TEXACO水煤浆气化炉的建模及仿真研究--优秀毕业论文.pdf

分类号 u d c 密级 学号 彳屈大季 硕士学位论文 论文题目 t e x a c o 水煤浆气化炉的建模及仿真研究 论文作者 李斌 娄嘉 警0 嚣蓉 唐胜利教授 重庆大学 申请学位级别 硕士 专业名称 热能工程 论文提交日期 2 0 0 2 年5 月8 日答辩日期 2 0 0 2 年6 月9 日 学位授予单位 重庆大学 授位日期 年月日 答辩委员会主席 何祖威教授 论文评阅人 张键高级工程师杨晨副教授 2 0 0 2 年5 月8 日 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 为了节省能源 提高发电效率 解决我国严重的环境污染问题 发展洁净煤技 术自然就提高到了重要的战略地位 t e x a c o 德士古 水煤浆气化技术作为一种经 济高效清洁的洁净煤技术 在化工行业得到了广泛的应用 而且在i g c c i n t e g r a t e d g a s i f i c a t i o nc o m b i n e d c y c l e 中也开始得到推广应用 t e x a c o 水煤浆气化是一个及 其复杂的物理化学反应过程 t e x a c o 水煤浆气化过程的建模和仿真研究已成为 门 新兴课题 具有极大基础研究和工程技术研究价值 本文以一个t e x a c o 水煤浆气化炉为研究对象 在分析研究国内外有关t e x a c o 气 化炉建模与仿真研究状况的基础上 建立y t e x a c o 水煤浆气化炉的动态数学模型 建模采用 小室模型 方法 将气化炉分为多个小室 分别建立各个小室中8 种气体 c o c o z h 2 0 2 n 2 c h 4 h 2 s h 2 0 成份 固体及碳的质量平衡模型以及总体能量平 衡模型 本模型详细考虑了气固流动过程以及包括挥发份释放燃烧 焦炭的燃烧气 化反应 水煤气反应 c 0 2 还原 变换反应 甲烷化反应等8 种均相和异相反应在 内的化学反应过程 使得本模型能够较全面地分析t e x a c o 气化炉气化反应过程的主 要物理化学动力过程 本文以t e x a c o 气化炉的动态数学模型为基础 利用a c s l 高级连续系统仿真语 言工具开发了t e x a c o 气化炉的动态仿真模型 并进行了模型的稳态计算 计算结果 与相关试验数据相符 在仿真模型地基础上进行了水煤浆浓度 氧煤比等扰动下的 仿真试验 试验结果趋势正确 分析结果表明本文建立的数学模型准确可靠 仿真 模型具有较强的实用性 应用本模型能够对t e x a c o 气化炉进行动态性能计算及分析 研究 能够为气化炉的设计 运行 工艺及参数优化研究提供理论依据 关键词 气化炉 水煤浆 气化 建模 仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ec c t c l e a n i n gc o a lt e c h n i q u e h a sb e e nd e v e l o p e dt oas t r a t e g i cd e g r e e n a t u r a l l ys oa st os a v ee n e r g y t oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t ya n dt o s o l v et h ea t m o s p h e r i cp o l l u t i o ni nc h i n a t g pt e c h n i q u et h a ti so n eo fh i g h e f f i c i e n c y c l e a nc o a lt e c h n i q u e n o to n l yh a sb e e nw i d e l yu s e di nc h e m i c a li n d u s t r y b u ta l s ow a s p o p u l a r i z e di ni g c cg r a d u a l l y t h ep r o c e s so ft e x a c oc o a lw a t e rs l u r r yg a s i f i c a t i o ni sa v e r yc o m p l e xp h y s i c a la n dc h e m i s t r yp r o c e s s a n dt h es t u d yo fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n f o rt g ph a sb e c o m ean e wt y p es u b j e c t w h i c hw o r kh a si m p o r t a n tv a l u ef o rf u n d a m e n t a l s t u d ya n de n g i n e e r i n gt e c h n i q u es t u d y a l a r g e s c a l et e x a c oc o a lw a t e rs l u r r yg a s i f i e ri st a