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整体煤气联合循环（IGCC）简介 1、IGCC的由来和含义 整体煤气化联合循环 (1GCC-Integrated Casification combined Cycle) 发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环发电技术相结合 的先进动力系统，发电效率高，环保性能好，是一种有广阔前景的洁 净煤发电技术。 上世纪 70 年代初期由中东战争引发的石油危机以及不断恶化的 环境污染问题， 给世界带来巨大影响和冲击。 西方主要工业国家从经 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，化石燃料中煤的 储量大、价格低廉、供应稳定，但直接燃煤严重污染环境是一个不容 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时，特 别重视洁净煤技术的研究与开发工作。各种形式的洁净煤发电技术经 过几十年的努力得到了很大发展, 但从大型化和商业化发展来看， 近 期各国开发研究的重点主要放在IGCC上，投入人力物力最多，己建 和在建的示范项目也占多数。越来越多的实践证明：IGCC是最有发 展前景的洁净煤发电技术。美国、西欧、日本等国相继提出并推行洁 净煤计划。据统计，美国能源部自 1986 年开始实施洁净煤计划以来， 经过长达 9 年，在 5 轮竞争性的论证后，目前共选中43 个项目，项 目投资超过 70 亿元，其中 IGCC占的份额最大。 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)整体煤气化联 合循环，它的设计思想是：使煤在高压、高强度、高效率的气化炉中 气化成为中热值煤气或低热值煤气，进而通过洗涤和脱硫处理， 把煤 气中的微尘、硫化物、碱金属等杂质清除干净，最后，把洁净的煤气 输送到燃气 -蒸汽联合循环中去燃烧做功。 2、IGCC的组成和工艺流程 整体煤气化燃气一蒸汽联合循环( 简称 IGCC )是一种先进的高效 低污染的清洁煤发电技术，是多种高新技术的合成，由气化、动力、 脱硫、空分四个岛组成。其主要生产流程是: 将原煤制成煤粉或水煤 浆送人气化炉中， 煤粉或煤浆在气化炉中与来自空分系统的氧气反应 生成粗煤气， 粗煤气经净化系统涂去粉尘、硫化物等有害物质后送入 燃气轮机燃烧室， 燃烧产生高温高压气体进人透平膨胀做功，拖功发 电机发电。燃气轮机的排气进人余热锅炉，余热锅炉吸收燃气轮机排 气的热量产生蒸汽带动汽轮发电机组发电，这样就实现了燃气一蒸汽 联合循环发电。其流程图如下： IGCC 电站，是一个多种设备，多种技术性能集成的复杂系统， 因此， IGCC 整个系统的性能取决于子系统的性能及各子系统间的匹 配，而各子系统的组合及其性能都直接影响整个 显然，在 IGCC发电系统中，燃气轮机、余热锅炉、汽轮机都是 成熟的技术，所需要解决的是煤的大规模气化和煤气化的净化问题， 所以就设备而言， 气化炉和煤气净化系统是整个煤气化联合循环发电 技术的关键。 2.1 燃气轮机系统 IGCC 联合循环系统是以燃气轮机为主，燃气轮机与蒸汽轮机的 功比为 1.3-2.0 ，因此，燃气侧系统是影响整个IGCC系统性能指标 的主要因素，燃气轮机性能的提高是发展IGCC的前提。凡是能使燃 气轮机性能改进的技术手段都将最终提高IGCC的整体性能 2.2 煤气化系统 利用高压煤气化技术生产合成煤气，以取代天然气作为燃料，是 发展 IGCC技术的一个重要内容。 