СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ГАЗИФИКАТОР, СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ КАМЕРУ ОХЛАЖДЕНИЯ, И СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ВОДОПОДАЮЩИЙ НАСОС
GASIFIER-CONTAINING SYSTEM, SYSTEM CONTAINING COOLING CHAMBER AND SYSTEM CONTAINING WATER-SUPPLYING PUMP

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Предмет изобретения, описанный в данном документе, относится к системам газификации и способам для управления скрубберной системой охлаждения при высокой степени улавливания.
[0002] В целом энергетические установки интегрированной газификации с комбинированным циклом (ИГКЦ) могут вырабатывать энергию из различного углеводородного сырья, такого как уголь, относительно чистым и эффективным способом. Технология ИГКЦ позволяет превращать углеводородное сырье в газовую смесь окиси углерода и водорода, т.е. «синтез-газ» (синтетический газ), при взаимодействии с паром или водой в газификаторе. Указанные газы могут быть очищены, обработаны и использованы в качестве топлива для традиционной энергетической установки с комбинированным циклом. Например, синтез-газ может быть подан в камеру сгорания газовой турбины энергетической установки ИГКЦ и подожжен для приведения в действие газовой турбины, используемой при выработке электроэнергии. В некоторых областях применения синтез-газ, полученный в газификаторе, может использоваться для производства химических веществ, а не в энергетической установке ИГКЦ. Часто синтез-газ, полученный в газификаторе, может улавливать чрезмерное количество воды. В заявке на патент US 20080000155 A1, кл. C10J 3/00, опубл. 2008, описана система газификации, которая является ближайшим аналогом заявленных систем и которая содержит газификатор, содержащий камеру охлаждения, и скруббер.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Ниже приведено краткое описание вариантов выполнения, соответствующих объему заявленного изобретения. Предполагается, что эти варианты выполнения не ограничивают объем изобретения, а лишь представляют его возможные варианты в кратком изложении. Фактически изобретение может охватывать различные варианты, которые могут быть аналогичны нижеописанным вариантам выполнения или отличаться от них.
[0004] В первом варианте выполнения предложена система газификации, содержащая газификатор, который содержит реакционную камеру, выполненную с возможностью превращения углеводородного сырья, кислорода и пара в синтетический газ, и камеру охлаждения, выполненную с возможностью охлаждения указанного синтетического газа. Система также содержит скруббер, выполненный с возможностью удаления загрязнителей и воды из синтетического газа, линию перекачки синтетического газа, проходящую от камеры охлаждения к скрубберу и выполненную с возможностью перемещения синтетического газа от камеры охлаждения к скрубберу, первый возвратный водопровод, проходящий от поддона скруббера к охлаждающему кольцу камеры охлаждения и выполненный с возможностью перемещения первого потока воды к охлаждающему кольцу камеры охлаждения, и второй возвратный водопровод, проходящий от поддона скруббера к поддону камеры охлаждения и выполненный с возможностью перемещения второго потока воды, удаленной из синтетического газа, к поддону камеры охлаждения. Система газификации может содержать первый насос, выполненный с возможностью нагнетания первого потока воды через первый возвратный водопровод, и второй насос, выполненный с возможностью нагнетания второго потока воды через второй возвратный водопровод. Система газификации также может содержать насос, выполненный с возможностью нагнетания первого и второго потоков воды соответственно через указанные первый и второй возвратные водопроводы, а также может содержать первый регулирующий клапан, расположенный в первом возвратном водопроводе и предназначенный для регулирования первого потока воды, и второй регулирующий клапан, расположенный во втором возвратном водопроводе и предназначенный для регулирования второго потока воды. Система газификации может содержать перепускной трубопровод, проходящий от второго возвратного водопровода к поддону скруббера и выполненный с возможностью перемещения части второго потока воды назад в указанный поддон.
[0005] Во втором варианте выполнения предложена система газификации, содержащая газификатор, который содержит камеру охлаждения, скруббер, первый трубопровод, проходящий от поддона скруббера непосредственно к поддону камеры охлаждения, и первый насос, расположенный в первом трубопроводе и выполненный с возможностью нагнетания первого потока воды от поддона скруббера непосредственно к поддону камеры охлаждения через указанный трубопровод. Система газификации может содержать второй трубопровод, проходящий от поддона скруббера к охлаждающему кольцу камеры охлаждения, причем указанный первый насос может быть выполнен с возможностью нагнетания второго потока воды от поддона скруббера к охлаждающему кольцу камеры охлаждения через указанный второй трубопровод, а система может содержать первый регулирующий клапан, расположенный в первом трубопроводе и предназначенный для регулирования первого потока воды, и второй регулирующий клапан, расположенный во втором трубопроводе и предназначенный для регулирования второго потока воды. Система газификации также может содержать второй насос, расположенный во втором трубопроводе и выполненный с возможностью нагнетания второго потока воды от поддона скруббера непосредственно к поддону камеры охлаждения через указанный трубопровод, причем указанные первый и второй насосы могут представлять собой насосы с переменной скоростью или насосы с постоянной скоростью, обеспечивающие регулирование потока и активный перепуск, а сама система может содержать контроллер, выполненный с возможностью регулирования скорости первого и второго насосов на основании первого и второго расходов соответственно первого и второго потоков. Система газификации может содержать линию перекачки синтетического газа, проходящую от камеры охлаждения к скрубберу, а также перепускной трубопровод, проходящий от первого водопровода к поддону скруббера.
