新型近零排放煤气化燃烧利用系统

第23卷第5期动力工程Vol. 23 No. 5POWER ENGINEERINGOet. 20032003年10月文章编号: 1000-6761(2003)05-2711-05新型近零排放煤气化燃烧利用系统王勤辉，沈洵，骆仲泱，岑可法(浙江大学热能工程研究所;能源清洁利用与环境工程教育部重点实验室，杭州310027)商要:以CO,接受体法气化技术为基础构建了断型的近霉排放煤气化燃烧利用系统。煤被加入压力循环流化床气化炉里以水蒸汽为气化介质进行部分气化产生H2、CO和CO2。在以CaO作为接受体吸收CO.并放出气化反应所需的热量的同时.co也通过水煤气变换反应被转化。气化过程所产生尚纯度氢气供给困体氧化物燃料电池发电。煤经部分气化后所剩的低活性焦碘和吸收CO2后产生的CaCO3一起被送入循环流化床燃烧炉,焦炭和燃料电池所排出的含氨尾气燃烧提供CaCOs分解所需的热量。燃烧炉产生的高浓度CO2与其他污染物(SO..NO,等)一起经余热发电后综合处理，从而实现整个系统的近霉污染物排放。经计算,以烟谋.为燃料的系统发电效率可达65.5%左右。围1表2参13关键词:循环流化床;近零排放;CO2接受体气化中图分类号:TK 229.6*6文献标识码:A化石燃料提供了当今世界能源消耗的85%气相中的CO则通过水煤气变换反应转化为H2左右,雨且今后很长时间内依旧会依靠化石能源，和CO2。 所产生的CO2与CO2接受体(CaO)进行尤其是煤炭。但由于化石燃料尤其煤在生产和利碳酸化反应，该反应所释放的热量供给炭与水蒸用过程产生大量导致四大公害(大气烟尘、酸雨、汽反应所需的热量。COr 接受体在气化炉内经碳温室效应、臭氧层破坏)的污染物如SO、NO、、细.酸化反应吸收CO。的生成物(如CaCOz)被重新颗粒物、重金属和CO2等,是造成大气和其它各送到再生炉内煅烧热分解(如分解成CaO和类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。所以，CO2),释放出CO,再生生成的CO2接受体(如实现化石燃料尤其是煤炭资源的可持续利用,是CaO)被重新送回到气化炉内吸收CO2.在这个循实现可持续利用能源系统的关键。环中,气化炉生产的是高纯度的零排放燃料一我国的能源生产和消费结构是以煤为主、多.氢，而再生炉中则产生高纯度的CO2,可直接被处能互补的体系,据测算,即使到2050年,煤炭比例理。而且,外界向再生炉提供的热量通过CaO的.还将占58%左右。可见,煤炭的开发和加工利用碳酸化反应被转化成氢气所含的化学能。由于煤是我国环境污染物的主要来源。因此，发展资源消气化技术与常规的燃烧技术相比,其污染物生成耗少，能源转化率高而且总体排放很低或几乎为量少,而且较易处理如HsS、NH3等。再生炉所生零的煤炭能源利用系统在我国有着更加重要的意成一些少量污染物可以与所获得的高纯度的CO2义处理如填埋等。另外,气化所产生的煤灰渣已被证目前,许多研究者已提出了各种各样的零排明是低危害性的材料,可以综合利用或简单处理。放煤利用系统方案[1-51。其中,以CO2接受体气化所以,在这个系统中可以有效地处理煤利用过程法为基础的无氧气化煤制氢零排放利用系统得到所产生的污染物,从而实现近零污染排放。了许多研究机构的重视。该技术基本思路为:在气近年来,美国GE能源与环境研究公司(GE-化炉内,利用水与煤的气化反应产生H2和CO, .EER)、美国零排放媒利用联盟(ZECA)以及日本新能源综合开发机构(NEDO)等许多研究机构以收稿日期:2002-10-11修订 日期2003-04-08该技术思路为基础提出了各自实现方案。甚金项目:国家重点基础发展規划项目(G1999022105)作者简介:王勤辉(1970- ).男,博士,副教授。主要从事煤的中国煤化工出的煤制氢燃烧与气化方面的技术研究。近零扑YHCNMH(G基本思路类●2712●动力工程第23卷似21,该燃烧反应器内所需的氧由氧传输反应器停留时间来获得,从而增加技术难度.生产成本也通过携带氧的床料提供。在氧传输反应器中空气.增加I.8]。另一方面,碳的燃烧反应速度要远高于被送入用以再生能携带氧的床料,所产生的高温其气化速度,所以如采用燃烧的方法处理煤中“低无氧空气进入气轮发电机进行发电。