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國(guó)外4座大型IGCC電站的煤氣化工藝論文
世界上建成并運(yùn)行的250 MW及以上的IGCC電站是美國(guó)的Wabash River和Tampa、荷蘭的Demkolec、西班牙的Puertollano。它們采用的煤氣化工藝分別是：Destec、Texaco、Shell和Prenflo加壓噴流床煤氣化工藝。綜合分析了這4種煤氣化工藝的設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及在IGCC電站中的應(yīng)用情況。Coal Gasification Technology in Four Large IGCC Power Plants Abroad
Abstract There are four 250 MW and above IGCC power plants built and put into operation now in the world.They are U.S. Wabash River and Tampa,Dutch Demkolec and Spain Puertollano.The coal gasification processes employed are Destec,Texaco,Shell and Prenflo pressurized jet-flow bed gasification process respectively.This article comprehensively analyzes the equipment technical features,technical and economical indexes of these four kinds of coal gasification processes,as well as their applicatious in IGCC power plants.
Key words coal gasification process coal gasification combined cycle power generation technical featuresoperation analysis
迄今為止，世界上已投入運(yùn)行的4座250 MW以上的IGCC電站分別是美國(guó)的Wabash River(260.6 MW)和Tampa(250 MW)、荷蘭的Demkolec(253 MW)和西班牙的Puertollano(300 MW)。它們分別采用Destec、Texaco、Shell和Prenflo加壓噴流床煤氣化工藝。Destec和Texaco是水煤漿加壓氣化的主要代表，而Shell和Prenflo則是干粉進(jìn)料加壓噴流床氣化的主要代表。用于IGCC的4種煤氣化爐容量都達(dá)到2 000 t/d以上，都是這些氣化爐首次最大容量的工業(yè)應(yīng)用。它們的運(yùn)行狀況直接影響著IGCC的可用率和可靠性，是IGCC電站最關(guān)鍵的技術(shù)之一。了解這4種氣化爐的設(shè)備和技術(shù)特點(diǎn)及在IGCC電站中的運(yùn)行狀況，對(duì)我國(guó)IGCC電站選擇煤氣化工藝路線具有一定的參考價(jià)值。
1 Texaco 煤氣化工藝
1.1 Texaco 氣化工藝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)制漿系統(tǒng)。煤和水在常規(guī)的煤漿磨中被制成濃度通常是60%～68%的水煤漿，Tampa IGCC電站的水煤漿設(shè)計(jì)濃度為68%。對(duì)于一些灰熔點(diǎn)較高的煤或者制漿困難的煤，經(jīng)常在煤漿磨中同時(shí)加入石灰石助熔劑或者煤漿添加劑，使得煤的灰熔點(diǎn)降低或者使煤漿均勻性提高。在煤漿磨的出口有一個(gè)筒形的篩子，合格的煤漿流入煤漿儲(chǔ)罐中，不合格的煤漿溢流到循環(huán)槽中被送回煤漿磨入口。在煤漿儲(chǔ)罐中設(shè)有一個(gè)攪拌器，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果加入一定量的水，使儲(chǔ)罐中的煤漿始終保持在一定濃度下的均勻狀態(tài)。氣化爐所需的煤漿量一般由2級(jí)隔膜泵從煤漿儲(chǔ)罐中抽取并加壓送入氣化爐噴嘴，在氣化爐入口的煤漿輸送管上設(shè)有2級(jí)流量檢測(cè)器，嚴(yán)格控制煤漿的流量，煤漿流量的調(diào)節(jié)全靠隔膜泵來(lái)控制。
