本发明涉及煤炭高效气化系统和方法，以及煤清洁能源利用系统和方法，具体说是一种煤气化系统、一种能源利用系统、以及煤气化方法与能源利用方法。
背景技术
我国缺油、少气、煤炭资源相对而言比较丰富的自然资源结构，决定了我国能源结构和煤炭长期在工业和经济中的重要地位。如何清洁利用我国相对丰富的煤炭资源优势，提升我国能源与工业技术水平和发展煤化工已成为国家能源和资源利用的重大发展方向。各种规模的高能耗工业生产和煤化工过程离不开煤气化与合成气的制备，煤气化是实现煤炭清洁和高效利用的基础和必要手段。
经过近百年的发展，现有煤气化及其装置和技术已从最初的卢奇炉技术原理和基本装置结构发展和繁衍出种类繁多的煤气化技术和装置。一般以气化装置压力可分类为，常用气化和加压气化(中压气化、高压气化)；以气化温度可分类为，低温气化、中温气化、高温气化；以煤料在气化炉内的移动状态可分类为，固定床、流化床、气流床；以气化煤料的材料状态可分类为，粉煤、块煤、水煤浆；以煤气化采用的氧化剂可分类为，空气、富氧、纯氧；以气化装置煤气产出位置可分类为，一段式、二段式、多段式等等。
现有煤气化技术和装置往往是以上多种分类特点的组合和发展，比如常压固定层间歇式无烟煤气化技术、常压固定层无烟煤富氧连续气化技术、鲁奇固定层煤加压气化技术、灰熔聚流化床粉煤气化技术、恩德沸腾层(温克勒)粉煤气化技术、ge德士古(texaco)水煤浆加压气化技术、多元料浆加压气化技术、多喷嘴(四烧嘴)水煤浆加压气化技术、壳牌(shell)干煤粉加压气化技术、gsp干煤粉加压气化技术、两段式干煤粉加压气化技术、四喷嘴对置式干粉煤加压气化技术等等。现有各种煤气化工艺技术和系统都有其特点和优缺点，及适用范围。而且，现有各种煤气化工艺技术和系统都只完成煤炭气化生产，而不能直接利用所产出煤气产生可供不同应用的热能或二次能源，实现煤气的清洁高效利用。
现有煤气化技术及特点
现有煤气化技术的核心特征是其气化剂由氧化剂(空气、富氧、或纯氧)和水蒸汽构成，其中氧化剂与煤料在煤气化空间内发生燃烧反应，产生煤料气化所需要的热能；通过控制氧化剂量使煤料处于燃烧-半燃烧状态，生产维持煤气化反应所需要的热能。其具体特征可以从煤料在煤气化装置内的三种运动方式进行归纳，并综合对比煤气化装置的功能和作用，特别是气化剂的构成与功能和作用。
1.固定床：
固定床气化炉是最早开发出的煤气化炉，其下部为炉排，用以支撑上面的固定煤层。通常，煤从气化炉的顶部加入，而气化剂(氧或空气和水蒸汽)则从炉子的下部供入，形成气固间的逆向流动。气化剂进入煤气化炉(煤气化装置)，其中的氧与低部的煤发生燃烧，产生煤气化所需要的热能；通过控制气化剂进入煤气化炉的量，在底部形成和维持一个燃烧-半燃烧层，实现其上方煤层的持续煤干馏和气化反应。这种煤气化技术的特点是技术和炉体结构简单，可为常压或加压气化，但单位容积的煤处理量小、效率低、污染严重、大型化困难。
2.流化床：
流化床以传动输送方式将煤料加入气化炉，在流化床分散板上供给粉煤，气化剂(氧和水蒸汽)从分散板下送入，使煤粉在悬浮状下与气化剂中的氧发生燃烧，产生煤气化所需要的热能而实现煤干馏和气化；通过控制气化剂进入煤气化炉的量，控制和维持产生气化所需要的热能，实现气化炉内煤粉的持续煤干馏和气化反应。与固定床气化炉相比，流化床气化炉煤处理量大、可大型化，可为常压或加压气化，但仍有效率低和污染严重问题。另外，其不能用灰分融点低的煤，副产焦油少，碳利用率低。
3.气流床：
气流床气化炉是将粉煤与气化剂(氧和水蒸汽)一起从喷嘴高速吹入炉内，使煤粉与气化剂中的氧发生燃烧，产生煤气化所需要的热能而实现快速煤干馏和气化；通过控制气化剂进入煤气化炉的量，控制和维持产生气化所需要的热能，实现气化炉内煤粉的持续煤干馏和气化反应。气流床按照进料方式又可分为湿法进料(水煤浆)气流床和干法进料(煤粉)气流床。气流床气化均为加压气化，是目前主要大型煤气化技术；其特点是煤处理量大、可大型化，但存在能源效率等问题。其产生的煤气特点是不副产焦油，生成气中甲烷含量少。
以上现有煤气化技术及其工作原理的综合对比和分析可以归纳出，无论是现有常压还是加压煤气化技术，都是通过将由空气、富氧、或氧气和水蒸汽构成的气化剂直接加入到煤气化炉(煤气化反应器)内，并利用气化剂中的氧与煤气化炉内的一部分煤料(煤粉或煤块)进行燃烧，生产余下煤料进行裂解和气化所需要的温度和热量。通过控制进入煤气化炉内氧化剂量，控制煤料的燃烧-半燃烧状态，从而实现和完成煤料气化。因此，现有煤气化技术和煤气化装置存在以下三个主要缺点：
