IGCC氣化爐性能計算及分析

第40卷第2期鍋爐技術(shù)Vol. 40, No, 22009 年3月BOILER TECHNOLOGYMar. ,2009文章編號: CN31 - 1508(2009)02 - 0005 - 05IGCC氣化爐性能計算及分析李永華'，陳振洪'，龐永梅”，高建強'，趙軍友'，范曉穎'(1.華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北保定071003; 2. 山東陽(yáng)光工程設計院，山東濟南250011)關(guān)鍵詞: IGCC; 氣化指標;性能分析摘要:采用實(shí)際數據法對噴流床氣化爐的相關(guān)氣化指標進(jìn)行了計算,同時(shí)對干法送煤和濕法送煤兩種氣化爐性能進(jìn)行分析,著(zhù)重分析了飛灰含量及產(chǎn)氣成分對氣化爐性能的影響,并提出了改善IGCC的供電效率相關(guān)措施。為IGCC系統氣化妒的選型和調節、性能全面的綜合評價(jià)提供了重要的參考依據。中圈分類(lèi)號: TM611.31文獻標識碼: A率等氣化指標,為調節評價(jià)氣化爐操作或設計選0前言擇氣化爐提供依據,是常用的煤氣化計算方法整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC-Integrated Gas-之一。ifcation Combined Cycle)是高效的燃氣一蒸汽1.1物料平衡計算[1-2]聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統的發(fā)電的高效率與潔凈煤的(1)以灰平衡算計算干灰渣率V;煤氣化極好的環(huán)保性能的結合,是二十一世紀最據氣化過(guò)程前后灰量為衡量有:原料煤中的有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。在整個(gè)IGCC的灰量=灰渣中的灰量+帶出物中的灰量。即:A.設備和系統中,燃氣輪機、蒸汽輪機和余熱鍋爐=A;V;+A,V,整理上式有:的設備和系統均是已經(jīng)商業(yè)化多年且十分成熟v,= Au-A.V.(1)Al的產(chǎn)品。IGCC發(fā)電系統的發(fā)電效率的提高關(guān)鍵在于系統中的氣化爐的性能的提高,衡量煤氣化式中:V,一煤氣帶 出物(即飛灰)中原料煤的爐運行技術(shù)經(jīng)濟性的主要指標為有:碳的轉化份額;C,-.帶出物含碳量;率冷煤氣效率和熱煤氣效率。噴流床氣化爐是目前IGCC各示范工程中采用最多的一種氣化.帶出物含灰量;爐,對此本文應用實(shí)際數據法對噴流床氣化爐的C一干 灰渣含碳量;煤氣發(fā)熱量、產(chǎn)氣量、氣化劑耗量、轉化率,冷煤A:一干灰渣含灰量。氣效率和熱煤氣效率等重要的氣化指標進(jìn)行計(2)以碳平衡計算千煤氣產(chǎn)率V。算,對IGCC系統氣化爐的選型和調節、性能全面據氣化過(guò)程前后的碳量為衡量有:原料煤中碳量=干煤氣中碳量+灰中碳量+帶出物中碳的綜合評價(jià)提供了重要的參考依據。量+焦油中碳量。若用kmol為上式的計算單1實(shí)際數據計算法位，則有:實(shí)際數據計算法是以原料煤在試驗或正式C._ V,(YCO2+YCO+YCH.) +222.4生產(chǎn)時(shí)測得的煤氣組成為依據的計算。根據原料煤的工業(yè)分析與熱值、干煤氣的組成、出口煤GY+CV+G12+122氣中水汽含量、煤氣帶出物的數量及組成、灰渣整理上式有:的組成、氣化爐進(jìn)出物料的溫度等,計算確定煤中國煤化工;)X1.867 (2)氣發(fā)熱量、產(chǎn)氣量、氣化劑耗量,氣化效率及熱效MHCNMHGCH收稿日期:2008 -04 -01作者簡(jiǎn)介:李水華(1968-) ,男.博士,副教授,從事燃燒理論及潔凈燃燒技術(shù)的研究。鍋爐技術(shù)第40卷式中:C一-焦油中碳量;(5)濕煤氣產(chǎn)率VH,oC._- 原料煤的元素分析碳含量;VI,o=V.x(1+-29)(6)YCO2 ,YcO, YCH分別為氣化爐出口干煤氣中CO2 ,CO,CH,的可式中:p-蒸汽的密 度, kg/Bm' ;燃氣體組成百分含量。1.2能量平衡計算-般當煤中揮發(fā)分小于10 %時(shí)，可不考慮本文以氣化爐進(jìn)料到干煤氣出口為系統如焦油量的影響。