本发明属于能源动力与煤化工领域，具体地说 涉及一种通过煤炭的碳 氢组分分级转化的煤炭气化方法及其设备、以 及基于其的发电系统和发电 方法。 背景技术

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。 目前， 为了实现煤炭的高效洁净利用， 无论是化工生 产过程还是 IGCC发电系统， 都必须先将煤气化， 为煤炭的高效利用创造 必要条件。

煤气化过程是以煤或煤焦为原料， 以氧气 (空气、 富氧或工业纯氧)、 二氧化碳、 水蒸汽等作气化剂 (或称气化介质)， 在高温条件下通过化学反 应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体 的工艺过程。煤气化所得的 合成气或煤气的成分取决于燃料、 气化剂的种类以及进行气化过程的条 件。 煤气化方法的分类多种多样， 应用较为广泛的四种气化炉为鲁奇炉、 恩德炉、 德士古炉和谢尔炉， 其冷煤气效率在 65%~80%左右。

现有技术中， 煤气化过程由于需要纯氧与煤反应， 因此需要空气分离 装置。 产生的合成气进行净化除尘才能使用， 还需要废热锅炉回收余热。 这使得煤气化效率较低， 投资成本很高。

同时， 不同煤气化方法对煤种的要求各有不同。我国 煤炭可采量约为 1万亿吨， 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%。

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， 为煤炭的进一歩利用创造必要条件， 然后再利用煤气化得到的合成气发电。

然而， 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。 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 资进一歩增加。 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%。

此外， 传统的炼焦技术所需要的煤种主要是烟煤中的 主焦煤和肥煤， 仅占总资源的约 9%。

综上所述， 煤炭的气化过程和 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。 因此， 无论对于化工 行业还是电力行业， 如何提高煤炭气化和发电的效率， 降低煤炭气化和发 电的投资成本， 以及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。 发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足， 本发明的目的是提供一种通过 煤炭的碳氢组分分级转化的煤炭气化方法及其 设备、以及基于其的发电系 统和发电方法。

为此，一方面， 本发明提供一种通过煤炭的碳氢组分分级转化 的煤炭 气化方法， 其特征在于， 将所述煤炭分为气化煤和供热煤， 并且煤炭气 化过程包括碳化过程、 一氧化碳生产过程和变换产氢过程， 其中， 所 述碳化过程对所述气化煤进行碳化， 产生包括粗焦炭、 焦炉煤气和焦 油的产品； 所述一氧化碳生产过程将所述碳化过程中产生 的粗焦炭与 二氧化碳反应以生成一氧化碳， 所需热量同样由所述供热煤与高温空 气燃烧产生的热量提供； 所述变换产氢过程将所述一氧化碳生产过程 中产生的部分一氧化碳与水蒸气变换反应以生 成二氧化碳和氢气， 使 用分离装置进行分离而得到二氧化碳和纯净的 氢气； 将上述过程中产 生的焦炉煤气、 一氧化碳和氢气以不同配比进行混合而能够得 到不同 碳氢比的煤气化合成气。

在一个优选实施方式中， 所述气化煤为烟煤或褐煤， 所述供热煤为任 意煤种。

在一个优选实施方式中， 所述碳化过程的反应温度为 600~900°C， 所 述变换产氢过程中变换反应发生的温度为 200 400 °C。

在一个优选实施方式中， 所述煤炭气化过程中无氧气参与反应。

在一个优选实施方式中，所述碳化过程和所述 一氧化碳生产过程需要 的热量由所述供热煤与高温空气燃烧产生的热 量提供。

在一个优选实施方式中， 从所述变换产氢过程分离出的二氧化碳返 回所述一氧化碳生产过程用于与所述粗焦炭继 续反应， 并且所述一氧 化碳生产过程中使用的二氧化碳完全由所述变 换产氢过程中产生的二 氧化碳提供。

