Система и способ охлаждения с улавливанием углерода

Система и способ охлаждения с улавливанием углерода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники и уровень техники

Настоящее изобретение относится к системе улавливания углерода. Электростанции с комбинированным циклом комплексной газификации (КЦКГ) обеспечивают выработку энергии из различных видов углеродсодержащего сырья, такого как уголь или природный газ, относительно экологически чисто и эффективно. Технологии КЦКГ позволяют преобразовывать углеродсодержащее сырье в газообразную смесь моноксида углерода (СО) и водорода (Н₂), т.е. в синтез-газ, посредством взаимодействия с кислородом и паром в газификаторе. Эти газы можно очищать, перерабатывать и использовать в качестве топлива на электростанциях с КЦКГ. Например, синтез-газ можно подавать в камеру сгорания газовой турбины на электростанции с КЦКГ и сжигать для питания газовой турбины, предназначенной для выработки электроэнергии. Такие электростанции с КЦКГ обычно требуют систем охлаждения для использования в процессе получения синтез-газа. К сожалению, существующие системы охлаждения оказывают вредное воздействие на окружающую среду и являются дорогостоящими.

В частности, из US 3349571, 1967, известна система, в которой из синтез-газа удаляют диоксид углерода, используемый далее, после его охлаждения жидким хладоагентом, для охлаждения поступающего в систему горячего синтез-газа. Однако система с отдельным контуром жидкого хладоагента (содержащим компрессор, ряд сепараторов, трубопроводы и т.д.) является сложной, дорогостоящей и приводит к высоким эксплуатационным затратам.

Задачей изобретения является создание более простой и экономичной системы охлаждения и очистки синтез-газа, в частности, от диоксида углерода.

Описание изобретения

Конкретные воплощения, соответствующие области защиты изобретения, представленной в формуле изобретения, кратко сформулированы ниже. Данные воплощения не следует считать ограничением области защиты изобретения, но эти воплощения предназначены для обеспечения краткого изложения возможных форм изобретения. В действительности, изобретение может включать в себя множество форм, которые могут быть подобны или отличаться от воплощений, изложенных ниже.

В первом воплощении охлаждающая система включает систему улавливания углерода, предназначенную для удаления углеродсодержащего газа из синтез-газа с получением уловленного углеродсодержащего газа, причем уловленный углеродсодержащий газ имеет чистоту по меньшей мере 80 об.% диоксида углерода (CO₂); систему охлаждения, включающую расширитель газа и контур охладителя, причем расширитель газа предназначен для расширения уловленного углеродсодержащего газа для снижения температуры уловленного углеродсодержащего газа с получением углеродсодержащего газа с пониженной температурой, а контур охладителя предназначен для использования углеродсодержащего газа с пониженной температурой для охлаждения по меньшей мере одного растворителя по меньшей мере одного газоочистителя; и устройство управления, включающее программы для регулирования системы охлаждения с целью регулирования температуры, связанной с охлаждением указанного по меньшей мере одного растворителя по меньшей мере одного газоочистителя.

Система улавливания углерода может включать газовый компрессор, предназначенный для сжатия углеродсодержащего газа. Расширитель газа может включать адиабатический расширитель. Газоочиститель может быть предназначен для очистки синтез-газа. Газоочиститель может включать устройство для удаления кислого газа (УКГ), устройство для удаления серы, устройство для удаления азота, устройство для удаления частиц, устройство для удаления углеродсодержащего газа или их сочетание. Охлаждающая система может включать по меньшей мере одно из устройств, выбранных из газификатора, парового котла или устройства для реформинга, предназначенное для преобразования углеродсодержащего сырья в синтез-газ.

Во втором воплощении охлаждающая система включает по меньшей мере один газоочиститель на основе растворителя, предназначенный для удаления сероводорода (H₂S) и диоксида углерода (CO₂) из синтез-газа с использованием по меньшей мере одного растворителя; систему улавливания углерода, предназначенную для приема CO₂ из указанного по меньшей мере одного газоочистителя на основе растворителя, причем указанный CO₂ имеет чистоту по меньшей мере 80 об.% диоксида углерода (CO₂); и систему охлаждения, включающую расширитель CO₂, связанный с контуром охлаждения, причем расширитель CO₂ предназначен для расширения по меньшей мере части CO₂ для снижения температуры CO₂ с получением CO₂ с пониженной температурой, а контур охлаждения предназначен для циркуляции CO₂ с пониженной температурой для обеспечения охлаждения указанного по меньшей мере одного растворителя.

