国外4座大型IGCC电站的煤气化工艺(一)
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【摘要】 世界上建成并运行的250 MW及以上的IG电站是美国的Wabash River和Tampa、荷兰的Demkolec、西班牙的Puertollano。它们采用的煤气化工艺分别是：Destec、Texaco、Shell和Prenflo加压喷流床煤气化工艺。综合分析了这4种煤气化工艺的设备技术特点和技术经济指标及在IG电站中的应用情况。
【关键词】 煤气化工艺 煤气化 循环发电 技术特点 运行分析
Coal Gasification Technology in Four Large IG Power Plants Abroad
Abstract There are four 250 MW and above IG power plants built and put into operation now in the world.They are U.S. Wabash River and Tampa,Dutch Demkolec and Spain Puertollano.The coal gasification processes employed are Destec,Texaco,Shell and Prenflo pressurized jet-flow bed gasification process respectively.This article prehensively analyzes the equipment technical features,technical and economical indexes of these four kinds of coal gasification processes,as well as their applicatious in IG power plants.
Key words coal gasification process coal gasification bined cycle power generation technical featuresoperation analysis
迄今为止，世界上已投入运行的4座250 MW以上的IG电站分别是美国的Wabash River(260.6 MW)和Tampa(250 MW)、荷兰的Demkolec(253 MW)和西班牙的Puertollano(300 MW)。它们分别采用Destec、Texaco、Shell和Prenflo加压喷流床煤气化工艺。Destec和Texaco是水煤浆加压气化的主要代表，而Shell和Prenflo则是干粉进料加压喷流床气化的主要代表。用于IG的4种煤气化炉容量都达到2 000 t/d以上，都是这些气化炉首次最大容量的工业应用。它们的运行状况直接影响着IG的可用率和可靠性，是IG电站最关键的技术之一。了解这4种气化炉的设备和技术特点及在IG电站中的运行状况，对我国IG电站选择煤气化工艺路线具有一定的参考价值。
1 Texaco 煤气化工艺
1.1 Texaco 气化工艺的结构特点
(1)制浆系统。煤和水在常规的煤浆磨中被制成浓度通常是60%～68%的水煤浆，Tampa IG电站的水煤浆设计浓度为68%。对于一些灰熔点较高的煤或者制浆困难的煤，经常在煤浆磨中同时加入石灰石助熔剂或者煤浆添加剂，使得煤的灰熔点降低或者使煤浆均匀性提高。在煤浆磨的出口有一个筒形的筛子，合格的煤浆流入煤浆储罐中，不合格的煤浆溢流到循环槽中被送回煤浆磨入口。在煤浆储罐中设有一个搅拌器，并根据检测结果加入一定量的水，使储罐中的煤浆始终保持在一定浓度下的均匀状态。气化炉所需的煤浆量一般由2级隔膜泵从煤浆储罐中抽取并加压送入气化炉喷嘴，在气化炉入口的煤浆输送管上设有2级流量检测器，严格控制煤浆的流量，煤浆流量的调节全靠隔膜泵来控制。
(2)气化炉和煤气冷却系统。水煤浆和95%纯度的氧气被同时送入气化炉喷嘴，在气化炉内进行气化反应，反应区的温度一般在1 200～1 500 ℃，气化炉的压力根据不同行业的需要可以是2.5～8.5 MPa。Tampa IG电站的气化炉压力为2.8～3.0 MPa，气化区的温度为1 482 ℃。水、煤和氧气在气化炉中发生气化反应，主要生成CO、H2、CO2、H2O、CH4、H2S和N2，此外，还有少量的NH3、COS、H和飞灰。由于采用水煤浆进料，煤气中的H2O含量较高。
