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 TECHNOLOGYIGCC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,北京10004;2.三菱重工业株式会社长崎研究所,日本)摘要:目前国内对CCC的研究形成一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GC系统的研究,其示范电厂将于200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CC系统的三菱长崎研究所的访问和调研,釆用 Aspen Plus软件,对此系统作了详细分析,并与She气化炉和IGCC系统作了对比,得出了一些有益的结论关键词: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(20002001-05煤炭气化技术种类繁多1,其中高压、大容量的本文选择Shel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ICC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一步探讨。气化剂的种类划分,主要分为吹空气的空气气化炉和吹氧气的氧气气化炉。目前气流床的空气气化妒1气化炉模型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2/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200/d,并用于IGCC实验对She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470h,其中包含78%h的连续运行。之后,根据在7IGCC实验电厂中的运行经验,对气化炉设计做了如图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24d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1000~1100℃C,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GCC示范电站的项目,设计并建造了170d的冷却,冷却到400℃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40℃左右被加热到350℃左右,然后送究结果,釆用粉煤进料方式、并用冷却器回收合成气入燃气轮机燃烧室。显热的气化炉用于IGCC电站净发电效率最高。2所示气化部分分为两段,下段是燃烧中国煤化工CNMHG·收稿日期:2007-01-30改稿日期:007-02-09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ICC及多联产系统等方面的研究工作燃气轮机技术第20卷输煤氮气高温合成气MDEA单约350℃去燃气轮机分解模块( YIeld)高温气体飞灰再环分解产物气化炉第一段RGibbs模块)图1MH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氰气在第一段中送人,第一段反应器出口的气体温度达输煤氮气1800℃,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1000℃图4 Aspen空气气化炉模型示意图表1气化用煤的煤质分析700℃粗煤气元素分析水分灰分CHN0s0(w%)47.5473.645,241.1302.639.82工业分析水分灰分挥发分固定碳HR卜飞灰向第二段气化反应提供热绿对于Shel类型氧气气化炉的模型验证,文献温度降低[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IGC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。熔渣00014001800表2气化模型验证MH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图3和4分别是用 Aspen Plus软件建造的两种263气化炉模型。表1是气化用煤的工业分析和元素分析。氧气气化炉模型直接采用文献[4]中的研究结2.8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所本节将两种气化炉用于IGCC系统中,对系统整体进行建模计算。针对两种情况:第一种情况的IGCC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,生分解模块输煤氯气气化炉高温合成气产气化所需的高压空气。氧气气化炉采用独立的低(YIeld)( RGibbs模块)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V中国煤化工产品的小空分(低图3 Aspen氧气气化炉模型示意图压空CNMH定全整体化空分的IGCC系统,从燃气轮机压气机出口抽取一部分空气(约占燃机压气机总气量的16%),送到大空分进第2期GCC系统中空气气化炉与氧气气化炉的对比研究3口,由于燃气轮机压气机的出口压力较高因此采用高祖合成气6「参气体净化中压空分(加工空气的压力范围从14.5bar到24.5ba9)。