Destec煤气化工艺的特点

第42卷第6期化肥设计Dec. 20042004年12月Chemical Fertilizer Design●3.专题综论Destec煤气化工艺的特点郑振安(中国五环化学工程公司，武汉430079)摘要:介绍了Destec煤气化工艺的开发过程和商业性应用实例，阐述了该工艺的技术特点和工艺过程,对Destec和Texaco 2种煤气化工艺的技术要点进行了对比和总结。关键词: Destec 煤气化工艺;技术特点; Texaco煤气化工艺;对比中图分类号: TQ546文献标识码: A文章编号: 1004 - 8901 (2004)106 -0003-05Characteristics of Destec Coal Gasification ProcessZheng Zhen-an(China Wuhuan Chemial Enginering Crporation，Wuhan, 430079, China)Abstract: The developing process and the comercially pplicable example were introduced, the techniead characteristics of this process andthe technologsy process were described, comparison and summarizarion were made for technical gist of two kinds of coal gasification process ie.Destec and Texaco process.Key words: Destec coal gasification process; technical characteristis; Texaco coal gasification process; comparisonDestec煤气化工艺原称Dow煤气化工艺，是气化炉原理的研究、 在1979年建设36 t/d 试验由美国Dow化学公司于1973年开发的，1987年.装置和在1982年1 600 t/d的示范装置。在此基成功应用于商业性的热电厂。该工艺与Texaco础上于1987年在路易斯安那州的Plaquemine的煤气化工艺齐名，同样是水煤浆进料,加压纯氧工厂建成第1个商业性Dow气化装置IGCC项气流床气化工艺，因此Destec不仅具有Texaco目。以次烟煤为原料,每天处理约2400 t,或其工艺的优点，同时因其气化炉结构及工艺过程的他相对应的煤，包括褐煤为原料,每天处理约特点，工艺性能和技术经济指标比Texaco工艺2 900 t。该装置能力为31.8x 10° kJ/d中热值煤略胜一筹。因此，有必要对Destec煤气化工艺进气并联产2 467 t/d的蒸汽，发电160 MW,其能-步认识,借鉴其优点，也许对今后洁净煤气化量平衡示意见图1。技术的发展有所裨益。过热燕汽8.16 TJ]/d1开发过程与商业性应用次烟煤2119t/r煤气化煤气31.87]/1d发电184.2.(总)复气1215/0装置装置净输出160.9W在70年代世界能源危机中,美国Dow化学23.3师去空分公司为了竞争的需要,制定了以煤代替天然气能104t/d 4t/d及其他内部使用源的计划。拟定以燃气透平技术和美国丰富的煤图1 LGTI 能量平衡示意图资源作为推进计划的主要内容，为获得更可靠和从1987年4月投运到1995年11月，该装成本相当的未来能源奠定基础。而煤的完全转换置累积运行了34 000 h,积累了丰富的经验。必须具备- -种可靠的煤气化工艺来生产合成气，1989年Dow公司创立Destec能源公司，占以代替天然气直接用于燃气透平，即使用廉价的煤提供高效率的燃气透平联合循环发电系统。