【正文】 關(guān)鍵技術(shù)（含高溫凈化）”立項(xiàng)，有十余個(gè)單位參加攻關(guān)；1999年科技部立項(xiàng)“煤的熱解、氣化及高溫凈化過程的基礎(chǔ)研究”正在進(jìn)行中；近20年來我國共引進(jìn)13臺(tái)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)?！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(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)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(xiàng)目已通過有關(guān)部門組織的鑒定和驗(yàn)收，被專家評為“填補(bǔ)國內(nèi)空白”和“國際領(lǐng)先”。該技術(shù)現(xiàn)已授權(quán)發(fā)明專利——“多噴嘴對置式水煤漿或粉煤氣化爐及其應(yīng)用”。 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(yùn)轉(zhuǎn)，能穩(wěn)定灰熔聚操作。上世紀(jì)80年代初我國開始引進(jìn)第二代煤氣化技術(shù)，一家引進(jìn)Lurgi技術(shù)，于山西潞城建廠，氣化爐三開一備；共有4家引進(jìn)Texaco水煤漿氣化裝置，分別建于魯南（三臺(tái)爐，單爐日處理450噸煤，）、上海吳涇（四臺(tái)爐，三開一備，單爐日處理500噸煤，）、渭河（三臺(tái)爐，二開一備，單爐日處理820噸煤，）、淮南（三臺(tái)爐，二開一備，單爐日處理500噸煤，）。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)）。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，神化集團(tuán)準(zhǔn)備引進(jìn)的Shell裝置已完成可研報(bào)告。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)。 燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展 燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)技術(shù)特點(diǎn)燃?xì)廨啓C(jī)主要是根據(jù)布雷頓（BRAYTON）循環(huán)原理將燃料的化學(xué)能通過透平－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電能。單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)主要采用：1) 先進(jìn)的壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。2) 葉片的冷卻技術(shù)。先進(jìn)燃機(jī)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(jī)的第一級噴嘴進(jìn)口燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1426℃。例如采用定向結(jié)晶和單晶高溫合金。4) 耐磨和熱障涂層。一般聯(lián)合循環(huán)都采用以燃?xì)廨啓C(jī)帶不補(bǔ)燃的余熱鍋爐后續(xù)汽輪機(jī)組成聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。汽輪機(jī)動(dòng)靜部件間隙一般也設(shè)計(jì)較大以適應(yīng)快速起停的要求。整個(gè)余熱鍋爐多壓設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較低的熱慣性，使余熱鍋爐能夠適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)快速啟停和快速加減負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性要求。亞臨界、超臨界火電機(jī)組效率為40％左右，燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)效率也僅為37％左右，但聯(lián)合循環(huán)機(jī)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(jī)組的效率已經(jīng)達(dá)到60％。由于燃機(jī)設(shè)備體積小，布置緊湊，制造廠家一般采用集裝箱式的設(shè)備組裝結(jié)構(gòu)發(fā)貨到現(xiàn)場，因此現(xiàn)場安裝方便，并且機(jī)組系統(tǒng)簡單，輔助設(shè)備少，能夠在較小的場地、在較短的時(shí)間內(nèi)安裝完成，使機(jī)組很快地投入運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)快，自動(dòng)化程度高，調(diào)峰性能特別突出，燃?xì)廨啓C(jī)一般僅10多分鐘便可并入電網(wǎng)參與負(fù)荷調(diào)節(jié)。4) 環(huán)保指標(biāo)好。即使是燃油的機(jī)組，其排放相對常規(guī)火電機(jī)組也是相當(dāng)?shù)偷?。?lián)合循環(huán)機(jī)組系統(tǒng)簡單，整體系統(tǒng)維修方便，機(jī)組輔機(jī)少，維修工作量小。 燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展及主要產(chǎn)品從1939年瑞士推出了世界上第一臺(tái)發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)后，燃機(jī)在發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)世界燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的發(fā)展大致經(jīng)歷了5個(gè)階段：1) 60年代開始建設(shè)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電廠，但當(dāng)時(shí)燃機(jī)初溫較低，聯(lián)合循環(huán)效率也較低，只有35％左右。3) 80年代100MW等級的燃機(jī)投入運(yùn)行，燃機(jī)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(jī)的全面發(fā)展階段。單機(jī)燃機(jī)容量200MW以上的機(jī)組已經(jīng)投入正常商業(yè)運(yùn)行，而且成為目前各大燃機(jī)制造商研究和發(fā)展的主力機(jī)組。例如，日本三菱公司開發(fā)的具有1500℃初溫的501G燃機(jī)已經(jīng)于2001年投入運(yùn)行。這方面以GE（坦帕）和西門子（比赫鈉姆）為代表。根據(jù)100MW以上燃機(jī)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(jī)組分為3個(gè)技術(shù)層次。以GE公司E系列為代表的100MW（110~190MW）等級機(jī)組,包括SIEMENS/WH公司的E系列、SIEMENS公司的2A系列和ABB公司的GT13等機(jī)組。2) 主力機(jī)組。這些都是目前國際上發(fā)電燃機(jī)的主力機(jī)組， 我國目前有10多個(gè)電廠在應(yīng)用。以GE公司G/H系列為代表的300MW（300MW以上）等級機(jī)組，包括SIEMENS/WH公司的G、H系列等機(jī)組。特別是H系列機(jī)組，在美國國家能源部資助的先進(jìn)燃機(jī)透平系統(tǒng)計(jì)劃（ATS）中也使用了該系列機(jī)組。表23列出了目前典型的大容量燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的種類、出力和效率。表23 主要大型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能[63][70]聯(lián)合循環(huán)機(jī)型采用燃機(jī)出力/MW效率/%KA261GT26S109APG9001FAS109HPG9001HMPCPI（M501G）M501G MPCPI（M701G）M701GGUD IS 我國燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與展望我國的燃機(jī)技術(shù)研發(fā)也是比較早的，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的燃?xì)廨啓C(jī)，電廠燃?xì)廨啓C(jī)的研制也始于上世紀(jì)50年代。