采用GSP气化技术的IGCC电站

清洁能源Clean Energy第25卷第12期电网与清洁能源Vol.25 No.122009年12月Power System and Clean EnergyDec, 2009文章编号: 1674- -3814( 2009 )12-0070-05中图分类号:TM611文献标志码:A采用GSP气化技术的IGCC电站严二敏'，严行健2(1.东亚电力管理咨询(南京)有限公司,南京 210008; 2.江苏省电机工程学会,南京210024)IGCC Power Plant Using GSP Gasification TechnologyYAN Er-min', YAN Xing-jian?(1.East Asia IPower Management Consulting (Nanjing) Co.,Ltd., Nanjing 210008, Jiangsu Province, China;2.Jiangsu Society of Electrical Enginering, Nanjing 210024, Jiangsu Province, China)ABSTRACT: Coal gasification technology, equipment and tech-1 900 944 kN.m/a。该合成气为南京IGCC电站和该化工园醋酸、精细化工染料等产业提供生产燃料和IGCC power plants were analyed comprehensively for wet and dry原料,顺应了南京化工园区经济发展的需求。coal gasification technology by research and study, with the NanjingChemical Industry Park petrochemical enterprises, it is suitable to1国外IGCC电站的煤气化工艺主要choose GSPdry gas tchnology in Nanjing Chemical Industry Park.KEY WORDS: IGCC power station; coal gasification techno-特点logy; GSP gasification technology摘要:通过调研、考察,综合分析了湿法和干法两种煤气化工.1 国外IGCC电站发展概况艺、设备技术特点和经济效益及在IGCC电站的应用情况,结IGCC洁净煤发电技术自20世纪70年代初期研合南京化工园的石化企业实际，认为选择采用CSP干法煤气发开始,至今已有30多年历史。由于技术复杂,特别化技术在南京化工园内IGCC电站应用是合适的。是建厂投资居高不下,致使至今正式投人商业运营的纯发电的煤基IGCC电站为数不多。“正式投人商关键词: IGCC电站;煤气化技术;GSP气化技术业性示范运行的纯发电的煤基ICCC电站只有4座,它们是:Wabash River IGCC电站( 美国),Tampa) 引言IGCC电站(美国), Buggemun IGCC电站(荷兰)和Puertollano IGCC电站(西班牙)”121。国内首座采用GSP干法煤气化技术的IGCC电站与此同时,IGCC发电技术却在石化企业中找到拟于2010年在南京开工建设,将由南京兰天燃气热了技术与经济的有效结合点，这就是在20世纪90年代电有限公司在南京化学工业园投资建成。工程为热兴起的以煤气化技术为核心的多联产能源系统的建电联供,“本期建设1套200~230 MW(1x150 ~170 MW立。因为石化企业中本来就必须设置以氧气为气化剂等级燃机+1x50-60 MW蒸汽轮机)燃气蒸汽联合循的煤(或渣油及石油焦)气化装置和煤气净化系统,及环机组,规划按2套200-~230 MW(2x150 MW~170 MW合成气后续产品,如一氧化碳、氢气等可作为某些石等级燃机+2台余热锅炉+2x50~60 MW蒸汽轮机)化产品(醋酸、甲醇等)的主要原料;高硫渣油沥青或机组考虑”。