1、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)進展【關(guān)鍵詞】整體煤氣化聯(lián)合循環(huán),IGCC【論文摘要】上世紀70年代初期由中東戰(zhàn)爭引發(fā)的石油危機以及不斷惡化的環(huán)境污染問題，給世界帶來巨大影響和沖擊。西方主要工業(yè)國家從經(jīng)濟發(fā)展和國家安全的戰(zhàn)略角度考慮，推行能源多樣化的政策，并鼓勵發(fā)電行業(yè)燃料多樣化。根據(jù)對世界能源結(jié)構(gòu)的分析，化石燃料中煤的儲量大、價格低廉、供應(yīng)穩(wěn)定，但直接燃煤嚴重污染環(huán)境是一個不容忽視的問題。上世紀70年代初期由中東戰(zhàn)爭引發(fā)的石油危機以及不斷惡化的環(huán)境污染問題，給世界帶來巨大影響和沖擊。西方主要工業(yè)國家從經(jīng)濟發(fā)展和國家安全的戰(zhàn)略角度考慮，推行能源多樣化的政策，并鼓勵發(fā)電行業(yè)燃料多樣化。根據(jù)對世

2、界能源結(jié)構(gòu)的分析，化石燃料中煤的儲量大、價格低廉、供應(yīng)穩(wěn)定，但直接燃煤嚴重污染環(huán)境是一個不容忽視的問題。因此，各國政府在考慮利用儲量豐富的煤炭資源時，特別重視潔凈煤技術(shù)的研究與開發(fā)工作。各種形式的潔凈煤發(fā)電技術(shù)經(jīng)過幾十年的努力得到了很大發(fā)展。如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)，增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)(PFBC)，常壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)(AFBCC)，外燃式燃煤聯(lián)合循環(huán)(IFCC)，直接燒煤粉(或水煤漿)聯(lián)合循環(huán)(DFPCCC)，整體煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)(IGFCCC)以及磁流體發(fā)電聯(lián)合循環(huán)(MH-DCC)等。但從大型化和商業(yè)化發(fā)展來看，近期各國開發(fā)研究的重點主要放在IGCC上，投入人力物力最多

3、，己建和在建的示范項目也占多數(shù)。越來越多的實踐證明：IGCC是最有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。美國、西歐、日本等國相繼提出并推行潔凈煤計劃1。據(jù)統(tǒng)計，美國能源部自1986年開始實施潔凈煤計劃以來，經(jīng)過長達9年，在5輪競爭性的論證后，目前共選中43個項目，項目投資超過70億元2，其中IGCC占的份額最大。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(1GCC-Integrat-ed Casification combined Cycle)發(fā)電技術(shù)是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)。它由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第一部分的主要設(shè)備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設(shè)備(包括硫的

4、回收裝置)，第二部分的主要設(shè)備有燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)。典型的IGCC發(fā)電系統(tǒng)如圖1，IGCC的工藝過程如下：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料，然后送人燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動燃氣透平作功，燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機作功。由于它采用了燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，大大地提高了能源的綜合利用率，實現(xiàn)了能的梯級利用，提高了整個發(fā)電系統(tǒng)的效率，更重要的是它較好地解決了常規(guī)燃煤電站固有的污染環(huán)境的問題。因此，世界各國紛紛建立了IGCC示范電站。表1列出國外已經(jīng)建成的部分電站。截止

5、1997年，全世界正在建設(shè)或計劃建設(shè)的IGCC工程達24項，總功率8200MW，正在評估論證的IGCC有16項，總功率達7700MW3。圖1 IGCC典型系統(tǒng)圖1 氣化爐，2 凈化系統(tǒng)，3 壓氣機，4 燃燒室，5 燃氣透平，6 空分裝置，7 空氣壓縮機，8 氧氣壓縮機；9 氮氣壓縮機，10 氣飽和器，11 余熱鍋爐，12 蒸汽輪機表 1 國外已建成的主要IGCC電站國家美國美國荷蘭美國美國美國西班牙電廠Cool Water LTGIBuggenum Wabash River TampaPinon PinePuertollano投運時間1984198719941995199619971997凈功

6、率MW96161253265250100300氣化爐型TexacoDestecShellDestec TexacoKRWPrenflo氣化爐容量t/d100022002000250020008002640氣化爐臺數(shù)2臺 一開一備1臺1臺2臺 一開一備1臺1臺1臺燃機型號GE-7EWH-501DSiemens-V94.2GE-7FAGE-7FAGE-6FASiemens-V94.3燃機功率MW6511015619819261190燃機初溫oC1085109011051260126012881250凈化方式濕式濕式濕式干式除灰濕式脫硫濕式+10%干式示范干式干濕式除灰濕式脫硫汽機功率MW55511

