CN113464279A - 一种采用燃料电池调制合成气成分的igcc***及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***及工作方法，包括依次连接的气化炉、煤气冷却器、除尘单元、脱硫单元、高温燃料电池、燃烧室、透平、余热锅炉和汽轮机；气化炉内注入有水蒸气、煤和纯氧。避免向合成气中注入蒸汽或N2、CO2等惰性气体以稀释燃料气热值，提高了***净发电效率，降低了水、N2、CO2等消耗。减少了进入IGCC燃气轮机的合成气的H2含量，降低了燃气轮机燃烧室喷嘴回火等风险。
Description
技术领域
本发明属于煤气化联合循环***领域，涉及一种采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***及工作方法。
背景技术
煤炭是我国重要的基础能源，也是我国CO2排放的主要来源。整体煤气化联合循环***(IGCC)是将清洁的煤气化技术与高效的燃气-蒸汽联合循环发电技术有机集成的高效发电技术。我国于2012年建成投产了首套25万千瓦规模的IGCC示范电站，其设计净效率为41％，电站实际运行的环保性能可达甚至优于天然气联合循环电站，在IGCC的基础上实施燃烧前CO2捕集，可实现低成本捕集CO2。
现有IGCC电站煤气化产生的合成气热值较高，为降低NOx排放，需稀释进入燃气轮机的合成气，一般采用水蒸气、N2或者CO2等惰性气体稀释，这样将降低IGCC***发电效率，增加***的物质消耗。IGCC由于合成气中H2含量较高，必须采用扩散燃烧的方式，以避免燃气轮机燃烧室喷嘴回火等风险。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***及工作方法，避免向合成气中注入蒸汽或N2、CO2等惰性气体以稀释燃料气热值，提高了***净发电效率，降低了水、N2、CO2等消耗。减少了进入IGCC燃气轮机的合成气的H2含量，降低了燃气轮机燃烧室喷嘴回火等风险。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，包括依次连接的气化炉、煤气冷却器、除尘单元、脱硫单元、高温燃料电池、燃烧室、透平、余热锅炉和汽轮机；
气化炉内注入有水蒸气、煤和纯氧。
优选的，脱硫单元和高温燃料电池之间设置有预热器；预热器冷侧进口连接脱硫单元，冷侧出口连接高温燃料电池输入端；预热器热侧进口连接高温燃料电池输出端，热侧出口连接燃烧室。
优选的，燃烧室连接有压气机输出端；高温燃料电池连接有换热器，换热器冷端进口连接压气机输出端，冷端出口连接高温燃料电池输入端；换热器热端进口连接高温燃料电池输出端，热端出口连接燃烧室。
优选的，除尘单元和脱硫单元之间设置有低温余热回收单元。
优选的，煤气冷却器出气口连接余热锅炉。
优选的，纯氧采用深冷空分***生成。
优选的，除尘单元输出端与气化炉连接，。
优选的，脱硫单元连接有硫回收单元。
一种基于上述任意一项所述采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***的工作方法，包括以下过程：
煤经过预处理后成为送入气化炉，水蒸汽作为气化反应的原料同时送入气化炉中，煤在气化炉中与水蒸汽和纯氧发生气化反应，生成粗合成气，气化过程产生的灰渣从气化炉排出；粗合成气在煤气冷却器中被冷却；冷却后的粗合成气经过除尘单元后，送入脱硫单元，脱硫单元产生的洁净合成气作为燃料气送入高温燃料电池发电，高温燃料电池出口的合成气进入燃烧室，合成气燃烧后生成高温烟气送入透平发电；透平出口的烟气送入余热锅炉，余热锅炉产生的蒸汽送入汽轮机发电。
优选的，脱硫单元产生的洁净合成气在预热器冷侧中加热后，作为燃料气送入高温燃料电池发电，高温燃料电池出口的合成气进入预热器热侧，再送入燃烧室；压气机从大气中吸入空气，产生的高压空气一股作为高温燃料电池阴极所需空气，送入换热器冷端预热升温后，再送入高温燃料电池内反应；阴极空气离开高温燃料电池后送入换热器热端回收热量，再注入燃烧室；压气机出口的另一股空气送入燃烧室，与合成气燃烧后生成高温烟气送入透平发电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过高温燃料电池降低进入IGCC燃气轮机的合成气热值，避免向合成气中注入蒸汽或N2、CO2等惰性气体以稀释燃料气热值，提高了***净发电效率，降低了水、N2、CO2等消耗。还减少了进入IGCC燃气轮机的合成气的H2含量，降低了燃气轮机燃烧室喷嘴回火等风险。同时，由于高温燃料电池有较高的发电效率，可进一步提高IGCC***的整体净发电效率；高温燃料电池的发电容量相比于燃气轮机发电容量较小，能消耗合成气较小部分的化学能。
