專利名稱:部分氧化動力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用含硫和氯的液態(tài)烴質(zhì)或固態(tài)碳質(zhì)燃料進行部分氧化的燃料氣的生產(chǎn)、純化和將其在燃氣輪機中燃燒以生產(chǎn)動力和對環(huán)境安全的煙道氣。
在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利US3,868,817中,干質(zhì)摩爾比(CO/H2)至少為0.30的燃料氣是在富CO2的溫度調(diào)節(jié)劑的存在下經(jīng)部分氧化產(chǎn)生的。經(jīng)進一步加工后,燃料氣在燃氣輪機中燃燒。烴質(zhì)燃料以相當高的蒸汽/燃料重量比和無其后的催化甲烷化步驟的部分氧化以生產(chǎn)燃料氣公開于共同轉(zhuǎn)讓的美國專利US 3,688,438中。在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利US 4,075,831中,用純化和加濕的燃料氣在氣輪機中燃燒以生產(chǎn)機械功和電能。美國專利4,537,023中敘述了將空氣/蒸汽的混合物與燃料混合并進行燃燒以驅(qū)動氣輪機。然而現(xiàn)存技術(shù)沒有敘述和對本發(fā)明啟示,即提供在輻射冷卻器中對含氯和硫的粗燃料氣進行冷卻并將其分成兩股氣流A和B、與一氮氣流間接進行熱交換進一步冷卻粗燃料氣A、與清潔的無氯和硫的燃料氣流間接進行熱交換進一步冷卻粗燃料氣B、從兩股粗燃料氣流中除去HCl和顆粒物質(zhì)并進行合并、以及從所說的合并氣流中除去含硫氣體以生產(chǎn)所說的包括H2+CO在內(nèi)的清潔的無氯和硫的燃料氣流的步驟,現(xiàn)存技術(shù)也沒有提供將清潔的無氯和硫的燃料氣和一分別的補充干氮氣流導(dǎo)入氣輪機燃燒室,在那里加空氣燃燒生產(chǎn)含補充元素氮但不含氯和硫或NOx氣體的燃料氣的步驟。本發(fā)明獲得動力和效率的增加而不污染大氣。
本發(fā)明方法涉及燃料氣的生產(chǎn),該燃料氣無含氯和硫的腐蝕性蒸汽,方法是將含硫和氯的液態(tài)烴質(zhì)或固態(tài)質(zhì)燃料進行部分氧化,用下述的步驟在燃氣輪機的燃燒室中燃燒(1)在下流的垂直自由流動的氣體發(fā)生氣的反應(yīng)區(qū)中在溫度調(diào)節(jié)劑的存在下經(jīng)部分氧化將含游離氧的氣體流與含氯和硫的液態(tài)烴質(zhì)或固態(tài)碳質(zhì)燃料流進行反應(yīng),溫度范圍約為1800-3000°F并在水的露點以上,壓力在約1-250大氣壓的范圍,以生產(chǎn)含H2、CO、CO2、H2O、H2S、COS、HCl、CH4、N2和A的粗燃料氣流,并含有夾雜的溶渣和顆粒物質(zhì),其中反應(yīng)區(qū)的溫度在水的露點以上;
(2)用鍋爐循環(huán)水進行間接熱交換,將(1)的粗燃料氣流冷卻至約1,500-1,000°F的溫度范圍并在水的露點以上,并分離出所說的熔渣;
(3)將(2)的無熔渣粗燃料氣流分成兩股氣流A和B,并用鍋爐循環(huán)水進行間接熱交換,分別將氣流A和B冷卻至約1,000至600°F的溫度范圍,并在水的露點以上,由此產(chǎn)生蒸汽;
(4)通入溫度在約環(huán)境溫度至400°F的干燥氮氣流與(3)的粗燃料氣流A進行間接熱交換,由此將所說的粗燃料氣流A進一步冷卻至約600-300°F的溫度范圍,并在所說的粗燃料氣流A中水的露點以上,同時將氮氣流加熱至約400-800°F的溫度范圍;
(5)用水洗滌在(4)中冷卻的粗燃料氣流A以生產(chǎn)清潔的無氯的燃料氣流;
(6)用離開(12)的清潔的無氯和硫的燃料氣流進行間接熱交換進一步冷卻(3)的粗燃料氣流B至約600-300°F范圍,并在所說的粗燃料氣流B中水的露點以上,由此將所說的清潔的無氯和硫的燃料氣流加熱至約400-800°F的范圍;
(7)用水洗滌在(6)中冷卻的粗燃料氣流B以生產(chǎn)清潔的無氯的燃料氣流;
(8)將(5)和(7)的清潔的無氯燃料氣流A和B合并;
(9)用(11)的溫度約為90-120°F范圍的清潔的無氯和硫的燃料氣進行間接熱交換,將溫度在約250-500°F范圍的得自(8)的合并的清潔無氯的燃料氣流冷卻至約200-400°F的范圍;
(10)用鍋爐循環(huán)水和/或冷水在一個或多個熱交換器中進行間接熱交換進一步將(9)的合并的粗燃料氣流冷卻至90-120°F的范圍;
(11)在酸氣清除區(qū)從(10)的合并的清潔無氯燃料氣流中除去基本上所有的含硫氣體;
(12)用蒸汽進行間接熱交換將(9)的所說的清潔無氯和硫的燃料氣流加熱至250-400°F范圍;
(13)用分別的管路分別將下述氣體流導(dǎo)入氣輪機的燃燒區(qū)(a)空氣流;(b)在(4)中加熱的干氮流;(c)在(6)中加熱的清潔的無氯和硫的燃料氣流;
(14)在所說的燃燒區(qū)燃燒所說的清潔的無氯和硫的燃料氣以生產(chǎn)基本上無HCl、含硫氣體和NOx的煙道氣;將所說的煙道氣通入膨脹輪機以生產(chǎn)動力和熱廢氣;以所說的熱廢氣與鍋爐供給水進行間接熱交換以生產(chǎn)蒸汽;將所說的蒸汽通入蒸汽輪機以生產(chǎn)動力。
