（热能工程专业论文）基于aspen+plus对整体煤气化联合循环系统的模拟分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 自上世纪七十年代以来，i g c c 技术一直被人们认为是有相当发展前途的洁净煤 发电技术之一，备受电力工业界的关注。本文基于过程模拟软件a s p e np l u s 分别对整 体煤气化联合循环系统中的t e x a c o 水煤浆气化炉、粗煤气净化系统( 常温湿法净化 系统) 、燃气轮机( m 7 0 1 型燃气轮机) 、余热锅炉( 双压再热余热锅炉) ，蒸汽轮机 进行了模拟分析。其中重点分析了i g c c 气化系统各个参数变化对煤气成分的影响。 实现了对整个i g c c 系统的整体模拟，并对该系统进行了性能分析。 关键词：整体煤气化联合循环，水煤浆气化炉，模拟分析，a s p e np l u s a b s t r a c t s i n c e1 9 7 0 s ，i g c ct e c h n o l o g yi sw i d e l yc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s tp r o m i s i n g c l e a nc o a lp o w e r g e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r ，b a s e do i lt h ep r o c e s ss i m u l a t o r - 一- a s p e np l u s ，t h em o d e l sf o rt e x a c oc o a lw a t e rs l u r r yg a s i f i e r , c o a lg a sc l e a n i n g s y s t e m ，g a s - t u r b i n e ，h e a tr e c o v e r yb o i l e r , a n ds t e a m - t u r b i n ea r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y t h e e f f e c t so ft h em a i nw o r k i n gp a r a m e t e r ss u c ha sc o a lw a t e rs l u r r yc o n c e n t r a t i o n , o x y g e n - c o a l r a t i oa n do x y g e np u r i t yo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eg a s i f i e ra l ed e t a i la n a l y z e d f i n a l l y , t h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i so f t h ew h o l ei g c cs y s t e mi sg i v e n m as h u n q i n ( t h e r m a lp o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy o n g p i n g k e y w o r d s ：i g c c ，c o a lw a t e rs l u r r yg a s i f i e r , s i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，a s p e np l u s 华北电力大学硕士学位论文 摘要 自上世纪七十年代以来，i g c c 技术一直被人们认为是有相当发展前途的洁净煤 发电技术之一，备受电力工业界的关注。本文基于过程模拟软件a s p e np l u s 分别对整 体煤气化联合循环系统中的t e x a c o 水煤浆气化炉、粗煤气净化系统( 常温湿法净化 系统) 、燃气轮机( m 7 0 1 型燃气轮机) 、余热锅炉( 双压再热余热锅炉) ，蒸汽轮机 进行了模拟分析。其中重点分析了i g c c 气化系统各个参数变化对煤气成分的影响。 实现了对整个i g c c 系统的整体模拟，并对该系统进行了性能分析。 