2015年第2卷第1期南方能源建設勘測設計2015 Vol.2 No. 1ENERGY CONSTRUCTIONSurvey & DesignDOI: 10. 16516/j. gedi. issn2095-8676. 2015. 01. 008大型煤氣化技術在IGCC電站中的應用現(xiàn)狀韓龍'.2.3，鄧廣義’，李政”，范永春’，李偉科”(1. 浙江工業(yè)大學機械工程學院，杭州310014;2. 清華大學電氣工程學院，北京100084;3.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663)摘要:介紹了國內(nèi)外已投運燃煤IGCC電站所采用的氣化技術的基本情況及氣化爐在IGCC電站運行中獲得的主要經(jīng)驗，總結了世界上處于建設或規(guī)劃中的主要燃煤IGCC電站的基本情況和采用的氣化技術。對燃煤IGCC電站氣化技術應用現(xiàn)狀的綜述可為將來IGCC電站項目選擇煤氣化技術提供參考和借鑒。關鍵詞: IGCC電站;煤氣化;氣化爐運行中圖分類號: TM611文獻標志碼: A文章編號: 2095 -8676(2015)01-0042-04Status of Large-scale Coal Gasification Technologies in IGCC Power PlantsHAN Long'-23 . DENG Guangyi' ，LI Zheng2 , FAN Yongchun' , LI Weike'(1. College of Engineering, Zhejiang University of Technology, Hanzhou 310014, China;2. College of Electrica Engineering, Tsinghua University, Beijing 10084, China;3. Guangdong Electric Power Design Insitute Co, Ltd. of China Energy Engineering Group, Guangzhou 510663 , China)Abstract: This paper firstly introduces the basic situation for the gasification technologies used in coal fired IGCC power plants thathave been in operation and the running experiences gained by various types of gasifier. Then the paper continues to show the generalinformation of gasifiers that would be adopted by several coal fired IGCC plants which are still under construction or being planned.The work of this present paper could be a beneficial reference for the detemmination of coal gasification methods in future IGCC powerplants projects.Key words: IGCC power plants ; coal gasification; gasifier operation整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( Integrated Gasification用率以及電站效率具有關鍵的影響[(21。CombinedCycle,簡稱IGCC)是一-種新型的煤炭高為了提高供電效率、降低比投資，IGCC 電站效清潔發(fā)電技術。與常規(guī)的燃煤電站相比，ICCC適合采用大型氣流床氣化技術。大型煤氣化技術可電站具有供電效率高、污染物排放低、適合進行燃分為多種類型: (1) 按照進料方式不同，可分為水燒前捕集CO2等優(yōu)勢川，具備廣闊的應用前景。