IGCC氣化爐氣化法分類(lèi)及比較

發(fā)電設備(2010 No.3)ICCC氣化爐氣化法分類(lèi)及比較↑清潔能源IGCC氣化爐氣化法分類(lèi)及比較周大坤，郜愿鋒，曾慶才(哈爾濱鍋爐廠(chǎng)有限責任公司，哈爾濱150046)摘要:在一般論述 IGCC電站系統用氣化爐氣化分類(lèi)的基礎上,闡述了氣流床氣化爐所采用的氣化法,重點(diǎn)介紹了其代表爐型以及Shell氣化爐和Texaco氣化爐的特點(diǎn),同時(shí)比較了3種氣化法代表爐型的各項性能指標。關(guān)鍵詞:燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán);IGCC;氣化爐;煤的氣化中圈分類(lèi)號:文獻標識碼:A文章編號:1671-086X(2010)03-0224-04Classification and Comparison of Various Processes of IGCC GasificationZHOU Da-kun，GAO Yuan-feng，ZEN Qing-cai(Harbin Boiler Works Co., Ltd. Harbin 150046, China)Abstract: Based on a brief introduction to classification of common power plant IGCC gasifiers, thegasification way of entrained-flow gasifier is described in detail, with focus on its representative types andthe features of Shell and Texaco gasifiers. Simultaneously, performance indices of 3 representative gasifiersare compared.Keywords:gas-steam combined cycle; IGCC; gasifier; coal gasification煤的氣化系統是IGCC電站系統的重要組成器內的流動(dòng)狀態(tài)分為3種:(1)氣流床氣化爐;部分。煤的氣化過(guò)程是一個(gè)熱化學(xué)過(guò)程,它以煤(2)流化床氣化爐;(3)移動(dòng)床氣化爐。 流化床氣或煤焦為原料,以氧氣(空氣、富氧或純氧)、蒸汽化爐和移動(dòng)床氣化爐的單爐容量較小,一般用在或氫氣為氣化劑(又稱(chēng)氣化介質(zhì)),在高溫的條件單機容量在100MW左右的電站,若增加氣化爐下,通過(guò)部分氧化反應將原料煤轉化為氣體燃料數量,則不但系統很復雜而且投資及維護費用也(即煤氣)的過(guò)程。從工藝上講,煤氣化工藝往往增加很多。因此，單機容量較大(250 MW以上)還包括氣化煤氣凈化過(guò)程，即通過(guò)凈化設備除去的IGCC電站都配備氣流床氣化爐[-]。氣化煤氣中的灰和含硫物質(zhì)等雜質(zhì)，以得到清1.1氣流床氣化爐及其典型爐型潔、易輸送的氣體燃料的過(guò)程。在整個(gè)煤炭氣化氣流床氣化爐中煤的氣化工藝過(guò)程:極細的系統中,核心設備是氣化爐。氣化爐是進(jìn)行煤氣粉煤原料被氧氣和蒸汽組成的氣化劑高速氣流化過(guò)程的場(chǎng)所,不同的氣化方法往往對應不同的攜帶,進(jìn)入氣化爐氣化的過(guò)程。在氣化爐內,細氣化爐設計和操作條件,從而直接影響煤的氣化顆粒粉煤分散懸浮于高速氣流中,并隨氣流并行效率和粗煤氣的組成。流動(dòng),這種狀態(tài)稱(chēng)為氣流床。氣流床氣化法屬于高溫氣化技術(shù),通常直接用氧氣和過(guò)熱水蒸氣作1 IGCC氣化爐分類(lèi)為氣化劑，在爐內氣化反應區溫度可高達IGCC電站系統中采用的氣化爐以煤在反應2000 C,出爐煤氣溫度都在1400 C左右，同時(shí)收稿日期:2009-08-19作者簡(jiǎn)介:周大坤(1979 -).