專利名稱：煤氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤的多聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及以煤為原料的氣電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，煤氣化技術(shù)在我國(guó)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(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是將煤氣化技術(shù)與發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來(lái)，即進(jìn)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(jìn)一步燃燒發(fā)電，或進(jìn)行進(jìn)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(guò)程與電力生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，取得了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)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(dǎo)入各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的后續(xù)系統(tǒng)中進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)，例如將煤氣化過(guò)程中產(chǎn)生的合成氣導(dǎo)入發(fā)電系統(tǒng)中作為燃料，或者將該合成氣導(dǎo)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(duì)獨(dú)立的，它們之間僅靠產(chǎn)品流股來(lái)發(fā)生聯(lián)系，從能量的角度看各工藝之間是相對(duì)獨(dú)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(jiǎn)稱IGCC，下同)，該工藝中，處理后的煤與空分單元來(lái)的氧氣在氣化爐中生成合成氣，合成氣的顯熱通過(guò)間接換熱來(lái)加熱水以產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽可用于驅(qū)動(dòng)蒸汽透平發(fā)電。合成氣經(jīng)過(guò)凈化單元凈化后，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)蒸汽透平發(fā)電。蒸汽輪機(jī)發(fā)電通常使用基于Rankine循環(huán)的熱力學(xué)過(guò)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(jiǎn)述如下水借助給水泵提升壓力進(jìn)入鍋爐，然后經(jīng)鍋爐加熱成蒸汽后進(jìn)入過(guò)熱器中繼續(xù)加熱，使其溫度進(jìn)一步升高(其作用主要有二 一是繼續(xù)升高溫度從而進(jìn)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(guò)熱過(guò)程中吸入的總熱量為Q。然后，使干蒸汽在發(fā)動(dòng)機(jī)(蒸汽機(jī)或汽輪機(jī))內(nèi)絕熱膨脹對(duì)外作功Ws，膨脹降溫后的蒸汽(稱為乏汽)再進(jìn)入冷凝器凝結(jié)為水，放出熱量。冷凝水再通過(guò)給水泵送入鍋爐，完成一個(gè)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(lái)描述。蒸汽對(duì)外所做的理論功相當(dāng)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(guò)程(5 — 6)為等壓過(guò)程，蒸汽的膨脹G — 5)和冷凝水升壓過(guò)程(6 — 1)為等熵過(guò)程。關(guān)于Rankine循環(huán)的詳細(xì)介紹，請(qǐng)參見《現(xiàn)代煤炭轉(zhuǎn)化與煤化工新技術(shù)新工藝實(shí)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(diǎn)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(jī)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(gè)理想Rankine循環(huán)，其熱效率取決于吸熱過(guò)程和放熱過(guò)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WS(WS = ΔΗ = H5-H4)與由外界初始供給熱量即圖2的 Q之比。