整体煤气化联合循环发电系统中气化参数对气化单元性能的影响

第29卷第23期中国电机工程学报Vol.29No.23Aug.15,20092009年8月15日ProceedingsoftheCSEE©2009Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013(2009)23-0001-06中图分类号：TM611文献标志码：A学科分类号：470⋅20整体煤气化联合循环发电系统中气化参数对气化单元性能的影响陈晓利1，吴少华1，李振中2，庞克亮2，王阳2，王颖1(1．哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江省哈尔滨市150001；2．国家电站燃烧工程技术研究中心，辽宁省沈阳市110034)EffectsofGasificationParametersonPerformanceofGasificationUnitinIntegratedGasificationCombinedCycleSystemCHENXiao-li1,WUShao-hua1,LIZhen-zhong2,PANGKe-liang2,WANGYang2,WANGYing1(1.SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,HeilongjiangProvince,China;2.NationalPowerPlantCombustionResearchCenter,Shenyang110034,LiaoningProvince,China)ABSTRACT:Gasification-islandinintegratedgasificationcombinedcycle(IGCC)systemcontainedgasificationunitanddepurationunit.Gasificationunitiscomposedofgasifier,wasteheatboilersandairseparation.SyngasheatingvalueandcoldgasefficiencywhicharethekeyparameterstoevaluatesyngasqualityandperformanceofgasifierinfluencedtheefficiencyofwholeIGCCpowersystemdirectly.Basedonsoftware“ThermoFlex”,thegasificationsystemof200MWIGCCwassimulatedandcalculated.Theeffectsofcoal-slurryconcentration,OandC’smolratioe(e=[O]/[C]),gasificationtemperatureandgasificationpressureongasificationsystemperformanceweremostlyresearched.Theresultsshowthatincreasingcoal-slurryconcentrationmakesforenhancingcoldgasefficiencyandsyngasheatingvalueatlowergasificationtemperature.Adjustingehaswellsensitivityandvaliditytoadjustgasificationtemperature.Additionally,ealsocandistributechemistryenergyofcoal.Namelyecanadjustthedistributionproportionbetweenchemistryenergyandphysicsensibleheatofsyngas.Syngasheatingvaluecanbeenhancedathighpressureandlowtemperature.KEYWORDS:integratedgasificationcombinedcycle;gasificationunit;gasificationparameter;coldgasefficiency;OandC’smolratio摘要：整体煤气化联合循环(integratedgasificationcombined基金项目：国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2006AA05A110，2007AA05Z247)。TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina(863Program)(2006AA05A110,2007AA05Z247)．cycle，IGCC)发电系统中气化岛包含气化单元和净化单元，气化单元由气化炉、废热锅炉和空分分离装置组成。合成气化学能和冷煤气效率直接影响着整个IGCC电站系统效率，是衡量合成气品质和气化炉性能的关键参数。采用Thermoflex软件对200MW级IGCC气化单元进行模拟计算。着重研究水煤浆浓度、氧碳摩尔比、气化温度、气化压力对气化单元性能的影响。计算结果表明：在较低气化温度下增加水煤浆浓度有利于冷煤气效率和合成气化学能的增加。调节氧碳摩尔比对调节气化炉温度水平具有良好的灵敏性和有效性。另外，氧碳摩尔比还能够起到分配煤中化学能的作用，即调节煤中化学能在合成气化学能和物理显热之间的分配比例。采用低温、加压方式，有利于提高合成气化学能。关键词：整体煤气化联合循环；气化单元；气化参数；冷煤气效率；氧碳摩尔比0引言整体煤气化联合循环(IGCC)发电是实现洁净煤发电的重要途径之一[1-4]。国外已经进入商业化运行阶段，积累了丰富的经验，传统的IGCC发电技术己趋于成熟。目前，美国等先进国家正在开展IGCC氢能发电和CO2近零排放[5]的研究工作，并取得重要进展[6-9]。