清洁的煤气化发电I.pdf

清 洁 的 煤 气 化 发 电 I 绪言 现代燃煤 技术反 映了清 洁 、 经 济的必要 性 。英 国煤炭公 司的 以。 前置循 环 T o p p i n g C y c l e 为基础的煤气化技术 ， 便可保证循 环效率 高、 发 电成本低和污染排 放低 。 世界各地一直在开展许多种先进的燃埕联合循环发电技术的研究． 其中， 在增压流化 床燃烧 P F B C 联合循环发电方面 ， 英国煤炭公司多年来一直处于领先地位．这一技术在 欧i }I l和美国进行的实验论证中， 表 明在商业化应用方面是一项具有经济吸引力和环境保 护效 益的技术 ． 然而 ， 仅 仅基 于 P F B C的联合 循 环很 难超 过约 4 0 的循环效率 。 这 与具 有烟 气脱 琉 的常规 煤豺 电站约为 3 7 的效率 相 比是相当的．这种循 环进 一步 提高效率 的主要 障碍是 燃气轮机的进气温度被限制在 8 5 O ～9 0 0 “C．这是因为在 P F B C锅炉的燃烧室里， 高于这 一 温度就会产 生结渣和碱质 释放 的问题 ．反之 。 通过至少将一部分煤 转换成可燃气体 ， 从 而可利用最 新改进 的燃气轮 机 ．目前 ， 这 种燃气轮 机的进 气温度 可达 1 2 6 0 “C以上 。 利用这 种设计完好 系统的这一优越性 ， 可 使设 计循环效率达到 4 4 ～4 5 之 同． 因此 ， 英 国煤 炭公 司正在研制 最先 进的 、 以增压煤气化为基础的燃煤 发 电系统 ．所谓 的。 前置 循环 是以一个 吹风增 压流化 床部分气化 炉 P F B O 为基础的循 环。 为 了证 明这种 循 环的合理 性 ， 英 国煤炭公 司与伯 茨特有 限公 司合作对 主要 项 目进行 了评 估研 究 ， 比较 了 8种适用于小规模 电站 的发 电技术 ． 表 I给出了每一种 技术的评价性 能 。 从 中可以清楚地 看到 。 前置循 环 的优 势．图 l给 出了经济性评 价 ， 也表 明。 前置循 环 的整 体经 济性最好． 2 瀛化床型式的选择 ， 选 出的 几种流化床在 商业 化方面 都可用于 气化炉．英 国煤炭公司选用 了一种喷动流 化床 即喷流床 气化炉 ， 而没有 选择固定 床或 悬浮床气化炉 ． 这是基于 以下原 因 ． 这 种 喷 流 床 气 化 炉 在 9 5 0 ～ 9 8 0 ℃范围内运行． 这正好介于 固定床和悬 浮床的运行温度之间。固定床气化炉产生 高质量 焦油 ， 要 求较低 的运行 温度 I 而悬浮 床 气化 炉的床层形 成特 别粘 的粘 性 灰粒 ． 要求较高 的运行温度 ． b ． 喷流床气化 炉可 以添加诸如石 灰 石之类的吸 附荆 ， 以达到 较高 的脱 琉水平 ． 在 常压 装置 上进行 的试 验表 明 ． 硫化 氢 的 生成 量降低了 9 0 ％ ． c 喷 流床的床 内粒子 循环和扬 析细 一 5 一 表 I 性 能评 价 技术种类 循I 嗨 卑 ／ F GD CF BC PF aC I O O C t e L l 公 司 I G c c [ T ∞ ∞公司 I o c c 酬I ＆ I ， “ 公 司 。 前置蔼环 P F B O 莳置蓿环 c 鄹， c ／ l 8 5 8 S 5 3 S 川 舢 ㈣ 维普资讯 粒再 循环 延长 了粒子在 气 化炉 内 的停 留时 间． 