【行业技术】IGCC（一）

一、简介

IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）即整体煤气化联合循环发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。

IGCC由两部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气──蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备（包括硫的回收装置）；第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。

IGCC的工艺过程如下：煤经气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气透平做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功。

IGCC技术把洁净的煤气化技术与高效的燃气──蒸汽联合循环发电系统结合起来，既有高发电效率，又有极好的环保性能，是一种有发展前景的洁净煤发电技术。在目前技术水平下，IGCC发电的净效率可达43%～45%，今后可望达到更高。而污染物的排放量仅为常规燃煤电站的1/10，脱硫效率可达99%，二氧化硫排放在25mg/Nm3左右，远低于排放标准1200 mg/Nm3，氮氧化物排放只有常规电站的15%～20%，耗水只有常规电站的1/2～1/3，对于环境保护具有重大意义。

二、分类

IGCC整个系统大致可分为：煤的制备、煤的气化、热量的回收、煤气的净化和燃气轮机及蒸汽轮机发电几个部分。可能采用的煤的气化炉有气流床（entrained flow bed）、固定床（fixed bed）和流化床（fluidized bed）三种方案。在整个IGCC的设备和系统中，燃气轮机、蒸汽轮机和余热锅炉的设备和系统均是已经商业化多年且十分成熟的产品，因此IGCC发电系统能够最终商业化的关键是煤的气化炉及煤气的净化系统。

具体来说，对IGCC气化炉及煤气的净化系统的要求是：

1.气化炉的产气率、煤气的热值和压力及温度等参数能满足设计的要求；

2.气化炉有良好的负荷调节性能，能满足发电厂对负荷调节的要求；

3.煤气的成分、净化程度等要能满足燃气轮机对负荷调节的要求；

4.具有良好的煤种适应性；

5.系统简单，设备可靠，易于操作，维修方便，具有电厂长期、安全可靠运行所要求的可用率；

6.设备和系统的投资、运行成本低。

三、主要工艺流程

IGCC(整体煤气化燃气－蒸汽联合循环发电)主要工艺流程是，煤在氮气的带动下进入气化炉，与空分系统送出的纯氧在气化炉内燃烧反应，生成合成气(有效成分主要为CO、H2)，经除尘、水洗、脱硫等净化处理后，到燃气轮机做功发电，燃气轮机的高温排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动汽轮机发电。

四、特点

与传统煤电技术相比，IGCC将煤气化和燃气－蒸汽联合循环发电技术集成具有发电效率高、污染物排放低，二氧化碳捕集成本低等优势，是目前国际上被验证的、能够工业化的、最具发展前景的清洁高效煤电技术。

五、喷流床气化炉

喷流床是目前IGCC各示范工程中采用最多的一种气化炉。它是一种高温、高压煤粉气化炉，气化炉的压力为20-60bar，要求采用90%以上的颗粒小于100μm的煤粉，采用氧、富氧、空气或水蒸气作为气化剂，当以氧为气化剂时，气化炉炉膛中心的火焰温度可达2000℃。由于是高温气化，在产生的粗煤气中不可能含有很多碳氢化合物、煤焦油和酚类物质，煤气的主要成分是CO、H2、CO2和水蒸气，离开气化炉的热煤气温度在1200-1400℃，往往高于灰的软化温度。为了防止热煤气中已软化了的粘性飞灰在气化炉下游设备（余热锅炉）粘结堵塞，将除尘后的冷煤气增压后再返送回煤气炉的出口和热煤气混合，将热煤气的温度降低到比灰的软化温度低50℃，然后，热煤气再经过气化炉的余热锅炉（辐射和对流蒸汽发生顺）产生饱和蒸汽，同时使热煤气的温度降低到200℃左右，约50%的煤中灰分在气化炉高温炉膛中心变成液态渣，由炉底排出并通过集渣器送入渣池。煤粉灰中的以飞灰的形式随热煤气，帮煤气须经除尘、洗涤脱硫处理，成为清洁的煤气，再送往燃烧室。