Газоочиститель может включать реактор сдвига водяного газа, систему удаления кислого газа (УКГ), систему удаления серы, систему удаления азота или их сочетание. Система улавливания углеродсодержащего газа может включать компрессор для CO₂, трубопровод для CO₂, емкость для хранения CO₂ или их сочетание. Расширитель CO₂ может включать адиабатический расширитель. Охлаждающая система может включать газификатор, паровой котел, устройство для реформинга или их сочетание, предназначенные для преобразования углеродсодержащего сырья в газ.

В третьем воплощении охлаждающая система включает систему удаления кислого газа (УКГ), включающую растворитель, предназначенный для обработки газа из газификатора, где система УКГ предназначена для удаления серы и диоксида углерода (CO₂), и расширитель CO₂, предназначенный для расширения по меньшей мере части СО₂ для обеспечения охлаждения растворителя. Охлаждающая система может включать компрессор для CO₂, предназначенный для сжатия CO₂, а расширитель CO₂ может включать адиабатический расширитель для расширения по меньшей мере части CO₂ из компрессора для CO₂. Охлаждающая система может включать систему улавливания углеродсодержащего газа, предназначенную для приема CO₂ из системы УКГ.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых подобные отличительные особенности представляют подобные элементы на чертежах, где:

на Фиг. 1 представлена блок-схема воплощения электростанции с комбинированным циклом комплексной газификации (КЦКГ), включающей особую систему охлаждения, основанную на расширении уловленного углеродсодержащего газа (например, диоксида углерода);

на Фиг. 2 представлена блок-схема воплощения системы газификации, представленной на Фиг. 1, включающей особую систему охлаждения, основанную на расширении уловленного углеродсодержащего газа;

на Фиг. 3 представлена блок-схема воплощения системы газоочистки и улавливания углеродсодержащего газа, представленной на Фиг. 1, включающей особую систему охлаждения, основанную на расширении уловленного углеродсодержащего газа;

на Фиг. 4 представлена блок-схема воплощения системы на основе сжигания (например, парового котла), содержащая систему газоочистки и улавливания углеродсодержащего газа, включающая особую систему охлаждения, основанную на расширении уловленного углеродсодержащего газа;

на Фиг. 5 представлена блок-схема воплощения системы охлаждения с улавливанием углеродсодержащего газа, включающей особую систему охлаждения, основанную на расширении уловленного углеродсодержащего газа.

Подробное описание изобретения

Одно или более конкретных воплощений настоящего изобретения описаны далее. С целью обеспечения краткого описания данных воплощений все особенности фактической реализации могут быть не указаны в описании технических характеристик. Следует учитывать, что при разработке какой-либо фактической реализации, как в любом инженерном или конструкторском проекте, многочисленные решения, специфические для данного исполнения, могут быть выполнены для достижения конкретных целей разработчика, таких как согласованность с ограничениями, связанными с конкретной системой и конкретным предприятием, которые могут изменяться от одной реализации к другой. Более того, следует учитывать, что такая проектно-конструкторская работа может быть сложной и требующей больших затрат времени, но тем не менее представляет собой обычную задачу в отношении разработки и изготовления для специалиста в данном уровне техники, имеющего преимущества данного описания.

При описании элементов в различных воплощениях настоящего изобретения указание элемента в единственном числе также подразумевает наличие одного или более таких элементов. Термины ′′включающий′′, ′′содержащий′′ и ′′обладающий′′ не являются ограничивающими и подразумевают возможность существования дополнительных элементов, наряду с перечисленными элементами.

