一种固体热载体煤气化电力蓄能系统和方法与流程

本发明涉及电网电能的综合利用，具体涉及一种固体热载体煤气化电力蓄能系统和方法。

背景技术：

目前，火力发电是我国的主要发电方式，且在未来一段时间内不会发生变化。但近年来，随着我国人民生活水平的提高和产业结构的调整，全社会的用电结构发生了很大的变化，导致各大电网的峰谷差日趋增大。而电网自身的调节能力较弱，因此在发电机组装机容量难以满足电网负荷的用电高峰时，不得不采取拉闸限电的方式来保证发电机组的稳定运行，而在用电低谷时，则需要关停许多发电机组。对于火力发电而言，发电机组的频繁启停不仅会使能耗增加，同时也会缩短发电机组的使用寿命，使电力设备的发电效率下降，使经济效益降低。2014年我国30万千瓦以上的火电设备年平均利用率仅为45%，这对能源危机日益严重的今天是一种极大的能源浪费和资源损失。因此，采取合适的电网调峰技术对于目前日趋严重的调峰问题具有重要的意义。

根据调峰方式的不同，目前调峰技术可分为机组操作调峰和蓄能调峰两种。

机组操作调峰技术主要有少汽无功运行、低负荷运行和两班制运行。其中少汽无功运行在用电低谷时将机组的负荷减少至零，使机组处于额定转速旋转的无功状态；低负荷运行通过改变机组的负荷来满足电网的调峰需求；两班制运行根据电网的日负荷曲线分配规律，白天发电机组正常运行，夜间在用电低谷时则停机6～8h。这三种机组操作调峰技术虽因操作简单、技术可靠和调峰效果显著而广泛用于目前的各大型火电机组中，但都存在各自的缺陷。少汽无功和低负荷运行方式的运行能耗高、能源浪费严重。两班制运行方式对设备的操作参数的要求极为严格，安全性较低。

蓄能调峰通过将用电低谷时的多余电能转化成其他形式的能量进行储存或直接利用，在用电高峰时又将储存的能量转化成电能供用户使用，使用电低谷时的多余电能，转变为用电高峰时的高价值电能，从而达到调峰填谷的目的。根据蓄能方式的不同，蓄能调峰技术可分为机械能蓄能、热能蓄能、电化学蓄能和化学能蓄能。

机械能蓄能将用电低谷时的多余电能转化成机械能进行储存，在用电高峰时将机械能转化成电能，主要包括抽水蓄能和压缩空气蓄能。其中抽水蓄能利用用电低谷时的多余电能驱动水泵抽水至蓄水池中，而在用电高峰时通过蓄水池放水驱动水轮机发电。该蓄能技术具有系统可靠、蓄能容量大和使用寿命长等优点，但因受季节和地域的限制较大，无法大规模推广。压缩空气蓄能利用用电低谷时的多余电能对空气进行压缩，然后在用电高峰时释放压缩空气驱动汽轮机发电。该技术的运行费用低，但具有能源转化率较低，灵活性和经济性较差等缺点。

热能蓄能将用电低谷时的多余电能转化成热能进行储存或直接利用，在用电高峰时再将热能转化为电能，主要包括热水蓄热锅炉、燃气热电联产和蓄能空调技术。热能蓄能具有技术成熟、经济环保等优点，但受季节和地域限制较大，因此无法大规模使用。

电化学蓄能利用蓄电池或燃料电池将用电低谷时的多余电能储存起来，在用电高峰时再将电能释放，该蓄能方式的能源转化率高，但储存容量和发电功率是其大规模使用和发展的限制因素。

化学能蓄能利用用电低谷时的多余电能进行化学产品的制备。与其他蓄能方式相比，化学能蓄能可最大程度上提高电网设备的利用率，减少峰谷差，保证高效的能源转化率。在目前化学能蓄能技术中，电解水制氢技术具有环保，无污染的优点，可得到高附加值的氢气，但该技术投资成本高，经济性差；电解铝技术对环境污染严重，而且在铝产能过剩的今天，通过电解铝技术进行电网调峰不具有优势。