延长粒子停留时间和提” 高 喷流 床 的运 行温 度 ， 是 提高脱硫率的有利因 ⋯ 素 。 一 一 d ． 喷流床气化炉 对燃 料煤 的质量和粒度 要 求不十 分严 格， 粒 子 循 环速 度 高 ， 使得燃 烧 j 高 粘 性 的 煤成 为可 能 。 固定床 气化炉不允许煤 中 含 有 较 高 比 例 的 缅 料 } 而悬 浮床 气化炉 在 E L F 。“ 圉 口 I 发 电 成 车薯 耻 目 L 一 。● _ 。 PFFC D F l_ C 拽 煤的特性发生变化时 ， 运行不 稳定 。 PFBC T0 ⋯ 目 l 燃 藻发 电系统的 成 皋 e ． 喷流床气化炉 可 以用 一个废 气净 化系统 除去固体 微粒和碱 金属 ， 与用在 固定床 和 悬浮床气化炉 上的 蛞温 洗气和 物理 吸着 的净位方 法相比 ， 具有较 高的循 环效率 3系统 说明 “ 前 置循环 由两级 流化过 程组成 ， 其中包括一台气化炉和一个燃 烧室 。 该 系统具 有两 种变 化型式 ， 即燃烧室可 以是增 压流化 床 P F B C ， 也可 以是 常压流化 床 C F B C 。 在上述 两 种情 况下 ， 所用的气化炉都采用 喷流床气化 技术 。以下分别介 绍这 两种型式 3 ． 1 气化炉 吹风增压喷流床气 化 炉 P F B G 在 9 5 0 9 8 0 C的运行温 度下 ， 将煤部 分气化 或 称煤 的 半气化 译者注 ．气化炉选用 空气作氧化剂丽投有选 用氧气 ， 因为氧 气制备 不仅 设 备投 资和运行费用较 高 ， 而且动力消耗 亦很 大 。 煤和脱琉吸附荆经 由翘锁料 斗或制 成煤水 浆供 给 P F B G。在 P F B G 内 ， 煤与 水 蒸汽 、 空气反应生成一种低 热值的煤气 ， 其热值 一般 为 4 M3 ／ m’ 。然后 。煤气经过 旋风分离 器的 第一级净化后 ， 通过的煤 气 中仍含有一些 细垃 物质 ， 它 们还 要经过陶 瓷筒过滤 器的 第二级 净化进入燃气轮机燃烧 室 在燃烧 室 中， 这种低 热值的煤气 与采用供 氧奇 句 气 化炉 产生的 中 热值煤气相 比 燃烧生成 的 NO 较少 ， 这是 气化炉采用 吹风而不采用 供氧的 另一 ， 卜优点 。 P F B G 中未 披气化的邪部分煤 从床底部排 出 ， 与 旋风分离器 、 陶瓷筒过 瘟器排 出的细 料一 起 送入流化床燃烧室同新燃 科 一 一 起 进行燃烧 。 3 ． 2 P F B C锅 炉 在 P F B C联合循 环中 ， P F B C锅 炉 与常 规 的泡瘩 B F B C 锅炉相 比． 其床层 高得 多 ， 而 且燃烧在增压状态下进行 。除此 之外 ， 其它 许多方面 都梧似 。 由于燃烧压 力提高 、 单 位滓 积 流化 空气的含氧量较 大 ， 目 燃烧 室 中的{ { 饶强度也较高 在 总出 力相 同时 、 横 截面热 强 度的提高使锅炉的 总体 积大 大缩 小 。 P F B C锅炉中还 可以添 自 ￡ 吸附 进行脱琉 ， 同时 ． 喂 用 分级燃烧方法和喷氮法来降 低 N O 排放 量 。 维普资讯 | ． FB 化 净． 【 蕾置 图2 基 于PFBC的“前王据 拜 3 ． 3 P F B C 前置循 环 在 P F B C 。 前置循环 中， P F B C锅妒和 P F B G气化炉所用漉化空气均由撩气轮机的空 气压缩机提 供 ， 同 时 ， 烟 气燃 气轮机还带动发电机发 出电能 图 2 。 