[0006] В третьем варианте выполнения предложена система газификации, которая содержит газификатор, имеющий камеру охлаждения, и первый водоподающий насос, выполненный с возможностью нагнетания воды от поддона скруббера непосредственно к поддону камеры охлаждения через первый подающий водопровод. Система газификации может содержать второй водоподающий насос, выполненный с возможностью нагнетания воды от поддона скруббера к охлаждающему кольцу камеры охлаждения через второй подающий водопровод, при этом первый и второй водоподающие насосы представляют собой насосы с переменной скоростью или представляют собой насосы с постоянной скоростью, обеспечивающие регулирование потока и активный перепуск.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны после прочтения нижеследующего подробного описания, выполненного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на всем протяжении которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:
[0008] фиг. 1 изображает структурную схему варианта выполнения энергетической установки интегрированной газификации с комбинированным циклом (ИГКЦ),
[0009] фиг. 2 изображает структурную схему иллюстративного варианта выполнения газификатора и скрубберного узла, показанных на фиг. 1,
[0010] фиг. 3 изображает структурную схему иллюстративного варианта выполнения газификатора и скрубберного узла, показанных на фиг. 1, в котором используется как первичный возвратный водопровод, так и вторичный возвратный водопровод, и
[0011] фиг. 4 изображает структурную схему иллюстративного варианта выполнения газификатора и скрубберного узла, показанных на фиг. 1, в котором используется как первичный возвратный водопровод, так и вторичный возвратный водопровод, а также первичный насос для возврата воды и вторичный насос для возврата воды.
[0012] фиг. 5А и 5B изображают блок-схему иллюстративного способа регулирования расходов охлаждающей воды, проходящей через первичный возвратный водопровод, и дополнительной воды, проходящей через вторичный возвратный водопровод.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Ниже приведено описание одного или более конкретных вариантов выполнения. В попытке создания краткого описания этих вариантов выполнения в описании могут быть приведены не все признаки фактического варианта реализации. Следует понимать, что при разработке любого такого фактического варианта реализации, как и при любом инженерном или опытно-конструкторском проектировании, необходимо принять множество решений, определяемых конкретным вариантом реализации, для достижения конкретных целей разработчика, таких как соблюдение системных и деловых ограничений, которые могут меняться от одного варианта реализации к другому. Кроме того, следует понимать, что такая опытно-конструкторская работа может быть сложной и трудоемкой, но тем не менее является обычным процессом при проектировании, изготовлении и производстве для специалистов в области техники, использующих преимущество данного изобретения.
[0014] При введении элементов различных вариантов выполнения данного изобретения подразумевается, что использование их названий в единственном числе и термина «указанный» означает наличие одного или более определяемых элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» являются включающими и означают, что возможно наличие дополнительных элементов, отличающихся от перечисленных.
[0015] К описанным вариантам выполнения относятся системы газификации и способы управления газифицирующей скрубберной системой охлаждения при высокой степени улавливания (например, при захвате большого количества воды синтез-газом, полученным в газификаторе). В состав указанной газифицирующей скрубберной системы может входить газификатор, содержащий реакционную камеру и камеру охлаждения, а также скрубберный узел. В общем случае синтез-газ может образовываться в реакционной камере газификатора. Образование синтез-газа может происходить при очень высоких давлениях и температурах. По существу, камера охлаждения газификатора может использоваться для охлаждения синтез-газа перед его направлением в скрубберный узел, где может происходить удаление загрязнителей и захваченной воды. В указанной камере для охлаждения синтез-газа может использоваться охлаждающая вода из скрубберного узла. В частности, охлаждающая вода может вводится в охлаждающее кольцо камеры охлаждения. К сожалению, во время процесса охлаждения некоторое количество охлаждающей воды может улавливаться в газообразной и жидкой фазе полученным синтез-газом. Описанные варианты выполнения могут использоваться для обеспечения снижения степени улавливания излишней воды синтез-газом путем частичного направления воды из скрубберного узла непосредственно в поддон камеры охлаждения. В общем случае дополнительная вода может быть направлена в поддон камеры охлаждения через вторичный возвратный водопровод, который может в целом проходить параллельно первичному возвратному водопроводу, используемому для направления охлаждающей воды из скрубберного узла в охлаждающее кольцо камеры охлаждения. Благодаря частичному направлению воды из скрубберного узла непосредственно в поддон камеры охлаждения вместо указанного охлаждающего кольца пропускная способность газифицирующей скрубберной системы охлаждения может быть повышена без ее модифицирования или при минимальном модифицировании.
[0016] Фиг. 1 изображает структурную схему варианта выполнения системы 10 интегрированной газификации с комбинированным циклом (ИГКЦ), которая может приводиться в действие синтез-газом. К компонентам системы 10 ИГКЦ может относиться источник 12 топлива, например твердого топлива, который может использоваться в качестве источника энергии для системы 10 ИГКЦ. Источник 12 может содержать уголь, нефтяной кокс, биомассу, древесные материалы, сельскохозяйственные отходы, смолы, коксовый газ и нефтяной битум или другие углеродсодержащие продукты.
[0017] Твердое топливо источника 12 может подаваться в узел 14 подготовки сырья. Указанный узел 14 может, например, изменять размеры или форму топлива источника 12 путем его измельчения, размалывания, дробления, растирания или брикетирования для получения сырья. Кроме того, в узле 14 в источник 12 топлива может быть добавлена вода или другие подходящие жидкости для получения жидкого сырья. В других вариантах выполнения жидкость в источник 12 не добавляется, и, таким образом, получается сухое сырье.
