CN110273759B - 实现烟气余热深度利用与进气冷却的igcc热电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统及方法，所述的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统包括煤的气化与净化部分和燃气──蒸汽联合循环发电部分；燃气──蒸汽联合循环发电部分包括余热锅炉、汽轮机、冷凝式换热器和燃气型吸收式热泵；余热锅炉上设有饱和蒸汽进口和烟气进口，余热锅炉的高压蒸汽出口连接汽轮机，汽轮机连接第二发电机用于发电；余热锅炉的烟气排入冷凝式换热器，冷凝式换热器的出口连接燃气型吸收式热泵的进口，燃气型吸收式热泵的中介水出口连接冷凝式换热器的中介水进口。本发明能够有效提高能源利用效率，提高机组的供热能力与发电能力，具有显著的经济效益与环保效益。

Description

实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统及方法
技术领域
本发明属于节能减排技术领域，具体涉及一种实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统及方法。
背景技术
现有煤基发电技术存在效率提升和CO2减排的问题，亟需发展高效、清洁、CO2近零排放的煤电技术。IGCC(整体煤气化联合循环)发电技术将清洁的煤气化技术与高效的联合循环发电技术结合，易于实现CO2捕集，是绿色煤电的重要技术路线之一。
此外，IGCC燃气轮机在夏季高温期间，燃气轮机性能与其所处的环境温度密切相关。当环境温度升高时，空气密度减小，进入压气机和燃气透平的空气质量减少，使得燃气轮机的出力下降；环境温度升高还会使压气机的压缩比降低，致使燃气透平的作功量减少；在环境温度升高的同时，压气机的耗功也在增大，从而导致燃气轮机的出力进一步下降。环境空气温度每升高1K，其输出功率有时下降近1％。
燃气轮机出力随进气温度升高而降低的问题可以通过冷却压气机进气来解决。按燃气轮机进气冷却器的结构型式，燃气轮机进气冷却技术分直接接触式和间接接触式。直接接触式有水膜式蒸发冷却和喷雾冷却。直接接触式制冷的原理是利用水在空气中蒸发时所吸收的潜热来降低空气温度。间接接触式冷却是在燃气轮机压气机进口处设置表面换热器，空气在外侧流动，冷源在内侧流动。
IGCC烟气中含有大量的水蒸气，烟气中水蒸气的汽化潜热占煤炭发热量的相当大比例，目前的烟气潜热基本上都没有利用而直接排放到环境中。另外，烟气中的水蒸气直接排入大气，既造成水量损失，又形成白色烟羽现象，造成景观污染。深度回收利用包括水蒸气凝结潜热在内的烟气余热，对节省能源和减少污染物排放都有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，包括燃气──蒸汽联合循环发电部分；
燃气──蒸汽联合循环发电部分包括余热锅炉、汽轮机、冷凝式换热器和燃气型吸收式热泵；
余热锅炉上设有饱和蒸汽进口和烟气进口，余热锅炉的高压蒸汽出口连接汽轮机的蒸汽入口，汽轮机输出轴连接第二发电机用于发电；余热锅炉的烟气出口连通冷凝式换热器，冷凝式换热器的中介水出口连接燃气型吸收式热泵的中介水进口，燃气型吸收式热泵的中介水出口连接冷凝式换热器的中介水进口。
进一步的，煤的气化与净化部分包括气化炉、空分装置、煤气冷却器、除尘单元、回热器、低温余热回收单元和脱硫与硫回收单元；
空分装置的纯氧出口连接气化炉，空分装置的纯氮出口与气化炉的粉煤进口相连接，气化炉上设有粗煤气出口；
气化炉的粗煤气出口与煤气冷却器的进口连接；煤气冷却器的饱和蒸汽出口连接余热锅炉的饱和蒸汽入口，煤气冷却器的粗煤气出口连接除尘单元的进口；除尘单元的出口分为两路，一路与气化炉的粗煤气出口共同连接煤气冷却器的进口，另一路连接回热器进口；回热器、低温余热回收单元、脱硫与硫回收单元依次连接。
进一步的，所述的燃气──蒸汽联合循环发电部分还包括烟囱和引风机，余热锅炉的烟气出口连接烟囱，烟囱通过引风机连接冷凝式换热器的进口。
进一步的，冷凝式换热器的低温烟气出口和燃气型吸收式热泵的烟气出口均与烟囱连通。
进一步的，所述的燃气──蒸汽联合循环发电部分还包括燃气轮机压气机、燃气轮机燃烧室和燃气透平；
