專(zhuān)利名稱(chēng)：在整體氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中分離氧氣的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電能產(chǎn)生系統(tǒng)，更具體地涉及整體氣化聯(lián)合循 環(huán)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電站的替代方案，整體氣化聯(lián)合循環(huán)
("IGCC")系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性方面是有吸引力的，它們提供了以經(jīng)濟(jì)且
清潔的方式開(kāi)發(fā)利用煤---種充沛的資源的機(jī)會(huì)，帶來(lái)了比傳統(tǒng)的
煤燃燒蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電更高的效率。
在IGCC系統(tǒng)中，諸如煤的碳質(zhì)燃料被轉(zhuǎn)化為稱(chēng)作合成氣的合成氣 體燃料， 一種在高溫下通過(guò)部分氧化而形成的混合物.合成氣包括一 氧化碳、氫氣以及其它氣體組分。吹氧氣化器通常從低溫空氣分離單 元(ASU)或者從離子遷移膜(ITM)空氣分離單元中獲取氧氣。低溫 ASU采用壓縮機(jī)、熱交換器、閥門(mén)以及蒸餾塔的組合，以便在非常低的 溫度下實(shí)現(xiàn)從空氣中分離氧氣的操作。低溫空氣分離過(guò)程消耗大量電 能，從而減小了發(fā)電站的凈輸出并降低了效率。
在ITM空氣分離過(guò)程中，大致在M00下-1700下(760 - 927C)范 圍內(nèi)的高溫空氣中的氧分子在膜的陰極側(cè)被轉(zhuǎn)化為氧離子，并且在施 加的電壓或相對(duì)于膜的陽(yáng)極側(cè)的壓力差的作用下被傳輸通過(guò)所述膜。 氧離子在陽(yáng)極側(cè)失去電子，重整為氧分子，電子移動(dòng)到膜的陰極側(cè)從 而再次電離氧氣。由陶瓷材料制成的膜元件在高溫下允許氧離子通過(guò)。


當(dāng)結(jié)合附圖參閱下文的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的特征將會(huì)被最好地 理解，其中，圖1-5中的每個(gè)都示出了結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的ITM ASU的IGCC。
在所有視圖中相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的特征.具體實(shí)施方式
本發(fā)明包括IGCC系統(tǒng)，該IGCC系統(tǒng)集成有具有顯熱(sensible heat)回收功能的空氣分離單元。在一個(gè)實(shí)施方式中，圖l中示出的電 能產(chǎn)生系統(tǒng)100包括氣化系統(tǒng)1、燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2、熱量回收蒸汽發(fā)生 器(HRSG) 3和蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)4,每個(gè)系統(tǒng)都以常規(guī)方式構(gòu)造而成。 氣化系統(tǒng)1包括諸如煤漿的烴類(lèi)燃料源106、氣化器108、 ITM空氣分離 單元IIO、空氣壓縮機(jī)114、合成氣冷卻器118以及氣體清潔站120,燃 氣渦輪機(jī)系統(tǒng)2包括空氣壓縮機(jī)130、燃燒器132、燃?xì)鉁u輪機(jī)134以及 發(fā)電機(jī)136。 HRSG3包括節(jié)約器(economizer) 172、蒸汽鼓174、蒸發(fā) 器176和過(guò)熱器178。蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)4包括蒸汽室152、蒸汽渦輪機(jī)160、 發(fā)電才幾162、冷凝器164和送水泵166。
氧氣109從ITM ASU110提供給氣化器108, ITM ASU110從合成氣冷 卻器118接收高溫高壓空氣113。由馬達(dá)116驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)114吸入環(huán)境 空氣115,以便給合成氣冷卻器118提供高壓空氣113的來(lái)源。壓縮空氣 113可以從圖1中示出的獨(dú)立壓縮機(jī)114輸送，或者從燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2 的壓縮機(jī)130輸送，或者從其它空氣源輸送。ITM ASU110產(chǎn)生高純度氧 氣109，同時(shí)在大約1400 - 1700°F ( 760 - 927C)的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行， 并且膜兩側(cè)的氧氣分壓差為200至400psia ( 1378. 6kPa - 2757. 2kPa )。 膜的工作溫度通過(guò)如下方式獲得使空氣流113流過(guò)合成氣冷卻器118， 使得從氣化器108排出的熱合成氣117中所含的顯熱對(duì)空氣流113進(jìn)行 加熱。氧氣109在ASU110中與空氣113分離以后，氧氣109被輸送到氣化 器108，并且如圖所示，脫氧空氣127可輸送到燃料管線125，用于添加 到燃料混合物128中。盡管沒(méi)有示出，合成氣冷卻器118可包括附加的 熱交換器，以便由蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)4排出的饋送水167的一部分產(chǎn)生蒸 汽。
