（热能工程专业论文）igcc系统减排co2性能研究及优化.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 i g c c 系统减排c 0 2 性能研究及优化 摘要 洲帅洲啪洲洲l y 2 15 6 7 9 0 随着人们对全球变暖问题的不断关注，减少c 0 2 排放已成为2 1 世纪节 能发电的新主题，将c 0 2 分离后加压埋存的c c s ( c 拍o nc 印t u r ea n d s t o r a g e ) 技术应运而生。整体煤气化联合循环( i g c c ) 系统中气化炉产生 的粗煤气主要由c o 和h 2 组成，经除尘和脱硫后送入燃气轮机燃烧室燃烧， 产生c 0 2 和h 2 0 ，燃气轮机乏气经余热锅炉回收热量后排入大气，造成温 室气体污染。应用于i g c c 系统的p r e c c s ( p r e c o m b u s t i o nc c s ) 技术就是将 净煤气先经过一氧化碳变换反应器把部分c o 转换成c 0 2 后分离埋存，则 进入燃气轮机燃烧室的煤气富h 2 少碳，可以实现清洁燃烧，减少c 0 2 的最 终排放量。 本文在i g c c 基本流程的基础上增加了c o 变换和c 0 2 分离埋存过程， 构建了p r e c c s i g c c 系统。利用m a n ，a b 软件和编制的程序计算了 p r e c c s i g c c 系统的热效率以及c 0 2 排放量。结果表明：当c 0 2 最终排放 量减小到未捕捉前的4 0 时，系统热效率将降低4 4 8 。 其次对p r e c c s i g c c 系统进行了局部参数和流程优化，得出：随着 变换汽气比增加，c 0 2 排放量减小的同时系统热效率降低，即减排c o ：要以 牺牲系统效率为代价，可以通过变换汽气比的选择来控制c o ：排放量；在 相同的c 0 2 排放量下，随着水煤比的增加，粗煤气所含c o 量减少，c 0 2 、 h ：0 和h 2 含量增加，系统热效率有降低的趋势，但变化幅度不大；氧煤比增 人时，气化反应温度升高，有效气体成分减少，相同的c 0 2 排放量时，系统 热效率降低。在考虑c 0 2 减排效果时，受气化炉反应温度限制，本文 p r e c c s i g c c 系统的最佳氧煤比为0 8 6 ；采用两次变换脱碳流程的燃气 轮机做功量增大，蒸汽轮机做功量减小，同时其c o ：分离能耗增加，系统热 太原理工大学硕士研究生学位论文 效率较一次直接变换降低了1 5 8 2 ，在物理吸收法分离c 0 2 时应选择一次直 接变换工艺来脱除c 0 2 。 对纯氧燃烧的0 2 c 0 2 循环燃烧系统进行热力计算，它是将余热锅炉出 口的高浓度c 0 2 气体冷却分离，部分c 0 2 循环送入燃气轮机燃烧室参与循 环做功，剩余c 0 2 压缩埋存或液化收集的c 0 2 减排方式。比较0 2 c 0 2 和 p r e c c s 在捕捉c 0 2 时的系统性能，得出0 2 c 0 2 技术的系统热效率比燃烧 前捕集的c c s 技术低，但可以实现c 0 2 的零排放，且纯氧燃烧c 0 2 循环系 统的最佳氧煤比为0 8 6 。 c 0 2 循环气化是将分离捕捉的部分c 0 2 气体循环送回气化炉参与气化 反应，本文最后分别对c 0 2 循环气化的p r e c c s i g c c 系统和0 2 c 0 2 系统 进行性能计算和分析，得出c 0 2 循环气化时气化炉出口煤气成分中h 2 含量 减小，c o 含量增加，气化反应温度降低，达到相同c 0 2 减排效果时，系统 热效率较未循环c 0 2 时略有提高。 在减排8 6 5 5 的c 0 2 时，p r e c c s i g c c 系统的热效率为4 2 ，保持 火电厂的效率水平，燃烧前c 0 2 捕捉的c c s 技术有望实现工业应用。研究 i g c c 系统减排c 0 2 对煤的清洁利用有很高的理论和实践指导意义。 关键词：i g c c ，c 0 2 捕捉和埋存，热效率，0 2 c 0 2 纯氧燃烧技术 i i 太原理t 大学硕士研究生学位论文 t h ep e r f o r m n c es t u q d ya n d o p t i 心z a t i o no fc a r b o nd i o d e r e d u c t i o ni ni g c cs y s t e m a b s t r a c t w i t ht 1 1 e i n c r e a s i n gc o n c e m so n9 1 0 b a lw a n t l i n g ， r e d u c t i o no f0 0 2 e m i s s i o n sh a sb e c o m eo n eo ft h en e wt h e m e sf o r e n e r g y s a v i n gp o w e r g e n e r a t i o ni n2 ls tc e n t u 妙c 0 2c a p t u r ea n ds t o r a g e ( c c s ) ，t 1 1 e r e f o r e ，e m e r g e da t t h er i g h tm o