專利名稱：一種基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)轉(zhuǎn)化的發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于能源動(dòng)力領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)轉(zhuǎn)化的發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤在我國(guó)現(xiàn)在以及未來(lái)幾十年內(nèi)都會(huì)是最主要的能源來(lái)源。但煤炭與氣體燃料的性質(zhì)不同，煤炭中含有大量的灰分等有害物質(zhì)，而氣體燃料為清潔能源。正是由于煤炭與氣體燃料的品質(zhì)，及其能量轉(zhuǎn)換利用方式的不同使得燃煤電廠的發(fā)電效率比天然氣聯(lián)合循環(huán)電站低10 15個(gè)百分點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)煤炭高效清潔的利用是我國(guó)目前亟待解決的難題。目前，在電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)是采用整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)。IGCC系統(tǒng)首先將煤氣化，為煤炭的進(jìn)一步利用創(chuàng)造必要條件，然后再利用煤氣化得到的合成氣發(fā)電。IGCC系統(tǒng)存在著氣化效率低，設(shè)備成本高的難題。氣化效率低主要是由于煤炭氣化過(guò)程需要加入純氧氣，而產(chǎn)生氧氣的空氣分離裝置的能耗較高，同時(shí)也增加了設(shè)備投資。設(shè)備成本高主要是目前氣化單元的設(shè)備成本較高，同時(shí)由于氣化合成氣中含有較多的灰分和硫分，需要除塵和脫硫裝置，這也使得設(shè)備投資進(jìn)一步增加。目前IGCC的投資成本約為1500$/kW，其中空分裝置約占10-20%，氣化爐約占30%，廢熱鍋爐約占10-15%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電單元約占30%，合成氣凈化單元約占10%。同時(shí)，與燃煤電廠不同，IGCC系統(tǒng)對(duì)煤種有嚴(yán)格的要求，這取決于IGCC系統(tǒng)所采用的煤氣化方式。我國(guó)煤碳可采量約為I萬(wàn)億噸，分為褐煤、煙煤和無(wú)煙煤。魯奇爐可采用褐煤和部分煙煤(長(zhǎng)焰煤、不粘煤、弱粘煤和氣煤)，可用資源量為5934.5億噸，占總資源量的58%。德士古爐可采用大部分的煙煤，可用資源量為6728.8億噸，占總資源量的66%。謝爾爐可采用褐煤和幾乎全部的煙煤，資源量為9242億噸，占總資源量的91%。恩德爐可采用褐煤和少部分煙煤(長(zhǎng)焰煤和不粘煤)，可用資源量為4479.6億噸，占總資源量的44%。綜上所述，IGCC發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用推廣，還存在著氣化效率低、設(shè)備投資成本高和煤種限制等障礙。對(duì)于電力行業(yè)，提高煤氣化發(fā)電系統(tǒng)的效率，降低煤氣化發(fā)電的投資成本，提高煤氣化發(fā)電系統(tǒng)對(duì)煤種的適應(yīng)性都是亟待解決的難題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)轉(zhuǎn)化的發(fā)電系統(tǒng)，以克服目前IGCC發(fā)電系統(tǒng)中存在的設(shè)備投資高、需要單獨(dú)的空分裝置提供氧氣、對(duì)煤種有較高的要求等弊端。本實(shí)用新型為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:一種基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)轉(zhuǎn)化的發(fā)電系統(tǒng)，包括外置燃燒單元、傳熱單元、換熱單元、碳化單元、一氧化碳生產(chǎn)單元、變換產(chǎn)氫單元和發(fā)電單元，其特征在于，所述碳化單元和一氧化碳生產(chǎn)單元均設(shè)置有所述換熱單元，所述外置燃燒單元包括供熱煤入口和高溫空氣入口，供熱煤與經(jīng)所述換熱單元預(yù)熱后的高溫空氣在外置燃燒單元中燃燒生成高溫?zé)煔?，通過(guò)高溫?zé)煔夤苈吠ㄈ敫魉鰮Q熱單元，各所述換熱單元排出的低溫?zé)煔饨?jīng)管路通入所述換熱單元，所述碳化單元包括氣化煤入口和焦炭出口，所述焦炭出口、所述變換產(chǎn)氫單元的二氧化碳出口分別經(jīng)管路與所述一氧化碳生產(chǎn)單元連通；所述一氧化碳生產(chǎn)單元生成的部分一氧化碳經(jīng)管路通入所述變換產(chǎn)氫單元；所述一氧化碳生產(chǎn)單元生成的另一部分一氧化碳、所述變換產(chǎn)氫單元生成的富氫合成氣、所述碳化單元生成的焦?fàn)t煤氣分別經(jīng)管路通入發(fā)電單元。