基于煤氣化技術(shù)的水冷壁氣化爐研究

張曉平

（陜西延長石油集團榆林能源化工有限公司，陜西 西安 710075）

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)。其由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第一部分的主要設(shè)備，有氣化系統(tǒng)、空分裝置、煤氣凈化設(shè)備（包括硫的回收裝置）；第二部分的主要設(shè)備，有燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)。

煤氣化技術(shù)是煤炭深加工技術(shù)的一個分支，其發(fā)展可謂源遠流長。17世紀開始，人們就開始用煤氣點燃路燈，民用煤氣發(fā)展也很迅速。而煤炭大規(guī)模氣化，并且綜合利用，則是最近幾十年才得以快速發(fā)展。從一般規(guī)模的工業(yè)氣化爐，到電站級的大容量的發(fā)電的氣化爐，煤氣化工藝發(fā)展很快。SHELL公司早在1972年就開始了煤氣化技術(shù)的開發(fā)。Shell爐由于具備明顯的技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)勢，而且比較切合我國目前現(xiàn)階段發(fā)展IGCC氣化爐的切實國情，本文就是對此作相關(guān)的探討研究。

1 研究背景

1976年，Shell在阿姆斯特丹的研究院建成了一套實驗裝置，日處理煤量6 t，Shell公司利用該裝置試驗了30多種不同類型的煤種。1978年，Shell在德國漢堡附近的哈爾堡煉油廠建成一套150 t/d的Shell煤氣化裝置，進行了不同煤種、不同設(shè)備的示范研究開發(fā)。1987年在美國得克薩斯州休斯頓附近的煉油廠內(nèi)，建成一套更大的氣化裝置，該裝置設(shè)計能力為250 t/d高硫煤或400 t/d高水分、高灰分褐煤。在此套裝置上，大約進行18種煤或石油焦的氣化試驗。各項試驗結(jié)果表明，Shell氣化爐的可靠性、原料適應(yīng)的靈活性、負荷跟蹤特性及環(huán)保性能均達到預(yù)期要求。荷蘭的Buggenum IGCC電站，最終選用Shell煤氣化工藝，Shell公司3套試驗或示范裝置的成功，為其奠定了有力的基礎(chǔ)。該廠1993年建成，1994年首次使用煤氣發(fā)電，氣化爐出力為2000 t/d。自投運以來，可用率逐年提高，現(xiàn)已達到95%以上。Shell公司目前正在開發(fā)用于400MW IGCC電站的氣化爐，目標是使IGCC的凈效率大于46%（LHV）。

2 SHELL爐相關(guān)研究

2.1 煤粉制備和送料系統(tǒng)

Shell煤氣化工藝，采用干煤粉進料系統(tǒng)。原煤的干燥和磨煤系統(tǒng)與常規(guī)電站基本相同，但送料系統(tǒng)是高壓N2氣濃相輸送，整個系統(tǒng)必須采取防爆和防泄漏措施。原煤在預(yù)破碎后，進入煤的干燥系統(tǒng)，然后進入磨煤機中被制成煤粉，磨煤機是在常壓下運行，制成粉后用N2送入煤粉倉中。然后進入加壓鎖斗系統(tǒng)，一般有兩級加壓鎖斗。煤粉送入第二級鎖斗后，再用高壓高純度的N2氣，以更高的固氣比將煤粉送至4個氣化爐噴嘴，煤粉在噴嘴里與氧氣混合后，并與蒸汽一起送入氣化爐反應(yīng)。

2.2 氣化爐

如圖1所示，氣化爐下部對稱布置4個燃燒器噴嘴，煤粉、氧氣和蒸汽的混合物從這里噴入氣化爐，迅速發(fā)生氣化反應(yīng)，氣化爐溫度為在1400～1600℃，這個溫度范圍使煤中的灰分熔化，大部分沿爐壁流出氣化爐，滴入存有激冷水的池中，變成一種玻璃態(tài)不可浸出的渣排出。這個溫度范圍，也防止形成不需要的有毒熱解產(chǎn)物，如苯酚和多環(huán)芳香烴。粗煤氣氣流上升到氣化爐出口，在這里用150℃左右的低溫粗煤氣，使高溫熱煤氣激冷到大約900℃，經(jīng)過一個過渡段，進入對流式煤氣冷卻器。在有一定傾角的過渡段中，由于熱煤氣被激冷，所含的大部分熔融態(tài)灰渣凝固后落入氣化爐底部。