m e n t 1 1 1t h e i g c c ( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i l l e dc y c l e ) s y s t e m ，t h er a wg a sp r o d u c e dm t h eg a s i f i c a t i o n 如m a c e ，w h i c hw a sm a i n l y c o m p o s e do fc oa n dh 2 ，w a sb u m e dt 0c 0 2 觚dh 2 0 、池e nf e di n 幻t l l e c o m b u s t i o nc h a m b e ro ft h eg a st u r b m ea f t e rd e d u s t m ga n dd e s u l 如r i z a t i o n t h e h e a to fm ee x h a u s tg a sw a sr e c o v e r e di nt l l ee x h a u s t - h e a tb o i l e ra n d 也ee x h a u s t g a sw a sd i s c h a r g e di n t oe n v i r o 衄e n t ，r e s u l t i n gi n 孕。e a t 黟e e n h o u s eg a se m i s s i o n p o l l u t i o n t h ea i mo fp r e c o m b u s t i o nc c st e c h n 0 1 0 9 yu s e di nm e i g c cs y s t e m w a st om a l c r em en e tg a sg ot h r o u g hm ec os h rc o n v e r t e ri nw h i c hc ow a l s p 叭i a l l yc o n v e r t e dt oc 0 2 c 0 2w a ss 印a r a t e da n dd e p o s i t e da n dt h eg a s c o n t a i n e dm o r eh 2b u tl e s sc oa tt h ee n 打a n c eo ft h ec o m b u s t i o nc h 锄b e r ， m i c hr e d u c e dt 1 1 e 锄o u n to fc 0 2e m i s s i 叽e v e n t l l a l l ya n dc l e a n - b u m i n gc o u l d b er e a l i z e d 1 1 1m i st h e s i s ，m ep r o c e s s e so f 们n s f o m a t i o no fc oa n dc 0 2c a p 觚r ea n d s t o r a g ew e r ea d d e dt ot h eb a s i ci g c cs y s t e mt od e s i g nt h ep r e c c s i g c c s y s t e m m a r l a bs o r w a r ea n dt h ec o m p i l e d p r o g r a m sw e r eu s e dt o c a l c u l a t et h ep r e c c s i g c c s y s t e m st h e r m a le f f i c i e n c ya n dc 0 2e m i s s i o n v 0 1 u m e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h e m a le f ! i c i e n c yw a sr e d u c e db y4 4 8 i i i 太原理丁大学硕士研究生学位论文 一 二二一 w h e nt l l ec 0 2u l t i m a t e l ye m i s s i o nv o l m ew a sr e d u c e dt o4 0 o ft h en o n c c s i g c cs y s t e m t h e np a r a m e t e r sa i l dp r o c e s s e so fp r e c c s i g c cs y s t e mw e r eo p t i m i z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i mt h ei n c r e a s i n go fm ev a p o r s y n g a sr a t i o ，t h ea 3 2 e m i s s i o n sa n dt h e r m a le m c i e n c yr e d u c e ds i m u l t a n e o u s l y ，w h i c hm e a i i tt 1 1 a ta t t h ee x d e n s eo