IGCC系统喷流式气化炉气化模型及煤气成分的探讨

第25卷第6期发电设备Vol. 25, No. 62011年11月POWER EQUIPMENTNov. 2011IGCC系统喷流式气化炉气化模型及煤气成分的探讨章杰(上海电气电站集团电站工程公司，上海201612)摘要:对IGCC系统的煤气化炉产生的煤气成分和能量利用进行了分析,运用喷流床气化炉数学模型进行编程,通过计算作定量分析;并对影响煤气成分的各种因素进行了探讨,具有一定参考作用。关键词:整体煤^气化联合循环;气化炉;编程;影响因素中围分类号:TM611.31文献标识码:A文章编号:1671-086X(2011)06-0396-06Analysis on Gasification Model and Gas Composition of IGCC Jet GasifiersZHANG Jie(Power Engineering Co., Shanghai Electric Power Generation Group, Shanghai 201612, China)Abstract: Analysis on gas composition and energy application of IGCC ( Integrated GasificationCombined Cycle) gasifier has been carried out. A program has been made based on the mathematir modelof jet gasifier. Through quantitative analysis, all factors that will influence the gas composition have beendiscussed, which may be served as a reference.Keywords:integrated gasification combined cycle; gasifier; program; influencing factor整体煤气化联合循环(IGCC)发电装置由煤化剂和燃料的接触形式)、运行的温度和压力、气气化和联合循环发电两大部分组成。先将煤气化剂的种类和数量以及燃料的供给方式。化所产生的煤气经过脱硫净化等处理后,成为本预测模型是针对喷流床气化炉而言的,其清洁的具有一定压力的煤气;然后将清洁的煤进料方式有水煤浆和干煤粉两种。水煤浆气化气送入联合循环发电系统。世界发达国家20世工艺的气化炉的典型代表是Texaco炉,干煤粉纪70年代开始研究更高效率、更加清洁的燃煤气化工艺的气化炉 的典型代表则是Shell 炉和发电技术,IGCC是这种技术的其中一个代表“。Prenflo 炉。Texaco 煤气化炉,以水煤浆为原联合循环发电部分发展相对比较成熟,现在世界料,以纯氧为气化剂,工作压力很高。煤和水在发达国家主要致力于煤气化部分的开发研究。常规的煤浆磨中被制成浓度通常为60% ~ 68%我国目前也已经开始进行IGCC示范电厂的建的水煤浆。对于一些灰熔点较高的煤或者制浆设,开始探索这种发电技术的商业化运行的可困难的煤,经常在煤浆磨中同时加入石灰石助熔剂或者煤浆添加剂;水煤浆通过喷嘴在高速氧气煤气化系统是IGCC电站的重要部分,本文流的作用下破碎雾化喷人气化炉。氧气和雾状根据文献中提供的气化炉模型和数据进行了初水煤浆在炉内高温辐射作用下,经过预热、水分步的编程计算和分析研究,探讨各主要运行条件蒸发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及焦炭的对气化特性的影响2。气化等一系列复杂的物理、化学过程,最后生成1煤气化炉型式和两类计算问题以CO、H2、CO2和水蒸气为主成分的湿煤气及熔渣,其反应区的温度一般在1 200~1 500 C.预测不同型式的气化炉所产生的煤气成分Texaco炉的可用率一般可达到80%以，上。和流量对于IGCC的方案设计和可行性研究十分Shell炉和Prenflo炉采用干煤粉送料系统,用高重要。煤气成分将取决于煤气化炉的形式(即气压 氮气浓相输送,以较高的固气比将煤粉送至气收稿日期:2011-06-16中国煤化工作者筒介:章杰(1970-),男 ,工程师,从事火电厂总承包项目的技术管理工作,MYHCNMHGE-mail: zhangjie3@ shanghaielectric. com第6期章杰:IGCC 系统喷流式气化炉气化模型及煤气成分的探讨化炉喷嘴,煤粉在喷嘴里与氧气混合并与蒸汽- -p(Hz)q(CO2) .