30應(yīng)用能源技術(shù)2009年第4期(總第136期)煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝評價朱廣勝,曾沖(兗礦國泰化工有限公司,山東滕州277527)摘要:介紹了煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的工作原理, 以及氣流床、流化床、固定床三種煤氣化工藝的比較,分析了ICCC 工藝操作條件對系統(tǒng)效率的影響,及對煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝的評價。關(guān)鍵詞:煤氣化;氣流床;流化床;固定床中圖分類號:TU84文獻標識碼:B文章編號:1009 - 3230(20090)04- 0030- 04Estimate Of Intergrated Gasification Combined CycleZHU Guang- sheng, ZENG Chong(Yankuang Cathay Coal Chemicals CO. ,LID, Tengzhou 277527 , China)Abstract: This passage introduces the principle of the Integrated Gasification Combined Cycle and com-pares the gasification technologjes of the entrained flow bed, the fixed bed and the fluidized bed. It analyzesthe IGCC process conditions to the system eficiency influence and evaluates the Intergrated GasificationCombined Cycle technology.Key words: Gasification; entrained flow bed; fixed bed; fluidized bed0前言術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)。它隨著生產(chǎn)的發(fā)展和生活的提高,人們對電力由兩大部分組成,即煤的氣化與凈化部分和燃氣的需求量越來越大。以煤為燃料的發(fā)電是電力工-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第-部分的主要設(shè)備業(yè)的一個重要部分,它與采用其他燃料發(fā)電相比,有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設(shè)備(包括硫的回價格低,供應(yīng)可靠。以煤為燃料的發(fā)電通常在鍋收裝置),第二部分的主要設(shè)備有燃氣輪機發(fā)電系爐中直接燃燒粉煤產(chǎn)生高壓蒸汽,再由高壓蒸汽統(tǒng)余熱鍋爐、蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)。ICCC技術(shù)把驅(qū)動汽輪發(fā)電機發(fā)電。隨著環(huán)境控制要求日益嚴高效的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與潔凈的煤格,使得投資和操作費用不斷提高,燃氣和燃油的氣化技術(shù)結(jié)合起來,既有高發(fā)電效率,又有極好的發(fā)電成本和投資比燃煤要低,但從燃料的資源蘊環(huán)保性能,是- -種有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。藏量來看,煤炭仍占較大的比例。如何更加有效在目前技術(shù)水平下,IGCC發(fā)電的凈效率可達43%~45%,今后可望達到更高。