第24卷第8期中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)VoL.24 No.8 Aug. 2004_2004年8月Proceedings of the CSEE@2004 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章編號(hào): 0258-8013 (2004) 08-0170-05中國分類號(hào): TQ546文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A學(xué)科分類號(hào): 480-70新型煤氣化間接燃燒聯(lián)合循環(huán)研究向文國，狄藤藤，肖軍，沈來宏(東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096)INVESTIGATION OF A NOVEL GASIFICATION CHEMICAL LOOPINGCOMBUSTION COMBINED CYCLEXIANG Wen-guo, DI Teng teng, XIAO Jun, SHEN Lai-hong(Key Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of Ministry of Education,Southeast University, 210096 Nanjing, China)氣相產(chǎn)物為H20(汽)+CO2,冷凝水后，可分離出CO2。 結(jié)chemicalooping combustion(GCLC-CC) is proposed. The合燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)技術(shù)，構(gòu)成新型煤氣化間接燃燒聯(lián)合system offers a potential method for coal combustion with CO2循環(huán)，實(shí)現(xiàn)燃煤高效和CO,分離。文中通過數(shù)學(xué)建模方法，separation. After pressurized, coal slury enters a pipe-typed對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行仿真計(jì)算，預(yù)測(cè)煤氣成分，研究載氧體還gasifier immersed in the CLC air reactor and takes in the heat原比率、循環(huán)倍率、煤氣成分等參數(shù)對(duì)間接燃燒性能的影released from the air reactor. After removal of particulates, the響，為間接燃燒技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)syn-gases are used as the fuel of CLC fuel reactor. The technique數(shù)據(jù)。involves the use of a metal oxide as an oxygen carrier which關(guān)鍘詞:熱能動(dòng)力工程:間接燃燒(CLC;聯(lián)合循環(huán):流化transfers oxygen from the combustion air to the fuel, and the床; CO2分離direct contact between fuel and combustion air is avoided. Theproducts of combustion, i.e. CO2 and H2O, are kept separate from1引言the rest of the flue gas. After condensation of the water almostCO2是最大的溫室氣體，燃燒過程中減排CO2pure CO2 is obtained. Combined with the technology of gas已成為研究熱點(diǎn)。燃煤火電技術(shù)均以空氣為氧化turbine and steam turbine, a combined cycle is formed. Thecomponents of syn-gases are estimated according to mass劑，生成的煙氣中CO2只占10%~20%， 又因CO2 .equations and reaction equations in this paper. The influence of的后續(xù)處理成本太高，難以實(shí)施。在燃燒過程中生oxygen carrier reduction ratio, circulation ratio and water/coal成高濃度的CO2或便于CO2分離的氣相混合物(如ratio on the performance of the CLC reactor, for example, inletH20+CO2)，同時(shí)消除其他污染物的生成排放(如and outlet temperature of air reactor and fuel reactor, theNO、SO2及Hg等),是一條有效的途徑，選擇純minimum air needed, are discussed. Some useful results are氧作氧化劑，已經(jīng)得到普遍認(rèn)可。