發(fā)電設(shè)備(2010N0.3)IGOC氣化爐氣化法分類及比較A清潔能源!《《省IGCC氣化爐氣化法分類及比較周大坤,邵愿鋒,曾慶才(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,哈爾濱150046)摘要:在一般論述IGCC電站系統(tǒng)用氣化爐氣化分類的基礎(chǔ)上,闡述了氣流床氣化爐所采用的氣化法,重點(diǎn)介紹了其代表爐型以及She化爐和 Texaco氣化爐的特點(diǎn),同時(shí)比較了3種氣化法代表爐型的各項(xiàng)性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞:燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán);IGCC;氣化爐;煤的氣化中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-086X(2010)03-0224-04Classification and Comparison of various Processes of IGCC GasificationZHOU Da-kun, GAO Yuan- feng, ZEN Qing-caiHarbin Boiler Works Co, Ltd. Harbin 150046, China)Abstract: Based on a brief introduction to classification of common power plant IGCC gasifiers, thegasification way of entrained-flow gasifier is described in detail, with focus on its representative types andhe features of Shell and Texaco gasifiers. Simultaneously, performance indices of 3 representative gasifiersare comparedKeywords: gas-steam combined cycle: IGCC; gasifier; coal gasification煤的氣化系統(tǒng)是IGCC電站系統(tǒng)的重要組成器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)分為3種:(1)氣流床氣化爐部分。煤的氣化過程是一個(gè)熱化學(xué)過程,它以煤(2)流化床氣化爐;(3)移動(dòng)床氣化爐。流化床氣或煤焦為原料,以氧氣(空氣、富氧或純氧)蒸汽化爐和移動(dòng)床氣化爐的單爐容量較小,一般用在或氫氣為氣化劑(又稱氣化介質(zhì)),在高溫的條件單機(jī)容量在100MW左右的電站,若增加氣化爐下,通過部分氧化反應(yīng)將原料煤轉(zhuǎn)化為氣體燃料數(shù)量,則不但系統(tǒng)很復(fù)雜而且投資及維護(hù)費(fèi)用也即煤氣)的過程。從工藝上講,煤氣化工藝往往增加很多。因此,單機(jī)容量較大(250MW以上)還包括氣化煤氣凈化過程,即通過凈化設(shè)備除去的lGCC電站都配備氣流床氣化爐1。氣化煤氣中的灰和含硫物質(zhì)等雜質(zhì),以得到清1.1氣流床氣化爐及其典型爐型潔、易輸送的氣體燃料的過程。在整個(gè)煤炭氣化氣流床氣化爐中煤的氣化工藝過程:極細(xì)的系統(tǒng)中,核心設(shè)備是氣化爐。氣化爐是進(jìn)行煤氣粉煤原料被氧氣和蒸汽組成的氣化劑高速氣流化過程的場(chǎng)所,不同的氣化方法往往對(duì)應(yīng)不同的攜帶,進(jìn)入氣化爐氣化的過程。在氣化爐內(nèi),細(xì)氣化爐設(shè)計(jì)和操作條件,從而直接影響煤的氣化顆粒粉煤分散懸浮于高速氣流中,并隨氣流并行效率和粗煤氣的組成。流動(dòng)這種狀態(tài)稱為氣流床。氣流床氣化法屬于1IGCC氣化爐分類高溫氣化技術(shù),通常直接用氧氣和過熱水蒸氣作為氣化劑,在爐內(nèi)氣化反應(yīng)區(qū)溫度可高達(dá)IGCC電站系統(tǒng)中采用的氣化爐以煤在反應(yīng)20中國(guó)煤化工0℃左右,同時(shí)收稿日期:200908-19HCNMHG作者簡(jiǎn)介:周大坤(1979-)男,工程師,從事鍋爐及壓力容量的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。