煤气化Allam循环发电系统的技术分析

席会杰

（江苏金通灵流体机械科技股份有限公司，江苏 南通 226000）

我国是一个煤炭资源非常丰富的国家，随着近年来科技的飞速发展，在一定程度上促进了我国煤气化技术的进步，就是煤炭转化为清洁高效的合成气，即CO+H2，煤气化技术除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，降低在燃烧排放过程中对大气环境的污染程度，提高了煤炭的利用率。Allam循环发电系统是美国8Rivers公司发明的直燃加热超临界CO2循环发电专利技术，与传统的燃气轮机发电不同，是一种开式、回热、富氧燃烧的超临界二氧化碳布雷顿动力循环，燃料和纯氧在30 MPa高压燃烧室燃烧后进入透平做功，透平排气经回热器冷却后，分离出多余的液态水和CO2，剩余CO2直接进燃烧室被加热后做功。

1 煤气化Allam循环系统

煤气化Allam循环是基于天然气Allam循环发展起来的，将煤气化技术和Allam循环相结合的先进动力系统。

煤气化Allam循环工艺流程为煤经气化成为中低热值煤气，经过净化、水洗，除去煤气中颗粒物、汞等重金属杂质，然后经合成气压缩机压缩，送入燃烧器与空分设备输出的纯氧燃烧，加热气体工质以驱动透平做功，透平排气经主换热器后进行水分离和脱硫脱硝，CO2经压缩、泵送进行再循环，还有一部分CO2可进行存储销售。

8 Rivers公司正在研发煤气化循环及示范电厂建设，循环系统主要由压缩机、预冷器、泵、回热器、空分装置、煤气化系统、燃烧器、透平、发电机、冷却器、水分离器等组成，如图1所示。

煤气化Allam循环系统的煤气化系统和燃烧器需要重新设计，煤气化Allam循环可沿用天然气Allam循环的技术，正在研发煤气化循环及示范电厂建设。

2 煤气化Allam循环的主要设备

为了深入分析煤气化Allam循环系统，查阅相关IGCC和sCO2循环文献资料，笔者先后至上海理工大学、华能天津IGCC电厂进行了煤化工设备相关的技术调研工作，对煤气化Allam循环系统的主要设备开展技术分析。

图1 煤气化Allam循环系统图

煤气化Allam循环系统可以分为化工岛系统和动力岛系统两大部分。化工岛包括煤气化系统、空分系统和净化系统等，动力岛系统包括低温换热器、燃烧器、透平、电气系统等。煤气化系统为使循环系统的煤气化系统与IGCC电厂的气化系统类似，对于气化炉没有特定要求，针对气化炉的选择方面，冷煤气效率越高越好。水煤浆：由于产生的合成气压力较高，可减少燃烧前的压缩耗功，以弥补由于含水量增加而降低的气化效率。效率较高的气化炉采用水煤浆气流床或干煤粉气流床气化技术，由于水煤浆气化炉产生的合成气压力较高，可减少燃烧前的压缩耗功，以弥补由于含水量增加而降低的气化效率，干粉气化炉以CO2作为输送气体，可提高冷煤气效率。

由于在煤气化过程和燃烧器内燃烧过程均需要纯氧，与IGCC相比，煤气化Allam循环需要的空分设备尺寸更大。空分系统的整体工艺流程较长（空分—气化—净化—燃烧），启动较慢，在启动时需进行气密性检查，空分装置常温状态启动需要2 d、冷态启动0.5 d，气化炉热态启动0.5 d、冷态启动2 d。在正常的调峰要求下，其延迟10 min左右。系统负荷调节能力主要取决于空分装置变负荷速度，当机组负荷在75%～100%之间调整，空分装置在手动调整的情况下，变化率可以达0.25～0.5%/min。

煤气化后的合成气由气化炉输出后，采用旋风分离器和干法及水洗涤塔除尘。需进行水洗和净化，去除其中的杂质和汞等重金属，煤气化Allam循环计划采用燃烧后脱硫脱硝的方式（称为DeSNOX工艺），使煤气化过程中产生的硫化合物（硫氧化碳COS、硫化氢H2S等）保持在合成气中，以保持燃料的热值，从而提高总体效率。

相比于天然气Allam循环，燃料由天然气改为合成气，天然气与合成气（中热值煤气）之间的热值差异导致燃料体积流量大幅增加，需结合气化炉冷煤气效率对燃烧器进行重新改型设计。

煤气化Allam循环透平入口工质组分几乎与天然气Allam循环类似，透平系统可依据天然气Allam循环透平系统进行优化设计。

3 煤气化allam循环的技术特性

根据8Rivers公司相关资料文献介绍，煤气化Allam循环的尺寸相比于常规煤气化IGCC循环燃气轮机的燃烧室和透平小很多，燃烧器为单筒形式，直接与透平相连，透平为轴流透平。无下列主要设备：蒸汽轮机、余热锅炉、蒸汽管道/设备、水煤气变换反应器、COS水解、酸性气体去除/硫回收装置、NOX控制单元/SCR单元、合成气冷却器、溶剂/催化剂。

合成气压缩机将合成气压缩至30 MPa以上，CO2主要由透平驱动的压缩机以及独立运行的泵进行压缩。合成气、氧气进入燃烧器时与CO2循环流混合时温度较高，已高于燃料的自燃温度，在30 MPa压力下，火焰较短，燃烧更加稳定；由于以纯氧作为助燃剂，减少了NOx的生成。

根据调研可知，IGCC电厂气化炉及燃机运行情况稳定，可做到全年化工岛无非停，受限于空分装置的调峰能力，IGCC适合于带基本负荷发电，不适于调峰运行；Allam循环与IGCC类似，调峰仍存在问题，主要是空分装置的变负荷调节速度比较慢，且工艺流程过长，导致调节延迟比较严重，适合带基本负荷运行，不适合两班制运行。备用一套50%容量的独立空分系统，可以适当提高变负荷速率，提高机组调峰能力。

DeSNOX工艺能够实现高水平的SOX、NOX去除效果，SOx去除比例达到99%以上，NOX去除比例达到95%.在整个循环中，腐蚀问题比较严重的地方是冷端腐蚀，目前，8Rivers公司针对相关材料了进行了30 bar/50℃和30 bar/90℃条件下的1 000 h的腐蚀试验，还将继续进行相关试验。通过采用先进的技术和工程设计工具进行设计，先进轴承和阻尼密封、干气密封、高温高强材料以及新的制造过程等先进部件技术的应用，能够弥补或减缓超临界CO2紧凑性透平机械的关键技术。

由于循环中CO2纯度高，利于捕集与存储，在化工等下游行业有需求时，碳捕集比例接近100%.

4 结束语

煤气化Allam循环系统是将煤气化技术和Allam循环相结合的新型先进动力系统，是一项重要的技术创新。化工岛部分的技术成熟度较高，气化炉在煤化工和IGCC电站已有较成熟的应用，煤化工装置的启动速率和变负荷速率较慢，应优化提高变负荷速率，以提高机组调峰能力。动力岛系统的Allam循环有发电效率高、成本低、占地面积小、零排放、100%二氧化碳捕集、发展潜力大等优势，但是燃烧器压力高、透平入口温度和压力高，技术成熟度较低。