基于水煤浆气化的200 MW级IGCC关键技术研究

朱 达，李硕平

（1.华电半山发电有限公司，杭州 310015，2.浙江省电力设计院，杭州 310012）

1 整体煤气化联合循环技术的发展概况

整体煤气化联合循环 （Integrated Gasification Combined Cycle，简称IGCC）是将固体的煤气化并净化后，与燃气－蒸汽联合循环发电相结合的一种高效清洁发电技术。目前世界上约有4000 MW的IGCC电站已建成运行，总容量超过25000 MW的50多个IGCC项目在筹建中。IGCC技术正从概念性验证阶段走向商业化示范及应用阶段，目前已发展到第三代。

与前两代IGCC技术相比，第三代IGCC的技术性能和经济指标都有很大提高，其主要技术特点是：

（1）采用新型气化炉及气化工艺，进一步提高气化炉燃料适应性、可用率和转换效率。

（2）研发新的高温合成气净化技术。

（3）采用更加先进的燃气轮机。

（4）采用更高参数和更为优化的蒸汽系统。

中科院《2009中国可持续发展战略报告》中将IGCC发电技术作为中国特色低碳道路的发展战略之一，使IGCC有可能成为未来极低碳排放发电系统的最佳方法，并成为氢能经济的一部分。

2 我国发展IGCC技术的重要性

2.1 以煤为主的能源属性

我国的煤炭资源相对丰富，已查明的资源储量为10430亿吨，可直接经济利用的储量就有1842亿吨，位列世界煤炭探明储量第3位。我国以煤为主的能源属性决定了以燃煤发电为主的火力发电格局在很长一段时间内不会发生改变。

2.2 环境保护压力

当前由温室气体排放带来的全球变暖问题已引起广泛关注，CO2排放是产生温室效应的主要原因，而在中国由燃煤发电产生的CO2占整个CO2排放的较大比重。根据我国在哥本哈根会议上关于中国单位GDP二氧化碳排放2020年比2005年减少40%～50%的承诺，我国需要大力发展节能清洁技术，发展绿色经济。

CO2捕获和存储（CCS技术）是CO2减排的主要手段，而CO2的捕获环节最为关键。要将CO2从烟气中分离出来，最有效的方法是燃烧前分离。目前常规燃煤电厂的脱碳方式均为高压工艺，而IGCC的合成气本来就是高压气体，所以从脱碳装置初投资及运行成本的角度比较，IGCC脱碳比常规火电脱碳有巨大的优势。

2.3 IGCC系统的高效率

按目前的技术水平，IGCC发电系统和常规高效燃煤发电系统的效率、煤耗对比如表1所示。可见，在同级别发电容量的发电机组中，采用E级燃机的IGCC系统的供电效率比亚临界300 MW常规燃煤机组高；采用F级燃机的IGCC系统的供电效率要远高于超临界600 MW常规燃煤机组，也高于超超临界1000 MW常规燃煤机组。预计，未来采用H级燃机（600 MW）的IGCC系统效率仍要比下一代的超超临界机组高。如果计及脱碳系统的厂用电量，IGCC系统的效率要远远高于常规燃煤机组。

我国以煤为主的能源结构现状和面临的巨大减排压力，决定了必须大力发展清洁高效燃煤发电技术，IGCC发电方式必将得到大力发展。

2.4 IGCC发电示范项目概况

杭州半山IGCC示范工程项目实行产学研相结合，由华电集团公司牵头，制造企业参加，科研单位对关键技术、重点技术和共用技术进行研究开发，相关企业进行示范项目的设备制造、建设和运行。

项目主要技术指标：单机容量为200 MW级；发电效率＞45%；供电效率＞39%。

环境指标： NOX＜80 mg/Nm3（16%O2）； SO2排放＜45 mg/Nm3（16%O2）； 脱硫效率＞98%。

3 IGCC发电关键技术研究

3.1 系统整体配置与参数

以建设200 MW等级的IGCC发电技术为目标，将IGCC发电系统划分成气化岛、燃机岛和与IGCC相适应的常规岛共3个岛进行研究开发。气化岛内主要设备包括空分装置、气化原料制备装置、气化炉、辐射和对流废锅、净化装置等。燃机岛内主要设备包括燃气轮机和余热锅炉等。常规岛内的主要设备包括蒸汽轮机及配套系统等。

在继承和发展现有单元技术，特别是继承十五计划“863”气化、合成气燃机技术基础上，着重解决3个岛中的关键技术及工艺，以岛的模块化技术实现IGCC发电机组的可靠、经济运行。

3.2 气化岛模块

气化炉对IGCC的整体效率有很大的影响。气化系统特性因素中最重要的是冷煤气效率。气化炉的冷煤气效率越高，意味着对整个电厂及其它系统的需求越少，易于提高循环效率，也使全厂的设计趋于简单。

煤气化实际上是把煤进行部分燃烧（部分氧化），即煤与气化剂（氧气/蒸汽）反应生产含CO和H2、CH等产品和副产品的过程。煤气化与燃烧的不同之处体现在目的产物和工艺过程上。气化的反应是C转化为CO和H2，S转化为H2S，目的是获得更多的合成气。而煤炭燃烧的目的是将C转化为热量，获得更多反应热量。对于IGCC电站，最重要的是全厂的总效率，包括煤气的显热和蒸汽的热能。加压气化炉反应器是气化岛的核心，也是影响性能的关键所在。