喷流床气化炉由于是煤粉高温高压气化，因此煤种适应性广，碳转化率高，能达到99%以上。当前在欧美各地IGCC示范厂所选用的喷流床气化炉有：美国德士古和CE炉，荷兰的Shell炉，德国的Prenflo炉。给煤方式有湿法水煤浆给煤（如德士古炉）和干法给煤（如　shell和Prenflo炉）。

由于喷流床气化炉的单炉生产能力大，并且具有较高的效率，燃料适应性广，因而在今后发展大容量高效率的IGCC电站中具有强有力的竞争地位。

六、流化床气化炉

流化床气化炉可以充分利用床内气固两相间的高强度的传热和传质，使整个床层内温度分布均匀，混合条件好，有利于气化反应的进行。同时，可以利用流化床低温燃烧，在燃烧和气化过程中加入脱硫剂（石灰石或白云石），将产生的大部分SO2和H2S脱除。由于流化床气化炉内的反应温度一般控制在850－1000℃，因此，它产生的焦油、烃、酚、苯和萘等大分子有机物基本上都能被裂解为简单的双原子或三原子气体，煤气的主要成分是CO和H2，CH4的含量一般少于2%。当前，用于IGCC系统的流化床气化炉有KRW炉，U－Gas炉和温克勒炉等。

七、固定床气化炉

固定床气化炉是最早开发出的气化炉，它和燃煤的层燃炉类似，炉子下部为炉排，用以支承上面的煤层。通常，煤从气化炉的顶部加入，而气化剂（氧或空气和水蒸气）则从炉子的下部供入，因而气固间是逆向流动的。这种气化炉和燃煤的层燃炉一样，对煤的粒径有一定的要求。

固定床气化炉有两种煤气出口集团的设计。粗煤气唯一出口位置设计在干燥区上面煤层的顶部，称为单段气化炉，此时出口处煤气的温度为370－590℃，在这煤气温度下，气的油和煤焦油等会发生裂解和聚合反应，从而生成彼一时质焦油和沥青。同时高温煤气穿过煤层时产生的剧烈干馏会使煤发生爆裂，产生大量煤尘，并随粗煤气一起带出气化炉。因而这种单段气化炉的粗煤气质量是比较差的。另一种设计是，有两个煤气出口，除了在干燥区上部的出口外，另一个则在气化区的顶部，煤气产量的一半从这个出口离开气化炉。由于流经挥发分析出区和干燥区的煤气量只有单段炉的，有利于防止由于煤的爆裂而产生的大量煤尘，而且不会产生彼一时质焦油和沥青。因此，两段炉产生的粗煤气的质量是比较好的。

用于IGCC系统的固定床气化炉主要是鲁奇炉，世界上最早的德国IGCC示范厂采用的就是鲁奇固定床单段固态排渣气化炉。这种气化炉的最大缺点是，使用焦结性煤时，容易造成床体阻塞，使气流不畅，煤气质量不稳定。此外，由于煤在气化炉内缓慢下移至变成灰渣需停留0.5-1个小时，因而单炉的气化容量无法设计得很大。而且，排出的煤气中还含有大量的沥青、煤焦油和酚等，使煤气的净化处理过程十分复杂。为改善上述问题，强化煤的气化过程，英国煤气公司在固态排渣鲁奇炉的基础上，将其发展成液态排渣鲁奇炉。液态排渣气化炉由于其燃烧区的温度较高，因而有利于提高煤的氧化速率和碳的转化率，缩短煤在炉内的停留时间，对煤粒直径的要坟比固态排渣炉宽。但颗粒尺寸小于6mm的要限制在10%以下。液态排渣气化炉有以下特点：1）碳转化率是三种气化炉中最高的，排渣的物理热损失大。2）相对安全可靠；3）煤气生产能力有限，是三种炉型中能力最低的。