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IGCC系统中合成气回热换热器的设计分析点击：1798 日期：[ 2014-04-26 22:00:16 ] |
| IGCC系统中合成气回热换热器的设计分析 祁宁 (国家电站燃烧工程技术研究中心,辽宁沈阳 110034) 摘要：IGCC系统中最主要的热回收装置之一是合成气回热换热器。由于经过了水洗等工艺,合成气回热换热器中的合成气不但具有一定的显热,而且其所含潜热量也是相当可观。对不同类型回热器、回热器的不同换热方式、回热器的不同布置方案的IGCC系统进行了分析和计算,根据能量梯级利用理论,采用专用的热平衡软件,综合考虑回热器对IGCC系统经济性、安全性、效率的影响,给出了全热回收方式IGCC系统中的合成气回热器的设计建议。 关键词：IGCC;合成气;回热换热器;能量梯级利用 中图分类号：TK472+.5 文献标识码：A 文章编号：1674-1951(2008)04-0019-04 0 引言 整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术用于燃 煤发电或结合多联产,具有效率高、环境友好等优 势。IGCC系统中,煤气化炉出口的粗合成气一般都 具有较高的温度,因而有大量显热能需要回收以提 高效率。最主要的热回收装置是位于气化炉出口的 辐射式废热锅炉与其后的对流式废热锅炉。受高温 净化技术发展的限制,在经过了水洗工艺后,此阶段 的合成气不但具有一定的显热,而且其所含潜热量 也相当可观,这些热量包括对流式废热锅炉出口到 洗涤塔前合成气的显热、洗涤塔后到脱硫工艺前的 合成气显热以及合成气中水蒸汽的潜热。回收这部 分热量有相当大的技术难度。根据IGCC系统整体性强的特点,需要设计一些特殊换热器对粗合成气 的热量进行回收,用于回热合成气。 1 系统描述及合成气回热系统热源情况 IGCC根据气化技术可分为水煤浆气化和干粉 气化,2个系统的组成区别很大,水煤浆气化的冷煤 气效率约为75%,而采用干粉气化的冷煤气效率约 为81%。主要原因是采用水煤浆气化组成的系统 中,合成气中的水蒸汽含量要高于干粉气化组成的 系统,因此,对于采用水煤浆气化的IGCC系统,合 成气的热量回热系统就显得更加必要。由于在净化 中的热量品位低、热量多,不适合用于发电,因此,将 合成气中含有的热量在净化过程中取出用于加热净 化后的合成气,使其达到燃机对合成气入口的温度 要求,是合成气回热系统的主要目标。本文研究的 系统是采用水煤浆气化为气化单元的系统,该系统的主要流程如图1所示。 系统采用水煤浆加压气流床气化工艺,煤浆浓 度约60%,IGCC系统的空分整体化率为50%,空分 的压缩机提供50%的空气量,其余50%的空气从燃 机压气机中抽取。空分氮气回注到燃机中用以控制 氮氧化物的排放。 根据国内合成气净化的技术发展水平,合成气 采用常温湿法脱硫工艺是比较现实的[1],因此,合 成气从水洗工序出来后必须进行降温,按照常温湿 法脱硫的工艺要求,合成气的温度一般要降低到 38℃以下,经过脱硫后的合成气要经过回热才能达 到燃机入口的温度要求。根据系统中的实际情况并 结合能量梯级利用的要求,系统中可用于合成气回 热系统的热源有3种。 (1)粗合成气。由于系统中对流式废热锅炉内 部布置的是蒸发受热面,产生的是高压蒸汽,因此, 从对流式废热锅炉出口排出的粗合成气具有较高的 温度,可以作为合成气回热系统的热源。 (2)经过水洗的粗合成气。系统采用的是水煤 浆加压气流床气化工艺,粗合成气中有大约20%的 水蒸汽,水洗除尘后,合成气的温度降低到170℃~ 180℃,部分洗水也蒸发进入到合成气中,而在脱硫 前需要将合成气的温度降低到38℃左右,以符合常 温湿法脱硫工艺的要求。在降温的过程中将有合成 气的显热和合成气中水蒸汽凝结的潜热需要被移 出,同时燃气轮机入口的燃料气要求为220℃以下, 此处的热量可以用于作为合成气回热系统的热源。 (3)燃机抽气及余热锅炉部分。燃机抽气是将 燃气轮机压气机中的部分经过压缩的高压空气抽出 以提供给空分系统作为原料气使用,燃机压气机末 级高压空气的温度约为380℃,当将这部分空气作 为空分的原料气时,要经过降温。因此,这部分空气 的显热也可以作为合成气回热系统的热源。