（热能工程专业论文）整体煤气化联合循环系统热力计算与性能试验方法.pdf

5 崦 j 1 1 声 明尸 明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 整体煤气化联合循环系统热力计算 与性能试验方法 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 i 学位论文作者签名 查盟日 期 旦丝 曼 歹 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为 目的 复制赠送和交换学位论文 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表 传播 学位论文的全部或部分内容 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 导师签名 日期 翌 兰 乡 讲 l i 本文基于热量平衡与能量平衡 对某4 0 0 m w 级整体煤气化联合循环 i g c c 系统的气化炉 余热锅炉建立了热效率计算模型 根据相关模型计算了空分系统各 种配置方案的耗电量 在不考虑蒸汽轮机和燃气轮机热效率影响的条件下 计算了 i g c c 系统的整体热效率 并分析了相关参数如整体空分系数x 酗 氮气回注系数 x 鲫等对i g c c 系统整体热效率的影响 研究了美国机械工程师协会2 0 0 6 年颁布的 i g c c 系统性能试验规程 a s m ep t c4 7 2 0 0 6 分析了性能试验及不确定度分析方 法 并计算了某i g c c 系统在约定运行条件下热效率 热耗率 等参数 关键词 i g c c 热效率 性能试验 a b s t r a c t t h ep a p e re s t a b l i s h e st h et h e r m a le f f i c i e n c yc a l c u l a t i o nm o d e lo fg a s i f i e r h e a tr e c o v e r y s t e a mg e n e r a t o ri na4 0 0 m w c l a s si 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 dc y c l e i g c c s y s t e m b a s i n g o nt h eh e a tb a l a n c ea n de n e r g yb a l a n c e a n dc a l c u l a t e s p o w e rc o n s u m p t i o n so f d i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o np l a n si na i rs e p a r a t eu n i t sa c c o r d i n gt or e l e v a n tm o d e l r e g a r d l e s so f t h ee f f o r t so fs t e a mt u r b i n ea n dg a st u r b i n et h e r m a le f f i c i e n c y t h ep a p e ra l s oc a l c u l a t e st h e o v e r a l lt h e r m a le f f i c i e n c yo ft h ei g c cs y s t e m a n da n a l y z e st h ee f f o r t so fc o r r e l a t i o n p a r a m e t e r s s u c ha st h eo v e r a l la i rs e p a r a t i o nf a e t o rx a s c o e f f i c i e n to fn i t r o g e nr e i n j e c t i o n x 印 o nt h e o v e r a l lt h e r m a le f f i c i e n c yo ft h e i g c cs y s t e m s t u d yo ft h ei g c cs y s t e m p e r f o r m a n c et e s tc o d e a s m ep t c4 7 2 0 0 6 p r o m u l g a t e db yt h ea m e d c a ns o c i e t yo f m e c h a n i c a le n g i n e e r si n2 0 0 6 h a sb e e nm a d e p e r f o r m a n c et e s ta n da n a l y s i sm e t h o do f u n c e r t a i n t ya r ea n a l y z e d t h et h e r m a le f f i c i e n c y h e a tr a t e a n do t h e rp a r a m e