南京IGCC电厂以煤炭作为制备合成石油焦是廉价燃料。企业本身需要耗用大量的电能和气的原料,采用GSP干法气化技术，年产合成气能力蒸汽，因而煤基IGCC发电技术在石化企业中的应用必然会带来规模经济的效应,使整个企业的经济效益基金项目:清洁能源产业发展基金(HB02501)。得到提高,同时能改善环保质量。“自1995年以来这种清洁能源Clean Energy第25卷第12期电网与清洁能源71以煤气化为核心的多联产能源系统已经投运了近20H2、CO2、H2O .CH4、H2S和N2 , 此外,还有少量的NH3、套，其中以意大利的ISAB、Salux/Enron和API Energia COS 、HCN和飞灰。由于采用水煤浆进料,煤气中的项目最具威名，它们的IGCC的发电功率分别为.水蒸汽含量较高。512 MW、550 MW与280 MW,发电容量比前述4座纯气化炉内设耐火砖(一般为4层),内径约4.0 m,粹以发电为目标的煤基IGCC电站还要大”四。又如高约30 m。气化反应的速度很快,粗煤气在气化炉“1997年投运的美国Eastman Chemical Co.项目在生内的停留时间一般为2~3 s。热煤气离开气化炉进入产甲醇的同时,还兼发350 MW的电,在备用1台气化特殊设计的辐射式冷却器,使热煤气的温度降低至炉的前提下,使全厂的运行可用率高达98%”,更证明700 C,同时使热煤气中的溶融态渣凝固。冷却后的了在石化企业中IGCC多联产系统的高度可靠性和商粗煤气进入对流式冷却器中被进一步冷却到业化前景。480 C。煤气中的显热在冷却器中得到回收，产生1.2 国外煤气化工艺特点10.4 MPa的高压饱和蒸汽。气化炉与辐射式冷却器当前,国内外的IGCC电站采用两大类煤气化工故成-体,外径约5 m,高约39 m,总重约900t,气化艺:一类是以Texa Co(本文简称Te)和IDestec(本文简炉安装标高约106.75 m。称De)为代表的湿法煤气化工艺;另一类是以Shellt :3)排渣和黑水处理系统。主要设备:压力锁斗(本文简称Sh)和GSP为代表的干法煤气化工艺，各器压力锁斗阀门、粗渣槽、洗涤器、渣泵、水泵、沉具不同的工艺特性。渣槽、循环泵、压滤机。1.2.1湿法煤气化工 艺.主要工艺流程和参数:气化炉内的熔渣经辐射Te和De为代表的湿法气化典型工艺结构、性式冷却器冷却凝固成玻璃状的渣,进人充满水的锁能.运行主要参数如下。斗系统，锁斗上下部各有2级压力锁斗阀门控制渣1)制浆系统。主要设备:输煤机、水泵、煤浆磨进入和排出。从压力锁斗排出的渣落人粗渣槽中，机、分离简形筛子、循环槽、搅拌器、隔膜泵、流粗渣被分离出来,进-一步处理或直接销售。细渣和水一起被泵抽人一个细灰沉降槽中进行重力沉降主要工艺流程和参数:按规定的制浆浓度将一或过滤,使水和细渣分离。从洗涤器出来的含灰的定比例的煤和水输送到煤浆磨煤机研磨,磨制成浓水也进人沉渣槽中,使含碳的飞灰与水分离,从沉度通常为60%至69%的水煤浆。对制浆有困难和灰渣槽中溢流出来的水一般含非常少量的细灰,它被熔点较高的煤，在制浆过程适量加入石灰石助熔剂再循环至水洗涤器人口作为洗涤器用水,多余的水或者煤浆添加剂，降低煤的灰熔点或改善制浆工送回煤浆制备系统。从沉渣槽底部流出的细灰进人艺。在煤浆磨机出口装有分离简形筛子进行筛选,一个压滤机中,将细灰制成细灰饼。电站采用将细不合格的煤浆溢流到循环槽中,送回煤浆磨机中重灰再循环至煤浆磨的工艺,目的是为了提高碳的转新研磨,合格的煤浆流人到储罐中进行搅拌,按工化率。艺要求,加入适当水，保持煤浆达到工艺要求浓度。1.2.2 干法煤气化工艺浓度配比合格的煤浆,由隔膜泵加压后送入气化炉Sh和GSP为代表的干法气化典型工艺结构、性喷筒进行气化。送人气化炉喷嘴之前计量器严格控能、运行、主要参数如下。制人炉煤浆，以达到充分气化的目的。1)制粉系统。主要设备:输煤机、破碎机、干燥2)气化和冷却系统。主要设备:气化炉、煤浆喷机磨煤机、N2气相输送仓泵、煤仓、压力锁斗器。嘴、氧气喷嘴或同体双管单喷嘴辐射式冷却器、流主要工艺流程和参数:干法煤气化工艺采用干式冷却器。