專利名稱：生產動力的新方法
技術領域：
本發明涉及將所謂濕空氣透平機循環(HAT)與部分氧化系統結合來進行發電的新配置。
該配置包括以下步驟用氧或含氧氣體部分氧化燃料(氣化)以產生含可燃氣體和蒸汽的氣流，用水驟冷所述氣流以冷卻并飽和該氣流，從該氣流中除去硫化合物，在專用氣體透平機中燃燒該氣流(燃料氣)，直接利用燃料氣的蒸汽的能量。
將氣體透平機裝配成濕空氣透平機(HAT)循環旨在將該透平機循環中產生的顯熱以熱水形式傳遞到空氣飽和器，用以增濕并飽和助燃空氣。
由氣化產生的顯熱經過水飽和并加熱燃料氣后，傳遞到HAT-循環。
本發明的主要優點是簡化氣體生成區與HAT-循環之間的結合，從而使工廠的設計和操作簡化，并使有關技術供應者之間必要的協調減少到最低限度。
本發明的另一個優點是可以簡化燃氣透平機組的技術開發和生產。當用作只燃燒天然氣的HAT-循環和與氣化車間結合在一起時，采用本發明均可利用相同的燃氣透平機。
本說明書中所用的一些術語的意義如下氣化 用氧或含氧氣體部分氧化含碳燃料以產生含可燃氣體的氣流。氣化車間 該車間包括氣化以及下游的一些過程，以使來自氣化過程的可燃氣體適于在燃氣透平機中燃燒。HAT-循環 基本上如EP0150990B1中所述的濕空氣透平機循環。IGHAT氣化車間和HAT-循環的結合。CC 由燃氣透平機和蒸汽透平機循環組成的組合式循環裝置，蒸汽透平機循環從燃氣透平機的廢熱中接收其熱量。含碳燃料 本文中指任一種含碳的燃料，例如煤、油、生物燃料以及廢燃料。
背景技術：
當利用燃氣透平機來生產動力時，往往將燃氣透平機裝配成包括燃氣透平機和蒸汽透平機循環的所謂組合式循環(CC)配置，該燃氣透平機的空氣壓縮機安裝在與膨脹透平機相同的軸上，且設計成沒有中間冷卻器，而蒸汽透平機循環從該燃氣透平機的熱廢氣中吸取其熱量。
在有關氣化車間和CC結合(通常稱為IGCC)的現有技術中，包括為燃燒富燃料(例如天然氣或餾出物)而開發的CC。當采用來自氣化車間的貧(稀釋的)燃料供給這種CC時，必須降低來自燃氣透平機的空氣壓縮機的空氣的流量，以保持適當的燃氣透平機的進口溫度。如果該空氣壓縮機對其喘振點具有足夠的裕度，即可在CC中有效地實現這樣的降低。
EP0150990B1(Process for Producing Power)公開了一種可以代替CC的方法，用來回收燃料中的化學能，以便利用燃氣透平機生產電力。在該燃氣透平機的廢氣中和壓縮空氣中的顯熱可以用來飽和壓縮后含有水的助燃空氣，并在燃燒前預熱該飽和空氣和燃料。這種生產動力的方法已取消了蒸汽循環，通常稱之為濕空氣透平機循環或HAT-循環。
氣化車間和HAT-循環的結合，稱為IGHAT(氣化和濕空氣透平機循環的結合)，已研究多年。敘述IGHAT目前技術發展水平的主要著作是1991年3月美國電力研究院(Electric Power Research Ins-titute)所著的″A Comparison of Humid Air Turbine(HAT)Cycle and Combined-Cycle Power Plants″報告(IE-7300)。該方法的設計途徑是基于將所有來自氣化和HAT-循環的顯熱用來產生熱水，在壓縮空氣作為助燃空氣輸送到燃氣透平機之前，該熱水用來增濕HAT-循環中的壓縮空氣。這種熱組合的形式導致兩個缺點1.氣化車間和HAT-循環高度地結合，因而要求兩個不同機構之間強有力的商務和技術協調，在許多情況下，這些機構在商業上分開可能有利。這種高度的結合還導致復雜的操作程序，在啟動、停機和負載變化時尤為如此。