t e r so fai g c c s y s t e ma r ec a l c u l a t e da ts p e c i f i e do p e r a t i n gc o n d i t i o n s z h a oj i n t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f y a nw e i p i n g k e yw o r d s i g c c t h e r m a le f f i c i e n c y p e r f o r m a n c et e s t j l 目录 2 1 气化炉热力学模型的建立 8 2 1 1 气化炉运行过程描述 8 2 1 2 概念模型 8 2 1 3 热力学模块 9 2 1 4 气化炉的计算与结果分析 1 3 2 2 本章小结 1 4 第三章空分系统和余热锅炉的计算 16 3 1 空分系统耗电量计算模型的建立 1 6 3 1 1i g c c 空分系统的配置方案 1 6 3 1 2i g c c 空分系统配置方案的比较 1 7 3 2 余热锅炉热效率的计算 2 l 3 3i g c c 整体热效率的计算 2 4 3 4 本章小结 2 6 第四章整体煤气化联合循环电站的性能试验方法 2 7 4 1 性能试验特点分析 2 7 4 2 性能试验导则 2 7 4 3 纯发电i g c c 电站热耗率的计算 3 l 4 4 多联产i g c c 性能试验计算 3 5 4 5 性能试验结果的不确定度分析及试验报告 3 7 4 6 实例计算 3 9 4 7 本章小结 4 2 第五章结论与展望 4 3 i 1 l 3 4 5 5 6 8 华北电力大学硕士学位论文目录 5 1 主要研究成果 4 3 5 2 工作展望 4 3 参考文献 一 4 5 致谢 4 7 在校期间发表的学术论文和参加科研情况 4 8 i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1i g c c 的概念与特点 第一章引言弟一早ji 嗣 整体煤气化联合循环 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 dc y c l e i g c c t 5 1 发电技 术是将煤气化技术与高效的燃气蒸汽联合循环有机结合的先进动力系统 它由两大 部分组成 即煤气化与煤气净化系统部分和燃气蒸汽联合循环发电系统部分 第一 部分的主要设备包括气化炉 空分装置 煤气冷却净化系统 第二部分的主要设备 包括余热锅炉 燃气轮机发电系统 汽轮机发电系统 i g c c 的工艺流程如下 6 7 煤和气化剂在气化炉内气化成为中低热值合成煤气 进入煤气冷却净化系统 除去 合成煤气中的硫化物 氮化物 粉尘等污染物 成为清洁的气体燃料 然后送入燃 气轮机的燃烧室中燃烧 加热燃气工质以驱动燃气透平做功 燃气轮机排气进入余 热锅炉加热给水 产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功 典型的系统示意图见图1 1 6 1 整体煤气化联合循环的主要有优点有 5 6 1 8 1 3 1 1 燃料的适应范围广 从目前已投运的i g c c 电站和示范装置运行情况来看 含碳固体或液体燃料几乎均可以用作燃料被气化 高硫分 高灰分 低热值的低品 位煤也可气化 2 效率较高 且具有提高效率的潜力 i g c c 的高效率主要来自燃气蒸汽联合 循环 燃气轮机技术的不断发展使i g c c 系统具有了提高系统效率的最大潜力 现 在 燃用天然气或油的联合循环发电系统净效率己达到5 8 由它组成的i g c c 系 统效率可达4 5 左右 随着燃气初温的进一步提高 i g c c 的净效率能达到5 0 或 更高 3 极好的环保性能 将煤转化为煤气 净化后再燃烧 避免了由于煤的直接燃 烧造成的环境污染 同时也解决了内燃式燃气轮机难以直接燃烧固体燃料的问题 n o x 和s 0 2 的排放远低于环境污染排放标准 脱硫率 9 8 除氮率可达9 0 废 物处理量少 副产品可做化工产品销售 能更好地满足本世纪对煤基电站的环保要 求 4 耗水量少 i g c c 电站的耗水量比常规煤基电站少3 0 5 0 这一优势使它 更易于建在水资源短缺的地区 也适于矿区建设坑口电站 5 易大型化 单机功率可达到3 0 0 6 0 0 m w 以上 6 能够利用多种先进技术使之不断完善 i g c c 是一个由多种技术集成的系统 煤的气化技术 煤气的净化技术 蒸汽轮机技术及燃气轮机技术等的发展都为其发 竺j 皇垄奎堂堡主堂垡垒壅 一一 展提供了强有力的支撑 7 可以和煤化工结合成多联产i g c c 系统 同时生产电 热 燃料气和化工产 品等 图i ii g c c 典型系统示意图 8 便于与生产甲醇 醋酸 合成氨 尿素等化工过程相结合 使煤得到充分的 综合利用 利于降低生产成本 9 具有广阔的高新科技产业发展前景 整体煤气化湿空气透平循环 i g h a t 亚临界或超临界蒸汽参数的i g c c 整体煤气化燃料电池联合循环 i g f c c c 等 2 华北电力大学硕士学位论文 l o 相对于其他的燃煤发电设备来说 i g c c 技术具有比较经济地捕集温室气体 c 