整体煤气化联合循环IGCC.docx

整体煤气化联合循环（IGCC） 整体煤气化联合循环发电（IGCC） 目录 整体煤气化联合循环发电（IGCC）0 目录0 一、整体煤气化联合循环的工作过程1 二、整体煤气化联合循环的特点1 三、整体煤气化联合循环的发展2 四、在整体煤气化联合循环的主要设备6 （一）燃气轮机系统6 1 、压气机7 2 、燃烧室8 3、 燃气透平10 （二）煤气化系统12 （三）煤气净化系统18 1、煤气净化的主要内容18 2、IGCC电站煤气除尘19 3、IGCC电站煤气脱硫的几种方法及特点20 4、硫回收及尾气处理27 5、结论30 （四）空分装置与空气侧系统整体化30 1、IGCC 系统中空气分离器设备的选择30 2 结 论42 （五）余热锅炉汽轮机系统42 1、IGCC电站中的水蒸气热力系统42 2、IGCC蒸汽系统的HRSG43 3、IGCC蒸汽系统的汽轮机50 4、结束语56 五、整体煤气化联合循环的发展趋势56 1使ICCC技术与化工工业流程相结合，形成一个以煤气化为核心的多联产的能源系统57 2继续不断地改进IGCC技术中各主要部套和系统的性能、提高其可用率、降低其成本58 六、对我国发展IGCC技术的若干启示60 一、整体煤气化联合循环的工作过程 整体煤气化联合循环（IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle）发电系统，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。它由两大部分组成，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炉、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。IGCC的工艺过程如下煤经气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气透平作功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机作功。其原理图见下图 二、整体煤气化联合循环的特点 IGCC（整体煤气化联合循环）发电技术是当今国际上最引人注目的新型、高效的洁净煤发电技术之一。该技术以煤为燃料，通过气化炉将煤转变为煤气，经过除尘、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，燃气轮机排气余热经余热锅炉加热给水产生过热蒸汽，带动蒸汽轮机发电，从而实现了煤气化燃气蒸汽联合循环发电过程。 IGCC发电技术把联合循环发电技术与煤炭气化和煤气净化技术有机的结合在一起，具有高效率、清洁、节水、燃料适应性广，易于实现多联产等优点，符合二十一世纪发电技术的发展方向。 1、IGCC将煤气化和高效的联合循环相结合，实现了能量的梯级利用，提高了采用燃煤技术的发电效率。目前国际上运行的商业化IGCC电站的供电效率最高已达到43，与超超临界机组效率相当。当采用更先进的H系列燃气轮机时，IGCC供电效率可以达到52。 2、IGCC对煤气采用“燃烧前脱除污染物”技术，煤气气流量小大约是常规燃煤火电尾部烟气量的1/10，便于处理。因此IGCC系统中采用脱硫、脱硝和粉尘净化的设备造价较低，效率较高，其各种污染排放量都远远低于国内外先进的环保标准，可以与燃烧天然气的联合循环电厂相媲美。 目前常规燃煤电厂脱硫主要采用尾部脱硫的方法，脱硫所产出的副产品是石膏。IGCC一般采用物理/化学方式脱硫，其脱硫效率可达99以上，脱硫产物是有用的化工原料-硫磺。常规燃煤电厂目前没有有效的脱除CO2的方法，IGCC具有实现CO2零排放的技术潜力。在IGCC系统中可以对煤气中的CO进行变换，生成H2和CO2，H2可以作为最清洁的燃料 （如燃料电池），CO2可以进行分离、填埋回注等，以实现CO2零排放。 3、IGCC的燃料适应性广，褐煤、烟煤、贫煤、高硫煤、无烟煤、石油焦、泥煤都能适应。采用IGCC发电技术，可以燃用我国储量丰富、限制开采的高硫煤，使燃料成本大大降低。 4、IGCC机组中蒸汽循环部分占总发电量约1/3，使IGCC机组比常规火力发电机组的发电水耗大大降低，约为同容量常规燃煤机组的1/2～2/3左右。 