本發(fā)明提供基于粉煤空氣分級熱解氣化的整體氣化聯(lián)合發(fā)電裝置，屬于煤化工領域。
2.
背景技術：
在能源領域的常識就是煤炭是價格便宜但是污染排放很高的能源，所以開發(fā)潔凈煤的利用技術，一直是世界各國政府與產(chǎn)業(yè)共同努力的目標。
目前國內煤炭清潔發(fā)電技術有二種流派。一種是提高常規(guī)燃煤機組的效率，主要方法是提高主蒸汽的溫度，增強做功能力，是一個獨立的朗肯循環(huán)，比如超臨界、超超臨界。另外一種是IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)即整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，是把潔凈的煤氣化技術與高效的燃氣──蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結合起來，先把煤氣化，然后推動燃機做功，同時配備汽輪機余熱發(fā)電，也就是“用煤做原料的燃氣電廠”。任何循環(huán)的做功能力都取決于做功氣體初溫有多高，超超臨界的主蒸汽溫度在600℃以上，而燃氣輪機做功的透平前溫度是1300℃左右，所以IGCC將是下一步煤炭清潔發(fā)電的主流與趨勢。
在目前技術水平下，IGCC發(fā)電的凈效率可達43％～45％，今后可望達到更高；而污染物的排放量僅為常規(guī)燃煤電站的1/10，脫硫效率可達99％，二氧化硫排放在25mg/Nm3左右，遠低于排放標準1200mg/Nm3，氮氧化物排放只有常規(guī)電站的15％～20％，耗水只有常規(guī)電站的1/2～1/3。因此與傳統(tǒng)煤電技術相比，IGCC具有發(fā)電效率高、污染物排放低，二氧化碳捕集成本低等優(yōu)勢，是目前國際上被驗證的、能夠工業(yè)化的、最具發(fā)展前景的清潔高效煤電技術。
IGCC由兩部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃氣──蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第一部分的主要設備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設備(包括硫的回收裝置)；第二部分的主要設備有燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)。多個關鍵設備組合和集成，系統(tǒng)過于復雜，穩(wěn)定性較差，嚴重影響了裝置的平穩(wěn)長周期運行。一般的IGCC工藝過程為：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料，然后送入燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工質以驅動燃氣透平做功，燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅動蒸汽輪機做功。
目前在全球范圍內，除美國、荷蘭、西班牙、日本等國家已建成的5座IGCC電站，中國華能天津IGCC示范電站是全球第6座IGCC電站，美國印地安納州的Edwardsport電站是全球第7座IGCC電站，美國密西西比州的kemper電站為在建的第八座IGCC電站，另外還有近20座用于多聯(lián)產(chǎn)的IGCC裝置。這些IGCC絕大多數(shù)是采用氧氣為氣化劑的高溫熔渣氣流床氣化爐和濕法低溫凈化。一方面空分裝置制氧能耗和投資高，約占煤氣化的投資和操作能耗的一半，從而加大了單位千瓦投資數(shù)，影響了IGCC的經(jīng)濟競爭力；另一方面氣化爐為高溫熔渣排放氣流床，投資高，氧耗高，高溫運行狀態(tài)設備性能變差、故障率激增，氣化氣余熱回收難度大，液態(tài)排渣操作難度大、余熱難回收、激冷污水處理難度大；再一方面，燃氣濕法低溫凈化，高溫燃氣熱量在反復升降中利用率低，二次污水量較大；最后，空分裝置和氣化爐、燃氣輪機發(fā)電機組三大關鍵設備聯(lián)動，故障率將成倍增加，影響IGCC裝置的長周期平穩(wěn)運行，如中國華能天津IGCC示范電站投產(chǎn)后運行一直不穩(wěn)定，才運轉不到半年，就必須停產(chǎn)兩個多月進行大修，從而成為IGCC技術工業(yè)化推廣應用的瓶頸。
為了節(jié)省氮氧分離的成本與能源損耗，簡化流程、大幅提高整體機組效率、降低IGCC電站單位KW投資，煤空氣氣化技術和高效的燃氣--蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結合與集成的IGCC技術方向成為目前國內外的研究熱點和重點。如2007年完工的日本勿來(nakoso)發(fā)電所10號機就是裝機容量250mw的基于空氣煤氣化的IGCC技術以及美國南方電力的基于空氣輸送床氣化的IGCC技術，但由于燃氣熱值與做功氣體初溫密切相關，這些空氣煤氣化均存在燃氣熱值低(1200Kcal/Nm3左右)，不能滿足現(xiàn)代高效率燃氣輪機發(fā)電的氣體熱值要求(大于1350Kcal/Nm3)，如日本勿來發(fā)電所就不得不采用初溫1200℃的低效燃氣發(fā)電機組；另外為了消除煤氣化焦油產(chǎn)生的含酚廢水二次污染和飛灰降低碳氣化轉化率，一般采用高溫液體排渣，設備高溫下操作難度大、故障率高，污水量大且難處理，影響了基于空氣煤氣化的IGCC技術的競爭力。
3.