起进人气化炉反应。对其制粉系统出来的煤粉中(CO)q(H2O) =0.026 5Exp(3 956/T。) (9)细度要求烟煤的Ro为20%~30%,褐煤的Ro,p(CH, )q( H,O)为25%,且含水量w(H20)<6% ,其反应区的温中(CO)中(H2)p6.712 5X10-18度1 500 C左右,焰心的温度高达2000 C。ShellExp(27 020/Tg)(10)气化炉的可用率可达到95%。另外,Shell炉和p(H:S)q(CQ2)Prenflo炉用的氧气纯度φ(O2)(体积分数)有所中(COS)p( H2O)=0.751 34Exp(4 083/T) (11)不同,Shell炉的氧气纯度为95%, Prenflo炉的(3)道尔顿定律氧气纯度为85%。q(CO)+p(H2)+p(CO2)+气化过程的编程计算关系式由C、H.O.N、p(CH) +p(N2) +q(H2S)+S等元素的质量平衡,三个主要反应的化学平p(COS) +q(H2O)=1.0(12)衡，道尔顿定律以及能量平衡关系式组成。如以上公式中:n分别为参加气化反应的燃料中的果给定气化温度的话，能量平衡就不需要了。C.O2、H2、Nz.S等元素的摩尔数,mol/h,为已知实际计算中,气化温度作为已知值给出,这样几参数;办T分别为操作压力和气化温度,kPa和个方程联立就可以解出所生成的煤气成分和流K,为已知参数;φ (CO). q(H2)、φ (CO2).量。解联立方程的前提条件是所有氧气都被消q(CH,)、p(N:) .q(H2S)、中(COS)、q(H2O)分别.耗,并假定焦炭的转化率为100%。给出了两类为待求的气化产物中CO、H2、CO2、CHI、N2、计算问题,一类问题是已知干煤成分、供氧量、H2S.COS(羰基硫)、H2O的体积分数,%;ng为供蒸汽量和输煤用氮气量,已知操作温度和压所产生煤气的流量,mol/h.力,求湿煤气成分、煤气流量，还可求得最佳计以上方程联立得到的非线性方程组,采用算温度,这部分针对Texaco炉.Shell炉、PrenfloNewton迭代方法求解,得到各个待求的未知数。炉使用不同煤种的气化过程进行计算;另一类2.2第二类计算问题问题是已知干煤成分、干煤气成分、供蒸汽量、2.2.1求干煤气成分供氧气量、供氮气量和湿煤气成分及其热值,这有关参数部分计算以Prenflo妒为研究对象。本文提供了干煤成分w(C,)、w(H,)、w(O,)、w(N,).上述两类问题的计算程序和计算结果。w(S,)、w(CI)、w(A,);干煤气成分p(CO)、p(H2)、p(CO,).2计算模型描述q(Nz) .q(CH.).q(H2S)、p(COS);2.1第一类计算问题焦炭的转化率n;有关方程式为:氧气纯度(体积分数)φ(O2);(1)质量平衡方程供蒸气量mno,kg/kg(干煤)。nc=ne[p(CO)+p(CO2)+有关计算式φ(CH4) +q(COS)](1)1 kg干煤所能产生的干煤气(标准状态下)体no2 =ng[0.5p(CO) +q(CO2)+积数V为:0.5p(COS) +o.5p( H2O)]nw(C)期; = ne[p(H2) + 2q(CH)+q(H2S)+0. 536[(CO0)+ q(C0)+p(CH,)+q(COS)] (13)φ(H:O)](3)式中:V1为1 kg干煤产生的干煤气(标准状态下)体积数,m'.ns =n[p(H2S) +q(COS)]供氧量Vq, ,根据质量平衡关系式,1 kg干煤生(2)化学反应平衡方程成的干煤气中CO、CO、COS所含的O2量气化过程中三个主要化学反应为:(Va.z)减去消耗掉的水蒸气(Vy,o分解出的O2CO2+H2=CO+H2O(6)量(去V' n,o)及干煤中所含的O,量(Vq1),就是CH, + H2O=CO+3Hz(7)实际所需的供中国煤化工COS+ H2O= H2S+COr(8)(1)相对于:YHCNMHG中CO、由此得到化学反应的平衡方程:CO2、cOS所含的O2的(标准状态下)体积数●398●发电设备第25卷Vq,为:因此，湿煤气各成分体积分数分别为:Vq,1 =0.5q(CO).V;+ q(CO2).V+φ'(CO)=Vco/V';(24)0. 5q(COS).V;φ'(H2)=Vx,/V';(25)即:φ'(CO2)=Vco,/V'(26)Vq,1=0. 