CN114893266A - 煤及超临界水气化发电系统及发电方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种煤及超临界水气化发电系统包括气化炉，气化炉包括气化腔及形成于气化腔外的换热腔，气化腔适用于对煤和超临界水气化、以制得合成气，换热腔适用于通入热媒、以对气化腔供热；第一发电设备和气化腔连通，适用于将合成气作为燃料进行燃烧以对外发电，并且第一发电设备的烟气和换热腔连通；第一输送单元和气化腔连通；第一热量回收单元和换热腔连通、并套设于第一输送单元的至少一部分的外侧；第二热量回收单元套设于第一输送单元的至少一部分的外侧。还提供一种燃烧方法包括以超临界水作为气化剂及反应物与煤在气化腔内生成合成气；利用合成气燃烧发电、并产生烟气；第一输送单元内的水分别吸收合成气及烟气中的热量以制备超临界水。

Description

煤及超临界水气化发电系统及发电方法
技术领域
本发明涉及煤炭转化技术领域，更具体地，涉及煤及超临界水气化发电系统及发电方法。
背景技术
煤炭是非常重要的一次能源，多以燃烧的方式利用，如进行发电等。煤气化是一种较为清洁的煤炭转化技术，主要是以煤、氧气及水在气化炉中发生反应以生成合成气。
目前，常规的煤气化过程中需要氧气压缩机及空分装置参与、以将氧气作为气化剂供给至气化炉内，并且还需要加热设备对煤进行氧化供热。因此，需要消耗较高的电力或热量。
发明内容
针对于现有的技术问题，本发明提供一种煤及超临界水气化发电系统及发电方法，用于至少部分解决以上技术问题。
为了实现上述目的，作为本发明提供一种煤及超临界水气化发电系统，包括：气化炉，气化炉包括气化腔及形成于气化腔外的换热腔，所述气化腔适用于对煤和超临界水气化、以制得合成气，所述换热腔适用于通入热媒、以对气化腔供热；第一发电设备，和所述气化腔连通，适用于将所述合成气作为燃料进行燃烧以对外发电，并且所述第一发电设备的烟气和所述换热腔连通，以将通过所述烟气的热量对所述气化腔供热；第一输送单元，和所述气化腔连通，适用于输送水、并在输送过程中对水加热以制备超临界水；第一热量回收单元，和所述换热腔连通、并套设于所述第一输送单元的至少一部分的外侧，适用于通过在所述换热腔内换热后的烟气对第一输送单元供热；以及第二热量回收单元，套设于所述第一输送单元的至少一部分的外侧，适用于通过所述合成气的热量对第一输送单元供热。
在一种示意性的实施例中，还包括第二发电设备，第二发电设备包括：蒸汽轮机；凝汽器；以及第二输送单元，设置于所述蒸汽轮机及凝汽器之间，并套设于所述第一能量回收单元的内部，适用于吸收所述烟气的热量、以形成换热介质在所述蒸汽轮机及凝汽器之间的循环，以使得所述蒸汽轮机对外发电。
在一种示意性的实施例中，所述换热介质包括水。
在一种示意性的实施例中，还包括节流阀，设置于所述第二热量回收单元及第一发电设备之间的合成气的输送管路上，适用于对合成气节流降压。
在一种示意性的实施例中，所述第一发电设备包括燃气轮机。
在一种示意性的实施例中，所述第一换热单元包括余热锅炉。
在一种示意性的实施例中，所述第二换热单元包括换热器。
本公开还提供一种基于发电系统的发电方法，包括：以超临界水作为气化剂及反应物与煤在气化腔内生成合成气；第一发电设备利用所述合成气燃烧发电、并产生烟气；以及第一输送单元内的水分别吸收合成气及烟气中的热量，以提升温度制备超临界水。
在一种示意性的实施例中，还包括第二发电设备吸收烟气中的热量，以使得换热介质由液态变成气态、并膨胀发电。
在一种示意性的实施例中，还包括对所述合成气节流降压后导入所述第一发电设备。
根据本发明所公开的煤及超临界水气化发电系统及发电方法。以超临界水作为气化剂和反应物与煤制得合成气，因此无需氧气压缩机、空分装置及其他制氧设备，可较为有效的降低能耗。超临界水还可使得煤中的至少一部分氮及硫等以固体无机盐的形式沉积，便于分离和排除污染物。并且，通过第一热量回收单元及第二热量回收单元进行梯级换热，可较为充分的利用烟气及合成气的热量制备超临界水，避免了部分煤的氧化供热，以使得制取合成气的过程较为清洁高效。
附图说明
图1是根据本发明的一种示意性实施例的煤及超临界水气化发电系统的模块连接图；以及
图2是根据本发明的一种示意性实施例的发电方法的流程图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1、气化炉；
2、换热器；
3、节流阀；
4、燃气轮机；
5、余热锅炉；
6、蒸汽轮机；
7、凝汽器；以及
8、给水泵。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。