7、2810412146145蒸汽參數(shù)MPaoC8.6/51012.9/511 2.9/51110.3/3.1/510/51010.3/538 2.2/5386.363/51012.7/3.7總投資億美元2.634.623.585.062.326.91至今，IGCC技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)過原理概念性開拓驗證階段，并進人商業(yè)示范驗證階段。在走向商業(yè)化應(yīng)用的同時，許多學(xué)者又在研究構(gòu)思新一代IGCC的框架和技術(shù)突破口。IGCC之所以受到重視，是因為它有以下幾個優(yōu)點：(1)高效率，且具有提高效率的最大潛力 IGCC的高效率主要來自聯(lián)合循環(huán)，燃氣輪機技術(shù)的不斷發(fā)展又使它具有了提高效率的最大潛力?，F(xiàn)在，燃用天然氣或油

8、的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)凈效率已達到58，本世紀初可望超過60。隨著燃氣初溫的進一步提高，IGCC的凈效率能達到50或更高。(2)煤潔凈轉(zhuǎn)化與非直接燃煤技術(shù)使它有極好的環(huán)保性能 先將煤轉(zhuǎn)化為煤氣，凈化后燃燒，克服了由于煤的直接燃燒造成的環(huán)境污染問題，其Nox和S02的排放遠低于環(huán)境污染排放標準，脫硫率=98，除氮率可達90。廢物處理量少，副產(chǎn)品還可銷售利用，能更好地適應(yīng)本世紀火電發(fā)展的需要。(3)耗水量少 比常規(guī)汽輪機電站少30-50，這使它更有利于在水資源緊缺的地區(qū)發(fā)揮優(yōu)勢，也適于礦區(qū)建設(shè)坑口電站。(4)易大型化 單機功率可達到300-600MW以上。(5)能夠利用多種先進技術(shù)使之不斷完善 IGC

9、C是一個由多種技術(shù)集成的系統(tǒng)，煤的氣化、凈化技術(shù)、燃氣輪機技術(shù)以及汽輪機技術(shù)等的發(fā)展都為它的發(fā)展提供了強有力的支撐。(6)能充分綜合利用煤炭資源適用煤種廣，能和煤化工結(jié)合成多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，能同時生產(chǎn)電、熱、燃料氣和化工產(chǎn)品。1 原理概念性驗證階段在這個階段，主要目的是通過建立各種試驗電站向世人展示煤氣化轉(zhuǎn)化技術(shù)和高效聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)相結(jié)合的IGCC作為一種新型的潔凈煤發(fā)電技術(shù)不僅理論上可行，而且能夠安全、可靠運行，真正“潔凈”，解決常規(guī)燃煤電站所固有的污染問題，并且有可能大型化商業(yè)應(yīng)用。世界上第一座IGCC裝置是1972年在德國Lnen市的Kellerman電廠，容量為170MW，采用五臺Lurg

10、i固定床氣化爐，配Siemens公司V93型74MW功率燃氣輪機等組成增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)。1972年投入試驗運行時曾遇到一系列問題，經(jīng)過調(diào)試改進，大多得到解決，但由于氣化島的實際空氣耗量比設(shè)計值大得多，導(dǎo)致裝置出力和效率都低于設(shè)計值，加之粗煤氣中含有焦油和酚等有害物質(zhì)極難處理，該電站完成原定全部試驗內(nèi)容后于70年代末停運。盡管如此。但它作為tGCC的先驅(qū)開創(chuàng)了潔凈煤發(fā)電技術(shù)新對代。第一座IGCC電站未能長期運行的主要原因是氣化爐問題。因而，如何經(jīng)濟有效地將煤轉(zhuǎn)化為煤氣并從中去除有害物質(zhì)成為IGCC示范電站成敗的一個關(guān)鍵。而世界上真正試運成功的第一座IGCC電站是建于美國加州DaggeLt的Co

11、oI Water(“冷水”)電站，它采用水煤漿供料、容量為1000td的Texaco噴流床氣化爐。利用99.5的氧氣為氣化劑，獨立空分裝置(N2不回注)，常溫濕法除塵脫硫技術(shù)。通過27100小時的運行考核，表現(xiàn)性能良好、運行可靠，尤其是排放污染很小，被譽為“世界上最清潔的燃煤電站”。美國同時建的另一座IGCC示范電站是建于Louisiana州Plaqutmin的Dow化工廠內(nèi)的LGTI電站，它采用水煤漿供料、容量為2200t/d的Destec氣流床，配西屋公司生產(chǎn)的110MW功率WH-501D燃氣輪機，電站折合總功率為161Mw，凈效率為34.2(HHV)，從1984年4月投運，直到1994年

12、3月停運累計進行33637小時，是目前世界上運行時間最長的IGCC機組。它曾對不同煤種進行試驗，顯示了Destec氣化爐對不同煙煤都有好的適應(yīng)性。由此可知，Kellerman電廠為人們提供了一種將煤氣化轉(zhuǎn)化技術(shù)與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的新思路，雖然它不是很成功，但是它為后來建IGCC示范電站提供了寶貴的經(jīng)驗和指出了努力的方向，并使它盡快地成為現(xiàn)實。Cool Water的成功證明了這種新型發(fā)電技術(shù)是可行的：一是它相當徹底地解決了污染問題，從表2完全可以證實這點；二是它高的運行可用率和負荷因素證明它有可能大型化商業(yè)應(yīng)用，是實用的潔凈煤發(fā)電方式。Cool Water電站在1987年7、8、9三個月

