CN102518489A - 发电方法、用于气化生产能源产品和热发电的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发电方法，包括对发电时产生的乏汽进行冷凝的步骤，在该步骤中，使乏汽直接或间接地与经过膨胀降压的气体进行热交换。本发明还提供一种用于气化生产能源产品和热发电的装置，该装置包括：膨胀降压装置，具有接收待膨胀降压气体的膨胀降压入口、及排出膨胀降压后气体的膨胀降压出口；以及冷凝器，具有供载有来自膨胀降压后气体的冷量的冷却介质进入的第一换热通道、及供发电产生的乏汽进入其中与冷却介质热交换的第二换热通道。本发明的方法和装置利用膨胀降压后气体产生冷量，将乏汽的温度降低到环境温度以下，既充分利用了气体的压力能，又提升了透平发电设备的发电效率。

Description

发电方法、用于气化生产能源产品和热发电的装置

技术领域

本发明涉及一种发电方法、以及用于气化生产能源产品和热发电的装置。

背景技术

IGCC(整体煤气化联合循环)技术实现了将煤气化与燃气-蒸汽轮机联合发电***结合，是一种洁净煤发电技术。处理后的煤与空分单元来的氧气在气化炉中生成混合气体，混合气体的显热经回收产生蒸汽，混合气体经过净化单元净化后、燃烧驱动燃气轮机发电，燃气轮机排出的烟气的热能通过余热锅炉回收、加热产生蒸汽，蒸汽驱动蒸汽轮机发电。在IGCC工艺中，利用混合气体这一产品流股首先通过燃气轮机Brayton循环发电，换热和/或燃气轮机排放的烟气余热来将水加热成蒸汽，蒸汽进而通过Rankine循环驱动蒸汽轮机透平发电。煤气化工艺和Brayton循环及Rankine循环工艺之间相对独立、缺乏深度的耦合或协同作用，即Rankine循环的发电效率仅受所产生的蒸汽的温度的影响，煤气化工艺并不直接影响Rankine循环的发电效率。换句话说，以上将煤气化与蒸汽透平发电联合的工艺只利用了由煤气化过程中产生的蒸汽热能，即仅由煤气化过程中的产生的蒸汽使煤气化工艺和蒸汽透平发电方法发生联系。如果煤气化的产品不完全用于燃烧产生能量，而是生产能源产品，如甲烷、氢气和一氧化碳等，则煤气化与燃气-蒸汽轮机联合发电***能量的梯级优化利用和单元工艺间的耦合程度均需要进一步提高。

此外，蒸汽轮机发电通常使用基于Rankine循环的热力学过程。一个理想Rankine循环，其热效率(发电效率)取决于吸热过程和放热过程的温度和压力。对于在蒸汽透平机中进行的放热过程，降低乏汽的温度能提高Rankine循环热效率(发电效率)，但乏汽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。由于冷却水介质的限制，出透平机的蒸汽即乏汽的温度通常控制在环境温度以上。例如，冷却水的通常工况为表压0.52MPa，温度32℃，从而限制了乏汽的通常控制在32℃以上。(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)。

理想的Rankine循环也可以用如图7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7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。

另外，高水含量的物料如褐煤、泥煤、污泥和垃圾等物料直接发电或气化过程中，烟气或产品气中含有大量的水汽，由于水蒸发的潜热很大，导致大量的热量被烟气或产品气带走，明显降低发电和气化效率。

现有超临界技术中有超临界技术与发电技术耦合，主要方式为利用产物的热能通过换热产生的蒸汽进行透平发电，但对产物气体的压力能未进行利用。

与煤化工技术相结合的发电技术，仅由煤气化过程中的产生的蒸汽使煤气化工艺和蒸汽透平发电方法发生联系。

现有蒸汽轮机发电技术乏汽温度控制在环境温度以上，限制了发电效率。

另外，高水含量的物料直接发电，大量的热量被水蒸汽和烟气带走，明显降低发电效率。

现有技术对超临界水氧化/气化技术产生的产物的高压能未加以应用。***的能量未能得到充分利用。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种发电方法、以及用于气化生产能源产品和热发电的装置，以利用经过膨胀降压的气体产生的冷量，将乏汽的温度降低到环境温度以下，既充分利用了气体的压力能，又通过降低Rankine循环中乏汽的温度提升了透平发电设备的发电效率，从而实现了生产能源产品和热发电的装置的整体能源利用效率的提升。

一方面，本发明提供一种发电方法，包括对发电时产生的乏汽进行冷凝的步骤，在该步骤中，使所述乏汽直接或间接地与经过膨胀降压的气体进行热交换。

优选地，所述热交换是在冷凝器中进行的，所述冷凝器以被所述的经过膨胀降压的气体冷却后的水作为冷却介质，所述乏汽在所述冷凝器中与所述冷却介质直接进行热交换。

优选地，热交换是在冷凝器中进行的，所述冷凝器直接以所述的经过膨胀降压的气体作为冷却介质，所述乏汽在所述冷凝器中与所述冷却介质直接进行热交换。

优选地，热交换是在冷凝器中进行的，所述冷凝器包括第一部分和第二部分，所述第一部分的冷却介质为水，所述第二部分的冷却介质为所述的经过膨胀降压的气体，所述乏汽与所述第一和第二部分中的冷却介质直接进行热交换。

优选地，该方法还包括：将原料送入反应器中进行超/亚临界气化反应或氧化反应生成反应混合物；其中，所述的经过膨胀降压的气体，是对从反应混合物中分离出来的气体进行膨胀降压后获得的。