Как обсуждается ниже, раскрытые воплощения включают особую систему охлаждения, основанную на расширении уловленного углеродсодержащего газа, такого как диоксида углерода (CO₂), с чистотой приблизительно 80-100 об.%. В определенных воплощениях CO₂ может иметь чистоту по меньшей мере приблизительно 80, 85, 90, 95 или 100 об.%. В последующем обсуждении упоминания CO₂ следует понимать так, что он имеет степень чистоты, как указано выше, а не ограничиваясь 100% чистотой. Раскрытые воплощения могут включать систему улавливания углеродсодержащего газа, предназначенную для отделения углеродсодержащего газа (например, CO₂) от твердого, жидкого или газообразного вещества, содержащего углерод. Например, в систему улавливания углеродсодержащего газа может поступать вещество из различных прикладных областей, таких как система газификации, система, основанная на сжигании (например, паровой котел) или в основном из компонента электростанции с комбинированным циклом комплексной газификации (КЦКГ). При улавливании углеродсодержащего газа в раскрытых воплощениях расширяют уловленный углеродсодержащий газ для обеспечения охлаждения одного или более компонентов, тем самым увеличивая эффективность, например на электростанции с комбинированным циклом комплексной газификации (КЦКГ).

Особая система охлаждения может включать расширитель (например, адиабатический расширитель газа), предназначенный для обеспечения расширения (например, адиабатического расширения) уловленного углеродсодержащего газа (например, CO₂), чтобы снизить температуру уловленного углеродсодержащего газа, который затем циркулирует через один или более контуров охлаждения (например, трубопроводов) в компонентах, требующих охлаждения. Как очевидно, адиабатическое расширение представляет собой увеличение объема без теплообмена с окружающей средой. Таким образом, адиабатический расширитель включает адиабатический пограничный слой, который в основном является непроницаемым для теплопереноса, или снабженную изолятором стенку, которая по существу блокирует теплоперенос к адиабатическому пограничному слою. С внутренней стороны снабженной изолятором стенки адиабатический расширитель обеспечивает увеличение объема в направлении потока уловленного углеродсодержащего газа, тем самым понижая давление и температуру уловленного углеродсодержащего газа. Хотя адиабатический расширитель в идеальном случае не передает теплоту в окружающую среду, следует учитывать, что адиабатический расширитель может передавать некоторое количество теплоты в окружающую среду, так как изоляторы не обеспечивают полной теплоизоляции. Другими словами, расширитель может быть не полностью адиабатическим. В последующем обсуждении, при каком-либо упоминании расширителя, следует понимать, что он включает либо не теплоизолированный расширитель либо теплоизолированный расширитель, который может включать адиабатический расширитель или близкий к адиабатическому расширитель. Таким образом, как очевидно, расширитель может включать различные воплощения, предназначенные для снижения температуры уловленного углеродсодержащего газа (например, CO₂) вследствие увеличения объема (и таким образом, снижения давления) газа.

В конкретных воплощениях, обсуждаемых ниже, расширенный диоксид углерода можно использовать для охлаждения различных компонентов КЦКГ, таких как растворитель, используемый в системе удаления кислого газа (УКГ), растворитель, используемый в системе удаления серы, растворитель, используемый в системе удаления азота, растворитель, используемый в реакторе сдвига водяного газа, верхний погон дистилляционной колонны, газоочиститель, компрессор, газотурбинный двигатель или любые их сочетания. В определенных воплощениях расширенный диоксид углерода может быть первичным хладагентом, ответственным за охлаждение компонентов КЦКГ системы. В других воплощениях диоксид углерода используют в качестве вспомогательного или резервного охладителя, способного обеспечить охлаждение в случае отказа системы основного хладагента. В системах на основе растворителя использование побочного продукта - расширенного диоксида углерода - для охлаждения может снизить размер компонентов системы, поскольку низкая температура охлажденного диоксида углерода снижает скорость циркуляции растворителя, необходимую для достижения требуемого времени пребывания. Более того, использование уловленного диоксида углерода для охлаждения может устранить необходимость в использовании обычных охлаждающих компонентов, таких как конденсаторы и испарители, используемые в холодильных циклах. Таким образом, по сравнению с обычными холодильными циклами, особая система охлаждения относительно проста, требует меньше пространства для размещения и увеличивает общую эффективность КЦКГ посредством использования имеющегося источника углеродсодержащего газа.

На Фиг. 1 представлена блок-схема воплощения системы 100 с комбинированным циклом комплексной газификации (КЦКГ), с помощью которой можно получать и сжигать синтез-газ (сингаз). Как подробно обсуждается ниже, один или более компонентов КЦКГ можно охлаждать с помощью особой системы охлаждения, основанной на расширении уловленного углеродсодержащего газа. Компоненты системы 100 с КЦКГ могут включать источник 102 топлива, такой как твердое сырье, которое можно использовать как источник энергии для КЦКГ. Источник 102 топлива может включать уголь, нефтяной кокс, биомассу, древесные материалы, сельскохозяйственные отходы, дегти, газ коксовых печей и асфальт, или другие углеродсодержащие вещества.