E-mail:fjsj@hbe.com.cn224IGCC氣化爐氣化法分類及比較發(fā)電設(shè)備(2010No.3)由于煤被磨得很細(xì),具有很大的比表面積,又處生部分氧化反應(yīng),煤氣爐爐壁為膜式水冷壁結(jié)于加壓條件下,因此氣化反應(yīng)速度極快,氣化強(qiáng)構(gòu),并采用掛渣措施保護(hù)氣化爐壁。由氣化爐輸度和單路氣化能力比其他兩類氣化技術(shù)都高。出的約1500℃的高溫煤氣,經(jīng)除塵和冷卻至900目前已商業(yè)化的氣化爐,每天可氣化2000~℃左右后進(jìn)入干法除塵和濕法洗滌系統(tǒng)其中合2600t煤。由于高速氣流和以純氧為氧化劑,使成氣冷卻器產(chǎn)生的高(中)壓蒸汽和氣化爐水冷得氣流床氣化法的耗能和耗氧量都很大。氣流壁副產(chǎn)品(中壓蒸汽)均可有效使用。床氣化技術(shù)因其出色的生產(chǎn)能力和氣化效率,在從工業(yè)運(yùn)行的表現(xiàn)來看,She!氣化爐具有如世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是在煤氣化下特點(diǎn)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)中。目前絕大多數(shù)(1)煤種適應(yīng)性廣,可使用煙煤、褐煤和石油IGCC電站所選用的都是氣流床氣化爐,其主要焦等原料。對(duì)原料的灰熔融性適應(yīng)范圍寬,也可爐型有 Texaco、 Shell, E-Gas(原 Detec)以及氣化高灰分、高水分、高含硫量的煤種Prenflo等。氣流床氣化工藝中,給料方式有:(1)(2)碳轉(zhuǎn)化高,一般達(dá)99%冷煤氣效率干法供料,將煤粉直接氣力輸送至噴嘴,如 Shell、80%~85%,熱煤氣效率超過95%Prenflo等;(2)濕法水煤漿供料,是先將煤粉和水(3)單臺(tái)生產(chǎn)能力大,目前已投入運(yùn)行的氣混合成為水煤漿,泵送至噴嘴,如 Texaco、EGas化爐,在氣化壓力3MPa下,日處理煤量達(dá)等。兩種方法各有特點(diǎn),水煤漿形式容易加壓泵2000t,更大規(guī)模的裝置正在工業(yè)化送,可解決干法供料的鎖煤裝置在加壓條件下的(4)殼牌氣化爐的環(huán)保性能好,采用干法除問題,但會(huì)影響氣化爐的總體熱效率和氣化強(qiáng)塵,灰水量小,處理簡(jiǎn)單,合成氣中CO2含量少度;干法供料則很適合活性高的煤和低質(zhì)煤,且酸性氣體處理費(fèi)用少。具有較好的氣化特性。1.1.2 Texaco氣化爐1.1.1Shel氣化爐Texaco氣化爐(見圖2,下部采用激冷形式)Shell氣化爐(見圖1)是荷蘭Shel公司開發(fā)是最典型的水煤漿進(jìn)料的加壓氣流床氣化爐,是的,是第2代煤氣化工藝的典型代表。1987年由美國(guó)德士古石油公司在以重油和天然氣為原h(huán)ell單獨(dú)在美國(guó)休斯敦建成耗煤量250~料制造合成氣的德土古工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的。始400t/d的示范裝置。1994年在荷蘭的 Bugge-于1948年,并始采用高壓水煤漿經(jīng)預(yù)熱干燥后num建成以 shell煤氣為核心的IGCC電站,日旋風(fēng)分離出干粉入爐的供煤方式。后出現(xiàn)預(yù)熱耗煤高達(dá)2000t以上,凈發(fā)電能力為253MW。干燥器中干煤粉容易結(jié)塊堵塞的問題,而干式加經(jīng)過3年多示范運(yùn)行,1998年1月正式轉(zhuǎn)入產(chǎn)業(yè)料技術(shù)又長(zhǎng)期沒得以解決。20世紀(jì)80年代初,化運(yùn)行隨著耐高溫抗熔渣耐火材料和高濃度水煤漿制備技術(shù)的成熟,才改用水煤漿濕式直接供料,并牛成氣體獲得成功。 Texaco氣化爐是先進(jìn)和成熟的第代氣流床氣化爐。