1、IGCC發(fā)電和煤氣化技術董衛(wèi)國國家電力公司熱工研究院,陜西西安710032摘要：簡要闡述了整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術的流程特點和技術優(yōu)勢,介紹了國外IGCC發(fā)展概況和可用于IGCC發(fā)電的幾種煤氣化技術。關鍵詞：IGCC;潔凈煤發(fā)電;煤氣化0引言70年代初期的石油危機,給世界帶來巨大影響和沖擊。西方主要工業(yè)國家政府從本國經(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)對世界能源結構的分析,普遍認為煤的儲量大、價格穩(wěn)定、比較容易獲得,但煤在燃燒過程中對環(huán)境造成的影響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的同時,積極推動潔凈

2、煤技術的研究與開發(fā)工作。經(jīng)過幾十年的努力,不同形式的潔凈煤發(fā)電技術得到了很大發(fā)展。從70年代開始,一些工業(yè)發(fā)達國家就有計劃地開展了整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IntegratedGasificationCombinedCycle,IGCC)發(fā)電技術的開發(fā)研究。第一個成功進行IGCC發(fā)電工業(yè)性示范的是1984年投運的美國CoolWater電站。這個示范電站的重要意義在于證明了IGCC發(fā)電技術的可行性，并取得極好的環(huán)保性能,被稱為世界上最清潔的燃煤電站。得益于近10余年來燃氣輪機技術的迅速發(fā)展，目前燃氣輪機單機功率超過200MW,燃用天然氣或油的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電凈效率已超過58。隨著燃氣溫度的進一步提高和蒸汽

3、循環(huán)的優(yōu)化,下世紀初聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可望達到60%。因此,IGCC發(fā)電技術已經(jīng)大型化，正走向商業(yè)化應用。在目前技術水平下，IGCC發(fā)電的凈效率可達43%45%，今后可能達到52%或更高,而污染物排放量僅為目前發(fā)達國家先進環(huán)保標準的若干分之一。既有發(fā)電的高效率，又有極好的環(huán)保性能，因而成為世界矚目的極有發(fā)展前途的一種潔凈煤發(fā)電技術。1IGCC發(fā)電技術簡介IGCC發(fā)電技術由兩大部分組成，即煤的氣化和凈化部分及燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。煤經(jīng)過氣化和凈化后，除去煤氣中99%以上的硫化氫和幾乎100%的粉塵，將固體燃料轉化成燃氣輪機能燃用的清潔的氣體燃料。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電結合了熱源溫度很高的燃氣

4、循環(huán)和冷源溫度較低的蒸汽循環(huán)，大大提高了能源的綜合利用放率。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的型式有許多種，最常用的是余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)。因為燃氣輪機的排氣溫度相當高(一般為500600C),在燃氣輪機后面安裝一臺余熱鍋爐，可產(chǎn)生高溫、高壓的蒸汽，送到蒸汽輪機中作功，就可以多發(fā)一部分電力，必然提高了燃料中能量的轉換效率。1iff和瞬1-1-：.I：;:I踐代矩挾勸曲|MAJlLlJlAL1ST側Lit.義M圳時/対位El!KiMMUE:A圖1美國Tampa電站的IGCC發(fā)電系統(tǒng)示意f1WittJIW111圖1是采用Texaco氣化技術的美國Tampa電站的IGCC發(fā)電系統(tǒng)示意圖。氣化配置一臺德士古(Texa

5、co)氣化爐，屬水煤漿進料氧氣下吹式氣流床氣化。氣化能力2400t/d,水煤漿濃度68%,氧氣濃度95%。氣化壓力2.83.0MPa,溫度約為1482C。粗煤氣主要成分為H、CO、CO和水蒸汽，燃料中的硫轉化成SO和COS。煤中所含灰分在氣化過程中熔融成液態(tài)渣。高溫煤氣向下流動進入輻射式煤氣冷卻器，煤氣溫度降到約700C，煤氣中的熔融渣在底部水室中淬冷成玻璃狀渣。煤氣繼而進入2個并聯(lián)的對流式煤氣冷卻器繼續(xù)冷卻到480C。煤氣顯熱得到回收，產(chǎn)生10.4MPa的飽和蒸汽。氣化爐和輻射式煤氣冷卻器做成一體，外殼直徑5.185m,高39.345m,總重約9001,氣化爐爐膛用耐火磚襯里。煤氣凈化經(jīng)過對

