第29卷第7期動(dòng)力程Vol. 29 No. 72009年7月Journal of Power EngineeringJuly 2009文章編號:1000-6761(2009)06-0694-05中圈分類號:TM611.31文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A學(xué)科分類號:470.30氣化參數(shù)對IGCC系統(tǒng)中氣化爐性能的影響王穎}， 邱朋華'，吳少華'，李振中”， 王陽”， 龐克亮，陳小利”(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所,哈爾濱150001 ;2.國家電站燃燒工程技術(shù)研究中心,沈陽110034)摘要:首先單獨(dú)對氣化爐出口合成氣成分含量進(jìn)行核算,計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)基本吻合.然后建立200 MW級整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)模型,對基本參數(shù)下的IGCC系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算,得出整.個(gè)系統(tǒng)的性能參數(shù).最后對不同氣化參數(shù)溫度、水煤漿濃度、氧氣濃度、0/C比的氣化爐性能及其整個(gè)IGCC系統(tǒng)效率進(jìn)行比較,分析不同氣化條件下的合成氣成分體積含量、冷煤氣效率、有效氣.(CO+H2)體積含量、比氧耗、比煤耗及整個(gè)IGCC系統(tǒng)效率的變化.結(jié)果表明:提高水煤漿的濃度，有利于提高氣化爐的冷煤氣效率;氣化溫度對IGCC系統(tǒng)性能影響較大;提高氧氣濃度有利于提高氣化冷氣效率和系統(tǒng)的效率,本系統(tǒng)對應(yīng)的最佳0/C比為1.02左右.關(guān)鍵詞:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán);氣化爐;氣化參敷;氣化爐性能;系統(tǒng)效率Influence of Gasification Parameters on Performanceof Gasifiers in IGCC SystemsWANG Ying'，QIU Peng-hua'，WU Shao-hua', LI Zhen-zhong'WANG Yang*，PANG Ke-liang*，CHEN Xiao-li?(1. Institute of Combustion Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2. NPCC, Shenyang 110034, China)Abstract; The composition contents of gasifier outlet syngas were assessed first, and the calculation resultswere basically conformed to the literature data. Then, the 200 MW level integrated gasification combinedcycle (IGCC) system model was established. And the performance of IGCC system was calculated withfundamental parameters, by which the performance parameters of the whole system were obtained. Final-ly, the gasifier performances and the whole IGCC system efficiency were compared at different gasificationtemperature, coal slurry concentration, oxygen concentration and 0/C ratio. The syngas composition vol-ume contents, cold gas efficiency, effective gas (CO+ H2) content, oxygen consumption rate, coal