并联型IGCC甲醇多联产系统集成与性能指标研究

朱志劼，顾华年，范雪飞，陈 健，刘传亮

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

中国未来能源系统的发展方向应是实现资源多元化、产品多样化、污染极小化和效益极大化［1］.以合成气为核心的多联产系统是代表这一方向的跨越式技术路线，是综合解决能源与环境问题的重要途径和关键技术，特别是整体煤气化联合循环（IGCC）多联产在电力和化工行业的应用符合我国能源发展和温室气体减排的战略要求.

根据2007年统计数据，北美地区计划在建IGCC项目55个，北美以外地区26个［2-5］.但2010年2月的数据表明，全球范围内拟建的IGCC 项目数量相比2007年下降，这是由于IGCC 电站建设具有不确定性，CO2捕捉法规、运输和封存的法律责任、CO2排放税收等使IGCC 电站规划者处于困境［6］.但对IGCC的推广并未停滞，如美国装机容量618 MW 的Edwardsport IGCC 电站将于今年投入商业运行，美国Summit电力集团的TCEP IGCC多联产项目装机容量为400 MW，目前进展顺利，预计将在2015年投入商业运行［7-8］.

IGCC的成本是困扰IGCC 技术推广及示范电站建设的首要问题，国内外IGCC 的建设成本居高不下.通过多联产系统将IGCC 发电与化工耦合来实现能量流、物质流总体优化，并通过规模效应及化工产品的生产降低单位投资成本，使各产品的工艺流程和设备得到简化，投资和运行成本得以降低，将大大改善IGCC 的经济性，增强市场竞争力，推动IGCC这一先进技术的发展［9-10］.

1 IGCC甲醇-电力多联产系统的流程

甲醇的生产大部分依赖于天然气，但由于我国天然气价格和储量因素使得煤炭成为我国进行甲醇大规模生产的首选原料.为了满足甲醇合成反应对n（H2）／n（CO）为2～2.4的要求，合成气需要经过CO 转化过程，调整n（H2）／n（CO），经调整后的合成煤气通过净化过程将其中硫化物除去，并降低CO2含量.图1和图2分别给出了2种并联型IGCC甲醇-电力多联产系统的示意图.

图1 并联型IGCC甲醇-电力多联产系统示意图Fig.1 Schematic diagram of parallel type IGCC methanol-power poly-generation system

1.1 并联型IGCC甲醇-电力多联产系统

图2 串并联型IGCC甲醇-电力多联产系统示意图Fig.2 Schematic diagram of series-parallel type IGCC methanolpower poly-generation system

图1为并联型IGCC 甲醇-电力多联产系统示意图.由图1可知，煤气化得到的合成气被分成2股，一部分经过净化脱除绝大部分硫化物及灰尘、提取氢气后，直接作为燃料进入联合循环系统发电，其余作为甲醇合成的新鲜原料气，经过水煤气变换得到甲醇合成所需要的富H2新鲜气，净化后进入甲醇合成及精馏系统，在水煤气变换及甲醇合成等过程中产生的富裕中压蒸汽则汇入蒸汽系统.

1.2 串并联型IGCC甲醇-电力多联产系统

图2为串并联型IGCC 甲醇-电力多联产系统示意图.由图2可知，用于发电的洁净合成气经过膜分离后，一部分作为燃料气进入联合循环系统发电，另一部分作为富H2气体与甲醇合成段前的变换后气体合流，进入甲醇合成及精馏系统进行甲醇产品的生产.在水煤气变换及甲醇合成等过程中产生的富裕中压蒸汽汇入蒸汽系统.如果将甲醇合成及精馏系统产生的驰放气、闪蒸汽和不凝气进一步有效利用，送入燃气轮机燃烧室中参与燃烧及做功，此系统即为含尾气利用的串并联系统.

2 系统方案与计算评价指标

2.1 系统方案

对不同配置的IGCC甲醇多联产系统方案进行了计算及分析.各方案的配置情况见表1.

