基于两段式水煤浆气化的气化参数对气化性能的影响

东北电力技术42NORTHEAST ELECTRIC POWER TECHNOLOGY2014年第4期基于两段式水煤浆气化的气化参数对气化性能的影响陈晓利，高继录”，樊伟’，王岩*(1.国家电站燃烧工程技术研究中心，辽宁沈阳110034;2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳10006;3.华能营口热电有限责任公司，辽宁营口115000; 4.辽宁东方发电有限公司，辽宁抚顺113007)摘要:利用Thermoflex建立基于两段式水煤浆气化的气化岛流程模型，对影响两段式水煤浆气化性能的气化参数进行分析，研究二段给煤比对气化性能的影响。结果表明，随着二段给煤比的增加，合成气的有效气含量降低，而冷煤气效率先升后降。二段给煤比存在最佳值，综合考虑气化温度和冷煤气效率，最佳二二段给煤比为0. 1 ~0.15。关键词:两段式;水煤浆气化;气化参数;二段给煤比;气化性能[中图分类号] TQ546 [文献标志码] A [文章编号] 1004-7913 (2014) 04 -0042 -04Effects of Gasification Parameters on Performance ofGasification Based on Two-stage Coal-slurry GasificationCHEN Xiao-lil， GAO Ji-lu2, FAN Wei', WANG Yan4(1. National Power Plant Combustion Research Center, Shenyang, Liaoning 110034，China;2. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd. ，Shenyang, Liaoning 10006，China;3. Huaneng Yingkou Thermal Power Co.，Ltd. ，Yingkou, Liaoning 115000， China;4. Liaoning Dongfang Power Plant Co.，Ltd. ，Fushun, Liaoning 113007，China)Abstract: Gasificatio island based on two-stage coal-slurry gasification is established using software “ThrmoFlex". Gasification pa-rameter that effects gasification performance of two-stage coal-slurry gasification are analyzed, and effect of two-stage coal ratio on gasi-fication performance is studied. The results show that as two-stage coal ratio inereases, efective gas content decreases, and cold gasefficiency firstly inereases and then decreases. There is an optimal value of two-stage coal ratio. Considering gaqsification temperatureand cold gas eficiencey, the oplimal two-stage coal raio is0.1 ~0.15.Key words: Two-stage; Coal-slury gasification; Gasifcation parameter; Two-stage coal ratio; Gasification performanceIGCC发电技术是煤气化技术与联合循环相结合的先进动力系统技术，其系统流程如图1所示。