6、流式冷卻器的煤氣分兩路進入煤氣凈化系統(tǒng),清除煤氣中的固體顆粒、硫化物、堿金屬鹽和鹵化物等有害物質(zhì),以保護燃氣輪機及使排氣滿足環(huán)境法規(guī)的要求。Tampa電站設置了高溫和常溫兩套煤氣凈化系統(tǒng)。高溫煤氣凈化是一套10%容量的工業(yè)示范裝置，采用美國GE環(huán)保公司研究開發(fā)的脈動式移動床高溫脫硫技術。工作溫度482538C，用鈦鋅脫硫劑吸收HS,2生成濃度約13%的SO,送往硫酸廠，脫硫效率為98%。凈化后煤氣中HS和COS22含量不超過30Mg/g。吸收劑可再生利用。90%的粗煤氣進入常溫煤氣凈化系統(tǒng),高溫煤氣凈化系統(tǒng)停運時,該系統(tǒng)能處理100%的粗煤氣。常溫煤氣凈化采用文丘里洗滌器濕法除塵和MDEA法脫

7、硫,Tampa沒有采用水解器將COS轉化為HS,脫硫效率為96%。空氣分離配置了一套完全獨立的高壓空分系統(tǒng),空氣由獨立的空氣壓縮機供給。空分站日產(chǎn)21001純度為95%的氧氣和63001純度為98%的氮氣。氧氣除供氣化爐用外,還供給硫酸廠。氮氣經(jīng)壓縮并加熱后回注到燃氣輪機燃燒室，既可降低NOX的生成,又可增大燃氣輪機做功能力。1.4聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機為MS7001F型,燃用合成煤氣時初溫tB=1260C，額定功率可達192MW。燃氣輪機排氣進入一臺三壓自然循環(huán)余熱鍋爐，煤氣冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓飽和蒸汽也在這里進一步加熱成過熱蒸汽。驅動一臺再熱式汽輪機,主蒸汽參數(shù)為lOMPa/538C/538C。1

8、.5灰渣及廢水處理積存在輻射式煤氣冷卻器底部水室中的灰渣,通過一個鎖斗裝置周期性地排入沉淀池中,鎖斗裝置約每半小時開啟一次。粗渣在沉淀池中分離并被撈取送往灰渣場。含有細渣的水被泵送到細渣-水分離系統(tǒng),首先通過一個沉降池,使細渣得到濃縮,然后用一臺旋轉鼓式真空過濾器,將細渣分離出來送往灰渣場。煤氣攜帶的細灰,在洗滌塔中除去。含有細渣的水連續(xù)送往細渣-水分離系統(tǒng)。分離后的水回到系統(tǒng)中重復使用。Tampa電廠做到廢水零排放。2IGCC發(fā)電技術的主要優(yōu)勢IGCC之所以受到重視,是因為它有以下技術優(yōu)勢：效率高，且進一步提高效率的潛力大。IGCC的高效率主要來自聯(lián)合循環(huán)，聯(lián)合循環(huán)燃氣側參數(shù)對循環(huán)性能的影響

9、較大。隨著燃氣初溫的進一步提高和其他有關的技術進步,IGCC的凈效率很快能達到50%或更高。煤的潔凈轉化使它具有極好的環(huán)保性能。先將煤轉化為煤氣,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。粉塵排放幾乎為零,N0X和SO2的排放也遠低于環(huán)境污染排放標準,脫硫率$98%,能更好地適應下世紀火電發(fā)展的需要。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)建設礦口電站。易大型化，目前單機功率可達到400MW以上。IGCC是一個由多種技術集成的系統(tǒng)，煤的氣化、凈化技術、燃氣輪機技術以及汽輪機技術等的發(fā)展都為它的發(fā)展提供了強有力的支撐。能充分綜合利

10、用煤炭資源,適用煤種廣。能和煤化工業(yè)結合成多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),能同時生產(chǎn)電、熱、燃料氣和化工產(chǎn)品。如便于與生產(chǎn)甲醇、醋酸、合成氨、尿素等化工過程相結合,使煤得以充分綜合利用,有利于降低生產(chǎn)成本。燃煤后的廢物處理量最少,脫硫后生產(chǎn)的元素硫或硫酸可以出售。灰溶融冷卻后形成玻璃狀渣,能固化堿金屬等有害物質(zhì),大大減輕環(huán)境污染,而且可用作建筑材料。當天然氣和石油枯竭時，可用IGCC改造現(xiàn)有燃油氣的聯(lián)合循環(huán)。IGCC也可用于對現(xiàn)有蒸汽電站的增容改造,又便于實施電站的分階段建設,能最有效地利用建設資金。3國外IGCC發(fā)展概況從19931997年，歐、美各國相繼建成了4座250300MW的IGCC示范電站。美國能源部

