[发明专利]具有封闭的循环骤冷的部分氧化反应

说明书

技术领域

本发明涉及利用部分氧化反应器来实现高效率燃烧固体燃料，用于产生动力(例如电)的系统和方法。特别是，所述系统和方法可使用煤作为固体燃料。

背景技术

由燃烧燃料产生电力的常规的手段通常缺乏同时实现高效率电力生产和碳捕获和封存(CCS，carbon capture and sequestration)二者。当在燃烧反应中使用固体燃料时，该局限性被放大，因为固体和惰性氮气内含物保留在燃烧产物流中。因此，本领域持续需要用于高效率电力生产的系统和方法，允许降低CO₂排放和/或改进所产生的封存的容易性。

在采用CCS的高效率电力生产领域的一篇出版物，Allam等人的美国专利申请公布2011/0179799中提供了一种方案，由此在足够高的压力和温度下操作的部分氧化反应器中，通过与氧和任选的水蒸汽反应，使固体燃料(例如煤、褐煤、石油焦或生物质)气化，以允许固体燃料基本上完全转化为主要包含一氧化碳和氢作为可燃烧组分以及燃烧衍生的杂质(例如H₂S、CS₂、COS、HCN和NH₃)的气态燃料。将部分氧化的净产物气体冷却，将灰分分离，并且将其任选压缩，以允许其作为燃料引入到电力生产系统的燃烧室中。部分氧化系统和电力生产系统的操作压力可使得不需要压缩燃料气体。电力生产系统燃烧器使用在燃烧后存在的过量的O₂操作，这样确保燃料和燃烧衍生的杂质从还原形式转化为主要包含SO₂和NO的氧化形式。部分氧化反应器可提供有蒸发冷却的壁，其中在约800℃的温度水平下，在灰分去除之前，高压再循环CO₂流冷却部分氧化产物气体。需要将部分氧化气体进一步冷却至约400℃，以确保所有细灰分颗粒与固化的挥发性无机组分一起被冷凝，过滤，以防止固体沉积、腐蚀和堵塞下游设备。将部分氧化气体从800℃冷却至400℃必须在换热器中发生，其中由于Boudouard碳形成反应和在部分氧化气体中的高CO分压，用于高压部分氧化气体的管耐金属尘化腐蚀。这在以下公式(1)中显示。

CO+CO＝C+CO₂    (1)

管必须设计允许周期性水洗涤，以除去源自存在于固体燃料(例如煤和褐煤)中的挥发性无机组分的冷凝的固体沉积物。

尽管上述出版物是先进的，但它们描述的系统和方法仍不能提供最有利的方案解决当使用固体燃料作为电力生产燃烧燃料时出现的问题。因此，仍需要用于采用CCS的高效率燃烧固体燃料的其它系统和方法。

发明内容

本公开提供利用固体燃料并且同时实现碳捕获的用于高效率电力生产的系统和方法。特别是，所公开的系统和方法可利用其中固体燃料燃烧的部分氧化(POX)反应器，来生产包含部分氧化产物的POX流。POX流可引向燃烧器，其中至少一些部分氧化产物基本上完全氧化，以生产燃烧产物流。在某些实施方式中，POX反应器可在低于在燃烧器中的压力的压力下操作。

在具体的实施方式中，POX反应器可适于利用骤冷冷却流体。例如，可引入骤冷冷却流体，以将POX流从POX反应温度冷却至骤冷的POX流温度。在示例性实施方式中，POX反应温度与骤冷的POX流温度的比率可为约3.25或更大(例如，约3.5:1或约4:1)。作为非限制性实例，POX反应温度可为约1300℃或更大(例如，约1300℃-约1600℃)，而骤冷的POX流温度可在约200℃-约400℃的温度。通过在POX反应器中或单独的容器中与POX流直接混合，可进行骤冷冷却。

在其它实施方式中，在主要POX燃料的部分氧化期间产生的固体(例如固体灰分颗粒)可通过与气态燃料气体加上气化的骤冷流体分离而除去。或者，骤冷流体可作为另外的液相也存在于气相中，并且用作洗涤流体以除去大多数灰分颗粒。通过减慢由CO分子的反应形成固体碳的Boudouard反应，约400℃或更低的骤冷温度可用于防止金属尘化。还可优选操作骤冷系统，使得具有夹带的灰分颗粒的单相气态POX产物可通过旋风分离器和过滤器系统，以除去灰分颗粒。