.第26卷第9期中國電機(jī)工程學(xué)報Vol.26 No.9 May 20062006年5月.Proceedings of the CSEEC2006 Chin.Soc.for Elec.ng.文章編號: 0258-8013 (2006) 09-0007-07中圖分類號: TK16文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A學(xué)科分類號: 470.20新型近零排放煤氣化燃燒利用系統(tǒng)的優(yōu)化及性能預(yù)測關(guān)鍵，王勤輝，駱仲泱，岑可法(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，浙江省杭州市310027)Optimization and Performance Prediction of a New Near Zero Emissions Coal UtilizationSystem with Combined Gasification and CombustionGUAN Jian, WANG Qin-hui, LUO Zhong yang, CEN Ke-fa(Statc Key Laboratory of Clean Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: According to our new near zero emissions coal化爐碳轉(zhuǎn)化率增加而呈上升趨勢。在綜合考察壓力和碳轉(zhuǎn)化utilization system with combined gasification and combustion,率對系統(tǒng)效率、氣化爐和燃燒爐性能的影響規(guī)律后，比較合which is based on the CO2 acceptor gasification process, the適的系統(tǒng)壓力和氣化爐碳轉(zhuǎn)化率分別為2.5 MPa和0.7.在product gas composition of the gasifier and the combuston were該運(yùn)行參數(shù)下，系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到了62.1%。若采用先進(jìn)的calculated by means of thermodynamic equilibrium calculation氧離子輸送膜(TM)制氧方法，系統(tǒng)效率可提高1.3%。sofware FactSage 5.2. Based on these calculations, the wholesystem eficiency calculation method that complies with the關(guān)鍵詞:熱能動力工程;近零排放; CO, 接受體法氣化;平mass and energy conversion principle was established. Aimed衡模型;系統(tǒng)優(yōu)化at enhancing the system fficiency, the system pressure and thegasifier carbon conversion ratio were optimized. The results0引言indicate that the system fficiency increases with increasing ofthe pressure and the gasifier carbon conversion ratio. After the開發(fā)能源轉(zhuǎn)化效率更高、包括CO2在內(nèi)的多種influences of the pressure and the carbon conversion ratio on污染物排放極低，甚至幾乎為零的煤炭利用系統(tǒng),the performance of the system, gasifier and the combustor were是世界各國煤炭資源利用所追求的目標(biāo)。目前，世synthetically studied, the optimum pressure and the carbon界已有多家研究機(jī)構(gòu)提出了零排放煤利用系統(tǒng)方conversion ratio were obtained respectively as 2.5MPa and 0.7.The system efficiency could achieve around 62.1% when the案。其中，由于CO2接受體法氣化技術(shù)具有可以制system operated in these two optimum parameters. If the得高濃度的H2,同時接受體再生過程中釋放的是高advanced ITM air separation technology is used, the calculation濃度CO2這-特點",使基于CO2接受體法氣化技system fficiency will be increased 1.3%.術(shù)的幾種零排放系統(tǒng)成為這一方向的主流。