一種直流電極式固定床煤氣化電力儲能系統和方法

2024-04-14 19:38:05 3

1.本發明屬於電能利用與存儲的電熱煤氣化技術領域，具體涉及一種直流電極式固定床煤氣化電力儲能系統和方法。


背景技術：

2.社會發展對能源的需求量越來越大，化石能源的使用對環境造成的汙染以及化石能源的枯竭成為當前人類社會面臨的較為嚴峻的問題，因此，開發並利用新能源便成為當前社會發展的一個主流方向。
3.風能、太陽能是綠色能源，在利用的過程中不產生任何溫室氣體，目前已成為新能源開發的主要領域。然而風能和太陽能易受氣候條件的影響，導致風機和光伏機組發電功率輸出不穩定。如果電網系統中的風電或光伏電較多，則會導致電網電壓時常波動，影響電網系統頻率的穩定性，導致了「棄光率」和「棄風率」高居不下，造成了能源的大量浪費；並且現有電網基礎設施無法滿足新能源的發展速度，電網容量不夠，雖然我國不斷加強電網規劃建設，但存在協調難度大、建設周期長等問題，導致大量的風電和光伏電輸送不出去。因此，「棄電」的就地消納對降低新能源的浪費起到了極其重要的作用。
4.抽水蓄能是目前應用最廣、技術最為成熟的大規模儲能技術，系統的循環效率為70％～80％。抽水蓄能技術缺點也很明顯，需要找尋龐大的場地以修建水庫，場地的地形地質條件、水源水質變化、庫區淹沒和土壤鹽鹼化均有較高的要求，因而建設成本高、時間長，易對周遭環境造成破壞。另一種常用的儲能方式是電化學儲能，該方式的能量和功率配置靈活，受環境影響小，但應用成本相對較高，各種電化學儲能也都或多或少的存在環保問題。
5.煤炭氣化爐是煤氣化的主要設備，分為固定床、流化床和氣流床。現有的煤氣化爐一般以氧氣或空氣為氣化劑，氣化劑與煤炭在煤氣化爐中完成煤乾燥、熱解、還原、氧化過程。高溫下，煤炭和氧氣發生反應，生成一氧化碳和二氧化碳並放出大量的熱量，碳氧化放熱是煤氣化最主要的熱量來源。這種自供熱氣化方式，需要消耗煤自身能量的15％～35％左右，生成的氣體二氧化碳含量高，煤氣熱值相對較低。
6.目前在已有的利用電能進行煤氣化的方法中，他們都是將電能作為煤氣化的外部熱源，用電加熱導電載體或者介質，然後再通過載體或介質把熱量傳遞給煤氣化爐。這種方法進行煤氣化，存在較多的傳熱損失，且加熱系統較為複雜。
7.煤的電阻率高達103～105ω.m,是不良的導熱和導電體。煤的導電性與煤的微觀結構密切相關，研究發現，垂直微晶層面的電阻率較大，而平行微晶層面煤的電阻率比較小，意味著導電的性質與通過芳香環層的位移有關。煤和焦炭主要電流導體是多環芳香結構中的π電子和雜質載流子，焦化時芳香結構邊緣的氫原子逐漸消失，石墨微晶相互靠近，產生的電流從一個微晶向臨近的微晶傳導，從而使焦炭的電阻率遠低於原煤。
8.煤在隔絕氧氣熱解過程中，煤的電阻率不斷的減小，當加熱到600℃時，釋放出大量揮發分，煤粘結成半焦；繼續加熱到1000℃，這是半焦變成焦炭的階段。這一過程中半焦
發生縮聚反應，釋放出少量的烴類氣體和氫氣，芳香核不段增大，碳結構單元排列規則化增強，電阻率降低。半焦的堆積電阻率約在10-3
～10-2
ω.m之間，焦炭的堆積電阻率在10-4
～10-3
ω.m之間，完全滿足焦炭通電後依靠自身電阻產生的熱量完成煤氣化的要求。
9.為了解決風電和光伏電併網、調度難度大，棄電率高，而傳統的蓄能方式難以適用的問題，本發明改變傳統煤氣化爐依靠氧氣和煤炭反應消耗自身熱值來作為氣化反應熱源的方式，用廢棄的風電、光伏發電作為煤氣化的能量來源，氣化劑使用水蒸氣，依靠煤焦通電後自身電熱效應完成煤氣化。這樣不僅不消耗煤自身的熱量完成煤氣化，同時還變相的把風電和光伏電以高熱值煤氣的化學能進行存儲。


