清潔能源Clean Energy第25卷第12期電網與清潔能源Vo.25No.122009年12月Power system and Clean energyDec.2009文章編號:1674-3814(2009)12-0070-05中圖分類號:TM611文獻標志碼:A采用GSP氣化技術的Gcc電站嚴二敏,嚴行健2(1.東亞電力管理咨詢(南京)有限公司,南京210008;2.江蘇省電機工程學會,南京210024)IGCC Power Plant Using GSP Gasification TechnologyYAN Er-min, Yan Xing-jian'(1. East Asia Power Management Consulting(Nanjing) Co, Ltd, Nanjing 210008, Jiangsu Province, China2. Jiangsu Society of Electrical Engineering, Nanjing 210024, Jiangsu Province, China)ABSTRACT: Coal gasification technology, equipment and tech-1900944kN·m3/a。該合成氣為南京IGCC電站和該nical characteristics and economical benefit and its application in化工園醋酸、精細化工、染料等產業(yè)提供生產燃料和IGCC power plants were analysed comprehensively for wet and dry原料,順應了南京化工園區(qū)經濟發(fā)展的需求coal gasification technology by research and study, with the Nanjingnemical Industry Park petrochemical enterprises, It is suita1國外GCC電站的煤氣化工藝主要choose GSP dry gas technology in Nanjing Chemical Industry ParkKEY WORDS: IGCC power station; coal gasification techne特點logy: GsP gasification technology摘要:通過調研、考察,綜合分析了濕法和干法兩種煤氣化工1.1國外GCC電站發(fā)展概況藝、設備技術特點和經濟效益及在IGCC電站的應用情況,結IGCC潔凈煤發(fā)電技術自20世紀70年代初期研合南京化工園的石化企業(yè)實際,認為選擇采用SP干法煤氣發(fā)開始,至今已有30多年歷史。由于技術復雜,特別化技術在南京化工園內GCC電站應用是合適的。是建廠投資居高不下,致使至今正式投入商業(yè)運營的純發(fā)電的煤基IGCC電站為數不多。“正式投入商關鍵詞:IGCC電站;煤氣化技術;GSP氣化技術業(yè)性示范運行的純發(fā)電的煤基IGCC電站只有4座它們是: Wabash River igcc電站(美國),Tapa0引言IGCC電站(美國), Buggemun igcc電站(荷蘭)和Puertollano Igcc電站(西班牙)”2國內首座采用GSP干法煤氣化技術的IGCC電站與此同時,IGCC發(fā)電技術卻在石化企業(yè)中找到擬于2010年在南京開工建設,將由南京蘭天燃氣熱了技術與經濟的有效結合點,這就是在20世紀90年代電有限公司在南京化學工業(yè)園投資建成。工程為熱興起的以煤氣化技術為核心的多聯(lián)產能源系統(tǒng)的建電聯(lián)供,“本期建設1套200-230MW(1×150-170MW立。