新型近零排放煤氣化燃燒利用系統的優(yōu)化及性能預測

.第26卷第9期中國電機工程學(xué)報Vol.26 No.9 May 20062006年5月.Proceedings of the CSEEC2006 Chin.Soc.for Elec.ng.文章編號: 0258-8013 (2006) 09-0007-07中圖分類(lèi)號: TK16文獻標識碼: A學(xué)科分類(lèi)號: 470.20新型近零排放煤氣化燃燒利用系統的優(yōu)化及性能預測關(guān)鍵，王勤輝，駱仲泱，岑可法(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室，浙江省杭州市310027)Optimization and Performance Prediction of a New Near Zero Emissions Coal UtilizationSystem with Combined Gasification and CombustionGUAN Jian, WANG Qin-hui, LUO Zhong yang, CEN Ke-fa(Statc Key Laboratory of Clean Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: According to our new near zero emissions coal化爐碳轉化率增加而呈上升趨勢。在綜合考察壓力和碳轉化utilization system with combined gasification and combustion,率對系統效率、氣化爐和燃燒爐性能的影響規律后，比較合which is based on the CO2 acceptor gasification process, the適的系統壓力和氣化爐碳轉化率分別為2.5 MPa和0.7.在product gas composition of the gasifier and the combuston were該運行參數下，系統發(fā)電效率達到了62.1%。若采用先進(jìn)的calculated by means of thermodynamic equilibrium calculation氧離子輸送膜(TM)制氧方法，系統效率可提高1.3%。sofware FactSage 5.2. Based on these calculations, the wholesystem eficiency calculation method that complies with the關(guān)鍵詞:熱能動(dòng)力工程;近零排放; CO, 接受體法氣化;平mass and energy conversion principle was established. Aimed衡模型;系統優(yōu)化at enhancing the system fficiency, the system pressure and thegasifier carbon conversion ratio were optimized. The results0引言indicate that the system fficiency increases with increasing ofthe pressure and the gasifier carbon conversion ratio. After the開(kāi)發(fā)能源轉化效率更高、包括CO2在內的多種influences of the pressure and the carbon conversion ratio on污染物排放極低，甚至幾乎為零的煤炭利用系統,the performance of the system, gasifier and the combustor were是世界各國煤炭資源利用所追求的目標。目前，世synthetically studied, the optimum pressure and the carbon界已有多家研究機構提出了零排放煤利用系統方conversion ratio were obtained respectively as 2.5MPa and 0.7.The system efficiency could achieve around 62.1% when the案。