CN103388497B - 用于改进igcc发电设施性能的预热清洁合成气方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法及系统，设置改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气装置，该预热清洁合成气装置设置在IGCC发电设施中的空气分离机构，利用空气分离机构的氧气增压单元将IGCC发电设施中空气分离机构产生的氧气压缩形成高温高压氧气；将清洁合成气通过清洁合成气管道输送至换热器，利用换热器吸收高温高压氧气的热量对清洁合成气进行预热。本发明有效利用了空气分离机构中压缩O2的热量，通过预热清洁合成气装置将O2压缩过程的热量用来预热IGCC发电设施的清洁合成气。不仅提高了IGCC发电设施的整体效率等性能，还避免了因粗合成气混入清洁合成气造成燃气轮机装置透平的高温硫化腐蚀，保障IGCC发电设施的安全运行。

Description

用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法及系统，属于电力发电技术领域。

背景技术

整体气化联合循环(IGCC)发电设施是将固体或液体燃料转化为可供燃烧的合成气(Syngas)、再利用合成气在燃气-蒸汽联合循环系统发电产生功率的装置。IGCC发电设施可包括气化岛和动力岛两大部分。气化岛的作用包括制取粗合成气、回收高温粗合成气的热量以产生水蒸汽、对粗合成气进行除尘和净化处理，然后对净化后的清洁合成气进行预热。动力岛的作用是接收来自气化岛的清洁合成气并利用燃气-蒸汽联合循环系统发电产生功率。动力岛通常可包括一个或多个燃气轮机装置和热回收蒸汽发生器(HRSG)、蒸汽轮机装置、凝汽器以及冷却塔。

在IGCC发电设施中，动力岛中的燃气轮机装置和蒸汽轮机装置都可发电产生动力。根据IGCC发电设施的系统能量平衡分析，向燃气轮机装置和蒸汽轮机装置所输入能量的比值可影响IGCC发电设施的整体效率。提高输入燃气轮机装置能量与输入蒸汽轮机装置能量的比值，IGCC发电设施可获得更高的整体效率。根据燃气轮机装置能量平衡分析，燃气轮机装置主要接收来自气化岛的清洁合成气以产生功率。提高清洁合成气携带的能量是增加输入燃气轮机装置能量的最重要方式，其对提高IGCC发电设施的整体效率具有重要意义。

进入燃气轮机装置的清洁合成气所具有的能量可分为两部分：一部分为合成气具有的化学能，这部分能量通过合成气在燃气轮机燃烧器中的燃烧而释放；另一部分为合成气的物理显热，合成气温度越高，其具有的物理显热越多。为提高清洁合成气携带的物理显热，可对清洁合成气进行预热以提高其进入燃气轮机装置时的温度，利于提高IGCC发电设施的整体效率。

目前采用的两种对清洁合成气进行预热的方法如下：

方法一采用高温粗合成气预热清洁合成气。IGCC发电设施气化岛产生的粗合成气首先经过辐射冷却器和对流冷却器进行初步降温，随后经过粗合成气-清洁合成气换热器，在其中粗合成气的热量传递给清洁合成气。经过以上过程，粗合成气的温度进一步降低，粗合成气随后进入除尘净化单元并最终得到清洁合成气。被粗合成气加热的清洁合成气温度升高，随后进入燃气轮机装置以产生功率。

但该方法的不足之处是采用高温粗合成气预热清洁合成气时，IGCC发电设施运行的安全性降低，其原因是粗合成气-清洁合成气换热器容易发生腐蚀故障，会使未经脱硫的粗合成气混入清洁合成气从而进到燃气轮机装置中，最终导致燃气轮机装置透平发生高温硫化腐蚀问题。

方法二采用IGCC发电设施的高温水或者水蒸汽加热清洁合成气。气化岛制取的粗合成气经过辐射冷却器和对流冷却器时，可在辐射冷却器和对流冷却器内加热给水并产生高温高压的水蒸汽，这些水蒸汽除了被直接送往HRSG的换热器之外，其中一部分水蒸汽可先进入清洁合成气加热器以预热清洁合成气，然后再被送往HRSG的换热器。加热后的清洁合成气温度升高并被送入燃气轮机装置的燃烧室。在IGCC发电设施中，辐射冷却器和对流冷却器所产生的高温高压水蒸汽可送往蒸汽轮机装置中发电产生功率，以上所述方法存在不足之处，即当采用高温水或者水蒸汽预热清洁合成气时，由于高温水或者水蒸汽的温度在经过清洁合成气换热器后显著降低，因此其携带进入HRSG换热器和蒸汽轮机装置中的能量减少，这会导致蒸汽轮机发电量、IGCC发电设施总发电量的降低，同时造成IGCC发电设施的整体效率下降。

