基于煤气化技术的水冷壁气化炉研究

2010-03-28张晓平

装备制造技术 2010年8期

张晓平

（陕西延长石油集团榆林能源化工有限公司，陕西西安 710075）

整体煤气化联合循环发电技术，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。其由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气—蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备，有气化系统、空分装置、煤气净化设备（包括硫的回收装置）；第二部分的主要设备，有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。

煤气化技术是煤炭深加工技术的一个分支，其发展可谓源远流长。17世纪开始，人们就开始用煤气点燃路灯，民用煤气发展也很迅速。而煤炭大规模气化，并且综合利用，则是最近几十年才得以快速发展。从一般规模的工业气化炉，到电站级的大容量的发电的气化炉，煤气化工艺发展很快。SHELL公司早在1972年就开始了煤气化技术的开发。Shell炉由于具备明显的技术经济指标优势，而且比较切合我国目前现阶段发展IGCC气化炉的切实国情，本文就是对此作相关的探讨研究。

1 研究背景

1976年，Shell在阿姆斯特丹的研究院建成了一套实验装置，日处理煤量6 t，Shell公司利用该装置试验了30多种不同类型的煤种。1978年，Shell在德国汉堡附近的哈尔堡炼油厂建成一套150 t/d的Shell煤气化装置，进行了不同煤种、不同设备的示范研究开发。1987年在美国得克萨斯州休斯顿附近的炼油厂内，建成一套更大的气化装置，该装置设计能力为250 t/d高硫煤或400 t/d高水分、高灰分褐煤。在此套装置上，大约进行18种煤或石油焦的气化试验。各项试验结果表明，Shell气化炉的可靠性、原料适应的灵活性、负荷跟踪特性及环保性能均达到预期要求。荷兰的Buggenum IGCC电站，最终选用Shell煤气化工艺，Shell公司3套试验或示范装置的成功，为其奠定了有力的基础。该厂1993年建成，1994年首次使用煤气发电，气化炉出力为2000 t/d。自投运以来，可用率逐年提高，现已达到95%以上。Shell公司目前正在开发用于400MW IGCC电站的气化炉，目标是使IGCC的净效率大于46%（LHV）。

2 SHELL炉相关研究

2.1 煤粉制备和送料系统

Shell煤气化工艺，采用干煤粉进料系统。原煤的干燥和磨煤系统与常规电站基本相同，但送料系统是高压N2气浓相输送，整个系统必须采取防爆和防泄漏措施。原煤在预破碎后，进入煤的干燥系统，然后进入磨煤机中被制成煤粉，磨煤机是在常压下运行，制成粉后用N2送入煤粉仓中。然后进入加压锁斗系统，一般有两级加压锁斗。煤粉送入第二级锁斗后，再用高压高纯度的N2气，以更高的固气比将煤粉送至4个气化炉喷嘴，煤粉在喷嘴里与氧气混合后，并与蒸汽一起送入气化炉反应。

2.2 气化炉

如图1所示，气化炉下部对称布置4个燃烧器喷嘴，煤粉、氧气和蒸汽的混合物从这里喷入气化炉，迅速发生气化反应，气化炉温度为在1400～1600℃，这个温度范围使煤中的灰分熔化，大部分沿炉壁流出气化炉，滴入存有激冷水的池中，变成一种玻璃态不可浸出的渣排出。这个温度范围，也防止形成不需要的有毒热解产物，如苯酚和多环芳香烃。粗煤气气流上升到气化炉出口，在这里用150℃左右的低温粗煤气，使高温热煤气激冷到大约900℃，经过一个过渡段，进入对流式煤气冷却器。在有一定倾角的过渡段中，由于热煤气被激冷，所含的大部分熔融态灰渣凝固后落入气化炉底部。

图1 荷兰Buggenum IGCC电站气化系统

Shell气化炉的压力壳里，布置着垂直管膜式水冷壁，产生4.0MPa的中压蒸汽。向火侧有一层很薄的耐火涂层，当熔融态渣在上面流动时，起到保护水冷壁的作用。Buggenum IGCC电站Shell气化炉直径约5～6m，高约50m，标高达到约60 m，气化炉的运行压力约为2.6～2.8MPa。

2.3 煤气冷却器

粗热煤气在煤气冷却器中，被进一步冷却到250℃左右。低温冷却段产生4.0MPa的中压蒸汽，这部分蒸汽与气化炉产生的中压蒸汽混合后，再与汽轮机中压缸排汽一起，被再热成中压再热蒸汽。高温冷却段产生13MPa的高压蒸汽，与余热锅炉里的高压蒸汽一起过热成主蒸汽。Buggenum IGCC电站的煤气冷却器直径约为4m，高约64m，冷却器顶部标高74.5 m，是气化岛的最高点。冷却器的压力外壳里布置有8层螺旋管圈，上下共分成5段，热煤气由上而下在螺旋管外流动，与螺旋管内的工质换热。

