第20卷第2期《燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)》Vol.20 No.22007年6月GAS TURBINE TECHNOLOGYJune ,2007IGCC系統(tǒng)中空氣氣化爐與氧氣氣化爐的對比研究高健' ,倪維斗1 ,小山智規(guī)2(1.清華大學(xué)熱能工程系,北京100084;2. 三菱重工業(yè)株式會社長崎研究所,日本)摘要:目前國內(nèi)對 ICCC的研究形成- -股熱潮,發(fā)表了不少研究結(jié)果和文章,但都集中在純氧氣流床氣化工藝。日本三菱公司近二十年來致力于空氣氣化IGCC系統(tǒng)的研究,其示范電廠將于2007年投運(yùn),但國內(nèi)對這方面的信息和了解不多。本文基于文獻(xiàn)和作者對開發(fā)空氣氣化ICCC系統(tǒng)的三菱長崎研究所的訪問和調(diào)研，采用Aspen Plus軟件,對此系統(tǒng)作了詳細(xì)分析,并與Shell氣化爐和ICCC系統(tǒng)作了對比,得出了一些有益的結(jié)關(guān)鍵詞:動力機(jī)械工程;空氣氣化爐;氧氣氣化爐;ICCC中圖分類號:TQ545文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009 - 289(200)02 - 0001 -05煤炭氣化技術(shù)種類繁多[川],其中高壓、大容量的本文選擇Shell類型的氣化爐作為氧氣氣化爐代表，氣流床氣化技術(shù)具有良好的煤種適應(yīng)性,技術(shù)性能比較這兩種氣化爐用于ICCC系統(tǒng)時的優(yōu)劣,并對更加優(yōu)越[2] ,是煤基大容量、高效潔凈的合成氣制備兩種氣化系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行整合時系統(tǒng)效率變化的首選技術(shù),代表著發(fā)展趨勢。氣流床氣化技術(shù),按趨勢不同的原因做了進(jìn)-步探討。氣化劑的種類劃分,主要分為吹空氣的空氣氣化爐1氣化爐模型和吹氧氣的氧氣氣化爐。目前氣流床的空氣氣化爐技術(shù)以三菱重工所研制的為代表,三菱公司在20世本節(jié)用Aspen Plus軟件對空氣氣化爐進(jìn)行建模紀(jì)80年代提出了空氣氣化爐的理念,并在Yokosuka計算,氧氣氣化爐采用文獻(xiàn)[4]中的模型。建立了2v/d 的氣化爐裝置進(jìn)行試驗。到90年代1.1空氣氣化爐簡介初,將該氣化系統(tǒng)放大到200u/d,并用于ICCC實驗對Shell氣化爐及其相應(yīng)的IGCC系統(tǒng),已有大電廠(Nakoso) ,這個放大的氣化爐在1995 年總計運(yùn)量相關(guān)研究[5,6],但對空氣氣化爐的相關(guān)研究較行4770h,其中包含789h的連續(xù)運(yùn)行。之后,根據(jù)在少[7.8]。IGCC實驗電廠中的運(yùn)行經(jīng)驗,對氣化爐設(shè)計做了一-如圖1所示,三菱空氣氣化爐(后文簡稱空氣些改變,為了測試這些設(shè)計上改變,又建造了一個，爐)由氣化部分和換熱 器部分組成,是一個整體。氣24v/d的實驗電廠,并運(yùn)轉(zhuǎn)了約70h。以這些設(shè)計和化部分出口的合成氣溫度約為1000~ 1100C,然運(yùn)行經(jīng)驗為基礎(chǔ),三菱公司參與了日本250MW等級后進(jìn)入換熱器部分,受到從余熱鍋爐抽取的工質(zhì)水的ICCC示范電站的項目,設(shè)計并建造了1 700/d的冷卻,冷卻到400C左右后進(jìn)人旋風(fēng)分離器和飛灰空氣氣化爐[3]。過濾器,分離出來的飛灰被回送到氣化爐繼續(xù)參與而以氧氣為氣化劑的吹氧氣化爐,根據(jù)對進(jìn)料氣化反應(yīng),合成氣與從MDEA低溫氣體凈化單元出方式爐膛冷卻類型和是否回收合成氣顯熱的選擇,來的清潔合成氣換熱,然后送人MDEA單元凈化,清衍生出了不同類型的商業(yè)品牌氣化爐，根據(jù)相關(guān)研潔合成氣由40C左右被加熱到350C左右,然后送究結(jié)果,采用粉煤進(jìn)料方式、并用冷卻器回收合成氣人燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室。顯熱的氣化爐用于ICCC電站,凈發(fā)電效率最高。如圖2所示，氣化部分分為兩段,下段是燃燒收稿日期:2007-01-30改稿日期:2007-02-09基金項目;國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2005CB221207)作者簡介:高健(1980- ),女,清華大學(xué)博士研究生，主要從事ICCC及多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等方面的研究工作。2燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)第20卷.輸煤氨氣的40C風(fēng)|,高溫合成氣化I換熱器NDEA單元?dú)饣癄t第二段(RGibbs模塊)邢|的350.熱量熱損失分|去燃?xì)廨啓C(jī)煤分解模塊的400日(RYield); 高溫氣體飛灰再循環(huán)分解產(chǎn)物C?？靯氣化爐第一(RGibbs模塊) --+圖1 MHI 氣化爐整體結(jié)構(gòu)段,約50%的煤和循環(huán)的飛灰、及參與反應(yīng)的空氣| 副產(chǎn)品氧氣在第一段中送人，第一段反應(yīng)器出口的氣體溫度達(dá)輸煤氯氣1 800C ,然后進(jìn)入第二段反應(yīng)器,與剩下的約50%的煤進(jìn)行反應(yīng),出口的合成氣溫度約1 000C圖4 Aspen空氣氣化爐模型示意圖表1氣化用煤的煤質(zhì)分析粗煤氣元素分析水分灰分CHN(%) 4 7.54 73.64 5.24 1.13 0 2.63 9.82工業(yè)分析水分灰分揮發(fā)分固定碳HHV(wt%) 4 7.5439.5852.8628.5MI/kg_向第二段氣化反應(yīng)提供熱研對于Shell類型氧氣氣化爐的模型驗證,文獻(xiàn)第二段溫度降低[4]已經(jīng)做過相關(guān)研究,因此本節(jié)只研究空氣氣化爐。如表2所示,本文模型的模擬結(jié)果,與三菱公司煤給出其由具體實驗所得的、空氣氣化爐典型的氣體組分相符合。因此在對IGCC系統(tǒng)的模擬中,采用已得的兩種氣化爐模型對氣化系統(tǒng)進(jìn)行計算。熔液1000 1400 1800表2氣化模型驗證氣體成分MHI氣化爐典型空氣氣化爐圖2氣化部分結(jié)構(gòu)(摩爾組成)氣體組分模型結(jié)果1.2 模型示意圖及計算結(jié)果B%10.1Co26.328.6圖3和4分別是用Aspen Plus軟件建造的兩種3023.11.7氣化爐模型。表1是氣化用煤的工業(yè)分析和元素分56.1s5.5析。氧氣氣化爐模型直接采用文獻(xiàn)[4]中的研究結(jié)H202.81.4果,但由于空氣氣化爐采用了兩段結(jié)構(gòu),因此本文對2采用不同氣化爐的 IGCC系統(tǒng)差異其進(jìn)行建模研究并對模型進(jìn)行驗證，模型如圖4所示。本節(jié)將兩種氣化爐用于ICCC系統(tǒng)中,對系統(tǒng)整體進(jìn)行建模計算。針對兩種情況:第-種情況的ICCC系統(tǒng)氣化系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)各自獨(dú)立,即空氣氣化爐采用獨(dú)立的空氣壓縮機(jī),從大氣中抽取空氣,生分解模塊高溫合成氣氣化所需的高壓空氣。氧氣氣化爐采用獨(dú)立的低壓空分;第二種情況的氣化系統(tǒng)與燃機(jī)整體化,空氣氣化爐所需的高壓空氣是由燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)抽取并水燕氣↓ 熱損失進(jìn)一步加壓獲得的,但由于輸送干煤粉需要氮?dú)?故需要一個生產(chǎn)氮?dú)夂透谎鯕怏w副產(chǎn)品的小空分(低圖3 Aspen 氧氣氣化爐模型示意圖壓空分)。氧氣氣化爐系統(tǒng)采用完全整體化空分的ICCC系統(tǒng),從燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)出口抽取-部分空氣(約占燃機(jī)壓氣機(jī)總氣量的16%),送到大空分進(jìn)第2期ICCC系統(tǒng)中空氣氣化爐與氧氣氣化爐的對比研究口,由于燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的出口壓力較高,因此采用高蘊(yùn)合限氣6。[參潤←氣體凈化，中壓空分(加工空氣的壓力范圍從14. 5bar到1廠氣化護(hù)臺成氣7合限氣924. 5bar[9])。其中不同計算參數(shù)的選取如表3所示。KRGibbs模塊成氣表3計算參數(shù)選取L[換熱器1 +聯(lián)合新環(huán)空氣壓縮機(jī)0.8氧氣壓縮機(jī)輸煤氮?dú)?L個成飛灰過路器氮?dú)鈮嚎s機(jī)0.75氧氣5本， 燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)0.85燃?xì)廨啓C(jī)透平0.88蒸汽輪機(jī)高壓透平蒸汽輪機(jī)中、低壓透平機(jī)械效率0.99大氣溫度I5個空氣2|低壓空分中壓空分19.23 be(數(shù)機(jī)壓圖6采用獨(dú)立空分的氧氣氣化爐ICCC系統(tǒng)示意圖盛氣出口壓力1.02beriber表5獨(dú)立空分的氧氣氣化爐 IGCC系統(tǒng)主要物流空分中氧氣、氮?dú)獬隹贗5C溫度氣化爐熱損失輸入煤熱值的0.5%物流溫度/C壓力/ber 質(zhì)量流量/