论文投稿_医学论文投稿_核心期刊,职称论文投稿发表_论文部落

　　摘要：近年来，褐煤提质技术的发展使得褐煤的高效利用成为可能。基于一种先进的褐煤干燥技术—内部废热利用流化床干燥(wirbelschicht-trocknungmitinternerabw.rmenutzung，WTA)，采用ASPENPlus软件及美国电力研究协会(electricpowerresearchinstitute，EPRI)的技术评价准则(technicalassessmentguide，TAG)，分别对烟煤整体煤气化联合循环(integratedgasificationcombinedcycle，IGCC)电站和褐煤IGCC电站进行技术经济性分析。详细介绍了WTA单元及燃气轮机变工况的建模方法。计算结果表明，引入WTA技术后，褐煤IGCC电站的发电效率比采用传统干燥方式时约提高4.6个百分点，整体性能与烟煤IGCC电站相差不大；而褐煤IGCC电站的发电成本比烟煤IGCC电站低24.4%。高效的褐煤干燥技术能显著提高褐煤IGCC电站的效率，而褐煤低廉的价格又对降低发电成本十分有利，褐煤很可能成为比烟煤更适合IGCC的燃料。

　　关键词：整体煤气化联合循环；褐煤干燥；燃气轮机变工况；ASPENplus；技术经济性分析

　　0、引言

　　褐煤是一种煤化程度低的煤炭资源，据第三次全国煤炭资源调查，我国已探明的褐煤保有储量为1.311.42亿t，约占煤炭总保有储量的13%。与烟煤、无烟煤相比，褐煤的开发利用还不够充分。目前，整体煤气化联合循环(integratedgasificationcombinedcycle，IGCC)系统的原料仍以烟煤为主，褐煤由于水分灰分高、热值低，还难以直接在IGCC普遍采用的大型喷流床气化炉(如Texaco、Shell等)中很好地气化，而能够较好地气化褐煤的固定床气化炉(如Lurgi炉)，单机容量较小，并不是最适合IGCC的气化技术。近年来，随着人们对褐煤提质技术的深入研究，有效合理地利用褐煤已经成为可能。

　　褐煤提质是指通过脱水、脱灰、低温热解等方法来改善褐煤的煤质，提质后的褐煤水分显著降低，发热量大幅度提高，不仅便于运输和储存，还有利于燃烧、气化等使用。褐煤提质是高效利用褐煤的关键。WeiglK等和KakarasE等对比了褐煤燃煤电站分别采用外部干燥(即褐煤预干燥)和内部烟气循环干燥时的系统性能，结果表明采用外部干燥能使整个褐煤电站的发电效率提高5个百分点左右。目前，我国的非蒸发脱水和成型提质技术尚不够成熟，褐煤提质以机械干燥、蒸发干燥为主。

　　但这2种干燥方法耗能较大，会导致电站热经济性变差。本文介绍了一种先进的褐煤干燥技术—内部废热利用流化床干燥(wirbelschicht-trocknungmitinternerabw.rmenutzung，WTA)，将该技术应用于褐煤的气化前处理，能有效提高褐煤IGCC系统的效率，进而改善褐煤IGCC系统的性能。

　　TzimasE等设计了分别基于烟煤和褐煤，以电和氢气为产品，带二氧化碳捕集的IGCC系统，但其研究重点为最适合该IGCC电站(产氢、带CCS)的烟煤和褐煤气化技术，并没有详细对比烟煤和褐煤用于IGCC的性能或经济性。ZhengL等曾对采用3种煤(烟煤、次烟煤、褐煤)和4种气化技术

(Texaco、Shell、BGL、KRW)的12个IGCC系统进行过性能对比，结果显示褐煤对气化技术的适应性好于烟煤和次烟煤，褐煤是比烟煤或次烟煤更适合IGCC的燃料。但该研究中没有说明在计算IGCC系统性能时是否考虑了褐煤干燥过程的耗能，且并未进行基于不同燃料IGCC电站的经济性对比。考虑到褐煤丰富的储量及低廉的价格，褐煤IGCC的发电成本有可能比烟煤IGCC低。与烟煤IGCC电站相比，采用先进干燥技术WTA的褐煤IGCC电站在性能和经济性上究竟有何优劣是本文要研究的问题。