11、自1986年開始實施了一項清潔煤技術示范計劃,經(jīng)5輪招標,共選中45個項目，總投資69.7億美元，能源部撥款占34%。其中IGCC項目6個，總投資21.7億美元,占總投資的31%。美國WabashRiverIGCC示范機組,是一個老廠改造項目，采用Destec氣化爐,GE7FA型燃氣輪機，利用原有100MW蒸汽輪機。電站凈功率262MW,設計凈效率40%(LHV)o1993年9月破土動工，1995年8月完成電站各分系統(tǒng)調(diào)試,8月底氣化爐開始投煤，至11月中旬完成了整個電站的整體化試運行和初步試驗。從1995年12月開始為期3年的示范運行,截止到1999年9月底,氣化爐累計運行14275h,可用

12、率超過77。除帶基本負荷外,有時也燃用燃油帶尖峰負荷。在2種運行方式下燃氣輪機都能穩(wěn)定運行,且對電網(wǎng)的適應性良好。系統(tǒng)經(jīng)進一步優(yōu)化,電站效率已超過設計值,達到42。美國Tampa電站IGCC機組采用Texaco氣化爐和GE7FA燃氣輪機。凈功率為250MW,設計凈效率41%(LHV)。1994年10月開始安裝，1996年7月首次投運煤氣化爐,9月首次燃用煤氣發(fā)電,機組于9月底投入商業(yè)運行,開始為期4年的示范運行。至1999年9月底機組燃用煤氣累計運行15350h。在調(diào)試和運行過程中出現(xiàn)的2個主要問題是：氣/氣熱交換器的堵塞、腐蝕和泄漏;細渣分離系統(tǒng)不能滿足運行要求。最終拆除了氣/氣熱交換器,雖

13、然采取了一定措施機組效率仍比設計值低約1.5個百分點。荷蘭Buggenum電站IGCC示范機組凈功率253MW,采用Shell氣化爐和西門子V94.2燃氣輪機,1990年開始建設,1994年4月正式用煤氣發(fā)電。氣化爐運行正常,但由于采用完全整體化空分系統(tǒng),機組啟動困難,后改用蒸汽注入方法解決啟動問題。燃氣輪機在燃用合成煤氣時曾經(jīng)發(fā)生振蕩燃燒,1996年更換改進的燃燒室后已基本解決。1996年9月繼續(xù)執(zhí)行示范計劃,到1998年8月已經(jīng)在40%到100%負荷之間進行了10個煤種試驗,機組累計運行超過10500h,最長連續(xù)運行800h,機組凈效率達到設計值,全廠可用率達到85%,氣化爐可用率達到95

14、%,1999年1月正式轉入商業(yè)運行。西班牙的PuertollanoIGCC示范電站采用Pren-flo氣化爐,西門子公司的V94.3型燃氣輪機，凈輸出功率300MW,氣化爐氣化能力為2640t/d,是目前世界上最大的燃煤IGCC電站,凈效率45%(LHV)。1994年4月動工建設,1996年4月燃氣輪機開始燃用天然氣調(diào)試,1998年4月開始燃煤進行整體調(diào)試。由于燃氣輪機在燃用合成煤氣時存在與Buggenum電站相似的振蕩燃燒問題,現(xiàn)在已由西門子公司進行改造。到1999年9月底氣化爐累計運行1277h,機組燃用煤氣運行592h。美國另一個IGCC示范電站也已在PinonPine建成。采用KRW增

15、壓流化床空氣氣化技術,并示范高溫陶瓷過濾器和移動床高溫脫硫技術。氣化煤能力881t/d,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)由一臺MS6001FA型燃氣輪機發(fā)電機組,一臺雙壓余熱鍋爐及其汽輪機發(fā)電機組組成。機組凈出力99.7MW,機組凈效率42%(LHV)。該電站于1995年2月開始動工建設,1996年9月18日聯(lián)合循環(huán)裝置首次燃用天然氣運行,1998年1月開始燃用煤氣進行調(diào)試。此外,在歐美和日本等地,還有多座已建成或在建的以石油焦或渣油為燃料的IGCC電站。4用于IGCC發(fā)電的煤氣化技術煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的首要問題是煤的氣化技術,煤的氣化泛指各種煤(焦)與載氧的氣化劑(O、HO、CO)之間的一種不完全反應，

