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 TECHNOLOGYIGCC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,北京10004;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CCC的研究形成一股熱潮發(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GC系統的研究,其示范電廠(chǎng)將于200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CC系統的三菱長(cháng)崎研究所的訪(fǎng)問(wèn)和調研,釆用 Aspen Plus軟件,對此系統作了詳細分析,并與She氣化爐和IGCC系統作了對比,得出了一些有益的結論關(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(20002001-05煤炭氣化技術(shù)種類(lèi)繁多1,其中高壓、大容量的本文選擇Shel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ICC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)一步探討。氣化劑的種類(lèi)劃分,主要分為吹空氣的空氣氣化爐和吹氧氣的氧氣氣化爐。目前氣流床的空氣氣化妒1氣化爐模型技術(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2/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200/d,并用于IGCC實(shí)驗對She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470h,其中包含78%h的連續運行。之后,根據在7IGCC實(shí)驗電廠(chǎng)中的運行經(jīng)驗,對氣化爐設計做了如圖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24d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1000~1100℃C,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GCC示范電站的項目,設計并建造了170d的冷卻,冷卻到400℃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40℃左右被加熱到350℃左右,然后送究結果,釆用粉煤進(jìn)料方式、并用冷卻器回收合成氣入燃氣輪機燃燒室。顯熱的氣化爐用于IGCC電站凈發(fā)電效率最高。2所示氣化部分分為兩段,下段是燃燒中國煤化工CNMHG·收稿日期:2007-01-30改稿日期:007-02-09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ICC及多聯(lián)產(chǎn)系統等方面的研究工作燃氣輪機技術(shù)第20卷輸煤氮氣高溫合成氣MDEA單約350℃去燃氣輪機分解模塊( YIeld)高溫氣體飛灰再環(huán)分解產(chǎn)物氣化爐第一段RGibbs模塊)圖1MH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)品氰氣在第一段中送人,第一段反應器出口的氣體溫度達輸煤氮氣1800℃,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1000℃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700℃粗煤氣元素分析水分灰分CHN0s0(w%)47.5473.645,241.1302.639.82工業(yè)分析水分灰分揮發(fā)分固定碳HR卜飛灰向第二段氣化反應提供熱綠對于Shel類(lèi)型氧氣氣化爐的模型驗證,文獻溫度降低[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IGC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。熔渣00014001800表2氣化模型驗證MH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圖3和4分別是用 Aspen Plus軟件建造的兩種263氣化爐模型。表1是氣化用煤的工業(yè)分析和元素分析。氧氣氣化爐模型直接采用文獻[4]中的研究結2.8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所本節將兩種氣化爐用于IGCC系統中,對系統整體進(jìn)行建模計算。針對兩種情況:第一種情況的IGCC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,生分解模塊輸煤氯氣氣化爐高溫合成氣產(chǎn)氣化所需的高壓空氣。氧氣氣化爐采用獨立的低(YIeld)( RGibbs模塊)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V中國煤化工產(chǎn)品的小空分(低圖3 Aspen氧氣氣化爐模型示意圖壓空CNMH定全整體化空分的IGCC系統,從燃氣輪機壓氣機出口抽取一部分空氣(約占燃機壓氣機總氣量的16%),送到大空分進(jìn)第2期GCC系統中空氣氣化爐與氧氣氣化爐的對比研究3口,由于燃氣輪機壓氣機的出口壓力較高因此采用高祖合成氣6「參氣體凈化中壓空分(加工空氣的壓力范圍從14.5bar到24.5ba9)。