(2)氣化爐和煤氣冷卻系統(tǒng)。水煤漿和95%純度的氧氣被同時(shí)送入氣化爐噴嘴，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)的溫度一般在1 200～1 500 ℃，氣化爐的壓力根據(jù)不同行業(yè)的需要可以是2.5～8.5 MPa。Tampa IGCC電站的氣化爐壓力為2.8～3.0 MPa，氣化區(qū)的溫度為1 482 ℃。水、煤和氧氣在氣化爐中發(fā)生氣化反應(yīng)，主要生成CO、H2、CO2、H2O、CH4、H2S和N2，此外，還有少量的NH3、COS、HCN和飛灰。由于采用水煤漿進(jìn)料，煤氣中的H2O含量較高。
Tampa電站的Texaco氣化爐內(nèi)設(shè)耐火磚(一般為4層)，內(nèi)徑約4.0 m，高約3.0 m。氣化反應(yīng)的速度很快，粗煤氣在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間一般在2～3 s。熱煤氣離開(kāi)氣化爐進(jìn)入特殊設(shè)計(jì)的輻射式冷卻器，使熱煤氣的溫度降低至700 ℃，同時(shí)使熱煤氣中的熔融態(tài)渣凝固。冷卻后的粗煤氣進(jìn)入對(duì)流式冷卻器中被進(jìn)一步冷卻到480 ℃。煤氣中的顯熱在2級(jí)冷卻器中得到回收，產(chǎn)生10.4 MPa的高壓飽和蒸汽。氣化爐與輻射式冷卻器做成一體，外徑約5 m，高約39 m，總重約900 t，氣化爐安裝標(biāo)高約106.75 m。
(3)排渣和黑水處理系統(tǒng)。氣化爐內(nèi)的熔渣經(jīng)輻射式冷卻器后冷卻凝固成玻璃狀的渣進(jìn)入充滿(mǎn)水的鎖斗系統(tǒng)，鎖斗上下部各有2級(jí)閥門(mén)控制渣進(jìn)入和排出。從壓力鎖斗排出的渣落入粗渣糟中，粗渣被分離出來(lái)，進(jìn)一步處理或直接銷(xiāo)售。細(xì)渣和水一起被抽入一個(gè)細(xì)灰沉降槽中進(jìn)行重力沉降或過(guò)濾，使水和細(xì)渣分離。從洗滌器出來(lái)含灰的水也進(jìn)入沉渣槽中，使含碳的飛灰與水分離，從沉渣糟中溢流出來(lái)的水一般含非常少量的細(xì)灰，它被再循環(huán)至水洗滌器人口作為洗滌器用水，多余的水送回煤漿制備系統(tǒng)。從沉渣槽底部流出的細(xì)灰進(jìn)入一個(gè)壓濾機(jī)中，將細(xì)灰制成細(xì)灰餅。Tampa電站采用了將細(xì)灰再循環(huán)至煤漿磨的工藝，目的是為了提高碳的轉(zhuǎn)化率。
1.2 Texaco氣化工藝的性能和運(yùn)行指標(biāo)分析
Texaco氣化工藝的性能特點(diǎn)：
(1)與干法進(jìn)料相比，水煤漿進(jìn)料系統(tǒng)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、安全可靠、操作靈活、制漿系統(tǒng)的廠用電較小，無(wú)煤粉爆炸危險(xiǎn)性，制漿系統(tǒng)無(wú)粉塵排放。煤不必進(jìn)行干燥處理，可直接進(jìn)入制漿系統(tǒng)。此外，水煤漿進(jìn)料可處理不同物料(煤、石油焦、其它廢料)，進(jìn)料種類(lèi)靈活。此外，使用水煤漿進(jìn)料，氣化爐可以在更高的壓力下運(yùn)行(2.5～8.5 MPa)，這對(duì)一些化工過(guò)程非常必要。
(2)氣化爐采用單噴嘴運(yùn)行，所有的氣化物料都從一個(gè)噴嘴噴入，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但由于局部熱負(fù)荷較高，流量較大，不可避免地會(huì)發(fā)生過(guò)熱損壞或磨損問(wèn)題。到目前為止，Texaco氣化爐噴嘴的最長(zhǎng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間僅3個(gè)月就需要進(jìn)行檢修更換。
(3)Texaco氣化爐內(nèi)設(shè)耐火磚，沒(méi)有水冷系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，初投資較小。但由于爐內(nèi)溫度較高，加之磨損和腐蝕，目前Texaco氣化爐向火側(cè)的耐火磚最長(zhǎng)壽命僅2 a，靠近爐壁的耐火磚壽命為5～10 a。