其中，由于CO2接受體法氣化技術(shù)具有可以制system operated in these two optimum parameters. If the得高濃度的H2,同時(shí)接受體再生過(guò)程中釋放的是高advanced ITM air separation technology is used, the calculation濃度CO2這-特點(diǎn)",使基于CO2接受體法氣化技system fficiency will be increased 1.3%.術(shù)的幾種零排放系統成為這一方向的主流。代表性KEY WORDS: thermal power engineering; nearzero的如美國零排放煤利用聯(lián)盟(ZECA)提出的無(wú)氧煤emissions; CO2 acceptor gasification; equilibrium model; system氣化零排放系統2-31、美國GE能源與環(huán)境研究公司optimization(GE-EER)提出的AGC(advanced gasification摘要:針對所構建的以CO2接受體法氣化為基礎的新型近c(diǎn)ombustion)系統4)、日本新能源綜合開(kāi)發(fā)機構零排放煤氣化燃燒利用系統，以熱力學(xué)平衡計算軟件包(NEDO)提出的HyPr-Ring(Hydrogen Production byFactSage 5.2 來(lái)預測氣化爐及燃燒爐的產(chǎn)物組成。在此基礎Reaction Integrated Novel Gasification)系統[50)等。這上建立了基于物質(zhì)平衡、能量平衡的系統效率計算方法。以提高系統效率為目標，對系統壓力和氣化爐碳轉化率這兩個(gè)幾|中國煤化工應器形式和工藝路重要參數進(jìn)行了優(yōu)化。結果表明，系統效率隨操作壓力和氣YHCN MH G目前有關(guān)的理論及基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50306022)。試驗研究I作都在積板進(jìn)行之中。ZECA 針對無(wú)氧Projet supported by National Nature Science Foundation of China煤氣化零排放系統已經(jīng)進(jìn)行了整個(gè)系統的理論計(50306022).中國電機工程學(xué)報第26卷算，預測了系統效率和經(jīng)濟性。同時(shí)采用一種高溫(1),生成CO和H2。氣相中的CO進(jìn)- -步通過(guò)水煤高壓的熱重分析儀研究了多個(gè)煤種在7MPa下，900氣變換反應(2)轉化為 CO2,同時(shí)生成H。CaO作C左右的加氫氣化特性。GEER針對AGC系統，為 CO2接受體發(fā)生碳酸化反應(3),將氣相中的借助NASA熱力學(xué)軟件建立了系統計算模型，預測遭化出一十用戶(hù)煙氣輪機了反應平衡組成并計算了整個(gè)系統的效率。目前設計制造了- -個(gè)內徑10 cm、反應管可承受2 MPa、HhCo21000C的流化床反應器準備進(jìn)行煤的CO2接受體氣壓力循CaCO「常壓或的醫科電動(dòng)給水_， 燕汽輪機煤成環(huán)流化化制氫試驗。日本NEDO針對HyPr-Ring系統，由物威床氣化。 CaCO3LIN S.Y等進(jìn)行了整個(gè)系統的理論計算，在-一個(gè)內徑20mm的連續給料裝置上研究了壓力、溫度等條蒸汽H H2O J9低氧空氣 排空|空氣件對煤/ CaO混合物氣化制氫的影響規律。國內除4空分棚←-空氣浙江大學(xué)以外，另有中科院工程熱物理研究所提出圖1新型近零排放煤 氣化燃燒利用系統的含碳能源直接制氫零排放系統”目前也在積極進(jìn)Fig. 1 Block diagram of new near zero emissions coal行有關(guān)的理論研究。utilization system依據CO2接受體法氣化技術(shù)思路，結合循環(huán)流CO2不斷吸收固化。