5Vco+Vco, +0.5Vccs(14)φ'(CH,)=VcH, /V'(27)式中:Vco、Vco, .Vccs分别为干煤气中CO、CO2.p'(N2)=VN/V';(28)φ'(H2S)=VH,s/V'(29)COS的(标准状态下)体积数,m'。(2)根据供人H2量来计算需要补充水蒸气φ'(COS)=Vcos/V';(30)φ'(H2O)=(VH,o-V' H2o)/V';(31)量V'n2o.干煤气中所含H2的(标准)体积数为:2.2.3求输煤系统供入的氮气量1 kg干煤气化后的煤气中N2的(标准)体VH, +2Vcn, +Vxs(15)积数:供人的H2有两部分:VI, =V.q(N,)(32)①干煤提供的H2.从煤中转换来的N2:V;,1= p(H2x22.4=11.2q(H2) (16) .rw(N。)VN1=" 28-X22.4(33)②供人水蒸气分解提供的H2VH,2 =VH,o= [mH,o(1 - w(Ap)]/0.805 (17)从体积分数为μ的供O2中供入的N2体补充分解出H2需要的水蒸气体积数VH,o为:V'n=1二'Vq,(34)V1,。o=(Vk, +2VcH, +Vn.s)-Vy,; (18)所以,输煤系统中需供人的N2的(标准)体以上公式中,Vco,、Vco.VH,、Vcn, .VHs.Vcos积数为:分别为干煤气中CO,、CO、H2、CH,、H2S和CosV":=Vx -Vx,1-V"y,(35)的体积数。供入水蒸气量.质量数为:Vn,o =[mu,o(1- w(Ap))]/0.805 (19)mnq =1.25V"N,(36)煤气中还剩有的水蒸气为VH,o-V'H2o(35)、(36)式中:V"N,为输煤系统供人的N2的(3)干煤中转换来的O2量为:(标准)体积数,m* ;mv,为其质量数, kg.w(O,)Vaz=" 32-X22.4(20)3计算结果与评析所以,对1kg干煤需要提供的O2体积数选用文献中给出的煤种参数来计算,部分煤Va2为: .种参数见表1.Va, =Va1- tV'no-Va;(21)部分煤种成分分析mo, =1.429Vq,(22)成分分析(21)、(22)式中:Vq,为需要提供的O2 (标准)体积煤种w(C)/ w(H)/ w(O)/ w(N)/ w(S)/ w(A)/%%%%%数,m3 ;mo,为其质量数,kg.Ilinoois 6号69.6 5.3 10.0 12.2.2求湿煤气成分Fluid Coke 86.0 2.0 2.3 1.0 8.3 o.已知干煤气成分体积数Vco2、Vco、Vn,、Vx、Pittsburg 8号77.1 5.1 5.5 1.5 2.4 8.3VcH, VHgs、Vcos,湿煤气的(标准)体积为:V:=Vco+VH +Vco, +Vcr, +VN, +VHs+3.1计算结果Vcos+(VH,o-V'no)3.1.1同一煤种、不同气化炉的性能V'l=V:+(VH,o-V' n,o)(23)不同温度、压九供氢量和供蒸汽量下采用式中:V为干煤气(标准)体积,m';V"l为湿煤气Ilinois 6中国煤化工加的计算结果(标准)体积,m2。分别见表IMHCNMHG第6期章杰:IGCC系统喷流式气化炉气化模型及煤气成分的探讨表2对Texaco炉的计算结果温度/亡压力/MPa项目9381038 1138 1238 1338 2.083 3.083 4. 0835.083 6. 083q(CO)/%30.6639.77 41.20 42.12 42.85 41.29 41. 25 41. 2041.14 .41.06q(Hx)/%27.97 30.18 30.10 29.48 28.83 30.31 30.22 30. 1029. 9629.79q(CO2)/%14. 5311. 389. 939. 008.279. 879. 9910. 07q(CH4)/%2.760.69 0.16 0.04 0.010.04 0. 090.160.240. 33p(N2)/%1. 000.960.95o. 950. 95o.95.p(H2S)/%1. 091. 051.03 1. 031. 031. 04q(COS)/%0.050. 04o. 050. 05p(HzO)/%15. 9515. 9416.58 17.33 18. 0216. 5016. 5816. 6416.71煤气流量/(mol. h1)4 4764 65947094 7194 7224719 4 7154 70947014 692供氧量/(kg.kg'干煤)供蒸汽量/(kg'kg'干煤)项0. 