[发明专利]整体气化联合循环全套设备的最小含硫气体排放

说明书

发明背景

本申请要求2008年7月30日提交的美国临时专利申请系列号61/084,774的权益，所述临时专利申请在此以其全文引为参考。

本发明涉及气化反应器与整体气化联合循环(“IGCC”)全套设备的起动、运行和关闭的系统和方法。

气化首先被用于生产“城市煤气”，用来照明和加热。此外，在过去，煤和其他烃类被气化以用于生产各种化学品和合成燃料。更近些时候，气化技术已被用于在IGCC全套设备中产生电力，其中使用氧气或空气通过部分氧化将煤或其他烃类气化得到合成气。典型情况下，然后将这种合成气脱去颗粒物、硫化合物和氮化合物例如NO_x化合物，并随后通入燃气轮机，合成气在那里燃烧。此外，得自燃起轮机的热废气通常被通入热回收蒸汽发生器，在那里产生蒸汽以驱动汽轮机。然后从燃气轮机和汽轮机产生电能。这些IGCC全套设备也可被设计用于生产氢气并捕获CO₂，从而减少温室气体排放。因为在燃烧前已从合成气中除去造成温室气体排放的组分，因此IGCC全套设备产生非常低水平的空气污染物，例如NO_x、SO₂、颗粒物质和挥发性汞。

正如上面提到的，任何烃类都可以被气化，即部分燃烧，其与燃烧的区别在于使用了少于燃烧固体所需的化学计算量的氧气。一般来说，氧气供应量被限制在完全燃烧所需氧气的约20％到70％。含烃原料与受限量的氧气的反应导致形成氢气、一氧化碳以及一些水和二氧化碳。固体例如煤、生物质、炼油厂残渣、消化池污泥和其他含碳材料，可用作气化器的原料。最近，石油焦已被用作IGCC的固体烃类原料。

典型的气化器在非常高的温度下运行，例如约1000℃到约1400℃范围内以及超过1600℃的温度。在如此高的温度下，原料中的任何惰性物质都被熔化并流到气化容器的底部，在那里形成惰性熔渣。以空气或氧气供料的气化器有三种基本类型。具体来说，气化器根据性质可以分成移动床、夹带床或流化床。移动床气化器一般以逆流的方式与燃料接触。简单来说，含碳燃料被进料到反应器的顶部，其在那里以逆流的方式与氧气、蒸汽和/或空气接触，直到发生反应形成合成气。在夹带床气化器中，燃料或含烃原料以并流方式与氧化性气体接触，直到产生合成气，合成气存在于反应器顶部，同时熔渣流到反应器的底部。最后，在流化床气化器中，含烃燃料或原料随着蒸汽/氧气向上通过，其在那里悬浮直到发生气化反应。

IGCC全套设备中的气化器与空气分离装置(“ASU”)、气体纯化或净化系统例如酸性气体脱除(“AGR”)过程以及联合循环电厂或作为燃气轮机装置的“电力组块”整体化。ASU被用于分离空气，以便可以将纯氧气物流送至气化器。

为了将由气化器产生的合成气转化成氢气燃料用于发电和/或氢气销售两者，得自气化组块或气化器的合成气必须被变换，以将合成气中的CO和水转化成CO₂和氢气。水煤气变换反应是：

CO+H₂O→CO₂+H₂

CO变换技术通常使用在常规的氢气和氨工厂中。当通过气化产生合成气时，CO变换装置典型地位于硫脱除装置的上游，因此使用“酸性”变换催化剂。变换催化剂可以是基于钴-钼的催化剂，其可以从许多供应商处直接商购。催化剂的寿命典型为三年。对于高等级的CO₂捕获来说，可能需要附加的变换阶段。得自高度放热的变换反应的热能可以通过产生蒸汽用于工厂内部消费来有效利用。

正如上面提出的，这种“变换反应”广泛应用于精炼和石油化学工业中。利用酸性变换技术的气化工厂的实例包括路易斯安那州的ConventHydrogen工厂、北达科他州的Dakota Hydrogen工厂和堪萨斯州卡非威里石油焦气化工厂。卡非威里的工厂利用气化技术生产氨和CO₂。

当使用IGCC全套设备捕获CO₂时，捕获的CO₂如果要注射到油田中用于强化采油，CO₂必须满足压缩和注射的纯度标准。通过将原始含硫合成气体中的几乎所有CO变换成二氧化碳和氢气，然后在下游AGR装置中回收得到的合成气中的几乎所有CO₂，可以实现极高程度的碳捕获。