con-sumption rate and the whole IGCC system eficiency under different gasification conditions were analyzed.Results show that higher coal slurry concentration helps to increase the coal gas efficiency of gasifier; Gasi-fication temperature has a relatively greater influence on the IGCC system performance; Higher oxygenconcentration is positive to enhance the eficiencies of both the cold gas gasification and the system. Thebest O/C ratio corresponding to this system is around 1. 2.Key words: IGCC; gasifier; gasification parameters; gasifier performance; system efficiency收稿日期2008-12-8修訂日期:2008-12-31基金項(xiàng)目:國家863高技術(shù)基金資助項(xiàng)目(2006AA05A110)作者簡介:王穎(1981-),女 ,遼寧錦州人,博士研究生,主要從事IGCC系統(tǒng)靜態(tài)特性方面的研究.電話(TeL )13613651552;Email:wing1111@126. com.第7期王穎,等:氣化參數(shù)對 IGCC系統(tǒng)中氣化爐性能的影響oI 695整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)是最具潛力值,對于不同給料的Texaco氣化爐,CO的體積含的燃煤發(fā)電技術(shù)之一,為未來CO2的捕集和封存提量為32. 8%~47.1%",計(jì)算結(jié)果中CO含量在這供了可能.國內(nèi)外學(xué)者對氣化爐及IGCC系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)范圍內(nèi). N2、HrS.COS的含量與文獻(xiàn)中一致，了大量的研究,如焦樹建“-2對IGCC電站中氣化爐CH的含量過低,參照其他相關(guān)文獻(xiàn)[。,這部分誤型的選擇及冷煤氣效率對IGCC供電效率的影響進(jìn)差是可以接受的. Ar的含量為0,這是因?yàn)橛?jì)算中行了分析,對某些IGCC關(guān)鍵技術(shù)和工作系統(tǒng)進(jìn)行采用的氣化劑是純度為98%的氧氣,其余成分為了介紹,并對IGCC系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了分析和N2,不考慮含有Ar.展望. Zheng等人國利用Aspen Plus軟件對配置有表2計(jì)算結(jié)果(C)和文獻(xiàn)值(L)的比較Shell,Texaco、BGL和KRW 4種氣化爐的IGCC系Tab.2 Comparison ol calculation results with literature data統(tǒng)進(jìn)行了比較與分析,討論了氣體成分及氣化爐選擇對整體特性的影響.李政等人叫利用模型,詳細(xì)分CH2O CHN; H2S cos A析了氣化爐主要運(yùn)行參數(shù)對氣化爐性能的影響.NiL 40.80 29.60 10.20 17.00 0.30 0.90 1.00 0.10 0.10等人印]提出了新的氣流床氣化爐的模擬方法,探討C 42.30 29.008.70 18.00 0.02 0.88 1.00 0.10 0.00了0/C比、溫度和壓力對氣化成分及冷煤氣效率的影響. Wen等[建立了氣流床氣化爐數(shù)學(xué)模型,分2IGCC系統(tǒng)的建立及其計(jì)算條件析了氣化成分含量隨爐高的變化以及碳轉(zhuǎn)化率、主建立的200MW級IGCC系統(tǒng)利用輻射和對流要?dú)怏w成分隨氧煤比和汽煤比的變化.