因為石化企業(yè)中本來就必須設置以氧氣為氣化劑等級燃機+1×50-60Mw蒸汽輪機)燃氣-蒸汽聯(lián)合循的煤(或渣油及石油焦)氣化裝置和煤氣凈化系統(tǒng),及環(huán)機組,規(guī)劃按2套200-230MW(2×150MW-170MW合成氣后續(xù)產品,如一氧化碳、氫氣等可作為某些石等級燃機+2臺余熱鍋爐+2×50-60Mw蒸汽輪機)化產品(醋酸、甲醇等)的主要原料;高硫渣油、瀝青或機組考慮。南京lGCC電廠以煤炭作為制備合成石油焦是廉價燃料。企業(yè)本身需要耗用大量的電能和氣的原料,采用CSP干法氣化技術,年產合成氣能力蒸汽,因而煤基中國煤化工中的應用必然會帶來規(guī)模CNMH③經濟效益基金項目:清潔能源產業(yè)發(fā)展基金(HB02501)。得到提高,同時能改善環(huán)保質量?！白?995年以來這種清潔能源Clean Energy第25卷第12期電網與清潔能源71以煤氣化為核心的多聯(lián)產能源系統(tǒng)已經投運了近20H2、CO2、H2O、CH4、H2S和N2,此外,還有少量的NH3套,其中以意大利的ISAB、 Salux/enron和 API Energia COS、HCN和飛灰。由于采用水煤漿進料,煤氣中的項目最具威名,它們的lGCC的發(fā)電功率分別為水蒸汽含量較高。512MW、50MW與280MW,發(fā)電容量比前述4座純氣化爐內設耐火磚(一般為4層),內徑約40m粹以發(fā)電為目標的煤基lGCC電站還要大”。又如高約30m。氣化反應的速度很快,粗煤氣在氣化爐¨1997年投運的美國 Eastman Chemical co.項目在生內的停留時間一般為2~3s。熱煤氣離開氣化爐進入產甲醇的同時,還兼發(fā)350MW的電,在備用1臺氣化特殊設計的輻射式冷卻器,使熱煤氣的溫度降低至爐的前提下,使全廠的運行可用率高達98%”,更證明700℃,同時使熱煤氣中的溶融態(tài)渣凝固。冷卻后的了在石化企業(yè)中GCC多聯(lián)產系統(tǒng)的高度可靠性和商粗煤氣進入對流式冷卻器中被進一步冷卻到業(yè)化前景480℃。煤氣中的顯熱在冷卻器中得到回收,產生1.2國外煤氣化工藝特點10.4MPa的高壓飽和蒸汽。氣化爐與輻射式冷卻器當前,國內外的IGCC電站采用兩大類煤氣化工做成一體,外徑約5m,高約39m,總重約900t,氣化藝:一類是以 Texa co(本文簡稱Te)和 Detec(本文簡爐安裝標高約10675m。稱De)為代表的濕法煤氣化工藝;另一類是以Shlt3)排渣和黑水處理系統(tǒng)。主要設備:壓力鎖斗(本文簡稱Sh)和GSP為代表的干法煤氣化工藝,各器、壓力鎖斗閥門、粗渣槽、洗滌器、渣泵、水泵、沉具不同的工藝特性渣槽、循環(huán)泵、壓濾機。1.2.1濕法煤氣化工藝主要工藝流程和參數:氣化爐內的熔渣經輻射Te和De為代表的濕法氣化典型工藝結構、性式冷卻器冷卻凝固成玻璃狀的渣,進入充滿水的鎖能、運行主要參數如下。斗系統(tǒng),鎖斗上下部各有2級壓力鎖斗閥門控制渣1)制漿系統(tǒng)。主要設備:輸煤機、水泵、煤漿磨進亼和排出。從壓力鎖斗排岀的渣落入粗渣槽中機、分離筒形篩子、循環(huán)槽、攪拌器、隔膜泵、流粗渣被分離岀來,進一步處理或直接銷售。細渣和量計水一起被泵抽入一個細灰沉降槽中進行重力沉降主要工藝流程和參數:按規(guī)定的制漿濃度將或過濾,使水和細渣分離。從洗滌器出來的含灰的定比例的煤和水輸送到煤漿磨煤機硏磨,磨制成濃水也進入沉渣槽中,使含碳的飛灰與水分離,從沉度通常為60%至69%的水煤漿。對制漿有困難和灰渣槽中溢流出來的水一般含非常少量的細灰,它被熔點較高的煤,在制漿過程適量加亼石灰石助熔劑再循環(huán)至水洗滌器入口作為洗滌器用水,多余的水或者煤漿添加劑,降低煤的灰熔點或改善制漿工送回煤漿制備系統(tǒng)。從沉渣槽底部流岀的細灰進λ藝。在煤漿磨機出口裝有分離筒形篩子進行篩選個壓濾機中,將細灰制成細灰餅。電站采用將細不合格的煤漿溢流到循環(huán)槽中,送回煤漿磨杋中重灰再循環(huán)至煤漿磨的工藝,日的是為了提髙碳的轉新硏磨,合格的煤漿流入到儲罐中進行攪拌,按工化率。藝要求,加入適當水,保持煤漿達到工藝要求濃度。