IGCC系統中氣化爐特性研究

第32卷第3期煤炭轉化Vol.32 No.32009年7月COAL. CONVERSIONJul.2009IGCC系統中氣化爐特性研究王穎l)吳少華2)邱朋華3) 李振中4) 王陽(yáng)5)龐克亮6)陳小利6)’陳雷6)摘要氣化爐是IGCC系統中的關(guān)鍵部件之一,與其他部件緊密相關(guān).基于整個(gè)IGCC系統研究氣化爐特性,首先利用Thermoflex軟件對某200 MW級IGCC示范工程建立系統模型,從系統的角度出發(fā),對不同氣化參數(水煤漿濃度、氣化壓力、氧煤比和碳轉化率)的IGCC系統進(jìn)行計算,并分析對氣化結果的影響.結果表明,水煤漿濃度和氧煤比對氣化結果的影響較大.關(guān)鍵詞IGCC,氣化爐 ,氣化參數，氣化結果，氣化特性中圖分類(lèi)號TQ545, TM611.31作參數對氣化結果的影響;侯祥松等[10]分析了0引言Texaco氣化技術(shù)的特點(diǎn)，建立了基于多個(gè)化學(xué)反應平衡常數法的氣化模型;沈玲玲等[1]采用Aspen氣化爐是IGCC系統中最關(guān)鍵部件之一,其氣plus流程模擬軟件對某擬建的IGCC示范工程的德化參數不僅影響氣化結果本身,而且影響著(zhù)整個(gè)士古氣化爐進(jìn)行數值模擬,并研究了煤氣化爐重要IGCC系統.所以在IGCC系統中建立氣化爐模型并的操作參數對氣化結果的影響.對合成氣成分預測是十分必要的.國內外學(xué)者對此為了在IGCC系統中研究氣化爐特性,首先建進(jìn)行了大量研究，如Ni等[1]建立新的氣流床氣化爐立帶有水煤漿氣化的整個(gè)200 MW級1GCC系統模的模型和程序,探討了0/C和溫度及壓力對氣化成型 ,從系統角度出發(fā),對不同氣化參數的IGCC系統分及其冷煤氣效率的影響;Watkinson等[0利用簡(jiǎn)分別進(jìn)行計算,通過(guò)計算分析對氣化結果的影響.單平衡模型來(lái)預測氣化爐出口氣體成分;Wen等[8]建立了氣流床氣化爐數學(xué)模型,模擬分析氣化成分1 IGCC系統模型的建立含量和碳轉化率隨爐高的變化及氣化成分隨氧煤比和汽煤比的變化;李政等l4]采用“小室模型"的方法本IGCC系統采用煤制備成煤漿作為燃料,同建立了一個(gè)預測Texaco煤氣化爐性能的數學(xué)?？辗窒到y產(chǎn)生的高純度氧氣,經(jīng)氣化爐將其轉化為型;Zheng等[6] 利用Aspen plus 軟件對配置有高溫高壓粗合成氣,經(jīng)除塵和脫硫等凈化工藝,使之Shell,Texaco, BGL和KRW四種氣化爐的IGCC成為潔凈的合成氣供給燃氣輪機燃燒做功,燃氣輪系統進(jìn)行了比較分析,研究了氣體成分及其氣化爐機排出的高溫煙氣經(jīng)過(guò)余熱鍋爐加熱給水產(chǎn)生過(guò)熱選擇對整體特性的影響;張斌等[6}基于A(yíng)spenplus蒸汽,帶動(dòng)蒸汽輪機發(fā)電,從而實(shí)現煤氣化聯(lián)合發(fā)電軟件建立了噴流床氣化爐模型;蔣紹堅等']建立了過(guò)程.空分系統采用部分整體空分,燃機抽氣回送到一種基于物料平衡、能量平衡和化學(xué)平衡分析的氣空分系統,以解決燃機通流問(wèn)題.氣化爐出口粗合成化數學(xué)模型,并利用該模型進(jìn)行空氣氣化計算;周志氣具有較高溫度,采用輻射廢鍋和對流廢鍋流程回杰等[0]基于化學(xué)平衡建立了氣流床干煤粉氣化數學(xué)收合成氣熱量,生成高溫高壓的飽和蒸汽回送到余模型,著(zhù)重分析了氧煤比和汽煤比的影響;汪洋等[)]熱鍋爐中.凈化系統主要包括除塵、脫硫和COS的利用Aspenplus軟件,運用Gibbs自由能最小化方脫除等環(huán)節,為了達到凈化的最佳效果,并有效利用法建立了氣流床氣化爐模型,研究了氣化爐主要操余熱,凈化系統與三壓再熱式余熱鍋爐之間存在汽*國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2004CB217600)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2007 AA05Z335).1)碩士生:2)教授、博士生導師;3)副教授、碩士生導師14)教授;5)高級工程師+6)工程師哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所，150001哈爾濱收稿日期2009-04-07 ;修回日期:2009-05-092煤炭轉化2009年水交換,且在凈化不同環(huán)節中布置有換熱器,有效利的減少,不利于水煤氣變換反應的進(jìn)行,不利于H2用能量,以提高系統的效率.建立的IGCC系統模型的生成.這兩種因素綜合作用,導致H2的絕對含量見(jiàn)圖1.是增加的.