CN1891619A - 合成气体涡轮机 - Google Patents

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CN1891619A CNA2006101031248A CN200610103124A CN1891619A CN 1891619 A CN1891619 A CN 1891619A CN A2006101031248 A CNA2006101031248 A CN A2006101031248A CN 200610103124 A CN200610103124 A CN 200610103124A CN 1891619 A CN1891619 A CN 1891619A
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Abstract

一种合成气体涡轮机(10)具有：一个使碳氢化合物燃料(14)与氧化剂(16)和蒸汽(18)中的至少一种在高温高压下发生反应而产生一种富含一氧化碳和氢气的合成气体(20)的燃烧室(12)；和一个与上述燃烧室(12)流体连通用于使上述合成气体(20)做功并使上述合成气体(20)急冷的涡轮膨胀器(22)。

Description

合成气体涡轮机
技术领域
本发明总体涉及生产合成气体，更具体地说，涉及将合成气体涡轮机并入合成气体产生系统。
发明技术
当前，世界上建立了许多综合性工业生产厂来生产用于各种用途的合成气体，所述的用途包括将天然气转变成有用的液态燃料。产生富氢的气体以及其他工艺过程。这些综合性工厂所面临的一个问题是建设这些工厂所需的基本建设费用问题。另外，大部分这类工厂都包含多个彼此独立发展的化学工艺流程阶段，这就导致各阶段之间存在不良的热力和实际的结合。
将天然气转变成液态燃料的转换效率是另一个重要的技术和经济驱动力。技术上要求合成气体在其生产装置的出口处要降低温度然后再进行下一步处理。这种温度降低(称为急冷)提供了回收热能来提高总的转换效率的机会。
因此，需要从上述的急冷过程中尽可能有效地回收可用的热量，需要通过创新的方法和改进集成性从降低系统的复杂性来改进气体的合成工艺过程。降低系统的复杂性将显著减少建设这些工厂所需的基本建设费用。
发明概述
一种合成气体涡轮机具有：一个使碳氢化合物燃料与氧化剂和蒸汽中的至少一种在高温高压下发生反应而产生一种富含一氧化碳和氢气的合成气体的燃烧室，和一个与上述燃烧室成流体连通自上述合成气体提取功并使上述合成气体急冷的涡轮膨胀器。
附图简述
参考附图阅读了下面的详细说明之后将会更加明白本发明的上述的和其他的特点、方面和优点，在所有附图中，相同的标号代表相同的零部件，附图中：
图1是本发明的一个实施例的简单示意图；
图2是一种典型的将气体转变成液体的系统的示意图；
图3是本发明的另一个实施例的简单示意图；
图4是本发明的再一个实施例的简单示意图；
图5是本发明的又一个实施例的简单示意图；
图6是本发明的又一个实施例的简单示意图；
图7是本发明的又一个实施例的简单示意图；
图8是本发明的又一个实施例的简单示意图；
图9是本发明的又一个实施例的简单示意图；
图9a是图9中的燃烧室的剖视图；
图10是本发明的又一个实施例的简单示意图；
图10a是图9中的燃烧室的剖视图；和
图11是本发明的又一个实施例的简单示意图。
本发明的详细说明
如图1所示，合成气体涡轮机10具有一个使一种碳氢化合物燃料14(例如天然气)与氧化剂16(例如氧气)和蒸汽18中的至少一种在高温高压下发生反应而产生一种富含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气体20的燃烧室12。合成气体涡轮机10还具有一个与上述燃烧室12流体连通用于使合成气体20做功24并使合成气体20急冷而成为冷却的合成气体26的涡轮膨胀器22。在一个实施例中，上述的涡轮膨胀器22是一种多级的轴流式涡轮，在另一个实施例中，上述涡轮膨胀器22或燃烧室12用蒸汽或用氮气来冷却。
