【正文】 IGCC發(fā)電機組與常規(guī)燃煤機組的效率比較見表31。l 在各島及主設(shè)備裝置技術(shù)模塊化后，重點解決各島之間的聯(lián)系以及島內(nèi)各主要設(shè)備之間的聯(lián)系。模塊技術(shù)集成優(yōu)化主要研究內(nèi)容為：l 氣化島系統(tǒng)參數(shù)及主要設(shè)備中的空分裝置、氣化原料制備裝置、氣化爐、廢鍋、凈化裝置等的選擇與優(yōu)化。蒸汽輪機的參數(shù)需要與余熱鍋爐及全廠汽水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后確定。適合IGCC發(fā)電技術(shù)的高效燃?xì)廨啓C的開發(fā)及國產(chǎn)化。可采用有補燃或無補燃系統(tǒng)，無補燃系統(tǒng)較為經(jīng)濟。余熱鍋爐的一般設(shè)計原則：余熱鍋爐是聯(lián)合循環(huán)裝置中一個重要的有機組成部分，其設(shè)計的前提是聯(lián)合循環(huán)及其汽水系統(tǒng)方案，并由此確定其換熱量—汽水溫度圖。在污染物控制方面，可以將空分所得的非純凈氮氣再用氮氣壓縮機增壓后，與潔凈合成氣摻混在一起，返回到燃?xì)廨啓C系統(tǒng)中去參與循環(huán)過程，這樣，就可以增加做工的工質(zhì)流率，并可以降低燃燒室內(nèi)火焰的溫度，有利于減少NOX的排放量。燃?xì)廨啓C通流部分改造。根據(jù)現(xiàn)代燃?xì)廨啓C技術(shù)發(fā)展水平，簡單循環(huán)凈效率應(yīng)在34%以上。l 空分、供煤、氣化、凈化和廢鍋等單元技術(shù)的模塊化和集成優(yōu)化。l 廢鍋的制造技術(shù)。l 煤種與氣化爐的優(yōu)化。并為水洗除塵裝置預(yù)留接口，目的是除去粗煤氣中殘余的顆粒及鹵化物和NH3等雜質(zhì)。⑧凈化工藝在IGCC系統(tǒng)中，合成氣凈化工藝必不可少。但是輻鍋與對鍋的造價很高，為降低IGCC電站的投資，也可采用高溫粗煤氣激冷降溫，高溫高壓冷卻水閃蒸回收熱量方案。⑦廢熱鍋爐煤氣化爐出口的粗煤氣在凈化前必須降溫，其含有的大量顯熱能需要回收以提高效率?？辗盅b置涉及低溫技術(shù)，在運行方式和啟停過程中有其特殊性，而且低溫技術(shù)本身還會帶來安全性問題，這些都應(yīng)當(dāng)在設(shè)計中予以全面考慮和解決。IGCC的空分裝置均采用傳統(tǒng)的氣體低溫分離技術(shù)。⑤氣化劑選擇氧氣或空氣作為氣化過程的氧化劑對IGCC系統(tǒng)的全廠效率有很大的影響。干法進(jìn)料是指用加壓鎖斗系統(tǒng)向加壓氣化爐輸送干煤或干煤粉。當(dāng)負(fù)荷變化時，為了保證火焰的穩(wěn)定，氧碳比必須操作得很準(zhǔn)確，這就要求氧氣和煤量同時調(diào)節(jié)，并且要十分準(zhǔn)確。③氣化爐的負(fù)荷跟蹤特性能夠在部分負(fù)荷下運行，并能很好的跟蹤負(fù)荷的變化，而氣化爐的效率不至于下降很多，這對于電力生產(chǎn)非常重要。對于相同的氣化爐，在高溫和高壓下運行必然能提高出力，氣流床氣化爐在高溫和高壓下運行，其單爐出力目前也是最大的，可以達(dá)到2500t/d。從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)推出的最佳氣化溫度約在1300℃左右，太高的氣化溫度會使氧耗大增，而且過剩的熱量以粗煤氣顯熱的形式排出，回收非常困難，勢必造成熱效率降低和投資增加。對于IGCC電站，最重要的是全廠的總效率，它包括煤氣的顯熱和蒸汽的熱能。從反應(yīng)工藝的角度看，煤氣化就是以煤為原料，以空氣或氧氣等為氣化介質(zhì)，通過不完全的燃燒過程，將煤中的碳轉(zhuǎn)化為CO、HCH4等有效成分，煤氣中必然還會有CO2和H2O等。與IGCC相適應(yīng)的模塊配套島內(nèi)的主要設(shè)備包括：蒸汽輪機及配套系統(tǒng)等。本工程建設(shè)場地的東側(cè)為2臺125MW機組，可在其退役后拆除利用該部分場地再擴建一套400MW級IGCC發(fā)電機組。天然氣發(fā)電工程3套109FA燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組（裝機容量為3390 MW）均于2005年投產(chǎn)杭州華電半山發(fā)電有限公司一期1臺12MW燃煤機組于1958年投產(chǎn)，目前已拆除。初步為我國IGCC示范電站項目的設(shè)計、建設(shè)和運行提供了思路。杭州制氧機集團(tuán)公司可以生產(chǎn)用于IGCC的大型空分設(shè)備。余熱鍋爐、蒸汽輪機及發(fā)電機我國能進(jìn)行設(shè)計制造。