气化参数对IGCC系统中气化炉性能的影响

第29卷第7期动力工程Vol 29 No. 72009年7月Journal of Power EngineeringJuly 2009文章编号:10006761(2009)06069405中图分类号:TM611.31文献标识码:A学科分类号:470.30气化参数对IGCC系统中气化炉性能的影响王颖1,邱朋华1,吴少华,李振中2,王阳2,庞克亮2,陈小利(1.哈尔滨工业大学燃烧工程研究所,哈尔滨1500012.国家电站燃烧工程技术研究中心,沈阳110034)摘要:首先单独对气化炉出口合成气成分含量进行核算,计算结果与文献基本吻合.然后建立200MW级整体煤气化联合循环(IGCC)系純模型,对基本参数下的IGCC系统进行计算,得出整个系统的性能参数最后对不同气化参数温度、水煤浆浓度、氧气浓度、OC比的气化炉性能及其整个IGCC系统效率进行比较,分析不同气化条件下的合成气成分体积含量、冷煤气效率、有效气(CO十H2)体积含量、比氧耗、比煤耗及整个IGCC系統效率的变化.结果表明:提高水煤浆的浓度,有利于提高气化炉的冷煤气效率;气化温度对iGCC系统性能彩响较大;提高氧气浓度有利于提高气化冷气效率和系统的效率,本系统对应的最佳O/C比为1.02左右关键词:整体煤气化联合循环;气化炉;气化参数;气化炉性能;系统效率Influence of Gasification Parameters on performanceof Gasifiers in IGCC SystemsWANG Ying, QIU Peng-hua, WU Shao-hua, LI Zhen-zhongWANG Yang, PANG Ke-liang, CHEN Xiao-li(1. Institute of Combustion Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China2. NPCC, Shenyang 110034, China)Abstract:The composition contents of gasifier outlet syngas were assessed first, and the calculation resultsrere basically conformed to the literature data. Then, the 200 Mw level integrated gasification combinedcycle(IGCC)system model was established, And the performance of IGCC system was calculated witIfundamental parameters, by which the performance parameters of the whole system were obtained. Final-ly, the gasifier performances and the whole IGCC system efficiency were compared at different gasificationtemperature, coal slurry concentration, oxygen concentration and O/C ratio. The syngas composition vol-ume contents, cold gas efficiency, effective gas( Co+ H2) content, oxygen consumption rate, coal con-sumption rate and the whole IGCC system efficiency under different gasification conditions were analyzedResults show that higher coal slurry concentration helps to increase the coal gas efficiency of gasifier; Gasification temperature has a relatively greater influence on the IGCC system performance, Higher oxygenconcentration is positive to enhance the efficiencies of both the cold gas gasification and the system. Thebest o/C ratio corresponding to this system is around 1.2.Key words: IGCC; gasifier; gasification parameters; gasifier performance; system efficiency中国煤化工收稿日期:2008-1208修订日期:2008-1231CNMHG基金项目:国家863高技术基金资助项目(2006 AAOSA110)作者简介:王颖(1981-),女辽宁锦州人,博士研究生,主要从事GCC系统静态特性方面的研究电话(Te):13613651552E-mail:wying811111@126.com.