k e na ss t u d ys u b j e e ti nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea n a l y z i n go fs t u d ys t a t u sa b o u tm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rt e x a c og a s i f i e r i nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt e x a c oc o a lw a t e rs l u r r y g a s i f i e ri se s t a b l i s h e d c e l lm o d e li se m p l o y e dt od i v i d et h eg a s i f i e ri n t om a n ys e g m e n t s a n dt h em a s sb a l a n c ee q u a t i o no fe i g h tg a sc o m p o n e n t ss u c ha sc o c o z h 2 0 2 n 2 c h 4 h 2 s h 2 0 s o l i df l o wr a t e c a r b o nf l o wr a t ea n dt o t a le n e r g yb a l a n c ee q u a t i o na r es e tu p r e s p e c t i v e l y m o r et h a ne i g h th e t e r o g e n e o u sa n dh o m o g e n e o u s k i n e t i cc h e m i c a lr e a c t i o n s t h a ti n c l u d et h ep y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o nr e a c t i o n so fv o l a t i l e t h ec o m b u s t i o na n d g a s i f i c a t i o nr e a c t i o no fc a r b o n w a t e rg a sr e a c t i o n a r et a k e ni n t oa c c o u n ti nd e t a i l t h u s t h ep r i m a r yp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s so ft e x a c og a s i f i e rg a s i f i c a t i o nc a nb e c o m p r e h e n s i v ea n a l y z e d b a s e do nt h ee s t a b l i s h e dd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l ad y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l h a sd e v e l o p e db yu s i n ga c s ls i m u l a t i o nt 0 0 1 f i r s t l y t h es t e a d yc a l c u l a t i o nf o rm o d e li s c a r r i e d0 1 1 t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ei na c c o r dw i mr e l a t i v ee x p e r i m e n td a t a a n d p r o v i d eab a s i sf o rn e x ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t b a s e do nt h ee s t a b l i s h e dd y n a m i c s i m u l a t i o nm o d e l as e r i e so fd y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n th a v eb e e nd o n eb yu s i n g t h i ss i m u l a t i o nm o d e l w h i c hi n c l u d et h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fs t e pd i s t u r b a n c ea b o u t c w sd e n s i t y d i s t u r b a n c et h er a t i oo f0 2a n dc 0 2a n ds oo n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s