fs v s t e me 街c i e n c v t h ec o ，e m i s s i o n sc o u l db ec o n 仃0 1 1 e db y t h ee x p e n s eo 士s y s t e me m c l e n c y ，t n eu j 2e m l s s l o n sc o u l qd e c o i l 【r o l l e 【ld y c h a n g m g t h ec h o i c eo f m e 枷oo fs t e a ma n dg a s w i mt h es 锄e 锄o u n to f c 0 2 e m i s s i o n s i n c r e a ，s i n gv a d o r c o a lr a t i o c oc o n t a i l l e di nt h eu n p u r i f i e dg a sw o u l d e m l s s l o n s ，m c r e a s m gv a p o “c o a lr a t l o ，u jc o m a m e q 1 n 【n el l i l p u r l i l e qg a sw u u l u d e c r e a s e ，w h i l ec 0 2 ，h 2 0a n dh 2c o n t e n t si n c r e a s e da n dt h es y s t e mt 1 1 e m l a l e f ! e i c i e n c vh a da t r e n dd o 、n w a r d ，b u tm ev a r i a t i o nw a ss m a l l ；w h e nt h er a t i oo f o x y g e na n dc o a li n c r e a s e d ，t h eg a s i f i c a t i o nr e a c t i o nt e m p e r a t u r e w o u l di n c r e a s e 、池i l et h ee 毹c t i v eg a sc o m p o s i t i o n sd e c r e a s ea n dt h es y s t e mt h e m a le m c i e n c y w o u l dd e c r e a s ew i t ht h es a m ea m o u n to fa d 2e m i s s i o n s c o n s i d e 血gt h e r e d u c t i o no f0 0 2e m i s s i o n sa n d1 i m i t a t i o no fg a s i f i e r st e m p e r a _ t u r e ，i nt h e p r e c c s i g c cs y s t e mt h eb e s to x y g e n c o a lr a t i ow e r e0 8 6 ；t h ew o r ko fs t e 锄 t u r b i n ed e c r e a s e d肌dt h a to fg a s t u r b i n ei n c r e a s e du s i n gt h e俩i c e t r a i l s f o m a t i o nd e c a r b l i r i z a t i o n p r o c e s s a n dt h e c 0 2c 叩t i m n ge n e r g y c o n s u r n p t i o ni n c r e a s e di nt h em e a nt i m e ，s ot h es y s t e mt h e r m a le m c i e n c yw a s r e d u c e db y1 58 2 m a nt h eo n c ec o n v e r s i o np r o c e s s ，c o n s e q u e n t l yc 0 2s h o u l d b er e m o v e db yad i r e c tc o n v e r s i o np r o c e s si nt h ep h y s i c a la b s o 印t i o nm e t h o d t h es y s t e mo fo x y - c o m b u s t i o nc 0 2c i r c u l a t i n gw a sc o m p u t e d ，w h i c hw a s t h ec 0 2e m i s s i o nr e d u c t i o nm e t h o do fs e n d i n gp a no ft h eh i g hc o n c e n t r a t i o n c 0 2g a sc 0 0 1 e da n ds e p a r a t e d 仔o mt h ee x h a u s t - h e a tb o i l e rt ot h ec o m b u s t i o n c h 锄b e ro fg a st u r b i n e t h ec 0 2g a sp a n i c i p a t e di nm ec i r c u l a t i o na n dd i dw o r k a n dt h er e s tp a r tw a sc o m p r e s s e da n ds t o r e do rl i q u e f i e da n dc o l l e c t e d t h e s y s t e mp e r f o m l a n c e sw i t hp r e 。