IGCC发电和煤气化技术

董卫国

国家电力公司热工研究院,陕西 西安 710032

摘要： 简要阐述了整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术的流程特点和技术优势,介绍了国外IGCC发展概况和可用于IGCC发电的几种煤气化技术。 关键词： IGCC;洁净煤发电;煤气化

0 引言

70年代初期的石油危机,给世界带来巨大影响和冲击。西方主要工业国家政府从本国经济发展和国家安全的战略角度考虑,推行能源多样化的政策,并鼓励发电行业燃料多样化。根据对世界能源结构的分析,普遍认为煤的储量大、价格稳定、比较容易获得,但煤在燃烧过程中对环境造成的影响是一个不容忽视的问题。因此,各国政府在考虑利用储量丰富的煤炭资源的同时,积极推动洁净煤技术的研究与开发工作。经过几十年的努力,不同形式的洁净煤发电技术得到了很大

发展。

从70年代开始,一些工业发达国家就有计划地开展了整体煤气化联合循环(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)发电技术的开发研究。第一个成功进行IGCC发电工业性示范的是1984年投运的美国Cool Water电站。这个示范电站的重要意义在于证明了IGCC发电技术的可行性,并取得极好的环保性能,被称为\"世界上最清洁的燃煤电站\"。得益于近10余年来燃气轮机技术的迅速发展,目前燃气轮机单机功率超过200MW,燃用天然气或油的联合循环发电净效率已超过58％。随着燃气温度的进一步提高和蒸汽循环的优化,下世纪初联合循环发电效率可望达到60％。因此,IGCC发电技术已经大型化,正走向商业化应用。在目前技术水平下,IGCC发电的净效率可达43％～45％,今后可能达到52％或更高,而污染物排放量仅为目前发达国家先进环保标准的若干分之一。既有发电的高效率,又有极好的环保性能,因而成为世界瞩目的极有发展前途的一种洁净煤发电技术。

1 IGCC发电技术简介

IGCC发电技术由两大部分组成,即煤的气化和净化部分及燃气-蒸汽联合循环发电部分。

煤经过气化和净化后,除去煤气中99％以上的硫化氢和几乎100％的粉尘,将固体燃料转化成燃气轮机能燃用的清洁的气体燃料。燃气-蒸汽联合循环发电结合了热源温度很高的燃气循环和冷源温度较低的蒸汽循环,大大提高了能源的综合利用放率。燃气-蒸汽联合循环的型式有许多种,最常用的是余热锅炉型联合循环。因为燃气轮机的排气温度相当高(一般为500～600℃),在燃气轮机后面安装一台余热锅炉,可产生高温、高压的蒸汽,送到蒸汽轮机中作功,就可以多发一部分电力,必然提高了燃料中能量的转换效率。

图1美国Tampa电站的IGCC发电系统示意

图1是采用Texaco气化技术的美国Tampa电站的IGCC发电系统示意图。 1.1 气化

配置一台德士古(Texaco)气化炉,属水煤浆进料氧气下吹式气流床气化。气化能力2400t/d,水煤浆浓度68％,氧气浓度95％。气化压力2.8～3.0MPa,温度约为1482℃。粗煤气主要成分为H2、CO、CO2和水蒸汽,燃料中的硫转化成SO2和COS。煤中所含灰分在气化过程中熔融成液态渣。高温煤气向下流动进入辐射式煤气冷却器,煤气温度降到约700℃,煤气中的熔融渣在底部水室中淬冷成玻璃状渣。煤气继而进入2个并联的对流式煤气冷却器继续冷却到480℃。煤气显热得到回收,产生10.4MPa的饱和蒸汽。气化炉和辐射式煤气冷却器做成一体,外壳直径5.185m,高39.345m,总重约900t,气化炉炉膛用耐火砖衬里。 1.2 煤气净化

经过对流式冷却器的煤气分两路进入煤气净化系统,清除煤气中的固体颗粒、硫化物、碱金属盐和卤化物等有害物质,以保护燃气轮机及使排气满足环境法规的要求。Tampa电站设置了高温和常温两套煤气净化系统。

高温煤气净化是一套10％容量的工业示范装置,采用美国GE环保公司研究开发的脉动式移动床高温脱硫技术。工作温度482～538℃,用钛锌脱硫剂吸收H2S,生成浓度约13％的SO2,送往硫酸厂,脱硫效率为98％。净化后煤气中H2S和COS含量不超过30μg /g。吸收剂可再生利用。