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有IGCC技術存在的不足而提供基于粉煤空氣分級熱解氣化的整體氣化聯(lián)合發(fā)電裝置，既解決現(xiàn)有IGCC技術投資高和空分能源損耗高、送電端效率低和三機聯(lián)動故障率高的難題，又可與高初始溫度的高效燃氣輪機集成，簡化流程，大幅度提高整體機組效率、降低IGCC電站單位KW投資，提高正常開工率，減少污水生成量。
本發(fā)明的技術方案：
基于粉煤空氣分級熱解氣化的整體氣化聯(lián)合發(fā)電裝置，由攜帶循環(huán)床、氣體分布器、加壓輸料系統(tǒng)、粉碎機、第一級氣固分離器、返料器、第二級氣固分離器、氣流床、返料口、攜帶床反應器、湍流流化床、燃氣換熱器、高溫移動床、燃燒器、燃氣輪機、空氣入口、一級氣壓機、二級氣壓機、軟化水入口、廢熱回收鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、冷卻水入口、冷卻水出口、換熱料倉、流量調控閥和煙囪等組成；攜帶循環(huán)床的前端依次設有原煤粉碎機和加壓輸料系統(tǒng)，加壓輸料系統(tǒng)的出口接入攜帶循環(huán)床中部的固體進料口；攜帶循環(huán)床底部設有氣體分布器和排灰管，距底部300-1000mm的位置設有返料口，距返料口向上300-3000mm的位置設有Y型連通的氣流床，距氣流床向上500-3000mm的位置設有固體進料口，頂部設有二級氣固分離器；排灰管下裝有換熱料倉，換熱料倉側面設置冷卻水入口和冷卻水出口，底部通過流量調控閥與加壓輸料系統(tǒng)反向接通；第一級氣固分離器的粗灰循環(huán)管通過返料器與攜帶循環(huán)床底部的返料口相連通，第二級氣固分離器的細灰循環(huán)管通過返料器與氣流床相連，第二級氣固分離器氣體出口通過燃氣換熱器與高溫移動床相連；燃燒器、燃氣輪機和二級氣壓機、一級氣壓機和發(fā)電機組成燃氣輪機發(fā)電機組；高溫移動床的出口和一級壓氣機的一路出口均與燃燒器接通，燃燒器出口接入燃氣輪機，燃氣輪機出口通過廢熱回收鍋爐接入煙囪排放；燃氣輪機和二級氣壓機、一級氣壓機和發(fā)電機同軸式依次聯(lián)接聯(lián)動，空氣入口接入一級氣壓機，一級氣壓機的一路出口和燃燒器接通、另一路出口接入二級氣壓機；軟化水入口通過廢熱回收鍋爐接入汽輪機的入口，汽輪機與發(fā)電機聯(lián)接聯(lián)動；汽輪機的出口和二級氣壓機出口均與攜帶循環(huán)床底部的氣體分布器進氣管聯(lián)通。
攜帶循環(huán)床是由下部的湍流流化床和上部的攜帶反應器、以及攜帶反應器下部Y型連通的氣流床組合而成，湍流流化床當量直徑較大，攜帶反應器當量直徑較小，直徑比值為2～3：1；攜帶反應器既可以是當量直徑均一的直管反應器，也可以是由直徑為不同當量直徑倍數(shù)的大小直管通過大小頭管件連接而成，大小直管的直徑比值為1.2～2：1；氣流床當量直徑僅為湍流流化床當量直徑的10％-50％。
湍流流化床的反應溫度為800-1200℃，氣流床的反應溫度為1200-1600℃，攜帶反應器的固體進料口處的反應溫度為700-1000℃，攜帶反應器上部的反應溫度為600-900℃，換熱料倉出口的反應溫度為不大于100℃。
粉碎機粉碎的原料煤為褐煤、長煙煤或煙煤中的一種或混合物，粉碎后粒度為小于5mm的煤粉。
加壓輸料系統(tǒng)為干粉加壓泵或煤鎖加壓進料器。
攜帶循環(huán)床的壓力、二級壓氣機的出口壓力、汽輪機乏汽壓力和煤粉加壓輸料后壓力相同，二級壓氣機的出口壓力比一級壓氣機的出口壓力高0.1-0.6MPa。
一級壓氣機加壓空氣與二級壓氣機加壓空氣的質量比為2:1-0.7。
本發(fā)明將實施例來詳細敘述本發(fā)明的特點。
