CN110257106B - 一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统及方法 - Google Patents

一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种采用水煤浆气化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、第一余热回收换热器、阴极回热器、空气透平、汽轮机、余热锅炉和深冷空分单元；本发明采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，进入燃料电池的氢碳比适中，无需设置CO水汽变换反应单元调整氢碳比，或者通过尾气再循环调整氢碳比，并且水煤浆气化系统简单，致使整个IGFC系统流程简单；同时，采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，由于省去了水汽变换过程，避免了水汽变换过程带来的能量损失，提高了IGFC系统净发电效率。

Description

一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统及方法
技术领域
本发明属于洁净煤发电技术领域，具体涉及一种采用水煤浆气化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。
高温燃料电池是IGFC系统的核心设备，对燃料气中H2与CO含量有较严格的要求。干煤粉气化技术产生的高温燃料电池燃料气通常CO含量较高，需要额外配置水汽变换单元，系统复杂，且水汽变换过程带来的能量损失较大，影响了IGFC系统净发电效率的提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统及方法，解决了现有的IGFC系统存在的高温燃料电池燃料气中CO含量较高，需要额外配置水汽变换单元，导致系统复杂，且水汽变换过程带来的能量损失较大。
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水煤浆气化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、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、第一余热回收换热器、阴极回热器、空气透平、汽轮机、余热锅炉和深冷空分单元，其中，备煤单元上设置有原煤入口和水入口，备煤单元的水煤浆出口连接气化炉的入口，气化炉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连接余热锅炉的入口；
废热锅炉的粗合成气出口连接除尘单元的入口，除尘单元的气体出口连接第一气气加热器的热侧入口，第一气气加热器的热侧气体出口连接脱硫装置的入口，脱硫装置的出后连接第一气气加热器的冷侧入口；
第一气气加热器的冷侧出口和汽轮机的中压蒸汽出口均连接至混合管的入口，混合管的出口连接引射器的入口，引射燃料电池的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；燃料电池的阳极尾气出口连接纯氧燃烧的出口；纯氧燃烧器的氧气入口连接空分单元的氧气出口；
纯氧燃烧器的尾气出口连接燃气透平的入口，燃气透平的尾气出口连接余热锅炉的入口；
阴极空气压缩机设置有空气入口，阴极空气压缩机的空气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，空气透平的尾气出口连接余热锅炉的入口；
阴极空气压缩机的另一路出口连接第二余热回收换热器的入口，第二余热回收换热器的出口连接深冷空气单元的入口；深冷空气单元的另一路氧气出口连接气化炉的氧气入口；
余热锅炉的高压过热蒸汽连接汽轮机的入口。
优选地，脱硫装置包括水洗塔、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、脱硫单元和湿化器，其中，第一气气加热器的热侧气体出口连接水洗塔的入口，水洗塔的合成气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连接湿化器的入口，湿化器的出后连接第一气气加热器的冷侧入口。
优选地，脱硫单元的洁净合成气出口和湿化器的入口之间设置有精脱硫单元。
优选地，脱硫单元底部设置的废水出口连接水处理单元；脱硫单元底部设置的废气出口连接硫回收单元。
优选地，余热锅炉的底部设置有空气出口。
优选地，余热锅炉的底部设置有尾气出口，该尾气出口连接有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有二氧化碳多级压缩机的入口，二氧化碳多级压缩机上设置有液态二氧化碳出口。
优选地，深冷空气单元内设置有氩气分离装置，氩气分离装置上设置有污氮出口和纯氩产品出口。
优选地，深冷空气单元的氧气出口和纯氧燃烧器的氧气入口之间设置有氧压机。
一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电方法，基于所述的一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，包括以下步骤：
