【正文】 十年代初、中期建成的美國Tampa電站和荷蘭Buggenum電站為代表。因而開發(fā)和采用潔凈煤發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為共識，IGCC既可以不斷提高發(fā)電效率，又有極好的環(huán)保性能，特別是低成本解決CO2的減排，達(dá)到污染物的近零排放，是最有發(fā)展前途的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。為未來杭州市的城市交通提供清潔、廉價的氫源，具有良好的社會效益和環(huán)保效益。相比常規(guī)燃煤機(jī)組的CO2捕捉，成本低廉，可以說是目前最具競爭力的CO2捕捉技術(shù)。作為發(fā)展中國家，中國現(xiàn)階段沒有CO2等6種溫室氣體的減排任務(wù)。對煤種有較強(qiáng)的適應(yīng)性。從表中還可以看出，當(dāng)采用F級燃機(jī)的IGCC機(jī)組（容量為400MW）時，其發(fā)電效率約為52%，%，高于1000MW超超臨界機(jī)組的供電效率。(1) 高效率發(fā)電目前，%，%；%，%。世界能源委員會的研究報告指出，對于主要煤炭消費(fèi)國來說，今后幾十年內(nèi)，從煤炭中提取的合成氣體、液體和氫將是重要的長期能源，預(yù)計到2030年，全球約72%的發(fā)電將使用潔凈煤技術(shù)。與美國的兩個IGCC電站不同，Buggenum和Puertollano電站沒有對壓氣機(jī)或者透平進(jìn)行調(diào)整，而是通過系統(tǒng)集成，即完全整體空分來適應(yīng)燃?xì)饬髁康脑黾?，同時通過空分整體化提高了系統(tǒng)效率。Buggenum電站和Puertollano電站都采取了燃料濕化和氮?dú)饣刈⑾嘟Y(jié)合的方法。同時通過關(guān)小壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉、調(diào)整透平靜葉安裝角和適當(dāng)降低燃?xì)廨啓C(jī)初溫等方式提高燃?xì)廨啓C(jī)的通流能力。從國外IGCC電站的經(jīng)驗來看，燃料濕化和氮?dú)饣刈⑹荌GCC電站中使用最為廣泛的兩種成熟的降NOX方式，通過這兩種方式能夠?qū)OX降低到10mg/Nm3（%O2，以下同）以下，遠(yuǎn)低于常規(guī)天然氣聯(lián)合循環(huán)的排放標(biāo)準(zhǔn)。燃料注蒸汽的降NOX效果與燃料加濕類似，但是注蒸汽需要消耗較高壓力的蒸汽，會在一定程度上降低系統(tǒng)效率。但是，通過膨脹透平回收部分壓縮功能夠減小這種損失，所以在空分整體化率不太大的時候，可結(jié)合燃機(jī)通流和降NOX方式以及系統(tǒng)可靠性等因素綜合考慮采用低壓空分還是高壓空分。低壓空分一般也不宜與空分整體化同時采用。在燃機(jī)抽氣量較小的時候，燃機(jī)出力維持在其最大限制值而不隨抽氣量的增加而減小，相反，系統(tǒng)凈出力會隨著抽氣量的增加有所增加，這是由于空分整體化率的提高使得系統(tǒng)效率有所提高，當(dāng)燃機(jī)抽氣量增加到一定程度以后，燃機(jī)不再需要通過調(diào)整IGV改善通流，這種情況下，燃機(jī)輸出功和系統(tǒng)凈輸出功都會隨燃機(jī)抽氣量的增加而減少。但是，系統(tǒng)凈出力的變化還受到其他因素的影響，如燃?xì)廨啓C(jī)通流能力和軸系強(qiáng)度的限制?，F(xiàn)在國際上普遍認(rèn)為，空分整體化率在30%50%之間是比較合理的選擇[8]。而空分整體化可以減少燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)饬髁浚瑥亩纳迫紮C(jī)通流。同時，空分整體化降低了空分的空壓機(jī)投資，從而降低了整個IGCC的投資。介于完全整體化空分和完全獨(dú)立空分之間的形式稱為部分整體空分，即空分所需的壓縮空氣部分從燃?xì)廨啓C(jī)抽取，部分由獨(dú)立的空壓機(jī)提供。國外四個典型的IGCC電站都將燃燒室進(jìn)口合成氣溫度提高到了約300℃?？傊?，通過飽和器加濕合成氣并提高合成氣溫度，以及提高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的合成氣溫度是IGCC系統(tǒng)中最為常用的兩種低品位熱量利用方式。兩個系統(tǒng)在低品位熱利用方式上有很多類似的地方，如都采用了燃料加濕以降低NOX排放并回收低品位熱量。Buggenum電站的供電效率達(dá)到了43%，該電站主要采用了低品位熱量利用方式1）和2）。后來，Tampa電站取消了高溫氣/氣換熱器[5]。Wabash River電站采用了上述低品位熱量利用方式1）和2），即粗合成氣低品位熱用于加熱飽和器所需的熱水并通過直接氣/氣換熱的方式加熱凈合成氣，以提高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃料溫度[3]。