即C=0。圖1.(3)以氮平衡計算空氣耗量V據氣化過(guò)程前后氮量為衡量有:空氣中帶人氮量+煤中氮量=干煤氣中氮量。即:VkX0.79+0.8XN. =V,XYN2整理上式有:V=1.266XV.XYNz-1.013XN. (3) ，對于用干法送煤的氣化爐，氮平衡為:空氣中帶人氮量+煤中氮量+送煤的氮量=干煤氣中氮量+分離出的氮量即V;X0. 79+0.8XN +N2=V;XYN.r +Nu1-氣化爐;2徽冷段;3-煤氣冷卻器;4噴嘴(4個(gè));5-渣;6-冷煤氣出口圖1 IGCC 電站氣化系統V= 1.266XV。XYN2 +1.266Nx-1. 266N2,- 1. 013 3N. .(4)根據能量平衡關(guān)系有:原料煤發(fā)熱量Q.+原式中:YN2一氣化爐出口干煤氣中 N百分含量;料煤物理熱Q2+氣化劑中蒸汽物理熱Q.+氣化.Na--分離 出的氮量;劑中空氣物理熱Q +送煤介質(zhì)所帶的熱量Qs=N2.一送 煤的氮量。干煤氣發(fā)熱量Q';+干煤氣物理熱Q:+煤氣中(4) 以氫平衡確定煤氣中水汽量H2O水汽的熱量Q:+氣化爐和熱煤氣顯熱利用系統據氣化過(guò)程前后的氫量為衡量有:煤中氫量中產(chǎn)生的蒸汽之焓值增量Q'.+帶出物的化學(xué)熱+煤中水分含氫量+煤中的含水量+氣化劑蒸.與物理熱Q's+灰渣的物理熱量與化學(xué)熱Q6+煤汽含氫量=干煤氣中水汽含氫量+煤中其它組氣冷卻器轉給冷卻水的熱能Q,+散熱損失Qs.分含氫量(1)煤氣發(fā)熱量Q'則:煤氣質(zhì)量的好壞根據其可燃氣體含量多少或H. + M./9+Wm/9+W ./9= H20X發(fā)熱量的高低來(lái)判定。一般熱值計算公式見(jiàn)3。V,/9+(YH; +YH2S+2YCH,)XVg/11.2Q'l=12 600YCO+ 108YH2+整理上式并代人有關(guān)數據有:35 800CH, +23 200YH2S(7)H2O= H..+(M. + We +W,)/V,-(2)干煤氣物理熱(YH2 +YH2S+2YCH,)X0.803 (5)Q'=V。XC_ XT。(8)式中:W,= WXVk,式中:C-煤氣出口溫度 下的煤氣的比熱，w,-氣化劑中蒸汽量;kJ/kg*C;W_-煤漿 中的含水量;T.一煤氣出口溫度。w-水蒸汽飽和后 的氣體中的水蒸汽(3)煤氣中水汽的熱焓含量;中國煤化工。XT (9)YH2 YH2S--分別為氣化爐出口干煤氣中H2 ,式中YH。CNMHG|蒸汽的比熱,.H2S的可燃組成百分含量。.對于干法送煤的氣化爐采用的是干燥基的(4)氣化爐和熱煤氣顯熱利用系統中產(chǎn)生煤粉,則煤中水分含氫量與煤漿中的含水量為0。.的蒸汽之焓值增量第2期李永華,等:IGCC氣化爐性能計算及分析Q',= MX(h.-h,)(10)本文引用文獻[5]的shell爐(干法送煤)相式中:M.顯熱利用系統中水量;關(guān)數據對氣化爐進(jìn)行計算,相關(guān)數據如下:he、h;-.分別為系統水進(jìn)出口的焓。煤氣帶出物(即飛灰)為原料煤的0.1 %,即(5)原料煤物理熱V:=2 %;其組成為:含碳量占帶出物的80 %,即Q2=Cp.xT,(11)C,=80 %;含灰量占帶出物的20 %,即A.=20式中:C.一燃料的收到基比定壓熱容 ;%=0.02;千灰渣含碳量15 %，即C,=15% =T,-燃料溫度。0.15;則干灰渣含灰量85 %,即A;=1- C;= 85(6)氣化劑中蒸汽物理熱%=0.85;煤氣出口溫度取1500 C;送煤氮量Q;=W.X(2 490+C",T,)(12)13.12 g/100g 煤,溫度取58 C.式中:C"。一氣化劑中 蒸汽的比熱,kJ/kg*"C;表1操作條件,煤的性質(zhì)及氣體體積組成Tp-氣化劑中蒸汽溫度。煤成份/%體積比/%(7)氣化劑中空氣物理熱75. 5H31.0Q.=ICT(13)4.97co62.1式中: l一-空氣量;1.43.CO21. 00C一空氣比熱,kJ/kg*C;0.87H2S0.239.120. 02T-空氣溫度。Ash7.91CH0.05對于于純氧氣為氣化劑的氣化爐此項為氧氣化壓力/MPa 3. 10N3.10.氣物理顯熱。計算式相同。氧煤比/m2.kg~' 0. 581Ar0. 80(8)送煤介質(zhì)所帶的熱量蒸汽煤比/kg.kg-' 0. 126H2O1. 