c u r r e n ti sc o r r e c t t h e a n a l y z e d r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee s t a b l i s h e dd y n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt e x a c o g a s i f i e ri nt h i sp a p e ri sa c c u r a t ea n dc r e d i b l e a n dp r o v e d t h a tt h es i m u l a t i o nm o d e li sp r a c t i c a l t h i sm o d e li s a p p l i c a b l et ot h eb a s i cs t u d yf o rt e x a c oc o a lw a t e rs l u r r yt e c h n i q u e a n dt os t e a d ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c es t u d yf o rt e x a c og a s i f i c a t i o n a n dc a r lp r o v i d ea i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a c a d e m i cr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n o p e r a t i o n t e c h n i c sa n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ns t u d y f o rat e x a c og a s i f i e r k e yw o r d g a s i f i e r c o a lw a t e rs l u r r y g a s i f i c a t i o n m o d e l i n g s i m u l a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文 符号说明 z p 击 s c s h 单位 u k g k m m 2 s m k m o l j k m o l k j k m o l 足 m p q 杉 k m o l k m o l 符号说明 说明 挥发份成份百分比 频率因子 比热或浓度 重量浓度 直径 扩散系数 活化能 气体摩尔流率 化学反应速率常数 摩尔数 气体反应速率 气体常数 温度 c 0 1 c 0 2 压力 热量 固体颗粒的相对含碳量 气体摩尔浓度 重量或质量流量 希腊符号 k g m s k e d m s 粘度 k w m k 导热系数 堙 m 3密度 机械因子 准则数 施密特数 s h e r w o o d 数 v i 耢 各口4 c g d 玫e g 七m r r p q 船y 重庆大学硕士学位论文 符号说明 n p r r e 占 努谢尔数 普郎特数 雷诺数 空隙率 下标 初始状态 参考状态 焦炭 气体 小室数 气体组分 焦炭档数 定压条件 固体 挥发份 v 1 1 0 c g k p s v 重庆大学硕士论文i 前言及文献综述 1 前言及文献综述 1 1 我国的能源与环境概况 环境和能源是人类生存和发展的基本条件 能源作为基本资源对社会 经济的 发展和人民生活水平的提高具有极其重要的作用 1 1 1 能源利用及电力生产现状及前景 我国既是产煤大国又是耗煤大国 煤炭在能源消费中占7 5 左右 表 1 列出了 我国一次能源消费量及构成的情况 表1 1 我国一次能源消费量及构成1 1 t a b l e1 1c o n s u m p t i o na n dc o m p o s i n g o f p r i m a r ye n e r g ys o t l r c e i n c h i n a 年份 煤炭 石油 水能 天然气 1 9 8 57 5 81 7 14 92 2 1 9 9 0 7 6 2 1 6 64 92 1 1 9 9 5 7 4 6 1 7 5 6 1 1 8 1 9 9 8 6 9 6 2 1 56 72 2 1 9 9 96 7 12 3 46 7 2 8 从表1 1 可知 至r 2 1 世纪中期 煤炭仍将是我国主要的一次能源 火力发电作为主要的发电方式 其装机容量和发电量都占7 0 以上 耗煤量占 据着主导地位 表1 2 为我国至2 0 3 0 年电力和能源生产总量的统计和预测 表1 2 我国至2 0 3 0 年电力和能源生产总量n 河 u v t 3 4 l t a b l e1 2f o r e c a s tf o rp r o d u c t i o no f p o w e ra n de n e r g yi nc h i n ab e f o r e2 0 3 0 项目内容1 9 9 0 年1 9 9 8 年2 0 1 5 年2 0 3 0 篷 总装机容量m w1 2 5 0 