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CN1152948C - 一种气化器和发电厂 - Google Patents

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CN1152948C CNB961909854A CN96190985A CN1152948C CN 1152948 C CN1152948 C CN 1152948C CN B961909854 A CNB961909854 A CN B961909854A CN 96190985 A CN96190985 A CN 96190985A CN 1152948 C CN1152948 C CN 1152948C
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Abstract

一种发电厂，其包括：一个燃烧室(1)，在其中进行一种可燃材料的燃烧，以形成热的燃烧气体，一个气体涡轮机装置(13，14，20，27，30)，适宜于由燃烧气体驱动，以及一个顶部燃烧装置(8，23)，适宜于接受燃烧气体，并把它的温度升高到适合于气体涡轮机装置的温度。另外，有一个独立的气化反应器(10)，它适宜于生产出一种可燃气体，用于在顶部燃烧装置(8，23)中燃烧，以便得到所述温度升高。气化装置(10)被连接到一第一管道(18)上，适宜于把对于气化来说是必要的一种含氧气体供应给该气化反应器，以及适宜于把可燃气体由该气化反应器(10)供应给顶部燃烧装置(8，23)的第二管道(9)。第二管道(9)包括一个冷却装置(35)，适宜于把供应给顶部燃烧装置(8，23)的所述可燃气体冷却下来。

Description

一种气化器和发电厂
本发明的技术领域和先有技术
本发明涉及用来产生一种可燃气体的气化器，它包括一个气化反应器，在此气化反应器中由一种燃料生产出可燃气体，一第一管道，其设置用来把对于气化来说是必要的一种含氧气体供应给该气化反应器，以及一第二管道，其设置用来把可燃气体由该气化反应器排放出来。本发明还涉及一种发电厂，它包括一个燃烧室，在该燃烧室中进行一种可燃材料的燃烧，同时形成热的燃烧气体，一个气体涡轮装置，其适宜于由这些燃烧气体驱动，一个顶部燃烧装置，其设置用来接受燃烧气体并把它的温度升高到一适合于该气体涡轮装置使用的程度，一个气化反应器，其设置用来产生一用于在该顶部燃烧装置中燃烧的燃烧气体，以便产生所述的温度升高，第一管道，其设置用来把对于气化来说是必要的一种含氧气体供应给气化反应器，以及第二管道，其设置用来把可燃气体由气化反应器供应给顶部燃烧装置。可燃材料或燃料是指所有可以燃烧的燃料，比如矿井煤，褐煤，泥煤，生物燃料，油母页岩，小块焦炭，废料，油，氢气和其它气体，等等。
现在将在与一加压流态化床，所谓PFBC(加压流态化床燃烧)发电厂有关的不同应用中讨论和说明本发明。然而，本发明将不仅限于这些应用，而可以被应用于所有可能的发电厂，特别是气体涡轮发电厂，并且也可以与独立的气化装置，所谓气化器相关。
在一个常规的PFBC发电厂中，由包封着一个燃烧室的加压容器把以压缩空气形式的燃烧空气经过床下面的流态化喷嘴供应给流态化床，在该燃烧室中装设着该流态化床。在燃烧过程中形成的燃烧气体通过在床表面上方的一个活动隔板，然后把这些气体净化，并输送到一个气体涡轮机。燃烧气体驱动该气体涡轮机，该涡轮机转而在其一端驱动一台发电机，在其另一端驱动一台压缩机，以压缩空气供应给该加压容器。在该流态化床中，燃料在大约850℃的温度下燃烧。为了产生蒸汽，在该流态化床中设置一个以管道装置形式的蒸汽发生器。该流态化床通过蒸汽涡轮机供应能量，其中，把蒸汽在一蒸汽系统中输送到该涡轮机中。在满负荷的状态下，整个管道装置被设置在该流态化床中。一个PFBC发电厂的特征在于，与燃料在大气压力条件下的流态化床中燃烧的其它类型的发电厂相比，对所产生的效果来说，发电厂的规模小。另外，在一PFBC发电厂中效率高。还有，从环境的观点和经济的观点来看，在一PFBC发电厂中的燃烧是在有利的条件下进行的。
