CN101842466A - 整体气化联合循环发电厂与煤液化设施的整合 - Google Patents
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Abstract
本申请描述了通过共享煤摄取、煤制备、气体分离和水单元的系统，来合并CTL燃料工厂和IGCC电厂的新方法。这种构造允许合并的设施通过处理单元的多通路整合，在生产效率、运行灵活性、可缩放性和可靠性方面提供优势。
Description
本申请要求2007年9月14日提交的美国临时专利申请No.60/972,450和2007年9月14日提交的美国临时专利申请No.60/972,522在35U.S.C.§119(e)下的优先权，这些临时专利申请的公开内容，在此以所有目的以其全文引为参考。
背景
发明领域
总的来说，本发明涉及清洁煤能源生产领域。更具体来说，本发明涉及将两种清洁煤生产过程合并成单一设施的方法。
发明背景
天然气、煤藏和生物质是丰富的能源，经常用作燃料来发电。美国具有大量已知的煤储量，目前燃烧用于发电的煤只占可用总储量的一小部分。这些用于发电的煤满足了美国大约一半的电能需求。目前的以及越来越紧的排放管制法规限制了硫、氮氧化物和温室气体的排放量，使得富含这些物质的煤越来越不利于发电。不能符合这些法规导致了以罚金、关闭和限制运行为形式的严厉惩罚。此外，升级现有的燃煤发电厂需要大量的投资。随着对环境问题例如全球变暖和温室气体的认识不断增加，预计这种趋势仍将继续，可能会使燃煤电厂的运行变得不利和昂贵。
世界范围内对油的不断增加的需求，已经增加了油馏分的价格，并鼓励了可替代清洁电力设施的开发。一种这样的发电设施是整体气化联合循环(IGCC)电厂。电流从煤的气化产生的合成气体(合成气)的燃烧产生。气化是将煤与限量的氧气在高温下进行反应以生产合成气体的方法。气化过程去除了潜在的污染物例如汞、砷、氮氧化物和硫氧化物。当合成气体燃烧时还实现了其他益处，因为合成气的燃烧释放较低量的二氧化碳。降低的二氧化碳排放和技术进步使得这些设施是“捕集预留的”，因为在气化器中从煤中去除存储的二氧化碳。
常规的蒸汽涡轮机需要温度、压力和腐蚀抗性的部件来发电。这些部件的限制决定了蒸汽温度的上限，因此限制了电能生产的效率。在IGCC燃气涡轮机的情况下，不存在同样的限制。燃气涡轮机具有较高的气体循环燃烧温度，供应给作为发电机构的压缩机、燃烧炉和涡轮机系统。涡轮机的高温排气输出可用于加热蒸汽，用于辅助的蒸汽涡轮机，从而增加了电力工厂的总效率。
通过转化合成气，煤也可以转变成合成的液体燃料。液体燃料与煤相比的优势在于，它们不需要昂贵的工艺或包装就可以容易地长距离运输。将煤转变成液体燃料的工艺过程典型地包括合成气的催化反应形成液体烃类。Fischer-Tropsch(FT)反应器设施执行石油代用品液体燃料的催化合成的必不可少的步骤。该过程通过催化的化学反应进行，在该化学反应中，合成气中的一氧化碳和氢气被转变成液体烃类。从固体材料生产液体烃类燃料，减少了对油馏分作为燃料的依赖性。产生烃类的反应是高度放热的，并需要冷却反应器以维持有利于继续合成的条件。
IGCC和FL工艺过程代表了降低对油馏分的依赖性的两种潜在的清洁煤工艺过程。前者提供了清洁的电能，后者提供了液体烃类用于进一步加工成产品。此外，两种工艺过程都需要煤加工、空气分离和合成气生产来运行。当前的原料、过程、资本和基础设施成本，使得单独投资这些工艺过程过于昂贵，使得它们不利于发展。以前对用于这些工艺过程的设施的合并的讨论，集中于它们共有的起始材料和对合成气生产的平行的基础设施要求。但是，已经认识到提供单一的合成气来源来运行多个清洁煤工厂，在运行灵活性，根据需求调整输出的能力，以及在维护过程中或在装置故障的情况下维持生产方面，是不利的。
因此，在工业中，对于整体IGCC和CTL设施，并使其具有运行灵活性、可调节的输出和在线维护的特点的方法，存在着需求。
发明简述
在本文描述的整体煤液化和整体气化联合循环设施的实施方案中，解决了本技术领域中的这些以及其他的需求。在本文中，描述了通过共享煤摄取、煤制备、气体分离和水单元的系统，来合并CTL燃料工厂和IGCC电厂的新方法。这种构造允许联合的设施通过工艺过程单元的多通路整合，在生产效率、运行灵活性、可缩放性和可靠性方面提供优势。