据测算,在活性组分”则可以简化气化要求,不需要追求很高GE-EER所构建的一个系统方案中,当系统压力的碳转化率,从而降低生产成本17.83。需要注意的为30bar时其系统发电效率接近67%。是:当采用CO2接受体法无氧气化时.虽然煤中美国零排放煤利用联盟提出的零排放煤利用“低活性组分”是在燃烧炉内燃烧放热，但其所释系统["]中气化炉采用加氢气化,且其气化、碳酸化放的热量仍然通过CaO的碳酸化反应以化学能制氢、煅烧各过程分别在各自的反应器内完成,容形式转移到氢气中,所以同样可以获得很高的燃易实现各过程的优化,但该系统相对较复杂，而且料气化转化率。当煅烧过程利用系统余热时其氢要求气化炉的碳转化率很高。据测算.该系统的发气所含的化学能甚至可以超过人炉燃料所含化学电效率可以接近70%。能。另外,鉴于超高压系统(大于10MPa)对系统日本新能源综合开发机构(NEDO)则提出了和设备的高要求，而且过高的压力会增加气体中称为HyPr-RING的煤利用糸统[4.5]。该系统要求CH的含量而不利于制取高纯度的H2气体,同压力较高，气化炉产生的H2被作为燃料送入氢时对加快碳的气化速度的作用也不明显19.10。所气轮机中发电,氢气轮机排放的余热被送到再生以,我们可以适当降低对气化炉所得气体中CO2器中提供煅烧所需的热量。该系统构成相对简单，含量的要求并牺牲少量系统效率，从而使系统的但为追求极低CO2浓度的生成气,所需的系统压压力等级降低(小于5MPa甚至更低)。力很高(在10MPa到100MPa之间).而另一方面依据上述思路，同时依据循环流化床燃烧及很高的系统压力却造成了生成气中的CH,浓度气化技术的优势及特点,我们构建了如图1所示升高。的近零排放煤气化燃烧集成利用系统。该系统的另外.Lobachyov等人在CO2接受体法气化主要技术流程为:煤或其它燃料(如生物质)送人工艺基础上提出了一种高效燃煤发电系统|4]。其有一定压力的无氧循环流化床气化炉,以水蒸汽原理与上述零排放系统相似,但其主要以获得高作为气化剂,在气化炉中发生热裂解和部分气化发电效率为主要目的,不考虑CO2等污染物的回反应。热裂解或气化所产生的CH,通过重整反应收及控制。据作者的理论计算,系统发电效率可达转化为CO和H2,而气相中的CO也通过水煤气63%。变换反应被转化为C02。各反应所产生的CO2则目前，上述方案的研究开发工作正处于起步被CaO吸收固化,气化炉气化反应所需的热量也阶段,但各研究机构都投人较大的研究开发力量，由CaO和CO2的碳酸化反应所释放的热量提供。相信不久的将来会有较大的进展。本文旨在构建气化炉中所发生的主要反应为:-.种以CO2接受体法为基础,结合循环流化床燃C+ H20=C0+H2- 131.6k]/mol(I)烧气化技术的新型煤燃烧气化集成利用系统,并CO+H2O= CO: +H2+41.5kJ/mol .(2)在该系统中实观污染物的近零排放。CaO +CO2=CaCO3+ 178. !kJ/mol1本文构建的煤利用近零排放系统CH+ H2O=CO + 3H2- 206. 3k]/mol (4)气化炉产生的含高浓度H2的气体经除尘净方案.化后作为原料可以用于不同的用途，如用于可以显然,利用CO2接受体法无氧气化从煤中制容忍少量CO、CO2等气体存在的固体氧化物燃取零排放燃料-氢,从而实现煤的近零排放利料电池(SOFC)发电或供氢能用户。除尘后的高用这-技术方法具有较大的吸引力。同时,我们也温氢气被送人高效的燃料电池(SOFC)后，与空.应该注意到由于煤的组成、结构以及固体形态等气中的氧发生电化学反应后产生电能。含有未被的特点,煤气化过程的固体颗粒反应速度随转化利用中国煤化工((主要为水蒸程度增加而减慢,如果要在单一气化过程中获得汽)祖MHCNMHG=热和其中的氢完全或很高的转化率,则需要采用高温、高压、长气。 m心他从r山刚手瓜区高温空气通过第5期动力工程●2713●离子输送膜(ITM)氧分离装置["分离出其中氧低的气化炉运行温度(约850°C)直接与CaO反应气，所排出的高温无氧空气则进人空气预热器加生成CaS,然后在燃烧炉中被转化为CaSO,固化热进入燃料电池的空气。脱除。煤中的氮在气化过程中大部分转化为氮气，煤中较难气化的部分半焦和吸收CO2生成少量转化为NH3也比较容易脱除,因此不需要专的CaCO,被送入加压或常压循环流化床燃烧炉。