IGCC气化炉气化法分类及比较

发电设备(2010 No.3)ICCC气化炉气化法分类及比较↑清洁能源IGCC气化炉气化法分类及比较周大坤，郜愿锋，曾庆才(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨150046)摘要:在一般论述 IGCC电站系统用气化炉气化分类的基础上,阐述了气流床气化炉所采用的气化法,重点介绍了其代表炉型以及Shell气化炉和Texaco气化炉的特点,同时比较了3种气化法代表炉型的各项性能指标。关键词:燃气-蒸汽联合循环;IGCC;气化炉;煤的气化中圈分类号:文献标识码:A文章编号:1671-086X(2010)03-0224-04Classification and Comparison of Various Processes of IGCC GasificationZHOU Da-kun，GAO Yuan-feng，ZEN Qing-cai(Harbin Boiler Works Co., Ltd. Harbin 150046, China)Abstract: Based on a brief introduction to classification of common power plant IGCC gasifiers, thegasification way of entrained-flow gasifier is described in detail, with focus on its representative types andthe features of Shell and Texaco gasifiers. Simultaneously, performance indices of 3 representative gasifiersare compared.Keywords:gas-steam combined cycle; IGCC; gasifier; coal gasification煤的气化系统是IGCC电站系统的重要组成器内的流动状态分为3种:(1)气流床气化炉;部分。煤的气化过程是一个热化学过程,它以煤(2)流化床气化炉;(3)移动床气化炉。 流化床气或煤焦为原料,以氧气(空气、富氧或纯氧)、蒸汽化炉和移动床气化炉的单炉容量较小,一般用在或氢气为气化剂(又称气化介质),在高温的条件单机容量在100MW左右的电站,若增加气化炉下,通过部分氧化反应将原料煤转化为气体燃料数量,则不但系统很复杂而且投资及维护费用也(即煤气)的过程。从工艺上讲,煤气化工艺往往增加很多。因此，单机容量较大(250 MW以上)还包括气化煤气净化过程，即通过净化设备除去的IGCC电站都配备气流床气化炉[-]。气化煤气中的灰和含硫物质等杂质，以得到清1.1气流床气化炉及其典型炉型洁、易输送的气体燃料的过程。在整个煤炭气化气流床气化炉中煤的气化工艺过程:极细的系统中,核心设备是气化炉。气化炉是进行煤气粉煤原料被氧气和蒸汽组成的气化剂高速气流化过程的场所,不同的气化方法往往对应不同的携带,进入气化炉气化的过程。在气化炉内,细气化炉设计和操作条件,从而直接影响煤的气化颗粒粉煤分散悬浮于高速气流中,并随气流并行效率和粗煤气的组成。流动,这种状态称为气流床。气流床气化法属于高温气化技术,通常直接用氧气和过热水蒸气作1 IGCC气化炉分类为气化剂，在炉内气化反应区温度可高达IGCC电站系统中采用的气化炉以煤在反应2000 C,出炉煤气温度都在1400 C左右，同时收稿日期:2009-08-19作者简介:周大坤(1979 -).男,工程师，从事锅炉及压力容量的设计开发工作。E-mail; fisj@hbc. com. cnICCC气化炉气化法分类及比较发电设备(2010 No, 3)由于煤被磨得很细，具有很大的比表面积,又处生部分氧化反应,煤气炉炉壁为膜式水冷壁结于加压条件下,因此气化反应速度极快,气化强构,并采用挂渣措施保护气化炉壁。由气化炉输度和单路气化能力比其他两类气化技术都高。出的约1500C的高温煤气,经除尘和冷却至900目前已商业化的气化炉，每天可气化2000 ~C左右后进入干法除尘和湿法洗涤系统,其中合2 600 t煤。由于高速气流和以纯氧为氧化剂,使成气冷却器产生的高(中)压蒸汽和气化炉水冷得气流床气化法的耗能和耗氧量都很大。气流壁副产品(中压蒸汽)均可有效使用。床气化技术因其出色的生产能力和气化效率，在从工业运行的表现来看, Shell气化炉具有如世界范围内得到了广泛的应用,尤其是在煤气化下特点:燃气-蒸汽联合循环系统中。