其中不同计算参数的选取如表3所示。煤1「气化炉b模换合成气7合成气9表3计算参数选取换热器空气压缩机氧气压缩机飞灰过滤器氮气压缩机0.8输煤氯气4粗合成气0.75燃气轮机压气机0.85燃气轮机透平放蒸汽轮机高压透平蒸汽轮机中、低压透平机械效率0.99大气温度空气2空分中空气压缩低压空分机出口压力6.5b(燃机压图6采用独立空分的氧气气化炉ICCC系统示意图空分中氧气氮气出口压力1 mbar表5独立空分的氧气气化炉ICC系统主要物流空分中氧气、氮气出口15℃温度气化炉热损失输人煤热值的05%物流温度/℃压力/bar质量流量/kgh21气化系统与燃机独立的流程15由氮气输送150002进空分空气63913R化护间高温合成气73空分放空4输煤氮气1.0211 851高温气体65氧气15.61.021539506气化炉出口139030313754合成气97与冷煤气掺混后00293联合福环气18对流换热器出口3672935200659净化单元出口约气回a粗合成气810燃气轮机入口36028.5301048输媒氧气4[副产品氧气511余热锅炉出口烟气3862空分表6为非整体化空气气化与氧气气化两种IcC空气2系统参数的对比。由表6可知在空气气化与燃气轮机独立的GCC中,气化所用的大量空气都需要压缩到气化所需压力故耗功很大,约11.3MW。用于生图5采用独立空气压缩机的空气气化炉产输煤氮气的空分耗功仅为1Mw,耗功很小。CCC系统示意图表6与燃机独立系统的结果对比表4独立空气压缩机的空气气化炉ICCC系统主要物流MHI IGCCShell igcc(HⅣ)%物流温度/℃压力/bar质量流量/kg/h净发电效率(LHV)%45,2715由氮气输送155000空分耗功空气1013输煤氮气压缩机耗功MW2进空分空气1548氧气压缩机耗功W23.54输煤氮气空气压缩机耗功l1851合计MW7.25氧气副产品.02燃气轮机压气机耗功Mw300.6448.66气化炉第一段出口8003080l605压缩机耗功总计MW520.87气化炉第二段出口燃气轮机空气流量U/h8气化炉整体出口燃气轮机净出力406.6376.8净化单元出口蒸汽中国煤化247.928.5独立的IGC系统11余热锅炉出口烟气3234970NMHG中,因空气压缩机把来自大气的空气压缩至6.5bar,空分出口的产品压力仅气轮机技术第20卷为1.02bar,因此在 Shell炉的ICCC系统中,从空分高温合成气7出来的氧气继续送入氧气压缩机压缩到略高于气化化炉第炉操作压力,而由空分出来的氮气直接放空,但由于高温气体6这部分氮气压力仅1.02bar,因此并不会给系统造成合成气9bb块太大的效率损失。用于空分和氧气压缩机的耗功为合耳气170.MW(46.6+23.5),小于空气气化系统的空气压缩机耗功。/e2/ca粗合成气8要注意的是,空气气化中的空气压缩机实际上输煤氮气4出空分承担了相当大的一部分燃气轮机压气机的耗功使来自燃机压气机的压缩空气2燃机压气机的空气流量大大减少。如表6所示,空气气化的燃机压气机功耗为300.6MW,远小于氧气空气3气化的448.6MW,燃机压气机进口的空气流量2387t/h,小于氧气气化对应的3562h。综合考虑气7采用与燃机整体化的空气气化炉IGCC系统示意图化系统中的压缩机功耗与燃机的压气机功耗,可以高温合成气6气体净化看出,空气气化系统的采用使系统总耗功相对于氧气气化系统减少,前者为425.6MW,后者为520煤1「气化炉趣合成气成气9合成气8MW。换热器换热器联合循环由于以上原因,空气气化IGC系统比氧气气化IGCC系统的热效率高约1个百分点。制飞灰过滤输煤氮气粗合成气82.2采用与燃机整体化的流程氧气6图78和表78分别是与燃机整体化的空气气化炉IGCC系统和氧气气化炉IcCC系统的示意图及主要物流表。如图7所示,由于空气气化炉中的来自燃气轮机压气机的压缩空气2空分只是为了生产输煤氮气,因此规模很小,故仍旧采用低压空分,与燃机独立。但气化所需的高压空图8采用完全整体化空分的氧气气化炉气全部从燃气轮机压气机出口抽取然后用空气压ICCC系统示意图缩机进一步加压到气化炉需要的压力。而氧气气化表8采用完全整体化空分的氧气气化炉炉的空分采用中压空分,以便与燃气轮机压气机提ICCC系统主要物流供的高压空气匹配,如图8所示。计算所得的各主物流温度/℃压力/br质量流量/kg/h要物流结果见表781煤15由氮气输送155000表7采用与燃机整体化的空气气化炉CCC系统主要物流2由燃机压气机抽取的空气922670温度/℃压力/质量流量/kh3空分放空1550108915由氮气输送155004输煤氮气2由燃机压气机抽取的空气505氧气进空分空气,来自大气15154826气化炉出口3177504输煤氮气161.02与冷煤气掺混后0029.35277345氧气副产品15.61.8对流换热器出口6气化炉第一段出口1800308019净化单元出口7气化炉第二段出口57710燃气轮机入口3028气化炉整体出口36129.386557711余热锅炉出口烟气1201.043795909净化单元出口28.5表9为整体化空气气化与氧气气化ICCC系统10燃气轮机入3432811余热锅炉出口烟气1201.0143229450参数中国煤化撚气轮机压气机效率高率,因此,空气气化炉的CNM得的高压空气再进一步压缩,使得系统净发电效率为45.86%,高于第2期ICCC系统中空气气化炉与氧气气化炉的对比研究对应的气化系统与燃机独立的ICC系统(4.