Твердое топливо источника 102 топлива можно направлять в устройство 104 для предварительной обработки сырья. Устройство 104 для предварительной обработки сырья может обеспечивать, например, изменение размеров или изменение формы источника 102 топлива посредством рубки, размола, резания, тонкого измельчения, брикетирования или палетизации источника топлива для получения сырья. Кроме того, воду или другие подходящие 102 жидкости можно добавлять в источник 102 топлива в устройстве 104 для предварительной обработки сырья для получения сырья в виде суспензии. В других воплощениях жидкость не добавляют в источник топлива, таким образом получая на выходе сухое сырье.

Сырье можно направлять в газификатор 106 из устройства 104 для предварительной обработки сырья. Газификатор 106 может обеспечивать конверсию сырья в синтез-газ, например, сочетание моноксида углерода и водорода. Эту конверсию можно выполнять путем воздействия на сырье регулируемым количеством пара и кислорода при повышенном давлении, например, приблизительно от 2 МПа до 8,5 МПа (от 20 бар до 85 бар), и температуре, например, приблизительно от 700°С до 1600°С, в зависимости от типа используемого газификатора 106. Процесс газификации может включать выполнение пиролиза сырья, посредством которого сырье нагревают. Температура внутри газификатора 106 может составлять от приблизительно 150°С до 700°С в процессе пиролиза, в зависимости от источника 102 топлива, используемого для получения сырья. Нагрев сырья в ходе процесса пиролиза может приводить к образованию твердого вещества (например, полукокса) и остаточных газов (например, моноксида углерода, водорода и азота). Полукокс, оставшийся от сырья после процесса пиролиза, может составлять только приблизительно до 30% от массы исходного сырья.

Затем в газификаторе 106 можно осуществлять процесс сжигания. Сжигание может включать введение кислорода в полукокс и остаточные газы.

Полукокс и остаточные газы могут взаимодействовать с кислородом с образованием диоксида углерода и моноксида углерода, которые обеспечивают теплоту для последующих реакций газификации. Температура в ходе процесса сжигания может составлять от приблизительно 700°С до 1600°С. Затем в газификатор 106 можно вводить пар в ходе стадии газификации. Полукокс может взаимодействовать с диоксидом углерода и паром с образованием моноксида углерода при температуре от приблизительно 800°С до 1100°С. В сущности, в газификаторе используют пар и кислород, чтобы обеспечить "горение" некоторого количества сырья для получения моноксида углерода и выделения энергии, которая возбуждает вторую реакцию, обеспечивающую дополнительную конверсию сырья в водород и дополнительное количество диоксида углерода.

Таким образом газообразный продукт реакции производят в газификаторе 106. Этот газообразный продукт реакции может включать приблизительно 85% моноксида углерода и водорода в равных долях, а также СН₄, HCl, HF, COS, NH₃, HCN и H₂S (исходя из содержания серы в сырье). Этот газообразный продукт реакции можно назвать неочищенным синтез-газом, так как он содержит, например, Н₂S. В газификаторе 106 также могут образовываться отходы, такие как шлак 108, который может быть влажным зольным материалом. Этот шлак 108 можно удалять из газификатора 106 и утилизировать, например, в качестве дорожного основания или в качестве других строительных материалов. Для очистки неочищенного синтез-газа можно использовать газоочиститель 110. В одном из воплощений газоочиститель 110 может представлять собой реактор сдвига водяного газа. Газоочиститель 110 может обеспечивать мокрую очистку неочищенного синтез-газа с удалением HCl, HF, COS, HCN и H₂S из неочищенного синтез-газа, которая может включать отделение серы 111 в устройстве 112 для обработки серы, например с помощью процесса удаления кислого газа в устройстве 112 для обработки серы. Более того, газоочиститель 110 может обеспечивать отделение солей 113 от неочищенного синтез-газа с помощью устройства 114 для обработки воды, в котором можно использовать технологии очистки воды для получения пригодных для использования солей 113 из неочищенного синтез-газа. Соответственно, газ из газификатора 110 может включать очищенный синтез-газ, (например, сера 111 удалена из синтез-газа), со следовым количеством других химических соединений, например NН₃ (аммиака) и СН₄ (метана).

