合成氣體渦輪機的製作方法

2023-05-04 23:01:46 1

專利名稱：合成氣體渦輪機的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及生產合成氣體，更具體地說，涉及將合成氣體渦輪機併入合成氣體產生系統。
發明技術當前，世界上建立了許多綜合性工業生產廠來生產用於各種用途的合成氣體，所述的用途包括將天然氣轉變成有用的液態燃料。產生富氫的氣體以及其他工藝過程。這些綜合性工廠所面臨的一個問題是建設這些工廠所需的基本建設費用問題。另外，大部分這類工廠都包含多個彼此獨立發展的化學工藝流程階段，這就導致各階段之間存在不良的熱力和實際的結合。
將天然氣轉變成液態燃料的轉換效率是另一個重要的技術和經濟驅動力。技術上要求合成氣體在其生產裝置的出口處要降低溫度然後再進行下一步處理。這種溫度降低(稱為急冷)提供了回收熱能來提高總的轉換效率的機會。
因此，需要從上述的急冷過程中儘可能有效地回收可用的熱量，需要通過創新的方法和改進集成性從降低系統的複雜性來改進氣體的合成工藝過程。降低系統的複雜性將顯著減少建設這些工廠所需的基本建設費用。
發明概述一種合成氣體渦輪機具有一個使碳氫化合物燃料與氧化劑和蒸汽中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生一種富含一氧化碳和氫氣的合成氣體的燃燒室，和一個與上述燃燒室成流體連通自上述合成氣體提取功並使上述合成氣體急冷的渦輪膨脹器。
附圖簡述參考附圖閱讀了下面的詳細說明之後將會更加明白本發明的上述的和其他的特點、方面和優點，在所有附圖中，相同的標號代表相同的零部件，附圖中

圖1是本發明的一個實施例的簡單示意圖；圖2是一種典型的將氣體轉變成液體的系統的示意圖；
圖3是本發明的另一個實施例的簡單示意圖；圖4是本發明的再一個實施例的簡單示意圖；圖5是本發明的又一個實施例的簡單示意圖；圖6是本發明的又一個實施例的簡單示意圖；圖7是本發明的又一個實施例的簡單示意圖；圖8是本發明的又一個實施例的簡單示意圖；圖9是本發明的又一個實施例的簡單示意圖；圖9a是圖9中的燃燒室的剖視圖；圖10是本發明的又一個實施例的簡單示意圖；圖10a是圖9中的燃燒室的剖視圖；和圖11是本發明的又一個實施例的簡單示意圖。
本發明的詳細說明如圖1所示，合成氣體渦輪機10具有一個使一種碳氫化合物燃料14(例如天然氣)與氧化劑16(例如氧氣)和蒸汽18中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生一種富含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣體20的燃燒室12。合成氣體渦輪機10還具有一個與上述燃燒室12流體連通用於使合成氣體20做功24並使合成氣體20急冷而成為冷卻的合成氣體26的渦輪膨脹器22。在一個實施例中，上述的渦輪膨脹器22是一種多級的軸流式渦輪，在另一個實施例中，上述渦輪膨脹器22或燃燒室12用蒸汽或用氮氣來冷卻。
普通的合成氣體生產工藝已有廣泛的用途。有一種要求產生合成氣體的工藝是將氣體轉變成液體(GTL)的工藝。世界是大部分的天然氣儲藏量都離大的市場太遠以致難以用管道來輸送。一種正在研究的工藝就是上述的GTL工藝，按照這種工藝，將天然氣變換成一種液態的碳氫化合物例如液態柴油。燃料一旦變換成液體，就容易貯存和輸送了。
如圖2所示，普通的GTL系統50包含一個空氣分離裝置52、一個氣體處理裝置54、一個氣體合成裝置56、一個Fischer-Tropsh合成處理裝置58和一個裂解裝置60。
上述的空氣分離裝置52將空氣分離成氮氣(N2)、氧氣(O2)和其他氣體，氣體處理裝置54通過過濾並降低雜質(例如硫)的含量製備出用於在氣體合成裝置56中轉換用的原料天然氣。來自空氣分離裝置52的氧氣和來自氣體處理裝置54的天然氣都通入氣體合成裝置56中，在這裡，上述的氧氣與天然氣在富燃料條件下發生反應而產生氫氣(H2)和一氧化碳(CO)。
