整体煤气化联合循环发电(IGCC)

整体煤气化联合循环（IGCC）1整体煤气化联合循环发电（IGCC）目录一、整体煤气化联合循环的工作过程…………………………二、整体煤气化联合循环的特点………………………………三、整体煤气化联合循环的发展………………………………四、在整体煤气化联合循环的主要设备………………………五、整体煤气化联合循环的发展趋势…………………………六、对我国发展IGCC技术的若干启示………………………整体煤气化联合循环（IGCC）2一、整体煤气化联合循环的工作过程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。其原理图见下图：二、整体煤气化联合循环的特点IGCC（整体煤气化联合循环）发电技术是当今国际上最引人注目的新型、高效的洁净煤发电技术之一。该技术以煤为燃料，通过气化炉将煤转变为煤气，经整体煤气化联合循环（IGCC）3过除尘、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，燃气轮机排气余热经余热锅炉加热给水产生过热蒸汽，带动蒸汽轮机发电，从而实现了煤气化燃气蒸汽联合循环发电过程。IGCC发电技术把联合循环发电技术与煤炭气化和煤气净化技术有机的结合在一起，具有高效率、清洁、节水、燃料适应性广，易于实现多联产等优点，符合二十一世纪发电技术的发展方向。1、IGCC将煤气化和高效的联合循环相结合，实现了能量的梯级利用，提高了采用燃煤技术的发电效率。目前国际上运行的商业化IGCC电站的供电效率最高已达到43%，与超超临界机组效率相当。当采用更先进的H系列燃气轮机时，IGCC供电效率可以达到52%。2、IGCC对煤气采用“燃烧前脱除污染物”技术，煤气气流量小(大约是常规燃煤火电尾部烟气量的1/10)，便于处理。因此IGCC系统中采用脱硫、脱硝和粉尘净化的设备造价较低，效率较高，其各种污染排放量都远远低于国内外先进的环保标准，可以与燃烧天然气的联合循环电厂相媲美。目前常规燃煤电厂脱硫主要采用尾部脱硫的方法，脱硫所产出的副产品是石膏。IGCC一般采用物理/化学方式脱硫，其脱硫效率可达99%以上，脱硫产物是有用的化工原料-硫磺。常规燃煤电厂目前没有有效的脱除CO2的方法，IGCC具有实现CO2零排放的技术潜力。在IGCC系统中可以对煤气中的CO进行变换，生成H2和CO2，H2可以作为最清洁的燃料（如燃料电池），CO2可以进行分离、填埋回注等，以实现CO2零排放。3、IGCC的燃料适应性广，褐煤、烟煤、贫煤、高硫煤、无烟煤、石油焦、泥煤都能适应。采用IGCC发电技术，可以燃用我国储量丰富、限制开采的高硫煤，使燃料成本大大降低。4、IGCC机组中蒸汽循环部分占总发电量约1/3，使IGCC机组比常规火力发电机组的发电水耗大大降低，约为同容量常规燃煤机组的1/2～2/3左右。5、IGCC的一个突出特点是可以拓展为供电、供热、供煤气和提供化工原料的多联产生产方式。IGCC本身就是煤化工与发电的结合体，通过煤的气化，使煤得以充分综合利用，实现电、热、液体燃料、城市煤气、化工品等多联供。从而使IGCC具有延伸产业链、发展循环经济的技术优势。三、整体煤气化联合循环的发展整体煤气化联合循环（IGCC）41972年在德国Ltinen酌斯蒂克电站投运了世界上第一个以增压锅炉型燃气一蒸汽联合循环为基础的IGCC电站，该电站的发电功率为170MW，实际达到的供电效率为34%，采用以空气为气化剂的燃煤的固定床式的Lurgi气化炉。显然，这个电站开创了煤在燃气一蒸汽联合循环中应用的先例。但是由于Lurgi炉的运行不甚正常，加上粗煤气中含有数量较多的煤焦油和酚，甚难处理，最后迫使该项示范工程夭折了。世界上公认的真正试运成功的IGCC是于1984年5月建成于美国加州Daggett的“冷水”(CoalWater)电站，它是以余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环为基础的，该电站的净功率为93MW，供电效率为31.2(HHV)。采用以99%纯氧为气化剂的Texaco喷流床气化炉。该电站成功地运行了4年，历时共25000h。它相当彻底地解决了燃煤电站固有的污染物排放严重的问题，同时证明IGCC发电方式具有足够高的运行可用率和负荷因素。“冷水”电站的试验成功向世界宣布了这样一个现实和方向，即：IGCC是一种有相当发展前途的洁净煤发电技术，它可能是21世纪中，除了增殖反应堆之外的、最有发展前途的一种燃煤的友电方式。此外，在“冷水”电站试运行的过程中，美国在Louisiana州Plaquemine的DOW化学工厂内也建设了一座IGCC的示范工程（LGTI），燃气轮机的功率为110MW，余热锅炉中产生的蒸汽用于化工厂的生产工艺流程。按当量折算，IGCC的总功率为160MW，采用原为Destec公司专有的两段式水煤浆加煤的气化炉。该装置自1987年4月开始运行后到1994年3月止，累计运行了33637h，1991-1992年度内其平均运行可用率为80%。以上这两台IGCC的示范运行运行成功，为上一世纪90年代开始的较大规模地研究和规划发展IGCC电站的计划增添了动力。那时在世界范围内拟建设的IGCC示范电站的数量有10座以上。它们研发的目标是：①迅速增高IGCC的单机功率和供电效率，力求其供电效率能超过目前燃煤的超临界参数的蒸汽轮机电站；②较大幅度地降低其比投资费用，力求降低到$1000-1200/kW的水平；③提高全厂的运行可用率，力求达到90%-92%的水平；④降低发电成本，力求在电网中能与燃煤的有FCD装置的发电成本相竞争；整体煤气化联合循环（IGCC）5⑥积累运行经验。