用于提高燃煤发电设备的联合循环效率的脱水系统和过程

摘要

本发明涉及用于提高燃煤发电设备的联合循环效率的脱水系统和过程。一种用于处理煤的过程包括：使煤与配置成用来从煤中移除矿物的浸出剂接触；形成包括水和一定浓度的污染物的废水流；以及在压力下使废水流与反渗透膜的第一侧接触，其中。包括减小的浓度的污染物的透过物流透过所述反渗透膜且自该反渗透膜的第二侧流动，且包括增大的浓度的污染物的浓缩物流保留在所述反渗透膜的第一侧。

说明书

技术领域

本公开内容大体而言涉及燃煤发电设备，且更特定而言，涉及具有提高的联合循环效率的燃煤发电设备。

背景技术

燃烧煤来产生电能的效率可通过利用燃煤涡轮而提高。但是，应当移除煤中的各种矿物，诸如(但不限于)无机矿物，以防止对涡轮叶片和其它系统构件造成损坏。因此，在燃烧之前或者燃烧之后但在燃烧气体进入涡轮前移除矿物。在前一种办法中，煤的无机矿物含量被减至小于大约0.1重量百分比(重量％)。这种纯度的煤被称作超净煤(UCC)。UCC还可被用作用于生产大批的有用有机化合物和聚合物的原料。

存在于煤中的无机矿物将取决于煤的来源，且可包括高岭石，石英，粘土，诸如绿泥石和蒙脱石，黄铁矿，锐钛型二氧化钛和陨铁(siderate)。无机矿物也可包括赤铁矿、铁矾、白云石、磷灰石、氟磷灰石、长石和石膏。

生产UCC的一种方法是通过利用诸如强酸的浸出剂来洗涤煤以浸出矿物。用于进行浸出以生产洁净煤的方法是众所周知的。浸出剂的实例包括氢氟酸、硝酸和硝酸铁。在一种具体方法中，首先用氢氟酸的水溶液溶浸煤，然后利用硝酸或硝酸铁的水溶液溶浸煤。利用氢氟酸水溶液来溶浸煤在本文中称作氟化物处理。

用过的浸出溶液不仅包含氢氟酸、硝酸或硝酸铁，而且还包含从煤中浸出的矿物。存在于煤中的矿物杂质由浸出剂溶解，从而将硅、铝、铁、钛、钾、钙、钠、镁、钡、锶、钒、铜、锰、锆、锌、铈或包括前述元素中至少一种元素的组合释放到浸出剂溶液内。释放到浸出剂溶液内的元素和元素量取决于煤的来源和其中的矿物含量。

用过的浸出溶液是废水流，其不应不经处理就直接释放到环境中。处理这种废水的一种方式是通过煮沸去除水，并填埋固体残留物。但是，燃煤涡轮设备由于从废水中通过煮沸去除水而承受能量效率损失。包括用来通过煮沸去除水的能量，燃煤涡轮设备的联合循环效率(其可按照较高热值(HHV)来测量)仅为大约33％。这种低效率使得燃烧UCC来发电在环境和经济两方面都是不合乎需要的。

期望的是一种用于处理洗煤过程的废水流的改进的方法。具体而言，具有一种用来从废水中移除水而不会承受与煮沸水相关联的能量效率损失的方法将是有利的。

发明内容

根据本发明的一方面，一种用于处理煤的过程包括：使煤与配置成用来从煤中移除矿物的浸出剂接触；形成包括水和一定浓度污染物的废水流；以及在压力下使废水流与反渗透膜的第一侧接触，其中，包括减小的浓度的污染物的透过物流透过该反渗透膜并且自该反渗透膜的第二侧流动，且包括增大的浓度的污染物的浓缩物流保留在反渗透膜的第一侧。