水煤漿濃度的增加,甲烷生成反應減弱，「 Radiaive wastr甲烷重整反應的加強，導致煤氣中CH產(chǎn)量減少但是由于水煤漿濃度的增加,耗煤量減少,導致合成AiL氣產(chǎn)量略有減少,所以CH,的相對含量呈上升趨勢.Flur P合成氣的熱值由7 870 kJ/kg增加到9 505 kJ/kg.Ca urineHRSCG2.2氣化壓力的影響↑了0 Ceanutien氣化技術(shù)按照氣化爐操作壓力分為常壓氣化和加壓氣化.由于加壓氣化具有生產(chǎn)強度高,對燃氣輸圖1 IGCC 系統模型Fig.1 Model of IGCC system配和后續化學(xué)加工有明顯的經(jīng)濟性等特點(diǎn),所以人們十分重視加壓氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā).氣化壓力的提高，2結果與討論有利于體積縮小反應的進(jìn)行,但若氣化壓力太高,送到燃機的燃氣需要減壓后進(jìn)人燃機,勢必造成能量在IGCC系統中氣化爐主要氣化參數為水煤漿的浪費.水煤漿濃度不變,在氧煤比和汽煤比保持定濃度、氣化壓力、氧煤比和碳轉化率,它們的改變對值的條件下,碳轉化率為98%,氣化壓力對氣化結氣化結果有很大的影響,進(jìn)而影響到氣化爐的性能果 的影響見(jiàn)圖2.以至影響到整個(gè)系統.50I 30.8030.75只-13.02.1水煤漿濃度的影響30.70 宣12544t 120水煤漿濃度是指固體煤的質(zhì)量濃度,它直接影響30.65 號-11530.60量-11.0到水煤漿的著(zhù)火性能和熱值.在氣化溫度1 310 C,30.s5日-10.01953氣化壓力3.6 MPa,碳轉化率98%的條件下,水煤J9.0漿濃度變化的結果見(jiàn)表1.3.43.63.84.04.2444.6Gesifcation preaure1 MPa表1水煤漿濃 度對氣化結果的影響Table 1 Effect of coal-water slurry concentration圖2氣化壓力對合成氣成分影響on gasification resultFig.2 Efcts of gasification pressure on syngasContent/%*volume contentConcentration/%COH:二H2OCO2CH,36.64 25.02 25.31 12.36 0.0052由于溫度比較高,對整個(gè)煤氣化系統而言,氣化76238.59 25.67 23.35 11.70 0. 006 4壓力對煤氣化反應幾乎沒(méi)有影響,CO含量變化不40. 5426.29 21. 4511.03 0.007 95642.49 26.86 19.60 10.34 0. 009 6大,CO2略有升高,由9. 404%增加到9.408%,H,O844.43 27.40 17.81 9.63 0.011 8.含量由13. 56%增加到13. 72%,H,含量是下降的，. Percent of volume.由30. 79%下降到30. 54%,有效氣含量也是下降由表1可以看出,水煤漿濃度對氣化結果的影的,這導致合成氣熱值的下降;隨著(zhù)氣化壓力的提響較大.水煤漿濃度由60%增加到68%時(shí),CO2含高,CH生成量具有微量的提高，由0. 278%增加到量由12.36%減少到9.63%,H2O的含量由0. 386%.因為CH具有較高的熱值,所以CH,含25. 31%減少到17.81%,CO含量由36. 64%增加量增加有利于合成氣熱值的提高.兩者共同作用的到44.33%,H2含量由25. 02%增加27. 40%,有效結果導致合成氣熱值略有下降,由10 211 kJ/kg下氣(CO+ H2 )的含量由61. 66%增加到71. 73% ,CH，降到10 201 kJ/kg. .的體積含量由原來(lái)的0. 005 2%增加到0.011 8%.水2.3 0/C 的影響煤漿濃度的增加也就是相對增加了含碳量,減少了含水量.含碳量的增加有利于CO2還原反應和水煤氧煤比既是重要的反應條件,又是控制氣化爐氣氣反應的發(fā)生,有利于CO和H2的生成;面含水量化過(guò)程反應操作的主要條件之一.實(shí)驗采用的0/C第3期王穎等 ICCC系統中氣化爐特 性研究摩爾比是氧氣和煤漿中的氧原子與煤中的碳原子的漿濃度不變,只考慮碳轉化率的影響,結果見(jiàn)圖4.摩爾比值.氣化壓力3. 6 MPa,碳轉化率為98% ,水煤漿濃度不變,計算氧煤比的影響,結果見(jiàn)圖3.64里-0.3-0.235-141-10; 30-28, 202真.9092949698100Carbon convension/%圖4碳轉化率對合 成氣成分影響0.7 0.80.9 1.011 1.213 141301CFig. 4 Effects of carbon conversion on syngas volume content■一-COi▲一Hz;O一-COr:★- H2OiO一 -CH4圖3氧煤比對合成氣成分影響從圖4可以看出，隨著(zhù)碳轉化率的提高,CO含Fig.3 Effcts of O/C on syngas volume content量是升高的,CO2含量是下降的,H:含量是增加■一-COr▲一 H2:★- -H2O;O- COrtO- -CH。