煤气化联合循环发电技术浅析

煤气化联合循环发电技术浅析摘要：本文浅要分析了整体煤气化联合循环发电的关键技术，并简单展望了整体煤气化联合循环发电技术的发展前景。关键词：关键技术联合循环降低成本整体煤气化联合循环（IGCC-IntegratedGasificationCombinedCycle）发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备（包括硫的回收装置），第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。IGCC的工艺过程如下：煤经气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气透平作功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机作功。由于IGCC技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好的环保性能，是一种有发展前景的洁净煤发电技术。一、影响IGCC系统性能的关键技术从理论上IGCC整个系统大致可分为三个相对独立的部分：煤气制备子系统、联合循环子系统和空气分离子系统。这三个子系统的技术均有成熟技术，但是第一台IGCC电站---美国的冷水电站直到1987年才开始成功运转。这主要是因为IGCC技术投资成本过高，影响系统性能的关键技术尚不过关等因素。下面详细介绍一下三个子系统中的关键技术及其发展现状。1、煤气制备子系统与常规的燃气蒸汽联合循环相比，IGCC系统所不同的是煤气制备子系统，即煤的气化和净化系统及其附属设备。因此，能量转换效率高的灵活气化技术和合适的粗煤气净化技术是IGCC系统技术的关键。煤的气化床的形式有四种基本的气化炉装置：喷流床气化炉（如芬兰的Shell炉）、流化床气化炉（如美国的KRW炉）、固定床气化炉（如英国的BG/L炉）和熔融床气化炉（如ATGAS炉）这四种气化工艺都能在不同的IGCC系统中找到各自的适用场合。目前气化技术的研究重点是扩大气化原料的适应性，提高原料的综合利用度，根据不同的IGCC系统要求，开发出高效灵魂的气化技术。煤在气化炉中气化为粗煤气时，原煤中所含的相当一部分灰分、硫、氮以及碱金属盐和卤化物都会转移到并以不同形式存在有粗煤气中。这些有害物质如果不脱除干净，会导致燃气透平的腐蚀、磨蚀和结垢，严重影响燃机的使用寿命和工作安全。还会对环境带来不良影响。因此在IGCC系统中，应该在粗煤进入燃气轮机之前，对气化炉供来的粗煤气进行净化处理。在IGCC系统中使用的粗煤净化系统有所谓的常温湿法净化系统（即把煤气先冷却，后净化）和高温干法净化系统之分。前者属于比较成熟的技术，但是在煤气的冷却和除灰脱硫过程中的显热损失比较大，对IGCC系统的效率会产生不利的影响，并且还需要建立复杂的废水处理系统。而高温干法净化过程中的显热，提高IGCC系统的效率，简化系统，降低投资费用，成为第二代IGCC系统的关键技术之一，受到了普遍关注。目前高温除尘多处在实验室规模与中试规模，进入示范应用的有陶瓷过滤器和陶瓷阻隔过滤器；而高温干式脱硫采用炉内喷钙脱硫，加上以金属氧化物为吸收剂（氧化铁、氧化锌等）的尾部反应床（固定床、流化床、喷流床）内进一步脱硫，可避免冷烟气净化或湿式脱硫过程中造成的湿热损失。2、联合循环子系统燃气轮机是IGCC系统的关键部件，燃气轮机与蒸汽轮机出功比一般为1.3~2.0，因此燃气轮机对整个IGCC系统的经济性和实用性有着重要的影响。燃用低热值合成气等对燃气轮机的性能提出了更高的要求，必须对现有的燃天然气的燃气轮机进行改进。而先进燃气轮机技术的发展也可进一步改善联合循环子系统的性能。如提高透平入口温度至1500℃以上，采用先进的燃气轮机和余热锅炉，发电效率已经达到60%。如果采用湿空气透平循环（IGHAT），使用热水来湿化空气，湿空气通过回热器，与煤气一起送入燃气轮机燃烧室并进入透平膨胀做功。