氣化參數對IGCC系統中氣化爐性能的影響

第29卷第7期動(dòng)力程Vol. 29 No. 72009年7月Journal of Power EngineeringJuly 2009文章編號:1000-6761(2009)06-0694-05中圈分類(lèi)號:TM611.31文獻標識碼:A學(xué)科分類(lèi)號:470.30氣化參數對IGCC系統中氣化爐性能的影響王穎}， 邱朋華'，吳少華'，李振中”， 王陽(yáng)”， 龐克亮，陳小利”(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所,哈爾濱150001 ;2.國家電站燃燒工程技術(shù)研究中心,沈陽(yáng)110034)摘要:首先單獨對氣化爐出口合成氣成分含量進(jìn)行核算,計算結果與文獻基本吻合.然后建立200 MW級整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統模型,對基本參數下的IGCC系統進(jìn)行計算,得出整.個(gè)系統的性能參數.最后對不同氣化參數溫度、水煤漿濃度、氧氣濃度、0/C比的氣化爐性能及其整個(gè)IGCC系統效率進(jìn)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+H2)體積含量、比氧耗、比煤耗及整個(gè)IGCC系統效率的變化.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系統性能影響較大;提高氧氣濃度有利于提高氣化冷氣效率和系統的效率,本系統對應的最佳0/C比為1.02左右.關(guān)鍵詞:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán);氣化爐;氣化參敷;氣化爐性能;系統效率Influence of Gasification Parameters on Performanceof Gasifiers in IGCC SystemsWANG Ying'，QIU Peng-hua'，WU Shao-hua', LI Zhen-zhong'WANG Yang*，PANG Ke-liang*，CHEN Xiao-li?(1. Institute of Combustion Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2. NPCC, Shenyang 110034, China)Abstract; The composition contents of gasifier outlet syngas were assessed first, and the calculation resultswere 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 withfundamental 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 0/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 eficiency under different gasification conditions were analyzed.Results show that higher coal slurry concentration helps to increase the coal gas efficiency of gasifier; Gasi-fication temperature has a relatively greater influence on the IGCC system performance; Higher oxygenconcentration is positive to enhance the eficiencies 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收稿日期2008-12-8修訂日期:2008-12-31基金項目:國家863高技術(shù)基金資助項目(2006AA05A110)作者簡(jiǎn)介:王穎(1981-),女 ,遼寧錦州人,博士研究生,主要從事IGCC系統靜態(tài)特性方面的研究.電話(huà)(TeL )13613651552;Email:wing1111@126. com.第7期王穎,等:氣化參數對 IGCC系統中氣化爐性能的影響oI 695整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統是最具潛力值,對于不同給料的Texaco氣化爐,CO的體積含的燃煤發(fā)電技術(shù)之一,為未來(lái)CO2的捕集和封存提量為32. 8%~47.1%",計算結果中CO含量在這供了可能.國內外學(xué)者對氣化爐及IGCC系統進(jìn)行個(gè)范圍內. N2、HrS.COS的含量與文獻中一致，了大量的研究,如焦樹(shù)建“-2對IGCC電站中氣化爐CH的含量過(guò)低,參照其他相關(guān)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(jìn)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IGCC關(guān)鍵技術(shù)和工作系統進(jìn)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系統的發(fā)展方向進(jìn)行了分析和N2,不考慮含有Ar.展望. Zheng等人國利用Aspen Plus軟件對配置有表2計算結果(C)和文獻值(L)的比較Shell,Texaco、BGL和KRW 4種氣化爐的IGCC系Tab.2 Comparison ol calculation results with literature data統進(jìn)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.