技術實現要素：

10.本發明的技術任務是針對以上現有技術的不足，而提供一種直流電極式固定床煤氣化電力儲能系統和方法。
11.本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種直流電極式固定床煤氣化電力儲能系統，包括直流電極式固定床煤氣化爐、送煤系統、配電系統、水路系統、煤氣淨化儲存系統。所述直流電極式固定床煤氣化爐是煤氣化的主體設備，爐體為矩形爐，爐體底部設置氣化劑入口和排渣口，頂部設置煤進料口，上部設置煤氣出口，爐體下部兩側設有石墨電極，石墨電極內部設置有水冷裝置；所述送煤系統用於將煤顆粒送入煤氣化爐；所述配電系統與煤氣化爐的石墨電極連接，為煤氣化爐穩定地提供電力；所述水路系統為煤氣化爐的石墨電極水冷裝置提供冷卻水，防止石墨電極與水蒸氣發生氣化反應，同時為蒸汽發生器提供水以產生蒸汽，為煤氣化爐提供氣化劑。所述煤氣淨化儲存系統用於淨化和存儲煤氣化爐產生的煤氣。
12.進一步地，直流電極式固定床煤氣化爐內部按照溫度分布自然形成五個區，從上到下依次為乾燥區、低溫熱解區、半焦區、焦炭區、灰渣區。乾燥區處於室溫～200℃，煤炭發生脫水乾燥；熱解區處於200～600℃，以煤的解聚和分解反應為主，煤粘結成半焦，並釋放出大量揮發分，煤的電阻率不低；半焦區處於600～1000℃，是半焦變成焦炭的階段，以縮聚反應為主，半焦發生縮聚反應，芳香核不斷增大，碳結構單元排列規則化增強，煤焦的電阻率進一步降低，煤焦與水蒸氣在800℃左右開始反應，在半焦層下部有部分煤焦發生氣化反應，但反應速率較慢；焦炭區處於爐體兩側石墨電極之間的區域，溫度在1000～1200℃，焦炭的堆積電阻率在10-4
～10-3
ω.m之間，是反應器中電阻率最小，電流密度最大的一個區，焦炭的電熱效應主要在這個區產生，焦炭和水蒸氣快速反應，是水煤氣反應的核心區；灰渣區處於600～800℃，採用固態排渣，水蒸氣從爐底通入，與煤渣進行換熱後自下而上依次進入氣化爐反應區。
13.進一步地，所述煤顆粒是粒徑5～20mm的煤顆粒。
14.進一步地，所述送煤系統中，煤倉、皮帶輸送機、破碎機、受煤鬥、鬥式提升機、煤鬥、進料器、煤鎖鬥和下料分配器依次連接。所述煤鎖鬥用於防止煤氣從進煤口逸出，煤分配器使得煤料均勻地散落在煤氣化爐裡。
15.進一步地，所述的配電系統包括發電機組、控制器、蓄電池、變壓器和短網；所述發電機組為風電或光伏電，發電機組、控制器、變壓器、短網依次連接；所述短網由變壓器連接至煤氣化爐的石墨電極；所述蓄電池與控制器雙向連接，風電和光伏電都具有不穩定性，當
電機的發電功率大於煤氣化爐時，控制器將多餘的電轉至蓄電池進行暫時存儲，反之蓄電池的電在控制器的調節下，攜同發電機組發出的電，經變壓器調壓後由短網通入石墨電極，保障煤氣化爐的穩定運行。
16.進一步地，風機產生的是交流電，該系統應用到風電上，變壓器和短網之間設有可控矽整流器。
17.進一步地，所述水路系統包括水箱、石墨電極水冷裝置、間壁式換熱器、蒸汽發生器；所述水路系統分為兩個支路，支路一是水箱出水口與石墨電極水冷裝置入水口相連，為其提供冷卻水，避免石墨電極的溫度過高與水蒸氣反應，石墨電極水冷裝置出水口再連接回水箱，冷卻水在支路一中循環；支路二是水箱出水口與間壁式換熱器的進水口相連，經由間壁式換熱器與熱的煤氣換熱後，間壁式換熱器的出水口連接到蒸汽發生器入口；所述蒸汽發生器的出口與煤氣化爐氣化劑入口連接，為煤氣化爐提供蒸汽。