1)气化剂中的氧与煤气化炉内的部分煤料的燃烧生产局部高温；煤气化炉内存在的过高和过低非均匀气化温度分布，导致气化与能源效率低和污染排放问题，特别是以空气为氧化剂的常压固定床煤气化技术；
2)气化剂中的氧与煤气化炉内的部分煤料燃烧生产的局部高温，直接造成煤气化炉内壁出现局部高温，从而导致局部腐蚀或粘结，严重影响煤气化炉的寿命和运行安全；
3)煤气化炉的运行状态和气化效率是通过控制进入炉内的氧化剂量来实现，具体是通过煤料的燃烧-半燃烧状态和气化温度的调节和控制。然而，其难以实现有效控制，导致煤气化炉的气化效率和能源效率低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种气化效率和能源效率高、污染排放小、有效实现煤气化过程控制的煤气化系统及煤气化方法，有效解决现有煤气化技术的效率、污染、和气化控制等问题；并在本发明中煤气化系统及煤气化方法的基础上，形成能源高效利用系统和能源利用方法，实现煤炭清洁高效气化和高效能源利用。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种煤气化与能源利用系统和煤气化与能源利用方法，其特征在于，气化剂为主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的乏氧高温气化剂；煤气化剂发生装置(2)与煤气化反应装置(1)相连，为其提供乏氧高温气化剂；加料与闭锁装置(3)与煤气化反应装置(1)相连，为其提供气化煤料；煤气处理装置(4)与煤气化反应装置(1)相连，对其产生的粗煤气进行处理；煤气处理装置(4)与煤气化剂发生装置(2)相连，为其提供洁净煤气；密闭出渣装置(5)与煤气化反应装置(1)相连，将灰渣排出；氧化剂输入设备(6)与煤气化剂发生装置(2)相连，为其提供空气、富氧气、或纯氧气。
在上述煤气化与能源利用系统的基础上，煤气化剂发生装置(2)通过煤气与氧化剂(空气、富氧、或纯氧)的氧化反应，产生温度可有效控制和主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的乏氧高温气化剂。
在上述煤气化与能源利用系统的基础上，通过调节和控制从煤气化剂发生装置(2)产生温度可根据气化工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂进入煤气化反应装置(1)与煤料直接接触，实现煤料气化，产生并输出洁净煤气；整个系统工作在煤气化状态，实现煤炭的清洁和高效气化；系统输出洁净煤气。
在上述煤气化与能源利用系统的基础上，通过调节和控制从煤气化剂发生装置(2)产生的一部分温度可根据气化和能源利用工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂进入煤气化反应装置(1)，实现和维持煤料气化并产生煤气输出，并将其余部分乏氧高温气化剂作为热能向系统外输出；整个系统工作在煤气化和能源利用状态，实现煤炭的清洁和高效气化和灵活能源利用；系统输出洁净煤气和热能。
在上述煤气化与能源利用系统的基础上，通过调节和控制从煤气化剂发生装置(2)将系统产生的全部煤气用于产生温度可根据气化和能源利用工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂，将一部分乏氧高温气化剂进入煤气化反应装置(1)实现和维持煤料气化外，其余部分乏氧高温气化剂作为热能向系统外输出；整个系统工作在能源利用状态，实现煤炭能源的清洁和高效利用；系统输出热能。
在上述煤气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述煤气化反应装置(1)，其使煤料与温度可根据气化和能源利用工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂进行有效和充分接触，实现煤料在乏氧高温气化剂作用下的高效煤气化反应。