燃 气轮机的尾 气排入一个余 热 回收换热器来 加热水发 生蒸 汽 ， 这 相当于锅妒 的蒸发 段 I P F B C锅炉 的床 内埋管为蒸 汽的过 热段 和再热段 ．蒸 汽驱动汽轮发 电机 所发 电能是 整 个循 环系统所发 电 能的主要 部分 。 从 P F B C锅炉排出的热烟气 ， 经过高效旋风分离器和陶瓷筒过滤器净化后 ， 加入从 P F B G气化炉捧出经过净化的低热值煤气 ， 然后同来 自空气压缩机 的增压空气一起在燃 气轮机 的燃烧室 内进行燃 烧 ， 其进 气温度可提高到 1 2 “ 6 0 “Cl } I 上 。 4 c F B c锅炉 循环流化床燃烧 C F B C 已是一项非常成熟的技术 。目前 ， 全世界 已有 1 7 0 多台装有 c f B c锅炉的机组正在运行或在建造中 不包括中国和苏联 ． 这些 C F B C锅炉的总数当中 有一半 以上用于发电或热电联产。C F B C锅炉的工作原理是将燃烧室中的流化空气速度 提 高到 某一 值 ， 此 时 ， 大量的 细料 灰 、 未燃碳 、 石灰石 被夹带出炉膛 ， 随烟气一 起进 入高 嫂旋 风分离 器 ， 细 物科 技 分离 出来 ， 通过 回料系统送 回到炉 膛形成循 环 。大 部分商 业 化 C F B C锅 炉的 常用 流化 速度为 6 ～ 1 0 m／ s ， 这 样高的流 化速 度在炉内可形成强烈的扰 动 ， 使 床层中的燃料、 再循环细抖、 脱硫剂和空气混合 良好， 加之细料循环有长达 4 秒钟的炉内 停 留时间 ， 所以 ， C F B C锅炉燃 用多种燃料对 容易达到很 高的燃烧效率 。 3 ． 5 C F B C的 前置循 环” 在 C F B C的“ 魏 置循环” 中 ， 一个外置式换热器安装在 C F B C锅 炉的旋 风分离器 与再循 56 维普资讯 环 细树 的炉膛入 口之问 ， 这棒将锅 炉的燃烧过程和加 热过程分开 可 以在变 负荷 时 使燃 烧 维持在最佳工况。 外置式换热器是一个有床内埋管的低速鼓泡床 ． 高效旋风分高器收集的 细料进入外置式按热器 ， 将它携带的热量传给埋管 传热系数很高 ， 同时 由于流化速空很 低 ， 埋管的磨 损和磨蚀都很 小。外置式换热器 内几乎没有或根 本没有燃烧发 生 细 料只是 被冷却到大约a o o s ， 被 送回 l 婀施 孥 点 秘 热器的固体 粒子流量通过_个 非机械式 L ” 阀或流化密封装置加以 制。高教旋风赍 禽器的排姻经由余热 回收装置用 以生产 蒸 汽 ， 外置换 热器 的埋管 是蒸 汽的过热段 ， 这样与汽 轮机就 形成 丁蒸 汽发 电 系统 、 、 图 3 。 一 P F B G 气化炉产 生的煤气进 入燃 气轮机 ． 燃 气丰 芑 机 带动一个 空气 压缩 机和 一 台发 电 机 ， 产 生的增 压空气一部分 供给 P F B G气化炉 一部分 供给燃气轮机 作为燃 烧空 气 。燃气 轮 机的排气为 C F B C锅炉和外置式换器提供流化空 气和流化气体 。 3 ． 6“ 前置循环 的效益 前置循 环 的总效 益可归纳为以下 4点 a ． 与具有熠气脱 琉装置的常规煤耪妒 P F q - F G D 相 比． 发 电成本 降低 2 0 。 b ， 与 P F F GD相 比， 生产每单 位电能总煤耗 降低 2 O 。 c ， N O 和 S O。 