5、IGCC的一个突出特点是可以拓展为供电、供热、供煤气和提供化工原料的多联产生产方式。IGCC本身就是煤化工与发电的结合体，通过煤的气化，使煤得以充分综合利用，实现电、热、液体燃料、城市煤气、化工品等多联供。从而使IGCC具有延伸产业链、发展循环经济的技术优势。 三、整体煤气化联合循环的发展 1972年在德国Ltinen酌斯蒂克电站投运了世界上第一个以增压锅炉型燃气一蒸汽联合循环为基础的IGCC电站，该电站的发电功率为170MW，实际达到的供电效率为34，采用以空气为气化剂的燃煤的固定床式的Lurgi气化炉。显然，这个电站开创了煤在燃气一蒸汽联合循环中应用的先例。但是由于Lurgi炉的运行不甚正常，加上粗煤气中含有数量较多的煤焦油和酚，甚难处理，最后迫使该项示范工程夭折了。 世界上公认的真正试运成功的IGCC是于1984年5月建成于美国加州Daggett的“冷水”Coal Water电站，它是以余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环为基础的，该电站的净功率为93MW，供电效率为31.2HHV。采用以99纯氧为气化剂的Texaco喷流床气化炉。该电站成功地运行了4年，历时共25000h。它相当彻底地解决了燃煤电站固有的污染物排放严重的问题，同时证明IGCC发电方式具有足够高的运行可用率和负荷因素。“冷水”电站的试验成功向世界宣布了这样一个现实和方向，即IGCC是一种有相当发展前途的洁净煤发电技术，它可能是21世纪中，除了增殖反应堆之外的、最有发展前途的一种燃煤的友电方式。 此外，在“冷水”电站试运行的过程中，美国在Louisiana州Plaquemine的DOW化学工厂内也建设了一座IGCC的示范工程（LGTI），燃气轮机的功率为110MW，余热锅炉中产生的蒸汽用于化工厂的生产工艺流程。按当量折算，IGCC的总功率为160MW，采用原为Destec公司专有的两段式水煤浆加煤的气化炉。该装置自1987年4月开始运行后到1994年3月止，累计运行了33637h，1991-1992年度内其平均运行可用率为80。 以上这两台IGCC的示范运行运行成功，为上一世纪90年代开始的较大规模地研究和规划发展IGCC电站的计划增添了动力。那时在世界范围内拟建设的IGCC示范电站的数量有10座以上。它们研发的目标是 ①迅速增高IGCC的单机功率和供电效率，力求其供电效率能超过目前燃煤的超临界参数的蒸汽轮机电站； ②较大幅度地降低其比投资费用，力求降低到1000-1200/kW的水平； ③提高全厂的运行可用率，力求达到90-92的水平； ④降低发电成本，力求在电网中能与燃煤的有FCD装置的发电成本相竞争； ⑥积累运行经验。 但是较大规模地示范运行ICCC的工作进展得并不顺利，到目前为止，实际建成并在运行和调试的，纯粹以发电为目的IGCC电站只有5座，它们的概况如表1所示。 在这些电站的调试过程中都遇到过许多技术故障，并经不断改进后才取得进展。有关这些电站的调试过程以及所克服的故障，作者已在参考文献中作过详细的分析，在此不再重复。总的结论是 ①目前供电效率仅达到42-43左右，并未实现45的预定目标，倘若热煤气显热的回收系统设计不当（像美国的Tampa电站那样），供电效率则有可能下滑到37左右的低水平； ②电站运行的可用率一般能够达到80左右，主要的停运原因来自气化炉； ③电站的比投资费用还比较高，一般都高于1500/kW ④由于比投资费用高、运行可用率仅80左右，因而发电成本还不能与目前燃煤的超临界参数的蒸汽轮机电站相媲美； ⑤改烧低热值的合成煤气时，燃气轮机的然烧室不仅需要作很大的改动，而且要修改压气机与透平通流部分的匹配关系，以适应燃烧低热值煤气时燃气质最流率较大幅度增长的需要。相对于燃烧天然气的燃气一蒸汽联合循环而言，改烧低热值煤气后，联合循环的功率大约会增大1020； ⑥必须慎重地选择燃气轮机的型号，燃烧室必须具备兼烧低热值煤气的实际经验，不允许发生振荡燃烧现象。目前9F等级的燃气轮机在改烧低热值煤气时可以使IGCC的单机容量达到300MW以上 ⑦对于以纯发电为目的的ICCC电站来说，采用喷流床式的、以氧气为气化剂的气化炉是比较合适的，它能提高碳的转化率，并有利于提高IGCC电站的单机容量。通常，干法供煤的喷流床气化炉的冷煤气效率有可能达到78-84，它要比水煤桨供煤的喷流床气化炉者70-74高，有利于改善IGCC电站的供电效率。