普通的合成气体生产工艺已有广泛的用途。有一种要求产生合成气体的工艺是将气体转变成液体(GTL)的工艺。世界是大部分的天然气储藏量都离大的市场太远以致难以用管道来输送。一种正在研究的工艺就是上述的GTL工艺，按照这种工艺，将天然气变换成一种液态的碳氢化合物例如液态柴油。燃料一旦变换成液体，就容易贮存和输送了。
如图2所示，普通的GTL系统50包含一个空气分离装置52、一个气体处理装置54、一个气体合成装置56、一个Fischer-Tropsh合成处理装置58和一个裂解装置60。
上述的空气分离装置52将空气分离成氮气(N2)、氧气(O2)和其他气体，气体处理装置54通过过滤并降低杂质(例如硫)的含量制备出用于在气体合成装置56中转换用的原料天然气。来自空气分离装置52的氧气和来自气体处理装置54的天然气都通入气体合成装置56中，在这里，上述的氧气与天然气在富燃料条件下发生反应而产生氢气(H2)和一氧化碳(CO)。
接着，将上述氢气和一氧化碳通入Fischer-Tropsh合成处理装置58中，通过催化剂而复合成长链液态碳氢化合物。最后，该液态的碳氢化物在裂解装置60内转变并分馏成各种制品，这些制品可以直接使用，容易输送，并容易混合而成各种产品例如合成的柴油燃料、合成的煤油、乙醇、二甲醚、石脑油或它们的复合物或衍生物。
如上所述，现有的普通GTL系统的问题是设备复杂、效率低，并且有很多沉积的痕迹。而本发明的下列实施例所讨论的GTL系统具有如下优点：合成气体生产工艺的总的复杂性较低，这些过程的工作效率有所提高，合成气体生产系统尤其是GTL系统的总体沉积残留物简单得多且少得多。本发明的这些改进使合成气体工艺尤其是GTL工艺更具有吸引力。
如图3所示，合成气体涡轮机10具有一个可使一种碳氢化合物燃料(例如天然气)14与氧化剂(例如氧气)16和蒸汽18中的至少一种在高温高压下发生反应而产生一种富含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气体20的燃烧室12。上述的合成气体涡轮机10还具有一个与燃烧室12流体连通用于使上述合成气体做功24并使合成气体20急冷而成冷却的合成气体26的涡轮膨胀器22。如上所述，与合成气体相关的一条技术要求是，所产生的合成气体在进一步处理之前必须降温，例如从大约2000降至约500。在现有的普通技术中，合成的气体是通过使水沸腾而产生蒸汽的锅炉中去除热量而得以急冷的。而且也可将水或蒸汽通入合成气体流中来降低温度。普通的合成气体发生器具有较长的滞留时间，且其产品含有固体碳。为了去掉这些固体碳，便先将合成气体通入水中作泡状通过后再进行下一步处理。但是，在本发明的合成气体涡轮机10中，合成气体的出口温度是取决于入口温度、涡轮压力比、涡轮的效率和采用的冷却或者说淡化的方法，因此就可形成高效而可行的急冷工艺。另外，由于其滞留时间短，而使产生的固体碳减至最少。
在一个实施例中，涡轮膨胀器22与一个空气压缩器28相连接。由涡轮膨胀器22发出的功24通过例如轴29机械传输到空气压缩器28。该空气压缩器28对通过入口30流入的空气加以压缩，并将压缩过的空气通过出口32输送出去。该压缩空气可以以各种方式加以利用，包括作为一种送进产生供入燃烧室12的氧化剂16的空气分离装置(未示出)中的供给气流。如图3所示，供给燃烧室12的进入气流(14，16，18)还可包括一种回收的尾气34，该尾气34含有从下游气源回收来的含有燃料的气体，一般来说(虽然不一定)，在GTL工艺中，上述尾气是来自Fischer-Tropsh合成处理装置的气相产物。十分大的Fischer-Tropsh装置可以耗尽全部反应物质，但是，实际的系统中反应器的尺寸有限，因此，通常有一部分反应物质可供回收。
