煤燃料的分级气化燃烧系统及燃烧方法

1.本发明涉及能源利用和燃料燃烧技术领域，具体涉及一种煤燃料的分级气化燃烧系统及燃烧方法。


背景技术：

2.目前，能源体系的主流是以煤炭、石油和天然气为代表的传统化石燃料。其中，煤炭是较为重要的一次能源，其主要的利用方式是燃煤发电。然而，煤炭直接燃烧会产生较为大量的污染物，如so
x
、no
x
、粉尘等，排放到环境中会污染大气，造成较为严重的环境问题。此外，燃烧煤所产生的co2排放到大气中会造成温室效应。
3.煤气化可以将煤由固体燃料转换成清洁的气体燃料。然而，传统的煤气化技术仍然存在一些问题。如依靠部分煤与氧气反应为气化过程供热、纯氧消耗量多、高温合成气冷却过程换热温差较大和冷煤气效率较低(70％-85％)等问题。
4.因此，需要寻找一种煤燃料燃烧系统来解决上述问题。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题中的至少之一或一部分，本发明的实施例提供了一种煤燃料的分级气化燃烧系统及燃烧方法，能够将煤气化过程解耦为热解过程和气化过程，减少了煤燃料直接燃烧的份额并降低气化炉内的换热温差。
6.为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种煤燃料的分级气化燃烧系统，包括：热解器，适用于使煤燃料进行热解反应并吸收热量，得到半焦颗粒、焦油以及热解气；热解产物净化及分离单元，适用于使来自于热解器的焦油和热解气进行分离，得到分离后的焦油和分离后的热解气；气化炉，适用于使来自于热解器的半焦颗粒、来自于热解产物净化及分离单元的焦油分别与经过废热锅炉预热的气化剂进行气化反应并放出热量，制备得到合成气；以及废热锅炉，适用于使来自于热解产物净化及分离单元的热解气与合成气中的水进行重整反应，并得到重整气体；其中，热解气包括甲烷、乙烷和乙烯。
7.在其中的一个实施例中，废热锅炉利用来自于气化炉的合成气第一温度区间的热量对气化反应所需的气化剂进行预热；以及废热锅炉利用来自于气化炉的合成气第二温度区间的热量对热解气的重整反应提供能量；其中，第一温度区间的温度高于第二温度区间。
8.在其中的一个实施例中，还包括：合成气净化单元，适用于净化所述合成气；以及燃烧前co2捕集单元，适用于将合成气中的co反应得到co2，并对co2进行捕集，排出燃烧系统。
9.在其中的一个实施例中，还包括：燃气轮机，适用于使合成气中的氢气与空气混合燃烧，得到高温烟气并产生第一热量和第二热量，将产生的第一热量转换为电能输出系统；分流器，适用于使来自于燃气轮机的第二热量进行分流，使得将第二热量中的一部分传递至热解器，为煤燃料的热解反应提供热量，第二热量中的另一部分传递给余热锅炉；余热锅炉，适用于将来自于燃气轮机的高温烟气以及另一部分的第二热量进行回收显热；以及汽
轮机，利用来自于余热锅炉的水蒸气进行膨胀发电。
10.在其中的一个实施例中，还包括，空分单元，适用于对通入的氧气进行提纯处理；以及第二混合器，适用于使空气与提纯后的氧气进行混合，得到气化剂，并将气化剂通入至废热锅炉中。
11.在其中的一个实施例中，在废热锅炉和合成气净化单元中还设置有第一混合器。
12.在其中的一个实施例中，燃烧前co2捕集单元包括co2变换单元和co2捕集单元，co2变换单元适用于使合成气中的co氧化得到co2；co2捕集单元适用于捕集得到的co2，并排出燃烧系统。
13.作为本发明的另一个方面，提供了一种燃烧方法，采用如上所述的燃烧系统，该方法包括：
14.将煤燃料通入至热解器中，进行热解反应并吸收热量，得到半焦颗粒、焦油以及热解气；
15.将热解得到的焦油及热解气通入至热解产物净化及分离单元进行分离，将分离后的焦油以及热解得到的半焦颗粒分别输入至气化炉与经过废热锅炉预热的气化剂进行气化反应，制备得到合成气；以及
16.将来自于热解产物净化及分离单元的热解气输入至废热锅炉并与合成气中的水进行重整反应，得到重整气体。
