煤氣化Allam循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)分析

席會杰

（江蘇金通靈流體機械科技股份有限公司，江蘇 南通 226000）

我國是一個煤炭資源非常豐富的國家，隨著近年來科技的飛速發(fā)展，在一定程度上促進了我國煤氣化技術(shù)的進步，就是煤炭轉(zhuǎn)化為清潔高效的合成氣，即CO+H2，煤氣化技術(shù)除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，降低在燃燒排放過程中對大氣環(huán)境的污染程度，提高了煤炭的利用率。Allam循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是美國8Rivers公司發(fā)明的直燃加熱超臨界CO2循環(huán)發(fā)電專利技術(shù)，與傳統(tǒng)的燃氣輪機發(fā)電不同，是一種開式、回熱、富氧燃燒的超臨界二氧化碳布雷頓動力循環(huán)，燃料和純氧在30 MPa高壓燃燒室燃燒后進入透平做功，透平排氣經(jīng)回熱器冷卻后，分離出多余的液態(tài)水和CO2，剩余CO2直接進燃燒室被加熱后做功。

1 煤氣化Allam循環(huán)系統(tǒng)

煤氣化Allam循環(huán)是基于天然氣Allam循環(huán)發(fā)展起來的，將煤氣化技術(shù)和Allam循環(huán)相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)。

煤氣化Allam循環(huán)工藝流程為煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過凈化、水洗，除去煤氣中顆粒物、汞等重金屬雜質(zhì)，然后經(jīng)合成氣壓縮機壓縮，送入燃燒器與空分設備輸出的純氧燃燒，加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動透平做功，透平排氣經(jīng)主換熱器后進行水分離和脫硫脫硝，CO2經(jīng)壓縮、泵送進行再循環(huán)，還有一部分CO2可進行存儲銷售。

8 Rivers公司正在研發(fā)煤氣化循環(huán)及示范電廠建設，循環(huán)系統(tǒng)主要由壓縮機、預冷器、泵、回熱器、空分裝置、煤氣化系統(tǒng)、燃燒器、透平、發(fā)電機、冷卻器、水分離器等組成，如圖1所示。

煤氣化Allam循環(huán)系統(tǒng)的煤氣化系統(tǒng)和燃燒器需要重新設計，煤氣化Allam循環(huán)可沿用天然氣Allam循環(huán)的技術(shù)，正在研發(fā)煤氣化循環(huán)及示范電廠建設。

2 煤氣化Allam循環(huán)的主要設備

為了深入分析煤氣化Allam循環(huán)系統(tǒng)，查閱相關(guān)IGCC和sCO2循環(huán)文獻資料，筆者先后至上海理工大學、華能天津IGCC電廠進行了煤化工設備相關(guān)的技術(shù)調(diào)研工作，對煤氣化Allam循環(huán)系統(tǒng)的主要設備開展技術(shù)分析。

圖1 煤氣化Allam循環(huán)系統(tǒng)圖

煤氣化Allam循環(huán)系統(tǒng)可以分為化工島系統(tǒng)和動力島系統(tǒng)兩大部分。化工島包括煤氣化系統(tǒng)、空分系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)等，動力島系統(tǒng)包括低溫換熱器、燃燒器、透平、電氣系統(tǒng)等。煤氣化系統(tǒng)為使循環(huán)系統(tǒng)的煤氣化系統(tǒng)與IGCC電廠的氣化系統(tǒng)類似，對于氣化爐沒有特定要求，針對氣化爐的選擇方面，冷煤氣效率越高越好。水煤漿：由于產(chǎn)生的合成氣壓力較高，可減少燃燒前的壓縮耗功，以彌補由于含水量增加而降低的氣化效率。效率較高的氣化爐采用水煤漿氣流床或干煤粉氣流床氣化技術(shù)，由于水煤漿氣化爐產(chǎn)生的合成氣壓力較高，可減少燃燒前的壓縮耗功，以彌補由于含水量增加而降低的氣化效率，干粉氣化爐以CO2作為輸送氣體，可提高冷煤氣效率。

由于在煤氣化過程和燃燒器內(nèi)燃燒過程均需要純氧，與IGCC相比，煤氣化Allam循環(huán)需要的空分設備尺寸更大。空分系統(tǒng)的整體工藝流程較長（空分—氣化—凈化—燃燒），啟動較慢，在啟動時需進行氣密性檢查，空分裝置常溫狀態(tài)啟動需要2 d、冷態(tài)啟動0.5 d，氣化爐熱態(tài)啟動0.5 d、冷態(tài)啟動2 d。在正常的調(diào)峰要求下，其延遲10 min左右。系統(tǒng)負荷調(diào)節(jié)能力主要取決于空分裝置變負荷速度，當機組負荷在75%～100%之間調(diào)整，空分裝置在手動調(diào)整的情況下，變化率可以達0.25～0.5%/min。