0 2 的潜在能力 1 2i g c c 技术发展阶段 5 6 i g c c 技术自上世纪7 0 年代初期研发开始 至今已有3 0 多年的发展历史 从 世界范围看 i g c c 技术的发展经历了概念性验证阶段和商业示范阶段 正在走向 商业化应用 1 概念性验证阶段 世界上第一座i g c c 装置是1 9 7 2 年在西德l u n e n 市的1 4 0 m w 级的k e l l e r m a n 电站 1 0 采用五台l u r g i 固定床气化炉 配s i e m e n s 公司v 9 3 型7 4 m w 功率燃气轮 机 虽然该i g c c 示范装置由于其气化岛的实际空气耗量比设计值大很多 导致装 置出功和效率都低于设计值 再者粗煤气中含有焦油和酚等有害物质极难处理 在 完成原定试验后被迫停运 但它作为i g c c 的先驱开创了洁净煤发电技术的新时代 世界上真正运行成功的第一座i g c c 电站是1 9 8 4 年的美国加卅fc o o lw a t e r 冷水 电 站 通过2 5 0 0 0 小时的运行考核 表现性能良好 运行可靠 尤其是污染排放很小 被誉为 世界上最清洁的燃煤电站 概念性验证阶段的主要目的是通过建立各种试验电站向世人展示i g c c 作为 种新型的洁净煤发电技术不仅理论上可行 而且运行安全可靠 真正 洁净 的解 决常规燃煤电站由于煤的直接燃烧所带来的污染问题 并且有可能大型化商业应 用 2 商业示范阶段 c o o lw a t e r 电站的成功运行验证了i g c c 技术的可行性 并使i g c c 技术跨过 原理概念性验证阶段进入商业示范阶段 美国 英国 荷兰 西班牙 德国 日本 印度等国纷纷建起了i g c c 示范电站 其中最受关注的是美国的w a b a s h r i v e r 1 9 9 5 f r e et o w n 1 9 9 5 t a m p a 1 9 9 6 和p i n o np i n e 电站 1 9 9 6 以及欧洲荷兰 的b u g g e n u m 电站 1 9 9 4 西班牙的p u e r t o l l a n o 电站 1 9 9 8 等 它们多已并入 电网做商业化示范运行 净效率4 3 以上 高于超临界参数燃煤发电机组在同样净 化要求下的最高水平 运行可靠 性能表现良好 在商业示范阶段 人们努力寻求突破i g c c 关键技术的途径和提高整个系统性 能的方法 在这一阶段的i g c c 电站一方面通过提高子系统的性能和采用系统综合 优化的方法来改善整个系统性能 提高供电效率 另一方面还通过大型化和简化系 统等方法来降低发电成本 提高其经济性 3 商业化阶段 3 华北电力大学硕士学位论文 随着先进透平系统 a s t 计划的完成 煤的气化技术 煤气的净化技术等方 面的进步 和建设成本的逐渐降低 i g c c 技术的应用范围越来越广 i g c c 电站会 逐步发展到商业化阶段 目前正在采用最新技术 加强整体化 发展i g c c 商业化 示范电站 逐步进入商业化普及应用阶段 1 3 国外i g c c 电站发展现状n 4 1 据统计 全球已建成投运的i g c c 电站约3 0 余座 总装机达1 0 0 0 万千瓦 在 建和拟建的i g c c 电站约4 0 余座 总装机约2 0 0 0 万千瓦 这些电站主要分布在美 国 欧洲 日本等发达国家和地区 澳大利亚 韩国 印度等国家也在积极推动i g c c 电站的发展 1 美国 美国是i g c c 技术发展的引领者和推动者 上世纪9 0 年代相继建设了t a m p a 和w a b a s hr i v e r 两座i g c c 示范电站 美国各州为满足日益严格的燃煤电站排放物 环保法规 选择了具有优越环保性能的i g c c 电站 美国已开始建设商业电站 根据美国能源部 d o e 的统计 截至2 0 0 8 年上半年 美国国内在建和获批 的i g c c 电站共有6 座 对外发布的i g c c 电站有2 2 座 d o e 最新介绍 美国总 体规划建设1 0 座i g c c 标准电站 用来推动i g c c 电站的商业应用 2 欧洲 欧洲也是i g c c 发电技术的引领者 在商业示范阶段建设了荷兰b u g g e n u m 和 西班牙p u e r t o l l a n o 两座i g c c 示范电站 近些年为应对气候变化 欧洲各国努力探 索将i g c c 系统同c 0 2 捕集与封存 c c s 技术相结合的燃烧前脱碳示范电站 拟 建的此类电站已超过5 座 荷兰n u o n 公司基于b u g g e n u mi g c c 示范电站的建设和运行经验 选址于荷兰 北部的e e m s h a v e n 定名为m a g n u mi g c c 电站 于2 0 0 8 年初正式启动这一期i g c c 项目的论证工作 规划装机容量1 3 0 万千瓦 德国r w e 公司正在进行l 座4 5 万千瓦i g c c c c s 示范电站的设计工作 预计 将于2 0 1 4 年投产 3 日本 日本在i g c c 技术方面以自主创新为主 于2 0 0 8 年投运了一座2 5 万千瓦级 i g c c 示范电站 采用三菱重工的空气气化炉和低热值合成气燃机 据三菱公司介 绍 