專利名稱：替代天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及替代天然氣的生成和發(fā)電。
背景技術(shù)：
發(fā)電設(shè)備能夠相對有效地從諸如煤的各種烴給料生成能量?？墒褂眉寄就ㄟ^在氣化器中與氧氣和蒸汽反應(yīng)而將烴給料轉(zhuǎn)化為主要由一氧化碳(CO)和氫氣(H2)組成的氣體混合物，即合成氣?？蓪@些氣體進(jìn)行處理、加工并將其用作常規(guī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備中的燃料。例如，可將合成氣傳輸?shù)嚼煤铣蓺庾鳛橛糜隍?qū)動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的燃料的發(fā)電設(shè)備。備選地，在傳送到天然氣聯(lián)合循環(huán)(NGCC)發(fā)電設(shè)備的燃?xì)廨啓C(jī)之前可將合成氣轉(zhuǎn)化為替代天然氣(SNG)。從合成氣生成SNG是ー項(xiàng)具有大量步驟以及獨(dú)立建造和/或維護(hù)成本高昂的轉(zhuǎn)化單元的復(fù)雜工作。

發(fā)明內(nèi)容
下面概述了范圍與原始主張權(quán)利的發(fā)明相稱的特定實(shí)施例。這些實(shí)施例并非旨在限制要求保護(hù)的發(fā)明的范圍，相反，這些實(shí)施例僅旨在提供本發(fā)明的可能形式的簡要概述。 實(shí)際上，本發(fā)明可包含與以下闡述的實(shí)施例相似或不同的各種形式。在第一實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括替代天然氣(SNG)生產(chǎn)系統(tǒng)，該生產(chǎn)系統(tǒng)包括構(gòu)造成生成合成氣的氣化器；構(gòu)造成冷卻合成氣的輻射式合成氣冷卻器(RSC)，其中該RSC具有介于大約70英尺與大約100英尺之間的長度；構(gòu)造成由合成氣生成SNG的甲烷化單元； 以及從RSC通過甲烷化単元的流體流動通路，其中該流體流動通路中的流體的生成壓カ和溫度基于在流體經(jīng)過甲烷化單元時傳遞到該流體流動通路中的流體的熱量。在第二實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括輻射式合成氣冷卻器(RSC)，該合成氣冷卻器包括構(gòu)造成傳輸流體的冷卻管道，其中該RSC構(gòu)造成具有熱傳遞面積使得該RSC將離開該RSC 的流體的壓カ和溫度產(chǎn)生成允許流體過熱到大約750° F到850° F的水平，并且其中基于在流體經(jīng)過在RSC外部的第一通路中的熱交換器時要傳遞到流體的熱量來確定該熱傳遞面積。在第三實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括替代天然氣(SNG)生產(chǎn)系統(tǒng)，該生產(chǎn)系統(tǒng)包括構(gòu)造成冷卻合成氣的輻射式合成氣冷卻器(RSC)；構(gòu)造成將水和合成氣從RSC運(yùn)送到水-氣變換反應(yīng)器的第一流體通路，其中該水-氣變換反應(yīng)器構(gòu)造成調(diào)節(jié)合成氣中的氫氣與ー氧化碳比例以生成變換后的合成氣；構(gòu)造成從變換后的合成氣生成SNG的甲烷化單元；以及構(gòu)造成將流體從RSC運(yùn)送到甲烷化單元的第二流體通路，其中該第二流體通路中的流體的壓カ和溫度基于在流體經(jīng)過甲烷化單元時要傳遞到第二流體通路中的流體的熱量。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，全部附圖中相似的附圖標(biāo)記代表相似的零件，其中
圖1是替代天然氣(SNG)生產(chǎn)系統(tǒng)的一個實(shí)施例的示意性方框圖；圖2是圖1的輻射式合成氣冷卻器的一個實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D；圖3是示出了傳輸?shù)綀D1的水-氣變換反應(yīng)器的液體的量的控制的流程圖；以及圖4是用于圖1的SNG生產(chǎn)系統(tǒng)的流體過熱系統(tǒng)的ー個實(shí)施例的示意性方框圖。零部件列表100替代天然氣(SNG)生產(chǎn)系統(tǒng)102燃料源103 氧氣104給料氣化和洗滌系統(tǒng)105 空氣106空氣分離單元(ASU)107 氮?dú)?08 漁110水-氣變換反應(yīng)器111 通路112 通路113氨冷卻器114氣體處理單元115 通路116尾氣處理單元117 通路118 硫119C02120壓縮單元121 通路122氣體冷卻單元123 甲燒124蒸汽輪機(jī)125甲烷化反應(yīng)器126 電カ128SNG脫水和壓縮單元130輻射式合成氣冷卻器(RSC)131軸向軸線132徑向軸線133周向軸線134 容器135 通路136上部區(qū)域137 第二通路
139火焰區(qū)
140冷卻管道
142氣化器
144箭頭