发明内容

本发明的目的之一是为了克服现有清洁合成气预热方法中存在的不足，提供一种用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法，该方法能够利用现有空气分离机构中压缩氧气产生的热量来预热清洁合成气，节约了能源；而且避免了粗合成气混入清洁合成气造成燃气轮机装置透平的高温硫化腐蚀，同时还避免传统方法因高温水或者水蒸汽参数降低造成IGCC发电设施性能的降低。

本发明的目的之二是为了提供一种用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气系统，该系统配置合理，能够有效提高IGCC发电性能。

本发明的目的之一可以通过以下技术方案实现：

用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法，其特征在于：

1）设置改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气装置，该预热清洁合成气装置设置在IGCC发电设施中的空气分离机构，利用空气分离机构的氧气增压单元将IGCC发电设施中空气分离机构产生的氧气压缩形成高温高压氧气，预热清洁合成气装置包括换热器，将氧气增压单元产生的高温高压氧气通过管道输送至换热器；

2）将清洁合成气通过清洁合成气管道输送至换热器，利用换热器吸收高温高压氧气的热量对清洁合成气进行预热。

空气分离机构的高温压缩氧气的热量传递到清洁合成气，以实现高温压缩氧气热量的合理利用。

本发明的目的之一还可以通过以下技术方案实现：

本发明的进一步方案：所述预热清洁合成气装置设置在IGCC发电设施中的空气分离机构外，空气分离机构的氧气增压单元产生的高温高压氧气不直接进入换热器，其热量首先传递给吸热介质，吸收热量后的吸热介质再通过管道输入预热清洁合成气装置的换热器，在换热器中，清洁合成气与吸热介质进行热交换，将高温高压氧气的热量间接传递到清洁合成气，从而实现对清洁合成气的预热。

本发明的进一步方案：预热清洁合成气装置中还包括温度检测仪和流量控制机构，在换热器出口处设置温度检测仪以检测换热器出口处清洁合成气的温度，为换热器配置流量控制机构以对清洁合成气的流量进行控制，通过控制清洁合成气的流量以调节预热后清洁合成气的温度。检测预热后清洁合成的温度、控制与高温压缩氧气换热的清洁合成气的流量，从而实现清洁合成气预热温度的自动控制。

本发明的进一步方案：所述氧气增压单元包括至少一台串联的氧气压缩机，通过氧气压缩机获得高温高压氧气，每台氧气压缩机配置一组预热清洁合成气装置，利用清洁合成气吸收高温高压氧气的热量。降温后的氧气再进入下一级氧气压缩机压缩时，可降低氧气压缩机的总功耗。有助于减小空气分离机构中后一级氧气压缩机的能量消耗。

本发明的进一步方案：所述空气分离机构采用氧传输膜空气分离机构或深冷空气分离机构。

本发明的进一步方案：所述吸热介质采用水、水蒸气或其他适合的吸热介质。

本发明的目的之二可以通过以下技术方案实现：

用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气系统，包括空气分离机构、清洁合成气、热回收蒸汽发生器及燃气轮机装置，所述空气分离机构内设有氧气增压单元，其特征在于：还包括至少一组及以上的预热清洁合成气装置，氧气增压单元与预热清洁合成气装置的高温入口相连，或者氧气增压单元通过高温吸热介质的管道与预热清洁合成气装置的高温入口相连，清洁合成气通过清洁合成气管道与预热清洁合成气装置的低温入口相连，清洁合成气利用预热清洁合成气装置直接或间接吸收氧气增压单元产生的高温高压氧气热量，预热后的清洁合成气被送往燃气轮机装置。

本发明的进一步方案：所述氧气增压单元包括至少一台氧气压缩机，氧气增压单元的每台氧气压缩机与一组预热清洁合成气装置相配合。

本发明的进一步方案：所述预热清洁合成气装置包括换热器、温度检测仪、流量控制仪和合成气阀门，换热器的高温入口与高温高压氧气或者高温吸热介质管道相连，换热器的低温入口与清洁合成气管道相连，合成气阀门设置在清洁合成气管道上，通过流量控制仪控制合成气阀门的开度，温度检测仪设置在换热器的合成气出气端，用于检测预热后清洁合成气的温度。

