一種利用燃氣和蒸汽聯合發電的設備及方法與流程

本發明涉及一種發電設備，具體的，本發明涉及一種利用燃氣和蒸汽聯合發電的設備。此外本發明還涉及一種利用燃氣和蒸汽聯合發電的方法。

背景技術：

我國能源資源的基本特點是富煤、貧油、少氣，將我國煤炭資源與石油、天然氣、水能和核能等一次性能源資源相比，煤炭占整個一次性能源資源的85％以上。因此，我國的能源消費結構是以煤為主，與歐美國家“石油為主，煤炭、天然氣為輔，水電、核能為補充”的情況差距顯著。2016年，原煤在中國一次性能源消費結構中占比仍超過60％，在相當長的時期內，中國一次性能源供應仍將以煤炭為主。

隨著我國工業化和城鎮化進程的深入推進，化石能源利用和資源消耗持續增加，區域性大氣復合污染繼續加劇，全國多個地區霧霾事件頻發。大氣污染物的主要組成為二氧化硫、氮氧化物及煙(粉)塵，而全國煙(粉)塵排放的70％、二氧化硫排放的85％、氮氧化物排放的67％都源于以煤炭為主的化石能源的燃燒。盡管受益于我國工業廢氣治理政策，近年來二氧化硫、氮氧化物、煙(粉)塵排放呈現下降趨勢，但整體排放基數仍然居高不下，而煤電企業的燃煤火電機組為污染物排放的主要來源之一。

2016年修訂后的《中華人民共和國大氣污染防治法》正式實施，從政策層面凸顯了治理大氣污染從治標走向治本的立法思路。針對燃煤發電環節的工業煙氣排放控制，環保部發布了《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》，明確指出我國“十三五”期間將執行更為嚴格的“超低排放”標準，氮氧化物、二氧化硫、煙(粉)塵排放標準進一步降低至50mg/m³、35mg/m³和10mg/m³。

然而，傳統燃煤機組供電的方式，存在能量效率低、水耗高、為滿足環保排放要求投資巨大等一系列的問題。因此，如何提供一種高效綠色煤電技術，將是解決能源問題的主要途徑。

公開于該發明背景技術部分的信息僅僅旨在加深對本發明的一般背景技術的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域技術人員所公知的現有技術。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種利用煤炭生產清潔燃料并且提高能量的利用效率、同時能有效控制污染物的利用燃氣和蒸汽聯合發電的設備。

本發明提供一種利用燃氣和蒸汽聯合發電的設備，其包括：空分裝置、氣化裝置、熱回收裝置、凈化裝置、膨脹發電裝置和燃氣/蒸汽聯合發電裝置；

所述空分裝置配置為，產生氧氣和氮氣并且將產生的氧氣和氮氣輸送至所述氣化裝置；

所述氣化裝置配置為包括：磨煤干燥單元、加壓輸送單元、氣化爐單元和水洗單元；原煤在該磨煤干燥單元中進行研磨并干燥之后被輸送至所述加壓輸送單元，該加壓輸送單元將煤粉進行加壓并輸送至氣化爐單元；煤粉與來自空分裝置的氧氣在所述氣化爐單元中發生氣化反應以產生高溫混合氣，該高溫混合氣與氣化爐單元中的高壓鍋爐水進行熱交換之后經過所述水洗單元進行水洗潤濕，以形成粗煤氣，并且將該粗煤氣輸送至所述熱回收裝置；經過熱交換的所述高壓鍋爐水被氣化形成高壓飽和蒸汽，該高壓飽和蒸汽被輸送至所述燃氣/蒸汽聯合發電裝置；

所述熱回收裝置配置為，將粗煤氣中的熱量回收并且將粗煤氣中的有機硫轉化為無機硫，以及將來自所述凈化裝置中的潔凈煤氣加熱并且將加熱的潔凈煤氣輸送至所述膨脹發電裝置；

所述凈化裝置配置為，去除粗煤氣中的硫化物以形成潔凈煤氣，并且將潔凈煤氣輸送至所述熱回收裝置；

所述膨脹發電裝置配置為，將潔凈煤氣進行膨脹以進行發電，并且將滿足燃氣/蒸汽聯合發電裝置的入口壓力的潔凈煤氣輸送至燃氣/蒸汽聯合發電裝置；

所述燃氣/蒸汽聯合發電裝置配置為包括：燃氣輪機發電單元、余熱鍋爐單元和蒸汽輪機發電單元，所述燃氣輪機發電單元將潔凈煤氣進行燃燒以進行發電，并且產生高溫氣體；所述余熱鍋爐單元回收該高溫氣體以產生高壓飽和蒸汽，并且將該高壓飽和蒸汽與來自所述氣化爐單元的高壓飽和蒸汽一起產生為高壓過熱蒸汽，以產生高壓過熱蒸汽；所述蒸汽輪機發電單元利用該高壓過熱蒸汽來進行發電。