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括二氧化碳分離單元，其進(jìn)口與所述變換產(chǎn)氫單元連通，其出口分別與所述一氧化碳生產(chǎn)單元的二氧化碳進(jìn)口和發(fā)電單元的富氫合成氣進(jìn)口連通。所述二氧化碳分離單元用以分離變換產(chǎn)氫單元生成的二氧化碳和氫氣的混合氣體。優(yōu)選地，所述高溫?zé)煔夤苈分性O(shè)置除塵裝置。用以對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行粗除塵。優(yōu)選地，上述發(fā)電單元采用聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方式，聯(lián)合循環(huán)由燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和余熱鍋爐組成，燃?xì)廨啓C(jī)排出的“廢氣”引入余熱鍋爐，加熱水產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，再推動(dòng)汽輪機(jī)做功。優(yōu)選地，上述碳化單元為加熱爐、均熱爐或煅燒爐。進(jìn)一步地,所述碳化單元還包括焦?fàn)t煤氣出口和焦油出口。進(jìn)一步地，所述變換產(chǎn)氫單元還包括水蒸氣入口和富氫合成氣出口。
優(yōu)選地，所述一氧化碳生產(chǎn)單元的頂部設(shè)置焦炭進(jìn)口和一氧化碳出口，底部設(shè)置
二氧化碳進(jìn)口。本實(shí)用新型的有益效果是將煤炭的氣化過(guò)程分為煉焦，氣化和變換三步進(jìn)行，不需要氧氣，實(shí)現(xiàn)了煤炭的“組分對(duì)口，分級(jí)轉(zhuǎn)化”，與現(xiàn)有的IGCC系統(tǒng)相比，不需要氧氣，省去了用于制氧的空氣分離單元；煤炭中的灰分和含硫成分在碳化過(guò)程中以焦油等副產(chǎn)品的形式被脫除，生產(chǎn)的合成氣幾乎不含灰分和含硫成分，無(wú)需廢熱鍋爐和除塵脫硫裝置。根據(jù)煤炭的特點(diǎn)不同，用煤炭外燃替代焦?fàn)t煤氣燃燒向碳化室和氣化室提供高溫?zé)崃?，其中供熱用煤可以使用品質(zhì)較低的煤種，實(shí)現(xiàn)能源的合理利用。本實(shí)用新型提出的煤炭氣化發(fā)電方法與傳統(tǒng)煤炭氣化發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)相比，實(shí)現(xiàn)了組分對(duì)口、梯級(jí)利用，發(fā)電效率要比IGCC系統(tǒng)高約6個(gè)百分點(diǎn)。

圖1為本實(shí)用新型提出的煤炭氣化發(fā)電系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，提供了基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)轉(zhuǎn)化發(fā)電系統(tǒng)及方法。請(qǐng)參見圖1，本實(shí)用新型提供的基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)氣化的發(fā)電系統(tǒng)，主要由碳化單元1、一氧化碳生產(chǎn)單元3、變換產(chǎn)氫單元5、二氧化碳分離單元6、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電單元7和外置燃燒單元23組成，其中碳化單元和一氧化碳生產(chǎn)單元中包括換熱單元2、4。供熱煤與經(jīng)空氣換熱單元22預(yù)熱后的高溫空氣在外置燃燒單元23中燃燒生成高溫?zé)煔?9，并對(duì)高溫?zé)煔?9進(jìn)行粗除塵后，通過(guò)換熱單元2、4向碳化單元2和一氧化碳生產(chǎn)單元5釋放高溫?zé)崃亢螅凰屯諝鈸Q熱單元22放熱。放熱后的煙氣21被排放到大氣。在碳化單元I內(nèi)氣化煤吸收熱量在高溫下熱解，經(jīng)過(guò)粘結(jié)過(guò)程(包括:干燥脫吸，開始分解，形成膠質(zhì)體，和膠質(zhì)體固化過(guò)程)以及半焦收縮過(guò)程生成粗焦炭11、焦?fàn)t煤氣10、焦油24等化工產(chǎn)品，生產(chǎn)的粗焦炭11進(jìn)入一氧化碳生產(chǎn)單元，在該單元焦炭與二氧化碳12反應(yīng)生成一氧化碳13。一氧化碳進(jìn)入變換產(chǎn)氫單元5與水16反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣后進(jìn)入二氧化碳分離單元6，在二氧化碳分離單元6中二氧化碳12被分離出來(lái)進(jìn)入一氧化碳生產(chǎn)單元3，其余的富氫合成氣15與焦?fàn)t煤氣10以及部分一氧化碳13進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)發(fā)電單兀7中將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，生成的煙氣排入大氣中。