煤粉进料系统。原煤的干燥和磨制系统与常规电站主要工艺流程和参数:水煤浆和95%纯度的氧基本相同,但送料系统是高压的N气相仓泵输送。整气被同时送人气化炉喷嘴,在气化炉内进行气化反个系统必须采取防爆措施。煤经预破碎后进人干燥应，反应区的温度-一般在1200~1 500 C,气化炉的系统，使煤中的水分小于2% ,然后进入磨煤机中被压力根据不同行业的需要可以是2.5~8.5 MPa。水、制成煤粉。对烟煤煤粉细Ro- -般为20%~30% ,磨煤煤和氧气在气化炉中发生气化反应，主要生成CO、机是在常压下运行，制成粉后用N，气泵送人煤粉仓清洁能源Clean Energy72严二敏等:采用GSP气化技术的ICCC电站Vol.25 No.12中,然后进入2级加压锁斗系统,再用高压N,气泵,以H含 量远大于湿法,而CO2和H20却远小于湿法;设备较高的固气比将煤粉送至4个气化炉喷嘴，煤粉在寿命较长，可用率也较高。主要不足是供煤系统需要喷嘴里与氧气(95%纯度)混合并与蒸汽- -起进入气干燥,设备要求有防爆措施，故造价相应高--些。化炉反应。2)气化和冷却系统。主要设备:气化炉、混后喷2南京IGCC电站煤气化工艺的选择嘴、除尘器、对流式冷却器、气动锤。和特点主要工艺流程和参数:由对称布置的4个燃烧器喷人的煤粉、氧气和蒸汽的混合物,在气化炉内迅速南京IGCC电站项目组织- -批资深专家,结合南发生气化反应,气化炉温度维持在1400~1 600 C,这京化工园石化企业现状和将来发展实际情况,对国个温度使煤中的碳所含的灰分熔化,变成一-种玻 璃态外IGCC电站工艺情况进行收集、了解、考察、咨询、不可浸出的渣排出。评估评审，确定南京IGCC电站采用GSP气化工艺及粗煤气随气流上升到气化炉出口，经过- -个过渡相关设备。GSP气化工艺不仅具有以上所述干法优段,用除尘后的低温粗煤气(150C左右)使高温热煤点外,还有燃烧前捕碳优于其他气化工艺的近零排气急冷到900 C，然后进人对流式煤气冷却器。经骤放和节能特点。冷,所含的大部分熔融态灰渣凝固后落人气化炉底部。2.1设 备和工艺GSP气化参数气化炉的压力壳内布置垂直管膜式水冷壁，产生南京化工园内现有各类石化企业100多家，还4.0 MPa的中压蒸汽。气化炉直径5~6 m,高约50多m,标将建设多个大型联合石化企业。这些企业对合成气高达到60多m。气化炉的运行压力2.6~2.8 MPa。和供热需求量很大,非常适合建立IGCC电站。IGCC粗热煤气在煤气冷却器中被进一步冷却到电站成败关键取决于气化工艺的优劣。该电站组织250 C左右。低温冷却段产生4.0 MPa的中压蒸汽,国内资深专家对IGCC电站气化工艺进行专题研究,与气化炉产生的中压蒸汽混合后,再与汽轮机高压科学慎重分析、论证、评估,确定采用德国未来能源缸排汽- -起再热成中压再热蒸汽。高温冷却段产生公司的GSP气化工艺。GSP气化工艺的主要设备技13MPa的高压蒸汽,它与余热锅炉里的高压蒸汽一术、工艺参数和Te、Sh比较见表1回。起过热成主蒸汽。2.2工艺选择理 由和其特点煤气冷却器直径约4 m,高约64 m,冷却器顶部标GSP气化I艺流程框图8见图1,其气化技术先高约74.5 m。冷却器的压力外壳里布置有若干层螺旋进性和节能效果主要表现在:管圈,每一-层螺旋管圈都有-一个气动锤振打清除积灰。N由于采用的是干法除尘,所以,它的黑水和灰煤一斤燥磨料干煤粉一密相输送水处理系统相对比较简单,在此不再赘述。1.3湿法和干法煤 气化工艺特点燃料气无论是湿法,还是干法煤气化工艺,其本质都中压热汽一气化炉是采用加压喷流床煤气化工艺基本原理,但两者又各自有自己的特征。体脱除十合成气1.3.1湿法工艺主 要特点一造水处理进料系统简单、安全可靠操作灵活、无灰尘排挂污细渣粗渣疏回收一硫磺放;气化炉结构简单、投资较少、运行经验较为丰富。其主要问题是排渣容易堵塞,黑水和灰水系统图1 GSP气化工艺流程框图的设备易磨损;高温对各类设备腐蚀造成泄漏，碳1)通过20多年对130 MW IGCC电站工业化装置转化率较低，热回收系统复杂，耗氧气量大,总体效的运转考核，积累了丰富的操作经验，技术相当率还有待提高。