專利名稱：內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種把基于煤部分氣化的內(nèi)外燃煤技術(shù)和一體化聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，而且能有效分離二氧化碳的新型發(fā)電系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
目前與本發(fā)明相關(guān)的系統(tǒng)與技術(shù)主要包括燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、燃煤發(fā)電系統(tǒng)的CO2分離技術(shù)以及高初溫蒸汽循環(huán)等，其各自技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和特征如下。
1、燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(CFCC)目前，燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要包括整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)、增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(PFBCC)和煤部分氣化流化床燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(PGFBCC)等。
(1)在IGCC系統(tǒng)中，煤經(jīng)過氣化產(chǎn)生合成煤氣(現(xiàn)多用氣流床氣化爐，其碳轉(zhuǎn)化率一般都在95％以上)，經(jīng)凈化處理的煤氣燃燒后驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，利用高溫排氣在余熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。為了制備煤氣，采用氣流床氣化工藝的IGCC中還設(shè)置了空氣分離設(shè)備(用于制氧供氣化用，簡(jiǎn)稱空分設(shè)備)；IGCC中還有用于煤氣凈化的除塵和脫硫設(shè)備。IGCC是上世紀(jì)70年代石油危機(jī)時(shí)期開始研究和發(fā)展的一種技術(shù)。由于上世紀(jì)90年代世界上研制出一批高性能燃?xì)廨啓C(jī)，采用初溫1300℃左右(FA級(jí))燃?xì)廨啓C(jī)的IGCC凈效率可以達(dá)到43％～45％(LHV)，在熱力性能上可以與傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電機(jī)組相競(jìng)爭(zhēng)，從而使IGCC技術(shù)跨入商業(yè)試用階段。目前世界上已運(yùn)行的大容量(200MW等級(jí)以上)IGCC機(jī)組有多臺(tái)，如荷蘭的Buggenum電廠、西班牙的Puertollano電廠以及美國(guó)的Wabash River電廠和Tampa電廠的機(jī)組。
IGCC是以煤氣代替天然氣的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方式，所不同的是在煤氣化和煤氣凈化過程中存在一定的損失(包括能量損失和能的品位損失)，而且廠用電耗率較高，因而使IGCC的熱效率低于燒天然氣聯(lián)合循環(huán)的熱效率，但比蒸汽單循環(huán)(朗肯循環(huán))效率高。IGCC對(duì)污染物的處理是在高壓力、高濃度、小流量的煤氣中進(jìn)行的，所以凈化效果好，而且處理費(fèi)用低。IGCC的排氣脫硫率可達(dá)到98％以上，并且能獲得可出售的副產(chǎn)品元素硫或硫酸。IGCC的缺點(diǎn)是由于煤氣化工藝(一般采用氣流床氣化)采用高溫的氣化爐，氣化溫度可達(dá)到1500℃，因此氣化爐的尺寸大、造價(jià)很高；同時(shí)煤中的雜質(zhì)處于熔融狀態(tài)、被夾雜在煤氣中，使得回收高溫煤氣顯熱的廢熱鍋爐制造工藝要求高、造價(jià)昂貴；所以IGCC機(jī)組的造價(jià)比較高。此外，IGCC中還有空分設(shè)備和煤氣凈化等設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜。
(2)PFBCC屬正壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)，煤在增壓流化床鍋爐內(nèi)燃燒，一方面將給水加熱成蒸汽用于汽輪機(jī)發(fā)電，另一方面燃燒形成的高溫?zé)煔饨?jīng)過除塵后用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。流化床床溫一般不超過900℃(為防止煤層的結(jié)焦)，使燃?xì)廨啓C(jī)的初溫受到限制；但汽輪機(jī)的初溫不受燃?xì)馔钙脚艢鉁囟鹊南拗?，而且可以采取亞臨界壓力。目前PFBCC的凈效率只有40％以下。在流化床鍋爐內(nèi)進(jìn)行噴鈣脫硫，脫硫效率可以達(dá)到90％～95％左右。PFBCC技術(shù)是1969年首先由英國(guó)煤炭利用研究所(CURI)開始研究的，最早完成工業(yè)規(guī)模開發(fā)的是ABB公司。上世紀(jì)八十年代以后在瑞典、美國(guó)等建成了幾座PFBCC示范電站，包括我國(guó)賈旺電廠的15MW示范機(jī)組。
PFBCC系統(tǒng)以汽輪機(jī)發(fā)電為主，燃?xì)廨啓C(jī)初溫不高，使得效率的提高受到限制，當(dāng)前技術(shù)條件下其熱力性能略低于IGCC系統(tǒng)的熱力性能。由于煙氣高溫凈化技術(shù)沒有取得實(shí)質(zhì)性突破，煙氣中的粉塵和堿金屬對(duì)燃?xì)馔钙轿：栴}尚未根本解決，因此只能采用較低初溫燃?xì)廨啓C(jī)，而不能采用性能先進(jìn)的現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)，從而限制了PFBCC系統(tǒng)效率的提高。PFBCC的脫硫效率相對(duì)偏低，環(huán)保性能比IGCC的環(huán)保性能差。但是PFBCC系統(tǒng)沒有煤氣化工藝及系統(tǒng)，也沒有空分裝置，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)組造價(jià)低。目前PFBCC系統(tǒng)的熱力性能、環(huán)保性能和運(yùn)行安全可靠性還有待改進(jìn)和提高，因此技術(shù)發(fā)展比較慢。
(3)PGFBCC系統(tǒng)借鑒了PFBCC系統(tǒng)和IGCC系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢(shì)采用煤部分氣化技術(shù)為(頂置)燃燒室提供煤氣，可以采用高初溫、先進(jìn)性能的燃?xì)廨啓C(jī)；從煤(部分)氣化爐底部排出的半焦在流化床鍋爐中燃燒，可以產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽(汽輪機(jī)初溫不受燃?xì)馔钙脚艢鉁囟鹊南拗?用于汽輪機(jī)發(fā)電；在煤(部分)氣化爐和半焦鍋爐中同時(shí)加入脫硫劑進(jìn)行爐內(nèi)脫硫，不需要復(fù)雜的煤氣凈化系統(tǒng)；煤部分氣化以空氣為氣化劑，不需要空分裝置。因此，在目前技術(shù)條件下，PGFBCC系統(tǒng)在設(shè)備投資方面比IGCC技術(shù)占優(yōu)，其發(fā)電效率與IGCC基本相當(dāng)。
