兩種適用于IGCC項目的中低熱值燃機(jī)比較

陳 博 倪施峰 史哲浩 宣瀛棟 孫海榮

上海上電漕涇發(fā)電有限公司

1 IGCC技術(shù)

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（Integrated Gasification Combined Cycle，簡稱IGCC）是目前世界上高效的潔凈煤發(fā)電技術(shù)之一[1]。該技術(shù)以煤為原料，通過氣化爐將煤轉(zhuǎn)化為主要成分為H2和CO的合成氣，經(jīng)過除塵、脫硫等凈化工藝，產(chǎn)生潔凈的燃料氣供給燃?xì)廨啓C(jī)做功。燃?xì)廨啓C(jī)尾氣通過余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生蒸汽，與氣化為副產(chǎn)蒸汽混合后共同推動汽輪機(jī)做功，從而實現(xiàn)煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電過程，可以通過增加化工設(shè)備，生產(chǎn)H2、CO、硫磺等化工產(chǎn)品，以提高項目經(jīng)濟(jì)性[2,3]如圖1所示。

圖1 IGCC純發(fā)電項目示意圖

2 煤氣化合成氣

氣化反應(yīng)器（氣化爐）是煤氣化的核心設(shè)備，依據(jù)氣化爐的操作狀態(tài)不同，煤氣化可以劃分為固定床、流化床和氣流床三種主要類型。其中氣流床操作溫度高，反應(yīng)效率高，適合用于IGCC項目。

氣流床又分為水煤漿氣化和粉煤氣化，原料煤以粉煤或水煤漿的形式與氣化劑（純氧、蒸汽）并流進(jìn)入氣化爐，原料與氣化劑在氣化爐內(nèi)1200～1400℃的高溫環(huán)境下發(fā)生氣化反應(yīng)，生成的主要成分為CO和H2的合成氣[2]，其中還含有少量CO2、H2O、COS、H2S等氣體成分。主要反應(yīng)式如下：

對于燃機(jī)而言，H2O及CO2無害，而COS、H2S等酸性氣體則需通過后續(xù)的凈化工藝完全去除，從而得到凈合成氣，熱值在2000～2500 kCal/Nm3，遠(yuǎn)低于天然氣熱值，因此需要進(jìn)入專門設(shè)計的中低熱值燃機(jī)燃燒。天津IGCC機(jī)組配置的燃機(jī)是西門子公司SGT5-2000E（LC）型，該機(jī)型在原有天然氣機(jī)型的設(shè)計上將壓氣機(jī)級數(shù)由16級改為17級，同時改進(jìn)燃燒器的燃料管路分布以及噴嘴出口，使空氣和燃料氣更好地混合，達(dá)到低NOX排放并穩(wěn)定燃燒的目的[3]。

煤氣化工藝的不同，會導(dǎo)致產(chǎn)生的凈合成氣的H2和CO的比例有所差異，見表1。

表1 典型合成氣成分表

由表1可見，兩種常用氣化技術(shù)產(chǎn)生的合成氣中H2的含量均在25%以上，而H2有以下特點(diǎn)：密度小、易聚集、可燃范圍廣（4%～75%）、燃燒速度快（是天然氣的八倍）、易點(diǎn)火、點(diǎn)火能量低、淬熄距離短、高擴(kuò)散性。低熱值燃?xì)庵械腍2反應(yīng)特點(diǎn)：短而快、簡單鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、高回火風(fēng)險、火焰溫度比天然氣高約150℃。H2燃燒產(chǎn)物含水量高，影響透平膨脹、熱傳遞及部件壽命，需要成熟可靠的燃燒技術(shù)。而合成氣熱值低，輸入燃機(jī)相同熱量需要更大的體積流量，導(dǎo)致壓氣機(jī)壓比升高，更接近喘振線。因此，IGCC項目配套燃機(jī)的主要挑戰(zhàn)在于H2燃燒和系統(tǒng)匹配[4]。

3 燃機(jī)

目前E級中低熱值燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組較為成熟，已有應(yīng)用實績。全球范圍內(nèi)能提供燃燒低熱值燃?xì)獾腅級燃?xì)廨啓C(jī)廠商主要有GE、西門子、ANSALDO等。其中西門子和上海電氣-ANSALDO屬于同一技術(shù)流派，而三菱公司適用于IGCC項目的E級燃機(jī)均只能匹配三菱公司的氣化島裝置，其現(xiàn)有設(shè)計屬于特殊機(jī)型，因此本文僅對GE和上海電氣-ANSALDO兩家公司的中低熱值燃機(jī)進(jìn)行比較。

3.1 上海電氣-ANSALDO

ANSALDO公司是意大利最大的電力設(shè)備制造及服務(wù)企業(yè)，是世界頂級燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計和制造商之一。2014年，上海電氣購入ANSALDO 40%的股份，并組建了兩家合資企業(yè)：上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司（SGC）和上海安薩爾多燃?xì)廨啓C(jī)科技有限公司（AGT）。公司旗下AE94.2K機(jī)型適用于IGCC項目。

AE94.2K系列燃?xì)廨啓C(jī)采用筒形燃燒室，垂直布置在燃?xì)廨啓C(jī)的兩側(cè)，通過側(cè)向法蘭連接到燃?xì)廨啓C(jī)外缸上。此筒形燃燒室具有便于檢修，容易裝配和拆卸的特點(diǎn)。見圖2和圖3。

