CN110218583A - 一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统及方法，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、除尘单元、第一气气加热器、脱硫装置、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、燃气透平、阴极空气压缩机、阴极回热器、空气透平、汽轮机和余热锅炉；本发明的发电系统避免了常规吸收法脱硫过程中，脱除了大量的CO2，提高了CO2捕集率；避免了变换反应产生的热量需要降低能量品位利用的过程，本发明使变换反应过程产生的热量进入了燃料电池系统，提高了系统净发电效率。
Description
技术领域
本发明属于洁净煤发电技术领域，具体涉及一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统及方法。
背景技术
煤炭是我国最重要的基础能源。现有技术水平下超超临界燃煤发电机组与整体煤气化联合循环机组IGCC很难达到较低的碳排放指标。使用现有技术或近期可行的技术进行碳捕集不仅将大幅增加设备投资，还会显著降低发电效率。
整体煤气化燃料电池发电系统IGFC是将煤气化发电技术与高温燃料电池结合的发电系统，其能源转化效率不受卡诺循环效率的限制，能大幅提高煤电效率，易于实现污染物及二氧化碳近零排放，是洁净煤发电技术的一个重要发展方向。IGFC系统工艺流程需要根据实际应用情况进行优化，以确定效率高、流程简易、投资低的优化流程。
IGFC系统煤气化过程产生的合成气目前工业可行的办法是采用吸收法脱除H2S，然而吸收法脱除H2S的同时对CO2的脱除率也较高，若在工艺流程下游捕集CO2，则难以保证较高的CO2捕集率。
发明内容
本发明提供的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统及方法，解决了现有的IGFC系统存在的CO2的脱除率较高，导致发电效率低的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、除尘单元、脱硫装置、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、燃气透平、阴极空气压缩机、阴极回热器、空气透平、汽轮机和余热锅炉，其中，备煤单元上设置有原煤入口，备煤单元的干煤粉出口连接气化炉的入口；气化炉上设置有二氧化碳入口和氧气入口；气化炉上的高温粗合成气出口连接废热锅炉的入口，废热锅炉的饱和蒸汽出口连接余热锅炉的入口，余热锅炉的高压过热蒸汽出口连接汽轮机的入口，汽轮机的中压蒸汽出口连接气化炉的入口；废热锅炉的粗合成气出口连接除尘单元的入口，除尘单元的一路气体出口连接脱硫装置的入口，脱硫装置的出口与汽轮机的中压蒸汽出口连接至混合管路，混合管路的出口连接引射器的入口，引射燃料电池阳极出口的部分尾气；引射器的合成气出口连接燃料电池的阳极入口，燃料电池的阳极出口连接纯氧燃烧器的入口，纯氧燃烧器上设置有氧气入口，纯氧燃烧器的出口连接燃气透平的入口，燃气透平的出口连接余热锅炉的入口；
阴极空气压缩机上设置有空气入口，阴极空气压缩机的一路出口连接阴极回热器的冷侧入口，阴极回热器的冷侧出口连接燃料电池的阴极入口，燃料电池的阴极出口连接阴极回热器的热侧入口，阴极回热器的热侧出口连接空气透平的入口，空气透平的出口连接余热锅炉的入口。
优选地，脱硫装置包括第一气气加热器、水洗塔、第二气气加热器、羰基硫水解反应器、低温余热回收单元、合成气冷却器和脱硫单元，其中，除尘单元的气体出口第一气气加热器的热侧入口，第一气气加热器的热侧出口连接水洗塔的入口，水洗塔的出口连接第二气气加热器的热侧入口，第二气气加热器的热侧出口连接羰基硫水解反应器的入口，羰基硫水解反应器的出口连接第二气气加热器的冷侧入口，第二气气加热器的冷侧出口连接低温余热回收单元的入口，低温余热回收单元的出口连接合成气冷却器的入口，合成气冷却器的出口连接脱硫单元的入口，脱硫单元的洁净合成气出口与汽轮机的中压蒸汽出口连接至混合管路。
优选地，脱硫单元的洁净合成气出口与混合管路之间设置有精脱硫单元。
优选地，脱硫单元的洁净合成气出口与混合管路之间设置有水汽变换单元，水汽变换单元与汽轮机上的中压蒸汽出口连接。
优选地，脱硫单元的洁净合成气出口与混合管路之间设置有湿化器。
