IGCC系統中空氣氣化爐與氧氣氣化爐的對比研究

第20卷第2期《燃氣輪機技術(shù)》Vol.20 No.22007年6月GAS TURBINE TECHNOLOGYJune ,2007IGCC系統中空氣氣化爐與氧氣氣化爐的對比研究高健' ,倪維斗1 ,小山智規2(1.清華大學(xué)熱能工程系,北京100084;2. 三菱重工業(yè)株式會(huì )社長(cháng)崎研究所,日本)摘要:目前國內對 ICCC的研究形成- -股熱潮,發(fā)表了不少研究結果和文章,但都集中在純氧氣流床氣化工藝。日本三菱公司近二十年來(lái)致力于空氣氣化IGCC系統的研究,其示范電廠(chǎng)將于2007年投運,但國內對這方面的信息和了解不多。本文基于文獻和作者對開(kāi)發(fā)空氣氣化ICCC系統的三菱長(cháng)崎研究所的訪(fǎng)問(wèn)和調研，采用Aspen Plus軟件,對此系統作了詳細分析,并與Shell氣化爐和ICCC系統作了對比,得出了一些有益的結關(guān)鍵詞:動(dòng)力機械工程;空氣氣化爐;氧氣氣化爐;ICCC中圖分類(lèi)號:TQ545文獻標識碼:A文章編號:1009 - 289(200)02 - 0001 -05煤炭氣化技術(shù)種類(lèi)繁多[川],其中高壓、大容量的本文選擇Shell類(lèi)型的氣化爐作為氧氣氣化爐代表，氣流床氣化技術(shù)具有良好的煤種適應性,技術(shù)性能比較這兩種氣化爐用于ICCC系統時(shí)的優(yōu)劣,并對更加優(yōu)越[2] ,是煤基大容量、高效潔凈的合成氣制備兩種氣化系統與燃氣輪機進(jìn)行整合時(shí)系統效率變化的首選技術(shù),代表著(zhù)發(fā)展趨勢。氣流床氣化技術(shù),按趨勢不同的原因做了進(jìn)-步探討。氣化劑的種類(lèi)劃分,主要分為吹空氣的空氣氣化爐1氣化爐模型和吹氧氣的氧氣氣化爐。目前氣流床的空氣氣化爐技術(shù)以三菱重工所研制的為代表,三菱公司在20世本節用Aspen Plus軟件對空氣氣化爐進(jìn)行建模紀80年代提出了空氣氣化爐的理念,并在Yokosuka計算,氧氣氣化爐采用文獻[4]中的模型。建立了2v/d 的氣化爐裝置進(jìn)行試驗。到90年代1.1空氣氣化爐簡(jiǎn)介初,將該氣化系統放大到200u/d,并用于ICCC實(shí)驗對Shell氣化爐及其相應的IGCC系統,已有大電廠(chǎng)(Nakoso) ,這個(gè)放大的氣化爐在1995 年總計運量相關(guān)研究[5,6],但對空氣氣化爐的相關(guān)研究較行4770h,其中包含789h的連續運行。之后,根據在少[7.8]。IGCC實(shí)驗電廠(chǎng)中的運行經(jīng)驗,對氣化爐設計做了一-如圖1所示,三菱空氣氣化爐(后文簡(jiǎn)稱(chēng)空氣些改變,為了測試這些設計上改變,又建造了一個(gè)，爐)由氣化部分和換熱 器部分組成,是一個(gè)整體。氣24v/d的實(shí)驗電廠(chǎng),并運轉了約70h。以這些設計和化部分出口的合成氣溫度約為1000~ 1100C,然運行經(jīng)驗為基礎,三菱公司參與了日本250MW等級后進(jìn)入換熱器部分,受到從余熱鍋爐抽取的工質(zhì)水的ICCC示范電站的項目,設計并建造了1 700/d的冷卻,冷卻到400C左右后進(jìn)人旋風(fēng)分離器和飛灰空氣氣化爐[3]。過(guò)濾器,分離出來(lái)的飛灰被回送到氣化爐繼續參與而以氧氣為氣化劑的吹氧氣化爐,根據對進(jìn)料氣化反應,合成氣與從MDEA低溫氣體凈化單元出方式爐膛冷卻類(lèi)型和是否回收合成氣顯熱的選擇,來(lái)的清潔合成氣換熱,然后送人MDEA單元凈化,清衍生出了不同類(lèi)型的商業(yè)品牌氣化爐，根據相關(guān)研潔合成氣由40C左右被加熱到350C左右,然后送究結果,采用粉煤進(jìn)料方式、并用冷卻器回收合成氣人燃氣輪機燃燒室。顯熱的氣化爐用于ICCC電站,凈發(fā)電效率最高。