第29卷第7期動力工程Vol 29 No. 72009年7月Journal of Power EngineeringJuly 2009文章編號:10006761(2009)06069405中圖分類號:TM611.31文獻標識碼:A學科分類號:470.30氣化參數(shù)對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)大學燃燒工程研究所,哈爾濱1500012.國家電站燃燒工程技術研究中心,沈陽110034)摘要:首先單獨對氣化爐出口合成氣成分含量進行核算,計算結果與文獻基本吻合.然后建立200MW級整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系純模型,對基本參數(shù)下的IGCC系統(tǒng)進行計算,得出整個系統(tǒng)的性能參數(shù)最后對不同氣化參數(shù)溫度、水煤漿濃度、氧氣濃度、OC比的氣化爐性能及其整個IGCC系統(tǒng)效率進行比較,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IGCC系統(tǒng)效率的變化.結果表明: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)對應的最佳O/C比為1.02左右關鍵詞: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中國煤化工收稿日期:2008-1208修訂日期:2008-1231CNMHG基金項目:國家863高技術基金資助項目(2006 AAOSA110)作者簡介: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,對于不同給料的 Texaco氣化爐,CO的體積含的燃煤發(fā)電技術之一,為未來CO2的捕集和封存提量為32.8%~47.1%7,計算結果中CO含量在這供了可能國內外學者對氣化爐及IGCC系統(tǒng)進行個范圍內.N2、H2S、COS的含量與文獻中一致,了大量的研究,如焦樹建2對IGCC電站中氣化爐CH4的含量過低,參照其他相關文獻,這部分誤型的選擇及冷煤氣效率對IGCC供電效率的影響進差是可以接受的,Ar的含量為0,這是因為計算中行了分析,對某些1GCC關鍵技術和工作系統(tǒng)進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IGCC系統(tǒng)的發(fā)展方向進行了分析和N2,不考慮含有Ar展望. Zheng等人利用 Aspen Plus軟件對配置有豪2計算結果(C)和文獻值(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)進行了比較與分析,討論了氣體成分及氣化爐選擇對整體特性的影響李政等人利用模型,詳細分Co H COz HO CH, N2 H2S COs A析了氣化爐主要運行參數(shù)對氣化爐性能的影響.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)學模型,分2IGCC系統(tǒng)的建立及其計算條件析了氣化成分含量隨爐高的變化以及碳轉化率、主建立的200MW級IGCC系統(tǒng)利用輻射和對流要氣體成分隨氧煤比和汽煤比的變化本文首先單獨對氣化爐進行核算,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IGCC系統(tǒng)的模型,計脫硫和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.研究結果為IGCC系統(tǒng)氣化參數(shù)的選擇及其運行提供了參考1氣化模型及其驗證氣化是IGCC整個工藝流程中最重要的過程,氣化技術直接關系到整個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-對流度熱力性能、經(jīng)濟性和可靠性等)氣化系統(tǒng)中核心設鍋,6一凈化系統(tǒng),7一濕飽和器8-燃氣輪機,9-余熱鍋爐,10-蒸汽輪機備是氣化爐,其性能對整個IGCC系統(tǒng)的性能有很圖1IGcC系統(tǒng)模型圖大影響.因此筆者首先單獨對氣化爐模型進行核算,Fig 1 Model of IGCC system氣化條件參照文獻中德士古氣化爐的計算條件:氣系統(tǒng)基本計算條件如下: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%氣化用爆的煤質分析見表3水媒漿濃度為1315.6℃;氣化爐壓力為4.14MPa;碳轉化率為68%;大氣溫度為14℃,壓力為0.1012MPa,相100%計算結果與文獻值的比較見表2對濕度為79%;氣化壓力為3.6MPa,氣化溫度為1Ⅲ linois6號煤的工業(yè)分析和元素分析1310℃;考慮實際情況碳轉化率為98%;燃氣輪機Tb,1 Proximate and ultimate analyses of Illinois N6cal選用GE9E型號基本計算條件下IGC系統(tǒng)的性元素分析/%能參數(shù)見表4MCHNs0/%/%/(M·kg-1)衰3煤質分析Tab 3 Proximate and ultimate analyses of coal61.24.71.13.4中國煤化工由表2可以看出,計算結果中粗煤氣組分的體CNMHG/Mkg")/c積百分率與文獻中的數(shù)據(jù)基本吻合.H2和CO2的dH17.3021.741260含量略低于文獻值,CO和H2O的含量略高于文獻·696·動力工程第29卷4IcoC系統(tǒng)的性能參敗致H2的絕對含量增加隨著水煤漿濃度的升高,甲Tab 4 Performance parameters of IGCC system烷生成反應減弱,而甲烷重整反應加強,導致煤氣中數(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的相對含量呈上升趨勢45.330027.6400圖3給出了水煤漿濃度對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冷煤氣效率燃氣輪機出力/kW115739汽輪機出力/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,就越容易點燃且發(fā)熱量高.