阅读说明：本技术 一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电系统及方法 (High-efficiency integrated coal gasification fuel cell power generation system and method adopting high-temperature purification ) 是由 周贤 彭烁 许世森 钟迪 王保民 于 2019-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电系统及方法,包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、高温除尘单元、水汽变换塔、精脱硫塔、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、燃气透平、阴极空气压缩机、阴极回热器、空气透平、余热锅炉和汽轮机；本发明避免了合成气降温脱硫再升温反应的过程,合成气显热全部输入了燃料电池单元；同时,避免了基于合成气溶液吸收法的脱硫过程,减少了吸收过程中合成气有效气的损失,大幅度提高了全系统的发电效率；同时省去了复杂的合成气冷却降温与溶液吸收法脱硫过程,简化了发电系统流程,提高了全系统运行稳定性与控制灵活性。(The invention provides a high-efficiency integrated coal gasification fuel cell power generation system and a method adopting high-temperature purification, which comprises a coal preparation unit, a gasification furnace, a waste heat boiler, a high-temperature dust removal unit, a water vapor conversion tower, a fine desulfurization tower, an ejector, a fuel cell, a pure oxygen combustor, a gas turbine, a cathode air compressor, a cathode regenerator, an air turbine, a waste heat boiler and a steam turbine, wherein the coal preparation unit is used for preparing coal; the invention avoids the process of cooling, desulfurizing and heating the synthesis gas, and the sensible heat of the synthesis gas is completely input into the fuel cell unit; meanwhile, a desulfurization process based on a synthetic gas solution absorption method is avoided, the loss of effective gas of the synthetic gas in the absorption process is reduced, and the power generation efficiency of the whole system is greatly improved; meanwhile, the complex processes of cooling the synthesis gas and desulfurizing by a solution absorption method are omitted, the flow of the power generation system is simplified, and the operation stability and the control flexibility of the whole system are improved.)

一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电系统及 方法

技术领域

本发明属于洁净煤发电技术领域，具体涉及一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电系统及方法。

背景技术

煤炭是我国能源安全的重要保障。整体煤气化燃料电池发电系统IGFC是将整体煤气化联合循环发电与高温燃料电池结合的发电系统，IGFC以其突破卡诺循环理论效率限制，具有高发电效率、污染物与CO₂能达到近零排放的特性，将成为未来煤基发电的重要选择。

然而在IGFC的煤气化过程中通常会采用常温或低温吸收溶剂脱除H₂S，高温合成气必须经历降温再升温利用的过程，这样对全系统冷能与热能的消耗都非常不利，“冷热病”问题较为严重，系统总体能源利用效率难以提高。

高温净化技术包括高温除尘与干法脱硫技术，高温除尘技术在煤气化过程中应用较为普遍，干法脱硫技术一般采用ZnO与H₂S反应，脱除合成气中的硫份，但ZnO的硫容有限，仅可作为预脱硫后的精脱硫工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电系统及方法，解决了现有的IGFC的煤气化过程中，存在的能源利用效率难以提高的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、高温除尘单元、水汽变换塔、精脱硫塔、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、燃气透平、阴极空气压缩机、阴极回热器、空气透平、余热锅炉和汽轮机，其中，煤单元上设置有原煤入口和脱硫剂入口，所述备煤单元的混合物出口连接气化炉的入口；所述气化炉上的高温粗合成气出口连接废热锅炉的入口，废热锅炉上设置的饱和蒸汽出口连接余热锅炉的入口；废热锅炉上设置的粗合成气出口连接高温除尘单元的入口，所述高温除尘单元上的合成气出口分为两路，一路与废热锅炉的合成气入口连接；另一路与水汽变换塔的入口连接；水汽变换塔的合成气出口连接精脱硫塔的入口，精脱硫塔上设置的脱硫合成气出口连接引射器的入口；引射器的合成气出口连接燃料电池的阳极，燃料电池的阳极出口分为两路，一路连接引射器，另一路连接纯氧燃烧器的入口；纯氧燃烧器的尾气出口连接燃气透平，燃气透平的尾气出口连接余热锅炉的入口；

阴极空气压缩机上设置有空气入口，阴极空气压缩机的高压空气出口与阴极回热器的冷侧入口连接，阴极回热器的冷侧出口与燃料电池的阴极入口连接；燃料电池的阴极出口与阴极回热器热侧入口连接，阴极回热器的热侧出口连接空气透平，空气透平的尾气出口连接余热锅炉的入口；

