IGCC过程中合成气全热回收的煤气化技术研究.pdf

摘要介绍了一种用于现代煤化工装置的粉煤气化+合成气全热回收技术，并在 IGCC 过程上进行了应用效果分析。通过理论计算对比了粉煤气化+全热回收技术与其他煤气化技术在 IGCC 上的运行参数，选用四种典型气化原料分析了热值变化对运行结果的影响。计算结果表明：以神木煤为原料，相同情况下，合成气全热回收技术比水煤浆全废锅技术发电效率高 3.4 个百分点，比粉煤气化+合成气激冷技术高 1.3 个百分点；采用不同气化原料时，全热回收煤气化技术的发电效率为 48.5%51.5%，比水煤浆气化发电效率高约 3 个百分点。关键词IGCC；全热回收；粉煤气化；水煤浆气化；发电效率文章编号：1005-9598(2023)-05-0007-05中图分类号：TQ54文献标识码：AIGCC 过程中合成气全热回收的煤气化技术研究弋朝山1，张文斌2，郭进军2，孙强2（1.宁夏宝丰能源集团股份有限公司，宁夏宁东 751400；2.航天长征化学工程股份有限公司，北京 101111）收稿日期：2023-05-10第一作者：弋朝山（1983），男，汉族，陕西洛南人，工程师，学士，2006 年本科毕业于青海大学化学工程与工艺专业，现从事煤化工技术管理工作，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.05.002引言整体式煤气化联合循环发电（Integrated Gasi-fication Combined Cycle,IGCC）具有发电效率高、洁净环保、具备 CO2捕捉封存条件等优点，是高效和洁净的煤基发电技术之一。该技术以煤为原料，将其气化为粗合成气（CO、H2等）的同时副产蒸汽。合成气经净化后送入燃气轮机燃烧做功，将合成气的热能转化为电能，并采用脱硫脱硝等手段，实现煤炭的清洁高效利用。气化炉废锅蒸汽和燃机余热锅炉蒸汽均送入蒸汽轮机做功，该技术需要整合余热锅炉、空分、气化、净化、蒸汽机组、燃气机组和余热锅炉等单元，因此整个装置流程长、投资大、设备运行耦合程度高。经过多年的工业实践，国内煤化工行业积累了丰富的煤气化装置运行和煤种使用经验，充分借鉴这些经验对国内 IGCC 行业中煤气化装置的运行和技术进步具有积极作用。目前，国内外已投运的 IGCC 项目有数十个，其中比较成熟的煤气化技术路线有水煤浆+全废锅气化技术、粉煤气化+水/气激冷+对流废锅气化技术。与粉煤气化技术相比，水煤浆气化的主要问题在于冷煤气效率偏低；而粉煤气化+合成气激冷冷却+对流废锅热量回收技术会导致激冷系统压缩机功耗大，废锅外排合成气带走的热量多。在 IGCC 发电系统中，煤气化的合成气冷煤气效率和气化炉废锅蒸汽产量直接决定该循环的发电效率。因此，本文将一种应用在煤化工行业的粉煤气化+合成气全热回收的气化技术应用在 IGCC 装置上，通过理论计算，定量分析比较不同煤气化技术在热回收方面的差异。1粉煤气化+合成气全热回收的气化技术方案1.1典型 IGCC 电站流程典型的 IGCC 流程1示意图见图 1。水煤浆或粉煤经气化产生粗合成气，并副产蒸汽。粗合成气经冷却洗涤净化后，送至燃气轮机做功。燃气轮机排出的高温烟气（500 600）进入燃气-蒸汽联合循环余热锅炉（HRSG），HRSG 采用双压形式，外排烟气温度约80。气化炉副产蒸汽和 HRSG 产蒸汽一同进入蒸汽轮机做功。由于煤气化过程本身为还原性环境，没有氮氧化物产生；合成气中的 H2S 通过克劳斯（CLAUS）硫回收装置回收，产生硫磺产品。引用格式：弋朝山，张文斌，郭进军，等.IGCC 过程中合成气全热回收的煤气化技术研究J.煤化工，2023，51（5）：7-11.第 51 卷第 5 期2023 年 10 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.5Oct.20232023 年煤 化 工1.2合成气激冷+对流废锅的煤气化技术典型的合成气上行+合成气激冷+对流废锅的工艺流程2示意图见图 2。该技术最初应用于发电行业，但在国内几乎全部应用于煤化工行业。该技术的主要特点是在气化室出口对高温合成气进行气激冷，之后低温激冷气和高温合成气一同进入对流废锅进行换热。激冷气来源为飞灰过滤器（约 300）和洗涤塔（约 160）两段的混合气，由于采用大量激冷气（体积流量一般为合成气的 1.5 倍 2.0 倍），所以进入洗涤塔进行湿洗的气体携带热量多，热损失大。空分装置空气O2水煤浆/粉煤气化装置粗合成气合成气冷却装置合成气洗涤与冷却装置酸性气体脱除装置洁净合成气燃气轮机蒸汽蒸汽轮机HRSG烟气水蒸气水N2灰渣排渣装置飞灰CLAUS 硫回收装置酸性气硫SCOT图 1IGCC 电站流程示意图磨煤及干燥煤进料煤、助熔剂N2氧、蒸汽炉渣水中压蒸汽气化炉废热锅炉过热蒸汽中压蒸汽锅炉给水除干固体湿洗去净化返回气160 返回气330 激冷气压缩机激冷气干灰外运或去磨煤图 2典型粉煤气化+合成气激冷+对流废锅典型工艺流程示意图1.3全热回收煤气化技术本文介绍一种粉煤气化+合成气全热回收的气化技术，其特点为合成气从高温气化室出来，不做降温处理直接进入辐射废锅换热，同时将粗渣和合成气分离，分离后的合成气进入对流废锅，其工艺流程示意图如图 3 所示。