国外4座大型IGCC电站的煤气化工艺.doc

国外4座大型IGCC电站的煤气化工艺 许世森危师让国家电力公司热工研究院陕西西安710032 迄今为止，世界上已投入运行的4座250 MW以上的IGCC电站分别是美国的Wabash River(260.6 MW)和Tampa(250 MW)、荷兰的Demkolec(253 MW)和西班牙的Puertollano(300 MW)。它们分别采用Destec、Texaco、Shell和Prenflo加压喷流床煤气化工艺。Destec和Texaco是水煤浆加压气化的主要 代表，而Shell和Prenflo则是干粉进料加压喷流床气化的主要代表。用于IGCC的4种煤气化炉容量都达到2 000 t/d以上，都是这些气化炉首次最大容量的工业应用。它们的运行状况直接影响着IGCC的可用率和可靠性，是IGCC电站最关键的技术之一。了解这4种气 化炉的设备和技术特点及在IGCC电站中的运行状况，对我国IGCC电站选择煤气化工艺路线具有一定的参考价值。1Texaco 煤气化工艺1.1Texaco 气化工艺的结构特点 (1)制浆系统。煤和水在常规的煤浆磨中被制成浓度通常是60%68%的水煤浆，Tampa IGCC电站的水煤浆设计浓度为68%。对于一些灰熔点较高的煤或者制浆困难的煤，经常在煤浆磨中同时加入石灰石助熔剂或者煤浆添加剂，使得煤的灰熔点降 低或者使煤浆均匀性提高。在煤浆磨的出口有一个筒形的筛子，合格的煤浆流入煤浆储罐中，不合格的煤浆溢流到循环槽中被送回煤浆磨入口。在煤浆储罐中设有一 个搅拌器，并根据检测结果加入一定量的水，使储罐中的煤浆始终保持在一定浓度下的均匀状态。气化炉所需的煤浆量一般由2级隔膜泵从煤浆储罐中抽取并加压送 入气化炉喷嘴，在气化炉入口的煤浆输送管上设有2级流量检测器，严格控制煤浆的流量，煤浆流量的调节全靠隔膜泵来控制。(2)气化炉和煤气冷 却系统。水煤浆和95%纯度的氧气被同时送入气化炉喷嘴，在气化炉内进行气化反应，反应区的温度一般在1 2001 500 ，气化炉的压力根据不同行业的需要可以是2.58.5 MPa。Tampa IGCC电站的气化炉压力为2.83.0 MPa，气化区的温度为1 482 。水、煤和氧气在气化炉中发生气化反应，主要生成CO、H2、CO2、H2O、CH4、H2S和N2，此外，还有少量的NH3、COS、HCN和飞灰。由于采用水煤浆进料，煤气中的H2O含量较高。 Tampa电站的Texaco气化炉内设耐火砖(一般为4层)，内径约4.0 m，高约3.0 m。气化反应的速度很快，粗煤气在气化炉内的停留时间一般在23 s。热煤气离开气化炉进入特殊设计的辐射式冷却器，使热煤气的温度降低至700 ，同时使热煤气中的熔融态渣凝固。冷却后的粗煤气进入对流式冷却器中被进一步冷却到480 。煤气中的显热在2级冷却器中得到回收，产生10.4 MPa的高压饱和蒸汽。气化炉与辐射式冷却器做成一体，外径约5 m，高约39 m，总重约900 t，气化炉安装标高约106.75 m。 (3)排渣和黑水处理系统。气化炉内的熔渣经辐射式冷却器后冷却凝固成玻璃状的渣进入充满水的锁斗系统，锁斗上下部各有2级阀门控制渣进入和排出。从压力 锁斗排出的渣落入粗渣糟中，粗渣被分离出来，进一步处理或直接销售。细渣和水一起被抽入一个细灰沉降槽中进行重力沉降或过滤，使水和细渣分离。从洗涤器出 来含灰的水也进入沉渣槽中，使含碳的飞灰与水分离，从沉渣糟中溢流出来的水一般含非常少量的细灰，它被再循环至水洗涤器人口作为洗涤器用水，多余的水送回 煤浆制备系统。从沉渣槽底部流出的细灰进入一个压滤机中，将细灰制成细灰饼。Tampa电站采用了将细灰再循环至煤浆磨的工艺，目的是为了提高碳的转化 率。1.2Texaco气化工艺的性能和运行指标分析Texaco气化工艺的性能特点： (1)与干法进料相比，水煤浆进料系统工艺相对简单、安全可靠、操作灵活、制浆系统的厂用电较小，无煤粉爆炸危险性，制浆系统无粉尘排放。煤不必进行干 燥处理，可直接进入制浆系统。