两种典型的煤气化技术

展2008年第27卷增刊CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●227●两种典型的煤气化技术李洁'，段宾”，毛天3(西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049)摘妻:美国的Tampa (250 MW)电站和荷兰的Demkolee (253 MW)电站是世界上典型的IGCC电站，它们分别采用水煤浆加压喷涴床气化技术和干粉进料加压喷流床气化技术。本文以这两种煤气化技术为代表，综合分析了它们的设备结构特点、性能特点及在IGCC电站中的运行状况，这对我国IGCC电站选择煤气化工艺路线具有一定的参考价值。关键词:煤气化工艺; 气化炉; 循环发电; 结构特点;性能分析我国是一个煤炭丰富的国家，煤炭预测资源总的灰熔点降低或者使煤浆均匀性提高。在煤浆磨的量为50600亿吨，经济可采储量为1145亿吨。在我出 口有-一个简形的筛子，合格的煤浆流入煤浆储罐国已探明的一次能源储量中(折成标准煤)煤炭占中，不合格的煤浆溢流到循环槽中被送回煤浆磨入92%,因而以煤炭为主的能源结构在本世纪内不会发口。在煤浆储罐中设有一一个搅拌器，并根据检测结生根本变化。但煤炭的大量开采和利用也带来了严果加入-定量的水，使储罐中的煤浆始终保持在一重的环境问题。而整体煤气化联合循环(IGCC) 是定浓度下的均匀状态。气化炉所需的煤浆量-般由一种高效低污染的洁净煤发电技术，所以大力发展2级隔膜泵从煤浆储罐中抽取并加压送入气化炉喷IGCC技术对我国洁净煤技术发展具有重大意义。嘴，在气化炉入口的煤浆输送管上设有2级流量检IGCC是20世纪70年代石油危机时期西方国测器，严格控制煤浆的流量，煤浆流量的调节全靠家开始发展的一项燃煤发电技术。其设计思想是:隔膜泵来控制。使煤在气化炉中气化成为中热值或低热值的煤气，(2)气化炉和煤气冷却系统。水煤浆和95%然后通过处理，去除其中的灰分、含硫化合物、重纯度的氧 气被同时送入气化炉喷嘴，在气化炉内进金属等有害物质,进而供到燃气-蒸汽联合循环的发行气化反应， 反应区的温度一般在1200~ 1500 C,电机组中去燃烧和做功，借以达到以煤代油(或天气化炉的压力根据不同行业的需要可以是 2.5~8.5然气)的目的"。MPa. Tampa IGCC电站的气化炉的压力为2.8~3.0迄今为止，世界各国已投入运行和正筹建的MPa,气化区的温度为1482 C.水、煤和氧气在气IGCC电站有几十座，其中具有代表性的有美国的化炉中发生气化反应，主要生成CO、H2、CO2、Tampa(250MW)、荷兰的Demkolec(253MW)等。它H2O、CH4、H2S和N2,此外，还有少量的NH3、们分别采用Texaco、Shell 加压喷流床煤气化工艺。cos. HCN和飞灰。由于采用水煤浆进料,煤气中Texaco是水煤浆加压气化的主要代表，而Shell 则的H2O含量较高。Tampa 电站的Texaco气化炉内是干粉进料加压喷流床气化的主要代表。了解设耐火砖(一般为4层),内径约4.0m,高约3.0 m。Texaco和Shell这两种煤气化工艺的结构特点、性气化反应的速度很快，粗煤气在气化炉内的停留时能特点和运行状况，对我国IGCC电站选择煤气化间一般在2~3 s。热煤气离开气化炉进入特殊设计工艺具有- -定的参考意义。的辐射式冷却器，使热煤气的温度降低至700 C,同时使热煤气中的熔融态灰渣凝固。冷却后的粗煤1 Texaco 煤气化工艺12-91气进入对流式冷却器中被进一步冷却到 480°C.