IGCC电站气化系统及灰水系统优化

　第 30卷 第 3期 华电技术 Vol. 30　No. 3　 　　2008年 3月 Huadian Technology Mar. 2008　 　 IGCC电站气化系统及灰水系统优化 Op timum on the gasification and ash - water system in IGCC power p lant 俞骆 ,金向阳 YU Luo, J IN Xiang2yang (杭州华电半山发电有限公司 ,浙江 杭州 　310015) (Huadian Hangzhou Banshan Power Generation Corporation L im ited, Hangzhou 310015, China) 摘　要 :对整体式煤气联合循环发电厂气化系统和灰水系统进行了简要介绍 ,分析了半山整体式煤气联合循 环发电示范工程的气化和灰水系统工艺流程 ,着重论述了多喷嘴对置式水煤浆工艺流程、灰水处理工艺的选 择、气化参数的优选、初步净化工序和渣水处理工序。 关键词 :整体式煤气联合循环发电技术 ;气化系统 ;灰水系统 ;高效环保 ;发展前景 中图分类号 : TK 229. 8　　　文献标识码 : A　　　文章编号 : 1674 - 1951 (2008) 03 - 0040 - 04 Abstract: The gasification and ash - water system of integrated gasification combined cycle ( IGCC) power station were introduced in brief. The p rocess flows of the gasification and ash - water system in Banshan IGCC Power Plant were analyzed, the p rocess flow of opposed multi - burner coal - water slurry, the selection of ash - water treatment system, the p reference of gasification parameters, the p relim inary cleaning p rocedure and the flushing slag water treatment p rocedure were the emphases to be discussed in this paper. Key words: integrated gasification combined cycle ( IGCC) technology; gasification system; ash - water system; high efficiency and environment p rotect; development perspective 收稿日期 : 2008 - 01 - 15 1　整体式煤气化联合循环发电示范工程系统 整体式煤气化联合循环发电 (以下简称 IGCC) 是将煤炭气化和燃气 -蒸汽联合循环发电系统有机 集成的一种洁净煤发电技术。在 IGCC系统中 ,采 用原料煤作为燃料 ,经过气化炉将其转化为煤气 ,并 经除尘、脱硫等净化工艺 ,使之成为洁净的煤气供给 燃气轮机燃烧做功。燃气轮机排出的高温烟气经余 热锅炉加热给水产生过热蒸汽 ,带动蒸汽轮机发电 , 从而实现煤气化联合循环发电过程。 IGCC具有高 效、清洁、节水、适应燃料性广、易于实现多联产等 优点。 浙江半山 IGCC发电示范工程是基于“十一五 ” 国家高技术研究发展计划 ( 863计划 )《200 MW 级 IGCC关键技术研究开发与工业示范 》课题研究的 依托工程 ,该工程拟在“十一五 ”期间建成投产。 2　 IGCC系统气化岛工艺流程 IGCC系统气化岛根据流程可以划分为 7 个 单元。 (1) 气化炉单元 ,包括制浆和气化。 (2) 合成气高温冷却单元 ,包括辐射废热锅炉 和对流废热锅炉。 (3) 除尘单元。 (4) 合成气低温冷却单元 ,包括合成气显热和 其中水蒸汽潜热的回收。 (5) 脱硫单元 ,包括硫的脱出和回收。 (6) 渣水处理单元。 (7) 空分单元。 IGCC系统气化岛工艺流程如图 1所示。 　第 3期 俞骆 ,等 : IGCC电站的气化系统及灰水系统优化 ·41·　 图 1　气化岛工艺流程框图 3　多喷嘴对置式水煤浆气化技术及工艺 本文主要研究气化炉单元的工艺系统选择和参 数选择。 3. 1　工艺流程 空分来的高压氧气和煤浆槽内的煤浆经 2台煤 浆给料泵加压后分别送至气化炉的 4个工艺烧嘴 , 在气化炉燃烧室内进行部分氧化反应 ,生成的粗合 成气、熔渣及未完全反应的碳 ,沿气化炉耐火面向 下流到气化炉出口进入辐射式废热锅炉。高温的粗 煤气和液态渣进入辐射式废热锅炉后 ,通过辐射传 热将热量传递给水冷壁 ,产生高压蒸汽 ,合成气的流 速选择和结构使得熔渣在冲击到冷却面之前得 到足够的冷却 ,固化失去粘结性从而保证不污浊受 热面。在辐射式废热锅炉的底部 ,粗灰渣和部分细 灰渣被收集在水槽中 ,大块的渣被碎渣机碾碎并通 过锁斗系统排出气化炉。 工艺烧嘴在高温下工作 ,为了保护烧嘴 ,在端部 装有冷却盘管和水夹套 ,进入的冷却水连续循环流 动以冷却烧嘴 ,防止高温损坏。 从对流式废热锅炉来的煤气经过混合器、旋风 分离器、水洗塔洗涤除尘后送净化系统。水洗塔中 部含固量较低的洗涤黑水经黑水循环泵加压后分为 2路 :一路送入气化炉洗涤冷却环 ;另一路送入混合 器作为洗涤润湿水。 水洗塔底部排出的黑水 ,通过流量控制经减压 进入含渣水处理工序。含渣水处理工序再生的灰 水 ,经过蒸发热水塔预热返回水洗塔。 3. 2　灰水处理工艺选择 新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术的灰水处理 系统与 GE水煤浆气化技术相比 ,作了较大改进 ,采 取分级净化、蒸发分离、直接换热的灰水处理流程。 若采用混合器先对粗合成气中灰渣颗粒进行预先充 分润湿混合 ,使进入旋风分离器中大部分灰渣颗粒 可先期分离移出系统 ,尽量少带入后续系统。效果 比单纯文氏管好。通过水洗塔和蒸发热水塔对粗合 成气进一步洗涤除灰 ,灰水改间接换热为直接换热 , 消除换热器易结垢堵塞的问题 ,提高热传递效率 ,充 分回收能量 ,系统阻力相对较小。灰水处理后使粗 合成气进入气体脱硫净化单元 ,其成分工况见表 1。 表 1　粗合成气成分工况 洗涤塔出口粗合成气 成分 / % CH4 0. 010 0 CO2 13. 160 0 N2 0. 510 0 H2 26. 630 0 H2O 25. 190 0 CO 34. 360 0 H2 S 0. 100 0 COS 0. 010 0 AR 0. 000 0 NH3 0. 030 0 压力 /MPa ( a) 3. 43 温度 /℃ 170. 13 质量流量 / ( t·h - 1 ) 160. 82 体积流量 / (m3 ·h - 1 ) 174 298 3. 3　气化参数的优化选择 3. 3. 1　气化压力 气化技术按气化炉操作压力的不同可分为常压 气化和加压气化。由于加压气化具有生产强度高、 对燃气输配和后续化学加工具有明显的经济性等特 点 ,所以 ,近现代气化技术十分注重加压气化技术的 开发。目前 ,将气化压力在 2MPa以上的气化统称 为加压气化技术。 气化压力的提高 ,具有以下优点 : (1) 有利于体积缩小的反应的进行 ,煤气中的 CH4 和 CO含量增加 ,煤气的热值提高 ; (2) 气体比容小 ,气化炉管路系统的流通尺寸 小 ,减少了金属消耗量和投资费用。 由于燃机进气所需压力大约为 2. 5MPa ( a) ,如 果气化压力太高 ,至燃机侧的燃气还需经减压才能 　·42· 华电技术 第 30卷 　 进入燃机 ,造成能量的浪费。考虑到系统内设备和 管路的压降 :合成气高温冷却单元 (60 kPa)、除尘单 元 (110 kPa)、合成气低温冷却单元 (220 kPa)、脱硫 单元 (80 kPa)、前置模块单元 ( 630 kPa) ,浙江半山 IGCC发电示范工程气化压力采用 3. 6MPa ( a)。 3. 3. 2　气化温度 由于气流床采用高温气化 ,因此 ,提高气化温度 是增大气化反应速度、提高生产能力和改善煤气质 量的最有效的手段。