特別需要指出的是，水煤漿給料的氣化爐產(chǎn)生的粗合成氣中含有大量的潛熱?？梢姡贗GCC技術(shù)的發(fā)展中，本土化是決定關(guān)鍵技術(shù)選擇的重要因素。在IGCC系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵、造價最高的兩個部件是氣化爐和燃?xì)廨啓C(jī)。目前我國燃機(jī)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展主要是采用中外合資、合作和引進(jìn)技術(shù)消化吸收方式，基本目標(biāo)是形成國產(chǎn)燃機(jī)生產(chǎn)能力，掌握E級特別是F級燃機(jī)的制造技術(shù)。3) 90年代是我國燃機(jī)發(fā)電的第4階段。天然氣發(fā)電在我國尚處于起步階段，建議國家通過稅收政策給予必要的扶持。但由于國家經(jīng)濟(jì)狀況及燃料政策等緣故使其一直發(fā)展較慢。隨著大型先進(jìn)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的容量和效率得到了較大的發(fā)展。3) 發(fā)展機(jī)組。這些機(jī)組在國際上已經(jīng)較普及，目前在我國也已有10多臺投入發(fā)電運(yùn)行。目前世界上主要燃機(jī)制造廠家有100多家。特別是近幾年來，燃機(jī)的初溫已經(jīng)達(dá)到了1500℃，從而使燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個新時代。2) 70年代燃機(jī)初溫提高到1000℃左右，聯(lián)合循環(huán)效率達(dá)到40％～45％，已接近甚至超過大型汽輪發(fā)電機(jī)組的效率。設(shè)備數(shù)量的減少有利于機(jī)組可靠性的提高。燃?xì)廨啓C(jī)主要燃料為天然氣和低合成氣，此類氣屬于清潔能源，對環(huán)境污染少，機(jī)組排放NOX低。3) 運(yùn)行靈活性好。由于綜合了燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)和余熱鍋爐的特點(diǎn)，燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組具有以下特點(diǎn)：1) 機(jī)組效率高。汽輪機(jī)一般采用閥門全開狀態(tài)，隨余熱鍋爐滑壓運(yùn)行。在501G型燃機(jī)中就采用了定向結(jié)晶合金，在美國ATS計劃中F/G系列燃機(jī)則采用了單晶鑄造葉片等技術(shù)。燃機(jī)葉片一般采用空心結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)葉片內(nèi)部對流冷卻和葉片表面氣膜冷卻相結(jié)合，達(dá)到降低葉片表面溫度的目的。燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)[70]從上個世紀(jì)20年代開始進(jìn)去工業(yè)應(yīng)用以來，已經(jīng)相當(dāng)成熟。概括地講，國內(nèi)已運(yùn)行的大型煤氣化裝置均為引進(jìn)技術(shù)，而且引進(jìn)的勢頭還在繼續(xù)。這四套裝置均用于生產(chǎn)合成氣，三套制氨，一套制甲醇。本成果正在兗礦魯南化肥廠建設(shè)日處理1150噸煤的新型氣化爐商業(yè)示范裝置（）和山東華魯恒升集團(tuán)公司建設(shè)日處理750噸煤商業(yè)裝置（）。正在建設(shè)中的還有浩良河、金陵石化（棲霞山化肥廠）兩套Texaco裝置；此外，洞氮、柳州、應(yīng)城三套Shell裝置正在建設(shè)中。技術(shù)特點(diǎn)是干粉煤進(jìn)料、常壓、方形爐、水冷壁爐襯，在同一水平面上布置8個噴嘴，煤氣向上流動，熔渣由爐底排出。采用干煤粉進(jìn)料，1982年在黑水泵市Laubag建設(shè)130MW商業(yè)裝置，日處理720噸煤，爐襯采用水冷壁。Prenflo與Shell氣化爐的相同點(diǎn)：干粉煤加料，氮為載氣的密相輸送。Puertollano IGCC 發(fā)電裝置為單爐，日處理2600噸混合燃料（煤與石油焦各半）煙煤粉要求75%，含水量為2%；褐煤粒徑也要求75%，但含水量約為6%；凈發(fā)電能力為300MW，產(chǎn)煤氣量為180000Nm3/h，氧濃度為95%，溫度為～1700℃。(4) Prenflo氣化爐Prenflo取自英文Pressurized EntrainedFlow Gasification 相關(guān)字頭。冷煤氣效率為～81%；原料煤熱值的～13%轉(zhuǎn)化為蒸汽；～6%由設(shè)備和出冷卻器的煤氣顯熱損失于大氣和冷卻水。煤灰總量的70～80%以熔融態(tài)流入氣化爐底部，激冷凝固，自爐底排出。，高約30m，4個噴嘴位于爐子下部同一水平面上，沿圓周均勻布置，借助撞擊流以強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞過程，使?fàn)t內(nèi)橫截面氣速相對趨于均勻。該兩點(diǎn)與Eastman（TEC）的Texaco氣化爐相比，占有優(yōu)勢。采用水煤漿冷激及其配套的火管鍋爐是一種技術(shù)進(jìn)步，冷煤氣效率高于Texaco，但并不完善。爐型類似于KT，分第一段（水平段）與第二段（垂直段），在第一段中，兩個噴嘴呈180度對置，最高反應(yīng)溫度約1400℃。主要缺點(diǎn)：褐煤的制漿濃度約59～61%；煙煤的制漿濃度為65～69%，冷煤氣效率比干煤粉進(jìn)料低5～6個百分點(diǎn)左右；噴嘴約2個月更換一次，費(fèi)時4～6小時；國產(chǎn)耐火磚壽命約一年，更換耐火磚費(fèi)時40天左右；該爐型通過單噴嘴受限射流實(shí)現(xiàn)混合，但噴嘴與出渣口在同一爐體軸線上，爐內(nèi)流型趨近全返混，有部分物料短路，使單程碳轉(zhuǎn)化率僅為～95%。具體情況如下：(1) Texaco氣化爐Texaco 水煤漿最大商業(yè)裝置是Tampa Electric Company (Tampa)電站，屬于DOE的CCT3，1989年立項，1996年7月投運(yùn)，12月宣布進(jìn)入驗證運(yùn)行。氣流床氣化爐從從工業(yè)化裝置數(shù)量上講，氣流床氣化爐要比固定床和流化床氣化爐少，但是世界上已商業(yè)化的Integrated Gasification Combined－Cycle Technology（IGCC）大型（250MW以上）電站都是采用氣流床煤氣化爐，可見其技術(shù)上具有優(yōu)勢。迄今HTW單爐最大煤處理容量為720t/d；U－Gas為120t/d（建于上海吳涇焦化廠，1994年11月投運(yùn)，至今尚未正常運(yùn)行）。圖21 典型IGCC發(fā)電機(jī)組的原則性系統(tǒng)圖 煤氣化技術(shù)的發(fā)展 煤氣化技術(shù)發(fā)展的過程 固定床氣化爐早期的煤氣化技術(shù)采用固定床，最有代表性的是1933年Lurgi Oil，Gas and Chemicals Company（Lurgi）開發(fā)的加壓氣化爐，幾經(jīng)修改完善，沿用至今。IGCC結(jié)合多聯(lián)產(chǎn)綜合技術(shù)，能夠生產(chǎn)甲醇等燃料或化工原料，發(fā)電和多聯(lián)產(chǎn)的氣化共用，便于電網(wǎng)峰谷調(diào)整負(fù)荷和提高可用率，降低發(fā)電成本。氣化爐產(chǎn)生的合成氣可用于發(fā)電、合成氨、合成甲醇、制氫等，也可供城市居民生活用氣。氣化爐的排渣可用于筑路、制磚等，進(jìn)行綜合利用。IGCC技術(shù)是在合成氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前進(jìn)行脫硫和除塵。② 具有較高的熱效率。39 / 392 IGCC的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 IGCC的技術(shù)現(xiàn)狀整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle），簡稱IGCC發(fā)電技術(shù)是將固體煤氣化、凈化與燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電相結(jié)合的一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)。燃機(jī)島內(nèi)主要設(shè)備包括：燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐等。 “十一五”863示范項目浙江半山IGCC發(fā)電示范工程本工程是國家“十一五”863重大項目“200MW級IGCC關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)與工業(yè)示范”研究課題的依托項目。IGCC作為燃煤發(fā)電或結(jié)合多聯(lián)產(chǎn)，具有效率高、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢，代表未來電力技術(shù)的發(fā)展方向，成為世界上極有發(fā)展前途的一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)。氣化島內(nèi)主要設(shè)備包括：空分裝置、氣化原料制備裝置、氣化爐、輻射和對流廢鍋、凈化裝置等。在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)的整體配置及參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)IGCC發(fā)電機(jī)組的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對于干粉加料系統(tǒng)，可以適合從無煙煤到褐煤的所有煤種；對濕法加料的氣化工藝，則適合灰份較低和固有水分較低的煤。