代表性KEY WORDS: thermal power engineering; nearzero的如美國零排放煤利用聯(lián)盟(ZECA)提出的無氧煤emissions; CO2 acceptor gasification; equilibrium model; system氣化零排放系統(tǒng)2-31、美國GE能源與環(huán)境研究公司optimization(GE-EER)提出的AGC(advanced gasification摘要:針對所構(gòu)建的以CO2接受體法氣化為基礎(chǔ)的新型近combustion)系統(tǒng)4)、日本新能源綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)零排放煤氣化燃燒利用系統(tǒng)，以熱力學(xué)平衡計算軟件包(NEDO)提出的HyPr-Ring(Hydrogen Production byFactSage 5.2 來預(yù)測氣化爐及燃燒爐的產(chǎn)物組成。在此基礎(chǔ)Reaction Integrated Novel Gasification)系統(tǒng)[50)等。這上建立了基于物質(zhì)平衡、能量平衡的系統(tǒng)效率計算方法。以提高系統(tǒng)效率為目標(biāo)，對系統(tǒng)壓力和氣化爐碳轉(zhuǎn)化率這兩個幾|中國煤化工應(yīng)器形式和工藝路重要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，系統(tǒng)效率隨操作壓力和氣YHCN MH G目前有關(guān)的理論及基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50306022)。試驗研究I作都在積板進(jìn)行之中。ZECA 針對無氧Projet supported by National Nature Science Foundation of China煤氣化零排放系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了整個系統(tǒng)的理論計(50306022).中國電機(jī)工程學(xué)報第26卷算，預(yù)測了系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性。同時采用一種高溫(1),生成CO和H2。氣相中的CO進(jìn)- -步通過水煤高壓的熱重分析儀研究了多個煤種在7MPa下，900氣變換反應(yīng)(2)轉(zhuǎn)化為 CO2,同時生成H。CaO作C左右的加氫氣化特性。GEER針對AGC系統(tǒng)，為 CO2接受體發(fā)生碳酸化反應(yīng)(3),將氣相中的借助NASA熱力學(xué)軟件建立了系統(tǒng)計算模型，預(yù)測遭化出一十用戶煙氣輪機(jī)了反應(yīng)平衡組成并計算了整個系統(tǒng)的效率。目前設(shè)計制造了- -個內(nèi)徑10 cm、反應(yīng)管可承受2 MPa、HhCo21000C的流化床反應(yīng)器準(zhǔn)備進(jìn)行煤的CO2接受體氣壓力循CaCO「常壓或的醫(yī)科電動給水_， 燕汽輪機(jī)煤成環(huán)流化化制氫試驗。日本NEDO針對HyPr-Ring系統(tǒng)，由物威床氣化。 CaCO3LIN S.Y等進(jìn)行了整個系統(tǒng)的理論計算，在-一個內(nèi)徑20mm的連續(xù)給料裝置上研究了壓力、溫度等條蒸汽H H2O J9低氧空氣 排空|空氣件對煤/ CaO混合物氣化制氫的影響規(guī)律。國內(nèi)除4空分棚←-空氣浙江大學(xué)以外，另有中科院工程熱物理研究所提出圖1新型近零排放煤 氣化燃燒利用系統(tǒng)的含碳能源直接制氫零排放系統(tǒng)”目前也在積極進(jìn)Fig. 1 Block diagram of new near zero emissions coal行有關(guān)的理論研究。utilization system依據(jù)CO2接受體法氣化技術(shù)思路，結(jié)合循環(huán)流CO2不斷吸收固化。該反應(yīng)一方面通過不斷減少氣化床燃燒及氣化技術(shù)的優(yōu)勢及特點，筆者構(gòu)建了- -相中CO2的來促進(jìn)反應(yīng)(2)的平衡向右進(jìn)行,進(jìn)而也套新型近零排放煤氣化燃燒集成利用系統(tǒng)(89)。其促進(jìn)反應(yīng)(1)的平衡向右進(jìn)行，從而促進(jìn)了H2的生產(chǎn)。另一方面，反應(yīng)(3)放出的大量熱量可供其它反中，系統(tǒng)操作壓力，即氣化爐、燃燒爐運(yùn)行壓力和應(yīng)利用。除上述主要反應(yīng)外，氣相中另有少量熱解氣化爐碳轉(zhuǎn)化率是該新型近零排放系統(tǒng)的兩個重或氣化所產(chǎn)生的CH4發(fā)生重整反應(yīng)(4)也轉(zhuǎn)化為CO要參數(shù)。壓力不同將直接影響氣化產(chǎn)物的生成情和H2。氣化爐產(chǎn)生的高濃度H2用于固體氧化物燃況，進(jìn)而影響進(jìn)入下游各模塊的物質(zhì)流和能量流并料電池(SOFC)發(fā)電或供其它氫能用戶使用。含有未最終對系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生影響。合適的氣化爐碳轉(zhuǎn)被利用的H2 的燃料電池排出的尾氣被送入燃燒爐化率是系統(tǒng)進(jìn)行煤炭合理分級轉(zhuǎn)化原則的體現(xiàn)，它以利用其高溫顯熱和其中的H2。