部分气化联合循环发电系统热力性能分析

部分气化联合循环发电系统热力性能分析摘要：针对增压部分气化2种增压流化床（PFB)锅炉半焦燃烧和2种常压流化床（PFB）半焦燃烧的先进增压流化床燃烧联合循环（APFBC-CC）方案进行了系统热力计算，分析比较了主要参数对系统性能的影响，结果表明将PFB锅炉高温烟气引入部分气化炉的方案一避开了高温烟气过滤式除尘器，但降低了煤气热值和系统效率；方案二则可以活得好高的系统效率，然而高温过滤式除尘器目前技术上有一定困难，虚降温运行；方案三、四采用CFB锅炉半焦燃烧系统，其中方案四采用气化空气/蒸汽预热方法，不仅可以获得较高的煤气热值，而且可以提高系统效率。关键词：部分气化；热力性能；联合循环；APFBC-CC在中国，煤炭是发电行业的主要能源。先进的增压流化床燃烧联合循环（APFBC)是一个最具有前景的洁净煤发电技术。在第一代压流化床燃烧联合循环（PFBC-CC)中，由于在加压流化床中燃烧温度是有限的，所以汽轮机入口温度不能超过850℃。因此采用先进的燃气轮机是有限的，整体联合循环的净效率也是有限的。因此在PFBC-CC中，部分气化是有必要的，这可比全气化易于实现。它克服了PFBC-CC的缺点，所以近年来，一些工业国家APFBC-CC已有广泛的研究[1-3]。在中国，对APFBC-CC的实验研究也在进步[4]。在本文中，系统介绍并对不同的APFBC-CC的热性能进行了分析。APFBC-CC发电系统方案1在APFBC-CC发电中，将煤炭、蒸汽、空气和吸附剂送到加压的部分气化器在这里煤部分气化产生低热量的合成气。这些合成气通过一个旋风分离器和过滤器除去里面的颗粒，清洁的气体送到前置燃烧室燃烧产生高温燃烧产物驱动汽轮机。该汽轮机驱动发电机和空气压缩机。焦炭从气化炉进入常压循环流化床（CFB)或增压流化床（PFB）产生蒸汽。它驱动蒸汽轮机发电。本文对四种典型的配置进行了讨论。在第一个方案中(日本作为APFBC-CC/1发电公司的一个代表[1])如图表1（a)所表示。焦炭在常压流化床中燃烧，排气进入气化器，合成气在气化炉冷却至500℃然后进入高温过滤器避免高温。在第二个方案中，（FosterWheeler作为APFBC-CC发电/2的一个代表[2]）如图（b)所示。焦炭也是在常压流化床中燃烧，但是从气化器出来的合成气和从增压流化床出来的烟气分别通过高温过滤器。在第三、四方案（英国的CRE和中国东南大学分别为APFBC-CC/3和APFBC-CC/4的代表）如图1（c)所示。在这两个系统，合成气冷却到500℃然后送入过滤器。从气化炉出来的焦炭送入常压循环流化床锅炉产生的蒸汽。在APFBC-CC/4中，为了提高合成器的热值，空气和煤化气通过再热器预热到800℃，在这里燃烧小部分的合成气。1-部分气化炉2-旋风分离器3-合成气冷却器4-升压器5-发电机6-过滤器7-顶部燃烧器8-空气压缩机9-燃气轮机10-排气余热回收装置11-除气器12-冷凝器13-蓄热式预热器图1APFBC-CC系统.(a)APFBC-CC/1系统;(b)APFBC-CC/2系统;(c)APFBC-CC/3系统;(d)APFBC-CC/4系统.2热量计算与热性能分析增压部分气化联合循环是一个复杂的热循环系统。为了计算不同系统的热性能，采用模块化的方法〔5,6〕。热力学动态模型基于质量平衡、能量平衡和化学平衡，系统的主要组成部分都是先进的，例如气化器、压缩机、燃气轮机、汽轮机、流化床。2.1基本计算和假设在性能计算中，吸附剂和煤的合成物如表1和表2所示，基本计算和假设如表3所示。表1吸附剂成分表2煤的成分表3计算依据和假设2.2计算结果与性能分析计算基础和假设如表1至3所示，对第四个APFBC-CC方案进行了热力性能计算，计算是基于250MV的电厂的燃气轮机。