另一方面， 本发明提供一种用于实施上述气化方法的设备 ， 其特征在 于， 所述设备包括外置燃烧单元、 传热单元、 碳化单元、 一氧化碳生产单 元、变换产氢单元和余热回收单元， 其中所述碳化过程在所述碳化单元中 进行， 所述一氧化碳生产过程在所述一氧化碳生产单 元中进行， 所述变换 产氢过程在所述变换产氢单元中进行，并且所 述供热煤与高温空气于所述 外置燃烧单元燃烧，产生的高温烟气通过所述 传热单元分别向所述碳化单 元和所述一氧化碳生产单元提供热量， 并向所述余热回收单元释放余热。

在一个优选实施方式中， 所述碳化单元为冶金行业所用的加热炉、 均 热炉或煅烧炉。

在一个优选实施方式中， 所述余热回收单元是蓄热式余热回收单元和 /或间壁式余热回收单元。

在一个优选实施方式中， 所述供热煤与经所述余热回收单元预热后的 高温空气在所述外置燃烧单元中燃烧，所产生 的高温烟气在进行粗除尘后 被送入所述传热单元，并所述通过传热单元的 隔墙分别向所述碳化单元和 所述一氧化碳生产单元释放热量， 然后被送往所述余热回收单元。

在一个优选实施方式中， 在所述碳化过程得到的粗焦炭由所述一氧化 碳生产单元的顶部进入， 而二氧化碳由所述一氧化碳生产单元的底部进 入， 两者相遇后发生反应， 所述粗焦炭被气化为一氧化碳， 并且产生的一 氧化碳从所述一氧化碳生产单元的上部排出。

另一方面，本发明提供一种基于煤炭的碳氢组 分分级转化的发电方 法， 其特征在于， 将按照上述气化方法或设备获得的煤气化合成 气通 入常规的整体煤气化联合循环发电系统的发电 单元， 从而将所述煤气 化合成气的化学能转化为电能而发电。

另一方面，本发明提供一种基于煤炭的碳氢组 分分级转化的发电系 统， 其特征在于， 所述发电系统包括外置燃烧单元、 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， 所述煤炭分为气化煤和供热煤， 其中， 所述供热煤和高 温空气在所述外置燃烧单元燃烧， 产生的高温烟气通过所述传热单元 将热量传递给所述碳化单元和所述一氧化碳生 产单元； 所述换热单元 用于回收所述高温烟气的余热并用于预热空气 以产生所述高温空气； 所述碳化单元用于将所述气化煤转化为粗焦炭 ， 同时产生焦炉煤气和 含焦油的副产品； 所述一氧化碳生产单元用于将所述碳化单元产 生的 粗焦炭气化为一氧化碳， 其中发生的反应为所述粗焦炭与二氧化碳反 应而产生一氧化碳； 所述变换产氢单元用于将所述一氧化碳生产单 元 产生的一氧化碳转化为二氧化碳和氢气的混合 气； 所述二氧化碳分离 单元用于从所述混合气中分离得到纯净的二氧 化碳， 并将得到的二氧 化碳输送至所述一氧化碳生产单元用于反应； 所述发电单元用于将由 以上产生的焦炉煤气、 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。

在一个优选实施方式中， 所述发电单元采用常规的联合循环发电方 式产生电能。

在一个优选实施方式中， 所述碳化单元为冶金行业使用的加热炉、 均热炉或煅烧炉。

在一个优选实施方式中， 所述碳化单元通过将煤炭中的灰分和含硫 成分以含焦油的副产品的形式脱除以得到纯净 的粗焦炭， 使得所述粗 焦炭与二氧化碳反应产生纯净的一氧化碳而直 接进入所述变换产氢单 元。

另一方面， 本发明提供一种利用上述发电系统的发电方法 ， 其中 所述系统通过将所述煤气化合成气燃烧后的热 能转化为电能而发电。

本发明的煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法 ， 该方法基于燃料 "组分对口， 分级转化"的原则， 将煤炭气化分为碳化、 生产一氧化碳 化、 变换产氢三个过程， 首先将煤炭进行碳化提纯， 得到粗焦炭， 然 后与二氧化碳反应生成一氧化碳， 最后通过变换反应生成氢气和二氧 化碳， 二氧化碳供给焦炭一氧化碳化单元。 通过氢气、 一氧化碳和焦 炉煤气混合可以得到不同碳氢比的合成煤气。 煤炭的碳化过程和一氧 化碳生成过程所需热量由燃煤提供。 相比于传统气化方法中的所有反应 在气化过程中同时进行，本发明的新气化方法 将不同的反应分类，在碳化、 一氧化碳化和变换产氢过程中分别进行。 而且本发明提出的煤气化方法 不需要氧气参与反应， 具有气化效率高、 设备投资成本低、 煤种不受 限制以及气化产物可灵活调节等多种优点。 此外， 本发明的基于煤炭的 碳氢组分分级转化发电方法及系统克服了目前 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。 附图说明

