煤气化联合循环发电工艺评价

30应用能源技术2009年第4期(总第136期)煤气化联合循环发电工艺评价朱广胜,曾冲(兖矿国泰化工有限公司,山东滕州277527)摘要:介绍了煤气化联合循环发电的工作原理, 以及气流床、流化床、固定床三种煤气化工艺的比较,分析了ICCC 工艺操作条件对系统效率的影响,及对煤气化联合循环发电工艺的评价。关键词:煤气化;气流床;流化床;固定床中图分类号:TU84文献标识码:B文章编号:1009 - 3230(20090)04- 0030- 04Estimate Of Intergrated Gasification Combined CycleZHU Guang- sheng, ZENG Chong(Yankuang Cathay Coal Chemicals CO. ,LID, Tengzhou 277527 , China)Abstract: This passage introduces the principle of the Integrated Gasification Combined Cycle and com-pares the gasification technologjes of the entrained flow bed, the fixed bed and the fluidized bed. It analyzesthe IGCC process conditions to the system eficiency influence and evaluates the Intergrated GasificationCombined Cycle technology.Key words: Gasification; entrained flow bed; fixed bed; fluidized bed0前言术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它随着生产的发展和生活的提高,人们对电力由两大部分组成,即煤的气化与净化部分和燃气的需求量越来越大。以煤为燃料的发电是电力工-蒸汽联合循环发电部分。第-部分的主要设备业的一个重要部分,它与采用其他燃料发电相比,有气化炉、空分装置、煤气净化设备(包括硫的回价格低,供应可靠。以煤为燃料的发电通常在锅收装置),第二部分的主要设备有燃气轮机发电系炉中直接燃烧粉煤产生高压蒸汽,再由高压蒸汽统余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。ICCC技术把驱动汽轮发电机发电。随着环境控制要求日益严高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤格,使得投资和操作费用不断提高,燃气和燃油的气化技术结合起来,既有高发电效率,又有极好的发电成本和投资比燃煤要低,但从燃料的资源蕴环保性能,是- -种有发展前景的洁净煤发电技术。藏量来看,煤炭仍占较大的比例。如何更加有效在目前技术水平下,IGCC发电的净效率可达43%~45%,今后可望达到更高。而污染物的排放量地利用煤炭资源来发电呢?仅为常规燃煤电站的1/10, 脱硫效率可达99%, .1煤气化联合循环发电系统二氧化硫排放在25mg/Nm'左右。(目前国家二1.1 整体煤气化联合循环发电系统氧化硫为1200mg/Nm3 ),氮氧化物排放只有常规整体煤气化联合循环( ICCC - Integrated Gas-电站的中国煤化工电站的12-1/ifcation Combined Cycle)发电系统,是将煤气化技3,利3呈如下:煤经气化成为MYHCNMH G去煤气中的硫收稿日期: 2009-03-11 修订稿日期: 2009-03-21作者简介:朱广胜化物、氮化物、粉尘等污染物,变为清洁的气体燃料,然后送人燃气轮机的燃烧室燃烧,加热气体工2009年第4期(总第136期)应用能源技术31质以驱动燃气透平做功,燃气轮机排气进人余热4)具有良好的煤种适应性锅炉加热给水,产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功。