在另一具體實施方案中,清潔的無氯和硫的燃料氣流在步驟(12)之前用清潔無氯的燃料氣流A和B的合并氣流間接熱交換進行預(yù)熱的水飽和。在這種情況下,加濕的清潔的無氯和硫的燃料氣流在(14)的燃燒區(qū)中燃燒,代替比較干的(13)(c)氣流。
參閱附圖,將對本發(fā)明有進一步的了解。
圖1是本發(fā)明方法的最佳具體實施方案示意圖。圖2是提供使用水飽和的清潔的無氯和硫的燃料氣的方法的具體實施方案示意圖,以圖2中的“D”-“D”部分代替圖1的“C”-“C”部分。
當以含硫和氯雜質(zhì)的液態(tài)烴質(zhì)或固態(tài)碳質(zhì)燃料在常規(guī)部分氧化方法中作為進料燃料時,在約1800-3000°F的溫度范圍產(chǎn)生的粗燃料含有下述的氣體混合物H2、CO、CO2、H2O、H2S、COS、HCl、CH4、N2和A。不幸發(fā)現(xiàn),存在于粗燃料氣中的濕氣,如果被冷交換介質(zhì)冷至其露點以下,將會從燃料氣中捕集氯化氫并形成腐蝕性煙霧,這種煙霧在用于冷卻粗氣流的熱交換氣中將會對金屬進行侵襲。此問題以及其它一些問題已用本方法得到解決。
在本方法中,含硫約0.2-10wt%(干重)、氯約0.001-2.0wt%(干重)的液態(tài)烴質(zhì)或固態(tài)碳質(zhì)燃料進料用部分氧化法與含游離氧的氣體(優(yōu)選基本上純的氧)和溫度調(diào)節(jié)劑進行反應(yīng)生產(chǎn)粗燃料氣,最好是發(fā)生反應(yīng)不需催化劑。
進料流導(dǎo)入用常規(guī)燃燒器的常規(guī)自由流動部分氧化氣體發(fā)生器的反應(yīng)區(qū),氣體發(fā)生器是一豎立的筒式鋼制壓力容器,內(nèi)部襯以耐熱材料。典型的部分氧化氣體發(fā)生器示于圖1,并在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利US 2,818,326和3,544,291中進行了敘述,在此提供參考。燃燒器置于沿中心垂直軸線氣體發(fā)生器的頂部。適合的燃燒器包括如示于共同轉(zhuǎn)讓美國專利US 2,928,460;3,847,564和3,847,592中的尖部霧化型、示于共同轉(zhuǎn)讓美國專利US3,847,592;4,351,645和4,364,744中的預(yù)混型以及它們的結(jié)合使用。這些專利在此提出供參考。
可以有一股或多股氧化劑氣體,例如可與溫度調(diào)節(jié)劑混合的兩股氧化劑氣流同時通入燃燒器。例如共同轉(zhuǎn)讓的美國專利3,874,592中所示的二氣流燃燒器可包括一中心導(dǎo)管,圍繞著它的是一同軸導(dǎo)管,提供了其間的圓周形通道??膳c一溫度調(diào)節(jié)劑相混合的氧化劑氣流可連接到并通入中心管道或圓周管道;可與一溫度調(diào)節(jié)劑混合的燃料流可連接并通入其余的一個通道。在另一個實例中,如美國專利US 3,847,564中所示的三氣流燃燒器可包括一個中心管道,包以兩個同軸的有間距的管道,其間提供了中間層及圓周層通道??膳c一溫度調(diào)節(jié)劑混合的各氧化劑氣流可連接到并通入中心管道和外部的圓周管道,可與一溫度調(diào)節(jié)劑混合的燃料氣流可連接到并通入中間通道。
在本方法中用作進料粗液態(tài)烴質(zhì)燃料和固態(tài)碳質(zhì)燃料含有硫和氮的雜質(zhì),硫的量約為0.2-10.0wt%(干重),是以鐵、鋅、銅-鐵和鉛的硫化物的形式存在的,或者以鈣、鋇、鐵、鈉和鋁的硫酸鹽形式存在;氯的量約為10-20,000ppm(干態(tài)),是以鈉、鉀、鎂的氯化物形式存在的。
本文所用的固態(tài)碳質(zhì)燃料一詞包括煤,如無煙煤、煙煤、次煙煤、煤焦炭、褐煤,煤液化殘留物,油頁巖,焦油砂,石油焦炭,石油瀝青,木瀝青,顆粒碳,炭黑、濃縮下水道淤渣以及它們的混合物。固態(tài)碳質(zhì)燃料可以研磨至使其100%通過ASTM E11-70篩號標準(SDS)1.4mm(代號14),并且至少80%通過ASTM E11-70篩號標準0.425mm(代號40)。
固態(tài)碳質(zhì)燃料可用干料夾帶于氣態(tài)載體如蒸汽、N2、CO2、燃料氣中導(dǎo)入氣體發(fā)生器,或者作為固體含量約25-80wt%(如約45-70wt%)的可泵送漿液導(dǎo)入氣體發(fā)生器。適合固態(tài)碳質(zhì)燃料的液態(tài)載體包括水、液態(tài)烴質(zhì)燃料或它們的混合物。
本發(fā)明用的液態(tài)烴燃料一詞意欲包括各種流態(tài)烴物質(zhì),如液化石油氣、石油餾份和殘留物、汽油、石腦油、煤油、原油、瀝青、瓦斯油、渣油、焦油砂油、頁巖油、煤衍生油、芳烴(如苯、甲苯和二甲苯餾分)、煤焦油、從液體催化-裂解操作得到的環(huán)狀瓦斯油、焦化瓦斯油糠醛提取物以及它們的混合物。包括在液態(tài)烴質(zhì)燃料定義中的還有氧化烴質(zhì)有機物質(zhì);包括碳水化合物、纖維素類物質(zhì)、醛類、有機酸、醇、酮、氧化的燃料油、廢液、乳化重油、含氧化烴質(zhì)有機物質(zhì)的化學加工副產(chǎn)物以及它們的混合物。
本發(fā)明所用的含游離氧的氣體一詞意欲包括空氣、富氧空氣,即多于21-95(mol)%的氧,如約50-75(mol)%氧和基本上純的氧,即多于95(mol)%的氧(其余的包括N2和稀有氣體)。含游離氧的氣體可與一溫度調(diào)節(jié)劑混合在約32-1500°F的溫度范圍(決定于它的組成)導(dǎo)入燃燒室。氧化劑中游離與進料碳的原子比最好是約0.6-1.5的范圍,如約0.8-1.3。氧化劑進料流一詞與含游離氧的氣體進料流同義。
