朱 達，李碩平

（1.華電半山發(fā)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(lián)合循環(huán)技術的發(fā)展概況

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán) （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(lián)合循環(huán)發(fā)電相結合的一種高效清潔發(fā)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(yè)化示范及應用階段，目前已發(fā)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(fā)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(shù)和更為優(yōu)化的蒸汽系統(tǒng)。

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

2 我國發(fā)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(fā)電為主的火力發(fā)電格局在很長一段時間內不會發(fā)生改變。

2.2 環(huán)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(fā)電產生的CO2占整個CO2排放的較大比重。根據(jù)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(fā)展節(jié)能清潔技術，發(fā)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(huán)節(jié)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(guī)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(guī)火電脫碳有巨大的優(yōu)勢。

2.3 IGCC系統(tǒng)的高效率

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

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

2.4 IGCC發(fā)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(yè)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(fā)，相關企業(yè)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(fā)電效率＞45%；供電效率＞39%。

環(huán)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(fā)電關鍵技術研究

3.1 系統(tǒng)整體配置與參數(shù)

以建設200 MW等級的IGCC發(fā)電技術為目標，將IGCC發(fā)電系統(tǒng)劃分成氣化島、燃機島和與IGCC相適應的常規(guī)島共3個島進行研究開發(fā)。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(guī)島內的主要設備包括蒸汽輪機及配套系統(tǒng)等。

在繼承和發(fā)展現(xiàn)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(xiàn)IGCC發(fā)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(tǒng)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(tǒng)的需求越少，易于提高循環(huán)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(xiàn)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(fā)電和常規(guī)高效燃煤發(fā)電效率、煤耗對比

3.3 燃機島模塊

現(xiàn)代聯(lián)合循環(huán)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(guī)燃料的聯(lián)合循環(huán)裝置，示范電站中燃氣輪機的主要選擇依據(jù)是與示范電站容量相適應。通常在獨立空分系統(tǒng)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(tǒng)中參與循環(huán)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(tǒng)整體優(yōu)化和各主要子系統(tǒng)的匹配，因此余熱鍋爐流程和參數(shù)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(guī)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(shù)啟動的要求；同時要提高蒸汽輪機的內效率和裝置的循環(huán)熱效率來實現(xiàn)常規(guī)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(tǒng)進行優(yōu)化后確定。

3.5 IGCC自動化控制

IGCC機組及其附屬系統(tǒng)采用DCS控制方式。IGCC的各子系統(tǒng)及其輔助工藝系統(tǒng)，采用就地集中加遠程監(jiān)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(jiān)控。

3.6 模塊技術集成優(yōu)化

模塊技術集成優(yōu)化是氣化島、燃機島、與IGCC相適應的常規(guī)島、控制系統(tǒng)之間的集成與優(yōu)化以及主要設備的技術集成與優(yōu)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(jù)IGCC示范電站運行要求，對所需方案進行優(yōu)化選擇，對各主要工藝系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化，進行氣化島、燃機島、與IGCC相適應的常規(guī)島的選型以及連接各島的系統(tǒng)集成設計。擬定主要的輔助工藝系統(tǒng)，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(guī)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(guī)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(huán)評報告、接入系統(tǒng)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(fā)工作有：

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

（2）氣化爐研發(fā)：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(tǒng)數(shù)值模擬及渣池水蒸發(fā)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(shù)、煙氣黑度和對流換熱系數(shù)；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(fā)：基于E級合成氣燃氣輪機的燃機島系統(tǒng)方案；燃機島變工況性能與邊界參數(shù)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(guī)島研發(fā)：目前，根據(jù)總體系統(tǒng)的熱平衡數(shù)據(jù)，已經完成常規(guī)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(tǒng)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(tǒng)的總體構架及系統(tǒng)優(yōu)化集成的大部分工作。

5 結語

IGCC是具有競爭力和發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術，IGCC發(fā)電技術將高效、清潔、廢物利用、多聯(lián)產和節(jié)水等特點有機結合起來，更符合未來發(fā)電技術的發(fā)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(fā)展，以不斷降低工程造價，推動IGCC技術的規(guī)?；蜕虡I(yè)化。在發(fā)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。

[1] 焦樹建.關于目前世界上IGCC發(fā)展情況與趨勢的評論[J].燃氣輪機技術,2004,17（3）∶1-5.

[2] 焦樹建.IGCC的某些關鍵技術的發(fā)展與展望 [J].動力工程，2006，26（2）∶153-165.

[3] 焦樹建.對目前世界上五座IGCC電站技術的評估[J].燃氣輪機技術，1999，12（2）∶1-15.

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