煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法

2023-11-29 21:51:26 1

專利名稱：煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法
技術領域：
本發明涉及的是一種新型煤氣化增壓聯合循環發電系統及裝置，尤其是一種應用於整 體煤氣化聯合循環發電系統中，從燃氣輪機壓氣機出口處抽取壓縮空氣供給空分裝置過程 中進行空氣增壓的能量轉化、回收方法及裝置。
技術背景整體煤氣化聯合循環發電系統，簡稱為IGCC系統，它是將煤氣化技術和高效聯合循 環發電技術相結合的先進動力發電系統。它由煤的氣化與淨化過程和燃氣一蒸汽聯合循環 發電過程兩部分組成。在煤的氣化與淨化過程中用到的主要設備包括選煤裝置、氣化爐 裝置、除塵淨化裝置、空氣分離裝置等；在燃氣—蒸汽聯合循環發電過程中用到的主要設 備包括燃氣輪機、餘熱鍋爐、汽輪機等。這套IGCC系統目前己經在國內實現了推廣和 應用，並成為一種較為成熟的應用技術。通常採用的氣化爐裝置包括固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐；氣化爐出 口處粗煤氣的溫度都很高，其中含有熔融狀態的灰渣，通常的做法是利用對流鍋爐產生蒸 汽，再進行激冷處理，將煤氣中所含熔融狀態的灰渣除去，這樣做實際上是對高溫煤氣能 量(有效能)的一種浪費。空氣分離裝置吸入壓縮空氣，產出氧氣和氮氣等，同時需要氧壓機和氮壓機將氧氣和 氮氣壓縮到需要的壓力。在IGCC系統中，根據原料空氣的來源不同，空氣分離裝置可分 為獨立空分裝置、整體空分裝置和部分整體空分裝置。獨立空分裝置是所有的原料空氣都 是空分裝置自帶的空壓機提供的；整體空分裝置是所有的原料空氣都是外部裝置提供的； 部分整體空分裝置是原料空氣由空分裝置自帶的空壓機和外部裝置共同提供。燃氣輪機包括空氣壓縮機、燃燒室和膨脹機。煤氣在燃燒室內與高壓空氣混合燃燒， 產生的高溫高壓燃氣驅動膨脹機對外做功，帶動壓氣機及發電機。在IGCC系統中，通常情況下，燃氣輪機氣體壓縮機出口處壓縮空氣的壓力和溫度遠 大於空氣分離裝置所需壓縮空氣的壓力和溫度。平常採用的方法是逋過冷卻器冷卻和節 流裝置節流，將空氣調整到空分裝置適合的溫度和壓力，再作為原料空氣進入到空分裝置 中。這樣做並沒有對這部分可觀能量進行充分利用。發明內容本發明的目的在於克服上述存在的不足，而提供一種在現有技術的基礎上所作出的一 種改進的，能使IGCC系統中的高品質熱能在高溫下轉化為電能的效率更高的煤氣化增壓 聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法。本發明所述的煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法是它主要由煤的 氣化與淨化過程和燃氣一蒸汽聯合循環發電過程兩部分組成，煤氣在燃燒室內與高壓空氣 混合燃燒，產生的高溫高壓燃氣驅動膨脹機對外做功，帶動壓氣機及發電機，所述的燃氣 輪機系統提供給空分的原料空氣作為工作流體，通過換熱降溫、增壓、多次復熱、逐步加 溫，再獲取氣化爐裝置出口處的高溫煤氣的熱能，使得工作流體的溫度達到足夠高，並通 過能量回收透平膨脹做功，拖動增壓輪並發電，再換熱降溫，最後將適當壓力和溫度的空 氣輸送給空氣分離裝置。本發明從燃氣輪機氣體壓縮機出口處抽取壓縮空氣，首先經過換熱降溫，再由能量回 收透平帶動的壓氣機增壓，多次復熱；然後與氣化爐裝置出口處高溫煤氣進行熱交換；之 後將高溫高壓空氣通過能量回收透平對外做功，帶動系統中的發電機及壓氣機。