水煤浆气化合成气显热回收对IGCC电站性能的影响

第34卷第12期动力工程学报Vol 34 No. 12014年12月Journal of Chinese Society of Power EngineeringDec.2014文章编号:1674-7607(2014)12-0985-05中图分类号:TM611.3文献标志码:A学科分类号:470.30水煤浆气化合成气显热回收对IGCC电站性能的影响邓广义,韩龙,范永春,马雪松,郑赟,吴家凯(中国能源建设集团广东省电力设计研究院,广州510663)摘要:利用 Thermoflex热力系统软件分别建立了基于 GE- Texaco和E-Gas水煤浆气化的400MW级lGCC电站模型,通过设置的5种合成气显热回收方案,分析了水煤浆气化炉型、废热锅炉配置和废热锅炉出口合成气温度3个因素对IGCC电站性能的影响.结果表明:与 GE-Texaco全热回收气化技术相比,采用EGas全热回收气化技术时蒸汽轮机的发电量和净发电量较低,供电效率提高、厂用电耗率降低;与合成气激冷方案相比,增设辐射废锅和对流废锅可以提高GE-Texaco气化合成气显热回收过程的蒸汽质量流量,进而提高IGCC电站的蒸汽轮机发电量、净发电量和供电效率;降低废热锅炉出口合成气的温度可以改善IGCC电站的整体性能关键词:IGCC电站;水煤浆气化;显热回收;EGas气化炉;电站性能Influence of Syngas Sensible Heat Recovery on Performances ofIGCC Power Plant Based on Coal Water Slurry GasificationDENG Guangyi, HAN Long, FAN Yongchun, MA Xuesong, ZHENG Yun, wU JiakaiGuangdong Electric Power Design Institute, China Energy Engineering GroupCo, Ltd, Guangzhou 510663, China)Abstract: 400 MW IGCC power plant models were developed based on GE- Texaco and E-Gas coal waterslurry gasification technologies by using Thermoflex thermodynamic system software. Five schemes forsyngas sensible heat recovery were set up to study the influence of following factors on the IGCC performance, such as the gasifier type, the configuration of syngas cooler and the syngas temperature at cooler exit, etc. Results show that comparing with GE- Texaco technology, E-Gas gasification process has lowersteam turbine output and net power output, but higher power supply efficiency and lower house powerconsumption rate under sensible heat recovery conditions; comparing with GE- Texaco quench method, thestallation of radiant and convective syngas coolers helps to promote the steam yield during syngas sensi-ble heat recovery process, thus elevating the steam turbine output, net power output and power supply ef-ficiency of the IGCC unit; decreasing the syngas temperature at cooler exit is beneficial to improve theplant performance.Key words: IGCC power plant; coal water slurry gasification; sensible heat recovery; E-Gas gasifier; power plant performance收稿日期:201403-07修订日期:201404-28基金项目:中国国家留学基金管理委员会2013年公派访问学者资助项目(20130840中国煤化工作者简介:邓广义(1966-),女,广东深圳人,高级工程师,学士,研究方向为:GCC电HCNMHG韩龙(通信作者),男,博士,电话(Te.):13602739897; E-mail: puxian@zu.edu.cm·986·动力工程学报第34卷合成气显热回收过程对提高IGCC电站的能源合成气温度3个因素来分析合成气显热回收利用对利用效率具有重要作用.