在氣化器108中，烴類(lèi)燃料106發(fā)生部分氧化，從而在放熱反應(yīng)中 主要產(chǎn)生一氧化碳和氫氣，通常在大約2000 - 2800°F ( 1093 - 1538C) 溫度范圍內(nèi)的熱合成氣117從氣化器108中排出。為了滿(mǎn)足空氣質(zhì)量要 求，諸如硫磺、亞硝 酸化合物和灰塵顆粒的雜質(zhì)在氣體清潔站120中被 去除。合成氣冷卻器118在合成氣117被引入氣體清潔站120之前降低合 成氣的溫度。清潔的合成氣124與來(lái)自蒸汽室152的蒸汽126混合。通過(guò) 改變蒸汽流率，蒸汽126可用于調(diào)節(jié)燃燒過(guò)程溫度、內(nèi)部燃燒器溫度分 布和燃燒器排放溫 。蒸汽126和合成氣124的混合物128通過(guò)燃料供給
6管線125流向燃料歧管123并進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2的燃燒器132中。混 合物128也可包括來(lái)自空氣分離單元110的氮?dú)饣蛎撗蹩諝?27以減小 火焰溫度和氮氧化合物的形成。
在發(fā)電站100的工作過(guò)程中，壓縮機(jī)130吸入環(huán)境空氣129,產(chǎn)生被 導(dǎo)向燃燒器132的壓縮空氣131。壓縮空氣131可以是富含氧氣的。燃料 混合物128進(jìn)入歧管123并穿過(guò)其多個(gè)端口133而進(jìn)入燃燒器132中，在 燃燒器132中燃料混合物U8與壓縮空氣131發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生進(jìn)入燃?xì)?渦輪機(jī)134的熱加壓氣體135，熱加壓氣體135在燃?xì)鉁u輪機(jī)134中膨脹， 從而在轉(zhuǎn)子軸138上產(chǎn)生動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)130和發(fā)電機(jī)136。由于已經(jīng) 在渴輪機(jī)134中膨脹，低溫低壓氣體140從渦輪機(jī)134中排出。從渦輪機(jī) 134中排出的通常在850下-IIOO下(454 - 593C)范圍內(nèi)的已膨脹氣體 140被導(dǎo)向HRSG3，用于進(jìn)一步回收熱量。由泵166從蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)4
后，離開(kāi)HRSG3的受冷卻的膨脹氣體140經(jīng)由煙囪;56排放至大氣。'饋i 水167首先流過(guò)節(jié)約器172的熱量轉(zhuǎn)移管，在所述熱量轉(zhuǎn)移管中饋送水 167的溫度升高至接近沸點(diǎn)，然后饋送水167被導(dǎo)向蒸汽鼓174。然后經(jīng) 過(guò)加熱的水流過(guò)蒸發(fā)器176的熱量轉(zhuǎn)移管，在所述熱量轉(zhuǎn)移管中水被轉(zhuǎn) 化為飽和蒸汽177。當(dāng)蒸汽在進(jìn)入蒸汽室152之前流過(guò)過(guò)熱器178時(shí)，蒸 汽的溫度進(jìn)一步升高。來(lái)自蒸汽室152的蒸汽153被導(dǎo)向蒸汽渦輪機(jī) 160。來(lái)自蒸汽室152的蒸汽126被注入燃料供給管線125，以便進(jìn)入燃 料歧管123，作為燃料混合物128的組分。
在蒸汽渦輪機(jī)160中，蒸汽153膨脹，從而在轉(zhuǎn)子軸161上產(chǎn)生能量 以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)162。在其它設(shè)計(jì)中，蒸汽渦輪機(jī)160可聯(lián)接到燃?xì)鉁u輪 機(jī)系統(tǒng)2的轉(zhuǎn)子軸138和發(fā)電機(jī)136。在穿過(guò)渦輪機(jī)160之后，已冷卻且 已膨脹的蒸汽163進(jìn)入冷凝器164以便作為饋送水167循環(huán)。新鮮水165 被供給冷凝器164以補(bǔ)償系統(tǒng)100中的水損失。
在圖2的實(shí)施方式中，電能產(chǎn)生系統(tǒng)200包括氣化系統(tǒng)5以及參照?qǐng)D l描述的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2、 HRSG3和蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)4。在系統(tǒng)200中， 導(dǎo)向ITM ASU的壓縮空氣分兩個(gè)階段被預(yù)先加熱。
