展2008年第27卷增刊CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●227●兩種典型的煤氣化技術李潔'，段賓”，毛天3(西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安710049)摘妻:美國的Tampa (250 MW)電站和荷蘭的Demkolee (253 MW)電站是世界上典型的IGCC電站，它們分別采用水煤漿加壓噴涴床氣化技術和干粉進料加壓噴流床氣化技術。本文以這兩種煤氣化技術為代表，綜合分析了它們的設備結構特點、性能特點及在IGCC電站中的運行狀況，這對我國IGCC電站選擇煤氣化工藝路線具有一定的參考價值。關鍵詞:煤氣化工藝; 氣化爐; 循環(huán)發(fā)電; 結構特點;性能分析我國是一個煤炭豐富的國家，煤炭預測資源總的灰熔點降低或者使煤漿均勻性提高。在煤漿磨的量為50600億噸，經(jīng)濟可采儲量為1145億噸。在我出 口有-一個簡形的篩子，合格的煤漿流入煤漿儲罐國已探明的一次能源儲量中(折成標準煤)煤炭占中，不合格的煤漿溢流到循環(huán)槽中被送回煤漿磨入92%,因而以煤炭為主的能源結構在本世紀內(nèi)不會發(fā)口。在煤漿儲罐中設有一一個攪拌器，并根據(jù)檢測結生根本變化。但煤炭的大量開采和利用也帶來了嚴果加入-定量的水，使儲罐中的煤漿始終保持在一重的環(huán)境問題。而整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC) 是定濃度下的均勻狀態(tài)。氣化爐所需的煤漿量-般由一種高效低污染的潔凈煤發(fā)電技術，所以大力發(fā)展2級隔膜泵從煤漿儲罐中抽取并加壓送入氣化爐噴IGCC技術對我國潔凈煤技術發(fā)展具有重大意義。嘴，在氣化爐入口的煤漿輸送管上設有2級流量檢IGCC是20世紀70年代石油危機時期西方國測器，嚴格控制煤漿的流量，煤漿流量的調(diào)節(jié)全靠家開始發(fā)展的一項燃煤發(fā)電技術。其設計思想是:隔膜泵來控制。使煤在氣化爐中氣化成為中熱值或低熱值的煤氣，(2)氣化爐和煤氣冷卻系統(tǒng)。水煤漿和95%然后通過處理，去除其中的灰分、含硫化合物、重純度的氧 氣被同時送入氣化爐噴嘴，在氣化爐內(nèi)進金屬等有害物質,進而供到燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的發(fā)行氣化反應， 反應區(qū)的溫度一般在1200~ 1500 C,電機組中去燃燒和做功，借以達到以煤代油(或天氣化爐的壓力根據(jù)不同行業(yè)的需要可以是 2.5~8.5然氣)的目的"。MPa. Tampa IGCC電站的氣化爐的壓力為2.8~3.0迄今為止，世界各國已投入運行和正籌建的MPa,氣化區(qū)的溫度為1482 C.水、煤和氧氣在氣IGCC電站有幾十座，其中具有代表性的有美國的化爐中發(fā)生氣化反應，主要生成CO、H2、CO2、Tampa(250MW)、荷蘭的Demkolec(253MW)等。它H2O、CH4、H2S和N2,此外，還有少量的NH3、們分別采用Texaco、Shell 加壓噴流床煤氣化工藝。cos. HCN和飛灰。由于采用水煤漿進料,煤氣中Texaco是水煤漿加壓氣化的主要代表，而Shell 則的H2O含量較高。Tampa 電站的Texaco氣化爐內(nèi)是干粉進料加壓噴流床氣化的主要代表。了解設耐火磚(一般為4層),內(nèi)徑約4.0m,高約3.0 m。Texaco和Shell這兩種煤氣化工藝的結構特點、性氣化反應的速度很快，粗煤氣在氣化爐內(nèi)的停留時能特點和運行狀況，對我國IGCC電站選擇煤氣化間一般在2~3 s。熱煤氣離開氣化爐進入特殊設計工藝具有- -定的參考意義。的輻射式冷卻器，使熱煤氣的溫度降低至700 C,同時使熱煤氣中的熔融態(tài)灰渣凝固。冷卻后的粗煤1 Texaco 煤氣化工藝12-91氣進入對流式冷卻器中被進一步冷卻到 480°C.