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华中科技大学硕士学位论文基于Aspen plus的煤气化链式燃烧整体联合循环模拟研究姓名：张倩申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：柳朝晖2011-01-08华中科技大学硕士学位论文摘要人类活动产生温室气体CO2的最大来源是煤、石油和天然气等化石燃料燃烧，所以研究这些化石燃料的充分利用和CO2零排放对能源和环境都有着非常重要的意义。
本文以水煤浆为燃料，NiO/NiAl2O4为氧载体，基于Aspen plus软件对新型煤气化链式燃烧联合循环系统进行研究，实现燃煤发电的高效近零排放。
针对以水煤浆为燃料，氧载体为NiO/NiAl2O4，基于Aspen plus软件对新型煤气化链式燃烧联合循环系统按照模块化分析方法对其中的增压气流床水煤浆气化炉、CLC(化学链燃烧)、GT(燃气轮机)、HRST(余热锅炉)汽水循环分别建模研究。
分别讨论选取气化部分主要参数----气化压力和温度及水煤比，CLC部分主要参数----燃料反应器温度、最小载氧体的质量，由此得出各部分优化的运行条件和参数。
将上述煤气化、链式燃烧和联合循环三部分耦合后，实现了对该系统的整体模拟。
讨论分析了空气反应器温度、补燃温度、冷却空气率等关键参数对系统性能的影响规律。
伴随AR温度T AR的上升，系统效率下降(约0.76个百分点)，补燃率下降，烟气中CO2的捕集率上升，CO2的排放量减小（约80g/kWh）。
伴随补燃温度的上升，系统净效率上升，补燃率上升，CO2捕集率降低。
伴随冷却空气量的增大，系统的效率呈降低的势头，CO2排放量略有降低，大约1.7%。
在各部分优化的运行工况下，得到系统主要的性能技术指标。
结果表明得系统净效率达到39.9%LHV，CO2捕集率为93.2%，CO2排放量为132.7 g/kWh。
与氧载体为Fe2O3/MgAl2O4时的系统、超超临界系统、IGCC系统相应参数进行对比，化学链燃烧联合循环系统在CO2捕集方面有着巨大的优越性，效率也较高。
复合赤铁矿和铜矿石载氧体在化学链燃烧中的循环反应性能研究苗桢武;沈来宏;赵海波【期刊名称】《发电技术》【年(卷),期】2022(43)4【摘要】单一天然矿石载氧体(oxygen carrier,OC)由于存在反应活性差且循环稳定性低的问题,限制了其在工业上的应用。
针对喷雾干燥造粒法制备的复合赤铁矿和铜矿石OC,在流化床热重分析仪(fluidized bed thermogravimetric analyzer, FB-TGA)上对其进行了长期化学链燃烧(chemical looping combustion,CLC)循环测试。
结果表明:新鲜OC颗粒表面存在部分富集的细微颗粒,较大的机械应力导致OC在流化初期磨损率较高,流化6 min后颗粒磨损率稳定在0.28%/h。
在氧化还原循环反应过程中,OC受到化学应力和热应力的作用,机械强度降低,颗粒磨损和烧结加剧。
此外,颗粒烧结抑制了氧化阶段的进行,导致OC被深度还原至更低价态,从而促进了颗粒团聚并最终完全失流。
因此,降低载氧率和在燃料反应器中的停留时间有利于OC在工业上的安全运行。
【总页数】10页(P574-583)【作者】苗桢武;沈来宏;赵海波【作者单位】东南大学能源与环境学院;煤燃烧国家重点实验室(华中科技大学)【正文语种】中文【中图分类】TK16【相关文献】1.化学链燃烧反应中LaFe1-xCoxO3载氧体的性能研究2.煤化学链燃烧中CaSO4/膨润土复合载氧体的反应特性3.基于钾基修饰铁矿石载氧体的煤化学链燃烧循环实验4.一种铜铁铝复合载氧体化学链燃烧性能5.化学链燃烧铜基载氧体前驱体煅烧反应热力学研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
整体煤气化联合循环发电系统基本工艺过程整体煤气化联合循环发电系统（IGCC：Integrated Gasification Combined Cycle）是一种先进的洁净煤发电技术。
这项技术通过煤气化产生合成气（主要为一氧化碳和氢气），再利用这些气体推动燃气轮机和蒸汽轮机联合发电。
IGCC不仅效率高，而且排放低，尤其是硫、氮和颗粒物的排放远低于传统的燃煤电厂。
以下是IGCC系统的基本工艺过程的详细描述。
1. 煤的预处理首先，原煤经过破碎和筛分，去除其中的石块、金属等杂质，得到适当粒度的煤粉。
预处理还包括可能的煤干燥过程，以降低煤中的水分含量，提高后续气化过程的效率。
此外，为了提高气化效率和减少气化炉的结渣，有些IGCC电厂还会对煤进行预处理，如添加助熔剂或进行部分氧化。
2. 煤气化预处理后的煤粉与气化剂（通常是氧气、二氧化碳或水蒸气的混合物）在气化炉中高温（通常超过1300℃）下进行气化反应。
在气化过程中，煤中的碳与气化剂反应生成一氧化碳、氢气和少量甲烷等可燃气体，这些气体被称为合成气或煤气。
气化炉内还会产生一些熔渣，这些渣通过炉底的排渣系统排出。
3. 煤气净化从气化炉出来的粗煤气含有飞灰、未反应完全的碳、硫化物、氯化物等杂质。
这些杂质不仅影响后续燃气轮机的运行，还可能造成环境污染。
因此，需要对粗煤气进行净化处理。
净化过程通常包括除尘、脱硫、脱氯和可能的碳氢化合物调整等步骤。
净化后的煤气应满足燃气轮机对气体燃料的要求。
4. 燃气轮机发电净化后的煤气进入燃气轮机燃烧室，与压缩空气混合并燃烧，产生高温高压的燃气。