氣化系統(tǒng)5包括氣化器208，氣化器208接收燃料源206和來(lái)自ITM ASU210的氧氣源209，以產(chǎn)生合成氣217。合成氣217在冷卻器218中被 降低溫度，然后進(jìn)入氣體清潔站220以去除諸如硫磺、亞硝酸化合物和灰塵顆粒等雜質(zhì)。清潔燃?xì)?24與來(lái)自蒸汽室152的蒸汽126混合以形成 燃料混合物228，燃料混合物228通過(guò)燃料供給管線225流向歧管123, 并進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2的燃?xì)馊紵?32中。
在氣化系統(tǒng)5中，由馬達(dá)216驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)214通過(guò)環(huán)境空氣源215 提供壓縮空氣213。壓縮空氣213可以從圖2中示出的獨(dú)立壓縮機(jī)214輸 送，或者從燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2的壓縮機(jī)130輸送，或者從某些其它空氣 源輸送。壓縮空氣213流過(guò)空氣預(yù)熱器212以便從系統(tǒng)2的燃?xì)鉁u輪機(jī) 134中排出的熱氣體140中接收顯熱。從預(yù)熱器212中排出的仍然相對(duì)較 熱(通常在482 - 583C范圍內(nèi))的冷卻氣體140被導(dǎo)向HRSG3，用于進(jìn)一 步回收熱量。在被加熱到預(yù)定溫度(通常在427 - 538C范圍內(nèi))之后， 壓縮空氣213離開(kāi)預(yù)熱器212并進(jìn)入合成氣冷卻器218以幫助冷卻合成 氣217。在冷卻器218中發(fā)生的向壓縮空氣213的熱量轉(zhuǎn)移在壓縮空氣 213進(jìn)入ASU210之前進(jìn)一步升高了壓縮空氣的溫度。壓縮空氣213從合 成氣217接收足夠的熱量，以便根據(jù)將在ASU210中發(fā)生的ITM過(guò)程的需 要來(lái)升高溫度。
在ASU210中與空氣213分離之后，氧氣源209被輸送到氣化器208， 同時(shí)如圖所示，脫氧空氣227被輸送到燃料管線225,用于添加到燃料 混合物228中。盡管沒(méi)有示出，合成氣冷卻器218可包括附加的熱交換 器，以便由饋送水167的一部分來(lái)產(chǎn)生蒸汽。
在圖3的實(shí)施方式中，電能產(chǎn)生系統(tǒng)300提供通過(guò)閉環(huán)熱交換系統(tǒng) 對(duì)壓縮空氣在進(jìn)入ASU之前進(jìn)行預(yù)加熱的方法，該閉環(huán)熱交換系統(tǒng)使用 由燃?xì)鉁u輪機(jī)排放物加熱的中間工作流體。系統(tǒng)300包括氣化系統(tǒng)6以 及參照?qǐng)D1描述的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2、 HRSG3和蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)4。氣化 系統(tǒng)6包括氣化器308，氣化器308接收燃料源306和來(lái)自ITM ASU310的 氧氣源309。在氣化器308中產(chǎn)生的合成氣317在合成氣冷卻器318中利 用從蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)4中排出的饋送水167的一部分191被冷卻，然后該 合成氣進(jìn)入氣體清潔站320以去除例如硫磺、亞硝酸化合物和灰塵顆粒 的雜質(zhì)。在合成氣冷卻器318中，冷卻水191被轉(zhuǎn)化為蒸汽392，蒸汽392 被送入蒸汽室152中.清潔的合成氣324與來(lái)自蒸汽室152的蒸汽126混 合以形成燃料混合物328，燃料混合物328通過(guò)燃料供給管線325流向歧 管123,并進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2的燃?xì)馊紵?32中。
在氣化系統(tǒng)6中，由馬達(dá)316驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)314通過(guò)環(huán)境空氣源315提供壓縮空氣313.壓縮空氣313可以從圖3中示出的獨(dú)立壓縮機(jī)314輸 送，或者從燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2的壓縮機(jī)130輸送，或者從其它空氣源輸 送。在熱交換系統(tǒng)ll中，壓縮空氣313流過(guò)空氣預(yù)熱器312以便與熱工 作流體394進(jìn)行熱交換。工作流體394在泵390的輔助下以閉環(huán)方式在空 氣預(yù)熱器312和熱交換器342之間循環(huán)。工作流體394可以是純水或者可 以主要包括水。其它合適的流體可包括油或乙二醇基溶液.某些有機(jī) 物是不穩(wěn)定的，因此由于工作溫度的原因而不適于該應(yīng)用場(chǎng)合。
