整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)損分布結構研究

第21卷第6期工程熱物理學(xué)報Vol.21, No.62000年11月JOURNAL OF EXGINEERING THERMOPHYSICSNov., 2000整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)擁?yè)p分布結構研究劉澤龍金紅光林汝謀(中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100080 )摘要整體煤氣化聯(lián) 合循環(huán)是一種先進(jìn)的潔凈煤發(fā)電技術(shù).本文應用煙分析方法，研究IGCC中七個(gè)子系統(空分、氣化、凈化、壓氣機、燃燒室、透平、余熱鍋爐及汽機}的煙損失分布，指出系統中最大棚損失過(guò)程為煤氣化、燃氣輪機燃燒和空分過(guò)程，同時(shí)，揭示了系統隨不同空氣整體化和氮氣回注的規律。這些研究可以指導下一代IGCC系統的改進(jìn)，關(guān)鍵詞IGCC; 擁分析;棚損失分布;整體化中圖分類(lèi)號: TK472文獻標識碼: A文章編號: 0253 231X(2000)060677-031前言整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC)技術(shù)是一種備受關(guān)注的先進(jìn)潔凈煤發(fā)電技術(shù)。如何將其各子系統有機的聯(lián)合，即通過(guò)系統的綜合和優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的總系統，是IGCC系統設計中的一個(gè)關(guān)鍵。對此國內外已經(jīng)開(kāi)展了許多工作[1-31,多是從熱力學(xué)第定律 的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，其優(yōu)化的目標是系統熱效率的極大值。文獻[4-6] 應用炯分析方法研究IGCC系統，但多側重于有關(guān)特殊流程的研究。本文的重點(diǎn)是研究IGCC在不同的設計條件下的擁?yè)p分布結構模型，以探討集成子系統的熱力學(xué)完善程度和改進(jìn)潛力。2IGCC能量轉換利用系統流程與概念圖1為IGCC系統的流程示意圖，煤高壓蒸汽rwm煤|余熱鍋爐，首先在氣化爐中氣化產(chǎn)生可燃的煤氣;煤氣的顯熱在凈化系統中轉化，燃氣輪氣化凈化機口機排氣在HRSG中傳遞轉化，產(chǎn)生高溫凈煤氣廢鍋給木高壓蒸汽，空氣在空分系統中經(jīng)深冷分氧氣鳳氣離產(chǎn)生氧氣和氮氣;凈煤氣在燃氣輪機空分燃燒室燃燒室中燃燒，產(chǎn)生高溫燃氣;燃氣透空氣平中燃氣工質(zhì)熱能轉換為有效功輸出和中國煤化工蒸汽透平中蒸汽工質(zhì)熱能轉換為有效功輸出，IGCC系統整體化概念為空氣側MHECNMHG與蒸氣側一體化。圖1IGCC系統流程示意圖收稿日期: 2000-05- 15;修訂日期:2000-08-08基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(No.59925615) 及國家重點(diǎn)基礎研究計劃(No.G1999022302)作者簡(jiǎn)介:油澤龍(1965-),男，黑龍江人，中國科學(xué)院工程熱物理所助理研究員，碩土，主要從事能源動(dòng)力總能系統的研究.678工程熱物星學(xué)報21著(zhù)3 IGCC 系統炯損模型和基本假設3.1炯的計算公式固體燃料，Ef= Qr(1.0064 + 0.1519H/C t 0.006160/C + 0.0429N/C)(1)其中，C、H、O、N為無(wú)水固體燃料中的碳，氫，氧，氮的質(zhì)量成份，混合氣體燃料或燃氣,E'm= Eph,m + Ech, m(2)其中，Eph,m 和Ech, m為相對于完全平衡狀態(tài)系統的物理煙和化學(xué)傭，3.2基本假設本文實(shí)例研究為典型商業(yè)等級IGCC發(fā)電系統的七個(gè)過(guò)程的傭損失: 1) 煤氣化過(guò)程: 2) 煤氣凈化過(guò)程: 3) 燃氣輪機壓氣機; 4) 燃氣輪機燃燒空; 5) 燃氣輪機透平;6)余熱鍋爐與蒸汽輪機過(guò)程; 7) 空氣分離過(guò)程，4結果分析典型IGCC系統擁?yè)p失分布如圖2所示，IGCC 空氣分離半性體化?？辗窒到y的氮氣全部回注燃氣輪機燃燒室。此時(shí)IGCC的低凈化5氣機位熱效率在45%左右，發(fā)電功率在400 MW。從器32選繞室圖中看出，擁?yè)p失率從大到小依次為燃燒室、氣32%化、透平，空分，余熱鍋爐，凈化。壓氣機。圖3為獨立空分下子系統堋損失分布隨氮氣空分國注變化規律。從圖中可以看出，獨立室分下，11%主要的煙損失仍然是氣化和燃燒室。當氮氣回注小，潔凈氣化煤氣的熱值較高，透平的流量小，冷氣化卻主要依靠空氣冷卻，因而透平的煙損失較人:26%當氮氣大量回注，流過(guò)透平的燃氣流量大，有大圖2豐整體化組氣全郵同注相損失分布量氮氣成份，誘平冷卻用空氣掙混量較少，因而擁?yè)p相應減小，圖4為完全整體化下各子系統堋損失分布隨氮氣網(wǎng)注變化規律。從圖中可以看由，IGCC完全整體化下，并8無(wú)論氮氣回注多少,透平的圳損失比例都較小，原因是在完全整體化下，由于空分的所用空氣全部從壓氣機出口抽取，因血在整個(gè)遇平的質(zhì)0.391--氣化一←凈化一5氣機一燃燒室0.40-燃燒宣035←透平→←余熱鍋護+審分◆_◆0.30).300.25現0.25 ;第0.20收0.15.