IGCC气化炉性能计算及分析

第40卷第2期锅炉技术Vol. 40, No, 22009 年3月BOILER TECHNOLOGYMar. ,2009文章编号: CN31 - 1508(2009)02 - 0005 - 05IGCC气化炉性能计算及分析李永华'，陈振洪'，庞永梅”，高建强'，赵军友'，范晓颖'(1.华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定071003; 2. 山东阳光工程设计院，山东济南250011)关键词: IGCC; 气化指标;性能分析摘要:采用实际数据法对喷流床气化炉的相关气化指标进行了计算,同时对干法送煤和湿法送煤两种气化炉性能进行分析,着重分析了飞灰含量及产气成分对气化炉性能的影响,并提出了改善IGCC的供电效率相关措施。为IGCC系统气化妒的选型和调节、性能全面的综合评价提供了重要的参考依据。中圈分类号: TM611.31文献标识码: A率等气化指标,为调节评价气化炉操作或设计选0前言择气化炉提供依据,是常用的煤气化计算方法整体煤气化联合循环(IGCC-Integrated Gas-之一。ifcation Combined Cycle)是高效的燃气一蒸汽1.1物料平衡计算[1-2]联合循环发电系统的发电的高效率与洁净煤的(1)以灰平衡算计算干灰渣率V;煤气化极好的环保性能的结合,是二十一世纪最据气化过程前后灰量为衡量有:原料煤中的有发展前景的洁净煤发电技术。在整个IGCC的灰量=灰渣中的灰量+带出物中的灰量。即:A.设备和系统中,燃气轮机、蒸汽轮机和余热锅炉=A;V;+A,V,整理上式有:的设备和系统均是已经商业化多年且十分成熟v,= Au-A.V.(1)Al的产品。IGCC发电系统的发电效率的提高关键在于系统中的气化炉的性能的提高,衡量煤气化式中:V,一煤气带 出物(即飞灰)中原料煤的炉运行技术经济性的主要指标为有:碳的转化份额;C,-.带出物含碳量;率冷煤气效率和热煤气效率。喷流床气化炉是目前IGCC各示范工程中采用最多的一种气化.带出物含灰量;炉,对此本文应用实际数据法对喷流床气化炉的C一干 灰渣含碳量;煤气发热量、产气量、气化剂耗量、转化率,冷煤A:一干灰渣含灰量。气效率和热煤气效率等重要的气化指标进行计(2)以碳平衡计算千煤气产率V。算,对IGCC系统气化炉的选型和调节、性能全面据气化过程前后的碳量为衡量有:原料煤中碳量=干煤气中碳量+灰中碳量+带出物中碳的综合评价提供了重要的参考依据。量+焦油中碳量。若用kmol为上式的计算单1实际数据计算法位，则有:实际数据计算法是以原料煤在试验或正式C._ V,(YCO2+YCO+YCH.) +222.4生产时测得的煤气组成为依据的计算。根据原料煤的工业分析与热值、干煤气的组成、出口煤GY+CV+G12+122气中水汽含量、煤气带出物的数量及组成、灰渣整理上式有:的组成、气化炉进出物料的温度等,计算确定煤中国煤化工;)X1.867 (2)气发热量、产气量、气化剂耗量,气化效率及热效MHCNMHGCH收稿日期:2008 -04 -01作者简介:李水华(1968-) ,男.博士,副教授,从事燃烧理论及洁净燃烧技术的研究。锅炉技术第40卷式中:C一-焦油中碳量;(5)湿煤气产率VH,oC._- 原料煤的元素分析碳含量;VI,o=V.x(1+-29)(6)YCO2 ,YcO, YCH分别为气化炉出口干煤气中CO2 ,CO,CH,的可式中:p-蒸汽的密 度, kg/Bm' ;燃气体组成百分含量。1.2能量平衡计算-般当煤中挥发分小于10 %时，可不考虑本文以气化炉进料到干煤气出口为系统如焦油量的影响。即C=0。图1.(3)以氮平衡计算空气耗量V据气化过程前后氮量为衡量有:空气中带人氮量+煤中氮量=干煤气中氮量。即:VkX0.79+0.8XN. =V,XYN2整理上式有:V=1.266XV.XYNz-1.013XN. (3) ，对于用干法送煤的气化炉，氮平衡为:空气中带人氮量+煤中氮量+送煤的氮量=干煤气中氮量+分离出的氮量即V;X0. 79+0.8XN +N2=V;XYN.r +Nu1-气化炉;2徽冷段;3-煤气冷却器;4喷嘴(4个);5-渣;6-冷煤气出口图1 IGCC 电站气化系统V= 1.266XV。XYN2 +1.266Nx-1. 266N2,- 1. 013 3N. .(4)根据能量平衡关系有:原料煤发热量Q.+原式中:YN2一气化炉出口干煤气中 N百分含量;料煤物理热Q2+气化剂中蒸汽物理热Q.+气化.Na--分离 出的氮量;剂中空气物理热Q +送煤介质所带的热量Qs=N2.一送 煤的氮量。干煤气发热量Q';+干煤气物理热Q:+煤气中(4) 以氢平衡确定煤气中水汽量H2O水汽的热量Q:+气化炉和热煤气显热利用系统据气化过程前后的氢量为衡量有:煤中氢量中产生的蒸汽之焓值增量Q'.+带出物的化学热+煤中水分含氢量+煤中的含水量+气化剂蒸.与物理热Q's+灰渣的物理热量与化学热Q6+煤汽含氢量=干煤气中水汽含氢量+煤中其它组气冷却器转给冷却水的热能Q,+散热损失Qs.