146導(dǎo)管
150激冷圓錐體
152向上的方向
154轉(zhuǎn)移管線
156長度
158長度
162通路
163熱交換器
164通路
166通路
172通路
176閥
178控制器
180傳感器
182流程圖
184步驟
186步驟
188步驟
190步驟
192通路
194熱交換器
196管道
198分配板
200箭頭
204熱交換器
206分配板
208管道
210箭頭
212通路
214通路
216通路
具體實(shí)施例方式
下面將描述本發(fā)明的ー個或多個特定實(shí)施例。為了試圖提供這些實(shí)施例的簡要描述，說明書中可能未描述實(shí)際實(shí)施方案的所有特征。應(yīng)理解，在任何此類實(shí)際實(shí)施方案的開發(fā)過程中，與任何工程或設(shè)計(jì)方案一祥，必須做出許多實(shí)施方案特定的決定以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的既定目標(biāo)，例如服從可能因?qū)嵤┓桨付惖南到y(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的約束。此外，應(yīng)理解， 此類開發(fā)努力可能是復(fù)雜和耗時的，但對于受益于本公開內(nèi)容的普通技術(shù)人員來說卻是一項(xiàng)設(shè)計(jì)、裝配和制造的日常工作。當(dāng)介紹本發(fā)明各種實(shí)施例的元件吋，用詞“一”、“一個”、“該”和“所述的”意指存在一個或多個這樣的元件。用語“包含”、“包括”和“具有”旨在作為包括性的且意味著可能存在所列元件以外的其它元件。本公開內(nèi)容針對ー種用于從合成氣生成替代天然氣(SNG)的生產(chǎn)系統(tǒng)和方法。 SNG可為主要包含可從諸如煤或生物質(zhì)的燃料源生產(chǎn)的甲烷的氣體。用于生成SNG的生產(chǎn)系統(tǒng)可包括輻射式合成氣冷卻器(RSC)，該合成氣冷卻器與甲烷化和氣體冷卻単元協(xié)同エ 作，以使蒸汽過熱以便傳輸?shù)秸羝啓C(jī)。甲烷化和氣體冷卻単元中從合成氣生成SNG是可用于使水過熱以便生成可由蒸汽輪機(jī)用于發(fā)電的蒸汽的發(fā)熱反應(yīng)。要進(jìn)行過熱的水可由甲烷化和氣體冷卻單元從RSC接收，此處水用于冷卻RSC中的原質(zhì)合成氣(raw syngas) 0可基于熱傳遞面積(例如水可跨越其與合成氣相互作用的表面積)來設(shè)定用于冷卻RSC中的原質(zhì)合成氣的水的溫度和壓力。例如，該熱傳遞面積可與RSC的長度、周長或其它尺寸測量值有關(guān)，并因此與RSC內(nèi)冷卻管道的長度和/或數(shù)量有關(guān)，RSC內(nèi)的冷卻管道充當(dāng)與RSC中的合成氣一起的熱交換器。此外，可基于在水經(jīng)過甲烷化和氣體冷卻単元的甲烷化單元時要傳遞到水的預(yù)期熱量來設(shè)定RSC的熱傳遞面積。這樣，可利用諸如RSC的現(xiàn)有設(shè)備來預(yù)熱要進(jìn)行過熱以便用于蒸汽輪機(jī)的水而無需另外的熱交換設(shè)備。另外，RSC可將合成氣和水傳輸?shù)剿?氣變換反應(yīng)器以便調(diào)節(jié)合成氣中氫氣與ー 氧化碳的比例。合成氣與水比例在RSC的壽命期間可能改變。因此，可將另外的水傳輸?shù)剿?氣反應(yīng)器以維持從RSC傳輸?shù)剿?氣反應(yīng)器的合成氣和水的相對恒定的水(例如，蒸汽)與干氣體比例?？稍O(shè)置控制器以維持水(例如，蒸汽)與干氣體比例，藉此該控制器可通過調(diào)節(jié)閥的打開和關(guān)閉來調(diào)節(jié)傳輸?shù)剿?氣反應(yīng)器的附加水的量。該控制器可基于傳感器做出的與RSC中發(fā)生的積垢量——具體而言，RSC中的冷卻管道周圍發(fā)生的積垢量—— 有關(guān)的測量調(diào)節(jié)閥。圖1針對該背景示出了替代天然氣(SNG)生產(chǎn)系統(tǒng)100。SNG生產(chǎn)系統(tǒng)100的元件可包括可用作用于生產(chǎn)SNG的能量源的諸如固體給料的燃料源102。燃料源102可包括煤、 石油焦、生物質(zhì)、木質(zhì)材料、農(nóng)業(yè)廢料、焦油、焦?fàn)t煤氣和浙青或其它含碳物品?？蓪⑷剂显?102的固體燃料傳送至給料氣化和洗滌系統(tǒng)104。給料氣化和洗滌系統(tǒng)104可包括若干子系統(tǒng)。例如，給料氣化和洗滌系統(tǒng)104可包括給料制備子系統(tǒng)，該給料制備子系統(tǒng)例如可通過破碎、碾磨、粉碎、磨碎、壓塊或碼垛燃料源102而使燃料源102重新確定尺寸或重新成形以生成給料。另外，可對給料制備子系統(tǒng)中的燃料源102添加水或其它適當(dāng)?shù)囊后w以形成漿狀給料。在其它實(shí)施例中，不對給料制備子系統(tǒng)中的燃料源添加液體，從而得到干給料?？蓪⒔o料從給料制備子系統(tǒng)傳送至給料氣化和洗滌系統(tǒng)104的氣化子系統(tǒng)。