李政等人叫利用模型,詳細分CH2O CHN; H2S cos A析了氣化爐主要運行參數對氣化爐性能的影響.NiL 40.80 29.60 10.20 17.00 0.30 0.90 1.00 0.10 0.10等人印]提出了新的氣流床氣化爐的模擬方法,探討C 42.30 29.008.70 18.00 0.02 0.88 1.00 0.10 0.00了0/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學(xué)模型,分2IGCC系統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(jìn)行核算，然后利用廢鍋回收合成氣顯熱,氣化爐,凈化系統(包括除塵、ThermoFlex軟件建立了整個(gè)IGCC系統的模型,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下的IGCC系統性能,最后比較不同氣存在汽水交換,以提高系統的效率,其系統模型見(jiàn)化參數下的氣化爐性能及整個(gè)系統效率,分析合成圖1.氣含量.冷煤氣效率.有效氣含量、比氧耗、比煤耗及系統效率的變化.研究結果為IGCC系統氣化參數一回的選擇及其運行提供了參考.1氣化模型及其驗證9日C1氣化是IGCC整個(gè)工藝流程中最重要的過(guò)程，氣化技術(shù)直接關(guān)系到整個(gè)IGCC電站的性能(包括1-煤制備系統,2-空分系統,3-氣化爐,4-輻射廢鋼,5- -對流廢熱力性能、經(jīng)濟性和可靠性等).氣化系統中核心設鍋,6一凈化系統,7-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(gè)IGCC系統的性能有很圖1 ICCC 系統模型圍大影響.因此筆者首先單獨對氣化爐模型進(jìn)行核算，:Fig.1 Model of ICCC system氣化條件參照文獻中德士古氣化爐的計算條件:氣系統基本計算條件如下:空分整體化系數為化用煤為lliois 6號,其煤質(zhì)分析見(jiàn)表1;水煤漿濃30%;氣化用煤的煤質(zhì)分析見(jiàn)表3;水煤漿濃度為度為66.5%;氧氣濃度為98%;氣化爐出口溫度為68%;大氣溫度為17.4 C,壓力為0.1012 MPa,相1 315.6 C;氣化爐壓力為4. 14 MPa;碳轉化率為對濕度為79%;氣化壓力為3.6 MPa,氣化溫度為100%.計算結果與文獻值的比較見(jiàn)表2.1310C;考慮實(shí)際情況碳轉化率為98%;燃氣輪機段1 llinois 6號煤的工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Proxlmate and altimate analyses of Ilinois No, 6 coal選用GE 9E型號.基本計算條件下IGCC系統的性能參數見(jiàn)表4.元素分析/%M.VQon.u裹3煤質(zhì)分析CHNs0./%1% /(MJ.kg-1)Tab.3 Proximate and oltimate analyses of coal61.2 4.7 1.1 3.4 8.8 12.0 36.3524.83M。Q.. FT由表2可以看出,計算結果中粗煤氣組分的體CHNs/% /(MJ. kg-1) /C積百分率與文獻中的數據基本吻合. H2和COr的57.81 3.62 0.84 0.33 0.30 17. 3021.74 1 260含量略低于文獻值,CO和H2O的含量略高于文獻，696●動(dòng)力工程第29卷表4 ICCC 系統的性能參數致H2的絕對含量增加.隨著(zhù)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,導致煤氣中數值參敷CH的產(chǎn)量減少但是由于水煤漿濃度的升高,使.氣化壓力/MPa3.6氣化溫度/C1310耗煤量減少,導致合成氣產(chǎn)量略有減少,所以CH,水煤漿濃度/%冷煤氣效率/%77.84的相對含量呈上升趨勢.CO/%45. 300H2/%27. 640 0圖3給出了水煤漿濃度對效率和合成氣熱值的H2O/%17. 000 0CO2/%9.2970影響.從圖3可以看出,隨著(zhù)水煤漿濃度的升高,氣CH,/%0.0129H2S/%0.1199化爐的冷煤氣效率由73. 04%升高到77. 84%,合成C0S/%0.0066N:/%0.5992氣的熱值由7870 kJ/kg開(kāi)高到9 505 kJ/kg,整個(gè)粗合成氣熱值粗合成氣流量IGCC系統的發(fā)電效率也升高.9 505.1137.40LHV/(I.kg~1)/(t.h-1)爝氣輪機出力/kW 115 739汽輪機出 力/kW110 470+電合皮氣熱值79200 r -47.5系統發(fā)電量/kW216 210系統效率/%47.42古發(fā)電效率-900047.0次48800+86003結果與討論-840046.0元-82003.1水煤漿 濃度的影響3- .-8000酈-45.5水煤漿濃度是指固體煤的質(zhì)量濃度,它直接影7800J45.0響水煤漿的著(zhù)火性能和熱值.水煤漿濃度越高,含煤水煤漿濃度1%量就越多,就越容易點(diǎn)燃且發(fā)熱量高.為了提高氣化圈3水煤漿錐度對效率和合成氣熱值的影響系統的冷煤氣效率,首先需要制備優(yōu)質(zhì)的水煤漿,即Fig.3 Inluence of coel slurry concentretion on the eficency endyngas heat value具備濃度高、粒度細、流動(dòng)性好、穩定性好.黏度低的特點(diǎn).