CN1011999B - 燃气轮机和汽轮机联合运行工艺 - Google Patents

Abstract

燃气轮机和汽轮机联合运行工艺可提高效率。在900至1100℃下在循环流化床内产生可燃气，物料中的碳有70至95%气化。在850至950℃之间用氢氧化钙和氧化钙，及/或含碳酸钙的悬浮固体进行处理，清除污染物。燃烧上述可燃气的大部分，产生的气体用于推动燃气轮机，该气体至少含5%体积的氧气，温度至少可达1000℃。气化后的剩余物在另一个循环流化床内在800至950℃下进行燃烧，产生过程蒸汽。调节含氧气体的量，可使燃烧在接近化学计量的条件下进行。在不同水平上至少通过两个分气路将含氧气体送入流化床，它的主要成份是燃气轮机的废气。已脱硫的可燃气最好被冷却到350至600℃之间，且不含卤化物。

Description

本发明是关于燃气轮机和汽轮机实现联合运行的工艺，其中燃气轮机使用由含碳固体物料生成的并被脱硫的可燃气运行;推动汽轮机的蒸汽是靠燃烧含碳固体气化后的剩余物而放出的热量产生的，而含碳固体剩余物是用燃气轮机的含氧废气燃烧的。

近年来，由于能源危机，在电力生产方面用固体燃料，特别是用煤来代替石油和天然气的趋势日益增长。为了提高固体燃料的发电量，对此类燃料的效率和热能的回收也做了大量工作，希望做到最大限度地使用初级能源，并且符合环境保护方面更加严格的要求。大家知道，若用某些方法净化废气，则可提高燃烧效率并降低生产单位能量所产生的污染物量。

在电力生产中，可通过一些符合热力学理论的措施达到上述改善效率的目的，特别是采用燃气轮机和汽轮机联合运行的工艺。为此可以采用烧气的或烧油的燃气轮机。但是这样不会取得决定性的突破，除非这种燃气轮机采用的可燃气是由固体燃料部分气化所供给的。

例如，在煤的VEW转化法中，煤在气化炉中部分气化，洗去生成气中的污染物，尔后将洗净的气体送入燃气轮机中燃烧，而部分气化后余下的焦碳，则送入蒸汽锅炉的燃烧炉中，与来自燃气轮机的含氧废气一起进行燃烧，产生的蒸汽供给汽轮机使用。（K·Weinzierl，“Kohlevergasung    zur    Wirkungsgradverbesserung    im    Kraftwerk”，VGB-Kraft-werkstechnik62（1982），No.5，Pages    365    et    seq·，and    No.10，Pages    852    etseq·）。

但是，上述联合燃气轮机和汽轮机工艺的概念似乎只是初看上去吸引人。事实上，在几个过程的工艺上，以及它们的相互联接方面还存在一些技术问题。值得注意的是，即使那些只对过程细节有影响的一些缺点或毛病都可能使改善效率的努力归于失败，而该过程的效率本来是可以改善的。例如，在较高温度下进行气化的缺点是该过程中产生的有价值气体耗费在预热空气上，这是高气化温度所导致的结果。由于气化过程的温度很高，从而气体的温度也很高，所以必须从生成的气体中取走大量显热。通常用生产过热蒸汽的方法实现这个过程，过热蒸汽供给汽轮机。因此，上述设计的气化段中要涉及能量从燃气轮机段向汽轮机段的转移，热力学分析指出，改进的效率的大部分就在这一转移中耗费掉了。

另一个问题出现在燃烧过程中。例如完全燃尽气化剩余物中的碳是不可能的。更大的问题多出在可燃气的脱硫过程中，它们可能对效率的改善产生不利的影响。上述可燃气包括气化产生的可燃气和该可燃气产生的烟道气及燃烧残余物所产生的烟道气等。

本发明的目的是提供一种燃气轮机和汽轮机联 合运行的工艺，它避开了已知工艺，特别是上述工艺的缺点，使含碳固体燃料的燃烧满足生态学的要求，同时从燃料回收大量热能，高效率地产生电力。