18.進一步地，所述煤氣淨化儲存系統包括旋風分離器、灰鬥、間壁式換熱器、氣液分離器、水處理裝置、脫硫裝置、集氣罐；所述旋風分離器用於去除煤氣中的灰塵，直流電極式固定床煤氣化爐煤氣出口連接旋風分離器入口，旋風分離器氣體出口連接間壁式換熱器煤氣進口，旋風分離器固體出口連接灰鬥；所述間壁式換熱器用於回收煤氣的餘熱，其煤氣出口連接氣液分離器；所述氣液分離器用於脫除煤氣中的水分，其液體出口連接水處理裝置，其氣體出口連接脫硫裝置；所述水處理裝置用於對氣液分離器脫出的水進行淨化處理，其出口連接蒸汽發生器；所述脫硫裝置用於脫除煤氣中的so2，由氣液分離器氣體出口連接到脫硫裝置入口；所述集氣罐是儲存煤氣，脫硫裝置出口連接集氣罐。
19.上述一種直流電極式固定床煤氣化電力儲能方法，包括如下步驟：
20.(1)根據風電或光電機組的發電量，設置直流電極式固定床煤氣化爐用電負荷；
21.(2)在煤氣化爐中加焦炭為啟爐料，使之啟爐；
22.(3)將煤破碎成煤顆粒並與除焦油催化劑混合；
23.(4)打開水路系統通向間壁式換熱器和水冷裝置的水閥；
24.(5)接通電源，焦炭在電極通電後開始升溫，使焦炭區溫度保持在1000℃～1200℃；
25.(6)向煤氣化爐通入300℃～500℃水蒸氣；
26.(7)使煤顆粒連續穩定的進入煤氣化爐；
27.(8)生成的煤氣從煤氣化爐上部的出口排出，經過淨化處理、加壓後進入集氣罐存儲。
28.與現有技術相比，本發明的有益效果為：
29.1.能夠充分利用風能和太陽能發電中不能併入電網的乏電進行煤氣化，由於水煤氣反應是吸熱反應，將電能轉化為煤氣的化學能進行了存儲。
30.2.自供熱氣化爐依靠爐內煤的氧化反應放熱來供給爐內氣化反應所需吸收的熱，需要消耗煤自身能量的15％～35％，且出爐氣體co和co2含量高，熱值低。本發明利用風電或光伏電的乏電流經煤焦電熱效應產生的熱量進行煤氣化，氣化劑採用水蒸氣，生產的合成氣是以co和h2為主要原料的產品，煤氣成分好且熱值高。
31.3.本發明與傳統煤氣化爐利用電能作為煤氣化的外部熱源不同，他們用電加熱導電載體或者介質，通過載體和介質把熱量傳遞給煤氣化爐，熱損失較大。本發明利用煤炭在
加熱熱解的過程中電阻率逐漸減小，煤焦自身產生電熱效應的熱量進行煤氣化，大幅度的減少了傳熱損失，且簡化了加熱系統。
32.4.實現煤炭的清潔利用，提高煤炭利用率。
33.5.採用直流供電方式，電流密度高，且不會出現三相交流電在電爐內由於三相功率不平衡導致爐內功率密度不均勻的情況。
附圖說明
34.圖1是直流電極式煤氣化爐儲能系統圖；
35.圖2是直流電極式固定床煤氣化爐結構示意圖。
36.附圖標記：
37.1-煤倉，2-皮帶輸送機，3-破碎機，4-受煤鬥，5-鬥式提升機，6-煤鬥，7-送料器，8-煤鎖鬥，9-固定床煤氣化爐，10-灰鬥a，11-旋風分離器，12-間壁式換熱器，13-氣液分離器，14-脫硫裝置，15-集氣罐，16-水閥a，17-水處理裝置，18-水箱，19-水閥b，20-蒸汽發生器，21-灰鬥b，22-石墨電極，23-變壓器，24-控制器，25-發電機組，26-蓄電池；27-短網；
38.101-鋼板，102-絕熱磚，103-耐火磚，104-搗打澆注料，105-下料分布器，106-煤氣出口，107-乾燥區，108-低溫熱解區，109-半焦區，110-焦炭區，111-灰渣區，112-排渣口，113-氣化劑入口，114-爐排，115-水冷裝置。
具體實施方式
