CN205119656U - 一种配套igcc电站的部分整体化型空气分离装置 - Google Patents

Abstract

一种配套IGCC电站的部分整体化型空气分离装置，该装置至少包括：一套引出压缩空气的燃气轮机组、一套带电回收装置的高温透平膨胀机组、一套由汽轮机组拖动且带中间冷却器的空分专用原料空气压缩机组和循环空气增压机组、一套由电机驱动且带中间冷却器的辅助原料空气压缩机组、一套不带末级冷却器的高压氮气压缩机组；另外还包括空气预冷系统、纯化系统、换热器、低温精馏分离系统；使用至少一台高温透平膨胀机将引自压气机的高压高温空气转化成空分装置适用的定压原料空气，并利用膨胀输出功生产电能，采用汽轮机组拖动的原料空气压缩机组、循环空气增压机组、高压氮气压缩机组，设置电机驱动的辅助原料空气压缩机组。

Description

一种配套IGCC电站的部分整体化型空气分离装置

技术领域

本实用新型涉及一种配套IGCC电站的部分整体化型空气分离装置，特别涉及到在低温下利用不同的原料空气来源进行精馏分离空气的装置，属于低温技术领域。

背景技术

IGCC发电技术是当今国际上最引人注目的新型、高效的洁净煤发电技术之一。该技术以煤为燃料，通过气化炉将煤转化变为煤气，经过除尘、脱硫等净化工艺，使之成为洁净的煤气供给燃气轮机燃烧做功，燃气轮机排气余热经余热锅炉加热给水产生过热蒸汽，带动蒸汽轮机发电，从而实现煤气化蒸汽联合循环发电过程。IGCC电站系统主要分为三大部分：煤气化及煤气净化系统、联合循环系统、空分系统。

配套IGCC电站的空分系统，按照系统间的连接方式，可分为三种方案：独立的空分系统、部分整体化的空分系统、完全整体化的空分系统。所谓部分整体化的空分系统是指：空分系统所需要的压缩空气一部分从燃气轮机组的压气机抽取，另外需要至少一台专门设置的空分压缩机组；来自压气机抽取的压缩空气和空分压缩机组处理的压缩空气，共同构成空分系统的原料气源；在这种特定条件下进行空分系统的工艺流程选择、与煤气化及煤气净化系统和联合循环系统的最佳耦合匹配，以便提高IGCC电站系统的供电效率、运行灵活性、运行稳定性、比投资费用等系统指标。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，从IGCC电站系统整体匹配角度考虑，提出一种能够保障整个系统安全、稳定、低耗运行的配套IGCC电站的部分整体化型空气分离装置及其方法。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：本实用新型所述的一种配套IGCC电站的部分整体化型空气分离装置，它主要包括：

a）、将引自燃气轮机组压气机出口的压缩空气转化成空分装置能够利用的定压原料空气的高温透平膨胀机组及其配套电回收装置；且经高温透平膨胀机组膨胀后的定压原料空气可以直接送入空冷塔及其后续工艺系统；

b）、对定压原料空气进行冷却和除去有害杂质的预冷系统和净化系统；

c）、利用汽轮机组拖动且带中间冷却器的原料空气压缩机组、循环空气增压机组、不带末级冷却器的高压氮气压缩机组；原料空气压缩机组能将空气进行加压成空分所需的带压空气送入预冷和净化系统，循环空气增压机组能将出净化系统的空气增压至增压透平膨胀机组能够使用的中压空气和能够汽化液氧的高压空气；

d）、至少一台由增压机、冷却器及膨胀机组成的增压透平膨胀机组；

e）、对不同的流体进行换热的主换热器、过冷器；

f）、将分离用原料空气进行分离获得产品的精馏塔系统，该精馏塔系统由中压塔、主蒸发冷凝器、低压塔及其连接管道和阀门组成；

g）将精馏塔分离出的液氧液氮增压至所需换热压力的低温液体泵组，低温液体泵组至少包括一台高压液氧泵、一台高压液氮泵；

本实用新型所述的预冷系统主要由定压原料空气与高温膨胀机组降温后空气混合的空冷塔构成，所述的净化系统由双筒分子筛吸附器可切换构成；所述的精馏塔系统中，所述的中压塔顶部设置有液氮出口，在低压塔底部设置有液氧出口，在低压塔上部设置有污氮气出口，另在低压塔的顶部设置有低压氮气出口；所述原料空气压缩机组、循环空气增压机组、高压氮气压缩机组均采用汽轮机组拖动。