优选地，阴极空气压缩机的出口还连接有深冷空分单元的入口，深冷空分单元上设置有氧气出口、污氮出口和氩气产品出口，其中，氧气出口分别与气化炉的氧气入口的氧气入口和纯氧燃烧器的氧气入口连接。
优选地，除尘单元的气体出口还连接有循环气压缩机，循环压缩机的出口与气化炉的高温粗合成气出口连接至混合管道，混合管道的出口连接废热锅炉的入口。
优选地，余热锅炉上设置有空气出口和二氧化碳尾气出口，其中，二氧化碳尾气出口的一路连接有二氧化碳压缩机，经过二氧化碳压缩机与汽化炉的二氧化碳日寇连接；二氧化碳尾气出口的另一路连接有连接第一余热回收换热器的入口，第一余热回收换热器的出口连接二氧化碳多级压缩机的入口，二氧化碳多级压缩机设置有液态二氧化碳出口。
一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电方法，基于所述的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，包括以下步骤：
原煤在备煤单元中磨煤、干燥后形成干煤粉，由通入汽化炉中的二氧化碳气体输送至气化炉，将部分纯氧与少量汽轮机中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉反应，气化炉顶部产生的高温粗合成气送入废热锅炉；废热锅炉产生饱和蒸汽送入余热锅炉中进一步加热，经过废热锅炉回收余热后的粗合成气送入除尘单元，经过降温除尘后的合成气进入脱硫装置中；脱硫装置中的洁净合成气与汽轮机中部抽取的另一股中压蒸汽混合后，对合成气中一氧化碳气体形成稀释后，送入引射器，引射燃料电池阳极出口的部分尾气，引射器出口的合成气进入燃料电池阳极进行反应；燃料电池阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器与通入纯氧燃烧器内的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生的燃烧尾气经过燃气透平做功后，送入余热锅炉；
一股空气经过阴极空气压缩机加压后，一部分送入阴极回热器冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池阴极入口，在燃料电池中进行反应后送入阴极回热器热侧入口，降温后送入空气透平，驱动空气透平转动做功后，送入余热锅炉；
余热锅炉产生的高压过热蒸汽送入汽轮机中做功。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统及方法，采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，避免了常规吸收法脱硫过程中，脱除了大量的CO2，提高了CO2捕集率；避免了变换反应产生的热量需要降低能量品位利用的过程，本发明使变换反应过程产生的热量进入了燃料电池系统，提高了系统净发电效率。
进一步的，本发明主要是利用利用气气加热器对气体进行降温，之后进入羰基硫水解反应器中脱除羰基硫，之后再经过复温、降温，达到脱硫过程所需的温度后进行脱硫处理，使得合成气中脱除了大量的SO2。
进一步的，洁净的合成气再经过精脱硫、水汽变换、再湿化工艺过程中，使得合成气中脱除了大量的CO2，提高了CO2捕集率。
附图说明
图1是本发明涉及的发电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所述，本发明提供的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元1、气化炉2、废热锅炉3、除尘单元4、循环气压缩机5、第一气气加热器6、水洗塔7、第二气气加热器8、羰基硫水解反应器9、低温余热回收单元10、合成气冷却器11、脱硫单元12、精脱硫单元13、水汽变换单元14、湿化器15、水处理单元16、硫回收单元17、引射器18、燃料电池19、纯氧燃烧器20、燃气透平21、阴极空气压缩机22、第二余热回收换热器23、阴极回热器24、空气透平25、汽轮机26、余热锅炉27、二氧化碳压缩机28、第一余热回收换热器29、二氧化碳多级压缩机30、深冷空分单元31和氧压机32，其中，备煤单元1上设置有原煤入口，备煤单元1的干煤粉出口连接气化炉2的入口，气化炉2的炉底设置有炉渣出口；气化炉2的高温粗合成气出口与循环压缩机5的低温合成气出口均连接至混合管道，混合管道的出口连接废热锅炉3的入口，废热锅炉3的饱和蒸汽出口连接余热锅炉27的入口，余热锅炉的高压过热蒸汽出口连接汽轮机26的入口；废热锅炉3的粗