PGFBCC仍處于關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與攻關(guān)階段，其系統(tǒng)有兩種基本形式增壓流化床燃燒的PGFBCC系統(tǒng)和常壓流化床燃燒的PGFBCC系統(tǒng)。增壓流化床燃燒的PGFBCC也稱為第二代PFBCC系統(tǒng)(英文名Second-generation PFBCC，or Topping cycle，or Hybrid cycle)是在PFBCC的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)熱解爐(或部分氣化爐)和燃?xì)廨啓C(jī)的頂置燃燒室。煤首先在熱解爐或部分氣化爐中進(jìn)行高溫裂解或部分氣化，產(chǎn)生的煤氣送到頂置燃燒室以加熱從增壓流化床鍋爐出來的煙氣，使其溫度從約850℃提高到1300℃等級(jí)，從而可以使用高性能的燃?xì)廨啓C(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)的效率得到提高。常壓流化床燃燒的PGFBCC系統(tǒng)包括英國(guó)Mitsubishi Babcock公司開發(fā)的ABGC發(fā)電系統(tǒng)等，它與增壓流化床燃燒的PGFBCC系統(tǒng)之區(qū)別在于常壓流化床鍋爐燃燒所需氧氣由燃?xì)馔钙降呐艢饣蛩惋L(fēng)機(jī)供給，而增壓流化床燃燒鍋爐所需氧氣由燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)出口的空氣供給。PGFBCC系統(tǒng)的流化床燃燒鍋爐既可以加熱水蒸汽工質(zhì)、也可以加熱高壓空氣，前者把半焦燃燒的熱量利用在蒸汽循環(huán)，而后者把半焦燃燒的熱量利用在燃?xì)庋h(huán)，后者對(duì)提高系統(tǒng)的效率更有利，但高溫的氣—?dú)鈸Q熱器的技術(shù)難度和制造成本都比較大。
目前，PGFBCC系統(tǒng)在投資方面比IGCC系統(tǒng)占優(yōu)勢(shì)，但它也有一定的技術(shù)難點(diǎn)和缺陷對(duì)增壓流化床燃燒的PGFBCC系統(tǒng)，煤氣和(流化床鍋爐的)煙氣的高溫凈化技術(shù)還沒有徹底解決，在850℃溫度等級(jí)采用干法(如陶瓷過濾)除塵，其除塵精度不能滿足先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的要求，也無法脫除對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)有害的堿金屬；燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室和燃料控制系統(tǒng)需重新設(shè)計(jì)或改造，以適應(yīng)高溫工質(zhì)和高溫燃料的要求。常壓流化床燃燒的PGFBCC系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是效率比IGCC沒有明顯的改進(jìn)，如在采用相同燃?xì)廨啓C(jī)的條件下，ABGC系統(tǒng)的效率與IGCC的效率基本相當(dāng)。PGFBCC系統(tǒng)依賴于爐內(nèi)噴鈣脫硫，脫硫效率只有90％～95％左右，當(dāng)煤的含硫量超過2％時(shí)，對(duì)大氣的硫排放將不能滿足環(huán)保要求，因此PGFBCC系統(tǒng)的環(huán)保性能不如IGCC好。
美國(guó)Foster Wheeler公司提出的Vision 21 PGM發(fā)電系統(tǒng)也屬于燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，采用新一代的燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽循環(huán)采用超臨界參數(shù)，并與燃料電池發(fā)電有機(jī)結(jié)合，同時(shí)生產(chǎn)潔凈液體燃料和化工產(chǎn)品；在低污染方面，在爐內(nèi)噴鈣脫硫的同時(shí)，對(duì)煤氣和煙氣進(jìn)行精脫硫，并利用SCR工藝脫除煙氣中的NOx。從而實(shí)現(xiàn)電站凈效率60％以上和對(duì)環(huán)境的污染物零排放。
此外燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)還包括常壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(AFBCC)，它與上述的PFBCC系統(tǒng)類似，只是采用常壓流化床鍋爐而且加熱空氣，高溫的空氣進(jìn)入燃?xì)馔钙桨l(fā)電，燃燒產(chǎn)生的煙氣用于加熱蒸汽循環(huán)的給水。這種系統(tǒng)的熱效率要低于PFBCC系統(tǒng)的熱效率。它的優(yōu)點(diǎn)是采用潔凈的空氣工質(zhì)可以避免對(duì)燃?xì)馔钙降母g。但是在流化床鍋爐內(nèi)布置空氣管受熱面有困難。目前這種發(fā)電系統(tǒng)的研究和技術(shù)開發(fā)不多。
2、燃煤發(fā)電系統(tǒng)的CO2分離技術(shù)二氧化碳的大量排放引起全球氣候變暖的問題已日益受到重視，作為主要一次能源煤炭的大量消耗是導(dǎo)致大氣中CO2平衡破壞的根本原因。煤炭的重要利用方式之一是發(fā)電，如何降低發(fā)電系統(tǒng)CO2排放水平已愈來愈受到重視。提高效率可以相應(yīng)地減少單位發(fā)電量的CO2排放量，但是它對(duì)大幅度減小溫室氣體排放作用不大。因此，開發(fā)在煤炭轉(zhuǎn)化、燃燒過程以及從尾氣中分離CO2是其關(guān)鍵技術(shù)。
根據(jù)2000年美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)能源部國(guó)家能源技術(shù)中心的研究報(bào)告和1999年P(guān)aolo Chiesa的研究論文等文獻(xiàn)，目前燃煤發(fā)電系統(tǒng)中分離CO2的技術(shù)可歸納為5類(1)在排煙中進(jìn)行分離，即在常規(guī)的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)和IGCC系統(tǒng)尾部加上排煙中分離CO2的措施。由于排煙中CO2被氮?dú)庀♂專笴O2濃度變得很低、需處理的量很大，伴隨著大量的能耗，造成系統(tǒng)效率的大幅度降低(約12個(gè)百分點(diǎn))，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性來分析是不可行的。其改進(jìn)辦法是氧氣或空氣燃燒的半閉式燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)方案，即把部分透平排氣引到壓氣機(jī)進(jìn)口再循環(huán)，使排氣中CO2濃度增加，減少處理量、降低相應(yīng)的功耗，但只提高系統(tǒng)效率0.5-0.8個(gè)百分點(diǎn)。(2)在燃燒前對(duì)燃料氣進(jìn)行處理與分離。在IGCC系統(tǒng)中，煤氣化產(chǎn)生的合成煤氣的主要可燃?xì)怏w成分為CO和H2，通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)把CO氣體轉(zhuǎn)化為CO2和氫氣，再通過比較低成本的物理吸附系統(tǒng)把CO2分離掉，剩下的大部分為理想的富氫燃料氣。由于分離與吸附CO2是在未被氮?dú)庀♂尩暮铣擅簹庵羞M(jìn)行，相應(yīng)的能耗就減少許多，與前一種途徑相比，系統(tǒng)凈效率有明顯改進(jìn)。(3)頂置化工生產(chǎn)過程的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。合成煤氣先通過頂置化工過程利用了大部分含碳組分，然后把未反應(yīng)物流(富氫燃料氣)作為動(dòng)力系統(tǒng)的理想燃料。