男,工程師，從事鍋爐及壓力容量的設計開(kāi)發(fā)工作。E-mail; fisj@hbc. com. cnICCC氣化爐氣化法分類(lèi)及比較發(fā)電設備(2010 No, 3)由于煤被磨得很細，具有很大的比表面積,又處生部分氧化反應,煤氣爐爐壁為膜式水冷壁結于加壓條件下,因此氣化反應速度極快,氣化強構,并采用掛渣措施保護氣化爐壁。由氣化爐輸度和單路氣化能力比其他兩類(lèi)氣化技術(shù)都高。出的約1500C的高溫煤氣,經(jīng)除塵和冷卻至900目前已商業(yè)化的氣化爐，每天可氣化2000 ~C左右后進(jìn)入干法除塵和濕法洗滌系統,其中合2 600 t煤。由于高速氣流和以純氧為氧化劑,使成氣冷卻器產(chǎn)生的高(中)壓蒸汽和氣化爐水冷得氣流床氣化法的耗能和耗氧量都很大。氣流壁副產(chǎn)品(中壓蒸汽)均可有效使用。床氣化技術(shù)因其出色的生產(chǎn)能力和氣化效率，在從工業(yè)運行的表現來(lái)看, Shell氣化爐具有如世界范圍內得到了廣泛的應用,尤其是在煤氣化下特點(diǎn):燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統中。目前絕大多數(1)煤種適應性廣,可使用煙煤、褐煤和石油IGCC電站所選用的都是氣流床氣化爐,其主要焦等原料。對原料的灰熔融性適應范圍寬,也可爐型有Texaco. Shell、 E-Gas(原Destec) 以及氣化高灰分、高水分、高含硫量的煤種。Prenflo 等。氣流床氣化工藝中,給料方式有:(1)(2)碳轉化高,一般達99%，冷煤氣效率干法供料,將煤粉直接氣力輸送至噴嘴,如Shell、80%~85% ,熱煤氣效率超過(guò)95%。Prenflo等;(2)濕法水煤漿供料,是先將煤粉和水(3)單臺生產(chǎn)能力大,目前已投入運行的氣混合成為水煤漿,泵送至噴嘴,如Texaco. E-Gas化爐，在氣化壓力3MPa下，日處理煤量達等。兩種方法各有特點(diǎn),水煤漿形式容易加壓泵2 000 t,更大規模的裝置正在工業(yè)化。送,可解決干法供料的鎖煤裝置在加樂(lè )條件下的(4)殼牌氣化爐的環(huán)保性能好,采用千法除問(wèn)題,但會(huì )影響氣化爐的總體熱效率和氣化強塵,灰水量小,處理簡(jiǎn)單,合成氣中CO2含量少，度;干法供料則很適合活性高的煤和低質(zhì)煤，且酸性氣體處理費用少。具有較好的氣化特性。1.1.2 Texaco 氣化爐1.1.1 Shell 氣化爐Texaco氣化爐(見(jiàn)圖2,下部采用激冷形式)Shell 氣化爐(見(jiàn)圖1)是荷蘭Shell 公司開(kāi)發(fā)是最典型的水煤漿進(jìn)料的加壓氣流床氣化爐,是的,是第2代煤氣化工藝的典型代表。1987年由美國德士古石油公司在以重油和天然氣為原shell單獨在美國休斯敦建成耗煤量250~料制造合成氣的德士古工藝基礎上開(kāi)發(fā)的。始400 t/d的示范裝置。1994 年在荷蘭的Bugge-于1948年,并始采用高壓水煤漿經(jīng)預熱干燥后num建成以shell 煤氣為核心的IGCC電站,日旋風(fēng)分離出干粉入爐的供煤方式。后出現預熱耗煤高達2000 t以上,凈發(fā)電能力為253 MW。千燥器中干煤粉容易結塊堵塞的問(wèn)題，而千式加經(jīng)過(guò)3年多示范運行,1998年1月正式轉入產(chǎn)業(yè)料技術(shù)又長(cháng)期沒(méi)得以解決。20世紀80年代初，化運行。隨著(zhù)耐高溫抗熔渣耐火材料和高濃度水煤漿制備技術(shù)的成熟,才改用水煤漿濕式直接供料,并, 生成氣體獲得成功。Texaco氣化爐是先進(jìn)和成熟的第2代氣流床氣化爐。目前,該工藝裝置的規模已達-球形封頭-數燒室光體爐材. 環(huán)形錐體蒸汽生熱冷室筒體圖1 Shell 氣化爐結構圖下錐體下法蘭Shell氣化法采用干法供料,高壓N2輸送。