煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)淺析

1、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)淺析摘要：本文淺要分析了整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，并簡單展望了整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā) 電技術(shù)的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合循環(huán)降低成本整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC-IntegratedGasificationCombinedCycle）發(fā)電系統(tǒng)，是將煤 氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)。它由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化 部分和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第一部分的主要設(shè)備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化 設(shè)備（包括硫的回收裝置），第二部分的主要設(shè)備有燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪 機發(fā)電系統(tǒng)。IGC。的工藝過程如下：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過凈化

2、，除去煤氣中 的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料，然后送入燃氣輪機的燃燒室燃燒， 加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動燃氣透平作功，燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū) 動蒸汽輪機作功。由于IGCC技術(shù)把高效的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與潔凈的煤氣化技術(shù)結(jié)合起來，既有高 發(fā)電效率，又有極好的環(huán)保性能，是一種有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。一、影響IGCC系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)從理論上IGC C整個系統(tǒng)大致可分為三個相對獨立的部分：煤氣制備子系統(tǒng)、聯(lián)合循環(huán) 子系統(tǒng)和空氣分離子系統(tǒng)。這三個子系統(tǒng)的技術(shù)均有成熟技術(shù)，但是第一臺IGCC電站-美 國的冷水電站直到1987年才開始成功運轉(zhuǎn)。這主要是因為

3、IGC C技術(shù)投資成本過高，影響系 統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)尚不過關(guān)等因素。下面詳細介紹一下三個子系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn) 狀。1、煤氣制備子系統(tǒng)與常規(guī)的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)相比，IGCC系統(tǒng)所不同的是煤氣制備子系統(tǒng)，即煤的 氣化和凈化系統(tǒng)及其附屬設(shè)備。因此，能量轉(zhuǎn)換效率高的靈活氣化技術(shù)和合適的粗煤氣 凈化技術(shù)是IGCC系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵。煤的氣化床的形式有四種基本的氣化爐裝置：噴流床氣化爐（如芬蘭的Shell爐）、流 化床氣化爐（如美國的KRW爐）固定床氣化爐（如英國的BG/L爐）和熔融床氣化爐（如 ATGAS爐）這四種氣化工藝都能在不同的IGC C系統(tǒng)中找到各自的適用場合。目前氣化 技術(shù)的研究重點是擴大

4、氣化原料的適應性，提高原料的綜合利用度，根據(jù)不同的IGCC 系統(tǒng)要求，開發(fā)出高效靈魂的氣化技術(shù)。煤在氣化爐中氣化為粗煤氣時，原煤中所含的相當一部分灰分、硫、氮以及堿金屬 鹽和鹵化物都會轉(zhuǎn)移到并以不同形式存在有粗煤氣中。這些有害物質(zhì)如果不脫除干凈， 會導致燃氣透平的腐蝕、磨蝕和結(jié)垢，嚴重影響燃機的使用壽命和工作安全。還會對環(huán) 境帶來不良影響。因此在IGC C系統(tǒng)中，應該在粗煤進入燃氣輪機之前，對氣化爐供來 的粗煤氣進行凈化處理。在IGC C系統(tǒng)中使用的粗煤凈化系統(tǒng)有所謂的常溫濕法凈化系 統(tǒng)（即把煤氣先冷卻，后凈化）和高溫干法凈化系統(tǒng)之分。前者屬于比較成熟的技術(shù)， 但是在煤氣的冷卻和除灰脫硫過程中

5、的顯熱損失比較大，對IGCC系統(tǒng)的效率會產(chǎn)生不 利的影響，并且還需要建立復雜的廢水處理系統(tǒng)。而高溫干法凈化過程中的顯熱，提高 IGC C系統(tǒng)的效率，簡化系統(tǒng)，降低投資費用，成為第二代IGC C系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一， 受到了普遍關(guān)注。目前高溫除塵多處在實驗室規(guī)模與中試規(guī)模，進入示范應用的有陶瓷 過濾器和陶瓷阻隔過濾器；而高溫干式脫硫采用爐內(nèi)噴鈣脫硫，加上以金屬氧化物為吸 收劑（氧化鐵、氧化鋅等）的尾部反應床（固定床、流化床、噴流床）內(nèi)進一步脫硫， 可避免冷煙氣凈化或濕式脫硫過程中造成的濕熱損失。2、聯(lián)合循環(huán)子系統(tǒng)燃氣輪機是IGCC系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，燃氣輪機與蒸汽輪機出功比一般為1.32.0，因 此燃

6、氣輪機對整個IGC C系統(tǒng)的經(jīng)濟性和實用性有著重要的影響。燃用低熱值合成氣等 對燃氣輪機的性能提出了更高的要求，必須對現(xiàn)有的燃天然氣的燃氣輪機進行改進。而 先進燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展也可進一步改善聯(lián)合循環(huán)子系統(tǒng)的性能。如提高透平入口溫度 至1500C以上，采用先進的燃氣輪機和余熱鍋爐，發(fā)電效率已經(jīng)達到60%。如果采用濕 空氣透平循環(huán)（IGHAT），使用熱水來濕化空氣，濕空氣通過回熱器，與煤氣一起送入 燃氣輪機燃燒室并進入透平膨脹做功。由于壓氣機壓縮功的減少以及避免了郎肯循環(huán)的 影響，系統(tǒng)效率可在原來的基礎(chǔ)上提高2%3%，同時由于沒有蒸汽輪機可使投資費用降 低。G與H系列先進燃氣輪機，采用了先進的壓

