[發明專利]IGCC系統中的氣化反應器和燃氣輪機循環

無效

• 申請號: 200710111977.0
• 申請日: 2007-06-18
• 公開（公告）號: CN101153557A
• 公開（公告）日: 2008-04-02
• 發明（設計）人: 金顯泳
• 申請（專利權）人: 金顯泳
• 主分類號: F02C3/14
• 分類號: F02C3/14;F02C3/28;F02C9/16;F23C10/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司
• 代理人: 張宜紅

相關申請的交叉引用

該申請要求于2006年9月11日提交的韓國申請序列第10-2006-0087447號和于2007年3月26日提交的美國申請序列第11/691401號的優先權。

技術領域

本發明涉及一種整體氣化聯合循環系統，更具體涉及其中渦輪發動機驅動氣化反應的整體氣化聯合循環系統。

發明背景

現有技術中常規整體氣化聯合循環(“IGCC”)發電設備是眾所周知的。為了說明的目的，圖1顯示了常規IGCC發電設備的一個例子的一部分。一般來說，在IGCC中，煤自常規氣化器10中氣化，所得合成氣在冷卻和清洗后，驅動燃燒渦輪16，產生電力。特別地，隨著合成氣在渦輪16中燃燒，燃燒產物、蒸汽和二氧化碳氣體的溫度達到約2000℃，隨著排放氣體的冷卻，熱能通過渦輪16轉化為功，產生電力。燃燒渦輪16的排放氣體還可以用于加熱鍋爐18，使蒸汽機20運行，進一步產生電力。將排放蒸汽和系統剩余的廢熱收集在熱水槽中，用于空間加熱，以最高效率地利用煤氣化產生的能量。

目前已知的常規煤氣化技術起源于1934的Lurgi煤氣化器。在該氣化器中，發生以下煤氣體反應(也分別稱為蒸汽和干燥重整反應)：

C+H₂O→CO+H₂

C+CO₂→2CO

其中，碳(C)被重整為包含一氧化碳(CO)和氫氣(H₂)的合成氣。這些反應是化學還原性且吸熱的。因此，對于這些要進行的重整反應，必須吸收相當于碳燃燒反應(即C+O₂→CO₂)的熱能。

按照以下方式提供這種必需的熱量。氣化器中一部分原料煤與空氣或氧氣燃燒，燃燒產生的熱量用于將氣化器保持在足夠發生重整反應的溫度。粉末形式的煤與空氣或氧氣(O₂)燃燒，氣化器的溫度升高到約1000℃，然后停止提供空氣或O₂氣體，向氣化器中注入超熱蒸汽。但是，隨著一些重整反應的進行，氣化器的溫度下降。必須重新供應空氣或氧氣，以使溫度重新升高到初始水平。該過程必須重復，以維持所需的溫度。盡管該體系已經在煤重整為合成氣方面取得了一些成績，并且隨時間推移進行了一些細微的調整，但是該體系更確切的說是一個笨重的系統，存在Lurgi氣化器固有的缺陷。

首先，氣化器中達到的溫度受煤燃燒反應限制，即當煤與空氣燃燒時限制在900℃以內，在使用O₂氣體時，限制在略低于1200℃。但是，申請人觀察到，直到如下文所述溫度超過1200℃時才會發生大部分碳重整反應。

其次，商品煤含有大量礦渣，由SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CuO等的各種混合物組成。這些混合物在室溫下為固體形式，但是在接近1000℃時變軟，在大約1300-1400℃成為流體。但是，根據煤的性質和煤的開采點，流點(fluid?point)、不流點(non-fluid?point)的差別非常大。在超過煤流體溫度的溫度時，流體煤渣集中在氣化器內。流體礦渣(fluid?slag)迅速腐蝕構成氣化器內壁的鑄塊，這樣經常需要對鑄塊進行除垢操作，結果導致氣化器的停工時間較長。另外，鑄塊受到點狀腐蝕的內壁增加了氣化器內溫度的不均勻分布。

第一個缺陷導致傾向于使用熱容量大的氣化器，第二個缺陷要求氣化器較大，這樣大量礦渣可以在兩次除垢操作之間累積，減少除垢操作的次數和所需的停工時間。因此，近年來，常規煤氣化器的尺寸變得越來越大。目前，由石油巨頭出售的煤氣化器的高度與三層樓的高度相同。最近，對一些常規煤氣化器進行了改裝，使其具有高壓噴射的加熱油和壓縮氧氣，從而能夠將運行溫度升高到1450℃。但是，在該系統中難以實現均勻的溫度分布和溫度控制。在這樣非均勻的溫度分布情況下，兩種競爭反應，即燃燒和重整，在相同的空間中同時進行。因此，任何最大程度地提高重整效率的努力都是非常艱巨的任務。

因為這些原因，在IGCC中使用的常規Lurgi氣化反應器中，煤在氣化反應器中的部分燃燒不足以將反應器溫度提高到進行重整反應所需的水平。需要加入其它燃料(例如加熱油)來提高運行溫度。但是，如上所述，在這類反應器內難以控制和保持均勻的溫度分布。

本發明解決了這些和其它缺陷。

發明內容