13、內(nèi)，機組的負荷因素曾達到88.7、85.4和96.7，LGTI電站在1992-1993年度內(nèi)的平均運行可用率已達到80，LGTI的成功進一步證明了IGCC作為一種新的潔凈煤發(fā)電方式的實用性。 表2 “冷水”電站中余熱鍋爐后排氣的實測排放量 排放物種類美國對燃煤電站規(guī)定的最新排放物限量（mg/MJ）燒SUFCO煤時的實測量（mg/MJ)燒Illinois#煤時的實測量（mg/MJ)燒Pittsburg#煤時的實測量（mg/MJ)SO2高S燃料 SO2低S燃料258 1037.0329.2452.46NOX25830.140.4228.38CO1.721.720.86固體質(zhì)點130.433.93.

14、9總之，Cool Water和LGTI等第一批試驗電站的運行成功，從原理上完全肯定了煤通過高壓氣化技術(shù)與先進的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的潔凈煤發(fā)電技術(shù)的新途徑，重要的是從實踐上驗證了其技術(shù)的可行性，環(huán)保性能的優(yōu)越性。但早期IGCC試驗電站也存在一些明顯問題，主要有：(1)供電效率低，并沒有顯示出其高效率的優(yōu)越性 Cool Water電站供電效率僅31.2(HHV)，LGTI電站只達34.2(HHV)。造成效率低的主要原因是當時燃氣輪機技術(shù)水平低，應(yīng)用E型技術(shù)，初溫不到1100oC。再者是系統(tǒng)沒有優(yōu)化，例如：N2不回注，末得到動力回收，造成能量損失；蒸汽循環(huán)沒優(yōu)化致使燃氣輪機排氣余熱未獲充分利用

15、，余熱鍋爐排向大氣的溫度為205.6oC。另外，采用水煤漿供料與高純度的氧化劑和獨立空分系統(tǒng)，空分裝置消耗功率高達系統(tǒng)額定功率的14.7，致使總廠用電率達20等。(2)比投資費用和發(fā)電成本高 Cool Water電站的比投資成本高達$2828kW，遠遠高于有FGD設(shè)備的普通燃電站的比投資費用。(3)整個系統(tǒng)未進行綜合優(yōu)化嚴格地說，在這個階段的IGCC系統(tǒng)只能稱之為GCC系統(tǒng)，它僅是各種技術(shù)、設(shè)備的簡單組合，還沒有考慮各子系統(tǒng)問的優(yōu)化配置。比如空分系統(tǒng)與燃氣輪機系統(tǒng)間的組合、余熱鍋爐及蒸汽輪機側(cè)系統(tǒng)流程與參數(shù)選擇等都未從影響系統(tǒng)總體性能的高度來綜合優(yōu)化。2 商業(yè)示范驗證階段自Cool Water

16、電站成功運行后，為了克服原理性驗證階段的IGCC呈現(xiàn)的種種缺陷，突破制約IGCC商業(yè)化發(fā)展的瓶頸(供電效率、發(fā)電成本和運行可用率)，美國、英國、日本、荷蘭、德國、印度等國紛紛建起了IGCC示范電站，其中最受關(guān)注的是美國CCT計劃中的Wabash River、Tampa和Pi-non Pine電站和歐洲西班牙的Puertollano電站以及荷蘭的Buggenum電站等IGCC示范工程(見表1)。人們在通過不同的途徑來尋找IGCC的關(guān)鍵技術(shù)的突破和整個系統(tǒng)的性能的提高。另外，從IGCC系統(tǒng)的組成看，IGCC是多種設(shè)備，多種技術(shù)集成(包括燃氣輪機、煤氣化裝置、煤氣凈化系統(tǒng)、空分裝置以及余熱鍋爐和蒸汽

17、輪機等)的一個復(fù)雜系統(tǒng)。因此，IGCC整個系統(tǒng)的性能取決于子系統(tǒng)的性能及各子系統(tǒng)間的匹配，而各子系統(tǒng)的組合及其性能都直接影響整個系統(tǒng)的性能指標。這一批示范電站(第二代IGCC)一方面通過提高于系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)綜合優(yōu)化的方法來改進整個系統(tǒng)性能，提高供電效率；另一方面還通過大型化和簡化系統(tǒng)等手段來降低發(fā)電成本，提高其經(jīng)濟性。2.1 燃氣輪機系統(tǒng)IGCC聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是以燃氣輪機為主，燃氣輪機與蒸汽輪機的功比為1.3-2.0，因此，燃氣側(cè)系統(tǒng)是影響整個IGCC系統(tǒng)性能指標的主要因素，燃氣輪機性能的提高是發(fā)展IGCC的前提。凡是能使燃氣輪機性能改進的技術(shù)手段都將最終提高IGCC的整體性能。為此，GE、A

