本发明专利技术公开了一种基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电方法及系统，基于“燃料化学能梯级利用”的节能机理，以煤作为燃料，并将其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，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。本发明专利技术提出的煤炭气化发电方法及系统与传统煤炭气化发电系统（IGCC）相比，实现了组分对口、梯级利用，发电效率要比IGCC系统高约6个百分点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源动力领域，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。
技术介绍
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I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。
技术实现思路
本专利技术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。根据本专利技术的一方面，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。本专利技术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。为实现本专利技术的上述基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电方法，根据本专利技术的另一方面，还提供了一种基于 煤炭的碳氢组分分级转化发电系统，该发电系统的设备主要包括外置燃烧单元、传热单元、换热单元、碳化单元、一氧化碳单元、变换产氢单元、二氧化碳分离单元和发电单元，其特征在于，碳化单元，用于将气化煤转化为粗焦炭，同时产生焦炉煤气，另外还会产生焦油等副广品;一氧化碳生产单元，用于将碳化单元产生的粗焦炭气化为一氧化碳，该单元发生的反应为焦炭与二氧化碳反应生产一氧化碳；变换产氢单元，用于将一氧化碳生产单元产生的一氧化碳转化为二氧化碳和氢气的合成气；二氧化碳分离单元，用于从上述合成气中分离得到纯净的二氧化碳，将得到的二氧化碳输出给一氧化碳生产单兀；供热煤和高温空气于外置燃烧单元燃烧产生高温烟气通过传热单元将热量传递给碳化单元和一氧化碳生产单元；换热单元，用于回收烟气的余热，同时预热空气产生上述高温空气；发电单元，用于将焦炉煤气、一氧化碳和氢气组成的煤气化合成气的化学能转化为电能。 进一步地，上述发电单元采用联合循环发电方式，联合循环由燃气轮机、蒸汽轮机和余热锅炉组成，燃气轮机排出的“废气”引入余热锅炉，加热水产生高温高压的蒸汽，再推动汽轮机做功。进一步地，上述碳化单元可以为冶金行业的加热炉、均热炉或煅烧炉。本专利技术的有益效果是将煤炭的气化过程分为炼焦，气化和变换三步进行，不需要氧气，实现了煤炭的“组分对口，分级转化”，与现有的IGCC系统相比，不需要氧气，省去了用于制氧的空气分离单元；煤炭中的灰分和含硫成分在碳化过程中以焦油等副产品的形式被脱除，生产的合成气几乎不含灰分和含硫成分，无需废热锅炉和除尘脱硫装置。根据煤炭的特点不同，用煤炭外燃替代焦炉煤气燃烧向碳化室和气化室提供高温热量，其中供热用煤可以使用品质较低的煤种，实现能源的合理利用。本专利技术提出的煤炭气化发电方法与传统煤炭气化发电系统(IGCC)相比，实现了组分对口、梯级利用，发电效率要比IGCC系统高约6个百分点。附图说明图1为本专利技术提出的煤炭气化发电系统示意图；上述附图中，各部件及相应的标记为1_碳化单元；2_传热单元；3_—氧化碳生产单元；4_传热室；5_变换产氢单元；6-C02分离单元；7_联合循环发电单元；8_气化煤；9-供热煤；10-焦炉煤气；11_粗焦炭；12-二氧化碳；13_ —氧化碳；14-合成气；15_氢气；16-水；17_烟气；18_空气；19_高温烟气；20_低温烟气；21_废气；22_空气换热单元；23-外置燃烧单元；24_焦油等杂质。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本专利技术进一步详细说明。根据本专利技术的实施例，提供了基于煤炭的碳氢组分分级转化发电系统及方法。`请参见图1，本专利技术提供的基于煤炭的碳氢组分分级气化的发电系统，主要由碳化单元1、本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
1.一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。2.按照权利要求1所述的发电方法，其特征在于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。3.按照权利要求1或2所述的发电方法，其特征在于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。4.按照权利要求1或2所述的发电方法，其特征在于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。5.一种基...
【专利技术属性】
技术研发人员：金红光，张筱松，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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