優選地，該設備還包括：硫回收裝置，該硫回收裝置配置為，回收來自所述凈化裝置的酸性氣體，并且將該酸性氣體處理為硫磺制品。

優選地，所述氣化爐單元包括：氣化爐反應段、氣化爐輻射換熱段和氣化爐對流換熱段；

所述煤粉與來自空分裝置的氧氣在該氣化爐反應段中發生氣化反應；所述高溫混合氣依次經過氣化爐輻射換熱段和氣化爐對流換熱段進行熱交換。

更優選地，在所述氣化爐輻射換熱段和氣化爐對流換熱段之間設有氣固分離器，該氣固分離器用于將混合氣中的固體顆粒物進行脫除。

更優選地，所述氣化爐反應段、氣化爐輻射換熱段、氣固分離器和氣化爐對流換熱段的內壁上設有膜式水冷壁。

優選地，所述余熱鍋爐單元中經由煙氣管道與所述磨煤干燥單元連通，以將部分脫硝煙氣輸送至該磨煤干燥單元，從而為原煤進行加熱并干燥。

優選地，所述凈化裝置包括合成氣出口，以將一部分潔凈煤氣排出。

優選地，所述熱回收裝置中設有水解槽，以用于將所述粗煤氣中的有機硫轉化為無機硫。

優選地，所述原煤為煙煤、無煙煤或者褐煤；所述氣化爐單元中的反應溫度為：1200至1700℃，反應壓力為：4至10mp。

本發明還涉及一種利用燃氣和蒸汽聯合發電的方法，其包括以下步驟：

a)利用空分裝置產生氧氣和氮氣，并且將產生的氧氣和氮氣輸送至氣化裝置；

b)將原煤進行研磨、干燥和加壓之后輸送至氣化裝置；

c)將煤粉與氧氣在氣化裝置中的氣化爐單元中發生氣化反應，以產生高溫混合氣；

d)將高溫混合氣與氣化爐單元中的高壓鍋爐水進行熱交換之后進行水洗潤濕，以形成粗煤氣；

e)將氣化高壓鍋爐水而形成的高壓飽和蒸汽輸送至燃氣/蒸汽聯合發電裝置；

f)利用熱回收裝置將粗煤氣中的熱量回收并且將粗煤氣中的有機硫轉化為無機硫，以及將來自凈化裝置中的潔凈煤氣加熱并且將加熱的潔凈煤氣輸送至膨脹發電裝置；

g)利用凈化裝置將粗煤氣中的硫化物去除，以形成潔凈煤氣，并且將潔凈煤氣輸送至熱回收裝置；

h)利用膨脹發電裝置將潔凈煤氣進行膨脹以進行發電，并且將滿足燃氣/蒸汽聯合發電裝置的入口壓力的潔凈煤氣輸送至所述燃氣/蒸汽聯合發電裝置；

i)利用燃氣/蒸汽聯合發電裝置中的燃氣輪機發電單元將潔凈煤氣進行燃燒以進行發電，并且產生高溫氣體；

j)利用燃氣/蒸汽聯合發電裝置中的余熱鍋爐單元回收該高溫氣體以產生高壓飽和蒸汽，并且將該高壓飽和蒸汽與來自所述氣化爐單元的高壓飽和蒸汽一起產生為高壓過熱蒸汽；

k)利用燃氣/蒸汽聯合發電裝置中的蒸汽輪機發電單元，通過利用高壓過熱蒸汽來進行發電。

本發明采取以上技術方案，其有以下有益效果：

(1)本發明采用了將煤炭氣化轉化為粗煤氣、通過凈化脫除硫等污染物、潔凈煤氣送燃氣輪機和蒸汽聯合循環燃燒發電的總工藝路線。本發明中，燃氣輪機燃料為凈化后的清潔煤氣，從源頭上解決了傳統燃煤鍋爐存在的尾氣除塵、脫硫和脫硝的問題，排放尾氣中有害物質的排放濃度遠低于國家排放標準要求。