5)系统简单,设备可靠，易于操作,维修方其工艺流程见下图:便,具有电厂长期、安全可靠运行所要求的可用率6)设备和系统的投资、运行成本低煤烟道气空气分离热网收蒸过热恭1.2.1气流床气化炉汽发生器然汽轮机气流床是目前ICCC各示范工程中采用最多的一种气化炉。它是一种高温、高压煤粉气化炉,煤处理I体冷却酸性’燃料燃弋轮机体排除气化炉的压力为20- 60bar,要求采用90%以上的颗粒小于100ym的煤粉,采用氧、富氧、空气或水废水处理灰硫空气电能蒸气作为气化剂,当以氧为气化剂时,气化炉炉膛中心的火焰温度可达200C。由于是高温气化，图1在产生的粗煤气中不可能含有很多碳氢化合物、1.2整体煤气化联合 循环发电的分类及作用煤焦油和酚类物质,煤气的主要成分是CO、H、由图中可以看出ICCC整个系统大致可分CO2和水蒸气,离开气化炉的热煤气温度在1200为:煤的制备、煤的气化热量的回收煤气的净化- 1400,往往高于灰的软化温度。为了防止热和燃气轮机及蒸汽轮机发电几个部分。将煤加入煤气中已软化 了的粘性飞灰在气化炉下游设备气化炉内与蒸汽和氧气(或空气)反应,产生热粗(余热锅炉)粘结堵塞,将除尘后的冷煤气增压后燃气,经冷却和洗涤脱除尘粒并脱去酸性气体,同再返送回煤气炉的出口和热煤气混合,将热煤气时可回收得到元素硫。洁净燃料气在燃气轮机的的温度降低到比灰的软化温度低509C, 然后,热燃烧室中燃烧,温度为1090C左右,离开燃气透煤气再经过气化炉的余热锅炉(辐射和对流蒸汽平的482 ~ 538C的热烟气经废热锅炉回收热量产发生顺)产生饱和蒸汽,同时使热煤气的温度降低生过热蒸汽,然后经蒸汽轮机产生电能,这样,燃到200C左右，约50%的煤中灰分在气化炉高温气轮机和蒸汽轮机皆可产生电能。燃气轮机操作炉膛中心变成液态渣，由炉底排出并通过集渣器所要求的烟道气压力为1.4MPa,各种气化工艺都送人渣池。必须满足这个要求。如煤气具有更高的压力,则.煤粉灰中的以飞灰的形式随热煤气,帮煤气可先经膨胀透平回收能量。在粗煤气冷却器中产须经除尘、洗涤脱硫处理,成为清洁的煤气,再送生的饱和蒸汽，可在废热锅炉中过热,与热烟气经往燃烧室。废热锅炉产生的过热蒸汽,-并经蒸汽透平产生气流床气化炉由于是煤粉高温高压气化,因电能。此煤种适应性广,碳转化率高,能达到99%以上。可能采用的煤的气化炉有气流床(entrained当前在欧美各地ICCC示范厂所选用的气流flowbed)、固定床(fixedbed)和流化床(fuidized床气化炉有:美国德士古和GE炉,荷兰的Shellbed)三种方案。在整个ICC的设备和系统中,燃炉,德国的Prenlo炉。给煤方式有湿法水煤浆给气轮机、蒸汽轮机和余热锅炉的设备和系统均是煤(如德士古炉)和干法给煤(如shell 和Prenflo已经商业化多年且十分成熟的产品,因此ICCC炉)。发电系统能够最终商业化的关键是煤的气化炉及由于气流床气化炉的单炉生产能力大,并且煤气的净化系统。具体来说,对ICCC气化炉及具有较高的效率,燃料适应性广,因而在今后发展煤气的净化系统的要求是:大容量高效率的ICCC电站中具有强有力的竞争1)气化炉的产气率、煤气的热值和压力及温地位。度等参数能满足设计的要求1.2.中国煤化工2)气化炉有良好的负荷调节性能,能满足发MHCN M H内气固两相间电厂对负荷调节的要求的高强使们传照相传贝,使型下床层内温度分布3)煤气的成分净化程度等要能满足燃气轮均匀,混合条件好,有利于气化反应的进行。