用于气化高含湿量的含碳物质的方法和设备 【发明领域】
本发明涉及用于气化高含湿量的含碳物质的方法和设备，尤其涉及将干燥固体含碳物质的装置与气化过程一体化的方法和设备。
【发明背景】
在大多数工业化国家普遍采用使用含碳物质如煤炭作为燃料来产生电力。许多已知的方法涉及固体含碳物质的气化，即固体含碳物质和空气在升高温度下，常常在蒸汽存在下部分燃烧含碳物质产生可燃性气体的混合物。在燃烧或气化过程中，煤炭中的所有水分必须在上述过程之前在另一个干燥器内干燥或在上述过程中干燥。由于干燥是一个消耗能量的过程，通过选择干燥过程可以显著提高发电厂的效率。
近年来，已经开发出许多先进的方法，来提高燃煤发电厂的热效率，降低NOx、SOx和CO2的排放量，以及降低发电总成本。已经报道的大多数方法曾在低含湿量的含碳物质上进行试验和实施，如含湿量一般小于10％的高品位(high-rank)煤。
如澳大利亚、德国、USA、中国、印度尼西亚和印度国家有大量含湿量高地低品位煤炭，其含湿量通常会超过60％(湿基重量)。对使用高含湿量的含碳物质用于生产能量必须考虑的特别问题之一是需要增加煤炭干燥过程。在设计发电系统时还必须考虑高品位煤炭和低品位煤炭的其它差异。低品位煤炭一般其灰分中碱金属含量较高，会结垢和腐蚀，在高含氧量和高孔隙度下有较高的反应活性，并且具有碱催化作用。
在常规的燃烧低品位煤炭的锅炉的工厂，原料煤在与燃烧炉抽出的烟道气直接接触中，通过鼓风机或打浆磨干燥。干燥后的粉碎煤炭夹在烟道气中送入燃烧炉(通过锅炉)，烟道气由于干燥而被冷却。
在澳大利亚专利No 661176中，以Victoria州电力委员会名义提出了类似的方法，称作一体化的组合干燥和气化循环(IDGCC)法。该方法中，煤炭在离开气化器的热煤气中干燥。干燥后，煤炭在如旋风分离器的设备中与气体分离，送入气化器。冷却的燃料气体与蒸发的水分一起经热气滤器通入燃气轮机。
这种方法可以提高电力输出，部分因为通过燃气轮机时煤炭蒸发的水分，它设想在煤炭最终100％完全气化下操作。
曾经研究出另一种原理相似的干燥方法，作为用于湿燃料的IVOSDIG气化法的一部分(S Hulkkonen，M Raikσ，Mijl，Ref.用于湿燃料的高效发电厂的方法。IGTI，Vol.6，1991 ASME Cogen-Tubo Book No.100313-1991)。这种方法中，在直接接触的干燥器内使用压力略高于气化压力的过热蒸汽干燥燃料。干燥所需能量可从冷却过热干燥的蒸汽流中获得。干燥后，燃料在旋风分离器中分离并送入气化器。
旋风分离器后，相应于从燃料蒸发的水分的蒸汽部分喷射到来自气化器的气流中，以通过燃气轮机膨胀。相应于加热蒸汽的气流通过鼓风机再循环通过过热器进行预热。
还可以采用其它一体化程度较低的干燥方法。这些方法中，煤炭在大气压或接近大气压下干燥，然后经闭合加料斗喷入发电厂先进的加压气化器或燃烧器。在Victoria和欧洲普遍采用的干燥褐煤用的干燥器是旋转滚筒式，它可用于如制造型煤。这些干燥器中，煤炭在大气压下通过滚筒或外壳上的管道加入，由在管道外面冷凝的蒸汽提供干燥热量。煤炭蒸发的水分在低速空气流中通过管道。
最近，开发出另一种间接蒸汽干燥法，是蒸汽流化床干燥器(SFBD)。SFBD中，粉碎的煤炭在流化床中，于略高于大气压下，使用蒸汽作为流化介质进行干燥。煤炭蒸发的水加入到流化床蒸汽中，使煤炭全部夹带在惰性的蒸汽环境中。通过一般约5bar压力下的蒸汽冷凝，通过管道向流化床提供干燥所需热量。一种已基本达到工业化程度的煤炭发电厂的先进方法是加压流化床燃烧的组合循环法(PFBC)。已普遍认识到PFBC的进一步发展的潜力。PFBC的性能受到流化床中允许的最高温度(约860℃)的限制，它控制了通过燃气轮机膨胀的气体的温度。因此，PFBC系统的燃气轮机输出被限制到总电力输出的约20％。
