浅谈IGCC的工作系统与发展

浅谈IGCC的工作系统与发展

摘要：本文简要介绍了IGCC技术的发展现状，对机组的各个关键设备进行了分析和探讨，分析了目前IGCC存在的问题，并提出了改进方法。

关键词：IGCC；煤气化；燃气轮机；余热锅炉 1 概述

IGCC又称为整体煤气化联合循环发电（Integrated Gasification Combined Cycle），是将煤炭气化和燃气-蒸汽联合循环发电系统有机集成的一种洁净煤发电技术。在IGCC系统中，采用原料煤作为燃料，经过气化炉将其转化为煤气，并经除尘、脱硫等净化工艺，使之成为洁净的煤气供给燃气轮机燃烧做功。燃气轮机排出的高温烟气经余热锅炉加热给水产生过热蒸汽，带动蒸汽轮机发电，从而实现煤气化联合循环发电过程。IGCC主要有以下几方面优点：

(1)粉尘、NOx、SOx的排放量小，能满足严格的环境要求。

(2)供电效率高。供电效率能达到42%～45%，最终可达50%～52%，有利于减少CO2的排放。

(3)燃煤后的副产品如熔渣和飞灰可作建筑水泥材料，煤脱硫后的副产品可制得单质硫或硫酸，对环境无害，可以实现零排放。

(4)可以通过合理选择气化炉形式和气化工艺，燃用各种品位的煤种。

(5)气化的合成煤气，也可制取甲醇、汽油、尿素等化学品，使煤得以综合利用。

（6）节水 2 发展概况

IGCC技术始于上世纪70年代初，1984年，美国“冷水”IGCC电站试验成功，宣告了IGCC发电技术的可行性，并取得了极好的环保效果。此后，英国，美国，日本，荷兰等国家纷纷建立了IGCC的示范电站。

我国从上世纪80年代起就跟踪IGCC技术的发展，并且将其列入国家重点科技发展项目。如2004年华能集团推出了“绿色煤电”发展计划，即与7家发电、煤炭、投资公司共同成立绿色煤电公司，形成以煤气化制氢、氢气轮机联合循环发电和燃料电池发电为主、并进行CO2分离和处理的、适合中国国情的煤基绿色能源系统；此外大唐、中电投、华电、国华等发电集团也有IGCC项目正在进行中。

3 典型的IGCC工作系统

IGCC电站一般由以下系统组成，即气化系统，煤气净化系统，空分系统以及动力系统，是一个多种设备，多种技术性能集成的复杂系统。因此，IGCC整个系统的性能取决于子系统的性能及各子系统间的匹配，而各子系统的组合及其性能都直接影响整个系统的性能指标。整个系统如下图所示。

4 关键技术 4.1 气化炉系统

气化炉为IGCC系统的关键，依据气化炉的操作状态不同，煤气化可以划分为不同的类别。按照最常用的流体力学状态和物料的运动方式分类，主要有固定床、流化床和喷流床三种类型。喷流床气化炉有Texaco炉、Destec炉、PRENFLO炉、Shell炉等类型。流化床气化炉有KRW炉、U-Gas炉等。固定床气化炉有鲁奇炉和BGL炉等。

1）固定床。煤（焦）由气化炉顶部加入，自上而下经过干燥层、干馏层、还原层和氧化层，最后形成灰渣排出炉外；气化剂自下而上经灰渣层预热后进入氧化层和还原层（两者合称气化层）。固定床气化炉的负荷调节性能较好，煤气中CH4的含量较大，有利于提高煤气的发热量。固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求较高，入炉煤要有一定的粒(块)度（约6-50mm）及均匀性。煤的机械强度、热稳定性、粘结性和结渣性等指标都与透气性有关，因此，固定床气化炉对入炉原料有很多限制。炉内需要有运动部件，运行可靠性差，煤气中含有焦油、酚类、NH3的数量较多，需要复杂的煤气净化设备。由于煤气流速和设备体积的限制，固定床气化炉煤气生产能力较低，不利于向大型化方向发展。

2）流化床。流化床气化炉是利用流化床工艺，煤粒在815～1038℃温度下气化，通过向流化床内添加石灰石或白云石，脱除大部分的H2S，因而适用于气化高灰分和高硫分的煤种。由于流化床气化炉的气化温度较低，因而其碳转化率较低，优点是燃料适应性广，煤气成分稳定，大部分硫化物能在床内脱除，使后续精脱硫过程简化，炉膛的工作温度较低，耐火材料较易解决，其使用寿命也较长。

