煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝評價(jià)

30應用能源技術(shù)2009年第4期(總第136期)煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝評價(jià)朱廣勝,曾沖(兗礦國泰化工有限公司,山東滕州277527)摘要:介紹了煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的工作原理, 以及氣流床、流化床、固定床三種煤氣化工藝的比較,分析了ICCC 工藝操作條件對系統效率的影響,及對煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝的評價(jià)。關(guān)鍵詞:煤氣化;氣流床;流化床;固定床中圖分類(lèi)號:TU84文獻標識碼:B文章編號:1009 - 3230(20090)04- 0030- 04Estimate Of Intergrated Gasification Combined CycleZHU Guang- sheng, ZENG Chong(Yankuang Cathay Coal Chemicals CO. ,LID, Tengzhou 277527 , China)Abstract: This passage introduces the principle of the Integrated Gasification Combined Cycle and com-pares the gasification technologjes of the entrained flow bed, the fixed bed and the fluidized bed. It analyzesthe IGCC process conditions to the system eficiency influence and evaluates the Intergrated GasificationCombined Cycle technology.Key words: Gasification; entrained flow bed; fixed bed; fluidized bed0前言術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結合的先進(jìn)動(dòng)力系統。它隨著(zhù)生產(chǎn)的發(fā)展和生活的提高,人們對電力由兩大部分組成,即煤的氣化與凈化部分和燃氣的需求量越來(lái)越大。以煤為燃料的發(fā)電是電力工-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第-部分的主要設備業(yè)的一個(gè)重要部分,它與采用其他燃料發(fā)電相比,有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設備(包括硫的回價(jià)格低,供應可靠。以煤為燃料的發(fā)電通常在鍋收裝置),第二部分的主要設備有燃氣輪機發(fā)電系爐中直接燃燒粉煤產(chǎn)生高壓蒸汽,再由高壓蒸汽統余熱鍋爐、蒸汽輪機發(fā)電系統。ICCC技術(shù)把驅動(dòng)汽輪發(fā)電機發(fā)電。隨著(zhù)環(huán)境控制要求日益嚴高效的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統與潔凈的煤格,使得投資和操作費用不斷提高,燃氣和燃油的氣化技術(shù)結合起來(lái),既有高發(fā)電效率,又有極好的發(fā)電成本和投資比燃煤要低,但從燃料的資源蘊環(huán)保性能,是- -種有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。藏量來(lái)看,煤炭仍占較大的比例。如何更加有效在目前技術(shù)水平下,IGCC發(fā)電的凈效率可達43%~45%,今后可望達到更高。而污染物的排放量地利用煤炭資源來(lái)發(fā)電呢?僅為常規燃煤電站的1/10, 脫硫效率可達99%, .1煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統二氧化硫排放在25mg/Nm'左右。(目前國家二1.1 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統氧化硫為1200mg/Nm3 ),氮氧化物排放只有常規整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( ICCC - Integrated Gas-電站的中國煤化工電站的12-1/ifcation Combined Cycle)發(fā)電系統,是將煤氣化技3,利3呈如下:煤經(jīng)氣化成為MYHCNMH G去煤氣中的硫收稿日期: 2009-03-11 修訂稿日期: 2009-03-21作者簡(jiǎn)介:朱廣勝化物、氮化物、粉塵等污染物,變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料,然后送人燃氣輪機的燃燒室燃燒,加熱氣體工2009年第4期(總第136期)應用能源技術(shù)31質(zhì)以驅動(dòng)燃氣透平做功,燃氣輪機排氣進(jìn)人余熱4)具有良好的煤種適應性鍋爐加熱給水,產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽驅動(dòng)蒸汽輪機做功。5)系統簡(jiǎn)單,設備可靠，易于操作,維修方其工藝流程見(jiàn)下圖:便,具有電廠(chǎng)長(cháng)期、安全可靠運行所要求的可用率6)設備和系統的投資、運行成本低煤煙道氣空氣分離熱網(wǎng)收蒸過(guò)熱恭1.2.1氣流床氣化爐汽發(fā)生器然汽輪機氣流床是目前ICCC各示范工程中采用最多的一種氣化爐。它是一種高溫、高壓煤粉氣化爐,煤處理I體冷卻酸性’燃料燃弋輪機體排除氣化爐的壓力為20- 60bar,要求采用90%以上的顆粒小于100ym的煤粉,采用氧、富氧、空氣或水廢水處理灰硫空氣電能蒸氣作為氣化劑,當以氧為氣化劑時(shí),氣化爐爐膛中心的火焰溫度可達200C。由于是高溫氣化，圖1在產(chǎn)生的粗煤氣中不可能含有很多碳氫化合物、1.2整體煤氣化聯(lián)合 循環(huán)發(fā)電的分類(lèi)及作用煤焦油和酚類(lèi)物質(zhì),煤氣的主要成分是CO、H、由圖中可以看出ICCC整個(gè)系統大致可分CO2和水蒸氣,離開(kāi)氣化爐的熱煤氣溫度在1200為:煤的制備、煤的氣化熱量的回收煤氣的凈化- 1400,往往高于灰的軟化溫度。為了防止熱和燃氣輪機及蒸汽輪機發(fā)電幾個(gè)部分。將煤加入煤氣中已軟化 了的粘性飛灰在氣化爐下游設備氣化爐內與蒸汽和氧氣(或空氣)反應,產(chǎn)生熱粗(余熱鍋爐)粘結堵塞,將除塵后的冷煤氣增壓后燃氣,經(jīng)冷卻和洗滌脫除塵粒并脫去酸性氣體,同再返送回煤氣爐的出口和熱煤氣混合,將熱煤氣時(shí)可回收得到元素硫。潔凈燃料氣在燃氣輪機的的溫度降低到比灰的軟化溫度低509C, 然后,熱燃燒室中燃燒,溫度為1090C左右,離開(kāi)燃氣透煤氣再經(jīng)過(guò)氣化爐的余熱鍋爐(輻射和對流蒸汽平的482 ~ 538C的熱煙氣經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量產(chǎn)發(fā)生順)產(chǎn)生飽和蒸汽,同時(shí)使熱煤氣的溫度降低生過(guò)熱蒸汽,然后經(jīng)蒸汽輪機產(chǎn)生電能,這樣,燃到200C左右，約50%的煤中灰分在氣化爐高溫氣輪機和蒸汽輪機皆可產(chǎn)生電能。燃氣輪機操作爐膛中心變成液態(tài)渣，由爐底排出并通過(guò)集渣器所要求的煙道氣壓力為1.4MPa,各種氣化工藝都送人渣池。必須滿(mǎn)足這個(gè)要求。如煤氣具有更高的壓力,則.煤粉灰中的以飛灰的形式隨熱煤氣,幫煤氣可先經(jīng)膨脹透平回收能量。在粗煤氣冷卻器中產(chǎn)須經(jīng)除塵、洗滌脫硫處理,成為清潔的煤氣,再送生的飽和蒸汽，可在廢熱鍋爐中過(guò)熱,與熱煙氣經(jīng)往燃燒室。廢熱鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽,-并經(jīng)蒸汽透平產(chǎn)生氣流床氣化爐由于是煤粉高溫高壓氣化,因電能。此煤種適應性廣,碳轉化率高,能達到99%以上?？赡懿捎玫拿旱臍饣癄t有氣流床(entrained當前在歐美各地ICCC示范廠(chǎng)所選用的氣流flowbed)、固定床(fixedbed)和流化床(fuidized床氣化爐有:美國德士古和GE爐,荷蘭的Shellbed)三種方案。在整個(gè)ICC的設備和系統中,燃爐,德國的Prenlo爐。給煤方式有濕法水煤漿給氣輪機、蒸汽輪機和余熱鍋爐的設備和系統均是煤(如德士古爐)和干法給煤(如shell 和Prenflo已經(jīng)商業(yè)化多年且十分成熟的產(chǎn)品,因此ICCC爐)。發(fā)電系統能夠最終商業(yè)化的關(guān)鍵是煤的氣化爐及由于氣流床氣化爐的單爐生產(chǎn)能力大,并且煤氣的凈化系統。具體來(lái)說(shuō),對ICCC氣化爐及具有較高的效率,燃料適應性廣,因而在今后發(fā)展煤氣的凈化系統的要求是:大容量高效率的ICCC電站中具有強有力的競爭1)氣化爐的產(chǎn)氣率、煤氣的熱值和壓力及溫地位。度等參數能滿(mǎn)足設計的要求1.2.中國煤化工2)氣化爐有良好的負荷調節性能,能滿(mǎn)足發(fā)MHCN M H內氣固兩相間電廠(chǎng)對負荷調節的要求的高強使們傳照相傳貝,使型下床層內溫度分布3)煤氣的成分凈化程度等要能滿(mǎn)足燃氣輪均勻,混合條件好,有利于氣化反應的進(jìn)行。同機對負荷調節的要求時(shí),可以利用流化床低溫燃燒,在燃燒和氣化過(guò)程32應用能源技術(shù)2009年第4期(總第136期)中加人脫硫劑(石灰石或白云石),將產(chǎn)生的大部縮短煤在爐內的停留時(shí)間,對煤粒直徑的要墳比分S02和H2S脫除。由于流化床氣化爐內的反.固態(tài)排渣爐寬。但顆粒尺寸小于6mm的要限制應溫度- -般控制在850- 1000,因此,它產(chǎn)生的在10%以下。液態(tài)排渣氣化爐有以下特點(diǎn):1)碳焦油、烴、酚、苯和萘等大分子有機物基本上都能轉化率是三種氣化爐中最高的,排渣的物理熱損被裂解為簡(jiǎn)單的雙原子或三原子氣體,煤氣的主失大。2)相對安全可靠;3)煤氣生產(chǎn)能力有限,是要成本是CO和H,CH的含量-般少于2%。三種爐型中能力最低的。當前,用于ICCC系統的流化床氣化爐有2 IGCC工藝操作條件對系統效率KRW爐，U- Gas爐和溫克勒爐等。的影響1.2.3固定床氣化爐美國“冷水”煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工程是世界固定床氣化爐是最早開(kāi)發(fā)出的氣化爐,它和上第一個(gè)商業(yè)規模的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置。 該工程燃煤的層燃爐類(lèi)似爐子下部為爐排,用以支承上將德士古煤氣化工藝和美國通用電氣公司的蒸面的煤層。通常,煤從氣化爐的頂部加人，而氣化汽燃氣輪機裝置結合起來(lái)形成聯(lián)合循環(huán)。德士劑(氧或空氣和水蒸氣)則從爐子的下部供入,因古氣化爐日處理煤1000噸,發(fā)電100MW,該項工而氣固間是逆向流動(dòng)的。這種氣化爐和燃煤的層程于1984年5月投入運行,取得了良好效果,并燃爐一樣,對煤的粒徑有一定的要求。對系統操作條件的影響做了研究。固定床氣化爐有兩種煤氣出口位置的設計。(1)燃氣輪機燃燒溫度的影響:研究表明,德粗煤氣唯一出口位置設計在干燥區上面煤層的頂士古ICCC裝置應用目前的1093C燃氣輪機時(shí)，部,稱(chēng)為單段氣化爐,此時(shí)出口處煤氣的溫度為其工藝總效率為37 ~ 38% ,比傳統的燃煤火力發(fā)370- 590C ,在這煤氣溫度下,氣的油和煤焦油等電裝置的效率34%要高, IGCC工藝效率受燃機效會(huì )發(fā)生裂解和聚合反應,從而生成彼--時(shí)質(zhì)焦油;率的影響，當燃機效率提高10%時(shí), IGCC工藝將和瀝青。同時(shí)高溫煤氣穿過(guò)煤層時(shí)產(chǎn)生的劇烈干提高6.7%,而燃氣輪機效率受燃機入口溫度的餾會(huì )使煤發(fā)生爆裂,產(chǎn)生大量煤塵,并隨粗煤氣- - -影響,人口溫度越高效率越高。起帶出氣化爐。因而這種單段氣化爐的粗煤氣質(zhì)(2)另一個(gè)因素是蒸汽循環(huán)的影響,目前,燃量是比較差的。另一種設計是,有兩個(gè)煤氣出口，機的排廢氣溫度為482 ~ 538C,故不可能使蒸汽除了在干燥區上部的出口外,另一個(gè)則在氣化區.過(guò)熱和再熱的溫度提高到538C。當燃機排出的的頂部,煤氣產(chǎn)量的一半從這個(gè)出口離開(kāi)氣化爐。廢氣溫度提高到565~593C時(shí),就可以在蒸汽過(guò)由于流經(jīng)揮發(fā)分析出區和干燥區的煤氣量只有單熱器中得到高質(zhì)量的蒸汽,因而增加了蒸汽循環(huán)段爐的,有利于防止由于煤的爆裂而產(chǎn)生的大量的效率。煤塵,而且不會(huì )產(chǎn)生彼一時(shí)質(zhì)焦油和瀝青。因此,(3)蒸汽循環(huán)條件的影響:過(guò)熱蒸汽與非過(guò)熱兩段爐產(chǎn)生的粗煤氣的質(zhì)量是比較好的。蒸汽循環(huán)相比，前者比后者將可獲得更高的效率。用于ICCC系統的固定床氣化爐主要是魯奇(4)燃氣預熱溫度的影響: ICCC工藝的潔凈爐,世界上最早的德國ICCC示范廠(chǎng)采用的就是煤燃氣可以用粗煤氣預熱,在燃料氣中加入顯熱魯奇固定床單段固態(tài)排渣氣化爐。這種氣化爐的使燃氣輪機的熱進(jìn)人量增加而有利于燃燒,將燃最大缺點(diǎn)是,使用焦結性煤時(shí),容易造成床體阻氣預熱到約315C比較合適。塞,使氣流不暢,煤氣質(zhì)量不穩定。此外,由于煤(5)煤漿濃度的影響:采用德士古氣化法時(shí),在氣化爐內緩慢下移至變成灰渣需停留0.5-1如果煤濃度從67%干固體(質(zhì)量)減少到50% ,則個(gè)小時(shí),因而單爐的氣化容量無(wú)法設計得很大。系統效率將 下降2.5%。近年來(lái),西德德士古裝而且,排出的煤氣中還含有大量的瀝青、煤焦油和置已將煤漿濃度提高到70%以上。酚等,使煤氣的凈化處理過(guò)程十分復雜。為改善(6)氣化堝作∞力的影響:氣化壓力的增加會(huì )上述問(wèn)題,強化煤的氣化過(guò)程,英國煤氣公司在固使工中國煤化工加到2. IMPa以.態(tài)排渣魯奇爐的基礎上,將其發(fā)展成液態(tài)排渣魯上時(shí)Y片CNMHG下降0.08%。奇爐。液態(tài)排渣氣化爐由于其燃燒區的溫度較.3對煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝的評價(jià)高,因而有利于提高煤的氧化速率和碳的轉化率,(1)由于ICCC工藝的燃料氣,脫除了硫化物，2009年第4期(總第136期)應用能源技術(shù)33因而可以滿(mǎn)足環(huán)保要求,而且相對來(lái)說(shuō)花費較少,(5)IGCC裝置的效率高,因而發(fā)電成本降低。還可以使用價(jià)格較低的高硫煤種。因為在煤氣化(6)IGCC工藝可由許多并行的煤氣化系列和工藝中煤中的硫被轉化成H2S和羰基硫,在煤氣燃氣、蒸汽燃機系列組成,因而操作機動(dòng)性較好，中這種還原形式的硫的脫除比從煙氣中脫除s02調節速度快, 能很快滿(mǎn)足負荷調節的要求。在設要簡(jiǎn)單。煤氣化工藝中的硫化氫濃度較高,脫除計選擇檔次時(shí)比較合適,可以節約投資。比較容易,而傳統發(fā)電的燃燒廢氣中的二氧化硫(7)將煤氣化工藝列入ICCC工藝,則電力公濃度較低,脫除比較困難。在大多數ICCC工藝用事業(yè)可以和合成氣聯(lián)合生產(chǎn),也可以和化工原中,煤均在高壓下氣化和在高壓下脫硫。由于壓料氣或代用天然氣聯(lián)合生產(chǎn)。力高,氣體體積相應減小,比傳統發(fā)電的煙道氣體4結束語(yǔ)積小得多,因而所需設備也較小。燃煤發(fā)電系統隨著(zhù)煤氣化工藝的開(kāi)發(fā)和發(fā)展,隨著(zhù)材料工業(yè)的煙道氣體積約為德士古氣化工藝在3.4MPa壓的開(kāi)發(fā)和研究,可使燃氣輪機的人口溫度進(jìn)一步提力下操作的燃料氣體積的150倍以上。高。隨著(zhù)煤氣的干法高溫下脫硫工藝的開(kāi)發(fā)和建(2)CCC裝置比燃煤蒸汽發(fā)電裝置的耗水量立將使煤的氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統日趨完善。要顯著(zhù)地少,因為60%的電量是由燃氣輪機產(chǎn)參考文獻生,不需要冷卻水。[1] 賀永德現代煤化工技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)(3)在同樣規模下,IGCC裝置占地比傳統的出版社,2004.燃煤蒸汽發(fā)電要少。[2]陳樹(shù)義燃料燃燒與燃燒裝置[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1985.(4)ICCC工藝的效率比燃煤蒸汽發(fā)電裝置高[3]曹征彥. 中國潔凈煤技術(shù)[M].中國物資出版社,約10% ,因而也可以相應解決采煤和運煤帶來(lái)的1998.環(huán)境問(wèn)題。[4] Chris Higman. Caisfcation. Elevier Sacence,2003.11+1國10用1410101+1+1+1+1+10+1+1+1+14+0++1+1+1+@+10++1++1410+++◆1@++1\◆111+11◆間◆間+國◆(上接21頁(yè))最佳a值隨著(zhù)燃料和燃澆設備的不同而不3最佳過(guò)量空氣系數的確定同,見(jiàn)表1所示。當鍋爐運行時(shí)根據燃料種類(lèi),燃最佳過(guò)量空氣系數可從鍋爐的熱損失來(lái)分燒方式和爐子型式來(lái)選擇的a值,以保證獲得較析。鍋爐的主要熱損失(q2)、煙氣中剩余可燃氣高 的鍋爐效率。體(如CO、H2和CH )所引豈的化學(xué)不完全燃燒熱表1不同爐型和煤腫對應的爐膛過(guò)空氣系數損失( q3)及未燃盡碳粒所引起的機械不完全燃燒過(guò)量空氣系數熱損失(qs)。以上各項損失是隨著(zhù)過(guò)量空氣系數無(wú)煙煤重油煤氣a值而變化的,如圖所示。當a增加時(shí)，燃料同空鏈條爐1.3-1.4 1.3-1.5氣的反應機會(huì )加大,使化學(xué)不完全燃燒熱損失煤粉爐1.21.25 .1.15-1.201.05-1.10(q3)和機械不完全燃燒熱損失(q4)減少,卻導致排煙熱損失(q2)升高。三項損失的總和為- -下凹拂騰爐_ 1.25-1.30的曲線(xiàn),如圖1所示，其最低點(diǎn)的值即為最佳a4結論值。這時(shí)鍋爐的熱損失最小，經(jīng)濟性最高。本文考慮了過(guò)量空氣系數的各種因素影響，得出了計算過(guò)量空氣系數的準確公式,克服了傳電中。統的過(guò)量空氣系數公式基于干煙氣計算不適用于現場(chǎng)以濕煙氣分析結果的缺點(diǎn);進(jìn)行實(shí)際煙量的計算時(shí)也可參照本文進(jìn)行。[1]中國煤化工京:中國電力出MHCNMHG[2] 子平.大型鍋爐裝置及其原理[M].上海:上海交81 鍋爐熱損失與過(guò)量空氣系數的關(guān)系圖通大學(xué)出版社, 1997.