兩種典型的煤氣化技術(shù)

展2008年第27卷增刊CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●227●兩種典型的煤氣化技術(shù)李潔'，段賓”，毛天3(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安710049)摘妻:美國的Tampa (250 MW)電站和荷蘭的Demkolee (253 MW)電站是世界上典型的IGCC電站，它們分別采用水煤漿加壓噴涴床氣化技術(shù)和干粉進(jìn)料加壓噴流床氣化技術(shù)。本文以這兩種煤氣化技術(shù)為代表，綜合分析了它們的設備結構特點(diǎn)、性能特點(diǎn)及在IGCC電站中的運行狀況，這對我國IGCC電站選擇煤氣化工藝路線(xiàn)具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:煤氣化工藝; 氣化爐; 循環(huán)發(fā)電; 結構特點(diǎn);性能分析我國是一個(gè)煤炭豐富的國家，煤炭預測資源總的灰熔點(diǎn)降低或者使煤漿均勻性提高。在煤漿磨的量為50600億噸，經(jīng)濟可采儲量為1145億噸。在我出 口有-一個(gè)簡(jiǎn)形的篩子，合格的煤漿流入煤漿儲罐國已探明的一次能源儲量中(折成標準煤)煤炭占中，不合格的煤漿溢流到循環(huán)槽中被送回煤漿磨入92%,因而以煤炭為主的能源結構在本世紀內不會(huì )發(fā)口。在煤漿儲罐中設有一一個(gè)攪拌器，并根據檢測結生根本變化。但煤炭的大量開(kāi)采和利用也帶來(lái)了嚴果加入-定量的水，使儲罐中的煤漿始終保持在一重的環(huán)境問(wèn)題。而整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC) 是定濃度下的均勻狀態(tài)。氣化爐所需的煤漿量-般由一種高效低污染的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，所以大力發(fā)展2級隔膜泵從煤漿儲罐中抽取并加壓送入氣化爐噴IGCC技術(shù)對我國潔凈煤技術(shù)發(fā)展具有重大意義。嘴，在氣化爐入口的煤漿輸送管上設有2級流量檢IGCC是20世紀70年代石油危機時(shí)期西方國測器，嚴格控制煤漿的流量，煤漿流量的調節全靠家開(kāi)始發(fā)展的一項燃煤發(fā)電技術(shù)。其設計思想是:隔膜泵來(lái)控制。使煤在氣化爐中氣化成為中熱值或低熱值的煤氣，(2)氣化爐和煤氣冷卻系統。水煤漿和95%然后通過(guò)處理，去除其中的灰分、含硫化合物、重純度的氧 氣被同時(shí)送入氣化爐噴嘴，在氣化爐內進(jìn)金屬等有害物質(zhì),進(jìn)而供到燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的發(fā)行氣化反應， 反應區的溫度一般在1200~ 1500 C,電機組中去燃燒和做功，借以達到以煤代油(或天氣化爐的壓力根據不同行業(yè)的需要可以是 2.5~8.5然氣)的目的"。MPa. Tampa IGCC電站的氣化爐的壓力為2.8~3.0迄今為止，世界各國已投入運行和正籌建的MPa,氣化區的溫度為1482 C.水、煤和氧氣在氣IGCC電站有幾十座，其中具有代表性的有美國的化爐中發(fā)生氣化反應，主要生成CO、H2、CO2、Tampa(250MW)、荷蘭的Demkolec(253MW)等。它H2O、CH4、H2S和N2,此外，還有少量的NH3、們分別采用Texaco、Shell 加壓噴流床煤氣化工藝。cos. HCN和飛灰。