目前 IGCC采用的气化炉主要有三种 型式：喷流床（ UGI,Lurgi炉和 BGL炉） 流化床（ U-Gas炉，winkler炉，HTW 炉和 CFB气化炉） 固定床（ KT炉，Texaco炉，shell炉和 Gsp炉） 。 我国引进较多的是壳牌公司的Shell 粉煤加压气化技术和GE的 水煤浆气化技术。 它们各有优缺点， 对发电用途的气化炉， 主要要求是高的碳转化 率。和冷煤气效率 1、大容量 (尽可能做到单炉电站 )以及与发电 设备运行的匹配性好等。 高压纯氧和富氧氧化的喷流床单炉容量最大(2000-3000t d) ， 且由于反应温度高达1500-2000OC ，碳的转化率很高 (97以上 ) ，特 别 是 干 法 供 煤 并 采 用 未 反 应 炭 粒 再 循 环 措 施 时 ， 如 西 班 牙 Puertollano电站采用的 Prenflo气化炉和 Buggenum电站的 Shell 气化炉的 c 都达到 99，1 达到 80左右。而对水煤浆供料喷流 床的c 和1 都要低些， Tex-aco 气化炉c 一般只有 96-98， 1 只有 69-75。因此， Destec 气化炉采用两段气化方式，把 1 提高到 80-82。固定床气化炉，由于煤在炉内停留时间很长， 反应温度也高，因而碳的转化率最高，可达99.5，但煤气的生产 能力最低，不能满足电站大型化需要，且含焦油、酚类数量多，难以 处理。对于流化床气化炉如KRW 和 U-Gas朋来说，碳的转化率仅 91 -97，比前两种要低很多。另外，以空气做为气化剂时，可省去复 杂空分系统，但煤气热值低，不利于燃烧，且气化炉容量小，不利于 电站大型化；而采用纯度高的氧气要比用空气为气化剂时冷煤气效率 高，但却增大了厂用电率，这要综合考虑。 几种典型的煤气化炉简图 2.3 煤气净化系统 从气化炉产生的粗煤气含有大量有害杂质，无法满足燃气轮机安 全可靠运行和环保法规的要求，必须预先净化处理， 以除去粗煤气中 的硫化物、粉尘、氮化物以及碱金属与卤化物等有害物质。 现多采用常温湿法除尘脱硫工艺，相对成熟。由于在净化前，先 要将高温煤气冷却降温， 虽然可以回收部分煤气显热， 但由于能量的 品位降低，必将影响到IGCC整体的效率。因此，人们正致力于研究 开发高温干法脱硫技术，它与煤气低温净化技术相比能使IGCC的净 效率提高 0.7-2.0个百分点。目前 Tampa电站采用常温湿法的煤气净 化工艺再配合10干法净化方式，不过高温干法净化还处于试验阶 段。 2.4 空分装置与空气测系统整体化 为了供给气化炉所需的纯氧或高浓度富氧的气化剂，需设置制氧 空分设备及其系统。对于不同空分系统利用不同的压力等级( 高压或 低压)，但目前对各种压力等级空分系统大多采用深度冷冻方法分离 空气以制取氧气。如对独立空分系统，常用低压(0.6MPa)流程，一般 需把空气冷却到 -172左右才进人制氧过程。 由于空气系统中氧气和 氮气的压缩耗功很大，采用上述常规空分工艺流程的IGCC的厂用电 耗率较高，因此人们正在研究使液N2和液 02 先增压、后气化的空分 制氧流程。 IGCC 中空分系统和燃气轮机系统组成的空气侧系统的整 体综合优化对IGCC系统的热力性能、比投资费用以及运行可靠性等 都有很大影响。从空分系统的空气来源看， 空气侧整体化有独立空分、 完全整体化和部分整体化三种一体化方式。独立空分会使厂用电率增 大，但它运行灵活；完全整体化方式的厂用电率低，但运行不灵活。 比如荷兰 Bugge-num电站采用完全整体化，厂用电率仅10.92 ；部 分整体化可兼顾两方面的优点。