关键词：整体煤气化联合循环，水煤浆气化炉，模拟分析，a s p e np l u s a b s t r a c t s i n c e1 9 7 0 s ，i g c ct e c h n o l o g yi sw i d e l yc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s tp r o m i s i n g c l e a nc o a lp o w e r g e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r ，b a s e do i lt h ep r o c e s ss i m u l a t o r - 一- a s p e np l u s ，t h em o d e l sf o rt e x a c oc o a lw a t e rs l u r r yg a s i f i e r , c o a lg a sc l e a n i n g s y s t e m ，g a s - t u r b i n e ，h e a tr e c o v e r yb o i l e r , a n ds t e a m - t u r b i n ea r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y t h e e f f e c t so ft h em a i nw o r k i n gp a r a m e t e r ss u c ha sc o a lw a t e rs l u r r yc o n c e n t r a t i o n , o x y g e n - c o a l r a t i oa n do x y g e np u r i t yo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eg a s i f i e ra l ed e t a i la n a l y z e d f i n a l l y , t h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i so f t h ew h o l ei g c cs y s t e mi sg i v e n m as h u n q i n ( t h e r m a lp o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy o n g p i n g k e y w o r d s ：i g c c ，c o a lw a t e rs l u r r yg a s i f i e r , s i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，a s p e np l u s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于a s p e np l u s 对整体 煤气化联合循环系统的模拟分析，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。 学位论文作者签名：马! 疲迸 日期：受& ：主：2 墨 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：曼! 速红 日期：旦星：主：! 墨 导师签名： 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 “绿色煤电”计划的提出，是从我国能源结构的现实特点出发的，而i g c c 技术的 发展是绿色煤电的重点。煤炭在我国一次能源结构中占6 成以上，目前全国的发电 装机容量中煤电占7 0 以上。预计至u 2 0 2 0 年，我国煤炭用于发电的比例将由目前的 4 0 增加到7 0 以上。但是，作为世界煤炭消费大国，我国在煤电转换效率和污染 物减排方面明显落后于西方发达国家：2 0 0 4 年，全国平均供电消耗为3 7 9 克千瓦时， 比国际先进水平( 3 2 0 克千瓦时) 高5 0 , - - - , 6 0 克千瓦时左右。发电厂排放二氧化硫占 全国工业排放二氧化硫总量的4 0 以上。我国二氧化硫排放总量仅次于美国，居世 界第2 位，而且将不断增加。严峻的现实使我们不得不认真思考煤电的可持续发展 问题。这不仅是我国电力工业面临的重要课题，也是关系到我国建设资源节约型和 环境友好型社会的一个重要问题。五中全会通过的“十一五”规划建议已经明确提出： “能源产业，要强化节约和高效利用的政策导向，坚持节约优先、立足国内、煤为基 础、多元发展，构筑稳定、经济、清洁的能源供应体系”。 要缓解电力与资源、环境的矛盾，除现有火电机组降低污染物排放和提高循环 效率、新增发电机组采用大容量和高参数洁净煤发电技术之外，另一方面就是要积 极研究开发更高效、更洁净的煤制氢和氢能发电技术及二氧化碳埋存技术，以达到 更高的发电效率( 5 5 - - 6 0 ) ，并且实现包括二氧化碳在内的各种污染物的近零 排放。这是现有任何燃煤发电技术都无法实现的目标。 目前，中国面临着国际上限排温室气体的巨大压力，随着科学技术的进步，“绿 色煤电一技术将具有其他洁净煤技术无法比拟的优势，能够快速实现科技成果的转 化，为未来电力工业的发展提供技术支持。 