為了提高氣化圖3水煤漿濃度對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、流動性好、穩(wěn)定性好、黏度低的特點.這就要求煤要磨細,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能與時選擇合適的添加劑也很重要根據(jù)實際需要和煤氣化用煤的化學能之比值,是氣化爐的1個很重要質特性, Texaco水煤漿濃度控制在60%~68%.的指標由于系統(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,CO2和H2O的含量減少,CO的含量由煤中蘊含的化學能更多地轉化為合成氣的化學能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氣輪機系統(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氣化反應的影響較大,它決定氣化反應發(fā)生的可能性與程度氣化溫度越高反應速率越快,碳轉化率也越高圖4給出了氣化溫度對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/%℃左右達到最大值,CO2含量在1300℃左右達到2水煤漿濃度對合成氣成分的影響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)分解中國煤化工甲烷在高溫下會CNMHG少溫度升高時,生 Boudouard反應和水煤氣反應,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量呈增加趨勢,同時,CO氧化反應加強,使CO2含左移不利于H2的生成,這2種因素綜合作用,導第7期王穎,等:氣化參數(shù)對IGCC系統(tǒng)中氣化爐性能的影響697氣反應和CO2還原反應加劇,CO變換反應平衡點左移,CO和H2的產(chǎn)量增加.實際生成的CO2是減姓x=8少的,但由于氣化劑流量減少導致產(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,提高氧氣濃度對系統(tǒng)很氣化溫度/℃有利圖4氣化溫度對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變換反應平衡點左移又導C0和們。H2含量減少,綜合作用的結果使得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煤化工CO2,同時釋放出度的升高,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[3]中結論一知,當UC比增加0.1時,氣化溫度升高大約200致因為隨著氧氣濃度的升高氣化溫度升高,水煤K因此通過調節(jié)O/C比可以很好地調整氣化溫·698·動力工程第29卷度,從而調整氣化爐的狀態(tài)隨著O/C的增大,有效因為隨著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,此時對應的氣化溫度為1200℃左右隨度變化時的規(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結論0%),導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.(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比對系統(tǒng)的影響是通過影響溫度而體現(xiàn)的.本系統(tǒng)對應的最佳O/C比約為1.0215參考文獻:[1]焦樹建.論IGCC電站中氣化爐型的選擇[J]燃氣輪機技術,2002,15(2):5-14.圖7O/C比對主要合成氣成分含量的影響[2]焦樹建IGCC某些關鍵技術的發(fā)展與展望[].動力工Fig 7 Influence of o/C ratio on syngas compositions程,2006,26(2):153-165.因為O/C比的增大,一方面有利于燃燒反應熱〖3] ZHENG Ligang, FRIMSKY Edward. Comparison of量的釋放,使溫度升高,CO2還原反應和水蒸氣分Shell, Texaco, BGL and krw gasifiers as part of IGcc解反應加強,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,直接燃燒導致CO2和H2OManagement,2005,46(11/12):1767-1779的含量增加,所以O/C比對氣化反應的影響較為復[4]李政,王天驕韓志明等. Texaco煤氣化爐數(shù)學模型研究(2)—計算結果及分析[J].動力工程,2001,21雜.當O/C比為1.02時,CO含量達到最大值(4):1316-13194533%CO2含量達到最小值9.314%,有效氣含[5] NI Qizhi, WILLIAMS Alan. a simulation study on the量達到最大值75.51%,當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,對應的最佳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中國煤化工2070809101.112131415CNMHG站的分析及其發(fā)展圖8O/c比對比氧耗和比煤耗的影響Fig8 Influence of O/C ratio on oxygen and coal consumption rates