用于改進igcc發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，包括至少一組及以上的預(yù)熱清潔合成氣裝置，氧氣增壓單元與預(yù)熱清潔合成氣裝置的高溫入口相連，或者氧氣增壓單元通過高溫吸熱介質(zhì)的管道與預(yù)熱清潔合成氣裝置的高溫入口相連，清潔合成氣通過清潔合成氣管道與預(yù)熱清潔合成氣裝置的低溫入口相連，清潔合成氣利用預(yù)熱清潔合成氣裝置直接或間接吸收氧氣增壓單元產(chǎn)生的高溫高壓氧氣熱量，預(yù)熱后的清潔合成氣被送往燃氣輪機裝置。本實用新型有效利用了空氣分離機構(gòu)中壓縮O2的熱量用來預(yù)熱IGCC發(fā)電設(shè)施的清潔合成氣。不僅提高了IGCC發(fā)電設(shè)施的整體效率等性能，還避免了粗合成氣混入清潔合成氣腐蝕燃氣輪機裝置，保障IGCC發(fā)電設(shè)施的安全運行。
【專利說明】用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，屬于電力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電設(shè)施是將固體或液體燃料轉(zhuǎn)化為可供燃燒的合成氣(Syngas)、再利用合成氣在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電產(chǎn)生功率的裝置。IGCC發(fā)電設(shè)施可包括氣化島和動力島兩大部分。氣化島的作用包括制取粗合成氣、回收高溫粗合成氣的熱量以產(chǎn)生水蒸汽、對粗合成氣進行除塵和凈化處理，然后對凈化后的清潔合成氣進行預(yù)熱。動力島的作用是接收來自氣化島的清潔合成氣并利用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電產(chǎn)生功率。動力島通?？砂ㄒ粋€或多個燃氣輪機裝置和熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)、蒸汽輪機裝置、凝汽器以及冷卻塔。
[0003]在IGCC發(fā)電設(shè)施中，動力島中的燃氣輪機裝置和蒸汽輪機裝置都可發(fā)電產(chǎn)生動力。根據(jù)IGCC發(fā)電設(shè)施的系統(tǒng)能量平衡分析，向燃氣輪機裝置和蒸汽輪機裝置所輸入能量的比值可影響IGCC發(fā)電設(shè)施的整體效率。提高輸入燃氣輪機裝置能量與輸入蒸汽輪機裝置能量的比值，IGCC發(fā)電設(shè)施可獲得更高的整體效率。根據(jù)燃氣輪機裝置能量平衡分析，燃氣輪機裝置主要接收來自氣化島的清潔合成氣以產(chǎn)生功率。提高清潔合成氣攜帶的能量是增加輸入燃氣輪機裝置能量的最重要方式，其對提高IGCC發(fā)電設(shè)施的整體效率具有重要意義。
[0004]進入燃氣輪機裝置的清潔合成氣所具有的能量可分為兩部分:一部分為合成氣具有的化學(xué)能，這部分能量通過合成氣在燃氣輪機燃燒器中的燃燒而釋放；另一部分為合成氣的物理顯熱，合成氣溫度越高，其具有的物理顯熱越多。為提高清潔合成氣攜帶的物理顯熱，可對清潔合成氣進行預(yù)熱以提高其進入燃氣輪機裝置時的溫度，利于提高IGCC發(fā)電設(shè)施的整體效率。
[0005]目前采用的兩種對清潔合成氣進行預(yù)熱的方法如下:
[0006]方法一采用高溫粗合成氣預(yù)熱清潔合成氣。IGCC發(fā)電設(shè)施氣化島產(chǎn)生的粗合成氣首先經(jīng)過輻射冷卻器和對流冷卻器進行初步降溫，隨后經(jīng)過粗合成氣-清潔合成氣換熱器，在其中粗合成氣的熱量傳遞給清潔合成氣。經(jīng)過以上過程，粗合成氣的溫度進一步降低，粗合成氣隨后進入除塵凈化單元并最終得到清潔合成氣。被粗合成氣加熱的清潔合成氣溫度升高，隨后進入燃氣輪機裝置以產(chǎn)生功率。
[0007]但該方法的不足之處是采用高溫粗合成氣預(yù)熱清潔合成氣時，IGCC發(fā)電設(shè)施運行的安全性降低，其原因是粗合成氣-清潔合成氣換熱器容易發(fā)生腐蝕故障，會使未經(jīng)脫硫的粗合成氣混入清潔合成氣從而進到燃氣輪機裝置中，最終導(dǎo)致燃氣輪機裝置透平發(fā)生高溫硫化腐蝕問題。
