【正文】 關(guān)鍵技術(shù)（含高溫凈化）”立項，有十余個單位參加攻關(guān)；1999年科技部立項“煤的熱解、氣化及高溫凈化過程的基礎(chǔ)研究”正在進行中；近20年來我國共引進13臺Texaco氣化爐，國內(nèi)配套完成了部分設(shè)計、安裝與操作，積累了豐富的經(jīng)驗。“九五”期間華東理工大學、魯南化肥廠、天辰化學工程公司承擔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”。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用”。 中國科學院山西煤炭化學研究所在中試的基礎(chǔ)上進行了流化床氧氣/蒸汽鼓風制合成氣的工業(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。上世紀80年代初我國開始引進第二代煤氣化技術(shù)，一家引進Lurgi技術(shù)，于山西潞城建廠，氣化爐三開一備；共有4家引進Texaco水煤漿氣化裝置，分別建于魯南（三臺爐，單爐日處理450噸煤，）、上海吳涇（四臺爐，三開一備，單爐日處理500噸煤，）、渭河（三臺爐，二開一備，單爐日處理820噸煤，）、淮南（三臺爐，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（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、應城三套Shell裝置正在建設(shè)中，神化集團準備引進的Shell裝置已完成可研報告。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)。 燃機技術(shù)的發(fā)展 燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)特點燃氣輪機主要是根據(jù)布雷頓（BRAYTON）循環(huán)原理將燃料的化學能通過透平－發(fā)電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電能。單循環(huán)燃氣輪機主要采用：1) 先進的壓氣機氣動設(shè)計。2) 葉片的冷卻技術(shù)。先進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口燃氣溫度達到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)都采用以燃氣輪機帶不補燃的余熱鍋爐后續(xù)汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)機組。汽輪機動靜部件間隙一般也設(shè)計較大以適應快速起停的要求。整個余熱鍋爐多壓設(shè)計系統(tǒng)具有較低的熱慣性，使余熱鍋爐能夠適應燃氣輪機快速啟停和快速加減負荷的動態(tài)特性要求。亞臨界、超臨界火電機組效率為40％左右，燃氣輪機單循環(huán)效率也僅為37％左右，但聯(lián)合循環(huán)機組效率可達50％以上，目前最新技術(shù)的燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的效率已經(jīng)達到60％。由于燃機設(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、在較短的時間內(nèi)安裝完成，使機組很快地投入運行。燃氣輪機發(fā)電機組啟動快，自動化程度高，調(diào)峰性能特別突出，燃氣輪機一般僅10多分鐘便可并入電網(wǎng)參與負荷調(diào)節(jié)。4) 環(huán)保指標好。即使是燃油的機組，其排放相對常規(guī)火電機組也是相當?shù)偷?。?lián)合循環(huán)機組系統(tǒng)簡單，整體系統(tǒng)維修方便，機組輔機少，維修工作量小。 燃氣輪機的發(fā)展及主要產(chǎn)品從1939年瑞士推出了世界上第一臺發(fā)電用燃氣輪機后，燃機在發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應用。20世紀世界燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的發(fā)展大致經(jīng)歷了5個階段：1) 60年代開始建設(shè)燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠，但當時燃機初溫較低，聯(lián)合循環(huán)效率也較低，只有35％左右。3) 80年代100MW等級的燃機投入運行，燃機初溫達到1100～1288℃，排氣溫度達到500～600℃,這使得聯(lián)合循環(huán)效率超過50％.4) 90年代至今,這是燃氣輪機的全面發(fā)展階段。單機燃機容量200MW以上的機組已經(jīng)投入正常商業(yè)運行，而且成為目前各大燃機制造商研究和發(fā)展的主力機組。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。這方面以GE（坦帕）和西門子（比赫鈉姆）為代表。根據(jù)100MW以上燃機的主要性能數(shù)據(jù)分析，可以將目前燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組分為3個技術(shù)層次。以GE公司E系列為代表的100MW（110~190MW）等級機組,包括SIEMENS/WH公司的E系列、SIEMENS公司的2A系列和ABB公司的GT13等機組。2) 主力機組。這些都是目前國際上發(fā)電燃機的主力機組， 我國目前有10多個電廠在應用。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。特別是H系列機組，在美國國家能源部資助的先進燃機透平系統(tǒng)計劃（ATS）中也使用了該系列機組。表23列出了目前典型的大容量燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的種類、出力和效率。表23 主要大型聯(lián)合循環(huán)機組性能[63][70]聯(lián)合循環(huán)機型采用燃機出力/MW效率/%KA261GT26S109APG9001FAS109HPG9001HMPCPI（M501G）M501G MPCPI（M701G）M701GGUD IS 我國燃氣輪機發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與展望我國的燃機技術(shù)研發(fā)也是比較早的，特別是航空發(fā)動機所使用的燃氣輪機，電廠燃氣輪機的研制也始于上世紀50年代。我國燃機研發(fā)歷程可以分為4個階段：1) 20世紀60年代我國開始研究和引進技術(shù)生產(chǎn)幾MW的燃氣輪機，70年代末80年代初原水電部引進10套MS5000系列、單機容量為20MW級的燃機并投入運行。在此基礎(chǔ)上，由國家重點投資的南京汽輪機廠采用引進技術(shù)使我國具有了生產(chǎn)MS5000、MS6000系列燃機的能力。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，燃氣輪機發(fā)電得到了較大發(fā)展。這可謂是我國燃機發(fā)展的第3階段。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。4) 隨著國家“西氣東輸”工程的建設(shè)，我國引進一批目前國際上作為主力機組的F級燃機，總裝機容量達8000MW，并都已投入商業(yè)運行。由此可見，F(xiàn)級的主力燃機機組將是我國未來燃氣－蒸汽聯(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)計和生產(chǎn)。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]。 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]。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(chǎn)生很大的影響（如對Tampa電站，可產(chǎn)生1到4個百分點的影響）。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，提高進入燃氣輪機的合成氣溫度；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 %，供電效率達到41%[2][4]。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]。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。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。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(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(shù)措施。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]?？辗炙鑹嚎s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。空分整體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。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(xiàn)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。另外，現(xiàn)代燃氣輪機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，燃氣流量會顯著增加（根據(jù)燃料熱值不同，可能增加820%以上）。如GE9E燃機在不做調(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，燃氣流量的增加可能會引起燃氣輪機壓氣機喘振等危險。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。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。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。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。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。計算結(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氣的時候，一般選擇高壓空分，高壓空分與氮氣回注結(jié)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。由于現(xiàn)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。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。 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。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。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)。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。 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(diào)整措施緊密相關(guān)。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。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。再加上燃機本身的裕度，能夠滿足通流的要求[13]?？辗炙玫獨饨?jīng)過加壓，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）。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。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。 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。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氣輪機燃燒做功。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、適應燃料性廣，易于實現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)等優(yōu)點。%，%。IGCC發(fā)電機組與常規(guī)燃煤機組的效率比較見表26。表26 電站效率比較表項目