CN102373090B - 煤气化工艺与蒸汽透平发电工艺的耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤气化工艺与蒸汽透平发电工艺的耦合方法，包括用水冷却离开煤气化炉的高温的反应后混合物，将产生的高温高压蒸汽用于Rankine循环中进行发电，该反应后混合物经除水除渣后得到合成气，该合成气膨胀降压后代替常规冷却水进入Rankine循环中的冷凝器中充当对乏汽进行冷却的冷却介质，提高了Rankine循环的发电效率。

Description

煤气化工艺与蒸汽透平发电工艺的耦合方法

发明领域

本发明涉及煤的多联产领域，具体为以煤为原料的气电联产领域。

背景技术

当前，煤气化技术在我国已广泛应用，但基本局限于煤化工领域，以获得有形的化工产品为主。为了提高能量效率，当前的发展趋势是将煤气化技术与发电技术结合起来，即进行所谓的气电联产，以煤为原料，联产合成气、电以及热。其中，合成气可进一步燃烧发电，或进行进一步加工成化工产品(如合成氨，甲醇，二甲醚、液体燃料等)。这样的气电联产工艺将化工过程与电力生产有机结合，取得了巨大的社会和经济效益。

当前的煤气化多联产工艺，主要停留在将煤气化产品物流导入各个相对独立的后续系统中进行联产，例如将煤气化过程中产生的合成气导入发电系统中作为燃料，或者将该合成气导入后续的甲醇合成系统中用于合成甲醇等。其中，煤气化工艺与发电工艺或甲醇合成工艺是相对独立的，它们之间仅靠产品流股来发生联系，从能量的角度看各工艺之间是相对独立的。

另一种煤气电联产工艺是整体煤气化联合循环(简称IGCC，下同)，该工艺中，处理后的煤与空分单元来的氧气在气化炉中生成合成气，合成气的显热通过间接换热来加热水以产生蒸汽，该蒸汽可用于驱动蒸汽透平发电。合成气经过净化单元净化后，进入燃气轮机燃烧以发电，燃烧尾气的热量在余热锅炉中回收并产生蒸汽，该蒸汽也可用于驱动蒸汽透平发电。

蒸汽轮机发电通常使用基于Rankine循环的热力学过程。Rankine循环是本领域技术人员熟知的一种蒸汽发电循环，典型的Rankine循环的流程图如图2所示，简述如下：

水借助给水泵提升压力进入锅炉，然后经锅炉加热成蒸汽后进入过热器中继续加热，使其温度进一步升高(其作用主要有二：一是继续升高温度从而进一步增加效率；二是从饱和蒸汽(称为湿蒸汽)变为非饱和蒸汽(称为干蒸汽)。在此加热和过热过程中吸入的总热量为Q。然后，使干蒸汽在发动机(蒸汽机或汽轮机)内绝热膨胀对外作功Ws，膨胀降温后的蒸汽(称为乏汽)再进入冷凝器凝结为水，放出热量。冷凝水再通过给水泵送入锅炉，完成一个循环。

理想的Rankine循环也可以用如图3所示的温熵图(T-S图)来描述。蒸汽对外所做的理论功相当于图3中曲线1→2→3→4→5→6→1所包围的面积。其中循环中的吸热(1→2→3→4)和放热过程(5→6)为等压过程，蒸汽的膨胀(4→5)和冷凝水升压过程(6→1)为等熵过程。

关于Rankine循环的详细介绍，请参见《现代煤炭转化与煤化工新技术新工艺实用全书》，第九章第六篇，蒸汽煤气化联合循环发电，廖汉湘主编，2004年，以及《整体煤气化联合循环热电油多联产工艺技术特点与应用》，陈崇亮，袁龙军，煤炭工程，2008年11期。

由图2可见，蒸汽轮机发电主要包括蒸汽透平发电，蒸汽冷却，以及泵加压返回几部分。一个理想Rankine循环，其热效率取决于吸热过程和放热过程的温度和压力。蒸汽透平的发电效率取决于循环的净功W_s(W_s＝ΔH＝H₅-H₄)与由外界初始供给热量即图2的Q之比。

整个Rankine循环的热效率为：

η＝(H₄-H₅)/(H₄-H₁)

其中H₄，H₅，H₁分别代表图2所示的进入透平机前的蒸汽的焓，乏汽5的焓以及进入锅炉的高压水的焓。该焓基本上与蒸汽或水的温度成正比。

对于在蒸汽透平机中进行的放热过程，降低乏汽5的温度能提高Rankine循环热效率，但乏汽5的温度并不能无限制地降低，该温度受冷却介质温度及冷凝器尺寸限制。例如，通常蒸汽轮机发电过程中，蒸汽冷却部分的冷却介质往往用冷却水。冷却水的通常工况为表压0.52MPa，温度32℃。由于冷却水介质的限制，出透平机的蒸汽即图2中所谓的乏汽5的通常控制在32℃以上。