与PFBC技术有关的并妨碍它有特别高的效率的一个问题是温度上限，在流态化床中燃料例如煤的燃烧在此温度下进行，该温度上限通常大约为850到950℃，这取决于煤的质量。这就意味着对于PFBC发电厂的气体涡轮机的驱动气体的温度大约与在流态化床中的温度一样高。因为涡轮机的效果随着驱动气体的温度的升高而迅速上升，所以，希望有一较高的气体温度，高达1200℃到1500℃，为的是由该发电厂的气体涡轮机部分获得最佳的效果。为了补救这一缺点，已经提出建议，借助于一个燃料在其中燃烧的顶部燃烧室提高离开PFBC燃烧室的气体温度。因为驱动气体通过该顶部燃烧室，所以可以在被供应给气体涡轮机之前提高气体的温度。这一技术已经由专利文件SE-B-458,995中得知。还有，在该文件中描述了如何借助于一个气化反应器生产用于该顶部燃烧室的燃料，在该气化反应器中，理想配比状态的煤被气化，同时生产出供应给该顶部燃烧室的一种可燃气体。
在气化反应器中产生的可燃气体有一相对较高的温度，当气体离开该气化反应器时温度大约为800℃到1000℃。另外，离开气化反应器的可燃气体包含有灰尘颗粒，在这样的高温下，这些颗粒可能以熔化的黏稠形式出现。因此，一在可燃气体的管道中设置的可以进行净化的过滤器将很快地被堵塞。还有，热的包含灰尘的可燃气体在调节阀会造成问题。调节阀是为了调节气体流量设置的。为了克服这一问题，已经知道采用水的汽化和蒸汽的过热进行冷却的昂贵且复杂的调节阀。
还有，应该注意到，当在发电厂中采用可燃气体燃烧，例如在设置在一气体涡轮机之前的一个顶部燃烧室中燃烧的情况下，这些灰尘颗粒在气体涡轮机中造成腐蚀和侵蚀，导致过早的磨损。为了把可燃气体净化，已经提出建议，使热的含灰尘的气体在气化反应器的出口通过一个旋风分离器。然而，这样的分离器没有一过滤器那样有效，对于供应给一气体涡轮机的气体所要求的高净化程度来说，是特别不够的。
JP-A-5/87315公开了一种发电厂，它包括一个具有一流态化床的气化反应器，一个带有一流态化床的燃烧室，以及一个顶部燃烧室。由该气化反应器和燃烧室出来的燃烧气体被净化，并被供应给该顶部燃烧室，在那里进行燃烧。由该顶部燃烧室出来的燃烧气体驱动一个气体涡轮机，该涡轮机转而驱动一台发电机和一台压缩机，该压缩机将空气压缩，而将压缩空气供应给气化反应器、燃烧室和顶部燃烧室。借助于设置在燃烧室的流态化床中的空气管路对供应给顶部燃烧室的燃烧空气进行热交换。
JP-A-5/93513公开了一种发电厂，它有一个用来生产可燃气体的气化反应器。可燃气体被净化，并被供应给一个顶部燃烧室。在该气化反应器中形成的固态残余产物被送到一个包括一流态化床的燃烧室，在该燃烧室中这些固态产物被燃烧。由该燃烧室出来的燃烧气体也被净化，并也被供应给该顶部燃烧室。还有，由外界把氧气供应给该顶部燃烧室，并进行燃烧，从而在该顶部燃烧室中形成的燃烧气体被用来驱动一个气体涡轮机。
本发明的概述
本发明的目的是解决上面提及的问题，并对离开一个气化反应器的气体进行处理，使得在后续的过程中可以以较好的方式利用这些气体。
此目的的实现是靠初始确定的气化装置，其特征是在第二管道中设置一个装置，它适用于把离开气化反应器的可燃气体冷却。靠把离开气化反应器的可燃气体的温度降低，使得在后面的装置上的应力减小。特别是，可以把温度降低到600℃以下，使得在气体中存在的灰尘颗粒将处于固体形态，不会粘接起来，而把后面的装置堵塞。
