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书书书 第５ ８卷 第７期 化 工 学 报 Ｖ ｏ ｌ ． ５ ８ Ｎ ｏ ． ７ ２ ０ ０ ７年７月 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ （Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） Ｊ ｕ ｌ ｙ ２ ０ ０ ７ 檭檭檭檭檭 檭檭 檭檭檭檭檭 檭檭 殐 殐 殐 殐 研究简报 犖 犻载体整体煤气化链式燃烧联合循环性能 向文国１，狄藤藤２ （ １东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室，江苏 南京２ １ ０ ０ ９ ６； ２四川电力职业技术学院，四川 成都６ １ ０ ０ ７ ２） 关键词化学链燃烧；联合循环；Ｃ Ｏ２分离 中图分类号Ｔ Ｋ２ ２ ９ 文献标识码Ａ文章编号０ ４ ３ ８－１ １ ５ ７（２ ０ ０ ７）０ ７－１ ８ １ ６－０ ６ 犘 犲 狉 犳 狅 狉 犿 犪 狀 犮 犲 犻 狀 狏 犲 狊 狋 犻 犵 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犖 犻 犫 犪 狊 犲 犱犆 犔 犆犵 犪 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犮 狅 犿 犫 犻 狀 犲 犱犮 狔 犮 犾 犲 犡 犐 犃 犖 犌 犠 犲 狀 犵 狌 狅 １，犇 犻犜 犲 狀 犵 狋 犲 狀 犵２ （ １犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犆 犾 犲 犪 狀犆 狅 犪 犾犘 狅 狑 犲 狉犌 犲 狀 犲 狉 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犆 狅 犿 犫 狌 狊 狋 犻 狅 狀犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔，犕 犻 狀 犻 狊 狋 狉 狔狅 犳犈 犱 狌 犮 犪 狋 犻 狅 狀， 犛 狅 狌 狋 犺 犲 犪 狊 狋犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犖 犪 狀 犼 犻 狀 犵２ １ ０ ０ ９ ６，犑 犻 犪 狀 犵 狊 狌，犆 犺 犻 狀 犪； ２犛 犻 犮 犺 狌 犪 狀犈 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮犞 狅 犮 犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犪 狀 犱 犜 犲 犮 犺 狀 犻 犮 犪 犾犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲，犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌６ １ ０ ０ ７ ２，犛 犻 犮 犺 狌 犪 狀，犆 犺 犻 狀 犪） 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ（Ｃ Ｌ Ｃ）ｏ ｆ ｆ ｅ ｒ ｓａｐ 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狉Ｘ Ｉ ＡＮＧ Ｗ ｅ ｎ ｇ ｕ ｏ ．犈－ 犿 犪 犻 犾ｗ ｇ ｘ ｉ ａ ｎ ｇ ＠ｓ ｅ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 犉 狅 狌 狀 犱 犪 狋 犻 狅 狀犻 狋 犲 犿ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄｂ ｙｔ ｈ ｅ Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌＮ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆＣ ｈ ｉ ｎ ａ（５ ０ １ ７ ６ ０ １ ０，９ ０ ４ １ ０ ０ ０ ９）． 成排放 （ 如ＮＯ 狓、Ｓ Ｏ狓及 Ｈ ｇ 等） ，是一条有效的 途径，选择纯氧作氧化剂，已经得到普遍认可。但 是，制取纯氧或富氧需消耗大量的能量，对于发电 厂来说，其消耗的电力可占厂用电的１ ０％以上， 限制了此技术的应用。