[0008]方法二采用IGCC發(fā)電設(shè)施的高溫水或者水蒸汽加熱清潔合成氣。氣化島制取的粗合成氣經(jīng)過輻射冷卻器和對流冷卻器時，可在輻射冷卻器和對流冷卻器內(nèi)加熱給水并產(chǎn)生高溫高壓的水蒸汽，這些水蒸汽除了被直接送往HRSG的換熱器之外，其中一部分水蒸汽可先進入清潔合成氣加熱器以預(yù)熱清潔合成氣，然后再被送往HRSG的換熱器。加熱后的清潔合成氣溫度升高并被送入燃氣輪機裝置的燃燒室。在IGCC發(fā)電設(shè)施中，輻射冷卻器和對流冷卻器所產(chǎn)生的高溫高壓水蒸汽可送往蒸汽輪機裝置中發(fā)電產(chǎn)生功率，以上所述方法存在不足之處，即當采用高溫水或者水蒸汽預(yù)熱清潔合成氣時，由于高溫水或者水蒸汽的溫度在經(jīng)過清潔合成氣換熱器后顯著降低，因此其攜帶進入HRSG換熱器和蒸汽輪機裝置中的能量減少，這會導(dǎo)致蒸汽輪機發(fā)電量、IGCC發(fā)電設(shè)施總發(fā)電量的降低，同時造成IGCC發(fā)電設(shè)施的整體效率下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的，是為了克服現(xiàn)有清潔合成氣預(yù)熱方法中存在的不足，提供一種用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置合理，能夠利用現(xiàn)有空氣分離機構(gòu)中壓縮氧氣產(chǎn)生的熱量來預(yù)熱清潔合成氣，節(jié)約了能源；而且避免了粗合成氣混入清潔合成氣造成燃氣輪機裝置透平的高溫硫化腐蝕，同時還避免傳統(tǒng)方法因高溫水或者水蒸汽參數(shù)降低造成IGCC發(fā)電設(shè)施性能的降低。
[0010]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0011]用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，包括空氣分離機構(gòu)、清潔合成氣、熱回收蒸汽發(fā)生器及燃氣輪機裝置，所述空氣分離機構(gòu)內(nèi)設(shè)有氧氣增壓單元，其特征在于:還包括至少一組及以上的預(yù)熱清潔合成氣裝置，氧氣增壓單元與預(yù)熱清潔合成氣裝置的高溫入口相連，或者氧氣增壓單元通過高溫吸熱介質(zhì)的管道與預(yù)熱清潔合成氣裝置的高溫入口相連，清潔合成氣通過清潔合成氣管道與預(yù)熱清潔合成氣裝置的低溫入口相連，清潔合成氣利用預(yù)熱清潔合成氣裝置直接或間接吸收氧氣增壓單元產(chǎn)生的高溫高壓氧氣熱量，預(yù)熱后的清潔合成氣被送往燃氣輪機裝置。
[0012]本發(fā)明的進一步方案:所述氧氣增壓單元包括至少一臺氧氣壓縮機，氧氣增壓單元的每臺氧氣壓縮機與一組預(yù)熱清潔合成氣裝置相配合。
[0013]本發(fā)明的進一步方案:所述預(yù)熱清潔合成氣裝置包括換熱器、溫度檢測儀、流量控制儀和合成氣閥門，換熱器的高溫入口與高溫高壓氧氣或者高溫吸熱介質(zhì)管道相連，換熱器的低溫入口與清潔合成氣管道相連，合成氣閥門設(shè)置在清潔合成氣管道上，通過流量控制儀控制合成氣閥門的開度，溫度檢測儀設(shè)置在換熱器的合成氣出氣端，用于檢測預(yù)熱后清潔合成氣的溫度。
[0014]氧氣壓縮機提供的高溫壓縮氧氣的熱量通過換熱器直接或間接傳遞給清潔合成氣，使清潔合成氣的溫度提高。溫度檢測儀用于監(jiān)測換熱后的清潔合成氣的溫度，該溫度信號傳遞到合成氣流量控制儀，通過合成氣流量控制儀控制合成氣閥門的開度以調(diào)節(jié)進入換熱器的合成氣流量。溫度檢測儀、合成氣流量控制儀、合成氣閥門的相互配合作用可實現(xiàn)清潔合成氣預(yù)熱終溫的調(diào)節(jié)和控制。
[0015]本發(fā)明的進一步方案:當包含兩組或兩組以上的預(yù)熱清潔合成氣裝置時，各組預(yù)熱清潔合成氣裝置通過管道串聯(lián)，串聯(lián)管道上設(shè)有總溫度檢測儀。
[0016]本發(fā)明的進一步方案:所述空氣分離機構(gòu)米用氧傳輸膜空氣分離機構(gòu)或深冷空氣分離機構(gòu)。[0017]本發(fā)明的進一步方案:所述高溫吸熱介質(zhì)的管道內(nèi)裝載有水、水蒸氣或其他適合的吸熱介質(zhì)。
[0018]本發(fā)明可具有如下突出的有益效果:
[0019]1、由于本發(fā)明在IGCC發(fā)電設(shè)施空氣分離機構(gòu)中設(shè)置預(yù)熱清潔合成氣裝置，預(yù)熱清潔合成氣裝置，將高溫壓縮氧氣的熱量傳遞到清潔合成氣，有效利用了 IGCC發(fā)電設(shè)施空氣分離機構(gòu)中壓縮氧氣的熱量，預(yù)熱后的清潔合成氣中不會混入含有硫分的污染氣體，避免了粗合成氣混入清潔合成氣造成燃氣輪機裝置透平的高溫硫化腐蝕，保障IGCC發(fā)電設(shè)施的安全運行。
