基于水煤漿氣化的200 MW級IGCC關鍵技術研究

朱 達，李碩平

（1.華電半山發電有限公司，杭州 310015，2.浙江省電力設計院，杭州 310012）

1 整體煤氣化聯合循環技術的發展概況

整體煤氣化聯合循環 （Integrated Gasification Combined Cycle，簡稱IGCC）是將固體的煤氣化并凈化后，與燃氣－蒸汽聯合循環發電相結合的一種高效清潔發電技術。目前世界上約有4000 MW的IGCC電站已建成運行，總容量超過25000 MW的50多個IGCC項目在籌建中。IGCC技術正從概念性驗證階段走向商業化示范及應用階段，目前已發展到第三代。

與前兩代IGCC技術相比，第三代IGCC的技術性能和經濟指標都有很大提高，其主要技術特點是：

（1）采用新型氣化爐及氣化工藝，進一步提高氣化爐燃料適應性、可用率和轉換效率。

（2）研發新的高溫合成氣凈化技術。

（3）采用更加先進的燃氣輪機。

（4）采用更高參數和更為優化的蒸汽系統。

中科院《2009中國可持續發展戰略報告》中將IGCC發電技術作為中國特色低碳道路的發展戰略之一，使IGCC有可能成為未來極低碳排放發電系統的最佳方法，并成為氫能經濟的一部分。

2 我國發展IGCC技術的重要性

2.1 以煤為主的能源屬性

我國的煤炭資源相對豐富，已查明的資源儲量為10430億噸，可直接經濟利用的儲量就有1842億噸，位列世界煤炭探明儲量第3位。我國以煤為主的能源屬性決定了以燃煤發電為主的火力發電格局在很長一段時間內不會發生改變。

2.2 環境保護壓力

當前由溫室氣體排放帶來的全球變暖問題已引起廣泛關注，CO2排放是產生溫室效應的主要原因，而在中國由燃煤發電產生的CO2占整個CO2排放的較大比重。根據我國在哥本哈根會議上關于中國單位GDP二氧化碳排放2020年比2005年減少40%～50%的承諾，我國需要大力發展節能清潔技術，發展綠色經濟。

CO2捕獲和存儲（CCS技術）是CO2減排的主要手段，而CO2的捕獲環節最為關鍵。要將CO2從煙氣中分離出來，最有效的方法是燃燒前分離。目前常規燃煤電廠的脫碳方式均為高壓工藝，而IGCC的合成氣本來就是高壓氣體，所以從脫碳裝置初投資及運行成本的角度比較，IGCC脫碳比常規火電脫碳有巨大的優勢。

2.3 IGCC系統的高效率

按目前的技術水平，IGCC發電系統和常規高效燃煤發電系統的效率、煤耗對比如表1所示。可見，在同級別發電容量的發電機組中，采用E級燃機的IGCC系統的供電效率比亞臨界300 MW常規燃煤機組高；采用F級燃機的IGCC系統的供電效率要遠高于超臨界600 MW常規燃煤機組，也高于超超臨界1000 MW常規燃煤機組。預計，未來采用H級燃機（600 MW）的IGCC系統效率仍要比下一代的超超臨界機組高。如果計及脫碳系統的廠用電量，IGCC系統的效率要遠遠高于常規燃煤機組。

我國以煤為主的能源結構現狀和面臨的巨大減排壓力，決定了必須大力發展清潔高效燃煤發電技術，IGCC發電方式必將得到大力發展。

2.4 IGCC發電示范項目概況

杭州半山IGCC示范工程項目實行產學研相結合，由華電集團公司牽頭，制造企業參加，科研單位對關鍵技術、重點技術和共用技術進行研究開發，相關企業進行示范項目的設備制造、建設和運行。

項目主要技術指標：單機容量為200 MW級；發電效率＞45%；供電效率＞39%。

環境指標： NOX＜80 mg/Nm3（16%O2）； SO2排放＜45 mg/Nm3（16%O2）； 脫硫效率＞98%。

3 IGCC發電關鍵技術研究

3.1 系統整體配置與參數

以建設200 MW等級的IGCC發電技術為目標，將IGCC發電系統劃分成氣化島、燃機島和與IGCC相適應的常規島共3個島進行研究開發。氣化島內主要設備包括空分裝置、氣化原料制備裝置、氣化爐、輻射和對流廢鍋、凈化裝置等。燃機島內主要設備包括燃氣輪機和余熱鍋爐等。常規島內的主要設備包括蒸汽輪機及配套系統等。

在繼承和發展現有單元技術，特別是繼承十五計劃“863”氣化、合成氣燃機技術基礎上，著重解決3個島中的關鍵技術及工藝，以島的模塊化技術實現IGCC發電機組的可靠、經濟運行。

3.2 氣化島模塊

氣化爐對IGCC的整體效率有很大的影響。氣化系統特性因素中最重要的是冷煤氣效率。氣化爐的冷煤氣效率越高，意味著對整個電廠及其它系統的需求越少，易于提高循環效率，也使全廠的設計趨于簡單。