我国也即将参加美国发起的FutureGen计划，即以煤气化为基础的IGCC近零排放发电计划。可以说，今后相当长一段时间内大规模发展IGCC电站已成为我国的必然选择。IGCC系统主要由气化岛、燃机岛和常规岛组成，其中燃机岛和常规岛都是常规的成熟技术，不同的主要是气化岛。气化岛包括气化单元和净化单PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建卷元。其中气化单元包括空气分离装置、气化炉、废热锅炉。气化炉的气化性能直接影响着合成气化学能和冷煤气效率。合成气化学能是合成气品质的一个衡量标准，而冷煤气效率是反映IGCC电站中气化炉设备性能的重要指标，它的高低直接影响整个IGCC电站系统效率；废热锅炉通过回收合成气的显热影响IGCC系统效率，并影响着常规岛中余热锅炉的蒸汽热能，进而影响蒸汽轮机的效率。因此，研究气化单元是研究IGCC整个系统的前提。气化机理和模型早已引起研究者的普遍重视。P.J.Ashman[10]等研究了褐煤的燃烧和气化特性。CaixiaChen[11]等采用数值模拟的方法研究了气化炉。H.Watanabe[12]等模拟了喷流床气化炉，Y.C.Choi[13]等对喷流床气化炉的气化特性进行了研究。张斌[14]等采用AspenPlus建立喷流床煤气化炉模型。吴玉新[15]等用Fluent建立Texaco气化炉模型。本文采用Thermoflex软件建立了200MW级IGCC气化单元模型，并计算研究了气化参数对气化单元性能的影响。研究结果为IGCC电站系统设计中气化工艺及参数的选择提供了参考。1模型建立及计算条件图1为200MW级IGCC气化单元模型图。气化单元包括空气分离装置、气化炉、辐射废锅、对流废锅蒸发器、对流废锅省煤器。汽水侧流程如下：来自余热锅炉的高压给水首先通过对流废锅省煤器回收一部分合成气显热后，进入余热锅炉高压省煤器。从余热锅炉高压省煤器出来的高压水一部分进入辐射废锅和对流废锅蒸发器，回收一部分合成气显热，被加热蒸发后，进入余热锅炉高压过热器。气化炉采用水煤浆气化，煤质如表1所示。假给水给煤压气机抽气1环境大气进入余热锅炉高压过热器来自高压省煤器给水高压给水制浆23451—空气分离装置；2—气化炉；3—辐射废锅；4—对流废锅蒸发器；5—对流废锅外置式省煤器。图1气化单元模型图Fig.1Modelofgasificationunit定在不同计算工况下，合成气和汽水侧经气化单元内各设备时的压降不变，各计算工况下碳转化率不变，气化单元设计计算工况如表2所示。表1煤质资料Tab.1Proximateandultimateanalysisofcoal元素分析/%CHNSOMar/%Qnet,ar/(MJ·kg-1)流动温度/℃57.813.620.840.330.317.321.741260表2气化单元设计工况Tab.2Designparametersofgasificationunit气化参数数值气化参数数值气化压力/MPa3.6合成气流量/(t⋅h-1)160.9气化温度/℃1311.7水煤浆浓度/%60.5氧煤比/(t⋅t-1)0.739氧气纯度/%99合成气低位热值/(kJ⋅kg-1)8147对流废锅蒸发器出口温度/℃350辐射废锅出口温度/℃650对流废锅省煤器出口温度/℃260碳转化率/%982计算结果及分析2.1水煤浆浓度对气化性能的影响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。水煤浆浓度越大，含水量越少，越容易点燃且发热量高。但浓度的提高会影响到水煤浆的流动性，而流动性是影响水煤浆存储的稳定性、输运的流动性、雾化及燃烧效果的重要因素。根据实际需要和煤质特性，将水煤浆浓度控制在60%~70%[16]。冷煤气效率定义为气化生成合成气的化学能与气化用煤的化学能之比，合成气与煤的化学能可采用相应的低位发热量。冷煤气效率是衡量气化炉工作性能好坏的重要指标。显然，提高气化炉的冷煤气效率可以把煤中蕴储的化学能更多地转化为合成气的化学能，即更多的能量将被送到动力系统中做功，从而有利于IGCC系统整体性能的提高。图2为不同气化温度下，水煤浆浓度对冷煤气效率的影响。由图可知：在较低的气化温度下，增加水煤浆浓度，有利于适当地提高冷煤气效率。6070626668煤浆浓度/%707478冷煤气效率/%6466727680681224420183048636j(CO),j(CO2),j(H2)/%1300℃1500℃COH2CO2CH41.22.44.201.83.04.80.63.6j(CH4)/%图2水煤浆浓度对冷煤气效率、合成气组分含量的影响Fig.2Effectsofcoal-slurryconcentrationoncoldgasefficiencyandcomponentcontentinsyngasPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建期陈晓利等：整体煤气化联合循环发电系统中气化参数对气化单元性能的影响3图2还给出e为0.96时，水煤浆浓度对合成气组分含量的影响。由图可知：出口合成气中CO含量随水煤浆浓度的增加而增加。这是由于水煤浆浓度越大，含水量越少，越容易点燃且发热量高，使气化炉内的平均温度升高，进而使反应(1)向正方向进行，还原产物CO含量增加，CO2含量降低。C+CO2→2CO-162.4MJ⋅(kmol)-1(1)随水煤浆浓度的变化，出口合成气中H2含量变化不大，整体呈下降趋势。主要有2方面原因，一方面水煤浆浓度的增加导致入炉水量的减少，而水量减少势必影响反应(2)向正方向进行。C+H2O→CO+H2-131.5MJ⋅(kmol)-1(2)另一方面随着水煤浆浓度增大，气化炉内的平均温度增加，而温度的增加使反应(2)向正方向进行。因此，水量的减小导致H2浓度降低，而温度的增加又导致H2浓度的增加，但水量减少占主要因素，故H2含量呈下降趋势。增加水煤浆浓度有利于增加合成气中有效气(CO和H2)含量，虽然由图2可知，增加水煤浆浓