文 張勇 閆媛媛 陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

化石能源是驅(qū)動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源，其中煤炭處于中心地位。隨著節(jié)能、環(huán)保和低碳等現(xiàn)代觀念的深化，煤炭的清潔利用得到高度重視。目前緩解能源、環(huán)境與電力問題的主要途徑是發(fā)展?jié)崈舭l(fā)電技術(shù)和開發(fā)可再生能源。隨著新技術(shù)、新工藝和新材料的開發(fā)，循環(huán)流化床發(fā)電(CFBC)、增壓循環(huán)流化床發(fā)電(PFBC)、超超臨界發(fā)電(USC)等技術(shù)趨于成熟。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)與整體煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)(IGFCCC)等潔凈煤電技術(shù)成為各國研究熱點。其中，始于西方國家的IGCC集成煤氣化、煤氣凈化、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)等技術(shù)，實現(xiàn)了能梯級利用。

我國能源結(jié)構(gòu)的顯著特點是煤炭為主，易出現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展亟待解決的環(huán)境污染和能源利用低效等問題。IGCC技術(shù)高效清潔、燃料適應(yīng)性廣、產(chǎn)業(yè)鏈延伸能力強(qiáng)等特點使其成為新一代煤炭開發(fā)可利用技術(shù)。

1 IGCC技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

IGCC指將煤等含碳燃料在氣化爐中氣化成中低熱值粗煤氣，再通過除塵、脫硫等工藝凈化供給燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，燃機(jī)排氣在余熱鍋爐中加熱給水生成過熱蒸汽，帶動蒸汽輪機(jī)發(fā)電，實現(xiàn)煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合發(fā)電。

1.1 國外IGCC技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 美國

美國1984年在Cool water電站運(yùn)行世界上第一座公認(rèn)IGCC示范工程，1987年路易斯安那州運(yùn)行160MW IGCC示范電廠，結(jié)束了IGCC的概念驗證。此后，1996年運(yùn)行Wabash River電廠，Destec公司設(shè)計并制造氣化爐，燃機(jī)輪機(jī)為GE701；同年投運(yùn)弗羅里達(dá)州Tampa項目，選用Texaco氣化和GE-7FA型燃機(jī)；1998開始的內(nèi)華達(dá)州Pinon Pine項目，采用KRW氣化運(yùn)行不穩(wěn)定，運(yùn)行失敗；Duke Energy公司Edwardsport IGCC電站，總體工程完成情況已超過70%，但商業(yè)運(yùn)營推遲到2013年。美國Future Gen項目計劃建成世界首個零排放、氫電聯(lián)產(chǎn)研究電站，因項目造價超過預(yù)算過多現(xiàn)被重新評估。美國Vision 21計劃，以實現(xiàn)未來零排放和效率60%為目標(biāo)，預(yù)計2015年完成商業(yè)化工廠設(shè)計。

1.1.2 歐洲

德國1972年在Lünen投運(yùn)世界上第一座IGCC示范工程，但運(yùn)行失?。籖WE Power Plant項目以褐煤為燃料，規(guī)模450MW，近零排放，計劃2014年投入商業(yè)運(yùn)行。荷蘭NUON項目，采用Shell氣化和SiemensV94.2燃機(jī)，1998年商業(yè)運(yùn)行；Nuon Maggnum IGCC項目由于采購和建設(shè)難度大現(xiàn)分成兩個階段，采用Shell氣化爐和GE-6F型燃機(jī)，計劃2017年建成450MW級大型IGCC CCS示范電站。西班牙Elcogas公司1997年12月投運(yùn)295MW煤基Puertollano IGCC電站，采用Prenflo系統(tǒng)和SiemensV94.3型燃機(jī)。意大利1999年啟動ISAB Energy工程，配Texaco氣化爐和V94.2K燃機(jī)；2000年投運(yùn)Sarlux 550MW IGCC電站，配置Texaco氣化爐和9E型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。英國Stainforth HatField的860MW IGCC項目2003年8月被批準(zhǔn)，首先建設(shè)430MW的IGCC電站；再增設(shè)變換反應(yīng)器以清除CO2。歐盟2004年起執(zhí)行總投資13億歐元的HYPOGEN項目，以煤氣化為基礎(chǔ)，氫電聯(lián)產(chǎn)和近零排放為目標(biāo)，計劃2015年完成建設(shè)并示范運(yùn)行。

1.1.3 澳大利亞

澳大利亞2010年宣布將Zero Gen項目的發(fā)電規(guī)模從120MW擴(kuò)大至500MW，預(yù)計2015年將投入運(yùn)營。

1.1.4 日本

2003年6月在Negishi運(yùn)行日本第一座商業(yè)性IGCC電站，采用Chevron Texaco公司噴流床氣化爐，三菱重工改造的M701F單軸燃機(jī)，機(jī)組凈功率348MW；2010年3月運(yùn)行氣化爐部分整體化的煤基IGCC示范電站，采用三菱的空氣鼓風(fēng)兩段氣化爐和低熱值合成氣燃機(jī)，電廠容量250MW。