A-PFBC(先进的加压流化床燃烧)系统主要致力于克服PFBC的燃气轮机进口温度限制。通过使PFBC与气化炉结合，燃气轮机进口温度可升高至最大允许温度，在目前大型燃气轮机中约为1260℃左右。这将燃气轮机(Brayton循环)产生的电力提高到总电力输出的约50％。在A-PFBC系统，煤炭在两个阶段反应，该系统称作混合系统。煤炭首先在一个碳化器内部分气化产生低热值的燃料气体的燃气和碳流。然后这些碳在另一个加压流化床锅炉内燃烧产生蒸汽。来自碳化器的低比能气体与碳在约860℃的燃烧产物混合，并在顶燃烧器(topping combustor)中用空气燃烧。燃料气体和烟道气在进入顶燃烧器之前都需净化。制得的烟道气控制过量空气，使其温度不超过目前燃气轮机允许的最高进口温度，1260℃，烟道气然后通过燃气轮机膨胀。供给碳化器、PFBC和顶燃烧器的空气从燃气轮机压缩机抽取。增压压缩机仅用于将空气供给碳化器。在燃气轮机的热量回收锅炉中还产生蒸汽，这些蒸汽与来自PFBC的蒸汽一起用于驱动蒸汽涡轮。
如上面所讨论的，所有目前正在开发的先进方法都是用高品位的低含湿量煤炭进行试验和实施的。采用要求低含湿量煤炭技术的一种方法是增加一个预干燥步骤。
发明目的和概述
本发明目的是提供气化高含湿量的含碳物质的方法，该方法中增加了干燥步骤，提供一个预干燥步骤的优点。
本发明提供的气化高含湿量的固体含碳物质的方法包括下列步骤：
(a)将第一固体含碳物质原料送入至少一个加压干燥器，所述第一含碳物质原料为高含湿量，
(b)通过使低氧含量的烟道气通过所述加压干燥器，减少所述第一含碳物质的含湿量，干燥所述第一含碳物质，
(c)将第一干燥的含碳物质从所述加压干燥器中移至加压碳化器，
(d)在所述加压碳化器中部分气化所述第一含碳物质，产生高温燃料气体和固体残留物，
(e)将所述固体残留物移至加压燃烧室，
(f)在所述加压燃烧室燃烧所述固体残留物产生所述低氧含量烟道气。
在上述系统中，燃烧固体残留物产生的烟道气用于干燥第一固体含碳物质原料。本发明的一种形式中，固体残留物与第二含碳物质一起在上述加压燃烧室内燃烧，以控制用于干燥煤炭的烟道气的氧含量。为方便起见，第二含碳物质的来源与送入加压干燥器的第一含碳物质的来源相同为宜。
本发明的另一种形式中，冷却的烟道气部分通过压缩机再循环到加压燃烧室作为一种控制烟道气中氧量的手段。
当烟道气通过干燥器时，第一固体含碳物质干燥并且完全夹带在烟道气流中。夹带在烟道气中的固体物质随后分离，与干燥器中未夹带的干燥的含碳物质一起进入加压碳化器。烟道气流在干燥煤炭时冷却和增湿，烟道气在通过热交换器冷却之前，在脱湿器和水分分离器中脱湿。
由于第一固体含碳物质在上述加压碳化器内的部分氧化而产生的热烟道气与夹带的任何颗粒物质分离后冷却。高含湿量的含碳燃料灰中挥发的碱性物质如钠的含量高，导致热燃料气中存在的碱性物质量高。
燃料气体宜通过热交换器用来自加压干燥器的烟道气冷却，之后通过热气体滤器，从气流中分离粉碎得很细的固体物质。冷却的燃料气体中，碱性物质冷凝在夹带于气流中的细粉碎固体物质上，然后在将气流送入顶燃烧器之前，从气流中除去这些固体物质。
在顶燃烧器中，在烟道气和空气存在下燃料气体燃烧。产生的热的涡轮原料气体用于在联合循环的燃气轮机中产生电力。
本发明还提供由高含湿量的含碳物质产生电力的方法和设备。
优选实施方案的描述
由对下面优选实施方案和附图的描述能更好地理解本发明的特征、目的和优点。
图1是在发电厂实施本发明的优选实施方案的流程示意图。
图2是在发电厂实施本发明的第二个优选实施方案的流程示意图。
