IGCC系统中气化炉特性研究

第32卷第3期煤炭转化VoL 32 No. 32009年7月COAL CONVERSIONJul.2009IGCC系统中气化炉特性研究王颖1)吴少华?)邱朋华3)李振中王阳”庞克亮6)陈小利°陈雷6)摘要气化炉是IGCC系统中的关键部件之一,与其他部件紧密相关,基于整个IGCC系统研究气化炉特性,首先利用 Thermoflex软件对某200MW级lGCC示范工程建立系统模型,从系统的角度出发,对不同气化参数(水煤浆浓度、气化压力、氧煤比和碳转化率)的IGCC系统进行计算,并分析对气化结果的影响.结果表明,水煤浆浓度和氧煤比对气化结果的影响较大关键词IGCC,气化炉,气化参数,气化结果,气化特性中图分类号TQ545,TM611.31作参数对气化结果的影响;侯祥松等0分析了0引言Texaco气化技术的特点,建立了基于多个化学反应平衡常数法的气化模型;沈玲玲等采用 Aspen气化炉是IGCC系统中最关键部件之一,其气plus流程模拟软件对某拟建的IGCC示范工程的德化参数不仅影响气化结果本身,而且影响着整个土古气化炉进行数值模拟,并研究了煤气化炉重要lGCC系统.所以在IGCC系统中建立气化炉模型并的操作参数对气化结果的影响对合成气成分预测是十分必要的.国内外学者对此为了在IGCC系统中研究气化炉特性,首先建进行了大量研究,如Ni等建立新的气流床气化炉立带有水煤浆气化的整个200MW级lGCC系统模的模型和程序,探讨了O/C和温度及压力对气化成型,从系统角度出发,对不同气化参数的IGCC系统分及其冷煤气效率的影响; Watkinson等2利用简分别进行计算,通过计算分析对气化结果的影响单平衡模型来预测气化炉出口气体成分;Wen等[3建立了气流床气化炉数学模型模拟分析气化成分1IGCC系统模型的建立含量和碳转化率随炉高的变化及气化成分随氧煤比和汽煤比的变化;李政等采用“小室模型”的方法本IGCC系统采用煤制备成煤浆作为燃料,同建立了一个预测 Texaco煤气化炉性能的数学模空分系统产生的高纯度氧气,经气化炉将其转化为型; Zheng等利用 Aspen plus软件对配置有高温高压粗合成气,经除尘和脱硫等净化工艺,使之Shell,, Texaco,BGL和KRW四种气化炉的IGCC成为洁净的合成气供给燃气轮机燃烧做功,燃气轮系统进行了比较分析,研究了气体成分及其气化炉机排出的高温烟气经过余热锅炉加热给水产生过热选择对整体特性的影响;张斌等基于 Aspen plus蒸汽,带动蒸汽轮机发电,从而实现煤气化联合发电软件建立了喷流床气化炉模型;蒋绍坚等建立了过程.空分系统采用部分整体空分,燃机抽气回送到种基于物料平衡、能量平衡和化学平衡分析的气空分系统,以解决燃机通流问题.气化炉出口粗合成化数学模型,并利用该模型进行空气气化计算;周志气具有较高温度,采用辐射废锅和对流废锅流程回杰等基于化学平衡建立了气流床干煤粉气化数学收合成气热量,生成高温高压的饱和蒸汽回送到余模型,着重分析了氧煤比和汽煤比的影响;汪洋等热锅炉中净化系统主要包括除尘脱硫和COS的利用 Aspen plus软件,运用Gbbs自由能最小化方脱除等环节,为了达到净化的最佳效果,并有效利用法建立了气流床气化炉模型,研究了气化炉主要操余热,净化系统与三压再热式余热锅炉之间存在汽中国煤化工国家重点基础研究发展计划(973)项目(2004cB217600和国家高技术研CNMHG1)礦士生;2)教授博士生导师:3)副教授、硕土生导师;4)教授;5)高级工程严,,L上x入工程研究所,15001哈收稿日期:20090407修回日期:2009-05-09煤炭转化2009年水交换,且在净化不同环节中布置有换热器有效利的减少,不利于水煤气变换反应的进行,不利于H2用能量,以提高系统的效率.建立的IGCC系统模型的生成这两种因素综合作用,导致H2的绝对含量见图1是增加的.水煤浆浓度的增加,甲烷生成反应减弱,甲烷重整反应的加强,导致煤气中CH4产量减少但是由于水煤浆浓度的增加,耗煤量减少,导致合成气产量略有减少,所以CH4的相对含量呈上升趋势合成气的热值由7870kJ/kg增加到9505kJ/kg2.2气化压力的影响气化技术按照气化炉操作压力分为常压气化和图1IGCC系统模型加压气化.由于加压气化具有生产强度高,对燃气输Fig 1 Model of IGCC system配和后续化学加工有明显的经济性等特点,所以人们十分重视加压气化技术的开发气化压力的提高,2结果与讨论有利于体积缩小反应的进行,但若气化压力太高,送到燃机的燃气需要减压后进入燃机,势必造成能量在lGCC系统中气化炉主要气化参数为水煤浆的浪费.水煤浆浓度不变,在氧煤比和汽煤比保持定浓度气化压力氧煤比和碳转化率,它们的改变对值的条件下,碳转化率为98%气化压力对气化结气化结果有很大的影响,进而影响到气化炉的性能果的影响见图2.以至影响到整个系统2.1水煤浆浓度的影响水煤浆浓度是指固体煤的质量浓度,它直接影响到水煤浆的着火性能和热值在气化温度1310℃c气化压力36MPa,碳转化率98%的条件下,水煤浆浓度变化的结果见表1.