專利名稱：整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠與煤液化設施的整合的制作方法
技術領域：
總的來說，本發(fā)明涉及清潔煤能源生產(chǎn)領域。更具體來說，本發(fā)明涉及將兩種清潔 煤生產(chǎn)過程合并成單一設施的方法。
背景技術：
天然氣、煤藏和生物質(zhì)是豐富的能源，經(jīng)常用作燃料來發(fā)電。美國具有大量已知的 煤儲量，目前燃燒用于發(fā)電的煤只占可用總儲量的一小部分。這些用于發(fā)電的煤滿足了美 國大約一半的電能需求。目前的以及越來越緊的排放管制法規(guī)限制了硫、氮氧化物和溫室 氣體的排放量，使得富含這些物質(zhì)的煤越來越不利于發(fā)電。不能符合這些法規(guī)導致了以罰 金、關閉和限制運行為形式的嚴厲懲罰。此外，升級現(xiàn)有的燃煤發(fā)電廠需要大量的投資。隨 著對環(huán)境問題例如全球變暖和溫室氣體的認識不斷增加，預計這種趨勢仍將繼續(xù)，可能會 使燃煤電廠的運行變得不利和昂貴。世界范圍內(nèi)對油的不斷增加的需求，已經(jīng)增加了油餾分的價格，并鼓勵了可替代 清潔電力設施的開發(fā)。一種這樣的發(fā)電設施是整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)電廠。電流從煤的 氣化產(chǎn)生的合成氣體(合成氣)的燃燒產(chǎn)生。氣化是將煤與限量的氧氣在高溫下進行反應 以生產(chǎn)合成氣體的方法。氣化過程去除了潛在的污染物例如汞、砷、氮氧化物和硫氧化物。 當合成氣體燃燒時還實現(xiàn)了其他益處，因為合成氣的燃燒釋放較低量的二氧化碳。降低的 二氧化碳排放和技術進步使得這些設施是“捕集預留的”，因為在氣化器中從煤中去除存儲 的二氧化碳。常規(guī)的蒸汽渦輪機需要溫度、壓力和腐蝕抗性的部件來發(fā)電。這些部件的限制決 定了蒸汽溫度的上限，因此限制了電能生產(chǎn)的效率。在IGCC燃氣渦輪機的情況下，不存在 同樣的限制。燃氣渦輪機具有較高的氣體循環(huán)燃燒溫度，供應給作為發(fā)電機構的壓縮機、燃 燒爐和渦輪機系統(tǒng)。渦輪機的高溫排氣輸出可用于加熱蒸汽，用于輔助的蒸汽渦輪機，從而 增加了電力工廠的總效率。通過轉(zhuǎn)化合成氣，煤也可以轉(zhuǎn)變成合成的液體燃料。液體燃料與煤相比的優(yōu)勢在 于，它們不需要昂貴的工藝或包裝就可以容易地長距離運輸。將煤轉(zhuǎn)變成液體燃料的工藝 過程典型地包括合成氣的催化反應形成液體烴類。FiSCher-Tr0pSCh(FT)反應器設施執(zhí)行 石油代用品液體燃料的催化合成的必不可少的步驟。該過程通過催化的化學反應進行，在 該化學反應中，合成氣中的一氧化碳和氫氣被轉(zhuǎn)變成液體烴類。從固體材料生產(chǎn)液體烴類 燃料，減少了對油餾分作為燃料的依賴性。產(chǎn)生烴類的反應是高度放熱的，并需要冷卻反應 器以維持有利于繼續(xù)合成的條件。IGCC和FL工藝過程代表了降低對油餾分的依賴性的兩種潛在的清潔煤工藝過程。前者提供了清潔的電能，后者提供了液體烴類用于進一步加工成產(chǎn)品。此外，兩種工藝 過程都需要煤加工、空氣分離和合成氣生產(chǎn)來運行。當前的原料、過程、資本和基礎設施成 本，使得單獨投資這些工藝過程過于昂貴，使得它們不利于發(fā)展。以前對用于這些工藝過 程的設施的合并的討論，集中于它們共有的起始材料和對合成氣生產(chǎn)的平行的基礎設施要 求。但是，已經(jīng)認識到提供單一的合成氣來源來運行多個清潔煤工廠，在運行靈活性，根據(jù) 需求調(diào)整輸出的能力，以及在維護過程中或在裝置故障的情況下維持生產(chǎn)方面，是不利的。因此，在工業(yè)中，對于整體IGCC和CTL設施，并使其具有運行靈活性、可調(diào)節(jié)的輸 出和在線維護的特點的方法，存在著需求。發(fā)明簡述在本文描述的整體煤液化和整體氣化聯(lián)合循環(huán)設施的實施方案中，解決了本技術 領域中的這些以及其他的需求。