基于水煤漿氣化的200 MW級(jí)IGCC關(guān)鍵技術(shù)研究

朱 達(dá)，李碩平

（1.華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015，2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012）

1 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的發(fā)展概況

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán) （Integrated Gasification Combined Cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)IGCC）是將固體的煤氣化并凈化后，與燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電相結(jié)合的一種高效清潔發(fā)電技術(shù)。目前世界上約有4000 MW的IGCC電站已建成運(yùn)行，總?cè)萘砍^(guò)25000 MW的50多個(gè)IGCC項(xiàng)目在籌建中。IGCC技術(shù)正從概念性驗(yàn)證階段走向商業(yè)化示范及應(yīng)用階段，目前已發(fā)展到第三代。

與前兩代IGCC技術(shù)相比，第三代IGCC的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有很大提高，其主要技術(shù)特點(diǎn)是：

（1）采用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。

（2）研發(fā)新的高溫合成氣凈化技術(shù)。

（3）采用更加先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)。

（4）采用更高參數(shù)和更為優(yōu)化的蒸汽系統(tǒng)。

中科院《2009中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告》中將IGCC發(fā)電技術(shù)作為中國(guó)特色低碳道路的發(fā)展戰(zhàn)略之一，使IGCC有可能成為未來(lái)極低碳排放發(fā)電系統(tǒng)的最佳方法，并成為氫能經(jīng)濟(jì)的一部分。

2 我國(guó)發(fā)展IGCC技術(shù)的重要性

2.1 以煤為主的能源屬性

我國(guó)的煤炭資源相對(duì)豐富，已查明的資源儲(chǔ)量為10430億噸，可直接經(jīng)濟(jì)利用的儲(chǔ)量就有1842億噸，位列世界煤炭探明儲(chǔ)量第3位。我國(guó)以煤為主的能源屬性決定了以燃煤發(fā)電為主的火力發(fā)電格局在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變。

2.2 環(huán)境保護(hù)壓力

當(dāng)前由溫室氣體排放帶來(lái)的全球變暖問(wèn)題已引起廣泛關(guān)注，CO2排放是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要原因，而在中國(guó)由燃煤發(fā)電產(chǎn)生的CO2占整個(gè)CO2排放的較大比重。根據(jù)我國(guó)在哥本哈根會(huì)議上關(guān)于中國(guó)單位GDP二氧化碳排放2020年比2005年減少40%～50%的承諾，我國(guó)需要大力發(fā)展節(jié)能清潔技術(shù)，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)。

CO2捕獲和存儲(chǔ)（CCS技術(shù)）是CO2減排的主要手段，而CO2的捕獲環(huán)節(jié)最為關(guān)鍵。要將CO2從煙氣中分離出來(lái)，最有效的方法是燃燒前分離。目前常規(guī)燃煤電廠(chǎng)的脫碳方式均為高壓工藝，而IGCC的合成氣本來(lái)就是高壓氣體，所以從脫碳裝置初投資及運(yùn)行成本的角度比較，IGCC脫碳比常規(guī)火電脫碳有巨大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 IGCC系統(tǒng)的高效率

按目前的技術(shù)水平，IGCC發(fā)電系統(tǒng)和常規(guī)高效燃煤發(fā)電系統(tǒng)的效率、煤耗對(duì)比如表1所示?？梢?jiàn)，在同級(jí)別發(fā)電容量的發(fā)電機(jī)組中，采用E級(jí)燃機(jī)的IGCC系統(tǒng)的供電效率比亞臨界300 MW常規(guī)燃煤機(jī)組高；采用F級(jí)燃機(jī)的IGCC系統(tǒng)的供電效率要遠(yuǎn)高于超臨界600 MW常規(guī)燃煤機(jī)組，也高于超超臨界1000 MW常規(guī)燃煤機(jī)組。預(yù)計(jì)，未來(lái)采用H級(jí)燃機(jī)（600 MW）的IGCC系統(tǒng)效率仍要比下一代的超超臨界機(jī)組高。如果計(jì)及脫碳系統(tǒng)的廠(chǎng)用電量，IGCC系統(tǒng)的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤機(jī)組。

我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和面臨的巨大減排壓力，決定了必須大力發(fā)展清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)，IGCC發(fā)電方式必將得到大力發(fā)展。

2.4 IGCC發(fā)電示范項(xiàng)目概況

杭州半山IGCC示范工程項(xiàng)目實(shí)行產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，由華電集團(tuán)公司牽頭，制造企業(yè)參加，科研單位對(duì)關(guān)鍵技術(shù)、重點(diǎn)技術(shù)和共用技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，相關(guān)企業(yè)進(jìn)行示范項(xiàng)目的設(shè)備制造、建設(shè)和運(yùn)行。