燃气轮机压气机的高压空气出口连接燃气轮机燃烧室，燃气轮机燃烧室的燃气出口连接燃气透平，燃气透平连接第一发电机，燃气透平的烟气出口连接余热锅炉的烟气进口；
硫与硫回收单元的煤气出口通过回热器分别连接燃气轮机燃烧室和燃气型吸收式热泵。
进一步的，所述的燃气──蒸汽联合循环发电部分还包括凝汽器，汽轮机上的乏汽口通过凝汽器连接余热锅炉。
进一步的，燃气型吸收式热泵还与热网相连接，能够将吸收的热量送入热网。
进一步的，还包括压气机进气冷却器，燃气型吸收式热泵的中介水出口分为两路，一路连接冷凝式换热器的中介水进口，另一路连接压气机进气冷却器中介水进口；压气机进气冷却器的中介水出水连接燃气型吸收式热泵的中介水进口，燃气型吸收式热泵的中介水出口和进口处均设阀门。
实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统的控制方法，包括：
余热锅炉回收烟气余热，并生成高温高压蒸汽；高温高压蒸汽送入汽轮机带动第二发电机发电；
余热锅炉出口的较低温度的烟气送入冷凝式换热器，烟气中的水蒸气在冷凝式换热器中凝结放热；
冷凝式换热器中的热量由中介水送至燃气型吸收式热泵内，中介水降温后返回冷凝式换热器继续回收烟气低温余热。
进一步的，包括：煤粉由空分装置产生的纯氮输送进入气化炉，一股中压蒸汽作为气化反应的原料同时送入气化炉，煤粉在气化炉中与中压蒸汽、纯氧发生气化反应，生成粗煤气，气化过程产生的炉渣从气化炉排除；粗煤气在煤气冷却器中被冷却，同时产生饱和蒸汽，该饱和蒸汽被送到余热锅炉继续过热后送入汽轮机发电；冷却的粗煤气经过除尘单元后，分为两股，一股作为激冷气返回至气化炉出口，与高温粗煤气直接混合；另一股依次通过回热器与低温余热回收单元后，送至脱硫与硫回收单元，产生洁净煤气与硫磺产品；洁净煤气通过回热器复热后，再分为两股，一股送入燃气轮机燃烧室，另一股送入燃气型吸收式热泵；洁净煤气与燃气轮机压气机产生的高压空气在燃气轮机燃烧室发生燃烧反应，产生高温高压的燃气，通入燃气透平，带动发电机发电；燃气透平排出的较高温度的烟气送入余热锅炉，由余热锅炉回收烟气余热，并生成高温高压蒸汽；该股蒸汽送入汽轮机，并带动发电机，输出电能；汽轮机排出的乏汽送入凝汽器，在凝汽器形成冷凝水，随后送入余热锅炉继续回收烟气余热；余热锅炉出口的较低温度的烟气送入烟囱；从烟囱抽取部分烟气，由引风机送入冷凝式换热器，在其中降温至水露点以下，排出凝结水；冷凝式换热器降温放出的热量由中介水送至燃气型吸收式热泵内，中介水降温后返回冷凝式换热器继续回收烟气低温余热；燃气型吸收式热泵将中介水携带热量与低压蒸汽释放的热量转移至热网回水中，并达到热网供热要求，送入城市热网；冷凝式换热器出口低温烟气和燃气型吸收式热泵产生的烟气送回烟囱。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，显著降低了联合循环余热锅炉排烟温度，大幅度回收联合循环余热锅炉烟气余热，提高了能源利用效率，增加了机组的供热能力，具有显著的经济效益；
2、本发明提供的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，由于大幅度降低烟气温度，致使烟气中水蒸气冷凝，可以达到回收烟气中水蒸气的目的；
3、本发明提供的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，降低了进入燃气轮机压气机空气温度，提高了压气机的压缩效率与全系统净发电效率，增加了在夏季工况时燃气轮机的发电功率；
4、本发明提供的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，吸收式热泵采用气化炉产生的洁净煤气作为驱动源，可以利用IGCC气化炉具有负荷裕量的优势，降低吸收式热泵驱动成本，提高气化炉及附属设备的负荷率；
5、本发明提供的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，显著降低了联合循环余热锅炉排烟温度，大幅度回收联合循环余热锅炉烟气余热，提高了能源利用效率，增加了机组的供热能力，具有显著的经济效益；