2.在使用天然氣作為燃料的單獨HAT-循環和結合成IGHAT工廠的HAT-循環之間，壓縮空氣流的增濕度以及空氣流量的大小差別很大。因此，為了使其在這兩種用途中有效地運行，必須對燃氣透平機在機械上作不同的改變。這就使燃氣透平機的開發和制造作業的費用大幅度地增加。
美國專利5,117,623(Operating Flexibility in IGCCstations)公開了一種用于回收來自用氧或含氧氣體部分氧化含碳燃料(氣化)的顯熱的方法，該方法利用水驟冷以冷卻并用水飽和來自所述氣化的可燃氣流，將該氣流通過熱交換器，在其中通過與循環水進行熱交換進一步將該氣流冷卻，以便從氣流中冷凝液態水，通過降低其壓力使該氣流膨脹以及在降低其壓力前或后，從該氣流中除去硫化合物，再飽和并加熱該氣流，然后在燃氣透平機中燃燒該氣流以生產動力，其中上述循環水用來為再飽和該氣流供熱。該方法還包括在將驟冷后的氣流通過所述熱交換器加熱循環水之前，將該驟冷后的氣流通過鍋爐以產生蒸汽的步驟。
以上發明揭示了一種利用脫硫后氣體的水飽和及蒸汽的產生將顯熱從氣化傳遞到CC的簡單方法。為了使熱傳導更有效，該方法包括在氣體膨脹器中膨脹氣體以生產動力。
EP0259114B1(Clean Electric Power Generation)公開了一種由含碳燃料生產電力的方法，該方法包括用氧或含氧氣體部分氧化燃料(氣化)，在超計大氣壓下產生含一氧化碳和氫的氣流(合成氣)，用水驟冷該氣流產生水飽和的氣流，使所述氣流膨脹以生產動力，以及用補充的氧或含氧氣體燃燒該膨脹后的氣流以生產更多的動力，其特征在于，在膨脹前，將所述氣流進行一氧化碳轉移反應，從而使其中的至少一些一氧化碳轉化為二氧化碳和氫。該方法也包括脫硫步驟。該方法還包括在將驟冷后的氣流送到一氧化碳轉移反應之前，將驟冷后的氣流通過鍋爐以產生蒸汽的步驟。
以上發明揭示了一種利用脫硫后氣體的水飽和及蒸汽的產生將顯熱從氣化傳遞到CC的方法。為了使熱傳導更有效，該方法包括一氧化碳轉移反應和在氣體膨脹器中膨脹氣體以生產動力。
對本發明的描述本發明以能量效率高和技術上簡單的方式將氣化車間和HAT-循環結合在一起，同時簡化了適用于HAT-循環的燃氣透平機的開發。
在氣化過程中發生的各種化學反應的最終結果是放熱的，且通常可將含碳燃料中15-30％的能含量轉化為顯熱，其中約80％是可回收的，而20％成為熱損失。利用水驟冷來冷卻并用水飽和產生含可燃氣體氣流的氣體，來自氣化的可回收的顯熱以該氣體的溫度加上水驟冷中產生的水蒸汽的潛熱表示。本發明包括將所述可回收的熱量傳遞到HAT-循環的新方法。
現以采用兩種不同原理凈化氣體中硫的兩個實施例，舉例說明本發明，即實施例1常規冷氣凈化(CGCU)實施例2熱氣凈化(HGCU)，在工業化過程中實施例1.采用CGCU的氣化車間本發明在高氣化壓力、優選大于60巴下顯得特別有利，因為在較高壓力下，水飽和的氣流會在較高溫度下達到平衡，從而可以在較高的壓力下從位于水驟冷下游的鍋爐中產生蒸汽。接著，氣體在所述鍋爐的下游冷卻，氣體膨脹，以及凈化氣體再飽和，在該過程中，在所述膨脹前或后，于20-40℃下進行脫硫，接著按美國專利5,117,623中提出的工藝流程進行。