由于采用水煤漿進(jìn)料,煤氣中Texaco是水煤漿加壓氣化的主要代表，而Shell 則的H2O含量較高。Tampa 電站的Texaco氣化爐內是干粉進(jìn)料加壓噴流床氣化的主要代表。了解設耐火磚(一般為4層),內徑約4.0m,高約3.0 m。Texaco和Shell這兩種煤氣化工藝的結構特點(diǎn)、性氣化反應的速度很快，粗煤氣在氣化爐內的停留時(shí)能特點(diǎn)和運行狀況，對我國IGCC電站選擇煤氣化間一般在2~3 s。熱煤氣離開(kāi)氣化爐進(jìn)入特殊設計工藝具有- -定的參考意義。的輻射式冷卻器，使熱煤氣的溫度降低至700 C,同時(shí)使熱煤氣中的熔融態(tài)灰渣凝固。冷卻后的粗煤1 Texaco 煤氣化工藝12-91氣進(jìn)入對流式冷卻器中被進(jìn)一步冷卻到 480°C.煤1.1 Texaco 氣化工藝的結構特點(diǎn)氣中的顯熱在2級冷卻器中得到回收，產(chǎn)生10.4(1)制漿系統。煤和水在常規的煤漿磨中被制MPa中國煤化工輻射式冷卻器做成成質(zhì)量分數通常是60%~ 68%的水煤漿，TampaYHCNMHG總重約900,氣化IGCC電站的水煤漿設計質(zhì)量分數為68%。對于一爐安衣你同約1w.1J 10些灰熔點(diǎn)較高的煤或制漿困難的煤，經(jīng)常在煤漿磨(3)排渣和黑水處理系統。氣化爐內的熔渣中同時(shí)加入石灰石助熔劑或者煤漿添加劑，使得煤經(jīng)輻射式冷卻器后冷卻凝固成玻璃狀的渣進(jìn)入充●228●化工進(jìn)展2008年第27卷滿(mǎn)水的鎖斗系統，鎖斗上下部各有2級閥門(mén)控制渣容量商業(yè)運行的臺數和經(jīng)驗更豐富。進(jìn)入和排出。從壓力鎖斗排出的渣落入粗渣糟中，.3 Tampa IGCC電站中Texaco氣化爐曾出現過(guò)粗渣被分離出來(lái)，進(jìn)一步處理或直接銷(xiāo)售。細渣和的主要問(wèn)題及解決辦法水一起被抽入一-個(gè)細灰沉降槽中進(jìn)行重力沉降或(1)排渣鎖斗堵塞。通過(guò)調整運行工況及改動(dòng)過(guò)濾，使水和細渣分離。從洗滌器出來(lái)含灰的水也部分管道基本得到解決。進(jìn)入沉渣槽中，使含碳的飛灰與水分離,從沉渣糟(2)輻射廢熱鍋爐和對流廢熱鍋爐的泄漏問(wèn)中溢流出來(lái)的水一般含非常少量的細灰,它被再循題。主要原因可能是由于高溫腐蝕,改進(jìn)的方法是:環(huán)至水洗滌器入口作為洗滌器用水,多余的水送回采取保護措施，改善氣化爐的運行狀況。對流廢熱煤漿制備系統。從沉渣槽底部流出的細灰進(jìn)入-個(gè)鍋爐也 曾出現管壁泄漏和積灰堵塞問(wèn)題。改進(jìn)的方壓濾機中，將細灰制成細灰餅。Tampa電站采用了法是:組織好氣化爐的運行工況，加強檢查和吹灰。將細灰再循環(huán)至煤漿磨的工藝,目的是為了提高碳(3)黑水和灰水系統的磨損問(wèn)題。目前的辦法的轉化率。是更換耐磨材料、改變管路結構、加強細灰的分離，1.2 Texaco 氣化工藝的性能特點(diǎn)但不能徹底解決。(1)與干法進(jìn)料相比,水煤漿進(jìn)料系統工藝相(4)當煤種有變化時(shí)，氣化爐最不適應的就是對簡(jiǎn)單，安全可靠，操作靈活，制漿系統的廠(chǎng)用電排渣鎖斗系統和細灰分離系統，容易發(fā)生堵塞。目較小，無(wú)煤粉爆炸危險性，制漿系統無(wú)粉塵排放。前的辦法是控制運行參數,積累運行經(jīng)驗，改善鎖煤不必進(jìn)行干燥處理，可直接進(jìn)入制漿系統。此外，斗系統的設計，增強承受能力。