而污染物的排放量地利用煤炭資源來發(fā)電呢?僅為常規(guī)燃煤電站的1/10, 脫硫效率可達99%, .1煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)二氧化硫排放在25mg/Nm'左右。(目前國家二1.1 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)氧化硫為1200mg/Nm3 ),氮氧化物排放只有常規(guī)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( ICCC - Integrated Gas-電站的中國煤化工電站的12-1/ifcation Combined Cycle)發(fā)電系統(tǒng),是將煤氣化技3,利3呈如下:煤經(jīng)氣化成為MYHCNMH G去煤氣中的硫收稿日期: 2009-03-11 修訂稿日期: 2009-03-21作者簡介:朱廣勝化物、氮化物、粉塵等污染物,變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料,然后送人燃氣輪機的燃燒室燃燒,加熱氣體工2009年第4期(總第136期)應(yīng)用能源技術(shù)31質(zhì)以驅(qū)動燃氣透平做功,燃氣輪機排氣進人余熱4)具有良好的煤種適應(yīng)性鍋爐加熱給水,產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機做功。5)系統(tǒng)簡單,設(shè)備可靠，易于操作,維修方其工藝流程見下圖:便,具有電廠長期、安全可靠運行所要求的可用率6)設(shè)備和系統(tǒng)的投資、運行成本低煤煙道氣空氣分離熱網(wǎng)收蒸過熱恭1.2.1氣流床氣化爐汽發(fā)生器然汽輪機氣流床是目前ICCC各示范工程中采用最多的一種氣化爐。它是一種高溫、高壓煤粉氣化爐,煤處理I體冷卻酸性’燃料燃弋輪機體排除氣化爐的壓力為20- 60bar,要求采用90%以上的顆粒小于100ym的煤粉,采用氧、富氧、空氣或水廢水處理灰硫空氣電能蒸氣作為氣化劑,當以氧為氣化劑時,氣化爐爐膛中心的火焰溫度可達200C。由于是高溫氣化，圖1在產(chǎn)生的粗煤氣中不可能含有很多碳氫化合物、1.2整體煤氣化聯(lián)合 循環(huán)發(fā)電的分類及作用煤焦油和酚類物質(zhì),煤氣的主要成分是CO、H、由圖中可以看出ICCC整個系統(tǒng)大致可分CO2和水蒸氣,離開氣化爐的熱煤氣溫度在1200為:煤的制備、煤的氣化熱量的回收煤氣的凈化- 1400,往往高于灰的軟化溫度。為了防止熱和燃氣輪機及蒸汽輪機發(fā)電幾個部分。將煤加入煤氣中已軟化 了的粘性飛灰在氣化爐下游設(shè)備氣化爐內(nèi)與蒸汽和氧氣(或空氣)反應(yīng),產(chǎn)生熱粗(余熱鍋爐)粘結(jié)堵塞,將除塵后的冷煤氣增壓后燃氣,經(jīng)冷卻和洗滌脫除塵粒并脫去酸性氣體,同再返送回煤氣爐的出口和熱煤氣混合,將熱煤氣時可回收得到元素硫。潔凈燃料氣在燃氣輪機的的溫度降低到比灰的軟化溫度低509C, 然后,熱燃燒室中燃燒,溫度為1090C左右,離開燃氣透煤氣再經(jīng)過氣化爐的余熱鍋爐(輻射和對流蒸汽平的482 ~ 538C的熱煙氣經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量產(chǎn)發(fā)生順)產(chǎn)生飽和蒸汽,同時使熱煤氣的溫度降低生過熱蒸汽,然后經(jīng)蒸汽輪機產(chǎn)生電能,這樣,燃到200C左右，約50%的煤中灰分在氣化爐高溫氣輪機和蒸汽輪機皆可產(chǎn)生電能。燃氣輪機操作爐膛中心變成液態(tài)渣，由爐底排出并通過集渣器所要求的煙道氣壓力為1.4MPa,各種氣化工藝都送人渣池。必須滿足這個要求。如煤氣具有更高的壓力,則.煤粉灰中的以飛灰的形式隨熱煤氣,幫煤氣可先經(jīng)膨脹透平回收能量。