17.在其中的一个实施例中，重整气体包括co、h2；合成气包括co、h2、h2o、co2。
18.在其中的一个实施例中，合成气在进入废热锅炉前的温度为1300-1500℃；通过废热锅炉出口的低温合成气和重整气体的混合气的温度为200-300℃。
19.基于本发明上述实施例的煤燃料的分级气化燃烧系统及燃烧方法，将煤气化的过程解耦为热解过程和气化过程，先利用一部分热量将煤燃料进行热解，得到半焦颗粒、焦油以及热解气，其中的半焦颗粒输入至气化炉进行气化，焦油和热解气在热解产物与分离单元中进行分离，再将焦油通入至气化炉中，利用气化炉出口合成气释放的热量来分别对气化剂进行预热，以及驱动热解气中的甲烷、乙烯和乙烷进行重整，使得热解气中甲烷、乙烷和乙烯中的碳和氢解耦，减小了煤燃料直接氧化的份额，降低了气化过程的不可逆损失。通过气化炉通过高温合成气的显热用于预热气化剂和驱动热解气重整，能够将热能梯级利用，并降低了气化炉内的换热温差。
附图说明
20.以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
21.图1示出了本发明一实施例中煤燃料分级气化燃烧系统的框图；以及
22.图2示出了本发明一实施例中煤燃料分级气化燃烧的方法流程图。
23.【附图标记说明】
24.1-热解器，2-空分单元，3-热解产物净化及分离单元，4-气化炉，5-废热锅炉，6-第一混合器，7-合成气净化单元，8-燃烧前co2捕集单元，9-燃气轮机，10-分流器，11-余热锅炉，12-汽轮机，13-第二混合器，s1-煤燃料，s2-半焦颗粒，s3-空气，s4-高温合成气，s5-合成气，s6、s7均为合成气的混合气，s8-二氧化碳，s9-氢气和水蒸气的混合气，s10、s11、s14、s15均为高温烟气，s12、s21均为水，s13-水蒸气，s16-焦油与热解气的混合物，s17-热解气，
s18-重整气体，s19-焦油、s20-氧气，s22-气化剂，s23-预热后的气化剂，p-电能输出。
具体实施方式
25.煤燃料的成分相对比较复杂，其内部含有较多容易断裂的化学键或者化学链。而伴随煤燃料的煤质不同，其中的化学键及化学链断裂的情况均不相同。传统的煤气化对不同的煤燃料并没有进行具体区分，而是直接输送至气化炉内进行气化反应，转化为一氧化碳和氢气。在实现本发明构思的过程中发现，通过将煤气化的过程解耦为热解过程和气化过程，能够减少煤直接燃烧的份额。
26.为此，本发明的实施例提供了一种煤燃料的分级气化燃烧系统及燃烧方法，能够利用气化炉内气化反应得到的热量来对气化剂进行预热并驱动热解气进行重整，使得热解气中甲烷、乙烷和乙烯中的碳和氢解耦，降低气化过程中的不可逆损失。
27.本文中，碳和氢解耦是指经过重整反应，将甲烷、乙烯或者乙烷这些含有碳和氢的化合物分解成一氧化碳和氢气的过程，具体是指将碳和氢两种元素在化合物中的连接断开，使他们成为单独的元素或者化合物的过程。
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
29.具体地，作为本发明的一个方面，提供了一种煤燃料分级气化燃烧系统，包括：热解器、热解产物净化及分离单元、气化炉、废热锅炉。热解器适用于使煤燃料进行热解反应并吸收热量，得到半焦颗粒、焦油以及热解气。热解产物净化及分离单元适用于使来自于热解器的焦油和热解气进行分离，得到分离后的焦油和分离后的热解气。气化炉适用于使来自于热解器的半焦颗粒、来自于热解产物净化及分离单元的焦油分别与经过废热锅炉预热的气化剂进行气化反应并放出热量，制备得到合成气。废热锅炉适用于使来自于热解产物净化及分离单元的热解气与合成气中的水进行重整反应，并得到重整气体。热解气包括甲烷、乙烷和乙烯。
30.图1示出了本发明一实施例中煤燃料分级气化燃烧系统的框图。
31.以下结合图1对本发明实施例中的一种煤燃料分级气化燃烧系统进行详细说明。