优选地，该方法还包括：将所述反应混合物导入第二换热器中与发电工质进行热交换；将吸收所述反应混合物所含热量的发电工质导入透平机中发电；以及利用所述的经过膨胀降压的气体生产能源产品，所述能源产品为甲烷或氢气或一氧化碳或电或它们任意组合。

优选地，该方法经过膨胀降压的气体的温度低于环境温度，该环境温度是指28-32℃。

优选地，该方法原料为煤、生物质、污泥或废水，所述反应器中含有气化剂或氧化剂，所述气化剂或氧化剂为氧气、蒸汽、富氧空气、空气中的至少一种。

优选地，发电工质为水或二氧化碳或异链烷烃。

优选地，原料在所述反应器中发生超/亚临界气化反应或氧化反应时的温度条件是350-750℃、压力条件是15-40MPa。

优选地，经过膨胀降压的气体具有0.1-7MPa的压力。

优选地，经过膨胀降压的气体具有-25～20℃的温度。

优选地，反应混合物包含的气体为原料超/亚临界气化反应产生的气体或者原料氧化反应产生的气体。

另一方面，本发明还提供一种用于气化生产能源产品和热发电的装置，包括：膨胀降压装置，具有接收待膨胀降压气体的膨胀降压入口、及排出经过膨胀降压的气体的膨胀降压出口；以及冷凝器，具有供载有来自所述经过膨胀降压的气体的冷量的冷却介质进入的第一换热通道、及供发电产生的乏汽进入其中与所述第一换热通道中冷却介质热交换的第二换热通道。

优选地，经过膨胀降压的气体进入所述第一换热通道作为所述冷却介质。

优选地，本发明装置还包括第一换热器，经过膨胀降压的气体进入第一换热器中的一个换热通道，并与第一换热器的另一换热通道中的冷却水进行热交换，其中，与所述经过膨胀降压的气体换热后的冷却水，从所述的另一换热通道排出到所述冷凝器的第一换热通道中作为冷却介质。

优选地，冷凝器包括第一部分和第二部分，所述第一和第二换热通道设于所述第一部分中，所述第二部分具有供在所述第一部分放热后的乏汽进入其中的一个换热通道、以及供用以冷却该一个换热通道中乏汽的水进入其中的另一换热通道。

优选地，本发明装置还包括：用以供原料在其中发生反应的反应器，具有供反应生成的反应混合物排出的排气口；供反应混合物与发电工质彼此热交换的第二换热器，具有与所述排气口连通的用以接收反应混合物的换热介质入口、及将从反应混合物吸热后的发电工质排出的发电工质出口；利用吸热后的发电工质发电的透平机，具有与发电工质出口连通的用以接收吸热后的发电工质的进口、及供发电产生的乏汽排出的乏汽出口，所述乏汽出口与所述冷凝器的乏汽入口连通。

优选地，本发明装置还包括将反应混合物中气体分离出来的分离装置，连接在所述第二换热器与所述膨胀降压装置之间。

优选地，本发明装置还包括燃气轮机，所述燃气轮机具有燃气入口，所述冷凝器具有供与所述乏汽交换热量后的膨胀降压气体排出的出口，该出口与所述燃气入口连通。

优选地，本发明装置还包括燃气轮机，所述燃气轮机具有燃气入口，所述第一换热器具有供与该第一换热器中所述另一换热通道中的冷却水换热后的膨胀降压气体排出的出口，该出口与所述燃气入口连通。

优选地，本发明装置还包括加压泵，具有泵入口和泵出口，其中，所述第二换热器具有供发电工质流入的入口，该入口与所述加压泵的泵出口连通，其中，所述冷凝器具有将乏汽冷凝后生成的饱和水排出的出口，该出口与所述加压泵的泵入口连通。

优选地，本发明装置还包括：利用被吸收冷量后的膨胀降压后气体生产能源产品的装置，具有供被吸收冷量后的所述膨胀降压后气体进入的入口，其中，所述冷凝器具有供与所述乏汽交换热量后的膨胀降压气体排出的出口，该出口与所述生产能源产品的装置的所述入口连通。

优选地，本发明装置还包括：利用被吸收冷量后的膨胀降压后气体生产能源产品的装置，具有供被吸收冷量后的所述膨胀降压后气体进入的入口，其中，所述第一换热器具有供与该第一换热器中的所述另一换热通道中的冷却水换热后的膨胀降压气体排出的出口，该出口与所述生产能源产品的装置的所述入口连通。

本发明中，所采用的换热器可以是任何合适的用于间接换热的换热器，例如列管式换热器、翅片式换热器等，这些换热器的类型和具体构造是本领域技术人员公知的，冷凝器本质也是换热器，这里不再赘述。所采用的膨胀装置包括降压毛细管、降压阀、膨胀机等，以上使气体膨胀降压的方法和装置都是本领域技术人员公知的，在此不再赘述。

本发明的方法和装置具有以下有益效果：使从透平机中排出的乏汽直接或间接地与经过膨胀降压的气体进行热交换，利用膨胀降压后可产生较环境温度(28-32℃)更低的冷却介质(例如-25～20℃的经过膨胀降压的气体)，将乏汽降温、冷凝，既充分利用了发电工质的压力能进行发电；提高了透平发电设备的发电效率，生产更多的清洁电力，也可充分利用煤气化等能源生产工艺所产生的适合待膨胀降压做功的气体的压力能，该能量也可用于发电，从而提高整个工艺***的能量利用效率。

