【文章內容簡介】 用了歐洲的Shell氣化爐和Prenflo氣化爐。在燃氣輪機的選擇上，美國的兩個IGCC電站均采用了美國GE公司的7FA燃氣輪機，[2]?？梢?，在IGCC技術的發(fā)展中，本土化是決定關鍵技術選擇的重要因素。 低品位熱量利用為了提高供電效率，四個電站均通過廢鍋產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、燃氣輪機抽氣顯熱等。能否有效利用這些低品位熱量會對IGCC系統(tǒng)的供電效率產生很大的影響（如對Tampa電站，可產生1到4個百分點的影響）。特別需要指出的是，水煤漿給料的氣化爐產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） 產生熱水，通過飽和器對合成氣加熱加濕；2） 以直接換熱或者間接換熱的方式加熱凈合成氣，提高進入燃氣輪機的合成氣溫度；3） 產生低壓蒸汽，為系統(tǒng)其他過程如脫硫工藝提供蒸汽；4） 預熱鍋爐給水。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直接氣/氣換熱的方式加熱凈合成氣，以提高進入燃氣輪機的燃料溫度[3]。通過這兩種方式的低品位熱量利用，Wabash %，供電效率達到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氣，%。但是，由于潔凈煤氣和回注氮氣加熱器都是用粗煤氣加熱，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（16%－20%），因而在停爐過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，從而導致燃氣透平被腐蝕和形成積灰[4]。后來，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對流廢鍋下游的換熱器應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。經過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，且經過商業(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）。溫度相對較高的低品位熱（300℃左右）用于提高進入燃氣輪機的凈合成氣溫度，溫度相對較低的低品位熱（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的二次換熱方式實現熱量傳遞，這樣做的好處是增加了系統(tǒng)安全性，且便于不同來源的低品位熱量的統(tǒng)一調配利用。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）通過粗合成氣和燃氣輪機抽氣的低品位熱加熱凈合成氣濕化所需的熱水；2）通過直接氣/氣換熱方式利用粗合成氣加熱低溫凈合成氣，以水為介質將燃機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，并以閃蒸的方式產生低壓蒸汽；4）利用對流廢鍋出口粗合成氣預熱廢鍋給水?？梢姡S著IGCC技術的發(fā)展，低品位熱量的利用越來越受到重視。通過這些低品位熱量利用，%[2][4]?？傊ㄟ^飽和器加濕合成氣并提高合成氣溫度，以及提高進入燃氣輪機的合成氣溫度是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，利用粗合成氣預熱鍋爐給水或者利用多余的低品位熱產生低壓蒸汽也是有效的選擇。隨著IGCC技術的發(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)也將更加復雜，這對IGCC系統(tǒng)的控制也提出了更高的要求。需要說明的是，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措施提高燃氣輪機燃料進口溫度是提高IGCC系統(tǒng)效率的重要技術措施。國外四個典型的IGCC電站都將燃燒室進口合成氣溫度提高到了約300℃。而在Tampa電站的設計中，回注氮氣的溫度更是提高到了400℃[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氣輪機壓氣機抽取。空分所需壓縮空氣完全從燃氣輪機壓氣機抽取的形式稱為完全整體化空分，而由獨立的空壓機提供空分所需壓縮空氣則稱為完全獨立空分。介于完全整體化空分和完全獨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氣輪機抽取，部分由獨立的空壓機提供?？