32.具体地，如图1所示，本发明的实施例提供的煤燃料分级气化燃烧系统，包括热解器1、热解产物净化及分离单元3、气化炉4和废热锅炉5。
33.热解器1由耐高温合金材料制备而成的封闭结构单元。具体而言，可根据需要设置加热炉、反应器和排放装置，其中加热炉可选择电加热、油气加热或者蒸气加热等方式，使热解器1内部保持相对较高的温度状态；反应器可以控制反应气体流动和温度变化；排放装置可以根据需要安装多条支路管道来分别排出产生的气体和固体颗粒。热解器1适用于通过对煤燃料进行较高温的加热分解，将煤燃料转化为固态的半焦颗粒、液态的焦油以及气态的热解气。根据需要可以将热解器1吸热侧固态产物的出口与气化炉4相连，半焦颗粒s2通过该固态产物出口的支路管道输送至气化炉4中，热解器1吸热侧液态和气态产物的出口与热解产物净化及分离单元3相连，焦油与热解气的混合物s16可以通过该出口的支路管道输送至热解产物净化及分离单元3中。
34.热解产物净化及分离单元3设置有进料口、密闭反应室、冷却器、净化装置、分离装置和出料口。其中进料口主要将热解反应得到的焦油和热解气的混合物送入至密闭的反应
室中进行处理；密闭反应室可设置为球形或者圆柱体式结构，用于保持反应温度及压力的恒定；冷却器，通过冷却介质，例如可以为水，将通过的反应产物快速地冷却降温；净化装置适用于从反应混合物中去除其中混合的杂质物，使反应产物更为洁净；分离装置，可根据需要设置有膜分离、萃取或者精馏的方式，用于将净化后的焦油和热解气的混合物s16进行分离操作；出料口将经过分离处理的焦油通过支路管道输送至气化炉4中，将经过分离的热解气通过另一个支路管道输送至废热锅炉5中。该热解产物净化及分离单元3主要用于将焦油与热解气的混合物s16进行分离并且分别进行输送。
35.气化炉4设置为固定床或者流化床式结构，其设备整体布局根据需要可设置为立式结构，包括燃料加入端、气体排放端和加热炉，根据需要可将燃料加入端、气体排放端和加热炉布置在同一平面，从而方便操作和维护。该气化炉4用于使来自于热解器1的半焦颗粒、来自于热解产物净化及分离单元3的焦油分别与预热后的气化剂s23进行气化反应并放出热量，从而制备得到高温合成气s4。
36.废热锅炉5可根据需要设置炉体、排烟道、余热回收器、空气预热器、除尘器和烟道。废热锅炉5属于换热器的一种，其主要用于传递热量。在本发明的实施方式中，废热锅炉内包括圆形和/或方形的管子和板片组成，由并列排列的平行管道构成，管道之间可根据需要通过焊接和/或螺栓紧固。传热时，通过气化炉出口流出的高温合成气s4被冷却，然后将热量传递给另一个管道内的热解气s17，用于使热解气s17与高温合成气s4中的水进行重整反应，得到重整气体s18。需要说明的是，这些不同的气体始终保持在不同的通道中，从而防止其混合。可根据需要设置调整流速的阀门和/或者自动调节器来控制热量的传递，从而实现控制温度来加热和冷却的目的。其中，热解气包括甲烷、乙烷和乙烯；气化剂s22为通入的氧气和水的混合物。
37.更具体地，煤燃料s1通过输送管道输入至热解炉1中，发生热解反应，得到了半焦颗粒s2、焦油及热解气的混合物s16，其中半焦颗粒s2通过管道连接输送至气化炉4中发生气化反应并放出热量，焦油及热解气的混合物s16通过另一管道输送至热解产物净化及分离单元3中，通过热解产物净化及分离单元3中的分离装置，使得焦油和热解气的混合物s16进行分离，经过分离处理的焦油通过支路管道输送至气化炉4中进行气化反应制备得到高温合成气s4并放出热量，经过分离的热解气通过另一个支路管道输送至废热锅炉5中。其中，焦油以及半焦颗粒s2在气化炉4中与预热后的气化剂s23发生气化反应制备高温合成气s4并放出的热量，用来为预热后的气化剂s23进行进入气化炉之前的预热以及驱动热解气的重整，其中利用高温合成气s4的显热热量进行气化剂的预热，节省了气化剂进入气化炉前的补燃设备，使得预热后的气化剂s23再通入至气化炉内，与半焦颗粒s2进行气化反应，减少了反应物的预热量；再利用高温合成气s4的显热驱动热解气s17的重整反应，以驱动其中的甲烷、乙烯和乙烷进行重整，使得热解气s17中的碳和氢解耦，减少了煤燃料直接氧化的份额，实现了化学能的梯级利用，降低了气化过程的不可逆损失。