更详细地，本发明由于对来自超/亚临界气化反应或氧化反应后生成的反应混合物中的气体进行膨胀降压，膨胀降压后的气体温度可以降低至环境温度以下(例如0℃)，然后利用膨胀降压后的气体对乏汽进行冷凝，因此利用气体经过膨胀降压后可产生较环境温度更低的冷却介质(例如-25～20℃的经过膨胀降压的气体)，取代通常的Rankine循环驱动的蒸汽轮机透平发电时冷却蒸汽的冷却水(一般用32℃水作为冷却介质)，就可对更低温度的乏汽(例如5～10℃)进行降温、冷凝，乏汽的温度就可设置的更低(例如低于通常的环境温度，如室温18～27℃)，就可提高透平发电设备的发电效率。相比于现有技术而言，本发明采用经过膨胀降压产生的较环境温度更低的冷却介质(例如-25～20℃的经过膨胀降压的气体，优选为0～20℃)来直接替代或部分替代通常的环境温度的冷却水对乏汽进行降温、冷凝，或间接利用经过膨胀降压的气体的冷量(例如，通过对环境温度的冷却水进行冷却，再用该冷却水对乏汽进行降温、冷凝)，就可将乏汽的温度设置的更低，不仅可提高透平发电设备的发电效率，而且，还可以利用超/亚临界气化反应或氧化反应生产生的气体的膨胀降压过程做功进行发电，进一步增加了发电量，提高了整个工艺***能量利用效率。

进一步利用了上述的经膨胀降压后的气体冷却乏汽，相比于现有技术中仅利用冷却水冷却乏汽而言，本发明相应地就可以降低冷却水的用量消耗，从而节省冷却水。

再者，从超/亚临界气化反应或氧化反应时生成的反应混合物中分离出的气体，由于进行了膨胀降压处理，在经过与乏汽的换热，温度和压力比较温和，因此便于后续的处理，例如便于进行分离处理以生产能源产品或进入后续的燃气轮机燃烧发电。

附图说明

图1为本发明发电方法的实施例1、4、5、6的示意性流程图；

图2为本发明发电方法的实施例2-3的示意性流程图；

图3为本发明发电方法的实施例7的示意性流程图；

图4为本发明发电方法的实施例8的示意性流程图；

图5为本发明发电方法的实施例9的示意性流程图；

图6为本发明发电方法的实施例10的示意性流程图；

图7是Rankine循环的温熵图(T-S图)。

具体实施方式

本发明提供一种发电方法，其包括对发电时产生的乏汽进行冷凝的步骤：使乏汽直接或间接地与经过膨胀降压的气体进行热交换，换而言之，在该步骤中，乏汽在冷凝器中吸收经过膨胀降压的气体所含的冷量以被降温、冷凝。优选地，冷凝器以被所述的经过膨胀降压的气体冷却后的水作为冷却介质；或者冷凝器直接以所述的经过膨胀降压的气体作为冷却介质；或者冷凝器包括第一部分和第二部分，第一部分的冷却介质为水，第二部分的冷却介质为所述的经过膨胀降压的气体。

进一步，本发明的发电方法还包括以下产生要进行膨胀降压气体的步骤：将原料送入反应器中进行超/亚临界气化反应或氧化反应生成反应混合物；其中，所述的经过膨胀降压的气体，是对从反应混合物中分离出来的气体进行膨胀降压后获得的。为了进行发电，将前述的反应混合物导入第二换热器中与发电工质进行热交换；然后将吸收反应混合物所含热量的发电工质导入透平机中发电。其中膨胀降压后的气体在释放其冷量后还可以被用来生产能源产品。

以下参见附图，对本发明的发电方法进行详细描述。

[实施例1]

参见图1，以发电工质为水，烟煤与超临界水发生的催化气化为例。煤经过粉碎研磨制成粒度小于150微米的煤粉，与催化剂Na₂CO₃(用量为煤粉质量的10％)和水制备成煤粉干基浓度为40％的水煤浆。水煤浆经加压，预热达到23MPa，550℃进入反应器中(此实施例中反应器为气化炉)，同时向气化炉中通入氧气(此实施例中气化剂为氧气)。在气化炉中部分水煤浆与加入的氧气反应，将温度提升至650℃。在超临界状态下，煤与水在催化剂的作用下发生反应，生成富含甲烷的混合气体。混合气体的主要成分为甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氢气等。来自气化炉的经超临界气化反应后的的高温反应混合物(即，出气化炉的反应后混合物)产物包括混合气体，超临界水以及反应后残渣。该产物与来自加压泵的23MPa水在第二换热器中换热，产生温度为400℃且绝对压力为15MPa的高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽进入透平机(此实施例中为蒸汽透平机)膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在压力为0.00087MPa，温度为5℃，乏汽进入冷凝器冷凝成水。换热后的从反应混合物中分离出来的混合气体进入净化单元，将混合气体与水，渣分离，分离后的混合气体经过膨胀降压，压力降低为5.68MPa，温度降至0℃，然后用作上述冷凝器的冷却介质，乏汽在冷凝器中与冷却介质进行热交换以被冷凝成液态水，之后该混合气体可进入后续分离单元或进入后续的燃气轮机燃烧发电。在这种情况下发电效率经过计算为36.30％。来自冷凝器的水经泵加压后返回到第二换热器中与来自气化炉的经气化反应后的的高温反应混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例2]