90％的粗煤气进入常温煤气净化系统,高温煤气净化系统停运时,该系统能处理100％的粗煤气。常温煤气净化采用文丘里洗涤器湿法除尘和MDEA法脱硫,Tampa没有采用水解器将COS转化为H2S,脱硫效率为96％。 1.3 空气分离

配置了一套完全独立的高压空分系统,空气由独立的空气压缩机供给。空分站日产2100t纯度为95％的氧气和6300t纯度为98％的氮气。氧气除供气化炉用外,还供给硫酸厂。氮气经压缩并加热后回注到燃气轮机燃烧室,既可降低NOX的生成,又可增大燃气轮机做功能力。

1.4 联合循环

燃气轮机为MS7001F型,燃用合成煤气时初温tB＝1260℃,额定功率可达192MW。燃气轮机排气进入一台三压自然循环余热锅炉,煤气冷却系统产生的高压饱和蒸汽也在这里进一步加热成过热蒸汽。驱动一台再热式汽轮机,主蒸汽参数为10MPa /538℃/538℃。 1.5 灰渣及废水处

理积存在辐射式煤气冷却器底部水室中的灰渣,通过一个锁斗装置周期性地排入沉淀池中,锁斗装置约每半小时开启一次。粗渣在沉淀池中分离并被捞取送往灰渣场。含有细渣的水被泵送到细渣-水分离系统,首先通过一个沉降池,使细渣得到浓缩,然后用一台旋转鼓式真空过滤器,将细渣分离出来送往灰渣场。 煤气携带的细灰,在洗涤塔中除去。含有细渣的水连续送往细渣-水分离系统。分离后的水回到系统中重复使用。Tampa电厂做到废水零排放。 2 IGCC发电技术的主要优势

IGCC之所以受到重视,是因为它有以下技术优势：

(1)效率高,且进一步提高效率的潜力大。IGCC的高效率主要来自联合循环,联合循环燃气侧参数对循环性能的影响较大。随着燃气初温的进一步提高和其他有关的技术进步,IGCC的净效率很快能达到50％或更高。 (2)煤的洁净转化使它具有极好的环保性能。先将煤转化为煤气,净化后燃烧,克服了由于煤的直接燃烧造成的环境污染问题。粉尘排放几乎为零,NOX和SO2的排放也远低于环境污染排放标准,脱硫率≥98％,能更好地适应下世纪火电发展的需要。

(3)耗水量少,比常规汽轮机电站少30％～50％,这使它更有利于在水资源紧缺的地区发挥优势,也适于矿区建设矿口电站。 (4)易大型化,目前单机功率可达到400MW以上。

(5)IGCC是一个由多种技术集成的系统,煤的气化、净化技术、燃气轮机技术以及汽轮机技术等的发展都为它的发展提供了强有力的支撑。 (6)能充分综合利用煤炭资源,适用煤种广。能和煤化工业结合成多联产系统,能同时生产电、热、燃料气和化工产品。如便于与生产甲醇、醋酸、合成氨、尿素等化工过程相结合,使煤得以充分综合利用,有利于降低生产成本。 (7)燃煤后的废物处理量最少,脱硫后生产的元素硫或硫酸可以出售。灰溶融冷却后形成玻璃状渣,能固化碱金属等有害物质,大大减轻环境污染,而且可用作建筑材料。

(8)当天然气和石油枯竭时,可用IGCC改造现有燃油气的联合循环。IGCC也可用于对现有蒸汽电站的增容改造,又便于实施电站的\"分阶段建设\能最有效地利用建设资金。 3 国外IGCC发展概况 从1993～1997年,欧、美各国相继建成了4座250～300MW的IGCC示范电站。 美国能源部自1986年开始实施了一项清洁煤技术示范计划,经5轮招标,共选中45个项目,总投资69.7亿美元,能源部拨款占34％。其中IGCC项目6个,总投资21.7亿美元,占总投资的31％。

美国Wabash River IGCC示范机组,是一个老厂改造项目,采用Destec气化炉,GE7FA型燃气轮机,利用原有100MW蒸汽轮机。电站净功率262MW,设计净效率40％(LHV)。1993年9月破土动工,1995年8月完成电站各分系统调试,8月底气化炉开始投煤,至11月中旬完成了整个电站的整体化试运行和初步试验。从1995

年12月开始为期3年的示范运行,截止到1999年9月底,气化炉累计运行14275h,可用率超过77％。除带基本负荷外,有时也燃用燃油带尖峰负荷。在2种运行方式下燃气轮机都能稳定运行,且对电网的适应性良好。系统经进一步优化,电站效率已超过设计值,达到42％。