氧气压缩机提供的高温压缩氧气的热量通过换热器直接或间接传递给清洁合成气，使清洁合成气的温度提高。温度检测仪用于监测换热后的清洁合成气的温度，该温度信号传递到合成气流量控制仪，通过合成气流量控制仪控制合成气阀门的开度以调节进入换热器的合成气流量。温度检测仪、合成气流量控制仪、合成气阀门的相互配合作用可实现清洁合成气预热终温的调节和控制。

本发明的进一步方案：当包含两组或两组以上的预热清洁合成气装置时，各组预热清洁合成气装置通过管道串联，串联管道上设有总温度检测仪。

本发明可具有如下突出的有益效果：

1、由于本发明在IGCC发电设施空气分离机构中设置预热清洁合成气装置，预热清洁合成气装置，将高温压缩氧气的热量传递到清洁合成气，有效利用了IGCC发电设施空气分离机构中压缩氧气的热量，预热后的清洁合成气中不会混入含有硫分的污染气体，避免了粗合成气混入清洁合成气造成燃气轮机装置透平的高温硫化腐蚀，保障IGCC发电设施的安全运行。

2、采用本发明预热清洁合成气时，不需要从IGCC发电设施的热回收蒸汽发生器或其他单元抽取高温水或者水蒸汽，使高温水或者水蒸汽的热量尽可能地在蒸汽轮机装置中得以利用，避免了采用高温水或者水蒸汽预热清洁合成气时蒸汽轮机装置、IGCC发电设施发电量减少和IGCC发电设施整体效率降低的问题。与采用高温水或者水蒸汽加热清洁合成气的现有技术方案相比，在相同条件下本发明所述的技术方案可使IGCC发电设施蒸汽轮机装置发电量、总发电量、供电效率分别提高13-18MW、6-12MW、0.17%-0.28%。

3、本发明涉及的空气分离机构中压缩氧气的热量传递到清洁合成气中，避免了传统的水间冷氧气压缩技术中压缩氧气热量无法回收的缺点，氧气压缩过程的热量可得到合理利用，有利于提高IGCC发电设施的整体性能。与采用高温水或者水蒸汽预热清洁合成气、同时采用传统的水间冷氧气压缩技术相比，在相同条件下本发明所述的技术方案可使IGCC发电设施蒸汽轮机装置发电量、总发电量、供电效率分别提高15-20MW、14-20MW、0.42%-0.53%。

附图说明

图1是本发明应用于IGCC发电设施的工艺流程图。

图2是本发明用于氧传输膜空气分离机构的工艺流程图。

图3是本发明用于氧传输膜空气分离机构的氧气热量回收单元的工艺流程图。

图4是本发明氧气增压单元的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

具体实施例1：

参照图1、图2、图3和图4所示的用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气系统，包括空气分离机构6、清洁合成气7、至少一组及以上的预热清洁合成气装置30及燃气轮机装置21，所述空气分离机构6内设有氧气增压单元5，所述氧气增压单元5包括多台串联的氧气压缩机5-1，所述预热清洁合成气装置30包括换热器30-1、温度检测仪30-2、流量控制仪30-3和合成气阀门30-4：所述预热清洁合成气装置30设置在氧气增压单元5，氧气增压单元5的每台氧气压缩机5-1与一组预热清洁合成气装置30相配合，清洁合成气7通过清洁合成气管道7-1输入预热清洁合成气装置30，换热器30-1的高温进气端与氧气压缩机5-1的输出端相连，换热器30-1的低温进气端与清洁合成气管道7-1相连，合成气阀门30-4设置在清洁合成气管道7-1上，通过流量控制仪30-3控制合成气阀门30-4的开度，温度检测仪30-2设置在换热器30-1的合成气出气端，用于检测和控制预热后清洁合成气的温度，清洁合成气7利用换热器30-1吸收氧气增压单元5产生的高温高压氧气的热量，预热后的清洁合成气被送往燃气轮机装置21。当包含两组或两组以上的预热清洁合成气装置30时，各组预热清洁合成气装置30通过管道串联，串联管道上设有总温度检测仪30-5。

