【正文】 汽循環(huán)部分約占總發(fā)電量的二分之一，因此IGCC的發(fā)電水耗小，約為同容量常規(guī)煤電機(jī)組的1/2～2/3左右。對煤種有較強(qiáng)的適應(yīng)性。由于合成煤氣氣流流量小（通常為同容量常規(guī)燃煤機(jī)組尾部煙氣量的1/10），非常方便污染因子的處理。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(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?？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)。(1) 高效率發(fā)電目前，%，%；%，%。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)電過程。世界能源委員會的研究報(bào)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(jì)到2030年，全球約72%的發(fā)電將使用潔凈煤技術(shù)。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。與美國的兩個(gè)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(shí)通過空分整體化提高了系統(tǒng)效率。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?。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。大量氮?dú)饣刈@著增加系統(tǒng)出力，但是也對燃機(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%。同時(shí)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。Wabash River電站采取燃料濕化和注蒸汽的方式降NOX，氮?dú)獠换刈?，其NOx排放為3341mg/Nm3。從國外IGCC電站的經(jīng)驗(yàn)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)。與第一種氮回注相比，直接回注燃燒室所需的氮?dú)鈮毫^低（如對某F級燃?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。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。圖25 水蒸氣與氮?dú)庀♂尳礜OX效果比較圖與氮?dú)庀啾龋魵庥泻芎玫慕礜OX效果，水蒸汽與氮?dú)饨礜OX的效果比較如圖25所示[12]。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(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。燃?xì)廨啓C(jī)抽氣壓力與空分壓力的不匹配會造成壓縮功的損失。低壓空分一般也不宜與空分整體化同時(shí)采用。一般來講，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，對某200MW級IGCC的研究表明，在低壓空分的情況下采用氮?dú)饣刈⒖赡軙档拖到y(tǒng)效率12個(gè)百分點(diǎn)。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。以Foster Wheeler對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，通過調(diào)整IGV角度和燃機(jī)抽氣的措施緩解燃機(jī)通流問題。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?？辗终w化率與系統(tǒng)出力的關(guān)系較為復(fù)雜?，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]。對完全整體空分，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)。而空分整體化可以減少燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)饬髁?，從而改善燃機(jī)通流。這給燃機(jī)的通流帶來較大的困難。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。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)通流問題得到緩解。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。 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。國外四個(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℃。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IGCC系統(tǒng)的控制也提出了更高的要求?？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?？梢姡S著IGCC技術(shù)的發(fā)展，低品位熱量的利用越來越受到重視。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。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，且便于不同來源的低品位熱量的統(tǒng)一調(diào)配利用。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）。氣/氣換熱仍是IGCC電站采用的常規(guī)能量回收方式。后來，Tampa電站取消了高溫氣/氣換熱器[5]。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?。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]。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。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。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?？梢?，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。而Buggenum和Puertollano分別采用了歐洲的Shell氣化爐和Prenflo氣化爐。在IGCC系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵、造價(jià)最高的兩個(gè)部件是氣化爐和燃?xì)廨啓C(jī)。 IGCC的技術(shù)特點(diǎn)及比較 技術(shù)特點(diǎn)及工藝組成國外典型IGCC電站分析這四個(gè)典型的IGCC電站分別是美國的Wabash River電站（1995年投運(yùn)）和Tampa電站（1996年投運(yùn)），荷蘭的Buggenum電站（1994年投運(yùn)）和西班牙的Puertollano電站（1997年投運(yùn)）。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)。以深圳、上海、浙江等地引進(jìn)的GE公司的PG9000E系列10臺燃機(jī)為例，單機(jī)容量已達(dá)123MW，效率達(dá)到33%。3) 90年代是我國燃機(jī)發(fā)電的第4階段。尤其在廣東省，先后建成了華能汕頭燃機(jī)電廠和深圳月亮灣、珠海洪灣等一批燃機(jī)－蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠。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。這可謂是我國燃機(jī)發(fā)展的第1和第2階段。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。由表可見，目前單套燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的容量已經(jīng)達(dá)到480MW，效率達(dá)到了60%。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。這些機(jī)組代表了目前國際燃機(jī)的最先進(jìn)水平，也是燃機(jī)的發(fā)展方向。3) 發(fā)展機(jī)組。以GE公司F系列為代表的200MW（200~260MW）等級機(jī)組，包括SIEMENS/WH公司的F系列、SIEMENS公司的3A系列、ABB公司的GT26等機(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。即：1) 普及機(jī)組。目前世界上主要燃機(jī)制造廠家有100多家。5) 90年代以來，西方各國大力發(fā)展低合成氣燃機(jī)，即在原機(jī)上進(jìn)行噴嘴和通流部分的改造，以適應(yīng)IGCC技術(shù)的應(yīng)用。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(gè)新時(shí)代。由于聯(lián)合循環(huán)具有明顯的優(yōu)越性，大功率高效率的燃機(jī)不斷出現(xiàn)，燃機(jī)初溫達(dá)到了1300℃，單燃機(jī)效率就可達(dá)36％～38％。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。20世紀(jì)90年代以來，由于聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的成熟，燃機(jī)在發(fā)電領(lǐng)域中得到了迅速發(fā)展，至今已成為發(fā)電設(shè)備的重要組成部分。設(shè)備數(shù)量的減少有利于機(jī)組可靠性的提高。系統(tǒng)可靠性高。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。雖然采用聯(lián)合循環(huán)后調(diào)峰特性下降一些，但還是好于常規(guī)火電機(jī)組地啟動(dòng)性能，半小時(shí)左右就可在電網(wǎng)中發(fā)揮調(diào)峰作用。3) 運(yùn)行靈活性好。2) 投資少，建設(shè)周期短。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。余熱鍋爐一般采用多壓設(shè)計(jì)。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。在定向結(jié)晶合金葉片上采用耐磨涂層是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，提高了燃?xì)馔钙饺~片在高溫小運(yùn)行的可靠性；另外，先進(jìn)的陶瓷熱障涂層也是降低葉片溫度的有效方法。在501G型燃機(jī)中就采用了定向結(jié)晶合金，在美國ATS計(jì)劃中F/G系列燃機(jī)則采用了單晶鑄造葉片等技術(shù)。3) 耐熱合金材料的應(yīng)用。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。這主要是借助于不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（如三維設(shè)計(jì)等），因而使得發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)更為合理。燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)[70]從上個(gè)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。煤氣化技術(shù)未來應(yīng)該向大規(guī)模、高效（單爐處理煤量在3000噸/d以上）的方向發(fā)展，這既是以煤氣化為龍頭的大宗化學(xué)品制備（合成氨、甲醇、醋酸）技術(shù)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電技術(shù)、以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和煤間接液化合成油品等技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的要求，也符合現(xiàn)代化工技術(shù)向大型化、單系列發(fā)展的總體趨勢。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)。列于表22表22 我國大型加壓煤氣化工業(yè)裝置統(tǒng)計(jì)工廠技術(shù)氣化爐數(shù)量氣化壓力Mpa單爐煤量噸/d配套裝置運(yùn)轉(zhuǎn)情況山西潞城Lurgi4開1備40030萬噸合成氨運(yùn)轉(zhuǎn)魯南Texaco3開1備45010萬噸合成氨20萬噸甲醇運(yùn)轉(zhuǎn)渭河Texaco2開1備68030萬噸合成氨運(yùn)轉(zhuǎn)淮南Texaco2開1備50020萬噸合成氨運(yùn)轉(zhuǎn)上海吳涇Texaco3開1備50020萬噸甲醇運(yùn)轉(zhuǎn)浩良河Texaco2開1備500建設(shè)金陵Texaco2開1備45萬噸合成氨建設(shè)湖北雙環(huán)Shell1臺1000建設(shè)洞庭Shell1臺150030萬噸合成氨建設(shè)柳州Shell1臺1500建設(shè)神化Shell可研德州國產(chǎn)多噴嘴對置氣流床2開1備75030萬噸合成氨建設(shè)兗礦集團(tuán)國產(chǎn)多噴嘴對置氣流床2臺115024萬噸甲醇建設(shè)近20年來我國共引進(jìn)13臺Texaco氣化爐，國內(nèi)配套完成了部分設(shè)計(jì)、安裝與操作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。這四套裝置均用于生產(chǎn)合成氣，三套制氨，一套制甲醇。工業(yè)運(yùn)行情況上世紀(jì)80年代末以前，我國的煤氣化完全依賴常壓固定床技術(shù)，國內(nèi)有常壓固定床氣化爐數(shù)百臺，配套小型合成氨生產(chǎn)裝置及少量甲醇和聯(lián)醇裝置，這些氣化裝置中一部分至今仍在運(yùn)轉(zhuǎn)。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（）。結(jié)果表明，中試裝置的有效氣成分達(dá)到～83%，～2個(gè)百分點(diǎn)；碳轉(zhuǎn)化率98%，比Texaco高2～3個(gè)百分點(diǎn)；比煤耗、比氧耗均比Texaco降低7%，顯示了良好的商業(yè)應(yīng)用前景。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。期間不乏努力。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(gè)噴嘴，煤氣向上流動(dòng)，熔渣由爐底排出。ACGP為南非Ammonia, Explosive Chemical Industry Limited (AECI)與KBW（Koppers與Babcock amp。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。爐襯均采用水冷壁，擯棄耐火磚方案。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。Prenflo與Shell氣化爐的區(qū)別： Shell氣化爐不含輻射鍋爐（輻射鍋爐位于煤氣冷卻器上部），而Prenflo