建立了國內(nèi)第一個重型燃?xì)廨啓C合成氣燃燒室中壓全尺寸試驗臺，燃燒室熱功率2MW；完成了36MW燃?xì)廨啓C燃燒室的改造設(shè)計和1/6流量模擬試驗驗證；初步建立了煤氣化發(fā)電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的仿真控制系統(tǒng)實驗平臺，為聯(lián)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)提供了試驗平臺。常溫凈化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展成熟，應(yīng)用廣泛，設(shè)備完全可以實現(xiàn)國產(chǎn)化。在一定條件下，出口硫化物濃度20mg/Nm3，達(dá)到99%的脫硫效率?！笆濉逼陂g，西安熱工研究院聯(lián)合國內(nèi)多家單位共同開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)，進(jìn)行了24t/d中試研究。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)基礎(chǔ)① 氣化工藝國內(nèi)一些研究機構(gòu)對氣化爐的研究開展較早，特別是固定床和流化床的研究，氣化爐燒嘴、耐火材料等方面的研究取得了一定的進(jìn)展，有些已應(yīng)用于工程項目。在常規(guī)IGCC中采用CO2分離技術(shù)。l 提高負(fù)荷跟蹤能力與負(fù)荷適應(yīng)性。系統(tǒng)的優(yōu)化還必須兼顧投資和可靠性等。④ 先進(jìn)的合成氣凈化技術(shù)l 高溫合成氣凈化，目標(biāo)是500℃～600℃的高溫除塵和脫硫，使IGCC的效率提高1～2個百分點，同時可簡化系統(tǒng)、降低建設(shè)投資。l 改進(jìn)和發(fā)展現(xiàn)有的煤氣化工藝。③ 發(fā)展改進(jìn)煤氣化和空分技術(shù)l 繼續(xù)發(fā)展空氣氣化技術(shù)。根據(jù)預(yù)測，如果燃?xì)廨啓C透平煙氣初溫接近1600℃并采用多級燃燒，底部循環(huán)采用卡林那循環(huán)，聯(lián)合循環(huán)的凈效率有可能達(dá)到65%～70%，以這種聯(lián)合循環(huán)為基礎(chǔ)的IGCC電站凈效率有可能達(dá)到55%～60%。IGCC發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向是：第二代技術(shù)的完善與提高以及向第三代技術(shù)過渡，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用；IGCC與多聯(lián)產(chǎn)的聯(lián)合運行，可提高IGCC與多聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟性。采用多壓的余熱鍋爐和再熱式蒸汽輪機，將使IGCC系統(tǒng)的蒸汽部分的參數(shù)得到更好的優(yōu)化，提高整體能源利用效率。自八十年代后期以來，燃?xì)廨啓C技術(shù)發(fā)展非?？欤S著葉片材料和冷卻技術(shù)的改進(jìn)，透平煙氣初溫不斷提高。第三代IGCC技術(shù)的特點主要體現(xiàn)在：① 針對IGCC發(fā)展的需要，研發(fā)新型氣化爐及氣化工藝，進(jìn)一步提高氣化爐燃料適應(yīng)性、可用率和轉(zhuǎn)換效率，從而提高IGCC裝置的凈效率。這兩座電站分別采用了水煤漿供料和干煤粉供料，濕法常溫的煤氣凈化工藝配合一定程度的干法凈化，采用了更先進(jìn)的燃?xì)廨啓C和多壓的蒸汽系統(tǒng)，再熱式汽輪機。在世界范圍內(nèi)，IGCC技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了概念性驗證階段和商業(yè)示范階段，正在走向商業(yè)化應(yīng)用。 IGCC技術(shù)的發(fā)展趨勢步入21世紀(jì)的世界電力工業(yè)，面臨著電力需求的持續(xù)增長、環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格、資源越趨短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)CO2儲存問題解決后，發(fā)電工業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體排放問題可望得到徹底的解決。但是，一個不容忽視的事實是，我國目前溫室氣體CO2排放量已經(jīng)位居世界第二，預(yù)測表明，到2020年前后，我國CO2排放量將超過美國，居世界第一。