[發(fā)明專利]煤氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010258717.8
• 申請日: 2010-08-20
• 公開（公告）號: CN102373096A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 甘中學;谷俊杰;李金來;趙曉
• 申請（專利權(quán)）人: 新奧科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: C10J3/54
• 分類號: C10J3/54;C10J3/46;C10J3/72;C10J3/84;C10B53/04;F01D15/10
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進委員會專利商標事務(wù)所 11038
• 代理人: 任永利

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及煤的多聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域，具體為以煤為原料的氣電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

當前，煤氣化技術(shù)在我國已廣泛應(yīng)用，但基本局限于煤化工領(lǐng)域，以獲得有形的化工產(chǎn)品為主。為了提高能量效率，當前的發(fā)展趨勢是將煤氣化技術(shù)與發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來，即進行所謂的氣電聯(lián)產(chǎn)。以煤為原料，聯(lián)產(chǎn)合成氣、電以及熱。其中合成氣可進一步燃燒發(fā)電，或進行進一步加工成化工產(chǎn)品(如合成氨，甲醇，二甲醚、液體燃料等)。這樣的氣電聯(lián)產(chǎn)工藝將化工過程與電力生產(chǎn)有機結(jié)合，取得了巨大的社會和經(jīng)濟效益。

當前的煤氣化多聯(lián)產(chǎn)工藝，主要停留在將煤氣化產(chǎn)品物流導入各個相對獨立的后續(xù)系統(tǒng)中進行聯(lián)產(chǎn)，例如將煤氣化過程中產(chǎn)生的合成氣導入發(fā)電系統(tǒng)中作為燃料，或者將該合成氣導入后續(xù)的甲醇合成系統(tǒng)中用于合成甲醇等。其中煤氣化工藝與發(fā)電工藝或甲醇合成工藝是相對獨立的，它們之間僅靠產(chǎn)品流股來發(fā)生聯(lián)系，從能量的角度看各工藝之間是相對獨立的。

另一種煤氣電聯(lián)產(chǎn)工藝是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(簡稱IGCC，下同)，該工藝中，處理后的煤與空分單元來的氧氣在氣化爐中生成合成氣，合成氣的顯熱通過間接換熱來加熱水以產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽可用于驅(qū)動蒸汽透平發(fā)電。合成氣經(jīng)過凈化單元凈化后，進入燃氣輪機燃燒以發(fā)電，燃燒尾氣的熱量在余熱鍋爐中回收并產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽也可用于驅(qū)動蒸汽透平發(fā)電。

蒸汽輪機發(fā)電通常使用基于Rankine循環(huán)的熱力學過程。Rankine循環(huán)是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的一種蒸汽發(fā)電循環(huán)，典型的Rankine循環(huán)的流程圖如圖2所示，簡述如下：

水借助給水泵提升壓力進入鍋爐，然后經(jīng)鍋爐加熱成蒸汽后進入過熱器中繼續(xù)加熱，使其溫度進一步升高(其作用主要有二：一是繼續(xù)升高溫度從而進一步增加效率；二是從飽和蒸汽(稱為濕蒸汽)變?yōu)榉秋柡驼羝?稱為干蒸汽)。在此加熱和過熱過程中吸入的總熱量為Q。然后，使干蒸汽在發(fā)動機(蒸汽機或汽輪機)內(nèi)絕熱膨脹對外作功Ws，膨脹降溫后的蒸汽(稱為乏汽)再進入冷凝器凝結(jié)為水，放出熱量。冷凝水再通過給水泵送入鍋爐，完成一個循環(huán)。

理想的Rankine循環(huán)也可以用如圖3所示的溫熵圖(T-S圖)來描述。蒸汽對外所做的理論功相當于圖3中曲線1→2→3→4→5→6→1所包圍的面積。其中循環(huán)中的吸熱(1→2→3→4)和放熱過程(5→6)為等壓過程，蒸汽的膨脹(4→5)和冷凝水升壓過程(6→1)為等熵過程。

關(guān)于Rankine循環(huán)的詳細介紹，請參見《現(xiàn)代煤炭轉(zhuǎn)化與煤化工新技術(shù)新工藝實用全書》，第九章第六篇，蒸汽煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，廖漢湘主編，2004年，以及《整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)熱電油多聯(lián)產(chǎn)工藝技術(shù)特點與應(yīng)用》，陳崇亮，袁龍軍，煤炭工程，2008年11期。

由圖2可見，蒸汽輪機發(fā)電主要包括蒸汽透平發(fā)電，蒸汽冷卻，以及泵加壓返回幾部分。一個理想Rankine循環(huán)，其熱效率取決于吸熱過程和放熱過程的溫度和壓力。蒸汽透平的發(fā)電效率取決于循環(huán)的凈功W_s(W_s＝ΔH＝H₅-H₄)與由外界初始供給熱量即圖2的Q之比。

整個Rankine循環(huán)的熱效率為：

η＝(H₄-H₅)/(H₄-H₁)

其中H₄，H₅，H₁分別代表圖2所示的進入透平機前的蒸汽的焓，乏汽5的焓以及進入鍋爐的高壓水的焓。該焓基本上與蒸汽或水的溫度成正比。

對于在蒸汽透平機中進行的放熱過程，降低乏汽5的溫度能提高Rankine循環(huán)熱效率，但乏汽5的溫度并不能無限制地降低，該溫度受冷卻介質(zhì)溫度及冷凝器尺寸限制。例如，通常蒸汽輪機發(fā)電過程中，蒸汽冷卻部分的冷卻介質(zhì)往往用冷卻水。冷卻水的通常工況為表壓0.52MPa，溫度32℃。由于冷卻水介質(zhì)的限制，出透平機的蒸汽即圖2中所謂的乏汽5的通常控制在32℃以上。

舉例來說，在使用水以及干蒸汽作為Rankine循環(huán)介質(zhì)的情況下，進入蒸汽透平的干蒸汽的溫度為550℃，壓力為23MPa，而出蒸汽透平的乏汽5的溫度為120.21℃，壓力為0.2Mpa，在這種情況下，熱效率經(jīng)計算約為23％。

顯然，上述Rankine循環(huán)要求提供大量的冷卻水。