燃料電池所排出的既要使得氣化爐產(chǎn)生更多的H2，又要保證氣化爐中低氧濃度的高溫空氣，分離出其中的氧氣后用于預(yù)未轉(zhuǎn)化的半焦能夠滿足燃燒爐中CaCO3煅燒吸熱的熱進(jìn)入燃料電池的空氣。需要。因此本文針對這兩個重要參數(shù)對系統(tǒng)相關(guān)設(shè)C+H20=CO0+H，AH298 =131.3k/mol(1)備、整體性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。以提高系統(tǒng)CO+H20=CO2 +H,△H29 = -41.5kJ/mol(2)效率為目標(biāo)，保證系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)可行性為CaO+CO2=CaCO,，△H98 =-178.1kJ/mol (3)原則對這兩項重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，得CH。+H,0=CO+3H2,△H298 = 206.3kJ/mol (4)出了系統(tǒng)在此優(yōu)化條件下各部分的發(fā)(耗)電量情況煤中較難氣化的半焦和吸收CO2生成的CaCO3及總體效率。本文是對該新型近零排放系統(tǒng)在理論被送入加壓或常壓循環(huán)流化床燃燒爐。半焦和來自上的一個初步證明，同時加深對這兩個重要參數(shù)對燃料電池尾氣的氫氣在純氧環(huán)境中燃燒，釋放出的系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行和整體性能影響規(guī)律的認(rèn)識，并且為熱量供給CaCO3煅燒分解,生成的CaO被作為CO2下一步合理安排試驗驗證工作提供指導(dǎo)。接受體重新送回到氣化爐。燃燒爐中發(fā)生的主要化1新型近零排放煤氣化燃燒利用 系統(tǒng)介紹學(xué)反應(yīng)如式(5)~(7)所示。燃燒爐內(nèi)燃料燃燒和CaCO3煅燒所產(chǎn)生的水蒸氣和CO2高溫混合氣體經(jīng)筆者構(gòu)建的新型近零排放煤氣化燃燒集成利高溫除塵后首先進(jìn)入煙氣輪機(jī)發(fā)電，然后作為余熱用系統(tǒng)如圖1所示。煤或其它燃料(如生物質(zhì))在摻鍋爐的執(zhí)源進(jìn)行蒸汽循環(huán)發(fā)由低溫 尾氣經(jīng)冷凝分入一定比例的CO2 接受體(CaO)后，送入有一定壓離出sY;中國煤化工cO2'氣體可以比較力的無氧循環(huán)流化床氣化爐，以水蒸氣作為氣化劑容易CNMHG。進(jìn)行部分氣化反應(yīng)。其中煤中的碳發(fā)生水煤氣反應(yīng)C+O2=CO2，NH298 = 393.8kJ/mol (5)第9期關(guān)鍵等:新型近零排放煤氣化燃燒利用系統(tǒng)的優(yōu)化及性能預(yù)測92H2+O2=2H2O, OH29 =- 570k/mol (6) 溫度才 是既符合元素守恒，又符合能量守恒的系統(tǒng)CaCO,+CaO+CO2，AH98 =-180kJ/mol (7)平衡態(tài)下的溫度值。而這時的產(chǎn)物情況才是所希望在所構(gòu)建的系統(tǒng)中，煤在氣化過程中產(chǎn)生的得到的反應(yīng)爐平衡產(chǎn)物。。H2S直接與CaO反應(yīng)生成CaS,然后在燃燒爐中被在對氣化爐和燃燒爐產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)上,轉(zhuǎn)化為CaSO4固化脫除10]。煤中的氮在氣化過程中依據(jù)系統(tǒng)流程即可序貫計算出進(jìn)入各設(shè)備的物質(zhì)大部分轉(zhuǎn)化為氮氣,少量轉(zhuǎn)化為NH3也比較容易脫和能量情況。在此基礎(chǔ)上，由發(fā)電單元和耗功單元除，因此不需要專門的脫除氮氧化物的設(shè)備。氣化的發(fā)電量和耗電量，即可算出整個系統(tǒng)的熱功轉(zhuǎn)化燃燒過程所產(chǎn)生的灰顆粒則可以通過除塵設(shè)備脫效率η，其定義由式(8)給出。此效率即作為我們系除。燃燒爐各過程產(chǎn)生的少量氣體污染物包括重金統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)。屬蒸氣I12等可以與所產(chǎn)生的高純度CO2 一起處(Pgr+PSorc+Px - P機(jī))(8)理。由此實現(xiàn)煤炭利用過程中的污染物近零排放。qD所構(gòu)建的煤利用系統(tǒng)有如下特點:①充分考慮煤在其中: Pr、 PoFC、 P魏分別為燃?xì)廨啓C(jī)、燃料各種轉(zhuǎn)化過程中表現(xiàn)出的特點，先在循環(huán)流化床氣電池、 蒸汽輪機(jī)的發(fā)電量，kW; P機(jī)為輔機(jī)能耗，化爐中把煤的“高活性組分”進(jìn)行無氧氣化，然后kW; q1 為煤的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg; D為投把“低活性組分”送入循環(huán)流化床燃燒爐燃燒，實煤量，kg/s.