18、BB等公司不斷推出高性能的燃氣輪機，不斷提高初溫。表34列出燃氣輪機及其IGCC性能參數(shù)的典型值。顯然，八十年代，初溫1100燃氣輪機組成的IGCC還難以和常規(guī)汽輪機電站相匹敵；而九十年代后，研制出一批高性能燃氣輪機，如GE公司推出的F、FA型和Si-emens推出的3、3A型燃氣輪機，其透平初溫為1250-1310，可建造供電效率40-46的大型IGCC裝置，在熱力性能上足以和傳統(tǒng)的燃煤電站相競爭。如西班牙的Puertollano電站配Siemens的V94.3燃氣輪機的初溫為1250，其凈效率可達到43(LHV)；美國Tampa電站配GE的7FA型燃氣輪機的初溫為1260，其凈效率達42(

19、LHV)。美國能源部還專門制定了先進透乎系統(tǒng)(AST)計劃，以推動燃氣輪機的技術(shù)開發(fā)。至今新型商業(yè)應(yīng)用工業(yè)燃氣輪機的透平進氣初溫高達1430，用其組成的IGCC系統(tǒng)凈效率可達50以上。 表3 燃氣輪機及其IGCC熱力性能參數(shù)與預(yù)測 燃氣輪機初溫（）簡單循環(huán)燃油氣聯(lián)合循環(huán)IGCC單機功率（MW）供電效率（%）單機功率（MW）供電效率（%）單機功率（MW）供電效率（%）80年代110010032-34150451803690年代1250-128823034-383505540040-462000年143028038-404806060050 2.2煤氣化系統(tǒng)利用高壓煤氣化技術(shù)生產(chǎn)合成煤氣，以取代天

20、然氣作為燃料，是發(fā)展IGCC技術(shù)的一個重要內(nèi)容。目前IGCC采用的氣化爐主要有三種型式：噴流床、流化床和固定床。它們各有優(yōu)缺點。對發(fā)電用途的氣化爐，主要要求是高的碳轉(zhuǎn)化率。和冷煤氣效率1、大容量(盡可能做到單爐電站)以及與發(fā)電設(shè)備運行的匹配性好等。高壓純氧和富氧氧化的噴流床單爐容量最大(2000-3000td)，且由于反應(yīng)溫度高達1500-2000OC，碳的轉(zhuǎn)化率很高(97以上)，特別是干法供煤并采用未反應(yīng)炭粒再循環(huán)措施時，如西班牙Puertollano電站采用的Prenflo氣化爐和Buggenum電站的Shell氣化爐的c都達到99，1達到80左右。而對水煤漿供料噴流床的c和1都要低些，T

21、ex-aco氣化爐c一般只有96-98，1只有69-75。因此，Destec氣化爐采用兩段氣化方式，把1提高到80-82。固定床氣化爐，由于煤在爐內(nèi)停留時間很長，反應(yīng)溫度也高，因而碳的轉(zhuǎn)化率最高，可達99.5，但煤氣的生產(chǎn)能力最低，不能滿足電站大型化需要，且含焦油、酚類數(shù)量多，難以處理。對于流化床氣化爐如KRW和U-Gas朋來說，碳的轉(zhuǎn)化率僅91-97，比前兩種要低很多。另外，以空氣做為氣化劑時，可省去復(fù)雜空分系統(tǒng)，但煤氣熱值低，不利于燃燒，且氣化爐容量小，不利于電站大型化；而采用純度高的氧氣要比用空氣為氣化劑時冷煤氣效率高，但卻增大了廠用電率，這要綜合考慮。2.3 煤氣凈化系統(tǒng)從氣化爐產(chǎn)生的

22、粗煤氣含有大量有害雜質(zhì)，無法滿足燃氣輪機安全可靠運行和環(huán)保法規(guī)的要求，必須預(yù)先凈化處理，以除去粗煤氣中的硫化物、粉塵、氮化物以及堿金屬與鹵化物等有害物質(zhì)。現(xiàn)多采用常溫濕法除塵脫硫工藝，相對成熟。由于在凈化前，先要將高溫煤氣冷卻降溫，雖然可以回收部分煤氣顯熱，但由于能量的品位降低，必將影響到IGCC整體的效率。因此，人們正致力于研究開發(fā)高溫干法脫硫技術(shù)，它與煤氣低溫凈化技術(shù)相比能使IGCC的凈效率提高0.7-2.0個百分點。目前Tampa電站采用常溫濕法的煤氣凈化工藝再配合10干法凈化方式，不過高溫干法凈化還處于試驗階段。2.4 空分裝置與空氣測系統(tǒng)整體化為了供給氣化爐所需的純氧或高濃度富氧的氣