水煤漿進(jìn)料可處理不同物料(煤、石油焦、其它廢(5)位于對流煤氣冷卻器后的4個(gè)氣氣熱交料)，進(jìn)料種類(lèi)靈活。此外，使用水煤漿進(jìn)料，氣化換 器(2個(gè)粗煤氣與凈煤氣, 2個(gè)N2與粗煤氣)曾出爐的壓力可高達8.5 MPa,一般運行在4.0MPa,這現積灰堵塞和腐蝕問(wèn)題，造成管子泄漏，導致灰對一些化工過(guò)程非常必要。塵進(jìn)入潔凈煤氣中，使燃氣輪機葉片嚴重損壞，(2)氣化爐采用單噴嘴運行，所有的氣化物同時(shí) 在氮氣和煤氣通往燃氣輪機的Y形濾網(wǎng)也發(fā)料都從一個(gè)噴嘴噴入，具有結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但由現裂紋。主要原因有:設計的氣氣熱交換器入口于局部熱負荷較高,流量較大,不可避免地會(huì )發(fā)生煤氣溫度偏低、熱交換器的管徑偏小及停機時(shí)泄過(guò)熱損壞或磨損問(wèn)題。到目前為止，Texaco 氣化漏的水的腐蝕(氯離子腐蝕)等。目前尚無(wú)好的爐噴嘴的最長(cháng)累計運行時(shí)間僅3個(gè)月就需要進(jìn)行解決辦法， 不得已取消了這4個(gè)氣氣熱交換器，檢修更換。改用蒸汽預熱凈煤氣,這使全廠(chǎng)的凈效率下降1.5(3) Texaco氣化爐內設耐火磚，沒(méi)有水冷系個(gè)百分點(diǎn)。統，結構簡(jiǎn)單，初投資較小。但由于爐內溫度較高，2 Shell 煤氣化工藝015加之磨損和腐蝕,目前Texaco氣化爐向火側的耐火磚最長(cháng)壽命僅2年，靠近爐壁的耐火磚壽命為5~ 2.1 Shell 煤氣化工藝的結構特點(diǎn)10年。(1)煤粉制備和送料系統。Shell 煤氣化工藝(4)全廠(chǎng)的灰水可綜合利用，除去大煤渣和細采用干煤粉進(jìn)料系統。原煤的干燥和磨煤系統與灰的水也在制漿系統中循環(huán)使用。常規電站基本相同，但送料系統是高壓的N2氣濃(5)由于煤氣在氣化爐內的停留時(shí)間短,相輸送。與水煤漿不同，整個(gè)系統必須采取防爆Texaco氣化爐的碳轉化率較低, - -般在96%~ -98%。措施。經(jīng)預破碎后進(jìn)入煤的干燥系統，使煤中的由于水煤漿的水分含量大,氣化過(guò)程的O/C比較高，水分小于 2%，然后進(jìn)入磨煤機中被制成煤粉。對耗氧量大，而且煤氣中的水分含量也較高。與干法煙煤，煤粉細度Rgo一般為20%~30%，磨煤機是進(jìn)料相比，冷煤氣效率較低，熱回收系統復雜。在常壓下運行，制成粉后用N2氣送入煤粉倉中。(6)由于Texaco氣化技術(shù)的合成氣中氫氣含然 后中國煤化工用高壓N2氣,以量較高，氮氣量幾乎沒(méi)有，可以提高操作壓力，有較YHCN MH G化爐噴嘴，煤粉利于化工產(chǎn)品的制備，因此比較適合作為化工制備在噴哺里與氧氣(95%純度)混合并與蒸汽- -起進(jìn)的原料氣。入氣化爐反應。(7)與其它氣化爐相比，Texaco 氣化爐的大(2)氣化爐。由對稱(chēng)布置的4個(gè)燃燒器噴入的增刊李潔等:兩種典型的煤氣化技術(shù)●229●煤粉、氧氣和蒸汽的混合物，在氣化爐內迅速發(fā)生凈化的需求更迫切。氣化反應，氣化爐溫度維持在1400~1600 C，這(3) Shell 氣化爐的噴嘴和水冷壁壽命較長(cháng)，個(gè)溫度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到氣化爐底在Demkolec電站累計運行10000h以上未見(jiàn)損壞，部，經(jīng)淬冷后，變成一-種玻璃態(tài)不可浸出的淹排出。氣化爐的可用率 已達到95%。