本實(shí)用新型的基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)轉(zhuǎn)化的發(fā)電系統(tǒng)中，以煤作為燃料，所述煤分為氣化煤8和供熱煤9，氣化煤8分級(jí)氣化的過(guò)程依次分為碳化過(guò)程(在碳化單元I中進(jìn)行)、一氧化碳生產(chǎn)過(guò)程(在一氧化碳生產(chǎn)單元3中進(jìn)行)和變換產(chǎn)氫過(guò)程(在變換產(chǎn)氫單元5中進(jìn)行)三個(gè)轉(zhuǎn)化步驟分級(jí)進(jìn)行，全程無(wú)氧氣參與反應(yīng)，將氣化煤8分級(jí)轉(zhuǎn)化成焦?fàn)t煤氣10、一氧化碳13和氫氣15，實(shí)現(xiàn)碳?xì)浣M分的分級(jí)轉(zhuǎn)化，將三種氣體靈活配比后得到不同碳?xì)浔鹊拿簹饣铣蓺馔ㄈ肼?lián)合循環(huán)發(fā)電單元7中發(fā)電。本實(shí)用新型提供的發(fā)電系統(tǒng)中煤炭氣化過(guò)程與IGCC中氣化過(guò)程的區(qū)別是:(1)傳統(tǒng)氣化單元中煤炭直接在氣化室中反應(yīng)氣化。而本實(shí)用新型提供的氣化方式是將煤炭氣化過(guò)程分為煤炭碳化、焦炭一氧化碳化和變換產(chǎn)氫三步進(jìn)行。煤炭首先進(jìn)入碳化室進(jìn)行碳化提純，產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣，同時(shí)得到的粗焦炭進(jìn)入一氧化碳生產(chǎn)室與二氧化碳反應(yīng)氣化，從而擺脫傳統(tǒng)煤炭氣化方式需要空分裝置來(lái)產(chǎn)生氧氣的限制；(2)本實(shí)用新型提供的發(fā)電方法中焦炭一氧化碳化過(guò)程與傳統(tǒng)氣化過(guò)程的區(qū)別是:焦炭與二氧化碳反應(yīng)，生成一氧化碳，即無(wú)氧氣化，不需要空氣分離裝置；(3)本實(shí)用新型提供的變換產(chǎn)氫單元與傳統(tǒng)煤炭氣化工藝變換單元的區(qū)別是:傳統(tǒng)氣化工藝中發(fā)生的變換反應(yīng)與其它煤氣化反應(yīng)一同發(fā)生在氣化爐中，反應(yīng)溫度在100 0攝氏度以上，本實(shí)用新型提供的變換反應(yīng)是單獨(dú)在變換單元中發(fā)生，反應(yīng)溫度在200-400攝氏度左右，反應(yīng)溫度大大降低，因此變換反應(yīng)的不可逆損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)氣化過(guò)程；(4)本實(shí)用新型提供的發(fā)電系統(tǒng)所使用燃料與IGCC的區(qū)別是:使用煤炭分為氣化煤和供熱煤，供熱煤在外置燃燒室中燃燒為氣化煤的碳化和一氧化碳生產(chǎn)過(guò)程提供熱量，氣化煤在直接氣化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了供熱煤的間接氣化，氣化煤和供熱煤可以使用的煤種涵蓋了我國(guó)煤炭資源中的所有煤種，大大提高了煤氣化發(fā)電系統(tǒng)的適應(yīng)性；(5)從煤炭氣化產(chǎn)物來(lái)看，本實(shí)用新型提供的一氧化碳生產(chǎn)單元與傳統(tǒng)煤炭氣化單元的區(qū)別是:傳統(tǒng)煤炭氣化單元需要純氧和水蒸氣對(duì)煤炭進(jìn)行氣化，產(chǎn)生的合成氣成分主要是一氧化氮、氫氣和二氧化碳，而本實(shí)用新型提供的一氧化碳生產(chǎn)單元?jiǎng)t使用二氧化碳與焦炭反應(yīng)進(jìn)行氣化，產(chǎn)生的合成氣成分為高濃度的一氧化碳，濃度可達(dá)到95%以上；(6)本實(shí)用新型得到的煤炭氣化合成氣與傳統(tǒng)煤炭氣化合成氣的區(qū)別是:傳統(tǒng)煤炭氣化過(guò)程中，煤炭中的灰分與含硫成本與煤炭同時(shí)氣化，存在與氣化合成氣中，需要首先利用廢熱鍋爐降溫，并使用除塵和脫硫設(shè)備對(duì)合成氣進(jìn)行凈化。本實(shí)用新型提供的氣化方式，煤炭中的灰分和含硫成分首先在煉焦單元中被脫除，得到合成氣后無(wú)需除塵和脫硫單元，可以直接進(jìn)入發(fā)電單元，省去了廢熱鍋爐和除塵脫硫裝置。[0026]本實(shí)用新型提供的基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)氣化的發(fā)電系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)相比，具有以下特點(diǎn):1、煤炭氣化過(guò)程分級(jí)進(jìn)行，首先進(jìn)行煉焦提純，得到的焦炭與二氧化碳反應(yīng)直接氣化，省去了 IGCC系統(tǒng)中的空分裝置，減少了系統(tǒng)能耗；2、燃料分為供熱用煤和氣化用煤，供熱用煤在燃燒室直接燃燒向碳化室、氣化室供熱，可以使用低質(zhì)煤，實(shí)現(xiàn)了低質(zhì)煤的間接氣化，從而增加了燃料的適應(yīng)性；3、煤炭中的灰分和含硫成分在碳化單元以焦油等副產(chǎn)品的形式被分離出來(lái)，產(chǎn)生的合成氣十分純凈，無(wú)需廢熱鍋爐和除塵與脫硫裝置。4、一氧化碳生產(chǎn)單元產(chǎn)生的一氧化碳部分在變換過(guò)程中轉(zhuǎn)化為二氧化碳，再返回到一氧化碳生產(chǎn)單元與粗焦炭反應(yīng)。