氣化參數對IGCC系統性能的影響研究進(jìn)展

一φ-工業(yè)技術(shù)創(chuàng )新第02卷第02期 2015年4月Vol.02 No.02 Apr.2015氣化參數對IGCC系統性能的影響研究進(jìn)展繩冉冉'，李曉倩2(1.鄭州大學(xué)，化工與能源學(xué)院，河南鄭州，450001;2.洛陽(yáng)瑞昌石油化工設備有限公司，河南洛陽(yáng)，471003 )摘要:氣化參數對氣化爐性能和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC) 系統效率都有著(zhù)較大的影響。本研究選取了水煤漿濃度、氣化溫度、O/C比、蒸汽煤比這四個(gè)氣化參數，系統地論述了國內外關(guān)于氣化參數對氣化性能影響的研究現狀。對目前的研究結論進(jìn)行了較全面的總結，并且指出了當前研究的不足，為今后此方面的研究提供參考。關(guān)鍵詞:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC);氣化參數;系統效率中圖分類(lèi)號: TM611.31文獻標識碼: A文章編號: 2095-8412 (2015)02- 136-04工業(yè)技術(shù)創(chuàng )新URL: http//www.china-iti.comDOI: 10. 14103/j.issn.2095-84 12.2015.02.002Infuence of Gasification Parameters on Performance ofIGCC SystemsJunjie Zhou', Ranran Sheng'(1. School of Chemical Engineering and Energy. Zhengzhou University, Zhengzhou, 450001. China;2. Luoyang Ruichang Perrochemical Equipment Co. Lid. Luoyang, 471003, China)Abstract: Gasification parameters have great influence on the performance of gasifiers and the efficiencyof IGCC system. Four gasification parameters were selected in this study, coal slurry concentration,gasification temperature, O/C ratio and steam 1 coal ratio .The development about the effects ofgasification parameters on gasification performance has been researched at home and abroad. The presentconclusion are summarized, what's more, the lack of current research has been put forward. This work canbe regarded as the reference for the future research in this area.Key words: IGCC; Gasification parameters; System efficiency引言世紀70年代發(fā)展起來(lái)的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，它以發(fā)電效率高、環(huán)保效益好等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)逐步受到電力行業(yè)有關(guān)部門(mén)預計我國在相當長(cháng)的時(shí)期內難以改變的青睞。.以煤電為主的發(fā)電結構。常規燃煤發(fā)電大量消耗不氣化是IGCC整個(gè)工藝流程中最重要的過(guò)程，氣可再生的一次能源，不可避免地會(huì )產(chǎn)生氣體、固體化技術(shù)直接關(guān)系到整個(gè)IGCC電站的性能(包括熱力和液體等污染物，并會(huì )占用土地資源、消耗淡水資性能、經(jīng)濟性和可靠性等)。