国际上经过几十年的努力，各种形式的洁净煤发电技术已经得到很大的发展， 以燃气轮机为核心的联合循环发电系统越来越受到重视，如：整体煤气化联合循环 ( i g c c ) 、增压流化床燃煤联合循环( p f b c c ) 、常压流化床燃煤联合循环( a f b c c ) 、 外燃式燃煤联合循环( e f c c ) 、直接烧煤粉或水煤浆联合循环( d f p c c c ) 、整体煤 气化燃料电池联合循环( i g f c c c ) 以及磁流体发电联合循环( m h d c c ) 等。从大 型化和商业化发展来看，近期各国开发研究的重点主要放在i g c c 上投入人力物力 最多，已建和在建的示范项目也占多数。越来越多的实践证明：i g c c 是最有发展 前景的洁净煤发电技术。 1 2 国内外研究现状及存在问题 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1l g c c 国外现状及发展趋势 自上世纪七十年代以来，i g c c 一直被人们认为是有相当发展前途的洁净煤发电 技术之一，备受电力工业界的关注。与我国相似，美国使用大量煤炭发电。因此，美国 十分重视洁净煤发电技术的研究开发，将洁净煤发电技术列为国家能源可持续发展 战略的重要组成部分。从1 9 8 5 年到2 0 0 0 年，美国先后部署了5 轮“洁净煤发展计划 ( c c t ) ，其中先后资助建成了4 座i g c c 示范电站，资助比例均在5 0 以上，有的甚至高 达8 0 以上。所有美国的i g c c 示范项目均采用美国本土的技术，希望通过国家的支 持和示范项目的带动实现技术的跨越。 1 9 8 4 年投运的c o o lw a t e r 电站采用水煤浆给料的t e x a c o 气化炉，以9 9 的纯氧 为气化剂，联合循环采用g e 公司的7 e 型燃气轮机。电站净功率为9 3 m w 。该电站 成功运行了4 年，历时2 5 0 0 0 h ，进行了完整的工业试验。由于采用湿法常温净化工艺、 较低透平进口温度的燃气轮机和单压蒸汽系统( 蒸汽参数也相应较低) ，使得电站供电 效率只有3 1 2 ( h h v ) 。但是，c o o l lw a t e r 电站验证了i g c c 的可行性、运行可用率 和负荷可调性，表明i g c c 是一种有相当前途的洁净煤发电技术，意义重大。c o o l w a t e r 电站代表了第一代i g c c 技术的发展及其水平。 自c o o l w a t e r 电站运行后，为了克服原理性验证阶段i g c c 呈现的种种缺陷，突破 i g c c 商业化发展的瓶颈( 供电效率、发电成本和可用率) ，美国又示范了三个i g c c 示 范电站，分别是1 9 9 5 年投运的w a b a s hr i v e r 电站、1 9 年投运的t a m p a 电站和1 9 9 7 年投运的p i n o np i n e 电站。1 1 w a b a s hr i v e r 电站是一个对现有汽轮机电站用i g c c 进行增容改造的示范工程。 电站采用2 台d e s t e c 水煤浆喷流床气化炉，以9 5 的纯氧为气化剂。采用独立的低 压空分系统，n ：不回注。煤气净化系统采用工作温度为3 7 1 c 的烛状管式过滤器除灰、 m d e a 法脱硫和c l a u s 工艺回收硫元素，总脱硫效率9 8 。联合循环单元采用g e 公 司的7 f a 型燃气轮机和三压蒸汽轮机，采用注蒸汽的方法控制n o x 。全厂的净功率 为2 6 2 m w e ，净效率为3 8 9 ( h h v ) 。 t a m p a 电站采用一台2 2 5 0 t d 的t e x a c o 水煤浆喷流床气化炉，采用辐射废锅对粗 煤气余热进行回收。水煤浆的浓度为6 6 5 ，以9 5 的纯氧为气化剂。煤气净化系统 采用两套：一套1 0 0 负荷的常温湿法除灰、脱硫装置；另外一套1 0 负荷的高温除灰 脱硫装置，工作温度为4 8 2 5 3 8 c ，即采用高温过滤器除尘和锌钛脱硫剂脱除h 2 s 。该 高温净化系统纯属试验性装置。空分采用高压独立空分系统，所得n 2 ：全部回注到燃 气轮机燃烧室中参与做功。联合循环单元采用g e 公司的7 f a 燃气轮机。电站实际 净出力为2 5 0 m w e ，效率为3 7 8 ( h h v ) 。由于电站热力系统设计的不当( 包括煤气加 热、n 2 ：回注) 和气化炉碳转化率低等，造成t a m p a 电站的实际供电效率大大低于设计 值4 2 ( l h v ) 。 2 华北电力大学硕士学位论文 p i n o np i n e 电站采用一台k r w 的流化床气化炉，干煤块供煤方式，单炉容量 8 9 3 t d ，气化操作条件为1 0 9 3 c 、1 7 5 8 m p a 。气化剂为空气，来自燃气轮机抽气。炉内 加石灰石作进行初步脱硫，飞灰再循环，气化炉碳转化率达到9 8 。净化工艺采用高 温旋风分离器和陶瓷管过滤器( 5 9 3 ) 除灰，二级脱硫采用以金属氧化物为吸收剂的 固定床反应器，脱硫效率9 8 9 9 。联合循环采用g e 公司的6 f a 机组。全厂净功率 为9 5 m w , 供电效率4 1 6 。 