1、國外4座大型IGCC電站的煤氣 化工藝作者:日期:國外4座大型IGCC電站的煤氣化工藝 許世森 危師讓國家電力公司熱工研究院陜西西安 710032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。它們分別采用 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則是干粉進料加壓噴流床氣化的

2、主要代表。用于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) 制漿系統。煤和水在常規的煤漿磨中被制成濃度通常是60%- 68%的水煤漿，TampaIGCC電站的水煤漿設計濃度為68%對于一些灰熔點較高的煤或者 制漿困難的煤，經常在煤漿磨中同時加入石灰石助熔劑或者煤漿添加劑，

3、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，并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 煤漿儲罐中抽取并加壓送 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%屯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 2001 500 C,氣化爐的壓力根據不同行業的

4、需要可以是 2.58.5 MPa。Tampa IGCC電站的氣化爐壓 力為2.83.0 MPa，氣化區的溫度為1 482 C。水、煤和氧氣在氣化爐中發生 氣化反應，主要生成 CO “、CQ "O CH、"S和2,此外，還有少量的NH、 COS HCN和飛灰。由于采用水煤漿進料，煤氣中的H0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23 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 C,同時使熱煤氣中的熔融態渣凝固。冷卻后的粗煤氣

5、進入對流式冷卻器中 被進一步冷卻到480 C。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，鎖斗上下部各有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

6、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，多余的水送回 煤漿制備系統。從沉渣槽底部流出的細灰進入一個壓濾機中， 將細灰制成細灰餅。Tampa電站采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、 制漿系統的廠用電較小，無煤粉爆炸危險性，制漿系統無粉塵排放。煤不必進行 干燥處理，可直接進入制漿系統。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

7、行(2.58.5 MPa)，這對一些化工過程非常必要。(2) 氣化爐采用單噴嘴運行，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，但由于局部熱負荷較高，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 由于爐內溫度較高，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 510 a。(4) 全廠的灰水可綜合利用，除去大渣和細灰的水也在制漿系統中循環使用。(5) 由于煤氣在氣化爐內的停

8、留時間短，Texaco氣化爐的碳轉化率較低，一 般在96%98%由于水煤漿的水分含量大，氣化過程的 0/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 復雜。(6) 與其它氣化爐相比，Texaco氣化爐大容量商業運行的臺數和經驗更豐 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

9、廢熱鍋爐的泄漏問題。主要原因可能是由于高溫腐 蝕，改進的方法是：采取保護措施，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) 位于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

10、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 丫形濾 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%)昆合后噴入氣化爐第1段，在第1段 除對稱布置2個水煤漿噴嘴外，在第1段的

11、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 3711 427 C,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%勺水煤漿從第2段噴嘴噴入，與粗煤氣混合并發 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 C，故只需要設置對流式煤氣冷卻器。Wabash River IGCC電站安裝了 2臺100%5荷的氣化爐，1臺運行，1臺備用，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

12、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90.7113.4 kg/h ， 這部分蒸汽再進入余熱鍋爐過熱。煤氣被冷卻到371 C,然后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制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

13、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臺運行，1臺備 用情況下的數據，單臺運行時，尚不能達到如此高的可用率。氣化爐的噴嘴壽命 一般為23個月，耐火磚壽命一般為23 a，2段耐火磚壽命更長。(2) Destec氣化爐采用2段氣化，提高了煤氣的熱值，降低了氧耗，并使煤 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，也有利于提高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/m ，而Texaco煤氣熱值一般為8 563.8 kJ/m

14、。(3) 采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氣化爐采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 WabashRiver 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。這是由于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

15、沉積物隨氣流進入煤氣冷卻器，并嚴格控制 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) 煤粉制備和送料系統。Shell煤氣化工藝采用干煤粉進料系統。原煤的 干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，整個系統必須采取防爆措施。經預破碎后進入煤的干燥系統，使煤 中的水分小于2%然后進入磨煤機中被制成煤粉。對煙煤，煤粉細度R9o般為20%- 30%磨煤機是在常壓下運行，制成粉后用 N2氣送入煤粉倉中。然后進入2 級加壓鎖斗系統。再用高壓N2氣，

16、以較高的固氣比將煤粉送至4個氣化爐噴嘴， 煤粉在噴嘴里與氧氣(95%純度)混合并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 4001 600 °C，這個溫度 使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到氣化爐底部， 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 C左右)使高溫熱煤氣急冷到900 C,然后進入對流式煤氣冷卻器。在有 一定傾角的過渡段中，由于熱煤氣被驟冷，所含的大部分熔融態灰渣凝固后落入 氣化爐底部。Shell