6、本发明提供的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，烟气冷凝式换热器与进气冷却器均设计为直接接触式或为间壁式，对换热器材质要求较低，流动阻力也可控制在可接受范围以内。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统的结构框图；
其中：1气化炉、2空分装置、3煤气冷却器、4除尘单元、5回热器、6低温余热回收单元、7脱硫与硫回收单元、8燃气轮机压气机、9燃气轮机燃烧室、10燃气透平、11余热锅炉、12汽轮机、13凝汽器、14烟囱、15引风机、16冷凝式换热器、17燃气型吸收式热泵、18压气机进气冷却器、19第一发电机、20第二发电机。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
如图1所示，本发明提供一种实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，包括煤的气化与净化部分和燃气──蒸汽联合循环发电部分；
燃气──蒸汽联合循环发电部分包括余热锅炉11、汽轮机12、冷凝式换热器16和燃气型吸收式热泵17；
余热锅炉11上设有饱和蒸汽进口和烟气进口，余热锅炉11的高压蒸汽出口连接汽轮机12的蒸汽入口，汽轮机12的输出轴连接第二发电机20用于发电；余热锅炉11的烟气排入冷凝式换热器16，冷凝式换热器16的出口连接燃气型吸收式热泵17的进口，燃气型吸收式热泵17的中介水出口连接冷凝式换热器16的中介水进口。
煤的气化与净化部分包括气化炉1和空分装置2；空分装置2的纯氧出口连接气化炉1，空分装置2的纯氮出口与气化炉1的粉煤进口相连接，气化炉1上设有粗煤气出口。
煤的气化与净化部分还包括煤气冷却器3、除尘单元4、回热器5、低温余热回收单元6和脱硫与硫回收单元7；
气化炉1的粗煤气出口与煤气冷却器3的进口连接；煤气冷却器3的出口分为两路，一路连接除尘单元4的进口，另一路连接余热锅炉11；除尘单元4的出口分为两路，一路与气化炉1的粗煤气出口共同连接煤气冷却器3，另一路连接回热器5进口；回热器5的出口连接低温余热回收单元6的进口，低温余热回收单元6的出口连接脱硫与硫回收单元7的进口，硫与硫回收单元7的煤气出口通过回热器5分别连接燃气轮机燃烧室9和燃气型吸收式热泵17。
燃气──蒸汽联合循环发电部分还包括烟囱14和引风机15，余热锅炉11的烟气出口连接烟囱14，烟囱14通过引风机15连接冷凝式换热器16的进口。
冷凝式换热器16的低温烟气出口和燃气型吸收式热泵17的烟气出口均与烟囱14连接。
燃气──蒸汽联合循环发电部分还包括燃气轮机压气机8、燃气轮机燃烧室9和燃气透平10；燃气轮机压气机8的高压空气出口连接燃气轮机燃烧室9，燃气轮机燃烧室9的燃气出口连接燃气透平10，燃气透平10连接第一发电机19，燃气透平10的烟气通过余热锅炉11的烟气进口排入余热锅炉11。
燃气──蒸汽联合循环发电部分还包括凝汽器13，汽轮机12上的乏汽口通过凝汽器13连接余热锅炉11。
燃气型吸收式热泵17还与热网相连接，能够将吸收的热量全部送入热网供热。
本发明热电系统还包括压气机进气冷却器18，燃气型吸收式热泵17的中介水出口分为两路，一路连接冷凝式换热器16的中介水进口，另一路连接压气机进气冷却器18；压气机进气冷却器18的出水口连接燃气型吸收式热泵17的进口，燃气型吸收式热泵17的中介水出口和进口处均设阀门控制。
本发明还提供一种实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统的控制方法，包括：
余热锅炉11回收燃气透平10工作排出的烟气余热，并生成高温高压蒸汽；高温高压蒸汽送入汽轮机12带动第二发电机20发电；
余热锅炉11出口的较低温度的烟气送入冷凝式换热器16，烟气中的水蒸气在冷凝式换热器16中凝结放热；
冷凝式换热器16中的热量由中介水换热吸收送至燃气型吸收式热泵17内，中介水降温后返回冷凝式换热器16继续回收烟气低温余热。