欧盟国家总的能源结构中仍以煤为主，因此，欧盟也十分重视i g c c 的发展，欧洲 的两座i g c c 示范电站都得到了欧盟的支持，参与的国家有荷兰、德国、西班牙、法 国等，i g c c 示范电站所采用的技术也全部来自欧盟国家。从技术的角度看，荷兰的 b u g g e n u mi g c c 示范电站和西班牙的p u e r t ol l a n oi g c c 示范电站技术更为先进，也 最具代表性。 1 9 9 4 年在荷兰投运的b u g g e n u m l g c c 示范电站采用干法进料的s h e l l 气化炉， 单台容量2 0 0 0 t d ，气化炉膛为水冷壁，气化剂为9 5 的纯氧，液态排渣，飞灰再循环。和 美国三个i g c c 示范工程不同的是，该示范采用完全整体化的高压空分系统，空分所 需的空气全部来自燃气轮机的压气机，抽气量大约是压气机流量的1 6 ，空分所得n ： 进入煤气饱和器和煤气混合。净化系统采用旋风分离器+ 陶瓷过滤器+ 湿法洗涤器除 尘、m d e a 法脱硫、c l a u s + s c o t 工艺回收元素硫，脱硫效率9 4 。联合循环采用 s i e m e n s 公司的v 9 4 2 燃机，功率为15 6 m w e ，汽轮机为再热凝汽式，出力为1 2 8 m w e 。 全厂净出力2 5 3 m w e ，厂用电率1 0 9 2 ，全厂热效率为4 3 。由于选用完全整体化空 分系统，致使空分系统启动困难，并且全厂运行控制复杂，为此专门增加了一台空气 供给量为空分额定所需空气量5 0 的空气压缩机。燃气轮机也发生振荡燃烧，原因主 要在于燃烧室设计不合理和煤气热值过低。通过b u g g e n u m 电站的示范表明：干法供 煤的s h e l l 气化炉的设计和运行是成功的，碳转化率高、冷煤气效率高、水冷壁寿命 长、负荷调节范围可至2 5 、煤种适应性广，特别适合发电系统使用。但同时s h e l l 气化炉也有煤粉制备和煤粉输送系统复杂、整体设计复杂和投资高等不足之处。 i g c c 机组整体可用率己大于8 5 ，气化岛的可用率达到9 5 。 1 9 9 6 年在西班牙投运的p u e r t ol l a n oi g c c 示范电站采用一台2 6 0 0 t d 的p r e n f l o 气化炉，气化炉膛为水冷壁，气化剂为8 5 的纯氧，液态排渣，飞灰再循环。空分系统参 照b u g g e n u l n 电站采用一台5 0 空分耗气量的、高压独立空气压缩机以启动空分， 启动后仍采用完全整体化的空分系统。净化系统也和b u g g e n u m 电站相似。联合循 环单元采用s i e m e n s 公司的v 9 4 3 燃气轮机，功率2 0 0 m w e ，汽轮机功率1 4 5 m w e ，电厂 的净功率为2 7 6 m w e ，净效率为4 0 3 ，厂用电1 3 。这两个示范电站使欧洲的煤气化 技术和燃气轮机技术得到了巨大的跨越。 以上几个电站原则上均属于第二代i g c c 技术，即：气化技术拓展到干粉喷流床 3 华北电力大学硕士学位论文 气化炉：湿法常温的煤气净化工艺配合一定程度的干法净化；采用了更先进的燃气轮 机和多压的蒸汽系统，再热式汽轮机；在煤气显热回收、空分装置的配置( 整体化程度、 氮气回注1 等方面进行了优化：供电效率进一步提高。从工程应用上讲，第二代i g c c 技术正在从商业示范走向商业应用。 第一代和第二代的i g c c 电站向世人证明了i g c c 技术是一种有竞争力的洁净 煤发电技术，具有高效、低污染、高可用率等优点。同时，这些已经运行的i g c c 示范 工程也为今后的工作提供了宝贵的经验和教训： 1 完全整体化空分并非不可能，但系统启动和运行复杂，部分整体化空分可能更 为合适； 2 n 2 回注和注蒸汽是降低n o x 排放的有效措施； 3 高温除尘脱硫设备可提高系统效率1 2 但还需要进一步发展； 4 电站运行的可用率一般能够达到8 0 左右，主要的停运原因来自气化炉。为了 提高电站可用率，可配备备用气化炉； 5 煤气的热回收过程必须合理的组织。若热煤气显热的回收系统设计不当( 如 t a m p a 电站) ，供电效率则有可能急剧下滑； 6 改烧低热值的合成煤气时，燃气轮机的燃烧室不仅需要作很大的改动，而且要 修改压气机与透平通流部分的匹配关系，以适应燃烧低热值煤气时燃气质量 流率较大幅度增长的需要。相对于燃烧天然气的燃气蒸汽联合循环而言， 改烧低热值煤气后，联合循环的功率大约会增大1 0 2 0 。同时，必须慎 重地选择燃气轮机的型号； 7 i g c c 电站的比投资费用还比较高，一般都高于$ 1 5 0 0 k w ；由于比投资费用高、 空分的耗功量较大，其发电成本还不能与目前燃煤的超临界参数的蒸汽轮机 电站相竞争。 目前，对第二代i g c c 技术进行完善与提高，向第三代技术过渡并实现商业化应 用已成为i g c c 发电技术的主要发展方向。持续不断地改进i g c c 技术中各主要部 件和系统的性能、提高可用率、降低成本，同时加强i g c c 系统的应用拓展是第三代 技术的两个重要方面。具体为： 1 在现有深冷空分工艺不断改进、提高负荷跟踪能力和安全可靠性的同时， 发展空气的膜分离技术，简化空分装置并降低厂用电率。 