2
[0018] Указанное сырье может направляться из узла 14 в газификатор 16. Газификатор 16 может преобразовывать сырье в синтез-газ, например, в соединение окиси углерода и водорода. Такое преобразование может быть осуществлено путем воздействия на сырье регулируемым количеством пара и кислорода при повышенных давлениях (например, приблизительно от 400 до 1300 фунтов/дюйм (от 2,76 до 8,96 МПа)) и температурах (например, приблизительно от 2200°F до 2700°F (от 1204°C до 1482°C)), в зависимости от типа используемого газификатора 16. В результате нагревания сырья при пиролизе могут быть получены твердое вещество (например, полукокс) и сухие газы (например, окись углерода, водород и азот). Вес полукокса, полученного из сырья в результате пиролиза, может составлять всего лишь приблизительно до 30% от веса исходного сырья.
[0019] Реакция горения, происходящая в газификаторе 16, может включать введение кислорода в полукокс и сухие газы. Полукокс и сухие газы могут вступать в реакцию с кислородом с образованием двуокиси углерода и окиси углерода, в результате чего выделяется теплота для последующих реакций газификации. В процессе сжигания температуры могут варьироваться от приблизительно 2200°F (1204°C) до приблизительно 2700°F (1482°C). Кроме того, в газификатор 16 могут быть введены пар и/или вода. Газификатор использует пар и/или воду и кислород для обеспечения возможности частичного горения сырья для получения окиси углерода и энергии и для запуска второй реакции, в результате которой происходит превращение сырья в водород и дополнительную двуокись углерода.
4
3
2
2
[0020] Таким образом, с помощью газификатора 16 может быть получен конечный газ. Указанный конечный газ (синтез-газ), например, может содержать приблизительно 85% окиси углерода и водорода, а также СН, HCl, HF, COS, NH, HCN и HS (в зависимости от содержания серы в сырье). Однако состав синтез-газа может изменяться в пределах широкого диапазона в зависимости от используемого сырья и/или конкретного применения газификации. Данный конечный газ может называться «неочищенным синтез-газом». В газификаторе 16 также может быть образован осадок, например шлак 18, который может представлять собой влажный зольный материал. Как описано ниже более подробно, для очистки неочищенного синтез-газа может использоваться скрубберный узел 20. Узел 20 может очищать указанный синтез-газ с обеспечением удаления HCl, HF, COS, HCN и HS, причем указанный процесс очищения может включать отделение серы 22 в устройстве 24 для производства серы с помощью, например, процесса удаления кислых газов в указанном устройстве 24. Кроме того, скрубберный узел 20 может выделять соли 26 из неочищенного синтез-газа с помощью водоочистного узла 28, в котором могут применяться способы очистки воды, обеспечивающие получение пригодных для использования солей 26 из неочищенного синтез-газа. Следовательно, в скрубберном узле 20 может быть получен чистый синтез-газ.
[0021] Для удаления из чистого синтез-газа остаточных компонентов 32 газа, таких как аммиак и метан, а также метанол и другие остаточные химические вещества, может использоваться устройство 30 для обработки газа. Однако удаление остаточных компонентов 32 из чистого синтез-газа производится по желанию, поскольку чистый синтез-газ (например, остаточный газ) может использоваться в качестве топлива даже при наличии остаточных компонентов 32. Указанный чистый синтез-газ может быть направлен в камеру 34 сгорания (например, в топочную камеру) газотурбинного двигателя 36 в виде горючего топлива.
[0022] Система 10 ИГКЦ может дополнительно содержать узел 38 воздушной сепарации (УВС). УВС 38 может разделять воздух на составляющие его газы с использованием, например, способов дистилляции. УВС 38 может выделять кислород из воздуха, поданного к нему компрессором 40 для дополнительного воздуха, и передавать выделенный кислород к газификатору 16. Кроме того, УВС 38 может направлять отделенный азот к компрессору 42 жидкого азота. Указанный компрессор 42 может сжимать азот, полученный от УВС 38, по меньшей мере до значений давления, равных давлению в камере 34 сгорания, для исключения препятствия надлежащему горению синтез-газа. Таким образом, после сжатия азота до соответствующего давления компрессор 42 может направлять сжатый азот в камеру 34 сгорания газотурбинного двигателя 36.
[0023] Как описано выше, сжатый азот может быть перемещен из компрессора 42 жидкого азота в камеру 34 сгорания газотурбинного двигателя 36. Газотурбинный двигатель 36, помимо камеры 34 сгорания, может содержать турбину 44, ведущий вал 46 и компрессор 48. В камеру 34 сгорания может поступать топливо, такое как синтез-газ, которое может подаваться под давлением из топливных сопел. Это топливо может быть смешано со сжатым воздухом, а также со сжатым азотом, полученным из компрессора 42, и сожжено в камере 34 сгорания. В результате этого горения могут образоваться горячие сжатые выхлопные газы.
[0024] Камера 34 сгорания может направлять указанные выхлопные газы к выпускному отверстию турбины 44. При прохождении через турбину 44 выхлопные газы из камеры 34 сгорания могут воздействовать на лопатки турбины 44 с обеспечением вращения ведущего вала 46 относительно оси газотурбинного двигателя 36. Как показано на чертеже, ведущий вал 46 может быть соединен с различными компонентами газотурбинного двигателя 36, в том числе с компрессором 48.
