用于控制空气分离单元的系统和方法

用于控制空气分离单元的系统和方法
【专利摘要】一种系统包括空气分离单元和纯度控制系统，空气分离单元构造成将空气分离成富氧流和富氮流，纯度控制系统构造成接收指示目标稀释剂水平的输入。纯度控制系统构造成控制空气分离单元以基于目标稀释剂水平而调整富氧流的氧百分比和氮百分比。
【专利说明】用于控制空气分离单元的系统和方法
【技术领域】
[0001]本文中所公开的主题涉及空气系统，更具体地涉及用于控制空气分离单元(ASU)的系统和方法，并且更具体而言涉及在气化装置和设施中可见的ASU。
【背景技术】
[0002]ASU可在诸如炼油厂、石油化工厂或发电站的设施中使用，以将大气分离成其主要组分，例如氧和氮。这些设施中的一些可包括部分氧化系统，其用由ASU提供的氧部分地氧化燃料以产生热量和/或能量。例如，整体气化联合循环(IGCC)功率装置包括一个或多个气化器，其将原料在高温下与来自一个或多个ASU的氧反应以产生合成气，合成气又可用作燃气涡轮中的燃料以产生生成功率的能量。ASU通常是昂贵的，其贡献了 IGCC的总成本的相当大一部分。此外，由ASU进行的空气分离过程消耗了大量能量，从而降低气化过程的效率。

【发明内容】

[0003]在范围方面与初始要求保护的发明相一致的某些实施例总结如下。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，相反，这些实施例意图仅提供本发明的可能形式的简短总结。实际上，本发明可包括可类似于或不同于下文所述实施例的各种形式。
[0004]在第一实施例中，一种系统包括空气分离单元和纯度控制系统，空气分离单元构造成将空气分离成富氧流和富氮流，纯度控制系统构造成接收指示用于部分氧化系统的目标稀释剂水平的输入。纯度控制系统构造成控制空气分离单元以基于目标稀释剂水平调整富氧流的氧百分比和氮百分比。
[0005]在第二实施例中，一种系统包括空气分离控制系统，其构造成控制空气分离单元以将空气分离成富氧流和富氮流。空气分离控制系统构造成接收指示用于氧依赖系统的氮的目标稀释剂水平的输入。空气分离控制系统构造成基于目标稀释剂水平调整富氧流的氧百分比和氮百分比。
[0006]在第三实施例中，一种方法包括:将空气经由空气分离单元分离成富氧流和富氮流；接收指示用于部分氧化系统的目标稀释剂水平的输入；以及基于该目标稀释剂水平控制从空气分离单元产生的富氧流的氧百分比和氮百分比。
【专利附图】

【附图说明】
[0007]当参考附图阅读下面的【具体实施方式】时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有图中类似的标记表示类似的部件，在附图中:
图1是根据一个实施例的ASU和纯度控制系统的框图；
图2是流程图，其示出了根据本发明的一个实施例的用于操作ASU的方法；
图3是根据一个实施例的向一个或多个气化器供应氧的ASU的框图；以及 图4是包括ASU和纯度控制系统的IGCC功率装置的实施例的框图。【具体实施方式】
[0008]下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要说明，可能无法在本说明书中描述实际实施方案的所有特征。应当理解，诸如在任意工程或设计项目中的任何这种实际实施方案的改进中，大量的针对实施方案的决定都应被做出以实现改进者的具体目标，例如遵守随各个实施方案而不同的与系统相关和与商业有关的限制。此外，应当理解，这样的改进可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的有益效果的本领域普通技术人员来说，这些都是设计、制造和生产中的常规任务。
[0009]在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“ 一种”、“该”和“所述”意图表示这些元件中的一个或多个。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在为包括性的并且意味着可能有除了所列元件之外的额外的元件。