与干粉煤气化技术相比,水IGCC电站性能的影响煤浆气化时煤炭能量转化为合成气物理显热的比例增加,因此合成气显热的回收利用对基于水煤浆气1400MW级LGCC电站基本流程化的IGCC电站尤其重要图1给出了所研究IGCC电站模型的基本流高健等的研究结果表明,应尽可能地使高温程气化炉产生的粗合成气经过显热回收、净化、加合成气与余热锅炉中温度较高的介质进行传热匹湿饱和和预热等处理后进入燃气轮机发电,燃气轮配.对于采用三压再热方案的IGCC电站,当辐射废机透平排出高温烟气,其热量在余热锅炉中通过换热锅炉(废锅)和对流废热锅炉均与余热锅炉高压省热器产生高压饱和蒸汽,这些蒸汽与粗合成气显热煤器匹配时,系统性能较优.王颖等研究发现,回收装置产生的蒸汽最后一起进入蒸汽轮机装置发废锅产生高压蒸汽时的电站效率优于产生中压蒸汽电清洁合成气的预热介质为来自余热锅炉高压蒸时的电站效率,并推荐辐射废锅与对流废锅均产生发器的高压饱和蒸汽.为获得较优的IGCC电站系饱和蒸汽,该结论与目前世界上投运ICC电站的统性能并保持电站运行的灵活性,采用部分整体化设计相一致.刘耀鑫等“针对EGas两段式水的加压深冷空气分离装置,空气分离装置所需的空煤浆气化技术,考查了气化炉负荷、气化温度、气化气一半来自燃气轮机装置的压气机,另一半来自独压力、水煤浆浓度和氧气纯度对lGCC系统性能和立的空气压缩机.空气分离装置的产品N2约有效率的影响50%回注到燃气轮机燃烧室中,这样既可以控制以往的研究主要是针对200MW级IGCC电NO,的排放,又有利于增大燃气轮机的透平流量和站,缺少一段式水煤浆气化与两段式水煤浆气化技做功能力.回注的N2由燃气轮机压气机抽取的空术的对比研究.笔者利用 Thermoflex热力系统软件气进行预加热,剩余的N2排向大气环境.lGCC电分别建立基于 GE-Texaco和EGas水煤浆气化的站模型具体的配置方案和主要参数见表1.电站模型,从水煤浆气化炉型、废锅设置和废锅出口热量回收水煤浆合成气净化排空A合成气预热透PE LPB燃烧高压缸}中压缸燃气轮机除氧器蒸汽轮机凝汽器AC-空气压缩机;C-压气机:T~透平;LPE一低压省煤器;LPB低压蒸发器;LPS-低压过热器;IPE一中压省煤器;IPB-中压蒸发器:PS-中压过热器:RH1-再热器1;RH3-再热器3;HPE一高压省煤器0;HPE3一高压省煤器3:HPB-高压蒸发器;HPS0一高压过热器0;HPS1-高压过热器1;HPS3-高压过热器3图1IGCC电站系统基本流程示意图Fig. I Basic flow chart of an IGCC power plant气化炉出口温度为1371C的高温粗合成气直接由2合成气显热利用方案水激冷至209C,然后进入合成气净化处理单元;方图2给出了400MW级GCC电站合成气显热案2和方案3采用 GE-Texaco全热回收流程,由辐利用的5种方案.5种方案均对脱硫后的清洁合成射废锅和对流废锅回收气化粗合成气的显热,方案气进行了加湿饱和,目的是降低燃气轮机燃烧室绝2辐射废锅和对流废锅出口合成气的温度分别降至热燃烧温度,控制NO)的排放.方案1~方案3采850C和中国煤化工个温度则降至更用GE- Texaco气化技术,方案4和方案5采用E低,分别CNMHG4和方案5采用Gas气化技术.方案1采用( E-Texaco激冷流程,EGas全热回收流程,由于采用两段式水煤浆气化,第12期邓广义,等:水煤浆气化合成气显热回收对lGCC电站性能的影响987·表1400Mw级IGCC电站模型配置方案及主要参数对流废锅出口合成气温度降至450C,方案5中则Tab. 1 Configuration and main parameters of a400MW降至350C.表2给出了计算所用的煤种参数IGCC power plant表2煤种参数Tab 2 Coal p气化炉GE-TexacoE-Gas项目数值3.23MP(水分)/%1371℃1590C/990℃u(灰分)/气化条件(碳)/%78.97水煤浆浓度64%水煤浆浓度64%氢)/%激冷/辐射废锅v氮)/%1.01粗合成气显热回收对流废锅对流废锅u(硫)%常温除尘脱硫温度:38C氧)/%1.粗合成气净化处理加湿饱和后温度:150℃(氯)/%预热清洁合成气温度:320C挥发分)/%压力1.29MPa,温度15C,(固定碳)/%空气分离装置Xa=0.5,Xg=0.5高位热值/(kJ·kg-1)29920回注N2温度:320℃GE9351FA,压气机压缩比15.8,3计算结果与讨论气轮机trr=1327℃透平通流面积增加值:6%3.1合成气显热回收方案对发电量的影响三压再热图3给出了合成气显热回收方案对IGCC电站高压12.4MPa/566℃发电量的影响.图中5种方案下燃气轮机的发电量中压2.36MPa/566℃蒸汽系统均为272MW,燃气轮机运行调节方式为:保持trm低压0.379MPa/291℃恒定,通过调小压气机进口可转导叶(IGV)来适应余热锅炉节点温差:高压20K,燃气轮机透平气体流量的变化.