在穿過(guò)空氣預(yù)熱器312的過(guò)程中，壓縮空氣313的溫度升高從而在 其進(jìn)入ASU310時(shí)實(shí)現(xiàn)氧氣分離。ITM工作溫度通過(guò)在空氣預(yù)熱器312中 用一個(gè)或多個(gè)熱源加熱空氣流313來(lái)達(dá)到，所述熱源包括用工作流體 394從熱排放氣體140中回收的顯熱。當(dāng)流體394在熱交換器342中循環(huán) 時(shí)流體394接收顯熱，熱排放氣體140在從系統(tǒng)2的燃?xì)鉁u輪機(jī)134中排 出之后流過(guò)該熱交換器342。在ASU310中與空氣313分離之后，所產(chǎn)生 的氧氣源309被輸送到氣化器308，并且如圖所示，脫氧空氣327可被輸 送到燃料管線325，用于添加到燃料混合物328中。盡管圖中沒(méi)有示出， 合成氣冷卻器318可包括附加的熱交換器，以便由從蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)4 排出的饋送水167的一部分來(lái)產(chǎn)生蒸汽。
從熱交換系統(tǒng)11的熱交換器342排出的冷卻氣體140仍舊相對(duì)較 熱，冷卻氣體140被導(dǎo)向HRSG3，用于進(jìn)一步回收熱量。然后，流過(guò)HRSG3 之后被進(jìn)一步冷卻的排放氣體140經(jīng)由煙囪156被排放到大氣中。
在圖4的實(shí)施方式中，電能產(chǎn)生系統(tǒng)400提供通過(guò)閉環(huán)熱交換系統(tǒng) 對(duì)壓縮空氣在進(jìn)入ASU之前進(jìn)行預(yù)加熱的方法，該閉環(huán)熱交換系統(tǒng)使用 由熱合成氣加熱的中間工作流體。系統(tǒng)400包括氣化系統(tǒng)7以及參照?qǐng)D1 描述的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2、 HRSG3和蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)4。氣化系統(tǒng)7包括 氣化器408，氣化器408接收燃料源406和來(lái)自ITM ASU410的氧氣源409 并產(chǎn)生合成氣。從氣化器408排出的熱合成氣417在合成氣冷卻器"8中 通過(guò)熱交換工作流體497被冷卻，然后進(jìn)入氣體清潔站420以去除例如 硫磺、亞硝酸化合物和灰塵顆粒的雜質(zhì)。清潔的合成氣424與來(lái)自蒸汽 室152的蒸汽126混合以形成燃料混合物428，燃料混合物428通過(guò)燃料 供給管線425流向歧管123并進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2的燃?xì)馊紵?32中。
在氣化系統(tǒng)7中，由馬達(dá)416驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)414通過(guò)環(huán)境空氣源415提供壓縮空氣413。壓縮空氣413可以從圖4中示出的獨(dú)立壓縮機(jī)414輸 送，或者從燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2的壓縮機(jī)130輸送，或者從其它空氣源輸 送。在熱交換系統(tǒng)12中，壓縮空氣413流過(guò)附加的熱交換器、空氣預(yù)熱 器412，以便與從合成氣冷卻器418返回的熱工作流體497進(jìn)行熱交換。 合成氣冷卻器418與空氣預(yù)熱器412彼此聯(lián)接成使得工作流體497在泵 493的輔助下以閉環(huán)方式在空氣預(yù)熱器412和合成氣冷卻器418之間循 環(huán)。在穿過(guò)空氣預(yù)熱器412的過(guò)程中，壓縮空氣413的溫度升高到ASU410 的ITM工作溫度。膜工作溫度通過(guò)在空氣預(yù)熱器412中用一個(gè)或多個(gè)熱 源加熱空氣流413來(lái)達(dá)到，所述熱源包括用工作流體497從由氣化器408 中排出的熱合成氣417回收的顯熱。在ASU410中與空氣413分離之后， 所產(chǎn)生的氧氣源409被輸送到氣化器408，并且如圖所示，脫氧空氣427 可被輸送到燃料管線425，用于添加到燃料混合物428中。盡管圖中沒(méi) 有示出，合成氣冷卻器418可包括附加的熱交換器，以便由饋送水167
的一部分來(lái)產(chǎn)生蒸汽。