該反應一方面通過(guò)不斷減少氣化床燃燒及氣化技術(shù)的優(yōu)勢及特點(diǎn)，筆者構建了- -相中CO2的來(lái)促進(jìn)反應(2)的平衡向右進(jìn)行,進(jìn)而也套新型近零排放煤氣化燃燒集成利用系統(89)。其促進(jìn)反應(1)的平衡向右進(jìn)行，從而促進(jìn)了H2的生產(chǎn)。另一方面，反應(3)放出的大量熱量可供其它反中，系統操作壓力，即氣化爐、燃燒爐運行壓力和應利用。除上述主要反應外，氣相中另有少量熱解氣化爐碳轉化率是該新型近零排放系統的兩個(gè)重或氣化所產(chǎn)生的CH4發(fā)生重整反應(4)也轉化為CO要參數。壓力不同將直接影響氣化產(chǎn)物的生成情和H2。氣化爐產(chǎn)生的高濃度H2用于固體氧化物燃況，進(jìn)而影響進(jìn)入下游各模塊的物質(zhì)流和能量流并料電池(SOFC)發(fā)電或供其它氫能用戶(hù)使用。含有未最終對系統整體性能產(chǎn)生影響。合適的氣化爐碳轉被利用的H2 的燃料電池排出的尾氣被送入燃燒爐化率是系統進(jìn)行煤炭合理分級轉化原則的體現，它以利用其高溫顯熱和其中的H2。燃料電池所排出的既要使得氣化爐產(chǎn)生更多的H2，又要保證氣化爐中低氧濃度的高溫空氣，分離出其中的氧氣后用于預未轉化的半焦能夠滿(mǎn)足燃燒爐中CaCO3煅燒吸熱的熱進(jìn)入燃料電池的空氣。需要。因此本文針對這兩個(gè)重要參數對系統相關(guān)設C+H20=CO0+H，AH298 =131.3k/mol(1)備、整體性能的影響規律進(jìn)行了研究。以提高系統CO+H20=CO2 +H,△H29 = -41.5kJ/mol(2)效率為目標，保證系統內相關(guān)設備的技術(shù)可行性為CaO+CO2=CaCO,，△H98 =-178.1kJ/mol (3)原則對這兩項重要參數進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎上，得CH。+H,0=CO+3H2,△H298 = 206.3kJ/mol (4)出了系統在此優(yōu)化條件下各部分的發(fā)(耗)電量情況煤中較難氣化的半焦和吸收CO2生成的CaCO3及總體效率。本文是對該新型近零排放系統在理論被送入加壓或常壓循環(huán)流化床燃燒爐。半焦和來(lái)自上的一個(gè)初步證明，同時(shí)加深對這兩個(gè)重要參數對燃料電池尾氣的氫氣在純氧環(huán)境中燃燒，釋放出的系統設備運行和整體性能影響規律的認識，并且為熱量供給CaCO3煅燒分解,生成的CaO被作為CO2下一步合理安排試驗驗證工作提供指導。接受體重新送回到氣化爐。燃燒爐中發(fā)生的主要化1新型近零排放煤氣化燃燒利用 系統介紹學(xué)反應如式(5)~(7)所示。燃燒爐內燃料燃燒和CaCO3煅燒所產(chǎn)生的水蒸氣和CO2高溫混合氣體經(jīng)筆者構建的新型近零排放煤氣化燃燒集成利高溫除塵后首先進(jìn)入煙氣輪機發(fā)電，然后作為余熱用系統如圖1所示。煤或其它燃料(如生物質(zhì))在摻鍋爐的執源進(jìn)行蒸汽循環(huán)發(fā)由低溫 尾氣經(jīng)冷凝分入一定比例的CO2 接受體(CaO)后，送入有一定壓離出sY;中國煤化工cO2'氣體可以比較力的無(wú)氧循環(huán)流化床氣化爐，以水蒸氣作為氣化劑容易CNMHG。進(jìn)行部分氣化反應。其中煤中的碳發(fā)生水煤氣反應C+O2=CO2，NH298 = 393.8kJ/mol (5)第9期關(guān)鍵等:新型近零排放煤氣化燃燒利用系統的優(yōu)化及性能預測92H2+O2=2H2O, OH29 =- 570k/mol (6) 溫度才 是既符合元素守恒，又符合能量守恒的系統CaCO,+CaO+CO2，AH98 =-180kJ/mol (7)平衡態(tài)下的溫度值。而這時(shí)的產(chǎn)物情況才是所希望在所構建的系統中，煤在氣化過(guò)程中產(chǎn)生的得到的反應爐平衡產(chǎn)物。。H2S直接與CaO反應生成CaS,然后在燃燒爐中被在對氣化爐和燃燒爐產(chǎn)物進(jìn)行預測的基礎上,轉化為CaSO4固化脫除10]。煤中的氮在氣化過(guò)程中依據系統流程即可序貫計算出進(jìn)入各設備的物質(zhì)大部分轉化為氮氣,少量轉化為NH3也比較容易脫和能量情況。