第30卷第4期華電技術(shù)Vol 30 No 42008年4月Huadian TechnolApr.2008IGCC系統(tǒng)中合成氣回?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)分析Design and analysis of thesyngas heat exchanger in IGCC system祁寧QI Ning(國(guó)家電站燃燒工程技術(shù)研究中心,遼寧沈陽110034)National Power Plant Combustion Engineering Research Center, Shenyang 110034, China)摘要:C系統(tǒng)中最主要的熱回收裝置之一是合成氣回?zé)釗Q熱器。由于經(jīng)過了水洗等工藝,合成氣回?zé)釗Q熱器中的合成氣不但具有一定的顯熱,而且其所含潛熱量也是相當(dāng)可觀。對(duì)不同類型回?zé)崞?、回?zé)崞鞯牟粨Q熱方式、回?zé)崞鞯牟煌贾梅綔^的ICCC系統(tǒng)進(jìn)行了分析和計(jì)算,根據(jù)能量梯級(jí)利用理論,采用專用的熱平衡軟件,綜合考慮回?zé)崞鲗?duì)ICCC系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、安全性、效率的影響,給出了全熱回收方式IGCC系統(tǒng)中的合成氣回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)建議。關(guān)鍵詞;GCC;合成氣;回?zé)釗Q熱器;能量梯級(jí)利用中圖分類號(hào):TK472獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-1951(2008)04-0019-04Abstract: Syngas heat exchanger was one of the most important waste heat recover equipments in IGCC system. Thesyngas in the heat recover exchanger after being scrubed had a great deal of obvious heat and considerable latentheat. This paper analyzed IGCC systems with different types, different heat transfer modes and different layoutschemes of heat recover exchangers, according to the theory of energy cascade utilization and using special heat equi-librium software, and considered the impact of exchanger on the economical efficiency, safety and heat efficiency ofIGCC system, and gave reasonable design suggestions for whole heat recover exchanger in IGCC system.Key words: IGCC; syngas; heat recover exchanger; energy cascade utilization性強(qiáng)的特點(diǎn)需要設(shè)計(jì)一些特殊換熱器對(duì)粗合成氣0引言的熱量進(jìn)行回收,用于回?zé)岷铣蓺?。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術(shù)用于燃煤發(fā)電或結(jié)合多聯(lián)產(chǎn),具有效率高、環(huán)境友好等優(yōu)1系統(tǒng)描述及合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)熱源情況勢(shì)。IGCC系統(tǒng)中,煤氣化爐出口的粗合成氣一般都IGCC根據(jù)氣化技術(shù)可分為水煤漿氣化和干粉具有較高的溫度,因而有大量顯熱能需要回收以提氣化2個(gè)系統(tǒng)的組成區(qū)別很大,水煤漿氣化的冷煤高效率。最主要的熱回收裝置是位于氣化爐出口的氣效率約為75%,而采用干粉氣化的冷煤氣效率約輻射式廢熱鍋爐與其后的對(duì)流式廢熱鍋爐。受高溫為81%。