在燃料燃烧之前，进行脱碳 处理，可以减少Ｃ Ｏ ２的排放，如对燃料进行气化、 重整，分离出清洁的氢能，燃用氢能可以实现零排 放，但是需要开发出高效低成本的Ｃ Ｏ ２、Ｈ２分离 膜等相关技术。 化学 链 燃 烧 （ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｃ Ｌ Ｃ）原理如图１所示，气体燃料不直接与空气接 触，以金属氧化物为载氧体，在一定的温度下，载 氧体在空气中进行氧化反应，结合氧；然后与燃料 气进行还原反应，释放氧。气相反应产物只有Ｃ Ｏ ２ 和Ｈ２Ｏ（ 气） ，凝结出水，得到高纯Ｃ Ｏ ２。化学链 燃烧过程中Ｃ Ｏ ２不会被空气中的Ｎ２稀释，故可在 没有能量损失的前提条件下实现Ｃ Ｏ ２分离。 图１ 化学链燃烧原理 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ Ｃ Ｌ Ｃ将传统的燃烧反应分解为两个气固化学 反应，其一为金属载氧体的载氧反应 狓Ｍ ｅ＋ 狔 ２Ｏ ２→ 高温 Ｍ ｅ狓Ｏ狔 （１） 其二为金属氧化物与气体燃料的还原反应。气体燃 料 （ 如ＣＨ４）在常温条件下，性能相对稳定，但 在高温下，具有相当大的活性，可与金属氧化物 Ｍ ｅ狓Ｏ狔进行下述反应 ＣＨ４＋ ４ 狔 Ｍ ｅ狓Ｏ狔→ 高温 Ｃ Ｏ２＋２ Ｈ２Ｏ＋４ 狓 狔 Ｍ ｅ （２） 此外，Ｃ Ｌ Ｃ还 能 够 根除ＮＯ 狓 的 生 成。一 方 面，空气与燃料不直接接触避免了燃料型ＮＯ 狓的 产生；另一方面，在空气反应器里，由于载氧体颗 粒热容较高且分布均匀，使得反应器温度比较均 匀，维持 反 应 器 温 度 不 高 于１ ２ ０ ０℃时，温 度 型 ＮＯ狓也不会产生。 Ｌ ｙ ｎ ｇ ｆ ｅ ｌ ｔ等 ［１ ３］以 ＣＨ４为气体燃料，以Ｆ ｅ２Ｏ３ 和Ｎ ｉ Ｏ为载氧体，对Ｃ Ｌ Ｃ锅炉进行概念设计，研 究了该金属氧化物的反应特性。Ｂ ｒ ａ ｎ ｄ ｖ ｏ ｌ ｌ等［ ４］对 采用Ｃ Ｌ Ｃ技术的联合循环系统进行热力性能计算 与分析。Ａ ｎ ｈ ｅ ｄ ｅ ｎ等［ ５ ６］对以煤气化合成气为燃料 Ｃ Ｌ Ｃ进行初步分析。Ｊ ｉ ｎ等 ［７ １ １］研究了多种气体燃 料的Ｃ Ｌ Ｃ燃烧机理，分析研究了相关联合循环的 热力性能，同时对基于Ｃ Ｌ Ｃ燃烧技术的整体煤气 化联合循环作了初步研究。 载氧体在Ｃ Ｌ Ｃ中发挥着至关重要的作用，考 虑到载氧体对化学反应速率、化学和机械稳定性以 及耐高温能力的要求，作者选用Ｎ ｉ Ｏ／Ｎ ｉ Ａ ｌ ２Ｏ４作 载氧体。能量的梯级利用可有效提高能源利用效 率，将化学链燃烧技术与燃气蒸汽联合循环相耦 合，构建整体煤气化链式燃烧联合循环系统，实现 煤的高效、低污染利用。本文利用Ａ Ｓ Ｐ Ｅ Ｎ建立该 系统各部分模型，搭建系统流程，对影响系统性能 的重要参数进行了模拟计算和分析，研究各参数对 系统性能的影响。 １ 煤气化链式燃烧联合循环 １ １ 系统介绍 整体煤气化链式燃烧联合循环系统是将Ｉ Ｇ Ｃ Ｃ 系统燃气轮机燃烧室用Ｃ Ｌ Ｃ燃烧装置取代，实现 Ｃ Ｏ２分离，系统流程由３部分组成 （ 图２） ，顶循 环部分 （ 包 括 煤 气 化、Ｃ Ｌ Ｃ燃 烧 装 置 及 燃 气 轮 机） 、底循 环 部 分 （ 即 蒸 汽 循 环） 和Ｃ Ｏ ２ 富 集 部分。 图２ 整体煤气化链式燃烧联合循环系统 Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ Ｃ Ｌ Ｃｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄｃ ｙ ｃ ｌ ｅｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ 煤制浆后进入气化炉 （Ｇ）气化，气化产物粗 煤气经除尘、脱硫等净化 （ Ｐ）处理作为Ｃ Ｌ Ｃ燃料 反应器燃料。空气经压气机 （Ｃ）压缩后进入空气 反应器，被还原态的载氧体消耗掉部分氧气后，变 为高温高压的燃气 （ 欠氧空气） ，经补燃室 （Ｓ Ｆ） 补燃，再进入透平 （Ｇ Ｔ １）做功，透平出口燃气进 入余热锅炉 （ＨＲ Ｓ Ｇ １）加热给水产生蒸汽，最后 排入大气。Ｃ Ｌ Ｃ燃料反应器中燃料气被氧化态的 ７１８１ 第７期 向文国等Ｎ ｉ载体整体煤气化链式燃烧联合循环性能 载氧体氧化后，产生的高温高压烟气 （ 主要是Ｃ Ｏ ２ 和Ｈ２Ｏ）进入膨胀机 （Ｇ Ｔ ２）做功，再进入余热 锅炉 （ＨＲ Ｓ Ｇ ２）加热给水产生蒸汽，经冷却压缩， 得到较纯净的Ｃ Ｏ ２。 （ １）气化部分。本系统选用目前成熟的德士古 气化工艺［ １ ２］，９ ８％的纯氧作气化剂，水煤浆进料。 设定气化温度１ ３ １ ５℃、压力４ ． １ ４ＭＰ ａ、碳转化率 ９ ８％、压损６％、散热损失０ ． ５％、辐射冷却器出 口煤气 温 度９ ０ ０℃、除 尘 温度２ ５ ０℃、ＭＤ Ｅ Ａ法 脱硫。 （ ２）Ｃ Ｌ Ｃ部分。选用Ｎ ｉ／Ｎ ｉ Ｏ作载氧体，添加 Ａ ｌ２Ｏ３增加其机械特性。空气反应器内反应为 ２ Ｎ ｉ ＋Ｏ→ ２２ Ｎ ｉ Ｏ Δ犎＝－４ ６ ６ ． ９ｋ Ｊ （３） 燃料反应器内反应为 Ｈ２＋→Ｎ ｉ ＯＮ ｉ ＋Ｈ２Ｏ Δ犎＝－１ ６ ． ４ｋ Ｊ（４） Ｃ Ｏ＋→Ｎ ｉ Ｏ Ｎ ｉ ＋Ｃ Ｏ２ Δ犎＝－４ ７ ． ６ｋ Ｊ（５） ＣＨ４＋→４ Ｎ ｉ Ｏ４ Ｎ ｉ ＋２ Ｈ２Ｏ Δ犎＝１ ３ １ ． ０ｋ Ｊ （６） 由于煤气中ＣＨ４含量少，燃料反应器总的反应会 放热。即采用煤气作燃料气，并用Ｎ ｉ Ｏ作载氧体 时，Ｃ Ｌ Ｃ的两个反应器均放热。模拟计算中，压 损取８％，Ｎ ｉ Ｏ∶Ｎ ｉ Ａ ｌ ２Ｏ４＝３∶２（ 质量比） 。 （ ３）燃气轮机以及汽水循环。燃气轮机的效率 和比功随透平 入 口 温 度Ｔ Ｉ Ｔ的升高而升高。而 Ｔ Ｉ Ｔ温度越高，透平冷却空气量越大。对于Ｇ Ｔ ２， 为了能保持燃气中Ｃ Ｏ ２的浓度以利于回收，不采 用传统的空气冷却技术，而应用分离出来的低温 Ｃ Ｏ２冷却；同时由于它的输出净功在系统总功中 所占比例不大 （ １ ５％左右） ，所需冷却气体量较小， 对系统净效率的影响不大，为简化，模拟计算中不 考虑Ｇ Ｔ ２的冷却问题。对有冷却的透平膨胀功的 模拟计算，采用以Ｉ Ｓ Ｏ温度为透平入口温度的方 法［ １ ３］，其等熵膨胀效率近似为透平的级等熵效率。 燃气轮机以西门子Ｖ ９ ４ ． ３ Ａ参数作为模型，压比 １ ７、透平进口温度Ｔ Ｉ Ｔ １ ３ ５ ０℃、进口空气流量６ ３ ４ ｋ ｇ ｓ －１、冷却空气系数 ０ ． １ ２、压气机绝热效率 ８ ８％、燃气透平绝热效率９ ０％、排气压力０ ． １ ０ ４ ７ ＭＰ ａ。透平做功后的燃气进入余热锅炉进行热量回 收，产生蒸汽，余热锅炉设计为三压再热型，参数 为１ ２ ． ５ ＭＰ ａ／５ １ ０℃／２ ． ８ ６ ＭＰ ａ／５ １ ０℃／０ ． ７ ２ ＭＰ ａ／ ２ ３ ２℃ ［１ ４］，最小节点温差 ５℃、接近点温差３ ０℃、 热量损失０ ． ７％、排烟温度８ ０℃，凝汽器压力４ ｋ Ｐ ａ、汽轮机内效率９ ０％。 （ ４）Ｃ Ｏ２的分离和压缩。对Ｃ Ｏ２进行了分离 和压缩，以期实现Ｃ Ｏ ２富集。Ｃ Ｏ２的分离和压缩 分４级进行，每一级都经过压缩、冷却、气液分离 ３个流程。压缩采用离心式压气机，最大压比３ ． ５， 效率８ ２％。最终Ｃ Ｏ ２压缩冷却至１ １ ． ５ＭＰ ａ ／３ ０℃， 呈液态。 １ ２ 系统计算分析方法 本文研究以煤为燃料的链式燃烧联合循环发电 系统的性能，不涉及对反应器内反应的化学动力学 特性、传热过程、流体力学特性及反应器的结构设 计。利用Ａ Ｓ Ｐ Ｅ Ｎ软件模拟热力过程，计算过程遵 循热量守恒和质量守恒。其中空气反应器和燃料反 应器采用Ｒ Ｇ ｉ ｂ ｂ ｓ模型，利用最小Ｇ ｉ ｂ ｂ ｓ自由能计 算反应器中各化学反应进行的程度。对系统做如下 假设空气反应器和燃料反应器均绝热，温度均不 高于１ ２ ０ ０℃；载氧体循环质量只要大于最小载氧 体质量，即可满足载氧要求；模拟计算中，选择一 定量的氧过剩系数；环境温度为１ ５℃，相对湿度 ６ ０％；选取Ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｏ ｉ ｓ６号烟煤作为系统燃料，其成 分如表１所示，其高位热值为２ ６ ． １ ４ Ｍ Ｊ ｋ ｇ －１， 低位热值为２ ４ ． ８ ３Ｍ Ｊ ｋ ｇ －１。 表１ 犐 犾 犾 犻 狀 狅 犻 狊６号烟煤分析数据 犜 犪 犫 犾 犲１ 犝 犾 狋 犻 犿 犪 狋 犲犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳 犐 犾 犾 犻 狀 狅 犻 狊６ ＃犮 狅 犪 犾 Ｐ ｒ ｏ ｘ ｉ ｍ ａ ｔ ｅａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ／％（ｍ ａ ｓ ｓ，ａ ｉ ｒｄ ｒ ｙ） ＭＡＶＦ Ｃ Ｕ ｌ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｅａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ／％（ｍ ａ ｓ ｓ，ｄ ａ ｆ） ＣＨＯＮＳ １ ２ ． ０ ８ ． ８３ ６ ． ３ ５４ ２ ． ８ ５６ １ ． ２ ４ ． ７ ８ ． ８１ ． １３ ． ４ 考虑到制备及压缩Ｏ ２ 的耗功，系统净效率 ηｎ ｅ ｔ和比功狑 可定义为 ηｎ ｅ ｔ＝ （犠Ｇ Ｔ １＋犠Ｇ Ｔ ２＋犠Ｓ Ｔ １＋犠Ｓ Ｔ ２－犠ｃ ｏ ｍ ｐ） ηｍ ＋ ｇ ＋ ａ ｕ ｘ－犠Ｃ Ｏ２ ｃ ｏ ｍ ｐ－犠Ｏ２ 犿ｃ ｏ ａ ｌＨＨＶ （７） 狑＝ （犠Ｇ Ｔ １＋犠Ｇ Ｔ ２＋犠Ｓ Ｔ １＋犠Ｓ Ｔ ２－犠ｃ ｏ ｍ ｐ） ηｍ ＋ ｇ ＋ ａ ｕ ｘ－犠Ｃ Ｏ２ ｃ ｏ ｍ ｐ－犠Ｏ２ 犿ａ ｉ ｒ （８） 式中 犠Ｇ Ｔ １为透平１的输出功，犠Ｇ Ｔ ２为透平２的 输出功，犠Ｓ Ｔ １为汽轮机１的输出功，犠Ｓ Ｔ ２为汽轮机 ２的输出功，犠ｃ ｏ ｍ ｐ为压气机耗功，犠Ｃ Ｏ ２ ｃ ｏ ｍ ｐ为 Ｃ Ｏ２ 分离 压 缩 耗 功，犠Ｏ ２ 为 氧 气 制 备 及 压 缩 耗 功， ８１８１ 化 工 学 报 第５ ８卷 ηｍ＋ｇ ＋ａ ｕ ｘ为 机 械 电 机 效 率， 犿ａ ｉ ｒ为 空 气 质 量 流 量， 犿ｃ ｏ ａ ｌ为入煤质量流量，ＨＨＶ为煤高位热值。 定义补燃率为气化产生的气体燃料中用于补燃 的份额，如式 （ ９）所示 补燃率＝ 用于补燃的煤气量 总的煤气量 （９） Ｃ Ｏ２回收率即Ｃ Ｏ２的分离效率，为 Ｃ Ｏ２回收率＝ 经压缩分离收集到的Ｃ Ｏ２ ＨＲ Ｓ Ｇ １出口烟气中Ｃ Ｏ２＋ＨＲ Ｓ Ｇ ２出口烟气中Ｃ Ｏ２ （１ ０） 系统Ｃ Ｏ ２的排放量如式 （１ １）所示 Ｃ Ｏ２排放量＝ 排入大气的Ｃ Ｏ２（ ｇｈ － １） 系统净功（ｋＷ） （１ １） 本文对空分装置流程不进行模拟，用到纯氧时 将空 分 制 氧 压 缩 所 耗 的 功 按 经 验 数 据［ １ ５］ （０ ． ４ ｋＷｈ ｋ ｇ －１）折算为系统耗功的一部分，不再 单独计算各部分制冷能耗。 ２ 结果及讨论 水煤浆浓度６ ６ ． ５％，气化炉出口粗煤气经除 尘脱硫后得到洁净煤气，脱硫效率取９ ８％，脱硫 的同时会脱去２ ５％Ｃ Ｏ ２，模拟结果见表２。气化参 数确定后，根据燃料反应器的能量平衡，最小载氧 体的循环质量 犿Ｚ Ｙ Ｔ ｍ ｉ ｎ为８ ． ５ ５ｋ ｇ （ｋ ｇｃ ｏ ａ ｌ） －１。 为保证燃烧充分，取载氧体的循环质量流率为１ ５ ｋ ｇ （ ｋ ｇｃ ｏ ａ ｌ） －１。 表 ３、 表４是 空 气 反 应 器 （ＡＲ）和燃料反应器 （Ｆ Ｒ）出口气体主要成分。 燃烧过程产生的烟气分成两股一股是Ａ Ｒ出口高 温欠氧空气，经过能量利用最终将排入大气；另一 股是Ｆ Ｒ出口主要由二氧化碳和水组成的烟气，经 余热利用、压缩冷却，最终液化为高纯Ｃ Ｏ ２。 表２ 洁净煤气成分／％（ｖ ｏ ｌ） 犜 犪 犫 犾 犲２ 犆 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋 狊狅 犳 犮 犾 犲 犪 狀狊 狔 狀 犵 犪 狊／％（ｖ ｏ ｌ） Ｃ ＯＨ２Ｈ２ＯＣ Ｏ２Ｎ２Ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ４ ２ ． ７ ５２ ９ ． ６ ９１ ９ ． ４ ７７ ． １ ３０ ． ７ ９０ ． ２ ０ 表３ 空气反应器出口气体成分／％（ｖ ｏ ｌ） 犜 犪 犫 犾 犲３ 犆 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋 狊狅 犳犃 犚狅 狌 狋 犾 犲 狋 犵 犪 狊／％（ｖ ｏ ｌ） Ｎ２Ｏ２Ｈ２ＯＡ ｒＯ ｔ ｈ ｅ ｒ ８ １ ． ７ ３１ ６ ． １ ０１ ． ０ ７０ ． ９ ７０ ． １ ４ 表４ 燃料反应器出口气体成分／％（ｖ ｏ ｌ） 犜 犪 犫 犾 犲４ 犆 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋 狊狅 犳犉 犚狅 狌 狋 犾 犲 狋 犵 犪 狊／％（ｖ ｏ ｌ） Ｃ Ｏ２Ｈ２ＯＮ２Ｃ ＯＨ２Ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ４ ９ ． ４ ３４ ８ ． ９ ８０ ． ７ ９０ ． ４ ４０ ． ２ ００ ． １ ５ ２ １ 透平犌 犜 １冷却空气率的影响 如 图３所 示，Ｔ Ｉ Ｔ １ ３ ５ ０℃、 空 气 反 应 器 １ ２ ０ ０℃，随着 冷 却 空 气 量 的 增 加，系 统 的 效 率 （ＨＨＶ）呈下降的趋势，Ｃ Ｏ ２ 排放量增加。