除尘和脱破可见，ICCC 技术由空分技术、气化技术、净化技术和联合循环发电技术组成，具有效率高、环保性空分燃气轮机|发电机能好、耗水量少、煤种适应性广等优点，为未来实排气-__楼机___现CO2零排放提供可能，是实现洁净煤发电的重蒸汽轮机t一余热钢炉要途径，代表了未来电力技术的发展方向[1-3]。IGCC系统主要由气化岛、燃机岛和常规岛组成，常规岛| 发电机与燃机岛和常规岛相比，气化岛系统最为复杂，涉及到的关键技术最多，其中最主要的是气化技术,图1典型的ICCC系统流程因不同气化技术气化性能不同，其好坏直接影响浆气化的气化参数对气化性能的影响。IGCC系统性能，因此，选择适合的气化技术是1影响气化性能的参 数分析IGCC系统设计的关键，而研究气化岛系统变工况特性是研究IGCC系统变工况特性的基础|4-6]。本不同的气化参数直接影响气化炉的气化性能，文从气化岛系统的角度出发研究了基于两段式水煤而气化炉的性能又决定着气化岛系统性能，因此合2014年第4期陈晓利，等:基于两段式水煤浆气化的气化参数对气化性能的影响43理选择气化参数有利于提高气化炉的气化性能。不M。为水煤浆的总供入量，kg/h。同的气化技术影响参数不同，在煤种选定的条件2基于两段式水煤浆气化的气化岛模型下，影响水煤浆气化性能的参数有气化温度、气化压力、水煤浆浓度、氧煤比和二段给煤比等，但由两段式水煤浆气化技术在一段式水煤浆 气化技术于气化温度受水煤浆浓度、氧煤比等参数的影响，的基础上发展而成。两段式水煤浆气化技术的气化原同时还受煤灰熔点的制约，而气化压力主要取决于理:将一定量的水煤浆和氧气通过喷嘴送去-段反应产品合成气的用途，因此影响水煤浆气化性能的独区;在一段反应区内水煤浆和氧气发生气化反应，生立参数有氧煤比和水煤浆浓度。对于两段式气化技成的高温合成气进入一段反应区上方的二段反应区;术，独立参数还包括二段给煤比。由于水煤浆浓度在二段反应区内通过喷嘴将剩下的水煤浆送人，利用和氧煤比对一段式 和两段式水煤浆气化的气化性能- -段反应区生成的高温合成气的热量使煤中挥发分析的影响基本相同，且已有不少关于这2个参数的研出并发生一部分气化反应，提高合成气的低位发热究，因此，本文重点研究了二段给煤比对两段式水量，进而提高冷煤气效率，同时达到降低合成气出口煤浆气化性能的影响。温度的目的。因此，与一段水煤浆气化技术相比，两1.1 水煤浆浓度段式水煤浆气化技术的冷煤气效率高。水煤浆浓度是水煤浆气化技术特有的技术指基于两段式水煤浆气化的气化岛模型见图2。标，直接影响水煤浆的着火性能和热值，是非常重空气系统和净化系统的模型与-段式水煤浆 气化的要的工艺参数。研究水煤浆浓度对气化性能的影响气化岛模型相同。气化单元采用Thermoflex软件的十分必要，可为水煤浆浓度的选择提供技术基础。Gasffication库中Gasifier Type3 - Two stage slurry模1.2 氧煤比型。模型的计算原理与Gasifier Typel - One stage在煤气化过程中，氧碳摩尔比(简称0/C)slurry模型相似。区别为Gasifer Type3 - Two stage对煤气化性能有很大影响。0/C为供人气化炉的slurry模型需要输人二段给煤比。氧气和煤中的氧摩尔数之和与供人气化炉的煤中的气化单元的气化流程: -部分水煤浆和99%碳摩尔数的比值，为无量纲量，数值与氧煤比接的纯氧-起喷入气化炉的第一段反 应区发生气化反近。因此，在工程中也常被称为氧煤比。应，并使灰熔化成液态渣，通过气化炉的底部排渣o/c='Mo2 +M(1)口进入到激冷室，形成玻璃状惰性渣;在第一段反M应区内生成的粗合成气向上流动，进入到气化炉的式中: M°, 为供人气化炉的氧气中的氧摩尔数，第二段，这是一个有耐火砖衬里的垂直管段;在第mol; Mo为供入气化炉的煤中的氧摩尔数，mol;二段反应区人口处再喷人另一部分水煤浆，利用第Mia为供人气化炉的煤中的碳摩尔数，mol。