第7期王颖,等:气化参数对lGCC系统中气化炉性能的影响695·整体煤气化联合循环(IGCC)系统是最具潜力值,对于不同给料的 Texaco气化炉,CO的体积含的燃煤发电技术之一,为未来CO2的捕集和封存提量为32.8%~47.1%7,计算结果中CO含量在这供了可能国内外学者对气化炉及IGCC系统进行个范围内.N2、H2S、COS的含量与文献中一致,了大量的研究,如焦树建2对IGCC电站中气化炉CH4的含量过低,参照其他相关文献,这部分误型的选择及冷煤气效率对IGCC供电效率的影响进差是可以接受的,Ar的含量为0,这是因为计算中行了分析,对某些1GCC关键技术和工作系统进行采用的气化剂是纯度为98%的氧气,其余成分为了介绍,并对IGCC系统的发展方向进行了分析和N2,不考虑含有Ar展望. Zheng等人利用 Aspen Plus软件对配置有豪2计算结果(C)和文獻值(L)的比较Shell Texaco、BGL和KRW4种气化炉的IGCC系Tab2 Comparison of calculation results with literature data统进行了比较与分析,讨论了气体成分及气化炉选择对整体特性的影响李政等人利用模型,详细分Co H COz HO CH, N2 H2S COs A析了气化炉主要运行参数对气化炉性能的影响.NiL40.8029.6010.2017.000.300.901.000.100.10等人提出了新的气流床气化炉的模拟方法,探讨C42.302.008.7018.000.020.881.000.100.00了O/C比、温度和压力对气化成分及冷煤气效率的影响Wen等建立了气流床气化炉数学模型,分2IGCC系统的建立及其计算条件析了气化成分含量随炉高的变化以及碳转化率、主建立的200MW级IGCC系统利用辐射和对流要气体成分随氧煤比和汽煤比的变化本文首先单独对气化炉进行核算,然后利用废锅回收合成气显热,气化炉净化系统(包括除尘Thermo Flex软件建立了整个IGCC系统的模型,计脱硫和COS的脱除等)与三压再热式余热锅炉之间算基本参数下的IGCC系统性能,最后比较不同气存在汽水交换,以提高系统的效率,其系统模型见化参数下的气化炉性能及整个系统效率分析合成图1.一口煤气含量冷煤气效率有效气含量、比氧耗、比煤耗及系统效率的变化.研究结果为IGCC系统气化参数的选择及其运行提供了参考1气化模型及其验证气化是IGCC整个工艺流程中最重要的过程,气化技术直接关系到整个IGCC电站的性能(包括1-煤制备系2-空分系统3-气化炉,一幅射度铜,5-对流度热力性能、经济性和可靠性等)气化系统中核心设锅,6一净化系统,7一湿饱和器8-燃气轮机,9-余热锅炉,10-蒸汽轮机备是气化炉,其性能对整个IGCC系统的性能有很图1IGcC系统模型图大影响.因此笔者首先单独对气化炉模型进行核算,Fig 1 Model of IGCC system气化条件参照文献中德士古气化炉的计算条件:气系统基本计算条件如下:空分整体化系数为度为65%,氧气浓度为9%气化炉出口温度为30%气化用爆的煤质分析见表3水媒浆浓度为1315.6℃;气化炉压力为4.14MPa;碳转化率为68%;大气温度为14℃,压力为0.1012MPa,相100%计算结果与文献值的比较见表2对湿度为79%;气化压力为3.6MPa,气化温度为1Ⅲ linois6号煤的工业分析和元素分析1310℃;考虑实际情况碳转化率为98%;燃气轮机Tb,1 Proximate and ultimate analyses of Illinois N6cal选用GE9E型号基本计算条件下IGC系统的性元素分析/%能参数见表4MCHNs0/%/%/(M·kg-1)衰3煤质分析Tab 3 Proximate and ultimate analyses of coal61.24.71.13.4中国煤化工由表2可以看出,计算结果中粗煤气组分的体CNMHG/Mkg")/c积百分率与文献中的数据基本吻合.H2和CO2的dH17.3021.741260含量略低于文献值,CO和H2O的含量略高于文献·696·动力工程第29卷4IcoC系统的性能参败致H2的绝对含量增加随着水煤浆浓度的升高,甲Tab 4 Performance parameters of IGCC system烷生成反应减弱,而甲烷重整反应加强,导致煤气中数值参数数值CH4的产量减少.但是由于水煤浆浓度的升高,使气化温度/℃耗煤量减少,导致合成气产量略有减少,所以CH4水煤浆浓度/%冷煤气效率/%7784的相对含量呈上升趋势45.330027.6400图3给出了水煤浆浓度对效率和合成气热值的H2O/%CO2/%9.2970影响.从图3可以看出,随着水煤浆浓度的升高,气CH4/%H3S/%0.119化炉的冷煤气效率由73.04%升高到77.84%,合成气的热值由7870kJ/kg升高到9505kJ/kg,整个粗合成气热值粗合成气流量IGCC系统的发电效率也升高137.40LHv/(kJ·kg-1)9505.1/(t.h48.0冷煤气效率燃气轮机出力/kW115739汽轮机出力/kW110470★粗合成气热值2001475山发电效率系统发电量/kW216210系统效率/%47.42求哥丫批86003结果与讨论3.1水煤浆浓度的影响400水煤浆浓度是指固体煤的质量浓度,它直接影响水煤浆的着火性能和热值.