項(xiàng)目主要技術(shù)指標(biāo)：?jiǎn)螜C(jī)容量為200 MW級(jí)；發(fā)電效率＞45%；供電效率＞39%。

環(huán)境指標(biāo)： NOX＜80 mg/Nm3（16%O2）； SO2排放＜45 mg/Nm3（16%O2）； 脫硫效率＞98%。

3 IGCC發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 系統(tǒng)整體配置與參數(shù)

以建設(shè)200 MW等級(jí)的IGCC發(fā)電技術(shù)為目標(biāo)，將IGCC發(fā)電系統(tǒng)劃分成氣化島、燃機(jī)島和與IGCC相適應(yīng)的常規(guī)島共3個(gè)島進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。氣化島內(nèi)主要設(shè)備包括空分裝置、氣化原料制備裝置、氣化爐、輻射和對(duì)流廢鍋、凈化裝置等。燃機(jī)島內(nèi)主要設(shè)備包括燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐等。常規(guī)島內(nèi)的主要設(shè)備包括蒸汽輪機(jī)及配套系統(tǒng)等。

在繼承和發(fā)展現(xiàn)有單元技術(shù)，特別是繼承十五計(jì)劃“863”氣化、合成氣燃機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，著重解決3個(gè)島中的關(guān)鍵技術(shù)及工藝，以島的模塊化技術(shù)實(shí)現(xiàn)IGCC發(fā)電機(jī)組的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.2 氣化島模塊

氣化爐對(duì)IGCC的整體效率有很大的影響。氣化系統(tǒng)特性因素中最重要的是冷煤氣效率。氣化爐的冷煤氣效率越高，意味著對(duì)整個(gè)電廠(chǎng)及其它系統(tǒng)的需求越少，易于提高循環(huán)效率，也使全廠(chǎng)的設(shè)計(jì)趨于簡(jiǎn)單。

煤氣化實(shí)際上是把煤進(jìn)行部分燃燒（部分氧化），即煤與氣化劑（氧氣/蒸汽）反應(yīng)生產(chǎn)含CO和H2、CH等產(chǎn)品和副產(chǎn)品的過(guò)程。煤氣化與燃燒的不同之處體現(xiàn)在目的產(chǎn)物和工藝過(guò)程上。氣化的反應(yīng)是C轉(zhuǎn)化為CO和H2，S轉(zhuǎn)化為H2S，目的是獲得更多的合成氣。而煤炭燃燒的目的是將C轉(zhuǎn)化為熱量，獲得更多反應(yīng)熱量。對(duì)于IGCC電站，最重要的是全廠(chǎng)的總效率，包括煤氣的顯熱和蒸汽的熱能。加壓氣化爐反應(yīng)器是氣化島的核心，也是影響性能的關(guān)鍵所在。

表1 IGCC發(fā)電和常規(guī)高效燃煤發(fā)電效率、煤耗對(duì)比

3.3 燃機(jī)島模塊

現(xiàn)代聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中的燃?xì)廨啓C(jī)多采用燃用天然氣或油的燃?xì)廨啓C(jī)，IGCC機(jī)組則是以合成氣代替常規(guī)燃料的聯(lián)合循環(huán)裝置，示范電站中燃?xì)廨啓C(jī)的主要選擇依據(jù)是與示范電站容量相適應(yīng)。通常在獨(dú)立空分系統(tǒng)的IGCC電站中燃?xì)廨啓C(jī)功率約占電站功率的60%～65%，在整體化空分的IGCC電站中燃?xì)廨啓C(jī)功率約占55%～57%。在污染物控制方面，將空分氮?dú)庠鰤汉?，與潔凈合成氣摻混在一起，返回到燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中參與循環(huán)過(guò)程，可以降低燃燒室內(nèi)火焰的溫度，減少NOX的排放量。

在IGCC中，余熱鍋爐關(guān)系到系統(tǒng)整體優(yōu)化和各主要子系統(tǒng)的匹配，因此余熱鍋爐流程和參數(shù)的合理選擇、匹配，對(duì)IGCC的供電效率、投資費(fèi)用及機(jī)組的運(yùn)行性能都有重要影響。

3.4 常規(guī)島模塊

IGCC中，蒸汽輪機(jī)與燃機(jī)要達(dá)到最佳配合才能夠適應(yīng)快速啟動(dòng)、滑參數(shù)啟動(dòng)的要求；同時(shí)要提高蒸汽輪機(jī)的內(nèi)效率和裝置的循環(huán)熱效率來(lái)實(shí)現(xiàn)常規(guī)島模塊的經(jīng)濟(jì)性，蒸汽輪機(jī)的過(guò)熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和汽輪機(jī)背壓需要與余熱鍋爐及全廠(chǎng)汽水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后確定。

3.5 IGCC自動(dòng)化控制

IGCC機(jī)組及其附屬系統(tǒng)采用DCS控制方式。IGCC的各子系統(tǒng)及其輔助工藝系統(tǒng)，采用就地集中加遠(yuǎn)程監(jiān)控方式，在相應(yīng)的輔助車(chē)間設(shè)就地控制點(diǎn)，運(yùn)行人員在集中控制室內(nèi)完成IGCC電廠(chǎng)各島及輔助車(chē)間的集中監(jiān)控。

