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ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｒ．２００８　　ＩＧＣＣ电站气化系统及灰水系统优化Ｏｐｔｉｍｕｍｏｎｔｈｅｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄａｓｈ－ｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｉｎＩＧＣＣｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ俞骆，金向阳ＹＵＬｕｏ，ＪＩＮＸｉａｎｇｙａｎｇ（杭州华电半山发电有限公司，浙江杭州　３１００１５）（ＨｕａｄｉａｎＨａｎｇｚｈｏｕＢａｎｓｈａｎＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１５，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：ＴＫ２２９．８　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０３－００４０－０４Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄａｓｈ－ｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｍｂｉｎｅｄｃｙｃｌｅ（ＩＧＣＣ）ｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｂｒｉｅｆ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｓｏｆｔｈｅｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄａｓｈ－ｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｉｎＢａｎｓｈａｎＩＧＣＣＰｏｗｅｒＰｌａｎｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｏｆｏｐｐｏｓｅｄｍｕｌｔｉ－ｂｕｒｎｅｒｃｏａｌ－ｗａｔｅｒｓｌｕｒｒｙ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆａｓｈ－ｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｆｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｃｌｅａｎｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅａｎｄｔｈｅｆｌｕｓｈｉｎｇｓｌａｇｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｄｕｒｅｗｅｒｅｔｈｅｅｍｐｈａｓｅｓｔｏｂｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｍｂｉｎｅｄｃｙｃｌｅ（ＩＧＣＣ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ａｓｈ－ｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ收稿日期：２００８－０１－１５１　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）《２００ＭＷ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，沿气化炉耐火表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设计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／％ＣＨ４０．０１００ＣＯ２１３．１６００Ｎ２０．５１００Ｈ２２６．６３００Ｈ２Ｏ２５．１９００ＣＯ３４．３６００Ｈ２Ｓ０．１０００ＣＯＳ０．０１００ＡＲ０．００００ＮＨ３０．０３００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）１７４２９８３．３　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（６０ｋＰａ）、除尘单元（１１０ｋＰａ）、合成气低温冷却单元（２２０ｋＰａ）、脱硫单元（８０ｋＰａ）、前置模块单元（６３０ｋＰａ），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１４００℃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（１２６０℃）基础上增加约５０℃。经计算，气化炉操作温度确定为１３１１．７４℃。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６１０．０７９４ｋｇ／ｋｍ３，比氧耗为３８２．３１７１ｍ３／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４ｈ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、１３１０℃。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