在此基礎上，由發(fā)電單元和耗功單元除，因此不需要專(zhuān)門(mén)的脫除氮氧化物的設備。氣化的發(fā)電量和耗電量，即可算出整個(gè)系統的熱功轉化燃燒過(guò)程所產(chǎn)生的灰顆粒則可以通過(guò)除塵設備脫效率η，其定義由式(8)給出。此效率即作為我們系除。燃燒爐各過(guò)程產(chǎn)生的少量氣體污染物包括重金統優(yōu)化的目標。屬蒸氣I12等可以與所產(chǎn)生的高純度CO2 一起處(Pgr+PSorc+Px - P機)(8)理。由此實(shí)現煤炭利用過(guò)程中的污染物近零排放。qD所構建的煤利用系統有如下特點(diǎn):①充分考慮煤在其中: Pr、 PoFC、 P魏分別為燃氣輪機、燃料各種轉化過(guò)程中表現出的特點(diǎn)，先在循環(huán)流化床氣電池、 蒸汽輪機的發(fā)電量，kW; P機為輔機能耗，化爐中把煤的“高活性組分”進(jìn)行無(wú)氧氣化，然后kW; q1 為煤的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg; D為投把“低活性組分”送入循環(huán)流化床燃燒爐燃燒，實(shí)煤量，kg/s.現煤的分級轉化，降低對氣化過(guò)程的要求;②利用在對整個(gè)系統進(jìn)行量化計算的過(guò)程中，為了簡(jiǎn)較為成熟的循環(huán)流化床技術(shù)完成系統的核心部分，化計算，突出主要規律，這里還采用了以下基本假系統相對比鉸簡(jiǎn)單;③不追求產(chǎn)品氣中很低的CO2設和主要計算條件，其中有關(guān)參數主要是根據目前含量,選用適當的系統壓力,降低了對系統的要求。設備可行的性能來(lái)取值4161:(1)氣化爐:熱損失占整個(gè)氣化爐輸入熱量2系統優(yōu)化及性能預測的0.5%;2.1系統效率計算方法(2)燃燒爐:采用與氣化爐相的同壓力以便在所構建的系統中，氣化爐中的CO2接受體法于兩 者之間物料的非機械傳輸;熱損失占整個(gè)燃燒無(wú)氧氣化制氫、燃燒爐中的CaCO,煅燒分解和半焦爐輸入熱量的0.5%;再生的接受體中約有5%隨排渣燃燒是整個(gè)系統物質(zhì)流和能量流的基礎。因此對氣過(guò)程損失;化爐和燃燒爐產(chǎn)物數量的預測成為整個(gè)系統效率(3)SOFC:以空氣為氧化劑，發(fā)電效率為50%，計算的基礎。這里利用熱力學(xué)平衡計算軟件包燃料利用率為85%;FactSage 5.2來(lái)進(jìn)行氣化爐和燃燒爐產(chǎn)物預測。該軟(4)煙氣輪機:絕熱膨脹效率為0.89,機械效件是一種基于系統吉布斯自由能最小化原理的熱率為0.98，發(fā)電機發(fā)電效率為0.95;力學(xué)平衡計算程序1),最小吉布斯自由能是求解熱(5)管道:系統管道熱損失忽略不計;力學(xué)平衡態(tài)的常用方法之一。在本文的平衡計算(6)系統計算以一典型煙煤為燃料。表1給出中,氣化爐中考慮了C、CaO、H20、H2、CO: CO2、了 該煙煤煤樣分析數據。系統給煤量固定為CH、CaCO,共8種成分，C、Ca、0、H共4種元素，18.35kg/s, 進(jìn)料C/CaO/H20摩爾比為1:1:3.5。因此應該只有4個(gè)(成分數目減去元素數目)獨立反.表1煤樣分析數據應，如式(1)~(4)所列。 燃燒爐中考慮C、CaCO3、Tab.1 Analysis data of coalH.0、Ca0、Co2 HO共7種組份，也是C. Ca工業(yè)分新0.四 。龍限分所心的公司下，發(fā)熱M0、H共4種元素，因此應該只有3個(gè)獨立反應，如2.7 25.1721.6263.393.886.510.781.1324.535式(5)~(7)所列。在計算開(kāi)始前，除需要給出反應系2.2壓力對系統性能的影響及優(yōu)化統的壓力P之外，還需給出所考察的平衡系統溫度壓力對系統的性能有很大的影響。經(jīng)計算,碳T。這里需要先假定一個(gè)系統溫度To，由平衡模型轉化中國煤化工的系統壓力改變對計算出產(chǎn)物組成?；诖私Y果，再由系統能量守恒系統|YHCNMHC圖中可以看出，系計算出一一個(gè)溫度來(lái)， 記為T(mén)。