由图3可知,与方案中压20K,低压10K注:1)R为气化炉的碳转化率,%;X为空气分离整体化系数;1相比,方案2和方案3的蒸汽轮机发电量由139X为空气分离N2回注率;trm为燃气轮机透平第一级动叶进口燃MW分别提高到199MW和205MW,方案4和方气滞止温度,℃案5的蒸汽轮机发电量的增加程度低于方案2和方案3,分别提高到167MW和173MW.由于蒸汽轮1371"C氧气CE- Texaco气化炉机发电量的增加,方案2~方案5的电站总发电量(a)方案1比方案1均有显著提高,其中方案3提高幅度最大,水煤浆Exo炉5S射废钢8对流废钢50℃由方案1的41MW提高到47MW燃气轮机发电量(b)方案2蒸汽轮机发电量500□总发电量水煤浆137C辐射废750°对流废钢氧气粗煤气(c)方案3E-Gas气粗煤气对流度铜40(d)方案4水煤浆tE-Gas气化炉990c对流废锅粗煤气(e)方案5方案1方案2方案3方案4方案5图2合成气显热利用方案图3合成气显热回收方案对lGCC电站发电量的影响Fig 2 Schemes for sensible heat recovery from syngasFig 3 Effect中国煤化工 method onEGas气化炉出口合成气温度降低至990℃,可取CNMHG消价格昂贵的辐射废锅而只设置对流废锅.方案4图4给出了合成气显热回收方案对IGCC电站988·动力工程学报第34卷高压、中压、低压蒸汽质量流量的影响.由图4可知,收明显降低了IGCC电站的净热耗率和氧耗率,方与方案1相比,方案2~方案5中进入汽轮机高压案2~方案5的净热耗率由方案1的9312缸的高压过热蒸汽质量流量均明显增大,这是因为kJ/(kW·h)逐渐降至7740kJ/(kW·h),氧耗率方案2~方案5均采用废锅回收粗合成气的显热,则由0.32kg/(kW·h)逐渐降低至0.22kg/(kW余热锅炉高压给水的总吸热量增加,从而提高了高h).同时,降低废锅出口合成气的温度有利于降低压蒸汽的质量流量.由于所研究IGCC电站的蒸汽净热耗率和氧耗率,方案3和方案5电站的净热耗系统采用三压再热方案,高压过热蒸汽经高压缸膨率和氧耗率分别低于方案2和方案4.尽管方案4胀做功,与中压过热蒸汽混合后变为再热蒸汽,再热和方案5只设置了对流废锅,但其净热耗率和氧耗蒸汽经中压缸膨胀做功后再进入汽轮机低压缸做率均明显低于方案2和方案3,说明EGas气化炉功.因此,高压蒸汽质量流量的增大使得中压缸和低在降低IGCC电站净热耗率和氧耗率方面比GE压缸入口蒸汽质量流量也相应增大Texaco气化炉更有优势.与方案1相比,方案4和方案5的高压缸入口净热耗率一燃料消耗量x燃料热值(1过热蒸汽质量流量由78.4kg/s分别增大到103.3kg/s和107.4kg/s,方案2和方案3的增大程度大氧耗率一空气分离装置产氧量于方案4和方案5,分别增大到128.1kg/s和12000132.9kg/s.以上结果表明:废锅的设置对IGCC电站的蒸汽质量流量具有重要影响.与不设置废锅的100000.25方案1相比,方案4和方案5中EGas气化炉设置对流废锅后蒸汽质量流量增大,同时蒸汽轮机的发6000.15电量也增加.方案2和方案3中 GE-Texaco气化炉同时设置辐射废锅和对流废锅,其蒸汽质量流量和央4000蒸汽轮机发电量不但高于 GE-Texaco激冷方案,而2000且高于只设置对流废锅的方案4和方案5.此外,废方案1方案2方案3方案4方案5锅出口合成气温度对IGCC电站的蒸汽质量流量也图5合成气显热回收方案对IGC电站净热耗率和氧耗率的影响有明显影响.与方案2和方案4相比,方案3和方案Fg5 Effects of syngas sensible heat recovery method on IGCC net5中废锅出口合成气的温度均低了100K,使方案3heat rate and oxygen consumption rat较方案2、方案5较方案4的高压缸入口过热蒸汽图6给出了合成气显热回收方案对IGCC电站质量流量分别增大4.8kg/s和4.1kg/s,蒸汽轮机空气分离装置电耗率及厂用电耗率的影响空气分的发电量均提高了6MW.离装置电耗率及厂用电耗率的定义见式(3)和式(4).由于方案1~方案5采用相同的空气分离装置,空气分离装置电耗率取决于电站的氧耗率.由图5已知,方案2~方案5氧耗率逐渐降低,因此其空110气分离装置电耗率也由方案1的0.104MW/MW高压缸入口过热蒸汽中压缸入口再热蒸汽一低压缸入口蒸汽方案1方案2方案3方案4方案5图4合成气显热回收方案对IGCC电站蒸汽质量流量的影响Fig 4 Effects of syngas sensible heat recovery method on IGCC5steam mass flow32合成气显热回收方案对IGCC电站净热耗率方案1方案2方案3方案4方案5和厂用电耗率的影响图6合成气H对IGCC电站空气分离装置电耗率及图5给出了合成气显热回收方案对IGCC电站中国煤化工净热耗率和氧耗率的影响净热耗率和氧耗率的定Fg.6EfeCN MH Gry method on IGCC义见式(1)和式(2).由图5可知,采用合成气显热回ASU and house power consumption rate第12期邓广义,等:水煤浆气化合成气显热回收对IGCC电站性能的影响逐渐降低至0.074MW/MW.