整個(gè)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(jìn)入透平機(jī)前的蒸汽的焓，乏汽5的焓以及進(jìn)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(duì)于在蒸汽透平機(jī)中進(jìn)行的放熱過(guò)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(wú)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(jī)發(fā)電過(guò)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°C。由于冷卻水介質(zhì)的限制，出透平機(jī)的蒸汽即圖2中所謂的乏汽 5的通?？刂圃?2°C以上。舉例來(lái)說(shuō)，在使用水以及干蒸汽作為Rankine循環(huán)介質(zhì)的情況下，進(jìn)入蒸汽透平的干蒸汽的溫度為550°C，壓力為23MPa，而出蒸汽透平的乏汽5的溫度為120. 21°C，壓力為 0. 2Mpa，在這種情況下，熱效率經(jīng)計(jì)算約為23%。顯然，上述Rankine循環(huán)要求提供大量的冷卻水?？梢姡谏鲜鯥GCC工藝中，仍然是利用合成氣這一產(chǎn)品流股的換熱和/或燃燒所產(chǎn)生的能量來(lái)將水加熱成蒸汽，蒸汽進(jìn)而驅(qū)動(dòng)蒸汽透平發(fā)電，煤氣化工藝和Rankine循環(huán)工藝之間也是相對(duì)獨(dú)立的。即Rankine循環(huán)的發(fā)電效率僅受所產(chǎn)生的蒸汽的溫度的影響， 煤氣化工藝并不直接影響Rankine循環(huán)的發(fā)電效率。換句話說(shuō)，以上將煤氣化與蒸汽透平發(fā)電聯(lián)合的工藝只利用了由煤氣化過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽，即僅由煤氣化過(guò)程中的產(chǎn)生的蒸汽使煤氣化工藝和蒸汽透平發(fā)電工藝發(fā)生聯(lián)系，能量集成程度和工藝集成程度均仍有提高的余地。本發(fā)明則提供了一種從工藝流股和能量角度看，集成程度更高的煤氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法。發(fā)明概述第一方面，本發(fā)明提供了一種新型的煤氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法，其包括以下步驟a使煤在氣化爐中與水和任選的氧化劑發(fā)生氣化反應(yīng)，從而產(chǎn)生包括合成氣在內(nèi)的反應(yīng)后混合物；b將所述反應(yīng)后混合物導(dǎo)入第一換熱器中與水進(jìn)行間接換熱，水被加熱而生成蒸汽，而所述反應(yīng)后混合物被冷卻得到冷卻后的反應(yīng)后混合物；c將步驟b中生成的蒸汽引入蒸汽透平中進(jìn)行膨脹做功而發(fā)電，該蒸汽因膨脹做功而變?yōu)榉ζ?，其中該乏汽的溫度和壓力與步驟b中的蒸汽相比均降低了 ；d對(duì)步驟b中的冷卻后的反應(yīng)后混合物進(jìn)行除水除渣以得到合成氣，然后將該合成氣膨脹降壓；e將常溫冷卻水流股以及步驟d的膨脹降壓后的合成氣分別導(dǎo)入冷凝器中，在該冷凝器中它們共同與來(lái)自步驟c的乏汽進(jìn)行換熱，由此將所述乏汽變?yōu)橐后w水，其中所述常溫為18-23 0C ；f將來(lái)自步驟e的液體水加壓后送入步驟b的第一換熱器中以與所述反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱，以重新產(chǎn)生所述蒸汽。第二方面，本發(fā)明提供了一種新型的煤氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法，其包括以下步驟a使煤在氣化爐中與水和任選的氧化劑發(fā)生氣化反應(yīng)，從而產(chǎn)生包括合成氣在內(nèi)的反應(yīng)后混合物；b將所述反應(yīng)后混合物導(dǎo)入第一換熱器中與水進(jìn)行間接換熱，水被加熱而生成蒸汽，而所述反應(yīng)后混合物被冷卻得到冷卻后的反應(yīng)后混合物；c將步驟b中生成的蒸汽引入蒸汽透平中進(jìn)行膨脹做功而發(fā)電，該蒸汽因膨脹做功而變?yōu)榉ζ?，其中該乏汽的溫度和壓力與步驟b中的蒸汽相比均降低了 ；d對(duì)步驟b中的冷卻后的反應(yīng)后混合物進(jìn)行除水除渣以得到合成氣，然后將該合成氣膨脹降壓；e將步驟d的膨脹降壓后的合成氣導(dǎo)入第二換熱器中來(lái)對(duì)冷卻水流股進(jìn)行冷卻， 然后將離開第二換熱器的合成氣與所得到的經(jīng)冷卻的冷卻水流股分別導(dǎo)入冷凝器中，在該冷凝器中它們共同與來(lái)自步驟c的乏汽進(jìn)行換熱，由此將所述乏汽變?yōu)橐后w水；f將來(lái)自步驟e的液體水加壓后送入步驟b的第一換熱器中以與所述反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱，以重新產(chǎn)生所述蒸汽。附圖簡(jiǎn)述