用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法：

1）设置改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气装置30，该预热清洁合成气装置30设置在IGCC发电设施中的空气分离机构6，所述空气分离机构6采用氧传输膜空气分离机构，利用空气分离机构6的氧气增压单元5将IGCC发电设施中空气分离机构6产生的氧气压缩形成高温高压氧气，预热清洁合成气装置30包括换热器30-1、温度检测仪30-2和流量控制机构30-3，将氧气增压单元5产生的高温高压氧气通过管道5-2输送至换热器30-1的高温进气口；

2）将清洁合成气7通过清洁合成气管道7-1输送至换热器30-1的低温进气口，利用换热器30-1吸收高温高压氧气的热量对清洁合成气7进行预热。

3）预热清洁合成气装置30中还设有温度检测仪30-2和流量控制机构30-3，在换热器30-1出口处设置温度检测仪30-2以检测换热器30-1出口处清洁合成气7的温度，为换热器30-1配置流量控制机构30-3以对清洁合成气7的流量进行控制，通过控制清洁合成气7的流量以调节预热后清洁合成气的温度。

所述氧气增压单元5包括多台串联的氧气压缩机5-1，通过氧气压缩机5-1获得高温高压氧气，每台氧气压缩机5-1配置一组预热清洁合成气装置30，利用清洁合成气7吸收高温高压氧气的热量，降温后的氧气再进入下一级氧气压缩机5-1压缩，从而降低氧气压缩机5-1的总功耗。

下面结合图1-4进一步描述空气分离机构6中对清洁合成气预热的技术方案。

如图2所示，采用氧传输膜（OTM）技术的空气分离机构6，空气分离机构6由空气预热器1、燃烧器2就、空气分离单元3、氧气热量回收单元4和氧气增压单元5构成，其中空气分离单元3是空气分离机构6的核心部件，空气分离单元3采用具有非孔隙结构的陶瓷膜构件，高温空气（800-900℃）通过陶瓷膜构件时，空气中的氧可以以阴离子的形态快速扩散至陶瓷膜构件另一侧并释放出氧气；空气中的N2无法通过陶瓷膜构件。

经空气预热器1加热后的空气温度通常仍然远低于800℃，少量清洁合成气7通过第二清洁合气管道7-2输入燃烧器2内，加热后的空气进入燃烧器2与清洁合成气7混合，在燃烧器2中，清洁合成气7与空气中的小部分氧气（O2）发生燃烧反应而被再次加热，燃烧后放出的热量将空气温度提高到800-900℃，燃烧器2排出的空气随后进入空气分离单元3进行O2与其他气体（主要是N2）的分离，分离后的O2送入氧气热量回收单元4，来自HRSG20的不饱和水或者水蒸汽通过进水管道4-5、进入氧气热量回收单元4吸收高温O2的热量，加热后高温不饱和水或者水蒸汽通过出水管道4-6送回HRSG 20，不饱和水或者水蒸汽吸收的热量最终在蒸汽轮机装置19中得以利用。分离后的N2被送往空气预热器1以加热进入空气分离单元3的空气，回收利用高温N2（800-900℃）携带的热量。换热后的N2可直接排空或经过压缩、加湿后送往燃气轮机装置21的燃烧器21-1（如图1所示）。

经过氧气热量回收单元4处理后的O2送往氧气增压单元5，因为送往空气分离单元3的空气压力范围可在7-20bar，经空气分离单元3所得的O2的压力显著降低，O2的压力降至1bar左右，所以需要通过氧气增压单元5对其加压，O2被压缩至气化炉10的操作压力，通过氧气增压单元5加压获得高温高压O2。同时，大部分清洁合成气7通过清洁合成气管道7-1被送往氧气增压单元5，在其中，清洁合成气7通过换热器5-2吸收压缩O2的热量而得以提高温度，预热的清洁合成气7随后被送往燃气轮机装置21的燃烧室21-1（如图1所示）。来自空气分离单元3的O2经过氧气热量回收单元4，O2的温度显著降低，这有利于降低氧气增压单元5的耗功。同样，在氧气增压单元5中，清洁合成气7吸收压缩氧气的热量并使O2温度降低，这也有利于降低氧气增压单元5的耗功。

如图3给出了采用氧传输膜（OTM）技术的空气分离机构6的氧气热量回收单元示意图。氧气热量回收单元4由两组热回收装置串联构成，每组热回收装置由加热器4-1、氧气温度测量仪4-2、进水管道4-5、出水管道4-6、阀门4-3、和流量控制器4-4构成。