綜上所述，采用本實(shí)用新型所述的基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)氣化的發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)減少空氣分離單元以及除塵和脫硫單元，將會(huì)使煤炭氣化發(fā)電的發(fā)電效率和生產(chǎn)成本大幅度降低，而且對(duì)煤種的適應(yīng)性大大提高，節(jié)約了優(yōu)質(zhì)煤，是非常有實(shí)用前景的。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)轉(zhuǎn)化的發(fā)電系統(tǒng)，包括外置燃燒單元、傳熱單元、換熱單元、碳化單元、一氧化碳生產(chǎn)單元、變換產(chǎn)氫單元和發(fā)電單元，其特征在于， 所述碳化單元和一氧化碳生產(chǎn)單元均設(shè)置有所述換熱單元，所述外置燃燒單元包括供熱煤入口和高溫空氣入口，供熱煤與經(jīng)所述換熱單元預(yù)熱后的高溫空氣在外置燃燒單元中燃燒生成高溫?zé)煔?，通過(guò)高溫?zé)煔夤苈吠ㄈ敫魉鰮Q熱單元，各所述換熱單元排出的低溫?zé)煔饨?jīng)管路通入所述換熱單元， 所述碳化單元包括氣化煤入口和焦炭出口，所述焦炭出口、所述變換產(chǎn)氫單元的二氧化碳出口分別經(jīng)管路與所述一氧化碳生產(chǎn)單元連通；所述一氧化碳生產(chǎn)單元生成的部分一氧化碳經(jīng)管路通入所述變換產(chǎn)氫單元； 所述一氧化碳生產(chǎn)單元生成的另一部分一氧化碳、所述變換產(chǎn)氫單元生成的富氫合成氣、所述碳化單元生成的焦?fàn)t煤氣分別經(jīng)管路通入發(fā)電單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)還包括二氧化碳分離單元，其進(jìn)口與所述變換產(chǎn)氫單元連通，其出口分別與所述一氧化碳生產(chǎn)單元的二氧化碳進(jìn)口和發(fā)電單元的富氫合成氣進(jìn)口連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述高溫?zé)煔夤苈分性O(shè)置除塵裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述發(fā)電單元采用聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方式，包括燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和余熱鍋爐，燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣引入余熱鍋爐，加熱水產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，再推動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:上述碳化單元為加熱爐、均熱爐或煅燒爐。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述碳化單元還包括焦?fàn)t煤氣出口和焦油出口。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述變換產(chǎn)氫單元還包括水蒸氣入口和富氫合成氣出口。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述一氧化碳生產(chǎn)單元的頂部設(shè)置焦炭進(jìn)口和一氧化碳出口，底部設(shè)置二氧化碳進(jìn)口。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于煤炭的碳?xì)浣M分分級(jí)轉(zhuǎn)化的發(fā)電系統(tǒng)，包括外置燃燒單元、傳熱單元、換熱單元、碳化單元、一氧化碳生產(chǎn)單元、變換產(chǎn)氫單元和發(fā)電單元，將氣化煤分級(jí)氣化得到的煤氣化合成氣通入聯(lián)合循環(huán)發(fā)電單元(IGCC)發(fā)電，氣化煤分級(jí)氣化分為碳化過(guò)程、一氧化碳生產(chǎn)過(guò)程和變換產(chǎn)氫過(guò)程三個(gè)步驟，全程無(wú)氧氣參與反應(yīng)。本實(shí)用新型提出的煤炭氣化發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)煤炭氣化發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)相比，實(shí)現(xiàn)了組分對(duì)口、梯級(jí)利用，發(fā)電效率要比IGCC系統(tǒng)高約6個(gè)百分點(diǎn)。
文檔編號(hào)C10J3/72GK203096004SQ201220748379
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者金紅光, 張?bào)闼?申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所