适用于整体煤气化联合循环发电的国产煤气化技术概述

第5期(总第188期)山西电力No.5 (Ser.188)2014年10月SHANXI ELECTRIC P0WEROct. 2014适用于整体煤气化联合循环发电的国产煤气化技术概述丁建军，杨伟泉(广东粤电新会发电有限公司，广东江门529149)摘要:指出对于中长期以燃煤发电为主要格局和可持续发展要求的中国而言,发展洁净煤发电具有十分重要的意义。论述了整体煤气化联合循环发电作为-种非常重要的洁净煤发电技术受到了各国的青睐，而煤气化技术作为煤炭转化的龙头技术是整体煤气化联合循环电站系统的重要组成部分。在吸收引进国外先进技术和经验的同时，国内开发了多种大型煤气化技术，详细介绍了这些新技术，并对它们的技术特点进行了综合分析与讨论。关键词:煤气化;整体煤气化联合循环;气化炉;洁净煤技术中图分类号: TM611.3文献标志码: B文章编号: 1671-0320(2014 )05-0055- -04我国能源结构的特点是富煤少油贫气，目前我能源价格的走势。在IGCC涉及的相关技术中，核国电力工业以燃煤发电为主，火电装机容量约占心技术是大型煤气化技术，由于其技术复杂，只有75%，发电量约占80%;水电装机容量约占25%，GE、 SIEMENS和SHELL等少数国外公司掌握了此发电量约占20%;核电和新能源发电所占比例很技术。随着我国经济的快速增长以及国家对洁净煤小。随着我国可持续发展战略和加强环保等政策的发电的大力支持，近些年国内许多研究院所和高等实施，既能满足生态环保对我国火力发电的要求、院校开发了很多具有自主知识产权的煤气化技术并又能高效利用我国丰富的煤炭资源的洁净煤发电技在工业上得到了广泛应用。术是我国面临的唯一选择， 是中国煤电的未来。整体煤气化联合循环IGCC( Integrated1国产煤气化技术简介Gasification Combined Cycle)发电技术，是将煤气整体煤气化联合循环发电的首要问题是煤的气化技术和高效的联合循环相结合的先进模式，是当化技术，煤的气化泛指各种煤与载氧气化剂(O2、今国际上最引人注目的高效洁净发电技术之--。H20、CO)之间的一种不完全反应， 最终生成由IGCC技术的研发始于20世纪70年代石油危机时CO、H2、CO2、 CH4、 N2、H2S、 COS等组成的煤期，目前正逐步从商业示范阶段向商业应用阶段过气。煤气化技术种类很多，按炉型可分为三大类，渡，这一过程的快慢受多方面因素制约，如IGCC即固定床、流化床、气流床。三种炉型中气流床技技术的发展、环保标准的提高以及石油、天然气等术因其气化温度与压力高、单炉处理能力大、污染小等优点，成为国内外研究的主流煤气化技术。在收稿日期: 2014-07-10, 修回日期: 2014-08-20引进吸收国外先进气化技术的同时，我国也加强了作者简介:丁建军( 1986-),男,山东日照人, 2011年毕业于中国石自有煤气化技术的开发，形成了一-批具有自主知识油大学(北京)应用化学专业，硕士,从事电厂运行及管产权的核心技术成果。目前，绝大部分煤气化工业里工作;装置基本都应中国煤化士情况看，这杨伟泉(1977-),男,广东清远人，1999年毕业于东南大些气化技术都MHCNMHC介绍-下四学热能与动力工程专业，工程师,从事电厂机务相关专种初具规模的气流木煤气化技木，开针对这四种技业技术工作。山西电力2014年第5期术做简单的比较。361 Nm'O2/kNm’ (CO+H) ，比煤耗548 kg kNm31.1非熔渣 -熔渣分级气化技术(CO+H2)，合成气有效成分CO+H2含量83.06%，非熔渣-熔渣分级气化技术由北京达立科科技碳转化率≥97.5%。公司、清华大学和山西丰喜集团联合开发，是- -种.2 两段式干煤粉加压气化技术全新的气化技术。