大型煤气化技术在IGCC电站中的应用现状

2015年第2卷第1期南方能源建设勘测设计2015 Vol.2 No. 1ENERGY CONSTRUCTIONSurvey & DesignDOI: 10. 16516/j. gedi. issn2095-8676. 2015. 01. 008大型煤气化技术在IGCC电站中的应用现状韩龙'.2.3，邓广义’，李政”，范永春’，李伟科”(1. 浙江工业大学机械工程学院，杭州310014;2. 清华大学电气工程学院，北京100084;3.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510663)摘要:介绍了国内外已投运燃煤IGCC电站所采用的气化技术的基本情况及气化炉在IGCC电站运行中获得的主要经验，总结了世界上处于建设或规划中的主要燃煤IGCC电站的基本情况和采用的气化技术。对燃煤IGCC电站气化技术应用现状的综述可为将来IGCC电站项目选择煤气化技术提供参考和借鉴。关键词: IGCC电站;煤气化;气化炉运行中图分类号: TM611文献标志码: A文章编号: 2095 -8676(2015)01-0042-04Status of Large-scale Coal Gasification Technologies in IGCC Power PlantsHAN Long'-23 . DENG Guangyi' ，LI Zheng2 , FAN Yongchun' , LI Weike'(1. College of Engineering, Zhejiang University of Technology, Hanzhou 310014, China;2. College of Electrica Engineering, Tsinghua University, Beijing 10084, China;3. Guangdong Electric Power Design Insitute Co, Ltd. of China Energy Engineering Group, Guangzhou 510663 , China)Abstract: This paper firstly introduces the basic situation for the gasification technologies used in coal fired IGCC power plants thathave been in operation and the running experiences gained by various types of gasifier. Then the paper continues to show the generalinformation of gasifiers that would be adopted by several coal fired IGCC plants which are still under construction or being planned.The work of this present paper could be a beneficial reference for the detemmination of coal gasification methods in future IGCC powerplants projects.Key words: IGCC power plants ; coal gasification; gasifier operation整体煤气化联合循环( Integrated Gasification用率以及电站效率具有关键的影响[(21。CombinedCycle,简称IGCC)是一-种新型的煤炭高为了提高供电效率、降低比投资，IGCC 电站效清洁发电技术。与常规的燃煤电站相比，ICCC适合采用大型气流床气化技术。大型煤气化技术可电站具有供电效率高、污染物排放低、适合进行燃分为多种类型: (1) 按照进料方式不同，可分为水烧前捕集CO2等优势川，具备广阔的应用前景。煤浆气化和干粉煤气化; (2) 按照气化介质不同，图1以水煤浆气化技术为例给出了IGCC电站的系可分为氧气气化和空气气化; (3) 根据煤炭原料进统流程示意图。在IGCC电站中，煤炭在气化炉中人气化炉的比例分配不同，可分为一段式气化和两与蒸汽、空分装置提供的氧气或者空气首先发生气段式气化。目前GE-Texaco、Shell、 E-Gas、 Pren-化反应生成粗合成气，粗合成气再经过显热回收.flo、MHI、TPRI、TRIG、Siemens等煤气化技术都除尘脱硫等净化处理，最后进入燃气-蒸汽联合循.有IGCC电站的应用业绩。本文主要总结以上气流环装置发电。