中國煤化工0.10.:1114+MHCNMHGiE0.050.05 10.000.0 0.2 0.4 06 0.8 1.0000+000294060.x1.0氮氣同注(獨市空分)氫氣回i (腔體化)圖3子系統煙榀失分布變化規律陽(yáng)4完全整體化時(shí)各 了系統娟損失分布變化規律6期劉澤龍等整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCO)傭損分布結構研究679量流量中，冷卻空氣的比例相應減小。同化一小氣機一叁燒室時(shí)隨氮氣回注的增加，透平的擁?yè)p失率減透平一↓余熱鍋爐一 ，空分效率小，燃燒室的擁?yè)p失率增加。0.60.480.510.44圖5為不同整體化程度對各子系統i 0.40講0.3610.32擁?yè)p失分布的影響。從圖中可以看出，隨0.3空分整體化程度的提高，透平的炯損失率減小，燃燒室的煙損失率增加，其余擁?yè)p0.10.0J0.00失率基本變化很小。0.2 0.4 0.6 0.8 1.0整體化程度5結論本文工作指出IGCC系統的主要能圖5整體化程度對各子系統煙損失分布的影響量品位損失所在，為改進(jìn)系統提供理論依據和努力方向，即通過(guò)系統綜合和從熱力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)開(kāi)發(fā)新的工藝過(guò)程，改進(jìn)燃氣輪機燃燒過(guò)程、煤氣化過(guò)程和空氣分離過(guò)程的內部不可逆性，將全面提高IGCC系統的性能，實(shí)現IGCC發(fā)電系統在能源利用和改善煤污染上的新突破。參考文獻川劉澤龍，林汝謀IGCC 空氣側整體綜合優(yōu)化的研究，工程熱物理學(xué)報，1998, 19(6)[2] A K Anand, CS Cook, J C Corman et al. New Technology Trends for Improved IGCC SystemPerformance. J. of Engineering for Gas Turbine and Power, 1996, 118(4)[3] CS Cook, J C Corman, D M Tood. System Evaluation and LBTU Fuel Combustion Studies for IGCCPower Generation. J. of Engineering for Gas Turbines and Power, 117(3)4] M Ishida, H Jin, M Yamamoto. Graphica] Exergy Analysis of an IGCO System with Hot Gas CleanupProcess. Second Law Analysis of Energy System: Towards the 21-st Centure, ISBN 8-8662-00-9[5] R L Corelissen, G G Hirs. Exergy Analysis of Cryogenic Air Separation. Energy Convers. Mgnt,1998, 39(16- 18); 1821- 1826[6) Marie Anheden, Gunnar Svedberg. Exergy Analysis of Chemnical Looping Combustion Systems. Energ:Convers. Mgnt, 1998, 39(16- 18): 1967- L980STUDY ON EXERGY DESTRUCTION DISTRIBUTIONOF THE IGCC SYSTEMLIU Zelong JIN Hongguang LIN Rumou(Institute of Engineering Thermophysics, Academy Sinica, Bejing 100080, China)A bstractIntegrated Gasification Combined Cycle is considered as one of the advancedclean coal power technologies. Here, we have investigated an IGCC on the basis of exergyanalysis, and clarified the distribution of exergy destruction in sub-systems including airseparation unit, coal gasifier: coal gas clean-u中國煤化工bustor of gas turbine,gas turbine, heat recovery steam generationYHC N M H Gstudy also points outthat larger exergy destruction take place in the processes of gasification, combustion in GT.and air separation, and So does the change of exergy destruction distribution with the airintegration degree and the nitrogen injection ratio. This investigation will be valuable forthe synthesis of next generation IGCC.Key words IGCC; exergy analysis; exergy destruction distribution; integration