[0025] Ведущий вал 46 может присоединять турбину 44 к компрессору 48 с образованием рабочего колеса. Компрессор 48 может содержать лопатки, прикрепленные к ведущему валу 46. Таким образом, в результате вращения лопаток в турбине 44 ведущий вал 46, соединяющий турбину 44 с компрессором 48, может вращать лопатки в компрессоре 48. В результате вращения лопаток в компрессоре 48 он сжимает воздух, поступающий через воздухозаборник компрессора 48. Затем сжатый воздух может быть подан в камеру 34 сгорания и смешан с топливом и сжатым азотом для повышения эффективности горения. Ведущий вал 46 также может быть соединен с нагрузкой 50, которая может представлять собой стационарную нагрузку, такую как электрогенератор, для выработки электроэнергии в энергетической установке. Фактически, указанная нагрузка 50 может представлять собой любое подходящее устройство, приводимое в действие выходной энергией вращения газотурбинного двигателя 36.
[0026] Система 10 ИГКЦ также может содержать паротурбинный двигатель 52 и систему 54 парогенератора-рекуператора. Паротурбинный двигатель 52 может приводить в действие вторую нагрузку 56, такую как электрогенератор для выработки электроэнергии. Однако как первая, так и вторая нагрузки 50, 56 могут представлять собой нагрузки другого типа, которые могут приводиться в действие соответственно газотурбинным двигателем 36 и паротурбинным двигателем 52. Кроме того, несмотря на то что газотурбинный двигатель 36 и паротурбинный двигатель 52 могут приводить в действие отдельные нагрузки 50, 56, как показано в изображенном варианте выполнения, они также могут использоваться совместно для приведения в действие единой нагрузки через единый вал. Конкретная конфигурация паротурбинного двигателя 52, а также газотурбинного двигателя 36, может зависеть от варианта реализации и может содержать любую комбинацию секций.
[0027] Нагретый выхлопной газ из газотурбинного двигателя 36 может быть направлен в парогенератор-рекуператор 54 и использован для нагревания воды и получения пара, приводящего в действие паротурбинный двигатель 52. Выхлопной газ из паротурбинного двигателя 52 может быть направлен в конденсатор 58. Для замены нагретой воды на охлажденную воду в конденсаторе 58 может использоваться охлаждающий стояк 60. В частности, охлаждающий стояк 60 может подавать холодную воду в конденсатор 58 для содействия конденсации пара, направленного в конденсатор 58 из паротурбинного двигателя 52. Конденсат из конденсатора 58 может, в свою очередь, быть направлен в парогенератор-рекуператор 54. Кроме того, для нагрева воды из конденсатора 58 и получения пара в парогенератор-рекуператор 54 также может быть направлен выхлопной газ из газотурбинного двигателя 36.
[0028] По существу, в системах с комбинированным циклом, таких как система 10 ИГКЦ, горячий выхлопной газ может протекать из газотурбинного двигателя 36 в парогенератор-рекуператор 54, где он может использоваться для образования высокотемпературного пара высокого давления. Пар, полученный в парогенераторе-рекуператоре 54, затем может быть пропущен через паротурбинный двигатель 52 для выработки энергии. Кроме того, полученный пар также может подаваться к местам протекания любых других процессов, в которых может использоваться пар, например, в газификатор 16. Энергетический цикл газотурбинного двигателя 36 часто называют «циклом отбора газа», а энергетический цикл паротурбинного двигателя 52 часто называют «циклом насыщения». Комбинирование этих двух циклов, как проиллюстрировано на фиг. 1, может привести к повышению эффективности системы 10 ИГКЦ в обоих циклах. В частности, тепло, полученное во время цикла отбора газа, может быть захвачено и использовано для образования пара, используемого в цикле насыщения. Следует отметить, что описанные варианты выполнения также могут использоваться в процессах газификации, отличных от процессов ИГКЦ, например, в процессах, связанных с метанолом, аммиаком или другими синтез-газами.
[0029] Как описано выше, скрубберный узел 20 может обеспечить очистку неочищенного синтез-газа из газификатора 16 перед направлением чистого синтез-газа в камеру 34 сгорания газотурбинного двигателя 36, где он может смешиваться со сжатым воздухом и азотом и сжигаться. Фиг. 2 изображает структурную схему иллюстративного варианта выполнения газификатора 16 и скрубберного узла 20, показанных на фиг. 1. Как показано на чертежах, в конкретных вариантах выполнения газификатор 16 может содержать реакционную камеру 62 и камеру 64 охлаждения. Реакционная камера 62 может быть ограничена огнеупорной футеровкой 66. Как описано выше, исходное сырье (например, угольная пульпа) из узла 14 подготовки сырья вместе с кислородом и паром соответственно из УВС 38 и парогенератора-рекуператора 54 могут быть введены в реакционную камеру 62 газификатора 16, где они могут быть преобразованы в неочищенный синтез-газ. Неочищенный синтез-газ может содержать шлак и другие загрязнители.
2
[0030] Как описано выше, неочищенный синтез-газ, полученный в реакционной камере 62 газификатора 16, может находиться под повышенным давлением и иметь повышенную температуру. Например, в зависимости от типа используемого газификатора 16 давление и температура полученного синтез-газа могут составлять соответственно приблизительно 400-1300 фунтов/дюйм (2,76-8,96 МПа) и 2200-2700°F (1204-1482°С). Высокотемпературный синтез-газ высокого давления может поступать в камеру 64 охлаждения через нижний конец 68 огнеупорной футеровки 66, как показано стрелкой 70. В целом камера 64 может использоваться для снижения температуры неочищенного синтез-газа. В некоторых вариантах выполнения вблизи нижнего конца 68 огнеупорной футеровки 66 может быть расположено охлаждающее кольцо 72. Как показано на чертежах, в камеру 64 из первичного возвратного водопровода 76 через впуск 74 для охлаждающей воды может поступать охлаждающая вода. Охлаждающая вода может в целом протекать через охлаждающее кольцо 72 вниз по погружной трубе 78 в поддон 80 камеры охлаждения. По существу, охлаждающая вода может охлаждать неочищенный синтез-газ, который затем после охлаждения может выходить из камеры 64 через выпуск 82 для синтез-газа, как показано стрелкой 84. Указанный выпуск 82 может быть расположен отдельно от поддона 80 камеры охлаждения над ним и может быть соединен с линией 86 перекачки синтез-газа, которая может использоваться для перемещения неочищенного синтетического газа в скрубберный узел 20 через впуск 88 для синтез-газа.
