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1、哈尔滨工业大学燃烧工程研究所第第9 9章章 整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环 9.4 常用气化炉的结构及工作特点9.5 常温湿法煤气净化方法 1哈尔滨工业大学燃烧工程研究所9.49.4常用气化炉的结构及工作特点常用气化炉的结构及工作特点IGCC发电系统能够最终商业化的关键 是煤的气化炉及煤气的净化系统。2GE Energy (Chevron-Texaco) ConocoPhillips E-Gas3Shell（SCGP） Siemens (GSP/Noell) 4KBR Transport 国内典型煤气化技术5哈尔滨工业大学燃烧工程研究所气化炉的共同特征气化炉的共同特征煤在气化炉中，高温条
2、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。6哈尔滨工业大学燃烧工程研究所世界煤炭气化技术的发展趋势增大气化炉规模，提高单炉制气能力。提高气化炉的操作压力，降低压缩动力消耗， 减少设备尺寸，降低氧耗，提高碳的转化率。气流床和流化床技术日益发展，扩大了气化 煤种的范围。提高气化过程的环保技术，尽量减少环境 污染。将煤炭气化过程和发电联合起来的生产技术越 来越受到各国的重视并巳建成不同规模的生产厂以KT 炉为例， 20世纪50 年代是双 嘴炉，20 世纪70年 代采用了 双嘴和四 头八嘴， 以及后来 设计的六 个头的气 化炉等， 使得单炉 产气能力 大幅度提 高。7哈尔滨工业
3、大学燃烧工程研究所9.4.19.4.1 气流床气流床粉煤由气化剂夹带入炉，进行并流式燃烧和气 化反应（火焰反应）。受气化空间的限制，反 应时间很短（110s）。为弥补反应时间短的 缺陷，要求入炉煤粒度很细（0.1mm），以 保证有足够的反应面积。并流气化气固相对速率低，气化反应是朝着反 应物浓度降低的方向进行。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），采用液态排渣是并流 气化的必然结果。8哈尔滨工业大学燃烧工程研究所已工业化的气流床的炉型已工业化的气流床的炉型Koppers-Totzek（柯柏斯-托 切克，简称K-T）炉常压气流床粉煤气化Texaco（
4、德士古）炉水煤浆加压气化 Destec（现E-Gas）炉水煤浆加压气化 SCGP（Shell煤气化工艺）干煤粉加压气化Prenflo干煤粉加压气化 GSP干煤粉加压气化9哈尔滨工业大学燃烧工程研究所1. K-T1. K-T炉炉10哈尔滨工业大学燃烧工程研究所2. Texaco2. Texaco11哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 12哈尔滨工业大学燃烧工程研究所Texaco水煤浆气化工艺的关键技术有以下几方 面。煤浆制备煤浆输送烧嘴技术耐火砖技术激冷室降温除尘技术排渣技术 13哈尔滨工业大学燃烧工程研究所TexacoTexaco气化炉的主要优点气化炉的主要优点 已具有较长时间的实际运行经验，操作危
5、险性小，可 用率达到80%85%。这对于发电设备至关重要；利用水煤浆便于高压泵送的特点，可以制备压力很高 的粗煤气，便于与化工产品的后续生产过程相衔接，因 而，Texaco气化炉对于化工厂更具有吸引力；能充分利用厂区周围的一切污水源来制作水煤浆，有 利于解决污水的处理问题；气化炉的运行费用较低，例如：不像干法供煤方案那 样，需要花费能量去干燥湿煤；由于粗煤气是由上而下地顺着灰渣的重力方向流动， 并在炉底水槽的上方改变方向而排出气化炉的，这将有 利于减少随粗煤气携出气化炉的飞灰量，使后续的除灰 系统得以简化。 14哈尔滨工业大学燃烧工程研究所TexacoTexaco气化炉的主要缺点气化炉的主要缺
