整体煤气化联合循环IGCC技术发展综述

文 张勇 闫媛媛 陕西科技大学机电工程学院

化石能源是驱动社会经济发展的重要能源，其中煤炭处于中心地位。随着节能、环保和低碳等现代观念的深化，煤炭的清洁利用得到高度重视。目前缓解能源、环境与电力问题的主要途径是发展洁净发电技术和开发可再生能源。随着新技术、新工艺和新材料的开发，循环流化床发电(CFBC)、增压循环流化床发电(PFBC)、超超临界发电(USC)等技术趋于成熟。整体煤气化联合循环(IGCC)与整体煤气化燃料电池联合循环(IGFCCC)等洁净煤电技术成为各国研究热点。其中，始于西方国家的IGCC集成煤气化、煤气净化、燃气蒸汽联合循环等技术，实现了能梯级利用。

我国能源结构的显著特点是煤炭为主，易出现能源可持续发展亟待解决的环境污染和能源利用低效等问题。IGCC技术高效清洁、燃料适应性广、产业链延伸能力强等特点使其成为新一代煤炭开发可利用技术。

1 IGCC技术现状及发展

IGCC指将煤等含碳燃料在气化炉中气化成中低热值粗煤气，再通过除尘、脱硫等工艺净化供给燃气轮机发电，燃机排气在余热锅炉中加热给水生成过热蒸汽，带动蒸汽轮机发电，实现煤气化燃气蒸汽联合发电。

1.1 国外IGCC技术发展现状

1.1.1 美国

美国1984年在Cool water电站运行世界上第一座公认IGCC示范工程，1987年路易斯安那州运行160MW IGCC示范电厂，结束了IGCC的概念验证。此后，1996年运行Wabash River电厂，Destec公司设计并制造气化炉，燃机轮机为GE701；同年投运弗罗里达州Tampa项目，选用Texaco气化和GE-7FA型燃机；1998开始的内华达州Pinon Pine项目，采用KRW气化运行不稳定，运行失败；Duke Energy公司Edwardsport IGCC电站，总体工程完成情况已超过70%，但商业运营推迟到2013年。美国Future Gen项目计划建成世界首个零排放、氢电联产研究电站，因项目造价超过预算过多现被重新评估。美国Vision 21计划，以实现未来零排放和效率60%为目标，预计2015年完成商业化工厂设计。

1.1.2 欧洲

德国1972年在LÜnen投运世界上第一座IGCC示范工程，但运行失败；RWE Power Plant项目以褐煤为燃料，规模450MW，近零排放，计划2014年投入商业运行。荷兰NUON项目，采用Shell气化和SiemensV94.2燃机，1998年商业运行；Nuon Maggnum IGCC项目由于采购和建设难度大现分成两个阶段，采用Shell气化炉和GE-6F型燃机，计划2017年建成450MW级大型IGCC CCS示范电站。西班牙Elcogas公司1997年12月投运295MW煤基Puertollano IGCC电站，采用Prenflo系统和SiemensV94.3型燃机。意大利1999年启动ISAB Energy工程，配Texaco气化炉和V94.2K燃机；2000年投运Sarlux 550MW IGCC电站，配置Texaco气化炉和9E型联合循环机组。英国Stainforth HatField的860MW IGCC项目2003年8月被批准，首先建设430MW的IGCC电站；再增设变换反应器以清除CO2。欧盟2004年起执行总投资13亿欧元的HYPOGEN项目，以煤气化为基础，氢电联产和近零排放为目标，计划2015年完成建设并示范运行。

1.1.3 澳大利亚

澳大利亚2010年宣布将Zero Gen项目的发电规模从120MW扩大至500MW，预计2015年将投入运营。

1.1.4 日本

2003年6月在Negishi运行日本第一座商业性IGCC电站，采用Chevron Texaco公司喷流床气化炉，三菱重工改造的M701F单轴燃机，机组净功率348MW；2010年3月运行气化炉部分整体化的煤基IGCC示范电站，采用三菱的空气鼓风两段气化炉和低热值合成气燃机，电厂容量250MW。