进一步，高温燃料电池阴极所需空气从燃气轮机压气机出口抽取，空气从阴极排出后回注燃气轮机燃烧室，可以进一步降低燃气轮机燃烧室NOx排放量。
进一步，煤气冷却器产生的蒸汽被送到余热锅炉继续过热后送入汽轮机发电，提高了***的发电效率。
进一步，除尘单元输出端与气化炉连接，能够将除尘单元产生的飞灰再循环至气化炉中，避免排入大气中污染环境。
进一步，硫回收单元能够将脱硫单元产生的酸性气体生成硫磺，避免排入大气中污染环境。
附图说明
图1为本发明的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***示意图。
其中：1-气化炉；2-深冷空分***；3-煤气冷却器；4-除尘单元；5-低温余热回收单元；6-脱硫单元；7-硫回收单元；8-预热器；9-高温燃料电池；10-换热器；11-燃烧室；12-压气机；13-透平；14-余热锅炉；15-汽轮机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，为本申请所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，包括依次连接的气化炉1、煤气冷却器3、除尘单元4、低温余热回收单元5、脱硫单元6、预热器8、高温燃料电池9、换热器10、燃烧室11、透平13、余热锅炉14和汽轮机15。
气化炉1连通有水蒸汽和煤，气化炉1连接有深冷空分***2，深冷空分***2用于向气化炉1输入纯氧。
煤气冷却器3出气口连接余热锅炉，煤气冷却器3产生的蒸汽被送到余热锅炉14继续过热后送入汽轮机15发电，提高了***的发电效率。
除尘单元4输出端与气化炉1连接，能够将除尘单元4产生的飞灰再循环至气化炉1中，避免排入大气中污染环境。
脱硫单元6连接有硫回收单元7，硫回收单元7能够将脱硫单元6产生的酸性气体生成硫磺，避免排入大气中污染环境。
预热器8冷侧进口连接脱硫单元6，冷侧出口连接高温燃料电池9输入端；预热器8热侧进口连接高温燃料电池9输出端，热侧出口连接燃烧室11。
燃烧室11连接有压气机12输出端，压气机12输入端连接大气，高温燃料电池9连接有换热器10，换热器10冷端进口连接压气机12输出端，冷端出口连接高温燃料电池9输入端；换热器10热端进口连接高温燃料电池9输出端，热端出口连接燃烧室11。高温燃料电池9阴极所需空气从燃气轮机的压气机12出口抽取，空气从阴极排出后回注燃烧室11，降低燃烧过程的氧浓度，可以进一步降低燃气轮机的燃烧室11的NOx排放量。
本实施例所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***的工作过程为：
煤经过预处理后成为送入气化炉1，一股水蒸汽作为气化反应的原料同时送入气化炉1，煤在气化炉1中与水蒸汽、以及深冷空分***2产生的工业纯氧发生气化反应，生成粗合成气，气化过程产生的灰渣从气化炉1排出。粗合成气在煤气冷却器3中被冷却，同时产生蒸汽，该蒸汽被送到余热锅炉14继续过热后送入汽轮机15发电。
冷却后的粗合成气经过除尘单元4后，送入低温余热回收单元5，除尘单元4产生的飞灰再循环至气化炉1中。冷却的合成气再送入脱硫单元6，脱硫单元6产生的酸性气体送入硫回收单元7生成硫磺，脱硫单元6产生的洁净合成气在预热器8冷侧中加热后，作为燃料气送入高温燃料电池9发电，高温燃料电池9出口的合成气进入预热器8热侧，再送入燃气轮机的燃烧室11。燃气轮机的压气机12从大气中吸入空气，产生的高压空气一股作为高温燃料电池9阴极所需空气，送入换热器10冷端预热升温后，再送入高温燃料电池9内反应。阴极空气离开高温燃料电池9后送入换热器10热端回收热量，再注入燃气轮机的燃烧室11。燃气轮机的压气机12出口的另一股空气送入燃气轮机的燃烧室11，与合成气燃烧后生成高温烟气送入燃气轮机的透平13发电。