圖1 荷蘭Buggenum IGCC電站氣化系統(tǒng)

Shell氣化爐的壓力殼里，布置著垂直管膜式水冷壁，產(chǎn)生4.0MPa的中壓蒸汽。向火側(cè)有一層很薄的耐火涂層，當熔融態(tài)渣在上面流動時，起到保護水冷壁的作用。Buggenum IGCC電站Shell氣化爐直徑約5～6m，高約50m，標高達到約60 m，氣化爐的運行壓力約為2.6～2.8MPa。

2.3 煤氣冷卻器

粗熱煤氣在煤氣冷卻器中，被進一步冷卻到250℃左右。低溫冷卻段產(chǎn)生4.0MPa的中壓蒸汽，這部分蒸汽與氣化爐產(chǎn)生的中壓蒸汽混合后，再與汽輪機中壓缸排汽一起，被再熱成中壓再熱蒸汽。高溫冷卻段產(chǎn)生13MPa的高壓蒸汽，與余熱鍋爐里的高壓蒸汽一起過熱成主蒸汽。Buggenum IGCC電站的煤氣冷卻器直徑約為4m，高約64m，冷卻器頂部標高74.5 m，是氣化島的最高點。冷卻器的壓力外殼里布置有8層螺旋管圈，上下共分成5段，熱煤氣由上而下在螺旋管外流動，與螺旋管內(nèi)的工質(zhì)換熱。

3 氣化爐基本原理

如圖2所示，4個燃燒器沿氣化爐的徑向?qū)ΨQ布置在氣化爐底部，煤粉和水蒸汽、氧氣通過燃燒器噴入氣化爐，在氣化爐的中心發(fā)生對沖，絕大部分入口物質(zhì)都向上噴射。在對沖和向上噴射的初期，煤粉發(fā)生熱解，析出揮發(fā)分；揮發(fā)分接著和氧氣發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，如果氧氣還有剩余，也將很快和焦炭反應(yīng)而消耗完畢。這步燃燒反應(yīng)放出大量熱量，足以維持氣化爐后部焦炭和二氧化碳、水蒸汽的異相氣化反應(yīng)。氣化爐的溫度維持在1400～1600℃，運行壓力約2.6～2.8MPa。

圖2 氣化爐原理

Shell氣化爐的壓力殼里，布置垂直管膜式水冷壁，通過強制循環(huán)產(chǎn)生4.0MPa的中壓蒸汽。這些蒸汽將在余熱鍋爐里過熱后，通到蒸汽輪機中壓缸里。煤的灰分大部分都以液態(tài)渣的形式，沉積在水冷壁的渣保護層上面，接著沿著渣層流到氣化爐底部的出渣口而排出。從整體來看，氣化爐功能就是利用煤粉生產(chǎn)合適的煤氣，同時利用氣化過程的顯熱，生成一定數(shù)量的水蒸汽；在這一過程中，還會排出一定數(shù)量的液態(tài)渣。所以，仿真的主要目標就是：

（1）出口煤氣的成分和溫度；

（2）氣化爐向水冷壁輸出的熱量和其他相關(guān)熱量分布；

（3）渣層出渣量。在對氣化爐流動情況分析的基礎(chǔ)上，將氣化爐模型分成了傳熱模塊、煤氣成分模塊和渣層組成模塊。

4 注意事項

根據(jù)國電熱工研究院干煤粉氣化爐中試裝置運行經(jīng)驗，確保煤粉連續(xù)準確輸入氣化爐，是整個氣化裝置正常運行的關(guān)鍵之一。氧氣輸送不會發(fā)生堵塞，若煤粉輸送過程發(fā)生堵塞，相當將純氧輸入氣化爐。此時氣化爐中將近90%的氣體為CO和H2，氣化爐的溫度必將迅速提高，很容易造成水冷壁爆管，進而引起氣化爐爆炸，氣化爐爆炸除了程度更加劇烈外，更嚴重的是其泄漏的是劇毒氣體。