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種熱電氣聯(lián)產(chǎn)工藝的示意性流程圖。圖2是Rankine循環(huán)的示意性流程圖。圖3是Rankine循環(huán)的溫熵圖(T-S圖)。圖4是本發(fā)明的方法的一種實(shí)施方案的示意性流程圖。圖5是本發(fā)明的方法的另一種實(shí)施方案的示意性流程圖。發(fā)明詳述在本發(fā)明的第一方面的步驟a中，使煤在氣化爐中與水和任選的氧化劑發(fā)生氣化反應(yīng)，從而產(chǎn)生包括合成氣在內(nèi)的反應(yīng)后混合物。以上所述的煤包括煙煤、無(wú)煙煤、褐煤、泥煤、生物質(zhì)或其混合物。煤的粒徑小于1920微米，優(yōu)選粒徑小于100微米。其中所述水為處于亞臨界或超臨界狀態(tài)的水。氧化劑可以為氧氣、富氧空氣、空氣、或過(guò)氧化氫或它們的任意兩種或更多種的混合物?？扇芜x地加入氧化劑，若加入的氧化劑話，則其加入量可以為煤質(zhì)量的10-60%。煤與水以及任選的氧化劑發(fā)生氣化反應(yīng)，生成包括合成氣在內(nèi)的多種反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)還生成灰渣，反應(yīng)后的體系中還殘留有未反應(yīng)完全的反應(yīng)物(如未反應(yīng)完全的煤、未反應(yīng)完全的水和未反應(yīng)完全的其它氧化劑)等，它們混合在一起流出氣化爐，將流出氣化爐的物質(zhì)統(tǒng)稱為反應(yīng)后混合物。步驟a的一種具體實(shí)施方案是將煤與水配制成水煤漿，水煤漿濃度(干基煤質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般為10-70%，優(yōu)選20-50%。配制過(guò)程中還可以加入穩(wěn)定劑和一定比例的催化劑。催化劑的加入量可以為煤粉質(zhì)量的2-20%。催化劑包括但不限于堿金屬或堿土金屬的氧化物、堿金屬或堿土金屬的氫氧化物、堿金屬或堿土金屬鹽或它們的混合物，例如 K20、Na2O, CaO、MgO, NaOH、KOH、Ca (OH)2, Mg (OH)2, K2CO3 和 Na2CO3,或由它們組成的混合物。將這樣的水煤漿預(yù)熱加壓后送入氣化爐中，氣化爐處于水的亞臨界狀態(tài)或超臨界狀態(tài)下，其中所述水的亞臨界狀態(tài)是指溫度在水的常壓沸點(diǎn)以上且在水的臨界溫度以下而壓力為使水保持為液態(tài)的壓力，所述水的超臨界狀態(tài)是指絕對(duì)壓力在22. IMPa以上且溫度在374°C以上。煤在該氣化爐中與水發(fā)生氣化反應(yīng)，生成合成氣。還可以任選地向氣化爐中通入氧化劑例如氧氣、富氧空氣、空氣、或過(guò)氧化氫或它們的任意兩種或更多種的混合物，則煤在該氣化爐中與水和氧化劑反應(yīng)生成合成氣。值得指出的是，該氧化劑是任選添加的，即該氧化劑可添加也可不添加。但優(yōu)選添加氧化劑，因?yàn)檠趸瘎┏艘材芘c煤反應(yīng)提供一部分合成氣之外，更重要的是，因?yàn)槊号c亞臨界水或超臨界水發(fā)生的氣化反應(yīng)是吸熱的，煤與氧化劑反應(yīng)放出熱量則可以用來(lái)維持氣化爐內(nèi)的溫度。若不加入氧化劑，則為了維持氣化爐溫度，需要外部加熱設(shè)備例如電加熱套等對(duì)氣化爐進(jìn)行加熱以維持氣化爐的溫度。在本發(fā)明的第一方面的步驟b中，將所述反應(yīng)后混合物導(dǎo)入第一換熱器中與水進(jìn)行間接換熱，水被加熱而生成蒸汽，而所述反應(yīng)后混合物被冷卻得到冷卻后的反應(yīng)后混合物。其中與反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱的水是經(jīng)泵加壓后的加壓水。其中所述第一換熱器可以是任何合適的用于間接換熱的換熱器，例如列管式換熱器、翅片式換熱器等，這些換熱器的類型和具體構(gòu)造是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，這里不再贅述。由于離開氣化爐的反應(yīng)后混合物的溫度很高，故通過(guò)用水換熱來(lái)回收其顯熱，這可將該液體水轉(zhuǎn)變成蒸汽，其中所述蒸汽的絕對(duì)壓力為15MPa以上，溫度為200°C以上。本文中將處于以上溫度和壓力范圍內(nèi)的蒸汽稱為高溫高壓蒸汽。該蒸汽的具體溫度和壓力可根據(jù)Rankine循環(huán)的工藝條件的需要在以上范圍內(nèi)進(jìn)行具體選擇，例如在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，絕對(duì)壓力可為15MPa而溫度為 400°C或更高。