在实施方案中，煤由工厂接收，在输煤和制备单元中制备以用于气化。此外，空气在共享装置中被分离成用于气化的氧气和用于IGCC燃气涡轮机单元的氮气。制备的煤和气体被输往整体设施的CTL部分或IGCC部分。加工过的材料的运输方向依赖于多种因素，包括给定产品的盈利能力、生产产品所必需的加工材料的量、以及设备的维护状态。合成气体或合成气的生产和纯化在气化和纯化单元中进行，它们在两个部分中都保留下来。本公开的工艺过程的一个方面在于，依赖于给定产品的盈利能力、生产产品所必需的加工材料的量、以及设备的维护状态，在一个部分中产生的合成气可以提供给相邻的部分。
来自设施的CTL部分的副产物、废料或尾气，可以在IGCC部分中作为燃气涡轮机的燃料进行利用。在某些情况下，通往CTL的合成气进料流是未加工的，因此排出反应器用于向IGCC部分进行气体运输。这些气体也可以重新循环，以增加来自CTL Fischer-Tropsch反应器单元的液体产物。水和废水单元可以在设施的部分之间共享。
上面相当宽泛地概述了本发明的特点和技术优势，以便可以更好地理解下面的本发明的详细描述。本发明的其他特点和优点将在后文中描述，它们形成了本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应该认识到，公开的概念和具体实施方案可以容易地作为基础，用于修改和设计用于执行与本发明相同目的的其他结构。本领域技术人员还应该认识到，这样的等效的结构没有超出在随附的权利要求书中提出的本发明的精神和范围。
附图说明
为了详细描述本发明的优选实施方案，现在将参考随附的图，其中：
图1显示了IGCC和CTL工厂的非整体运行示意图；
图2显示了根据IGCC和CTL工厂的整体运行方法的一个实施方案的工艺流程图；
图3显示了根据IGCC和CTL工厂的整体运行方法的一个实施方案的详细工艺流程图；
图4显示了根据IGCC和CTL工厂的整体运行方法的一个实施方案的详细工艺流程图。
表示法和命名
在下面的说明书和权利要求书中使用的某些术语指称具体的系统部件。本文件不打算在名称不同而不是功能不同的部件之间进行辨别。
在下面的讨论和权利要求中，术语“IGCC”用于指称整体气化联合循环发电厂或设施。类似地，术语“CTL”或“煤液化”用于指称基于Fischer-Tropsch反应器的用于从煤或煤制品合成液体烃类的工厂，对于涉及的单独工艺过程没有限制。此外，术语合成气是指含有不同量的主要成分一氧化碳和氢气以及可能的其他气体分子的气体混合物。
在下面的讨论中，术语“设施”、“部分”和“单元”以开放式的方式使用，因此应该被解释为是指用于执行步骤或一系列步骤的部件系统的前提(premises)和相关装置，或所描述的工艺过程中的设备。
在下面的讨论和权利要求中，术语“包括(including)”和“包含(comprising)”以开放式的方式使用，因此应该被解释为是指“包括，但不限于…”。
优选实施方案的详细描述
现在参考图1，它以并排的方式显示了用于煤液化(CTL)燃料生产10和整体气化联合循环(IGCC)电厂20的未整合的设施的部件。CTL设施10包含用于生产液体烃类的Fischer-Tropsch反应器47。IGCC设施包含用于燃烧合成气以产生电流的IGCC燃气涡轮机53。此外，图1显示了在两种设施中都使用的平行的或类似的煤加工步骤。这些步骤可以包括例如但不限于输煤(coal handling)，31、32，煤制备33、34和气化器(气化单元)35、37，以及合成气纯化器43、45。此外，两种设施可以包含用于气体处理、水处理、废水处理、废物去除的工艺过程，和/或本领域技术人员所理解的相似工艺过程。
在实施方案中，本公开的工艺过程包含多通路机构以整合CTL 10和IGCC 20设施。图2显示了包含有整体IGCC电厂部分20和CTLFischer Tropsch液体烃类生产部分10的新的整体设施30。在实施方案中，来自CTL设施10的输煤31和煤制备33单元在两个部分之间共享。或者，可以设想输煤31和煤制备33单元来自于IGCC设施20的输煤32和煤制备34单元。运送到设施的煤到达输煤单元31，然后移送到煤制备单元33。煤在单元之间通过传送装置、卡车、滑车或本领域技术人员已知的其他机构进行移送。
对于哪个部分需要煤来运行进行确定，然后将煤配送到CTL气化单元35、IGCC气化单元37，或二者。接收煤的设施可以被当作接收设施。或者，无活性煤接收的设施可以被当作对方设施。运送到CTL设施10的煤通过气化35和合成气纯化45进行加工，进料合成气料流3。运送到IGCC设施20的煤通过气化37和合成气纯化43进行加工，进料合成气料流3。
