气化参数对IGCC系统性能的影响研究进展

一φ-工业技术创新第02卷第02期 2015年4月Vol.02 No.02 Apr.2015气化参数对IGCC系统性能的影响研究进展绳冉冉'，李晓倩2(1.郑州大学，化工与能源学院，河南郑州，450001;2.洛阳瑞昌石油化工设备有限公司，河南洛阳，471003 )摘要:气化参数对气化炉性能和整体煤气化联合循环(IGCC) 系统效率都有着较大的影响。本研究选取了水煤浆浓度、气化温度、O/C比、蒸汽煤比这四个气化参数，系统地论述了国内外关于气化参数对气化性能影响的研究现状。对目前的研究结论进行了较全面的总结，并且指出了当前研究的不足，为今后此方面的研究提供参考。关键词:整体煤气化联合循环(IGCC);气化参数;系统效率中图分类号: TM611.31文献标识码: A文章编号: 2095-8412 (2015)02- 136-04工业技术创新URL: http//www.china-iti.comDOI: 10. 14103/j.issn.2095-84 12.2015.02.002Infuence of Gasification Parameters on Performance ofIGCC SystemsJunjie Zhou', Ranran Sheng'(1. School of Chemical Engineering and Energy. Zhengzhou University, Zhengzhou, 450001. China;2. Luoyang Ruichang Perrochemical Equipment Co. Lid. Luoyang, 471003, China)Abstract: Gasification parameters have great influence on the performance of gasifiers and the efficiencyof IGCC system. Four gasification parameters were selected in this study, coal slurry concentration,gasification temperature, O/C ratio and steam 1 coal ratio .The development about the effects ofgasification parameters on gasification performance has been researched at home and abroad. The presentconclusion are summarized, what's more, the lack of current research has been put forward. This work canbe regarded as the reference for the future research in this area.Key words: IGCC; Gasification parameters; System efficiency引言世纪70年代发展起来的洁净煤发电技术，它以发电效率高、环保效益好等显著优点逐步受到电力行业有关部门预计我国在相当长的时期内难以改变的青睐。.以煤电为主的发电结构。常规燃煤发电大量消耗不气化是IGCC整个工艺流程中最重要的过程，气可再生的一次能源，不可避免地会产生气体、固体化技术直接关系到整个IGCC电站的性能(包括热力和液体等污染物，并会占用土地资源、消耗淡水资性能、经济性和可靠性等)。在IGCC 系统中气化炉源。IGCC (Integrated Gasifcation Combined Cycle)主要气化参数为水煤浆浓度、气化温度、氧煤比和发电技术是一项先进的高新组合发电技术，是从20蒸汽煤比，它们的改变对气化结果有很大的影响,一φ-绳冉冉等:气化参数对1CcC系统性能的影响研究进展第02期进而影响到气化炉的性能以至影响到整个系统。因性能和热值。水煤浆浓度越高，含煤量就越多,此，为了节约能源，并减少环境污染，研究气化参就越容易点燃且发热量高。何翔等[川)采用商业软件数对IGCC系统的影响具有重大的意义"。本文系统ThermoFlex17对IGCC电站中气流床式水煤浆气化炉地介绍了国内外关于气化参数对IGCC系统效率的影模拟计算，发现合成气中有效气体成分含量随着水响的研究情况,并总结归纳了研究的不足，为今后煤浆浓度的增大而增加，冷煤气效率也随之提高。