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l)吴少华2)邱朋华3) 李振中4) 王阳5)庞克亮6)陈小利6)’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200 MW级IGCC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[10]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[1]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,而且影响着整个士古气化炉进行数值模拟,并研究了煤气化炉重要IGCC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[1]建立新的气流床气化炉立带有水煤浆气化的整个200 MW级1GCC系统模的模型和程序,探讨了0/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[0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[8]建立了气流床气化炉数学模型,模拟分析气化成分1 IGCC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l4]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[6] 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[6}基于Aspenplus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,燃机抽气回送到一种基于物料平衡、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[0]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Aspenplus软件,运用Gibbs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*国家重点基础研究发展计划(973)项目(2004CB217600)和国家高技术研究发展计划(863)项目(2007 AA05Z335).1)硕士生:2)教授、博士生导师;3)副教授、硕士生导师14)教授;5)高级工程师+6)工程师哈尔滨工业大学燃烧工程研究所，150001哈尔滨收稿日期2009-04-07 ;修回日期:2009-05-092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，「 Radiaive wastr甲烷重整反应的加强，导致煤气中CH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AiL气产量略有减少,所以CH,的相对含量呈上升趋势.Flur P合成气的热值由7 870 kJ/kg增加到9 505 kJ/kg.Ca urineHRSCG2.2气化压力的影响↑了0 Ceanutien气化技术按照气化炉操作压力分为常压气化和加压气化.由于加压气化具有生产强度高,对燃气输图1 IGCC 系统模型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人燃机,势必造成能量在IGCC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.50I 30.8030.75只-13.02.1水煤浆浓度的影响30.70 宣12544t 120水煤浆浓度是指固体煤的质量浓度,它直接影响30.65 号-11530.60量-11.0到水煤浆的着火性能和热值.在气化温度1 310 C,30.s5日-10.01953气化压力3.6 MPa,碳转化率98%的条件下,水煤J9.0浆浓度变化的结果见表1.3.43.63.84.04.2444.6Gesifcation preaure1 MPa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 resultFig.2 Efcts of gasification pressure on syngasContent/%*volume contentConcentration/%COH:二H2OCO2CH,36.64 25.02 25.31 12.36 0.0052由于温度比较高,对整个煤气化系统而言,气化76238.59 25.67 23.35 11.70 0. 006 4压力对煤气化反应几乎没有影响,CO含量变化不40. 5426.29 21. 4511.03 0.007 95642.49 26.86 19.60 10.34 0. 009 6大,CO2略有升高,由9. 404%增加到9.408%,H,O844.43 27.40 17.81 9.63 0.011 8.含量由13. 56%增加到13. 72%,H,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CH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44.33%,H2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10 211 kJ/kg下气(CO+ H2 )的含量由61. 66%增加到71. 73% ,CH，降到10 201 kJ/kg. .的体积含量由原来的0. 005 2%增加到0.011 8%.水2.3 0/C 的影响煤浆浓度的增加也就是相对增加了含碳量,减少了含水量.含碳量的增加有利于CO2还原反应和水煤氧煤比既是重要的反应条件,又是控制气化炉气气反应的发生,有利于CO和H2的生成;面含水量化过程反应操作的主要条件之一.实验采用的0/C第3期王颖等 ICCC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. 6 MPa,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3.64里-0.3-0.235-141-10; 30-28, 202真.9092949698100Carbon convension/%图4碳转化率对合 成气成分影响0.7 0.80.9 1.011 1.213 141301CFig. 4 Effects of carbon conversion on syngas volume content■一-COi▲一Hz;O一-COr:★- H2OiO一 -CH4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 Effcts of O/C on syngas volume content量是升高的,CO2含量是下降的,H:含量是增加■一-COr▲一 H2:★- -H2O;O- COrtO- -CH。氧煤比对气化结果影响较大,这是因为O/C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(C0+ 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COr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9314 kJ/kg增加的增加,CO和H2先增加后减少,H2O含量是增加.到10 412 kJ/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%，CH,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12 550 kJ/kg 降低到5 645 kJ/kg.2)气化压力对气化结果的影响不大,但提高气化压力对气化有利. .2.4碳转化率的影响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人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3.6 MPa,气化温度1 310 C,水煤是随之而下降的.参考文献1] Ni Qizhi, Wlliams A. A Simulation Study on the Performance of an Entrined-flow Coal Gasifier[J]. Fuel, 1995.74(1);102-112] Watkinson A P,Lucas J P,Lim C 1. A Prediction of Perormance of Commercial Coal Gasifiers[J]. Fuel, 1991 ,70:519-527.[3] Wen C Y,Chaung T Z. Entranment Coal Gasification Modeling[J]. Ind Eng Chem Process Dev, 1979,18(4) :684-695.[4] 李政,王天骄,韩志明等. Texaco煤气化炉数学模型研究一 建模部分[J].动力工程,001.21(4);1316-1319.[5] Zheng Ligang,Frimsky E. Comparison of Shell,Texaco, BGL and KRW Gasifiers a Part of IGCC Plant Computer Simulations[J]. Energy Conversion and Manegerment,2005<46>)1767-1779.[6]张斌,李致,江宁等.基于Aspen Plus建立喷流床煤气化炉模型[J].化工学报，2003,54(8)1179 1182.[7] 蒋绍坚,赵 颖,林竹等. 高温空气气化数学模型的建立与分析[J].太阳能学报,2006 .27(10) :1058-1062.[8] 周志杰，于广锁,龚欣等. 整体煤气化燃气蒸光联合循环气化单元模拟[J].煤炭转化,004,27(3).53-57.[9]任洋,代正华,于广锁等， 运用Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉[J].煤炭转化，2004.27(4) 27-33.[10]侯祥松,陈勇,刘艳质等. 基于平衡常数法的Texaco气化模型[J].煤凝转化,2004,27(3) :49-52.[11]沈玲玲,姜秀民,王解等. IGCC示范工程煤气化炉的数值模拟[J].煤炭转化,2009 ,32(1);14-19.(下转第34页)34煤炭转化2009年PRECISION OF NEDOL METHOD FOR CALCULATING COALLIQUEFACTION OIL NARROW BOILING RANGEFRACTIONS MOLECULAR WEIGHTSWu Yan Shi Shidong and Wang Wei(China Coal Research Institute, Beijing Coal Chemistry Institute, 100013 Beijing)ABSTRACT In order to meet the needs of the rapid industrialization of direct coal liquefac-tion project, the calculation method for molecular weights of direct coal liquefaction oil narrowboiling range fractions were studied based on the comparison of a great deal of experimental sol-vent samples and their molecular weights. In comparison with the results of freezing point de-press method, the precision for calculating the molecular weights of coal liquefaction oil by NE-DOL 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一1. 3. For Neimengoil, average error is - 3. For Heishan oil, average error is一2.7. 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 gasi-fication 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-sult.KEY WORDS IGCC, gasifier, gasification parameters, gasification result, gasifier charac-teristics