在 IGCC系统中,位于常规岛的余热锅炉用于回收燃机 排气的热量,这部分热量根据需要可以作为合成气回热系统的热源。 2 回热换热器的布置方案及优化 根据热源的不同,回热换热器的布置方案有 3种。 (1)在水洗前设置粗合成气与净合成气换热的 气/气换热器。 (2)在水洗后设置粗合成气与净合成气换热的 气换热器,经过换热的净合成气还要与燃机抽气的 热空气进行换热,以提高热量的利用效率。 (3)利用水洗后的合成气加热外部给水,然后 将外部给水喷入脱硫后的低温净合成气中,提高合 成气的温度,然后通过汽轮机冷凝水最终对净合成 气进行过热,实现合成气的回热。 3种方案的合成气换热系统如图2、图3、图4 所示。 方案1和方案2的主要区别是方案2中取消了 方案1中的粗合成气与净合成气的换热器。原因是 粗合成气在经过水洗工艺前含有细灰,运行中易出 现灰渣堵塞。美国Tapma电站的IGCC系统采用了 方案1的设计,出现堵塞后的停炉清理过程中,沉积 的灰渣吸收空气中的水分,对换热器的管子造成严 重腐蚀。运行中曾多次出现管子泄漏造成粗合成气 混入净合成气中而停炉,并导致燃气轮机损伤。 方案1的优点是系统的热量利用充分。粗合成 气在水洗前的温度较高,换热器的运行温差比较大 能够将净合成气的温度提高到一个较高的水平,且 设备的换热面积可以设计的较小,设备体积和造价 较低。缺点是系统的安全性较低,可能对整个IGC 系统的稳定运行带来隐患。 方案2的优点是在水洗后的粗合成气中灰尘的 含量较低,不易造成换热器的堵塞,设备的安全性较 高。缺点是粗合成气经过水洗后温度较低,换热器 的换热温差较小,设备需要较大的换热面积,设备体 积和造价将明显提高;同时,由于经过水洗后的合成 气中的热量大量以水蒸汽的潜热形式存在,因此,合 成气回热换热器变成了冷凝器,设计比较复杂。 方案3中应用燃气湿化饱和器实现合成气的回 热,优点是避免了净合成气被粗合成气污染,同时由 于是直接的接触换热,换热效率要高于换热器。缺点 是湿化塔的造价要高于换热器,其后部要设置合成气 过热设备,用以防止由于燃气饱和而存在的合成气在 燃气轮机阀站部位出现的结露问题。 在主要系统参数统一的情况下,IGCC系统总的 供电效率顺序为:方案1>方案3>方案2。安全运 行的评估结果是方案3>方案2>方案1。投资比 较的结果是方案3>方案2>方案1。 在合成气回热系统的设计中,粗合成气与净合 成气进行换热时,应有效地避免由于换热器泄漏造 成的净合成气污染。可采用间接换热的设计方式 利用中间介质实现换热。这种设计由于增加了间接 换热,系统总的换热效率将降低,设备投资将有所提 高。设计方案1中采取间接换热的方式,位于对流 式废热锅炉后的换热器存在泄漏,而此处的高温热 源为未经过水洗的粗合成气,合成气中含有的细灰 容易在换热器中沉积,对设备造成冲刷磨损,引起系 统停机,将造成巨大损失;因此,根据国外IGCC的 运行经验,方案1在不能解决泄漏问题的条件下,不 能轻易采用。 根据以上分析,方案2和方案3是可行的。 3 回热换热器设计优化 3.1 换热器结构选择 IGCC系统中合成气回热换热器的结构选择要 参考化工系统的换热器设计技术,换热器按照传热 特性分为间壁式、直接接触式和蓄热式3种类型。 间壁式按照结构分为列管式、夹套式、板式和套 管式等;直接接触式分为冷却塔、再沸器等。 根据IGCC合成气回热系统的要求,合成气回 热换热器的传热形式应该选择间壁式,方案3中的 合成气湿化饱和器为直接接触式。常用间壁式换热 器的应用条件见表1。 根据IGCC系统中合成气的操作条件一般超过 3.0MPa的特点,建议采用列管式换热器,具体采取 哪种结构要根据使用的位置来确定。如果要使用板 式等其他结构的换热器,设计中要充分考虑操作压 力,应认真核算设备的强度。 3.2 换热器设计优化 优化设计换热器设备的目的是提高其传热效 率;简化结构,降低成本;延长设备使用寿命。实际 设计中,这些目的不能同时达到,因此,对不同的设 计优化应进行权衡,以决定最终采用的设计方案。 根据传热的基本公式Q=KFΔt可知,传热量Q 的增加可以通过提高传热系数K、扩展传热面积F 和加大传热温差Δt来实现。 (1)扩展传热面积以增加传热。这种方式的应 用不是靠增大设备的体积或者增加设备台数来实现 的,根据目前管壳式换热器的研究进展[3,4],合理地 提高单位设备体积的传热面积的有效方法有:采用 螺旋槽管、波纹管、翅片管等。