第32卷第3期煤炭轉化VoL 32 No. 32009年7月COAL CONVERSIONJul.2009IGCC系統(tǒng)中氣化爐特性研究王穎1)吳少華?)邱朋華3)李振中王陽”龐克亮6)陳小利°陳雷6)摘要氣化爐是IGCC系統(tǒng)中的關鍵部件之一,與其他部件緊密相關,基于整個IGCC系統(tǒng)研究氣化爐特性,首先利用 Thermoflex軟件對某200MW級lGCC示范工程建立系統(tǒng)模型,從系統(tǒng)的角度出發(fā),對不同氣化參數(shù)(水煤漿濃度、氣化壓力、氧煤比和碳轉化率)的IGCC系統(tǒng)進行計算,并分析對氣化結果的影響.結果表明,水煤漿濃度和氧煤比對氣化結果的影響較大關鍵詞IGCC,氣化爐,氣化參數(shù),氣化結果,氣化特性中圖分類號TQ545,TM611.31作參數(shù)對氣化結果的影響;侯祥松等0分析了0引言Texaco氣化技術的特點,建立了基于多個化學反應平衡常數(shù)法的氣化模型;沈玲玲等采用 Aspen氣化爐是IGCC系統(tǒng)中最關鍵部件之一,其氣plus流程模擬軟件對某擬建的IGCC示范工程的德化參數(shù)不僅影響氣化結果本身,而且影響著整個土古氣化爐進行數(shù)值模擬,并研究了煤氣化爐重要lGCC系統(tǒng).所以在IGCC系統(tǒng)中建立氣化爐模型并的操作參數(shù)對氣化結果的影響對合成氣成分預測是十分必要的.國內外學者對此為了在IGCC系統(tǒng)中研究氣化爐特性,首先建進行了大量研究,如Ni等建立新的氣流床氣化爐立帶有水煤漿氣化的整個200MW級lGCC系統(tǒng)模的模型和程序,探討了O/C和溫度及壓力對氣化成型,從系統(tǒng)角度出發(fā),對不同氣化參數(shù)的IGCC系統(tǒng)分及其冷煤氣效率的影響; Watkinson等2利用簡分別進行計算,通過計算分析對氣化結果的影響單平衡模型來預測氣化爐出口氣體成分;Wen等[3建立了氣流床氣化爐數(shù)學模型模擬分析氣化成分1IGCC系統(tǒng)模型的建立含量和碳轉化率隨爐高的變化及氣化成分隨氧煤比和汽煤比的變化;李政等采用“小室模型”的方法本IGCC系統(tǒng)采用煤制備成煤漿作為燃料,同建立了一個預測 Texaco煤氣化爐性能的數(shù)學?？辗窒到y(tǒng)產生的高純度氧氣,經氣化爐將其轉化為型; Zheng等利用 Aspen plus軟件對配置有高溫高壓粗合成氣,經除塵和脫硫等凈化工藝,使之Shell,, Texaco,BGL和KRW四種氣化爐的IGCC成為潔凈的合成氣供給燃氣輪機燃燒做功,燃氣輪系統(tǒng)進行了比較分析,研究了氣體成分及其氣化爐機排出的高溫煙氣經過余熱鍋爐加熱給水產生過熱選擇對整體特性的影響;張斌等基于 Aspen plus蒸汽,帶動蒸汽輪機發(fā)電,從而實現(xiàn)煤氣化聯(lián)合發(fā)電軟件建立了噴流床氣化爐模型;蔣紹堅等建立了過程.空分系統(tǒng)采用部分整體空分,燃機抽氣回送到種基于物料平衡、能量平衡和化學平衡分析的氣空分系統(tǒng),以解決燃機通流問題.氣化爐出口粗合成化數(shù)學模型,并利用該模型進行空氣氣化計算;周志氣具有較高溫度,采用輻射廢鍋和對流廢鍋流程回杰等基于化學平衡建立了氣流床干煤粉氣化數(shù)學收合成氣熱量,生成高溫高壓的飽和蒸汽回送到余模型,著重分析了氧煤比和汽煤比的影響;汪洋等熱鍋爐中凈化系統(tǒng)主要包括除塵脫硫和COS的利用 Aspen plus軟件,運用Gbbs自由能最小化方脫除等環(huán)節(jié),為了達到凈化的最佳效果,并有效利用法建立了氣流床氣化爐模型,研究了氣化爐主要操余熱,凈化系統(tǒng)與三壓再熱式余熱鍋爐之間存在汽中國煤化工國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2004cB217600和國家高技術研CNMHG1)礦士生;2)教授博士生導師:3)副教授、碩土生導師;4)教授;5)高級工程嚴,,L上x入工程研究所,15001哈收稿日期:20090407修回日期:2009-05-09煤炭轉化2009年水交換,且在凈化不同環(huán)節(jié)中布置有換熱器有效利的減少,不利于水煤氣變換反應的進行,不利于H2用能量,以提高系統(tǒng)的效率.建立的IGCC系統(tǒng)模型的生成這兩種因素綜合作用,導致H2的絕對含量見圖1是增加的.水煤漿濃度的增加,甲烷生成反應減弱,甲烷重整反應的加強,導致煤氣中CH4產量減少但是由于水煤漿濃度的增加,耗煤量減少,導致合成氣產量略有減少,所以CH4的相對含量呈上升趨勢合成氣的熱值由7870kJ/kg增加到9505kJ/kg2.2氣化壓力的影響氣化技術按照氣化爐操作壓力分為常壓氣化和圖1IGCC系統(tǒng)模型加壓氣化.由于加壓氣化具有生產強度高,對燃氣輸Fig 1 Model of IGCC system配和后續(xù)化學加工有明顯的經濟性等特點,所以人們十分重視加壓氣化技術的開發(fā)氣化壓力的提高,2結果與討論有利于體積縮小反應的進行,但若氣化壓力太高,送到燃機的燃氣需要減壓后進入燃機,勢必造成能量在lGCC系統(tǒng)中氣化爐主要氣化參數(shù)為水煤漿的浪費.