煤漿氣化和干粉煤氣化; (2) 按照氣化介質不同，圖1以水煤漿氣化技術為例給出了IGCC電站的系可分為氧氣氣化和空氣氣化; (3) 根據(jù)煤炭原料進統(tǒng)流程示意圖。在IGCC電站中，煤炭在氣化爐中人氣化爐的比例分配不同，可分為一段式氣化和兩與蒸汽、空分裝置提供的氧氣或者空氣首先發(fā)生氣段式氣化。目前GE-Texaco、Shell、 E-Gas、 Pren-化反應生成粗合成氣，粗合成氣再經(jīng)過顯熱回收.flo、MHI、TPRI、TRIG、Siemens等煤氣化技術都除塵脫硫等凈化處理，最后進入燃氣-蒸汽聯(lián)合循.有IGCC電站的應用業(yè)績。本文主要總結以上氣流環(huán)裝置發(fā)電。煤炭氣化是IGCC電站的基礎和核心床氣化技術在IGCC電站中的運行經(jīng)驗或應用情技術，氣化技術的選擇對IGCC電站的比投資、可況，為將來IGCC電站的氣化爐選型和實際運行提供參考。收稿日期: 2014-12-151已投運IGCC電站氣化爐的應用現(xiàn)狀基金項目:國家留學基金資助項目(201308440124)表1給出中國煤化工撚煤IGCC電作者簡介:韓龍(193). 男，山東淄博人，講師，博士.主要從事IGCC等先進氣能源利用系統(tǒng)的優(yōu)化研究( e-mail)puxian@zju. edu. cn。站的簡況。T....:IHCNMHGononumJggenum、 Pu-第1期韓龍，等:大型煤氣化技術在IGCC電站中的應用現(xiàn)狀43煙氣水蒸氣HRSG蒸汽輪機一0水10.合成氣_」合成氣洗酸性氣潔凈合裝置_成氣冷去_廠滌與冷卻f體脫除成氣燃氣輪機一日煤.空氣，灰渣酸性氣T飛厭CLAUS-+硫灰渣SCOT圖1 IGCC 電站系統(tǒng)流程示意圖Fig1 A Diagram of IGCC Power Plant Systemertollano 是20世紀90年代中期世界上投運的4座度從1 371 C降為704 C，在對流廢鍋中粗煤氣的典型電站，Nakoso、華能綠色煤電、Edwardsport 是溫度進-一步降到482國。Edwardsport電站則采:21世紀新投人運行的3座IGCC電站。以上7座用兩臺氣化爐，單臺耗煤量約2 328~2 600 /d,IGCC電站分別采用了GE-Texaco、 E-Gas、 Shell、兩臺氣化爐生成的合成氣分別送往兩臺容量為232Prenflo、MHI( 空氣氣化)、TPRI六種氣流床氣化MW的GE 7FB燃氣輪機發(fā)電[1]。技術。本節(jié)分別介紹以上IGCC電站氣化技術的應GE-Texaco氣化爐出現(xiàn)的主要問題及解決辦.用情況。法']: (1)排渣鎖斗堵塞。煤種變化是造成排渣鎖表1國內(nèi)外投運的典型 IGCC電站及其氣化技術斗堵塞的重要原因。保持煤種灰熔點穩(wěn)定、嚴格控Table 1 Typical IGCC Power Plants and Gasification Technologies制氣化操作溫度等運行參數(shù)、適當改造排渣設備等over the World措施可以防止排渣堵塞的發(fā)生; (2) 輻射廢鍋和對.IGCC電站國家投運年份 電站容量 氣化技術流廢鍋因高溫腐蝕發(fā)生泄漏、對流廢鍋出現(xiàn)管積灰Tampa美國250 MWGE-Texaco堵塞?？赏ㄟ^改善氣化爐運行狀況、加強檢查和吹Wabash River1995262 MWE-Gas灰等措施來解決以上問題; (3) 水煤漿噴嘴、氣化Buggenum荷蘭1994253 MWShell爐耐火磚壽命短，更換噴嘴和耐火磚降低了電站的Puertollano西 班牙1997330 MWPrenflo可用率。--般水煤漿氣化爐燃燒噴嘴的使用壽命僅Nakoso日本2007220 MW MHI( 空氣)2~3個月，每次更換噴嘴時至少要切換燒柴油3Greengen中國2012TPRI個小時，每一-年左右要全部更換一次價格昂貴的耐Edwardsport2013618 MW GE-Texaco火磚，更換時需改燒柴油2個月左右。氣化爐可用.1. 1 GE-Texaco氣化技術率較低是GE-Texaco氣化爐的固有不足。