文/白尊亮上海市节能减排中心，中外能源
1前言
整体煤气化联合循环(IGCC)是当今国际上最引人注目的高效清洁发电技术之一，具有发电效率高、环保性好、节约水资源、CO2捕集成本低等诸多优点。IGCC还可以实现煤基多联产，在发电的同时对外供应合成气等化工产品。各国纷纷将IGCC发电技术列为未来能源科技领域的战略发展方向，我国《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》、美国《全面能源战略》以及日本《面向2030年能源环境创新战略》等国家能源战略，均提出在未来发展IGCC发电技术。
世界第一座IGCC电站于1972年在德国北莱茵-威斯特法伦州建成，而公认的第一座实现长周期稳定运行的IGCC电站是美国的CoolWater电站，于1984年5月在美国加州建成。40多年来，通过在美国、欧洲、日本及中国若干电站的示范探索及商业运行，IGCC发电技术已经取得了重大发展。本文选取中国、美国及日本的3座IGCC电站进行对比研究，这些电站的装机容量均为250MW级，建设年代较为接近，且在各自国家具有一定的代表性。
2基本情况
华能天津IGCC电站为中国第一座自主设计和建造的IGCC电厂，是“国家洁净煤发电示范工程”和“863”计划重大课题依托项目。电厂坐落于天津港保税区，2009年9月开始建设，2012年11月投入商业运营，电站总体布置如图1所示。电站基本配置为：采用西安热工院2000t/d级干煤粉加压气化炉，煤气净化采用陶瓷干法除尘与N-甲基二乙醇胺(MDEA)法脱硫，动力岛配置额定出力265MW的西门子燃气-蒸汽联合循环机组。
美国TampaIGCC电站坐落于佛罗里达州Polk县东部，由Tampa电力公司于1996年建成投运，项目得到美国能源部第3轮洁净煤技术发展计划的部分资金支持，2001年机组开始投入商业运行，电站总体布置如图2所示。电站基本配置为：采用德士古2000t/d水煤浆气化炉，煤气净化系统使用文丘里洗涤器湿法除尘与MDEA法脱硫，发电机组由GE提供，包括一台功率为192MW的燃气轮机和一台121MW的汽轮发电机组。
日本勿来IGCC电站位于福岛县磐城市Joban燃煤电厂内，由9家日本公司和日本电源开发公司(EPDC)组建的“洁净煤电力研究开发公司(CCP)”建设，主要目的为示范空气气化IGCC装置，电站总体布置如图3所示。电站装机容量为250MW，于2005年开始建设，2007年9月建成投入运营，开展为期约5年半的示范运行。3座IGCC电站的基本情况对比见表1。
3技术路线对比3.1煤气化技术路线对比
IGCC的煤气化技术根据气化炉内料流形式可分为固定床(如Lurgi、BGL型等)、流化床(如HTW、U-Gas、KRW型等)和喷流床(如Texaco、Shell、西安热工院两段式、华东理工多喷嘴式、E-gas、MHI空气型)三大类。其中喷流床具有碳转化率高、所产合成气无焦油和酚类、装置规模大等优势，目前世界上已进入商业运行的200MW以上的大型IGCC电站全都采用喷流床气化工艺。
3.1.1不同炉型的结构特点
华能天津IGCC气化炉为投煤量2000t/d的两段式干煤粉加压气化炉，该气化炉采用水冷壁式炉膛、液态排渣。与常见的Shell和Texaco气化炉不同的是，两段式干煤粉气化炉炉膛分为两段，在一段煤烧嘴的上方增加了2个二段煤烧嘴，炉膛下段内喷入粉煤、水蒸气和氧气，炉膛上段喷入少量粉煤和水蒸气。利用下炉膛的煤气显热进行上炉膛煤的热解和气化反应，可以提高总的冷煤气效率并显著降低热煤气温度，使得炉膛出口的煤气降温至灰熔点以下，从而省去冷煤气激冷流程。
日本勿来IGCC采用三菱空气气化炉，该气化炉采用膜式水冷壁，无耐火内衬，炉体结构采用向上流动的两段布置方式，炉体下部是燃烧室，上部是还原室。在燃烧室中，燃料与富氧空气一起进行氧化反应，炉渣以熔融状态在底部排出；在还原室中，燃料在还原气氛中发生还原反应及热解反应，因为还原室内是吸热反应，煤气通过还原室后温度降低。
3.1.2运行特征及参数