下一步示范电站将采用m 7 0 1 f 燃气轮机 容量可达到4 5 万千瓦 效率达到 4 5 4 6 未来考虑将功率增大到6 5 万千瓦 效率力争达到4 8 n 5 0 该类电站还将 考虑与c c s 结合 把捕集的c 0 2 进行海洋地质封存 4 华北电力大学硕士学位论文 除以上国家 澳大利亚近年来也以燃煤电站的低污染为出发点规划了几座i g c c 电站 包括z e r o g e n 项目 b p 公司d f 3i g c c 项目以及h r l 公司的褐煤干燥气化 i g c c 项目等 韩国也正在考虑建设3 个i g c c 项目 其中1 个以煤炭为原料 2 个 与炼厂结合以渣油为原料 印度于2 0 0 1 年建立了一座5 3 万千瓦的小型电站 并计 划建设4 5 座类似电站 1 4 论文的研究背景与内容 1 4 1 我国发展i g c c 的必要性及研究背景 自上世纪9 0 年代美国和欧洲相继建成4 座i g c c 示范电站后 i g c c 电站主要沿两 个方向发展 其一是与炼油厂相结合的i g c c 电站 此类电站以渣油 沥青 石油焦 等为主要原料 与炼油厂形成产品互供关系 已投产1 7 座 装机容量超过6 0 0 万千 瓦 同时 世界各国也在积极规划建设以发电为主的i g c c 电站 1 4 1 我国目前尚没有大规模 纯发电的i g c c 电站 近几年 自华能率先提出 绿色 煤电 计划后 国内各大发电公司均提出了i g c c 电站的建设规划 1 4 一次能源消费预测 中国可再生麓源发展战略预j 1 2 0 0 8 年原煤产量 2 7 4 亿吨 发电 原煤1 3 2 亿吨 2 0 s o 年用标煤 1 4 5 亿吨 发电 用标煤7 亿吨 2 0 0 8 年7 5 2 0 5 0 年4 0 l i i i l l 煤电比例 图1 2 我国一次能源消费预测 1 我国是世界上最大的煤炭生产国和使用国 煤炭是我国最重要的资源与燃料 5 华北电力大学硕士学位论文 占我国一次能源供给的2 3 t 1 6 以煤为主导的能源结构在我国将长期存在 1 7 如图 1 2 我国可再生能源发展战略预测煤电比例将从0 8 年的7 5 降为2 0 5 0 年的4 0 但煤电在我国电力工业中将起主导作用 在2 l 世纪甚至更长时间内仍将起到重要 作用 但目前燃煤发电机组存在污染严重 供电煤耗高等问题 不能满足我国2 1 世纪电力工业发展的需要 1 8 并且我国每年的c 0 2 的排放总量已经超过美国跃居世 界第一 1 9 因此 对于以煤为主要资源而环境污染情况又日益恶化的我国来说 燃 煤发电必然要走高效清洁之路 并且对c 0 2 排放的处理是无法回避的 在目前有望 采用的脱碳方案中i g c c 方案是首选 1 5 j 1 9 1 又鉴于前文所述的i g c c 特点 能很好 的满足我国日益严格的环保要求 所以我国发展i g c c 势在必行 i g c c 能很好地解决直接燃煤带来的环境污染问题和能源利用率低下的问题 各国政府在考虑利用储量丰富的煤炭资源时 特别重视洁净煤发电技术的研究和开 发工作 2 0 1 洁净煤发电技术是煤基电站今后的主要发展方向 它符合我国的国情 并对我国可持续发展有十分重要的意义 并满足我国对煤基电站日益严格的环保要 求 1 4 2 研究内容 1 研究对象及主要参数 本论文的研究对象是某4 0 0 m w 级i g c c 系统 及其系统中的气化炉 空分系 统 和余热锅炉 气化炉选用s h e l l 气化炉 采用喷流床式的干煤粉供煤方式 纯度为9 5 的 氧气作为气化剂 耗氧率为0 8 9 5 k g k g 无水无灰基 蒸汽耗率 氧气耗率为0 1 3 9 气化温度为1 4 0 0 1 5 0 0 c 燃气轮机采用m 7 0 1 型燃气炉机 余热锅炉采用某三压 再热自然循环锅炉 其参数分别如表1 1 和表1 2 2 研究内容 本文基于热量平衡和能量平衡 对某4 0 0 m w 级i g c c 系统中的气化炉 空分 系统 及余热锅炉进行了热力计算 并对系统的整体热效率进行了计算 基于煤的 低位发热量 主要内容如下 1 根据质量守恒和能量守恒 对s h e l l 气化炉建立了计算其工艺指标的模 型 包括碳转化率 冷煤气效率 煤耗 氧耗等工艺指标 分析了氧煤比变化对冷 煤气效率的影响 2 根据相关文献中的模型对不同配置方案的空分系统进行了耗电量的计算 计算了不同的x 嬲 空分系数 和x 阴 氮气回注系数 条件下的厂用电和厂用电率 并对各配置方案进行了比较 6 4 研究了美国机械工程师协会2 0 0 6 年颁布的i g c c 系统性能试验规程 a s m e p t c4 7 2 0 0 6 分析了性能试验及不确定度分析方法 并计算了某个i g c c 系统在 约定条件下热效率 热耗率 基于煤的高位发热量 等参数 表i 1m 7 0 1 型燃气轮机设计参数 净功率 净效率 压比 空气流量 燃气初温排烟温度 p e m w k g s t 3 k t 4 k 2 7 03 8 2 1 76 5 l 1 6 7 38 5 9 表1 2 余热锅炉蒸汽侧主要参数 设计工况 名称数值单位名称 数值单位 高压部分中压部分 最大连续蒸发量 2 8 2 9 6t h 最大连续蒸发量 4 0 0 5 lt h 蒸汽出口压力 9 7 2 m p a 