各种气化炉简介

各种气化炉简介 概述概述 气化是固体和液体原料 如煤或石油 向主要成分为氢 H2 和一氧化碳 CO 的 气体的转化 气化已应用了一百多年 所产 气体有多种用途 如家庭供暖和照明 城 市煤气 化学制品 如氨 NH3 或甲 醇及汽油和柴油替代产品 近年 人们关注于利用气化发电 最初 的原因是大型 高效燃气轮机的开发 不久 意识到煤炭气化结合燃气轮机发电 可能具 有最现代化的常规燃煤电厂一样的效率 而 排放物却要少得多 20 世纪 70 年代初期 在德国建立了第一座整体煤气化联合循环发 电厂 IGCC 如今 世界上已有若干座燃 煤示范厂 图 1 GBL 气化炉 经英国煤气公司特许刊出 IGCC 电厂也能燃用石油衍生的原料 如重油和焦油 这些产品在石油精 炼过程中形成 传统上 这些产品用于生产电厂锅炉用重质燃料油和作船用燃 料 但是 近年来 重质燃料油的市场需求迅速下降 且目前一些炼油厂的这 类产品过剩 将这些重油气化既可为炼油厂提供电力 也可用于出口 且产生 的 H2 可在炼油厂里提质和清洁其他产品 如柴油和汽油 在欧洲至少有 4 个 大的燃石油的 IGCC 项目在进行 生物质和废物都可气化 但是 IGCC 技术趋于偏爱大型 集中化电厂 但 生物质和废物最好是用于其资源附近的较小电厂 因此 可选择在邻近现有电 厂的小型气化炉气化生物质和废物 利用这些气化产品部分取代燃用的煤或石 油 这就使现有电厂在可获得生物质和废物时利用他们 某些气化炉技术可将 生物质 废物同煤一起气化 目前处于领先地位的几个生物质和废物气化项目大多在欧洲进行 几个最 重要的项目在英国 IGCC 厂尚处于试验阶段 到目前为止 几乎所有这类项目都需要政府某 种形式的支持 该技术在广泛应用之前 有三个不足之处要加以改善 1 同备有环保装置的传统燃煤电厂相比 建立 IGCC 电厂费用昂贵 2 迄今为止 IGCC 厂的可靠性较差 3 至少那些配有制氧 O2 装置的 IGCC 设备的操作灵活性尚待充分证 实 尤其是 IGCC 设备的启动时间次数是以天计而非小时计 进一步的开发工作需要克服这些障碍 使该技术可以被接受 一旦排除这 些障碍 IGCC 设备将会在世界上新燃煤电厂占有重要的市场份额 该技术带来的效益该技术带来的效益 气化技术带来以下效益 使燃煤发电高效 洁净 石油残渣洁净发电有很大机会与炼油厂的生产实现整体化 固体和液体废物的有益环境的处理伴随着能源进一步回收的机会 利用生物质发电 英国贸工部的支持英国贸工部的支持 自 1990 年以来 英国贸工部 DTI 已资助 49 个与气化发电有关的项目 资助基金为 1090 万英镑 所有这些项目的总费用为 3660 万英磅 简介简介 气化气化 气化是指含碳固体或液体物质向主要成分为 H2 和 CO 的气体的转换 所产 生的气体可用作燃料或作为生产诸如 NH3 或甲醇类产品的化学原料 气化的限定化学特性是使给料部分氧化 在燃烧中 给料完全氧化 而在 热解中 给料在缺少 O2 的情况下经过热降解 气化的氧化剂是 O2 或空气和 一般为蒸汽 蒸汽有助于作为一种温度调 节剂作用 因为蒸汽与给料中的碳的反应是吸热反应 即吸收热 空气或纯 O2 的选择依几个因素而定 如给料的反应性 所产生的气体用途和气化炉的 类型 气化最初的主要应用是将煤转化成燃料气 用于民用照明和供暖 虽然在 中国 及东欧 气化仍有上述用途 但在大多数地区 由于可利用天然气 这 种应用已逐渐消亡 最近几十年中 气化主要用于石化工业 将各种碳氢化合 物流转换成 合成气 如为制造甲醇 为生产 NH3 提供 H2 或为石油流氢化脱 硫或氢化裂解提供 H2 另外 气化更为专门的用途还包括煤转换为合成汽车 燃料 在南非应用 和生产代用天然气 SNG 至今未有商业化应用 但在 70 年代末和 80 年代初已受到重视 气化发电气化发电 在近十年中 电力工业因可利用大型燃气轮机发电而发生变化 这些燃气 轮机 无论是单独使用 开路循环燃气轮机 OCGT 还是同热回收锅炉和蒸 气轮机联合使用 联合循环燃气轮机 CCGT 都已证实是一种高效 洁净且 宜操作的发电方法 燃气轮机发电的主要弱点是只能燃用洁净燃料 这种燃料 或者是气体 如天然气 或者是易汽化的 如蒸馏燃料和液化石油气 LPG 燃气轮机不能燃用煤或重质燃料油 这些则是传统电力工业的主要燃 料 气化是煤和燃料油这类传统燃料与燃气轮机间的 桥梁 将这类燃料气化 产生一种燃料气 洁净后可在燃气轮机发电厂使用 因此 气化能发挥燃气轮 机的长处 使其可利用任何燃料 无论是固体还是液体燃料 进一步而言 由 于所产生的燃料气在燃气轮机中燃烧之前能进行洁净 去掉颗粒物 硫和氮化 合物 因此以气化为基础的发电厂 GPP 的排放物要比传统电厂少得多 气 化与联合循环结合 即 IGCC 是唯一能接近燃用天然气系统的环境性能的以 煤为基础的技术 此外 IGCC 的热效率同传统的使用锅炉和蒸气轮机的燃煤 电厂相比 即使不是更好 也是一样好 使用煤的发电厂的典型 IGCC 装置见图 2 所示 在 30 巴压力下将粉煤和 空分装置 ASU 出来的氧气一起加入气化炉 粗燃料气在气化炉中约 1300 下产生 再用水洗涤 先冷却至约 200 去掉粉尘和诸如像 NH3 及氯化氢这 样的化合物 然后进一步冷却 用一种溶剂洗涤 去掉像硫化氢这样的硫化合 