在粗煤氣冷卻器中產(chǎn)須經(jīng)除塵、洗滌脫硫處理,成為清潔的煤氣,再送生的飽和蒸汽，可在廢熱鍋爐中過熱,與熱煙氣經(jīng)往燃燒室。廢熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽,-并經(jīng)蒸汽透平產(chǎn)生氣流床氣化爐由于是煤粉高溫高壓氣化,因電能。此煤種適應(yīng)性廣,碳轉(zhuǎn)化率高,能達到99%以上?？赡懿捎玫拿旱臍饣癄t有氣流床(entrained當前在歐美各地ICCC示范廠所選用的氣流flowbed)、固定床(fixedbed)和流化床(fuidized床氣化爐有:美國德士古和GE爐,荷蘭的Shellbed)三種方案。在整個ICC的設(shè)備和系統(tǒng)中,燃爐,德國的Prenlo爐。給煤方式有濕法水煤漿給氣輪機、蒸汽輪機和余熱鍋爐的設(shè)備和系統(tǒng)均是煤(如德士古爐)和干法給煤(如shell 和Prenflo已經(jīng)商業(yè)化多年且十分成熟的產(chǎn)品,因此ICCC爐)。發(fā)電系統(tǒng)能夠最終商業(yè)化的關(guān)鍵是煤的氣化爐及由于氣流床氣化爐的單爐生產(chǎn)能力大,并且煤氣的凈化系統(tǒng)。具體來說,對ICCC氣化爐及具有較高的效率,燃料適應(yīng)性廣,因而在今后發(fā)展煤氣的凈化系統(tǒng)的要求是:大容量高效率的ICCC電站中具有強有力的競爭1)氣化爐的產(chǎn)氣率、煤氣的熱值和壓力及溫地位。度等參數(shù)能滿足設(shè)計的要求1.2.中國煤化工2)氣化爐有良好的負荷調(diào)節(jié)性能,能滿足發(fā)MHCN M H內(nèi)氣固兩相間電廠對負荷調(diào)節(jié)的要求的高強使們傳照相傳貝,使型下床層內(nèi)溫度分布3)煤氣的成分凈化程度等要能滿足燃氣輪均勻,混合條件好,有利于氣化反應(yīng)的進行。同機對負荷調(diào)節(jié)的要求時,可以利用流化床低溫燃燒,在燃燒和氣化過程32應(yīng)用能源技術(shù)2009年第4期(總第136期)中加人脫硫劑(石灰石或白云石),將產(chǎn)生的大部縮短煤在爐內(nèi)的停留時間,對煤粒直徑的要墳比分S02和H2S脫除。由于流化床氣化爐內(nèi)的反.固態(tài)排渣爐寬。但顆粒尺寸小于6mm的要限制應(yīng)溫度- -般控制在850- 1000,因此,它產(chǎn)生的在10%以下。液態(tài)排渣氣化爐有以下特點:1)碳焦油、烴、酚、苯和萘等大分子有機物基本上都能轉(zhuǎn)化率是三種氣化爐中最高的,排渣的物理熱損被裂解為簡單的雙原子或三原子氣體,煤氣的主失大。2)相對安全可靠;3)煤氣生產(chǎn)能力有限,是要成本是CO和H,CH的含量-般少于2%。三種爐型中能力最低的。當前,用于ICCC系統(tǒng)的流化床氣化爐有2 IGCC工藝操作條件對系統(tǒng)效率KRW爐，U- Gas爐和溫克勒爐等。的影響1.2.3固定床氣化爐美國“冷水”煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工程是世界固定床氣化爐是最早開發(fā)出的氣化爐,它和上第一個商業(yè)規(guī)模的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置。 該工程燃煤的層燃爐類似爐子下部為爐排,用以支承上將德士古煤氣化工藝和美國通用電氣公司的蒸面的煤層。通常,煤從氣化爐的頂部加人，而氣化汽燃氣輪機裝置結(jié)合起來形成聯(lián)合循環(huán)。德士劑(氧或空氣和水蒸氣)則從爐子的下部供入,因古氣化爐日處理煤1000噸,發(fā)電100MW,該項工而氣固間是逆向流動的。這種氣化爐和燃煤的層程于1984年5月投入運行,取得了良好效果,并燃爐一樣,對煤的粒徑有一定的要求。對系統(tǒng)操作條件的影響做了研究。