多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用一次通過流程減少了化工生產(chǎn)過程的能耗，同時(shí)使燃用富氫燃料的動(dòng)力系統(tǒng)的CO2排放大為降低。(4)合成煤氣定向轉(zhuǎn)移的不同組分多種熱力循環(huán)組合。煤氣化產(chǎn)生合成煤氣主要成分是CO、H2和CO2，把含碳組分和氫組分定向轉(zhuǎn)移，分別提供給兩個(gè)純氧燃燒的熱力循環(huán)系統(tǒng)，則燃燒產(chǎn)物分別為CO2和H2O，就能夠低能耗方便處理。這種分離CO2的方法簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)效率下降的幅度也較大。(5)借助熱力循環(huán)創(chuàng)新措施。如O2/CO2循環(huán)系統(tǒng)，在煤燃燒之前增加了空分設(shè)備，進(jìn)入鍋爐的O2純度很高，燃燒后產(chǎn)生的煙氣中CO2濃度也很高(可達(dá)90％以上)，因此在流程尾部回收CO2時(shí)不再需要分離裝置。O2純度越高，回收的CO2純度越高，CO2液化的能耗越小，但是空分設(shè)備的耗能也越高，優(yōu)化計(jì)算得到最佳的氧氣純度是97.5％。這種方法比排煙中分離、回收CO2方法的能耗要小，引起效率降低的幅度相對(duì)低一些。再如，應(yīng)用化學(xué)鏈反應(yīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火焰燃燒也是通過循環(huán)創(chuàng)新途徑來控制CO2排放。還有，近年來提出的高初溫蒸汽循環(huán)，可以有效分離燃燒產(chǎn)生的CO2，下面將對(duì)這種循環(huán)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
不論是采用那一種方式分離CO2，都要消耗額外的能量，使系統(tǒng)的效率下降。因此分離CO2技術(shù)的關(guān)鍵是盡可能降低分離與處理過程的能耗，以提高系統(tǒng)的凈效率。
3、高初溫蒸汽循環(huán)。
這種循環(huán)以水蒸汽為主工質(zhì)，向燃燒室加入純氧，采用內(nèi)燃方式，可以達(dá)到與燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)同樣高的進(jìn)氣溫度(即汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)采用了燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù))，從而保持了高的循環(huán)效率(與同等初溫的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的效率相當(dāng))；燃料(可以是天然氣、合成煤氣或液體燃料)與純氧在水蒸汽中進(jìn)行燃燒，沒有NOx排放問題；由于燃燒后得到的氣體中只有水蒸汽和CO2，在透平排氣凝結(jié)過程中CO2被自動(dòng)分離。這種循環(huán)用于燃煤發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，其制備潔凈煤氣的工藝系統(tǒng)與IGCC的煤氣化、煤氣凈化工藝系統(tǒng)完全相同，同樣也需要空分裝置。這種發(fā)電系統(tǒng)要求把煤完全氣化，所以存在煤氣化和煤氣凈化設(shè)備造價(jià)高、煤氣顯熱回收系統(tǒng)能量品位損失大、系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)，在效率和投資兩方面都沒有突破目前的IGCC發(fā)電系統(tǒng)水平。
這種循環(huán)概念最早分別于1994年和1995年由日本學(xué)者和奧地利學(xué)者提出來，后者被命名為“Graz”循環(huán)(用該大學(xué)的名字命名)。后來又有其他學(xué)者對(duì)該循環(huán)進(jìn)行了研究，如意大利和英國(guó)的學(xué)者最近在這方面的研究有新進(jìn)展，利用高溫透平的排氣對(duì)CH4進(jìn)行重整，從而可以進(jìn)一步提高循環(huán)效率；而且對(duì)三種不同高壓蒸汽產(chǎn)生過程的循環(huán)方案進(jìn)行了模擬分析，比較了不同循環(huán)方案的性能優(yōu)劣。
但到目前為止，高初溫蒸汽循環(huán)方面的研究還只局限在循環(huán)本身和簡(jiǎn)單熱力循環(huán)的概念。盡管對(duì)以合成煤氣為燃料的循環(huán)特性進(jìn)行了研究，但仍然采用煤完全氣化、氣體燃料進(jìn)行內(nèi)燃方式加熱水蒸汽工質(zhì)，也即煤氣化工藝與高初溫蒸汽循環(huán)的簡(jiǎn)單連接方式，而沒有從系統(tǒng)高度出發(fā)把煤氣化過程和循環(huán)有機(jī)結(jié)合進(jìn)行探討。因此這種循環(huán)用于以煤為燃料的發(fā)電系統(tǒng)的潛力還沒有充分發(fā)掘出來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服目前燃煤發(fā)電裝置絕大多數(shù)采用蒸汽朗肯循環(huán)，發(fā)電效率不高，對(duì)環(huán)境污染的問題比較嚴(yán)重，且正在開發(fā)的潔凈煤發(fā)電技術(shù)(如IGCC發(fā)電技術(shù)和PFBCC發(fā)電技術(shù))雖然性能有所改進(jìn)，但存在投資費(fèi)用高、技術(shù)難度大、效率提高有限等問題，以及沒有考慮控制CO2排放的重大環(huán)境問題；而提供一種內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的在于較大幅度地提高燃煤發(fā)電系統(tǒng)的效率。本發(fā)明提出新穎的高初溫高壓比一體化聯(lián)合循環(huán)，循環(huán)初溫可以達(dá)到現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的初溫水平；同時(shí)采用煤部分氣化技術(shù)和外燃、內(nèi)燃相結(jié)合方式，在循環(huán)中不采用壓氣機(jī)提升工質(zhì)的壓力，從而節(jié)省了工質(zhì)壓縮耗功；透平的作功工質(zhì)主要成分為水蒸汽，排氣壓力可以很低，達(dá)到真空狀態(tài)，循環(huán)壓比高。
本發(fā)明的另一目的是低能耗地回收CO2。采用煤氣在水蒸汽氛圍中與純氧進(jìn)行理論燃燒方式，燃燒產(chǎn)物中只有水蒸汽和CO2，在透平排氣放熱凝結(jié)的過程中，CO2被自動(dòng)分離出來，避免了常規(guī)分離技術(shù)帶來的消耗大量額外能量的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的再一目的是大幅度降低潔凈煤發(fā)電技術(shù)的造價(jià)。采用煤部分氣化方式，與追求近百分之百碳轉(zhuǎn)化率的常規(guī)氣化爐相比，技術(shù)難度大大下降，氣化爐的造價(jià)也大幅度降低；部分氣化爐出口的煤氣溫度相對(duì)低、含熔渣少，使回收煤氣顯熱的廢熱鍋爐的造價(jià)也得到降低；系統(tǒng)中沒有壓氣機(jī)設(shè)備；采用爐內(nèi)噴鈣脫硫與煤氣中干法脫硫相結(jié)合的方式，無需采用系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)昂貴的常規(guī)濕法脫硫設(shè)備。