粗煤氣隨氣流上升到氣化爐出口,經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡段，(4)由于采用干法進(jìn)料,氣化過(guò)程的氧耗比水用除塵后的低溫粗煤氣(150 C左右)使高溫熱煤煤漿進(jìn)料少, 煤氣中的CO2含量也遠小于水煤漿進(jìn)氣急冷到900 C，然后進(jìn)入對流式煤氣冷卻器。在料的煤氣。 對于相同容量的氣化爐，Shell 氣化所需有一定傾角的過(guò)渡段中，由于熱煤氣被驟冷，所含的空分站可小于15% ~25%。的大部分熔融態(tài)灰渣凝固后落入氣化爐底部。Shell(5)采用干灰再循環(huán)，提高了碳的轉化率(可氣化爐的壓力殼內布置垂直管膜式水冷壁,產(chǎn)生4.0達到9%)。.MPa的中壓蒸汽。向火側有- -層很薄的耐火涂層，(6)干法進(jìn)料系統與水煤漿相比要復雜得多,當熔融態(tài)灰渣在上面流動(dòng)時(shí)，起到保護水冷壁的作操作和保護也要嚴格得多。進(jìn)料系統的防爆和防泄用。Demkolec ICCC電站的氣化爐直徑為5~6 m,漏問(wèn)題十分關(guān)鍵。進(jìn)料系統的占地和造價(jià)比水煤漿高約50m,標高達到60 m以上。氣化爐的運行壓大。 此外，干法進(jìn)料系統的粉塵排放遠大于水煤漿力為2.6 ~2.8 MPao進(jìn)料系統。(3)煤氣冷卻器。粗熱煤氣在煤氣冷卻器中被(7)由于Shell氣化爐采用4個(gè)(或更多)噴進(jìn)一步冷卻到250 C左右。低溫冷卻段產(chǎn)生4.0 MPa嘴運行，易于在低負荷和高負荷下運行，操作的靈的中壓蒸汽，這部分蒸汽與氣化爐產(chǎn)生的中壓蒸汽活性大， 實(shí)現大型化的可能性大。據介紹，Shell混合后，再與汽輪機高壓缸排汽- -起再 熱成中壓再氣化爐的 最低負荷可達到25%，即一 一個(gè)噴嘴運行。熱蒸汽。高溫冷卻段產(chǎn)生13 MPa的高壓蒸汽，它(8) Shell 氣化爐的運行過(guò)程中最重要的控制與余熱鍋爐里的高壓蒸汽-起過(guò)熱成主蒸汽。參數如下:氣化爐出口溫度;合成氣冷卻器進(jìn)口溫Demkolec電廠(chǎng)的煤氣冷卻器直徑約4m,高約度;煤氣成分;蒸汽的參數(流量、溫度、壓力);64 m,冷卻器頂部標高約74.5 m,是氣化島的最高爐渣的排出量及外觀(guān)狀況。點(diǎn)。冷卻器的壓力外殼里布置有8層螺旋管圈，上(9) Shell 氣化爐的變負荷率每分鐘大于5%，下共分成5段，熱煤氣由.上而下在螺旋管外流動(dòng)與IGCC的變負荷率每分鐘接近3%。螺旋管內的水換熱。每-層螺旋管閣都有一個(gè)氣動(dòng)2.3 Demkolec IGCC電站中shell氣化爐曾出現過(guò)錘來(lái)振打清除積灰。的問(wèn)題及解決辦法由于Shell氣化爐組成的IGCC系統采用的是千在Demkolec電站運行中，Shell 氣化爐及其法除塵，所以，它的黑水和灰水處理系統相對比較輔助系統的運行基本正常，可用率也較高。在運簡(jiǎn)單，但其主要的流程與Texaco相似，在此不再行初期出現過(guò)以下問(wèn)題:①排渣的鎖斗堵塞;②贅述。細微爐淹影響黑水處理系統。上述2個(gè)與氣化工2.2 Shell 煤氣化工藝的性能特點(diǎn)藝有關(guān)問(wèn)題的原因及解決辦法與前文相同，在此(1)Shell氣化爐的煤氣中CO和H2含量遠不再贅述。大于Texaco煤氣,而CO2和H20卻遠小于Texaco3 兩種氣化爐的綜合比較煤氣。由于可燃氣成分較高，其冷煤氣效率較高(約80%~83%),組成的IGCC電站發(fā)電效率也兩種氣化爐的技術(shù)特點(diǎn)的綜合比較見(jiàn)表1.