一种利用所述的部分整体化空气分离装置进行空气分离的方法，该方法包括如下步骤：

1）、从燃气轮机组压气机出口引出一股压缩空气接入高温透平膨胀机进行膨胀降压降温，高温透平膨胀机通过齿轮箱变速器连接电回收装置，将膨胀机输出功转化成电能，实现压缩空气流动能的能量转化回收；降压降温后的空气转化为一定压力的低压原料空气，送入预冷及净化系统；

2）、环境空气经空气过滤器过滤除尘，接入由汽轮机组拖动且带中间冷却器的空分专用原料空气压缩机组进行升压处理，由专用原料空气压缩机组处理生成的一定压力的低压原料空气，送入预冷及净化系统；

3）、在燃气轮机组压气机不具备引出一股压缩空气的情况下，使用由电机驱动且带中间冷却器的辅助原料空气压缩机组处理一定流量的低压原料空气，出辅助原料空气压缩机组的低压原料空气，送入预冷及净化系统；

4）、低压原料空气经过预冷系统冷却并在净化系统除去水、二氧化碳和碳氢化合物等杂质后被分流为直接去主换热器的低压原料空气及去循环空气增压机的低压原料空气；低压原料空气进入主换热器冷却后送入中压塔；去循环增压机的低压原料空气，一部分从该压缩机中部抽出，其余从该压缩机的末级抽出，从中部抽出的空气经冷却器冷却、增压透平膨胀机的增压机增压、冷却器冷却后再进入主换热器冷却，然后经增压透平膨胀机的膨胀机膨胀，膨胀后送入中压塔，从循环空气增压机末级出口的空气经冷却器冷却、主换热器冷却、高压液空节流阀节流、气液分离器相态分离后，送入中压塔；

5）所有进入中压塔的空气经由中压塔、主蒸发冷凝器、低压塔构成的精馏塔精馏后，在中压塔顶部获得液氮、在低压塔底部获得液氧、在低压塔上部获得污氮气、在低压塔顶部获得低压氮气。

本实用新型通过适当提高低压塔底部液氧中的含氮量，使得低压塔底部的操作温度可适当降低，在主蒸发冷凝器换热温差不变的情况下，中压塔顶部温度与低压塔底部温度同步降低，实现在中压塔压力更低的情况下进行正常精馏。

用于精馏塔进行空气分离的原料空气，一部分来自燃气轮机的压气机，一部分来自空分专用原料空气压缩机组，构成部分整体化的空气分离装置的原料来源；

来自燃气轮机压气机的压缩空气经高温透平膨胀机组降压降温调整后供精馏塔利用，在一定程度上将压气机与空气分离装置进行有效的隔离，避免该部分空气的压力温度波动对空气分离装置安全稳定运行的影响，且高温透平膨胀机组配套的电回收装置能够对膨胀输出功进行有效的能量转化回收。

当燃气轮机的压气机不能为空气分离装置提供原料空气时，启动辅助原料空气压缩机组，进行快速功能替换，保证用于精馏塔的原料空气供应稳定，从而保证空气分离装置的安全稳定运行、各产出产品综合技术指标的连续稳定。