氧煤比對氣化結果影響較大,這是因為O/C的的,H2O含量是下降的,CH,含量增加較多,由提高一方面有利于燃燒反應熱量的放出,有利于溫0.0213%增加到0.4984%.可見(jiàn),碳轉化率的提高度的提高,CO2的還原反應和水蒸氣分解反應加不僅增加了合成氣中有效氣體(C0+ H2)的含量，強,CO和H2含量增加;另一方面，直接燃燒導致.而且大幅度地增加了合成氣中CH,的含量,進(jìn)而可COr和H2O的含量提高.由圖3可以看出,隨著(zhù)O/C以有效地提高合成氣的熱值,由9314 kJ/kg增加的增加,CO和H2先增加后減少,H2O含量是增加.到10 412 kJ/kg.的,CO2含量先減少后增加,在O/C比為1.02時(shí),cO3結論含量最大為45. 33%,CO2含量最小為9. 314%,有1)水煤漿濃度對氣化結果有較大的影響,隨著(zhù)效氣含量最大為75. 51%，CH,含量下降較快，由水煤漿濃度的增加,有效氣(CO+ H2)含量增加,合16. 16%減少到近于0%.由于CH,急劇減少,導致成氣熱值也是增加的.合成氣的熱值由12 550 kJ/kg 降低到5 645 kJ/kg.2)氣化壓力對氣化結果的影響不大,但提高氣化壓力對氣化有利. .2.4碳轉化率的影響3)提高碳轉化率,有利于有效氣含量的增加，碳轉化率為工藝氣體中碳總量與人爐總碳量的合成氣熱值也是增加的.比值.對于碳轉化率而言,最大的影響因素是氧煤4)氧煤比對氣化結果的影響較大,有效氣含量比，而蒸汽煤比的影響較小,所以固定氧煤比和汽煤隨著(zhù)氧煤比的增加先增加后減小，而合成氣的熱值比,氣化壓力為3.6 MPa,氣化溫度1 310 C,水煤是隨之而下降的.參考文獻1] Ni Qizhi, Wlliams A. A Simulation Study on the Performance of an Entrined-flow Coal Gasifier[J]. Fuel, 1995.74(1);102-112] Watkinson A P,Lucas J P,Lim C 1. A Prediction of Perormance of Commercial Coal Gasifiers[J]. Fuel, 1991 ,70:519-527.[3] Wen C Y,Chaung T Z. Entranment Coal Gasification Modeling[J]. Ind Eng Chem Process Dev, 1979,18(4) :684-695.[4] 李政,王天驕,韓志明等. Texaco煤氣化爐數學(xué)模型研究一 建模部分[J].動(dòng)力工程,001.21(4);1316-1319.[5] Zheng Ligang,Frimsky E. Comparison of Shell,Texaco, BGL and KRW Gasifiers a Part of IGCC Plant Computer Simulations[J]. Energy Conversion and Manegerment,2005<46>)1767-1779.[6]張斌,李致,江寧等.基于A(yíng)spen Plus建立噴流床煤氣化爐模型[J].化工學(xué)報，2003,54(8)1179 1182.[7] 蔣紹堅,趙 穎,林竹等. 高溫空氣氣化數學(xué)模型的建立與分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報,2006 .27(10) :1058-1062.[8] 周志杰，于廣鎖,龔欣等. 整體煤氣化燃氣蒸光聯(lián)合循環(huán)氣化單元模擬[J].煤炭轉化,004,27(3).53-57.[9]任洋,代正華,于廣鎖等， 運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[J].煤炭轉化，2004.27(4) 27-33.[10]侯祥松,陳勇,劉艷質(zhì)等. 基于平衡常數法的Texaco氣化模型[J].煤凝轉化,2004,27(3) :49-52.[11]沈玲玲,姜秀民,王解等. IGCC示范工程煤氣化爐的數值模擬[J].煤炭轉化,2009 ,32(1);14-19.