水煤漿濃度不變,在氧煤比和汽煤比保持定濃度氣化壓力氧煤比和碳轉化率,它們的改變對值的條件下,碳轉化率為98%氣化壓力對氣化結氣化結果有很大的影響,進而影響到氣化爐的性能果的影響見圖2.以至影響到整個系統(tǒng)2.1水煤漿濃度的影響水煤漿濃度是指固體煤的質量濃度,它直接影響到水煤漿的著火性能和熱值在氣化溫度1310℃c氣化壓力36MPa,碳轉化率98%的條件下,水煤漿濃度變化的結果見表1.表1水煤漿濃度對氣化結果的影響Table 1 Effect of coal-water slurry concentration圖2氣化壓力對合成氣成分影響on gasification resultConcentration/%Ho COz CHeCO;▲—H2O—H2O;△-CO26036.6425.0225.3112.360.005由于溫度比較高,對整個煤氣化系統(tǒng)而言,氣化8422:41.0661壓力對煤氣化反應幾乎沒有影響CO含量變化不42.4926.8619大,CO2略有升高,由9.404%增加到9.408%,H2O4.4327.4017.819.630.0118含量由13.56%增加到13.72%H2含量是下降的,Percent of volume由30.79%下降到30.54%有效氣含量也是下降由表1可以看出,水煤漿濃度對氣化結果的影的,這導致合成氣熱值的下降;隨著氣化壓力的提響較大水煤漿濃度由60%增加到68%時,CO2含高,CH,生成量具有微量的提高,由0.278%增加到量由12.36%減少到9.63%,H2O的含量由0.386%因為CH4具有較高的熱值,所以CH,含25.31%減少到17.81%,CO含量由36.64%增加量增加有利于合成氣熱值的提高.兩者共同作用的到4.33%,H12含量由25.02%增加27.40%,有效結果導致合成氣熱值略有下降,由1021kJ/kg下氣(CO+H2)的含量由61.66增加到7173%,CH降到10201k/kg的體積含量由原來的0.0052%增加到0.0118%.水煤漿濃度的增加也就是相對增加了含碳量減少了2.3中國煤化工CNMHG含水量.含碳量的增加有利于CO2還原反應和水煤又是控制氣化爐氣氣反應的發(fā)生,有利于CO和H2的生成;而含水量化過程反應操作的主要條件之一實驗采用的OC第3期王穎等IGCC系統(tǒng)中氣化爐特性研究摩爾比是氧氣和煤漿中的氧原子與煤中的碳原子的漿濃度不變,只考慮碳轉化率的影響,結果見圖4摩爾比值氣化壓力3.6MPa,碳轉化率為98%,水煤漿濃度不變,計算氧煤比的影響,結果見圖3.8圣0aa0合含圖4碳轉化率對合成氣成分影響o/cFig 4 Effects of carbon conversion on syngas volume contentCO;▲—H2;O—CO2★—H20△—CH圖3氧煤比對合成氣成分影響從圖4可以看出,隨著碳轉化率的提高,CO含F(xiàn)ig 3 Effects of O/C on syngas volume contentCO;▲—H2:★—H2O1O-CO2;△—CH4量是升高的,CO2含量是下降的,H2含量是增加氧煤比對氣化結果影響較大這是因為OC的的,H2O含量是下降的,CH,含量增加較多,由提高一方面有利于燃燒反應熱量的放出,有利于溫0.0213%增加到0.4984%可見,碳轉化率的提高度的提高,CO2的還原反應和水蒸氣分解反應加不僅增加了合成氣中有效氣體(CO+H2)的含量強,CO和H2含量增加;另一方面,直接燃燒導致而且大幅度地增加了合成氣中CH的含量進而可CO和H2O的含量提高由圖3可以看出隨著O/C以有效地提高合成氣的熱值,由9314kJ/kg增加的增加,CO和H2先增加后減少,H1O含量是增加到10412k/kg的,CO2含量先減少后增加在O/C比為1.02時,CO3結論含量最大為45.33%,CO2含量最小為9.314%,有1)水煤漿濃度對氣化結果有較大的影響,隨著效氣含量最大為75.51%,CH4含量下降較快,由水煤漿濃度的增加,有效氣(CO+H2)含量增加,合16.16%減少到近于0%由于CH,急劇減少導致成氣熱值也是增加的.合成氣的熱值由12550kJ/kg降低到5645kJ/kg2)氣化壓力對氣化結果的影響不大,但提高氣2.4碳轉化率的影響化壓力對氣化有利3)提高碳轉化率,有利于有效氣含量的增加,碳轉化率為工藝氣體中碳總量與入爐總碳量的合成氣熱值也是增加的比值對于碳轉化率而言,最大的影響因素是氧煤4)氧煤比對氣化結果的影響較大,有效氣含量比,而蒸汽煤比的影響較小,所以固定氧煤比和汽煤隨著氧煤比的增加先增加后減小,而合成氣的熱值比,氣化壓力為3.6MPa,氣化溫度1310℃,水煤是隨之而下降的參考文讞[1] Ni Qizhi, Williams A. A Simulation Study on the Performance of an Entrained-flow Coal Gasifier[J]. Fuel, 1995, 74(1): 102-110[2] Watkinson A P, Lucas J P, Lim J. A Prediction of Performance of Commercial Coal GasifiersCJ]. Fuel, 1991, 70: 519-522[3] Wen C Y, Chaung T Z Entrainment Coal Gasification Modeling[J]. Ind Eng Chem Process Dev, 1979, 18(4)1684-695.