物 之后这种洁净气在燃气轮机中燃烧 煤中的灰分作为气化炉中产生的矿渣 回收 从气体中脱除的硫化合物作为硫回收 从 ASU 产生的氮一般加入燃气轮 机中的燃料气 以控制氮氧化物 NOX 排放 图 2 典型气化联合循环装置示意图 目前人们对气化感兴趣的另一原因是 气化是适于作处理废料和利用生物 质的一种方法 气化提供一种途径 可将废料转换成燃料气 在小型电厂使用 或部分替代现有锅炉的煤或燃料油 生物质可以类似的形式开发 尽管传统的 粉状燃料 pf 锅炉不能直接处理废物或生物质 而将这些燃料转换成燃料气 却使得在现有电厂锅炉将这些燃料与煤共燃成为可能 在二氧化碳 CO2 排 放受到关注的地区 气化具有特殊重要意义 若干此类项目已投入运行或正在 开发中 其中绝大多数在欧洲北部和中部地区 第一座 IGCC 发电厂于 20 世纪 70 年代初建立 然而从那以后进展缓慢 近 5 年中 首批大规模示范装置在欧洲和美国投入运营 这些装置的早期试验 结果好坏掺半 减少排放物特性和效率都像预计的一样好 但在 IGCC 推广使 用前 越来越明显有三个主要障碍需要排除 1 IGCC 厂的基建费非常高 大大高于传统燃煤和燃油装置的基建费 20 30 其原因部分是 IGCC 涉及的技术复杂 部分是该项技术还不是 现成品 这就意味着一旦 IGCC 全部商业化应用 其设计和制造成本要高得多 2 目前 IGCC 的可靠性比预想的要低 当然比商业化电厂要求的要低 原因之一是某些单个组成部件尚未为用于 IGCC 厂而充分优化 另一原因是 IGCC 的整体设计比较复杂 其中一个部分发生问题会快速影响到其他部分 3 同其他发电技术相比 IGCC 厂的操作灵活性较差 冷启动时间非常 长 一般 40 50h 传统的锅炉大约需 8 10h 跟踪负载的能力还有待充分证 实 抛开这些技术问题 IGCC 对发电还未产生太大影响的另一原因是目前燃煤发 电能力增加的大部分是在像印度和中国这样的国家 在世界的这一部分地区 特别重视可靠性和成本 而这些都不是目前 IGCC 的优势 相对而言 在欧洲 和北美 人们越来越注重排放物和效率问题 在该地区 IGCC 会受到欢迎 由于在这些地方普遍可获得廉价天然气 故几乎没有发展以煤为基础的项目 因此 IGCC 的目前状况是 它洁净而高效的 但费用高且可靠性低 IGCC 同 烟气脱硫 FGD 装置的传统 超临界的燃煤电厂的比较见表 1 表 1 IGCC 同超临界粉燃料电厂的比较 IGCC 装备 FGD 的粉燃料锅炉 效率 45 43 可用性 75 90 排放物 mg Nm3 6 O2 SOx NOx 粉尘 30 65 10 100 150 20 基建费 英镑 kW 1000 800 今后有利于选择 IGCC 的因素可能是 缺乏廉价天然气 严格的排放限制 煤炭价格高 要求效率高 废物和生物质的共同气化机会 除非加以解决 下述因素预计会防碍 IGCC 的应用 基建费高 可靠性低 操作灵活性差 气化工艺气化工艺 气化工艺的种类气化工艺的种类 有多种不同的气化工艺 这些工艺在某些方面差别很大 例如 技术设计 规模 参考经验和燃料处理 最实用的分类方法是按流动方式分 即按燃料和 氧化剂经气化炉的流动方式分类 正像传统固体燃料锅炉可以划分成三种基本类型 称为粉煤燃烧 流化床 和层燃 气化炉分为三组 气流床 流化床和移动床 有时被误称为固动床 流化床气化炉完全类似于流化床燃烧器 气流床气化炉的原理与粉煤燃烧类 似 而移动床气化炉与层燃类似 每种类型的特性比较见表 2 表 2 各种气化炉比较 气流床 流化床 移动床 燃料类型 固体和液体 固体 固体 燃料规格 固体 500 m 0 5 5mm 5 50mm 燃料滞留时间 1 10s 5 50s 15 30min 气体出口温度 900 1400 700 900 400 500 如果在气化炉容器内有淬冷段 则温度将较低 气流床气化炉气流床气化炉 在一台气流床气化炉内 粉煤或雾化油流与氧化剂 典型的氧化剂是氧 一起汇流 气流床气化炉的主要特性是其温度非常高 且均匀 一般高于 1000 气化炉内的燃料滞留时间非常短 由于这一原因 给进气化炉的固 体必须被细分并均化 就是说气流床气化炉不适于用生物质或废物等类原料 这类原料不易粉化 气流床气化炉内的高温使煤中的灰溶解 并作为熔渣排出 气流床气化炉也适于气化液体 如今这种气化炉主要在炼油厂应用 气化石油 原料 现在 运营中的或在建的几乎所有煤气化发电厂和所有油气化发电厂都已 选择气流床气化炉 气流床气化炉包括德士古气化炉 两种类型的谢尔气化炉 一种是以煤为原料 另一种以石油为原料 Prenflo 气化炉和 Destec 气 化炉 其中 德士古气化炉和谢尔油气化炉在全世界已有 100 部以上在运转 流化床气化炉流化床气化炉 在一个流化床内 固体 如煤 灰 悬浮在一般向上流动的气流中 在流 化床气化炉内 气体流包含氧化介质 一般是空气而非 O2 流化床气化炉 的重要特点 像流化床燃烧器一样 是不能让燃料灰过热 以至熔化粘接在一 起 假如燃料颗粒粘在一起 则流化床的流态化作用将停滞 空气作为氧化剂 的作用是保持温度低于 1000 这表示流化床气化炉最适合用比较易反应的 燃料 如生物质燃料 流化床气化炉的优点包括能接受宽范围的固体供料 包括家庭垃圾 经预 先适当处理的 