各方案均在相应的纯发电IGCC 系统的基础上集成甲醇生产模块，甲醇合成采用低压法，压力为5.3 MPa，温度为255 ℃.甲醇生产能力均为6×105t／a，满负荷发电.表2为纯发电IGCC 系统的配置情况，以系统动力岛燃气轮机等级命名，B、E、F 分别代表纯发电IGCC方案，B-1和B-2方案基于B方案，E-1、E-2和E-3基于E 方案，F-1和F-2基于F方案；气化炉采用水煤浆湿法气化，气化的压力为3.8 MPa，温度为1 370 ℃；燃气轮机均采用GE 公司50Hz主流机型.煤种采用山西神府煤，煤质分析结果见表3和表4，低位发热量为26 280kJ／kg.该煤在Texaco气化炉中气化后的粗煤气成分如表5所示.

表1 IGCC甲醇多联产系统方案Tab.1 Configurations of different IGCC-methanol poly-generation systems

表2 纯发电IGCC系统配置Tab.2 Configurations of the IGCC system for purely power generation

表3 神府煤的工业分析（空气干燥基）Tab.3 Proximate analysis of Shenfu coal（air-dried basis） %

表4 神府煤的元素分析（干燥基）Tab.4 Ultimate analysis of Shenfu coal（dry basis） %

表5 神府煤气化后粗煤气成分Tab.5 Compositions of raw gas after gasification of Shenfu coal %

2.2 系统方案计算评价指标

净效率是IGCC 纯发电系统的评价指标之一，是系统总出力扣除空气分离、电厂辅机耗功之后计算得到的供电效率，而对于煤气化多联产及IGCC系统而言，除了考虑IGCC本身的性能外，还要考虑化工部分的生产情况，评价煤气化多联产及IGCC系统的技术指标主要有碳利用率、甲醇-电力多联产系统供电效率及系统能源利用效率等.

（1）碳利用率（Xc）

（2）系统能源利用效率（ηsys）

（3）IGCC甲醇-电力多联产系统IGCC 净效率（ηIGCC）

（4）IGCC甲醇-电力多联产系统供电效率（ηe）

“系统能源利用效率”这一指标从多联产系统的总体输入输出角度考虑建立了多联产总体性能指标.此外，IGCC发电系统可以合理利用化工合成尾气和余热.在多联产系统中，甲醇生产线的驰放气以及其他余热回收蒸汽可以与IGCC 发电侧有机结合，提高发电循环效率，从而提高了这部分热能的利用率.而“甲醇-电力多联产系统IGCC 净效率”和“甲醇-电力多联产系统供电效率”则反映了集成甲醇生产部分的余热供气及尾气后，这部分热量的有效利用情况和发电系统性能的变化情况，是衡量IGCC子系统性能的综合指标.

3 计算结果及分析

3.1 系统计算结果

以Aspen Plus及Gtpro为软件平台，对上述方案进行模拟和计算，计算结果见表6.其中化电比λ为甲醇产品能量与发电量之比，反映了化工生产占多联产系统的比重.

表6 甲醇-电力多联产系统性能指标参数Tab.6 Performance indexes of different methanol-power poly-generation systems

3.2 计算结果分析

3.2.1 发电容量

表7比较了IGCC 纯发电系统及并联型甲醇-电力多联产系统的净出力.由表7可知，在集成甲醇化工流程之后，各等级系统的净出力增加，与纯发电系统相比，B、E、F级并联型甲醇-电力多联产系统的净出力分别提高37.7%、18.8%和11.8%.这是因为甲醇生产与IGCC结合后，在甲醇合成、气体变换过程中产生的富余蒸汽进入到IGCC 侧的蒸汽循环子系统，提高了该部分的蒸汽品质，增大了蒸汽流量，因此，IGCC系统总出力将增加.甲醇-电力多联产系统的化工生产用电由IGCC 发电提供，厂总用电量必然比单独生产甲醇和IGCC发电的功耗之和低，主要原因是化工系统和IGCC 发电系统集成之后，气化炉和空气分离部分为公用，规模效应突显.

表7 并联型甲醇-电力多联产系统净出力与IGCC纯发电系统净出力的比较Tab.7 Comparison of net output between parallel type methanol-power poly-generation system and IGCC pure power system

3.2.2 IGCC 甲醇-电力多联产系统 的IGCC 净效率ηIGCC

图3～图5分别为B级、E 级、F级IGCC甲醇-电力多联产系统的IGCC 净效率示意图，图中直观地显示了集成甲醇生产模块后IGCC 净效率的变化.