[0020]2、采用本發(fā)明預(yù)熱清潔合成氣時，不需要從IGCC發(fā)電設(shè)施的熱回收蒸汽發(fā)生器或其他單元抽取高溫水或者水蒸汽，使高溫水或者水蒸汽的熱量盡可能地在蒸汽輪機裝置中得以利用，避免了采用高溫水或者水蒸汽預(yù)熱清潔合成氣時蒸汽輪機裝置、IGCC發(fā)電設(shè)施發(fā)電量減少和IGCC發(fā)電設(shè)施整體效率降低的問題。與采用高溫水或者水蒸汽加熱清潔合成氣的現(xiàn)有技術(shù)方案相比，在相同條件下本發(fā)明所述的技術(shù)方案可使IGCC發(fā)電設(shè)施蒸汽輪機裝置發(fā)電量、總發(fā)電量、供電效率分別提高13-18麗、6-12麗、0.17%-0.28%。
[0021]3、本發(fā)明涉及的空氣分離機構(gòu)中壓縮氧氣的熱量傳遞到清潔合成氣中，避免了傳統(tǒng)的水間冷氧氣壓縮技術(shù)中壓縮氧氣熱量無法回收的缺點，氧氣壓縮過程的熱量可得到合理利用，有利于提高IGCC發(fā)電設(shè)施的整體性能。與采用高溫水或者水蒸汽預(yù)熱清潔合成氣、同時采用傳統(tǒng)的水間冷氧氣壓縮技術(shù)相比，在相同條件下本發(fā)明所述的技術(shù)方案可使IGCC發(fā)電設(shè)施蒸汽輪機裝置發(fā)電量、總發(fā)電量、供電效率分別提高15-20麗、14-20麗、
0.42%-0.53%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明應(yīng)用于IGCC發(fā)電設(shè)施的工藝流程圖。
[0023]圖2是本發(fā)明用于氧傳輸膜空氣分離機構(gòu)的工藝流程圖。
[0024]圖3是本發(fā)明用于氧傳輸膜空氣分離機構(gòu)的氧氣熱量回收單元的工藝流程圖。
[0025]圖4是本發(fā)明氧氣增壓單元的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0027]具體實施例1:
[0028]參照圖1、圖2、圖3和圖4所示的用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，包括空氣分離機構(gòu)6、清潔合成氣7、至少一組及以上的預(yù)熱清潔合成氣裝置30及燃氣輪機裝置21，所述空氣分離機構(gòu)6內(nèi)設(shè)有氧氣增壓單元5，所述氧氣增壓單元5包括多臺串聯(lián)的氧氣壓縮機5-1，所述預(yù)熱清潔合成氣裝置30包括換熱器30-1、溫度檢測儀30-2、流量控制儀30-3和合成氣閥門30-4:所述預(yù)熱清潔合成氣裝置30設(shè)置在氧氣增壓單元5，氧氣增壓單元5的每臺氧氣壓縮機5-1與一組預(yù)熱清潔合成氣裝置30相配合，清潔合成氣7通過清潔合成氣管道7-1輸入預(yù)熱清潔合成氣裝置30，換熱器30-1的高溫進氣端與氧氣壓縮機5-1的輸出端相連,換熱器30-1的低溫進氣端與清潔合成氣管道7-1相連,合成氣閥門30-4設(shè)置在清潔合成氣管道7-1上，通過流量控制儀30-3控制合成氣閥門30-4的開度，溫度檢測儀30-2設(shè)置在換熱器30-1的合成氣出氣端，用于檢測和控制預(yù)熱后清潔合成氣的溫度，清潔合成氣7利用換熱器30-1吸收氧氣增壓單元5產(chǎn)生的高溫高壓氧氣的熱量，預(yù)熱后的清潔合成氣被送往燃氣輪機裝置21。當包含兩組或兩組以上的預(yù)熱清潔合成氣裝置30時，各組預(yù)熱清潔合成氣裝置30通過管道串聯(lián)，串聯(lián)管道上設(shè)有總溫度檢測儀30-5。
[0029]用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣方法:
[0030]I)設(shè)置改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣裝置30，該預(yù)熱清潔合成氣裝置30設(shè)置在IGCC發(fā)電設(shè)施中的空氣分離機構(gòu)6,所述空氣分離機構(gòu)6米用氧傳輸膜空氣分離機構(gòu)，利用空氣分離機構(gòu)6的氧氣增壓單兀5將IGCC發(fā)電設(shè)施中空氣分離機構(gòu)6產(chǎn)生的氧氣壓縮形成高溫高壓氧氣，預(yù)熱清潔合成氣裝置30包括換熱器30-1、溫度檢測儀30-2和流量控制機構(gòu)30-3，將氧氣增壓單元5產(chǎn)生的高溫高壓氧氣通過管道5-2輸送至換熱器30-1的高溫進氣口 ；
[0031]2)將清潔合成氣7通過清潔合成氣管道7-1輸送至換熱器30-1的低溫進氣口，利用換熱器30-1吸收高溫高壓氧氣的熱量對清潔合成氣7進行預(yù)熱。