在上述煤气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述煤气化反应装置(1)为包括由粉煤、块煤、水煤浆构成的煤料提供与温度可根据气化和能源利用工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂进行有效和充分接触的空间结构和反应条件与时间，实现并完成高效煤气化反应。
在上述煤气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述煤气处理装置(4)，将煤气化反应装置(1)生产的粗煤气进行净化处理和热量回收处理，输出洁净煤气。
在上述煤气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述煤气化剂发生装置(2)，其为利用煤气化系统生产的洁净煤气或外部能源产生温度可有效控制的高温乏氧烟气作为乏氧高温气化剂的燃烧器。
在上述煤气化与能源利用系统和技术方案基础上，所述加料与闭锁装置(3)，有效实现包括用粉煤、块煤或水煤构成的煤料在与空气隔绝条件下进入煤气化反应装置(1)。
在上述煤气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述密闭出渣装置(6)，有效实现煤料气化后产生的灰渣在与空气隔绝的条件下排出煤气化反应装置(1)。
在上述煤气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述氧化剂输入设备(6)为煤气化剂发生装置(2)提供产生乏氧高温气化剂所需要的空气、富氧气、或纯氧气。
采用上述的煤气化与能源利用系统的煤气化与能源利用工艺方法，其特征在于，煤气化与能源利用过程如下：
步骤1，在系统利用外部能源完成启动工艺过程并进入平稳运行后，将煤气化剂发生装置(2)产生达到预计温度的乏氧高温气化剂加入煤气化反应装置(1)，并与通过加料与闭锁装置(3)而加入的相应和适量煤料进行直接接触和混合，使煤料和乏氧高温气化剂发生煤气化反应，实现煤料气化并产生粗煤气；
步骤2，系统开始产生的粗煤气经煤气处理装置(4)净化处理，产生作为煤气化剂发生装置(2)的输入洁净煤气。系统随着洁净煤气量的逐渐增大，而逐渐减少并最终停止外部能源，实现系统利用自产洁净煤气而维持的稳定运行；
步骤3，在系统利用自产洁净煤气进入稳定运行后，可以根据系统的应用要求和设计而运行在三种不同的工作状态而实现三种不同的系统功能：
3.1.煤气化功能：
通过调节和控制从煤气化剂发生装置(2)产生温度可有效控制的乏氧高温气化剂进入煤气化反应装置(1)与煤料直接接触，实现煤料气化，产生并输出洁净煤气；整个系统工作在煤气化状态，实现煤炭的清洁和高效气化；系统输出洁净煤气。
3.2.煤气化与能源利用功能：
通过调节和控制从煤气化剂发生装置(2)产生的一部分温度可有效控制的乏氧高温气化剂进入煤气化反应装置(1)，实现和维持煤料气化并产生煤气输出，并将其余全部乏氧高温气化剂作为热能向系统外输出；整个系统工作在煤气化和能源利用状态，实现煤炭的清洁和高效气化和灵活能源利用；系统输出洁净煤气和热能。
3.3.能源利用功能：
通过调节和控制从煤气化剂发生装置(2)将系统产生的全部煤气用于产生温度可有效控制的乏氧高温气化剂，将一部分乏氧高温气化剂进入煤气化反应装置(1)实现和维持煤料气化外，其余部分乏氧高温气化剂作为热能向系统外输出；整个系统工作在能源利用状态，实现煤炭能源的清洁和高效利用，直接输出清洁高温热能，或二次能源；系统输出热能。
步骤4，煤气化与能源利用系统在上述三种运行状态之一的运行状态下，进行实现相应功能所要求的煤料加料、气化、出渣等系统运行工艺过程，和维持系统的连续与稳定运行。
本发明所述的煤气化与能源利用系统，利用高效清洁的气体燃料燃烧技术和燃烧器系统作为产生乏氧高温气化剂发生装置，利用气体燃料的高效清洁燃烧所产生温度可有效控制的高温乏氧烟气作为煤料的乏氧高温气化剂，提高了煤气化所需气体燃料的燃烧效率和煤气化率，有效控制和优化煤气化条件和过程，并最大限度地降低氮氧化物、硫氧化物、煤焦油等污染物的产生和排放。
本发明所述的煤气化与能源利用系统，简化了现有煤气化复杂的设备结构和工作原理，在提高系统能源效率的同时大大提高了气化效率和简化了煤气化系统，并大幅度降低了煤气化炉设备系统的设计和建造成本。特别重要的是，在保持煤气化炉的核心功能实现煤炭高效气化的同时，本发明的系统和方法可以直接和灵活地实现能源的清洁和高效利用，为煤炭清洁利用提供多种清洁和高效的利用方式。
