國外4座大型IGCC電站的煤氣化工藝

   時間:2014-03-11 12:26:22
國外4座大型IGCC電站的煤氣化工藝簡介
        迄今為止,世界上已投入運行的4座250 MW以上的IGCC電站分別是美國的Wabash River(260.6 M……
國外4座大型IGCC電站的煤氣化工藝正文
    

    迄今為止,世界上已投入運行的4座250 MW以上的IGCC電站分別是美國的Wabash River(260.6 MW)和Tampa(250 MW)、荷蘭的Demkolec(253 MW)和西班牙的Puertollano(300 MW)。它們分別採用Destec、Texaco、Shell和Prenflo加壓噴流床煤氣化工藝。Destec和Texaco是水煤漿加壓氣化的主要代表,而Shell和Prenflo則是乾粉進料加壓噴流床氣化的主要代表。用於IGCC的4種煤氣化爐容量都達到2 000 t/d以上,都是這些氣化爐首次最大容量的工業應用。它們的運行狀況直接影響著IGCC的可用率和可靠性,是IGCC電站最關鍵的技術之一。了解這4種氣化爐的設備和技術特點及在IGCC電站中的運行狀況,對我國IGCC電站選擇煤氣化工藝路線具有一定的參考價值。

1 Texaco 煤氣化工藝
1.1 Texaco 氣化工藝的結構特點

(1)製漿系統。煤和水在常規的煤漿磨中被製成濃度通常是60%~68%的水煤漿,Tampa IGCC電站的水煤漿設計濃度為68%。對於一些灰熔點較高的煤或者製漿困難的煤,經常在煤漿磨中同時加入石灰石助熔劑或者煤漿添加劑,使得煤的灰熔點降低或者使煤漿均勻性提高。在煤漿磨的出口有一個筒形的篩子,合格的煤漿流入煤漿儲罐中,不合格的煤漿溢流到循環槽中被送回煤漿磨入口。在煤漿儲罐中設有一個攪拌器,並根據檢測結果加入一定量的水,使儲罐中的煤漿始終保持在一定濃度下的均勻狀態。氣化爐所需的煤漿量一般由2級隔膜泵從煤漿儲罐中抽取並加壓送入氣化爐噴嘴,在氣化爐入口的煤漿輸送管上設有2級流量檢測器,嚴格控制煤漿的流量,煤漿流量的調節全靠隔膜泵來控制。

(2)氣化爐和煤氣冷卻系統。水煤漿和95%純度的氧氣被同時送入氣化爐噴嘴,在氣化爐內進行氣化反應,反應區的溫度一般在1 200~1 500 ℃,氣化爐的壓力根據不同行業的需要可以是2.5~8.5 MPa。Tampa IGCC電站的氣化爐壓力為2.8~3.0 MPa,氣化區的溫度為1 482 ℃。水、煤和氧氣在氣化爐中發生氣化反應,主要生成CO、H2、CO2、H2O、CH4、H2S和N2,此外,還有少量的NH3、COS、HCN和飛灰。由於採用水煤漿進料,煤氣中的H2O含量較高。

Tampa電站的Texaco氣化爐內設耐火磚(一般為4層),內徑約4.0 m,高約3.0 m。氣化反應的速度很快,粗煤氣在氣化爐內的停留時間一般在2~3 s。熱煤氣離開氣化爐進入特殊設計的輻射式冷卻器,使熱煤氣的溫度降低至700 ℃,同時使熱煤氣中的熔融態渣凝固。冷卻后的粗煤氣進入對流式冷卻器中被進一步冷卻到480 ℃。煤氣中的顯熱在2級冷卻器中得到回收,產生10.4 MPa的高壓飽和蒸汽。氣化爐與輻射式冷卻器做成一體,外徑約5 m,高約39 m,總重約900 t,氣化爐安裝標高約106.75 m。