主要原因是采用水煤漿氣化組成的系統(tǒng)凈化技術(shù)發(fā)展的限制在經(jīng)過了水洗工藝后,此階段中,合成氣中的水蒸汽含量要高于干粉氣化組成的的合成氣不但具有一定的顯熱,而且其所含潛熱量系統(tǒng)因此,對(duì)于采用水煤漿氣化的ICC系統(tǒng),合也相當(dāng)可觀,這些熱量包括對(duì)流式廢熱鍋爐出口到成氣的熱量回?zé)嵯到y(tǒng)就顯得更加必要。由于在凈化洗滌塔前合成氣的顯熱、洗滌塔后到脫硫工藝前的中的熱量品位低、熱量多,不適合用于發(fā)電,因此將合成氣顯熱以及合成氣中水蒸汽的潛熱?；厥者@部合成氣中含有的熱量在凈化過程中取出用于加熱凈分熱量有相當(dāng)大的技術(shù)難度。根據(jù)IGCC系統(tǒng)整體化后中國(guó)煤化工成氣入口的溫度要求CNMHG標(biāo)。本文研究的收稿日期:2007-12-19系統(tǒng)是米用水煤家氣化為氣化甲元的系統(tǒng)該系統(tǒng)華電技術(shù)第30卷的主要流程如圖1所示。那煤[中分[溫?zé)峄厥?回?zé)釗Q熱器的布置方案及優(yōu)化根據(jù)熱源的不同,回?zé)釗Q熱器的布置方案有3種(1)在水洗前設(shè)置粗合成氣與凈合成氣換熱的余熱的爐增機(jī)發(fā)電氣氣換熱器。(2)在水洗后設(shè)置粗合成氣與凈合成氣換熱的圖1水煤漿氣化系統(tǒng)流程圖氣換熱器,經(jīng)過換熱的凈合成氣還要與燃機(jī)抽氣的系統(tǒng)采用水煤漿加壓氣流宋氣化工藝,煤漿濃熱空氣進(jìn)行換熱,以提高熱量的利用效率。度約60%,IGCC系統(tǒng)的空分整體化率為50%,空分(3)利用水洗后的合成氣加熱外部給水,然后的壓縮機(jī)提供50%的空氣量,其余50%的空氣從燃將外部給水噴入脫硫后的低溫凈合成氣中,提高合機(jī)壓氣機(jī)中抽取?？辗值?dú)饣刈⒌饺紮C(jī)中用以控制氣的溫度,然后通過汽輪機(jī)冷凝水最終對(duì)凈合成氮氧化物的排放。氣進(jìn)行過熱,實(shí)現(xiàn)合成氣的回?zé)岣鶕?jù)國(guó)內(nèi)合成氣凈化的技術(shù)發(fā)展水平,合成氣3種方案的合成氣換熱系統(tǒng)如圖2、圖3、圖4采用常溫濕法脫硫工藝是比較現(xiàn)實(shí)的,因此,合所示。成氣從水洗工序出來后必須進(jìn)行降溫,按照常溫濕法脫硫的工藝要求,合成氣的溫度一般要降低到38℃以下,經(jīng)過脫硫后的合成氣要經(jīng)過回?zé)岵拍苓_(dá)到燃機(jī)入口的溫度要求。根據(jù)系統(tǒng)中的實(shí)際情況并結(jié)合能量梯級(jí)利用的要求,系統(tǒng)中可用于合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)的熱源有3種。圖2第1種方案合成氣換熱系統(tǒng)圖(1)粗合成氣。由于系統(tǒng)中對(duì)流式廢熱鍋爐內(nèi)部布置的是蒸發(fā)受熱面,產(chǎn)生的是高壓蒸汽,因此從對(duì)流式廢熱鍋爐出口排出的粗合成氣具有較高的溫度,可以作為合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)的熱源(2)經(jīng)過水洗的粗合成氣。系統(tǒng)采用的是水煤漿加壓氣流床氣化工藝,粗合成氣中有大約20%的水蒸汽,水洗除塵后,合成氣的溫度降低到170℃圖3第2種方案合成氣換熱系統(tǒng)圖180℃,部分洗水也蒸發(fā)進(jìn)人到合成氣中,而在脫硫前需要將合成氣的溫度降低到38℃左右,以符合常溫濕法脫硫工藝的要求。在降溫的過程中將有合成氣的顯熱和合成氣中水蒸汽凝結(jié)的潛熱需要被移出,同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)入口的燃料氣要求為220℃以下此處的熱量可以用于作為合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)的熱源(3)燃機(jī)抽氣及余熱鍋爐部分。燃機(jī)抽氣是將圖4第3種方案合成氣換熱系統(tǒng)圖燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)中的部分經(jīng)過壓縮的高壓空氣抽出方案1和方案2的主要區(qū)別是方案2中取消了以提供給空分系統(tǒng)作為原料氣使用,燃機(jī)壓氣機(jī)末方案1中的粗合成氣與凈合成氣的換熱器。原因是級(jí)高壓空氣的溫度約為380℃,當(dāng)將這部分空氣作粗合成氣在經(jīng)過水洗工藝前含有細(xì)灰,運(yùn)行中易出為空分的原料氣時(shí),要經(jīng)過降溫。因此,這部分空氣現(xiàn)灰渣國(guó) Tama由站的IGCC系統(tǒng)采用了的顯熱也可以作為合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)的熱源。