接著，將上述氫氣和一氧化碳通入Fischer-Tropsh合成處理裝置58中，通過催化劑而複合成長鏈液態碳氫化合物。最後，該液態的碳氫化物在裂解裝置60內轉變並分餾成各種製品，這些製品可以直接使用，容易輸送，並容易混合而成各種產品例如合成的柴油燃料、合成的煤油、乙醇、二甲醚、石腦油或它們的複合物或衍生物。
如上所述，現有的普通GTL系統的問題是設備複雜、效率低，並且有很多沉積的痕跡。而本發明的下列實施例所討論的GTL系統具有如下優點合成氣體生產工藝的總的複雜性較低，這些過程的工作效率有所提高，合成氣體生產系統尤其是GTL系統的總體沉積殘留物簡單得多且少得多。本發明的這些改進使合成氣體工藝尤其是GTL工藝更具有吸引力。
如圖3所示，合成氣體渦輪機10具有一個可使一種碳氫化合物燃料(例如天然氣)14與氧化劑(例如氧氣)16和蒸汽18中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生一種富含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣體20的燃燒室12。上述的合成氣體渦輪機10還具有一個與燃燒室12流體連通用於使上述合成氣體做功24並使合成氣體20急冷而成冷卻的合成氣體26的渦輪膨脹器22。如上所述，與合成氣體相關的一條技術要求是，所產生的合成氣體在進一步處理之前必須降溫，例如從大約2000降至約500。在現有的普通技術中，合成的氣體是通過使水沸騰而產生蒸汽的鍋爐中去除熱量而得以急冷的。而且也可將水或蒸汽通入合成氣體流中來降低溫度。普通的合成氣體發生器具有較長的滯留時間，且其產品含有固體碳。為了去掉這些固體碳，便先將合成氣體通入水中作泡狀通過後再進行下一步處理。但是，在本發明的合成氣體渦輪機10中，合成氣體的出口溫度是取決於入口溫度、渦輪壓力比、渦輪的效率和採用的冷卻或者說淡化的方法，因此就可形成高效而可行的急冷工藝。另外，由於其滯留時間短，而使產生的固體碳減至最少。
在一個實施例中，渦輪膨脹器22與一個空氣壓縮器28相連接。由渦輪膨脹器22發出的功24通過例如軸29機械傳輸到空氣壓縮器28。該空氣壓縮器28對通過入口30流入的空氣加以壓縮，並將壓縮過的空氣通過出口32輸送出去。該壓縮空氣可以以各種方式加以利用，包括作為一種送進產生供入燃燒室12的氧化劑16的空氣分離裝置(未示出)中的供給氣流。如圖3所示，供給燃燒室12的進入氣流(14，16，18)還可包括一種回收的尾氣34，該尾氣34含有從下遊氣源回收來的含有燃料的氣體，一般來說(雖然不一定)，在GTL工藝中，上述尾氣是來自Fischer-Tropsh合成處理裝置的氣相產物。十分大的Fischer-Tropsh裝置可以耗盡全部反應物質，但是，實際的系統中反應器的尺寸有限，因此，通常有一部分反應物質可供回收。
參看圖4，合成氣體渦輪機10具有一個可使碳氫化合物燃料14與氧化劑16和蒸汽18中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生一種富含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣體20的燃燒室12，上述渦輪機10還具有一個與上述燃燒室12流體連通用於使合成氣體20做功24並使合成氣體20急冷的渦輪膨脹器22。在一個實施例中，上述渦輪膨脹器22通常通過軸40與一個發電機36相連接。渦輪膨脹器22發出的功24通過軸40機械傳遞到發電機36，該發電機36將通過軸40傳來的機械能轉換成電能42，該電能42可以以各種方式加以利用。如圖4所示，供入燃燒室12的進入氣流中可包括回收的尾氣34，該尾氣34含有從下遊氣源中回收的含有燃料的氣體。