和生物质 如木柴 灰份非常高的煤也是受欢迎的供料 尤其 是那些灰熔点高的煤 因为其他类型的气化炉 气流床和移动床 在熔化灰形 成熔渣中损失大量能 流化床气化炉包括高温温克勒 HTW 该气化炉由英国煤炭公司开发 目前由 Mitsui Babcock 能源有限公司 MBEL 销售 作为吹空气气化联合循 环发电 ABGC 的一部分 在运转的大型流化床气化炉相对较少 流化床气化 炉不适用液体供料 移动床气化炉移动床气化炉 在移动动床气化炉里 氧化剂 蒸汽和 O2 被吹入气化炉的底部 产生 的粗燃料气通过固体燃料床向上移动 随着床底部的供料消耗 固体原料逐渐 下移 因此移动床的限定特性是逆向流动 在粗燃料气流经床层时 被进来的 给料冷却 而给料被干燥和脱去挥发分 因此在气化炉内上下温度显著不同 底部温度为 1000 或更高 顶部温度大约 500 燃料在气化过程中脱除挥发 分意味着输出的燃料气含有大量煤焦油成分和甲烷 故粗燃料气在出口处用水 洗来除去焦油 其结果是 燃料气不需要在合成气冷却器中来高温冷却 假如 燃料气来自气流反应器 它就需冷却 移动床气化炉为气化煤而设计 但它也 能接受其他固体燃料 比如废物 有两项主要的移动床气化炉技术 20 世纪 30 年代开发出早期的鲁尔干法 排灰气化炉 已广泛应用于城市煤气的生产 在南非用于煤化学品生产 在该 气化炉内 床层底部温度保持在低于灰熔点 这样煤灰就可作为固体排出 20 世纪 70 年代 鲁尔公司 然后是英国煤气公司 现在的 BG plc 开发了底部 温度足以使灰熔化的液态排渣炉 这种气化炉称为 BGL BG Lurgi 气化炉 目前 有几台 BGL 气化炉在电厂安装 用来气化固体废物和共同气化煤和废物 典型气化炉典型气化炉 以下按字母顺序介绍一些最重要的和众所周知的气化工艺 BGLBGL 气化炉 移动床 气化炉 移动床 BGL 气化炉最初开发于 20 世纪 70 年代 用来提供一种高甲烷含量的合成 气 为用煤生产代用天然气 SNG 提供一种有效方法 这种气化炉 15 年以前 由英国煤气公司在法夫的 Westfield 开发中心开发的 开始是为试验用该工艺 生产 SNG 的适用性 后来用于 IGCC 块煤和像石灰石这样的助熔剂送入一闸斗仓 定期往气化炉的顶部送料 见图 1 一个缓慢旋转的分配器盘将煤均匀地分布在床的顶层 对于粘结 性煤给料 分配器被联接到一搅拌器 也维持床层均匀 和防止煤团聚 当床 层下降 煤料经过一些反应 这些反应能在燃料床的不同高度分成三个层 上 层煤被干燥和脱挥发分 中层被气化 低层被燃烧 产生的 CO2 作为中段的气 化剂 O2 和蒸汽经床底部喷咀 喷口 加入 产生的熔渣在气化炉底部形成 熔渣池 定期排出 气化炉容器有耐火材料衬里 以防止床层过多热量损失 由于耐火材料被 煤床本身与床层的最热部分 喷口的顶端 隔开 因此不经受高温 气体在 450 500 的温度离开气化炉 气体中含有因煤脱挥发分而产生的 焦油和油以及从床层淘析出的煤粉 这由安装在气体出口的淬冷容器脱除 气 体同时由一水淬冷装置冷却和清洁 然后气体通过一系列交换器 使气体在脱 硫前冷却到室温 气体中脱除的焦油和水转入一个分离器 焦油和煤尘从那里 再循环到气化炉的喷咀 一部分可加在气化炉上部 用来抑制煤尘的扬析 BGL 气化炉具有很高的冷气体效率 即 与其他气化炉比较 煤原有热值 CV 的大部分在气体中作为化学能出现 而非热能 这样 BGL 气化炉不像 其他气化炉中的谢尔和德士古系统那样要求有高温热交换器 因此 气化区和 CCGT 装置很少紧密结合 因为气体冷却系统不直接与蒸气轮机循环结合 BGL 系统同气流床系统相比 燃气轮机产生的电力较多 蒸气轮机产生的电力较少 BGL 气化炉能处理给入气化炉顶部的块状供料里含的大量粉煤 即 6mm 取决于煤的粘结性 如匹兹堡 No 8 这样的高膨胀 高粘结性煤 其高达 35 可作为粉煤给料 但是 原煤一般按重量计含有 40 50 的粉煤 因此 气流 床气化炉所有用煤要先经研磨 在 BGL 装置 煤要先经筛分 BG 实验了气化 炉利用粉煤的多种方式 将粉煤送入风咀 或干法输送 或以煤浆形式 或用 沥青作为粘结剂将它们压制成型煤 目前 由法夫电厂再度交付使用的 Westfield 的现有的 备用的气化炉作 为电厂的一部分将用煤和污泥发电 120MWe 法夫电厂已申请建立第二座较大 400MWe 电厂 使用煤和城市固体废物 MSW 来发电 DestecDestec 气流床 气流床 Destec 工艺是煤浆入料 加压 两 段式工艺 该工艺最初由 Dow 化学公司于 20 世 纪 70 年代开发 随着中试规模和样机试 验 1984 年决定在 Dow 的普莱克明 路易 斯安那 化学联合企业建立商业化装置 1987 年该装置投入运营 1989 年 Dow 将气化和其余电力从公司脱离出 另成立 一公司 80 由 Dow 所有 称为 Deslec 公 司 同时 该技术已被选来用于印第安纳 州的沃巴什河的 IGCC 电厂增容项目 气化炉 图 3 由衬有未冷却的耐火 材料的压力壳构成 图 3 Destec 气化炉 在气化炉的下 第一 段有两个气化燃烧器 在上段有煤的进一步喷入点 煤制成约 60 固体 按重量计 的浆状 大约 80 的煤浆同 O2 一起注入到下段 的两个燃烧器中 