將從燃氣輪機氣體壓縮機出口處抽取的壓縮空氣，與能量回收透平驅動的壓氣機出口 處的低溫壓縮空氣進行熱交換，降低溫度，並通過水冷卻器進一步降低溫度(為了減少壓 縮功)後，進入由能量回收透平驅動的壓氣機增壓；增壓後的低溫壓縮空氣與燃氣輪機氣 體壓縮機出口處抽取的壓縮空氣進行熱交換升溫，即第一次復熱後，再與能量回收透平做 功後的空氣進行熱交換進一步升溫，即第二次復熱，之後與氣化爐裝置出口處的高溫粗煤 氣進行熱交換達到所需要的溫度，再將高溫、高壓空氣引入能量回收透平膨脹對外做功， 並驅動壓氣機及發電機；做功後的中壓空氣與第二次復熱對應先與高壓空氣熱交換降溫後 再與空氣分離裝置出口的回注氮氣進行熱交換，餘熱由回注氮氣帶入燃汽輪機的燃燒室回 收)，最後達到適當壓力和溫度，進入空分裝置。對於氣化爐裝置出口處的高溫煤氣，本發明先將其與驅動能量回收透平的工作流體進 行熱交換，利用其高品質熱能(高溫)，提高IGCC系統的火用效率，使其溫度降低到略 高於灰渣凝結溫度，再通過激冷系統除去其中的灰渣。本發明還對淨化後的煤氣與淨化前的煤氣進行換熱，以提高進入燃機燃燒室煤氣溫度 來回收能量。本發明所述的煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化、回收裝置是它包括有煤的氣化與淨化設備和燃氣一蒸汽聯合循環發電設備組成，其中煤的氣化與淨化設備主要有選 煤裝置、氣化爐裝置、除塵淨化裝置、空氣分離裝置等；而燃氣一蒸汽聯合循環發電設備 主要有燃氣輪機、餘熱鍋爐、汽輪機等；本發明主要是增設了能量回收透平以及由該能量 回收透平驅動的壓氣機和若干熱交換器，在燃氣輪機所附的氣體壓縮機與由能量回收透平 驅動的壓氣機之間至少設置有第一熱交換器，而壓氣機與氣化爐裝置之間也至少設置有第 二熱交換器，另在能量回收透平與空氣分離裝置之間也設置有第三熱交換器。所述的氣體壓縮機與由能量回收透平驅動的壓氣機之間設置有供壓縮空氣與低溫壓 縮空氣進行熱交換的第一熱交換器，而壓氣機與氣化爐裝置之間至少設置有供高溫壓縮空 氣與高溫粗煤氣進行熱交換的第二熱交換器，另在能量回收透平與空氣分離裝置之間也設 置有做功後的空氣與回注氮氣進行熱交換的第三熱交換器。本發明在所述的第二熱交換器之前還設置有一中間熱交換器，從壓氣機出來的低溫壓 縮空氣在經過第一熱交換器後在進入該中間熱交換器，與從能量回收透平出來的做功後空 氣進行熱交換。本發明屬於在現有技術基礎上的一種改良，它針對整體空分裝置或部分整體空分裝 置，即由燃氣輪機壓氣機為空分裝置提供部分或全部氣源空氣，在增加了一能量回收透平 驅動的壓氣機和若干熱交換器後，能實現空分裝置氣源空氣能量的回收利用，並利用空分 裝置氣源空氣為介質將高溫粗煤氣的熱能在高品位時轉化為電能。具有方法簡單易行、可 靠，裝置結構簡單，能提高能量回收透平的工作效率，增加輸出功率，使整個IGCC系統 的發電效率提高3%以上，有明顯的節能降耗作用等特點。


圖1是本發明的工藝流程示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明做詳細的介紹本發明所述的煤氣化增壓聯合循環發電系統 的能量轉化、回收方法是它主要由煤的氣化與淨化過程和燃氣一蒸汽聯合循環發電過程 兩部分組成，煤氣在燃燒室內與高壓空氣混合燃燒，產生的高溫高壓燃氣驅動膨脹機對外 做功，帶動壓氣機及發電機，所述的燃氣輪機系統提供給空分的原料空氣作為工作流體， 通過增壓、逐步加溫，再獲取氣化爐裝置出口處的高溫煤氣的熱能，使得工作流體的溫度 達到足夠高，並通過能量回收透平發電，再換熱降溫，最後將適當壓力和溫度的空氣輸送 給空氣分離裝置。本發明從燃氣輪機氣體壓縮機出口處抽取壓縮空氣，首先經過由能量回收透平帶動的 壓氣機增壓；然後與氣化爐裝置出口處高溫煤氣進行熱交換；之後將高溫高壓空氣通過能 量回收透平對外做功，帶動系統中的發電機及壓氣機。