IGCC系统关键部件的选择及其对电厂整体性能的影响_1_气化

1、第27卷第5期2007年10月动力工程Journal of P ower EngineeringV ol. 27N o. 5Oct. 2007文章编号:100026761(2007 052810205IG CC 系统关键部件的选择及其对电厂整体性能的影响(1 气化炉篇高健1, 倪维斗1, 李政1, 下秀昭2(1. 清华大学热能工程系, 北京100084; 2. 三菱重工业株式会社高砂研究所, 高砂676, 日本摘要:采用G T PRO 软件对配备不同气化炉的IG CC 气化技术对IG CC 效率和单位造价影响很大。可为IG CC 关键词:能源与动力工程; IG CC ; 气化炉; ; 中图分类

2、号:T Q545:As K ey Components and Their Influence on the Power Plant s Overall Performance (I :The Ga sifierG AO Jian 1, NI Wei 2dou 1, LI Zheng 1, SUGISHIT A Hideaki2(1. Department of Thermal Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084, China ;2. T akasag o R&D Center , Mitsubishi Heavy Indust

3、ries Limited , T akasag o 676, Japan Abstract :Using s oftware G T PRO , com plete IG CC systems , equipped with different gasifiers , are studied by simulation. The effects of s ome representative gasifing technologies on the technical and economical performance of IG CC power plants are analyzed a

4、nd com pared. Results show , that the way coal is fed , has a great bearing on both the system s efficiency and its price per unit. This may serve as a reference for selecting gasifiers in IG CC systems.K ey words :energy and power engineering ; IG CC ; gasifier ; technical performance ; economical

5、performance收稿日期:2006212210基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2005C B221207 , 欧盟COACH 项目作者简介:高健(19802 , 女, 博士生。主要从事IG CC 及多联产系统等方面的研究工作。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”一章中明确提出1, “推进清洁煤发电, 启动整体煤气化燃气2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IG CC 电站在我国的建立奠定了基础。目前正在兴起IG CC 的建

6、设热潮。由于中国气化炉市场商业前景巨大, 除了国内已开发出来的若干种气化炉外, 国外各种类型的气化炉也纷纷打入中国市场, 它们的市场宣传五花八门。但是, 我们在选择和采用时要进行对比和分析, 绝不能只跟着国外宣传“走”。本系列文章就是基于这个目的, 从技术性能和经济性能综合考虑, 对选用不同气化技术的IG CC 系统进行对比和分析。由于IG CC 系统非常复杂, 牵一发而动全身, 除了气化技术对整个系统的影响之外, 也应该考虑对IG CC 系统中其它子系统和设备的影响, 以及最终对整个IG CC 系统技术和经济性能的影响。本系列文章共分为3篇:第一篇为气化炉篇, 从IG CC 系统整体角度对不

7、同气化技术加以分析和对比, 为气化炉选型提供参考; 第二篇为余热锅炉篇, 研究了不同气化技术对余热锅炉类型选取的影响; 第三篇为气化 炉合成气冷却器与余热锅炉的匹配, 更进一步地研究了气化技术对系统整体性能的影响。1气化炉类型煤炭气化技术种类繁多2, 其中高压、大容量的气流床气化技术具有良好的煤种适应性, 技术性能更加优越3, 显示了良好的社会和经济效益, 是煤基大容量、高效洁净的合成气制备的首选技术, 代表着发展趋势。这类气化技术, 根据其进料方式、炉膛结构的冷却方式以及气化炉出口气体的冷却方式不同, 分为以下几种类型(图1 。图1一段式纯氧气流床气化炉技术分类Fig 1Classifica

8、tion sigle of stage pure oxygen 2blown gasification techniques以上各种类型的气化炉, 与IG CC 电站其它部件相结合后, 对系统整体的技术和经济性影响都各不相同。面对种类如此众多的气化炉, 我们应该如何选择, 以同时兼顾全厂技术和经济性能两方面? 本文利用G T PRO 软件对采用不同气化炉技术的IG CC 电站进行建模, 分析比较了进料方式等差异对全厂技术和经济性造成的影响, 并根据模拟结果, 对IG CC 电站气化炉的选择提出几条建议, 以供实际参考。2IGCC , 对于余热锅炉, 本文初, 采用相同的各级压力、温, 由于不同