这些燃气推动燃气轮机的涡轮叶片旋转，进而带动发电机发电。
燃气轮机发电是IGCC系统中的第一个发电环节，其效率通常较高。
5. 余热回收与蒸汽轮机发电燃气轮机排出的烟气温度仍然很高，为了充分利用这部分热量，IGCC系统通常配备有余热回收装置，如余热锅炉。
在余热锅炉中，烟气将热量传递给水，产生高温高压的蒸汽。
第47卷第9期热力发电V ol.47 No.9基于Aspen Plus的煤炭空气部分气化联合循环发电系统模拟叶超1，王勤辉1，俞利锋2，方梦祥1，唐健2，骆仲泱1（1.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江杭州310027；2.华电国际电力股份有限公司浙江分公司，浙江杭州310016）［摘要］煤炭空气部分气化联合循环发电技术采用循环流化床反应器作为气化炉和燃烧炉，煤由给料装置送入气化炉中与空气发生反应，产生燃气然后送入燃气轮机中发电；反应剩余的半焦则送入循环流化床燃烧炉中燃烧发电。
本文采用甘肃华亭煤为设计煤种，利用Aspen Plus软件对煤炭空气部分气化联合循环发电技术进行模拟研究，得出了空气煤比、碳转化率对气化温度、燃气组分、燃气热值、气化效率、发电效率等因素的影响。
结果表明：随着空气煤比的增大，气化温度升高，燃气热值、发电效率及气化效率降低；随着碳转化率增大，燃气的热值提高，气化效率及发电效率均增加；系统发电效率随着碳转化率增加而增加，然而当碳转化率大于80%时，发电效率的增加幅度大幅减小，因此将碳转化率选为80%较为合适，此时的发电效率约为57%，这相较于现有的煤粉燃烧发电系统有极大的提高。
［关键词］煤炭；部分气化；联合循环发电；循环流化床；Aspen Plus［中图分类号］TQ523.6 ［文献标识码］A ［DOI编号］10.19666/j.rlfd.201711129［引用本文格式］叶超, 王勤辉, 俞利锋, 等. 基于Aspen Plus的煤炭空气部分气化联合循环发电系统模拟[J]. 热力发电, 2018, 47(9): 63-68. YE Chao, WANG Qinhui, YU Lifeng, et al. Simulation of combined-cycle power system of coal/air partial gasification based on Aspen Plus[J]. Thermal Power Generation, 2018, 47(9): 63-68.Simulation of combined-cycle power system of coal/air partial gasificationbased on Aspen PlusYE Chao1, WANG Qinhui1, YU Lifeng2, FANG Mengxiang1, TANG Jian2, LUO Zhongyang1(1. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Huadian Power International Corporation Limited Zhejiang Branch, Hangzhou 310016, China)Abstract: Combined-cycle power generation technology of coal/air partial gasification uses the circulating fluidized bed (CFB) reactor as a gasifier and a combustion furnace. Coal is fed into the gasifier by the feed device and reacts with the air to produce gas which is then sent to the gas turbine for power generation. And the remaining semicoke is then fed to the circulating fluidized bed combustion furnace for combustion and power generation. This study uses Gansu Huating coal as design coal. And a simulation study on combined-cycle power generation technology of coal/air partial gasification is conducted by using Aspen Plus. The effects of air-coal ratio, carbon conversion rate on factors such as gasification temperature, gas composition, gas calorific value, gasification efficiency and power generation efficiency are studied. The results show that, when the air-coal ratio increases, gasification temperature increases and