也参照图2，以水为发电工质，以烟煤的超临界水气化为例。烟煤经过湿式研磨机研磨制成浓度为50％水煤浆，然后经泵加压送至气化炉(此实施例中反应器为气化炉)中。同时向气化炉中通入氧气或空气作为气化剂，气化炉的操作温度约为750℃，操作压力为27.0MPa。煤与上述气化剂在高温下发生反应，生成富含一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷的煤气。出气化炉的反应后混合物包括煤气以及焦油以及未反应完全的气化剂等。使该反应后混合物与来自加压泵的23MPa水在第二换热器中换热，并使加压水变成温度为400℃且绝对压力为15MPa的高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽进入蒸汽透平机膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在压力为0.0025MPa，温度为21.08℃，乏汽进入冷凝器冷凝成液态水。换热后的反应后混合物进入分离装置，将煤气与水，渣分离，分离后的煤气经过膨胀降压后压力降低为5.00MPa，温度降至-2.82℃，然后在第一换热器中用其将温度为32℃的冷却水冷却至18℃，之后该煤气可进入后续分离过程或进入后续的燃气轮机燃烧发电，而经膨胀降压后的煤气冷却后的冷却水则用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成水。在这种情况下发电效率经过计算为35.53％。来自冷凝器的水经泵加压后返回到第二换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例3]

参见图2，以水为发电工质、以褐煤与超临界水发生的催化气化为例。煤经湿式磨机制备成粒度小于150微米的水煤浆，水煤浆浓度为35％，水煤浆中含催化剂K₂CO₃(用量为煤粉质量的3％)。水煤浆经加压，预热达到35MPa，450℃进入气化炉(此实施例中反应器为气化炉)，同时向气化炉中通入氧气。在气化炉中部分水煤浆与加入的氧气反应，将温度提升至570℃。在超临界状态下，煤与水在催化剂的作用下发生反应，生成富含甲烷的混合气体。混合气体的主要成分为甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氢气等。出气化炉产物包括混合气体，超临界水以及反应后残渣。该产物与来自加压泵的23MPa水在第二换热器中换热，产生高温高压蒸汽，进入蒸汽透平膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在压力为0.0024MPa，温度为20.34℃，乏汽进入冷凝器冷凝成液体水。换热后的混合气体进入净化单元，将混合气体与水，渣分离，分离后的混合气体经过膨胀降压压力降低为4.76MPa，温度降至-4.73℃，然后在第一换热器中用其将温度为28℃的冷却水冷却至16℃，之后该混合气体可进入后续分离过程或进入后续的燃气轮机燃烧发电，而经膨胀降压后的混合气体冷却后的冷却水则用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成水。在这种情况下发电效率经过计算为35.65％。来自冷凝器的水(由乏汽冷凝成的饱和水)经泵加压后返回到第二换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例4]

参见图1，以水为发电工质，以高浓度废水的完全氧化反应为例。将浓度为7％高浓度废水进行初步过滤。将废水加压后输送至气化炉，同时向气化炉中通入氧气和蒸汽作为气化剂，气化炉的操作温度约为450℃，操作压力为15MPa。废水中的含碳物质与上述气化剂在高温下发生反应，生成二氧化碳和水。出气化炉的反应后混合物包括气体产物、固体残渣以及未反应完全的气化剂等。使该反应后混合物与来自加压泵的23MPa水在换热器中换热，并使加压水变成高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽进入蒸汽透平机膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在压力为0.0032MPa，温度为25.16℃，乏汽进入冷凝器冷凝成液态水。换热后的反应后混合物进入分离装置，将产物与水，渣分离，分离后的气体经过膨胀降压后压力降低为6.11MPa，温度降至2.5℃，然后用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成水，之后该煤气可进入后续分离处理过程。在这种情况下发电效率经过计算为35.33％。来自冷凝器的水(由乏汽冷凝成的饱和水)经泵加压后返回到换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例5]

参见图1，以水为发电工质，以污泥的超临界水氧化为例。将污泥原料净化后，并与水一起配制成浓度为15％的浆料。同时向气化炉中通入氧气和蒸汽作为气化剂，气化炉的操作温度约为480℃，操作压力为24MPa。污泥中的含碳物质与上述气化剂在高温下发生反应，生成二氧化碳和水。出气化炉的反应后混合物包括气体产物、固体残渣以及未反应完全的气化剂等。使该反应后混合物与来自加压泵的23MPa水在第二换热器中换热，并使加压水变成高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽进入蒸汽透平机膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在压力为0.0023MPa，温度为19.57℃，乏汽进入冷凝器冷凝成水。换热后的反应后混合物进入分离装置，将产物气体与水，渣分离，分离后的气体经过膨胀降压压力降低为7.00MPa，温度降至5.79℃，然后用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成液态水，之后该气体可进入后续分离处理过程。在这种情况下发电效率经过计算为35.76％。来自冷凝器的水(由乏汽冷凝成的饱和水)经泵加压后返回到第二换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例6]