我國燃機(jī)研發(fā)歷程可以分為4個(gè)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(jī)，70年代末80年代初原水電部引進(jìn)10套MS5000系列、單機(jī)容量為20MW級的燃機(jī)并投入運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，由國家重點(diǎn)投資的南京汽輪機(jī)廠采用引進(jìn)技術(shù)使我國具有了生產(chǎn)MS5000、MS6000系列燃機(jī)的能力。2) 從80年代開始，隨著我國改革開放、經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的需要，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電得到了較大發(fā)展。這可謂是我國燃機(jī)發(fā)展的第3階段。燃機(jī)發(fā)電不僅在機(jī)組容量上大幅增加，而且機(jī)組性能水平也不斷提高。4) 隨著國家“西氣東輸”工程的建設(shè)，我國引進(jìn)一批目前國際上作為主力機(jī)組的F級燃機(jī)，總裝機(jī)容量達(dá)8000MW，并都已投入商業(yè)運(yùn)行。由此可見，F(xiàn)級的主力燃機(jī)機(jī)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。 關(guān)鍵技術(shù)選擇國外IGCC電站都非常注重關(guān)鍵技術(shù)的本土化研發(fā)與示范，用以降低造價(jià)和提高產(chǎn)業(yè)競爭力。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(jì)和生產(chǎn)。在燃?xì)廨啓C(jī)的選擇上，美國的兩個(gè)IGCC電站均采用了美國GE公司的7FA燃?xì)廨啓C(jī)，[2]。 低品位熱量利用為了提高供電效率，四個(gè)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]。能否有效利用這些低品位熱量會(huì)對IGCC系統(tǒng)的供電效率產(chǎn)生很大的影響（如對Tampa電站，可產(chǎn)生1到4個(gè)百分點(diǎn)的影響）。這部分潛熱量大，但品位相對較低，利用比較困難。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(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)其他過程如脫硫工藝提供蒸汽；4） 預(yù)熱鍋爐給水。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]。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]。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。經(jīng)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(jīng)過商業(yè)示范證明了其工程可行性[2][6]。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(jī)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。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。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(jī)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(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）利用對流廢鍋出口粗合成氣預(yù)熱廢鍋給水。通過這些低品位熱量利用，%[2][4]。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。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(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。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]。空分所需壓縮空氣完全從燃?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。空分整體化率定義為從燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)抽氣量與空分所需總空氣量之比。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。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）。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)。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。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。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)通流問題，也不會(huì)給系統(tǒng)的起動(dòng)和控制帶來難以克服的困難。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。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。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。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]。（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。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。對某采用E級燃?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。 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ⅰＨ剂蠞窕侵竿ㄟ^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。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)。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。 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)。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。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。再加上燃機(jī)本身的裕度，能夠滿足通流的要求[13]?？辗炙玫?dú)饨?jīng)過加壓，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）。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。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。 IGCC技術(shù)與粉煤發(fā)電技術(shù)的比較目前，我國一次能源消費(fèi)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(jī)組為主。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(jī)燃燒做功。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)。%，%。IGCC發(fā)電機(jī)組與常規(guī)燃煤機(jī)組的效率比較見表26。表26 電站效率比較表項(xiàng)目