【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用了歐洲的Shell氣化爐和Prenflo氣化爐。在燃?xì)廨啓C(jī)的選擇上，美國(guó)的兩個(gè)IGCC電站均采用了美國(guó)GE公司的7FA燃?xì)廨啓C(jī)，[2]。可見，在IGCC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。 低品位熱量利用為了提高供電效率，四個(gè)電站均通過(guò)廢鍋產(chǎn)生中壓或者高壓飽和蒸汽以回收高品位的粗合成氣顯熱[2]。此外，IGCC系統(tǒng)中還存在大量的低品位熱量，如粗合成氣低品位顯熱、燃?xì)廨啓C(jī)抽氣顯熱等。能否有效利用這些低品位熱量會(huì)對(duì)IGCC系統(tǒng)的供電效率產(chǎn)生很大的影響（如對(duì)Tampa電站，可產(chǎn)生1到4個(gè)百分點(diǎn)的影響）。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。這部分潛熱量大，但品位相對(duì)較低，利用比較困難。如何有效的利用這部分潛熱也是低品位熱量回收的重要內(nèi)容。IGCC系統(tǒng)中低品位熱量的利用方式主要有以下四種：1） 產(chǎn)生熱水，通過(guò)飽和器對(duì)合成氣加熱加濕；2） 以直接換熱或者間接換熱的方式加熱凈合成氣，提高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的合成氣溫度；3） 產(chǎn)生低壓蒸汽，為系統(tǒng)其他過(guò)程如脫硫工藝提供蒸汽；4） 預(yù)熱鍋爐給水。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(guò)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]。通過(guò)這兩種方式的低品位熱量利用，Wabash %，供電效率達(dá)到41%[2][4]。Tampa電站主要采用熱量利用方式2），即以直接氣/氣換熱的方式加熱凈合成氣和回注燃燒室的氮?dú)猓?。但是，由于潔凈煤氣和回注氮?dú)饧訜崞鞫际怯么置簹饧訜?，而且加熱器是水平位置布局，而粗煤氣中水蒸氣含量又很多?6%－20%），因而在停爐過(guò)程中容易在換熱器面積上積存酸水和氯化鹽，使換熱面被腐蝕，粗煤氣泄漏到潔凈煤氣中去，從而導(dǎo)致燃?xì)馔钙奖桓g和形成積灰[4]。后來(lái)，Tampa電站取消了高溫氣/氣換熱器[5]。但是，這并不是否定了氣/氣換熱方式，真正需要借鑒的是對(duì)對(duì)流廢鍋下游的換熱器應(yīng)該考慮加熱器布置方式和換熱方式以保證系統(tǒng)安全，比如加熱器采用立式布置方式。氣/氣換熱仍是IGCC電站采用的常規(guī)能量回收方式。經(jīng)過(guò)除塵以后的合成氣與低溫凈合成氣的直接氣/氣換熱方式被Tampa電站，Buggenum電站和Puertollano電站所采用，且經(jīng)過(guò)商業(yè)示范證明了其工程可行性[2][6]。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）。溫度相對(duì)較高的低品位熱（300℃左右）用于提高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的凈合成氣溫度，溫度相對(duì)較低的低品位熱（160℃左右）用于加熱飽和器所需的熱水。在Buggenum電站中，較多的采用了以水為介質(zhì)的二次換熱方式實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，這樣做的好處是增加了系統(tǒng)安全性，且便于不同來(lái)源的低品位熱量的統(tǒng)一調(diào)配利用。與Buggenum電站一樣，Puertollano電站也采用了干煤粉氣化爐以及完全整體空分。兩個(gè)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。Puertollano電站采用了上述低品位熱量利用的所有四種方式，即：1）通過(guò)粗合成氣和燃?xì)廨啓C(jī)抽氣的低品位熱加熱凈合成氣濕化所需的熱水；2）通過(guò)直接氣/氣換熱方式利用粗合成氣加熱低溫凈合成氣，以水為介質(zhì)將燃機(jī)抽氣的顯熱用于加熱凈合成氣；3）利用系統(tǒng)中的低品位熱加熱水，并以閃蒸的方式產(chǎn)生低壓蒸汽；4）利用對(duì)流廢鍋出口粗合成氣預(yù)熱廢鍋給水。可見，隨著IGCC技術(shù)的發(fā)展，低品位熱量的利用越來(lái)越受到重視。通過(guò)這些低品位熱量利用，%[2][4]。總之，通過(guò)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。