(3)排渣和黑水處理系統。氣化爐內的熔渣經輻射式冷卻器后冷卻凝固成玻璃狀的渣進入充滿水的鎖斗系統,鎖鬥上下部各有2級閥門控制渣進入和排出。從壓力鎖斗排出的渣落入粗渣糟中,粗渣被分離出來,進一步處理或直接銷售。細渣和水一起被抽入一個細灰沉降槽中進行重力沉降或過濾,使水和細渣分離。從洗滌器出來含灰的水也進入沉渣槽中,使含碳的飛灰與水分離,從沉渣糟中溢流出來的水一般含非常少量的細灰,它被再循環至水洗滌器人口作為洗滌器用水,多餘的水送回煤漿製備系統。從沉渣槽底部流出的細灰進入一個壓濾機中,將細灰製成細灰餅。Tampa電站採用了將細灰再循環至煤漿磨的工藝,目的是為了提高碳的轉化率。
1.2 Texaco氣化工藝的性能和運行指標分析

Texaco氣化工藝的性能特點:

(1)與干法進料相比,水煤漿進料系統工藝相對簡單、安全可靠、操作靈活、製漿系統的廠用電較小,無煤粉爆炸危險性,製漿系統無粉塵排放。煤不必進行乾燥處理,可直接進入製漿系統。此外,水煤漿進料可處理不同物料(煤、石油焦、其它廢料),進料種類靈活。此外,使用水煤漿進料,氣化爐可以在更高的壓力下運行(2.5~8.5 MPa),這對一些化工過程非常必要。

(2)氣化爐採用單噴嘴運行,所有的氣化物料都從一個噴嘴噴入,它具有結構簡單的優點,但由於局部熱負荷較高,流量較大,不可避免地會發生過熱損壞或磨損問題。到目前為止,Texaco氣化爐噴嘴的最長累計運行時間僅3個月就需要進行檢修更換。

(3)Texaco氣化爐內設耐火磚,沒有水冷系統,結構簡單,初投資較小。但由於爐內溫度較高,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 a,靠近爐壁的耐火磚壽命為5~10 a。

(4)全廠的灰水可綜合利用,除去大渣和細灰的水也在製漿系統中循環使用。

(5)由於煤氣在氣化爐內的停留時間短,Texaco氣化爐的碳轉化率較低,一般在96%~98%。由於水煤漿的水分含量大,氣化過程的O/C比較高,耗氧量大,而且煤氣中的水分含量也較高。與干法進料相比,冷煤氣效率較低,熱回收系統複雜。

(6)與其它氣化爐相比,Texaco氣化爐大容量商業運行的台數和經驗更豐富。

(7)Tampa電站Texaco氣化爐可用率1996年可達到57%,1997年達到78%。1998年的目標是85%,根據電廠介紹此目標可望達到。
1.3 Tampa IGCC電站中Texaco氣化爐曾出現的主要問題及解決辦法

(1)排渣鎖斗堵塞。后通過調整運行工況及改動部分管道基本得到解決。

(2)輻射廢熱鍋爐和對流廢熱鍋爐的泄漏問題。主要原因可能是由於高溫腐蝕,改進的方法是:採取保護措施,改善氣化爐的運行狀況。對流廢熱鍋爐也曾出現管壁泄漏和積灰堵塞問題。改進的方法是:組織好氣化爐的運行工況,加強檢查和吹灰。