- -段合成气的显热气化二段进人的水煤浆。由于在氧煤比直接影响着气化温度，同时也是标定耗第二段反应区内水分的蒸发和吸热的化学反应，使氧量的方法之- -。控制氧煤比为控制供人气化炉的粗合成气温度降到1 000 C左右，因此省去了昂贵氧元素与碳元素的摩尔比，使得气化生成的合成气的辐射废锅。中有效气(CO+H2)含量提高，以达到降低投3二段给煤比对两段式水煤浆气化性能的资、提高收益的目的”。影响1.3 二段给煤比由两段式气化技术的原理可知，二段反应区内两段式与一段式水煤浆气化的区别在于气化炉的给煤量(二段给煤比)是影响其气化性能的重的反应区分为两段。在- -段反应区内，-部分水煤要参数之- -。因此，与一段式气化技术相比，在研浆与空分来的氧气发生气化反应生成高温合成气，究气化参数对两段式气化性能的影响时，还应研究向上进入到二段反应区;在二段反应区内，喷入剩二段给煤比对气化性能参数。余部分的水煤浆，利用第一-段来的高温合成气使得两段式水煤浆气化的二段给煤比水煤浆发生煤裂解、挥发分的析出和气化反应，以M.提高合成气热值，降低合成气温度，有效利用合成R。=(2)M。气中的热量，使气化炉出口的合成气温度降低，显式中: M.为二段反应区供入的水煤浆量, kg/h;热损失较小，达到提高冷煤气效率的目的。44东北电力技术2014年第4期空分系统气化系统净化系统，制浆装置，纯氧送入HRSG的高压过热器米白高压省煤器给水-I燃机抽气洗涤塔燃气冷却器相燃气过热器空气db排渣对流废锅来自燃机岛的燃料湿饱和器空分装置两段式水煤浆气化炉脱硫装置图净合成气，COs水解器燃气冷却器图2基 于两段式水煤浆气化建立的气化岛模型图3为0/C为0.83时二段给煤比对一段气化给煤比>0.25时，冷煤气效率<70%，表明存在温度和二段气化温度的影响。可见，随二段给煤比一个最佳的二段给煤比。当二段给煤比大于最佳值的增加，一段和二段气化温度均呈降低趋势，且二时，不利于发挥两段式气化工艺的优势，导致冷煤段气化温度的降低幅度明显高于一段气化温度。这气效率快速降低。是由于在两段式水煤浆气化炉中，只有- .段反应区图4为当0/C为0.83时二段给煤比对气化炉加入氧气，在二段反应区中只加入了水煤浆，因出口合成气成含量的影响。可见，随着二段给煤比此，在保持-段氧煤比不变的条件下，增大二段给的增加，气化炉出口合成气中CO含量降低; H2煤比，使得一段反应区的给煤量降低，进入到气化含量增大，但增大幅度很小; CO2 和CH含量均炉内的氧量降低，最终气化炉内一段反应区的温度增加; H20含量先减小后缓慢增加。这是因为，快速降低。由气化原理可知，二段反应区是利用一--方面增加二段给煤比会导致气化温度降低，而气段反应区生成的高温合成气的热量发生的反应。另化温度的降低使得C与CO2和C与H20的还原反外，增大二段给煤比使得进人到二段反应区的水量应速度降低，不利于CO生成;另-方面，在二段增大，加快了二段气化温度的降低。反应区主要发生水煤气变换反应和甲烷化反应，及煤脱挥发分生成焦的反应。受到这两方面影响，20000/C-0.83] 84CO含量随着二段给煤比的增加而降低，CO2 却相-81 800--段气化温度应增加，而H20含量呈先减小后缓慢增加的趋势。一二段气化温度1600-0-冷煤气效率由于气化温度继续降低(1 000 C左右)时，C和H20之间的反应活性要优于C和CO2之间的反应河1400-」6◆C0--C0,_CH,t60/C=0. 8310008000.000.050.100.150.200.250.30段给煤比R。图3气化温度 和冷煤气效幸随二段给煤比的变化关系由图3可知，随着二段给煤比的增加，冷煤气效率先增后降，当二段给煤比增大到0.1时，冷煤气效率达到最大值79. 42%;而当二段给煤比为0. 15时，冷煤气效率为74. 94%。说明两段式水煤二段给煤比R。浆气化工艺具有提高冷煤气效率的潜力。而当二段图4二段给煤比对合成气气体组分 含量的影响2014年第4期陈晓利，等:基于两段式水煤浆气化的气化参数对气化性能的影响15(反应速率要快些),使得H2受气化温度降低的影先增后降。