水煤浆浓度越高,含煤煤浆浓度/%量就越多,就越容易点燃且发热量高.为了提高气化图3水煤浆浓度对效率和合成气热值的影响系统的冷煤气效率,首先需要制备优质的水煤浆,即Fig 3 Influence of coal slurry concentration on the efficiency andsyngas heat value具备浓度高、粒度细、流动性好、稳定性好、黏度低的特点.这就要求煤要磨细,力度分布要均匀合理.同冷煤气效率是气化生成的合成煤气的化学能与时选择合适的添加剂也很重要根据实际需要和煤气化用煤的化学能之比值,是气化炉的1个很重要质特性, Texaco水煤浆浓度控制在60%~68%.的指标由于系统耗媒量由8.02th减少到7.18图2给出了水煤浆浓度对合成气成分的影响.t/h,且CO、H12CH含量均增加所以冷煤气效率从图2中可以看出,当水煤浆浓度由60%升高到和合成气的热值升高气化炉冷煤气效率升高说明68%时,CO2和H2O的含量减少,CO的含量由煤中蕴含的化学能更多地转化为合成气的化学能36.64%增加到45.39%,H2的含量由25.02%增加更多的能量分配到燃气轮机系统中作功,这意味着27.64%有效气含量由61.66%增加到72.97%整个电厂其他系统的需求越少,易于提高循环效率,因此系统的发电效率也升高3.2气化温度的影响气化温度对气化反应的影响较大,它决定气化反应发生的可能性与程度气化温度越高反应速率越快,碳转化率也越高图4给出了气化温度对气化炉合成气成分含量0.00621的影响.从图4中可以看出,CO含量随着温度的升高而增加,在1400℃后稍有下降.H2含量在1000水煤浆浓度/%℃左右达到最大值,CO2含量在1300℃左右达到2水煤浆浓度对合成气成分的影响Fag2 Influence of coal slurry concentrate ou syngas composition最小值HO的含量随着温度的升高而明显增加,CH4含量则明显减少,由7.565%减少到0.0004%水煤浆浓度升高意味着单位煤浆中煤含量的增加和水含量的减少煤含量增加有利于C与CO2发分解中国煤化工甲烷在高温下会CNMHG少温度升高时,生 Boudouard反应和水煤气反应,从而有利于COCO2如仅厘和小碟飞厘加理,使CO和H2含和H2的生成而水含量的减少使水煤气变换反应量呈增加趋势,同时,CO氧化反应加强,使CO2含左移不利于H2的生成,这2种因素综合作用,导第7期王颖,等:气化参数对IGCC系统中气化炉性能的影响697气反应和CO2还原反应加剧,CO变换反应平衡点左移,CO和H2的产量增加.实际生成的CO2是减姓x=8少的,但由于气化剂流量减少导致产生的煤气总量减少,因此CO2浓度略有上升.随着氧气浓度的升825高,有效气含量增加,冷煤气效率和系统效率均提高气化剂的流量减少,比氧耗和比煤耗均减少,所以在条件允许的前提下,提高氧气浓度对系统很气化温度/℃有利图4气化温度对气化炉合成气成分含量的影响表5氧气浓度的影响Fig 4 Influence of gasification temperature on syngas compositionTab. 5 Effect of oxygen concentration量增加(C变换反应平衡点左移又导C0和们。H2含量减少,综合作用的结果使得CO和H2含量冷煤气效率/%77先增加后减少,则有效气含量也先增加后减少,CO2发电效率/%39.4939.5339.57395939.6139比氧耗/(103kg·m-3)527.7516.4505.6500.4495.4491l.0含量先减少后增加,H2O含量增加.可见,在一定气比煤耗/(10kg,m-)710.1709.3708.570.1017.3化压力下存在最佳的气化温度,如果温度太高,不仅有效气/%71.5472.0372.5172.7372.9773.19使有效气含量减少、冷煤气效率降低和氧耗增加,而Co/%44.4944.7845.0645.1945.3345.46且过剩的热量以粗煤气显热的形式排出,给回收增H2/%27.0527.2527.4527.5427.6427.加困难,这样势必造成热效率降低和投资增加CO2/%9.2529.2689.2839.2909.2979.304H2O/%16.8716.9116.9616.9817.0017.02图5给出了气化温度对比氧耗和比煤耗的影响从图5中可以看出,随着气化温度的升高比氧3.4O/C比的影响耗和比煤耗均先减少后增加.比氧耗为每生产1000在煤气化过程中,氧煤比既是最重要的反应条m3气体(CO+H2)的用氧量.比煤耗为每生产件,又是控制气化炉气化过程反应操作的主要条件1000m3气体(CO+H2)的用煤量.在压力一定的条之一本文中采用的O/C比是氧气中和煤浆中的氧件下,随着温度的升高耗煤量和耗氧量均增加,而原子与煤中碳原子的物质的量的比值有效气的含量先增加后减少,因此比氧耗和比煤耗图6给出了O/C比对气化温度、有效气含量及先减少后增加效率影响.从图6中可以看出,随着O/C的增大,气化温度呈线性升高,且升高较快,有效气含量先增加后减少.气化炉冷煤气效率和系统的发电效率均下降2600气含量K怒180冷煤气效率8001000120014001600气化温度℃图5气化温度对比氧耗和比煤耗的影响Fig 5 Influence of gasification temperature on oxygen and coal con-070.8091.01.12133.3氧气浓度的影响图6O/C比对气化温度、有效气含量及效率影响系统气化所需氧气由空气分离系统供给.