目前，喷流床气化炉的单炉耗煤量已经达到2000-3000t/日，足以与300MW等级的IGCC电站相匹配； ⑧届前，以空气为气化剂的流化床式的气化炉以及干法除灰脱硫系统还未试验成功，尚需进一步探索； ⑨目前采用的深冷法制氧设备的耗功量是比较大的，为了减少厂用电耗率，设法探索新的制氧方法是刻木容缓的事； ⑩一般来说，在IGCC的整套设备中，燃气轮机的运行可用率总是在95以上，是比较可靠的，但在GE公司和Siemens公司供货的燃气轮机中也都发生过部分压气机叶片断裂的故障，在运行中必须严加检查，以防发生大事故； ⑩IGCC的污染物排放远远低于NSPS标准，完全能够在相当长的一段时间内，满足21世纪初、中期的需要。当IGCC方案进一步改进后，可以大幅度地减少C02的排放量，可满足环保新标准的要求，但是它会使IGCC的供电效率相应地降低68个百分点。 当然，以上5座IGCC示范电站还将长期地运行下去，以便充分暴露和解决诸多设备中可能存在的技术问题、积累运行经验，并在气化炉中试烧多种燃料、探索气化过程的参数优化。特别是在美国的Tracy电站中，需要不断地改进以空气为气化剂的流化床气化炉的结构，使之能保持稳定地运行，并解决高温烛状过滤器的断裂以及脱硫剂粉化失效的问题。 总之，目前人们已经掌握了设计、制造和运行单机容量为300-400MW IGCC电站的技术，但须采用以氧气为气化剂的喷流床气化炉和湿法除灰脱硫系统。当采用热煤气全热回收系统时，电站的供电效率可以达到42-43；运行可用率为80左右；比投资费用则不低于1500/kW;发电成本尚不能与有FGD的燃煤电站抗衡初步估计发电成本大于0.5/kWh。 这就是说，目前燃煤的ICCC电站尚未具备取代有FGD的燃煤蒸汽电站以及烧天然气的余热锅炉型联合循环的条件，它必须在进一步提高供电效率、降低比投资费用和发电成本，以及提高整个电站的运行可用率方面做许多工作。总的来说以纯发电为目的的IGCC电站的发展速度比人们在上一世纪中期预计的要缓慢得多。 四、在整体煤气化联合循环的主要设备 （一）燃气轮机系统 走马灯是燃气轮机的雏形我国在11 世纪就有走马灯的记载，它靠蜡烛在空气燃烧后产生的上升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。15世纪末，意大利人列奥纳多达芬奇设计的烟气转动装置，其原理与走马灯相同。 燃气轮机（Gas Turbine）是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，包括压气机、加热工质的设备（如燃烧室）、透平、控制系统和辅助设备等。 燃气轮机的工作原理 原理图 燃气轮机的工作过程压气机即压缩机连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。 燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环；此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。 燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。70年代末，压缩比最高达到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右，航空燃气轮机的超过1350℃。 燃气轮机的三大部件压气机、燃烧室、透平 1 、压气机 （1）压气机简介 压气机（ compressor ），燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。压气机由涡轮驱动，其主要性能参数有转速、空气流量、增压比和效率等。压气机有两种类型离心式和轴流式。 我们着重讲轴流式压 空气在轴流式压气机中主要沿轴向流动。它由转子（又称工作轮，图2有色部分）和静子（又称整流器，图2 无色部分）两部分组成。由一排转子叶片和一排静子叶片组成一级，单级的增压比很小，为了获得较高的增压比，一般都采用如图所示的多级结构。空气在压气机中被逐级增压后，密度和温度也逐级提高。轴流式压气机的空气流量为几公斤每秒到二百公斤每秒，单级增压比一般约为1.1～2.0，效率约为0.85～0.88。