氣化子系統(tǒng)可將給料轉(zhuǎn)化為ー氧化碳和氫氣的混合物，例如合成氣。可通過使給料經(jīng)歷受控量的蒸汽和氧氣來完成這種轉(zhuǎn)化，該蒸汽和氧氣處于例如從大約20bar與大約^bar之間升高的壓カ和例如介于大約1300° F與大約四00° F之間的溫度下，取決于用于氣化子系統(tǒng)中的氣化器的類型。該氣化過程也可包括經(jīng)歷高溫分解過程的給料，藉此加熱給料。氣化子系統(tǒng)的氣化器內(nèi)部的溫度范圍在該高溫分解過程期間可介于大約300° F與大約1300° F 之間，取決于用于生成給料的燃料源102。給料在高溫分解過程期間的加熱可生成固體，例如炭，以及殘余氣體，例如一氧化碳、氫氣和氮?dú)?。從來自高溫分解過程的給料剩余的炭可僅重達(dá)原始給料的重量的大約30%。然后，氣化子系統(tǒng)中可發(fā)生燃燒過程。為有助于該燃燒過程，可從空氣分離單元 (ASU) 106對氣化子系統(tǒng)供應(yīng)氧氣103。ASU 106可運(yùn)行以通過例如可為低溫法或可利用變壓吸附(PSA)的蒸餾技術(shù)來將空氣105分離為成分氣體。ASU 106可從供應(yīng)給它的空氣分離氧氣103并且可將分離后的氧氣103傳輸至氣化子系統(tǒng)。另外，ASU 106可從空氣105分離氮?dú)?07，例如，用于收集或進(jìn)ー步用于發(fā)電。因此，從空氣105分離的氧氣103由氣化子系統(tǒng)從ASU 106接收用于燃燒目的。 燃燒可包括將氧氣103引導(dǎo)到炭和殘余氣體使得炭和殘余氣體可與氧氣103反應(yīng)而形成ニ 氧化碳和一氧化碳，從而提供用于隨后氣化反應(yīng)的熱量。在燃燒過程期間的溫度范圍可介于大約1300° F與大約四00° F之間。接下來，可在氣化步驟期間將蒸汽導(dǎo)入給料氣化和洗滌系統(tǒng)104的氣化子系統(tǒng)內(nèi)。炭可與ニ氧化碳和蒸汽反應(yīng)而產(chǎn)生溫度范圍介于大約 1500° F與大約四00° F之間的ー氧化碳和氫氣。本質(zhì)上，氣化子系統(tǒng)的氣化器利用蒸汽和氧氣來允許燃燒一部分給料以產(chǎn)生ニ氧化碳和能量，從而驅(qū)動將更多給料轉(zhuǎn)化為氫氣和附加ー氧化碳的主反應(yīng)。這樣，生成的氣體由氣化子系統(tǒng)的氣化器制造。該生成的氣體可包括大約85%的一氧化碳和氫氣，以及CH4、NH3、COS、CO2和(基于給料的硫含量)。該生成的氣體可稱為原質(zhì)或未經(jīng)處理的合成氣。氣化子系統(tǒng)也可生成可為濕灰料的廢料，例如渣108。該渣108可由給料氣化和洗滌子系統(tǒng)104的洗滌子系統(tǒng)從氣化子系統(tǒng)去除。渣 108例如可作為路基或作為另ー種建筑材料進(jìn)行處理。另外，洗滌子系統(tǒng)可通過從原質(zhì)合成氣去除諸如濕灰燼的任何顆粒物質(zhì)而處理原質(zhì)合成氣。然后，可沿著通路111將原質(zhì)合成氣傳送至水-氣變換反應(yīng)器110。水-氣變換反應(yīng)器110可執(zhí)行水-氣變換反應(yīng)，其中一氧化碳與水(例如，蒸汽)反應(yīng)而形成ニ氧化碳和氫氣。該過程可將原質(zhì)合成氣中的氫氣與一氧化碳的比例從大約1比1調(diào)節(jié)為用于甲烷化過程的包括大約3比1的氫氣與一氧化碳比例的變換后的合成氣。應(yīng)注意，水-氣變換反應(yīng)器110可為酸性水-氣變換反應(yīng)器，即，在水-氣變換反應(yīng)期間供給到水-氣變換反應(yīng)器 110中的原質(zhì)合成氣中可能存在硫。在水-氣變換反應(yīng)器110中的水-氣變換反應(yīng)之后，系統(tǒng)100可沿著通路112將原質(zhì)變換后的合成氣傳輸至氣體處理單元114。氣體處理單元114可洗滌原質(zhì)變換后的合成氣(例如，水-氣變換反應(yīng)器110和含硫的合成氣產(chǎn)物)，以從原質(zhì)變換后的合成氣去除不希望有的元素，例如COS和&S，以生成處理后的合成氣(例如，不含硫的合成氣)。另外， 氣體處理單元114可將原質(zhì)變換后的合成氣的不希望有的元素(例如，COS和H2Q傳輸至硫回收和尾氣處理単元116以進(jìn)行硫118的分離和隔離。這樣，可去除硫118以用于處理或銷售。為進(jìn)一歩協(xié)助氣體處理單元114中的酸性氣體(例如，H2S)去除，可將原質(zhì)變換后的合成氣的一部分(例如，大約10% .20^.30% .40^.50%或更多)傳輸?shù)桨崩鋮s器113。 氨冷卻器113可作為例如熱交換器運(yùn)行。在一個實(shí)施例中，氨冷卻器113例如可包括蒸發(fā)器、發(fā)生器、吸收器和冷凝器。蒸發(fā)器例如可作為真空被保持在低壓カ下。蒸發(fā)器的低壓カ 可使得諸如NH3 (氨)的制冷劑在很低的溫度下沸騰。蒸發(fā)器可包括熱交換器以與原質(zhì)變換后的合成氣換熱，從而向蒸發(fā)器中的制冷劑增加熱量。蒸發(fā)器也可從蒸發(fā)器周圍吸熱。由于此熱傳遞，制冷劑可轉(zhuǎn)化為可流入吸收器的蒸氣。吸收器可使制冷劑蒸氣與水混合。