燃气轮机的透平13出口较高温度的烟气送入余热锅炉14，余热锅炉14产生的蒸汽送入汽轮机15发电。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，其特征在于，包括依次连接的气化炉(1)、煤气冷却器(3)、除尘单元(4)、脱硫单元(6)、高温燃料电池(9)、燃烧室(11)、透平(13)、余热锅炉(14)和汽轮机(15)；
气化炉(1)内注入有水蒸气、煤和纯氧。
2.根据权利要求1所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，其特征在于，脱硫单元(6)和高温燃料电池(9)之间设置有预热器(8)；预热器(8)冷侧进口连接脱硫单元(6)，冷侧出口连接高温燃料电池(9)输入端；预热器(8)热侧进口连接高温燃料电池(9)输出端，热侧出口连接燃烧室(11)。
3.根据权利要求1所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，其特征在于，燃烧室(11)连接有压气机(12)输出端；高温燃料电池(9)连接有换热器(10)，换热器(10)冷端进口连接压气机(12)输出端，冷端出口连接高温燃料电池(9)输入端；换热器(10)热端进口连接高温燃料电池(9)输出端，热端出口连接燃烧室(11)。
4.根据权利要求1所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，其特征在于，除尘单元(4)和脱硫单元(6)之间设置有低温余热回收单元(5)。
5.根据权利要求1所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，其特征在于，煤气冷却器(3)出气口连接余热锅炉(14)。
6.根据权利要求1所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，其特征在于，纯氧采用深冷空分***(2)生成。
7.根据权利要求1所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，其特征在于，除尘单元(4)输出端与气化炉纯氧采用深冷空分***(2)生成连接，。
8.根据权利要求1所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***，其特征在于，脱硫单元(6)连接有硫回收单元(7)。
9.一种基于权利要求1-8任意一项所述采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***的工作方法，其特征在于，包括以下过程：
煤经过预处理后成为送入气化炉(1)，水蒸汽作为气化反应的原料同时送入气化炉(1)中，煤在气化炉(1)中与水蒸汽和纯氧发生气化反应，生成粗合成气，气化过程产生的灰渣从气化炉(1)排出；粗合成气在煤气冷却器(3)中被冷却；冷却后的粗合成气经过除尘单元(4)后，送入脱硫单元(6)，脱硫单元(6)产生的洁净合成气作为燃料气送入高温燃料电池(9)发电，高温燃料电池(9)出口的合成气进入燃烧室(11)，合成气燃烧后生成高温烟气送入透平(13)发电；透平(13)出口的烟气送入余热锅炉(14)，余热锅炉(14)产生的蒸汽送入汽轮机(15)发电。
10.根据权利要求9所述的采用燃料电池调制合成气成分的IGCC***的工作方法，其特征在于，脱硫单元(6)产生的洁净合成气在预热器(8)冷侧中加热后，作为燃料气送入高温燃料电池(9)发电，高温燃料电池(9)出口的合成气进入预热器(8)热侧，再送入燃烧室(11)；压气机(12)从大气中吸入空气，产生的高压空气一股作为高温燃料电池(9)阴极所需空气，送入换热器(10)冷端预热升温后，再送入高温燃料电池(9)内反应；阴极空气离开高温燃料电池(9)后送入换热器(10)热端回收热量，再注入燃烧室(11)；压气机(12)出口的另一股空气送入燃烧室(11)，与合成气燃烧后生成高温烟气送入透平(13)发电。
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