多级轴流式压气机的增压比可达25以上。轴流式压气机的面积小，增压比和效率都高，已广泛用于燃气涡轮发动机中。 2工作原理 涡轮喷气发动机按照“工作循环”工作。它从大气中吸进空气，经压缩和加热 轴流式压气机的主要部件 这一过程之后，得到能量和动量的空气以高达2000英尺/秒610米/秒或者大约1400英里/小时2253公里/小时的速度从推进喷管中排出。在高速喷气流喷出发动机时，同时带动压气机和涡轮继续旋转，维持“工作循环”。涡轮发动机的机械布局比较简单，因为它只包含两个主要旋转部分，即压气机和涡轮，还有一个或者若干个燃烧室。然而，并非这种发动机的所有方面都具有这种简单性，因为热力和气动力问题是比较复杂的。这些问题是由燃烧室和涡轮的高工作温度、通过压气机和涡轮叶片而不断变化着的气流、以及排出燃气并形成推进喷气流的排气系统的设计工作造成的 2 、燃烧室 1 燃烧室简介 燃烧室是燃料或推进剂在其中燃烧生成高温燃气的装置。它是燃气涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机的重要部件。 2燃气涡轮发动机燃烧室的构成及工作原理 燃气涡轮发动机燃烧室由外壳（套）、火焰筒、喷（油）嘴、涡流器、点火装置等组成。由压气机扩散段出来的高压空气分成两股一股（约占1/4～2/5）进入火焰筒前部，与喷嘴喷出来的燃油混合形成油气混合气，经点火装置点火后燃烧。另一股（占3/4～3/5）从火焰筒与外套间流过，对火焰筒壁面进行冷却，然后进入火焰筒与高温燃气掺混，使燃气温度降低，达到涡轮所要求的温度。通常要求燃烧室具有燃烧稳定、燃烧效率高、点火范围宽、流动阻力小以及结构简单、尺寸小、安全可靠和寿命长等特性。 燃烧室 燃烧室的涡流器一般作成叶片式的，它使气流按要求方向流动,以利于点火和燃烧,并使燃烧得以延续。点火装置只在发动机起动时工作，一旦油气混合气点燃后，即停止工作。喷嘴用来将燃料（航空煤油）以极小的油珠喷入火焰筒,使燃料在吸热后能很快蒸发成为油气,与空气组成极易燃烧的可燃混合气。常用的喷嘴有离心喷嘴、蒸发喷嘴、气动喷嘴等。在一些小型发动机中，还采用高速旋转的甩油盘将燃油甩进燃烧室。火焰筒是油气混合气进行燃烧的地方。这里温度最高，一般采用耐高温的镍基合金板料或冷轧成型的带料焊接而成，也有采用锻件机械加工的。火焰筒一般采用气膜冷却方式降低筒壁温度（见发动机冷却）。 燃气涡轮发动机的燃烧室按气流在燃烧室中流动的方向分为三种①直流式气流在燃烧室中沿轴向流动。多数发动机采用这种燃烧室。②折流式气流由压气机流出后，折成两路流入火焰筒。一般与甩油盘配合使用。③回流式压气机出口的空气由燃烧室的后端流入火焰筒头部。燃烧的燃气则向前形成回流。后两种形式气流流动损失大，但能缩短发动机的长度，一般用于采用离心式压气机的发动机中。 燃烧室按结构形式又分为管形燃烧室、环形燃烧室和环管形燃烧室。管形燃烧室中的每个管形火焰筒有单独的外套，组成一个单管燃烧室。一台发动机可以有若干个单管燃烧室，沿周向装在发动机上，其中几个燃烧室装有点火装置。各燃烧室之间通过联焰管来传焰和均压。管形燃烧室易调试，强度与刚性好、装拆与维护方便，多用于早期的燃气涡轮发动机以及空气流量很小的发动机上。环形燃烧室中的火焰筒为一整体的环形腔。同心地装在环形的壳体内。这种燃烧室空间利用率高，迎风面积、重量、压力损失、火焰筒表面积和长度都小，所需的冷却空气量少，出口流场沿周向分布均匀，广泛用于各种新型发动机中。环管形燃烧室有若干个管形火焰筒沿圆周均匀地装在一个共同的环形壳体内。各火焰筒间装有联焰管。它的结构介于管形燃烧室与环形燃烧室之间。50～60年代的发动机多采用这种结构。 3、 燃气透平 （1）燃气透平简介 燃气轮机中把高温高压燃气的能量转变为机械功的部件，又称燃气涡轮。燃气透平也可用于其他装置中作为利用高温压力气体来作功的设备。 燃气透平一般采用轴流式,仅在燃气流量很小例如100千瓦以下的燃气轮机中时才较多采用向心式。轴流式燃气透平主要由静子和转子组成。静子中装有静叶片，转子上装有动叶片。从燃气轮机燃烧室来的叶片中膨胀加速后流入动叶片，对动叶片产生作用力使转子旋转，把燃气的能量转化为机械功，使燃气透平能带动负荷和压气机运行。由一列静叶片和一列动叶片组成的透平级的转换能量有限，故常用多个级来完成能量转换。