較高(43% LHV)。而水煤漿進(jìn)料的冷煤氣效率一般僅為74%~77%。組成的IGCC效率也較低4結論,(41%LHV)。.(1)美國的水煤漿進(jìn)料氣化工藝Texaco和歐(2)由于煤氣中水分含最較少(2.0%), Shell洲的中國煤化工單爐出力都達到了氣化爐組成的IGCC因常溫凈化而損失的熱煤氣能200MYHCNMHG250~ 300 MW等量較小，而水煤漿進(jìn)料的煤氣中一般都含有16.8%級的lvc小犯，c竹r仰采用氧氣噴流床氣左右的水分，那么當熱煤氣冷卻到常溫時(shí)，必然損化工藝。這對于我國選擇氣化工藝提供了較為全面失大量的顯熱和潛熱。水煤漿進(jìn)料氣化工藝對高溫的選擇范圍。I進(jìn)展2008年第27卷表1兩種氣化爐的技術(shù)特 點(diǎn)比較技術(shù)項目TexacoSbell進(jìn)料方式濕法/水煤漿干法/煤粉反應器形式噴流床氧氣純度1%噴嘴/個(gè)噴嘴的壽命幾1440氣化爐內襯耐火磚水冷壁+涂層“內襯的壽命la>10(待考驗)冷煤氣效率%71~7680~83碳轉化率1%96~98>98單爐最大出力h●d'2200~2400200示范電站的凈功率/MW250.0253.0最大容量氣化爐的最長(cháng)運行時(shí)間/>8860> 00000示范電站最長(cháng)追續運行時(shí)間h720-~1000> 2000示范電站的氣化爐可用率%80~85組成IGCC示范電站的效率%設計值41.6QHHV),試驗值38.50HHV)43(LHVX未公布試驗值)組成的IGCC達到43%(LHV)效率的可能性有可能(但必須改進(jìn)全熱回收)容易達到存在的問(wèn)題噴嘴、耐火磚壽命短,全熱回收系統和黑水處理系統尚待改進(jìn)黑水系統待改進(jìn)是否氣化過(guò)類(lèi)似于中國IGCC電站的煤種是目前IcCc電站的造價(jià)較高(2) Texaco氣化爐的運行經(jīng)驗和已商業(yè)化的擔者時(shí)應予以高度重視，盡量選擇這-方面的專(zhuān)業(yè)臺數最多，用于IGCC發(fā)電，氣化爐的可用率也可廠(chǎng)商。達到80%以上。但它的噴嘴和耐火襯里的壽命較短，(6)根據世界上2座示范電站的經(jīng)驗和教訓，冷煤氣效率和組成IGCC的效率目前還較低。若對 于我國IGCC示范電站在氣化工藝選擇方面應綜IGCC效率設計為43% (LHV),采用Texaco氣化合考慮以下幾個(gè)原則問(wèn)題:氣化爐的最大出力是否爐，必須使其廢熱鍋爐和全熱回收系統有較大的改能達到要求;是否氣化過(guò)類(lèi)似的煤種:最大容量的進(jìn)，才有可能達到。氣化爐的運行時(shí)間和臺數;示范運行的可用率:冷(3) Shell 氣化爐的可用率已達到了95%，可煤氣效率及組成IGCC的總效率;目前還存在哪些以說(shuō)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運行,其噴嘴和水冷壁的壽命問(wèn)題;氣化爐和輔助系統設計和制造者是否都是專(zhuān)都較長(cháng)。冷煤氣效率和組成IGCC效率與濕法進(jìn)料業(yè)廠(chǎng)商。氣化工藝相比較高，對43%(LHV)的IGCC效率,參考文獻采用Shell工藝容易達到。但它的造價(jià)與Texaco相[1] 焦樹(shù)建整體煤氣化繼氣.蒸汽聯(lián)合循環(huán)M].北京:中國電力工業(yè)比較高。出版社，1996.(4)煤種對氣化爐的性能有很大影響，對于我[2] 馬水貴， 鐘史明. IcCc電站目前概況與發(fā)展趨向0，燃氣輪機發(fā)國IGCC示范電站所選用的煤種，目前只有Texaco電技術(shù)，2006 (1): 8-20. .