举例来说，在使用水以及干蒸汽作为Rankine循环介质的情况下，进入蒸汽透平的干蒸汽的温度为550℃，压力为23MPa，而出蒸汽透平的乏汽5的温度为120.21℃，压力为0.2Mpa，在这种情况下，热效率经计算约为23％。

显然，上述Rankine循环要求提供大量的冷却水。

可见，在上述IGCC工艺中，仍然是利用合成气这一产品流股的换热和/或燃烧所产生的能量来将水加热成蒸汽，蒸汽进而驱动蒸汽透平发电，煤气化工艺和Rankine循环工艺之间也是相对独立的。即Rankine循环的发电效率仅受所产生的蒸汽的温度的影响，煤气化工艺并不直接影响Rankine循环的发电效率。换句话说，以上将煤气化与蒸汽透平发电联合的工艺只利用了由煤气化过程中产生的蒸汽，即仅由煤气化过程中的产生的蒸汽使煤气化工艺和蒸汽透平发电工艺发生联系，能量集成程度和工艺集成程度均仍有提高的余地。

本发明则提供了一种从工艺流股和能量角度看，集成程度更高的煤气化工艺与蒸汽透平发电工艺的耦合方法。

发明概述

本发明提供了一种新型的煤气化工艺与蒸汽透平发电工艺的耦合方法，其包括以下步骤：

a 使煤在气化炉中与水和任选的氧化剂发生气化反应，从而产生包括合成气在内的反应后混合物；

b 将所述反应后混合物导入换热器中与水进行间接换热，水被加热而生成蒸汽，而所述反应后混合物被冷却得到冷却后的反应后混合物；

c 将步骤b中生成的蒸汽引入蒸汽透平中进行膨胀做功而发电，该蒸汽因膨胀做功而变为乏汽，其中该乏汽的温度和压力与步骤b中的蒸汽相比均降低了；

d 对步骤b中的冷却后的反应后混合物进行除水除渣以得到合成气，然后将该合成气膨胀降压；

e 使步骤c的乏汽与步骤d的膨胀降压后的合成气进行换热，由此将所述乏汽变为液体水；

f 将来自步骤e的液体水加压后送入步骤b的换热器中以与所述反应后混合物进行换热，以重新产生所述蒸汽。

附图简述

图1是现有技术中的一种热电气联产工艺的示意性流程图。

图2是Rankine循环的示意性流程图。

图3是Rankine循环的温熵图(T-S图)。

图4是本发明的方法的示意性流程图。

发明详述

在本发明的步骤a中，使煤在气化炉中与水和任选的氧化剂发生气化反应，从而产生包括合成气在内的反应后混合物。以上所述的煤包括烟煤、无烟煤、褐煤、泥煤、生物质或其混合物。煤的粒径小于1920微米，优选粒径小于100微米。其中所述水为处于亚临界或超临界状态的水。氧化剂可以为氧气、富氧空气、空气、或过氧化氢或它们的任意两种或更多种的混合物。可任选地加入氧化剂，若加入氧化剂的话，则其加入量可以为煤质量的10-60％。煤与水以及任选的氧化剂发生气化反应，生成包括合成气在内的多种反应产物，同时还生成灰渣，反应后的体系中还残留有未反应完全的反应物(如未反应完全的煤、未反应完全的水和未反应完全的其它氧化剂)等，它们混合在一起流出气化炉，将流出气化炉的物质统称为反应后混合物。步骤a的一种具体实施方案是将煤与水配制成水煤浆，水煤浆浓度(干基煤质量分数)一般为10-70％，优选20-50％。配制过程中还可以加入稳定剂和一定比例的催化剂。催化剂的加入量可以为煤粉质量的2-20％。催化剂包括但不限于碱金属或碱土金属的氧化物、碱金属或碱土金属的氢氧化物、碱金属或碱土金属盐或它们的混合物，例如K₂O、Na₂O、CaO、MgO、NaOH、KOH、Ca(OH)₂、Mg(OH)₂、K₂CO₃和Na₂CO₃，或由它们组成的混合物。将这样的水煤浆预热加压后送入气化炉中，气化炉处于水的亚临界状态或超临界状态下，其中所述水的亚临界状态是指温度在水的常压沸点以上且在水的临界温度以下而压力为使水保持为液态的压力，所述水的超临界状态是指绝对压力在22.1MPa以上且温度在374℃以上。煤在该气化炉中与水发生气化反应，生成合成气。还可以任选地向气化炉中通入氧化剂例如氧气、富氧空气、空气、或过氧化氢或它们的任意两种或更多种的混合物，则煤在该气化炉中与水和氧化剂反应生成合成气。值得指出的是，该氧化剂是任选添加的，即该氧化剂可添加也可不添加。但优选添加氧化剂，因为氧化剂除了也能与煤反应提供一部分合成气之外，更重要的是，因为煤与亚临界水或超临界水发生的气化反应是吸热的，煤与氧化剂反应放出热量则可以用来维持气化炉内的温度。若不加入氧化剂，则为了维持气化炉温度，需要外部加热设备例如电加热套等对气化炉进行加热以维持气化炉的温度。

