对IGCC电站中废热锅炉技术的探讨

　第３０卷第２期华电技术Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．２　　　２００８年２月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＦｅｂ．２００８　　对ＩＧＣＣ电站中废热锅炉技术的探讨ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗａｓｔｅｈｅａｔｂｏｉｌｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＩＧＣＣｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ张广全ＺＨＡＮＧＧｕａｎｇｑｕａｎ（国家电站燃烧工程技术研究中心，辽宁沈阳　１１００３４）（ＴｈｅＳｔａｔｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆＰｏｗｅｒＰｌａｎｔ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００３４，Ｃｈｉｎａ）摘　要：废热锅炉是ＩＧＣＣ电站中气化岛中的关键设备，采用废热锅炉对煤气化后合成气的显热进行有效回收能够显著提高ＩＧＣＣ机组的发电效率。废热锅炉的放热工质同时具有高温、高压、强还原性３个特点，其中辐射式废热锅炉的高温腐蚀、密封和排渣问题以及对流式废热锅炉的积灰、堵塞和磨损问题是废热锅炉技术研究中需要重点解决的难点问题。对ＩＧＣＣ电站废热锅炉研究和设计中的几个关键问题进行了总结和分析，并提出了相应的解决意见。关键词：ＩＧＣＣ；废热锅炉；显热回收；废热利用中图分类号：ＴＫ１６　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０２－００２９－０５Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｗａｓｔｅｈｅａｔｂｏｉｌｅｒｉｓｋｅｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｕｎｉｔｏｆＩＧＣＣｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ．Ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅｗａｓｔｅｈｅａｔｂｏｉｌｅｒｔｏｒｅｃｏｖｅｒｔｈｅｈｅａｔｏｆｓｙｎｇａｓ．Ｔｈｅｗａｓｔｅｈｅａｔｏｆｔｈｅｂｏｉｌｅｒｈａｓｔｈｒｅｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｓｔｒｏｎｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｍｕｓｔｂｅｐａｙｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｓｏｌｖｅ，ｓｕｃｈａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，ｓｅａｌ，ａｎｄｓｌａｇｄｉｓｃｈａｒｇｅｆｏｒＴｈｅｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅｗａｓｔｅｈｅａｔｂｏｉｌｅｒａｎｄｆｏｕｌｉｎｇ，ｐｌｕｇａｎｄｗｅａｒｆｏｒｔｈｅｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｗａｓｔｅｈｅａｔｂｏｉｌｅｒ．Ｔｈｅｋｅｙｉｓｓｕｅｓｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｗａｓｔｅｈｅａｔｂｏｉｌｅｒｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＧＣＣ；ｗａｓｔｅｈｅａｔｂｏｉｌｅｒ；ｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙ；ｗａｓｔｅｈｅａｔｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ收稿日期：２００７－１２－１８０　引言整体煤气化联合循环发电系统（ＩＧＣＣ）可以实现燃煤高效、清洁和多样化利用，是先进煤基能源多联产系统的重要基础。