图3 B级甲醇-电力多联产系统IGCC净效率Fig.3 Net efficiency of B-class methanol-power poly-generation system

在未进行甲醇多联产时，Texaco水煤浆气化激冷流程组成的IGCC 发电系统净效率都不高，采用F级燃气轮机的系统净效率也只达到38.73%，但加入化工流程后，两部分存在物质与能量的交换，尤其是动力岛吸收了化工流程部分的富余蒸汽，使得IGCC净效率显著提高.

图4 E级甲醇-电力多联产系统IGCC净效率Fig.4 Net efficiency of E-class methanol-power poly-generation system

图5 F级甲醇-电力多联产系统IGCC净效率Fig.5 Net efficiency of F-class methanol-power poly-generation system

3.2.3 IGCC甲醇-电力多联产系统供电效率ηe

图6给出了B级、E级、F级的IGCC甲醇-电力多联产系统供电效率的变化规律.IGCC 系统与化工生产系统流程集成后，需向化工单元提供生产所需电力，系统供电效率即为扣除了化工用电后的系统净效率.由图6可以看出，B 级IGCC 系统增加化工流程后，多联产系统供电效率降至30%以下；E级IGCC系统增加化工流程后，多联产系统供电效率仍然维持在35%左右；F 级IGCC 系统增加化工流程后，多联产系统供电效率比纯IGCC 供电效率高，其效率约为40%.这是因为在甲醇生产能力一定的前提下，燃气轮机等级越高，系统发电量越大，化工部分的厂耗电率也就越低.

图6 IGCC甲醇-电力多联产系统供电效率与IGCC纯发电供电效率的比较Fig.6 Comparison of net efficiency between IGCC methanol-power poly-generation system and IGCC pure power generation system

3.2.4 IGCC甲醇-电力多联产系统能源利用效率ηsys

图7给出了6×105t／a IGCC甲醇-电力多联产系统的能源利用效率.由图7可知，化工生产单元的加入使得多联产系统能源的利用效率大大提高，达到52%以上，其中F级并联型系统的能源利用效率最高，达到55.9%.

图7 6×105 t／a IGCC甲醇-电力多联产系统的能源利用效率Fig.7 Energy utilization efficiency of a 6×105 t／a IGCC methanolpower poly-generation system

3.2.5 不同配置的IGCC 甲醇-电力多联产系统碳利用率的比较

系统发电容量越大，碳利用率越低，因为碳利用率反映了煤炭转化为甲醇产品的比重.在相同甲醇生产规模下，与并联型系统相比，串并联型系统的碳利用率较高，B级、E级和F级的串并联多联产系统的Xc均比并联型系统高2%，这是由于串并联系统的甲醇合成气部分来自IGCC 净化系统，减少了气化炉出口去甲醇合成段的粗煤气流股，因此节约了气化用煤量，提高了煤炭转化比率.

3.2.6 不同配置的IGCC 甲醇-电力多联产系统总煤耗的比较

串并联系统的总煤耗优于并联系统的总煤耗，且燃气轮机系统越先进，多联产及IGCC 系统的节煤效应越明显.图8给出了不同形式的IGCC 甲醇-电力多联产系统的总煤耗.由图8可知，B级串并联系统煤耗比并联系统节约218t／d；E 级串并联系统煤耗比并联系统节约530t／d，而带尾气利用的E级串并联系统煤耗比并联系统节约628t／d；F 级串并联系统煤耗比并联系统节约994t／d.

图8 不同形式IGCC甲醇-电力多联产系统的总煤耗Fig.8 Total coal consumption of different IGCC methanolpower poly-generation systems

4 结 论

（1）IGCC甲醇-电力多联产系统通过集成化工生产模块，增加了中高品质蒸汽，提高了IGCC 发电系统的净发电量.

（2）燃气轮机联合循环的配置对IGCC甲醇-电力多联产系统的性能指标起着主导作用，燃气轮机的配置越高，系统的净发电量越大，系统的效率指标也越优异.

（3）不同形式的IGCC 甲醇-电力多联产系统中，并联型甲醇-电力多联产系统具有较高的能源利用效率和供电效率，其中F 级的系统能源利用效率达到56%，供电效率达到40%，有利于降低系统的单位造价，实现规模经济效应，符合大规模生产化工产品和电力的发展方向.

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