表5Fg6 Influence of O/C ratio on gasification temperature, effective给出了氧气浓度对系统性能的影响gas content and efficiency氧气浓度的升高意味着气化剂流量的减少和带随着O/C比的增大,氧量增加,从而有利于C入的N2量的减少从表5中可以看出随着氧气浓的燃中国煤化工CO2,同时释放出度的升高,CO和H的含量增加,CO的浓度略有大CNMHG要原因,由图6可上升,HO的含量也增加,这与文献[3]中结论一知,当UC比增加0.1时,气化温度升高大约200致因为随着氧气浓度的升高气化温度升高,水煤K因此通过调节O/C比可以很好地调整气化温·698·动力工程第29卷度,从而调整气化炉的状态随着O/C的增大,有效因为随着O/C比的增大气化温度升高,所以气含量先增加后减少,在OC比为1.02左右时取比氧耗和比煤耗随OC比改变的变化规律与随温得最佳值,此时对应的气化温度为1200℃左右随度变化时的规律相同着O/C比的增大,虽然CO和H2的含量增加,但是由于CH,含量急剧减少(由16.16%减少到近4结论0%),导致气化炉冷煤气效率降低,合成气的热值和(1)提高水煤浆的浓度,有利于提高气化炉的冷系统的发电效率也随之降低煤气效率,增加有效气含量,提高合成气的热值,从图7给出了O/C比对主要合成气成分含量的而有利于提高IGCC系统的发电效率影响.从图7中可以看出,随着O/C比的增大,CO2)气化温度对IGCC系统性能的影响较大,低和H2的含量先增加后减少,CO2的含量先减少后温时提高气化温度,有效气成分含量增加,比煤耗和增加,CH4的含量急剧减少,H2O的含量增加比氧耗均减少,但是随着温度的继续升高,这些参数将呈现相反的变化趋势.(3)提高氧气浓度有利于提高气化冷煤气效率和系统效率(4)O/C比对系统的影响是通过影响温度而体现的.本系统对应的最佳O/C比约为1.0215参考文献:[1]焦树建.论IGCC电站中气化炉型的选择[J]燃气轮机技术,2002,15(2):5-14.图7O/C比对主要合成气成分含量的影响[2]焦树建IGCC某些关键技术的发展与展望[].动力工Fig 7 Influence of o/C ratio on syngas compositions程,2006,26(2):153-165.因为O/C比的增大,一方面有利于燃烧反应热〖3] ZHENG Ligang, FRIMSKY Edward. Comparison of量的释放,使温度升高,CO2还原反应和水蒸气分Shell, Texaco, BGL and krw gasifiers as part of IGcc解反应加强,从而使CO和H2的含量增加,有效气plant computer simulations[J]. Energy Conversion and含量也增加,另一方面,直接燃烧导致CO2和H2OManagement,2005,46(11/12):1767-1779的含量增加,所以O/C比对气化反应的影响较为复[4]李政,王天骄韩志明等. Texaco煤气化炉数学模型研究(2)—计算结果及分析[J].动力工程,2001,21杂.当O/C比为1.02时,CO含量达到最大值(4):1316-13194533%CO2含量达到最小值9.314%,有效气含[5] NI Qizhi, WILLIAMS Alan. a simulation study on the量达到最大值75.51%,当仅考虑合成气有效气成performance of an entrained-flow coal gasifier[J].Fuel分体积含量,不考虑合成气的热值,在压力为3.61995,74(1):102-1MPa时,对应的最佳O/C比为1.02左右[6] WEN C Y, CHAUNG T Z Entrainment coal gasifica-图8给出了OC比对比氧耗和比煤耗的影响tion modeling[J]. Industrial and Engineering Chemistry从图8中可以看出,随着OC比的增大,比氧耗和Process Design and Development, 1979,18(4): 684-695比煤耗先减少后增加[7] SUEYAMA T, KATAGIRI K Four-year operating ex-perience with Texaco gasification process in Ube Ammonia[C]//Pressented at Eighth Annual EPRI Confer-ence on Coal Gasification. Palo Alto, California: [sn],1988[8] PETER Ruprecht, WOLFGANG Schafer, PAULWallace. A computer model of entrained coal gasifica中国煤化工2070809101.112131415CNMHG站的分析及其发展图8O/c比对比氧耗和比煤耗的影响Fig8 Influence of O/C ratio on oxygen and coal consumption rates