IGCC多联产系统及其工艺技术路线选择的分析.doc

IGCC多联产系统及其工艺技术路线选择的分析陈晓波上海漕泾联合能源有限公司，上海市中山南路268号新源广场1号楼30层，200010Some features of IGCC co-production system & technology route choice Chen XiaoboShanghai Caojing Integrated Energy Co.,Ltd，30/F.,268 Zhongshan Rd(S.),Shanghai,P.R.China4ABSTRACT：Gasification-based IGCC co-production system integrated with production of chemicals & combined cycle power generation is being wide attention duo to the high efficiency, environmental protection, good economic, conducive to carbon emission reduction and other advantages. As system complexity increases and not exactly the same requirements of the syngas between chemicals production and gas turbine power generation, technology route choice of multi-generation system must be balanced to consider. In the choice of gasification technology, gas desulfurization technology, configuration of air separation unit, some of its features is different from conventional IGCC power plant.KEY WORD：IGCC；IGCC co-production；technology route choice；摘要：以煤气化为核心的IGCC多联产系统集成了联合循环发电和化工品的生产，具有高效、环保、经济性良好、利于碳减排等优势，正得到广泛的关注。由于系统的复杂程度增加以及化工品生产和燃机发电对合成气的要求并不完全一致，多联产系统的工艺技术路线的选择必须兼顾考虑，在选择气化技术、煤气脱硫净化技术、空分配置等方面，有其不同于常规IGCC电站的特点。主题词：IGCC；IGCC多联产；技术路线选择；1IGCC和IGCC多联产整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术是将化工领域的煤气化、气体净化技术同电力领域的燃气蒸汽联合循环发电技术相结合的一种新型发电技术，集合了化工气体脱硫净化工艺的清洁、环保特性以及联合循环发电技术的高效率特点，是最具发展前景的洁净煤利用技术之一。煤电力氮气水粗合成气氧气渣空气气化炉空分除尘设备燃机联合循环发电机组灰脱硫设备硫磺净合成气图1：IGCC发电系统由于增加了空气分离、气化、脱硫净化等复杂的化工工艺系统，IGCC在系统复杂性、可靠性、调节能力以及投资等方面同传统的燃煤火力发电技术相比，处于劣势，尤其是其投资过高，造成IGCC电站的发电成本比较高，影响了这一技术的推广应用，迄今为止世界上只有很少的几座IGCC示范电站在运行。1IGCC所采用的煤气化、净化工艺同化肥厂合成氨及化工厂生产甲醇等化学品所需的合成气的生产工艺是基本相同的，所以提出了IGCC多联产系统，对于生产出来的洁净的合成气，用于发电的同时也用来生产化工产品。