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(xué)能與時(shí)選擇合適的添加劑也很重要.根據實(shí)際需要和煤氣化用煤的化學(xué)能之比值,是氣化爐的1個(gè)很重要質(zhì)特性,Texaco水煤漿濃度控制在60%~68%0].的指標.由于系統耗煤量由83. 02 t/h減少到77. 18圖2給出了水煤漿濃度對合成氣成分的影響.t/h,且CO、H2、CH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(shuō)明68%時(shí)，CO2和H2O的含量減少,CO的含量由煤中蘊含的化學(xué)能更多地轉化為合成氣的化學(xué)能，36. 64%增加到45. 33% ,H2的含量由25. 02%增加.更多的能量分配到燃氣輪機系統中作功,這意味著(zhù)27. 64% ,有效氣含量由61. 66%增加到72. 97%.整個(gè)電廠(chǎng)其他系統的需求越少,易于提高循環(huán)效率，因此系統的發(fā)電效率也升高.3.2氣化溫 度的影響136 340.010遲氣化溫度對氣化反應的影響較大,它央定氣化反應發(fā)生的可能性與程度.氣化溫度越高,反應速率+30 :0.008多越快,碳轉化率也越高.27點(diǎn)0.00+24 :圖4給出了氣化溫度對氣化爐合成氣成分含量218180.005+0.00的影響.從圖4中可以看出,Co含量隨著(zhù)溫度的升60 62高而增加,在1 400 C后稍有下降.H2含量在1 000C左右達到最大值,COr含量在1 300 C左右達到圖2水煤漿依度對合成氣成分的影響Fig.2 Influence of col slury cocentration on syngas compoitions最小值.H;O的含量隨著(zhù)溫度的升高而明顯增加，水煤漿濃度升高意味著(zhù)單位煤漿中煤含量的增CH,含量則明顯減少,由7.565%減少到0.000 4%.加和水含量的減少。煤含量增加有利于C與CO2發(fā)溫度升高時(shí),甲烷反應減弱,且甲烷在高溫下會(huì )生Boudouard反應和水煤氣反應,從而有利于co分解，從而導致CH,含量明顯減少.溫度升高時(shí)，.和H2的生成.而水含量的減少使水煤氣變換反應.COr還原反應和水煤氣反應加強,使CO和H,含左移,不利于H2的生成,這2種因素綜合作用,導量呈增加趨勢,同時(shí),CO氧化反應加強,使CO2含第7期王穎,等:氣化參數對IGCC系統中氣化爐性能的影響●69745F氣反應和CO2還原反應加劇,CO變換反應平衡點(diǎn)七HO -CO2左移,CO和H2的產(chǎn)量增加.實(shí)際生成的CO2是減士CH,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(zhù)氧氣濃度的升:2:高,有效氣含量增加,冷煤氣效率和系統效率均提高,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很800 1000 1200 1400 1600氣化溫度/C有利.圈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,CO變換反應平衡點(diǎn)左移,又導致CO2和參數氧氣依度/% 93 95979899 100冷煤氣效率/% 77.58 77.67 77.76 77.80 77.84 77.88H2含量減少.綜合作用的結果使得CO和H2含量先增加后減少,則有效氣含量也先增加后減少,CO2發(fā)電效事/%39.49 39.53 39.57 39.59 39.61 39. 63比氧耗/(10*kg●m-”) 527.7 516.4 505.6 500.4 495.4 491.0含量先減少后增加,H2O含量增加.可見(jiàn),在- -定氣比煤耗/(10=kg.m-") 710.1 709.3 708.5 708.1 707.7 708.3化壓力下存在最佳的氣化溫度,如果溫度太高,不僅有效氣/%71.54 72.03 72.51 72.73 72.97 73. 19使有效氣含量減少.冷煤氣效率降低和氧耗增加,而.C0/%44.49 44.78 45.06 45.19 45.33 45.46且過(guò)剩的熱量以粗煤氣顯熱的形式排出,給回收增H:/%27.05 27.25 27.45 27.54 27.64 27. 73C02/% ;9.252 9.268 9.283 9.290 9. 297 9.304加困難,這樣勢必造成熱效率降低和投資增加.H2O/%16.87 16.91 16.96 16.98 17.00 17.02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(zhù)氣化溫度的升高，比氧3.4 0/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)1 000在煤氣化過(guò)程中,氧煤比既是最重要的反應條m'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(guò)程反應操作的主要條件1 000 m'氣體(CO+ H2 )的用煤量.在壓力- -定的條之一.本文中采用的0/C比是氧氣中和煤漿中的氧件下,隨著(zhù)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(zhì)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(zhù)O/C的增大,氣88760化溫度呈線(xiàn)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的發(fā)電效率均下士比氧耗-比煤耗降.5 8002 600902 400-802 200--450ρ 2000f工有效氣含量680這1800160080010001200 1400 1 600藝14001 200圖5氣化溫度對比氧耗和比煤耗的影響100040800-Fig 5 Influence of gasification temperature on oxygen and coal con-0.70.80.91.01112131415130sumption retesOC比3.3氧氣濃度的影響圖6 0/C 比對氣化溫度有效氣含量及效率影響系統氣化所需氧氣由空氣分離系統供給.