9、系统蒸汽产量不同, 因此随后根据不同蒸汽流量使余热锅炉配置接近最优。详细设计参数见美国国家能源技术实验室报告4。2. 1采用不同气化炉的IGCC 选择本文研究的IG CC 系统包含不同类型的、具有成熟商业应用的气化炉56, 主要类别和商业推广应用示于下表1。气化炉合成气冷却系统如图2所示, 主要由辐射换热器和对流换热器组成, 其中虚线表示该设备表1气化技术分类及对应的商业品牌T ab. 1G asification technology and corresponding commercial brands项目工艺特点代表性商业品牌水煤浆一段式气化炉Case0水煤浆进料+耐火砖炉膛+激冷GE

10、(德士古 激冷, 华东理工大学四喷嘴水煤浆Case1水煤浆进料+耐火砖炉膛+辐射换热器GE (德士古 改型Case2水煤浆进料+耐火砖炉膛+辐射换热器和对流换热器GE (德士古 全热回收粉煤一段式气化炉Case3粉煤进料+水冷壁炉膛+激冷G SP , 华东理工大学四喷嘴粉煤Case4粉煤进料+水冷壁炉膛+对流换热器SHE LL图2气化炉合成气冷却系统Fig 2C olling system of the gasifier s syngas是可选设备, 而不是必有设备。由于气化炉类型不同, 因此气化炉和各换热器出口温度也不同。计算中的具体选取示于表2。2. 2其它参数选择(1 燃气轮机-Siem

11、ens SG T626000G (W501G (2 蒸汽循环进口参数-如表3所示。(3 余热锅炉设计-省煤器、蒸发器和过热器的布置接受G T PRO 本身的设计。这是因为7, 尽表2气化炉合成气冷却系统T ab. 2P arameters of syngas cooling system项目T 1/T 2/T 3/水煤浆一段式气化炉case01370Case11370732Case21370732357粉煤一段式气化炉Case31370Case48993240注:Shell炉型在进入对流换热器之前, 先用冷却后的冷煤气掺混, 故温度较低。管G T PRO 没有从严格的数学意义上对设计进行优化,

12、 但其使用的方法和逻辑是合理的, 并且经过广1 18第5期高健, 等:IG CC 系统关键部件的选择及其对电厂整体性能的影响(1 气化炉篇泛测试、被证明与实际相符, 故具有工业实际意义。表3蒸汽循环设计参数T ab. 3Design parameters of the steam cycle高压蒸汽压力MPa温度再热蒸汽压力MPa温度中压蒸汽压力MPa温度低压蒸汽压力MPa温度13. 25662. 45662. 45660. 44285因此, 所得到的设计结果, 在一般意义上通常可被视为优化的结果。节点温差选取示于表4。(4 气化用煤煤质分析(表5 。表4余热锅炉节点温差T ab. 4Pinc

13、h temperature difference of HRSG余热锅炉高压段节点温差13中压段节点温差13低压段节点温差10表5气化用煤分析T ab. 5Analysis of the coal used for gasification项目水分%灰分%FC %C %H %N %Cl %S %O %HH V k J kg -1元素分析11. 129. 7063. 754. 501. 250. 292. 6. 工业分析11. 129. 7044. 1934. 9927. 13注:HHV 为高位发热值(5 气化炉操作条件1370。4. 17力相同, , 考虑沿途压降, 气化炉压力会略高 。如果水

14、煤浆进料, 水煤浆浓度为66. 5%。考虑到系统的整体可用率, 根据世界上已建成的IG CC 的经验, 采用独立空分。在计算系统净发电效率时, 空分耗电和氧气压缩机耗电(由于气化炉操作压力远高于空分的氧气出口压力, 因此氧气需先送入氧气压缩机升压后方能送入气化炉 均已扣除。对于Case0、Case1和Case2, 净化后加湿, 使合成气中水蒸汽的体积百分比为16%。(6 经济性参数假设G T PE ACE 为全厂经济性预算提供设计的详细经济参数。表6是用于估算经济性的输入参数, 对所有计算取值相同。由于在经济性计算中, 燃料价格和电价等许多因素具有不确定性, 因此经济性计算结果的主要意义, 在