本实用新型采用高温透平膨胀机组连接燃气轮机组和空分装置，将来自燃气轮机压气机的空气经高温透平膨胀机组降压降温调整后供精馏塔利用，在一定程度上将燃气轮机组与空气分离装置进行有效的隔离，避免该部分空气的压力温度等工况参数的波动对空气分离装置安全稳定高效运行的影响，且高温透平膨胀机组配套的电回收装置能够对膨胀输出功进行高效的能量回收利用。

本实用新型采用高压氮气压缩机组连接空分装置和燃气轮机组，将来自空分装置的低压氮气经高压氮气压缩机处理成高压高温氮气后回注燃气轮机燃烧室，在保证回注燃气轮机燃烧室的高压高温氮气各项指标要求的同时，不牺牲空分装置的安全、稳定、高效运行能力。

本实用新型配置一套由电机驱动且带中间冷却器的辅助原料空气压缩机组，当燃气轮机不能为空气分离装置提供原料空气时，进行功能替代，从源头上保证空分装置的供气能力，并大大拓展了空分装置的产能，为IGCC电站系统增产扩能、提升发电能力提供了设备保障。

本实用新型空分专用原料空气压缩机组、循环空气增压机组、高压氮气压缩机组均采用汽轮机组拖动，充分利用IGCC电站系统的余热蒸汽资源，在提高IGCC电站系统的总厂蒸汽平衡调节能力的同时，大大降低IGCC电站系统的总厂耗电率至10%以下。

本实用新型是从IGCC电站系统整体匹配角度考虑，具有能够保障整个系统安全、稳定、低耗运行等特点。

附图说明

图1是IGCC电站主要工艺原理图。

图2是本实用新型的结构原理流程图。

在图1中：1为燃气轮机组，2为压气机，3为空分专设空压机，4为空分装置，5为回注氮用压缩机，6为燃烧室；

在图2中：01为进高温膨胀机的压缩空气流，02为高温透平膨胀机组的膨胀机，03为空气过滤器，04为空分专用原料空气压缩机组，05为辅助原料空气压缩机组，06为预冷系统的空冷塔，07为空气进纯化系统进口阀，08为纯化系统吸附器，09为空气出纯化系统出口阀，10为预冷、纯化后的空气流，11为去主换热器的低压空气流，12为去循环空气增压机组的低压空气流，13为循环空气增压机组，14为循环空气增压机组中间冷却器，15为增压透平膨胀机组的增压机，16为增压后冷却器，17为增压透平膨胀机组的膨胀机，18为循环空气增压机组末级冷却器，19为高压液空节流阀，20为气液分离器，21为中压塔，22为主蒸发冷凝器，23为低压塔，24为出中压塔富氧液空流，25为过冷器，26为富氧液空节流阀，27为中压塔顶部去主蒸发冷凝器的压力氮气流，28为出主蒸发冷凝器的液氮流，29为回中压塔液氮流，30为去过冷器液氮流，31为过冷液氮去低压塔流，32为过冷液氮节流阀，33为去低温液氮泵的液氮流，34为产品液氮流，35为高压液氮泵，36为出低压塔液氧流，37为高压液氧泵，38为产品液氧流，39为出低压塔污氮气流，40为出低压塔低压氮气流，41为高压氮气压缩机组，42为去主换热器高压液氮流，43为去主换热器高压液氧流，44为主换热器，45为纯化加热器，46为污氮气进口阀，47为纯化器，48为污氮气出口阀，49为放空消音器，50为水冷塔，51为冷却水水泵，52为冷冻水水泵，53为冷水机组，54为高温透平膨胀机的电回收制动装置。