压缩机效率仅取08。而工业实际中,由于空气压缩81%)。但采用完全整体化的Shel类型ICC系统机大多采用间冷等措施使得效率更高约08-0.9,净发电效率为42.53%,低于对应的独立空分的本文保守地取下限如果空气压缩机效率提高则氧ICCC系统(43.61%),原因在于,从燃气轮机压气机气气化整体化做法的劣势更为明显。出口的空气压力较高(18-19b),因此只能选择中压空分而中压空分对压力能的利用效率低,因此系3结论统效率下降。考虑到中压空分出口的氮气仍有一定(1)对三菱两段式空气气化炉进行建模计算,所压力(约6bar),因此采用膨胀透平进行回收,ICCC得气体组成与实验结果相符合,故所建模型可用于效率可提高到43.3%。两种气化工艺的比较表9与燃机整体化的系统结果对比(2)空气气化ICC的净效率高于氧气气化MHI IGCC Shell IGccIGCC约1个百分点。因此从纯发电角度来看,空气HHV/%42.53/43.3净发电效率LHV/%47,6844.19/44.9气化ICC有一定的优势。空气气化IGCC若采用空分耗功整体化设计,则效率还有提高1个百分点的潜力。输煤氮气压缩机耗功MW2.10.77但由于空气气化炉出口的合成气中氮气摩尔组分氧气压缩机耗功超过50%,是否适宜作为化工原料还需进一步研空气压缩机耗功12,9MW.73究。一般而言,从多联产角度来看仍需氧气气化工燃气轮机压气机耗功MW524.5艺;压缩机耗功总计405,6543.5(3)根据对三菱气化炉和She气化炉研究的结燃气轮机空气流量h燃气轮机净出力MW316.9果,在不考虑空分的情况下,气化炉容量相同时,蒸汽轮机出力256.245.6三菱空气气化炉投资比She氧气气化炉投资约少四种ICC系统的空分、气化用空气、燃气轮机15%,若再考虑空分的投资和运行维护费用,则空气压气机的耗功如图9所示。从图9中可以看出,从气化炉的经济优势更为明显。独立的IGCC系统变化到整体化的ICCC系统,空气(4)对氧气气化工艺,空分系统与燃气轮机的整体化(除了操作、控制不便之外)不会给ICC系统She整体化效率提高带来好处,甚至可能导致整体效率降低(由MHI整体化【于中压空分效率较低)。Shell独立答的参考文献M独立防[1]沙星中杨南星煤的气化与应用[M]上海:华东理工大学出版100200300400500600[2]焦树建整体煤气化燃气一蒸汽联合循环[M]北京:中国电力出口空分的空压机耗功■输煤气压机耗功■氧气压给机耗功版社,196日燃气轮机压蝙机耗功口空气压蜿机耗功[3]小山智规三菱重工业株式会社技术本部长崎研究所 Personal图9cC系统压缩机功耗比较[4]张斌多联产能源系统中二氧化碳减排的研究[D]清华大学博气化炉的ICCC系统压缩机总功耗减少,而氧气气化士学位论文,2005炉的ICC系统压缩机总功耗增加。主要原因在于[5]Shell Gasifier IGCC Base Cases. NETL, PED-IGCC-98-001, 2000低压空分和中压空分的功耗不同。根据空分行业的6J王辅臣费欣等S粉煤气化炉的分析与模拟[,大氯肥,普遍数据低压空分装置的能耗为1400~2100kJ/m3O22002,P381-384[7] Masaki Nakahara.日本250MW空气气化CCC示范工程[J]上海电(04~06kWh/m3O2),而中压空分装置的能耗为320力,2005,P466-4684600J/m3O2(0.9-1.3kWh/mO2)9。在本文的计8】焦树建,日本的NC示范工程与研发工作』.燃气轮机技术算中,低压空分功耗为46.6MW/153.9kg/h=0.中国煤化工432kWh/kgQ2,而在不回收氮气压力能时,中压空分能CNMHG(下转第41页)耗为0792kWh/kgO2。在本文计算参数选取中空气第2期一次表面回热器全程通道流动和传热分析系数还要大。因此,波纹板角度的选择要考虑流动热器与θ=0相比具有更显著的换热效果,可使换和换热的综合作用,选取最佳值。热器更加紧凑。4结论参考文献(1)利用修正系数法,预测θ≠0全程通道回热1 ]KAYS W M, LONDON A L,宜益民译紧凑式热交换器M北京器的换热系数和压力损失,解决了无法用数值分析科学出版社,1997方法对C型RR整体回热器的传热分析简化了【2】 M CIOFALO, J. STASIEK AND M. w.ous. Investigation of flowand heat transfer in conugated passages-I Numerical simulations[J]整体回热器设计过程,满足工程上对整体回热器传Int ]. Heet Mase Transfer, 1996, 39(1): 165-192.热性能的估算。