Tampa电站的Texaco气化炉内设耐火砖(一般为4层)，内径约4.0 m，高约3.0 m。气化反应的速度很快，粗煤气在气化炉内的停留时间一般在2～3 s。热煤气离开气化炉进入特殊设计的辐射式冷却器，使热煤气的温度降低至700 ℃，同时使热煤气中的熔融态渣凝固。冷却后的粗煤气进入对流式冷却器中被进一步冷却到480 ℃。煤气中的显热在2级冷却器中得到回收，产生10.4 MPa的高压饱和蒸汽。气化炉与辐射式冷却器做成一体，外径约5 m，高约39 m，总重约900 t，气化炉安装标高约106.75 m。
(3)排渣和黑水处理系统。气化炉内的熔渣经辐射式冷却器后冷却凝固成玻璃状的渣进入充满水的锁斗系统，锁斗上下部各有2级阀门控制渣进入和排出。从压力锁斗排出的渣落入粗渣糟中，粗渣被分离出来，进一步处理或直接销售。细渣和水一起被抽入一个细灰沉降槽中进行重力沉降或过滤，使水和细渣分离。从洗涤器出来含灰的水也进入沉渣槽中，使含碳的飞灰与水分离，从沉渣糟中溢流出来的水一般含非常少量的细灰，它被再循环至水洗涤器人口作为洗涤器用水，多余的水送回煤浆制备系统。从沉渣槽底部流出的细灰进入一个压滤机中，将细灰制成细灰饼。Tampa电站采用了将细灰再循环至煤浆磨的工艺，目的是为了提高碳的转化率。
1.2 Texaco气化工艺的性能和运行指标分析
Texaco气化工艺的性能特点：
(1)与干法进料相比，水煤浆进料系统工艺相对简单、安全可靠、操作灵活、制浆系统的厂用电较小，无煤粉爆炸危险性，制浆系统无粉尘排放。煤不必进行干燥处理，可直接进入制浆系统。此外，水煤浆进料可处理不同物料(煤、石油焦、其它废料)，进料种类灵活。此外，使用水煤浆进料，气化炉可以在更高的压力下运行(2.5～8.5 MPa)，这对一些化工过程非常必要。
(2)气化炉采用单喷嘴运行，所有的气化物料都从一个喷嘴喷入，它具有结构简单的优点，但由于局部热负荷较高，流量较大，不可避免地会发生过热损坏或磨损问题。到目前为止，Texaco气化炉喷嘴的最长累计运行时间仅3个月就需要进行检修更换。
(3)Texaco气化炉内设耐火砖，没有水冷系统，结构简单，初投资较小。但由于炉内温度较高，加之磨损和腐蚀，目前Texaco气化炉向火侧的耐火砖最长寿命仅2 a，靠近炉壁的耐火砖寿命为5～10 a。
(4)全厂的灰水可综合利用，除去大渣和细灰的水也在制浆系统中循环使用。
(5)由于煤气在气化炉内的停留时间短，Texaco气化炉的碳转化率较低，一般在96%～98%。由于水煤浆的水分含量大，气化过程的O/C比较高，耗氧量大，而且煤气中的水分含量也较高。与干法进料相比，冷煤气效率较低，热回收系统复杂。
(6)与其它气化炉相比，Texaco气化炉大容量商业运行的台数和经验更丰富。
(7)Tampa电站Texaco气化炉可用率1996年可达到57%，1997年达到78%。1998年的目标是85%，根据电厂介绍此目标可望达到。
1.3 Tampa IG电站中Texaco气化炉曾出现的主要问题及解决办法
(1)排渣锁斗堵塞。后通过调整运行工况及改动部分管道基本得到解决。
(2)辐射废热锅炉和对流废热锅炉的泄漏问题。主要原因可能是由于高温腐蚀，改进的方法是：采取保护措施，改善气化炉的运行状况。对流废热锅炉也曾出现管壁泄漏和积灰堵塞问题。改进的方法是：组织好气化炉的运行工况，加强检查和吹灰。
(3)黑水和灰水系统的磨损问题。目前的办法是更换耐磨材料、改变管路结构、加强细灰的分离，但不能彻底解决。
(4)当煤种有变化时，气化炉最不适应的就是排渣锁斗系统和细灰分离系统，容易发生堵塞。目前的办法是控制运行参数，积累运行经验，改善锁斗系统的设计，增强承受能力。
(5)位于对流煤气冷却器后的4个气-气热交换器(2个粗煤气与净煤气，2个N2与粗煤气)曾出现积灰堵塞和腐蚀问题，造成管子泄漏，导致灰尘进入洁净煤气中，使燃气轮机叶片严重损坏，同时在氮气和煤气通往燃气轮机的Y形滤网也发现裂纹。主要原因有：设计的气-气热交换器入口煤气温度偏低、热交换器的管径偏小及停机时泄漏的水的腐蚀(氯离子腐蚀)等。目前尚无好的解决办法，不得已取消了这4个气-气热交换器，改用蒸汽预热净煤气，这使全厂的净效率下降1.5个百分点。
2 Destec煤气化工艺
2.1 Destec煤气化工艺结构特点
Destec气化炉是2段氧气气化、连续排渣、内设耐火砖的煤气化工艺。80%的水煤浆(浓度为67%)和纯氧(纯度为95%)混合后喷入气化炉第1段，在第1段除对称布置2个水煤浆喷嘴外，在第1段的顶部还有一个从除尘器回来的飞灰再循环喷嘴。第1段的气化温度为1 371～1 427 ℃，气化压力为2.76 MPa。经过第1段反应产生的粗煤气进入第2段气化区。第2段气化是一个垂直的内设耐火砖的压力容器，20%的水煤浆从第2段喷嘴喷入，与粗煤气混合并发生蒸馏、裂解和气化反应，使粗煤气的热值进一步增加，而温度降低。在气化炉顶部的出口，煤气温度约为1 038 ℃，故只需要设置对流式煤气冷却器。Wabash River IG电站安装了2台100%负荷的气化炉，1台运行，1台备用，煤气冷却器只有1套。该电厂的煤气冷却器之前有1根与气化炉高度相当的导流圆筒，垂直布置，内设耐火材料。从导流筒出来的煤气进入对流式煤气冷却器，热煤气在管内流动，水在管外流动，产生11.03 MPa压力的饱和蒸汽，流量约90.7～113.4 kg/h，这部分蒸汽再进入余热锅炉过热。煤气被冷却到371 ℃，然后进入煤气除尘和脱硫系统。该电厂的煤气冷却器直径约3 m。