煤氣化實際上是把煤進行部分燃燒（部分氧化），即煤與氣化劑（氧氣/蒸汽）反應生產含CO和H2、CH等產品和副產品的過程。煤氣化與燃燒的不同之處體現在目的產物和工藝過程上。氣化的反應是C轉化為CO和H2，S轉化為H2S，目的是獲得更多的合成氣。而煤炭燃燒的目的是將C轉化為熱量，獲得更多反應熱量。對于IGCC電站，最重要的是全廠的總效率，包括煤氣的顯熱和蒸汽的熱能。加壓氣化爐反應器是氣化島的核心，也是影響性能的關鍵所在。

表1 IGCC發電和常規高效燃煤發電效率、煤耗對比

3.3 燃機島模塊

現代聯合循環機組中的燃氣輪機多采用燃用天然氣或油的燃氣輪機，IGCC機組則是以合成氣代替常規燃料的聯合循環裝置，示范電站中燃氣輪機的主要選擇依據是與示范電站容量相適應。通常在獨立空分系統的IGCC電站中燃氣輪機功率約占電站功率的60%～65%，在整體化空分的IGCC電站中燃氣輪機功率約占55%～57%。在污染物控制方面，將空分氮氣增壓后，與潔凈合成氣摻混在一起，返回到燃氣輪機系統中參與循環過程，可以降低燃燒室內火焰的溫度，減少NOX的排放量。

在IGCC中，余熱鍋爐關系到系統整體優化和各主要子系統的匹配，因此余熱鍋爐流程和參數的合理選擇、匹配，對IGCC的供電效率、投資費用及機組的運行性能都有重要影響。

3.4 常規島模塊

IGCC中，蒸汽輪機與燃機要達到最佳配合才能夠適應快速啟動、滑參數啟動的要求；同時要提高蒸汽輪機的內效率和裝置的循環熱效率來實現常規島模塊的經濟性，蒸汽輪機的過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和汽輪機背壓需要與余熱鍋爐及全廠汽水系統進行優化后確定。

3.5 IGCC自動化控制

IGCC機組及其附屬系統采用DCS控制方式。IGCC的各子系統及其輔助工藝系統，采用就地集中加遠程監控方式，在相應的輔助車間設就地控制點，運行人員在集中控制室內完成IGCC電廠各島及輔助車間的集中監控。

3.6 模塊技術集成優化

模塊技術集成優化是氣化島、燃機島、與IGCC相適應的常規島、控制系統之間的集成與優化以及主要設備的技術集成與優化。

3.7 電站設計與運行

針對IGCC示范電站的特點，在設計中根據IGCC示范電站運行要求，對所需方案進行優化選擇，對各主要工藝系統的參數進行優化，進行氣化島、燃機島、與IGCC相適應的常規島的選型以及連接各島的系統集成設計。擬定主要的輔助工藝系統，對主要輔機進行選型。研究和編制針對IGCC示范電站的運行規程，結合新技術及新工藝的特點，編制相應的設計標準及運行規范。

4 示范項目進展

杭州半山IGCC工程目前已完成可行性研究報告和環評報告、接入系統方案、水土保持方案等的初評審工作，等待國家正式核準批復。

示范工程中各部分已完成的研發工作有：

（1）系統優化集成研究：設計院及各課題組成員單位對燃機和系統的主要參數進行優化，并對IGCC系統進行變工況計算，最終確定主系統；氣化島、燃機島以及與IGCC相適應的常規島模塊技術的研究，正在完成3個島以及整個IGCC系統的設計技術；完成廢鍋的選型工作。

（2）氣化爐研發：氣化爐出口與輻射廢鍋接口問題的研究以及輻射廢鍋排渣問題的模擬；輻射廢鍋排渣系統數值模擬及渣池水蒸發量計算；采用不同的輻射換熱模型，結合多相流（VOF）模型模擬計算了接口內的傳熱流動情況；以幾何平均溫度為計算溫度，計算輻射傳熱系數、煙氣黑度和對流換熱系數；通過輻射換熱和對流傳熱耦合的方法計算了輻射廢鍋所需換熱面積。

（3）燃機研發：基于E級合成氣燃氣輪機的燃機島系統方案；燃機島變工況性能與邊界參數預測；燃機和部分設備定型；壓氣機抽氣供空分對燃機性能的影響分析與計算；加水蒸汽的合成氣對抑制NOX排放的分析。

（4）常規島研發：目前，根據總體系統的熱平衡數據，已經完成常規島中的余熱鍋爐、汽輪機、特殊換熱器的性能計算復核和初步結構設計，正待進行詳細的系統設計。

（5）自動控制和運行：已完成IGCC自動化控制技術和電站設計技術的研究，完成控制系統的總體構架及系統優化集成的大部分工作。

5 結語

IGCC是具有競爭力和發展前景的潔凈煤發電技術，IGCC發電技術將高效、清潔、廢物利用、多聯產和節水等特點有機結合起來，更符合未來發電技術的發展方向。許多國家都在研究合適的激勵政策以推動IGCC技術的發展，以不斷降低工程造價，推動IGCC技術的規模化和商業化。在發展技術的同時，必須重視逐步建立和完善IGCC相關國家技術標準。

杭州半山IGCC示范項目的建設和關鍵技術的研究，將為我國IGCC電站建設、運行管理和重大關鍵裝備的制造積累經驗。

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