高温O2进入第一组的加热器4-1中，打开第一组的进水管道4-5的阀门4-3，来自HRSG 20的第二级高压省煤器出口的不饱和水通过第一组的进水管道4-5进入第一组的加热器4-1中吸收O2的热量，吸热后的高温不饱和水通过第一组的出水管道4-6被回送到HRSG20的第三级高压省煤器的出口。第一组的氧气温度测量仪4-2测量第一组的加热器4-1氧气出口的温度，该温度信号传递到第一组的流量控制器4-4，从而控制第一组的阀门4-3开度大小。第一组的流量控制器4-4的具体调节过程如下：

当第一组的氧气温度测量仪4-2所测O2的温度高于设定值时，第一组的流量控制器4-4可控制第一组的阀门4-3使其开度增大，此时经过第一组的阀门4-3的不饱和水的流量增大，不饱和水通过第一组的加热器4-1吸收O2的热量增加，进而可使第一组的加热器4-1出口的O2温度降低到设定值。

经过第一组的加热器4-1交换后的O2通入第二组的加热器4-1中，打开第二组的进水管道4-5的阀门4-3，来自HRSG 20的第一级高压省煤器入口的不饱和水通过第二组的进水管道4-5进入第二组的加热器4-1中吸收O2的热量，吸热后的高温不饱和水通过第二组的出水管4-6被回送到HRSG 20的第一级高压省煤器的出口。第二组的氧气温度测量仪4-2测量第二组的加热器4-1出口的O2温度，该温度信号被第二组的流量控制器4-4所接收并用于控制第二组的阀门4-3开度的大小。第二组的流量控制器4-4与第一组的流量控制器4-4的具体调节方法相同。经过加热器4-1的吸热介质既可以是不饱和水，也可以是水蒸汽；经过加热器的吸热介质既可来自HRSG 20，也可来自IGCC发电设施的其他任何可能的部件单元。

上述实施例可在以下工况操作，来自空气分离单元3的O2温度为800℃，经过第一组的加热器4-1后，O2的温度可降低至400、380、360、340、320、300℃，经过第一组的阀门4-3的不饱和水流量可分别为35、36、37、38、39、40kg/s；O2经过第二组的加热器4-1后，其温度可再次降低至200、190、180、170、160、150℃，经过第二组的阀门4-3的不饱和水流量可分别为6,、7、8、9、10、11kg/s；相应地，IGCC发电设施的整体供电效率可分别为45.3%、45.34%、45.38%、45.41%、45.45%、45.48%。

图4给出了空气分离机构6中氧气增压单元5的工作流程。氧气增压单元5包括两台串联的氧气压缩机5-1，每台氧气压缩机5-1配置一组预热清洁合成气装置30，每组预热清洁合成气装置30由换热器30-1、温度检测仪30-2、流量控制仪30-3、两条管道和分别设置在两条管道上的合成气阀门30-4、30-4-1构成，两组预热清洁合成气装置30通过管道串联，两组预热清洁合成气装置30串联管道上设置总温度检测仪30-5，在清洁合成气管道7-1上设置阀门30-6、30-6-1。

大部分清洁合成气7输入清洁合成气管道7-1，清洁合成气管道7-1通过阀门30-6、30-6-1分成a、b两路清洁合成气7，b路清洁合成气7随后经第一组的合成气阀门30-4-1、30-4再次被分成c、d两路清洁合成气7，d路清洁合成气7进入第一组的换热器30-1吸收压缩O2的热量，造成第一组的换热器30-1出口的O2温度降低，O2随后进入第二组的氧气压缩机5-1并被压缩至气化炉10的操作压力。c路清洁合成气7不进行预热，其与预热后升温的d路清洁合成气7混合后变为e路清洁合成气7，其温度由第一组的温度检测仪30-2测量，温度测量信号被第一组的流量控制仪30-3接收并用于控制第一组的合成气阀门30-4、30-4-1的开度。第一组的流量控制仪30-3的具体调节过程如下：

当第一组的温度检测仪30-2所测温度低于设定值时，第一组的流量控制仪30-3可增大第一组的合成气阀门30-4的开度、减小合成气阀门30-4-1的开度，这样可增加d路清洁合成气7的吸热量，使e路清洁合成气7的温度提高到设定值。

