Destec煤气化工艺的特点

Destec煤气化工艺的特点郑振安(中国五环化学工程公司，武汉430079)日期：2004-12-16Destec煤气化工艺原称Dow煤气化工艺，是由美国Dow化学公司于1973年开发的，1987年成功应用于商业性的热电厂。该工艺与Texaco煤气化工艺齐名，同样是水煤浆进料，加压纯氧气流床气化工艺，因此Destec不仅具有Texaco工艺的优点，同时因其气化炉结构及工艺过程的特点，工艺性能和技术经济指标比Texaco工艺略胜一筹。因此，有必要对Destec煤气化工艺进一步认识，借鉴其优点，也许对今后洁净煤气化技术的发展有所裨益。1开发过程与商业性应用在70年代世界能源危机中，美国Dow化学公司为了竞争的需要，制定了以煤代替天然气能源的计划。拟定以燃气透平技术和美国丰富的煤资源作为推进计划的主要内容，为获得更可靠和成本相当的未来能源奠定基础。而煤的完全转换必须具备一种可靠的煤气化工艺来生产合成气，以代替天然气直接用于燃气透平，即使用廉价的煤提供高效率的燃气透平联合循环发电系统。煤气化项目是由路易斯安那气化技术公司(LGTI)研究和开发的，计划历时10年，包括在1975年气化炉原理的研究、在1979年建设36t/d试验装置和在1982年1600t/d的示范装置。在此基础上于1987年在路易斯安那州的Plaquemine的工厂建成第1个商业性Dow气化装置IGCC项目。以次烟煤为原料，每天处理约2400t，或其他相对应的煤，包括褐煤为原料，每天处理约2900t。该装置能力为31.8×109kJ/d中热值煤气并联产2467t/d的蒸汽，发电160MW，其能量平衡示意见图1。从1987年4月投运到1995年11月，该装置累积运行了34000h，积累了丰富的经验。1989年Dow公司创立Destec能源公司，占有80％股份，将其拥有的Dow煤气化工艺改名为Destec。1997年NGC公司收购Destec公司，其成为NGC的子公司，现更名为DynegyPowerCorp。1995年，Destec能源公司和PSI公司在印第安纳州联营建成并投运了WabashRiverIGCC电站，Destee负责建造和经营气化岛25年，PSI负责建造和经营动力岛。机组的净出力为261.61MW，气化炉处理煤量为2500t／d。2Destec煤气化工艺的特点2.1工艺概念Destec煤气化工艺建立的装置所提供的系统与燃气透平紧密结合，提供安全、可靠的操作，并且满足以下要求：(1)加压操作为燃气提供足够的压力进入透平，气化炉在2.0～3.5MPa进行操作。这有利于减小气体加工设备的尺寸，降低投资。(2)水煤浆进料通过多种进料系统的评价，如机械灰闸、螺旋式和水煤浆等，确定以水煤浆进料是最可靠的。(3)适用于各种品质的煤主要利用褐煤，也提供利用其他煤种的灵活性。(4)不污染环境洁净运行，没有烃类副产品产生，灰渣容易处理，可作为建筑或铺路材料。2.2气化炉的特点Destec气化炉如图2所示，两段氧气气化、连续排渣、内衬耐火砖。第1段在1320～1430℃的熔渣条件下操作，准确的温度取决于熔渣的粘滞特性。第1段为水平圆柱体，每端各有1个水煤浆和氧气的进料烧嘴。80％的水煤浆和氧气混合后喷入第1段。在圆柱体中央为熔渣的排出口，经过淬水段流出。第1段反应产生的热煤气由顶部进入第2段。第2段为直立在第1段上的垂直圆柱体，为向上流动型的气化段，在此设置1个烧嘴，20％水煤浆射入热气体，不加氧气，利用气体的显热把水煤浆的水分气化，煤被加热、高温分解进行部分氧化反应，这对于煤的有效能转化为化学能是有利的。由于吸热过程使混合煤气温度大幅度降低到1050℃左右。3Destec煤气化工艺过程3.1路易斯安那160MW热电联产电站160MW热电联产电站的Destec煤气化流程见图3，为单系列，2台气化炉，其中1台备用。3.1.1主要工序说明(1)磨煤和水煤浆制备水煤浆的制备是采用来自贮仓的煤和水混合后棒磨而成，使用次烟煤时固体浓度为52％～54％，水煤浆制备装置距气化炉装置约1.2km。