39.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
40.一種直流電極式固定床煤氣化電力儲能系統，如圖1所示，包括上述直流電極式固定床煤氣化爐、送煤系統、配電系統、水路系統、煤氣淨化儲存系統。
41.所述直流電極式固定床煤氣化爐結構如圖2所示，該圖用於解釋直流電極式固定床煤氣化爐9的結構和電熱煤氣化的原理。所述爐體結構為矩形爐，爐體底部設置爐排114、氣化劑入口113、排渣口112和灰鬥b21，頂部設置煤進料口，上部設置煤氣出口106；所述兩個石墨電極22分別貫穿爐牆，嵌在爐體下部兩側，內部設置有水冷裝置115；所述爐牆從外到內依次為鋼板101、絕熱磚102和耐火磚103，由於爐子頂部溫度較低，採用搗打澆注料104和鋼板101即可，爐牆內層的耐火磚103必須是電的絕緣體，避免電流流經爐牆導致爐牆燒毀和不必要的能量損失。
42.其中，根據電熱煤氣化原理，爐體內自上而下按溫度自然形成5個反應區，依次為乾燥區107、低溫熱解區108、半焦區109、焦炭區110、灰渣區111。
43.其中，所述送煤系統是將煤破碎，並將煤顆粒連續穩定的送入煤氣化爐9中，該系統包括依次連接的煤倉1、皮帶輸送機2、破碎機3、受煤鬥4、鬥式提升機5、煤鬥6、進料器7、煤鎖鬥8和下料分配器105。所述破碎機3將煤塊破碎成5～20mm的煤顆粒；所述煤鎖鬥8和下料分布器105設置在爐體的煤進料口處，分別用於防止煤氣從進煤口逸出和均勻煤料。
44.其中，所述的配電系統包括發電機組25、控制器24、蓄電池26、變壓器23和短網27。所述發電機組25、控制器24、變壓器23、短網27依次連接，短網27連接煤氣化爐的石墨電極
22；所述蓄電池26與控制器24雙向連接，發電機組25為風電或光伏電，當發電機組25的發電功率大於煤氣化爐9需要的功率時，控制器24將多餘的電轉至蓄電池26進行存儲，反之，蓄電池26的電在控制器24的調節下，攜同發電機組25發出的電，經變壓器23調壓後，由短網27通入石墨電極22，保障直流電極式固定床煤氣化爐9的穩定運行。
45.其中，所述水路系統包括水箱18、間壁式換熱器12、石墨電極水冷裝置115、蒸汽發生器20。所述水路系統分為兩個支路，支路一是水箱的出水口與石墨電極水冷裝置115入水口相連，因為冷卻過石墨電極22的水溫度較低，所以水冷裝置115出水口連接水箱18，冷卻水再次流回水箱18；支路二是水箱出水口與間壁式換熱器12的進水口相連，經間壁式換熱器與熱的煤氣換熱後，間壁式換熱器的出水口連接到蒸汽發生器入口；所述蒸汽發生器20的出口與煤氣化爐氣化劑入口113連接。兩條支路上分別設有水閥b19、水閥a16。
46.其中，所述煤氣淨化儲存系統包括旋風分離器11、間壁式換熱器12、氣液分離器13、水處理裝置17、脫硫裝置14、集氣罐15。所述煤氣化爐的煤氣出口106連接旋風分離器11入口，旋風分離器11氣體出口連接間壁式換熱器12煤氣進口，旋風分離器固體出口連接灰鬥a10；所述間壁式換熱器12煤氣出口連接氣液分離器13的入口，煤氣中未參與反應的水蒸氣經間壁式換熱器12冷凝後成液態水，在氣液分離器13中實現煤氣和未反應的水蒸氣分離，液體經氣液分離器13的出口連接到水處理裝置17，經過水處理裝置17淨化後，進入蒸汽發生器20；所述氣液分離器13氣體出口連接脫硫裝置14入口，經過脫硫後，由其出口連接集氣罐15進行儲存。
47.本發明涉及的反應方程式為：
48.c+h2o
(g)
＝co
(g)
+h
2(g)
ꢀꢀꢀ△
h1＝+135.0kj/mol