由于压气机压缩功的减少以及避免了郎肯循环的影响，系统效率可在原来的基础上提高2%~3%，同时由于没有蒸汽轮机可使投资费用降低。G与H系列先进燃气轮机，采用了先进的压气机系统、低NOX冷却式燃烧室、具有超级冷却技术的高温透平（H系列用蒸汽冷却），在材料方面选用了具有良好的抗热蠕变，氧化和腐蚀性能的镍基超级合金，透平前温度可达1500℃。这同时也为其它子系统单元模块的综合优化提供了更有利的条件。3、空气分离子系统（ASU）经过冷却和净化的压缩空气经过空气分离单元为氧气、氮气，同时生成蒸汽。空气分离技术只能从气化单元提供所需氧气的传统低压独立式分离技术向可从燃气轮机抽取空气或者向燃气轮机加注分离氮气的整体式高压分离技术发展。空分系统进汽的发展动向主要是增大机组规模、进行过程优化，从而增进其与新一代大容量、高压比的燃气轮机的系统整合。由于空气分离单元与气化单元，燃气轮机单元的耦合，对于IGCC系统的性能有着重要的影响。这种耦合为IGCC系统性能的改善提供了新的优化点。仅空气分离单元和燃气轮机的整体化而言，有四种优化选择：（1）空气全部或部分提供给空气分离单元；（2）增压氮气作为燃烧稀释剂，透平冷却剂，货为增大出功供给燃气轮机；（3）低压氮气用于燃气轮机进口气流冷却货加热用于增加HRSG蒸汽产量；（4）冷却水用于燃气轮机透平冷却，或加热后用于HRSG给水。作为一种高效的氧气、动力和蒸汽联产技术。国外正在对离子交换膜空气分离技术进行研究。在没有泄漏的情况下，这种技术的氧气分离效率可以达到很高水平。这是一种很有前途的空气分离技术，但需解决降低阻力和增大流量的问题。二、IGCC技术的发展前景IGCC发电技术是很有前途的洁净发电技术，只要克服其发展的障碍条件，必将具备巨大的市场竞争力和发展潜能。目前世界上IGCC发电技术正处于第二带技术的成熟阶段。国际上不少科研机构和制作厂商在第一代示范电厂技术的基础上，根据已投产电厂的运行经验，结合F级燃机的应用，不断对第二带IGCC发电技术进行深入研究，并取得了显著成效。比如2002年ChevronTexaco公司采用成熟的CVX-2002基准技术完成了燃煤的IGCC参考电厂报告，报告显示：1、采用干进料的Shell、Prenflo气化炉，其热效率比采用湿进料的Tex-aco炉高出与2.5%；2、采用热全回收的气化技术比采用激冷技术效率高出约2%；3、空分装置采用部分或全部整体化进风比采用全部独立进风，其效率高出约1.5%；4、随着设备的成熟，容量的扩大，单位造价可降低25%，电厂可用率还可提高。由于能源短缺、电力供应紧张、环境污染严重都是困扰各国持续发展的主要难题，所以世界各国越来越约重视IGCC发电技术的发展。IGCC电站的性能试验规程也由美国ASME成立委员会起草发布了。这个规程的制定为IGCC电站的性能试验提供了一个为业主、供货方、设计、施工方都能接受的平台，规范了IGCC建设市场。我国发展IGCC发电技术的条件也日趋成熟，煤气化技术在我国化工和石化行业已有较长时间的引进和使用业绩，燃机联合循环发电技术国产化率也不断提高。IGCC发电技术也已列入我国电力行业“十二五”规划重点跟踪研究项目。我国IGCC发电技术必将迎来发展小高峰。三、结论虽然IGCC发电技术存在投资成本高，建设工期长，运行可靠性相对不高等缺点，但其凭借较高的发电效率和环保性能，在当前能源紧张，环境污染严重的形势下，IGCC发电技术越来越受世界各国青睐。随着研究投入的增加，IGCC发电的关键技术难题必将一一破解。一旦其基建投资得到降低、运行可靠性和可操作性得到提高，IGCC发电技术必将成为将来火电动力的一个主要发展方向。参考文献：1、焦树建整体煤气化燃气-蒸汽联合循环（IGCC）北京：中国电力出版社19962、曾汉才燃煤发电新技术的现状与发展华中电力199811（5）：5-93、林汝谋，金红光燃气轮机发电动力装置及其应用北京：中国电力出版社2004