360. 560.86 0. 961.010.400. 500.620. 67p(CO)/%50.33 47.38 41.20 38.83 37.59 53.74 44.79 41. 2037.4236. 08p(H2)/%40. 5238.8330.10 27.12 25.66 29.39 30.10 30.10 29. 9429. 83φ(CO2)/%0.993.779.93 12. 3013. 536.268. 9810.8111. 114.230.91o. 070. 400. 210. 160. 120.11q(N2)/%0. 961. 120.89.0. 87q(HsS)/%1.201.080. 980. 07φ(H2O)/% .1. 837.0516.58 19.64 21.12 7.82 13.79 16.58 19. 7521. 00 ;煤气流量/(mol.h1)4 35446394709471547173 9964 9895106表3对Shell炉的计算结果温度/C1015 1215 1315 1415 1615 1915 0.213 1.413 2.413 3.413 4.413 5. 41359.13 60.28 60.44 60.55 60.71 60.87 60.46 60.46 60.44 60.43 60.40 60. 38q(H2)/%26.21 29.55 29.78 29. 7929.69 29.54 29.94 29.89 29.78 29. 6229.44 29. 22p(CO2)/%2.991.37 1.16 1.04 0.88 0.72 1.12 1.14 1.16 1.20 1.24 1. 30q(CH)/%2. 310.030.01 0. 000. 000.03 0.090.26 0.37φ(N2)/%5.68 5.46 5.44 5.43 5.43 5.43 5.43 5.43 5.44 5.45 5.46 5.471.26.221.221.221.21 1. 211.221.22 1. 221.22 1.22 1. 220.09 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 .p(H2O)/%2.32 1.77 1.79 1.86 1.99 2.151.74 1.76 1.79 1.84 1. 901. 96煤气流量/(mol.h'1)_ 8.999.36 9.39 9. 409.40 9. 419.41 9.40 9. 399.379.36 9. 34供氧量/(kg*kg'干煤)供蒸汽量/(kg-kg'千煤)0.55 0.70 0.80 0.90 1.00 1.50 0.00 0.04 0.08 0.10 0.50 1.00q(C0)/%65.63 62.51 60.44 57. 6454.53 34.63 65.20 62.82 60.44 59.31 42.45 30.416.13 26.62 29.78 26.09 22.57 9.26 25.23 29.12 29.78 29.91 29.97 28.160.000.02 1.16 3. 957.05 26. 900.040.34 1.16 1.58 6. 929. 52φ(CH,)/%18.964.14 0.09 0.02 0.01 0. 002.12 0.31 0. 090.06 0.01 0. 007.49 5. 885.44 5.43 5. 435. 435.945.60 5.44 5.37 4.35 3. 521.33 1.30 1. 221.211.311.20p(COS)/%0.46 0.10 0.08 0.09 0.09 0. 140.110.09 0.08 0.08 0.05 0. 03q(H2O)/%0.005. 58.49 1. 792. 4915.27 27. 55煤气流量/(mol-hr1)6.82 8.69 9.39 9.40 9.40 9. 418.62 9.13 9. 399.5011.74 14. 523.1.2不同煤种时气化炉的性能表5给出中国煤化工]煤气成分不同炉型不同煤种的计算结果见表4,表中比较。CNMHG给出每一煤种的最佳温度。●400●发也设备第25卷表4不同煤种不同炉型的计算结果炉型TexacoPrenfloShell媒种Fluid cokeIlinois6号WalsumCerrejouIlinois 6号供煤量/(kg*h-1)41 670100供氧气量/(kg*kg-1)干煤1. 