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述高溫高壓蒸汽為溫度為374-700°C且絕對(duì)壓力為 22. l-40MPa的蒸汽。在一個(gè)實(shí)施方案中，該高溫高壓蒸汽可以為適合于Rankine循環(huán)的任何溫度和壓力。顯然，該第一換熱器起到了圖2中所示的Rankine循環(huán)中的鍋爐和過(guò)熱器的作用。在本發(fā)明的第一方面的步驟c中，將步驟b中生成的蒸汽引入蒸汽透平中進(jìn)行膨脹做功而發(fā)電，該蒸汽因膨脹做功而變?yōu)榉ζ?，其中該乏汽的溫度和壓力與步驟b中的蒸汽相比均降低了。在一個(gè)實(shí)施方案中，該乏汽的溫度為約25°C -30°C，絕對(duì)壓力為 0. 0032-0. 0042MPao值得指出的是，乏汽仍然處于蒸汽狀態(tài)。然后將該乏汽導(dǎo)入冷凝器中。在本發(fā)明的第一方面的步驟d中，對(duì)步驟b中的冷卻后的反應(yīng)后混合物進(jìn)行除水除渣以得到合成氣，然后將該合成氣膨脹降壓，由此得到低溫低壓合成氣，其中所述低溫為 2. 6°C以下，低壓為2MPa以下。使合成氣通過(guò)膨脹設(shè)備來(lái)進(jìn)行上述膨脹降壓過(guò)程，這樣的膨脹設(shè)備包括降壓毛細(xì)管、降壓閥、膨脹機(jī)等。以上使氣體膨脹降壓的方法和設(shè)備都是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，在此不再贅述。這樣的膨脹降壓過(guò)程還導(dǎo)致合成氣溫度降低，例如可將合成氣的溫度降至約0°C。作為更一般的原則，可將該合成氣的溫度降至比步驟c的乏汽更低的溫度。在本發(fā)明的第一方面的步驟e中，將常溫冷卻水流股以及步驟d的膨脹降壓后的合成氣分別導(dǎo)入冷凝器中，在該冷凝器中它們共同與來(lái)自步驟c的乏汽進(jìn)行換熱，由此將所述乏汽變?yōu)橐后w水，其中所述常溫為18-23°C。該換熱步驟可在冷凝器中進(jìn)行。該冷凝器本質(zhì)上是個(gè)換熱器，例如列管式換熱器或翅片式換熱器以及任何合適類型的換熱器。步驟 c的乏汽與冷卻水和步驟d的膨脹降壓后的合成氣可以在其中進(jìn)行間接換熱。乏汽被冷凝成液體水，而膨脹降壓后的合成氣則溫度略有提升，然后合成氣離開冷凝器進(jìn)入后續(xù)的分離單元或送至燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電。常溫冷卻水在與乏汽換熱后也離開該冷凝器。值得指出的是，在使用間接換熱的情況下，所述常溫冷卻水和所述膨脹降壓后的合成氣是分別進(jìn)入該冷凝器并分別離開該冷凝器的，即二者各走各的管路，彼此之間沒(méi)有發(fā)生接觸或混合，但它們共同在該冷凝器中與來(lái)自步驟c的乏汽進(jìn)行了換熱。且乏汽冷卻后形成的液體水與所述常溫冷卻水和所述膨脹降壓后的合成氣也不發(fā)生直接接觸。在本發(fā)明的第一方面的步驟f中，將來(lái)自步驟e的液體水加壓后送入步驟b的第一換熱器中以與所述反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱，以重新產(chǎn)生所述蒸汽。加壓通過(guò)泵來(lái)進(jìn)行，優(yōu)選將該液體水加熱至絕對(duì)壓力15MPa以上。該液體水進(jìn)入步驟b的換熱器后被來(lái)自氣化爐的高溫的反應(yīng)后混合物加熱而重新生成高溫高壓蒸汽，該高溫高壓蒸汽用于進(jìn)行下一輪 Rankine 循環(huán)。在本發(fā)明的第二方面的步驟a中，使煤在氣化爐中與水和任選的氧化劑發(fā)生氣化反應(yīng)，從而產(chǎn)生包括合成氣在內(nèi)的反應(yīng)后混合物。以上所述的煤包括煙煤、無(wú)煙煤、褐煤、泥煤、生物質(zhì)或其混合物。煤的粒徑小于1920微米，優(yōu)選粒徑小于100微米。其中所述水為處于亞臨界或超臨界狀態(tài)的水。氧化劑可以為氧氣、富氧空氣、空氣、或過(guò)氧化氫或它們的任意兩種或更多種的混合物?？扇芜x地加入氧化劑，若加入的氧化劑話，則其加入量可以為煤質(zhì)量的10-60%。煤與水以及任選的氧化劑發(fā)生氣化反應(yīng)，生成包括合成氣在內(nèi)的多種反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)還生成灰渣，反應(yīng)后的體系中還殘留有未反應(yīng)完全的反應(yīng)物(如未反應(yīng)完全的煤、未反應(yīng)完全的水和未反應(yīng)完全的其它氧化劑)等，它們混合在一起流出氣化爐，將流出氣化爐的物質(zhì)統(tǒng)稱為反應(yīng)后混合物。步驟a的一種具體實(shí)施方案是將煤與水配制成水煤漿，水煤漿濃度(干基煤質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般為10-70%，優(yōu)選20-50%。配制過(guò)程中還可以加入穩(wěn)定劑和一定比例的催化劑。