其中不同計算參數的選取如表3所示。煤1「氣化爐b模換合成氣7合成氣9表3計算參數選取換熱器空氣壓縮機氧氣壓縮機飛灰過(guò)濾器氮氣壓縮機0.8輸煤氯氣4粗合成氣0.75燃氣輪機壓氣機0.85燃氣輪機透平放蒸汽輪機高壓透平蒸汽輪機中、低壓透平機械效率0.99大氣溫度空氣2空分中空氣壓縮低壓空分機出口壓力6.5b(燃機壓圖6采用獨立空分的氧氣氣化爐ICCC系統示意圖空分中氧氣氮氣出口壓力1 mbar表5獨立空分的氧氣氣化爐ICC系統主要物流空分中氧氣、氮氣出口15℃溫度氣化爐熱損失輸人煤熱值的05%物流溫度/℃壓力/bar質(zhì)量流量/kgh21氣化系統與燃機獨立的流程15由氮氣輸送150002進(jìn)空分空氣63913R化護間高溫合成氣73空分放空4輸煤氮氣1.0211 851高溫氣體65氧氣15.61.021539506氣化爐出口139030313754合成氣97與冷煤氣摻混后00293聯(lián)合福環(huán)氣18對流換熱器出口3672935200659凈化單元出口約氣回a粗合成氣810燃氣輪機入口36028.5301048輸媒氧氣4[副產(chǎn)品氧氣511余熱鍋爐出口煙氣3862空分表6為非整體化空氣氣化與氧氣氣化兩種IcC空氣2系統參數的對比。由表6可知在空氣氣化與燃氣輪機獨立的GCC中,氣化所用的大量空氣都需要壓縮到氣化所需壓力故耗功很大,約11.3MW。用于生圖5采用獨立空氣壓縮機的空氣氣化爐產(chǎn)輸煤氮氣的空分耗功僅為1Mw,耗功很小。CCC系統示意圖表6與燃機獨立系統的結果對比表4獨立空氣壓縮機的空氣氣化爐ICCC系統主要物流MHI IGCCShell igcc(HⅣ)%物流溫度/℃壓力/bar質(zhì)量流量/kg/h凈發(fā)電效率(LHV)%45,2715由氮氣輸送155000空分耗功空氣1013輸煤氮氣壓縮機耗功MW2進(jìn)空分空氣1548氧氣壓縮機耗功W23.54輸煤氮氣空氣壓縮機耗功l1851合計MW7.25氧氣副產(chǎn)品.02燃氣輪機壓氣機耗功Mw300.6448.66氣化爐第一段出口8003080l605壓縮機耗功總計MW520.87氣化爐第二段出口燃氣輪機空氣流量U/h8氣化爐整體出口燃氣輪機凈出力406.6376.8凈化單元出口蒸汽中國煤化247.928.5獨立的IGC系統11余熱鍋爐出口煙氣3234970NMHG中,因空氣壓縮機把來(lái)自大氣的空氣壓縮至6.5bar,空分出口的產(chǎn)品壓力僅氣輪機技術(shù)第20卷為1.02bar,因此在 Shell爐的ICCC系統中,從空分高溫合成氣7出來(lái)的氧氣繼續送入氧氣壓縮機壓縮到略高于氣化化爐第爐操作壓力,而由空分出來(lái)的氮氣直接放空,但由于高溫氣體6這部分氮氣壓力僅1.02bar,因此并不會(huì )給系統造成合成氣9bb塊太大的效率損失。用于空分和氧氣壓縮機的耗功為合耳氣170.MW(46.6+23.5),小于空氣氣化系統的空氣壓縮機耗功。/e2/ca粗合成氣8要注意的是,空氣氣化中的空氣壓縮機實(shí)際上輸煤氮氣4出空分承擔了相當大的一部分燃氣輪機壓氣機的耗功使來(lái)自燃機壓氣機的壓縮空氣2燃機壓氣機的空氣流量大大減少。如表6所示,空氣氣化的燃機壓氣機功耗為300.6MW,遠小于氧氣空氣3氣化的448.6MW,燃機壓氣機進(jìn)口的空氣流量2387t/h,小于氧氣氣化對應的3562h。綜合考慮氣7采用與燃機整體化的空氣氣化爐IGCC系統示意圖化系統中的壓縮機功耗與燃機的壓氣機功耗,可以高溫合成氣6氣體凈化看出,空氣氣化系統的采用使系統總耗功相對于氧氣氣化系統減少,前者為425.6MW,后者為520煤1「氣化爐趣合成氣成氣9合成氣8MW。換熱器換熱器聯(lián)合循環(huán)由于以上原因,空氣氣化IGC系統比氧氣氣化IGCC系統的熱效率高約1個(gè)百分點(diǎn)。制飛灰過(guò)濾輸煤氮氣粗合成氣82.2采用與燃機整體化的流程氧氣6圖78和表78分別是與燃機整體化的空氣氣化爐IGCC系統和氧氣氣化爐IcCC系統的示意圖及主要物流表。如圖7所示,由于空氣氣化爐中的來(lái)自燃氣輪機壓氣機的壓縮空氣2空分只是為了生產(chǎn)輸煤氮氣,因此規模很小,故仍舊采用低壓空分,與燃機獨立。但氣化所需的高壓空圖8采用完全整體化空分的氧氣氣化爐氣全部從燃氣輪機壓氣機出口抽取然后用空氣壓ICCC系統示意圖縮機進(jìn)一步加壓到氣化爐需要的壓力。而氧氣氣化表8采用完全整體化空分的氧氣氣化爐爐的空分采用中壓空分,以便與燃氣輪機壓氣機提ICCC系統主要物流供的高壓空氣匹配,如圖8所示。計算所得的各主物流溫度/℃壓力/br質(zhì)量流量/kg/h要物流結果見(jiàn)表781煤15由氮氣輸送155000表7采用與燃機整體化的空氣氣化爐CCC系統主要物流2由燃機壓氣機抽取的空氣922670溫度/℃壓力/質(zhì)量流量/kh3空分放空1550108915由氮氣輸送155004輸煤氮氣2由燃機壓氣機抽取的空氣505氧氣進(jìn)空分空氣,來(lái)自大氣15154826氣化爐出口3177504輸煤氮氣161.02與冷煤氣摻混后0029.35277345氧氣副產(chǎn)品15.61.8對流換熱器出口6氣化爐第一段出口1800308019凈化單元出口7氣化爐第二段出口57710燃氣輪機入口3028氣化爐整體出口36129.386557711余熱鍋爐出口煙氣1201.043795909凈化單元出口28.5表9為整體化空氣氣化與氧氣氣化ICCC系統10燃氣輪機入3432811余熱鍋爐出口煙氣1201.0143229450參數中國煤化撚氣輪機壓氣機效率高率,因此,空氣氣化爐的CNM得的高壓空氣再進(jìn)一步壓縮,使得系統凈發(fā)電效率為45.86%,高于第2期ICCC系統中空氣氣化爐與氧氣氣化爐的對比研究對應的氣化系統與燃機獨立的ICC系統(4.