技术背景

  国内现状:由于我国能源特点是缺油少气,煤炭资源相对丰富,而直接将煤燃烧给环境带来巨大的污染,因此利用煤气化技术,将煤转换成可燃性的气体后再利用,减少对环境的污染。对于煤气化炉类型,目前主要有固定床、流化床和气流床三种,对于不同的炉型,相应的有固定床间歇气化炉、灰熔聚、德士古、恩德炉等多种造气方式。总体而言,目前这些制气方式存在一系列问题:装置环境污染较大,现场粉尘量较大,操作环境差,工艺相对落后,投资费用及占地面积大,设备产能较低等问题。

  国外状况:20 世纪20 年代,世界上就出现了常压移动床煤气发生炉;第二代煤气化技术开发于20世纪60年代,到20世纪80年代,开发的煤气化新技术,有的实现了工业化,有的完成了示范厂试验,具有代表性的炉型有德士古(Texaco)水煤浆加压气化炉、熔渣鲁奇炉、高温温克勒炉(HTW)及谢尔(Shell)干粉煤加压气化炉等。这些气化炉亦有相当多的技术缺陷,如:使用煤种狭窄、净化系统复杂(焦油处理)、氧耗高、设备投资成本高等。

  美国:美国的煤气发生炉研究应用一直处于世界领先水平,美国最新的等离子煤气发生炉在节能减排、煤炭气化效率、及降低氧耗方面都有突破性的进展。最具代表性的是美国西屋公司研发的等离子炬煤气发生炉,但由于美国对中国利用煤炭清洁高效利用的战略性针对,使用技术封锁及严格的保密制度,导致等离子煤气发生炉一直未能在中国市场进行应用。

图为美国的等离子炬煤气发生炉

河海的等离子气化工艺

  河海等离子气化技术是在美国西屋等离子火炬公司最早发明和利用的等离子火炬进行航天试验和民用推广的基础上,通过不断地测试、研发与改进,增加河海独有的新技术,从而使等离子气化技术趋于成熟化应用,实现煤炭的清洁高效利用,得到一个环保、灵活和经济的能源解决方案,可应用于中小型的新建项目、改造老化的煤和石油发电设施以满足新的电力或专用气液生产的需要。

PGCC工艺系统及优势

  河海等离子气化技术是在美国西屋等离子火炬公司最早发明和利用的等离子火炬进行航天试验和民用推广的基础上,通过不断地测试、研发与改进,增加河海独有的新技术,从而使等离子气化技术趋于成熟化应用,实现煤炭的清洁高效利用,得到一个环保、灵活和经济的能源解决方案,可应用于中小型的新建项目、改造老化的煤和石油发电设施以满足新的电力或专用气液生产的需要。

1、目标定位

  河海利用独有的等离子气化炉加上燃气轮机(内燃机)或燃气锅炉+蒸汽轮机等发电系统,实现煤炭的清洁高效利用,可建立煤炭清洁高效分布式能源模式——PGCC系统(等离子气化清洁循环热动系统),是一种既具有天然气清洁环保的特性,又具有煤炭的廉价成本优势的系统,为突破中国传统分布式能源模式做出贡献。

  PGCC系统名词释义:

  P: Plasma,集水蒸气等离子发生器、氧等离子发生器、等离子点火炬于一体的等离子气化技术;

  G:Gasification,通过等离子技术将兰炭燃料清洁气化为主要成分是H2和CO的可燃性气体;

  C:Clean,集勒纳德塔、等离子脱硫脱硝、冷凝式烟气余热回收于一体的清洁排放系统;

  C:Cycle,通过热电联产技术形成以燃气蒸汽化水为载体的联合循环系统。

2、系统介绍

  PGCC系统由等离子气化系统、锅炉燃烧系统、汽机发电系统以及烟气净化处理系统四大子系统组成,该系统采用了等离子技术、兰炭气化技术、烟气净化处理技术以及热电联产等前沿技术。

  

等离子气化系统

  等离子气化是兰炭在等离子气化炉中的一个气化过程。利用等离子点火器产生的等离子电弧制造高能热环境,通入适当比例的等离子气化剂,使兰炭在等离子活性状态的热环境中发生一系列复杂的化学反应,生成主要成分为H2、CO的可燃气体,可燃气体具有纯度高、洁净的优点。

  