38.在本发明的实施例中，废热锅炉5利用来自于气化炉4的高温合成气s4的第一温度区间的热量对气化反应所需的气化剂s22进行预热；以及废热锅炉5利用来自于气化炉4的高温合成气s4第二温度区间的热量对热解气s17的重整反应提供能量；第一温度区间的温度高于第二温度区间。通过对不同温度段的梯级利用，进一步实现了化学能的充分利用，并且进一步降低了气化炉内的换热温差。
39.在本发明的实施例中，在废热锅炉5和合成气净化单元7中还设置有第一混合器6，该第一混合器6的入口通过管道与废热锅炉5相连，使来自于废热锅炉5的合成气s5通入至第一混合器6中；该第一混合器6的另一入口通过管道与来自于废热锅炉5的重整反应装置相连，使得重整气体s18通过管道输入至该第一混合器6中与合成气s5进行充分混合，其中气化炉排出的高温合成气s4温度为1300-1500℃，在经过废热锅炉5进行换热降温后通过支路管道排出时得到的合成气s5的温度为210-250℃。需要说明的是，重整气体s18的成分包括氢气、一氧化碳，合成气s5的成分包括氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气，两者仅仅是氢气和一氧化碳成分的含量稍有不同，因此，在第一混合器6经过充分混合后，流出第一混合器6时形成的混合气统称为合成气的混合气s6。
40.在本发明的实施例中，该燃烧系统还包括：空分单元2，适用于对通入的氧气进行提纯处理；以及第二混合器13，适用于使空气与提纯后的氧气进行混合，得到气化剂s22，并将气化剂s22通入至废热锅炉5中。其中空分单元2具有双流程结构，包括集装箱式外壳和内部隔板，流程之间通过管道连接，流程内可根据需要由填料或膜组成。空分单元2主要用于将通入的空气s3进行分离提纯，使流出空分单元2的气体为氧气s20。通入的水s21进入第二混合器13与来自于空分单元2的氧气s20充分混合，并形成气化剂s22通过管道输送至废热锅炉5中进行预热。
41.在本发明的实施例中，该燃烧系统还包括：合成气净化单元7和燃烧前co2捕集单元8。其中，合成气净化单元7适用于净化合成气s5；以及燃烧前co2捕集单元8，适用于将合成气中的co反应得到co2，并对co2进行捕集，排出燃烧系统。
42.具体地，合成气净化单元7主要用于去除合成气s5中的杂质和灰分，从而保证合成气s5的纯度和质量，该合成气净化单元7设置有过滤器，例如可采用机械过滤去除合成气s5中的大颗粒杂质，再利用吸附塔中添加化学吸附剂吸附掉合成气s5中的灰分以及其他杂质气体。该合成气净化单元7还可根据需要增加除雾器，来去除吸附后的合成气中的液态水和油脂，避免给后续设备带来影响。燃烧前co2捕集单元8用于捕集合成气的混合气s7中的二氧化碳，减少其排放量，从而减少了温室气体的排放，有利于保护环境。
43.进一步地，燃烧前co2捕集单元8包括co2变换单元和co2捕集单元，co2变换单元适用于使合成气中的co氧化得到co2；co2捕集单元适用于捕集得到的二氧化碳s8，并排出燃烧系统。燃烧前co2捕集单元8还可设置有进气口和除压器。合成气的混合气s7通过进气口通入至燃烧前co2捕集单元8中，先经过co2变换单元将合成气的混合气s7中的co进行氧化并生成co2，从co2变换单元出口出来的气体仅包括水蒸气、co2和氢气，再经过co2捕集单元，利用其中的吸附剂层对二氧化碳s8进行捕集并保存，再利用除压器对吸附了二氧化碳的吸附剂层进行处理，将其中的二氧化碳s8释放并排出系统，例如可以利用捕气袋对排出系统的二氧化碳s8进行捕集，利用该捕集方法能够将燃烧系统中90％的co2捕集，实现了煤炭的清洁、高效、低碳利用，有利于环境保护。