煤1.1 Texaco 气化工艺的结构特点气中的显热在2级冷却器中得到回收，产生10.4(1)制浆系统。煤和水在常规的煤浆磨中被制MPa中国煤化工辐射式冷却器做成成质量分数通常是60%~ 68%的水煤浆，TampaYHCNMHG总重约900,气化IGCC电站的水煤浆设计质量分数为68%。对于一炉安衣你同约1w.1J 10些灰熔点较高的煤或制浆困难的煤，经常在煤浆磨(3)排渣和黑水处理系统。气化炉内的熔渣中同时加入石灰石助熔剂或者煤浆添加剂，使得煤经辐射式冷却器后冷却凝固成玻璃状的渣进入充●228●化工进展2008年第27卷满水的锁斗系统，锁斗上下部各有2级阀门控制渣容量商业运行的台数和经验更丰富。进入和排出。从压力锁斗排出的渣落入粗渣糟中，.3 Tampa IGCC电站中Texaco气化炉曾出现过粗渣被分离出来，进一步处理或直接销售。细渣和的主要问题及解决办法水一起被抽入一-个细灰沉降槽中进行重力沉降或(1)排渣锁斗堵塞。通过调整运行工况及改动过滤，使水和细渣分离。从洗涤器出来含灰的水也部分管道基本得到解决。进入沉渣槽中，使含碳的飞灰与水分离,从沉渣糟(2)辐射废热锅炉和对流废热锅炉的泄漏问中溢流出来的水一般含非常少量的细灰,它被再循题。主要原因可能是由于高温腐蚀,改进的方法是:环至水洗涤器入口作为洗涤器用水,多余的水送回采取保护措施，改善气化炉的运行状况。对流废热煤浆制备系统。从沉渣槽底部流出的细灰进入-个锅炉也 曾出现管壁泄漏和积灰堵塞问题。改进的方压滤机中，将细灰制成细灰饼。Tampa电站采用了法是:组织好气化炉的运行工况，加强检查和吹灰。将细灰再循环至煤浆磨的工艺,目的是为了提高碳(3)黑水和灰水系统的磨损问题。目前的办法的转化率。是更换耐磨材料、改变管路结构、加强细灰的分离，1.2 Texaco 气化工艺的性能特点但不能彻底解决。(1)与干法进料相比,水煤浆进料系统工艺相(4)当煤种有变化时，气化炉最不适应的就是对简单，安全可靠，操作灵活，制浆系统的厂用电排渣锁斗系统和细灰分离系统，容易发生堵塞。目较小，无煤粉爆炸危险性，制浆系统无粉尘排放。前的办法是控制运行参数,积累运行经验，改善锁煤不必进行干燥处理，可直接进入制浆系统。此外，斗系统的设计，增强承受能力。水煤浆进料可处理不同物料(煤、石油焦、其它废(5)位于对流煤气冷却器后的4个气气热交料)，进料种类灵活。此外，使用水煤浆进料，气化换 器(2个粗煤气与净煤气, 2个N2与粗煤气)曾出炉的压力可高达8.5 MPa,一般运行在4.0MPa,这现积灰堵塞和腐蚀问题，造成管子泄漏，导致灰对一些化工过程非常必要。尘进入洁净煤气中，使燃气轮机叶片严重损坏，(2)气化炉采用单喷嘴运行，所有的气化物同时 在氮气和煤气通往燃气轮机的Y形滤网也发料都从一个喷嘴喷入，具有结构简单的优点。但由现裂纹。主要原因有:设计的气气热交换器入口于局部热负荷较高,流量较大,不可避免地会发生煤气温度偏低、热交换器的管径偏小及停机时泄过热损坏或磨损问题。到目前为止，Texaco 气化漏的水的腐蚀(氯离子腐蚀)等。目前尚无好的炉喷嘴的最长累计运行时间仅3个月就需要进行解决办法， 不得已取消了这4个气气热交换器，检修更换。改用蒸汽预热净煤气,这使全厂的净效率下降1.5(3) Texaco气化炉内设耐火砖，没有水冷系个百分点。统，结构简单，初投资较小。但由于炉内温度较高，2 Shell 煤气化工艺015加之磨损和腐蚀,目前Texaco气化炉向火侧的耐火砖最长寿命仅2年，靠近炉壁的耐火砖寿命为5~ 2.1 Shell 煤气化工艺的结构特点10年。