the gas calorific value, power generation efficiency and gasification efficiency decreases. Both the gasification efficiency and power generation efficiency increases when the carbon 收稿日期：2017-11-10基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFE0102500-05)Supported by：National Key Research and Development Program(2016YFE0102500-05)第一作者简介：叶超(1991—)，男，主要研究方向为固体燃料转化技术，11327071@。
整体煤气化联合循环(IGCC)现状及发展趋势供稿人：宋鸿供稿时间：2009-12-23 关键字：整体煤气化联合循环(IGCC) 现状发展趋势一、IGCC行业发展概况整体煤气化联合循环(Integrated gasification combined cycle，IGCC)是指将煤炭、生物质、石油焦、重渣油等多种含碳燃料进行气化，将得到的合成气净化后与高效的联合循环相结合的先进动力系统。
这种系统不仅可以符合2005-2010年日益严格的脱硫脱硝除尘要求，而且可以符合2010-2020年排上日程的微颗粒（PM10、PM2.5）和金属元素（如汞）的排放要求，同时也克服了天然气供应不足和价格昂贵的问题，并具有延伸产业链，发展循环经济的技术优势。
从系统构成及设备制造的角度来看，这种系统继承和发展了当前热力发电系统几乎所有技术，代表21世纪洁净煤发电技术的发展方向。
IGCC的研发始于二十世纪七十年代初，1972年在西德Lǔnen 的Kellerman电厂建立了第一座IGCC装置，但世界上真正试运成功的第一座IGCC电站是1984年启动的美国加州Cool Water 电站。
Cool Water电站成功地验证了IGCC技术的可行性，跨过了原理概念性开拓验证阶段，使IGCC从此转上了较为稳健、有效的开发阶段。
之后，美国、英国、荷兰、西班牙、德国、日本、印度等国纷纷建起了IGCC商用化示范电站，其中最受关注的是美国的Wabash River（1995）、Free town（1995）、Tampa（1996）和Pinon Pine电站（1996），以及欧洲荷兰的Buggenum电站（1994）、西班牙的Puertollano电站（1998）等。
它们多已并入电网作商用化示范运行，证明能够实现有害物质零排放、利于环境保护（污染物排放量仅为常规燃煤电站的1/10，脱硫效率达99%，氮氧化物排放只有常规电站的15%-20%，耗水只有常规电站的1/2-1/3），净效率可达43%以上（高于超临界参数燃煤发电机组在同样净化要求下的最高水平），运行可靠性良好，其建设投资和运行成本基本上已具备竞争力。
一、地下煤气化技术煤炭地下气化(简称UCG)是开采煤炭的一种新工艺。
其特点是将埋藏在地下的煤炭直接变为煤气，通过管道把煤气供给工厂、电厂等各类用户，使现有矿井的地下作业改为采气作业。
其实质是将传统的物理开采方法变为化学开采方法。
煤炭地下气化技术(UCG)作为一种开采地下煤炭资源的新技术，较传统物理井工开采有明显的优点。
不仅可以回收矿井遗弃煤炭资源，而且还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层；地下气化燃烧后的灰渣留在地下，减少了地表下沉，无固体物质排放，煤气可以集中净化，大大减少了煤炭开采和使用过程中对环境的破坏。
地下气化煤气不仅可作为燃气直接民用和发电，而且还可用于提取纯氢作为合成液体燃料和化工原料的原料气。
因此，煤炭地下气化技术具有较好的经济效益和环境效益，可大大提高煤炭资源的利用率和利用水平，是我国煤炭绿色开采技术的重要研究和发展方向。
1、煤炭地下气化原理煤炭地下气化工艺可用图1简单描述：图1 煤炭地下气化原理(俯视图)1—鼓风巷道；2—排气巷道；3—灰渣；4—燃烧工作面；Ⅰ—氧化带；Ⅱ—还原带；Ⅲ，Ⅳ—干馏干燥带首先从地表沿煤层开掘两条倾斜的巷道1和2，然后在煤层中靠下部用一条水平巷道将两条倾斜巷道连接起来，被巷道所包围的整个煤体，就是将要气化的区域，称为气化盘区，亦称地下发生炉。
最初，在水平巷道中用可燃物将煤引燃，并在该巷形成燃烧工作面。
这时从鼓风巷道1吹入空气，在燃烧工作面与煤产生一系列的化学反应后，生成的煤气从另一条倾斜的巷道即排气巷道2输出地面。
这种有气流通过的气化工作面被称为气化通道，整个气化通道因反应温度不同，一般分为气化带、还原带和干馏干燥带。
(1)气化带亦称氧化区，在气化通道的起始段长度内，煤中的碳与气化剂中的氧发生多相化学反应，同时产生大量热能，温度迅速升高至1200~1400℃，致使附近煤层炽热和蓄热。
煤炭的完全气化和联合循环发电
Hope,T;苏念慈
【期刊名称】《国外煤气》
【年(卷),期】1989(000)001
【总页数】9页(P47-54,12)
【作者】Hope,T;苏念慈
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TM611.31
【相关文献】
1.世界煤炭气化联合循环发电动向 [J], 崔翔远
2.煤炭地下气化联合循环发电系统及煤气热值的调配方法 [J], 李文军;梁丽彤;李强