煤作者简介:郑振安(1939年-),男，福建厦门人，1962年毕业于气化项目是由路易斯安那气化技术公司(LGTI)华东化工学院，教授级高级工程师,副总工程师，现任公司总经研究和开发的，计划历时10年，包括在1975年理高级顾问，长期从事化工工程的设计、开发和研究工作。化肥设计2004年第42卷有80%股份,将其拥有的Dow煤气化工艺改名见图3,为单系列，2台气化炉，其中1台备用。为Desteco 1997 年NGC公司收购Destec公司，产品气其成为NGC的子公司,现更名为Dynegy Power第2段-Corp。1995 年，Destec 能源公司和PSI公司在印煤浆~炭去循环第安纳州联营建成并投运了Wabash River IGCC第1段、电站，Destec 负责建造和经营气化岛25年，PSI氧气煤浆一煤浆负责建造和经营动力岛。机组的净出力为261.渣急冷水-61 MW,气化炉处理煤量为2 500 t/d。渣浆2 Destec 煤气化工艺的特点图2 Destec 气化炉2.1工艺概念Destec煤气化工艺建立的装置所提供的系统炭循环与燃气透平紧密结合,提供安全、可靠的操作，锅炉心e10并且满足以下要求:酸性气得出气-氧气(1)加压操作 为燃气提供足够的压力进入透平,气化炉在2.0~3.5 MPa进行操作。这有固粒循环液硫利于减小气体加工设备的尺寸，降低投资。￥(2)水煤浆进料通过多种进料系统的评图3路易斯安那煤气化流程图价,如机械灰闸、螺旋式和水煤浆等,确定以水1-渣脱水器; 2--棒磨机; 3-气化炉;4←旋风分离器;5- -蒸汽锅炉; 6-蒸汽过热器; 7- -给水预热器; 8-湿式洗涤器;9硫煤浆进料是最可靠的。.(3)适用于各种品质的煤主 要利用褐煤,回收系统; 10-HS脱除系统; 11-焚烧炉3.1.1主要工序说明也提供利用其他煤种的灵活性。(4)不污染环境洁净运行, 没有烃类副产(1)磨煤和水煤浆制备品产生,灰渣容易处理,可作为建筑或铺路材料。水煤浆的制备是采用来自贮仓的煤和水混合2.2气化炉的特点后棒磨而成，使用次烟煤时固体浓度为52%~Destec气化炉如图2所示，两段氧气气化、54%，水煤浆制备装置距气化炉装置约1.2 km。连续排渣、内衬耐火砖。第1段在1 320~1 430(2)气化和高温热回收r的熔渣条件下操作，准确的温度取决于熔渣的煤浆泵送到气化界区的水煤浆进料罐，为防粘滞特性。第1段为水平圆柱体,每端各有1个止堵塞采取了反冲洗管线和水煤浆回流的措施。水煤浆和氧气的进料烧嘴。80%的水煤浆和氧气水煤浆用加压泵送 至水煤浆预热器,加热到气化混合后喷入第1段。在圆柱体中央为熔渣的排出压力下水煤浆沸点温度以下28~56 C。煤浆泵口,经过淬水段流出。第1段反应产生的热煤气具有在高压下操作液固混合物的能力,并能控制由顶部进人第2段。第2段为直立在第1段上的水煤浆进入预热器的流量。预热后的水煤浆送人垂直圆柱体,为向上流动型的气化段,在此设置气化炉，与氧气通过烧嘴混合，氧气由专用的1个烧嘴，20%水煤浆射人热气体，不加氧气，1 500 t/d空气装置加压提供。因煤的性质而异，利用气体的显热把水煤浆的水分气化,煤被加氧气量需精确控制，以维持气化炉温度在设定范热、高温分解进行部分氧化反应，这对于煤的有围内。在此条件下，煤几乎全部进行部分氧化反效能转化为化学能是有利的。由于吸热过程使混应而获得合成气,主要成分包括H、CO、COr和合煤气温度大幅度降低到1 050 C左右。H2O,次烟煤(或褐煤)中的硫几乎全部转化为H2S和少量的COS。煤中灰分在气化炉中熔融，3 Destec 煤气化工艺过程从底部排出用水淬冷而脱除，固体渣通过破碎机3.1路易斯安那 160 MW热电联产电站连续排出，渣和水减压至适当压力进入常压脱水160 MW热电联产电站的Destec煤气化流程罐,采用3台罐,其中2台交替运行，脱水的渣第6期郑振安Destec 煤气化工艺的特点用车运出装置，分离的水在界区内循环。