整体设施30的接收和加工来自煤制备单元33的煤的部分，决定了对方的规模和运行。例如，IGCC设施20有合同要从IGCC燃气涡轮机53生产一定量的电能。为了满足该合同，IGCC设施20通过IGCC气化器37和合成气制备43使用至少一部分来自煤制备单元33的输出。CTL设施10和相连的CTL气化器35和合成气纯化45只能使用剩余部分的煤。在另一个实施方案中，接收设施使用所有的煤；或者使用其一部分。此外，对方设施可以补充合成气料流3，它被输送到接收设施，以便增加生产。
在优选实施方案中，合成气料流3在CTL设施10和IGCC设施20之间共享。合成气料流3从整体设施30的任一个部分输送到另一个部分。例如，合成气料流3从CTL设施10输送到IGCC设施20，反之亦然，对此没有限制。在示例性的情况下，当维护需要暂时关闭IGCC气化器37时，合成气料流3可以从CTL合成气纯化器45输送到IGCC工厂20。在某些实施方案中，气化单元35、37和合成气纯化43、45可以对设施之间的合成气料流3有贡献。
现在参考图3，煤的气化所需的气体在整体设施30的空气分离单元(在后文中称为ASU)39中进行加工和分离。CTL气化35和IGCC气化37单元包含它们自己的空气分离单元。优选情况下，CTL气化35和IGCC气化37单元共享单个ASU 39。需要的主要气体是氧气，它被配送到CTL气化器35、IGCC气化器37或二者，用于氧化煤并产生合成气。正如前面对于煤、运送速度和设施所讨论的，接收氧气决定了整体设施30的规模和运行方向。贫氧空气被进一步分离，以便向IGCC燃气涡轮机53供应氮气。ASU 39产生的气体，例如但不限于氧气和氮气，通过封闭的导管例如但不限于管道、管路、加压管线或储罐，在设施间输送。ASU 39可以利用本领域技术人员所了解的任何适合的技术将氧气和氮气从空气中分离。例子包括但不限于压缩机、塔、交换器、泵，或其组合。
图4描述了整体设施30的CTL部分10和IGCC部分20之间共享的另一种可能的合成气3和废气。在实施方案中，由Fischer Tropsch反应器47产生的废气和来自精制单元51的废气，可以作为辅助进气流5与合成气一起用于IGCC燃气涡轮机53。在需要时，CTL部分10中的Fischer-Tropsch反应器47可以具有可逆地降低的反应温度。通过将温度降低到有利的反应范围之外，结果是将合成气输入作为尾气完全排出到辅助进气流5中，用于进料到IGCC涡轮机53中。不降低温度时，反应器47产生用于产物精制设施51的产物流6。在某些实施方案中，产物精制包括产生但不限于生产柴油、石脑油或其他液体烃类。在其他实施方案中，导入辅助进气流5的废气或尾气可以用作燃料，在相关的蒸汽涡轮机发电机49处升高蒸汽温度。在可选实施方案中，来自辅助进气流5的废气可以通过尾气再循环设施59返回到反应器47。
此外，整体设施30的IGCC部分20可以包含Fischer Tropsch反应器47，与从纯化单元43通往IGCC涡轮机53的合成气供应流串联。通过这种方式，根据市场需求的要求，IGCC部分20可以生产附加的液体燃料。在反应器中产生的尾气可用于为IGCC涡轮机53提供动力。在立即需要电能的情况下，将反应器的温度足够地降低，以便合成气进料流作为未改变的尾气排出反应器。IGCC部分20的本实施方案的突出细节，公开在美国专利No：6,976,362中，在此以所有目的以其全文引为参考。在某些情况下，这种安排可以包含并入IGCC设施中的固定(bolt-on)的CTL设施10，以形成整体设施30。
水可以通过容器、管道、阀门和/或泵系统，从水单元运输到整个整体设施30。水可以供应给CTL设施10的单元，包括反应器47、产物精制51、合成气纯化43和气化35单元。在其他实施方案中，水可以提供给蒸汽涡轮机49，它利用来自其他单元的热和蒸汽产生大量电能。其他单元可以包括整体设施30产生用于生产蒸汽的适合的热废物或热量的任何部分。此外，水可以从气化单元35输送到煤制备单元33。煤制备设施33由CTL 10和IGCC 20工厂二者共享。供应给CTL部分10的每个单元的水，可以输送到整体设施30中的其他单元、断开、或完全去除以进行离线位点的处理，对此没有限制。
水也可以运输到IGCC合成气纯化单元43、燃气涡轮机53和热回收蒸汽发生器(在后文中称为HRSG)55。来自HRSG的蒸汽被循环到蒸汽涡轮机58。蒸汽涡轮机58可以产生额外的电力。在其他实施方案中，水被提供给IGCC气化单元37。IGCC气化单元37可以将水进一步提供给由部分CTL 10和部分IGCC 20共享的煤制备单元33。供应给IGCC部分20的每个单元的水，可以输送到其他单元、断开、或完全去除，正如本领域技术人员已知的。