這樣，來自氣化的可回收的顯熱以來自鍋爐的中壓蒸汽的形式、以飽和、凈化氣流中蒸汽的形式以及以凈化氣流中附加熱量的形式從氣化車間輸出，導致整個再飽和的凈化氣流的溫度升高。
來自空氣分離車間(通常是IGCC或IGHAT綜合車間的一部分)的壓縮機的中間冷卻器的顯熱也可以熱水回路的形式引入凈化氣再飽和回路。實施例2.采用HGCU的氣化車間本發明在高氣化壓力、優選大于60巴下顯得特別有利，因為在較高壓力下，水飽和的氣流會在較高溫度下達到平衡，從而可在較高的壓力下從位于水驟冷下游的鍋爐中產生蒸汽。
在氣流處理后，接著按EP0259114B1中提出的工藝流程進行，該工藝是將所述鍋爐中產生的氣流進行一氧化碳轉移反應，其后，將該氣流在HGCU中凈化脫除硫化合物，該凈化過程在350-500℃溫度下進行。然后，在送入HAT-循環之前，將凈化后的氣流輸送到氣體膨脹器中生產電力。
這樣，來自氣化和所述放熱的一氧化碳轉移反應的可回收的顯熱以來自鍋爐的中壓蒸汽的形式、以含在凈化氣流中的水蒸汽形式以及加熱增濕的凈化氣流所產生的附加熱函的形式從氣化車間輸出。實施例1和2在本文中用兩個實施例說明的新概念的主要特點是將由氣化過程中回收的顯熱1.與凈化的燃料氣一起，和2.以中壓氣流的形式傳遞到HAT-循環。
另一方面，通過進一步飽和該燃料氣流或通過將中壓蒸汽注入凈化的燃料氣，可以將中壓蒸汽中的顯熱或其一部分傳遞到HAT-循環。
來自空氣分離裝置的壓縮熱也可以作為飽和熱加到凈化燃料氣中。
根據本發明，HAT-循環通過凈化、飽和燃料氣接收來自氣化的大部分顯熱，而小部分則以中壓蒸汽的形式加到HAT-循環的空氣飽和器下游的飽和空氣流中。或者所有可利用的顯熱通過燃料氣傳遞。
下面參照附圖
對本發明作詳細說明，該附圖示出了根據上述兩個實施例實施本發明的操作程序。
該附圖用氣化車間和HAT-循環兩套主要裝置說明本發明的總工藝方案，所示的空氣分離車間11是氣化車間的一部分。
含碳的原料經管線1與來自空氣分離裝置11的氧經氧供料管線4A一起供入氣化和水驟冷裝置2。裝置2在操作壓力下產生以水蒸汽飽和的可燃氣流，該氣流經管線3輸送到生產鍋爐4產生蒸汽，該蒸汽經管線31輸送到HAT-循環。
在實施例1中，所述氣流在裝置5中進一步冷卻，所產生的熱水用于裝置8中的氣流的再飽和、凈化氣的飽和。在氣體冷卻裝置5和氣體再飽和裝置8之間，該氣流通過硫凈化裝置6和膨脹裝置7。通過利用來自空氣分離車間11的壓縮機的中間和后冷卻器的壓縮熱，可以實現凈化氣體的附加再飽和。所述熱量從空氣分離車間11經管線12以熱水形式傳遞到再飽和裝置8。凈化、再飽和的氣體經管線13輸送到HAT-循環。
在實施例2中，來自鍋爐4的氣流輸送到CO轉化裝置9，其后是用于脫硫的熱氣凈化裝置10和氣體膨脹裝置7。含水蒸汽的凈化氣流經管線13輸送到HAT-循環。
氣體膨脹裝置7利用裝有生產電力的交流發電機的氣體膨脹器進行運轉。
氣化車間應在高壓、優選大于60巴下操作，結果使鍋爐4輸出的蒸汽獲得更好的蒸汽數據，而且還可增加氣體膨脹裝置7的動力產量。