根据本发明的另一方面，一种煤处理系统包括构造成用来产生超净煤的前置煤处理级，其中，该级包括构造成用来从煤中移除矿物及形成废水流的浸出剂处理系统；以及与浸出剂处理系统流体连通且构造成用来减小废水流中污染物的浓度的脱水系统，其中该脱水系统包括与废水流流体连通的反渗透膜。

结合附图，通过下文的描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。

附图说明

在说明书结论处的权利要求书中特别地指出和明确地主张了被认为是本发明的主题。当结合附图考虑时，通过下文的具体实施方式，本发明的前述和其它特征和优点显而易见，在附图中：

图1是以较高热值为单位的联合循环效率与溶质的水倍数(的关系)的曲线。

图2是渗透压和溶质重量百分比与水移除百分比(的关系)的曲线。

图3是燃煤涡轮发电设备的一个示范性实施例的流程图。

图4是图3的燃煤涡轮发电设备的氟化物煤处理系统的一个示范性实施例的流程图。

以参看附图举例说明的方式，具体实施方式阐述了本发明的实施例，以及优点和特征。部件列表：

  100   燃煤涡轮发电设备   102   设备煤准备   104   前置煤处理   106   煤气涡轮   108   能量回收   110   排放控制   120   浸出剂煤处理系统   122   氟化氢处理   124   过滤器系统   126   脱水系统

具体实施方式

在本文中公开了用于提高燃煤发电设备的联合循环(CC)效率的系统和过程，具体地公开了一种脱水系统和过程，其降低了当从由洗煤过程所得到的废水流中移除水时所致的效率损失。本文的发明人意外地发现可通过利用反渗透的脱水系统来移除来自煤氟化物清洗的废水以及浓缩所溶解的盐。这个过程可有效地移除水，即便是废水具有低pH，极其腐蚀性的性质以及高的总溶解固体。

如上文所提到的那样，使用超净煤的燃煤涡轮设备的CC效率(HHV)受到从在清洗煤的处理中所产生的废水中通过煮沸去除水所需的能量的不利影响。高效的燃煤发电设备在经济和环境两方面都是合乎需要的。具体而言，取决于涡轮类别，接近或大于50％效率的直燃式燃气涡轮将降低燃煤发电设备的成本和环境影响。在燃烧之前利用氟化物处理来洗煤是这个过程中的重要步骤。为了从废水流捕获溶解的盐以进行进一步处理，目前通过煮沸来移除水且固体浓缩。但通过煮沸去除水会导致CC效率高达17点的损失。如本文所公开的脱水方法可将CC效率的损失减小到低至2点。

因此，用于在燃煤涡轮发电设备中处理煤的过程包括在一定温度和压力下使煤与浸出剂接触，以及持续使得从煤中移除矿物有效的一段时间，其中，形成了包括一定浓度的污染物的废水流；以及在压力下使废水流与反渗透膜的第一侧接触，其中包括减小的浓度的污染物的透过物流透过该反渗透膜且从反该渗透膜的第二侧流动，且包括增大的浓度的污染物的浓缩物流保留在反渗透膜的第一侧。废水在其进入反渗透膜时可能有时被称作“进料”。

来源于洗煤处理浸出溶液的废水污染物可包括但不限于氢氟酸、硝酸、硝酸铁或包括前述浸出剂中至少一种浸出剂的组合。来源于从煤中浸出的无机矿物的废水污染物可包括但不限于硅、铝、铁、钛、钾、钙、钠、镁、钡、锶、钒、铜、锰、锆、锌、铈或包括前述元素中至少一种元素的组合。废水流中污染物的类型和量将取决于所用的浸出剂、煤的来源和煤的矿物含量。