在方案1中國(guó)煤化工理過程中,沉積IcCc系統(tǒng)中,位于常規(guī)島的余熱鍋爐用于回收燃機(jī)的灰渣CNMHG的管子造成嚴(yán)排氣的熱量這部分熱量根據(jù)需要可以作為合成氣重腐蝕。運(yùn)行中曾多次出現(xiàn)管子泄漏造成粗合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)的熱源。混入凈合成氣中而停爐,并導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)損傷。第4期祁寧:lGCC系統(tǒng)中合成氣回?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)分析21方案1的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的熱量利用充分。粗合成3回?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化氣在水洗前的溫度較高,換熱器的運(yùn)行溫差比較大,能夠?qū)艉铣蓺獾臏囟忍岣叩揭粋€(gè)較高的水平,且3.1換熱器結(jié)構(gòu)選擇設(shè)備的換熱面積可以設(shè)計(jì)的較小,設(shè)備體積和造價(jià)IGCC系統(tǒng)中合成氣回?zé)釗Q熱器的結(jié)構(gòu)選擇要較低。缺點(diǎn)是系統(tǒng)的安全性較低,可能對(duì)整個(gè)ICCC參考化工系統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)技術(shù),換熱器按照傳熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。特性分為間壁式、直接接觸式和蓄熱式3種類型方案2的優(yōu)點(diǎn)是在水洗后的粗合成氣中灰塵的間壁式按照結(jié)構(gòu)分為列管式、夾套式、板式和套含量較低,不易造成換熱器的堵塞,設(shè)備的安全性較管式等;直接接觸式分為冷卻塔、再沸器等。高。缺點(diǎn)是粗合成氣經(jīng)過水洗后溫度較低,換熱器根據(jù)IGCC合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)的要求,合成氣回的換熱溫差較小,設(shè)備需要較大的換熱面積設(shè)備體熱換熱器的傳熱形式應(yīng)該選擇間壁式,方案3中的積和造價(jià)將明顯提髙;同時(shí),由于經(jīng)過水洗后的合成合成氣濕化飽和器為直接接觸式。常用間壁式換熱氣中的熱量大量以水蒸汽的潛熱形式存在,因此,合器的應(yīng)用條件見表1成氣回?zé)釗Q熱器變成了冷凝器,設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。根據(jù)IGCC系統(tǒng)中合成氣的操作條件一般超過方案3中應(yīng)用燃?xì)鉂窕柡推鲗?shí)現(xiàn)合成氣的回3.0MPa的特點(diǎn),建議采用列管式換熱器,具體采取熱,優(yōu)點(diǎn)是避免了凈合成氣被粗合成氣污染,同時(shí)由哪種結(jié)構(gòu)要根據(jù)使用的位置來確定。如果要使用板于是直接的接觸換熱,換熱效率要高于換熱器。缺點(diǎn)式等其他結(jié)構(gòu)的換熱器,設(shè)計(jì)中要充分考慮操作壓是濕化塔的造價(jià)要高于換熱器,其后部要設(shè)置合成氣力,應(yīng)認(rèn)真核算設(shè)備的強(qiáng)度。過熱設(shè)備,用以防止由于燃?xì)怙柡投嬖诘暮铣蓺庠?.2換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)閥站部位出現(xiàn)的結(jié)露問題。優(yōu)化設(shè)計(jì)換熱器設(shè)備的目的是提高其傳熱效在主要系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一的情況下,lGCC系統(tǒng)總的率;簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),降低成本;延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。實(shí)際供電效率順序?yàn)?方案1>方案3>方案2。安全運(yùn)設(shè)計(jì)中,這些目的不能同時(shí)達(dá)到,因此,對(duì)不同的設(shè)行的評(píng)估結(jié)果是方案3>方案2>方案1。投資比計(jì)優(yōu)化應(yīng)進(jìn)行權(quán)衡,以決定最終采用的設(shè)計(jì)方案較的結(jié)果是方案3>方案2>方案1。