《低热值燃气轮机合成气稀释燃烧技术研究及其应用》

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整体煤气化联合循环(Integrated gasification combined cycle,IGCC)是一种将煤炭等固体燃料气化产生的合成气用于燃气-蒸汽联合循环的发电技术。煤气化技术可有效降低粉尘、NOx和SOx排放,同时,燃气-蒸汽联合循环系统可分级利用合成气燃烧的热量,提高发电效率,因此IGCC具有清洁、高效的特点,是世界公认的洁净煤发电技术。

合成气的主要燃烧成分为H2和CO。为了维持燃气轮机稳定运行,防止富氢燃烧回火现象,降低NOx排放,华能(天津)煤气化发电有限公司IGCC电厂采用注水蒸汽稀释合成气的方式运行,这降低了蒸汽轮机的发电量并增加了额外的制水成本。该项目依托天津IGCC电厂,研究采用多种惰性气体以不同比例混合稀释合成气进行燃烧的新技术,系统级别分析注入混合惰性气体对燃气轮机燃烧稳定性及污染物排放的影响,从而帮助指导天津IGCC电厂进行相关改造和控制优化以提升其运行经济性。项目主要技术创新点为:

1.首次研究了不同比例混合N2、H2O、CO2作为合成气稀释气体对IGCC系统的效能与经济性的影响,提出利用空分系统富余氮气替代部分水蒸汽稀释合成气用于燃气轮机燃烧的方案,在满足燃气轮机的排放标准和燃烧稳定性的前提下,提升了IGCC电厂的经济性。

2.建立了一种高精度燃气-蒸汽联合循环热力平衡模型,并开发了相应的计算程序,解决了常规模块化热力平衡模型精确度欠佳的问题,为燃气轮机运行优化方案的制定奠定基础。

3.基于天津IGCC电厂高精度全流程实时动态仿真平台,建立稀释气体储存及输送系统模型,并研究其在电厂中连接方式、位置及容量大小,保证了优化方案的可行性,同时形成了针对天津IGCC电厂燃气轮机燃烧室高精度三维数值模拟方法,研究分析了混合惰性气体稀释合成气燃烧的稳定性和Nox排放,减少了现场试验的成本和风险。

该项目成果对支撑中国煤炭清洁高效利用具有重要的意义,整体技术达到国际先进水平。该项目获得国家发明专利2项授权,实用新型专利6项授权,发表EI期刊论文2篇,提出的利用空分系统富余氮气替代部分水蒸汽稀释合成气用于燃气轮机燃烧的方案通过了现场试验验证,并在天津IGCC电厂实现应用,应用结果表明等效总发电量提高了0.245%,减少用水2.03t/h,节支总额约为290万元/年。该项目所形成的热力平衡建模技术、高精度三维数值模拟技术以及研究方法可应用于各种燃气-蒸汽联合循环及相关清洁能源发电领域的系统及设备运行方式优化,推广及应用前景广泛。

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