第21卷第6期工程熱物理學報Vol.21, No.62000年11月JOURNAL OF EXGINEERING THERMOPHYSICSNov., 2000整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)擁損分布結構研究劉澤龍金紅光林汝謀(中國科學院工程熱物理研究所，北京 100080 )摘要整體煤氣化聯(lián) 合循環(huán)是一種先進的潔凈煤發(fā)電技術.本文應用煙分析方法，研究IGCC中七個子系統(tǒng)(空分、氣化、凈化、壓氣機、燃燒室、透平、余熱鍋爐及汽機}的煙損失分布，指出系統(tǒng)中最大棚損失過程為煤氣化、燃氣輪機燃燒和空分過程，同時，揭示了系統(tǒng)隨不同空氣整體化和氮氣回注的規(guī)律。這些研究可以指導下一代IGCC系統(tǒng)的改進，關鍵詞IGCC; 擁分析;棚損失分布;整體化中圖分類號: TK472文獻標識碼: A文章編號: 0253 231X(2000)060677-031前言整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC)技術是一種備受關注的先進潔凈煤發(fā)電技術。如何將其各子系統(tǒng)有機的聯(lián)合，即通過系統(tǒng)的綜合和優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的總系統(tǒng)，是IGCC系統(tǒng)設計中的一個關鍵。對此國內外已經開展了許多工作[1-31,多是從熱力學第定律 的觀點出發(fā)，其優(yōu)化的目標是系統(tǒng)熱效率的極大值。文獻[4-6] 應用炯分析方法研究IGCC系統(tǒng)，但多側重于有關特殊流程的研究。本文的重點是研究IGCC在不同的設計條件下的擁損分布結構模型，以探討集成子系統(tǒng)的熱力學完善程度和改進潛力。2IGCC能量轉換利用系統(tǒng)流程與概念圖1為IGCC系統(tǒng)的流程示意圖，煤高壓蒸汽rwm煤|余熱鍋爐，首先在氣化爐中氣化產生可燃的煤氣;煤氣的顯熱在凈化系統(tǒng)中轉化，燃氣輪氣化凈化機口機排氣在HRSG中傳遞轉化，產生高溫凈煤氣廢鍋給木高壓蒸汽，空氣在空分系統(tǒng)中經深冷分氧氣鳳氣離產生氧氣和氮氣;凈煤氣在燃氣輪機空分燃燒室燃燒室中燃燒，產生高溫燃氣;燃氣透空氣平中燃氣工質熱能轉換為有效功輸出和中國煤化工蒸汽透平中蒸汽工質熱能轉換為有效功輸出，IGCC系統(tǒng)整體化概念為空氣側MHECNMHG與蒸氣側一體化。圖1IGCC系統(tǒng)流程示意圖收稿日期: 2000-05- 15;修訂日期:2000-08-08基金項目:國家自然科學基金資助項目(No.59925615) 及國家重點基礎研究計劃(No.G1999022302)作者簡介:油澤龍(1965-),男，黑龍江人，中國科學院工程熱物理所助理研究員，碩土，主要從事能源動力總能系統(tǒng)的研究.678工程熱物星學報21著3 IGCC 系統(tǒng)炯損模型和基本假設3.1炯的計算公式固體燃料，Ef= Qr(1.0064 + 0.1519H/C t 0.006160/C + 0.0429N/C)(1)其中，C、H、O、N為無水固體燃料中的碳，氫，氧，氮的質量成份，混合氣體燃料或燃氣,E'm= Eph,m + Ech, m(2)其中，Eph,m 和Ech, m為相對于完全平衡狀態(tài)系統(tǒng)的物理煙和化學傭，3.2基本假設本文實例研究為典型商業(yè)等級IGCC發(fā)電系統(tǒng)的七個過程的傭損失: 1) 煤氣化過程: 2) 煤氣凈化過程: 3) 燃氣輪機壓氣機; 4) 燃氣輪機燃燒空; 5) 燃氣輪機透平;6)余熱鍋爐與蒸汽輪機過程; 7) 空氣分離過程，4結果分析典型IGCC系統(tǒng)擁損失分布如圖2所示，IGCC 空氣分離半性體化?？辗窒到y(tǒng)的氮氣全部回注燃氣輪機燃燒室。此時IGCC的低凈化5氣機位熱效率在45%左右，發(fā)電功率在400 MW。從器32選繞室圖中看出，擁損失率從大到小依次為燃燒室、氣32%化、透平，空分，余熱鍋爐，凈化。壓氣機。圖3為獨立空分下子系統(tǒng)堋損失分布隨氮氣空分國注變化規(guī)律。從圖中可以看出，獨立室分下，11%主要的煙損失仍然是氣化和燃燒室。當?shù)獨饣刈⑿?，潔凈氣化煤氣的熱值較高，透平的流量小，冷氣化卻主要依靠空氣冷卻，因而透平的煙損失較人:26%當?shù)獨獯罅炕刈?，流過透平的燃氣流量大，有大圖2豐整體化組氣全郵同注相損失分布量氮氣成份，誘平冷卻用空氣掙混量較少，因而擁損相應減小，圖4為完全整體化下各子系統(tǒng)堋損失分布隨氮氣網注變化規(guī)律。從圖中可以看由，IGCC完全整體化下，并8無論氮氣回注多少,透平的圳損失比例都較小，原因是在完全整體化下，由于空分的所用空氣全部從壓氣機出口抽取，因血在整個遇平的質0.391--氣化一←凈化一5氣機一燃燒室0.40-燃燒宣035←透平→←余熱鍋護+審分◆_◆0.30).300.25現(xiàn)0.25 ;第0.20收0.15.中國煤化工0.10.:1114+MHCNMHGiE0.050.05 10.000.0 0.2 0.4 06 0.8 1.0000+000294060.x1.0氮氣同注(獨市空分)氫氣回i (腔體化)圖3子系統(tǒng)煙榀失分布變化規(guī)律陽4完全整體化時各 了系統(tǒng)娟損失分布變化規(guī)律6期劉澤龍等整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCO)傭損分布結構研究679量流量中，冷卻空氣的比例相應減小。