将针对62％(湿基重量)含湿量的低品位煤炭描述本发明，但是本领域的技术人员应该理解本发明也适用于其它含碳物质如泥煤、褐煤、以及含湿量大于30％(湿基重量)的生物体。从使用本发明所提高的效率和其它方法优点考虑，本发明的方法和设备尤其对高品位煤炭有用。高品位煤炭在其结构中没有大量结合的水，该方法中可以在煤炭中加入水，或分开加水以达到必需的含湿量。高品位煤炭通常以高含水量的糊料或浆料输入，这样的糊料或浆料适用于本发明。因此，本发明领域的技术人员应该理解，高含湿量的固体含碳物质原料不仅指包括有大量结合水的低品位煤炭，而且有低含湿量的任何含碳物质，包括低的结构水量的高品位煤炭和另外加入的水或物质。
参考图1，将低品位或含湿煤原料1送入加压干燥器2，煤原料1与来自燃烧器4的热烟道气流3接触。热烟道气3进入温度宜高于700℃，较好约为860℃的干燥器，热烟道气3的氧含量小于标称的10％(重量)，但在实施中可小至保持在燃烧器中能进行完全燃烧，以减小一旦该煤炭中含湿量充分降低时原煤着火的危险。
加压干燥器2的压力约为15bar，以适合典型的燃气轮机压缩机达到的压力，该加压干燥器中的煤炭在热烟道气流中干燥。干燥器较好是夹带流体型，或是流化床或其它合适的类型。离开干燥器2的煤炭其含湿量通常在12-20％(重量)范围，干燥煤炭后的烟道气流的温度约为200℃。离开加压干燥器2后，夹带的干燥煤炭和烟道气流3a进入气体/固体分离器5如旋风分离器，干燥的煤炭6a与冷却的烟道气7分离。
一部分烟道气在移入烟道气冷却器8之前通过脱湿器和水分分离器40。例如在热交换器内由来自汽涡轮的冷凝物A冷却烟道气，可使烟道气脱湿。因此获取的热量可用于加热原料水B。提高在涡轮进口可达到的气体温度，循环效率大于没有脱湿时的效率。通过涡轮旋子的质量流量由于煤炭蒸发的水分而超过由涡轮压缩机提供的空气质量流量，有脱湿时可以控制该质量流量，避免压缩机波动条件产生的限制。
一般，超过由涡轮压缩机提供的空气质量流量的任何通过涡轮旋子的质量流量对燃气轮机的性能有很好的作用。设想燃气轮机有充分的波动范围可利用，没有脱湿的系统有许多优点，因此可在较低涡轮进口温度下操作，因为所导致的有效损失可能很小。这些优点避免了收集和处理烟道气冷凝水的有关复杂性。
离开气体/固体分离器5的干燥的煤炭6a然后通过螺杆加料器9或合适的固体加料器进入加压碳化器10。碳化器10是吹入空气的流化床气化器，由涡轮压缩机12和增压压缩机14产生的加压空气10a进行流化。从大气将空气吸入压缩机12，然后通过增压压缩机14，使空气在经管道到碳化器10之前达到要求的压力。碳化器内的压力从略高于涡轮压缩机产生的压力至高于10bar变化。碳化器10中，空气中的氧部分燃烧干燥的煤炭提供用于气化的热量，产生热烟道气18和固体残余碳16。
从碳化器有两种输出的流体，温度一般在700-1000℃范围的燃料气体18和碳16。燃料气体(包括任何焦油)和碳的比例随煤炭类型和碳化条件变化。碳化器10的气化程度取决于诸多因素如碳化器中的温度、固体物质的停留时间以及气化剂。一般期望碳产率在5-40％(重量)范围。然而，由于燃料气体的能含量取决于碳产率，考虑到燃料气体18的能量需要，应该控制和调节碳化器的碳产率，以达到高的燃气轮机进口温度。
从碳化器10移出碳16，用螺杆加料器30或合适的固体加料器送入燃烧器4。燃烧器4较好是加压流化床燃烧器，由压缩机12提供的空气4a进行流化。
供给干燥器2的烟道气3中的氧应控制至充分低量，避免爆炸可能性，确保干燥器的安全操作。氧量应保持小于标称10％(重量)，但在实施中可低至保持在燃烧器中能进行完全燃烧。烟道气3的氧含量可以通过含碳物质50直接进入燃烧器4来独立控制。含碳物质50较好是与输入加压干燥器2相同的高含湿量含碳物质，将其供给燃烧器4。或者，通过再循环压缩器37将冷却的烟道气49循环到燃烧器进口，可得到较高的循环效率。干燥烟道气干燥器中的含碳物质的潜力取决于进入燃烧器4的质量流量、温度和湿度。