因此，需要一种既不受季节和地域限制，又能产生较好的经济效益的高效、安全、环保的电力蓄能调峰技术。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种固体热载体煤气化电力蓄能系统和方法，所述系统和方法将电加热技术与固体热载体煤气化技术相耦合，利用用电低谷时的多余电能，加热流化床粉煤气化炉内的金属热载体，为煤气化过程提供足够的热量，实现由电能到化学能的高效转化。本发明采用的技术方案为：

一种固体热载体煤气化电力蓄能系统，包括供电装置、流化床粉煤气化炉、旋风除尘器、排灰分选器和细灰收集室，所述供电装置连接所述流化床粉煤气化炉，所述流化床粉煤气化炉包括炉体，所述炉体内部装有金属热载体，外部设有电热元件；所述炉体设有煤粉入口、石灰石入口、气化剂入口、返料口和气体出口；所述气体出口连接所述旋风除尘器，所述旋风除尘器的下料口连接所述排灰分选器的入料口，所述排灰分选器的粗灰出口与所述返料口连接，所述排灰分选器的细灰出口与所述细灰收集室连接；所述排灰分选器设有布风板，用于筛选出细灰颗粒；所述供电装置分别与所述电热元件和电网连接。

进一步地，所述系统还包括烟气换热器、余热锅炉和除尘器，所述烟气换热器分别连接所述旋风除尘器和所述余热锅炉，所述余热锅炉连接所述除尘器。

进一步地，所述细灰收集室内设有换热器，所述细灰收集室的出口连接灰仓。

进一步地，所述电热元件为感应线圈或电阻式加热体，当电热元件为感应线圈时，所述金属热载体为直径0.5～4mm的含有碱性金属元素的磁性金属小球；当电热元件为电阻式加热体时，所述金属热载体为直径0.5～4mm的含有碱性金属元素的金属小球。

进一步地，所述系统还可以包括城市煤气处理装置，所述城市煤气处理装置包括合成气成分调节装置和甲烷化装置，所述合成气成分调节装置连接所述除尘器，用于通过水气转换反应调节高温煤气中CO与H₂的摩尔比为1:3，所述甲烷化装置用于将从所述合成气成分调节装置出来的混合气通过甲烷化反应全部转化为城市煤气。

一种固体热载体煤气化电力蓄能方法，是采用上述系统，包括以下步骤：

（1）根据谷期的实际用电量确定电网调峰量，设置用电负荷，并确定所述电网调峰系统的数量；如果采用1套电网调峰系统，直接进入步骤（2）；如果采用多套电网调峰系统，将多套电网调峰系统并联后再进入步骤（2）；

（2）将电能引入流化床粉煤气化炉内加热金属热载体至温度达到800~1300℃并保持恒定；

（3）将煤粉和石灰石分别通过煤粉入口和石灰石入口加入至流化床粉煤气化炉内，将预热至200~400℃的气化剂由气化剂入口通入至流化床粉煤气化炉内进行煤气化反应，反应过程中，夹带固体反应物料的混合气在旋风除尘器和排灰分选器的作用下不断分离出粗灰和细灰后得到高温煤气，其中粗灰返回至流化床粉煤气化炉内继续进行煤气化反应，细灰通过细灰收集室后进入灰仓；

（4）将高温煤气用于制备城市煤气或者化工产品。

上述方法中，所述气化剂为CO₂、水蒸气、富CO₂烟气中的一种或多种混合，所述气化剂在流化床粉煤气化炉中的流化风速为0.5～8m/s。

上述方法中，所述气化剂、石灰石和煤粉中的C与气化剂中的O的摩尔比为1:0.9~1:1.5，CaCO₃与煤粉中的S的摩尔比为1:1~2.5:1。

上述方法中，所述将高温煤气用于制备城市煤气，具体过程为：将高温煤气依次经换热器换热、除尘器除尘后进入合成气成分调节装置，与温度为250~300℃水蒸气反应生成H₂，并控制高温煤气中CO与所生成的H₂的摩尔比为1:3；将混合气送入甲烷化装置中于250~300℃发生甲烷化反应获得城市煤气。

