气化炉特性对IGCC整体效率的影响

气化炉特性对IGCC整体效率的影响宿凤明董宏宇凌锋中国电能成套设备有限公司北京东城区安德里北街15号100011EffectsofgasifiercharacteristicandbehavioronwholeefficiencyofIGCCSufengming，Donghongyu，LingfengChinaPowerCompleteEquipmentCo,LTDNo.15,AndelinorthStreet,DingchengDistrict,Beijing100011ABSTRACT:GasifierisanimportantequipmentforIGCCsystem,ItscharacteristicandbehaviorcanimpactgreatlyontotalIGCCefficiency.Theefficiencyofgasifiercanbeenexplainedbytwofactors-thecoldsyngasefficiencyandthermalefficiency.Forspecifiedgasifier,thecoldsyngasefficiencyismostlybeeneffectedbycharacteristicofthedesigncoal,whilethethermalefficiencyisgreatlybeeneffectedbythemeansofsensibleheatrecoveryandtheconfigurationofsyngascooler.ThetwofactorshavedifferenteffectsonthewholeIGCCsystem.Basedonthe400MWIGCCsystem,theeffectofcharacteristicsofgasifieronthetotalwholeIGCCsystemefficiencyisbeenstudied,andallthestudyresultsareexpectedtohelptheoptimizationofIGCCsystem.KEYWORD:IGCC;gasifier;efficiency摘要：气化炉是IGCC发电系统的重要设备，其特性对IGCC整体效率有很大的影响。气化炉效率一般分为冷煤气效率和全热效率两个衡量指标，对于特定的气化炉，其冷煤气效率主要由设计煤种的特性决定，全热效率则受显热回收方式和废热锅炉的布置形式影响，这两个效率指标对IGCC整体效率的影响不同。以400MW级IGCC单一发电系统为基础，分析气化炉的特性对IGCC整体效率的影响规律，为IGCC系统整合提供一定的借鉴。关键词：IGCC；气化炉；效率1前言尽管世界能源生产消费结构出现多元化趋势，但由于矿物燃料的资源依然较为丰裕，且开发利用的技术比较成熟，因此在能源消费结构中仍然占主导地位，燃煤发电依然是世界电力生产的主流，中国燃煤发电装机容量占总装机容量的70%左右[1][2]。整体煤气化联合循环(1GCC)发电技术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,较好的实现了煤气化学能的洁净与高效的梯级利用。与常规火电相比，具有效率高，节约水，污染排放少等优点[3]，世界很多国家都在积极研发IGCC技术,筹建新的IGCC项目。尽管国内还没有纯发电的IGCC工业示范项目投产运行，但有一批示范项目正在规划和筹建中。IGCC系统主要包括气化炉、空分单元、合成气净化单元、余热锅炉、燃气轮机、蒸汽轮机等设备，就这些单元设备个体而言，其技术相对比较成熟，在世界范围内有其相应供应商。系统整合优化和保证系统运行的可靠性成为发展先进IGCC技术的重要课题，其中提高整体效率是系统整合优化的重要内容。2气化炉效率的定义气化炉是IGCC系统的重要设备，气化炉效率是衡量其性能的重要参数之一，对整个IGCC系统的效率有很大的影响。