由于可以集成优化蒸汽、冷却水、电等公用系统，提高整体效率和减少总投资，使得IGCC多联产系统的经济性要优于单纯发电的IGCC系统，近年来得到了一定的应用，国内外先后有好几家石化企业、化肥厂采用了多联产的IGCC系统。1、7煤合成气气化燃机联合循环发电分离变换及净化净化电力FT合成甲醇合成甲烷化甲醇转换液体燃料甲醇烯烃合成氨化肥SNG图2：IGCC多联产系统2IGCC多联产系统的特点以煤气化为核心的多联产系统，具有技术成熟、环保节能、易于实现CO2捕集、经济效益良好等特点。（1）技术成熟度高虽然作为整个多联产系统，还需要进行整体优化设计以及研究复杂系统的优化控制，但是多联产所采用的主要技术，如大型空分、煤气化、煤气脱硫脱碳净化、硫回收、CO变换及制氢、化工产品转换合成工艺等，以及燃气蒸汽联合循环发电，均为成熟的技术，已在化工行业、电力行业使用多年，有着成熟的设计、制造和生产运行经验。可以说在技术上并没有阻碍多联产系统推广应用的特殊瓶颈。（2）环保性能优现代煤化工和IGCC所采用的大型煤气化技术具有高效环保的特性，先进的气流床气化技术的碳转换率大于9899%，冷煤气效率可达80%以上，灰、渣可全部用于建筑材料，废水可实现处理后再利用的近“零”排放。采用纯氧气化技术的气化炉内氮气极少，合成气中不会生成NOx。化工生产和燃机发电，对合成气中杂质的要求都比较高，合成气中几乎所有的粉尘均会被脱除，采用的脱硫技术，可以脱除几乎所有的硫化物，合成气中的硫含量最少可小于1ppm。回收的硫还可以制作成硫磺或硫酸产品，不会造成二次污染。（3）利于碳减排多联产系统中，一部分合成气用于化工品合成，一般要进行变换制氢，并且均要求脱除CO2，有利于碳减排的实施。（4）经济效益良好结合了IGCC发电的多联产系统中化工品生产流程可以进行优化，比如制氢等工艺对产品的转换率要求可以放低，从而节约投资和运行费用，驰放气可以用来发电，再比如对于化工工艺流程中许多低位热能的利用，使得多联产系统的整体效率比较高。并且，一般由于化工产品的附加值比较高，多联产系统的经济性要优于纯发电的IGCC系统。2、3（5）系统复杂性高为保证多联产系统化工品生产的可靠性，合成气的生产一般采用母管制，相对于采用单元制的纯发电IGCC，系统复杂性会有所增加，系统的动态控制调节难度也比较高。3IGCC多联产系统技术路线选择的特点尽管相比纯发电的IGCC，多联产系统有着诸多优势，但是因为增加了系统的复杂性，提高了运行调节的难度，并且更为主要的是化工品生产和燃气轮机发电对合成气的要求并不完全一致，所选用的工艺技术路线也会有所不同。在组成多联产系统时，必须加以兼顾考虑。3.1气化技术的选择气化技术的选择首先取决于气化的原料，烟煤是比较适合于气化的煤种，多数气化技术都可以适用，如果选用褐煤，则要进行成浆性评价，以判断是否可以采用水煤浆气化技术。此外，对于高灰熔点的煤，则干煤粉气化技术更加能够适应。IGCC发电追求比较高的效率，对于合成气中的氮气、CO2的含量没有特殊要求。空气气流床气化技术，水煤浆和干煤粉氧气气流床气化技术都可以选择，其中空气气化技术的整体效率会比较高一些，更适合于IGCC发电。4而干煤粉气化效率要高于水煤浆气化，相对而言更加适合于IGCC发电。5为提高效率，用于IGCC的气化技术多选择全热回收工艺（废锅流程）。化工品的生产，选择气化技术更加关注合成气的组分，一般对氮气含量都有要求，不会选择空气气化技术，并且在对氮含量有特殊要求时，如果选用的是干煤粉气化技术，输送煤粉的载气也不能使用氮气而要使用CO2。相比于全热回收的废锅工艺，气化炉的激冷工艺更加成熟、简单和可靠，可以节省投资。并且激冷工艺的气化合成气中含有的水汽比较多，也有利于后续的化工制氢。同样的，水煤浆气化的技术成熟度也高于干煤粉气化，投资低，可以配置备用炉以保证化工生产的可用率，合成气中的氢气、水汽含量也更高，对于化工生产的后续变换合成工艺也是有利的。