[0010]如下面所详细讨论的，所公开的实施例包括涉及ASU的系统和方法，ASU构造成将空气分离成富氧流和富氮流。“富”流可包括超过大约50%的所述组分。例如，富氧流可包括超过大约50%的氧。富氧流的其余组分可主要包括氮和氩。ASU也可能够将空气分离成其它流，例如富氩流。虽然ASU可使用多种技术来分离空气，但下面详细讨论的各种实施例可在不考虑ASU使用的具体技术的情况下被应用。
[0011]在各种实施例中，富氧流可在诸如部分氧化系统或气化系统的氧依赖系统中使用。氧依赖系统也可被供应以诸如氮的稀释剂，以控制氧依赖系统的各种参数。因此，可建立用于氧依赖系统的目标稀释剂水平。在某些实施例中，ASU可构造成供应具有这样的组合物的富氧流，即，其使得可利用富氧流中的氮来满足目标稀释剂水平，而不是与其它ASU一样，为氧依赖系统供应分开的氧和稀释剂流。换言之，ASU可被构造或降级(derate)为供应具有基于目标稀释剂水平的氧百分比和氮百分比的富氧流。因此，降级的ASU的实施例可比其它ASU更小、更不复杂和/或更廉价，因为富氧流包括更多的氮。备选地，在其它实施例中，纯度控制系统可从遍布氧依赖系统的各种传感器接收指示目标稀释剂水平的输入。纯度控制系统可构造成控制ASU以基于目标稀释剂水平调整富氧流的氧百分比和氮百分比。换言之，目标稀释剂水平可变化，并且因此纯度控制系统可能够基于目标稀释剂水平中的这样的变化而控制ASU。在另外的实施例中，降级的ASU可与纯度控制系统结合，使得ASU可被控制以响应于目标稀释剂水平的变化。换言之，ASU可被降级以供应包括足够的氮的富氧流，以便达到正常的目标稀释剂水平，但也可具有足够的能力以由纯度控制系统控制，以便供应达到新的或变化的目标稀释剂水平的富氧流。
[0012]现在转到附图，图1是框图，示出了包括ASU 12的实施例的系统10，ASU 12具有纯度控制，以满足诸如部分氧化系统24的目标应用的需求。空气压缩机16在将大气14供应至ASU 12之前压缩大气14。空气压缩机16将空气14压缩至高压。ASU 12将压缩的空气分离成其组分，如下面将详细描述的。可由ASU 12产生的流中的两个包括富氮流18和富氧流20，两者都可是气体状态。在某些实施例中，ASU 12可产生富含诸如氩气、二氧化碳(CO2)、氖气、氦气、甲烷、氪气或它们的组合的其它气体的流。
[0013]在一个实施例中，富氮流18的纯度可大于大约90%、95%、98%、或99%的氮。富氮流18中的杂质可包括氧和存在于空气中的其它气体。在另一个实施例中，富氧流20的纯度可基于针对目标应用的所需纯度水平或稀释剂水平选择性地改变或预设。富氧流20的纯度可具体地减小以保持某些杂质，例如氮和氩，从而消除对目标应用中的单独的稀释剂的需求。相应地，富氧流20的纯度可在大约60%至100%、65%至95%、70%至90%、75%至85%、或氧的任何其它所需体积百分比之间的范围内。例如，富氧流20的纯度水平可比由其它ASU产生的富氧流的纯度水平低大约5%、15%或25%。换言之，在某些实施例中，ASU 12被控制以产生具有比其它ASU更低纯度的氧的富氧流20。由于ASU 12的实施例可产生较低纯度的氧，它们可比其它ASU更小和/或更廉价。因此，可提高系统10的总效率。富氮流20中的杂质可包括氧和存在于空气中的其它气体。例如，富氧流20中存在的氮的浓度可在大约10%至40%、15%至30%或20%至25%的氮之间。富氧流20中存在的氮可如下面详细描述的那样用作稀释剂。富氮流18和富氧流20两者是由ASU 12直接产生的流，而不是来自ASU12的其它流的混合物。例如，来自ASU 12的富氧流20不是氧的相对纯净的流和氮的相对纯净的流的混合物。在另外的实施例中，ASU 12可产生一种或多种富氧流20，各自具有不同的组成。
[0014]燃料22和富氧流20可被喷入部分氧化系统24或更一般地任何氧依赖系统中，以产生能量。换言之，燃料22和富氧流20中的氧反应以产生热量和气体，该气体可包括但不限于CO2、水、一氧化碳(CO)、烟灰以及它们的组合。在部分氧化系统24中产生的热量可被传递到其它过程流。在部分氧化系统24中产生的气体可用来驱动诸如燃烧涡轮的负载，或者可本身用作燃料。燃料22可是任何含碳材料，例如生物燃料和化石燃料，其可用来产生机械功形式的能量。除了部分氧化系统24之外，富氧流20可被供应至系统10中的使用氧的其它过程。
