整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）

2006/9/30 9:10:19

    整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle）發(fā)電系統(tǒng)，是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)。它由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第一部分的主要設備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設備（包括硫的回收裝置），第二部分的主要設備有燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)。IGCC的工藝過程如下：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料，然后送入燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動燃氣透平作功，燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機作功。
    IGCC技術(shù)把高效的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與潔凈的煤氣化技術(shù)結(jié)合起來，既有高發(fā)電效率，又有極好的環(huán)保性能，是一種有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。在目前技術(shù)水平下，IGCC發(fā)電的凈效率可達43%～45％，今后可望達到更高。而污染物的排放量僅為常規(guī)燃煤電站的1/10，脫硫效率可達99%，二氧化硫排放在25mg／Nm3左右。（目前國家二氧化硫為1200mg／Nm3），氮氧化物排放只有常規(guī)電站的15%--20%，耗水只有常規(guī)電站的1/2-1/3，利于環(huán)境保護。

    整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的分類及作用

    可以看出IGCC整個系統(tǒng)大致可分為：煤的制備、煤的氣化、熱量的回收、煤氣的凈化和燃氣輪機及蒸汽輪機發(fā)電幾個部分。可能采用的煤的氣化爐有噴流床（entrained flow bed）、固定床（fixed bed）和流化床（fluidized bed）三種方案。在整個IGCC的設備和系統(tǒng)中，燃氣輪機、蒸汽輪機和余熱鍋爐的設備和系統(tǒng)均是已經(jīng)商業(yè)化多年且十分成熟的產(chǎn)品，因此IGCC發(fā)電系統(tǒng)能夠最終商業(yè)化的關(guān)鍵是煤的氣化爐及煤氣的凈化系統(tǒng)。具體來說，對IGCC氣化爐及煤氣的凈化系統(tǒng)的要求是：

a) 氣化爐的產(chǎn)氣率、煤氣的熱值和壓力及溫度等參數(shù)能滿足設計的要求

b) 氣化爐有良好的負荷調(diào)節(jié)性能，能滿足發(fā)電廠對負荷調(diào)節(jié)的要求

c) 煤氣的成分、凈化程度等要能滿足燃氣輪機對負荷調(diào)節(jié)的要求

d) 具有良好的煤種適應性

e) 系統(tǒng)簡單，設備可靠，易于操作，維修方便，具有電廠長期、安全可靠運行所要求的可用率

f) 設備和系統(tǒng)的投資、運行成本低

    1）噴流床氣化爐

    噴流床是目前IGCC各示范工程中采用最多的一種氣化爐。它是一種高溫、高壓煤粉氣化爐，氣化爐的壓力為20-60bar，要求采用90%以上的顆粒小于100μm的煤粉，采用氧、富氧、空氣或水蒸氣作為氣化劑，當以氧為氣化劑時，氣化爐爐膛中心的火焰溫度可達2000℃。由于是高溫氣化，在產(chǎn)生的粗煤氣中不可能含有很多碳氫化合物、煤焦油和酚類物質(zhì)，煤氣的主要成分是CO、H2、CO2和水蒸氣，離開氣化爐的熱煤氣溫度在1200-1400℃，往往高于灰的軟化溫度。為了防止熱煤氣中已軟化了的粘性飛灰在氣化爐下游設備（余熱鍋爐）粘結(jié)堵塞，將除塵后的冷煤氣增壓后再返送回煤氣爐的出口和熱煤氣混合，將熱煤氣的溫度降低到比灰的軟化溫度低50℃，然后，熱煤氣再經(jīng)過氣化爐的余熱鍋爐（輻射和對流蒸汽發(fā)生順）產(chǎn)生飽和蒸汽，同時使熱煤氣的溫度降低到200℃左右，約50%的煤中灰分在氣化爐高溫爐膛中心變成液態(tài)渣，由爐底排出并通過集渣器送入渣池。

    煤粉灰中的以飛灰的形式隨熱煤氣，幫煤氣須經(jīng)除塵、洗滌脫硫處理，成為清潔的煤氣，再送往燃燒室。

    噴流床氣化爐由于是煤粉高溫高壓氣化，因此煤種適應性廣，碳轉(zhuǎn)化率高，能達到99%以上。

    當前在歐美各地IGCC示范廠所選用的噴流床氣化爐有：美國德士古和CE爐，荷蘭的Shell爐，德國的Prenflo爐。給煤方式有濕法水煤漿給煤（如德士古爐）和干法給煤（如　shell和Prenflo爐）。