02 7 7 2 8 9 05 0 0 0 01 0 4 0 0 0 煤电装机容量m w9 0 0 0 2 0 9 8 8 3 53 5 0 0 0 发电量1 0 8k w h a6 3 0 011 5 7 6 9 72 6 0 0 05 4 1 0 0 发电煤耗 g k w h 4 2 73 7 33 l o3 0 0 电力产生折合耗煤量 1 0 8 t a 2 5 04 78 11 4 1 一次能源总需求量 1 0 8 忱 1 0 01 2 42 1 83 0 7 电能占一次能源比重 2 63 4 6 93 74 6 电力生产年增长率 7 12 0 75 04 0 煤电所占的比重 7 2 6 67 5 8 87 0 6 0 重庆大学硕士论文 前言及文献综述 表1 2 说明随着生产水平的提高 我国电能在一次能源中的比重将日益增大 电 力工业耗煤量占产煤量的比例 将从1 9 9 0 年的2 6 上升n 2 0 3 0 年的4 6 1 1 2 我国的生态环境状况 人类大量消耗煤资源的结果 不仅引起了地球上一次能源供给能维持多久的问 题 而且还使环境保护要付出巨大的代价 传统的煤炭开发和利用技术以及不加限制的消耗矿物能源极大地污染了人类赖 以生存的环境 出现了许多环境问题 从而诱发温室效应 酸雨 引起疾病 农业 减产签至带来更加严重的经济 社会问题 解决这些问题对环境保护是很重要的 表1 3 列举了我国工业企业三废排放情况 表1 3 我国工业企业三废排放情况 4 1 t a b l e1 3e m i s s i o ns t a t u sa b o u tt h r e ew a s t e r o f i n d u s t r yi nc h i n a 项目单位1 9 9 1 年1 9 9 3 正1 9 9 5 矩1 9 9 7 年1 9 9 8 年 工业废水排放总量 万吨2 3 5 8 6 8 7 2 1 9 4 9 1 92 2 1 8 9 4 31 8 8 3 2 9 61 7 1 2 3 5 5 工业废水处理率 6 3 57 2 07 6 88 4 78 8 2 工业废水排放达标率 5 0 15 4 95 5 46 1 86 7 o 工业废气排放总量亿标立方米8 4 6 5 3 9 3 4 2 3 1 0 7 4 7 8 1 1 3 3 7 8 1 1 0 8 0 7 工业二氧化硫排放量万吨1 1 6 51 2 9 21 4 0 51 3 6 31 2 1 0 工业烟尘排放量万吨8 4 58 8 08 3 86 8 56 8 0 工业粉尘排放量万吨5 7 96 1 76 3 95 4 85 0 6 工业固体废物排放量万吨3 3 7 62 1 5 22 2 4 21 5 4 91 8 2 1 表1 3 y u 举的一些令人不安的数字 是要提醒我们对煤炭开发利用过程中的严重 污染绝不能掉以轻心 否则 不仅会危及当代还将祸及子孙 1 1 3 我国煤利用中存在的问题及其发展技术方向 1 7 目前我国火电煤利用过程中 存在着一些突出的问题 火力发电结构不合理 大机组比重小 按1 9 9 8 年统计数据进行分析 火电机 组的状况是 全国6m w 及以上的汽轮发电机组共34 1 3 台 总容量为1 8 6 5g w 平 均机组容量为5 4m w 其中3 0 0m w 及以上机组共2 0 6 台 容量占3 7 而1 0 0m w 及以下的机组共有28 7 l 台 容量6 0g w 占火电机组容量的3 2 5 火电机组的品种比较单一 火电机组中除了5 6 的燃机和柴油机发电机 组外 其余都是常规的火电机组 而且以燃煤为主 火电厂的供电煤耗高 1 9 9 8 年为4 0 4g k w h 约比世界先进水平相差6 0 7 0 k w h 如表1 4 火电厂供电标准煤耗所示 2 重庆大学硕士论文1 前言及文献综述 表1 4 火电厂供电标准煤耗 2 1 1 t a b l e1 4s t a n d a r dc o n s u m p t i o no f c o a lf o rp o w e rs u p p l yi np o w e r s t a t i o n 单位 g k w h 国家 1 9 8 0 1 9 8 51 9 9 01 9 9 5 中国4 4 84 3 14 2 74 1 2 美国3 7 83 7 63 7 33 7 0 日本3 3 83 3 83 3 13 3 0 发电机组效率低 由于大量中 小机组的存在 1 9 9 8 年平均发电热效率仅有 3 3 0 8 即使是容量为3 0 万或6 0 万千瓦以上的大型机组 电厂效率最高也只能到 3 7 3 8 大气污染严重 发电行业是全国的用煤大户 但由于价格昂贵 国内发电机 组基本上无脱硫 脱硝设备 导致大量的烟气向大气直接排放 造成严重污染 因 此火电的环保任务非常繁重 根据当前火电机组所存在的问题 近期火电技术主要发展方向是 6 发展高 参数 大容量的火电枧组 包括超临界机组 以提高效率 降低发电成本 加快 烟气脱硫 脱硝 高效除尘成套技术的开发 推动洁净煤发电的示范工程 在消 化吸收国外技术的基础上 开展国产化的研制 为逐步取代常规火电作技术准备 开展以大型燃气轮机为核心的联合循环发电技术 联合循环机组具有提高能源利 用效率 环境保护和改善电网调峰性能等多种效益 是火电技术一个新的发展方向 显然 为了节省能源 提高发电效率 