3 气化炉基本原理

如图2所示，4个燃烧器沿气化炉的径向对称布置在气化炉底部，煤粉和水蒸汽、氧气通过燃烧器喷入气化炉，在气化炉的中心发生对冲，绝大部分入口物质都向上喷射。在对冲和向上喷射的初期，煤粉发生热解，析出挥发分；挥发分接着和氧气发生剧烈的氧化反应，如果氧气还有剩余，也将很快和焦炭反应而消耗完毕。这步燃烧反应放出大量热量，足以维持气化炉后部焦炭和二氧化碳、水蒸汽的异相气化反应。气化炉的温度维持在1400～1600℃，运行压力约2.6～2.8MPa。

图2 气化炉原理

Shell气化炉的压力壳里，布置垂直管膜式水冷壁，通过强制循环产生4.0MPa的中压蒸汽。这些蒸汽将在余热锅炉里过热后，通到蒸汽轮机中压缸里。煤的灰分大部分都以液态渣的形式，沉积在水冷壁的渣保护层上面，接着沿着渣层流到气化炉底部的出渣口而排出。从整体来看，气化炉功能就是利用煤粉生产合适的煤气，同时利用气化过程的显热，生成一定数量的水蒸汽；在这一过程中，还会排出一定数量的液态渣。所以，仿真的主要目标就是：

（1）出口煤气的成分和温度；

（2）气化炉向水冷壁输出的热量和其他相关热量分布；

（3）渣层出渣量。在对气化炉流动情况分析的基础上，将气化炉模型分成了传热模块、煤气成分模块和渣层组成模块。

4 注意事项

根据国电热工研究院干煤粉气化炉中试装置运行经验，确保煤粉连续准确输入气化炉，是整个气化装置正常运行的关键之一。氧气输送不会发生堵塞，若煤粉输送过程发生堵塞，相当将纯氧输入气化炉。此时气化炉中将近90%的气体为CO和H2，气化炉的温度必将迅速提高，很容易造成水冷壁爆管，进而引起气化炉爆炸，气化炉爆炸除了程度更加剧烈外，更严重的是其泄漏的是剧毒气体。

煤粉输送突然停止，氧气按正常量输入气化炉，此时气化炉入口处充满高温高压并且浓度也很高的可燃气体，进入的氧气将在极短的时间内消耗殆尽，释放大量热量，造成入口处温度和压力急剧升高。压力波传播极快，引起出口煤气量的增加，入口质量下降了一半以上，压力升高不像温度那么剧烈，且很快降下来。随着炉温的升高，固态渣层开始液化。随着燃烧中心的逐步上移，越来越多的热量也将随气体的上升，传递到气化炉上部。情况进一步发展，炉下部的可燃气体将被耗尽，氧气必须送到上部才能燃烧。高温区逐渐转移到上部，下部仅能获得上部辐射来的热量，温度逐渐下降，液态渣层固化；上部的温度逐渐提高。同时，渣保护层温度将升高，固态渣层加快液化，液态渣层加速下流。气化炉内的可燃气体变得稀少时，炉温下降，液态渣层固化，出口气体中的氧气份额从零增加，如果继续任其发展，后果将非常危险。

气化炉出口的高温煤气，在激冷段被从除尘系统来的低温煤气掺混，激冷到900℃左右进入煤气冷却器，冷却器布置有很多用来产生中高压蒸汽的螺旋盘管，粗煤气在离开时的温度约250℃，然后进入除尘系统。部分煤气经加压后，送回气化炉出口激冷高温煤气，其余煤气进后面系统。粗煤气从气化炉出来后，进入向上倾斜的激冷段，在这里用来自除尘器的150℃左右的低温粗煤气，使高温煤气激冷到约900℃，然后进入煤气冷却器。在这一段有一定倾角的过渡段中，由于高温煤气被激冷，所含的大部分熔融态灰渣凝固后，落入气化炉底部。激冷段在运行中没有什么故障发生，其最主要的参数是出口气体的状况，这将影响到后面设备的运行状况。由于煤气冷却器是吸收煤气显热最主要的设备，同时紧接其后的煤气净化（除尘和脱硫）系统对煤气的温度比较敏感，所以煤气冷却器气体的温度是最需要及时反映的参数。煤气组分对后面的脱硫也有重要影响，也是比较重要的参数。所以仿真范围是冷却器出口煤气的温度、组分的动态变化，冷却器放热量的动态变化。精度准则，静态仿真误差不超过5%；动态变化趋势和理论分析及试验数据吻合。

由煤气冷却器出来约250℃左右的粗煤气进入除灰系统。除灰系统有两部分组成，第一级是采用旋风除尘器除尘；第二级则采用文氏洗涤器除尘。洗涤器出来粗煤气温度约为150℃。此后，其中一部分煤气加压后去激冷高温的粗煤气；另一部分进入后面的系统。