在IGCC 系統中氣化爐源。IGCC (Integrated Gasifcation Combined Cycle)主要氣化參數為水煤漿濃度、氣化溫度、氧煤比和發(fā)電技術(shù)是一項先進(jìn)的高新組合發(fā)電技術(shù)，是從20蒸汽煤比，它們的改變對氣化結果有很大的影響,一φ-繩冉冉等:氣化參數對1CcC系統性能的影響研究進(jìn)展第02期進(jìn)而影響到氣化爐的性能以至影響到整個(gè)系統。因性能和熱值。水煤漿濃度越高，含煤量就越多,此，為了節約能源，并減少環(huán)境污染，研究氣化參就越容易點(diǎn)燃且發(fā)熱量高。何翔等[川)采用商業(yè)軟件數對IGCC系統的影響具有重大的意義"。本文系統ThermoFlex17對IGCC電站中氣流床式水煤漿氣化爐地介紹了國內外關(guān)于氣化參數對IGCC系統效率的影模擬計算，發(fā)現合成氣中有效氣體成分含量隨著(zhù)水響的研究情況,并總結歸納了研究的不足，為今后煤漿濃度的增大而增加，冷煤氣效率也隨之提高。學(xué)者在此方向的研究提供參考。馬順勤對以Texaco水煤漿氣化爐為基礎的IGCC系統進(jìn)行了模擬研究，得出氧煤比和水煤漿濃度是影響1整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( IGCC )氣化爐出口煤氣組成的主要因素，且氣化爐溫度隨著(zhù)水煤漿濃度的增加而增加。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated GasificationE Emua, M. Gadalla, T Majozi, D. Boer等151采用Combined Cycle),簡(jiǎn)稱(chēng)IGCC發(fā)電技術(shù)，是將固體煤Aspen Plus對IGCC系統進(jìn)行了模擬，得出最佳的水煤氣化、凈化與燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電相結合的一種漿濃度 為80%。許世森等I指出，Texaco水煤漿濃度應潔凈煤發(fā)電技術(shù)?？刂圃?0%一*68%。 馬順勤川采用大同煤種，以27kg/s整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)由煤的氣化凈化的流量，68%的水煤漿濃度和0.98的氧煤比為條件模部分和燃氣~蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分兩大部分組成。擬了煤氣凈化系統，脫硫效率達到了98%以上,熱煤煤的氣化凈化部分包括煤氣化系統、煤氣凈化系統氣效率達到90.56%;整個(gè)系統的效率為44.56%。和空分系統。主要設備包括煤和煤漿制備、空分裝綜上所述，提高水煤漿的濃度，可以增加有效凰、 氣化爐、氣體冷卻器、氣體洗滌器、除硫及硫氣含量，提高氣化爐的冷煤氣效率，升高氣化爐的回收裝置等，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分包括燃燒室、燃氣溫度。 各學(xué)者采用的單元技術(shù)、煤種及其他操作參輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發(fā)電機等。IGCC系統數不夠統一，導致上述文獻中最佳的水煤漿濃度差示意圖見(jiàn)圖1。異較大。并且，對各個(gè)系統選取的煤種及操作參數的描述不夠詳盡，結論較為模糊。因此，有必要繼續探究不同煤種、不同系統的最佳水煤漿濃度，并進(jìn)行總結歸納。2.2氣化溫度的影響想氣輪機J. Fermoso, M.V. Gil等四采用基于反應曲面分類(lèi)研究法(RSM)的中心復合表面設計法分析溫度、氧煤比和蒸汽煤比等參數對高壓煤氣化的影響，發(fā)圖1 IGCC發(fā)電系統示意圖現反應溫度是最主要的影響因素，升高溫度有助于2氣化參數研究現狀提高氣化性能。孟靖等I”通過(guò)靈敏度分析發(fā)現氧煤比是Shell氣化爐性能的最重要影響因素，并得到優(yōu)化2.1水煤漿濃度的影響后的氣化溫度1450~ 1500C。