  该系统主要由水蒸气等离子发生器、氧等离子发生器、等离子点火炬、等离子气化炉四大设备组成。

  • 水蒸气等离子发生器:根据布朗气发生器的原理,通过研发改进,增加等离子模块,经过一系列复杂的化学反应产生等离子氧化剂,其改进的主要目的是解决等离子产生过程中的安全问题,提高系统的整体稳定性。
  • 氧等离子发生器:氧等离子体由氧分子、氧原子、激发态氧以及正、负离子组成。总体上是电学中性和化学中性的,具有比气体更高的能量和很好的导电性。
  • 等离子点火炬:等离子体内含有大量化学活性的粒子,如原子(C、H、O)、原子团(OH*、H2*、O2*)、离子(O2-、H2-、OH-、O-、H+)和电子等,可加速热化学转换,促进燃料完全燃烧。利用等离子炬发出电弧产生的高强度热源来点燃兰炭,并将火焰在气化炉内逐级放大,能将兰炭中的炭气化成燃气(主要为H2和CO),无机物则可变成无害熔渣。
  • 等离子气化炉:兰炭在干馏段经过充分的干燥,进入气化段,炽热的兰炭在气化段与等离子气化剂(由水蒸气等离子发生器产生)充分反应生成燃气,产生的灰渣由炉篦驱动从灰盆自动排出。

锅炉燃烧、汽机发电系统

(1) 蒸汽轮机发电系统(配套ORC低温余热发电)

  PGCC发电系统可由锅炉—蒸汽轮机发电系统组成。燃料在锅炉中燃烧加热水形成蒸汽,蒸汽压力推动汽轮机转动,然后汽轮机带动发电机旋转,最终将机械能转变成电能。做完功后的低品位蒸汽还可以用ORC发电技术再次进行发电(整体热效率得到明显提高)。可优化传统能源结构,提升能源使用效率,减少污染物排放,降低环境压力。

(2) 内燃机发电系统

  从等离子气化炉制取的气体在内燃机中燃烧做功,产生部分电力。缸套水可用于供热。内燃机产生的烟气进入余热锅炉继续放出热量,锅炉产生的蒸汽推动汽轮机发电,乏汽可用于供热。

(3) 燃气轮机发电系统

  从等离子气化炉制取的气体在内燃机中燃烧做功,产生部分电力。产生的烟气进入余热锅炉继续放出热量,锅炉产生的蒸汽推动汽轮机发电,乏汽可用于供热。

烟气超净化处理系统

  该系统主要由勒纳德塔、等离子脱硫脱硝一体化装置、冷凝式烟气吸收塔组成。

(1) 勒纳德塔:利用勒纳德效应,产生大量的负氧离子,利用其氧化吸收作用,可去除烟气中部分的硫化物和NOx。勒纳德深度除尘塔在去除烟气中硫化物、NOx的同时,可以将烟气温度和相对湿度控制在适当的条件;为下一步等离子脱硫脱硝烟气处理提供最佳的反应工况。

(2) 等离子脱硫脱硝一体化装置:
  等离子脱硫脱硝处理过程: 烟气进入等离子脱硫脱硝一体化装置后,烟气中的O2和水蒸气发生激活,产生强氧化性的自由基O-,OH-,(HO2)3-和H2O2等。通过这些自由基将烟气中的SO2氧化为SO3、NO氧化为NO2,SO3与水生成H2SO4、NO2与水生成HNO3。生成的H2SO4、HNO3可作为副产物利用。

等离子脱硫脱硝化学反应原理:
  利用等离子设备产生强电压低电流反应室,将烟气成份激活,形成活性自由基,在这状态下SO2会形成自由基,引发复杂的链反应 ,最终重组形成稳定的更易于被水吸收的SO3;等离子体自由基 OH*、O*、N*、 OH*、O3*等与NO反应。

(3) 冷凝式烟气吸收塔:
  基本原理:在高效换热层涂装特殊纳米材料,可增大过滤板对水的吸附力(粘滞力),使过滤板上附着水流后,减小过滤板间隙,产生纳米通道,从而提高烟气降温效果。
  吸收塔的主要作用:用于降低烟气的排放温度,经冷凝式烟气吸收塔作用后,烟气排放温度可降至环境温度。采用多层高效换热层可以最大限度降低烟气温度, 烟气排放无明显白色烟雾形成,真正实现超净排放。

        

系统优势

  • 整个PGCC工艺系统经过不断的技术更新,形成节能环保产业链。
  • PGCC系统利用等离子气化技术将兰炭转化为可燃气体,实现少投入、高产出、低污染,尽可能把对环境污染的排放物消除在生产过程之中。
  • 利用制备的可燃气体作为燃料,通过高效的燃烧设备提高燃料能量利用效率,并采用勒纳德塔+等离子烟气脱硫脱硝一体化装置+冷凝式烟气吸收塔,最终使烟气达到“近零”排放和废热深度回收利用,环境效益非常显著,为城市提供清洁能源。
  • PGCC系统投资成本和运行成本都大大低于天然气分布式能源系统,为中国能源发展提供了一个新的思路和未来。

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