按照一个实施例，在第二管道上于冷却装置的下游设置一个净化装置，适用于把被冷却的可燃气体净化。由此，该净化装置可以包括一个过滤器。借助于按照本发明的冷却装置，这样一个过滤器可以有一种常规的结构，即，不需要昂贵的烧结陶瓷热气体过滤器。还有，可以在第二管道上于所述冷却装置的下游设置至少一个调节阀，适用于调节离开气化反应器的可燃气体的数量。这样的调节阀也可以有一种常规的结构，不需要为了冷却的目的有任何特殊的装置。
按照本发明的另一实施例，冷却装置包括一个热交换器，适用于借助于供应给气化反应器的含氧气体把可燃气体冷却下来。靠这样的设置，当使可燃气体冷却时，可以回收热能，并在进一步的气化过程中利用这种热能。
按照另一实施例，被这样冷却的可燃气体适宜于供应给一个连接到第二管道上的燃烧装置，并适用于使可燃气体燃烧，同时形成热的燃烧气体。最好，能设置一台气体涡轮机，至少部分地由该热的燃烧气体驱动，并设置一台由该气体涡轮机驱动的压缩机，它有一个连接到第一管道上的出口，用来把压缩的含氧气体供应给气化反应器。为了确保可燃气体有一较高的压力，并且确保对燃烧装置有适当的供应，在第一管道中可在由气体涡轮机驱动的压缩机的下游设置另一台压缩机，适用于把供应给气化反应器的含氧气体进一步压缩。
此目的实现也靠初始确定的发电厂，其特征是在第二管道中设置一个装置，它适用于把供应给顶部燃烧装置的可燃气体冷却。因此，这样的一个冷却装置能够以一种有效的方式除去存在于可燃气体中的灰尘颗粒，并因此确保了仅只把高度纯化了的燃烧气体供应给气体涡轮机。
发电厂的优选实施例在所附的权利要求12-24中确定。特别是，应该注意到，顶部燃烧装置可以包括设在燃烧室与气体涡轮机之间的一个顶部燃烧室。还有，气体涡轮机装置可以至少包括一第一涡轮机和一第二涡轮机，另外，顶部燃烧装置可以包括一个设在第一和第二涡轮机之间的再加热装置，适用于把已经通过第一涡轮机的燃烧气体的温度在进入第二涡轮机之前升高。
附图的简要描述
现在将借助于以举例方式的不同的实施例更详细地解释本发明，这些实施例之一在所附的图中示出。图1示意性地示出了一个PFBC发电厂，它有结合起来的气体循环和蒸汽循环(后者未被示出)。
不同实施例的详细描述
在图1中示意性地示出了一个PFBC发电厂，即，在一个加压流态化床中用于进行颗粒状的燃料的燃烧的发电厂。该发电厂包括一个燃烧室1，它装设在一个容器2中，该容器可以有104立方米量级的体积，并且可以把它加压到例如约16巴的压力。把用来对燃烧室1加压和用来使在该燃烧室1中的一个床4产生流态化的被压缩的含氧气体3，在所示出的示例中为空气，供应给加压容器2。经过被示意性地示出的流态化喷嘴5把压缩空气供应到燃烧室1，而这些喷嘴被设置在燃烧室的底部，用来使被封装在燃烧室1中的床4产生流态化。床4是由床材料，颗粒化的吸附剂和一种颗粒状的燃料，最好为被磨碎的煤形成，该燃料在被供应到床4的流态化空气中燃烧。随后，由床4出来的燃烧气体经过一个净化装置6，在示例中该净化装置由一个高温过滤器构成，它可以是陶瓷型的，并能承受高的压力，燃烧气体又经过一个截流阀7被输送到一个顶部燃烧室8。另外，经过一管道9由一个已知类型的气化反应器10通过一个更高温度的过滤器11将一种可燃气体供应给该顶部燃烧室8。借助于调节阀9a调节进入该顶部燃烧室8的可燃气体的流量。在该顶部燃烧室中，借助于一个燃烧器(未示出)，可燃气体与经过管道12从一高压压缩机13供应的压缩空气一起燃烧，并与来自燃烧室1的燃烧气体混合，用来使后者的温度提高到使离开位于顶部燃烧室8的气体的温度为大约1200℃-1500℃，使得它们适宜于作为一种驱动气体，用来驱动一个以高压涡轮机形式的第一气体涡轮机14。