(3)黑水和灰水系統的磨損問題。目前的辦法是更換耐磨材料、改變管路結構、加強細灰的分離,但不能徹底解決。

(4)當煤種有變化時,氣化爐最不適應的就是排渣鎖斗系統和細灰分離系統,容易發生堵塞。目前的辦法是控制運行參數,積累運行經驗,改善鎖斗系統的設計,增強承受能力。

(5)位於對流煤氣冷卻器后的4個氣-氣熱交換器(2個粗煤氣與凈煤氣,2個N2與粗煤氣)曾出現積灰堵塞和腐蝕問題,造成管子泄漏,導致灰塵進入潔凈煤氣中,使燃氣輪機葉片嚴重損壞,同時在氮氣和煤氣通往燃氣輪機的Y形濾網也發現裂紋。主要原因有:設計的氣-氣熱交換器入口煤氣溫度偏低、熱交換器的管徑偏小及停機時泄漏的水的腐蝕(氯離子腐蝕)等。目前尚無好的解決辦法,不得已取消了這4個氣-氣熱交換器,改用蒸汽預熱凈煤氣,這使全廠的凈效率下降1.5個百分點。

2 Destec煤氣化工藝
2.1 Destec煤氣化工藝結構特點

Destec氣化爐是2段氧氣氣化、連續排渣、內設耐火磚的煤氣化工藝。80%的水煤漿(濃度為67%)和純氧(純度為95%)混合后噴入氣化爐第1段,在第1段除對稱布置2個水煤漿噴嘴外,在第1段的頂部還有一個從除塵器回來的飛灰再循環噴嘴。第1段的氣化溫度為1 371~1 427 ℃,氣化壓力為2.76 MPa。經過第1段反應產生的粗煤氣進入第2段氣化區。第2段氣化是一個垂直的內設耐火磚的壓力容器,20%的水煤漿從第2段噴嘴噴入,與粗煤氣混合併發生蒸餾、裂解和氣化反應,使粗煤氣的熱值進一步增加,而溫度降低。在氣化爐頂部的出口,煤氣溫度約為1 038 ℃,故只需要設置對流式煤氣冷卻器。Wabash River IGCC電站安裝了2台100%負荷的氣化爐,1台運行,1台備用,煤氣冷卻器只有1套。該電廠的煤氣冷卻器之前有1根與氣化爐高度相當的導流圓筒,垂直布置,內設耐火材料。從導流筒出來的煤氣進入對流式煤氣冷卻器,熱煤氣在管內流動,水在管外流動,產生11.03 MPa壓力的飽和蒸汽,流量約90.7~113.4 kg/h,這部分蒸汽再進入餘熱鍋爐過熱。煤氣被冷卻到371 ℃,然後進入煤氣除塵和脫硫系統。該電廠的煤氣冷卻器直徑約3 m。

Destec煤氣化工藝的水煤漿製備和黑水處理系統與Texaco工藝基本相似。
2.2 Destec煤氣化工藝的性能和技術經濟指標分析

(1)截止1997年底,在Wabash River電廠也已累計運行4 656 h,氣化了469 220 t煤,氣化爐的最大負荷可達到100%~103%,氣化爐最長連續運行小時數可達到362 h,冷煤氣效率可達到71%~74%。氣化爐的可用率1996年為84%,1997年達到98%,1998年也達到96%。當然,這是當氣化爐1台運行,1台備用情況下的數據,單台運行時,尚不能達到如此高的可用率。氣化爐的噴嘴壽命一般為2~3個月,耐火磚壽命一般為2~3 a,2段耐火磚壽命更長。

(2)Destec氣化爐採用2段氣化,提高了煤氣的熱值,降低了氧耗,並使煤氣的出口溫度降低,省去了龐大而昂貴的輻射廢熱鍋爐,使氣化爐的造價降低。而煤氣熱值的提高,也有利於提高IGCC電站的總效率。Desetc氣化爐的煤氣在標準狀態下熱值約10 425.5 kJ/m3,而Texaco煤氣熱值一般為8 563.8 kJ/m3

(3)採用的火管式對流冷卻器造價和安裝費用較低,檢修和清洗方便。

(4)Destec氣化爐採用壓力螺旋式連續排渣系統,泄壓和碎渣設備的造價較低。
2.3 Wabash River IGCC電站中Destec氣化爐曾出現過的主要問題及解決辦法