上述方法中，所述将高温煤气依次经换热器换热，所述换热器中换热介质为水，换热后获得的水蒸气用作气化剂。

上述方法中，所述化工产品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烃等以CO为主要原料的产品。

本发明涉及的反应方程式为：

CaCO₃=CaO+CO₂(g) ∆H₁=+110.39kJ/mol (1)

CaO+S+C=CaS+CO(g) ∆H₂=-26.85kJ/mol (2)

C+CO₂(g)=2CO(g) ∆H₃=+161.81kJ/mol (3)

C+H₂O(g)=CO(g)+H₂(g) ∆H₄=+135.0kJ/mol (4)

CO(g)+H₂O(g)=CO₂(g)+H₂(g) ∆H₅=+39.22kJ/mol (5)

CO(g)+3H₂=CH₄(g)+ H₂O(g) ∆H₆=-216.45kJ/mol (6)

CO₂(g)+4H₂(g)=CH₄(g)+2H₂O(g) ∆H₇=-202.51kJ/mol (7)

∆H₁~∆H₇表示反应(1)~(7)的反应热。

下面以50MW谷期调峰负荷为例，根据能量守恒和质量守恒对该系统所需的物料与生成的产物进行计算，方法如下：

选用的煤粉为劣质煤和优质煤两种，两种煤的工业分析和元素分析如表1所示：

表1劣质煤和优质煤的工业分析和元素分析结果

计算条件：采用电磁感应加热的方式，电输入功率P_a＝50MW，电效率η_e＝0.9，热效率η_t＝0.7，系统其它热损失为8％。设投煤量为m，kg/s，气化剂为CO₂。

当采用劣质煤时，进入炉内的热量为：

电热输入量Q₁，kJ/s：Q₁=P_ah_eh_t=50MW×0.9×0.7=31.5×10³；

煤粉带入的物理热Q₂，kJ/s：Q₂=C_coalmT_coal=1.21×20×m=24.2m；

其中，C_coal为煤粉的比热，KJ/(kg·℃)；T_coal为煤粉温度，℃；气化剂带入的物理热Q₃，kJ/s：

Q₃=C_gasm_gasT_gas=0.996×200×(w_C%/12-w_S%/16) ×44×m=387.28m；

其中，C_gas为二氧化碳的比热，KJ/(kg·℃)；m_gas为二氧化碳质量，kg/s；T_gas为二氧化碳温度，℃；w_C为煤的含碳量，%；

石灰石带入的物理热Q₄，kJ/s：

Q₄=C_CaCO3m_CaCO3T_CaCO3=0.84×20×(w_S%/32) ×100×m=0.65625m；

其中，C_CaCO3为碳酸钙的比热，KJ/(kg·℃)；m_CaCO3为碳酸钙质量，kg/s；T_CaCO3为碳酸钙温度，℃；

CaS的生成热Q₅，kJ/s：Q₅=m_CaS/M_CaS×∆H₂=w_S%×m/0.03×26.85 =10.49m；

其中，m_CaS为CaS的质量，kg/s；M_CaS为CaS的摩尔质量，kg/mol；w_S为煤的含硫量，%；

炉内消耗的热量为：

灰渣带出的物理热Q₆，kJ/s：Q₆=C_ashm_ashT_ash=0.918×1000×m_ash=298.425m；

其中，C_slag为熔渣的比热，KJ/(kg·℃)；m_ash为熔渣质量，kg/s；T_铁为铁水温度，℃；

合成气带出的物理热Q₇，kJ/s：

Q₇=C_sm_sT_s=1.13×1000×(w_C%/12-w_S%/32) ×56×m=2820.77m；

其中，C_s为合成气的比热，KJ/(kg·℃)；m_s为合成气质量，kg/s；T_s为合成气温度，℃；

煤气化反应消耗的热量Q₈，kJ/s：

Q₈=m_C/M_C×∆H₃=(w_c%/0.012 - w_s%/0.032kg/mol ) ×m×161.81 =7212.40m；

其中，m_c表示煤粉的含碳量，kg/s；M_c表示碳的摩尔质量，kg/mol；

石灰石分解消耗的热量Q₉，kJ/s：

Q₉=m_CaCO3/M_CaCO3×∆H₁=w_S%/0.032×m×110.98=43.12m；

其中，m_CaCO3表示碳酸钙的质量，kg/s；M _CaCO3表示碳酸钙的摩尔质量，kg/mol；

其它散热损失Q₁₀，kJ/s：Q₁₀=8%×Q₁=2.52MW=2.52×10³；

根据能量守恒，Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅=Q₆+Q₇+Q₈+Q₉+ Q₁₀可得投煤量m=2.91kg/s=10.476 t/h。