70Qs=l,C,T,氧氣純度/%95.0煤的低熱值/kJ.kg-1 29 974式中: l一介質(zhì)量;表2計算值與實(shí)際值比較C,一-介質(zhì)比熱,kJ/kg.C;項目計算值實(shí)際值T,-介質(zhì)溫度。干煤氣產(chǎn)率/m2●kg-'2.172.21對于濕法送煤不用考慮此項。碳化率/%98. 1799. 01(1)碳化率冷煤氣效率/%87. 1787.5: V, X(YCOz+YCO+YCH,)X12(14)熱煤氣效率/%92. 91CgX22.4(2)冷煤氣率從表2可以看出,計算值與實(shí)際值吻合良η=-= V.xQ':lX100 %(15)好,證明該文提出的計算式是可靠的。以此為基.Q礎,考察氣化爐碳化率,冷煤氣率和熱煤氣率與式中:Q.一-原料煤的低位發(fā)熱量, kJ/g.飛灰中原料煤的份額,及(CO+H2O)所占千煤氣(3)熱效率,取lkg/h供煤率作為循環(huán)計算比例的變化情況。計算的出發(fā)點(diǎn),根據以上能量關(guān)系式有:_Y.xQ:+KQ-&- 9-0.- -x100% (16)D0「6碳化事%。m被認為是Ikg/h煤在上述整個(gè)煤的氣化熱煤氣率%爐系統中能量的轉化效率,它與氣化爐系統的熱煤氣效率相差不很多。m即為氣化爐系統的熱冷堞氣率%煤氣效率”。式中:K一熱量有 效回收系數;中國煤化工416182Qk-氣化1 kg原料煤可回收熱量總和，Qx=Q2'+Q,'+Q'.MHCNMH G圖2飛灰含 量對碳化率,冷煤氣率、2計算舉例熱煤氣率的影響8鍋爐技術(shù)第40卷由圖2分析可知,有無(wú)未反應炭粒的再循環(huán)煤氣的組成幾乎是由水煤氣反應(CO+H20-系統對氣化爐的碳化率,冷煤氣率、熱煤氣率影.H2+CO2)反應單獨決定。這和其他學(xué)者(Ru-響很大,一般有未反應炭粒的再循環(huán)系統的干法precht et al, 1989)[10 的研究結果非常接近。水送煤氣化爐的飛灰含煤率可以減到接近零，而沒(méi)煤氣反應為吸熱反應,因此，提高氣化過(guò)程的溫有未反應炭粒的再循環(huán)體統的濕法送煤的氣化度、或者采用兩段氣化方式或采用高溫固定床氣爐的飛灰含煤率一般高達1.5 %~2 %,由圖可化方式(以便產(chǎn)生較多的碳氫化合物) ,都有利于以看出就這一項的影響就可以使有未反應炭粒提高氣化爐的冷煤氣效率。的再循環(huán)系統的干法送煤的氣化爐的碳化率,冷由以上分析可知,對于同一種煤和同一種燃煤氣率熱煤氣率就比沒(méi)有未反應炭粒的再循環(huán).氣輪機,選用在千法送煤的氣化爐的IGCC電站系統的的濕法送煤的氣化爐都要相應的高出和用濕法送煤的氣化爐的IGCC電站,在以下幾2%~3%.這是采用濕法送煤的氣化爐的IGCC方面有可能改善IGCC的供電效率,即:電站之供電效率總是要比采用干法送煤的氣化.(1) 由于碳轉化率高而獲得的氣化系統能爐低一些的主要原因之一。量轉化效率值之增高;(2)由于合成煤氣冷煤氣效率高而獲得的100碳化率好處;熱煤氣事(3)干法送煤的氣化爐粗煤氣中由于水蒸汽含量較少,致使凝結潛熱損失少而獲得的冷煤氣率(4)由于合成煤氣燃燒產(chǎn)物中水蒸汽含量8093少,可以使余熱鍋爐的排氣溫度取得較低所獲得(CO+H2)百分含量/%的好處。圖3 (CO+ H2)比例對碳化率、冷煤氣率.熱煤氣率的影響3.結論有冷煤氣率的公式可知,有效氣體的比例越(1)舉例證明實(shí)際數據法計算氣化爐的相大,冷煤氣率就越大,在有效氣體中CO和H2為關(guān)指標于實(shí)際吻合良好,計算式可靠,其結果可主要氣體,由圖3可知在所有條件相同的情況.以作為對IGCC系統氣化爐的選型和調節、性能下,CO+ H2的比例提高5個(gè)百分點(diǎn),冷煤氣率和全面的綜合評價(jià)提供了重要的參考依據。熱煤氣率相應的能提高今2個(gè)百分點(diǎn)。在干法(2) 干法送煤氣化爐因其結構特點(diǎn)和送煤送煤的氣化爐的代表shell 爐所產(chǎn)的合成煤氣.方式等因素使氣化爐的主要經(jīng)濟指標碳化率,冷中,可燃物質(zhì)CO+H2≥90 %,其中CO≈60 %;煤氣率和熱煤氣率都要比濕法送煤的氣化爐高，而濕法送煤的氣化爐的代表Texaco爐相應地為因而從純粹滿(mǎn)足發(fā)電過(guò)程要求的觀(guān)點(diǎn)來(lái)考察,采CO+H2≥70 % .CO≈40 %。