(4)全廠的灰水可綜合利用，除去大渣和細(xì)灰的水也在制漿系統(tǒng)中循環(huán)使用。
(5)由于煤氣在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間短，Texaco氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率較低，一般在96%～98%。由于水煤漿的水分含量大，氣化過(guò)程的O/C比較高，耗氧量大，而且煤氣中的水分含量也較高。與干法進(jìn)料相比，冷煤氣效率較低，熱回收系統(tǒng)復(fù)雜。
(6)與其它氣化爐相比，Texaco氣化爐大容量商業(yè)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)和經(jīng)驗(yàn)更豐富。
(7)Tampa電站Texaco氣化爐可用率1996年可達(dá)到57%，1997年達(dá)到78%。1998年的目標(biāo)是85%，根據(jù)電廠介紹此目標(biāo)可望達(dá)到。
1.3 Tampa IGCC電站中Texaco氣化爐曾出現(xiàn)的主要問(wèn)題及解決辦法
(1)排渣鎖斗堵塞。后通過(guò)調(diào)整運(yùn)行工況及改動(dòng)部分管道基本得到解決。
(2)輻射廢熱鍋爐和對(duì)流廢熱鍋爐的泄漏問(wèn)題。主要原因可能是由于高溫腐蝕，改進(jìn)的方法是：采取保護(hù)措施，改善氣化爐的運(yùn)行狀況。對(duì)流廢熱鍋爐也曾出現(xiàn)管壁泄漏和積灰堵塞問(wèn)題。改進(jìn)的方法是：組織好氣化爐的運(yùn)行工況，加強(qiáng)檢查和吹灰。
(3)黑水和灰水系統(tǒng)的磨損問(wèn)題。目前的辦法是更換耐磨材料、改變管路結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)細(xì)灰的分離，但不能徹底解決。
(4)當(dāng)煤種有變化時(shí)，氣化爐最不適應(yīng)的就是排渣鎖斗系統(tǒng)和細(xì)灰分離系統(tǒng)，容易發(fā)生堵塞。目前的辦法是控制運(yùn)行參數(shù)，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，改善鎖斗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)承受能力。
(5)位于對(duì)流煤氣冷卻器后的4個(gè)氣-氣熱交換器(2個(gè)粗煤氣與凈煤氣，2個(gè)N2與粗煤氣)曾出現(xiàn)積灰堵塞和腐蝕問(wèn)題，造成管子泄漏，導(dǎo)致灰塵進(jìn)入潔凈煤氣中，使燃?xì)廨啓C(jī)葉片嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)在氮?dú)夂兔簹馔ㄍ細(xì)廨啓C(jī)的Y形濾網(wǎng)也發(fā)現(xiàn)裂紋。主要原因有：設(shè)計(jì)的氣-氣熱交換器入口煤氣溫度偏低、熱交換器的管徑偏小及停機(jī)時(shí)泄漏的水的腐蝕(氯離子腐蝕)等。目前尚無(wú)好的解決辦法，不得已取消了這4個(gè)氣-氣熱交換器，改用蒸汽預(yù)熱凈煤氣，這使全廠的凈效率下降1.5個(gè)百分點(diǎn)。
2 Destec煤氣化工藝
2.1 Destec煤氣化工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
Destec氣化爐是2段氧氣氣化、連續(xù)排渣、內(nèi)設(shè)耐火磚的煤氣化工藝。80%的水煤漿(濃度為67%)和純氧(純度為95%)混合后噴入氣化爐第1段，在第1段除對(duì)稱(chēng)布置2個(gè)水煤漿噴嘴外，在第1段的頂部還有一個(gè)從除塵器回來(lái)的飛灰再循環(huán)噴嘴。第1段的氣化溫度為1 371～1 427 ℃，氣化壓力為2.76 MPa。經(jīng)過(guò)第1段反應(yīng)產(chǎn)生的粗煤氣進(jìn)入第2段氣化區(qū)。第2段氣化是一個(gè)垂直的內(nèi)設(shè)耐火磚的壓力容器，20%的水煤漿從第2段噴嘴噴入，與粗煤氣混合并發(fā)生蒸餾、裂解和氣化反應(yīng)，使粗煤氣的熱值進(jìn)一步增加，而溫度降低。在氣化爐頂部的出口，煤氣溫度約為1 038 ℃，故只需要設(shè)置對(duì)流式煤氣冷卻器。