若T與7。不同，則重新統效率整體.上是隨著(zhù)壓力的增大而提高。這是因為假定T進(jìn)行計算，直至得出與T相同的溫度值T。該壓力的提高，有利于氣化爐中CO2接受體反應(3)10中國電機工程學(xué)報第26卷向正方向進(jìn)行，由此也促進(jìn)了水煤氣反應(2)向正方勢吻合，反映出以H2為燃料的SOFC的發(fā)電量對向進(jìn)行，最終促進(jìn)了H2 的生成，燃料電池的發(fā)電系統性能決定性的影響。另外考慮到壓力增加，將量有所增加。同時(shí)提高壓力也會(huì )提高整個(gè)煙氣輪機會(huì )導致整個(gè)系統制造要求提高、成本上升，運行安.的效率，從而促進(jìn)整個(gè)系統的效率的提高。但隨壓全性下降;同時(shí)，在假設燃燒爐采用與氣化爐相同力的進(jìn)一步提高，系統效率增大的幅度隨著(zhù)壓力的壓力的情況下，壓力越高，燃燒爐內石灰石的煅燒增加逐漸減少。甚至在碳轉化率為0.8的情況下，就越困難。因此綜合考慮以上因素，較優(yōu)的系壓力系統壓力從2.5MPa增加到3MPa時(shí),系統效率均為取為2.5MPa左右比較合適。65.3%，并沒(méi)有繼續提高?？梢?jiàn)，總體上提高操作2.3氣化爐碳轉化率對 系統性能的影響及優(yōu)化壓力有利于提高系統效率，但當壓力超過(guò)2.5 MPa氣化爐碳轉化率是煤中的碳在氣化爐中參與后，系統效率提高就很微弱了。反應的百分比，氣化爐中未反應的半焦將進(jìn)入燃燒6廠(chǎng)~■X=0.8爐利用。因此，碳轉化率的改變直接影響著(zhù)氣化爐, x=0.7和燃燒爐的運行參數，進(jìn)而影響進(jìn)入下游燃料電池462和煙氣輪機的物質(zhì)和能量，從而對整個(gè)系統的性能產(chǎn)生重要影響。這里取優(yōu)化的系統壓力值2.5MPa,計算碳轉化率分別為0.6、0.7、0.8時(shí)反應爐的溫度、.s系統主要設備的發(fā)電、耗功情況及系統效率，如表壓力/MPa圖2不同碳轉化率 下系統效率隨壓力的變化2所列。由表中可看出，隨著(zhù)碳轉化率的提高，系Fig.2 System eficiency versus pressure with dfferent統效率明顯提高。其中燃料電池發(fā)電量所占的百分carbon conversion ratio比逐漸.上升，煙氣輪機和蒸汽輪機發(fā)電量所占的百壓力對系統整體性能的影響在很大程度上是分比都有所下降。這是由于隨著(zhù)碳轉化率的增大，基于壓力對氣化產(chǎn)物的直接影響。圖3給出了氣化氣化爐中產(chǎn)生的H2量增加，也即進(jìn)入SOFC的燃料溫度為850C 下，氣化產(chǎn)物隨壓力的變化情況。從增加，SOFC發(fā)電量所占的份額也隨之增加。同理，圖中可看出，在較低壓力下(小于約0.6 MPa)由于隨著(zhù)碳轉化率的提高，進(jìn)入燃燒爐的份額就減少，CaO的碳酸化反應(3) 并未進(jìn)行，CaO量保持不煙氣輪機發(fā)電量所占的份額也減少。而蒸汽輪機是變，生成的CaCO3量為零，因此CaO促進(jìn)H2生成利用煙氣輪機余熱的，所以它所占的份額也相應有的作用并未發(fā)揮。此后隨著(zhù)壓力的提高，碳酸化反所下降?？梢?jiàn)，碳轉化率的提高正好符合盡可能使應(3)進(jìn)行的程度加深，越來(lái)越多的CaO吸收CO2轉化為CaCO3,因此生成的H2量開(kāi)始增加。但壓能量在具有較高效率的單元中(這里是SOFC)轉力大于2.5MPa后，H2產(chǎn)量的增加很微弱，甚至出化的基本原則，因此隨碳轉化率增大，系統效率隨現了下降的趨勢。這是因為，隨著(zhù)壓力增加，反應之增大。(4)平衡向左進(jìn)行，生成的部分H2被轉化為了CH,表2不同碳轉化率 下的系統主要參數Tab.2 The main parameters under the different carbon這與圖中CH4產(chǎn)量的變化趨勢相-致。