在氣流發(fā)生器的反應(yīng)區(qū)使用溫度調(diào)節(jié)劑一般是決定于進料的碳氫比和氧化劑中的氧含量。適合的溫度調(diào)節(jié)劑包括蒸汽,例如飽和或過熱蒸汽、水、富CO2氣體、液態(tài)CO2、從生產(chǎn)基本純氧所用的分離空氣的設(shè)備得到副產(chǎn)物氮、以及上述溫度調(diào)節(jié)劑的混合物。溫度調(diào)節(jié)劑可與液態(tài)烴質(zhì)燃料進料、含游離氧的氣體流混合或與二者混合后導(dǎo)入氣體發(fā)生器。溫度調(diào)節(jié)劑也可用一引入燃料燃燒器的分開的管道導(dǎo)入氣體發(fā)生器的反應(yīng)區(qū)。當用水作為溫度調(diào)節(jié)劑、水漿介質(zhì)或二者而導(dǎo)入氣體發(fā)生器時,水與液態(tài)烴質(zhì)燃料或固態(tài)碳質(zhì)燃料的重量比在約0.2-5.0的范圍,最好是0.3-1.0。此范圍也適用于其它溫度調(diào)節(jié)劑。
進料流中的液態(tài)烴質(zhì)(液烴)燃料或固態(tài)碳質(zhì)(固碳)燃料、水或其它溫度調(diào)節(jié)劑、氧的相對比例要很好地調(diào)節(jié),以將加入部分氧化氣體發(fā)生器中的主要部分的碳,例如約70-100wt%(如象約90-90wt%),轉(zhuǎn)化成氧化物,例如CO和CO2,并將自發(fā)反應(yīng)區(qū)的溫度維持在約1800-3000°F,如約2350-2900°F。反應(yīng)區(qū)的壓力約在1-250大氣壓,如約10-200大氣壓。在部分氧化氣體發(fā)生器的反應(yīng)區(qū)中的時間約為0.5-20秒的范圍,如通常的約1.0-5.0秒。
從部分氧化氣體發(fā)生器出來的流出氣具有下述的摩爾百分組成(決定于進料流的量和組成)H28.0-60.0;CO 8.0-70.0;CO21.0-50.0;H2O 2.0-75.0;CH40-30.0;H2S 0.1-2.0;COS 0.05-1.0;HCl 0.0002-0.4;N0. 0-80.0;A 0.0-2.0。夾帶在流出氣流中的顆粒物質(zhì)含約0.5-30wt%,如約1-10wt%的顆粒碳(以氣體發(fā)生器進料的碳重為基礎(chǔ)),和顆粒碳同時存在的可能有飛灰顆粒。溫度在飛灰的熔點以上的,產(chǎn)生熔渣。
溫度在約1800-3000°F范圍、壓力在約1-250大氣壓范圍的非催化部分氧化氣體發(fā)生器的反應(yīng)區(qū)中出來的流中氣流向下通入一輻射冷卻器。輻射冷卻器是一豎立的自由流動的鋼制壓力容器,其上頂有中心裝有法蘭的入口,連接到豎立氣體發(fā)生器的中心裝有法蘭的底部出口,輻射冷卻器的中心垂直軸是氣體發(fā)生器的中心垂直軸的延續(xù),如圖1所示。在輻射冷卻器中,熱氣流從垂直的冷水管束上通過,被冷卻至1500-1000°F的范圍并在氣流中的水的露點以上。在輻射冷卻器中從燃料氣分離出基本上所有的夾帶熔渣并落入位于輻射冷卻器容器底部的水浴中。本發(fā)明所用的“無熔渣的”或“基本上無熔渣的”粗燃料氣意即熔渣和顆粒碳低于2000ppm。水和渣形成的漿定期性地從輻射冷卻器除去。將水與渣分離,經(jīng)純化后再循環(huán)至輻射冷卻器的冷卻管,熔渣可用于填補土地。任何輻射冷卻都是可以使用的。輻射冷卻器在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利4,377,132和4,936,376中展示和描述,在此提供參考。在輻射冷卻器的底部,部分冷卻的粗燃料氣被分成兩股氣流A和B。氣流A包括在氣體發(fā)生器中生產(chǎn)的粗燃料氣問題的30-70Vol%;氣流B包括其余的部分。最好是粗氣流A和B的體積應(yīng)相等以使傳熱效率最大和使費用減至最低,每一氣流的溫度都在1500-1000°F的范圍。分流氣流A和B的壓力基本上是氣體發(fā)生器中的壓力,在管線和設(shè)備中有較小的常壓降,例如可達約10%的壓力降。分流的粗燃料氣流A提供了一部分熱量以預(yù)熱通往燃氣輪機的氮氣流,粗燃料氣流B提供了一部分熱量以預(yù)熱通往所說燃氣輪機的清潔的無氯和硫的燃料氣。粗燃料氣流A從輻射冷卻器通過常規(guī)對流冷卻器與鍋爐進料水進行間接熱交換并冷卻至約1000-600°F的范圍,但高于露點。將通經(jīng)對流冷卻器的燃料氣中的水保持在氣態(tài),沒有液態(tài)水存在以溶解粗燃料氣流中的HCl蒸氣,由此避免了腐蝕性的氫氯酸對金屬對流冷卻器的侵襲。然后部分冷卻的粗燃料氣流A與對流冷卻器中的氮氣進行間接熱交換進一步冷卻至約300-600°F范圍,但高于露點,干燥的氮包括約90.0-100.0mol%的N2。其余基本上包括H2O和氧。氮氣被運送至大約環(huán)境溫度至400°F范圍的現(xiàn)場。此外氮氣和基本純的氧也可在現(xiàn)場常規(guī)空氣分離區(qū)里生產(chǎn)。氧可在體系中用作部分氧化氣體發(fā)生器中的氧化劑,體系中的干燥氮是用作燃氣輪機中的溫度調(diào)節(jié)劑。典型的空氣分離設(shè)備請參考Kirk-Othmer的Encyclopedie of Chemical Technology,第3版,第7卷,第229-231頁,John Wiley & Sons。
