CN102373098B - 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煤气，该煤气膨胀降压后将常规的常温冷却水首先冷却，然后使该被首先冷却后的冷却水进入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 使煤在任选的气化剂的存在下气化，从而产生包括煤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煤气，然后将该煤气膨胀降压；

e 用步骤d的膨胀降压后的煤气来冷却水，并使所得到的经冷却的水与步骤c的乏汽进行换热，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，使煤在任选的气化剂的存在下气化，从而产生包括煤气在内的反应后混合物。该步骤a的气化为干馏气化、加压流化床气化或加压气流床气化。其中，本领域技术人员已知，煤气是由煤、半焦、焦炭等固体燃料和重油等液体燃料经过干馏或气化过程所得的气体产物的总称。煤的干馏过程本质上也是一种对煤进行气化的过程。而煤的加压流化床气化是指煤在通过加压装置使压力增加的流化床气化炉中受热气化；煤的加压气流床气化是指煤在通过加压装置使压力增加的气流床气化炉中受热气化。关于流化床和气流床的定义和具体构型，是本领域技术人员公知的，这里不再赘述。煤的干馏过程是本领域技术人员公知的，例如通过高温加热对煤进行干馏，使煤中的挥发份气化，得到包括一氧化碳、二氧化碳和甲烷等物质在内的煤气以及一些飞灰、以气态形式存在的焦油和其它烃类物质等，将离开气化炉的所有物质统称为反应后混合物。而煤的流化床气化工艺也是众多煤气化方法之一，其与干馏的区别在于使煤在流态化的气化剂中进行气化。20世纪中叶，针对常压流化床气化存在的种种缺点，流化床气化炉向加压和提高气化温度方向发展，并成功地开发了多种新型流化床气化技术，其中典型的有HTW、U-gas、CFB和KRW气化炉。加压流化床气化工艺是第二代煤气化技术，适用的煤种主要有褐煤、不粘煤、弱粘煤、粘结性不太强的长焰煤、贫煤、瘦煤和无烟煤等的粉煤进料。加压气流床气化技术是国内外优先发展的方向之一，是第二代煤气化技术中最成熟、商业化装置最多的技术，以德士古(Texaco)法湿法加料的加压气流床气化技术最具代表性。本发明的步骤a的气化工艺可采用上述任何一种气化工艺。无论采用上述哪种气化工艺，都将离开气化炉的所有物质，包括气化产生的煤气在内，统称为反应后混合物。

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。本发明中将处于以上温度压力范围内的蒸汽称为高温高压蒸汽。该蒸汽的温度和压力可根据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，故通过用水与之换热来回收其显热，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25-30℃，绝对压力为0.0032-0.0042MPa。值得指出的是，乏汽仍然处于蒸汽状态。

在本发明的的步骤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煤气，然后将该煤气膨胀降压，由此得到低温低压煤气，其中所述低温为2.6℃以下，低压为2MPa以下。使煤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煤气温度降低，例如可将煤气的温度降至约0℃。作为更一般的原则，可将该煤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，用步骤d的膨胀降压后的煤气来冷却水，并使所得到的经冷却的水与步骤c的乏汽进行换热，由此将所述乏汽变为冷凝水。在该步骤e中，首先用膨胀降压后的煤气来冷却水，这可在换热器中进行，可逆流换热也可并流换热，优选逆流换热，被冷却的水可以是常温下的水，优选是在现有技术中常用的用于冷却乏汽的冷却水，其温度一般为32℃左右，而如前所述，膨胀降压后的煤气温度一般可降至约0℃，故通过在换热器中换热，可将该水的温度进一步降低，例如降低到20℃，而膨胀降压后的煤气在将水冷却的同时自身温度则略有提升，然后煤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。然后使所得到的经冷却的水与步骤c的乏汽进行换热，由此将所述乏汽变为液体水，这可在冷凝器中进行。该冷凝器本质上是个换热器。步骤c的乏汽与经冷却的水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。在这一步骤中，由于使用了比通常的Rankine循环中用于冷却乏汽的冷却水温度更低的冷却水，故可将步骤c中的乏汽的温度设定得更低，进而提高了发电效率。