附图说明
本发明有如下附图：
图1煤气化与能源利用系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明包括煤气化和能源利用系统及煤气化与能源利用工艺方法两个部分。
本发明所述的煤气化和能源利用系统，其系统结构如图1所示(本发明所述的煤气化和能源利用系统图中未显示且不再详述已为该领域专有工程技术人员所熟悉的采用现有技术实施的其它相关辅助单元、结构、设备、工艺技术和流程。)，可以满足多种应用、功能、成本等需求，并有多种具体实施方式，其中包括：
实施方式1：
煤气化反应装置(1)，所述煤气化反应装置设有包括与现有固定床常压(或加压)煤气化炉基本相同或相似的炉体结构和功能，以现有固定床气化炉要求的不粘或弱粘性块煤为煤料，并以现有固定床气化炉的工作方式运行；但采用煤气化剂发生装置(2)产生的温度可根据气化工艺要求有效控制的高温乏氧尾气作为气化剂。在压力差的作用下，乏氧高温气化剂从煤气化剂发生装置(2)进入煤气化反应装置(1)，并与煤料直接和充分接触而产生气化反应，实现煤料的清洁和高效气化。
煤气化反应装置(1)生产的粗煤气经煤气处理装置(4)进行净化处理和热量回收处理，生产可以燃烧利用或输出的洁净煤气。
煤气化剂发生装置(2)通过洁净煤气与氧化剂(空气、富氧、或纯氧)的氧化反应，产生温度可有效控制和主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的乏氧高温气化剂。
加料与闭锁装置(3)有效实现将适量的煤料在与外部空气隔绝的条件下以间歇或连续方式进入煤气化反应装置(1)，与煤气化剂发生装置(2)产生的相应乏氧高温气化剂直接接触并发生气化反应。
煤料气化后产生的灰渣经密闭出渣装置(6)，在与空气隔绝的条件下有效排出煤气化反应装置(1)。
根据煤气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，氧化剂输入设备(6)为煤气化剂发生装置(2)提供产生乏氧高温气化剂所需要的空气、富氧气、或纯氧气。
根据煤气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，所述系统可以连续运行和实现煤气化、煤气化和能源利用、及能源利用三种功能之一。
以上述煤气化和能源利用系统中采用现有技术设备装置和技术实施方法，煤气化和燃烧技术领域的专业工程技术人员可以有效实施，具体方法在此不再详述。
实施方式2：
煤气化反应装置(1)，所述煤气化反应装置设有包括与现有流化床常压(或加压)煤气化炉基本相同或相似的炉体结构和功能，以现有流化床气化炉要求的不粘或弱粘性粉煤、块煤或水煤为煤料，并以现有流化床气化炉的设备运行方式实现煤料在煤气化反应装置(1)内的流化运动；但采用煤气化剂发生装置(2)产生的温度可有效控制的高温乏氧尾气作为气化剂。在压力差的作用下，乏氧高温气化剂从煤气化剂发生装置(2)进入煤气化反应装置(1)，与煤料直接和充分接触而产生气化反应，实现煤料的高效气化。
煤气化反应装置(1)生产的粗煤气经煤气处理装置(4)进行净化处理和热量回收处理，生产可以燃烧利用或输出的洁净煤气。
煤气化剂发生装置(2)通过洁净煤气与氧化剂(空气、富氧、或纯氧)的氧化反应，产生温度可有效控制和主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的乏氧高温气化剂。
加料与闭锁装置(3)有效实现将适量的煤料在与外部空气隔绝的条件下以间歇或连续方式进入具有流化床的煤气化反应装置(1)，与煤气化剂发生装置(2)产生的相应乏氧高温气化剂直接接触并发生气化反应。
煤料气化后产生的灰渣经密闭出渣装置(6)，在与空气隔绝的条件下有效排出煤气化反应装置(1)。
根据煤气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，氧化剂输入设备(6)为煤气化剂发生装置(2)提供产生乏氧高温气化剂所需要的空气、富氧气、或纯氧气。
根据煤气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，所述系统可以连续运行和实现煤气化、煤气化和能源利用、及能源利用三种功能之一。