3）喷流床。原料煤由气化剂夹带入炉并进行燃烧和气化，受反应空间的限制，气化反应必须在瞬间完成，为弥补停留时间短的缺陷，必须严格控制入炉煤的粒度（＜0.1mm），以保证有足够的反应面积。在并流气化反应中，煤和气化剂的相对速度很低，气化反应是朝着反应物浓度降低的方向进行，碳的损失不可避免，为增加反应推动力，必须提高反应温度即反应速度，火焰中心温度在2000℃以上，采用液态排渣。可靠性较差。

总的来说，以上三种气化方式各有利弊。对于IGCC而言，与常规的燃气-蒸汽联合循环相比，所不同的主要是煤的气化和净化系统。开发大容量、转化效率高的气化炉，是最终实现IGCC发电方案的关键。由于喷流床气化炉的生产能力大，能量转换效率高，燃料适应性广，因而，喷流床气化炉，特别是干粉供煤方式，将是未来的主要发展和研究方向。

4.2 煤气净化系统

从气化炉产生的粗煤气含有大量杂质，不仅会带来燃机透平的腐蚀和结垢，还会给环境造成严重污染，必须通过煤气净化系统净化，除去其中的硫化物、粉尘、氮化物以及碱金属与卤化物等有害物质。目前IGCC系统采用的粗煤气净化系统主要有两类，一类是常温湿法净化系统，另一类为高温干法净化系统。

常温湿法净化系统的工艺流程为：粗煤气首先经过旋风分离器或中温陶瓷除尘器，进行初级除尘，而后经过文氏洗涤器，除去煤气中的碱金属化合物、卤化物、NH3和HCN等物质，经过洗涤后的煤气再进行脱硫和硫回收。洁净煤气经过饱和器后送入燃气轮机燃烧室。虽然该方法简单可靠，但是，在除尘之前，煤气首先要冷却至常温，因此，会损失较多的热能，造成电站的效率下降。此外，在飞灰的水洗过程中，还会产生大量的黑水，需要复杂的废水处理系统。为了避开常温湿法净化系统的这些缺点，人们提出了高温干法净化系统，使煤气净化系统简化，同时能提高供电效率，降低比投资费用。高温干法净化系统的工艺流程为：粗煤气先经过旋风分离器和高温陶瓷分离器，除去灰尘，而后进入卤化物反应器，向其中喷入NaHCO3，除去煤气中的卤化物。进入旋风分离器和卤化物反应器的煤气温度为500℃，比碱金属化合物熔点低，当粗煤气流经旋风分离器和卤化物吸收器时，碱金属化合物将凝结到飞灰和卤化物吸收剂上而被清除掉。此后，尚含有H2S和COS的煤气将进入高温脱硫装置脱硫。经过高温脱硫的煤气

还需通过高温烛状陶瓷过滤器的精除尘，才能供燃气轮机燃用。

湿法除灰和常温脱硫方案是成熟的，但500℃以上的高温脱硫和除灰技术并未过关。此方法尚未成熟，缺乏运行经验，还处于试验阶段。

4.3 空分系统

空分设备主要是为气化炉提供用于煤气化的纯氧或富氧。空分系统有三种，分别为：(1)独立的空分系统。空分设备所需的空气由单独的压缩机供给。(2)部分整体化的空分系统。空分系统的空气由燃气轮机压气机和空气压缩机共同供给。(3)完全整体化的空分系统。空分系统所需空气全部由压气机供给。

独立的空分系统和部分整体化的空分系统的供电效率较低，这是因为空气压缩机的效率较低，且要消耗一定的厂用电。但这种方案的运行调节性能较好。如果空压机采用多级中间冷却方案，对供电效率的影响将很小。完全整体化的空分系统的IGCC机组的供电效率较高，且能避免由天然气改烧低热值煤气时对燃气轮机做较大改动，比投资费用也较低，但在IGCC机组启动过程中将遇到很大困难。因为启动时，首先用天然气把燃气轮机启动起来，达到稳定工况后，才能从压气机向空分系统输送空气，显然，从向空分系统输送空气到燃气轮机燃用洁净煤气需要很长时间，在此过程中必须在大量减少空气的情况下继续燃用天然气，进而转烧合成煤气，容易引起振荡燃烧。

目前采用最多的为部分整体化的空分系统，它综合了独立空分系统和完全整体化空分系统的优点，其供电效率略低，但运行调节性能好，净输出功率较大，而且能在炎热的夏季保持满出力运行。

4.4 燃气轮机系统

燃气轮机是影响整个IGCC系统性能指标的主要因素。IGCC电站中所用燃机由于所用燃料是合成气，这和原有的天然气燃气-蒸汽联合循环所使用的燃机有很大区别，这主要是因为：