丰喜集团10万ta甲醇项目于西安热工研究院自1994 年开始研究干煤粉气2003年正式开工建设，2006年1月23日建成并一流床气化技术，1997 年建成1台0.7 t/d的试验装次开车成功，2007年10月23日通过国家72 h连.置, 2004年建成了处理煤量为36~40 t/d的中试装续运行考核。该技术工业装置运行稳定，开工率置。目前该新型的两段式干煤粉气流床气化炉的规高，自第一次化工投料始，年运转率达94%，年负模已达到8处理煤量2000t以上，进人到工业应.荷率达120%，气化炉的投资与能力比传统水煤浆用阶段，并广泛应用在电力生产和化工生产中，例气化炉低20%。2008 年清华炉被“燃气轮机和煤如华能绿色煤电有限公司250MW级整体煤气化联气化联合循环国家工程中心”确定为主选技术，并合循环发电(ICCC) 示范电站和内蒙世林化工有正在建设具有自主知识产权的适合于发电工艺的废.限公司年产30万t甲醇项目都是采用该技术，另.锅流程煤气化装置。外还有多家国内外的公司也都确定采用该技术。非熔渣-熔渣气化法采用湿法进料，水煤浆和两段式干煤粉加压气化炉(见图2)采用水冷大部分氧气通过喷嘴进入气化炉第一_段, 第- .段温壁结构，炉膛分为上下两段,喷嘴设在下炉膛侧壁度保持在灰熔点以下;在第二段再补充部分氧气，上，渣口设在下炉膛底部高温段，采用液态排渣。使第二段的温度达到煤的灰熔点以上并完成全部的上炉膛内径小，高度长，在侧壁上开有两个对称的燃烧过程和气化过程，气化炉结构示意图如图1 .二次煤粉和水蒸汽进口。运行时，下段喷嘴喷入所示。80% ~85%的煤粉量以及气化用的氧气和蒸汽，上段喷入15%~20%。级气化煤气出口中目中低温区二级气化水汽去汽包.高温区二次煤粉+水蒸气图1航天炉结构示意图煤粉+水蒸气+氧气采用分级给氧，使气化炉内的温度分布更加合理，提高了碳转化率，降低了粗渣中的残碳含量;锅炉进水口→渣池水进口调整了火焰与喷嘴的距离，降低了喷嘴的端部温渣池水出口度，二氧化碳作为预混气体时又可降低气化炉上部.温度50C，多方面创新技术的组合有助于延长喷图2两段式气化炉结构示 意图嘴寿命。水煤浆气化煤气质量好，甲烷含量低，由于气两段式干煤粉气化技术的优点如下。化炉内温度高，所以不生成焦油、酚等污染环境的a)煤种适应性更广，覆盖了从褐煤、烟煤、副产物;气化系统的水在本系统内循环使用，外排贫煤到无烟煤中国煤化工熔融性适用废水很少;炉渣为固态排放，没有飞灰，污染小，范围宽。MHCNMHG炉渣可做建筑材料。各项技术指标先进:比氧耗b)气化反应温度1 400~1 600 C，比氧耗298.6.56●2014年10月丁建军，等:适用于整体煤气化联合循环发电的国产煤气化技术概述Nm'O/kNm’( C0+H)，比煤耗518 kg/kNm3气化发电整合在 一起，不仅继承了ICCC的环保优(CO+H2)，碳转化率可达98.9%，冷煤气效率83.2%，势，还有利于综合利用煤炭资源，能同时生产甲合成气有效成分(C0+H) 含量91.7%。醇、尿素等化工产品，多联产工艺可以根据电价和c)“自我修复式”耐火材料结构，炉内向外依化工产品价格变化有选择地分配合成气比例，实现次有液渣、固渣，耐火材料、水冷壁、外保温层利润最大化。2005 年10月，兖矿国泰化工有限公等，水冷壁外形成的稳定的固渣层，可以达到“以司建设的单炉日处理原煤1 150t,气化压力4.0 MPa渣抗渣”、抵抗气体的冲刷和熔渣磨损的功效。水的对置式四喷嘴煤气化炉及配套甲醇项目和冷壁寿命长达20年，烧嘴寿命长达10年，维护量71.8 MW燃气发电系统相继试车成功。这个自主创少，运转周期长，无需备炉。新建成的首座煤气化联合循环发电与甲醇联产电示d)针对发电行业和化工行业的差别，两段式范工程，标志着我国先于国外实现了工业应用。气化炉后续工艺可配套废锅流程或激冷流程，满足.4 HT-L航天粉煤加压气化技术不同用户的需求。