在條件允許的情況下，利用粗合成氣預(yù)熱鍋爐給水或者利用多余的低品位熱產(chǎn)生低壓蒸汽也是有效的選擇。隨著IGCC技術(shù)的發(fā)展，為了有效利用系統(tǒng)中的低品位熱，提高系統(tǒng)效率和出力，低品位熱回收系統(tǒng)也將更加復(fù)雜，這對(duì)IGCC系統(tǒng)的控制也提出了更高的要求。需要說(shuō)明的是，為了提高IGCC系統(tǒng)效率，除了有效利用低品位熱量以外，采取余熱鍋爐高溫水加熱等主動(dòng)措施提高燃?xì)廨啓C(jī)燃料進(jìn)口溫度是提高IGCC系統(tǒng)效率的重要技術(shù)措施。國(guó)外四個(gè)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℃。而在Tampa電站的設(shè)計(jì)中，回注氮?dú)獾臏囟雀翘岣叩搅?00℃[7]。 空分以及降NOX方式選擇 空分整體化以及高低壓空分的選擇在IGCC系統(tǒng)中，空分所需壓縮空氣可以從燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)抽取?？辗炙鑹嚎s空氣完全從燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)抽取的形式稱為完全整體化空分，而由獨(dú)立的空壓機(jī)提供空分所需壓縮空氣則稱為完全獨(dú)立空分。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?？辗终w化率定義為從燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)抽氣量與空分所需總空氣量之比。與獨(dú)立空分相比，整體空分具有幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：1） 系統(tǒng)供電效率提高；2） 空分投資降低；3） 燃?xì)廨啓C(jī)通流問(wèn)題得到緩解。一般認(rèn)為，由于大型燃?xì)廨啓C(jī)的軸流壓氣機(jī)具有較高的等熵效率，如現(xiàn)代軸流壓氣機(jī)的效率可達(dá)到90%或者更高[8]，遠(yuǎn)高于空分所采用的離心式空壓機(jī)等熵效率（當(dāng)前能達(dá)到的等熵效率約83%），所以從燃?xì)廨啓C(jī)抽氣替代空分的空壓機(jī)可使IGCC系統(tǒng)具有更高的供電效率。同時(shí)，空分整體化降低了空分的空壓機(jī)投資，從而降低了整個(gè)IGCC的投資。另外，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)一般都是以天然氣為燃料設(shè)計(jì)的，在改燒中低熱值合成氣后，燃?xì)饬髁繒?huì)顯著增加（根據(jù)燃料熱值不同，可能增加820%以上）。這給燃機(jī)的通流帶來(lái)較大的困難。如GE9E燃機(jī)在不做調(diào)整的情況下通流裕度約為8%，如果不采取改善通流的措施，燃?xì)饬髁康脑黾涌赡軙?huì)引起燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)喘振等危險(xiǎn)。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。與完全獨(dú)立空分相比，整體空分的缺點(diǎn)也是明顯的：1） 增加了系統(tǒng)起動(dòng)的難度；2） 增加系統(tǒng)運(yùn)行控制的難度，降低系統(tǒng)可靠性和可用率；3） 可能會(huì)降低系統(tǒng)出力。對(duì)完全整體空分，空分只有在燃機(jī)先起動(dòng)并且穩(wěn)定運(yùn)行后才能啟動(dòng)，這之前燃機(jī)只能燃用備用燃料直到氣化爐起動(dòng)。而且整體空分將氣化爐、空分和燃?xì)廨啓C(jī)緊密的聯(lián)系在一起，大大增加了系統(tǒng)控制的難度，降低了系統(tǒng)的可靠性和可用率?，F(xiàn)在國(guó)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]。此時(shí)既能在一定程度上提高系統(tǒng)效率，節(jié)省空分投資以及緩解燃機(jī)通流問(wèn)題，也不會(huì)給系統(tǒng)的起動(dòng)和控制帶來(lái)難以克服的困難?？辗终w化率與系統(tǒng)出力的關(guān)系較為復(fù)雜。一般認(rèn)為，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)抽取部分空氣以后，去往燃燒室的空氣量減小，進(jìn)而會(huì)造成燃?xì)饬康臏p小和系統(tǒng)出力的降低。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。