[发明专利]用于用氮气供给燃烧室的方法和装置

说明书

本发明涉及用于将氮气供给至燃烧室的方法和装置。

空气分离单元经常用于将氮气供给至燃烧室。用于燃烧室的燃料可来自于燃料利用氧气的气化，该氧气也来自空气分离单元。

本发明提出一种用于在引导至燃烧室中之前在氮气压缩期间用水增湿/浸透/使其饱和以及预热氮气的方法。本发明使热量能够从空气分离单元回收至燃烧室并且降低对氮气的需求。

本发明特别地提出一种方法，该方法优化了通过煤利用氧的气化和联合循环或IGCC发电的工厂的效率。

煤在氧存在的情况下气化产生的合成气在与空气流混合并且(在压力下)被引入燃烧室——来自该燃烧室的烟气会通过发电涡轮而膨胀——之前或之后，通常去除杂质(例如，汞、含硫化合物、CO₂等等)并且通过惰性气体(即不可燃物；例如氮气、水蒸汽、CO₂等等)稀释。

稀释气体的作用是限制燃烧室中的火焰速度，限制气态混合物的氧化特性和限制火焰温度的峰值，从而将氮氧化合物的产量限制在根据环境规章的浓度内。

在利用氧气化的情况下，稀释合成气的惰性气体常规地为由空气分离单元(ASU)共同生产的氮气，其通常添加有水蒸汽，添加水蒸汽是为了除了向涡轮提供大量显热以外还提高了稀释气体的惰化能力。这是因为稀释气体的惰化能力直接地与其热容相关，将水蒸汽添加至由装置共同生产的氮气中与仅使用氮气相比更好的降低了燃烧室中的热应力(对于同样体积流量的流向涡轮的烟气而言)。水蒸汽还用于预热合成气和/或稀释气体的混合物以便提高涡轮发电机的生产率。

多篇文献描述了大致在氮气进入燃气轮机时的压力下通过直接接触对氮气加湿，例如EP-A-1001149,US-A-5865023,US2007/0119176，和1993年Novem的“Integration of Gas Turbine and Air Separation Unit for IGCC Power Plants”。

所述的Novem报告还指出，氮气被加压至燃烧室的压力，与合成气混合，然后利用水使其饱和(图7)。

US-A-2011/0277860描述了将被送至燃气轮机的干燥氮气在没有任何增湿的情况下的压缩。

本发明提出一种用于预热并且增湿稀释氮气，同时减小或者甚至消除水蒸汽的使用的方法，使得最大限度地在别处使用水蒸汽成为可能(例如，电力的生产)，并且限制从空气分离单元提取的氮气部分，该氮气部分必须被压缩以便构成稀释气体。

必须压缩来自于空气分离装置的稀释氮气(例如，在4bar abs(绝对压力)下)以便实现燃烧室的压力(例如介于15bar abs和100bar abs之间)；此压缩可由多集成径向压缩机完成，该压缩机由电动机或蒸汽涡轮驱动。在稀释氮气的压缩期间，本发明提出借助于供有氮气和液态形式的水流的气液接触器利用水蒸汽增湿稀释氮气。

优选地，从每个压缩级排出后，稀释的氮气通过这种方式利用水蒸汽增湿。在压缩结束时，氮气可通过与一流体热交换而被加热，该流体与供给空气分离单元的压缩空气接触受热；此处经压缩的氮气所达到的温度水平约为200℃至250℃。氮气然后可通过新的气液接触器再次富含水/增湿，或甚至饱和。最后，在氮气被引导至燃烧室之前，氮气(可选地饱和以水)可常规地被过热(电加热器或使用蒸汽或与ASU的另一流体交换)至其露点以上50℃至100℃。

此外，在用于增湿的气液接触器中所采用的水流可通过来自ASU的流体(例如从主空气压缩机或空气增压器排放的空气)被预热至约为150℃的温度以便最大化通过氮气流的增湿所引入的水量。此最优化尤其与位于压缩级下游的注射相关。

这是因为用于利用水对经压缩的氮气增湿的中间接触器还具有在接着的压缩级之前冷却气体并且因此改善压缩效率的作用。在中间压缩级中预热用于增湿氮气的水因此会减小压缩的功效。

由于两个压缩级之间的氮气的冷却，两个压缩级之间的增湿可达到高程度的增湿(氮气中高于10％的水)而压缩不需要过多的能量。1997年4月，Vol.119，Transactions of the ASME中Smith等人的“Next Generation Integration Concepts for Air Separation Units and Gas Turbines”中推荐的绝热压缩后增湿允许实现同样的水含量。但是，压缩能量则高得多。

供给气液接触器的水的流量调整成使得从接触器排出时不会凝结；这是因为流量大于此极限会造成热量损失，从而减弱本发明的优点。