解决我国严重的大气污染问题 煤的清 洁高效发电技术自然就提高到了重要的战略地位 发展洁净煤技术是实现当前大气 环境治理战略目标的主要途径 1 2 洁净煤利用技术f 5 l 6 1 7 8 j 面向二十一世纪的能源和生态环境 必须依靠科技进步促进我国资源 经济和 环境协调可持续发展 合理 有效 洁净利用煤炭 就具有特别重大的现实意义 开发和采用洁净煤发电技术是这一发展的必由之路 c c t c l e a n c o a l t e c h n o l o g y 就是指煤炭在开发和利用的过程中 旨在减少污 染并提高其利用效率的加工 燃烧及污染控制的技术 使煤的潜能得到最大限度的 利用 而释放的污染物被控制在最低水平的一种高效 清洁利用的技术 当然 洁净煤技术是一项庞大而复杂的系统工程 它的主要领域包括 选煤 技术 型煤加工技术 水煤浆技术 先进的燃烧器 循环流化床燃烧技 术 烟气净化技术 燃煤联合循环技术 煤炭气化技术 煤炭液化技术 重庆大学硕士论文i 前言及文献综述 磁流体发电和燃料电池等新的先进的发电方式等许多方面 洁净煤技术于8 0 年代中期兴起子美国 迄今美国已投入数十亿美元 已经完成 或正在进行几十个洁净煤技术的研究 开发与示范项目 并在先进的燃煤发电系统 和液体燃料替代方面取得了重大发展 欧洲一些国家和日本也相继推出了各自的洁 净煤研究开发与实施计划 世界各国对洁净煤利用技术都非常重视 根据美国能源 部最新报告 在1 9 9 0 2 0 1 0 年间 全世界用煤将增加2 3 世界各国在洁净煤燃烧 设备上的投资将达2 7 0 0 7 5 0 0 亿美元 为此 美国能源部大力鼓励洁净煤利用技术 出口 计划占有其中4 0 1 2 0 亿美元 年的销售份额 我国政府已正式提出对大气污染物进行有效地控制 并致力于发展洁净煤发电 技术 在 九五 计划期间 我国政府计划实旌先进的洁净煤发电技术示范工程 采 用技贸结合的方式引进设备和设计制造技术 为在中国进一步广泛应用清洁煤发电 技术奠定基础 我国洁净煤技术的基本框架是 煤炭加工 选煤 型煤 水煤浆等 煤炭燃烧 流化床燃烧 高效低污染粉煤燃烧 燃煤联合循环发电等 污染控制 烟气脱硫 粉煤综合利用 煤矿区污染控制 包括煤矸石 煤层气 矿井水与煤 泥水的治理等 洁净煤发电是面向2 1 世纪的新的发电方式 目前世界上技术比较成熟的是常压 循环流化床锅炉 c f b c 增压流化床锅炉联合循环 p f b c c c 以及整体煤气化联合 燃气蒸汽循环0 g c c 3 种 已经建立了一批示范电站 这些先进的燃煤发电技术 都具有达到洁净煤燃烧和高效率的特点 循环流化床燃烧技术 c f b 目前已经比较成熟了 而且与2 5 0 m w 汽轮发电机 组配套的循环流化床锅炉已经研制和调试成功 它为大容量的电站锅炉使用循环流 化床燃烧技术开创了局面 因而从长远来说 c f b 不仅能广泛地用于工业锅炉 还 能用于不同容量的电站锅炉 它们可以燃用劣质煤 脱硫率可以达到9 0 与p c f g d 所能达到的水平相当 而n o x 的排放量则要比p c f g d 低很多 c f b 锅炉的价 格与常规的同等容量的煤粉锅炉相差不多 因而电站的总比投资费用要比p c f g d 者低廉 应该说 这种技术是建设和改造燃煤电站最为简便的途径 但是 它不能 改善燃煤电站的供电效率 甚至会使其略有降低的趋势 带有煤气化效应的c f b 技 术在我国正在研制和试验之中 一旦成功 在中小县城推广颇有前途 因为它既能 比较有效地控制污染 又能为中小城市的发电 供热和供煤气提供比较廉价的方法 p f b c c c 技术基本上已趋于成熟 世界上已建成8 0 1 0 0 m w 等级的p f b c c c 有4 5 个 可以使原有燃煤电站的供电效率提高3 5 个百分点 2 0 0 0 年左右还有6 7 座p f b c c c 电站在建设之中 其中2 3 座是3 5 0 m w 等级的 电站的供电效率有望达 n 4 2 左右 可以燃用劣质煤 脱硫和脱硝的水平b k c f b 者稍微好一些 目前 它 的比投资费用大约要l e p c f g d 者贵1 0 左右 至于第二代p f b c c g 技术 虽在美 4 重庆大学硕士论文 1 前言及文献综述 国有示范性计划 但要用之于工业实际 则是2 1 世纪初的事了 i g c c 技术也渐趋成熟 i g c c 发电技术通过将煤气化生成燃料气 驱动燃气轮 机发电 其尾气通过余热锅炉生产蒸汽驱动汽轮机发电 使燃气发电与蒸汽发电联 合起来 发电效率达4 5 以上 目前i g c c 发电技术正处于第二代技术的成熟阶段 燃气轮机初温达n 1 2 8 8 c 单机容量可望超过4 0 0 m w 世界在建 拟建的i g c c 电站2 0 多座 总容量8 4 0 0 m w 最大单机3 0 0 m w 荷兰的b u g g e n u m o g 站 单机2 5 3 m w 己于1 9 9 4 年投入运行 美 国w a b a s hr i v e r 电站 单机2 6 5 m w 及t a m p a 电站 单机2 6 0 m w 西班牙的 p u e r t o l l a n o 电站 单机3 0 0 m w 已于1 9 9 7 年前相继投入试验或试生产 i g c c 发电 技术将极有可能成为2 1 世纪主要的洁净煤发电方式之一 从总体来看 