[发明专利]煤气化工艺与蒸汽透平发电工艺的耦合方法

说明书

发明领域

本发明涉及煤的多联产领域，具体为以煤为原料的气电联产领域。

背景技术

当前，煤气化技术在我国已广泛应用，但基本局限于煤化工领域，以获得有形的化工产品为主。为了提高能量效率，当前的发展趋势是将煤气化技术与发电技术结合起来，即进行所谓的气电联产。以煤为原料，联产合成气、电以及热。其中合成气可进一步燃烧发电，或进行进一步加工成化工产品(如合成氨，甲醇，二甲醚、液体燃料等)。这样的气电联产工艺将化工过程与电力生产有机结合，取得了巨大的社会和经济效益。

当前的煤气化多联产工艺，主要停留在将煤气化产品物流导入各个相对独立的后续系统中进行联产，例如将煤气化过程中产生的合成气导入发电系统中作为燃料，或者将该合成气导入后续的甲醇合成系统中用于合成甲醇等。其中煤气化工艺与发电工艺或甲醇合成工艺是相对独立的，它们之间仅靠产品流股来发生联系，从能量的角度看各工艺之间是相对独立的。

另一种煤气电联产工艺是整体煤气化联合循环(简称IGCC，下同)，该工艺中，处理后的煤与空分单元来的氧气在气化炉中生成合成气，合成气的显热通过间接换热来加热水以产生蒸汽，该蒸汽可用于驱动蒸汽透平发电。合成气经过净化单元净化后，进入燃气轮机燃烧以发电，燃烧尾气的热量在余热锅炉中回收并产生蒸汽，该蒸汽也可用于驱动蒸汽透平发电。

蒸汽轮机发电通常使用基于Rankine循环的热力学过程。Rankine循环是本领域技术人员熟知的一种蒸汽发电循环，典型的Rankine循环的流程图如图2所示，简述如下：

水借助给水泵提升压力进入锅炉，然后经锅炉加热成蒸汽后进入过热器中继续加热，使其温度进一步升高(其作用主要有二：一是继续升高温度从而进一步增加效率；二是从饱和蒸汽(称为湿蒸汽)变为非饱和蒸汽(称为干蒸汽)。在此加热和过热过程中吸入的总热量为Q。然后，使干蒸汽在发动机(蒸汽机或汽轮机)内绝热膨胀对外作功Ws，膨胀降温后的蒸汽(称为乏汽)再进入冷凝器凝结为水，放出热量。冷凝水再通过给水泵送入锅炉，完成一个循环。

理想的Rankine循环也可以用如图3所示的温熵图(T-S图)来描述。蒸汽对外所做的理论功相当于图3中曲线1→2→3→4→5→6→1所包围的面积。其中循环中的吸热(1→2→3→4)和放热过程(5→6)为等压过程，蒸汽的膨胀(4→5)和冷凝水升压过程(6→1)为等熵过程。

关于Rankine循环的详细介绍，请参见《现代煤炭转化与煤化工新技术新工艺实用全书》，第九章第六篇，蒸汽煤气化联合循环发电，廖汉湘主编，2004年，以及《整体煤气化联合循环热电油多联产工艺技术特点与应用》，陈崇亮，袁龙军，煤炭工程，2008年11期。

由图2可见，蒸汽轮机发电主要包括蒸汽透平发电，蒸汽冷却，以及泵加压返回几部分。一个理想Rankine循环，其热效率取决于吸热过程和放热过程的温度和压力。蒸汽透平的发电效率取决于循环的净功W_s(W_s＝ΔH＝H₅-H₄)与由外界初始供给热量即图2的Q之比。

整个Rankine循环的热效率为：

η＝(H₄-H₅)/(H₄-H₁)

其中H₄，H₅，H₁分别代表图2所示的进入透平机前的蒸汽的焓，乏汽5的焓以及进入锅炉的高压水的焓。该焓基本上与蒸汽或水的温度成正比。

对于在蒸汽透平机中进行的放热过程，降低乏汽5的温度能提高Rankine循环热效率，但乏汽5的温度并不能无限制地降低，该温度受冷却介质温度及冷凝器尺寸限制。例如，通常蒸汽轮机发电过程中，蒸汽冷却部分的冷却介质往往用冷却水。冷却水的通常工况为表压0.52MPa，温度32℃。由于冷却水介质的限制，出透平机的蒸汽即图2中所谓的乏汽5的通常控制在32℃以上。

举例来说，在使用水以及干蒸汽作为Rankine循环介质的情况下，进入蒸汽透平的干蒸汽的温度为550℃，压力为23MPa，而出蒸汽透平的乏汽5的温度为120.21℃，压力为0.2Mpa，在这种情况下，热效率经计算约为23％。

显然，上述Rankine循环要求提供大量的冷却水。