华能天津IGCC气化炉碳转化率≥98%，冷煤气效率≥83%，有效气体成分(CO+H2)达90%以上。比氧耗约为3∶10(氧气与煤气体积之比)，比煤耗约为0.52kg(单位体积煤气耗煤量)。可气化煤种的范围包括褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等，可气化煤种水分范围为4%～35%，可气化煤种灰分范围为5%～31%，可气化煤种灰熔点范围为1200～1500℃。气化炉运行气化温度范围为1300～1700℃，气化反应压力为0.5～4.0MPa。
美国TampaIGCC电站气化炉采用水煤浆进料方式，水煤浆的浓度为60%～70%，该炉型对煤质要求较高。气化炉碳转化率为95%左右，冷煤气效率为70%～76%，气化炉内反应区温度一般在1200～1500℃，压力为2.8～4.0MPa。该炉型耗氧量较高。此外，由于水煤浆泵和喷嘴易于磨损，平均2～3个月要更换1次喷嘴，造成气化炉连续运行时间较短，可用率仅为80%～85%。
日本勿来IGCC的空气气化炉可将残存于粗煤气中的焦炭和固化的灰分分离出来，并再循环回到第一段燃烧室中继续燃烧，因此气化炉的碳转化率高达99.8%。气化炉净煤气的产量为30.2万m3/h(标准状态)，净煤气的热值为4843～5029kJ/m3(标准状态)。工作压力2.6MPa，反应温度达到1800℃。
3.1.3小结
对比上述三个电站的气化系统，从炉体结构上看，华能天津和日本勿来气化炉内采用水冷壁，美国Tampa气化炉在炉膛内敷设使用寿命较短的耐热衬套。因此，前者无耐火砖衬里的结构特点使得炉体维护量少、可用率及整体使用寿命较高，此外水冷壁的设置还可以产生蒸汽外供。从运行特点来看，华能天津和日本勿来以干煤粉法供料，区别于美国Tampa的水煤浆供料，这样有利于提高气化温度和冷煤气效率，增大碳转化率并改善合成煤气的可燃成分。如华能天津IGCC的煤气化技术与水煤浆气化技术相比，冷煤气效率提高7%～10%，比氧耗降低20%～30%。此外，日本勿来空气气化炉采用空气鼓风系统，区别于另外两个电站的纯氧气化技术，空气气化可以减少全氧气化时所需的空分系统的容量、耗功和设备投资费用。
3.2燃气轮机对比
燃气轮机是IGCC动力岛的关键设备之一，其运行的经济性和可靠性对于整个IGCC电厂有着重要影响。目前，燃用天然气的常规重型燃气轮机经过几十年的长足发展，已经形成了若干系列，F级燃机现已大规模商业应用，H级先进燃气轮机及其联合循环也已开发成功并投入商业运行。重型燃机的主要生产厂家有美国的GE公司、德国的西门子公司和日本的三菱公司，这也是3家电厂所采用的燃机品牌。由于应用于IGCC电站燃机的燃料为低热值煤气，在维持燃机透平初温恒定不变的前提下，燃料的质量流率和容积流率会大幅增加，因此通常需要在常规燃机的基础上修改压气机或透平部分的设计，如改变压气机压比、改进透平燃烧器结构和调整燃烧工艺等。3家IGCC电站的燃气轮机参数对比见表2。
3.3其他系统对比3.3.1空分制氧系统
IGCC电站中使用的都是深冻法空分设备，这种设备工艺技术成熟，但能耗较高，空分耗电占整个厂用电比例在70%以上，特别是当煤气化炉以氧气为气化剂时，厂用电率大幅度增加。
华能天津IGCC采用开封空分集团的低压独立空分，为空气膨胀制冷、双泵内压缩循环的工艺流程。产氧量为4.6万m3/h，氧气纯度为99.6%，压力为3.7MPa。氮气压力主要有7.6MPa和0.8MPa两个等级。
美国TampaIGCC由独立设置的空分提供气体，每天可以产出2100t纯度为95%的氧气和6300t纯度为98%的氮气。日本勿来IGCC空分的规模只有同容量下纯氧气化炉空分设备容量的20%～25%，规模较小。空分产生3.54万m3/h的氮气作为惰性压缩气体用来传送煤粉，所得到的氧气掺混到空气中向气化炉供应富氧空气。
3.3.2煤气净化系统
华能天津IGCC由干法除尘、湿法洗涤组成煤气净化系统。干法除尘系统包括旋风分离器与陶瓷过滤器，除尘后的煤气送到水洗系统，水洗后的煤气送至脱硫系统，采用MDEA系统脱除H2S和部分CO2。硫回收系统采用Lo-Cat技术，硫以硫磺的形式回收。
美国TampaIGCC由湿法洗涤和MDEA系统组成煤气净化系统。煤气冷却后流入洗涤塔，通过洗涤塔中的水与煤气紧密接触除去颗粒和氯化氢。洗涤后的煤气中的HCN、COS经过水解催化分别转化为氨和H2S，进入MDEA系统后除去煤气中96%以上的硫，硫以硫酸的形式回收。