上文刚描述的那类过程按本发明的方法进行就可以达到这个目标，方法是在温度为900至1100℃的循环流化床中，使含碳物料中所含70至95%的碳进行气化生成可燃气，而后在850至950℃用氢氧化钙，氧化钙和（或）含碳酸钙的固体悬浮物中除去污染物。上述可燃气的大部分被燃烧，产生的气体用于推动燃气轮机，该气体至少含5%体积的氧气，温度不低于1000℃。在另一个循环流化床中，燃烧含碳固体物料气化后的剩余物，产生过程蒸汽。流化床的温度在800至950℃之间，调节含氧气体的量，使燃烧在接近化学计量的条件下进行。含氧气体以不同的浓度，至少分为两个支气路送入流化床，含氧气体主要由燃气轮机的废气组成。

由EP-A1-62363知道，在第一阶段中，使含碳物料在高达5bar的压力和800至1100℃温度下，调节含氧气体的量，在水蒸汽存在下，于循环流化床内进行气化。这样，使原物料中40至80%（重量）的碳发生转化。然后在800至1000℃下借助悬浮物除去生成气中的含硫化合物，再将此气体冷却，进行除尘处理。在第二阶段中，气化剩余物和气体净化时得到的副产物（如饱和的脱硫剂，尘灰和液化气体）送入第二个循环流化床，它们所含剩余的可燃组份在床中与超过化学计量要求1.05至1.40倍的过量空气一起燃烧。

但是，曾经提出过这样的建议，目的是为工业上生产某些产品提供不同形式的能源。例如，为加热目的提供蒸汽形式的能源，或提供不同形式的高温流体和清净可燃气形式的能源，这种可燃气的燃烧不会对产品质量有不良影响。初级能源（如煤的能量）转化成可燃气和过程的热这些次级能源的程度。应当随对次级能源的即时要求（要求这种形式或另一种形式）而在较宽的范围内变动。这意味着，在燃气轮机和汽轮机联合运行工艺中，不会出现上面概要谈到的所解决的这种问题。这一点特别可以从不同的气化度看出来。

在本发明的工艺中，涉及到所谓“含碳固体物料”，这是指在常温下呈固态的一种燃料。此类物质，例如各种类型的煤，包括洗选下来的废煤和焦炭，还有石油焦，废木材，泥煤，油页岩，沥青烯以及炼油厂的残渣。

在“正统”的流化床中，由于存在着截然不同的密度段，而将密相段与上层气体空间区分开来。但是，本技术中气化段和燃烧段所采用的循环流化床与此不同，它没有明确的边界层，是各种状态的分布。在稠相与上层气体空间之间没有按密度划分的段，但固体在反应器中的密度是自下而上减小的。

借助Froude数和Archimedes数来确定操作条件，其数值的范围如下：

0.1≤3/4×F_r ²× (ρ_g)/(ρ_k-ρ^g) ≤10

和

0.01≤Ar≤100

这里

Ar= (d_k ²×g(ρ_k-ρ_g))/(ρ_g×V₂)

F_r ²=- (u²)/(g×d_K)

其中u＝气体相对流速，以m/s计

Ar＝Archimedes数

Fr＝Froude数

ρ_g＝气体密度，以Kg/m³计

ρ_k＝固体颗粒的密度，以Kg/m³计

d_k＝球形颗粒的直径，以m计

γ＝运动粘度，以m²/s计

g＝重力常数，以m/s²计

从L·Reh等的文章“Wirbelschichtptozeses    fur    die    Chemie-und    Huttenindustrie，die    Energieumwandlung    und    den    Umweltschutz”，Chem·-Ing·Techn·，55（1983），No2，Pages87    to    93可容易看到循环流化床操作的其它信息。

生成的气体可在任何一种合适的设备中，如象风力输送机，文丘里流化床（细腰流化床），用悬浮固体进行脱硫，放出的固体进入后面的分离设备。但是，采用循环流化床更加有利于脱硫过程。