(1)煤粉制备和送料系统。Shell 煤气化工艺(4)全厂的灰水可综合利用，除去大煤渣和细采用干煤粉进料系统。原煤的干燥和磨煤系统与灰的水也在制浆系统中循环使用。常规电站基本相同，但送料系统是高压的N2气浓(5)由于煤气在气化炉内的停留时间短,相输送。与水煤浆不同，整个系统必须采取防爆Texaco气化炉的碳转化率较低, - -般在96%~ -98%。措施。经预破碎后进入煤的干燥系统，使煤中的由于水煤浆的水分含量大,气化过程的O/C比较高，水分小于 2%，然后进入磨煤机中被制成煤粉。对耗氧量大，而且煤气中的水分含量也较高。与干法烟煤，煤粉细度Rgo一般为20%~30%，磨煤机是进料相比，冷煤气效率较低，热回收系统复杂。在常压下运行，制成粉后用N2气送入煤粉仓中。(6)由于Texaco气化技术的合成气中氢气含然 后中国煤化工用高压N2气,以量较高，氮气量几乎没有，可以提高操作压力，有较YHCN MH G化炉喷嘴，煤粉利于化工产品的制备，因此比较适合作为化工制备在喷哺里与氧气(95%纯度)混合并与蒸汽- -起进的原料气。入气化炉反应。(7)与其它气化炉相比，Texaco 气化炉的大(2)气化炉。由对称布置的4个燃烧器喷入的增刊李洁等:两种典型的煤气化技术●229●煤粉、氧气和蒸汽的混合物，在气化炉内迅速发生净化的需求更迫切。气化反应，气化炉温度维持在1400~1600 C，这(3) Shell 气化炉的喷嘴和水冷壁寿命较长，个温度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到气化炉底在Demkolec电站累计运行10000h以上未见损坏，部，经淬冷后，变成一-种玻璃态不可浸出的淹排出。气化炉的可用率 已达到95%。粗煤气随气流上升到气化炉出口,经过一个过渡段，(4)由于采用干法进料,气化过程的氧耗比水用除尘后的低温粗煤气(150 C左右)使高温热煤煤浆进料少, 煤气中的CO2含量也远小于水煤浆进气急冷到900 C，然后进入对流式煤气冷却器。在料的煤气。 对于相同容量的气化炉，Shell 气化所需有一定倾角的过渡段中，由于热煤气被骤冷，所含的空分站可小于15% ~25%。的大部分熔融态灰渣凝固后落入气化炉底部。Shell(5)采用干灰再循环，提高了碳的转化率(可气化炉的压力壳内布置垂直管膜式水冷壁,产生4.0达到9%)。.MPa的中压蒸汽。向火侧有- -层很薄的耐火涂层，(6)干法进料系统与水煤浆相比要复杂得多,当熔融态灰渣在上面流动时，起到保护水冷壁的作操作和保护也要严格得多。进料系统的防爆和防泄用。Demkolec ICCC电站的气化炉直径为5~6 m,漏问题十分关键。进料系统的占地和造价比水煤浆高约50m,标高达到60 m以上。气化炉的运行压大。 此外，干法进料系统的粉尘排放远大于水煤浆力为2.6 ~2.8 MPao进料系统。(3)煤气冷却器。粗热煤气在煤气冷却器中被(7)由于Shell气化炉采用4个(或更多)喷进一步冷却到250 C左右。低温冷却段产生4.0 MPa嘴运行，易于在低负荷和高负荷下运行，操作的灵的中压蒸汽，这部分蒸汽与气化炉产生的中压蒸汽活性大， 实现大型化的可能性大。据介绍，Shell混合后，再与汽轮机高压缸排汽- -起再 热成中压再气化炉的 最低负荷可达到25%，即一 一个喷嘴运行。热蒸汽。高温冷却段产生13 MPa的高压蒸汽，它(8) Shell 气化炉的运行过程中最重要的控制与余热锅炉里的高压蒸汽-起过热成主蒸汽。参数如下:气化炉出口温度;合成气冷却器进口温Demkolec电厂的煤气冷却器直径约4m,高约度;煤气成分;蒸汽的参数(流量、温度、压力);64 m,冷却器顶部标高约74.5 m,是气化岛的最高炉渣的排出量及外观状况。