Wabash River IGCC電站安裝了2臺(tái)100%負(fù)荷的氣化爐，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，煤氣冷卻器只有1套。該電廠的煤氣冷卻器之前有1根與氣化爐高度相當(dāng)?shù)膶?dǎo)流圓筒，垂直布置，內(nèi)設(shè)耐火材料。從導(dǎo)流筒出來(lái)的煤氣進(jìn)入對(duì)流式煤氣冷卻器，熱煤氣在管內(nèi)流動(dòng)，水在管外流動(dòng)，產(chǎn)生11.03 MPa壓力的飽和蒸汽，流量約90.7～113.4 kg/h，這部分蒸汽再進(jìn)入余熱鍋爐過(guò)熱。煤氣被冷卻到371 ℃，然后進(jìn)入煤氣除塵和脫硫系統(tǒng)。該電廠的煤氣冷卻器直徑約3 m。
Destec煤氣化工藝的水煤漿制備和黑水處理系統(tǒng)與Texaco工藝基本相似。
2.2 Destec煤氣化工藝的性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析
(1)截止1997年底，在Wabash River電廠也已累計(jì)運(yùn)行4 656 h，氣化了469 220 t煤，氣化爐的最大負(fù)荷可達(dá)到100%～103%，氣化爐最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行小時(shí)數(shù)可達(dá)到362 h，冷煤氣效率可達(dá)到71%～74%。氣化爐的可用率1996年為84%，1997年達(dá)到98%，1998年也達(dá)到96%。當(dāng)然，這是當(dāng)氣化爐1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用情況下的數(shù)據(jù)，單臺(tái)運(yùn)行時(shí)，尚不能達(dá)到如此高的可用率。氣化爐的噴嘴壽命一般為2～3個(gè)月，耐火磚壽命一般為2～3 a，2段耐火磚壽命更長(zhǎng)。
(2)Destec氣化爐采用2段氣化，提高了煤氣的熱值，降低了氧耗，并使煤氣的出口溫度降低，省去了龐大而昂貴的輻射廢熱鍋爐，使氣化爐的造價(jià)降低。而煤氣熱值的提高，也有利于提高IGCC電站的總效率。Desetc氣化爐的煤氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下熱值約10 425.5 kJ/m3，而Texaco煤氣熱值一般為8 563.8 kJ/m3。
(3)采用的火管式對(duì)流冷卻器造價(jià)和安裝費(fèi)用較低，檢修和清洗方便。
(4)Destec氣化爐采用壓力螺旋式連續(xù)排渣系統(tǒng)，泄壓和碎渣設(shè)備的造價(jià)較低。
2.3 Wabash River IGCC電站中Destec氣化爐曾出現(xiàn)過(guò)的主要問(wèn)題及解決辦法
(1)曾出現(xiàn)過(guò)2次連續(xù)排渣口堵塞現(xiàn)象。這是由于水煤漿中的粗大顆粒較多，使水煤漿供給波動(dòng)，導(dǎo)致氣化不穩(wěn)定而堵塞。解決的辦法：嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)行操作規(guī)程，控制水煤漿質(zhì)量，保證氣化過(guò)程穩(wěn)定。
(2)煤氣冷卻器入口管道的灰渣沉積，限制了機(jī)組運(yùn)行時(shí)間。主要措施是改進(jìn)了對(duì)流冷卻器前煤氣管道的尺寸、形狀，使煤氣流速提高，減輕管道中大塊沉積物的形成，從而避免了這些大塊沉積物隨氣流進(jìn)入煤氣冷卻器，并嚴(yán)格控制氣化爐操作溫度。為了更保險(xiǎn)，在煤氣冷卻器入口管道上裝有濾網(wǎng)，防止有較大的沉積物進(jìn)入煤氣冷卻器。
3 Shell煤氣化工藝
3.1 Shell煤氣化工藝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)煤粉制備和送料系統(tǒng)。Shell煤氣化工藝采用干煤粉進(jìn)料系統(tǒng)。原煤的干燥和磨煤系統(tǒng)與常規(guī)電站基本相同，但送料系統(tǒng)是高壓的N2氣濃相輸送。與水煤漿不同，整個(gè)系統(tǒng)必須采取防爆措施。經(jīng)預(yù)破碎后進(jìn)入煤的干燥系統(tǒng)，使煤中的水分小于2%，然后進(jìn)入磨煤機(jī)中被制成煤粉。對(duì)煙煤，煤粉細(xì)度R90一般為20%～30%，磨煤機(jī)是在常壓下運(yùn)行，制成粉后用N2氣送入煤粉倉(cāng)中。然后進(jìn)入2級(jí)加壓鎖斗系統(tǒng)。再用高壓N2氣，以較高的固氣比將煤粉送至4個(gè)氣化爐噴嘴，煤粉在噴嘴里與氧氣(95%純度)混合并與蒸汽一起進(jìn)入氣化爐反應(yīng)。