合成气出口连接除尘单元4的入口，除尘单元4的一路气体出口连接循环气压缩机5的入口；除尘单元4的另一路气体出口连接第一气气加热器6的热侧入口，第一气气加热器6的热侧出口连接水洗塔7的入口，水洗塔7的出口连接第二气气加热器8的热侧入口，第二气气加热器8的热侧出口连接羰基硫水解反应器9的入口，羰基硫水解反应器9的出口连接第二气气加热器8的冷侧入口，第二气气加热器8的冷侧出口连接低温余热回收单元10的入口，低温余热回收单元10的出口连接合成气冷却器11的入口，合成气冷却器11的出口连接脱硫单元12的入口，脱硫单元12的洁净合成气出口连接精脱硫单元13的入口，精脱硫单元13的出口连接水汽变换单元14的入口，水汽变换单元14的出口连接湿化器15的入口，湿化器15的出口连接第一气气加热器6的冷侧入口；
脱硫单元12的底部设置有废水出口和废气出口，其中，废水出口连接水处理单元16的入口；废气出口连接硫回收单元17的入口。
第一气气加热器6的冷侧出口与汽轮机26的中部设置的中压蒸汽出口均连接至混合管路，混合管路的出口连接引射器18的入口，引射燃料电池19阳极出口的部分尾气；引射器18的合成气出口连接燃料电池19的阳极入口，燃料电池19的阳极出口连接纯氧燃烧器20的入口；纯氧燃烧器20的出口连接燃气透平21的入口，燃气透平21的出口连接余热锅炉27的入口，余热锅炉27的尾气出口一路连接二氧化碳压缩机28的入口，另一路连接第一余热回收换热器29的入口，第一余热回收换热器29的出口连接二氧化碳多级压缩机30的入口，二氧化碳多级压缩机28设置有液态二氧化碳出口。
阴极空气压缩机22上设置有空气入口，阴极空气压缩机22的一路出口连接阴极回热器24的冷侧入口，阴极回热器24的冷侧出口连接燃料电池19的阴极入口，燃料电池19的阴极出口连接阴极回热器24的热侧入口，阴极回热器24的热侧出口连接空气透平25的入口，空气透平25的出口连接余热锅炉27的入口，余热锅炉27上设置有空气出口。
阴极空气压缩机22的另一路出口连接第二余热回收换热器23的入口，第二余热回收换热器23的出口连接深冷空分单元31的入口，深冷空分单元31内设置有氩气分离装置，氩气分离装置设置有污氮出口和氩气产品出口，深冷空分单元31上的氧气出口连接氧压机32的入口，氧压机32的一路氧气出口连接气化炉2的氧气入口，氧压机32的另一路氧气出口连接纯氧燃烧器20的氧气入口。
该系统原理为：
原煤在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉，由二氧化碳压缩机28产生的高压二氧化碳气体输送至气化炉2，氧压机32出口的部分纯氧与少量汽轮机26中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉2反应，气化炉2炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗合成气与循环气压缩机5出口的低温合成气混合激冷后，送入废热锅炉3；废热锅炉3产生饱和蒸汽送入余热锅炉27中进一步加热，经过废热锅炉回收余热后的粗合成气送入除尘单元4，经过降温除尘后的一部分合成气循环至循环气压缩机5入口，另一部分合成气进入第一气气加热器6热侧入口，降温后送入水洗塔7，水洗塔7出口合成气送入第二气气加热器8热侧入口，进一步降温后送入羰基硫水解反应器9，随后进入第二气气加热器8冷侧入口，合成气经过复热后，进入低温余热回收单元10，随后进入合成气冷却器11，将合成气降低至脱硫过程所需的温度后，进入脱硫单元12，脱硫单元产生的洁净合成气送入精脱硫单元13，随后送入水汽变换单元14，再送入湿化器15加湿后进入第一气气加热器6冷侧，脱硫单元12产生的废水与废气分别进入水处理单元16与硫回收单元17，分别形成固态盐与硫磺；
汽轮机26中部抽取的一股中压蒸汽送入水汽变换单元14，提供水汽变换反应的反应物；第一气气加热器6冷侧出口合成气与汽轮机26中部抽取的另一股中压蒸汽混合后，对合成气中一氧化碳气体形成稀释后，送入引射器18，引射燃料电池19阳极出口的部分尾气，引射器18出口的合成气进入燃料电池19阳极，进行反应；燃料电池19阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器20与氧压机32出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生燃烧尾气，其主要成分为水蒸气与二氧化碳，经过燃气透平21做功后，送入余热锅炉27，燃烧尾气经过降温后分为两股，一股送入二氧化碳压缩机28入口，另一股送入第一余热回收换热器29，冷凝降温、脱除水分后送入二氧化碳多级压缩机30，最终形成高纯度的液态二氧化碳；