在约 1350 1400 和大约 30 巴压力下不完全燃烧 煤中的 灰熔化 下落至容器并经排放口进入水冷却装置 在第一段形成的燃料气向上 流动到气化炉的第二段 剩余的 20 煤浆在第二段注入和反应 经热解和气化 并将气体冷却到大约 1050 这两段工艺有增加合成气热值的作用 然后粗 合成气在一燃烧管合成气冷却器内冷却 然后冷却的合成气用过滤器净化 去除大量灰分和半焦颗粒 这些半焦可 以再循环至气化炉 唯一在运转的 Destec 气化炉在沃巴什河 IGCC 电厂 该电厂以烟煤作原料 多年来 用次烟煤和石油焦作原料的进行了大量的试验 高温温克勒 高温温克勒 HTWHTW 流化床 流化床 HTW 工艺是在原有温克勒流化床 气化工艺的进一步发展 原温克勒工 艺最初于 20 世纪 20 年代开发和利用 是一项常压工艺 HTW 工艺由莱茵褐煤公司发明 莱茵褐煤公司拥有并经营德国鲁尔地 区的几座褐煤煤矿 HTW 工艺最初是 为生产铁矿石用的还原气而开发 后 来兴趣转向生产合成气 再后来转向 发电 所有的应用是在褐煤气化基础 上进行 目前重点放在废塑料气化领 域 莱茵褐煤公司仍负责 HTW 工艺的 开发 克鲁勃伍德公司从事销售和供 应 图 4 HTW 气化炉 莱茵褐煤公司在弗雷兴建设一座中试厂 该厂从 1978 年至 1995 年运转 额定工作压 力 10 巴 每小时处理 1 8t 1985 年在科隆附近 Berrenrath 建成一座示范装置 该装置 工作压力 10 巴 所产的合成气用管道输送至在 Wesseling 附近的甲醇合成厂 Berrenrath 厂使用蒸气和 O2 作为气化介质 1989 年出于开发工艺用于发电目的 在 Wesseling 开始建工作压力 25 巴的中试厂 那时 褐煤的气化 同在气化前预干褐煤的流化床工艺结合起来 被视为用莱茵褐煤以高 效 洁净方式发电的最佳办法 该项工作最终是设计吹气 HTW 气化炉为基础的 IGCC 电厂 名为 KoBRA Kombikraftwerk mit Lnlegrietier BRAunkohlvergasung 褐煤气化联合循环 最初的 KoBRA 装置准备建在科隆附近的戈尔登堡电站 但是 出于经济问题的考虑 该 项目现已中止 现在 下一代褐煤电厂愿意采用高效传统 Pf 锅炉 随着 KoBRa IGCC 项目的消亡 研究重点转向废物气化 在 Berrenrath 厂已就废塑料 和污物的气化进行试验研究 克鲁勃现已开发一种工艺 称之 PreCon 在此工艺中 HTW 气化炉与废料的预处理和灰的后处理结合生产化学品或发电用的合成气 燃料在闸斗仓内加压 然后储存日仓或加料仓里 之后再螺旋给入气化炉 气化炉的 底部是流化床 流化介质是空气或 O2 和蒸汽 气体加淘析的固体向上流至反应器 在这 里再加入空气 O2 和蒸汽来完成气化反应 之后将粗合成气在除尘器里除尘并冷却 在除 尘器中脱除的固体回至气化炉底部 用螺旋除灰器将灰从气化炉底部排出 气化炉基底的温度保持在 800 900 控制温度以保证其不超过灰溶点 在床上部悬 浮段的温度可能相当高 操作压力可在 10 巴 为制造合成气 和 25 30 巴 为 IGCC 间变 化 鲁奇干法排灰炉 移动床 鲁奇干法排灰炉 移动床 鲁奇干法排灰气化工艺于 20 世纪 30 年代由鲁奇公司发明 作为生产城 市煤气的一种方法 第一座商业化厂建 于 1936 年 直到 1950 年 该工艺主要 局限在利用褐煤 但在 50 年代 鲁奇 和鲁尔煤气公司合作试验开发了一种工 艺 也适用烟煤 自那时起 鲁奇气化 工艺在世界上广泛应用 生产城市煤气 和为各种用途 如 NH3 甲醇 液化燃 料产品生产合成气 除鲁奇公司供应这 种气化装置外 东欧和前苏联也建造鲁 奇型气化炉 世界第一座 GPP 在德国的吕嫩 使 用鲁奇系统 不常见的是 这些气化炉 为吹入空气式 其他应用鲁奇装置的 重要设施是在美国北达科他州的大平原 Great Plain SNG 厂 和南非萨索 尔合成燃料厂 该工艺示意图见图 5 图 5 鲁奇干法排灰气化炉 该工艺的主要特征是这种移动床工艺采用蒸汽和 通常 O2 作为氧化剂 像 BGL 气化炉一样 它使用块煤而非粉煤 且像 BGL 装置一样 产生焦油 鲁 奇干法排灰气化炉和 BGL 液态排渣气化炉间的主要区别是前者使用的氧化剂中 蒸汽与 O2 的比率更大 前者大概为 4 5 1 后者约 0 5 1 其结果是干法 排灰装置的温度所有各点保持足够低 灰不熔解 而是作为干灰脱除 干法排 灰式装置的较低温度意味着其更适合用易反应的煤 像褐煤 而非烟煤 块煤给进气化炉顶部的闸斗仓 在进入气化炉之前增压 一个旋转的煤分 配器确保煤在反应器各处均布 煤缓慢下移到气化炉 当煤下移时 由经床层 向上流动的燃料气加温 煤就被不断干燥和挥去挥发分 脱除的挥发分形成焦 油和酚 然后气化 床层的底部 紧靠炉蓖的上面之处是气化炉最热的地方 1000 在此处燃烧任何剩余的煤 所产生的 CO2 与床层中的碳起反应 形成 CO 灰由旋转炉蓖排出并在闸斗仓中减压 蒸汽和 O2 被向上吹 通过炉 蓖为气化过程提供氧化剂 所产生的气体在 300 500 的温度离开气化炉 利 用一水淬冷进行冷却和洗涤 该气化炉由水夹套围绕 水夹套产生的蒸汽可用 于工艺过程中 MBELMBEL 气化炉 流化床 