ꢀꢀ
(1)
49.co
(g)
+h2o
(g)
＝co
2(g)
+h
2(g)
ꢀꢀꢀ△
h2＝+39.22kj/mol
ꢀꢀ
(2)
50.co
(g)
+3h2
(g)
＝ch
4(g)
+h2o
(g)
ꢀꢀꢀ△
h3＝-216.45kj/mol
ꢀꢀ
(3)
51.co
2(g)
+4h
2(g)
＝ch
4(g)
+2h2o
(g)
ꢀꢀꢀ△
h4＝-202.51kj/mol
ꢀꢀ
(4)
52.△
h1～δh4表示反應(1)～(4)的反應熱。
53.下面以風電或光伏電平均發電功率8mw的為例，根據能量守恆和質量守恆對該系統所需的物料與生成的產物進行計算。選用的煤粉為劣質煤和優質煤兩種，兩種煤的工業分析和元素分析如表1所示。
54.表1劣質煤和優質煤的工業分析和元素分析結果
[0055][0056]
計算條件：採用直流電加熱的方式，電輸入功率pa＝8mw，電熱效率為ηe為78％；煤氣化反應碳轉化率按100％計算；氣化劑為h2o，水蒸氣入口溫度為400℃，煤氣出口溫度800℃，灰渣出口700℃。
[0057]
輸入爐體的熱量為：電熱輸入量q1，煤粉帶入的物理熱q
2.
，氣化劑帶入的物理熱q3；爐體輸出的熱量為：熔渣帶出的物理熱q4，合成氣帶出的物理熱q5，煤氣化反應吸熱量q6，其他熱損失q7。其中q
1～7
的單位為kj/s。
[0058]
當採用優質煤時，進、出爐內的熱量為：
[0059]
電熱輸入量q1，kj/s：
[0060]
q1＝paηe＝8
×
1000
×
78％＝6240
[0061]
煤粉帶入的物理熱q2，kj/s：
[0062]
q2＝c
coalmcoal
t
coal
＝1.21
×
15
×mcoal
＝18.15m
coal
[0063]
其中，c
coal
為煤粉的比熱，1.21kj/(kg
·
℃)；m
coal
為投煤量，kg/s；t
coal
為煤粉溫度，15℃。
[0064]
氣化劑帶入的物理熱q3，kj/s：
[0065]
q3＝c
gasmgas
t
gas
＝1.676
×
(87.43％/12
×
18)
×
400m
coal
＝879.25m
coal
[0066]
其中，c
gas
為400℃水蒸氣的比熱，1.676kj/(kg
·
℃)；m
gas
為水蒸氣的質量，kg/s；t
gas
為水蒸氣溫度，400℃。
[0067]
灰渣帶出的物理熱q4，kj/s：
[0068]
q4＝c
ashmash
t
ash
＝0.918
×
700
×
11.73％
×mcoal
＝75.38m
coal
[0069]
其中，c
ash
為灰渣的比熱，0.918kj/(kg
·
℃)；m
ash
為灰渣質量，kg/s；t
ash
為灰渣的溫度，700℃。
[0070]
合成氣帶出的物理熱q5，kj/s：
[0071]
q5＝c
sms
ts＝1.13
×
(87.43％/12
×
30)
×
800m
coal
＝1975.92m
coal
[0072]
其中，cs為合成氣的比熱，1.13kj/(kg
·
℃)；ms為合成氣質量，kg/s；ts為合成氣溫度，800℃。
[0073]
煤氣化反應消耗的熱量q6，kj/s：
[0074]
g6＝mc/mc×△
h1＝(87.43％m
coal
/0.012)
×
135＝9835.87m
coal
[0075]
其他熱損失功率取其最大輸入功率的6％，kj/s：
[0076]
q7＝6％
×
q1＝8000
×
6％＝480
[0077]