固定床氣化爐有兩種煤氣出口位置的設(shè)計。(1)燃氣輪機燃燒溫度的影響:研究表明,德粗煤氣唯一出口位置設(shè)計在干燥區(qū)上面煤層的頂士古ICCC裝置應(yīng)用目前的1093C燃氣輪機時，部,稱為單段氣化爐,此時出口處煤氣的溫度為其工藝總效率為37 ~ 38% ,比傳統(tǒng)的燃煤火力發(fā)370- 590C ,在這煤氣溫度下,氣的油和煤焦油等電裝置的效率34%要高, IGCC工藝效率受燃機效會發(fā)生裂解和聚合反應(yīng),從而生成彼--時質(zhì)焦油;率的影響，當燃機效率提高10%時, IGCC工藝將和瀝青。同時高溫煤氣穿過煤層時產(chǎn)生的劇烈干提高6.7%,而燃氣輪機效率受燃機入口溫度的餾會使煤發(fā)生爆裂,產(chǎn)生大量煤塵,并隨粗煤氣- - -影響,人口溫度越高效率越高。起帶出氣化爐。因而這種單段氣化爐的粗煤氣質(zhì)(2)另一個因素是蒸汽循環(huán)的影響,目前,燃量是比較差的。另一種設(shè)計是,有兩個煤氣出口，機的排廢氣溫度為482 ~ 538C,故不可能使蒸汽除了在干燥區(qū)上部的出口外,另一個則在氣化區(qū).過熱和再熱的溫度提高到538C。當燃機排出的的頂部,煤氣產(chǎn)量的一半從這個出口離開氣化爐。廢氣溫度提高到565~593C時,就可以在蒸汽過由于流經(jīng)揮發(fā)分析出區(qū)和干燥區(qū)的煤氣量只有單熱器中得到高質(zhì)量的蒸汽,因而增加了蒸汽循環(huán)段爐的,有利于防止由于煤的爆裂而產(chǎn)生的大量的效率。煤塵,而且不會產(chǎn)生彼一時質(zhì)焦油和瀝青。因此,(3)蒸汽循環(huán)條件的影響:過熱蒸汽與非過熱兩段爐產(chǎn)生的粗煤氣的質(zhì)量是比較好的。蒸汽循環(huán)相比，前者比后者將可獲得更高的效率。用于ICCC系統(tǒng)的固定床氣化爐主要是魯奇(4)燃氣預(yù)熱溫度的影響: ICCC工藝的潔凈爐,世界上最早的德國ICCC示范廠采用的就是煤燃氣可以用粗煤氣預(yù)熱,在燃料氣中加入顯熱魯奇固定床單段固態(tài)排渣氣化爐。這種氣化爐的使燃氣輪機的熱進人量增加而有利于燃燒,將燃最大缺點是,使用焦結(jié)性煤時,容易造成床體阻氣預(yù)熱到約315C比較合適。塞,使氣流不暢,煤氣質(zhì)量不穩(wěn)定。此外,由于煤(5)煤漿濃度的影響:采用德士古氣化法時,在氣化爐內(nèi)緩慢下移至變成灰渣需停留0.5-1如果煤濃度從67%干固體(質(zhì)量)減少到50% ,則個小時,因而單爐的氣化容量無法設(shè)計得很大。系統(tǒng)效率將 下降2.5%。近年來,西德德士古裝而且,排出的煤氣中還含有大量的瀝青、煤焦油和置已將煤漿濃度提高到70%以上。酚等,使煤氣的凈化處理過程十分復(fù)雜。為改善(6)氣化堝作∞力的影響:氣化壓力的增加會上述問題,強化煤的氣化過程,英國煤氣公司在固使工中國煤化工加到2. IMPa以.態(tài)排渣魯奇爐的基礎(chǔ)上,將其發(fā)展成液態(tài)排渣魯上時Y片CNMHG下降0.08%。奇爐。液態(tài)排渣氣化爐由于其燃燒區(qū)的溫度較.3對煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝的評價高,因而有利于提高煤的氧化速率和碳的轉(zhuǎn)化率,(1)由于ICCC工藝的燃料氣,脫除了硫化物，2009年第4期(總第136期)應(yīng)用能源技術(shù)33因而可以滿足環(huán)保要求,而且相對來說花費較少,(5)IGCC裝置的效率高,因而發(fā)電成本降低。還可以使用價格較低的高硫煤種。因為在煤氣化(6)IGCC工藝可由許多并行的煤氣化系列和工藝中煤中的硫被轉(zhuǎn)化成H2S和羰基硫,在煤氣燃氣、蒸汽燃機系列組成,因而操作機動性較好，中這種還原形式的硫的脫除比從煙氣中脫除s02調(diào)節(jié)速度快, 能很快滿足負荷調(diào)節(jié)的要求。