在本文中，描述了通過共享煤攝取、煤制備、氣體分離和水 單元的系統(tǒng)，來合并CTL燃料工廠和IGCC電廠的新方法。這種構造允許聯(lián)合的設施通過工 藝過程單元的多通路整合，在生產(chǎn)效率、運行靈活性、可縮放性和可靠性方面提供優(yōu)勢。在實施方案中，煤由工廠接收，在輸煤和制備單元中制備以用于氣化。此外，空氣 在共享裝置中被分離成用于氣化的氧氣和用于IGCC燃氣渦輪機單元的氮氣。制備的煤和 氣體被輸往整體設施的CTL部分或IGCC部分。加工過的材料的運輸方向依賴于多種因素， 包括給定產(chǎn)品的盈利能力、生產(chǎn)產(chǎn)品所必需的加工材料的量、以及設備的維護狀態(tài)。合成氣 體或合成氣的生產(chǎn)和純化在氣化和純化單元中進行，它們在兩個部分中都保留下來。本公 開的工藝過程的一個方面在于，依賴于給定產(chǎn)品的盈利能力、生產(chǎn)產(chǎn)品所必需的加工材料 的量、以及設備的維護狀態(tài)，在一個部分中產(chǎn)生的合成氣可以提供給相鄰的部分。來自設施的CTL部分的副產(chǎn)物、廢料或尾氣，可以在IGCC部分中作為燃氣渦 輪機的燃料進行利用。在某些情況下，通往CTL的合成氣進料流是未加工的，因此排 出反應器用于向IGCC部分進行氣體運輸。這些氣體也可以重新循環(huán)，以增加來自CTL Fischer-Tropsch反應器單元的液體產(chǎn)物。水和廢水單元可以在設施的部分之間共享。上面相當寬泛地概述了本發(fā)明的特點和技術優(yōu)勢，以便可以更好地理解下面的本 發(fā)明的詳細描述。本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點將在后文中描述，它們形成了本發(fā)明的權利要 求的主題。本領域技術人員應該認識到，公開的概念和具體實施方案可以容易地作為基礎， 用于修改和設計用于執(zhí)行與本發(fā)明相同目的的其他結(jié)構。本領域技術人員還應該認識到， 這樣的等效的結(jié)構沒有超出在隨附的權利要求書中提出的本發(fā)明的精神和范圍。


為了詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，現(xiàn)在將參考隨附的圖，其中圖1顯示了 IGCC和CTL工廠的非整體運行示意圖；圖2顯示了根據(jù)IGCC和CTL工廠的整體運行方法的一個實施方案的工藝流程圖；圖3顯示了根據(jù)IGCC和CTL工廠的整體運行方法的一個實施方案的詳細工藝流 程圖；圖4顯示了根據(jù)IGCC和CTL工廠的整體運行方法的一個實施方案的詳細工藝流 程圖。表示法和命名
在下面的說明書和權利要求書中使用的某些術語指稱具體的系統(tǒng)部件。本文件不 打算在名稱不同而不是功能不同的部件之間進行辨別。在下面的討論和權利要求中，術語“IGCC”用于指稱整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠或設 施。類似地，術語“CTL”或“煤液化”用于指稱基于Fischer-Tropsch反應器的用于從煤或 煤制品合成液體烴類的工廠，對于涉及的單獨工藝過程沒有限制。此外，術語合成氣是指含 有不同量的主要成分一氧化碳和氫氣以及可能的其他氣體分子的氣體混合物。 在下面的討論中，術語“設施”、“部分”和“單元”以開放式的方式使用，因此應該 被解釋為是指用于執(zhí)行步驟或一系列步驟的部件系統(tǒng)的前提(premises)和相關裝置，或 所描述的工藝過程中的設備。在下面的討論和權利要求中，術語“包括(including) ”和“包含(comprising) ”以 開放式的方式使用，因此應該被解釋為是指“包括，但不限于…”。優(yōu)詵實施方案的詳細描述現(xiàn)在參考圖1，它以并排的方式顯示了用于煤液化(CTL)燃料生產(chǎn)10和整體氣化 聯(lián)合循環(huán)(IGCC)電廠20的未整合的設施的部件。CTL設施10包含用于生產(chǎn)液體烴類的 Fischer-Tropsch反應器47。