第21卷第6期工程熱物理學(xué)報(bào)Vol.21, No.62000年11月JOURNAL OF EXGINEERING THERMOPHYSICSNov., 2000整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)擁損分布結(jié)構(gòu)研究劉澤龍金紅光林汝謀(中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100080 )摘要整體煤氣化聯(lián) 合循環(huán)是一種先進(jìn)的潔凈煤發(fā)電技術(shù).本文應(yīng)用煙分析方法，研究IGCC中七個(gè)子系統(tǒng)(空分、氣化、凈化、壓氣機(jī)、燃燒室、透平、余熱鍋爐及汽機(jī)}的煙損失分布，指出系統(tǒng)中最大棚損失過程為煤氣化、燃?xì)廨啓C(jī)燃燒和空分過程，同時(shí)，揭示了系統(tǒng)隨不同空氣整體化和氮?dú)饣刈⒌囊?guī)律。這些研究可以指導(dǎo)下一代IGCC系統(tǒng)的改進(jìn)，關(guān)鍵詞IGCC; 擁分析;棚損失分布;整體化中圖分類號(hào): TK472文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 0253 231X(2000)060677-031前言整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC)技術(shù)是一種備受關(guān)注的先進(jìn)潔凈煤發(fā)電技術(shù)。如何將其各子系統(tǒng)有機(jī)的聯(lián)合，即通過系統(tǒng)的綜合和優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的總系統(tǒng)，是IGCC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵。對(duì)此國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多工作[1-31,多是從熱力學(xué)第定律 的觀點(diǎn)出發(fā)，其優(yōu)化的目標(biāo)是系統(tǒng)熱效率的極大值。文獻(xiàn)[4-6] 應(yīng)用炯分析方法研究IGCC系統(tǒng)，但多側(cè)重于有關(guān)特殊流程的研究。本文的重點(diǎn)是研究IGCC在不同的設(shè)計(jì)條件下的擁損分布結(jié)構(gòu)模型，以探討集成子系統(tǒng)的熱力學(xué)完善程度和改進(jìn)潛力。2IGCC能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)流程與概念圖1為IGCC系統(tǒng)的流程示意圖，煤高壓蒸汽rwm煤|余熱鍋爐，首先在氣化爐中氣化產(chǎn)生可燃的煤氣;煤氣的顯熱在凈化系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化，燃?xì)廨啔饣瘍艋瘷C(jī)口機(jī)排氣在HRSG中傳遞轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生高溫凈煤氣廢鍋給木高壓蒸汽，空氣在空分系統(tǒng)中經(jīng)深冷分氧氣鳳氣離產(chǎn)生氧氣和氮?dú)?凈煤氣在燃?xì)廨啓C(jī)空分燃燒室燃燒室中燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)?燃?xì)馔缚諝馄街腥細(xì)夤べ|(zhì)熱能轉(zhuǎn)換為有效功輸出和中國煤化工蒸汽透平中蒸汽工質(zhì)熱能轉(zhuǎn)換為有效功輸出，IGCC系統(tǒng)整體化概念為空氣側(cè)MHECNMHG與蒸氣側(cè)一體化。圖1IGCC系統(tǒng)流程示意圖收稿日期: 2000-05- 15;修訂日期:2000-08-08基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.59925615) 及國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(No.G1999022302)作者簡介:油澤龍(1965-),男，黑龍江人，中國科學(xué)院工程熱物理所助理研究員，碩土，主要從事能源動(dòng)力總能系統(tǒng)的研究.678工程熱物星學(xué)報(bào)21著3 IGCC 系統(tǒng)炯損模型和基本假設(shè)3.1炯的計(jì)算公式固體燃料，Ef= Qr(1.0064 + 0.1519H/C t 0.006160/C + 0.0429N/C)(1)其中，C、H、O、N為無水固體燃料中的碳，氫，氧，氮的質(zhì)量成份，混合氣體燃料或燃?xì)?E'm= Eph,m + Ech, m(2)其中，Eph,m 和Ech, m為相對(duì)于完全平衡狀態(tài)系統(tǒng)的物理煙和化學(xué)傭，3.2基本假設(shè)本文實(shí)例研究為典型商業(yè)等級(jí)IGCC發(fā)電系統(tǒng)的七個(gè)過程的傭損失: 1) 煤氣化過程: 2) 煤氣凈化過程: 3) 燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī); 4) 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒空; 5) 燃?xì)廨啓C(jī)透平;6)余熱鍋爐與蒸汽輪機(jī)過程; 7) 空氣分離過程，4結(jié)果分析典型IGCC系統(tǒng)擁損失分布如圖2所示，IGCC 空氣分離半性體化?？辗窒到y(tǒng)的氮?dú)馊炕刈⑷細(xì)廨啓C(jī)燃燒室。此時(shí)IGCC的低凈化5氣機(jī)位熱效率在45%左右，發(fā)電功率在400 MW。從器32選繞室圖中看出，擁損失率從大到小依次為燃燒室、氣32%化、透平，空分，余熱鍋爐，凈化。壓氣機(jī)。圖3為獨(dú)立空分下子系統(tǒng)堋損失分布隨氮?dú)饪辗謬⒆兓?guī)律。從圖中可以看出，獨(dú)立室分下，11%主要的煙損失仍然是氣化和燃燒室。當(dāng)?shù)獨(dú)饣刈⑿?，潔凈氣化煤氣的熱值較高，透平的流量小，冷氣化卻主要依靠空氣冷卻，因而透平的煙損失較人:26%當(dāng)?shù)獨(dú)獯罅炕刈?，流過透平的燃?xì)饬髁看螅写髨D2豐整體化組氣全郵同注相損失分布量氮?dú)獬煞?