1.2 我国IGCC的发展

我国1994年成立IGCC领导组，一直致力于IGCC系统方案及优化。西安热工研究院、清华大学、中科院工程热物理研究所、华北电力设计院等在IGCC 系统设计优化和开发关键技术方面研究突出。

国家“十一五”、863计划重大示范项目华能天津绿色电站和华电杭州半山IGCC电站，其中天津250MW 示范项目是中国首个自主创新的IGCC电站，采用华能2000t/d气化炉，E级燃机，2012年4月完成试车任务。大唐集团IGCC项目在天津大港、广东东莞、辽宁沈阳和深圳开始规划。国电集团山东烟台IGCC示范项目，由于全套引进国外设备造价太高且效益难以短期实现被取消；江苏海门和海南的IGCC项目目前处于可研阶段。中电廊坊IGCC项目处于编制可研阶段。此外，神华集团、山东兖州矿务局等集团也加入到IGCC项目行列。

1.3 IGCC发展小结

从美国IGCC的发展来看，电站发电功率逐步提高；气化剂纯度逐步下降；在低排放、节水和碳捕获封存等方面有所突破。美国已掌握IGCC核心技术，但他们仍继续研究电汽联产、环保与节能等技术。就欧洲来说，同时采用水煤浆进料和干粉进料的气化炉；在燃机方面改善了以往只燃用混合气的情况，也可单独燃烧天然气；气化和燃机技术的完善使燃料可选范围扩大到减压油渣、沥青等；发电能力越来越强，有自己的电站特色；同时还追求高环保、高效与高可靠性。

随着气化炉性能的提高，燃料的范围将进一步扩大；发电目的多联产化，在实现联产过程中适合选用多套气化炉系统和燃机的配置方案；多联产、低排放与提高发电能力是今后发展的重要方向。

2 关键技术研究进展

IGCC技术由两大部分组成：第一部分主要包括气化炉、空分装置、煤气净化设备；第二部分主要有燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机。目前，燃气蒸汽联合循环技术已经发展成熟，研究的重点便集中在第一部分。

2.1 气化炉

目前国内采用最多的是气流床气化炉，其煤气主要成分是CO、H2、CO2和水蒸气。美国Texaco、E-Gas、荷兰Shell和德国Prenflo是在IGCC电厂获得实践考验的气流床。Texaco是20世纪50年代开发成功的单喷嘴水煤浆进料、炉底液态排渣没有飞灰再循环系统的装置，由于结构与控制系统简单而应用广泛，但该炉存在冷煤气效率偏低、氧耗与煤耗偏高、烧嘴运行周期短、耐火砖成本高寿命短以及由于水煤浆射流受限而导致有效气化空间减少与拱顶部分容易结渣等问题。我国华东理工大学开发的多喷嘴对置式水煤浆气化炉，采用4个对称喷嘴以在气化炉内形成射流撞击来优化气化效果，但其可用率和可靠性还待实践验证。适应多种类型给料的E-Gas是Texaco气化炉的改进型，采用二段式反应炉使多余的水煤浆转化利用还不用额外加入氧化剂，20世纪70年代已进入工业化阶段。Shell气化炉采用干法供料、对置燃料喷嘴、氧吹、液态排渣工艺，此炉煤种适应性强(包括褐煤、烟煤、无烟煤以及石油焦炭等)、气化炉适应寿命长，综合性能比较适合IGCC系统，应用较多，但其造价较高结构也复杂。我国西安热工所的两段式干煤粉加压气化炉上炉膛布置两个对称的二次煤粉和水蒸气进口，下炉膛布置4～6只煤粉烧嘴，此设计冷煤气效率、热效率以及排渣性能都较好，已成功用于多个项目。Prenflo气化炉原理与Shell类同，但其性能比Shell差。