(2)气化和高温热回收煤浆泵送到气化界区的水煤浆进料罐，为防止堵塞采取了反冲洗管线和水煤浆回流的措施。水煤浆用加压泵送至水煤浆预热器，加热到气化压力下水煤浆沸点温度以下28～56℃。煤浆泵具有在高压下操作液固混合物的能力，并能控制水煤浆进入预热器的流量。预热后的水煤浆送入气化炉，与氧气通过烧嘴混合，氧气由专用的1500t／d空气装置加压提供。因煤的性质而异，氧气量需精确控制，以维持气化炉温度在设定范围内。在此条件下，煤几乎全部进行部分氧化反应而获得合成气，主要成分包括H2、CO、CO2和H2O，次烟煤(或褐煤)中的硫几乎全部转化为H2S和少量的COS。煤中灰分在气化炉中熔融，从底部排出用水淬冷而脱除，固体渣通过破碎机连续排出，渣和水减压至适当压力进入常压脱水罐，采用3台罐，其中2台交替运行，脱水的渣用车运出装置，分离的水在界区内循环。由于Destee煤气化炉特有的二段反应，离开第1段的热气体被引入二段的水煤浆冷却，使气化炉出口的合成气温度冷却至1000℃左右，在二段反应后未转化的碳经过旋风分离器有效分离后返回到第1段。该厂包括备用气化炉、旋风分离器和破渣机是为了保证装置具有85％利用率。从旋风分离器出来的热气体进入高温热回收装置，该装置由火管式锅炉、蒸汽过热器和给水预热器组成。合成气中热量被分级回收，锅炉使合成气温度由1038℃降至649℃，过热器和预热器使气体温度进一步降至371℃，产生的过热蒸汽(371℃、4.5MPa)进入工厂蒸汽系统。(3)合成气洗涤和低温热回收离开高温热回收系统的合成气进入文丘里洗涤器和湿式洗涤塔系统脱除残余固体颗粒，用循环水洗涤。湿式洗涤塔在稍低于循环水的沸点下操作。洗涤后的排水呈稀薄浆状物，经凝聚、浓缩后掺入气化炉进料水煤浆中。洗涤后的合成气在脱除H2S前通过串联的热交换器以及强制通风的翅片管空气冷却器被冷却到49℃进入脱硫装置。热交换器产生低压蒸汽，为酸性气体气提塔、最终产品气的再热和预热冷凝提供热量。从合成气分离的冷凝液脱除NH3、H2S和其他溶解气体后，经冷却回收到工艺及水煤浆制备装置。3.1.2煤气化装置运行性能(1)处理不同煤种的能力操作初期使用怀俄明州的次烟煤，正常生产使用西部次烟煤，海湾的褐煤曾作为替换原料。从次烟煤转换成褐煤进料，装置仍可保持相同的生产能力，说明具有适应不同煤种的能力。原料煤种分析数据见表1。(2)能量利用效率装置碳转化率达99％，冷煤气效率，褐煤为69.2％，次烟煤为了7%。(3)环境保护性能产品中不含焦油、酚等物质。炉渣可作建筑材料。随气体夹带的未转化碳经旋风分离器分离后循环回气化炉。灰水循环使用，排放污水量少，经处理后符合排放标准。(4)气体的有效成分合成气有效成分(CO+H2)高，甲烷含量低，适合作燃料气和化工原料气。典型的合成气组成见表2。(5)单炉气化强度可处理煤量为1200～2200t／d(干)。3.2WabashRiver260MWIGCC电站1995年Destec能源公司和PSI公司联营建成并投运了WabashRiverIGCC电站，电站系统流程见图4。3.2.1工艺过程改进要点Destec公司总结了已运行8年的路易斯安那热电站煤气化装置的经验和教训，重新设计WabashRiver电站的气化岛，除保持原有特点外，还进行了一些改进，使其工艺性能和技术经济指标得到进一步改善，其要点如下：(1)安装2台100％负荷的气化炉，1开1备，煤气冷却器只有1套。在煤气冷却器之前设置1根与气化炉高度相当的导流圆筒，垂直布置，内衬耐火材料。导流圆筒的作用：①将粗煤气导流至对流冷却器的底部；②增加煤气在高温区的停留时间，提高碳的转化率；③具有一定的除尘作用。从导流筒出来的煤气进入火管式对流煤气冷却器，热煤气在管内流动，水在管外流动，产生11.03MPa压力的饱和蒸汽，流量90～110t／h，这部分蒸汽再进入余热锅炉过热。煤气被冷却到371℃，然后进入煤气除尘和脱硫系统。