但是，制取純氧reached and can be used to design the experiment device and for或富氧，需消耗大量的能量，對(duì)于發(fā)電廠來說，其further study.消耗的電力可占廠用電量的10%以上，限制了此技KEY WORDS: Thermal power engineering; Chemical-looping術(shù)的應(yīng)用。在燃料燃燒之前，進(jìn)行脫碳處理，可以combustion (CLC); Combined cycle; Fuidized bed; CO2消除CO2的排放，如對(duì)燃料進(jìn)行氣化、重整/分 離separation出清潔的氫能，燃用氫能可以實(shí)現(xiàn)零排放，但是需摘要;以煤為燃料，通過氣化和間接燃燒等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃要開發(fā)出高效低成本的CO2、H2分離膜等相關(guān)技煤發(fā)電的CO2分離。水煤漿增壓后，利用間接燃燒過程熱術(shù)。源氣化。以金屬氧化物為載氧體，實(shí)現(xiàn)間接燃燒(CLC), 即間接燃燒，如圖1所示，氣體燃料不直接與載氧體與煤氣的“燃燒”和載氧體與空氣的再生，“ 燃燒”空氣接觸，以金屬氧化物為載氧體，在一定的溫度基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50376010)。中國煤化工反應(yīng)，結(jié)合氧;然后Project Supponed by National Natural Science Foundation of China(50376010).CNMHG真.氣相反應(yīng)產(chǎn)物只第8期向文國等:新型煤氣化間接燃燒聯(lián)合循環(huán)研究有CO,和H20(),凝結(jié)出水，得到高純C2?？珊先?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和汽輪機(jī)技術(shù),設(shè)計(jì)出包括見在沒有能量損失的前提條件下，間接燃燒能實(shí)現(xiàn)CO2分離系統(tǒng)的間接燃燒煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，如CO2分離。圖2所示。NtOCO2+H2O| Me.O(+Me)空氣反應(yīng)器燃料反應(yīng)器Me(+Mc,O,)0汽輪機(jī)電機(jī)L氣燃料圖1間接燃燒原理Fig1 Chemical loping combustion發(fā)個(gè)氣物該系統(tǒng)由2個(gè)不同的化學(xué)反應(yīng)過程組成:水雄漿 t反0衢料HO(1)金屬載氧體的載氧反應(yīng)壓蠕機(jī)xMe + W/2)02→ Me2O，(1)流化C,氣體(2)金屬氧化物與氣體燃料的脫氧還原反應(yīng)分離出的CO,+一氣體燃料(以 CH為例)在常溫條件下，性能相混合器對(duì)穩(wěn)定，但在高溫下，具有相當(dāng)大的活性，可與金圉2 GCLC-CC 聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)Fg2 Schematic o coal gicationo chemlcal loping屬氧化物Me,0,進(jìn)行下述反應(yīng)combustion combined cycleCH +(4/yMe,0, -CO2 + 2H2O+(xy)Me(2)把煤粉、石灰石和水的混合物制成漿體，經(jīng)槳空氣反應(yīng)器內(nèi)的氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，而在燃泵輸送至水煤漿管式氣化反應(yīng)器內(nèi)，在空氣反應(yīng)器料反應(yīng)器內(nèi)的還原反應(yīng)是個(gè)吸熱反應(yīng)，兩者熱量之內(nèi)吸熱，進(jìn)行高溫煤氣化反應(yīng)，同時(shí)完成脫硫。經(jīng)和等于氣體燃料與空氣直接燃燒的放熱量。過氣固分離后，成為含有少量水蒸汽的氣體燃料,Lyngfelt A.等2以CH4為氣體燃料，以Fe2O,即CH+CO+H2+H20+CO2;然后，進(jìn)入燃料反應(yīng)器和NiO為載氧體，對(duì)CLC鍋爐進(jìn)行概念設(shè)計(jì)同，內(nèi)進(jìn)行“燃燒”，生成CO:+H2O (汽),經(jīng)過除塵研究了該金屬氧化物的反應(yīng)特性。Brandvoll 0.等I41和冷凝，分離出水，再經(jīng)過冷卻壓縮分離出CO2,對(duì)采用CLC技術(shù)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱力性能計(jì)再回送部分CO2至燃料反應(yīng)器內(nèi)，作為流化氣體。算與分析，Anheden M. (5網(wǎng)對(duì)以煤氣化合成氣體燃空氣經(jīng)過燃?xì)廨啓C(jī)壓縮后，進(jìn)入空氣反應(yīng)器，料的CLC進(jìn)行初步分析。金紅光等7-9研究了H為與脫氧后的金屬載氧體進(jìn)行氧化反應(yīng)，完成金屬氧燃料的CLC燃燒機(jī)理，分析研究了相關(guān)聯(lián)合循環(huán)化物的再生，同時(shí)釋放大量熱量，這些熱量方面的熱力性能101，同時(shí)對(duì)基于CLC燃燒技術(shù)的整作為煤氣化反應(yīng)用熱，另-方面將空氣加熱至較高體化煤氣化聯(lián)合循環(huán)作了初步研究13.4).