冷却 空气率每增加２％，系统净效率约降低０ ． ３％，比 功约减少１ ７ｋ Ｊ ｋ ｇ －１，Ｃ Ｏ ２排放量增加０ ． ４ｇ ｋＷ－１ｈ －１，影响较小。透平冷却后相当于降低了 透平进口的Ｉ Ｓ Ｏ温度，透平出口、余热锅炉进口 温度也降低，余热锅炉产汽量减少，汽轮机做功量 也随之减少。 图３ 透平冷却空气份额对系统性能的影响 Ｆ ｉ ｇ ． ３ Ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔｏ ｆ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇａ ｉ ｒ ｒ ａ ｔ ｅｏ ｎｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ２ ２ 空气反应器温度犜犃 犚的影响 补燃后Ｔ Ｉ Ｔ温度１ ３ ５ ０℃、冷却空气率１ ２％， 空气反应器温度对系统性能的影响如图４所示。 Ａ Ｒ出口温度升高，补燃减少，燃料反应器的燃料 量增加；由于燃料反应器出口不补燃，Ｇ Ｔ ２入口 温度相对较低，燃料反应器出口流量的增加，将会 导致循环最高平均温度降低，系统效率随之降低。 Ａ Ｒ出口温度从１ ０ ０ ０℃升高到１ ２ ０ ０℃，系统效率 将从４ ０ ． ３％降低到３ ９ ． ６ １％，补燃率 降 低２ ３％， Ｃ Ｏ２排放量减少了１ ５ ８ｇｋＷ－１ｈ －１，Ｃ Ｏ ２回收 率提高２ ３％。 ２ ３ 补燃温度犜犛 犉的影响 冷却空气量随Ｔ Ｉ Ｔ的升高而增加，空气反应 器温度１ ２ ０ ０℃、冷却空气率１ ２％，补燃后，Ｔ Ｉ Ｔ 在１ ２ ０ ０～１ ５ ０ ０℃变化，温度每升高１ ０ ０℃，冷却空 ９１８１ 第７期 向文国等Ｎ ｉ载体整体煤气化链式燃烧联合循环性能 气率提 高４％。 模 拟 结 果 见 图５，补 燃 温 度 由 １ ２ ０ ０℃提高到１ ５ ０ ０℃，系统净效率由３ ７ ． ４％增加 到４ ０ ． ８％，Ｃ Ｏ ２ 的 排 放 量 达 到２ ０ ２ｇｋＷ－１ ｈ －１。Ｔ Ｉ Ｔ升高，则所需补燃量增多，Ｔ Ｉ Ｔ每增加 ５ ０℃，补燃率约增加约６％，相应地燃料反应器内 通过的燃料气份额减少。补燃温度升高，系统比功 增加，效率升高。但是，Ｃ Ｏ ２ 回收率降低，Ｃ Ｏ ２ 的排放量由２ ． ９ ８ｇｋＷ－１ｈ －１升高到２ ０ ４ ． ０ ２ｇ ｋＷ－１ｈ －１。尽管如此，其排放量远远低于超临界 煤粉电厂７ ３ ３ｇＣ Ｏ ２ｋＷ －１ｈ－１的排放量［１ ６］。 图４ 犜Ａ Ｒ对系统性能的影响 Ｆ ｉ ｇ ． ４ Ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔｏ ｆ犜Ａ Ｒｏ ｎｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ■ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ（ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ） ；Ｃ Ｏ２ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ（ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ） ； □ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ（ｕ ｎ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ） ；Ｃ Ｏ２ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ（ｕ ｎ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ） 图５ 犜Ｓ Ｆ对系统性能的影响 Ｆ ｉ ｇ ． ５ Ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔｏ ｆ犜Ｓ Ｆｏ ｎｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ２ ４ 载氧体循环质量的影响 其他参数保持不变，在满足载氧要求的前提 下，改变载氧体循环质量，系统净效率变化较小， １ ． ２～３倍循环倍率下，效率变化仅０ ． ０ ４％。