CN101270689B - 煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法,所述的方法主要由煤的气化与净化过程和燃气一蒸汽联合循环发电过程两部分组成,煤气在燃烧室内与高压空气混合燃烧,产生的高温高压燃气驱动膨胀机对外做功,带动压气机及发电机,所述的燃气轮机系统提供给空分的原料空气作为工作流体,通过换热降温、增压、多次复热、逐步加温,再获取气化炉装置出口处的高温煤气的热能,使得工作流体的温度达到足够高,并通过能量回收透平膨胀做功,拖动增压轮并发电,再换热降温,最后将适当压力和温度的空气输送给空气分离装置;所述的装置是主要包括有煤的气化与净化设备和燃气—蒸汽联合循环发电设备组成,并增设了能量回收透平以及由该能量回收透平驱动的压气机和若干热交换器;它具有方法简单易行、可靠,装置结构简单,能提高能量回收透平的工作效率,增加输出功率,使IGCC系统的发电效率提高3%以上,有明显的节能降耗作用等特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种新型煤气化增压联合循环发电系统及装置,尤其是一种应用于整体煤气化联合循环发电系统中,从燃气轮机压气机出口处抽取压缩空气供给空分装置过程中进行空气增压的能量转化、回收方法及装置。
背景技术
整体煤气化联合循环发电系统,简称为IGCC系统,它是将煤气化技术和高效联合循环发电技术相结合的先进动力发电系统。它由煤的气化与净化过程和燃气-蒸汽联合循环发电过程两部分组成。在煤的气化与净化过程中用到的主要设备包括:选煤装置、气化炉装置、除尘净化装置、空气分离装置等;在燃气-蒸汽联合循环发电过程中用到的主要设备包括:燃气轮机、余热锅炉、汽轮机等。这套IGCC系统目前已经在国内实现了推广和应用,并成为一种较为成熟的应用技术。
通常采用的气化炉装置包括固定床气化炉、流化床气化炉和气流床气化炉;气化炉出口处粗煤气的温度都很高,其中含有熔融状态的灰渣,通常的做法是利用对流锅炉产生蒸汽,再进行激冷处理,将煤气中所含熔融状态的灰渣除去,这样做实际上是对高温煤气能量(有效能)的一种浪费。
空气分离装置吸入压缩空气,产出氧气和氮气等,同时需要氧压机和氮压机将氧气和氮气压缩到需要的压力。在IGCC系统中,根据原料空气的来源不同,空气分离装置可分为独立空分装置、整体空分装置和部分整体空分装置。独立空分装置是所有的原料空气都是空分装置自带的空压机提供的;整体空分装置是所有的原料空气都是外部装置提供的;部分整体空分装置是原料空气由空分装置自带的空压机和外部装置共同提供。
燃气轮机包括空气压缩机、燃烧室和膨胀机。煤气在燃烧室内与高压空气混合燃烧,产生的高温高压燃气驱动膨胀机对外做功,带动压气机及发电机。
在IGCC系统中,通常情况下,燃气轮机气体压缩机出口处压缩空气的压力和温度远大于空气分离装置所需压缩空气的压力和温度。平常采用的方法是:通过冷却器冷却和节流装置节流,将空气调整到空分装置适合的温度和压力,再作为原料空气进入到空分装置中。这样做并没有对这部分可观能量进行充分利用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的不足,而提供一种在现有技术的基础上所作出的一种改进的,能使IGCC系统中的高品质热能在高温下转化为电能的效率更高的煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法。
本发明所述的煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法是:它主要由煤的气化与净化过程和燃气-蒸汽联合循环发电过程两部分组成,煤气在燃烧室内与高压空气混合燃烧,产生的高温高压燃气驱动膨胀机对外做功,带动压气机及发电机,所述的燃气轮机系统提供给空分的原料空气作为工作流体,通过换热降温、增压、多次复热、逐步加温,再获取气化炉装置出口处的高温煤气的热能,使得工作流体的温度达到足够高,并通过能量回收透平膨胀做功,拖动增压轮并发电,再换热降温,最后将适当压力和温度的空气输送给空气分离装置。
本发明从燃气轮机气体压缩机出口处抽取压缩空气,首先经过换热降温,再由能量回收透平带动的压气机增压,多次复热;然后与气化炉装置出口处高温煤气进行热交换;之后将高温高压空气通过能量回收透平对外做功,带动系统中的发电机及压气机。
将从燃气轮机气体压缩机出口处抽取的压缩空气,与能量回收透平驱动的压气机出口处的低温压缩空气进行热交换,降低温度,并通过水冷却器进一步降低温度(为了减少压缩功)后,进入由能量回收透平驱动的压气机增压;增压后的低温压缩空气与燃气轮机气体压缩机出口处抽取的压缩空气进行热交换升温,即第一次复热后,再与能量回收透平做功后的空气进行热交换进一步升温,即第二次复热,之后与气化炉装置出口处的高温粗煤气进行热交换达到所需要的温度,再将高温、高压空气引入能量回收透平膨胀对外做功,并驱动压气机及发电机;做功后的中压空气与第二次复热对应先与高压空气热交换降温后再与空气分离装置出口的回注氮气进行热交换,余热由回注氮气带入燃汽轮机的燃烧室回收),最后达到适当压力和温度,进入空分装置。