原煤与水在备煤单元中磨煤、制浆后形成水煤浆送至气化炉，与深冷空分单元氧气出口送入气化炉的部分纯氧发生气化反应，气化炉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，经过降温除尘后进入第一气气加热器热侧入口，降温后脱硫装置进行脱硫，之后进入第一气气加热器的冷侧；第一气气加热器冷侧出口合成气与汽轮机中部抽取的中压蒸汽混合后，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深冷空分单元一路氧气出口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，送入余热锅炉对燃烧尾气进行降温；
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；
阴极空气压缩机出口的另一部分空气送入第二余热回收换热器，随后送入深冷空分单元进行处理；余热锅炉产生高压过热蒸汽送入汽轮机进行做功。
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水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统及方法，采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，进入燃料电池的氢碳比适中，无需设置CO水汽变换反应单元调整氢碳比，或者通过尾气再循环调整氢碳比，并且水煤浆气化系统简单，致使整个IGFC系统流程简单；同时，采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，由于省去了水汽变换过程，避免了水汽变换过程带来的能量损失，提高了IGFC系统净发电效率。
附图说明
图1是本发明涉及的发电系统结构示意图。
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所示，本发明提供的一种采用水煤浆气化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、第一气气加热器5、水洗塔6、第二气气加热器7、羰基硫水解反应器8、低温余热回收单元9、合成气冷却器10、脱硫单元11、精脱硫单元12、湿化器13、水处理单元14、硫回收单元15、引射器16、燃料电池17、纯氧燃烧器18、燃气透平19、阴极空气压缩机20、第一余热回收换热器21、阴极回热器22、空气透平23、汽轮机24、余热锅炉25、第一余热回收换热器26、二氧化碳多级压缩机27、深冷空分单元28和氧压机29，其中，备煤单元1的水煤浆出口连接气化炉2的入口，气化炉2的高温粗合成气出口连接废热锅炉3的入口，废热锅炉3的饱和蒸汽连接余热锅炉25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的气体出口连接第一气气加热器5的热侧入口，第一气气加热器5的热侧气体出口连接水洗塔6的入口，水洗塔6的合成气出口连接第二气气加热器7的热侧入口，第二气气加热器7的热侧出口连接羰基硫水解反应器8的入口，羰基硫水解反应器8的出口连接第二气气加热器7的冷侧入口，第二气气加热器7的冷侧出口连接低温余热回收单元9的入口，低温余热回收单元9的出口连接合成气冷却器10的入口，合成气冷却器10的出口连接脱硫单元11的入口，脱硫单元11的洁净合成气出口连接精脱硫单元12的入口，精脱硫单元12的出口连接湿化器13的入口，湿化器13的出后连接第一气气加热器5的冷侧入口；
脱硫单元11底部设置的废水出口连接水处理单元14；脱硫单元11底部设置的废气出口连接硫回收单元15。
第一气气加热器5的冷侧出口和汽轮机24中部位置设置的中压蒸汽出口均连接至混合管的入口，混合管的出口连接引射器16的入口，引射燃料电池17的阳极出口的部分尾气。
引射器16的合成气出口连接燃料电池17的入口；燃料电池17的尾气出口连接纯氧燃烧18的入口；纯氧燃烧器18的氧气入口连接氧压机29的氧气出口。
纯氧燃烧器18的尾气出口连接燃气透平19的入口，燃气透平19的尾气出口连接余热锅炉25的入口；余热锅炉25的出口连接第一余热回收换热器26的入口，第一余热回收换热器26的出口连接二氧化碳多级压缩机27的入口，二氧化碳多级压缩机27设置有液态二氧化碳出口。
阴极空气压缩机20设置有空气入口，阴极空气压缩机20的空气出口连接阴极回热器22的冷侧入口，阴极回热器22的冷侧出口连接燃料电池17的阴极入口，燃料电池17的阴极出口连接阴极回热器22的热侧入口，阴极回热器22的热侧出口连接空气透平23的入口，空气透平23的尾气出口连接余热锅炉25的入口，余热锅炉25设置有空气出口。
阴极空气压缩机20的另一路出口连接第二余热回收换热器21的入口，第二余热回收换热器21的出口连接深冷空气单元28的入口，深冷空气单元28内设置有氩气分离装置，深冷空气单元28上设置有污氮出口和纯氩产品出口；深冷空气单元28的氧气出口连接氧压机29的入口。
余热锅炉25的高压过热蒸汽连接汽轮机24的入口。
本发明的工作原理：