(4)气体的有效成分合成气有效成分(CO由于Destec煤气化炉特有的二段反应,离开+H2)高， 甲烷含量低,适合作燃料气和化工原第1段的热气体被引入二段的水煤浆冷却，使气料气。 典型的合成气组成见表2。化炉出口的合成气温度冷却至1000C左右，在表2典型的合成气组成%(干基)二段反应后未转化的碳经过旋风分离器有效分离0 002 CH4 N HS+0OS高热值/kJ.m 3后返回到第1段。该厂包括备用气化炉、旋风分第1段3246~221 0.69432离器和破渣机是为了保证装置具有85%利用率。第2段41.35 38.46 18.46 0.11 1.48 0.149581从旋风分离器出来的热气体进入高温热回收装(5)单炉气化强度可处理煤量为 1 200~置,该装置由火管式锅炉、蒸汽过热器和给水预2 200 t/d(干)。热器组成。合成气中热量被分级回收,锅炉使合3.2 Wabash River 260 MW IGCC电站成气温度由1038C降至649C,过热器和预热1995年Destec能源公司和PSI公司联营建器使气体温度进一步降至 371 C,产生的过热蒸成并投运了Wabash River IGOC电站，电站系统汽(371 C、4.5 MPa)进入工厂蒸汽系统。流程见图4。(3)合成气洗涤和低温热回收高压蒸汽离开高温热回收系统的合成气进入文丘里洗涤器和湿式洗涤塔系统脱除残余固体颗粒,用循陶预热器滤器脱装与环水洗涤。湿式洗涤塔在稍低于循环水的沸点下硫回收「煤气操作。洗涤后的排水呈稀薄浆状物，经凝聚、浓第2段、冷却器除尘节液体园一占燃烧室缩后掺入气化炉进料水煤浆中。洗涤后的合成气水煤浆DbestecA豪出爱电机在脱除H2S前通过串联的热交换器以及强制通飞灰风的翅片管空气冷却器被冷却到49 C进入脱硫漳冷水装置。热交换器产生低压蒸汽,为酸性气体气提第1段↓查/水塔、最终产品气的再热和预热冷凝提供热量。从合成气分离|的冷凝液脱除NH、HS和其他溶解图4 Wabash River IGCC电站系统流程图气体后，经冷却回收到工艺及水煤浆制备装置。3.2.1工艺过程 改进要点3.1.2煤气化装 置运行性能Destec公司总结了已运行8年的路易斯安那(1)处理不同煤种的能力操作 初期使用怀热电站煤气化装置的经验和教训，重新设计Wa-俄明州的次烟煤，正常生产使用西部次烟煤,海bash River 电站的气化岛，除保持原有特点外，湾的褐煤曾作为替换原料。从次烟煤转换成褐煤还进行了一些改进，使其工艺性能和技术经济指进料,装置仍可保持相同的生产能力，说明具有标得到进- -步改善，其要点如下:适应不同煤种的能力。原料煤种分析数据见表1。(1)安装2台100%负荷的气化炉，1开1表1原料煤分析备,煤气冷却器只有1套。在煤气冷却器之前设商热值置1根与气化炉高度相当的导流圆筒,垂直布煤种_工业分析(应用基)/%元素分析(干基)/%/M' I置，内衬耐火材料。导流圆筒的作用:①将粗煤固定炎挥发分水分灰分CHNSO灰份干基应用基气导流至对流冷却器的底部;②增加煤气在高温褐煤16.7 31.530.0 11.8 58.25.1 1.1 1.217.516.9 24.9. 17.5区的停留时间，提高碳的转化率;③具有一定的次姻煤32.932.328.9 5.9 68.25.01.00.716.68.3 28.1 20.0除尘作用。(2)能量利用效率装置碳转 化率达99%，从导流筒出来的煤气进人火管式对流煤气冷冷煤气效率，褐煤为69.2%,次烟煤为77%。却器，热煤气在管内流动，水在管外流动，产生(3)环境保护性能产品中不含 焦油、酚等11.03 MPa压力的饱和蒸汽，流量90~ 110 t/h,物质。炉渣可作建筑材料。随气体夹带的未转化这部分蒸汽再进人余热锅炉过热。