(2)本發明中，氣化爐設置有輻射反應段、氣固分離器、對流反應段，能夠充分回收氣化反應高溫混合氣中的顯熱，產生高壓飽和蒸汽，有效提高了能量的利用效率。同時，高效氣固分離器可將氣體中夾帶大部分固體脫除，解決了大顆粒對對流廢鍋的磨蝕問題，同時降低了混合氣中的固體含量，保證了各個裝置運行的可靠性和穩定性。

(3)本發明中熱回收的設置，進一步回收粗煤氣中的熱量的同時，將潔凈煤氣的溫度升高到150℃；膨脹發電裝置回收部分壓力能，并使潔凈煤氣壓力滿足燃氣輪機入口壓力要求，增加了系統的整體發電能力。熱回收裝置和膨脹發電裝置，對系統低溫位熱能進行了回收利用，對壓力能進行了初步回收，提高了系統的能量利用效率。

(4)本發明中，氣化爐充分回收高溫反應氣中的熱量，增加了系統蒸汽總產量，提高了蒸汽輪機的發電量。

(5)本發明中，利用余熱鍋爐部分脫硝煙氣作為熱源，代替氣化磨煤干燥單元的熱風爐，節省了設備投資和燃料消耗，同時提高了能量利用效率。

(6)本發明工藝路線簡單、各裝置技術成熟，節能環保、應用風險小，滿足所倡導的綠色煤電發展方向要求，為替代傳統燃煤發電機組提供了有益的技術選擇。

附圖說明

下文將結合附圖對本發明的示例性實施例進行更為詳細的說明。為清楚起見，不同附圖中相同的部件以相同標號示出。需要說明的是，附圖僅起到示意作用，其并不必然按照比例繪制。在附圖中：

圖1為本發明中的利用燃氣和蒸汽聯合發電的設備的結構框圖；

圖2為本發明中的氣化裝置的結構框圖；

圖3為本發明中的利用燃氣和蒸汽聯合發電的方法的流程圖。

具體實施方式

下面將參考所附附圖對本發明的示例性實施例進行詳細的描述。

結合圖1和圖2所示，本發明中的一種利用燃氣和蒸汽聯合發電的設備，其包括：空分裝置1、氣化裝置2、熱回收裝置3、凈化裝置4、膨脹發電裝置5、燃氣/蒸汽聯合發電裝置6以及硫回收裝置7。這里，除另有特殊說明，各個裝置之間的氣體或液體默認經由管路進行輸送。

所述空分裝置1配置為，產生氧氣和氮氣并且將產生的氧氣和氮氣輸送至所述氣化裝置2。所述空分裝置1用于產生低壓氮氣、高壓氮氣和純氧，并且該空分裝置1與氣化裝置2通過管路連接，以將其產生的純氧輸送至氣化裝置2。

所述氣化裝置2配置為包括：磨煤干燥單元21、加壓輸送單元22、氣化爐單元23和水洗單元24。原煤在磨煤干燥單元21中進行研磨并干燥之后被輸送至加壓輸送單元22，該加壓輸送單元22將煤粉進行加壓并輸送至氣化爐單元23。煤粉與來自空分裝置的氧氣在所述氣化爐單元23中發生氣化反應以產生高溫混合氣，該高溫混合氣與氣化爐單元23中的高壓鍋爐水進行熱交換之后經過所述水洗單元24進行水洗潤濕，以形成粗煤氣，并且該粗煤氣輸送至所述熱回收裝置3。經過熱交換的所述高壓鍋爐水被氣化形成高壓飽和蒸汽，該高壓飽和蒸汽被輸送至所述燃氣/蒸汽聯合發電裝置6。

如圖2所示，所述的氣化裝置包括氣化爐單元部分和水洗單元部分，其中氣化爐單元作為氣化裝置的關鍵設備，主要包括四個主要部分，分別為反應段、輻射換熱段、氣固分離器和對流換熱段，各部分內壁上均設有膜式水冷壁。

所述氣化裝置以煤和氧氣為原料，在氣化爐反應段發生氣化反應，反應溫度為1200～1700℃，反應壓力為4～10mpa(兆帕)。氣化煤種選擇范圍廣，無煙煤、煙煤褐煤等均可選用，有利于企業根據自身情況優選煤源。

通過控制氧氣的加入量，煤和氧氣在弱還原性氛圍中發生氣化反應，有效抑制了氮氧化物的產生，生成以co和h2為主要成分的高溫混合氣。煤中大部分硫元素以硫化物(cos和h2s)的形式進入氣體中，少量進入固體(灰渣)中。氣體中的硫化物在凈化裝置被脫除，并被進一步加工成高純度硫磺產品。進入固體中的硫元素以穩定鹽類形式存在，對環境無污染。

