第29卷第7期動(dòng)力工程Vol 29 No. 72009年7月Journal of Power EngineeringJuly 2009文章編號(hào):10006761(2009)06069405中圖分類號(hào):TM611.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A學(xué)科分類號(hào):470.30氣化參數(shù)對(duì)IGCC系統(tǒng)中氣化爐性能的影響王穎1,邱朋華1,吳少華,李振中2,王陽2,龐克亮2,陳小利(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所,哈爾濱1500012.國(guó)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(duì)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200MW級(jí)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系純模型,對(duì)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(duì)不同氣化參數(shù)溫度、水煤漿濃度、氧氣濃度、OC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十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(duì)iGCC系統(tǒng)性能彩響較大;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(duì)應(yīng)的最佳O/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;氣化參數(shù);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-zhongWANG Yang, PANG Ke-liang, CHEN Xiao-li(1. Institute of Combustion Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China2. NPCC, Shenyang 110034, China)Abstract:The composition contents of gasifier outlet syngas were assessed first, and the calculation resultsrere 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 witIfundamental 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 O/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 efficiency under different gasification conditions were analyzedResults show that higher coal slurry concentration helps to increase the coal gas efficiency of gasifier; Gasification temperature has a relatively greater influence on the IGCC system performance, Higher oxygenconcentration is positive to enhance the efficiencies 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中國(guó)煤化工收稿日期:2008-1208修訂日期:2008-1231CNMHG基金項(xiàng)目:國(guó)家863高技術(shù)基金資助項(xiàng)目(2006 AAOSA110)作者簡(jiǎn)介:王穎(1981-),女遼寧錦州人,博士研究生,主要從事GCC系統(tǒng)靜態(tài)特性方面的研究電話(Te):13613651552E-mail:wying811111@126.com.第7期王穎,等:氣化參數(shù)對(duì)lGCC系統(tǒng)中氣化爐性能的影響695·整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)是最具潛力值,對(duì)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%7,計(jì)算結(jié)果中CO含量在這供了可能國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣化爐及IGCC系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)范圍內(nèi).N2、H2S、COS的含量與文獻(xiàn)中一致,了大量的研究,如焦樹建2對(duì)IGCC電站中氣化爐CH4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(duì)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(duì)某些1GCC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(duì)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等人利用 Aspen Plus軟件對(duì)配置有豪2計(jì)算結(jié)果(C)和文獻(xiàn)值(L)的比較Shell Texaco、BGL和KRW4種氣化爐的IGCC系Tab2 Comparison of 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(duì)整體特性的影響李政等人利用模型,詳細(xì)分Co H COz HO CH, N2 H2S COs A析了氣化爐主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)氣化爐性能的影響.NiL40.8029.6010.2017.000.300.901.000.100.10等人提出了新的氣流床氣化爐的模擬方法,探討C42.302.008.7018.000.020.881.000.100.00了O/C比、溫度和壓力對(duì)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(jí)IGCC系統(tǒng)利用輻射和對(duì)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(duì)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Thermo Flex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1.