以上不足正在进- -步改善。成熟。1.3.2 干法工艺主要特点.2)煤粉经干燥、磨细以后进料,连续性好,气化最大优点是总体效率较高,由于气体炉中CO和炉操作稳定。清洁能源Clean Energy第25卷第12期电网与清洁能源73表1三种煤气化工艺设 备参数的比较9) GSP的合成气有效成分CO+H2含量比国内现项目TexcoGSP ，Shell用的Texco装置高10%左右(见表1),有利于后续工气化压力/MPa3.0~6.53.0-4.02.0-4.0序的传热传质,有利于减少阻力,降低电耗、热耗和物料损耗。CO/H比例高,CO和H2分离方便,更适气化温度/C1300-1400 1400-1700 14001 700合制备羰基化气。单炉最大能力/(1+)500-2 000500-2 0002 000气化炉型式热壁式,单喷嘴冷壁炉,单冷壁炉，10)热回收、综合利用、净化系统等都有独特优势。进煤方式水煤浆浓度>干煤粉,N; 干煤粉，2.3独特 节能效果60%,泵送输送N输送热回收方式激冷废锅GSP气化技术不仅拥有先进的工艺设备和自控液态态装置,以及20多年工业化运行和安全连续运行的经有效成份(C0+H)/%>8094.5验，更具有独特的节能效果。CO/H21.2998541.8541)本项目合成气综合能耗为14 760 MJ(kN-m2)碳转化率1%)9.5(见表2)"。通过3家煤气化装置的比较(见表1.3)冷煤气效率19%67(030及各种粉煤气化炉的能耗比较(见表4)"，可以认热效率/%86煤耗比，1.01.00为，其能耗已达到当前国际先进水平。按照煤热值氧耗比1.151.00，计算,热效率达到98% ,符合《石油化工厂合理利用投资比1.68能源设计导则》(SH3003- -2000)大型工业炉(1 000x我国引进装置数23104 keal/h(1 cal=4.185 5 J)以上)最低热效率大于工业化起始年份1981198786%的要求。注:因进行修正，该表数据与原始资料略有差异。表2 GSP合成气综 合能耗(以1 kN.m计)3)干煤粉气化,可以最大限度减少氧气用量,能耗项目消耗定额单位折算值/MIJ能耗/MJ提高炉膛温度,从而提高冷煤气效率、热效率和碳原料煤/L0.589 323 25013 701.23转化率(见表1),因而比我国已引进的Texco工艺煤氧气(996%})/(N.m) 315.890 06.281 983.79耗低1%~3% ,氧耗低15%。密封水/10.151 596.314.594) GSP气化炉上段使用耐磨高温复合衬里层及循环水/115.775 34.1966.10锅炉给水1 t1.071 9385.19412.89水冷壁结构,用以渣抗渣的方式,降低了高压熔渣中压蒸汽(6.7 MPa)/t0.035 23690129.89侵蚀炉壁的危险性,从而赋子予气化炉更长的使用周电量(380/6 0000 V)/(kW.h) 57.859 31.84685.05期和更高的开工系数，减少开停车的损失,并且降仪表空气(N.m2)4.545 11.597.23低维护费用。氮气((N-m)113.627 8713.585) GSP炉下段采用激冷技术,其流程简单,全低压蒸汽1.0 MPa/ t-0.471 73 190-1 504.72部回收好，充分利用饱和蒸汽,减少排污量。低压蒸汽0.4 MPa/t -0.525 12 760-1 449.286) GSP气化炉底部采用破渣机-渣阀-锁渣罐方合计14 760.34式,对炉渣起到储存和排放作用的同时，且能起到2)和我国已有的多台Texco炉相比,GSP碳转化炉体密封、防止粗合成气泄漏损失等作用,并防止率高1%~3%,氧耗低15%。在相同规模的生产装置污染、中毒、着火等事故。中节约总费用占年销售收入的4.7%,节能效益十分7)采用较高水平的自动控制技术和多套联锁可观"。系统,使GSP气化能够安全连续稳定运转,成为GSP3) GSP合成气的有效成分(CO+H2)达到90%以气化技术取得节能效果的重要基础。