原煤与水在备煤单元1中磨煤、制浆后形成水煤浆送至气化炉2，与氧压机29出口送入气化炉2的部分纯氧发生气化反应，气化炉2炉底产生炉渣，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25中进一步加热，经过废热锅炉3回收余热后的粗合成气送入除尘单元4，经过降温除尘后进入第一气气加热器5热侧入口，降温后送入水洗塔6，水洗塔6出口合成气送入第二气气加热器7热侧入口，进一步降温后送入羰基硫水解反应器8，随后进入第二气气加热器7冷侧入口，合成气经过复热后，进入低温余热回收单元9，随后进入合成气冷却器10，将合成气降低至脱硫过程所需的温度后，进入脱硫单元11，脱硫单元产生的洁净合成气经过精脱硫单元12后，送入湿化器13加湿后进入第一气气加热器5冷侧，脱硫单元11产生的废水与废气分别进入水处理单元14与硫回收单元15，分别形成固态盐与硫磺；第一气气加热器5冷侧出口合成气与汽轮机24中部抽取的中压蒸汽混合后，对合成气中一氧化碳气体形成稀释后，送入引射器16，引射燃料电池17阳极出口的部分尾气，引射器16出口的合成气进入燃料电池17阳极，进行反应；燃料电池17阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器18与氧压机29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19做功后，送入余热锅炉25，燃烧尾气经过降温后，再送入第一余热回收换热器26，冷凝降温、脱除水分后送入二氧化碳多级压缩机27，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20加压后，一部分送入阴极回热器22冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池17阴极入口，在燃料电池17中进行反应后送入阴极回热器22热侧入口，降温后送入空气透平23，驱动空气透平23转动做功后，送入余热锅炉25，回收余热后排入大气。
阴极空气压缩机20出口的另一部分空气送入第二余热回收换热器21，随后送入深冷空分单元28，深冷空分单元28内设置氩气分离工艺，深冷空分单元28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29入口。
余热锅炉25回收燃气透平19与空气透平23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25产生高压过热蒸汽送入汽轮机24。
该系统发出的电能由燃料电池17、燃气透平19、空气透平23、以及汽轮机24产生。
本发明由于采取以上系统配置方案，具有以下优点：
1、本发明提供的采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，进入燃料电池的氢碳比适中，无需设置CO水汽变换反应单元调整氢碳比，或者通过尾气再循环调整氢碳比，并且水煤浆气化系统简单，致使整个IGFC系统流程简单。
2、本发明提供的采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，由于省去了水汽变换过程，避免了水汽变换过程带来的能量损失，提高了IGFC系统净发电效率。
3、本发明提供的采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，由于系统简单，可靠性高，设备成本低，提高了系统经济性。

Claims (9)

1.一种采用水煤浆气化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)、第一气气加热器(5)、脱硫装置、引射器(16)、燃料电池(17)、纯氧燃烧器(18)、燃气透平(19)、阴极空气压缩机(20)、第一余热回收换热器(21)、阴极回热器(22)、空气透平(23)、汽轮机(24)、余热锅炉(25)和深冷空分单元(28)，其中，备煤单元(1)上设置有原煤入口和水入口，备煤单元(1)的水煤浆出口连接气化炉(2)的入口，气化炉(2)的高温粗合成气出口连接废热锅炉(3)的入口，废热锅炉(3)的饱和蒸汽连接余热锅炉(25)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)的气体出口连接第一气气加热器(5)的热侧入口，第一气气加热器(5)的热侧气体出口连接脱硫装置的入口，脱硫装置的出后连接第一气气加热器(5)的冷侧入口；
第一气气加热器(5)的冷侧出口和汽轮机(24)的中压蒸汽出口均连接至混合管的入口，混合管的出口连接引射器(16)的入口，引射燃料电池(17)的阳极出口的部分尾气；
引射器(16)的合成气出口连接燃料电池(17)的阳极入口；燃料电池(17)的阳极尾气出口连接纯氧燃烧(18)的出口；纯氧燃烧器(18)的氧气入口连接空分单元(28)的氧气出口；
纯氧燃烧器(18)的尾气出口连接燃气透平(19)的入口，燃气透平(19)的尾气出口连接余热锅炉(25)的入口；
阴极空气压缩机(20)设置有空气入口，阴极空气压缩机(20)的空气出口连接阴极回热器(22)的冷侧入口，阴极回热器(22)的冷侧出口连接燃料电池(17)的阴极入口，燃料电池(17)的阴极出口连接阴极回热器(22)的热侧入口，阴极回热器(22)的热侧出口连接空气透平(23)的入口，空气透平(23)的尾气出口连接余热锅炉(25)的入口；