一口煤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)的選擇及其運(yùn)行提供了參考1氣化模型及其驗(yàn)證氣化是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2-空分系統(tǒng)3-氣化爐,一幅射度銅,5-對(duì)流度熱力性能、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),7一濕飽和器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(duì)整個(gè)IGCC系統(tǒng)的性能有很圖1IGcC系統(tǒng)模型圖大影響.因此筆者首先單獨(dú)對(duì)氣化爐模型進(jìn)行核算,Fig 1 Model of IGCC 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)為度為65%,氧氣濃度為9%氣化爐出口溫度為30%氣化用爆的煤質(zhì)分析見表3水媒漿濃度為1315.6℃;氣化爐壓力為4.14MPa;碳轉(zhuǎn)化率為68%;大氣溫度為14℃,壓力為0.1012MPa,相100%計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值的比較見表2對(duì)濕度為79%;氣化壓力為3.6MPa,氣化溫度為1Ⅲ linois6號(hào)煤的工業(yè)分析和元素分析1310℃;考慮實(shí)際情況碳轉(zhuǎn)化率為98%;燃?xì)廨啓C(jī)Tb,1 Proximate and ultimate analyses of Illinois N6cal選用GE9E型號(hào)基本計(jì)算條件下IGC系統(tǒng)的性元素分析/%能參數(shù)見表4MCHNs0/%/%/(M·kg-1)衰3煤質(zhì)分析Tab 3 Proximate and ultimate analyses of coal61.24.71.13.4中國(guó)煤化工由表2可以看出,計(jì)算結(jié)果中粗煤氣組分的體CNMHG/Mkg")/c積百分率與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)基本吻合.H2和CO2的dH17.3021.741260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4IcoC系統(tǒng)的性能參敗致H2的絕對(duì)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)值參數(shù)數(shù)值CH4的產(chǎn)量減少.但是由于水煤漿濃度的升高,使氣化溫度/℃耗煤量減少,導(dǎo)致合成氣產(chǎn)量略有減少,所以CH4水煤漿濃度/%冷煤氣效率/%7784的相對(duì)含量呈上升趨勢(shì)45.330027.6400圖3給出了水煤漿濃度對(duì)效率和合成氣熱值的H2O/%CO2/%9.2970影響.從圖3可以看出,隨著水煤漿濃度的升高,氣CH4/%H3S/%0.119化爐的冷煤氣效率由73.04%升高到77.84%,合成氣的熱值由7870kJ/kg升高到9505kJ/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137.40LHv/(kJ·kg-1)9505.1/(t.h48.0冷煤氣效率燃?xì)廨啓C(jī)出力/kW115739汽輪機(jī)出力/kW110470★粗合成氣熱值2001475山發(fā)電效率系統(tǒng)發(fā)電量/kW216210系統(tǒng)效率/%47.42求哥丫批86003結(jié)果與討論3.1水煤漿濃度的影響400水煤漿濃度是指固體煤的質(zhì)量濃度,它直接影響水煤漿的著火性能和熱值.水煤漿濃度越高,含煤煤漿濃度/%量就越多,就越容易點(diǎn)燃且發(fā)熱量高.為了提高氣化圖3水煤漿濃度對(duì)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 Influence of coal slurry concentration on the efficiency andsyngas 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%.的指標(biāo)由于系統(tǒng)耗媒量由8.02th減少到7.18圖2給出了水煤漿濃度對(duì)合成氣成分的影響.t/h,且CO、H12CH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45.39%,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氣化溫度的影響氣化溫度對(duì)氣化反應(yīng)的影響較大,它決定氣化反應(yīng)發(fā)生的可能性與程度氣化溫度越高反應(yīng)速率越快,碳轉(zhuǎn)化率也越高圖4給出了氣化溫度對(duì)氣化爐合成氣成分含量0.00621的影響.從圖4中可以看出,CO含量隨著溫度的升高而增加,在1400℃后稍有下降.H2含量在1000水煤漿濃度/%℃左右達(dá)到最大值,CO2含量在1300℃左右達(dá)到2水煤漿濃度對(duì)合成氣成分的影響Fag2 Influence of coal slurry concentrate ou syngas composition最小值HO的含量隨著溫度的升高而明顯增加,CH4含量則明顯減少,由7.565%減少到0.0004%水煤漿濃度升高意味著單位煤漿中煤含量的增加和水含量的減少煤含量增加有利于C與CO2發(fā)分解中國(guó)煤化工甲烷在高溫下會(huì)CNMHG少溫度升高時(shí),生 Boudouard反應(yīng)和水煤氣反應(yīng),從而有利于COCO2如僅厘和小碟飛厘加理,使CO和H2含和H2的生成而水含量的減少使水煤氣變換反應(yīng)量呈增加趨勢(shì),同時(shí),CO氧化反應(yīng)加強(qiáng),使CO2含左移不利于H2的生成,這2種因素綜合作用,導(dǎo)第7期王穎,等:氣化參數(shù)對(duì)IGCC系統(tǒng)中氣化爐性能的影響697氣反應(yīng)和CO2還原反應(yīng)加劇,CO變換反應(yīng)平衡點(diǎn)左移,CO和H2的產(chǎn)量增加.實(shí)際生成的CO2是減姓x=8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825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(duì)系統(tǒng)很氣化溫度/℃有利圖4氣化溫度對(duì)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(C變換反應(yīng)平衡點(diǎn)左移又導(dǎo)C0和們。H2含量減少,綜合作用的結(jié)果使得CO和H2含量冷煤氣效率/%77先增加后減少,則有效氣含量也先增加后減少,CO2發(fā)電效率/%39.4939.5339.57395939.6139比氧耗/(103kg·m-3)527.7516.4505.6500.4495.4491l.0含量先減少后增加,H2O含量增加.可見,在一定氣比煤耗/(10kg,m-)710.1709.3708.570.1017.3化壓力下存在最佳的氣化溫度,如果溫度太高,不僅有效氣/%71.5472.0372.5172.7372.9773.19使有效氣含量減少、冷煤氣效率降低和氧耗增加,而Co/%44.4944.7845.0645.1945.3345.46且過剩的熱量以粗煤氣顯熱的形式排出,給回收增H2/%27.0527.2527.4527.5427.6427.