该技术原本应用于高硫石油焦气化，其工艺流程为：炼化厂延迟焦化产生的高硫石油焦经过磨煤及干燥后，进入粉煤加压输送单元，干粉和惰性气体（N2或CO2）以流态化形式通过烧嘴以射流方式进气化炉进行气化反应，产生的高温合成气（约 1 500）经过辐射废锅（RSC）和对流废锅（CSC）产生高压蒸汽，合成气降温至约 300 后进入飞灰过滤器和合成气洗涤塔进行除尘；飞灰过滤器过滤下未燃尽的细灰进行保压循环，通过顶置烧嘴返回气化炉，确保低反应活性燃料的充分气化，减少外排灰渣量，提高综合转化效率。采用本文提出的辐射废锅（RSC）+对流废锅（CSC）的全热回收方式，可实现粉煤气化流程的合成气显热直接回收。在 IGCC 流程（图 1）中，气化技术可分别采粉煤加压输送单元合成气洗涤塔烧嘴气化室对流废锅辐射废锅飞灰过滤器细灰细灰加压输送单元图 3全热回收气化技术示意图8-第 51 卷第 5 期表 5水煤浆气化和粉煤气化发电参数对比气化技术水煤浆气化粉煤气化总发电量/MW291.7313.4发电效率/%47.951.3原煤量(收到基)313286折算至标煤量283258用粉煤气化和水煤浆气化；粉煤气化流程的合成气冷却可采用气激冷+对流废锅气化技术（图 2）以及全热回收技术（图 3）。1.4气化原料的性质根据煤种特性因地制宜地选择适合的煤气化技术，无论是对煤化工项目还是煤气化发电项目都十分重要。为分析煤质变化对运行参数的影响，分别采用山西晋城无烟煤、陕西神木烟煤、蒙东褐煤和中石化青岛炼化高硫石油焦四种具有代表性的气化燃料进行 IGCC 过程分析，气化方式为粉煤气化和水煤浆气化。四种典型气化原料的性质如表 1 所示，表中氧含量由差减法得到。表 1原料的工业分析和元素分析原料晋城无烟煤神木烟煤蒙东褐煤青岛石油焦工业分析（棕）/%棕（Mar）/%9.19.331.89.3Mad1.855.0421.820.43Aad27.6311.0312.780.32Vad6.7631.6728.608.86FCad63.7652.2636.8090.39元素分析（棕）/%Cad63.7468.3649.0287.13Had2.344.092.873.56Oad1.7610.212.770.58Nad0.750.900.451.19St,ad1.930.380.296.79热值 Qgr,ad/（MJ kg-1）23.7327.6519.7535.182结果与讨论2.1粉煤气化和水煤浆气化技术对比以神木烟煤为原料煤，2 000 t/d 级气化炉（约对应 300 MW 机组）为计算炉型，采用热力学平衡方法，对比粉煤气化（全热回收技术）和水煤浆气化（全废锅技术）的运行参数。根据实际运行经验，粉煤气化入炉水分为 2%，水煤浆气化入炉成浆质量分数为 60%（水分40%），两种气化技术入气化炉的干基煤量均为 83 t/h，入炉氧气纯度为 99.6%，废锅产 5.4 MPa、400 过热蒸汽。煤气化单元计算结果见表 2。表 2煤气化单元水煤浆气化和粉煤气化参数对比气化技术水煤浆气化粉煤气化煤浆或煤粉量/(t h-1)138.384.7操作温度/14001400压力/MPa（G）44入炉氧气流量/(m3 h-1)5445645074有效气(CO+H2)产量/(m3 h-1)138500156000干合成气流量/(m3 h-1)219000169000气化炉壁面技术耐火砖水冷壁壁面吸热量/kW05000冷煤气效率/%74.484.2CSC 出口温度/300300废锅产蒸汽量/(t h-1)198129燃气轮机（GT）单元计算采用 Siemens V94.3A 燃气轮机工作参数3，燃气轮机内效率一般在 89%93%，本计算中取 93%，计算结果见表 3。表 3燃气轮机 GT 单元水煤浆气化和粉煤气化参数对比气化技术水煤浆气化粉煤气化燃烧室操作温度/13001300压力/MPa1.21.2空压机功率/MW110.4127.5透平机功率/MW330.8380.2燃气轮机内效率/%9393燃气轮机输出功率/MW197.3226.1燃气轮机排气温度/510510汽轮机及余热锅炉（HRSG）单元计算中蒸汽轮机内效率一般在 88%92%，本计算中取 92%，余热锅炉采用双压循环+省煤器预热布置方案，计算结果见表 4。通过上述计算可得到两种气化技术发电参数，结果见表 5。