图 1 为根据本发明的煤炭碳氢组分分级转化方法 (b)和传统煤炭气化 方法 (a)的原理对比示意图。

图 2 为根据本发明的煤炭的碳氢组分分级转化的气 化方法的工艺流 程和设备示意图，其中各部件及相应的标记为 ： 1-燃烧单元； 2-碳化单元； 3、 4-传热单元； 5-—氧化碳生产单元； 6-蓄热式换热器； 7-间壁式换热器; 8、 9-隔墙； 10-气化煤； 11-供热煤； 12-高温烟气； 13-蓄热室顶部烟气； 14-经蓄热室放热后的烟气； 15-废气； 16-空气； 17-间壁式换热预热的空 气； 18-高温空气； 19-焦炉煤气； 20-焦炭； 21-焦油及其它副产物； 22、 23-热流； 24-—氧化碳； 25-变换单元； 26-合成气； 27-二氧化碳。 图 3 为根据本发明的基于煤炭的碳组分分级转化的 发电系统的示意 图， 其中各部件及相应的标记为： 100-碳化单元； 200-传热单元； 300-— 氧化碳生产单元； 400-传热室； 500-变换产氢单元； 600- CO ₂ 分离单元； 700-联合循环发电单元； 800-气化煤； 900-供热煤； 1000-焦炉煤气； 1100- 粗焦炭； 1200-二氧化碳; 1300-—氧化碳; 1400-合成气; 1500-氢气; 1600- 水； 1700-烟气； 1800-空气; 1900-高温烟气; 2000-低温烟气； 2100-废气； 2200-空气换热单元； 2300-外置燃烧单元； 2400-焦油等杂质。

具体实施方式

本发明的煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法 基于燃料"组分对 口， 分级转化"的原则， 将煤炭气化分为碳化、 生产一氧化碳化、 变换 产氢三个歩骤。

首先进行碳化过程， 该过程对气化煤进行碳化和任选地提纯， 所 需热量由供热煤与高温空气燃烧产生的热量提 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；

整个煤炭气化过程的三个步骤分别得到焦炉煤 气、 一氧化碳和氢 气， 三种气体灵活配比得到不同碳氢比的煤气化合 成气。

本发明提供的用于实施上述方法的设备主要由 外置燃烧单元、 传 热单元、 碳化单元、 一氧化碳单元、 变换产氢单元、 和余热回收单元 组成， 所述碳化过程在碳化单元中进行， 所述一氧化碳生产过程在一 氧化碳生产单元中进行， 所述变换产氢过程在变换产氢单元中进行， 燃料分为供热煤和动力煤， 供热煤与高温空气于外置燃烧单元燃烧， 产生的高温烟气通过传热单元分别向所述碳化 单元和一氧化碳生产单 元供入热量， 继续向余热回收单元释放余热。 气化煤首先进入碳化单 元进行粗炼焦后生成粗焦炭， 粗焦炭继续与二氧化碳反应生成一氧化 碳， 根据需求部分一氧化碳通过与水蒸气的变换反 应生成二氧化碳和 氢气， 再经过分离装置分离出纯净的氢气。 剩余的二氧化碳返回一氧 化碳生成单元与焦炭继续反应。

在所述气化方法中， 煤炭经碳化过程、 焦炭一氧化碳化过程和变 换产氢过程构成煤气化， 实现了煤炭的 "组分对口， 分级转化"的新型 煤气化方式。

在所述气化方法中， 煤炭碳化单元使用煤炭外燃的粗炼焦工艺， 使用的燃料分为气化煤和供热煤。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。