阴极空气压缩机(20)的另一路出口连接第二余热回收换热器(21)的入口，第二余热回收换热器(21)的出口连接深冷空气单元(28)的入口；深冷空气单元(28)的另一路氧气出口连接气化炉(2)的氧气入口；
余热锅炉(25)的高压过热蒸汽连接汽轮机(24)的入口。
2.根据权利要求1所述的一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，脱硫装置包括水洗塔(6)、第二气气加热器(7)、羰基硫水解反应器(8)、低温余热回收单元(9)、合成气冷却器(10)、脱硫单元(11)和湿化器(13)，其中，第一气气加热器(5)的热侧气体出口连接水洗塔(6)的入口，水洗塔(6)的合成气出口连接第二气气加热器(7)的热侧入口，第二气气加热器(7)的热侧出口连接羰基硫水解反应器(8)的入口，羰基硫水解反应器(8)的出口连接第二气气加热器(7)的冷侧入口，第二气气加热器(7)的冷侧出口连接低温余热回收单元(9)的入口，低温余热回收单元(9)的出口连接合成气冷却器(10)的入口，合成气冷却器(10)的出口连接脱硫单元(11)的入口，脱硫单元(11)的洁净合成气出口连接湿化器(13)的入口，湿化器(13)的出后连接第一气气加热器(5)的冷侧入口。
3.根据权利要求2所述的一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，脱硫单元(11)的洁净合成气出口和湿化器(13)的入口之间设置有精脱硫单元(12)。
4.根据权利要求2所述的一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，脱硫单元(11)底部设置的废水出口连接水处理单元(14)；脱硫单元(11)底部设置的废气出口连接硫回收单元(15)。
5.根据权利要求1所述的一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，余热锅炉(25)的底部设置有空气出口。
6.根据权利要求1或5所述的一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，余热锅炉(25)的底部设置有尾气出口，该尾气出口连接有第一余热回收换热器(26)的入口，第一余热回收换热器(26)的出口连接有二氧化碳多级压缩机(2)7的入口，二氧化碳多级压缩机(27)上设置有液态二氧化碳出口。
7.根据权利要求1所述的一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，深冷空气单元(28)内设置有氩气分离装置，氩气分离装置上设置有污氮出口和纯氩产品出口。
8.根据权利要求1或7所述的一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，深冷空气单元(28)的氧气出口和纯氧燃烧器(18)的氧气入口之间设置有氧压机(29)。
9.一种采用水煤浆气化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水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统，包括以下步骤：
原煤与水在备煤单元(1)中磨煤、制浆后形成水煤浆送至气化炉(2)，与深冷空分单元(28)氧气出口送入气化炉(2)的部分纯氧发生气化反应，气化炉(2)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(25)中进一步加热，经过废热锅炉(3)回收余热后的粗合成气送入除尘单元(4)，经过降温除尘后进入第一气气加热器(5)热侧入口，降温后脱硫装置进行脱硫，之后进入第一气气加热器(5)的冷侧；第一气气加热器(5)冷侧出口合成气与汽轮机(24)中部抽取的中压蒸汽混合后，对合成气中一氧化碳气体形成稀释后，送入引射器(16)，引射燃料电池(17)阳极出口的部分尾气，引射器(16)出口的合成气进入燃料电池(17)阳极，进行反应；
燃料电池(17)阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器(18)与深冷空分单元(28)一路氧气出口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(19)做功后，送入余热锅炉(25)对燃烧尾气进行降温；
一股空气经过阴极空气压缩机(20)加压后，一部分送入阴极回热器(22)冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池(17)阴极入口，在燃料电池(17)中进行反应后送入阴极回热器(22)热侧入口，降温后送入空气透平(23)，驱动空气透平(23)转动做功后，送入余热锅炉(25)；
阴极空气压缩机(20)出口的另一部分空气送入第二余热回收换热器(21)，随后送入深冷空分单元(28)进行处理；
余热锅炉(25)产生高压过热蒸汽送入汽轮机(24)进行做功。
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