整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

于利紅，李 滕，李彩艷，閆鳳芹

(兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司， 山東 滕州 277527 )

IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) 的中文名是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括煤氣化、凈化、燃氣-蒸汽的聯(lián)合循環(huán)，具有熱效率高、環(huán)保等優(yōu)勢。

IGCC 的工藝過程為: 原料煤經(jīng)氣化轉(zhuǎn)化為煤氣，經(jīng)凈化除去然NOX、硫化物、粉塵等，送入燃氣輪機燃燒，產(chǎn)生的高溫燃氣驅(qū)動燃氣透平做功，乏汽送入余熱爐與工藝水換熱，余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽機做功。主要設備包括，氣化爐、煤氣凈化設備、燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機[1]。

1 技術(shù)發(fā)展概況

20世紀70年代，國外開始IGCC技術(shù)研發(fā)，IGCC較早的成功案例為德國Lunen IGCC電廠(1972年建成)和美國 CoolWater電廠(1984年建成)，為以煤為原料氣化后發(fā)電的實驗電廠。20世紀90年代，世界范圍共建成10余座IGCC電廠，包括荷蘭Buggenum(布格能)電廠(1994年建成)、美國wabash River電廠(1995年建成)及Polk電廠(1996年建成)、西班牙Puertollano電廠(1997年建成)。IGCC電廠發(fā)電效率已達到設計值43%，可用率達到85%。截止2011年，全球己經(jīng)建成投運IGCC電站約30余座，總裝機約 1000萬千瓦[2]。

2009年，我國首座IGCC-華能天津IGCC示范電站開工。2012年該項目成功運行，目前已實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行。

“十五”期間，兗礦集團有限公司、中科院工程熱物理研究所共同進行IGCC甲醇多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研究，建設并運行煤基IGCC甲醇多聯(lián)產(chǎn)示范裝置，該裝置于2003年開工建設、2006年穩(wěn)定運行。系統(tǒng)能量利用率達57.16%，生產(chǎn)能耗降低5%。

2 關(guān)鍵技術(shù)選擇

(1)煤氣化技術(shù)選擇。煤氣化技術(shù)是IGCC核心技術(shù)，影響IGCC電站的投資、可利用率及電站效率，目前國外IGCC電廠采用 GE-Texaco、 E-Gas、Shell、Prenflo、MHI ( 空氣氣化) 、TPRI等六種氣流床氣化技術(shù)，國內(nèi)天津IGCC采用兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)。

(2)燃氣輪機選擇。美國Cool Water、Wabash River IGCC電站采用了GE公司7E、7FA燃氣輪機，而荷蘭Buggenum及西班牙Puertollano的兩個示范電站采用德國西門子燃氣輪機v94.2和v94.3。天津IGCC采用上海電氣集團及德國西門子共同提供的SGT5-2000E(LC)型合成氣燃機。

(3)合成氣凈化系統(tǒng)。合成氣凈化方式分為常溫濕法凈化及高溫干法凈化，常溫濕法凈化技術(shù)成熟、設備簡單，主要包括旋風分離器(中溫陶瓷過濾器)、文丘里洗滌器、脫硫設備及硫回收。高溫(500～600 ℃)干法凈化充分利用粗煤氣顯熱，提高IGCC供電效率，設備投資降低，但其運行可靠性低及運行成本較高。

(4)系統(tǒng)熱回收方式。通過廢鍋吸收粗合成氣高品位顯熱產(chǎn)生中壓或高壓飽和蒸汽。低品位熱的回收方式：產(chǎn)生熱水，通過飽和器對合成氣加熱加濕；產(chǎn)生低壓蒸汽，為系統(tǒng)其他過程提供蒸汽；加熱合成氣，提高入燃氣輪機的合成氣溫度；預熱鍋爐給水。

(5)空分整體化。IGCC空分分為完全整體化空分、完全獨立空分、部分整體空分(完全整體化空分即空分所需壓縮空氣完全從燃氣輪機壓氣機抽取，完全獨立空分指壓縮空氣由獨立的空壓機提供)。整體空分具有供電效率高、投資低、改善燃氣輪機通流問題等優(yōu)勢，許多IGCC電站采用整體化空分系統(tǒng)。