[0015]如上所述，富氧流20中的氮在部分氧化系统24中被用作稀释剂。因此，某些实施例将消除单独的稀释剂流。在各种实施例中可消除的其它稀释剂的示例包括但不限于水、CO2、蒸汽、水蒸气或它们的组合。在其它实施例中，单独的稀释剂流可在其中富氧流20中的稀释剂的量不充足的情况中使用。通过在供应至部分氧化系统24的富氧流20中包括稀释剂,系统10的构型可被简化，这也可降低系统10的成本。此外，ASU 12的实施例的尺寸和/或容量可减小，这可降低ASU 12的资本成本和运营成本两者。例如，由ASU 12为分离而使用的功的量可随着富氧流20中的氧的纯度而呈指数级增加。因此，ASU 12的实施例可使用比其它ASU显著低的能量。也就是说，其它ASU从空气中分离的将用作单独的稀释剂的氮也可改为与氧保留在由ASU 12的实施例产生的富氧流20中。稀释剂可用来控制部分氧化系统24的部分氧化的温度、压力或速率。例如，由于在富氧流20中的氮和氩不参与部分氧化系统24的部分氧化反应，所以氮的量可被调整以控制部分氧化的速率。如果部分氧化的速率或部分氧化系统24的温度超出阈值，则富氧流20中的氮的量可增加以减慢部分氧化的速率和/或降低部分氧化系统24的温度。备选地，富氧流20中的氮的量可减少以实现相反的效应。富氧流20中的氮和/或氧的量可通过如下面详细描述的改变ASU 12的操作而进行调整。
[0016]返回到ASU 12，空气分离控制系统或反馈响应的纯度控制系统26可用来控制ASU12。纯度控制系统26可是独立式过程控制系统或较大的过程控制系统的一部分。可用于纯度控制系统26的技术的示例包括但不限于开环或闭环控制、线性或非线性控制、可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)、模型预测控制、统计过程控制或先进过程控制的其它方法。纯度控制系统26可接收来自诸如传感器、用户或其它过程控制系统的各种源的指示操作特性的输入，并且可提供输出至各种装置，例如控制阀、马达、开关或其它过程控制系统。更一般地说，由纯度控制系统26的实施例接收的输入可包括氧依赖系统的任何氧驱动反应的特性。例如，在某些实施例中，纯度控制系统26可接收来自部分氧化系统24的部分氧化反馈28。部分氧化反馈28可包括来自遍布部分氧化系统24设置的多种传感器的指示部分氧化系统24的特性的信号。可由部分氧化系统24的传感器监测的参数的示例包括但不限于温度、压力、流量、氧化动力学或排放水平。此外，纯度控制系统26可接收与燃料22或燃料喷射系统有关的燃料反馈30。燃料反馈30可包括来自监测参数的传感器的信号，该参数指示诸如燃料性质、燃料组成、温度、压力或流量的燃料22或燃料喷射系统的特性。燃料性质的示例包括但不限于水含量、灰分含量和燃烧热量或发热量。此外，纯度控制系统26可通过用户界面34接收用户输入32。用户输入32可包括用于纯度控制系统26的设定点或其它指令。
[0017]纯度控制系统26可使用存储在纯度控制系统26的控制软件和/或存储器中的控制模型或指令，结合部分氧化反馈28、燃料反馈30和用户输入32来输出纯度控制信号36，该信号可由ASU 12用来生成具有所需纯度的富氧流20。例如，部分氧化反馈28可表明部分氧化系统24的温度高于阈值，该阈值可被建立以保护部分氧化系统24的部件，例如耐火材料。纯度控制系统26可输出纯度控制信号36，该信号指导ASU 12以产生具有较低纯度的富氧流20。换言之，富氧流20中的氮稀释剂的量可通过降低富氧流20中的氧纯度而增力口。因此，响应于纯度控制信号36，到部分氧化系统24的氧的流量减小，而氮稀释剂的流量增加。如果富氧流20的纯度降低，则部分氧化系统24的温度也可降低，因为部分氧化效率较低或在较慢速度下进行。作为另一示例，燃料反馈30可表明燃料22的燃烧性质的热量已减少。纯度控制系统26可输出纯度控制信号36，该信号指导ASU 12以产生具有较高纯度的富氧流20。如果富氧流20的纯度增加，则部分氧化系统24的温度甚至可使用具有减少的燃烧热量的燃料22来维持。