氣化爐反應段的水冷壁，保護氣化爐反應段不超溫，同時產生高壓飽和蒸汽。氣化反應產生的高溫混合氣首先經過氣化爐輻射換熱段，將高壓鍋爐水氣化產生高壓飽和蒸汽，同時氣體溫度降低至約600℃。初次降溫后的混合氣進入高效氣固分離器進行初次分離，約80％的固體顆粒從混合氣中被分出。混合氣離開高效氣固分離器后，進入氣化爐對流換熱段，繼續將高壓鍋爐水氣化產生高壓飽和蒸汽，同時混合氣溫度降低至約350℃后離開氣化爐。出氣化爐后的混合氣，經充分潤濕水洗后，氣體中的粉塵含量降至1mg/nm³以下，作為粗煤氣送入熱回收裝置。

氣化爐產生的高壓飽和蒸汽送至燃氣/蒸汽聯合發電裝置，經余熱鍋爐過熱后送汽輪機發電。優選地，氣化爐的反應壓力范圍為4～10mpa，氣化反應溫度范圍為1200～1700℃。氣化爐產生飽和蒸汽壓力為10.0mpa。粗煤氣的溫度170～200℃。通過氣化反應，將煤的化學能轉化為熱能，通過多級換熱，充分回收了混合氣中的高溫位熱能，提高能量利用效率。通過高效的氣固分離器，將氣體中夾帶大部分固體脫除，解決了大顆粒對對流廢鍋的磨蝕問題，同時降低了混合氣中的粉塵含量，保證了對流廢鍋運行的可靠性和穩定性。

再次結合圖1和圖2所示，所述熱回收裝置3配置為，將粗煤氣中的熱量回收并且將粗煤氣中的有機硫(例如cos)轉化為無機硫(例如h2s)，以及將來自所述凈化裝置4中的潔凈煤氣加熱并且將加熱的潔凈煤氣輸送至所述膨脹發電裝置5。所述的熱回收裝置作用是將粗煤氣中的低溫位熱進行回收利用，同時將粗煤氣中的cos轉化為h2s，以滿足凈化裝置的原料要求。來自氣化的粗煤氣首先將來自凈化單元的潔凈煤氣預熱至約150℃，然后進入水解槽將粗煤氣中微量的有機硫cos轉化為h2s，之后對高壓鍋爐水、脫鹽水進行預熱，最大限度的回收粗煤氣中的熱量，最后用少量循環冷卻水冷卻至60℃并輸送至凈化裝置。

所述凈化裝置4配置為，去除粗煤氣中的硫化物和一部分二氧化碳以形成潔凈煤氣，并且將潔凈煤氣輸送至所述熱回收裝置3。由于粗煤氣中的h2s組分對燃氣輪機的葉片具有腐蝕作用，故需要將其脫除。凈化可采用低溫甲醇洗滌等工藝，脫除粗煤氣中的h2s和部分co2，使潔凈煤氣中的總體含硫量小于1ppm(百萬分比濃度)。來自凈化裝置的酸性氣(h2s、co2)經硫回收裝置處理后，得到高純度硫磺產品。通過凈化和硫回收裝置，將粗煤氣中的h2s轉化為高純度的硫磺產品，使硫不再作為污染物進入大氣，實現減排的同時得到了具有附加值的硫磺產品，實現良好的經濟效益。

所述膨脹發電裝置5配置為，將潔凈煤氣進行膨脹以進行發電，并且將滿足入口壓力的潔凈煤氣輸送至所述燃氣/蒸汽聯合發電裝置6。預熱后的潔凈煤氣進入膨脹發電裝置，使膨脹后氣體壓力滿足燃氣輪機入口允許壓力要求(約2.35mpa)，同時初步回收氣體的壓力能，生產的電能可滿足部分廠內設備用電需求。

所述燃氣/蒸汽聯合發電裝置6配置為包括：燃氣輪機發電單元、余熱鍋爐單元和蒸汽輪機發電單元，所述燃氣輪機發電單元將潔凈煤氣進行燃燒以進行發電，并且產生高溫氣體。所述余熱鍋爐單元回收該高溫氣體熱量以產生高壓飽和蒸汽，并且隨后將該高壓飽和蒸汽與來自所述氣化爐單元的高壓飽和蒸汽進行合并，之后利用其內部的換熱單元來產生高壓過熱蒸汽。所述蒸汽輪機發電單元利用該高壓過熱蒸汽來進行發電。此外，該硫回收裝置7配置為，回收來自所述凈化裝置的酸性氣體，并且將該酸性氣體處理為硫磺制品。

