本發(fā)明涉及一種利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣發(fā)電的方法，屬于煤炭地下氣化產(chǎn)品氣綜合利用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤炭地下氣化（isc）是一個借助氧化劑，通過地下煤層的燃燒和氣化反應(yīng)，把煤直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品氣的過程。產(chǎn)品氣通常被稱為合成氣，可以作為燃料生產(chǎn)、化工生產(chǎn)、發(fā)電等下游工藝的原料。該工藝過程集合了建井完井、地下采煤和煤氣化工藝技術(shù)，具有安全性好、投資小、效益高、污染少等優(yōu)點。

煤炭氣化工藝是將煤炭通過一系列的化學反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺獾倪^程。其中主要的反應(yīng)包括：

c+h20→h2+co（水蒸氣氣化反應(yīng)）

co+h20?h2+co2（水煤氣變換反應(yīng)）

co+3h2?ch4+h20（甲烷化反應(yīng)）

c+2h2→ch4（氫氣氣化反應(yīng)）

c+?o2→co（部分氧化反應(yīng)）

c+o2→co2（完全氧化反應(yīng)）

c+co2→2co（二氧化碳氣化反應(yīng)）

一個用于氧化劑注入的鉆井稱為“注入井”，另外一個用于生產(chǎn)產(chǎn)品氣的鉆井稱為“產(chǎn)品井”。定向鉆井和垂直鉆井都可作為注入井或產(chǎn)品井。煤炭地下氣化（isc）可能在注入井和產(chǎn)品井之間還需要使用到一個或多個的垂直井（例如：功能井和輔助井）。

當煤層中有注入井、產(chǎn)品井和水平通道將二者連接起來時，此構(gòu)造被稱為一個煤炭地下氣化（isc）單元或井對。isc單元包括燃燒區(qū)、氣化區(qū)和熱解區(qū)。其中，燃燒區(qū)在煤層中氧化劑注入點附近；氣化區(qū)以放射狀形態(tài)圍繞在燃燒區(qū)周圍或者在燃燒區(qū)下游，煤炭在氣化區(qū)被氣化、部分被氧化，從而生成產(chǎn)品氣；熱解區(qū)在氣化區(qū)下游，煤的熱解反應(yīng)一般在這里發(fā)生。高溫的產(chǎn)品氣從氣化區(qū)往下游流動，并最終從產(chǎn)品井井口輸送到地面。在煤燃燒或氣化的同時，煤層中的isc燃空區(qū)會生長變大。

通過煤炭地下氣化生成的產(chǎn)品氣（粗合成氣）通常含有合成氣（co、co2、h2、ch4及其他氣體的混合物）以及其他成分（固體顆粒、水、煤焦油、烴類蒸汽，其他微量組分包括h2s、nh4、cos等）。其成分復雜程度取決于多個方面：煤炭地下氣化所使用的氧化劑（空氣或其他氧化劑，比如氧氣、富氧空氣或蒸汽混合物）、煤層中的內(nèi)在水或周邊地層滲入煤層中的水、煤質(zhì)、以及煤炭地下氣化工藝的操作參數(shù)，包括溫度，壓力等。

根據(jù)已有專利文獻，目前的煤炭地下氣化產(chǎn)品氣的綜合利用仍面臨著諸多難題，具體如下：

a)除小規(guī)模空氣氣化合成氣發(fā)電示范項目（包括直接發(fā)電和摻燒發(fā)電）外，缺乏大規(guī)模工業(yè)化項目的實施和運營。

b)煤炭地下氣化生產(chǎn)的各類副產(chǎn)品，例如硫化氫/硫磺，工藝水，二氧化碳，煤焦油等沒有明確和成熟的工業(yè)化綜合利用方法或工藝來減少或去除這些副產(chǎn)品。

c)缺乏用于煤炭地下氣化工藝的下游合成氣及副產(chǎn)品煤焦油發(fā)電的工藝流程方案。

d)煤炭地下氣化工藝中的空氣氣化、富氧氣化和純氧氣化三種不同工藝所生產(chǎn)的合成氣產(chǎn)品質(zhì)量區(qū)別較大，直接影響其下游生產(chǎn)工藝和方法，不能一概而論。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣發(fā)電的方法。本發(fā)明提供的利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣發(fā)電的方法，充分利用煤炭地下氣化工藝中的主要副產(chǎn)品擴展下游產(chǎn)成品范圍，不僅減少了后期加工處理和排放的成本，還增加了項目產(chǎn)品產(chǎn)量和銷售收入。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣發(fā)電的方法，所述方法包括如下步驟：

