新型煤气化间接燃烧联合循环研究 新型煤气化间接燃烧联合循环研究

新型煤气化间接燃烧联合循环研究

  • 期刊名字:中国电机工程学报
  • 文件大小:141kb
  • 论文作者:向文国,狄藤藤,肖军,沈来宏
  • 作者单位:东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室
  • 更新时间:2020-07-10
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论文简介

第24卷第8期中国电机工程学报VoL.24 No.8 Aug. 2004_2004年8月Proceedings of the CSEE@2004 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号: 0258-8013 (2004) 08-0170-05中国分类号: TQ546文献标识码: A学科分类号: 480-70新型煤气化间接燃烧联合循环研究向文国,狄藤藤,肖军,沈来宏(东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京210096)INVESTIGATION OF A NOVEL GASIFICATION CHEMICAL LOOPINGCOMBUSTION COMBINED CYCLEXIANG Wen-guo, DI Teng teng, XIAO Jun, SHEN Lai-hong(Key Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of Ministry of Education,Southeast University, 210096 Nanjing, China)气相产物为H20(汽)+CO2,冷凝水后,可分离出CO2。 结chemicalooping combustion(GCLC-CC) is proposed. The合燃气蒸汽联合循环技术,构成新型煤气化间接燃烧联合system offers a potential method for coal combustion with CO2循环,实现燃煤高效和CO,分离。文中通过数学建模方法,separation. After pressurized, coal slury enters a pipe-typed对系统特性进行仿真计算,预测煤气成分,研究载氧体还gasifier immersed in the CLC air reactor and takes in the heat原比率、循环倍率、煤气成分等参数对间接燃烧性能的影released from the air reactor. After removal of particulates, the响,为间接燃烧技术的实验研究和系统概念设计提供基础syn-gases are used as the fuel of CLC fuel reactor. The technique数据。involves the use of a metal oxide as an oxygen carrier which关铡词:热能动力工程:间接燃烧(CLC;联合循环:流化transfers oxygen from the combustion air to the fuel, and the床; CO2分离direct contact between fuel and combustion air is avoided. Theproducts of combustion, i.e. CO2 and H2O, are kept separate from1引言the rest of the flue gas. After condensation of the water almostCO2是最大的温室气体,燃烧过程中减排CO2pure CO2 is obtained. Combined with the technology of gas已成为研究热点。燃煤火电技术均以空气为氧化turbine and steam turbine, a combined cycle is formed. Thecomponents of syn-gases are estimated according to mass剂,生成的烟气中CO2只占10%~20%, 又因CO2 .equations and reaction equations in this paper. The influence of的后续处理成本太高,难以实施。在燃烧过程中生oxygen carrier reduction ratio, circulation ratio and water/coal成高浓度的CO2或便于CO2分离的气相混合物(如ratio on the performance of the CLC reactor, for example, inletH20+CO2),同时消除其他污染物的生成排放(如and outlet temperature of air reactor and fuel reactor, theNO、SO2及Hg等),是一条有效的途径,选择纯minimum air needed, are discussed. Some useful results are氧作氧化剂,已经得到普遍认可。