現(xiàn)煤的分級轉(zhuǎn)化，降低對氣化過程的要求;②利用在對整個系統(tǒng)進(jìn)行量化計算的過程中，為了簡較為成熟的循環(huán)流化床技術(shù)完成系統(tǒng)的核心部分，化計算，突出主要規(guī)律，這里還采用了以下基本假系統(tǒng)相對比鉸簡單;③不追求產(chǎn)品氣中很低的CO2設(shè)和主要計算條件，其中有關(guān)參數(shù)主要是根據(jù)目前含量,選用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)壓力,降低了對系統(tǒng)的要求。設(shè)備可行的性能來取值4161:(1)氣化爐:熱損失占整個氣化爐輸入熱量2系統(tǒng)優(yōu)化及性能預(yù)測的0.5%;2.1系統(tǒng)效率計算方法(2)燃燒爐:采用與氣化爐相的同壓力以便在所構(gòu)建的系統(tǒng)中，氣化爐中的CO2接受體法于兩 者之間物料的非機(jī)械傳輸;熱損失占整個燃燒無氧氣化制氫、燃燒爐中的CaCO,煅燒分解和半焦?fàn)t輸入熱量的0.5%;再生的接受體中約有5%隨排渣燃燒是整個系統(tǒng)物質(zhì)流和能量流的基礎(chǔ)。因此對氣過程損失;化爐和燃燒爐產(chǎn)物數(shù)量的預(yù)測成為整個系統(tǒng)效率(3)SOFC:以空氣為氧化劑，發(fā)電效率為50%，計算的基礎(chǔ)。這里利用熱力學(xué)平衡計算軟件包燃料利用率為85%;FactSage 5.2來進(jìn)行氣化爐和燃燒爐產(chǎn)物預(yù)測。該軟(4)煙氣輪機(jī):絕熱膨脹效率為0.89,機(jī)械效件是一種基于系統(tǒng)吉布斯自由能最小化原理的熱率為0.98，發(fā)電機(jī)發(fā)電效率為0.95;力學(xué)平衡計算程序1),最小吉布斯自由能是求解熱(5)管道:系統(tǒng)管道熱損失忽略不計;力學(xué)平衡態(tài)的常用方法之一。在本文的平衡計算(6)系統(tǒng)計算以一典型煙煤為燃料。表1給出中,氣化爐中考慮了C、CaO、H20、H2、CO: CO2、了 該煙煤煤樣分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)給煤量固定為CH、CaCO,共8種成分，C、Ca、0、H共4種元素，18.35kg/s, 進(jìn)料C/CaO/H20摩爾比為1:1:3.5。因此應(yīng)該只有4個(成分?jǐn)?shù)目減去元素數(shù)目)獨立反.表1煤樣分析數(shù)據(jù)應(yīng)，如式(1)~(4)所列。 燃燒爐中考慮C、CaCO3、Tab.1 Analysis data of coalH.0、Ca0、Co2 HO共7種組份，也是C. Ca工業(yè)分新0.四 。龍限分所心的公司下，發(fā)熱M0、H共4種元素，因此應(yīng)該只有3個獨立反應(yīng)，如2.7 25.1721.6263.393.886.510.781.1324.535式(5)~(7)所列。在計算開始前，除需要給出反應(yīng)系2.2壓力對系統(tǒng)性能的影響及優(yōu)化統(tǒng)的壓力P之外，還需給出所考察的平衡系統(tǒng)溫度壓力對系統(tǒng)的性能有很大的影響。經(jīng)計算,碳T。這里需要先假定一個系統(tǒng)溫度To，由平衡模型轉(zhuǎn)化中國煤化工的系統(tǒng)壓力改變對計算出產(chǎn)物組成?；诖私Y(jié)果，再由系統(tǒng)能量守恒系統(tǒng)|YHCNMHC圖中可以看出，系計算出一一個溫度來， 記為T。若T與7。不同，則重新統(tǒng)效率整體.上是隨著壓力的增大而提高。這是因為假定T進(jìn)行計算，直至得出與T相同的溫度值T。該壓力的提高，有利于氣化爐中CO2接受體反應(yīng)(3)10中國電機(jī)工程學(xué)報第26卷向正方向進(jìn)行，由此也促進(jìn)了水煤氣反應(yīng)(2)向正方勢吻合，反映出以H2為燃料的SOFC的發(fā)電量對向進(jìn)行，最終促進(jìn)了H2 的生成，燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)性能決定性的影響。另外考慮到壓力增加，將量有所增加。同時提高壓力也會提高整個煙氣輪機(jī)會導(dǎo)致整個系統(tǒng)制造要求提高、成本上升，運(yùn)行安.的效率，從而促進(jìn)整個系統(tǒng)的效率的提高。但隨壓全性下降;同時，在假設(shè)燃燒爐采用與氣化爐相同力的進(jìn)一步提高，系統(tǒng)效率增大的幅度隨著壓力的壓力的情況下，壓力越高，燃燒爐內(nèi)石灰石的煅燒增加逐漸減少。甚至在碳轉(zhuǎn)化率為0.8的情況下，就越困難。因此綜合考慮以上因素，較優(yōu)的系壓力系統(tǒng)壓力從2.5MPa增加到3MPa時,系統(tǒng)效率均為取為2.5MPa左右比較合適。65.3%，并沒有繼續(xù)提高。可見，總體上提高操作2.3氣化爐碳轉(zhuǎn)化率對 系統(tǒng)性能的影響及優(yōu)化壓力有利于提高系統(tǒng)效率，但當(dāng)壓力超過2.5 MPa氣化爐碳轉(zhuǎn)化率是煤中的碳在氣化爐中參與后，系統(tǒng)效率提高就很微弱了。反應(yīng)的百分比，氣化爐中未反應(yīng)的半焦將進(jìn)入燃燒6廠~■X=0.8爐利用。因此，碳轉(zhuǎn)化率的改變直接影響著氣化爐, x=0.7和燃燒爐的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而影響進(jìn)入下游燃料電池462和煙氣輪機(jī)的物質(zhì)和能量，從而對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。