本發(fā)明的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含煤氣化爐A、廢熱鍋爐B、燃燒室H、高溫氣體透平I、回?zé)崞鱆、低溫氣體透平K、半焦鍋爐R、高壓蒸汽透平V；其中煤氣化爐A產(chǎn)生的粗煤氣與廢熱鍋爐B相連，煤氣化爐A排出的半焦則與半焦鍋爐R相連；廢熱鍋爐B利用煤氣化爐A的粗煤氣對(duì)來自回?zé)崞鱆的給水加熱產(chǎn)生高壓蒸汽，且廢熱鍋爐B中熱交換后的煤氣進(jìn)入燃燒室H；半焦鍋爐R將煤氣化爐A排出的半焦燃燒后加熱其低溫受熱面的給水，半焦鍋爐R的低溫受熱面加熱的給水與經(jīng)回?zé)崞鱆加熱的給水混合后，再由半焦鍋爐R進(jìn)一步加熱后產(chǎn)生高壓蒸汽；半焦鍋爐R產(chǎn)生的高壓蒸汽和廢熱鍋爐B產(chǎn)生的高壓蒸汽混合后與高壓蒸汽透平V相連；高壓蒸汽透平V的排汽經(jīng)回?zé)崞鱆加熱后進(jìn)入燃燒室H，并由煤氣化爐A的降溫煤氣在燃燒室H內(nèi)加熱后形成具循環(huán)初溫的氣體，該氣體與高溫氣體透平I相連；高溫氣體透平I作功后的氣體經(jīng)回?zé)崞鱆進(jìn)行熱交換后進(jìn)入低溫氣體透平K作功。
該系統(tǒng)還包括干法除塵裝置C、水解器D、干法脫硫設(shè)備E、洗滌器F；經(jīng)廢熱鍋爐B降溫后的煤氣經(jīng)干法除塵裝置C分離出含碳?jí)m粒、經(jīng)水解器D把煤氣中的COS轉(zhuǎn)化為H2S、經(jīng)干法脫硫設(shè)備E脫硫、經(jīng)洗滌器F洗滌后進(jìn)入燃燒室H。
所述的干法除塵設(shè)備C分離的含碳?jí)m粒與煤氣化爐A的半焦一起進(jìn)入半焦鍋爐R。
該系統(tǒng)中還包括空分裝置T，空分裝置T制取的氧氣與煤氣化爐A和燃燒室H相連。
該系統(tǒng)還包括冷凝器L、多級(jí)間冷CO2壓縮機(jī)M、制冷機(jī)N；低溫氣體透平K的排氣與冷凝器L相連，從冷凝器L中排出的不凝結(jié)氣體進(jìn)入多級(jí)間冷CO2壓縮機(jī)M并經(jīng)制冷機(jī)N進(jìn)一步冷卻得到液態(tài)CO2。
該系統(tǒng)還包括凝結(jié)水泵O、凝結(jié)水加熱器P和給水泵Q；冷凝器L的凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵O與凝結(jié)水加熱器P相連，由低溫氣體透平K的抽氣進(jìn)入凝結(jié)水加熱器P加熱凝結(jié)水，加熱后的凝結(jié)水經(jīng)給水泵Q增壓后再進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)。
所述的高壓蒸汽透平V的抽汽與煤氣化爐A相連。
本發(fā)明的目的還可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法，包括下述步驟(1)煤、水蒸汽、脫硫劑和氧氣進(jìn)入煤氣化爐A，在煤氣化爐A頂部得到粗煤氣，在其底部得到半焦；(2)粗煤氣進(jìn)入廢熱鍋爐B，對(duì)來自回?zé)崞鱆的給水加熱使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏赫羝?3)半焦被送入半焦鍋爐R與送風(fēng)機(jī)S出口的空氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)對(duì)給水加熱得到高壓蒸汽；鍋爐排渣從底部排出，煙氣排出系統(tǒng)；送風(fēng)機(jī)S把空氣增壓后送入半焦鍋爐R；空氣進(jìn)入空分裝置T，制取氧氣，同時(shí)得到氮?dú)獾雀碑a(chǎn)品，氧氣通過壓縮機(jī)U增壓后分別送入煤氣化爐A和燃燒室H；(4)將步驟(2)和步驟(3)得到的高壓蒸汽混合后進(jìn)入高壓蒸汽透平V作功發(fā)電；(5)降溫后的粗煤氣進(jìn)入燃燒室H對(duì)由回?zé)崞鱆加熱的高壓蒸汽透平V的排汽進(jìn)行加熱至循環(huán)初溫；(6)具有循環(huán)初溫的氣體混合物進(jìn)入高溫氣體透平I作功發(fā)電；(7)高溫氣體透平I的排氣進(jìn)入回?zé)崞鱆對(duì)給水加熱；在回?zé)崞鱆中給水被加熱至不同的溫度后分別送入廢熱鍋爐B和半焦鍋爐R；(8)氣體在回?zé)崞鱆中放熱降溫后進(jìn)入低溫氣體透平K作功發(fā)電。
所述的降溫后的粗煤氣進(jìn)入干法除塵設(shè)備C，分離出的含碳?jí)m粒被送入半焦鍋爐R，除塵后的煤氣依次經(jīng)過水解器D、干法脫硫設(shè)備E和洗滌器F，得到的潔凈煤氣進(jìn)入燃燒室H。
所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法還包括下述步驟(1)低溫氣體透平K排氣排入冷凝器L，在冷凝器L中透平排氣和凝結(jié)水加熱器的疏水被冷卻得到凝結(jié)水；且從冷凝器L中抽出不凝結(jié)氣體；(2)不凝結(jié)氣體進(jìn)入多級(jí)間冷CO2壓縮機(jī)M，進(jìn)行氣體壓縮；增壓后的氣液混合物通過制冷機(jī)N進(jìn)一步冷卻，回收液態(tài)的CO2，剩余的氣體混合物排向大氣。
所述的凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵O增壓后，多余的部分排出系統(tǒng)，大部分作為循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入凝結(jié)水加熱器P升溫，經(jīng)給水泵Q增壓后的給水分為三路去回?zé)崞鱆、洗滌器F用水、半焦鍋爐R低溫受熱面；經(jīng)回?zé)崞鱆加熱的給水與經(jīng)半焦鍋爐R低溫受熱面加熱的給水混合，在半焦鍋爐R內(nèi)進(jìn)一步加熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝⑦_(dá)到高壓蒸汽透平初溫，然后與來自廢熱鍋爐B的蒸汽混合，進(jìn)入高壓蒸汽透平V作功，透平抽汽去煤氣化爐A用于煤的氣化。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明通過系統(tǒng)集成把基于煤部分氣化的內(nèi)外燃煤技術(shù)、新型熱力循環(huán)以及分離CO2過程有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)的高效性、優(yōu)越的環(huán)保性和良好的經(jīng)濟(jì)性。
2、本發(fā)明采用將內(nèi)燃和外燃結(jié)合在一起、以水蒸汽為主工質(zhì)、具有高初溫和低排氣壓力的先進(jìn)、新穎的一體化聯(lián)合循環(huán)。
3、本發(fā)明提出的新熱力循環(huán)采用外燃和內(nèi)燃相結(jié)合的方法，在熱力循環(huán)吸熱過程的低溫段(半焦鍋爐內(nèi)水被加熱、汽化和過熱)用外燃方式加熱，利用煤部分氣化得到的半焦的能量；在高溫段(燃燒室內(nèi)水蒸汽進(jìn)一步升溫)用內(nèi)燃方式加熱，利用煤部分氣化得到的煤氣(經(jīng)凈化處理后)的能量。由于采用內(nèi)燃方式，循環(huán)初溫可以達(dá)到現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的初溫水平；利用外燃過程的熱量把高壓水轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏赫羝?，從而省去了布雷頓循環(huán)中提升工質(zhì)壓力的壓氣機(jī)，節(jié)省了壓縮耗功；在燃燒室中煤氣在水蒸汽氛圍中與純氧進(jìn)行理論燃燒，燃燒產(chǎn)物中只有水蒸汽和CO2(含量相對(duì)很低)，透平排氣可以達(dá)到真空狀態(tài)，充分利用了朗肯循環(huán)冷源溫度低的優(yōu)勢(shì)。因此新循環(huán)可以達(dá)到很高的熱效率。在透平排氣放熱凝結(jié)的過程中，CO2被自動(dòng)分離出來，避免了常規(guī)分離技術(shù)帶來的系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備造價(jià)上升和消耗大量額外能量的缺點(diǎn)，能夠低能耗分離CO2。因此新循環(huán)在熱力性能和分離溫室氣體兩方面都具有嶄新的特點(diǎn)。