在圖5的實(shí)施方式中，電能產(chǎn)生系統(tǒng)500提供通過(guò)兩個(gè)閉環(huán)熱交換 系統(tǒng)對(duì)壓縮空氣在進(jìn)入ASU之前進(jìn)行預(yù)加熱的方法，所述兩個(gè)閉環(huán)熱交 換系統(tǒng)從熱合成氣和熱燃?xì)鉁u輪機(jī)排放物回收顯熱。系統(tǒng)500包括氣化 系統(tǒng)8以及參照?qǐng)D1描述的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2、 HRSG3和蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng) 4。氣化系統(tǒng)8包括氣化器508，氣化器508在燃料源506和來(lái)自ITMASU510 的氧氣源509的放熱反應(yīng)中產(chǎn)生合成氣。在從氣化器508排出的合成氣 517在合成氣冷卻器518中被冷卻，然后進(jìn)入氣體清潔站520以去除例如 硫磺、亞硝酸化合物和灰塵顆粒的雜質(zhì)。清潔的合成氣524與來(lái)自蒸汽 室152的蒸汽126混合以形成燃料混合物528，燃料混合物528通過(guò)燃料 供給管線525流向歧管123并進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)2的燃?xì)馊紵?32中。
在氣化系統(tǒng)8中，由馬達(dá)516驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)514通過(guò)環(huán)境空氣源515 提供壓縮空氣513。壓縮空氣513可以從獨(dú)立壓縮機(jī)514輸送，或者從燃 氣渦輪機(jī)系統(tǒng)2的壓縮機(jī)130輸送，或者從其它空氣源輸送。在進(jìn)入 ASU510之前，壓縮空氣513在第一空氣預(yù)熱器512和第二空氣預(yù)熱器515 中分兩級(jí)被加熱。在第一空氣預(yù)熱器512中，壓縮空氣513通過(guò)與從熱 交換器542返回的第一熱工作流體594進(jìn)行熱交換而被加熱到預(yù)定溫 度。流體594從由系統(tǒng)2的燃?xì)鉁u輪機(jī)134中排出的熱排放氣體140中接收顯熱。流體594在泵590的輔助下在閉環(huán)系統(tǒng)13中于空氣預(yù)熱器512和 熱交換器542之間循環(huán)。從第一空氣預(yù)熱器512中排出的壓縮空氣513在 穿過(guò)第二空氣預(yù)熱器515時(shí)其溫度被進(jìn)一步升高到ITM工作溫度。空氣 流513的溫度通過(guò)一個(gè)或多個(gè)熱源被升高，所述熱源包括通過(guò)工作流體 597從氣化器508中排出的熱合成氣517中回收的熱量。工作流體597在 泵593的輔助下在閉環(huán)熱交換系統(tǒng)14中于空氣預(yù)熱器515和合成氣冷卻 器518之間循環(huán)。
在溫度升高到氧氣分離所需的溫度時(shí)，熱壓縮空氣513進(jìn)入ITM ASU510。在ASU10中與空氣513分離之后，所產(chǎn)生的氧氣源509凈皮輸送到 氣化器508，并且如圖所示，脫氧空氣527可被輸送到燃料管線525，用 于添加到燃料混合物428中。從熱交換器542排出的仍舊相對(duì)較熱的冷 卻氣體140被導(dǎo)向HRSG3，用于進(jìn)一步回收熱量。然后在流過(guò)HRSG3之后 被進(jìn)一步冷卻的氣體140經(jīng)由煙囪156被排放到大氣中。盡管圖中沒(méi)有 示出，合成氣冷卻器518可包括附加的熱交換器，以便由饋送水167的
一部分來(lái)產(chǎn)生蒸汽。
盡管已經(jīng)闡述了本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，但是本發(fā)明不限于此。 在不偏離權(quán)利要求所述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，多種改進(jìn)、 改型、變型、替代體或等同體對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種整體氣化聯(lián)合循環(huán)電能產(chǎn)生系統(tǒng)，包括氣化器，其構(gòu)造成由碳質(zhì)材料和氧氣源產(chǎn)生合成氣；清潔站，其定位成從所述氣化器接收合成氣并從合成氣中去除雜質(zhì)；燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)，其包括渦輪機(jī)并構(gòu)造成接收來(lái)自所述氣化器的燃料和來(lái)自第一空氣壓縮機(jī)的第一空氣源；蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)，其構(gòu)造成利用從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的排放物回收的熱量來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力；離子遷移膜空氣分離單元，其包括用于產(chǎn)生第二空氣源的第二空氣壓縮機(jī)；以及第一熱交換器，其構(gòu)造成在所述清潔站中去除雜質(zhì)之前，通過(guò)使所述第二空氣源流過(guò)所述第一熱交換器而使所述第二空氣源從合成氣中接收熱量，從而冷卻合成氣。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括第二熱交換器，所述第二熱 交換器構(gòu)造成允許所述第二空氣源流過(guò)并且從所迷燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)產(chǎn) 生的排放物中接收顯熱，