在燃气透平中一般为2～5级。为达到高效率，燃气透平中都采用扭转叶片，并在大量实验数据的基础上精心设计。此外，燃气透平出口装有扩压器，使排气扩压降速，以减少出口速度损失。因此，燃气透平效率可达到较高水平，一般为85～91％。 （2）结构 燃气透平（图 ）由于在高温下工作，热膨胀、热应力、热腐蚀和冷却等问题突出，对结构设计的要求很高。从燃烧室来的燃气，经过进气蜗壳、3个透平级和扩压器后排出。它的静子由机匣（又称气缸）、持环和静叶片等组成，静叶片装在持环上，持环再装在机匣上，是一种双层结构的静子。在机匣与持环之间有绝热材料，还通以空气（从压气机中引来，其他部位用的冷却空气也由此引来）冷却，因而机匣的工作温度较低。由拉杆螺栓将轮盘等联接而成的组合式转子，能减少热应力。动叶片以承载能力强的枞树形叶根装在轮盘上。转子中也通以冷却空气，以降低轮盘等的工作温度。 3优点 双层静子和组合式转子有显著的优点，在燃气透平中得到普遍应用。在进口燃气初温很高的燃气透平中，持环与燃气也隔开，形成多层结构的静子。通常冷却后轮盘的温度最高不超过 550℃，以便采用热膨胀系数低、导热系数高且较便宜的珠光体钢来做轮盘。机匣则能在更低的温度（例如 400℃左右）下工作，以便能用球墨铸铁等较普通的材料来制造。 燃气透平的静叶片较多地用抗热疲劳性能好的钴基高温材料制作，动叶片则广泛用镍基高温材料制作。为增强抗热腐蚀的能力，叶片表面较普遍地采用防腐蚀的保护措施，例如防腐蚀涂层和表面渗铝等。 叶片冷却 采用由空气从内部冷却的空心叶片后，可使叶片在实际温度高于材料许可值的燃气包围下，本身温度仍低于材料的许可值而安全工作。这样就能在已有的高温材料基础上更多地提高燃气初温，从而有效地提高燃气轮机效率。因此，发展冷却叶片和提高冷却效果，是提高燃气轮机效率的一条重要途径。图2中，对流、冲击、气膜和综合冷却是常用的几种叶片冷却方式。综合冷却是前三者的联合应用，能有效地提高冷却效果，并使冷却后叶片的温度趋于均匀。发散冷却的效果比综合冷却好得多，用水来冷却叶片也能达到很好的效果，这两种冷却方式尚处于试验阶段。 （二）煤气化系统 煤气化技术是以煤炭为原料，采用空气、氧气、CO2。和水蒸气为气化剂，在气化炉内进行煤的气化反应，可以生产出不同组分不同热值的煤气。为了提高煤气化的气化率和气化炉气化强度，改善环境，70年代以来发达国家加快了新一代煤气化技术的开发和工业化进程。总的方向，气化压力由常压向中高压（8.5MPa）发展；气化温度向高温（1500～1600℃）发展；气化原料向多样化发展；固态排渣向液态排渣发展。固态床、流化床、气流床等几种不同类型的煤气化技术均取得了较大的进展和较好的效果。 1 固定床 固定床（慢移动床），常见有间歇式气化（UGI）和连续式气化（鲁奇Lurgi）2种。前者用于生产合成气时一定要采用白煤（无烟煤）或焦碳为原料，以降低合成气中CH4含量，国内有数千台这类气化炉，弊端颇多；后者国内有22台炉子，多用于生产城市煤气；如以烟煤为原料用于生产合成气，CH4蒸汽转化工段（例如山西潞城引进装置）。该技术所含煤气初步净化系统极为复杂，不是公认的首选技术。 1.1 固定床间歇式气化炉（UGI） 以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或燃料气。该技术是30年代开发成功的，投资少，容易操作，目前已属落后的技术，其气化率低原料单一、能耗高，间歇制气过程中，大量吹风气排空，每吨合成氨吹风气放空多达5000m3，放空气体中含CO、CO2、H2、H2S、SO2。、NOx及粉灰；煤气冷却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物，造成环境污染。中国中小化肥厂有900余家，多数厂仍采用该技术生产合成氢原料气。随着能源政策和环境的要来越来越高，不久的将来，会逐步为新的煤气化技术所取代。 1.2 鲁奇气化炉 30年代德国鲁奇（Lurgi）公司开发成功固定床连续块煤气化技术，此后在世界各国得到广泛应用。气化炉压力（2.5～4.0）MPa，气化反映温度（800～900）℃，固态排渣，气化炉已定型（MK-1～MK－5），其中MK－5型炉，内径4.8m，投煤量（75～84）t/h，粉煤气产量（10～14）万m3/h。