Tampa電站和Edwardsport電站都采用GE-Tex-1.2 E-Gas氣化技術aco水煤漿氣化技術。以Tampa電站為例，氣化爐Wabash River電站采用兩段式水煤漿進料的E-的基本情況和參數(shù)如下:采用1臺氣化爐，耗煤量Gas氣化爐，氣化爐的可靠性分別達到99. 4%、為2 250 Vd;氣化壓力2.8~3.0 MPa,水煤漿濃98. 8% (2012- -2013 年)。E-Gas氣化爐的基本參數(shù)度為66. 5%，氣化劑中O2純度為95%，O2 噴射壓如下。):采用兩臺氣化爐，單臺耗煤量2500 Vd,力為4.0 MPa，氣化爐冷煤氣效率約為74. 34%一用一備;水煤漿濃度60% ~63%，氣化爐壓力(HHV);氣化爐為全熱回收型，利用輻射廢鍋和2.8 MPa,氣化劑中O,純度為95%，燃用煙煤時冷對流廢鍋回收高溫粗合成氣的顯熱，輻射廢鍋產(chǎn)生煤氣效率可揭高到9ng -0101怎華爐出口粗合成中國煤化工壓力約10.4 MPa的飽和蒸汽，對流廢鍋產(chǎn)生壓力氣的溫度降YHCNMH G3價格昂貴的輻約3.2 MPa的飽和蒸汽。在輻射廢鍋中粗煤氣的溫射廢鍋，在人自民時機及鋼T土壓力為11. 13.4南方能源建設第2卷MPa的飽和蒸汽。煤氣低溫冷卻器，充分利用煤氣的顯熱，使氣化系Wabash River電站E-Gas氣化爐出現(xiàn)的主要問統(tǒng)的熱煤氣效率提高到95% [8]。題及解決辦法[5): (1) 曾出現(xiàn)連續(xù)排渣口堵塞的現(xiàn)Puertollano 電站的運行實踐證明，Prenflo 氣化象。通過嚴格執(zhí)行運行操作規(guī)程、控制水煤漿質量技術具有良好的燃料適應性，適合氣化高灰分的硬可保證氣化爐穩(wěn)定運行; (2)合成氣冷卻器人口管質煤和石油焦，并可以氣化生物質燃料，并且氣化道出現(xiàn)灰渣沉積，限制了機組運行時間。主要對策合成氣的熱值幾乎可以保持穩(wěn)定。更重要的，該是改進對流冷卻器前煤氣管道的尺寸、形狀，使煤IGCC電站運行出現(xiàn)的關停幾乎與氣化系統(tǒng)無關[8)。氣流速提高，減輕管道中大塊沉積物的形成，或者氣化系統(tǒng)出現(xiàn)過的主要問題是壓力供料鎖斗下粉不在煤氣冷卻器入口管道上裝設濾網(wǎng)，避免大塊沉積暢，主要是因為在兩級鎖斗間有一根回流N2的管物隨氣流進入煤氣冷卻器; (3) E-Gas 氣化爐同樣子，由于管徑設計太小，使N2排氣不暢而導致煤屬于水煤漿氣化技術，氣化噴嘴和爐膛耐火磚壽命粉下落不連續(xù)。通過在回流管上增加一個文丘里抽短、需要頻繁更換，氣化爐的黑水處理系統(tǒng)需要進氣器、提高N2回流的速度，可以成功使煤粉鎖斗行改進，這些問題與GE-Texaco 氣化技術相似。排氣暢通、煤粉連續(xù)而均勻地下落。1.3 Shell氣化技術1.5 MHI空氣氣化技術Buggenum電站采用1臺Shell干粉煤氣化爐，日本Nakoso電站采用MHI兩段式干粉煤空氣煤耗量2 000V/d, O,純度為9%，碳轉化率99%，氣化爐， 單爐耗煤量1 700vd。2007年9月氣化爐冷煤氣效率大于80%，氣化溫度1500 C,氣化壓點火啟動并于2010年3月完成示范運行。該氣化力2.6~2.8 MPa。氣化爐內(nèi)采用低溫無灰煤氣與技術兩級氣化結構，下部是燃燒室(第- -段)，上部熱煤氣摻混使熱煤氣降溫至900 C,以保證氣化爐是還原室(第二段)。氣化過程熔化的爐渣可以順暢出口煤氣中的灰塵為固態(tài)。由于Shell氣化爐良好地排出，并獲得較高的碳轉化率。氣化爐產(chǎn)生的合的可靠性，Buggenum 電站的整體可用率達到80% ,成煤氣含有一定數(shù)量的焦，這些焦由旋風分離器和電站連續(xù)穩(wěn)定運行時間超過2500個小時。此外，多孔過濾器捕獲，再送回氣化爐，然后轉化為合成煤Buggenum電站的Shell 氣化爐同時成功實現(xiàn)煤/生氣和爐渣。氣化過程碳轉化率高于99.8%，氣化爐的物質混合燃料的氣化，混合燃料中生物質的比重達爐渣中沒有發(fā)現(xiàn)碳和微量元素的瀝濾。氣化合成煤氣到30% [7]。中盡管含有大量的氮氣，但其熱值還是足夠的高，可Buggenum電站Shell氣化爐及其輔助系統(tǒng)的運以實現(xiàn)燃氣輪機的穩(wěn)定燃燒[+.9。