4.附圖說明
附圖為本發(fā)明的工藝示意圖。
附圖的圖面設明如下：
1、攜帶循環(huán)床 2、氣體分布器 3、加壓輸料系統(tǒng) 4、粉碎機 5、第一級氣固分離器 6、返料器 7、第二級氣固分離器 8、氣流床 9、返料口、10、攜帶床反應器 11、湍流流化床 12、燃氣換熱器 13、高溫移動床 14、燃燒器 15.燃氣輪機 16、空氣入口 17、一級氣壓機 18、二級氣壓機 19、軟化水入口 20、廢熱回收鍋爐 21、汽輪機 22、發(fā)電機 23、冷卻水入口 24、冷卻水出口 25、換熱料倉 26、流量調控閥 27、煙囪
下面結合附圖和實施例來詳述本發(fā)明的裝置特點。
5.具體實施方式
實施例，基于粉煤空氣分級熱解氣化的整體氣化聯(lián)合發(fā)電裝置，由攜帶循環(huán)床1、氣體分布器2、加壓輸料系統(tǒng)3、粉碎機4、第一級氣固分離器5、返料器6、第二級氣固分離器7、氣流床8、返料口9、攜帶床反應器10、湍流流化床11、燃氣換熱器12、高溫移動床13、燃燒器14、燃氣輪機15、空氣入口16、一級氣壓機17、二級氣壓機18、軟化水入口19、廢熱回收鍋爐20)、汽輪機21)、發(fā)電機22)、冷卻水入口23)、冷卻水出口24)、換熱料倉25)、流量調控閥26)和煙囪27等組成；攜帶循環(huán)床1的前端依次設有原煤的粉碎機4和加壓輸料系統(tǒng)3，加壓輸料系統(tǒng)3的出口接入攜帶循環(huán)床1中部的固體進料口；攜帶循環(huán)床1底部設有氣體分布器2和排灰管，距底部300-1000mm的位置設有返料口6，距返料口6向上300-3000mm的位置設有Y型連通的氣流床8，距氣流床8向上500-3000mm的位置設有固體進料口，頂部設有二級氣固分離器；第一級氣固分離器5的粗灰循環(huán)管通過返料器6與攜帶循環(huán)床1底部的返料口9相連通，第二級氣固分離器7的細灰循環(huán)管通過返料器6與氣流床8相連，第二級氣固分離器7氣體出口通過燃氣換熱器12與高溫移動床13相連；燃燒器14、燃氣輪機15和二級氣壓機18、一級氣壓機17和發(fā)電機22組成燃氣輪機發(fā)電機組；高溫移動床13的出口和一級壓氣機17的一路出口均與燃燒器14接通，燃燒器14出口接入燃氣輪機15，燃氣輪機15出口通過廢熱回收鍋爐20接入煙囪27排放；燃氣輪機15和二級氣壓機18、一級氣壓機17和發(fā)電機22同軸式依次聯(lián)接聯(lián)動，空氣入口16接入一級氣壓機17，一級氣壓機17的一路出口和燃燒器14接通、另一路出口接入二級氣壓機18；軟化水入口19通過廢熱回收鍋爐20接入汽輪機21的入口，汽輪機21與發(fā)電機22聯(lián)接聯(lián)動；汽輪機21的出口和二級氣壓機18出口均與攜帶循環(huán)床1底部的氣體分布器2進氣管聯(lián)通；排灰管下裝有換熱料倉25，換熱料倉25側面設置冷卻水入口23和冷卻水出口24，底部通過流量調控閥26與加壓輸料系統(tǒng)3反向接通。
攜帶循環(huán)床1是由下部的湍流流化床11和上部的攜帶反應器10以及攜帶反應器10下部Y型連通的氣流床8組合而成，湍流流化床11當量直徑較大，攜帶反應器10當量直徑較小，直徑比值為2～3：1；攜帶反應器10既可以是當量直徑均一的直管反應器，也可以是由直徑為不同當量直徑倍數(shù)的大小直管通過大小頭管件連接而成，大小直管的直徑比值為1.2～2：1；氣流床(8當量直徑僅為湍流流化床(11)當量直徑的10％-50％。
湍流流化床(11)的反應溫度為800-1200℃，氣流床(8)的反應溫度為1200-1600℃，攜帶反應器(10的固體進料口處的反應溫度為700-1000℃，攜帶反應器(10上部的反應溫度為600-900℃，換熱料倉(25出口的反應溫度為不大于100℃。