学者在此方向的研究提供参考。马顺勤对以Texaco水煤浆气化炉为基础的IGCC系统进行了模拟研究，得出氧煤比和水煤浆浓度是影响1整体煤气化联合循环( IGCC )气化炉出口煤气组成的主要因素，且气化炉温度随着水煤浆浓度的增加而增加。整体煤气化联合循环(Integrated GasificationE Emua, M. Gadalla, T Majozi, D. Boer等151采用Combined Cycle),简称IGCC发电技术，是将固体煤Aspen Plus对IGCC系统进行了模拟，得出最佳的水煤气化、净化与燃气蒸汽联合循环发电相结合的一种浆浓度 为80%。许世森等I指出，Texaco水煤浆浓度应洁净煤发电技术。控制在60%一*68%。 马顺勤川采用大同煤种，以27kg/s整体煤气化联合循环发电技术由煤的气化净化的流量，68%的水煤浆浓度和0.98的氧煤比为条件模部分和燃气~蒸汽联合循环发电部分两大部分组成。拟了煤气净化系统，脱硫效率达到了98%以上,热煤煤的气化净化部分包括煤气化系统、煤气净化系统气效率达到90.56%;整个系统的效率为44.56%。和空分系统。主要设备包括煤和煤浆制备、空分装综上所述，提高水煤浆的浓度，可以增加有效凰、 气化炉、气体冷却器、气体洗涤器、除硫及硫气含量，提高气化炉的冷煤气效率，升高气化炉的回收装置等，联合循环发电部分包括燃烧室、燃气温度。 各学者采用的单元技术、煤种及其他操作参轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机等。IGCC系统数不够统一，导致上述文献中最佳的水煤浆浓度差示意图见图1。异较大。并且，对各个系统选取的煤种及操作参数的描述不够详尽，结论较为模糊。因此，有必要继续探究不同煤种、不同系统的最佳水煤浆浓度，并进行总结归纳。2.2气化温度的影响想气轮机J. Fermoso, M.V. Gil等四采用基于反应曲面分类研究法(RSM)的中心复合表面设计法分析温度、氧煤比和蒸汽煤比等参数对高压煤气化的影响，发图1 IGCC发电系统示意图现反应温度是最主要的影响因素，升高温度有助于2气化参数研究现状提高气化性能。孟靖等I”通过灵敏度分析发现氧煤比是Shell气化炉性能的最重要影响因素，并得到优化2.1水煤浆浓度的影响后的气化温度1450~ 1500C。Hao Liu, Shigeru Kato等I)对高温下的碳/二氧化王颖等叫研究发现提高水煤浆的浓度，有利于碳的动力学进行了实验研究，结果表明，反应温度增加有效气(H2+CO)含量,提高气化炉的冷煤气效增 加到煤的灰熔点时，气化反应速率最大,继续增率，增大合成气的热值，从而提高IGCC系统的发加温度就会降低反应速率，因此，高温并不一-定能电效率。由于水煤浆浓度直接影响水煤浆的着火够提高气化速度。Jae Goo Lee等!01随着反应温度的增一φ-工业技术创新Industrial Technology Innovation第02期和，H/CO的原子比将会减少，同时合成气中有效气比的增加，碳转化率、冷煤气效率和CO含量都略有成分(H2+CO)的份额会在灰熔点附近呈现出最大值。增加，H含量没有明显的变化。Qizhi Ni et al.!8]采用张斌，沈玲玲，林立等-13)采用Aspen Plus流程多变量模型进行了模拟研究，结果表明:当氧煤比模拟软件对煤气化炉的气化过程进行了模拟分析,在0.7~ 1.0范围内变化时，CO含量逐渐降低, H2含量研究显示，当气化温度高于1400C时，(H2+CO)先增加后降低，冷煤气效率逐渐降低。的质量分数会趋于一个恒定值综合考虑各因素，建议Jae Goo Leel0等研究了不同的煤种，得出最佳气化温度保持在1400C以下。王颖等叫研究气化温度的氧气与煤粉干燥无灰基质量比在0.6~0.9之间。对气化炉合成气成分含量的影响发现，CO含量随着陆成19°等人的实验研究表明0/C为0.9时有效气体浓温度的升高而增加，在1400C后稍有下降，H2含量度达到最大值。马顺勤等采用大同煤种，以0.98的氧在1000C达到最大，在一-定气化压力下存在最佳的煤比模拟了煤气净化系统，脱硫效率达到了98%以上,气化温度。任永强，乌晓江等415)通过研究发现温度热煤气效率达到90.56%，整个系统的效率达到44.56%。和压力是影响煤粉气化的关键因素，得到最佳的气孟靖等”研究发现， 对于神华煤而言，氧煤比在0.72左右化温度为1300~ 1350C。时，冷煤气效率较高，此时气化炉温度也比较合适。