[0032]3)預(yù)熱清潔合成氣裝置30中還設(shè)有溫度檢測儀30-2和流量控制機構(gòu)30_3，在換熱器30-1出口處設(shè)置溫度檢測儀30-2以檢測換熱器30-1出口處清潔合成氣7的溫度，為換熱器30-1配置流量控制機構(gòu)30-3以對清潔合成氣7的流量進行控制，通過控制清潔合成氣7的流量以調(diào)節(jié)預(yù)熱后清潔合成氣的溫度。
[0033]所述氧氣增壓單元5包括多臺串聯(lián)的氧氣壓縮機5-1，通過氧氣壓縮機5-1獲得高溫高壓氧氣，每臺氧氣壓縮機5-1配置一組預(yù)熱清潔合成氣裝置30，利用清潔合成氣7吸收高溫高壓氧氣的熱量，降溫后的氧氣再進入下一級氧氣壓縮機5-1壓縮，從而降低氧氣壓縮機5-1的總功耗。
[0034]下面結(jié)合圖1-4進一步描述空氣分離機構(gòu)6中對清潔合成氣預(yù)熱的技術(shù)方案。
[0035]如圖2所不,米用氧傳輸膜(OTM)技術(shù)的空氣分離機構(gòu)6,空氣分離機構(gòu)6由空氣預(yù)熱器1、燃燒器2就、空氣分離單元3、氧氣熱量回收單元4和氧氣增壓單元5構(gòu)成，其中空氣分離單元3是空氣分離機構(gòu)6的核心部件，空氣分離單元3采用具有非孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷膜構(gòu)件，高溫空氣(800-900°C)通過陶瓷膜構(gòu)件時，空氣中的氧可以以陰離子的形態(tài)快速擴散至陶瓷膜構(gòu)件另一側(cè)并釋放出氧氣；空氣中的N2無法通過陶瓷膜構(gòu)件。
[0036]經(jīng)空氣預(yù)熱器I加熱后的空氣溫度通常仍然遠低于800°C，少量清潔合成氣7通過第二清潔合氣管道7-2輸入燃燒器2內(nèi)，加熱后的空氣進入燃燒器2與清潔合成氣7混合，在燃燒器2中，清潔合成氣7與空氣中的小部分氧氣(02)發(fā)生燃燒反應(yīng)而被再次加熱，燃燒后放出的熱量將空氣溫度提高到800-900°C，燃燒器2排出的空氣隨后進入空氣分離單元3進行02與其他氣體(主要是N2)的分離，分離后的02送入氧氣熱量回收單元4，來自HRSG20的不飽和水或者水蒸汽通過進水管道4-5、進入氧氣熱量回收單元4吸收高溫02的熱量，力口熱后高溫不飽和水或者水蒸汽通過出水管道4-6送回HRSG20，不飽和水或者水蒸汽吸收的熱量最終在蒸汽輪機裝置19中得以利用。分離后的N2被送往空氣預(yù)熱器I以加熱進入空氣分離單元3的空氣，回收利用高溫N2 (800-900°C)攜帶的熱量。換熱后的N2可直接排空或經(jīng)過壓縮、加濕后送往燃氣輪機裝置21的燃燒器21-1 (如圖1所示)。
[0037]經(jīng)過氧氣熱量回收單元4處理后的02送往氧氣增壓單元5，因為送往空氣分離單元3的空氣壓力范圍可在7-20bar，經(jīng)空氣分離單元3所得的02的壓力顯著降低，02的壓力降至Ibar左右，所以需要通過氧氣增壓單元5對其加壓，02被壓縮至氣化爐10的操作壓力，通過氧氣增壓單元5加壓獲得高溫高壓02。同時，大部分清潔合成氣7通過清潔合成氣管道7-1被送往氧氣增壓單元5，在其中，清潔合成氣7通過換熱器5-2吸收壓縮02的熱量而得以提高溫度，預(yù)熱的清潔合成氣7隨后被送往燃氣輪機裝置21的燃燒室21-1(如圖1所示)。來自空氣分離單元3的02經(jīng)過氧氣熱量回收單元4，02的溫度顯著降低，這有利于降低氧氣增壓單元5的耗功。同樣，在氧氣增壓單元5中，清潔合成氣7吸收壓縮氧氣的熱量并使02溫度降低，這也有利于降低氧氣增壓單元5的耗功。
[0038]如圖3給出了采用氧傳輸膜(OTM)技術(shù)的空氣分離機構(gòu)6的氧氣熱量回收單元示意圖。氧氣熱量回收單元4由兩組熱回收裝置串聯(lián)構(gòu)成，每組熱回收裝置由加熱器4-1、氧氣溫度測量儀4-2、進水管道4-5、出水管道4-6、閥門4-3、和流量控制器4_4構(gòu)成。
[0039]高溫02進入第一組的加熱器4-1中，打開第一組的進水管道4-5的閥門4_3，來自HRSG20的第二級高壓省煤器出口的不飽和水通過第一組的進水管道4-5進入第一組的加熱器4-1中吸收02的熱量，吸熱后的高溫不飽和水通過第一組的出水管道4-6被回送到HRSG20的第三級高壓省煤器的出口。第一組的氧氣溫度測量儀4-2測量第一組的加熱器4-1氧氣出口的溫度，該溫度信號傳遞到第一組的流量控制器4-4，從而控制第一組的閥門4-3開度大小。第一組的流量控制器4-4的具體調(diào)節(jié)過程如下:
[0040]當?shù)谝唤M的氧氣溫度測量儀4-2所測02的溫度高于設(shè)定值時，第一組的流量控制器4-4可控制第一組的閥門4-3使其開度增大，此時經(jīng)過第一組的閥門4-3的不飽和水的流量增大，不飽和水通過第一組的加熱器4-1吸收02的熱量增加，進而可使第一組的加熱器4-1出口的02溫度降低到設(shè)定值。
[0041]經(jīng)過第一組的加熱器4-1交換后的02通入第二組的加熱器4-1中，打開第二組的進水管道4-5的閥門4-3，來自HRSG20的第一級高壓省煤器入口的不飽和水通過第二組的進水管道4-5進入第二組的加熱器4-1中吸收02的熱量，吸熱后的高溫不飽和水通過第二組的出水管4-6被回送到HRSG20的第一級高壓省煤器的出口。第二組的氧氣溫度測量儀4-2測量第二組的加熱器4-1出口的02溫度，該溫度信號被第二組的流量控制器4-4所接收并用于控制第二組的閥門4-3開度的大小。第二組的流量控制器4-4與第一組的流量控制器4-4的具體調(diào)節(jié)方法相同。經(jīng)過加熱器4-1的吸熱介質(zhì)既可以是不飽和水，也可以是水蒸汽；經(jīng)過加熱器的吸熱介質(zhì)既可來自HRSG20，也可來自IGCC發(fā)電設(shè)施的其他任何可能的部件單兀。
[0042]上述實施例可在以下工況操作，來自空氣分離單元3的02溫度為800°C，經(jīng)過第一組的加熱器4-1后，02的溫度可降低至400、380、360、340、320、300°C，經(jīng)過第一組的閥門4-3的不飽和水流量可分別為35、36、37、38、39、40kg/s ；02經(jīng)過第二組的加熱器4_1后，其溫度可再次降低至200、190、180、170、160、150°C，經(jīng)過第二組的閥門4_3的不飽和水流量可分別為6，、7、8、9、10、llkg/s ;相應(yīng)地，IGCC發(fā)電設(shè)施的整體供電效率可分別為45.3%、45.34%,45.38%,45.41%,45.45%,45.48%。
[0043]圖4給出了空氣分離機構(gòu)6中氧氣增壓單元5的工作流程。氧氣增壓單元5包括兩臺串聯(lián)的氧氣壓縮機5-1，每臺氧氣壓縮機5-1配置一組預(yù)熱清潔合成氣裝置30，每組預(yù)熱清潔合成氣裝置30由換熱器30-1、溫度檢測儀30-2、流量控制儀30-3、兩條管道和分別設(shè)置在兩條管道上的合成氣閥門30-4、30-4-1構(gòu)成，兩組預(yù)熱清潔合成氣裝置30通過管道串聯(lián)，兩組預(yù)熱清潔合成氣裝置30串聯(lián)管道上設(shè)置總溫度檢測儀30-5，在清潔合成氣管道7-1上設(shè)置閥門30-6、30-6-1。
[0044]大部分清潔合成氣7輸入清潔合成氣管道7-1，清潔合成氣管道7-1通過閥門30-6,30-6-1分成a、b兩路清潔合成氣7，b路清潔合成氣7隨后經(jīng)第一組的合成氣閥門30-4-1,30-4再次被分成c、d兩路清潔合成氣7，d路清潔合成氣7進入第一組的換熱器30-1吸收壓縮02的熱量，造成第一組的換熱器30-1出口的02溫度降低，02隨后進入第二組的氧氣壓縮機5-1并被壓縮至氣化爐10的操作壓力。c路清潔合成氣7不進行預(yù)熱，其與預(yù)熱后升溫的d路清潔合成氣7混合后變?yōu)閑路清潔合成氣7，其溫度由第一組的溫度檢測儀30-2測量，溫度測量信號被第一組的流量控制儀30-3接收并用于控制第一組的合成氣閥門30-4、30-4-1的開度。第一組的流量控制儀30-3的具體調(diào)節(jié)過程如下:
[0045]當?shù)谝唤M的溫度檢測儀30-2所測溫度低于設(shè)定值時，第一組的流量控制儀30-3可增大第一組的合成氣閥門30-4的開度、減小合成氣閥門30-4-1的開度，這樣可增加d路清潔合成氣7的吸熱量，使e路清潔合成氣7的溫度提高到設(shè)定值。
[0046]同樣，a路清潔合成氣7隨后經(jīng)第二組的合成氣閥門30-4、30-4_1再次被分成f、g兩路清潔合成氣7，f路清潔合成氣7進入第二組的換熱器30-1吸收來自第二組的氧氣壓縮機5-1壓縮02的熱量。g路清潔合成氣7則不進行預(yù)熱，其與預(yù)熱后升溫的f路清潔合成氣7混合變?yōu)閔路清潔合成氣7，其溫度由第二組的溫度檢測儀30-2測量，溫度測量信號被第二組的流量控制儀30-3接收并用于控制第二組的合成氣閥門30-4、30-4-1的開度。第二組的流量控制儀30-3的調(diào)節(jié)方法與第一組的流量控制儀30-3相同。
[0047]最后，將經(jīng)過第一組的換熱器30-1預(yù)熱后的e路清潔合成氣7與進過第二組的換熱器30-1預(yù)熱后的h路清潔合成氣7相互混合經(jīng)總溫度檢測儀30-5測溫后一起進入燃氣輪機裝置21的燃燒器21-1。