煤炭气化是IGCC电站的基础和核心床气化技术在IGCC电站中的运行经验或应用情技术，气化技术的选择对IGCC电站的比投资、可况，为将来IGCC电站的气化炉选型和实际运行提供参考。收稿日期: 2014-12-151已投运IGCC电站气化炉的应用现状基金项目:国家留学基金资助项目(201308440124)表1给出中国煤化工撚煤IGCC电作者简介:韩龙(193). 男，山东淄博人，讲师，博士.主要从事IGCC等先进气能源利用系统的优化研究( e-mail)puxian@zju. edu. cn。站的简况。T....:IHCNMHGononumJggenum、 Pu-第1期韩龙，等:大型煤气化技术在IGCC电站中的应用现状43烟气水蒸气HRSG蒸汽轮机一0水10.合成气_」合成气洗酸性气洁净合装置_成气冷去_厂涤与冷却f体脱除成气燃气轮机一日煤.空气，灰渣酸性气T飞厌CLAUS-+硫灰渣SCOT图1 IGCC 电站系统流程示意图Fig1 A Diagram of IGCC Power Plant Systemertollano 是20世纪90年代中期世界上投运的4座度从1 371 C降为704 C，在对流废锅中粗煤气的典型电站，Nakoso、华能绿色煤电、Edwardsport 是温度进-一步降到482国。Edwardsport电站则采:21世纪新投人运行的3座IGCC电站。以上7座用两台气化炉，单台耗煤量约2 328~2 600 /d,IGCC电站分别采用了GE-Texaco、 E-Gas、 Shell、两台气化炉生成的合成气分别送往两台容量为232Prenflo、MHI( 空气气化)、TPRI六种气流床气化MW的GE 7FB燃气轮机发电[1]。技术。本节分别介绍以上IGCC电站气化技术的应GE-Texaco气化炉出现的主要问题及解决办.用情况。法']: (1)排渣锁斗堵塞。煤种变化是造成排渣锁表1国内外投运的典型 IGCC电站及其气化技术斗堵塞的重要原因。保持煤种灰熔点稳定、严格控Table 1 Typical IGCC Power Plants and Gasification Technologies制气化操作温度等运行参数、适当改造排渣设备等over the World措施可以防止排渣堵塞的发生; (2) 辐射废锅和对.IGCC电站国家投运年份 电站容量 气化技术流废锅因高温腐蚀发生泄漏、对流废锅出现管积灰Tampa美国250 MWGE-Texaco堵塞。可通过改善气化炉运行状况、加强检查和吹Wabash River1995262 MWE-Gas灰等措施来解决以上问题; (3) 水煤浆喷嘴、气化Buggenum荷兰1994253 MWShell炉耐火砖寿命短，更换喷嘴和耐火砖降低了电站的Puertollano西 班牙1997330 MWPrenflo可用率。--般水煤浆气化炉燃烧喷嘴的使用寿命仅Nakoso日本2007220 MW MHI( 空气)2~3个月，每次更换喷嘴时至少要切换烧柴油3Greengen中国2012TPRI个小时，每一-年左右要全部更换一次价格昂贵的耐Edwardsport2013618 MW GE-Texaco火砖，更换时需改烧柴油2个月左右。气化炉可用.1. 1 GE-Texaco气化技术率较低是GE-Texaco气化炉的固有不足。Tampa电站和Edwardsport电站都采用GE-Tex-1.2 E-Gas气化技术aco水煤浆气化技术。以Tampa电站为例，气化炉Wabash River电站采用两段式水煤浆进料的E-的基本情况和参数如下:采用1台气化炉，耗煤量Gas气化炉，气化炉的可靠性分别达到99. 4%、为2 250 Vd;气化压力2.8~3.0 MPa,水煤浆浓98. 8% (2012- -2013 年)。E-Gas气化炉的基本参数度为66. 5%，气化剂中O2纯度为95%，O2 喷射压如下。):采用两台气化炉，单台耗煤量2500 Vd,力为4.0 MPa，气化炉冷煤气效率约为74. 34%一用一备;水煤浆浓度60% ~63%，气化炉压力(HHV);气化炉为全热回收型，利用辐射废锅和2.8 MPa,气化剂中O,纯度为95%，燃用烟煤时冷对流废锅回收高温粗合成气的显热，辐射废锅产生煤气效率可揭高到9ng -0101怎华炉出口粗合成中国煤化工压力约10.4 MPa的饱和蒸汽，对流废锅产生压力气的温度降YHCNMH G3价格昂贵的辐约3.2 MPa的饱和蒸汽。在辐射废锅中粗煤气的温射废锅，在人自民时机及钢T土压力为11. 13.4南方能源建设第2卷MPa的饱和蒸汽。煤气低温冷却器，充分利用煤气的显热，使气化系Wabash River电站E-Gas气化炉出现的主要问统的热煤气效率提高到95% [8]。题及解决办法[5): (1) 曾出现连续排渣口堵塞的现Puertollano 电站的运行实践证明，Prenflo 气化象。