如果气化能够在1000℃以下进行，由于具有较低热值的可燃气可以在燃气轮机中使用，则脱硫作用可以在气化反应器（流程中的）中进行。

在适合于给定情况下的任何压力下，都可以进行气化。通常是参考燃气轮机的操作条件来选择压力，约在15至30bar范围内。按热力学知识，此压力应当尽可能高些。

气化作用所需的含氧气体和通常需要的水蒸汽应当以不同流量送入气化段的流化床反应器。最好是送入的水蒸汽主要做流化气用，送入的含氧气体主要做二次气用。就是说，少量的水蒸汽与含氧气一起送入做为二次气，和少量的含氧气与水蒸汽一起送入做为流化气。

气体在气化段（在含碳物料入口的上方）的停留时间应当在3至20秒范围内，最好是10至15秒。在较高的位置把含碳物料送入气化段往往符合这个要求。这样做产生的气体含较多的烃，从而有较高的热值，确保在气体中基本上不含那些可能在排出气系统中凝结的烃类。

用于可燃气脱硫的脱硫剂合适的粒径dp50为5至250μm。在流化床反应器中，平均悬浮密度应当保持在0.1至10Kg/m³，最好1至5Kg/m³。每小时循环的固体重量应至少为反应器本身容纳固体量的5倍。

加入脱硫剂的流量至少为按下面化学方程化学计量计算所需流量的1.2至2倍。

应当明白，使用白云石或煅烧白云石时，实际上只有钙的化合物与硫的化合物起反应。此外，考虑到流程内气化反应器内发生的脱硫作用，必须将与含碳物料的无机组份一起加进的有效脱硫剂的量计算在内。

选择脱硫时的气速要随气压的高低而定，约为1至5m/s（按空管流速计算）。

如果可燃气是单独脱硫的，特别是离开气化段的可燃气的温度很高时，则包括燃烧段需要的全部脱硫剂可在气体脱硫段加入。这时，加热所需的和附加的脱酸化所需的热能将由气体传给，这些热能将贮存在气化段和燃烧段。

特别是从符合生态学要求的燃烧来看，在气化段未转化的可燃组分被看成是难处理燃料。在净化气体时得到副产物也是难以处理的。理想的办法是在另一个循环流化床中处理它们，使净化气体产生的副产物减少到符合生态学的要求。来自气体净化段的饱和脱硫剂，尤其是含有硫化物的脱硫剂，如硫化钙，被转化成硫酸盐，如硫酸钙，即可排放掉。硫酸盐化时释放的氧化热可用于产生附加蒸汽。其它副产物，如从气体中敛集的尘灰也可以转化为符合生态学要求的产物。

燃烧分为两段进行，在不同水平上供给含氧气体。这样做的好处在于这种燃烧是“软”的，从而消除了局部过热。采用多段式燃烧还可以明显减少NOx的生成。在含氧流化气的入口与二次气入口之间加入燃料。适当选定流化气和二次气的流量，使得处于最高的气体入口管以上的悬浮物的平均密度为15至100Kg/m³。同时，燃烧热的大部分被安装在反应器最高的气体入口管以上的冷却面所耗散。

这种型式的操作在德国公开专利2539546和相应的美国专利4，165，717有更加详细的描述。

在流化床反应器内，二次气入口以上的气体流速，在大气压下通常超过5m/s，可高达15m/s。流化床反应器的直径与高度之比应选择得使停留时间为0.5至8.0秒，对流化气最好为1到2秒。

事实上，流化气可由那些对排出气的性质没有不良影响的气体组成。可以使用惰性气体，如再循环的废气，氮气和水蒸汽，对高温燃烧过程来说，使用含氧气做流化气是更合乎理想。

下面是可供选择的两种方案：

1.含氧气体做流化气。这种操作方式往往更加可取。在这种情况下，在一个水平上送入二次气就足够了，当然也可以在多水平上送入二次气。

2.惰性气做流化气。在这种情况下，含氧燃烧气作为二次气，它必须在两个层叠的水平上送入。

在每个水平上，二次气最好通过多个入口送入。

燃烧过程宜于按这样的方法进行，即送入的流化气和二次气的流量应当能在最上部的气体入口之上形成平均密度为10至40Kg/m³的悬浮体。从循环流化床放出的热固体，以流化态的形式被直接或间接式换热器冷却。至少有一部分冷却的固体流又循环到循环流化床内。