[0031] Как описано выше, скрубберный узел 20 может использоваться для очистки неочищенного синтез-газа с получением чистого синтез-газа, который в итоге может быть направлен в камеру 34 сгорания газотурбинного двигателя 36, показанного на фиг. 1. Более конкретно, узел 20 может очищать неочищенный синтез-газ с обеспечением удаления мелких твердых частиц и других загрязнителей. Кроме того, как описано выше, неочищенный синтез-газ может содержать некоторое количество уловленной воды. Узел 20 также может использоваться для удаления значительной части оставшейся уловленной воды из неочищенного синтез-газа. Удаленная вода может быть собрана в поддоне 90 скрубберного узла 20.
[0032] В некоторых вариантах выполнения вода, собранная в поддоне 90 скрубберного узла, а также подпиточная вода, поступающая в указанный узел 20, может использоваться в качестве охлаждающей воды в камере 64 охлаждения газификатора 16. В частности, охлаждающая вода из узла 20 может нагнетаться от выпуска 92 для охлаждающей воды, выполненном в узле 20, с помощью первичного насоса 94 для возврата воды. В некоторых вариантах выполнения для контроля потока охлаждающей воды, проходящей через первичный возвратный водопровод 76 к впуску 74, может использоваться первичный расходный клапан 96. Кроме того, для обеспечения обратной связи для контроля указанного клапана 96 может использоваться первичный датчик 98 расхода, такой как расходомер. Аналогично выпуску 82 для синтез-газа впуск 74 для охлаждающей воды может быть расположен отдельно от поддона 80 камеры охлаждения газификатора 16 над ним и, как описано выше, может направлять поток охлаждающей воды в охлаждающее кольцо 72.
[0033] Однако вариант выполнения, показанный на фиг. 2, не лишен недостатков. Например, вода, утраченная при испарении (например, в результате охлаждения синтез-газа) и улавливании (например, жидкая вода, унесенная неочищенным синтез-газом, выходящим из камеры 64 охлаждения), может быть возвращена через охлаждающее кольцо 72, которое доставляет указанную воду через водную пленку в погружную трубу 78. В результате такого улавливания количество охлаждающей воды, используемой в камере 64 при работе, может превышать теоретическую величину, требуемую для насыщения и охлаждения. Кроме того, количество охлаждающей воды, которая может быть подана через кольцо 72, может быть ограничено в некотором диапазоне. Например, увеличение количества охлаждающей воды, протекающей через кольцо 72, может сопровождаться потерями давления, пропорциональными квадрату расхода охлаждающей воды. Например, при увеличении расхода охлаждающей воды на 50% (т.е. в 1,5 раза) падение давления в охлаждающем кольце может увеличиться на 125% (т.е. в 1,5×1,5=2,25 раза). Ввиду эксплуатационной неустойчивости и эксплуатационных ограничений количество воды, уловленной неочищенным синтез-газом, может возрастать до достаточно высоких значений, при которых могут происходить вынужденные отключения системы 10 ИГКЦ.
[0034] Таким образом, в некоторых вариантах выполнения может использоваться вторичный возвратный водопровод. Например, фиг. 3 изображает структурную схему иллюстративного варианта выполнения газификатора 16 и скрубберного узла 20, показанных на фиг. 1, в котором используется как первичный возвратный водопровод 76, так и вторичный возвратный водопровод 100. Как показано на чертеже, вторичный водопровод 100 может направлять дополнительную воду непосредственно в поддон 80 камеры охлаждения через его выпуск 102, а не через впуск 74 для охлаждающей воды, который расположен отдельно от поддона 80 над ним. В некоторых вариантах выполнения для регулирования потока дополнительной воды, проходящей через вторичную линию 100 к выпуску 102 поддона камеры охлаждения, может использоваться вторичный расходный клапан 104. Кроме того, для обеспечения обратной связи для контроля указанного клапана 104 может использоваться вторичный датчик 106 расхода, такой как расходомер. В частности, датчики 98, 106 расхода обеспечивают протекание в камеру 64 из первичного насоса 94 надлежащего количества воды, при этом остальная вода возвращается через перепускной водопровод 110 в поддон 90 скрубберного узла 20. Более конкретно, в некоторых вариантах выполнения может осуществляться совместное управление клапанами 96, 104 для обеспечения разделения надлежащего количества воды между первичным водопроводом 76 и вторичным водопроводом 100 соответственно в виде охлаждающей и дополнительной воды. В общем случае лишняя дополнительная вода может быть направлена непосредственно в поддон 80 через водопровод 100, если количество охлаждающей воды, протекающей через охлаждающее кольцо 72, достигает заданного порогового значения.
