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论 IGCC 电站煤气化工艺技术选择顾欣(华东电力设计院，上海市 200063 )Discussing to Choosing of Gasification Technology in IGCC Power PlantGU Xin(East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China)摘 要：目前国内已经启动多项整体煤气化 联合循环（IGCC）电站建设项目，煤气化炉 的选型是最终实现 IGCC 发电方案的关键。本 文在充分论述各种煤气化工艺的分类、发展、 结构以及特点的基础上，提出适合 IGCC 电站 的煤气化工艺。总的来说，IGCC 发电项目适 合采用气流床煤气化技术，气流床气化技术 主要分为干煤粉进料和湿法水煤浆进料两种 方式。IGCC 纯发电或带供热机组，适合采用 发电效率较高，设备以及燃烧喷嘴寿命长， 运行费用低的干煤粉气化炉。IGCC 与煤基多 联产，建议采用水煤浆湿法激冷方案。采用 湿法激冷气化炉进行化工品的生产时，不需 要补入大量蒸汽进行 CO 变换用于满足甲醇合 成和制氢碳氢比的需要，并且湿法水煤浆进 料气化炉国产力度大，初投资费用低。煤气 化炉选型的建议将对 IGCC 电站的建设具有指 导意义。 关键词 ：整体煤气化联合循环(IGCC)；煤气 化；气流床；干煤粉；水煤浆 作者简介 ：顾欣(1977- )，女，工程师，从 事机务专业设计工作。Abstract：At present, a number of integrated gasification combined cycle (IGCC) power plant construction projects have been launched, and the selection of the coal gasifier is the keyfactor of ultimate realization of IGCC power plant. In this paper, the full range of coal gasification process on the classification, development, structure and characteristics were discussed. The proper gasification process for IGCC power plant was provided. In general, the coal gasification technology of fluid injected bed is most appropriate for IGCC power plant. The gasification technology of the fluid injected bed is divided into dry pulverized coal and wet coal-water slurry feed in two ways. IGCC net power or with heating units, the suitable gasification technology is the dry pulverized coal gasifier with higher power generation efficiency, long life equipment and combustion nozzle, low operating costs. IGCC and coal-based joint product, the proposed project is coal-water slurry using wet cooling program. When producing chemicals, wet cooling program do not need to fill a large number of steam into the transformation of CO for methanol synthesis and hydrogen production, and wet coal-water slurry feed gasifier is domestic, so with low-cost initial investment. Choosing of the proposed coal gasifier will be instructive for IGCC power plant construction.Key words：integrated gasification combinedcycle; coal gasification; fluid injected bed; dry pulverized coal; wet coal-water slurry0 引言我国一次能源结构决定了长期以煤电为主， 加快整体煤气化联合循环(IGCC) 发电技术的应用和推广，可以缓解和应对国际 CO2 减排压力， 响应中国应对气候变化国家方案中到 2010年力争实现单位国内生产总值能源消耗比 2005年降 20%左右，相应减缓二氧化碳排放的要求； 可实现火电技术升级、调整火电结构、保证能源 安全，建设资源节约型、环境友好型社会；是减 小与国外 IGCC 技术水平差距的需要；是 CO2 分离、脱除汞、氢发电及燃料电池等技术的需要；是发展“人造天然气”，用于发电、工业和民用 的需要；还可以为燃料供应困难的联合循环电站 提供一条行之有效的解决方案。整体煤气化联合循环可以看成煤气化工和 燃气轮机联合循环发电的组合，并在此基础上优 化，使整体效率最佳。从 IGCC 及联产系统流程 来分，主要包括煤气化、空分、煤气净化、燃气 蒸汽联合循化和化工合成几个单元。IGCC 发电技术把联合循环发电技术与煤 炭气化和煤气净化技术有机的结合在一起，具有 高效率、清洁、节水、燃料适应性广，易于实现 多联产等优点，更符合二十一世纪发电技术的发 展方向。煤气化是 IGCC 技术的关键核心部分，选择 效率高、运行可靠、维修方便的气化炉是 IGCC 发电技术应用和推广的关键，本文主要针对各种 煤气化炉的特点，探讨 IGCC 发电中煤气化技术 的选型方案。1 煤气化技术及其分类1.1 煤气化技术的定义煤的气化是指在气化剂的参与下，在一定温 度和压力条件下，把煤炭转化成 CO+H2 的过程。 根据所采用的气化剂的种类不同(空气、纯氧、富氧空气、水蒸汽等)和气化工艺的不同，能够 制得不同成分且不同热值的合成气，以适应下游 不同产品的要求。煤气化技术是发展煤基化学 品、煤基液体燃料、煤气化联合循环发电、多联 产等过程工业的龙头和基础，是洁净煤技术领域 的关键共性技术，具有高效、超洁净特点的煤气化技术是当今世界煤气化技术发展主流。1.2煤气化技术的分类工业上以煤为原料生产合成气的历史已有 百余年，根据煤气化技术发展进程分析，可分为 第一代、第二代和第三代气化技术。第一代技术属早期开发的技术，多使用块煤 和小颗粒煤为原料制取合成气，装置规模、原料、 能耗及环保的局限性较大，基本属于淘汰炉型， 如 UGI 固定床气化、温克勒常压流化床气化、K 一 T 常压气流床气化等；加压 Lurgi 炉虽然冷媒 气效率高、氧耗低，但因低温焦油污染严重、甲 烷、含酚污水等处理流程长，以及入炉煤的颗粒 度限制等发展速度较为缓慢。第二代气化技术是现阶段最具有代表性的 加压下运行的改进型流化床和气流床技术，采用 高温液态排渣系统。这些新技术都已付诸工业应 用，除了在合成氨、合成甲醇等化工行业得到应 用外，也在 IGCC 中得到应用。其中气流床的新 型气化技术是煤气化技术发展的主流趋势，如国 外的 GE 水煤浆气化、Shell 粉煤气化、国内的 华东理工大学多喷嘴水煤气化、西安热工院的两 段式干煤粉气化等，其原料适应范围宽、能耗低、 有利环保、适于大规模。在第一代、第二代气化技术的基础上发展了 第三代气化技术，第三代气化技术尚处于小试阶 段，有代表性的第三代气化技术：催化气化法 (EXXON)、闪燃氢化热解法(CS-R)。在三类气化技术中，固定床气化相对简单和 成熟，固定床气化需要使用块煤，有效气 （CO+H2）产率低，干灰排渣，环保问题较多。 流化床气化采用碎煤进料，灰渣循环使用，对环 保压力小，但仍存在气化温度较低，要求原料煤 有较好的反应性。气流床技术是当今先进煤气化 技术，符合大型化要求，近年来发展较快。众所周知，就煤气化燃气蒸汽联合循环的设备和系统而言，燃气轮机、余热锅炉以及蒸汽 轮机的系统和设备基本上都是成熟的。与常规的 燃气蒸汽联合循环相比，所不同的主要是煤的 气化和净化系统及其设备。因而，研究和开发大 容量的、能量转化效率很高的气化炉，是最终实 现 IGCC 发电方案的关键所在。煤的气化技术的核心设备是气化反应器（气 化炉），依据气化炉的操作状态不同，煤气化可 以划分为不同的类别。按照最常用的流体力学状 态和物料的运动方式分类，主要有固定床、流化 床和气流床三种类型。(1)固定床、移动床。煤（焦）由气化炉 顶部加入，自上而下经过干燥层、干馏层、还原 层和氧化层，最后形成灰渣排出炉外；气化剂自 下而上经灰渣层预热后进入氧化层和还原层（两 者合称气化层）。代表炉型为常压 UGI 炉和加压 Lurgi 炉，以及经过改进的 BGL 液态排渣炉。固 定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要 求较高，入炉煤要有一定的粒( 块 ) 度（约 6-50mm）及均匀性。煤的机械强度、热稳定性、 粘结性和结渣性等指标都与透气性有关，因此， 固定床气化炉对入炉原料有很多限制。(2)流化床、沸腾床。气化剂由炉底部吹 入，使细粒煤（6mm）在炉内呈并逆流反应， 通常称为流态化或沸腾床气化。煤粒(粉煤)和气 化剂在炉底锥形部分呈并流运动，在炉上筒体部分呈并流和逆流运动，并逆流气化对入炉煤的活 性要求很高，只有高活性褐煤才适应。而炉温低、 停留时间短带来的最大问题是碳转化率低，飞灰 多，残碳高，且灰渣分离因难。其次是操作弹性 小(控制炉温不易)。代表炉型为常压 Winkler 炉 和加压 HTW 炉、山西煤化所灰熔聚技术。(3) 气流床。原料煤由气化剂夹带入炉并 进行燃烧和气化，受反应空间的限制，气化反应 必须在瞬间完成，为弥补停留时间短的缺陷，必须严格控制入炉煤的粒度（0.1mm），以保证 有足够的反应面积。在并流气化反应中，煤和气 化剂的相对速度很低，气化反应是朝着反应物浓 度降低的方向进行，碳的损失不可避免，为增加 反应推动力，必须提高反应温度即反应速度，火 焰中心温度在 2000以上，采用液态排渣。