通过藉由反渗透来移除水而浓缩的具体污染物可包括氢氟酸、氟化物、硝酸、硝酸铁、硝酸盐、硅、铝、铁或包括前述污染物中至少一种污染物的组合。取决于废水中的pH及硅和氟化物的浓度，硅可为SiO₂、Si(OH)₄、SiF³⁺、SiF₂²⁺、SiF₃⁺、SiF₄、SiF6^2-或包括前述硅配位化合基中的至少一种配位化合基的组合的形式。取决于废水中的pH及铝和氟化物的浓度，铝可为Al(OH)₃、AlF²⁺、AlF₂⁺、AlF₃、AlF₄^-、AlF₅^2-和AlF₆^3-或包括前述铝配位化合基中的至少一种配位化合基的组合的形式。铁可为Fe(OH)₃、FeF²⁺、FeF₂⁺、FeF₃或包括前述铁配位化合基中的至少一种配位化合基的组合的形式。取决于阳离子的电荷，这些阳离子配位化合基中的任一种配位化合基可由一个或多个氢氧配体来取代。

在脱水过程之前，废水流中的总溶解固体浓度为大约10,000毫克每升(mg/L)至大约60,000毫克每升。废水的pH为大约0至大约4。在脱水之前，废水可具有浓度有很大不同的不同污染物，包括但不限于例如大约0.1mg/L至大约100,000mg/L的浓度的氢氟酸、氟化物、硝酸、硝酸铁、硝酸盐、硅、铝或铁。

在一实施例中，在脱水过程后，废水流的pH增大到大约4至大约7，且废水流中的总溶解固体浓度减小到大约0.1mg/L至大约10,000mg/L。换言之，反渗透透过物可具有浓度各不相同的不同污染物，包括但不限于浓度为例如大约0.1mg/L至大约10,000mg/L的氢氟酸、氟化物、硝酸、硝酸铁、硝酸盐、硅、铝或铁。

在一实施例中，在脱水过程后，在浓缩物中总溶解固体浓度为大约8,000mg/L至大约500,000mg/L。换言之，反渗透浓缩物可具有浓度各不相同的不同污染物，包括但不限于浓度为例如大约8,000mg/L至大约500,000mg/L的氢氟酸、氟化物、硝酸、硝酸铁、硝酸盐、硅、铝或铁。

在一实施例中，反渗透膜是不对称膜或者薄膜复合膜。不对称膜由单一聚合物通过溶液浇注成单件且包括与较厚多孔支承层接触的薄致密层。举例而言，薄致密层可具有大约0.2微米的厚度，而较厚多孔层具有大于0.2微米的厚度。致密层主要负责膜的选择性传输性质(对水的高选择性，对所溶解的固体的排斥性，以及高通量)。多孔支承层为膜赋予机械完整性和强度。通量被定义为每单位面积通过反渗透膜的流率。本文所用的通量单位为升每平方米每小时(L/hrm²)。

或者，薄膜复合膜包括单独地形成的两层，它们可具有不同的聚合物组分。薄膜复合膜包括薄致密聚合物层，其由与该致密层分开形成的较厚多孔支承层来支承。举例而言，薄致密层可具有大约0.2微米的厚度，而较厚的多孔层具有大于0.2微米的厚度。同样，多孔支承层可由与致密层的组分不同的组分形成。关于不对称膜，致密层负责膜的选择性传输性质，而多孔支承层赋予机械完整性和强度。

无论是薄膜复合或不对称结构，反渗透膜都可安装成平坦片材、管状、螺旋缠绕、中空纤维或者其它类似构造。举例而言，平坦片材构造可包括布置于板框式构造中的多个膜，其中膜由平坦刚性多孔间隔结构来支承。

在管状构造中，平坦膜滚卷且在接缝处接合，或者直接浇注成圆柱形式。设置成与膜物理连通的多孔管用作管状构造中的膜支承件和容纳器皿两者。反渗透膜可放置于废水流动通过其中的多孔管的内侧或外侧上。水沿着管状膜的整个长度透过管状膜，且在管的低压力端处收集透过物。在一实施例中，多个管状膜单元可在容器模块内并联地链接，具有提供用于进料、浓缩物和透过物流的连接的歧管。