23、化劑，需設(shè)置制氧空分設(shè)備及其系統(tǒng)。對于不同空分系統(tǒng)利用不同的壓力等級(高壓或低壓)，但目前對各種壓力等級空分系統(tǒng)大多采用深度冷凍方法分離空氣以制取氧氣。如對獨立空分系統(tǒng)，常用低壓(0.6MPa)流程，一般需把空氣冷卻到-172左右才進人制氧過程。由于空氣系統(tǒng)中氧氣和氮氣的壓縮耗功很大，采用上述常規(guī)空分工藝流程的IGCC的廠用電耗率較高，因此人們正在研究使液N2和液02先增壓、后氣化的空分制氧流程。IGCC中空分系統(tǒng)和燃氣輪機系統(tǒng)組成的空氣側(cè)系統(tǒng)的整體綜合優(yōu)化對IGCC系統(tǒng)的熱力性能、比投資費用以及運行可靠性等都有很大影響。從空分系統(tǒng)的空氣來源看，空氣側(cè)整體化有獨立空分、完全整體化和部分整體化三

24、種一體化方式。獨立空分會使廠用電率增大，但它運行靈活；完全整體化方式的廠用電率低，但運行不靈活。比如荷蘭Bugge-num電站采用完全整體化，廠用電率僅10.92；部分整體化可兼顧兩方面的優(yōu)點。隨著IGCC空分整體化程度的提高，IGCC的熱經(jīng)濟沒也相應(yīng)提高。但是完全整體空分方式IGCC的運行靈活性卻受到限制。因此，目前IGCC電站較多傾向于采用部分整體化方式。2.5 余熱鍋爐及蒸汽輪機系統(tǒng)性能先進的IGCC離不開高效率的蒸汽底循環(huán)，余熱鍋爐和蒸汽輪機系統(tǒng)不可避免要與煤氣化、凈化系統(tǒng)等進行質(zhì)量、能量交換，因此IGCC蒸汽系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)、匹配與優(yōu)化要比一般的聯(lián)合循環(huán)復(fù)雜得多、也重要得多。為了充分地吸收

25、各子系統(tǒng)的余熱、廢熱，目前IGCC系統(tǒng)中。一般根據(jù)燃氣輪機排氣溫度，合理地選擇蒸汽循環(huán)流程，當燃氣輪機排氣溫度T4低于538時，不采用再熱循環(huán)方案；當高于580時，采用多壓再熱方案。另外，一般不從汽輪機拍汽加熱給水，同時盡可能提高蒸汽初溫和初壓。如Buuggenum電站采用雙壓再熱方案(12.9MPa511，2.9MPa/5ll)。隨著燃氣輪機初溫的提高，IGCC中蒸汽循環(huán)完全有可能采用更高蒸汽參數(shù)，現(xiàn)在有學(xué)者在研究設(shè)計亞臨界、甚至超臨界的IGCC蒸汽系統(tǒng)。制約IGCC走向商業(yè)化的另一因素是其比投資費用和發(fā)電成本過高，即經(jīng)濟性問題。早期IGCC示范工程的單位造價高達$2500kW以上，目前計劃

26、籌建的項目也介于$1500-$2500KW之間。為了突破這個瓶頸，人們采取的措施主要有：(1)繼續(xù)改進關(guān)鍵設(shè)備，優(yōu)化和簡化系統(tǒng)，不斷提高系統(tǒng)性能 如應(yīng)用新一代燃氣輪機(G型或H型系列產(chǎn)品)和高溫干法凈化技術(shù)，優(yōu)化整體空分方案以及發(fā)展IGHAT和多聯(lián)供IGCC等。技術(shù)進步和性能提高將使IGCC投資成本迅速下降。表44列出GE公司對IGCC技術(shù)性能和成本關(guān)系的分析結(jié)果。在對整個系統(tǒng)的優(yōu)化組合方面，過去的優(yōu)化措施多局限于對特定的流程結(jié)構(gòu)或具體案例分折，或特定條件下的某些參數(shù)的優(yōu)化，這種方法還是局部優(yōu)化，相對于整個系統(tǒng)來說，未必是最優(yōu)的。因而，現(xiàn)在研究一種參數(shù)和流程同步優(yōu)化5-8，嘗試利用此方法對IG

27、CC系統(tǒng)燃氣側(cè)頂循環(huán)系統(tǒng)、空分系統(tǒng)側(cè)及余熱鍋爐側(cè)底循環(huán)系統(tǒng)進行了優(yōu)化并得出了一些有意義的結(jié)論。表4 IGCC技術(shù)性能和成本的聯(lián)系 IGCC系統(tǒng)類型燃氣輪機初溫（）IGCC熱效率%（LHV）裝置比投資成本（$/KW）九十年代初期常規(guī)PC機組36-371200常規(guī)IGCC低溫凈化，獨立空分1260（F型）38-421400-1600九十年代中期低溫凈化，整體空分1260（F型）43-461350-1550高溫凈化，整體空分1260（F型）45-481180-1380九十年代后期高溫凈化，整體空分1370（G、H型）46-501130-1330(2)繼續(xù)增大IGCC電站的裝機容量，使之達到規(guī)模經(jīng)濟的