点。冷却器的压力外壳里布置有8层螺旋管圈，上(9) Shell 气化炉的变负荷率每分钟大于5%，下共分成5段，热煤气由.上而下在螺旋管外流动与IGCC的变负荷率每分钟接近3%。螺旋管内的水换热。每-层螺旋管阁都有一个气动2.3 Demkolec IGCC电站中shell气化炉曾出现过锤来振打清除积灰。的问题及解决办法由于Shell气化炉组成的IGCC系统采用的是千在Demkolec电站运行中，Shell 气化炉及其法除尘，所以，它的黑水和灰水处理系统相对比较辅助系统的运行基本正常，可用率也较高。在运简单，但其主要的流程与Texaco相似，在此不再行初期出现过以下问题:①排渣的锁斗堵塞;②赘述。细微炉淹影响黑水处理系统。上述2个与气化工2.2 Shell 煤气化工艺的性能特点艺有关问题的原因及解决办法与前文相同，在此(1)Shell气化炉的煤气中CO和H2含量远不再赘述。大于Texaco煤气,而CO2和H20却远小于Texaco3 两种气化炉的综合比较煤气。由于可燃气成分较高，其冷煤气效率较高(约80%~83%),组成的IGCC电站发电效率也两种气化炉的技术特点的综合比较见表1.较高(43% LHV)。而水煤浆进料的冷煤气效率一般仅为74%~77%。组成的IGCC效率也较低4结论,(41%LHV)。.(1)美国的水煤浆进料气化工艺Texaco和欧(2)由于煤气中水分含最较少(2.0%), Shell洲的中国煤化工单炉出力都达到了气化炉组成的IGCC因常温净化而损失的热煤气能200MYHCNMHG250~ 300 MW等量较小，而水煤浆进料的煤气中一般都含有16.8%级的lvc小犯，c竹r仰采用氧气喷流床气左右的水分，那么当热煤气冷却到常温时，必然损化工艺。这对于我国选择气化工艺提供了较为全面失大量的显热和潜热。水煤浆进料气化工艺对高温的选择范围。I进展2008年第27卷表1两种气化炉的技术特 点比较技术项目TexacoSbell进料方式湿法/水煤浆干法/煤粉反应器形式喷流床氧气纯度1%喷嘴/个喷嘴的寿命几1440气化炉内衬耐火砖水冷壁+涂层“内衬的寿命la>10(待考验)冷煤气效率%71~7680~83碳转化率1%96~98>98单炉最大出力h●d'2200~2400200示范电站的净功率/MW250.0253.0最大容量气化炉的最长运行时间/>8860> 00000示范电站最长追续运行时间h720-~1000> 2000示范电站的气化炉可用率%80~85组成IGCC示范电站的效率%设计值41.6QHHV),试验值38.50HHV)43(LHVX未公布试验值)组成的IGCC达到43%(LHV)效率的可能性有可能(但必须改进全热回收)容易达到存在的问题喷嘴、耐火砖寿命短,全热回收系统和黑水处理系统尚待改进黑水系统待改进是否气化过类似于中国IGCC电站的煤种是目前IcCc电站的造价较高(2) Texaco气化炉的运行经验和已商业化的担者时应予以高度重视，尽量选择这-方面的专业台数最多，用于IGCC发电，气化炉的可用率也可厂商。达到80%以上。但它的喷嘴和耐火衬里的寿命较短，(6)根据世界上2座示范电站的经验和教训，冷煤气效率和组成IGCC的效率目前还较低。若对 于我国IGCC示范电站在气化工艺选择方面应综IGCC效率设计为43% (LHV),采用Texaco气化合考虑以下几个原则问题:气化炉的最大出力是否炉，必须使其废热锅炉和全热回收系统有较大的改能达到要求;是否气化过类似的煤种:最大容量的进，才有可能达到。