煤粉輸送突然停止，氧氣按正常量輸入氣化爐，此時氣化爐入口處充滿高溫高壓并且濃度也很高的可燃氣體，進入的氧氣將在極短的時間內(nèi)消耗殆盡，釋放大量熱量，造成入口處溫度和壓力急劇升高。壓力波傳播極快，引起出口煤氣量的增加，入口質(zhì)量下降了一半以上，壓力升高不像溫度那么劇烈，且很快降下來。隨著爐溫的升高，固態(tài)渣層開始液化。隨著燃燒中心的逐步上移，越來越多的熱量也將隨氣體的上升，傳遞到氣化爐上部。情況進一步發(fā)展，爐下部的可燃氣體將被耗盡，氧氣必須送到上部才能燃燒。高溫區(qū)逐漸轉(zhuǎn)移到上部，下部僅能獲得上部輻射來的熱量，溫度逐漸下降，液態(tài)渣層固化；上部的溫度逐漸提高。同時，渣保護層溫度將升高，固態(tài)渣層加快液化，液態(tài)渣層加速下流。氣化爐內(nèi)的可燃氣體變得稀少時，爐溫下降，液態(tài)渣層固化，出口氣體中的氧氣份額從零增加，如果繼續(xù)任其發(fā)展，后果將非常危險。

氣化爐出口的高溫煤氣，在激冷段被從除塵系統(tǒng)來的低溫煤氣摻混，激冷到900℃左右進入煤氣冷卻器，冷卻器布置有很多用來產(chǎn)生中高壓蒸汽的螺旋盤管，粗煤氣在離開時的溫度約250℃，然后進入除塵系統(tǒng)。部分煤氣經(jīng)加壓后，送回氣化爐出口激冷高溫煤氣，其余煤氣進后面系統(tǒng)。粗煤氣從氣化爐出來后，進入向上傾斜的激冷段，在這里用來自除塵器的150℃左右的低溫粗煤氣，使高溫煤氣激冷到約900℃，然后進入煤氣冷卻器。在這一段有一定傾角的過渡段中，由于高溫煤氣被激冷，所含的大部分熔融態(tài)灰渣凝固后，落入氣化爐底部。激冷段在運行中沒有什么故障發(fā)生，其最主要的參數(shù)是出口氣體的狀況，這將影響到后面設(shè)備的運行狀況。由于煤氣冷卻器是吸收煤氣顯熱最主要的設(shè)備，同時緊接其后的煤氣凈化（除塵和脫硫）系統(tǒng)對煤氣的溫度比較敏感，所以煤氣冷卻器氣體的溫度是最需要及時反映的參數(shù)。煤氣組分對后面的脫硫也有重要影響，也是比較重要的參數(shù)。所以仿真范圍是冷卻器出口煤氣的溫度、組分的動態(tài)變化，冷卻器放熱量的動態(tài)變化。精度準則，靜態(tài)仿真誤差不超過5%；動態(tài)變化趨勢和理論分析及試驗數(shù)據(jù)吻合。

由煤氣冷卻器出來約250℃左右的粗煤氣進入除灰系統(tǒng)。除灰系統(tǒng)有兩部分組成，第一級是采用旋風除塵器除塵；第二級則采用文氏洗滌器除塵。洗滌器出來粗煤氣溫度約為150℃。此后，其中一部分煤氣加壓后去激冷高溫的粗煤氣；另一部分進入后面的系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

煤氣化技術(shù)是煤炭深加工領(lǐng)域中一項重要的技術(shù)，隨著煤炭大規(guī)模氣化和綜合的利用，煤氣化的工藝得到了飛速的發(fā)展，它具有非常明顯的技術(shù)經(jīng)濟指標特點，特別適合于我國目前現(xiàn)階段發(fā)展IGCC氣化爐的國情。

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