摘 要: 简要介绍了整体煤气化联合循环 ( IGCC ) 气化子系统中的德士古气化炉与壳牌气化炉的特点。分别论 述了空分子系统对 IG CC 集成特性的影响、适合燃烧低热值煤气的燃气轮机的特点以 及 4 种 CO2 捕捉方式, 指 出了制约 IGCC 快速发展的关键因素, 最后指出, 通过不断的研究和发展, IGGC 将具有越来越强的竞争力。

0 引言

整体煤气化联合循环 IGCC ( In teg rated G as if ica- t ion Com b ined Cycle)装置自 2 0 世纪 70 年代初期研 发开始, 至今已有 30 多年历史了, 在技术的总体上 取得了重大发展, 特别是在某些工业发达的国家以 及石化企业中建立了若干个示范工厂, 进行了商业 示范运行, 取得了不少经验, 显示了它在环保性能方 面的优越性, 但由于某些技术尚未完全成熟, 影 响了它的 3E( 热效率、环境特性和经济性 ) 和 RAM ( 可靠性、可用率和可维护性 ) , 其比投资费用和发 电成本还比较高, 可用率还不甚理想, 至今尚不能作 为一种强有力的洁净煤发电技术与目前已经相当成 熟、而且还正在发展的煤粉电站相竞争。为此, 继续 不断地开发和改进现有 IGCC 系统, 以求充分发挥 IGCC 装置的潜在优势, 是推动该技术走向商业化的 当务之急。近年来, CO2 问题的破坏性日益显示出来, 各国政府与学 者们投入大量 财力和人力, 开展CO 2 问题的研究。

文献 [ 4 ]和文献 [ 5 ]指出, 当前世界上研究开发 IG CC 的总目标是力求提高其经济性、可用率; 降低 比投资费用和发电成本, 促使 IGCC 走向商业化; 进 一步优化 IGCC的系统, 以便清除和利用 CO 2, 为走 向 H 2 经济 时代探 索现实 道路并 改善其 运行 的灵 活性。

1 气化炉现状

IG CC是以煤气化为源头的大型能源动力系统, 煤气化子系统有诸多特 征, 如碳 转化率、冷 煤气效 率、煤种适应性等都将对 IGCC 整 体性能产生重要 影响。因此, 煤气 化子系统 的设计与 选型对 IGCC 系统的设计优化至关重要。目前, IG CC对气化炉的 要求是能够实 现大容量 ( 单炉 2 0 00 t /d 级容 量以 上 ) 、高碳转化率 ( > 99% ) 、高冷煤气效率 ( 75% ~88% ) 和高热煤气效率 ( 85% ~ 95% ) 以及对不同煤种的 适应性和 运行可靠 性等。气 化炉中主 要有喷流床气化炉、硫化床气化炉、固定床气化炉与熔融床气化炉 4 类, 能够同时满足这些条件的气化技术当数大型喷流床气化炉, 其中, 又以德士古 ( T exaco) 水煤浆气化炉与壳牌 ( Sh ell) 气化炉应用最为广泛。

T exaco气化炉是最 成熟的第 2 代喷 流床气化炉, 是由美国德士古石油公司下属的德士古开发公司研发的 ( 2 004 年 5月, GE 能源公司收购了 T exaco 气化炉业 务 ) 。 T exaco 气 化炉 使用 1 个 水煤 浆喷 嘴, 气化炉膛用耐火砖砌 成, 采用炉 底液态排渣方 式, 不设置飞灰再循环系统, 水煤浆中煤的质量分数 为 6 0% ~ 70% ; 气化温度为 1 3 70 C 左右。因而它 具有以下一些缺点:

( 1) 碳的转化率低, 转化率一般为 9 5% ~ 96% ;

( 2) 冷煤气效率低, 效率一般为 70% ~ 76% , 当 使用的煤质较差时, 甚至会低于 7 0% ;

( 3) 合成煤气的可 燃成分中 H2 和 CO 的含量 较低;

( 4) 由于合成煤气中水蒸 汽的含量较多, 为了 提高热煤气效率, 粗煤气显热的回收系统较复杂;

( 5) 耗氧量较多, 一般为 1 kgO 2 / ( kg干煤 );

( 6 )炉膛耐火砖的寿命短、价格高、更换时间长。 耐火砖每 3年左右要全部更换 1 次, 每次耗时 21 d;

( 7 ) 水煤浆泵和喷嘴易磨损, 平均 2 ~ 3 个月要 更换 1 次喷嘴;

( 8) 气化炉的连续运行时间短, 一般为 40 d 左 右, 致使气化炉的可用率仅 8 0% ~ 85% ;