在所述气化方法中， 粗焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳， 不需 要氧气， 相对传统煤炭气化过程， 省去了用于制氧的空气分离单元。

在所述气化方法中， 产生的一氧化碳不含灰分等杂质颗粒， 可以 直接进入变换单元， 省去了废热锅炉。

在所述气化方法中， 碳化单元的温度可以在 600~900°C反应， 比传 统炼焦低约 200°C， 碳化产品为粗焦炭、 焦炉煤气和焦油等。 变换反应发 生的温度约在 200 400 °C， 相对于传统气化的高温 (1000 °C左右：)气化 吸热反应， 反应的不可逆性可以大幅度降低。

在所述气化方法中， 经过三歩反应， 可以分别得到焦炉煤气、 一 氧化碳和氢气。 三种气体的灵活配比可以得到不同碳氢比的煤 气化合 成气， 满足不同工艺要求。

在所述气化方法中， 燃料分为气化煤和供热煤， 气化煤用于产生 合成气， 供热煤用于提供碳化单元和气化单元吸热所需 反应热量。

在所述气化方法中， 一氧化碳生产单元所需二氧化碳由变换单元 得到。

在所述气化方法中， 供热煤燃烧产生高温烟气， 经过粗除尘后向 碳化单元和气化单元供入热量。 在所述气化方法中， 碳化单元也可以为冶金行业的加热炉、 均热 炉或煅烧炉。

而且， 在本发明中， 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 化歩骤分级进行， 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， 其具体转化过程如上所述。

在所述发电方法中， 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。

在所述发电方法中，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。

本发明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歩分级气 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。

本发明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 会产生焦油等副产品；

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 化碳和氢气的混合气；

二氧化碳分离单元， 用于从上述混合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元；

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。

进一歩地， 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。

进一歩地，上述碳化单元可以为冶金行业的加 热炉、均热炉或煅烧炉。 本发明的气化方法通过将煤炭的气化过程分为 炼焦，气化和变换产 氢三歩进行， 大大降低了整个气化反应的不可逆性， 使得煤炭的气化 效率有显著上升； 取消了空分装置和废热锅炉， 减少了设备投资； 燃 料分为气化煤和供热煤， 大大增加了煤种的适应性。 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 室提供热量， 实 现煤炭的合理利用。 本发明提出的煤炭分级气化方法与常规气化工 艺 相比， 实现了组分对口、 分级气化， 其冷煤气效率要比传统煤气化高 3 个百分点左右。

此外， 本发明的发电方法和发电系统通过将煤炭的气 化过程分为炼 焦， 气化和变换三歩进行， 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 发明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。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚 明白， 以下参照附图并 举实施例， 对本发明进一歩详细说明。

在传统煤炭气化方法中， 通过利用电从空气中分离氧气， 利用该分离 的氧气再进行合成气的生产， 其具体过程和反应参见图 1(a)所示。

如图 1(b)所示， 根据本发明的煤炭的碳氢组分分级气化方法将 煤 炭气化过程分为碳化过程、 一氧化碳生产过程和变换产氢过程三个歩 骤， 其中， 首先进行碳化过程， 该过程对气化煤进行碳化提纯， 所需 热量由供热煤与高温空气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 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； 整个煤炭气化过程的三个歩骤分别得到焦炉煤 气、 一氧化碳和 氢气， 三种气体灵活配比得到不同碳氢比的煤气化合 成气。

图 2 示出了本发明提供的煤炭的碳氢组分分级转化 的气化方法的 工艺流程和设备示意图。 如图 2所述， 气化煤首先进入碳化单元进行 粗炼焦后生成粗焦炭， 粗焦炭继续与二氧化碳反应生成一氧化碳， 根 据需求部分一氧化碳通过与水蒸气的变换反应 生成二氧化碳和氢气， 再经过分离装置分离出纯净的氢气。 剩余的二氧化碳返回一氧化碳生 成单元与焦炭继续反应。