结果，由于该顶部燃烧室8，所述燃烧气体的温度由大约850℃-950℃被提高到大约1200℃-1500℃。把高压涡轮机14和高压压缩机13设置在与一发电机15相同的轴上，由此发电机可以产生出有用的电能。高压压缩机也通过管道16把压缩空气供应到PFBC燃烧室1，而由管道16中分支出管道12。因此，在高压压缩机与燃烧室1之间设置一个截流阀17。另外，高压压缩机13经过管道18供应空气，用来在气化反应器10中进行气化。可以把在可燃气体产生的过程中在气化反应器10中形成的剩余燃料经过一根燃料管道19供应给床4。
在图中所示出的PFBC发电厂为一高级类型的发电厂，因为它还有另一个气体涡轮机20，它的形式为一种中压涡轮机，把它设置在与高压涡轮机14和高压压缩机13相同的轴21上。经过一管道22把在高压涡轮机14中膨胀，且温度降低了的气体输送到一个再加热装置23中，该再加热装置包括一个被称之为再加热燃烧室。该再加热燃烧室23以与顶部燃烧室8相同的方式分别通过管道24和25接受一部分所述可燃气体流和压缩气体流，其中可燃气体流的流量由调节阀9b调节，并来自气化反应器10，而压缩气体则来自高压压缩机13，这在图1中已示出，由此借助于一个未示出的燃烧器使这些可燃气体燃烧，这样形成的热气体，与来自高压涡轮机14的燃烧气体混合，为的是在经过管道26把它们供应给中压涡轮机20之前，再一次升高它们的温度。这样，可以显著地提高此中压涡轮机20的效果。
在中压涡轮机中膨胀的燃烧气体被供给到一个低压涡轮机27。离开该低压涡轮机27的燃烧气体仍然包含可以在一个节能器28中被利用的能量。低压涡轮机27被设置在一根轴29上，在此轴上也设置有一台低压压缩机30。经过一个过滤器31把大气供应给此低压压缩机30。这样，低压涡轮机27驱动低压压缩机30，并且，此低压压缩机由它的出口把已经在一第一步骤中被压缩的空气供应给高压压缩机13。最好，低压涡轮机27的入口设有一个未示出的流量调节装置，该调节装置的形式为在一个导向叶片装置上的可控制的导向叶片，从而使第二根轴的转数可以改变。在低压压缩机30与高压压缩机13之间设置一个中间冷却器32，用来降低供应到高压压缩机13的入口的空气的温度。
另外，发电厂包括一个蒸汽涡轮机的部分，此部分未示出，但设置在流态化床4中的一管道装置33指示出了这一部分，通过在这些管道与床材料之间的热交换，以便接受在床4中所进行的燃烧所产生的热，使水在这一管道装置中被循环，汽化，并使之过热。
由用来把压缩空气供应给气化反应器10的高压压缩机13出来的管道18包括一个压缩机装置34，在所示出的示例中此装置为一台被称之为增压压缩机。最好，它由一台电动机驱动，但是，它也可以借助于一台由来自管道装置33的蒸汽所供应的一蒸汽涡轮机驱动。为了调节通过管道18的空气流量，电动机可以有一个速度调节装置和/或可以在压缩机34中或在压缩机34之前设置一个可旋转的导向叶片装置。借助于这一压缩机34，可以进一步提高供应到气化反应器10的空气的气压，因为希望由气化反应器10所输出的气流有比到达顶部燃烧室8的燃烧气流更高的压力。因此，可以在任何压力情况下以一种简单的方式把可燃气体供应到该顶部燃烧室8和/或再加热的燃烧室23。在气化反应器10中，一种液体或固体燃料，在本示例中是颗粒状的煤被气化，并在一个理想配比的过程中以一种已知的方式产生出可燃气体。这样，一个独立的气化装置以比PFBC床4更高的压力运行，设置它的目的在于，在气化反应器10中的气体必须有比在燃烧室8，23中的压力更高的压力，为的是能够调节燃料的流量，并在这些燃烧室中相等地分配燃料流量。这样，以一在PFBC燃烧室1中可能的16巴的压力，在气化反应器10中可以得到一大约26巴的压力。
