CN102261271A - 基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统及方法，该系统包括：热解装置(1)，用于固体燃料热解产生气体、液体和固体半焦燃料；经冷凝装置(2)分离出气体和液体燃料，其中，气体和液体燃料分别通过净化装置(3)、(4)对气、液燃料除尘脱硫；固体半焦燃料进入锅炉(5)燃烧产生蒸汽；燃气轮机(7)，用于燃用气体或/和液体燃料发电；蒸汽轮机(8)，用于蒸汽发电。该方法通过固体燃料热解对固体燃料进行分级，产生气、液、固体半焦燃料并分别进入燃气、蒸汽轮机发电，有效的简化了工艺，降低了成本，集成了IGCC和超超临界发电技术的优点，可显著提高发电效率，不仅可用于大型发电厂，也可用于采用中、高压参数的小型发电机组。

Description

基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统及方法
技术领域
本发明涉及煤发电技术领域，特别涉及一种基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统及方法。
背景技术
燃煤发电是通过产生高温高压的水蒸汽来推动汽轮机发电的，蒸汽的温度和压力越高，发电的效率就越高。在374.15℃、22.115MPa条件下，水蒸汽的密度会增大到与液态水一样，此时称为水的临界参数；比这还高的参数叫做超临界参数；当温度和压力高于600℃、25～28MPa时称为超超临界。
亚临界机组的典型参数为16.7MPa/538℃/538℃，其发电效率约为38％；超临界机组的主蒸汽压力通常为24MPa左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为538～560℃，超临界机组的典型参数为24.1MPa/538℃/538℃，对应的发电效率约为41％；超超临界机组的主蒸汽压力为25～31MPa，主蒸汽和再热蒸汽温度为580～610℃，超超临界机组的发电效率为45％左右。
燃气轮机联合循环发电是将气体或液体燃料用于燃气轮机发电，然后，将排出的高温烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽进入蒸汽轮机发电。燃气轮机联合循环机组由于利用了布朗和朗肯二个循环，发电效率接近57～58％。燃气轮机联合循环发电厂余热锅炉排放无灰尘，二氧化硫极少，氮氧化物为10～25ppm。当燃机为双燃料(油和天然气)时，还可以对天然气进行调峰，燃气-蒸汽联合循环电厂的用水量一般为燃煤发电的1/3。
IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)是整体煤气化联合循环发电系统的简称。它是先将煤气化产生煤气，煤气净化后进入燃气轮机发电，燃气轮机换热装置产生的蒸汽进入蒸汽轮机发电。IGCC技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好的环保性能，是一种有发展前景的洁净煤发电技术。在目前技术水平下，IGCC发电的净效率可达43～45％，污染物的排放量仅为常规燃煤电站的1/10；脱硫效率可达99％，SO2排放在25mg/Nm3左右；氮氧化物排放只有常规电站的15～20％；耗水只有常规电站的1/2～1/3，利于环境保护。但是，IGCC的建设成本比采用粉煤燃烧的电厂昂贵，其千瓦造价要远高于1000MW超超临界机组；此外，系统比较复杂，成为发展的障碍。
我国的煤炭资源中高挥发分煤占80％以上，包括约13％的褐煤、42％的次烟煤和33％的烟煤，煤中挥发分富含可直接转化为燃气的碳氢结构，直接燃烧或气化方式导致煤中挥发分被等同于煤中的固体组分。
国际国内已进行了许多煤热解技术的研发工作，旨在获得热解油或提升燃料品质。国外的典型代表有回转炉热解的TOSCOAL技术、移动床的Lurgi-Ruhr技术、流化床的CEOD工艺和气流床快速热解的ECOPRO技术。但在石油大规模应用后，煤热解技术的开发基本停止。
我国早在50年代末由中国科学院与大连第一发电厂、长春汽车制造厂联合开发了燃烧与固体热载体炉集成的煤干馏半工业实验，取得了初步实验结果，后因大庆油田的发现，终止了进一步的试验。80年代初，大连理工大学研究并开发了DG工艺，煤炭科学研究总院开发了多段回转炉工艺等。近期，由于国内对油气资源需求的提高，多家单位开发了不同的煤热解和多联产工艺。如浙江大学、清华大学、中科院过程工程研究所、山西煤化学研究所等开发了不同的多联产工艺，希望同时实现热电煤气的多联产。