改燒合成氣后，燃?xì)饬髁坑酗@著的提高，但是燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的喘振裕度和燃機(jī)軸系的強(qiáng)度等要求使得燃?xì)廨啓C(jī)出力的增加受到限制。以Foster Wheeler對(duì)氮回注方式下的燃機(jī)出力、系統(tǒng)效率與空分整體化的關(guān)系的分析為例[9]，假設(shè)GE 9FA燃?xì)廨啓C(jī)的最大輸出功為286MW，通過(guò)調(diào)整IGV角度和燃機(jī)抽氣的措施緩解燃機(jī)通流問(wèn)題。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。在燃機(jī)抽氣量較小的時(shí)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(huì)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(guò)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(huì)隨燃機(jī)抽氣量的增加而減少。圖24 IGCC系統(tǒng)性能與空分整體化率的關(guān)系空分按照操作壓力可分為低壓空分和高壓空分：，從空分精餾塔抽取的氮?dú)?氧氣壓力略高于環(huán)境壓力的空分；高壓空分則是指操作壓力較高，而所產(chǎn)生的氮?dú)鈮毫σ蚕鄳?yīng)較高的空分[10]。一般來(lái)講，低壓空分不宜與氮?dú)饣刈⑼瑫r(shí)采用，因?yàn)榈蛪嚎辗之a(chǎn)生的氮?dú)鈮毫εc環(huán)境壓力接近（），壓縮這部分氮?dú)庑枰拇罅康墓?，?dǎo)致廠用電率增加，對(duì)某200MW級(jí)IGCC的研究表明，在低壓空分的情況下采用氮?dú)饣刈⒖赡軙?huì)降低系統(tǒng)效率12個(gè)百分點(diǎn)。（視空分的操作壓力、空分主冷凝換熱器的換熱端差以及精餾塔的壓損等而不同[11]），在需要回注大量高壓氮?dú)獾臅r(shí)候，一般選擇高壓空分，高壓空分與氮?dú)饣刈⒔Y(jié)合能夠顯著增加系統(tǒng)出力，同時(shí)系統(tǒng)效率也有可能提高。低壓空分一般也不宜與空分整體化同時(shí)采用。由于現(xiàn)代重型燃?xì)廨啓C(jī)一般都具有較高的壓比（如GE ，GE ），使得燃機(jī)抽氣壓力高于低壓空分的操作壓力。燃?xì)廨啓C(jī)抽氣壓力與空分壓力的不匹配會(huì)造成壓縮功的損失。對(duì)某采用E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)和低壓空分的IGCC系統(tǒng)分析表明，如果采用完全整體空分而不增加膨脹透平回收壓縮功。但是，通過(guò)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(shí)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。 降NOX方式在IGCC中，有多種降NOX方式，其中幾種典型方式是：1） 燃料熱水濕化；2） 注蒸汽；3） 氮?dú)饣刈?。圖25 水蒸氣與氮?dú)庀♂尳礜OX效果比較圖與氮?dú)庀啾?，水蒸氣有很好的降NOX效果，水蒸汽與氮?dú)饨礜OX的效果比較如圖25所示[12]。燃料濕化是指通過(guò)飽和器對(duì)燃料加濕的方式，這種方式既有助于顯著降低NOX，又可以有效利用系統(tǒng)中的低品位熱量，從而提高系統(tǒng)的出力和效率。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(huì)在一定程度上降低系統(tǒng)效率。氮?dú)饣刈⒎譃閮煞N，一是氮?dú)饧訅阂院笈c燃料摻混，二是加壓氮?dú)庵苯踊刈⑷紵一亓鲄^(qū)。與第一種氮回注相比，直接回注燃燒室所需的氮?dú)鈮毫^低（如對(duì)某F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，），能夠節(jié)省氮壓機(jī)的耗功，但是其降NOX效果比氮?dú)馀c合成氣摻混要差。大量氮?dú)饣刈?huì)大大增加燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)饬髁?，需要燃機(jī)采取相應(yīng)的措施以增強(qiáng)通流能力。從國(guó)外IGCC電站的經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(guò)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)。 各典型IGCC電站的空分以及降NOx方式選擇IGCC系統(tǒng)的空分工藝以及空分整體化率的選擇與其降NOX方式和燃?xì)廨啓C(jī)通流調(diào)整措施緊密相關(guān)。Wabash River電站采取燃料濕化和注蒸汽的方式降NOX，氮?dú)獠换刈ⅲ銷Ox排放為3341mg/Nm3。