一种煤气化余能分级利用装置及分级利用方法与流程

本发明属于能源化工，具体涉及一种煤气化余能分级利用装置及分级利用方法。

背景技术：

1、煤气化技术是现代煤化工产业的龙头，按合成气冷却方式进行划分，煤气化技术可以分为激冷流程和废锅流程两种，其中的激冷流程技术成熟、装置投资低、运行操作简单，是目前国内外应用业绩最多的煤气化技术。原料煤与氧气在气化炉反应室中进行燃烧和部分氧化反应，生成高温、高压的粗合成气及液态熔渣，粗合成气及熔渣从反应室出来后进入激冷室，利用大量激冷水将粗合成气从1300℃～1400℃的高温快速冷却至240℃～260℃，得到高汽气比的粗合成气及吸收大量显热的激冷黑水。出激冷室的粗合成气与激冷黑水携带着大量余热，由于余热能量品阶较低，且粗合成气容易带水、带灰，激冷黑水ph值变化波动大，固体含量较高，且含有可溶性气体及ca2+、mg2+、cl-、s2-等有害元素，导致气化装置余热回收利用困难，气化系统能量浪费较大，能源利用率不足70％、能源利用不合理等问题。此外，出激冷室的黑水压力较高，蕴含压力能，目前主要采用减压阀的方式进行降压处理，但由于黑水中含有较多的固形物，不仅减压阀冲刷严重，还浪费了宝贵的余压能。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种煤气化余能分级利用装置。该装置通过设置余压能回收利用单元、螺旋余热回收利用单元、正压闪蒸余热发电单元、负压闪蒸余热发电单元，分别将煤气化产物高温粗合成气及高压黑水携带的余压能及余热能转化为热能及电能，实现了对余热能和余压能的成分利用，同时利用余热发电组代替换热器回收余热能，利用余压能回收器代替减压阀回收余压能，有效降低整个气化装置电力增容成本及装置换热循环水用量，解决了传统气化黑水系统中减压阀磨损严重、循环水冷却水消耗量大及装置能量利用效率低等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种煤气化余能分级利用装置，其特征在于，包括余压能回收利用单元、螺旋余热回收利用单元、正压闪蒸余热发电单元、负压闪蒸余热发电单元、气化灰水循环利用单元及有机介质发电单元；

3、所述余压能回收利用单元包括依次连接的气化黑水浓缩器、黑水过滤器、余压能回收器、余压发电机组，所述气化黑水浓缩器的入口分别与气化炉和水洗除尘塔连接，顶部出口与黑水过滤器的入口连接，底部出口与正压闪蒸余热发电单元连接，所述黑水过滤器的出口与余压能回收器的入口连接，所述余压能回收器的出口分别与增压泵、余压发电机组、螺旋余热回收利用单元连接；

4、所述螺旋余热回收利用单元包括并联的一级螺旋热能回收器和二级螺旋热能回收器，所述一级螺旋热能回收器的入口与气化炉连接，出口与水洗除尘塔连接，所述二级螺旋热能回收器的入口与余压能回收器连接，出口与正压闪蒸余热发电单元连接；

5、所述正压闪蒸余热发电单元包括正压闪蒸器，所述正压闪蒸器的入口与气化黑水浓缩器、二级螺旋热能回收器连接，出口分别与介质加热器、一级余热发电机组、负压闪蒸器连接，所述介质加热器的出口、一级余热发电机组的出口与闪蒸汽气液分离器连接；

6、所述负压闪蒸余热发电单元包括依次连接的负压闪蒸器、二级余热发电机组、气水分离器、凝液泵，所述负压闪蒸器的入口与正压闪蒸器连接，闪蒸汽出口与二级余热发电机组连接，黑水出口与浓缩器进料泵连接，所述气水分离器的入口与二级余热发电机组的出口连接，不凝气出口与负压发生器连接，冷凝液出口与凝液泵连接；

7、所述气化灰水循环利用单元包括依次连接的闪蒸黑水浓缩器、过滤机、灰水槽和灰水泵，以及热回收器，所述闪蒸黑水浓缩器的黑水入口与浓缩器进料泵连接，清液出口与灰水槽的入口连接，浓缩黑水出口与过滤机连接，所述过滤机的出口与灰水槽的入口连接，所述灰水槽的出水口与灰水泵连接，所述热回收器的入口分别与正压闪蒸余热发电单元的正压闪蒸器的出口、闪蒸汽气液分离器的出水口、凝液泵的出水口连接，放空气出口与三级介质加热器连接，循环水出口与热回收器底流泵连接；