经过气化反应，煤的化学能一部份转移到合成气中，一部分以合成气高温显热的形式释放出来。因此，描述气化效率一般通过两种指标，即冷煤气效率和全热效率。气化炉在工业应用中，对合成气高温显热处理方式不同，一般分为全热回收处理和激冷处理。全热回收是利用废热锅炉，将气化炉产生的高温合成气的显热进行回收，用于产生蒸汽。该方式多用于IGCC系统，以提高整体效率，避免显热损失。合成气激冷处理方式是将高温的合成气直接通入激冷池的低温水中的方式降低合成气出口温度，对显热不加以回收利用。这种处理方式多用于煤化工中，以此提高合成气中的蒸汽含量，减少下游设备的处理量。冷煤气效率可定义合成气的低位发热量与所消耗煤的低位发热量的比值，如式：%100ccgggMHQH其中：ηg-冷煤气效率（%）Hg–合成气热值（kJ/m3）Qg–合成气产量（m3/s）Hc-原料煤的低热值(kJ/kg)Mc-单位时间的耗煤量(kg/s)对合成气高温显热的回收一般通过水冷壁和废热锅炉等装置来完成。包括冷煤气的化学能在内的总可回收的能量占原料煤低位发热量的比值称为全热回收效率。不可回收的能量损失包括未燃烧固定碳损失、散热损失、合成气低温显热损失和液态排渣热损失等。不同气化技术、不同的结构布置都直接影响气化效率。比如壳牌气化炉的冷煤气效率一般为78-83%，当废热锅炉出口温度为250℃时，其余的能量分布约为：水冷壁吸热0.8%、废热锅炉吸热14%、未完全气化固定碳损失0.2%、合成气低温显热损失2%，还有液态排渣显热损失和高温部件的散热损失。该能量分布随着受热面的布置不同、废热锅炉出口温度的设定不同而不同。3煤质特性对气化炉效率的影响设计煤种的煤质特性是气化炉设计的基础，其中灰分特性、元素构成、煤质活性、含水量等参数是气化炉设计的主要考虑因素，对合成气品质有很大的影响。3.1灰分特性对气化炉效率的影响气流床气化炉多采用液态方式排渣，灰熔点和含灰量影响气化炉的氧煤比，如果煤的灰熔点越高、含灰量越大，则要求的氧煤比越高。二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁和氧化钙等物质是煤灰分中的主要成分，其相对含量决定灰分的熔点。灰分熔化过程是一个复杂的物理化学过程，多种成分在高温时相互作用，形成液态共熔体。从宏观灰分熔化的研究表明，当三氧化二铁量一定时，二氧化硅和三氧化二铝的相对含量增大，则灰熔点趋于升高；氧化钙的相对含量增大，灰熔点趋于降低。灰分熔点升高，要求气化温度提高，因此需求的氧气量增加，所产生的合成气中的二氧化碳含量相对升高，有效组分相对下降，热值降低，冷煤气效率下降。综合考虑气化炉材料耐温极限等因素，气化炉的气化温度不能无限提高，比如壳牌气化炉的气化温度一般为1450-1650℃，当设计煤种灰分的熔点超过该温度时，一般采取添加石灰石等添加剂的办法降低灰分熔点。含灰量对气化炉效率的影响，气化过程中，液态渣沿水冷壁下流，落入灰渣池中激冷，所含显热被黑水系统带走，不能回收利用。因此灰分越多，液态排渣热损失越大，气化炉的全热效率越低。另外，灰分含量越大，灰渣熔融所需热量也多，要求更高的氧煤比，因此合成气中的有效成分会减少，冷煤气效率同样降低。3.2煤质活性对气化炉的影响煤气化反应过程主要包括煤粉水分蒸发阶段、煤粉热解阶段、氧化反应阶段和还原反应阶段。在气流床气化过程中，煤粉进入高温的气化炉后，煤炭中的水分蒸发、煤热解以及颗粒与气化介质之间的化学反应几乎同时进行。煤粉的活性对气化效率的影响主要体现在对碳的转化率的影响，分别体现在氧化阶段的影响和还原阶段的影响。在氧化阶段的化学反应主要用方程式（1）、（2）表示[4]：22COOC(1)2OHOH2221(2)由于煤中的碳氢元素通常以化合态存在，氧化反应主要是热解生成的挥发分与气化剂（氧）的燃烧反应。煤粉的活性大，挥发分析出多，反应速度加快，缩短氧化阶段的时间，还原阶段的时间相对增加，会提高碳的转换率。还原阶段的化学反应主要用方程式（3）表示[4]：COCOC22（3）该反应决定碳的转化率，其影响因素有反应温度、半焦结构和粒度、反应时间等。