载氧 体循环质量的变化只是改变了空气反应器与燃料反 应器之间的热量分配，载氧体循环质量越大，由空 气反应器带入燃料反应器的热量越多，燃料反应器 出口温度越高。由于两个反应器中反应均为放热反 应，两反应器出口温度相差不多，故载氧体因物理 显热变化而传递的热量并不多，对系统影响不大。 但是载氧体循环质量变化造成压损变化 （ 取 ４％～１ ２％） ，随着压损的增大，系统净效率减少， Ｃ Ｏ２排放量增加。压损每增加２％，系统净效率减 少约０ ． １ ３％，Ｃ Ｏ ２排放量增加约０ ． ３ ５ｇｋＷ －１ ｈ －１。压损增大，透平膨胀比减小，输出功减少， 效率降低。 ２ ５ 压比 （犘 犚）的影响 图６显 示 了 补 燃 温 度犜Ｓ Ｆ一 定 （ 取１ ２ ０ ０、 １ ３ ０ ０、１ ３ ５ ０℃）的情况下，改变压气机压比对系统 性能的影响。由图可知，随着压比的升高，系统比 功减小，Ｃ Ｏ ２排放量增加，系统净效率先增大后 减小，存在最佳压比，即每一个犜Ｓ Ｆ温度对应一个 最佳压比，且随着犜Ｓ Ｆ温度的升高，最佳压比增 大。犜Ｓ Ｆ为１ ２ ０ ０℃时，最佳压比约为１ ３，１ ３ ０ ０℃时 约为１ ６，１ ３ ５ ０℃时约为１ ７。 图６ 不同补燃温度下压气机压比对系统性能的影响 Ｆ ｉ ｇ ． ６ Ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔｏ ｆｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｒ ａ ｔ ｅｏ ｎｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅａ ｔｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ｙ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ２ ６ 与常规犐 犌 犆 犆系统比较 对整体煤气化联合循环系统进行计算，其煤气 化、燃气轮机、余热锅炉及汽水系统的参数选取与 本系统均一致，在未对烟气中的Ｃ Ｏ ２进行分离和 压缩时，系统净效率为４ ３ ． １ ２％ ＨＨＶ（ ４ ５ ． ３ ９％ ＬＨＶ） ，Ｃ Ｏ２排放量为６ ５ ２ｇＣ Ｏ２ｋＷ－１ｈ －１。 若考虑对Ｃ Ｏ ２进行深冷分离，则系统效率将降低 约６个百分点［ １ ６］，再考虑 Ｃ Ｏ２回收 （ 压缩耗功） ， 则系 统 效 率 仅 为３ ４ ． ２％ ＨＨＶ（３ ６ ． ４％ＬＨＶ） ， ０２８１ 化 工 学 报 第５ ８卷 Ｃ Ｏ２排放量为１ ４ ９ｇＣ Ｏ２ｋＷ－１ｈ －１。 对于整体煤气化链式燃烧联合循环系统，燃气 轮机压比为１ ７、透平进口温度１ ３ ５ ０℃，系统净效 率可达３ ９ ． ６ １％ ＨＨＶ（ ４ １ ． ５ ５％ ＬＨＶ） ，Ｃ Ｏ２排放 量为１ ２ ６ｇＣ Ｏ ２ｋＷ －１ｈ－１。与常规Ｉ Ｇ Ｃ Ｃ系统 相比，其效率更高，Ｃ Ｏ ２排放量更小，有很大技 术优势，具有发展前途。 ３ 结 论 对整体煤气化链式燃烧联合循环系统进行了概 念性设计，并利用Ａ Ｓ Ｐ Ｅ Ｎ软件对系统性能做了模 拟计算与分析，计算结果表明 （ １）采用德士古气化工艺、Ｖ ９ ４ ． ３ Ａ型燃气轮 机、三压再热型余热锅炉，压比为１ ７、燃气透平 （Ｇ Ｔ １） 进 口 温 度１ ３ ５ ０℃，系 统 净 效 率 可 达 到 ３ ９ ． ６ １％ＨＨＶ（４ １ ． ５ ５％ＬＨＶ） ，Ｃ Ｏ２排放量为１ ２ ６ ｇｋＷ －１ｈ－１； （ ２）Ｔ Ｉ Ｔ为１ ３ ５ ０℃， 空 气 反 应 器 温 度 由 １ ０ ０ ０℃升高到１ ２ ０ ０℃，系统Ｃ Ｏ２的回收率升高约 ２ ３％，系统净效率由４ ０ ． ３％降低到３ ９ ． ６ １％； （ ３）补燃温度升高，系统净效率增加，但是 Ｃ Ｏ２排放量也随之增加。空气反应器温度１ ２ ０ ０℃， 补燃温度由１ ２ ０ ０℃提高到１ ５ ０ ０℃，系统净效率由 ３ ７ ． ４％增加到４ ０ ． ８％，Ｃ Ｏ２的排放量为２ ０ ２ｇ ｋＷ－１ｈ －１； （ ４）补燃后Ｔ Ｉ Ｔ一定，压比增大，系统比功 减小，Ｃ Ｏ ２排放量增加，效率先增大后降低，有 一最佳值，补燃温度１ ３ ５ ０℃时，系统的最佳压比 为１ ７。 犚 犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲 狊 ［１］ Ｍ ａ ｔ ｔ ｉ ｓ ｓ ｏ ｎＴ，Ｌ ｙ ｎ ｇ ｆ ｅ ｌ ｔＡ ． Ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓｏ ｆｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ Ｃ Ｏ２／ ／Ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ Ｎ ｏ ｒ ｄ ｉ ｃ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｙ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｕ ｍ ｏ ｎ Ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ Ｄ ｉ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅ Ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ Ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ ． Ｇ ｔ ｅ ｂ ｏ ｒ ｇ，２ ０ ０ １ ［２］ Ｍ ａ ｔ ｔ ｉ ｓ ｓ ｏ ｎＴ，Ｌ ｙ ｎ ｇ ｆ ｅ ｌ ｔＡ，Ｃ ｈ ｏＰ．Ｔ ｈ ｅｕ ｓ ｅｏ ｆ ｉ ｒ ｏ ｎｏ ｘ ｉ ｄ ｅ ａ ｓ ａ ｎｏ ｘ ｙ ｇ ｅ ｎｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｉ ｎｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｍ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｉ ｎ ｈ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｃ Ｏ２．犉 狌 犲 犾，２ ０ ０ １，８ ０ １ ９ ５ ３ １ ９ ６ ２ ［３］ Ｌ ｙ ｎ ｇ ｆ ｅ ｌ ｔ Ａ，Ｌ ｅ ｃ ｋ ｎ ｅ ｒ Ｂ，Ｍ ａ ｔ ｔ ｉ ｓ ｓ ｏ ｎ Ｔ ． Ａ ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄ ｂ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓｗ ｉ ｔ ｈ ｉ ｎ ｈ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔＣ Ｏ２ｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ．犆 犺 犲 犿 犻 犮 犪 犾 犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲，２ ０ ０ １，５ ６３ １ ０ １ ３ １ １ ３ ［４］ Ｂ ｒ ａ ｎ ｄ ｖ ｏ ｌ ｌ ，Ｂ ｏ ｌ ｌ ａ ｎ ｄ Ｏ ． Ｉ ｎ ｈ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｃ Ｏ２ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎａｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌｇ ａ ｓｆ ｉ ｒ ｅ ｄｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ／ ／Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓｏ ｆ Ａ Ｓ ＭＥ ＴＵＲ Ｂ Ｏ Ｅ Ｘ Ｐ Ｏ ２ ０ ０ ２．Ｔ ｈ ｅ Ｎ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｌ ａ ｎ ｄ ｓ，Ａｍ ｓ ｔ ｅ ｒ ｄ ａ ｍ，２ ０ ０ ２ ［５］ Ａ ｎ ｈ ｅ ｄ ｅ ｎＭ ．Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓｏ ｆ ｇ ａ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ｆ ｏ ｒ ｓ ｕ ｓ ｔ ａ ｉ ｎ ａ ｂ ｌ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ［Ｄ］．