1.2 我國IGCC的發(fā)展

我國1994年成立IGCC領(lǐng)導(dǎo)組，一直致力于IGCC系統(tǒng)方案及優(yōu)化。西安熱工研究院、清華大學(xué)、中科院工程熱物理研究所、華北電力設(shè)計院等在IGCC 系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化和開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)方面研究突出。

國家“十一五”、863計劃重大示范項目華能天津綠色電站和華電杭州半山IGCC電站，其中天津250MW 示范項目是中國首個自主創(chuàng)新的IGCC電站，采用華能2000t/d氣化爐，E級燃機(jī)，2012年4月完成試車任務(wù)。大唐集團(tuán)IGCC項目在天津大港、廣東東莞、遼寧沈陽和深圳開始規(guī)劃。國電集團(tuán)山東煙臺IGCC示范項目，由于全套引進(jìn)國外設(shè)備造價太高且效益難以短期實現(xiàn)被取消；江蘇海門和海南的IGCC項目目前處于可研階段。中電廊坊IGCC項目處于編制可研階段。此外，神華集團(tuán)、山東兗州礦務(wù)局等集團(tuán)也加入到IGCC項目行列。

1.3 IGCC發(fā)展小結(jié)

從美國IGCC的發(fā)展來看，電站發(fā)電功率逐步提高；氣化劑純度逐步下降；在低排放、節(jié)水和碳捕獲封存等方面有所突破。美國已掌握IGCC核心技術(shù)，但他們?nèi)岳^續(xù)研究電汽聯(lián)產(chǎn)、環(huán)保與節(jié)能等技術(shù)。就歐洲來說，同時采用水煤漿進(jìn)料和干粉進(jìn)料的氣化爐；在燃機(jī)方面改善了以往只燃用混合氣的情況，也可單獨燃燒天然氣；氣化和燃機(jī)技術(shù)的完善使燃料可選范圍擴(kuò)大到減壓油渣、瀝青等；發(fā)電能力越來越強(qiáng)，有自己的電站特色；同時還追求高環(huán)保、高效與高可靠性。

隨著氣化爐性能的提高，燃料的范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大；發(fā)電目的多聯(lián)產(chǎn)化，在實現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)過程中適合選用多套氣化爐系統(tǒng)和燃機(jī)的配置方案；多聯(lián)產(chǎn)、低排放與提高發(fā)電能力是今后發(fā)展的重要方向。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

IGCC技術(shù)由兩大部分組成：第一部分主要包括氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設(shè)備；第二部分主要有燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)。目前，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，研究的重點便集中在第一部分。

2.1 氣化爐

目前國內(nèi)采用最多的是氣流床氣化爐，其煤氣主要成分是CO、H2、CO2和水蒸氣。美國Texaco、E-Gas、荷蘭Shell和德國Prenflo是在IGCC電廠獲得實踐考驗的氣流床。Texaco是20世紀(jì)50年代開發(fā)成功的單噴嘴水煤漿進(jìn)料、爐底液態(tài)排渣沒有飛灰再循環(huán)系統(tǒng)的裝置，由于結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)簡單而應(yīng)用廣泛，但該爐存在冷煤氣效率偏低、氧耗與煤耗偏高、燒嘴運(yùn)行周期短、耐火磚成本高壽命短以及由于水煤漿射流受限而導(dǎo)致有效氣化空間減少與拱頂部分容易結(jié)渣等問題。我國華東理工大學(xué)開發(fā)的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐，采用4個對稱噴嘴以在氣化爐內(nèi)形成射流撞擊來優(yōu)化氣化效果，但其可用率和可靠性還待實踐驗證。適應(yīng)多種類型給料的E-Gas是Texaco氣化爐的改進(jìn)型，采用二段式反應(yīng)爐使多余的水煤漿轉(zhuǎn)化利用還不用額外加入氧化劑，20世紀(jì)70年代已進(jìn)入工業(yè)化階段。Shell氣化爐采用干法供料、對置燃料噴嘴、氧吹、液態(tài)排渣工藝，此爐煤種適應(yīng)性強(qiáng)(包括褐煤、煙煤、無煙煤以及石油焦炭等)、氣化爐適應(yīng)壽命長，綜合性能比較適合IGCC系統(tǒng)，應(yīng)用較多，但其造價較高結(jié)構(gòu)也復(fù)雜。我國西安熱工所的兩段式干煤粉加壓氣化爐上爐膛布置兩個對稱的二次煤粉和水蒸氣進(jìn)口，下爐膛布置4～6只煤粉燒嘴，此設(shè)計冷煤氣效率、熱效率以及排渣性能都較好，已成功用于多個項目。Prenflo氣化爐原理與Shell類同，但其性能比Shell差。