加困難,這樣勢(shì)必造成熱效率降低和投資增加CO2/%9.2529.2689.2839.2909.2979.304H2O/%16.8716.9116.9616.9817.0017.02圖5給出了氣化溫度對(duì)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3.4O/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)1000在煤氣化過程中,氧煤比既是最重要的反應(yīng)條m3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1000m3氣體(CO+H2)的用煤量.在壓力一定的條之一本文中采用的O/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(duì)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)電效率均下降2600氣含量K怒180冷煤氣效率8001000120014001600氣化溫度℃圖5氣化溫度對(duì)比氧耗和比煤耗的影響Fig 5 Influence of gasification temperature on oxygen and coal con-070.8091.01.12133.3氧氣濃度的影響圖6O/C比對(duì)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5Fg6 Influence of O/C ratio on gasification temperature, effective給出了氧氣濃度對(duì)系統(tǒng)性能的影響gas content and efficiency氧氣濃度的升高意味著氣化劑流量的減少和帶隨著O/C比的增大,氧量增加,從而有利于C入的N2量的減少從表5中可以看出隨著氧氣濃的燃中國(guó)煤化工CO2,同時(shí)釋放出度的升高,CO和H的含量增加,CO的濃度略有大CNMHG要原因,由圖6可上升,HO的含量也增加,這與文獻(xiàn)[3]中結(jié)論一知,當(dāng)UC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)O/C比可以很好地調(diào)整氣化溫·698·動(dòng)力工程第29卷度,從而調(diào)整氣化爐的狀態(tài)隨著O/C的增大,有效因?yàn)殡S著O/C比的增大氣化溫度升高,所以氣含量先增加后減少,在OC比為1.02左右時(shí)取比氧耗和比煤耗隨OC比改變的變化規(guī)律與隨溫得最佳值,此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣化溫度為1200℃左右隨度變化時(shí)的規(guī)律相同著O/C比的增大,雖然CO和H2的含量增加,但是由于CH,含量急劇減少(由16.16%減少到近4結(jié)論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O/C比對(duì)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O/C比的增大,CO2)氣化溫度對(duì)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,CH4的含量急劇減少,H2O的含量增加比氧耗均減少,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(shì).(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(4)O/C比對(duì)系統(tǒng)的影響是通過影響溫度而體現(xiàn)的.本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最佳O/C比約為1.0215參考文獻(xiàn):[1]焦樹建.論IGCC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.圖7O/C比對(duì)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[].動(dòng)力工Fig 7 Influence of o/C ratio on syngas compositions程,2006,26(2):153-165.因?yàn)镺/C比的增大,一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 IGcc解反應(yīng)加強(qiáng),從而使CO和H2的含量增加,有效氣plant computer simulations[J]. Energy Conversion and含量也增加,另一方面,直接燃燒導(dǎo)致CO2和H2OManagement,2005,46(11/12):1767-1779的含量增加,所以O(shè)/C比對(duì)氣化反應(yīng)的影響較為復(fù)[4]李政,王天驕韓志明等. Texaco煤氣化爐數(shù)學(xué)模型研究(2)—計(jì)算結(jié)果及分析[J].動(dòng)力工程,2001,21雜.當(dāng)O/C比為1.02時(shí),CO含量達(dá)到最大值(4):1316-13194533%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performance of an entrained-flow 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):102-1MPa時(shí),對(duì)應(yīng)的最佳O/C比為1.02左右[6] WEN C Y, CHAUNG T Z Entrainment coal gasifica-圖8給出了OC比對(duì)比氧耗和比煤耗的影響tion modeling[J]. Industrial and Engineering Chemistry從圖8中可以看出,隨著OC比的增大,比氧耗和Process Design and Development, 1979,18(4): 684-695比煤耗先減少后增加[7] SUEYAMA T, KATAGIRI K Four-year operating ex-perience with Texaco gasification process in Ube Ammonia[C]//Pressented at Eighth Annual EPRI Confer-ence on Coal Gasification. Palo Alto, California: [sn],1988[8] PETER Ruprecht, WOLFGANG Schafer, PAULWallace. A computer model of entrained coal gasifica中國(guó)煤化工2070809101.112131415CNMHG站的分析及其發(fā)展圖8O/c比對(duì)比氧耗和比煤耗的影響Fig8 Influence of O/C ratio on oxygen and coal consumption rates