蒸汽出口压力 2 2 6m p a 蒸汽出口温度 5 6 6 6 蒸汽出口温度 2 9 7 2 再热部分低压部分 最大连续蒸发量 3 1 2 0 1 5t h 最大连续蒸发量 4 1 4 3 7t h 蒸汽出口压力 2 1 0m p a 蒸汽出口压力 0 3 1m p a 蒸汽出口温度 5 6 6 2 蒸汽出口温度 3 0 0 1 冷再热蒸汽流量 2 7 1 2 4 5t h 冷再热蒸汽温度 3 6 5 8 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章气化炉的热力学模型及计算 2 1 气化炉热力学模型的建立 在本节中将建立s h e l l 气化炉的热力学模型 热力学模型主要是根据化学反 应平衡常数及气化过程的质量平衡方程和能量平衡方程 建立方程组 通过求解方 程组得到煤气组成及性能指标的一种方法 2 l 2 1 1 气化炉运行过程描述 如图2 1 所示 在气化炉底部沿气化炉径向对称布置着4 个燃烧器 煤粉 水 蒸汽 氧气通过燃烧器喷入气化炉 在炉中发生对冲 绝大部分入口物质都向上喷 射 在对冲和向上喷射的初期 煤粉发生热解 析出挥发分 随后挥发分和氧气发 生剧烈的氧化反应 如果氧气还有剩余 剩余的氧气也会很快和焦炭反应而消耗完 毕 这步燃烧反应放出大量热量 足以维持气化炉后部焦炭和二氧化碳 水蒸汽的 异相气化反应 气化炉的温度维持在1 4 0 0 1 6 0 0 运行压力约2 6 2 8 m p a f 2 2 j 煤气 嚣气 图2 1 气化炉 s h e l l 气化炉的压力壳里布置垂直管膜式的水冷壁 通过强制循环产生4 0 m p a 的中压蒸汽 2 2 1 这些蒸汽通过余热锅炉过热后 送入蒸汽轮机中压缸做功 煤的灰 分大部分都以液态渣的形式沉积在水冷壁的渣保护层上面 随后沿渣层流到气化炉 底部的出渣口而排出 2 1 2 概念模型 从整体来看 气化炉的功能就是通过煤粉气化产生合成煤气 同时利用气化过 r 一 liilili o 二 渣 一 一 华北电力大学硕士学位论文 程的显热 产生一定数量的水蒸汽 在这一过程中 还会排出一定数量的液态渣 建立模型的主要目标是得出 1 出口煤气的成分 2 气化炉的各工艺指标 碳转化率 冷煤气效率 煤耗 氧耗等工艺指标 2 1 3 热力学模块 2 2 1 气化过程 煤粉进入气化炉以后 很快被加热到非常高的温度 热解析出挥发分 析出的 挥发分和刚进入气化炉的浓度很高的氧气 和水蒸汽 在高温下发生剧烈反应 生 成c o h 2 c 0 2 和h 2 0 如果氧气还有剩余 也将很快和固定碳发生反应而几乎消耗 完 发生在入口附近的这些反应 会产生大量的热量 形成很高的温度 这将用来 维持以下列出的固定碳和气态产物之间的异相吸热反应 c c 0 2h 2 c 0 2 1 c 2 0 2 c o 2 2 c 2 坞付c h 4 2 3 在整个气化炉内 气态成分都可能发生水煤气反应及甲烷生成反应 c o h 2 0h 1 1 2 c 0 2 c o 3 h 2 c h 4 h 2 0 2 4 2 5 2 简化条件 1 气化炉中 同相气化反应可以达到平衡 在气化反应中 热解和同相反应的速率非常快 所以在整个气化炉中认为可以 达到化学平衡 2 碳的转化率是固定的 碳的转化率是气化炉一个重要的指标 它影响到气化炉的冷 热煤气效率 由 于影响因素很多 碳转化率很难通过理论方法计算得到 目前也无足够的试验数据 得到经验公式 s h e l l 气化炉的碳转化率很高 外界条件变化对它的影响很小 s h e l l 气化炉中碳的转化率很过 可以超过9 9 2 3 1 所以在本文中 碳的转化率 取为定值9 9 5 其他元素认为是全部转化的 3 文献 2 4 2 5 中对气态化学平衡进行了研究 该项研究表明对于气流床 煤气 的组成几乎是由水煤气反应单独决定的 与其他学者的研究结果非常接近 2 6 1 因此 本文在求取化学平衡状态时 只考虑了水煤气反应的化学平衡常数 9 华北电力大学硕士学位论文 4 输入的氩气和氮气都按氮气处理 5 煤中所有的硫全部转化成了h 2 s 和c o s 的比率是9 比l 实际上 在1 9 8 9 年k r e w i n g h a u s 等学者发现 h 2 s 和c o s 的比值在5 到2 0 之 间变化 而且在1 9 9 0 年发现大约有1 0 的硫随灰渣排出 但该现象对本文中的计 算模型影响很小 可以忽略不计 6 本文采用文献 2 7 1 中化学平衡常数计算方法 水煤气反应的化学平衡常数是 关于温度的函数 蹁粉 e x p 3 6 8 9 竽 协6 7 随着温度的降低 水煤气反应的平衡点向着c 0 2 增高的方向移动 当温度 降低到某一值后 这时的反应速度降低到不足以使反应达到平衡点 这样式 2 6 就失去了有效性 为了解决这个问题 文献 2 2 1 引入了 固定平衡温度 的概念 当 温度高于该温度时 煤气成分组成按上式进行计算 当低于该温度时 认为煤气成 分不再发生变化 根据很多的试验数据 按照1 4 5 0 k 的 固定平衡温度 进行计算 可以很好的预测s h e l l 气化炉的煤气成分 3 数学公式 根据前文做出的假设 在已知气化炉输入物质质量和气化反应平衡温度的情况 下 根据碳 氢 氧等元素的物质平衡和水煤气反应的平衡常数计算式 