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。 【关键词】：链式燃烧(Chemical-looping Combustion: CLC) 联合循环 流化床 二氧化碳分离
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TK229
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-19
• 1.1 引言8-10
• 1.2 CO_2 分离回收技术研究进展10-13
• 1.2.1 传统分离技术用于CO_2 回收10-12
• 1.2.2 IGCC 系统回收CO_212-13
• 1.3 CO_2 储存利用技术13-14
• 1.4 链式燃烧系统的研究现状14-18
• 1.4.1 链式燃烧14-15
• 1.4.2 链式燃烧相关研究15-16
• 1.4.3 载氧体的选择16-17
• 1.4.4 反应器设计17-18
• 1.5 本文的研究目的和主要研究内容18-19
• 第二章 新型煤气化链式燃烧联合循环（GCLC-CC）系统研究19-46
• 2.1 GCLC-CC 系统概述19-21
• 2.2 系统结构与建模21-28
• 2.2.1 水煤浆增压气化21-22
• 2.2.2 燃气轮机（包含CLC 反应器）22-23
• 2.2.3 余热锅炉及汽水循环23-25
• 2.2.4 二氧化碳分离压缩25
• 2.2.5 系统设计计算25-28
• 2.3 系统各部分性能研究28-37
• 2.3.1 水煤浆增压气化部分参数优化选取及气化结果28-31
• 2.3.2 CLC 反应器（AR 和FR）性能研究及参数优化选取31-33
• 2.3.3 燃气轮机33-34
• 2.3.4 余热锅炉及汽水循环34-36
• 2.3.5 CO_2 的分离和压缩36-37
• 2.4 结果及讨论37-46
• 2.4.1 系统主要计算条件与假设37-38
• 2.4.2 空气反应器出口温度T_(AR) 对系统的影响38-39
• 2.4.3 GT1 补燃温度T_(SF) 对系统性能的影响39-41
• 2.4.4 考虑透平冷却的影响41-44
• 2.4.5 载氧体循环质量的影响44
• 2.4.6 压比（PR）的影响44-46
• 第三章 整体煤气化链式燃烧联合循环（CLC-IGCC）系统研究46-63
• 3.1 系统概述46-49
• 3.1.1 空分过程47-48
• 3.1.2 气化过程48-49
• 3.2 系统模拟计算49-53
• 3.2.1 德士古增压气化49-51
• 3.2.2 CLC 反应器（AR 和FR）性能研究及参数优化选取51-52
• 3.2.3 系统其它部分52-53
• 3.3 结果及讨论53-63
• 3.3.1 系统主要计算条件与假设53-54
• 3.3.2 空气反应器出口温度T_(AR)对系统的影响54-55
• 3.3.3 GT1 补燃温度T_(SF)对系统性能的影响55-57
• 3.3.4 考虑透平冷却的影响57-60
• 3.3.5 载氧体循环质量的影响60-61
• 3.3.6 压比（PR）的影响61
• 3.3.7 制氧耗功的影响61-62
• 3.3.8 改进系统性能的其它方法讨论62-63
• 第四章 煤气化链式燃烧蒸汽循环（GCLC-RC）系统研究63-68
• 4.1 系统概述63-64
• 4.2 模拟计算64-65
• 4.3 结果及讨论65-68
• 4.3.1 系统主要计算条件与假设65-66
• 4.3.2 空气反应器出口温度T_(AR)的影响66-67
• 4.3.3 过量空气系数的影响67-68
• 第五章 结论及展望68-71
• 5.1 结论68-69
• 5.2 展望69-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-80
• 攻读硕士学位期间发表论文目录80

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