表5Fig.6 Inluence of o/C ratio on gasification temperature, efectiveges content and fficency給出了氧氣濃度對系統性能的影響.氧氣濃度的升高意味著(zhù)氣化劑流量的減少和帶隨著(zhù)0/C比的增大,氧量增加，從而有利于C人的N2量的減少.從表5中可以看出,隨著(zhù)氧氣濃的燃燒反應，使更多的碳燃燒生成CO2,同時(shí)釋放出度的升高,CO和H2的含量增加,CO2的濃度略有大量熱量,這是導致溫度升高的主要原因.由圖6可上升,H2O的含量也增加,這與文獻[3]中結論一知,當0/C比增加0.1時(shí)，氣化溫度升高大約200致.因為隨著(zhù)氧氣濃度的升高,氣化溫度升高,水煤K,因此通過(guò)調節0/C比可以很好地調整氣化溫動(dòng)力工程第29卷度,從而調整氣化爐的狀態(tài).隨著(zhù)0/C的增大,有效因為隨著(zhù)0/C比的增大,氣化溫度升高,所以氣含量先增加后減少,在0/C比為1. 02左右時(shí)取比氧耗和比煤耗隨O/C比改變的變化規律與隨溫得最佳值,此時(shí)對應的氣化溫度為1200 C左右.隨度變化時(shí)的規律相同.著(zhù)0/C比的增大,雖然CO和H2的含量增加,但是4結論由于CH,含量急劇減少(由16. 16%減少到近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0/C比對主要合成氣成分含量的而有利于提高IGCC系統的發(fā)電效率.影響.從圖7中可以看出,隨著(zhù)0/C比的增大,CO(2)氣化溫度對IGCC系統性能的影響較大,低和H2的含量先增加后減少,CO2的含量先減少后溫時(shí)提高氣化溫度,有效氣成分含量增加,比煤耗和增加,CH,的含量急劇減少,H20的含量增加.比氧耗均臧少,但是隨著(zhù)溫度的繼續升高,這些參數將呈現相反的變化趨勢.(3)提高氧氣濃度有利于提高氣化冷煤氣效率和系統效率.- CH(4)O/C比對系統的影響是通過(guò)影響溫度而體現的.本系統對應的最佳O/C比約為1. 02.8154+4參考文獻:81007080.9101立13143[1] 焦樹(shù)建.論1GCC電站中氣化爐型的選擇[J].燃氣輪機技術(shù),2002, 15(2)+5-14.圈7 0/C 比對主要合成氣成分含量的影響[2]焦樹(shù)建. IGCC某些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與展望[J].動(dòng)力工Fig.7 Influence of 0/C ratio on syngas compositions程,2006,26<2) :153-165.因為0/C比的增大,-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 IGCCplant computer simulations[J]. Energy Conversion and解反應加強,從而使CO和H:的含量增加,有效氣Management, 2005 ,46<11/12) :1767-1779.含量也增加,另-方面,直接燃燒導致CO2和H2O[4] 李政,王天驕,韓志明，等, Texaco煤氣化爐數學(xué)模型的含量增加,所以O/C比對氣化反應的影響較為復研究(2)一計算結果及分析[J]動(dòng)力工程,2001,21雜.當0/C比為1. 02時(shí)，CO含量達到最大值(4):1316-1319.45. 33%,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performnance of an entrained-low 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) :102-110.MPa時(shí),對應的最佳0/C比為1.02左右.[6] WENC Y, CHAUNG T Z. Entrainment coal gasifica-圖8給出了0/C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(zhù)O/C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. Fouryear operating experience with Texaco gasification process in Ube Am-1100J1 200monia[C]//Pressented at Elghth Anmal EPRI Confer-00ence on Coal Gasification. Palo Alto, Califormia [s.士比理耗1 000n], 1988.8] PETER Ruprecht, WOLFGANG Schafer, PAUL6004Wallace. A computer model of entrained coal gasifica-tion[J]. Fuel,1988,67(6):739-742.0.708091012114139] 許世森,焦樹(shù)建.美國IGCC示范電站的分析及其發(fā)展[J].華東電力,1995(8) :42-46.圈80/C 比對比氧耗和比煤耗的影響Fig.8 Inluence of 0/C ratio on oxygen and coal consumption rates