將冷卻的粗燃料氣流A在常規(guī)洗滌器中洗滌夾帶的顆粒物質(zhì),例如炭黑和飛灰??梢允褂萌魏芜m合的洗氣裝置。例如Perry和Chemical Engineers Handbook第4版,第18-3至5頁(Mc Graw-Hill,1963)中所述的液一氣阱型柱。也可參考共同轉(zhuǎn)讓的美國專利US3,232,728中的洗氣器。與此同時,基本上所有的粗燃料氣流A中的氯都被洗滌水除去,分流的粗燃料氣流B提供部分熱量預(yù)熱通往所說燃氣輪機的清潔的無氯和硫的燃料氣流。因而粗燃料氣流B被通入常規(guī)對流冷卻器與鍋爐進料水進行間接熱交換,并冷卻至約1000-600°F的范圍,但在露點以上。然后用通往所說燃氣輪機的常規(guī)對流冷卻器中的清潔的無氯和硫的燃料氣進行間接熱交換將部分冷卻的粗燃料氣流冷卻至600-300°F的范圍,但在露點以上。其次,將粗燃料氣流B在常規(guī)洗氣器中洗滌,除去夾帶的顆粒物質(zhì),例如灰黑和飛質(zhì);同時洗滌水除去了粗燃料氣流B中基本上所有的氯。此處的“從洗滌的粗燃料氣流中除去基本上所有的氯”或“無氯”的氣體流的表示法意即水洗后的粗燃料氣流A和/或B的氯含量減至10ppm以下。洗滌水保持在約250-450°F的范圍,pH約為6-9。適合的加入洗滌水中的堿性物質(zhì)可選自NH3、NH4OH、NaOH、KOH、Na2CO3和K2CO3。
合并洗滌后的粗燃料氣流A和B,將此混合氣導(dǎo)入一低溫氣體冷卻區(qū),使溫度降至約90-120°F范圍。低溫氣體冷卻區(qū)包括兩個或多個常規(guī)對流冷卻器,例如串聯(lián)的三個對流冷卻器。更具體地說,在低溫氣體冷卻區(qū),溫度約為250-500°F范圍的洗滌后的粗燃料氣流A和B的合并氣流通入常規(guī)的對流冷卻器(a)與離開常規(guī)酸氣清除區(qū)(AGR)(將進一步敘述)的溫度在約90-120°F范圍的清潔的無氯和硫的燃料氣流進行間接熱交換,由此將清潔無氯和硫的燃料氣在常規(guī)對流冷卻器(a)中加熱至約150-300°F的溫度范圍,離開對流冷卻器(a)的洗滌后含硫粗燃料氣A和B的合并流在導(dǎo)入常規(guī)酸-氣回收區(qū)以除去H2S和COS之前在兩個步驟中進一步冷卻。在冷卻步驟1中,粗燃料氣A和B的合并流與鍋爐循環(huán)水間接熱交換,在對流冷卻器(b)中進一步冷卻至約120-250°F的范圍。在常規(guī)對流冷卻器(c)中,冷卻器(b)流出的A、B合并流與冷水間接熱交換,進一步冷卻至約90-120°F的范圍。然后,在常規(guī)酸氣清除去區(qū)(AGR)中,基本上所有的含硫氣體(例如H2S和COS)被除去以產(chǎn)生清潔的基本上無氯和硫的溫度約90-120°F范圍的燃料氣流,它的燃燒熱約為150-300BTU/SCF(干重)。在AGR區(qū)中,將清潔的無氯的燃燒氣冷卻到露點以下和/或?qū)⑷紵龤馀c干燥劑接觸可以除去水。請見例如共同轉(zhuǎn)讓的美國專利US 4,052,176中的從合成氣中除去含硫氣體的方法,在此提供參考。
在酸氣回收區(qū)(AGR)中,可以使用的合適的常規(guī)方法包括致冷法和用溶劑或胺類或熱碳酸鉀的物理或化學吸附法,所用的溶劑如甲醇、N-甲基吡咯烷酮、三乙醇胺、碳酸丙二醇酯。含H2S和COS的溶劑可用氮氣閃蒸或反提進行再生,或減壓加熱回流而不用惰性氣體。隨后再把H2S和COS用適合的方法轉(zhuǎn)化成硫。例如使用Kirk-Othmer的Encyclopedia of Chemical Technol-ogy,第2版,第19卷,第3530頁(John Wiley,1969)中所述的Claus法(即克勞斯二段脫硫法-譯注)從H2S生產(chǎn)元素硫?!盎旧铣チ怂泻驓怏w”或“無硫燃料氣”的表示法意即水洗后的粗燃料氣A和B中的硫含量已降低至750ppm以下。
在最佳具體實施方案中,至少一部分(例如10-100vol%的清潔的基本無氯和硫的燃料氣流在約400-800°F的溫度范圍(如約300-500°F)和約150-500psig的壓力范圍(如約225-325psig)下分別導(dǎo)入燃氣輪機的燃燒室,同時將空氣流在約400-900°F(如700-800°F,譬如750°F)的溫度和基本上相同(例如±10%)于燃料氣流的壓力下分別導(dǎo)入燃燒室,同時將干燥的氮氣流于與燃料氣流基本相同(例如±10%)的溫度和壓力下分別導(dǎo)入燃燒室。有利的是,用本發(fā)明方法是,燃料氣流和氮氣流可以在較高溫度,例如至800°F,導(dǎo)入燃燒器。這樣就減少了燃料至燃燒室的輸入(同時減少至蒸汽循環(huán)的熱輸入),使生產(chǎn)更加有效。清潔的無氯和硫的包括H2和CO的燃料氣流的其余部分可用于有機化合物的催化合成。在一具體實施方案中,富氫的氣流的生產(chǎn)是用催化水-氣將CO轉(zhuǎn)化成CO2和水,接著除去氣體雜質(zhì)。
燃燒器中干氮氣與清潔無氯和硫的燃料氣的體積比為約0.5-2.0的范圍,如約0.75-1.5,譬如約1.0。燃燒室中發(fā)生完全燃燒的溫度約1800-2600°F的范圍,如約2300°F;壓力約為175-250pSIG,如約220psig。在煙道氣中基本上沒有含氯或含硫的氣體或NOx氣體產(chǎn)生(x為約1-3的整數(shù))?!盎旧蠜]有”和“實際上降低的NOx氣體的量”意即少于20ppm,如約16-10ppm的范圍,譬如10ppm或更少。