③ 對環(huán)境污染小，廢物回收利用的條件好。IGCC的粉塵排放濃度一般低于10mg/Nm3。⑤ 可實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)與多聯(lián)供。在世界范圍內(nèi)，燃煤電站排放的SOX、NOX和粉塵造成的污染問題可以通過現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行解決，CO2減排的問題，尚無其它商業(yè)技術(shù)，IGCC發(fā)電技術(shù)是可實(shí)現(xiàn)CO2的近零排放的重要技術(shù)。典型IGCC發(fā)電機(jī)組的原則性系統(tǒng)圖見圖21。流化床氣化爐流化床氣化爐1922年始于Winkler（德國專利437970），此后High Temperature Winkler（HTW）、U－Gas（Institute of Gas Technology技術(shù)）、KRW（）等技術(shù)相繼問世。人們正期待著其驗證結(jié)果。為提高冷煤氣效率（用于IGCC發(fā)電）、降低氧耗、提高煤氣顯熱回收、目前本領(lǐng)域中國際上研究的熱點(diǎn)有：將水煤漿進(jìn)料改為液體CO2煤漿進(jìn)料；研究煤泵以取代干粉煤鎖斗加料；研究煤氣化動力學(xué)、停留時間、氣化爐最佳高徑比設(shè)計；采用連續(xù)排渣系統(tǒng)取代鎖斗式排渣系統(tǒng)；高溫脫硫、除塵技術(shù)；先進(jìn)的耐火磚材料；新型過程測量儀器；運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行氣化爐的工程放大；系統(tǒng)分析與技術(shù)集成；采用二段爐方案回收煤氣顯熱等。 主要優(yōu)點(diǎn)：水煤漿制備輸送與計量控制簡單、安全、可靠；裝置的開車率可達(dá)85%～90%（有備用爐時）；設(shè)備國產(chǎn)化率高，投資較干煤粉原料低。）。Destec采用水煤漿加料，該點(diǎn)與Texaco相同，具有該種進(jìn)料形態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)。采用耐火磚為爐襯，其壽命已達(dá)到3年；噴嘴壽命為3～6個月。單爐日處理煤2000噸，250MW，%（LHV）。煤氣攜帶煤灰總量的20～30%沿氣化爐軸線向上運(yùn)動，在接近爐頂處通入循環(huán)煤氣激冷，激冷煤氣量約占生成煤氣量的60～80%，煤氣降溫至900℃，熔渣凝固，出氣化爐，沿斜管道向上進(jìn)余熱鍋爐。氣化溫度為1500～1700℃。主要缺點(diǎn)：設(shè)備投資大于水煤漿氣化技術(shù)，估計高20%；氣化爐結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，加工難度大；工程經(jīng)驗還不夠豐富，世界上目前只有Buggneum的示范裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。1992年西班牙ELCOGAS（由西班牙、法國、葡萄牙的6家能源工程公司組成）采用Prenflo氣化技術(shù)在西班牙Puertollano建設(shè)IGCC電站，這也是Prenflo的第一個商業(yè)化裝置。相應(yīng)的，Prenflo冷激循環(huán)煤氣在氣化爐中下部加入，而Shell爐則在上部加入。(5) GSP與Advanced Coal gasification Process (ACGP)GSP由原東德的燃料研究所（German Fuel Institute）開發(fā)，爐型與Texaco激冷室氣化爐酷似。 Wilcox）氣化系統(tǒng)公司合作開發(fā)，尚未建商業(yè)裝置。近四十年來在原國家科委、計委、教委和各工業(yè)部的支持下，在研究與開發(fā)、消化引進(jìn)技術(shù)方面進(jìn)行了大量工作，有代表性的是：50年代末到80年代初的仿K—T氣化技術(shù)研究與開發(fā)，曾于60年代中期和70年代末期在新疆蘆草溝和山東黃縣建設(shè)中試裝置，由于基礎(chǔ)理論研究不透以及材料等原因而終止；70年代起西北化工研究院研究開發(fā)水煤漿氣化技術(shù)并建設(shè)了中試裝置，為此后4家廠引進(jìn)Texaco水煤漿氣化技術(shù)提供了豐富的經(jīng)驗；“九五”期間還就“整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）關(guān)鍵技術(shù)（含高溫凈化）”立項，有十余個單位參加攻關(guān)；1999年科技部立項“煤的熱解、氣化及高溫凈化過程的基礎(chǔ)研究”正在進(jìn)