4、本發(fā)明的系統(tǒng)采用煤部分氣化工藝，氣化爐內(nèi)溫度較低，煤中的有害物質(zhì)沒有被熔化，煤氣中的有害成分低，對(duì)后續(xù)的煤氣凈化工藝要求不高；回收煤氣的顯熱被有效用于加熱底循環(huán)的水蒸汽工質(zhì)，不要求采用高溫煤氣凈化技術(shù)；同時(shí)向氣化爐加入脫硫劑，脫除了煤中90％以上的硫，煤氣脫硫的負(fù)荷大大減輕，可以采用干法脫硫工藝進(jìn)行精脫硫。本發(fā)明的煤氣凈化系統(tǒng)包括煤氣干法除塵、水解、干法脫硫和水洗四部分利用在200℃溫度等級(jí)成熟的陶瓷過濾器分離出煤氣中的未反應(yīng)碳粒和飛灰；通過水解過程把煤氣中的COS轉(zhuǎn)化為H2S；采用干法脫硫工藝對(duì)煤氣進(jìn)行精脫硫；最后利用水洗把煤氣中的微量雜質(zhì)除盡，得到潔凈煤氣用于燃燒室。與常規(guī)IGCC的煤氣凈化系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用工藝系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單的干法脫硫方法；同時(shí)將除塵分為兩級(jí)而且把兩級(jí)分開—干法除塵回收煤氣中的含碳灰分，濕法除塵把煤氣中殘余雜質(zhì)包括干法脫硫產(chǎn)生的雜質(zhì)除盡。
5、本發(fā)明借助循環(huán)創(chuàng)新分離煤氣燃燒生成的CO2，內(nèi)燃過程以純氧為氧化劑，生成的NOx極少，因此具有比IGCC系統(tǒng)更好的環(huán)保性能。
6、本發(fā)明的工藝系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化、技術(shù)難度減小，從而有效降低了潔凈煤發(fā)電機(jī)組的造價(jià)。煤部分氣化溫度水平低、技術(shù)難度小，氣化爐的尺寸大大減小，而且可以采用造價(jià)低廉的流化床氣化爐；粗煤氣中的熔渣等有害成分含量低、氣化爐出口的煤氣溫度低，對(duì)廢熱鍋爐的材質(zhì)要求低，降低了廢熱鍋爐的制造成本；干法脫硫工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單、設(shè)備少、造價(jià)相對(duì)低；提升工質(zhì)壓力由給水泵完成，省去了昂貴的壓氣機(jī)設(shè)備；頂循環(huán)與底循環(huán)采用相同的主工質(zhì)，不需要常規(guī)聯(lián)合循環(huán)的余熱鍋爐設(shè)備；循環(huán)給水溫度低，不設(shè)復(fù)雜的給水回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)和設(shè)備。本發(fā)明使?jié)崈裘喊l(fā)電系統(tǒng)達(dá)到高效和環(huán)保的同時(shí)，通過降低造價(jià)，將大幅度改善發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
7、本發(fā)明系統(tǒng)不設(shè)壓氣機(jī)，可以避免常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)喘振的問題，有利于提高機(jī)組的運(yùn)行靈活性和安全可靠性。
8、本發(fā)明的系統(tǒng)中空分裝置在制取煤氣化、煤氣燃燒用氧氣的同時(shí)，生產(chǎn)出大量的氮?dú)?，甚至生產(chǎn)出氬氣作為副產(chǎn)品，從而帶來額外收益，提高發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
9、本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)不僅以煤(包括劣質(zhì)煤)為燃料，而且也可以采用其它燃料，如石油焦、渣油、生物質(zhì)、城市垃圾等，具有很好的燃料適應(yīng)性。
圖2為ABGC熱力循環(huán)的T-s圖。
圖3為本發(fā)明的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)流程圖(半焦鍋爐以空氣為氧化劑)。
圖4為本發(fā)明的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)流程圖(半焦鍋爐以氧氣為氧化劑)。
具體的實(shí)施方式本發(fā)明的新循環(huán)的T-s圖見

圖1(圖中的點(diǎn)與圖3的物流序號(hào)對(duì)應(yīng))。吸熱過程分為兩段24-38為外燃方式加熱(包括半焦燃燒對(duì)水蒸汽的加熱和高溫煤氣對(duì)水蒸汽的加熱)，18-17為內(nèi)燃方式加熱；作功過程分為三段38-23為高壓蒸汽透平，17-20為高溫氣體透平(水蒸汽與CO2混合工質(zhì))，21-26為低溫氣體透平(水蒸汽與CO2混合工質(zhì))；放熱過程為26-27；給水增壓過程溫升低，在圖上為27點(diǎn)、36點(diǎn)；過程27-36、36-24、23-18分別為給水回?zé)峒訜?熱源為低溫氣體透平抽氣)、給水預(yù)熱和中壓蒸汽回?zé)峒訜徇^程(后兩個(gè)過程的熱源為高溫氣體透平排氣)。在新循環(huán)中沒有氣體的增壓過程。
新循環(huán)可認(rèn)為是兩個(gè)循環(huán)有機(jī)結(jié)合的一體化聯(lián)合循環(huán)延長(zhǎng)線段26-21交線段23-18于18′點(diǎn)，線段左側(cè)的圖形表示再熱的蒸汽朗肯循環(huán)-底循環(huán)，線段右側(cè)的圖形表示有回?zé)?回?zé)釡厣苄?的氣體布雷頓循環(huán)-頂循環(huán)；18′-21表示“虛擬透平”作功過程，21-18′表示“虛擬壓氣機(jī)”壓縮過程。
顯然，“虛擬壓氣機(jī)”壓縮過程的耗功小于理想壓縮過程的耗功，因此頂循環(huán)21-18′-17-20-21的效率比常規(guī)燃?xì)鈫窝h(huán)的效率高得多；對(duì)底循環(huán)27-38-23-18′-26-27，與常規(guī)的蒸汽朗肯循環(huán)基本類似，但也有區(qū)別①由于在頂循環(huán)燃燒室加入了燃料和氧氣，低溫氣體透平作功(21-26)的工質(zhì)流量大于吸熱過程的工質(zhì)流量，透平作功增大；②頂循環(huán)排氣熱量用于底循環(huán)蒸汽再熱(20′-23′加熱23-18′)和給水預(yù)熱(23′-21加熱36-24)以及直接作功(21-26)，有別于常規(guī)聯(lián)合循環(huán)的簡(jiǎn)單熱量傳遞過程，沒有排煙顯熱損失；③低溫氣體透平排氣中含有一定的不凝結(jié)氣體CO2，在相等的冷卻溫度下冷凝器壓力高于常規(guī)朗肯循環(huán)的背壓。數(shù)值計(jì)算表明前兩個(gè)因素占主導(dǎo)地位，本發(fā)明的底循環(huán)效率高于常規(guī)朗肯循環(huán)效率。因此在同等的熱量比(內(nèi)燃過程工質(zhì)吸熱量與總的循環(huán)吸熱量之比)條件下，新循環(huán)的效率將高于內(nèi)外燃結(jié)合的常規(guī)聯(lián)合循環(huán)的效率。