代 表炉型为水煤浆加压气化 GE（Texaco）炉，干 粉煤加压气化炉如 SCGP 及国内同类技术等。根据不同的应用场合和不同的系统要求，采 用不同的气化技术甚至不同流程的同类气化技 术。对于固定床，可以用于“合成天然气或城市 煤气”；对于气流床而言，激冷和废锅流程分别 适用于化工合成和发电；对于流化床而言，采用 空气、富氧或者纯氧气化可以满足发电和不同产 品的化工合成要求，例如空气气化应用于发电， 富氧气化用于合成氨联产系统，纯氧气化用于甲 醇合成、F-T 合成等。除按流体运动状态分类外，还可根据不同情 况进行更具体的分类：1)按进料方式不同可分为：块煤、碎煤进 料、干煤粉进料和水煤浆进料；2)按床层压力等级可分为：低压 (4.5MPa)；3)按排渣状态可分为：干法（固态）、熔 聚和融渣（液态）；4)按炉内气流方向可分为：上行和下行两类；5)按换热方式可分为：废锅型和直接水激 冷型；6)按喷嘴的数量和布置可分为：单喷嘴直 喷和多喷嘴对喷；7)按气化炉内耐火内衬方式不同可分为： 热炉壁和水冷壁；8)按原料或气化剂进料方式不同可分为： 一段式或两段式、氧气分级等。2国内外煤气化工艺技术概况2.1国外典型气化炉工艺状况目前国际上技术比较成熟、工艺指标比较先 进、业绩较多的主要是 SHELL 公司的干煤粉气 化工艺和 GE 公司的水煤浆气化工艺，还有德国 未来能源公司的 GSP 煤气化工艺在近年来也发 展迅速。SHELL 公司的干煤粉气化工艺属于干 法煤气化，废锅流程。GE 公司的水煤浆气化工 艺属于湿法煤气化，激冷流程。德国未来能源公 司的 GSP 煤气化工艺属于干法煤气化，激冷流程。SHELL 公司在渣油气化技术取得工业化成 功经验的基础上，于 1972 年开始从事煤气化技术的研究。日投煤量 2000 吨的大型气化装置于 1993 年在荷兰的 Buggenum 建成投产（Demkolec 电厂），用于联合循环发电，该气化装置为单系 列操作，装置的开工率在 95%以上。生产实践证 明，SHELL 煤气化工艺是先进成熟的。其主要 特点有：采用干煤粉进料，煤种适应性广；气化 温度高，碳转化率高，产品气体洁净；氧耗低； 单炉生产能力大；热效率高；气化炉采用水冷壁 结构，无需备用炉；气化炉烧嘴及控制系统安全 可靠。目前该技术在国内推广比较迅速。GE（TEXACO）公司很早就开发了以天然 气和重油为原料生产合成气技术，二十世纪七十 年代的石油危机促进了寻找替代能源和洁净的 煤气化技术，经多年研究以后，推出了水煤浆气 化工艺。其特点有：气化压力高；气化技术成熟； 合成气质量好。该工艺技术自引进以来已在山东 鲁南、上海焦化、陕西渭河、安徽淮化四套装置 投运，最长已具有近 8 年操作经验。运行基本良 好，显示了水煤浆气化的先进性，同时我们也认 识到使用该项技术所建装置，要达到长周期满负 荷运行，仍有某些尚待完善之处。GSP 工艺是一种气流床加压气化工艺（属 第二代气化工艺），可以同时以固体（干煤粉或 垃圾）、液体（焦油等）、气体（天然气等）为原 料，原则上可以处理各种各样的煤和废物，气化 温度为 14001600（当煤灰熔点 T31400 需加助熔剂），气化压力通常为 2.53.0Mpa（现 有几套装置的气化压力），但他们资料介绍气化 压力可做到 8.5Mpa，负荷变化为 75110%，碳 转化率99%，液态排渣，渣中含碳99%，因而排 出炉渣中含 C1%。干法除尘排出之细灰含 C5%，可直接用于水泥行业。在湿法水煤浆气 化工艺中，碳转化率为 9698%，由于碳转化率 随气化温度上升而增大，出于延长气化炉砖使用 寿命考虑，实际碳转化率经常在 9496%左右。 因此排出炉渣含碳 25%，而在滤饼中含碳量达 1530%。因此，在 IGCC 电站建设中，煤气化炉的选 择需综合考虑技术成熟性、大型化、效率、运行 维护以及是否与化工联产等方面的要求。在综合 分析各种煤气化炉的优缺点的基础上选择适宜 的煤气化炉。本文给出的煤气化炉选型建议为：(1)若 IGCC 纯发电或带供热机组，建议 采用发电效率较高，设备寿命长，运行费用低的 干煤粉气化炉，Shell 的干煤粉气化炉在国内化 工领域已经引进多台，运行经验不断积累，华东 理工大学的单喷嘴粉煤气化技术具有可大型化、 国产化、投资低等优点。西安热工研究院的两段 式干煤粉加压气化技术已经应用到华能绿色煤 电项目中。(2)若 IGCC 与煤基多联产，发电带供氢 气或者通过合成气制备化工原料( 如甲醇)或液体燃料，更适合采用湿法激冷方案。相对于干法 全热回收方案，采用激冷气化炉投资低，进行化 工品的生产时，不需要补入大量蒸汽进行 CO 变 换用于满足甲醇合成和制氢碳氢比的需要，投资 相对较低。但其发电效率低，能源、资源利用率 相对较低。在联产系统中，对激冷气化炉与全热 回收气化炉的选择取决于煤的价格、化工品、电 的比例和化工品循环气量比例等各种因素，需要 根据项目具体条件进行技术经济比较决定。4 结束语本文在目前国内已经启动多项 IGCC 电站 建设项目的现状基础上，论述了 IGCC 电站中煤 气化炉的分类、发展、结构以及特点等，综合分 析各种煤气化炉的优缺点，提出 IGCC 电站建设中煤气化炉选择的建议，对 IGCC 项目建设中煤 气化炉设备选型具有指导意义。IGCC 项目具有机组容量大的特点，适合采 用气流床煤气