中国航天科技集团公司北京航天动力研究所研1.3多 喷嘴对置式水煤浆气化技术制的HT-L航天粉煤加压气化技术，吸收了当今世多喷嘴对置式水煤浆气化装置的开发是华东理界两大先进煤气化技术的优点，采用“粉煤+水激工大学、兖矿集团有限公司和天辰设计院共同承担冷”流程。2008年 10月，首套HT-L粉煤加压气的国家“九五”重点科技攻关项目。该气化技术属化装置在濮阳龙宇试车成功。目前该技术已有两种于气流床气化工艺，煤与水、煤浆添加剂进人磨煤规格气化炉，即单台15~20万ta (氨或醇)规模机，制得浓度为60% ~65% (质量分数) 的煤浆，和30~35万ta (氨或醇)规模，并正在开发更大经煤浆给料泵加压和来自空分装置的氧气一起进人生产能力的气化炉。同一水平面的4个工艺烧嘴，气化炉内形成了6个.HT-L航天粉煤加压气化技术包括磨煤、进料特征各异的流动区，即射流区、撞击区、撞击流股系统、煤气化、煤气洗涤、灰水处理和气化公用工区(上下两股)、回流区(共6个)、折返流区和管程6个单元。本技术为气流床气化炉，采用干煤粉流区(见图3)。进料，纯氧和过热蒸汽作为气化剂，加压气化，惰性气体浓相输送。以粉煤为原料，原料煤可以得到100%利用。与湿法比较，1 kg原料可以减少蒸发0.35 kg水，节约2600kJ的能量，折算煤量为0.113kg (23 kJ/kg)，占进煤量的17%。 干煤粉纯氧燃烧，燃烧器火焰的中心温度可达1 800~2 150 C，气化炉膛温度1 400~1 900 C，煤的灰熔点可选范围很宽，比水煤浆气化冷煤气效率提高10%，氧耗量降低15% ~25%。有效气产量提高6%。-A2国产煤气化技 术分析及讨论1-射流区; 2-撞击区; 3-撞击流股区;4- -回流区; 5- 折返流区; 6← -管流区煤气化技术评价标准主要有以下指标:可靠图3多喷嘴对 置式气化炉流场示意图性、系统稳定性、大型化即单炉生产能力、煤种适与单烧嘴相比较，通过四喷嘴形成撞击的物料应性、污染物的排放、气化效率等。其中气化效率混合更加成分，雾化效果更好，不仅使炉内气流场是核心指标，而评价气化效率的指标主要有碳转化和温度场分布合理，而且优化了气化效果，减轻了率、热量利用率、冷煤气效率等。对于整体煤气化对耐火衬里的损伤。多喷嘴气化炉更适合大型化，联合循环发电而言，最需要的是进人燃气轮机的合并且在一对烧嘴跳车时，另外一对可维持系统生成气的热值，也就是冷煤气效率越高，IGCC 发电产，减少了开、停车的损失，为实现长周期运转创的循环效率也中国煤化工，国产气化造了条件。炉的冷煤气效MHCNMHG以与国外成基于煤气化的多联产技术把化工产品生产和煤熟的气化技术相媲美。.57●山西电力2014年第5期表1气化技术工作特性及 性能指标比较炉虽然都是单级气流床，前者采用的是四个喷嘴对置布置，物料对撞雾化充分;后者只配一个喷嘴,项目清华炉两段式多喷嘴HT-L但为组合式喷嘴，由- -个主喷嘴、一个点火喷嘴和送料方式水煤浆干煤粉一个开工喷嘴组成,喷嘴结构设计的非常合理、操适用煤种低灰熔点范围广作方便可靠，可实现从点火到投煤的连续性。喷嘴数1只主喷嘴2只主喷嘴4只喷嘴1只组合气流床的操作温度很高，大多在灰分灰熔点以2只氧喷嘴2只副喷嘴喷嘴反应形式两级 气流床两级气流床单级气流床单级气流床上，所以气流床的排渣方式基本都为液态排渣。灰排渣方式液态排渣液态排渣 液态排渣 液态排渣分熔融以后可以挂靠在水冷璧和耐火砖表面，形成-层防护层，达到“以渣抗渣”的作用，增加了气冷煤气效率1%≥8480~8383~8478-83化炉的使用寿命，提高了装置的经济型。碳转化率%≥97.598-99≥99虽然国内煤气化技术的研究起步较晚，但却厚操作温度/C 1 400~1700 1 300~1 700 1 300~-1 400 1400~1 900积薄发，形成“百花齐放、百家争鸣”的格局，国生产能力(rd-)20002 000工程业绩/套≥19≥10≥15≥33产气化炉的单炉处理能力和工程业绩都在不断地刷新纪录。