Hao Liu, Shigeru Kato等I)對高溫下的碳/二氧化王穎等叫研究發(fā)現提高水煤漿的濃度，有利于碳的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了實(shí)驗研究，結果表明，反應溫度增加有效氣(H2+CO)含量,提高氣化爐的冷煤氣效增 加到煤的灰熔點(diǎn)時(shí)，氣化反應速率最大,繼續增率，增大合成氣的熱值，從而提高IGCC系統的發(fā)加溫度就會(huì )降低反應速率，因此，高溫并不一-定能電效率。由于水煤漿濃度直接影響水煤漿的著(zhù)火夠提高氣化速度。Jae Goo Lee等!01隨著(zhù)反應溫度的增一φ-工業(yè)技術(shù)創(chuàng )新Industrial Technology Innovation第02期和，H/CO的原子比將會(huì )減少，同時(shí)合成氣中有效氣比的增加，碳轉化率、冷煤氣效率和CO含量都略有成分(H2+CO)的份額會(huì )在灰熔點(diǎn)附近呈現出最大值。增加，H含量沒(méi)有明顯的變化。Qizhi Ni et al.!8]采用張斌，沈玲玲，林立等-13)采用Aspen Plus流程多變量模型進(jìn)行了模擬研究，結果表明:當氧煤比模擬軟件對煤氣化爐的氣化過(guò)程進(jìn)行了模擬分析,在0.7~ 1.0范圍內變化時(shí)，CO含量逐漸降低, H2含量研究顯示，當氣化溫度高于1400C時(shí)，(H2+CO)先增加后降低，冷煤氣效率逐漸降低。的質(zhì)量分數會(huì )趨于一個(gè)恒定值綜合考慮各因素，建議Jae Goo Leel0等研究了不同的煤種，得出最佳氣化溫度保持在1400C以下。王穎等叫研究氣化溫度的氧氣與煤粉干燥無(wú)灰基質(zhì)量比在0.6~0.9之間。對氣化爐合成氣成分含量的影響發(fā)現，CO含量隨著(zhù)陸成19°等人的實(shí)驗研究表明0/C為0.9時(shí)有效氣體濃溫度的升高而增加，在1400C后稍有下降，H2含量度達到最大值。馬順勤等采用大同煤種，以0.98的氧在1000C達到最大，在一-定氣化壓力下存在最佳的煤比模擬了煤氣凈化系統，脫硫效率達到了98%以上,氣化溫度。任永強，烏曉江等415)通過(guò)研究發(fā)現溫度熱煤氣效率達到90.56%，整個(gè)系統的效率達到44.56%。和壓力是影響煤粉氣化的關(guān)鍵因素，得到最佳的氣孟靖等”研究發(fā)現， 對于神華煤而言，氧煤比在0.72左右化溫度為1300~ 1350C。時(shí)，冷煤氣效率較高，此時(shí)氣化爐溫度也比較合適。綜合上述報道，國內外學(xué)者關(guān)于氣化溫度對由以上文獻可以看出，學(xué)者們通過(guò)實(shí)驗、數值氣化反應速率和合成氣成分的影響已經(jīng)做了大量研模擬 等方法深入研究了O/C比對氣化性能的影響，并究，得出氣化溫度對氣化反應的影響較大，升高溫且得到了部分煤種的最佳氧煤比。但是由于氧煤比度有助于提高氣化性能，但在一-定氣化壓力下存在對氣化性能的影響是通過(guò)影響反應溫度而實(shí)現的,最佳的氣化溫度，最佳氣化溫度為煤的灰熔點(diǎn)。但因此分析反應溫度和氧煤比共同對系統氣化性能的是關(guān)于氣化系統最主要的影響因素存在爭議，因此影響更貼合實(shí)際，而目前此方面的研究甚少，可在有必要對此問(wèn)題進(jìn)行考證，對提高IGCC系統的效率這 方面開(kāi)展大量的研究工作。具有一定的指導意義。2.4蒸汽煤比的影響2.3氧煤比的影響孟靖等18保持煤粉質(zhì)量不變，按照0.7的氧煤比何翔等甲分析了氣化爐入口處的氧煤質(zhì)量比、水輸入，改變蒸汽質(zhì)量,研究了蒸汽煤比的影響。研煤漿濃度和氣化壓力等參數對出口合成氣參數的影究發(fā)現，隨著(zhù)蒸汽煤比增加，氣化溫度逐漸下降,響，結果表明，氣化爐入口氧煤質(zhì)量比的改變是影冷煤氣效率總體也是下降趨勢。在實(shí)際工程中，當響合成氣參數的主要因素，其影響程度大于水煤漿氧煤比- -定時(shí)，蒸汽煤比質(zhì)量太小會(huì )導致氣化溫度過(guò)濃度的影響。高，所需設備材料的要求也相應提高，成本會(huì )增加。陳超，姚洪等161利用數值模擬的方法分析了氧蒸汽煤比太大會(huì )導致氣化溫度低，冷煤氣效率較低,煤比和蒸汽煤比對粉煤氣化爐的影響，認為氧煤比碳轉化率下降?？芑菸?