總體來說，MHI 氣行基本正常，可用率較高。在氣化爐運行初期，電化爐在Nakoso電站獲得了成功，該電站的供電效率達站沒有重視氣化用煤的采購，而是從鄰近的燃煤電42. 9%，比設計值高0.9個百分點。廠直接引進。氣化煤種和燃料品質的變化導致Shell1.6 TPRI氣化技術氣化爐排渣鎖斗堵塞和黑水處理系統(tǒng)的故障，并成我國華能Greengen IGCC電站采用西安熱工研為氣化爐和電站關停的主要因素。在采取嚴格的煤究院有限公司(TPRI)的兩段式干粉煤氣化爐，氣種采購策略后，氣化爐排渣鎖斗堵塞和黑水處理系化爐耗煤量達到2 000 Vd,氣化壓力3.0 MPa,氣統(tǒng)的故障得到很好的解決[71化溫度1 300~ 1 500 C，氣化碳轉化率98%，1.4 Prenflo氣化技術99%，冷煤氣效率80% ~83%。該氣化爐的特點是Puertollano 電站采用Prenflo干粉煤氣化爐，氣在氣化爐下端的第一.反應區(qū)煤粉與O2、水蒸汽發(fā)化壓力為2.4~2.6 MPa, O, 噴射壓力為3.3 MPa,生反應，在氣化爐上部的第二反應區(qū)煤粉與水蒸氣化爐日耗煤量為2 640Vd,碳轉化率為99.3%，汽、 來自第一反應區(qū)的濕煤氣發(fā)生反應;經(jīng)循環(huán)冷冷煤氣效率78%。與Shell爐不同，Prenflo 氣化爐煤氣冷卻后， 二段反應區(qū)出口合成氣溫度大約降低氣化劑O2純度為85%，可使空分系統(tǒng)能耗節(jié)省到900 C，氣化爐廢熱鍋爐產(chǎn)生中壓蒸汽，廢熱鍋爐20%，廠用電耗率僅10. 45%，干法除塵后的飛灰出口合成氣的調產(chǎn)收為200中國煤化工8 ICCC電站再循環(huán)至氣化爐;利用氣化爐產(chǎn)生的中壓蒸汽和余的TPRI氣化模的干粉煤氣熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽對煤進行干燥加熱;增設粗YHCNMH G化爐，目前該電功儀turvjxt」阿出階段。.第1期韓龍，等:大型煤氣化技術在IGCC電站中的應用現(xiàn)狀152規(guī)劃或建設中 IGCC電站氣化爐的應用現(xiàn)狀氣化爐產(chǎn)生的合成氣除了向電網(wǎng)輸送200MW的電力，合成氣變換產(chǎn)生的約3 x10° /a的CO2氣體表2給出了世界上正處于建設或規(guī)劃中的主要(90%捕集量)將用于油田石油回收和生產(chǎn)尿素。該燃煤IGCC電站的簡況。表中3座IGCC電站分別電站多聯(lián)產(chǎn)項目脫硫率可達99%、脫汞率達95%、采用了TRIG、Siemens、MHI(氧氣氣化)氣化技CO2排放量只相當于天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠(不進行術。本節(jié)分別介紹以上三種氣化技術在IGCC電站碳捕獲)排放量的20% ~30% [121。中的應用情況。表2國內(nèi)外建設或規(guī)劃中 IGCC電站及其氣化技術2.1 TRIG 氣化技術Table 2 Planned IGCC Power Plants and the Gasification美國Mississippi州在建的Kemper County IGCCTechnologies over the World電站采用兩臺TRIG干粉煤氣化爐，氣化裝置由美IGCC電站國家規(guī)劃年份電站容量氣化技術國Southern Company和KBR公司聯(lián)合開發(fā)，為加Kemper County Energy美國 2008 582 MW TRIG壓循環(huán)流化床(輸運床)氣化技術。氣化溫度900 ~Texas Clean Energy美國2010 400 MW Siemens1 100 C，氣化壓力2MPa; Kemper County IGCCHydrogen Energy Califomia美國2009 400 MW MH( 氧氣)電站氣化爐采用空氣作為氣化劑，可避免使用造價昂貴的空分裝置;采用當?shù)氐V口褐煤為燃料，褐煤2.3 MHI氧氣氣化技術的水分含量為42% ~ 50%，灰分含量8.6% ~Hydrogen Energy California IGCC項目采用單臺17%，硫含量0.35% ~1.7%，低位熱值為2317~MHI干粉煤氧氣氣化爐112]，MHI氣化爐的特點和2 854 kcal/kg。 