這里取優(yōu)化的系統(tǒng)壓力值2.5MPa,計算碳轉(zhuǎn)化率分別為0.6、0.7、0.8時反應(yīng)爐的溫度、.s系統(tǒng)主要設(shè)備的發(fā)電、耗功情況及系統(tǒng)效率，如表壓力/MPa圖2不同碳轉(zhuǎn)化率 下系統(tǒng)效率隨壓力的變化2所列。由表中可看出，隨著碳轉(zhuǎn)化率的提高，系Fig.2 System eficiency versus pressure with dfferent統(tǒng)效率明顯提高。其中燃料電池發(fā)電量所占的百分carbon conversion ratio比逐漸.上升，煙氣輪機(jī)和蒸汽輪機(jī)發(fā)電量所占的百壓力對系統(tǒng)整體性能的影響在很大程度上是分比都有所下降。這是由于隨著碳轉(zhuǎn)化率的增大，基于壓力對氣化產(chǎn)物的直接影響。圖3給出了氣化氣化爐中產(chǎn)生的H2量增加，也即進(jìn)入SOFC的燃料溫度為850C 下，氣化產(chǎn)物隨壓力的變化情況。從增加，SOFC發(fā)電量所占的份額也隨之增加。同理，圖中可看出，在較低壓力下(小于約0.6 MPa)由于隨著碳轉(zhuǎn)化率的提高，進(jìn)入燃燒爐的份額就減少，CaO的碳酸化反應(yīng)(3) 并未進(jìn)行，CaO量保持不煙氣輪機(jī)發(fā)電量所占的份額也減少。而蒸汽輪機(jī)是變，生成的CaCO3量為零，因此CaO促進(jìn)H2生成利用煙氣輪機(jī)余熱的，所以它所占的份額也相應(yīng)有的作用并未發(fā)揮。此后隨著壓力的提高，碳酸化反所下降?？梢姡嫁D(zhuǎn)化率的提高正好符合盡可能使應(yīng)(3)進(jìn)行的程度加深，越來越多的CaO吸收CO2轉(zhuǎn)化為CaCO3,因此生成的H2量開始增加。但壓能量在具有較高效率的單元中(這里是SOFC)轉(zhuǎn)力大于2.5MPa后，H2產(chǎn)量的增加很微弱，甚至出化的基本原則，因此隨碳轉(zhuǎn)化率增大，系統(tǒng)效率隨現(xiàn)了下降的趨勢。這是因為，隨著壓力增加，反應(yīng)之增大。(4)平衡向左進(jìn)行，生成的部分H2被轉(zhuǎn)化為了CH,表2不同碳轉(zhuǎn)化率 下的系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.2 The main parameters under the different carbon這與圖中CH4產(chǎn)量的變化趨勢相-致。氣化產(chǎn)物中conversion ratioH2生成量隨壓力的變化趨勢與系統(tǒng)效率的變化趨主要參數(shù)碳轉(zhuǎn)化率0.6碳轉(zhuǎn)化率0.7碳轉(zhuǎn)化率0.8氣化爐溫度rC95886773H2燃燒爐溫度C1185705燃料電池發(fā)電:W213557.46242072.1268340.161.0燃料電池發(fā)電量所站比例%64.76煙氣輪機(jī)總發(fā)電刷kW160118.7 152375.1145708.3(CaO煙氣輪機(jī)發(fā)電量所占比例%42.0938.3535.16 .0.5fCO2熱輪機(jī)發(fā)電量kW6712.562875.5316.7燕氣輪機(jī)發(fā)電量所佔比例%.41.760.720.08fco壓氣機(jī)維KxW79839.3091708.299826.12中國煤化]5957.120764E 62,1.65.3壓力MPa圄3氣化產(chǎn)物隨壓 力的變化YHc N M H G是受到氣化爐和燃Fig .3 The reationship between product composition of燒爐的運(yùn)行條件限制的，并不是可以隨意選取的。the gasifier and pressure第9期關(guān)鍵等: 新型近零排放煤氣化燃燒利用 系統(tǒng)的優(yōu)化及性能預(yù)測11圖4給出了系統(tǒng)壓力在2.5 MPa下碳轉(zhuǎn)化率與氣化基本原則。在前面壓力對系統(tǒng)性能影響的分析中, .爐、燃燒爐溫度的關(guān)系。碳轉(zhuǎn)化率的提高說明氣化壓力的提高實際上主要就是通過促進(jìn)氣化爐中H2反應(yīng)進(jìn)行得更加深入，因此氣化反應(yīng)所需的熱量大的產(chǎn)量，進(jìn)而增加SOFC的發(fā)電量來提升系統(tǒng)效率幅度增加。雖然也會相應(yīng)增加CO2接受體(CaO)的的。用量，由此CO2與CaO反應(yīng)的放熱量也會相應(yīng)增表3氣化爐氣體產(chǎn)物組成加，但這并不足以彌補(bǔ)氣化反應(yīng)強(qiáng)化后所需熱量的Tab.3 Product gas composition of the gasifier大幅度提高，因此氣化爐的運(yùn)行溫度有所下降。隨入口物料(kg/s)氣相產(chǎn)物組成/(kmols)給煤CaO 蒸汽.Cco CO2 CH4著碳轉(zhuǎn)化率的提高，進(jìn)入燃燒爐的半焦隨之減少，18.35 39.55_ 42.61.16 0.11 0.10 0.02半焦帶入的顯熱和化學(xué)熱也大大減少，而煅燒石灰體積濃度(干基) 1% _83.4 7.9 7.2 1.4石所需要的熱量卻隨著碳轉(zhuǎn)化率的提高而增加，因為保證系統(tǒng)燃燒爐排出的是高濃度的CO2,燃此燃燒爐的運(yùn)行溫度隨著碳轉(zhuǎn)化率的提高下降幅燒爐必須采用純氧燃燒。