例如，吸收器經(jīng)由循環(huán)冷卻劑(例如，水)的熱交換器將制冷劑蒸氣冷卻和冷凝為水。然后， 可經(jīng)由吸收劑泵將富含制冷劑的水泵送到發(fā)生器。在發(fā)生器中，熱量可通過諸如熱水或蒸汽的外部熱源傳遞到富含制冷劑的水。來自熱水或蒸汽的熱量可使制冷劑沸騰而離開富含制冷劑的水，以生成制冷劑蒸氣。來自發(fā)生器的制冷劑蒸氣可被傳輸?shù)嚼淠?，其中可通過與諸如水的冷卻劑換熱而將制冷劑蒸氣轉(zhuǎn)化為液體。然后，可使冷卻后的制冷劑回到低壓蒸發(fā)器，其中它可用于散熱以生成冷卻后的原質(zhì)變換后的合成氣，從而完成熱動カ循環(huán)?？裳刂?15將冷卻后的原質(zhì)變換后的合成氣重新引導(dǎo)到原質(zhì)變換后的合成氣，該通路115可將冷卻后的原質(zhì)變換后的合成氣引導(dǎo)到沿著通路112流動的原質(zhì)變換后的合成氣。另外或備選地，可沿著通路117將冷卻后的原質(zhì)變換后的合成氣直接導(dǎo)入氣體處理單元114。氣體處理單元114生成的處理后的合成氣可包括大約3% CO、大約55% H2和大約40% CO2并且基本上被脫除&S。氣體處理單元114還可包括可從處理后的合成氣脫除 CO2119的CO2去除子系統(tǒng)?？蓪⒚摮腃02119從氣體處理單元114傳輸?shù)娇墒笴02119脫水并壓縮以用于存儲和后續(xù)使用的CO2脫水和壓縮單元120。例如，可傳送C02119通過通向碳封存地點(diǎn)例如增強(qiáng)油回收(EOR)地點(diǎn)或成含水層的管線。備選地，CO2脫水和壓縮單元 120可將脫水和壓縮后的C02119傳輸?shù)嚼缁S以便在其中使用。氣體處理單元114可沿著通路121直接或間接將處理后的合成氣傳輸?shù)郊淄榛蜌怏w冷卻単元122。在一個實(shí)施例中，通路121可經(jīng)過水-氣變換反應(yīng)器110中的熱交換器，以試圖在傳輸?shù)郊淄榛蜌怏w冷卻単元122之前加熱處理后的合成氣。甲烷化和氣體冷卻単元122可作為放熱反應(yīng)將處理后的合成氣中的CO和H2轉(zhuǎn)化為CH4和H2O, S卩，甲烷 (例如，SNG 123)和水。因此，甲烷化和氣體冷卻単元122可包括甲烷化反應(yīng)器125，該甲烷化反應(yīng)器125可運(yùn)行以生成SNG 123和水并作為利用冷卻劑(例如，水)來冷卻生成的 SNG 123的熱交換器運(yùn)行。該熱交換器可生成蒸汽，甲烷化和氣體冷卻単元122可將該蒸汽傳輸?shù)秸羝啓C(jī)124以用于發(fā)電126。電カ1 可由例如各種制造設(shè)備使用或可傳輸?shù)诫娋W(wǎng)以便后續(xù)使用。應(yīng)注意，甲烷化和氣體冷卻単元122可包括在合成氣被轉(zhuǎn)化為SNG 123 和水之前利用處理后的合成氣(例如，已從合成氣脫硫)的低硫(sweet)甲烷化反應(yīng)器。甲烷化和氣體冷卻單元122可將生成的SNG 123和水傳輸?shù)絊NG脫水和壓縮單元 128。該SNG脫水和壓縮單元128可從SNG 123分離水，使得SNG 123可被壓縮并從SNG脫水和壓縮單元1 傳輸?shù)嚼鏢NG管線?？墒褂肧NG管線將SNG 123傳輸?shù)嚼绱鎯υO(shè)施或另外的SNG處理設(shè)施。在一個實(shí)施例中，給料氣化和洗滌系統(tǒng)104的元件可與甲烷化和氣體冷卻単元122的操作相匹配，如以下將更詳細(xì)地描述的。給料氣化和洗滌系統(tǒng)104可包括作為洗滌子系統(tǒng)的一部分的輻射式合成氣冷卻器。圖2是用于與圖1的給料氣化和洗滌系統(tǒng)104—起使用的輻射式合成氣冷卻器 (RSC) 130的一個實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D。將參考軸線方向或軸線131、徑向方向或軸線132以及周向方向或軸線133描述RSC 130的各個方面。例如，軸線131對應(yīng)于縱向中心線或縱CN 102533364 A
長方向，軸線132對應(yīng)于相對于縱向中心線的橫向或徑向，而軸線133對應(yīng)于繞縱向中心線的周向。給料氣化和洗滌系統(tǒng)104的氣化器(即，氣化子系統(tǒng))中可生成合成氣及諸如渣 108之類的廢料?？稍趯⒃|(zhì)合成氣傳輸?shù)剿?氣變換反應(yīng)器110之前去除該渣108。RSC 130可用于從合成氣分離渣108。此外，可在經(jīng)由RSC 130傳輸?shù)剿?氣變換反應(yīng)器110之前有益地冷卻合成氣。RSC 130也可包括容器1；34。容器1；34可用作用于RSC 130的封閉裝置，封閉RSC 130的上部區(qū)域136及RSC 130的下部區(qū)域138兩者。容器134也可容納可在RSC 130的上部區(qū)域136中的冷卻管道140。冷卻管道140可包括沿著RSC 130的徑向軸線132的多個導(dǎo)管，并且也可相對于軸向軸線131沿與容器134平行的方向延伸。諸如水或另ー種液體的冷卻劑可流經(jīng)管道140。