上,比Texco合成气高10% ,有利于降低气体输送量，8)单炉日产能力大(2000 t/d),纯氧气化温度.使后续工序减少热耗、电耗和物耗。高(1 400~1 700 C),采用激冷流程和水冷壁结构,4) GSP合成气的CO/H2比例达1.854(表1),较为从而使GSP炉可适应1%~40%灰分的各种煤种，进一适合制取高浓度(96%~99%CO) 的羰基0X0合成步提高了煤气化装置的经济性。气,配合醋酸氨基甲酸酯聚碳酸酯等化工原料的清洁能源Clean Energy74严二敏等:采用GSP气化技术的IGCC电站Vol.25 No.12表3相同规模煤气化炉全 年能耗比较TexcoShell单位折算项目年耗能耗/GJ值MJ原料煤/t102.4x10*24 226 500116.7x10*27 132 750104.2x10*23 250氧气(99.69%6 )/(N.m)4.607x10*2 893 1963 401 8764.607x102893196;6.280电量/(kW+h)79.5x10941 28058.4x100691 456128.57x1001 522 26911.8404.5 MPa中压蒸汽2.4x10+76 872116x10+3 7154803 2034.5 MPa副产蒸汽-34x10+-958 800-18.7x10*-527 340-178.6x10+-5 036 5202 8200.5 MPa副产蒸汽-33x10*-912 780-8.6x10*-2237876-17.28x10*-477 9652766锅炉给水八71x10293 14827.3x10*112 718206x10+850 544412.90合计26 559 41630 573 58427 693 504产气量(C0+H)/(N.m2)-14.13x108-14.33x10*-14.6x108表4粉煤制1 000 N.m370%(CO+H2)半水煤气的能耗比较的实际情况;该项目适用煤种广，合成气有效成分沸腾层气流床鲁奇炉GSP高,折射出该项目还有潜在的节能效益、后续工序干煤粉/kg6401 54053的节能效益和社会性的节能效益。该项目在南京化蒸汽/kg，40020527工园的实施，使IGCC电站技术在石化企业找到了技氧气((N.m2)950731043术与经济的有效结合点,充分显示该技术旺盛的生电/(kW-h)327.6186命和显著的经济效益，是值得推广的一项先进的利新鲜水/t120.941国利民的技术。循环水/，0.665回收蒸汽/kg-750-800-770参考文献生产，也有利于氢分离装置降低物耗和能耗。[] 南京高宝合成气有限公司南京IGCC电站合成气项目可5)GSP装置适合灰分1%~40%的各种粉煤，可用行报告(R].南京:南京高宝合成气有限公司,2007.的煤种比Texco装置更广泛，为我国气化装置利用烟2] 焦树建.对我国发展IGCC电站途径的探讨I燃气轮机发电技术, 2007 , 6():6-14.煤、无烟煤、褐煤、石油焦等多种原料和高灰分、高3] 南京市节能评审中心南京IGCC电站合成项目节能评审水分、高硫分、高爆裂性、高灰熔点和低化学活性的报告书R].南京:南京市节能评审中心,2007.劣质煤种开拓了广阔的市场前景,并将进一-步体现[4]刘本粹.浅淡西北电力规划及其定位田电网与清洁能出GSP气化技术的经济效益。源,2008 ,24(2):1-4.[5]周小谦我国电力发展与西北电力展展D电网与清洁能3结语源,2008,24(3):3-9.国内首座采用GSP气化技术的南京IGCC电站项收稿|日期: 2009-10-08。目以煤为原料，符合目前我国“多煤、少气、贫油”的作者简介:杨二敏(1975- -),男,工程硕士，工程师,从事清洁能源发电技资源格局,符合国家的能源政策4s,该项目体现“建术研究工作;立基于IGCC的燃烧前捕碳的近零排放电站的未来严行健(1945- -),男，高级工程师.从事输变电技术研究工作。发电技术”啊,符合南京化工园现实和将来发展规划(编辑冯露)