ABGC是典型的內(nèi)外燃結(jié)合的常規(guī)聯(lián)合循環(huán)，其T-s圖見圖2，可以認(rèn)為是常規(guī)布雷頓循環(huán)(1-2-3-4-1)和朗肯循環(huán)(5-7-8-9-10-5)的結(jié)合。對(duì)新循環(huán)和ABGC，當(dāng)采用相等的熱量比，循環(huán)初溫取相等的數(shù)值，新循環(huán)的凝汽壓力略高于ABGC底循環(huán)的背壓，系統(tǒng)的其它限制條件如部件的壓損、傳熱溫差等均取相等數(shù)值。對(duì)某特定工況進(jìn)行模擬計(jì)算(與實(shí)施例相比，未考慮燃料轉(zhuǎn)化過程的損失、制氧耗功、部件的壓損等，僅計(jì)算熱力循環(huán)本身的效率)，結(jié)果表明新循環(huán)的頂循環(huán)效率顯著高于ABGC的頂循環(huán)效率，高出13.20個(gè)百分點(diǎn)，新循環(huán)的底循環(huán)效率比ABGC的底循環(huán)效率高2.68個(gè)百分點(diǎn)，因此新循環(huán)的效率比ABGC的效率高5.73個(gè)百分點(diǎn)(計(jì)算結(jié)果列入表1)。
表1新循環(huán)與ABGC循環(huán)的熱效率比較單位％

本發(fā)明的新循環(huán)效率與同等初溫的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)效率相當(dāng)，但后者采用內(nèi)燃方式，只能燃用氣體和液體燃料，而且不能自動(dòng)分離CO2，考慮分離CO2后的效率將下降，低于本發(fā)明的循環(huán)熱效率。
本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)請(qǐng)參看圖3，本發(fā)明的系統(tǒng)包括煤氣化子系統(tǒng)、動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)以及CO2回收子系統(tǒng)三部分。該系統(tǒng)中A-煤氣化爐；B-廢熱鍋爐；C-干法除塵裝置；D-水解器；E-干法脫硫設(shè)備；F-洗滌器；G-污水處理設(shè)備；H-燃燒室；I-高溫氣體透平；J-回?zé)崞?；K-低溫氣體透平；L-冷凝器；M-多級(jí)間冷CO2壓縮機(jī)；N-制冷機(jī)；O-凝結(jié)水泵；P-凝結(jié)水加熱器；Q-給水泵；R-半焦鍋爐；S-送風(fēng)機(jī)；T-空分裝置；U-一級(jí)間冷氧氣壓縮機(jī)；V-高壓蒸汽透平。
本實(shí)施例提供一種內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含煤氣化爐A、廢熱鍋爐B、燃燒室H、高溫氣體透平I、回?zé)崞鱆、低溫氣體透平K、半焦鍋爐R、高壓蒸汽透平V；其中煤氣化爐A產(chǎn)生的粗煤氣與廢熱鍋爐B相連，煤氣化爐A的半焦則與半焦鍋爐R相連；廢熱鍋爐B利用煤氣化爐A的粗煤氣對(duì)來自回?zé)崞鱆的給水加熱產(chǎn)生高壓蒸汽，且廢熱鍋爐B降溫后的煤氣經(jīng)干法除塵裝置C分離出含碳?jí)m粒、經(jīng)水解器D把煤氣中的COS轉(zhuǎn)化為H2S、經(jīng)干法脫硫設(shè)備E脫硫、經(jīng)洗滌器F洗滌后進(jìn)入燃燒室H。所述的干法除塵設(shè)備C分離的含碳?jí)m粒與煤氣化爐A排出的半焦一起進(jìn)入半焦鍋爐R。半焦鍋爐R將煤氣化爐A排出的半焦和含碳?jí)m粒燃燒后加熱其低溫受熱面的給水，半焦鍋爐R的低溫受熱面加熱的給水與經(jīng)回?zé)崞鱆加熱的給水混合后，再由半焦鍋爐R進(jìn)一步加熱后產(chǎn)生高壓蒸汽；半焦鍋爐R產(chǎn)生的高壓蒸汽和廢熱鍋爐B產(chǎn)生的高壓蒸汽混合后與高壓蒸汽透平V相連；高壓蒸汽透平V的排汽經(jīng)回?zé)崞鱆加熱后進(jìn)入燃燒室H，并由潔凈煤氣在燃燒室H內(nèi)加熱后形成具循環(huán)初溫的氣體，該氣體與高溫氣體透平I相連；高溫氣體透平I作功后的氣體經(jīng)回?zé)崞鱆進(jìn)行熱交換后進(jìn)入低溫氣體透平K作功。其中低溫氣體透平K的排氣與冷凝器L相連，從冷凝器L中排出的不凝結(jié)氣體進(jìn)入多級(jí)間冷CO2壓縮機(jī)M并經(jīng)制冷機(jī)N進(jìn)一步冷卻得到液態(tài)CO2。冷凝器L的凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵O與凝結(jié)水加熱器P相連，由低溫氣體透平K的抽氣進(jìn)入凝結(jié)水加熱器P加熱凝結(jié)水，加熱后的凝結(jié)水經(jīng)給水泵增壓后再進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)。
該系統(tǒng)中還包括空分裝置T，空分裝置T制取的氧氣與煤氣化爐A和燃燒室H相連。
本發(fā)明的發(fā)電方法流程如下煤1、水蒸汽2、脫硫劑(石灰石，3)和氧氣4進(jìn)入煤氣化爐A，在氣化爐頂部得到粗煤氣5，在其底部得到半焦6。釋放壓力后的半焦與除塵器底部排出的含碳?jí)m粒11一起送入半焦鍋爐R，與送風(fēng)機(jī)S出口的空氣39進(jìn)行燃燒反應(yīng)對(duì)給水加熱，鍋爐排渣41從底部排出，煙氣40排出系統(tǒng)。送風(fēng)機(jī)把空氣42增壓后39送入半焦鍋爐R。氧氣由空分裝置T提供，空氣43進(jìn)入空分裝置T，制取氧氣44，同時(shí)得到氮?dú)獾雀碑a(chǎn)品45，氧氣通過壓縮機(jī)U增壓后分別送入煤氣化爐A和燃燒室H(對(duì)應(yīng)物流分別為4和19)。粗煤氣5進(jìn)入廢熱鍋爐B，對(duì)來自回?zé)崞鱆的給水8加熱使其轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?；降溫后的煤氣7進(jìn)入后續(xù)的干法除塵設(shè)備C，分離出的含碳?jí)m粒11被送入半焦鍋爐R，除塵后的煤氣10進(jìn)入水解器D。在水解器中COS被轉(zhuǎn)化為H2S，然后煤氣12進(jìn)入干法脫硫設(shè)備E；不含硫的煤氣13再進(jìn)入洗滌器F進(jìn)行最終凈化，洗滌煤氣的水15來自給水泵的出口，底部排出的水16被送入污水處理設(shè)備G進(jìn)行處理，得到的潔凈煤氣14進(jìn)入燃燒室H對(duì)工質(zhì)進(jìn)行加熱。
被回?zé)崞鱆加熱的蒸汽18進(jìn)入燃燒室H，被潔凈煤氣14與氧氣19燃燒放出的熱量加熱到循環(huán)初溫，高溫氣體混合物17進(jìn)入高溫氣體透平I作功，排氣20進(jìn)入回?zé)崞鱆對(duì)水蒸汽工質(zhì)加熱。在回?zé)崞鱆中給水22被加熱至不同的溫度后分別送入廢熱鍋爐B和半焦鍋爐R；高壓蒸汽透平V的排汽23被加熱后18送入燃燒室H。氣體工質(zhì)在回?zé)崞鱆中放熱降溫后21進(jìn)入低溫氣體透平K作功，抽氣25用于凝結(jié)水回?zé)峒訜?，透平排?6排入冷凝器L。在冷凝器L中透平排氣26和加熱器疏水28被循環(huán)水冷卻得到凝結(jié)水27；從冷凝器L中抽出不凝結(jié)氣體(29，CO2和水蒸汽混合物，主要成分為CO2)。上述不凝結(jié)氣體進(jìn)入多級(jí)間冷的壓縮機(jī)M，氣體壓縮過程分離出的凝結(jié)水排出系統(tǒng)(30)；增壓后的氣液混合物31通過制冷機(jī)N進(jìn)一步冷卻(制冷熱源為壓縮機(jī)的間冷熱量)，回收液態(tài)的CO232，剩余的氣體混合物33排向大氣。凝結(jié)水27經(jīng)凝結(jié)水泵O增壓后，多余的部分34排出系統(tǒng)，大部分凝結(jié)水35作為循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入回?zé)峒訜崞鱌升溫36，加熱器采用透平抽氣25加熱，疏水排入冷凝器。經(jīng)給水泵Q增壓后的給水分為三路去回?zé)崞鱆22；洗滌器F用水15；半焦鍋爐R低溫受熱面37。經(jīng)回?zé)崞鱆加熱的給水24與經(jīng)半焦鍋爐R低溫受熱面加熱的給水混合，在半焦鍋爐R內(nèi)進(jìn)一步加熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝⑦_(dá)到高壓蒸汽透平初溫38，然后與來自廢熱鍋爐B的蒸汽9混合，進(jìn)入高壓蒸汽透平V作功，透平抽汽2去氣化爐用于煤的氣化。