本文首先單獨(dú)對氣化爐進(jìn)行核算，然后利用廢鍋回收合成氣顯熱,氣化爐,凈化系統(tǒng)(包括除塵、ThermoFlex軟件建立了整個(gè)IGCC系統(tǒng)的模型,計(jì)脫硫和COS的脫除等)與三壓再熱式余熱鍋爐之間算基本參數(shù)下的IGCC系統(tǒng)性能,最后比較不同氣存在汽水交換,以提高系統(tǒng)的效率,其系統(tǒng)模型見化參數(shù)下的氣化爐性能及整個(gè)系統(tǒng)效率,分析合成圖1.氣含量.冷煤氣效率.有效氣含量、比氧耗、比煤耗及系統(tǒng)效率的變化.研究結(jié)果為IGCC系統(tǒng)氣化參數(shù)一回的選擇及其運(yùn)行提供了參考.1氣化模型及其驗(yàn)證9日C1氣化是IGCC整個(gè)工藝流程中最重要的過程，氣化技術(shù)直接關(guān)系到整個(gè)IGCC電站的性能(包括1-煤制備系統(tǒng),2-空分系統(tǒng),3-氣化爐,4-輻射廢鋼,5- -對流廢熱力性能、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等).氣化系統(tǒng)中核心設(shè)鍋,6一凈化系統(tǒng),7-濕飽和器.8-燃?xì)廨啓C(jī),9-余熱鍋爐,10-蒸汽輪機(jī)備是氣化爐,其性能對整個(gè)IGCC系統(tǒng)的性能有很圖1 ICCC 系統(tǒng)模型圍大影響.因此筆者首先單獨(dú)對氣化爐模型進(jìn)行核算，:Fig.1 Model of ICCC system氣化條件參照文獻(xiàn)中德士古氣化爐的計(jì)算條件:氣系統(tǒng)基本計(jì)算條件如下:空分整體化系數(shù)為化用煤為lliois 6號,其煤質(zhì)分析見表1;水煤漿濃30%;氣化用煤的煤質(zhì)分析見表3;水煤漿濃度為度為66.5%;氧氣濃度為98%;氣化爐出口溫度為68%;大氣溫度為17.4 C,壓力為0.1012 MPa,相1 315.6 C;氣化爐壓力為4. 14 MPa;碳轉(zhuǎn)化率為對濕度為79%;氣化壓力為3.6 MPa,氣化溫度為100%.計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值的比較見表2.1310C;考慮實(shí)際情況碳轉(zhuǎn)化率為98%;燃?xì)廨啓C(jī)段1 llinois 6號煤的工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Proxlmate and altimate analyses of Ilinois No, 6 coal選用GE 9E型號.基本計(jì)算條件下IGCC系統(tǒng)的性能參數(shù)見表4.元素分析/%M.VQon.u裹3煤質(zhì)分析CHNs0./%1% /(MJ.kg-1)Tab.3 Proximate and oltimate analyses of coal61.2 4.7 1.1 3.4 8.8 12.0 36.3524.83M。Q.. FT由表2可以看出,計(jì)算結(jié)果中粗煤氣組分的體CHNs/% /(MJ. kg-1) /C積百分率與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)基本吻合. H2和COr的57.81 3.62 0.84 0.33 0.30 17. 3021.74 1 260含量略低于文獻(xiàn)值,CO和H2O的含量略高于文獻(xiàn)，696●動(dòng)力工程第29卷表4 ICCC 系統(tǒng)的性能參數(shù)致H2的絕對含量增加.隨著水煤漿濃度的升高,甲Tab.4 Performance parameters of IGCC system烷生成反應(yīng)減弱,而甲烷重整反應(yīng)加強(qiáng),導(dǎo)致煤氣中數(shù)值參敷CH的產(chǎn)量減少但是由于水煤漿濃度的升高,使.氣化壓力/MPa3.6氣化溫度/C1310耗煤量減少,導(dǎo)致合成氣產(chǎn)量略有減少,所以CH,水煤漿濃度/%冷煤氣效率/%77.84的相對含量呈上升趨勢.CO/%45. 300H2/%27. 640 0圖3給出了水煤漿濃度對效率和合成氣熱值的H2O/%17. 000 0CO2/%9.2970影響.從圖3可以看出,隨著水煤漿濃度的升高,氣CH,/%0.0129H2S/%0.1199化爐的冷煤氣效率由73. 04%升高到77. 