28、水平，并盡可能采用單臺大容量的氣化爐和燃氣輪機，取消備用爐. 許多研究表明，裝機容量對投資的影響很大，若機組功率每翻一番，單位造價將會下降10-20。(3)爭取早日轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn) 不言而喻，若干臺(第N臺)后裝置的造價將明顯低于首臺。如美國CRSS公司曾對500MW級IGCC批量生產(chǎn)對價格影響進行詳細分析，其結(jié)論為：若干臺后造價將比第一臺下降40。在進行經(jīng)濟性分析時，多采用下列的成本減小系數(shù)R：第一臺，R1.1；第二臺，R0.9；第三臺，R0.8；第四臺，R0.7。(4)燃用廉價的高硫煤 IGCC的優(yōu)勢還在于能燃用高硫煤，若燃用比常規(guī)PC電站便宜10-25的煤，則會使發(fā)電成本降低10左右。再很好

29、利用銷售副產(chǎn)品(包括元素硫、玻璃狀渣等)，則經(jīng)濟性還會進一步改善。隨著IGCC技術(shù)進一步發(fā)展，特別是達到規(guī)模經(jīng)濟容量水平和批量生產(chǎn)后，其單位造價會大幅度下降，預(yù)計本世紀初就可降到PC十FGD的水平。表54中列出幾種不同發(fā)電方案的技術(shù)經(jīng)濟指標，以便進行比較。除了上述供電效率和成本問題外，IGCC電站運行的可靠性、可用性和維護性也是使它盡快步人商業(yè)化階段的重要因素。只有它的運行可用率提高了，才能承擔(dān)發(fā)電設(shè)備的基本任務(wù)。第一階段的IGCC電站就已經(jīng)顯示出它有足夠高的可靠性及可用率，已經(jīng)接近常規(guī)電站的可用率。Bugge-num電站IGCC機組在1997年6月以后的運行可用率已達到85，而氣化島部分的運

30、行可用率已達959。這證明IGCC發(fā)電技術(shù)能滿足電力工業(yè)對發(fā)電設(shè)備的基本要求。隨著IGCC各系統(tǒng)技術(shù)的不斷完善，它的運行可用率還有走高的趨勢，從而顯示出它的強大的競爭力。在污染物排放方面，也開發(fā)了一些新技術(shù)，比如抑止N0x產(chǎn)生的措施有：加濕合成煤氣；回注N2；向燃燒室注水或蒸氣；應(yīng)用預(yù)混稀相燃燒的干式低N0x(DLN)燃燒室；分級燃燒和催化燃燒等措施。 表5 幾種不同發(fā)電方案的技術(shù)經(jīng)濟指標比較 PCPFBCIGCC常規(guī)帶FGD電站規(guī)模（MW）目前300-1300300-130080-350200-60020105001000供電效率（%）目前36-38 （SC：40-42）34.5-36.53

31、6-3940-46201040-50（第二代）50-54用水量比10010070-8050-70環(huán)保性能 （排放量比）SOX1006-125-101-5NOX10018-9017-4817-32粉塵1002-52-42固態(tài)廢料100120-20095-60050-95CO21001079895單價造價$/KW116014001300-14001400-1700發(fā)電成本*mills/kWh48-5756-6654-6649-63*摘自美國吉爾帕特公司的經(jīng)濟分析報告（以1991年美元價為計算基準） 3 新一代IGCC的構(gòu)思與研究二十多年來，依靠集成技術(shù)進展和綜合，IGCC技術(shù)發(fā)展迅速，系統(tǒng)凈效率已

32、經(jīng)提高到42-46，單機功率已達300MW等級，正在由商業(yè)性示范走向商業(yè)化應(yīng)用。與此同時，許多學(xué)者也從不同角度看到，煤潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)與高效聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)相結(jié)合的IGCC潔凈煤發(fā)電技術(shù)還有提高性能的巨大潛力。因此，他們正在探索研究新技術(shù)、新概念、新循環(huán)，以開拓新一代IGCC系統(tǒng)。3.1 先進的關(guān)鍵技術(shù)從現(xiàn)有IGCC系統(tǒng)五大集成技術(shù)尋求大的突破，是進一步提高系統(tǒng)性能的現(xiàn)實途徑。這包括：(1)高性能的高溫燃氣輪機 依靠高溫材料和冷卻技術(shù)的改進來不斷提高透平初溫T3，仍然是燃氣輪機發(fā)展的主要趨勢。文獻10對IGCC、PFBC-CC以及AFBC-CC三種系統(tǒng)性能進行分析得出的結(jié)論認為IGCC的優(yōu)勢在高溫