中国科学院过程工程研究所一直坚持通过拔头(即热解)来实现煤的清洁高效利用，在此过程中，我们认识到通过热解实现燃料分级利用是煤清洁高效利用的一种最佳方式。超超临界发电技术将煤中含有的气体和液体成分直接在锅炉中烧掉，未能充分利用这部分燃料更高效发电的潜力。IGCC煤气化工艺十分复杂，且煤气化效率为80％左右，限制了系统发电效率的提升空间，且其蒸汽循环系统受燃气轮机排烟温度的限制，无法达到高的蒸汽参数，发电效率只能达到43～45％。为此，本申请提出了一种基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统，旨在通过煤的热解，集成IGCC和超超临界发电的优点，实现更高效的发电效率。而这种集成系统至今未见报道。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统及其方法，它是利用固体燃料热解技术将固体燃料热解得到气体(热解气)、液体(焦油)和固体(半焦)燃料，气体和液体燃料经冷凝、分别除尘脱硫净化后用于燃气轮机发电，固体半焦燃料在锅炉内燃烧产生蒸汽和燃气轮机换热装置产生的蒸汽一起用于蒸汽轮机发电，从而提高燃煤发电效率。本申请装置简单，投资和运行成本低；并可用于对现有的中小热电机组的改造提高发电效率，实现节能减排。
为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统，其特征在于，该分级混合发电系统包括：
热解装置1，用于固体燃料热解产生气体、液体和固体半焦燃料；经冷凝装置2分离出气体和液体燃料，其中，气体和液体燃料分别通过气体燃料净化装置3和液体燃料净化装置4对气、液燃料除尘脱硫；固体半焦燃料进入锅炉5燃烧产生蒸汽；
燃气轮机7，用于燃用气体或/和液体燃料发电；
蒸汽轮机8，用于蒸汽发电。
作为上述技术方案的一种改进，该分级混合发电系统还包括一换热装置6，用于利用燃气轮机7排出的热烟气产生的蒸汽推动蒸汽轮机8发电，如图1所示。
作为上述技术方案的又一种改进，该分级混合发电系统还包括一换热装置6，用于利用燃气轮机排出的热烟气产生的蒸汽进入锅炉5与其蒸汽混合加热后进入蒸汽轮机8发电，如图2所示；或进入锅炉5单独加热后进入蒸汽轮机8与其它蒸汽一起推动蒸汽轮机发电。
为实现本发明的上述另一目的，本发明提供了一种基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电方法，该分级混合发电方法的步骤为：
1)固体燃料首先进入热解装置1进行热解产生气体、液体和固体半焦燃料；
2)热解的气液产物通过冷凝装置2冷却，气液分离，并分别经气体燃料净化装置3和液体燃料净化装置4除尘脱硫净化后，气体或/和液体燃料进入燃气轮机7发电；其中，液体燃料的另一用途是不进入燃气轮机发电，而作为产品直接输出。
3)热解产生的固体半焦进入锅炉5燃烧产生蒸汽用于蒸汽轮机8发电。
作为上述技术方案的一种改进，还包括步骤4)：燃气轮机排出的热烟气进入换热装置6产生的蒸汽也推动蒸汽轮机8发电。
作为上述技术方案的再一种改进，所述步骤3)中燃用半焦的锅炉产生的蒸汽和步骤4)中换热装置产生的蒸汽分别进入不同的蒸汽轮机发电或进入同一蒸汽轮机发电。
作为上述技术方案的又一种改进，所述步骤4)中换热装置产生的蒸汽进入燃用半焦锅炉与其蒸汽混合加热后进入蒸汽轮机发电，或进入锅炉单独加热后进入蒸汽轮机与其它蒸汽一起推动蒸汽轮机发电。
所述的固体燃料包括：煤、油砂、油页岩或生物质。
所述的热解是指单纯热解、部分燃烧热解、部分气化热解或是它们的组合。
本发明的优点在于，本发明的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统及其方法，是利用固体燃料热解技术将固体燃料热解得到气体(热解气)、液体(焦油)和固体(半焦)燃料。这部分气体和液体燃料用于燃气轮机发电，它充分利用了燃气轮机联合循环发电高于超超临界发电效率的特点，同时又避免了IGCC发电中复杂的煤气化过程。热解产生的固体半焦燃料仍可通过采用超超临界参数的锅炉燃烧产生蒸汽用于蒸汽轮机发电。由于热解过程的能量转化效率较高为95～97％，所以该混合发电系统可以达到比IGCC和超超临界更高的发电效率。