(1)曾出現過2次連續排渣口堵塞現象。這是由於水煤漿中的粗大顆粒較多,使水煤漿供給波動,導致氣化不穩定而堵塞。解決的辦法:嚴格執行運行操作規程,控制水煤漿質量,保證氣化過程穩定。

(2)煤氣冷卻器入口管道的灰渣沉積,限制了機組運行時間。主要措施是改進了對流冷卻器前煤氣管道的尺寸、形狀,使煤氣流速提高,減輕管道中大塊沉積物的形成,從而避免了這些大塊沉積物隨氣流進入煤氣冷卻器,並嚴格控制氣化爐操作溫度。為了更保險,在煤氣冷卻器入口管道上裝有濾網,防止有較大的沉積物進入煤氣冷卻器。

3 Shell煤氣化工藝
3.1 Shell煤氣化工藝的結構特點

(1)煤粉製備和送料系統。Shell煤氣化工藝採用干煤粉進料系統。原煤的乾燥和磨煤系統與常規電站基本相同,但送料系統是高壓的N2氣濃相輸送。與水煤漿不同,整個系統必須採取防爆措施。經預破碎後進入煤的乾燥系統,使煤中的水分小於2%,然後進入磨煤機中被製成煤粉。對煙煤,煤粉細度R90一般為20%~30%,磨煤機是在常壓下運行,製成粉後用N2氣送入煤粉倉中。然後進入2級加壓鎖斗系統。再用高壓N2氣,以較高的固氣比將煤粉送至4個氣化爐噴嘴,煤粉在噴嘴裡與氧氣(95%純度)混合併與蒸汽一起進入氣化爐反應。

(2)氣化爐。由對稱布置的4個燃燒器噴入的煤粉、氧氣和蒸汽的混合物,在氣化爐內迅速發生氣化反應,氣化爐溫度維持在1 400~1 600 ℃,這個溫度使煤中的碳所含的灰分熔化並滴到氣化爐底部,經淬冷后,變成一種玻璃態不可浸出的渣排出。

粗煤氣隨氣流上升到氣化爐出口,經過一個過渡段,用除塵后的低溫粗煤氣(150 ℃左右)使高溫熱煤氣急冷到900 ℃,然後進入對流式煤氣冷卻器。在有一定傾角的過渡段中,由於熱煤氣被驟冷,所含的大部分熔融態灰渣凝固后落入氣化爐底部。

Shell氣化爐的壓力殼內布置垂直管膜式水冷壁,產生4.0 MPa的中壓蒸汽。向火側有一層很薄的耐火塗層,當熔融態渣在上面流動時,起到保護水冷壁的作用。Demkolec IGCC電站的氣化爐直徑約5~6 m,高約50多m,標高達到60多m。氣化爐的運行壓力約2.6~2.8 MPa。

(3)煤氣冷卻器。粗熱煤氣在煤氣冷卻器中被進一步冷卻到250 ℃左右。低溫冷卻段產生4.0 MPa的中壓蒸汽,這部分蒸汽與氣化爐產生的中壓蒸汽混合后,再與汽輪機高壓缸排汽一起再熱成中壓再熱蒸汽。高溫冷卻段產生13 MPa的高壓蒸汽,它與餘熱鍋爐里的高壓蒸汽一起過熱成主蒸汽。

Demkolec電廠的煤氣冷卻器直徑約4 m,高約64 m,冷卻器頂部標高約74.5 m,是氣化島的最高點。冷卻器的壓力外殼裡布置有8層螺旋管圈,上下共分成5段,熱煤氣由上而下在螺旋管外流動與螺旋管內的水換熱。每一層螺旋管圈都有一個氣動錘振打清除積灰。

由於Shell氣化爐組成的IGCC系統採用的是干法除塵,所以,它的黑水和灰水處理系統相對比較簡單,但其主要的流程與Texaco相似,在此不再贅述。
3.2 Shell煤氣化工藝的性能及技術經濟指標分析