離開燃燒室的煙道氣流通入動力開發(fā)型膨脹渦輪作為工作流體。例如通過變速驅(qū)動聯(lián)于膨脹渦輪機的軸,就可驅(qū)動至少一臺發(fā)電機和/或至少一臺渦輪壓縮機。在煙道氣中加入補充量的干燥氮氣就可增加煙道氣的質(zhì)量流。于約1200-800°F的溫度范圍離開膨脹渦輪的煙道氣的熱量在常規(guī)熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)中被回收,然后冷的無毒煙道氣就可作為煙氣(stack gas)排放而沒有環(huán)境污染。
本發(fā)明的一個具體實施方案包括利用工業(yè)廢熱發(fā)電的汽輪機。鍋爐供水通過HRSG中的螺管與膨脹的煙道氣進行間接熱交換,產(chǎn)生壓力在約1000-2000psig范圍的蒸汽作為工作流體通入膨脹渦輪,膨脹渦輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的機械裝置和/或電裝置,如壓縮機、泵或發(fā)電機。將用過的濕蒸汽導(dǎo)入冷凝器進行完全冷凝。冷凝水與任何補給的鍋爐供水混合后再泵回HRSG。
在另一具體實施方案(如圖2所示)中,溫度在約90-120°F范圍的離開酸氣清除區(qū)的清潔的無氯和硫的煙道氣流在常規(guī)水飽和器中用熱水飽和,以提供有約5-15wt%水的燃料氣。當加濕的清潔的無氯和硫的燃料氣在氣輪機燃燒室中與空氣一起燃燒時,煙道氣中的氧化亞氮(NOx)基本上減少了,得到了增高的動力和效率而沒有對大氣的污染。此特征示于圖2中的“D”-“D”部分以代替圖1中的“C”-“C”部分。除此特征外,圖1和2中所示的具體實施方案基本上是相同的。如圖1和2所示,溫度為約250-350°F的飽和燃料氣流與圖1中所示的常規(guī)熱交換器中與蒸汽進行間接熱交換進一步加熱至約250-450°F的范圍,蒸汽被冷凝下來,清潔的無氯和硫燃料在常規(guī)熱交換器中與粗燃料氣流B進行間接熱交換進一步加熱至約400-800°F的溫度范圍,如圖1中所示。至少一部分(例如90-100vol%)的這種含H2+CO的清潔的加濕的無氯和硫的燃料氣流在氣輪機燃燒器中在干燥N2的存在下與空氣一起完全燃燒,其方式如前所描述,并如圖1中所示。其余的清潔的加濕的無氯和硫的基本上包括H2和CO的燃料氣(如有的話)可做其它的用途。例如氣流中的CO可與水在水-氣轉(zhuǎn)化催化劑存在下反應(yīng)以提供含有氫量增加了的合成氣氣流??捎贸R?guī)溶劑從水-氣轉(zhuǎn)化的氣流中除去CO2。
將溫度在約120-150°F的水從圖2中的燃料氣飽和器泵出,在常規(guī)對流式熱交換器中與進入飽和器加熱器(a)中的溫度在約250-500°F范圍的經(jīng)洗滌后的粗燃料氣A和B的合并氣流進行間接熱交換,使之再加熱至250-350°F范圍,合并氣流冷卻至約200-400°F范圍。洗滌后的粗燃料氣A和B的合并流在對流冷卻器(b)中與鍋爐供給水進行間接熱交換進一步冷卻至約120-250°F范圍,接著在對流冷卻器(c)中與冷卻水進行間接交換再進一步冷卻至約90-120°F的范圍。洗滌后的粗燃料氣A和B合并流中的H2S和COS在酸氣回收區(qū)中被除去以生產(chǎn)清潔的無氯和硫的燃料氣,然后如前所述用水飽和。
參考示于圖1和2中的兩個本發(fā)明方法的具體實施方案示意圖,對本發(fā)明將會得到更完全的詳細了解。雖然圖1說明了本發(fā)明方法的一個最佳具體實施方案,但并不意味著對所說明的連續(xù)方法限制在所說的特定設(shè)備和物質(zhì)內(nèi)。
如圖1所示,垂直自由流動非催化的有耐熱材料襯里的燃料氣發(fā)生器1裝有在軸線上的在上游的有法蘭的入口2和在下游的有法蘭的出口2。中心通道5有一上游端6與含游離氧例如管線7中的基本純的氧的氣體連接。例如在常規(guī)空氣分離裝置(未示出)中可將空氣分離成管線7中的基本純氧和管線10中的干燥氮氣。在此具體實施方案中的管線11中的固態(tài)碳質(zhì)燃料水漿包括彼磁堡8號煤(Pittsburg No.8 coal)水漿(其固體含量約為62-66wt%,硫含量約2-3wt%(干)、氯含量約為0.1wt%(干),將其通入燃燒器4的入口15,往下通入中心環(huán)形通道16,這兩股進料流從燃燒器4的下游端碰擊在一起,霧化,并在反應(yīng)區(qū)17中部分氧化以生產(chǎn)燃料氣。
常規(guī)輻射冷卻器18包括上游的有法蘭的中心入口19、下游有法蘭的中心出口20、垂直的水管束21、有法蘭的入口22(管線23的鍋爐供給水通過它導(dǎo)入水管束21的底部)、有法蘭的出口24(蒸汽通過它按路線25離開圓筒狀水管束21的頂部)、有法蘭的出口26和27(部分冷卻的分裂粗燃料氣流A和B通過它們分別進入管線28和29)。燃料氣發(fā)生器1的有法蘭的出口3和輻射冷卻器18的有法蘭的入口19是沿著發(fā)生器1和冷卻器18的中心軸線連接在一起的。在反應(yīng)區(qū)17中產(chǎn)生的燃料自由向下通過筒形的有耐熱材料襯里的連接通道30,與向上流經(jīng)垂直管束21的鍋爐供給水進行間接熱交換而被冷卻,F(xiàn)rusto-錐形檔板31把部分冷卻的燃料氣經(jīng)出口26和27送出。熔渣和飛灰被收集在輻射冷卻器18底部的冷卻水池中。熔渣、飛灰和水用常規(guī)銷軸漏斗(未示出)定期地從出口20、管線33、閥34和管線35清除。