同样，a路清洁合成气7随后经第二组的合成气阀门30-4、30-4-1再次被分成f、g两路清洁合成气7，f路清洁合成气7进入第二组的换热器30-1吸收来自第二组的氧气压缩机5-1压缩O2的热量。g路清洁合成气7则不进行预热，其与预热后升温的f路清洁合成气7混合变为h路清洁合成气7，其温度由第二组的温度检测仪30-2测量，温度测量信号被第二组的流量控制仪30-3接收并用于控制第二组的合成气阀门30-4、30-4-1的开度。第二组的流量控制仪30-3的调节方法与第一组的流量控制仪30-3相同。

最后，将经过第一组的换热器30-1预热后的e路清洁合成气7与进过第二组的换热器30-1预热后的h路清洁合成气7相互混合经总温度检测仪30-5测温后一起进入燃气轮机装置21的燃烧器21-1。

上述实施例可在以下工况操作：来自氧气热量回收单元4的O2温度为150℃、压力为1bar，O2经过第一组的氧气压缩机5-1后压力提高至6bar，随后O2再经过第二组的氧气压缩机5-1被压缩至气化炉10的操作压力34.7bar；温度为150℃的清洁合成气7进入氧气增压单元5，其总流量为58kg/s，通过阀门30-6、30-6-1分成a、b两路清洁合成气7，两路的流量均为29kg/s。当c、g路清洁合成气7和d、f路清洁合成气7的流量分别为14kg/s、15kg/s时，温度测量仪30-2、总温度检测仪30-5所测温度均为238℃，此时IGCC发电装置的供电效率为45.39%。如需调高预热后清洁合成气7的温度，将c、g路清洁合成气7的流量依次降低为12、10、8、6、4、2、0kg/s，同时将d、f路清洁合成气7的流量依次提高为17、19、21、23、25、27、29kg/s，则温度测量仪30-2、总温度检测仪30-5所测清洁合成气的温度可相应地提高为250、262、274、285、296、308、316℃，IGCC发电设施的供电效率则相应地提高为45.41%、45.42%、45.44%、45.45%、45.47%、45.49%、45.5%。

下面是采用本发明的IGCC发电设施系统：

参照图1所示，IGCC发电设施系统包括空气分离机构6、燃料源8、燃料制备单元9、气化炉10、渣罐11、冷却器12、除尘净化装置13、加湿饱和装置16、凝汽器17、冷却塔18、蒸汽轮机装置19、热回收蒸汽发生器（HRSG）20和燃气轮机装置21等。燃料源8可包括煤、石油焦、生物质、焦油、沥青及其它一切可利用的含碳物质。燃料源8将燃料传递到燃料制备单元9，在其中，燃料可经过破碎、研磨、制粉、压块、成粒等处理。还可将水或者其它适合的液体及添加剂送入燃料制备单元9，此时来自燃料源8的燃料可被制备成浆状燃料。也可不向燃料制备单元9添加液体和添加剂，此时所制得的燃料为干给料。

气化炉10是将燃料转化为合成气的反应装置。燃料制备单元9将燃料输送至气化炉10，在其中，燃料在来自空气分离机构6的氧气和来自热回收蒸汽发生器（HRSG）20的水蒸汽的作用下发生一系列物理化学反应，这些反应可包括燃料的破碎、燃料的热解反应、热解半焦的部分氧化反应、热解半焦以及热解气体的气化反应。气化炉8的操作压力可处于20-85bar，操作温度可处于700-1600℃。气化炉8的主要产物为粗合成气，其中CO和H₂的体积含量可达80-85%，其他成分可包括CH₄、CO₂、H₂O、H₂S、COS、NH₃、HCN、HCl、HF，此外，粗合成气中还携带少量颗粒较细的飞灰。气化炉10的产物还包括渣料，燃料中灰份的绝大部分以渣料形式排至渣罐11，渣料经过处理可被利用如用作建筑材料。

气化炉10出口的粗合成气可具有很高的温度(700-1600℃)，其被送往合成气冷却器12以产生水蒸汽。合成气冷却器12可包括辐射合成气冷却器和/或对流合成气冷却器，在其中，来自HRSG 20的不饱和水吸收粗合成气的热量而产生饱和水蒸汽，饱和水蒸汽随后被送往HRSG 20中的蒸发器。经过合成气冷却器12后，粗合成气的温度显著降低，其随后被送往除尘净化装置13。