В некоторых воплощениях устройство для обработки газа можно использовать для дополнительного удаления остаточных газообразных компонентов, таких как аммиак и метан, а также метанола или любых остаточных химических соединений из очищенного синтез-газа. Однако удаление остаточных газообразных компонентов из очищенного синтез-газа является необязательным, так как очищенный синтез-газ можно использовать в качестве топлива, даже если он содержит остаточные газообразные компоненты, например, хвостовые газы. На этом этапе очищенный синтез-газ может включать приблизительно 3% СО, приблизительно 55% H₂ и приблизительно 40% СО₂ и быть по существу очищенным от H₂S.

В некоторых воплощениях система 116 улавливания углеродсодержащего газа может обеспечивать удаление и обработку углеродсодержащего газа (например, диоксида углерода, который имеет чистоту приблизительно 80-100 об.%), содержащегося в синтез-газе. Система 116 улавливания углеродсодержащего газа также может включать компрессор, очиститель, трубопровод для подачи СО₂ на изоляцию или повышение нефтеотдачи пластов, емкость для хранения СО₂ или любое их сочетание. Затем уловленный диоксид углерода транспортируют в расширитель 117 диоксида углерода, который обеспечивает увеличение объема диоксида углерода путем сброса давления на подходящую величину. Например, расширитель 117 диоксида углерода может обеспечить увеличение объема и снижение давления приблизительно в 2-4 раза, например, приблизительно в 2 раза. Расширитель 117 диоксида углерода может представлять собой любое походящее средство расширения, предназначенное для увеличения объема, снижения давления и снижения температуры уловленного углеродсодержащего газа (например, СО₂ с чистотой по меньшей мере 80 об.%). В некоторых воплощениях расширитель 117 диоксида углерода может представлять собой теплоизолированный расширитель (например, адиабатический расширитель или близкий к адиабатическому расширитель), не снабженный изоляцией расширитель, дроссельный клапан и т.п. Например, расширитель 117 диоксида углерода может представлять собой любое устройство, которое обеспечивает расширение объема углеродсодержащего газа в теплоизолированном корпусе, тем самым снижая температуру углеродсодержащего газа. Так как диоксид углерода находится при высоком давлении (например, приблизительно 13,8-20,7 МПа (2000-3000 фунтов на кв. дюйм)), когда он поступает в расширитель 117 диоксида углерода, объемное расширение приводит к снижению температуры диоксида углерода (например, приблизительно на 5-100°С или приблизительно на 20-30°С), таким образом обеспечивая возможность использования диоксида углерода в качестве подходящего охладителя системы. Соответственно, можно осуществлять циркуляцию охлажденного диоксида углерода (например, приблизительно 20-40°С или приблизительно 30°С) через систему для удовлетворения ее потребностей в охлаждении или расширять его посредством последующих стадий до более низкой температуры. Очищенный синтез-газ, из которого удалены содержащие серу компоненты и большая доля диоксида углерода, затем можно перемещать в камеру 120 сгорания, например, камеру сгорания газотурбинного двигателя 118, в качестве горючего топлива.

Система 100 с КЦКГ может дополнительно включать устройство 122 для разделения воздуха (УРВ). УРВ 122 может обеспечивать разделение воздуха на составляющие газы, например, с помощью технологий дистилляции. УРВ 122 может обеспечивать отделение кислорода от воздуха, поступающего в него от вспомогательного воздушного компрессора 123, и УРВ 122 может обеспечивать перенос отделенного кислорода в газификатор 106. Кроме того, УРВ 122 может обеспечивать перенос отделенного азота в компрессор 124 для разбавления азотом (PA).

РА компрессор 124 может обеспечивать сжатие азота, получаемого из УРВ 122, по меньшей мере до уровня давления, равного уровню давления в камере 120 сгорания, чтобы не препятствовать надлежащему сжиганию синтез-газа. Таким образом, когда РА компрессор 124 содержит соответствующим образом сжатый азот до необходимого уровня, РА компрессор 124 может обеспечивать перенос сжатого азота в камеру 120 сгорания газотурбинного двигателя 118. Азот можно использовать в качестве разбавителя, например, чтобы способствовать контролю выбросов.