15、于比较采用不同气化技术对IG CC 系统造成的影响, 而不在于其绝对数值的大小。表6经济性估算的输入参数T ab. 6I nput data for the economic calculation基本假设数值基本假设数值运行初始年2007借贷比例%70项目寿命年20贷款利率%9年运行小时数h 7250所得税率%35年固定运行和维护费用美元kW -140电力价格美元kWh -10. 055可变运行和维护费用美元kW0. 004煤炭价格1. 185折旧年限年15(以LH V 计 美元G J -1债务偿还期年15贴现率% 153结果分析及对比3. 1技术性能分析图3中的3个柱状图例分别表示全厂系统

16、的净出力、燃气轮机出力和蒸汽轮机出力。从图中可以看出, 由于系统Case0、Case1和Case2是水煤浆进料, 因此相比于干法进料的系统, 合成气热值略低, 为了满足燃气轮机的设计进口温度等参数, 需要较大的合成气流量, 从而燃气轮机出力略大。从图中可知, 采用不同气化技术的 IG CC 电站整体系统出力的不同, 主要在于蒸汽系统出力的差异, 而蒸汽轮机出力的大小, 与气化炉是否带有合成气冷却器有关。这是因为, 带有合成气冷却器的气化系统与余热锅炉进行匹配, 从余热锅炉高压段省煤器抽出的工质被送入合成气冷却器, 与高温合成气换热后回送到高温段蒸发器, 继续与烟气换热后进入蒸汽轮机做功, 这样

17、, 加大了蒸汽流量。根据具体情况, 也可以中压段工质辅助冷却合成气。因此激冷类型的系统, 蒸汽循环出力最小, 而Case2同时带有辐射换热器和对流换热器, 具有最大的蒸汽循环出力。图3不同气化炉选择对系统出力的影响Fig 3E ffects of different selection for gasifiers on system output图4为不同气化炉选择对系统效率的影响。由218动力工程第27卷图4可知, 采用干粉进料并带有对流换热器的气化炉IG CC 系统(Case4 , 供电净效率最高; 而采用水煤浆激冷类型气化炉的系统, 效率最低(Case0 , 两者相差可达近8%。从图中还

18、可以看出, 进料方式对效率的影响也不可忽视, 相比于同类型水煤浆进料气化炉的全厂系统, 采用干粉进料气化炉的系统, 全厂净效率高出约3. 5%。例如都采用激冷的Case0和Case3, 只带辐射换热器的Case1和只带对流换热器的Case4。进料方式对系统效率产生影响的原因主要在于, 水煤浆在进料方式中, 水煤浆在输送煤的同时, 携带了大量的液态水, 共同进入气化炉, 这部分液态水需要吸收燃料燃烧释放出的大量热量作为汽化潜热, 变为水蒸汽。并且此处产生的水蒸气只有很小一部分参与气化过程, 排出气化炉, , 度降低而饱和凝结出来。另外由图4于目前现有IG CC , 造成这种差异的原因有2个:一是

19、目前仍然缺少对IG CC 电站实际运行维护等方面的经验, 现有IG CC 电站在各方面都需要大量改进, 其整体效率有很大提升空间; 二是目前现有IG CC 电站采用的燃气轮机效率较低, 而本文计算中采用的燃气轮机均为W501G 型, 透平进口温度为1427, 因而厂净发电效率也较高。文献8根据实际运行经验做出的估计是, 到2010年采用H 级燃气轮机时, 预计IG CC 电站的厂净发电效图4不同气化炉选择对系统效率的影响Fig 4E ffect of different selection for gasifiers on system efficiency率可超过49%。在计算中 , 我们选

20、取余热锅炉烟气的尾气温度为90, 三压的节点温差分别为13、13和10。但是, 由于固定烟气排气温度的限制, 即保证烟气排气温度下限, 使节点温差可调, 从图5可知, 除了采用激冷类型气化炉的系统能同时满足烟气排气温度和节点温差的设计值要求以外, 其它带有合成气冷却器气化炉的系统, 在满足烟气排气温度要求的条件下, 节点温差都高于20, 大于设计的节点温差。这个结果表明, 在复杂的IG CC 系统中, 与激冷类型气化炉匹配的余热锅炉, 未必适用于带有合成气冷却器的气化炉。另外, 余热锅炉节点温差增加, 传热面积减小, 使余热锅炉造价减少, 在一定程度上可部分平衡气化炉系统中的合成气冷却器增加的