在目前的系統(tǒng)設(shè)計中,燃度明顯大于氣化爐。當(dāng)碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.8時，燃燒燒爐所需的純氧由深冷法制得。由表4可見，制氧爐的運(yùn)行溫度降至705"C，遠(yuǎn)低于流化床的最佳運(yùn)用空分機(jī)耗電占到了總發(fā)電量的6.5%。 因此，如行溫度，并且CaCO3的煅燒分解已不能進(jìn)行。因此何實現(xiàn)低能耗的制氧成為該系統(tǒng)進(jìn)一步提高性能選擇合適的碳轉(zhuǎn)化率應(yīng)在0.7左右，此時對應(yīng)的氣的重要途徑。在各種制氧方法中，氧離子傳送膜化爐溫度為861'C， 燃燒爐溫度為963C，由下面(ITM)制氧法被認(rèn)為是整合到各種先進(jìn)能源轉(zhuǎn)化系的計算可看出此工況適合氣化爐內(nèi)反應(yīng)的要求，并統(tǒng)(如IGCC)的比較有前景的制氧技術(shù)。該方法采用且可以實現(xiàn)燃燒爐再生CaO的作用。無孔、混和陶瓷薄膜制成，以高壓差作為驅(qū)動力從1050[高壓空氣中分離出大流量、高純度的氧氣。其工作溫度在800~900C范圍內(nèi)， 所需工作壓力為p 950燃燒爐100- 300psia(約0.689- 2.068MPa)。產(chǎn)生的氧氣壓力氣化爐約為大氣壓力，濃度可達(dá)99%181?？梢姡坏┘?500.碳轉(zhuǎn)化率0.8術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行，本系統(tǒng)完全可以采用ITM制氧法。同樣采用優(yōu)化的系統(tǒng)操作條件,經(jīng)計算若采用ITM圖4溫度隨碳轉(zhuǎn)化率的變化制氧法時，空分系統(tǒng)耗電從深冷法耗電25957.1 kWFig.4 The relationship between temperature and下降到了9275kW,系統(tǒng)效率達(dá)到了63.4%，比采carbon conversion ratio用深冷法制氧效率提高了近1.3%。 若考慮燃燒爐下2.4 優(yōu)化后的系統(tǒng)性能及分析采用優(yōu)化后的系統(tǒng)操作壓力(2.5 MPa)和碳轉(zhuǎn)化游CO2的處理，勢必增加新的系統(tǒng)功耗。有關(guān)CO2率(0.7), 基于熱力學(xué)平衡模型預(yù)測的氣化爐氣體產(chǎn)處理的方案較多，其中礦石吸收埋存是一-個重要途物組成如表3所列。在氣化產(chǎn)物中H2含量達(dá)到了徑，也是美國能源部零排放項目研究的-一個方案I9。83.4%，另有少量的CO和CO2及極少量的CH4也表4主要參數(shù)及結(jié)果并不影響SOFC的正常運(yùn)行17]。燃燒爐內(nèi)，平衡模Tab.4 The main parameters and results of the system數(shù)值型指出此工況下的壓力和溫度可使CaCO3幾乎全系統(tǒng)給煤ke%)1835 1號2號煙輪機(jī)發(fā)電效率% 5654部再生為CaO。由此計算得到系統(tǒng)主要設(shè)備的性能氣化爐壓力MP)25 煙氣輪機(jī)總發(fā)電心kW15235.1氣化爐溫安C61 煙輪機(jī)發(fā)電量所份額%3835數(shù)據(jù)、整體效率及計算中所用到的重要參數(shù)列于表氣化碳化串)7| 期輪機(jī)發(fā)電效率%4所示，其中系統(tǒng)整體發(fā)電效率為62.1%。 從表中氣化炒氫氣產(chǎn)(md().16 蒸氣輪機(jī)發(fā)電鼽W28755可見，在各發(fā)電設(shè)備中燃料電池發(fā)電量最大,達(dá)到燃繞爐壓力MPa25 蒸輪機(jī)發(fā)電量新占份額%燃炒溫度rC63，空分機(jī)電影W2597.1了60.93%。 其發(fā)電效率如前面假設(shè)中所述，暫取為燃料電地燃利用率%85 空分機(jī)電占總發(fā)電量份額% 650%。但拋開目前技術(shù)條件限制而言，實際燃料電燃料電中國煤化工W91 7082池的單循環(huán)發(fā)電效率可以高于60%，甚至有潛力達(dá)燃科電5總發(fā)電量份額%. 2.1YHCNMHG397 3227到更高值。因此可以說，盡量使能量在燃料電池內(nèi)燃料電池發(fā)電量所占份額% 6093 I 系統(tǒng)效軍%621轉(zhuǎn)化為電力是保證系統(tǒng)具有較高效率和經(jīng)濟(jì)性的注: ;1號2號煙氣輪機(jī)分別為燃燒爐和SOFC下游的煙氣輪機(jī).12中國電機(jī)工程學(xué)報第26卷經(jīng)計算,在上述計算條件不變的情況下,采用此CO2Report. LA-UR-02-5969， 2002， htp: /www. zeca. org/.[4] Rizeq R G, Lyon R K, Zamansky V M. Fuel-lexible AGC tchnology處理方法，系統(tǒng)效率將降低2.3%。