結合附圖1所示的具體方法是將從燃氣輪機氣體壓縮機出口處抽取的壓縮空氣，與 能量回收透平驅動的壓氣機出口處的低溫壓縮空氣進行熱交換，降低溫度，並通過水冷卻 器進一步降低溫度(為了減少壓縮功)後，進入由能量回收透平驅動的壓氣機增壓；增壓 後的低溫壓縮空氣與燃氣輪機氣體壓縮機出口處抽取的壓縮空氣進行熱交換升溫、即第一 次復熱後，再與能量回收透平做功後的空氣進行熱交換進一步升溫、即第二次復熱)，之 後與氣化爐裝置出口處的高溫粗煤氣進行熱交換達到所需要的溫度，再將高溫、高壓空氣 引入能量回收透平膨脹對外做功，並驅動壓氣機及發電機；做功後的中壓空氣與第二次復 熱對應先與高壓空氣熱交換降溫，後再與空氣分離裝置出口的回注氮氣進行熱交換，餘熱 由回注氮氣帶入燃汽輪機的燃燒室回收，最後達到適當壓力和溫度，進入空分裝置。對於氣化爐裝置出口處的高溫煤氣，本發明是先將其與驅動能量回收透平的工作流 體進行熱交換，使其溫度降低到略高於灰渣凝結溫度，再通過激冷系統除去其中的灰渣。附圖1中所示的煤氣化聯合循環發電系統的能量轉化、回收裝置是它包括有煤的氣 化與淨化設備和燃氣一蒸汽聯合循環發電設備組成，其中煤的氣化與淨化設備主要有選煤 裝置l、氣化爐裝置2、除塵淨化裝置3、空氣分離裝置4等；而燃氣一蒸汽聯合循環發電 設備主要有燃氣輪機5、餘熱鍋爐6、汽輪機等；本發明增設了能量回收透平7以及由該能量回收透平7驅動的壓氣機8和若干熱交換器，在燃氣輪機5所附的氣體壓縮機9與由 能量回收透平驅動的壓氣機8之間至少設置有第一熱交換器10，而壓氣機8與氣化爐裝置 2之間也至少設置有第二熱交換器11，另在能量回收透平7與空氣分離裝置4之間也設置 有第三熱交換器12。所述的氣體壓縮機9與由能量回收透平驅動的壓氣機8之間設置有供壓縮空氣與低溫 壓縮空氣進行熱交換的第一熱交換器10，而壓氣機8與氣化爐裝置2之間至少設置有供高 溫壓縮空氣與高溫粗煤氣進行熱交換的第二熱交換器11，另在能量回收透平7與空氣分離 裝置4之間也設置有做功後的空氣與回注氮氣進行熱交換的第三熱交換器12。本發明在附圖1中所示的第二熱交換器11之前還設置有一中間熱交換器13,從壓氣 機8出來的低溫壓縮空氣在經過第一熱交換器10後在進入該中間熱交換器13，與從能量 回收透平7出來的做功後空氣進行熱交換。本發明採用的是對燃氣輪機所供氣先增壓、再升溫、然後膨脹做功的增壓流程；氣化 爐裝置的出口高溫粗煤氣也進行了換熱；對淨化後的煤氣與淨化前的煤氣進行換熱，以提 高進入燃機燃燒室煤氣溫度來回收能量的原理；本發明還將做功後的空氣的熱量根據溫度 的不同分別交換給與粗煤氣換熱前的空氣和回注氮氣，以增加熱能的有效利用。
權利要求
1. 一種煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法，該方法是它主要由煤的氣化與淨化過程和燃氣-蒸汽聯合循環發電過程兩部分組成，煤氣在燃燒室內與高壓空氣混合燃燒，產生的高溫高壓燃氣驅動膨脹機對外做功，帶動壓氣機及發電機，其特徵在於所述的燃氣輪機系統提供給空分的原料空氣作為工作流體，通過換熱降溫、增壓、多次復熱、逐步加溫，再獲取氣化爐裝置出口處的高溫煤氣的熱能，使得工作流體的溫度達到足夠高，並通過能量回收透平發電，再換熱降溫，最後將適當壓力和溫度的空氣輸送給空氣分離裝置。
2、 根據權利要求1所述的煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法，其 特徵在於所述的從燃氣輪機空氣壓縮機出口處抽取壓縮空氣，首先經過由能量回收透平帶 動的壓氣機增壓；然後與氣化爐裝置出口處高溫煤氣進行熱交換；之後將高溫高壓空氣通 過能量回收透平對外做功，帶動系統中的發電機及壓氣機。