美国Tampa电站IGCC机组采用Texaco气化炉和GE7FA燃气轮机。净功率为250MW,设计净效率41％(LHV)。1994年10月开始安装,1996年7月首次投运煤气化炉,9月首次燃用煤气发电,机组于9月底投入商业运行,开始为期4年的示范运行。至1999年9月底机组燃用煤气累计运行15350h。

在调试和运行过程中出现的2个主要问题是：气/气热交换器的堵塞、腐蚀和泄漏;细渣分离系统不能满足运行要求。最终拆除了气/气热交换器,虽然采取了一定措施机组效率仍比设计值低约1.5个百分点。

荷兰Buggenum电站IGCC示范机组净功率253MW,采用Shell气化炉和西门子V94.2燃气轮机,1990年开始建设,1994年4月正式用煤气发电。气化炉运行正常,但由于采用完全整体化空分系统,机组启动困难,后改用蒸汽注入方法解决启动问题。燃气轮机在燃用合成煤气时曾经发生振荡燃烧,1996年更换改进的燃烧室后已基本解决。1996年9月继续执行示范计划,到1998年8月已经在40％到100％负荷之间进行了10个煤种试验,机组累计运行超过10500h,最长连续运行800h,机组净效率达到设计值,全厂可用率达到85％,气化炉可用率达到95％,1999年1月正式转入商业运行。

西班牙的Puertollano IGCC示范电站采用Pren-flo气化炉,西门子公司的V94.3型燃气轮机,净输出功率300MW,气化炉气化能力为2640t/d,是目前世界上最大的燃煤IGCC电站,净效率45％(LHV)。1994年4月动工建设,1996年4月燃气轮机开始燃用天然气调试,1998年4月开始燃煤进行整体调试。由于燃气轮机在燃用合成煤气时存在与Buggenum电站相似的振荡燃烧问题,现在已由西门子公司进行改造。到1999年9月底气化炉累计运行1277h,机组燃用煤气运行592h。 美国另一个IGCC示范电站也已在Pinon Pine建成。采用KRW增压流化床空气气化技术,并示范高温陶瓷过滤器和移动床高温脱硫技术。气化煤能力881t/d,联合循环发电系统由一台MS6001FA型燃气轮机发电机组,一台双压余热锅炉及其汽轮机发电机组组成。机组净出力99.7MW,机组净效率42％(LHV)。该电站于1995年2月开始动工建设,1996年9月18日联合循环装置首次燃用天然气运行,1998年1月开始燃用煤气进行调试。

此外,在欧美和日本等地,还有多座已建成或在建的以石油焦或渣油为燃料的IGCC电站。

4 用于IGCC发电的煤气化技术

煤气化联合循环发电系统的首要问题是煤的气化技术,煤的气化泛指各种煤(焦)与载氧的气化剂(O2 、H2O、CO2)之间的一种不完全反应,最终生成由CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS等组成的煤气。目前已进行IGCC商业示范的煤气化工艺有：Texaco、Destec、Shell、Prenflo和KRW,其它的一些气化工艺如HTW、GSP、BGL和U-Gas等正在或计划进入IGCC示范工程。这些气化工艺几乎涵盖了所有类型的煤气化工艺。

国外先后开发了100多种气化工艺(炉型),最有发展前途的也有10余种。最常用的气化分类是按煤和气化剂在气化炉内的相对运动来划分,即分成固定床、流化床和气流床等3种。

加压Lurgi炉是典型的固定床气化炉,用氧-蒸汽连续鼓风,主要用于制取城

市煤气。气化剂(氧和蒸汽)从气化炉底部进入灰渣层,预热后进入气化层,热煤气向上经干馏、干燥层后离开气化炉。产品煤气中含有10％～15％的烃类(甲烷、乙烷、不饱和烃),经除焦油和水洗后可做城市煤气。

英国煤气公司BGC与德国Lurgi公司合作,开发了液态排渣气化炉,取名为BGL。操作压力2.5～3.0MPa,反应温度1400～1600℃,灰渣以液态形式排出,取消了转动炉箅。由于高温操作,气化强度提高了2～3倍。粗煤气中CO2含量由30％左右降至3％～5％,煤气热值提高25％,对IGCC有利。BGL炉尚处于示范试验阶段,未实现工业化。