[0048]上述實施例可在以下工況操作:來自氧氣熱量回收單元4的02溫度為150°C、壓力為lbar，02經(jīng)過第一組的氧氣壓縮機5-1后壓力提高至6bar，隨后02再經(jīng)過第二組的氧氣壓縮機5-1被壓縮至氣化爐10的操作壓力34.7bar ;溫度為150°C的清潔合成氣7進入氧氣增壓單元5，其總流量為58kg/s，通過閥門30-6、30-6-1分成a、b兩路清潔合成氣7，兩路的流量均為29kg/s。當c、g路清潔合成氣7和d、f路清潔合成氣7的流量分別為14kg/s、15kg/s時，溫度測量儀30-2、總溫度檢測儀30-5所測溫度均為238°C，此時IGCC發(fā)電裝置的供電效率為45.39%。如需調(diào)高預(yù)熱后清潔合成氣7的溫度，將c、g路清潔合成氣7的流量依次降低為12、10、8、6、4、2、0kg/s，同時將d、f路清潔合成氣7的流量依次提高為
17、19、21、23、25、27、29kg/s，則溫度測量儀30_2、總溫度檢測儀30_5所測清潔合成氣的溫度可相應(yīng)地提高為250、262、274、285、296、308、316°C，IGCC發(fā)電設(shè)施的供電效率則相應(yīng)地提高為 45.41%, 45.42%, 45.44%, 45.45%, 45.47%, 45.49%, 45.5%。
[0049]下面是采用本發(fā)明的IGCC發(fā)電設(shè)施系統(tǒng):
[0050]參照圖1所示，IGCC發(fā)電設(shè)施系統(tǒng)包括空氣分離機構(gòu)6、燃料源8、燃料制備單元
9、氣化爐10、渣罐11、冷卻器12、除塵凈化裝置13、加濕飽和裝置16、凝汽器17、冷卻塔18、蒸汽輪機裝置19、熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)20和燃氣輪機裝置21等。燃料源8可包括煤、石油焦、生物質(zhì)、焦油、浙青及其它一切可利用的含碳物質(zhì)。燃料源8將燃料傳遞到燃料制備單元9，在其中，燃料可經(jīng)過破碎、研磨、制粉、壓塊、成粒等處理。還可將水或者其它適合的液體及添加劑送入燃料制備單元9，此時來自燃料源8的燃料可被制備成漿狀燃料。也可不向燃料制備單元9添加液體和添加劑，此時所制得的燃料為干給料。
[0051]氣化爐10是將燃料轉(zhuǎn)化為合成氣的反應(yīng)裝置。燃料制備單元9將燃料輸送至氣化爐10，在其中，燃料在來自空氣分離機構(gòu)6的氧氣和來自熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)20的水蒸汽的作用下發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)可包括燃料的破碎、燃料的熱解反應(yīng)、熱解半焦的部分氧化反應(yīng)、熱解半焦以及熱解氣體的氣化反應(yīng)。氣化爐8的操作壓力可處于20-85bar，操作溫度可處于700-1600°C。氣化爐8的主要產(chǎn)物為粗合成氣，其中CO和H2的體積含量可達80-85%，其他成分可包括CH4、C02、H20、H2S、COS、NH3, HCN、HCl、HF，此外，粗合成氣中還攜帶少量顆粒較細的飛灰。氣化爐10的產(chǎn)物還包括渣料，燃料中灰份的絕大部分以渣料形式排至渣罐11，渣料經(jīng)過處理可被利用如用作建筑材料。
[0052]氣化爐10出口的粗合成氣可具有很高的溫度(700-1600°C )，其被送往合成氣冷卻器12以產(chǎn)生水蒸汽。合成氣冷卻器12可包括輻射合成氣冷卻器和/或?qū)α骱铣蓺饫鋮s器，在其中，來自HRSG20的不飽和水吸收粗合成氣的熱量而產(chǎn)生飽和水蒸汽，飽和水蒸汽隨后被送往HRSG20中的蒸發(fā)器。經(jīng)過合成氣冷卻器12后，粗合成氣的溫度顯著降低，其隨后被送往除塵凈化裝置13。
[0053]在除塵凈化裝置13中，粗合成氣中的H2S、C0S等成分可經(jīng)過酸性氣體移除系統(tǒng)分離得到硫14，HRSG20可為酸性氣體移除系統(tǒng)提供工藝蒸汽，該工藝蒸汽經(jīng)換熱后變?yōu)槔淠憾凰突豀RSG20的換熱器。粗合成氣中的飛灰可在除塵凈化裝置13中得以分離并獲得灰15。粗合成氣中的NH3、HCN、HC1、HF等成分也可在除塵凈化裝置13中得以脫除。另外，除塵凈化裝置13可接收來自凝汽器17的冷凝水，該冷凝水通過與來自合成氣冷卻器12的粗合成氣換熱可進一步降低粗合成氣的溫度，受熱后的冷凝水被送往HRSG20的換熱器。經(jīng)過除塵凈化裝置13后，來自合成氣冷卻器12的粗合成氣變?yōu)榍鍧嵑铣蓺猓錅囟冗M一步降低。隨后低溫清潔合成氣進入加濕飽和裝置16，在其中，可將水或者水蒸汽添加到清潔合成氣中，該處理過程可幫助減少燃氣輪機裝置21燃燒器的NOx排放。清潔合成氣隨后還可進入碳捕集系統(tǒng)24，在其中可制得含高純H2的合成氣和高純度的C02氣體，含高純H2的合成氣隨后可進入動力裝置(如氫氣輪機或者燃料電池)發(fā)電，高純度的C02氣體則可進行壓縮、運輸、儲存和利用等處理。