所述的燃氣/蒸汽聯合發電裝置包括燃氣輪機發電和蒸汽輪機發電兩部分。潔凈煤氣進入燃氣輪機燃燒室，燃燒產生高溫氣體，推動燃氣輪機做功發電；燃氣輪機高溫排氣經余熱鍋爐回收熱量，產生高壓過熱蒸汽同時將來自氣化的飽和蒸汽過熱，共同推動汽輪機做功發電。

此外所述余熱鍋爐單元中經由煙氣管道與所述磨煤干燥單元21連通，以將部分脫硝煙氣輸送至該磨煤干燥單元21，從而為原煤進行加熱。通過將余熱鍋爐的部分脫硝煙氣送氣化裝置磨煤干燥單元作為干燥原煤的熱源使用，替代了熱風爐，無需在系統中引入額外燃料，提高了能量的利用效率。另外所述凈化裝置4還包括合成氣出口(未示出)，以將一部分潔凈煤氣排出。

本發明的利用燃氣和蒸汽聯合發電的設備的工作原理為：煤粉和來自空分的氧氣在氣化爐中發生氣化反應，產生的高溫混合氣在氣化爐中回收了高溫位熱能后，經水洗脫除煤氣中的粉塵，再經熱回收裝置回收其中的低溫位熱能后，經凈化裝置脫除硫等污染物，凈化后的潔凈煤氣被預熱后經膨脹機進行初步發電，之后進入燃氣輪機發電，并利用余熱鍋爐產生的蒸汽推動汽輪機發電，同時將粗煤氣中的硫化物回收制備成單質硫磺產品。

本技術可有效解決常規燃煤鍋爐發電過程中帶來的粉塵、廢氣的污染問題，同時通過對各單元能量的合理配置，將能量充分利用，提高裝置的經濟效益。

如圖3所示，本發明還涉及一種利用燃氣和蒸汽聯合發電的方法，其步驟：利用空分裝置產生氧氣和氮氣，并且將產生的氧氣和氮氣輸送至氣化裝置；將原煤進行研磨、干燥和加壓之后輸送至氣化裝置；將煤粉與氧氣在氣化裝置中的氣化爐單元中發生氣化反應，以產生高溫混合氣；將高溫混合氣與氣化爐單元中的高壓鍋爐水進行熱交換之后進行水洗潤濕，以形成粗煤氣；將氣化高壓鍋爐水而形成的高壓飽和蒸汽輸送至燃氣/蒸汽聯合發電裝置；利用熱回收裝置將粗煤氣中的熱量回收并且將粗煤氣中的有機硫轉化為無機硫，以及將來自凈化裝置中的潔凈煤氣加熱并且將加熱的潔凈煤氣輸送至膨脹發電裝置；利用凈化裝置將粗煤氣中的硫化物去除，以形成潔凈煤氣，并且將潔凈煤氣輸送至熱回收裝置；利用膨脹發電裝置將潔凈煤氣進行膨脹以進行發電，并且將滿足入口壓力的潔凈煤氣輸送至所述燃氣/蒸汽聯合發電裝置；利用燃氣/蒸汽聯合發電裝置中的燃氣輪機發電單元將潔凈煤氣進行燃燒以進行發電，并且產生高溫氣體；利用燃氣/蒸汽聯合發電裝置中的余熱鍋爐單元回收該高溫氣體的熱量以產生高壓飽和蒸汽，并且將該高壓飽和蒸汽與來自所述氣化爐單元的高壓飽和蒸汽一起產生為高壓過熱蒸汽；利用燃氣/蒸汽聯合發電裝置中的蒸汽輪機發電單元來利用高壓過熱蒸汽進行發電。

前面對本發明具體示例性實施方式所呈現的描述是出于說明和描述的目的。前面的描述并不想要成為毫無遺漏的，也不是想要把本發明限制為所公開的精確形式，顯然，根據上述教導很多改變和變化都是可能的。選擇示例性實施方式并進行描述是為了解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的其它技術人員能夠實現并利用本發明的各種示例性實施方式及其各種選擇形式和修改形式。本發明的范圍意在由所附權利要求書及其等效形式所限定。