17、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涂層，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56 m,高約50多m標高達到 60多m 氣化爐的運行壓力約 2.62.8 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 C左右。低溫冷卻段產生4.0 MPa勺中壓蒸汽，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，它與余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

18、高約64 m冷卻器頂部標高約74.5 m是氣化島的最高點。冷卻器的壓力外殼里布置有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。由于Shell氣化爐組成的IGCC系統采用的是干法除塵，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和含量遠大于Texaco煤氣，而CO和HO卻遠小于Texaco煤氣。由于可燃氣成分較高，其冷煤氣效率較高(約80%83%),組成的IGCC電站發電效率也較高(

19、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) 由于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，那么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10000 h以上未見損壞，氣化爐的可用率已達到95%(4) 由于采用干法進料，氣化過程的氧耗比水煤漿進料少，煤氣中的 CO含 量也遠小于水煤漿進料的煤氣。

20、對于相同容量的氣化爐， Shell氣化所需的空分 站可小于15%25%(5) 采用干灰再循環，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復雜得多，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。進料系統的占地和造價比水煤漿大。此外，干法進料系統的粉塵排放遠大于水煤漿進料系統。(7) 由于Shell氣化爐采用4個(或更多)噴嘴運行，易于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

21、；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于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

22、 工藝也采用干法進料系統。對制粉系統的要求是：對煙煤的煤粉細度R。為25% 且含水量小于2%(Wt);對于褐煤要求煤粉細度 R。為25%且含水量小于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 C左右，焰心的溫度高達 2 000 C。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，它與余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并用碎渣機破碎大渣， 經過閘門式鎖斗排出，并

23、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 應區里形成后向上流動，在進入氣化爐上部的煤氣冷卻器之前， 采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，然后折轉向下，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，并產生高壓飽和蒸汽。這是Prenflo與Shell氣化爐的不同之處。第2級冷卻器的結構與S

24、hell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 C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干式除塵器(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于1 mg/m3，然后進入脫硫系統。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

25、達到95%對美國Pittsburgh 8號煤的試驗結果證明85%屯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%屯度的氧氣氣化相比相差不大。因此，Prenflo 爐采用85%勺純度的氧氣做為氣化劑。Prenflo氣化爐在小試驗臺可達到每分鐘 2% 15%勺變負荷率，而此時煤氣中的CO以及煤氣壓力幾乎不變。由于也采用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%S荷

26、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%8和50%?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78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級鎖斗間有一根回流 N的管，由于管徑設 計太小，使2排氣不暢而導致煤粉下落不連續。解決的辦法是在回流管上增加 了一個文丘利抽氣器，以提高 N回流的速度，從而使排氣暢通，煤粉下落連續 而均勻。黑水和灰水處理系統的細渣過濾問題。與

27、Demkolec和Tampa電站的問 題類似，Puertolla no 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，解決的辦法也是采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14種氣化爐的技術特點比較技術項目TexacoDestec/D yn ergyShellPrenflo進料方式濕法/水煤漿濕法/水煤漿r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/%95959585 95噴嘴/個13( +1)44噴嘴的壽命/h1 4401 440 2 160>

28、 10 000待考檢J氣化爐內襯耐火磚耐火磚水冷壁+涂 層水冷壁+涂 層內襯的壽命/a23> 10(待考 驗)> 10(待考 驗)冷煤氣效率/%71 7674 7880 8380 83碳轉化率/%96 9898> 98> 98單爐最大出力/t.d 12 200 2 4002 5002 0002 600示范電站的凈功率/MW250.0260.6253.0300.0最大容量氣化爐的最長運行時間/h> 8 860> 7 500> 10 00040示范電站最長追續運行時間/h7201 000> 324> 2 00025示范電站的氣化爐可用率/%80

29、 859095 (一開一備)95(待考驗)組成IGCC示范電站的效率/%設計值：41.6(HHV)試驗值：38.5(HHV)設計值：37.8(HHV)試驗值：38.8(HHV)43(LHV)(未公布試驗 值)45(LHV)(待試驗)組成的IGCC達到43%(LHV)效率的可能性有可能(但必須改進全熱 回收)容易達到容易達到能達到存在的冋題噴嘴、耐火磚壽命 短，全熱回收系統和 黑水處理系統尚待改 進噴嘴、耐火磚壽命短，黑水處理系統待改進黑水系統待 改進供料系統待 改進是否氣化過類似于中國IGCC電站的煤種是否是否目前IGCC電站的造價低最低較咼較咼J6結論6.1 美國的水煤漿進料氣化工藝 (Texaco和Destec)和歐洲的干法進料氣化工藝 (Shell和 Prenflo)的單爐出力都達到了 20002500 t/d等級，