另外，由高压压缩机13出来的管道18包括一设置在压缩机装置34的下游的热交换器35。由气化反应器10出来的管道9也通过热交换器35。结果，这就意味着供应到气化反应器10的相对较冷的压缩空气将与离开气化反应器10的非常热的可燃气体(800℃-1000℃)进行热交换。这样，通过热交换器35输送的气体的温度可以被降低到600℃以下的一个明显较低的温度，这意味着在较高温度下以熔融方式出现的灰尘颗粒在热交换器35之后将处于固态的形式。因此，大大减小了这些气体和熔化的灰尘颗粒将堵塞高温过滤器11的危险。还有，可以用常规技术制作过滤器11，即，不必采用被烧结的陶瓷热气体过滤器，这是因为可燃气体的温度已经被降低。这一温度降低的另一好处在于，调节阀9a，9b可以有常规的结构，即，不必靠水的汽化和蒸汽的过热来提供任何复杂的冷却，以确保这些调节阀9a，9b的功能。这种冷却是非常昂贵的，并且要求有大范围的调节装置和安全装置。
本发明并不限于上面所描述的实施例，而在后面的权利要求的范围内，它的许多可能的改型是可能的，并且对于本技术领域的技术人员来说显然是不偏离本发明的基本概念的。
例如，可以提供只有两台气体涡轮机的发电厂，即，省去在图1中示出的中压涡轮机。因此，再加热燃烧室23把来自高压涡轮机14并供应到低压涡轮机27的燃烧气体的温度升高，在这种情况下，此低压涡轮机将接受一比上面所描述的更高的压力的气体，并因此可以成为所提到的中压涡轮机。
另外，按照本发明的PFBC发电厂有一个顶部燃烧室8虽然是优选的，但不是必须的，但是应该注意到，在这样一个顶部燃烧室8存在的情况下，可以充分地利用再加热燃烧室23的优越性。
当然，在多于两个气体涡轮机的情况下，如果需要，也可以在第二和第三气体涡轮机之间于燃烧气体的路径中设置一个再加热燃烧室。
通到独立的气化反应器10的空气不需要由高压压缩机13取得，而可以直接从大气中取得这些空气，并借助于一台压缩机在一级或几级中把空气压缩到一所要求的压力。
按照本发明所公开的并有热交换器36的气化反应器10也可以在不是上面所描述的另外的发电厂中使用。例如，由气化反应器10出来的可燃气体可以被用于燃烧，和驱动一个气体涡轮机。

Claims (22)

1.一种用来生产一种可燃气体的气化器装置，它包括：
一个气化反应器(10)，在其中由一种燃料生产出一种可燃气体，
第一管道(18)，其设置成用来把对于气化来说是必要的一种含氧气体供应给该气化反应器(10)，以及
第二管道(9)，其设置成用来把可燃气体由该气化反应器(10)排放出来，
其特征在于，一个冷却装置(35)，其设置在第二管道(9)中且适宜于把离开气化反应器(10)的可燃气体冷却下来；以及一个净化装置(11)，其设置在第二管道(9)中位于所述冷却装置(35)的下游，并适宜于把被冷却的可燃气体净化。
2.按照权利要求1所述的气化器装置，其特征在于，净化装置(11)包括一个过滤器。
3.按照权利要求1或2所述的气化器装置，其特征在于，至少一个调节阀(9a，9b)，其设置在第二管道(9)中位于所述冷却装置(35)的下游，并适宜于调节离开气化反应器(10)的可燃气体的数量。
4.按照权利要求3所述的气化器装置，其特征在于，调节阀(9a，9b)被设置在净化装置(11)的下游。
5.按照权利要求1所述的气化器装置，其特征在于，所述冷却装置(35)包括一个热交换器，它适用来借助于供应给气化反应器的含氧气体(18)把可燃气体冷却下来。
6.按照权利要求1所述的气化器装置，其特征在于，一台压缩机(34，13)连接到第一管道(18)上，并适宜于压缩供应给气化反应器(10)的含氧气体。
7.按照权利要求1所述的气化器装置，其特征在于，一个燃烧装置(8，23)连接到第二管道(9)上，并适宜于使可燃气体燃烧，同时形成热的燃烧气体。