33、段(1200以上)，當初溫提高到足夠高時，升溫獲益漸漸沖淡氣化和凈化環(huán)節(jié)能量損失的影響，且由于透平排溫的同步上升，蒸汽側(cè)也能采用高參數(shù)(亞臨界、超臨界)，有著更大的提高效率的潛在能力。正在商業(yè)化的T31430的G型機組，也許是傳統(tǒng)氣冷技術(shù)和材料所能達到的初溫的極限。目前正在開發(fā)的H型技術(shù)的主要特征是采用更有效的蒸汽冷卻技術(shù)，超級合金材料隔熱涂層與先進工藝(定向結(jié)晶和單晶葉片)，還有先進的氣動熱力學(xué)設(shè)計方法(如可控擴壓原理)和低N0x燃燒器等，有望把T3提升到1400-1600。若要把T3；再提升到1600-1800，只能借助于革命性新材料，它應(yīng)是小密度(5g/cm3)和更好的綜合高溫性能，新陶

34、瓷材料是一種選擇。(2)適用于發(fā)電用的大容量、高性能氣化裝置單爐3000td以上的氣化爐對IGCC達到規(guī)模經(jīng)濟大型化是必要的，噴流床在這方面有優(yōu)勢，但進一步提高熱力性能的潛力有限。不同技術(shù)融匯和滲透將使煤氣化技術(shù)有大的突破，如氣化技術(shù)和流化床燃燒技術(shù)的匯合，爐內(nèi)固態(tài)脫硫和爐外氣體凈化技術(shù)的互補，使煤在氣化過程中就經(jīng)濟有效地把大部分硫去掉，從而簡化或省去后置的煤氣凈化設(shè)備。Pinon Pine電站采用KRW流化床氣化爐，干煤塊供煤方式，爐內(nèi)加石灰石粗脫硫，第二步細聰硫過程在固定床中進行。(3)高溫煤氣凈化技術(shù)它在500-600oC的高溫條件下除塵和脫硫，使系統(tǒng)熱效率有所提高，并簡化系統(tǒng)、降低比投

35、資成本。Tampa電站正在試驗的482-538oC條件下高溫脫硫和除塵裝置，粗煤氣經(jīng)高溫過濾器除灰后，用鋅鈦氧化物為脫硫劑吸取H2S，再生系統(tǒng)中則產(chǎn)生濃度為13的S02，被送到硫酸廠中去制造硫酸，脫硫率為98。Pinon Pine電站正試驗的高溫脫硫除灰系統(tǒng)采用高溫旋風(fēng)分離器和陶瓷過濾器(593oC)除灰，第二級脫硫過程是在一個以金屬氧化物為吸附劑的固定床中進行的，脫硫率為98-=99%9。高溫凈化技術(shù)的突破將主要依賴于新材料和新脫硫劑的開發(fā)，這包括長壽命的陶瓷過濾器和高重復(fù)回收使用的脫硫劑。(4)新型空分裝置 空分流程分為四種(見表6)3，現(xiàn)在多為氣氧壓縮，該流程在化工中普遍使用，技術(shù)比較成

36、熟，但由于氧、氮的壓縮是在氣體狀態(tài)下，因此耗功大。采用液氧泵內(nèi)壓縮技術(shù)在消耗同樣功率的前提下可得到更高的氧氣出口壓力，這樣可節(jié)省廠用電。發(fā)展空氣的膜分離技術(shù)，可以簡化空分裝置并降低廠用電率。(5)高參數(shù)的汽輪機 高溫燃氣輪機和高參數(shù)汽輪機技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用是保證IGCC系統(tǒng)高性能的關(guān)鍵，也是IGCC技術(shù)發(fā)展的一個趨勢。IGCC中蒸汽循環(huán)采用更高蒸汽參數(shù)，如亞臨界、甚至超臨界不是技術(shù)問題，而是時間問題。美國能源部預(yù)測了今后20年IGCC發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)水乎、經(jīng)濟性和排放值可能達到的目標如表7。 表6 空分流程分類比較 流程種類氣氧壓縮液氧蒸發(fā)液氧泵內(nèi)壓縮部分液氧泵壓縮機氧氣壓縮機 氮氣壓縮機氧氣壓縮機

37、 氮氣壓縮機氧氣壓縮機+液氧泵 氮氣壓縮機+液氮泵氧氣壓縮機+液氧泵 氮氣壓縮機+液氮泵氧氣壓縮機+氮氣壓縮機氧氣出口壓力低較低高較高表7 IGCC的發(fā)展目標預(yù)測 年份供電效率（%）投資成本（$/KW）排放值（1h/106 Btu)NOXSOX粉塵2000 2010202045 52601350 115011000.08 0.070.060.20 0.170.150.02 0.0150.013.2新的熱力循環(huán)熱力循環(huán)是動力裝置發(fā)展的理論基礎(chǔ)，也是IGCC系統(tǒng)的核心。廣義總能系統(tǒng)新概念的提出，使得IGCC系統(tǒng)中熱轉(zhuǎn)功熱力系統(tǒng)的研究思路有了突破，重在不同循環(huán)、不同技術(shù)、不同產(chǎn)品的有機結(jié)合和多目標優(yōu)