催化劑的加入量可以為煤粉質(zhì)量的2-20%。催化劑包括但不限于堿金屬或堿土金屬的氧化物、堿金屬或堿土金屬的氫氧化物、堿金屬或堿土金屬鹽或它們的混合物，例如 K20、Na2O, CaO、MgO, NaOH、KOH、Ca (OH)2, Mg (OH)2, K2CO3 和 Na2CO3,或由它們組成的混合物。將這樣的水煤漿預(yù)熱加壓后送入氣化爐中，氣化爐處于水的亞臨界狀態(tài)或超臨界狀態(tài)下，其中所述水的亞臨界狀態(tài)是指溫度在水的常壓沸點(diǎn)以上且在水的臨界溫度以下而壓力為使水保持為液態(tài)的壓力，所述水的超臨界狀態(tài)是指絕對(duì)壓力在22. IMPa 以上且溫度在374°C以上。煤在該氣化爐中與水發(fā)生氣化反應(yīng)，生成合成氣。還可以任選地向氣化爐中通入氧化劑例如氧氣、富氧空氣、空氣、或過(guò)氧化氫或它們的任意兩種或更多種的混合物，則煤在該氣化爐中與水和氧化劑反應(yīng)生成合成氣。值得指出的是，該氧化劑是任選添加的，即該氧化劑可添加也可不添加。但優(yōu)選添加氧化劑，因?yàn)檠趸瘎┏艘材芘c煤反應(yīng)提供一部分合成氣之外，更重要的是，因?yàn)槊号c亞臨界水或超臨界水發(fā)生的氣化反應(yīng)是吸熱的，煤與氧化劑反應(yīng)放出熱量則可以用來(lái)維持氣化爐內(nèi)的溫度。若不加入氧化劑，則為了維持氣化爐溫度，需要外部加熱設(shè)備例如電加熱套等對(duì)氣化爐進(jìn)行加熱以維持氣化爐的溫度。在本發(fā)明的第二方面的步驟b中，將所述反應(yīng)后混合物導(dǎo)入第一換熱器中與水進(jìn)行間接換熱，水被加熱而生成蒸汽，而所述反應(yīng)后混合物被冷卻得到冷卻后的反應(yīng)后混合物。其中與反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱的水是經(jīng)泵加壓后的加壓水。其中所述第一換熱器可以是任何合適的用于間接換熱的換熱器，例如列管式換熱器、翅片式換熱器等，這些換熱器的類型和具體構(gòu)造是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，這里不再贅述。由于離開氣化爐的反應(yīng)后混合物的溫度很高，故通過(guò)用水換熱來(lái)回收其顯熱，這可將該液體水轉(zhuǎn)變成蒸汽，其中所述蒸汽的絕對(duì)壓力為15MPa以上，溫度為200°C以上。本文中將處于以上溫度和壓力范圍內(nèi)的蒸汽稱為高溫高壓蒸汽。該蒸汽的具體溫度和壓力可根據(jù)Rankine循環(huán)的工藝條件的需要在以上范圍內(nèi)進(jìn)行具體選擇，例如在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，絕對(duì)壓力可為15MPa而溫度為 400°C或更高。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述高溫高壓蒸汽為溫度為374-700°C且絕對(duì)壓力為 22. l-40MPa的蒸汽。在一個(gè)實(shí)施方案中，該高溫高壓蒸汽可以為適合于Rankine循環(huán)的任何溫度和壓力。顯然，該第一換熱器起到了圖2中所示的Rankine循環(huán)中的鍋爐和過(guò)熱器的作用。在本發(fā)明的第二方面的步驟c中，將步驟b中生成的蒸汽引入蒸汽透平中進(jìn)行膨脹做功而發(fā)電，該蒸汽因膨脹做功而變?yōu)榉ζ?，其中該乏汽的溫度和壓力與步驟b中的蒸汽相比均降低了。在一個(gè)實(shí)施方案中，該乏汽的溫度為約25°C -30°C，絕對(duì)壓力為 0. 0032-0. 0042MPao值得指出的是，乏汽仍然處于蒸汽狀態(tài)。然后將該乏汽導(dǎo)入冷凝器中。在本發(fā)明的第二方面的步驟d中，對(duì)步驟b中的冷卻后的反應(yīng)后混合物進(jìn)行除水除渣以得到合成氣，然后將該合成氣膨脹降壓，由此得到低溫低壓合成氣，其中所述低溫為 2. 6°C以下，低壓為2MPa以下。使合成氣通過(guò)膨脹設(shè)備來(lái)進(jìn)行上述膨脹降壓過(guò)程，這樣的膨脹設(shè)備包括降壓毛細(xì)管、降壓閥、膨脹機(jī)等。以上使氣體膨脹降壓的方法和設(shè)備都是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，在此不再贅述。這樣的膨脹降壓過(guò)程還導(dǎo)致合成氣溫度降低，例如可將合成氣的溫度降至約0°C。作為更一般的原則，可將該合成氣的溫度降至比步驟c的乏汽更低的溫度。在本發(fā)明的第二方面的步驟e中，將步驟d的膨脹降壓后的合成氣導(dǎo)入第二換熱器中來(lái)對(duì)冷卻水流股進(jìn)行冷卻，然后將離開第二換熱器的合成氣與所得到的經(jīng)冷卻的冷卻水流股分別導(dǎo)入冷凝器中，在該冷凝器中它們共同與來(lái)自步驟c的乏汽進(jìn)行換熱，由此將所述乏汽變?yōu)橐后w水。其中第二換熱器可以是本領(lǐng)域中任何合適的換熱器，例如列管式換熱器或翅片式換熱器等。