氣化產(chǎn)物中conversion ratioH2生成量隨壓力的變化趨勢與系統效率的變化趨主要參數碳轉化率0.6碳轉化率0.7碳轉化率0.8氣化爐溫度rC95886773H2燃燒爐溫度C1185705燃料電池發(fā)電:W213557.46242072.1268340.161.0燃料電池發(fā)電量所站比例%64.76煙氣輪機總發(fā)電刷kW160118.7 152375.1145708.3(CaO煙氣輪機發(fā)電量所占比例%42.0938.3535.16 .0.5fCO2熱輪機發(fā)電量kW6712.562875.5316.7燕氣輪機發(fā)電量所佔比例%.41.760.720.08fco壓氣機維KxW79839.3091708.299826.12中國煤化]5957.120764E 62,1.65.3壓力MPa圄3氣化產(chǎn)物隨壓 力的變化YHc N M H G是受到氣化爐和燃Fig .3 The reationship between product composition of燒爐的運行條件限制的，并不是可以隨意選取的。the gasifier and pressure第9期關(guān)鍵等: 新型近零排放煤氣化燃燒利用 系統的優(yōu)化及性能預測11圖4給出了系統壓力在2.5 MPa下碳轉化率與氣化基本原則。在前面壓力對系統性能影響的分析中, .爐、燃燒爐溫度的關(guān)系。碳轉化率的提高說(shuō)明氣化壓力的提高實(shí)際上主要就是通過(guò)促進(jìn)氣化爐中H2反應進(jìn)行得更加深入，因此氣化反應所需的熱量大的產(chǎn)量，進(jìn)而增加SOFC的發(fā)電量來(lái)提升系統效率幅度增加。雖然也會(huì )相應增加CO2接受體(CaO)的的。用量，由此CO2與CaO反應的放熱量也會(huì )相應增表3氣化爐氣體產(chǎn)物組成加，但這并不足以彌補氣化反應強化后所需熱量的Tab.3 Product gas composition of the gasifier大幅度提高，因此氣化爐的運行溫度有所下降。隨入口物料(kg/s)氣相產(chǎn)物組成/(kmols)給煤CaO 蒸汽.Cco CO2 CH4著(zhù)碳轉化率的提高，進(jìn)入燃燒爐的半焦隨之減少，18.35 39.55_ 42.61.16 0.11 0.10 0.02半焦帶入的顯熱和化學(xué)熱也大大減少，而煅燒石灰體積濃度(干基) 1% _83.4 7.9 7.2 1.4石所需要的熱量卻隨著(zhù)碳轉化率的提高而增加，因為保證系統燃燒爐排出的是高濃度的CO2,燃此燃燒爐的運行溫度隨著(zhù)碳轉化率的提高下降幅燒爐必須采用純氧燃燒。在目前的系統設計中,燃度明顯大于氣化爐。當碳轉化率達到0.8時(shí)，燃燒燒爐所需的純氧由深冷法制得。由表4可見(jiàn)，制氧爐的運行溫度降至705"C，遠低于流化床的最佳運用空分機耗電占到了總發(fā)電量的6.5%。 因此，如行溫度，并且CaCO3的煅燒分解已不能進(jìn)行。因此何實(shí)現低能耗的制氧成為該系統進(jìn)一步提高性能選擇合適的碳轉化率應在0.7左右，此時(shí)對應的氣的重要途徑。在各種制氧方法中，氧離子傳送膜化爐溫度為861'C， 燃燒爐溫度為963C，由下面(ITM)制氧法被認為是整合到各種先進(jìn)能源轉化系的計算可看出此工況適合氣化爐內反應的要求，并統(如IGCC)的比較有前景的制氧技術(shù)。該方法采用且可以實(shí)現燃燒爐再生CaO的作用。無(wú)孔、混和陶瓷薄膜制成，以高壓差作為驅動(dòng)力從1050[高壓空氣中分離出大流量、高純度的氧氣。其工作溫度在800~900C范圍內， 所需工作壓力為p 950燃燒爐100- 300psia(約0.689- 2.068MPa)。產(chǎn)生的氧氣壓力氣化爐約為大氣壓力，濃度可達99%181?？梢?jiàn)，一旦技6500.碳轉化率0.8術(shù)、經(jīng)濟可行，本系統完全可以采用ITM制氧法。同樣采用優(yōu)化的系統操作條件,經(jīng)計算若采用ITM圖4溫度隨碳轉化率的變化制氧法時(shí)，空分系統耗電從深冷法耗電25957.1 kWFig.4 The relationship between temperature and下降到了9275kW,系統效率達到了63.4%，比采carbon conversion ratio用深冷法制氧效率提高了近1.3%。 