c o m b u s t i o nc c s a n d0 2 c 0 2w e r ec o m p a r e da n d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h e m l a le f j c i c i e n c yo fs y s t e mw i m0 2 c 0 2w a sl o w e r t h a nt h a to ft h es v s t e mw i t hp r e c o m b u s t i o nc c s ，b u tm w h i c hz e r oa 3 2 e m i s s i o nc o u l db ea c h i e v e da 1 1 dt h eb e s to x y g e c o a l r a t i ow a so 8 6 p a no ft h e s 印a r a t e dc 0 2g a sw a sr e c y c l e db a c kt ot h eg a s i f i e rt o p 叭i c i p a t ei nt h eg a s i f i c a t i o nr e a c t i o nw h e nu s i n gt h ec i r c u l a t e dc 0 2 f i n a l l y ， t h eh e a t p e r f o n i l a j l c ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fc 0 2c y c i e g a s i f i c a t i o n p r e c c s i g c cs y s t e ma n d0 2 c 0 2s y s t e mw e r ec o n d u c t e dr e s p e c t i v e l y t h e r e s u l t ss h o w e dm a tm ec o n t e n to fh 2d e c r e a s e da i l dc 0i n c r e a s e da tt h ee x p o r t o ft h eg a s i f i e ra n dm er e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a sl o w e r w i t ht h es 锄ec 0 2 e m i s s i o nr e d u c t i o n ，t l l es y s t e mt h e m a le 街c i e n c yi n c r e a s e ds l i g h t l yc o i n p a r e d t ot h a tw i t h o u tc i r c u l a t i o n t h et h e m l a le m c i e n c yo fp r e c c s i g c cs y s t e mw a s4 2p e r c e n tt 王1 a tk e p t t h el e v e lo f p u l v e r i z e dp o w e rp l a mw h e na c h i e v i n gt h ec 0 2e m i s s i o nr e d u c t i o n b y 8 6 55 a 1 1 dt h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o no fp r e c c st e c l l i l o l o g yc o u l db e a c h i e v e di nm t u r e s o 1 er e s e a r c ho ft h ec 0 2e m i s s i o n sm i t i g a t i o ni ni g c c s y s t e mh a dh i 曲t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g l l i f i c a n c et oc l e a i lu t i l i z a t i o no fc o a l k e yw o r d s ： i g c c ，c 0 2c a p t u r ea n ds t o r a g e ，1 、h e m a l e f ! f i c i e n c y ， 0 x y - c o m b u t i o ns y s t e mt e c h n 0 1 0 9 y v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 本课题研究背景及意义 第一章绪论 目前世界上一次能源( 埘m a 巧e n e r g y ) 消耗速率为1 6 t w m ，大约是5 0 0 e j y 。