8.按照权利要求7所述的气化器装置，其特征在于，一台气体涡轮机(14)，其设置成至少部分地由热的燃烧气体驱动，一台压缩机(13)，其由该气体涡轮机(14)驱动，并有一个连接到第一管道(18)上的出口，用来把压缩的含氧气体供应到气化反应器。
9.按照权利要求8所述的气化器装置，其特征在于，另一台压缩机(34)，其设置在第一管道(18)中位于被气体涡轮机(14)驱动的压缩机(13)的下游，并适宜于把供应到气化反应器(10)的含氧气体进一步压缩。
10.一种发电厂，它包括：
一个燃烧室(1)，在其中进行一种可燃材料的燃烧，同时形成热的燃烧气体，
一个气体涡轮机装置(14，20，27)，适宜于由燃烧气体驱动，
一个顶部燃烧装置(8，23)，其设置成接受燃烧气体，并把它的温度升高到适合于气体涡轮机装置的温度，
一个气化反应器(10)，其设置成用来生产出一种可燃气体，用于在顶部燃烧室(8，23)中燃烧，以产生所述温度升高，
第一管道(18)，其设置成用来把对于气化来说是必要的一种含氧气体供应给该气化反应器(10)，以及
第二管道(9)，其设置成用来把可燃气体由该气化反应器(10)供应给顶部燃烧装置(8，23)
其特征在于，一个冷却装置(35)，其设置在第二管道(9)中，并适宜于把供应给顶部燃烧装置(8，23)的可燃气体冷却下来；以及一个净化装置(11)，其设置在第二管道(9)上位于所述冷却装置(35)的下游，并适宜于把被冷却的可燃气体在被供应给顶部燃烧装置(8，23)之前净化。
11.按照权利要求10所述的发电厂，其特征在于，净化装置包括一个过滤器(11)。
12.按照权利要求10或11所述的发电厂，其特征在于，至少一个调节阀(9a，9b)，其设置在第二管道(9)上位于所述冷却装置(35)的下游，并适宜于调节供应给顶部燃烧装置(8，23)的可燃气体的数量。
13.按照权利要求12所述的发电厂，其特征在于，调节阀(9a，9b)设置在净化装置(11)的下游。
14.按照权利要求10所述的发电厂，其特征在于，所述冷却装置(35)包括一个热交换器，适宜于借助于供应给气化反应器(10)的含氧气体(18)把可燃气体冷却下来。
15.按照权利要求10所述的发电厂，其特征在于，一台压缩机(13，34)，其连接到第一管道(18)上，并适宜于压缩供应给气化反应器(10)的含氧气体。
16.按照权利要求15所述的发电厂，其特征在于，压缩机(13)由气体涡轮机装置(14)驱动。
17.按照权利要求16所述的发电厂，其特征在于，一台压缩机(34)，其设置在第一管道(18)中位于被气体涡轮机(14)驱动的压缩机(13)的下游，并适宜于把供应给气化反应器(10)的含氧气体进一步压缩。
18.按照权利要求10所述的发电厂，其特征在于，顶部燃烧装置(8，23)包括一个设在燃烧室与气体涡轮机装置之间的顶部燃烧室(8)。
19.按照权利要求10所述的发电厂，其特征在于，气体涡轮机装置至少包括至少一个第一涡轮机(14)和一第二涡轮机(20，27)，其特征还在于，顶部燃烧装置包括一个设在第一和第二涡轮机之间的再加热装置(23)，并适宜于把已经通过第一涡轮机(14)的燃烧气体的温度在进入第二涡轮机(20，27)之前升高。
20.按照权利要求10所述的发电厂，其特征在于，燃烧室(1)为包括一个流态化床(4)的类型。
21.按照权利要求20所述的发电厂，其特征在于，流态化床是加压的。
22.按照权利要求16-21之一所述的发电厂，其特征在于，所述加压是借助于由气体涡轮机装置(14，20，27)驱动的压缩机(30，13)实现的。
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