当采用优质煤时计算方法与劣质煤相同，可得采用优质煤时投煤量m=1.86kg/s=6.696 t/h。

则以CO₂为气化剂时，物料平衡计算表如表2所示：

表2 以CO₂为气化剂的物料平衡计算表

同理可得当采用水蒸气做气化剂时的物料平衡计算表，如表3所示：

表3 以H₂O为气化剂的物料平衡计算表

下面对合成气用于制取城市煤气时的情况进行物料计算：

计算条件：劣质煤采用CO₂作为气化剂时产生的合成气；

合成气中CO的质量为26.033 t/h，在合成气变换装置中主要发生反应5将CO与H₂的摩尔比调节成1:3。

CO+H₂O=CO₂+H₂ ∆H₅=+39.22kJ/mol (5)

因此，假设通入水蒸气的量为X t/h，则根据CO与H₂所需的摩尔比，可得：

其中，n_co表示单位时间内产生CO的物质的量，mol/s；n_H2表示单位时间内产生H₂的物质的量，mol/s；m_CO表示单位时间内产生CO的质量，kg/s；m_H2表示单位时间内产生H₂的质量，kg/s，n_coal-H2表示单位时间内煤热解，mol/s。由此可得在合成气变换装置中水蒸气的需求量X=11.593 t/h，所以经过变换后的合成气中m_CO=8.134 t/h，m_H2=1.746 t/h。

由此可得生成甲烷的量为4.648 t/h。

同理可得其余情况下合成气变换装置中水蒸气的需求量和最终产生甲烷的量，如表4所示：

表4 甲烷生成的物料衡算表

采用电阻加热的方式时，除电效率和热效率与电磁感应加热有所不同外，其余计算步骤均相同。

本发明的有益效果为：

1.本发明可以对用电低谷时的多余电能进行有效的利用，减少能源的浪费，达到调峰的目的；

2. 本发明的电加热装置加热时间短，响应迅速，可满足即用即停的操作方式；

3. 本发明的金属热载体可以促进煤气化反应的进行，提高反应速率，改善产气组分；

4. 本发明对煤种的适应性强可对我国丰富的煤炭资源进行高效清洁利用，同时产生的合成气既可通入甲烷化装置来制取城市煤气供居民使用，又可作为化工原料进行化工产品的合成，具有较高的附加值；

5. 本发明将电加热技术与固体热载体煤气化技术相耦合，解决了目前电力蓄能技术受季节和地域因素限制的问题，最大程度上提高了电网设备的利用率，保证了能源的高效转化。

附图说明

图1为本发明的感应式固体热载体煤气化电力蓄能系统的结构示意图。

图2为本发明的电阻式固体热载体煤气化电力蓄能系统的结构示意图。

图1~2中，1为供电装置、2为煤仓、3为石灰石仓、4为给料机、5为电磁感应线圈、5-1为电阻式加热体、6为金属热载体、7为流化床粉煤气化炉、8为旋风除尘器、9为排灰分选器、10为细灰收集室、11为灰仓、12为烟气换热器、13为余热锅炉、14为除尘器一、7-1为石灰石入口、7-2为煤粉入口、7-3为气化剂入口、7-4为返料口、7-5为气体出口、9-1为排灰分选器入料口、9-2为布风板、9-3为粗灰出口、9-4为细灰出口、15为合成气成分调节装置、16为甲烷化装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

