IGCC系统减排CO2的性能比较和分析

IGCC系统减排CO2的性能比较和分析
范江;刘姝玮;马素霞
【摘要】Gas producing ratio and energy consumption rate were computed respectively in the IGCC system, the IGCC system with pre-combustion CO2 capturing and that with oxy-combustion CO2 recycling. It was showed from the computed results that when coal and the gasification were in the same condition, the steam and gas turbine's work declined and the IGCC system thermal efficiency reduced by 5. 851%, which was due to the capturing of CO2 gas. When CO2 reduction rate was 86. 55% , the thermal efficiency was 42% and conducive to the operating of IGCC efficiently and cleanly. If adopting the CO2 recycling combustion technology, the system thermal efficiency was lower than that of the pre-combustion CO2 capturing system, but in which zero CO2 emission could be achieved.%分别对IGCC系统、IGCC燃烧前捕捉CO2系统以及CO2循环利用的纯氧燃烧系统的产气率和能耗进行了计算.结果表明,当煤种和气化条件不变时,燃烧前捕捉CO2会使IGCC系统的燃气轮机和蒸汽轮机做功量减少,热效率降低5.851％.当减排86.55％的CO2时,系统热效率为42％,有利于IGCC清洁高效运行.若采用CO2循环的纯氧燃烧技术,其系统热效率比未循环CO2的燃烧前捕捉系统低,但可以实现CO2的零排放.
【期刊名称】《煤炭转化》
【年(卷),期】2012(035)004
【总页数】4页(P80-83)
【关键词】IGCC;CO2减排;系统热效率
【作者】范江;刘姝玮;马素霞
【作者单位】太原理工大学电气与动力工程学院,030024太原;太原理工大学电气
与动力工程学院,030024太原;太原理工大学电气与动力工程学院,030024太原【正文语种】中文
【中图分类】TM611.3
0 引言
为了有效控制燃煤电厂产生的温室效应气体，实现日益增长的用电需求与环境保护协调发展，目前国内外学者都在关注和研究CO2减排问题.在四种减排CO2的主
要方法中［1］，与IGCC系统结合的燃烧前脱碳技术pre-combustion CCS （carbon capture and storage）可以避免传统火电厂燃烧后脱碳烟气流量大、
成本高的缺点.它是利用水煤气变换反应，在进入燃气轮机之前就将部分CO2脱除；另一种纯氧燃烧的CO2循环利用技术是将IGCC系统中余热锅炉出口的排气冷却，分离出纯CO2后，将部分CO2循环送入燃气轮机燃烧室替代空气参与循环，剩
余CO2被液化收集或者加压埋存［2］；还有接受体法炉内喷钙的燃烧中CO2捕集和化学链燃烧方法均处于研究阶段.其中燃烧前变换脱碳的pre-combustion CCS技术发展迅速，国内外已经有实际运行经验.本实验利用MATLAB软件［3］和编制的VB程序对纯IGCC系统（记做OA）、IGCC带CO2燃烧前捕捉的CCS 系统（记做OB）及纯氧燃烧的CO2循环利用系统（记做OC）进行热力计算，得出了燃烧前捕捉CO2对IGCC系统性能的影响，并对两种不同的CO2减排方法
进行了比较和分析.
1 系统模型和相关参数
第81页图1是热力计算的OA和OB系统流程，OB系统在煤气脱硫后增加了变
换［4］和CO2分离埋存过程.水煤气变换和CO2分离埋存过程在图1中用虚线
方框标出，CO2分离后压缩到15MPa埋存.
本实验热力计算的对象是壳牌Shell炉煤气化过程［5］、空气分离过程、粗煤气
激冷过程、废热锅炉热量回收过程、粗煤气冷却过程、CGCU脱硫过程、水煤气
变换过程、CO2捕捉和分离过程、燃气轮机燃烧过程、燃气轮机做功过程、蒸汽
轮机做功过程以及三压有再热的立式余热锅炉的热回收过程.［6］具体煤种参数及气化条件见表1.