同化一小氣機一叁燒室時隨氮氣回注的增加，透平的擁損失率減透平一↓余熱鍋爐一 ，空分效率小，燃燒室的擁損失率增加。0.60.480.510.44圖5為不同整體化程度對各子系統(tǒng)i 0.40講0.3610.32擁損失分布的影響。從圖中可以看出，隨0.3空分整體化程度的提高，透平的炯損失率減小，燃燒室的煙損失率增加，其余擁損0.10.0J0.00失率基本變化很小。0.2 0.4 0.6 0.8 1.0整體化程度5結論本文工作指出IGCC系統(tǒng)的主要能圖5整體化程度對各子系統(tǒng)煙損失分布的影響量品位損失所在，為改進系統(tǒng)提供理論依據(jù)和努力方向，即通過系統(tǒng)綜合和從熱力學的觀點開發(fā)新的工藝過程，改進燃氣輪機燃燒過程、煤氣化過程和空氣分離過程的內部不可逆性，將全面提高IGCC系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)IGCC發(fā)電系統(tǒng)在能源利用和改善煤污染上的新突破。參考文獻川劉澤龍，林汝謀IGCC 空氣側整體綜合優(yōu)化的研究，工程熱物理學報，1998, 19(6)[2] A K Anand, CS Cook, J C Corman et al. New Technology Trends for Improved IGCC SystemPerformance. J. of Engineering for Gas Turbine and Power, 1996, 118(4)[3] CS Cook, J C Corman, D M Tood. System Evaluation and LBTU Fuel Combustion Studies for IGCCPower Generation. J. of Engineering for Gas Turbines and Power, 117(3)4] M Ishida, H Jin, M Yamamoto. Graphica] Exergy Analysis of an IGCO System with Hot Gas CleanupProcess. Second Law Analysis of Energy System: Towards the 21-st Centure, ISBN 8-8662-00-9[5] R L Corelissen, G G Hirs. Exergy Analysis of Cryogenic Air Separation. Energy Convers. Mgnt,1998, 39(16- 18); 1821- 1826[6) Marie Anheden, Gunnar Svedberg. Exergy Analysis of Chemnical Looping Combustion Systems. Energ:Convers. Mgnt, 1998, 39(16- 18): 1967- L980STUDY ON EXERGY DESTRUCTION DISTRIBUTIONOF THE IGCC SYSTEMLIU Zelong JIN Hongguang LIN Rumou(Institute of Engineering Thermophysics, Academy Sinica, Bejing 100080, China)A bstractIntegrated Gasification Combined Cycle is considered as one of the advancedclean coal power technologies. Here, we have investigated an IGCC on the basis of exergyanalysis, and clarified the distribution of exergy destruction in sub-systems including airseparation unit, coal gasifier: coal gas clean-u中國煤化工bustor of gas turbine,gas turbine, heat recovery steam generationYHC N M H Gstudy also points outthat larger exergy destruction take place in the processes of gasification, combustion in GT.and air separation, and So does the change of exergy destruction distribution with the airintegration degree and the nitrogen injection ratio. This investigation will be valuable forthe synthesis of next generation IGCC.Key words IGCC; exergy analysis; exergy destruction distribution; integration