随着IGCC空分整体化程度的提高， IGCC的热经济没也相应提高。但是完全整体空分方式IGCC的运行灵 活性却受到限制。因此，目前IGCC电站较多倾向于采用部分整体化 方式。 2.5 余热锅炉及蒸汽轮机系统 性能先进的 IGCC离不开高效率的蒸汽底循环， 余热锅炉和蒸汽轮 机系统不可避免要与煤气化、净化系统等进行质量、能量交换，因此 IGCC蒸汽系统的联结、匹配与优化要比一般的联合循环复杂得多、 也重要得多。为了充分地吸收各子系统的余热、废热，目前IGCC系 统中。一般根据燃气轮机排气温度，合理地选择蒸汽循环流程，当燃 气轮机排气温度 T4低于 538时， 不采用再热循环方案； 当高于 580 时，采用多压再热方案。另外，一般不从汽轮机拍汽加热给水，同时 尽可能提高蒸汽初温和初压。 3、IGCC的优缺点和应用领域 相比传统的燃煤发电形式IGCC具有以下优点 : (1) 它采用燃气一蒸汽联合循环， 发电效率高， 目前可达到 45 % ， 而且发电效率提高的潜力很大，预计在2010 年，发电效率可达到 50%-52% , 2015 年，发电效率可达到55%-60% ，是发电效率最高的 燃煤发电技术。 (2)IGCC 与传统的燃煤方式小同，它先将煤气化，由于煤气的流 量仅是相同容量机组烟气量的1/6，而且是加压状态，因此，可采用 成熟的可再生化工净化及回收工艺处理煤气，能实现98% 以上的污染 物脱除效率， 井可回收高纯度的硫， 粉尘和其他污染物在此过程中一 并被脱除。煤气化过程没有NOX生成，煤气在燃气轮机燃烧过程中采 用低 NOX燃烧，控制 NOX排放在较低的水平较容易。因此，IGCC是所 有已示范的大容录洁净煤发电技术中最清洁的发电方式，所有污染排 放物只有美国国家环保(NSPS)标准的10%-50% ,可在较长时间内满 足日益严格的环保要求。 (3)燃料适应性广。 IGCC发电技术可以燃用储量丰富、限制开采 的高硫煤 , 既可以有效利用资源 , 又可以节省燃料成本。 （4) 节水。 IGCC机组中蒸汽循环部分占总发电量约1/3, 使 IGCC 机组比同容量常规火力发电机组的发电水耗大大降低, 耗水量约为同 容量常规燃煤机组的1/2 。 (5) 可以实现多联产。 IGCC项目本身就是煤化工与发电的结合体, 通过煤的气化 ,使煤得以充分综合利用 , 从而使 IGCC项目具有延伸产 业链（甲醇或二甲醚等化工原料的联产） 、发展循环经济的技术优势。 (6) 为较经济地去除CO2创造条件。在 IGCC发电系统中 , 通过对合 成煤气中 CO转换并进行 CO2脱除, 可实现 CO2零排放 , 是目前现有 发电技术减排温室气体最可行、经济的方法。（提取的 CO2可作为采 油、采气采煤的回注气体） IGCC的比投资费用和发电成本较高，单位kW造价约为 1000 美 元。随着我国各项关键技术的引进、消化和利用以及自主开发，IGCC 的综合造价将会不断下降，,IGCC电站关键技术的国产化进程正在加 快，包括低热值燃气轮机、大型深冷空分设备等关键设备的国产化， 以及关键技术煤气化炉的国产化。 IGCC的应用领域很广阔，不仅仅局限于煤炭行业。在石化行业 中炼油过程中，产生的石油焦或重油经气化生成合成气用于发电和产 生蒸汽。采用部分氧化工艺技术将脱油沥青进行气化生产粗合成气 (主要为 CO和 H2 ), 粗合成气分成两部分，一部分经过酸性气脱除后 (脱 H2S等杂质 )用作燃气轮机的燃料，燃烧后高温烟气进入余热锅炉 回收余热发电。其工艺流程如下： 石油焦发电流程 同时还有生物质气化技术，通过对秸秆或造纸废液（黑液）的气 化生成合成气来实现联合循环发电。 