废水处理单元57可以包含在整体设施30中。废水处理单元57将用过的水排出合成气纯化单元43、45，气化单元35、37，CTL反应器47，CTL产物精制设施51，煤制备单元33和IGCC燃气涡轮机53。从整体设施30的单个单元去除的废水可以可选地偶联、输送到其他单元，或从系统中除去。废水可以重新循环，重复使用，或处理并从整体设施排放。
尽管已经显示和描述了本发明的实施方案，但本领域技术人员可以对其进行修改，而不背离本发明的精神和教导。本文描述的实施方案和提供的例子仅仅是示例性的，而不打算是限制性的。本文公开的发明的许多变化和修改是可能的，并且也在本发明的范围之内。因此，保护范围不限于上面提出的说明书，而只受限于下面的权利要求书，其范围包括了权利要求书的主题的所有等价物。
Claims (24)
1.用于运行整体液体烃类和电力生产设施的方法，包括：
a)向煤分离单元提供一定量的煤；
b)将煤分成进料流，其中进料流包含合成气生产料流；
c)向进料流提供来自空气分离单元(ASU)的气体，其中气体与进料流反应，产生合成气料流；
d)将一部分合成气料流导向液体烃类生产反应器以产生液体烃类，其中来自液体烃类反应器的副产物被导向电力涡轮机；以及
e)将一部分合成气料流导向涡轮机以产生电流。
2.权利要求1的方法，还包括将煤液化(CTL)设施与整体气化联合循环(IGCC)设施合并。
3.权利要求1的方法，其中液体烃类反应器包括Fischer-Tropsch反应器。
4.权利要求1的方法，其中b)还包括将煤分成至少两个合成气生产料流。
5.权利要求4的方法，其中合成气生产料流是液体烃类生产过程的一部分。
6.权利要求4的方法，其中合成气生产料流是电力生产过程的一部分。
7.权利要求1的方法，其中c)包含分开由ASU产生的氧气。
8.权利要求7的方法，其中一部分氧气被运送到作为液体烃类生产过程的一部分的合成气生产料流中。
9.权利要求7的方法，其中一部分氧气被运送到作为电力生产过程的一部分的合成气生产料流中。
10.权利要求1的方法，其中d)还包含将合成气料流输送到一个或多个被构建用于生产液体烃类的反应器中。
11.权利要求1的方法，其中e)还包含将合成气料流输送到蒸汽涡轮机以生产电流。
12.权利要求1的方法，其中合成气料流与一个或多个被构造用于生产液体烃类的反应器和用于生产电流的蒸汽涡轮机流体连通。
13.权利要求12的方法，其中合成气料流在一个或多个被构造用于生产液体烃类的反应器与用于生产电流的蒸汽涡轮机之间流体连通。
14.权利要求1的方法，还包含将来自液体烃类和电力生产设施的废水输送到共享的废水处理单元。
15.权利要求1的方法，还包含从共享的水向液体烃类和电力生产设施供应水。
16.权利要求1的方法，还包含在d)和e)之间进行选择，其包括评估产品的盈利能力。
17.将煤液化(CTL)过程和整体气化联合循环(IGCC)设施整合的方法，包括：
a)提供输煤单元和煤制备单元，使得煤液化(CTL)过程和整体气化联合循环(IGCC)设施共享输煤单元和煤制备单元，其中输煤单元为煤液化过程和整体气化联合循环设施二者提供煤进料流；以及
b)提供空气分离单元，使得煤液化过程和整体气化联合循环设施共享空气分离单元，其中单个空气分离单元为煤液化过程和整体气化联合循环设施二者提供氧气进料流。
18.权利要求17的方法，其中CTL过程还包含产生CTL合成气料流的CTL气化单元。
19.权利要求17的方法，其中IGCC设施还包含产生IGCC合成气料流的IGCC气化单元。
20.权利要求17的方法，还包含通过CTL合成气料流向IGCC设施供应合成气。
21.权利要求17的方法，还包含通过IGCC合成气料流向CTL过程供应合成气。
22.权利要求17的方法，还包含将选自副产物、电流、液体烃类、尾气、排出气体和合成气中的至少一种，从CTL过程转移到IGCC设施。
23.权利要求17的方法，还包含将选自副产物、电流、液体烃类、尾气、排出气体和合成气中的至少一种，从IGCC设施转移到CTL过程。
24.权利要求17的方法，其中CTL合成气进料流未被处理地流过CTL设施，并通过尾气导管运送到IGCC设施。
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