電站煤炭總消耗量達12 500Ud,電優(yōu)勢包括: (1)采用干煤粉供料有利于提高氣化溫站峰值發(fā)電容量達582 MW,并且將對氣化合成氣度、增大碳的轉化率、冷煤氣效率，并可以改善合進行CO2的燃燒前捕獲(捕集量65%)。該電站成氣可燃成分的組成。(2) 氣化爐內(nèi)敷設膜式水冷2013年8月實現(xiàn)第一次輔助鍋爐點火，8月28日壁，從中產(chǎn)生供給聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的蒸汽，有利于提和9月4日分別完成第-套、第二套燃氣輪機的首高氣化爐的可用率并減少維修費用。HydrogenEn-次點火試驗，2013年10月，蒸汽透平同步到電網(wǎng)。ergy Califomia IGCC項目氣化妒燃料為當?shù)孛汉蜔捲撾娬居媱?014年開始商業(yè)化試運行，目前正處油焦的混合物，消耗量達5 720 Vd。氣化合成氣一于工程建設當中部分用于制氫和發(fā)電，另一部分用于生產(chǎn)合成肥料TRIG輸運床氣化的顯著特點是高循環(huán)比率、尿素。氣化合成氣進行燃燒前CO2捕集(90%),高氣速和高固氣比，其優(yōu)點是生產(chǎn)強度高、床內(nèi)氣年捕集量達2.6x10* t,所捕集的CO2部分用于油田固混合均勻、氣固傳熱好"。TRIG氣化爐適合利石油回收，部分用作尿素生產(chǎn)的原料。Hydrogen Ener-用低成本的低階煤(高水分、高揮發(fā)分、低熱值),gy Califomia IGCC項目的發(fā)電容量最高可達300 MW,采用非液態(tài)排渣，氣化爐裝置沒有內(nèi)件(內(nèi)壁為耐尿素的總產(chǎn)量可達2208 Vd。該項目計劃于2015年開火磚)、可靠性高(無需備用爐)，氣化合成氣不含始建設，2019 年完工。焦油，既可以采用空氣氣化，又可以采用氧氣氣3結論化，氣化爐單爐處理煤量最高可達5 000 Vd。2.2 Siemens 氣化技術目前GE-Texaco、E-Gas、Shell、 Prenflo、 MHI、Texas Clean Energy Project 為典型的IGCC多聯(lián)TPRI等氣化技術都有大型IGCC電站的應用經(jīng)驗,產(chǎn)工程項目，采用兩臺Siemens SFG-500干粉煤氣氣化爐煤耗量都可以達到2 000 t/d及以上，IGCC化爐。Siemens氣化技術是單噴嘴下噴式干煤粉加電站容量達到250 MW及以上。經(jīng)過長期的運行調壓氣流床氣化技術，氣化爐燃料噴嘴位于氣化爐的試，這些氣化技術在IGCC電站中基本實現(xiàn)成功運頂部，噴嘴為組合式。由于采用干煤粉進料、盤管行。TRIG、 Siemens 以及MHI氧氣氣化技術近期有式水冷壁，Siemens氣化技術既擴大了氣化煤種的望在進行燃燒前捕隼ρ的IGCC工程中實現(xiàn)商業(yè)中國煤化工范圍，又避免了使用水煤漿氣化爐耐火磚更換帶來化試運行，CNMH G的麻煩。在Texas Clean Energy Project 中，SiemensTH.50南方能源建設第2卷5] 何宏，于蘭蘭，張棟芳聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].gineeing, 2011, 27(1): 27 -29.熱力透平，2013, 42(4): 236 -239.[9]李勇， 王建君，曹麗華，等汽輪機主蒸汽流量在線監(jiān)測方HE Hong, YU Lanlan, ZHANG Dongfang Research on Opti-法研究[J].熱力發(fā)電.2011, 40(4): 33 -36.mization of Combined Cycle Thermal Performance [J]. 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