辗终w化率定義為從燃氣輪機壓氣機抽氣量與空分所需總空氣量之比。與獨立空分相比，整體空分具有幾個突出的優(yōu)點：1） 系統(tǒng)供電效率提高；2） 空分投資降低；3） 燃氣輪機通流問題得到緩解。一般認為，由于大型燃氣輪機的軸流壓氣機具有較高的等熵效率，如現代軸流壓氣機的效率可達到90%或者更高[8]，遠高于空分所采用的離心式空壓機等熵效率（當前能達到的等熵效率約83%），所以從燃氣輪機抽氣替代空分的空壓機可使IGCC系統(tǒng)具有更高的供電效率。同時，空分整體化降低了空分的空壓機投資，從而降低了整個IGCC的投資。另外，現代燃氣輪機一般都是以天然氣為燃料設計的，在改燒中低熱值合成氣后，燃氣流量會顯著增加（根據燃料熱值不同，可能增加820%以上）。這給燃機的通流帶來較大的困難。如GE9E燃機在不做調整的情況下通流裕度約為8%，如果不采取改善通流的措施，燃氣流量的增加可能會引起燃氣輪機壓氣機喘振等危險。而空分整體化可以減少燃氣輪機的燃氣流量，從而改善燃機通流。與完全獨立空分相比，整體空分的缺點也是明顯的：1） 增加了系統(tǒng)起動的難度；2） 增加系統(tǒng)運行控制的難度，降低系統(tǒng)可靠性和可用率；3） 可能會降低系統(tǒng)出力。對完全整體空分，空分只有在燃機先起動并且穩(wěn)定運行后才能啟動，這之前燃機只能燃用備用燃料直到氣化爐起動。而且整體空分將氣化爐、空分和燃氣輪機緊密的聯(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在國際上普遍認為，空分整體化率在30%50%之間是比較合理的選擇[8]。此時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通流問題，也不會給系統(tǒng)的起動和控制帶來難以克服的困難?？辗终w化率與系統(tǒng)出力的關系較為復雜。一般認為，燃氣輪機壓氣機抽取部分空氣以后，去往燃燒室的空氣量減小，進而會造成燃氣量的減小和系統(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，如燃氣輪機通流能力和軸系強度的限制。改燒合成氣后，燃氣流量有顯著的提高，但是燃氣輪機壓氣機的喘振裕度和燃機軸系的強度等要求使得燃氣輪機出力的增加受到限制。以Foster Wheeler對氮回注方式下的燃機出力、系統(tǒng)效率與空分整體化的關系的分析為例[9]，假設GE 9FA燃氣輪機的最大輸出功為286MW，通過調整IGV角度和燃機抽氣的措施緩解燃機通流問題。計算結果如圖1所示。在燃機抽氣量較小的時候，燃機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，當燃機抽氣量增加到一定程度以后，燃機不再需要通過調整IGV改善通流，這種情況下，燃機輸出功和系統(tǒng)凈輸出功都會隨燃機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氣/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，而所產生的氮氣壓力也相應較高的空分[10]。一般來講，低壓空分不宜與氮氣回注同時采用，因為低壓空分產生的氮氣壓力與環(huán)境壓力接近（），壓縮這部分氮氣需要消耗大量的功，導致廠用電率增加，對某200MW級IGCC的研究表明，在低壓空分的情況下采用氮氣回注可能會降低系統(tǒng)效率12個百分點。（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氣的時候，一般選擇高壓空分，高壓空分與氮氣回注結合能夠顯著增加系統(tǒng)出力，同時系統(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采用。由于現代重型燃氣輪機一般都具有較高的壓比（如GE ，GE ），使得燃機抽氣壓力高于低壓空分的操作壓力。燃氣輪機抽氣壓力與空分壓力的不匹配會造成壓縮功的損失。對某采用E級燃氣輪機和低壓空分的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，可結合燃機通流和降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） 氮氣回注。圖25 水蒸氣與氮氣稀釋降NOX效果比較圖與氮氣相比，水蒸氣有很好的降NOX效果，水蒸汽與氮氣降NOX的效果比較如圖25所示[12]。