若提高气化温度 ,可提高参加 反应的各种物质的高温化学活性 ,以提高碳转化率 ; 也可以通过提高气化剂中的氧浓度和气化剂温度的 办法来提高气化温度。 气化温度的提高主要受煤灰熔点的制约。对于 液态排渣气化炉来说 ,气化炉的操作温度一般都要 在灰的流动温度以上 ,这样 ,高温炉渣就会以熔融状 态排出气化炉。操作温度的提高 ,有利于灰渣的流 动 ,但炉砖侵蚀剥落程度会加快。根据有些厂家的 经验 ,当操作温度在 1 400 ℃以上每增加 20 ℃时 ,耐 火砖熔蚀速率将增加 1倍。温度偏低灰渣黏度升 高 ,渣流动不畅 ,容易堵塞渣口。只有在最佳黏度范 围内操作才能在炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护 层 ,这样 ,既延长了炉砖寿命又不堵塞渣口。液态排 渣气化最佳操作温度视灰渣的黏温特性而定 ,一般 推荐高于煤灰熔点 30 ℃～50 ℃。 根据设计煤种的煤质条件 ,气化温度的选择原 则是在气化煤种的灰渣流动温度 ( 1 260 ℃)基础上 增加约 50 ℃。经计算 ,气化炉操作温度确定为 1 311. 74 ℃。 3. 3. 3　气化系统其他主要指标 通过讨论可知 ,气化指标有气化炉操作压力、操 作温度、生产能力、粗煤气产量及组成 ,此外 ,下列 6 个主要工艺参数也用于评价煤种的气化特性。 (1) 产气率 =单位时间生产的有效气 ( CO + H2 ) /单位时间内消耗的干煤量 (m3 / kg)。 (2) 比煤耗 =单位时间内消耗的干煤量 /单位 时间生产的有效气量 (CO + H2 ) ( kg/km3 )。 (3) 比氧耗 =单位时间内消耗的氧量 /单位时 间生产的 (CO + H2 )量 (m3 /m3 )。 (4) 碳转化率 =工艺气体中碳总量 /入炉总碳 量 ×100%。 (5) 冷煤气效率 (气化效率 ) =煤气的高位热 值 /原煤的高位热值 ×100%。 (6) 气化强度 =单位时间内产生的干气量 /气 化炉燃烧室容积 [m3 / (m3 ·h) ]。 经验表明 :比煤耗越低 ,消耗的干煤量越少 ,经 济性就越高 ;比氧耗越低 ,消耗的氧量越少 ,空分系 统的容量可以减小 ,投资额度可以降低 ;碳转化率 高 ,则气化反应充分 ,气化效率就高 ;冷煤气效率高 , 则煤中的化学能更多的转化成煤气的化学能 ,有利 于提高循环系统的供电效率。 根据热平衡计算结果 ,浙江半山 IGCC发电示 范工程采用设计煤种满世煤时 ,比煤耗为 610. 079 4 kg/km3 ,比氧耗为 382. 317 1 m3 / km3 ,碳转化率为 98%。 3. 4　水煤浆制备工序 粒度为 10mm以下的碎煤 ,在控制流量的情况 下连续送入煤仓 ,在煤仓中储存可供 4 h的用量。 煤仓中的煤经煤称重给料机计量后送入磨煤机。磨 煤机中还加入煤浆添加剂 ,以稳定煤浆 ,降低煤浆粘 度。添加剂槽底部设有蒸汽盘管 ,添加剂经添加剂 给料泵送入磨煤机。制浆用水为含渣水处理工序的 冷凝液和滤液 ,由磨煤水泵送入磨煤机 ,原水作为补 充水。 煤、水、添加剂在磨煤机湿磨至所要求的粒度分 布 ,制得煤浆。磨煤机溢流煤浆经一级滚筒筛滤去 大颗粒后 ,依靠重力溢流至磨煤机出口槽 ,由磨煤机 出口槽泵送气化工序。 3. 5　气化、废热锅炉热回收及煤气初步净化工序 由磨煤机出口槽泵来的煤浆经二级滚筒筛后送 入煤浆槽。煤浆槽有一定的标高 ,提供煤浆给料泵 所需的入口压头。来自煤浆槽的煤浆 ,由 2台煤浆 给料泵加压后 ,分别经煤浆切断阀进入工艺烧嘴。 投料前 ,煤浆经煤浆循环阀循环回煤浆槽。 空分装置来的纯氧分流成 4路 ,分别经氧气流 量调节阀、氧气切断阀后 ,进入工艺烧嘴的中心通道 和外通道。 水煤浆和氧气通过 4个对称布置在同一水平面 的工艺烧嘴同轴射流进入气化炉内 ,气化反应的条 件为 3. 5MPa、1 310 ℃。燃烧室内衬用耐火砖 ;生成 的粗煤气为 H2 , CO, CO2 及水蒸汽等的混合物 ;煤中 的未转化组分与煤灰形成灰渣 ,粗煤气与灰渣一起 向下 ,进入辐射式废热锅炉。熔渣冷却并凝固后 ,落 入辐射式废热锅炉渣池。粗煤气出辐射式废热锅 炉 ,经对流式废热锅炉后 ,去煤气初步净化工序。辐 射式废热锅炉、对流式废热锅炉中粗煤气降温 ,显热 用于产生蒸汽。 