煤氣化后的合成氣由氣化爐輸出后，采用旋風分離器和干法及水洗滌塔除塵。需進行水洗和凈化，去除其中的雜質(zhì)和汞等重金屬，煤氣化Allam循環(huán)計劃采用燃燒后脫硫脫硝的方式（稱為DeSNOX工藝），使煤氣化過程中產(chǎn)生的硫化合物（硫氧化碳COS、硫化氫H2S等）保持在合成氣中，以保持燃料的熱值，從而提高總體效率。

相比于天然氣Allam循環(huán)，燃料由天然氣改為合成氣，天然氣與合成氣（中熱值煤氣）之間的熱值差異導致燃料體積流量大幅增加，需結(jié)合氣化爐冷煤氣效率對燃燒器進行重新改型設計。

煤氣化Allam循環(huán)透平入口工質(zhì)組分幾乎與天然氣Allam循環(huán)類似，透平系統(tǒng)可依據(jù)天然氣Allam循環(huán)透平系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。

3 煤氣化allam循環(huán)的技術(shù)特性

根據(jù)8Rivers公司相關(guān)資料文獻介紹，煤氣化Allam循環(huán)的尺寸相比于常規(guī)煤氣化IGCC循環(huán)燃氣輪機的燃燒室和透平小很多，燃燒器為單筒形式，直接與透平相連，透平為軸流透平。無下列主要設備：蒸汽輪機、余熱鍋爐、蒸汽管道/設備、水煤氣變換反應器、COS水解、酸性氣體去除/硫回收裝置、NOX控制單元/SCR單元、合成氣冷卻器、溶劑/催化劑。

合成氣壓縮機將合成氣壓縮至30 MPa以上，CO2主要由透平驅(qū)動的壓縮機以及獨立運行的泵進行壓縮。合成氣、氧氣進入燃燒器時與CO2循環(huán)流混合時溫度較高，已高于燃料的自燃溫度，在30 MPa壓力下，火焰較短，燃燒更加穩(wěn)定；由于以純氧作為助燃劑，減少了NOx的生成。

根據(jù)調(diào)研可知，IGCC電廠氣化爐及燃機運行情況穩(wěn)定，可做到全年化工島無非停，受限于空分裝置的調(diào)峰能力，IGCC適合于帶基本負荷發(fā)電，不適于調(diào)峰運行；Allam循環(huán)與IGCC類似，調(diào)峰仍存在問題，主要是空分裝置的變負荷調(diào)節(jié)速度比較慢，且工藝流程過長，導致調(diào)節(jié)延遲比較嚴重，適合帶基本負荷運行，不適合兩班制運行。備用一套50%容量的獨立空分系統(tǒng)，可以適當提高變負荷速率，提高機組調(diào)峰能力。

DeSNOX工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高水平的SOX、NOX去除效果，SOx去除比例達到99%以上，NOX去除比例達到95%.在整個循環(huán)中，腐蝕問題比較嚴重的地方是冷端腐蝕，目前，8Rivers公司針對相關(guān)材料了進行了30 bar/50℃和30 bar/90℃條件下的1 000 h的腐蝕試驗，還將繼續(xù)進行相關(guān)試驗。通過采用先進的技術(shù)和工程設計工具進行設計，先進軸承和阻尼密封、干氣密封、高溫高強材料以及新的制造過程等先進部件技術(shù)的應用，能夠彌補或減緩超臨界CO2緊湊性透平機械的關(guān)鍵技術(shù)。

由于循環(huán)中CO2純度高，利于捕集與存儲，在化工等下游行業(yè)有需求時，碳捕集比例接近100%.

4 結(jié)束語

煤氣化Allam循環(huán)系統(tǒng)是將煤氣化技術(shù)和Allam循環(huán)相結(jié)合的新型先進動力系統(tǒng)，是一項重要的技術(shù)創(chuàng)新。化工島部分的技術(shù)成熟度較高，氣化爐在煤化工和IGCC電站已有較成熟的應用，煤化工裝置的啟動速率和變負荷速率較慢，應優(yōu)化提高變負荷速率，以提高機組調(diào)峰能力。動力島系統(tǒng)的Allam循環(huán)有發(fā)電效率高、成本低、占地面積小、零排放、100%二氧化碳捕集、發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)勢，但是燃燒器壓力高、透平入口溫度和壓力高，技術(shù)成熟度較低。