[0054]由加濕飽和裝置16出來的清潔合成氣7隨后進入空氣分離機構(gòu)6，清潔合成氣7吸收空氣分離機構(gòu)6中壓縮氧氣的熱量而提高溫度，被加熱的清潔合成氣隨后進入燃氣輪機裝置21的燃燒器21-1?？諝夥蛛x機構(gòu)6除了可加熱清潔合成氣，其產(chǎn)生的氮氣(N2)可經(jīng)過氮氣壓縮機22壓縮后送往燃氣輪機裝置21的燃燒器21-1，可增加進入燃氣輪機裝置透平21-2的工質(zhì)的流量，同時有利于減少燃燒器21-1的NOx排放。空氣分離機構(gòu)6產(chǎn)生的N2也可經(jīng)過氮氣加濕器23加濕后再送往燃氣輪機裝置21的燃燒器21-1。另外，空氣分離機構(gòu)6產(chǎn)生的N2除了可被送往燃氣輪機裝置21的燃燒器21-1外，也可部分或全部排向大氣環(huán)境?？諝夥蛛x機構(gòu)6產(chǎn)生的氧氣被送往氣化爐10。
[0055]在燃氣輪機裝置21中，來自壓氣機21-4的壓縮空氣進入燃燒器21-1。在燃燒器21-1中，預(yù)熱后的清潔合成氣與壓縮空氣中的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃燒氣體與氮氣混合后被送往燃氣輪機裝置21的燃氣透平21-2。上述氣體通過燃氣透平21-2時，可迫使其中的渦輪葉片帶動驅(qū)動軸桿21-3沿著燃氣透平21-2的軸線旋轉(zhuǎn)。傳動軸桿21-3可連接到第一負荷25，其可為固定負荷如用于發(fā)電的發(fā)電機，也可為其他任何合適的裝置，該裝置由傳動軸桿21-3的旋轉(zhuǎn)輸出提供動力。傳動軸桿21-3可同時連接壓氣機21-4，迫使壓氣機21-4的葉片旋轉(zhuǎn)以將空氣壓縮至高壓狀態(tài)。壓氣機21-4產(chǎn)生的高壓空氣還可部分送往空氣分離機構(gòu)6，該部分空氣可與來自獨立空氣壓縮機26的高壓空氣共同作為空氣分離機構(gòu)6的空氣來源。
[0056]HRSG20接收來自燃氣透平21_2的高溫排氣并通過多個換熱器將高溫排氣的熱量傳遞給來自凝汽器17的冷凝水，以產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。來自燃氣透平21-2的高溫排氣經(jīng)過HRSG20后溫度顯著降低，最終以煙氣的形式排向大氣。HRSG20產(chǎn)生的水蒸汽主要被送往蒸汽輪機裝置19用于驅(qū)動第二負荷27，第二負荷27可為固定負荷如用于發(fā)電的發(fā)電機，也可為其他任何合適的裝置，該裝置由蒸汽輪機裝置19的軸桿旋轉(zhuǎn)輸出提供動力。HRSG20產(chǎn)生的水蒸汽也可以被供應(yīng)到任何其他使用水蒸汽的處理過程中，如其可輸送工藝蒸汽到除塵凈化裝置13以用于脫硫吸收劑的再生，也可被送往氣化爐10以提供水蒸汽氣化劑。另夕卜，HRSG20也可供應(yīng)不飽和水到合成氣冷卻器12、空氣分離機構(gòu)6以吸收粗合成氣、高溫氧氣的熱量，吸收熱量后的不飽和水可變?yōu)轱柡退羝蛘吒邷夭伙柡退俜祷氐紿RSG20。
[0057]蒸汽輪機裝置19可包括高壓、中壓和低壓段，其可利用高溫高壓蒸汽產(chǎn)生動力。蒸汽輪機低壓段的排汽被送往凝汽器17。凝汽器17可利用來自冷卻塔18的冷卻水將蒸汽輪機裝置19的排汽降溫以形成冷凝水。冷凝水可被直接送往HRSG20或經(jīng)過除塵凈化裝置13吸收粗合成氣的熱量后再送往HRSG20。
[0058]如上文所述，在IGCC發(fā)電設(shè)施系統(tǒng)中預(yù)熱后的清潔合成氣可將能量盡可能更多地分配給燃氣輪機裝置21發(fā)電，提高IGCC發(fā)電設(shè)施系統(tǒng)的整體效率。在本發(fā)明所提供的系統(tǒng)和方法中，清潔合成氣7被送往空氣分離機構(gòu)6進行預(yù)熱，既可避免出現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中IGCC發(fā)電設(shè)施運行故障或者發(fā)電量降低，同時可利用壓縮02的熱量提高IGCC發(fā)電設(shè)施的整體效率。