44.在本发明的实施例中，该燃烧系统还包括：燃气轮机9、分流器10、余热锅炉11和汽轮机12。
45.燃气轮机9适用于使氢气和水蒸气的混合气s9中的氢气与通入的空气(图中未示出)混合燃烧，得到烟气并产生第一热量和第二热量，将产生的第一热量转换为电能输出系统。
46.分流器10适用于使来自于燃气轮机的第二热量进行分流，将第二热量中的一部分传递至热解器1，为煤燃料s1的热解反应提供热量，并将第二热量中的另一部分传递给余热锅炉11。
47.余热锅炉11适用于将来自于燃气轮机9的高温烟气s11以及另一部分的第二热量进行回收显热。
48.汽轮机12，利用来自于余热锅炉11的水蒸气s13进行膨胀发电。
49.具体地，继续如图1所示，燃气轮机9设置有第一出口和第二出口，氢气和水蒸气的混合气s9通过管道通入至燃气轮机9中，其中的氢气在燃气轮机中燃烧使通入的空气加热膨胀，驱动涡轮旋转，进而带动发电机工作。燃气轮机9根据需要设置有压气机、燃烧室和涡轮，其中压气机将通入的空气经过一系列的转子叶片压缩，然后进入到燃烧室中，在燃烧室中喷入氢气燃料，经过点火燃烧后产生第一热量和第二热量，其中的第一热量通过涡轮驱动机械设备进行电能输出p。
50.分流器10将来自于燃气轮机9的第二热量进行分流，将第二热量中的一部分通过密闭的输送管道输送至热解器1，为煤燃料的热解反应提供热量，并将第二热量中的另一部分通过管道传递给余热锅炉11。
51.余热锅炉11结构主要由炉体、排烟道、余热回收器、冷凝器组成。余热锅炉11将高温烟气s11中含有的热量通过余热回收器以及冷凝器等设备进行回收，再将热量传递给通入的水s12，使得水蒸气s13流出余热锅炉11时进行升温加热，进而为下一步发电作出充足准备。因此余热锅炉也是换热器的一种，相对于废热锅炉5，余热锅炉11的热量回收效率更高，能够较大幅度的降低能源消耗，同时也能够加强环保，保护环境。
52.进一步地，汽轮机12利用来自于余热锅炉11的水蒸气s13产生的能量来驱动发电机。汽轮机12的结构主要包括蒸汽轮机。蒸汽轮机是汽轮机的较为关键部件，其内部有一系列叶片，通过水蒸气s13冲击叶片，在涡轮中产生较为巨大的动力，从而驱动机械设备工作，最终带动发电机发电，实现电能输出p。
53.图2示出了本发明一实施例中煤燃料分级气化燃烧的方法流程图，如图2所示，煤燃料分级气化燃烧的方法包括s201-s203。
54.在操作s201，将煤燃料s1通入至热解器1中，进行热解反应并吸收热量，得到半焦颗粒s2、焦油以及热解气的混合物s16。
55.在操作s202，将热解得到的焦油及热解气的混合物s16通入至热解产物净化及分离单元3进行分离，将分离后的焦油s19以及热解得到的半焦颗粒s2分别输入至气化炉4与经过废热锅炉预热后的气化剂s23进行气化反应，制备得到高温合成气s4。
56.在操作s203，将来自于热解产物净化及分离单元3的热解气s17输入至废热锅炉5并与高温合成气s4中的水进行重整反应，得到重整气体s18。
57.在本发明的实施例中，重整气体包括co、h2；合成气包括co、h2、h2o、co2。
58.在本发明的实施例中，高温合成气s4在进入废热锅炉5前的温度为1300-1500℃；通过废热锅炉5出口的低温合成气s5和重整气体s18的混合气的温度为200-300℃。具体而言，半焦颗粒s2和焦油s19分别从不同入口进入至气化炉4后，分别进行气化反应放出热量，使得从气化炉4排出的高温合成气s4的温度为1300-1500℃，高温合成气s4通入至废热锅炉5进行放热，将热量传递给废热锅炉5另一入口通入的气化剂s22，将气化剂s22的温度升高
至800-1000℃之间，预热后的气化剂s23通入至气化炉4中；来自于热解产物净化及分离单元3的热解气s17，包括甲烷、乙烯和乙烷，经过废热锅炉5换热后温度升温至700-900℃，通过废热锅炉5的设置，将合成气4的显热放热应用于气化剂s22和热解气s17的预热补燃，进一步实现了化学能的梯级利用，降低了气化炉内的换热温差。