四种APFBC-CC热性能计算结果如表4所示。表4四种APFBC-CC热性能计算结果项目APFBC-CC/1APFBC-CC/2APFBC-CC/3APFBC-CC/4进入气化炉的空气和蒸汽温度/℃315,450315,450315,450800,800空气气化/(kg·kg-1coal)1.301.661.661.34蒸汽气化/(kg·kg-1coal)0.2590.3320.3320.268气体/(kg·kg-1coal)4.952.592.592.20合成气热值/(kJ·m-3)3188537853786632气化炉给煤量/(kg·s-1)51.142.451.950.3进入压缩机空气量/(kg·s-1)651.9660.6657.0661.0空气压缩机功率消耗/MW239.0242.2240.8242.3燃气轮机净功率/MW250250250250汽轮机功率/MW289.5219.0295.2290.1总发电功率/MW539.5469.0545.2540.1厂用电率/%6.06.07.57.5低热值净效率/%44.045.942.943.9成分CaCO3MgCO3水分惰性气体质量百分比t/%85.22.14.18.29最终分析CHONSAWLHV/(kJ·kg-1)收到基0.5250.03450.07390.01010.01060.23560.110320535设备计算参数部分气化炉工作温度：Tg=970℃;压力：Pg=1.90MPa;蒸汽-空气比率：0.2;压力损失：6%;热量损失：1%；碳转化率：Qc=0.7;合成气冷却器后的合成气温度：500℃空气压缩机压缩比：15.4；等熵效率：88%顶部燃烧器燃烧效率：99%；热量损失：1%;压力损失：4%燃气轮机燃气轮机入口温度：T3=1288℃;等熵效率：90%;净功率：250MW;热回收后废气温度：150℃增/常压流化床床温：Tb=870℃；燃烧效率：99%;热量损失：0.5%;增压流化床烟气温度：Ty=850℃;常压流化床废气温度：Ty=150℃蒸汽轮机主蒸汽压力：16.2MPa主蒸汽温度：550℃;再热汽温：550℃从表4可以看出，在APFBC-CC/1中，高温烟气从流化床进入部分气化炉，以避免高温烟气气化器，简化系统。从另一方面来说，热量高的高温烟气进入气化炉，减小空气气化，但烟气中含有大量的CO₂和N₂，所以合成气中CO₂和N₂的量会增加，然而碳转化率为0.7时，合成气的热值会下降到3188kJ/m³。由于热值的降低，在顶部燃烧器中合成气将影响燃烧的稳定性。此外，因为流化床出口烟气被送入部分气化炉，流化床的空气入口压力必须增加，即系统的能量损失增加。事实上对APFBC-CC/1的净热值率仅为44.0%，比APFBC-CC/2要减少9%。因为从气化炉出来的高温合成气及从流化床出来的烟气部分分别进入顶部燃烧室，所以燃气轮机没有冷却，在四种方案中，APFBC-CC/2可以使能量利用达到最大的净LHV效率值45.9%，但现在气体过滤器在高温条件下操作有一些困难[2],目前在过滤器之前气体温度减少约500℃，然而净热值率会减少0.9%，但仍高于其他方案。APFBC-CC/3是基于常压循环流化床的净热值效率分别比APFBC-CC/1和APFBC-CC/2大约要低1.1%和1.3%。在APFBC-CC/4中不仅合成气的热值提高了，而且净热值效率大大增加。APFBC-CC/4的净热值效率要比APFBC-CC/3高0.1%，甚至接近APFBC-CC/1，即43.9%。当然，这个系统比APFBC-CC/3更复杂，因为要燃烧一小部分的合成气来预热空气和蒸汽。但空气和蒸汽气化消耗少，而汽轮机功率增加，使系统的净热值效率提高。