在螺旋缠绕构造中，层压膜结构围绕中心的穿孔的透过物收集管而缠绕且安装于用作容纳器皿的标准管道中。层压物可包括液体流动通过其中的多孔进料间隔件和多孔透过物间隔件分开的两个膜。层压物的一个边缘打开且与收集管接触。废水在轴向上沿着由多孔进给间隔件所形成的膜之间的通道中的模块流动。透过物沿着由多孔透过物间隔件所形成的膜之间的通道向内盘旋至收集管。

在中空纤维构造中，纤维端部嵌入于管片材中，且纤维在一端处成环或堵塞。在一种构造中，废水在纤维外侧传送，经净化的废水透过纤维，且从纤维孔口的内侧收集透过物。在另一构造中，废水进料在纤维孔口内侧传送，且从纤维的外表面收集透过物。

不考虑所希望的膜构造，可在脱水系统中使用足以获得所希望的污染物浓度的任意数量的反渗透膜。此外，膜和/或膜容器模块中的一或多个可串联或并联地连接。举例而言，膜可为设置于反渗透罐中的中空纤维或螺旋构造。可使用多个罐来实现所希望的废水流中的污染物减少。该多个罐可串联地流体连通，或者它们可布置成并联的罐阵列。

此外，不管结构或构造如何，反渗透膜都可由适合于对废水流脱水的任何材料制成。示范性膜材料可包括但不限于醋酸纤维素、硝酸纤维素、聚酰胺、聚醚砜或包括前述聚合物中至少一种聚合物的组合。反渗透膜可具有大约97.5％至大约99.9％的氯化钠排斥性。

经净化的废水通过反渗透膜的透过在所施加的压力下完成。必需施加压力来对抗渗透压。在由膜分开的两种不同浓度的溶液之间存在渗透压差。渗透压使得较稀溶液中的溶剂透过该膜且流到较浓的溶液中，以使两个浓度相等。因此，需要相等且相反的压力来使溶剂在相反方向上流动通过膜，即，从较稀的溶液流向较浓的溶液。

如本文所公开，所施加的压力或操作压力足以使得污染物和浸出剂从稀的经净化的废水流向浓缩物流。本文中，反渗透脱水过程的操作压力的一个示范性范围可为大约1兆帕(MPa)至大约12MPa。在一实施例中，可使用高压力反渗透过程，其中操作压力为大约7MPa至大约12MPa。溶质的浓度越大，溶液与纯溶剂之间的渗透压差就越大。图1是渗透压与从氟化物处理洗煤过程所得的浓的水溶液中移除的水的百分比(的关系)的曲线图。从进料移除的水的目标百分比(x轴)越高，浓缩物中的溶质的重量百分比(右y轴)就越高，且浓缩物的渗透压(左y轴)就越高。因此，期望的移除水的百分比越高，施加到废水浓缩物的压力就越高。举例而言，始于具有5％重量(重量％)的总溶解固体的废水流，通过反渗透移除50％的水将形成具有大约10％总溶解固体的浓缩物。根据图1，50％体积的水移除将得到具有大约800psi或者大约5.5Mpa的渗透压的浓缩物。因此，将需要至少大约5.5MPa的施加压力来从废水流中移除50％体积的水。

现转至图2，示出燃煤涡轮发电设备过程的CC效率(如以HHV为单位测量的)与废水流中溶质的水倍数(的关系)的曲线图。水倍数10表示在废水流中每份污染物存在10份的水。如图所示，来自对煤的氟化物处理的废水具有大约5％重量的总溶解固体，对应于大约20的溶质的水倍数(标记为“未脱水”)。如上文所提到的那样，在不通过本文所述的反渗透使固体浓缩的情况下，水将必须通过煮沸从废水流中去除。通过煮沸去除水会减小设备的CC效率。据估计，包括通过煮沸去除水所需的能量，这种燃煤发电设备的CC效率将为大约33％。