在設(shè)要簡單。煤氣化工藝中的硫化氫濃度較高,脫除計選擇檔次時比較合適,可以節(jié)約投資。比較容易,而傳統(tǒng)發(fā)電的燃燒廢氣中的二氧化硫(7)將煤氣化工藝列入ICCC工藝,則電力公濃度較低,脫除比較困難。在大多數(shù)ICCC工藝用事業(yè)可以和合成氣聯(lián)合生產(chǎn),也可以和化工原中,煤均在高壓下氣化和在高壓下脫硫。由于壓料氣或代用天然氣聯(lián)合生產(chǎn)。力高,氣體體積相應(yīng)減小,比傳統(tǒng)發(fā)電的煙道氣體4結(jié)束語積小得多,因而所需設(shè)備也較小。燃煤發(fā)電系統(tǒng)隨著煤氣化工藝的開發(fā)和發(fā)展,隨著材料工業(yè)的煙道氣體積約為德士古氣化工藝在3.4MPa壓的開發(fā)和研究,可使燃氣輪機的人口溫度進一步提力下操作的燃料氣體積的150倍以上。高。隨著煤氣的干法高溫下脫硫工藝的開發(fā)和建(2)CCC裝置比燃煤蒸汽發(fā)電裝置的耗水量立將使煤的氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)日趨完善。要顯著地少,因為60%的電量是由燃氣輪機產(chǎn)參考文獻生,不需要冷卻水。[1] 賀永德現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊[M].北京:化學工業(yè)(3)在同樣規(guī)模下,IGCC裝置占地比傳統(tǒng)的出版社,2004.燃煤蒸汽發(fā)電要少。[2]陳樹義燃料燃燒與燃燒裝置[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1985.(4)ICCC工藝的效率比燃煤蒸汽發(fā)電裝置高[3]曹征彥. 中國潔凈煤技術(shù)[M].中國物資出版社,約10% ,因而也可以相應(yīng)解決采煤和運煤帶來的1998.環(huán)境問題。[4] Chris Higman. Caisfcation. Elevier Sacence,2003.11+1國10用1410101+1+1+1+1+10+1+1+1+14+0++1+1+1+@+10++1++1410+++◆1@++1\◆111+11◆間◆間+國◆(上接21頁)最佳a值隨著燃料和燃澆設(shè)備的不同而不3最佳過量空氣系數(shù)的確定同,見表1所示。當鍋爐運行時根據(jù)燃料種類,燃最佳過量空氣系數(shù)可從鍋爐的熱損失來分燒方式和爐子型式來選擇的a值,以保證獲得較析。鍋爐的主要熱損失(q2)、煙氣中剩余可燃氣高 的鍋爐效率。體(如CO、H2和CH )所引豈的化學不完全燃燒熱表1不同爐型和煤腫對應(yīng)的爐膛過空氣系數(shù)損失( q3)及未燃盡碳粒所引起的機械不完全燃燒過量空氣系數(shù)熱損失(qs)。以上各項損失是隨著過量空氣系數(shù)無煙煤重油煤氣a值而變化的,如圖所示。當a增加時，燃料同空鏈條爐1.3-1.4 1.3-1.5氣的反應(yīng)機會加大,使化學不完全燃燒熱損失煤粉爐1.21.25 .1.15-1.201.05-1.10(q3)和機械不完全燃燒熱損失(q4)減少,卻導(dǎo)致排煙熱損失(q2)升高。三項損失的總和為- -下凹拂騰爐_ 1.25-1.30的曲線,如圖1所示，其最低點的值即為最佳a4結(jié)論值。這時鍋爐的熱損失最小，經(jīng)濟性最高。本文考慮了過量空氣系數(shù)的各種因素影響，得出了計算過量空氣系數(shù)的準確公式,克服了傳電中。統(tǒng)的過量空氣系數(shù)公式基于干煙氣計算不適用于現(xiàn)場以濕煙氣分析結(jié)果的缺點;進行實際煙量的計算時也可參照本文進行。[1]中國煤化工京:中國電力出MHCNMHG[2] 子平.大型鍋爐裝置及其原理[M].上海:上海交81 鍋爐熱損失與過量空氣系數(shù)的關(guān)系圖通大學出版社, 1997.