就可以得 出气化炉出口煤气成分的组成 j 7 l 2 2 2 2 肌s2 0 9 n o 1 n s n c o 0 9 9 5 一他田 n h t n h o 2 2 n n n h s 一 1 l c o 2 y 1 h 2 c o j g j 一 k n c o n t t 2 0 c o h o 输入变量 n n n s n n c n o t 输出变量 n v 2 s o 4 质量平衡 2 8 1 表2 1 列出了粉煤气化反应体系 气化炉 的物料平衡 2 7 2 8 2 9 2 1 0 2 1 1 2 1 2 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 气化炉物料平衡 输入输出 项目 粉煤蒸汽氧气水煤气渣 c g c 1 一m o 圪 v c o v c o s g 口 q 1 2 k m o i 1 2 2 2 4 h g c 1 一够 g c m g 巧如 d 2 k 强 巧屯s k m o l 2 1 8 1 82 2 4 q g c 1 一m q g c m g 只 o 5 5 k m 0 1 3 21 8 2 2 4 1 8 22 2 4 n q 1 一m 虬 圪 1 一仍 圪 2 2 4 k m o l 2 8 2 2 4 s g c 1 一m 岛 乓 s k m o l 3 2 2 2 4 k q 巴 k m o l g c 1 一m 以 符号名称 单位符号名称单位 g c 入炉粉煤量 k g h k 水煤气量 m 3 标油 g 入炉蒸汽量 k g l lg 口 渣量 k g h 水煤气中c o 入炉氧气量 m 3 标 l 的体积分数 水煤气中h 2 m t 煤中总水分 的体积分数 水煤气中c 0 2 q 干煤中c 含量 的体积分数 符号h d 干煤中h 含量 水蒸汽中c i h 说明 的体积分数 水蒸汽中h 2 s q 干煤中o 含量 芦 的体积分数 水蒸汽中c o s n d 干煤中n 含量 的体积分数 水煤气中n 2 s d 干煤中s 含量 的体积分数 水煤气中h 2 0 以 干煤中灰含量 d 的体积分数 p t 入炉氧气纯度 以 渣中灰含量 巴 渣中碳含量 5 能量平衡 气化炉的热量平衡可按下式计算 华北电力大学硕士学位论文 式中 萎 吩 萋 刀 g 办 出 m j h j e 刀 嗾 2 1 3 m 一质量流量 k e j h m 芷一煤的质量流量 k g h k 一气化炉热损失 k j k g 办 一生产焓 k j k g c p 一比热容 k j 1 g k a 疗h 一气化焓 k m 沿 一参比温度 k 又一入炉温度 k 瓦一出炉温度 k 煤 氧 蒸汽三种物流的热焓量册 入炉温度为叹 加上气化热焓量m k a g h 等于出炉粗煤气和灰渣在出炉温度气下的热含量加上气化炉的热损失硖 引入参比温 度 是假定反应在t o t i t t 行 入炉物料首先从玖升至乙 反应生成物再从 加热到瓦 咒是所要求的气化温度 6 模型求解计算方法 在粉煤气化反应体系中 除要满足化学反应平衡外 还受物料平衡及热量平衡 的约束 可用计算机采用迭代法求解 根据气化特点和煤质特点 假定其反应温度 由公式 2 6 至公式 2 1 2 联立求得气化炉合成气成分 然后输入合成气成分使 用公式 2 1 3 和表2 1 中的物料平衡关系计算气化炉的各项工艺指标 气化模型 的热量平衡的输入输出量如表2 2 表2 2 热量平衡计算的输入输出量 输入数据输出数据 名称单位名称 单位 入炉粉煤温度 h 2 0 氧气量 m 3 标 h 1 干煤气产量 n 1 3 标 h 1 氧气纯度 未分解水蒸气量 k g h 1 入炉氧气温度 灰渣量 k g h l m 3 标 l0 0 0 m 3 标 蒸汽量 k g h i 氧耗 c o h 2 蒸汽压力 m p a 煤耗 k g l0 0 0 m 3 标 1 2 据文献 的介绍 对s h e l l 气化系统进行过实验研究 实验煤种i l l i n o i sn o 6 煤 入炉煤粉被干燥到含水分5 煤的数据如表2 3 所示 表2 3i l l i n o i sn o 6 煤的成分 和热值 低位热值 c a r h a r o a fn a r s 盯 水分灰分 低位热值 k j k g 6 6 1 5 o 9 51 2 3 75 0 9 52 7 6 4 3 所用氧气韵纯度为9 5 入炉煤粉 氧气 水蒸汽和氮气的比例为 1 o 7 5 9 8 0 0 2 7 3 0 0 7 1 7 9 按煤气成分模块模型计算结果如表2 4 表2 4 煤气成分模块计算结果 煤气成分 c o c 0 2h 2h 2 0n 2 a rh 2 s c o s 文献 2 6 6 0 31 63 0 02 o4 71 3 计算结果 6 0 1 61 6 33 0 11 9 64 7 41 4 l 相对误差 o 2 3 1 8 7 0 3 3 2 0 8 5 8 4 除h 2 s c o s 计算误差较大 其他成分计算结果较准确 证明了模型的有效性 将计算出的煤气成分带入物料平衡计算公式 表2 2 中的公式 和热量平衡计 算公式 公式2 3 计算气化炉的各项工艺指标 其中渣的组成和排渣率列在表2 5 中 计算结果如表2 6 表2 5 渣的组成和排渣率 渣的组成碳含量3 2 灰分含量 