通过严格执行运行操作规程、控制水煤浆质量技术具有良好的燃料适应性，适合气化高灰分的硬可保证气化炉稳定运行; (2)合成气冷却器人口管质煤和石油焦，并可以气化生物质燃料，并且气化道出现灰渣沉积，限制了机组运行时间。主要对策合成气的热值几乎可以保持稳定。更重要的，该是改进对流冷却器前煤气管道的尺寸、形状，使煤IGCC电站运行出现的关停几乎与气化系统无关[8)。气流速提高，减轻管道中大块沉积物的形成，或者气化系统出现过的主要问题是压力供料锁斗下粉不在煤气冷却器入口管道上装设滤网，避免大块沉积畅，主要是因为在两级锁斗间有一根回流N2的管物随气流进入煤气冷却器; (3) E-Gas 气化炉同样子，由于管径设计太小，使N2排气不畅而导致煤属于水煤浆气化技术，气化喷嘴和炉膛耐火砖寿命粉下落不连续。通过在回流管上增加一个文丘里抽短、需要频繁更换，气化炉的黑水处理系统需要进气器、提高N2回流的速度，可以成功使煤粉锁斗行改进，这些问题与GE-Texaco 气化技术相似。排气畅通、煤粉连续而均匀地下落。1.3 Shell气化技术1.5 MHI空气气化技术Buggenum电站采用1台Shell干粉煤气化炉，日本Nakoso电站采用MHI两段式干粉煤空气煤耗量2 000V/d, O,纯度为9%，碳转化率99%，气化炉， 单炉耗煤量1 700vd。2007年9月气化炉冷煤气效率大于80%，气化温度1500 C,气化压点火启动并于2010年3月完成示范运行。该气化力2.6~2.8 MPa。气化炉内采用低温无灰煤气与技术两级气化结构，下部是燃烧室(第- -段)，上部热煤气掺混使热煤气降温至900 C,以保证气化炉是还原室(第二段)。气化过程熔化的炉渣可以顺畅出口煤气中的灰尘为固态。由于Shell气化炉良好地排出，并获得较高的碳转化率。气化炉产生的合的可靠性，Buggenum 电站的整体可用率达到80% ,成煤气含有一定数量的焦，这些焦由旋风分离器和电站连续稳定运行时间超过2500个小时。此外，多孔过滤器捕获，再送回气化炉，然后转化为合成煤Buggenum电站的Shell 气化炉同时成功实现煤/生气和炉渣。气化过程碳转化率高于99.8%，气化炉的物质混合燃料的气化，混合燃料中生物质的比重达炉渣中没有发现碳和微量元素的沥滤。气化合成煤气到30% [7]。中尽管含有大量的氮气，但其热值还是足够的高，可Buggenum电站Shell气化炉及其辅助系统的运以实现燃气轮机的稳定燃烧[+.9。总体来说，MHI 气行基本正常，可用率较高。在气化炉运行初期，电化炉在Nakoso电站获得了成功，该电站的供电效率达站没有重视气化用煤的采购，而是从邻近的燃煤电42. 9%，比设计值高0.9个百分点。厂直接引进。气化煤种和燃料品质的变化导致Shell1.6 TPRI气化技术气化炉排渣锁斗堵塞和黑水处理系统的故障，并成我国华能Greengen IGCC电站采用西安热工研为气化炉和电站关停的主要因素。在采取严格的煤究院有限公司(TPRI)的两段式干粉煤气化炉，气种采购策略后，气化炉排渣锁斗堵塞和黑水处理系化炉耗煤量达到2 000 Vd,气化压力3.0 MPa,气统的故障得到很好的解决[71化温度1 300~ 1 500 C，气化碳转化率98%，1.4 Prenflo气化技术99%，冷煤气效率80% ~83%。该气化炉的特点是Puertollano 电站采用Prenflo干粉煤气化炉，气在气化炉下端的第一.反应区煤粉与O2、水蒸汽发化压力为2.4~2.6 MPa, O, 喷射压力为3.3 MPa,生反应，在气化炉上部的第二反应区煤粉与水蒸气化炉日耗煤量为2 640Vd,碳转化率为99.3%，汽、 来自第一反应区的湿煤气发生反应;经循环冷冷煤气效率78%。与Shell炉不同，Prenflo 气化炉煤气冷却后， 二段反应区出口合成气温度大约降低气化剂O2纯度为85%，可使空分系统能耗节省到900 C，气化炉废热锅炉产生中压蒸汽，废热锅炉20%，厂用电耗率仅10. 45%，干法除尘后的飞灰出口合成气的调产收为200中国煤化工8 ICCC电站再循环至气化炉;利用气化炉产生的中压蒸汽和余的TPRI气化模的干粉煤气热锅炉产生的低压蒸汽对煤进行干燥加热;增设粗YHCNMH G化炉，目前该电功仪turvjxt」阿出阶段。.第1期韩龙，等:大型煤气化技术在IGCC电站中的应用现状152规划或建设中 IGCC电站气化炉的应用现状气化炉产生的合成气除了向电网输送200MW的电力，合成气变换产生的约3 x10° /a的CO2气体表2给出了世界上正处于建设或规划中的主要(90%捕集量)将用于油田石油回收和生产尿素。该燃煤IGCC电站的简况。表中3座IGCC电站分别电站多联产项目脱硫率可达99%、脱汞率达95%、采用了TRIG、Siemens、MHI(氧气气化)气化技CO2排放量只相当于天然气联合循环电厂(不进行术。本节分别介绍以上三种气化技术在IGCC电站碳捕获)排放量的20% ~30% [121。中的应用情况。