具体实施方式

以下结合附图1、附图2和实施例，对本实用新型作进一步的说明：图1、2所示，一种配套IGCC电站的部分整体化型空气分离装置，它主要包括：

a）、将引自燃气轮机组压气机出口的压缩空气转化成空分装置能够利用的定压原料空气的高温透平膨胀机组02及其配套电回收装置54；且经高温透平膨胀机组02膨胀后的定压原料空气可以直接送入空冷塔06及其后续工艺系统；

b）、对定压原料空气进行冷却和除去有害杂质的预冷系统和净化系统；

c）、利用汽轮机组拖动且带中间冷却器的原料空气压缩机组04、循环空气增压机组13、不带末级冷却器的高压氮气压缩机组41；原料空气压缩机组04能将空气进行加压成空分所需的带压空气送入预冷和净化系统，循环空气增压机组13能将出净化系统的空气增压至增压透平膨胀机组能够使用的中压空气和能够汽化液氧的高压空气；

d）、至少一台由增压机15、冷却器16及膨胀机17组成的增压透平膨胀机组；

e）、对不同的流体进行换热的主换热器44、过冷器25；

f）、将分离用原料空气进行分离获得产品的精馏塔系统，该精馏塔系统由中压塔21、主蒸发冷凝器22、低压塔23及其连接管道和阀门组成；

g）将精馏塔分离出的液氧液氮增压至所需换热压力的低温液体泵组，低温液体泵组至少包括一台高压液氧泵37、一台高压液氮泵35；

所述的预冷系统主要由定压原料空气与高温膨胀机组降温后空气混合的空冷塔构成，所述的净化系统由双筒分子筛吸附器可切换构成；所述的精馏塔系统中，所述的中压塔21顶部设置有液氮28出口，在低压塔23底部设置有液氧36出口，在低压塔23上部设置有污氮气39出口，另在低压塔23的顶部设置有低压氮气40出口；所述原料空气压缩机组04、循环空气增压机组13、高压氮气压缩机组41均采用汽轮机组拖动。

实施例：

来自燃气轮机组1的一股压力0.9～1.4Mpa(A)、温度100℃的压缩空气流01送入高温透平膨胀机组的膨胀机02进行膨胀降压降温，压力降至0.55～0.85Mpa(A)，直接送入空冷塔06，该部分空气占空分装置原料空气总量的30%～70%，高温透平膨胀机的电回收制动装置54同时将膨胀输出功转化成电能。来自空气过滤器03的除尘后空气进入空分专用原料空气压缩机组04进行压缩，出该压缩机的空气压力提升至0.55～0.85Mpa(A)，直接送入空冷塔06，该部分空气占空分装置原料空气总量的70%～30%，两股空气在空冷塔内汇合、冷却后，再进入纯化器08除去水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质。

需要补充说明的是，当燃气轮机组1不能提供压缩空气时，实施方式调整为：关闭高温透平膨胀机组02后的膨胀出口阀门，启动电机驱动的辅助原料空气压缩机组05生产空分装置所需的70%～30%部分的原料空气。

预冷、纯化后的空气流10分为去主换热器的低压空气流11和去循环空气增压机组13的低压空气流12，低压空气流11直接进入主换热器44冷却至饱和温度后送入中压塔21参与精馏；去循环增压机组13的低压原料空气，一部分从该压缩机中部抽出，其余从该压缩机的末级抽出，从中部抽出的空气经增压机中间冷却器14冷却、增压透平膨胀机的增压机15增压、增压后冷却器16冷却后再进入主换热器44冷却至规定温度，然后抽出送入增压透平膨胀机的膨胀机17膨胀，膨胀至规定压力后送入中压塔21参与精馏，从循环空气增压机组13末级出口的高压空气经增压机末级冷却器18冷却、主换热器44冷却至规定温度、高压液空节流阀19节流、气液分离器20闪蒸相态分离后，送入中压塔21内参与精馏。