　　本文设计了基于徐州烟煤和霍林河褐煤的2个IGCC系统，用ASPENPlus软件进行流程模拟，并采用美国电力研究协会(electricpowerresearchinstitute,EPRI)的技术评价准则(technicalassessmentguide，TAG)进行了经济性分析。文中详细介绍了WTA褐煤干燥技术和IGCC系统在ASPENplus中的实现，尤其是燃气轮机变工况模型；给出了清晰的TAG模型计算流程框图以及适用于我国情景的模型参数。对烟煤IGCC及褐煤IGCC的性能和经济性的对比结果对我国IGCC的燃料选择有一定的参考价值。

　　1、IGCC系统配置及煤质特性

　　本文设计的2套IGCC系统，均采用Shell气化炉和N2部分回注的独立空分单元，动力岛均由GE的MS9001FA燃机和1套三压再热余热锅炉及汽轮机组成，2套IGCC系统的燃料分别是徐州烟煤和霍林河褐煤，霍林河煤的水分和灰分明显高于徐州烟煤，发热量仅约为前者的1/2，但霍林河煤的价格比徐州烟煤要低得多。

　　2、IGCC单元及ASPENPlus模型

　　2.1流程模拟方法

　　用ASPENPlus软件对IGCC系统进行流程模拟的方法已被国内外研究者认可并广泛采用。Frey等早在上世纪90年代初就已开发出一套基于ASPENPlus的IGCC系统模型。ChaoChen的模型与Frey的基本相同。本文参考Frey的模型及美国国家能源技术实验室(nationalenergytechnologylibrary，NETL)的ShellIGCCBaseCases报告中的参数进行ShellIGCC系统的建模。系统中的关键流程参数见表2。下面介绍各主要单元，尤其是褐煤干燥单元和改烧合成气后燃气轮机变工况的建模方法。

　　2.2褐煤干燥单元

　　2.2.1IGCC系统中的原煤干燥

　　干燥是气化前的关键处理过程。Shell气化炉自带一套干燥系统，能够将原煤15%以下的含水量(如烟煤)干燥至5%~6%；而对于褐煤，则需在气化炉前再加一套干燥褐煤的预处理设备。本文引入先进的褐煤干燥技术WTA，经过WTA干燥后的霍林河褐煤水分将与徐州烟煤的水份相等(10%)。

　　2.2.2褐煤预处理技术-WTA

　　WTA是德国RWE公司开发的一种新型褐煤干燥处理技术，目前已有产量90.t干煤/h的示范装置在运行。

　　WTA的主体装置是内置换热器的流化床，经过预热的褐煤与低压蒸汽(300~400.kPa)在流化床中进行间接换热。从褐煤中蒸发出的水蒸气在除去煤灰后，绝大部分被再压缩至300~400.kPa，温度达到280.℃，用来加热流化床中的褐煤，剩余蒸汽作为流化煤粉用的介质进入流化床。过热蒸汽与褐煤换热后温度降至约90.℃，再进入湿煤预热器将进入流化床前的褐煤预热到65.70.℃。从流化床干燥器出来的褐煤经过冷却及研磨后粒径达到0~1.mm，即可直接在锅炉中燃烧。若是用于气化，则需研磨至粒径达到0~100..m。根据RWE公司的经验，所得干燥褐煤的含水量与流化床温度有关：床温越高，干燥褐煤的水分越低；但当床温高于114.℃后，干燥褐煤的水分基本不再变化，在5%左右。当将褐煤干燥至含水10%时，流化床的温度约保持在110.℃。

　　在以褐煤做燃料的火电站中，褐煤是由锅炉出口900~1.000.℃的烟气干燥的；在IGCC电站中，可用燃气轮机500~600.℃的排气干燥褐煤。而WTA技术利用蒸发的水分作为干燥褐煤的热源，水蒸气温度相对锅炉烟气和燃气轮机排气的温度低，干燥换热过程的.损更少。除此之外，WTA技术还将系统内部余热(蒸汽冷凝液的显热)用于预热褐煤，显著降低了干燥褐煤所需的能量。RWE的研究表明，将WTA技术应用于褐煤火电站后，系统发电效率从43%上升到47%。目前，已经有3座WTA装置在运行，RWE公司还有1座产量110.t干煤/h的WTA装置正在建设之中。本文将WTA技术引入褐煤IGCC中，解决了褐煤干燥耗能高的问题，能有效提高IGCC系统的发电效率，改善褐煤IGCC的性能。