气化炉 流化床 该气化炉原由英国煤炭公司在其煤炭研究机构作为 ABGC 工艺 图 6 的 一部分开发 现归 MBEL 所有 该气化炉为吹气 加压系统设计 以获约 80 的碳转化率 剩余的碳在流化床燃烧 在格洛斯特郡的 Stoke Orchard 建设并 运转了 0 5tph 中试规模的气化炉 现在 由 MBEL 阿尔斯通和苏格兰电厂组 成的一个财团 以 ABGC 作为整体 对该工艺进一步开发 计划在法夫 Kincardine 建一个 100MWe 示范装置 图 6 装有 MBEL 气化炉的 ABGC ABGC 是以在 MBEL 气化炉内煤的部分气化为基础 压力 20 25 巴 温度 1000 大约 70 80 的煤转化成低热值燃料气 燃料气冷却至 400 然后 用陶制过滤器清洁 石灰石用来脱除煤中大部分硫 成为硫化钙 气化炉内产 生的燃料气在燃气轮机中燃烧 燃气轮机的废气用来在热回收蒸气发生器 HRSG 内产生蒸汽 气化炉产生的固体残渣 灰 半焦和硫化吸附剂 经减 压 冷却并通到在常压操作的循环流化床燃烧器 CFBC 在 CFBC 内 残余 的炭被燃烧 硫化钙经氧化成为硫酸钙 硫酸钙是一种环保型物质 在 CFBC 内产生的热加到 HRSG 的蒸汽系统 所产生的蒸汽用来驱动蒸气轮机 在 Stoke Orchard 的试验证实气化炉处理各类煤和吸附剂的能力 在气化炉里脱 硫达 90 ABGC 系统的一项评估表明 应用目前的技术 该系统将会获得 44 7 的效 率 更高热值基础 PrenfloPrenflo 气流床 气流床 Prenflo 加压气流床 气化工艺已 由克鲁勃 伍德开发 这是一种加压 干 式给料 气流床工艺 克鲁勃在德国萨尔 州的 F rstenhansen 建一座每天处理 48t 的装置 随着这项工作的进行 西班牙的 普埃托兰 IGCC 电厂选择应用 Prenflo 工 艺 该工艺如图 7 所示 煤被磨碎至 100 m 并靠氮由风力输 送到气化炉 气化炉结构独特 气化炉本 身与合成气冷却器结合 煤同 O2 和蒸气 一起经装在气化炉下部的燃烧器给入 合 成气在 1600 的温度下 图 7 Prenflo R 气化炉 产生 但 它在气化炉出口借助再循环的洁净合成气淬冷 将其温度减至大约 800 然后合成气向上流至一中心分配器管 并经蒸发器段向下流动 在大 约 380 离开气化炉 在气化过程形成的熔渣在水槽内淬冷 并通过闸斗仓装 置排出 谢尔气化工艺谢尔气化工艺 气流床 气流床 谢尔气化工艺 SGP 作为一种将多种碳氢化合物原料转成洁净合成气的 方法于 20 世纪 50 年代开发 SGP 不是用于煤炭气化的 壳牌公司另有一单独 的工艺 谢尔 煤炭气化工艺 SCGP 该气化炉有耐火熔材料衬里 在大约 25 30 巴 在 IGCC 范畴 生产 H2 的 典型压力约巴 和 1300 下运行 燃料 O2 和蒸汽从气化炉顶部经复合环形 燃烧器射入 气化发生 伴随小量烟炱和灰 在给料中 0 5 1 的碳转化成烟 炱 粗合成气和杂质在气化炉底部排出 在合成气冷却器内冷却 冷却器由 平行的螺旋形旁管组成 浸入在竖立的蒸汽发生器中 这种配制在 100 巴压 力下产生饱合蒸气 气体从合成气冷却器入口时的 1300 冷却 到出口时的 400 然后气体可在烟炱和灰洁净之前进一步冷却 这在淬冷管内进行 粗 气体用水喷淋 以去除现存的大部分固态颗粒 夹带的颗粒作为分离器内废渣 排出 然后气体转至洗涤器 洗涤器中的两个充填床用来减低颗粒浓度至 1mg m3 之后粗合成的气适宜用来脱硫和使用 从气体中脱硫的灰和烟炱在由谢尔和鲁奇开发的烟炱灰脱除装置中处理 熔渣经过滤 碳质滤饼被焚化 产生高钒灰残渣 SGP 与 SCGP 的主要区别为 非 未 冷却的气化炉 燃烧管合成气冷却器 淬冷用非再循环冷却合成气 气化炉内温度较低 使用 SGP 的唯一气化发电厂是在鹿特丹的壳牌炼油厂的 Per 综合企业 三个 SGP 系列用残渣生产合成气 67 的合成气用于制 H2 其余用来发电 谢尔煤炭气化工艺 气流床 谢尔煤炭气化工艺 气流床 壳牌公司的气化历史可回溯到 20 世 纪 50 年代 那时第一个 SGP 装置交付使 用 1972 年 壳牌公司开始煤的气化工 艺的研究工作 在阿姆斯特丹建设了一座 6t d 中试厂后 壳牌公司于 1978 年在德 国汉堡附近哈尔堡建一座 150t d 示范厂 壳牌公司采用所获得的经验在美国休斯顿 的迪尔帕克现有的石油化工联合企业建一 座厂 该厂规模为气化 220t d 每天 250 美国短吨 烟煤成 365t d 每天 400 美国 短吨 的高湿 高灰分褐煤 1987 年迪尔 帕克气化炉投入运营 并证实了 SCGP 气 化多种类型煤的能力 1989 年 在荷兰的 Buggenum 的一座 IGCC 电厂宣布选择使用 SCGP 它成为采 用 SCGP 的唯一商业化电厂 谢尔气化炉如图 8 所示 图 8 谢尔 煤炭气化炉 经壳牌公司许可刊登 该气化炉容器由碳素钢压力外壳构成 里面有一气化室 气化室由耐火衬里的膜壁 封闭 通过膜壁的循环水用来控制气化室壁温度及产生饱合蒸汽 干式 pf O2 和蒸汽经 气化炉底部的对置燃烧器送入 气化炉操作压力 25 30 巴 气化在 1500 和此温度以上 发生 确保煤灰熔化并形成熔渣 熔渣在气化炉壁内表面下行 