如圖2所示，氣化部分分為兩段,下段是燃燒收稿日期:2007-01-30改稿日期:2007-02-09基金項目;國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目(2005CB221207)作者簡(jiǎn)介:高健(1980- ),女,清華大學(xué)博士研究生，主要從事ICCC及多聯(lián)產(chǎn)系統等方面的研究工作。2燃氣輪機技術(shù)第20卷.輸煤氨氣的40C風(fēng)|,高溫合成氣化I換熱器NDEA單元氣化爐第二段(RGibbs模塊)邢|的350.熱量熱損失分|去燃氣輪機煤分解模塊的400日(RYield); 高溫氣體飛灰再循環(huán)分解產(chǎn)物C?？靯氣化爐第一(RGibbs模塊) --+圖1 MHI 氣化爐整體結構段,約50%的煤和循環(huán)的飛灰、及參與反應的空氣| 副產(chǎn)品氧氣在第一段中送人，第一段反應器出口的氣體溫度達輸煤氯氣1 800C ,然后進(jìn)入第二段反應器,與剩下的約50%的煤進(jìn)行反應,出口的合成氣溫度約1 000C圖4 Aspen空氣氣化爐模型示意圖表1氣化用煤的煤質(zhì)分析粗煤氣元素分析水分灰分CHN(%) 4 7.54 73.64 5.24 1.13 0 2.63 9.82工業(yè)分析水分灰分揮發(fā)分固定碳HHV(wt%) 4 7.5439.5852.8628.5MI/kg_向第二段氣化反應提供熱研對于Shell類(lèi)型氧氣氣化爐的模型驗證,文獻第二段溫度降低[4]已經(jīng)做過(guò)相關(guān)研究,因此本節只研究空氣氣化爐。如表2所示,本文模型的模擬結果,與三菱公司煤給出其由具體實(shí)驗所得的、空氣氣化爐典型的氣體組分相符合。因此在對IGCC系統的模擬中,采用已得的兩種氣化爐模型對氣化系統進(jìn)行計算。熔液1000 1400 1800表2氣化模型驗證氣體成分MHI氣化爐典型空氣氣化爐圖2氣化部分結構(摩爾組成)氣體組分模型結果1.2 模型示意圖及計算結果B%10.1Co26.328.6圖3和4分別是用Aspen Plus軟件建造的兩種3023.11.7氣化爐模型。表1是氣化用煤的工業(yè)分析和元素分56.1s5.5析。氧氣氣化爐模型直接采用文獻[4]中的研究結H202.81.4果,但由于空氣氣化爐采用了兩段結構,因此本文對2采用不同氣化爐的 IGCC系統差異其進(jìn)行建模研究并對模型進(jìn)行驗證，模型如圖4所示。本節將兩種氣化爐用于ICCC系統中,對系統整體進(jìn)行建模計算。針對兩種情況:第-種情況的ICCC系統氣化系統與燃氣輪機各自獨立,即空氣氣化爐采用獨立的空氣壓縮機,從大氣中抽取空氣,生分解模塊高溫合成氣氣化所需的高壓空氣。氧氣氣化爐采用獨立的低壓空分;第二種情況的氣化系統與燃機整體化,空氣氣化爐所需的高壓空氣是由燃氣輪機壓縮機抽取并水燕氣↓ 熱損失進(jìn)一步加壓獲得的,但由于輸送干煤粉需要氮氣,故需要一個(gè)生產(chǎn)氮氣和富氧氣體副產(chǎn)品的小空分(低圖3 Aspen 氧氣氣化爐模型示意圖壓空分)。氧氣氣化爐系統采用完全整體化空分的ICCC系統,從燃氣輪機壓氣機出口抽取-部分空氣(約占燃機壓氣機總氣量的16%),送到大空分進(jìn)第2期ICCC系統中空氣氣化爐與氧氣氣化爐的對比研究口,由于燃氣輪機壓氣機的出口壓力較高,因此采用高蘊合限氣6。[參潤←氣體凈化，中壓空分(加工空氣的壓力范圍從14. 5bar到1廠(chǎng)氣化護臺成氣7合限氣924. 5bar[9])。其中不同計算參數的選取如表3所示。KRGibbs模塊成氣表3計算參數選取L[換熱器1 +聯(lián)合新環(huán)空氣壓縮機0.8氧氣壓縮機輸煤氮氣4L個(gè)成飛灰過(guò)路器氮氣壓縮機0.75氧氣5本， 燃氣輪機壓氣機0.85燃氣輪機透平0.88蒸汽輪機高壓透平蒸汽輪機中、低壓透平機械效率0.99大氣溫度I5個(gè)空氣2|低壓空分中壓空分19.23 be(數機壓圖6采用獨立空分的氧氣氣化爐ICCC系統示意圖盛氣出口壓力1.02beriber表5獨立空分的氧氣氣化爐 IGCC系統主要物流空分中氧氣、氮氣出口I5C溫度氣化爐熱損失輸入煤熱值的0.5%物流溫度/C壓力/ber 質(zhì)量流量/