所述的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统在联合循环余热锅炉尾部设置冷凝式换热器，采用中介水将烟气温度降低至露点温度以下，并采用吸收式热泵将中介水的热量提取至供热热网中。夏季高温期，利用吸收式热泵的制冷功能，制取冷水冷却压气机进口空气。该系统所涉及的技术成熟可靠，能够有效提高能源利用效率，提高机组的供热能力与发电能力，具有显著的经济效益与环保效益。
实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统控制方法为：煤粉由空分装置2产生的纯氮输送进入气化炉1，一股中压蒸汽作为气化反应的原料同时送入气化炉1，煤粉在气化炉1中与中压蒸汽、纯氧发生气化反应，生成粗煤气，气化过程产生的炉渣从气化炉1排除。粗煤气在煤气冷却器3中被冷却，同时产生饱和蒸汽，该饱和蒸汽被送到余热锅炉11继续过热后送入汽轮机12发电。冷却的粗煤气经过除尘单元4后，分为两股，一股作为激冷气返回至气化炉1出口，与高温粗煤气直接混合；另一股依次通过回热器5与低温余热回收单元6后，送至脱硫与硫回收单元7，产生洁净煤气与硫磺产品。洁净煤气通过回热器5复热后，再分为两股，一股送入燃气轮机燃烧室9，另一股送入燃气型吸收式热泵17。洁净煤气与燃气轮机压气机8产生的高压空气在燃气轮机燃烧室9发生燃烧反应，产生高温高压的燃气，通入燃气透平10，带动发电机发电。燃气透平10排出的较高温度的烟气送入余热锅炉11，由余热锅炉11回收烟气余热，并生成高温高压蒸汽。该股蒸汽送入汽轮机12，并带动发电机，输出电能。汽轮机12排出的乏汽送入凝汽器13，在凝汽器13形成冷凝水，随后送入余热锅炉11继续回收烟气余热。余热锅炉11出口的较低温度的烟气送入烟囱14。从烟囱抽取部分烟气，由引风机15送入冷凝式换热器16，在其中降温至水露点以下，排出凝结水。冷凝式换热器16降温放出的热量由中介水送至燃气型吸收式热泵17内，中介水降温后返回冷凝式换热器16继续回收烟气低温余热。燃气型吸收式热泵17可将中介水携带热量与低压蒸汽释放的热量全部转移至热网回水中，并可达到热网供热要求，送入城市热网。冷凝式换热器16出口低温烟气送回烟囱14，燃气型吸收式热泵17产生的烟气送回烟囱14。
夏季工况时，通过阀门切换，燃气型吸收式热泵17产生的低温中介水送至压气机进气冷却器18，降低空气温度。燃气型吸收式热泵17产生的高温热量由循环冷却水携带，送至电厂公用工程冷却。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，其特征在于，包括燃气──蒸汽联合循环发电部分；
燃气──蒸汽联合循环发电部分包括余热锅炉、汽轮机、冷凝式换热器(16)和燃气型吸收式热泵(17)；
余热锅炉(11)上设有饱和蒸汽进口和烟气进口，余热锅炉(11)的高压蒸汽出口连接汽轮机(12)的蒸汽入口，汽轮机(12)输出轴连接第二发电机(20)用于发电；余热锅炉(11)的烟气出口连通冷凝式换热器(16)，冷凝式换热器(16)的中介水出口连接燃气型吸收式热泵(17)的中介水进口，燃气型吸收式热泵(17)的中介水出口连接冷凝式换热器(16)的中介水进口；
煤的气化与净化部分包括气化炉(1)、空分装置(2)、煤气冷却器(3)、除尘单元(4)、回热器(5)、低温余热回收单元(6)和脱硫与硫回收单元(7)；
空分装置(2)的纯氧出口连接气化炉(1)，空分装置(2)的纯氮出口与气化炉(1)的粉煤进口相连接，气化炉(1)上设有粗煤气出口；
气化炉(1)的粗煤气出口与煤气冷却器(3)的进口连接；煤气冷却器(3)的饱和蒸汽出口连接余热锅炉(11)的饱和蒸汽入口，煤气冷却器(3)的粗煤气出口连接除尘单元(4)的进口；除尘单元(4)的出口分为两路，一路与气化炉(1)的粗煤气出口共同连接煤气冷却器(3)的进口，另一路连接回热器(5)进口；回热器(5)、低温余热回收单元(6)、脱硫与硫回收单元(7)依次连接；
所述的燃气──蒸汽联合循环发电部分还包括烟囱(14)和引风机(15)，余热锅炉(11)的烟气出口连接烟囱(14)，烟囱(14)通过引风机(15)连接冷凝式换热器(16)的进口；
所述的燃气──蒸汽联合循环发电部分还包括燃气轮机压气机(8)、燃气轮机燃烧室(9)和燃气透平(10)；