门的脱除氨氧化物的设备。气化燃烧过程所产生半焦和来自燃料电池尾气的氢气燃烧所释放出的的灰颗粒则可以通过除尘设备脱除。燃烧炉各过热量供给CaCO,或石灰石煅烧分解所需的热量，程产生的少量气体污染物包括重金属蒸汽等可以煅烧分解再生成的CaO被作为COz接受体重新与所产生的高纯度COz一起处理。因此,该煤利送回到气化炉。从燃料电池所排出低氨浓度的高用系统不仅有比常规煤利用技术高得多的利用效温空气中分离出来的氧被送人燃烧炉满足半焦和率,其污染物排放也非常低,从而实现了煤近零排氢气燃烧反应的需要。燃烧炉内燃料燃烧和Ca-放的高效利用。依据我们初步的系统效率计算,该CO3煅烧所产生的水蒸汽和CO2混合高温气体系统在以烟煤为燃料时的发电效率可达65. 5%经高温除尘后首先进人气轮发电机发电,然后作右。为余热锅炉的热源进行蒸汽循环发电,低温尾气可见,所构建的煤利用系统有如下特点:①充经冷凝分离出其中的水分后的高纯度CO2气体分考虑煤在各种转化过程中表现出的特点,先在可以比较容易地进行处理如利用或填埋。需要指循环流化床气化炉中把煤的“高活性组分”进行无出的是:虽然燃烧煅烧炉采用与气化炉相同的运氧气化,然后把“低活性组分”送人循环流化床燃行压力可以方便地在两个反应器之间进行物料非烧炉燃烧。实现煤的分级转化,降低对气化过程的机械输送而且可以实现燃气蒸汽联合循环,但由要求;②系统相对比较简单,利用较为成熟的循环于燃烧炉内较高的CO2分压,要求较高的运行温流化床技术完成系统的核心部分;③不追求产品度才能满足CaCO;分解反应的需要,而较高的运气中很低的CO2含量,选用适当的系统压力,降行温度不仅影响燃烧炉的安全运行.也容易导致低了系统的要求。CaO的烧结,影响其与CO2的反应能力,而且一2所构建的近零排放煤利用系统的般要求系统运行压力在3MPa以下,否则,CaCO3效率计算的分解就较难实现[9.12]。所以,也可以牺牲部分系统效率,让燃烧煅烧炉运行压力低于气化炉压力针对上述系统,我们以一-典型烟煤为燃料进甚至常压以保证燃烧炉安全有效地运行。在所构行系统效率的估算。计算时系统发电容量为建的系统中,煤在气化过程中产生的H2S由于较300MW。表1给出了所用烟煤的煤种特性。H净化_H1H除尘|余热恫炉冷凝分离. CO.处理空气|co半焦、灰.o电力州料↓慕汽轮发电机压力循环CaCO3电池，给水液化床渍化床石灰石气化炉|或白云石CaO.灰H20高湖H2 ||o排潼r预热器桂出中国煤化工圈1近零排放煤气化燃烧集JYHCNMHG.●2714●动力工程第23卷表1煤样分析数据高温尾气被送人燃烧炉以利用其显热及所含的未| T业分析0%.ar元素分析w% ear发热量被利用的氢气和氧气。/MJ/kg.at(6)氽热利用:燃烧炉排出的高温高压烟气M」V| A|CHON sQou(主要成分为CO2和水蒸气)经高温除尘后首先2.725.1721.6263.39 3.88 6.51 0.78 1.13 24.535被送人燃气轮机发电,然后作为余热锅炉的热源构成系统的各设备主要特性及参数如下:产生蒸汽进人蒸汽轮机发电，从而实现蒸汽燃气(1)气化炉:气化炉采用加压循环流化床.压联合循环。由余热锅炉排出的低温气体经冷凝后力为2.5MPa气化温度约为1123K.如果进入气分离出其中所含的水，面所产生的高浓度CO2气化炉的是水,气化炉内发生的反应在能量上可以体则可以直接处理。假设燃气轮机循环效率为实现平衡.其总体方程式如下:28% ,余热锅炉余热利用效率为82%.蒸汽轮机CaO +C+ 2H2O(liquid) = CaCO, + 2H2O+的循环效率为42. 2%。另外,可以从蒸汽轮机发0. 6kJ/mol(5)电循环中抽出部分蒸汽作为气化炉的气化剂使在本系统中,水是以水蒸汽形式作为流化介用。质进入气化炉的，如考虑到气化炉的散热等损失，(7)氧分离装置:为了得到纯度较高的二氧气化炉仍能达到能量平衡。假定气化炉的热量损化碳气体,本系统燃烧炉采用纯輒燃烧。而固体氧失占输人气化炉总热量的0. 5%。化物燃料电池的尾气为含一定量氧气的高温空(2)燃烧炉:燃烧炉同样为压力循环流化床。气,可通过离子输送膜(ITM)氧分离装置直接分为了使得与气化炉之间的物料往返实现容易,燃.