本文是一篇工程硕士论文，本文首先对华能天津IGCC电厂进行分析，利用Aspen Plus软件针对IGCC系统的三个子系统分别建模分析。
第1章 绪论
1.1 研究背景
我国是一个“多煤、少油、缺气”的国家。截至2017年底，我国现探明煤炭储量1388.19亿吨，占世界总量的13.4%，位于世界第四位[1]。同时，煤炭也是我国重要的一次能源。2020年全年我国煤炭生产总量占全年一次能源生产总量的67.6%，我国煤炭消费量占全年一次能源消费总量的56.8%[2]。受我国能源结构和能源生产现状影响，我国形成了以煤炭为中心的能源格局。尽管我国能源中长期发展战略研究预测2050年煤炭消费将下降至35%，但煤炭基数大、需求大，在未来一段时间仍然是我国重要的能源来源[3]。
近几年我国大力发展和推广风力发电、光伏发电等清洁发电技术，但火力发电依旧是发电行业的主力军。根据中国2021年发电机装机量的统计年鉴，如表 1-1。近5年，发电机装机容量逐年增加，火电发电机装机容量均占50%以上。截至2020年，火电发电机装机容量124624万千瓦时，占全年发电机装机容量的56.6%，相较2019年降低2.5%[2]。2020年，我国共消耗煤炭401915万吨，其中用于火力发电210159万吨，一半的煤炭都用于发电。煤粉燃烧发电会产生粉尘、NOx、CO2等有害物质。工业排放中，83%的CO2、67%的颗粒污染物、70%的NOx都是来自于煤粉燃烧[4]。
1.2 IGCC系统的发展概况
煤炭价格便宜，煤炭燃烧的后产生的污染物较多，如粉尘、NOx、硫化物等。开发清洁、高效的煤炭利用技术一直是各国政府与相关行业人士共同努力的方向。IGCC发电技术则是当今最引人注目的高效、清洁的发电技术之一。自上世纪60年代，对于IGCC发电技术的探索就没有停止。
1.2.1 国外IGCC研究现状
20世纪60-70年代，国外开始对IGCC发电技术进行探索。1972年德国投产使用第一座IGCC电站，采用增压型锅炉燃机-蒸汽联合循环，发电效率为34%，由于Lurgi气化炉的粗煤气含有较多的焦油和酚类物质而暂停运行[14]。1984年美国建成100MW的Cool Water电厂，这是世界第一座成功运行的IGCC电厂，验证IGCC发电技术的可行性，为90年代IGCC技术蓬勃发展奠定了基础。90年代，美国、荷兰、西班牙分别建设投产4座250MW以上的IGCC电站[15]。至今，全球范围内已经建成30座IGCC电厂，其中最具代表性的是美国Tampa电厂、Wash River电厂、西班牙Purtollano电厂、荷兰Nuon Buggenum电厂和日本勿来电厂[16, 17]。前4个电厂主要建成于90年代，日本的IGCC电厂建成于2008年。目前IGCC技术形成以美国、日本、欧盟为核心的技术供应商，掌握煤气化、燃气轮机等核心技术。
IGCC发电技术作为最清洁、最高效的发电技术得到了各个国家的青睐和支持。美国看好IGCC技术的未来，始终关注着IGCC技术的发展，将其视为国家能源可持续发展战略的重要内容，总共投资6个IGCC项目，总资金投入8.8亿美元。1996年，在美国能源部支持下，Tampa电厂建成。设计发电功率313MW，采用的是2000 t/d的德士古（Tecaco）气化炉、7FA型的燃气轮机，电厂综合运行效率为39%[18]。Wash River电厂也是有美国能源部支持建设的，设计功率为297MW，采用的是2500 t/d的E-GAS气化炉，采用的是石油焦和煤混合发电。进入2000年，美国部署了新一轮的清洁煤发展计划，其中大力支持与IGCC系统相关的技术发展，如CO2的分离存储技术、IGCC复合多联产系统等[19]。氢能源加州项目采用25%石焦油、75%煤粉混合的IGCC和氢气多联产工艺，发电功率300MW。美国近几年计划建设燃料电池负荷循环IGCC电厂，达到近零排放[20]。
第2章 研究方法
2.1 Aspen Plus模拟软件
Aspen Plus是一个通用的流程模拟软件，中文被称为“先进的工程过程系统”（ASPEN，Advanced System for Process Engineering），主要用于模拟生产工艺的设计、稳态工况的模拟及优化。该系统是麻省理工学院开发的第三代化工流程模拟系统。次年，麻省理工学院将该软件转为商用软件，并成立Aspen Tech公司专门运营该软件。Aspen Plus软件经过40年的优化、改进和扩充，现已得到全球相关领域专家学者的广泛认可。目前，该软件也成为石化工领域中不可或缺的流程仿真、工艺优化软件[53]。