（1）多個地下氣化爐或氣化爐群通過富氧氣化或純氧氣化工藝生產(chǎn)適當經(jīng)濟規(guī)模的粗合成氣；

（2）粗合成氣通過產(chǎn)品井輸送至地面，并進入粗合成氣冷卻、水洗和分離單元，獲得干合成氣，所述干合成氣包括h2、co、co2、ch4、h2s、cos和hcn成分；

（3）干合成氣直接輸送至燃燒單元和其機械耦合的發(fā)電單元進行燃氣發(fā)電，生產(chǎn)電力。

優(yōu)選的，步驟（2）中采用冷卻水洗一步進行的直接冷卻工藝，或者采用冷卻水洗兩步進行的間接冷卻工藝。

優(yōu)選的，所述燃燒單元采用往復式發(fā)動機或燃氣輪機或鍋爐，當使用往復式發(fā)動機時，干合成氣預(yù)先進行減壓處理。

優(yōu)選的，步驟（3）干合成氣輸送至脫硫單元，其中干合成氣內(nèi)的cos和hcn通過催化水解單元轉(zhuǎn)化為h2s和nh3，然后通過使用二異丙胺（dipam）或二乙胺（deta）選擇吸附脫除h2s，硫化氫送至硫磺生產(chǎn)單元生產(chǎn)硫磺，之后通過合成氣燃燒單元，驅(qū)動發(fā)電單元生產(chǎn)電力。

優(yōu)選的，步驟（2）干合成氣，首先輸送至酸性氣體脫除單元處理，所述酸性氣體脫除單元的入口處包含cos水解單元，將合成氣中cos和hcn轉(zhuǎn)化成h2s和nh3，酸性氣體脫除單元采用逆流氣體吸收法，在吸收塔內(nèi)利用可再生溶劑吸收合成氣中的酸性氣體，獲得滿足下游合成工藝要求h2s含量<1ppmv的干合成氣。

優(yōu)選的，步驟（2）中酸性氣體脫除單元所采用低溫甲醇洗和selexol工藝的物理溶劑吸附技術(shù)，離開吸收塔底部的富含酸性氣體的溶劑被送到再生反應(yīng)器中，通過低壓蒸汽汽提脫除溶劑吸收的h2s，然后將其轉(zhuǎn)化成硫磺，通過多級減壓和氮氣汽提處理，將與h2s一起被吸收的二氧化碳從溶劑中脫除。

優(yōu)選的，副產(chǎn)品煤焦油可作為鍋爐燃料生產(chǎn)高壓蒸汽，并通過蒸汽輪機單元生產(chǎn)額外電力。鍋爐給水通過廢熱回收蒸汽生產(chǎn)單元與燃燒單元排放的高溫燃燒尾氣進行熱交換生產(chǎn)蒸汽。蒸汽輪機單元產(chǎn)生的冷凝水進行循環(huán)利用。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣發(fā)電的方法，充分利用煤炭地下氣化工藝中的主要副產(chǎn)品擴展下游產(chǎn)成品范圍，不僅減少了后期加工處理和排放的成本，還增加了項目產(chǎn)品產(chǎn)量和銷售收入。

附圖說明

為了更清楚地描述本發(fā)明的工藝技術(shù)流程，具體實施方案中所需要使用的附圖描述如下。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施方案，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣發(fā)電的方塊工藝流程圖，方案一；

圖2是煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣發(fā)電的方塊工藝流程圖，方案二；

圖3是煤炭地下氣化富氧氣化產(chǎn)品氣發(fā)電的方塊工藝流程圖；

圖4是煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣發(fā)電的方塊工藝流程圖。

在附圖中，相同的附圖標記指相同部件。

1、空氣分離裝置（asu）；2、氧氣；3、氮氣；4、isc地下氣化爐；5、粗合成氣；6、粗合成氣冷卻、水洗和分離單元；7、干合成氣；8、工藝水；9、工藝水處理單元；10、原水；11、工藝廢料；12、處理的工藝水；13、氣化水處理單元；14、氣化水；15、煤焦油；16、煤焦油處理單元；17、處理的煤焦油；18、酸性氣體脫除（agr）單元；19、二氧化碳；20、硫磺生產(chǎn)單元；21、硫磺；22、鍋爐；23、蒸汽；24、脫硫單元；25、硫化氫；26、空氣壓縮機；27、壓縮空氣；28、燃燒單元；29、高溫燃燒尾氣；30、發(fā)電單元；31、電力；32、廢熱回收蒸汽生產(chǎn)單元；33、燃燒尾氣；34、蒸汽輪機單元；35、冷凝水；36、富氧空氣。