由于IGCC电站的自用电量主要用于空气分离装置相应地,厂用电耗率4结论由方案1的12.2%逐渐降低至方案5的9.4%.(1)设置废锅回收合成气的显热可增大蒸汽质空气分离装置电耗率=空气分离装置用电量量流量和蒸汽轮机发电量,有利于提高IGC电站的总发电量(3)(2)设置废锅回收合成气显热可降低IGCC电厂用电耗率=GCC电站自用电量(4)站的氧耗率有利于降低电站空气分离装置电耗率综合图5和图6可以看出,降低废锅出口合成和厂用电耗率气的温度有利于降低IGCC电站的净热耗率和氧耗(3)降低废锅出口合成气的温度可增大蒸汽质量率进而降低空气分离装置电耗率和厂用电耗率;采流量,同时降低IGCC电站的氧耗率和厂用电耗率,有用EGas气化炉比 GE- Texaco气化炉更有利于降利于降低IGCC电站的净热耗率提高供电效率低IGCC电站的净热耗率和厂用电耗率(4)与 GE-Texaco气化技术相比,基于EGas3.3合成气显热回收方案对电站整体性能的影响气化技术回收合成气显热更有利于提高IGCC电站图7给出了合成气显热回收方案对IGCC电站的性能净发电量、耗煤热容量和供电效率的影响.由图7可參考文献知,方案1~方案3的耗煤热容量均为933MW,但方案2和方案3的净发电量由方案1的361MW分[1]张健赟,麻林巍,李政,等.喷流床气化技术选择对IGCC系统能量利用效率的影响[J].中国电机工程学别提高到419MW和425MW,供电效率相应地由报,2012,32(17):36-43方案1的38.7%提高到44.9%和45.6%,说明设ZHANG Jianyun, MA Linwei, LI Zheng, et aL. Im-置废锅明显提高了IGCC电站的净发电量和供电效pact of the choice of entrained-flow bed gasification率同时,与方案1相比,方案4和方案5的耗煤热technology on the energy efficiency of IGCC systems容量降低至868MW,但是净发电量分别提高到[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(17):36-43398MW和404MW,说明EGas气化技术虽然只[2]高健,倪维斗,李政,等.IGCC系统关键部件的选择及设置了对流废锅,也可显著提高IGCC电站的净发其对电厂整体性能的影响—(3)气化炉合成气冷却电量和供电效率尽管方案4和方案5的净发电量器与余热锅炉的匹配[J].动力工程,2008,28(3)低于方案2和方案3,但是方案4和方案5耗煤热471-474容量的降低程度更大,因此方案4和方案5的供电GAO Jian, NI Weidou, LI Zheng, et al. Option ofIGCC systems key components and their influence效率优于方案2和方案3,说明EGas气化技术比the power plant's overall performance:(II)differentGE-Texaxo气化技术更有利于提高IGCC电站的供arrangements of syngas coolers and HRSG [J].Jour-电效率nal of Power Engineering, 2008, 28(3):471-474■净发电量[3]王颖邱朋华,吴少华,等.IGCC系统中余热锅炉的优耗煤热容量▲1000化研究[].电站系统工程,2009,25(5):31-32,35WANG Ying, QIU Penghua, WU Shaohua, etStudy on optimization of HRSG in IGCC system [J]Power System Engineering, 2009, 25(5):31-32,35以白[4]王颖,邱朋华,吴少华,等.整体煤气化联合循环系统10中废热锅炉特性研究[J].中国电机工程学报,2010,30(5):54-58方案1方案2方案3方案4方案5WANG Ying, QIU Penghua, WU Shaohua, et al图7合成气显热回收方案对IGCC电站净发电量、耗煤热容量和Syngas cooler characteristic in integrated gasification供电效率的影响combined cycle system [J]. Proceedings of the CSEEFig 7 Effects of syngas sensible heat recovery method on IGCC net2010,30(5):54-58power output, coal consumption and power supply efficiency中国煤化x转第996页)CNMHG996·动力报第34[8] TCHANCHE B F, PAPADAKIS G, LAMBRINOSzation[J]. International Journal of Hydrogen EnergyG, et al. 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