如圖5所示，合成氣體渦輪機10具有一個可使碳氫化合物燃料14與氧化劑16和蒸汽18中的至少一種在高溫高壓下進行反應而產生一種富含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣體20的燃燒室12，上述渦輪機10還具有一個與上述燃燒室12流體連通用於使合成氣體20做出功24並使合成氣體20急冷的渦輪膨脹器22。在一個實施例中，上述渦輪膨脹器22通常通過軸40與發電機36相連接，並通過軸29與空氣壓縮器28相連接。渦輪膨脹器22發出的功24通過軸40機械傳輸給發電機36，並通過軸29機械傳遞給空氣壓縮器28。發電機36將通過軸40傳來的機械能轉換成電能42，該電能42可以以各種方式加以利用。空氣壓縮器28將通過入口30流入的空氣流加以壓縮，並通過出口32將其傳送出去。該壓縮空氣可以以各種方式加以利用，其中包括作為供入空氣分離器(未示出)的空氣流以產生供給燃燒室12的氧化劑16。渦輪膨脹器22發出的功24可專用於軸29或專用於軸40，或者，也可將其均分給軸29和軸40。在一個實施例中，軸29和軸40結合成為單一的軸，由該軸將渦輪膨脹器22發出的功24同時機械傳遞給空氣壓縮器28和發電機36。
參看圖6，一種GTL系統100具有一個空氣分離器102、一個氣體處理裝置104、一個燃燒室106、一個Fischer-Tropsh合成處理裝置108、一個裂解裝置110、和一個渦輪膨脹器112。
上述的空氣分離裝置102將空氣分離成氮氣(N2)、氧氣(O2)和其他氣體，氣體處理裝置104準備好用於在燃燒室106中轉換用的天然氣。來自空氣分離器102的氧氣和來自氣體處理裝置104的天然氣被送入燃燒室106內，在這裡，天然氣與氧氣在高溫高壓下發生反應產生富含CO和H2的合成氣體111。該合成氣體111被導入與燃燒室106流體連通用於使合成氣體做功114並使合成氣體急冷而成為冷卻的合成氣體116的渦輪膨脹器112。
接著，將富含氫氣和一氧化碳的冷卻的合成氣體116引入Fischer-Tropsh合成處理裝置106內，在這裡，氫氣和一氧化碳通過催化劑複合而成長鏈液態碳氫化合物。最後，該液態的碳氫化合物在裂解裝置110中轉變並分餾出各種製品，這些製品可直接應用，容易運輸，並可用於製成各種產品例如合成柴油、合成煤油、乙醇、二甲醚、石腦油以及它們的複合物或衍生物。
在一個實施例中，渦輪膨脹器112通常通過軸120與發電機118相連接，渦輪膨脹器112發出的功114通過軸120機械傳遞到發電機118，該發電機118將通過軸120傳來的機械能轉換成電能122。該電能122可以以各種方式加以應用。在一個實施例中，渦輪膨脹器112是一種多級的軸流式渦輪。在另一個實施例中，渦輪膨脹器112或燃燒室106採用蒸汽或採用氮氣來冷卻。在又一個實施例中，渦輪膨脹器112或燃燒室106採用空氣分離裝置102產生的氮氣(N2)來冷卻。送入燃燒室106的進入氣流還可包括一種回收尾氣138，該回收尾氣含有從下遊氣源回收的含有燃料的氣體。一般說來(雖然不一定)，上述尾氣138是來自Fischer-Tropsh合成處理裝置的氣相產物。
圖7示出的一種GTL系統與結合圖6所討論的GTL系統相同，但它還具有一個與渦輪膨脹器112相連接的空氣壓縮器128。渦輪膨脹器112發出的功134通過例如軸136機械傳輸到空氣壓縮器128，該空氣壓縮器128壓縮通過入口130流入的空氣，並將壓縮空氣通過出口132輸送出去。該壓縮空氣可以以各種方式加以利用，包括作為供入空氣分離裝置102以便產生送入燃燒室106的氧化劑的氣流。供給燃燒室106的進入氣流中還可包含一種回收的尾氣138，該尾氣138含有從下遊氣源回收的含有燃料的氣體。一般說來(雖然不一定)，上述尾氣138是來自Fischer-Tropsh合成處理裝置的氣相產物。
