IGCC系统中空气气化炉与氧气气化炉的对比研究

第20卷第2期《燃气轮机技术》Vol.20 No.22007年6月GAS TURBINE TECHNOLOGYJune ,2007IGCC系统中空气气化炉与氧气气化炉的对比研究高健' ,倪维斗1 ,小山智规2(1.清华大学热能工程系,北京100084;2. 三菱重工业株式会社长崎研究所,日本)摘要:目前国内对 ICCC的研究形成- -股热潮,发表了不少研究结果和文章,但都集中在纯氧气流床气化工艺。日本三菱公司近二十年来致力于空气气化IGCC系统的研究,其示范电厂将于2007年投运,但国内对这方面的信息和了解不多。本文基于文献和作者对开发空气气化ICCC系统的三菱长崎研究所的访问和调研，采用Aspen Plus软件,对此系统作了详细分析,并与Shell气化炉和ICCC系统作了对比,得出了一些有益的结关键词:动力机械工程;空气气化炉;氧气气化炉;ICCC中图分类号:TQ545文献标识码:A文章编号:1009 - 289(200)02 - 0001 -05煤炭气化技术种类繁多[川],其中高压、大容量的本文选择Shell类型的气化炉作为氧气气化炉代表，气流床气化技术具有良好的煤种适应性,技术性能比较这两种气化炉用于ICCC系统时的优劣,并对更加优越[2] ,是煤基大容量、高效洁净的合成气制备两种气化系统与燃气轮机进行整合时系统效率变化的首选技术,代表着发展趋势。气流床气化技术,按趋势不同的原因做了进-步探讨。气化剂的种类划分,主要分为吹空气的空气气化炉1气化炉模型和吹氧气的氧气气化炉。目前气流床的空气气化炉技术以三菱重工所研制的为代表,三菱公司在20世本节用Aspen Plus软件对空气气化炉进行建模纪80年代提出了空气气化炉的理念,并在Yokosuka计算,氧气气化炉采用文献[4]中的模型。建立了2v/d 的气化炉装置进行试验。到90年代1.1空气气化炉简介初,将该气化系统放大到200u/d,并用于ICCC实验对Shell气化炉及其相应的IGCC系统,已有大电厂(Nakoso) ,这个放大的气化炉在1995 年总计运量相关研究[5,6],但对空气气化炉的相关研究较行4770h,其中包含789h的连续运行。之后,根据在少[7.8]。IGCC实验电厂中的运行经验,对气化炉设计做了一-如图1所示,三菱空气气化炉(后文简称空气些改变,为了测试这些设计上改变,又建造了一个，炉)由气化部分和换热 器部分组成,是一个整体。气24v/d的实验电厂,并运转了约70h。以这些设计和化部分出口的合成气温度约为1000~ 1100C,然运行经验为基础,三菱公司参与了日本250MW等级后进入换热器部分,受到从余热锅炉抽取的工质水的ICCC示范电站的项目,设计并建造了1 700/d的冷却,冷却到400C左右后进人旋风分离器和飞灰空气气化炉[3]。过滤器,分离出来的飞灰被回送到气化炉继续参与而以氧气为气化剂的吹氧气化炉,根据对进料气化反应,合成气与从MDEA低温气体净化单元出方式炉膛冷却类型和是否回收合成气显热的选择,来的清洁合成气换热,然后送人MDEA单元净化,清衍生出了不同类型的商业品牌气化炉，根据相关研洁合成气由40C左右被加热到350C左右,然后送究结果,采用粉煤进料方式、并用冷却器回收合成气人燃气轮机燃烧室。显热的气化炉用于ICCC电站,净发电效率最高。如图2所示，气化部分分为两段,下段是燃烧收稿日期:2007-01-30改稿日期:2007-02-09基金项目;国家重点基础研究发展计划项目(2005CB221207)作者简介:高健(1980- ),女,清华大学博士研究生，主要从事ICCC及多联产系统等方面的研究工作。