但是,制取纯氧reached and can be used to design the experiment device and for或富氧,需消耗大量的能量,对于发电厂来说,其further study.消耗的电力可占厂用电量的10%以上,限制了此技KEY WORDS: Thermal power engineering; Chemical-looping术的应用。在燃料燃烧之前,进行脱碳处理,可以combustion (CLC); Combined cycle; Fuidized bed; CO2消除CO2的排放,如对燃料进行气化、重整/分 离separation出清洁的氢能,燃用氢能可以实现零排放,但是需摘要;以煤为燃料,通过气化和间接燃烧等技术,实现燃要开发出高效低成本的CO2、H2分离膜等相关技煤发电的CO2分离。水煤浆增压后,利用间接燃烧过程热术。源气化。以金属氧化物为载氧体,实现间接燃烧(CLC), 即间接燃烧,如图1所示,气体燃料不直接与载氧体与煤气的“燃烧”和载氧体与空气的再生,“ 燃烧”空气接触,以金属氧化物为载氧体,在一定的温度基金项目:国家自然科学基金项目(50376010)。中国煤化工反应,结合氧;然后Project Supponed by National Natural Science Foundation of China(50376010).CNMHG真.气相反应产物只第8期向文国等:新型煤气化间接燃烧联合循环研究有CO,和H20(),凝结出水,得到高纯C2。可合燃气轮机、余热锅炉和汽轮机技术,设计出包括见在没有能量损失的前提条件下,间接燃烧能实现CO2分离系统的间接燃烧煤气化联合循环系统,如CO2分离。图2所示。NtOCO2+H2O| Me.O(+Me)空气反应器燃料反应器Me(+Mc,O,)0汽轮机电机L气燃料图1间接燃烧原理Fig1 Chemical loping combustion发个气物该系统由2个不同的化学反应过程组成:水雄浆 t反0衢料HO(1)金属载氧体的载氧反应压蠕机xMe + W/2)02→ Me2O,(1)流化C,气体(2)金属氧化物与气体燃料的脱氧还原反应分离出的CO,+一气体燃料(以 CH为例)在常温条件下,性能相混合器对稳定,但在高温下,具有相当大的活性,可与金圉2 GCLC-CC 联合循环系统Fg2 Schematic o coal gicationo chemlcal loping属氧化物Me,0,进行下述反应combustion combined cycleCH +(4/yMe,0, -CO2 + 2H2O+(xy)Me(2)把煤粉、石灰石和水的混合物制成浆体,经桨空气反应器内的氧化反应是放热反应,而在燃泵输送至水煤浆管式气化反应器内,在空气反应器料反应器内的还原反应是个吸热反应,两者热量之内吸热,进行高温煤气化反应,同时完成脱硫。经和等于气体燃料与空气直接燃烧的放热量。过气固分离后,成为含有少量水蒸汽的气体燃料,Lyngfelt A.等2以CH4为气体燃料,以Fe2O,即CH+CO+H2+H20+CO2;然后,进入燃料反应器和NiO为载氧体,对CLC锅炉进行概念设计同,内进行“燃烧”,生成CO:+H2O (汽),经过除尘研究了该金属氧化物的反应特性。Brandvoll 0.等I41和冷凝,分离出水,再经过冷却压縮分离出CO2,对采用CLC技术的联合循环系统进行热力性能计再回送部分CO2至燃料反应器内,作为流化气体。算与分析,Anheden M. (5网对以煤气化合成气体燃空气经过燃气轮机压缩后,进入空气反应器,料的CLC进行初步分析。金红光等7-9研究了H为与脱氧后的金属载氧体进行氧化反应,完成金属氧燃料的CLC燃烧机理,分析研究了相关联合循环化物的再生,同时释放大量热量,这些热量方面的热力性能101,同时对基于CLC燃烧技术的整作为煤气化反应用热,另-方面将空气加热至较高体化煤气化联合循环作了初步研究13.4).温度(1200C以上)。脱氧后的高温高压空气经过除本文采用非燃烧方式实现煤气化,将间接燃尘,进入燃气轮机作功。另外,燃气轮机排气和烧、煤气化和联合循环等技术结合,构成煤气化间CO+H2Q0(汽)等其它放热过程组成余热锅炉产生蒸接燃烧联合循环(简称GCLC-CC,以实现燃煤发汽,进入汽轮机作功。电的CO2分离。其步骤是:以煤为燃料,将煤制成载氧体氧化反应器(空气反应器)和载氧体还原水煤浆,增压后通过CLC热源进行气化,以金属反应器(燃料反应器)间接燃烧系统,采用了串行流氧化物为载氧体,通过间接燃烧原理和串行流化床化床间接燃烧技术技术,如图3所示。串行流化床等技术,分离出CO2;结合燃气蒸汽联合循环技术,由3种不同流态化的流化床所组成,即空气反应器系统效率将得到提高:如能完成SO2、NO,和重金(循环流化床)、燃烧反应器(鼓泡流化床)和气体隔属等的脱除,可以实现燃煤零排放。绝分离器(移动流化床)构成,在空气反应器内金属后应生成金属氧化物载氧体2煤气化间接燃烧联合循环系统(GCLC-CC)M中国煤化工e,0,进入燃料反应本文利用燃煤CLC间接燃烧零排放技术,结器:YHcNMHG产CO2和H,0(汽),172中国电机工程学报第24卷最终将煤“燃烧”产物转变为纯净的CO2。在燃料左右。煤气化主要成分有co、H、CH、CO2和H2O.