该过程的具体装置已在公布的德国专利申请书2624302和相应的美国专利4，111，158中有更加详细的说明。

在这种情况下，无须改变流化床反应器的操作条件，即无须改变悬浮密度和其它参数，仅仅通过控制冷却固体的再循环量就可以保持恒定温度。根据燃烧速率和选定的燃烧温度来选用较高或较低的再循环流量。燃烧温度约在650至950℃之间，也可以按要求选在接近起燃点以上的很低温度和很高温度之间，但高温度是受到限制的，例如受燃燃剩余物的软化点限制。

在本发明的具体装置中，在大气压下操作时，在二次气入口以上气体的停留时间，气体流速，以及流化气和二次气的送入方式，都与上述具体装置的相应参数相同。

在不改变气化段的情况下，借助多给燃烧段补充含碳物料可以提高蒸汽的产率。由于固体含碳物料可以分别加进燃烧段，汽轮机是可以起动的，特别是在运行状态期间。这与利用气化段来的气化剩余物是无关的。

含氧气体可由空气，富氧空气或工业纯氧组成。燃烧段可在大气压下或高于大气压约至10bar下进行操作。

在本发明推荐的具体设备中，含碳固体物料至少有80%重量的碳在气化过程转化成可燃气。已脱硫的可燃气被冷却到350至600℃范围内，且不含卤化物。

气化度增加到大于80%重量时，往往可以获得进一步提高效率的好处。

用干法除掉卤化物，方法是用氧化钙和（或）氢氧化钙清除，其工艺条件与上述可燃气单独脱硫的条件基本上相同。

已经生成的并用上文所述方法净化的可燃气，在有过量氧气存在的条件下，在燃烧室燃烧。产生的烟道气中NO₂的含量较低，且至少含5%体积的氧气。因为考虑到燃气轮机的操作条件，必须选定烟道气的温度。为了符合满负荷运转往往选择最高允许温度。所以，送入燃烧所需的含氧气体时，采用的流量要能导致所说的最高允许温度。必须保证烟道气具有足够的热值。在本发明的实用中，燃气轮机的操作温度不超过1200℃。

在本发明的另一个合乎理想的具体设备中，烟道气中的任何可燃部分都在接近化学计量条件下燃烧掉，生成低NOx含量的烟道气，冷却后送入二级燃气轮机。根据前面所述的理由，应当将烟道气尽可能地冷却到接近燃气轮机入口的最高允许温度。

本发明的这个具体设备可带来特殊的好处，即使在部分负荷下操作也可以达到高效率。

如果在气化过程和（或）燃烧过程使用富氧空气或工业纯氧，而且备有生产氧气的空气分离装置，那么在供给燃烧室或几个燃烧室富氧空气或工业纯氧，为燃气轮机或几个燃气轮机产生烟道气时，至少配进一部分空分时得到的氮气。这是值得推荐的。这样做会使燃气轮机在运行过程中增加气体体积，这部分增加的可燃气是由于氮从烟道气中取走燃烧热而得到的，从而可以提高效率。但是，当用氮气冷却可燃气时，必须注意冷却的气体的温度要尽可能靠近入口的最高允许温度。

初级能源，如煤转化成可燃气和蒸汽的程度，将决定燃气轮机和汽机轮联合运行过程的总效率，而且它基本上取决于进入燃气轮机的烟道气的最高允许温度。例如，当烟道气入口的最高允许温度增大时，燃气轮机与汽轮机输出功率之比将增加，有利于燃气轮机。因此当烟道气的最高允许温度升高时，气化程度应当增加，剩余物燃烧程度应当降低。烟道气温度为1200℃时，效率可达45%左右。

现在用附图和几个例子来更加详细地说明此项发明。

附图是张说明符合本发明工艺要求的简化流程图。

在循环流化床1中产生可燃气，由管道2送入含氧流化气，由管道3送入蒸汽，由管道4送入煤。可燃气沿管道5放出，进入第一个换热器6，接着进入脱硫装置7。随后可燃气通过另一个换热器8，在装置9内除掉卤化物，特别是氯化氢。在装置10内分离出尘灰。装置7和9内被可燃气中污染物饱和后的吸收剂，以及装置10中收集的尘灰分别沿管道11，12和13排放出去。