表1 煤种参数和三系统气化条件Table 1 Coal parameters and gasification conditions of the three systemsC H O N S A W Ql／（kJ·kg－1）
Qh／（kJ·kg－1 Ultimate analysis／%，f ）68.139 4.81 7.354 1.336
2.683 10.368 5.00 27 311.045 28 518.295 Gasification conditions Coal quantity／kg Temperature of charged coal in gasifier／℃Ratio of oxygen and coal Purity of oxygen／% Temperature of charged oxygen in gasifier ／℃Ratio of steam and coal Pressure of steam／MPa Pressure of gasification／MPa Amount of nitrogen used to transport coal／kg 1 15 0.86 95 40 0.03 2.413 2.193 0.076 5
空气分离采用独立空分［7］，燃气轮机压缩机和ASU辅助压缩机分别提供燃烧
室所需空气和气化炉用氧气.对纯氧燃烧的O2／CO2系统，燃气轮机用CO2循环做功，空分系统要提供燃气轮机燃烧室纯氧燃烧所需的氧气；计算时采用低压空分，产生的O2和N2压力为0.6MPa，N2不回注，即空分岛和动力岛集成程度和稀
释水平均为0.CO2循环的纯氧燃烧系统［8］流程见图2.
图1 燃烧前脱碳的CCS-IGCC系统流程Fig.1 Detailed system layout of the
IGCC system with pre-combustion CCS
图2 纯氧燃烧的IGCC系统流程Fig.2 Detailed system layout of the IGCC system with O2／CO2combustion
粗煤气经过激冷温度变为1 006.5℃；燃气轮机采用W501G型，其效率为39%［9］；三压有再热余热锅炉高、中、低压缸参数分别为565.166 7℃／
12.411MPa，565.778℃／2.358MPa和251.72℃／0.241 3MPa.气化炉气化和
水煤气变换所需蒸汽均由高压缸抽取，OB系统变换用抽汽量为1.254kg／kg coal，OC系统没有水煤气变换过程，所以不需要变换抽汽.
2 结果与讨论
通过MATLAB优化工具箱编程计算，求解十元非线性方程组，迭代结果收敛良好，精度满足要求，再通过能量平衡程序进行煤气化前后质平衡和能量平衡验证，得到气化温度为1 315.56℃，粗煤气成分组成见表2.
表2 气化炉出口煤气成分Table 2 Gas compositions from the gasifier exportRaw gas compositions／%Temperature／H2 CO2 H2O CO N2Ar Pressure／MPa ℃28.37 1.77 2.56 61.43 3.96 0.97 2.193 1 315.56
计算所得CH4，H2S和COS的体积分数分别为0%，0.88%和0.06%，1kg煤生成粗煤气88.782mol.相同的煤气成分在OA和OC系统中经净化后直接送入燃气
轮机燃烧室；在OB系统中需经变换后脱碳变成H2浓度较高的煤气再送入燃气轮机燃烧室燃烧.各系统燃气轮机燃烧室入口煤气成分见表3.
OB系统增加的水煤气变换反应汽气比为0.8，CO转换率达到96.06%，与OA和OC系统相比，燃气轮机燃烧室入口煤气成分中H2所占的比例大幅增长，CO的
比例大幅下降，变换后取CO2的分离效率90%，使得燃烧室入口煤气所含CO2
的比例上升，变换加入水蒸气使得燃烧室入口煤气含H2O很高，但这部分水蒸气可以在燃气轮机中做功.在同样的燃烧室出口温度下，由于煤气的热值不同，使得
OA和OB系统的过量空气系数大小不同.系统计算结果见表4.