反应器内经还原反应后金属氧化物Me,O,转变为金考虑到煤中硫元素的存在,高温下煤中有机硫和硫属Me,经气体隔绝分离器返回到空气反应器,进酸盐、硫化物等无机硫化合物都会分解,因此,大行金属氧化物的再生。串行流化床技术,采用双重部分S以H2S,少量以Cos的形式转入煤气中。颗粒密封技术,即气体隔绝分离器以及旋风分离器此外,煤气中还含有极少量的N2。料腿(Downcomer)颗粒密封技术,具有双重功效,由于炉内温度高,炉中的煤粉即使在很短的停既能高效阻止两个反应器间气体泄露掺混,又能允留时间内也能完成气化,获得很高的碳转化率。提许燃料反应器采用较高的流化速度,维持金属氧化高气化压力,既增加了反应物的浓度,又提高了反物和气体燃料之间具有足够的还原反应速率,将气应速度,还有利于H2与CO之间进行的甲烷化反体燃料转变为CO2+H20 (汽),实现CO2分离。应,使煤气中CH含量显著增加,提高煤气热值。空气反应器给定碳转化率x。,根据下述质量平衡关系式、反应平衡方15.16和能量平衡方程可对气化炉煤气水煤浆(化反应器成分作出估算:- +H0+CO, .水煤长5燃料反应器qYCo=0.0265exp(3956/Tg)(3)YcoXl,o .*中气体隔绝分离瑟YCo唱p2=6.7125x10~18 exp(27020/Tg) (4)Yso,鼠P图3燃煤串行流化床排放系统示意圉(6)Fig 3 Layout o chemlcalooping combustion process withYosYr2othree interconnected fuidized beds式中Y 表示各气体组分的摩尔百分数; p为气化本文从两个反应器间的能量平衡关系角度,研运行压力; Tg 气化反应温度。究过程的热力学特性,包括:①预测水煤浆气化成4燃料与空气反应器的热力学数学模型分,根据工作条件(包括气化运行的温度和压力)以及水煤浆的水煤配比,预测煤气的成分,为研究间在两个反应器的数学模型中,本文选择接燃烧的热量分配提供数据:②研究空气反应器(载Fe2Oy/FezO/FeO 为载氧体。在空气反应器中,假设氧体氧化反应器)内的反应关系、金属氧化物载氧载氧体的氧化过程反应充分,FegO, 或FeO在空气体的氧化形式对间接燃烧特性的影响关系;③研究反应器中100%氧化为Fe2O;在燃料反应器中,煤燃料反应器(载氧体还原反应器)内的反应关系、金气完全转化,即CO、CH, 以及H2能100%转化为属氧化物载氧体的还原形式对间接燃烧特性的影响CO2和H2O,其中碳氢转化率为100%。燃料反应器:载氧体发生脱氧反应,转化为关系以及载氧体循环倍率对系统性能的影响。通过研究计算,为设计试验装置提供数据,获Fe,O4或FeO(暂不考虑Fe),并生成CO2和H2O.得水煤浆的配比、载氧体特性、循环倍率、运行条定义还原比率为Fe2O还原为FezO,所占的份额,件等相关参数。根据仿真计算,为研究水煤浆增压则有下述反应的吸热过程:气化机理、CLC及其载氧体的特性和反应动力学特Fe2O3 +(1-2B13)CO .→(2β/3)FeO4 +性提供试验设计指导。2(1- )FeO+(1-2β13)CO2(7)3煤气化及煤气成分预测Fe2O3 + (1/4- B/6)CH4→(2β13)Fe;O4 + 2(1-B)Fe0+(1/4- β16)CO2 +(1/2- β13)H2O (8)载氧体在空气中再生时将会释放出大量的热量,利用这部分热量,以水蒸气为氧化剂,以水煤中国煤化工B/3)Fe204 +浆方式制取粗煤气。气化区的温度可选择在1100CMHC N M H G2B13)H20 (9)第8期向文国等:新型煤 气化间接燃烧联合循环研究173根据式(7)~(9)的反应关系,可确定载氧体还原反应的能量平衡方程和金属氧化物载氧率为R空气量R。="ox-mm(10)mox最小空气量式中max 为载氧体氧化后的质量数; ma为载氧体氧化前(还原后)的质量数。”0.6空气反应器:载氧体发生载氧反应为放热反应还原比事β圈5空气反应戆空气l与还原比率变化的关系(2β/3)FesO, + 2(1- β)FeO+Fig5 The change o air flow 1 the reduction ratio(1/2- β13)O2→Fe203(11)(2)循环倍率变化对CLC性能的影响据式(11)可确定载氧体Fe2O3 的最小质量ma最小选择空气反应器的空气入口温度为400C, 出空气量Amim和氧化反应过程的能量平衡方程。实际口温度为1200C, 还原比率为0.4, 燃料反应器的过程中,实际载氧体质量(mre,O, )大于最小载氧体载氧体进口温度为1190C,出口温度为600"C,煤质量(min)。气入口温度为600C,出口H20+CO2温度为600C。定义循环倍率为随循环倍率增大,氧化反应器加热空气的能力随之c= mre,o, /mmin降低,如图6所示。.5仿真结果分析(3)水煤比对CLC性能的影响(1)还原比率的变化对CLC性能的影响尽管计算表明改变水煤比a对反应所需最小空若载氧体Fe2O3 完全转化为Fe2O, 燃料反应气流量无影响,但随着a的增大,在空气反应器出器内将有大量的热量释放;当还原为FeO/Fe的比口温度选定的前提下,气化过程吸热量增加,空气例增加,燃料反应器将是吸热过程,且吸热量会增流量将减小。