来自碳化器10的燃料气体18通入气体/固体分离器19，被烟道气冷却至低于600℃。燃料气体21然后在热交换器8间接冷却，或通过与烟道气7直接混合冷却。由于直接混合具有稀释燃料气体作用，潜在地降低气体混合物的热值，使其小于能提供顶燃烧器20中的稳定燃烧所需量，因此选热交换器8作间接冷却用。
在约低于600℃温度下，挥发的碱金属如钠从燃料气体21中冷凝，收集在夹带的灰份颗粒中，与热气体滤器22中的颗粒除去。期望制得的冷却燃料气体48中的碱浓度低于目前可接受的极限，24ppb。
本申请人已经发现在用Latrobe Valley褐煤进行的试验中，碳化期间在碳化器10中挥发的碱金属比例是强烈依赖碳化器温度的变量，当煤炭在低于约850℃下碳化时，碱金属保留在碳16中。
这些试验还表明在低于400℃的温度，释放大多数的氯(假设为氯化氢)。在燃烧器4中燃烧时，碳16中的碱很可能形成硫酸盐，或与床材料结合形成硅酸盐，而不是作为氯化物挥发。因此，期望能降低挥发性碱物质从燃烧器中的床释放，非挥发性物质随床材料除去。然而，当烟道气从约860℃冷却至约200℃时，在烟道气3中挥发的任何碱都会被捕捉到干燥器2中。
通过热气体滤器22后，燃料气体48通过顶燃烧器20，燃料气体在烟道气23和由压缩机12提供的空气20a存在下燃烧。然后，热的涡轮原料气体45用于驱动燃气轮机24的旋子，通过发电机25和燃气轮机的动力压缩机12产生电力。
如果顶燃烧器20中的化学计量燃烧温度低于允许的最大涡轮进口温度(如对含湿量为62％(重量)的情况)，产生电力的效率一定程度上可通过下列方式改进：
●降低干燥器(脱湿器和水分分离器)后的燃料气体的含湿量。如前面所讨论的，可通过来自热交换器40中的冷凝器的冷凝剂的热交换达到降低含湿量，或
●以有效的方式部分或完全干燥输入燃烧器4的原料煤，从而降低输入加压干燥器2的烟道气3的含湿量。
安排回收热量的线路，与燃烧器结合操作，驱动高压蒸汽涡轮27和中等压力/低压的蒸汽涡轮28。一个实施方案中，来自燃气轮机24的废气的热量用于加热省煤器31中的循环原料水B。在燃烧器4的第一加热阶段34完成驱动高压蒸汽涡轮27的蒸汽的升温和过热，在燃烧器4的第二加热阶段35进行驱动中等压力压蒸汽涡轮的蒸汽的预热。
高压蒸汽涡轮27与中等压力/低压涡轮28结合，通过发电机26发出电力。
来自中等压力/低压蒸汽涡轮的蒸汽在冷凝36中冷凝，将冷凝液A输入脱湿器和水分分离器40。如前面所讨论的，冷凝液A用于冷却和冷凝来自烟道气流7的水分47。加热的冷凝剂B通过脱气器46再回到原水中。
对高含湿量的煤炭(含湿量大于约55％(重量))，在顶燃烧器20中的化学计量燃烧温度会低于允许的涡轮最高进口温度，导致小于燃气轮机容量的效率。然而，这种下降可通过提高输出和效率得到很大的补偿，因为蒸发的煤炭水分会通过涡轮膨胀。开发中的更先进的燃气轮机中，蒸汽冷却或使用陶瓷叶片会导致燃气轮机压缩机的更多空气可供燃烧使用，因为用于冷却和密封燃气轮机的空气旁路通过燃烧器。
输入原煤的A-PFBC的预测性能如下，假设使用超临界蒸汽循环。 由下面控制氧： 输入燃烧器的 第二煤炭 到燃烧器的循环冷却烟道气煤炭含湿量 ％(重量) 62 62到干燥器的煤炭流体 Tonne/hr 273 273到PFBC的煤炭流体 ％碳化器干 燥煤炭 31.5 31.5到PFBC的煤炭流体 Tonne/hr 30 0循环烟道气 ％干燥器烟 道气 0 19顶燃烧器出口温度 ℃ 1165 1256通过冷却器的烟道气 ℃ 180-340 180-380通过冷却器的烟道气 ℃ 860-550 860-550燃气轮机输出 MW 171 172汽涡轮输出 MW 222 193辅助动力 MW 27 27效率 ％ 43.3 44.4