一股空气经过阴极空气压缩机22加压后，一部分送入阴极回热器24冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池19阴极入口，在燃料电池19中进行反应后送入阴极回热器24热侧入口，降温后送入空气透平25，驱动空气透平25转动做功后，送入余热锅炉27，回收余热后排入大气；
阴极空气压缩机22出口的另一部分空气送入第二余热回收换热器23，随后送入深冷空分单元31，深冷空分单元31内设置氩气分离工艺，深冷空分单元31产生的污氮排入大气，产生的纯氩气可作为产品，产生高纯度氧气送入氧压机32入口；
余热锅炉27回收燃气透平21与空气透平25排除尾气的回热，同时对废热锅炉3产生的饱和蒸汽进行过热，余热锅炉27产生高压过热蒸汽送入汽轮机26。该系统发出的电能由燃料电池19、燃气透平21、空气透平25、以及汽轮机26产生。
本发明由于采取以上系统配置方案，具有以下优点：
1、本发明提供的采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，避免了常规吸收法脱硫过程中，脱除了大量的CO2，提高了CO2捕集率。
2、本发明提供的采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，避免了变换反应产生的热量需要降低能量品位利用的过程，本发明使变换反应过程产生的热量进入了燃料电池系统，提高了系统净发电效率。
本发明提供的采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，减小了常规吸收法脱硫设备容量，省去了系统尾气再循环以稀释进入燃料电池燃料气浓度的过程，节省了设备投资。
Claims (9)
1.一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，包括备煤单元(1)、气化炉(2)、废热锅炉(3)、除尘单元(4)、脱硫装置、引射器(18)、燃料电池(19)、纯氧燃烧器(20)、燃气透平(21)、阴极空气压缩机(22)、阴极回热器(24)、空气透平(25)、汽轮机(26)和余热锅炉(27)，其中，备煤单元(1)上设置有原煤入口，备煤单元(1)的干煤粉出口连接气化炉(2)的入口；气化炉(2)上设置有二氧化碳入口和氧气入口；气化炉(2)上的高温粗合成气出口连接废热锅炉(3)的入口，废热锅炉(3)的饱和蒸汽出口连接余热锅炉(27)的入口，余热锅炉(27)的高压过热蒸汽出口连接汽轮机(26)的入口，汽轮机(26)的中压蒸汽出口连接气化炉(2)的入口；废热锅炉(3)的粗合成气出口连接除尘单元(4)的入口，除尘单元(4)的一路气体出口连接脱硫装置的入口，脱硫装置的出口与汽轮机(26)的中压蒸汽出口连接至混合管路，混合管路的出口连接引射器(18)的入口，引射燃料电池(19)阳极出口的部分尾气；引射器(18)的合成气出口连接燃料电池(19)的阳极入口，燃料电池(19)的阳极出口连接纯氧燃烧器(20)的入口，纯氧燃烧器(20)上设置有氧气入口，纯氧燃烧器(20)的出口连接燃气透平(21)的入口，燃气透平(21)的出口连接余热锅炉(27)的入口；
阴极空气压缩机(22)上设置有空气入口，阴极空气压缩机(22)的一路出口连接阴极回热器(24)的冷侧入口，阴极回热器(24)的冷侧出口连接燃料电池(19)的阴极入口，燃料电池(19)的阴极出口连接阴极回热器(24)的热侧入口，阴极回热器(24)的热侧出口连接空气透平(25)的入口，空气透平(25)的出口连接余热锅炉(27)的入口。
2.根据权利要求1所述的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，脱硫装置包括第一气气加热器(6)、水洗塔(7)、第二气气加热器(8)、羰基硫水解反应器(9)、低温余热回收单元(10)、合成气冷却器(11)和脱硫单元(12)，其中，除尘单元(4)的气体出口第一气气加热器(6)的热侧入口，第一气气加热器(6)的热侧出口连接水洗塔(7)的入口，水洗塔(7)的出口连接第二气气加热器(8)的热侧入口，第二气气加热器(8)的热侧出口连接羰基硫水解反应器(9)的入口，羰基硫水解反应器(9)的出口连接第二气气加热器(8)的冷侧入口，第二气气加热器(8)的冷侧出口连接低温余热回收单元(10)的入口，低温余热回收单元(10)的出口连接合成气冷却器(11)的入口，合成气冷却器(11)的出口连接脱硫单元(12)的入口，脱硫单元(12)的洁净合成气出口与汽轮机(26)的中压蒸汽出口连接至混合管路。
