[發明專利]煤氣化工藝與蒸汽透平發電工藝的耦合方法

有效

• 申請號: 201010258734.1
• 申請日: 2010-08-20
• 公開（公告）號: CN102373092A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發明（設計）人: 谷俊杰;李金來;甘中學
• 申請（專利權）人: 新奧科技發展有限公司
• 主分類號: C10J3/46
• 分類號: C10J3/46;C10J3/72;C10J3/84;F01D15/10
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 任永利

發明領域

本發明涉及煤的多聯產領域，具體為以煤為原料的氣電聯產領域。

背景技術

當前，煤氣化技術在我國已廣泛應用，但基本局限于煤化工領域，以獲得有形的化工產品為主。為了提高能量效率，當前的發展趨勢是將煤氣化技術與發電技術結合起來，即進行所謂的氣電聯產。以煤為原料，聯產合成氣、電以及熱。其中合成氣可進一步燃燒發電，或進行進一步加工成化工產品(如合成氨，甲醇，二甲醚、液體燃料等)。這樣的氣電聯產工藝將化工過程與電力生產有機結合，取得了巨大的社會和經濟效益。

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

另一種煤氣電聯產工藝是整體煤氣化聯合循環(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生蒸汽，該蒸汽可用于驅動蒸汽透平發電。合成氣經過凈化單元凈化后，進入燃氣輪機燃燒以發電，燃燒尾氣的熱量在余熱鍋爐中回收并產生蒸汽，該蒸汽也可用于驅動蒸汽透平發電。

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

水借助給水泵提升壓力進入鍋爐，然后經鍋爐加熱成蒸汽后進入過熱器中繼續加熱，使其溫度進一步升高(其作用主要有二：一是繼續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)變為非飽和蒸汽(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，使干蒸汽在發動機(蒸汽機或汽輪機)內絕熱膨脹對外作功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。

理想的Rankine循環也可以用如圖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。

關于Rankine循環的詳細介紹，請參見《現代煤炭轉化與煤化工新技術新工藝實用全書》，第九章第六篇，蒸汽煤氣化聯合循環發電，廖漢湘主編，2004年，以及《整體煤氣化聯合循環熱電油多聯產工藝技術特點與應用》，陳崇亮，袁龍軍，煤炭工程，2008年11期。

由圖2可見，蒸汽輪機發電主要包括蒸汽透平發電，蒸汽冷卻，以及泵加壓返回幾部分。一個理想Rankine循環，其熱效率取決于吸熱過程和放熱過程的溫度和壓力。蒸汽透平的發電效率取決于循環的凈功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，該溫度受冷卻介質溫度及冷凝器尺寸限制。例如，通常蒸汽輪機發電過程中，蒸汽冷卻部分的冷卻介質往往用冷卻水。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循環介質的情況下，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，熱效率經計算約為23％。

顯然，上述Rankine循環要求提供大量的冷卻水。