溫度(1200C以上)。脫氧后的高溫高壓空氣經(jīng)過除本文采用非燃燒方式實(shí)現(xiàn)煤氣化，將間接燃?jí)m，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)作功。另外，燃?xì)廨啓C(jī)排氣和燒、煤氣化和聯(lián)合循環(huán)等技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成煤氣化間CO+H2Q0(汽)等其它放熱過程組成余熱鍋爐產(chǎn)生蒸接燃燒聯(lián)合循環(huán)(簡(jiǎn)稱GCLC-CC,以實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)汽，進(jìn)入汽輪機(jī)作功。電的CO2分離。其步驟是:以煤為燃料,將煤制成載氧體氧化反應(yīng)器(空氣反應(yīng)器)和載氧體還原水煤漿，增壓后通過CLC熱源進(jìn)行氣化，以金屬反應(yīng)器(燃料反應(yīng)器)間接燃燒系統(tǒng)，采用了串行流氧化物為載氧體，通過間接燃燒原理和串行流化床化床間接燃燒技術(shù)技術(shù)，如圖3所示。串行流化床等技術(shù)，分離出CO2;結(jié)合燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)技術(shù),由3種不同流態(tài)化的流化床所組成，即空氣反應(yīng)器系統(tǒng)效率將得到提高:如能完成SO2、NO,和重金(循環(huán)流化床)、燃燒反應(yīng)器(鼓泡流化床)和氣體隔屬等的脫除，可以實(shí)現(xiàn)燃煤零排放。絕分離器(移動(dòng)流化床)構(gòu)成，在空氣反應(yīng)器內(nèi)金屬后應(yīng)生成金屬氧化物載氧體2煤氣化間接燃燒聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)(GCLC-CC)M中國煤化工e,0,進(jìn)入燃料反應(yīng)本文利用燃煤CLC間接燃燒零排放技術(shù)，結(jié)器:YHcNMHG產(chǎn)CO2和H,0(汽),172中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第24卷最終將煤“燃燒”產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)榧儍舻腃O2。在燃料左右。煤氣化主要成分有co、H、CH、CO2和H2O.反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)還原反應(yīng)后金屬氧化物Me,O,轉(zhuǎn)變?yōu)榻鹂紤]到煤中硫元素的存在，高溫下煤中有機(jī)硫和硫?qū)費(fèi)e,經(jīng)氣體隔絕分離器返回到空氣反應(yīng)器，進(jìn)酸鹽、硫化物等無機(jī)硫化合物都會(huì)分解，因此，大行金屬氧化物的再生。串行流化床技術(shù)，采用雙重部分S以H2S,少量以Cos的形式轉(zhuǎn)入煤氣中。顆粒密封技術(shù)，即氣體隔絕分離器以及旋風(fēng)分離器此外，煤氣中還含有極少量的N2。料腿(Downcomer)顆粒密封技術(shù)，具有雙重功效,由于爐內(nèi)溫度高，爐中的煤粉即使在很短的停既能高效阻止兩個(gè)反應(yīng)器間氣體泄露摻混，又能允留時(shí)間內(nèi)也能完成氣化，獲得很高的碳轉(zhuǎn)化率。提許燃料反應(yīng)器采用較高的流化速度，維持金屬氧化高氣化壓力，既增加了反應(yīng)物的濃度，又提高了反物和氣體燃料之間具有足夠的還原反應(yīng)速率，將氣應(yīng)速度，還有利于H2與CO之間進(jìn)行的甲烷化反體燃料轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2+H20 (汽),實(shí)現(xiàn)CO2分離。應(yīng)，使煤氣中CH含量顯著增加，提高煤氣熱值?？諝夥磻?yīng)器給定碳轉(zhuǎn)化率x。，根據(jù)下述質(zhì)量平衡關(guān)系式、反應(yīng)平衡方15.16和能量平衡方程可對(duì)氣化爐煤氣水煤漿(化反應(yīng)器成分作出估算:- +H0+CO, .水煤長(zhǎng)5燃料反應(yīng)器qYCo=0.0265exp(3956/Tg)(3)YcoXl,o .*中氣體隔絕分離瑟YCo唱p2=6.7125x10~18 exp(27020/Tg) (4)Yso,鼠P圖3燃煤串行流化床排放系統(tǒng)示意圉(6)Fig 3 Layout o chemlcalooping combustion process withYosYr2othree interconnected fuidized beds式中Y 表示各氣體組分的摩爾百分?jǐn)?shù); p為氣化本文從兩個(gè)反應(yīng)器間的能量平衡關(guān)系角度，研運(yùn)行壓力; Tg 氣化反應(yīng)溫度。究過程的熱力學(xué)特性，包括:①預(yù)測(cè)水煤漿氣化成4燃料與空氣反應(yīng)器的熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型分，根據(jù)工作條件(包括氣化運(yùn)行的溫度和壓力)以及水煤漿的水煤配比，預(yù)測(cè)煤氣的成分，為研究間在兩個(gè)反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型中，本文選擇接燃燒的熱量分配提供數(shù)據(jù):②研究空氣反應(yīng)器(載Fe2Oy/FezO/FeO 為載氧體。