本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施例采用煤為燃料，其平衡工況的參數(shù)和性能指標(biāo)參見表2-表4。有關(guān)條件為氣化爐出口溫度900℃；半焦鍋爐過量空氣系數(shù)1.2；半焦鍋爐排煙溫度130℃；燃燒室過量氧氣系數(shù)1.03；燃燒室燃燒效率99％；高溫氣體透平進(jìn)氣壓力3.8MPa、溫度1300℃(考慮高溫部件冷卻進(jìn)氣溫度降低50℃)；高壓蒸汽透平進(jìn)汽壓力16.5MPa、溫度550℃；高溫氣體透平等熵效率90％；高壓蒸汽透平、低溫氣體透平等熵效率88％(低溫氣體透平濕氣區(qū)等熵效率85％)；給水泵、凝結(jié)水泵效率78％；回?zé)崞髯钚鳠釡夭?1℃；廢熱鍋爐最小傳熱溫差10℃；凝結(jié)水加熱器最小傳熱溫差4.7℃；冷凝器壓力0.008MPa；CO2壓縮機(jī)、氧氣壓縮機(jī)效率80％；液體CO2排出溫度5℃；大氣壓力0.1013MPa、溫度15℃；機(jī)械效率×電機(jī)效率98％；各部件壓損取值參見表4。
在循環(huán)初溫為1300℃(相當(dāng)于FA級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的透平進(jìn)氣溫度)的條件下，本發(fā)明的系統(tǒng)凈效率達(dá)到了45.36％(LHV)，與采用FA級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的IGCC系統(tǒng)凈效率相當(dāng)；本系統(tǒng)可以回收41.21％的液態(tài)CO2，在保持IGCC原有凈化水平的同時(shí)，使環(huán)保性能進(jìn)一步提高；本發(fā)明使煤氣化等技術(shù)的難度降低、又簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，初步估計(jì)可以使機(jī)組的投資減小20％左右，從而克服了IGCC投資大、不易于推廣應(yīng)用的難題。本發(fā)明通過循環(huán)創(chuàng)新，把煤的分級(jí)轉(zhuǎn)化(煤部分氣化，煤氣和半焦分別利用)和一體化聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合，巧妙地把半焦能量和煤氣能量分別以外燃和內(nèi)燃方式加以利用，實(shí)現(xiàn)了不同品質(zhì)能量的梯級(jí)利用，使煤的轉(zhuǎn)化利用與先進(jìn)熱力循環(huán)有機(jī)結(jié)合，從而使燃煤發(fā)電系統(tǒng)的綜合性能(包括熱力性能、環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性)有顯著提高，因此本發(fā)明的提出是熱力循環(huán)的突破和潔凈煤發(fā)電技術(shù)的突破。
如果也向半焦鍋爐送入氧氣，使半焦與氧氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)，則燃燒產(chǎn)物主要為CO2，從而將這部分CO2也分離出來，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的CO2近零排放，見本發(fā)明的另一實(shí)施例圖4。從空分裝置T得到的一部分氧氣39送入半焦鍋爐R，燃燒產(chǎn)生的煙氣(主要成分為CO2，40)經(jīng)過冷卻器S降溫后42，進(jìn)入CO2壓縮機(jī)M。系統(tǒng)的其它部件和連接方式與圖3完全相同。由于該系統(tǒng)的氧氣耗量增大，使空分裝置消耗的功率上升，同時(shí)回收CO2增多也使壓縮機(jī)的耗功增大，所以系統(tǒng)的效率有所下降。與圖3的實(shí)施例的其它條件完全相同，計(jì)算結(jié)果表明系統(tǒng)凈效率為41.00％(LHV)，CO2(液態(tài))回收率達(dá)到94.45％。
還可以通過其它方法進(jìn)一步提高本發(fā)明系統(tǒng)的性能，如系統(tǒng)流程和參數(shù)優(yōu)化；采用低能耗空分工藝(如膜分離與低溫冷凍分離相結(jié)合方式等)；通過技術(shù)進(jìn)步提高底循環(huán)的初參數(shù)(甚至采用超臨界參數(shù))和頂循環(huán)的初參數(shù)。
本發(fā)明的氣化爐碳轉(zhuǎn)換率只要求約45％，煤氣化的難度大大降低，而進(jìn)一步提高碳轉(zhuǎn)換率的余地還很大(碳轉(zhuǎn)換率低于90％煤氣化容易實(shí)現(xiàn))。如采用更高的碳轉(zhuǎn)換率，使煤轉(zhuǎn)化為煤氣的能量相對(duì)增大(半焦的能量相對(duì)減小)即提高熱量比，然后從煤氣中分離出氫氣，用于氫氧聯(lián)合循環(huán)發(fā)電或燃料電池發(fā)電，即在系統(tǒng)中分離出的氫燃料用于更高效的發(fā)電方式，半焦和剩余煤氣用于內(nèi)燃、外燃結(jié)合的一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方式，則目前系統(tǒng)的效率值還將大幅度提高。因此本發(fā)明系統(tǒng)與先進(jìn)的氫燃料發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，將成為很有發(fā)展前景的先進(jìn)潔凈煤發(fā)電技術(shù)。
表2某煤種的特性數(shù)據(jù)(干燥后)

表3 整體系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)

*—氧氣純度96％(體積百分比)；制氧功耗率0.245kWh/kg氧氣；煤低位熱值25898kJ/kg。
—有關(guān)計(jì)算公式凈效率＝凈功率/(煤消耗量×煤的低位熱值)CO2回收率＝回收的液態(tài)CO2/燃燒生成的CO2
表4平衡工況狀態(tài)參數(shù)

*—未模擬氣化爐和半焦鍋爐內(nèi)的脫硫反應(yīng)，表中不包括物流3、6、41的數(shù)據(jù)。
—未模擬空分裝置的內(nèi)部工藝流程，表中不包括物流43、45的數(shù)據(jù)。
—物流15為給水泵出口節(jié)流后的數(shù)據(jù)。
—“蒸汽′”為蒸汽與其它不凝結(jié)氣體的混合物，主要成分為蒸汽。
—“水′”為水與其它不凝結(jié)氣體的混合物，主要成分為水。
—“CO2′”為CO2與其它氣體的混合物，主要成分為CO2。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含煤氣化爐A、廢熱鍋爐B、燃燒室H、高溫氣體透平I、回?zé)崞鱆、低溫氣體透平K、半焦鍋爐R、高壓蒸汽透平V；其特征在于煤氣化爐A產(chǎn)生的粗煤氣與廢熱鍋爐B相連，煤氣化爐A的半焦則與半焦鍋爐R相連；廢熱鍋爐B利用煤氣化爐A的粗煤氣對(duì)來自回?zé)崞鱆的給水加熱產(chǎn)生高壓蒸汽，且廢熱鍋爐B中熱交換后的煤氣進(jìn)入燃燒室H；半焦鍋爐R將煤氣化爐A排出的半焦燃燒后加熱其低溫受熱面的給水，半焦鍋爐R的低溫受熱面加熱的給水與經(jīng)回?zé)崞鱆加熱的給水混合后，再由半焦鍋爐R進(jìn)一步加熱后產(chǎn)生高壓蒸汽；其中半焦鍋爐R產(chǎn)生的高壓蒸汽和廢熱鍋爐B產(chǎn)生的高壓蒸汽混合后與高壓蒸汽透平V相連；高壓蒸汽透平V的排汽經(jīng)回?zé)崞鱆加熱后進(jìn)入燃燒室H，并由經(jīng)廢熱鍋爐B降溫后的煤氣在燃燒室H內(nèi)加熱后形成具循環(huán)初溫的氣體，該氣體與高溫氣體透平I相連；高溫氣體透平I作功后的氣體經(jīng)回?zé)崞鱆進(jìn)行熱交換后進(jìn)入低溫氣體透平K作功。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括干法除塵裝置C、水解器D、干法脫硫設(shè)備E、洗滌器F；經(jīng)廢熱鍋爐B降溫后的煤氣經(jīng)干法除塵裝置C分離出含碳?jí)m粒、經(jīng)水解器D把煤氣中的COS轉(zhuǎn)化為H2S、經(jīng)干法脫硫設(shè)備E脫硫、經(jīng)洗滌器F洗滌后進(jìn)入燃燒室H。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的干法除塵設(shè)備C分離的含碳?jí)m粒與煤氣化爐A排出的半焦一起進(jìn)入半焦鍋爐R。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)中還包括空分裝置T，空分裝置T制取的氧氣與煤氣化爐A和燃燒室H相連。