2 发展适应多种原料的新型气化技术，进一步探索以空气或以富氧为气化剂 的输运床、流化床气化炉以及干法除灰脱硫系统，以进一步提高气化和系统 效率、可靠性，降低投资和运行成本。 3 高温煤气净化技术：高温除尘和脱硫可使系统热效率有所提高，并简化系 统、降低比投资成本。 4 华北电力大学硕士学位论文 4 更先进的燃气轮机和联合循环：高性能燃气轮机和高参数汽轮机技术的联 合应用是保证i g c c 系统高性能的关键。发展能有效利用系统中不同品位 热量的新型热力循环也是i g c c 技术发展的一个重要趋势。 5 i g c c 系统中各单元的集成技术、系统优化技术、先进的控制技术、提高。 运行可靠性、负荷跟踪能力与负荷适应性。 6 通过单元技术的成熟和产品结构的多元化，走联产道路，提高i g c c 技术的 竞争力，降低造价和投资，提高资源利用率和经济性，并改善系统调峰性能。 7 和c 0 2 分离、捕集、封存技术相结合，满足低碳经济发展对于电力行业的要 求，提高i g c c 系统应对温室气体排放控制的竞争力。 上述发展趋势构成了世界各主要工业国家i g c c 应用和发展的重要特点。表1 1 说明了i g c c 发展历程及趋势： 表1 1国际i g c c 发展历程及趋势 第一代第二代第三代 水煤浆1 0 0 0 t d +水煤浆干煤粉2 0 0 0 t d + 全先进煤气化技术输煤床、 气化技术 激冷热回收流化床 净化技术 常温湿法 常温湿法+ 部分高温净化 示范高温净化 e 级燃机单压蒸汽f 级燃机双压( 三压) 蒸汽 联合循环更高级别燃机( h 级g 级) 系统系统 ( 部分) 整体化空分系统 系统集成无 + n 2 回注 功率 1 0 c i 胛2 5 c l 姗4 0 0 胛 效率 3 1 2 0 3 9 - 4 5 4 5 5 0 单位k w 2 8 0 0 5 k w1 2 0 0 1 6 0 0 $ k w( 1 0 0 0 $ k w 投资 代表电站 c o o lw a t e r t a m p a b u g g e n u m 0 r l a n d oi g c c 作为第三代i g c c 的代表，美国准备建设一座以t a ns p o r tg a s i f i e r 为基础的 2 8 5 m w ei g c c 示范电站，采用空气气化方式，预计与2 0 1 0 年投入示范运行。 欧盟2 0 0 4 年开始执行h y p o g e n 项目，该项目从2 0 0 4 年开始，到2 0 1 5 年完成建 设和示范运行，总投资达到1 3 亿欧元，目标是建成以煤气化为基础的生产1 9 2 m w e 电 力和氢的近零排放电站，并进行c 0 2 的分离和处理。德国提出了c o o r e t e c 计划， 旨在研究开发以化石燃料为基础的近零排放发电技术。 日本非常重视i g c c 的研究开发，走的是一条自主开发的道路。从煤气化技术到 燃气轮机技术，在政府和企业的共同努力下，取得了较大的进展。目前，日本正在建设 一座2 5 0 m w 七空气鼓风的i g c c 示范电站，预计2 0 0 7 年9 月投入运行。 5 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2ig c c 国内现状及发展趋势 我国在中国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要的“优化发展能源 工业一一章中明确提出，“推进清洁煤发电，启动整体煤气化燃气蒸汽联合循环电 站工程。我国以煤为主的能源结构，决定了我国必须立足国情，大力发展清洁煤技 术。此外，我国对各种煤气化技术的引进以及国家对燃气轮机的打捆招标都为i g c c 电站在我国的建立奠定了基础。目前正在兴起i g c c 的建设热潮。我国在中国国 民经济和社会发展第十一个五年规划纲要的“优化发展能源工业一一章中明确提 出，“推进清洁煤发电，启动整体煤气化燃气蒸汽联合循环电站工程 。我国以煤为 主的能源结构，决定了我国必须立足国情，大力发展清洁煤技术。此外，我国对各种 煤气化技术的引进以及国家对燃气轮机的打捆招标都为i g c c 电站在我国的建立奠 定了基础。目前正在兴起i g c c 的建设热潮。 “八五一、“九五、“十五修期间国家对i g c c 系统方案分析及系统优化都进行了 支持。1 9 9 6 年由美国能源部和当时的国家科委组织了一个中美i g c c 专家报告，在这 个报告中明确提出i g c c 的进一步发展需要跟联产相结合。1 9 9 8 年工程热物理研究 所开始了发展煤炭联产的探索，多次被邀在各种会议中介绍中国i g c c 和联产的发展 情况。 1 9 9 4 年4 月我国就成立了i g c c 领导组。国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 - - - 2 0 2 0 年) 明确提出，把重点研究整体煤气化联合循环等高效发电技术与装 备，列为优先主题之一。 