Ｓ ｔ ｏ ｃ ｋ ｈ ｏ ｌ ｍＲ ｏ ｙ ａ ｌＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，２ ０ ０ ０ ［６］ Ａ ｎ ｈ ｅ ｄ ｅ ｎ Ｍ，Ｓ ｖ ｅ ｄ ｂ ｅ ｒ ｇ Ｇ ． Ｅ ｘ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓｏ ｆｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ．犈 狀 犲 狉 犵 狔 犆 狅 狀 狏 犲 狉 狊．犕犵 犿 狋．， １ ９ ９ ８，３ ９（１ ６／１ ７／１ ８） １ ９ ６ ７ １ ９ ８ ０ ［７］ Ｊ ｉ ｎ Ｈ，Ｏ ｋ ａ ｍ ｏ ｔ ｏ Ｔ，Ｉ ｓ ｈ ｉ ｄ ａ Ｍ．Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔｏ ｆａｎ ｏ ｖ ｅ ｌ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｙ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ａ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌｗ ｉ ｔ ｈａｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅｏ ｆＣ ｏ Ｏ Ｎ ｉ Ｏ．犈 狀 犲 狉 犵 狔牔 犉 狌 犲 犾 狊，１ ９ ９ ８，１ ２１ ２ ７ ２ １ ２ ７ ７ ［８］ Ｊ ｉ ｎ Ｈ，Ｏ ｋ ａ ｍ ｏ ｔ ｏ Ｔ，Ｉ ｓ ｈ ｉ ｄ ａ Ｍ．Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔｏ ｆａｎ ｏ ｖ ｅ ｌ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｙ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓｏ ｆａｓ ｏ ｌ ｉ ｄｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌｏ ｆ Ｎ ｉ Ｏ／Ｎ ｉ Ａ ｌ２Ｏ４．犐 狀 犱．犈 狀 犵．犆 犺 犲 犿．犚 犲 狊．，１ ９ ９ ９， ３１ ２ ６ １ ３ ２ ［９］ Ｊ ｉ ｎ Ｈ，Ｉ ｓ ｈ ｉ ｄ ａ Ｍ ． Ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙｓ ｔ ｕ ｄ ｙｏ ｎａｎ ｏ ｖ ｅ ｌｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ｆ ｕ ｅ ｌ ｅ ｄｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ．犎 狔 犱 狉 狅 犵 犲 狀 犈 狀 犲 狉 犵 狔， ２ ０ ０ １，２ ６８ ８ ９ ８ ９ ４ ［１ ０］ Ｉ ｓ ｈ ｉ ｄ ａＭ，Ｊ ｉ ｎＨ ．Ａｎ ｅ ｗａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ．犈 狀 犲 狉 犵 狔，１ ９ ９ ４（４） ４ １ ５ ４ ２ ２ ［１ １］ Ｊ ｉ ｎＨ，Ｉ ｓ ｈ ｉ ｄ ａＭ ． Ａｎ ｅ ｗａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄＩ Ｇ Ｃ Ｃｐ ｏ ｗ ｅ ｒｐ ｌ ａ ｎ ｔｗ ｉ ｔ ｈ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ／ ／Ｐ ｒ ｏ ｃ ． Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ． Ｓ ｙ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｕ ｍ ｏ ｎ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ Ｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ
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