本实用新型属于煤化工技术领域，具体涉及到耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统及方法。
背景技术：
煤炭在我国一次能源消费中占比高达70％以上，其中又有60％以上的煤炭用于发电。长期以来，基于煤炭直接燃烧的热力发电效率始终维持在较低水平(40％左右)，能源转化效率低；并且煤炭直燃发电容易排放SOx、NOx、PM2.5颗粒和二氧化碳，污染环境并引起温室效应。因此，近些年来国家提倡基于煤炭的洁净高效发电技术开发与创新，其中整体煤气化联合循环发电系统就是一种高效煤基发电方法，受到国家和行业重点关注。整体煤气化联合循环发电系统是以煤炭高效气化技术为龙头将煤转化为富含一氧化碳、氢气和甲烷的燃气，将燃气通入燃气轮机燃烧推动涡轮发电，燃气轮机排放的高温烟气进一步在废热锅炉中产生高压蒸汽推动蒸汽轮机发电。由于该系统采用煤气化技术将煤转化为便于净化和脱碳的燃气，因此有效控制了污染物排放，并可实现二氧化碳完全铺集；其次，该系统根据燃气轮机和蒸汽轮机对热源要求的特点，进一步提取燃气轮机排放高温烟气中的热量，可对气化燃气中的能量梯级利用，最大程度地获得燃气中的能量，系统总发电效率最高可达60％以上。因而，整体煤气化联合循环发电系统是未来以煤为原料发电厂的首选，其替代燃煤发电也将成为必然。
整体煤气化联合循环发电系统的龙头是煤炭气化技术，由于燃气轮机需要高热值的燃气燃烧产生高温烟气推动涡轮旋转发电，目前用于整体煤气化联合循环发电系统的气化技术主要是高温(＞1400℃)、高压(＞3MPa)、纯氧气化的气流床气化类型，例如Shell和GSP干煤粉气流床气化、Texaco水煤浆气化。但是，这些气化工艺气化温度和压力高，对设备要求非常苛刻；更重要的是这些气化工艺都需要纯氧作为气化剂，这就需要配备空气分离单元，因此此类气化工艺的投资、操作和维护成本都非常高。
以空气供氧的常压中等温度气化工艺可省去设置空气分离单元，同时，常压中等温度(1000～1200℃)气化对气化炉及附属设备要求低，因此空气煤气化工艺极大地降低整体煤气化联合循环发电系统的总投资，同时操作和运行成本也较低，是整体煤气化联合循环发电系统气化单元最具潜力的替代工艺。但由于空气气化生成的燃气中混入大量氮气，燃气热值较低，无法与现有燃气轮机进行匹配；此外，空气煤气化过程由于气化温度较低会产生一定量的焦油，对燃气净化过程有较大影响，并且这些焦油无法合理利用。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种对热量进行了梯级利用、能源转化效率高、环保无排放污染、发电效率高的耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：下行床反应器的顶部设置有与其相连通的快速混合器、底部出口通过管道与第二气固分离器相连通，快速混合器的原煤入口通过管道与第一气固分离器的原煤出口相连通、煤焦入口通过管道与换热裂解装置的第一煤焦出口相连通，第一气固分离器的入口通过管道与装有原煤的预热提升器的出口相连通、燃气出口通过管道与第二燃气净化装置的入口相连通，预热提升器的燃气入口通过管道与换热裂解装置的燃气出口相连通，第二气固分离器的半焦出口通过管道与换热裂解装置的半焦进口相连通、燃气出口通过管道与冷凝器的入口相连通，冷凝器的焦油出口通过管道与换热裂解装置的焦油进口相连通、燃气出口通过管道与第一燃气净化装置的入口相连通，换热裂解装置的燃气入口通过管道与空气气流床煤焦气化装置的燃气出口相连通、第二煤焦出口通过管道与空气气流床煤焦气化装置的煤焦入口相连通，第一燃气净化装置的出口通过管道与燃气轮机的燃气入口相连通，燃气轮机的排烟管与第二锅炉相连通，第二燃气净化装置的出口通过管道与第二锅炉相连通，第二锅炉的蒸汽输出管与蒸汽轮机的入口相连通，蒸汽轮机和燃气轮机上均设置有发电机。