日本勿来IGCC采用常温湿法脱硫系统。经过除灰和初步冷却的粗煤气还需要进一步冷却到常温状态，煤气中的NH3和HCl通过水洗除去，随后经过COS变换器、MEDA系统和硫回收装置，COS用催化剂转化为H2S，MDEA系统除去煤气中99%以上的硫，去除的硫以石膏的形式回收后用作建筑材料。
4运营情况对比
华能天津IGCC于2012年4月17日气化装置首次投料点火成功，9月5日工艺流程全线贯通，11月6日72+24h整套试运行安全测试完成。机组正式投产后，机组运行趋于稳定，可靠性逐年增加，停机次数逐年减少，全年运行小时数和发电量均逐年上升。其中2013年由于受空分改造影响，全年运行小时数较低，2014～2016年年运行小时数均超过5000h，年发电量均超过10亿kW·h。停机次数方面，2013年停机超过20次，其中气化装置为3次；2014～2016年年停机次数降为10次，且气化装置为0停机。电站连续运行能力持续增强，其中2016年4月23日至8月17日，机组实现2200h连续运行。
2018年IGCC整套装置连续运行166天(3993h)，创造了IGCC机组连续运行的世界纪录，其中核心装置气化系统连续运行184天，达到国际先进水平。电厂2013～2016年运行情况如图4所示。
美国TampaIGCC电站自1996年10月运行以来，最初1年由于合成气除尘装置故障、气化炉密封件泄漏等问题，造成气化炉和联合循环机组的可用率非常低，均不到50%。在其头3年的商业运营中，气化炉已累计行15350h，年平均运行小时数超过5000h。联合循环在1997～1999年间的可用性为91%，机组累计发电42亿kW·h。电厂设备可用率情况如图5所示。
TampaIGCC关键设备连续运行情况为：燃气轮机最长不间断运行52.1天(1998年7月20日至1998年9月10日)，气化炉最长不间断运行50.6天(1998年7月21日至1999年9月10日)，气化炉衬套寿命达到451天(1997年4月24日至1999年5月21日)。电站同时试验了超过10种不同的煤种，包括匹兹堡、伊利诺伊以及肯塔基州不同煤矿的煤炭，甚至包括煤炭和石油焦的混合燃料。
日本勿来IGCC电站在示范运行期内共计运行18788h，累计发电37.04×108kW·h，示范期内曾连续运行2238h，具体运行情况如图6所示。
电站在2013年6月作为勿来电站的10号机组投入商运，并实现了连续3917h不间断运行，超过了当时荷兰BuggenumIGCC保持的3287h的纪录。电站建设之初针对空气气化IGCC示范设置了若干目标，包括可靠性、环保性、热效率、燃料灵活性、经济性和耐用性6大目标，通过5年半的示范运行，基本达到了预期目标。表3为日本勿来IGCC关键设计目标与实际运行情况的对比。
5结语
①3家IGCC电站均以技术示范为目的，其中华能天津IGCC是我国第一座IGCC电站，验证了具有独立知识产权的煤气化装置及整体IGCC技术；美国TampaIGCC旨在验证商业规模IGCC技术的可行性；日本勿来IGCC是其国内第一座煤基IGCC示范电站，主要验证干法供料、空气气化、喷流床两段气化炉型。
②3家IGCC电站的工艺系统具有各自的特点，尤其是核心的煤气化装置采用了不同的技术路线，煤气净化和动力发电工艺基本类似。从机组运行参数来看，由于采用较小的空分规模，日本勿来IGCC的厂用电率较低，与采用干煤粉气化的华能天津IGCC和采用水煤浆气化技术的美国TampaIGCC相比，机组供电效率可提高2个百分点以上。
③从3家示范电站的实际运行数据来看，IGCC的可靠性、持久性均可以得到一定保证，其中华能天津IGCC和日本勿来IGCC具有更高的可靠性，装置实现了安、稳、长、满、优的运行目标。从机组连续运行时间来看，华能天津IGCC已经打破了日本勿来IGCC的连续运行纪录(3917h)，创造了新的世界纪录。
④3家IGCC电站均为煤基IGCC、以发电为首要目标。展望未来，IGCC可以向多联产、多原料方向发展。一是优化组合IGCC的气化技术与发电技术，以气化为龙头可以拓展为供煤气、供原料气、生产甲醇等化工品，以动力为龙头可以拓展为供电、供热、供冷等。二是结合炼油、化工企业的生产特点，将难以处理的渣油、沥青和石油焦作为廉价燃料供气化炉使用，既能合理地处理这些物料，又能降低发电成本，从而实现可持续发展和循环经济。
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