对于气化炉装置出口处的高温煤气,本发明先将其与驱动能量回收透平的工作流体进行热交换,利用其高品质热能(高温),提高IGCC系统的火用效率,使其温度降低到略高于灰渣凝结温度,再通过激冷系统除去其中的灰渣。
本发明还对净化后的煤气与净化前的煤气进行换热,以提高进入燃机燃烧室煤气温度来回收能量。
本发明所述的煤气化增压联合循环发电系统的能量转化、回收装置是:它包括有煤的气化与净化设备和燃气-蒸汽联合循环发电设备组成,其中煤的气化与净化设备主要有选煤装置、气化炉装置、除尘净化装置、空气分离装置等;而燃气-蒸汽联合循环发电设备主要有燃气轮机、余热锅炉、汽轮机等;本发明主要是增设了能量回收透平以及由该能量回收透平驱动的压气机和若干热交换器,在燃气轮机所附的气体压缩机与由能量回收透平驱动的压气机之间至少设置有第一热交换器,而压气机与气化炉装置之间也至少设置有第二热交换器,另在能量回收透平与空气分离装置之间也设置有第三热交换器。
所述的气体压缩机与由能量回收透平驱动的压气机之间设置有供压缩空气与低温压缩空气进行热交换的第一热交换器,而压气机与气化炉装置之间至少设置有供高温压缩空气与高温粗煤气进行热交换的第二热交换器,另在能量回收透平与空气分离装置之间也设置有做功后的空气与回注氮气进行热交换的第三热交换器。
本发明在所述的第二热交换器之前还设置有一中间热交换器,从压气机出来的低温压缩空气在经过第一热交换器后在进入该中间热交换器,与从能量回收透平出来的做功后空气进行热交换。
本发明属于在现有技术基础上的一种改良,它针对整体空分装置或部分整体空分装置,即由燃气轮机压气机为空分装置提供部分或全部气源空气,在增加了-能量回收透平驱动的压气机和若干热交换器后,能实现空分装置气源空气能量的回收利用,并利用空分装置气源空气为介质将高温粗煤气的热能在高品位时转化为电能。具有方法简单易行、可靠,装置结构简单,能提高能量回收透平的工作效率,增加输出功率,使整个IGCC系统的发电效率提高3%以上,有明显的节能降耗作用等特点。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍:本发明所述的煤气化增压联合循环发电系统的能量转化、回收方法是:它主要由煤的气化与净化过程和燃气-蒸汽联合循环发电过程两部分组成,煤气在燃烧室内与高压空气混合燃烧,产生的高温高压燃气驱动膨胀机对外做功,带动压气机及发电机,所述的燃气轮机系统提供给空分的原料空气作为工作流体,通过增压、逐步加温,再获取气化炉装置出口处的高温煤气的热能,使得工作流体的温度达到足够高,并通过能量回收透平发电,再换热降温,最后将适当压力和温度的空气输送给空气分离装置。
本发明从燃气轮机气体压缩机出口处抽取压缩空气,首先经过由能量回收透平带动的压气机增压;然后与气化炉装置出口处高温煤气进行热交换;之后将高温高压空气通过能量回收透平对外做功,带动系统中的发电机及压气机。
结合附图1所示的具体方法是:将从燃气轮机气体压缩机出口处抽取的压缩空气,与能量回收透平驱动的压气机出口处的低温压缩空气进行热交换,降低温度,并通过水冷却器进一步降低温度(为了减少压缩功)后,进入由能量回收透平驱动的压气机增压;增压后的低温压缩空气与燃气轮机气体压缩机出口处抽取的压缩空气进行热交换升温、即第一次复热后,再与能量回收透平做功后的空气进行热交换进一步升温、即第二次复热),之后与气化炉装置出口处的高温粗煤气进行热交换达到所需要的温度,再将高温、高压空气引入能量回收透平膨胀对外做功,并驱动压气机及发电机;做功后的中压空气与第二次复热对应先与高压空气热交换降温,后再与空气分离装置出口的回注氮气进行热交换,余热由回注氮气带入燃汽轮机的燃烧室回收,最后达到适当压力和温度,进入空分装置。
对于气化炉装置出口处的高温煤气,本发明是:先将其与驱动能量回收透平的工作流体进行热交换,使其温度降低到略高于灰渣凝结温度,再通过激冷系统除去其中的灰渣。
附图1中所示的煤气化联合循环发电系统的能量转化、回收装置是:它包括有煤的气化与净化设备和燃气-蒸汽联合循环发电设备组成,其中煤的气化与净化设备主要有选煤装置1、气化炉装置2、除尘净化装置3、空气分离装置4等;而燃气-蒸汽联合循环发电设备主要有燃气轮机5、余热锅炉6、汽轮机等;本发明增设了能量回收透平7以及由该能量回收透平7驱动的压气机8和若干热交换器,在燃气轮机5所附的气体压缩机9与由能量回收透平驱动的压气机8之间至少设置有第一热交换器10,而压气机8与气化炉装置2之间也至少设置有第二热交换器11,另在能量回收透平7与空气分离装置4之间也设置有第三热交换器12。