膨脹降壓后的合成氣(其溫度例如約0°C)與常規(guī)冷卻水(其溫度例如約32°C )在該第二換熱器中進(jìn)行換熱，換熱后離開該第二換熱器的合成氣溫度有所升高，例如升高到10°C，而離開該第二換熱器的冷卻水，又稱經(jīng)冷卻的冷卻水，則溫度有所降低，例如降低到20°C。然后將所述經(jīng)冷卻的冷卻水和所述離開第二換熱器的合成氣通過(guò)各自獨(dú)立的管道分別導(dǎo)入到冷凝器中與來(lái)自步驟c的乏汽先后或同時(shí)進(jìn)行換熱。該冷凝器本質(zhì)上也是個(gè)換熱器，例如列管式換熱器或翅片式換熱器以及任何合適類型的換熱器。步驟c的乏汽與經(jīng)冷卻的冷卻水和離開第二換熱器的合成氣可以在其中進(jìn)行間接換熱。乏汽被冷凝成液體水，而合成氣則溫度再次略有提升，然后合成氣離開冷凝器進(jìn)入后續(xù)的分離單元或送至燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電。經(jīng)冷卻的冷卻水在與乏汽換熱后也離開該冷凝器。值得指出的是，在上述間接換熱的情況下，所述經(jīng)冷卻的冷卻水和所述離開第二換熱器的合成氣是分別進(jìn)入該冷凝器并分別離開該冷凝器的，即二者各走各的管路，彼此之間沒(méi)有發(fā)生接觸或混合，但它們共同在該冷凝器中與來(lái)自步驟c的乏汽進(jìn)行了換熱。且乏汽冷卻后形成的液體水與所述冷卻水和所述膨脹降壓后的合成氣也不發(fā)生直接接觸。 在本發(fā)明的第二方面的步驟f中，將來(lái)自步驟e的液體水加壓后送入步驟b的第一換熱器中以與所述反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱，以重新產(chǎn)生所述蒸汽。加壓通過(guò)泵來(lái)進(jìn)行，優(yōu)選將該液體水加熱至絕對(duì)壓力15MPa以上。該液體水進(jìn)入步驟b的換熱器后被來(lái)自氣化爐的高溫的反應(yīng)后混合物加熱而重新生成高溫高壓蒸汽，該高溫高壓蒸汽用于進(jìn)行下一輪Rankine 循環(huán)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下本發(fā)明的煤氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法使得系統(tǒng)的能量效率得到提高。首先，Rankine循環(huán)中的熱源取自氣化反應(yīng)后的合成氣的顯熱回收，不需要外部熱源， 而在冷凝器中則采用了膨脹降壓后的低溫低壓合成氣以及常溫冷卻水共同冷凝乏汽，或者先用該膨脹降壓后的合成氣來(lái)冷卻水，然后使該合成氣與所得到的經(jīng)冷卻的冷卻水共同冷凝乏汽，減少了常規(guī)冷卻水的消耗，且充分利用了膨脹降壓后的合成氣的冷能。其次，無(wú)論采取以上哪種方案，因?yàn)槔鋮s介質(zhì)的溫度均低于常規(guī)的冷卻水的溫度，故均可以將出蒸汽透平的乏汽的溫度設(shè)定得更低，這相當(dāng)于將T-S圖中的5和6兩點(diǎn)向下移動(dòng)，故增加了曲線 1-2-3-4-5-6-1所包圍的面積，表示蒸汽對(duì)外做的理論功更大，進(jìn)而增加了發(fā)電效率。再次， 合成氣膨脹降壓后還有利于后續(xù)的分離過(guò)程。
實(shí)施例通過(guò)以下非限制性實(shí)施例來(lái)舉例說(shuō)明本發(fā)明的方法。實(shí)施例1參照?qǐng)D4，以煙煤與超臨界水發(fā)生的催化氣化為例。煤經(jīng)過(guò)粉碎研磨制成粒度小于150微米的煤粉，與催化劑Na2CO3 (用量為煤粉質(zhì)量的10% )和水制備成煤粉干基濃度為40%的水煤漿。制備水煤漿的過(guò)程沒(méi)有在圖4中畫出。水煤漿經(jīng)加壓，預(yù)熱達(dá)到23MPa， 550°C進(jìn)入氣化爐，同時(shí)向氣化爐中通入氧氣。在氣化爐中部分水煤漿與加入的氧氣反應(yīng)， 將溫度提升至650°C。在超臨界狀態(tài)下，煤與水在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，生成富含甲烷的合成氣。合成氣的主要成分為甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氫氣等。出氣化爐產(chǎn)物包括合成氣，超臨界水以及反應(yīng)后殘?jiān)?。該反?yīng)后混合物與來(lái)自加壓泵的23MI^水在第一換熱器中換熱，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，進(jìn)入蒸汽透平膨脹發(fā)電后變成乏汽，該乏汽可控制在溫度為 250C _30°C，絕對(duì)壓力為0. 0032-0. 0042Mpa，乏汽進(jìn)入冷凝器冷凝成水。換熱后的合成氣進(jìn)入分離裝置，將合成氣與水，渣分離，分離后的合成氣經(jīng)過(guò)膨脹降壓將溫度降至0°C，然后用作上述冷凝器的冷卻介質(zhì)，以將乏汽冷凝成水，與此同時(shí)，還以獨(dú)立的管路向該冷凝器中通入溫度為20°C的常溫冷卻水，共同對(duì)乏汽進(jìn)行冷卻。