(6)降NOx的方式，包括燃料熱水濕化、注蒸汽、氮氣回注等方式，國外電站燃料濕化及氮氣回注是最為常用的兩種方式[3]。

3 技術(shù)優(yōu)勢

①燃料適應性廣。IGCC煤種適用性取決于所采用的煤氣化技術(shù)的適用性,已運行IGCC技術(shù)采用多種煤氣化技術(shù)，煤種適用性較強。

②發(fā)電效率高。IGCC的發(fā)電效率已經(jīng)達到42%～43%，正在開發(fā)電效率超過50%的IGCC。

③具有環(huán)保優(yōu)勢。脫硫了率達到98%，脫氮率不低于90%，粉塵近零排放(一般低于 10 mg/Nm3)。IGCC技術(shù)中合成氣經(jīng)脫硫、除塵后進入燃氣輪機。脫硫裝置脫硫效率達99%以上，有效降低系統(tǒng)二氧化硫排放。降低NOx排放采用N2氣回注、SCR等，使NOx排放<25×10-6。

④節(jié)水。IGCC電站的耗水量只有常規(guī)火力發(fā)電廠的一半左右[4]。

4 IGCC技術(shù)研發(fā)方向：

華東理工大學代正華課題組[5]利用Aspen Plus模擬了IGCC-甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，考察了廢鍋流程及激冷流程氣化工藝對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能耗的影響，發(fā)現(xiàn)廢鍋流程節(jié)能效果優(yōu)于激冷流程。

SOFC/IGCC 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是指煤炭氣化產(chǎn)生粗煤氣經(jīng)脫硫和除雜后，進入固體氧化物燃料電池堆，煤氣化學能轉(zhuǎn)變成電能；未反應完的煤氣進入燃燒器，燃燒后高溫氣體送入燃氣輪機發(fā)電；燃氣輪機排出的高溫燃氣通入到蒸汽輪機再次發(fā)電。楊永平教授課題組研究了IGCC-SOFC的經(jīng)濟性及環(huán)保型，研究表明IGCC-SOFC具有高效性及環(huán)保性，但其投資較大，與IGCC相比經(jīng)濟性較差。SOFC/IGCC系統(tǒng)的發(fā)電功率比 IGCC 系統(tǒng)高10個百分點。提高SOFC運行壓力，可以顯著提高系統(tǒng)的效率。利用能耗污染綜合指數(shù)IEF作為IGCC-SOFC系統(tǒng)綜合系統(tǒng)的量化評價指標，CO2排放罰款與煤價的比值Rc為影響IGCC-SOFC系統(tǒng)綜合性能的重要因素，比值小于0.03時，IEF隨XCO2增加而增加，當比值大于0.03時IEF隨XCO2增加而減小[6]。

王旭[7]等研究了IGCC-SOFC系統(tǒng)能耗，研究表明相同燃料下，以凈煤氣為燃料的 SOFC 系統(tǒng)的輸出功率明高于 IGCC 系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)電效率提高 10 個百分點，性能優(yōu)于 IGCC 聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。

中國科學院肖云漢課題組研究了燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站改造為IGCC的研究，研究表明采用采用燃料稀釋方法控制系統(tǒng)NOx排放將降低系統(tǒng)能效0.5～2.4個百分點，回收高溫粗煤氣激冷后低品位熱量(水煤漿系統(tǒng))可使系統(tǒng)能效提高4.9個百分點。

陳鴻偉教授課題組[2]研究了IGCC電廠不同脫銷方式的技術(shù)經(jīng)濟性，研究表明氮氣回注系數(shù)減小，最佳整體空分系數(shù)也降低；余熱鍋爐安裝SCR的脫銷方式技術(shù)經(jīng)濟性較好，回注稀釋劑結(jié)合SCR一體化、回注氮氣脫硝方式都可以改善IGCC系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性。但余熱鍋爐安裝SCR存在催化劑失活及氨泄漏的隱患及廢棄催化劑的二次污染，因此回注氮氣脫銷方式具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比，IGCC技術(shù)能效高、污染物排放低，節(jié)水，符合當前日益嚴峻環(huán)保形勢。研究者在IGCC關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化、IGCC-SOFC、CO2捕集、脫硫脫硝等方面進行了研發(fā)，為該技術(shù)的優(yōu)化升級及廣泛應用提供了支持。