反应器的流出物传递到所述给水流。
14.一种气化系统，包括：
包括合成气冷却器和单独的气化器容器的压力容器，所述合成气冷却器构造成从至少其中一个所述压力容器中的反应区移除热量；
与所述压力容器成流连通的变换反应器，所述变换反应器构造成接收来自所述压力容器的合成气流；以及
与第一热交换器的第一回路成流连通的高压蒸汽供给流，所述第一热交换器构造成预热所述高压蒸汽供给流。
15.根据权利要求14所述的气化系统，其特征在于，所述第一热交换器包括与所述第一回路成传热连通的第二回路。
16.根据权利要求14所述的气化系统，其特征在于，所述变换反应器构造成有利于来自所述压力容器的合成气的放热变换反应。
17.根据权利要求16所述的气化系统，其特征在于，所述气化系统还包括与所述变换反应器成流连通的第二热交换器，所述第二热交换器构造成使用从所述放热反应传递出的热量来产生相对高压力的蒸汽。
18.根据权利要求14所述的气化系统，其特征在于，所述气化系统还包括构造成将热量从冷凝的高压蒸汽流传递到来自所述气化器的合成气流的第三热交换器。
19.根据权利要求14所述的气化系统，其特征在于，来自所述合成气冷却器的相对热的给水用来预热至所述变换反应器的给水流。
20.根据权利要求14所述的气化系统，其特征在于，从所述合成气冷却器传递用来启动所述变换反应器中的所述放热反应的热量。
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