该电站的煤气冷却器直径约3m，造价和安装费用较低，检修和清洗方便。(2)提高水煤浆的固体浓度达67％(烟煤或次烟煤)，气化炉两段氧气(纯度95％)气化，提高了煤气的热值，减少了氧耗，降低了煤气的出口温度，省去了庞大而昂贵的辐射式废热锅炉，使气化炉造价降低。(3)排渣系统采用压力螺旋式，实现连续排渣，转动部件少，没有锁斗。泄压和破渣设备的造价都比较低。(4)采用干法除尘系统，容易实现飞灰再循环，有利于碳转化率的提高，同时降低后续的湿式洗涤的负荷，减小灰水处理装置的规模。煤气经过对流冷却器后进入2个并联的陶瓷管式过滤器，操作温度371℃，粗煤气中的飞灰被过滤器收集后经过1个压力锁斗，用高压N2将飞灰送回气化炉，以提高碳的转化率。陶瓷过滤器及反吹和灰锁斗的结构示意见图5。该设备分上下3组布置，每组内有7根1.5m和7根2.4m长的烛状陶瓷过滤元件，还有12根0.9m的陶瓷元件。反吹气流是用高压N2和部分再循环煤气，并被预热到与被除尘煤气的相当温度。反吹气流进入1个脉冲吹扫贮气罐，然后依次脉冲吹扫每个过滤元件。反吹气流使附着在过滤器外壁的飞灰落下，进入压力锁斗。该锁斗具有贮存1～3h运行飞灰的能力，收集的飞灰经锁斗送回气化炉。3.2.2运行中存在问题及解决措施(1)曾出现2次连续排渣口堵塞，1次是因锅炉给水故障造成停炉10h，使渣口结渣而堵塞；另1次是因水煤浆中粗大颗粒较多，使水煤浆供给波动，导致气化不稳定而堵塞。2次堵塞均需进行机械清除。解决的措施：严格执行运行操作规程，控制水煤浆质量，保证气化过程稳定。(2)煤气冷却器入口管道飞灰沉积，影响装置运行。解决的措施：改进对流冷却器前煤气管道的尺寸、形状，使煤气流速提高，减轻管道中大块沉积物的形成，从而避免这些大块沉积物随气流进入煤气冷却器，并严格控制气化炉操作温度。为了保险，在煤气冷却器入口管道上装有滤网，以防止较大沉积物进入煤气冷却器。(3)原设计气化炉耐火砖3年更换1次，因调试和1996年运行中气化炉启动次数多达100次，造成液态渣对耐火砖的腐蚀加剧，导致气化炉第1段耐火砖进行更换。(4)陶瓷过滤器可靠性问题1995～1996年陶瓷过滤器出现以下问题：①由于陶瓷过滤元件固定方式问题，导致陶瓷元件与管板间的密封失效，陶瓷元件移位破裂，停机检修达100多天，改进后采用管板式结构，有所好转；②陶瓷元件之间有固体颗粒搭桥现象，严重影响过滤性能；③陶瓷元件内外壁积灰堵塞严重，造成过滤器压降剧增。主要原因是反吹气流压力太小，不能有效清灰；④由于过滤器内部煤气流场不均匀，造成局部元件浓度太高，容易使元件失效。1997年以后存在的问题：①发现造成陶瓷过滤器内、外壁堵塞的原因还有微量碱金属在元件上发生相变沉积所导致；②使用高硫煤时，陶瓷元件也存在被腐蚀的问题。解决措施：①改善过滤器内部含尘气流的分配状况，使每个元件的过滤入口条件均衡，清灰的状况也基本一致，从整体上提高过滤器的运行性能；②建立1套两级过滤的旁路试验系统，在陶瓷过滤器之后加装1套金属滤网除尘器。将原来的陶瓷过滤元件改为金属过滤除尘元件，其可用率和可靠性在370℃左右还是较高的，但在运行中也曾出现材料腐蚀损坏等问题。4Destec与Texaco煤气化工艺比较4.1工艺参数对比Texaco煤气化工艺于上世纪50年代开发成功并投入商业应用，而Destec煤气化工艺是70年代开发的。虽然两者都是水煤浆进料的加压纯氧气流床气化工艺，但因为Destec气化炉两段气化的特点，使水煤浆气化技术得到一定程度的发展和提高，因此其工艺性能和主要技术经济指标优于Texaco工艺。两者对比见表3。4.2可行性研究对比美国EPRI曾经进行过以Shell、Texaco和Destec煤气化工艺组成IGCC的预可行性研究，其部分研究结果见表4。针对采用未来GE公司的H型燃机，EPRI也对3种气化工艺做了可行性研究比较，见表5。由表4、表5可知，Destec煤气化工艺应用于IGCC在造价方面具有一定的优势，并