6、点碳的转化率难于做得很高，一般只有 96%98%，这会影响气化效率的提高；冷煤气效率一般比较低，一般只有0.700.76 ，因而热煤气显热的回收任务比较重；气化所需的耗氧量较多；湿煤气中的水蒸气含量较多，热煤气效率的提 高要靠较复杂的显热回收设备，致使IGCC的供 电效率要比干法供煤者略低一些；炉膛耐火砖的寿命短、价格高、更换时间长， 耐火砖每4年要全部更换一次，每次耗时21天；水煤浆泵和喷嘴易于磨损，平均23个月要更 换一次喷嘴。气化炉的最长连续运行时间大约为 90天。 15哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 16哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 17哈尔滨工业大学燃烧工程研究所3. Dextec (
7、E-Gas)3. Dextec (E-Gas) 900 18哈尔滨工业大学燃烧工程研究所E-GasE-Gas两段气化反应炉的特点两段气化反应炉的特点 冷煤气效率较高，一般可以达到 80%82%。这是由于在两段反应区中 CH4等碳氢化合物的生成量较多，有利 于提高煤气的低位发热量的缘故。可以不用价格昂贵、结构庞大的辐射 冷却器就能把粗煤气的温度降到900 。从气化炉出来的湿煤气中所含的水蒸 气量要比Texaco气化炉的少，这有利于 提高气化系统的能量转化效率。19哈尔滨工业大学燃烧工程研究所为了提高碳的转化率，必须采取飞灰的再循环 措施。返回一段反应区后碳转化率有可能达到 99%以上。为了保证E
8、-Gas气化炉内第二段气化区的正常 工作，应合理地控制该气化区的反应温度，否 则温度过低时，容易产生煤焦油。此外，应选 用挥发份较多的次烟煤或烟煤为燃料。气化炉的出力降低到设计值的60%时，气化炉 仍能稳定运行。气化炉采用连续排渣方式，最大的连续运行时 间是6个月。总之，E-Gas气化法是一种可以气化低质煤、 获得高效率、有利环境保护的优良气化工艺。20哈尔滨工业大学燃烧工程研究所4. Shell4. Shell工程设计方面的主要问题 是设计膜式水冷壁室和它 在压力容器中的悬挂问题 。（1）膜式水冷壁（2）环形空间（3）压力容器（4）材料（5）烧嘴21哈尔滨工业大学燃烧工程研究所合成气冷 却器
9、22哈尔滨工业大学燃烧工程研究所ShellShell煤气化的主要特点煤气化的主要特点 可以使用褐煤、烟煤和沥青砂等多种煤，碳转化率 达98%以上。煤中含的硫、氧、灰分及结焦性差异对 过程均无显著影响。产品气中CO+H2含量达90%以上，适宜作合成气， 特别是煤气中CO2相当少，可以大大减少酸性气体处 理的费用，气化产物中无焦油等。由于采用干法进料，既降低了氧耗又增加了冷煤气 效率，干法进料比湿法进料约高2个百分点，但干法进 料提高气化压力是有限度的，不如煤浆进料可根据需 要提高操作压力。单炉生产能力大，装置处理能力可达3000t/d。符合环保要求，粗煤气中硫和氨很容易被清除，煤 中大部分灰分变
10、成玻璃状的固体，可作建筑材料。 23哈尔滨工业大学燃烧工程研究所壳牌粉煤气化技术概况壳牌粉煤气化技术概况Shell粉煤气化技术始于1972年先在荷兰阿姆斯特丹建了日处理6吨煤试验 装置后在德国汉堡建了日处理150吨煤装置第三套建在美国休斯敦，日处理400吨煤装 置第四套建在荷兰布根伦（Demkolec工厂) ， 日处理2000吨煤装置。24哈尔滨工业大学燃烧工程研究所Shell干煤气化技术的关键设备是气化炉、气体 冷却器（废热锅炉）和陶瓷过滤器Shell干煤气化技术优点：固膜式水冷壁设计（以渣抗渣）及烧嘴寿命长 决定气化炉坚固耐用，烧嘴寿命可达到3年碳转化率高（飞灰再循环后大于99%）氧气和煤
11、的消耗低原料的高灵活性（操作温度14001700度）有利于环境保护25哈尔滨工业大学燃烧工程研究所DemkolecDemkolec示范工厂概述示范工厂概述1989-1990年工程设计，1991-1992年施工安 装，1993年投产。项目总投资约3.8亿美元，日处理煤2000吨， 发电253MW，气化为高框架装置，最高层为 54M，最高设备高度为63M，框架在15M以下 为混凝土结构，15M以上是6层钢结构。安装工作量：桩1800个、混凝土18000M3、阀 门10000个、电缆450KM、钢结构5000吨、配 管2500吨、设备1100台、电仪6000台。26哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 27