壳牌气化要求的煤粉颗粒粒度为10-90μm，反应温度大于1450℃，根据煤粉气化理论，该还原反应（异相反应）主要受颗粒表面气膜扩散控制。当煤粉的活性高，热解阶段产生的挥发分多，使半焦空隙增多，增大了气相与半焦颗粒的接触面积，因此加快还原阶段的反应速度，使还原反应更充分。气化过程中化学反应都是可逆的，最终的灰渣中有未参与反应的固定碳存在。因此，不考虑其他因素的情况下，煤质活性越高，气化炉冷煤气效率和热效率都会提高。4气化剂对气化炉效率的影响4.1氧对气化效率的影响气流床气化炉，不论是干煤粉进料还是水煤浆进料，气化剂主要以富氧或纯氧为主，有的干煤粉进料的气化炉加入少量的水蒸汽来调节炉内温度。耗氧量是气化的重要指标，理论耗氧量是最大可能生成有效气（CO+H2）所需的氧气量。当实际耗氧量低于理论耗氧量时，会造成煤粉中的部分有机成分不能得到充分的气化，增加未完全气化固定碳损失，降低冷煤气效率和全热效率；当实际耗氧量高于理论耗氧量时，会生成过多的二氧化碳和水等最终燃烧产物而降低有效气成分，造成冷煤气效率降低；且耗氧量越大，冷煤气效率越低。耗氧量直接影响气化温度，气化炉运行中，在其他参数不变的条件下，增加耗氧量会提高气化炉内的温度。当气化温度发生变化时，气化过程中的一些反应随之发生变化，因此分析氧对气化的影响应该同时结合其他影响因素。4.2水分对气化炉效率的影响以壳牌为例，进入气化炉的水分来自两部分，一部分是煤粉携带的水分，另一部分是调节炉温喷入的控温蒸汽。为提高炉前煤粉输送时的流动性，壳牌气化炉对入炉煤的水分有严格的限制，对于褐煤，一般要求干煤粉入炉前的水分小于8%，其他水分含量低的煤种，要求干燥到小于3%。控温蒸汽的设置是为调节气化炉的运行温度，主要用于短时间控制气化温度，避免超温现象。喷入量随气化温度的波动而调节，喷入量越大，气化温度越低。进入气化炉的水分在气化过程中参与反应，对气化效率--主要冷煤气效率有一定的影响。水分子在气化中参与的反应有[4][5]：22HCOOHC（4）2243HCOOHCH（5）222HCOOHCO（6）以上三个方程是水蒸汽在气化过程中主要参与的反应，一般发生在还原阶段，其中反应方程式（4）为主要反应，但由于是异相反应，主要受固定碳活性的影响；增加水蒸汽的浓度主要影响方程式（5）、（6）反应。增加入炉水蒸汽量会促进反应方程式（5）朝正向进行，一个单位体积的甲烷参与反应，形成三个体积的氢气和一个体积的一氧化碳。这样能同时增加合成气的可燃成分的生成量和热值，提高冷煤气效率。方程式（6）称为水煤气变换反应，正向为放热反应。当水蒸汽浓度增加，促进反应正向进行，消耗一氧化碳，在消耗一氧化碳的同时增加与之相同体积的氢气，合成气中有效气量不变，但热值增大，冷煤气效率提高。由于参与反应的蒸汽量直接影响反应温度，进而影响气化中的各种反应，因此，在一定的范围内适量增加水蒸汽量会提高气化炉的冷煤气效率。在不增加氧煤比的前提下，适当增加水蒸汽会使气化温度在一定范围内降低，这样虽然能降低液态排渣热损失、散热损失、合成气低温显热损失，但同时增加了未气化固定碳损失，因此气化炉中增加反应蒸汽量对全热效率的影响不能一概而论，应根据具体情况分析。5废热锅炉特性对气化炉效率的影响为提高整体效率，IGCC系统一般都采用废热锅炉回收高温合成气显热，气化炉出口合成气温度很高，夹带的灰尘颗粒多为熔融状态，为防止熔融的灰尘粘结在废热锅炉的受热面管道上，各中气化技术采用不同的技术路线。壳牌气化技术采用合成气循环冷却方式，将废热锅炉出口的低温合成气（200℃左右），经合成气循环增压机送到气化炉出口处，用来降低气化炉出口合成气的温度到900℃左右。这种工艺方式对气化炉的全热效率没有影响，但合成气循环增压机增加了厂用电的损耗，会降低IGCC整体发电效率。德士古气化炉采用辐射废锅和对流废锅的方式，高温合成气通过辐射废锅降到700℃左右，然后再进入对流废锅。合成气流经废锅时，速度控制1米/秒以下，减小气流的