CN203096004U

CN203096004U - 一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电系统

Info

Publication number: CN203096004U
Application number: CN 201220748379
Authority: CN
Inventors: 金红光; 张筱松
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2012-12-29
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2022-12-29

Abstract

本实用新型公开了一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电系统，包括外置燃烧单元、传热单元、换热单元、碳化单元、一氧化碳生产单元、变换产氢单元和发电单元，将气化煤分级气化得到的煤气化合成气通入联合循环发电单元（IGCC）发电，气化煤分级气化分为碳化过程、一氧化碳生产过程和变换产氢过程三个步骤，全程无氧气参与反应。本实用新型提出的煤炭气化发电系统与传统煤炭气化发电系统（IGCC）相比，实现了组分对口、梯级利用，发电效率要比IGCC系统高约6个百分点。

Description

一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电系统

技术领域

本实用新型属于能源动力领域，具体地说涉及一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电系统。

背景技术

煤在我国现在以及未来几十年内都会是最主要的能源来源。但煤炭与气体燃料的性质不同，煤炭中含有大量的灰分等有害物质，而气体燃料为清洁能源。正是由于煤炭与气体燃料的品质，及其能量转换利用方式的不同使得燃煤电厂的发电效率比天然气联合循环电站低10～15个百分点。

实现煤炭高效清洁的利用是我国目前亟待解决的难题。目前，在电力行业实现这一目标的技术是采用整体煤气化联合循环（IGCC）发电系统。IGCC系统首先将煤气化，为煤炭的进一步利用创造必要条件，然后再利用煤气化得到的合成气发电。

IGCC系统存在着气化效率低，设备成本高的难题。气化效率低主要是由于煤炭气化过程需要加入纯氧气，而产生氧气的空气分离装置的能耗较高，同时也增加了设备投资。设备成本高主要是目前气化单元的设备成本较高，同时由于气化合成气中含有较多的灰分和硫分，需要除尘和脱硫装置，这也使得设备投资进一步增加。目前IGCC的投资成本约为1500$/kW，其中空分装置约占10-20%，气化炉约占30%，废热锅炉约占10-15%，联合循环发电单元约占30%，合成气净化单元约占10%。

同时，与燃煤电厂不同，IGCC系统对煤种有严格的要求，这取决于IGCC系统所采用的煤气化方式。我国煤碳可采量约为1万亿吨，分为褐煤、烟煤和无烟煤。鲁奇炉可采用褐煤和部分烟煤（长焰煤、不粘煤、弱粘煤和气煤），可用资源量为5934.5亿吨，占总资源量的58%。德士古炉可采用大部分的烟煤，可用资源量为6728.8亿吨，占总资源量的66%。谢尔炉可采用褐煤和几乎全部的烟煤，资源量为9242亿吨，占总资源量的91%。恩德炉可采用褐煤和少部分烟煤（长焰煤和不粘煤），可用资源量为4479.6亿吨，占总资源量的44%。

综上所述，IGCC发电系统的应用推广，还存在着气化效率低、设备投资成本高和煤种限制等障碍。对于电力行业，提高煤气化发电系统的效率，降低煤气化发电的投资成本，提高煤气化发电系统对煤种的适应性都是亟待解决的难题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电系统，以克服目前IGCC发电系统中存在的设备投资高、需要单独的空分装置提供氧气、对煤种有较高的要求等弊端。

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电系统，包括外置燃烧单元、传热单元、换热单元、碳化单元、一氧化碳生产单元、变换产氢单元和发电单元，其特征在于，

所述碳化单元和一氧化碳生产单元均设置有所述换热单元，所述外置燃烧单元包括供热煤入口和高温空气入口，供热煤与经所述换热单元预热后的高温空气在外置燃烧单元中燃烧生成高温烟气，通过高温烟气管路通入各所述换热单元，各所述换热单元排出的低温烟气经管路通入所述换热单元，

所述碳化单元包括气化煤入口和焦炭出口，所述焦炭出口、所述变换产氢单元的二氧化碳出口分别经管路与所述一氧化碳生产单元连通；所述一氧化碳生产单元生成的部分一氧化碳经管路通入所述变换产氢单元;

