CN1277339A - 部分气化空气预热燃煤联合循环发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种部分气化空气预热燃煤联合循环发电系统及方法,包括下述主要组成部分:煤气岛,由一个以空气作气化剂,将煤进行部分气化的加压流化床气化炉及其辅助设备组成;锅炉岛,其低倍率循环流化床锅炉及其辅助设备;燃机岛,由燃机组的压气机、前置燃烧室、燃气轮机和发电机组及其辅助设备组成;煤气冷却器/蒸汽过热器,利用高温煤气的热量将蒸汽加热到设定的过热温度;汽轮机岛,由蒸汽轮机和发电机组及其辅助设备组成。这样一个合理组合的燃煤联合循环发电系统及方法,能够实现高效、低污染和低成本发电的目的。

Description

部分气化空气预热燃煤联合循环发电系统及方法
本发明涉及燃气/蒸汽联合循环发电系统及方法(PGACC)，特别是涉及燃煤的燃气/蒸汽联合循环发电系统及方法。
更具体地说，本发明涉及一种优化组合的燃煤联合循环发电系统。它将煤的气化、燃烧、脱硫和净化，以及燃气/蒸汽两个发电循环恰当地组合成一整体，从而具备发/供电效率较高、系统组成较简单、环境污染少以及投资和运行维护费用较低等特点。
本发明还涉及一个专用的煤气冷却器/蒸汽过热器。它是用蒸汽作为冷却介质，将煤气冷却到650℃以下，从而可以用陶瓷过滤器将煤气中的粉尘和凝结的碱金属及其他粒子滤除，使煤气符合燃气轮机的要求。蒸汽在冷却煤气的同时被过热到设定温度以驱动蒸汽轮发电机组发电。蒸汽来自本系统的燃气轮机余热锅炉和双工质循环流化床锅炉。这样既合理利用了高温煤气的热量又可将蒸汽过热到很高的温度而不受燃气轮机排气温度的限制。
本发明还涉及一个专用的常压循环流化床锅炉。该锅炉用煤气化炉产生的半焦作燃料以产出高温压缩空气和高压饱和蒸汽这两种工质，同时利用煤气化炉残余的石灰石/氧化钙进一步完成煤/半焦的脱硫过程。由于双工质常压循环流化床锅炉的采用，使本系统中的气化炉得以避开煤气化过程的低效阶段，从而简化其结构提高其产量。由于半焦燃烧释放的热量60％以上用于加热压缩空气，因而可以提高联合循环的燃机/汽机功比及循环热效率而又不必采用特殊的耐热合金。
本发明还涉及一个合理的脱硫过程。在加压流化床气化炉中，脱硫反应将生成CaS并积淀于其密相层的半焦和煤气流的飞灰中。这些半焦和飞灰随后与残留的石灰石/氧化钙一起被送入循环流化床锅炉，在锅炉的流化床中CaS和半焦中尚未反应的硫将继续与石灰石/氧化钙发生反应最终生成CaSO4并随循环流化床锅炉床渣一起排出。
公知已初步商业运行的整体煤气化联合循环系统(IGCC)，一般是以氧气作为气化剂在高温下将煤全部气化。因而整个系统复杂、自用电量多、投资和运行维护费用高。
公知已初步商业运行的加压流化床联合循环系统(PFBC-CC)，则是将煤在加压流化床中燃烧并脱硫，产生的高温高压烟气用以驱动燃气轮机发电。因烟气净化困难，对燃机的腐蚀和磨损较大，影响燃机寿命。又由于加压流化床产生的高温高压烟气的温度受加压流化床工作条件的限制而不能过高，因而使燃气循环的效率难以提高。
针对上述问题，在一些国家正努力寻求一种系统更简单、自用电更少、更可靠的洁净燃煤联合循环发电系统。
本发明的目的之一，是提供一种用空气将煤部分气化的洁净燃煤联合循环发电系统。其煤的部分气化与气化后剩余半焦的燃烧分别在加压流化床气化炉和双工质循环流化床锅炉中完成。由于只是将煤部分气化，可避开煤气化过程的低效阶段，因而气化炉结构得以简化、煤气产量得以提高。由于双工质锅炉还用于加热燃机压缩空气，因而可提高联合循环的燃机/汽机功比。又由于可利用脱硫剂(石灰石)在煤的气化过程和半焦的燃烧过程中进行脱硫，因而既可降低煤气含硫量又可减少双工质锅炉烟气中的二氧化硫，无需对煤气和锅炉烟气进行炉外脱硫处理。
本发明的目的之二，是提供一种用空气将煤部分气化的洁净燃煤联合循环发电系统。而将其煤气冷却器与蒸汽过热器结合起来，减少另加冷却水冷却煤气产生的蒸汽量，以提高系统的燃机/汽机功比从而提高电厂效率。