3.两种清洁的燃煤发电工艺：增压流化床燃烧联合循环发电和煤气化联合循环发电[J], 钱笑公
4.基于Aspen Plus的煤炭空气部分气化联合循环发电系统模拟 [J], 叶超;王勤辉;俞利锋;方梦祥;唐健;骆仲泱
5.整体煤炭气化燃气-蒸汽联合循环发电(IGCC) [J],
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第27卷第29期中国电机工程学报V ol.27 No.29 Oct. 20072007年10月Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 29-0028-06 中图分类号：TQ546 文献标识码：A 学科分类号：480⋅70两种煤气化工艺下Ni基载氧体链式燃烧联合循环性能模拟向文国1，牟建茂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，江苏省南京市 210096；2．四川电力职业技术学院动力工程系，四川省成都市 610072)Performance Simulation of Ni-Based Chemical Looping Combustion CombinedCycle With Different Gasification ProcessesXIANG Wen-guo1, MOU Jian-mao1, Di Teng-teng2(1. Education Ministry Key Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology, Southeast University,Nanjing 210096, Jiangsu Province, China; 2. Departnent of Power Engineering, Sichun Electric V ocational andtechnical College, Chengdu 610072, Sichuan Province, China)ABSTRACT: Chemical looping combustion (CLC) is a combustion technology with inherent separation of the greenhouse gas CO2. An integrate gasification combined cycle with CLC using Ni/NiO/NiAl2O4 as the oxygen carrier is proposed and simulated. Two gasification processes, i.e. pipe- typed gasification and Texaco gasification, are included. The effects of the two gasification processes on the combined cycle system performance are compared and analyzed. Assuming the air reactor temperature at 1200℃, the turbine inlet temperature (TIT) after supplementary firing at 1350℃, the system efficiencies of pipe-typed gasification and Texaco gasification are 44.36% and 41.81% respectively. When the temperature of air reactor increases from 1000 ℃ to 1200 ℃, the CO2 emission decreases from 174g/(kW⋅h) to 75g/(kW⋅h) with pipe-typed gasification and from 260g/(kW⋅h) to 133g/(kW⋅h) with Texaco gasification. When the TIT increases from 1 300 ℃to 1 500℃, the system efficiency increases from 43.96% to 45.53% with pipe-typed gasification and from 41.14% to 42.9% with Texaco gasification. There is an optimal compression ratio under different supplementary firing temperature.KEY WORDS: chemical looping combustion; gasification; CO2 separation; combined cycle摘要：化学链燃烧能在能量释放的同时有效分离CO2。