(2)氣化爐。由對(duì)稱(chēng)布置的4個(gè)燃燒器噴入的煤粉、氧氣和蒸汽的混合物，在氣化爐內(nèi)迅速發(fā)生氣化反應(yīng)，氣化爐溫度維持在1 400～1 600 ℃，這個(gè)溫度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到氣化爐底部，經(jīng)淬冷后，變成一種玻璃態(tài)不可浸出的渣排出。
粗煤氣隨氣流上升到氣化爐出口，經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡段，用除塵后的低溫粗煤氣(150 ℃左右)使高溫?zé)崦簹饧崩涞?00 ℃，然后進(jìn)入對(duì)流式煤氣冷卻器。在有一定傾角的過(guò)渡段中，由于熱煤氣被驟冷，所含的大部分熔融態(tài)灰渣凝固后落入氣化爐底部。
Shell氣化爐的壓力殼內(nèi)布置垂直管膜式水冷壁，產(chǎn)生4.0 MPa的中壓蒸汽。向火側(cè)有一層很薄的耐火涂層，當(dāng)熔融態(tài)渣在上面流動(dòng)時(shí)，起到保護(hù)水冷壁的作用。Demkolec IGCC電站的氣化爐直徑約5～6 m，高約50多m，標(biāo)高達(dá)到60多m。氣化爐的運(yùn)行壓力約2.6～2.8 MPa。
(3)煤氣冷卻器。粗熱煤氣在煤氣冷卻器中被進(jìn)一步冷卻到250 ℃左右。低溫冷卻段產(chǎn)生4.0 MPa的中壓蒸汽，這部分蒸汽與氣化爐產(chǎn)生的中壓蒸汽混合后，再與汽輪機(jī)高壓缸排汽一起再熱成中壓再熱蒸汽。高溫冷卻段產(chǎn)生13 MPa的高壓蒸汽，它與余熱鍋爐里的高壓蒸汽一起過(guò)熱成主蒸汽。
Demkolec電廠的煤氣冷卻器直徑約4 m，高約64 m，冷卻器頂部標(biāo)高約74.5 m，是氣化島的最高點(diǎn)。冷卻器的壓力外殼里布置有8層螺旋管圈，上下共分成5段，熱煤氣由上而下在螺旋管外流動(dòng)與螺旋管內(nèi)的水換熱。每一層螺旋管圈都有一個(gè)氣動(dòng)錘振打清除積灰。
由于Shell氣化爐組成的IGCC系統(tǒng)采用的是干法除塵，所以，它的黑水和灰水處理系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但其主要的流程與Texaco相似，在此不再贅述。
3.2 Shell煤氣化工藝的性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析
(1)Shell氣化爐的煤氣中CO和H2含量遠(yuǎn)大于Texaco煤氣，而CO2和H2O卻遠(yuǎn)小于Texaco煤氣。由于可燃?xì)獬煞州^高，其冷煤氣效率較高(約80%～83%)，組成的IGCC電站發(fā)電效率也較高(43% LHV)。而水煤漿進(jìn)料的冷煤氣效率一般僅為74%～77%。組成的IGCC效率也較低(41% LHV)。
(2)由于煤氣中水分含量較少(2.0%)，Shell氣化爐組成的IGCC因常溫凈化而損失的熱煤氣能量較小，而水煤漿進(jìn)料的煤氣中一般都含有16.8%左右的水分，那么當(dāng)熱煤氣冷卻到常溫時(shí)，必然損失大量的顯熱和潛熱。水煤漿進(jìn)料氣化工藝對(duì)高溫凈化的需求更迫切。
(3)Shell氣化爐的噴嘴和水冷壁壽命較長(zhǎng)，在Demkolec電站累計(jì)運(yùn)行10 000 h以上未見(jiàn)損壞，氣化爐的可用率已達(dá)到95%。
(4)由于采用干法進(jìn)料，氣化過(guò)程的氧耗比水煤漿進(jìn)料少，煤氣中的CO2含量也遠(yuǎn)小于水煤漿進(jìn)料的煤氣。對(duì)于相同容量的氣化爐，Shell氣化所需的空分站可小于15%～25%。
(5)采用干灰再循環(huán)，提高了碳的轉(zhuǎn)化率(可達(dá)到99%)。
(6)干法進(jìn)料系統(tǒng)與水煤漿相比要復(fù)雜得多，操作和保護(hù)也要嚴(yán)格得多。進(jìn)料系統(tǒng)的防爆和防泄漏問(wèn)題十分關(guān)鍵。進(jìn)料系統(tǒng)的占地和造價(jià)比水煤漿大。此外，干法進(jìn)料系統(tǒng)的粉塵排放遠(yuǎn)大于水煤漿進(jìn)料系統(tǒng)。