根據(jù)傳熱的基本公式Q=KFt可知,傳熱量Q在合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)的設(shè)計(jì)中,粗合成氣與凈合的增加可以通過提高傳熱系數(shù)K、擴(kuò)展傳熱面積F成氣進(jìn)行換熱時(shí),應(yīng)有效地避免由于換熱器泄漏造和加大傳熱溫差A(yù)t來實(shí)現(xiàn)。成的凈合成氣污染?？刹捎瞄g接換熱的設(shè)計(jì)方式(1)擴(kuò)展傳熱面積以增加傳熱。這種方式的應(yīng)利用中間介質(zhì)實(shí)現(xiàn)換熱。這種設(shè)計(jì)由于增加了間接用不是靠增大設(shè)備的體積或者增加設(shè)備臺(tái)數(shù)來實(shí)現(xiàn)換熱,系統(tǒng)總的換熱效率將降低,設(shè)備投資將有所提的,根據(jù)目前管殼式換熱器的研究進(jìn)展4,合理地高。設(shè)計(jì)方案1中采取間接換熱的方式,位于對(duì)流提高單位設(shè)備體積的傳熱面積的有效方法有:采用式廢熱鍋爐后的換熱器存在泄漏,而此處的高溫?zé)崧菪酃?、波紋管、翅片管等。各種異形傳熱管設(shè)計(jì)源為未經(jīng)過水洗的粗合成氣,合成氣中含有的細(xì)灰的主要目的是提高換熱面積,從改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)和容易在換熱器中沉積,對(duì)設(shè)備造成沖刷磨損,引起系布置等方面出發(fā)加大傳熱面積,以達(dá)到換熱設(shè)備高統(tǒng)停機(jī),將造成巨大損失;因此,根據(jù)國(guó)外IGCC的效緊湊的目的。其中,采用翅片管的方法在工程中運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),方案1在不能解決泄漏問題的條件下,不應(yīng)用較多。采用各種不同結(jié)構(gòu)的換熱管,可以在不能輕易采用。增加設(shè)備體積的情況下使設(shè)備的有效換熱面積提高根據(jù)以上分析,方案2和方案3是可行的。2~3倍。但是,在設(shè)計(jì)中要綜合考慮使用異形換熱表1常用間壁式換熱器應(yīng)用條件21換熱器結(jié)構(gòu)操作壓力/MPa標(biāo)準(zhǔn)固定管板式0.25-6.4JB/T4515-1992換熱介質(zhì)溫差小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單列管式浮頭式1.0~6.4JB/ 4714TV凵中國(guó)煤化工U型管式1.0-64JB/T 4717板式GB6409CNMHG板式螺旋板式<1.6JB/T4723-1992換熱效果好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單華電技術(shù)第30卷管帶來的不利影響因?yàn)椴捎卯愋喂軙r(shí)換熱器中的能因此,要兼顧整個(gè)熱力系統(tǒng)能量的合理利用將流場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生變化,設(shè)備的阻力積灰結(jié)垢條件將會(huì)其安排在系統(tǒng)的優(yōu)化里面考慮比較合適。變化,有可能影響設(shè)備的正常運(yùn)行。綜合以上各種換熱器增強(qiáng)傳熱措施,GCC合成(2)提高傳熱系數(shù)也是增強(qiáng)傳熱的積極措施。氣回?zé)釗Q熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該在滿足工藝要求的條傳熱過程的總熱阻是各分項(xiàng)熱阻的疊加,要改變傳件下,使換熱器的一個(gè)或者數(shù)個(gè)指標(biāo)達(dá)到最佳。優(yōu)熱系數(shù)就要分析傳熱過程的各項(xiàng)熱阻。在換熱設(shè)備化的步驟為:確定優(yōu)化約束條件,如阻力造價(jià)等中一般都釆用金屬薄壁的設(shè)計(jì)(金屬壁的熱阻很立換熱器各參數(shù)之間的關(guān)系式→聯(lián)立各關(guān)系式進(jìn)小可以忽略不計(jì))。為方便說明,可以先不考慮污行求解,最后確定優(yōu)化后的參數(shù)→驗(yàn)算。垢熱阻,傳熱的總傳熱系數(shù)可以寫成換熱器一般可以選取的可變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)是管長(zhǎng)管徑翅片高度翅片數(shù)量流動(dòng)阻力設(shè)備安裝費(fèi)用1+1(1)等?？勺儏?shù)設(shè)定的越多,計(jì)算最優(yōu)化條件的過程越復(fù)雜,計(jì)算的工作量也越大。