IGCC氣化爐除灰渣系統(tǒng)設(shè)計研究

張惠群，李 鵬

(中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計院有限公司，西安 710075)

煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電是新一代高效、潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)，其廠供電效率、脫硫率、NOx排放量、耗水量均優(yōu)于常規(guī)電廠。而與IGCC電廠配套的除灰除渣系統(tǒng)，按專業(yè)或區(qū)域劃分均處于氣化島范圍內(nèi)，目前氣化爐的除灰渣設(shè)計技術(shù)掌握在氣化爐技術(shù)擁有方或部分化工設(shè)計單位，且國產(chǎn)化煤氣化爐相關(guān)的灰渣處理系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)處于仿制階段。本文以某IGCC示范項目為依托，通過對氣化爐除灰渣的工藝特點進(jìn)行設(shè)計研究，提出優(yōu)化建議，以期形成對煤氣化爐除灰渣系統(tǒng)設(shè)計的一種設(shè)計思路。

1 工程概況

華能天津IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán))項目示范工程以國家“十一五”863計劃重大課題為依托，是我國首臺自主開發(fā)、自主設(shè)計、自主制造、自主建設(shè)、自主運營的IGCC示范機組，于2011年底投產(chǎn)運行，機組容量為267 MW、發(fā)電效率為48.4%、廠用電率為15.21%、供電煤耗為299.3 g、除塵效率為99.99%、脫硫效率大于99%，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了國際IGCC示范工程的先進(jìn)水平。其核心技術(shù)為某研究院研發(fā)的2 000 t/d級干煤粉加壓氣化爐，采用兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)，其特點是在氣化爐二段加入干煤粉，吸收一段高溫煤氣的熱量，以降低氣化爐出口溫度，提高冷煤氣效率。

本文主要針對該工程除灰渣系統(tǒng)進(jìn)行研究，除渣系統(tǒng)采用刮板撈渣機，貯渣倉，裝車外運系統(tǒng)，除灰系統(tǒng)采用旋風(fēng)除塵器，高溫高壓過濾器，鋼灰?guī)欤瑲饣L(fēng)，卸料系統(tǒng)。

2 設(shè)計原始資料

2.1 鍋爐燃煤

該工程設(shè)計煤種燃煤量為87.08 t/h，校核煤種燃料量為91.84 t/h。煤質(zhì)分析見表1。

表1 煤質(zhì)分析

2.2 鍋爐灰渣量

該工程飛灰排出方式有三種：飛灰循環(huán)模式(正常工況)：約有90%～100%參加飛灰循環(huán)輸送至磨煤機，約有0～10%左右的飛灰排出送至灰?guī)?；?dāng)飛灰循環(huán)系統(tǒng)短期故障的情況下，飛灰不排往磨煤機，而排至灰?guī)欤伙w灰不參加循環(huán)系統(tǒng)。鍋爐灰渣量見表2。日利用時間按24 h，年利用時間按6 000 h計算；氣化爐排灰渣以飛灰循環(huán)模式為主，另外兩種模式極少發(fā)生。

表2 灰渣量

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 除渣系統(tǒng)

除渣系統(tǒng)采用灰渣激冷罐、水力旋流器、循環(huán)灰水冷卻器、灰渣放料罐、刮板撈渣機、貯渣倉、裝車外運系統(tǒng)構(gòu)成。煤粉高溫氣化后產(chǎn)生的1 400 ℃熔融狀爐渣和灰分向下流入氣化爐底部的灰渣激冷罐，遇水激冷后，迅速分解成玻璃狀灰渣小顆粒，灰渣顆粒向下流入渣收集罐中。78 ℃的灰水由循環(huán)泵從渣收集罐的頂部抽出，經(jīng)水力旋流器和循環(huán)灰水冷卻器循環(huán)回到灰渣激冷罐。灰渣由渣收集罐進(jìn)入渣放料罐，當(dāng)所有的灰渣進(jìn)入渣放料罐后，渣放料罐即與渣收集罐隔絕并開始卸壓，然后將渣水全部送出界外。由排放水罐來的40 ℃低壓循環(huán)水通過低壓循環(huán)水泵送到渣放料罐中，沖洗和重新注水完成后，用高壓氮氣加壓至3.25 MPa，然后與渣收集罐重新連通。卸壓后的渣水由渣放料罐排入刮板撈渣機，經(jīng)撈渣機的斜升段脫水后直接排入渣倉儲存，渣倉內(nèi)的灰渣由汽車定期運至綜合利用用戶或灰場。

該工程設(shè)置2臺水浸式刮板撈渣機，1運1備，撈渣機連續(xù)額定出力為15 t/h，最大出力60 t/h。每臺撈渣機溢流水池頂部配置1臺出力為60 m3/h的溢流水泵，下部帶有攪拌功能，將渣水定期排至渣水澄清單元。撈渣機水平段的前部和中部均為渣池，尾部為溢流水池，渣池容積大于定期最大排渣(水)的總?cè)莘e。撈渣機出口配置1座鋼結(jié)構(gòu)渣倉，有效容積為200 m3，可容納鍋爐最大出力(BMCR)工況下燃用設(shè)計煤種25 h的渣量。渣倉下部設(shè)有裝車操作室。