目前,該工藝裝置的規(guī)模已達(dá)球形封頭爐材給水環(huán)形錐體熱冷環(huán)熱冷室筒體中國(guó)煤化工圖1She氣化爐結(jié)構(gòu)圖CNMHGShel氣化法采用干法供料,高壓N2輸送。粉煤、氧氣及蒸汽在氣化爐內(nèi)高溫加壓條件下發(fā)圖2典型 Texaco氣化爐結(jié)構(gòu)圖發(fā)電設(shè)備(2010No.3)IGCC氣化爐氣化法分類及比較到日處理煤量2000t以上,廣泛應(yīng)用在化工生產(chǎn)流動(dòng)層內(nèi)并不完全分解(氣化),而是飛至上部流和電力生產(chǎn)中,例如在美國(guó) Eastman化工廠用于動(dòng)層外。在同一爐內(nèi),再給該部分投入空氣或制醋酸酐,規(guī)模達(dá)900t/d,在IGCC系統(tǒng)中的應(yīng)氧,利用氧化高溫分解焦油。在實(shí)用規(guī)模的試驗(yàn)用也較為突出,如美國(guó) Cool Water IGCC示范項(xiàng)中,爐內(nèi)壓力為2.7MPa,反應(yīng)溫度達(dá)到920℃,目、 Tampa IGCC電廠都選用了 Texaco氣化技術(shù)生成氣體中的碳大部分被高溫旋風(fēng)分離器分離并獲得了成功。出來,再經(jīng)連接管道返回流化床。產(chǎn)生的灰分與Texaco氣化法采用水煤漿供料,原料煤經(jīng)濕殘留炭(未燃碳)的一部分,經(jīng)過與爐床相連的閉磨破碎后,與水或油混合制成煤漿,以液力輸送鎖灰斗系統(tǒng)呈干灰狀排出。的方式進(jìn)入煤漿槽,然后經(jīng)高壓煤漿泵送入氣化爐燃燒器。德士古氣化爐分為上、下兩部分:氣化部分和冷卻部分。水煤漿和氣化劑(氧氣)由口生成氣體爐頂?shù)膰娙紵鞲咚龠B續(xù)地噴入部分氧化室,爐旋風(fēng)分離器內(nèi)溫度達(dá)1300~1500℃,氣化壓力為4.3~溶化室7.15MPa,水煤漿和氣化劑在其中迅速發(fā)生反氧空氣流化床應(yīng)。 Texaco氣化爐采用的水煤漿濃度通常在60%~65%,使得該工藝的氧耗量較高,冷煤氣效率一般在70%~75%Texaco氣化爐煤氣主要成分是CO、H2、CO2、H2O以及少量的CH4、N2、H2S等。氣化爐圖3HTW爐結(jié)構(gòu)圖煤氣冷卻部分按冷卻的方式不同分為激冷型和1.2.2KRW氣化爐余熱鍋爐型兩種。余熱鍋爐型結(jié)構(gòu)與K-T常壓KRW氣化爐(見圖4)是一種WH( Westing氣化爐類似。在激冷型氣化爐中高溫粗煤氣與hous)型氣化爐,也可以說是增壓流化床氣化熔渣一起進(jìn)入下部激冷室,熔渣激冷固化后分爐雖與HTW爐相類似,但其特點(diǎn)是在流化床離煤氣達(dá)到飽和狀態(tài),可直接進(jìn)行CO變換,提爐床的空氣或氧投入的部位(噴射層)形成高溫高H含量,而不必再加蒸汽;或直接作為燃料氣區(qū)域,使灰成燒結(jié)塊(使灰局部燃燒熔融凝結(jié)成用于發(fā)電團(tuán)塊)。1.2流化床氣化爐及其典型爐型流化床氣化爐是煤和氣化劑在流態(tài)化狀態(tài)合成氣下發(fā)生氣化,煤料經(jīng)過破碎處理后,通過螺旋給料機(jī)或是氣流輸送系統(tǒng)進(jìn)入氣化爐,具有一定壓力的氣化劑從床層下部經(jīng)過布風(fēng)板吹入,將床上的碎煤托起,當(dāng)氣流速度上升到某一定值時(shí),煤循環(huán)煙氣水蒸氣粒互相分開上下翻滾,同時(shí)床層膨脹并具有了流體的許多特征,即達(dá)成了流化床。典型的流化床空氣或氧氣、灰氣化爐有高溫溫克勒氣化爐(HTW)和KRW氣圖4KRW氣化爐結(jié)構(gòu)圖化爐等1.2.1高溫溫克勒氣化爐HTW此外,以石灰石作為流動(dòng)介質(zhì)(形成流化床1978年德國(guó)的 Rheinbrau公司開發(fā)了高溫的介質(zhì))兼脫硫劑也是其特點(diǎn)之一。氧化劑使用溫克勒氣化爐(見圖3),并氣化當(dāng)?shù)厝R茵褐煤為空氣,也可使用氧和水蒸氣這可以根據(jù)生成氣甲醇合成提供合成氣同時(shí)也在芬蘭的合成氨工體fH中國(guó)煤化工選擇藝中得到應(yīng)用.HTW爐的工藝方式是先將煤破1CNMH碎后以干式供給,投入流化床反應(yīng)部位,利用空凹評(píng)們丌不是像層燃爐氣或氧作為氣化劑。