因此，管道140可用作RSC130內(nèi)的熱交換器，并且可使冷卻劑循環(huán)以便從合成氣和渣108散熱。氣化器142中生成的合成氣通?？扇缂^144所示平行于管道140以向下的方式流動。氣化器142例如可包括沿著通路135來自燃料源102的輸入及來自例如ASU 106的氧氣輸入。在一個實(shí)施例中，沿著通路135來自燃料源的燃料可與氧氣混合并在例如氣化器142中的火焰區(qū)139中燃燒而生成合成氣。此外，在一些實(shí)施例中，可沿著第二通路137將一部分燃料添加到氣化器142的火焰區(qū)139中。在一個實(shí)施例中，可沿著通路137分流大約5%與大約20%之間的引入氣化器142的燃料，以調(diào)節(jié)由氣化器142生成的合成氣中甲烷的量。生成的合成氣(及沿著通路137添加的任何燃料)可使RSC 130的管道140與流經(jīng)管道140的冷卻劑接合，從而在合成氣經(jīng)過RSC 130時冷卻合成氣。該冷卻過程的ー個結(jié)果可為管道140中生成蒸汽，該蒸汽然后可從RSC 130傳輸，如將參照圖1進(jìn)ー步說明的。RSC 130也可在RSC 130的下區(qū)域138中包括導(dǎo)管146，該導(dǎo)管146可協(xié)助將冷卻后的合成氣和渣108引出RSC 130。例如，當(dāng)渣108離開導(dǎo)管146時，渣108可沿大體向下的方向148流動，以經(jīng)由包含水的激冷圓錐體150離開RSC 130，從而冷卻渣108。相反，冷卻后的合成氣可在合成氣離開管道146時朝轉(zhuǎn)移管線巧4沿大體向上的方向152流動。在一些實(shí)施例中，冷卻后的合成氣可與激冷圓錐體150中的水互相作用使得蒸汽可以以大約 1.0 1與1.4 1之間的比例轉(zhuǎn)移到冷卻后的合成氣。可使用轉(zhuǎn)移管線IM來經(jīng)由通路 111將合成氣傳輸?shù)剿?氣變換反應(yīng)器110。下面將對RSC 130中的合成氣的冷卻進(jìn)行進(jìn)一歩的描述。熱合成氣和渣可從氣化器106流經(jīng)RSC 130的上部區(qū)域136。當(dāng)熱合成氣和渣108 經(jīng)RSC 130向下移動時，渣108可能以比較均勻的方式掉落，例如，經(jīng)RSC 130軸向131向下144。相反，合成氣在處于氣態(tài)時可開始軸向131流經(jīng)RSC 130，但是，合成氣可遍及容器 1；34徑向132分散并軸向131向下144流經(jīng)RSC 130。這樣，合成氣在流經(jīng)RSC 130時可與冷卻管道140互相作用，該冷卻管道140可包括可平行于容器134軸向131延伸的多個導(dǎo)管。另外，諸如水的冷卻劑可流經(jīng)冷卻管道140。該水例如可由蒸汽輪機(jī)IM供應(yīng)，如將參考圖1更詳細(xì)地說明。該冷卻剤(例如，水)因此從冷卻管道140流出RSC 130并且可作為高壓蒸汽傳輸，如將參考圖1更詳細(xì)地描述。經(jīng)過冷卻管道140的冷卻劑可為例如來自蒸汽輪機(jī)124的鍋爐給水。該水可為例如大約630° F。在另ー實(shí)施例中，水溫范圍可介于大約450° F與大約670° F之間、大約 400° F與大約750° F之間、大約500° F與大約650° F之間或更高，由加工行業(yè)需求決定。相反，經(jīng)過RSC 130的合成氣在合成氣與冷卻管道140互相作用時可從大約2500° F 與大約1200° F之間冷卻。即，當(dāng)加熱后的合成氣與冷卻管道140互相作用時，它可將熱量傳遞到冷卻管道140內(nèi)部的流體及冷卻管道140本身兩者，從而冷卻合成氣，同時生成可由例如蒸汽渦輪發(fā)動機(jī)1 利用的蒸汽源。在一個實(shí)施例中，可基于SNG生產(chǎn)系統(tǒng)100的需求來確定RSC130中的管道140的長度156和因此確定其中的管道140。RSC 130的長度156例如可介于大約70英尺與大約 100英尺之間。在另ー實(shí)例中，RSC 130的長度156可為大約70英尺、80英尺、90英尺或 100英尺。RSC 130的長度156可影響管道140的長度158，并因此影響在經(jīng)過管道140的合成氣和水之間傳遞的熱量。傳遞到管道140中的水的熱量可改變離開RSC 130的水的離開溫度和壓力。例如，RSC 130的長度156可選擇成使得離開RSC 130的水的溫度可處于大約550° F與大約700° F之間溫度和大約IOOOpsi與大約1200psi之間的壓力下。從管道140離開RSC 130的水的離開壓力和離開溫度兩者都可設(shè)成使得離開RSC 130的水可處于期望的壓カ和溫度下，以允許例如甲烷化和氣體冷卻単元122的甲烷化反應(yīng)器125中的過熱。即，從管道140離開RSC 130的水的生成壓カ和溫度可基于在水經(jīng)過甲烷化和氣體冷卻単元122的甲烷化單元中的甲烷化反應(yīng)器125時要傳遞到流體流動通路中的水的熱量。應(yīng)注意，雖然以上實(shí)例討論了 RSC 130和/或管道140的長度156的調(diào)節(jié)，但在其它實(shí)施例中，可調(diào)節(jié)與RSC的尺寸有關(guān)的其它因素例如周長，以試圖設(shè)定RSC 130的總熱傳遞面積。