在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。在此使用的所有术语包括技术和科学术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在本文中，除非另有特别说明，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等方向性术语用于表示基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的设备、元件或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作。需要理解的是，当被描述对象的绝对位置改变后，则它们表示的相对位置关系也可能相应地改变。因此，这些方向性术语不能理解为对本发明的限制。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
图1是根据本发明的一种示意性实施例的煤及超临界水气化发电系统的模块连接图。
本发明的示意性实施例提供一种煤及超临界水气化发电系统，如图1所示，包括气化炉1、第一发电设备、第一输送单元、第一热量回收单元及第二热量回收单元。气化炉1包括气化腔及形成于气化腔外的换热腔，气化腔适用于对煤和超临界水气化、以制得合成气，换热腔适用于通入热媒、以对气化腔供热。第一发电设备和气化腔连通，适用于将合成气作为燃料进行燃烧以对外发电，并且第一发电设备的烟气和换热腔连通，以将通过烟气的热量对气化腔供热。第一输送单元和气化腔连通，适用于输送水、并在输送过程中对水加热以制备超临界水。第一热量回收单元和换热腔连通、并套设于第一输送单元的至少一部分的外侧，适用于通过在换热腔内换热后的烟气对第一输送单元供热。第二热量回收单元套设于第一输送单元的至少一部分的外侧，适用于通过合成气的热量对第一输送单元供热。
在一种示意性的实施例中，超临界水表征为在22.05MPa的压力状态下，温度达到374.3℃的水。超临界水的液态水的密度和因压力被压缩的水蒸气的密度刚好相同，因此，水的液态和气态没有区别，处于完全交融的高温高压的流体状态。
在一种示意性的实施例中，如图1所示，SW表征为超临界水，SY表征为合成气，A表征为空气，FG表征为烟气，W表征为液态水，ST表征为水蒸气，P表征为电能输出。
在一种示意性的实施例中，第一热量回收单元及第二热量回收单元通过热传导和/或热辐射的方式与第一输送单元进行换热。
详细地，第一输送单元的至少一部分设置于第一热量回收单元与烟气导通的腔体内。
进一步的，位于中部的第一输送单元的至少一部分设置于第二热量回收单元的用于输送合成气的管路外侧。这样的实施方式中，第一热量回收单元对烟气中的热能进行回收，第二热量回收单元对合成气热能进行回收，基于回收的热能对第一输送单元供热，以将第一输送单元中的水提升至超临界水的适合温度。
在一种示意性的实施例中，第一输送单元包括但不限于管路、密封设备及加压设备，适用于对管路中的水进行升温升压，并保持超临界水能在第一输送单元中输送。
根据本公开的实施例，如图1所示，煤及超临界水气化发电系统还包括第二发电设备，第二发电设备包括蒸汽轮机6、凝汽器7及第二输送单元。第二输送单元设置于蒸汽轮机6及凝汽器7之间，并套设于第一能量回收单元的内部，适用于吸收烟气的热量、以形成换热介质在蒸汽轮机6及凝汽器7之间的循环，以使得蒸汽轮机6对外发电，给水泵8用以对换热介质进行升压，以进入下一个循环。
在一种示意性的实施例中，换热介质包括但不限于液体，给水泵8适用于对流经凝汽器7的低压液体进行升压，以使得液体进入下一个循环。
根据本公开的实施例，如图1所示，换热介质包括但不限于水。这样的实施方式中，第二输送单元中的液态水吸收第一热量回收单元中的烟气的热量以生成水蒸气，并在蒸汽轮机6的透平中膨胀，将机械能转化成电能，做功之后的水蒸气再经过凝汽器7冷凝至液态水重新循环。这样的实施方式中，在烟气处于温度较高的状态下先用对气化炉1提供反应热，在烟气处于温度较低的状态下再对第二发电设备供热，实现了对烟气显热的梯级利用，有利于提升发电系统的能量利用效率，可较为有效的提升发电效率。
根据本公开的实施例，如图1所示，煤及超临界水气化发电系统还包括设置于第二热量回收单元及第一发电设备之间的合成气的输送管路上的节流阀3，适用于对合成气节流降压。这样的实施方式中，节流阀3对气化炉1内形成的高压(相较于第一发电设备的进气端的相对高压)合成气进行节流降压，有利于使合成气在第一发电设备内燃烧的更为充分。
根据本公开的实施例，如图1所示，第一发电设备包括燃气轮机4。这样的实施方式中，燃气轮机4燃烧合成气将化学能转化为热能进行发电，具有较高的发电效率。
在一种示意性的实施例中，燃气轮机4通入空气，合成气在空气环境中燃烧发电，以将化学能转化为电能。
根据本公开的实施例，如图1所示，第一换热单元包括余热锅炉5。余热锅炉5通过烟气中的热量分别为第一输送单元和第二输送单元供热，以将水加热至超临界状态或水蒸气状态。这样的实施方式对于烟气的热量的利用较为充分。
根据本公开的实施例，如图1所示，第二换热单元包括换热器2。
在一种示意性的实施例中，换热器2以合成气的显热作为热媒对第一传输传送单元中的超临界水进行预热，有利于对合成气显热进行较为充分的利用。
