闫亦成-整体煤气化联合循环发电技术研究-last-100609

南京工程学院毕业设计说明书（论文）

第二章 IGCC的系统组成

2.1 煤气化系统

煤炭气化是指用煤炭作原料来生产工业燃料气，煤气化技术是煤炭洁净、高效和综合利用的基础技术和关键技术之一，其应用领域极为广泛，具有悠久的历史。尤其自20世纪70年代石油危机的出现，世界各国广泛开展了煤炭气化系统的研究。所有气化炉都有一个共同的特征（即煤在气化炉中），在高温条件下与气化剂反应，使固体燃料转化成气体燃料，只剩下含灰的残渣。通常气化剂为水蒸气、氧（空气）和氢，粗煤气中的产物是CO、H2和CH4，伴生气体是CO2、H2O等。各种煤气组成取决于煤的种类、气化工艺、气化剂的组成， 影响气化反应的热力学和动力学条件。

2.1.1 煤的气化基本原理

煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下各种煤（焦）与载氧的气化剂（CO、H2O、CO2）之间的一种不完全反应，最终生成由CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS等组成的煤气。如图2-1所示。

煤

煤气 蒸汽、空气或氧 灰

图2-1 煤炭气化示意图

气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括非均相气—

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—固反应和均相的气相反应。不同的气化工艺对原料的性质要求不同，选择煤气化工艺时，要考虑到气化用煤的特性及其影响。气化用煤的性质主要包括煤的反应性、粘结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。

2.1.2 各种煤气化的简介

（1）固定床气化炉

属于这类型的气化炉有鲁奇炉（Lurgi）和液态排渣鲁奇炉（BGL）等。1973年德国在Lünen市的Kellerman电厂建设的世界上第一座IGCC示范电站就采用了鲁奇干灰式气化炉。它是上世纪30年代由联邦德国鲁奇公司开发的第一代煤气化技术，是目前世界上建厂数目最多的煤气化技术。BGL（British Gas Lurgi）气化炉是长期以来技术已成熟的鲁奇干灰式气化炉的排渣式改型。

在这种装置中，煤从上部，气化剂从下部彼此逆向流动的。在进入气化炉之前，煤需要经过破碎和筛选，除去直径小于3.175mm的细煤块。通常煤块的尺寸控制在6.35~38mm之间[1]。通常煤从气化炉的炉顶加入，进入的煤在固定床内要经历几个温度逐渐升高的区域，完成不同的反应过程。

鲁奇炉气化压力2.5~4.0MPa，气化反应温度800~900℃[1]。适宜生产城市煤气，生产能力较大。但结构复杂，制造维修费用大。煤质和煤种要求高，只能使用弱粘结烟煤和褐煤，灰熔点大于1500℃。且入炉煤必须是块煤，原料来源受限。

BGL气化炉是1984年鲁奇公司和英国煤气公司联合开发的BGL液态排渣鲁奇炉。操作压力2.5~3.0MPa，气化温度在1400~1600℃，超过了灰渣流动温度，灰渣呈液态形式排出[1]。与传统的鲁奇炉相比，BGL炉结构简单，煤种适应性加强，可以将块径小于6mm的粉煤喷入炉内，气化蒸汽耗量很少，气化能力是干灰炉的3~4倍，碳的转化率、气化效率和热效率均有提高。液态排渣的BGL气化炉的缺点是煤气中含有焦油等有机化合物，虽然其煤气含水量较干灰Lurgi炉少得多，但也必须设置焦油分离及针对NH3和酚的水处理装置。其环保状况不如气流床气化法，这是BGL气化法至今没有大规模应用于工业的原因之一。

（2）流化床气化炉

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为了提高生产强度，并能够利用反应活性较好的褐煤资源,德国在上个20世纪年代开发了温克勒（Winkler）炉。经过多年的发展，形成不少炉型。在德国有温克勒（Winkler）、高温温克勒（HTW）和Lurgi公司开发的循环流化床气化炉CFBC（Circulating Fluidized Bed Combustion）；在美国有U-Gas、KRW(Kellogg-Rust-Westinghouse)、HY-Gas、CO-Gas、CO2-Acceptor、Exxon催化气化等；在加拿大有喷射床气化（spout bed gasifier）；在日本有旋流板式的JSW、喷射床气化炉；在中国有灰熔聚气化、双器流化床、分区流化床、循环制气流化床水煤气炉及加压流化床等。