具體實施方式

下面通過具體實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的具體說明。

在一個實施方案中，利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣發(fā)電。對于具有超低硫含量、氯含量、磷含量和重金屬含量的高熱值（lhv>24mj/kg）煤層，干合成氣7無需額外的處理，可直接進行發(fā)電（圖1）。該工藝可以采用空氣氣化、富氧氣化或純氧氣化?？諝鈿饣a(chǎn)的合成氣熱值較低，4-6mj/nm³；純氧氣化生產(chǎn)的合成氣熱值較高，10-12mj/nm³。其主要區(qū)別在合成氣內(nèi)惰性組分n2的含量，空氣氣化合成氣中n2含量可高達50mole％，而純氧氣化合成氣中n2含量小于1mole％。對于富含煤層氣（甲烷）的煤層，合成氣中甲烷含量和熱值將有所增加。如圖1所示，空氣氣化采用空氣壓縮機26生產(chǎn)壓縮空氣26注入到isc地下氣化爐4。粗合成氣5通過產(chǎn)品井輸送至地面，并進入粗合成氣冷卻、水洗和分離單元6。粗合成氣5通過直接冷卻工藝（液體或氣體冷卻，文丘里裝置、冷卻塔等）或間接冷卻工藝（葉片式風扇、換熱器等）快速冷卻至<150^oc。其中，直接冷卻工藝包含了粗合成氣洗滌的步驟，而間接冷卻工藝則需要至少一個洗滌塔將粗合成氣內(nèi)的微量污染物（顆粒物，氯化物，汞，氨等）從粗合成氣中移除。經(jīng)水洗后的合成氣然后進入氣液分離器，脫除合成氣中殘留的自由液體，生成的干合成氣7。干合成氣7直接輸送至燃燒單元28和其機械耦合的發(fā)電單元30進行燃氣發(fā)電，生產(chǎn)電力31。從燃燒單元28排放出來的高溫燃燒尾氣29必須符合環(huán)保要求的排放標準。若采用空氣氣化，n2（高達50mole％）燃燒后將產(chǎn)生大量的nox排放，因此富氧氣化或純氧氣化更有利于滿足環(huán)保和低排放要求。若燃燒單元28采用往復式發(fā)動機（內(nèi)燃機），燃燒過程將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，并驅(qū)動發(fā)電單元30生產(chǎn)電力。往復式發(fā)動機相當耐用，規(guī)模靈活（單機容量100kw-10mw，基于天然氣進料），并且可以通過并聯(lián)機組控制項目規(guī)模。然后往復式發(fā)動機進料氣體壓力要求接近于環(huán)境壓力，干合成氣7需要進行減壓處理。若燃燒單元28采用燃氣輪機，則isc地下氣化爐4出口的高壓力有助于確定渦輪機。燃氣輪機的典型單價容量4mw-425+mw，更適合大規(guī)模發(fā)電項目。對于燃氣輪機，空氣氣化生產(chǎn)的合成氣熱值處于其最低要求，更適合于富氧氣化和純氧氣化的合成氣。還可以選用鍋爐作為燃燒單元28，生產(chǎn)高壓蒸汽后通過蒸汽輪機驅(qū)動發(fā)電單元30，生產(chǎn)電力31。所有生產(chǎn)過程的工藝水（圖1未標示），通過冷凝回收后可以作為補給水送到工藝水處理廠，取代或減少原水10用量。

在另一個實施方案中，通過對合成氣進行凈化和處理，提高煤炭地下氣化產(chǎn)品氣發(fā)電工藝的適應(yīng)性，使其適合高硫含量的煤層。如圖2所示，干合成氣7輸送至脫硫單元24，其中合成氣7內(nèi)的cos和hcn通過催化水解單元轉(zhuǎn)化為h2s和nh3。然后通過使用二異丙胺（dipam）或二乙胺（deta）選擇吸附脫除h2s。經(jīng)過脫硫后的合成氣硫含量極低（h2s<0.1ppmv），主要組分為co2，ch4，h2和co。硫化氫25送至硫磺生產(chǎn)單元20生產(chǎn)硫磺21。之后通過合成氣燃燒單元28，驅(qū)動發(fā)電單元30生產(chǎn)電力31。鍋爐給水采用氣化水14，通過廢熱回收蒸汽生產(chǎn)單元32與燃燒單元28排放的高溫燃燒尾氣29進行熱交換生產(chǎn)蒸汽。煤焦油17作為燃料用于加熱鍋爐22生產(chǎn)高壓蒸汽23和排放燃燒尾氣33。煤焦油熱值一般可以達到34-38mj/kg，可以與柴油熱值（44mj/kg）媲美。高壓蒸汽23通過蒸汽輪機單元34驅(qū)動發(fā)電單元30以生產(chǎn)電力31。蒸汽輪機單元34產(chǎn)生的冷凝水35進行回收并輸送至氣化水處理單元13處理和循環(huán)利用。