所述一氧化碳生产单元生成的另一部分一氧化碳、所述变换产氢单元生成的富氢合成气、所述碳化单元生成的焦炉煤气分别经管路通入发电单元。

优选地，所述系统还包括二氧化碳分离单元，其进口与所述变换产氢单元连通，其出口分别与所述一氧化碳生产单元的二氧化碳进口和发电单元的富氢合成气进口连通。所述二氧化碳分离单元用以分离变换产氢单元生成的二氧化碳和氢气的混合气体。

优选地，所述高温烟气管路中设置除尘装置。用以对高温烟气进行粗除尘。

优选地，上述发电单元采用联合循环发电方式，联合循环由燃气轮机、蒸汽轮机和余热锅炉组成，燃气轮机排出的“废气”引入余热锅炉，加热水产生高温高压的蒸汽，再推动汽轮机做功。

优选地，上述碳化单元为加热炉、均热炉或煅烧炉。

进一步地，所述碳化单元还包括焦炉煤气出口和焦油出口。

进一步地，所述变换产氢单元还包括水蒸气入口和富氢合成气出口。

优选地，所述一氧化碳生产单元的顶部设置焦炭进口和一氧化碳出口，底部设置二氧化碳进口。

本实用新型的有益效果是将煤炭的气化过程分为炼焦，气化和变换三步进行，不需要氧气，实现了煤炭的“组分对口，分级转化”，与现有的IGCC系统相比，不需要氧气，省去了用于制氧的空气分离单元；煤炭中的灰分和含硫成分在碳化过程中以焦油等副产品的形式被脱除，生产的合成气几乎不含灰分和含硫成分，无需废热锅炉和除尘脱硫装置。根据煤炭的特点不同，用煤炭外燃替代焦炉煤气燃烧向碳化室和气化室提供高温热量，其中供热用煤可以使用品质较低的煤种，实现能源的合理利用。本实用新型提出的煤炭气化发电方法与传统煤炭气化发电系统（IGCC）相比，实现了组分对口、梯级利用，发电效率要比IGCC系统高约6个百分点。

附图说明

图1为本实用新型提出的煤炭气化发电系统示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。根据本实用新型的实施例，提供了基于煤炭的碳氢组分分级转化发电系统及方法。

请参见图1，本实用新型提供的基于煤炭的碳氢组分分级气化的发电系统，主要由碳化单元1、一氧化碳生产单元3、变换产氢单元5、二氧化碳分离单元6、联合循环发电单元7和外置燃烧单元23组成，其中碳化单元和一氧化碳生产单元中包括换热单元2、4。供热煤与经空气换热单元22预热后的高温空气在外置燃烧单元23中燃烧生成高温烟气19，并对高温烟气19进行粗除尘后，通过换热单元2、4向碳化单元2和一氧化碳生产单元5释放高温热量后，被送往空气换热单元22放热。放热后的烟气21被排放到大气。在碳化单元1内气化煤吸收热量在高温下热解，经过粘结过程(包括：干燥脱吸，开始分解，形成胶质体，和胶质体固化过程)以及半焦收缩过程生成粗焦炭11、焦炉煤气10、焦油24等化工产品，生产的粗焦炭11进入一氧化碳生产单元，在该单元焦炭与二氧化碳12反应生成一氧化碳13。一氧化碳进入变换产氢单元5与水16反应生成二氧化碳和氢气后进入二氧化碳分离单元6，在二氧化碳分离单元6中二氧化碳12被分离出来进入一氧化碳生产单元3，其余的富氢合成气15与焦炉煤气10以及部分一氧化碳13进入联合循环发电单元7中将化学能转化为电能，生成的烟气排入大气中。

本实用新型的基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电系统中，以煤作为燃料，所述煤分为气化煤8和供热煤9，气化煤8分级气化的过程依次分为碳化过程（在碳化单元1中进行）、一氧化碳生产过程（在一氧化碳生产单元3中进行）和变换产氢过程（在变换产氢单元5中进行）三个转化步骤分级进行，全程无氧气参与反应，将气化煤8分级转化成焦炉煤气10、一氧化碳13和氢气15，实现碳氢组分的分级转化，将三种气体灵活配比后得到不同碳氢比的煤气化合成气通入联合循环发电单元7中发电。