本发明的目的之三，是用煤气的高温热能使余热锅炉和双工质锅炉的饱和蒸汽过热。从而使蒸汽系统可能采用亚临界或超临界参数而不受燃机排气温度的限制。也不必在余热锅炉中另加燃料补燃，因而使余热锅炉结构简单。
本发明的目的之四，是用循环流化床锅炉来燃烧流化床气化炉产生的半焦。该锅炉采用常压、低倍率循环，不布置蒸汽过热器。其炉膛水冷壁敷以防磨耐火砖层，并在炉膛上方布置空气加热器。从而使半焦燃烧热量的大部分(60％以上)用于加热空气。这样可将燃气轮机组的压缩空气加热到600℃左右，从而既可提高系统的燃机/汽机功比及电厂效率又无需使用昂贵的高温耐热合金。
本发明的目的之五，是以系统各部分的合理配置，求得整个系统的最佳效益。以相对简单的系统、相对简单的设备及结构和较低的投资，实现较高的发/供电效率和较少的环境污染。
本发明的目的可以按下述系统和方法实现：
一种部分气化空气预热联合循环发电系统，其特征在于组成结构为：加压流化床气化炉及其辅助设备，使煤部分气化，产生粗煤气和半焦；专用的煤气冷却器/蒸汽过热器，用以冷却气化炉产生的煤气并同时使本系统产生的饱和蒸汽过热；煤气净化装置，包括位于煤气冷却器前的旋风分离器和煤气冷却器后的陶瓷过滤器，用于使粗煤气净化以满足燃气轮机的要求；双工质(热空气/蒸汽)常压循环流化床锅炉及其辅助设备，用于燃烬气化炉产生的半焦，以获得高温压缩空气和高压饱和蒸汽；燃气轮发电机组及其辅助设备，用净化后的煤气和高温压缩空气燃烧产生的高温高压燃气膨胀作功发电；余热锅炉，利用燃气轮机排气产生高温高压蒸汽，并经煤气冷却器/蒸汽过热器过热后送蒸汽轮机；蒸汽轮发电机组及其辅助设备，双工质锅炉和余热锅炉产生的蒸汽经煤气冷却器/蒸汽过热器过热后通过蒸气轮机膨胀作功发电。
一种部分气化空气预热联合循环发电方法，其特征在于：粉碎后的煤和脱硫剂(石灰石)以空气/蒸汽为气化剂，通过加压流化床气化炉部分气化并脱硫，产生低热值煤气和半焦；所述低热值煤气经冷却、除尘、净化后送燃气轮机前置燃烧室；所述半焦，通过双工质常压循环流化床锅炉燃烬，在所述锅炉中，半焦燃烧释放的热量60％以上用于加热燃气轮机压气机压缩后的空气，40％以下的热量用于产生饱和蒸汽；所述双工质锅炉加热的高温压缩空气送燃气轮机前置燃烧室与低热值煤气燃烧后产生高温煤气经燃气轮机膨胀作功发电，燃气轮机排气通过余热锅炉产生高压蒸汽；所述双工质锅炉产生的高压饱和蒸汽与余热锅炉产生的高压蒸汽一起送往煤气冷却器/蒸汽过热器过热后经蒸汽轮机膨胀作功发电。
上述系统的进一步特征在于：所述的专用煤气冷却器/蒸汽过热器为管壳式热交换器，管外为高温煤气，管内为高压蒸汽(冷却介质)。所述双工质(热空气/蒸汽)常压循环流化床锅炉中布置了专用空气加热器而无蒸汽过热器，且在炉膛水冷壁上敷设防磨耐火砖以减少蒸发吸热量，保证半焦燃烧释放热量的大部分用于加热空气。
上述方法的进一步特征在于：利用本系统自身产生的蒸汽通过煤气冷却器/蒸汽过热器使高温煤气冷却到便于净化的温度，而同时又使蒸汽得以过热以利于系统效率的提高。用所述双工质循环流化床锅炉，可将气化炉产生的半焦燃烬，且使其燃烧所释放的热量60％以上用于将压缩空气加热到约600℃，同时还可以利用气化炉残余的石灰石/CaO，在所述的双工质锅炉中将气化炉生成的随半焦排入的有害物CaS转化为稳定而无害的CaSO4。在所述加压流化床气化炉和双工质循环流化床锅炉中可分别进行前后衔接的高效脱硫过程，以有效降低气化炉煤气的含硫量和锅炉烟气中SO2的含量，因而无需用专门的炉外脱硫装置进行煤气和烟气的脱硫。
这样一个合理组合的燃煤联合循环发电系统及方法，能够实现高效、低污染和低成本发电的目的。
下面结合附图进一步说明本发明。
图1为本发明的系统结构示意图。
煤气岛(1)中有加压流化床气化炉(2)，粉碎后的煤和石灰石加入炉内进行部分气化和脱硫。所产生的煤气经旋风分离器(3)分离后，进入煤气冷却器/蒸汽过热器(4)冷却到650℃以下。然后由陶瓷过滤器将灰尘、碱金属及其他固体粒子滤除，送入燃机前置燃烧室(32)。半焦和残余的石灰石/氧化钙经适当冷却并降压后送往循环流化床锅炉。