目前绝大多数(1)煤种适应性广,可使用烟煤、褐煤和石油IGCC电站所选用的都是气流床气化炉,其主要焦等原料。对原料的灰熔融性适应范围宽,也可炉型有Texaco. Shell、 E-Gas(原Destec) 以及气化高灰分、高水分、高含硫量的煤种。Prenflo 等。气流床气化工艺中,给料方式有:(1)(2)碳转化高,一般达99%，冷煤气效率干法供料,将煤粉直接气力输送至喷嘴,如Shell、80%~85% ,热煤气效率超过95%。Prenflo等;(2)湿法水煤浆供料,是先将煤粉和水(3)单台生产能力大,目前已投入运行的气混合成为水煤浆,泵送至喷嘴,如Texaco. E-Gas化炉，在气化压力3MPa下，日处理煤量达等。两种方法各有特点,水煤浆形式容易加压泵2 000 t,更大规模的装置正在工业化。送,可解决干法供料的锁煤装置在加乐条件下的(4)壳牌气化炉的环保性能好,采用千法除问题,但会影响气化炉的总体热效率和气化强尘,灰水量小,处理简单,合成气中CO2含量少，度;干法供料则很适合活性高的煤和低质煤，且酸性气体处理费用少。具有较好的气化特性。1.1.2 Texaco 气化炉1.1.1 Shell 气化炉Texaco气化炉(见图2,下部采用激冷形式)Shell 气化炉(见图1)是荷兰Shell 公司开发是最典型的水煤浆进料的加压气流床气化炉,是的,是第2代煤气化工艺的典型代表。1987年由美国德士古石油公司在以重油和天然气为原shell单独在美国休斯敦建成耗煤量250~料制造合成气的德士古工艺基础上开发的。始400 t/d的示范装置。1994 年在荷兰的Bugge-于1948年,并始采用高压水煤浆经预热干燥后num建成以shell 煤气为核心的IGCC电站,日旋风分离出干粉入炉的供煤方式。后出现预热耗煤高达2000 t以上,净发电能力为253 MW。千燥器中干煤粉容易结块堵塞的问题，而千式加经过3年多示范运行,1998年1月正式转入产业料技术又长期没得以解决。20世纪80年代初，化运行。随着耐高温抗熔渣耐火材料和高浓度水煤浆制备技术的成熟,才改用水煤浆湿式直接供料,并, 生成气体获得成功。Texaco气化炉是先进和成熟的第2代气流床气化炉。目前,该工艺装置的规模已达-球形封头-数烧室光体炉材. 环形锥体蒸汽生热冷室筒体图1 Shell 气化炉结构图下锥体下法兰Shell气化法采用干法供料,高压N2输送。粉煤、氧气及蒸汽在气化炉内高温加压条件下发图2典型Texaco气化炉结构图发电设备(2010 No. 3)IGCC气化炉气化法分类及比较到日处理煤量2000t以上,广泛应用在化工生产流动层内并不完全分解(气化),而是飞至上部流和电力生产中,例如在美国Eastman化工厂用于动层外。在同一炉内,再给该部分投入空气或制醋酸酐,规模达900 t/d,在IGCC系统中的应氧,利用氧化高温分解焦油。在实用规模的试验用也较为突出,如美国CoolWater1GCC示范项中,炉内压力为2.7 MPa,反应温度达到920 C,目、Tampa IGCC电厂都选用了Texaco气化技术生成气体中的碳大部分被高温旋风分离器分离并获得了成功。出来，再经连接管道返回流化床。产生的灰分与Texaco气化法采用水煤浆供料,原料煤经湿残留炭(未燃碳)的一部分,经过与炉床相连的闭磨破碎后,与水或油混合制成煤浆,以液力输送锁灰斗系统呈干灰状排出。的方式进入煤浆槽，然后经高压煤浆泵送人气化炉燃烧器。德士古气化炉分为上、下两部分:气化部分和冷却部分。水煤浆和气化剂(氧气)由.刁口生成气体炉顶的喷燃烧器高速连续地喷入部分氧化室,炉田旋风分离器内温度达1 300~1 500 C,气化压力为4.3~. 溶化室7.15 MPa,水煤浆和气化剂在其中迅速发生反氧/空气流化床应。Texaco气化炉采用的水煤浆浓度通常在60%~65%,使得该工艺的氧耗量较高,冷煤气效率一般在70% ~75%。Texaco气化炉煤气主要成分是CO. H2、CO2、H2O以及少量的CH、N2、H.S等。气化炉图3 HTW炉结构阳煤气冷却部分按冷却的方式不同分为激冷型和1.2.2 KRW气化炉余热锅炉型两种。余热锅炉型结构与K-T常压KRW气化炉(见图4)是- -种WH(Westing-气化炉类似。在激冷型气化炉中,高温粗煤气与hous)型气化炉,也可以说是增压流化床气化熔渣一起进入下部激冷室,熔渣激冷固化后分炉,虽与HTW炉相类似，但其特点是在流化床离,煤气达到饱和状态，可直接进行CO变换,提炉床的空气或氧投人的部位(喷射层)形成高温高H2含量,而不必再加蒸汽;或直接作为燃料气区域,使灰成烧结块(使灰局部燃烧熔融凝结成用于发电。团块)。