在除尘净化装置13中，粗合成气中的H2S、COS等成分可经过酸性气体移除系统分离得到硫14，HRSG 20可为酸性气体移除系统提供工艺蒸汽，该工艺蒸汽经换热后变为冷凝液而被送回HRSG 20的换热器。粗合成气中的飞灰可在除尘净化装置13中得以分离并获得灰15。粗合成气中的NH3、HCN、HCl、HF等成分也可在除尘净化装置13中得以脱除。另外，除尘净化装置13可接收来自凝汽器17的冷凝水，该冷凝水通过与来自合成气冷却器12的粗合成气换热可进一步降低粗合成气的温度，受热后的冷凝水被送往HRSG 20的换热器。经过除尘净化装置13后，来自合成气冷却器12的粗合成气变为清洁合成气，其温度进一步降低。随后低温清洁合成气进入加湿饱和装置16，在其中，可将水或者水蒸汽添加到清洁合成气中，该处理过程可帮助减少燃气轮机装置21燃烧器的NOx排放。清洁合成气随后还可进入碳捕集系统24，在其中可制得含高纯H2的合成气和高纯度的CO2气体，含高纯H2的合成气随后可进入动力装置(如氢气轮机或者燃料电池)发电，高纯度的CO2气体则可进行压缩、运输、储存和利用等处理。

由加湿饱和装置16出来的清洁合成气7随后进入空气分离机构6，清洁合成气7吸收空气分离机构6中压缩氧气的热量而提高温度，被加热的清洁合成气随后进入燃气轮机装置21的燃烧器21-1。空气分离机构6除了可加热清洁合成气，其产生的氮气（N2）可经过氮气压缩机22压缩后送往燃气轮机装置21的燃烧器21-1，可增加进入燃气轮机装置透平21-2的工质的流量，同时有利于减少燃烧器21-1的NOx排放。空气分离机构6产生的N2也可经过氮气加湿器23加湿后再送往燃气轮机装置21的燃烧器21-1。另外，空气分离机构6产生的N2除了可被送往燃气轮机装置21的燃烧器21-1外，也可部分或全部排向大气环境。空气分离机构6产生的氧气被送往气化炉10。

在燃气轮机装置21中，来自压气机21-4的压缩空气进入燃烧器21-1。在燃烧器21-1中，预热后的清洁合成气与压缩空气中的氧气发生燃烧反应，燃烧产生的高温高压燃烧气体与氮气混合后被送往燃气轮机装置21的燃气透平21-2。上述气体通过燃气透平21-2时，可迫使其中的涡轮叶片带动驱动轴杆21-3沿着燃气透平21-2的轴线旋转。传动轴杆21-3可连接到第一负荷25，其可为固定负荷如用于发电的发电机，也可为其他任何合适的装置，该装置由传动轴杆21-3的旋转输出提供动力。传动轴杆21-3可同时连接压气机21-4，迫使压气机21-4的叶片旋转以将空气压缩至高压状态。压气机21-4产生的高压空气还可部分送往空气分离机构6，该部分空气可与来自独立空气压缩机26的高压空气共同作为空气分离机构6的空气来源。

HRSG 20接收来自燃气透平21-2的高温排气并通过多个换热器将高温排气的热量传递给来自凝汽器17的冷凝水，以产生高温高压蒸汽。来自燃气透平21-2的高温排气经过HRSG 20后温度显著降低，最终以烟气的形式排向大气。HRSG20产生的水蒸汽主要被送往蒸汽轮机装置19用于驱动第二负荷27，第二负荷27可为固定负荷如用于发电的发电机，也可为其他任何合适的装置，该装置由蒸汽轮机装置19的轴杆旋转输出提供动力。HRSG 20产生的水蒸汽也可以被供应到任何其他使用水蒸汽的处理过程中，如其可输送工艺蒸汽到除尘净化装置13以用于脱硫吸收剂的再生，也可被送往气化炉10以提供水蒸汽气化剂。另外，HRSG 20也可供应不饱和水到合成气冷却器12、空气分离机构6以吸收粗合成气、高温氧气的热量，吸收热量后的不饱和水可变为饱和水蒸汽或者高温不饱和水再返回到HRSG 20。