for H2, power, and squestaion ready CO[C]. In: The pocedingeseof the 26* itetmatioal technical conference on coal vilization & fuel3結(jié)論systems, Ed. B. A. Sakestad. Clearwater, USA, 2001: 359-368.[5] LinSY, Suzuki Y，Hatano H, et al. Developing an innovative(1)該新型近零排放煤氣化燃燒利用系統(tǒng)的method, HyPr-RING， to produce hydrogen from hydrocarbons熱功轉(zhuǎn)換效率隨系統(tǒng)壓力的升高而升高，但壓力大[D]. Energy Conversion and Management，2002, 43(9-12):1283-1290.于2.5 MPa后，系統(tǒng)效率的增長幅度逐漸減小。這[6] LinS Y, Harada M, Suzuki Y, et al. Continuous experiment regarding主要是由于氣化爐內(nèi)壓力大于2.5MPa后，H2產(chǎn)量hydrogen production by coal/CaO reaction with steam(): Gaproducts[]. Fuel, 2004. 83 (7-8);: 869-874.的增加就很微弱，甚至出現(xiàn)了下降的趨勢?？紤]到[7] 肖云漢. 煤制氫零排放系統(tǒng)[].工程熱物理學(xué)報，2001, 2(1);過高的壓力使得燃燒爐中石灰石的煅燒分解難度13-15增加，整個系統(tǒng)制造要求提高、成本上升，運(yùn)行安Xiao Yunban. Hydrogen from coal with zero emission[J]. Journal ofEngineering Thermorphysics，2001, 22(1); 13-15(in Chinese). .全性下降。因此綜合考慮，合適的系統(tǒng)運(yùn)行壓力為[8] 王勤輝， 沈潤，駱仲泱，等.新型近零排放煤氣化燃燒利用系統(tǒng)2.5MPa左右。0. 動力工程， 2003, 23(); 2711-2715.Wang Qinhui, Shen Xun, Luo Zhongyang, etal. New near zero(2)氣化爐碳轉(zhuǎn)化率對系統(tǒng)效率的影響很大。emissions coal utilization technology with combined gasifcation and隨著碳轉(zhuǎn)化率的提高，系統(tǒng)效率升高。在系統(tǒng)壓力combustion[). Power Engineeing， 2003， 23(5); 2711-2715(in為2.5 MPa時，碳轉(zhuǎn)化率從0.6.上升到0.8，系統(tǒng)效Chinesse).率從59.8%提高到65.3%。但高的碳轉(zhuǎn)化率的選取[9] 王智化， 王勤輝，駱仲泱,等.新型煤氣化燃燒集成制氫系統(tǒng)的熱力學(xué)研究[].中國電機(jī)工程學(xué)報， 2005, 25(12): 91-97.受到燃燒爐溫度的限制。當(dāng)碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.8 時，Wang Zhihua, Wang Qinhui, Luo Zhongyang, et al. Thermodynamicanalysis of hydrogen production by new coal uilizaion technology燃燒爐的運(yùn)行溫度降至705C，實際上已不能進(jìn)行with combined gasifcation and combustion[]. Proceedings of theCaCO3的煅燒。經(jīng)計算，較優(yōu)可行的碳轉(zhuǎn)化率取為CSEE, 2005, 25(12): 91-97in Chinese). .[10]李定凱，呂子安.煤焦中的硫化鈣在循環(huán)流化床燃燒室中的反應(yīng)模0.7左右。型[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003, 23(7); 196-200.(3)系統(tǒng)運(yùn)行壓力為2.5 MPa,氣化爐碳轉(zhuǎn)化Li Dingkai, Lu Zian. A model for the reactions of CaS in coal gasifer率為0.7時，一個以煙煤為原料的發(fā)電容量約char in circulating fluidized bed combustor[J]. Proceedings of theCSEE，2003， 23(7); 196 200(in Chinese).400MW的系統(tǒng)其發(fā)電效率可以達(dá)到62.1%。若采用[1]黃亞繼，金保開，仲兆平,等.痕量元素在煤粉爐中排放特性的研先進(jìn)的ITM制氧法時，系統(tǒng)效率可進(jìn)-步提高近究[)].