所述的气体压缩机9与由能量回收透平驱动的压气机8之间设置有供压缩空气与低温压缩空气进行热交换的第一热交换器10,而压气机8与气化炉装置2之间至少设置有供高温压缩空气与高温粗煤气进行热交换的第二热交换器11,另在能量回收透平7与空气分离装置4之间也设置有做功后的空气与回注氮气进行热交换的第三热交换器12。
本发明在附图1中所示的第二热交换器11之前还设置有一中间热交换器13,从压气机8出来的低温压缩空气在经过第一热交换器10后在进入该中间热交换器13,与从能量回收透平7出来的做功后空气进行热交换。
本发明采用的是对燃气轮机所供气先增压、再升温、然后膨胀做功的增压流程;气化炉装置的出口高温粗煤气也进行了换热;对净化后的煤气与净化前的煤气进行换热,以提高进入燃机燃烧室煤气温度来回收能量的原理;本发明还将做功后的空气的热量根据温度的不同分别交换给与粗煤气换热前的空气和回注氮气,以增加热能的有效利用。
Claims (7)
1.一种煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法,该方法是:它主要由煤的气化与净化过程和燃气-蒸汽联合循环发电过程两部分组成,煤气在燃烧室内与高压空气混合燃烧,产生的高温高压燃气驱动膨胀机对外做功,带动压气机及发电机,其特征在于所述的燃气轮机系统提供给空分的原料空气作为工作流体,通过换热降温、增压、多次复热、逐步加温,再获取气化炉装置出口处的高温煤气的热能,使得工作流体的温度达到足够高,并通过能量回收透平发电,再换热降温,最后将适当压力和温度的空气输送给空气分离装置。
2.根据权利要求1所述的煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法,其特征在于所述的从燃气轮机空气压缩机出口处抽取压缩空气,首先经过由能量回收透平带动的压气机增压;然后与气化炉装置出口处高温煤气进行热交换;之后将高温高压空气通过能量回收透平对外做功,带动系统中的发电机及压气机。
3.根据权利要求1或2所述的煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法,其特征在于所述的将从燃气轮机气体压缩机出口处抽取的压缩空气,与能量回收透平驱动的压气机出口处的低温压缩空气进行热交换,降低温度,并通过水冷却器进一步降低温度后,进入由能量回收透平驱动的压气机增压;增压后的低温压缩空气与燃气轮机气体压缩机出口处抽取的压缩空气进行热交换升温、即第一次复热后,再与能量回收透平做功后的空气进行热交换进一步升温、即第二次复热,之后与气化炉装置出口处的高温粗煤气进行热交换达到所需要的温度,再将高温、高压空气引入能量回收透平膨胀对外做功,并驱动压气机及发电机;做功后的中压空气与第二次复热对应先与高压空气热交换降温,再与空气分离装置出口的回注氮气进行热交换,余热由回注氮气带入燃汽轮机的燃烧室回收,最后达到适当压力和温度,进入空分装置。
4.根据权利要求3所述的煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法,其特征在于所述的气化炉装置出口处的高温粗煤气,先将其与驱动能量回收透平的工作流体进行热交换,使其温度降低到高于灰渣凝结温度,再通过激冷系统除去其中的灰渣。
5.一种用于如权利要求1或2或3或4所述的煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法的装置,该装置包括有煤的气化与净化设备和燃气-蒸汽联合循环发电设备组成,其中煤的气化与净化设备有选煤装置、气化炉装置、除尘净化装置、空气分离装置;而燃气-蒸汽联合循环发电设备主要有燃气轮机、余热锅炉、汽轮机,其特征在于增设了能量回收透平以及由该能量回收透平驱动的压气机和若干热交换器,在燃气轮机所附的气体压缩机与由能量回收透平驱动的压气机之间至少设置有第一热交换器,而压气机与气化炉装置之间也至少设置有第二热交换器,另在能量回收透平与空气分离装置之间也设置有第三热交换器。
6.根据权利要求5所述的用于煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法的装置,其特征在于所述的气体压缩机与由能量回收透平驱动的压气机之间设置有供压缩空气与低温压缩空气进行热交换的第一热交换器,而压气机与气化炉装置之间至少设置有供高温压缩空气与高温粗煤气进行热交换的第二热交换器,另在能量回收透平与空气分离装置之间也设置有做功后的空气与回注氮气进行热交换的第三热交换器。
7.根据权利要求5或6所述的用于煤气化增压联合循环发电系统的能量转化和回收方法的装置,其特征在于所述的第二热交换器之前还设置有一中间热交换器,从压气机出来的低温压缩空气在经过第一热交换器后在进入该中间热交换器,与从能量回收透平出来的做功后空气进行热交换。
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C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant |