IGCC系統中合成氣回熱換熱器的設計分析

第30卷第4期華電技術(shù)Vol 30 No 42008年4月Huadian TechnolApr.2008IGCC系統中合成氣回熱換熱器的設計分析Design and analysis of thesyngas heat exchanger in IGCC system祁寧QI Ning(國家電站燃燒工程技術(shù)研究中心,遼寧沈陽(yáng)110034)National Power Plant Combustion Engineering Research Center, Shenyang 110034, China)摘要:C系統中最主要的熱回收裝置之一是合成氣回熱換熱器。由于經(jīng)過(guò)了水洗等工藝,合成氣回熱換熱器中的合成氣不但具有一定的顯熱,而且其所含潛熱量也是相當可觀(guān)。對不同類(lèi)型回熱器、回熱器的不換熱方式、回熱器的不同布置方淾的ICCC系統進(jìn)行了分析和計算,根據能量梯級利用理論,采用專(zhuān)用的熱平衡軟件,綜合考慮回熱器對ICCC系統經(jīng)濟性、安全性、效率的影響,給出了全熱回收方式IGCC系統中的合成氣回熱器的設計建議。關(guān)鍵詞;GCC;合成氣;回熱換熱器;能量梯級利用中圖分類(lèi)號:TK472獻標識碼:A文章編號:1674-1951(2008)04-0019-04Abstract: Syngas heat exchanger was one of the most important waste heat recover equipments in IGCC system. Thesyngas in the heat recover exchanger after being scrubed had a great deal of obvious heat and considerable latentheat. This paper analyzed IGCC systems with different types, different heat transfer modes and different layoutschemes of heat recover exchangers, according to the theory of energy cascade utilization and using special heat equi-librium software, and considered the impact of exchanger on the economical efficiency, safety and heat efficiency ofIGCC system, and gave reasonable design suggestions for whole heat recover exchanger in IGCC system.Key words: IGCC; syngas; heat recover exchanger; energy cascade utilization性強的特點(diǎn)需要設計一些特殊換熱器對粗合成氣0引言的熱量進(jìn)行回收,用于回熱合成氣。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術(shù)用于燃煤發(fā)電或結合多聯(lián)產(chǎn),具有效率高、環(huán)境友好等優(yōu)1系統描述及合成氣回熱系統熱源情況勢。IGCC系統中,煤氣化爐出口的粗合成氣一般都IGCC根據氣化技術(shù)可分為水煤漿氣化和干粉具有較高的溫度,因而有大量顯熱能需要回收以提氣化2個(gè)系統的組成區別很大,水煤漿氣化的冷煤高效率。最主要的熱回收裝置是位于氣化爐出口的氣效率約為75%,而采用干粉氣化的冷煤氣效率約輻射式廢熱鍋爐與其后的對流式廢熱鍋爐。受高溫為81%。主要原因是采用水煤漿氣化組成的系統凈化技術(shù)發(fā)展的限制在經(jīng)過(guò)了水洗工藝后,此階段中,合成氣中的水蒸汽含量要高于干粉氣化組成的的合成氣不但具有一定的顯熱,而且其所含潛熱量系統因此,對于采用水煤漿氣化的ICC系統,合也相當可觀(guān),這些熱量包括對流式廢熱鍋爐出口到成氣的熱量回熱系統就顯得更加必要。由于在凈化洗滌塔前合成氣的顯熱、洗滌塔后到脫硫工藝前的中的熱量品位低、熱量多,不適合用于發(fā)電,因此將合成氣顯熱以及合成氣中水蒸汽的潛熱?；厥者@部合成氣中含有的熱量在凈化過(guò)程中取出用于加熱凈分熱量有相當大的技術(shù)難度。根據IGCC系統整體化后中國煤化工成氣入口的溫度要求CNMHG標。本文研究的收稿日期:2007-12-19系統是米用水煤家氣化為氣化甲元的系統該系統華電技術(shù)第30卷的主要流程如圖1所示。那煤[中分[溫熱回收2回熱換熱器的布置方案及優(yōu)化根據熱源的不同,回熱換熱器的布置方案有3種(1)在水洗前設置粗合成氣與凈合成氣換熱的余熱的爐增機發(fā)電氣氣換熱器。(2)在水洗后設置粗合成氣與凈合成氣換熱的圖1水煤漿氣化系統流程圖氣換熱器,經(jīng)過(guò)換熱的凈合成氣還要與燃機抽氣的系統采用水煤漿加壓氣流宋氣化工藝,煤漿濃熱空氣進(jìn)行換熱,以提高熱量的利用效率。度約60%,IGCC系統的空分整體化率為50%,空分(3)利用水洗后的合成氣加熱外部給水,然后的壓縮機提供50%的空氣量,其余50%的空氣從燃將外部給水噴入脫硫后的低溫凈合成氣中,提高合機壓氣機中抽取?？辗值獨饣刈⒌饺紮C中用以控制氣的溫度,然后通過(guò)汽輪機冷凝水最終對凈合成氮氧化物的排放。氣進(jìn)行過(guò)熱,實(shí)現合成氣的回熱根據國內合成氣凈化的技術(shù)發(fā)展水平,合成氣3種方案的合成氣換熱系統如圖2、圖3、圖4采用常溫濕法脫硫工藝是比較現實(shí)的,因此,合所示。成氣從水洗工序出來(lái)后必須進(jìn)行降溫,按照常溫濕法脫硫的工藝要求,合成氣的溫度一般要降低到38℃以下,經(jīng)過(guò)脫硫后的合成氣要經(jīng)過(guò)回熱才能達到燃機入口的溫度要求。根據系統中的實(shí)際情況并結合能量梯級利用的要求,系統中可用于合成氣回熱系統的熱源有3種。圖2第1種方案合成氣換熱系統圖(1)粗合成氣。由于系統中對流式廢熱鍋爐內部布置的是蒸發(fā)受熱面,產(chǎn)生的是高壓蒸汽,因此從對流式廢熱鍋爐出口排出的粗合成氣具有較高的溫度,可以作為合成氣回熱系統的熱源(2)經(jīng)過(guò)水洗的粗合成氣。系統采用的是水煤漿加壓氣流床氣化工藝,粗合成氣中有大約20%的水蒸汽,水洗除塵后,合成氣的溫度降低到170℃圖3第2種方案合成氣換熱系統圖180℃,部分洗水也蒸發(fā)進(jìn)人到合成氣中,而在脫硫前需要將合成氣的溫度降低到38℃左右,以符合常溫濕法脫硫工藝的要求。在降溫的過(guò)程中將有合成氣的顯熱和合成氣中水蒸汽凝結的潛熱需要被移出,同時(shí)燃氣輪機入口的燃料氣要求為220℃以下此處的熱量可以用于作為合成氣回熱系統的熱源(3)燃機抽氣及余熱鍋爐部分。燃機抽氣是將圖4第3種方案合成氣換熱系統圖燃氣輪機壓氣機中的部分經(jīng)過(guò)壓縮的高壓空氣抽出方案1和方案2的主要區別是方案2中取消了以提供給空分系統作為原料氣使用,燃機壓氣機末方案1中的粗合成氣與凈合成氣的換熱器。原因是級高壓空氣的溫度約為380℃,當將這部分空氣作粗合成氣在經(jīng)過(guò)水洗工藝前含有細灰,運行中易出為空分的原料氣時(shí),要經(jīng)過(guò)降溫。因此,這部分空氣現灰渣國 Tama由站的IGCC系統采用了的顯熱也可以作為合成氣回熱系統的熱源。在方案1中國煤化工理過(guò)程中,沉積IcCc系統中,位于常規島的余熱鍋爐用于回收燃機的灰渣CNMHG的管子造成嚴排氣的熱量這部分熱量根據需要可以作為合成氣重腐蝕。運行中曾多次出現管子泄漏造成粗合成氣回熱系統的熱源?；烊雰艉铣蓺庵卸t,并導致燃氣輪機損傷。第4期祁寧:lGCC系統中合成氣回熱換熱器的設計分析21方案1的優(yōu)點(diǎn)是系統的熱量利用充分。粗合成3回熱換熱器設計優(yōu)化氣在水洗前的溫度較高,換熱器的運行溫差比較大,能夠將凈合成氣的溫度提高到一個(gè)較高的水平,且3.1換熱器結構選擇設備的換熱面積可以設計的較小,設備體積和造價(jià)IGCC系統中合成氣回熱換熱器的結構選擇要較低。缺點(diǎn)是系統的安全性較低,可能對整個(gè)ICCC參考化工系統的換熱器設計技術(shù),換熱器按照傳熱系統的穩定運行帶來(lái)隱患。特性分為間壁式、直接接觸式和蓄熱式3種類(lèi)型方案2的優(yōu)點(diǎn)是在水洗后的粗合成氣中灰塵的間壁式按照結構分為列管式、夾套式、板式和套含量較低,不易造成換熱器的堵塞,設備的安全性較管式等;直接接觸式分為冷卻塔、再沸器等。高。缺點(diǎn)是粗合成氣經(jīng)過(guò)水洗后溫度較低,換熱器根據IGCC合成氣回熱系統的要求,合成氣回的換熱溫差較小,設備需要較大的換熱面積設備體熱換熱器的傳熱形式應該選擇間壁式,方案3中的積和造價(jià)將明顯提髙;同時(shí),由于經(jīng)過(guò)水洗后的合成合成氣濕化飽和器為直接接觸式。常用間壁式換熱氣中的熱量大量以水蒸汽的潛熱形式存在,因此,合器的應用條件見(jiàn)表1成氣回熱換熱器變成了冷凝器,設計比較復雜。根據IGCC系統中合成氣的操作條件一般超過(guò)方案3中應用燃氣濕化飽和器實(shí)現合成氣的回3.0MPa的特點(diǎn),建議采用列管式換熱器,具體采取熱,優(yōu)點(diǎn)是避免了凈合成氣被粗合成氣污染,同時(shí)由哪種結構要根據使用的位置來(lái)確定。如果要使用板于是直接的接觸換熱,換熱效率要高于換熱器。缺點(diǎn)式等其他結構的換熱器,設計中要充分考慮操作壓是濕化塔的造價(jià)要高于換熱器,其后部要設置合成氣力,應認真核算設備的強度。過(guò)熱設備,用以防止由于燃氣飽和而存在的合成氣在3.2換熱器設計優(yōu)化燃氣輪機閥站部位出現的結露問(wèn)題。優(yōu)化設計換熱器設備的目的是提高其傳熱效在主要系統參數統一的情況下,lGCC系統總的率;簡(jiǎn)化結構,降低成本;延長(cháng)設備使用壽命。實(shí)際供電效率順序為:方案1>方案3>方案2。安全運設計中,這些目的不能同時(shí)達到,因此,對不同的設行的評估結果是方案3>方案2>方案1。投資比計優(yōu)化應進(jìn)行權衡,以決定最終采用的設計方案較的結果是方案3>方案2>方案1。根據傳熱的基本公式Q=KFt可知,傳熱量Q在合成氣回熱系統的設計中,粗合成氣與凈合的增加可以通過(guò)提高傳熱系數K、擴展傳熱面積F成氣進(jìn)行換熱時(shí),應有效地避免由于換熱器泄漏造和加大傳熱溫差At來(lái)實(shí)現。成的凈合成氣污染?？刹捎瞄g接換熱的設計方式(1)擴展傳熱面積以增加傳熱。這種方式的應利用中間介質(zhì)實(shí)現換熱。這種設計由于增加了間接用不是靠增大設備的體積或者增加設備臺數來(lái)實(shí)現換熱,系統總的換熱效率將降低,設備投資將有所提的,根據目前管殼式換熱器的研究進(jìn)展4,合理地高。設計方案1中采取間接換熱的方式,位于對流提高單位設備體積的傳熱面積的有效方法有:采用式廢熱鍋爐后的換熱器存在泄漏,而此處的高溫熱螺旋槽管、波紋管、翅片管等。各種異形傳熱管設計源為未經(jīng)過(guò)水洗的粗合成氣,合成氣中含有的細灰的主要目的是提高換熱面積,從改進(jìn)傳熱面結構和容易在換熱器中沉積,對設備造成沖刷磨損,引起系布置等方面出發(fā)加大傳熱面積,以達到換熱設備高統停機,將造成巨大損失;因此,根據國外IGCC的效緊湊的目的。其中,采用翅片管的方法在工程中運行經(jīng)驗,方案1在不能解決泄漏問(wèn)題的條件下,不應用較多。采用各種不同結構的換熱管,可以在不能輕易采用。增加設備體積的情況下使設備的有效換熱面積提高根據以上分析,方案2和方案3是可行的。2~3倍。但是,在設計中要綜合考慮使用異形換熱表1常用間壁式換熱器應用條件21換熱器結構操作壓力/MPa標準固定管板式0.25-6.4JB/T4515-1992換熱介質(zhì)溫差小,結構簡(jiǎn)單列管式浮頭式1.0~6.4JB/ 4714TV凵中國煤化工U型管式1.0-64JB/T 4717板式GB6409CNMHG板式螺旋板式<1.6JB/T4723-1992換熱效果好,結構簡(jiǎn)單華電技術(shù)第30卷管帶來(lái)的不利影響因為采用異形管時(shí)換熱器中的能因此,要兼顧整個(gè)熱力系統能量的合理利用將流場(chǎng)將會(huì )產(chǎn)生變化,設備的阻力積灰結垢條件將會(huì )其安排在系統的優(yōu)化里面考慮比較合適。變化,有可能影響設備的正常運行。綜合以上各種換熱器增強傳熱措施,GCC合成(2)提高傳熱系數也是增強傳熱的積極措施。氣回熱換熱器的優(yōu)化設計應該在滿(mǎn)足工藝要求的條傳熱過(guò)程的總熱阻是各分項熱阻的疊加,要改變傳件下,使換熱器的一個(gè)或者數個(gè)指標達到最佳。優(yōu)熱系數就要分析傳熱過(guò)程的各項熱阻。在換熱設備化的步驟為:確定優(yōu)化約束條件,如阻力造價(jià)等中一般都釆用金屬薄壁的設計(金屬壁的熱阻很立換熱器各參數之間的關(guān)系式→聯(lián)立各關(guān)系式進(jìn)小可以忽略不計)。為方便說(shuō)明,可以先不考慮污行求解,最后確定優(yōu)化后的參數→驗算。垢熱阻,傳熱的總傳熱系數可以寫(xiě)成換熱器一般可以選取的可變設計參數是管長(cháng)管徑翅片高度翅片數量流動(dòng)阻力設備安裝費用1+1(1)等?？勺儏翟O定的越多,計算最優(yōu)化條件的過(guò)程越復雜,計算的工作量也越大。目前,換熱器本體的式中,a1,a2分別為換熱器管壁的內、外傳熱系數參數可以通過(guò)CFD軟件進(jìn)行模擬,回歸后給出方為了確定哪個(gè)對K值的影響比較大,以K值對程;造價(jià)等經(jīng)濟參數可以通過(guò)材料費用、加工費用進(jìn)它們分別求偏導,得到行核算給出其與設備結構方面參數的關(guān)聯(lián)公式。由于在合成氣冷卻段布置的換熱器具有部分冷(2)(a1+a2)凝器的作用,設計中要對設備的腐蝕方面給予重視(3)4結束語(yǔ)(a1+a2)式(2)和式(3)分別表示了傳熱系數隨a1和a2在以水煤漿氣化為基礎的IGCC發(fā)電系統的設的增長(cháng)率,當a1>a2時(shí),假設a1=ma2(n>1),可計中,對于合成氣回熱系統的設計,建議利用經(jīng)過(guò)除塵后的合成氣的熱量及燃機抽氣的熱量為合成氣回以得到K2=nK,由此可以看出提高a2對增強傳熱系統的取熱熱源。對于將水洗前的粗合成氣作為熱的效果更加有效。熱源的情況要慎重在ICC合成氣回熱系統中,無(wú)論是冷卻器還合成氣回熱換熱器的具體設備的優(yōu)化,可以采是加熱器都是氣相同液相的換熱。一般氣相的換熱用翅片管的設計,可對傳熱管表面進(jìn)行粗糙化處理,系數較低,同時(shí)由于擴展傳熱面積及加大傳熱溫差對合成氣側進(jìn)行模擬計算,分析各種提高傳熱系數要受到設備和工藝條件的限制,因此,對于lGCC合的手段。設計優(yōu)化中要考慮工程的具體工藝和物料成氣回熱系統中的換熱器的設計主要是優(yōu)化氣相側的組成情況,對于具有凝結水的位置的腐蝕問(wèn)題應的傳熱,提高氣相的傳熱系數,具體的方法有3種。給予重視。最后,要將經(jīng)濟因素引入到設計中選擇1)改變流體流動(dòng)情況。通過(guò)提高流體的流動(dòng)經(jīng)濟性最優(yōu)的設計速度增加高湍流脈動(dòng)程度,如在管殼式換熱器殼層參考文獻中加裝各種隔板等。還可以在管內或管外加裝各種插入物以增加擾動(dòng),但要防止出現系統阻力增1]許世森,李春虎部時(shí)煤氣凈化技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006加明顯、通道堵塞等問(wèn)題[2]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊2)改變物流物性。這種方法不適合在CCC合[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003成氣回熱換熱器中使用[3]洪蒙納鄧先和管殼式換熱器管程強化傳熱研究進(jìn)展3)改變換熱表面情況。主要有增加表面粗糙[J].廣東化工,2005,32(3):41,42度、改變換熱面的形狀和大小等方法。改變換熱表[4]崔海亭,姚仲鵬螺旋槽紋管研究及應用[J石油化工設備,2001,30(2):34-36面的粗糙度不僅有利于管內物流的換熱,也有利于[5]陳姝高學(xué)農徐娓等,管殼式換熱器新型管支撐結構凝結換熱。在CCC合成氣回熱系統中的取熱段由在傳熱強化方面的進(jìn)展[J].廣東化工,2006,33(6):于存在水蒸汽的冷凝過(guò)程,因此,增加換熱器合成氣側換熱表面的粗糙度可以加強換熱。中國煤化工(編輯:劉芳)(3)增大傳熱溫差以增強傳熱的途徑在應用中CNMHG受到實(shí)際工藝和設備條件的限制。傳熱溫差增大將作者簡(jiǎn)祁寧(1972-),男河北獻縣人,國家電站燃燒工程技術(shù)研究中使整個(gè)系統的不可逆性增加,降低熱力系統的可用心高級工程師從事電力環(huán)保研究方面的工作