21、投资。5Fig 5E selection for gasifiers on systemtem perature difference3. 2经济性能分析图6对采用不同气化炉IG CC 系统的比投资(specific investment 和初始投资( initial equity 进行了比较。从图中可知, 带有合成气冷却器的气化炉系统, 由于增加了换热设备(合成气冷却器 , 必然使初始投资增加, 但比投资未必增加。例如Case1和Case4中的气化炉, 分别带有辐射换热器和对流换热器, 与激冷的Case0相比, 初始投资增加但比投资反而略微下降, 其根本原因在于, 尽管合成气冷却器会使投资增

22、加, 但蒸汽循环出力增大使比投资减少。 此外, 从图中可以看出, 采用干法进料加激冷的气化炉(Case3 , 系统的比投资和初始投资均为最低, 而效率高于水煤浆进料加激冷的系统(Case0 。这是因为, 干法进料的气化炉系统无需燃烧大量燃料来提供水的汽化潜热, 故气化效率和有效气生产效率高。这些特性用于IG CC 系统也产生了经济性方面的优势。图6采用不同气化炉对IG CC 系统的经济性的影响Fig 6E ffect of different selection for gasifierson system economic performance需要注意的是, 本文计算出的气化炉等设备的造价

23、是根据工业常规数据所得, 对每一类型的气化318第5期高健, 等:IG CC 系统关键部件的选择及其对电厂整体性能的影响(1 气化炉篇设备而言, 而不是对于每种品牌而言, 不考虑各品牌因市场策略不同造成的差价。比如合成气冷却器的造价是按照换热面积、所用材质等因素计算得出, 不考虑品牌效应的附加价值。4结论(1 进料方式对系统的技术性能和经济性能影响非常重要, 单纯改变进料方式, 可使IG CC 全厂效率提高约3. 5%(图4 。基于干法进料气化炉的IG CC 系统总是优于对应的湿法进料的系统。(2 相对于采用激冷流程的IG CC 系统, 采用废锅流程的IG CC 系统全厂效率可提高约4%(图4

24、 。(3 激冷方案的初始投资(initial equity 少, 但相对于带合成气冷却器的气化炉, 这是因为, , 出力增加。(4 程。, 由于气化冷, 必须考虑这部分热量对蒸汽系统带来的影响。煤气化技术是发展煤基化学品、煤基液体燃料、联合循环发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础, 是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术。面对种类繁多的气化技术, 我们必须针对具体应用的场合, 谨慎选择。参考文献:1中国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要,2006.2沙星中, 杨南星. M.上海:华东理工大学出版社, 1995.3. 2M. 北京:4G Base CasesZ.NET L ,

25、PE D 2IG CC 2, 2000.德士古气化电力系统IG CC 研讨会讲座发言文集C.北京:1998.6壳牌煤气化工艺技术研讨会文集C.北京:1998. 7G T PRO 软件帮助手册Z.8Integrated gasification combined cycle technology :IG CCZ.E LC OG AS , Puertollano.(上接第804页在23之间, 其中贝壳脱硫剂的分形维数与石灰石相比较小。在实验范围内, 分形维数随着煅烧温度的提高而减小。研究工作可为进一步认识和描述脱硫剂复杂的多孔结构提供基础。参考文献:1Mandelbrot B B. Fractal

26、 :Form ,Chance and DimensionM.San Francisco :Freeman,19772Juan Luis Perez Bernal , Miguel Angel Bello.Fractal geometry andmercuryporosimeryCamparisionandapplication of proposed m odels on building stones J .Applied Surface Science , 2001,185:99-1073Christos D.Tsakiroglou ,AlkiviadesC.Payatakes ,Characterization of the pore structure of reserv oir rocks with the aid of serial sectioning analysis , mercury porosimetry and netw ork simulationJ.Advances in W ater R esources ,2000,23:773-7894Han