假设煤热解的效率为96％，且30％的能量存在于气体和液体燃料中、70％能量存在于固体半焦中，如果气体和液体燃料采用燃气轮机联合发电系统效率为58～67％，半焦燃烧采用超超临界机组发电效率为45％，则煤热解和半焦燃烧的分级混合发电效率为47～50％，高于IGCC的46％和超超临界的45％。而成本和复杂性较IGCC大大降低。
另外目前国内存在的很多中小型热电厂，主要采用锅炉燃烧蒸汽发电系统，效率较低，发电效率仅约36％。由于燃气轮机发电效率随容量增大的变化不大，所以可以通过热解以96％的效率得到约30％的油气产物和70％的固体半焦，半焦进入原系统发电、油气用于燃气-蒸汽联合循环以56％的效率发电，其系统效率可达42％。
总之，本发明通过热解产生的液体和气体燃料用于燃气轮机发电系统；热解产生的固体半焦通过燃烧产生的蒸汽与燃气轮机换热装置产生的蒸汽用于蒸汽轮机发电，从而提高发电效率。该系统不仅可用于大型发电厂，达到目前现有煤炭发电系统的最高效率；也可用于采用中、高压参数的小型发电机组，且对小型机组发电效率提高的幅度更大，实现节能减排。
附图说明
图1是本发明的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统的示意图。
图2是本发明基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统的实施例1的示意图。
图3是本发明基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统的实施例2的示意图。
附图标识：
1、热解装置    2、冷凝装置    3、气体燃料净化装置
4、液体燃料净化装置    5、蒸汽锅炉    6、换热装置
7、燃气轮机            8、蒸汽轮机
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
本发明涉及到的装置主要有：实现固体燃料热解产生气体、液体和固体半焦燃料的热解装置1、用于分离气体和液体燃料的冷凝装置2、用于气液燃料分别除尘脱硫的气体燃料净化装置3和液体燃料净化装置4、燃用气体或/和液体燃料发电的燃气轮机7、利用燃气轮机排出的热烟气产生蒸汽的换热装置6、燃用半焦产生蒸汽的锅炉5和利用蒸汽发电的蒸汽轮机8等。
如图1所示，一种基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电方法，其步骤如下：
1)固体燃料首先进入热解装置1进行热解产生气体、液体和固体半焦燃料；
2)热解气液产物通过冷凝装置2冷却，气液分离；并分别经除尘脱硫的气体燃料净化装置3和液体燃料净化装置4净化后，进入燃气轮机7发电；
3)燃气轮机排出的热烟气进入换热装置6产生蒸汽推动蒸汽轮机8发电；
4)热解产生的半焦进入锅炉5燃烧产生蒸汽也用于蒸汽轮机8发电。
其中，
步骤1)中所述的固体燃料是指煤、油砂、油页岩、生物质等。
所述步骤1)中的热解是指单纯热解、部分燃烧热解、部分气化热解或是它们的不同组合。
所述步骤2)中液体产物和气体产物净化后全部或部分进入同一或不同燃气轮机、或只将气体产物送入燃气轮机。
所述步骤3)中换热装置产生的蒸汽与步骤4)中燃用半焦的锅炉产生的蒸汽分别进入不同的蒸汽轮机发电或同一蒸汽轮机发电，或者是进入燃用半焦锅炉与其蒸汽混合加热后进入蒸汽轮机发电，如图2所示；或者是进入锅炉单独加热后进入蒸汽轮机与其它蒸汽一起推动蒸汽轮机发电。
实施例1
原料：一种含挥发分较高的烟煤
实施方法：
首先将煤送入热解装置1；煤在热解装置1中发生热解反应析出挥发分，得到热解气液产物和固体半焦；热解气液产物通过冷凝装置2冷却分离并分别经除尘脱硫的气体燃料净化装置3和液体燃料净化装置4净化后，送入燃气轮机7发电；热解固体半焦从热解器底部排出，半焦进入蒸汽锅炉5燃烧产生蒸汽，同时，燃气轮机换热装置6产生的蒸汽也并入蒸汽锅炉5的汽水系统，过热蒸汽进入蒸汽轮机8发电。由于燃气轮机7后换热装置6产生的蒸汽并入锅炉5的主蒸汽系统，可以用较高的蒸汽参数发电，发电效率得到进一步提高。
设超超临界的发电效率45％，燃气轮机的发电效率40％。将余热锅炉的汽水系统与燃用半焦锅炉的汽水系统耦合，则这部分蒸汽可以通过锅炉过热以锅炉的高蒸汽参数发电。即当与超超临界蒸汽锅炉耦合时，其燃气轮机联合循环发电的效率为(40％+60％×45％)＝67％，则整个系统的发电效率为(45％×0.7+67％×0.3)×0.96＝50％，远高于IGCC或超超临界发电效率。如果超超临界效率提高，则系统效率也会相应提高。
实施例2
原料：一种含可挥发分较高的褐煤
实施方法：