9 6 8 排渣率 9 5 1 3 华北电力大学硕士学位论文 冷 煤 气 效 率 表2 6 气化炉工艺指标计算结果 名称结果单位 碳转化率 9 8 9 冷煤气效率 8 2 3 制气效率8 3 6 产气率 2 0 3 m 3 k g 有效产气率 1 8 7 m 3 k g 煤耗 o 5 3 k g m 3 氧耗0 5 0m 3 m 3 蒸汽耗 0 0 7 k g m 3 氧煤比 m3 标 k g 图2 2 氧煤比对冷煤气效率的影响 氧煤比是粉煤气化的一个重要操作条件 氧煤比对粉煤气化性能的影响如图 2 2 图中蒸汽煤比一定的条件下 随着氧煤比的增加 气化温度提高 2 引 氧气量越 多 气化温度越高 氧气吸收的显热就越多 在送入气化炉燃料热值中所占份额就 越多 相应冷煤气效率降低 2 2 本章小结 本章根据文献f 2 2 中计算气化炉出1 3 煤气成分模型和文献 2 8 1 中利用物料平衡和 能量平衡计算气化炉的各项工艺指标模型 对s h e l l 气化炉进行了计算 得出了 气化炉的主要工艺指标 并分析了氧煤比对冷煤气效率的影响 对s h e l l 气化炉 1 4 1 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章空分系统和余热锅炉的计算 3 1 空分系统耗电量计算模型的建立 3 1 1i g c c 空分系统的配置方案 在文献 7 中 空分系统与燃气轮机系统的配置方式分为完全整体化空分系统 部分整体化空分系统 和独立空分系统 在文献 3 0 中 作者根据空分系统所需压缩空气的来源和氮气产品是否回注 将 i g c c 的空分系统分成以下五种配置方案 方案1 氮气不回注的独立空分系统 空分系统所需的空气全部从大气环境中抽取 完全由空分压缩机压缩供给 经 过空分压缩机的增压和冷却后 送入按深冷原理工作的空分系统中制取0 2 和n 2 空分压缩机提供的压缩空气的压力为0 6 m p a 左右 与全低压空分系统的压力接近 空分系统获得的氧气产品和氮气产品压力略高于大气压力 约为o 1 0 5 m p a 左右 由于氮气产品的压力较低 回注氮气所消耗的压缩功非常大 经济性不高 所以氮 气一般不回注 方案2 氮气回注的独立空分系统 与方案1 中的空分系统不同之处在于 空分压缩机的压缩比与燃气轮机中的压 缩比相当 接近于1 2 1 6 空分系统获得的0 2 和n 2 的压力大约为o 6 m p a 左右 这 类空分系统称为高压空分系统 为了充分利用空分系统所得n 2 的压力能 在高压空 分系统中获得的n 2 经增压后 一般都回注到燃气轮机中做功 方案3 完全整体化空分系统 空分系统所需的空气全部由燃气轮机的压气机压缩供给 也就是说 这类空分 系统未设置空分压缩机 由于现代的燃气轮机压缩比都比较高 因而完全整体化的 空分系统一般都为高压空分系统 空分系统获得的n 2 压力为0 6 m p a 左右 经增压 后 再回注到燃气轮机中参与做功 方案4 氮气不回注的部分整体化空分系统 该方案的空分系统仍然配置有空分压缩机 其压缩比比较低 压缩空气的压力 为o 6 m p a 左右 与方案l 中的独立空分系统不同 由该压缩机供给空分系统的压 缩空气的质量流量 为空分系统所需总空气量的3 0 7 0 剩下的空气量则由燃气 轮机的压气机压缩供给 这类情况下 由于空分系统得到的n 2 压力约为o 1 0 5 m p a 1 6 华北电力大学硕士学位论文 压力较低 回注氮气所耗费的压缩功会非常大 所以氮气产品一般不回注 另外 由于空分压缩机的压力比较低 即由燃气轮机的压气机提供给空分系统的压缩空气 的压力比由这台空分压缩机提供的压缩空气的压力高很多 为了充分利用压缩空气 的压力能 在燃气轮机压气机的抽气侧应设置膨胀透平 以便回收部分机械功或电 能 方案5 氮气回注的部分整体化空分系统 与方案4 中的 氮气不回注的部分整体化空分系统 不同 空分压缩机的压缩 比比较高 即压缩空气的压力大约为1 2 1 6 m p a 与现代燃气轮机的压气机所提供 的压缩空气的压力相当 那么 空分系统获得的0 2 和n 2 的压力大约为o 6 m p a 左 右 为了充分利用空分系统所得n 2 的压力能 一般都将氮气回注到燃气轮机中参与 做功 3 1 2i g c c 空分系统配置方案的比较 1 比较的基本条件 空分系统对i g c c 电站的影响主要表现在其厂用电耗上 因此对空分系统的几 种配置方案的比较主要集中在系统能耗上 比较的基础为 在氧气的产量和纯度一 定的条件下 比较各配置方案 每生产一立方米氧气所需的能耗 计算均在标准 状况下进行 能耗均以k j m 3 0 2 为单位 2 基本假设 空分系统和i g c c 的其他系统发生耦合 最主要的是同气化系统和联合循环的 燃气轮机发生质量和能量的交换 因此在计算空分系统的耗能时 必须同时考虑这 几个关系紧密的系统 并做出一些合理而且便于计算的假设 1 空分系统总耗功主要有以下几部分组成 空分压缩机耗功 氧气压缩机耗 功 输送煤粉氮气压缩机 即高纯度氮气压缩机 耗功和回注氮气压缩机耗功 3 1 1 即 式中 陟叠分耗功 陟叠压 陟r 氧压 陟r 氮送煤压 陟素回注压 3 1 分耗功一空分系统总耗功 k j m 3 0 2 压一空分压缩机耗功 k j m 3 0 2 压一氧气产品压缩机耗功 