粉煤、氧氣及蒸汽在氣化爐內高溫加壓條件下發(fā)圖2典型Texaco氣化爐結構圖發(fā)電設備(2010 No. 3)IGCC氣化爐氣化法分類(lèi)及比較到日處理煤量2000t以上,廣泛應用在化工生產(chǎn)流動(dòng)層內并不完全分解(氣化),而是飛至上部流和電力生產(chǎn)中,例如在美國Eastman化工廠(chǎng)用于動(dòng)層外。在同一爐內,再給該部分投入空氣或制醋酸酐,規模達900 t/d,在IGCC系統中的應氧,利用氧化高溫分解焦油。在實(shí)用規模的試驗用也較為突出,如美國CoolWater1GCC示范項中,爐內壓力為2.7 MPa,反應溫度達到920 C,目、Tampa IGCC電廠(chǎng)都選用了Texaco氣化技術(shù)生成氣體中的碳大部分被高溫旋風(fēng)分離器分離并獲得了成功。出來(lái)，再經(jīng)連接管道返回流化床。產(chǎn)生的灰分與Texaco氣化法采用水煤漿供料,原料煤經(jīng)濕殘留炭(未燃碳)的一部分,經(jīng)過(guò)與爐床相連的閉磨破碎后,與水或油混合制成煤漿,以液力輸送鎖灰斗系統呈干灰狀排出。的方式進(jìn)入煤漿槽，然后經(jīng)高壓煤漿泵送人氣化爐燃燒器。德士古氣化爐分為上、下兩部分:氣化部分和冷卻部分。水煤漿和氣化劑(氧氣)由.刁口生成氣體爐頂的噴燃燒器高速連續地噴入部分氧化室,爐田旋風(fēng)分離器內溫度達1 300~1 500 C,氣化壓力為4.3~. 溶化室7.15 MPa,水煤漿和氣化劑在其中迅速發(fā)生反氧/空氣流化床應。Texaco氣化爐采用的水煤漿濃度通常在60%~65%,使得該工藝的氧耗量較高,冷煤氣效率一般在70% ~75%。Texaco氣化爐煤氣主要成分是CO. H2、CO2、H2O以及少量的CH、N2、H.S等。氣化爐圖3 HTW爐結構陽(yáng)煤氣冷卻部分按冷卻的方式不同分為激冷型和1.2.2 KRW氣化爐余熱鍋爐型兩種。余熱鍋爐型結構與K-T常壓KRW氣化爐(見(jiàn)圖4)是- -種WH(Westing-氣化爐類(lèi)似。在激冷型氣化爐中,高溫粗煤氣與hous)型氣化爐,也可以說(shuō)是增壓流化床氣化熔渣一起進(jìn)入下部激冷室,熔渣激冷固化后分爐,雖與HTW爐相類(lèi)似，但其特點(diǎn)是在流化床離,煤氣達到飽和狀態(tài)，可直接進(jìn)行CO變換,提爐床的空氣或氧投人的部位(噴射層)形成高溫高H2含量,而不必再加蒸汽;或直接作為燃料氣區域,使灰成燒結塊(使灰局部燃燒熔融凝結成用于發(fā)電。團塊)。1.2流化床氣化爐及其典型爐型-合成氣流化床氣化爐是煤和氣化劑在流態(tài)化狀態(tài)下發(fā)生氣化，煤料經(jīng)過(guò)破碎處理后,通過(guò)螺旋給料機或是氣流輸送系統進(jìn)入氣化爐,具有一定壓力的氣化劑從床層下部經(jīng)過(guò)布風(fēng)板吹人,將床上循環(huán)厭的碎煤托起,當氣流速度上升到某- -定值時(shí),煤循環(huán)煙氣t●)水蒸氣?；ハ喾珠_(kāi)上下翻滾,同時(shí)床層膨脹并具有了流空氣或氧氣灰體的許多特征，即達成了流化床。典型的流化床煤和石灰石氣化爐有高溫溫克勒氣化爐(HTW)和KRW氣圖4 KRW 氣化爐結構圖化爐等。此外,以石灰石作為流動(dòng)介質(zhì)(形成流化床1.2.1高溫溫克勒氣化爐HTW1978年德國的Rheinbrau公司開(kāi)發(fā)了高溫的介質(zhì))兼脫硫劑也是其特點(diǎn)之一。氧化劑使用溫克勒氣化爐(見(jiàn)圖3),并氣化當地萊茵褐煤為空氣,也可使用氧和水蒸氣,這可以根據生成氣甲醇合成提供合成氣,同時(shí)也在芬蘭的合成氨工體的必要熱值或系統的不同進(jìn)行選擇。藝中得到應用。HTW爐的工藝方式是先將煤破1.3移動(dòng)床氣化爐及其典型爐型.碎后以干式供給,投入流化床反應部位,利用空在氣化爐內,固體原料煤并不是像層燃爐.一氣或氧作為氣化劑。