在另一個實施方案中，通過增加空氣分離裝置（asu）1生產(chǎn)高純度氧氣2（和副產(chǎn)物氮氣3）來實施富氧氣化，提高合成氣熱值來滿足燃氣輪機運行要求（圖3）。其他工藝流程類似圖2的空氣化發(fā)電工藝。

在另一個實施方案中，采用純氧氣化（>96％，優(yōu)選>98.5％）工藝（圖4）。具有較高熱值（lhv，10-12mj/nm³）的干合成氣7，首先輸送至酸性氣體脫除（agr）單元18處理。該流程將在酸性氣體脫除單元18的入口處包含cos水解單元（圖4未標出），將合成氣中cos和hcn轉(zhuǎn)化成h2s和nh3。該單元采用逆流氣體吸收法，在吸收塔內(nèi)利用可再生溶劑吸收合成氣中的酸性氣體（h2s和co2），獲得滿足下游合成工藝要求h2s含量<1ppmv的合成氣，優(yōu)選h2s含量<0.1ppmv。該單元所采用的技術(shù)是低溫甲醇洗和selexol工藝的物理溶劑吸附技術(shù)。離開吸收塔底部的富含酸性氣體的溶劑被送到再生反應(yīng)器中，通過低壓蒸汽汽提脫除溶劑吸收的h2s，然后將其轉(zhuǎn)化成硫磺21。通過多級減壓和氮氣汽提處理，可將與h2s一起被吸收的二氧化碳19從溶劑中脫除。經(jīng)過酸性氣體脫除（agr）單元18處理的合成氣幾乎不含硫，含有少量co2，僅留下h2，co和ch4的主要組分。該合成氣的低位熱值（lhv）為17-20mj/nm³。之后合成氣輸送至燃燒單元28，采用氧氣2燃燒，驅(qū)動發(fā)電單元30生產(chǎn)電力31。類似的余熱回收流程方案如上所述（圖2），鍋爐給水采用氣化水14，通過廢熱回收蒸汽生產(chǎn)單元32與燃燒單元28排放的高溫燃燒尾氣29進行熱交換生產(chǎn)蒸汽。煤焦油17作為燃料采用氧氣2燃燒用于加熱鍋爐22生產(chǎn)高壓蒸汽23。高壓蒸汽23通過蒸汽輪機單元34驅(qū)動發(fā)電單元30以生產(chǎn)電力31。采用合成氣和煤焦油氧氣燃燒過程，不會引入n2，可以避免燃燒尾氣33中形成nox排放。

通過實施該工藝流程，電力生產(chǎn)不會出現(xiàn)煤灰、固體污染物排放、sox和nox排放和環(huán)保問題。絕大部分灰分和固體雜質(zhì)都保留在isc地下氣化爐4的燃空區(qū)內(nèi)，粗合成氣內(nèi)微量的灰分和固體雜質(zhì)到達產(chǎn)品井井口后在粗合成氣冷卻、水洗和分離單元6內(nèi)被脫除。之后合成氣內(nèi)的硫在酸性氣體脫除（agr）單元18內(nèi)被脫除。整個工藝過程采用氧氣燃燒，不引入n2，避免形成在燃燒尾氣中形成nox。整個工藝過程的唯一排放是酸性氣體脫除過程和燃燒過程的二氧化碳19排放。若在工藝過程中增加脫碳單元，脫除的二氧化碳19可用于肥料生產(chǎn)，二氧化碳驅(qū)油（eor）或進一步凈化后作為工業(yè)級和食品級二氧化碳銷售。

以上所述的實施例只是本發(fā)明的一種較佳的方案，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，在不超出權(quán)利要求所記載的技術(shù)方案的前提下還有其它的變體及改型。