参看图4，合成气体涡轮机10具有一个可使碳氢化合物燃料14与氧化剂16和蒸汽18中的至少一种在高温高压下发生反应而产生一种富含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气体20的燃烧室12，上述涡轮机10还具有一个与上述燃烧室12流体连通用于使合成气体20做功24并使合成气体20急冷的涡轮膨胀器22。在一个实施例中，上述涡轮膨胀器22通常通过轴40与一个发电机36相连接。涡轮膨胀器22发出的功24通过轴40机械传递到发电机36，该发电机36将通过轴40传来的机械能转换成电能42，该电能42可以以各种方式加以利用。如图4所示，供入燃烧室12的进入气流中可包括回收的尾气34，该尾气34含有从下游气源中回收的含有燃料的气体。
如图5所示，合成气体涡轮机10具有一个可使碳氢化合物燃料14与氧化剂16和蒸汽18中的至少一种在高温高压下进行反应而产生一种富含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气体20的燃烧室12，上述涡轮机10还具有一个与上述燃烧室12流体连通用于使合成气体20做出功24并使合成气体20急冷的涡轮膨胀器22。在一个实施例中，上述涡轮膨胀器22通常通过轴40与发电机36相连接，并通过轴29与空气压缩器28相连接。涡轮膨胀器22发出的功24通过轴40机械传输给发电机36，并通过轴29机械传递给空气压缩器28。发电机36将通过轴40传来的机械能转换成电能42，该电能42可以以各种方式加以利用。空气压缩器28将通过入口30流入的空气流加以压缩，并通过出口32将其传送出去。该压缩空气可以以各种方式加以利用，其中包括作为供入空气分离器(未示出)的空气流以产生供给燃烧室12的氧化剂16。涡轮膨胀器22发出的功24可专用于轴29或专用于轴40，或者，也可将其均分给轴29和轴40。在一个实施例中，轴29和轴40结合成为单一的轴，由该轴将涡轮膨胀器22发出的功24同时机械传递给空气压缩器28和发电机36。
参看图6，一种GTL系统100具有一个空气分离器102、一个气体处理装置104、一个燃烧室106、一个Fischer-Tropsh合成处理装置108、一个裂解装置110、和一个涡轮膨胀器112。
上述的空气分离装置102将空气分离成氮气(N2)、氧气(O2)和其他气体，气体处理装置104准备好用于在燃烧室106中转换用的天然气。来自空气分离器102的氧气和来自气体处理装置104的天然气被送入燃烧室106内，在这里，天然气与氧气在高温高压下发生反应产生富含CO和H2的合成气体111。该合成气体111被导入与燃烧室106流体连通用于使合成气体做功114并使合成气体急冷而成为冷却的合成气体116的涡轮膨胀器112。
接着，将富含氢气和一氧化碳的冷却的合成气体116引入Fischer-Tropsh合成处理装置106内，在这里，氢气和一氧化碳通过催化剂复合而成长链液态碳氢化合物。最后，该液态的碳氢化合物在裂解装置110中转变并分馏出各种制品，这些制品可直接应用，容易运输，并可用于制成各种产品例如合成柴油、合成煤油、乙醇、二甲醚、石脑油以及它们的复合物或衍生物。
在一个实施例中，涡轮膨胀器112通常通过轴120与发电机118相连接，涡轮膨胀器112发出的功114通过轴120机械传递到发电机118，该发电机118将通过轴120传来的机械能转换成电能122。该电能122可以以各种方式加以应用。在一个实施例中，涡轮膨胀器112是一种多级的轴流式涡轮。在另一个实施例中，涡轮膨胀器112或燃烧室106采用蒸汽或采用氮气来冷却。在又一个实施例中，涡轮膨胀器112或燃烧室106采用空气分离装置102产生的氮气(N2)来冷却。送入燃烧室106的进入气流还可包括一种回收尾气138，该回收尾气含有从下游气源回收的含有燃料的气体。一般说来(虽然不一定)，上述尾气138是来自Fischer-Tropsh合成处理装置的气相产物。