煤1.1 Texaco 氣化工藝的結構特點氣中的顯熱在2級冷卻器中得到回收，產(chǎn)生10.4(1)制漿系統(tǒng)。煤和水在常規(guī)的煤漿磨中被制MPa中國煤化工輻射式冷卻器做成成質量分數(shù)通常是60%~ 68%的水煤漿，TampaYHCNMHG總重約900,氣化IGCC電站的水煤漿設計質量分數(shù)為68%。對于一爐安衣你同約1w.1J 10些灰熔點較高的煤或制漿困難的煤，經(jīng)常在煤漿磨(3)排渣和黑水處理系統(tǒng)。氣化爐內(nèi)的熔渣中同時加入石灰石助熔劑或者煤漿添加劑，使得煤經(jīng)輻射式冷卻器后冷卻凝固成玻璃狀的渣進入充●228●化工進展2008年第27卷滿水的鎖斗系統(tǒng)，鎖斗上下部各有2級閥門控制渣容量商業(yè)運行的臺數(shù)和經(jīng)驗更豐富。進入和排出。從壓力鎖斗排出的渣落入粗渣糟中，.3 Tampa IGCC電站中Texaco氣化爐曾出現(xiàn)過粗渣被分離出來，進一步處理或直接銷售。細渣和的主要問題及解決辦法水一起被抽入一-個細灰沉降槽中進行重力沉降或(1)排渣鎖斗堵塞。通過調(diào)整運行工況及改動過濾，使水和細渣分離。從洗滌器出來含灰的水也部分管道基本得到解決。進入沉渣槽中，使含碳的飛灰與水分離,從沉渣糟(2)輻射廢熱鍋爐和對流廢熱鍋爐的泄漏問中溢流出來的水一般含非常少量的細灰,它被再循題。主要原因可能是由于高溫腐蝕,改進的方法是:環(huán)至水洗滌器入口作為洗滌器用水,多余的水送回采取保護措施，改善氣化爐的運行狀況。對流廢熱煤漿制備系統(tǒng)。從沉渣槽底部流出的細灰進入-個鍋爐也 曾出現(xiàn)管壁泄漏和積灰堵塞問題。改進的方壓濾機中，將細灰制成細灰餅。Tampa電站采用了法是:組織好氣化爐的運行工況，加強檢查和吹灰。將細灰再循環(huán)至煤漿磨的工藝,目的是為了提高碳(3)黑水和灰水系統(tǒng)的磨損問題。目前的辦法的轉化率。是更換耐磨材料、改變管路結構、加強細灰的分離，1.2 Texaco 氣化工藝的性能特點但不能徹底解決。(1)與干法進料相比,水煤漿進料系統(tǒng)工藝相(4)當煤種有變化時，氣化爐最不適應的就是對簡單，安全可靠，操作靈活，制漿系統(tǒng)的廠用電排渣鎖斗系統(tǒng)和細灰分離系統(tǒng)，容易發(fā)生堵塞。目較小，無煤粉爆炸危險性，制漿系統(tǒng)無粉塵排放。前的辦法是控制運行參數(shù),積累運行經(jīng)驗，改善鎖煤不必進行干燥處理，可直接進入制漿系統(tǒng)。此外，斗系統(tǒng)的設計，增強承受能力。水煤漿進料可處理不同物料(煤、石油焦、其它廢(5)位于對流煤氣冷卻器后的4個氣氣熱交料)，進料種類靈活。此外，使用水煤漿進料，氣化換 器(2個粗煤氣與凈煤氣, 2個N2與粗煤氣)曾出爐的壓力可高達8.5 MPa,一般運行在4.0MPa,這現(xiàn)積灰堵塞和腐蝕問題，造成管子泄漏，導致灰對一些化工過程非常必要。塵進入潔凈煤氣中，使燃氣輪機葉片嚴重損壞，(2)氣化爐采用單噴嘴運行，所有的氣化物同時 在氮氣和煤氣通往燃氣輪機的Y形濾網(wǎng)也發(fā)料都從一個噴嘴噴入，具有結構簡單的優(yōu)點。但由現(xiàn)裂紋。主要原因有:設計的氣氣熱交換器入口于局部熱負荷較高,流量較大,不可避免地會發(fā)生煤氣溫度偏低、熱交換器的管徑偏小及停機時泄過熱損壞或磨損問題。到目前為止，Texaco 氣化漏的水的腐蝕(氯離子腐蝕)等。目前尚無好的爐噴嘴的最長累計運行時間僅3個月就需要進行解決辦法， 不得已取消了這4個氣氣熱交換器，檢修更換。改用蒸汽預熱凈煤氣,這使全廠的凈效率下降1.5(3) Texaco氣化爐內(nèi)設耐火磚，沒有水冷系個百分點。統(tǒng)，結構簡單，初投資較小。但由于爐內(nèi)溫度較高，2 Shell 煤氣化工藝015加之磨損和腐蝕,目前Texaco氣化爐向火側的耐火磚最長壽命僅2年，靠近爐壁的耐火磚壽命為5~ 2.1 Shell 煤氣化工藝的結構特點10年。(1)煤粉制備和送料系統(tǒng)。