用煤气中除含CO和H2外，含CH4高达10～12，可作为城市煤气、人工天然气、合成气使用。缺点是气化炉结构复杂、炉内设有破粘和煤分布器、炉篦等转动设备，制造和维修费用大；入炉煤必须是块煤；原料来源受一定限制；出炉煤气中含焦油、酚等，污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多、炉渣含碳5左右。针对上述问题，1984年鲁奇公司和英国煤气公司联合开发了直径为2.4m的溶渣气化炉（BGL），将固体燃料全部气化生产燃料气和合成气。 2.流化床气化炉 流化床，常见有温克勒（Winkler）、灰团聚（U-Gas）、循环流化床（CFB）、加压流化床（PFB是PFBC的气化部分）等。U－Gas在上海焦化厂（120t煤/do台）1994年11月开车，已6年，迄今运转仍不正常；陕西城固正利用中科院山西煤化所的技术建设150t煤/d（常压）装置；CFB、PFB可以生产燃料气，但国际上尚无生产合成气先例；Winkler已有用于合成气生产案例，但对粒度、煤种要求较为严格，甲烷含量较高（0.7～2.5），更兼设备生产强度较低，已不代表发展方向。 2.1 循环流化床气化炉CFB 鲁奇公司开发的循环流化床气化炉（CFB）可气化各种煤，也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原料，水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强度大，是移动床的2倍，碳转化率高（97），炉底排灰中含碳2～3，气化原料循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍，炉内气流速度在（5～7）m/s之间，有很高的传热传质速度。气化压力0.15MPa。气化温度视原料情况进行控制，一般控制循环旋风除尘器的温度在（800～1050）℃之间。鲁奇公司的CFB气化技术，在全世界已有60多个工厂采用，正在设计和建设的还有30多个工厂，在世界市场处于领先地位。 CFB气化炉基本是常压操作，若以煤为原料生产合成气，每公斤煤消耗气化剂水蒸气1.2kg，氧气0.4kg，可生产煤气 （l.9～2.0）m3。煤气成份CO＋H2＞75，CH4含量2.5左右， CO215低于德士古炉和鲁奇MK型炉煤气中CO2含量，有利于合成氨的生产。在未取得用于氨厂的工业化成功经验之前，应慎重从事。 2.2 灰熔聚流化床粉煤气化技术 灰熔聚煤气化技术以小于6mm粒径的干粉煤为原料，用空气或富氧、水蒸气作气化剂，粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入，在炉内（1050～1100）℃的高温下进行快速气化反应，被粗煤气夹带的未完全反应的残碳和飞灰，经两极旋风分离器回收，再返回炉内进行气化，从而提高了碳转化率，使灰中含磷量降低到10以下，排灰系统简单。粗煤气中几乎不含焦油、酚等有害物质，煤气容易净化，这是中国自行开发成功的先进的煤气化技术。该技术可用于生产燃料气、合成气和联合循环发电，特别用于中小氮肥厂替代间歇式固定床气化炉，以烟煤替代无烟煤生产合成氨原料气，可以使合成氨成本降低15～20，具有广阔的发展前景。第一套直径为2.6m工业气化炉将在城固好氨肥厂建设，取得经验后进行推广。 3 气流床气化炉 气流床，从原料形态分有水煤浆、干煤粉2类；从专利上分，Texaco、Shell最具代表性。气流床对煤种（烟煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性，国际上已有多家单系列、大容量、加压厂在运作，其清洁、高效代表着当今技术发展潮流。 3.1 德士古（Texaco）气化炉 Texaco水煤气化炉雷同于1952年开发成功地渣油气化炉，经过1975年、1978年低压与高压中试装置（激冷流程）以及1978年西德Oberhausen的RCH/RAG示范装置（废炉流程、150t煤/d，4.0MPa）考核与经验积累，于1982年建成TVA装置（180t，二台炉，一开一备，6.5MPa）、1984年建成日本UBE装置（1500t煤/d，三开一备，3.6MPa）以及Cool Water IGCC电站（910t煤/d，二台炉，4.0MPa），这些装置投运后都取得成功。