能源 使用导致了许多环境问题，燃烧化石燃料的共性就是产生二氧化碳( c 0 2 ) ，这些储存在 化石燃料中的碳被集中高速地释放出来，引起温室效应，导致全球变暖。第二次世界大 战以来，广泛使用化石燃料加剧了c 0 2 排放，现在大气中c 0 2 含量已经达到了3 8 1 0 4 ( l ) ，并且还在以很快的速度增长。除了c 0 2 以外，燃烧化石燃料还会产生氮氧化物 和硫化物等污染物。 近一个世纪以来，全球温度已经上升了0 7 ，大多数气候模型研究也表明，前工 业时代温室气体成倍地增加，很有可能导致2 0 3 0 2 0 6 0 年间全球平均温度上升2 5 ， 预计到2 0 5 0 年，其排放量会增加4 倍【l 】。根据斯特恩报告，电力行业必须减少至少6 0 的c 0 2 排放量才能把大气中的c 0 2 浓度稳定在5 5 1 0 4 ( g l ) 的水平，降低灾难性气 候变化的风斛2 1 。减少温室气体排放已在全球范围内达成共识，2 0 0 7 年欧盟通过的能源 计划宣布到2 0 2 0 年欧洲单方面要减少2 0 的温室气体排放量；我国也把c 0 2 减排作为 约束性指标纳入国民经济和社会发展的中长期规划，到2 0 2 0 年止实现单位国内生产总 值的c 0 2 排放量比2 0 0 5 年下降4 0 卅5 。虽然提高能源结构中可再生能源的比重是 实现这一目标的有效途径，但是风电、太阳能、潮汐能发电的技术还不成熟，地理位置 分散，受气候影响大，而核电的安全性还存在很多隐患，是否大规模发展以及怎样发展 核电还有待进一步研究和探讨。到2 0 5 0 年一次能源构成中煤炭仍将占据3 5 以上的份 额，而年煤炭需求总量仍将高于2 0 亿t c c a ，预计2 0 1 0 之0 5 0 的4 0 年内煤炭的累计消 耗总量将在9 0 0 亿t c e 以上，采取有效措施控制c 0 2 排放量势在必行。我国富煤、贫油、 少气，到2 0 5 0 年或更晚煤炭仍将是主力能源，而且我国能源需求总量大，发电以燃煤 为主，故环境污染严重，温室气体排放量大【3 】。所以加强碳捕集与封存、富氧燃烧、固 体氧化物燃料电池联合发电等技术的研究和产业化投入，加快建设低碳的工业体系，开 发高效、洁净的燃煤发电技术对保障经济快速发展和环境保护意义重大【4 】。 目前，在洁净煤发电领域中，整体煤气化联合循环( i g c c ) 是最有竞争力和发展 前景的燃煤发电系统。煤炭的清洁利用包括两个方面，即提高煤炭的利用效率和降低产 生的污染物排放量，i g c c 正是这样一种兼顾效率和环保的最有希望实现零排放的能源 太原理工大学硕士研究生学位论文 转化利用系统。美国和一些欧洲国家己将i g c c 系统从商用化示范阶段推广到实用阶段 【5 1 。中国富煤少气，减缓气候变化的最佳措施是煤炭的高效利用，清洁高效的i g c c 系 统必然是我国燃煤发电的首选，而基于i g c c 的c 0 2 捕集封存技术c c s 的发展将使煤 成为环境友好型能源【6 】。带c c s 的整体煤气化联合循环系统将空气分离、煤的气化、煤 气净化、一氧化碳变换技术、c 0 2 分离和埋存、燃气一蒸汽联合循环技术有机集成在一 起，在能源转化效率、常规污染物脱除与分离c 0 2 方面独具优势。 1 2 本论文的主要内容 为了有效控制燃煤电厂产生的温室效应气体，实现日益增长的用电需求与环境保护 协调发展，目前国内外学者都在关注和研究c 0 2 减排问题。在三种减排c 0 2 的主要方法 中，与传统的燃烧后脱碳技术相比，在i g c c 系统中使用的燃烧前脱碳技术可以避免烟 气流量大、脱碳成本高的缺点，它是利用一氧化碳变换反应，在进入燃气轮机之前就将 大多数c 0 2 脱除，剩余的富h 2 可燃气再进入燃烧室燃烧。c 0 2 循环的纯氧燃烧技术也 有很大的发展潜力，基于以上思路，本文内容主要包括以下三个方面： ( 1 ) p r e c c s 的i g c c 系统热力性能计算和分析 利用m a t l a b 软件和编写的v b 程序分别对整个i g c c 系统( 记做o a ) ，i g c c 带 燃烧前c 0 2 捕捉封存的c c s 系统( 记做o b ) 进行了热力计算，包括空气分离、气化炉 煤气成分预测、煤气激冷、废热锅炉热回收、煤气除尘、冷却和脱硫、c 0 2 分离和埋存、 燃气轮机燃烧室燃烧和透平发电以及h r s g 回收热量过程和汽轮机发电各流程，得出捕 捉c 0 2 对i g c c 系统的影响。 ( 2 ) p r e c c s i g c c 系统局部参数和流程优化 流程各部件的性能优劣直接影响着i g c c 系统的整体运行特性，其中一氧化碳变换 汽气比、气化炉的参数配比是决定系统最终效率和c 0 2 排放量的关键因素。本文通过计 算比较了在不同的c o 变换汽气比条件下，系统热效率和c 0 2 排放量的变化规律，并分 别取不同的水煤比、氧煤比来分析气化剂参数对s h e l l 炉气化以及最终系统热效率的影 响。