030.860.721.040. 80供蒸汽量/(kg.kg-I)千煤0.650.50.0.110.08供氮气量/(kg*kg-1)干煤0.0000. 0170. 1100. 1600. 130压力/MPa4. 0832. 4002. 400.2.413温度”C1 0551 13817481 6231 315q(CO)/%(47.10)2) 47.26 (41.00) 41.20 (58.53) 52.56 (61.79) 58.39 (60.60) 60. 44φ(H2)/%(24.30) 23.67 (29.80) 30.10 (22. 35) 18.66 (23.94) 20.76 (30.15) 29. 78p(CO2)/%(13.20)13.35 (10. 20)9.93 (4. 06)7.55 (2. 48) 5. 39(1.58) 1. 16q(CH4)/%(0. 09)0.37 (0. 30)0.160.09q(N2)/%(0. 40)0.30 (0. 80)0.95 (6. 01)6.39 (5. 74)6.22(4. 63)5.44q(H:S)/%(2. 20)2.08 (1. 10)1.03 (0. 53)0.51 (0.24) 0.26 (1.18) 1. 22p(COS)/%0. 130. 050.02(0. 10)q(H2O)/%(12.70) 12.83 (17.10) 16.58 (8.52) 14.28 (5.82) 8. 97(1.75) 1. 79煤气流量/(mol.h- ))4 8864 7089.88注:1)此温度为最佳计算温度; 2)括号内的数值为试验数据(以下均与此相同).表5 Prenflo 炉不同煤种的煤气成分比较煤种SaavlandEnsdorfPittsburgh 8号供氧纯度/%85. 099.598.499. 595. 0炭转化率/%99.0 .98.599. 399.199. 099.4供蒸汽t/(kg.kg-1)干煤供氧气量/(kg.kg-1)干煤0. 971. 021. 041. 06供氮气量/(kg-.kg~ 1)干煤0. 250. 120. 28p(C0)/%(60.24)" 58.94 (63.18) 60.87 (63.98) 58.53 (65.61) 61.79 (59.59) 57.16 (62.34) 60.16q(H2)/%(27.53) 26.94 (28.80) 27.75 (24.43) 22.35 (25.42) 23.94 (26.00) 24.94 (27.65) 26.68q(CO2)/%(2.60) 2.54 (3. 09)2. 98(4.44) 4.063. 58(3.38) 3. 26φ(N2)/%(9.29) 9.04 (4.64) 4.47 (6.57) 6.01 (6.09) 5.74 (9.96) 9.55 (5.90) 5. 69.p(H2S)/%(0.31) 0.03 (0.29) 0. 28(0.58) 0.53 (0.25) 0.24 (0.72) 0.69 (0.72) 0. 69(0.03) 0. 03-p(H2O)/%3.668. 524.06高热值/(kJ.m~3) (11.20) 10.96 (11.73) 11.31 (11.35) 10.39 (11.60) 10.93 (11.04) 10.59 (11.59) 11. 19低热值/(kJ./m~3) (10.64) 10.41 (11.15) 10.74 (10.84) 9.93 (11.08) 10.44 (10.49) 10.07 (11.02) 10. 64.注:1)括号内的数值为干煤气,不带括号的数值为湿煤气。3.2分析和比较根据表2~表5所列出的结果可知:在此预测模型中,影响煤气成分准确性的主(1)对于Texaco炉,几种不同煤试验所得的要因素是温度。本来计算中要根据热平衡(即能CO体积分数q(CO)在41. 0%~47.1% ,计算值要量平衡)来确定温度,但这种方法复杂,需要考虑略高一点,为41.2%~47.3%. H2 成分试验值在各种物质的热量平衡、热损失,这样得出的结果24. 3%~29.8%,计算值在23. 7%~30.1%。lli-并不能保证是准确的。所以,可以直接根据煤气nois 6号煤的最佳计算温度为1138 C ,Fluid coke出口温度.