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述第二熱交換器定位成在所述笫二空氣源流過(guò)所述第一熱交換系統(tǒng)之前接收并加熱所述第二空 氣源。
4. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，來(lái)自所述燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的排放物的顯熱通過(guò)工作流體轉(zhuǎn)移給所述第二空氣源。
5. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，還包括第三熱交換器，所述工作流 體通過(guò)所述第三熱交換器從所述排放物接收熱量，并且其中，所述第二熱交換器和所述第三熱交換器構(gòu)造成在閉環(huán)中循環(huán)所述工作流體。
6. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括第二熱交換器，所述第二熱 交換器聯(lián)接到所述第一熱交換器以便使工作流體循環(huán)流過(guò)，從而使所 述工作流體能夠?qū)?lái)自合成氣的顯熱轉(zhuǎn)移給所述第二空氣源。
7. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，包括第三熱交換器，所述笫三熱交 換器聯(lián)接到所述第一熱交換器以便使工作流體循環(huán)流過(guò)，并由此將來(lái) 自合成氣的顯熱轉(zhuǎn)移給所述笫二空氣源。
8. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括第四熱交換器，所述笫四熱交換器聯(lián)接到所迷第二熱交換器以便在閉環(huán)中循環(huán)笫二工作流體，從 而所述第二工作流體從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的排放物中接收熱量 并將所述熱量轉(zhuǎn)移給所述第二空氣源。
9. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述工作流體主要包括水。
10. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所迷工作流體是純水。
11. 一種整體氣化聯(lián)合循環(huán)電能產(chǎn)生系統(tǒng)，包括 氣化器，其構(gòu)造成由碳質(zhì)材料和氧氣源產(chǎn)生合成氣； 第一熱交換器，其構(gòu)造成接收合成氣；第二熱交換器，其在閉環(huán)中聯(lián)接到所述第一熱交換器以便循環(huán)第 一工作流體，從而所述第一工作流體能夠從合成氣接收顯熱并將所述 顯熱轉(zhuǎn)移給第一空氣源；第一壓縮機(jī)，其用于產(chǎn)生所述第一空氣源；燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)，其包括渦輪機(jī)并構(gòu)造成接收來(lái)自所述氣化 器的燃料和來(lái)自第二空氣壓縮機(jī)的第二空氣源；蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)，其構(gòu)造成利用從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的排 放物回收的熱量來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力；第三熱交換器，其構(gòu)造成使所述第一空氣源流過(guò)并從所述燃?xì)鉁u 輪機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的排放物中接收顯熱；笫四熱交換器，其在閉環(huán)中聯(lián)接到所述笫三熱交換器以便循環(huán)第 二工作流體，從而所述第二工作流體能夠從所述排放物接收顯熱并將 所述顯熱轉(zhuǎn)移給所述第一空氣源；以及離子遷移膜空氣分離單元，其構(gòu)造成在將顯熱從合成氣和排放氣體轉(zhuǎn)移給所述第一空氣源之后接收所述第一空氣源。
12. 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，其中，所述空氣分離單元構(gòu)造成為所述氣化器提供氧氣源。