此外，水煤浆进料可处理不同物料(煤、石油焦、其它废料)，进料种类灵活。此外，使用水煤浆进料，气化炉可以在更高的压力下 运行(2.58.5 MPa)，这对一些化工过程非常必要。(2)气化炉采用单喷嘴运行，所有的气化物料都从一个喷嘴喷入，它具有结构简单的优点，但由于局部热负荷较高，流量较大，不可避免地会发生过热损坏或磨损问题。到目前为止，Texaco气化炉喷嘴的最长累计运行时间仅3个月就需要进行检修更换。(3)Texaco气化炉内设耐火砖，没有水冷系统，结构简单，初投资较小。但由于炉内温度较高，加之磨损和腐蚀，目前Texaco气化炉向火侧的耐火砖最长寿命仅2 a，靠近炉壁的耐火砖寿命为510 a。(4)全厂的灰水可综合利用，除去大渣和细灰的水也在制浆系统中循环使用。(5)由于煤气在气化炉内的停留时间短，Texaco气化炉的碳转化率较低，一般在96%98%。由于水煤浆的水分含量大，气化过程的O/C比较高，耗氧量大，而且煤气中的水分含量也较高。与干法进料相比，冷煤气效率较低，热回收系统复杂。(6)与其它气化炉相比，Texaco气化炉大容量商业运行的台数和经验更丰富。(7)Tampa电站Texaco气化炉可用率1996年可达到57%，1997年达到78%。1998年的目标是85%，根据电厂介绍此目标可望达到。1.3Tampa IGCC电站中Texaco气化炉曾出现的主要问题及解决办法(1)排渣锁斗堵塞。后通过调整运行工况及改动部分管道基本得到解决。(2)辐射废热锅炉和对流废热锅炉的泄漏问题。主要原因可能是由于高温腐蚀，改进的方法是：采取保护措施，改善气化炉的运行状况。对流废热锅炉也曾出现管壁泄漏和积灰堵塞问题。改进的方法是：组织好气化炉的运行工况，加强检查和吹灰。(3)黑水和灰水系统的磨损问题。目前的办法是更换耐磨材料、改变管路结构、加强细灰的分离，但不能彻底解决。(4)当煤种有变化时，气化炉最不适应的就是排渣锁斗系统和细灰分离系统，容易发生堵塞。目前的办法是控制运行参数，积累运行经验，改善锁斗系统的设计，增强承受能力。(5)位于对流煤气冷却器后的4个气-气热交换器(2个粗煤气与净煤气，2个N2与 粗煤气)曾出现积灰堵塞和腐蚀问题，造成管子泄漏，导致灰尘进入洁净煤气中，使燃气轮机叶片严重损坏，同时在氮气和煤气通往燃气轮机的Y形滤网也发现裂 纹。主要原因有：设计的气-气热交换器入口煤气温度偏低、热交换器的管径偏小及停机时泄漏的水的腐蚀(氯离子腐蚀)等。目前尚无好的解决办法，不得已取消 了这4个气-气热交换器，改用蒸汽预热净煤气，这使全厂的净效率下降1.5个百分点。2Destec煤气化工艺2.1Destec煤气化工艺结构特点 Destec气化炉是2段氧气气化、连续排渣、内设耐火砖的煤气化工艺。80%的水煤浆(浓度为67%)和纯氧(纯度为95%)混合后喷入气化炉第1 段，在第1段除对称布置2个水煤浆喷嘴外，在第1段的顶部还有一个从除尘器回来的飞灰再循环喷嘴。第1段的气化温度为1 3711 427 ，气化压力为2.76 MPa。经过第1段反应产生的粗煤气进入第2段气化区。第2段气化是一个垂直的内设耐火砖的压力容器，20%的水煤浆从第2段喷嘴喷入，与粗煤气混合并发 生蒸馏、裂解和气化反应，使粗煤气的热值进一步增加，而温度降低。在气化炉顶部的出口，煤气温度约为1 038 ，故只需要设置对流式煤气冷却器。Wabash River IGCC电站安装了2台100%负荷的气化炉，1台运行，1台备用，煤气冷却器只有1套。该电厂的煤气冷却器之前有1根与气化炉高度相当的导流圆筒，垂直 布置，内设耐火材料。从导流筒出来的煤气进入对流式煤气冷却器，热煤气在管内流动，水在管外流动，产生11.03 MPa压力的饱和蒸汽，流量约90.7113.4 kg/h，这部分蒸汽再进入余热锅炉过热。煤气被冷却到371 ，然后进入煤气除尘和脱硫系统。该电厂的煤气冷却器直径约3 m。Destec煤气化工艺的水煤浆制备和黑水处理系统与Texaco工艺基本相似。