我国拥有丰富的煤炭资源，采用煤炭发电是目前的现实选择。国家发改委已对ＩＧＣＣ纯发电、ＩＧＣＣ供热和ＩＧＣＣ多联产３种ＩＧＣＣ项目进行论证，在“十一五”期间电力工业发展规划中也明确提出要开工建设一批ＩＧＣＣ示范工程。ＩＧＣＣ系统中气化炉出口的粗煤气具有较高的温度。采用水煤浆气化工艺的气化炉出口温度为１２００～１５００℃，显热能量很高，粗煤气在净化之前的降温过程中其大量显热将被冷却介质带走，为了提高能源利用效率，对煤气化后合成气的显热进行有效回收十分必要。目前ＩＧＣＣ发电技术的供电效率已达４２％～４５％，这部分显热若不回收，能量损失会很大，将影响供电效率的４％～５％。从目前ＩＧＣＣ发电系统的运行情况和发展趋势来看，最重要的热回收装置是气化装置后的废热锅炉。废热锅炉包括辐射式废热锅炉和对流式废热锅炉２部分，了解和研究辐射式废热锅炉和对流式废热锅炉的设计和制造技术是十分迫切的现实需要。１　废热锅炉在ＩＧＣＣ系统中的地位在ＩＧＣＣ发电系统中，废热锅炉是显热回收利用中的关键设备和气化岛中的重大设备，废热锅炉的运行情况直接影响ＩＧＣＣ发电系统的可用率和整体供电效率。按照高温煤气流程来分，辐射式废热锅炉是高温段显热利用的主要设备，对流式废热锅炉是中温段废热利用的主要设备。辐射式废热锅炉与　·３０·华电技术第３０卷　图１　ＩＧＣＣ系统简易流程图对流式废热锅炉将合成气的大部分显热传给工质水，产生高压蒸汽，这些蒸汽在余热锅炉中过热后送住蒸汽轮机发电。典型ＩＧＣＣ系统简易流程如图１所示。　　从磨煤机供来的水煤浆与从空分设备供来的高压氧气一起进入气化烧嘴，在气化炉缺氧还原环境中进行气化反应，生成粗煤气。煤中的灰和气化炉中未转变的碳在高温下形成液态渣。高温粗煤气和液态渣进入辐射式废热锅炉进行辐射换热，从辐射式废热锅炉出来的合成气夹带着少量细灰进入对流式废热锅炉，通过换热把辐射式废热锅炉和对流式废热锅炉中的饱和水变为饱和蒸汽并进入余热锅炉。从对流式废热锅炉出来的合成气接下来进入湿式洗涤除尘器和换热器，经洗涤后的合成气经过气水换热器降温后进入脱硫系统吸收塔去除硫化氢。然后净化气从吸收塔出来，再经过换热器进行升温，升温后与空分设备来的氮气掺混，再进一步与燃气轮机抽气换热，合成气被加热至适合温度后送入燃气轮机燃烧室带动燃气轮机发电。燃气轮机排气再进入余热锅炉产生蒸汽进行发电。该系统利用辐射式废热锅炉和对流式废热锅炉最大限度地回收合成气中的显热来生产用于蒸汽轮机的高压蒸汽，使得联合循环发电系统净效率明显提高。根据具体工艺，对流式废热锅炉后的显热还可以用来加热系统中送往燃气轮机的合成气和回注氮气。这种方法大约可以回收相当于原料煤低位发热量１４％～１８％的能量，使得热煤气利用效率可达到９０％～９５％［３］，从而提高联合循环发电系统的发电净效率。２　废热锅炉结构的关键技术难点２．１　辐射式废热锅炉受热面形式气化炉操作压力一般为３～４ＭＰａ，温度为１４００℃，高温高压合成气从气化炉进入辐射式废热锅炉后具有流速快、停留时间短等特点，从而要求辐射式废热锅炉的结构具有耐热膨胀性能好、传热面导热系数大、气体经过处结构简单等特点。通常选用烟道水冷壁排管式受热面形式。从气化炉中排出的合成气通过水冷壁受热面后其温度从１４００℃降到７００℃，由于辐射式废热锅炉功率大、换热强度高，且在高温、高压、还原性气体条件下进行换热，因此，合理布置受热面是提高设备可用率的重要方法。辐射式废热锅炉按照受热面布置方式可分为单面水冷壁、双面水冷壁和部分双面水冷壁３种型式，如图２所示。同单面水冷壁布置方式相比，在满足相同容量显热回收要求的前提下，双面水冷壁结构体积更小、换热效率更高，同目前国际上辐射式废热锅炉发展趋势相适应，但其结构比较复杂，运行可靠性没有前者高。采用部分双面水冷壁布置方式，在减小辐射式废热锅炉体积、提高换热效率的前提下，可以减小双面水冷壁布置比例和维护工作量，提高系统运行可靠性。有效减小辐射式废热锅炉体积、增大吸热量，可使其应用于更大容量的机组，并使辐射式废热锅炉出口烟气温度进一步降低，Ｋ，Ｎａ等碱金属盐的沉积过程尽可能在辐射式废热锅炉中完成，以避免目前对流式废热锅炉存在的受热面积灰堵塞问题。　　辐射式废热锅炉受热面形式应按照材料、制造、安装和检修条件进行选择，在满足工艺生产和安全运行的前提下，还应考虑加工制造的可能性，现场及加工机具、制造设备能力、材料来源、现有技术力量等因素。２．