排放量低 。在 8 5 O ℃的燃烧 床温下 ， 加 入诸 如石 灰石 之类 的 脱琉剐 ． 不仅 可以脱 硫 ， 而 且还可有效地抑制氮氧化韧的生成 ． d ． 投 资少 ． 对于减少投资和缩短建设周期以及提高整十 系统的机动 性 ， 小规 模 电 站 被认为是未 来电站建设 的标 准， 而且往往用作热 电联产 。 “ 前置循环 ” 正 好满足 了这 一要 燃 托 啦 笤i 剐 颦 白压气 的空 }’ u气汜 乎净气装最 图3 基 于 CFBC的“ 前兰循 玎 ～ 5 7 维普资讯 求范日 ， 比 P FF G D系统节 省 了大 量投 资费甩． ’ 4 已从事的研究工作 、 ～ 过 去 - 在 C R E 英 国燃嵌 研究所 进行 了许多气化方面的研 究 ， 在 Gr i m t h o r p e 研 究所 和 C R E进行 了许 多 P F B C方 面的研 究 ． 并 且积累窟大量的案骱傲的藻奉藏 据安猎 ． 固定 床气化炉传 统上 只用于 常压煤气化 厂 ， 为 了克服 这一局限性 ， 在 C R E研 究开发 了一 种常压喷流床 ， 设 计并 建造 了一 台半商业他 的、 容量为 l 2 ／ d的喷 流床 气化装置 ， 这 种装 置用 在 了能源 工业 部 门生产 低热值的燃料 气体 ． 这 套装置直接燃用 商品煤 获得成 功后 ， 取 消了煤 的制 备系统 ． 所 以 ． 它的造 价和运 行 费甩大大降低 。同时 ， 将初级旋 风分离器 出来的粒料逼送到气化炉底部进行 循环 ， 从而提 高 了煤的气化效率 ．采 用调节 流化速 度 ， 保持煤 ／ 空气 比不变的方法 ， 气 化炉可在 4 5 负 下运行 ． 燃 气热 在 整个 负旖 调节范 围内可以保持豫 定。 停 炉采屠流化 珠压峡停 止 流化的方法 ， 速童程快 ， 并 且保 持少量 空气通过床层 ， 可 度气 化炉处于 热备用状态 ， 在五分 钟 内重新 启动 ， 目前 ， 这套装盈 运行 巳超过 2 4 0 0小时， 试验论证 了各种具有 不同膨胀 特性 和含灰量的煤 ， 证 明其燃 料适 应性 广 ． 气化率达到 9 O ． 研 究工怍还涉及 了活性炭和情性 媒种 ， 其典型 燃气的热值达到 了 4 M ／ m ． 自 l 9 8 0年 以来 ， 一 台蘸 定 功 率为 8 0 MWt h 、 压力 I 2 b a r 、 床 温 9 5 0 ℃的 P F B C锅炉 一 直在 G r i mc h o r p c r 研究所运行 。在 由国际 能源机掏 正l 主持制定的一个三 年计划 中 ． 证 明了 P F B C技术 的应用 前景具有很 大 的潜力．英 国煤 炭公 司和 中央 电力局 按照共 同制定 的～项研究 P F B C技术相关 领域 的计划 ， 巳完成 了更探 的研究工作 ， 其 中主要 问题是管 壁 的磨损 。 通过采用不 同韵全属 材料和 多种流化速度 以及不 同的管束几何 布置型式 ， 对管 柬 的结 构设计 进行 丁试验研 究。在超过 l 4 0 0小 时的试验 研究之后 ， 对 其磨 损进行 了分 析 ， 表 明其寿命在 1 0 0 0 0 0小时 ， 这能满足 中央电力局每 l d年更授一次管子的要求 ．为 了 配 合 Gr i mc t h o r p c研 究所 的 P F B C研 究工 怍 ， 在 C R E安装了一台 2 f Wt h的 P F B C锅 炉 ， 进 行 了一系列 扩大运行参数 范围的性能试验 ． 