因而shell爐之冷用干法送煤氣化爐要比采用濕法送煤的氣化爐煤氣效率Gj≈81 %~84 %，它要比Texaco氣效率要高,具有更廣闊的發(fā)展前景?；癄t(G;=71 %~76 %)高得多間。顯然,冷煤氣效率高的合成煤氣有利于提高IGCC電站的供參考文獻:電效率,有資料顯示”,將氣化爐的冷煤氣效率[1]王黔平.發(fā)生爐操作對氣化過(guò)程影響的分析[].陶瓷,1995(5):31- 34.由0.78提高到0. 84,IGCC的供電效率可以提高[2]郭樹(shù)才.煤化工工藝學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1994,1.2個(gè)百分點(diǎn)。還能減少合成煤氣顯熱的回收195- 200. .量,致使顯熱回收設備的尺寸和投資得以適當減[3]劉述祖.硅酸鹽熱工基礎[M].武漢武漢工業(yè)大學(xué)出版社，小。所以要提高IGCC的供電效率,關(guān)鍵在于提[4]中國煤化工: 的熱效率之計算關(guān)高冷煤氣率。冷煤氣率的提高又取決于有效氣體的含量。Smoot 和Pratt在1979年間, Smith:MYHCNMHG34.和VanNess在1987年0],用商業(yè)軟件包CEC,[5]王輔臣，龔欣,劉海峰，等Shell 粉煤氣化爐的分析與模擬[J].大氮肥，2002 ,25(6) ;381 - 384.對氣態(tài)化學(xué)平衡進(jìn)行了研究。發(fā)現對于氣流床，[6]焦樹(shù)建.論合成煤氣的冷煤氣效率對IGCC供電效率的影響第2期李永華,等:IGCC氣化爐性能計算及分析[J].燃氣輪機技術(shù),199.13<2):2-7.[9] Qizhi Ni and Alan Williams. A simulation study on the per-[7]焦樹(shù)建.干法供煤和水煤漿供煤的氣化爐性能之比較[].燃formance of an entrained- flow coal gasifier[J]. Fuel, 1995,氣輪機技術(shù),000,12(1)012-16.11.1(74);102- 110.[8] A. P. Watkinson, J. P. Lucas and C. J. Lim, A prediction of[10] Despina Vamvuka，Edward T. Woodburn and Peter Rperformance ofcomercial coal gasifirs[J]. Fuel, 1991.4Senior, Modeling of an entrained flow coal gasifier[J]. Fu-(70),519- 527.el,1995, 10,10(74);1452- 1460Performance Calculation and Analysis of IGCC GasifierLI Yong-hua'，CHEN Zhen-hong' ,PANG Yong-meir，GAO Jian-qiang'，ZHAO Jun-you' , .FAN Xiao-ying'(1. North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Shan Dong Yang GuangEngineering Designinstitute,Jinan 250011, China)Key words; IGCC; gasification indicators; performance analysisAbstract: This paper has calculated the related gasification indicators of the jet of the gasifi-er by using actual data. At the same time, analyzed performance of the two gasifier which issend coal by the dry and wet coal send. Focus on the analysis of the content of fly ash andgas composition on the performance of gasifier. And put forward measures to improve theefficiency of IGCC power supply-related. As an important reference provided for the selec-tion and adjustment, fully integrated performance evaluation in the IGCC gasifier system.