燃料濕化是指通過飽和器對燃料加濕的方式，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，會在一定程度上降低系統(tǒng)效率。氮氣回注分為兩種，一是氮氣加壓以后與燃料摻混，二是加壓氮氣直接回注燃燒室回流區(qū)。與第一種氮回注相比，直接回注燃燒室所需的氮氣壓力較低（如對某F級燃氣輪機，），能夠節(jié)省氮壓機的耗功，但是其降NOX效果比氮氣與合成氣摻混要差。大量氮氣回注會大大增加燃氣輪機的燃氣流量，需要燃機采取相應的措施以增強通流能力。從國外IGCC電站的經驗來看，燃料濕化和氮氣回注是IGCC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將NOX降低到10mg/Nm3（%@O2，以下同）以下，遠低于常規(guī)天然氣聯(lián)合循環(huán)的排放標準。 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方式和燃氣輪機通流調整措施緊密相關。Wabash River電站采取燃料濕化和注蒸汽的方式降NOX，氮氣不回注，其NOx排放為3341mg/Nm3。由于不需要回注氮氣，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立空分。同時通過關小壓氣機進口導葉、調整透平靜葉安裝角和適當降低燃氣輪機初溫等方式提高燃氣輪機的通流能力。Tampa電站采用氮氣回注的方式降NOX，空分所得的氮氣全部回注燃氣輪機燃燒室，其NOX排放為3341mg/Nm3。大量氮氣回注會顯著增加系統(tǒng)出力，但是也對燃機通流能力提出了較高的要求，Tampa電站采用的是GE 7FA燃氣輪機，通過關小壓氣機進口導葉、調整透平靜葉安裝角和適當降低燃氣輪機初溫的方式，使透平通流能力增大16%18%。再加上燃機本身的裕度，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氣回注相結合的方法?？辗炙玫獨饨涍^加壓，與凈燃料氣摻混以后進入燃氣輪機燃燒室（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，空分應該采用高壓的形式以配合氮氣回注。而大量氮氣回注必然要求燃機采取相應的增加通流能力的措施。與美國的兩個IGCC電站不同，Buggenum和Puertollano電站沒有對壓氣機或者透平進行調整，而是通過系統(tǒng)集成，即完全整體空分來適應燃氣流量的增加，同時通過空分整體化提高了系統(tǒng)效率。但是，Buggenum的實踐表明，完全整體空分大大增加了系統(tǒng)起動和控制的難度，所以后來又為空分增加了一個容量50%的獨立空壓機用于空分的起動，待到起動完成以后再逐漸切換到完全整體空分運行。Puertollano電站吸收了這一點經驗，在設計時就考慮了一個容量50%的空壓機作為起動使用。 IGCC技術與粉煤發(fā)電技術的比較目前，我國一次能源消費總量中60%以上來自煤炭，我國電力工業(yè)的發(fā)展仍將以燃煤發(fā)電機組為主。世界能源委員會的研究報告指出，對于主要煤炭消費國來說，今后幾十年內，從煤炭中提取的合成氣體、液體和氫將是重要的長期能源，預計到2030年，全球約72%的發(fā)電將使用潔凈煤技術。IGCC發(fā)電的主要技術是利用煤（或渣油、石油焦等）作為燃料，通過氣化爐將其轉化為煤氣，并經除塵、脫硫等凈化工藝，使之成為潔凈的煤氣供給燃氣輪機燃燒做功。燃氣輪機的排氣余熱和氣化島顯熱回收的熱量經余熱鍋爐加熱給水產生過熱蒸汽，帶動蒸汽輪機發(fā)電，從而實現煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電過程。IGCC將煤炭氣化、煤氣凈化和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術有機地結合在一起，與粉煤發(fā)電技術相比具有高效率、清潔、節(jié)水、適應燃料性廣，易于實現多聯(lián)產等優(yōu)點。(1) 高效率發(fā)電目前，%，%；%，%。%，%?？梢?00MWIGCC機組的供電效率遠高于300MW亞臨界機組的供電效率，而與600MW超臨界機組的供電效率大致相當。IGCC發(fā)電機組與常規(guī)燃煤機組的效率比較見表26。從表中還可以看出，當采用F級燃機的IGCC機組（容量為400MW）時，其發(fā)電效率約為52%，%，高于1000MW超超臨界機組的供電效率。表26 電站效率比較表項目IGCC系統(tǒng)亞臨界超臨界超超臨界容量E級200MWF級400MW300MW600MW660MW1000MW發(fā)電效率%52%%%%%廠用電率%15%7%