和Shell氣化爐有類(lèi)似煤種的氣化經(jīng)驗，這一點(diǎn)對3] The Tampa ICCC Projeca[AJl. A Report of DOE and Tampa Eletric氣化工藝的選擇也十分重要。Company, 196.12.(5)從2座示范電站的運行情況看,氣化爐本[4] John E McDaniel, Charles A Sbclnut. Tanpa ecric company polk中國煤化工Sixth Annual Clean Coal身的可用率都很高(>85%),但與之匹配的輔助系May, 1998.統是制約氣化島和整個(gè)IGCC機組可用率的最大障[5YHC N M H Grpvering Pojoe(l. A .礙。其中排渣和黑水處理系統及進(jìn)料系統的問(wèn)題最Report of DOE and Wabash River Coal Gasification Jont Venhure,1996.12.多，有些目前尚未解決。這一點(diǎn)在選擇氣化工藝承[6] Cito G Keeler, Jack Stult. Operating expeieace a the wabash增刊李潔等:兩種典型的煤氣化技術(shù)●231●river coml gasification repower projoctCl. Sixth Anoual Clean CoalCompany, Angust, 1998.Technology Conference, Reno, Nevada, May, 1998.[1] 焦樹(shù)建. 歐洲的IGCC 示范工程與研發(fā)工作[].燃氣輪機技術(shù),[7 許世森，江哲生，安敏善，等ICCC技術(shù)考察報告[A].西安:國2006, 19 (2): 1-10.電熱工研究院內部資料，1998: 140(12] ICCC 示范工程資料匯編(國電熱工院內部資料)，2000.0[8] 李現勇，肖云議，蔡睿賢.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)的[13] 姚強潔凈煤技術(shù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.發(fā)展和應用[0].熱能動(dòng)力工程，2001， 16 (6); 575-578.14] Inwin Stambler.Improved I0CC design Cutting costs and Improving[9] Demkolec I0CC Power Plant Infomatio[A] A Report of Demkolteeficiency{J. Gas Turbine world, 2001， (); 22-26.Power Plant, 1998.[15] 焦樹(shù)建. IGCC的某些關(guān)鍵技術(shù)之發(fā)展展堂幾動(dòng)力工程，2006,[10] Purollano 1GCC Power Plant Status[A]. A Report of Krupp Ubde26 (2)。13-165. .第一作者簡(jiǎn)介:李潔(1981- -),女,碩士研究生,主要研究方向為IGCC (整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán))。E - mail lj810229@ 126.com; 1j810229@yahoo.com.cn.中國煤化工MYHCNMHG