整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）

2006/9/30 9:10:19

    整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle）發(fā)電系統(tǒng)，是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)。它由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第一部分的主要設(shè)備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設(shè)備（包括硫的回收裝置），第二部分的主要設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。IGCC的工藝過(guò)程如下：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過(guò)凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料，然后送入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒，加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙阶鞴Γ細(xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)作功。
    IGCC技術(shù)把高效的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與潔凈的煤氣化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，既有高發(fā)電效率，又有極好的環(huán)保性能，是一種有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。在目前技術(shù)水平下，IGCC發(fā)電的凈效率可達(dá)43%～45％，今后可望達(dá)到更高。而污染物的排放量?jī)H為常規(guī)燃煤電站的1/10，脫硫效率可達(dá)99%，二氧化硫排放在25mg／Nm3左右。（目前國(guó)家二氧化硫?yàn)?200mg／Nm3），氮氧化物排放只有常規(guī)電站的15%--20%，耗水只有常規(guī)電站的1/2-1/3，利于環(huán)境保護(hù)。

    整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的分類及作用

    可以看出IGCC整個(gè)系統(tǒng)大致可分為：煤的制備、煤的氣化、熱量的回收、煤氣的凈化和燃?xì)廨啓C(jī)及蒸汽輪機(jī)發(fā)電幾個(gè)部分�？赡懿捎玫拿旱臍饣癄t有噴流床（entrained flow bed）、固定床（fixed bed）和流化床（fluidized bed）三種方案。在整個(gè)IGCC的設(shè)備和系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和余熱鍋爐的設(shè)備和系統(tǒng)均是已經(jīng)商業(yè)化多年且十分成熟的產(chǎn)品，因此IGCC發(fā)電系統(tǒng)能夠最終商業(yè)化的關(guān)鍵是煤的氣化爐及煤氣的凈化系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)IGCC氣化爐及煤氣的凈化系統(tǒng)的要求是：

a) 氣化爐的產(chǎn)氣率、煤氣的熱值和壓力及溫度等參數(shù)能滿足設(shè)計(jì)的要求

b) 氣化爐有良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能，能滿足發(fā)電廠對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)的要求

c) 煤氣的成分、凈化程度等要能滿足燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)的要求

d) 具有良好的煤種適應(yīng)性

e) 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備可靠，易于操作，維修方便，具有電廠長(zhǎng)期、安全可靠運(yùn)行所要求的可用率

f) 設(shè)備和系統(tǒng)的投資、運(yùn)行成本低

    1）噴流床氣化爐

    噴流床是目前IGCC各示范工程中采用最多的一種氣化爐。它是一種高溫、高壓煤粉氣化爐，氣化爐的壓力為20-60bar，要求采用90%以上的顆粒小于100μm的煤粉，采用氧、富氧、空氣或水蒸氣作為氣化劑，當(dāng)以氧為氣化劑時(shí)，氣化爐爐膛中心的火焰溫度可達(dá)2000℃。由于是高溫氣化，在產(chǎn)生的粗煤氣中不可能含有很多碳?xì)浠衔�、煤焦油和酚類物質(zhì)，煤氣的主要成分是CO、H2、CO2和水蒸氣，離開氣化爐的熱煤氣溫度在1200-1400℃，往往高于灰的軟化溫度。為了防止熱煤氣中已軟化了的粘性飛灰在氣化爐下游設(shè)備（余熱鍋爐）粘結(jié)堵塞，將除塵后的冷煤氣增壓后再返送回煤氣爐的出口和熱煤氣混合，將熱煤氣的溫度降低到比灰的軟化溫度低50℃，然后，熱煤氣再經(jīng)過(guò)氣化爐的余熱鍋爐（輻射和對(duì)流蒸汽發(fā)生順）產(chǎn)生飽和蒸汽，同時(shí)使熱煤氣的溫度降低到200℃左右，約50%的煤中灰分在氣化爐高溫爐膛中心變成液態(tài)渣，由爐底排出并通過(guò)集渣器送入渣池。

    煤粉灰中的以飛灰的形式隨熱煤氣，幫煤氣須經(jīng)除塵、洗滌脫硫處理，成為清潔的煤氣，再送往燃燒室。

    噴流床氣化爐由于是煤粉高溫高壓氣化，因此煤種適應(yīng)性廣，碳轉(zhuǎn)化率高，能達(dá)到99%以上。

    當(dāng)前在歐美各地IGCC示范廠所選用的噴流床氣化爐有：美國(guó)德士古和CE爐，荷蘭的Shell爐，德國(guó)的Prenflo爐。給煤方式有濕法水煤漿給煤（如德士古爐）和干法給煤（如　shell和Prenflo爐）。