作为一种优选的技术方案，所述的换热裂解装置为：流化床筒内上部设置有第一旋风分离器和第二旋风分离器、下中部设置有气体分布板，流化床筒侧壁上设置有焦油进口、半焦进口、第一煤焦出口、第二煤焦出口，进焦油口内设置有喷嘴，流化床筒底部设置有燃气入口、顶部设置有燃气出口，第一旋风分离器的入口置于流化床筒内、顶部出口与第二旋风分离器的入口相连通，第二旋风分离器的顶部出口与流化床筒的燃气出口相连通、底部出口与第一旋风分离器底部出口相连通。
所述的第一燃气净化装置和第二燃气净化装置结构相同，所述的第一燃气净化装置为静电除尘装置的出口通过管道与风机的入口相连通，风机的出口通过管道与低温甲醇洗涤装置的燃气入口相连通。
作为一种优选的技术方案，所述的空气气流床煤焦气化装置为：气化炉的顶部设置有烧嘴、中下部侧壁上设置有燃气出气管、底部设置有排渣口，烧嘴的进煤焦管通过管道与换热裂解装置的第二煤焦出口相连通、空气进气管通过管道与空气压缩机相连、水蒸气进汽管通过管道与汽包相连通，汽包通过管道与锅炉相连。
作为一种优选的技术方案，所述的换热裂解装置的燃气出口通过安装有燃气压缩机的管道与换热裂解装置的第二煤焦出口和空气气流床半焦气化装置的煤焦入口之间的管道相连通。
作为一种优选的技术方案，所述的换热裂解装置的第二煤焦出口和空气气流床煤焦气化装置的煤焦入口之间的管道上设置有煤焦研磨器。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型通过下行床反应器内煤高温快速热解和换热裂解装置内煤热解半焦换热及焦油裂解以及气化炉内煤焦气化耦合，利用气化炉气化所得的高温低热值燃气首先加热半焦、在半焦上裂解焦油，生成的中温低热值燃气再预热原煤，这样使气化炉生成的热量被充分利用，提高了煤炭转化为燃气的热效率；其次，利用固体热载体快速热解生成的高热值燃气和气化炉气化所得低热解燃气分别进入燃气轮机和锅炉逐级发电，可解决单独空气气化所产燃气热值低无法与现有燃气轮机蒸汽轮机联合循环发电匹配的问题。最后，本实用新型组合气化炉高温气化和下行床高温快速热解技术，最大程度地将原煤变为燃气，即便产生的少量焦油也在高温半焦上裂解生成了小分子燃气，因此本发明不产生焦油和废水，有利于燃气净化和环境。本实用新型有效解决空气气化与燃气轮机蒸汽轮机发电匹配的难题，具有对热量进行了梯级利用、能量转化效率高、无污染排放的优点。
附图说明
图1是本实用新型耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统结构示意图。
图2是图1中换热裂解装置5的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施对本实用新型进一步详细说明，但本实用新型不限于下述的实施方式。
在图1中，本实施例的耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统由下行床反应器1、快速混合器2、预热提升器3、第二气固分离器4、换热裂解装置5、燃气压缩机6、气化炉7、冷凝器8、第一静电除尘装置9、第一风机10、第一低温甲醇洗涤装置11、燃气轮机12、第一发电机13、第二锅炉14、蒸汽轮机15、第二发电机16、第二静电除尘装置17、第二风机18、第二低温甲醇洗涤装置19、第一锅炉20、汽包21、煤焦研磨器22、烧嘴23、空气压缩机24、天然气缓冲罐 25、第一气固分离器26连接构成。
下行床反应器1的顶部安装有与其相连通的快速混合器2、底部出口通过管道与第二气固分离器4的入口相连通，快速混合器2的原煤入口通过管道与第一气固分离器26的原煤出口相连通、煤焦入口通过管道与换热裂解装置5的第一煤焦出口5-5相连通，第一气固分离器26的入口通过管道与装有原煤的预热提升器 