[0035] Однако вариант выполнения, показанный на фиг. 3, также не лишен недостатков. Например, поскольку в общем случае для нагнетания охлаждающей воды из поддона 90 узла 20 используется только один первичный насос 94 для возврата воды, то для регулирования потока воды между первичным и вторичным возвратными водопроводами 76, 100 в некоторых вариантах выполнения могут быть необходимы первичный и вторичный расходные клапаны 96, 104. Однако возможность регулирования потока воды между указанными водопроводами 76, 100 без использования расходных клапанов может оказаться более целесообразной.
[0036] Фиг. 4 изображает структурную схему иллюстративного варианта выполнения газификатора 16 и скрубберного узла 20, показанных на фиг. 1, в котором используется как первичный возвратный водопровод 76, так и вторичный возвратный водопровод 100, а также первичный насос 94 для возврата воды и вторичный насос 108 для возврата воды. В некоторых варианты выполнения, как показано на чертеже, вторичный водопровод 100 может запитываться от второго выпуска 93 для охлаждающей воды скрубберного узла 20. Как показано на чертеже, как первичный водопровод 76, так и вторичный водопровод 100 могут быть соединены с соответствующим насосом 94, 108 для возврата воды. В некоторых вариантах выполнения первичный и вторичный насосы 94, 108 могут представлять собой насосы с переменной скоростью, так что выполняется непосредственный контроль расхода воды, обеспечиваемого каждым насосом 94, 108, либо же указанные насосы 94, 108 могут работать при постоянных скоростях с обеспечением регулирования потока (например, с помощью датчиков 98, 106 регулирования потока и связанных с ними регуляторами потока) и активного перепуска (например, через перепускной водопровод 110) по мере необходимости. Однако в других вариантах выполнения как первичный водопровод 76, так и вторичный водопровод 100 могут содержать запорные клапаны и/или регулирующие клапаны для содействия изоляции первичного и/или вторичного водопровода 76, 100 и/или контролю расхода воды через указанные водопроводы 76, 100.
[0037] Варианты выполнения, изображенные на фиг. 3 и 4, обеспечивают повышенную эксплуатационную гибкость установки путем предоставления возможности производства больших количеств синтез-газа в газификаторе 16 без проведения существенных модификаций камеры 64 охлаждения. При эксплуатации перед запуском системы 10 ИГКЦ вторичный возвратный водопровод 100 может быть наполнен относительно чистой водой, полученной в конце цикла очистки. Это может обеспечивать заполнение вторичного насоса 108 в водопроводе 100 и его постоянную готовность к работе. В некоторых вариантах выполнения первичный водопровод 76 и соединенный с ним первичный насос 94 работают в нормальном режиме, тогда как вторичный водопровод 100 и соединенный с ним вторичный насос 108 работают только в том случае, если расход охлаждающей воды в охлаждающем кольце 72 достигает заданного порогового значения.
[0038] В целом водопровод 76 и охлаждающее кольцо 72 могут иметь такие размеры, которые обеспечивают надлежащее функционирование при запуске, при пониженной нагрузке (например, при снижении производительности) и при нормальном режиме работы, что может подразумевать умеренный уровень улавливания воды (например, ниже приблизительно 20% от отношения вода/синтез-газ). В некоторых вариантах выполнения первичный водопровод 76 может входить в регулирующий контур, который может выполнять текущий контроль подпиточной воды (например, дополнительной воды, используемой для пополнения потока воды, протекающего к газификатору 16 и скрубберному узлу 20 и от них) через узел 20. Фактически, наличие излишней уловленной воды может быть определено, когда поток подпиточной воды становится меньше расчетного значения для узла 20. Когда расход подпиточной воды становится меньше указанного расчетного значения, расход охлаждающей воды через первичный водопровод 76 может быть увеличен таким образом, что расход подпиточной воды через узел 20 может возрасти до расчетного значения.
[0039] Однако при возникновении чрезмерного улавливания воды предел пропускной способности водопровода 76 может быть достигнут прежде, чем расход подпиточной воды через узел 20 достигнет расчетного значения. Когда это происходит, может быть включен вторичный насос 108 для возврата воды, выполненный во вторичном возвратном водопроводе 100. Первоначально весь поток увлеченной воды может быть постепенно перемещен из первичного водопровода 76 во вторичный водопровод 100. По окончании этого перемещения первичный водопровод 76 может работать в нормальном режиме, и вся уловленная вода может подаваться через вторичный водопровод 100. Несущая способность потока воды во вторичном водопроводе 100 может быть больше несущей способности потока первичного водопровода 76.
[0040] Кроме того, количество воды, уловленной синтез-газом, может быть дополнительно компенсировано путем увеличения расхода охлаждающей воды через вторичный возвратный водопровод 100 до тех пор, пока расход подпиточной воды через скрубберный узел 20 вновь не достигнет расчетного значения. В случае если уровень улавливания воды превышает несущую способность водопровода 100, дополнительная уловленная вода может быть направлена с помощью первичного насоса 94 через охлаждающее кольцо 72.
[0041] Кроме того, в некоторых вариантах выполнения, как показано на фиг. 3 и 4, перепускной водопровод 110 может проходить от водопровода 100 назад к поддону 90 скрубберного узла 20. В частности, вода, передаваемая по водопроводу 100, может быть частично направлена назад в указанный поддон 90 через его впуск 112. В общем случае для достижения более высокой степени контроля количества воды, передаваемой из поддона 90 скрубберного узла в поддон 80 камеры охлаждения, может использоваться перепускной водопровод 110. Например, в некоторых вариантах выполнения для контроля количества воды, отведенной от вторичного водопровода 100, на основании текущего расхода воды, поступающей к поддону 80, может использоваться перепускной регулирующий клапан 114.