蒸汽轮机装置19可包括高压、中压和低压段，其可利用高温高压蒸汽产生动力。蒸汽轮机低压段的排汽被送往凝汽器17。凝汽器17可利用来自冷却塔18的冷却水将蒸汽轮机装置19的排汽降温以形成冷凝水。冷凝水可被直接送往HRSG 20或经过除尘净化装置13吸收粗合成气的热量后再送往HRSG 20。

如上文所述，在IGCC发电设施系统中预热后的清洁合成气可将能量尽可能更多地分配给燃气轮机装置21发电，提高IGCC发电设施系统的整体效率。在本发明所提供的系统和方法中，清洁合成气7被送往空气分离机构6进行预热，既可避免出现现有技术中IGCC发电设施运行故障或者发电量降低，同时可利用压缩O2的热量提高IGCC发电设施的整体效率。

具体实施例2：

本实施例的特点是：设有一组或三组、四组及四组以上预热清洁合成气装置30。其他特点与具体实施例1相同。

具体实施例3：

本实施例的特点是：所述空气分离机构6采用深冷空气分离机构。其他特点与具体实施例1或具体实施例2相同。

具体实施例4：

本实施例的特点是：所述预热清洁合成气装置30设置在IGCC发电设施中的空气分离机构6外，所述氧气增压单元5通过高温吸热介质的管道与预热清洁合成气装置30的高温入口相连；空气分离机构6的氧气增压单元5产生的高温氧气的热量传递到吸热介质，吸收热量后的吸热介质再通过管道输入预热清洁合成气装置30的换热器30-1，在换热器30-1中，清洁合成气7与吸热介质进行热交换，将高温高压氧气的热量间接传递到清洁合成气7，从而实现对清洁合成气7的预热，所述吸热介质采用水、水蒸汽或者其他适合的介质。其他特点与具体实施例1、具体实施例2或具体实施例3相同。

Claims (6)

1.用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法，其特征在于：

1)设置改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气装置(30)，该预热清洁合成气装置(30)设置在IGCC发电设施中的空气分离机构(6)的氧气增压端，利用空气分离机构(6)的氧气增压单元(5)将IGCC发电设施中空气分离机构(6)产生的氧气压缩形成高温高压氧气，预热清洁合成气装置(30)包括换热器(30-1)，将氧气增压单元(5)产生的高温高压氧气通过管道(5-2)输送至换热器(30-1)；

2)将清洁合成气(7)通过清洁合成气管道(7-1)输送至换热器(30-1)，利用换热器(30-1)吸收高温高压氧气的热量对清洁合成气(7)进行预热。

2.根据权利要求1所述的用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法，其特征在于：所述预热清洁合成气装置(30)设置在IGCC发电设施中的空气分离机构(6)外，空气分离机构(6)的氧气增压单元(5)产生的高温高压氧气不直接进入换热器(30-1)，其热量首先传递给吸热介质，吸收热量后的吸热介质再通过管道输入预热清洁合成气装置(30)的换热器(30-1)，在换热器(30-1)中，清洁合成气(7)与吸热介质进行热交换，将高温高压氧气的热量间接传递到清洁合成气(7)，从而实现对清洁合成气(7)的预热。

3.根据权利要求1或2所述的用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法，其特征在于：预热清洁合成气装置(30)还包括温度检测仪(30-2)和流量控制机构，在换热器(30-1)出口处设置温度检测仪(30-2)以检测换热器(30-1)出口处清洁合成气(7)的温度，为换热器(30-1)配置流量控制机构以对清洁合成气(7)的流量进行控制，通过控制清洁合成气(7)的流量以调节预热后清洁合成气的温度。

4.根据权利要求1或2所述的用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法，其特征在于：所述氧气增压单元(5)包括多台串联的氧气压缩机(5-1)，通过氧气压缩机(5-1)获得高温高压氧气，每台氧气压缩机(5-1)配置一组预热清洁合成气装置(30)，利用清洁合成气(7)吸收高温高压氧气的热量，降温后的氧气可再进入下一级氧气压缩机(5-1)压缩，从而降低氧气压缩机(5-1)的总功耗。

5.根据权利要求1所述的用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法，其特征在于：所述空气分离机构(6)采用氧传输膜空气分离机构或深冷空气分离机构。

6.根据权利要求2所述的用于改进IGCC发电设施性能的预热清洁合成气方法，其特征在于：所述吸热介质采用水、水蒸气。