同时还分析了进行一次水煤气变换，两次水煤气变换的不同流程o b 系统特性。 ( 3 ) 纯氧燃烧的0 2 c 0 2 i g c c 系统减排c 0 2 技术计算和比较 对i g c c 另一种减排c 0 2 的方式o x y c o m b u s t i o n 技术( 记做o c ) 进行了热力计算， 并且比较了它和p r e c o m b u s t i o nc c s 在减排c 0 2 方面的优缺点，之后计算了在不同氧煤 比时，纯氧燃烧的i g c c 系统热效率的变化规律。为i g c c 系统c 0 2 减排高效运行提供 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 可行方案和理论支持。 ( 4 ) 带c 0 2 循环气化的c c s i g c c 系统热力性能计算和比较 将p r e c c s i g c c 系统变换后分离脱除的部分c 0 2 气体送回气化炉参与气化反应， 循环的c 0 2 气体充当部分气化剂和输送煤粉介质，把这种有c 0 2 循环的c c s i g c c 技 术称为c 0 2 循环气化技术( 记做o d ) 。在0 b 、0 c 系统的基础上，本文进一步计算了 c 0 2 循环气化的p r e c o m b u s t i o nc c s i g c c 系统和o x y c o m b u s t i o nc c s i g c c 系统，并 且分析比较了在相同c 0 2 排放量时有无c 0 2 循环气化的系统性能特点。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章文献综述 弟一早 义降仄琢怂 整体煤气化联合循环( i g c c ) 被认为是煤的清洁燃烧发电技术中相当重要的一种， 该系统主要由空分岛、气化岛和动力岛三个部分组成。高压力、大容量的气流床煤炭气 化技术已广泛用于生产甲醇、二甲醚等化工产品。大型工业空气分离装置也有近百年的 发展历史，空分技术已日益完善。由燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机构成的动力岛部分 也广泛应用于天然气联合循环电厂( n g c c ) ，经过几十年的发展，现已具备组成i g c c 系统发电的技术条件。各系统构成部件相互组合，可以形成不同的流程和工艺。i g c c 系统中c 0 2 的减排问题也被提上日程，尤其是哥本哈根会议以后，国内外学者专家都在 积极地研究和探讨。本章主要介绍i g c c 系统的各主要部件和c 0 2 减排方法的研究现状。 2 1i g c c 系统部件 2 1 1 i g c c 气化系统空气分离过程 研究集中于i g c c 系统中空分系统是否应该与燃气轮机整体化，以及整体化对系 统效率所产生的影响，主要包括中压完全整体化空分和低压的独立空分两种典型的空分 系统流程，但考虑到空分系统耗能和操作的灵活性与可靠性，目前多研究有n 2 回注和 无n 2 回注的部分整体化空气分离方法。 邓世敏，段立强，官亦标等利用a s p e n p l u s 软件模拟了典型空分装置并给出火用 分析结果，得出空分系统内部状态参数和能耗分布特性，探讨了i g c c 系统性能随整体 化系数x 船的变化规律，并进行了大量数值计算，分析比较了整体空分系统与独立空分 系统的优劣【7 j 。典型的空分装置工艺流程图如下： 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 一l 典型的空分装置流程 f 逸2 - 1t h et y p i c a la i rs e p a f a t i o nu n i td e v i c ep r o c e s s 岳晨，史翊翔，蔡宁生通过建立体现精馏压力、温度和氧气纯度的a s u 和体现空 分集成特性的燃气轮机设备模型，考查了a s u 内部操作参数对i g c c 整体性能的影响。 分析结果表明提高空气压缩机压比能降低a s u 的制氧功耗，提高i g c c 系统供电效率， 同时给出适于i g c c 运行的a s u 分离出口氧气纯度为0 8 5 ，并得出集成度在0 8 0 时， i g c c 系统供电效率是最高的 8 】。 清华大学的邢翼腾，刘尚明等利用m a t l a b 软件模拟了b u g g e n u m 电站的空分系 统，得出不同的空分配置方式与能耗的关系，结果表明完全整体化方案的制氧能耗最小， 独立空分能耗最高【9 】。本文选用该文中的空分系统模型进行制氧能耗计算。 2 1 2 煤气化和净化过程 气化炉是气化系统中的核心设备，发展大型化、高碳转化率、低氧耗、低煤耗的气 化工艺成为其关键点，气化炉在i g c c 系统中与其他部件紧密关联。近十年有关i g c c 气化炉的研究层出不穷，取得很多进展。 l i g a i l gz h e n g ，e d w a r df u r i n s k y 用a s p e n _ p l u s 大型工艺流程软件模拟了烟煤、褐煤 等不同煤种在四种炉型s h e l l 、t e x a c o 、b g la u l d 州的气化反应状态，进而利用软件 数据库分析比较了四种炉型的气化特点和出口气体成分，指导气化炉型的选择u 。 