图7示出的一种GTL系统与结合图6所讨论的GTL系统相同，但它还具有一个与涡轮膨胀器112相连接的空气压缩器128。涡轮膨胀器112发出的功134通过例如轴136机械传输到空气压缩器128，该空气压缩器128压缩通过入口130流入的空气，并将压缩空气通过出口132输送出去。该压缩空气可以以各种方式加以利用，包括作为供入空气分离装置102以便产生送入燃烧室106的氧化剂的气流。供给燃烧室106的进入气流中还可包含一种回收的尾气138，该尾气138含有从下游气源回收的含有燃料的气体。一般说来(虽然不一定)，上述尾气138是来自Fischer-Tropsh合成处理装置的气相产物。
按照本发明的另一个实施例，图8～11示出一系列直接连接式合成气体涡轮机，该涡轮机可代入上面参考图1～7所述的每种系统。正如下面所述，这些直接连接式合成气体涡轮机的结构可以使在产生合成气体的工艺设备例如GTL的设备中的物理沉积残留物少得多，直接连接式合成气体涡轮机的结构较简单，所需要的管道、冷却件、连接件及零部件间的密封件较少，从而降低了系统的总的复杂性，由于燃烧室与涡轮之间靠得很近，所以它们之间的压力降显著减小，从而提高了总的工作效率。
如图8所示，直接连接式合成气体涡轮机200具有一个可使碳氢化合物燃料14与氧化剂16和蒸汽18之中的至少一种在高温高压下发生反应而产生富含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气体20的燃烧室212，合成气体涡轮机200还具有一个与燃烧室212直接连接并与燃烧室212流体连通用于使合成气体做功24并使合成气体20急冷而成为冷却的合成气体26的涡轮膨胀器222。
如图9所示，直接连接式合成气体涡轮机300具有一个可使碳氢化合物燃料14与氧化剂16和蒸汽18中的至少一种在高温高压下发生反应而产生富含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气体20的筒管式环形燃烧室312，该涡轮机300还具有一个与筒管式环形燃烧室312直接连接且与筒管式环形燃烧室312流体连通用于使合成气体20做功24并使合成气体20急冷而成冷却的合成气体26的涡轮膨胀器322。
如图10所示，直接连接式合成气体涡轮机400具有一个可使碳氢化合物燃料14与氧化剂16和蒸汽18中的至少一种在高温高压下发生反应而产生合成气体20的筒管式环形燃烧室412，该涡轮机400还具有一个与上述的筒管式环形燃烧室412流体连通使合成气体20做功24使合成气体20急冷而成冷却的合成气体26的涡轮膨胀器422。过渡段450的第一端452与上述筒管式环形燃烧室412直接连接，而其另一端454则与上述的涡轮膨胀器422直接连接。
如图11所示，直接连接式合成气体涡轮机500具有一个可使碳氢化合物燃料14与氧化剂16和蒸汽18中的至少一种在高温高压下发生反应而产生富含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气体20的燃烧室512，该涡轮机500还具有一个与燃烧室512流体连通用于使合成气体20做功24并使合成气体20急冷而成冷却的合成气体26的涡轮膨胀器522。过渡段550的第一端552与燃烧室512直接连接，而其另一端554则与涡轮膨胀器522直接连接。
虽然上面示出和说明了本发明的某些特征，但是熟悉本技术的人们将可作许多的改型和改变。因此，要明白的是，所附的权利要求书应包括所有的符合本发明精神的修改和变更。
                 零部件标号和名称一览表
10  合成气体涡轮机
12  燃烧室
14  碳氢化合物燃料
16  氧化剂
18  蒸汽
20  合成气体
22  涡轮膨胀器
24  功
26  冷却的合成气体
28  空气压缩器
29  轴
30  入口
32  出口
34  回收的尾气
36  发电机
40  轴