之后該合成氣可進(jìn)入后續(xù)分離過(guò)程或進(jìn)入后續(xù)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電。來(lái)自冷凝器的水經(jīng)泵加壓后返回到換熱器中與來(lái)自氣化爐的高溫的反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱，以重新產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。實(shí)施例2參照?qǐng)D5，以煙煤與超臨界水發(fā)生的催化氣化為例。煤經(jīng)過(guò)粉碎研磨制成粒度小于150微米的煤粉，與催化劑Na2CO3 (用量為煤粉質(zhì)量的10% )和水制備成煤粉干基濃度為40%的水煤漿。制備水煤漿的過(guò)程沒(méi)有在圖5中畫出。水煤漿經(jīng)加壓，預(yù)熱達(dá)到23MPa， 550°C進(jìn)入氣化爐，同時(shí)向氣化爐中通入氧氣。在氣化爐中部分水煤漿與加入的氧氣反應(yīng)， 將溫度提升至650°C。在超臨界狀態(tài)下，煤與水在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，生成富含甲烷的合成氣。合成氣的主要成分為甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氫氣等。出氣化爐產(chǎn)物包括合成氣，超臨界水以及反應(yīng)后殘?jiān)?。該反?yīng)后混合物與來(lái)自加壓泵的23MI^水在第一換熱器中換熱，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，進(jìn)入蒸汽透平膨脹發(fā)電后變成乏汽，該乏汽可控制在溫度為 250C _30°C，絕對(duì)壓力為0. 0032-0. 0042Mpa，乏汽進(jìn)入冷凝器冷凝成水。換熱后的合成氣進(jìn)入分離裝置，將合成氣與水，渣分離，分離后的合成氣經(jīng)過(guò)膨脹降壓將溫度降至0°C，然后該合成氣與常規(guī)冷卻水流股在第二換熱器中進(jìn)行換熱，然后將離開該第二換熱器的合成氣和產(chǎn)生的經(jīng)冷卻的冷卻水以各自獨(dú)立的管道分別通入冷凝器中用作冷卻介質(zhì)，以共同將乏汽冷凝成水，之后該合成氣可進(jìn)入后續(xù)分離過(guò)程或進(jìn)入后續(xù)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電。來(lái)自冷凝器的水經(jīng)泵加壓后返回到換熱器中與來(lái)自氣化爐的高溫的反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱，以重新產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。 盡管結(jié)合具體的實(shí)施方案描述了本發(fā)明的方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化，而不背離所附的權(quán)利要求中所定義的保護(hù)范圍。例如，雖然本發(fā)明中Rankine循環(huán)是以水和蒸汽作為工作介質(zhì)的，但顯然，本發(fā)明也適用于以其它物質(zhì)例如二氧化碳、有機(jī)流體例如異鏈烷烴等作工作介質(zhì)的Rankine循環(huán)。本領(lǐng)域技術(shù)人員有能力根據(jù)所采用的具體工作介質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)本發(fā)明中的具體工藝參數(shù)，以使得本發(fā)明得以實(shí)施。 且本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然也可將本發(fā)明中的煤替換為生物質(zhì)和/或有機(jī)廢棄物。生物質(zhì)取其通常意義，即直接來(lái)自于生物體的物質(zhì)，例如秸稈、草木、藻類、植物油、動(dòng)物脂肪、谷物、谷物外殼或堅(jiān)果外殼等。而有機(jī)廢棄物則例如為城市垃圾、人類垃圾(黑/灰水)、污水污泥、醫(yī)療廢棄物、含有機(jī)質(zhì)的工業(yè)廢棄物、電子元件制造的廢棄物、石油提煉和石化產(chǎn)品廢棄物、紙漿和造紙廠的污泥、污水處理廠經(jīng)過(guò)生化處理的污泥，等等。因此，本發(fā)明也將包括以生物質(zhì)和/或有機(jī)廢棄物為原料進(jìn)行的氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法。
權(quán)利要求