以上述煤气化和能源利用系统中采用现有技术设备装置和技术实施方法，煤气化和燃烧技术领域的专业工程技术人员可以有效实施，具体方法在此不再详述。
实施方式3：
煤气化反应装置(1)，所述煤气化反应装置设有包括与现有气流床加压煤气化炉基本相同或相似的炉体结构和功能，以现有气流床气化炉要求的粉煤或水煤浆为煤料，并以现有气流床气加压煤气化炉的方式实现将粉煤或水煤浆喷入煤气化反应装置(1)内；但采用煤气化剂发生装置(2)产生的温度可气化工艺要求有效控制的高温乏氧尾气作为气化剂。在压力差的作用下，乏氧高温气化剂从煤气化剂发生装置(2)进入煤气化反应装置(1)，与煤料直接和充分接触而产生气化反应，实现煤料的高效气化。
煤气化反应装置(1)生产的粗煤气经煤气处理装置(4)进行净化处理和热量回收处理，生产可以燃烧利用或输出的洁净煤气。
煤气化剂发生装置(2)通过洁净煤气与氧化剂(空气、富氧、或纯氧)的氧化反应，产生温度可有效控制和主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的乏氧高温气化剂。
加料与闭锁装置(3)有效实现将适量的煤料在与外部空气隔绝的条件下以间歇或连续方式进入煤气化反应装置(1)，与煤气化剂发生装置(2)产生的相应乏氧高温气化剂直接接触并发生气化反应。
煤料气化后产生的灰渣经密闭出渣装置(6)，在与空气隔绝的条件下有效排出煤气化反应装置(1)。
根据煤气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，氧化剂输入设备(6)为煤气化剂发生装置(2)提供产生乏氧高温气化剂所需要的空气、富氧气、或纯氧气。
根据煤气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，所述系统可以连续运行和实现煤气化、煤气化和能源利用、及能源利用三种功能之一。
以上述煤气化和能源利用系统中采用现有煤气化技术设备装置和技术实施方法，煤气化技术领域的专业工程技术人员可以有效实施，具体方法在此不再详述。
另外，以上述煤气化和能源利用系统与煤气化和能源利用方法中的乏氧高温气化剂发生装置和方法是涉及燃烧技术领域利用气体燃料产生高温乏氧烟气的现有技术和设备，该领域的专业工程技术人员可以有效实施，本发明不再详述。
本发明具有以下优点：
1)本发明采用主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的高温乏氧尾气作为气化剂，实现清洁和高效煤气化；
2)由于本发明采用了利用气体燃料燃烧生产温度可以根据煤气化应用和工艺需要进行有效控制的高温乏氧烟气作为煤气化所需的乏氧高温气化剂，其显著提高煤气化效率和能源效率，有效提高煤气化温度和有效降低污染物和煤焦油的产生和排放，和显著减少煤气化用水量；
3)本发明通过有效控制乏氧高温气化剂的温度和剂量，实现对煤气化状态和过程的有效控制；彻底解决现有煤气化炉普遍存在的煤气化状态和过程的有效控制问题；
4)本发明通过有效控制乏氧高温气化剂的组分，实现对煤气组分和热值等煤气品质参数的有效控制，满足不同应用行业和领域对煤气品质的要求；
5)本发明通过有效控制乏氧高温气化剂的温度以及气化剂量和分布，在气化反应装置内建立更大和更为均匀的温度分布和煤气化反应空间，提高气化效率并有效解决现有煤气化炉普遍存在的局部高温问题，延长气化设备寿命和保障安全产生运行；
6)本发明具有清洁高效煤气化核心功能，其即可以作为煤气化系统，生产和输出清洁煤气；又可以根据需要，同时生产和输出清洁煤气和热能，或全部输出热能。这些实现灵活的高效能源利用的功能和形式，可以满足不同行业和领域高效利用煤炭作为低成本清洁能源的需求；
7)现有煤气化炉通过相应功能和结构的技术改造，可以作为本发明煤气化和能源利用系统的煤气化装置，有效利用现有设备和降低技术应用成本。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
附件：
参考文献(如专利/论文/标准)
1.a.elliotted.，chemistryofcoalutilization，2ndsup.vol.，johnwiley&sons，newyork，1981.