余热锅炉的高压过热蒸汽出口连接汽轮机的入口；汽轮机的中压蒸汽出口分别与水汽变换塔的蒸汽入口、气化炉的蒸汽入口连接；

余热锅炉的尾气出口分别与气化炉、引射器的入口连接；

所述气化炉和纯氧燃烧器上均设置有纯氧入口。

优选地，所述气化炉上设置有炉渣口，所述炉渣口与煅烧炉的入口连接，煅烧炉上设置有排渣口和空气入口。

优选地，所述高温除尘单元上的合成气出口与废热锅炉的合成气入口之间设置有循环气压缩机。

优选地，余热锅炉的尾气出口与气化炉的入口之间设置有第一二氧化碳压缩机；余热锅炉的尾气出口与引射器之间设置有第二二氧化碳压缩机。

优选地，余热锅炉的尾气出口还连接有第一余热回收换热器，第一余热回收换热器的出口与第三二氧化碳多级压缩机连接，第三二氧化碳多级压缩机上设置有液态二氧化碳出口。

优选地，阴极空气压缩机的高压空气出口还连接有深冷空分单元，深冷空分单元上设置有污氮出口、氩气出口、除氧出口和空气入口，其中，深冷空分单元的纯氧入口经过氧压机分别与气化炉的氧气入口、除氧燃烧器的氧气入口连接。

优选地，阴极空气压缩机与深冷空分单元之间设置有第二余热回收换热器。

一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电方法，基于所述的一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电系统，包括以下步骤：

原煤与脱硫剂在备煤单元中磨煤、干燥后形成干煤粉与脱硫剂的混合物，由高压二氧化碳气体输送至气化炉，汽轮机中部抽取的中少量压蒸汽与纯氧同时送入气化炉反应，气化炉顶部产生的高温粗合成气与高温除尘单元产生的低温合成气混合激冷后，送入废热锅炉，废热锅炉产生饱和蒸汽送入余热锅炉中进一步加热；经过废热锅炉回收余热后的粗合成气送入高温除尘单元，经过除尘后的另一部分合成气送入水汽变换塔内与汽轮机中部抽取的中少量压蒸汽发生水汽变换反应与羰基硫水解反应，水汽变换塔出口的合成气进入精脱硫塔，进行高温精脱硫过程；

精脱硫塔出口合成气与余热锅炉产生的高压二氧化碳气体混合后，对合成气中一氧化碳气体形成稀释后，送入引射器，引射燃料电池阳极出口的部分尾气，引射器出口的合成气进入燃料电池阳极进行反应；

燃料电池阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器与纯氧进行催化燃烧反应，产生燃烧尾气，其主要成分为水蒸气与二氧化碳，之后经过燃气透平做功后，送入余热锅炉；

一股空气经过阴极空气压缩机加压后，一部分送入阴极回热器冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池阴极入口，在燃料电池中进行反应后送入阴极回热器热侧入口，降温后送入空气透平，驱动空气透平转动做功后，送入余热锅炉，回收余热后排入大气；

余热锅炉回收燃气透平与空气透平排出的尾气余热，同时对废热锅炉产生的饱和蒸汽进行过热，余热锅炉产生高压过热蒸汽送入汽轮机进行做功。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电系统及方法，因为脱硫过程绝大部分在气化炉内进行，高温合成气可直接进入燃料电池发电，避免了合成气降温脱硫再升温反应的过程，合成气显热全部输入了燃料电池单元；同时，避免了基于合成气溶液吸收法的脱硫过程，减少了吸收过程中合成气有效气的损失，大幅度提高了全系统的发电效率；避免了合成气降温过程中水蒸气的冷凝，降低了下游设备材料耐腐蚀性要求，减少了全厂废水处理量；同时省去了复杂的合成气冷却降温与溶液吸收法脱硫过程，简化了发电系统流程，提高了全系统运行稳定性与控制灵活性。

附图说明

图1是本发明涉及的发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种采用高温净化的高效整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元1、气化炉2、煅烧炉3、废热锅炉4、高温除尘单元5、循环气压缩机6、水汽变换塔7、精脱硫塔8、引射器9、燃料电池10、纯氧燃烧器11、燃气透平12、阴极空气压缩机13、第二余热回收换热器14、阴极回热器15、空气透平16、余热锅炉17、汽轮机18、第二二氧化碳压缩机19、第一二氧化碳压缩机20、第一余热回收换热器21、第三二氧化碳多级压缩机22、深冷空分单元23和氧压机24，其中，备煤单元1上设置有原煤入口和脱硫剂入口，所述备煤单元1的混合物出口连接气化炉2的入口；气化炉2上设置有炉渣口和高温粗合成气出口，所述气化炉2上的高温粗合成气出口连接废热锅炉4的入口，所述气化炉2上的炉渣口与煅烧炉3的入口连接，煅烧炉3上设置有排渣口和空气入口。