联合循环发电技术将要成为发电设备的主流 以美国为例 1 9 8 7 年 美国生产的燃气轮机的功率数已开始超过汽轮机的功率数 意味着大量的常规 汽轮机电站正在为燃气一蒸汽联合循环电站所替代 图1 1 所示为2 0 3 0 年以前各种燃 煤技术占美国市场份额的情况预测圆 摹 诗 笛 l 童 o 1 9 9 02 0 0 0 2 0 l o2 a 2 02 0 3 0y e a r 图1 12 0 3 0 年以前各种燃煤技术占美国市场份额的情况预测 f i g1 1f o r e c a s tf o ra l lt e c h n o l o g yo f c o a lc o m b u s t i o ni na m e r i c a nm a r k e ts h a r eb e f o r e2 0 3 0 由图上可以可知 目前大量应用的有烟气除硫装置的常规煤粉锅炉及燃用天然气的联合循环的 市场份额在逐渐下降 从现在至f j 2 0 1 0 年以前 i g c c 洁净煤发电方式将得到迅速的发展和大量使用 i g c c 的市场份额大约是p f b c c c 份额的一倍 由此可见 在当前及今后较长的时间内 i g c c 洁净煤发电方式将是洁净煤利用 技术的主要形式和发展的重点 重庆大学硕士论文 1 前言及文献综述 1 3i g c c 发电技术阱 2 6 l 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 n e d c y c l e 发电技术 是将原煤制成煤粉 或煤浆 送入气化炉生成粗煤气 再经除尘 脱硫等工艺 把煤气中灰份 含硫化 合物 j z n h 2 s 等杂质除掉 转化成中热值或低热值洁净煤气 进入燃气轮机做功 发电 完成燃气发电的过程 燃气轮机的排气进入余热锅炉 产生蒸汽 带动蒸汽 轮机做功发电 这样就实现了燃气蒸汽联合循环发电 显然整体煤气化燃气 蒸汽联合循环发电系统是把高效的燃气一蒸汽联合循环 发电系统与洁净煤的煤气化结合起来 既有发电的高效率 又有极好的环保性能 是二十一世纪最有发展前景的洁净煤发电技术 13 1i g c c 发展概况 9 0 年代开始 i g c c 进入了 通过设备和系统的优化措施 快速提高其性能及供 电效率的阶段 世界各国竞相建立各种类型的i g c c 示范电站 朝着较大幅度地提 高机组的功率和供电效率以及降低比投资费用的方向发展 国外发展概况 从七十年代开始 一些工业发达国家就有计划地开展了i g c c 发电技术的开发研 究 首台工业装置是1 9 7 2 年往德国冒能克尔曼电厂建成的1 7 0 m w 机组 运行了七年 第一个成功进行i g c c 发电工业性示范的是1 9 8 4 年投运的美国c o o lw a t e r 电站的 1 0 0 m w 机组 这个示范电站的重要意义在于证明了i g c c 发电技术的可行性 取得 极好的环保性能 被称为 世界上最清洁的燃煤电站 目前 世界上已建成和拟建的i g c c 电菇只有2 0 多座 己投入运行主要有美国的 w a b a s hr i v e r 2 6 0 6m w 净效率3 7 8 和t a r n p a 2 5 0m w 净效率4 1 6 荷兰 的d e m k o l e c 2 5 3m w 净效率4 3 和西班牙的p u e r t o l l a n o 3 0 0m w 净效率 4 5 目前国外i g c c 技术的发展趋势是 开发大容量高效率 运行可靠的气化炉 开发大容量 高可用率的燃气 蒸汽联合循环机组 开发高温除尘 高温脱硫技 术 力求2 0 1 0 年把i g c c 的投资降至 1 4 0 0 依w 左右 开发较完善的软件系统 国内发展概况 我国对i g c c 的研究 始于8 0 年代初 我国i g c c 发电技术的研究开发工作经历了 约二十年 一些单项技术如气化炉 空分设备 煤气脱硫 余热锅炉等有一定的技 术基础 八五 期间与美国t e x a c o 公司等合作 完成了水煤浆加压气化2 0 0 m w 和 4 0 0 m w 等级的i g c c 预可行性研究 目前经国家发展计划委员会批准 烟台发电厂将筹备建设我国第一台具有当今 世界最先进水平的 绿色电厂 整体煤气化燃气蒸汽联合循环 i g c c 示范电站 6 重庆大学硕士论文1 前言及文献综述 该工程按两台3 0 万千瓦或4 0 万千瓦进行规划 引进部分技术 逐步实现国产化 由此可见 常繁重而艰巨的 1 3 2i g c c 的技术特点 首期先建一台 在引进设各的同时将 中国洁净煤发电技术的开发研究是非 i g c c 具有以下主要优点 1 高效 现技术水平达4 2 4 6 本世纪初可突破5 0 比目前最先进的常规 火电机组 超临界 要高5 7 2 洁净 燃用高硫煤 也能满足严格环保标准要求 脱硫率达9 8 只有常规 燃煤机组加烟气脱硫 p c f g d 的1 1 5 1 3 0 3 易大型化 单机容量已能做到规模经济等级 3 0 0 6 0 0 m w 4 耗水量少 只有常规燃煤机组的1 2 左右 这对于缺水的我国很有利 特别 适宜于在缺水的矿区建设矿口电站 5 燃料适应性广 可以通过合理地选择气化炉型式和气化工艺 燃用各种品位 的煤种 6 能充分综合利用资源 通过煤的气化 除了发电之外 还能生产甲醇 汽油 