1.2流化床气化炉及其典型炉型-合成气流化床气化炉是煤和气化剂在流态化状态下发生气化，煤料经过破碎处理后,通过螺旋给料机或是气流输送系统进入气化炉,具有一定压力的气化剂从床层下部经过布风板吹人,将床上循环厌的碎煤托起,当气流速度上升到某- -定值时,煤循环烟气t●)水蒸气粒互相分开上下翻滚,同时床层膨胀并具有了流空气或氧气灰体的许多特征，即达成了流化床。典型的流化床煤和石灰石气化炉有高温温克勒气化炉(HTW)和KRW气图4 KRW 气化炉结构图化炉等。此外,以石灰石作为流动介质(形成流化床1.2.1高温温克勒气化炉HTW1978年德国的Rheinbrau公司开发了高温的介质)兼脱硫剂也是其特点之一。氧化剂使用温克勒气化炉(见图3),并气化当地莱茵褐煤为空气,也可使用氧和水蒸气,这可以根据生成气甲醇合成提供合成气,同时也在芬兰的合成氨工体的必要热值或系统的不同进行选择。艺中得到应用。HTW炉的工艺方式是先将煤破1.3移动床气化炉及其典型炉型.碎后以干式供给,投入流化床反应部位,利用空在气化炉内,固体原料煤并不是像层燃炉.一气或氧作为气化剂。此时，焦油等碳化氢成分在样静止在炉箕上，而是从炉顶加人,在向下移动ICCC气化炉气化法分类及比较发电设备(2010 No.3)的过程中与从炉底通人的气化剂逆流接触,进行2 IGCC用气化炉气化法比较充分的热交换并发生气化反应,故称移动气化。移动床气化炉是以移动床的形式,在高于大气压上述3种可在1GCC系统中采用的气化炉的力的条件下进行气化。通常压力在1~2 MPa,工作特性比较列于表1。或更高。与常压移动床气化炉相比,具有以下技表13种气化炉工作特性的比较术特点:项日气流床气化流化床气化移动床气化(1)煤种适应性好,可以气化一些水分较高(20%~30%)、灰分较高的(约30%)的劣质煤。供料方式煤粉干法或煤粉千法块煤干法水煤浆盤法(2)耗氧量较低,如在2 MPa以下气化，所适用煤种无限制粘结性较低非粘绪性煤种的煤种需氧量仅为常压时的1/3~2/3.原料煤粒度/mm< C0. 11~5.3~30(3)气化强度有明显的提高,生产能力增大。干式排灰或(4)粗煤气具有一定的压力,便于运输，同时排渣/灰方式液态排渣干式排灰450~1 000也有利于煤气净化、变换和精制等后续加工《干式排灰)气化温度/C 1 500~1 800850~1 100600~1 600过程。(液态排渣)鲁奇(Lurgi)气化炉是加压移动床气化炉,是碳转化率/%高(>99)低(>95)很高(>99.7)应用最广、最为成熟的炉型，一般分为固态排灰冷煤气效率/%低(76~80)中(80~85)高(>88)的鲁奇气化炉和液态排渣的鲁奇炉。图5是最生产能力高中低Shell/Prenflo新一代的干式排灰鲁奇炉的结构图。整个气化(干粉供料)HTW炉代表技术Texaco/E-GasKRW炉鲁奇炉炉大致可分为加煤(煤锁)搅拌、炉体、炉栅和排(水煤浆供料)渣(灰锁)五部分。干式排灰鲁奇气化炉的操作压力一般为3MPa,炉内氧化区域最高温度可达3结语1000C左右,粗煤气离开炉顶的温度约为260~538C,与常压的移动床气化法相比,鲁奇气化炉通过以上分析及比较可知,气流床气化法应的CH,和CO2含量会提高很多,最新的鲁奇气是IGCC的首选气化炉炉型,而在气流床气化法化炉粗煤气产量可达1. 56X10* m*/d.因此,加的气化炉炉型中又以Shell 气化炉最具优势,因压鲁奇气化炉在城市煤气和合成气生产中得到为它不但适用煤种广泛而且气化温度、碳转化率很广泛的应用。.和生产能力都很高。但应该指出的是，当IGCC电站系统采用Shell 气化炉时,由于原煤的干燥处理、储存和输送系统、气化炉的自动控制系统以及纯度高达99. 9%的N2制备、增压和输送系夹套洗涤水K泰气统都比较复杂,因而其初始投资费用将比Texaco气化炉高。最后在进行IGCC电站系统设计时，11应以降低发电成本为目标,从降低IGCC电站的比投资费用(SIC)、增加机组的年平均利用小时数、选用价格低廉的高硫煤种、增加电站的折旧0年限等因素来综合考虑气化炉选型问题。水蒸气和氟气→参考文献:[1]焦树建、干法供煤和水煤浆供煤的气化炉性能比较[J].燃气轮机技术2000.13<2):2-7.1-煤;2-锁煤器;3-煤分配器;4-干燥区;5- -挥发分释放区:[2]沙星中,杨南星.煤的气化与应用[M].上海:华东理工大学6-气化区;7--燃烧区;8-炉篦:9-锁灰器;10- 水冷夹套:出版社,1995.11-院族冷却器。[3]姚强，洁净煤技术[M].北京:化学工业出版社.2005.圈5最新一代的干式排灰鲁奇气化炉的结构图