16、最終生成由CO、H、2222CO、CH、N、HS、COS等組成的煤氣。目前已進行IGCC商業(yè)示范的煤氣化工藝2422有：Texaco、Destec、Shell、Prenflo和KRW,其它的一些氣化工藝如HTW、GSP、BGL和U-Gas等正在或計劃進入IGCC示范工程。這些氣化工藝幾乎涵蓋了所有類型的煤氣化工藝。國外先后開發(fā)了100多種氣化工藝(爐型),最有發(fā)展前途的也有10余種。最常用的氣化分類是按煤和氣化劑在氣化爐內(nèi)的相對運動來劃分,即分成固定床、流化床和氣流床等3種。加壓Lurgi爐是典型的固定床氣化爐,用氧-蒸汽連續(xù)鼓風,主要用于制取城市煤氣。氣化劑（氧和蒸汽）從氣化爐底部進入灰渣層

17、,預熱后進入氣化層,熱煤氣向上經(jīng)干餾、干燥層后離開氣化爐。產(chǎn)品煤氣中含有10%15%的烴類（甲烷、乙烷、不飽和烴）,經(jīng)除焦油和水洗后可做城市煤氣。英國煤氣公司BGC與德國Lurgi公司合作，開發(fā)了液態(tài)排渣氣化爐,取名為BGL。操作壓力2.53.0MPa,反應溫度14001600C，灰渣以液態(tài)形式排出，取消了轉動爐箅。由于高溫操作,氣化強度提高了23倍。粗煤氣中CO含量由30%2左右降至3%5%,煤氣熱值提高25%，對IGCC有利。BGL爐尚處于示范試驗階段,未實現(xiàn)工業(yè)化。流化床氣化爐中氣化劑由爐底部吹入，使細顆粒煤（V6mm）在氣化爐內(nèi)呈流態(tài)化狀態(tài)。氣化溫度控制在煤灰的灰軟化溫度以下,以避免煤

18、顆粒軟化和相聚變大而破壞流態(tài),這種氣化爐顯然不能用粘結性煤,并要求較高化學活性。由于爐溫低、反應時間短、碳轉化率較低,造成飛灰多且灰渣分離困難,這是流化床氣化的最大缺點。國外已工業(yè)化的爐型有常壓Winkler和加壓操作的HTW爐。此外，還有U-Gas、KRW等流化床氣化爐也逐步走向工業(yè)化。氣流床氣化爐中粉煤由氣化劑夾帶入爐并進行燃燒和氣化。受反應區(qū)空間的限制，氣化反應必須在數(shù)秒鐘內(nèi)完成。必須嚴格控制入爐煤的粒度（V0.1mm）,以保證有足夠的反應面積。煤和氣化劑的相對速度很低，為增加反應推動力，必須提高反應溫度即反應速度。火焰中心溫度在2000C以上,液態(tài)排渣是其必然結果。國外已工業(yè)化的氣流床

19、氣化爐型有濕法供煤的Texaco爐和Destec爐，及干法供煤的Shell爐和Prenflo爐。Texaco爐是率先實現(xiàn)工業(yè)化的第二代氣化工藝。為強化氣化過程，各類方法都向加壓發(fā)展。粉煤氣流床氣化實現(xiàn)加壓操作的最大難題是粉煤的升壓和輸送。美國Texaco公司首先提出水煤漿概念，在70年代對水煤漿制備、噴嘴、耐火材料、廢熱回收、測溫技術等作了許多富有成效的研究與開發(fā)，為Texaco爐的工業(yè)化打下基礎。現(xiàn)在最大單爐容量已達到2500t/d。Texaco爐的主要優(yōu)點為：煤適應范圍較寬;水煤漿進料可靠、氣化工藝簡單，對提高氣化壓力和擴大規(guī)模特別有利;氣化中不含高級烴，適合作化工合成原料氣;不污染環(huán)境，

20、三廢處理方便。主要缺點是冷煤氣效率較低、氧耗高、耐火材料價格高。美國DOW化學公司在Texaco技術基礎上開發(fā)了DOW氣化工藝，后來改稱Destec氣化法，是一種二段式水煤漿加壓氣化。水煤漿經(jīng)水平布置的2個噴嘴進入氣化爐第一段。進煤量占總量的80%,氣化溫度約1427C，氣化壓力2.76MPa。煤在部分燃燒條件下氣化，并使灰融化成液態(tài)渣。第一段生成的粗煤氣向上流入第二段，該段設有23個噴嘴，采用水煤漿為第二段進料，占總供煤量的20%，在高溫煤氣中蒸餾、熱解,并與水蒸汽反應生成H和CO。通過第二段后煤氣熱值提2高并使溫度降低，可省去輻射式煤氣冷卻器，只需設置對流式煤氣冷卻器。70年代后期以來前西德、荷蘭、前東德相繼開發(fā)了干粉加壓氣化，代表性的爐型有Shell、Prenflo和GS