1.2.2干法煤氣化工藝濃度配比合格的煤漿,由隔膜泵加壓后送入氣化爐Sh和GSP為代表的干法氣化典型工藝結構、性噴筒進行氣化。送入氣化爐噴嘴之前計量器嚴格控能、運行、主要參數如下。制入爐煤漿,以達到充分氣化的目的。1)制粉系統(tǒng)。主要設備:輸煤機、破碎機、干燥2)氣化和冷卻系統(tǒng)。主要設備:氣化爐、煤漿噴機、磨煤機、N氣相輸送倉泵、煤倉、壓力鎖斗器。嘴、氧氣噴嘴或同體雙管單噴嘴、輻射式冷卻器、流主要工藝流程和參數:干法煤氣化工藝采用干式冷卻器。煤粉進料系統(tǒng)。原煤的干燥和磨制系統(tǒng)與常規(guī)電站主要工藝流程和參數:水煤漿和95%純度的氧基本相同,但送料系統(tǒng)是高壓的N氣相倉泵輸送。整氣被同時送入氣化爐噴嘴,在氣化爐內進行氣化反個系統(tǒng)必須采取防爆措施。煤經預破碎后進人干燥應,反應區(qū)的溫度一般在1200~1500℃,氣化爐的系統(tǒng),使煤中的中國煤化工煤機中被壓力根據不同行業(yè)的需要可以是25~8.5MPa。水、制成煤粉。對煙CNMHG30%,磨煤煤和氧氣在氣化爐中發(fā)生氣化反應,主要生成CO、機是在常壓下運行,制成粉后用N2氣泵送入煤粉倉清潔能源Clean Energy72嚴二敏等:采用GSP氣化技術的IGCC電站Vol 25 No 12中,然后進入2級加壓鎖斗系統(tǒng),再用高壓N2氣泵,以H2含量遠大于濕法,而CO2和H2O卻遠小于濕法;設備較高的固氣比將煤粉送至4個氣化爐噴嘴,煤粉在壽命較長,可用率也較高。主要不足是供煤系統(tǒng)需要噴嘴里與氧氣(95%純度)混合并與蒸汽一起進入氣干燥,設備要求有防爆措施,故造價相應高一些?；癄t反應2)氣化和冷卻系統(tǒng)。主要設備:氣化爐、混后噴2南京GCC電站煤氣化工藝的選擇嘴、除塵器、對流式冷卻器、氣動錘和特點主要工藝流程和參數:由對稱布置的4個燃燒器噴人的煤粉、氧氣和蒸汽的混合物,在氣化爐內迅速南京lGCC電站項目組織一批資深專家,結合南發(fā)生氣化反應,氣化爐溫度維持在1400-1600℃,這京化工園石化企業(yè)現狀和將來發(fā)展實際情況,對國個溫度使煤中的碳所含的灰分熔化,變成一種玻璃態(tài)外lGCC電站工藝情況進行收集、了解、考察、咨詢不可浸出的渣排出評估、評審,確定南京IGCC電站采用GSP氣化工藝及粗煤氣隨氣流上升到氣化爐出口,經過一個過渡相關設備。GSP氣化工藝不僅具有以上所述干法優(yōu)段,用除塵后的低溫粗煤氣(150℃左右)使高溫熱煤點外,還有燃燒前捕碳優(yōu)于其他氣化工藝的近零排氣急冷到900℃,然后進入對流式煤氣冷卻器。經驟放和節(jié)能特點。冷,所含的大部分熔融態(tài)灰渣凝固后落入氣化爐底部。2.1設備和工藝GSP氣化參數氣化爐的壓力殼內布置垂直管膜式水冷壁,產生南京化工園內現有各類石化企業(yè)100多家,還40MPa的中壓蒸汽。氣化爐直徑5-6m,高約50多m,標將建設多個大型聯(lián)合石化企業(yè)。這些企業(yè)對合成氣高達到60多m。氣化爐的運行壓力26-28MPa和供熱需求量很大,非常適合建立IGCC電站。IGCC粗熱煤氣在煤氣冷卻器中被進一步冷卻到電站成敗關鍵取決于氣化工藝的優(yōu)劣。該電站組織250℃左右。低溫冷卻段產生40MPa的中壓蒸汽,國內資深專家對lGCC電站氣化工藝進行專題研究與氣化爐產生的中壓蒸汽混合后,再與汽輪機高壓科學慎重分析、論證、評估,確定采用德國未來能源缸排汽一起再熱成中壓再熱蒸汽。高溫冷卻段產生公司的GSP氣化工藝。GSP氣化工藝的主要設備技13MPa的高壓蒸汽,它與余熱鍋爐里的高壓蒸汽術、工藝參數和Te、Sh比較見表1。起過熱成主蒸汽2.2工藝選擇理由和其特點煤氣冷卻器直徑約4m,高約64m,冷卻器頂部標GSP氣化工藝流程框圖見圖1,其氣化技術先高約74.5m。冷卻器的壓力外殼里布置有若干層螺旋進性和節(jié)能效果主要表現在管圈,每層螺旋管圈都有一個氣動錘振打清除積灰。