若考慮燃燒爐下2.4 優(yōu)化后的系統性能及分析采用優(yōu)化后的系統操作壓力(2.5 MPa)和碳轉化游CO2的處理，勢必增加新的系統功耗。有關(guān)CO2率(0.7), 基于熱力學(xué)平衡模型預測的氣化爐氣體產(chǎn)處理的方案較多，其中礦石吸收埋存是一-個(gè)重要途物組成如表3所列。在氣化產(chǎn)物中H2含量達到了徑，也是美國能源部零排放項目研究的-一個(gè)方案I9。83.4%，另有少量的CO和CO2及極少量的CH4也表4主要參數及結果并不影響SOFC的正常運行17]。燃燒爐內，平衡模Tab.4 The main parameters and results of the system數值型指出此工況下的壓力和溫度可使CaCO3幾乎全系統給煤ke%)1835 1號2號煙輪機發(fā)電效率% 5654部再生為CaO。由此計算得到系統主要設備的性能氣化爐壓力MP)25 煙氣輪機總發(fā)電心kW15235.1氣化爐溫安C61 煙輪機發(fā)電量所份額%3835數據、整體效率及計算中所用到的重要參數列于表氣化碳化串)7| 期輪機發(fā)電效率%4所示，其中系統整體發(fā)電效率為62.1%。 從表中氣化炒氫氣產(chǎn)(md().16 蒸氣輪機發(fā)電鼽W28755可見(jiàn)，在各發(fā)電設備中燃料電池發(fā)電量最大,達到燃繞爐壓力MPa25 蒸輪機發(fā)電量新占份額%燃炒溫度rC63，空分機電影W2597.1了60.93%。 其發(fā)電效率如前面假設中所述，暫取為燃料電地燃利用率%85 空分機電占總發(fā)電量份額% 650%。但拋開(kāi)目前技術(shù)條件限制而言，實(shí)際燃料電燃料電中國煤化工W91 7082池的單循環(huán)發(fā)電效率可以高于60%，甚至有潛力達燃科電5總發(fā)電量份額%. 2.1YHCNMHG397 3227到更高值。因此可以說(shuō)，盡量使能量在燃料電池內燃料電池發(fā)電量所占份額% 6093 I 系統效軍%621轉化為電力是保證系統具有較高效率和經(jīng)濟性的注: ;1號2號煙氣輪機分別為燃燒爐和SOFC下游的煙氣輪機.12中國電機工程學(xué)報第26卷經(jīng)計算,在上述計算條件不變的情況下,采用此CO2Report. LA-UR-02-5969， 2002， htp: /www. zeca. org/.[4] Rizeq R G, Lyon R K, Zamansky V M. Fuel-lexible AGC tchnology處理方法，系統效率將降低2.3%。for H2, power, and squestaion ready CO[C]. In: The pocedingeseof the 26* itetmatioal technical conference on coal vilization & fuel3結論systems, Ed. B. A. Sakestad. Clearwater, USA, 2001: 359-368.[5] LinSY, Suzuki Y，Hatano H, et al. Developing an innovative(1)該新型近零排放煤氣化燃燒利用系統的method, HyPr-RING， to produce hydrogen from hydrocarbons熱功轉換效率隨系統壓力的升高而升高，但壓力大[D]. Energy Conversion and Management，2002, 43(9-12):1283-1290.于2.5 MPa后，系統效率的增長(cháng)幅度逐漸減小。這[6] LinS Y, Harada M, Suzuki Y, et al. Continuous experiment regarding主要是由于氣化爐內壓力大于2.5MPa后，H2產(chǎn)量hydrogen production by coal/CaO reaction with steam(): Gaproducts[]. Fuel, 2004. 83 (7-8);: 869-874.的增加就很微弱，甚至出現了下降的趨勢?？紤]到[7] 肖云漢. 煤制氫零排放系統[].