表1 IGCC发电和常规高效燃煤发电效率、煤耗对比

3.3 燃机岛模块

现代联合循环机组中的燃气轮机多采用燃用天然气或油的燃气轮机，IGCC机组则是以合成气代替常规燃料的联合循环装置，示范电站中燃气轮机的主要选择依据是与示范电站容量相适应。通常在独立空分系统的IGCC电站中燃气轮机功率约占电站功率的60%～65%，在整体化空分的IGCC电站中燃气轮机功率约占55%～57%。在污染物控制方面，将空分氮气增压后，与洁净合成气掺混在一起，返回到燃气轮机系统中参与循环过程，可以降低燃烧室内火焰的温度，减少NOX的排放量。

在IGCC中，余热锅炉关系到系统整体优化和各主要子系统的匹配，因此余热锅炉流程和参数的合理选择、匹配，对IGCC的供电效率、投资费用及机组的运行性能都有重要影响。

3.4 常规岛模块

IGCC中，蒸汽轮机与燃机要达到最佳配合才能够适应快速启动、滑参数启动的要求；同时要提高蒸汽轮机的内效率和装置的循环热效率来实现常规岛模块的经济性，蒸汽轮机的过热蒸汽温度、再热蒸汽温度和汽轮机背压需要与余热锅炉及全厂汽水系统进行优化后确定。

3.5 IGCC自动化控制

IGCC机组及其附属系统采用DCS控制方式。IGCC的各子系统及其辅助工艺系统，采用就地集中加远程监控方式，在相应的辅助车间设就地控制点，运行人员在集中控制室内完成IGCC电厂各岛及辅助车间的集中监控。

3.6 模块技术集成优化

模块技术集成优化是气化岛、燃机岛、与IGCC相适应的常规岛、控制系统之间的集成与优化以及主要设备的技术集成与优化。

3.7 电站设计与运行

针对IGCC示范电站的特点，在设计中根据IGCC示范电站运行要求，对所需方案进行优化选择，对各主要工艺系统的参数进行优化，进行气化岛、燃机岛、与IGCC相适应的常规岛的选型以及连接各岛的系统集成设计。拟定主要的辅助工艺系统，对主要辅机进行选型。研究和编制针对IGCC示范电站的运行规程，结合新技术及新工艺的特点，编制相应的设计标准及运行规范。

4 示范项目进展

杭州半山IGCC工程目前已完成可行性研究报告和环评报告、接入系统方案、水土保持方案等的初评审工作，等待国家正式核准批复。

示范工程中各部分已完成的研发工作有：

（1）系统优化集成研究：设计院及各课题组成员单位对燃机和系统的主要参数进行优化，并对IGCC系统进行变工况计算，最终确定主系统；气化岛、燃机岛以及与IGCC相适应的常规岛模块技术的研究，正在完成3个岛以及整个IGCC系统的设计技术；完成废锅的选型工作。

（2）气化炉研发：气化炉出口与辐射废锅接口问题的研究以及辐射废锅排渣问题的模拟；辐射废锅排渣系统数值模拟及渣池水蒸发量计算；采用不同的辐射换热模型，结合多相流（VOF）模型模拟计算了接口内的传热流动情况；以几何平均温度为计算温度，计算辐射传热系数、烟气黑度和对流换热系数；通过辐射换热和对流传热耦合的方法计算了辐射废锅所需换热面积。

（3）燃机研发：基于E级合成气燃气轮机的燃机岛系统方案；燃机岛变工况性能与边界参数预测；燃机和部分设备定型；压气机抽气供空分对燃机性能的影响分析与计算；加水蒸汽的合成气对抑制NOX排放的分析。

（4）常规岛研发：目前，根据总体系统的热平衡数据，已经完成常规岛中的余热锅炉、汽轮机、特殊换热器的性能计算复核和初步结构设计，正待进行详细的系统设计。

（5）自动控制和运行：已完成IGCC自动化控制技术和电站设计技术的研究，完成控制系统的总体构架及系统优化集成的大部分工作。

5 结语

IGCC是具有竞争力和发展前景的洁净煤发电技术，IGCC发电技术将高效、清洁、废物利用、多联产和节水等特点有机结合起来，更符合未来发电技术的发展方向。许多国家都在研究合适的激励政策以推动IGCC技术的发展，以不断降低工程造价，推动IGCC技术的规模化和商业化。在发展技术的同时，必须重视逐步建立和完善IGCC相关国家技术标准。

杭州半山IGCC示范项目的建设和关键技术的研究，将为我国IGCC电站建设、运行管理和重大关键装备的制造积累经验。

[1] 焦树建.关于目前世界上IGCC发展情况与趋势的评论[J].燃气轮机技术,2004,17（3）∶1-5.

[2] 焦树建.IGCC的某些关键技术的发展与展望 [J].动力工程，2006，26（2）∶153-165.

[3] 焦树建.对目前世界上五座IGCC电站技术的评估[J].燃气轮机技术，1999，12（2）∶1-15.

[4] 焦树建.IGCC某些工作系统的设计经验[J].燃气轮机技术，2007，20（1）∶1-8.