从中压塔21底部抽出的富氧液空24在过冷器25过冷后经富氧液空节流阀26节流后送入低压塔23的合适部位，成为低压塔23的回流液。从中压塔21合适部位抽出的液氮30在过冷器25过冷后经液氮节流阀32节流后送入低压塔23的合适部位，成为低压塔23的第二股回流液。在中压塔21顶部获得的氮气27在主冷凝蒸发器22中被冷凝成液氮，一部分液氮作为中压塔21的回流液29，其余的液氮被分为两股，一股液氮33去高压液氮泵35，一股液氮30经过冷器25过冷后又分为两部分，一部分去低压塔23，另一部分作为产品液氮34送入液体贮存系统。在主冷凝蒸发器22中被氮气27加热气化的氧气成为低压塔23的上升气流，经与上述两股回流液进行传热传质交流，在低压塔23的底部得到液氧，一部分液氧38作为液体产品送入液体贮存系统，另一部分液氧进入高压液氧泵37升压至规定压力后去主换热器44气化复热成为所需压力的高压氧气产品送出到其他用氧系统。在低压塔23顶部得到的低压氮气40经过冷器25、主换热器44复热后送入高压氮气压缩机组41；在低压塔23上部得到的污氮气39经过冷器25、主换热器44复热后，分别按照工艺要求送入预冷、纯化系统。

空分装置生产的高压氧气送入气化炉，高压氧气的产出指标跟气化炉的选型、规模有关，本实施例的高压氧气的压力为5.0～5.6Mpa(表压)、氧纯度为90%～95%（体积分数）；本实施例的低压氮气出主换热器的压力为0.012～0.112Mpa(表压)、氮中氧含量﹤1%（体积分数），经高压氮气压缩机组5增压至3.0～3.6Mpa(表压)，回注进入燃气轮机燃烧室6。

上述实施例仅是本实用新型的实施案例之一，对于配套IGCC电站的部分整体化型空气分离装置来说，可以做出各种变型和优化，但不管流程作何种变化，只要在配套IGCC电站的部分整体化型空分装置及方法中出现高温透平膨胀机组直接处理利用高压高温压缩空气并设法用于精馏过程的、配置电机驱动的辅助原料空气压缩机组的、配置汽轮机驱动的且不带末级冷却器的氮气压缩机组的技术路线，都属于本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种配套IGCC电站的部分整体化型空气分离装置，其特征在于它主要包括：

a）、将引自燃气轮机组压气机出口的压缩空气转化成空分装置能够利用的定压原料空气的高温透平膨胀机组（02）及其配套电回收装置（54）；且经高温透平膨胀机组（02）膨胀后的定压原料空气可以直接送入空冷塔（06）及其后续工艺系统；

b）、对定压原料空气进行冷却和除去有害杂质的预冷系统和净化系统；

c）、利用汽轮机组拖动且带中间冷却器的原料空气压缩机组（04）、循环空气增压机组（13）、不带末级冷却器的高压氮气压缩机组（41）；原料空气压缩机组（04）能将空气进行加压成空分所需的带压空气送入预冷和净化系统，循环空气增压机组（13）能将出净化系统的空气增压至增压透平膨胀机组能够使用的中压空气和能够汽化液氧的高压空气；

d）、至少一台由增压机（15）、冷却器（16）及膨胀机（17）组成的增压透平膨胀机组；

e）、对不同的流体进行换热的主换热器（44）、过冷器（25）；

f）、将分离用原料空气进行分离获得产品的精馏塔系统，该精馏塔系统由中压塔（21）、主蒸发冷凝器（22）、低压塔（23）及其连接管道和阀门组成；

g）将精馏塔分离出的液氧液氮增压至所需换热压力的低温液体泵组，低温液体泵组至少包括一台高压液氧泵（37）、一台高压液氮泵（35）。

2.根据权利要求1所述的配套IGCC电站的部分整体化型空气分离装置，其特征在于所述的预冷系统主要由定压原料空气与高温膨胀机组降温后空气混合的空冷塔构成，所述的净化系统由双筒分子筛吸附器可切换构成；所述的精馏塔系统中，所述的中压塔（21）顶部设置有液氮（28）出口，在低压塔（23）底部设置有液氧（36）出口，在低压塔（23）上部设置有污氮气（39）出口，另在低压塔（23）的顶部设置有低压氮气（40）出口；所述原料空气压缩机组（04）、循环空气增压机组（13）、高压氮气压缩机组（41）均采用汽轮机组拖动。