    由于噴流床氣化爐的單爐生產(chǎn)能力大，并且具有較高的效率，燃料適應(yīng)性廣，因而在今后發(fā)展大容量高效率的IGCC電站中具有強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)地位。

    2）流化床氣化爐

    流化床氣化爐可以充分利用床內(nèi)氣固兩相間的高強(qiáng)度的傳熱和傳質(zhì)，使整個(gè)床層內(nèi)溫度分布均勻，混合條件好，有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，可以利用流化床低溫燃燒，在燃燒和氣化過(guò)程中加入脫硫劑（石灰石或白云石），將產(chǎn)生的大部分SO2和H2S脫除。由于流化床氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度一般控制在850－1000℃，因此，它產(chǎn)生的焦油、烴、酚、苯和萘等大分子有機(jī)物基本上都能被裂解為簡(jiǎn)單的雙原子或三原子氣體，煤氣的主要成本是CO和H2，CH4的含量一般少于2%。

　　當(dāng)前，用于IGCC系統(tǒng)的流化床氣化爐有KRW爐，U－Gas爐和溫克勒爐等。

    3）固定床氣化爐

    固定床氣化爐是最早開發(fā)出的氣化爐，它和燃煤的層燃爐類似，爐子下部為爐排，用以支承上面的煤層。通常，煤從氣化爐的頂部加入，而氣化劑（氧或空氣和水蒸氣）則從爐子的下部供入，因而氣固間是逆向流動(dòng)的。這種氣化爐和燃煤的層燃爐一樣，對(duì)煤的粒徑有一定的要求。

    固定床氣化爐有兩種煤氣出口集團(tuán)的設(shè)計(jì)。粗煤氣唯一出口位置設(shè)計(jì)在干燥區(qū)上面煤層的頂部，稱為單段氣化爐，此時(shí)出口處煤氣的溫度為370－590℃，在這煤氣溫度下，氣的油和煤焦油等會(huì)發(fā)生裂解和聚合反應(yīng)，從而生成彼一時(shí)質(zhì)焦油和瀝青。同時(shí)高溫煤氣穿過(guò)煤層時(shí)產(chǎn)生的劇烈干餾會(huì)使煤發(fā)生爆裂，產(chǎn)生大量煤塵，并隨粗煤氣一起帶出氣化爐。因而這種單段氣化爐的粗煤氣質(zhì)量是比較差的。另一種設(shè)計(jì)是，有兩個(gè)煤氣出口，除了在干燥區(qū)上部的出口外，另一個(gè)則在氣化區(qū)的頂部，煤氣產(chǎn)量的一半從這個(gè)出口離開氣化爐。由于流經(jīng)揮發(fā)分析出區(qū)和干燥區(qū)的煤氣量只有單段爐的，有利于防止由于煤的爆裂而產(chǎn)生的大量煤塵，而且不會(huì)產(chǎn)生彼一時(shí)質(zhì)焦油和瀝青。因此，兩段爐產(chǎn)生的粗煤氣的質(zhì)量是比較好的。

    用于IGCC系統(tǒng)的固定床氣化爐主要是魯奇爐，世界上最早的德國(guó)IGCC示范廠采用的就是魯奇固定床單段固態(tài)排渣氣化爐。這種氣化爐的最大缺點(diǎn)是，使用焦結(jié)性煤時(shí)，容易造成床體阻塞，使氣流不暢，煤氣質(zhì)量不穩(wěn)定。此外，由于煤在氣化爐內(nèi)緩慢下移至變成灰渣需停留0.5-1個(gè)小時(shí)，因而單爐的氣化容量無(wú)法設(shè)計(jì)得很大。而且，排出的煤氣中還含有大量的瀝青、煤焦油和酚等，使煤氣的凈化處理過(guò)程十分復(fù)雜。為改善上述問(wèn)題，強(qiáng)化煤的氣化過(guò)程，英國(guó)煤氣公司在固態(tài)排渣魯奇爐的基礎(chǔ)上，將其發(fā)展成液態(tài)排渣魯奇爐。液態(tài)排渣氣化爐由于其燃燒區(qū)的溫度較高，因而有利于提高煤的氧化速率和碳的轉(zhuǎn)化率，縮短煤在爐內(nèi)的停留時(shí)間，對(duì)煤粒直徑的要墳比固態(tài)排渣爐寬。但顆粒尺寸小于6mm的要限制在10%以下。液態(tài)排渣氣化爐有以下特點(diǎn)：1）碳轉(zhuǎn)化率是三種氣化爐中最高的，排渣的物理熱損失大。2）相對(duì)安全可靠；3）煤氣生產(chǎn)能力有限，是三種爐型中能力最低的。

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