(7)由于Shell氣化爐采用4個(gè)(或更多)噴嘴運(yùn)行，易于在低負(fù)荷和高負(fù)荷下運(yùn)行，操作的靈活性大，實(shí)現(xiàn)大型化的可能性大。據(jù)介紹，Shell氣化爐的最低負(fù)荷可達(dá)到25%，即一個(gè)噴嘴運(yùn)行。
(8)Shell氣化爐運(yùn)行過(guò)程中最重要的控制參數(shù)如下：氣化爐出口溫度；合成氣冷卻器進(jìn)口溫度；煤氣成分；蒸汽的參數(shù)(流量、溫度、壓力)；爐渣的排出量及外觀狀況。
(9)氣化爐的變負(fù)荷率每分鐘大于5%，IGCC的變負(fù)荷率每分鐘接近3%。
3.3 Demkolec IGCC電站中shell氣化爐曾出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題及解決辦法
在Demkolec電站運(yùn)行中，Shell氣化爐及其輔助系統(tǒng)的運(yùn)行基本正常，可用率也較高。在運(yùn)行初期出現(xiàn)過(guò)以下問(wèn)題：(1)排渣的鎖斗堵塞；(2)細(xì)微爐渣影響黑水處理系統(tǒng)。上述2個(gè)與氣化工藝有關(guān)問(wèn)題的原因及解決辦法與前文相同，在此不再贅述。
4 Prenflo煤氣化工藝
4.1 Prenflo 氣化工藝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)制粉和輸送系統(tǒng)。與Shell煤氣化工藝的進(jìn)料系統(tǒng)相似，Prenflo氣化工藝也采用干法進(jìn)料系統(tǒng)。對(duì)制粉系統(tǒng)的要求是：對(duì)煙煤的煤粉細(xì)度R100為25%，且含水量小于2%(Wt)；對(duì)于褐煤要求煤粉細(xì)度R100為25%，且含水量小于6%(Wt)。
(2)氣化爐和煤氣冷卻器。Prenflo煤氣化爐有4個(gè)燃燒器，對(duì)稱(chēng)布置，從給料系統(tǒng)送來(lái)的煤粉與氧氣(85%純度)和水蒸汽一起噴入汽化爐反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)的溫度1 500 ℃左右，焰心的溫度高達(dá)2 000 ℃。煤氣中不含過(guò)高的碳?xì)浠衔铩⒔褂秃头�。反�?yīng)器區(qū)域的爐襯通過(guò)水冷壁來(lái)冷卻，同時(shí)可產(chǎn)生高壓飽和蒸汽，它與余熱鍋爐的高壓蒸汽相連。
從氣化反應(yīng)區(qū)排出的液態(tài)渣，在集渣器的水槽中冷卻并用碎渣機(jī)破碎大渣，經(jīng)過(guò)閘門(mén)式鎖斗排出，并與水分離，渣被送入渣場(chǎng)或銷(xiāo)售，水可循環(huán)使用。粗煤氣在下部的反應(yīng)區(qū)里形成后向上流動(dòng)，在進(jìn)入氣化爐上部的煤氣冷卻器之前，采用除塵后的冷煤氣對(duì)熱煤氣進(jìn)行急冷，目的是迫使熱煤氣帶來(lái)的熔融態(tài)灰渣凝固而落入氣化爐底部排渣口。被急冷的煤氣繼續(xù)上升進(jìn)入第1級(jí)煤氣冷卻器，煤氣先從冷卻器的中心圓筒上升至氣化爐頂部，然后折轉(zhuǎn)向下，從中心圓筒與爐壁間的環(huán)形對(duì)流冷卻區(qū)域從第1級(jí)冷卻器的底部(即氣化爐的腰部)離開(kāi)進(jìn)入第2級(jí)對(duì)流冷卻器，第1級(jí)冷卻器的環(huán)形冷卻區(qū)布置有4層螺旋管換熱器，熱煤氣在管外流動(dòng)，水在管內(nèi)流動(dòng)，并產(chǎn)生高壓飽和蒸汽。這是Prenflo與Shell氣化爐的不同之處。
第2級(jí)冷卻器的結(jié)構(gòu)與Shell氣化工藝的對(duì)流冷卻器相似。內(nèi)部也是布置多層的螺旋盤(pán)管換熱管束，西班牙Puertollano IGCC電站中的Prenflo爐第2級(jí)對(duì)流冷卻器螺旋盤(pán)管共6層，上下共分3組，熱煤氣經(jīng)過(guò)第2級(jí)冷卻器后，一般被冷卻到250 ℃左右，同時(shí)也能產(chǎn)生飽和蒸汽。
(3)除塵和飛灰再循環(huán)系統(tǒng)。冷卻后的粗煤氣經(jīng)一級(jí)干式除塵器(陶資過(guò)濾器或旋風(fēng)分離器使大部分飛灰被收集，經(jīng)鎖斗，用N2送回氣化爐，以提高碳的轉(zhuǎn)化率。粗煤氣再經(jīng)一級(jí)水洗滌器使煤氣中的灰塵含量小于1 mg/m3，然后進(jìn)入脫硫系統(tǒng)。