1 9 9 9 年国家批准了烟台i g c c 示范电站项目建议书，i g c c 示范项目正式立项，示 范电站功率为3 0 0 m w e 或4 0 0 m w e ，目前，该项目已完成主设备的评标工作。由于烟台 i g c c 示范电站全套引进国外技术和设备，造价较高，约是常规煤粉电站的2 倍，至今 未能开工建设。 西安热工研究院、清华大学、中科院工程热物理研究所、华北电力设计院等单 位经过国家“八五和“九五 科技攻关及“十五 8 6 3 课题“i g c c 设计集成和动 态特性 的研究，在i g c c 系统设计优化和一些关键技术开发方面取得了长足的进步， 对i g c c 技术的现状和趋势及国外i g c c 电站存在的问题有了深刻的认识，己形成了 较强的技术支持力量。在7 3 计划中，围绕i g c c 单项工艺技术的研发布置了“煤的 热解、气化和高温净化过程的基础性研究( 已完成) 、“大规模高效气流床煤气化 技术。我国8 6 3 计划“十五一期间在洁净煤技术主题部署了围绕i g c c 发展需要的 单项技术研发和前沿课题，为“十一五发展i g c c 示范工程奠定了技术基础。 2 0 0 6 年，我国在i g c c 煤气化技术研究上取得一系列进展。“干煤粉加压气化技 术”课题，通过国家科技部的验收，该系统处理煤能力为3 6t d 。“新型水煤浆气化 技术课题通过验收，该系统出力为11 5 0t d 。 6 华北电力大学硕士学位论文 多个i g c c 发电项目列入发电企业的发展规划。华能集团计划“十一五 期间， 在汕头建成1 2 万千瓦级具有自主知识产权的煤气化联合循环发电系统的示范工程。 大唐集团在天津大港、北京房山、广东东莞和深圳开始了i g c c 项目的规划，设计总 容量4 0 0 0 m w ；中电投廊坊2x4 0 0 m w 的i g c c 热电项目初步可行性研究报告通过审 查。此外，神华集团、山东兖州矿务局等煤炭集团也纷纷加入到i g c c 发电项目行列。 目前我国己具备向i g c c 电站提供关键技术的能力，以自主的i g c c 示范电站为 依托，尽快开发具有自主知识产权的关键技术，建设以自主技术为主的i g c c 电站，既 可以大幅度降低i g c c 的造价，又可利用示范工程带动自主技术的发展，使我国在 i g c c 关键技术方面得到跨越式发展，自主的i g c c 示范电站将成为我国的i g c c 技术 发展的试验基地和发展基础。1 2 3 ，4 j 1 3 目前对lg c c 系统研究的不足 世界各国研究人员对i g c c 系统进行了大量而深入的研究，取得一定的成就， 但对i g c c 系统特性的理论研究仍不够充分，i g c c 热力系统建模与设计中的若干问 题尚未得到有效的解决。主要的不足表现为： 1 多数研究中均是根据特定的流程方案建立系统数学模型及部件特性模型，并 编制相应的计算软件，特别是由于传统的建模方法有着各种缺陷，使得所建的i g c c 联合循环系统模型及相关部件模型存在继承性和通用性差，精度不高及编制程序软 件工件量大的问题。 2 多数研究只针对个别流程进行参数优化，未能实现i g c c 系统的整体综合优 化。 3 对于i g c c 中气化炉及煤气净化系统，空分系统还没能建立比较成熟的模型 及程序软件，也未能实现这两个单元流程与结构以及与联合循环系统的整体优化。 1 4 本文主要内容以及创新点 从i g c c 系统的组成看i g c c 是多种设备，多项技术集成，包括燃气轮机煤 气化与净化系统，空分装置以及余热锅炉和蒸汽轮机等的一个复杂的能量转换利用 系统i g c c 整体性能取决于子系统的性能及其综合优化。因此，每一个集成技术的 突破都将为i g c c 整个系统性能的提高提供强有力支撑，因而不断改进各关键设备 和集成技术就成了各国发展和研究i g c c 的重点。 本文基于过程模拟软件a s p e np l u s 分别对整体煤气化联合循环系统中的气化 炉、粗煤气净化系统、燃气轮机、余热锅炉，蒸汽轮机进行了模拟分析。其中重点 分析了i g c c 气化系统各个参数变化对煤气成分的影响。 7 华北电力大学硕士学位论文 本文的基本主要研究内容： 第二章主要系统阐述了i g c c 系统的类型和构成，详细分析了各个子系统中的 特点和作用，并详细阐述了a s p e np l u s 过程模拟软件的特点，功能和个模块的作用， 特别是在a s p e np l u s 软件在燃煤发电工程中的应用。 第三章的主要内容是基于a s p e np l u s 平台，提出t e x a c o 水煤浆气化炉的性能 模拟方法，建立了t e x a c o 气化炉的模型，研究分析了气化炉的主要运行参数( 如 水煤浆浓度，氧煤比，氧气纯度等) 对气化结果和气化炉性能的影响。 第四章的主要模拟对象是粗煤气净化和显热回收系统，建立在常温湿法净化系 统中各设备的模型，并对最终的净煤气的热值进行计算，为第五章对燃气一蒸汽系 统的模拟打下基础。 第五章是利用第三、四章模拟所得的净煤气参数为燃料，在a s p e np l u s 平台建 立了以燃气轮机、双压再热锅炉、蒸汽轮机为主要部件的燃气一蒸汽发电系统的模 型，实现了对整个i g c c 系统的整体模拟，并对该系统进行了性能分析。