目前Texaco最大商业装置是Tampa电站，属于DOE的CCT-3，1989年立项，1996年7月投运，12月宣布进入验证运行。该装置为单炉，日处理煤2000t，气化压力为2.8MPa，氧纯度为95，煤浆浓度68，冷煤气效率76，净功率250MW。辐射锅炉直径5.18m，高30.5m，重900t。 80年代末至今，中国共引进4套（未计入首钢一套）Texaco水煤浆气化装置，与鲁南（二台炉，一开一倍，单炉日处理量450t煤，2.8MPa）、吴泾（4台炉，三开一备，单炉日处理500t煤，4.0MPa）、渭河（三台炉，二开一备，单炉日处理量为820t，6.5MPa）、淮南（三台炉，无备用，单炉日处理500t煤，4.0MPa），这4套装置均用于生产合成气，7台用于制氨，5台用于制甲醇。中国在水煤浆气化领域中积累了丰富的设计、安装、开车以及新技术研究开发经验与知识。 主要优点水煤浆制备输送、计量控制简单、安全、可靠；设备国产化率高，投资省。主要缺点褐煤的制浆浓度约59～61；烟煤的制浆浓度为65；因汽化煤浆中的水量要耗去入炉煤的8，比干煤粉为原料氧耗高12～20，所以效率比较低。 3.2 Destec气化炉 Destec气化炉已建设2套商业装置，都在美国LGT1（气化炉容量2200t/d，2.8MPa，1987年投运）与Wabsh Rive（二台炉，一开一备，单炉容量2500t/d，2.8MPa，1995年投运）炉型类似于K-T，分第一段（水平段）与第二段（垂直段），在第一段中，2个喷嘴成180度对置，借助撞击流以强化混合，克服了Texaco炉型的速度成钟型（正态）分布的缺陷，最高反应温度约1400℃。为提高冷煤气效率，在第二阶段中，采用总煤浆量的10～20进行冷激（该点与Shell、Prenflo的循环没气冷激不同），此处的反应温度约1040℃，出口煤气进火管锅炉回收热量。熔渣自气化炉第一段中部流下，经水冷激固化，形成渣水浆排出。这种炉型适合于生产燃料气而不适合于生产合成气。 3.3 气化炉 Shell气化炉与Texaco气化炉技术经历相似，50年代初Shell开发渣油气化成功，在此基础上，经历了3个阶段1976年试验煤炭30余种；1978年与德国Krupp-Koppers合作，在Harburg建设日处理150t煤装置；两家分手后，1978年在美国Houston的Deer Park建设日处理250t高硫烟煤或日处理400t高灰分、高水分褐煤。共费时16年，至1988年Shell煤技术运用于荷兰Buggenum IGCC电站。该装置的设计工作为1.6年，1990年10月开工建造，1993年开车，1994年1月进入为时3年的验证期，目前已处于商业运行阶段。单炉日处理煤2000t。 Shell气化炉壳体直径约4.5m，4个喷嘴位于炉子下部同一水平面上，沿圆周均匀布置，借助撞击流以强化热质传递过程，使炉内横截面气速相对趋于均匀。炉衬为水冷壁（Membrame Wall），总重500t。炉壳于水冷管排之间有约0.5m间隙，做安装、检修用。 煤气携带煤灰总量的20～30沿气化炉轴线向上运动，在接近炉顶处通入循环煤气激冷，激冷煤气量约占生成煤气量的60～70，煤器降温至900℃，熔渣凝固，出气化炉，沿斜管道向上进入管式余热锅炉。煤灰总量的70～80以熔态流入气化炉底部，激冷凝固，自炉底排出。 粉煤由N2携带，密相输送进入喷嘴。工艺氧（纯度为95）与蒸汽也由喷嘴进入，其压力为3.3～3.5MPa。气化温度为1500～1700℃，气化压力为3.0MPa。冷煤气效率为79～81；原料煤热值的13通过锅炉转化为蒸汽；6由设备和出冷却器的煤气显热损失于大气和冷却水。 Shell煤气化技术有如下优点采用干煤粉进料，氧耗比水煤浆低15；碳转化率高，可达99，煤耗比水煤浆低8；调解负荷方便，关闭一对喷嘴，符合则降低50；炉衬为水冷壁，据称其寿命为20年，喷嘴寿命为1年。主要缺点设备投资大于水煤浆气化技术；气化炉及废锅炉结构过于复杂，加工难度加大。 迄今为止，世界上已投入运行的4座250 MW以上的IGCC电站分别是美国的Wabash River260.6 MW和Tampa250 MW、荷兰的Demkolec253 MW和西班牙的Puertollano300 MW。它们分别采用Destec、Texaco、Shell和Prenflo加压喷流床煤气化工艺。