也参照图1，以水为发电工质，以玉米秸秆的超临界水气化为例。玉米秸秆经过粉碎研磨制成煤粉后与水混合在一起制成浓度为20％的生物质浆，然后经泵加压送至气化炉(此实施例中反应器为气化炉)中。同时向气化炉中通入氧气或空气作为气化剂，气化炉的操作温度约为600℃，操作压力为40MPa。玉米秸秆与上述气化剂在高温下发生反应，生成富含一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷的气体混合物。出气化炉的反应后混合物包括气体产物、焦油以及未反应完全的气化剂等。使该反应后混合物与来自加压泵的23MPa水在第二换热器中换热，并使加压水变成高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽进入蒸汽透平机膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在压力为0.0015MPa，温度为13.02℃，乏汽进入冷凝器冷凝成液态水。换热后的反应后混合物进入分离装置，将煤气与水，渣分离，分离后的混合气体经过膨胀降压压力降低为2.33MPa，温度降至-24.42℃，然后用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成水，之后该混合气体可进入后续分离过程或进入后续的燃气轮机燃烧发电。在这种情况下发电效率经过计算为36.15％。来自冷凝器的水(由乏汽冷凝成的饱和水)经泵加压后返回到第二换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例7]

参照图3，以水为发电工质，以烟煤与超临界水发生的催化气化为例。煤经过粉碎研磨制成粒度小于150微米的煤粉，与催化剂Na₂CO₃(用量为煤粉质量的5％)和水制备成煤粉干基浓度为40％的水煤浆。水煤浆经加压，预热达到30MPa，550℃进入气化炉(此实施例中反应器为气化炉)，同时向气化炉中通入氧气。在气化炉中部分水煤浆与加入的氧气反应，将温度提升至680℃。在超临界状态下，煤与水在催化剂的作用下发生反应，生成富含甲烷的混合气体。混合气体的主要成分为甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氢气等。出气化炉产物包括混合气体，超临界水以及反应后残渣。该反应后混合物与来自加压泵的23MPa水在第二换热器中换热，产生高温高压蒸汽，进入蒸汽透平膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在温度为34.16℃，绝对压力为0.0053Mpa，乏汽进入冷凝器冷凝成液态水。换热后的混合气体进入分离装置，将混合气体与水，渣分离，分离后的混合气体经过膨胀降压压力降低为3.67MPa，温度降至-11.57℃，然后用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成水，与此同时，还以独立的管路向该冷凝器中通入温度为28℃的常温冷却水，共同对乏汽进行冷却，例如将冷凝器设为第一和第二部分，其中第一部分的冷却介质为冷却水而第二部分的冷却介质为经膨胀降压后的从反应后混合物中分离出来的气体，先利用第一部分对乏汽进行第一次冷凝，然后利用第二部分对乏汽进行第二次冷凝。之后该混合气体可进入后续分离过程或进入后续的燃气轮机燃烧发电。在这种情况下发电效率经过计算为35.13％。来自冷凝器的水(由乏汽冷凝成的饱和水)经泵加压后返回到第二换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例8]

参照图4，以水为发电工质，以烟煤与超临界水发生的催化气化为例。煤经过粉碎研磨制成粒度小于150微米的煤粉，与催化剂Na₂CO₃(用量为煤粉质量的2％)和水制备成煤粉干基浓度为45％的水煤浆。水煤浆经加压，预热达到28MPa，550℃进入气化炉(此实施例中反应器为气化炉)，同时向气化炉中通入氧气。在气化炉中部分水煤浆与加入的氧气反应，将温度提升至700℃。在超临界状态下，煤与水在催化剂的作用下发生反应，生成富含甲烷的混合气体。混合气体的主要成分为甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氢气等。出气化炉产物包括混合气体，超临界水以及反应后残渣。该反应后混合物与来自加压泵的23MPa水在第二换热器中换热，产生高温高压蒸汽，进入蒸汽透平膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在温度为21.08℃，绝对压力为0.0025MPa，乏汽进入冷凝器冷凝成液态水。换热后的混合气体进入分离装置，将混合气体与水，渣分离，分离后的混合气体经过膨胀降压压力降低为2.67MPa，温度降至-20.67℃，然后该混合气体与常规冷却水流股在第一换热器中进行换热，然后将离开该第一换热器的混合气体和产生的经膨胀降压后的混合气体冷却后的冷却水以各自独立的管道分别通入冷凝器中用作冷却介质，以共同将乏汽冷凝成水(此时冷凝器具有第一和第二部分，其中第一部分的冷却介质是上述的经膨胀降压后的混合气体冷却后的冷却水，而第二部分的冷却介质是离开该第一换热器的混合气体，先利用第一部分冷凝乏汽再利用第二部分继续冷凝乏汽，之后该混合气体可进入后续分离过程或进入后续的燃气轮机燃烧发电。在这种情况下发电效率经过计算为35.43％。来自冷凝器的水(由乏汽冷凝成的饱和水)经泵加压后返回到第二换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例9]