[0018]图2示出了可用来产生图1中所示的富氧流20的过程50的流程图。在步骤52中，ASU 12将空气分离成富氮流18和富氧流20。在步骤54中，纯度控制系统26可接收指示用于部分氧化系统24的目标稀释剂水平的信息。例如，目标稀释剂水平可至少大于或等于大约10%、15%, 20%, 25%或30%。该信息可包括例如部分氧化反馈28、燃料反馈30和/或用户输入32。目标稀释剂水平可对应于在富氧流20中的氮的所需量，并且可存储在纯度控制系统26的控制软件和/或存储器中或经由用户输入32而输入。例如，包括部分氧化系统24的高温度的部分氧化反馈28可指示应增加目标稀释剂水平。在步骤56中，目标稀释剂水平用作控制来自ASU 12的富氧流20的氧组成和氮组成(即，氧百分比和氮百分比)的基础。因此，如果目标稀释剂水平增加，则ASU 12被控制以减小富氧流20的氧百分比并增加氮百分比。备选地，如果目标稀释剂水平减小，则可增加富氧流20的氧百分比，并减小氮百分比。如下文将详细描述的，ASU 12内的某些装置和/或条件可被控制以实现富氧流20的所需的氧和氮组成。因此，ASU 12可被控制以将富氧流20的氧百分比和氮百分比调整到至少大致达到用于部分氧化系统24的氮的目标稀释剂水平。
[0019]图3是其中ASU 12产生一种或多种富氧流20的系统60的框图。在其它实施例中，一个或多个ASU 12可构造成产生一种或多种富氧流20。与图1所示元件通用的元件被标以相同的附图标记。在图示实施例中，使用低温蒸馏或分馏过程将空气14分离成其主要组分。除了低温蒸馏之外，可在ASU 12中使用的其它合适的系统包括但不限于膜、压力摆动吸附和真空压力摆动吸附。可使用此类系统而不是低温蒸馏以产生具有较低纯度和/或较低流量的气体流。如图3所示，来自空气压缩机16的未处理过的压缩空气62被供应至杂质去除单元64，诸如水蒸气和CO2的杂质在杂质去除单元64中被除去。如果不从未处理过的压缩空气62中除去此类杂质，则这些杂质可冻结和沉积在过程设备的内表面上。杂质去除单元64可包括用于从未处理过的压缩空气62除去杂质的各种系统，这包括但不限于分子筛和可逆式热交换器。在分子筛中，杂质的分子被吸附到分子筛材料的表面上。在可逆式热交换器中，热空气在结冰的水和CO2上方经过以蒸发水并将CO2升华至返回大气。
[0020]在图示实施例中，处理过的压缩空气66被供应至热交换单元68，其中冷流被用来冷却处理过的压缩空气66。在操作中，热交换器在热交换单兀68中用来将热量从处理过的压缩空气66传递到ASU 12的冷流。例如，热交换单元68可冷却处理过的压缩空气66，直到它在小于大约-175°C、_185°C或_195°C的温度下变成液化空气70。接着，使用蒸馏单元72将液化空气70分离成所需的流，该流可主要富含一种组分。例如，根据所需流的数目和流的所需纯度，蒸懼单元72可包括一个或多个蒸懼塔。具体而言,蒸懼单元72可包括产生富氮流18的第一蒸馏塔、产生富氧流20的第二蒸馏塔和用于其它气体的额外的蒸馏塔。可在其它实施例中使用蒸馏塔的其它组合和构型。例如，一个蒸馏塔可产生富氮流18和富氧流20两者。如上文所讨论的，富氧流20可从蒸馏塔直接产生，并且不是相对纯净的氧气流和相对纯净的氮气流的混合物。此外，蒸馏单元72的蒸馏塔可为塔板式或密封式(packed)。此外，由于ASU 12的实施例可产生较低纯度的氧，所以蒸馏塔可比其它ASU的蒸馏塔更小，具有更少的塔板或更少的密封(packing)。蒸馏塔的这样的实施例可比其它蒸馏塔更廉价。
[0021]来自蒸馏单元72的冷产物流74接着被供应至热交换单元68以冷却处理过的压缩空气66。这种热交换增加了冷产物流74在离开ASU 12之前的温度。冷产物流74的数量可根据蒸馏塔的数量和/或从蒸馏单元72的蒸馏塔的泄放点的数量而变化。具体而言，单个蒸馏塔可具有一个或多个泄放点，每个能够产生不同纯度的流。例如，第一泄放点可产生低纯度富氧流20，而第二泄放点可产生高纯度富氧流20。如图3所示，来自ASU 12的冷产物流74中的一个为富氮流18。来自ASU 12的其它冷产物流74包括一种或多种富氧流
20。事实上，ASU 12能够产生高达N种富氧流20。在某些实施例中，富氧流20的纯度和/或可用流量可不同或者可变化。例如，相比更小流量的高纯度富氧流20，可提供更大流量的低纯度富氧流20。在某些实施例中，不同富氧流20的纯度可相对于彼此变化0%至30%、5%至20%、或10%至15%。例如，第二流20可比第一流20纯度高大约5%，并且第三流20可比第一流20纯度高大约15%。