尿素等燃料和化学品 使煤得以充分综合利用 有利于降低生产成本 7 能最大程度沿用烧油气联合循环和化工部门煤气化的现有技术 8 便于分阶段建设电站 燃气轮及发电机组 烧油气联合循环 i g c c 当今 i g c c 的主要缺点是 1 比投资费用和发电成本尚比较高 2 不适宜于在功率较小的条件下使用 3 对制造工艺要求很高 例如 非常仰仗于高效率 大功率燃气轮机的设计和 制造技术的发展 l 3 3i g c c 系统组成 整体煤气化联合循环发电技术由煤的气化净化部分和燃气一蒸汽联合循环发电 部分两大部分组成 煤的气化净化部分包括煤气化系统 煤气净化系统和空分系统 主要设备包括煤和煤浆制备 空分装置 气化炉 气体冷却器 气体洗涤器 除硫 及硫回收装置等 联合循环发电部分包括燃烧室 燃气轮机 余热锅炉 蒸汽轮机 发电机等 i g c c 系统示意图 2 6 j 如图1 2 所示 目前 就整体煤气化联合循环的设备和系统而言 燃气轮机 余热锅炉以及蒸 汽轮机的系统和设备基本上都是成熟的 与常规的燃气 蒸汽联合循环相比 所不同 的主要是煤的气化和净化系统及其设备 重庆火学硕士论文1 前言及文献综述 ie i ez r k i v 广 一一 图1 2 i g c c 系统示意图 f i gl 2s c h e m a t i c d i a g r a mo f l g c c i g c c 主要系统简介如下 供煤系统 目前i g c c 气化炉供煤方式主要有干煤粉供煤方式和水煤浆供煤方式这两种 干 煤粉供煤方式主要采用n 2 输送煤粉 水煤浆供煤方式采用煤浆泵输送煤浆雾化喷入 气化炉 氧化剂系统 目前 在i g c c 电站中采用的制氧空分系统有三种方案 a 独立的空分系统 指空分装置所需的压缩空气 完全是由一台专门设置的空 气压缩机供给的 b 庑全整体化空分系统 指空分装置所需要的压缩空气全部是从燃气轮机的压 缩机中抽取的 c 部分整体化空分系统 指空分装置所需空气一部分由独立空气压缩机提供 另一部分来源于燃气轮机压气机抽气 我国i g c c 示范电站应在系统优化的前提下选择独立空分或部分整体化空分系 统 不宜采用完全整体化的空分系统 气化系统 重庆大学硕士论文 1 前言及文献综述 目前 就煤的气化床的床型而论 共有四种基本形式的气化炉装置 它们是 a 喷流床气化炉 属于这类炉型的气化炉有 t e x a c o 炉 k t 炉 p r e n f l o 炉 s h e l l 炉 c e 炉等 b 固定床气化炉 属于这类炉型的气化炉有 鲁奇 l u r g i 炉以及液态排渣鲁 裔 b g l 炉等 c 硫化床气化炉 属于这类炉型的气化炉有 k r w 炉 u g a s 和温克勒炉等 d 熔融床气化炉 目前国外己建 在建 拟建的2 6 多座i g c c 电站中 应用较多的是喷流床 占 5 3 应用较多的炉型是t e x a c o 喷流床 6 例 s h e l l 喷流床 2 例 p r e n f i o 喷 流床 3 倒 k r w 流化床 3 例 h t w 流化床 2 例 和英国b g l 第二代固定床 3 例 气化炉型式不同 其气化工艺 工作特性截然不同 对i g c c 电站的供电效率的 影响程度就不一样 研究分析各种气化炉的工作特性 对气化炉的工艺及其参数进 行优化分析 以实现用最简单的工艺来是最佳供电效率目的 能为i g c c 电站的设计 运行 工艺和参数优化提供理论依据 煤气净化系统 目前 粗煤气的净化系统主要有 常温湿法净化系统 和 高温干法净化系统 两 种 前者技术相当成熟 后者则正在研制开发中 现阶段在我国建设i g c c 示范电站 还只能采用常温煤气净化工艺 目前高温煤气净化技术还不很成熟 还处于发展阶 段 1 4t e x a c o 水煤浆气化技术酬7 j 2 4 2 7 3 5 1 4 1 水煤浆气化技术 煤的气化或称完全气化是用气化剂与煤中的可燃物 其中主要是炭在高温下起 反应 生成可燃气体的过程 气化剂通常是空气 氧气作为放热反应的成份 把水 蒸汽 二氧化碳作为吸热反应的成份 水煤浆气化是以水煤浆 含煤6 0 w t 6 5 w t 水3 5 w t 4 0 w t 为原料 与 工艺0 2 在气化炉内进行部分氧化反应 气化压力为2 6 m p a 8 5 3 m p a 温度1 4 0 0 最终获得合成气c o h 2 该工艺碳转化率达9 5 9 6 有效气成份 c o h 2 高达 8 0 左右 甲烷含量低 不产生焦油 萘 酚等污染物 如果建立煤气化过程气化反应仿真模型 就可以模拟分析预测不同煤种在不同 条件下在不同气化炉气化时 影响产气率 冷煤气效率 合成煤气组分及合成煤气 热值等技术指标的主要决定性因素 9 重庆大学硕士论文1 前言及文献综述 1 4 2t e x a c o 水煤浆气化技术 t e x a c o 法是一种水煤浆进料的加压气流床气化法 由美国t e x a c o 开发公司研究 开发成功的 它是第二代气化方法中 开发最快 最有发展前途的气化方法 已经 实现了大规模工业应用 t e x a c o 气化工艺简介 t e x a c o 气化炉是一个装有耐火衬里的并能承受高温高压的容器 以水煤浆为原 料 采用9 5 的0 2 为气化剂 工作压力很高 属于增压喷流床气化 t e x a c o 气化炉 由喷嘴 气化室 激冷室 或废热锅炉 