發(fā)電設(shè)備(2010 No.3)ICCC氣化爐氣化法分類及比較↑清潔能源IGCC氣化爐氣化法分類及比較周大坤，郜愿鋒，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Shell氣化爐和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;煤的氣化中圈分類號(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-cai(Harbin 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 andthe features of Shell and Texaco gasifiers. Simultaneously, performance indices of 3 representative gasifiersare compared.Keywords: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(250 MW以上)還包括氣化煤氣凈化過程，即通過凈化設(shè)備除去的IGCC電站都配備氣流床氣化爐[-]。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所,不同的氣化方法往往對應(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。氣流床氣化法屬于高溫氣化技術(shù),通常直接用氧氣和過熱水蒸氣作1 IGCC氣化爐分類為氣化劑，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)2000 C,出爐煤氣溫度都在1400 C左右，同時(shí)收稿日期:2009-08-19作者簡介: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; fisj@hbc. com. cnICCC氣化爐氣化法分類及比較發(fā)電設(shè)備(2010 No, 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1500C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 ~C左右后進(jìn)入干法除塵和濕法洗滌系統(tǒng),其中合2 600 t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, Shell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)?蒸汽聯(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。對原料的灰熔融性適應(yīng)范圍寬,也可爐型有Texaco. Shell、 E-Gas(原Destec) 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. E-Gas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2 000 t,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樂條件下的(4)殼牌氣化爐的環(huán)保性能好,采用千法除問題,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1.1.1 Shell 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Shell 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年由美國德士古石油公司在以重油和天然氣為原shell單獨(dú)在美國休斯敦建成耗煤量250~料制造合成氣的德士古工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的。始400 t/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)2000 t以上,凈發(fā)電能力為253 MW。千燥器中干煤粉容易結(jié)塊堵塞的問題，而千式加經(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, 生成氣體獲得成功。Texaco氣化爐是先進(jìn)和成熟的第2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-數(shù)燒室光體爐材. 環(huán)形錐體蒸汽生熱冷室筒體圖1 Shell 氣化爐結(jié)構(gòu)圖下錐體下法蘭Shell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(2010 No. 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)900 t/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CoolWater1GCC示范項(xiàng)中,爐內(nèi)壓力為2.7 MPa,反應(yīng)溫度達(dá)到920 C,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)高壓煤漿泵送人氣化爐燃燒器。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.刁口生成氣體爐頂?shù)膰娙紵鞲咚龠B續(xù)地噴入部分氧化室,爐田旋風(fēng)分離器內(nèi)溫度達(dá)1 300~1 500 C,氣化壓力為4.3~. 溶化室7.15 MPa,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CH、N2、H.S等。氣化爐圖3 HTW爐結(jié)構(gòu)陽煤氣冷卻部分按冷卻的方式不同分為激冷型和1.2.2 KRW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- -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人的部位(噴射層)形成高溫高H2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-合成氣流化床氣化爐是煤和氣化劑在流態(tài)化狀態(tài)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)板吹人,將床上循環(huán)厭的碎煤托起,當(dāng)氣流速度上升到某- -定值時(shí),煤循環(huán)煙氣t●)水蒸氣?；ハ喾珠_上下翻滾,同時(shí)床層膨脹并具有了流空氣或氧氣灰體的許多特征，即達(dá)成了流化床。典型的流化床煤和石灰石氣化爐有高溫溫克勒氣化爐(HTW)和KRW氣圖4 KRW 氣化爐結(jié)構(gòu)圖化爐等。此外,以石灰石作為流動(dòng)介質(zhì)(形成流化床1.2.1高溫溫克勒氣化爐HTW1978年德國的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的必要熱值或系統(tǒng)的不同進(jìn)行選擇。藝中得到應(yīng)用。HTW爐的工藝方式是先將煤破1.3移動(dòng)床氣化爐及其典型爐型.碎后以干式供給,投入流化床反應(yīng)部位,利用空在氣化爐內(nèi),固體原料煤并不是像層燃爐.一氣或氧作為氣化劑。此時(shí)，焦油等碳化氫成分在樣靜止在爐箕上，而是從爐頂加人,在向下移動(dòng)ICCC氣化爐氣化法分類及比較發(fā)電設(shè)備(2010 No.3)的過程中與從爐底通人的氣化劑逆流接觸,進(jìn)行2 IGCC用氣化爐氣化法比較充分的熱交換并發(fā)生氣化反應(yīng),故稱移動(dòng)氣化。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1GCC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1~2 MPa,工作特性比較列于表1?；蚋?。與常壓移動(dòng)床氣化爐相比,具有以下技表13種氣化爐工作特性的比較術(shù)特點(diǎn):項(xiàng)日氣流床氣化流化床氣化移動(dòng)床氣化(1)煤種適應(yīng)性好,可以氣化一些水分較高(20%~30%)、灰分較高的(約30%)的劣質(zhì)煤。供料方式煤粉干法或煤粉千法塊煤干法水煤漿盤法(2)耗氧量較低,如在2 MPa以下氣化，所適用煤種無限制粘結(jié)性較低非粘緒性煤種的煤種需氧量僅為常壓時(shí)的1/3~2/3.原料煤粒度/mm< C0. 11~5.3~30(3)氣化強(qiáng)度有明顯的提高,生產(chǎn)能力增大。干式排灰或(4)粗煤氣具有一定的壓力,便于運(yùn)輸，同時(shí)排渣/灰方式液態(tài)排渣干式排灰450~1 000也有利于煤氣凈化、變換和精制等后續(xù)加工《干式排灰)氣化溫度/C 1 500~1 800850~1 100600~1 600過程。(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(>99)低(>95)很高(>99.7)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是最生產(chǎn)能力高中低Shell/Prenflo新一代的干式排灰魯奇爐的結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)氣化(干粉供料)HTW爐代表技術(shù)Texaco/E-GasKRW爐魯奇爐爐大致可分為加煤(煤鎖)攪拌、爐體、爐柵和排(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1000C左右,粗煤氣離開爐頂?shù)臏囟燃s為260~538C,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CH,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. 56X10* m*/d.因此,加的氣化爐爐型中又以Shell 氣化爐最具優(yōu)勢,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Shell 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)以及純度高達(dá)99. 9%的N2制備、增壓和輸送系夾套洗滌水K泰氣統(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)，11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0年限等因素來綜合考慮氣化爐選型問題。水蒸氣和氟氣→參考文獻(xiàn):[1]焦樹建、干法供煤和水煤漿供煤的氣化爐性能比較[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)2000.13<2):2-7.1-煤;2-鎖煤器;3-煤分配器;4-干燥區(qū);5- -揮發(fā)分釋放區(qū):[2]沙星中,楊南星.煤的氣化與應(yīng)用[M].上海:華東理工大學(xué)6-氣化區(qū);7--燃燒區(qū);8-爐篦:9-鎖灰器;10- 水冷夾套:出版社,1995.11-院族冷卻器。[3]姚強(qiáng)，潔凈煤技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2005.圈5最新一代的干式排灰魯奇氣化爐的結(jié)構(gòu)圖