IGCC整體發(fā)電系統(tǒng)的流程模擬研究

孫廣宇，李曉倩，周俊杰

1.河南核凈潔凈技術(shù)有限公司，河南鄭州 450001

2.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001

0 引言

常規(guī)燃煤發(fā)電熱效率不高且產(chǎn)生大量氣體污染物對(duì)能源的可持續(xù)利用和環(huán)境造成了很大的壓力，為了促進(jìn)能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展推進(jìn)潔凈煤發(fā)電技術(shù)就很必要，IGCC發(fā)電技術(shù)就是一項(xiàng)先進(jìn)的高新組合發(fā)電技術(shù)，它以發(fā)電效率比較高、環(huán)保效益良好等顯著優(yōu)點(diǎn)逐步受到電力行業(yè)的青睞，因此，為了節(jié)約能源，并減少對(duì)環(huán)境的污染， 對(duì)IGCC整體系統(tǒng)的研究對(duì)我國(guó)有重大的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)IGCC發(fā)電進(jìn)行了一些研究，馬順勤，劉澤龍等[1,2]采用過(guò)程模擬軟件Aspen plus對(duì)IGCC水煤漿進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，但其著重對(duì)煤氣化子系統(tǒng)進(jìn)行了研究并沒(méi)有對(duì)燃?xì)?蒸汽發(fā)電系統(tǒng)做深入的研究。F.Emun等[3]采用Aspen軟件對(duì)IGCC整體系統(tǒng)進(jìn)行了分析，為以后更深入的研究提供了依據(jù)。

1 IGCC系統(tǒng)介紹

以shell氣化爐為氣化系統(tǒng)的整體粉煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)由煤的氣化凈化部分和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分兩大部分組成。煤的氣化凈化部分包括煤氣化系統(tǒng)、煤氣凈化系統(tǒng)和空分系統(tǒng)。主要設(shè)備包括空分裝置、氣化爐、氣體冷卻器、氣體洗滌器、除硫及硫回收裝置等，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分包括燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等。

1.1 煤氣化反應(yīng)

首先是揮發(fā)份的析出階段，在這個(gè)階段進(jìn)行著煤的熱分解反應(yīng)，熱分解反應(yīng)是所有氣化工藝共同的基本反應(yīng)之一。

揮發(fā)份析出或熱解過(guò)程是指煤分解并產(chǎn)生大量氣態(tài)物質(zhì)的過(guò)程。在這個(gè)階段煤粉燃燒熱解成CO、CO2和H2等氣體成分揮發(fā)份析出的總量取決于加熱速率和煤的工業(yè)分析。

然后進(jìn)行的是燃燒氣化反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)物在常規(guī)燃燒溫度下，占優(yōu)勢(shì)的是CO，然后在氣相中進(jìn)一步氧化生成C02。

該反應(yīng)稱為一氧化碳變換反應(yīng)，或稱水煤氣平衡反應(yīng)。它是氣化階段生成的CO與蒸汽之間的反應(yīng)，為了制取H2，需要利用這一反應(yīng)。由于該反應(yīng)易于達(dá)到平衡通常在氣化爐煤氣出口溫度條件下，反應(yīng)達(dá)到平衡，從而該反應(yīng)決定了出口煤氣的組成。此外氣化過(guò)程中還會(huì)發(fā)生一些微量成份的化學(xué)反應(yīng)。生成H2S，COS，NH3等有害物質(zhì)。

1.2 煤氣凈化系統(tǒng)

本文采用常溫濕法煤氣顯熱回收及凈化工藝對(duì)煤氣進(jìn)行凈化，作為濕法脫硫，聚乙二醇二甲醚（NHD）法與其他方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟，脫硫效果好，在不同的溫度下對(duì)物質(zhì)的吸收具有選擇性，在低溫下可以用于脫碳等優(yōu)點(diǎn)，并且NHD溶劑吸收H2S，C02是屬于物理吸收過(guò)程，所以酸性氣的吸收能力與其分壓成正比，即酸性氣體溶解度隨著壓力聲高而增大，隨著溫度升高而降低。因此本文才用這種方法對(duì)粗煤氣進(jìn)行凈化脫硫。