在气化炉底部一水槽内淬 冷 一部分熔渣粘在气化炉壁上并冷却 形成防护层 煤的气化形成一种粗燃料气 主要成分是 H2 和 CO 及少量 CO2 和一些夹带的渣粒 在气化炉出口 粗气以再循环的冷却的燃料气淬冷 使温度降至 900 以下 冷却使渣粒 冻结 使它们粘性减小 不易在表面挂渣 其后 燃料气在合成气冷却器中冷却到 300 产生高压和中压蒸汽 与壳牌公司的 石油气化工艺的合成气冷却器完全不同 SCGP 合成气冷却器在壳侧有气体 因此 合成 气冷却器有一套复杂的管道 包括各种节省器 中压及高压汽化器和一些过热器 冷却的合成气利用陶瓷过滤器过滤 之后大约 50 的冷却合成气再循环至气化炉顶部 作气体的淬冷介质使用 其余的合成气被洗涤 去掉卤化物和 NH3 然后送至脱硫装置 德士古气化工艺 气流床 德士古气化工艺 气流床 德士古工艺的主要特性是利用同样的基本 技术成功地气化多种原料 这些原料包括气体 石油 OrimulsionTM 石油焦和一系列煤 德士古另外还进行预处理工艺 这将使废塑料 和废旧轮胎得以气化 德士古气化工艺是最早开发于 20 世纪 40 年代 后期 开始工作重点集中在开发一种天然气重 整工艺 以便为转换成液态碳烃化合物制造合成液态碳烃化合物制造合 成气 不久后 重点转向为成气 不久后 重点转向为 NH3NH3 产品生产合成产品生产合成 气 气 2020 世纪世纪 5050 年代期间 研究扩大该工艺以年代期间 研究扩大该工艺以 气化石油及少量的煤 气化石油及少量的煤 19731973 年发生石油危机之年发生石油危机之 际 煤炭气化研究工作重新开始 际 煤炭气化研究工作重新开始 19831983 年在美年在美 国的田纳西州的金斯波特的艾斯特曼化工厂 国的田纳西州的金斯波特的艾斯特曼化工厂 首座商业化煤气化工厂开始运营 首座商业化煤气化工厂开始运营 19841984 年 冷年 冷 水水 IGCCIGCC 厂投入运营 厂投入运营 图 9 德士古淬冷型气化炉 目前 采用德士古工艺作业的气化发电厂有 EL Dorado 石油焦 和 Polk 煤 德士古工 艺还被选择用于多数在建或计划中的石油废料 IGCCs 厂 该工艺有两种不同的基本类型 其用来冷却粗制合成气的方法不同 在淬冷型中 来自气化 炉底部的粗合成气用水骤冷 在完全热回收型中 粗合成气利用合成气冷却器冷却 德士古 淬冷型气化炉示意图见图 9 全热回收型见图 10 图 10 德士古全热回收型气化炉 忽略所采用的合成气冷却方法的不同 实际气化工艺是相同的 原料同 O2 和 通常 蒸 汽从气化炉顶部进入 蒸汽作为温度调节剂 像煤或石油焦这样的固体原料在给入气化炉之 前被制成浆和粉碎 在这种情况下 浆料中的水替代蒸汽作为调节剂 气化炉本身是有耐火 衬里的压力容器 气化在 1250 1450 的温度发生 操作压力依合成气作何种用途而定 为 IGCC 之用压力为 30 巴 虽然可以更高 为制造化学品之用的操作压力为 60 80 巴 粗合 成气 还有任何灰 像熔渣 和烟炱 在石油气化时产生 在底部从气化炉排出 在淬冷型中 粗合成气经淬冷管离开气化炉底部 淬冷管的底部未端浸入一水池中 粗 气体经过水冷却到水的饱和温度 并清洁了渣和烟炱颗粒 之后 冷却过 饱和合成气经侧 壁上的一个管子离开气化炉 淬冷容器 然后 按照用途和所用原料 粗合成气在使用前进一 步冷却和 或净化 在全热回收型中 粗合成气离开气化炉段 并在放热合成气冷却器内冷却是从 1400 到 700 回收的热量用来产生高压蒸汽 熔渣向下流至冷却器 在底部的一池中淬冷 再经 闸斗仓排出 部分冷却的合成气离开气化炉的底部 之后在清洁和使用前在对流冷却器内进 一步冷却 到现在为止 大多数德士古气化炉已采用淬冷型 其高于全热回收设计的主要优 势是它更为廉价 可靠性更高 主要劣势 用于 IGCC 是热效率较低 实际大部分在用的气 化炉用于生产化学品 热效率不成为问题 故淬冷方式更受欢迎 淬冷方式的另一有效特性 是 在石油气化时 淬冷式有助于合成气中的洗去石油烟炱颗粒 可以看出 采用德士古气 化炉的燃石油的 IGCC 项目大多使用淬冷式气化炉 而燃煤的德士古 IGCC 项目使用合成气冷 却器 气化工艺的选择 多种因素影响一个专用项目的气化炉选择 商业因素最为重要 政治方面的考虑也可以 是重要的 影响气化炉选择的技术问题包括要气化的物料的特性及项目规模 煤炭 三种主要气化炉 即气流 流化床和移动床 都能用来气化煤炭 煤炭的特性会影响气 化炉的选择 包括灰分含量和熔点和煤炭反应性 项目的规模也会有一定影响 以上所译论的气化炉 除谢尔 SGP 外 都已证实可用来气化煤 气流床反应器 和 BGL 气化炉 取决于煤灰熔解并转化成液体 成熔渣 假如灰熔点或渣的 粘性太高 可使用一种适宜的助熔剂来使它们降低 通常为石灰石 所需石灰石的量依灰熔 点和煤炭中的灰含量而定 因此 高灰熔点的高灰分煤将需要相当量的石灰石 相反 流化 床气化炉以及鲁尔干法排灰气化炉 则取决于灰不熔解 由此得出结论 低灰含量和低灰熔 点趋向于选择液态排渣气化炉 高灰分含量和高灰熔点选择非液态排渣气化炉更为有利 反应性是要考虑的另一个问题 流化床气化炉的气化温度较低 更适合活性褐煤 但不 太适于反应活性小的煤 大约 300MWe 发电厂已建有气流床气化炉 