可燃气随后沿管道14进入燃烧室15，通过管道16向燃烧室送入含氧气体，推动燃气轮机17的烟道气是在此燃烧室内在过量氧气存在条件下燃烧产生的。调节送入含氧气体的流量，使之达到燃气轮机17操作所需的最佳温度。燃气轮机15废气的一部分沿管道18补充流化气，一部分沿管道19做为二次气进入循环流化床20。气化剩余物则 在此流化床内燃烧。凡需要的新鲜含氧流化气均由鼓风机21提供。气化剩余物，饱和3的吸收剂和由可燃气中分离出来的尘灰都沿管道22装入流化床。补加的脱硫剂和补加的煤（如果需要的话）通过管道23送入循环流化床20。在循环流化床内的蒸汽调节器24中产生的蒸汽，沿管道25送入汽轮机26，27格28段内，它们分别在高、中和低压条件下运转。循环流化床20的排出气经过另一个换热器29和除尘器30，进入烟囱31。

燃气轮机17排出的含氧烟道气及不需要送入循环流化床20的部分，都沿管道32进入换热器系统33。用通常的方法将烟道气冷却，而后送入烟囱31。

虚线围的区域内有第二个燃气轮机34，它特别适于在部分负荷操作时进行运转。燃烧室35在燃气轮机34之前，燃烧室内装有废热锅炉36，也可以是装有冷却壁的燃烧室。燃气轮机34的操作与燃气轮机17不同，它是靠经由管道37来的可燃气和经由管道38来的含氧气体，在接近化学计量的情况下进行燃烧而产生烟道气进行运转。燃气轮机的废气沿管道39流入管道32，接下去就按上文所述的情况使用。

为清楚起见，未在附图中画出与涡轮机联接的发电机。

例1

在循环流化床1内，以223，000Sm³/h的速率产生气体。通过管道2以155，000Sm³/h＊的流量将350℃和20bar的空气送入流化床，通过管道3以3，900Kg/h的流量送入400℃蒸汽＊＊，通过管道4送入平均粒子大小低于6mm的烟煤，其流量为70，000Kg/h。烟煤含35%重量的挥发份（按除去水和灰份计算），其组成如下：

21.5%重量灰份

1.5%重量水份

70.5%重量C+H

2.0%重量N+S

4.5%重量O

具有较低的热值，26MJ/Kg。气化段的温度可达1050℃，碳的转化率约为85%重量。

产生的气体沿管道5流出，在换热器6内冷却到900℃，并在装置7内脱硫，以5000Kg/h的流量加进CaCO₃。出口气体有以下组成：

24.4%体积CO

4.0%体积CO₂

11.3%体积H₂

3.0%体积H₂O

2.4%体积CH₄+CmHn

54.9%体积N₂

具有较低的热值，5.3KJ/sm³。

在换热器8中，进一步将气体冷却到400℃，剩下的污染气，特别是HCl，在装置9内经过Ca（CH）₂的吸收，其含量已低于10mg/sm³。

随后将气体沿管道14送入燃烧室15，在那里与经由管道16送来的空气一起进行燃烧，空气的流量为化学计量需要的流量的3.6倍。产生的烟道气温度为1100℃，随后烟道气在燃气轮机19内进行膨胀。燃气轮机排出气的温度为550℃，压力为1.35bar，并含有13%体积的氧和每Sm³含200mg的Nox。联接在燃气轮机上的发电机可输出功率97MW。

气化剩余物排出的流量为26，700Kg/h，它与装置7，9和10以总流量5，000kg/h排出的固体混在一起。混合物的温度为955℃，并沿管道22输送到循环流化床20，在其中于850℃下，在25%过量氧气存在下进行燃烧。流化气与二次气的体积比为30∶70，流化气温度为300℃，是由三分之一份空气（鼓风机21送入）和三分之二由燃气轮机沿管道18来的废气组成。流化床20用的二次气温度为550℃，它只是由燃气轮机17沿管道19输送过来的废气。燃气轮机17的废气有10%体积送入循环流化床20。在循环流化床中产生100bar，535℃的蒸汽，并沿管道25输送给汽轮机26，27和28。与它们联接的发电机共产生116MW的电力。