[0022]如图3所示，富氧流20和一种或多种燃料22构成进料系统76。来自进料系统76的输出可被供应至一个或多个气化器78，这些气化器78可被共同看作部分氧化系统24。因此，每个气化器78构造成使用不同的富氧流20和/或不同的燃料22。如下文详细讨论的，气化器78可将燃料22转化为合成气。来自部分氧化系统24的输出可被供应至气体处理系统80，气体处理系统80可包括一个或多个气体处理单元82。如下文详细描述的，气体处理系统80可从合成气中除去不需要的组分(例如，诸如硫化氢或CO2的酸性气体)。来自气体处理系统80的处理过的合成气可被供应至合成气使用系统84。例如，合成气使用系统84可包括燃气涡轮发动机86，其使用处理过的合成气来驱动负载。此外，合成气使用系统84可包括化工生产系统88，其将处理过的合成气与其它化学品反应，以制备所需产物。最后，合成气使用系统84可包括基于合成气的系统90,其中以其它方式使用合成气。
[0023]来自进料系统76、部分氧化系统24、气体处理系统80和合成气使用系统84中的每一个的反馈可被发送到反馈响应纯度控制系统26以用来确定由ASU 12产生的富氧流20的纯度。例如，进料系统76可生成进料系统反馈92，该反馈可包括指示富氧流20和/或燃料22的温度、压力、流量或其它参数的信号。如上所述，部分氧化系统24可生成指示部分氧化反馈28的信号。类似地，气体处理系统80可生成气体处理系统反馈94，该反馈可包括气体处理系统80的温度、压力、流量、气体组成或其它参数。最后，合成气使用系统84可生成指示合成气使用系统反馈96的信号，该反馈可包括诸如温度、压力、流量、功率输出、排放水平、化学性质等的参数。
[0024]基于进料系统反馈92、部分氧化反馈28、气体处理反馈94和合成气使用系统反馈96,控制系统26可生成一个或多个纯度控制信号36。每个信号36可在ASU 12的不同区域中使用。例如，一个信号36可在杂质去除单兀64中使用，另一个信号36可在热交换单兀68中使用，并且几个信号36可被发送至蒸馏单元72内的蒸馏塔中的每一个。例如，如果控制系统26确定富氧流20的纯度将增加，则可将信号36发送至蒸馏塔以增加例如回流流量或塔温。此外，一个或多个信号36可在杂质去除单元64和热交换单元68中使用。此外，控制系统26可响应于反馈实时作用以改变富氧流20的纯度。如果在ASU 12中使用除了低温蒸馏之外的系统，则控制系统26可将类似的信号36发送至合适的设备。最后，除了所述反馈之外，控制系统26可接收用户输入32，该输入可通过本地接口 97或远程接口 98发送至控制系统26。例如，本地接口 97可位于邻近ASU 12的控制室中，并且远程接口 98可位于远程操作中心内。
[0025]图4是产生并部分氧化合成气的IGCC系统100的实施例的图。IGCC系统100可包括ASU 12的实施例和纯度控制系统26，ASU 12构造成将空气分离成富氧流20和富氮流18，纯度控制系统26构造成接收指示用于气化器78的目标稀释剂水平的输入。如上文所讨论的，纯度控制系统26可构造成控制ASU 12，以基于目标稀释剂水平而调整富氧流20的氧百分比和氮百分比。IGCC系统100的其它元件可包括可为固体或液体的燃料源22，其可用作IGCC系统100的进料。燃料源或进料源22可包括煤、石油焦、油、生物质、木质材料、农业废物、焦油、焦炉煤气和浙青、或其它含碳物质。
[0026]进料源22可输送至原料制备单元103。原料制备单元103可例如通过切细、磨碎、切碎、粉碎、压块或堆垛进料源22而调整进料源22的尺寸或形状以生成原料。另外，可在原料制备单元103中将水或其它合适的液体加入到进料源22以形成浆状原料。在其它实施例中，没有液体添加到进料源22，因而形成干原料。在另外的实施例中，如果进料源22为液体，则可省略原料制备单元103。
[0027]接着，原料可被输送至联接到气化器78的燃料喷射器104，气化器78是部分氧化系统24的示例。燃料喷射器104将各种进料流以有助于高效气化的方式掺混(combine)到气化器78。由于稀释剂被包括到富氧流20中，所以燃料喷射器104的构型可被简化，这可降低燃料喷射器104的成本。具体而言，在燃料喷射器104的实施例中可省略用于单独的稀释剂流的通道或管道。气化器78将原料转化为合成气，例如C0、C02和氢气的组合。这种转化可通过使原料在例如从大约2000千帕至8500千帕的高压和例如大约700°C至1600°C的温度下经受受控量的水和富氧流20而实现，具体取决于所用气化器78的类型。气化过程可生成固体(例如炭)和气体(例如，CO、CO2、氢气、水和氮气)。