2.2Destec煤气化工艺的性能和技术经济指标分析 (1)截止1997年底，在Wabash River电厂也已累计运行4 656 h，气化了469 220 t煤，气化炉的最大负荷可达到100%103%，气化炉最长连续运行小时数可达到362 h，冷煤气效率可达到71%74%。气化炉的可用率1996年为84%，1997年达到98%，1998年也达到96%。当然，这是当气化炉1台运 行，1台备用情况下的数据，单台运行时，尚不能达到如此高的可用率。气化炉的喷嘴寿命一般为23个月，耐火砖寿命一般为23 a，2段耐火砖寿命更长。(2)Destec气化炉采用2段气化，提高了煤气的热值，降低了氧耗，并使煤气的出口温度降低，省去了庞大而昂贵 的辐射废热锅炉，使气化炉的造价降低。而煤气热值的提高，也有利于提高IGCC电站的总效率。Desetc气化炉的煤气在标准状态下热值约10 425.5 kJ/m3，而Texaco煤气热值一般为8 563.8 kJ/m3。(3)采用的火管式对流冷却器造价和安装费用较低，检修和清洗方便。(4)Destec气化炉采用压力螺旋式连续排渣系统，泄压和碎渣设备的造价较低。2.3Wabash River IGCC电站中Destec气化炉曾出现过的主要问题及解决办法(1)曾出现过2次连续排渣口堵塞现象。这是由于水煤浆中的粗大颗粒较多，使水煤浆供给波动，导致气化不稳定而堵塞。解决的办法：严格执行运行操作规程，控制水煤浆质量，保证气化过程稳定。 (2)煤气冷却器入口管道的灰渣沉积，限制了机组运行时间。主要措施是改进了对流冷却器前煤气管道的尺寸、形状，使煤气流速提高，减轻管道中大块沉积物 的形成，从而避免了这些大块沉积物随气流进入煤气冷却器，并严格控制气化炉操作温度。为了更保险，在煤气冷却器入口管道上装有滤网，防止有较大的沉积物进 入煤气冷却器。3Shell煤气化工艺3.1Shell煤气化工艺的结构特点(1)煤粉制备和送料系统。Shell煤气化工艺采用干煤粉进料系统。原煤的干燥和磨煤系统与常规电站基本相同，但送料系统是高压的N2气浓相输送。与水煤浆不同，整个系统必须采取防爆措施。经预破碎后进入煤的干燥系统，使煤中的水分小于2%，然后进入磨煤机中被制成煤粉。对烟煤，煤粉细度R90一般为20%30%，磨煤机是在常压下运行，制成粉后用N2气送入煤粉仓中。然后进入2级加压锁斗系统。再用高压N2气，以较高的固气比将煤粉送至4个气化炉喷嘴，煤粉在喷嘴里与氧气(95%纯度)混合并与蒸汽一起进入气化炉反应。(2)气化炉。由对称布置的4个燃烧器喷入的煤粉、氧气和蒸汽的混合物，在气化炉内迅速发生气化反应，气化炉温度维持在1 4001 600 ，这个温度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到气化炉底部，经淬冷后，变成一种玻璃态不可浸出的渣排出。粗煤气随气流上升到气化炉出口，经过一个过渡段，用除尘后的低温粗煤气(150 左右)使高温热煤气急冷到900 ，然后进入对流式煤气冷却器。在有一定倾角的过渡段中，由于热煤气被骤冷，所含的大部分熔融态灰渣凝固后落入气化炉底部。 Shell气化炉的压力壳内布置垂直管膜式水冷壁，产生4.0 MPa的中压蒸汽。向火侧有一层很薄的耐火涂层，当熔融态渣在上面流动时，起到保护水冷壁的作用。Demkolec IGCC电站的气化炉直径约56 m，高约50多m，标高达到60多m。气化炉的运行压力约2.62.8 MPa。(3)煤气冷却器。粗热煤气在煤气冷却器中被进一步冷却到 250 左右。低温冷却段产生4.0 MPa的中压蒸汽，这部分蒸汽与气化炉产生的中压蒸汽混合后，再与汽轮机高压缸排汽一起再热成中压再热蒸汽。高温冷却段产生13 MPa的高压蒸汽，它与余热锅炉里的高压蒸汽一起过热成主蒸汽。Demkolec电厂的煤气冷却器直径约4 m，高约64 m，冷却器顶部标高约74.5 m，是气化岛的最高点。冷却器的压力外壳里布置有8层螺旋管圈，上下共分成5段，热煤气由上而下在螺旋管外流动与螺旋管内的水换热。每一层螺旋管圈都有一个气动锤振打清除积灰。