各种异形传热管设计 的主要目的是提高换热面积,从改进传热面结构和 布置等方面出发加大传热面积,以达到换热设备高 效紧凑的目的。其中,采用翅片管的方法在工程中 应用较多。采用各种不同结构的换热管,可以在不 增加设备体积的情况下使设备的有效换热面积提高 2~3倍。但是,在设计中要综合考虑使用异形换热管带来的不利影响,因为采用异形管时,换热器中的 流场将会产生变化,设备的阻力、积灰结垢条件将会 变化,有可能影响设备的正常运行。 (2)提高传热系数也是增强传热的积极措施。 传热过程的总热阻是各分项热阻的叠加,要改变传 热系数就要分析传热过程的各项热阻。在换热设备 中一般都采用金属薄壁的设计(金属壁的热阻很 小,可以忽略不计)。为方便说明,可以先不考虑污 垢热阻,传热的总传热系数可以写成 在IGCC合成气回热系统中,无论是冷却器还 是加热器都是气相同液相的换热。一般气相的换热 系数较低,同时由于扩展传热面积及加大传热温差 要受到设备和工艺条件的限制,因此,对于IGCC合 成气回热系统中的换热器的设计主要是优化气相侧 的传热,提高气相的传热系数,具体的方法有3种。 1)改变流体流动情况。通过提高流体的流动 速度增加高湍流脉动程度,如在管壳式换热器壳层 中加装各种隔板[5]等。还可以在管内或管外加装 各种插入物以增加扰动,但要防止出现系统阻力增 加明显、通道堵塞等问题。 2)改变物流物性。这种方法不适合在IGCC合 成气回热换热器中使用。 3)改变换热表面情况。主要有增加表面粗糙 度、改变换热面的形状和大小等方法。改变换热表 面的粗糙度不仅有利于管内物流的换热,也有利于 凝结换热。在IGCC合成气回热系统中的取热段由 于存在水蒸汽的冷凝过程,因此,增加换热器合成气 侧换热表面的粗糙度可以加强换热。 (3)增大传热温差以增强传热的途径在应用中 受到实际工艺和设备条件的限制。传热温差增大将 使整个系统的不可逆性增加,降低热力系统的可用能,因此,要兼顾整个热力系统能量的合理利用,将 其安排在系统的优化里面考虑比较合适。 综合以上各种换热器增强传热措施,IGCC合成 气回热换热器的优化设计应该在满足工艺要求的条 件下,使换热器的一个或者数个指标达到最佳。优 化的步骤为:确定优化约束条件,如阻力、造价等→ 建立换热器各参数之间的关系式→联立各关系式进 行求解,最后确定优化后的参数→验算。 换热器一般可以选取的可变设计参数是管长、 管径、翅片高度、翅片数量、流动阻力、设备安装费用 等。可变参数设定的越多,计算最优化条件的过程 越复杂,计算的工作量也越大。目前,换热器本体的 参数可以通过CFD软件进行模拟,回归后给出方 程;造价等经济参数可以通过材料费用、加工费用进 行核算给出其与设备结构方面参数的关联公式。 由于在合成气冷却段布置的换热器具有部分冷 凝器的作用,设计中要对设备的腐蚀方面给予重视。 4 结束语 在以水煤浆气化为基础的IGCC发电系统的设 计中,对于合成气回热系统的设计,建议利用经过除 尘后的合成气的热量及燃机抽气的热量为合成气回 热系统的取热热源。对于将水洗前的粗合成气作为 热源的情况要慎重。 合成气回热换热器的具体设备的优化,可以采 用翅片管的设计,可对传热管表面进行粗糙化处理, 对合成气侧进行模拟计算,分析各种提高传热系数 的手段。设计优化中要考虑工程的具体工艺和物料 的组成情况,对于具有凝结水的位置的腐蚀问题应 给予重视。最后,要将经济因素引入到设计中,选择 经济性最优的设计。 参考文献: [1]许世森,李春虎,郜时.煤气净化技术[M].北京:化学工 业出版社,2006. [2]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册 [M].北京:化学工业出版社,2003. [3]洪蒙纳,邓先和.管壳式换热器管程强化传热研究进展 [J].广东化工,2005,32(3):41,42. [4]崔海亭,姚仲鹏.螺旋槽纹管研究及应用[J].石油化工 设备,2001,30(2):34-36. [5]陈姝,高学农,徐娓,等.管壳式换热器新型管支撑结构 在传热强化方面的进展[J].广东化工,2006,33(6): 18-22. (编辑:刘芳) |
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