综合上述报道，国内外学者关于气化温度对由以上文献可以看出，学者们通过实验、数值气化反应速率和合成气成分的影响已经做了大量研模拟 等方法深入研究了O/C比对气化性能的影响，并究，得出气化温度对气化反应的影响较大，升高温且得到了部分煤种的最佳氧煤比。但是由于氧煤比度有助于提高气化性能，但在一-定气化压力下存在对气化性能的影响是通过影响反应温度而实现的,最佳的气化温度，最佳气化温度为煤的灰熔点。但因此分析反应温度和氧煤比共同对系统气化性能的是关于气化系统最主要的影响因素存在争议，因此影响更贴合实际，而目前此方面的研究甚少，可在有必要对此问题进行考证，对提高IGCC系统的效率这 方面开展大量的研究工作。具有一定的指导意义。2.4蒸汽煤比的影响2.3氧煤比的影响孟靖等18保持煤粉质量不变，按照0.7的氧煤比何翔等甲分析了气化炉入口处的氧煤质量比、水输入，改变蒸汽质量,研究了蒸汽煤比的影响。研煤浆浓度和气化压力等参数对出口合成气参数的影究发现，随着蒸汽煤比增加，气化温度逐渐下降,响，结果表明，气化炉入口氧煤质量比的改变是影冷煤气效率总体也是下降趋势。在实际工程中，当响合成气参数的主要因素，其影响程度大于水煤浆氧煤比- -定时，蒸汽煤比质量太小会导致气化温度过浓度的影响。高，所需设备材料的要求也相应提高，成本会增加。陈超，姚洪等161利用数值模拟的方法分析了氧蒸汽煤比太大会导致气化温度低，冷煤气效率较低,煤比和蒸汽煤比对粉煤气化炉的影响，认为氧煤比碳转化率下降。寇惠武，陈振洪，郭庆华等12022采用对气化反应过程有两方面影响: -方面，氧煤比的Matlab软件和FORTAN语言编制了仿真程序建立了增大使燃烧反应放热量增加，从而提高反应温度,IGCC气化系统正常工况仿真模型，并对其进行了仿促进CO,还原和H2O分解，提高合成气中有效气含真研究，结果表明，蒸汽煤比增加会降低煤气单位量，增加合成气热值和碳转化率;另一方面，由于热值而降低气化系统冷煤气效率，且对气化系统影氧气含量的增加而发生氧化反应，过量的氧与CO和响最大的是氧煤比。H反应生成CO,和H2O,增加了合成气中的无效气体成Qizhi Ni et al!"研究发现当蒸汽煤比在0 ~0.14范分，降低气化效率。Xiaolei Guo, Zhenghua Dai等"7对围内变化时， CO含量略微降低，H2含量略微升高，煤粉气流床气化性能进行了实验研究，发现随着0/C而冷煤气效率没有太大变化。李斌23)发现随着蒸汽一φ-绳冉冉等:气化参数对1CcC系统性能的影响研究进展第02期量的增加，气化温度持续下降;干煤气产率、冷煤[7] J Fermoso, M.V. Gil. Application of response surface气效率随着蒸汽量的增加先上升后下降;得到最佳methodology to asess the combined efet of operating variables的蒸汽煤比为0.38。孟靖等人8对Shell气化炉进行优intemational journal of hydrogen energy, 2010,35 :1191-1204.化，得到最佳蒸汽煤比为0.08。上述的研究报告表明，国内外学者关于蒸汽孟靖,熊杰,赵海 波.1GCC电站的过程模拟和性能分析[J].工程热物理学报,2013.34(1 )40-44.煤比对气化系统的影响做了大量的定性研究，定量[9] Hao Liu,Shigeru Kato. Kinetics of CO2/Char gasification at研究很少，并且最佳蒸汽煤比的结果差别很大。因elevated temperatures Part I: Experimental results[J]. Fuel此，应该加强对蒸汽煤比的定量研究工作。[10] Processing Technology2006.87:775-781.Jae Goo Lee, Jae Ho Kim, et al. Characteristis of entrained flow3结论coal gasifcation in a drop tube reactor[J]Fuel,1996 75(9):1035-1042.通过对气化参数的研究现状进行综述，得到如[1]张斌， 李政.基于Aspen plus建立喷流床煤气化炉模型[J]化工学报200548);1179-1182.下结论:[12]沈玲玲.IGCC示范 工程煤气化炉的数值模拟[].煤炭转化，(1)文献得出的最佳水煤浆浓度差异较大，因此2009.321):1419.