(1)Shell氣化爐的煤氣中CO和H2含量遠大於Texaco煤氣,而CO2和H2O卻遠小於Texaco煤氣。由於可燃氣成分較高,其冷煤氣效率較高(約80%~83%),組成的IGCC電站發電效率也較高(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(41% LHV)。

(2)由於煤氣中水分含量較少(2.0%),Shell氣化爐組成的IGCC因常溫凈化而損失的熱煤氣能量較小,而水煤漿進料的煤氣中一般都含有16.8%左右的水分,那麼當熱煤氣冷卻到常溫時,必然損失大量的顯熱和潛熱。水煤漿進料氣化工藝對高溫凈化的需求更迫切。

(3)Shell氣化爐的噴嘴和水冷壁壽命較長,在Demkolec電站累計運行10 000 h以上未見損壞,氣化爐的可用率已達到95%。

(4)由於採用干法進料,氣化過程的氧耗比水煤漿進料少,煤氣中的CO2含量也遠小於水煤漿進料的煤氣。對於相同容量的氣化爐,Shell氣化所需的空分站可小於15%~25%。

(5)採用干灰再循環,提高了碳的轉化率(可達到99%)。

(6)干法進料系統與水煤漿相比要複雜得多,操作和保護也要嚴格得多。進料系統的防爆和防泄漏問題十分關鍵。進料系統的佔地和造價比水煤漿大。此外,干法進料系統的粉塵排放遠大於水煤漿進料系統。

(7)由於Shell氣化爐採用4個(或更多)噴嘴運行,易於在低負荷和高負荷下運行,操作的靈活性大,實現大型化的可能性大。據介紹,Shell氣化爐的最低負荷可達到25%,即一個噴嘴運行。

(8)Shell氣化爐運行過程中最重要的控制參數如下:氣化爐出口溫度;合成氣冷卻器進口溫度;煤氣成分;蒸汽的參數(流量、溫度、壓力);爐渣的排出量及外觀狀況。

(9)氣化爐的變負荷率每分鐘大於5%,IGCC的變負荷率每分鐘接近3%。
3.3 Demkolec IGCC電站中shell氣化爐曾出現過的問題及解決辦法

在Demkolec電站運行中,Shell氣化爐及其輔助系統的運行基本正常,可用率也較高。在運行初期出現過以下問題:(1)排渣的鎖斗堵塞;(2)細微爐渣影響黑水處理系統。上述2個與氣化工藝有關問題的原因及解決辦法與前文相同,在此不再贅述。

4 Prenflo煤氣化工藝
4.1 Prenflo 氣化工藝的結構特點

(1)制粉和輸送系統。與Shell煤氣化工藝的進料系統相似,Prenflo氣化工藝也採用干法進料系統。對制粉系統的要求是:對煙煤的煤粉細度R100為25%,且含水量小於2%(Wt);對於褐煤要求煤粉細度R100為25%,且含水量小於6%(Wt)。

(2)氣化爐和煤氣冷卻器。Prenflo煤氣化爐有4個燃燒器,對稱布置,從給料系統送來的煤粉與氧氣(85%純度)和水蒸汽一起噴入汽化爐反應區進行反應,反應區的溫度1 500 ℃左右,焰心的溫度高達2 000 ℃。煤氣中不含過高的碳氫化合物、焦油和酚。反應器區域的爐襯通過水冷壁來冷卻,同時可產生高壓飽和蒸汽,它與餘熱鍋爐的高壓蒸汽相連。