辐射式废热锅炉渣池底部含渣水 ,通过液位调 节连续送入含渣水处理工序。辐射式废热锅炉的粗 　第 3期 俞骆 ,等 : IGCC电站的气化系统及灰水系统优化 ·43·　 渣经静态破渣器、破渣机破渣后排入锁斗 ,然后定时 排放。 在气化炉预热期间 ,利用顶置的预热烧嘴进行 升温 ,直到气化炉内温度达到要求的温度为止。预 热烧嘴有其单独的燃料供给和调节系统 ,对流式废 热锅炉出口气体经开工抽引器排入大气。 工艺烧嘴是在高温状态下工作的 ,为了保护烧 嘴 ,在端部装有冷却盘管和水夹套 ,使通入的冷却水 连续循环流动而冷却烧嘴 ,以防止高温损坏烧嘴。 从对流式废热锅炉来的煤气经喷水后 ,进入混 合器 ,进一步与高温热水泵来的灰水混合 ,使煤气夹 带的固体颗粒完全湿润 ,以便从煤气中快速除去。 水 /煤气的混合物进入旋风分离器 ,气相中的大 部分细灰进入液相 ,连续排出旋风分离器 ,进入含渣 水处理工序。 出旋风分离器的煤气进入水洗塔的下部 ,煤气 向上穿过塔盘与塔中部加入的蒸发热水塔加热的循 环灰水和塔上部加入的来自下游工序的变换高温冷 凝液逆流直接接触 ,洗涤剩余的固体颗粒。伴随着 煤气减湿、相变及灰水升温等过程 ,煤气在水洗塔顶 部经过旋流板除沫器 ,除去夹带在气体中的雾沫 ,将 基本上不含细灰的工艺气送出水洗塔 ,煤气中含尘 量应小于 1mg/m3。在水洗塔出口管线设置在线分 析仪 ,分析 CH4 , CO , CO2 , H2。 从水洗塔底部排出的黑水 ,通过流量控制经减 压进入含渣水处理工序 ,含渣水处理工序再生的灰 水 ,经过蒸发热水塔预热后再返回水洗塔。 3. 6　含渣水处理工序 含渣水处理工序的作用是将多喷嘴对置式气 化、废锅热回收及煤气初步净化工序产生的黑水所 含的固体和溶解的气体分离出来并回收黑水所含的 热量。 进入含渣水处理工序的黑水共有 4条路线 :辐 射式废热锅炉渣池排放、旋风分离器排放、水洗塔排 放及锁斗排放。来自辐射式废热锅炉渣池、旋风分 离器及水洗塔底部的黑水分别经过减压送入蒸发热 水塔下部蒸发室。在蒸发热水塔的蒸发室中 ,一部 分水蒸发为蒸汽 ,连同少量溶解气体进入蒸发热水 塔上部热水室与低压灰水泵来的灰水直接接触 ,加 热灰水 ,自身大部分冷凝。热水室的热水经高温热 水泵进入水洗塔中部。热水室未冷凝的蒸汽进酸气 冷凝器 ,冷凝后 ,气 - 液两相进酸气分离器 ,气相至 火炬放空 ,冷凝液进灰水槽。蒸发热水塔蒸发室底 部被浓缩的黑水经液位调节由底侧部排出 ,进入真 空闪蒸器内进行真空闪蒸 ,大量溶解的气体释放出 来 ,黑水进一步浓缩 ,含固量增大 ,温度进一步降低。 真空闪蒸器底部的黑水经液位控制依靠重力送至静 态混合器 ,与絮凝剂混合后流入澄清槽。澄清槽上 部澄清水溢流 ,依靠重力进入灰水槽 ,经低压灰水泵 到蒸发热水塔循环使用。为防止溶解固体在黑水系 统中的累积 ,需向界外连续送出一部分灰水进行 处理。 4　结束语 本文介绍了浙江半山 IGCC发电示范工程的气 化和灰水系统的特点。气化技术拟采用我国自主研 发的多喷嘴对置式水煤浆气化技术。根据工程容量 及设计煤种 (天津港满世 )的煤质条件 ,水煤浆气化 炉容量为 1 557 t(干煤 ) /d。根据设计煤种 (天津港 满世 )的煤质条件 ,气化温度暂按 1 311. 74 ℃考虑 ; 根据气化系统的经济性和操作安全性以及系统的管 路压降 ,气化炉气化压力暂按 3. 6MPa ( a)考虑。由 于国内尚无成熟的大型 IGCC电厂 ,以上技术参数 还需根据工程的实际情况进行深入的研究和进一步 优化完善。 参考文献 : [ 1 ]姚强. 洁净煤技术 [M ]. 北京 :化学工业出版社 , 2005. [ 2 ]阎维平. 洁净煤发电技术 [M ]. 北京 :中国电力出版社 , 2002. [ 3 ]许世森 ,李春虎 ,郜时旺. 煤气净化技术 [M ]. 北京 :化学 工业出版社 , 2005. (编辑 :王书平 ) 作者简介 : 俞骆 (1972 - ) ,男 ,浙江海盐人 ,杭州华电半山发电有限公司工 程师 ,从事技术管理方面的工作。 金向阳 (1969 - ) ,男 ,浙江东阳人 ,杭州华电半山发电有限公司 工程师 ,工学硕士 ,从事技术管理方面的工作。