13. —種整體氣化聯(lián)合循環(huán)電能產(chǎn)生系統(tǒng)，包括 氣化器，其構(gòu)造成由碳質(zhì)材料和氧氣源產(chǎn)生合成氣；清潔站，其定位成從所述氣化器接收合成氣并從合成氣中去除雜質(zhì)；燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)，其包括渦輪機(jī)并構(gòu)造成接收來(lái)自所述氣化 器的燃料和來(lái)自第一空氣壓縮機(jī)的第一空氣源；蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)，其構(gòu)造成利用從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的排放物回收的熱量來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力；離子遷移膜空氣分離單元，其包括第二空氣壓縮機(jī)，用于產(chǎn)生供 分離氧氣之用的第二空氣源；以及第一熱交換器，其構(gòu)造成在從所述第二空氣源中分離氧氣之前將 顯熱從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)轉(zhuǎn)移給所述第二空氣源。
14. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，包括第二熱交換器，所述第二熱 交換器構(gòu)造成在所述清潔站中去除雜質(zhì)之前，通過(guò)使所述第二空氣 源流過(guò)所述第一熱交換器而使所述第二空氣源從合成氣中接收熱量， 從而冷卻合成氣。
15. 如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述第一熱交換器和所述 第二熱交換器能夠升高所述第二空氣源的溫度，以便在所述空氣分離 單元中實(shí)現(xiàn)氧氣分離。
16. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述第一熱交換器設(shè)計(jì)成 通過(guò)工作流體將顯熱轉(zhuǎn)移給所述笫二空氣源。
17. 如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述第二熱交換器設(shè)計(jì)成 通過(guò)工作流體將顯熱轉(zhuǎn)移給所述第二空氣源。
18. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述工作流體包括水。
19. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述第一熱交換器從燃?xì)?渦輪機(jī)產(chǎn)生的排放氣體中接收顯熱，所述系統(tǒng)還包括與其聯(lián)接的熱量 回收蒸汽發(fā)生器，以便也從所述排放氣體中接收顯熱。
20. —種用于在整體氣化聯(lián)合循環(huán)電能產(chǎn)生系統(tǒng)中產(chǎn)生氧氣源的 方法，包括提供氣化器，所述氣化器構(gòu)造成由碳質(zhì)材料和氧氣源產(chǎn)生合成氣；清潔所述合成氣以去除雜質(zhì)； 通過(guò)第一壓縮機(jī)產(chǎn)生第一空氣源；使合成氣與所述第一空氣源燃燒以產(chǎn)生熱排放物；通過(guò)第二壓縮機(jī)產(chǎn)生第二空氣源；通過(guò)使所述第二空氣源穿過(guò)離子遷移膜空氣分離單元來(lái)提供所述氧氣源；以及利用從合成氣中提取的顯熱來(lái)升高所述第二空氣源的溫度。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括利用從所述熱排放物中提 取的顯熱來(lái)升高所述第二空氣源的溫度的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種整體氣化聯(lián)合循環(huán)電能產(chǎn)生系統(tǒng)(100)。在一個(gè)實(shí)施方式中，如圖1所示，氣化器(108)構(gòu)造成由碳質(zhì)材料(106)和氧氣源(109)產(chǎn)生合成氣(117)，并且清潔站(120)定位成從氣化器(108)接收合成氣(117)并從合成氣中去除雜質(zhì)。包括渦輪機(jī)(123)的燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)(2)構(gòu)造成接收來(lái)自氣化器(108)的燃料和來(lái)自第一空氣壓縮機(jī)(130)的第一空氣源(131)。蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)(4)構(gòu)造成通過(guò)從燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)(2)產(chǎn)生的排放物(140)回收的熱量來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力，并且離子遷移膜空氣分離單元(110)包括用于產(chǎn)生第二空氣源(113)的第二空氣壓縮機(jī)(114)。第一熱交換器(118)構(gòu)造成在清潔站(120)中去除雜質(zhì)之前，通過(guò)使第二空氣源(113)流過(guò)第一熱交換器(118)而使第二空氣源(113)從合成氣(117)中接收熱量，從而冷卻合成氣(117)。
文檔編號(hào)F01K23/06GK101622425SQ200880006375
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月27日
發(fā)明者D·J·休伯, T·B·薩利文 申請(qǐng)人:西門(mén)子能源公司