此時(shí),焦油等碳化氫成分在樣靜止在爐箕上,而是從爐頂加入,在向下移動(dòng)226·ICCC氣化爐氣化法分類及比較發(fā)電設(shè)備(2010N0.3)的過程中與從爐底通入的氣化劑逆流接觸進(jìn)行充分的熱交換并發(fā)生氣化反應(yīng)故稱移動(dòng)氣化。2IGCC用氣化爐氣化法比較移動(dòng)床氣化爐是以移動(dòng)床的形式,在高于大氣壓上述3種可在IGCC系統(tǒng)中采用的氣化爐的力的條件下進(jìn)行氣化。通常壓力在1~2MPa,工作特性比較列于表1?；蚋?。與常壓移動(dòng)床氣化爐相比,具有以下技術(shù)特點(diǎn):表13種氣化爐工作特性的比較(1)煤種適應(yīng)性好,可以氣化一些水分較高項(xiàng)日氣流床氣化流化床氣化移動(dòng)床氣化煤粉干法或(20%~30%)灰分較高的(約30%)的劣質(zhì)煤供料方式水煤漿濕法煤粉干法塊煤干法(2)耗氧量較低,如在2MPa以下氣化,所適用煤種粘結(jié)性較低非粘結(jié)性煤種需氧量?jī)H為常壓時(shí)的1/3~2/3原料煤粒度/mm<0.13~30(3)氣化強(qiáng)度有明顯的提高,生產(chǎn)能力增大。排渣/灰方式液態(tài)排渣(4)粗煤氣具有一定的壓力,便于運(yùn)輸,同時(shí)干式排灰干式排灰或液態(tài)排渣也有利于煤氣凈化、變換和精制等后續(xù)加工450~1000過程。氣化溫度/℃1500-1800850-100601600(液態(tài)排渣)魯奇( lurgi)氣化爐是加壓移動(dòng)床氣化爐,是碳轉(zhuǎn)化率/%高(>9)低(>95)很高(>9.7)應(yīng)用最廣、最為成熟的爐型一般分為固態(tài)排灰冷煤氣效率/%低(76~80)中(80~85)高(>88)的魯奇氣化爐和液態(tài)排渣的魯奇爐。圖5是生產(chǎn)能力Shell/ Prenflo新一代的干式排灰魯奇爐的結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)氣化代表技術(shù)(干粉供HTW爐爐大致可分為加煤(煤鎖)、攪拌、爐體、爐柵和排Texaco/ F-Gas KRW爐魯奇爐(水煤漿供料)渣(灰鎖)五部分。干式排灰魯奇氣化爐的操作壓力一般為3MPa,爐內(nèi)氧化區(qū)域最高溫度可達(dá)3結(jié)語1000℃左右,粗煤氣離開爐頂?shù)臏囟燃s為260538℃,與常壓的移動(dòng)床氣化法相比,魯奇氣化爐通過以上分析及比較可知,氣流床氣化法應(yīng)的CH4和CO2含量會(huì)提高很多,最新的魯奇氣是IGCC的首選氣化爐爐型,而在氣流床氣化法化爐粗煤氣產(chǎn)量可達(dá)1.56×10°m/d。因此,加的氣化爐爐型中又以She氣化爐最具優(yōu)勢(shì),因壓魯奇氣化爐在城市煤氣和合成氣生產(chǎn)中得到為它不但適用煤種廣泛而且氣化溫度、碳轉(zhuǎn)化率很廣泛的應(yīng)用。和生產(chǎn)能力都很高。但應(yīng)該指出的是,當(dāng)IGCC電站系統(tǒng)采用Shel氣化爐時(shí),由于原煤的干燥處理、儲(chǔ)存和輸送系統(tǒng)、氣化爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)夾套洗滌水以及純度高達(dá)99.9%的N2制備、增壓和輸送系統(tǒng)都比較復(fù)雜,因而其初始投資費(fèi)用將比 Texaco氣化爐高。最后在進(jìn)行IGCC電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)以降低發(fā)電成本為目標(biāo),從降低IGCC電站的比投資費(fèi)用(SIC)、增加機(jī)組的年平均利用小時(shí)數(shù)、選用價(jià)格低廉的高硫煤種、增加電站的折舊年限等因素來綜合考慮氣化爐選型問題。水蒸氣和氧氣參考文獻(xiàn):[】]焦樹建.干法供煤和水煤漿供煤的氣化爐性能比較[].燃1—煤;2一鎖煤器;3—煤分配器;4一干燥風(fēng);5—揮發(fā)分釋放區(qū)中國(guó)煤化工[2]沙上海;華東理工大學(xué)6氣化區(qū);7一燃燒區(qū);8—爐篦;9—鎖灰器;10—水冷夾套;CNMHGl1-洗滌冷卻器[3]姚強(qiáng).潔凈煤技術(shù)[M].北京;化學(xué)工業(yè)出版社,20055最新一代的干式排灰魯奇氣化爐的結(jié)構(gòu)圖