王颖，吴少华，邱朋华利用t h e m o n e x 软件建立了i g c c 系统模型，从系统的角 度计算了2 0 0m w 级i g c c 示范电站在不同水煤浆浓度、氧煤比和碳转化率以及不同 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 气化压力等条件下的气化炉气化结果和性能参数，之后又比较了直接激冷式、废热锅炉 带热交换器换热、对流废锅热量回收等三种不同i g c c 系统流程的系统效率，结果表明 水煤比和氧煤比对气化反应影响较大，采用废热锅炉加热交换器方式使i g c c 系统具有 更高的效率，但有严重的积灰和腐蚀问题【1 1 】。本文在计算各系统时均采用冷煤气直接激 冷加对流废热锅炉的热回收方式，系统更加安全可靠并且效率也比纯激冷方式高。 周大坤，郜愿锋，曾庆才对i g c c 电站系统使用的气化炉炉型分类进行了阐述，重 点介绍了气流床气化炉的气化流程和工艺，比较了气流床的典型炉型s h e l l 炉和t e x a c o 气化炉的特点和各项性能指标。通过分析得出i g c c 系统应用最具优势的是气流床气化 法的s h e u 炉，但其初始投资费用比1 e x a c o 气化炉高【1 2 】。根据前人研究成果，本文初 步选择s h e u 气流床气化炉作为研究对象。 周贤，王波，张士杰，肖云汉构建了基于输运床气化炉和e 级燃气轮机的i g c c 系统，分析比较了4 种净化方法：湿法除尘+ 低温脱硫、干法除尘+ 低温脱硫、干法除尘 + 中温脱硫和干法除尘+ 高温脱硫的i g c c 系统热力性能，得出采用干法除尘、中温脱硫 的净化方案时系统的供电效率比采用湿法除尘的i g c c 系统高1 3 4 【1 3 】。j e o n g h o o c h o i 建立了颗粒和吸收率的模型来分析携带鼓泡床i g c c 系统的脱硫特性，可以预测出脱硫 设备出口h 2 s 和s 0 2 气体的脱除率【1 4 】。 2 1 3 废热锅炉和余热锅炉配置 废热锅炉分为两种：辐射废热锅炉( r a d i a n ts ) ，n g a sc o o l e r ，r s c ) 和对流废热锅炉 ( c o n v e c t i v es y n g a sc o o l e r ，c s c ) ，它对i g c c 气化炉出口高温粗煤气进行冷却回收显 热，其运行情况对i g c c 发电系统中显热回收和汽轮机发电影响很大。废热锅炉的结构 设计和管道布置方式将给i g c c 系统提供新的节能优化方向，以提高能源梯级利用效率。 王颖，邱朋华，吴少华借助n l e 彻o f l e x 软件建立的2 0 0m w 级i g c c 系统模型， 研究了不同对流废热锅炉出口合成气温度和产生不同蒸汽参数对i g c c 系统性能的影 响，得出随着对流废热锅炉出口合成气温度升高，汽轮机功率减小导致系统发电功率减 小；产生高压蒸汽的废热锅炉系统效率要优于产生中压蒸汽的系统，产生过热蒸汽的系 统效率要高于产生饱和蒸汽的系统。在同时考虑设备造价及系统效率的影响时，辐射废 热锅炉和对流废热锅炉最佳的参数配置方案应使余热回收充分，产生更多蒸汽做功【15 1 。 本文计算系统的对流废热锅炉产生高压蒸汽，与余热锅炉高压过热器的出口蒸汽混合后 进入汽轮机高压缸做功。 太原理工大学硕士研究生学位论文 动力岛燃气轮机余热锅炉一蒸汽轮机间的参数匹配和优化对提高i g c c 电厂发电量 和效率至关重要，在对单一设备调整和优化的基础上，更应该寻求燃气蒸汽联合循环的 系统整体参数优化特性。 高健，倪维斗，李政采用g t - p r o 软件模拟了不同的抽汽位置和所抽取的冷却介质 量对系统整体技术经济性的影响，综合分析设备成本和流程热量回收性能后给出了几种 性价比较高的流程布置方案1 6 】。潜纪儒，吴强分析了采用水煤浆气化的i g c c 电厂的动 力部分中燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机的运行特点，对汽水循环型式、主蒸汽的压力 和温度、乏气排烟温度等参数进行优化配置，提高了整个机组的热效率，并得出以下结 论：采用三压再热汽水循环的余热锅炉系统能更充分的回收燃气轮机的排气余热，进而 提高电厂净效率，同时主蒸汽压力应采用高压参数并尽量利用气化和净化工艺中的显热 和潜热【17 1 。 2 2i g c c 系统c 0 2 减排过程 2 2 1 目前i g c c 系统中减排c 0 2 的方式 i g c c 传统的c 0 2 减排技术主要有燃烧后烟气中脱碳、进燃气轮机燃烧前脱碳，燃 烧中脱除c 0 2 三种。以下是三种方法的介绍和研究现状： 普通的火电厂在锅炉运行压力略低于大气压力的条件下燃烧煤炭，实现煤炭的化学 能转换成蒸汽携带的热能，再转换成电能的过程。煤碳燃烧产生的废气经除尘、脱硫和 脱硝后从烟囱排出，由于烟气流量大且多为氮气，c 0 2 含量低，燃烧后脱除c 0 2 的方式 既耗能又昂贵。 