同机对负荷调节的要求时,可以利用流化床低温燃烧,在燃烧和气化过程32应用能源技术2009年第4期(总第136期)中加人脱硫剂(石灰石或白云石),将产生的大部缩短煤在炉内的停留时间,对煤粒直径的要坟比分S02和H2S脱除。由于流化床气化炉内的反.固态排渣炉宽。但颗粒尺寸小于6mm的要限制应温度- -般控制在850- 1000,因此,它产生的在10%以下。液态排渣气化炉有以下特点:1)碳焦油、烃、酚、苯和萘等大分子有机物基本上都能转化率是三种气化炉中最高的,排渣的物理热损被裂解为简单的双原子或三原子气体,煤气的主失大。2)相对安全可靠;3)煤气生产能力有限,是要成本是CO和H,CH的含量-般少于2%。三种炉型中能力最低的。当前,用于ICCC系统的流化床气化炉有2 IGCC工艺操作条件对系统效率KRW炉，U- Gas炉和温克勒炉等。的影响1.2.3固定床气化炉美国“冷水”煤气化联合循环发电工程是世界固定床气化炉是最早开发出的气化炉,它和上第一个商业规模的联合循环发电装置。 该工程燃煤的层燃炉类似炉子下部为炉排,用以支承上将德士古煤气化工艺和美国通用电气公司的蒸面的煤层。通常,煤从气化炉的顶部加人，而气化汽燃气轮机装置结合起来形成联合循环。德士剂(氧或空气和水蒸气)则从炉子的下部供入,因古气化炉日处理煤1000吨,发电100MW,该项工而气固间是逆向流动的。这种气化炉和燃煤的层程于1984年5月投入运行,取得了良好效果,并燃炉一样,对煤的粒径有一定的要求。对系统操作条件的影响做了研究。固定床气化炉有两种煤气出口位置的设计。(1)燃气轮机燃烧温度的影响:研究表明,德粗煤气唯一出口位置设计在干燥区上面煤层的顶士古ICCC装置应用目前的1093C燃气轮机时，部,称为单段气化炉,此时出口处煤气的温度为其工艺总效率为37 ~ 38% ,比传统的燃煤火力发370- 590C ,在这煤气温度下,气的油和煤焦油等电装置的效率34%要高, IGCC工艺效率受燃机效会发生裂解和聚合反应,从而生成彼--时质焦油;率的影响，当燃机效率提高10%时, IGCC工艺将和沥青。同时高温煤气穿过煤层时产生的剧烈干提高6.7%,而燃气轮机效率受燃机入口温度的馏会使煤发生爆裂,产生大量煤尘,并随粗煤气- - -影响,人口温度越高效率越高。起带出气化炉。因而这种单段气化炉的粗煤气质(2)另一个因素是蒸汽循环的影响,目前,燃量是比较差的。另一种设计是,有两个煤气出口，机的排废气温度为482 ~ 538C,故不可能使蒸汽除了在干燥区上部的出口外,另一个则在气化区.过热和再热的温度提高到538C。当燃机排出的的顶部,煤气产量的一半从这个出口离开气化炉。废气温度提高到565~593C时,就可以在蒸汽过由于流经挥发分析出区和干燥区的煤气量只有单热器中得到高质量的蒸汽,因而增加了蒸汽循环段炉的,有利于防止由于煤的爆裂而产生的大量的效率。煤尘,而且不会产生彼一时质焦油和沥青。因此,(3)蒸汽循环条件的影响:过热蒸汽与非过热两段炉产生的粗煤气的质量是比较好的。蒸汽循环相比，前者比后者将可获得更高的效率。用于ICCC系统的固定床气化炉主要是鲁奇(4)燃气预热温度的影响: ICCC工艺的洁净炉,世界上最早的德国ICCC示范厂采用的就是煤燃气可以用粗煤气预热,在燃料气中加入显热鲁奇固定床单段固态排渣气化炉。这种气化炉的使燃气轮机的热进人量增加而有利于燃烧,将燃最大缺点是,使用焦结性煤时,容易造成床体阻气预热到约315C比较合适。塞,使气流不畅,煤气质量不稳定。此外,由于煤(5)煤浆浓度的影响:采用德士古气化法时,在气化炉内缓慢下移至变成灰渣需停留0.5-1如果煤浓度从67%干固体(质量)减少到50% ,则个小时,因而单炉的气化容量无法设计得很大。系统效率将 下降2.5%。近年来,西德德士古装而且,排出的煤气中还含有大量的沥青、煤焦油和置已将煤浆浓度提高到70%以上。酚等,使煤气的净化处理过程十分复杂。为改善(6)气化堝作∞力的影响:气化压力的增加会上述问题,强化煤的气化过程,英国煤气公司在固使工中国煤化工加到2. IMPa以.