此時(shí)，焦油等碳化氫成分在樣靜止在爐箕上，而是從爐頂加人,在向下移動(dòng)ICCC氣化爐氣化法分類(lèi)及比較發(fā)電設備(2010 No.3)的過(guò)程中與從爐底通人的氣化劑逆流接觸,進(jìn)行2 IGCC用氣化爐氣化法比較充分的熱交換并發(fā)生氣化反應,故稱(chēng)移動(dòng)氣化。移動(dòng)床氣化爐是以移動(dòng)床的形式,在高于大氣壓上述3種可在1GCC系統中采用的氣化爐的力的條件下進(jìn)行氣化。通常壓力在1~2 MPa,工作特性比較列于表1?；蚋?。與常壓移動(dòng)床氣化爐相比,具有以下技表13種氣化爐工作特性的比較術(shù)特點(diǎn):項日氣流床氣化流化床氣化移動(dòng)床氣化(1)煤種適應性好,可以氣化一些水分較高(20%~30%)、灰分較高的(約30%)的劣質(zhì)煤。供料方式煤粉干法或煤粉千法塊煤干法水煤漿盤(pán)法(2)耗氧量較低,如在2 MPa以下氣化，所適用煤種無(wú)限制粘結性較低非粘緒性煤種的煤種需氧量?jì)H為常壓時(shí)的1/3~2/3.原料煤粒度/mm< C0. 11~5.3~30(3)氣化強度有明顯的提高,生產(chǎn)能力增大。干式排灰或(4)粗煤氣具有一定的壓力,便于運輸，同時(shí)排渣/灰方式液態(tài)排渣干式排灰450~1 000也有利于煤氣凈化、變換和精制等后續加工《干式排灰)氣化溫度/C 1 500~1 800850~1 100600~1 600過(guò)程。(液態(tài)排渣)魯奇(Lurgi)氣化爐是加壓移動(dòng)床氣化爐,是碳轉化率/%高(>99)低(>95)很高(>99.7)應用最廣、最為成熟的爐型，一般分為固態(tài)排灰冷煤氣效率/%低(76~80)中(80~85)高(>88)的魯奇氣化爐和液態(tài)排渣的魯奇爐。圖5是最生產(chǎn)能力高中低Shell/Prenflo新一代的干式排灰魯奇爐的結構圖。整個(gè)氣化(干粉供料)HTW爐代表技術(shù)Texaco/E-GasKRW爐魯奇爐爐大致可分為加煤(煤鎖)攪拌、爐體、爐柵和排(水煤漿供料)渣(灰鎖)五部分。干式排灰魯奇氣化爐的操作壓力一般為3MPa,爐內氧化區域最高溫度可達3結語(yǔ)1000C左右,粗煤氣離開(kāi)爐頂的溫度約為260~538C,與常壓的移動(dòng)床氣化法相比,魯奇氣化爐通過(guò)以上分析及比較可知,氣流床氣化法應的CH,和CO2含量會(huì )提高很多,最新的魯奇氣是IGCC的首選氣化爐爐型,而在氣流床氣化法化爐粗煤氣產(chǎn)量可達1. 56X10* m*/d.因此,加的氣化爐爐型中又以Shell 氣化爐最具優(yōu)勢,因壓魯奇氣化爐在城市煤氣和合成氣生產(chǎn)中得到為它不但適用煤種廣泛而且氣化溫度、碳轉化率很廣泛的應用。.和生產(chǎn)能力都很高。但應該指出的是，當IGCC電站系統采用Shell 氣化爐時(shí),由于原煤的干燥處理、儲存和輸送系統、氣化爐的自動(dòng)控制系統以及純度高達99. 9%的N2制備、增壓和輸送系夾套洗滌水K泰氣統都比較復雜,因而其初始投資費用將比Texaco氣化爐高。最后在進(jìn)行IGCC電站系統設計時(shí)，11應以降低發(fā)電成本為目標,從降低IGCC電站的比投資費用(SIC)、增加機組的年平均利用小時(shí)數、選用價(jià)格低廉的高硫煤種、增加電站的折舊0年限等因素來(lái)綜合考慮氣化爐選型問(wèn)題。水蒸氣和氟氣→參考文獻:[1]焦樹(shù)建、干法供煤和水煤漿供煤的氣化爐性能比較[J].燃氣輪機技術(shù)2000.13<2):2-7.1-煤;2-鎖煤器;3-煤分配器;4-干燥區;5- -揮發(fā)分釋放區:[2]沙星中,楊南星.煤的氣化與應用[M].上海:華東理工大學(xué)6-氣化區;7--燃燒區;8-爐篦:9-鎖灰器;10- 水冷夾套:出版社,1995.11-院族冷卻器。[3]姚強，潔凈煤技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2005.圈5最新一代的干式排灰魯奇氣化爐的結構圖