图1提供了本发明的感应式固体热载体煤气化电力蓄能系统的结构示意图，所述系统包括供电装置1、流化床粉煤气化炉7、旋风除尘器8、排灰分选器9、细灰收集室10、烟气换热器12、余热锅炉13和除尘器一14，所述供电装置1连接所述流化床粉煤气化炉7，所述流化床粉煤气化炉包括炉体，所述炉体内部装有金属热载体6，外部设有电热元件5；所述炉体设有煤粉入口7-2、石灰石入口7-1、气化剂入口7-3、返料口7-4和气体出口7-5；所述气体出口7-5连接所述旋风除尘器8，所述旋风除尘器的下料口连接所述排灰分选器的入料口9-1，所述排灰分选器的粗灰出口9-3与所述返料口7-4连接，所述排灰分选器的细灰出口9-4与所述细灰收集室10连接；所述排灰分选器设有布风板9-2，用于筛选出细灰颗粒；所述供电装置1分别与所述电热元件5和电网连接；所述烟气换热器12分别连接所述旋风除尘器8和所述余热锅炉13，所述余热锅炉13连接所述除尘器一14。

所述细灰收集室10内设有换热器，所述细灰收集室的出口连接灰仓11。

所述电热元件为电磁感应线圈，所述金属热载体为直径0.5～4mm的含有碱性金属元素的磁性金属小球。

进一步地，所述系统还可以包括城市煤气处理装置，所述城市煤气处理装置包括合成气成分调节装置15和甲烷化装置16，所述合成气成分调节装置连接所述除尘器一，用于通过水气转换反应调节合成气中CO与H₂的摩尔比为1:3，所述甲烷化装置用于将从所述合成气成分调节装置出来的混合气通过甲烷化反应全部转化为城市煤气。

图2提供了本发明的电阻式固体热载体煤气化电力蓄能系统的结构示意图，与图1的系统的区别点在于：电热元件为电阻式加热体，金属热载体为直径0.5～4mm的含有碱性金属元素的金属小球。

实施例1

一种固体热载体煤气化电力蓄能方法，是采用如图1所示的电力蓄能系统，所述系统采用的流化床粉煤气化炉主体为圆柱形，截面积为4m²，高为9m；电热元件为电磁感应线圈；金属热载体为直径为1.2mm的小钢球，填充在流化床粉煤气化炉内，填充高度为6m，所述蓄能方法包括以下步骤：

（1）根据谷期的实际用电量确定电网调峰量，设置用电负荷；

（2）将电能引入流化床粉煤气化炉内加热金属热载体至温度达到1000℃并保持恒定；

（3）将煤粉和石灰石分别通过煤粉入口和石灰石入口加入至流化床粉煤气化炉内，将预热至200℃的气化剂CO₂由气化剂入口通入至流化床粉煤气化炉内进行煤气化反应，其中CO₂在流化床粉煤气化炉中的流化风速为2.5m/s，CO₂、石灰石和煤粉中的C与气化剂中的O的摩尔比为1:1，CaCO₃与煤粉中的S的摩尔比为1:1；反应过程中，夹带固体反应物料的混合气在旋风除尘器和排灰分选器的作用下不断分离出粗灰和细灰后得到高温煤气，其中粗灰返回至流化床粉煤气化炉内继续进行煤气化反应，直径小于1mm的细灰在细灰收集室内进行余热回收冷却至150℃以下后进入灰仓；高温煤气中CO和H₂的产量为20826.4m³/h，509.2m³/h。

（4）将高温煤气经过烟气换热器进行余热回收，在换热器内，高温煤气与水进行换热，煤气温度可降至250℃左右，降温后的煤气进入除尘器中净化除尘。

除尘后的洁净煤气有两种途径：一方面洁净煤气可直接作为化工原料进行化工产品合成；另一方面洁净煤气进入合成气成分调节装置，与水蒸气反应生成H₂，并控制CO与所生成的H₂的摩尔比为1:3；将混合气送入合成气反应器中发生甲烷化反应（反应式(6)、(7)）获得城市煤气，甲烷生产量为6507.2m³/h。

上述方法中，所述化工产品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烃等以CO为主要原料的产品。

实施例2

一种固体热载体煤气化电力蓄能方法，是采用如图2所示的电力蓄能系统，所述系统采用的流化床粉煤气化炉主体为圆柱形，截面积为4m²，高为9m；电热元件为电阻式加热体；金属热载体为直径为1.2mm的小钢球，填充在流化床粉煤气化炉内，填充高度为6m，所述蓄能方法包括以下步骤：