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。

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。

实施例1

参照图4，以烟煤的加压流化床气化为例。煤经过粉碎研磨制成粒度小于6毫米的煤粉，然后由煤仓经螺旋给料器、常压锁斗、加压锁斗(此四者未在图中画出)送至气化炉中。同时向气化炉中通入氧气和蒸汽作为气化剂，气化炉的操作温度约为900-1000℃，操作压力为1.0-2.6MPa。煤与上述气化剂在高温下发生反应，生成富含一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷的煤气。出气化炉的反应后混合物包括煤气以及焦油以及未反应完全的气化剂等。使该反应后混合物与来自加压泵的23MPa水在第一换热器中换热，并使加压水变成温度为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0.0032MPa，温度为25℃，乏汽进入冷凝器冷凝成水。换热后的反应后混合物进入分离装置，将煤气与水，渣分离，分离后的煤气经过膨胀降压后温度降至0℃，然后在第二换热器中用其将一般Rankine循环中的温度为32℃的冷却水冷却至20℃，之后该煤气可进入后续分离过程或进入后续的燃气轮机燃烧发电，而经冷却的水则用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成水。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。

实施例2

也参照图4，以烟煤的加压气流床气化为例。煤经过粉碎研磨制成煤粉后与水混合在一起制成水煤浆，然后经泵加压(未在图中画出)送至气化炉中。同时向气化炉中通入氧气或空气作为气化剂，气化炉的操作温度约为1400℃，操作压力为5.0MPa。煤与上述气化剂在高温下发生反应，生成富含一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷的煤气。出气化炉的反应后混合物包括煤气以及焦油以及未反应完全的气化剂等。使该反应后混合物与来自加压泵的23MPa水在第一换热器中换热，并使加压水变成温度为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0.0032MPa，温度为25℃，乏汽进入冷凝器冷凝成水。换热后的反应后混合物进入分离装置，将煤气与水，渣分离，分离后的煤气经过膨胀降压后温度降至0℃，然后在第二换热器中用其将一般Rankine循环中的温度为32℃的冷却水冷却至20℃，之后该煤气可进入后续分离过程或进入后续的燃气轮机燃烧发电，而经冷却的水则用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成水。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。

实施例3

该实施例中，只是步骤a采用了煤在隔绝空气条件下的干馏气化，可以是低温干馏(550℃以下)、中温干馏(550℃～750℃)、高温干馏(900℃以上)，产生干馏煤气，其余步骤与实施例1相同。

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反应后混合物的显热回收，不需要外部热源，这省去了常用的锅炉和过热器。其次，采用被膨胀降压后的低温低压煤气冷却后的水来代替一般的Rankine循环中常用的32℃的水作为冷凝器的冷却介质，由于该经冷却水的温度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，煤气膨胀降压后还有利于后续的分离过程。

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。

Claims (5)

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使煤在任选的气化剂的存在下气化，从而产生包括煤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煤气，然后将该煤气膨胀降压； 

e用步骤d的膨胀降压后的煤气来冷却水，并使所得到的经冷却的水与步骤c的乏汽进行换热，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，其中所述气化剂为氧气、蒸汽、空气或它们的混合物。 

3.权利要求1的方法，其中所述气化剂为富氧空气。 

4.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为15MPa以上。 

5.权利要求1的方法，其中步骤a的气化为干馏气化、加压流化床气化或加压气流床气化，其中干馏气化是指煤在隔绝空气的条件下受热气化，其中加压流化床气化是指煤在通过加压装置使压力增加的流化床气化炉中受热气化， 其中加压气流床气化是指煤在通过加压装置使压力增加的气流床气化炉中受热气化。 

Images