84%,合成C0S/%0.0066N:/%0.5992氣的熱值由7870 kJ/kg開高到9 505 kJ/kg,整個(gè)粗合成氣熱值粗合成氣流量IGCC系統(tǒng)的發(fā)電效率也升高.9 505.1137.40LHV/(I.kg~1)/(t.h-1)爝氣輪機(jī)出力/kW 115 739汽輪機(jī)出 力/kW110 470+電合皮氣熱值79200 r -47.5系統(tǒng)發(fā)電量/kW216 210系統(tǒng)效率/%47.42古發(fā)電效率-900047.0次48800+86003結(jié)果與討論-840046.0元-82003.1水煤漿 濃度的影響3- .-8000酈-45.5水煤漿濃度是指固體煤的質(zhì)量濃度,它直接影7800J45.0響水煤漿的著火性能和熱值.水煤漿濃度越高,含煤水煤漿濃度1%量就越多,就越容易點(diǎn)燃且發(fā)熱量高.為了提高氣化圈3水煤漿錐度對效率和合成氣熱值的影響系統(tǒng)的冷煤氣效率,首先需要制備優(yōu)質(zhì)的水煤漿,即Fig.3 Inluence of coel slurry concentretion on the eficency endyngas heat value具備濃度高、粒度細(xì)、流動(dòng)性好、穩(wěn)定性好.黏度低的特點(diǎn).這就要求煤要磨細(xì),力度分布要均勻合理.同冷煤氣效率是氣化生成的合成煤氣的化學(xué)能與時(shí)選擇合適的添加劑也很重要.根據(jù)實(shí)際需要和煤氣化用煤的化學(xué)能之比值,是氣化爐的1個(gè)很重要質(zhì)特性,Texaco水煤漿濃度控制在60%~68%0].的指標(biāo).由于系統(tǒng)耗煤量由83. 02 t/h減少到77. 18圖2給出了水煤漿濃度對合成氣成分的影響.t/h,且CO、H2、CH含量均增加,所以冷煤氣效率從圖2中可以看出,當(dāng)水煤漿濃度由60%升高到，和合成氣的熱值升高.氣化爐冷煤氣效率升高,說明68%時(shí)，CO2和H2O的含量減少,CO的含量由煤中蘊(yùn)含的化學(xué)能更多地轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能，36. 64%增加到45. 33% ,H2的含量由25. 02%增加.更多的能量分配到燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中作功,這意味著27. 64% ,有效氣含量由61. 66%增加到72. 97%.整個(gè)電廠其他系統(tǒng)的需求越少,易于提高循環(huán)效率，因此系統(tǒng)的發(fā)電效率也升高.3.2氣化溫 度的影響136 340.010遲氣化溫度對氣化反應(yīng)的影響較大,它央定氣化反應(yīng)發(fā)生的可能性與程度.氣化溫度越高,反應(yīng)速率+30 :0.008多越快,碳轉(zhuǎn)化率也越高.27點(diǎn)0.00+24 :圖4給出了氣化溫度對氣化爐合成氣成分含量218180.005+0.00的影響.從圖4中可以看出,Co含量隨著溫度的升60 62高而增加,在1 400 C后稍有下降.H2含量在1 000C左右達(dá)到最大值,COr含量在1 300 C左右達(dá)到圖2水煤漿依度對合成氣成分的影響Fig.2 Influence of col slury cocentration on syngas compoitions最小值.H;O的含量隨著溫度的升高而明顯增加，水煤漿濃度升高意味著單位煤漿中煤含量的增CH,含量則明顯減少,由7.565%減少到0.000 4%.加和水含量的減少。煤含量增加有利于C與CO2發(fā)溫度升高時(shí),甲烷反應(yīng)減弱,且甲烷在高溫下會(huì)生Boudouard反應(yīng)和水煤氣反應(yīng),從而有利于co分解，從而導(dǎo)致CH,含量明顯減少.溫度升高時(shí)，.和H2的生成.而水含量的減少使水煤氣變換反應(yīng).COr還原反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)加強(qiáng),使CO和H,含左移,不利于H2的生成,這2種因素綜合作用,導(dǎo)量呈增加趨勢,同時(shí),CO氧化反應(yīng)加強(qiáng),使CO2含第7期王穎,等:氣化參數(shù)對IGCC系統(tǒng)中氣化爐性能的影響●69745F氣反應(yīng)和CO2還原反應(yīng)加劇,CO變換反應(yīng)平衡點(diǎn)七HO -CO2左移,CO和H2的產(chǎn)量增加.