本公开还提供一种基于发电系统的发电方法，如图2所示，包括以超临界水作为气化剂及反应物与煤在气化腔内生成合成气。第一发电设备利用合成气燃烧发电、并产生烟气。以及第一输送单元内的水分别吸收合成气及烟气中的热量，以提升温度形成超临界水。这样的实施方式中，超临界水与煤在气化腔内形成合成气的过程中，以超临界水作为气化剂。超临界水及除煤以外的其他含碳物质均可作为气化反应物。这样使得气化过程中无需添加氧气及其他气化剂，因此，无需使用氧气压缩机、空分装置及其他制氧设备，可较为有效的降低能耗。并且，超临界水相较于常温水具有较好的特性，可使得煤中的至少一部分氮、硫及其他物质以固体无机盐的形式沉积，有利于将污染物分离和排出。
根据本公开的实施例，如图2所示，发电方法还包括第二发电设备吸收烟气中的热量，以使得换热介质由液态变成气态、并膨胀发电。
根据本公开的实施例，如图2所示，发电方法还包括对合成气节流降压后导入第一发电设备。
在一种示意性的实施例中，采用如图1所示的发电系统及图2所示的发电方式和常规煤气化发电系统(以常温水及煤作为反应物，以氧气作为气化剂的发电系统)进行能量模拟，见下表1：
表1两种煤气化发电系统的能量平衡表
Figure BDA0003691330480000071
经上表1中的对比数据可知，当基于煤及超临界水气化发电系统和常规煤气化发电系统的能量输入均为1858.59MW时，煤及超临界水气化发电系统的净发电量为1000.00MW，比常规煤气化发电系统的净发电量908.98MW提升了10.01％。基于煤及超临界水气化发电系统的实施方式中，由于无需氧气作为气化剂，因此无需采用氧气压缩机及空分装置。这样的实施方式中，采用了化学回热及热量的梯级利用，使燃气轮机4高温排烟余热为气化过程供热，基于化学回热及余热回收的煤及超临界水气化发电系统的净发电效率达到了53.80％，相比常规煤气化发电系统的发电效率48.91％，提升了4.89个百分点。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行若干种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行若干种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤及超临界水气化发电系统，其特征在于，包括：
气化炉(1)，气化炉(1)包括气化腔及形成于气化腔外的换热腔，所述气化腔适用于对煤和超临界水气化、以制得合成气，所述换热腔适用于通入热媒、以对气化腔供热；
第一发电设备，和所述气化腔连通，适用于将所述合成气作为燃料进行燃烧以对外发电，并且所述第一发电设备的烟气和所述换热腔连通，以通过燃烧产生的烟气的热量对所述气化腔供热；
第一输送单元，和所述气化腔连通，适用于输送水、并在输送过程中对水加热以制备超临界水；
第一热量回收单元，和所述换热腔连通、并套设于所述第一输送单元的至少一部分的外侧，适用于通过在所述换热腔内换热后的烟气对第一输送单元供热；以及
第二热量回收单元，套设于所述第一输送单元的至少一部分的外侧，适用于通过所述合成气的热量对第一输送单元供热。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，还包括第二发电设备，包括：
蒸汽轮机(6)；
凝汽器(7)；
给水泵(8)；以及
第二输送单元，设置于所述蒸汽轮机(6)及凝汽器(7)之间，并套设于所述第一能量回收单元的内部，适用于吸收所述烟气的热量、以形成换热介质在所述蒸汽轮机(6)及凝汽器(7)之间的循环，以使得所述蒸汽轮机(6)对外发电，给水泵(8)用以对换热介质进行升压，以进入下一个循环。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述换热介质包括水。
4.根据权利要求1至3中任一所述的发电系统，其特征在于，还包括节流阀(3)，设置于所述第二热量回收单元及第一发电设备之间的合成气的输送管路上，适用于对合成气节流降压。
5.根据权利要求1至3中任一所述的发电系统，其特征在于，所述第一发电设备包括燃气轮机(4)。
6.根据权利要求1至3中任一所述的发电系统，其特征在于，所述第一换热单元包括余热锅炉(5)。
7.根据权利要求1至3中任一所述的发电系统，其特征在于，所述第二换热单元包括换热器(2)。
8.一种基于权利要求1至7中任一所述的发电系统的发电方法，其特征在于，包括：
以超临界水作为气化剂及反应物与煤在气化腔内生成合成气；
第一发电设备利用所述合成气燃烧发电、并产生烟气；以及
第一输送单元内的水分别吸收合成气及烟气中的热量，以提升温度形成超临界水。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括第二发电设备吸收烟气中的热量，以使得换热介质由液态变成气态、并膨胀发电。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括对所述合成气节流降压后导入所述第一发电设备。
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