表3 燃气轮机燃烧室入口煤气成分Table 3 Gas compositions at the entrance of gas turbine’s combustion chamberComposition／% System H2 CO2 H2O CO N Molar mass／（mol·kg－1）2 Lower heating values of the gas／（kJ·kg－1）OA and OB 28.922 1.804 2.609 62.626 4.037 87.086 21 520.524 OC 71.705 4.988 18.072 1.986 3.249 108.189 19 349.591
表4 系统做功量和能耗及系统热效率Table 4 Power energy，energy consumptions and the thermal efficiency of the systemsValues of the different systems／（kJ·kg－1 coal）System Work of the steam turbine Net work of the gas turbine Energy consumption of the air Separation and oxygen making system Energy comsumption of the plant such as compression and transportation Thermal effciency of the systems／% Final emissions of CO2／（kg·kg－1）Emissions ratio of CO2／% OA 5 962.157 1 010.093 1 154.994 449.167 0 47.851 2.469 100 OB 5 875.404 8 339.759 1 154.994 454.885 850.219 42 0.332 13.45 OC 6 509.849 8 234.693 2 849.586 501.314 1 123.603 36.524 00
OB系统和OA系统相比多了水煤气变换过程，对燃气轮机发电的积极影响是把CO转变成了H2，使进入燃气轮机燃烧室的煤气中H2浓度显著提高，进而进入透平机的燃烧气中H2O增多，同时变换后煤气中本身也含有大量H2O，由于在燃气轮机的初终状态一定时，1kg水的做功量比1kg CO2的大，所以H2O的增多会使燃气轮机的发电量增加；另外，由于煤气中含H2O量增加会使燃烧室维持同样的出口温度所需的冷却空气量减少，进而减少了燃气轮机压缩机耗功，使燃气轮机供电量增加；消极影响由表3可以看出，由于OB系统进入燃气轮机燃烧室的煤气热值比OA系统的低，使得燃气轮机燃烧室的出口总燃气流量减少了，故
做功量减少.净影响是燃气轮机净功量比没有CO2捕捉时减少了670.334kJ／kg coal.
显然，煤气热值的降低还会使燃气轮机的乏气流量减少，使HRSG所产生的蒸汽量也减少，而CO变换还要从蒸汽轮机高压缸抽汽，导致蒸汽轮机的发电量减少，虽然变换反应放热也会产生中压蒸汽，但最终蒸汽轮机的做功量减小了86.753kJ ／kg coal，同时OB系统还增加了CO2分离、压缩和埋存能耗850.219kJ／kg coal，使得系统热效率从47.851%降低到42%.
OC系统提供纯氧耗功比OB系统多了1 694.592 kJ／kg coal.由表4可知，蒸汽轮机做功量比OB系统提高了634.442kJ／kg coal，这主要是因为OC系统不需要从高压缸抽取变换蒸汽，并且CO2循环的纯氧燃烧后燃气轮机排气温度比OB 系统的高107.986℃，可以在废热锅炉放热产生更多的蒸汽，增加了整个蒸汽轮机做功量.由表4还可以看到，在OB系统最终CO2排放量为未捕捉时的13.45%时，OC系统由于采用了CO2循环的纯氧燃烧技术，可以实现CO2的零排放，系统热效率比OB系统降低了5.476%.
综上分析可知，两种减排CO2的方法中precombustion CCS要比O2／CO2技术有更好的系统热效率，即使减排86.55%的CO2，系统热效率仍有42%，保持在大型燃煤火电厂的水平，并且变换工艺技术相对成熟，燃烧前脱碳技术有望进入工业应用阶段，而O2／CO2技术工艺简单，不需要水煤气变换反应器和变换抽汽等过程，并且可以实现CO2的零排放，但系统中的制氧能耗偏高，使系统热效率下降较多，待制氧工艺改进后会有很好的前景.
3 结论
本实验利用MATLAB软件和VB编程分别计算了IGCC系统（OA）、IGCC带燃烧前CO2捕捉的pre-combustion CCS系统（OB）及CO2循环的O2／CO2系统（OC）的热效率和最终的CO2排放量，得出当煤种和气化条件不变时，燃烧
前捕捉CO2会使IGCC系统中的燃气轮机和蒸汽轮机做功量减少，热效率降低
5.851%；当减排8
6.55%的CO2时，系统热效率为42%，可做到IGCC清洁高效运行；若采用CO2循环的纯氧燃烧技术，其系统热效率比未循环CO2的燃烧前
捕捉系统低，但可以实现CO2的零排放.
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