IGCC設施包含用于燃燒合成氣以產(chǎn)生電流的IGCC燃氣渦輪 機53。此外，圖1顯示了在兩種設施中都使用的平行的或類似的煤加工步驟。這些步驟可 以包括例如但不限于輸煤(coal handling)，31、32，煤制備33、34和氣化器(氣化單元)35、 37，以及合成氣純化器43、45。此外，兩種設施可以包含用于氣體處理、水處理、廢水處理、廢 物去除的工藝過程，和/或本領域技術人員所理解的相似工藝過程。在實施方案中，本公開的工藝過程包含多通路機構以整合CTL 10和IGCC 20設 施。圖2顯示了包含有整體IGCC電廠部分20和CTLFischer Tropsch液體烴類生產(chǎn)部分 10的新的整體設施30。在實施方案中，來自CTL設施10的輸煤31和煤制備33單元在兩 個部分之間共享?；蛘?，可以設想輸煤31和煤制備33單元來自于IGCC設施20的輸煤32 和煤制備34單元。運送到設施的煤到達輸煤單元31，然后移送到煤制備單元33。煤在單 元之間通過傳送裝置、卡車、滑車或本領域技術人員已知的其他機構進行移送。對于哪個部分需要煤來運行進行確定，然后將煤配送到CTL氣化單元35、IGCC氣 化單元37，或二者。接收煤的設施可以被當作接收設施。或者，無活性煤接收的設施可以被 當作對方設施。運送到CTL設施10的煤通過氣化35和合成氣純化45進行加工，進料合成 氣料流3。運送到IGCC設施20的煤通過氣化37和合成氣純化43進行加工，進料合成氣料 流3。整體設施30的接收和加工來自煤制備單元33的煤的部分，決定了對方的規(guī)模和 運行。例如，IGCC設施20有合同要從IGCC燃氣渦輪機53生產(chǎn)一定量的電能。為了滿足 該合同，IGCC設施20通過IGCC氣化器37和合成氣制備43使用至少一部分來自煤制備單 元33的輸出。CTL設施10和相連的CTL氣化器35和合成氣純化45只能使用剩余部分的 煤。在另一個實施方案中，接收設施使用所有的煤；或者使用其一部分。此外，對方設施可 以補充合成氣料流3，它被輸送到接收設施，以便增加生產(chǎn)。在優(yōu)選實施方案中，合成氣料流3在CTL設施10和IGCC設施20之間共享。合成 氣料流3從整體設施30的任一個部分輸送到另一個部分。例如，合成氣料流3從CTL設施 10輸送到IGCC設施20，反之亦然，對此沒有限制。在示例性的情況下，當維護需要暫時關閉IGCC氣化器37時，合成氣料流3可以從CTL合成氣純化器45輸送到IGCC工廠20。在 某些實施方案中，氣化單元35、37和合成氣純化43、45可以對設施之間的合成氣料流3有 貝獻。現(xiàn)在參考圖3，煤的氣化所需的氣體在整體設施30的空氣分離單元(在后文中稱 為ASU) 39中進行加工和分離。CTL氣化35和IGCC氣化37單元包含它們自己的空氣分離 單元。優(yōu)選情況下，CTL氣化35和IGCC氣化37單元共享單個ASU 39。需要的主要氣體是 氧氣，它被配送到CTL氣化器35、IGCC氣化器37或二者，用于氧化煤并產(chǎn)生合成氣。正如 前面對于煤、運送速度和設施所討論的，接收氧氣決定了整體設施30的規(guī)模和運行方向。 貧氧空氣被進一步分離，以便向IGCC燃氣渦輪機53供應氮氣。ASU 39產(chǎn)生的氣體，例如但 不限于氧氣和氮氣，通過封閉的導管例如但不限于管道、管路、加壓管線或儲罐，在設施間 輸送。ASU 39可以利用本領域技術人員所了解的任何適合的技術將氧氣和氮氣從空氣中分 離。例子包括但不限于壓縮機、塔、交換器、泵，或其組合。圖4描述了整體設施30的CTL部分10和IGCC部分20之間共享的另一種可能 的合成氣3和廢氣。在實施方案中，由Fischer Tropsch反應器47產(chǎn)生的廢氣和來自精 制單元51的廢氣，可以作為輔助進氣流5與合成氣一起用于IGCC燃氣渦輪機53。在需要 時，CTL部分10中的Fischer-Tropsch反應器47可以具有可逆地降低的反應溫度。通過 將溫度降低到有利的反應范圍之外，結(jié)果是將合成氣輸入作為尾氣完全排出到輔助進氣流 5中，用于進料到IGCC渦輪機53中。