使用该方法的设备主要由燃烧单元 1、传热单元 3、 4、碳化单元 2、 一氧化碳生产单元 5、 变换产氢单元 25、 蓄热式余热回收单元 6和间 壁式余热回收单元 7组成。 本发明的碳化过程在碳化单元 2中进行， 一氧化碳生产过程在一氧化碳生产单元 5 中进行， 变换产氢过程在变 换产氢单元 25中进行， 供热煤 11与经蓄热式余热回收单元 6和间壁 式余热回收单元 7预热后的高温空气 18在燃烧单元 1中燃烧生成高温 烟气 12， 并对高温烟气 12进行粗除尘后， 送入传热单元 3、 4， 高温 烟气通过隔墙 8、 9分别向碳化单元 2和一氧化碳生产单元 5释放高温 热量后， 被送往余热回收单元 6、 7， 并向蓄热式余热回收单元 6和间 壁式余热回收单元 7放热。 放热后的烟气即废气 15被排放到大气。 在 碳化单元 2内气化煤 10吸收热量 22在高温下热解， 经过粘结过程 (包 括： 干燥脱吸， 开始分解， 形成胶质体， 和胶质体固化过程)以及半焦 收缩过程生成焦炭 20、 焦炉煤气 19、 焦油 21等化工产品， 生产的焦 炭 20进入一氧化碳生产单元 5， 在该单元焦炭 20与二氧化碳 27反应 生成一氧化碳 24。 一氧化碳 24进入变换产氢单元 25与水蒸气反应生 成氢气 26， 同时生成的二氧化碳 27提供给一氧化碳生产单元 5。 在碳 化单元 2得到的焦炭 20 1000 °C左右：)由一氧化碳生产单元 5顶部进入， 二氧化碳 27 由该单元底部进入， 两者相遇后发生反应， 焦炭 20被气 化为一氧化碳 24， 一氧化碳 24从单元上部排出。该气化反应为吸热反 应， 所需热量由燃烧单元 1产生的高温烟气 12提供。

本发明提供的气化过程 (参见图 2)与传统气化过程的区别是： 传统 气化单元中煤炭直接在气化室中反应气化。 而本发明提供的气化方式 是将煤炭气化过程分歩进行， 即煤炭碳化、 焦炭一氧化碳化和变换反 应。 煤炭首先进入碳化室进行碳化提纯， 同时产生焦炉煤气， 提纯后 得到的焦炭进入一氧化碳生产单元与二氧化碳 反应生成一氧化碳， 一 氧化碳在变换单元与水蒸气反应生成氢气和二 氧化碳。

本发明提供的焦炭一氧化碳化过程与传统气化 过程的区别是： 焦 炭与二氧化碳反应， 生成一氧化碳， 不需要空气分离装置。

再次参见图 1(a)和 (b)， 本发明提供的变换产氢单元与传统煤炭气 化工艺变换单元的区别是： 传统气化工艺中发生的变换反应与其它煤 气化反应一同发生在气化炉中， 反应温度在 1000 °C以上。 水蒸气在发 生变换反应前需要吸收大量的热以达到反应温 度。 同时其它气体， 如 氢气、 一氧化碳等会减缓变换过程的反应速率。 本发明提供的变换反 应是单独在变换单元中发生， 反应温度在 200-400 °C左右， 水蒸气需要 吸收的热量大大减少， 同时反应过程没有其它气体的干扰， 因此变换 反应的不可逆损失远远低于传统气化过程。

从煤炭气化产物来看， 本发明提供的气化单元与传统煤炭气化单 元的区别是： 传统煤炭气化单元需要纯氧和水蒸气对煤炭进 行气化， 产生的合成气主要是一氧化碳、 氢气和二氧化碳的混合气体。 而本发 明产生的合成气主要有三种： 焦炉煤气、 一氧化碳和氢气。 三种气体 可以进行灵活配比， 可以满足合成气下游利用的不同碳氢比需求。

本发明提供气化方法中碳化过程与传统炼焦过 程的区别是： 传统 炼焦过程对煤种的要求较高， 主要使用主焦煤和肥煤。 本发明炼焦过 程的产物用于气化， 可以降低对煤种的要求， 可采用所有种类的烟煤 和褐煤， 可用煤种占我国煤炭储量的近 90%， 扩大了煤种适用性。