本实用新型提供的发电系统中煤炭气化过程与IGCC中气化过程的区别是：（1）传统气化单元中煤炭直接在气化室中反应气化。而本实用新型提供的气化方式是将煤炭气化过程分为煤炭碳化、焦炭一氧化碳化和变换产氢三步进行。煤炭首先进入碳化室进行碳化提纯，产生焦炉煤气，同时得到的粗焦炭进入一氧化碳生产室与二氧化碳反应气化，从而摆脱传统煤炭气化方式需要空分装置来产生氧气的限制；（2）本实用新型提供的发电方法中焦炭一氧化碳化过程与传统气化过程的区别是：焦炭与二氧化碳反应，生成一氧化碳，即无氧气化，不需要空气分离装置；（3）本实用新型提供的变换产氢单元与传统煤炭气化工艺变换单元的区别是：传统气化工艺中发生的变换反应与其它煤气化反应一同发生在气化炉中，反应温度在1000摄氏度以上，本实用新型提供的变换反应是单独在变换单元中发生，反应温度在200-400摄氏度左右，反应温度大大降低，因此变换反应的不可逆损失远远低于传统气化过程；（4）本实用新型提供的发电系统所使用燃料与IGCC的区别是：使用煤炭分为气化煤和供热煤，供热煤在外置燃烧室中燃烧为气化煤的碳化和一氧化碳生产过程提供热量，气化煤在直接气化的同时实现了供热煤的间接气化，气化煤和供热煤可以使用的煤种涵盖了我国煤炭资源中的所有煤种，大大提高了煤气化发电系统的适应性；（5）从煤炭气化产物来看，本实用新型提供的一氧化碳生产单元与传统煤炭气化单元的区别是：传统煤炭气化单元需要纯氧和水蒸气对煤炭进行气化，产生的合成气成分主要是一氧化氮、氢气和二氧化碳，而本实用新型提供的一氧化碳生产单元则使用二氧化碳与焦炭反应进行气化，产生的合成气成分为高浓度的一氧化碳，浓度可达到95%以上；（6）本实用新型得到的煤炭气化合成气与传统煤炭气化合成气的区别是：传统煤炭气化过程中，煤炭中的灰分与含硫成本与煤炭同时气化，存在与气化合成气中，需要首先利用废热锅炉降温，并使用除尘和脱硫设备对合成气进行净化。本实用新型提供的气化方式，煤炭中的灰分和含硫成分首先在炼焦单元中被脱除，得到合成气后无需除尘和脱硫单元，可以直接进入发电单元，省去了废热锅炉和除尘脱硫装置。

本实用新型提供的基于煤炭的碳氢组分分级气化的发电系统，与传统的整体煤气化联合循环（IGCC）相比，具有以下特点：1、煤炭气化过程分级进行，首先进行炼焦提纯，得到的焦炭与二氧化碳反应直接气化，省去了IGCC系统中的空分装置，减少了系统能耗；2、燃料分为供热用煤和气化用煤，供热用煤在燃烧室直接燃烧向碳化室、气化室供热，可以使用低质煤，实现了低质煤的间接气化，从而增加了燃料的适应性；3、煤炭中的灰分和含硫成分在碳化单元以焦油等副产品的形式被分离出来，产生的合成气十分纯净，无需废热锅炉和除尘与脱硫装置。4、一氧化碳生产单元产生的一氧化碳部分在变换过程中转化为二氧化碳，再返回到一氧化碳生产单元与粗焦炭反应。

综上所述，采用本实用新型所述的基于煤炭的碳氢组分分级气化的发电系统，通过减少空气分离单元以及除尘和脱硫单元，将会使煤炭气化发电的发电效率和生产成本大幅度降低，而且对煤种的适应性大大提高，节约了优质煤，是非常有实用前景的。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。

Claims

1.一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电系统，包括外置燃烧单元、传热单元、换热单元、碳化单元、一氧化碳生产单元、变换产氢单元和发电单元，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述系统还包括二氧化碳分离单元，其进口与所述变换产氢单元连通，其出口分别与所述一氧化碳生产单元的二氧化碳进口和发电单元的富氢合成气进口连通。

3.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述高温烟气管路中设置除尘装置。

4.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述发电单元采用联合循环发电方式，包括燃气轮机、蒸汽轮机和余热锅炉，燃气轮机排出的废气引入余热锅炉，加热水产生高温高压的蒸汽，再推动蒸汽轮机做功。

5.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：上述碳化单元为加热炉、均热炉或煅烧炉。

6.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述碳化单元还包括焦炉煤气出口和焦油出口。

7.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述变换产氢单元还包括水蒸气入口和富氢合成气出口。

8.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述一氧化碳生产单元的顶部设置焦炭进口和一氧化碳出口，底部设置二氧化碳进口。