可適燒各種煤,包括高硫煤，這是其他技術(shù)所不能的。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%6%%5%供電效率%%%%%%發(fā)電標(biāo)煤耗g/kWh298270供電標(biāo)煤耗g/kWh(2) 清潔綠色能源IGCC采用合成煤氣“燃燒前脫除污染物”技術(shù)，保證進(jìn)入燃機燃燒室的燃料是“潔凈”的。%，%。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燃燒做功。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?？辗炙玫獨饨?jīng)過加壓，與凈燃料氣摻混以后進(jìn)入燃?xì)廨啓C燃燒室（Buggenum電站的NOX排放約10mg/Nm3，Puertollano電站的NOX排放約50mg/Nm3）。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?xì)廨啓C燃燒室，其NOX排放為3341mg/Nm3。 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通流調(diào)整措施緊密相關(guān)。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)。 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。由于現(xiàn)代重型燃?xì)廨啓C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。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(chǎn)生的氮氣壓力也相應(yīng)較高的空分[10]。改燒合成氣后，燃?xì)饬髁坑酗@著的提高，但是燃?xì)廨啓C壓氣機的喘振裕度和燃機軸系的強度等要求使得燃?xì)廨啓C出力的增加受到限制。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。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。另外，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C一般都是以天然氣為燃料設(shè)計的，在改燒中低熱值合成氣后，燃?xì)饬髁繒@著增加（根據(jù)燃料熱值不同，可能增加820%以上）?？辗终w化率定義為從燃?xì)廨啓C壓氣機抽氣量與空分所需總空氣量之比。而在Tampa電站的設(shè)計中，回注氮氣的溫度更是提高到了400℃[7]。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。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?xì)廨啓C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(zhì)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(chǎn)生低壓蒸汽；4）利用對流廢鍋出口粗合成氣預(yù)熱廢鍋給水。溫度相對較高的低品位熱（300℃左右）用于提高進(jìn)入燃?xì)廨啓C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。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(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。通過這兩種方式的低品位熱量利用，Wabash %，供電效率達(dá)到41%[2][4]。這部分潛熱量大，但品位相對較低，利用比較困難。 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(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]。在氣化爐的選擇上，Wabash River電站采用了Destec氣化爐，Tampa電站采用了Texaco氣化爐，這兩種氣化爐均由美國公司設(shè)計和生產(chǎn)。由此可見，F(xiàn)級的主力燃機機組將是我國未來燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向。燃機發(fā)電不僅在機組容量上大幅增加，而且機組性能水平也不斷提高。