由于Shell气化炉组成的IGCC系统采用的是干法除尘，所以，它的黑水和灰水处理系统相对比较简单，但其主要的流程与Texaco相似，在此不再赘述。3.2Shell煤气化工艺的性能及技术经济指标分析(1)Shell气化炉的煤气中CO和H2含量远大于Texaco煤气，而CO2和H2O却远小于Texaco煤气。由于可燃气成分较高，其冷煤气效率较高(约80%83%)，组成的IGCC电站发电效率也较高(43% LHV)。而水煤浆进料的冷煤气效率一般仅为74%77%。组成的IGCC效率也较低(41% LHV)。(2)由于煤气中水分含量较少(2.0%)，Shell气化炉组成的IGCC因常温净化而损失的热煤气能量较小，而水煤浆进料的煤气中一般都含有16.8%左右的水分，那么当热煤气冷却到常温时，必然损失大量的显热和潜热。水煤浆进料气化工艺对高温净化的需求更迫切。(3)Shell气化炉的喷嘴和水冷壁寿命较长，在Demkolec电站累计运行10 000 h以上未见损坏，气化炉的可用率已达到95%。(4)由于采用干法进料，气化过程的氧耗比水煤浆进料少，煤气中的CO2含量也远小于水煤浆进料的煤气。对于相同容量的气化炉，Shell气化所需的空分站可小于15%25%。(5)采用干灰再循环，提高了碳的转化率(可达到99%)。(6)干法进料系统与水煤浆相比要复杂得多，操作和保护也要严格得多。进料系统的防爆和防泄漏问题十分关键。进料系统的占地和造价比水煤浆大。此外，干法进料系统的粉尘排放远大于水煤浆进料系统。(7)由于Shell气化炉采用4个(或更多)喷嘴运行，易于在低负荷和高负荷下运行，操作的灵活性大，实现大型化的可能性大。据介绍，Shell气化炉的最低负荷可达到25%，即一个喷嘴运行。(8)Shell气化炉运行过程中最重要的控制参数如下：气化炉出口温度；合成气冷却器进口温度；煤气成分；蒸汽的参数(流量、温度、压力)；炉渣的排出量及外观状况。(9)气化炉的变负荷率每分钟大于5%，IGCC的变负荷率每分钟接近3%。3.3Demkolec IGCC电站中shell气化炉曾出现过的问题及解决办法在Demkolec电站运行中，Shell气化炉及其辅助系统的运行基本正常，可用率也较高。在运行初期出现过以下问题：(1)排渣的锁斗堵塞；(2)细微炉渣影响黑水处理系统。上述2个与气化工艺有关问题的原因及解决办法与前文相同，在此不再赘述。4Prenflo煤气化工艺4.1Prenflo气化工艺的结构特点(1)制粉和输送系统。与Shell煤气化工艺的进料系统相似，Prenflo气化工艺也采用干法进料系统。对制粉系统的要求是：对烟煤的煤粉细度R100为25%，且含水量小于2%(Wt)；对于褐煤要求煤粉细度R100为25%，且含水量小于6%(Wt)。 (2)气化炉和煤气冷却器。Prenflo煤气化炉有4个燃烧器，对称布置，从给料系统送来的煤粉与氧气(85%纯度)和水蒸汽一起喷入汽化炉反应区进 行反应，反应区的温度1 500 左右，焰心的温度高达2 000 。煤气中不含过高的碳氢化合物、焦油和酚。反应器区域的炉衬通过水冷壁来冷却，同时可产生高压饱和蒸汽，它与余热锅炉的高压蒸汽相连。从气 化反应区排出的液态渣，在集渣器的水槽中冷却并用碎渣机破碎大渣，经过闸门式锁斗排出，并与水分离，渣被送入渣场或销售，水可循环使用。粗煤气在下部的反 应区里形成后向上流动，在进入气化炉上部的煤气冷却器之前，采用除尘后的冷煤气对热煤气进行急冷，目的是迫使热煤气带来的熔融态灰渣凝固而落入气化炉底部 排渣口。被急冷的煤气继续上升进入第1级煤气冷却器，煤气先从冷却器的中心圆筒上升至气化炉顶部，然后折转向下，从中心圆筒与炉壁间的环形对流冷却区域从 第1级冷却器的底部(即气化炉的腰部)离开进入第2级对流冷却器，第1级冷却器的环形冷却区布置有4层螺旋管换热器，热煤气在管外流动，水在管内流动，并 产生高压饱和蒸汽。这是Prenflo与Shell气化炉的不同之处。第2级冷却器的结构与Shell气化工艺的对流冷却器相似。