3.2 除灰系統(tǒng)

除灰系統(tǒng)采用旋風(fēng)除塵器、高溫高壓過濾器、飛灰收集罐、飛灰放料罐、中間儲罐、飛灰充氣倉、鋼灰?guī)?、氣化風(fēng)、卸料系統(tǒng)構(gòu)成。合成氣冷卻器送來的3.06 MPa、340 ℃合成氣中夾帶一定量的飛灰和氣化爐二段中未氣化的碳黑顆粒，送入旋風(fēng)除塵器進(jìn)行預(yù)除灰，其除塵效率不低于50%，然后進(jìn)入高溫高壓過濾器進(jìn)一步過濾除灰，過濾后的合成氣中灰塵含量約1～2 mg/m3。旋風(fēng)除塵器與高溫高壓過濾器過濾下來的飛灰分別通過各自的飛灰收集罐落入飛灰放料罐。當(dāng)飛灰放料罐中的飛灰量達(dá)到高料位時，進(jìn)行卸壓放料，旋風(fēng)除塵器與高溫高壓過濾器過濾下的飛灰落入各自的飛灰收集罐中。

飛灰由飛灰卸料冷卻罐進(jìn)入中間儲罐，流化氣體通過儲罐過濾器送入大氣。飛灰由中間儲罐進(jìn)入飛灰充氣倉，然后通過飛灰循環(huán)吹掃器將90%的飛灰送到磨煤及干燥單元循環(huán)利用，10%的飛灰送出界區(qū)外。飛灰以氮氣做動力在管道內(nèi)被輸送至灰?guī)靸Υ?，由?0%～100%的飛灰循環(huán)輸送回磨煤機，只有0～10%左右的飛灰送至灰?guī)?，飛灰量較少，因此該工程設(shè)置1座錐底鋼結(jié)構(gòu)灰?guī)?，灰?guī)熘睆綖? m，高19.7 m，有效容積為300 m3，可容納氣化爐滿負(fù)荷工況下燃用設(shè)計煤種33 h的灰量?；?guī)靸?nèi)設(shè)置1套氣化裝置。灰?guī)鞄祉斉渲?臺過濾面積40 m2的過濾器，凈化庫內(nèi)排氣?；?guī)煸O(shè)有2個排放口，一路裝設(shè)干式散裝機，供罐車裝運干灰運至綜合利用用戶；一路裝設(shè)雙軸攪拌機，將灰加水混合成為含水率25%左右的調(diào)濕灰直接裝入自卸汽車，運至灰場碾壓堆放，干灰散裝機及濕式攪拌機設(shè)備出力均為100 t/h。

該工程已于2012年底投產(chǎn)發(fā)電，運行至今未收到除灰渣系統(tǒng)運行的不良反饋。

4 系統(tǒng)設(shè)計建議

4.1 除渣系統(tǒng)的建議

a.建議除渣系統(tǒng)采用機械除渣方式，機械系統(tǒng)為連續(xù)運行方式。由于氣化爐產(chǎn)生的渣為高溫高壓液態(tài)渣，經(jīng)激冷罐冷卻粒化，收集罐和放料罐泄壓成為溫度約50 ℃，壓力為常壓的渣水混合物，周期性排至水浸式刮板撈渣機的渣池內(nèi)，撈渣機連續(xù)運行，粗渣經(jīng)撈渣機脫水輸送到渣倉或皮帶機-堆渣場或渣倉，定期裝車外運。

b.建議除渣采用上回鏈的刮板撈渣機，撈渣機配備渣池和溢流水池。

4.2 除灰系統(tǒng)的建議

a.建議采用空分系統(tǒng)產(chǎn)生的熱氮氣代替壓縮空氣作為氣力輸灰的氣源。由于氣化爐空分系統(tǒng)產(chǎn)生的熱氮氣很充裕，可以替代壓縮空氣作為氣源進(jìn)行氣力輸灰，因此不需要單獨設(shè)置氣力輸送的空壓機。

b.當(dāng)氣化爐采用文丘里水膜除塵時，洗滌下的灰水應(yīng)經(jīng)中和、濃縮、絮凝、壓濾脫水后，裝車外運，澄清水循環(huán)利用。

5 結(jié)束語

由于IGCC發(fā)電工程在電力行業(yè)起步較晚，行業(yè)內(nèi)對煤氣化工藝的認(rèn)識不足，缺乏經(jīng)驗，IGCC除灰渣工藝不同于傳統(tǒng)的燃煤電站處理工藝，通過對華能天津IGCC示范項目氣化爐除灰渣系統(tǒng)工藝過程進(jìn)行設(shè)計，形成設(shè)計思路，總結(jié)經(jīng)驗為以后同類工程設(shè)計打下基礎(chǔ)。