２　辐射式废热锅炉的传热问题辐射式废热锅炉内传热过程主要可分为气体辐射、灰污传热、管壁传热、水垢传热和液体沸腾，其中　第２期张广全：ＩＧＣＣ电站中废热锅炉技术探讨·３１·　图２　辐射废锅受热面３种不同布置方式气体辐射占有很大比重且较复杂。不同气体具有不同放射和吸收辐射能的能力，一般Ｎ２，Ｏ２，Ｈ２等分子结构对称的双原子气体并无放射和吸收辐射能的能力，而ＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＳＯ２，ＮＨ３等三原子、多原子及结构不对称的双原子气体却具有很强的放射和吸收辐射能的能力，其辐射能力可以用黑度来表示。气体黑度与气体温度和平均射线行程上具有辐射能力的气体分子数有关，而后者与该气体分压和平均射线行程之积成正比。废热锅炉的高温合成气中存在大量多原子气体并含有一定灰分，这种多组分含灰和非单色辐射气体的黑度可以参考式（１）进行计算［１］。εｇ＝１－ｅ－ｋｐＬ，（１）其中，ｋ＝ｋ１ｙ３＋ｋ２ｙｈ＋１０ｋ３ｘ１ｘ２，ｋ１ｙ３＝１００．７８＋１．６ｙＨ２Ｏ１０ｐ３槡Ｌ－０．()１×１－０．３７×Ｔｇ()１０００，ｋ２＝４４３Ｔｇ２ｄｐ槡２，式中：εｇ为气体黑度；ｋ为气体辐射减弱系数；ｐ为气体总压，ＭＰａ；Ｌ为气体平均射线行程，ｍ；ｋ１为三原子气体辐射减弱系数；ｋ２为容积里充满灰粒辐射减弱系数；ｋ３为焦炭粒子辐射减弱系数；ｘ１和ｘ２为火焰中碳粒浓度影响无因次量，ｘ１取决于燃料种类，ｘ２取决于燃烧方式；ｙ３为三原子气体体积分率，ｙｈ为气体中飞灰颗粒体积分率；ｙＨ２Ｏ为水蒸汽体积分率；ｄｐ为飞灰颗粒平均粒径，ｍｍ；Ｔｇ为气体温度，Ｋ。合成气对外壁辐射吸收率可近似按式（２）计算［１］。αｇ＝εｇＴｇＴ()ｗｎ，（２）式中，αｇ为合成气对外壁辐射吸收率；Ｔｗ外壳表面温度，Ｋ；ｎ的取值可以查表，水蒸气ｎ＝０．４５，二氧化碳ｎ＝０．６５。在合成气黑度和吸收率确定之后，气体与外壳之间换热计算只要用气体辐射εｇＥｂ，ｇ（气体温度为Ｔｇ）减气体吸收辐射αｇＥｂ，ｇ（外壳壁温为为Ｔｗ），即可得到气体与外壳之间换热热流密度ｑ，即式（３）［１］。ｑ＝εｇＥｂ，ｇ－αｇＥｂ，ｇ＝　　　　５．６７εｇＴｇ()１００４－αｇＴｗ()１００[]４。（３）　　在水煤浆实际气化过程中，合成气不可避免夹带灰及一定量的高温液态渣体，使辐射式废热锅炉内部的辐射换热十分复杂，设计计算中既要考虑灰体壁面多次反射，还要考虑气侧污垢热阻问题。辐射过程中主要热阻集中在气侧污垢上，虽然污垢厚度很小，但污垢层表面和水冷壁管的表面温差却很大，气侧污垢的大小直接决定传热系数的大小，对设计计算影响很大，在设计计算中应重点考虑。２．３　辐射式废热锅炉的入口形式气化炉出口与辐射式废热锅炉入口由喉部进行连接，熔融渣从气化炉向辐射式废热锅炉流动的过程中会保持流动的温度，当熔融渣流动到辐射式废热锅炉入口处时由于流通面积扩大而容易被合成气夹带喷溅到辐射式废热锅炉中，所以，在设计中要保证熔融渣从离开喉部的壁面并在到达辐射锅炉水冷壁表面时能够被充分冷却，使渣固化失去黏结性，从而保证受热面不沾污，因此，对合成气通过喉部气速的选择是设计关键。目前世界上应用较多的德士古辐射式废热锅炉入口形式如图３所示，气化炉与辐射式废热锅炉外壳体采用法兰连接，高温合成气出气化炉后进入一个相对较长的狭小通道，以此提高进入辐射式废热锅炉的流速，通道内壁为耐火砖，在进入辐射式废热锅炉的一端采用水冷壁弯管受热面，由于合成气具有３ＭＰａ压力，因此，需要在入口连接段的外壳与受热面之间注入高压氮气以平衡内部高压并起到密封作用。２．４　辐射式废热锅炉的排渣形式合成气经过辐射式废热锅炉受热面换热以后流向对流式废热锅炉，其渣以熔融状态流入辐射式废热锅炉底部，经过底部水槽急剧冷却后又会出现具有很高硬度的固态溶渣，因此，在底部存在液相、气　·３２·华电技术第３０卷　图３　德士古辐射式废热锅炉入口形式相和固相的混合区。灰渣在混合区域内随水排入锁渣罐，因不同煤质的灰渣粘温特性直接决定辐射式废热锅炉的操作温度，并影响排渣及灰水中固态渣的含量等，从而影响排渣装置的稳定运行，因而辐射式废热锅炉出口形式必须根据设计煤种进行选择，流通截面尽量较大，且制造材料要有足够耐磨能力，从而保证排渣系统可靠运行。同时，在渣口附近必须有吹扫装置进行防结渣沉淀扰动，在底部混合段也可以采用带压氮气进行不断吹扫。２．５　对流式废热锅炉受热面的积灰、磨损及腐蚀对流式废热锅炉布置型式主要来源于化工行业，主要有火管式和水管式２种形式。火管式对流式废热锅炉具有传热效率高、体积小、造价低等优势，其缺点是系统吹灰困难，容易造成积灰；水管式对流式废热锅炉具有吹灰和受热面布置