管線28中的部分冷卻的粗燃料氣分流A在對流冷卻器40中與鍋爐供給水進行間接交換被冷卻,鍋爐供給水通過管線41進入冷卻器40并以蒸汽通過管線42離開冷卻器。管線43中的粗燃料氣A的附加冷卻在對流冷卻器44中與自管線45的干氮氣間進行熱交換而進行。熱的干氮氣經(jīng)管線46離開冷卻器44,并經(jīng)控制閥47、管線48分別地導(dǎo)入燃燒室50,管線10的干氮氣經(jīng)管線51、閥52、管線53和54進入對流熱交換器44;也可以從管線10經(jīng)管線54、閥55、管線56在對流熱交換器57中與經(jīng)管線58進入和經(jīng)59離開的蒸汽進行間接熱交換而被加熱。干氮氣是通過管線60、45和冷卻器44的。
離開冷卻器44的冷粗燃料氣A經(jīng)管線65導(dǎo)入水洗滌器66用水洗滌,洗滌水用管67導(dǎo)入洗滌器66的頂部。水、顆粒物質(zhì)和HCl的分散體系經(jīng)器底管線68離開洗滌器66,送至常規(guī)水再生區(qū)(未示出)。經(jīng)管線69從洗滌器頂離開的清潔無氯燃料氣流A在管線70中與管線17的清潔無氯燃料氣流B混合,燃料氣流B用下述方法衍生而來管21中的部分冷卻的粗燃料氣流B在常規(guī)冷卻器72中與鍋爐供給水進行間接熱交換而被冷卻,鍋爐供給水是經(jīng)管73進入冷卻器72,又以蒸汽經(jīng)管74離開冷卻器72,管75中的粗燃料氣B的附加冷卻是在對流冷卻器76中與經(jīng)管77進入冷卻器76并經(jīng)管78在高溫下離開冷卻器76的清潔無氯和硫的燃料氣進行間接熱交換而發(fā)生的。經(jīng)管85離開冷卻器76的冷卻的粗燃燒器B被導(dǎo)入洗滌器86用水洗滌以除去基本上所有的含氯物質(zhì)和顆粒物質(zhì)。水是經(jīng)管87于洗滌器86的頂部進入并經(jīng)底部的管88離開,清潔無氯和硫的燃料氣經(jīng)頂部管71離開洗滌器86進入“C”-“C”區(qū)。在圖1所示的“C”-“C”區(qū),來自管69的清潔無氯燃料氣流A和來自管71的清潔無氯燃料氣流B在管70中混合,并進行冷卻和脫硫。
因此,管線70中的清潔無氯的燃料氣混合物在一系列串聯(lián)的常規(guī)對流冷卻器中進行間接熱交換逐漸地冷卻至低溫度。例如,在冷卻器(a)中,清潔無氯的燃料氣混合物A+B與管90中離開酸氣清除去區(qū)(AGR)的清潔無氯和硫的燃料氣進行間接熱交換。在熱交換器(a)中加熱后,管91中的清潔無氯和硫的燃料氣流離開“C”-“C”并進入加熱器92。蒸汽通過管93進入并通過管94離開對流加熱器92。此無氯和硫的燃料氣流在冷卻器76中進一步加熱并導(dǎo)入燃燒室50如前所敘述。
經(jīng)管路94離開熱交換(a)的清潔無氯燃料氣流與由管95進入并由管96離開冷卻器(b)的鍋爐循環(huán)水在對流冷卻器(b)中間接熱交換被進一步冷卻,經(jīng)管97離開熱交換器(b)的清潔無氯的燃燒氣在對流冷卻器(c)中與經(jīng)管98進入并經(jīng)管99離開冷卻器(c)的冷水進行間接熱交換被進一步冷卻。在管100中的清潔無氯燃料氣中的基本上所有的含硫氣體如H2S和COS在常規(guī)的酸氣清除區(qū)(AGR)100被清除。含硫氣體從溶劑中反提,并通過管111、閥112和管113送入常規(guī)硫回收區(qū)。管11中至少有部分清潔無氯和硫的燃料氣被通入控制閥113并分別經(jīng)管114導(dǎo)入燃燒室50,其余的主要含H2和CO的無氯和硫的燃料氣通過管115、閥116和管117做其它用途,如鍋爐或加熱爐完全燃燒的氣體燃料、轉(zhuǎn)變成富氫氣體、有機合成以及還原氣??諝馔ㄟ^管118、閥119和管120進入燃燒室50,氣體燃料在干氮存在下在燃燒室50中燃燒以生產(chǎn)管121中的煙道氣。將煙道氣通過膨脹輪機122作為工作流體。管125中的熱渦輪機廢氣通入常規(guī)熱回收蒸氣發(fā)生器126在螺管127中進行間接熱交換,從管128來的鍋爐供給水轉(zhuǎn)變成了管129中的蒸汽。蒸汽是汽輪機130的工作流體。汽輪機130驅(qū)動轉(zhuǎn)軸131,轉(zhuǎn)軸再轉(zhuǎn)動發(fā)電機132。廢蒸汽經(jīng)管133排放。
在示于圖2的本發(fā)明另一具體實施方案中,在“D”-“D”區(qū)中,合并的清潔無氯的燃料氣流A+B在酸氣回收區(qū)(AGR)中脫硫。然后,離開AGR的無氯和硫的燃料氣流用水飽和并加熱以提供管191中含約5-15wt%濕氣的燃料氣流。在此第二具體實施方案中,以圖2中的“D”-“D”區(qū)代替圖1中的“C”-“C”區(qū)。除了以水飽和燃料氣和改變熱交換器(a)中的冷卻劑外,所有的其它特征都與圖1中所示的特征基本相同。將離開“D”-“D”區(qū)的經(jīng)管191的水飽和的無氯和硫的燃料氣流導(dǎo)入示于圖1中的對流加熱氣92以代替在第一具體實施方案的“C”-“C”區(qū)中生產(chǎn)的干燥清潔無氣和硫的燃料氣流91。