實(shí)際生成的CO2是減士CH,少的,但由于氣化劑流量減少導(dǎo)致產(chǎn)生的煤氣總量減少,因此CO2濃度略有上升.隨著氧氣濃度的升:2:高,有效氣含量增加,冷煤氣效率和系統(tǒng)效率均提高,氣化劑的流量減少,比氧耗和比煤耗均減少,所以在條件允許的前提下，提高氧氣濃度對系統(tǒng)很800 1000 1200 1400 1600氣化溫度/C有利.圈4氣化溫度對氣化爐合成氣成分含量的影響表5氧氣濃度的影響Fig. 4 Influence of gasification temperature on syngas compositionTab.5 Effect of oxygen concentration量增加,CO變換反應(yīng)平衡點(diǎn)左移,又導(dǎo)致CO2和參數(shù)氧氣依度/% 93 95979899 100冷煤氣效率/% 77.58 77.67 77.76 77.80 77.84 77.88H2含量減少.綜合作用的結(jié)果使得CO和H2含量先增加后減少,則有效氣含量也先增加后減少,CO2發(fā)電效事/%39.49 39.53 39.57 39.59 39.61 39. 63比氧耗/(10*kg●m-”) 527.7 516.4 505.6 500.4 495.4 491.0含量先減少后增加,H2O含量增加.可見,在- -定氣比煤耗/(10=kg.m-") 710.1 709.3 708.5 708.1 707.7 708.3化壓力下存在最佳的氣化溫度,如果溫度太高,不僅有效氣/%71.54 72.03 72.51 72.73 72.97 73. 19使有效氣含量減少.冷煤氣效率降低和氧耗增加,而.C0/%44.49 44.78 45.06 45.19 45.33 45.46且過剩的熱量以粗煤氣顯熱的形式排出,給回收增H:/%27.05 27.25 27.45 27.54 27.64 27. 73C02/% ;9.252 9.268 9.283 9.290 9. 297 9.304加困難,這樣勢必造成熱效率降低和投資增加.H2O/%16.87 16.91 16.96 16.98 17.00 17.02圖5給出了氣化溫度對比氧耗和比煤耗的影響.從圖5中可以看出，隨著氣化溫度的升高，比氧3.4 0/C比的影響耗和比煤耗均先減少后增加.比氧耗為每生產(chǎn)1 000在煤氣化過程中,氧煤比既是最重要的反應(yīng)條m'氣體(CO+ H2)的用氧量.比煤耗為每生產(chǎn)件 ,又是控制氣化爐氣化過程反應(yīng)操作的主要條件1 000 m'氣體(CO+ H2 )的用煤量.在壓力- -定的條之一.本文中采用的0/C比是氧氣中和煤漿中的氧件下,隨著溫度的升高,耗煤量和耗氧量均增加，而原子與煤中碳原子的物質(zhì)的量的比值.有效氣的含量先增加后減少,因此比氧耗和比煤耗.圖6給出了O/C比對氣化溫度、有效氣含量及先減少后增加.效率影響.從圖6中可以看出,隨著O/C的增大,氣88760化溫度呈線性升高，且升高較快,有效氣含量先增加后減少.氣化爐冷煤氣效率和系統(tǒng)的發(fā)電效率均下士比氧耗-比煤耗降.5 8002 600902 400-802 200--450ρ 2000f工有效氣含量680這1800160080010001200 1400 1 600藝14001 200圖5氣化溫度對比氧耗和比煤耗的影響100040800-Fig 5 Influence of gasification temperature on oxygen and coal con-0.70.80.91.01112131415130sumption retesOC比3.3氧氣濃度的影響圖6 0/C 比對氣化溫度有效氣含量及效率影響系統(tǒng)氣化所需氧氣由空氣分離系統(tǒng)供給.表5Fig.6 Inluence of o/C ratio on gasification temperature, efectiveges content and fficency給出了氧氣濃度對系統(tǒng)性能的影響.氧氣濃度的升高意味著氣化劑流量的減少和帶隨著0/C比的增大,氧量增加，從而有利于C人的N2量的減少.從表5中可以看出,隨著氧氣濃的燃燒反應(yīng)，使更多的碳燃燒生成CO2,同時(shí)釋放出度的升高,CO和H2的含量增加,CO2的濃度略有大量熱量,這是導(dǎo)致溫度升高的主要原因.由圖6可上升,H2O的含量也增加,這與文獻(xiàn)[3]中結(jié)論一知,當(dāng)0/C比增加0.1時(shí)，氣化溫度升高大約200致.