如图3所示，将煤样送入热解装置1，与来自循环流化床锅炉5的部分热灰混合；热灰提供热量使煤在热解装置1中进行热解，析出可挥发分，得到气液产物和固体半焦；热解气液产物通过冷凝装置2冷却分离并分别经除尘脱硫净化装置3、4后，送入燃气轮机7发电；燃气轮机排出的热烟气进入换热装置6产生的蒸汽供蒸汽轮机8发电；热解固体半焦从热解装置底部排出，半焦进入蒸汽锅炉5燃烧产生的蒸汽进入蒸汽轮机8发电；燃气轮机7后换热装置6产生的蒸汽也进入蒸汽轮机8发电。
煤热解的效率为96％，且30％的能量存在于气体和液体燃料中、70％能量存在于固体半焦中。气体和液体燃料采用燃气轮机联合发电系统效率为58％，半焦燃烧采用超超临界机组发电效率为45％，则煤热解和半焦燃烧的分级混合发电效率为(45％×0.7+58％×0.3)×0.96＝47％，高于IGCC的46％和超超临界的45％。而成本和复杂性较IGCC大大降低。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统，其特征在于，该分级混合发电系统包括：
热解装置(1)，用于固体燃料热解产生气体、液体和固体半焦燃料；经冷凝装置(2)分离出气体和液体燃料，其中，气体和液体燃料分别通过气体燃料净化装置(3)和液体燃料净化装置(4)对气、液燃料除尘脱硫；固体半焦燃料进入锅炉(5)燃烧产生蒸汽；
燃气轮机(7)，用于燃用气体或/和液体燃料发电；
蒸汽轮机(8)，用于蒸汽发电。
2.根据权利要求1所述的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统，其特征在于，该分级混合发电系统还包括一换热装置(6)，用于利用燃气轮机(7)排出的热烟气产生蒸汽推动蒸汽轮机(8)发电。
3.根据权利要求1所述的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统，其特征在于，该分级混合发电系统还包括一换热装置(6)，用于利用燃气轮机排出的热烟气产生的蒸汽进入锅炉(5)与其蒸汽混合加热后进入蒸汽轮机(8)发电、或进入锅炉(5)单独加热后进入蒸汽轮机(8)与其它蒸汽一起推动蒸汽轮机发电。
4.一种基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电方法，该分级混合发电方法的步骤为：
1)固体燃料首先进入热解装置(1)进行热解产生气体、液体和固体半焦燃料；
2)热解的气液产物通过冷凝装置(2)冷却，气液分离，并分别经气体燃料净化装置(3)和液体燃料净化装置(4)除尘脱硫净化后，气体或/和液体燃料进入燃气轮机(7)发电；
3)热解产生的固体半焦进入锅炉(5)燃烧产生蒸汽用于蒸汽轮机(8)发电。
5.根据权利要求4所述的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电方法，其特征在于，还包括步骤4)：燃气轮机排出的热烟气进入换热装置(6)产生蒸汽也推动蒸汽轮机(8)发电。
6.根据权利要求5所述的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电方法，其特征在于：所述步骤3)中燃用半焦的锅炉产生的蒸汽和步骤4)中换热装置产生的蒸汽分别进入不同的蒸汽轮机发电或进入同一蒸汽轮机发电。
7.根据权利要求5所述的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电方法，其特征在于：所述步骤4)中换热装置产生的蒸汽进入燃用半焦锅炉与其蒸汽混合加热后进入蒸汽轮机发电、或进入锅炉(5)单独加热后进入蒸汽轮机(8)与其它蒸汽一起推动蒸汽轮机发电。
8.根据权利要求4所述的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电方法，其特征在于，所述的固体燃料包括：煤、油砂、油页岩或生物质。
9.根据权利要求4所述的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电方法，其特征在于，所述的热解是指单纯热解、部分燃烧热解、部分气化热解或是它们的组合。
10.根据权利要求4所述的基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电方法，其特征在于，所述步骤2)中液体燃料作为产品直接输出。
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