对于多联产系统，则要根据化工品生产和IGCC发电对合成气的要求兼顾选择。如果是以发电为主，选择废锅流程是比较合适的，当选用的是干煤粉气化技术时，对于化工制氢用的合成气可以选用低水汽比的CO变换技术，节省变换环节耗用的蒸气量。如果以化工生产为主，后续变换制氢量大，选择激冷流程显然更为合理。由于今后的IGCC电站大多会结合碳减排，此时由于要进行大量的CO变换制氢，所以选择激冷流程也是合理的。3.2煤气净化技术的选择合成煤气的除尘一般包含在气化岛内，由气化技术专利商提供。目前比较成熟和使用较多的有湿法文丘里除尘器、水洗塔除尘器、干法旋风分离器、陶瓷过滤器等。湿法除尘更成熟可靠，投资也较低，但是废水处理量较大。陶瓷过滤器除尘热效率损失小，不过其投资较高，可靠性也略低。只要能够达到除尘要求，除尘工艺对后续的发电、化工品生产的影响不大。目前成熟的大型工业化应用的脱硫净化工艺主要是物理吸收法、化学吸收法等低温湿法脱除酸性气体的工艺，常用的有低温甲醇洗、NHD法、环丁砜法、胺法（MEA、DEA、MDEA等）、ADA法、栲胶法等。脱硫净化工艺的选择，取决于后续发电和化工生产对合成气的要求。6燃气轮机发电一般要求合成气中硫含量在20ppm以下，对CO2则没有特殊要求。MDEA溶液对H2S和CO2的吸收有选择性，在脱除H2S的同时，只脱除少部分的CO2，使得溶剂循环量、能耗和投资可以降低。其脱硫率可以满足燃机的要求，适用于IGCC的煤气脱硫净化。目前世界上投入运行的几家IGCC电站，也大多选用了此种脱硫工艺。1化工制氢对合成气的要求高于IGCC发电，一般要求硫含量低于0.1ppm，CO2含量小于2%，所以必须同时脱除H2S和CO2，低温甲醇洗和NHD净化工艺均能满足要求。相对而言，NHD的能耗较高，溶剂价格昂贵，运行费用要高于低温甲醇洗，尽管无需采用低温材料，投资要低一些，综合比较，低温甲醇洗的技术更加成熟，运行费用及能耗指标更先进，具有一定优势，在化工行业的应用非常广泛。对于多联产系统，为降低投资，在发电用的合成气净化流程中选用MDEA，在化工生产的合成气净化流程中选用低温甲醇洗是一种可选的方案。此外为了减少全厂的设备种类，便于今后生产运行维护管理，也可以考虑选用统一的脱硫工艺。从满足化工生产要求的角度，只能选用低温甲醇洗或NHD等净化工艺。此时，对于IGCC发电而言可以获得更好的环保排放指标，同时投资和运行费用也会有所增加，但可以通过公用再生系统的设计来减少总的投资和运行能耗。3.3空分配置的选择单元制的IGCC发电，如果采用氧气气化技术，配套的空分一般也是按照单元制设置的，根据燃机的特性，可以选择合适的部分或完全整体化率，由燃机提供一部分压缩空气，使用升压型的空分，以获得整体机组供电效率的提高。多联产系统，在合成气侧采用了母管制，对于气化炉配套的空分，有母管制、单元制等各种方式可以灵活选择。一般为了今后运行检修的灵活性和可靠性，多数仍采用同气化炉一一对应的单元制或母管制配置。在多于2台气化炉的情况下，从降低投资和运行能耗角度考虑，也可以不同气化炉一一对应，而选择台数更少而容量更大的空分母按管制配置。此时的空分更像一个独立的公用系统岛，向全厂提供氧气、氮气和压缩空气。其实从空分装置同气化炉在设备可靠性、可用率以及检修周期方面的差异来看，采用此种配置也是可行的。多联产系统的空分是否要采用同燃机的空气整体化设计还需要进一步地从投资、效率、系统复杂性、可靠性等方面进行技术经济比较。参 考 文 献1 李现勇、孙永斌、李惠民，国外IGCC项目发展现状概述，电力勘测设计，2009.6，28-332 欧阳海瑛，IGCC多联产项目的经济性分析，电力技术，2008.10，38-393 麻林巍、倪维斗、李政、郑洪，用多联产概念改善IGCC 经济性的分析，燃气轮机技术，2004.3，15-204 高健、倪维