59.需要说明的是，本发明的实施例提出的一种煤燃料的分级气化燃烧系统及燃烧方法，能够将煤气化过程解耦为热解过程和气化过程，采用燃气轮机9的部分排烟为煤燃料的热解过程供热，将高温合成气s4第一温度区间的热量用于预热气化炉4所需的气化剂s22，高温合成气s4第二温度区间的热量用于驱动热解气s17重整，第一温度区间的热量和第二温度区间的热量均为温度高于900℃的热量，剩余低于900℃的热量用于在燃烧系统中传递，最终产生蒸汽驱动汽轮机做功。这样通过对煤燃料燃烧气化得到的热量进行分级利用，可以减小煤直接燃烧的份额，并降低氧气的需求量及空分能耗。与此同时采用燃烧前co2捕集方法能够将系统中90％的co2捕集，最终实现了煤炭的清洁、高效、低碳利用。
60.下面结合一具体实施例对本发明实施例中的煤燃料的分级气化燃烧系统及燃烧方法进行进一步的描述，需要理解的是，该具体实施例仅是为了便于本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，而不应当作为对本发明保护范围的不恰当限定。
61.实施例一
62.继续如图1～图2所示，向本发明实施例使用的煤燃料的分级气化燃烧系统中通入煤燃料s1的流量为62727.34kg/h、压力为1.01bar、温度为25℃，该煤燃料s1在热解器1中进行热解反应，得到半焦颗粒s2以及焦油与热解气的混合物s16。得到的半焦颗粒s2的流量为41553.54kg/h、压力为1.01bar、温度为600℃，得到的焦油与热解气的混合物s16的流量为20821.80kg/h、压力为1.067bar、温度为600℃，将焦油与热解气的混合物s16通入至热解产物净化及分离单元3进行分离及净化处理后，得到的热解气s17的流量为10235.15kg/h、压力为1.067bar、温度为76.40℃，得到的焦油s19的流量为8843.33kg/h、压力为1.067bar、温度为76.40℃，焦油s19和半焦颗粒s2分别在气化炉4中与气化剂s23进行气化反应，得到的高温合成气s4的流量为158862.82kg/h、压力为34.00bar、温度为1400℃，该高温合成气s4中包括摩尔分数分别为0.09的co2、0.27的co、0.25的h2、0.28的h2o，还包括摩尔分数为0.11的n2。
63.通入的水s21的流量为54434.57kg/h、压力为34.00bar、温度为25.00℃，通入的空气s3的流量为144910.24kg/h、压力为1.01bar、温度为25.00℃，空气s3流经空分单元2进行提纯得到氧气s20的流量为35277.70kg/h、压力为34.00bar、温度为300.55℃，其中得到的氧气的占比在95％以上。氧气s20与水s21在第二混合器13进行混合，得到气化剂s22的流量为89712.27kg/h、压力为34.00bar、温度为58.20℃，经过废热锅炉5与高温合成气s4进行换热后，得到的气化剂s23的流量和压力不变，温度从58.2℃升温至900.01℃，再将气化剂s23通入至气化炉4内与半焦颗粒s2、焦油s19进行气化反应。
64.经过热解产物净化及分离单元3分离的热解气s17通入至废热锅炉5内进行重整反应，高温合成气s4放出的热量提供给重整反应，使得从废热锅炉5出来的重整气体s18的流量为10235.15kg/h、压力为1.067bar、温度为850℃，进一步与废热锅炉5流出的合成气s5在第一混合器6中进行混合，合成气s5的流量为158862.82kg/h、压力为32.86bar、温度为216.01℃，混合以后形成合成气的混合气s6和经过合成气净化单元7处理后的合成气的混