煤气被冷却到碳经旋风分离器分离后循环回气化炉。灰水循环371 C,然后进人煤气除尘和脱硫系统。该电站使用，排放污水量少，经处理后符合排放标准。的煤气冷却器直径约3m,造价和安装费用较6●化肥设计2004年第42卷低,检修和清洗方便。置运行。解决的措施:改进对流冷却器前煤气管(2)提高水煤浆的固体浓度达67% (烟煤或道的尺寸、 形状，使煤气流速提高，减轻管道中次烟煤),气化炉两段氧气(纯度95%)气化,提大块沉积物的形 成，从而避免这些大块沉积物随高了煤气的热值，减少了氧耗,降低了煤气的出气流进 入煤气冷却器,并严格控制气化炉操作温口温度，省去了庞大而昂贵的辐射式废热锅炉，度。为了保险,在煤气冷却器人口管道上装有滤使气化炉造价降低。网，以防止较大沉积物进入煤气冷却器。(3)排渣系统采用压力螺旋式,实现连续排(3)原设计气化炉耐火砖3年更换1次，因渣,转动部件少,没有锁斗。泄压和破渣设备的调试和1996年运行中气化炉启动次数多达100造价都比较低。次,造成液态渣对耐火砖的腐蚀加剧，导致气化(4)采用干法除尘系统，容易实现飞灰再循炉第1段耐火砖进行更换。环，有利于碳转化率的提高，同时降低后续的湿(4)陶瓷过滤器可靠性问题式洗涤的负荷,减小灰水处理装置的规模。1995~ 1996年陶瓷过滤器出现以下问题:煤气经过对流冷却器后进入2个并联的陶瓷①由于陶瓷过滤元件固定方式问题，导致陶瓷元管式过滤器,操作温度371 C,粗煤气中的飞灰件与管板间的密封失效,陶瓷元件移位破裂，停被过滤器收集后经过1个压力锁斗,用高压N2机检修达100多天，改进后采用管板式结构,有将飞灰送回气化炉，以提高碳的转化率。所好转;②陶瓷元件之间有固体颗粒搭桥现象,陶瓷过滤器及反吹和灰锁斗的结构示意见图严重影响过滤性能;③陶瓷元件内外壁积灰堵塞5。该设备分上下3组布置,每组内有7根1.5m严重，造成过滤器压降剧增。主要原因是反吹气和7根2.4 m长的烛状陶瓷过滤元件，还有12 ;流压力太小，不能有效清灰;④由于过滤器内部根0.9 m的陶瓷元件。反吹气流是用高压N2和煤气流场不均匀，造成局部元件依度太高,容易部分再循环煤气,并被预热到与被除尘煤气的相使元件失效。当温度。反吹气流进入1个脉冲吹扫贮气罐，然1997年以后存在的问题:①发现造成陶瓷后依次脉冲吹扫每个过滤元件。反吹气流使附着过滤器内、外壁堵塞的原因还有微量碱金属在元在过滤器外壁的飞灰落下，进人压力锁斗。该锁件上发生相变沉积所导致;②使用高硫煤时，陶斗具有贮存1~3 h运行飞灰的能力，收集的飞瓷元件也存在被腐蚀的问题。解决措施:①改善过滤器内部含尘气流的分灰经锁斗送回气化炉。配状况，使每个元件的过滤人口条件均衡，清灰的状况也基本-致，从整体上提高过滤器的运行性能;②建立1套两级过滤的旁路试验系统，在陶瓷过滤器陶瓷过滤器之后加装1套金属滤网除尘器。将原叫P来的陶瓷过滤元件改为金属过滤除尘元件,其可用率和可靠性在370 C左右还是较高的，但在运灰锁斗行中也曾出现材料腐蚀损坏等问题。圈5陶瓷过滤 器结构示意图4 Destec 与Texaco煤气化工艺比较3.2.2运行中存 在问题及解决措施4.1工艺参数对比(1)曾出现2次连续排渣口堵塞, 1次是因Texaco煤气化工艺于上世纪50年代开发成锅炉给水故障造成停炉10h,使渣口结渣而堵功并投入商业应用，而Destec煤气化工艺是70塞;另1次是因水煤浆中粗大颗粒较多，使水煤年代开发的。虽然两者都是水煤浆进料的加压纯浆供给波动，导致气化不稳定而堵塞。2次堵塞氧气流床气化工艺，但因为Destec 气化炉两段气均需进行机械清除。解决的措施:严格执行运行化的特点, 使水煤浆气化技术得到一定程度的发操作规程,控制水煤浆质量,保证气化过程稳定。展 和提高，因此其工艺性能和主要技术经济指标:(2)煤气冷却器入口管道飞灰沉积,影响装优于Texaco工艺。