流化床气化炉中气化剂由炉底部吹入,使细颗粒煤(＜6mm)在气化炉内呈流态化状态。气化温度控制在煤灰的灰软化温度以下,以避免煤颗粒\"软化\"和相聚变大而破坏流态,这种气化炉显然不能用粘结性煤,并要求较高化学活性。由于炉温低、反应时间短、碳转化率较低,造成飞灰多且灰渣分离困难,这是流化床气化的最大缺点。国外已工业化的炉型有常压Winkler和加压操作的HTW炉。此外,还有U-Gas、KRW等流化床气化炉也逐步走向工业化。

气流床气化炉中粉煤由气化剂夹带入炉并进行燃烧和气化。受反应区空间的限制,气化反应必须在数秒钟内完成。必须严格控制入炉煤的粒度(＜0.1mm),以保证有足够的反应面积。煤和气化剂的相对速度很低,为增加反应推动力,必须提高反应温度即反应速度。火焰中心温度在2000℃以上,液态排渣是其必然结果。国外已工业化的气流床气化炉型有湿法供煤的Texaco炉和Destec炉,及干法供煤的Shell炉和Prenflo炉。

Texaco炉是率先实现工业化的第二代气化工艺。为强化气化过程,各类方法都向加压发展。粉煤气流床气化实现加压操作的最大难题是粉煤的升压和输送。美国Texaco公司首先提出水煤浆概念,在70年代对水煤浆制备、喷嘴、耐火材料、废热回收、测温技术等作了许多富有成效的研究与开发,为Texaco炉的工业化打下基础。现在最大单炉容量已达到2500t/d。Texaco炉的主要优点为：①煤适应范围较宽;②水煤浆进料可靠、气化工艺简单,对提高气化压力和扩大规模特别有利;③气化中不含高级烃,适合作化工合成原料气;④不污染环境,三废处理方便。主要缺点是冷煤气效率较低、氧耗高、耐火材料价格高。

美国DOW化学公司在Texaco技术基础上开发了DOW气化工艺,后来改称Destec气化法,是一种二段式水煤浆加压气化。水煤浆经水平布置的2个喷嘴进入气化炉第一段。进煤量占总量的80％,气化温度约1427℃,气化压力2.76MPa。煤在部分燃烧条件下气化,并使灰融化成液态渣。第一段生成的粗煤气向上流入第二段,该段设有2～3个喷嘴,采用水煤浆为第二段进料,占总供煤量的20％,在高温煤气中蒸馏、热解,并与水蒸汽反应生成H2和CO。通过第二段后煤气热值提高并使温度降低,可省去辐射式煤气冷却器,只需设置对流式煤气冷却器。

70年代后期以来前西德、荷兰、前东德相继开发了干粉加压气化,代表性的炉型有Shell、Prenflo和GSP。这些气化方法的基本原理相同,只在加煤方式、炉结构、排渣等方面略有差异。

Shell/Prenflo炉都应用密封料斗法加煤装置,干粉煤从常压料斗进入增压料斗,升压后进入略高于气化炉压力的工作料斗,借螺旋输煤器或星形加料器计量并用N2吹送入炉。气化炉为冷壁结构,水冷管涂以30mm的耐火涂层,以达到以渣抗渣的目的。由于采用了干粉供煤提高了冷煤气效率、避免了喷嘴磨损问题,采用水冷壁结构,又避免了炉膛耐火砖的磨损问题,因此,气化炉的可靠性和使用寿命也进一步提高。

5 中国IGCC示范项目

我国以煤为主的能源结构在相当长的时期内不会改变,煤电在我国电力工业中仍将起主导作用。但目前燃煤发电存在污染严重、供电煤耗高等问题,不能满足我国21世纪电力工业发展的需要。面向21世纪,必须依靠科技进步促进我国资源、经济和环境协调可持续发展。开发和采用洁净煤发电技术是这一发展的必然要求。IGCC发电技术把高效、清洁、废物利用、多联产和节水等特点有机地结合起来,更符合21世纪发电技术的发展方向。IGCC发电技术已能大型化并已接近商业化,且在发展中不存在重大技术障碍。开发和采用IGCC发电技术对我国电力工业的发展具有重要意义。

1999年9月国家计委已批准在山东烟台电厂建设一座200～400MW的IGCC示范电站,目前该项目正在积极筹备中。

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详细内容请阅读《电力设备》光盘期刊2001.01

收稿日期：2000-10-20 作者简介：董卫国(1941-),男,高级工程师(教授级),中国电机工程学会燃气轮机专业委员会副主任,主要从事燃气轮机、联合循环和洁净煤发电等技术研究。