3.根据权利要求2所述的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，脱硫单元(12)的洁净合成气出口与混合管路之间设置有精脱硫单元(13)。
4.根据权利要求2所述的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，脱硫单元(12)的洁净合成气出口与混合管路之间设置有水汽变换单元(14)，水汽变换单元(14)与汽轮机(26)上的中压蒸汽出口连接。
5.根据权利要求2所述的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，脱硫单元(12)的洁净合成气出口与混合管路之间设置有湿化器(15)。
6.根据权利要求1所述的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，阴极空气压缩机(22)的出口还连接有深冷空分单元(31)的入口，深冷空分单元(31)上设置有氧气出口、污氮出口和氩气产品出口，其中，氧气出口分别与气化炉(2)的氧气入口的氧气入口和纯氧燃烧器(20)的氧气入口连接。
7.根据权利要求1所述的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，除尘单元(4)的气体出口还连接有循环气压缩机(5)，循环压缩机(5)的出口与气化炉(2)的高温粗合成气出口连接至混合管道，混合管道的出口连接废热锅炉(3)的入口。
8.根据权利要求1所述的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，余热锅炉(27)上设置有空气出口和二氧化碳尾气出口，其中，二氧化碳尾气出口的一路连接有二氧化碳压缩机(28)，经过二氧化碳压缩机(28)与汽化炉(2)的二氧化碳日寇连接；二氧化碳尾气出口的另一路连接有连接第一余热回收换热器(29)的入口，第一余热回收换热器(29)的出口连接二氧化碳多级压缩机(30)的入口，二氧化碳多级压缩机(28)设置有液态二氧化碳出口。
9.一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电方法，其特征在于，基于权利要求1-8中任一项所述的一种采用脱硫后变换工艺的整体煤气化燃料电池发电系统，包括以下步骤：
原煤在备煤单元(1)中磨煤、干燥后形成干煤粉，由通入汽化炉(2)中的二氧化碳气体输送至气化炉(2)，将部分纯氧与少量汽轮机(26)中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉(2)反应，气化炉(2)顶部产生的高温粗合成气送入废热锅炉(3)；废热锅炉(3)产生饱和蒸汽送入余热锅炉(27)中进一步加热，经过废热锅炉回收余热后的粗合成气送入除尘单元(4)，经过降温除尘后的合成气进入脱硫装置中；脱硫装置中的洁净合成气与汽轮机(26)中部抽取的另一股中压蒸汽混合后，对合成气中一氧化碳气体形成稀释后，送入引射器(18)，引射燃料电池(19)阳极出口的部分尾气，引射器(18)出口的合成气进入燃料电池(19)阳极进行反应；燃料电池(19)阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器(20)与通入纯氧燃烧器(20)内的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生的燃烧尾气经过燃气透平(21)做功后，送入余热锅炉(27)；
一股空气经过阴极空气压缩机(22)加压后，一部分送入阴极回热器(24)冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池(19)阴极入口，在燃料电池(19)中进行反应后送入阴极回热器(24)热侧入口，降温后送入空气透平(25)，驱动空气透平(25)转动做功后，送入余热锅炉(27)；
余热锅炉(27)产生的高压过热蒸汽送入汽轮机(26)中做功。
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