[0059]具體實施例2:
[0060]本實施例的特點是:設(shè)有一組或三組、四組及四組以上預(yù)熱清潔合成氣裝置30。其他特點與具體實施例1相同。
[0061]具體實施例3:
[0062]本實施例的特點是:所述空氣分離機構(gòu)6采用深冷空氣分離機構(gòu)。其他特點與具體實施例1或具體實施例2相同。
[0063]具體實施例4:
[0064]本實施例的特點是:所述預(yù)熱清潔合成氣裝置30設(shè)置在IGCC發(fā)電設(shè)施中的空氣分離機構(gòu)6外，所述氧氣增壓單元5通過高溫吸熱介質(zhì)的管道與預(yù)熱清潔合成氣裝置30的高溫入口相連；空氣分離機構(gòu)6的氧氣增壓單元5產(chǎn)生的高溫氧氣的熱量傳遞到吸熱介質(zhì)，吸收熱量后的吸熱介質(zhì)再通過管道輸入預(yù)熱清潔合成氣裝置30的換熱器30-1，在換熱器30-1中，清潔合成氣7與吸熱介質(zhì)進行熱交換，將高溫高壓氧氣的熱量間接傳遞到清潔合成氣7，從而實現(xiàn)對清潔合成氣7的預(yù)熱，所述吸熱介質(zhì)采用水、水蒸汽或者其他適合的介質(zhì)。其他特點與具體實施例1、具體實施例2或具體實施例3相同。
【權(quán)利要求】
1.用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，包括空氣分離機構(gòu)(6)、清潔合成氣(7 )及燃氣輪機裝置(21)，所述空氣分離機構(gòu)(6 )內(nèi)設(shè)有氧氣增壓單元(5 )，其特征在于:還包括至少一組及以上的預(yù)熱清潔合成氣裝置(30)，氧氣增壓單元(5)與預(yù)熱清潔合成氣裝置(30)的高溫入口相連，或者氧氣增壓單元(5)通過高溫吸熱介質(zhì)的管道與預(yù)熱清潔合成氣裝置(30)的高溫入口相連，清潔合成氣(7)通過清潔合成氣管道(7-1)與預(yù)熱清潔合成氣裝置(30 )的低溫入口相連，清潔合成氣(7 )利用預(yù)熱清潔合成氣裝置(30 )直接或間接吸收氧氣增壓單元(5)產(chǎn)生的高溫高壓氧氣熱量，預(yù)熱后的清潔合成氣被送往燃氣輪機裝置(21)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，其特征在于:所述氧氣增壓單元(5)包括至少一臺氧氣壓縮機(5-1)，氧氣增壓單元(5)的每臺氧氣壓縮機(5-1)與一組預(yù)熱清潔合成氣裝置(30)相配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，其特征在于:所述預(yù)熱清潔合成氣裝置(30)包括換熱器(30-1)、溫度檢測儀(30-2)、流量控制儀(30-3)、合成氣閥門(30-4)，換熱器(30-1)的高溫入口與高溫高壓氧氣或高溫吸熱介質(zhì)的管道相連，換熱器(30-1)的低溫入口與清潔合成氣管道(7-1)相連，合成氣閥門(30-4)設(shè)置在清潔合成氣管道(7-1)上，通過流量控制儀(30-3 )控制合成氣閥門(30-4)的開度，溫度檢測儀(30-2)設(shè)置在換熱器(30-1)的合成氣出氣端，用于檢測和控制預(yù)熱后清潔合成氣的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，其特征在于:當包含兩組或兩組以上的預(yù)熱清潔合成氣裝置(30)時，各組預(yù)熱清潔合成氣裝置(30)通過管道串聯(lián)，串聯(lián)管道上設(shè)有總溫度檢測儀(30-5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，其特征在于:所述空氣分離機構(gòu)(6)米用氧傳輸膜空氣分離機構(gòu)或深冷空氣分離機構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于改進IGCC發(fā)電設(shè)施性能的預(yù)熱清潔合成氣系統(tǒng)，其特征在于:所述高溫吸熱介質(zhì)的管道內(nèi)裝載有水、水蒸氣或其他適合的吸熱介質(zhì)。
【文檔編號】F01K23/08GK203463157SQ201320488699
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】韓龍, 鄧廣義, 范永春, 楊暉, 馬雪松, 吳家凱, 王曉東, 魯皓, 彭娜, 鄭赟, 章正傳, 呂小蘭, 徐翔 申請人:中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院