浙江大学的孙登科、王勤辉、岑可法等人近几年一直在用a s p e n - p l u s 软件研究燃烧 炉内喷c a o 的新型近零排放煤气化燃烧利用系统，即c 0 2 接受体法煤气化制氢技术， 它是在气化炉内利用一氧化碳变换将气相的c o 转化成h 2 和c 0 2 ，与作为接受体的c a o 进行碳酸化反应，此反应的生成物c a c 0 3 被重新送到再生炉内煅烧热分解成c a o 循环 使用，目前世界上许多的研究机构都在研究c 0 2 接受体法煤气化制氢技术，这是燃烧中 脱碳的可行方法1 8 。1 9 】。 而i g c c 系统煤的气化是让煤在高压条件下和气化炉中有限的氧和蒸汽反应生成煤 气，其主要成分是c o 与h 2 ，另外还有少量用于送粉的n 2 ，因此可以在i g c c 中利用 燃烧前脱碳技术脱除c 0 2 ，即在进入燃气轮机燃烧之前就将煤气中的c o 转化成c 0 2 并 太原理工大学硕士研究生学位论文 脱除，使煤气富h 2 。煤基动力多联产是i g c c 系统的一个分支，i g c c 系统联合制甲醇 将大幅提高i g c c 的系统热效率，也是减排c 0 2 的有效方式，而化学循环燃烧现在还处 在理论研究阶段。 中国科学院的金红光、高林等人建立了燃烧前捕捉c 0 2 的i g c c 系统模型并对系统 进行了火用分析，得出必须提高气化和燃烧过程的化学能利用率才能提高系统的火用效 率，同时他们还研究了不同的c 0 2 捕集率对系统效率以及捕集能耗的影响，并给出适于 建立带c 0 2 捕集的i g c c 系统的示范工程选址【2 0 也1 1 。 减排c 0 2 的另外一种方法是最近几年广受关注的富氧燃烧o x y - c o n l b u s t i o n 技术。 s 吼gk up 破，j i h o a l l i l 提出一个固体氧化物燃料电池( s o f c ) 和富氧燃烧 o x y c o i n b u s t i o n 系统联合循环的整体电力生产系统，这个系统是从加压s o f c 一燃气轮机 混合系统改进来的，在维持较高效率的同时几乎完全的捕捉c 0 2 。用离子交换膜( i t m ) 来分离阴极出口空气的氧气，i t m 的运行需要高温和高压，燃料电池在燃烧室入口压力 下工作可以满足i t m 的需求。s o f c 阳极出口剩余的燃料在富氧燃烧器中和氧气完全燃 烧，尾气中c 0 2 浓度很高，因此可以用一个相当简单的机械过程来捕捉c 0 2 ，而不必使 用复杂的耗能过程，如化学吸收解析过程等【2 2 。2 3 1 。 e m a n u e l em a n e l l i 对s h e u 炉的i g c c 系统带和不带c 0 2 减排给出热经济评估，得 出带c 0 2 减排会明显地降低i g c c 整体效率，图2 2 是a s p e n - p l u s 软件模拟的基于s h e h 气化炉带c c s 的i g c c 系统流程【2 训。 i g c c 燃烧前捕捉c 0 2 的c c s 技术和富氧燃烧o x y c o m b u s t i o n 技术均有很高的研 究价值。零排放的技术日益成熟，但捕捉c 0 2 会造成i g c c 系统的比投资、运行成本增 加和效率下降的不利影响。如何降低成本和提高效率，需要我们进一步研究。 目前全球公认的最优的减排c 0 2 的方法是将燃烧前产生的c 0 2 从相关能源中分离 出来并加压输送到一个地点长期封存或用来强化石油开采，但不论采用什么方法来捕捉 和回收c 0 2 都会使系统热效率降低。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 带c 0 2 捕捉的标准s h e l l i g c c 系统流程图 f i g 2 - 2t l l es 切n d 砌s h e l li g c cs y s t 锄n o w c h a tw i t hc 0 2c a p t u r e 为了应对全球变暖，很多国家都在积极发展减少c 0 2 排放的技术。一些西方国家已 经要求燃煤电厂考虑引进c c s 技术，但是由于c c s 需要消耗大量的能量，所以必须协 调c 0 2 减排和系统热效率提高之间的关系，这也是决定带c c s 的i g c c 系统能否大规 模应用于实际的关键因素。 2 2 2c 0 2 循环利用技术 在气化剂中用c 0 2 替代部分水蒸气作气化剂或生产出含高纯度c o 的煤气，可满足 不同后续工艺用途的需要。这是一项有意义的研究课题，目前将c 0 2 通入气化炉与原料 混合气化技术主要有四种用途。 2 2 2 1 国外c 0 2 通入气化炉内气化的研究 目前国外的研究主要是用纯c 0 2 和0 2 作气化剂与焦炭反应生产高纯c 0 气体并且 附产化工产品。美国已有专利：b e y e r 公司研发了用纯氧和c 0 2 混合后在炉内与焦炭 气化产生c o 的生产工艺，液态排渣。日本钢管株式会社也有类似专利，为了排渣顺利， 他们还加入了助熔剂。d r a v o 公司曾用w 色1 1 m a i l - g a l u s h a 气化炉实现用纯氧和c 0 2 制取 高纯度c o 的工业试验装置。国外某厂曾用c 0 2 代替部分水蒸气作气化剂，在保证炉内 正常气化前提下，节约水蒸气竟达4 0 ，同时煤气产率提高，可节煤1 8 左右 2 5 1 。 m u h 猢a df i r 胁用气固模型和0 2 c 0 2 气化机理、动力