气化炉的运行时间和台数;示范运行的可用率:冷(3) Shell 气化炉的可用率已达到了95%，可煤气效率及组成IGCC的总效率;目前还存在哪些以说已经进入商业化运行,其喷嘴和水冷壁的寿命问题;气化炉和辅助系统设计和制造者是否都是专都较长。冷煤气效率和组成IGCC效率与湿法进料业厂商。气化工艺相比较高，对43%(LHV)的IGCC效率,参考文献采用Shell工艺容易达到。但它的造价与Texaco相[1] 焦树建整体煤气化繼气.蒸汽联合循环M].北京:中国电力工业比较高。出版社，1996.(4)煤种对气化炉的性能有很大影响，对于我[2] 马水贵， 钟史明. IcCc电站目前概况与发展趋向0，燃气轮机发国IGCC示范电站所选用的煤种，目前只有Texaco电技术，2006 (1): 8-20. .和Shell气化炉有类似煤种的气化经验，这一点对3] The Tampa ICCC Projeca[AJl. A Report of DOE and Tampa Eletric气化工艺的选择也十分重要。Company, 196.12.(5)从2座示范电站的运行情况看,气化炉本[4] John E McDaniel, Charles A Sbclnut. Tanpa ecric company polk中国煤化工Sixth Annual Clean Coal身的可用率都很高(>85%),但与之匹配的辅助系May, 1998.统是制约气化岛和整个IGCC机组可用率的最大障[5YHC N M H Grpvering Pojoe(l. A .碍。其中排渣和黑水处理系统及进料系统的问题最Report of DOE and Wabash River Coal Gasification Jont Venhure,1996.12.多，有些目前尚未解决。这一点在选择气化工艺承[6] Cito G Keeler, Jack Stult. Operating expeieace a the wabash增刊李洁等:两种典型的煤气化技术●231●river coml gasification repower projoctCl. Sixth Anoual Clean CoalCompany, Angust, 1998.Technology Conference, Reno, Nevada, May, 1998.[1] 焦树建. 欧洲的IGCC 示范工程与研发工作[].燃气轮机技术,[7 许世森，江哲生，安敏善，等ICCC技术考察报告[A].西安:国2006, 19 (2): 1-10.电热工研究院内部资料，1998: 140(12] ICCC 示范工程资料汇编(国电热工院内部资料)，2000.0[8] 李现勇，肖云议，蔡睿贤.整体煤气化联合循环(IGCC)技术的[13] 姚强洁净煤技术[M]. 北京:化学工业出版社, 2005.发展和应用[0].热能动力工程，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] 焦树建. IGCC的某些关键技术之发展展堂几动力工程，2006,[10] Purollano 1GCC Power Plant Status[A]. A Report of Krupp Ubde26 (2)。13-165. .第一作者简介:李洁(1981- -),女,硕士研究生,主要研究方向为IGCC (整体煤气化燃气-蒸汽联合循环)。E - mail lj810229@ 126.com; 1j810229@yahoo.com.cn.中国煤化工MYHCNMHG