從氣化反應區排出的液態渣,在集渣器的水槽中冷卻並用碎渣機破碎大渣,經過閘門式鎖斗排出,並與水分離,渣被送入渣場或銷售,水可循環使用。粗煤氣在下部的反應區里形成後向上流動,在進入氣化爐上部的煤氣冷卻器之前,採用除塵后的冷煤氣對熱煤氣進行急冷,目的是迫使熱煤氣帶來的熔融態灰渣凝固而落入氣化爐底部排渣口。被急冷的煤氣繼續上升進入第1級煤氣冷卻器,煤氣先從冷卻器的中心圓筒上升至氣化爐頂部,然後折轉向下,從中心圓筒與爐壁間的環形對流冷卻區域從第1級冷卻器的底部(即氣化爐的腰部)離開進入第2級對流冷卻器,第1級冷卻器的環形冷卻區布置有4層螺旋管換熱器,熱煤氣在管外流動,水在管內流動,併產生高壓飽和蒸汽。這是Prenflo與Shell氣化爐的不同之處。

第2級冷卻器的結構與Shell氣化工藝的對流冷卻器相似。內部也是布置多層的螺旋盤管換熱管束,西班牙Puertollano IGCC電站中的Prenflo爐第2級對流冷卻器螺旋盤管共6層,上下共分3組,熱煤氣經過第2級冷卻器后,一般被冷卻到250 ℃左右,同時也能產生飽和蒸汽。

(3)除塵和飛灰再循環系統。冷卻后的粗煤氣經一級乾式除塵器(陶資過濾器或旋風分離器使大部分飛灰被收集,經鎖斗,用N2送回氣化爐,以提高碳的轉化率。粗煤氣再經一級水洗滌器使煤氣中的灰塵含量小於1 mg/m3,然後進入脫硫系統。
4.2 Prenflo氣化工藝的性能及技術經濟指標分析

(1)冷煤氣效率可達到80%~83%,氣化爐的總效率可達到95%。對美國Pittsburgh 8號煤的試驗結果證明85%純度的氧氣做為氣化劑,煤氣的熱值、碳轉化率、冷煤氣效率、總效率與95%純度的氧氣氣化相比相差不大。因此,Prenflo爐採用85%的純度的氧氣做為氣化劑。Prenflo氣化爐在小試驗台可達到每分鐘2%~15%的變負荷率,而此時煤氣中的CO2以及煤氣壓力幾乎不變。由於也採用4個燃燒器,當50%負荷時,只用2個燃燒器可以很容易地操作。

(2)西班牙Puertollano IGCC電站中Prnflo爐的運行情況。1998年初開始用煤氣發電,迄今累計運行198 h,最長連續運行時間為25 h,此時的負荷為80%。氣化爐在75%負荷下曾運行了40 h。截止1998年9月氣化爐乃至整個IGCC電廠沒有在100%負荷運行的記錄。50%煤和50%石油焦混燒時的試驗表明實際運行數據與設計值非常接近。1998年7~8月機組大修,主要檢修Siemens的燃氣輪機。目前機組已重新啟動。
4.3 在Puertollano電站中Prenflo氣化爐曾出現過的主要問題及解決辦法

(1)壓力供料鎖斗下粉不暢。在2級鎖斗間有一根迴流N2的管,由於管徑設計太小,使N2排氣不暢而導致煤粉下落不連續。解決的辦法是在迴流管上增加了一個文丘利抽氣器,以提高N2迴流的速度,從而使排氣暢通,煤粉下落連續而均勻。

(2)黑水和灰水處理系統的細渣過濾問題。與Demkolec和Tampa電站的問題類似,Puertollano IGCC電站的氣化島也出現過因細渣太多,而導致黑水含渣量大,造成黑水系統磨損堵塞的問題,解決的辦法也是採取過濾的辦法將黑水中的細渣除去,即可解決此類問題。

5 4種氣化爐的綜合比較

4種氣化爐技術特點的綜合比較見表1。

表1
4種氣化爐的技術特點比較

技 術 項 目 Texaco Destec/Dynergy Shell Prenflo 進料方式 濕法/水煤漿 濕法/水煤漿 干法/煤粉 干法/煤粉 反應器形式 噴流床 噴流床 噴流床 噴流床 氧氣純度/% 95

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