Shell 煤氣化工藝(4)全廠的灰水可綜合利用，除去大煤渣和細采用干煤粉進料系統(tǒng)。原煤的干燥和磨煤系統(tǒng)與灰的水也在制漿系統(tǒng)中循環(huán)使用。常規(guī)電站基本相同，但送料系統(tǒng)是高壓的N2氣濃(5)由于煤氣在氣化爐內(nèi)的停留時間短,相輸送。與水煤漿不同，整個系統(tǒng)必須采取防爆Texaco氣化爐的碳轉化率較低, - -般在96%~ -98%。措施。經(jīng)預破碎后進入煤的干燥系統(tǒng)，使煤中的由于水煤漿的水分含量大,氣化過程的O/C比較高，水分小于 2%，然后進入磨煤機中被制成煤粉。對耗氧量大，而且煤氣中的水分含量也較高。與干法煙煤，煤粉細度Rgo一般為20%~30%，磨煤機是進料相比，冷煤氣效率較低，熱回收系統(tǒng)復雜。在常壓下運行，制成粉后用N2氣送入煤粉倉中。(6)由于Texaco氣化技術的合成氣中氫氣含然 后中國煤化工用高壓N2氣,以量較高，氮氣量幾乎沒有，可以提高操作壓力，有較YHCN MH G化爐噴嘴，煤粉利于化工產(chǎn)品的制備，因此比較適合作為化工制備在噴哺里與氧氣(95%純度)混合并與蒸汽- -起進的原料氣。入氣化爐反應。(7)與其它氣化爐相比，Texaco 氣化爐的大(2)氣化爐。由對稱布置的4個燃燒器噴入的增刊李潔等:兩種典型的煤氣化技術●229●煤粉、氧氣和蒸汽的混合物，在氣化爐內(nèi)迅速發(fā)生凈化的需求更迫切。氣化反應，氣化爐溫度維持在1400~1600 C，這(3) Shell 氣化爐的噴嘴和水冷壁壽命較長，個溫度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到氣化爐底在Demkolec電站累計運行10000h以上未見損壞，部，經(jīng)淬冷后，變成一-種玻璃態(tài)不可浸出的淹排出。氣化爐的可用率 已達到95%。粗煤氣隨氣流上升到氣化爐出口,經(jīng)過一個過渡段，(4)由于采用干法進料,氣化過程的氧耗比水用除塵后的低溫粗煤氣(150 C左右)使高溫熱煤煤漿進料少, 煤氣中的CO2含量也遠小于水煤漿進氣急冷到900 C，然后進入對流式煤氣冷卻器。在料的煤氣。 對于相同容量的氣化爐，Shell 氣化所需有一定傾角的過渡段中，由于熱煤氣被驟冷，所含的空分站可小于15% ~25%。的大部分熔融態(tài)灰渣凝固后落入氣化爐底部。Shell(5)采用干灰再循環(huán)，提高了碳的轉化率(可氣化爐的壓力殼內(nèi)布置垂直管膜式水冷壁,產(chǎn)生4.0達到9%)。.MPa的中壓蒸汽。向火側有- -層很薄的耐火涂層，(6)干法進料系統(tǒng)與水煤漿相比要復雜得多,當熔融態(tài)灰渣在上面流動時，起到保護水冷壁的作操作和保護也要嚴格得多。進料系統(tǒng)的防爆和防泄用。Demkolec ICCC電站的氣化爐直徑為5~6 m,漏問題十分關鍵。進料系統(tǒng)的占地和造價比水煤漿高約50m,標高達到60 m以上。氣化爐的運行壓大。 此外，干法進料系統(tǒng)的粉塵排放遠大于水煤漿力為2.6 ~2.8 MPao進料系統(tǒng)。(3)煤氣冷卻器。粗熱煤氣在煤氣冷卻器中被(7)由于Shell氣化爐采用4個(或更多)噴進一步冷卻到250 C左右。低溫冷卻段產(chǎn)生4.0 MPa嘴運行，易于在低負荷和高負荷下運行，操作的靈的中壓蒸汽，這部分蒸汽與氣化爐產(chǎn)生的中壓蒸汽活性大， 實現(xiàn)大型化的可能性大。據(jù)介紹，Shell混合后，再與汽輪機高壓缸排汽- -起再 熱成中壓再氣化爐的 最低負荷可達到25%，即一 一個噴嘴運行。熱蒸汽。高溫冷卻段產(chǎn)生13 MPa的高壓蒸汽，它(8) Shell 氣化爐的運行過程中最重要的控制與余熱鍋爐里的高壓蒸汽-起過熱成主蒸汽。參數(shù)如下:氣化爐出口溫度;合成氣冷卻器進口溫Demkolec電廠的煤氣冷卻器直徑約4m,高約度;煤氣成分;蒸汽的參數(shù)(流量、溫度、壓力);64 m,冷卻器頂部標高約74.5 m,是氣化島的最高爐渣的排出量及外觀狀況。