由表 25 的计算结果可知：与水煤浆气化技术相比，总体上粉煤气化技术的冷煤气效率高约 10 个百表 4汽轮机及余热锅炉（HRSG）单元水煤浆气化和粉煤气化参数对比气化技术水煤浆气化粉煤气化蒸汽轮机内效率/%9292汽轮机排气温度/3838汽轮机背压/kPa66蒸汽轮机总输出功率/kW1836822062余热锅炉排烟温度/8080每度电所需煤量/g (kW h)-1弋朝山等：IGCC 过程中合成气全热回收的煤气化技术研究9-2023 年煤 化 工分点，废锅蒸汽产量低约 30%，发电效率高约 3.4 个百分点；采用神木煤为原料，两种气化技术均用于发电时，与粉煤气化技术相比，水煤浆气化技术单位发电量所需原料煤高 27 g/（kW h）。2.2粉煤气化两种合成气冷却技术 IGCC 参数对比采用与 2.1 节相同的计算条件，对比粉煤气化技术分别采用气激冷+对流废锅和全热回收两种冷却方式时的 IGCC 系统运行参数，其中，激冷气量及压缩机功率采用实际运行数据，废锅产蒸汽品质为 5.4 MPa、400 过热蒸汽，发电效率按图 2 和图 3 的流程计算，计算结果见表 6。由表 6 可知：由于合成气全热回收技术有效降低了废锅出口气体流量和热损失，因此与合成气全热回收方式相比，合成气气激冷流程生产单位电量所需原料煤高 10 g/（kW h），发电效率低 1.3个百分点。此外，由于合成气全热回收流程取消了合成气压缩机，估算可降低设备投资约 10%。2.3不同煤种的气化性能和发电效率对比为排除气化炉操作温度和入炉煤灰分的影响，进行气化性能和发电效率分析时，设定操作温度为1 500、入炉煤灰分 10%13%（晋城无烟煤需洗煤，青岛炼化石油焦需配煤灰或矸石等）、入炉水氧比（质量比）为 0.1；煤气化褐煤入炉水分为 5%，其他煤种入炉水分为 2%；水煤浆气化成浆质量分数 60%，气化炉规模定为 2 000 t/d（投煤量）。冷煤气效率、比煤耗和装置发电量随不同煤种热值的变化情况见图 4 图 6。由图 4、图 5 可以看出：在相同灰分和操作温度下，入炉煤热值每升高1 000 kJ/kg，冷煤气效率提高0.9 个百分点，相应的煤耗约下降 25 kg/1 000 m3（CO+H2）。此外，粉煤气化总体上比水煤浆气化的冷煤气效率高约 10 个百分点，比煤耗低约 15%。由图 6 可以看出：IGCC 装置发电量与入炉煤热值呈良好的线性关系，随着入炉煤热值的增加，系统供电量也在增加。对于 2 000 t/d 投煤量规模的气化炉，入炉煤热值每升高 1 000 kJ/kg，发电量增加约 13 WM。不同煤种采用粉煤气化和水煤浆气化用于 IGCC发电的效率对比见表 7。由表 7 可知：不论采用何种煤种，全热回收的粉煤气化技术用于 IGCC 发电效率在 48.5%51.5%，比水煤浆气化的发电效率高约 3 个百分点，但水煤浆气化的主要优势在于工艺流程相对简单，气化装置投资较低（一般比粉煤气化低约 20%），所以具体选用何种技术需要根据煤质匹配程度、项目规模和资金情况等因素综合考虑。表 6两种合成气冷却技术 IGCC 系统运行参数对比合成气冷却形式气激冷+对流废锅全热回收气化室出口总气量/(m3 h-1)473200169000激冷气量/(m3 h-1)3042000压缩机功率/kW18000废锅蒸汽产量/(t h-1)108129蒸汽理论发电量/MW31.537.6发电效率/%50.051.3每度电所需原煤量（不含空分）/g (kW h)-129628624000 26000 28000 3000022000868278747066入炉煤热值/（kJ kg-1）姻荫姻姻姻荫荫荫粉煤气化水煤浆气化图 4冷煤气效率随入炉煤热值的变化24000 26000 28000 3000022000800750700650600550姻荫姻姻姻荫荫荫粉煤气化水煤浆气化图 5比煤耗随入炉煤热值的变化24000 26000 28000 3000022000340320300280260240220姻荫姻姻姻荫荫荫粉煤气化水煤浆气化图 6装置发电量随入炉煤热值的变化表 7全热回收技术用于 IGCC 发电效率对比煤种蒙东褐煤神木烟煤晋城无烟煤青岛石油焦粉煤气化48.6151.3151.4451.55水煤浆气化44.7947.8748.1048.39入炉煤热值/（kJ kg-1）入炉煤热值/（kJ kg-1）发电效率/%10-第 51 卷第 5 期工信部发布 合成氨行业规范条件2023 年 10 月 13 日，工业和信息化部发布 合成氨行业规范条件（以下简称 规范条件），并将于 2023 年 10 月 31 日起施行。规范条件 包括质量、技术和装备，节能降碳和资源综合利用，环境保护和清洁生产等 8 个部分 24 条具体内容，旨在引导合成氨行业加快转型升级步伐。节能降碳和资源综合利用方面，规范条件 鼓励企业建立能源管控中心，开展能源管理体系第三方认证。同时强调企业不应使用高硫石油焦作为合成氨生产原料，单位产品合成氨生产原料、能源和水消耗应符合相关要求。鼓励企业对标工业重点领域能效标杆水平，加强节能降碳技术改造。