组成 其中喷嘴为三通道 工艺氧走一 三通道 水煤浆走二通道 介于两股氧射流之间 t e x a c o 气化炉上部为气化区 有 耐火衬里 下部为煤气冷却区 水煤浆通过顶部喷嘴在高速氧气流作用下破碎 雾 化喷入气化炉 雾化水煤浆和氧气在炉内受到耐火衬里的高温辐射作用 迅速经历 预热 水分蒸发 煤的干馏 挥发物的裂解燃烧以及炭的气化等一系列复杂的物理 化学过程 最后生成合成气 其成份主要是氢气 一氧化碳 水蒸汽 二氧化碳及 少量的硫化氢 氮气等 热的合成气和熔渣从气化炉向下流入进入煤气冷却区 合 成气经冷却后 煤气和所含饱和蒸汽进入煤气冷却和净化装置 根据煤气的不同用途 对煤气中水汽含量的要求 设计有三种不同的冷却方式 a 直接急冷式 b 废热锅炉间接冷却式 c 间接冷却和直接冷却相结合的方式 1 4 3t e x a c o 水煤浆气化的技术特点 德土古水煤浆气化已进入第二代煤气化法 与干法气化相比较 具有其独特的 优越性 德土古水煤浆气化方法的优点 气化炉结构简单 没有水冷系统 结构简单 初投资较小 原料适应性强 能处理半烟煤 烟煤和无烟煤粘结性和非粘结性媒的广泛煤 种 也可处理石油焦 煤液化残渣 热解焦以及焦油砂沥青制焦等 还可掺烧垃圾 如废塑料 废轮胎等 压力范围宽 气化压力高 单炉生产能力大 对下游工艺也非常有利 自动控制水平高 t e x a c o 煤气化需要准确连续测定入炉媒浆浓度 粘度 比 重 氧煤比 煤气组成及甲烷含量 以指导炉温及安全的需要 采用了一系列自控 系统 以d c s 计算机控制 该工艺在高温 高压下反应 气化效率高 生成效率高 生成煤气洁净 煤 气中有毒物质少 无焦油等高分子有机物 煤气净化系统简单 三废污染少 大部 分工艺水回收循环使用 排出废水少 几乎无废气排放 废渣可用于制水泥 建筑 材料 全厂的灰水可综合利用 除去大渣和细灰的水也在制浆系统中循环使用 重庆大学硕士论文 1 前言及文献综述 进料系统简单 水煤浆以高压泵加料比干进料系统安全 易于控制 气化炉 采用单喷嘴运行 所有的气化物料都从一个喷嘴喷入水煤浆可连续供料 从而使操 作更为稳定 有效气体成份高 通常c o h 2 约为8 0 非常适于制氨 甲醇 醋酸等产品 h d c o 有较宽幅度可调性 负荷变化适应性强 可在设计能力5 0 1 0 0 负荷下操作 且可在短时间内 把负荷加上去 高低负荷比大 加量快 显然 与其它气化炉相比 t e x a c o 气化炉大容量商业运行的台数和经验更丰 富 t e x a c o 水煤浆气化工艺存在的问题 碳的转化率难于做得很高 一般只有 9 6 9 8 这会影响气化效率的提高 冷煤气效率比较低 一般只有0 7 0 o 7 6 因而热煤气显热的回收任务比较重 气化所需的耗氧量较多 需要专门的制氧系 统 湿煤气中的水蒸气含量较多 热煤气效率的提高要靠较复杂的显热回收设备 致使i g c c 的供电效率要比干法供煤者略低一些 炉膛耐火砖的寿命短 价格高 更换时间长 耐火砖每4 年要全部更换一次 每次耗时2 1 天 水煤浆泵和喷嘴易 于磨损 平均2 3 个月要更换一次喷嘴 1 4 4t e x a c o 水煤浆气化技术的应用 水煤浆气化技术主要应用于化工行业生产合成气和民用制气 近几年对应于联 合循环发电方面进行了开发 相对于干法气化工艺 目前主要应用在气流床气化和 流化床气化工艺中 t e x a c o 煤气化法已实现了工业化 t e x a c o 水煤浆气化技术应用典型装置有 c o o lw a t e r 电站 1 9 8 4 年5 月起动投运 i 9 8 9 年率先完成了商业验证运行 煤浆浓 度6 0 6 8 日处理能力为9 0 0 t 1 0 0 0 t 煤 至 t a m p a 电站 1 9 9 6 年投运 日处理 煤2 4 0 0 t 2 8 m p a 气化 u b e 氨厂 1 9 8 3 年筹建 日处理煤1 5 0 0 t e a s t m a n 甲 醛厂 目处理煤8 2 0 t 量 r u h r c h e m r u h r k o h l e 日处理煤7 2 0 t 8 0 年代 在我国也开始了t e x a c o 煤气化法的研究 在陕西临渲化肥研究所建造 了2 4 t a m 中试装置 鲁南化肥厂已建造了3 8 1 0 4 t 成氨生产t e x a c o 气化装置 首 都钢铁公司和上海焦化总厂也正在计划建造t e x a c o 气化炉 烟台电厂筹建的联合循 环电厂也是引进t e x a c o 气化炉 1 5 气化炉气化系统的建模技术 气化炉气化系统的建模与仿真研究就是应用基本理论定律 结合有关流动 燃 烧 化学反应 传热等方面的理论或经验模型理论建立起气化炉的数学模型 然后 重庆大学硕士论文1 前言及文献综述 借助计算机对其性能进行仿真计算 目前国内外气化炉建模已有一定的发展 国外较成熟 国内刚刚起步 而且很 多是基于化工建模技术上 从原理上可以分为三类 实际数据计算法 平衡模型 理论模型法 实际数据计算法口2 6 实际数据计算法是以原料煤在试验或正式生产时测得的煤气组成为依据的计 算 根据原料煤的工业分析 元素分析及气化剂组成和操作条件等 计算确定煤气 发热量 产气量 气化剂耗量 气化效率及热效率等气化指标 为调节评价气化炉 操作或设计选择气化炉提供依据 是常用的煤气化计算方法之一 1 计算步骤如下 a 收集