42  电
50  GTL系统
52  空气分离装置
54  气体处理装置
56  气体合成装置
58  Fischer-Tropsh(费-托)合成处理装置
60  裂解装置
100 GTL系统
102 空气分离装置
104 气体处理装置
106 燃烧室
108 Fischer-Tropsh(费-托)合成处理装置
110 裂解装置
111 合成气体
112 涡轮膨胀器
114 功
116 冷却的合成气体
118 发电机
120 轴
128 空气压缩器
134 功
136 轴
138 尾气
200 直接连接式合成气体涡轮机
212 燃烧室
222 涡轮膨胀器
300 直接连接式合成气体涡轮机
312 筒管式环形燃烧室
322 涡轮膨胀器
400 直接连接式合成气体涡轮机
412 筒管式环形燃烧室
422 涡轮膨胀器
450 过渡段
452 第一端
454 另一端
500 直接连接式合成气体涡轮机
512 燃烧室
522 涡轮膨胀器
550 过渡段
552 第一端
554 另一端

Claims (10)

1.一种合成气体涡轮机，具有：
一个可使碳氢化合物燃料(14)与氧化剂(16)和蒸汽(18)中的至少一种在高温高压下发生反应而产生富含一氧化碳和氢气的合成气体(20)的燃烧室(12)；和
一个与上述燃烧室成流体连通用于自上述合成气体(20)提取功并使上述合成气体(20)急冷的涡轮膨胀器(22)。
2.根据权利要求1的合成气体涡轮机(10)，其特征在于，上述的涡轮膨胀器(22)是一种多级轴流式涡轮。
3.根据权利要求1的合成气体涡轮机(10)，其特征在于，自上述的涡轮膨胀器(22)提取的上述的功用于发电或用于激励系统的部件中的至少一种。
4.一种将气体变成液体的系统(100)，它具有：
一个用于从空气中分离出氧气的空气分离装置(102)；
一个用于制备供燃烧室(106)内转换用的天然气的气体处理装置(104)。
一个用于使上述氧气与上述天然气在高温高压下发生反应而产生富含一氧化碳和氢气的合成气体(111)的燃烧室(106)；
一个与上述燃烧室(106)成流体连通使上述合成气体(111)做功并使上述合成气体(111)急冷的涡轮膨胀器(112)；
一个用于接收上述急冷的合成气体(116)并使该急冷的合成气体(116)通过催化作用转变成一种长链碳氢化合物液体的Fischer-Tropsh处理装置(108)；和
一个用于将上述的长链碳氢化合物液体分馏成至少一种有用产品的裂解装置(110)。
5.根据权利要求4的使气体转变成液体的系统(100)，其特征在于，上述的至少一种有用产品是合成的柴油燃料。
6.根据权利要求4的使气体转变成液体的系统(100)，其特征在于，上述的至少一种有用产品是选自由合成煤油、乙醇、二甲醚、石脑油及其组合物组成的组群。
7.根据权利要求4的使气体转变成液体的系统(100)，其特征在于，自上述涡轮膨胀器(112)提取的上述的功应用于上述的空气分离装置(102)。
8.根据权利要求4的使气体转变为液体的系统(100)，其特征在于，还具有一个与上述涡轮膨胀器(112)成机械连接用于将自该膨胀器(112)提取的功转换成电能的发电机(118)。
9.一种生产合成气体的方法，包含如下步骤：
将氧化剂和碳氢化合物燃料引入燃烧室；
使上述氧化剂与上述碳氢化合物燃料在高温高压下发生反应而产生富含一氧化碳和氢气的合成气体；和
使上述合成气体流过涡轮膨胀器以自该合成气体提取功并使该合成气体急冷。
10.一种紧耦合合成气体涡轮机(200)，具有：
一个用于使碳氢化合物燃料跟氧化剂和蒸汽中的至少一种在高温高压下发生反应而产生一种富含一氧化碳和氢气的合成气体的燃烧室(212)；和
一个与上述燃烧室(212)直接连接用于自上述合成气体提取功并使上述合成气体急冷的涡轮膨胀器(222)。
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