12、哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 28哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 29壳牌气化 炉示意图哈尔滨工业大学燃烧工程研究所壳牌气化炉内件图30哈尔滨工业大学燃烧工程研究所壳牌气化炉内件图31哈尔滨工业大学燃烧工程研究所气化炉水冷壁原理32哈尔滨工业大学燃烧工程研究所5. Prenflo5. Prenflo合格的煤粉是用纯度为99.9% 的N2气输送的。在绞龙的出口处，煤粉被氧和 水蒸气流携带着，以具有很大 煤粉浓度（480kg/m3）的气固 两相流形态，喷入气化炉的炉 膛中去进行燃烧和气化。系统 中必须设置两个锁气式煤粉料 斗，以便交替地充填和输送煤 粉。 火焰核心部位的温度为2000 ，灰渣激冷，水
13、冷管壳 33哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 34哈尔滨工业大学燃烧工程研究所干法气化优点及与湿法气化的比较干法气化优点及与湿法气化的比较 （1）干法加压粉煤气化的优点 干煤粉进料，气化效率高 与湿法进料相比，气化1kg煤 至少可以减少蒸发约0.35kg的水。如果将这部分水汽化并 将其加热到1500，这大约需要2600kJ的热量，假设1kg 干煤的热量是26000kJ，这意味着原料煤中约10%左右的 热量已经被用掉。显然从能量利用的角度来说干法进料是 有利的，其冷煤气效率比湿法进料约提高10个百分点。煤种适应性广 从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气 化，对煤的活性几乎没有要求，对煤的灰熔点范围比其
14、他 气化工艺较宽。对于高灰分、高水分、含硫量高的煤种同 样能够气化，但经济性稍差。对高灰熔点、高灰黏度煤为 了提高气化操作的经济性可通过添加助熔剂来改善渣的流 动性。气化操作温度高 气化温度约在14001700，在高的 气化温度下碳转化率高达99%，产品气体相对洁净，不含 重烃，甲烷含量很低，煤气品质好，煤气中有效气体 CO+H2高达90%以上。35哈尔滨工业大学燃烧工程研究所氧耗低 与湿法进料水煤浆气化相比，氧气消耗低（ 15%25%），与之配套的空分装置投资可相对减少。 加压操作，单炉生产能力大 目前已投入运转的单炉气 化压力为3.0MPa，日处理煤量已达2000t。 气化炉无耐火砖衬里，
15、维护工作少，气化炉内无转动 部件，运转周期长，无需备用炉。 热效率高 采用废锅流程，煤中约83%的热能转化为煤 气的化学能，另外约有15%左右的热能被回收为高压或 中压蒸汽，总的热效率可达98%左右。 环保性能好 气化炉熔渣经激冷后成为玻璃状颗粒，性 质稳定，对环境几乎没有影响。气化污水含氰化合物少 ，容易处理，必要时可做到零排放。 生产调幅能力强，连续运转周期长 采用多烧嘴，提高 了气化操作的可靠性和生产调幅能力。Shell公司专利气 化喷嘴设计保证寿命为8000h，荷兰Demkolec电厂使用 的烧嘴运行近10000h尚未更换过，累计运行时间超过 7500h，为气化装置长周期运行提供了基础
16、。36哈尔滨工业大学燃烧工程研究所（2）干法加压粉煤气化的主要缺点受加压进料的影响，最高气化压力没有湿法气化压 力高。湿法气化操作压力一般为2.86.5MPa，最高可 达8.5MPa，有利于节能。干法气化由于受粉煤加料方 式的限制，气化压力一般为3.0MPa。粉煤制备投资高、能耗高，且没有水煤浆制备环境 好。粉煤制备对原料煤含水量要求比较严格，需进行 干燥，能量消耗高。粉煤制备一般采用气流分离，排 放气需进行洗涤除尘，否则易带来环境污染，这样使 制粉系统投资增加。安全操作性能不如湿法气化。主要体现在粉煤的加 压进料稳定性不如湿法进料，会对安全操作带来不良 影响。湿法气化由于将粉煤制成水煤浆，易于加压、 输送。气化炉结构复杂，制造难度大，要求高。37哈尔滨工业大学燃烧