（1）根据谷期的实际用电量确定电网调峰量，设置用电负荷；

（2）将电能引入流化床粉煤气化炉内加热金属热载体至温度达到1000℃并保持恒定；

（3）将煤粉和石灰石分别通过煤粉入口和石灰石入口加入至流化床粉煤气化炉内，将预热至200℃的气化剂水蒸气由气化剂入口通入至流化床粉煤气化炉内进行煤气化反应，其中水蒸气在流化床粉煤气化炉中的流化风速为2.5m/s，水蒸气、石灰石和煤粉中的C与气化剂中的O的摩尔比为1:1，CaCO₃与煤粉中的S的摩尔比为1:1；反应过程中，夹带固体反应物料的混合气在旋风除尘器和排灰分选器的作用下不断分离出粗灰和细灰后得到高温煤气，其中粗灰返回至流化床粉煤气化炉内继续进行煤气化反应，直径小于1mm的细灰在细灰收集室内进行余热回收冷却至150℃以下后进入灰仓；高温煤气中CO和H₂的产量为12230.4m³/h和12790.4m³/h；

（4）将高温煤气经过烟气换热器进行余热回收，在换热器内，高温煤气与水进行换热，煤气温度可降至250℃左右，降温后的煤气进入除尘器中净化除尘。

除尘后的洁净煤气有两种途径：一方面洁净煤气可直接作为化工原料进行化工产品合成；另一方面洁净煤气进入合成气成分调节装置，与水蒸气反应生成H₂，并控制CO与所生成的H₂的摩尔比为1:3；将混合气送入合成气反应器中发生甲烷化反应（反应式(6)、(7)）获得城市煤气，甲烷生产量为6255.2m³/h。

上述方法中，所述化工产品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烃等以CO为主要原料的产品。

实施例3

一种固体热载体煤气化电力蓄能方法，是采用如图1所示的多套电力蓄能系统，所述多套系统采用的流化床粉煤气化炉主体为圆柱形，截面积为4m²，高为9m；电热元件为电磁感应线圈；金属热载体为直径为1.2mm的小钢球，填充在流化床粉煤气化炉内，填充高度为6m，所述蓄能方法包括以下步骤：

（1）根据谷期的实际用电量确定电网调峰量，设置用电负荷，并将多套电网调峰系统并联；

（2）将电能引入流化床粉煤气化炉内加热金属热载体至温度达到1000℃并保持恒定；

（3）将煤粉和石灰石分别通过煤粉入口和石灰石入口加入至流化床粉煤气化炉内，将预热至200℃的气化剂CO₂由气化剂入口通入至流化床粉煤气化炉内进行煤气化反应，其中CO₂在流化床粉煤气化炉中的流化风速为2.5m/s，CO₂、石灰石和煤粉中的C与气化剂中的O的摩尔比为1:1，CaCO₃与煤粉中的S的摩尔比为1:1；反应过程中，夹带固体反应物料的混合气在旋风除尘器和排灰分选器的作用下不断分离出粗灰和细灰后得到高温煤气，其中粗灰返回至流化床粉煤气化炉内继续进行煤气化反应，直径小于1mm的细灰在细灰收集室内进行余热回收冷却至150℃以下后进入灰仓；高温煤气中CO和H₂的产量为20826.4m³/h，509.2m³/h；

（4）将高温煤气经过烟气换热器进行余热回收，在换热器内，高温煤气与水进行换热，煤气温度可降至250℃左右，降温后的煤气进入除尘器中净化除尘。

除尘后的洁净煤气有两种途径：一方面洁净煤气可直接作为化工原料进行化工产品合成；另一方面洁净煤气进入合成气成分调节装置，与水蒸气反应生成H₂，并控制CO与所生成的H₂的摩尔比为1:3；将混合气送入合成气反应器中发生甲烷化反应（反应式(6)、(7)）获得城市煤气，甲烷生产量为6507.2m³/h。

上述方法中，所述化工产品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烃等以CO为主要原料的产品。