参照图5，以水为发电工质，以烟煤与超临界水发生的催化气化为例。煤经过粉碎研磨制成粒度小于150微米的煤粉，与催化剂Na₂CO₃(用量为煤粉质量的6％)和水制备成煤粉干基浓度为40％的水煤浆。水煤浆经加压，预热达到23MPa，550℃进入气化炉(此实施例中反应器为气化炉)，同时向气化炉中通入氧气。在气化炉中部分水煤浆与加入的氧气反应，将温度提升至650℃。在超临界状态下，煤与水在催化剂的作用下发生反应，生成富含甲烷的混合气体以及浆状残碳。混合气体的主要成分为甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氢气等。出气化炉的反应后混合物包括混合气体以及浆状残碳。该产物与来自加压泵的23MPa水在第二换热器中换热，产生温度为400℃且绝对压力为15MPa的高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽进入蒸汽透平机膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在压力为0.0022MPa，温度为18.77℃，乏汽进入冷凝器冷凝成水。换热后的反应后混合物进入分离器进行气/液固分离，分离后的混合气体经过膨胀降压压力降低至3.33MPa，温度降至-14.31℃，然后用作上述冷凝器的冷却介质，以将乏汽冷凝成液态水，之后该混合气体可进入后续分离单元或进入后续的燃气轮机燃烧发电。而浆状残碳则被输送到氧化反应器中。向该氧化反应器中通入过量氧气，并依靠残碳与氧气的氧化反应放出的热量将该氧化反应器内的温度和压力均升至水的亚临界状态或超临界状态。氧化反应持续进行，反应后得到包含CO₂和H₂O的流体混合物以及灰渣，反应所产生的热量用于预热水煤浆或产生蒸汽。灰渣排出氧化反应器，用作建筑材料。而所述包含CO₂和H₂O的混合物则通过预热水煤浆而得以冷却，然后净化除尘，膨胀降压至约2℃左右，然后进行气液分离，得到低温液体水和气体二氧化碳。然后将该低温液体水也通入到所述冷凝器中，用于与所述膨胀降压后的混合气体一起来将乏汽冷却成冷凝水。在这种情况下发电效率经过计算为35.88％。然后将来自该冷凝水经泵加压后返回到第二换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例10]

参照图6，以水为发电工质，以烟煤与超临界水发生的催化气化为例。煤经过粉碎研磨制成粒度小于150微米的煤粉，与催化剂Na₂CO₃(用量为煤粉质量的2％)和水制备成煤粉干基浓度为40％的水煤浆。水煤浆经加压，预热达到23MPa，550℃进入气化炉(此实施例中反应器为气化炉)，同时向气化炉中通入氧气。在气化炉中部分水煤浆与加入的氧气反应，将温度提升至650℃。在超临界状态下，煤与水在催化剂的作用下发生反应，生成富含甲烷的混合气体以及浆状残碳。混合气体的主要成分为甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氢气等。出气化炉的反应后混合物包括混合气体以及浆状残碳。该产物与来自加压泵的23MPa水在第二换热器中换热，产生温度为400℃且绝对压力为15MPa的高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽进入蒸汽透平膨胀发电后变成乏汽，该乏汽可控制在压力为0.0019MPa，温度为17.05℃，乏汽进入冷凝器冷凝成温度为16.88℃的液态水。换热后的反应后混合物进入分离器进行气/液固分离，分离后的混合气体经过膨胀降压压力降低为3.67MPa，温度降至-11.57℃，然后引入到某换热器(该换热器与用来生成所述蒸汽的换热器不是一个换热器)作为冷却介质对冷却水进行冷却，之后该混合气体可进入后续分离单元或进入后续的燃气轮机燃烧发电。而浆状残碳则被输送到氧化反应器中。向该氧化反应器中通入过量氧气，并依靠残碳与氧气的氧化反应放出的热量将该氧化反应器内的温度和压力均升至水的亚临界状态或超临界状态。氧化反应持续进行，反应后得到包含CO₂和H₂O的流体混合物以及灰渣，反应所产生的热量用于预热水煤浆或产生蒸汽。灰渣排出氧化反应器，用作建筑材料。而所述包含CO₂和H₂O的混合物则通过预热水煤浆而得以冷却，然后净化除尘，膨胀降压至约2℃左右，然后进行气液分离，得到低温液体水和气体二氧化碳。然后将该低温液体水也通入到所述某换热器中，用于与所述膨胀降压后的混合气体一起来将对冷却水进行冷却。然后将经冷却的冷却水送入到冷凝器中以与乏汽进行换热，并将乏汽冷却成冷凝水。在这种情况下发电效率经过计算为36.01％。然后该冷凝水经泵加压后返回到第二换热器中与来自气化炉的高温的反应后混合物进行换热，以重新产生高温高压蒸汽。

[实施例11]

按照通常的不用膨胀降压气体，而用常温水如32℃水冷却乏汽，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400℃，压力为15MPa，而出蒸汽透平的乏汽5的温度为46℃，压力为0.01Mpa，在这种情况下，发电效率经计算约为33.42％。

以上实施例中，发电效率＝(T₁C_v1-T₂C_v2)/Q_原料×100％，

其中：

Q_原料是原料的热值，即以上实施例中的煤，污泥或秸秆等；

T₁是发电介质的初态温度，即发电介质进入蒸汽透平机之前的温度；

T₂是发电介质的终态温度，即乏汽温度；

C_v1是发电介质初态热容，即发电介质进入蒸汽透平机之前的热容；

C_v2是是发电介质终态热容，即乏汽热容；

本领域的技术人员利用公知技术采集和测量这些参数，根据上述公式，即可计算出相应的发电效率。

显然作为一种优选方式，本发明方法还包括利用被吸收冷量后的经膨胀降压后的气体生产能源产品的步骤，例如生产甲烷或氢气或一氧化碳。这适用于本发明的上述所有实施例。

尽管以上所有实施例以水为发电工质，但本发明同样适于发电工质为水、二氧化碳、异链烷烃中任一种的情形；另外，可以对实施例中加入反应器中的原料煤进行替换或者在煤的基础上增加其它含碳有机质，例如除了上述实施例中所示的情形外，原料可以包括生物质、污泥、高浓度废水等含碳有机质，原料也可以包括煤与生物质的混合物，所有这些物料以浆料的形式进入高温高压反应器，高温高压反应包括超/亚临界气化反应、超/亚临界氧化反应以及超/亚临界部分氧化气化反应等反应类型，其中，超/亚临界氧化反应的一般操作条件是：反应的温度范围为350-750℃，反应的压力范围为15-40MPa。优选地本发明中经过膨胀降压的气体(可以是混合气体)的压力范围为0.1-7Mpa。