( 9) 负 荷 的 可 调 范 围 窄, 可 调 范 围 一 般 为60% ~ 100% 。

气化炉的主要优点是结构与控制系统简单; 价格与运行费用较低; 气化压力较高, 便于与后续的高 压化工流程相衔接。

我国气化炉的运行实践表明 [ 7] : T exaco气化炉 对煤质的要求比预想的要严格得多, 灰分的质量分 数应小于 13% 、灰熔点 < 1 30 0 C 、灰渣的粘温特性和煤的成浆性都必须良好。而我国煤质的灰熔点普 遍较高, 灰分含量也较多, 只有神华、大同、华亭和义 马等少数煤种可选用, 大多数煤矿生产的煤都很难 满足 T exaco气化炉的要求。

S he ll气化炉是由 K - T 炉 ( K opp ers- T otzek )演 化而来的, S he ll气化炉采用金属水冷壁管簇围成炉 膛结构, 同时采用干法供料方式, 并采用 2 组彼此对 置的燃料喷嘴的布置方案。它既能改善反应区内的 气流结构, 又能在不使炉膛材料被烧坏的前提下, 把 反应区的平均温度提高到 2 000 C 左右, 这将有利于改善气化反应的特性。如在设置飞灰再循环系统的前提下, 碳的转化率可以达到 99% 以上, 冷煤气效率为 80% ~ 8 4% , 耗氧率也有所减小, 燃料喷嘴的 使用寿命由 T exaco气化炉的 2 ~ 3 个月增长到 1 年 以上, 气化炉的可用率增加到 90% , 气化炉的单炉 容量也可放大到 5 000 t / d。 S he ll气化炉对煤种的要 求比 T exaco气化炉要宽松一些。一般来说, 灰的熔 点低于 1 500 C , 活性与灰熔点相适应的煤种都能很 好地气化。该气化炉的主要缺点是:

( 1 )干粉的干燥、制备系统复杂, 需要用纯度为99. 9% 的 N2 输送;

( 2 )气化炉的工作 压力一般不宜超 过 4 ~ 4. 5M Pa, 因而在石化企业中倘若后续工艺流程的压力较高时, 使用就有困难;

( 3 )炉体结构与控制系统较复杂, 投资费用比T exaco气化炉高;

( 4 )为了将气化炉出口的粗煤气温度降至 900 C ,以防仍有熔融状态的灰分被带到气化炉下游部分堵塞 换热设备, 特设置了冷煤气再循环系统, 既耗能又增 多了一个故障环节。

目前, Sh ell气化炉已比较成熟了, 在我国就有10 套装置在石化企业中应用。 She ll公司正与 B lack& V each 公司结盟, 在世界范围内推广以 She ll气化 炉为核心的 IG CC 工程。

目前, 华东理工大学 " 多喷嘴对置式水 煤浆气 化炉 "、西安热工研究院 " 两段式干煤粉气化炉 "与 清华大学 " 两段式水煤浆气化炉 "在我国化工联产领域中有所应用。其中华东理工大学研发的气化炉 已实现大型化, 1 150 t / d的气化炉已经投运; 西安热 工研究院研发的气化炉拟在华能绿色煤电 IG CC 项 目中采用 [ 8] 。

2 空分装置

空分装置是 IGCC 的耗能 大户, 空分装 置的工 艺流程及其与 IGCC 的匹配对 IG CC 的整体性能影 响较大。当氧气产量大于 2 50 0 m3 /h 时 [ 3] , 工业上 一般采用深度冷冻法来制取氧气, 简称深冷法, 它是 空气液化后根据氧、氮沸点差精馏, 从而实现气体分 离的技术。该技术比较成熟, 效率高且成本低, 被广 泛用于化工行业中, 适合于大规模生产且所得的氧 气纯度高 ( 可达 99% 以上 ) 。这种空气分离方法从1902 年德国林德公司制造出第 1 台 10 m3 / h 的制氧 设备以来, 至今已有 90 多年的历史, 流程经历了高 压 、中压到全 低压的变革, 能耗 不断降低。近 2 0年来, 深冷法制氧的工艺和设备都取得了长足的进步,氧的提取率提高了 10% 能耗 下降近 2 0%。目前,全低压空分系统的单位制氧能耗已降到大约 0. 35 kW . h /m3。但是, 目前全低压空分在流程上的改进 余地非常有限, 于是人们的注意力开始移向空分产 品的应用领域, 即生产综合型的空分设备, 使包括用 户在内的综合能耗最低, 投资最省 IG CC 电站就是 热能设备与化工设备成功结合的产物。

目前, 在 IGCC 系统设计中主要有 2 种典型的空分系统工艺流程方案: 一种是低压独立空分系统, 一种是高压完全整体化系统, 系统流程如图 1、图 2 所示。

独立空分系统具有以下特点:

( 1) 空分压缩机与燃气轮 机无直接联系, 因而在燃气轮机尚未工作时可以提前启动, 一般启动全 过程需 2 ~ 3 d, 对燃气轮机的工作毫无干扰;