Destec和Texaco是水煤浆加压气化的主要代表，而Shell和Prenflo则是干粉进料加压喷流床气化的主要代表。用于IGCC的4种煤气化炉容量都达到2 000 t/d以上，都是这些气化炉首次最大容量的工业应用。它们的运行状况直接影响着IGCC的可用率和可靠性，是IGCC电站最关键的技术之一。 4种气化炉技术特点的综合比较见表1。 表1 4种气化炉的技术特点比较 技 术 项 目 Texaco Destec/Dynergy Shell Prenflo 进料方式 湿法/水煤浆 湿法/水煤浆 干法/煤粉 干法/煤粉 反应器形式 喷流床 喷流床 喷流床 喷流床 氧气纯度/ 95 95 95 85～95 喷嘴/个 1 31 4 4 喷嘴的寿命/h 1 440 1 440～2 160 ＞10 000 待考检 气化炉内衬 耐火砖 耐火砖 水冷壁涂层 水冷壁涂层 内衬的寿命/a 2 3 ＞10待考验 ＞10待考验 冷煤气效率/ 71～76 74～78 80～83 80～83 碳转化率/ 96～98 98 ＞98 ＞98 单炉最大出力/t.d-1 2 200～2 400 2 500 2 000 2 600 示范电站的净功率/MW 250.0 260.6 253.0 300.0 最大容量气化炉的最长运行时间/h ＞8 860 ＞7 500 ＞10 000 40 示范电站最长追续运行时间/h 720～1 000 ＞324 ＞2 000 25 示范电站的气化炉可用率/ 80～85 90～95 一开一备 95 待考验 组成IGCC示范电站的效率/ 设计值41.6HHV 试验值38.5HHV 设计值37.8HHV 试验值38.8HHV 43LHV 未公布试验值 45LHV 待试验 组成的IGCC达到43LHV效率的 可能性 有可能 但必须改进全热回收 容易达到 容易达到 能达到 存在的问题 喷嘴、耐火砖寿命短， 全热回收系统和黑水 处理系统尚待改进 喷嘴、耐火砖寿命短， 黑水处理系统待改进 黑水系统待改进 供料系统待改进 是否气化过类似于中国IGCC电站的煤种 是 否 是 否 目前IGCC电站的造价 低 最低 较高 较高 （三）煤气净化系统 煤气净化脱除煤气中飞灰、焦油、萘、氨、硫化氢等杂质的过程。 1、煤气净化的主要内容 1.粗煤气的主要成分 干煤粉（或煤浆）在气化炉内生成粗煤气，由于煤内污染物的存在，通常煤气中除CO、H、CH、CO和其他气态碳氢化合物外，还有COS、H2S、粉尘、卤化物、碱金属及焦油蒸汽等杂质，这些杂质会对后续系统特别是燃气轮机产生腐蚀和磨损，也会对环境产生危害。 2．煤气净化的目的和要求 煤气净化的主要目的是为了满足燃气轮机和环保的要求，粗煤气中含有的粉尘、H2S、COS、卤化物、NH3、碱金属及焦油等杂质，不但污染环境，而且对燃气轮机和余热锅炉等主要设备有强的磨损和腐蚀作用z了使IGCC机组正常运行并达到较高的可靠性，必须在煤气进入燃气轮机之前，对其进行净化处理。燃气轮机对煤气中含尘量的要求有浓度和粒度分布两项指标。一般要求是0～1um的粉尘含量应小于2.210－6、1～10um的粉尘含量应小于（4.4～5.8）10－6、大于10um的粉尘颗粒应全部除去。 对煤气中硫的要求主要以环保标准为基础，目前采用的脱硫方法所达到的脱硫效果已经远超过了我国燃煤电厂对硫排放的标准要求。 3．煤气净化的主要流程 2、IGCC电站煤气除尘 IGCC电站除尘通常包括两部分，干法除尘和湿法洗涤。干法除尘除去大部分固体颗粒物，湿法洗涤除去其余固体颗粒物外，并除去粗煤气中的卤化物。 1． 干法除尘 干法除尘主要采用旋风分离器和高温高压陶瓷管过滤器串联方式来完成。旋风分离器依靠粉尘的惯性离心力来完成，气速一般为18～25m/s，能分离约90％的粉尘量。高温高压陶瓷管过滤器原理与布袋除尘器相同，采用特殊陶瓷材料做为滤件，经过滤后，煤气中含尘量不超过20mg/Nm3，最低可达到1－2 mg/Nm3。 2． 湿法洗涤 湿法洗涤系统包括文丘里洗涤塔、填充料床式洗涤塔，经洗涤后，合成气中固体含量不超过1mg/Nm3，并除去合成气中的卤化物、氨NH3及甲酸（HCOOH。 3、IGCC电站煤气脱硫的几种方法及特点 1.脱硫方法概述 以煤为原料进化所产生的粗煤气，其中所含的硫化物可分为无机硫和有机硫，无机硫主要是H2S，而有机硫一般为小分子量的COS、CS2和