此外，可預(yù)熱可用作管道140中的冷卻流體的水。返回圖1，蒸汽輪機(jī)124可包括例如用于蒸汽生成的鍋爐給水。也可將該鍋爐給水用作用于在RSC 130的管道140中使用的冷卻流體的源。例如，蒸汽輪機(jī)1 可沿著通路160將鍋爐給水傳輸?shù)郊淄榛蜌怏w冷卻単元122。沿著通路160傳輸?shù)郊淄榛蜌怏w冷卻単元122的給水可處于大約250° F 或大約225° F與大約270° F之間的溫度下。一旦在甲烷化和氣體冷卻単元122處被接收，給水便經(jīng)過甲烷化和氣體冷卻単元122中的熱交換器(例如，甲烷化反應(yīng)器125或単獨(dú)的熱交換器)，藉此向水傳熱。因此，沿著通路162離開甲烷化和氣體冷卻単元122的水可處于大約300° F或大約275° F與大約325° F之間的溫度下?？蓪⑼?62中的水傳輸?shù)嚼缥挥谒?氣變換反應(yīng)器110中的另ー熱交換器 163，以吸收更多熱量。例如，沿著通路162的水可在大約300° F或大約275° F與大約 325° F之間。一旦水進(jìn)入水-氣變換反應(yīng)器110中的熱交換器163，水溫便可上升到例如大約500° F或大約450° F與大約550° F之間。處于大約500° F或大約450° F與大約550° F之間的水可沿著通路164被傳輸?shù)絉SC 130，以用作RSC 130中的冷卻液，可經(jīng)過例如冷卻管道140，如前文所述。然后，水可在大約550° F與大約700° F之間的溫度和大約IOOOpsi與大約1200psi之間的壓力下沿著通路166離開RSC 130?？蓪⒀刂?166的此水傳輸?shù)郊淄榛蜌怏w冷卻単元122中可作為熱交換器運(yùn)行的一個或更多個甲烷化反應(yīng)器125。S卩，沿著通路166傳輸?shù)揭粋€或更多個甲烷化反應(yīng)器125的水可在ー個或更多個甲烷化反應(yīng)器125中經(jīng)歷過熱并且可在大約1200psi與大約1500psi之間的壓力和大約750° F與大約950° F之間的溫度下作為高壓蒸汽離開甲烷化和氣體冷卻単元122， 該高壓蒸汽可沿著通路168被傳輸?shù)秸羝啓C(jī)124以用于發(fā)電126?？苫赗SC 130的長度156來確定沿著通路168的水的輸出溫度(即，該長度156決定要在一個或更多甲烷化反應(yīng)器125中進(jìn)行過熱的沿著通路166的水的壓カ和溫度)。在一個實(shí)施例中，也可沿著通路170將在大約50psi與大約IOOpsi之間并處于大約500° F與大約600° F之間的溫度下的低壓水傳輸?shù)郊淄榛蜌怏w冷卻単元122中的一個或更多個甲烷化反應(yīng)器125。也可在一個或更多個甲烷化反應(yīng)器125中使沿著通路170的此低壓水過熱以生成溫度介于大約750° F與大約950° F之間的低壓蒸汽，可沿著通路172將該低壓蒸汽傳輸?shù)秸羝啓C(jī) 124以用于發(fā)電126。再參照圖2，當(dāng)合成氣經(jīng)過RSC 130的容器134吋，合成氣可攜帯有來自氣化過程的殘余物，例如灰燼。該殘余物可隨著時間推移而沉淀在冷卻管道140上。冷卻管道140上的這些沉淀物可隨著時間推移而使冷卻管道140“積垢”。S卩，沉淀在冷卻管道140上的材料可使冷卻管道140的外表面上形成膜。這些沉淀物可導(dǎo)致RSC 130的蒸汽與干氣體比例增大。即，積垢可改變合成氣的冷卻使得當(dāng)合成氣接觸激冷圓錐體150中的水吋，可生成更大量的蒸汽，從而在RSC 130從運(yùn)行時間開始到運(yùn)行時間結(jié)束時將蒸汽與干氣體比例從大約 0.8 1與大約0.9 1之間提升到大約1.0 1與大約1.4 1之間。為使該蒸汽與干氣體比例平穩(wěn)使得其在RSC 130的整個壽命期間穩(wěn)定地介于大約1.9 1與大約1.4 1 之間，可分流沿著通路166離開RSC 130的管道140的水，以將其添加到沿著水-氣變換反應(yīng)器110中的通路111傳輸?shù)脑|(zhì)合成氣。如圖1中所示，通路174可從通路166分支使得水可經(jīng)由例如通路111傳輸?shù)剿?氣變換反應(yīng)器110，以在需要時增大水-氣變換反應(yīng)器110中的蒸汽與干氣體比例。 可經(jīng)由例如閥176調(diào)節(jié)沿著通路174傳輸?shù)乃??？纱蜷_和關(guān)閉該閥176以改變傳輸?shù)剿?氣變換反應(yīng)器110的水量?？刂破?78可操作以調(diào)節(jié)閥176的打開和關(guān)閉。該控制器 178可包括一個或更多個“通用”微處理器、一個或更多個專用微處理器和/或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)或此類處理部件的ー些組合、中央處理單元(CPU)和/或其它類型的處理器。在一個實(shí)施例中，控制器178可基于從可連接到RSC 130上的傳感器180收到的測量結(jié)果來調(diào)節(jié)閥176的打開和關(guān)閉。