通过本文所描述的反渗透过程从具有大约5％重量的总溶解固体的废水流中移除大约50％体积的水将会产生具有大约10％重量的总溶解固体的浓缩物流，其对应于大约10的水倍数。这个废水浓缩程度(即，脱水)可将CC效率提高至大约41％，如在图2中标记为“常规RO”的数据点所示。

在另一具体实施例中，可使用这样的高压反渗透过程来进行脱水：在该高压反渗透过程中，操作压力为大约7MPa至大约12MPa。返回参看图1，当操作压力增加至大约1600psi(11MPa)时，可移除大约80％体积的水，从而提供大约20％重量的总溶解固体的浓缩物。再次转至图2，这对应于大约为4的溶质的水倍数。这种利用高压反渗透的废水浓缩程度可将该设备的CC效率提高至大约44％，这对应于标记为“高压RO”的数据点。这种效率水平导致燃煤发电设备系统具有减小的经济和环境成本。举例而言，在反渗透脱水过程中所消耗的功率小于从废水流中通过煮沸去除水将使用的功率。

图3是示出了燃煤涡轮发电设备100的一个示范性实施例的流程图。煤进入设备煤准备级102，且然后到达前置煤处理级104，之后在煤气涡轮106中燃烧。煤可经历若干准备和清洗处理，以使之准备在涡轮中燃烧。虽然出于方便的目的简化了图3，但将了解的是，燃煤涡轮发电设备100中的各个级可包括本领域技术人员众所周知的许多不同构件和系统。举例而言，在煤准备级102，煤可被分开、压碎、粉碎、筛选等，之后在前置煤处理级104中进行处理。类似地，前置煤处理级104包括如本文所述的脱水系统和过程以及可选的构件，诸如用于除灰的煤浮选器，离心机和用于干燥煤的干燥器等。然后将洁净煤发送到煤气涡轮106，煤在那里燃烧。然后可在气体被排到大气之前在排放控制级110中处理燃烧排气。排放控制级110可包括适合于从排放烟气移除煤燃烧副产物的任何构件。举例而言，排放控制级110可包括氧化氮还原器，氧化硫还原器，微粒物质移除装备等。此外，燃煤涡轮发电设备100还可包括设置于煤气涡轮106与排放控制级110之间的能量回收级。能量回收级108可构造成用来捕获存在于涡轮排气中的能量中的一些能量。举例而言，能量回收级108可包括利用来自涡轮排气的热来产生蒸汽的热回收蒸汽发生器(HRSG)。HRSG可在操作上联接到蒸汽涡轮以用于进一步发电，以及联接到冷凝器上，以用于捕获水进行再循环。

现转至图4，示出了前置煤处理级104的更详细视图。在这个特定实施例中，前置煤处理级104包括使用氟化氢作为浸出剂的浸出剂煤处理系统120。氟化物煤处理系统120包括与脱水过程级126操作连通的氟化氢煤处理级122。可选的过滤级124被示为设置在氟化物处理级与脱水级之间。如先前所提到的那样，煤中的矿物阻碍烃燃烧且造成从除灰到气载污染物(例如硫的氧化物，其主要以两种形式存在于煤中-硫铁矿和有机物)释放的问题。使用浸出剂来从煤中移除矿物。在这个特定实施例中，与脱水过程组合使用氢氟酸(HF)溶浸处理。在其它实施例中，可使用适合于移除煤矿物及产生洁净或超净煤的任何浸出剂。

煤经受HF溶浸以在本领域已知的条件下移除矿物。在示范性实施例中，可在从大约10摄氏度(℃)至初始沸腾的温度(特别是在大约10℃至大约40℃的温度)，利用浓度为大约5％重量至大约70％重量(特别是大约15％重量至大约30％重量)的HF来进行HF溶浸，且持续大约1/6至大约8小时的时间段，具体而言大约2小时至大约5小时。HF溶浸可与煤同流或逆流。