分含氢量(1)煤气发热量Q'则:煤气质量的好坏根据其可燃气体含量多少或H. + M./9+Wm/9+W ./9= H20X发热量的高低来判定。一般热值计算公式见3。V,/9+(YH; +YH2S+2YCH,)XVg/11.2Q'l=12 600YCO+ 108YH2+整理上式并代人有关数据有:35 800CH, +23 200YH2S(7)H2O= H..+(M. + We +W,)/V,-(2)干煤气物理热(YH2 +YH2S+2YCH,)X0.803 (5)Q'=V。XC_ XT。(8)式中:W,= WXVk,式中:C-煤气出口温度 下的煤气的比热，w,-气化剂中蒸汽量;kJ/kg*C;W_-煤浆 中的含水量;T.一煤气出口温度。w-水蒸汽饱和后 的气体中的水蒸汽(3)煤气中水汽的热焓含量;中国煤化工。XT (9)YH2 YH2S--分别为气化炉出口干煤气中H2 ,式中YH。CNMHG|蒸汽的比热,.H2S的可燃组成百分含量。.对于干法送煤的气化炉采用的是干燥基的(4)气化炉和热煤气显热利用系统中产生煤粉,则煤中水分含氢量与煤浆中的含水量为0。.的蒸汽之焓值增量第2期李永华,等:IGCC气化炉性能计算及分析Q',= MX(h.-h,)(10)本文引用文献[5]的shell炉(干法送煤)相式中:M.显热利用系统中水量;关数据对气化炉进行计算,相关数据如下:he、h;-.分别为系统水进出口的焓。煤气带出物(即飞灰)为原料煤的0.1 %,即(5)原料煤物理热V:=2 %;其组成为:含碳量占带出物的80 %,即Q2=Cp.xT,(11)C,=80 %;含灰量占带出物的20 %,即A.=20式中:C.一燃料的收到基比定压热容 ;%=0.02;千灰渣含碳量15 %，即C,=15% =T,-燃料温度。0.15;则干灰渣含灰量85 %,即A;=1- C;= 85(6)气化剂中蒸汽物理热%=0.85;煤气出口温度取1500 C;送煤氮量Q;=W.X(2 490+C",T,)(12)13.12 g/100g 煤,温度取58 C.式中:C"。一气化剂中 蒸汽的比热,kJ/kg*"C;表1操作条件,煤的性质及气体体积组成Tp-气化剂中蒸汽温度。煤成份/%体积比/%(7)气化剂中空气物理热75. 5H31.0Q.=ICT(13)4.97co62.1式中: l一-空气量;1.43.CO21. 00C一空气比热,kJ/kg*C;0.87H2S0.239.120. 02T-空气温度。Ash7.91CH0.05对于于纯氧气为气化剂的气化炉此项为氧气化压力/MPa 3. 10N3.10.气物理显热。计算式相同。氧煤比/m2.kg~' 0. 581Ar0. 80(8)送煤介质所带的热量蒸汽煤比/kg.kg-' 0. 126H2O1. 70Qs=l,C,T,氧气纯度/%95.0煤的低热值/kJ.kg-1 29 974式中: l一介质量;表2计算值与实际值比较C,一-介质比热,kJ/kg.C;项目计算值实际值T,-介质温度。干煤气产率/m2●kg-'2.172.21对于湿法送煤不用考虑此项。碳化率/%98. 1799. 01(1)碳化率冷煤气效率/%87. 1787.5: V, X(YCOz+YCO+YCH,)X12(14)热煤气效率/%92. 91CgX22.4(2)冷煤气率从表2可以看出,计算值与实际值吻合良η=-= V.xQ':lX100 %(15)好,证明该文提出的计算式是可靠的。以此为基.Q础,考察气化炉碳化率,冷煤气率和热煤气率与式中:Q.一-原料煤的低位发热量, kJ/g.飞灰中原料煤的份额,及(CO+H2O)所占千煤气(3)热效率,取lkg/h供煤率作为循环计算比例的变化情况。计算的出发点,根据以上能量关系式有:_Y.xQ:+KQ-&- 9-0.- -x100% (16)D0「6碳化事%。m被认为是Ikg/h煤在上述整个煤的气化热煤气率%炉系统中能量的转化效率,它与气化炉系统的热煤气效率相差不很多。m即为气化炉系统的热冷堞气率%煤气效率”。式中:K一热量有 效回收系数;中国煤化工416182Qk-气化1 kg原料煤可回收热量总和，Qx=Q2'+Q,'+Q'.MHCNMH G图2飞灰含 量对碳化率,冷煤气率、2计算举例热煤气率的影响8锅炉技术第40卷由图2分析可知,有无未反应炭粒的再循环煤气的组成几乎是由水煤气反应(CO+H20-系统对气化炉的碳化率,冷煤气率、热煤气率影.H2+CO2)反应单独决定。这和其他学者(Ru-响很大,一般有未反应炭粒的再循环系统的干法precht et al, 1989)[10 的研究结果非常接近。水送煤气化炉的飞灰含煤率可以减到接近零，而没煤气反应为吸热反应,因此，提高气化过程的温有未反应炭粒的再循环体统的湿法送煤的气化度、或者采用两段气化方式或采用高温固定床气炉的飞灰含煤率一般高达1.5 %~2 %,由图可化方式(以便产生较多的碳氢化合物) ,都有利于以看出就这一项的影响就可以使有未反应炭粒提高气化炉的冷煤气效率。