根據能量守恆：q1+q2+q3＝q4+q5+q6+q7[0078]
可得投煤量m
coal
＝0.55kg/s＝1.98t/h。
[0079]
當採用劣質煤時計算方法與優質煤相同，可得採用劣質煤時投煤量m＝0.86kg/s＝3.1t/h。對煤氣化爐進行熱平衡和物料平衡計算如表2和表3所示。
[0080]
表2煤氣化爐使用優質煤和劣質煤的的熱平衡分析結果
[0081][0082]
[0083]
表3以h2o為氣化劑的物料平衡計算表
[0084][0085]
實施例1
[0086]
一種直流電極式固定床煤氣化電力儲能系統的風電儲能方法，煤氣化爐體為矩形結構，如圖2所示，爐子長2.8m，寬1.5米，高8m；風電的供電功率為8mw，所採用的煤是如上的優質煤，所述法包括以下步驟：
[0087]
(1)根據風電機組的發電量，設置煤氣化爐用電負荷為8mw，風機產生的是交流電，在系統圖中，變壓器和短網之間加上可控矽整流器，使供電為直流電；
[0088]
(2)在煤氣化爐中加入焦炭作為啟爐料；
[0089]
(3)將煤塊從煤倉通過皮帶輸送機送至破碎機，在煤破碎機中將煤塊破碎成5～20mm的顆粒，再經過受煤鬥、鬥式提升機後進入煤鬥。在煤鬥中將煤顆粒與除焦油催化劑混合；
[0090]
(4)打開水箱通入石墨電極冷卻裝置的水閥a和通入間壁式換熱器的水閥b；
[0091]
(5)接通電源，焦炭在石墨電極通電後開始升溫，使焦炭區溫度保持在1100℃；
[0092]
(6)從蒸汽發生器向煤氣化爐通入2.55t/h的400℃水蒸氣；
[0093]
(7)打開送料器，使煤顆粒以1.98t/h的流量通過煤鎖鬥連續穩定的進入煤氣化爐；
[0094]
(8)生成的煤氣經過淨化處理後，少量的煤氣通入蒸汽發生器為產生蒸汽提供熱量，大部分的煤氣加壓後進入集氣罐存儲。
[0095]
上述方法中，所述生產煤氣是以co和h2為主要原料的產品。
[0096]
實施例2
[0097]
一種直流電極式固定床煤氣化電力儲能系統的光伏電儲能方法，煤氣化爐體為矩形結構，如圖2所示，爐子長2.8m，寬1.5m，高8m；光伏電的供電功率為8mw，所採用的煤是如上的劣質煤，所述法包括以下步驟：
[0098]
(1)根據光伏的發電量，設置煤氣化爐用電負荷為8mw；
[0099]
(2)在煤氣化爐中加入焦炭作為啟爐料；
[0100]
(3)將煤塊從煤倉通過皮帶輸送機送至破碎機，在煤破碎機中將煤塊破碎成5～20mm的顆粒，再經過受煤鬥、鬥式提升機後進入煤鬥。在煤鬥中將煤顆粒與除焦油催化劑混合；
[0101]
(4)打開水箱通入石墨電極冷卻裝置的水閥a和通入間壁式換熱器的水閥b；
[0102]
(5)接通電源，焦炭在石墨電極通電後開始升溫，使焦炭區溫度保持在1100℃；
[0103]
(6)從蒸汽發生器向煤氣化爐通入2.51t/h的350℃水蒸氣；
[0104]
(7)打開送料器，使煤顆粒以3.1t/h的流量通過煤鎖鬥連續穩定的進入煤氣化爐；
[0105]
(8)生成的煤氣經過淨化處理後，少量的煤氣通入蒸汽發生器為產生蒸汽提供熱
量，大部分的煤氣加壓後進入集氣罐存儲。
[0106]
上述方法中，所述生產煤氣是以co和h2為主要原料的產品。
[0107]
以上技術方案闡述了本發明的技術思路，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上技術方案所作的任何改動及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。