有必要对不同煤种、不同系统的最佳水煤浆浓度进行[13]林立.AspenPlus软件应用于煤气化的模拟[J].上海化工，探究。2006,31(8):10-13.(2)气化系统最主要的影响因素存在一-定的争[14]任永强，等.干煤粉加压气流床气化试验研究[J].热能动力工议，应该对此问题进行深入考证。.207224):431-434.(3)分析反应温度和氧煤比共同作用对系统气[15]乌晓江等. 煤粉加压气流床气化特性实验研究[]工程热物理学报2008.2968);1431-1434.化性能的影响更符合实际，而目前此方面的研究甚[16]陈超,姚洪等 氧煤比与蒸汽煤比对粉煤气化炉影响的数值模少,可在这方面开展大量的研究工作。拟分析[xueshuhuiyi].(4)国内外学者关于蒸汽煤比对气化系统的影[17] Xiaolei Guo, Zhenghua Dai. Performance of an entrained-flow响做了大量的定性研究，定量研究很少，并且最佳gasification technology of pulverized coal in pilot-scale plant[J].蒸汽煤比的结果差别很大。因此，应该加强对蒸汽Fuel Processing Technology200788:451- 459.煤比的定量研究工作。[18] Qizhi Ni and Alan Williams. A simulation study on theperformance of an entrained flow coal gasifier[J]. Fuel, 1995,74( 1)102-110.0参考文献1] 危师让，等著，我国整体煤气化联合循环(GCC示范电站初步方案[19]陆成，等气化参数对气流床粉煤气化影响实验研究[D].洁净煤技术2010162):49-53.分析国家电力公司lGCC发电示范项目可行性研究报告.1998:12-[20]寇惠武IGCC气化系统仿真[D].华北电力大学(北京).2004.25.[2] 王颖邱朋华等 气化参数对IGCC系统中气化炉性能的影响[][21]陈振洪,Shell气化炉实时 仿真模型研究[D]，华北电力大学，2008.动力工程2009(7):694-698.3]何翔等,水煤浆气化炉 入口参数对出口合成气的影响[J].上海[2] 郭庆华,等基于BP神经网络预测气流床气化炉炉膛温度的试验研究[].计算机与应用化学2007.245):617-620.电力0091-74-77.[4] 马顺 勒基于Aspen plus对整体煤气化联合循环系统的模拟研23] 李斌,等蒸汽煤比对湍动循环流化床煤气化的影响[J].东南大学学报2009.39)998-1001.1究[D].华北电力大学2008.[5] F.Emua, M. Gadalla, T. Majozi, D. Boer. Integrated gasification作者简介详见135页combined cycle (IGCC) process simulation and optimization[].Computers and Chemical Engineering,2010(34): 331-338.许世 森焦树建美国IGCC示范电站的分析 及其发展[D].华东电力,1995(8):42-46.●139●一φ-郑智慧等:汽轮机叶型气动性能模拟及分析第02期参考文献作者简介:[1] 王定标谢文,周俊杰汽轮机叶型的气动性能三维数值分析及郑智慧(999-),女，硕士研究生在读。研优化[J]核动力工程2010312);100.究方向:化工过程机械。[2]方彦凯,蒋 英汽轮机叶片间流体流动的模拟研究[N].淮海工学E-mail: 181673472@qq.com院学报,2010. .]雷风林汽轮机末级变工况性能研究与流道改进设计[D].郑州大学化工学院硕士学位论文,2010.[4] 王 福军计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社，2004.]余勇,张俊明等. FLUENT入门与进阶教程[M]北京:北京理工《气化参数对IGCC系统性能的影响研究进展》大学出版社2008.绳冉(1991-),郑州大学化工与能源学院在读硕:上:研究生。主要从事机械设备的优化设计研究。E-mail:achelransheng@163.com李晓倩(1985-)，工程师。主要从事燃烧和石化设备开发和工艺流程优化等方面的研Emil:hoyjujc2008@ 163.com