Aspen Plus 可以完全覆盖整个工业设计周期。在Aspen Plus软件平台上，利用设备模型进行严格能量和质量的平衡计算，可预测出口流股的流率、组成和性质、各个设备模型的操作工况；实时比较设计方案，合理优化设计路径，根据设备运行工况参数，选择合适的设备型号和尺寸，减少设备选型、设计的时间；优化生产工艺，向实际生产靠拢，可以不断优化调整模型的工艺生产流程与实验数据相互验证。
Aspen Plus具有以下特点：1.内置强大且完善的物性数据系统。可靠的模拟结果需要依靠丰富、准确的物性数据和物性模型。Aspen Plus平台内置了一套完整的物性模型，这套模型是基于状态方程和活度系数建立的。此外，平台包含6000多种纯组分物质的物性数据、多个固体物质、电解质的数据库，同时用户自定义的物性参数也可以参加计算。2.系列产品多，集成能力强。针对不同用途可选择不同的Aspen Technology系列产品计算模拟，并且这些产品都是以Aspen Plus物性模型为基础开发，各个产品之间具有相同的物性参数，可以相互转换。3.具有丰富的单元模型。
2.2 Fluent模拟软件
两段式煤粉气化炉内的反应是气-固-液三相传质、传热反应，直接搭建实验台研究室最直接有效的方式，但是实验研究成本高、研究周期长；数值模拟可以更直观的模拟气化炉内的湍流流动、反应特性。本文采用Ansys Fluent软件对两段式煤粉气化炉模拟研究，针对气化炉内的流动、传热、颗粒运动都选用合适的模型，相互耦合，提高计算精度。
2.2.1 模型选择
1. 湍流流动模型
气化炉内的流体流动比较复杂，此时选用连续介质假设。气化炉内部流动是湍流流动，采用纳维-斯托克斯方程描述流体运动过程。求解N-S方程主要有直接数值模拟法（Direct numerical simulation，DNS）、大涡模拟法（Large eddy simulation，LES）和雷诺平均模拟法（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations，RANS）。DNS法直接求解流体流动方程，模拟每一个瞬态每一个网格的全部细节，计算缓慢，适合小尺度模拟。LES法利用滤波函数处理控制方程后，对大尺度涡采用直接数值模拟，小尺度涡采用各向同性，一定程度降低了对计算量的要求，但针对工业大型设备计算依然缓慢。在实际工程模拟计算中，主要采用RANS方法，对流体控制方程统计求平均后对其平均量进行求解。降低了求解的精度，但加快了求解速度，满足工业模拟需求，RANS方法为两相流动模拟和优化提供了帮助。
目前常用的RANS湍流模型有k-ε双方程模型。标准的k-ε模型是最常见的湍流模型，但对于有较大压力梯度等复杂流动模拟效果不佳，主要是ε方程精度不够。RNG k-ε模型对标准k-ε模型进行了修正，收到涡旋粘性各向同性，在计算旋流问题时，精度提高。Realizable k-ε模型在标准的k-ε模型基础上增加了湍流粘性公式，对于射流问题能够更好地模拟。考虑计算收敛速度和计算目的，气化炉湍流模型选用标准的k-ε模型。
第3章 IGCC仿真系统搭建 .................................... 21
3.1 空分系统搭建及验证 ........................ 21
3.1.1 空分系统入口参数设计 ................................. 21
3.1.2 空分系统模型搭建 ....................................... 22
第4章 两段式煤粉气化炉建模分析 ......................... 38
4.1 气化炉假设与简化 .................................... 38
4.2 气化炉数学模型 ............................................ 39
第5章 IGCC系统的优化分析 ............................... 52
5.1 空分系统优化 ..................................... 52
5.1.1 整体化系数对空分系统的影响 .......................... 52
5.1.2 氮气回注对空分系统的影响 ............................... 54
第5章 IGCC系统的优化分析
5.1 空分系统优化
空分系统是IGCC电厂的关键设备之一。空分系统消耗的是IGCC的厂用电，其功耗占整个电厂厂用电率的70%左右。厂用电占电厂总发电量的10%，空分系统则占电厂总发电量的7%，若空分系统能耗降低1%，IGCC系统整体发电率将提高0.07%[16]。对于IGCC系统的整体优化而言，研究空分系统的能耗影响因素意义重大。空分系统的能耗与空分整体工艺流程和制取产品的纯度、压力等有关。但是，相同的氧气产量时，氧气的纯