另一个实施方案示于图2，提供了显著的优点。参考与图1实施方案相同的设备，其编号和描述与图1相同。这一实施方案尤其可应用于在碳化器中为高的碳转化率的高含湿量的含碳物质。此实施方案中，在加压燃烧器104中燃烧碳16所释放的热量仅用于产生烟道气3，烟道气再用于干燥原料煤1。输入加压流化床燃烧器104的流体是碳16、燃烧空气108和从干燥器2和烟道气冷却器107之后获得的循环烟道气106。烟道气温度可控制到约860℃，通过控制经过压缩机108的循环烟道气流量来调节质量流量。如果燃烧碳所产生的热量不足，可以通过将来自碳化器气流21的燃料气体的蒸汽109a改变方向，并在加压燃烧器104中燃烧109a燃料气和碳16来提供综合平衡。以含湿量为62％(湿基重量)的LatrobeValley煤为例，约13.5％(干燥煤炭重量)的碳产率可提供充分的热量来干燥煤炭至20％的含湿量。
此实施方案中，没有流化床锅炉(图1中的34、35)来产生用于生产电力的蒸汽。这意味着由碳16燃烧所产生的热量必须不能超过干燥所需的热量，否则，超过的热量必须用置于加压流化床燃烧器内的锅炉热量转移表面来除去。
燃料气体冷却器107按对流配置有燃料气体21和烟道气106、109，通过与来自干燥器2的约180℃的烟道气106、109的热交换，可以使燃料气体21从约860℃冷却至相对较低的温度约350℃。因此，可以使用在燃料气体管21上的控制阀(图中未标出)来有效控制燃气轮机。因为考虑到温度，将部分烟道气106循环至加压燃烧器104的压缩机108可位于燃料气体冷却器107的前面，冷却器中气体温度较低。
这样的安排比另一个实施方案更有效，因为全部能量都产生于高效率燃烧的循环燃气轮机，即燃气轮机和其相关的废热锅炉和汽涡轮。这可以和组合循环燃气轮机和高压蒸汽循环(图1实施方案)的组合相媲美。而且，由于煤炭的所有能量都用于从顶燃烧器20产生烟道气110，用于经涡轮膨胀，可利用的最高气体温度大于将部分煤炭能量转移给加压流化床锅炉104中的蒸汽的系统。这点高含湿量煤炭很重要，因为在接近化学计量条件下的最高温度可低于允许的涡轮进口温度。
因为高效率，这种方法还可以应用于低含湿量的煤炭，包括高品位煤炭和其它可加入水的含碳物质。在这些物质中加入水例如可制得糊料或浆料，它们可以直接输入到加压干燥器2。在目前某些气化器和前面讨论的PFBC系统中使用这样的直接进料系统。以前在使用高含湿量的含碳物质时所遇到的问题之一是需要包括另一个预干燥步骤，需要除去碱金属物质，这些碱金属物质在高含湿量的含碳物质如褐煤中比高品位煤炭如烟煤更普遍。本发明提供一种一体化的方法，用于干燥和气化高含湿量固体含碳物质，燃烧碳残留物，与使用高含湿量含碳物质的其它方法相比得到很高的碳转化率和高效率。
本发明尤其对高含湿量燃料提供以下优点：
●很高的循环效率
●与装置一体化的简单的干燥系统
●完全干燥煤炭，不需要预干燥步骤
●对烟道气氧量的独立控制。
而且，本发明还能够采用干燥方法，冷凝在燃烧和气化高含湿量的固体含碳物质时挥发的碱物质。
相对较低的燃料气体和烟道气温度降低了施加在气体滤器的过滤部件上的热应力。
另外，因为燃料气体温度可以较低，本发明在紧靠顶燃烧器20的前面使用涡轮控制阀(图中未标出)。尽管这会要求碳化器仅在高压下操作，但是它提供了对燃气轮机24的直接和更及时的控制。
而且，在较好的安排中不需要下列：
●控制和处理来自燃料气体的脏的冷凝物
●在气体管道中冷却蒸汽，降低气体温度，或
●锅炉受热表面，只要使干燥所需热量大于或等于燃烧碳所产生的热量
总而言之，本发明为低投资成本的发电厂提供机会和可能。
而且因为所述对高含湿量的优点，通过另外加入水或与燃料，气体低含湿量的含碳物质包括高品位煤炭也可以获得这些方法的优点。这意味着改变碳化器条件就可以获得要求的碳转化期望水平。