[4]李政,王天驕韓志明等. Texaco煤氣化爐數(shù)學模型研究—建模部分[門動力工程,2001,21(4):1316-1319[5] Zheng Ligang, Rimsky E. Comparison of Shell, Texaco, BGL and KR W Gasifiers as Part of IGCC Plant Computer Simulations[J. 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In comparison with the results of freezing point de-press method, the precision for calculating the molecular weights of coal liquefaction oil by NEDOL method was investigated. For Shenhua oil, average error is-1. 7 between results of NEDOLmethod and freezing point depress method, For Shengli oil, average error is -1. 3. For Neimengoil, average error is -3. For Heishan oil, average error is.7. The calculation results byNEDOL method are close to that of freezing point depress method. NEDOL method can be usedto calculate molecular weights of direct coal liquefaction oil narrow boiling range fractions.KEY WORDS coal liquefaction oil, narrow boiling range fraction, NEDOL method, molecularweights, freezing point depress method(上接第25頁)STUDY ON GASIFIER CHARACTERISTICS IN IGCC SYSTEMWang Ying Wu Shaohua Qiu Penghua Li Zhenzhong Wang YangPang Keliang Chen Xiaoli and chen lei(Combustion Engineering Institute, Harbin University of Technology, 150001 Harbin)ABSTRaCt The gasifier is one of the most important equipments in IGCC system, and itclosely related with the others, so the study of the gasifier characteristics is based on the wholeIGCC system. The system model of 200 Mw IGCc demonstration project was established usingThermoflex software firstly, from the view of the system, the IGCC systems with different gasfication parameters (coal-water slurry concentration, gasification pressure, O/C ratio and the car-bon conversion) were calculated, the effects on the gasification result were analyzed. It showsthat the coal-water slurry concentration and the o/c ratio have great effect on the gasification re-KEY WORDS IGCC, gasifier, gasification param中國煤化工sifier charac-CNMHG