[0042] Кроме того, хотя это не проиллюстрировано на чертежах, все регулирующие клапаны и насосы с переменной скоростью, показанные на фиг. 2-4, могут управляться контроллером (на чертежах не показан), который обеспечивает управление расходами охлаждающей воды, проходящей через первичный водопровод 76, и дополнительной воды, проходящей через вторичный водопровод 100. В некоторых вариантах выполнения указанный контроллер может представлять собой физическое вычислительное устройство, в частности, выполненное с возможностью получения (например, приема) измерений от датчиков (например, датчиков потока, датчиков давления и т.д.) в возвратных водопроводах 76, 100, что может содействовать регулированию расходов охлаждающей воды и дополнительной воды, проходящих соответственно через первичный водопровод 76 и вторичный водопровод 100. Более конкретно, контроллер может содержать устройства ввода/вывода для приема измерений от датчиков. Кроме того, контроллер может содержать запоминающее устройство и машиночитаемый носитель с закодированными на нем инструкциями для определения того, когда расходы охлаждающей воды через водопровод 76 и дополнительной воды через водопровод 100 должны увеличиваться, уменьшаться или поддерживаться.
[0043] Этапы процесса, осуществляемые контроллером (или внутренним логическим узлом, связанным с регулирующими клапанами или насосами с переменной скоростью), могут в целом быть неизменными. Например, фиг. 5A и 5B изображают блок-схему иллюстративного способа 116 (например, способа, реализуемого на компьютере) управления расходами охлаждающей воды через первичный возвратный водопровод 76 и дополнительной воды через вторичный возвратный водопровод 100. На этапе 118 вторичный водопровод 100 может быть наполнен водой. Как описано выше, в варианте выполнения, показанном на фиг. 4, наполнение водопровода 100 может обеспечить заполнение вторичного насоса 108 в указанном водопроводе 100 и его постоянную готовность к использованию. На этапе 120 через первичный возвратный водопровод 76 с помощью первичного насоса 94 для возврата воды может быть подана охлаждающая вода.
[0044] На этапе 122 может отслеживаться расход подпиточной воды, поступающей в скрубберный узел 20. На этапе 124 может определяться факт падения расхода подпиточной воды ниже расчетного значения. Если определенный на этапе 124 расход подпиточной воды превышает расчетное значение, то способ 116 может быть продолжен возвращением к этапу 122, на котором может продолжаться отслеживание расхода подпиточной воды, поступающей в узел 20. Однако если определенный на этапе 124 расход подпиточной воды меньше расчетного значения, то способ 116 может продолжаться этапом 126, на котором может быть увеличен расход охлаждающей воды через первичный возвратный водопровод 76. Например, в варианте выполнения, показанном на фиг. 3, может быть выполнено открытие первичного регулирующего клапана 96 на определенную величину. Однако в варианте выполнения, показанном на фиг. 4, может быть увеличена скорость первичного насоса 94, или же в некоторых вариантах выполнения первичный и вторичный насосы 94, 108 могут работать при постоянных скоростях с обеспечением регулирования потока (например, с помощью датчиков 98, 106 регулирования потока и связанных с ними регуляторами потока) и активного перепуска (например, через перепускной водопровод 110) по мере необходимости.
[0045] На этапе 128 может определяться факт достижения максимальной пропускной способности первичного возвратного водопровода 76. Например, при нормальном режиме работы расход охлаждающей воды, поступающей в охлаждающее кольцо 72 через водопровод 76, может варьироваться от приблизительно 800 галлонов/мин до приблизительно 1800 галлоном/мин. В зависимости от типа используемого газификатора 16 указанный диапазон может изменяться. Однако максимальная пропускная способность первичного водопровода 76 может варьироваться от приблизительно 1100 галлонов/мин до приблизительно 2500 галлонов/мин. В зависимости от типа используемого газификатора 16 указанный диапазон также может изменяться. Если на этапе 128 определяют, что предел пропускной способности водопровода 76 не был достигнут, то способ 116 может быть продолжен возвращением к этапу 122, на котором может продолжаться отслеживание расхода подпиточной воды, поступающей в скрубберный узел 20. Однако если на этапе 128 определяют, что предел пропускной способности водопровода 76 достигнут, то способ 116 может продолжаться этапом 130, на котором может быть начато нагнетание дополнительной воды через вторичный возвратный водопровод 100, при этом расход охлаждающей воды через водопровод 76 может быть возвращен на уровень, соответствующий нормальному режиму работы. Например, в варианте выполнения, показанном на фиг. 3, вторичный регулирующий клапан 104 может быть открыт на определенную величину и/или первичный регулирующий клапан 96 может быть закрыт на определенную величину. Однако в варианте выполнения, показанном на фиг. 4, может быть включен вторичный насос 108 и/или может быть уменьшена скорость первичного насоса 94. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения первичный и вторичный насосы 94, 108 могут работать при постоянных скоростях с обеспечением регулирования потока (например, с помощью датчиков 98, 106 регулирования потока и связанных с ними регуляторами потока) и активного перепуска (например, через перепускной водопровод 110) по мере необходимости.
[0046] На этапе 132 вновь может отслеживаться расход подпиточной воды, поступающей в скрубберный узел 20. На этапе 134 может определяться факт возрастания расхода подпиточной воды до значения выше расчетного. Если определенный на этапе 134 расход подпиточной воды превышает расчетное значение, то способ 116 может продолжаться этапом 136, на котором может быть уменьшен расход дополнительной воды через вторичный возвратный водопровод 100. Например, в варианте выполнения, показанном на фиг. 3, вторичный регулирующий клапан 104 может быть закрыт на определенную величину и/или первичный регулирующий клапан 96 может быть открыт на определенную величину. Однако в варианте выполнения, показанном на фиг. 4, может быть уменьшена скорость вторичного насоса 108 и/или увеличена скорость первичного насоса 94. После этапа 136 способ 116 может быть продолжен возвращением к этапу 132, на котором может продолжаться отслеживание расхода подпиточной воды, поступающей в узел 20.