3的出口相连通、燃气出口通过管道与第二静电除尘装置17的入口相连通，第二静电除尘装置17的出口通过管道与第二风机18的入口相连通，第二风机18的出口通过管道与第二低温甲醇洗涤装置19的入口相连通，第二静电除尘装置17、第二风机18、第二低温甲醇洗涤装置19构成第二燃气净化装置，第二低温甲醇洗涤装置19的出口通过管道与第二锅炉14相连通，预热提升器3的燃气入口通过管道与换热裂解装置5的燃气出口5-11相连通，第二气固分离器4的半焦出口通过管道与换热裂解装置5的半焦进口5-2相连通、燃气出口通过管道与冷凝器 8的入口相连通，冷凝器8的焦油出口通过管道与换热裂解装置5的焦油进口5-4 相连通、燃气出口通过管道与第一静电除尘装置9的入口相连通，第一静电除尘装置9的出口通过管道与第一风机10的入口相连通，第一风机10的出口通过管道与第一低温甲醇洗涤装置11的出口相连通，第一静电除尘装置9、第一风机10、第一低温甲醇洗涤装置11构成第一燃气净化装置，第一低温甲醇洗涤装置11的出口通过管道与燃气轮机12的燃气入口相连通，换热裂解装置5的燃气入口5-6 通过管道与空气气流床煤焦气化装置的燃气出口5-11相连通、第二煤焦出口5-8 通过管道与空气气流床煤焦气化装置的煤焦入口相连通，空气气流床煤焦气化装置的煤焦入口还连接有天然气缓冲罐25，换热裂解装置5的第二煤焦出口5-8与空气气流床煤焦气化装置的煤焦入口之间的管道上安装有煤焦研磨器22，换热裂解装置5的燃气出口5-11连接的主管道上安装有支管，支管上安装有燃气压缩机 6与煤焦研磨器22的出口相连通，燃气轮机12上安装有第一发电机13，燃气轮机12的排烟管与第二锅炉14相连通，第二锅炉14的蒸汽输出管与蒸汽轮机15 的入口相连通，蒸汽轮机15上安装有第二发电机16。
本实施例的空气气流床煤焦气化装置由气化炉7、第一锅炉20、汽包21、烧嘴23、空气压缩机24连接构成。气化炉7的顶部安装有烧嘴23、中下部侧壁上安装有燃气出气管、底部安装有排渣口，烧嘴23的进煤焦管通过管道与换热裂解装置5的第二煤焦出口5-8和天然气缓冲罐25相连通、空气进气管通过管道与空气压缩机24相连、水蒸气进汽管通过管道与汽包21相连通，汽包21通过管道与锅炉14相连，气化炉7的上部为气化反应区、下部为燃气渣分离收集区，气化炉 7上部的气化反应区中利用空气和水蒸气将煤焦在1000～1200℃下转化为富含一氧化碳和氢气的燃气和气化灰渣，燃气和灰渣下行通过气化炉下部的燃气灰渣分离收集区分离得到灰渣排出气化炉，得到的高温低热值燃气输出到换热裂解装置 5。
在图2中，本实施例的换热裂解装置5由流化床筒5-1、半焦进口5-2、喷嘴 5-3、焦油进口5-4、第一煤焦出口5-5、燃气入口5-6、气体分布板5-7、第二煤焦出口5-8、第一旋风分离器5-9、第二旋风分离器5-10、燃气出口5-11连接构成。
流化床筒5-1内上部安装有第一旋风分离器5-9和第二旋风分离器5-10、下中部安装有气体分布板5-7，流化床筒5-1侧壁上安装有焦油进口5-4、半焦进口 5-2、第一煤焦出口5-5、第二煤焦出口5-8，进焦油口内安装有喷嘴5-3，流化床筒5-1底部安装有燃气入口5-6、顶部安装有燃气出口5-11，第一旋风分离器5-9 的入口置于流化床筒内、顶部出口与第二旋风分离器5-10的入口相连通,第二旋风分离器5-10的顶部出口与流化床筒5-1的燃气出口5-11相连通、底部出口与第一旋风分离器5-9底部出口相连通，进焦油口内的喷嘴5-3将焦油流化床筒5-1 内，焦油裂解成小分子燃气。
本实用新型的发电过程为：
(1)原煤高温快速热解
启动时，外供天然气经过天然气缓冲罐25在烧嘴23处与经空气压缩机24 压缩来的空气混合燃烧产生1050℃的热烟气经过气化炉7和换热裂解装置5进入装有原煤的预热提升器3对原煤煤粉进行预热，原煤煤粉预热到300℃经过第一气固分离器26和快速混合器2进入下行床反应器1中，在650～700℃下发生快速热解反应生成高热值燃气、焦油和半焦；
(2)热解半焦换热与焦油裂解
