外燃式燃煤联合循环

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外燃式燃煤联合循环是一种新的洁净煤技术。
煤炭是我国的主要能源,而煤燃烧造成的环境污染问题十分严重。洁净煤技术得到了迅速的发展,主要包括:整体煤气化联合循环(IGCC)、增压循环流化床联合循环(PFBC-CC)、常压循环流化床联合循环(AFBC-CC)、外燃式燃煤联合循环(IFC)、整体煤气化燃料电池联合循环(IGFC)以及磁流体发电联合循环(MHD)等,而煤气化是洁净煤技术的最重要的方面。同时流化床煤气化工[1,2,3]以其气化强度大、炉内传热传质好、适用煤种广、煤气中含焦油较少、环境污染小的优点受到广泛的注意。煤作为一种含有多种杂质的有机混合矿物,其不同的组分在化学反应性上差别很大,煤中的低活性组分的反应特性决定了气化过程必须采用高温、高压和长停留时间。将煤气化过程近似用化学反应控制的缩核模型计算的全部气化所需的停留时间将是气化碳转化率达到90%所需时间的两倍。若根据煤的不同组分和不同反应阶段反应性不同的特点,实施煤热解、气化、燃烧分级转化,则可使煤的气化技术简化,成本降低,并可以解决煤中污染物的脱除问题。
  1部分空气气化联合循环发电系统
  基于分级转化的思想,浙江大学热能工程研究所提出了一种煤的部分空气气化联合循环发电系统的方案,该方案是一种把煤气化技术、循环流化床燃烧技术结合起来的洁净煤发电技术。系统主要由流化床气化炉、循环流化床燃烧炉、燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉及相应的辅助设备构成。它的主要工作原理是:煤在流化床气化炉中部分气化同时脱硫,产生的煤气经过高温净化后,供燃气轮机做功发电,排气经余热锅炉回收热量;气化炉排出的半焦送到燃烧炉燃烧,产生的蒸汽供蒸汽轮机做功发电。系统流程如图1。
  2计算
  进行系统计算时,气化炉采用三种不同方案。
  方案1采用纯空气气化,方案2采用比例为9:1的空气与水蒸气的混合气体气化,方案3采用比例为8:1的空气和水蒸气的混合气体气化。根据质量平衡、能量平衡原理和化学平衡原理,进行系统计算。煤气化过程的计算采用综合计算法[5,6],煤气成分由物料平衡计算得到。由于空气和水蒸气作为气化介质,流化床气化炉的运行温度比较高,考虑气化炉的运行温度、气化剂的停留时间等因素,计算过程中碳转化率分别取0.6、0.7、0.8。计算中采用的燃气轮机是ABB公司GT26型燃气轮机,其主要技术指标见表1。采用蒸汽轮机主要技术指标见表2。采用的给煤量为100t/h,所用煤种的分析见表3。采用主要热力参数如表4所示。
  3计算结果及分析
  3.1碳的转化率对气化炉运行温度的影响
  由图2可见,随着碳的转化率增大,气化炉运行温度也相应升高,这是因为随着碳的转化率增加,碳与氧气的反应进一步加强,反应释放出的热量增加,使得气化炉运行温度升高。碳的转化率增加10%,气化炉运行温度相应增加30~40℃。
  此外由图2还可以看出,在相同碳转化率下,随着水蒸气比例的增加,气化炉的运行温度逐渐降低,这是因为随着水蒸气比例的增加,水蒸气参加气化反应,气化过程中反应吸收的热量增加。所以方案1气化炉的运行温度明显高于方案2和方案3的运行温度,而且随着水蒸气比例的增加,温度降低幅度越来越大。
  3.2碳的转化率对煤气成分和热值的影响
  由表5可见,随着碳的转化率的增加,煤气中CH4、H2S、H2、C2H4和CO2比例逐渐减少,煤气的热值逐渐减小,CO和N2所占的比例逐渐增加,这是由于随着碳的转化率的增加,运行温度的升高,CH4、H2S、C2H4的产量变化不大,而煤气的产量是逐渐增大的,导致CH4、H2S、H2、C2H4所占的比例逐渐下降,而CO和CO2产量增加,CO2产量增加较少,CO产量增加较多,所以其净效果导致CO所占的比例上升,CO2所占的比例下降。随着碳的转化率的增加,需要空气量的增加是导致N2比例增加和煤气热值降低的最主要原因。
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