按照本發明的另一個實施例，圖8～11示出一系列直接連接式合成氣體渦輪機，該渦輪機可代入上面參考圖1～7所述的每種系統。正如下面所述，這些直接連接式合成氣體渦輪機的結構可以使在產生合成氣體的工藝設備例如GTL的設備中的物理沉積殘留物少得多，直接連接式合成氣體渦輪機的結構較簡單，所需要的管道、冷卻件、連接件及零部件間的密封件較少，從而降低了系統的總的複雜性，由於燃燒室與渦輪之間靠得很近，所以它們之間的壓力降顯著減小，從而提高了總的工作效率。
如圖8所示，直接連接式合成氣體渦輪機200具有一個可使碳氫化合物燃料14與氧化劑16和蒸汽18之中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生富含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣體20的燃燒室212，合成氣體渦輪機200還具有一個與燃燒室212直接連接並與燃燒室212流體連通用於使合成氣體做功24並使合成氣體20急冷而成為冷卻的合成氣體26的渦輪膨脹器222。
如圖9所示，直接連接式合成氣體渦輪機300具有一個可使碳氫化合物燃料14與氧化劑16和蒸汽18中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生富含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣體20的筒管式環形燃燒室312，該渦輪機300還具有一個與筒管式環形燃燒室312直接連接且與筒管式環形燃燒室312流體連通用於使合成氣體20做功24並使合成氣體20急冷而成冷卻的合成氣體26的渦輪膨脹器322。
如圖10所示，直接連接式合成氣體渦輪機400具有一個可使碳氫化合物燃料14與氧化劑16和蒸汽18中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生合成氣體20的筒管式環形燃燒室412，該渦輪機400還具有一個與上述的筒管式環形燃燒室412流體連通使合成氣體20做功24使合成氣體20急冷而成冷卻的合成氣體26的渦輪膨脹器422。過渡段450的第一端452與上述筒管式環形燃燒室412直接連接，而其另一端454則與上述的渦輪膨脹器422直接連接。
如圖11所示，直接連接式合成氣體渦輪機500具有一個可使碳氫化合物燃料14與氧化劑16和蒸汽18中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生富含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣體20的燃燒室512，該渦輪機500還具有一個與燃燒室512流體連通用於使合成氣體20做功24並使合成氣體20急冷而成冷卻的合成氣體26的渦輪膨脹器522。過渡段550的第一端552與燃燒室512直接連接，而其另一端554則與渦輪膨脹器522直接連接。
雖然上面示出和說明了本發明的某些特徵，但是熟悉本技術的人們將可作許多的改型和改變。因此，要明白的是，所附的權利要求書應包括所有的符合本發明精神的修改和變更。
零部件標號和名稱一覽表10 合成氣體渦輪機12 燃燒室14 碳氫化合物燃料16 氧化劑18 蒸汽20 合成氣體22 渦輪膨脹器24 功26 冷卻的合成氣體28 空氣壓縮器29 軸30 入口32 出口34 回收的尾氣36 發電機40 軸42 電50 GTL系統52 空氣分離裝置54 氣體處理裝置56 氣體合成裝置58 Fischer-Tropsh(費-託)合成處理裝置60 裂解裝置100 GTL系統102 空氣分離裝置104 氣體處理裝置106 燃燒室108 Fischer-Tropsh(費-託)合成處理裝置110 裂解裝置111 合成氣體