相應(yīng)地,在“D”-“D”區(qū)中,將管69中的清潔無氯的燃料氣流A通經(jīng)閥199和管200并在管201中與自管71(圖1)、閥202和管203來的清潔無氯的燃料氣流B相混合。在管20中合并的燃料氣流A和B再于下面兩個或多個對流冷卻器中逐步進行熱交換而被冷卻,即將管201中的合并的清潔無氯的燃料氣通入常規(guī)對流冷卻器(a)中與水進行間接熱交換,水是通過管204進入并通過管205離開冷卻器(a)的,并用泵207將其循環(huán)至燃料氣飽和器加熱器208的頂部。飽和器208中的水與由底部的管222進入并由頂部的管191離開飽和器208的清潔無氯和硫的氣體流接觸并使之飽和。冷水經(jīng)管206離開飽和器208。循環(huán)泵207從管206泵出水。補充水從管209、閥210和管211,經(jīng)管204泵入熱交換器(a),在此進行加熱。合并的清潔無氯燃料氣經(jīng)管212離開冷卻器(a),在串聯(lián)的對流冷卻器(b)和(c)中進一步加熱,因而鍋爐供給水經(jīng)管213進入熱交換器(b),經(jīng)管214作為蒸汽而離開(b)。管215中冷卻的清潔無氯燃料氣進一步在冷卻器(c)與冷水進行間接熱交換,冷水經(jīng)管216進入冷卻器(c)、經(jīng)管217離開(c)成為熱水,基本上所有含硫氣體(例如H2S和COS)都從經(jīng)由管218進入常規(guī)酸氣清除區(qū)(AGR)223中的清潔無氯燃料氣流中除掉。H2S和COS從在AGR中接觸燃料氣的有機溶劑中反提后由管219、閥220和管221送入常規(guī)硫回收區(qū)。
本發(fā)明可有各種改變,但都不脫離本發(fā)明的精神和范圍,本發(fā)明的限制如在所附的權(quán)利要求中所示。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生動力的方法,該方法包括下述步驟(1)用部分氧化法在下流的垂直自由流動的氣體發(fā)生器的反應(yīng)區(qū)中在溫度調(diào)節(jié)劑存在下將含游離氧的氣體流與含氯和硫的液態(tài)烴質(zhì)或固態(tài)碳質(zhì)燃料流反應(yīng),生產(chǎn)包括H2、CO、CO2、H2O、H2S、COS、HCl、CH4和A的粗燃料氣流,并夾帶熔渣和顆粒物質(zhì);所說的反應(yīng)區(qū)的溫度在所說的粗燃料氣流中的水的露點以上;(2)與鍋爐循環(huán)水進行間接熱交換,將步驟(1)的粗燃料氣流冷卻至所說粗燃料氣流中水的露點以上;分離出所說熔渣;(3)將步驟(2)的無渣粗燃料氣流分成氣體流A和B,并B與鍋爐循環(huán)水進行間接熱交換分別將A和B冷卻至分開的進料流中水的露點溫度以上,由此產(chǎn)生蒸汽;(4)通氮氣流與步驟(3)的粗燃料氣流A進行間接熱交換,從而將所說的粗燃料氣流A進一步冷卻至所說氣流A中的水的露點以上,同時加熱氮氣流;(5)用水洗滌步驟(4)冷卻的粗燃料流A,以生產(chǎn)無氯的清潔燃料氣流;(6)用離開步驟(12)的清潔加濕的無氯和硫的燃料氣流進行間接熱交換進一步將步驟(3)的粗燃料氣流B冷卻至粗燃料氣流B中水的露點溫度以上,由此加熱所說的清潔無氯和硫的燃料氣流;(7)用水洗滌步驟(6)冷卻的冷粗燃料氣流B以生產(chǎn)清潔無氯的燃料氣流;(8)合并分別來自步驟(5)和(7)的清潔無氯燃料氣流A和B;(9)用來自步驟(11)的清潔無氯和硫的燃料氣進行間接熱交換以冷卻步驟(8)的合并的清潔無氯的燃料氣流;(10)用鍋爐循環(huán)水和/或冷水在一個或多個熱交換器中進行間接熱交換進一步冷卻步驟(9)的合并粗燃料氣;(11)在酸-氣清除區(qū)中除去步驟(10)的合并無氯燃料氣流中基本上所有的含硫氣體;(12)用蒸汽進行間接熱交換加熱步驟(11)的所說的清潔無氯和硫的燃料氣流;(13)將下述的氣體流導(dǎo)入氣輪機的燃燒區(qū)(a)空氣流,(b)在步驟(4)中加熱的氮氣流,(c)在步驟(6)中加熱的至少一部分清潔無氯和硫的燃料氣流;(14)在所說的燃燒區(qū)中燃燒所說清潔的無氯和硫的燃料氣流以生產(chǎn)基本上無HCl、含硫氣體和NOX的煙道氣,并將所說的煙道通入膨脹渦輪機以生產(chǎn)動力。
2.權(quán)利要求1的方法,提供下述步驟將離開步驟(14)中所說的膨脹渦輪機的廢煙道氣通入對流加熱器與鍋爐供水進行間接熱交換,鍋爐供水轉(zhuǎn)變成為蒸汽,并將蒸汽通入蒸汽透平以生產(chǎn)機械力或電力。
3.權(quán)利要求1的方法,其中約10-100wt%的在步驟(6)中加熱的清潔無氯和硫的燃料氣導(dǎo)入步驟(13)的燃燒區(qū);并提供催化反應(yīng)主要包括H2和CO的所說的清潔無氯和硫的燃燒氣體流的其余部分以生有機化學物質(zhì)或富氫氣流的步驟。
4.權(quán)利要求1的方法,其中所說的含氯和硫的液態(tài)烴質(zhì)或固態(tài)碳質(zhì)燃料含約0.2-10wt%(干態(tài)基礎(chǔ))的硫和約10-20,000ppm(干態(tài)基礎(chǔ))的氯。
5.權(quán)利要求4的方法,其中所說的氯是以氯化物存在的,選自鈉、鉀、鎂的氯化物和其混合物;所說的硫以硫化物存在,選自鐵、鋅、酮-鐵、鉛的流化物以及它們的混合物和/或硫酸鹽,選自鈣、鋇、鐵、鈉、鋁的硫酸鹽及它們的混合物。
6.權(quán)利要求1的方法,其中氣體流A包括得自(2)的30-70vol%的無渣粗燃料氣和包括其余部分的氣體流B。
7.權(quán)利要求1的方法,其中步驟(5)和(7)的洗滌水的溫度約為250-450°F范圍,pH約為6-9的范圍。