5.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括冷凝器L、多級(jí)間冷CO2壓縮機(jī)M、制冷機(jī)N；其中低溫氣體透平K的排氣與冷凝器L相連，從冷凝器L中排出的不凝結(jié)氣體進(jìn)入多級(jí)間冷CO2壓縮機(jī)M并經(jīng)制冷機(jī)N進(jìn)一步冷卻得到液態(tài)CO2。
6.如權(quán)利要求1或5所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括凝結(jié)水泵O、凝結(jié)水加熱器P和給水泵Q；其中冷凝器L的凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵O與凝結(jié)水加熱器P相連，由低溫氣體透平K的抽氣進(jìn)入凝結(jié)水加熱器P加熱凝結(jié)水，加熱后的凝結(jié)水經(jīng)給水泵增壓后再進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)。
7.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的高壓蒸汽透平V的抽汽與煤氣化爐A相連。
8.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的燃料選自煤、石油焦、渣油、生物質(zhì)、城市垃圾中的至少一種。
9.一種內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法，包括下述步驟(1)煤、水蒸汽、脫硫劑和氧氣進(jìn)入煤氣化爐A，在煤氣化爐A頂部得到粗煤氣，在其底部得到半焦；(2)粗煤氣進(jìn)入廢熱鍋爐B，對(duì)來自回?zé)崞鱆的給水加熱使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏赫羝?3)半焦被送入半焦鍋爐R進(jìn)行燃燒反應(yīng)對(duì)給水加熱得到高壓蒸汽；(4)將步驟(2)和步驟(3)得到的高壓蒸汽混合后進(jìn)入高壓蒸汽透平V作功發(fā)電；(5)降溫后的粗煤氣進(jìn)入燃燒室H對(duì)由回?zé)崞鱆加熱的高壓蒸汽透平V的排汽進(jìn)行加熱至循環(huán)初溫；(6)具有循環(huán)初溫的氣體混合物進(jìn)入高溫氣體透平I作功發(fā)電；(7)高溫氣體透平I的排氣進(jìn)入回?zé)崞鱆對(duì)給水加熱；在回?zé)崞鱆中給水被加熱至不同的溫度后分別送入廢熱鍋爐B和半焦鍋爐R；(8)氣體工質(zhì)在回?zé)崞鱆中放熱降溫后進(jìn)入低溫氣體透平K作功發(fā)電。
10.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法，其特征在于所述的降溫后的粗煤氣進(jìn)入干法除塵設(shè)備C，分離出的含碳?jí)m粒被送入半焦鍋爐R，除塵后的煤氣依次經(jīng)過水解器D、干法脫硫設(shè)備E和洗滌器F，得到的潔凈煤氣進(jìn)入燃燒室H。
11.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法，其特征在于還包括下述步驟(1)低溫氣體透平K排氣排入冷凝器L，在冷凝器L中透平排氣和凝結(jié)水加熱器的疏水被冷卻得到凝結(jié)水；且從冷凝器中抽出不凝結(jié)氣體；(2)不凝結(jié)氣體進(jìn)入多級(jí)間冷CO2壓縮機(jī)M，進(jìn)行氣體壓縮；增壓后的氣液混合物通過制冷機(jī)N進(jìn)一步冷卻，回收液態(tài)的CO2，剩余的氣體混合物排向大氣。
12.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法，其特征在于所述的凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵O增壓后，多余的部分排出系統(tǒng)，大部分作為循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入凝結(jié)水加熱器P升溫，經(jīng)給水泵Q增壓后的給水分為三路去回?zé)崞鱆、洗滌器F用水、半焦鍋爐R低溫受熱面；經(jīng)回?zé)崞鱆加熱的給水與經(jīng)半焦鍋爐R低溫受熱面加熱的給水混合，在半焦鍋爐R內(nèi)進(jìn)一步加熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝⑦_(dá)到高溫蒸汽透平初溫，然后與來自廢熱鍋爐B的蒸汽混合，進(jìn)入高壓蒸汽透平V作功，透平抽汽去煤氣化爐A用于煤的氣化。
13.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法，其特征在于該方法的燃料選自煤、石油焦、渣油、生物質(zhì)、城市垃圾中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)外燃煤一體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電方法，該發(fā)電系統(tǒng)包括煤氣化子系統(tǒng)、動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)和二氧化碳回收子系統(tǒng)；本發(fā)明的方法是在熱力循環(huán)吸熱過程的低溫段用外燃方式加熱，利用煤部分氣化得到的半焦的能量；在高溫段用內(nèi)燃方式加熱，利用煤部分氣化得到的煤氣的能量；本發(fā)明由于采用內(nèi)燃方式，循環(huán)初溫可以達(dá)到現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的初溫水平；利用外燃過程的熱量把高壓水轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏赫羝?，在循環(huán)中不采用壓氣機(jī)提升工質(zhì)的壓力，從而節(jié)省了工質(zhì)壓縮耗功；透平的作功工質(zhì)主要成分為水蒸汽，排氣壓力很低，循環(huán)壓比高；在透平排氣放熱凝結(jié)過程中二氧化碳被自動(dòng)分離出來；該發(fā)電系統(tǒng)具有熱效率高、環(huán)保性能先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F02C1/00GK1521446SQ0310089
公開日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2003年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月27日
發(fā)明者鄧世敏, 金紅光, 林汝謀, 蔡睿賢 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所