4、IGCC国内外发展现状和典型业绩 自 1973 年德国建设了世界上第一座IGCC示范电站 (Kellerman) 以来，美国，西班牙，荷兰，日本等国家先后建设了以煤为原料，纯 发电大型化的 IGCC 示范电站，最受关注的有美国 CCT 计划中的 Wabash River , TECO Tampa 电站和西班牙的 Puertollano电站以及荷兰的 Nuon Buggenum 电站日本的 Nakoso等 IGCC示范工程。 虽然我国的 IGCC技术的发展与发达国家有一定的差距，但我国 已将 IGCC发电技术作为我国中长期能源优先发展的技术之一。2004 年华能集团推出了“绿色煤电”发展计划，该项目分三个阶段: “十 一五”期间，将在汕头电厂建立12 万千瓦的煤气化联合循环发电示 范电站 ; “十二五”期间，将建成30 万40 万千瓦级煤气化联合循环 发电系统的示范工程 ; 最终于 2020 年左右，形成以煤气化制氢、 氢气 轮机联合循环发电和燃料电池发电为主、并进行CO2分离和处理的， 构建适合中国国情的煤基绿色能源系统。目前我国开展的IGCC“863 ” 项目有 : 华电半山 200MW 级 IGCC发电项目、广东东莞天明改造和新建 项目、华能绿色煤电250MW 级的 IGCC发电项目。另外，北京房山、 河北廊坊、天津大港、上海、深圳、东莞、温州、沈阳等分别完成了 400MW 级容量 IGCC发电机组的初可和可行性研究工作; 另有多套 IGCC 联产化学品的项目已经启动。国内外一些主要的IGCC示范项目见 下表： 2004 年华能在“绿色煤电”发展计划中也提出了要在2020 年形 成以煤气化制氢、 氢气轮机联合循环发电和燃料电池发电为主、并进 行 CO2分离和处理的，构建适合中国国情的煤基绿色能源系统。2007 年华能集团在国内率先开展了燃煤电站CO2捕集技术研发与工程示 范，并在北京热电厂得以实施， 为我国 IGCC示范电站 CO 2的捕集和处 理做了初步的研究。 2009 年国内首个 IGCC示范项目 (华能天津 IGCC 电站示范项目 )被发改委正式核准，标志着我国自主知识产权、代表 世界清洁煤电技术前沿水平的 “绿色煤电”计划取得了实质性的进展。 2006 年 6 月南汽轮与中科院工程热物理研究所合作，为山东兖 矿集团公司研制的我国首套整体煤气化联合循环（简称“IGCC ” ）发 电机组，在结束 168 小时考核运行后，正式交付用户，投入商用，各 项指标达到国家“ 863”科技合同要求，开创了 IGCC发电设备在我国 投入商业运行的先河。 华能“绿色煤电”（天津）的构想 华能“绿色煤电”（天津）的工艺流程图 5、IGCC中气化炉的类型、参数、和选型 气化炉的类型 气化炉是 IGCC电站中的关键设备， 利用高温高压产生合成煤气。 按照炉床形式可以划分为喷流床式、流化床式、固定床式和熔融床式 四种类型。按照进料方式的不同， 可以将气化炉分为两类， 即以 Shell 为代表的干煤粉进料和以Texaco为代表的湿法进料。 干法煤粉进料、 水冷壁炉气化技术对煤种适应范围宽，煤、 氧等消耗要低于湿法进料， 更有利于环保 ; 干粉进料的气化装置在煤的制备干燥、加压及输送过 程中，系统复杂，设备较多，但煤气热值高，冷煤气效率高，可气化 含灰量较高的煤，燃烧喷嘴的寿命长，组成的IGCC电站效率较高， 初投资相对较高，但运行成本相对湿法偏低。天津绿色煤电、河北廊 坊、深圳、东莞、温州IGCC项目均选用干法煤粉进料。随着工业化 运行经验的积累， 该技术对煤种适应范围宽的优势将得到体现，设备 的国产化力度加大，装置投资将降低，投资的经济性将得到提高。 