离出高温高纯度的氧气进人燃烧炉燃烧利用"。烧炉压力也确定为2.5MPa.为了使得CaCO,能(8)空气预热:固体氧化物燃料电池尾气中较好地实现煅烧，燃烧炉反应温度约为1203K.分离出来的高温无氧空气作为热源预热进人燃料CaCO3煅烧所需的热量通过燃饶气化炉中部分电池的空气。气化所剩的焦炭以及固体氧化物燃料电池的尾气略不计。(9)管道:为了简化计算,系统管道热损失忽来提供。燃烧所需的氧气由固体氧化物燃料电池尾气中的O2提供。假设燃烧妒排渣时会有5%的7=计算系统整体发电效率由下式计算求得:CO2接受体损失,而燃烧炉散热损失假设为燃烧燃料电池发电量土燃气蒸汽轮机发电量-辅机能耗i (6)炉输人总热量的0. 5%。燃料输入热萧(3)物料循环装置:由于燃烧炉和气化炉的系统的主要参数的预测结果示于表2。运行压力相同,所以燃烧炉和气化炉之间的物料由表2可见:系统的发电效率可以达到65.输送可以采用目前循环流化床燃烧炉或气化炉常5%左右,其中大部分发电量来自燃料电池。用的非机械控制返料装置如Loopseal等,而其工3结论作介质可以用蒸汽以防止燃烧炉与气化炉之间的气体互窜[L2]。本文构建了新型的以CO2接受体气化法为(4)除尘器:在气化炉和燃饶炉出口处分别基础的近零排放煤燃烧气化利用系统。该系统充装2个高温除尘器.作为高温高压燃气净化装置。分考虑煤在各种转化过程表现出的特点,先在循气化炉出口气体经净化后的高浓度氢气可以直接环流化床气化炉中把煤的“高活性组分"进行无氧作为固体氧化物燃料电池的燃料，而燃烧炉出口气化获得高纯度氢气,然后把“低活性组分”送人气体经净化后进入燃气轮机发电。目前,高温除尘循环流化床燃烧炉燃烧,实现煤的分级转化.降低器虽尚未成熟,但相信不久的将来会实现商业应对气化过程的要求。同时,该系统能实现煤利用过程污染物的近零排放。对容量为300MW系统的(5)燃料电他:本系统采用固体氧化物燃料初步计算结果表明:系统效率可达到65.5%左电池、以空气作为氧化剂。假设SOFC发电效率右。所构建的煤利用系统不仅能实现煤利用过程为50%。其燃料利用率为85%,氧气利用率为的近零排放，而且具有很高的系统发电效率.是一70% ,运行温度为1273KL1.0。燃料电池所排出的个中国煤化工。fYHCNMHG.第5期动力I程●2715.Sakkestad. Clearwater. USA. 2001: 359~ 368.表2 系统主要参数[3] Ziock H小Lackner K s. Harrison D P.2ero emission coal项目数值power. a new concept [R]. l.os Alkmos Report. LAUR-系统给煤量(kg/s)18. 3501 22141, (2001). http: /www. za. org/docs. html.气化炉运行if力(MPa)2.5[4]Lin s Y. Suzuki Y, Hatano H. Harada M. Hydrogen Pro-气化妒温度(K)duction from Hydrocerbon by Intergration of Water Carbon气化加热损失(kJ/s)3195. 4Reaction and Carbon Droxide Removal ( HyPr -RING焦碳气化率0.77Method) [J]. Energy & Fuels, 2001(15):339 ~ 343.气化炉氢气产量(kmo/e)[5]肖云权.煤制氢零排放系统[J].工程热物理学报2001.22燃烧炉运行压力(MPa)(1);13~15.燃烧炉运行温度(K) .1203[ 6 ] Lobachyov K H, Richler J. High eficiency coal- fired power燃饶妒散热损失租炉渣带出显热损失(kJ/s)1598. 9of the future [J] Energy Convers. Mgmt. 38(15.17).1997: 1693~ 1699.燃饶妒过量空气系数1.1. [ 7 ] Robertson A Y. Tsuo, Mckinsey R. Version 21 plants unt.石灰石补充量