KRW气化炉最早由美国西屋电气公司燃料部开发。美国芝加哥煤气工艺研究所（IGT）开发的U-Gas气化炉的结构和工作原理与KRW气化炉是基本相同的。该工艺借鉴了移动床液态排渣气化炉的优点，采用灰团聚技术将流化床中的灰渣富集起来排出气化炉，从而实现了流化床选择性的排灰。流化床的基本原理是颗粒(煤和石灰石)在流动气体中悬浮在炉内，由于它们的重量和大小的限制，使得它们能够停留在炉内而不被吹走，直到大部分的碳被燃烧。由于煤粒在煤层中会发生类似于布朗运动那样的不规则运动，在床层中还有许多气泡涌出，犹如液体中发生的沸腾现象一样，故称流化床。

KRW的气化炉温度大约为982℃，这样低的温度避免了炉渣的形成以及煤气净化前冷却煤气导致的低效率和高成本。这样的温度也足够高，使得反应迅速进行并且减少煤焦油和酚类的产生。流化床气化炉共同的缺点是要求煤的焦结性低，携带固体物质较多，碳的转化率较低。

（3）气流床气化炉

气流床气化，就是在气化过程中，气化剂（蒸汽与氧气）将煤粉夹带入气化炉进行并流气化。微小的煤粉颗粒在火焰中经过部分氧化而进行并流式燃烧和气化反应，反应时间很短（1~10s）。气化机理与移动床或流化床工艺是不同的。

为弥补反应时间短的缺陷，要求入炉煤粒度很小（<0.1mm），保证足够的反应面积。为增加反应推动力，提高反应速率，必须提高反应温度（火焰中心温度在2000℃以上）。

煤粉与气化剂均匀混合，通过特殊喷嘴进入炉内瞬间着火，直接发生火焰反应，温度高达1400~1600℃以上。煤粉和气化剂在火焰中作并流流动，可以

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认为放热反应和吸热反应是同时进行的。因此，在火焰端部，即煤气离开气化炉之前，碳几乎全部消耗尽。在气化炉的高温条件下（1400℃以上），干馏产物迅速分解，转变为均相水煤气反应的组分，因而生成的煤气中只含有很少量的CH4，煤气中主要含有CO、H2、CO2及H20共4种组分。

已工业化的并流气化气流床的炉型有最早实现工业化的气流床一常压气流床粉煤气化炉（即Koppers-Toyzek，简称K-T）；水煤浆加压气化炉，即Texaco（德士古）炉和Destec（现E-Gas）炉；粉煤加压气化，即SCGP(Shell煤气化工艺)和Prenflo（加压气流床）等炉型。

2.1.3 气化系统对IGCC电站的影响

气化炉及其系统是IGCC装置中制备合成煤气的关键部件，包括冷煤气效率（气化生成煤气的化学能与气化用煤的化学能之比）、碳转化率（将煤炭转化成为清洁煤气的转化程度）、热煤气效率、氧气的消耗率、高温耐火材料和原料喷嘴的使用寿命、合成煤气的成份、热值与产气率，以及单台气化炉的容量等在内的特性指标，对整个IGCC的热效率、可用率和比投资费用都有重要影响。

气化炉冷煤气效率是气化炉的一个非常重要的性能指标，对IGCC电站热效率有直接影响。提高气化炉冷煤气效率可以把煤中所蕴储的化学能更多份额地转化成为合成煤气的化学能。电厂利用的能量除了煤气的化学能以外，还有煤气的显热。如果气化炉冷煤气效率低下，就要通过改善热回收装置，提高显热回收率来保证获得较高的效率。但这会导致热回收装置复杂以及一些低位能量无法回收，造成能量损失。一般而言，冷煤气效率高，IGCC电厂效率也高。

进料方式也对IGCC系统效率和单位造价影响很大。水煤浆进料方式成本低，但冷煤气效率不高，另外它产生的煤气中CO2含量高于干法进料方式，这对燃气轮机的运行并无害处，可作为稀释气体降低NOX的生成，但其对酸气去除装置却有影响，必须使用一种溶剂使CO2和煤气一起通过而避免和S一起被去除。

除此之外，冷却方式的选择、选择氧气或空气作为气化剂、气化温度、气化炉容量、负荷跟踪能力、炉膛结构的冷却方式对系统性能也起着重要影响。

2.2 空分系统

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