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煤气化链式燃烧联合循环系统性能研究

【摘要】: 大气“温室效应”是全球环境问题中亟待解决的问题之一,二氧化碳(CO_2)是诸多潜在的温室气体中影响最大的因素,因此,减排CO_2已经成为今后可持续发展的研究热点。燃用化石燃料对CO_2贡献特殊,因而实现化石燃料的高效零排放对化石能源利用意义重大。本课题研究以煤为燃料,通过气化、链式燃烧(CLC)、联合循环等技术,实现燃煤发电的高效近零排放。 链式燃烧通过载氧体(MeO)循环,将燃烧过程分为两个独立的过程,即载氧体(MeO)与燃料的“燃烧”(载氧体被还原为Me)和载氧体(Me)与空气的“燃烧”(载氧体再生为MeO),气相产物有两股,即CO_2和水蒸气以及欠氧空气,实现CO_2的分离。本课题将链式燃烧与煤气化、流化床和联合循环等技术结合,组成新系统,实现燃煤高效近零排放,研究三个系统:1)新型煤气化链式燃烧联合循环(GCLC-CC)系统。采用水煤浆管式气化,气化管埋设在空气反应器(AR)中。水煤浆吸热气化产生的煤气除尘后作为燃料反应器(FR)燃料。燃气轮机出口高压空气进入AR,与载氧体“燃烧”消耗部分氧气后,高温高压欠氧空气进入燃气透平做功,然后被余热锅炉利用产生蒸汽完成蒸汽循环,最后排入大气。FR中,载氧体与煤气“燃烧”,出口烟气(主要是CO_2和水)经透平做功和余热利用后被逐级压缩冷却凝结出水分离得到较纯净的CO_2。2)整体煤气化链式燃烧联合循环(CLC-IGCC)系统。将常规IGCC系统的燃烧室用CLC反应器代替,考虑CO_2的分离。3)煤气化链式燃烧蒸汽循环(GCLC-RC)系统。将CLC设计成循环流化床(CFB)锅炉和鼓泡流化床,所有热量用于产生蒸汽,进入汽轮机作功,并考虑CO_2的分离。对上述三个系统中主要参数(气化部分参数-水煤比及气化压力和温度,CLC部分参数—AR出口温度、补燃器出口温度、载氧体的循环质量,燃气循环部分参数—透平进口温度、压比、冷却空气率等)对系统性能的影响进行研究。采用模块化分析法把系统分为几个子系统:煤气化子系统、CLC子系统、燃气循环子系统、蒸汽循环子系统以及CO_2回收子系统,再把子系统分成若干模块,如CLC模块、气化管(炉)模块、压缩机模块、燃气透平模块、余热锅炉模块、汽轮机模块,运用Aspen软件中模型搭建系统流程进行计算。各模块计算遵循能量平衡、质量平衡以及化学平衡原理。 结果表明GCLC-CC系统净效率可达44.3%(LHV),CO_2回收率90.1%,其排放量为72.37 gCO_2/kWh。采取补燃,系统净效率升高,但CO_2回收率下降。采用德士古气化工艺的CLC-IGCC系统净效率为41.55%,CO_2回收率为82.72%,CO_2排放量为125.77 gCO_2/kWh。而对于GCLC-RC净效率仅32.69 %,CO_2可接近零排放。GCLC-CC系统性能优越,但是埋管气化工艺近期难于实现,CLC-IGCC系统的相对可行。 与传统煤电与尾气分离CO_2方法相比,CLC煤气化联合循环系统净效率高,CO_2排放量小。基于煤气化的CLC发电技术有望成为新一代燃煤动力系统。

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