当a>0.54 时,空气流量已不能满足加选择空气反应器的空气入口温度为400"C, 出反应对氧量的需要,出现供氧量不足:另-方面,口温度为1200C, 循环倍率为1.3, 燃料反应器的a的增大,燃料反应器剩余热相应增加,如图7载氧体进料温度为1190"C, 出口温度为600C,煤所示。.气入口温度为600"C,出口H2O+CO2温度为600C.图4为所需最小载氧体Fe2O3 质量与还原比率变化空气量的关系,随着还原为PezO, 的比例增加,最小载氧体质量会随之增加。图5为还原比率变化与空气反应器中空气量的通流能力的关系,随着还原为FezO4 的比例加大,1.01.14所能加热到1200C 的空气量减少。满足载氧要求循环倍*c的最低空气量也随还原比率的增加而减小。圈6循环倍宰与空反应器空气的关系Flqg6 The change ot air tow to the dirculation ratio展2s r xI03.6还原比率B.6水煤比a團4最小载氧体质t与还康比率变化的关系刚余热量关系Fig.4 The change of minimum oxygen carrier to the中国煤化工sed from fuel reactorredution ratioMYHCNMHGio174中国电机工程学报第24卷6结论[4] Brandvoll 0. Bolland 0. Inbertnt CO, capure using chrmialoopingcombustion in a natunl gas fired power cycle[AL Poeedings of ASME本文对采用间接燃烧(CLC)的新型煤气化燃气TURBO EXPO 202C120 Anstedam, The Netetands, 200202蒸汽联合循环系统的燃烧部分进行了性能计算,得[5] Anheden M. Analysis of gas turbine systems for sustainable energy到了以下结论: .conversion[D] Department of Chemical Enginering and TechnologyEnergy Processes, Roye! Istite of Technology, Stockholmn, Sweden(1)煤气中主要成分是CO、H2和CH,,CO的.2000.量最多,H2次之。与工业上加纯氧或空气作氧化剂6] Anheden M, Svedberg G. Exergy analysis of chimialooping时的气化过程相比,计算结果表明CH,的含量增加cormbustion systems{Ih Enengy Convers. Mgmt, 1998,39(16-18);: 1967-1980.很多,可以达到10%以上,是否正确有待于试验研[7] Jin H, Okanoto T, lshida M. Developmeat of a novel chiaopingg究证实。combustion; Syonthesis of a Joping material wih a double metal oride of(2)还原比率对CLC性能的影响较明显,当还.CoO NiO[] Energy & Fuels 198.,12); 1272-1277.[8] Jjin H, Okamoto T, Ishida M, Development of a novel chenicalooping原比率小时,燃料反应器吸热,空气反应器内会释combustion; synthesis of a solbid loping malerial of NiONIAI:(), [J] Ind.放更多的热量,有利于提高燃气轮机循环效率和作Eng Cherm Res, 199(3); 126 132.功能力;当还原比率大时,即Fe2O4 还原形式增多,[91 Jjin Hh, Ihida M. Reacvity study on a novel hydogen fueled cemical则燃料反应器将会放热,燃气轮机作功能力下降,looping combusionOJ,Hydrogen Eneagy, 2001(26); 889-894.(10)]shida M, Jjin H. A ncw advanced power-generation syscm using但是燃料反应器出口CO2 和水蒸汽的做功能力将提cheimialooping combustiom[]I. Enengy. 1944);4 415-422.高。[11]洪意,金红光,刘龙等给水加热型联合循环系统分析研究J1.中(3)循环倍率对CLC的性能的影响明显,循环国电机工程学报2003, 23(2); 144-148.Hong Hi, Jin Hongguang. Liu Zelong.et al Study on exergy倍率加大,则载氧体带出空气氧化反应器的显热增evalution for feedwater beating combined cycle system[].加,空气反应器的作功能力减小,燃料反应器的作Procedings of the CSEE, 2003, 23(2): 144-14功能力增加。[121 段立强,林汝谋,蔡睿贤,等整体煤气联合循环a

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