但是较大规模地示范运行ICCC的工作进展得并不顺利，到目前为止，实际建成并在运行和调试的，纯粹以发电为目的IGCC电站只有5座，它们的概况如表1所示。在这些电站的调试过程中都遇到过许多技术故障，并经不断改进后才取得进展。有关这些电站的调试过程以及所克服的故障，作者已在参考文献中作过详细的分析，在此不再重复。总的结论是：①目前供电效率仅达到42%-43%左右，并未实现45%的预定目标，倘若热煤气显热的回收系统设计不当（像美国的Tampa电站那样），供电效率则有可能下滑到37%左右的低水平；②电站运行的可用率一般能够达到80%左右，主要的停运原因来自气化炉；③电站的比投资费用还比较高，一般都高于$1500/kW：④由于比投资费用高、运行可用率仅80%左右，因而发电成本还不能与目前燃煤的超临界参数的蒸汽轮机电站相媲美；⑤改烧低热值的合成煤气时，燃气轮机的然烧室不仅需要作很大的改动，而整体煤气化联合循环（IGCC）6且要修改压气机与透平通流部分的匹配关系，以适应燃烧低热值煤气时燃气质最流率较大幅度增长的需要。相对于燃烧天然气的燃气一蒸汽联合循环而言，改烧低热值煤气后，联合循环的功率大约会增大10%=20%；⑥必须慎重地选择燃气轮机的型号，燃烧室必须具备兼烧低热值煤气的实际经验，不允许发生振荡燃烧现象。目前9F等级的燃气轮机在改烧低热值煤气时可以使IGCC的单机容量达到300MW以上：⑦对于以纯发电为目的的ICCC电站来说，采用喷流床式的、以氧气为气化剂的气化炉是比较合适的，它能提高碳的转化率，并有利于提高IGCC电站的单机容量。通常，干法供煤的喷流床气化炉的冷煤气效率有可能达到78%-84%，它要比水煤桨供煤的喷流床气化炉者(70%-74%)高，有利于改善IGCC电站的供电效率。目前，喷流床气化炉的单炉耗煤量已经达到2000-3000t/日，足以与300MW等级的IGCC电站相匹配；⑧届前，以空气为气化剂的流化床式的气化炉以及干法除灰脱硫系统还未试验成功，尚需进一步探索；⑨目前采用的深冷法制氧设备的耗功量是比较大的，为了减少厂用电耗率，设法探索新的制氧方法是刻木容缓的事；⑩一般来说，在IGCC的整套设备中，燃气轮机的运行可用率总是在95%以上，是比较可靠的，但在GE公司和Siemens公司供货的燃气轮机中也都发生过部分压气机叶片断裂的故障，在运行中必须严加检查，以防发生大事故；⑩IGCC的污染物排放远远低于NSPS标准，完全能够在相当长的一段时间内，满足21世纪初、中期的需要。当IGCC方案进一步改进后，可以大幅度地减少C02的排放量，可满足环保新标准的要求，但是它会使IGCC的供电效率相应地降低6—8个百分点。当然，以上5座IGCC示范电站还将长期地运行下去，以便充分暴露和解决诸多设备中可能存在的技术问题、积累运行经验，并在气化炉中试烧多种燃料、探索气化过程的参数优化。特别是在美国的Tracy电站中，需要不断地改进以空气为气化剂的流化床气化炉的结构，使之能保持稳定地运行，并解决高温烛状过滤器的断裂以及脱硫剂粉化失效的问题。总之，目前人们已经掌握了设计、制造和运行单机容量为300-400MWIGCC整体煤气化联合循环（IGCC）7电站的技术，但须采用以氧气为气化剂的喷流床气化炉和湿法除灰脱硫系统。当采用热煤气全热回收系统时，电站的供电效率可以达到42%-43%；运行可用率为80%左右；比投资费用则不低于$1500/kW;发电成本尚不能与有FGD的燃煤电站抗衡(初步估计发电成本大于￥0.5/kWh)。这就是说，目前燃煤的ICCC电站尚未具备取代有FGD的燃煤蒸汽电站以及烧天然气的余热锅炉型联合循环的条件，它必须在进一步提高供电效率、降低比投资费用和发电成本，以及提高整个电站的运行可用率方面做许多工作。总的来说：以纯发电为目的的IGCC电站的发展速度比人们在上一世纪中期预计的要缓慢得多。四、在整体煤气化联合循环的主要设备（一）燃气轮机系统走马灯是燃气轮机的雏形我国在11世纪就有走马灯的记载，它靠蜡烛在空气燃烧后产生的上升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计的烟气转动装置，其原理与走马灯相同。燃气轮机（GasTurbine）是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，包括压气机、加热工质的设备（如燃烧室）、透平、控制系统和辅助设备等。燃气轮机的工作原理：整体煤气化联合循环（IGCC）8原理图燃气轮机的工作过程：压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环；此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。70年代末，压缩比最高达到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右，航空燃气轮机的超过1350℃。整体煤气化联合循环（IGCC）9燃气轮机的三大部件：压气机、燃烧室、透平：1、压气机（1）压气机简介：压气机（compressor），燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。压气机由涡轮驱动，其主要性能参数有：转速、空气流量、增压比和效率等。压气机有两种类型离心式和轴流式。我们着重讲轴流式压:1