态排渣鲁奇炉的基础上,将其发展成液态排渣鲁上时Y片CNMHG下降0.08%。奇炉。液态排渣气化炉由于其燃烧区的温度较.3对煤气化联合循环发电工艺的评价高,因而有利于提高煤的氧化速率和碳的转化率,(1)由于ICCC工艺的燃料气,脱除了硫化物，2009年第4期(总第136期)应用能源技术33因而可以满足环保要求,而且相对来说花费较少,(5)IGCC装置的效率高,因而发电成本降低。还可以使用价格较低的高硫煤种。因为在煤气化(6)IGCC工艺可由许多并行的煤气化系列和工艺中煤中的硫被转化成H2S和羰基硫,在煤气燃气、蒸汽燃机系列组成,因而操作机动性较好，中这种还原形式的硫的脱除比从烟气中脱除s02调节速度快, 能很快满足负荷调节的要求。在设要简单。煤气化工艺中的硫化氢浓度较高,脱除计选择档次时比较合适,可以节约投资。比较容易,而传统发电的燃烧废气中的二氧化硫(7)将煤气化工艺列入ICCC工艺,则电力公浓度较低,脱除比较困难。在大多数ICCC工艺用事业可以和合成气联合生产,也可以和化工原中,煤均在高压下气化和在高压下脱硫。由于压料气或代用天然气联合生产。力高,气体体积相应减小,比传统发电的烟道气体4结束语积小得多,因而所需设备也较小。燃煤发电系统随着煤气化工艺的开发和发展,随着材料工业的烟道气体积约为德士古气化工艺在3.4MPa压的开发和研究,可使燃气轮机的人口温度进一步提力下操作的燃料气体积的150倍以上。高。随着煤气的干法高温下脱硫工艺的开发和建(2)CCC装置比燃煤蒸汽发电装置的耗水量立将使煤的气化联合循环发电系统日趋完善。要显著地少,因为60%的电量是由燃气轮机产参考文献生,不需要冷却水。[1] 贺永德现代煤化工技术手册[M].北京:化学工业(3)在同样规模下,IGCC装置占地比传统的出版社,2004.燃煤蒸汽发电要少。[2]陈树义燃料燃烧与燃烧装置[M].北京:冶金工业出版社,1985.(4)ICCC工艺的效率比燃煤蒸汽发电装置高[3]曹征彦. 中国洁净煤技术[M].中国物资出版社,约10% ,因而也可以相应解决采煤和运煤带来的1998.环境问题。[4] Chris Higman. Caisfcation. Elevier Sacence,2003.11+1国10用1410101+1+1+1+1+10+1+1+1+14+0++1+1+1+@+10++1++1410+++◆1@++1\◆111+11◆间◆间+国◆(上接21页)最佳a值随着燃料和燃浇设备的不同而不3最佳过量空气系数的确定同,见表1所示。当锅炉运行时根据燃料种类,燃最佳过量空气系数可从锅炉的热损失来分烧方式和炉子型式来选择的a值,以保证获得较析。锅炉的主要热损失(q2)、烟气中剩余可燃气高 的锅炉效率。体(如CO、H2和CH )所引岂的化学不完全燃烧热表1不同炉型和煤肿对应的炉膛过空气系数损失( q3)及未燃尽碳粒所引起的机械不完全燃烧过量空气系数热损失(qs)。以上各项损失是随着过量空气系数无烟煤重油煤气a值而变化的,如图所示。当a增加时，燃料同空链条炉1.3-1.4 1.3-1.5气的反应机会加大,使化学不完全燃烧热损失煤粉炉1.21.25 .1.15-1.201.05-1.10(q3)和机械不完全燃烧热损失(q4)减少,却导致排烟热损失(q2)升高。三项损失的总和为- -下凹拂腾炉_ 1.25-1.30的曲线,如图1所示，其最低点的值即为最佳a4结论值。这时锅炉的热损失最小，经济性最高。本文考虑了过量空气系数的各种因素影响，得出了计算过量空气系数的准确公式,克服了传电中。统的过量空气系数公式基于干烟气计算不适用于现场以湿烟气分析结果的缺点;进行实际烟量的计算时也可参照本文进行。[1]中国煤化工京:中国电力出MHCNMHG[2] 子平.大型锅炉装置及其原理[M].上海:上海交81 锅炉热损失与过量空气系数的关系图通大学出版社, 1997.