[3]陶文铨数值传热学[M]西安:西安交通大学出版社,19882)可以通过实际回热器模型实验,检验和修正4] Wang Wei, Song Yong, Yu hongying, Huang Zhongyue. Investigation of上述的系数,使模拟结果更接近实际值,更好地进行heat transfer and flow through entire flow passages for primary suface re-整体回热器的设计和优化。cuperntorR]. Proceedings of the 2nd Intemational Conference on Coolingand Heating Technologies, 36-43(3)对于同样的压损条件,0=60与0=120回Investigation of flow and heat transfer through entire flowpassages for primary surface recuperatorSONG Yong, WANG Wei, YU Hong-ying, HUANG Zhong-yueSchool of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)Abstract: Because of complexity of heat transfer and flow through entire flow passages, it is hard to figure out the heat transfer coefficient by numerical simulations, which also makes the design calculation of recuperator difficult. The three-dimensional numerical simulation of flow andheat transer was conducted for primary surface recuperator( PSR)at the angle of 0, 60and 120 in the cross-corrugated passages in this pa-per. The heat transfer coefficient and pressure drop of entire flow passage at the now angle of 60 and 120 are obtained based on the specialmodifying coefficient and the numerical simulation results of unitary cell and entire flow passage at the flow angle of oKey words: primary surface recuperator; numerical simulation; entire flow passage; modifying coefficient(上接第5页)[9]张祉估,石秉三低温技术原理与装置(下册)M]北京:机械工业出版社,1985Comparison about air-blown gasifier and oxygen- blown gasifierbased on IGCC systemsGAO Jian, N Wei-dou, Koyama Yoshinori(1. Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Nagasaki R&D Center, Mitsubishi Heavy Industries Limited, Nagasaki, JaAhstract: It is very popular recently to do research with IGCC system, and a lot of results and paper are puhlished. However, they all focus onoxygen-blown gasification technology base. Mitsubishi Heavy Industries have devoted to work on air-blown gasifier system for nearly 20years, and the domo plant would be in operation in 2007. In this paper, according to references and study results obtained by visit to MH Na-saki R& D enter, Aspen Plus software is used to analyze the air-blown中国煤化工 GCC system, and comparewith Shell gasifier and relevant IGCC system. The results show that air-blownHCNMHGwith oxygen blown systemKey words: power machinery engineering; air-blown gasifier; oxygen-blown gasifier; IGCc