    由于噴流床氣化爐的單爐生產(chǎn)能力大，并且具有較高的效率，燃料適應性廣，因而在今后發(fā)展大容量高效率的IGCC電站中具有強有力的競爭地位。

    2）流化床氣化爐

    流化床氣化爐可以充分利用床內(nèi)氣固兩相間的高強度的傳熱和傳質(zhì)，使整個床層內(nèi)溫度分布均勻，混合條件好，有利于氣化反應的進行。同時，可以利用流化床低溫燃燒，在燃燒和氣化過程中加入脫硫劑（石灰石或白云石），將產(chǎn)生的大部分SO2和H2S脫除。由于流化床氣化爐內(nèi)的反應溫度一般控制在850－1000℃，因此，它產(chǎn)生的焦油、烴、酚、苯和萘等大分子有機物基本上都能被裂解為簡單的雙原子或三原子氣體，煤氣的主要成本是CO和H2，CH4的含量一般少于2%。

　　當前，用于IGCC系統(tǒng)的流化床氣化爐有KRW爐，U－Gas爐和溫克勒爐等。

    3）固定床氣化爐

    固定床氣化爐是最早開發(fā)出的氣化爐，它和燃煤的層燃爐類似，爐子下部為爐排，用以支承上面的煤層。通常，煤從氣化爐的頂部加入，而氣化劑（氧或空氣和水蒸氣）則從爐子的下部供入，因而氣固間是逆向流動的。這種氣化爐和燃煤的層燃爐一樣，對煤的粒徑有一定的要求。

    固定床氣化爐有兩種煤氣出口集團的設計。粗煤氣唯一出口位置設計在干燥區(qū)上面煤層的頂部，稱為單段氣化爐，此時出口處煤氣的溫度為370－590℃，在這煤氣溫度下，氣的油和煤焦油等會發(fā)生裂解和聚合反應，從而生成彼一時質(zhì)焦油和瀝青。同時高溫煤氣穿過煤層時產(chǎn)生的劇烈干餾會使煤發(fā)生爆裂，產(chǎn)生大量煤塵，并隨粗煤氣一起帶出氣化爐。因而這種單段氣化爐的粗煤氣質(zhì)量是比較差的。另一種設計是，有兩個煤氣出口，除了在干燥區(qū)上部的出口外，另一個則在氣化區(qū)的頂部，煤氣產(chǎn)量的一半從這個出口離開氣化爐。由于流經(jīng)揮發(fā)分析出區(qū)和干燥區(qū)的煤氣量只有單段爐的，有利于防止由于煤的爆裂而產(chǎn)生的大量煤塵，而且不會產(chǎn)生彼一時質(zhì)焦油和瀝青。因此，兩段爐產(chǎn)生的粗煤氣的質(zhì)量是比較好的。

    用于IGCC系統(tǒng)的固定床氣化爐主要是魯奇爐，世界上最早的德國IGCC示范廠采用的就是魯奇固定床單段固態(tài)排渣氣化爐。這種氣化爐的最大缺點是，使用焦結(jié)性煤時，容易造成床體阻塞，使氣流不暢，煤氣質(zhì)量不穩(wěn)定。此外，由于煤在氣化爐內(nèi)緩慢下移至變成灰渣需停留0.5-1個小時，因而單爐的氣化容量無法設計得很大。而且，排出的煤氣中還含有大量的瀝青、煤焦油和酚等，使煤氣的凈化處理過程十分復雜。為改善上述問題，強化煤的氣化過程，英國煤氣公司在固態(tài)排渣魯奇爐的基礎(chǔ)上，將其發(fā)展成液態(tài)排渣魯奇爐。液態(tài)排渣氣化爐由于其燃燒區(qū)的溫度較高，因而有利于提高煤的氧化速率和碳的轉(zhuǎn)化率，縮短煤在爐內(nèi)的停留時間，對煤粒直徑的要墳比固態(tài)排渣爐寬。但顆粒尺寸小于6mm的要限制在10%以下。液態(tài)排渣氣化爐有以下特點：1）碳轉(zhuǎn)化率是三種氣化爐中最高的，排渣的物理熱損失大。2）相對安全可靠；3）煤氣生產(chǎn)能力有限，是三種爐型中能力最低的。

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