湿法进料经多年工业化运行考验，国内外技术均己成熟、 工程建 设和操作经验丰富 ;适应性的原料煤种选择明确， 设备国产化力度大， 设计和工程建设周期相对短、总体投资省; 装置进入平稳运行期短， 多炉配置运行灵活 ;装置投产后，可以较快的获得效益。 目前，Texaco 气化炉的热回收系统有激冷式和全热回收式两种。激冷式是通过水激 冷的方式将煤气冷却至2003000C ，显热几乎全部损失，但是系统简 单。全热回收式是采用废锅吸收显热，但是系统复杂，投资高。如美 国的 Tampa电厂，采用的是Texaco 的全热回收方式，其对流废锅的 积灰和腐蚀严重， 再实际运行中将其旁路， 导致高温净化装置无法运 行。Shell气化炉则是采用“净煤气冷却法” ，即抽取净化后的冷煤 气与高温煤气混合，将温度降至900左右，再通过煤气冷却气进行 冷却至 350左右。 气化炉的主要性能参数 气化炉及其系统是IGCC装置中制备合成煤气的关键部件，它的 特性指标 : 碳转化率、冷煤气效率、热煤气效率、原料喷嘴和高温耐 火材料的使用寿命、 氧气的消耗率、合成煤气的成份、 热值与产气率， 以及单台气化炉的容量(即每天的燃料耗量和单位时间内单位气化炉 面积上的燃料消耗率 )等，对整个 IGCC的热效率、可用率和比投资费 用都有重要的影响。 用以衡量不同类型气化炉气化特性的技术经济指标卞要有以下 儿个方面。 1) 碳的转化率 : 转化成煤气的碳量与煤中含碳量之比。碳的转化 率与气化过程的温度、 煤在气化炉内的停留时间、 未反应碳粒的再循 环与否、煤的品种及气化炉的结构形式有关。为保证煤的气化效率， 要求尽可能高的碳的转化率。 2) 冷煤气效率 : 所生成煤气的化学能与气化用煤化学能的比值。 它是衡量进入燃气轮机系统作功的化学能的多少，它与气化炉的结构 形式、供煤方式有关。提高气化过程的温度，采用两段气化方式或采 用高温固定床气化方式均可提高气化炉冷煤气效率。 3) 热煤气效率 : 所生成煤气的化学能加上气化炉系统产生蒸汽的 焓和结水焓之差与气化用煤化学能的比值。 4) 其他技术经济指标有 :负荷变化适应性、煤种的适应性、单台 气化炉的日产气量、产气的发热量、气化炉持续运行小时数等。 气化炉的选型原则 在 IGCC发电系统和联产系统中，气流床气化炉应用最为广泛。 目前，气流床的技术比较典型的有 Shell, Texaco 技术和国内华东 理工大学的多喷嘴对置式水煤浆加压气化技术、西安热工所的两段式 干煤粉加压气化技术、 清华大学提出的非熔渣一熔渣氧化分级煤气化 技术。 Shell和 Texaco 技术已经相对成熟，国内的技术正在进入工 程应用阶段。 整体煤气化联合循环 (IGCC)对气化炉选型要求主要有 : (1) 设备的实用性 : 要求气化炉的加工工序少， 工作可靠性和设备 的可用性高，单炉的生产能力大，维修方便，而设备的制造和维护费 用低。 (2) 原料的适应性 : 要求气化炉能加工多品种的煤， 其中包括焦结 性煤，并能改用重油和石油焦等其它原料。 (3) 煤气后处理系统的简单性: 要求气化炉所产生的煤气中不含 副产品焦油和酚类等有害物质，煤尘的携带量也应很少， 这样才能使 煤气的净化系统简单化。 (4)与发电设备运行工况的匹配性: 要求气化炉具有对不断变化 负荷的适应能力，它既能迅速停车，又能迅速再启动。在起停过程中 不会出现严重的不稳定性。负荷调节范围要广，当压力瞬间变化时， 也能平稳运行。 因此，在 IGCC电站建设中，煤气化炉的选择需综合考虑技术成 熟性、大型化、效率、运行维护以及是否与化工联产等方面的要求。 在综合分析各种煤气化炉的优缺点的基础上选择适宜的煤气化炉。