點。冷卻器的壓力外殼里布置有8層螺旋管圈，上(9) Shell 氣化爐的變負荷率每分鐘大于5%，下共分成5段，熱煤氣由.上而下在螺旋管外流動與IGCC的變負荷率每分鐘接近3%。螺旋管內(nèi)的水換熱。每-層螺旋管閣都有一個氣動2.3 Demkolec IGCC電站中shell氣化爐曾出現(xiàn)過錘來振打清除積灰。的問題及解決辦法由于Shell氣化爐組成的IGCC系統(tǒng)采用的是千在Demkolec電站運行中，Shell 氣化爐及其法除塵，所以，它的黑水和灰水處理系統(tǒng)相對比較輔助系統(tǒng)的運行基本正常，可用率也較高。在運簡單，但其主要的流程與Texaco相似，在此不再行初期出現(xiàn)過以下問題:①排渣的鎖斗堵塞;②贅述。細微爐淹影響黑水處理系統(tǒng)。上述2個與氣化工2.2 Shell 煤氣化工藝的性能特點藝有關問題的原因及解決辦法與前文相同，在此(1)Shell氣化爐的煤氣中CO和H2含量遠不再贅述。大于Texaco煤氣,而CO2和H20卻遠小于Texaco3 兩種氣化爐的綜合比較煤氣。由于可燃氣成分較高，其冷煤氣效率較高(約80%~83%),組成的IGCC電站發(fā)電效率也兩種氣化爐的技術特點的綜合比較見表1.較高(43% LHV)。而水煤漿進料的冷煤氣效率一般僅為74%~77%。組成的IGCC效率也較低4結論,(41%LHV)。.(1)美國的水煤漿進料氣化工藝Texaco和歐(2)由于煤氣中水分含最較少(2.0%), Shell洲的中國煤化工單爐出力都達到了氣化爐組成的IGCC因常溫凈化而損失的熱煤氣能200MYHCNMHG250~ 300 MW等量較小，而水煤漿進料的煤氣中一般都含有16.8%級的lvc小犯，c竹r仰采用氧氣噴流床氣左右的水分，那么當熱煤氣冷卻到常溫時，必然損化工藝。這對于我國選擇氣化工藝提供了較為全面失大量的顯熱和潛熱。水煤漿進料氣化工藝對高溫的選擇范圍。I進展2008年第27卷表1兩種氣化爐的技術特 點比較技術項目TexacoSbell進料方式濕法/水煤漿干法/煤粉反應器形式噴流床氧氣純度1%噴嘴/個噴嘴的壽命幾1440氣化爐內(nèi)襯耐火磚水冷壁+涂層“內(nèi)襯的壽命la>10(待考驗)冷煤氣效率%71~7680~83碳轉化率1%96~98>98單爐最大出力h●d'2200~2400200示范電站的凈功率/MW250.0253.0最大容量氣化爐的最長運行時間/>8860> 00000示范電站最長追續(xù)運行時間h720-~1000> 2000示范電站的氣化爐可用率%80~85組成IGCC示范電站的效率%設計值41.6QHHV),試驗值38.50HHV)43(LHVX未公布試驗值)組成的IGCC達到43%(LHV)效率的可能性有可能(但必須改進全熱回收)容易達到存在的問題噴嘴、耐火磚壽命短,全熱回收系統(tǒng)和黑水處理系統(tǒng)尚待改進黑水系統(tǒng)待改進是否氣化過類似于中國IGCC電站的煤種是目前IcCc電站的造價較高(2) Texaco氣化爐的運行經(jīng)驗和已商業(yè)化的擔者時應予以高度重視，盡量選擇這-方面的專業(yè)臺數(shù)最多，用于IGCC發(fā)電，氣化爐的可用率也可廠商。達到80%以上。但它的噴嘴和耐火襯里的壽命較短，(6)根據(jù)世界上2座示范電站的經(jīng)驗和教訓，冷煤氣效率和組成IGCC的效率目前還較低。若對 于我國IGCC示范電站在氣化工藝選擇方面應綜IGCC效率設計為43% (LHV),采用Texaco氣化合考慮以下幾個原則問題:氣化爐的最大出力是否爐，必須使其廢熱鍋爐和全熱回收系統(tǒng)有較大的改能達到要求;是否氣化過類似的煤種:最大容量的進，才有可能達到。氣化爐的運行時間和臺數(shù);示范運行的可用率:冷(3) Shell 氣化爐的可用率已達到了95%，可煤氣效率及組成IGCC的總效率;目前還存在哪些以說已經(jīng)進入商業(yè)化運行,其噴嘴和水冷壁的壽命問題;氣化爐和輔助系統(tǒng)設計和制造者是否都是專都較長。