在处理之后，废水流包括来自处理过程的浸出的矿物、氢氟酸、水和其它污染物。废水流可通过过滤步骤(124)以移除存在于废水流中的任何固体粒子。过滤单元可包括选自筒式过滤器、管线过滤器、袋式过滤器、砂滤器、多介质过滤器、超滤器、微滤器等中的一种或多种过滤器。过滤单元可移除废水流中的固体，使得从过滤单元出来的废水可具有例如低于大约3散射浊度单位(NTU)的浊度。通过减少废水中的固体，可延长反渗透膜的寿命，因于防止了由固体造成堵塞。在一实施例中，过滤器包含活性炭或颗粒活性炭，其用来移除可能处于水中的有机化合物。若不移除，有机化合物可能会涂覆到反渗透膜的表面，从而缩短其寿命时间。碳处理还可保护反渗透膜免受诸如细菌或真菌的生物活性成分(其可减弱反渗透膜的效用)的影响。

在氢氟酸处理和可选的过滤之后，废水流在脱水级126中通过反渗透进行处置，脱水级126包括至少一个膜。如上文所述，穿过膜的水是反渗透透过物。进给水的渗透压随着其通过每次穿过反渗透单元进行浓缩而增加。透过物具有减小的浓度的污染物，且因此可再循环(在可选的进一步清洗之后)到设备的各个级。具有增大的浓度的污染物的浓缩物现已与水分开且可被丢弃。在一些实施例中，可能可使浸出剂再生。举例而言，HF酸再生可经由高温水解和硫酸化来实现。

本文所述的反渗透方法可有利地应用于来自煤的氟化物处理的废水，即便废水具有低pH，极其腐蚀性的性质以及高的总溶解固体。通过这种方法从废水中移除足量的水，使得该设备的CC效率提高到洁净煤涡轮功率在经济上和环境上两方面都实用的水平。

本文所用的用语只是出于描述特定实施例的目的且并不意图限制本发明。本文所公开的范围是包括性的且可组合的(例如，“直至大约25％重量，或更特别地，大约5％重量至大约20％重量”的范围包括“大约5％重量至大约25％重量”的范围的端点和所有中间值等)。“组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。而且，用语“第一”、“第二”等在本文中并不指示任何次序、数量或重要性，而是用于使元件彼此区别，且用语“一”和“一个”在本文中并不指示对数量的限制，而是指示存在至少一个所提到的物品。结合数量使用的修饰词“大约”包括所陈述的值，且具有通过上下文所确定的意义(例如，包括与特定数量的量度相关联的误差程度)。本文中所使用的后缀“(s)”意图包括单个及多个其所修饰的用语，从而包括一个或多个该用语(例如，着色剂包括一种或多种着色剂)。在整个说明书中对“一个实施例”、“另一实施例”、“一实施例”等的引用表示结合该实施例描述的特定元件(例如，特征、结构和/或特性)包括于本文所述的至少一个实施例中，且可存在于其它实施例中，或者可能不存在于其它实施例中。此外，将了解的是，所述的元素可以任何的合适方式在各种实施例中组合。

除非作出另外的限定，本文所用的所有用语(包括技术用语和科学用语)具有与本发明实施例所属领域的技术人员通常所理解的相同的意义。还将进一步理解，诸如在常用字典中定义的那些的用语应被理解为具有与其在相关技术和本公开内容的情况下的意义相符的意义，且除非在本文中明确地如此定义，不应以理想化或过于正式的意义来理解。

虽然结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但将容易地理解的是，本发明并不限于这些公开的实施例。相反，本发明可经过修改以合并在之前并未描述过但与本发明的精神和范畴相称的任意数量的变型、更改、替代或等效布置。此外，虽然描述了本发明的各种实施例，但将理解的是，本发明的方面可包括所述实施例中的仅一些实施例。因此，本发明不应被视为受到前文描述的限制，而是仅受到所附权利要求书的范畴的限制。