[0028]这样，气化器78生成合成气体。这种合成气体可由大约85%的CO和具有各种比例的氢气以及CH4、HC1、HF、C0S、NH3、HCN和H2S (基于原料的硫含量)构成。该产物气体可称为未处理的合成气，因为其包括例如H2s。气化器78也可生成废料，例如炉渣108，其可是湿的灰分材料。该炉渣108可从气化器78除去并被送去处置或各种用途。可使用气体处理单元82来净化未处理的合成气。在一个实施例中，气体处理单元82可包括水煤气变换反应器。气体处理单元82可洗涤未处理的合成气以从未处理的合成气中除去HCl、HF、C0S、HCN和H2S,这可包括在可使用Claus或类似工艺的硫处理器112中分离硫111。Claus工艺使用氧气，氧气可由富氧流20供应。如果Claus工艺使用处于与气化器78中不同纯度水平的氧气，则可使用单独的ASU 12，或者ASU 12可产生具有不同纯度的额外的富氧流
20。此外，气体处理单元82可经由水处理单元114从未处理的合成气中分离盐113，水处理单元114可利用水净化技术从未处理的合成气中生成可用的盐113。随后，来自气体处理单元82的气体可包括处理过的合成气(例如，已从合成气中除去硫111),其含有痕量的其它化学物，例如NH3 (氨)和CH4 (甲烷)。
[0029]在一些实施例中，气体处理器可用于从处理过的合成气中除去额外的残余气体成分，例如氨和甲烷，以及甲醇或任何残留化学物。然而，从处理过的合成气中除去残余气体成分是可选的，因为即使在处理过的气体包含残余气体成分(例如尾气)时，处理过的合成气也可用作燃料。在这点上，处理过的合成气被大致脱除h2s。
[0030]在一些实施例中，碳捕获系统116可除去并处理包括在合成气中的含碳气体(例如C02)。碳捕获系统116也可包括压缩机、净化器、供应CO2以用于封存、提高油回收或其它用途的管线、CO2储罐、或它们的任何组合。已经过对其含硫组分和其大部分CO2的去除的处理过的合成气可接着作为可燃燃料被输送到燃气涡轮发动机118的燃烧器120，例如
燃烧室。
[0031]IGCC系统100还可包括ASU 12。ASU 12可操作以通过上述技术中的任一种将空气14分离成组分气体。ASU 12可由从空气压缩机16供应到其的空气14中分离出氧，并且ASU 12可将富氧流20转移到燃料喷射器104。另外，ASU 12可将分离后的氮作为富氮流18输送到稀释剂氮(DGAN)压缩机124。控制系统26可构造成从原料制备单元103和/或燃料源22接收燃料反馈30。此外，控制系统26可构造成从气化器78接收部分氧化反馈
28。燃料反馈30和/或部分氧化反馈28可指示用于气化器78的目标稀释剂水平。此外，控制系统26可构造成基于目标稀释剂水平而控制富氧流20的氧百分比和氮百分比。如上所述，由ASU 12的实施例制备的富氧流20的纯度可小于其它ASU制备的纯度。因此，ASU12的本实施例可使用更少的能量，从而增加IGCC系统100的效率。
[0032]DGAN压缩机124可将从ASU 12接收的富氮流18至少压缩到与燃烧器120中的压力水平相等的压力水平，以便不干扰合成气的正常燃烧。因此，一旦DGAN压缩机124已将富氮流18充分地压缩到适当水平，则DGAN压缩机124即可将压缩的氮气输送至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。富氮流18的氮气可用作稀释剂以控制燃烧涡轮的温度。
[0033]如上所述，压缩的氮气可从DGAN压缩机124输送至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。燃气涡轮发动机118可包括涡轮130、传动轴131和压缩机132以及燃烧器120。燃烧器120可接收诸如合成气的燃料，燃料可在压力下从燃料喷嘴喷入。该燃料可与压缩空气以及来自DGAN压缩机124的压缩氮气进行混合，并在燃烧器120内燃烧。这种燃烧可产生热的加压排气。