(下轉第34頁(yè))34煤炭轉化2009年P(guān)RECISION OF NEDOL METHOD FOR CALCULATING COALLIQUEFACTION OIL NARROW BOILING RANGEFRACTIONS MOLECULAR WEIGHTSWu Yan Shi Shidong and Wang Wei(China Coal Research Institute, Beijing Coal Chemistry Institute, 100013 Beijing)ABSTRACT In order to meet the needs of the rapid industrialization of direct coal liquefac-tion project, the calculation method for molecular weights of direct coal liquefaction oil narrowboiling range fractions were studied based on the comparison of a great deal of experimental sol-vent samples and their molecular weights. In comparison with the results of freezing point de-press method, the precision for calculating the molecular weights of coal liquefaction oil by NE-DOL method was investigated, For Shenhua oil, average error is - 1. 7 between results of NEDOLmethod and freezing point depress method. For Shengli oil, average error is一1. 3. For Neimengoil, average error is - 3. For Heishan oil, average error is一2.7. The calculation results byNEDOL method are close to that of freezing point depress method. NEDOL method can be usedto calculate molecular weights of direct coal liquefaction oil narrow boiling range fractions.KEY WORDS coal liquefaction oil, narrow boiling range fraction, NEDOL method, molecularweights, freezing point depress method(上接第25頁(yè))STUDY ON GASIFIER CHARACTERISTICS IN IGCC SYSTEMWang Ying Wu Shaohua Qiu Penghua Li Zhenzhong Wang YangPang Keliang Chen Xiaoli and Chen Lei(Combustion Engineering Institute, Harbin University of Technology, 150001 Harbin)ABSTRACT The gasifier is one of the most important equipments in IGCC system, and itclosely related with the others, so the study of the gasifier characteristics is based on the wholeIGCC system. The system model of 200 MW IGCC demonstration project was established usingThermoflex software firstly, from the view of the system, the IGCC systems with different gasi-fication parameters (coal-water slurry concentration, gasification pressure, O/C ratio and the car-bon conversion) were calculated, the effects on the gasification result were analyzed. It showsthat the coal-water slurry concentration and the O/C ratio have great effect on the gasification re-sult.KEY WORDS IGCC, gasifier, gasification parameters, gasification result, gasifier charac-teristics