38、化。(1)整體煤氣化濕空氣透平循環(huán)(Inter-grated Gasification Humid Air Turbine，IGHAT) 它是把新穎的HAT循環(huán)和先進的燃煤技術(shù)結(jié)合起來的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，是降低IGCC的比投資費用和發(fā)電成本的有效途徑，具有高效率、高比功、低污染、低費用和變工況性能好等特點。美國采GE的MS7001F改造和ABB公司用HAT專用的發(fā)動機方案，并和Texaco煤氣化裝置組成500MW級的IGHAT型發(fā)電主力機組，效率分別為40.7和43.69，它們分別高于相同機組改造的IGCC的效率制約，同時比投資費用低于常規(guī)IGCC的相應(yīng)值11。因此，隨著技術(shù)的不斷提高和發(fā)展，I

39、GHAT也將有更廣闊的發(fā)展前景，困難在于如何解決空氣加濕過程中大量消耗水的問題。(2)整體煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)(IGFC-CC) 熱力學(xué)循環(huán)的熱轉(zhuǎn)功效率總是要受卡諾循環(huán)效率制約，而把非熱力學(xué)熱轉(zhuǎn)功過程和熱力循環(huán)結(jié)合成的多重聯(lián)合循環(huán)，會有很高的熱效率(突破60)。IG-FC就是把煤氣化產(chǎn)生的合成煤氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池和常規(guī)的燃氣或和蒸汽循環(huán)聯(lián)合的多重聯(lián)合循環(huán)，它有很高熱效率，也有很好的環(huán)保特性。(3)磁流體發(fā)電聯(lián)合循環(huán)(MHD-CC)它是把利用等離子體直接發(fā)電的磁流體發(fā)電裝置(MHD)和常規(guī)的燃氣或蒸汽熱力循環(huán)結(jié)合的另一種多重聯(lián)合循環(huán)。理論上它能達到很高的熱效率和很好的環(huán)保性能，

40、但目前處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。(4)多聯(lián)產(chǎn)和綜合利用IGCC系統(tǒng)IGCC系統(tǒng)很容易實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，也可以做成同時生產(chǎn)多種化工產(chǎn)品和燃料氣的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，還可做到廢棄物資源化(如灰渣、高純元素硫和硫酸等回收利用)，而有利于煤炭資源的綜合利用和降低發(fā)電成本。3.3 全新概念的新一代能源動力系統(tǒng)大量研究表明，傳統(tǒng)動力系統(tǒng)中燃燒過程是造成能量損失和引起環(huán)境生態(tài)污染的主要環(huán)節(jié)；另外，所有常規(guī)凈化技術(shù)對減少C02排放的效果都不大。所以，燃燒過程的革新和新的C02分離回收技術(shù)應(yīng)用將推動全新概念的新一代能源動力系統(tǒng)開拓發(fā)展。(1)新型化學(xué)鏈反應(yīng)的動力系統(tǒng)(CLSA)12-13 它應(yīng)用化學(xué)鏈反應(yīng)燃燒新機理實現(xiàn)無火焰燃

41、燒過程，將傳統(tǒng)燃燒過程分解為兩個氣固化學(xué)反應(yīng)(燃料和金屬氧化物的還原反應(yīng)，金屬與氧的氧化反應(yīng))。其新穎點在于：一是回收C02不需要消耗額外的能量，由于燃氣例的燃氣作完功后只有C02的水蒸汽，因此只需要利用簡單的物理方法即可回收C02；二是它從根本上去除了N0x，這主要由于燃料與空氣不直接接觸以及反應(yīng)溫度遠低于N0x產(chǎn)生的溫度所致；還有就是它的高的熱效率，據(jù)分析，與1200級的分離C02的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站比較，它的熱效率要高出17個百分點。(2)帶C02分離回收的IGCC半封閉式循環(huán)系統(tǒng)14 它采用富氧為氣化劑，燃燒室產(chǎn)物主要由C02和H20組成，經(jīng)過膨脹、熱回收及冷凝過程，燃燒室產(chǎn)物幾乎

42、是C02(H20經(jīng)冷凝被去除)，為了保持循環(huán)的質(zhì)量平衡，部分氣體被排出去，其余的參與再循環(huán)。被排出的氣體(主要由C02組成)經(jīng)過壓縮、液化，很容易將它儲存利用。從理論上講，此種電廠幾乎無污染物。因為燃燒室內(nèi)缺乏N2，N0x排放很小，硫化物在凈化過程中被去除。CO2又被回收起來。目前，基于這種循環(huán)方式的示范工程正在籌建中。二十一世紀火電站發(fā)展要求有較高的能源利用率，較好的經(jīng)濟性并且要具有良好的環(huán)保性能，即達到能源(Energy)、環(huán)境 (Environment)、經(jīng)濟性(Economy)三者結(jié)合(三E)。IGCC能很好地滿足這些需求，因此，它必將成為新世紀火電動力發(fā)展的主要方向。參考文獻1DOEUSA，Clean Coal Technology Demonstration Prgram.February,1993 2Dr.Benjamin,C.B.Hsieh.Overview of Clean Technol