参见图 3， 示出了本发明提供的基于煤炭的碳氢组分分级 气化的发电 系统， 其主要包括碳化单元 100、 一氧化碳生产单元 300、 变换产氢单元 500、二氧化碳分离单元 600、联合循环发电单元 700和外置燃烧单元 2300， 其中碳化单元和一氧化碳生产单元中包括换热 单元 200、 400。 供热煤与 经空气换热单元 2200预热后的高温空气在外置燃烧单元 2300中燃烧生成 高温烟气 1900， 并对高温烟气 1900进行粗除尘后， 通过换热单元 200、 400向碳化单元 200和一氧化碳生产单元 500释放高温热量后， 被送往空 气换热单元 2200放热。 放热后的烟气 2100被排放到大气。 在碳化单元 100内气化煤吸收热量在高温下热解， 经过粘结过程 (包括： 干燥脱吸， 开 始分解， 形成胶质体， 和胶质体固化过程)以及半焦收缩过程生成粗� �炭

1100、 焦炉煤气 1000、 焦油 2400等化工产品， 生产的粗焦炭 1100进入 一氧化碳生产单元， 在该单元焦炭与二氧化碳 1200 反应生成一氧化碳 1300。 一氧化碳进入变换产氢单元 500与水 1600反应生成二氧化碳和氢 气后进入二氧化碳分离单元 600， 在二氧化碳分离单元 600 中二氧化碳 1200被分离出来进入一氧化碳生产单元 300， 其余的富氢合成气 1500与 焦炉煤气 1000以及部分一氧化碳 1300进入联合循环发电单元 700中将化 学能转化为电能， 生成的烟气排入大气中。

本发明的基于煤炭的碳氢组分分级转化的发电 方法， 以煤作为燃料， 所述煤分为气化煤 800和供热煤 900， 气化煤 800分级气化的过程依次分 为碳化过程 (在碳化单元 100中进行：)、一氧化碳生产过程 (在一氧化碳生产 单元 300中进行：)和变换产氢过程 (在变换产氢单元 500中进行：)三个转化歩 骤分级进行， 全程无氧气参与反应， 将气化煤 800 分级转化成焦炉煤气 1000、 一氧化碳 1300和氢气 1500， 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煤气化合成气 通入联合循环发电单元 700 中发电。

本发明提供的发电系统中煤炭气化过程与 IGCC 中气化过程的区别 是： GM专统气化单元中煤炭直接在气化室中反应气� ��。 而本发明提供的 气化方式是将煤炭气化过程分为煤炭碳化、焦 炭一氧化碳化和变换产氢三 歩进行。 煤炭首先进入碳化室进行碳化提纯， 产生焦炉煤气， 同时得到的 粗焦炭进入一氧化碳生产室与二氧化碳反应气 化，从而摆脱传统煤炭气化 方式需要空分装置来产生氧气的限制； （2)本发明提供的发电方法中焦炭 一氧化碳化过程与传统气化过程的区别是： 焦炭与二氧化碳反应， 生成一 氧化碳， 即无氧气化， 不需要空气分离装置； 本发明提供的变换产氢 单元与传统煤炭气化工艺变换单元的区别是： 传统气化工艺中发生的变换 反应与其它煤气化反应一同发生在气化炉中， 反应温度在 1000 °C以上， 本发明提供的变换反应是单独在变换单元中发 生， 反应温度在 200-400°C 左右， 反应温度大大降低， 因此变换反应的不可逆损失远远低于传统气化 过程； （4)本发明提供的发电系统所使用燃料与 IGCC的区别是： 使用煤炭 分为气化煤和供热煤，供热煤在外置燃烧室中 燃烧为气化煤的碳化和一氧 化碳生产过程提供热量，气化煤在直接气化的 同时实现了供热煤的间接气 化， 气化煤和供热煤可以使用的煤种涵盖了我国煤 炭资源中的所有煤种， 大大提高了煤气化发电系统的适应性； （5)从煤炭气化产物来看， 本发明 提供的一氧化碳生产单元与传统煤炭气化单元 的区别是：传统煤炭气化单 元需要纯氧和水蒸气对煤炭进行气化， 产生的合成气成分主要是一氧化 氮、氢气和二氧化碳， 而本发明提供的一氧化碳生产单元则使用二氧 化碳 与焦炭反应进行气化， 产生的合成气成分为高浓度的一氧化碳， 浓度可达 到 95%以上； （6)本发明得到的煤炭气化合成气与传统煤炭� ��化合成气的 区别是：传统煤炭气化过程中，煤炭中的灰分 与含硫成本与煤炭同时气化， 存在与气化合成气中， 需要首先利用废热锅炉降温， 并使用除尘和脱硫设 备对合成气进行净化。本发明提供的气化方式 ， 煤炭中的灰分和含硫成分 首先在炼焦单元中被脱除， 得到合成气后无需除尘和脱硫单元， 可以直接 进入发电单元， 省去了废热锅炉和除尘脱硫装置。