該傳感器180例如可通過測量經(jīng)過例如RSC 130中的管道140 的流體的溫度并生成與測定的溫度相對應(yīng)的信號以便用于確定RSC 130中的管道140的積垢量來測量RSC 130中已發(fā)生的積垢量。例如，隨著傳感器測定的溫度升高，總蒸汽產(chǎn)量 (影響前述的蒸汽與干氣體比例)可能降低。因此，控制器178可打開閥176以允許對被傳遞到水-氣變換反應(yīng)器110的水-合成氣混合物添加更多蒸汽。另外或備選地，傳感器 180例如可測量RSC 130中的蒸汽與干氣體比例并基于可由控制器178以類似于上述的方式用于控制閥176的打開和關(guān)閉的測量結(jié)果來生成信號。圖3是示出了用于控制沿著通路174傳輸?shù)剿?氣變換反應(yīng)器110的水量的方法的流程圖182。在步驟184中，控制器178可接收與RSC130中的管道140的積垢有關(guān)的測量結(jié)果。這些測量結(jié)果可從傳感器180接收并且可與例如經(jīng)過RSC 130中的管道140的流體的溫度或經(jīng)由轉(zhuǎn)移管線巧4離開RSC 130的流體的蒸汽與干氣體比例有關(guān)?；谑盏降臏y量結(jié)果，在步驟186中，控制器178可確定RSC 130中的積垢水平。典型地，RSC 130中的管道140的積垢在RSC 130開始運(yùn)行時最少并且將隨著時間推移而增加。在步驟188中，控制器可例如基于從傳感器180收到的與傳感器180的測量結(jié)果相對應(yīng)的信號來判斷在步驟186中確定的積垢水平是否高于閾值。該閾值可包括可對應(yīng)于應(yīng)當(dāng)如何打開或關(guān)閉閥176從而調(diào)節(jié)要沿著通路174傳輸?shù)乃康末`個或更多個水平。如果控制器178確定積垢水平未高于閾值(S卩，特定水平)，則控制器178可以不調(diào)節(jié)閥176并且該過程可回到步驟184。但是，如果控制器178確定積垢水平高于閾值(即，特定水平)， 則控制器178可在步驟190中相應(yīng)調(diào)節(jié)閥176。S卩，控制器178可打開或關(guān)閉閥176預(yù)定的量，該預(yù)定量可對應(yīng)于在步驟188中測試的閾值。在步驟190以后，該過程可倒回到步驟 184以重新開始上述方法?？砂搭A(yù)先確定的計(jì)劃重復(fù)流程圖182中的步驟。例如，可每小時、每天、每周、毎月或以ー些其它頻率重復(fù)流程圖182中的步驟。另外和/或備選地，可在由用戶選擇的規(guī)定時間重復(fù)流程圖182中的步驟。即，用戶可在任何時間并以任何頻率啟動上述方法。圖4示出了通過沿著通路166重新引導(dǎo)水而使離開RSC 130的水過熱的另ー種方式。如上所述，離開RSC 130的水的一部分可能已經(jīng)經(jīng)由閥176和控制器178被分流到通路111。通路166中剰余的水可被引導(dǎo)到通路192，并且可處于大約550° F與大約700° F 之間的溫度下。可將該水的ー些——例如大約5%與大約15%之間——傳輸?shù)綗峤粨Q器 194而將剩余部分傳輸?shù)綗峤粨Q器204。熱交換器194可包括管道196，原質(zhì)合成氣可從通路111經(jīng)過該管道196。合成氣的加熱可有助于水-氣變換反應(yīng)器130的總體效率，因?yàn)橛糜谑顾?氣變換反應(yīng)器110中的水-氣變換反應(yīng)加速的催化劑與冷合成氣相比可更快地與加熱后的合成氣反應(yīng)。因此，合成氣可從合成氣在離開RSC 130時在大約300° F與大約 400° F之間的溫度升高到合成氣離開熱交換器194時大約400° F與大約500° F之間的溫度。在熱交換器194中，可將合成氣傳輸?shù)椒峙浒?98中。分配板198例如可操作以遍及熱交換器194均勻地分散合成氣。因此，均勻分散的合成氣從分配板198流入熱交換器194的管道196的內(nèi)部并流經(jīng)管道196。可使已離開RSC 130的來自通路192的水大體沿箭頭200所示的方向經(jīng)過熱交換器194，以通過使合成氣經(jīng)過其中的管道196升溫(例如，通過接觸管道196的外壁)而對合成氣增加熱量。水可沿著通路212離開熱交換器194 以便傳輸?shù)酵?60。熱交換器204以類似于熱交換器194的方式工作，但是，熱交換器204可從合成氣散熱而非給合成氣賦予熱量。例如，在沿著通路214由熱交換器204分離之后，可從通路 192接收水。該水可被傳輸?shù)綗峤粨Q器204中并且可從其中的合成氣散熱。例如，合成氣可在大約850° F與大約950° F之間的溫度下沿著通路112離開水-氣變換反應(yīng)器110?？蓪⒃摵铣蓺鈧鬏?shù)椒峙浒?06中。分配板206例如可操作以遍及熱交換器204均勻地分散合成氣。因此，均勻地分散的合成氣從分配板206流入熱交換器204的管道208的內(nèi)部并流經(jīng)管道196?？墒挂央x開熱交換器194的來自通路202的水大體沿箭頭210所示的方向經(jīng)過熱交換器204，以通過冷卻合成氣經(jīng)過其的管道208 (例如， 通過接觸管道208的外壁(exterior))而從合成氣散熱。水可沿著通路216離開熱交換器 194以便在大約750° F與大約850° F之間的溫度下傳輸?shù)秸羝啓C(jī)IM或傳回到通向甲烷化和氣體冷卻単元122的通路166。因此，通過使用諸如RSC 130的現(xiàn)有設(shè)備，可將水預(yù)熱到使得熱量從甲烷化和氣體冷卻単元122到經(jīng)預(yù)熱的水的引導(dǎo)可生成用于蒸汽輪機(jī)IM中的過熱蒸汽的水平。此外， 當(dāng)RSC 130用于預(yù)熱水吋，可減少對附加熱交換設(shè)備的需求。另外，可利用經(jīng)預(yù)熱的水或通過使用熱交換器194和204