壓縮機效率僅取08。而工業(yè)實(shí)際中,由于空氣壓縮81%)。但采用完全整體化的Shel類(lèi)型ICC系統機大多采用間冷等措施使得效率更高約08-0.9,凈發(fā)電效率為42.53%,低于對應的獨立空分的本文保守地取下限如果空氣壓縮機效率提高則氧ICCC系統(43.61%),原因在于,從燃氣輪機壓氣機氣氣化整體化做法的劣勢更為明顯。出口的空氣壓力較高(18-19b),因此只能選擇中壓空分而中壓空分對壓力能的利用效率低,因此系3結論統效率下降?？紤]到中壓空分出口的氮氣仍有一定(1)對三菱兩段式空氣氣化爐進(jìn)行建模計算,所壓力(約6bar),因此采用膨脹透平進(jìn)行回收,ICCC得氣體組成與實(shí)驗結果相符合,故所建模型可用于效率可提高到43.3%。兩種氣化工藝的比較表9與燃機整體化的系統結果對比(2)空氣氣化ICC的凈效率高于氧氣氣化MHI IGCC Shell IGccIGCC約1個(gè)百分點(diǎn)。因此從純發(fā)電角度來(lái)看,空氣HHV/%42.53/43.3凈發(fā)電效率LHV/%47,6844.19/44.9氣化ICC有一定的優(yōu)勢?？諝鈿饣疘GCC若采用空分耗功整體化設計,則效率還有提高1個(gè)百分點(diǎn)的潛力。輸煤氮氣壓縮機耗功MW2.10.77但由于空氣氣化爐出口的合成氣中氮氣摩爾組分氧氣壓縮機耗功超過(guò)50%,是否適宜作為化工原料還需進(jìn)一步研空氣壓縮機耗功12,9MW.73究。一般而言,從多聯(lián)產(chǎn)角度來(lái)看仍需氧氣氣化工燃氣輪機壓氣機耗功MW524.5藝;壓縮機耗功總計405,6543.5(3)根據對三菱氣化爐和She氣化爐研究的結燃氣輪機空氣流量h燃氣輪機凈出力MW316.9果,在不考慮空分的情況下,氣化爐容量相同時(shí),蒸汽輪機出力256.245.6三菱空氣氣化爐投資比She氧氣氣化爐投資約少四種ICC系統的空分、氣化用空氣、燃氣輪機15%,若再考慮空分的投資和運行維護費用,則空氣壓氣機的耗功如圖9所示。從圖9中可以看出,從氣化爐的經(jīng)濟優(yōu)勢更為明顯。獨立的IGCC系統變化到整體化的ICCC系統,空氣(4)對氧氣氣化工藝,空分系統與燃氣輪機的整體化(除了操作、控制不便之外)不會(huì )給ICC系統She整體化效率提高帶來(lái)好處,甚至可能導致整體效率降低(由MHI整體化【于中壓空分效率較低)。Shell獨立答的參考文獻M獨立防[1]沙星中楊南星煤的氣化與應用[M]上海:華東理工大學(xué)出版100200300400500600[2]焦樹(shù)建整體煤氣化燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M]北京:中國電力出口空分的空壓機耗功■輸煤氣壓機耗功■氧氣壓給機耗功版社,196日燃氣輪機壓蝙機耗功口空氣壓蜿機耗功[3]小山智規三菱重工業(yè)株式會(huì )社技術(shù)本部長(cháng)崎研究所 Personal圖9cC系統壓縮機功耗比較[4]張斌多聯(lián)產(chǎn)能源系統中二氧化碳減排的研究[D]清華大學(xué)博氣化爐的ICCC系統壓縮機總功耗減少,而氧氣氣化士學(xué)位論文,2005爐的ICC系統壓縮機總功耗增加。主要原因在于[5]Shell Gasifier IGCC Base Cases. NETL, PED-IGCC-98-001, 2000低壓空分和中壓空分的功耗不同。根據空分行業(yè)的6J王輔臣費欣等S粉煤氣化爐的分析與模擬[,大氯肥,普遍數據低壓空分裝置的能耗為1400~2100kJ/m3O22002,P381-384[7] Masaki Nakahara.日本250MW空氣氣化CCC示范工程[J]上海電(04~06kWh/m3O2),而中壓空分裝置的能耗為320力,2005,P466-4684600J/m3O2(0.9-1.3kWh/mO2)9。在本文的計8】焦樹(shù)建,日本的NC示范工程與研發(fā)工作』.燃氣輪機技術(shù)算中,低壓空分功耗為46.6MW/153.9kg/h=0.中國煤化工432kWh/kgQ2,而在不回收氮氣壓力能時(shí),中壓空分能CNMHG(下轉第41頁(yè))耗為0792kWh/kgO2。在本文計算參數選取中空氣第2期一次表面回熱器全程通道流動(dòng)和傳熱分析系數還要大。因此,波紋板角度的選擇要考慮流動(dòng)熱器與θ=0相比具有更顯著(zhù)的換熱效果,可使換和換熱的綜合作用,選取最佳值。熱器更加緊湊。4結論參考文獻(1)利用修正系數法,預測θ≠0全程通道回熱1 ]KAYS W M, LONDON A L,宜益民譯緊湊式熱交換器M北京器的換熱系數和壓力損失,解決了無(wú)法用數值分析科學(xué)出版社,1997方法對C型RR整體回熱器的傳熱分析簡(jiǎn)化了【2】 M CIOFALO, J. STASIEK AND M. w.ous. Investigation of flowand heat transfer in conugated passages-I Numerical simulations[J]整體回熱器設計過(guò)程,滿(mǎn)足工程上對整體回熱器傳Int ]. Heet Mase Transfer, 1996, 39(1): 165-192.