HAT-循環中的燃氣透平機組由燃氣透平機15、空氣壓縮機14和安裝在同一軸17上的交流發電機16組成。
空氣經管線22輸送到空氣壓縮機14，該處裝有利用水作為冷卻介質的中間和后冷卻器，空氣在壓縮機中分級地壓縮。將所述水輸送到空氣飽和裝置18，在此熱水以及被燃氣透平機廢氣27加熱的熱水與裝置18內空氣飽和器柱中的冷卻壓縮空氣相遇，所述空氣從空氣壓縮機14經管線23輸送到裝置18。飽和空氣32以及經管線31輸送到HAT-循環的來自氣化車間的中壓蒸汽進一步在熱回收裝置19中加熱，然后經管線24連同從氣化車間經管線13進入HAT-循環的可燃氣體輸送到燃燒室21。來自燃燒室21的熱廢氣30驅動膨脹透平機15，然后經管線27輸送到熱回收裝置19。來自氣體透平機廢氣的熱量在裝置19中傳遞給飽和空氣和熱水，飽和空氣經管線24輸送到燃燒室21，熱水經管線26輸送到空氣飽和器裝置18。從熱回收裝置19排出的冷卻廢氣經管線28和煙囪20排放到大氣中。由煙囪20造成的水損失通過經管線29添加到HAT-循環的新水補充。
本發明提出的HAT燃氣透平機優選設計成燃燒富燃料(例如天然氣)的透平機。現今通用的所有燃氣透平機都設計成燃燒富燃料(通常是天然氣和餾出物)的形式。當采用上述通用的燃氣透平機燃燒貧燃料(例如來自氣化車間的飽和氣體)時，為了使膨脹透平機的進口溫度保持恒定，必須將來自燃氣透平機的空氣壓縮機的空氣流量降低。某些燃氣透平機的生產廠家可以實現這一目的而不致降低工廠的動力生產效率。本發明的設計原理優選也適用于為HAT-循環而設計的燃氣透平機，意圖是當燃燒室21經管線13接收貧氣，且當飽和空氣流量隨著經管線31的補充蒸汽流量而增加時，將通過管線22流入空氣壓縮機的空氣流量降低，以保持在氣體透平機進口設計溫度下管線30中燃燒室出口氣體的溫度。這種設計原理可使燃氣透平機生產廠家只需開發一種適合于在僅以天然氣供料的HAT-循環以及在IGHAT應用中有效地運行的新型燃氣透平機。
本發明所提出的氣化車間和HAT-循環之間的熱傳導還可以簡化IGHAT工廠的設計、施工和操作以及主要技術供應者所作的承諾，因為很容易確定IGHAT中兩套主要裝置之間的界區。
權利要求
1.一種從含碳燃料生產動力的方法，該方法包括用氧或含氧氣體部分氧化燃料以產生可燃氣流和顯熱，所述顯熱或其主要部分與可燃氣體一起傳遞到動力生產裝置，所述動力生產裝置是濕空氣透平機循環。
2.根據權利要求1的方法，其中部分氧化在高于40巴的壓力下進行。
3.根據權利要求1的方法，其中部分氧化在高于60巴的壓力下進行。
4.根據前述權利要求中任一項的方法，其中利用蒸汽將小部分顯熱傳遞到動力生產裝置。
5.根據前述權利要求中任一項的方法，其中來自至少一臺空氣分離裝置的壓縮機的中間和后冷卻器的顯熱用來在可燃氣體輸送到動力生產裝置之前進一步飽和所述氣體。
全文摘要
一種從含碳燃料生產動力的方法，該方法包括用氧或含氧氣體部分氧化燃料以產生可燃氣流和顯熱，所述顯熱或其主要部分與可燃氣體一起傳遞到動力生產裝置，所述動力生產裝置是濕空氣透平機循環。
文檔編號F02C6/18GK1117753SQ9419120
公開日1996年2月28日 申請日期1994年2月16日 優先權日1993年2月16日
發明者I·蘭達夫 申請人:奈康布疊加有限公司