冷煤氣效率和組成IGCC效率與濕法進料業(yè)廠商。氣化工藝相比較高，對43%(LHV)的IGCC效率,參考文獻采用Shell工藝容易達到。但它的造價與Texaco相[1] 焦樹建整體煤氣化繼氣.蒸汽聯(lián)合循環(huán)M].北京:中國電力工業(yè)比較高。出版社，1996.(4)煤種對氣化爐的性能有很大影響，對于我[2] 馬水貴， 鐘史明. IcCc電站目前概況與發(fā)展趨向0，燃氣輪機發(fā)國IGCC示范電站所選用的煤種，目前只有Texaco電技術，2006 (1): 8-20. .和Shell氣化爐有類似煤種的氣化經(jīng)驗，這一點對3] The Tampa ICCC Projeca[AJl. A Report of DOE and Tampa Eletric氣化工藝的選擇也十分重要。Company, 196.12.(5)從2座示范電站的運行情況看,氣化爐本[4] John E McDaniel, Charles A Sbclnut. Tanpa ecric company polk中國煤化工Sixth Annual Clean Coal身的可用率都很高(>85%),但與之匹配的輔助系May, 1998.統(tǒng)是制約氣化島和整個IGCC機組可用率的最大障[5YHC N M H Grpvering Pojoe(l. A .礙。其中排渣和黑水處理系統(tǒng)及進料系統(tǒng)的問題最Report of DOE and Wabash River Coal Gasification Jont Venhure,1996.12.多，有些目前尚未解決。這一點在選擇氣化工藝承[6] Cito G Keeler, Jack Stult. Operating expeieace a the wabash增刊李潔等:兩種典型的煤氣化技術●231●river coml gasification repower projoctCl. Sixth Anoual Clean CoalCompany, Angust, 1998.Technology Conference, Reno, Nevada, May, 1998.[1] 焦樹建. 歐洲的IGCC 示范工程與研發(fā)工作[].燃氣輪機技術,[7 許世森，江哲生，安敏善，等ICCC技術考察報告[A].西安:國2006, 19 (2): 1-10.電熱工研究院內(nèi)部資料，1998: 140(12] ICCC 示范工程資料匯編(國電熱工院內(nèi)部資料)，2000.0[8] 李現(xiàn)勇，肖云議，蔡睿賢.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術的[13] 姚強潔凈煤技術[M]. 北京:化學工業(yè)出版社, 2005.發(fā)展和應用[0].熱能動力工程，2001， 16 (6); 575-578.14] Inwin Stambler.Improved I0CC design Cutting costs and Improving[9] Demkolec I0CC Power Plant Infomatio[A] A Report of Demkolteeficiency{J. Gas Turbine world, 2001， (); 22-26.Power Plant, 1998.[15] 焦樹建. IGCC的某些關鍵技術之發(fā)展展堂幾動力工程，2006,[10] Purollano 1GCC Power Plant Status[A]. A Report of Krupp Ubde26 (2)。13-165. .第一作者簡介:李潔(1981- -),女,碩士研究生,主要研究方向為IGCC (整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán))。E - mail lj810229@ 126.com; 1j810229@yahoo.com.cn.中國煤化工MYHCNMHG