8、所述有机介质发电单元包括依次连接的介质混合器、有机介质发电机组、介质冷却器、介质收集槽、介质循环泵，所述介质混合器的进料口与正压闪蒸余热发电单元的介质加热器的出口、三级介质加热器的出口连接，出口与有机介质发电机组连接，所述介质冷却器的进料口与有机介质发电机组连接，出口与介质收集槽连接，所述介质循环泵的进料口与介质收集槽连接，出口分别与正压闪蒸余热发电单元的介质加热器、三级介质加热器连接。

9、上述的一种煤气化余能分级利用装置，其特征在于，所述气化黑水浓缩器内设置有耐磨层。

10、上述的一种煤气化余能分级利用装置，其特征在于，所述一级螺旋热能回收器的底部出口与气化炉的下部激冷室连接。

11、上述的一种煤气化余能分级利用装置，其特征在于，所述正压闪蒸余热发电单元为一级正压闪蒸单元，包括一级正压闪蒸器，所述一级正压闪蒸器入口与气化黑水浓缩器、二级螺旋热能回收器连接，闪蒸汽出口分别与一级介质加热器、一级余热发电机组连接，黑水出口与负压闪蒸器连接，所述一级介质加热器的出口、一级余热发电机组的出口均与闪蒸汽气液分离器连接；对应地，所述气化灰水循环利用单元中热回收器的入口与一级正压闪蒸器的下段闪蒸汽出口连接，所述有机介质发电单元中介质混合器的进料口与一级介质加热器的出口连接，介质循环泵的出口与一级介质加热器的入口连接；

12、或者所述正压闪蒸余热发电单元为二级正压闪蒸单元，包括依次连接的一级正压闪蒸器和二级正压闪蒸器，所述一级正压闪蒸器的入口与气化黑水浓缩器、二级螺旋热能回收器连接，闪蒸汽出口分别与一级介质加热器、一级余热发电机组连接，黑水出口与二级正压闪蒸器连接，所述一级介质加热器的出口、一级余热发电机组的出口均与闪蒸汽气液分离器连接，所述二级正压闪蒸器的出口分别与二级介质加热器、负压闪蒸器连接；对应地，所述气化灰水循环利用单元中热回收器的入口与一级正压闪蒸器的下段闪蒸汽出口、二级介质加热器的闪蒸汽出口连接，所述有机介质发电单元中介质混合器的进料口与一级介质加热器的出口、二级介质加热器的出口连接，介质循环泵的出口与一级介质加热器的入口、二级介质加热器的入口连接。

13、上述的一种煤气化余能分级利用装置，其特征在于，所述一级正压闪蒸器采用上下两段闪蒸结构，且上段闪蒸汽出口与一级介质加热器连接，下段闪蒸汽出口与一级余热发电机组、热回收器连接。

14、上述的一种煤气化余能分级利用装置，其特征在于，所述负压发生器为水环真空泵或干式螺杆真空泵。

15、上述的一种煤气化余能分级利用装置，其特征在于，所述一级余热发电机组、二级余热发电机组和有机介质发电机组选用螺杆膨胀机结合发电机组成，或者选用透平结合发电机组成。

16、同时，本发明还公开一种如上述的装置进行煤气化余能分级利用的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

17、步骤一、余压能回收利用：将来自于气化炉和水洗除尘塔的高压黑水送入气化黑水浓缩器中进行固液分离，分离后的浓缩黑水从气化黑水浓缩器的底部排出并送往正压闪蒸器中，而含固量较低的高压气化灰水从气化黑水浓缩器的顶部溢出后经黑水过滤器过滤除杂，再送入余压能回收器中，同时气化灰水循环利用单元返回的低压的循环灰水也进入余压能回收器中，在余压能回收器中除杂后的高压气化灰水完成对低压的循环灰水提压后送往二级螺旋热能回收器中，而提压后的循环灰水或者经增压泵加压后作为高压灰水送出直接使用，或者送往余压发电机组完成发电后作为低压灰水送出使用；

18、步骤二、螺旋余热回收利用：将来自于气化炉的由气化原料制备的高温粗合成气送入一级螺旋热能回收器中，与送入一级螺旋热能回收器中的锅炉给水进行逆流换热并副产低压蒸汽，将副产低压蒸汽送去管网使用，高温粗合成气中夹带的激冷水和细灰在逆流换热过程中完成气液分离并返回气化炉的激冷室中，降低激冷室液位波动及后续变换系统带灰，将完成逆流换热及气液分离的高温粗合成气送往水洗除尘塔中进行水洗除尘，然后送往后续变换系统；

19、将步骤一中完成提压后的高压气化灰水送入二级螺旋热能回收器中，与送入二级螺旋热能回收器中的锅炉给水进行逆流换热并副产低压蒸汽，将副产低压蒸汽送往管网使用，将完成逆流换热的高压气化灰水送往正压闪蒸器中；