内部也是布 置多层的螺旋盘管换热管束，西班牙Puertollano IGCC电站中的Prenflo炉第2级对流冷却器螺旋盘管共6层，上下共分3组，热煤气经过第2级冷却器后，一般被冷却到250 左右，同时也能产生饱和蒸汽。(3)除尘和飞灰再循环系统。冷却后的粗煤气经一级干式除尘器(陶资过滤器或旋风分离器使大部分飞灰被收集，经锁斗，用N2送回气化炉，以提高碳的转化率。粗煤气再经一级水洗涤器使煤气中的灰尘含量小于1 mg/m3，然后进入脱硫系统。4.2Prenflo气化工艺的性能及技术经济指标分析 (1)冷煤气效率可达到80%83%，气化炉的总效率可达到95%。对美国Pittsburgh 8号煤的试验结果证明85%纯度的氧气做为气化剂，煤气的热值、碳转化率、冷煤气效率、总效率与95%纯度的氧气气化相比相差不大。因此，Prenflo 炉采用85%的纯度的氧气做为气化剂。Prenflo气化炉在小试验台可达到每分钟2%15%的变负荷率，而此时煤气中的CO2以及煤气压力几乎不变。由于也采用4个燃烧器，当50%负荷时，只用2个燃烧器可以很容易地操作。 (2)西班牙Puertollano IGCC电站中Prnflo炉的运行情况。1998年初开始用煤气发电，迄今累计运行198 h，最长连续运行时间为25 h，此时的负荷为80%。气化炉在75%负荷下曾运行了40 h。截止1998年9月气化炉乃至整个IGCC电厂没有在100%负荷运行的记录。50%煤和50%石油焦混烧时的试验表明实际运行数据与设计值非常接 近。1998年78月机组大修，主要检修Siemens的燃气轮机。目前机组已重新启动。4.3在Puertollano电站中Prenflo气化炉曾出现过的主要问题及解决办法(1)压力供料锁斗下粉不畅。在2级锁斗间有一根回流N2的管，由于管径设计太小，使N2排气不畅而导致煤粉下落不连续。解决的办法是在回流管上增加了一个文丘利抽气器，以提高N2回流的速度，从而使排气畅通，煤粉下落连续而均匀。 (2)黑水和灰水处理系统的细渣过滤问题。与Demkolec和Tampa电站的问题类似，Puertollano IGCC电站的气化岛也出现过因细渣太多，而导致黑水含渣量大，造成黑水系统磨损堵塞的问题，解决的办法也是采取过滤的办法将黑水中的细渣除去，即可解决 此类问题。54种气化炉的综合比较4种气化炉技术特点的综合比较见表1。表14种气化炉的技术特点比较技术项目TexacoDestec/DynergyShellPrenflo进料方式湿法/水煤浆湿法/水煤浆干法/煤粉干法/煤粉反应器形式喷流床喷流床喷流床喷流床氧气纯度/%9595958595喷嘴/个13(+1)44喷嘴的寿命/h1 4401 4402 16010 000待考检气化炉内衬耐火砖耐火砖水冷壁+涂层水冷壁+涂层内衬的寿命/a2310(待考验)10(待考验)冷煤气效率/%7176747880838083碳转化率/%9698989898单炉最大出力/t.d-12 2002 4002 5002 0002 600示范电站的净功率/MW250.0260.6253.0300.0最大容量气化炉的最长运行时间/h8 8607 50010 00040示范电站最长追续运行时间/h7201 0003242 00025示范电站的气化炉可用率/%80859095 (一开一备)95(待考验)组成IGCC示范电站的效率/%设计值：41.6(HHV)试验值：38.5(HHV)设计值：37.8(HHV)试验值：38.8(HHV)43(LHV)(未公布试验值)45(LHV)(待试验)组成的IGCC达到43%(LHV)效率的可能性有可能(但必须改进全热回收)容易达到容易达到能达到存在的问题喷嘴、耐火砖寿命短，全热回收系统和黑水处理系统尚待改进喷嘴、耐火砖寿命短，黑水处理系统待改进黑水系统待改进供料系统待改进是否气化过类似于中国IGCC电站的煤种是否是否目前IGCC电站的造价低最低较高较高6结论6.1 美国的水煤浆进料气化工艺(Texaco和Destec)和欧洲的干法进料气化工艺(Shell和Prenflo)的单炉出力都达到了20002500 t/d等级，并都进行了250300 MW等级的IGC