IGCC系统性能分析及关键设备优化研究

摘要

IGCC发电不仅热效率较高,而且环保性能良好,已是国内外学者关注的热点。本文从两个方面对IGCC系统进行研究,一方面,利用流程模拟软件分析整个工艺系统的性能,优化系统的操作参数。另一方面,借助流体分析软件优化关键设备的结构。本文主要的工作和结论如下:
　　 1.基于Aspen Plus平台,建立了以Shell煤粉气化炉为核心的煤气化净化工艺流程仿真图,针对神华煤种,采用纯氧和水蒸气为氧化剂,对煤粉的气化过程进行了模拟分析,研究分析了气化炉的氧煤比、蒸汽煤比、气化温度和气化压力等主要运行参数对合成气成分、冷煤气效率和煤气热值等气化炉性能的影响。选定操作参数气化温度1300℃、气化压力4MPa;最佳参数为氧煤比0.75、蒸汽煤比0.1。在煤气化最佳工况下,采用常温湿法中的低温甲醇洗对粗煤气进行净化处理,并对显热进行了回收,得到了洁净的煤气成分,计算得到净煤气热值12.37MJ/kg、冷煤气效率η1为41.4％、热煤气效率η2为90.43%。
　　 2.以煤气化过程模拟所得的净煤气为燃料,建立了基于Aspen平台的整体燃气.蒸汽发电系统模型,分析了IGCC中燃气轮机的五个独立参数:整体空分系数Xas、燃气透平初温T、氮气回注系数Xgn、压气机进口可转导叶角度α和透平通流面积调整系数SS对整体系统的热效率和发电功率的影响,得到了最佳工艺参数燃气初温T为1400℃,压气机流量为651/kg·s-1,整体空分系数Xas为0.5左右和N2回注系数Xgn为1.0,透平通流面积调整系数SS为1。并通过正交试验确定了整个系统的主要影响因素。在最佳参数下计算得到了联合循环的主要性能参数:燃机净功273.8MW,汽机净功103.105 MW,整个系统的热效率ηig为57.7%。
　　 3.基于PDF模型和DFM模型,采用Fluent模拟软件对系统中的气化炉进行了三维模拟研究,分析了不同氧煤比下气化炉内流场,为气化炉的优化提供了微观参考。并对气化炉的喷嘴旋转角、喷嘴的位置、喷嘴的直径和气化炉出口渐缩角进行了优化研究,分析了其对气化炉合成气成分和湍流混合强度程度的影响,结果表明在喷嘴的位置为1.08 m,喷嘴直径为0.2 m～0.3 m范围内,渐缩角为81°时,气化炉性能最佳。