不降低溫度時，反應器47產(chǎn)生用于產(chǎn)物精制設施51 的產(chǎn)物流6。在某些實施方案中，產(chǎn)物精制包括產(chǎn)生但不限于生產(chǎn)柴油、石腦油或其他液體 烴類。在其他實施方案中，導入輔助進氣流5的廢氣或尾氣可以用作燃料，在相關的蒸汽渦 輪機發(fā)電機49處升高蒸汽溫度。在可選實施方案中，來自輔助進氣流5的廢氣可以通過尾 氣再循環(huán)設施59返回到反應器47。此外，整體設施30的IGCC部分20可以包含F(xiàn)ischer Tropsch反應器47，與從純 化單元43通往IGCC渦輪機53的合成氣供應流串聯(lián)。通過這種方式，根據(jù)市場需求的要 求，IGCC部分20可以生產(chǎn)附加的液體燃料。在反應器中產(chǎn)生的尾氣可用于為IGCC渦輪機 53提供動力。在立即需要電能的情況下，將反應器的溫度足夠地降低，以便合成氣進料流作 為未改變的尾氣排出反應器。IGCC部分20的本實施方案的突出細節(jié)，公開在美國專利No 6，976，362中，在此以所有目的以其全文引為參考。在某些情況下，這種安排可以包含并入 IGCC設施中的固定(bolt-on)的CTL設施10，以形成整體設施30。水可以通過容器、管道、閥門和/或泵系統(tǒng)，從水單元運輸?shù)秸麄€整體設施30。水 可以供應給CTL設施10的單元，包括反應器47、產(chǎn)物精制51、合成氣純化43和氣化35單 元。在其他實施方案中，水可以提供給蒸汽渦輪機49，它利用來自其他單元的熱和蒸汽產(chǎn)生 大量電能。其他單元可以包括整體設施30產(chǎn)生用于生產(chǎn)蒸汽的適合的熱廢物或熱量的任 何部分。此外，水可以從氣化單元35輸送到煤制備單元33。煤制備設施33由CTL 10和 IGCC 20工廠二者共享。供應給CTL部分10的每個單元的水，可以輸送到整體設施30中的 其他單元、斷開、或完全去除以進行離線位點的處理，對此沒有限制。水也可以運輸?shù)絀GCC合成氣純化單元43、燃氣渦輪機53和熱回收蒸汽發(fā)生器 (在后文中稱為HRSG)55。來自HRSG的蒸汽被循環(huán)到蒸汽渦輪機58。蒸汽渦輪機58可以 產(chǎn)生額外的電力。在其他實施方案中，水被提供給IGCC氣化單元37。IGCC氣化單元37可以將水進一步提供給由部分CTL 10和部分IGCC 20共享的煤制備單元33。供應給IGCC部分20的每個單元的水，可以輸送到其他單元、斷開、或完全去除，正如本領域技術人員已知 的。廢水處理單元57可以包含在整體設施30中。廢水處理單元57將用過的水排出 合成氣純化單元43、45，氣化單元35、37，CTL反應器47，CTL產(chǎn)物精制設施51，煤制備單元 33和IGCC燃氣渦輪機53。從整體設施30的單個單元去除的廢水可以可選地偶聯(lián)、輸送到 其他單元，或從系統(tǒng)中除去。廢水可以重新循環(huán)，重復使用，或處理并從整體設施排放。盡管已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的實施方案，但本領域技術人員可以對其進行修 改，而不背離本發(fā)明的精神和教導。本文描述的實施方案和提供的例子僅僅是示例性的，而 不打算是限制性的。本文公開的發(fā)明的許多變化和修改是可能的，并且也在本發(fā)明的范圍 之內(nèi)。因此，保護范圍不限于上面提出的說明書，而只受限于下面的權利要求書，其范圍包 括了權利要求書的主題的所有等價物。
權利要求
用于運行整體液體烴類和電力生產(chǎn)設施的方法，包括a)向煤分離單元提供一定量的煤；b)將煤分成進料流，其中進料流包含合成氣生產(chǎn)料流；c)向進料流提供來自空氣分離單元(ASU)的氣體，其中氣體與進料流反應，產(chǎn)生合成氣料流；d)將一部分合成氣料流導向液體烴類生產(chǎn)反應器以產(chǎn)生液體烴類，其中來自液體烴類反應器的副產(chǎn)物被導向電力渦輪機；以及e)將一部分合成氣料流導向渦輪機以產(chǎn)生電流。