Как описано ранее, сжатый азот можно транспортировать из РА компрессора 124 в камеру 120 сгорания газотурбинного двигателя 118. Газотурбинный двигатель 118 может включать турбину 130, приводной вал 131 и компрессор 132, а также камеру 120 сгорания. В камеру 120 сгорания может поступать топливо, такое как синтез-газ, который можно подавать под давлением из топливных форсунок. Это топливо можно смешивать с сжатым воздухом, а также сжатым азотом из РА компрессора 124, и сжигать внутри камеры 120 сгорания. Такое сжигание может приводить к образованию горячих отходящих газов под давлением.

Камера 120 сгорания может обеспечивать подачу отходящих газов к выходному отверстию турбины 130. Так как отходящие газы из камеры 120 сгорания проходят через турбину 130, отходящие газы вызывают вращение лопастей в турбине 130, что приводит к вращению приводного вала 131 вдоль оси газотурбинного двигателя 118. Как показано на чертежах, приводной вал 131 соединен с различными компонентами газотурбинного двигателя 118, включая компрессор 132.

Приводной вал 131 может соединять турбину 130 с компрессором 132, формируя ротор. Компрессор 132 может включать лопасти, присоединенные к приводному валу 131. Таким образом, вращения лопастей турбины в турбине 130 может вызывать вращение лопастей в компрессоре 132 посредством приводного вала 131, соединяющего турбину 130 с компрессором 132. Это вращение лопастей в компрессоре 132 вызывает сжатие компрессором 132 воздуха, поступающего через воздухозаборник компрессора 132. Затем сжатый воздух можно подавать в камеру 120 сгорания и смешивать с топливом и сжатым азотом, чтобы обеспечить повышенную эффективность сжигания. Приводной вал 131 также может быть соединен с нагрузкой 134, которая может быть стационарной нагрузкой, такой как электрический генератор для выработки электроэнергии, например, на электростанции. В действительности, нагрузка 134 может быть любым подходящим устройством, питание которого обеспечивает выходная мощность вращения газотурбинного двигателя 118.

Система 100 с КЦКГ также может включать паротурбинный двигатель 136 и систему 138 парогенератора-рекуператора (ПГР). Паротурбинный двигатель 136 может возбуждать вторую нагрузку 140. Вторая нагрузка 140 также может представлять собой электрогенератор для выработки электроэнергии. Однако, как первая, так и вторая нагрузки 134, 140 могут представлять собой другие типы нагрузок, которые могут приводиться в действие газотурбинным двигателем 118 и паротурбинным двигателем 136. Кроме того, хотя газотурбинный двигатель 118 и паротурбинный двигатель 136 могут приводить в действие отдельные нагрузки 134 и 140, как показано в представленном воплощении, газотурбинный двигатель 118 и паротурбинный двигатель 136 можно также использовать последовательно для возбуждения одной нагрузки посредством одного вала. Конкретная конфигурация паротурбинного двигателя 136, так же как и газотурбинного двигателя 118, может определяться конкретной реализацией и может включать любое сочетание секций.

Система 100 также может включать ПГР 138. Нагретый отходящий газ из газотурбинного двигателя 118 можно направлять в ПГР 138 и использовать для нагревания воды и выработки пара, используемого для питания паротурбинного двигателя 136. Отработанные газы, например, из секции низкого давления паротурбинного двигателя 136 можно направлять в конденсатор 142. При эксплуатации конденсатора 142 можно использовать башенный охладитель 128 для замены нагретой воды на охлажденную воду. Башенный охладитель 128 обеспечивает холодную воду для конденсатора 142, чтобы способствовать конденсации пара, перемещаемого в конденсатор 142 из паротурбинного двигателя 136. Конденсат из конденсатора 142, в свою очередь, можно также направлять в ПГР 138. Отработанные газы из газотурбинного двигателя 118 можно также направлять в ПГР 138 для нагревания воды из конденсатора 142 и выработки пара.