燃气轮机压气机(8)的高压空气出口连接燃气轮机燃烧室(9)，燃气轮机燃烧室(9)的燃气出口连接燃气透平(10)，燃气透平(10)连接第一发电机(19)，燃气透平(10)的烟气出口连接余热锅炉(11)的烟气进口；
硫与硫回收单元(7)的煤气出口通过回热器(5)分别连接燃气轮机燃烧室(9)和燃气型吸收式热泵(17)。
2.根据权利要求1所述的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，其特征在于，冷凝式换热器(16)的低温烟气出口和燃气型吸收式热泵(17)的烟气出口均与烟囱(14)连通。
3.根据权利要求1所述的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，其特征在于，所述的燃气──蒸汽联合循环发电部分还包括凝汽器(13)，汽轮机(12)上的乏汽口通过凝汽器(13)连接余热锅炉(11)。
4.根据权利要求1所述的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，其特征在于，燃气型吸收式热泵(17)还与热网相连接，能够将吸收的热量送入热网。
5.根据权利要求1所述的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统，其特征在于，还包括压气机进气冷却器(18)，燃气型吸收式热泵(17)的中介水出口分为两路，一路连接冷凝式换热器(16)的中介水进口，另一路连接压气机进气冷却器(18)中介水进口；压气机进气冷却器(18)的中介水出水连接燃气型吸收式热泵(17)的中介水进口，燃气型吸收式热泵(17)的中介水出口和进口处均设阀门。
6.一种权利要求1-5任一项所述的实现烟气余热深度利用与进气冷却的IGCC热电系统的控制方法，其特征在于，包括：
余热锅炉(11)回收烟气余热，并生成高温高压蒸汽；高温高压蒸汽送入汽轮机(12)带动第二发电机(20)发电；
余热锅炉(11)出口的较低温度的烟气送入冷凝式换热器(16)，烟气中的水蒸气在冷凝式换热器(16)中凝结放热；
冷凝式换热器(16)中的热量由中介水送至燃气型吸收式热泵(17)内，中介水降温后返回冷凝式换热器(16)继续回收烟气低温余热。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，包括：
煤粉由空分装置(2)产生的纯氮输送进入气化炉(1)，一股中压蒸汽作为气化反应的原料同时送入气化炉(1)，煤粉在气化炉(1)中与中压蒸汽、纯氧发生气化反应，生成粗煤气，气化过程产生的炉渣从气化炉(1)排除；粗煤气在煤气冷却器(3)中被冷却，同时产生饱和蒸汽，该饱和蒸汽被送到余热锅炉(11)继续过热后送入汽轮机(12)发电；冷却的粗煤气经过除尘单元(4)后，分为两股，一股作为激冷气返回至气化炉(1)出口，与高温粗煤气直接混合；另一股依次通过回热器(5)与低温余热回收单元(6)后，送至脱硫与硫回收单元(7)，产生洁净煤气与硫磺产品；洁净煤气通过回热器(5)复热后，再分为两股，一股送入燃气轮机燃烧室(9)，另一股送入燃气型吸收式热泵(17)；洁净煤气与燃气轮机压气机(8)产生的高压空气在燃气轮机燃烧室(9)发生燃烧反应，产生高温高压的燃气，通入燃气透平(10)，带动发电机发电；燃气透平(10)排出的较高温度的烟气送入余热锅炉(11)，由余热锅炉(11)回收烟气余热，并生成高温高压蒸汽；该股蒸汽送入汽轮机(12)，并带动发电机，输出电能；汽轮机(12)排出的乏汽送入凝汽器(13)，在凝汽器(13)形成冷凝水，随后送入余热锅炉(11)继续回收烟气余热；余热锅炉(11)出口的较低温度的烟气送入烟囱(14)；从烟囱抽取部分烟气，由引风机(15)送入冷凝式换热器(16)，在其中降温至水露点以下，排出凝结水；冷凝式换热器(16)降温放出的热量由中介水送至燃气型吸收式热泵(17)内，中介水降温后返回冷凝式换热器(16)继续回收烟气低温余热；燃气型吸收式热泵(17)将中介水携带热量与低压蒸汽释放的热量转移至热网回水中，并达到热网供热要求，送入城市热网；冷凝式换热器(16)出口低温烟气和燃气型吸收式热泵(17)产生的烟气送回烟囱(14)。
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