[发明专利]IGCC系统中的气化反应器和燃气轮机循环

说明书

相关申请的交叉引用

该申请要求于2006年9月11日提交的韩国申请序列第10-2006-0087447号和于2007年3月26日提交的美国申请序列第11/691401号的优先权。

技术领域

本发明涉及一种整体气化联合循环系统，更具体涉及其中涡轮发动机驱动气化反应的整体气化联合循环系统。

发明背景

现有技术中常规整体气化联合循环(“IGCC”)发电设备是众所周知的。为了说明的目的，图1显示了常规IGCC发电设备的一个例子的一部分。一般来说，在IGCC中，煤自常规气化器10中气化，所得合成气在冷却和清洗后，驱动燃烧涡轮16，产生电力。特别地，随着合成气在涡轮16中燃烧，燃烧产物、蒸汽和二氧化碳气体的温度达到约2000℃，随着排放气体的冷却，热能通过涡轮16转化为功，产生电力。燃烧涡轮16的排放气体还可以用于加热锅炉18，使蒸汽机20运行，进一步产生电力。将排放蒸汽和系统剩余的废热收集在热水槽中，用于空间加热，以最高效率地利用煤气化产生的能量。

目前已知的常规煤气化技术起源于1934的Lurgi煤气化器。在该气化器中，发生以下煤气体反应(也分别称为蒸汽和干燥重整反应)：

C+H₂O→CO+H₂

C+CO₂→2CO

其中，碳(C)被重整为包含一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的合成气。这些反应是化学还原性且吸热的。因此，对于这些要进行的重整反应，必须吸收相当于碳燃烧反应(即C+O₂→CO₂)的热能。

按照以下方式提供这种必需的热量。气化器中一部分原料煤与空气或氧气燃烧，燃烧产生的热量用于将气化器保持在足够发生重整反应的温度。粉末形式的煤与空气或氧气(O₂)燃烧，气化器的温度升高到约1000℃，然后停止提供空气或O₂气体，向气化器中注入超热蒸汽。但是，随着一些重整反应的进行，气化器的温度下降。必须重新供应空气或氧气，以使温度重新升高到初始水平。该过程必须重复，以维持所需的温度。尽管该体系已经在煤重整为合成气方面取得了一些成绩，并且随时间推移进行了一些细微的调整，但是该体系更确切的说是一个笨重的系统，存在Lurgi气化器固有的缺陷。

首先，气化器中达到的温度受煤燃烧反应限制，即当煤与空气燃烧时限制在900℃以内，在使用O₂气体时，限制在略低于1200℃。但是，申请人观察到，直到如下文所述温度超过1200℃时才会发生大部分碳重整反应。

其次，商品煤含有大量矿渣，由SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CuO等的各种混合物组成。这些混合物在室温下为固体形式，但是在接近1000℃时变软，在大约1300-1400℃成为流体。但是，根据煤的性质和煤的开采点，流点(fluid point)、不流点(non-fluid point)的差别非常大。在超过煤流体温度的温度时，流体煤渣集中在气化器内。流体矿渣(fluid slag)迅速腐蚀构成气化器内壁的铸块，这样经常需要对铸块进行除垢操作，结果导致气化器的停工时间较长。另外，铸块受到点状腐蚀的内壁增加了气化器内温度的不均匀分布。

第一个缺陷导致倾向于使用热容量大的气化器，第二个缺陷要求气化器较大，这样大量矿渣可以在两次除垢操作之间累积，减少除垢操作的次数和所需的停工时间。因此，近年来，常规煤气化器的尺寸变得越来越大。目前，由石油巨头出售的煤气化器的高度与三层楼的高度相同。最近，对一些常规煤气化器进行了改装，使其具有高压喷射的加热油和压缩氧气，从而能够将运行温度升高到1450℃。但是，在该系统中难以实现均匀的温度分布和温度控制。在这样非均匀的温度分布情况下，两种竞争反应，即燃烧和重整，在相同的空间中同时进行。因此，任何最大程度地提高重整效率的努力都是非常艰巨的任务。

因为这些原因，在IGCC中使用的常规Lurgi气化反应器中，煤在气化反应器中的部分燃烧不足以将反应器温度提高到进行重整反应所需的水平。需要加入其它燃料(例如加热油)来提高运行温度。但是，如上所述，在这类反应器内难以控制和保持均匀的温度分布。

本发明解决了这些和其它缺陷。

发明内容