本发明提供的基于煤炭的碳氢组分分级气化的 发电方法，与传统的整 体煤气化联合循环 (IGCC)相比， 具有以下特点： 1、 煤炭气化过程分级进 行， 首先进行炼焦提纯， 得到的焦炭与二氧化碳反应直接气化， 省去了 IGCC系统中的空分装置， 减少了系统能耗； 2、燃料分为供热用煤和气化 用煤， 供热用煤在燃烧室直接燃烧向碳化室、气化室 供热， 可以使用低质 煤， 实现了低质煤的间接气化， 从而增加了燃料的适应性； 3、 煤炭中的 灰分和含硫成分在碳化单元以焦油等副产品的 形式被分离出来，产生的合 成气十分纯净， 无需废热锅炉和除尘与脱硫装置。 4、 一氧化碳生产单元 产生的一氧化碳部分在变换过程中转化为二氧 化碳，再返回到一氧化碳生 产单元与粗焦炭反应。

综上所述，采用本发明所述的基于煤炭的碳氢 组分分级气化的发电系 统， 通过减少空气分离单元以及除尘和脱硫单元， 将会使煤炭气化发电的 发电效率和生产成本大幅度降低， 而且对煤种的适应性大大提高， 节约了 优质煤， 是非常有实用前景的。 下面结合附图和实施例对本发明进一歩说明。

实施例 1

按照图 2所示的外燃供热的煤炭的碳氢组分分级气化� �艺流程， 燃烧单元 1的操作条件为：炉内压力取微正压，烟气出� �温度为 1400〜 1700°C， 根据换热周期适度的调整。 新系统中排烟温度 165 °C， 碳化单 元参考实际的焦炉的物流参数 (表 3所示：)，每生产一吨焦的炼焦耗热量 为 3240MJ/t。 取一氧化碳生产单元的温度为 900°C， 碳转化率为 0.95， 碳化过程和一氧化碳生产单元过程的换热损失 均为 5%。

表 1 给出了煤炭碳化单元热量平衡表。 新气化中的煤炭碳化单元 生产相同热值的产品可以降低燃料输入约 5%。 相对于传统的炼焦过 程， 新气化中的碳化单元生产的产品为粗焦炭， 同时使用供热煤替代 了焦炉煤气。

表 2 给出了实施例系统能量平衡表， 从燃料输入看， 新型气化方 式燃料中气化煤约占 66%， 供热煤约占 34%。从能量损失角度看， C0 ₂ 分离单元的能量损失最大， 占燃料输入能量的 3.9%。 变换单元， 炼焦 单元和一氧化碳生产单元的能量损失分别占燃 料输入能量的 2.6%， 2.4%和 2.3%。 换热单元的能量损失最小， 占燃料输入能量的 0.5%。 表 3给出了实施例 1 中一些主要物流的参数。 表中的物流编号与 图 2相对应， 表明了新气化方法各个单元之间的关联关系。

基于表 4所示的系统性能比较， 新型气化方式的冷煤气效率可以 达到 83%， 比传统气化方式高约 3个百分点。 新型气化方式的畑效率 比传统煤炭气化方式 (Shell气化方式：)高 6个百分点。 其中， 新气化中 的炼焦单元和一氧化碳生产单元比传统气化中 的气化单元效率提升约 2.5个百分点； 新气化中变换单元比传统气化的废锅效率提升 1.5个百 分点； 二氧化碳回收比空分单元引起效率提升约 2个百分点。