该文基金项目：国家自然科学基金项目(50176010，90410009)；国家重点基础研究发展规划基金项目(2007CB210101)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China(50176010，90410009); Project Subsidized by the Special Funds for Major State Basic Research Projects of China (2007CB210101). 用ASPEN PLUS软件对Ni/NiO/NiAl2O4作载氧体的整体煤气化链式燃烧联合循环系统进行了模拟，研究了管式气化方式和德士古(Texaco)气化方式对联合循环系统性能的影响，并对2种气化系统进行了比较。
模拟结果表明，空气反应器温度1200℃，补燃后透平进口温度1350℃，管式气化系统效率为44.36%，德士古气化系统效率为41.81%；空气反应器温度从1000 ℃升高到1200℃，管式气化系统CO2减排量从174g/(kW⋅h)减少到75 g/(kW⋅h)，德士古气化系统CO2减排量从260g/(kW⋅h)减少到133 g/(kW⋅h)；补燃后透平进口温度从1 300 ℃升高到1500℃，管式气化系统效率从43.96%提高到45.53%，德士古气化系统效率从41.14%提高到42.9%；在一定的透平进口温度下，存在最佳压气机压缩比。
关键词：化学链式燃烧；气化；CO2分离；联合循环0 引言二氧化碳是最大的温室气体，减少燃烧过程中CO2的排放已成为研究热点。
常规火电技术中，空气与煤直接燃烧，烟气中CO2只占10%~20%，CO2的后续处理成本太高。
燃烧过程中生成高浓度的CO2或便于CO2分离的气相混合物(如H2O+CO2)，同时消除其他污染物的生成排放(如NO x、SO x及Hg等)，是一条有效的途径。
纯氧燃烧得到普遍认可，但制取纯氧需消耗大量的功耗，对于发电厂来说，其消耗的电力占厂用电的10%以上，限制了此技术的应用。
在燃料燃烧之前，进行脱碳处理，可以消除CO2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第29期向文国等：两种煤气化工艺下Ni基载氧体链式燃烧联合循环性能模拟 29排放，但是需要开发出高效低成本的CO2、H2分离膜等相关技术。
化学链燃烧(chemical looping combustion，CLC)技术，如图1所示，燃料不直接与空气接触，以金属氧化物(如NiO)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CO2和H2O(汽)，凝结出水，得到高纯CO2。
化学链燃烧过程中CO2不会被空气中的N2稀释，没有能量损失，实现CO2分离。
此外，CLC还能够避免NO x 的生成：一方面，空气与燃料不直接接触避免了燃料型NO x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，当反应器温度不高于1200℃时，不会产生温度型NO x。
两个反应器的总反应是燃料与氧气之间的燃烧反应。
空气燃料图1化学链燃烧示意图Fig. 1 Scheme of chemical looping combustion国外，Lyngfelt[1-3]等以CH4为燃料，以Fe2O3和NiO作载氧体，对CLC燃烧锅炉进行概念设计，研究了该金属氧化物的反应特性；Anheden[4]对以煤气化合成气为燃料的CLC进行了初步研究；Johansson[5]等人搭建了功率为100 W的CLC实验装置，对CLC系统进行了研究；Corblla[6]等对以氧化钛附载氧化铁为氧载体的CLC进行了研究；Diego[7]等在功率10 kW⋅h，以CuO-Al2O3为氧载体的CLC反应器上进行了200h的燃烧实验。
国内，金红光[8-9]等研究了多种气体燃料的CLC燃烧机理，分析研究了相关联合循环的热力性能；郑瑛[10]等研究了以CaSO4为载氧体的CLC技术；向文国[11-13]等对CLC相关的燃烧性能进行了仿真计算并对铁法链式反应器煤基氢电联产系统性能进行模拟；段立强[14-15]、邓世敏[16]等对整体煤气化联合循环系统特性进行了研究。
但CLC技术与煤气化联合循环技术结合的系统研究报道较少，本文基于能量的梯级利用与CLC技术，用Ni/NiO/NiAl2O4 (YSZ)作载氧体，构建煤气化链式燃烧联合循环，研究该系统的技术性能和CO2排放性能。
1 2种气化工艺下的链式燃烧联合循环图2所示为埋管式煤气化链式燃烧联合循环系统流程图。
系统主要由以下5部分组成：水煤浆增压管式气化、CLC装置、燃气轮机、余热回收和CO2压缩分离。
煤粉与适当比例的水和CaCO3混合制成水煤浆，经升压进入埋在空气反应器(AR)里的管式气化反应器，产生的粗煤气经高温除尘，净化后的煤气进入燃料反应器(FR)，载氧体被还原，FR 出口高温烟气(主要成分CO2和H2O)进入烟气透平做功，再通过烟气余热锅炉回收余热产生蒸汽。
从烟气余热锅炉出来的烟气经过冷却、压缩、冷凝、分离水后，得到液态二氧化碳。
空气压缩后进入AR，载氧体再生，失去部分氧气的高温欠氧空气，经补燃进一步升温，进入燃气透平做功，再通过燃气余热锅炉回收余热，最后排入大气；2台余热锅炉产生的蒸汽进入汽轮机做功。
2O Ni/NiO载体水煤浆煤气图2 埋管式煤气化链式燃烧联合循环系统Fig. 2 Chemical looping combustion combined cyclebased on pipe-typed gasification图2所示的煤气化链式燃烧联合循环系统中，采用了管式煤气化、高温除尘等工艺，就目前的技术水平，实现尚有困难，但不影响本文探讨该系统的技术性能。