，陳振洪，郭慶華等12022采用對氣化反應過(guò)程有兩方面影響: -方面，氧煤比的Matlab軟件和FORTAN語(yǔ)言編制了仿真程序建立了增大使燃燒反應放熱量增加，從而提高反應溫度,IGCC氣化系統正常工況仿真模型，并對其進(jìn)行了仿促進(jìn)CO,還原和H2O分解，提高合成氣中有效氣含真研究，結果表明，蒸汽煤比增加會(huì )降低煤氣單位量，增加合成氣熱值和碳轉化率;另一方面，由于熱值而降低氣化系統冷煤氣效率，且對氣化系統影氧氣含量的增加而發(fā)生氧化反應，過(guò)量的氧與CO和響最大的是氧煤比。H反應生成CO,和H2O,增加了合成氣中的無(wú)效氣體成Qizhi Ni et al!"研究發(fā)現當蒸汽煤比在0 ~0.14范分，降低氣化效率。Xiaolei Guo, Zhenghua Dai等"7對圍內變化時(shí)， CO含量略微降低，H2含量略微升高，煤粉氣流床氣化性能進(jìn)行了實(shí)驗研究，發(fā)現隨著(zhù)0/C而冷煤氣效率沒(méi)有太大變化。李斌23)發(fā)現隨著(zhù)蒸汽一φ-繩冉冉等:氣化參數對1CcC系統性能的影響研究進(jìn)展第02期量的增加，氣化溫度持續下降;干煤氣產(chǎn)率、冷煤[7] J Fermoso, M.V. Gil. Application of response surface氣效率隨著(zhù)蒸汽量的增加先上升后下降;得到最佳methodology to asess the combined efet of operating variables的蒸汽煤比為0.38。孟靖等人8對Shell氣化爐進(jìn)行優(yōu)intemational journal of hydrogen energy, 2010,35 :1191-1204.化，得到最佳蒸汽煤比為0.08。上述的研究報告表明，國內外學(xué)者關(guān)于蒸汽孟靖,熊杰,趙海 波.1GCC電站的過(guò)程模擬和性能分析[J].工程熱物理學(xué)報,2013.34(1 )40-44.煤比對氣化系統的影響做了大量的定性研究，定量[9] Hao Liu,Shigeru Kato. Kinetics of CO2/Char gasification at研究很少，并且最佳蒸汽煤比的結果差別很大。因elevated temperatures Part I: Experimental results[J]. Fuel此，應該加強對蒸汽煤比的定量研究工作。[10] Processing Technology2006.87:775-781.Jae Goo Lee, Jae Ho Kim, et al. Characteristis of entrained flow3結論coal gasifcation in a drop tube reactor[J]Fuel,1996 75(9):1035-1042.通過(guò)對氣化參數的研究現狀進(jìn)行綜述，得到如[1]張斌， 李政.基于A(yíng)spen plus建立噴流床煤氣化爐模型[J]化工學(xué)報200548);1179-1182.下結論:[12]沈玲玲.IGCC示范 工程煤氣化爐的數值模擬[].煤炭轉化，(1)文獻得出的最佳水煤漿濃度差異較大，因此2009.321):1419.有必要對不同煤種、不同系統的最佳水煤漿濃度進(jìn)行[13]林立.AspenPlus軟件應用于煤氣化的模擬[J].上?；?，探究。2006,31(8):10-13.(2)氣化系統最主要的影響因素存在一-定的爭[14]任永強，等.干煤粉加壓氣流床氣化試驗研究[J].熱能動(dòng)力工議，應該對此問(wèn)題進(jìn)行深入考證。.207224):431-434.(3)分析反應溫度和氧煤比共同作用對系統氣[15]烏曉江等. 煤粉加壓氣流床氣化特性實(shí)驗研究[]工程熱物理學(xué)報2008.2968);1431-1434.化性能的影響更符合實(shí)際，而目前此方面的研究甚[16]陳超,姚洪等 氧煤比與蒸汽煤比對粉煤氣化爐影響的數值模少,可在這方面開(kāi)展大量的研究工作。擬分析[xueshuhuiyi].(4)國內外學(xué)者關(guān)于蒸汽煤比對氣化系統的影[17] Xiaolei Guo, Zhenghua Dai. Performance of an entrained-flow響做了大量的定性研究，定量研究很少，并且最佳gasification technology of pulverized coal in pilot-scale plant[J].