1) 合成气中所含较多N2、CO2、H2O等惰性气体，这种低热值的煤气在燃烧时，理论温升比燃用天然气时要低的多，燃烧不稳定，火焰传播速率小，在机组的低负荷工况下燃烧效率低下，甚至发生熄火。而热值的减少又导致流经燃气透平的燃气质量流率大幅增大，给压气机带来喘震的危险。

2) 为降低燃烧产物中NOX的含量，目前可以采用向氮气回注或者向合成气中加注水蒸汽的方法。

3) 由于IGCC电站中各部件之间的惯性时间常数及时间的延迟性相差较大，受IGCC整体化的影响，在启动初期，燃气轮机需使用天然气或液体燃料才能启动成动。且由于气化炉在运行一段时间后，气化炉内的耐火砖和喷嘴等部件都需要进行相应的维修和更换，此时，也需要使用备用燃料，才能保证动力岛的正常运行。

因此，为保证IGCC电站中燃气轮机的正常运行，必须对燃机的燃烧室和流道进行改造，甚至重新设计。

4.5蒸汽轮机

IGCC机组中一般不从蒸汽轮机中抽取蒸汽去加热给水，因而IGCC机组中由蒸汽轮机的低压缸排向凝汽器的蒸汽流率要比常规机组的蒸汽轮机大。因此要精心设计IGCC机组中蒸汽轮机的低压缸和凝汽器。

IGCC机组中使用的蒸汽轮机的主蒸汽压力并不是越高越好，而是通常介于高压和次高压之间。因为随着主汽压力的增大，蒸汽轮机中的焓降将增大，循环效率增加，但当主蒸汽压力增大到8.4MPa后，焓降的增大就会平缓起来，同时，

蒸汽的泄漏损失和湿度会增大，从而导致蒸汽轮机效率降低。研究表明，对于150MW的蒸汽轮机，当压力增大到10.4MPa后，随着主蒸汽压力的继续升高，循环效率反而有下降的趋势。因此，目前的IGCC机组一般把压力控制在10.4MPa以内。只有当燃气轮机的排气温度接近593℃，而且蒸汽轮机的功率较大时，才能把IGCC机组的主蒸汽压力提高到16.5MPa的水平。

4.6 余热锅炉

IGCC中余热锅炉汽水系统的传质传热比常规联合循环更加复杂。常规的联合循环中，余热锅炉只需充分利用燃气轮机的排气余热即可。但在IGCC系统中，除了需要考虑燃机的排气余热外，还需要考虑气化工艺中废锅流程的显热利用和合成气净化工艺中燃气冷却时的显热和潜热利用等等。

对于余热锅炉来说，其结构性能及参数特性会极大影响到整个联合循环系统的性能。 为了提高余热锅炉的效率，必须降低排气温度。在采用单压汽水系统时，余热锅炉的排气温度仅能降低到160～200℃左右。为此应采用双压或三压的汽水系统，可以把排气温度降低到110～120℃。余热锅炉的排气温度应比烟气的酸露点温度高10℃左右。对于含硫量极少的合成煤气，由于不会发生低温硫腐蚀问题，排气温度比水露点温度高10℃左右即可，可降低到80～90℃。

IGCC机组具有启动快的特点，这也要求余热锅炉能够快速启动，很快达到满负荷。通常要求冷态启动时间为20～30min。设计余热锅炉时可采取以下措施：

(1)采用强制循环，加强快速启动时水循环的可靠性，同时可增大换热系数，减小锅炉的体积和重量，降低系统的热惯性。

(2)锅炉运行中的升负荷速率主要受限于汽包的膨胀，因而应减薄汽包壁，不应采取象常规电站那么高的蒸汽压力。

5 结语

IGCC技术经过了几十年的发展，目前已经进入了商业示范阶段，正越来越受到人们的关注。我国一次能源结构决定了长期以煤电为主，加快整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术的应用和推广，可以缓解和应对国际CO2减排压力；可实现火电技术升级、调整火电结构；是发展“人造天然气”，满足发电、工业和民用的需要。

但是目前IGCC的工作系统尚未成熟，设备的可靠性不高，其比投资费用和发电成本过高。这些都是制约IGCC电站发展的因素。为此，未来应对设备做进一步研究和改进，提高运行时的稳定性，并进一步增加设备的装机容量，使其能够大型化，批量化的生产。技术的提高和设备性能的优化必然使得投资成本迅速下降。随着未来IGCC各技术的不断发展和完善，IGCC电站的优势和竞争力将会不断的显现出来。

参考文献 （1）《基于整体气化联合循环（IGCC）的关键技术应用与发展》 陈宇、蒋健

（2）Newsby R A,Bannister R L.《用于煤气化工艺的先进高温气体净化系统》