合气s7的流量和和压力没有变化，分别为164610.27kg/h和32.58bar，温度由s6的210.05℃降温至s7的199.42℃，再经过燃烧前co2捕集单元对co2进行捕集，得到的二氧化碳s8的温度为39.37℃、压力为100.00bar、流量为121435.44kg/h。分离后的氢气和水蒸气的混合气s9的流量为60837.34kg/h、压力为30.00bar、温度为169.55℃，经过燃气轮机9进行使得其中的氢气与通入的空气混合燃烧放热，从燃气轮机9出来的高温烟气s10的流量为889224.32kg/h、压力为1.067bar、温度为650℃，经过分流器10将高温烟气s10分流成s11和s14，其中高温烟气s11的流量为806834.64kg/h、压力为1.067bar、温度为650℃，高温烟气s14的流量为82389.69kg/h、压力为1.067bar、温度为650℃，该高温烟气s14用于为热解器1提供煤燃料s1热解的热量，通入的水s12的温度为25℃，经过高温烟气s11在余热锅炉11的升温后，出来时的水s13的温度为566℃，流入至汽轮机12进行膨胀发电。
65.对本发明实施例1的一种煤燃料分级气化燃烧系统进行模拟计算，与常规煤气化燃烧前co2捕集发电系统进行对比，系统各参数见表1。
66.表1两种煤气化发电系统的能量平衡表
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从表1中可以看到，在输入能量均为397.78mw，且碳捕集率均为90％的条件下，煤燃料分级气化燃烧系统的净电输出为160.13mw，相比于常规煤气化燃烧前co2捕集发电系统的净电输出(149.50mw)提高了7.11％。一方面是由于煤燃料分级气化燃烧系统中燃气轮机输出的电远高于常规煤气化燃烧前co2捕集发电系统。另一方面煤燃料分级气化燃烧系统空分装置及氧气压缩机的能耗相比于常规煤气化燃烧前co2捕集发电系统降低。本发明
的实施例中的煤燃料分级气化燃烧系统通过化学回热的方法将部分燃机排烟余热及合成气显热替代了气化过程中煤直接燃烧放热。最终发电系统的净发电效率达到40.26％，相比于常规煤气化燃烧前co2捕集发电系统(37.58％)提高了2.68％。与此同时度电co2排放为84.64g/kwh，相比与常规煤气化燃烧前co2捕集发电系统(90.65g/kwh)降低了6.63％。
[0069]
本发明的实施例提供的这种煤燃料分级气化燃烧系统及燃烧方法，系统主要包括：热解器1、空分单元2、热解产物净化及分离单元3、气化炉4、废热锅炉5、第一混合器6、合成气净化单元7、燃烧前co2捕集单元8、燃气轮机9、分流器10、余热锅炉11、汽轮机12。该燃烧系统将煤气化过程解耦为热解过程和气化过程，采用燃气轮机9排烟余热为煤炭热解过程提供热量，获得一部分热解气s16，其余的产物半焦颗粒s2和焦油s19送入到气化炉4进行气化，减小了煤燃料s1直接燃烧的份额，降低了气化过程的不可逆损失。此外，气化炉4出口的高温合成气s4的显热分别用于预热气化剂s22、驱动热解气s17重整，将热能梯级利用的同时降低了气化炉4内的换热温差，并将热解气s17中ch4、c2h4、c2h6中的碳和氢完全解耦。此外，采用燃烧前co2捕集单元8将系统中90％的co2捕集，实现了煤燃料s1的清洁、高效、低碳利用。
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以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种煤燃料的分级气化燃烧系统，包括：热解器，适用于使煤燃料进行热解反应并吸收热量，得到半焦颗粒、焦油以及热解气；热解产物净化及分离单元，适用于使来自于热解器的焦油和热解气进行分离，得到分离后的焦油和分离后的热解气；气化炉，适用于使来自于热解器的半焦颗粒、来自于热解产物净化及分离单元的焦油分别与经过废热锅炉预热的气化剂进行气化反应并放出热量，制备得到合成气；以及废热锅炉，适用于使来自于热解产物净化及分离单元的热解气与所述合成气中的水进行重整反应，并得到重整气体；其中，所述热解气包括甲烷、乙烷和乙烯。