IGCC整體發電系統的流程模擬研究

孫廣宇，李曉倩，周俊杰

1.河南核凈潔凈技術有限公司，河南鄭州 450001

2.鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州 450001

0 引言

常規燃煤發電熱效率不高且產生大量氣體污染物對能源的可持續利用和環境造成了很大的壓力，為了促進能源與環境的協調發展推進潔凈煤發電技術就很必要，IGCC發電技術就是一項先進的高新組合發電技術，它以發電效率比較高、環保效益良好等顯著優點逐步受到電力行業的青睞，因此，為了節約能源，并減少對環境的污染， 對IGCC整體系統的研究對我國有重大的意義。

目前，國內外學者對IGCC發電進行了一些研究，馬順勤，劉澤龍等[1,2]采用過程模擬軟件Aspen plus對IGCC水煤漿進料系統進行了模擬研究，但其著重對煤氣化子系統進行了研究并沒有對燃氣-蒸汽發電系統做深入的研究。F.Emun等[3]采用Aspen軟件對IGCC整體系統進行了分析，為以后更深入的研究提供了依據。

1 IGCC系統介紹

以shell氣化爐為氣化系統的整體粉煤氣化聯合循環發電技術由煤的氣化凈化部分和燃氣-蒸汽聯合循環發電部分兩大部分組成。煤的氣化凈化部分包括煤氣化系統、煤氣凈化系統和空分系統。主要設備包括空分裝置、氣化爐、氣體冷卻器、氣體洗滌器、除硫及硫回收裝置等，聯合循環發電部分包括燃燒室、燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發電機等。

1.1 煤氣化反應

首先是揮發份的析出階段，在這個階段進行著煤的熱分解反應，熱分解反應是所有氣化工藝共同的基本反應之一。

揮發份析出或熱解過程是指煤分解并產生大量氣態物質的過程。在這個階段煤粉燃燒熱解成CO、CO2和H2等氣體成分揮發份析出的總量取決于加熱速率和煤的工業分析。

然后進行的是燃燒氣化反應，反應后的產物在常規燃燒溫度下，占優勢的是CO，然后在氣相中進一步氧化生成C02。

該反應稱為一氧化碳變換反應，或稱水煤氣平衡反應。它是氣化階段生成的CO與蒸汽之間的反應，為了制取H2，需要利用這一反應。由于該反應易于達到平衡通常在氣化爐煤氣出口溫度條件下，反應達到平衡，從而該反應決定了出口煤氣的組成。此外氣化過程中還會發生一些微量成份的化學反應。生成H2S，COS，NH3等有害物質。

1.2 煤氣凈化系統

本文采用常溫濕法煤氣顯熱回收及凈化工藝對煤氣進行凈化，作為濕法脫硫，聚乙二醇二甲醚（NHD）法與其他方法相比具有以下優點，技術成熟，脫硫效果好，在不同的溫度下對物質的吸收具有選擇性，在低溫下可以用于脫碳等優點，并且NHD溶劑吸收H2S，C02是屬于物理吸收過程，所以酸性氣的吸收能力與其分壓成正比，即酸性氣體溶解度隨著壓力聲高而增大，隨著溫度升高而降低。因此本文才用這種方法對粗煤氣進行凈化脫硫。

1.3 燃氣-蒸汽發電系統

此系統主要由燃氣系統、余熱鍋爐和蒸汽系統組成，燃氣輪機采用M701F型，余熱鍋爐的汽水系統及蒸汽輪機均為三壓再熱式。其流程圖如圖1所示：

圖1 余熱鍋爐及燃氣輪機流程圖

2 模型和研究方法

2.1 物性參數

本文在整個模型中采用PR-BM物性方法（逸度系數計算方法為帶有Boston-Mathiasα函數的Peng-Robinson），煤和灰渣作為非常規組分處理。本文采用的煤種的低熱值為29.88 MJ/kg.

2.2 衡量系統性能的評價指標

分析整體煤氣化的指標有經濟指標和環境指標兩種，經濟指標有熱效率、冷煤氣效率和熱煤氣效率，而環境指標主要是單位凈發電功率的污染物的排放量。冷煤氣效率和熱煤氣效率是評價煤氣化過程性能的指標，而熱效率是整個系統效率的指標。各個指標定義如下：

1）熱效率

其中，ηt是系統的熱效率，PNET是系統的景輸出功率（mW），MCoal為煤的進料流量（kg/s），LHVCoal是煤的低位發熱量（MJ/kg）；

2）凈發電功率

PNET為系統的凈輸出功率（mW），PGT為燃氣輪機的凈輸出功率（mW），PST為燃氣輪機的凈輸出功率PAUX為壓縮機消耗的功率（mW）；

3）冷煤氣效率

ηcg是冷煤氣效率， MSyn是合成氣的流量（kg/s），LHVCoal是合成氣的低位發熱量（MJ/kg）；

4）熱煤氣效率

ηhg是冷煤氣效率，其余參數意義同上。

3 IGCC系統模擬結果分析

圖2分別顯示出氣化爐氣化溫度對冷煤氣效率、凈發電功率、系統的熱效率和CO2排放量得影響，由圖2（a）可以看出隨著氣化溫度的上升，冷煤氣效率逐漸降低，這是由于氧煤比的增加有助于燃燒更多的碳而使氣化溫度升高并使之轉化為CO2和H2O，所以H2和CO相對含量降低，CO2和H2O的相對含量升高，因此CO2的排放量增加。因此，雖然氣化溫度升高，氣化反應加劇了，但是有效氣體成分反而減少了，導致冷煤氣效率降低。凈發電功率增加是由于盡管CO和H2更多地被燒掉了，但CO和H2的絕對量是增加的，從而提高了粗煤氣熱值和碳轉化率。

氣化溫度的影響：

圖2 氣化溫度對氣化性能的影響

4 結論

1）建立了整體煤氣化聯合循環模型，初步驗證是可行的；

2）分析了氣化爐的氣化溫度對IGCC整體系統的影響，結果表明：隨著氣化爐氣化溫度的升高，冷煤氣效率和整體的熱效率降低，而凈發電功率和CO2的排放量增加。

[1]馬順勤.基于Aspen plus對整體煤氣化聯合循環系統的模擬研究[D].華北電力大學，2008.

[2]劉澤龍,金紅光,高林,郝少軍,蔡睿賢，水煤漿與干粉給料方式兩種IGCC系統的分析[J].工程熱物理學報，2003，24(1)：1-4.