[0034]燃烧器120可将排气引向涡轮130的排气出口。当排气从燃烧器120穿过涡轮130时，排气驱动涡轮130中的涡轮叶片，以使传动轴131沿着燃气涡轮发动机118的轴线旋转。如图所示，传动轴131连接到燃气涡轮发动机118的各种部件，包括压缩机132。
[0035]传动轴131可将涡轮130连接到压缩机132以形成转子。压缩机132可包括联接到传动轴131的叶片。因此，涡轮130中的涡轮叶片的旋转可促使传动轴131造成压缩机132内的叶片的旋转，传动轴131将涡轮130连接到压缩机132上。压缩机132中的叶片的这种旋转促使压缩机132压缩经由在压缩机132中的进气口而接收的空气。然后压缩空气可馈给到燃烧器120并与燃料和压缩氮气混合，以允许更高效率的燃烧。传动轴131还可连接到负载134，负载134可为固定负载，例如，在发电装置中用于产生电能的发电机。实际上,负载134可为由燃气涡轮发动机118的旋转输出提供动力的任何合适的装置。
[0036]IGCC系统100还可包括蒸汽涡轮发动机136和热回收蒸汽发生(HRSG)系统138。蒸汽涡轮发动机136可驱动第二负载140。第二负载140也可以是用于发电的发电机。然而，第一负载130和第二负载140两者都可以是能够由燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136驱动的其它类型的负载。此外，虽然燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136可驱动单独的负载134和140，如在图示实施例中示出的那样，但燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136也可串联使用，以便经由单个轴驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机136以及燃气涡轮发动机118的具体构型可因实施方案而异，并且可包括任何区段的组合。
[0037]系统100还可包括HRSG 138。来自燃气涡轮发动机118的热的排气可被传输至HRSG 138中，并用来加热水和产生用于给蒸汽涡轮发动机136提供动力的蒸汽。来自例如蒸汽涡轮发动机136的低压区段的排气可被导向至冷凝器142中。冷凝器142可利用冷却塔128将热水换成冷却水。冷却塔128用来为冷凝器142提供冷水，以有助于冷凝从蒸汽涡轮发动机136输送到冷凝器142的蒸汽。来自冷凝器142的冷凝物可继而被导向至HRSG138中。同样，来自燃气涡轮发动机118的排气也可被导向至HRSG 138中，以便加热来自冷凝器142的水并产生蒸汽。
[0038]在诸如IGCC系统100的联合循环系统中，热排气可从燃气涡轮发动机118流动并行进至HRSG 138，在HRSG中热排气可用来生成高压高温蒸汽。由HRSG 138所产生的蒸汽可接着行进通过蒸汽涡轮发动机136以用于发电。此外，所产生的蒸汽也可供应至可使用蒸汽的任何其它过程，例如供应至气化器78。燃气涡轮发动机118生成循环也常被称为“顶循环”，而蒸汽涡轮发动机136生成循环也常被称为“底循环”。通过如图4所示将这两种循环组合，IGCC系统100可导致在两种循环中更高的效率。具体而言，来自顶循环的排气热可被捕获并用来生成用于在底循环中使用的蒸汽。
[0039]该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例预期在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种系统，包括: 空气分离单元，其构造成将空气分离成富氧流和富氮流；以及纯度控制系统，其构造成接收指示目标稀释剂水平的输入，其中，所述纯度控制系统构造成控制所述空气分离单元以基于所述目标稀释剂水平调整所述富氧流的氧百分比和氮百分比。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述纯度控制系统构造成控制所述空气分离单元以将所述富氧流的氧百分比和氮百分比调整到至少大致达到氮的所述目标稀释剂水平。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述纯度控制系统构造成控制所述空气分离单元以响应于氮的所述目标稀释剂水平的增加而减少所述富氧流的氧百分比和增加氮百分比。