在本发明的步骤b中，将所述反应后混合物导入换热器中与水进行间接换热，水被加热而生成蒸汽，而所述反应后混合物被冷却得到冷却后的反应后混合物，其中所述蒸汽的绝对压力为15MPa以上，温度为200℃以上。本文中将处于以上温度和压力范围内的蒸汽称为高温高压蒸汽。该蒸汽的具体温度和压力可根据Rankine循环的工艺条件的需要在以上范围内进行具体选择，例如在一个优选的实施方案中，绝对压力可为15MPa而温度为400℃或更高。其中与反应后混合物进行换热的水是经泵加压后的加压水。其中所述换热器可以是任何合适的用于间接换热的换热器，例如列管式换热器、翅片式换热器等，这些换热器的类型和具体构造是本领域技术人员公知的，这里不再赘述。由于离开气化炉的反应后混合物的温度很高，故通过用水换热来回收其显热，这可将该液体水转变成高温高压蒸汽。在一个实施方案中，所述高温高压蒸汽为温度为374-700℃且绝对压力为22.1-40MPa的蒸汽。在一个实施方案中，该高温高压蒸汽可以为适合于Rankine循环的任何温度和压力。显然，该换热器起到了图2中所示的Rankine循环中的锅炉和过热器的作用。

在本发明的步骤c中，将步骤b中生成的蒸汽引入蒸汽透平中进行膨胀做功而发电，该蒸汽因膨胀做功而变为乏汽，其中该乏汽的温度和压力与步骤b中的蒸汽相比均降低了。在一个实施方案中，该乏汽的温度为约5℃-10℃，绝对压力为0.00087-0.0012MPa。值得指出的是，乏汽仍然处于蒸汽状态。

在本发明的步骤d中，对步骤b中的冷却后的反应后混合物进行除水除渣以得到合成气，然后将该合成气膨胀降压，由此得到低温低压合成气，其中所述低温为2.6℃以下，低压为2MPa以下。使合成气通过膨胀设备来进行上述膨胀降压过程，这样的膨胀设备包括降压毛细管、降压阀、膨胀机等。以上使气体膨胀降压的方法和设备都是本领域技术人员公知的，在此不再赘述。这样的膨胀降压过程还导致合成气温度降低，例如可将合成气的温度降至约0℃。作为更一般的原则，可将该合成气的温度降至比步骤c的乏汽更低的温度。

在本发明的步骤e中，使步骤c的乏汽与步骤d的膨胀降压后的合成气进行换热，由此将该乏汽变为液体水。该步骤可在冷凝器中进行。该冷凝器本质上是个换热器。步骤c的乏汽与步骤d的膨胀降压后的合成气可以在其中进行间接换热或直接混合换热，优选间接换热。乏汽被冷凝成液体水，而膨胀降压后的合成气则温度略有提升，然后合成气离开冷凝器进入后续的分离单元或送至燃气轮机燃烧发电。

在本发明的步骤f中，将来自步骤e的液体水加压后送入步骤b的换热器中以与所述反应后混合物进行换热，以重新产生所述蒸汽。加压通过泵来进行，优选将该液体水加热至绝对压力15MPa以上。该液体水进入步骤b的换热器后被来自气化炉的高温的反应后混合物加热而重新生成高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽用于进行下一轮Rankine循环。

本发明的优点如下：

本发明的煤气化工艺与蒸汽透平发电工艺的耦合方法使得系统的能量效率得到提高。首先，Rankine循环中的热源取自气化反应后的合成气的显热回收，不需要外部热源，而冷却介质取自膨胀降压后的低温低压合成气，而不使用冷却水，这省去了冷却水的消耗和循环。其次，采用膨胀降压后的低温低压合成气来代替通常使用的冷却水作为冷凝器的冷却介质，由于该低温低压合成气的温度(一般为0℃)比通常使用的冷却水温度32℃更低，故可以将出蒸汽透平的乏汽的温度设定得更低，这相当于将T-S图中的5和6两点向下移动，故增加了曲线1-2-3-4-5-6-1所包围的面积，表示蒸汽对外做的理论功更大，进而增加了发电效率。再次，合成气膨胀降压后还有利于后续的分离过程。