工程熱物理學(xué)報，2001, 2(1);過(guò)高的壓力使得燃燒爐中石灰石的煅燒分解難度13-15增加，整個(gè)系統制造要求提高、成本上升，運行安Xiao Yunban. Hydrogen from coal with zero emission[J]. Journal ofEngineering Thermorphysics，2001, 22(1); 13-15(in Chinese). .全性下降。因此綜合考慮，合適的系統運行壓力為[8] 王勤輝， 沈潤，駱仲泱，等.新型近零排放煤氣化燃燒利用系統2.5MPa左右。0. 動(dòng)力工程， 2003, 23(); 2711-2715.Wang Qinhui, Shen Xun, Luo Zhongyang, etal. New near zero(2)氣化爐碳轉化率對系統效率的影響很大。emissions coal utilization technology with combined gasifcation and隨著(zhù)碳轉化率的提高，系統效率升高。在系統壓力combustion[). Power Engineeing， 2003， 23(5); 2711-2715(in為2.5 MPa時(shí)，碳轉化率從0.6.上升到0.8，系統效Chinesse).率從59.8%提高到65.3%。但高的碳轉化率的選取[9] 王智化， 王勤輝，駱仲泱,等.新型煤氣化燃燒集成制氫系統的熱力學(xué)研究[].中國電機工程學(xué)報， 2005, 25(12): 91-97.受到燃燒爐溫度的限制。當碳轉化率達到0.8 時(shí)，Wang Zhihua, Wang Qinhui, Luo Zhongyang, et al. Thermodynamicanalysis of hydrogen production by new coal uilizaion technology燃燒爐的運行溫度降至705C，實(shí)際上已不能進(jìn)行with combined gasifcation and combustion[]. Proceedings of theCaCO3的煅燒。經(jīng)計算，較優(yōu)可行的碳轉化率取為CSEE, 2005, 25(12): 91-97in Chinese). .[10]李定凱，呂子安.煤焦中的硫化鈣在循環(huán)流化床燃燒室中的反應模0.7左右。型[J].中國電機工程學(xué)報，2003, 23(7); 196-200.(3)系統運行壓力為2.5 MPa,氣化爐碳轉化Li Dingkai, Lu Zian. A model for the reactions of CaS in coal gasifer率為0.7時(shí)，一個(gè)以煙煤為原料的發(fā)電容量約char in circulating fluidized bed combustor[J]. Proceedings of theCSEE，2003， 23(7); 196 200(in Chinese).400MW的系統其發(fā)電效率可以達到62.1%。若采用[1]黃亞繼，金保開(kāi)，仲兆平,等.痕量元素在煤粉爐中排放特性的研先進(jìn)的ITM制氧法時(shí)，系統效率可進(jìn)-步提高近究[)].中國電機工程學(xué)報，2003, 23(1); 205-210.Huang Yaj, Jin Baosheng, Zhong Zhaoping, et al. Enissio features1.3%。若考慮燃燒爐下游CO2的處理,采用礦石吸of trace elements in a pulverized coal boiler[I]. Proceedings of the收埋存方法時(shí)，系統效率將降低2.3%。CSEE，2003, 23(11); 205-210(in Chinese).(4)本文的工作是對該新型近零排放系統在[12]徐明厚，鄭楚光,馮榮,等.煤燃燒過(guò)程中痕量元素排放的研究現狀[].中國電機工程學(xué)報，2001, 21(10); 33-38.理論上的一個(gè)初步證明，同時(shí)加深了對系統壓力和Xu Minghou, Zheng Chuguang，Feng Rong, et al. 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