给定一个气化计算温度用来预测煤气煤的最佳计算温度为1 055 C.成分。该温度的变化直接影响计算结果,为了检(2)对于Shell炉,llinois 6号煤试验得出验影响程度,用偏差的平方和作为衡量标准,这的结果,q(CQ)为62%.m(H. )约为30% ,计算值中国煤化工，偏差就是计算得到的煤气成分与试验值的差值，略微低一点条件下,其其最小值对应的温度就作为最佳计算温度.最佳计算温MHCNMH G第6期章杰:IGCC系统喷流式气化炉气化模型及煤气成分的探讨●401(3)当其他条件都不变,考察温度、压力、供高,这样组成的IGCC电站发电效率也较高。Or量、供蒸汽量等因素的影响。比较结果见表6。(2)反应温度的升高,都有利于CO的生成，表6Texaco炉和Shell炉各参数影响比较表有利于CO2含量下降,H2O含量增加。但对于H2来说，在最佳计算温度附近,H2含量有一最大值。参数变化温度升高压力增高供氧址增 加供蒸汽量增加(3)压力的影响总的来说是很小的，由于炉型Texaco Shell Texaco Shell Texaco Shell Texaco ShellPrenflo炉和Shell炉气化温度都较高,压力对煤煤种Ilinois6号CO含量增加略增略降略增大降大降大降大降气成分变化基本.上没有影响。Hz含量降低略降略降略增大降大降无变无变(4)供O2量、供蒸汽量的增加都不利于COCO2含量降低降低略增略降大增大增增加增加的生成,使之含量下降较多,CO2含量、H2O含量H2()含量增加增加略增略降大增增加大增增加增加较多,其原因是氧气增多,反应更充分,不利.于CO的生成,H2O的分解也减少,其他成分变4结语化不是很大。不管何种气化炉,蒸气量的增多都对水煤浆进料的Texaco炉和干煤粉进料的会导致炉膛实际气化反应温度下降,因此,改变Shell炉进行比较可以得到以下结论:蒸气量可以作为改变气化条件的一种手段。(1)相近供氧量的情况下,Shell气化炉的煤参考文献:气中CO含量远大于Texaco炉煤气,H2含量接近;由于采用干法进料,气化过程的氧耗比水煤[1]焦树建.论整体煤气化联合循环装置(IGCC)的发展趋势浆进料少，因此Shell炉和Prenflo炉煤气的[J].燃气轮机技术,1993,6(1):1-5.φ(CO2)和φ(H2)远小于Texaco炉的煤气。由[2] WATKINSON A P, LUCASJP, LIMC1. A prediction ofperformance of commercial coal gasifiers [J]. Fuel, 1991,于Shell 炉的可燃气成分较高,其冷煤气效率较70:519-527.;行业信息高温蠕变持久试验技术研讨会召开2011年10月19- -20日,高温蠕变持久试验技术研讨会在上海发电设备成套设计研究院顺利召开,会议由上海电站装备材料与大型铸锻件攻关联合体与上海发电设备成套设计研究院共同举办。上海市科委、上海电站装备材料与大型铸锻件攻关联合体、上海发电设备成套设计研究院、日本物质材料●研究机构(NIMS)Koichi Yagi(八木晃- )教授等参加了研讨会。会议特别邀请本领域的国际知名专家一-Dr. Koichi Yagi(八木晃一)博士作专题报告，报告分别从长期蠕变数据采集的必要性、影响蠕变强度的因素、NIMS蠕变数据表计划以及对中国蠕变数据开发行动的想法四个角度向全体代表作了精彩的汇报和交流。上海发 电设备成套设计研究院教授级高.工林富生针对我国高温蠕变持久试验存在的问题与应对措施作了专题报告。与此同时,会议代表围绕高温长时性能试验技术,从影响高温长时性能试验结果的主要因素出发,进一步探讨了可靠、经济、合理的高温长时性能试验控制和解决办法,并强调了在全国范围内统一高温长时性能试验条件、统一试验方法、统一试验操作规程和开展对比试验的重要性和迫切性。与会代表认为:材料的高温长时性能属于共性技术研究,试验周期长,耗资大,任何一家单位难以独立完成,且高温长时性能数据对高温长时运行的装备实现自主设计与制造是必不可少的关键共性数据。因此,仅靠上海联合体是不够的，应把全国相关单位联合起来,在政府的引导下，开展企业间的分工协作,共同开展这方面的研究,建立自主高温长时性能评价体系,提升我国高温长时性能试验研究水平,提高试验结果可靠性和试验数据的可比性,促进我国高温长时性内“中国煤化工国产材料的工程应用。TYHCNMHG，地、(上海发 电设奋成会议丌研九阮土延峰供稿)