在更大规模的电厂建该气化炉是可能的 相比 之下 流化床和移动床气化炉趋向于为较小的电厂所选择 因此一个大型发电厂项目将会需 要多台气化炉 这种做法作的缺点是损失一些规模经济 但有一个优点 即是使用多台气化 炉可以在一台因维修不工作时 电厂仍不停运转 在选择煤的气化炉时 进一步考虑是采用以空气作氧化剂的工艺 还是采用以 O2 作氧化 剂的工艺 一般而言 流化床系统利用空气作为氧化剂 其它气化炉则用 O2 利用空气作为 气化介质具有无需空分装置 空分装是设备的昂贵部分 以此相比 由于利用了空气 就意 味着燃料气要用氮稀释 则下游工艺设备需要较大 石油 只有气流气化炉适合于气化像重油这样的液态碳烃化合物 谢尔 SGP 和 Texaco 这两种气 化炉都有使用这类原料的成功历史记录 因此 将在这两种气化炉中选择进行商业化 生物质 生物质是很活性的 且生物质项目趋向于在小规模 一般 50MWe 电厂进行 有几个气 化炉已专为利用生物质而开发 这些气化炉通常在常压下操作 这样容易将生物质送入气化 炉 废物 液态废物 像废油 最好在气流床反应器中气化 固态废料 像城市固体垃圾和污泥 可在流化床成移动床系统气化 较小型的项目和无 需废物与煤同燃的项目 趋向于使用流化床 较大项目 和废物与煤共同气化的项目采用移 动床更为有利 气化电厂项目现状 目前 至少有 35 个 气化发电厂项目在运行 交付 建造 设计或计划中 它们的规模 各不相同 从 500MWe 到不足 10 MWe 并且使用的燃料也不同 例如重油残渣 废木料 污泥 和甘蔗渣等 以下选择介绍部分项目 表 3 列出了全部正在运行和将运行的电厂 煤气化发电厂煤气化发电厂 BuggenumBuggenum 电厂 荷兰 电厂 荷兰 Buggenum 电厂是世界首批商业化规 模 253MWe 的燃煤 IGCC 电厂 图 11 IGCC 是以壳牌公司 SCGP 气化炉和西门子 公司提供的 CCGT 为基础的 该电厂 1993 年投入运行 该项目不仅是当前首批 IGCC 发电厂 而且包含了许多先进设计 的特点 其中最重要的是空分装置 ASU 和燃气轮机耦合得相当好 燃气 轮机压缩机为空分装置供应全部空气 该 项目效率提高的代价是电厂结构复杂和不 易启动 图 11 Buggenum IGCC 电厂 经 Demkolec 公司特许刊出 项目名称 地点 出力 MW 燃料 气化炉 电力装置 1998 年情况 年份 Buggenum 荷兰 235MWe 烟煤 谢尔 CCGT V94 2 运行 1995 Pi on Pine 美国 100MWe 烟煤 KRW CCGT GE 6FA 交付 1998 Polk 美国 250MWe 烟煤 德士古 CCGT GE 7F 运行 1996 Puertollano 西班牙 298MWe 煤和石油焦 Prenflo CCGT V94 3 交付 1998 V esov 捷克 400MWe 褐煤 鲁奇 CCGT 2xGE 9E 运行 1995 沃巴什河 美国 MWe 烟煤 Destec CCGT GE 7FA 运行 1995 Dorado 美国 MWe 总 石油焦 德士古 GT GE 6B 运行 1996 Falconara 意大利 MWe 减粘裂化炉残渣 德士古 CCGT ABB 13E2 在建 1999 GSK 日本 MWe 真空装置残渣 德士古 CCGT 2xGE 9EC 在建 2000 Pernis 荷兰 125MWe 炼油厂残渣 谢尔 SGP CCGT 2xGE 6E 运行 1997 Priolo Gargallo 意大利 521MWe 炼油厂沥青 德士古 2xCCGT V94 2 在建 1999 Saras 意大利 550MWe 减粘裂化炉残渣 德士古 CCGT 3xGE 9E 在建 2000 Star 美国 240MWe 石油焦 德士古 2xGE 6FA 在建 1999 Amercentrale 荷兰 85MWth 废木料 鲁奇 CFB 现有锅炉 在建 2000 ARBRE 英国 MWe SRC 柳树木 TPS CFB CCGT AGT Typhoon 在建 1999 Energy Farm 意大利 12MWe 短期轮作的树木 鲁奇 CFB CCGT Nuovo Pignone PGT10B 1 在建 2000 Lahti 芬兰 70MWth 废木料 Foster Wheeler CFB 现有锅炉 运行 1998 McNeil 美国 约 15MWth 废木屑 Battelle CFB 现有锅炉 运行 1997 Varnamo 瑞典 6 MWe 废木料 Foster Wheeler CFB CCGT AGT Typhoon 运行 1993 Fondotoce 意大利 1MWe 城市固体垃圾 热选择 移动床 燃气轮机发电机 运行 1994 Gr ve in Chianti 意大利 6 7MWe 总 矸石燃料 TPS CFB 锅炉和蒸汽轮机 运行 1992 New Bern 美国 60MWth 黑液 Chemrec 气流 锅炉和蒸汽轮机 运行 1997 Schwarze Pumpe 德国 60MWe 固体和液体混杂 废物 Noell 鲁奇 BGL CCGT GE Frame 6 运行 BLC 于 1999 年启动 1997 Westfield 英国 120MWe 污泥加煤 