整体煤气化联合循环的基本思想

第一节整体煤气化联合循环的基本思想

整体煤气化联合循环(Integerated Gasification Combined Cycle；简记为IGCC)是20世纪70年代石油危机时期西方国家开始发展的一项燃煤发电技术。它的技术路线非常清晰，那就是：使煤在气化炉中气化成为中热值或低热值的煤气，然后通过处理，去除其中的灰分、含硫化合物、重金属等有害物质，代替天然气供到常规燃气一蒸汽联合循环中去，从而实现洁净燃煤发电。

IGCC发电系统示意图如图6—1所示。

整体煤气化联合循环中的“整体”一词有两层含义：

(1)在这个系统中，气化炉所用的蒸汽和空气多数情况下都直接来自于系统内的汽轮机和燃气轮机。反过来，气化过程中所产生的各种显热，都在系统适当的工艺环节中充分地利用，这样的系统是一个有机的整体；

(2)系统流程及系统内各处的参数都要从机组整体性能最优的角度仔细考虑和设计。

图6—1 IGCC发电系统示意图

显然，在IGCC发电系统中，燃气轮机、余热锅炉、汽轮机都是成熟的技术，所需要解决的只是煤的大规模气化和煤气的净化问题。所以，就设备而言，气化炉和煤气净化系统的是整体煤气化联合循环发电技术的关键。

第二节煤的气化及气化炉

一、气化原理

众所周知，煤是由多种有机物和无机物}昆合组成的固体燃料。煤中的可燃物质主要是碳，其次是氢。要使煤气化，最理想地莫过于将其转化为以气态形式存在的c0、H2及碳氢化合物，如cH4等。因此，对煤进行气化实质上主要是使煤中的C与02反应生成CO。

然而，实际中煤的气化过程远非如此简单。尽管煤气化的历史已有200余年，但对其涉及到的某些问题至今也未完全研究清楚。如果大致描述一下的话，煤的气化大体上是这样进行的：在缺氧的条件下，对煤进行加热，使其释放出所含的水分而干燥；随着温度的升高，原先以固态形式存在的碳氢化合物分子中的一些较弱的化学键被破坏，开始析出挥发分，生成煤焦油、油、酚和某些气相碳氢化合物；接下来，析出挥发分后的固定碳将与氧气、蒸汽和氢气发生反应生成CO、C02和cH4等气体。在以上过程中，挥发分与氧之间可能还会发生反应，最终形成粗煤气。

煤的气化过程中，气化炉内所发生的化学反应主要有以下几个：

4C+30，一2CO，+2CO+热量 (6—1)

3C+20，一2CO，+CO+热量 (6—2)

C+CO，一2CO一热量 (6—3)

C+地O—cO+H，一热量 (6—4]

H20+CO—H，+Co’+热量 (6—5]

CO+3 H2一cH4+H20+热量 (6—6：

C+2H2一CHd+热量 (6—7：

不同的反应所需的条件也不同。式(6—1)在温度低于1200％的条件下进行，而式(6—2)则在温度高于1300℃的条件下进行。这两个反应实际上是不完全的燃烧反应，其作用是为主要的气化反应提供热量。式(6—3)和式(6—4)是主要的气化反应，其中式(6—3)为c02的还原反应，式(6—4)为水煤气反应。这两个反应不仅需要热量，而且只有在高温下才能进行得足够快。式(6—5)为氢化反应，其余两个为甲烷化反应，这三个反应均在低温下相对容易发生一些，虽不主要，但对最后的煤气成分有影响。

在气化过程的还原性条件下，煤中所含的硫将大部分转化，H2S，少部分转化为COS。因此若在气化过程中加入白云石或石灰石，则会发生下面的脱硫反应： H2S+CaO-}Ca$+H20 (6—8

COS+CaO--，CaS+C02 (6—5

由上所述，煤气化所需要的基本条件及解决的办法是：

(1)一定的温度。一般采用部分燃烧的方法来获得该温度。

(2)一定的气化剂。气化剂可以是氧气，也可以是空气与蒸汽或者氧气与蒸汽等。采用的气化剂不同，所得到的煤气成分、热值就不同。依据热值的高低可将煤气划分为低热值煤气、中热值煤气和高热值煤气，’Effl的热值范围分别为乏埂：是4187-10467 kJ／(N．m3)