112 渦輪膨脹器114 功116 冷卻的合成氣體118 發電機120 軸128 空氣壓縮器134 功136 軸138 尾氣200 直接連接式合成氣體渦輪機212 燃燒室222 渦輪膨脹器300 直接連接式合成氣體渦輪機312 筒管式環形燃燒室322 渦輪膨脹器400 直接連接式合成氣體渦輪機412 筒管式環形燃燒室422 渦輪膨脹器450 過渡段452 第一端454 另一端500 直接連接式合成氣體渦輪機512 燃燒室522 渦輪膨脹器550 過渡段552 第一端554 另一端
權利要求
1.一種合成氣體渦輪機，具有一個可使碳氫化合物燃料(14)與氧化劑(16)和蒸汽(18)中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生富含一氧化碳和氫氣的合成氣體(20)的燃燒室(12)；和一個與上述燃燒室成流體連通用於自上述合成氣體(20)提取功並使上述合成氣體(20)急冷的渦輪膨脹器(22)。
2.根據權利要求1的合成氣體渦輪機(10)，其特徵在於，上述的渦輪膨脹器(22)是一種多級軸流式渦輪。
3.根據權利要求1的合成氣體渦輪機(10)，其特徵在於，自上述的渦輪膨脹器(22)提取的上述的功用於發電或用於激勵系統的部件中的至少一種。
4.一種將氣體變成液體的系統(100)，它具有一個用於從空氣中分離出氧氣的空氣分離裝置(102)；一個用於製備供燃燒室(106)內轉換用的天然氣的氣體處理裝置(104)。一個用於使上述氧氣與上述天然氣在高溫高壓下發生反應而產生富含一氧化碳和氫氣的合成氣體(111)的燃燒室(106)；一個與上述燃燒室(106)成流體連通使上述合成氣體(111)做功並使上述合成氣體(111)急冷的渦輪膨脹器(112)；一個用於接收上述急冷的合成氣體(116)並使該急冷的合成氣體(116)通過催化作用轉變成一種長鏈碳氫化合物液體的Fischer-Tropsh處理裝置(108)；和一個用於將上述的長鏈碳氫化合物液體分餾成至少一種有用產品的裂解裝置(110)。
5.根據權利要求4的使氣體轉變成液體的系統(100)，其特徵在於，上述的至少一種有用產品是合成的柴油燃料。
6.根據權利要求4的使氣體轉變成液體的系統(100)，其特徵在於，上述的至少一種有用產品是選自由合成煤油、乙醇、二甲醚、石腦油及其組合物組成的組群。
7.根據權利要求4的使氣體轉變成液體的系統(100)，其特徵在於，自上述渦輪膨脹器(112)提取的上述的功應用於上述的空氣分離裝置(102)。
8.根據權利要求4的使氣體轉變為液體的系統(100)，其特徵在於，還具有一個與上述渦輪膨脹器(112)成機械連接用於將自該膨脹器(112)提取的功轉換成電能的發電機(118)。
9.一種生產合成氣體的方法，包含如下步驟將氧化劑和碳氫化合物燃料引入燃燒室；使上述氧化劑與上述碳氫化合物燃料在高溫高壓下發生反應而產生富含一氧化碳和氫氣的合成氣體；和使上述合成氣體流過渦輪膨脹器以自該合成氣體提取功並使該合成氣體急冷。
10.一種緊耦合合成氣體渦輪機(200)，具有一個用於使碳氫化合物燃料跟氧化劑和蒸汽中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生一種富含一氧化碳和氫氣的合成氣體的燃燒室(212)；和一個與上述燃燒室(212)直接連接用於自上述合成氣體提取功並使上述合成氣體急冷的渦輪膨脹器(222)。
全文摘要
一種合成氣體渦輪機(10)具有一個使碳氫化合物燃料(14)與氧化劑(16)和蒸汽(18)中的至少一種在高溫高壓下發生反應而產生一種富含一氧化碳和氫氣的合成氣體(20)的燃燒室(12)；和一個與上述燃燒室(12)流體連通用於使上述合成氣體(20)做功並使上述合成氣體(20)急冷的渦輪膨脹器(22)。
文檔編號F01D15/10GK1891619SQ20061010312
公開日2007年1月10日 申請日期2006年7月5日 優先權日2005年7月5日
發明者A·J·迪安, M·A·阿利 申請人:通用電氣公司