20、步骤三、正压闪蒸余热发电：将步骤一中从气化黑水浓缩器的底部排出并送入正压闪蒸器中的浓缩黑水以及步骤二中完成逆流换热并送往正压闪蒸器中的高压气化灰进行闪蒸，得到闪蒸汽和正压闪蒸浓缩黑水，将部分闪蒸汽送入介质加热器中加热循环介质后送往闪蒸汽气液分离器中进行气液分离，得到冷凝液和不凝气，将部分一级下段闪蒸汽送入一级余热发电机组中进行发电，并将产生的电送往电网，将完成发电的闪蒸汽进入闪蒸汽气液分离器中进行气液分离，得到冷凝液和不凝气，将闪蒸汽气液分离器中的不凝气送出处理，将冷凝液送入热回收器中，将剩余一级下段闪蒸汽送入热回收器中，将正压闪蒸浓缩黑水送往负压闪蒸器中；

21、步骤四、负压闪蒸余热发电：步骤三中在正压闪蒸器中生成的正压闪蒸浓缩黑水送往负压闪蒸器后，在负压发生器提供的负压条件下进行闪蒸汽化，得到闪蒸汽和负压闪蒸浓缩黑水，将闪蒸汽送往二级余热发电机组中进行发电，并将产生的电送往电网，完成发电的闪蒸汽进入气水分离器中进行气液分离，得到不凝气和冷凝液，将不凝气经负压发生器排空，将冷凝液在凝液泵作用下送往热回收器中，将负压闪蒸浓缩黑水经浓缩器进料泵加压后送入闪蒸黑水浓缩器中；

22、步骤五、气化灰水循环利用：将步骤四中经浓缩器进料泵加压后送入闪蒸黑水浓缩器中的负压闪蒸浓缩黑水进行液固分离，得到干净的灰水和底部浓缩黑水，将干净的灰水从闪蒸黑水浓缩器的顶部送往灰水槽中，并经灰水泵送出进行循环使用，将底部浓缩黑水送入过滤机中再次进行液固分离，得到脱水后的细渣和滤液，将细渣送往渣场，将滤液送往灰水槽中作为补充水循环使用；

23、同时，步骤三中闪蒸汽气液分离器中气液分离得到的冷凝液、送入热回收器中的剩余一级下段闪蒸汽与步骤四中经凝液泵送入的冷凝水一并进入热回收器中，得到放空气和脱气后的灰水，将放空气从热回收器顶部排出，再进入三级介质加热器中加热循环介质后排空，将脱气后的灰水从热回收器底部排出后，在热回收器底流泵作用下循环使用；

24、步骤六、有机介质发电：将步骤三中介质加热器中经加热后的循环介质、步骤五中三级介质加热器中经加热后的循环介质送入介质混合器中充分混合，然后送入有机介质发电机组中进行发电，将产生的电送往电网，将完成发电的循环介质送入介质冷却器中冷却，再送往介质收集槽中，并通过介质循环泵再次送往正压闪蒸余热发电单元的介质加热器和三级介质加热器中循环使用。

25、上述的方法，其特征在于，步骤三中采用包括一级正压闪蒸器的一级正压闪蒸单元进行正压闪蒸余热发电，且一级正压闪蒸器具有上下两段闪蒸结构：将步骤一中从气化黑水浓缩器的底部排出并送入一级正压闪蒸器中的浓缩黑水以及步骤二中完成逆流换热并送往一级正压闪蒸器中的高压气化灰水进行闪蒸，得到一级上段闪蒸汽、一级下段闪蒸汽和一级正压闪蒸浓缩黑水，将一级上段闪蒸汽送入一级介质加热器中加热循环介质后送往闪蒸汽气液分离器中进行气液分离，得到冷凝液和不凝气，将部分闪蒸汽送入一级余热发电机组中进行发电，并将产生的电送往电网，将完成发电的闪蒸汽进入闪蒸汽气液分离器中进行气液分离，得到冷凝液和不凝气，将闪蒸汽气液分离器中的不凝气送出处理，将冷凝液送入热回收器中，将剩余闪蒸汽送入热回收器中，将正压闪蒸浓缩黑水送往负压闪蒸器中；对应地，步骤五中所述气化灰水循环利用过程中，步骤三中闪蒸汽气液分离器中气液分离得到的冷凝液、剩余闪蒸汽与步骤四中经凝液泵送入的冷凝水一并进入热回收器中；步骤六中所述有机介质发电过程中，将步骤三中一级介质加热器中经加热后的循环介质、步骤五中三级介质加热器中经加热后的循环介质送入介质混合器中充分混合，且经发电、冷却送往介质收集槽中，并通过介质循环泵再次送往一级介质加热器和三级介质加热器中循环使用。