3、 根據權利要求1或2所述的煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法， 其特徵在於所述的將從燃氣輪機氣體壓縮機出口處抽取的壓縮空氣，與能量回收透平驅動 的壓氣機出口處的低溫壓縮空氣進行熱交換，降低溫度，並通過水冷卻器進一步降低溫度 後，進入由能量回收透平驅動的壓氣機增壓；增壓後的低溫壓縮空氣與燃氣輪機氣體壓縮 機出口處抽取的壓縮空氣進行熱交換升溫、即第一次復熱後，再與能量回收透平做功後的 空氣進行熱交換進一步升溫、即第二次復熱，之後與氣化爐裝置出口處的高溫粗煤氣進行 熱交換達到所需要的溫度，再將高溫、高壓空氣引入能量回收透平膨脹對外做功，並驅動 壓氣機及發電機；做功後的中壓空氣與第二次復熱對應先與高壓空氣熱交換降溫，再與空 氣分離裝置出口的回注氮氣進行熱交換，餘熱由回注氮氣帶入燃汽輪機的燃燒室回收，最 後達到適當壓力和溫度，進入空分裝置。
4、 根據權利要求3所述的煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法，其 特徵在於所述的氣化爐裝置出口處的高溫粗煤氣，先將其與驅動能量回收透平的工作流體 進行熱交換，使其溫度降低到略高於灰渣凝結溫度，再通過激冷系統除去其中的灰渣。
5、 一種用於如權利要求1或2或3或4所述的煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量 轉化和回收方法的裝置，該裝置包括有煤的氣化與淨化設備和燃氣一蒸汽聯合循環發電設 備組成，其中煤的氣化與淨化設備主要有選煤裝置、氣化爐裝置、除塵淨化裝置、空氣分離裝置；而燃氣一蒸汽聯合循環發電設備主要有燃氣輪機、餘熱鍋爐、汽輪機，其特徵在 於增設了能量回收透平以及由該能量回收透平驅動的壓氣機和若干熱交換器，在燃氣輪機 所附的氣體壓縮機與由能量回收透平驅動的壓氣機之間至少設置有第一熱交換器，而壓氣 機與氣化爐裝置之間也至少設置有第二熱交換器，另在能量回收透平與空氣分離裝置之間 也設置有第三熱交換器。
6、 根據權利要求5所述的用於煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法 的裝置，其特徵在於所述的氣體壓縮機與由能量回收透平驅動的壓氣機之間設置有供壓縮 空氣與低溫壓縮空氣進行熱交換的第一熱交換器，而壓氣機與氣化爐裝置之間至少設置有 供高溫壓縮空氣與高溫粗煤氣進行熱交換的第二熱交換器，另在能量回收透平與空氣分離 裝置之間也設置有做功後的空氣與回注氮氣進行熱交換的第三熱交換器。
7、 根據權利要求5或6所述的用於煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收 方法的裝置，其特徵在於所述的第二熱交換器之前還設置有一中間熱交換器，從壓氣機出 來的低溫壓縮空氣在經過第一熱交換器後在進入該中間熱交換器，與從能量回收透平出來 的做功後空氣進行熱交換。
全文摘要
一種煤氣化增壓聯合循環發電系統的能量轉化和回收方法，所述的方法主要由煤的氣化與淨化過程和燃氣—蒸汽聯合循環發電過程兩部分組成，煤氣在燃燒室內與高壓空氣混合燃燒，產生的高溫高壓燃氣驅動膨脹機對外做功，帶動壓氣機及發電機，所述的燃氣輪機系統提供給空分的原料空氣作為工作流體，通過換熱降溫、增壓、多次復熱、逐步加溫，再獲取氣化爐裝置出口處的高溫煤氣的熱能，使得工作流體的溫度達到足夠高，並通過能量回收透平膨脹做功，拖動增壓輪並發電，再換熱降溫，最後將適當壓力和溫度的空氣輸送給空氣分離裝置；所述的裝置是主要包括有煤的氣化與淨化設備和燃氣—蒸汽聯合循環發電設備組成，並增設了能量回收透平以及由該能量回收透平驅動的壓氣機和若干熱交換器；它具有方法簡單易行、可靠，裝置結構簡單，能提高能量回收透平的工作效率，增加輸出功率，使IGCC系統的發電效率提高3％以上，有明顯的節能降耗作用等特點。
文檔編號F02C7/224GK101270689SQ20081006151
公開日2008年9月24日 申請日期2008年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者孫曉濤, 池雪林 申請人:杭州杭氧透平機械有限公司