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述纯度控制系统构造成控制所述空气分离单元以响应于氮的所述目标稀释剂水平的减少而增加所述富氧流的氧百分比和减小氮百分比。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述纯度控制系统构造成控制所述空气分离单元以将所述富氧流的氮百分比调整到至少大于或等于大约10%的氮。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输入包括燃料特性或部分氧化特性中的至少一个。
7.根据权利要求1所 述的系统，其特征在于，所述输入包括反馈或用户输入中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括具有所述目标稀释剂水平的部分氧化系统。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述部分氧化系统包括气化器，所述气化器构造成利用来自所述空气分离单元的富氧流来气化燃料。
10.一种系统,包括: 空气分离控制系统，其构造成控制空气分离单元以将空气分离成富氧流和富氮流，其中，所述空气分离控制系统构造成接收指示氮的目标稀释剂水平的输入，所述空气分离控制系统构造成基于所述目标稀释剂水平调整所述富氧流的氧百分比和氮百分比。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述空气分离控制系统构造成控制所述空气分离单元以将所述富氧流的氧百分比和氮百分比调整到至少大致达到氮的目标稀释剂水平。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述空气分离控制系统构造成控制所述空气分离单元以响应于氮的所述目标稀释剂水平的增加而减小所述富氧流的氧百分比和增加氮百分比，并且所述空气分离控制系统构造成控制所述空气分离单元以响应于氮的所述目标稀释剂水平的减小而增加所述富氧流的氧百分比和减小氮百分比。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述空气分离控制系统构造成控制所述空气分离单元以将所述富氧流的氮百分比调整到至少大于或等于大约15%的氮。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述输入包括氧依赖系统的操作特性。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，包括具有所述目标稀释剂水平的氮的氧依赖系统。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述氧依赖系统包括气化器，所述气化器构造成利用来自所述空气分离单元的富氧流来气化燃料。
17.—种方法,包括: 经由空气分离单元将空气分离成富氧流和富氮流； 接收指示用于部分氧化系统的目标稀释剂水平的输入；以及 基于所述目标稀释剂水平而控制从所述空气分离单元所产生的富氧流的氧百分比和氮百分比。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，控制包括将所述富氧流的氧百分比和氮百分比调整到至少大致达到用于所述部分氧化系统的氮的目标稀释剂水平。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，控制包括响应于用于所述部分氧化系统的氮的目标稀释剂水平的增加而减小所述富氧流的氧百分比和增加氮百分比，或者控制包括响应于用于所述部分氧化系统的氮的目标稀释剂水平的减小而增加所述富氧流的氧百分比和减小氮百分比。
20.根据权利要求 17所述的方法，其特征在于，接收输入包括监测所述部分氧化系统的部分氧化特性或获得用于所述部分氧化系统的燃料原料的燃料特性。
【文档编号】F25J3/04GK103459956SQ201180042308
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2011年7月19日 优先权日:2010年9月2日
【发明者】R.D.斯蒂尔 申请人:通用电气公司