Destec煤气化工艺的水煤浆制备和黑水处理系统与Texaco工艺基本相似。
2.2 Destec煤气化工艺的性能和技术经济指标分析
(1)截止1997年底，在Wabash River电厂也已累计运行4 656 h，气化了469 220 t煤，气化炉的最大负荷可达到100%～103%，气化炉最长连续运行小时数可达到362 h，冷煤气效率可达到71%～74%。气化炉的可用率1996年为84%，1997年达到98%，1998年也达到96%。当然，这是当气化炉1台运行，1台备用情况下的数据，单台运行时，尚不能达到如此高的可用率。气化炉的喷嘴寿命一般为2～3个月，耐火砖寿命一般为2～3 a，2段耐火砖寿命更长。
(2)Destec气化炉采用2段气化，提高了煤气的热值，降低了氧耗，并使煤气的出口温度降低，省去了庞大而昂贵的辐射废热锅炉，使气化炉的造价降低。而煤气热值的提高，也有利于提高IG电站的总效率。Desetc气化炉的煤气在标准状态下热值约10 425.5 kJ/m3，而Texaco煤气热值一般为8 563.8 kJ/m3。
(3)采用的火管式对流冷却器造价和安装费用较低，检修和清洗方便。
(4)Destec气化炉采用压力螺旋式连续排渣系统，泄压和碎渣设备的造价较低。
2.3 Wabash River IG电站中Destec气化炉曾出现过的主要问题及解决办法
(1)曾出现过2次连续排渣口堵塞现象。这是由于水煤浆中的粗大颗粒较多，使水煤浆供给波动，导致气化不稳定而堵塞。解决的办法：严格执行运行操作规程，控制水煤浆质量，保证气化过程稳定。
(2)煤气冷却器入口管道的灰渣沉积，限制了机组运行时间。主要措施是改进了对流冷却器前煤气管道的尺寸、形状，使煤气流速提高，减轻管道中大块沉积物的形成，从而避免了这些大块沉积物随气流进入煤气冷却器，并严格控制气化炉操作温度。为了更保险，在煤气冷却器入口管道上装有滤网，防止有较大的沉积物进入煤气冷却器。
3 Shell煤气化工艺
3.1 Shell煤气化工艺的结构特点
(1)煤粉制备和送料系统。Shell煤气化工艺采用干煤粉进料系统。原煤的干燥和磨煤系统与常规电站基本相同，但送料系统是高压的N2气浓相输送。与水煤浆不同，整个系统必须采取防爆措施。经预破碎后进入煤的干燥系统，使煤中的水分小于2%，然后进入磨煤机中被制成煤粉。对烟煤，煤粉细度R90一般为20%～30%，磨煤机是在常压下运行，制成粉后用N2气送入煤粉仓中。然后进入2级加压锁斗系统。再用高压N2气，以较高的固气比将煤粉送至4个气化炉喷嘴，煤粉在喷嘴里与氧气(95%纯度)混合并与蒸汽一起进入气化炉反应。
(2)气化炉。由对称布置的4个燃烧器喷入的煤粉、氧气和蒸汽的混合物，在气化炉内迅速发生气化反应，气化炉温度维持在1 400～1 600 ℃，这个温度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到气化炉底部，经淬冷后，变成一种玻璃态不可浸出的渣排出。
粗煤气随气流上升到气化炉出口，经过一个过渡段，用除尘后的低温粗煤气(150 ℃左右)使高温热煤气急冷到900 ℃，然后进入对流式煤气冷却器。在有一定倾角的过渡段中，由于热煤气被骤冷，所含的大部分熔融态灰渣凝固后落入气化炉底部。
Shell气化炉的压力壳内布置垂直管膜式水冷壁，产生4.0 MPa的中压蒸汽。向火侧有一层很薄的耐火涂层，当熔融态渣在上面流动时，起到保护水冷壁的作用。Demkolec IG电站的气化炉直径约5～6 m，高约50多m，标高达到60多m。气化炉的运行压力约2.6～2.8 MPa。
(3)煤气冷却器。粗热煤气在煤气冷却器中被进一步冷却到250 ℃左右。低温冷却段产生4.0 MPa的中压蒸汽，这部分蒸汽与气化炉产生的中压蒸汽混合后，再与汽轮机高压缸排汽一起再热成中压再热蒸汽。高温冷却段产生13 MPa的高压蒸汽，它与余热锅炉里的高压蒸汽一起过热成主蒸汽。
Demkolec电厂的煤气冷却器直径约4 m，高约64 m，冷却器顶部标高约74.5 m，是气化岛的最高点。冷却器的压力外壳里布置有8层螺旋管圈，上下共分成5段，热煤气由上而下在螺旋管外流动与螺旋管内的水换热。每一层螺旋管圈都有一个气动锤振打清除积灰。
由于Shell气化炉组成的IG系统采用的是干法除尘，所以，它的黑水和灰水处理系统相对比较简单，但其主要的流程与Texaco相似，在此不再赘述。