8.權(quán)利要求7的方法,提供了在洗滌水中加入堿性物質(zhì)的步驟,堿性物質(zhì)選自NH3、NH4OH、NaOH、KOH、Na2CO3和K2CO3。
9.權(quán)利要求1的方法,其中所說的固態(tài)燃料選自無煙煤、煙煤、次煙煤、煤焦炭、褐煤液化殘留物、油頁巖、焦油砂、石油焦炭、石油瀝青、木瀝青、顆粒碳、炭黑、濃縮下水道淤渣以及它們的混合物。
10.權(quán)利要求1的方法,其中所說的液態(tài)烴質(zhì)燃料選自液化石油氣、石油餾份和殘留物、汽油、石腦油、煤油、原油、瀝青、瓦斯油、渣油、焦油砂油、頁巖油、煤衍生油、芳烴(如苯、甲苯和二甲苯餾份)、煤焦油、從液體-催化-裂化操作得到的環(huán)狀瓦斯油、焦化瓦斯油糠醛提取物以及它們的混合物。
11.權(quán)利要求1的方法,其中所說的含游離氧的氣體選自空氣、富氧空氣、基本純的氧以及它們的混合物。
12.權(quán)利要求1的方法,其中步驟(1)中所說的部分氧化發(fā)生的溫度約為1800-3000°F范圍、壓力為1-250大氣壓范圍;步驟(2)中所說的步驟(1)的粗燃料氣冷卻至約1500-1000°F;步驟(3)中的粗燃料氣流A和B被冷卻至約1000-600°F;步驟(4)中所說的干燥氮氣流的通入溫度約為環(huán)境溫度-400°F,由此進一步冷卻粗燃料氣流A至約600-300°F,同時將氮氣流加熱至約400-800°F;步驟(6)中所說的從(3)來的粗燃料氣流B被冷卻至約600-300°F,由此將所說的清潔的無氯和硫的燃料氣流加熱至約400-800°F;步驟(9)中所說的溫度約為250-500°F范圍的步驟(8)的合并的清洗無氯燃料氣與溫度約為90-120°F范圍的清潔無氯和硫的燃料氣進行間接熱交換,將其冷卻至約200-400°F;步驟(10)中所說的得自步驟(9)的粗燃料氣合并氣流被冷卻至約90-120°F范圍;步驟(12)中的得自步驟(9)的清潔無氯和硫的燃料氣流被加熱至約250-400°F范圍;步驟(13)中所說的氣流(a)、(b)、(c)是用分別的管線將它們分別導(dǎo)入氣輪機的燃燒區(qū)的;步驟(14)中所說的煙道是通入膨脹透平的,以生產(chǎn)動力和熱廢氣;用鍋爐供給水與熱廢氣進行間接熱交換生產(chǎn)蒸汽;將蒸汽通入蒸汽透平以生產(chǎn)動力。
13.權(quán)利要求1的方法,其中步驟(6)所說的粗燃料氣流B與離開步驟(12B)的清潔飽和的無氯和硫的燃料氣進行間接熱交換而冷卻;步驟(12)包括用水飽和得自步驟(11)的無氯和硫的燃料氣體流的步驟(12A)和加熱至約250-400°F范圍的步驟(12B),所說的步驟(12)的清潔的水飽和的無氯和硫的燃料氣流氣流是與蒸汽進行間接熱交換;在步驟(14)中,清潔的水飽和無氯和硫的燃料氣是在所說的燃燒區(qū)中被燃燒的。
14.權(quán)利要求13的方法,提供了將步驟(14)中離開所說膨脹渦輪的煙道氣通入對流加熱器與鍋爐供給水進行間接熱交換而使水轉(zhuǎn)變成蒸汽,并將所說的蒸汽通入汽輪機以生產(chǎn)機械和電力的步驟。
15.權(quán)利要求13的方法,其中在步驟(6)中加熱的10-100wt%的清洗的水飽和的無氯和硫的燃料氣流被導(dǎo)入步驟(13)的燃燒區(qū)中,并提供催化反應(yīng)其余的主要含H2+CO的清潔水飽和無氯和硫的燃料氣流以生產(chǎn)有機化學和富氫氣流的步驟。
16.權(quán)利要求1的方法,其中在步驟(1)中所說的部分氧化發(fā)生的溫度為約1800-3000°F范圍、壓力為約1-250大氣壓范圍;步驟(2)中所說的得自步驟(1)的粗燃料氣流被冷卻至約1500-1000°F范圍;步驟(4)中所說的干燥氮氣的溫度在約為環(huán)境溫度-400°F范圍,由此所說的粗燃料氣流A被冷卻至600-3000°F范圍,同時將氮氣流加熱至約400-800°F范圍;步驟(6)中所說的得自步驟(3)的粗燃料氣流B與離開步驟(12B)的清潔的水飽和無氯和硫的燃料氣流進行間接熱交換被冷卻至600-300°F,由此將清潔無氯和硫的燃料氣流加熱至約400-800°F的范圍;步驟(9)中所說的得自步驟(8)的溫度約為250-500°F的清潔無氯的合并燃料氣流與得自步驟(11)的溫度約為90-120°F的所說清潔無氯和硫的燃料氣流進行間接熱交換冷卻至約200-400°F范圍;步驟(10)中所說的得自步驟(9)的合并的粗燃料氣流被冷卻至約90-120°F范圍;步驟(12)包括用水飽和得自步驟(11)的無氯和硫的燃料氣流的步驟(12A)和將其加熱至約200-250°F范圍的步驟(12B),所說的得自步驟(12A)的清潔的水飽和的無氯和硫的燃料氣流與蒸汽進行間接熱交換;步驟(13)中所說的氣流(a)、(b)、(c)是用分別的管線分別導(dǎo)入所說氣輪機的燃燒區(qū)的;步驟(14)中的清潔的水飽和的無氯和硫的燃料氣體是在所說的燃燒區(qū)燃燒以生產(chǎn)基本上無含氯和硫的氣體和NOx,所說的煙道氣是通入所說的膨脹渦輪機以生產(chǎn)動力和熱廢氣;所說熱廢氣與鍋爐供給水進行間接熱交換產(chǎn)生蒸汽;所說的蒸汽通入汽輪機以生產(chǎn)動力。
全文摘要
主要含H
文檔編號F02C3/28GK1094788SQ94104590
公開日1994年11月9日 申請日期1994年4月26日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月27日
發(fā)明者P·S·華萊士, P·S·撤克 申請人:德士古發(fā)展公司