虽然APFBC-CC/3和APFBC-CC/4的净热值效率比APFBC-C/2第3.0%和2.0%，但是两方案避免高温气体过滤，系统的复杂程度也降低，所以APFBC-CC/3、APFBC-CC/4更适合商业发展。2.2.1压缩比和燃气轮机进气温度对性能的影响该系统的压缩比和燃气轮机进口温度对系统的热力学性能有一定的影响。而碳转化率是0.7，蒸气和空气的比例为0.2，该燃气轮机进气温度T₃和压缩比βc在四个方案中对循环效率的影响如图2到5所示。这四个数字都表明，净效率随着T₃的增加而增加。数据还显示，在一个给定的燃气轮机进气温度时有一个最佳压缩比，并且最佳压缩比随着T₃的增加而增加。在相同的的T₃和βc下,APFBC-CC/3的净效率是最低的，APFBC-CC/2比APFBC-CC/3要高3.0%。因为从APFBC-CC/1的合成气热值比较低，APFBC-CC/2的最高的燃气轮机进气温度不超过1400℃，因此T₃和净效率是有限的。随着燃气轮机的发展，T₃可以达到1400℃到1500℃[7],因此，提高合成气的热值不仅仅是在顶部燃烧室燃烧，而且有助于提高T₃和经循环效率。从图2、图4可以看出，T₃升高到1500℃时APFBC-CC/3的净效率仅为0.5%，比T₃=1400℃时的APFBC-CC/1要低，即约为44.6%。在相同条件下比较APFBC-CC/4与APFBC-CC/1，APFBC-CC/4的净效率可以达到APFBC-CC/1的值。图2βc和T₃对循环效率的影响方案APFBC-CC/1图3βc和T₃对循环效率的影响方案APFBC-CC/2图4βc和T₃对循环效率的影响方案APFBC-CC/3图5βc和T₃对循环效率的影响方案APFBC-CC/42.2.2空气和气化炉蒸汽入口温度对系统性能的影响空气和水蒸汽气化影响合成气，在不同温度的空气和蒸汽下计算合成气的热值和循环效率。但其他参数不变时，高温预热空气和蒸汽的优点如图6、7所示。图6空气/蒸汽入口温度对合成气低热值的影响图7空气/蒸汽入口温度对效率的影响通过再生式空气预热器，空气和水蒸气加热到800℃，因此合成气的热值可以提高到6632kJ/m³，即进气温度提高到100℃，热值增加到250kJ/m³。在顶部燃烧室合成气是有益的。在相同压缩比和汽轮机进口温度条件下，与空气蒸汽没有预热的情况相比，净循环效率也提高了1.0%，接近APFBC-CC/2的净效率。目前，气体过滤器在高温条件下操作仍有一些技术困难，基于循环流化床技术的APFBC-CC/4虽然效率低，但是更实用。实际上，煤部分气化产生低热量的合成气，劣质煤在顶部燃烧器燃烧稳定，能提高汽轮机进气温度T₃,因此这种方式产生高热值得的合成气有更重要的意义。与利用富氧系统获得了叫高热值的合成气相比，高温预热空气和水蒸汽更经济。3结论1）在给定的燃气轮机入口温度时存在一个最佳压缩比。随着燃气轮机入口温度的提高，净循环效率和最佳压缩比将得到改善。2）热力性能分析结果表明，通过高温预热空气和蒸汽，可以提高合成气的热值。这种方法在劣质煤气化在前置燃烧室燃烧和增加汽轮机进口温度方面有显著优势。3）在APFBC-CC/1中，从流化床出来的烟气进入气化炉避免高温烟气过滤器，但合成气热值和循环效率较APFBC-CC/2要低，APFBC-CC/2可以获得最高效率，不过目前最好降低过滤器的工作温度。APFBC-CC/3基于循环流化床，具有最低的系统效率，但其成本低，技术相对容易。APFBC-CC/4使用预热气化空气/蒸汽，具有最高的合成气加热值，有助于前置燃烧室稳定的燃烧气。此外它还可以获得比APFBC-CC/3更高的效率。上述结果显示，APFBC-CC/3和APFBC-CC/4更适合目前发展。