，誘平冷卻用空氣掙混量較少，因而擁損相應(yīng)減小，圖4為完全整體化下各子系統(tǒng)堋損失分布隨氮?dú)饩W(wǎng)注變化規(guī)律。從圖中可以看由，IGCC完全整體化下，并8無論氮?dú)饣刈⒍嗌?透平的圳損失比例都較小，原因是在完全整體化下，由于空分的所用空氣全部從壓氣機(jī)出口抽取，因血在整個(gè)遇平的質(zhì)0.391--氣化一←凈化一5氣機(jī)一燃燒室0.40-燃燒宣035←透平→←余熱鍋?zhàn)o(hù)+審分◆_◆0.30).300.25現(xiàn)0.25 ;第0.20收0.15.中國煤化工0.10.:1114+MHCNMHGiE0.050.05 10.000.0 0.2 0.4 06 0.8 1.0000+000294060.x1.0氮?dú)馔?獨(dú)市空分)氫氣回i (腔體化)圖3子系統(tǒng)煙榀失分布變化規(guī)律陽4完全整體化時(shí)各 了系統(tǒng)娟損失分布變化規(guī)律6期劉澤龍等整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCO)傭損分布結(jié)構(gòu)研究679量流量中，冷卻空氣的比例相應(yīng)減小。同化一小氣機(jī)一叁燒室時(shí)隨氮?dú)饣刈⒌脑黾?，透平的擁損失率減透平一↓余熱鍋爐一 ，空分效率小，燃燒室的擁損失率增加。0.60.480.510.44圖5為不同整體化程度對(duì)各子系統(tǒng)i 0.40講0.3610.32擁損失分布的影響。從圖中可以看出，隨0.3空分整體化程度的提高，透平的炯損失率減小，燃燒室的煙損失率增加，其余擁損0.10.0J0.00失率基本變化很小。0.2 0.4 0.6 0.8 1.0整體化程度5結(jié)論本文工作指出IGCC系統(tǒng)的主要能圖5整體化程度對(duì)各子系統(tǒng)煙損失分布的影響量品位損失所在，為改進(jìn)系統(tǒng)提供理論依據(jù)和努力方向，即通過系統(tǒng)綜合和從熱力學(xué)的觀點(diǎn)開發(fā)新的工藝過程，改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒過程、煤氣化過程和空氣分離過程的內(nèi)部不可逆性，將全面提高IGCC系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)IGCC發(fā)電系統(tǒng)在能源利用和改善煤污染上的新突破。參考文獻(xiàn)川劉澤龍，林汝謀IGCC 空氣側(cè)整體綜合優(yōu)化的研究，工程熱物理學(xué)報(bào)，1998, 19(6)[2] A K Anand, CS Cook, J C Corman et al. New Technology Trends for Improved IGCC SystemPerformance. J. of Engineering for Gas Turbine and Power, 1996, 118(4)[3] CS Cook, J C Corman, D M Tood. System Evaluation and LBTU Fuel Combustion Studies for IGCCPower Generation. J. of Engineering for Gas Turbines and Power, 117(3)4] M Ishida, H Jin, M Yamamoto. Graphica] Exergy Analysis of an IGCO System with Hot Gas CleanupProcess. Second Law Analysis of Energy System: Towards the 21-st Centure, ISBN 8-8662-00-9[5] R L Corelissen, G G Hirs. Exergy Analysis of Cryogenic Air Separation. Energy Convers. Mgnt,1998, 39(16- 18); 1821- 1826[6) Marie Anheden, Gunnar Svedberg. Exergy Analysis of Chemnical Looping Combustion Systems. Energ:Convers. Mgnt, 1998, 39(16- 18): 1967- L980STUDY ON EXERGY DESTRUCTION DISTRIBUTIONOF THE IGCC SYSTEMLIU Zelong JIN Hongguang LIN Rumou(Institute of Engineering Thermophysics, Academy Sinica, Bejing 100080, China)A bstractIntegrated Gasification Combined Cycle is considered as one of the advancedclean coal power technologies. Here, we have investigated an IGCC on the basis of exergyanalysis, and clarified the distribution of exergy destruction in sub-systems including airseparation unit, coal gasifier: coal gas clean-u中國煤化工bustor of gas turbine,gas turbine, heat recovery steam generationYHC N M H Gstudy also points outthat larger exergy destruction take place in the processes of gasification, combustion in GT.and air separation, and So does the change of exergy destruction distribution with the airintegration degree and the nitrogen injection ratio. This investigation will be valuable forthe synthesis of next generation IGCC.Key words IGCC; exergy analysis; exergy destruction distribution; integration