除了上述的四种气化技术外，西北化工研气流床煤气化按照进料方式可分为湿法进料.究院的多元料浆气化技术，中国科学院山西煤炭化(水煤浆)气流床和干法进料(煤粉)气流床。水学研究 所的灰熔聚流化床煤气化技术等也都有不错煤浆气化I艺是自热式气化技术,煤的气化反应热的业绩。是由其自身燃烧所提供的。从经济效益、气化炉材质承受能力以及运行稳定性角度来看，原料煤应该3结语具备成浆性能好和低灰熔点(灰熔点小于1 400 C)我国煤炭资源相对丰富，先进的洁净煤发电技等特点。干法气化工艺对原料煤的适应性广，可气术是我国电力工业可持续发展的必然选择,结合我化褐煤、烟煤、无烟煤及石焦油。对煤的反应活性国能源资源和当前国内制造行业的发展情况，发展几乎没有要求，对高灰熔点、高灰分、高水分、高IGCC能很好地解决燃煤发电效率和污染的矛盾。含硫量的煤种同样也适应。虽然目前国内IGCC项目的建设很少，但以IGCC由于设计单位设计风格各异，气化炉的反应形系统为基础的发电、化工产品、制氢等多联产系统式不同，采用的喷嘴数量和形式也不同。清华炉和无疑将是21世纪煤转化工业的重要方向。煤气化两段式干煤粉气化炉都是两级气流床，并且采用多技术是煤炭洁净、高效、综合利用的技术起点，是个喷嘴，前者的二级喷嘴只是喷人氧气，后者的二IGCC发电和煤化工的龙头技术，在煤气化技术高级喷嘴喷人部分煤粉和氧气混合物，虽然形式不速发展与激烈竞争的今天，国内开发的一系列具有同，但是最终目的都是为了改善炉内流动及温度场自主知识产权的煤气化技术具有显著的综合效益和分布，提高气化效率。多喷嘴对置式气化炉和航天重大的战略意义。The Summarization on Domestic Gasification Technology for IGCC GenerationDING Jian -jun, YANG Wei- -quan( Guangdong Y uedian Xinhui Generation Co, Ltd., Jiangmen, Guangdong 529149, China )Abstract: The development of clean coal power generation has great significance in our country which will be relying on coalburming for a long time. As a very important clean coal technology, the integrated gasification combined cycle (IGCC )generationtechnology is very popular in the world, and gasification technology as the leading techniques of coal conversion is an important part of theIGCC power plant. We have developed a variety of large- -scale coal gasification technology based on absorbing and introducing foreignadvanced technology and experience. This paper describes these new technologies, and their technical features are comprehensivelyanalyzed and discussed.Key words: coal gasification; IGCC; gasifier; clean coal technology中国煤化工MHCNMH G.58●