规范条件 要求合成氨企业制定碳减排方案，以煤为原料的企业，单位合成氨产品二氧化碳排放量不高于 4.2 t；以天然气、焦炉气为原料的企业，单位合成氨产品二氧化碳排放量不高于 1.8 t。环境保护和清洁生产方面，规范条件 提出，新建、改扩建合成氨项目应严格执行环境影响评价制度，配套的环境保护设施必须与主体工程同时设计、同时施工、同时投产使用。合成氨企业应依法申请和取得排污许可证，并通过清洁生产审核评估验收等。（全国煤化工信息总站编辑整理）3结论（1）本文设计的全热回收煤气化技术用于 IGCC项目，在采用神木煤为原料，其他条件相同的情况下，计算发电效率比现有水煤浆全废锅技术高 3.4 个百分点，比粉煤气化+合成气激冷技术高 1.3 个百分点。（2）采用不同原料煤时，全热回收煤气化技术用于 IGCC 项目的发电效率在 48.5%51.5%，不论采用何种原料煤，总体来说粉煤气化比水煤浆气化发电效率高约 3 个百分点。参考文献：1 韩龙，邓广义，李政，等.大型煤气化技术在 IGCC电站中的应用现状J.南方能源建设，2015，2（1）：42-50.2 唐宏青.Shell 煤气化工艺的评述和改进意见J.煤化工，2005，33（6）：9-14.3 李萍萍，刘长磊，黄斌，等.煤气化燃料电池发电系统模拟及分析 J.计算机与应用化学，2018，35（12）：988-996.Research on coal gasification technology of syngas total heat recovery in IGCC processYi Chaoshan1,Zhang Wenbin2,Guo Jinjun2,Sun Qiang2(1.Ningxia Baofeng Energy Group Co.,Ltd.,Ningdong Ningxia 751400,China;2.Changzheng Engineering Co.,Ltd.,Beijing 101111,China)AbstractA technology of pulverized coal gasification+syngas total heat recovery for modern coal chemical plants wasintroduced,and its application effect in the IGCC process was analyzed.The operating parameters of pulverized coalgasification+total heat recovery technology and other gasification technologies applied to IGCC were compared through thetheoretical calculation,and the influence of coal change on operation results was analyzed by using four typical coal.Thecalculation results showed that with Shenmu coal as the raw material,under the same circumstances,the power generationefficiency of syngas total heat recovery technology was 3.4 percentage points higher than that of coal water slurry whole wasteheat boiler technology,and 1.3 percentage points higher than that of pulverized coal gasification+syngas quenchingtechnology.When different raw coal were used,the power generation efficiency of the total heat recovery coal gasificationtechnology was 48.5%to 51.5%,3 percentage points higher than that of the coal water slurry gasification technology.Key wordsIGCC;total heat recovery;pulverized coal gasification;coal water slurry gasification;power generationefficiency弋朝山等：IGCC 过程中合成气全热回收的煤气化技术研究窑简讯窑11-