的再循环系统的干法送煤的气化炉的碳化率,冷由以上分析可知,对于同一种煤和同一种燃煤气率热煤气率就比没有未反应炭粒的再循环.气轮机,选用在千法送煤的气化炉的IGCC电站系统的的湿法送煤的气化炉都要相应的高出和用湿法送煤的气化炉的IGCC电站,在以下几2%~3%.这是采用湿法送煤的气化炉的IGCC方面有可能改善IGCC的供电效率,即:电站之供电效率总是要比采用干法送煤的气化.(1) 由于碳转化率高而获得的气化系统能炉低一些的主要原因之一。量转化效率值之增高;(2)由于合成煤气冷煤气效率高而获得的100碳化率好处;热煤气事(3)干法送煤的气化炉粗煤气中由于水蒸汽含量较少,致使凝结潜热损失少而获得的冷煤气率(4)由于合成煤气燃烧产物中水蒸汽含量8093少,可以使余热锅炉的排气温度取得较低所获得(CO+H2)百分含量/%的好处。图3 (CO+ H2)比例对碳化率、冷煤气率.热煤气率的影响3.结论有冷煤气率的公式可知,有效气体的比例越(1)举例证明实际数据法计算气化炉的相大,冷煤气率就越大,在有效气体中CO和H2为关指标于实际吻合良好,计算式可靠,其结果可主要气体,由图3可知在所有条件相同的情况.以作为对IGCC系统气化炉的选型和调节、性能下,CO+ H2的比例提高5个百分点,冷煤气率和全面的综合评价提供了重要的参考依据。热煤气率相应的能提高今2个百分点。在干法(2) 干法送煤气化炉因其结构特点和送煤送煤的气化炉的代表shell 炉所产的合成煤气.方式等因素使气化炉的主要经济指标碳化率,冷中,可燃物质CO+H2≥90 %,其中CO≈60 %;煤气率和热煤气率都要比湿法送煤的气化炉高，而湿法送煤的气化炉的代表Texaco炉相应地为因而从纯粹满足发电过程要求的观点来考察,采CO+H2≥70 % .CO≈40 %。因而shell炉之冷用干法送煤气化炉要比采用湿法送煤的气化炉煤气效率Gj≈81 %~84 %，它要比Texaco气效率要高,具有更广阔的发展前景。化炉(G;=71 %~76 %)高得多间。显然,冷煤气效率高的合成煤气有利于提高IGCC电站的供参考文献:电效率,有资料显示”,将气化炉的冷煤气效率[1]王黔平.发生炉操作对气化过程影响的分析[].陶瓷,1995(5):31- 34.由0.78提高到0. 84,IGCC的供电效率可以提高[2]郭树才.煤化工工艺学[M].北京:化学工业出版社, 1994,1.2个百分点。还能减少合成煤气显热的回收195- 200. .量,致使显热回收设备的尺寸和投资得以适当减[3]刘述祖.硅酸盐热工基础[M].武汉武汉工业大学出版社，小。所以要提高IGCC的供电效率,关键在于提[4]中国煤化工: 的热效率之计算关高冷煤气率。冷煤气率的提高又取决于有效气体的含量。Smoot 和Pratt在1979年间, Smith:MYHCNMHG34.和VanNess在1987年0],用商业软件包CEC,[5]王辅臣，龚欣,刘海峰，等Shell 粉煤气化炉的分析与模拟[J].大氮肥，2002 ,25(6) ;381 - 384.对气态化学平衡进行了研究。发现对于气流床，[6]焦树建.论合成煤气的冷煤气效率对IGCC供电效率的影响第2期李永华,等:IGCC气化炉性能计算及分析[J].燃气轮机技术,199.13<2):2-7.[9] Qizhi Ni and Alan Williams. A simulation study on the per-[7]焦树建.干法供煤和水煤浆供煤的气化炉性能之比较[].燃formance of an entrained- flow coal gasifier[J]. Fuel, 1995,气轮机技术,000,12(1)012-16.11.1(74);102- 110.[8] A. P. Watkinson, J. P. Lucas and C. J. Lim, A prediction of[10] Despina Vamvuka，Edward T. Woodburn and Peter Rperformance ofcomercial coal gasifirs[J]. Fuel, 1991.4Senior, Modeling of an entrained flow coal gasifier[J]. Fu-(70),519- 527.el,1995, 10,10(74);1452- 1460Performance Calculation and Analysis of IGCC GasifierLI Yong-hua'，CHEN Zhen-hong' ,PANG Yong-meir，GAO Jian-qiang'，ZHAO Jun-you' , .FAN Xiao-ying'(1. North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Shan Dong Yang GuangEngineering