[发明专利]一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于能源动力领域，具体地说涉及一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电方法和系统。

背景技术

煤在我国现在以及未来几十年内都会是最主要的能源来源。但煤炭与气体燃料的性质不同，煤炭中含有大量的灰分等有害物质，而气体燃料为清洁能源。正是由于煤炭与气体燃料的品质，及其能量转换利用方式的不同使得燃煤电厂的发电效率比天然气联合循环电站低10～15个百分点。

实现煤炭高效清洁的利用是我国目前亟待解决的难题。目前，在电力行业实现这一目标的技术是采用整体煤气化联合循环（IGCC）发电系统。IGCC系统首先将煤气化，为煤炭的进一步利用创造必要条件，然后再利用煤气化得到的合成气发电。

IGCC系统存在着气化效率低，设备成本高的难题。气化效率低主要是由于煤炭气化过程需要加入纯氧气，而产生氧气的空气分离装置的能耗较高，同时也增加了设备投资。设备成本高主要是目前气化单元的设备成本较高，同时由于气化合成气中含有较多的灰分和硫分，需要除尘和脱硫装置，这也使得设备投资进一步增加。目前IGCC的投资成本约为1500$/kW，其中空分装置约占10-20%，气化炉约占30%，废热锅炉约占10-15%，联合循环发电单元约占30%，合成气净化单元约占10%。

同时，与燃煤电厂不同，IGCC系统对煤种有严格的要求，这取决于IGCC系统所采用的煤气化方式。我国煤碳可采量约为1万亿吨，分为褐煤、烟煤和无烟煤。鲁奇炉可采用褐煤和部分烟煤（长焰煤、不粘煤、弱粘煤和气煤），可用资源量为5934.5亿吨，占总资源量的58%。德士古炉可采用大部分的烟煤，可用资源量为6728.8亿吨，占总资源量的66%。谢尔炉可采用褐煤和几乎全部的烟煤，资源量为9242亿吨，占总资源量的91%。恩德炉可采用褐煤和少部分烟煤（长焰煤和不粘煤），可用资源量为4479.6亿吨，占总资源量的44%。

综上所述，IGCC发电系统的应用推广，还存在着气化效率低、设备投资成本高和煤种限制等障碍。对于电力行业，提高煤气化发电系统的效率，降低煤气化发电的投资成本，提高煤气化发电系统对煤种的适应性都是亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于煤炭的碳氢组分分级转化发电方法及系统，以克服目前IGCC发电系统中存在的设备投资高、需要单独的空分装置提供氧气、对煤种有较高的要求等弊端。

根据本发明的一方面，基于“燃料化学能梯级利用”的节能机理，提供了一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电方法，所述的发电方法以煤作为燃料，所述煤分为气化煤和供热煤，将所述气化煤分级气化得到的煤气化合成气通入联合循环发电单元（IGCC）发电，其特征在于，所述气化煤分级气化的过程依次分为碳化过程、一氧化碳生产过程和变换产氢过程三个转化步骤分级进行，全程无氧气参与反应，将气化煤分级转化成焦炉煤气、一氧化碳和氢气，实现碳氢组分的分级转化，将三种气体灵活配比后得到不同碳氢比的所述煤气化合成气。

上述三个转化步骤中，首先进行碳化过程，该过程对气化煤进行碳化提纯，所需热量由所述供热煤与高温空气外置燃烧产生的热量提供，得到粗焦炭、焦炉煤气、焦油等化工产品；其次进行一氧化碳生产过程，将碳化过程中生产的粗焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，所需热量同样由上述供热煤与高温空气燃烧产生的热量提供；然后进行变换产氢过程，将上述一氧化碳生产过程中生产的部分一氧化碳与水蒸气变换反应生成二氧化碳和氢气，使用分离装置进行分离得到二氧化碳和纯净的氢气，分离出的二氧化碳返回所述一氧化碳生产过程与粗焦炭继续反应，一氧化碳生产过程中所需的二氧化碳完全由变换产氢过程中生产的二氧化碳提供。

所述的发电方法中，所述气化煤可以使用所有的烟煤和褐煤，供热煤可以使用所有煤种。

所述的发电方法，所述供热煤与高温空气外置燃烧产生的高温烟气粗除尘后向炭化过程和一氧化碳生产过程供入热量。

本发明的基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电方法，煤炭由碳化过程、一氧化碳生成过程和变换产氢过程三步分级气化，实现了煤炭的“组分对口，分级转化”。碳化过程进行气化煤的粗炼焦，除去了煤炭中的灰分硫分等杂质，得到了纯净的粗焦炭，一氧化碳生产过程使用纯净的焦炭与二氧化碳反应，不需要氧气，产生的一氧化碳不含灰分等杂质颗粒，可以直接进入变换产氢过程；一氧化碳生产过程产生的部分一氧化碳经变换产氢过程生成氢气和二氧化碳，将二氧化碳分离出来提供给一氧化碳生产过程。