实施例

通过以下非限制性实施例来举例说明本发明的方法。

参照图4，以烟煤与超临界水发生的催化气化为例。煤经过粉碎研磨制成粒度小于150微米的煤粉，与催化剂Na₂CO₃(用量为煤粉质量的10％)和水制备成煤粉干基浓度为40％的水煤浆。制备水煤浆的过程没有在图4中画出。水煤浆经加压，预热达到23MPa，550℃进入气化炉，同时向气化炉中通入氧气。在气化炉中部分水煤浆与加入的氧气反应，将温度提升至650℃。在超临界状态下，煤与水在催化剂的作用下发生反应，生成富含甲烷的合成气。合成气的主要成分为甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氢气等。出气化炉产物包括合成气，超临界水以及反应后残渣。该产物与来自加压泵的23MPa水在换热器中换热，产生温度为400℃且绝对压力为15MPa的高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽进入蒸汽透平膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在压力为0.00087MPa，温度为5℃，乏汽进入冷凝器冷凝成水。换热后的合成气进入净化单元，将合成气与水，渣分离，分离后的合成气经过膨胀降压将温度降至0℃，然后用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成水，之后该合成气可进入后续分离单元或进入后续的燃气轮机燃烧发电。来自冷凝器的水经泵加压后返回到换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

尽管结合具体的实施方案描述了本系统和装置，本领域技术人员会意识到，还可以对本发明进行各种变化，而不背离所附的权利要求中所定义的保护范围。例如，虽然本发明中Rankine循环是以水和蒸汽作为工作介质的，但显然，本发明也适用于以其它物质例如二氧化碳、有机流体例如异链烷烃等作工作介质的Rankine循环。本领域技术人员有能力根据所采用的具体工作介质来调节本发明中的具体工艺参数，以使得本发明得以实施。且本领域技术人员显然也可将本发明中的煤替换为生物质和/或有机废弃物。生物质取其通常意义，即直接来自于生物体的物质，例如秸秆、草木、藻类、植物油、动物脂肪、谷物、谷物外壳或坚果外壳等。而有机废弃物则例如为：城市垃圾、人类垃圾(黑/灰水)、污水污泥、医疗废弃物、含有机质的工业废弃物、电子元件制造的废弃物、石油提炼和石化产品废弃物、纸浆和造纸厂的污泥、污水处理厂经过生化处理的污泥，等等。因此，本发明也将包括以生物质和/或有机废弃物为原料进行的气化工艺与蒸汽透平发电工艺的耦合方法。

Claims (7)

1.一种煤气化工艺与蒸汽透平发电工艺的耦合方法，包括以下步骤：

a使煤在气化炉中与水和任选的氧化剂发生气化反应，从而产生包括合成气在内的反应后混合物；

b将所述反应后混合物导入换热器中与水进行间接换热，水被加热而生成蒸汽，而所述反应后混合物被冷却得到冷却后的反应后混合物；

c将步骤b中生成的蒸汽引入蒸汽透平中进行膨胀做功而发电，该蒸汽因膨胀做功而变为乏汽，其中该乏汽的温度和压力与步骤b中的蒸汽相比均降低了；

d对步骤b中的冷却后的反应后混合物进行除水除渣以得到合成气，然后将该合成气膨胀降压；

e使步骤c的乏汽与步骤d的膨胀降压后的合成气进行换热，由此将所述乏汽变为液体水；

f将来自步骤e的液体水加压后送入步骤b的换热器中以与所述反应后混合物进行换热，以重新产生所述蒸汽。

2.权利要求1的方法，其中所述氧化剂为氧气、空气、或过氧化氢或它们中的任意两种或更多种的混合物。

3.权利要求1的方法，其中步骤a中所述气化反应在催化剂的存在下进行，所述催化剂选自碱金属或碱土金属的氧化物、碱金属或碱土金属的氢氧化物、碱金属或碱土金属的盐或它们的混合物。

4.权利要求1的方法，其中所述氧化剂为富氧空气。

5.权利要求1的方法，其中步骤a中的所述水处于水的超临界状态或亚临界状态，其中亚临界状态是指温度在水的常压沸点以上且在水的临界温度以下而压力为使水保持为液态的压力，所述水的超临界状态是指绝对压力在22.1MPa以上且温度在374℃以上。

6.权利要求1的方法，其中步骤b中所述蒸汽的温度为200℃以上，所述蒸汽的绝对压力15MPa以上。

7.前述权利要求中任一项的方法，其中用生物质和/或有机废弃物代替所述煤来进行气化。

Images