蒸汽煤比的結果差別很大。因此，應該加強對蒸汽Fuel Processing Technology200788:451- 459.煤比的定量研究工作。[18] Qizhi Ni and Alan Williams. A simulation study on theperformance of an entrained flow coal gasifier[J]. Fuel, 1995,74( 1)102-110.0參考文獻1] 危師讓?zhuān)戎?zhù)，我國整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(GCC示范電站初步方案[19]陸成，等氣化參數對氣流床粉煤氣化影響實(shí)驗研究[D].潔凈煤技術(shù)2010162):49-53.分析國家電力公司lGCC發(fā)電示范項目可行性研究報告.1998:12-[20]寇惠武IGCC氣化系統仿真[D].華北電力大學(xué)(北京).2004.25.[2] 王穎邱朋華等 氣化參數對IGCC系統中氣化爐性能的影響[][21]陳振洪,Shell氣化爐實(shí)時(shí) 仿真模型研究[D]，華北電力大學(xué)，2008.動(dòng)力工程2009(7):694-698.3]何翔等,水煤漿氣化爐 入口參數對出口合成氣的影響[J].上海[2] 郭慶華,等基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測氣流床氣化爐爐膛溫度的試驗研究[].計算機與應用化學(xué)2007.245):617-620.電力0091-74-77.[4] 馬順 勒基于A(yíng)spen plus對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統的模擬研23] 李斌,等蒸汽煤比對湍動(dòng)循環(huán)流化床煤氣化的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報2009.39)998-1001.1究[D].華北電力大學(xué)2008.[5] F.Emua, M. Gadalla, T. Majozi, D. Boer. Integrated gasification作者簡(jiǎn)介詳見(jiàn)135頁(yè)combined cycle (IGCC) process simulation and optimization[].Computers and Chemical Engineering,2010(34): 331-338.許世 森焦樹(shù)建美國IGCC示范電站的分析 及其發(fā)展[D].華東電力,1995(8):42-46.●139●一φ-鄭智慧等:汽輪機葉型氣動(dòng)性能模擬及分析第02期參考文獻作者簡(jiǎn)介:[1] 王定標謝文,周俊杰汽輪機葉型的氣動(dòng)性能三維數值分析及鄭智慧(999-),女，碩士研究生在讀。研優(yōu)化[J]核動(dòng)力工程2010312);100.究方向:化工過(guò)程機械。[2]方彥凱,蔣 英汽輪機葉片間流體流動(dòng)的模擬研究[N].淮海工學(xué)E-mail: 181673472@qq.com院學(xué)報,2010. .]雷風(fēng)林汽輪機末級變工況性能研究與流道改進(jìn)設計[D].鄭州大學(xué)化工學(xué)院碩士學(xué)位論文,2010.[4] 王 福軍計算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.]余勇,張俊明等. FLUENT入門(mén)與進(jìn)階教程[M]北京:北京理工《氣化參數對IGCC系統性能的影響研究進(jìn)展》大學(xué)出版社2008.繩冉(1991-),鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院在讀碩:上:研究生。主要從事機械設備的優(yōu)化設計研究。E-mail:achelransheng@163.com李曉倩(1985-)，工程師。主要從事燃燒和石化設備開(kāi)發(fā)和工藝流程優(yōu)化等方面的研Emil:hoyjujc2008@ 163.com