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章 ig c c 联合循环系统的构成与建模理论研究 2 1lg c c 循环系统的类型与构成 2 1 1ig c c 联合循环的概念 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 系统示意图见图2 1 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。 2 1 2i g c c 主要系统的主要构成部分 燃气轮机系统：i g c c 联合循环系统以燃气轮机为主，燃气轮机与蒸汽轮机的 功比为1 3 2 0 ，因此，燃气侧系统是影响i g c c 整个系统性能指标的主要因素，燃 气轮机性能的提高是发展i g c c 的前提。凡是能使燃气轮机性能改进的技术手段都 将最终提高i g c c 的整体性能。为此，g e 、a b b 等公司不断推出高性能的燃气轮机， 不断提高初温。表2 1 列出燃气轮机及其i g c c 性能参数的典型值。显然，在上世 纪八十年代，初温1 1 0 0 燃气轮机组成的l g c c 还难以和常规汽轮机电站相匹敌； 而九十年代后，研制出一批高性能燃气轮机，如g e 公司推出的f 、f a 型和s i e m e n s 推出的3 、3 a 型燃气轮机，其透平初温为1 2 5 0 一1 3 1 0 ，可建造供电效率4 0 4 6 的大型i g c c 装置，在热力性能上就足以和传统的燃煤电站相竞争。【7 】 表2 1 燃气轮机及其i g c c 热力性能参数与预测 燃气轮机简单。循环燃油气联合循环 i g c c 初温( )单机功率供电效率 单机功率 供电效率 单机功率 供电效率 ( m w )( )( m w )( )( m w )( ) 上世纪8 0 年 1 1 0 01 0 03 2 - 3 41 5 04 51 8 03 6 代 上世纪9 0 年1 2 5 0 - 1 2 8 82 3 03 4 - 3 83 5 05 54 0 04 0 - 4 6 代 2 0 0 0 年1 4 3 02 8 03 8 - 4 04 8 06 06 0 05 0 如西班牙的p u e r t o l l a n o 电站配s i e m e n s v 9 4 3 燃气轮机的初温为1 2 5 0 ，其净效 9 匝怕憾螺曦uuoh【n翌 仪秘迥扑_=：f匿静k r 曾芸斟 华北电力大学硕士学位论文 率可达到4 3 ( l h v ) ；美国t a m p a 电站配g e 7 f a 型燃气轮机的初温为1 2 6 0 ，其 净效率达4 2 ( l h v ) 。美国能源部还专门制定了先进透平系统( a s t ) 计划，以推动燃 气轮机的技术开发。至今新型商业应用工业燃气轮机的透平进气初温高达1 4 3 0 ， 用其组成的i g c c 系统净效率可达5 0 以上。 煤气化系统：利用高压煤气化技术生产合成煤气，以取代天然气作为燃料，是 发展i g c c 技术的一个重要内容。目前i g c c 采用的气化炉主要有三种型式：喷流 床、流化床和固定床。它们各有优缺点。对发电用途的气化炉，主要要求是高的碳 转化率i l c 和冷煤气效率i l1 、大容量( 尽可能做到单炉电站) 以及与发电设备运行 的匹配性好等。高压纯氧或富氧氧化的喷流床单炉容量最大( 2 0 0 0 3 0 0 0 t d ) ，且由 于反应温度高达1 5 0 0 2 0 0 0 c ，碳的转化率很高( 9 7 以上) ，特别是干法供煤并采 用未反应炭粒再循环措施时，如西班牙p u e t o l l a n o 电站采用的p r e n f l o 气化炉和 b u g g e n u m 电站的s h e l l 气化炉的r l c 都达到9 9 ，r i1 达到8 0 左右。而对水煤浆供 料喷流床的qc 和ql 都要低些，如t e x a c o 气化炉r lc 一般只有9 6 9 8 ，t l1 只有 6 9 7 5 。因此，d c s t e e 气化炉采用两段气化方式，把r l1 提高到8 0 8 2 。固定 床气化炉，由于煤在炉内停留时间很长，反应温度也高，因而碳的转化率最高，可 达9 9 5 ，但煤气的生产能力最低，不能满足电站大型化需要，且含焦油、酚类数 量多，难以处理。对于流化床气化炉如k r w 和u g a s 来说，碳的转化率仅9 1 9 7 ， 比前两种要低很多。另外，以空气做为气化剂时，可省去复杂空分系统，但煤气热 值低，不利于燃烧，且气化炉容量小，不利于电站大型化；而采用纯度高的氧气要 比用空气为气化剂时冷煤气效率高，但却增大了厂用电率，这要综合考虑。 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：从气化炉产生的原煤气含有大量有害杂质，无法满足燃气轮机 安全可靠运行和环保法规的要求，必须预先净化处理，以除去粗煤气中的硫化物、 粉尘、氮化物以及碱金属与卤化物等有害物质。