从循环流化床出来的气体在换热器29内冷却，在设备30中将冷却气的尘灰分离出来，再送入烟囱31。由于良好的燃烧条件，该气体中每sm³中含NOx少于175mg，含SOx少于200mg。

燃气轮机17的排出气中没有用于燃烧过程的部分（90%体积）通过管道32送到换热器系统33，并冷却到100℃，同时对冷凝液进行预热并产生蒸汽，最后送入烟囱31。

本例中总效率可达42%，其中汽轮机和燃气轮机的输出功率之比约为1∶0.83。

例2

气化过程，气体冷却和气体净化的操作条件和流量均与例1相同。

在气化段1产生的可燃气，有40%在超大气压下于燃烧室35内与5%过量的空气进行燃烧。产生1100℃的烟道气，并在燃气轮机34内进行膨胀。燃气轮机的废气的温度为550℃，压力约为1bar，含1%体积的氧气。该气体在换热系统33内被冷却，温度约降到100℃，再送入烟囱31。

联接在燃气轮机34上的发电机可输出功率26MW。

其余60%的可燃气，即主要部分，通过管道14送入燃烧室15内与空气一起进行燃烧，空气的量为化学计量需要的3.6倍。产生的1100℃烟道气被送入燃气轮机17内进行膨胀，从而温度降到550℃。从燃气轮机17排出的气体含13%体积的氧气，压力为1.35bar。

联接在燃气轮机17上的发电机可输出功率58MW。

气化剩余物以26，700kg/h流量和装置7，9和10排出的固体以5，000kg/h总流量沿管道22输送到循环流化床20。在其中与25%过量的氧气在850℃下进行燃烧。同例1相同，流化气与二次气的体积之比为30∶70。流化气的温度为300℃，其中三分之一为空气（鼓风机21供给的）和三分之二为从燃气轮机出来通过管道18送入的废气。流化床反应器20的二次气只由废气组成，它是从燃气轮机17出来沿管道19送入的，温度为550℃，显然，燃气轮机17的废气中共有17%体积的气体送入了循环流化床20。

在循环流化床20中产生温度为535℃，压力为100bar的蒸汽，再通过管道25送入汽轮机26，27和28。联接在汽轮机上的发电机净输出功率为129MW。

从循环流化床20出来的废气和燃气轮机排出的且在燃烧过程未使用的废气，象例1一样加以处理。

本例中总效率也可以达到42%。

Claims (4)

1、一种实现燃气轮机和汽轮机联合运行的方法，其特征是燃气轮机使用从含碳固体物料生成的、并经脱硫的可燃气推动；汽轮机是靠燃烧含碳固体气化后的剩余物放出的热所产生的蒸汽推动，这里用燃气轮机的含氧废气使含碳固体剩余物燃烧，此过程的特点是含碳为70至95%的固体物料通过一个循环式流化床在900至1100℃温度之间进行气化，生成的气体用氢氧化钙，氧化钙和(或)含碳酸钙的固体悬浮体在850至950℃下进行处理，除去污染物形成可燃气，上述可燃气的大部分进行燃烧，产生的气体用于推动燃气轮机，该气体至少含有5%体积的氧气，且温度至少在1000℃以上，在另外一个循环式流化床中燃烧含碳固体气化后的剩余物，产生过程蒸汽，流化床温度在800至950℃之间，调节含氧气体的量使燃烧在接近化学计量条件下进行，为此在不同水平上将含氧气至少分为两个支气路，送入流化床，可燃气主要由燃气轮机的废气组成。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征是用气化法产生可燃气时含碳物料中的碳至少有80%重量被气化。

3、按照权利要求1或2所述的方法，其特征是已脱硫的可燃气的温度被冷却到350至600℃之间，而且不含卤化物。

4、按照权利要求1或2所述的方法，其特征是所有剩余的可燃气都在接近化学计量条件下进行燃烧，产生的烟道气被冷却，并送入第二个燃气轮机。

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