粉碎機4粉碎的原料煤為褐煤、長煙煤或煙煤中的一種或混合物，粉碎后粒度為小于5mm的煤粉。
加壓輸料系統(tǒng)3為干粉加壓泵或煤鎖加壓進料器。
攜帶循環(huán)床1的壓力、二級壓氣機18的出口壓力、汽輪機21乏汽壓力和煤粉加壓輸料后壓力相同，二級壓氣機18的出口壓力比一級壓氣機17的出口壓力高0.1-0.6MPa。
一級壓氣機17加壓空氣與二級壓氣機18加壓空氣的質量比為2:1-0.7。
具體運行時，將原料煤通過粉碎機4粉碎成0～6mm的煤粉，然后通過加壓輸料系統(tǒng)3進入攜帶循環(huán)床1中下部與高溫氣化氣和循環(huán)灰混合，在700-1000℃下進行粉煤加氫裂解反應，生成大量甲烷和少許焦油，并一起向上流動形成物料循環(huán)；裂解油汽與氣化氣和循環(huán)灰在攜帶床反應器中混合向上提升，在600-900℃下繼續(xù)進行焦油加氫熱解，產(chǎn)生甲烷和輕烴；在攜帶循環(huán)床1頂部經(jīng)過氣固分離，第一級氣固分離器5分離的高溫大中顆粒含碳熱灰通過返料器6從返料口9返回攜帶循環(huán)床1底部，與二級加壓熱空氣和汽輪機乏汽在800-1200℃下發(fā)生半焦氣化反應，氣化氣與絕大部分高溫循環(huán)灰再次一起向上流動形成物料循環(huán)；第二級氣固分離器7分離的高溫細含碳灰送到與攜帶循環(huán)床1中下部Y型連通的氣流床8中，在1200～1600℃下空氣氣化反應，生成高溫氣和液態(tài)灰渣流出氣流床8進入攜帶循環(huán)床1內，高溫氣向上升進入攜帶循環(huán)床1中下部，為攜帶循環(huán)床(1粉煤和焦油加氫裂解提供熱量；液態(tài)灰渣向下流到攜帶循環(huán)床1下部的循環(huán)灰料層，換熱凝固為固體灰渣，隨攜帶循環(huán)床1的固體物料參與循環(huán)或排灰排出；第二級氣固分離器7分出氣體作為燃氣經(jīng)過燃氣換熱器12換熱調溫后，通過高溫移動床13除塵脫硫脫氯和脫重金屬凈化；凈化后燃氣在燃燒器14中與一級加壓空氣高效混合和燃燒，推動燃氣輪機高速旋轉，帶動二級氣壓機18、一級氣壓機17和發(fā)電機22運轉；除塵空氣從空氣入口16進入一級氣壓機17加壓，加壓后部分作為燃氣輪機15的助燃空氣，部分進入二級氣壓機18再次加壓；燃氣輪機15的高溫煙氣通過廢熱回收鍋爐20將軟化水入口19加入的水加熱成高壓蒸汽后，通過煙囪27排出；高壓蒸汽推動汽輪機21旋轉并帶動發(fā)電機22發(fā)電，燃氣發(fā)電機和汽輪發(fā)電機產(chǎn)生的電作為產(chǎn)品外送；汽輪機21乏汽和二次高壓熱空氣通過攜帶循環(huán)床1底部的氣體分布器2進入，和半焦在800-1200℃下發(fā)生氣化反應；少部分高溫循環(huán)灰從攜帶循環(huán)床1底部的排灰管排入換熱料倉25，被從冷卻水入口23進入、冷卻水出口24排出的冷卻水換熱降溫到100℃以下，從換熱料倉25下部通過流量調控閥26調控低溫循環(huán)灰定時通過加壓輸料系統(tǒng)反向外排。
本發(fā)明所提供的基于粉煤空氣分級熱解氣化的整體氣化聯(lián)合發(fā)電裝置，通過攜帶循環(huán)床粉煤分級熱解氣化生產(chǎn)富含甲烷的燃氣和固態(tài)排渣以及高溫移動床燃氣凈化，能夠滿足高初始溫度的高效燃氣輪機的燃氣熱之要求，既解決現(xiàn)有IGCC技術投資過高和空分能源損耗高、送電端效率低和三機聯(lián)動故障率高的難題，又可與高初始溫度的高效燃氣輪機集成，簡化流程，大幅度提高整體機組效率、降低IGCC電站單位KW投資，提高正常開工率，減少水消耗量和污水生成量；另外氣化爐操作簡便，氧耗低、氣化效率高，氣化強度大，設備體積小，鋼材耗量低，固定投資大大降低，排灰過程簡單。