2) 從80年代開始，隨著我國改革開放、經(jīng)濟迅速發(fā)展的需要，燃?xì)廨啓C發(fā)電得到了較大發(fā)展。我國燃機研發(fā)歷程可以分為4個階段：1) 20世紀(jì)60年代我國開始研究和引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)幾MW的燃?xì)廨啓C，70年代末80年代初原水電部引進(jìn)10套MS5000系列、單機容量為20MW級的燃機并投入運行。表23列出了目前典型的大容量燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組的種類、出力和效率。以GE公司G/H系列為代表的300MW（300MW以上）等級機組，包括SIEMENS/WH公司的G、H系列等機組。2) 主力機組。根據(jù)100MW以上燃機的主要性能數(shù)據(jù)分析，可以將目前燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組分為3個技術(shù)層次。例如，日本三菱公司開發(fā)的具有1500℃初溫的501G燃機已經(jīng)于2001年投入運行。3) 80年代100MW等級的燃機投入運行，燃機初溫達(dá)到1100～1288℃，排氣溫度達(dá)到500～600℃,這使得聯(lián)合循環(huán)效率超過50％.4) 90年代至今,這是燃?xì)廨啓C的全面發(fā)展階段。 燃?xì)廨啓C的發(fā)展及主要產(chǎn)品從1939年瑞士推出了世界上第一臺發(fā)電用燃?xì)廨啓C后，燃機在發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。即使是燃油的機組，其排放相對常規(guī)火電機組也是相當(dāng)?shù)偷摹Ｈ細(xì)廨啓C發(fā)電機組啟動快，自動化程度高，調(diào)峰性能特別突出，燃?xì)廨啓C一般僅10多分鐘便可并入電網(wǎng)參與負(fù)荷調(diào)節(jié)。亞臨界、超臨界火電機組效率為40％左右，燃?xì)廨啓C單循環(huán)效率也僅為37％左右，但聯(lián)合循環(huán)機組效率可達(dá)50％以上，目前最新技術(shù)的燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機組的效率已經(jīng)達(dá)到60％。汽輪機動靜部件間隙一般也設(shè)計較大以適應(yīng)快速起停的要求。4) 耐磨和熱障涂層。先進(jìn)燃機還采用新的蒸汽冷卻技術(shù)，使1995年美國GE公司推出的MS9001H型燃機的第一級噴嘴進(jìn)口燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1426℃。單循環(huán)燃?xì)廨啓C主要采用：1) 先進(jìn)的壓氣機氣動設(shè)計。國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的新型煤氣化示范裝置已在建設(shè)之中，一旦成功，將扭轉(zhuǎn)我國大型煤氣化技術(shù)長期依賴進(jìn)口的局面，為發(fā)展我國的潔凈煤技術(shù)奠定良好的基礎(chǔ)。目前正在建設(shè)或已完成可研的引進(jìn)煤氣化技術(shù)有套，分別是浩良河（Texaco技術(shù)，）、金陵石化（Texaco技術(shù)），湖北雙環(huán)（Shell技術(shù)）、巴陵石化洞庭氮肥廠（Shell技術(shù)）、柳州（Shell技術(shù)）、神化集團(tuán)（Shell技術(shù)）。 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在中試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了流化床氧氣/蒸汽鼓風(fēng)制合成氣的工業(yè)示范裝置開發(fā)，煙煤處理能力為100t/d，常壓，目前已投入生產(chǎn)運轉(zhuǎn)，能穩(wěn)定灰熔聚操作?！熬盼濉逼陂g華東理工大學(xué)、魯南化肥廠、天辰化學(xué)工程公司承擔(dān)了國家重點科技攻關(guān)項目“新型（多噴嘴對置）水煤漿氣化爐開發(fā)”（22噸煤/天裝置），該項目已通過有關(guān)部門組織的鑒定和驗收，被專家評為“填補國內(nèi)空白”和“國際領(lǐng)先”。 煤氣化技術(shù)的特點 我國煤氣化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向研究開發(fā)現(xiàn)狀中國自煤的商業(yè)化和社會化迄今已100余年