流化床气化炉煤层温度一般在815～1038℃，床内气固两相间高强度传质传热使整个床层温度均匀分布，低温燃烧和气化时加入脱硫剂(石灰石或白云石)，可脱除大部分SO2和H2S，煤气主要成分CO和H2，CH4的含量一般少于2%。流化床气化炉包括HTW、KRW、U-Gas和KB&R等类型。其中，美国开发的U-Gas和KRW气化炉未能较好解决排渣问题，在KRW气化炉的基础上改进成的KBR输运床气化炉有望在美国密西西比州冠军县项目中成功运用，HTW和KB&R气化炉也都尚待发展。U-Gas在技术上突破地采用了灰融聚技术，在炉底中心进入的氧气或空气形成局部高温区让灰渣中未反应的碳再次利用，煤灰形成灰球随气流排出。我国科学院山西煤炭化学研究所开发的灰熔聚流化床粉煤气化技术根据射流原理在床底设计了灰再团聚分离装置以提高碳利用率，现已取得成功试验。

最早开发的固定床气化炉，煤和气化剂分别从炉子顶部与下部加入。IGCC系统的固定床气化炉包括Lurgi和BGL两种类型，单炉容量较小的BGL从已弃单段固态排渣Lurgi发展而来，采用熔融排渣技术和生成气中焦油、苯和煤粉等回炉气化技术提高了气化强度，在德国项目中有所应有。

此外，清华大学非熔渣-熔渣氧气分级煤气化、日本三菱公司干法供料两段气化空气鼓风气流床气化炉(MHI)以及美国非混合型的燃料处理器也都很有发展潜力。总的来讲，为提高效率与减少成本，IGCC的发展仍需继续研究大容量、高性能气化炉。

2.2 粗煤气净化系统

常规燃煤电厂脱硫采用湿法脱硫装置(FGD)效率为95%，IGCC技术脱硫效率98%～99%。从工艺看，常规烟气脱硫对象为煤燃烧后生成的烟气，IGCC是进入燃机前的煤气。现主要有常温湿法净化系统和高温干法净化系统。前者技术成熟，后者正在开发。CO2捕获与封存(CCS)技术也是将进入燃机前煤气中的CO转化成CO2并脱除。目前，该技术还处于实验开发阶段。

表1 先进发电技术热效率及环境影响

3 技术经济分析

国外有专门的软件用来计算IGCC项目的经济可行性。通过对天然气联合循环发电(NGCC)、超临界煤粉燃烧(SCPC)、亚临界煤粉燃烧(PCS)、IGCC进行技术评估显示，IGCC投资和发电成本增加率最低，其热效率和环境影响见表1。

从表1得出，IGCC虽设备投资和电价较高，但效率较好，具有最佳的环保性能，也接近商业化。

据有关资料分析，引入内部废热流化床干燥技术的褐煤IGCC发电效率比采用传统干燥提高4.6个百分点，但烟煤IGCC电站发电成本比褐煤高24.4%。可见，采用高效的干燥技术与廉价煤种更有益。

4 技术展望

研究与实践表明，高效环保的IGCC已是核电和常规电站最强对手，是本世纪洁净煤电技术主力军。煤气化净化热损失大，初投资偏高限制了IGCC的商业化，依然可看出有以下的发展趋势。

4.1 趋于商业化

高速发展的IGCC技术，已进入300～400MW大容量机组商业示范阶段。国外的研究进展和发展趋势表明，IGCC正一步步商业化，将是未来火电系统的核心技术之一。

4.2 我国IGCC发展预测

IGCC结合我国主要动力资源和高效燃机技术，在效率和环保方面具有突出优势，适合我国能源特点，符合我国发展战略要求。可以预测IGCC将在我国发电行业中占有显著地位，将成为煤电主要技术之一。