用于整合气化组合循环动力系统的水煤气变换反应器系统

摘要

本申请涉及用于整合气化组合循环动力系统的水煤气变换反应器系统。因此，本申请提供一种整合气化组合循环系统(390)。该整合气化组合循环系统(390)可包括水煤气变换反应器系统(400)和热回收蒸汽发生器(160)。该水煤气变换反应器系统(400)可包括再循环系统(445)，其具有再循环热交换器(445)来加热合成气流(315)。该热回收蒸汽发生器(160)可包括与再循环热交换器(430)连通的分流水流(450)。

说明书

技术领域

本申请大体而言涉及整合气化组合循环(integrated gasification combined cycle，IGCC)动力系统(power generation system)，且更特定而 言涉及一种IGCC动力系统，其具有用于它的改进的水煤气变换反应 器系统(water gas shift reactor system)。

背景技术

已知的IGCC动力系统可包括与至少一个产生动力的涡轮系统整 合的气化系统。举例而言，已知的气化器可将燃料、空气或氧气、蒸 汽和其它添加剂的混合物转变成部分地燃烧的气体的输出，通常被称 作“合成气”。这些热燃烧气体被供应到燃气涡轮发动机的燃烧器。 而燃气涡轮发动机向发电机提供动力以发电或驱动另一类型的负载。 来自燃气涡轮发动机的废气被供应到热回收蒸汽发生器(heat recovery steam generator，HRSG)以便生成蒸汽用于蒸汽涡轮。由蒸汽涡轮生成 的动力也可驱动发电机或另一类型的负载。类似类型的动力系统可为 已知的。

气化过程可使用水煤气变换反应器。基本的水煤气变换反应如 下：CO+H₂O<->CO₂+H₂。为了改进变换反应，高压蒸汽与进入水煤 气变换反应器的原料合成气混合以便增加H₂O/CO比例。蒸汽源通常 从底循环或者自在高温/低温气体冷却部段中冷却合成气得到。反应也 是温度敏感的。

但是，对于给定水煤气变换反应器的高压蒸汽要求而言，利用CO₂捕获的总IGCC系统的效率会降低。具体而言，对于原料合成气饱和 取得的高压蒸汽涉及性能损失，因为蒸汽不能用于蒸汽涡轮中的膨胀 功。因此，分流可降低总系统效率，净输出和耗热率。

因此，需要改进的利用CO₂捕获的整合气体组合循环动力系统。 这种系统优选地可维持充分的CO₂捕获同时增加总系统效率和性能。

发明内容

因此，本申请提供一种整合气化组合循环系统。该整合气化组合 循环系统可包括水煤气变换反应器系统和热回收蒸汽发生器。水煤气 变换反应器系统可包括再循环系统，其具有再循环热交换器以加热合 成气流(flow of syngas)。热回收蒸汽发生器可包括与再循环热交换器 连通(in communication with)的分流水流(diverted water flow)。

本申请还提供一种操作具有一个或多个水煤气变换反应器和热 回收蒸汽发生器的整合组合循环气化系统的方法。该方法可包括以下 步骤：提供与进来的合成气流连通的再循环水流；分流来自热回收蒸 汽发生器的高压抽水(water extraction)；在高压抽水与再循环水流之间 进行热交换；使合成气流向水煤气变换反应器；以及，增加合成气流 的水分含量。

本申请还提供一种整合气化组合循环系统。该整合气化组合循环 系统可包括水煤气变换反应器系统，其具有一个或多个水煤气变换反 应器和热回收蒸汽发生器。水煤气变换反应器系统可包括再循环系 统，其具有再循环热交换器以加热合成气流。热回收蒸汽发生器可包 括与再循环热交换器连通的高压部段和分流的高压水流。