10467～20934kJ／(N．m3)和20934～4186810／(N·m3)。

二、气化炉的分类及性能指标

要使IGCC成为一项高效、洁净、具有竞争力的燃煤发电技术，气化炉必须满足一系列指标要求，其中衡量气化炉能量转化情况的指标有以下几个。

(1)碳的转化率叩c。其定义为

刁，：转化成煤气成分的碳量／煤中的碳量

它表示煤中所含的碳元素在气化炉中转化为煤气成分的百分数。目前性能良好的气化炉的r／c可达99％以上。

(2)冷煤气效率叩，。定义为

叼1-所生成煤气的化学能／气化用煤的化学能

如以低位发热量为计算依据，目前性能良好的气化炉的叩已．挟到80％以上。

(3)热煤气效率叩。。定义为

叩。：(所生成煤气的化学能+在气化炉产生蒸汽时所利用的

热能)／气化用煤的化学能

目前性能良好的气化炉的叩，可达91％～95％。

(4)能量转化效率r／Eo焦树建等人提出用下式所定义的7E

来评价煤气化系统的能量转化效率

卵，：[(所生成煤气的化学能+煤气燃烧前的物理焓+在气化炉

产生蒸汽时所利用的热能)一(气化用煤的物理焓+供气化炉的

气化剂的物理焓+供煤气净化系统用的蒸汽和水的焓)]／气化用

煤的化学能

这个指标可以比较完善地反映煤气化系统的能量转化情况。一般情况下，叩E<叩，。

除以上几个能量指标外，煤种适应性、负荷适应性、单台炉的容量(日处理量或年处理量)、煤气含尘率、煤气中有害物质的可去除性、气化炉关键部件寿命等也都是衡量气化炉性能的重要技术指标。

到目前为止，人们已经研制出具有不同特点的各种各样的气化炉。按照炉床型式，可将这些气化炉划分为喷流床式、流化床式、固定床式和熔融床式四种类型。

三、各种类型的气化炉简介

1．喷流床式气化炉

喷流床式气化炉是在目前世界各地的IGCC示范工程中用得最多的一种气化炉。属于这种类型的气化炉有美国的Texaco炉<德士古炉)和cE炉、荷兰的Shell炉、德国的Prenflo炉等。Texaco气化炉及其系统的示意图如图6—2所示。

Texaco气化炉采用氧气作气化剂，炉膛中心部位的火焰温度很高，离开气化炉的热煤气的温度高达1000。C以上。由于脱硫时，粗煤气的温度需降低到接近常温，所以，在煤气炉出口处设置了具有辐射受热面和对流受热面的余热锅炉，以利用煤气的显热产生蒸汽。喷流床式气化炉一般都以氧气，或者氧气和空气，或者氧气和蒸汽作为气化剂，所产的煤气温度很高，属于高温高压气化炉。这种气化炉的优点是：反应速率高，单炉容量大，碳的转化率高，热煤气效率高，煤种适应性广，粗煤气因不含焦油而容易净化。缺点是：热回收系统复杂、负荷适应性差、控制技术要求高。

图6—2 Texaco气化炉及其系统不意图

2．流化床气化炉

IGCC系统中使用的，属于这种类型的气化炉有KRW炉、u—Gas炉和高温的温克勒炉等。KRW气化炉的本体结构及工作过程示意图如图6—3所示。

由图6—3可见，KRW炉的本体由3段直径不等的圆筒形壳体组成，壳体的内壁各有一层保温层和耐火层。该炉所用的气化剂为氧气和蒸汽或者空气和蒸汽，采用的原料煤的粒度在0～6mm之间。正常工作时，采用已除尘并增过压的煤气作为输送气(循环煤气)，将煤和石灰石颗粒从炉子下部的送料管输送到炉膛的中心，原料在流出送料管的同时，立即就与同轴进入炉膛的氧气或空气混合着火燃烧，并在送料管出口处形成一个高温射流燃烧区。在射流的携带作用下，送料管出口周围的煤粒将向上运动。但当射流动量消失后，煤粒和已经生成的半焦将会沿着炉壁下降。如此便形成了煤粒上升、下沉、再上升的物理过程。显然，