26、或者步骤三中采用包括一级正压闪蒸器和二级正压闪蒸器的二级正压闪蒸单元进行正压闪蒸余热发电，且一级正压闪蒸器具有上下两段闪蒸结构：将步骤一中从气化黑水浓缩器的底部排出并送入一级正压闪蒸器中的浓缩黑水以及步骤二中完成逆流换热并送往一级正压闪蒸器中的高压气化灰进行闪蒸，得到一级上段闪蒸汽、一级下段闪蒸汽和一级正压闪蒸浓缩黑水，将一级上段闪蒸汽送入一级介质加热器中加热循环介质后送往闪蒸汽气液分离器中进行气液分离，得到冷凝液和不凝气，将部分一级下段闪蒸汽送入一级余热发电机组中进行发电，并将产生的电送往电网，完成发电的闪蒸汽进入闪蒸汽气液分离器中进行气液分离，得到冷凝液和不凝气，将闪蒸汽气液分离器中的不凝气送出处理，将冷凝液送入热回收器中，将剩余一级下段闪蒸汽送入热回收器中，将一级正压闪蒸浓缩黑水送往二级正压闪蒸器中继续闪蒸得到二级闪蒸汽和二级正压闪蒸浓缩黑水，将二级闪蒸汽送入二级介质加热器中加热循环介质后送往热回收器中，将二级正压闪蒸浓缩黑水送往负压闪蒸器中；对应地，步骤五中所述气化灰水循环利用过程中，步骤三中闪蒸汽气液分离器中气液分离得到的冷凝液、剩余一级下段闪蒸汽、在二级介质加热器中加热循环介质后送入的二级闪蒸汽，与步骤四中经凝液泵送入的冷凝水一并进入热回收器中进行脱气换热；步骤六中所述有机介质发电过程中，将步骤三中一级介质加热器中经加热后的循环介质、二级介质加热器中经加热后的循环介质、步骤五中三级介质加热器中经加热后的循环介质送入介质混合器中充分混合，且经发电、冷却送往介质收集槽中，并通过介质循环泵再次送往一级介质加热器、二级介质加热器和三级介质加热器中循环使用。

27、上述的方法，其特征在于，步骤三中所述负压条件为4kpa～38.6kpa。

28、本发明与现有技术相比具有以下优点：

29、1、本发明的装置中通过设置余压能回收利用单元、螺旋余热回收利用单元、正压闪蒸余热发电单元、负压闪蒸余热发电单元，分别将煤气化产物高温粗合成气及高压黑水携带的余热能及余压能转化为热能及电能，并生产蒸汽，同时设置气化灰水循环利用单元、有机介质发电单元，对副产物气化灰水和有机介质进行回收循环利用，同时转化生成电能，从而将煤气化装置产生的余热能及余压能分级转化为热能及电能，完成对高温、高压流体的降温、降压处理的同时，实现了对煤气化余压能和余热能的充分利用。

30、2、本发明的装置中通过设置余压能回收利用单元、螺旋余热回收利用单元，对品阶较高的余热能如高温粗合成气及高压气化灰水携带的余热能进行回收，并副产高价值低压蒸汽，通过设置正压闪蒸余热发电单元、负压闪蒸余热发电单元，对品阶中等的余热能如正压闪蒸和负压闪蒸得到的闪蒸汽携带的余热能通过各级余热发电组进行发电，实现电能转化，通过设置有机介质发电单元，对品阶较低的余热能如闪蒸汽和放空气携带的余热能通过循环介质回收，并利用循环介质发电，实现对余热能的分级利用，最大限度地回收了前步煤气化装置的余热能，对煤气化装置能量利用效率提升3％以上。

31、3、本发明的装置中通过正压闪蒸余热发电单元和负压闪蒸余热发电单元中设置两级余热发电机组，代替传统的换热设备回收气闪蒸汽的余热，大大减少了循环冷却水的消耗，降低了装置运行费用，且两级余热发电机组产生的电力额外增加了经济效率。

32、4、本发明的装置中通过设置余压能回收利用单元，利用余压能回收器代替了传统的减压阀，有效回收了高压黑水的余能，提高了装置的能量使用效率，解决了传统气化黑水系统中减压阀磨损严重、循环水冷却水消耗量大及装置能量利用效率低等问题。

33、5、本发明的装置中通过在气化炉激冷室出口处连接一级螺旋热能回收器，不仅回收了出气化炉高温粗合成气携带显热，同时粗合成气在一级螺旋热能回收器中将夹带的液态水和细灰进行分离，夹带的水和灰返回激冷室中，减少了粗合成气往后系统带灰，降低粗合成气带液对激冷室液位波动的影响。

34、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。