由于采用的是干法除塵,所以,它的黑水和灰煤一桿燥磨粉于煤粉一密相輸送水處理系統(tǒng)相對比較簡單,在此不再贅述。1.3濕法和干法煤氣化工藝特點燃料氣無論是濕法,還是干法煤氣化工藝,其本質都中壓蒸汽一氣化爐是采用加壓噴流床煤氣化工藝基本原理,但兩者又各自有自己的特征。1.3.1濕法工藝主要特點合成氣進料系統(tǒng)簡單、安全可靠、操作靈活、無灰塵排放;氣化爐結構簡單、投資較少、運行經驗較為豐排污細渣粗渣疏回權→硫磺富。其主要問題是排渣容易堵塞,黑水和灰水系統(tǒng)圖1GSP氣化工藝流程框圖的設備易磨損;高溫對各類設備腐蝕造成泄漏,碳1)通過20多年對130 MW IGCO電站工業(yè)化裝置轉化率較低,熱回收系統(tǒng)復雜,耗氧氣量大,總體效的運轉考核,積累了豐富的操作經驗,技術相當率還有待提高。以上不足正在進一步改善成熟。中國煤化工1.3.2干法工藝主要特點2)煤粉經CNMHG性好,氣化最大優(yōu)點是總體效率較高,由于氣體爐中CO和爐操作穩(wěn)定。清潔能源Clean Energy第25卷第12期電網與清潔能源73表1三種煤氣化工藝設備參數的比較9)GSP的合成氣有效成分CO+H2含量比國內現項目用的 Texco裝置高10%左右(見表1),有利于后續(xù)工氣化壓力MP3.0~6.53.0~4.02,0~4.0序的傳熱、傳質,有利于減少阻力,降低電耗、熱耗氣化溫度r℃130014003001410和物料損耗。COH2比例高,CO和H2分離方便,更適合制備羰基化氣單爐最大能力/(t·d500-200000-20002000氣化爐型式熱壁式,單噴嘴冷警護,單壁護10)熱回收、綜合利用、凈化系統(tǒng)等都有獨特優(yōu)勢。進煤方式水煤漿濃度>干煤粉,N2干煤粉60%,泵送輸送N輸送2.3獨特節(jié)能效果熱回收方式激冷激冷GSP氣化技術不僅擁有先進的工藝設備和自控排渣液態(tài)液態(tài)裝置,以及20多年工業(yè)化運行和安全連續(xù)運行的經有效成份(CO+H2)/%94.594.5驗,更具有獨特的節(jié)能效果。1.8541.8541)本項目合成氣綜合能耗為14760MJ/(kN·m)碳轉化率/%980(見表2)。通過3家煤氣化裝置的比較(見表1、3)冷煤氣效率%70及各種粉煤氣化爐的能耗比較(見表4),可以認煤耗比為,其能耗已達到當前國際先進水平。按照煤熱值氧耗比l.15計算,熱效率達到98%,符合《石油化工廠合理利用投資比能源設計導則》(SH3003-2000)大型工業(yè)爐(1000×我國引進裝置數104 kcal/h(lcal=41855J)以上)最低熱效率大于1984198786%的要求。注:因進行修正,該表數據與原始資料略有差異。表2GSP合成氣綜合能耗(以1kN·m葉計)3)干煤粉氣化,可以最大限度減少氧氣用量能耗項目消耗定額單位折算值MJ能耗/MJ提高爐膛溫度,從而提高冷煤氣效率、熱效率和碳232501370123轉化率(見表1),因而比我國已引進的 Texco工藝煤氧氣(996%)(N·m3)31589001983.79耗低1%~3%,氧耗低15%。密封水/t0.151514.594)GSP氣化爐上段使用耐磨高溫復合襯里層及6.10水冷壁結構,用以渣抗渣的方式,降低了高壓熔渣鍋爐給水/t412.89侵蝕爐壁的危險性,從而賦予氣化爐更長的使用周中壓蒸汽(67MPa)t0.03523690129.89電量(3806000V)/(kW·h)57.8593ll.84685,05期和更高的開工系數,減少開停車的損失,并且降儀表空氣/(Nm3)4.5451低維護費用。氮氣/(Nm3)113.62785)GSP爐下段采用激冷技術,其流程簡單,全低壓蒸汽1.0MPa/t0.4717部回收好,充分利用飽和蒸汽,減少排污量低壓蒸汽04MPa/t-0.525127601449.286)GSP氣化爐底部采用破渣機-渣閥-鎖渣罐方合計14760.34式,對爐渣起到儲存和排放作用的同時,且能起到2)和我國已有的多臺Texo爐相比,GSP碳轉化爐體密封、防止粗合成氣泄漏損失等作用,并防止率高1%~3%,氧耗低15%。