另一方面本发明还提供一种气化生产能源产品和热发电的装置。参见图1-4所示，尽管这些附图示出的是流程图，但是结合该流程图有利于理解本发明的装置具体实施方式，因此在描述本发明装置时参照图1-4进行描述。

具体地，本发明装置包括：膨胀降压装置，具有接收待膨胀降压气体的膨胀降压入口、及排出经过膨胀降压的气体的膨胀降压出口；以及冷凝器，具有供载有来自所述经过膨胀降压的气体的冷量的冷却介质进入的第一换热通道、及供发电产生的乏汽进入其中与所述冷却介质热交换的第二换热通道。其中，所述经过膨胀降压的气体进入第一换热通道作为冷却介质，第一换热通道中的冷却介质与第二换热通道中的乏汽逆流并通过各自换热通道的器壁进行换热。或者，本发明装置还包括第一换热器，所述经过膨胀降压的气体进入第一换热器中的一个换热通道，并与第一换热器的另一换热通道中的冷却水进行热交换；通过这两个通道的器壁，冷却水与经过膨胀降压的气体进行换热，换热后的该冷却水从所述的另一换热通道排出到上述冷凝器的第一换热通道中作为冷却介质。。

在一个实施例中，冷凝器包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部分各自具有两个彼此进行热交换的换热通道，其中第一部分中的两个换热通道为前述的第一和第二换热通道，即第一换热通道供经过膨胀降压的气体进入，第二换热通道供发电产生的乏汽进入。第二部分的两个换热通道中，一个换热通道供在第一部分放热后的乏汽进入、另一个供冷却乏汽的水进入，乏汽和水在各自通道中并通过通道的器壁彼此进行换热，从而对乏汽进行进一步冷却。需要指出，所述的载有膨胀降压气体冷量的冷却介质是指两种情况：一是经过膨胀降压的气体本身，另一个是被所述的经过膨胀降压的气体冷却后的液体(例如向膨胀降压后气体放热后的水)。

再进一步，本发明装置还包括：用以供原料在其中发生超/亚临界气化或氧化反应的反应器，该反应器具有排气口，以供反应生成的反应混合物排出；供反应混合物与发电工质在其中彼此热交换的第二换热器，该第二换热器具有换热介质入口和发电工质出口，换热介质入口与反应器的排气口连通以接收来自反应器的反应混合物，从反应混合物吸热后的发电工质经发电工质出口排出；利用吸热后的发电工质发电的透平机，该透平机具有与发电工质出口连通的用以接收吸热后的发电工质(在发电工质为水的情形下，发电工质在换热器中吸热后变成蒸汽)的进口，该透平机还具有供发电产生的乏汽排出的乏汽出口，冷凝器的第二换热通道与乏汽出口连通，以接收乏汽在其中进行冷凝。

本发明气化生产能源产品和热发电的装置还包括：将反应混合物中气体分离出来的分离装置。该分离装置连接在前述的第二换热器(即，前述的供反应混合物与发电工质在其中彼此热交换的换热器)与膨胀降压装置之间。该分离装置将反应混合物中气体分离出来后送入膨胀降压装置，同时该分离装置排出水和渣。该分离装置的上述功能也可以称为净化功能，用以净化反应混合物。

本发明气化生产能源产品和热发电的装置还包括燃气轮机、以及利用被吸收冷量后的膨胀降压后气体生产能源产品的装置，在冷凝器直接以来自膨胀降压装置生成的经过膨胀降压的气体作为冷却介质的情形下，经过膨胀降压的气体在冷凝器中与乏汽交换热量后被送入燃气轮机的燃气入口以供发电，或被送入生产能源产品的装置中以生产例如甲烷或氢气或一氧化碳或它们的任意组合等的能源产品。在冷凝器以来自前述第二换热器排出的冷却水为介质的情形下，来自膨胀降压装置的经过膨胀降压的气体在该第二换热器中吸收热量后被送入燃气轮机的燃气入口中以供燃气轮机发电，或被送入生产能源产品的装置中以生产例如甲烷或氢气或一氧化碳或它们的任意组合等的能源产品。

为了循环利用乏汽在冷凝器被冷却产生的发电工质(例如饱和水)，本发明装置还包括加压泵，用以将被冷却产生的发电工质(例如饱和水)加压后作为发电工质送入前述的第二换热器中。加压泵具有泵入口和泵出口，该第二换热器具有供发电工质流入的入口，该入口与泵出口连通，冷凝器具有将被冷却产生的发电工质(例如饱和水)排出的出口，该出口与泵入口连通。

综上，本发明的方法和装置利用气体膨胀降压可产生较环境温度(例如室温)更低的冷却介质(例如-25～20℃的经过膨胀降压的气体)，取代传统的室温冷却水用于乏汽降温、冷凝，乏汽的温度可设置到环境温度以下，既可以提高透平发电设备的发电效率，又可充分利用煤气化等能源生产工艺所产生的适合待膨胀降压做功的气体的压力能，该能量也可用于发电，从而提高整个工艺***的能量利用效率，生产更多的清洁电力等能源产品。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种发电方法，包括对发电时产生的乏汽进行冷凝的步骤，