通过表 4与 Shell气化方式的对比， 本发明气化效率提高的原因主 要来自两个方面， 一是省去了空分装置和废热锅炉， 避免了这两个装 置带来的畑损失； 二是煤炭的分级转化减少了气化反应的不可逆 性， 降 低了反应的不可逆损失。

本发明提供的外燃供热的煤炭的碳氢组分分级 气化工艺， 与传统 的煤炭气化工艺相比， 具有以下特点： 1、 焦炭与二氧化碳反应气化生 成一氧化碳， 省去了制氧所需的空气分离单元； 2、 变换反应的温度在 200-400°C左右， 减少了该反应的不可逆损失； 3、 生成的一氧化碳基本 不含杂质， 可以直接进入变换单元， 省去了废热锅炉； 4、 燃料分为 供热煤和气化煤， 气化煤可以使用褐煤和烟煤， 供热用煤则对煤种没 有要求， 因而整个气化工艺可以使用所有煤种。 实施例 2

按照图 3所示的基于煤炭的碳氢组分分级气化方法的� �电系统流程 图，燃烧单元的操作条件为：炉内压力取微正 压，烟气出炉温度为 1400〜 1700 °C , 根据换热周期适度的调整。碳化单元参考实际 的焦炉的测试数据 (表 1)， 每生产一吨焦的炼焦耗热量为 3240MJ/t。 取一氧化碳生产温度为 900°C， 碳转化率为 0.95， 炼焦和一氧化碳生产过程的换热损失均为 5%。 利用 ASPEN Plus软件对新型煤炭气化发电系统和 IGCC系统进行模拟计 算。 模拟条件： 发电单元采用联合循环， 燃气轮机透平初温为 1250°C， 蒸汽系统采用双压再热流程， 蒸汽压力参数为 9.98/2.5/0.28MPa， 蒸汽温 度 538/538/260°C等。 同时从蒸汽循环抽取部分蒸汽为 C0 ₂ 分离单元提供 所需热量， C0 ₂ 分离单元分离出约 50%的 C0 ₂ 提供给一氧化碳生产室。

IGCC系统中气化炉采用 Shell气化炉， C0 ₂ 分离单元采用 Selexol分离法。 联合循环部分参数与新型气化发电系统相同。 基于表 5所示的模拟参数， 新型煤炭气化发电系统的发电效率 (表 2)可以达到 47.1%， 比整体煤气化 联合循环 (IGCC, Shell气化方式)高约 6个百分点。

表 1 : 实施例 1和 2的煤炭碳化单元热量平衡表

表 2: 实施例 1和 2的系统能量平衡表 输入能 ί MJ 能量损失 MJ 比例 ％ 总输入- 供热煤: 220 34.1 气化煤: 425 65.9 各单元能量损失：

供热单元 16 2.4 炼焦单元 15 2.3 一氧化碳生产单元 10 1.6 变换单元 17 2.6 换热单元 3 0.5

C0 ₂ 分离 25 3.9 发电单元 246 38.1 总输出- 合成气热值 539 83.6 合成气显热 11 1.7 电 304 47.1

表 3 : 实施例 1的主要物流参数

表 4 : 本发明气化方法和传统气化方法性能比较 单位: MW 本发明气化方法 传统 Shell气化方式 输入煤的热值 645 645 生成合成气热值 539 515 冷煤气效率 0.83 0.80 输入系统的畑值 657 685 合成气畑值 511 490 系统畑效率 0.78 0.72

表 5: 实施例 2的基本参数

表 6: 本发明的发电系统与 IGCC系统性能对比表 综上所述， 采用本发明所述的外燃供热的煤炭的碳氢组分 分级转 化的气化方法， 气化效率得到大幅度提高， 省去了空气分离装置和废 热锅炉， 使投资成本大幅度降低， 而且所有煤种均适用， 是非常有实 用前景的。

如上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在 本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包 含在本发明保护的范围之内。