在相同規(guī)模的生產裝置污染、中毒、著火等事故。中節(jié)約總費用占年銷售收入的4.7%,節(jié)能效益十分采用較高水平的自動控制技術和多套聯(lián)鎖可觀。系統(tǒng),使GSP氣化能夠安全連續(xù)穩(wěn)定運轉,成為GSP3)GSP合成氣的有效成分(CO+H2)達到90%以氣化技術取得節(jié)能效果的重要基礎。上,比 Texco合成氣高10%,有利于降低氣體輸送量,8)單爐日產能力大(2000td),純氧氣化溫度使后續(xù)工序減少熱耗、電耗和物耗高(1400~1700℃),采用激冷流程和水冷壁結構4)GSP合中國煤化工表1),較為從而使(SP可適應1%-40%灰分的各種煤種,進一適合制取高濃度CNMHGOXO合成步提高了煤氣化裝置的經濟性。氣,配合醋酸、氨基甲酸酯、聚碳酸酯等化工原料的清潔能源Clean Energy74嚴二敏等:采用GSP氣化技術的IGCC電站Vol 25 No 12表3相同規(guī)模煤氣化爐全年能耗比較日—年Shell單位折算能耗/GJ能耗/GJ年耗能耗/G原料煤024×104226500116.7×10427132750104.2×1042422650023250氧氣(99.6%)(Nm3)4.607×105.417×103401876電量/(kW·h)79.5×1058,4×10691456128.57×10152226911.8404MPa中壓蒸汽116×1045MPa副產蒸汽18.7×10452734050365200.5MPa副產蒸汽912780-8.6×102237876-1728×1042766爐給水71×10227.3×10l12718206×10850544412.90265594163057327693504產氣量(CO+H2)/(N·m3)4.13×1014.33×10-14.6×10表4粉煤制1000Nm370%CO+H2)半水煤氣的能耗比較的實際情況;該項目適用煤種廣,合成氣有效成分沸騰層氣流床魯奇爐高,折射出該項目還有潛在的節(jié)能效益、后續(xù)工序干煤粉kg5371540453的節(jié)能效益和社會性的節(jié)能效益。該項目在南京化蒸汽kg7園的實施,使IGCC電站技術在石化企業(yè)找到了技氧氣/(N·m)術與經濟的有效結合點,充分顯示該技術旺盛的生命和顯著的經濟效益,是值得推廣的一項先進的利新鮮水0.941國利民的技術。循環(huán)水10.612.13回收蒸汽/k750參考文獻生產,也有利于氫分離裝置降低物耗和能耗1南京高寶合成氣有限公司南京GC電站合成氣項目可5)GSP裝置適合灰分1%-40%的各種粉煤,可用行報告R南京:南京高寶合成氣有限公司,2007的煤種比 Texco裝置更廣泛,為我國氣化裝置利用煙21焦樹建對我國發(fā)展C0電站途徑的探討燃氣輪機發(fā)煤、無煙煤、褐煤、石油焦等多種原料和高灰分、高電技術,2007,6(1):6-14水分、高硫分、高爆裂性、高灰熔點和低化學活性的「3]南京市節(jié)能評審中心南京IGCC電站合成項目節(jié)能評審報告書R]南京:南京市節(jié)能評審中心,2007劣質煤種開拓了廣闊的市場前景,并將進一步體現4]劉本粹淺淡西北電力規(guī)劃及其定位J電網與清潔能出GSP氣化技術的經濟效益。源,2008,24(2):1-45]周小謙我國電力發(fā)展與西北電力展展電網與清潔能3結語源,2008,24(3):3-9國內首座采用GSP氣化技術的南京IGCC電站項收稿日期:2009-10-08目以煤為原料,符合目前我國“多煤、少氣、貧油”的作者簡介資源格局,符合國家的能源政策s,該項目體現“建楊二敏(1975—),男,工程碩士,工程師,從事清潔能源發(fā)電技術研究工作立基于IGCC的燃燒前捕碳的近零排放電站的未來嚴行健(1945—),男,高級工程師,從事輸變電技術研究工作。發(fā)電技術”,符合南京化工園現實和將來發(fā)展規(guī)劃(編輯馮露)中國煤化工CNMHG