( 2 ) 变负荷时空分压缩机的出口空气压力较稳 定, 即 空分 系统 中精 馏塔压 力变 化不 大, O2 浓度 稳定;

( 3) 变负荷时, 只需调节空分压缩机的进口可 转导叶, 对燃气轮机的工作也无干扰;

( 4) 调节系统较简单;

( 5) IG CC 电站负荷的跟踪性能不受空分系统延迟特性的影响, 仅受限于余热锅炉的热惯性。

高压完全整体化系统具有以下特点:

( 1 )电厂自用电消耗小;

( 2 )由于空分系统的启动过程长, 而空分系统 所需的空气必须完全从燃气轮机中抽取, 燃气轮机 的正常运行也离不开空 分系统, 因此, 完全 整体化 IG CC 电站的启动过程复杂;

( 3 )电厂的变工况性能差。

文献 [ 9 ]、文献 [ 10 ] 在相同的燃气轮机的前提下, 对上述 2种空分系统进行了模拟计算, 得到如下 结论: 高压完全独立空分系统的 IGCC 效率略高于 低压独立空分系统, 2 种空分系统的热力学性能相 当。因此, 在进行 IGCC 系统的优化设计时, 系统的 设计与优化主要应从降低设备投资和有利于控制灵 活性、可靠性等方面综合考虑。

世界上比较著名的大型空分制造厂有法国空气 液化公司 ( A ir L iqu id ) 、德国林德公司 ( L inde ) 和美 国空气产品和化学品公司 ( A PCI), 其空分流程成熟 可靠。我国生产大中型空分设备的企业有杭州制氧 机集团有限公司、开封空分集团有限公司、四川空分 设备有限公司、哈尔滨制氧机厂等。其中, 杭州制氧 机集团有限公司在国内制氧领域占据比重较大。目 前, 国内已可以生产 5 x 104 m3 / h 等级的空分装置, 正在设计制造 6 x 104 m3 / h 等级的空分装置, 有能 力制造配套 400MW 级 IGCC 的空分装置 [ 8] 。

3 低热值燃气轮机

燃气轮机用于 IGCC 时, 唯一不同的就 是燃料 由天然气变为了煤气, 因而造成了燃气轮机的一系 列问题。煤气的 主要成 分为 H2, CO, CO2 以及 N 2 等, 其热值约为天然气的 1 / 3 ~ 1 /4。

燃料的变化带来燃烧的问题, 由于煤气含有大 量 H 2 以及 H 2 组分的波动, 若采用燃烧技术会带来 回火及燃烧不稳定等涉及到燃气轮机的安全问题, 因此, 主流的燃气轮机厂商都采用了之前在天然气 燃气轮机中采用过的扩散燃烧方式。虽然煤气的热 值是天然气的 1 / 4 ~ 1 /3, 但采用扩散燃烧方式, 煤 气的火焰温度反而会高于天然气, 因而 NOx 排放浓 度非常高, 可以达到 0. 1% 以上。现在运行和设计 中, 都采用了氮气回注和湿化等手段来降低 NOx 排 放, 因此, 针对于煤气的特点, 稀释扩散燃烧成为了 IG CC 中普遍采用的方式。

针对煤气的特点, 各大燃气轮机公司开始研发 新 的适合 IGCC的燃烧室, 各 国学者也提出并 研究新的燃烧方式以适应 IGCC 燃气轮机的发展。开发煤气低污染燃烧室并兼顾纯氢燃气 轮机的需要是IGCC 燃气轮机的燃烧室的发展趋势。 GE 能源公司 针对煤气预混燃烧中回火的问题, 结合近几年航空 发动机燃烧室中的热点驻涡燃烧室, 提出了可以燃 用煤气以及纯氢的原型驻涡燃烧室; S iem en s将其用 于天然气的催化燃烧概念应用在煤气以及燃气轮机 燃烧室上, 因为催化燃烧 的燃烧温度可以 很低, 因 此, 具有较低的排放, 而且催化燃烧也不需要特殊的 流场进行 稳燃, 不存 在回火 的问 题; 另 外, 瑞士的 A BB 公司 ( 原 BBC ) 与日本的三菱重工在低热值燃 气轮机开发方面也有丰富的经验 。

4 CO2 捕捉技术

CO2 捕集与封 存技术 CCS ( C arb on Cap tu re and S torage)主要是指对化石燃料火电厂排放到大气中 的 CO2 进行分离捕集, 并长期安全地封存在地下的 技术。发电厂中进行 CO2 捕集的技术路线主要有 3类: 燃烧后脱碳、燃烧前 脱碳和富氧燃烧脱碳。目 前, 这 3 种路线在世界上都有相应的示范工程。