在空氣反應(yīng)器中，假設(shè)氧體氧化反應(yīng)器)內(nèi)的反應(yīng)關(guān)系、金屬氧化物載氧載氧體的氧化過程反應(yīng)充分，F(xiàn)egO, 或FeO在空氣體的氧化形式對(duì)間接燃燒特性的影響關(guān)系;③研究反應(yīng)器中100%氧化為Fe2O;在燃料反應(yīng)器中，煤燃料反應(yīng)器(載氧體還原反應(yīng)器)內(nèi)的反應(yīng)關(guān)系、金氣完全轉(zhuǎn)化，即CO、CH, 以及H2能100%轉(zhuǎn)化為屬氧化物載氧體的還原形式對(duì)間接燃燒特性的影響CO2和H2O,其中碳?xì)滢D(zhuǎn)化率為100%。燃料反應(yīng)器:載氧體發(fā)生脫氧反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為關(guān)系以及載氧體循環(huán)倍率對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通過研究計(jì)算，為設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置提供數(shù)據(jù)，獲Fe,O4或FeO(暫不考慮Fe),并生成CO2和H2O.得水煤漿的配比、載氧體特性、循環(huán)倍率、運(yùn)行條定義還原比率為Fe2O還原為FezO,所占的份額，件等相關(guān)參數(shù)。根據(jù)仿真計(jì)算，為研究水煤漿增壓則有下述反應(yīng)的吸熱過程:氣化機(jī)理、CLC及其載氧體的特性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特Fe2O3 +(1-2B13)CO .→(2β/3)FeO4 +性提供試驗(yàn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)。2(1- )FeO+(1-2β13)CO2(7)3煤氣化及煤氣成分預(yù)測(cè)Fe2O3 + (1/4- B/6)CH4→(2β13)Fe;O4 + 2(1-B)Fe0+(1/4- β16)CO2 +(1/2- β13)H2O (8)載氧體在空氣中再生時(shí)將會(huì)釋放出大量的熱量，利用這部分熱量，以水蒸氣為氧化劑，以水煤中國煤化工B/3)Fe204 +漿方式制取粗煤氣。氣化區(qū)的溫度可選擇在1100CMHC N M H G2B13)H20 (9)第8期向文國等:新型煤 氣化間接燃燒聯(lián)合循環(huán)研究173根據(jù)式(7)~(9)的反應(yīng)關(guān)系，可確定載氧體還原反應(yīng)的能量平衡方程和金屬氧化物載氧率為R空氣量R。="ox-mm(10)mox最小空氣量式中max 為載氧體氧化后的質(zhì)量數(shù); ma為載氧體氧化前(還原后)的質(zhì)量數(shù)?！?.6空氣反應(yīng)器:載氧體發(fā)生載氧反應(yīng)為放熱反應(yīng)還原比事β圈5空氣反應(yīng)戇空氣l與還原比率變化的關(guān)系(2β/3)FesO, + 2(1- β)FeO+Fig5 The change o air flow 1 the reduction ratio(1/2- β13)O2→Fe203(11)(2)循環(huán)倍率變化對(duì)CLC性能的影響據(jù)式(11)可確定載氧體Fe2O3 的最小質(zhì)量ma最小選擇空氣反應(yīng)器的空氣入口溫度為400C， 出空氣量Amim和氧化反應(yīng)過程的能量平衡方程。實(shí)際口溫度為1200C, 還原比率為0.4, 燃料反應(yīng)器的過程中，實(shí)際載氧體質(zhì)量(mre,O, )大于最小載氧體載氧體進(jìn)口溫度為1190C，出口溫度為600"C,煤質(zhì)量(min)。氣入口溫度為600C,出口H20+CO2溫度為600C。定義循環(huán)倍率為隨循環(huán)倍率增大，氧化反應(yīng)器加熱空氣的能力隨之c= mre,o, /mmin降低，如圖6所示。.5仿真結(jié)果分析(3)水煤比對(duì)CLC性能的影響(1)還原比率的變化對(duì)CLC性能的影響盡管計(jì)算表明改變水煤比a對(duì)反應(yīng)所需最小空若載氧體Fe2O3 完全轉(zhuǎn)化為Fe2O, 燃料反應(yīng)氣流量無影響，但隨著a的增大，在空氣反應(yīng)器出器內(nèi)將有大量的熱量釋放;當(dāng)還原為FeO/Fe的比口溫度選定的前提下，氣化過程吸熱量增加，空氣例增加，燃料反應(yīng)器將是吸熱過程，且吸熱量會(huì)增流量將減小。當(dāng)a>0.54 時(shí)，空氣流量已不能滿足加選擇空氣反應(yīng)器的空氣入口溫度為400"C, 出反應(yīng)對(duì)氧量的需要，出現(xiàn)供氧量不足:另-方面,口溫度為1200C， 循環(huán)倍率為1.3， 燃料反應(yīng)器的a的增大，燃料反應(yīng)器剩余熱相應(yīng)增加，如圖7載氧體進(jìn)料溫度為1190"C， 出口溫度為600C,煤所示。.氣入口溫度為600"C,出口H2O+CO2溫度為600C.圖4為所需最小載氧體Fe2O3 質(zhì)量與還原比率變化空氣量的關(guān)系，隨著還原為PezO, 的比例增加，最小載氧體質(zhì)量會(huì)隨之增加。