[0047] Если определенный на этапе 134 расход подпиточной воды все еще меньше расчетного значения, то способ 116 может продолжаться этапом 138, на котором может быть увеличен расход дополнительной воды через вторичный возвратный водопровод 100. Например, в варианте выполнения, показанном на фиг. 3, вторичный регулирующий клапан 104 может быть открыт на определенную величину и/или первичный регулирующий клапан 96 может быть закрыт на определенную величину. Однако в варианте выполнения, показанном на фиг. 4, может быть увеличена скорость вторичного насоса 108 и/или уменьшена скорость первичного насоса 94. При уменьшении расхода дополнительной воды через водопровод 100 до нуля на этапе 140 способ 116 может быть продолжен возвращением к этапу 122, на котором может продолжаться отслеживание расхода подпиточной воды, поступающей в узел 20. В противном случае способ 116 может быть продолжен возвращением к этапу 132, на котором может быть выполнено то же самое.
[0048] К техническим результатам описанного изобретения относится создание систем и способов управления работой газификационной скрубберной системы охлаждения при высокой степени улавливания. В частности, как описано выше, из скрубберного узла 20 через вторичный возвратный водопровод 100 непосредственно в поддон 80 камеры охлаждения газификатора 16 может подаваться дополнительная вода. Благодаря направлению дополнительной воды непосредственно в поддон 80 камеры охлаждения количество синтез-газа, производимого газификатором 16 в единицу времени, может быть повышено без модифицирования или при минимальном модифицировании реакционной камеры 62 или камеры 64 охлаждения газификатора 16, первичного возвратного водопровода 76 или первичного насоса 94 для возврата воды. В частности, описанные варианты выполнения учитывают повышение расхода воды, поступающей в камеру 64 охлаждения газификатора 16. Другими словами, описанные варианты выполнения обеспечивают дополнительную возможность регулирования улавливания, а также средства реагирования на изменяющиеся и неожиданно высокие уровни улавливания. Кроме того, для защиты от чрезмерного испарения в описанных вариантах выполнения предусмотрено наличие дополнительной воды в поддоне 80 камеры охлаждения. Описанные варианты выполнения могут быть частью новых установок или, как вариант, могут быть реализованы в виде модифицирующих дополнений к существующим газификационным скрубберным системам охлаждения с высокими степенями улавливания. Кроме того, описанные варианты выполнения могут применяться в любых других областях, в которых для охлаждения и/или очистки потока газа используется водяная ванна.
[0049] Следует отметить, что конкретные варианты выполнения, описанные в данном документе, не являются ограничивающими. Например, описанные варианты выполнения также могут применяться в секции охлаждения, которая не расположена непосредственно под газификатором, и в секции охлаждения, которая может быть расположена под радиационным охладителем синтез-газа. Описанные варианты выполнения также могут использоваться в секции охлаждения, которая вместо охлаждающего кольца или в дополнение к нему содержит распылительные сопла. Кроме того, описанные варианты выполнения могут содержать несколько скрубберов, присоединенных к секции охлаждения, при способе регулирования воды, аналогичном описанному.
[0050] В предложенном описании примеры, в том числе предпочтительный вариант выполнения, используются для раскрытия данного изобретения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых соответствующих или предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
10 система интегрированной газификации с комбинированным циклом (ИГКЦ)
12 источник топлива
14 узел подготовки сырья
16 газификатор
18 шлак
20 скрубберный узел
22 сера
24 устройство для производства серы
26 соли
28 водоочистной узел
30 устройство для обработки газа
32 остаточные компоненты газа
34 камера сгорания (КС)
36 газотурбинный двигатель
38 узел воздушной сепарации
40 компрессор для дополнительного воздуха
42 компрессор для жидкого азота (ЖА)
44 турбина (Т)
46 ведущий вал
48 компрессор (К)
50 нагрузка
52 паротурбинный двигатель (ПТ)
54 парогенератор-рекуператор
56 вторая нагрузка
58 конденсатор
60 охлаждающий стояк
62 реакционная камера
64 камера охлаждения
66 огнеупорная футеровка
68 нижний конец огнеупорной футеровки
70 направление высокотемпературного неочищенного синтез-газа высокого давления
72 охлаждающее кольцо
74 впуск для охлаждающей воды
76 первичный возвратный водопровод
78 погружная труба
80 поддон камеры охлаждения
82 выпуск для синтетического газа
84 направление охлажденного неочищенного синтез-газа
86 линия перекачки синтез-газа
88 впуск для синтетического газа
90 поддон скрубберного узла
92 выпуск для охлаждающей воды
94 первичный насос для возврата воды
96 первичный расходный клапан
98 первичный датчик расхода
100 вторичный возвратный водопровод
102 впуск поддона камеры охлаждения
104 вторичный расходный клапан
106 вторичный датчик расхода
108 вторичный насос для возврата воды
110 перепускной водопровод
112 впуск поддона скрубберного узла
114 перепускной регулирующий клапан
116 способ
118 этап способа
120 этап способа
122 этап способа
124 этап способа
126 этап способа
128 этап способа
130 этап способа
132 этап способа
134 этап способа
136 этап способа
138 этап способа
140 этап способа