由于不需要回注氮?dú)?，為了降低廠用電率，選擇了低壓空分，并且為了保證系統(tǒng)的可靠性采取了完全獨(dú)立空分。同時(shí)通過(guò)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。Tampa電站采用氮?dú)饣刈⒌姆绞浇礜OX，空分所得的氮?dú)馊炕刈⑷細(xì)廨啓C(jī)燃燒室，其NOX排放為3341mg/Nm3。大量氮?dú)饣刈?huì)顯著增加系統(tǒng)出力，但是也對(duì)燃機(jī)通流能力提出了較高的要求，Tampa電站采用的是GE 7FA燃?xì)廨啓C(jī)，通過(guò)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)初溫的方式，使透平通流能力增大16%18%。再加上燃機(jī)本身的裕度，能夠滿足通流的要求[13]。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?？辗炙玫?dú)饨?jīng)過(guò)加壓，與凈燃料氣摻混以后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室（Buggenum電站的NOX排放約10mg/Nm3，Puertollano電站的NOX排放約50mg/Nm3）。從前面的分析不難得到，空分應(yīng)該采用高壓的形式以配合氮?dú)饣刈?。而大量氮?dú)饣刈⒈厝灰笕紮C(jī)采取相應(yīng)的增加通流能力的措施。與美國(guó)的兩個(gè)IGCC電站不同，Buggenum和Puertollano電站沒有對(duì)壓氣機(jī)或者透平進(jìn)行調(diào)整，而是通過(guò)系統(tǒng)集成，即完全整體空分來(lái)適應(yīng)燃?xì)饬髁康脑黾樱瑫r(shí)通過(guò)空分整體化提高了系統(tǒng)效率。但是，Buggenum的實(shí)踐表明，完全整體空分大大增加了系統(tǒng)起動(dòng)和控制的難度，所以后來(lái)又為空分增加了一個(gè)容量50%的獨(dú)立空壓機(jī)用于空分的起動(dòng)，待到起動(dòng)完成以后再逐漸切換到完全整體空分運(yùn)行。Puertollano電站吸收了這一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了一個(gè)容量50%的空壓機(jī)作為起動(dòng)使用。 IGCC技術(shù)與粉煤發(fā)電技術(shù)的比較目前，我國(guó)一次能源消費(fèi)總量中60%以上來(lái)自煤炭，我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展仍將以燃煤發(fā)電機(jī)組為主。世界能源委員會(huì)的研究報(bào)告指出，對(duì)于主要煤炭消費(fèi)國(guó)來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)期能源，預(yù)計(jì)到2030年，全球約72%的發(fā)電將使用潔凈煤技術(shù)。IGCC發(fā)電的主要技術(shù)是利用煤（或渣油、石油焦等）作為燃料，通過(guò)氣化爐將其轉(zhuǎn)化為煤氣，并經(jīng)除塵、脫硫等凈化工藝，使之成為潔凈的煤氣供給燃?xì)廨啓C(jī)燃燒做功。燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱和氣化島顯熱回收的熱量經(jīng)余熱鍋爐加熱給水產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電過(guò)程。IGCC將煤炭氣化、煤氣凈化和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，與粉煤發(fā)電技術(shù)相比具有高效率、清潔、節(jié)水、適應(yīng)燃料性廣，易于實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。(1) 高效率發(fā)電目前，%，%；%，%。%，%?？梢?00MWIGCC機(jī)組的供電效率遠(yuǎn)高于300MW亞臨界機(jī)組的供電效率，而與600MW超臨界機(jī)組的供電效率大致相當(dāng)。IGCC發(fā)電機(jī)組與常規(guī)燃煤機(jī)組的效率比較見表26。從表中還可以看出，當(dāng)采用F級(jí)燃機(jī)的IGCC機(jī)組（容量為400MW）時(shí)，其發(fā)電效率約為52%，%，高于1000MW超超臨界機(jī)組的供電效率。表26 電站效率比較表項(xiàng)目IGCC系統(tǒng)亞臨界超臨界超超臨界容量E級(jí)200MWF級(jí)400MW300MW600MW660MW1000MW發(fā)電效率%52%%%%%廠用電率%15%7%