此書面描述使用了包括最佳模式在內(nèi)的實(shí)例來公開本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造并利用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利權(quán)的范圍通過權(quán)利要求來限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果此類其它實(shí)例沒有不同于權(quán)利要求的文字語言所描述的結(jié)構(gòu)元件，或者它們包括與權(quán)利要求的文字語言無實(shí)質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為此類其它實(shí)例包含在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種系統(tǒng)，包括替代天然氣(SNG)生產(chǎn)系統(tǒng)(100)，包括構(gòu)造成生成合成氣的氣化器(142)；構(gòu)造成冷卻所述合成氣的輻射式合成氣冷卻器(RSC) (130)，其中所述RSC(130)具有在大約70英尺與大約100英尺之間的長度；構(gòu)造成從所述合成氣生成SNG的甲烷化單元；以及從所述RSC通過所述甲烷化單元的流體流動通路，其中所述流體流動通路中的流體的生成壓カ和溫度基于在所述流體經(jīng)過所述甲烷化單元時要傳遞到所述流體流動通路中的所述流體的熱量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述甲烷化単元包括構(gòu)造成從所述合成氣生成SNG的甲烷化反應(yīng)器(125)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述甲烷化反應(yīng)器(125)包括構(gòu)造成使流體流動通路中的所述流體過熱到大約750° F與大約950° F之間的熱交換器(163)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述RSC(130)構(gòu)造成將所述流體流動通路中的所述流體的壓カ設(shè)定在大約IOOOpsi與大約1200psi之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述氣化器(142)構(gòu)造成沿著進(jìn)入所述氣化器(14 的火焰區(qū)(139)的兩個明顯不同的通路接收燃料以改變從所述氣化器(142) 生產(chǎn)的所述合成氣中的甲烷(123)的量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述流體包括沿著蒸汽輪機(jī)(124)與所述 RSC(130)之間的第二流體流動通路從所述蒸汽輪機(jī)(124)傳輸?shù)乃?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述甲烷化単元包括熱交換器，其中所述甲烷化單元設(shè)置在所述蒸汽輪機(jī)(124)與所述RSC(130)之間的所述第二流體流動通路中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述系統(tǒng)包括包含第二熱交換器(163)的水-氣變換反應(yīng)器(110)，其中所述水-氣變換反應(yīng)器(110)設(shè)置在所述甲烷化単元與所述 RSC(130)之間的所述第二流體流動通路中。
全文摘要
本發(fā)明涉及替代天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)和方法，具體而言，一種系統(tǒng)包括輻射式合成氣冷卻器(RSC)。該RSC包括構(gòu)造成傳輸流體的冷卻管道。該RSC構(gòu)造成具有熱傳遞面積使得該RSC將離開該RSC的流體的壓力和溫度生成為允許使流體過熱到大約750°F與850°F之間的水平。另外，基于在流體經(jīng)過在RSC外部的第一通路中的熱交換器時要傳遞到流體的熱量來確定該熱傳遞面積。
文檔編號C10L3/08GK102533364SQ201110340230
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者P·S·薩克 申請人:通用電氣公司