1.3 燃?xì)?蒸汽發(fā)電系統(tǒng)

此系統(tǒng)主要由燃?xì)庀到y(tǒng)、余熱鍋爐和蒸汽系統(tǒng)組成，燃?xì)廨啓C(jī)采用M701F型，余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)及蒸汽輪機(jī)均為三壓再熱式。其流程圖如圖1所示：

圖1 余熱鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)流程圖

2 模型和研究方法

2.1 物性參數(shù)

本文在整個(gè)模型中采用PR-BM物性方法（逸度系數(shù)計(jì)算方法為帶有Boston-Mathiasα函數(shù)的Peng-Robinson），煤和灰渣作為非常規(guī)組分處理。本文采用的煤種的低熱值為29.88 MJ/kg.

2.2 衡量系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

分析整體煤氣化的指標(biāo)有經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)兩種，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有熱效率、冷煤氣效率和熱煤氣效率，而環(huán)境指標(biāo)主要是單位凈發(fā)電功率的污染物的排放量。冷煤氣效率和熱煤氣效率是評(píng)價(jià)煤氣化過(guò)程性能的指標(biāo)，而熱效率是整個(gè)系統(tǒng)效率的指標(biāo)。各個(gè)指標(biāo)定義如下：

1）熱效率

其中，ηt是系統(tǒng)的熱效率，PNET是系統(tǒng)的景輸出功率（mW），MCoal為煤的進(jìn)料流量（kg/s），LHVCoal是煤的低位發(fā)熱量（MJ/kg）；

2）凈發(fā)電功率

PNET為系統(tǒng)的凈輸出功率（mW），PGT為燃?xì)廨啓C(jī)的凈輸出功率（mW），PST為燃?xì)廨啓C(jī)的凈輸出功率PAUX為壓縮機(jī)消耗的功率（mW）；

3）冷煤氣效率

ηcg是冷煤氣效率， MSyn是合成氣的流量（kg/s），LHVCoal是合成氣的低位發(fā)熱量（MJ/kg）；

4）熱煤氣效率

ηhg是冷煤氣效率，其余參數(shù)意義同上。

3 IGCC系統(tǒng)模擬結(jié)果分析

圖2分別顯示出氣化爐氣化溫度對(duì)冷煤氣效率、凈發(fā)電功率、系統(tǒng)的熱效率和CO2排放量得影響，由圖2（a）可以看出隨著氣化溫度的上升，冷煤氣效率逐漸降低，這是由于氧煤比的增加有助于燃燒更多的碳而使氣化溫度升高并使之轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，所以H2和CO相對(duì)含量降低，CO2和H2O的相對(duì)含量升高，因此CO2的排放量增加。因此，雖然氣化溫度升高，氣化反應(yīng)加劇了，但是有效氣體成分反而減少了，導(dǎo)致冷煤氣效率降低。凈發(fā)電功率增加是由于盡管CO和H2更多地被燒掉了，但CO和H2的絕對(duì)量是增加的，從而提高了粗煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率。

氣化溫度的影響：

圖2 氣化溫度對(duì)氣化性能的影響

4 結(jié)論

1）建立了整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)模型，初步驗(yàn)證是可行的；

2）分析了氣化爐的氣化溫度對(duì)IGCC整體系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明：隨著氣化爐氣化溫度的升高，冷煤氣效率和整體的熱效率降低，而凈發(fā)電功率和CO2的排放量增加。

[1]馬順勤.基于Aspen plus對(duì)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的模擬研究[D].華北電力大學(xué)，2008.

[2]劉澤龍,金紅光,高林,郝少軍,蔡睿賢，水煤漿與干粉給料方式兩種IGCC系統(tǒng)的分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24(1)：1-4.