圖5為還原比率變化與空氣反應(yīng)器中空氣量的通流能力的關(guān)系，隨著還原為FezO4 的比例加大，1.01.14所能加熱到1200C 的空氣量減少。滿足載氧要求循環(huán)倍*c的最低空氣量也隨還原比率的增加而減小。圈6循環(huán)倍宰與空反應(yīng)器空氣的關(guān)系Flqg6 The change ot air tow to the dirculation ratio展2s r xI03.6還原比率B.6水煤比a團(tuán)4最小載氧體質(zhì)t與還康比率變化的關(guān)系剛余熱量關(guān)系Fig.4 The change of minimum oxygen carrier to the中國煤化工sed from fuel reactorredution ratioMYHCNMHGio174中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第24卷6結(jié)論[4] Brandvoll 0. Bolland 0. Inbertnt CO, capure using chrmialoopingcombustion in a natunl gas fired power cycle[AL Poeedings of ASME本文對(duì)采用間接燃燒(CLC)的新型煤氣化燃?xì)釺URBO EXPO 202C120 Anstedam, The Netetands, 200202蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的燃燒部分進(jìn)行了性能計(jì)算，得[5] Anheden M. Analysis of gas turbine systems for sustainable energy到了以下結(jié)論: .conversion[D] Department of Chemical Enginering and TechnologyEnergy Processes, Roye! Istite of Technology, Stockholmn, Sweden(1)煤氣中主要成分是CO、H2和CH,，CO的.2000.量最多，H2次之。與工業(yè)上加純氧或空氣作氧化劑6] Anheden M, Svedberg G. Exergy analysis of chimialooping時(shí)的氣化過程相比，計(jì)算結(jié)果表明CH,的含量增加cormbustion systems{Ih Enengy Convers. Mgmt, 1998,39(16-18);: 1967-1980.很多，可以達(dá)到10%以上，是否正確有待于試驗(yàn)研[7] Jin H, Okanoto T, lshida M. Developmeat of a novel chiaopingg究證實(shí)。combustion; Syonthesis of a Joping material wih a double metal oride of(2)還原比率對(duì)CLC性能的影響較明顯，當(dāng)還.CoO NiO[] Energy & Fuels 198.,12); 1272-1277.[8] Jjin H, Okamoto T, Ishida M, Development of a novel chenicalooping原比率小時(shí)，燃料反應(yīng)器吸熱，空氣反應(yīng)器內(nèi)會(huì)釋combustion; synthesis of a solbid loping malerial of NiONIAI:(), [J] Ind.放更多的熱量，有利于提高燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率和作Eng Cherm Res, 199(3); 126 132.功能力;當(dāng)還原比率大時(shí)，即Fe2O4 還原形式增多,[91 Jjin Hh, Ihida M. Reacvity study on a novel hydogen fueled cemical則燃料反應(yīng)器將會(huì)放熱，燃?xì)廨啓C(jī)作功能力下降，looping combusionOJ,Hydrogen Eneagy, 2001(26); 889-894.(10)]shida M, Jjin H. A ncw advanced power-generation syscm using但是燃料反應(yīng)器出口CO2 和水蒸汽的做功能力將提cheimialooping combustiom[]I. Enengy. 1944);4 415-422.高。[11]洪意，金紅光,劉龍等給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)分析研究J1.中(3)循環(huán)倍率對(duì)CLC的性能的影響明顯，循環(huán)國電機(jī)工程學(xué)報(bào)2003, 23(2); 144-148.Hong Hi, Jin Hongguang. Liu Zelong.et al Study on exergy倍率加大，則載氧體帶出空氣氧化反應(yīng)器的顯熱增evalution for feedwater beating combined cycle system[].加，空氣反應(yīng)器的作功能力減小，燃料反應(yīng)器的作Procedings of the CSEE, 2003, 23(2): 144-14功能力增加。[121 段立強(qiáng)，林汝謀，蔡睿賢，等整體煤氣聯(lián)合循環(huán)a