现多采用常温湿法除尘脱硫工艺， 相对成熟。由于在净化前，先要将高温煤气冷却降温，虽然可以回收部分煤气显热， 但由于能量的品位降低了，必将影响到i g c c 整体的效率。因此，人们正致力于研 究开发高温干法脱硫技术，它与煤气低温净化技术相比能使i g c c 的净效率提高 o 7 2 o 个百分点。 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 华北电力大学硕士学位论文 阶段。 i g c c 联合循环系统把化工系统和动力系统相结合，流程非常复杂，其联合循环 动力岛和煤气化净化系统以及空分制氧系统之间存在复杂的物质和能量交换，是决 定i g c c 系统性能的核心部分。清晰的认识i g c c 联合循环系统的流程特点和设备性 能是建立通用准确的系统模型的基础。为此，首先分析常规联合循环的概念和分类 特点，并在此基础上对i g c c 联合循环的类型和构成进行分析。 空分装置与空气侧系统整体化：为了供给气化炉所需的纯氧或高浓度富氧的气 化剂，需设置制氧空分设备及其系统。 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：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 完全整体化空分系统：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；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。 对于不同空分系统利用不同的压力等级( 高压或低压) ，但目前对各种压力等级 空分系统大多采用深度冷冻方法分离空气以制取氧气。如对独立空分系统，常用低 压( 0 6 m p a ) 流程，一般需把空气冷却到1 7 2 左右才进入制氧过程。由于空分系 统中氧气和氮气的压缩耗功很大，采用上述常规空分工艺流程的i g c c 的厂用电耗 率较高，因此人们正在研究使液n 。和液o ：先增压、后气化的空分制氧流程。i g c c 中空分系统和燃气轮机系统组成的空气侧系统的整体综合优化对i g c c 系统的热力 性能、比投资费用以及运行可靠性等都有很大影响。从空分系统的空气来源看，空 气侧整体化有独立空分、完全整体化和部分整体化三种一体化方式。独立空分会使 厂用电率增大，但它运行灵活；完全整体化方式的厂用电率低，但运行不灵活。比 如荷兰b u g g e n u m 电站采用完全整体化，厂用电率仅1 0 9 2 ；部分整体化可兼顾两 方面优点。随着i g c c 空分整体化程度的提高，i g c c 的热经济性也相应提高，但是 完全整体空分方式i g c c 的运行灵活性却受到限制。 余热锅炉及蒸汽轮机系统：性能先进的i g c c 离不开高效率的蒸汽底循环，余 热锅炉和蒸汽轮机系统不可避免要与煤气化、净化系统等进行质量、能量交换，因 此i g c c 蒸汽系统的联结、匹配与优化要比般的联合循环复杂得多、也重要得多。 为了充分地吸收各子系统的余热、废热，目前i g c c 系统中，一般根据燃气轮机排 气温度，合理地选择蒸汽循环流程，当燃气轮机排气温度t 4 低于5 3 8 时，不采用 华北电力大学硕士学位论文 再热循环方案；当高于5 8 0 。c 时，更多采用多压再热方案。另外，一般不从汽轮机 抽汽加热给水，同时尽可能提高蒸汽初温和初压。如b u g g e n u m 电站采用双压再热 方案( 1 2 5 m p a 2 9 m p a o 5 m p a 5 1 1 5 1 1 ) 。随着燃气轮机初温的提高，i g c c 中 蒸汽循环完全有可能采用更高蒸汽参数，现在有学者正在研究设计亚临界、甚至超 临界的i g c c 蒸汽系统。 2 2 联合循环的概念和常规分类 2 2 - 1ig c c 联合循环 联合循环是一种高效的热功转换的动力装置，它的优势在于对燃料释放的热能 实现高效的梯级利用。目前热机多采用简单循环，且多采用一种工质，由于所采用 的工质性质和金属材料耐温性等限制，只能局限于狭窄的温度区间内工作，热转功 的效率比较低。若将具有不同工作温度区间的热机循环联合起来，互为补充，即把 高温循环热机的排热作为低温循环的加热，就可以大大降低总的排放热损失，而提 高整体循环效率，这种联合装置就叫做联合循环。通常狭义理解的联合循环是指最 常用的燃气轮机和汽轮机串联在一起的联合循环，但广义的联合循环应该包括所有 可能的有效形式，例如以活塞式内燃机作为顶部与以燃气轮机作为底部的联合循 环，其退化形为底部循环不输出功，而只给循环顶部提供压力的涡轮增压内燃机， 其应用也很普遍。目前，最为广泛采用、且获得最高实用热机效率的是燃气轮机与 汽轮机的联合循环，即以各种方式把布雷顿( b r a y t o n ) 循环和朗肯( r a n k i n e ) 循环 结合起来的燃气蒸汽联合循环，也就是通常理解的常规联合循环。它的基本流程是 从热力循环系统中能量转换利用的组织形式来分，常规的联合循环有五种基本类型 方案：无补