2.權利要求1的方法，還包括將煤液化(CTL)設施與整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)設施合并。
3.權利要求1的方法，其中液體烴類反應器包括Fischer-Tropsch反應器。
4.權利要求1的方法，其中b)還包括將煤分成至少兩個合成氣生產(chǎn)料流。
5.權利要求4的方法，其中合成氣生產(chǎn)料流是液體烴類生產(chǎn)過程的一部分。
6.權利要求4的方法，其中合成氣生產(chǎn)料流是電力生產(chǎn)過程的一部分。
7.權利要求1的方法，其中c)包含分開由ASU產(chǎn)生的氧氣。
8.權利要求7的方法，其中一部分氧氣被運送到作為液體烴類生產(chǎn)過程的一部分的合 成氣生產(chǎn)料流中。
9.權利要求7的方法，其中一部分氧氣被運送到作為電力生產(chǎn)過程的一部分的合成氣 生產(chǎn)料流中。
10.權利要求1的方法，其中d)還包含將合成氣料流輸送到一個或多個被構建用于生 產(chǎn)液體烴類的反應器中。
11.權利要求1的方法，其中e)還包含將合成氣料流輸送到蒸汽渦輪機以生產(chǎn)電流。
12.權利要求1的方法，其中合成氣料流與一個或多個被構造用于生產(chǎn)液體烴類的反 應器和用于生產(chǎn)電流的蒸汽渦輪機流體連通。
13.權利要求12的方法，其中合成氣料流在一個或多個被構造用于生產(chǎn)液體烴類的反 應器與用于生產(chǎn)電流的蒸汽渦輪機之間流體連通。
14.權利要求1的方法，還包含將來自液體烴類和電力生產(chǎn)設施的廢水輸送到共享的 廢水處理單元。
15.權利要求1的方法，還包含從共享的水向液體烴類和電力生產(chǎn)設施供應水。
16.權利要求1的方法，還包含在d)和e)之間進行選擇，其包括評估產(chǎn)品的盈利能力。
17.將煤液化(CTL)過程和整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)設施整合的方法，包括a)提供輸煤單元和煤制備單元，使得煤液化(CTL)過程和整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)設 施共享輸煤單元和煤制備單元，其中輸煤單元為煤液化過程和整體氣化聯(lián)合循環(huán)設施二者 提供煤進料流；以及b)提供空氣分離單元，使得煤液化過程和整體氣化聯(lián)合循環(huán)設施共享空氣分離單元， 其中單個空氣分離單元為煤液化過程和整體氣化聯(lián)合循環(huán)設施二者提供氧氣進料流。
18.權利要求17的方法，其中CTL過程還包含產(chǎn)生CTL合成氣料流的CTL氣化單元。
19.權利要求17的方法，其中IGCC設施還包含產(chǎn)生IGCC合成氣料流的IGCC氣化單兀。
20.權利要求17的方法，還包含通過CTL合成氣料流向IGCC設施供應合成氣。
21.權利要求17的方法，還包含通過IGCC合成氣料流向CTL過程供應合成氣。
22.權利要求17的方法，還包含將選自副產(chǎn)物、電流、液體烴類、尾氣、排出氣體和合成 氣中的至少一種，從CTL過程轉(zhuǎn)移到IGCC設施。
23.權利要求17的方法，還包含將選自副產(chǎn)物、電流、液體烴類、尾氣、排出氣體和合成 氣中的至少一種，從IGCC設施轉(zhuǎn)移到CTL過程。
24.權利要求17的方法，其中CTL合成氣進料流未被處理地流過CTL設施，并通過尾氣 導管運送到IGCC設施。
全文摘要
本申請描述了通過共享煤攝取、煤制備、氣體分離和水單元的系統(tǒng)，來合并CTL燃料工廠和IGCC電廠的新方法。這種構造允許合并的設施通過處理單元的多通路整合，在生產(chǎn)效率、運行靈活性、可縮放性和可靠性方面提供優(yōu)勢。
文檔編號C10G1/00GK101842466SQ200880107162
公開日2010年9月22日 申請日期2008年9月15日 優(yōu)先權日2007年9月14日
發(fā)明者理查德·O·謝潑德, 約瑟夫·A·勒涅里 申請人:瑞恩泰克公司