BGL CCGT GE 6B GT 采用天然气运行 1998 Zeltweg 澳大利 亚 10MWth 生物质 废物 AE CFB 现有锅炉 运行 1997 表 3 在运行和将运行的气化发电厂 自电厂投入运行以来 出现了两类主要问题 与高度集成有关的运行问题 和与在燃气轮机中燃烧低热值合成气相关的燃气轮机问题 目前 这两个问题 已经解决 但要完全校正这两个问题需要大量的时间 Buggenum 电厂是世界最洁净燃煤电厂 之一 取决于怎样正确计算数据 NOx 和 SOx 的总排放量低于燃气 CCGT 图 4 表 4 Buggenum 电厂污染物排放 排放物g GW 1 SOx60 NOx60 120 颗粒物 实际零 PolkPolk 电厂 美国 电厂 美国 Polk 电站座落于弗罗里达州 靠近坦帕州 由坦帕电力公司管理和经营 该电站是一个由德士古全部热回收型气化炉和 GE 7F 燃气轮机组合在一起的 250WMe 净出力 的 IGCC 电站 该项目是美国能源部支持的洁净煤技术示范 项目 与 Buggenum 电厂相比 Polk 电站的集成性较差 空分装置由独立的空 气压缩机供给空气 没有来自燃气轮机压缩机的空气 该电厂于 1996 年投入商业化运行 自此 总的来说 该电厂运行良好 出现的主要问题与热交换器有关 这些热交换器用于在脱除硫化合物前冷却粗 制合成气和在进入燃气轮机前加热洁净合成气 一些细灰尘存积在这些热交换 器中 从而又导致不断的腐蚀 其结果是从交换器的污秽侧出来的含尘合成气 经过洁净侧进入燃气轮机 现在已经不用这些交换器了 而是粗制合成气冷却 和洁净合成气再热分别进行 这些改进降低了电厂的热效率 目前 净热效率 低于 40 PuertollanoPuertollano 电厂 西班牙 电厂 西班牙 Puertollano 电厂座落于西班牙中南部 是由 Elcogas 公司管理和经营的 300MWe 的 IGCC 电厂 Elcogas 公司是欧洲电力部门和供 应商的联合公司 图 12 Puertollano 电厂 由 Prenflo 气化炉和西门子公司的 V94 3 的燃 气轮机组成 该电厂在设计上与 Buggenum 电 厂很相似 象 Buggenum 电厂一样 Puertollano 电厂燃气轮机和空分装置完全集 成化 燃料是石油焦和煤的混合物 图 12 在建的 Puertollano IGCC 电厂 经 Elcogas SA 公司特许刊出 目前 该电厂正处于交付阶段 和 Buggenum 电厂一样 主要问题出现在 与高度集成设计有关的运行上 还有一些燃气轮机的燃烧问题 沃巴什河电厂沃巴什河电厂 美国美国 沃巴什河电厂由 PSI 能源公司管理 座落于印第安那州西部 该电厂是 262MWe 的 IGCC 电厂 自 1995 年以来一直在运行 该 IGCC 之所以不寻常 有 两个原因 1 该装置是为现有的 50 年代的老式蒸汽轮机进行改造增容 2 气化系统由技术卖主 Destec Dynegy 拥有和经营 他们将合成气卖 给电力部门 该电厂由一台 Destec 气化炉和一台 GE7FA 燃气轮机组成 该电厂于 1995 年底开始投入运行 没有出现过大的电厂和设备故障 已 经克服了的一些小问题 包括合成气冷却器的灰尘存积 燃气轮机中部分燃烧 内衬破裂以及用于脱除气体中细灰尘的陶瓷过滤器故障 自被金属部件代替以 来 石油气化发电厂石油气化发电厂 PernisPernis 炼油厂炼油厂 荷兰荷兰 最近 壳牌公司在其鹿特丹附近的 Pernis 炼油厂安装了气化发电厂 该 气化发电厂具有三个主要作用 提供处理高硫油渣的简易方法 为炼油厂提供 H2 以及发电 该气化发电厂被称为 Per 它的安装是炼油厂扩建计划的一部 分 以便改进炼油厂使其满足汽车燃料中硫含量的严格限制 该电厂由三套并行的气化系统组成 每套系统有一个谢尔石油气化炉 从 两套系统出来的气体经加工回收 H2 H2 用于炼油厂 来自第三套系统的气体 用作电厂燃气轮机的燃料 第三套系统是备用系统 它可有效的保证 若有系 统脱机 用于炼油厂的 H2 仍可保持总量生产 因此 125MWe 的电力生产作为 副产品 该电厂于 1997 年开始启动 且没有报道出现过重大故障 生物质气化发电厂生物质气化发电厂 ARBREARBRE 公司公司 英国英国 ARBRE 公司 可耕作的生物质再生能源有限公司 是约克郡水 Yorkshire Water 公司 皇家 Royal Schelde 公司 荷兰 和瑞典 Termiska 加工 Processer 公司的联合企业 ARBRE 公司正在 Eggborough 建设生物质 IGCC 电厂 该电厂将使用 TPS 气化炉和 Alstom 燃气轮机 AGT 及 Typhoon 燃气轮机为基础的 CCGT 技术 并将用周围地区生长的短期轮作的 柳树丛作燃料 该电厂将在 1999 年投入运行 该项目是由欧洲委员会的 Thermie 计划和英国 NFFO 非化石燃料合约 支持的 该电厂的总出力将为 10MWe 净出力将为 8MWe 废物气化和联合气化的气化发电厂废物气化和联合气化的气化发电厂 Lahti Lahti 芬兰芬兰 Kymij rvi 电厂座落于芬兰南部的拉赫蒂 Lahti 是生物质气化的部 分改造增容项目 在该项目中 湿生物质在常压循环