2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述废热锅炉利用来自于气化炉的合成气第一温度区间的热量对气化反应所需的气化剂进行预热；以及所述废热锅炉利用来自于气化炉的合成气第二温度区间的热量对热解气的重整反应提供能量；其中，所述第一温度区间的温度高于所述第二温度区间。3.根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括：合成气净化单元，适用于净化所述合成气；以及燃烧前co2捕集单元，适用于将所述合成气中的co反应得到co2，并对co2进行捕集，排出所述燃烧系统。4.根据权利要求3所述的燃烧系统，还包括：燃气轮机，适用于使所述合成气中的氢气与通入的空气混合燃烧，得到高温烟气并产生第一热量和第二热量，将产生的第一热量转换为电能输出系统；分流器，适用于使来自于燃气轮机的第二热量进行分流，使得将第二热量中的一部分传递至热解器，为煤燃料的热解反应提供热量，第二热量中的另一部分传递给余热锅炉；余热锅炉，适用于将来自于燃气轮机的高温烟气以及另一部分的第二热量进行回收显热；以及汽轮机，利用来自于余热锅炉的水蒸气进行膨胀发电。5.根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括，空分单元，适用于对通入的氧气进行提纯处理；以及第二混合器，适用于使空气与提纯后的氧气进行混合，得到所述气化剂，并将所述气化剂通入至废热锅炉中。6.根据权利要求3所述的燃烧系统，其中，在所述废热锅炉和所述合成气净化单元中还设置有第一混合器。7.根据权利要求3所述的燃烧系统，其中，所述燃烧前co2捕集单元包括co2变换单元和co2捕集单元，所述co2变换单元适用于使所述合成气中的co氧化得到co2；所述co2捕集单元适用于捕集得到的co2，并排出所述燃烧系统。8.一种燃烧的方法，采用如权利要求1-7中任一项所述的燃烧系统，所述方法包括：将煤燃料通入至热解器中，进行热解反应并吸收热量，得到半焦颗粒、焦油以及热解
气；将热解得到的焦油及热解气通入至热解产物净化及分离单元进行分离，将分离后的焦油以及热解得到的半焦颗粒分别输入至气化炉与经过废热锅炉预热的气化剂进行气化反应，制备得到合成气；以及将来自于热解产物净化及分离单元的热解气输入至废热锅炉并与所述合成气中的水进行重整反应，得到重整气体。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述重整气体包括co、h2；所述合成气包括co、h2、h2o、co2。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述合成气在进入废热锅炉前的温度为1300-1500℃；通过废热锅炉出口的低温合成气和重整气体的混合气的温度为200-300℃。

技术总结
本发明提供了一种煤燃料的分级气化燃烧系统及燃烧方法，包括：热解器，适用于使煤燃料进行热解反应并吸收热量，得到半焦颗粒、焦油以及热解气；热解产物净化及分离单元，适用于使来自于热解器的焦油和热解气进行分离，得到分离后的焦油和分离后的热解气；气化炉，适用于使来自于热解器的半焦颗粒、来自于热解产物净化及分离单元的焦油分别与经过废热锅炉预热的气化剂进行气化反应并放出热量，制备得到合成气；以及废热锅炉，适用于使来自于热解产物净化及分离单元的热解气与合成气中的水进行重整反应并得到重整气体；其中，热解气包括甲烷、乙烷和乙烯。本发明利用了高温合成气的显热来预热气化剂和驱动热解气重整，实现了热能的梯级利用。能的梯级利用。能的梯级利用。


技术研发人员：韩巍 金红光 李济超
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/8/28