5目前的研究计划 英 国煤 炭公 司 的 前置循环 ” 研 究计 划 如图 4 所示 分 为以下几个 阶段 Al阶段 ； 在 Gi me t h o r p e 研 究所进行透 平的前置燃烧试 验 。 A2阶段 ； 在 c R E进行 实验室或 中甸规模的试验 。 B阶段 在 G r i mc t h o r p e研 究所 进行商业性示范运行 。 英 国煤炭公 司 已得 到多家合作公 司援助该项研究计划 ． 其中包 括电力公 司 ． 英 国能源 部和欧洲共同体也为他 们提供了资金赞助． 目前 ， 主要是进行 A1 和 A 2盼段的工作．A l阶段的研究将论证 P F B C 前置循环 的 工作原理 ．将 G础 l o } 研 究所 瑰有 P F t K 锅妒 及其熠气净化设备进行 重新 改造 ， 并安 装一 台烟气 燃气轮机 。 用天 然气或丙烷模拟气化煤 气 ， 作为 透平燃烧 室的前置循环燃料 气体 ， 以使热烟气流通过燃气轮机。试验中获得的数据． 将使预测按 比例放大的电站机械 设备主要元件的寿命 成为可能 ， 并还 将对所有热元件的腐蚀和碱金属 沉积 进行 研究。 A2阶段 的工作 是进 行实验 室或 中闻规模 的试验 。 实验 室试验的 目的在 于提供 加压扶 态下有关煤 的气 化反应特性和温 度、压力对一系列气化 反应影响的资料 。还将进行 反立 一 5 8 维普资讯 阶段 茁G r i m t h o r d e进 行 丙烷前 置盘 主 烧透平i 搬 A 2 阶段 实验室中闻规模的 气| 匕 和燃 烧试验 阶段 在 G r I me t h o r p e 研制大 型气化垆 在 G r i m e l h o r p 进行商业 化示 范运行 ， 1 99 0 [ 991 I 9 92 L 9 9 3 躅 4 “ 前置 搪 环” 崎 宅计 划适 程表 特性 试验 来确定增 压状态下煤的 反应速率 ， 以使与常压状 态下煤的反应 速率进行 比较 。 已建成 了增压喷流宋拎 态模型 ， 以对 流化特 性进行 研 究。压力大 范围变化的 流化特 性， 将采用不同真密度和颗粒足寸的束料来模拟 。 采用反应特性试验和玲态模拟试验所获 得的数据 ， 建立一个 P F B G气化炉的数学模型。还将对其流体动力特性进行研究， 旨在防 止床层形 成死 区或局部过热 。 目前， 正在进行有关热烟气的净化及其袍南方面的其 它配合 A 2 阶鼠的研 究工作。 为 了提高陶瓷筒过穗器的工作性能 ， 改进系统的设计， 还将研究陶瓷简的过滤机理 为此 正 在 C R E建造一 十陶瓷筒耐用性 试验 台， 照能够 在高 温和增压状态下对各 种过滤 器及其 安装性能和 密封结构进行对比， 这 些过 滤器将经受耐热循环特性试验 ， 以确定它们的损坏 率 。 6 增 压 气 化 在 C R E， 通过 改造一台现有 的 P F B C中间试验 装置 ， 研 究开发 了一 种先进 的 发电试 嘧 装 置 A P GT F ， 它只要做 很小的 改 动， 就 既可 以 怍 P F B G装置 ， 叉可以作 P F P , C装置 进 行 试验 运行 。其总体设计如图 5 略 所示 。 这 台 AP GF F是 由丽有的 夏应器改造成 的 。把 一， 卜具有 耐火 材料 内衬的 压方 容器的 内径 从 0 ． 