1.一種煤氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法，包括以下步驟a使煤在氣化爐中與水和任選的氧化劑發(fā)生氣化反應(yīng)，從而產(chǎn)生包括合成氣在內(nèi)的反應(yīng)后混合物；b將所述反應(yīng)后混合物導(dǎo)入第一換熱器中與水進(jìn)行間接換熱，水被加熱而生成蒸汽， 而所述反應(yīng)后混合物被冷卻得到冷卻后的反應(yīng)后混合物；c將步驟b中生成的蒸汽引入蒸汽透平中進(jìn)行膨脹做功而發(fā)電，該蒸汽因膨脹做功而變?yōu)榉ζ渲性摲ζ臏囟群蛪毫εc步驟b中的蒸汽相比均降低了 ；d對(duì)步驟b中的冷卻后的反應(yīng)后混合物進(jìn)行除水除渣以得到合成氣，然后將該合成氣膨脹降壓；e將常溫冷卻水流股以及步驟d的膨脹降壓后的合成氣分別導(dǎo)入冷凝器中，在該冷凝器中它們共同與來(lái)自步驟c的乏汽進(jìn)行換熱，由此將所述乏汽變?yōu)橐后w水，其中所述常溫為 18-23 0C ；f將來(lái)自步驟e的液體水加壓后送入步驟b的第一換熱器中以與所述反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱，以重新產(chǎn)生所述蒸汽。
2.一種煤氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法，包括以下步驟a使煤在氣化爐中與水和任選的氧化劑發(fā)生氣化反應(yīng)，從而產(chǎn)生包括合成氣在內(nèi)的反應(yīng)后混合物；b將所述反應(yīng)后混合物導(dǎo)入第一換熱器中與水進(jìn)行間接換熱，水被加熱而生成蒸汽， 而所述反應(yīng)后混合物被冷卻得到冷卻后的反應(yīng)后混合物；c將步驟b中生成的蒸汽引入蒸汽透平中進(jìn)行膨脹做功而發(fā)電，該蒸汽因膨脹做功而變?yōu)榉ζ?，其中該乏汽的溫度和壓力與步驟b中的蒸汽相比均降低了 ；d對(duì)步驟b中的冷卻后的反應(yīng)后混合物進(jìn)行除水除渣以得到合成氣，然后將該合成氣膨脹降壓；e將步驟d的膨脹降壓后的合成氣導(dǎo)入第二換熱器中來(lái)對(duì)冷卻水流股進(jìn)行冷卻，然后將離開第二換熱器的合成氣與所得到的經(jīng)冷卻的冷卻水流股分別導(dǎo)入冷凝器中，在該冷凝器中它們共同與來(lái)自步驟c的乏汽進(jìn)行換熱，由此將所述乏汽變?yōu)橐后w水；f將來(lái)自步驟e的液體水加壓后送入步驟b的第一換熱器中以與所述反應(yīng)后混合物進(jìn)行換熱，以重新產(chǎn)生所述蒸汽。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述氧化劑為氧氣、富氧空氣、空氣、或過(guò)氧化氫或它們中的任意兩種或更多種的混合物。
4.權(quán)利要求1或2的方法，其中步驟a中所述氣化反應(yīng)在催化劑的存在下進(jìn)行，所述催化劑選自堿金屬或堿土金屬的氧化物、堿金屬或堿土金屬的氫氧化物、堿金屬或堿土金屬的鹽或它們的混合物。
5.權(quán)利要求1或2的方法，其中用選自二氧化碳或異鏈烷烴的其它工作介質(zhì)代替水以用作Rankine循環(huán)的工作介質(zhì)。
6.權(quán)利要求1或2的方法，其中步驟a中的所述水處于水的超臨界狀態(tài)或亞臨界狀態(tài)， 其中亞臨界狀態(tài)是指溫度在水的常壓沸點(diǎn)以上且在水的臨界溫度以下而壓力為使水保持為液態(tài)的壓力，所述水的超臨界狀態(tài)是指絕對(duì)壓力在22. IMPa以上且溫度在374°C以上。
7.權(quán)利要求1或2的方法，其中步驟b中所述蒸汽的溫度為200°C以上，所述蒸汽的絕對(duì)壓力15MPa以上。
8.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中用生物質(zhì)和/或有機(jī)廢棄物代替所述煤來(lái)進(jìn)行氣化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤氣化工藝與蒸汽透平發(fā)電工藝的耦合方法，包括用水冷卻離開煤氣化爐的高溫的反應(yīng)后混合物，將產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽用于Rankine循環(huán)中進(jìn)行發(fā)電，該反應(yīng)后混合物經(jīng)除水除渣后得到合成氣，該合成氣膨脹降壓后與常溫冷卻水分別進(jìn)入Rankine循環(huán)中的冷凝器中共同充當(dāng)對(duì)乏汽進(jìn)行冷卻的冷卻介質(zhì)，或者先用該膨脹降壓后的合成氣來(lái)冷卻水，然后使該合成氣與所得到的經(jīng)冷卻的水分別進(jìn)入冷凝器中共同與步驟c的乏汽進(jìn)行換熱。以上耦合方法提高了Rankine循環(huán)的發(fā)電效率。
文檔編號(hào)C10J3/72GK102373091SQ201010258720
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者李金來(lái), 甘中學(xué), 谷俊杰, 趙曉 申請(qǐng)人:新奧科技發(fā)展有限公司