熱性能的估算。[3]陶文銓數值傳熱學(xué)[M]西安:西安交通大學(xué)出版社,19882)可以通過(guò)實(shí)際回熱器模型實(shí)驗,檢驗和修正4] Wang Wei, Song Yong, Yu hongying, Huang Zhongyue. Investigation of上述的系數,使模擬結果更接近實(shí)際值,更好地進(jìn)行heat transfer and flow through entire flow passages for primary suface re-整體回熱器的設計和優(yōu)化。cuperntorR]. Proceedings of the 2nd Intemational Conference on Coolingand Heating Technologies, 36-43(3)對于同樣的壓損條件,0=60與0=120回Investigation of flow and heat transfer through entire flowpassages for primary surface recuperatorSONG Yong, WANG Wei, YU Hong-ying, HUANG Zhong-yueSchool of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)Abstract: Because of complexity of heat transfer and flow through entire flow passages, it is hard to figure out the heat transfer coefficient by numerical simulations, which also makes the design calculation of recuperator difficult. The three-dimensional numerical simulation of flow andheat transer was conducted for primary surface recuperator( PSR)at the angle of 0, 60and 120 in the cross-corrugated passages in this pa-per. The heat transfer coefficient and pressure drop of entire flow passage at the now angle of 60 and 120 are obtained based on the specialmodifying coefficient and the numerical simulation results of unitary cell and entire flow passage at the flow angle of oKey words: primary surface recuperator; numerical simulation; entire flow passage; modifying coefficient(上接第5頁(yè))[9]張祉估,石秉三低溫技術(shù)原理與裝置(下冊)M]北京:機械工業(yè)出版社,1985Comparison about air-blown gasifier and oxygen- blown gasifierbased on IGCC systemsGAO Jian, N Wei-dou, Koyama Yoshinori(1. Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Nagasaki R&D Center, Mitsubishi Heavy Industries Limited, Nagasaki, JaAhstract: It is very popular recently to do research with IGCC system, and a lot of results and paper are puhlished. However, they all focus onoxygen-blown gasification technology base. Mitsubishi Heavy Industries have devoted to work on air-blown gasifier system for nearly 20years, and the domo plant would be in operation in 2007. In this paper, according to references and study results obtained by visit to MH Na-saki R& D enter, Aspen Plus software is used to analyze the air-blown中國煤化工 GCC system, and comparewith Shell gasifier and relevant IGCC system. The results show that air-blownHCNMHGwith oxygen blown systemKey words: power machinery engineering; air-blown gasifier; oxygen-blown gasifier; IGCc