3 2 m 扩大到 0 ． 4 5 m， 基 础以上的高度为 6 m， 反应 器 高度为 l 0 8 m。 为了模 拟在工业实用 规模下运行 的燃 气轮机 压气机 的出 口空气温度 ， 把正 气机来的 一 59 维普资讯 空 气璜热 剜 2 5 O ℃． 热空气经床底 的中心 喷 17 1 进入气化炉 ， 从汽 包锅炉来的蒸汽也 随空气 进入气化炉以缓冲煤的气化厦应． 在气化炉底部形成的空气 和蒸汽 射流 ， 脆抑翩和粉碎 煤的结渣， 特别是在高压下对膨胀性高的煤效果更明显． 气化妒运行压力达 1 B b a t ， 运行温度在 9 5 0 ～9 8 0 ℃范圉内 ．根据蔼 c 化速度和床层高 度， 可以璃定颗粒在气化炉内的停留时同． 为了保证气化炉底部的空气 和蒸汽 射流不会 射穿煤层而进入悬浮段 ， 要求床层保持足够的高度．该装置可在一定的流化速度范圉 典 型值为 0 ． 5 ～1 ． 1 m， s 和床高范禹“～S m 内运行． 起动时 ， 床层需要加热到建立起气化条件为止 ， 固此 ． 在气化炉底部安装了一个起动 燃烧器．排料系统能够在一次试验中的全过程中， 不断地将床料排出， 也可以在试验结束 后 将床料捧空 ．排 出的床料经一个永 冷螺旋给料器冷却后 ． 经过 一个 闭镇料斗排 出系统 ， 进入储料斗， 供以后的燃烧试验用． 气化炉扬析的细料首先在韧级旋风分离器中分离 ．一种方 式是分离出来的细料经一 个永狰螺旋给料器从 9 0 0 ℃冷却到 1 5 0 “C， 然后排到一个闭镇斗收集或处理掉， 另一种可 行的方式是 由一个气动喷射装置或挤压给料装置 ， 将一部分细料返送到气化炉底部． 循环 的细料也可分为两部分 一部分直接循环 I 另一部分经永冷螺旋给料器冷却后再进入循 环， 这样可以调节循环钧料的温度 ．循环的细碳粒在气化炉的射流区域被气化 ， 从而提高 了整个 装置 的气 化率 ． 初级旋风分离器排出的煤气经过二级和三级旋风分离器后 ， 压力降低， 温度从 9 0 0 ℃ 狰却到 3 0 0 ℃．这两级分离器收集的细辩在换热器中从 9 O 0 ℃冷却剜 1 5 0 3， 然后通过闭 镇 料斗系统排走 ． 先期试验将在增压下论证喷流床气化炉．气化炉的性舱将根据以下两个方面进行确 定 - 、 煤 的气化率 I b 、 生 成的煤 气质量 ， 这是煤气 在燃气轮 机中燃烧所必需保证的 ． 这些试 验 将在约 1 2个 月的时 间内完 成 ． 然后 ， 这套装置将 作为 P F B G 装置运行 ， 以便在气化过程 中产 生的 残碳和细 料燃烧 时 ， 研 究它们的燃烧特性 ． 从 A P GT F上得到 的结果 ， 将大 大有助 于按 B 段 研究计 划在 Gr i me t h o r p e研 究所建 造 一台大型 的 1 R C气化示范装置 ． 7 结论 与伯茨特有限公司合作进行的研究已经表明； 。 前置循环 与其它燃煤发电系统相比， 大大 提高 了循环效 率和降低了发 电成本 ． ’ ≥ } 国煤炭公司确信 正在进行的有关。 前置循环 的研究计划， 将会开发出一个利用性 好 ， 葑能满足所有环保要求的高效率发电系统．预计这项技术于 1 9 9 4 年的成功示范 ． 将 去在 l豺 年代中期到后期带来第一套商业化装置的定货． 囊天胄译自‘ 国际电力 1 9 9 0 ， 7 强跃控 一 6 O 一 维普资讯