废热锅炉4上设置的饱和蒸汽出口连接余热锅炉17的入口。

废热锅炉4上设置的粗合成气出口连接高温除尘单元5的入口，高温除尘单元5上设置有飞灰出口和合成气出口，所述高温除尘单元5上的合成气出口分为两路，一路经过循环气压缩机6与废热锅炉4的合成气入口连接；另一路与水汽变换塔7的入口连接。

水汽变换塔7的合成气出口连接精脱硫塔8的入口，精脱硫塔8上设置的脱硫合成气出口连接引射器9的入口。

引射器9的合成气出口连接燃料电池10的阳极，燃料电池的阳极出口分为两路，一路连接引射器9，另一路连接纯氧燃烧器11的入口。

纯氧燃烧器11的尾气出口连接燃气透平12，燃气透平12的尾气出口连接余热锅炉17的入口。

余热锅炉17的尾气出口分为三路，一路经过第一二氧化碳压缩机20与气化炉2的入口连接；第二路经过第二二氧化碳压缩机19与引射器9连接；第三路与第一余热回收换热器21连接，第一余热回收换热器21的出口与第三二氧化碳多级压缩机22连接，第三二氧化碳多级压缩机22上设置有液态二氧化碳出口。

阴极空气压缩机13上设置有空气入口，阴极空气压缩机13的高压空气出口分为两路，一路与阴极回热器15的冷侧入口连接，阴极回热器15的冷侧出口与燃料电池10的阴极入口连接；燃料电池10的阴极出口与阴极回热器15热侧入口连接，阴极回热器15的热侧出口连接空气透平16，空气透平16的尾气出口连接余热锅炉17的入口；

阴极空气压缩机13的另一路高压空气出口经过第二余热回收换热器14与深冷空分单元23连接，深冷空分单元23上设置有污氮出口、氩气出口、除氧出口和空气入口，其中，深冷空分单元23的纯氧入口经过氧压机24分别与气化炉2的氧气入口、除氧燃烧器11的氧气入口连接。

余热锅炉17的高压过热蒸汽连接汽轮机18的入口；汽轮机18的中压蒸汽出口分别与水汽变换塔7的蒸汽入口、气化炉2的蒸汽入口连接。

余热锅炉17还设置有排气口。

该系统流程为：

原煤与脱硫剂在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉与脱硫剂的混合物，由第一二氧化碳压缩机20产生的高压二氧化碳气体输送至气化炉2，氧压机24出口的部分纯氧与汽轮机18中部抽取的中少量压蒸汽同时送入气化炉2反应，气化炉2炉底产生炉渣进入煅烧炉3，与空气反应后形成包含硫酸钙的最终形态炉渣。气化炉2顶部产生的高温粗合成气与循环气压缩机6出口的低温合成气混合激冷后，送入废热锅炉4，废热锅炉4产生饱和蒸汽送入余热锅炉17中进一步加热，经过废热锅炉回收余热后的粗合成气送入高温除尘单元5，经过除尘后的一部分合成气循环至循环气压缩机6入口，另一部分合成气送入水汽变换塔7内与汽轮机18中部抽取的中少量压蒸汽发生水汽变换反应与羰基硫水解反应。水汽变换塔7出口的合成气进入精脱硫塔8，进行高温精脱硫过程。

精脱硫塔8出口合成气与第二二氧化碳压缩机19产生的高压二氧化碳气体混合后，对合成气中一氧化碳气体形成稀释后，送入引射器9，引射燃料电池10阳极出口的部分尾气，引射器9出口的合成气进入燃料电池10阳极，进行反应；燃料电池10阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器11与氧压机24出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生燃烧尾气，其主要成分为水蒸气与二氧化碳，经过燃气透平12做功后，送入余热锅炉17，燃烧尾气经过降温后分为三股，第一股送入第一二氧化碳压缩机20入口，第二股送入第二二氧化碳压缩机19入口，第三股送入第一余热回收换热器21，冷凝降温、脱除水分后送入第三二氧化碳多级压缩机22，最终形成高纯度的液态二氧化碳。一股空气经过阴极空气压缩机13加压后，一部分送入阴极回热器15冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池10阴极入口，在燃料电池10中进行反应后送入阴极回热器15热侧入口，降温后送入空气透平16，驱动空气透平16转动做功后，送入余热锅炉17，回收余热后排入大气；阴极空气压缩机13出口的另一部分空气送入第二余热回收换热器14，随后送入深冷空分单元23，深冷空分单元23内设置氩气分离工艺，深冷空分单元23产生的污氮排入大气，产生的纯氩气可作为产品，产生高纯度氧气送入氧压机24入口；余热锅炉17回收燃气透平12与空气透平16排出的尾气余热，同时对废热锅炉4产生的饱和蒸汽进行过热，余热锅炉17产生高压过热蒸汽送入汽轮机18。

该系统发出的电能由燃料电池10、燃气透平12、空气透平16、以及汽轮机18产生。