表2国内外建设或规划中 IGCC电站及其气化技术2.1 TRIG 气化技术Table 2 Planned IGCC Power Plants and the Gasification美国Mississippi州在建的Kemper County IGCCTechnologies over the World电站采用两台TRIG干粉煤气化炉，气化装置由美IGCC电站国家规划年份电站容量气化技术国Southern Company和KBR公司联合开发，为加Kemper County Energy美国 2008 582 MW TRIG压循环流化床(输运床)气化技术。气化温度900 ~Texas Clean Energy美国2010 400 MW Siemens1 100 C，气化压力2MPa; Kemper County IGCCHydrogen Energy Califomia美国2009 400 MW MH( 氧气)电站气化炉采用空气作为气化剂，可避免使用造价昂贵的空分装置;采用当地矿口褐煤为燃料，褐煤2.3 MHI氧气气化技术的水分含量为42% ~ 50%，灰分含量8.6% ~Hydrogen Energy California IGCC项目采用单台17%，硫含量0.35% ~1.7%，低位热值为2317~MHI干粉煤氧气气化炉112]，MHI气化炉的特点和2 854 kcal/kg。 电站煤炭总消耗量达12 500Ud,电优势包括: (1)采用干煤粉供料有利于提高气化温站峰值发电容量达582 MW,并且将对气化合成气度、增大碳的转化率、冷煤气效率，并可以改善合进行CO2的燃烧前捕获(捕集量65%)。该电站成气可燃成分的组成。(2) 气化炉内敷设膜式水冷2013年8月实现第一次辅助锅炉点火，8月28日壁，从中产生供给联合循环系统的蒸汽，有利于提和9月4日分别完成第-套、第二套燃气轮机的首高气化炉的可用率并减少维修费用。HydrogenEn-次点火试验，2013年10月，蒸汽透平同步到电网。ergy Califomia IGCC项目气化妒燃料为当地煤和炼该电站计划2014年开始商业化试运行，目前正处油焦的混合物，消耗量达5 720 Vd。气化合成气一于工程建设当中部分用于制氢和发电，另一部分用于生产合成肥料TRIG输运床气化的显著特点是高循环比率、尿素。气化合成气进行燃烧前CO2捕集(90%),高气速和高固气比，其优点是生产强度高、床内气年捕集量达2.6x10* t,所捕集的CO2部分用于油田固混合均匀、气固传热好"。TRIG气化炉适合利石油回收，部分用作尿素生产的原料。Hydrogen Ener-用低成本的低阶煤(高水分、高挥发分、低热值),gy Califomia IGCC项目的发电容量最高可达300 MW,采用非液态排渣，气化炉装置没有内件(内壁为耐尿素的总产量可达2208 Vd。该项目计划于2015年开火砖)、可靠性高(无需备用炉)，气化合成气不含始建设，2019 年完工。焦油，既可以采用空气气化，又可以采用氧气气3结论化，气化炉单炉处理煤量最高可达5 000 Vd。2.2 Siemens 气化技术目前GE-Texaco、E-Gas、Shell、 Prenflo、 MHI、Texas Clean Energy Project 为典型的IGCC多联TPRI等气化技术都有大型IGCC电站的应用经验,产工程项目，采用两台Siemens SFG-500干粉煤气气化炉煤耗量都可以达到2 000 t/d及以上，IGCC化炉。Siemens气化技术是单喷嘴下喷式干煤粉加电站容量达到250 MW及以上。经过长期的运行调压气流床气化技术，气化炉燃料喷嘴位于气化炉的试，这些气化技术在IGCC电站中基本实现成功运顶部，喷嘴为组合式。由于采用干煤粉进料、盘管行。TRIG、 Siemens 以及MHI氧气气化技术近期有式水冷壁，Siemens气化技术既扩大了气化煤种的望在进行燃烧前捕隼ρ的IGCC工程中实现商业中国煤化工范围，又避免了使用水煤浆气化炉耐火砖更换带来化试运行，CNMH G的麻烦。在Texas Clean Energy Project 中，SiemensTH.50南方能源建设第2卷5] 何宏，于兰兰，张栋芳联合循环热力系统优化研究[J].gineeing, 2011, 27(1): 27 -29.热力透平，2013, 42(4): 236 -239.[9]李勇， 王建君，曹丽华，等汽轮机主蒸汽流量在线监测方HE Hong, YU Lanlan, ZHANG Dongfang Research on Opti-法研究[J].热力发电.2011, 40(4): 33 -36.mization of Combined Cycle Thermal Performance [J]. 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