4.2 Prenflo氣化工藝的性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析
(1)冷煤氣效率可達(dá)到80%～83%，氣化爐的總效率可達(dá)到95%。對(duì)美國(guó)Pittsburgh 8號(hào)煤的試驗(yàn)結(jié)果證明85%純度的氧氣做為氣化劑，煤氣的熱值、碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率、總效率與95%純度的氧氣氣化相比相差不大。因此，Prenflo爐采用85%的純度的氧氣做為氣化劑。Prenflo氣化爐在小試驗(yàn)臺(tái)可達(dá)到每分鐘2%～15%的變負(fù)荷率，而此時(shí)煤氣中的CO2以及煤氣壓力幾乎不變。由于也采用4個(gè)燃燒器，當(dāng)50%負(fù)荷時(shí)，只用2個(gè)燃燒器可以很容易地操作。
(2)西班牙Puertollano IGCC電站中Prnflo爐的運(yùn)行情況。1998年初開(kāi)始用煤氣發(fā)電，迄今累計(jì)運(yùn)行198 h，最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為25 h，此時(shí)的負(fù)荷為80%。氣化爐在75%負(fù)荷下曾運(yùn)行了40 h。截止1998年9月氣化爐乃至整個(gè)IGCC電廠沒(méi)有在100%負(fù)荷運(yùn)行的記錄。50%煤和50%石油焦混燒時(shí)的試驗(yàn)表明實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值非常接近。1998年7～8月機(jī)組大修，主要檢修Siemens的燃?xì)廨啓C(jī)。目前機(jī)組已重新啟動(dòng)。
4.3 在Puertollano電站中Prenflo氣化爐曾出現(xiàn)過(guò)的主要問(wèn)題及解決辦法
(1)壓力供料鎖斗下粉不暢。在2級(jí)鎖斗間有一根回流N2的管，由于管徑設(shè)計(jì)太小，使N2排氣不暢而導(dǎo)致煤粉下落不連續(xù)。解決的辦法是在回流管上增加了一個(gè)文丘利抽氣器，以提高N2回流的速度，從而使排氣暢通，煤粉下落連續(xù)而均勻。
(2)黑水和灰水處理系統(tǒng)的細(xì)渣過(guò)濾問(wèn)題。與Demkolec和Tampa電站的問(wèn)題類(lèi)似，Puertollano IGCC電站的氣化島也出現(xiàn)過(guò)因細(xì)渣太多，而導(dǎo)致黑水含渣量大，造成黑水系統(tǒng)磨損堵塞的問(wèn)題，解決的辦法也是采取過(guò)濾的辦法將黑水中的細(xì)渣除去，即可解決此類(lèi)問(wèn)題。
5 4種氣化爐的綜合比較
4種氣化爐技術(shù)特點(diǎn)的綜合比較見(jiàn)表1。
表1 4種氣化爐的技術(shù)特點(diǎn)比較
技 術(shù) 項(xiàng) 目TexacoDestec/DynergyShellPrenflo進(jìn)料方式濕法/水煤漿濕法/水煤漿干法/煤粉干法/煤粉反應(yīng)器形式噴流床噴流床噴流床噴流床氧氣純度/%95959585～95噴嘴/個(gè)13(+1)44噴嘴的壽命/h1 4401 440～2 160＞10 000待考檢氣化爐內(nèi)襯耐火磚耐火磚水冷壁+涂層水冷壁+涂層內(nèi)襯的壽命/a23＞10(待考驗(yàn))＞10(待考驗(yàn))冷煤氣效率/%71～7674～7880～8380～83碳轉(zhuǎn)化率/%96～9898＞98＞98單爐最大出力/t.d-12 200～2 4002 5002 0002 600示范電站的凈功率/MW250.0260.6253.0300.0最大容量氣化爐的最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間/h＞8 860＞7 500＞10 00040示范電站最長(zhǎng)追續(xù)運(yùn)行時(shí)間/h720～1 000＞324＞2 00025示范電站的氣化爐可用率/%80～8590～95 (一開(kāi)一備)95(待考驗(yàn))組成IGCC示范電站的效率/%設(shè)計(jì)值：41.6(HHV)
試驗(yàn)值：38.5(HHV)設(shè)計(jì)值：37.8(HHV)