目前,換熱器本體的式中,a1,a2分別為換熱器管壁的內(nèi)、外傳熱系數(shù)參數(shù)可以通過CFD軟件進(jìn)行模擬,回歸后給出方為了確定哪個(gè)對(duì)K值的影響比較大,以K值對(duì)程;造價(jià)等經(jīng)濟(jì)參數(shù)可以通過材料費(fèi)用、加工費(fèi)用進(jìn)它們分別求偏導(dǎo),得到行核算給出其與設(shè)備結(jié)構(gòu)方面參數(shù)的關(guān)聯(lián)公式。由于在合成氣冷卻段布置的換熱器具有部分冷(2)(a1+a2)凝器的作用,設(shè)計(jì)中要對(duì)設(shè)備的腐蝕方面給予重視(3)4結(jié)束語(a1+a2)式(2)和式(3)分別表示了傳熱系數(shù)隨a1和a2在以水煤漿氣化為基礎(chǔ)的IGCC發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)的增長(zhǎng)率,當(dāng)a1>a2時(shí),假設(shè)a1=ma2(n>1),可計(jì)中,對(duì)于合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)的設(shè)計(jì),建議利用經(jīng)過除塵后的合成氣的熱量及燃機(jī)抽氣的熱量為合成氣回以得到K2=nK,由此可以看出提高a2對(duì)增強(qiáng)傳熱系統(tǒng)的取熱熱源。對(duì)于將水洗前的粗合成氣作為熱的效果更加有效。熱源的情況要慎重在ICC合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)中,無論是冷卻器還合成氣回?zé)釗Q熱器的具體設(shè)備的優(yōu)化,可以采是加熱器都是氣相同液相的換熱。一般氣相的換熱用翅片管的設(shè)計(jì),可對(duì)傳熱管表面進(jìn)行粗糙化處理,系數(shù)較低,同時(shí)由于擴(kuò)展傳熱面積及加大傳熱溫差對(duì)合成氣側(cè)進(jìn)行模擬計(jì)算,分析各種提高傳熱系數(shù)要受到設(shè)備和工藝條件的限制,因此,對(duì)于lGCC合的手段。設(shè)計(jì)優(yōu)化中要考慮工程的具體工藝和物料成氣回?zé)嵯到y(tǒng)中的換熱器的設(shè)計(jì)主要是優(yōu)化氣相側(cè)的組成情況,對(duì)于具有凝結(jié)水的位置的腐蝕問題應(yīng)的傳熱,提高氣相的傳熱系數(shù),具體的方法有3種。給予重視。最后,要將經(jīng)濟(jì)因素引入到設(shè)計(jì)中選擇1)改變流體流動(dòng)情況。通過提高流體的流動(dòng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的設(shè)計(jì)速度增加高湍流脈動(dòng)程度,如在管殼式換熱器殼層參考文獻(xiàn)中加裝各種隔板等。還可以在管內(nèi)或管外加裝各種插入物以增加擾動(dòng),但要防止出現(xiàn)系統(tǒng)阻力增1]許世森,李春虎部時(shí)煤氣凈化技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006加明顯、通道堵塞等問題[2]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)2)改變物流物性。這種方法不適合在CCC合[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003成氣回?zé)釗Q熱器中使用[3]洪蒙納鄧先和管殼式換熱器管程強(qiáng)化傳熱研究進(jìn)展3)改變換熱表面情況。主要有增加表面粗糙[J].廣東化工,2005,32(3):41,42度、改變換熱面的形狀和大小等方法。改變換熱表[4]崔海亭,姚仲鵬螺旋槽紋管研究及應(yīng)用[J石油化工設(shè)備,2001,30(2):34-36面的粗糙度不僅有利于管內(nèi)物流的換熱,也有利于[5]陳姝高學(xué)農(nóng)徐娓等,管殼式換熱器新型管支撐結(jié)構(gòu)凝結(jié)換熱。在CCC合成氣回?zé)嵯到y(tǒng)中的取熱段由在傳熱強(qiáng)化方面的進(jìn)展[J].廣東化工,2006,33(6):于存在水蒸汽的冷凝過程,因此,增加換熱器合成氣側(cè)換熱表面的粗糙度可以加強(qiáng)換熱。中國(guó)煤化工(編輯:劉芳)(3)增大傳熱溫差以增強(qiáng)傳熱的途徑在應(yīng)用中CNMHG受到實(shí)際工藝和設(shè)備條件的限制。傳熱溫差增大將作者簡(jiǎn)祁寧(1972-),男河北獻(xiàn)縣人,國(guó)家電站燃燒工程技術(shù)研究中使整個(gè)系統(tǒng)的不可逆性增加,降低熱力系統(tǒng)的可用心高級(jí)工程師從事電力環(huán)保研究方面的工作