响比CO要小。因此，H2 含量稍微增加，且增大c.二段给煤比存 在着最佳值，综合考虑到气的幅度很小。化温度和冷煤气效率，在本文的计算条件下，最佳在二段反应区内主要发生水煤气变换反应和甲二段给煤比为0.1 ~0. 15。烷化反应，及煤脱挥发分生成焦的反应。因此，增参考文献:大二段给煤比，使得煤热解部分增加，进而使得CH,的生成量增加，气化温度降低，降低了CH [1] 许世森 ICCC 与未来煤电[J].中国电力2005, 38的分解率，因此合成气中CH4的含量增加。(2): 13-17. .随着二段给煤比的增加，合成气的有效气含量2] 段立强，徐钢,林汝谋，等. ICCC系统热力与环境性能结合的评价准则[J].中国电机工程学报，2004, 24降低，当二段给煤比从0增大到0.3时，有效气含(12): 263 -267.量从65.63%降低到60.5%。因此，受到有效气含[3]李岩，武庆源，王鹏.汽轮机进汽参数改变对机组经量的降低和CH,的含量增加的相关作用，冷煤气济性的影响[J].东北电力技术，2010, 31 (7): 4-8.效率随着二段给煤比的增加先增后降。因此，二段4] 薛永锋，杨尚文.国产600 MW超临界机组滑压运行方式试验研究[J]. 东北电力技术，2010, 31 (10): 11-14.给煤比存在着最佳值，综合考虑到气化温度和冷煤5] 赵伟光，张景彪，张伟. N1000-25/600/600型汽轮机组气效率，在本文的计算条件下，最佳二段给煤比为能耗诊断分析[J].东北电力技术，2011, 32 (4): 10.1 ~0. 15。[6] 邓世敏，危师让，林万超，ICCC系统专用单元模型研究4结论[J]. 中国电机工程学报，2001, 21 (3); 34-36.a随着二段给煤比的增加，合成气的有效气[7] 崔意华、压力、煤浆浓度、氧煤比对水煤浆气化的影响[J].化肥设计，2010, 48 (5); 23 -26.含量降低，而合成气中CH,的含量增加，当二段作者简介:给煤比从0增大到0.3时，有效气含量从65. 65%陈晓利(1982-)，女，博士,工程师，主要从事煤气化、降低到60. 5%。IGCC及多联产、燃气轮机等技术研究工作。b. 受到有效气含量的降低和CH,的含量增加的相关作用，冷煤气效率随着二段给煤比的增加(收稿日期2014-01-15)出版物上日期、时间、时刻的表示1全数字式日期表示法但仍可按习惯使用。①一个全数字式日期由时间元素“年、月、日”组成。3 日期与时间的组合表示②一个全数字8期应按如下顺序表示:即年、月、日。当8期与时间的表示组合时，其时间元素应按如下顺③全数字日期只允许用阿拉伯数字表示，即“0，1,序排列:年、月、日、时、分、秒。2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9”。如果需要，也可使用分隔符。例如:当阳历日期1981年8月25日与时间14时12分④时间元素的表示:年用4位数表示;月用2位数表36秒组合时，可表示为“19810825141236”( 在数据处理示;日用2位数表示。系统之间交换时用);或“1981 -08-25-14: 12: 36"⑤1981年8月24日可表示为如下形式之一-:(便于人们理解)。19810824 (不用分隔符); 1981 -08 -24 (用连字符分4 a (年)、d (天)、h (小时)在叙述文中的用法隔); 1981 08 24 (用间隔字符分裂隔)。①电台每天播放18 h。2时间、时刻的表示②每隔1~2a,举办1次国际学术讨论会。①表示时间。例如:“今天植树共用了1 h 30 min 30 s。③3 d后，我们去北京。②表示时刻。例如:“1959 年10月23日10时53分10.需要说明的是，以上用法只是作为一-种可以表述的方秒。”“明天上午9 h 30 min”法提出来，目前并不着意强调其使用。③“星期(周)、月、年”不是时间的法定计量单位，摘自《量和单位的使用原则及方法》