Designinstitute,Jinan 250011, China)Key words; IGCC; gasification indicators; performance analysisAbstract: This paper has calculated the related gasification indicators of the jet of the gasifi-er by using actual data. At the same time, analyzed performance of the two gasifier which issend coal by the dry and wet coal send. Focus on the analysis of the content of fly ash andgas composition on the performance of gasifier. And put forward measures to improve theefficiency of IGCC power supply-related. As an important reference provided for the selec-tion and adjustment, fully integrated performance evaluation in the IGCC gasifier system.(上接第4页)参考文献:[5]李正阳,洪鑫、燃气-蒸汽联合循环余热锅炉双压无再热汽[1]赵乃仁.从水泥生产工艺角度来讨论余热发电技术应用的发水系统出力与参数的关系[J]。锅炉制造，2003(2):31-33.展[J].水泥, 2008(2)16-20.[6]邹泉,朱小良.基于遗传算法的余热锅炉参数优化设计[].[2]张福滨，赖铁钢.单乐余热发电系统主燕汽参数的选擇[J].动力工程，2005(4);414- 417.水泥，2006(10)32-36[7]唐金泉. PC窑纯低温余热发电技术评价方法的探讨[J].水[3]唐金泉,常子冈.提高水泥窑纯低温余热发电能力的措施泥工程,2007(3);76-84.[J].中国水泥，2005(5);47- 50.[8]古大田，废热锅炉[M]. 北京:化学工业出版社，2003.[4]叶长虹.开发水泥生产线纯低温余热发电新技术[J].中国水[9]车得福,庄正宁,李军,等.锅炉[M].西安:西安交通大学出泥，2006(9);85-87.版社,004.Performance Analysis and Parameter Optimization ofDual Pressure Waste Heat Recovery Generation SystemHUANG Jin-tao'，PENG Yan2，HAO Jin-zhou' ,YANG Zhen' .(1. School of Energy and Power Engineering, Xi' an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;2. CITIC Heavy Industries Co. Ltd, Luoyang 471039, China)Key words: waste heat recovery generation; dual pressure waste heat boiler; thermody-namic paramemete optimization; cement kilnAbstract: Performance Evaluation Method was consummated for dual pressure waste heatrecovery generation system of new dry-process cement production. Example of 5000 t/d ce-ment production was chosen to study the effect of exhaust gas conditions entering kiln outlet(AQC) and kiln inlet (SP) waste heat boiler, thern中国煤化工f high ,lowpressure superheated steam and common economizIrmancepower generation system and the coupling relation (MYH. CN MH Guts showthat more power output may be gained through the optimization of the thermodynamic pa-ramemeters under certain exhaust gas conditions.