其特征在于，在该步骤中，使所述乏汽直接或间接地与经过膨胀降压的气体进行热交换。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述热交换是在冷凝器中进行的，所述冷凝器以被所述的经过膨胀降压的气体冷却后的水作为冷却介质，所述乏汽在所述冷凝器中与所述冷却介质直接进行热交换。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述热交换是在冷凝器中进行的，所述冷凝器直接以所述的经过膨胀降压的气体作为冷却介质，所述乏汽在所述冷凝器中与所述冷却介质直接进行热交换。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述热交换是在冷凝器中进行的，所述冷凝器包括第一部分和第二部分，所述第一部分的冷却介质为水，所述第二部分的冷却介质为所述的经过膨胀降压的气体，所述乏汽与所述第一和第二部分中的冷却介质直接进行热交换。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

将原料送入反应器中进行超/亚临界气化反应或氧化反应生成反应混合物；

其中，所述的经过膨胀降压的气体，是对从反应混合物中分离出来的气体进行膨胀降压后获得的。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述反应混合物导入第二换热器中与发电工质进行热交换；

将吸收所述反应混合物所含热量的发电工质导入透平机中发电；以及

利用所述的经过膨胀降压的气体生产能源产品，所述能源产品为甲烷或氢气或一氧化碳或电或它们任意组合。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的经过膨胀降压的气体的温度低于环境温度，所述环境温度是指28-32℃。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述原料为煤、生物质、污泥或废水，所述反应器中含有气化剂或氧化剂，所述气化剂或氧化剂为氧气、蒸汽、富氧空气、空气中的至少一种。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述发电工质为水或二氧化碳或异链烷烃。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述原料在所述反应器中发生超/亚临界气化反应或氧化反应时的温度条件是350-750℃、压力条件是15-40Mpa。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的经过膨胀降压的气体具有0.1-7MPa的压力。

12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述反应混合物包含的气体为原料超/亚临界气化反应产生的气体或者原料氧化反应产生的气体。

13.一种用于气化生产能源产品和热发电的装置，其特征在于，所述装置包括：

膨胀降压装置，具有接收待膨胀降压气体的膨胀降压入口、及排出经过膨胀降压的气体的膨胀降压出口；以及

冷凝器，具有供载有所述经过膨胀降压的气体的冷量的冷却介质进入的第一换热通道、及供发电产生的乏汽进入其中与所述第一换热通道中冷却介质热交换的第二换热通道。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述膨胀降压出口与所述第一换热通道连通，其中经过膨胀降压的气体进入所述第一换热通道作为所述冷却介质。

15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括第一换热器，所述经过膨胀降压的气体进入所述第一换热器中的一个换热通道，并与所述第一换热器的另一换热通道中的冷却水进行热交换，

其中，与所述经过膨胀降压的气体换热后的冷却水，从所述的另一换热通道排出到所述冷凝器的第一换热通道中作为冷却介质。

16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述冷凝器包括第一部分和第二部分，所述第一和第二换热通道设于所述第一部分中，所述第二部分具有供在所述第一部分放热后的乏汽进入其中的一个换热通道、以及供用以冷却该一个换热通道中乏汽的水进入其中的另一换热通道。

17.如权利要求13-16中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

用以供原料在其中发生反应的反应器，具有供反应生成的反应混合物排出的排气口；

供反应混合物与发电工质彼此热交换的第二换热器，具有与所述排气口连通的用以接收反应混合物的换热介质入口、及将从反应混合物吸热后的发电工质排出的发电工质出口；以及

利用吸热后的发电工质发电的透平机，具有与发电工质出口连通的用以接收吸热后的发电工质的进口、及供发电产生的乏汽排出的乏汽出口，所述乏汽出口与所述冷凝器的乏汽入口连通。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括将反应混合物中气体分离出来的分离装置，连接在所述第二换热器与所述膨胀降压装置之间。

19.如权利要求14所述的装置，其特征在于，还包括燃气轮机，所述燃气轮机具有燃气入口，所述冷凝器具有供与所述乏汽交换热量后的膨胀降压气体排出的出口，该出口与所述燃气入口连通。

20.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括燃气轮机，所述燃气轮机具有燃气入口，所述第一换热器具有供与该第一换热器中所述另一换热通道中的冷却水换热后的膨胀降压气体排出的出口，该出口与所述燃气入口连通。

21.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括加压泵，具有泵入口和泵出口，

其中，所述第二换热器具有供发电工质流入的入口，该入口与所述加压泵的泵出口连通，

其中，所述冷凝器具有将乏汽冷凝后生成的饱和水排出的出口，该出口与所述加压泵的泵入口连通。

22.如权利要求14所述的装置，其特征在于，还包括：

利用被吸收冷量后的膨胀降压后气体生产能源产品的装置，具有供被吸收冷量后的所述膨胀降压后气体进入的入口，

其中，所述冷凝器具有供与所述乏汽交换热量后的膨胀降压气体排出的出口，该出口与所述生产能源产品的装置的所述入口连通。

23.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括：

利用被吸收冷量后的膨胀降压后气体生产能源产品的装置，具有供被吸收冷量后的所述膨胀降压后气体进入的入口，

其中，所述第一换热器具有供与该第一换热器中的所述另一换热通道中的冷却水换热后的膨胀降压气体排出的出口，该出口与所述生产能源产品的装置的所述入口连通。

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