两者对比见表3。第6期郑振安Destec 煤气化工艺的特点7●表3 Destec 与Texaco 2种煤气化工艺对比率却能提高5%~ 10%。若采用3台50%负荷气项DesteTexaco化炉(2开1备)组成IGCC方案，其总造价比单气化工艺气流床台方案提高6% ~7%，但可用率能提高10%。气化压力/MPa2.0~3.52.5-6.5表5煤气化工艺运行参数及造价比较进料方式水煤浆ShellDestec氧气纯度,p/%95气化炉段1段烧嘴数/个3(+1) .热回收方式全热回收全热回收全热回收烧嘴寿命/d60~9(空分整体化程度/%25气化炉内衬耐火砖IGCC毛功率/MW28573521内衬寿命/a2~3厂用电/MW77895单炉最大投煤量/td-12 5002 200~2400净功率/MWS51484469碳转化率，w/%9896~98热耗(HHV)7 9397 9508 003冷煤气效率/%74~7871~76/1kJ.(kW.h) -1煤气热值" /1kJ.m-310 508700机组净效率(LHV)/%47.347.246.9煤气冷却器系统辐射锅炉+单位造价/美元.(kW)-1 1150~1200 1150~-1200 1 050~-1 150对流锅炉除尘方式陶瓷(金属)水洗5结语过滤器+水洗除尘温度/C370250(1) Destec是一种洁净的煤气化工艺，已应排渣方式螺旋式，连续锁斗，间歇用在美国建成并投运的2座IGCC电站，单炉投*以次烟煤为原料煤量为2 500 t/d左右,各项技术经济指标具备与4.2可行性研究对比美国EPRI 曾经进行过以Shell、Texaco和其他先进煤气化工艺竞争的能力。(2)从Destec煤气化装置生产的合成气品质Destec煤气化工艺组成IGCC的预可行性研究,的评价，不仅适用于IGCC,也适用作为化工产其部分研究结果见表4。品的原料气，如合成氨、甲醇、碳- -化学品等。表4煤气化工艺组成IGCC的预可行性研究对比(3)由于Destec气化炉采用两段气化反应，Shell Texaco TexacoDestee气化炉气化炉 气化炉 气化炉其比氧耗、煤气热值、冷煤气效率及碳转化率等回收方式全热回收全热回收激冷全热回收指标比Texaco优越;由于气化炉出口温度较低，0只需要对流式煤气冷却器回收热量,不需设置昂毛功率/MW74332064贵的辐射式锅炉，因而造价比Texaco低;由于气燃机功率/MW415426407408体处理工序采用先干洗除尘后水洗，故灰水循环汽机功率/MW5907量较小，湿灰量少，对环保有利。10611271净化率/MW68100893(4)采用水煤浆进料方式,其原料制备和加单位造价* .137613601214120压进料工序相对简单，安全可靠，但因原料中含/美元*(kW)-1水分35% ~ 40%，因而氧耗比以干粉煤为原料的机组效率/%43.2 43.0__ 36.8气化工艺高15% ~25%。注:燃用的煤种linois #6煤; *按1997年美元价格。(5)气化炉内衬耐火砖，没有水冷系统,结针对采用未来GE公司的H型燃机，EPRI构简单，初投资较小，但由于炉内温度较高，以也对3种气化工艺做了可行性研究比较，见表5。及磨损及腐蚀等因素，耐火砖寿命仅2~3ao为由表4、表5可知，Destec 煤气化工艺应用保证耐火砖寿命，气化区温度不宜过高，适合于于IGCC在造价方面具有一定的优势,并且能保气化灰熔点(煤灰流动温度FT)在1 350 C以下证较高的机组效率。的煤种，因此对煤种的选用范围有一-定局限性。Destec公司认为,若采用2台负荷为75% ~(6)根据已投运的商业性气化装置的经验，80%气化炉组成IGCC,仅比单炉负荷为100%为保证年可用率在85%以上,化炉需考虑备用。的方案在总造价方面提高3%，但气化岛的可用收稿日期: 2004-08-11