因?yàn)殡S著氧氣濃度的升高,氣化溫度升高,水煤K,因此通過調(diào)節(jié)0/C比可以很好地調(diào)整氣化溫動(dòng)力工程第29卷度,從而調(diào)整氣化爐的狀態(tài).隨著0/C的增大,有效因?yàn)殡S著0/C比的增大,氣化溫度升高,所以氣含量先增加后減少,在0/C比為1. 02左右時(shí)取比氧耗和比煤耗隨O/C比改變的變化規(guī)律與隨溫得最佳值,此時(shí)對應(yīng)的氣化溫度為1200 C左右.隨度變化時(shí)的規(guī)律相同.著0/C比的增大,雖然CO和H2的含量增加,但是4結(jié)論由于CH,含量急劇減少(由16. 16%減少到近0%),導(dǎo)致氣化爐冷煤氣效率降低,合成氣的熱值和(1)提高水煤漿的濃度,有利于提高氣化爐的冷系統(tǒng)的發(fā)電效率也隨之降低.煤氣效率,增加有效氣含量，提高合成氣的熱值，從圖7給出了0/C比對主要合成氣成分含量的而有利于提高IGCC系統(tǒng)的發(fā)電效率.影響.從圖7中可以看出,隨著0/C比的增大,CO(2)氣化溫度對IGCC系統(tǒng)性能的影響較大,低和H2的含量先增加后減少,CO2的含量先減少后溫時(shí)提高氣化溫度,有效氣成分含量增加,比煤耗和增加,CH,的含量急劇減少,H20的含量增加.比氧耗均臧少,但是隨著溫度的繼續(xù)升高,這些參數(shù)將呈現(xiàn)相反的變化趨勢.(3)提高氧氣濃度有利于提高氣化冷煤氣效率和系統(tǒng)效率.- CH(4)O/C比對系統(tǒng)的影響是通過影響溫度而體現(xiàn)的.本系統(tǒng)對應(yīng)的最佳O/C比約為1. 02.8154+4參考文獻(xiàn):81007080.9101立13143[1] 焦樹建.論1GCC電站中氣化爐型的選擇[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2002, 15(2)+5-14.圈7 0/C 比對主要合成氣成分含量的影響[2]焦樹建. IGCC某些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與展望[J].動(dòng)力工Fig.7 Influence of 0/C ratio on syngas compositions程,2006,26<2) :153-165.因?yàn)?/C比的增大,-方面有利于燃燒反應(yīng)熱[3] ZHENG Ligang, FRIMSKY Edward. Comparison of量的釋放,使溫度升高，CO2還原反應(yīng)和水蒸氣分Shell,Texaco,BGL and KRW gasifiers as part of IGCCplant computer simulations[J]. Energy Conversion and解反應(yīng)加強(qiáng),從而使CO和H:的含量增加,有效氣Management, 2005 ,46<11/12) :1767-1779.含量也增加,另-方面,直接燃燒導(dǎo)致CO2和H2O[4] 李政,王天驕,韓志明，等, Texaco煤氣化爐數(shù)學(xué)模型的含量增加,所以O(shè)/C比對氣化反應(yīng)的影響較為復(fù)研究(2)一計(jì)算結(jié)果及分析[J]動(dòng)力工程,2001,21雜.當(dāng)0/C比為1. 02時(shí)，CO含量達(dá)到最大值(4):1316-1319.45. 33%,CO2含量達(dá)到最小值9.314%,有效氣含5] NI Qizhi, WILLIAMS Alan. A simulation study on the量達(dá)到最大值75. 51%,當(dāng)僅考慮合成氣有效氣成performnance of an entrained-low coal gasifier[J]. Fuel,分體積含量,不考慮合成氣的熱值,在壓力為3. 61995 ,74(1) :102-110.MPa時(shí),對應(yīng)的最佳0/C比為1.02左右.[6] WENC Y, CHAUNG T Z. Entrainment coal gasifica-圖8給出了0/C比對比氧耗和比煤耗的影響.tion modeling[J]. 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