下行床反应器1产生的高热值燃气、焦油和半焦进入第二气固分离器4中，由第二气固分离器4分离形成650～700℃的半焦输入到换热裂解装置5的流化床筒5-1内被来自气化炉生成的1050℃的燃气加热到900℃变成煤焦，同时第二气固分离器4分离形成的含焦油高热值燃气进入冷凝器8冷凝得到的焦油喷入换热裂解装置5的流化床筒5-1内，焦油在流化床筒5-1内的煤焦表面裂解生成小分子燃气，900℃的煤焦一部分由第一煤焦出口5-5输出到快速混合器2，另一部分由第二煤焦出口5-8输出，裂解生成小分子燃气与换热后的中温燃气形成的混合气体经流化床筒5-1内的两级旋风分离器除去夹杂颗粒，大量的混合燃气通过主管道输出到预热提升器3底部对原煤煤粉进行预热，少量的混合燃气经压缩机6 压缩后用于将研磨器22输出的细粉煤焦输送到烧嘴23入口；
(3)煤焦气化
正常运转，关闭外供天然气，由换热裂解装置5第二煤焦出口5-8输出的煤焦经过煤焦研磨器22被磨成粒度小于75μm的细粉煤焦被来自压缩机6的高压燃气输送进入燃烧嘴23，通过空气压缩机24产生的压缩空气和由汽包21与第一锅炉20产生的高压水蒸气同时被输入烧嘴23内，煤粉和空气及水蒸气并流喷入气化炉7内发生气化反应，生成1050℃的低热值燃气进入换热裂解装置5的流化床筒5-1底部；
(4)重复热解半焦换热与焦油裂解
在换热裂解装置5的流化床筒5-1内由气化炉生成的1050℃的低热值燃气与第二气固分离器4分离形成650～700℃的半焦进行换热后与由焦油裂解生成小分子燃气形成的混合燃气经过流化床筒5-1内的两级旋风分离器除去夹杂颗粒，大量的混合燃气输出到预热提升器3底部对原煤煤粉进行预热，在流化床筒5-1内半焦经过换热后变成温度为900℃的煤焦，该煤焦一部分由第一煤焦出口5-5输出到快速混合器2，另一部分由第二煤焦出口5-8输出；
(5)重复原煤高温快速热解
在预热提升器3内来自换热裂解装置5的混合燃气对原煤煤粉进行预热，原煤煤粉预热到300℃后，混合燃气及原煤煤粉一起输出到第一气固分离器26，第一气固分离器26将混合燃气和原煤煤粉分离开，分离出的原煤煤粉进入快速混合器2与来自换热裂解装置5的900℃的煤焦充分混合后进入下行床反应器1中，在650～700℃下发生快速热解反应生成高热值燃气、焦油和半焦；
(6)高热值燃气和低热值燃气联合循环发电
下行床反应器1产生的高热值燃气、焦油和半焦进入第二气固分离器4中，由第二气固分离器4分离形成650～700℃的半焦输入到换热裂解装置5的流化床筒5-1中，分离形成的含焦油高热值燃气进入冷凝器8中冷凝得到少量焦油喷入换热裂解装置5的流化床筒5-1中，冷凝后的高热值燃气依次经过第二静电除尘装置17、第二风机18、第二低温甲醇洗涤装置19净化后进入燃气轮机12进行发电，产生的高温烟气再进入锅炉14中产生蒸汽推动蒸汽轮机15发电，由第一气固分离器26分离出混合燃气经过第一静电除尘装置9、第一风机10、第一低温甲醇洗涤装置11净化后进入锅炉14推动蒸汽轮机15发电。
技术特征：
1.一种耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统，其特征在于：下行床反应器(1)的顶部设置有与其相连通的快速混合器(2)、底部出口通过管道与第二气固分离器(4)相连通，快速混合器(2)的原煤入口通过管道与第一气固分离器(26)的原煤出口相连通、煤焦入口通过管道与换热裂解装置(5)的第一煤焦出口(5-5)相连通，第一气固分离器(26)的入口通过管道与装有原煤的预热提升器(3)的出口相连通、燃气出口通过管道与第二燃气净化装置的入口相连通，预热提升器(3)的燃气入口通过管道与换热裂解装置(5)的燃气出口(5-11)相连通，第二气固分离器(4)的半焦出口通过管道与换热裂解装置(5)的半焦进口(5-2)相连通、燃气出口通过管道与冷凝器(8)的入口相连通，冷凝器(8)的焦油出口通过管道与换热裂解装置(5)的焦油进口(5-4)相连通、燃气出口通过管道与第一燃气净化装置的入口相连通，换热裂解装置(5)的燃气入口(5-6)通过管道与空气气流床煤焦气化装置的燃气出口相连通、第二煤焦出口(5-8)通过管道与空气气流床煤焦气化装置的煤焦入口相连通，第一燃气净化装置的出口通过管道与燃气轮机(12)的燃气入口相连通，燃气轮机(12)的排烟管与第二锅炉(14)相连通，第二燃气净化装置的出口通过管道与第二锅炉(14)相连通，第二锅炉(14)的蒸汽输出管与蒸汽轮机(15)的入口相连通，蒸汽轮机(15)和燃气轮机(12)上均设置有发电机。