流化床氣化爐煤層溫度一般在815～1038℃，床內(nèi)氣固兩相間高強(qiáng)度傳質(zhì)傳熱使整個床層溫度均勻分布，低溫燃燒和氣化時加入脫硫劑(石灰石或白云石)，可脫除大部分SO2和H2S，煤氣主要成分CO和H2，CH4的含量一般少于2%。流化床氣化爐包括HTW、KRW、U-Gas和KB&R等類型。其中，美國開發(fā)的U-Gas和KRW氣化爐未能較好解決排渣問題，在KRW氣化爐的基礎(chǔ)上改進(jìn)成的KBR輸運(yùn)床氣化爐有望在美國密西西比州冠軍縣項目中成功運(yùn)用，HTW和KB&R氣化爐也都尚待發(fā)展。U-Gas在技術(shù)上突破地采用了灰融聚技術(shù)，在爐底中心進(jìn)入的氧氣或空氣形成局部高溫區(qū)讓灰渣中未反應(yīng)的碳再次利用，煤灰形成灰球隨氣流排出。我國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開發(fā)的灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù)根據(jù)射流原理在床底設(shè)計了灰再團(tuán)聚分離裝置以提高碳利用率，現(xiàn)已取得成功試驗。

最早開發(fā)的固定床氣化爐，煤和氣化劑分別從爐子頂部與下部加入。IGCC系統(tǒng)的固定床氣化爐包括Lurgi和BGL兩種類型，單爐容量較小的BGL從已棄單段固態(tài)排渣Lurgi發(fā)展而來，采用熔融排渣技術(shù)和生成氣中焦油、苯和煤粉等回爐氣化技術(shù)提高了氣化強(qiáng)度，在德國項目中有所應(yīng)有。

此外，清華大學(xué)非熔渣-熔渣氧氣分級煤氣化、日本三菱公司干法供料兩段氣化空氣鼓風(fēng)氣流床氣化爐(MHI)以及美國非混合型的燃料處理器也都很有發(fā)展?jié)摿??？偟膩碇v，為提高效率與減少成本，IGCC的發(fā)展仍需繼續(xù)研究大容量、高性能氣化爐。

2.2 粗煤氣凈化系統(tǒng)

常規(guī)燃煤電廠脫硫采用濕法脫硫裝置(FGD)效率為95%，IGCC技術(shù)脫硫效率98%～99%。從工藝看，常規(guī)煙氣脫硫?qū)ο鬄槊喝紵笊傻臒煔?，IGCC是進(jìn)入燃機(jī)前的煤氣?，F(xiàn)主要有常溫濕法凈化系統(tǒng)和高溫干法凈化系統(tǒng)。前者技術(shù)成熟，后者正在開發(fā)。CO2捕獲與封存(CCS)技術(shù)也是將進(jìn)入燃機(jī)前煤氣中的CO轉(zhuǎn)化成CO2并脫除。目前，該技術(shù)還處于實驗開發(fā)階段。

表1 先進(jìn)發(fā)電技術(shù)熱效率及環(huán)境影響

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

國外有專門的軟件用來計算IGCC項目的經(jīng)濟(jì)可行性。通過對天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(NGCC)、超臨界煤粉燃燒(SCPC)、亞臨界煤粉燃燒(PCS)、IGCC進(jìn)行技術(shù)評估顯示，IGCC投資和發(fā)電成本增加率最低，其熱效率和環(huán)境影響見表1。

從表1得出，IGCC雖設(shè)備投資和電價較高，但效率較好，具有最佳的環(huán)保性能，也接近商業(yè)化。

據(jù)有關(guān)資料分析，引入內(nèi)部廢熱流化床干燥技術(shù)的褐煤IGCC發(fā)電效率比采用傳統(tǒng)干燥提高4.6個百分點，但煙煤IGCC電站發(fā)電成本比褐煤高24.4%?？梢姡捎酶咝У母稍锛夹g(shù)與廉價煤種更有益。

4 技術(shù)展望

研究與實踐表明，高效環(huán)保的IGCC已是核電和常規(guī)電站最強(qiáng)對手，是本世紀(jì)潔凈煤電技術(shù)主力軍。煤氣化凈化熱損失大，初投資偏高限制了IGCC的商業(yè)化，依然可看出有以下的發(fā)展趨勢。

4.1 趨于商業(yè)化

高速發(fā)展的IGCC技術(shù)，已進(jìn)入300～400MW大容量機(jī)組商業(yè)示范階段。國外的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢表明，IGCC正一步步商業(yè)化，將是未來火電系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

4.2 我國IGCC發(fā)展預(yù)測

IGCC結(jié)合我國主要動力資源和高效燃機(jī)技術(shù)，在效率和環(huán)保方面具有突出優(yōu)勢，適合我國能源特點，符合我國發(fā)展戰(zhàn)略要求?？梢灶A(yù)測IGCC將在我國發(fā)電行業(yè)中占有顯著地位，將成為煤電主要技術(shù)之一。