当结合附图和所附权利要求来理解时，通过阅读下文的详细描 述，本申请的这些和其它特点和改进对于本领域技术人员而言将会变 得明显。

附图说明

图1是利用CO₂捕获的IGCC动力系统的示意图。

图2是使用已知IGCC系统的HRSG的低温气体冷却部段的示意 图。

图3是使用可如本文所述的HRSG的低温气体冷却部段的示意 图。

部件列表：

100    IGCC动力系统

110    气化器

115    合成气冷却器

120    空气分离单元

130    水煤气变换反应器系统

140    酸气移除系统

150    燃气涡轮动力循环

151    煤制备

152    CO₂再循环压缩

153    CO₂压缩

154    带尾气处理单元的硫回收单元

155    合成气加热单元

160    热回收蒸汽发生器

165    废气

200    高压过热器

210    高压再热器

220    高压蒸发器

225    高压部段

230    高压节热器

240    中压过热器

250    中压蒸发器

255    中压部段

260    中压节热器

270    低压过热器

280    低压蒸发器

285    低压部段

290    低压节热器

300    高压抽水

310    高压蒸汽流

315    合成气流

320    第一水煤气变换反应器

330    第二水煤气变换反应器

340    水再循环系统

350    塔

360    第一气体/水热交换器

370    第二气体/水热交换器

380    气体/气体热交换器

390    IGCC系统

400    水煤气变换反应器系统

410    高压抽水

420    高压蒸汽流

430    再循环热交换器

440    再循环流

445    再循环系统

450    分流水流

460    分流泵

具体实施方式

现参看附图，其中在若干视图中相同附图标记指代相同元件。图 1示出利用CO₂捕获的IGCC动力系统100。IGCC系统100可包括： 高压辐射-传导气化器110以使显热回收最大；辐射合成气冷却器115； 空气分离单元120，其使用高压空气分离和自燃气涡轮的部分抽气(air extraction)来产生可为气化所需的预期纯度的氧气；在水煤气变换反应 器系统130中的一个或多个催化水煤气变换反应器，其用于产生主要 富含H₂-CO₂的气体；酸气移除系统140，其用于额外产物气体清洁和 CO₂移除；以及，使用先进的合成气燃料的燃气涡轮动力循环150来 产生动力。IGCC系统100也可包括煤制备151；CO₂再循环压缩152； CO₂压缩153；硫回收单元，其带有尾气处理单元154、洁净合成气加 热单元155；以及可能会需要的其它构件。在本发明中也可使用其它 配置。

图2示出上文所述的IGCC系统100的一部分。具体而言，图2 示出与热回收蒸汽发生器(“HRSG”)160组合的辐射合成气冷却器115 与水煤气变换反应器系统130的组合。来自组合循环动力块150的燃 气涡轮的废气165可被供应至HRSG 160用于回收来自废气的废热。 HRSG 160可包括高压(“HP”)部段225、中压(“IP”)部段255和低 压(“LP”)部段285。HRSG 160可被配置成将来自废气165的较低级 热逐步地传到每个逐步更低压部段的水循环。在本发明中可使用其它 配置。

高压部段225可包括一个或多个高压过热器200、高压蒸发器220 和一个或多个高压节热器(economizer)230。节热器230通常在水在蒸 发器或以别的方式转变成蒸汽之前预热水。同样，中压部段255可包 括一个或多个中压再热器210、中压过热器240、中压蒸发器250和 中压节热器260。另外，低压部段285可包括低压过热器270、低压 蒸发器280和低压节热器290。在本发明中可使用其它构件和配置。

辐射合成气冷却器115可加热自高压节热器230之一或从以别的 方式到高压蒸汽流310内的高压抽水300。高压蒸汽流310可返回到 高压蒸发器220或者高压蒸汽流310可与进入水煤气变换反应器系统 130的原料合成气流315混合。在此实例中，水煤气变换反应器系统 130可包括第一水煤气变换反应器320和第二水煤气变换反应器330。 任意多个反应器可用于本发明，取决于待从总系统捕获的CO₂量。高 压蒸汽流310使合成气流315饱和以改进反应器320、330中任一个 或二者中的H₂O/CO比例。视情况，热能也可在高压部段、中压部段 或低压部段从蒸汽涡轮提取而获得以改进H₂O/CO比例。

水煤气变换反应器系统130也可包括水再循环系统340。水再循 环系统340可用于在塔350中或以别的方式加热合成气流315。在水 再循环系统340内的水流可经由多个气体/水热交换器而被温热。在此 情况下，可使用第一气体/水热交换器360和第二气体/水热交换器370。 也可使用气体/气体热交换器380。在本发明中可使用任意多个热交换 器。在本发明中可使用其它构件和配置。

图3示出可如本文所述的带水煤气变换反应器系统400的IGCC 系统390。水煤气变换反应器系统400同样联接到HRSG系统160。 具体而言，高压抽水410取自一个高压节热器230。高压抽水410同 样流经辐射合成气冷却器105且转到高压蒸汽流420内。但是，所有 高压蒸汽流420返回到高压蒸发器220，而不是前移到水煤气变换反 应器系统400的反应器320、330之一。

相反，再循环热交换器430温热水煤气变换反应器系统400的再 循环系统445中的再循环流440。如上文所述，再循环流440流经第 一热交换器360和第二热交换器370和塔350。再循环热交换器430 自高压抽水410的分流水流450进给。分流水流450通过再循环热交 换器430且然后返回到高压节热器230。分流泵460也可用于其上。 在本发明中可使用其它配置。

再循环流440因此可使用能由高压节热器230或以别的方式得到 的废热来进行加热。而再循环流440在原料合成气315进入反应器 320、330时预热进来的原料合成气流315。因此，可排除和/或至少减 少对导向至反应器320、330的高压蒸汽流420的需要。高压蒸汽流 420因此可用于有用功同时由高压抽水410来预热原料合成气流315 增加合成气保持水分的能力。因此，可通过使用高压抽水410而不是 高压蒸汽流420来改进IGCC系统100的总输出。对于相同的饱和含 量，更低转移转变是可能的。

显然的是，前文的描述仅涉及本申请的某些实施例，且本领域技 术人员在不偏离所附权利要求和其等效物所限定的本发明的总体精 神和范围的情况下可对本发明做出许多变化和修改。