В системах объединенного цикла, таких как система 100 с КЦКГ, горячие отработанные газы могут выходить из газотурбинного двигателя 118 и поступать в ПГР 138, где их можно использовать для выработки высокотемпературного пара высокого давления. Пар, полученный с помощью ПГР 138 затем можно пропускать через паротурбинный двигатель 136 для выработки энергии. Кроме того, полученный пар также можно подавать в любые другие процессы, где можно использовать пар, например, в газификатор 106. Рабочий цикл газотурбинного двигателя 118 часто называют "восходящим циклом", тогда как рабочий цикл паротурбинного двигателя 136 часто называют "нисходящим циклом". При объединении этих двух циклов, как показано на Фиг.1, система 100 с КЦКГ может приводит к большей эффективности обоих циклов. В частности, отработанное тепло восходящего цикла можно улавливать и использовать для выработки пара для использования в нисходящем цикле.

На Фиг.2 представлена блок-схема воплощения системы газификации или процесса 150, как представлено на Фиг.1, включающая особую систему охлаждения, основанную на расширении уловленного углеродсодержащего газа. Процесс 150 газификации включает устройство 152 для разделения воздуха, устройство 154 для предварительной обработки углеродсодержащего сырья, газификатор 106, систему 156 удаления частиц, охлаждения и сдвига, систему 158 удаления кислого газа (УКГ), систему 164 сжатия и очистки диоксида углерода и особую систему охлаждения или контур 163. Как обсуждают далее более подробно, система охлаждения или контур 163 включает расширитель 117 диоксида углерода, и также может включать систему 164 сжатия/очистки (например, компрессор) и/или трубопровод 166 в качестве источника сжатого углеродсодержащего газа (например, CO₂). В ходе работы расширитель 117 вызывает объемное расширение и падение давления углеродсодержащего газа, что в свою очередь вызывает существенное охлаждение углеродсодержащего газа, впоследствии используемого в качестве охладителя в системы 158 УКГ. Таким образом, система 163 охлаждения обеспечивает циркуляцию углеродсодержащего газа по одному или более трубопроводам, контурам и/или теплообменникам в качестве охладителя, тем самым обеспечивая охлаждения оборудования системы 150.

Как представлено, в газификатор 106 поступают запасы воздуха и углеродсодержащего сырья из устройств 152 и 154. Например, устройство 154 для предварительной обработки углеродсодержащего сырья может обеспечивать измельчение и смешивание углеродсодержащего сырья (например, угля, нефти, биомассы, биотоплива) с жидкостью (например, водой) или газом, и передачу подготовленного сырья в газификатор 106. В некоторых воплощениях устройство 154 может включать позиметрический (posimetric) насос для дозирования и подачи под давлением подготовленного сырья в газификатор. УРВ 152 процесса 150 газификации можно использовать для разделения воздуха на составляющие газы. Например, технологии дистилляции, которые могут быть криогенными или в них могут использовать короткоцикловую адсорбцию (КЦА), можно применять в УРВ 152. УРВ 152 может обеспечивать отделение кислорода от воздуха, подаваемого в это устройство, и может обеспечивать транспортировку отделенного кислорода в газификатор 106, как описано выше. Кроме того, УРВ 152 может обеспечивать отделение таких газов, как азот, для сбора или использования ниже по потоку при выработке энергии. В свою очередь, газификатор 106 обеспечивает преобразование углеродсодержащего сырья в неочищенный синтез-газ (например, содержащий серу синтез-газ).

В газификаторе 106 используют кислород и сырье из устройств 152 и 154 для получения синтез-газа посредством процесса сжигания. Например, газификатор 106 может быть сконструирован для обеспечения взаимодействия полукокса и остаточных газов с кислородом с образованием диоксида углерода и моноксида углерода. Температура в ходе процесса сжигания может составлять от приблизительно 700°С до приблизительно 1600°С. В некоторых воплощениях в газификатор 106 можно вводить пар, тем самым вызывая реакцию между полукоксом, диоксидом углерода и паром с образованием моноксида углерода и водорода при температуре от приблизительно 800°С до 1100°С. В сущности, в газификаторе 106 используют пар и кислород, чтобы обеспечить возможность сжигания некоторого количества углеродсодержащего сырья из устройства 154 для предварительной обработки углеродсодержащего сырья с образованием диоксида углерода и выработки энергии, таким образом возбуждая основную реакцию, которая позволяет дополнительно преобразовывать углеродсодержащее сырье в водород и дополнительное количество моноксида углерода. Таким способом получают с помощью газификатора 106 суммарное количество неочищенного синтез-газа. Следует отметить, что сырой синтез-газ может включать приблизительно 85% моноксида углерода и водорода, а также СН₄, HCl, HF, NН₃, HCN, COS и H₂S (исходя из содержания серы в углеродсодержащем сырье).