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003, 23(1); 205-210.Huang Yaj, Jin Baosheng, Zhong Zhaoping, et al. Enissio features1.3%。若考慮燃燒爐下游CO2的處理,采用礦石吸of trace elements in a pulverized coal boiler[I]. Proceedings of the收埋存方法時，系統(tǒng)效率將降低2.3%。CSEE，2003, 23(11); 205-210(in Chinese).(4)本文的工作是對該新型近零排放系統(tǒng)在[12]徐明厚，鄭楚光,馮榮,等.煤燃燒過程中痕量元素排放的研究現(xiàn)狀[].中國電機(jī)工程學(xué)報，2001, 21(10); 33-38.理論上的一個初步證明，同時加深了對系統(tǒng)壓力和Xu Minghou, Zheng Chuguang，F(xiàn)eng Rong, et al. Overview of trace氣化爐碳轉(zhuǎn)化率這兩個重要參數(shù)對系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備elements research in coal combustio process[J]. Proceedings of theCSEE, 2001, 21(10): 33-38(in Chinese).運(yùn)行和整體性能影響規(guī)律的認(rèn)識,并且為下一步合[13] Bale C w, Chartand P, Degerov s A. et al. Fact sage termochemical理安排試驗驗證工作提供了指導(dǎo)。software and dabases(EB]. CALPHAD 2002，189-228, hp:lwww. crct. polymd. ca.參考文獻(xiàn)[14]張斌，倪維斗,李政. IGCC及煤氣化固體氧化物燃料電池混合循.環(huán)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[].中國電機(jī)工程學(xué)報, 2005, 25(); 141-146.[1] Lobachyov K, Richter HJ. Combined cycle gas turbine power plantZhang Bin, Ni Weidou, Li Zheng. Technology economic analysis ofwith coal gasification and solid oxide fuel ellD]. Jounral of EnergyIGCC and hybrid systems of coal gasification and SOFCResources Technology, 1996, 118(4); 285-292.J]. Proceedings of the CSE, 2005, 25(1); 141-146(in Chinese).2] Nawaz M，Ruby J. Zero emission coal aliance projet a new中國煤化工生能[M.北京:科學(xué)出版conceptual design and economics[EB]. 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Zero emission coal aliance project conceptualdesign and economics[EB] 。Los Alamos Report ，http :(編輯賈瑞君)《中國電機(jī)工程學(xué)報》參考文獻(xiàn)要求《中國電機(jī)工程學(xué)報》(半月刊)是學(xué)術(shù)性刊物，主要報道電機(jī)工程領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)和新成果。參考文獻(xiàn)要求如下:參考文獻(xiàn)應(yīng)選擇最近5年的論文且按文中出現(xiàn)的先后次序排列，在引用文句后的右上角標(biāo)明參考文獻(xiàn)序號，參考文獻(xiàn)以15篇以上為宜。勿引用尚未公開出版的資料。參考文獻(xiàn)為書和期刊的著錄格式如下:序號作者姓名.書名[文獻(xiàn)類別.出版地: 出版者，出版年份，頁次.序號作者姓名.論文篇名[文獻(xiàn)類別].刊物名稱，年份，卷號(期號):起頁-止頁.參考文獻(xiàn)類型專著| 論文集 報紙文章| 期刊文章學(xué)位論文報告標(biāo)準(zhǔn)專利其他文獻(xiàn)類型標(biāo)識MCNDRPZ若為中文參考文獻(xiàn)，請您將各著錄項目均翻譯成英文。例如:[1]王東，馬偉明，李玉梅，等.帶有靜止勵磁調(diào)節(jié)器的雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2003，23(7): 145-150.Wang Dong, Ma Weiming, Li Yumei ,et al. Reacasher on dual stator winding induction generator with staticexcitation regulator [J]. Proceedings of the CSEE, 2003， 23(7): 145-150(in Chinese).中國煤化工MYHCNMHG