2燃气轮机技术第20卷.输煤氨气的40C风|,高温合成气化I换热器NDEA单元气化炉第二段(RGibbs模块)邢|的350.热量热损失分|去燃气轮机煤分解模块的400日(RYield); 高温气体飞灰再循环分解产物C模快|气化炉第一(RGibbs模块) --+图1 MHI 气化炉整体结构段,约50%的煤和循环的飞灰、及参与反应的空气| 副产品氧气在第一段中送人，第一段反应器出口的气体温度达输煤氯气1 800C ,然后进入第二段反应器,与剩下的约50%的煤进行反应,出口的合成气温度约1 000C图4 Aspen空气气化炉模型示意图表1气化用煤的煤质分析粗煤气元素分析水分灰分CHN(%) 4 7.54 73.64 5.24 1.13 0 2.63 9.82工业分析水分灰分挥发分固定碳HHV(wt%) 4 7.5439.5852.8628.5MI/kg_向第二段气化反应提供热研对于Shell类型氧气气化炉的模型验证,文献第二段温度降低[4]已经做过相关研究,因此本节只研究空气气化炉。如表2所示,本文模型的模拟结果,与三菱公司煤给出其由具体实验所得的、空气气化炉典型的气体组分相符合。因此在对IGCC系统的模拟中,采用已得的两种气化炉模型对气化系统进行计算。熔液1000 1400 1800表2气化模型验证气体成分MHI气化炉典型空气气化炉图2气化部分结构(摩尔组成)气体组分模型结果1.2 模型示意图及计算结果B%10.1Co26.328.6图3和4分别是用Aspen Plus软件建造的两种3023.11.7气化炉模型。表1是气化用煤的工业分析和元素分56.1s5.5析。氧气气化炉模型直接采用文献[4]中的研究结H202.81.4果,但由于空气气化炉采用了两段结构,因此本文对2采用不同气化炉的 IGCC系统差异其进行建模研究并对模型进行验证，模型如图4所示。本节将两种气化炉用于ICCC系统中,对系统整体进行建模计算。针对两种情况:第-种情况的ICCC系统气化系统与燃气轮机各自独立,即空气气化炉采用独立的空气压缩机,从大气中抽取空气,生分解模块高温合成气气化所需的高压空气。氧气气化炉采用独立的低压空分;第二种情况的气化系统与燃机整体化,空气气化炉所需的高压空气是由燃气轮机压缩机抽取并水燕气↓ 热损失进一步加压获得的,但由于输送干煤粉需要氮气,故需要一个生产氮气和富氧气体副产品的小空分(低图3 Aspen 氧气气化炉模型示意图压空分)。氧气气化炉系统采用完全整体化空分的ICCC系统,从燃气轮机压气机出口抽取-部分空气(约占燃机压气机总气量的16%),送到大空分进第2期ICCC系统中空气气化炉与氧气气化炉的对比研究口,由于燃气轮机压气机的出口压力较高,因此采用高蕴合限气6。[参润←气体净化，中压空分(加工空气的压力范围从14. 5bar到1厂气化护台成气7合限气924. 5bar[9])。其中不同计算参数的选取如表3所示。KRGibbs模块成气表3计算参数选取L[换热器1 +联合新环空气压缩机0.8氧气压缩机输煤氮气4L个成飞灰过路器氮气压缩机0.75氧气5本， 燃气轮机压气机0.85燃气轮机透平0.88蒸汽轮机高压透平蒸汽轮机中、低压透平机械效率0.99大气温度I5个空气2|低压空分中压空分19.23 be(数机压图6采用独立空分的氧气气化炉ICCC系统示意图盛气出口压力1.02beriber表5独立空分的氧气气化炉 IGCC系统主要物流空分中氧气、氮气出口I5C温度气化炉热损失输入煤热值的0.5%物流温度/C压力/ber 质量流量/