7、氣機系統(tǒng)、低NOX冷卻式燃燒室、具有 超級冷卻技術(shù)的高溫透平（H系列用蒸汽冷卻），在材料方面選用了具有良好的抗熱蠕變， 氧化和腐蝕性能的鎳基超級合金，透平前溫度可達1500C。這同時也為其它子系統(tǒng)單元 模塊的綜合優(yōu)化提供了更有利的條件。3、空氣分離子系統(tǒng)（ASU）經(jīng)過冷卻和凈化的壓縮空氣經(jīng)過空氣分離單元為氧氣、氮氣，同時生成蒸汽?？諝?分離技術(shù)只能從氣化單元提供所需氧氣的傳統(tǒng)低壓獨立式分離技術(shù)向可從燃氣輪機抽 取空氣或者向燃氣輪機加注分離氮氣的整體式高壓分離技術(shù)發(fā)展?？辗窒到y(tǒng)進汽的發(fā)展 動向主要是增大機組規(guī)模、進行過程優(yōu)化，從而增進其與新一代大容量、高壓比的燃氣 輪機的系統(tǒng)整合。由于空氣分離單

8、元與氣化單元，燃氣輪機單元的耦合，對于IGCC系統(tǒng)的性能有著 重要的影響。這種耦合為IGCC系統(tǒng)性能的改善提供了新的優(yōu)化點。僅空氣分離單元和 燃氣輪機的整體化而言，有四種優(yōu)化選擇：（1）空氣全部或部分提供給空氣分離單元； （2）增壓氮氣作為燃燒稀釋劑，透平冷卻劑，貨為增大出功供給燃氣輪機；（3）低壓 氮氣用于燃氣輪機進口氣流冷卻貨加熱用于增加HRSG蒸汽產(chǎn)量；（4）冷卻水用于燃氣 輪機透平冷卻，或加熱后用于HRSG給水。作為一種高效的氧氣、動力和蒸汽聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。國外正在對離子交換膜空氣分離技術(shù) 進行研究。在沒有泄漏的情況下，這種技術(shù)的氧氣分離效率可以達到很高水平。這是一種很有前途的空氣分離技術(shù)，

9、但需解決降低阻力和增大流量的問題。二、IGCC技術(shù)的發(fā)展前景IGC C發(fā)電技術(shù)是很有前途的潔凈發(fā)電技術(shù)，只要克服其發(fā)展的障礙條件，必將具備巨 大的市場競爭力和發(fā)展?jié)撃堋Ｄ壳笆澜缟螴GCC發(fā)電技術(shù)正處于第二帶技術(shù)的成熟階段。國際上不少科研機構(gòu)和制作 廠商在第一代示范電廠技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)已投產(chǎn)電廠的運行經(jīng)驗，結(jié)徊級燃機的應用， 不斷對第二帶IGCC發(fā)電技術(shù)進行深入研究，并取得了顯著成效。比如2002年Chevron Texaco 公司采用成熟的CVX-2002基準技術(shù)完成了燃煤的IGCC參考電廠報告，報告顯示：1、采用 干進料的Shell、Prenflo氣化爐，其熱效率比采用濕進料的Tex-ac

10、o爐高出與2.5%； 2、采用熱 全回收的氣化技術(shù)比采用激冷技術(shù)效率高出約2%； 3、空分裝置采用部分或全部整體化進風 比采用全部獨立進風，其效率高出約1.5%； 4、隨著設(shè)備的成熟，容量的擴大，單位造價可 降低25%，電廠可用率還可提高。由于能源短缺、電力供應緊張、環(huán)境污染嚴重都是困擾各國持續(xù)發(fā)展的主要難題，所 以世界各國越來越約重視IGCC發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。IGCC電站的性能試驗規(guī)程也由美國ASME 成立委員會起草發(fā)布了。這個規(guī)程的制定為IGCC電站的性能試驗提供了一個為業(yè)主、供貨 方、設(shè)計、施工方都能接受的平臺，規(guī)范了【GCC建設(shè)市場。我國發(fā)展IGCC發(fā)電技術(shù)的條件也日趨成熟，煤氣化技術(shù)在我國化工和石化行業(yè)已有較 長時間的引進和使用業(yè)績，燃機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)國產(chǎn)化率也不斷提高。IGCC發(fā)電技術(shù)也 已列入我國電力行業(yè)“十二五”規(guī)劃重點跟蹤研究項目。我國IGC C發(fā)電技術(shù)必將迎來發(fā)展 小高峰。三、結(jié)論雖然IGCC發(fā)電技術(shù)存在投資成本高，建設(shè)工期長，運行可靠性相對不高等缺點，但其 憑借較高的發(fā)電效率和環(huán)保性能，在當前能源緊張，環(huán)境污染嚴重的形勢下，IGCC發(fā)電技 術(shù)越來越受世界各國青睞。隨著研究投入的增加，IGCC發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)難題必將一一破解。 一旦其基建投資得到降