試驗(yàn)值：38.8(HHV)43(LHV)
(未公布試驗(yàn)值)45(LHV)
(待試驗(yàn))組成的IGCC達(dá)到43%(LHV)效率的
可能性有可能
(但必須改進(jìn)全熱回收)容易達(dá)到容易達(dá)到能達(dá)到存在的問(wèn)題噴嘴、耐火磚壽命短，
全熱回收系統(tǒng)和黑水
處理系統(tǒng)尚待改進(jìn)噴嘴、耐火磚壽命短，
黑水處理系統(tǒng)待改進(jìn)黑水系統(tǒng)待改進(jìn)供料系統(tǒng)待改進(jìn)是否氣化過(guò)類(lèi)似于中國(guó)IGCC電站的煤種是否是否目前IGCC電站的造價(jià)低最低較高較高
6 結(jié)論
6.1 美國(guó)的水煤漿進(jìn)料氣化工藝(Texaco和Destec)和歐洲的干法進(jìn)料氣化工藝(Shell和Prenflo)的單爐出力都達(dá)到了2000～2500 t/d等級(jí)，并都進(jìn)行了250～300 MW等級(jí)的IGCC示范，4種氣化爐都采用氧氣噴流床氣化工藝。這對(duì)于我國(guó)選擇氣化工藝提供了較為全面的選擇范圍。
6.2 Texaco氣化爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和已商業(yè)化的臺(tái)數(shù)最多，用于IGCC發(fā)電，氣化爐的可用率也可達(dá)到80%以上。但它的噴嘴和耐火襯里的壽命較短，冷煤氣效率和組成IGCC的效率目前還較低。若IGCC效率設(shè)計(jì)為43%(LHV)，采用Texaco氣化爐，必須使其廢熱鍋爐和全熱回收系統(tǒng)有較大的改進(jìn)，才有可能達(dá)到。
6.3 Destec氣化爐雖然也是水煤漿進(jìn)料，但它是2段氣化，冷煤氣效率比Texaco高，而且可省去輻射廢熱鍋爐，加之火管式的對(duì)流冷卻器使造價(jià)大幅度降低。若組成IGCC，許多專(zhuān)家認(rèn)為是能夠達(dá)到43%(LHV)的效率，且造價(jià)較低。但與干法進(jìn)料相比，其噴嘴和耐火磚壽命較短。
6.4 Shell氣化爐的可用率已達(dá)到了95%，可以說(shuō)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行，其噴嘴和水冷壁的壽命都較長(zhǎng)。冷煤氣效率和組成IGCC效率與濕法進(jìn)料氣化工藝相比較高，對(duì)43%(LHV)的IGCC效率，采用Shell工藝容易達(dá)到。但它的造價(jià)與Texaco和Destec相比較高。
6.5 Prenflo氣化爐與Shell氣化爐基本相似，只是冷卻器結(jié)構(gòu)有所不同，由于西班牙Puertollano示范電站的運(yùn)行時(shí)間很短，Prenflo氣化爐的性能尚待時(shí)間檢驗(yàn)。
6.6 煤種對(duì)氣化爐的性能有很大影響，對(duì)于我國(guó)IGCC示范電站所選用的煤種，目前只有Texaco和Shell氣化爐有類(lèi)似煤種的氣化經(jīng)驗(yàn)，這一點(diǎn)對(duì)氣化工藝的選擇也十分重要。
6.7 從4座示范電站的運(yùn)行情況看，氣化爐本身的可用率都很高(＞85%)，但與之匹配的輔助系統(tǒng)是制約氣化島和整個(gè)IGCC機(jī)組可用率的最大障礙。其中排渣和黑水處理系統(tǒng)及進(jìn)料系統(tǒng)的問(wèn)題最多，有些目前尚未解決。這一點(diǎn)在我們選擇氣化工藝承擔(dān)者時(shí)應(yīng)予以高度重視，盡量選擇這一方面的專(zhuān)業(yè)廠商。
6.8 根據(jù)世界上4座示范電站的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)于我國(guó)IGCC示范電站在氣化工藝選擇方面應(yīng)綜合考慮以下幾個(gè)原則問(wèn)題：氣化爐的最大出力是否能達(dá)到要求；是否氣化過(guò)類(lèi)似的煤種；最大容量的氣化爐的運(yùn)行時(shí)間和臺(tái)數(shù)；示范運(yùn)行的可用率；冷煤氣效率及組成IGCC的總效率；目前還存在哪些問(wèn)題；氣化爐和輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造者是否都是專(zhuān)業(yè)廠商。
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