Затем из процесса 150 газификации неочищенный синтез-газ транспортируют в систему 156 удаления частиц, охлаждения и сдвига. Как очевидно, в газификаторе 106 могут образовываться нежелательные отходы, такие как шлак или влажная зола. Таким образом, система 156 может обеспечивать фильтрование и отброс нежелательных побочных продуктов газификации. В определенных воплощениях эти побочные продукты можно утилизировать в качестве дорожного основания или других строительных материалов. Кроме того, система 156 может включать реактор сдвига водяного газа (РВГ), предназначенный для осуществления реакции РВГ, при которой моноксид углерода вступает в реакцию с водой (например, паром) с образованием диоксида углерода и водорода. Реакцию РВГ можно выполнять для изменения отношения водорода к моноксиду углерода в сыром синтез-газе от приблизительно 1 к 1 до приблизительно 3 к 1, для надлежащего метанирования. Впоследствии, можно выполнять реакцию метанирования для конверсии СО и Н₂ в синтез-газе до СН₄ и H₂O, т.е. метана (например, СПГ) и воды.

Из системы 156 неочищенный синтез-газ направляют в систему 158 УКГ для получения очищенного синтез-газа 160 посредством удаления диоксида углерода 161 и кислого газа 162. Например, в системе 158 УКГ можно использовать реакции для отделения кислого газа 162 (например, сульфида водорода [H₂S]) и диоксида углерода 161 (CO₂) из неочищенного синтез-газа, тем самым получая на выходе очищенный синтез-газ 160 (например, синтез-таз без серы и диоксида углерода). В определенных воплощениях в системе 158 УКГ можно использовать процесс с переменной температурой для отделения кислого газа 162 от целевого синтез-газа. Например, процесс с переменной температурой может включать стадию адсорбции, посредством которой осуществляют адсорбцию H₂S, и затем стадию термической регенерации с использованием воздуха или обогащенного кислородом воздуха. Этот процесс с переменной температурой (т.е. очистка теплого газа) может включать смешивание синтез-газа с псевдоожиженной средой, такой как оксид цинка (ZnO), для получения сульфида цинка (ZnS) на стадии адсорбции. На стадии регенерации сульфид цинка можно смешивать с кислородом (O₂) при нагревании для получения диоксида серы (SO₂), который транспортируют в другие компоненты системы для удаления и утилизации серы.

Затем, из системы 158 УКГ очищенный синтез-газ 160 направляют в газовую турбину, паровой котел, трубопровод, емкость для хранения, компонент КЦКГ или на другое подходящее применение. Из системы 158 УКГ также направляют кислый газ 162 в одну или более дополнительные системы обработки, такую как устройство для извлечения серы. В представленном воплощении из системы 158 УКГ также направляют диоксид углерода 161 в подходящую систему 116 улавливания углеродсодержащих газов, которая может включать систему 164 сжатия и очистки СО₂, трубопровод 166, устройство для хранения или другое устройство, которое не допускает потерь углерода. Например, система 164 может обеспечивать обезвоживание и сжатие СO₂ для хранения и последующего использования. В представленном воплощении из системы 164 СO₂ направляют в трубопровод 166, через который СO₂ транспортируют для связывания углерода, например, при повышении нефтеотдачи пласта (ПНП) или в засоленном водоносном горизонте.

В представленном воплощении процесс 150 включает особую систему охлаждения или контур 163, который включает расширитель 117 диоксида углерода и систему 164 сжатия/очистки (например, компрессор). Например, контур 163 может включать поток 165 сжатого диоксида углерода непосредственно из системы 164 сжатия/очистки и/или поток 167 сжатого диоксида углерода из трубопровода 166. В другом примере сжатый диоксид углерода может быть получен из других источников или процессов в системе 100 с КЦКГ. Независимо от источника, диоксид углерода находится в существенно сжатом состоянии и может подвергаться расширению в расширителе 117 диоксида углерода, тем самым обеспечивая источник охлаждения.

Высокое дав