锅炉岛(10)中有常压循环流化床锅炉(11)，降压并适当冷却后的半焦和石灰石送入锅炉炉膛(12)，半焦燃烧用空气由送风机(17)经空气预热器(16)送入炉膛。燃烧产生的高温烟气流过炉膛上方的空气加热器(13)，加热压缩空气后的低温烟气通过旋风分离器(14)进行气/固分离。绝大部分飞灰被分离出来并送回炉膛。分离后的低温烟气再经省煤器(15)、空气预热器(16)及除尘器(19)，最后由引风机(20)排入烟囱。锅炉岛中的余热锅炉(21)，利用燃机排气将锅炉给水加热并产生高压蒸汽(饱和或低过热)，与循环流化床锅炉的蒸汽会合送入煤气冷却器/蒸汽过热器(4)过热。
燃机岛(30)中的前置燃烧室(32)用以燃烧低热值煤气，由预热后的压缩空气与低热值煤气燃烧所产生的高温燃气用于驱动燃气轮机(33)及其发电机组(34)发电。
汽机岛(40)中的汽轮发电机组(41)和(42)用煤气冷却器/蒸汽过热器送来的高温高压蒸汽驱动并发电。蒸汽轮机(41)的少量高压抽汽供给加压流化床气化炉(2)，少量低压抽汽供给除氧器(45)对给水进行除氧。锅炉给水经除氧器(45)后由给水泵(46)送入余热锅炉(21)和循环流化床锅炉(11)。

Claims (7)

1.一种部分气化空气预热联合循环发电系统，其特征在于组成结构为：
加压流化床气化炉及其辅助设备，使煤部分气化，产生粗煤气和半焦；
专用的煤气冷却器/蒸汽过热器，用以冷却气化炉产生的煤气并同时使本系统产生的饱和蒸汽过热；
煤气净化装置，包括位于煤气冷却器前的旋风分离器和煤气冷却器后的陶瓷过滤器，用于使粗煤气净化以满足燃气轮机的要求；
双工质常压循环流化床锅炉及其辅助设备，用于燃烬气化炉产生的半焦，以获得高温压缩空气和高压饱和蒸汽；
燃气轮发电机组及其辅助设备，用净化后的煤气和高温压缩空气燃烧产生的高温高压燃气膨胀作功发电；
余热锅炉，利用燃气轮机排气产生高温高压蒸汽，并经煤气冷却器/蒸汽过热器过热后送蒸汽轮机；
蒸汽轮发电机组及其辅助设备，双工质锅炉和余热锅炉产生的蒸汽经煤气冷却器/蒸汽过热器过热后通过蒸气轮机膨胀作功发电。
2.一种部分气化空气预热联合循环发电方法，其特征在于：
粉碎后的煤和脱硫剂以空气/蒸汽为气化剂，通过加压流化床气化炉部分气化并脱硫，产生低热值煤气和半焦；
所述低热值煤气经冷却、除尘、净化后送燃气轮机前置燃烧室；
所述半焦，通过双工质常压循环流化床锅炉燃烬，在所述锅炉中，半焦燃烧释放的热量60％以上用于加热燃气轮机压气机压缩后的空气，40％以下的热量用于产生饱和蒸汽；
所述双工质锅炉加热的高温压缩空气送燃气轮机前置燃烧室与低热值煤气燃烧后产生高温煤气经燃气轮机膨胀作功发电，燃气轮机排气通过余热锅炉产生高压蒸汽；
所述双工质锅炉产生的高压饱和蒸汽与余热锅炉产生的高压蒸汽一起送往煤气冷却器/蒸汽过热器过热后经蒸汽轮机膨胀作功发电。
3.如权利要求1所述的联合循环发电系统，其特征在于：所述的专用煤气冷却器/蒸汽过热器为管壳式热交换器，管外为高温煤气，管内为高压蒸汽。
4.如权利要求1所述的联合循环发电系统，其特征在于：所述双工质常压循环流化床锅炉中布置了专用空气加热器而无蒸汽过热器，且在炉膛水冷壁上敷设防磨耐火砖以减少蒸发吸热量，保证半焦燃烧释放热量的大部分用于加热空气。
5.如权利要求2所述的联合循环发电方法，其特征在于：利用本系统自身产生的蒸汽通过煤气冷却器/蒸汽过热器使高温煤气冷却到便于净化的温度，而同时又使蒸汽得以过热以利于系统效率的提高。
6.如权利要求2所述的联合循环发电方法，其特征在于：用所述双工质循环流化床锅炉，可将气化炉产生的半焦燃烬，且使其燃烧所释放的热量60％以上用于将压缩空气加热到约600℃，同时还可以利用气化炉残余的石灰石/CaO，在所述的双工质锅炉中将气化炉生成的随半焦排入的有害物CaS转化为稳定而无害的CaSO4。
7.如权利要求2或6所述的联合循环发电方法，其特征在于：在所述加压流化床气化炉和双工质循环流化床锅炉中可分别进行前后衔接的高效脱硫过程，以有效降低气化炉煤气的含硫量和锅炉烟气中SO2的含量，因而无需用专门的炉外脱硫装置进行煤气和烟气的脱硫。
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