圖2 安薩爾多筒形燃燒室

圖3 安薩爾多燃燒室檢修

火焰筒內(nèi)部，燃?xì)鉁囟雀撸鹧鏌彷椛浯螅紵矁?nèi)壁采用陶瓷隔熱瓦塊進(jìn)行隔熱。AE94.2K的特點(diǎn)在于筒形燃燒室設(shè)計，相對于其他廠家的環(huán)管形燃燒室以及環(huán)形燃燒室具有以下優(yōu)勢：

1）筒形燃燒室燃燒穩(wěn)定性更強(qiáng)、燃料適應(yīng)性更好[5.6]；

2）燃燒筒結(jié)構(gòu)簡單，力學(xué)性能好，采用厚重的陶瓷瓦塊隔熱，進(jìn)一步降低冷卻空氣量，提高了機(jī)組性能[7]；

3）燃燒筒熱聲性能好，對類似環(huán)形燃燒室中沿周向傳遞的熱聲振蕩具有很強(qiáng)的抑制作用；

4）燃燒筒中燃燒器分布緊湊，點(diǎn)火性能好。相對于環(huán)管形燃燒室需要采用聯(lián)焰管點(diǎn)燃周圍燃燒管的點(diǎn)火方式，以及環(huán)形燃燒室中火焰沿周向傳遞的點(diǎn)火方式，燃燒筒的點(diǎn)火成功率更高。對于很容易熄火的極低熱值燃料而言，此點(diǎn)火優(yōu)勢成功率更高；

5）雙筒形燃燒室檢修更方便。由于上海電氣的筒形燃燒室空間較大，并開有人孔門，使檢修工程師能夠在現(xiàn)場深入燃燒室內(nèi)部，按照檢修標(biāo)準(zhǔn)快速檢查燃燒室筒壁瓦塊和燃燒器，對有需要更換的瓦塊和燃燒器進(jìn)行分別更換。

AE94.2K機(jī)型需摻混蒸汽運(yùn)行，因此聯(lián)合循環(huán)總熱效率會因此稍有降低。

3.2 GE

美國GE公司是燃?xì)廨啓C(jī)的主要供應(yīng)商之一，其主要生產(chǎn)基地在美國的格林威爾和法國的貝爾福特。GE的低熱值燃機(jī)基于最小化修改9E天然氣燃機(jī)的理念，既解決了低熱值燃機(jī)的挑戰(zhàn)，同時也繼承了9E的高可靠性。燃燒器采用已經(jīng)研發(fā)和應(yīng)用30年的用于燃燒低熱值高氫燃料的MNQC多噴嘴靜音燃燒器，同時優(yōu)化燃燒溫度和增加喉部面積，減少大流量對燃機(jī)的影響，見圖4。

圖4 適應(yīng)高氫燃料的MNQC多噴嘴靜音燃燒器

適用IGCC項目的9E燃?xì)廨啓C(jī)型號為9E.03 MS，采用傳統(tǒng)電機(jī)啟動，燃燒器采用輕油或者天然氣點(diǎn)火方式。燃?xì)廨啓C(jī)啟動時，先采用點(diǎn)火燃料注入點(diǎn)火。燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器采用圓周上多筒布置，其點(diǎn)火過程為：首先用輕油或者天然氣點(diǎn)燃一個或兩個燃燒器，當(dāng)燃燒室溫度升高到一定溫度時，其余燃燒器依次按圓周方向通過連焰管點(diǎn)燃。9E.03 MS型燃機(jī)需要回注氮?dú)猓捎煽辗窒到y(tǒng)提供[8]，注氮量約為23 kg/s。

3.3 聯(lián)合循環(huán)性能參數(shù)比較

若以國內(nèi)電廠常用煤種神木煤為燃料，煤質(zhì)主要參數(shù)見表2。經(jīng)計算可得熱值約為2666 kCal/Nm3的凈合成氣，兩種機(jī)型的參數(shù)見表3。

表2 神木煤煤質(zhì)分析

表3 兩種機(jī)型主要參數(shù)表

由表3可見，GE機(jī)型的耗氣量小于上海電氣機(jī)型，因此其輸出功率也較低，排氣流量較低。由于GE機(jī)型摻混燃燒的是氮?dú)猓瑢?dǎo)致其出口NOx明顯高于上海電氣機(jī)型。GE機(jī)型的氣耗略高于上海電氣機(jī)型。

4 結(jié)論

近年來國內(nèi)能源政策的方向總體平穩(wěn)，我國的資源稟賦決定了在建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的道路上離不開煤炭，IGCC技術(shù)作為煤炭清潔高效利用的典型技術(shù)應(yīng)該受到各方面的關(guān)注與重視。隨著煤氣化技術(shù)、中低熱值燃機(jī)技術(shù)等關(guān)鍵設(shè)備制造和運(yùn)行水平的不斷進(jìn)步，IGCC項目的可靠性和經(jīng)濟(jì)性已有很大程度的提高。

通過GE 9E.03 MS型燃機(jī)與上海電氣AE94.2K型燃機(jī)的參數(shù)對比，可知GE機(jī)型的耗氣量小于上海電氣機(jī)型，且輸出功率與排氣流量較低；GE機(jī)型摻混燃燒的是氮?dú)猓涑隹贜Ox高于上海電氣機(jī)型；從熱耗率看，GE機(jī)型略高于上海電氣機(jī)型。綜上所述，兩種機(jī)型在主要參數(shù)上不分伯仲，在實際的IGCC工程應(yīng)用中還需結(jié)合項目實際的經(jīng)濟(jì)性測算，確定選用何種合適的中低熱值燃機(jī)，及其聯(lián)合循環(huán)其他主機(jī)的選型。