k j m 3 0 2 煤压一输送煤粉用氮压缩机耗功 i d m 3 0 2 1 7 华北电力大学硕士学位论文 回注压一回注燃气轮机氮气的压缩机耗功 k j m 3 0 2 2 空分系统的空气压缩机 氮气 氧产品压缩机均采用离心式压缩机 且压 缩过程采用等温压缩过程 在各种压缩流程中 等温压缩的压缩耗功最低 3 2 1 3 空分后的氮气产品如果需要回注则完全回注 回注氮气压缩机出口压力为 2 1 b a r 则e p a s u 升压空分系统 均采用氮气完全回注到燃气轮机的方案 4 气化系统与空分系统相关的两个压力 即氧气产品压缩机出口压力和高纯 氮气产品压缩机出口压力保持不变 分别为3 7 b a r 和4 9 b a r 3 计算公式和基本参数计算 1 氧的提取率p r e c o v e r y 氧的提取率是空分系统的一个重要参数 也是空分系统完善程度的标志之一 氧的 提取率表示氧产品中的含氧量占加工空气中氧含量的比例 提取率越高 就意味着氧损 失越小 也就是氮气带走的氧越少 表达式为 p 嚣 协2 式中 一氧气产量 m 3 h 纥一加工空气量 m 3 h 蠓 埕一分别为空气和氧产品中的含氧量 2 加工空气量 对典型的空分双精馏塔做全塔的物料平衡 得到 v 妇y 氰一 石y 3 3 式中 圪一每小时的加工空气量 m 3 h 一每小时的氧产量 m 3 h 蜘一空气中的含氮量 蜘 7 9 1 妇一分别为氧气产品和氮气产品中的含氮量 3 回注氮气量与吹送煤粉氮气量 本文按照吹送煤粉氮气量占氮气总产量的l 9 回注氮气量占氮气总产量的8 9 进 1 8 a v 一空分系统物流损失系数 取常量o 0 4 5 压缩机耗能公式 因为压缩机均采用等温压缩 其能耗计算式为 一r t i n p 圣2lp vw 3 5 式中 形一压缩机等温压缩耗功 k j m 3 0 2 尺一气体常数 丁一压缩机入口温度 尸l p 2 一分别为压缩机出入口压力 m p a p 一气体密度 k g m 3 y 一气体体积 m 3 h 珊 彻一分别为压缩机等温效率和机械效率 一氧产量 m 3 h 上述算式及假设中的参数及说明如表3 1 根据文献 3 3 1 空分压缩机的压缩比与燃气轮机中压气机的压缩比相当 接近于 1 2 1 6 空分后获得的氧气和氮气的压力大约为0 6 m p a 空分压缩机的压缩比按1 4 计算 其出1 2 1 压力按1 4 b a r 计算 文献 3 4 1 指出空分压缩机压比为1 l b a r 而空分后获 得的氧气为3 b a r 其空分压比为3 6 7 本文据此将方案2 分为方案2 和方案2 按照上述假设 对空分系统五种配置方案的计算结果对比如表3 2 1 9 华北电力大学硕士学位论文 表3 1 变量说明 变量名变量取值菱量单位变量说明 y 童 7 3 1 2 7m 3 h 空分系统氧气产量 4 矿0 0 4 空分系统物流损失系数 t n r 1 5 大气温度 死栩 5 0 空分系统入口温度 及d h f 4 0 空分系统出口温度 p k 1 2 9 2 8 k g m 3 空气在标况下密度 p 氯 1 4 2 8 9 k g m 3 氧气在标况下密度 p 鼍 1 2 5 0 6 k g m 3 氮气在标况下密度 月堂 0 2 8 7 k j k g k 空气的气体常数 胄鼻 0 2 6 0 k j k g k 氧气的气体常数 只膏 0 2 9 7 k j k g k 氮气的气体常数 玎r o 7 0 离心式压缩机等温效率 1 m o 9 8 机械效率 表3 2 空分系统各配置方案的计算结果 配置方式 热耗 k j m 3 0 2 厂用电 m w 厂用电率 方案l 2 0 7 84 2 21 0 4 方案2 9 3 3 8 66 8 81 6 9 方案2 3 0 4 16 1 81 5 2 方案3 1 8 6 23 7 89 3 方案4 1 6 9 63 4 58 5 方案52 0 1 24 0 91 0 方案l 中所需的空气量全部由空分系统的空压机压缩所得 压缩压力约为 0 6 m p a 并且压缩所得的氮气不回注 而方案3 中的所有空气量由燃气轮机压缩机 供给 完全整体化空分系统一般采用高压空分系统 而且压缩所得的氮气要增压后 回注入燃气轮机 氮气增压需要耗功 所以方案l 的空分系统耗电量要比方案3 的 多 相应的厂用电率也较高 方案4 和方案5 都是部分化整体空分系统 方案5 采 用高压空分系统 并且分离出的氮气完全回注 氮气压缩机耗功 而方案4 采用低 压空分系统 分离出的氮气不需要回注 所以方案5 的厂用电率较高 方案2 中的 两种情况均为高压空分系统 方案2 比方案2 的空压比高 压缩机耗功较多 2 0 华北电力大学硕士学位论文 相应的耗电量较高 终上所述 i g c c 电站中空分系统方案的选择对于其厂用电率 有密切的影响 必须慎重选取 在一定的x 勰 不同x 印条件下 i g c c 的效率计算结果如图3 一l o 4 6 o 4 5 5 o 4 5 o 4 4 s 曩0 4 4 良4 3 5 o 4 3 1 3 4 2 5 o 嚷2 0o 2o 曩o 6o 81 图3 1 不同 1 下的电站效率 由图3 1 可得 空分系数x 嬲不变的条件下 氮气回注系数x 舯越高 电站效率越 高 氮气回注系数x g 不变的条件下 空分系数x 舔越高 电站效