表1水煤浆浓度对气化结果的影响Table 1 Effect of coal-water slurry concentration图2气化压力对合成气成分影响on gasification resultConcentration/%Ho COz CHeCO;▲—H2O—H2O;△-CO26036.6425.0225.3112.360.005由于温度比较高,对整个煤气化系统而言,气化8422:41.0661压力对煤气化反应几乎没有影响CO含量变化不42.4926.8619大,CO2略有升高,由9.404%增加到9.408%,H2O4.4327.4017.819.630.0118含量由13.56%增加到13.72%H2含量是下降的,Percent of volume由30.79%下降到30.54%有效气含量也是下降由表1可以看出,水煤浆浓度对气化结果的影的,这导致合成气热值的下降;随着气化压力的提响较大水煤浆浓度由60%增加到68%时,CO2含高,CH,生成量具有微量的提高,由0.278%增加到量由12.36%减少到9.63%,H2O的含量由0.386%因为CH4具有较高的热值,所以CH,含25.31%减少到17.81%,CO含量由36.64%增加量增加有利于合成气热值的提高.两者共同作用的到4.33%,H12含量由25.02%增加27.40%,有效结果导致合成气热值略有下降,由1021kJ/kg下气(CO+H2)的含量由61.66增加到7173%,CH降到10201k/kg的体积含量由原来的0.0052%增加到0.0118%.水煤浆浓度的增加也就是相对增加了含碳量减少了2.3中国煤化工CNMHG含水量.含碳量的增加有利于CO2还原反应和水煤又是控制气化炉气气反应的发生,有利于CO和H2的生成;而含水量化过程反应操作的主要条件之一实验采用的OC第3期王颖等IGCC系统中气化炉特性研究摩尔比是氧气和煤浆中的氧原子与煤中的碳原子的浆浓度不变,只考虑碳转化率的影响,结果见图4摩尔比值气化压力3.6MPa,碳转化率为98%,水煤浆浓度不变,计算氧煤比的影响,结果见图3.8圣0aa0合含图4碳转化率对合成气成分影响o/cFig 4 Effects of carbon conversion on syngas volume contentCO;▲—H2;O—CO2★—H20△—CH图3氧煤比对合成气成分影响从图4可以看出,随着碳转化率的提高,CO含Fig 3 Effects of O/C on syngas volume contentCO;▲—H2:★—H2O1O-CO2;△—CH4量是升高的,CO2含量是下降的,H2含量是增加氧煤比对气化结果影响较大这是因为OC的的,H2O含量是下降的,CH,含量增加较多,由提高一方面有利于燃烧反应热量的放出,有利于温0.0213%增加到0.4984%可见,碳转化率的提高度的提高,CO2的还原反应和水蒸气分解反应加不仅增加了合成气中有效气体(CO+H2)的含量强,CO和H2含量增加;另一方面,直接燃烧导致而且大幅度地增加了合成气中CH的含量进而可CO和H2O的含量提高由图3可以看出随着O/C以有效地提高合成气的热值,由9314kJ/kg增加的增加,CO和H2先增加后减少,H1O含量是增加到10412k/kg的,CO2含量先减少后增加在O/C比为1.02时,CO3结论含量最大为45.33%,CO2含量最小为9.314%,有1)水煤浆浓度对气化结果有较大的影响,随着效气含量最大为75.51%,CH4含量下降较快,由水煤浆浓度的增加,有效气(CO+H2)含量增加,合16.16%减少到近于0%由于CH,急剧减少导致成气热值也是增加的.合成气的热值由12550kJ/kg降低到5645kJ/kg2)气化压力对气化结果的影响不大,但提高气2.4碳转化率的影响化压力对气化有利3)提高碳转化率,有利于有效气含量的增加,碳转化率为工艺气体中碳总量与入炉总碳量的合成气热值也是增加的比值对于碳转化率而言,最大的影响因素是氧煤4)氧煤比对气化结果的影响较大,有效气含量比,而蒸汽煤比的影响较小,所以固定氧煤比和汽煤随着氧煤比的增加先增加后减小,而合成气的热值比,气化压力为3.6MPa,气化温度1310℃,水煤是随之而下降的参考文谳[1] Ni Qizhi, Williams A. 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In comparison with the results of freezing point de-press method, the precision for calculating the molecular weights of coal liquefaction oil by NEDOL 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 -1. 3. For Neimengoil, average error is -3. For Heishan oil, average error is.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页)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 gasfication 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-KEY WORDS IGCC, gasifier, gasification param中国煤化工sifier charac-CNMHG