2.根据权利要求1所述的耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统，其特征在于所述的换热裂解装置(5)为：流化床筒(5-1)内上部设置有第一旋风分离器(5-9)和第二旋风分离器(5-10)、下中部设置有气体分布板(5-7)，流化床筒(5-1)侧壁上设置有焦油进口(5-4)、半焦进口(5-2)、第一煤焦出口(5-5)、第二煤焦出口(5-8)，进焦油口内设置有喷嘴(5-3)，流化床筒(5-1)底部设置有燃气入口(5-6)、顶部设置有燃气出口(5-11)，第一旋风分离器(5-9)的入口置于流化床筒(5-1)内、顶部出口与第二旋风分离器(5-10)的入口相连通，第二旋风分离器(5-10)的顶部出口与流化床筒(5-1)的燃气出口(5-11)相连通、底部出口与第一旋风分离器(5-9)底部出口相连通。
3.根据权利要求1所述的耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统，其特征在于：所述的第一燃气净化装置和第二燃气净化装置结构相同，所述的第一燃气净化装置为第一静电除尘装置(9)的出口通过管道与第一风机(10)的入口相连通，第一风机(10)的出口通过管道与第一低温甲醇洗涤装置(11)的燃气入口相连通。
4.根据权利要求1所述的耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统，其特征在于所述的空气气流床煤焦气化装置为：气化炉(7)的顶部设置有烧嘴(23)、中下部侧壁上设置有燃气出气管、底部设置有排渣口，烧嘴(23)的进煤焦管通过管道与换热裂解装置(5)的第二煤焦出口(5-8)相连通、空气进气管通过管道与空气压缩机(24)相连、水蒸气进汽管通过管道与汽包(21)相连通，汽包(21)通过管道与锅炉(14)相连。
5.根据权利要求1所述的耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统，其特征在于：所述的换热裂解装置(5)的燃气出口(5-11)通过安装有燃气压缩机(6)的管道与换热裂解装置(5)的第二煤焦出口(5-8)和空气气流床半焦气化装置的煤焦入口之间的管道相连通。
6.根据权利要求5所述的耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统，其特征在于：所述的换热裂解装置(5)的第二煤焦出口(5-8)和空气气流床煤焦气化装置的煤焦入口之间的管道上设置有煤焦研磨器(22)。
技术总结
耦合煤热解与空气气化的联合循环发电系统，下行床反应器内煤高温快速热解和换热裂解装置内煤热解半焦换热及焦油裂解以及气化炉内煤焦气化耦合，利用气化炉气化所得的高温低热值燃气首先加热半焦、在半焦上裂解焦油，生成的中温低热值燃气再预热原煤，使气化炉生成的热量被充分利用，提高了煤炭转化为燃气的热效率；利用固体热载体快速热解生成的高热值燃气和气化炉气化所得低热值燃气分别进入燃气轮机和锅炉逐级发电，本实用新型最大程度地将原煤变为燃气，即便产生的少量焦油也在高温半焦上裂解生成了小分子燃气，不产生焦油和废水，有利于燃气净化和环境。本实用新型具有对热量进行了梯级利用、能量转化效率高、无污染排放的优点。
技术研发人员：田斌;徐龙;马晓迅;田原宇
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：.12.25
技术公布日：.10.18
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