(上接第4頁(yè))參考文獻:[5]李正陽(yáng),洪鑫、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐雙壓無(wú)再熱汽[1]趙乃仁.從水泥生產(chǎn)工藝角度來(lái)討論余熱發(fā)電技術(shù)應用的發(fā)水系統出力與參數的關(guān)系[J]。鍋爐制造，2003(2):31-33.展[J].水泥, 2008(2)16-20.[6]鄒泉,朱小良.基于遺傳算法的余熱鍋爐參數優(yōu)化設計[].[2]張福濱，賴(lài)鐵鋼.單樂(lè )余熱發(fā)電系統主燕汽參數的選擇[J].動(dòng)力工程，2005(4);414- 417.水泥，2006(10)32-36[7]唐金泉. PC窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)評價(jià)方法的探討[J].水[3]唐金泉,常子岡.提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的措施泥工程,2007(3);76-84.[J].中國水泥，2005(5);47- 50.[8]古大田，廢熱鍋爐[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.[4]葉長(cháng)虹.開(kāi)發(fā)水泥生產(chǎn)線(xiàn)純低溫余熱發(fā)電新技術(shù)[J].中國水[9]車(chē)得福,莊正寧,李軍,等.鍋爐[M].西安:西安交通大學(xué)出泥，2006(9);85-87.版社,004.Performance Analysis and Parameter Optimization ofDual Pressure Waste Heat Recovery Generation SystemHUANG Jin-tao'，PENG Yan2，HAO Jin-zhou' ,YANG Zhen' .(1. School of Energy and Power Engineering, Xi' an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;2. CITIC Heavy Industries Co. Ltd, Luoyang 471039, China)Key words: waste heat recovery generation; dual pressure waste heat boiler; thermody-namic paramemete optimization; cement kilnAbstract: Performance Evaluation Method was consummated for dual pressure waste heatrecovery generation system of new dry-process cement production. Example of 5000 t/d ce-ment production was chosen to study the effect of exhaust gas conditions entering kiln outlet(AQC) and kiln inlet (SP) waste heat boiler, thern中國煤化工f high ,lowpressure superheated steam and common economizIrmancepower generation system and the coupling relation (MYH. CN MH Guts showthat more power output may be gained through the optimization of the thermodynamic pa-ramemeters under certain exhaust gas conditions.