3.6 模塊技術(shù)集成優(yōu)化

模塊技術(shù)集成優(yōu)化是氣化島、燃機(jī)島、與IGCC相適應(yīng)的常規(guī)島、控制系統(tǒng)之間的集成與優(yōu)化以及主要設(shè)備的技術(shù)集成與優(yōu)化。

3.7 電站設(shè)計(jì)與運(yùn)行

針對(duì)IGCC示范電站的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中根據(jù)IGCC示范電站運(yùn)行要求，對(duì)所需方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，對(duì)各主要工藝系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行氣化島、燃機(jī)島、與IGCC相適應(yīng)的常規(guī)島的選型以及連接各島的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。擬定主要的輔助工藝系統(tǒng)，對(duì)主要輔機(jī)進(jìn)行選型。研究和編制針對(duì)IGCC示范電站的運(yùn)行規(guī)程，結(jié)合新技術(shù)及新工藝的特點(diǎn)，編制相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)行規(guī)范。

4 示范項(xiàng)目進(jìn)展

杭州半山IGCC工程目前已完成可行性研究報(bào)告和環(huán)評(píng)報(bào)告、接入系統(tǒng)方案、水土保持方案等的初評(píng)審工作，等待國(guó)家正式核準(zhǔn)批復(fù)。

示范工程中各部分已完成的研發(fā)工作有：

（1）系統(tǒng)優(yōu)化集成研究：設(shè)計(jì)院及各課題組成員單位對(duì)燃機(jī)和系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)IGCC系統(tǒng)進(jìn)行變工況計(jì)算，最終確定主系統(tǒng)；氣化島、燃機(jī)島以及與IGCC相適應(yīng)的常規(guī)島模塊技術(shù)的研究，正在完成3個(gè)島以及整個(gè)IGCC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)；完成廢鍋的選型工作。

（2）氣化爐研發(fā)：氣化爐出口與輻射廢鍋接口問(wèn)題的研究以及輻射廢鍋排渣問(wèn)題的模擬；輻射廢鍋排渣系統(tǒng)數(shù)值模擬及渣池水蒸發(fā)量計(jì)算；采用不同的輻射換熱模型，結(jié)合多相流（VOF）模型模擬計(jì)算了接口內(nèi)的傳熱流動(dòng)情況；以幾何平均溫度為計(jì)算溫度，計(jì)算輻射傳熱系數(shù)、煙氣黑度和對(duì)流換熱系數(shù)；通過(guò)輻射換熱和對(duì)流傳熱耦合的方法計(jì)算了輻射廢鍋所需換熱面積。

（3）燃機(jī)研發(fā)：基于E級(jí)合成氣燃?xì)廨啓C(jī)的燃機(jī)島系統(tǒng)方案；燃機(jī)島變工況性能與邊界參數(shù)預(yù)測(cè)；燃機(jī)和部分設(shè)備定型；壓氣機(jī)抽氣供空分對(duì)燃機(jī)性能的影響分析與計(jì)算；加水蒸汽的合成氣對(duì)抑制NOX排放的分析。

（4）常規(guī)島研發(fā)：目前，根據(jù)總體系統(tǒng)的熱平衡數(shù)據(jù)，已經(jīng)完成常規(guī)島中的余熱鍋爐、汽輪機(jī)、特殊換熱器的性能計(jì)算復(fù)核和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，正待進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（5）自動(dòng)控制和運(yùn)行：已完成IGCC自動(dòng)化控制技術(shù)和電站設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，完成控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架及系統(tǒng)優(yōu)化集成的大部分工作。

5 結(jié)語(yǔ)

IGCC是具有競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，IGCC發(fā)電技術(shù)將高效、清潔、廢物利用、多聯(lián)產(chǎn)和節(jié)水等特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，更符合未來(lái)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。許多國(guó)家都在研究合適的激勵(lì)政策以推動(dòng)IGCC技術(shù)的發(fā)展，以不斷降低工程造價(jià)，推動(dòng)IGCC技術(shù)的規(guī)?；蜕虡I(yè)化。在發(fā)展技術(shù)的同時(shí)，必須重視逐步建立和完善IGCC相關(guān)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

杭州半山IGCC示范項(xiàng)目的建設(shè)和關(guān)鍵技術(shù)的研究，將為我國(guó)IGCC電站建設(shè)、運(yùn)行管理和重大關(guān)鍵裝備的制造積累經(jīng)驗(yàn)。

[1] 焦樹(shù)建.關(guān)于目前世界上IGCC發(fā)展情況與趨勢(shì)的評(píng)論[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2004,17（3）∶1-5.

[2] 焦樹(shù)建.IGCC的某些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與展望 [J].動(dòng)力工程，2006，26（2）∶153-165.

[3] 焦樹(shù)建.對(duì)目前世界上五座IGCC電站技術(shù)的評(píng)估[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，1999，12（2）∶1-15.

[4] 焦樹(shù)建.IGCC某些工作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2007，20（1）∶1-8.