空分設(shè)備在新型發(fā)電系統(tǒng)IGCC 的工程應(yīng)用
摘 要：空分設(shè)備是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。本文探討了不同空分工藝流程及其與IGCC 的連接匹配對(duì)IGCC 整體性能的影響；并對(duì)與空分設(shè)備連接的IGCC 的煤氣化部分進(jìn)行了討論，通過分析現(xiàn)有工程上不同的煤氣化工藝，為IGCC 系統(tǒng)方案的優(yōu)化選擇提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：IGCC,空分設(shè)備,煤氣化,優(yōu)化,工程
前 言
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）發(fā)電系統(tǒng)以其高效、低污染等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是世界上最具發(fā)展前途的潔凈煤發(fā)電技術(shù)之一。它由兩大部分組成：煤的氣化與凈化以及燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。煤的氣化與凈化部分主要有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設(shè)備，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電主要有燃?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)。經(jīng)過幾十年研究與發(fā)展，一些單項(xiàng)技術(shù)如氣化爐、空分設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、煤氣脫硫、余熱鍋爐等有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但設(shè)備與設(shè)備之間關(guān)聯(lián)匹配的研究較少。空分設(shè)備是IGCC 發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它為氣化爐提供助燃氧氣以及輸煤氮?dú)，保證IGCC 系統(tǒng)能夠長期、安全可靠運(yùn)行。因此，研究空分工藝流程及其與IGCC的結(jié)合，使得空分設(shè)備作為IGCC的子系統(tǒng)更加高效的運(yùn)行，對(duì)有效的提高IGCC 整體的發(fā)電效率具有十分重要的意義。
1．IGCC 系統(tǒng)對(duì)空分設(shè)備的要求
IGCC 的工藝過程：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過凈化，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；燃(xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)作功？梢姡旱臍饣に囀荌GCC 系統(tǒng)的龍頭，煤氣化爐則是煤氣化的核心設(shè)備，需要空分設(shè)備提供氧氣和氮?dú)猓渲醒鯕馐敲降臍饣瘎，氮(dú)饣蛭鄣獨(dú)庥糜谙♂屆簹猓档兔簹獾拈W點(diǎn)溫度以抑制NOx 的形成，使廢氣中的NOx 含量低于排放標(biāo)準(zhǔn)。
因此，煤氣化工藝決定了與之結(jié)合的空分設(shè)備的工藝參數(shù)，目前IGCC 各示范工程煤氣化爐主要包括：噴流床、流化床、固定床氣化爐等。
固定床氣化爐開發(fā)最早，爐子下部為爐排，支承爐體上部的煤層，工作原理與燃煤的層燃爐相似。煤從氣化爐的頂部加入，作為氣化劑的壓力氧氣則從爐下部加入，氣固兩相逆向流動(dòng)傳熱與傳質(zhì)。固定床氣化爐設(shè)計(jì)有兩個(gè)煤氣出口，從干燥區(qū)上部的出口引出一半的煤氣；另一半的煤氣則從氣化區(qū)的頂部引出。
在 IGCC 系統(tǒng)工程上應(yīng)用的固定床氣化爐是魯奇爐。最初使用的魯奇固定床是單段固態(tài)排渣氣化爐，容易造成床體阻塞，煤氣質(zhì)量不穩(wěn)定。此后在固態(tài)排渣魯奇爐的基礎(chǔ)上發(fā)展了液態(tài)排渣魯奇爐，提高了煤的氧化速率和碳的轉(zhuǎn)化率，對(duì)煤粒直徑的要求也比固態(tài)排渣爐的要寬，但是液態(tài)排渣氣化爐排渣的物理熱損失大，并且煤氣生產(chǎn)能力有限，限制了其在 IGCC 系統(tǒng)工程上的應(yīng)用。
流化床氣化爐改善了固定床氣化爐的缺點(diǎn)，床內(nèi)采用氣固兩相間的高強(qiáng)度的傳熱和傳質(zhì)，用氧壓力一般在3~8MPa。同時(shí)，通過加入脫硫劑，脫除SO2 和H2S，進(jìn)行初級(jí)的凈化。但在工藝及輔機(jī)配套、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、負(fù)荷、磨損、漏煙、脫硫等技術(shù)方面還有待完善，影響了它的工程應(yīng)用普及，目前市場上只有U－Gas 爐，KRW 爐、溫克勒爐。
噴流床氣化爐單爐生產(chǎn)能力大，在目前 IGCC 各示范工程中采用最多，主要有美國的 DEXCO 爐、GE 爐，荷蘭的Shell 爐，德國的Prenflo 爐等。其中Shell 和Prenflo 是干法進(jìn)煤的氣化爐；DEXCO、GE 和CE 屬于水煤漿進(jìn)煤的氣化爐。近年來，華電半山電廠、兗礦分別與華東理工大學(xué)對(duì)水煤漿進(jìn)煤的噴流床氣化爐進(jìn)行了聯(lián)合研制。噴流床氣化爐用氧壓力一般在3~8 MPa，每公斤煤需要消耗0.82~1.0kg 的氧氣。氧氣純度為90％~99％；稀釋煤氣的氮?dú)饣蛭鄣兌葹?6％~99.9％。由于噴流床氣化爐的優(yōu)點(diǎn)，其在今后發(fā)展大容量高效率的IGCC 電站中具有強(qiáng)有力的競爭地位。
3．空分裝置流程的選擇與IGCC 的結(jié)合方式
3.1 基于IGCC 的空分流程形式
IGCC 系統(tǒng)用氧量氣一般在4~6 萬立方米氧氣范圍，只有低溫精餾法才能滿足IGCC 系統(tǒng)大量的工業(yè)化用氧。目前單套空分設(shè)備已達(dá)到制備6 萬標(biāo)準(zhǔn)立方米氧氣以上的水平？辗至鞒桃话惴譃橥鈮嚎s、內(nèi)壓縮流程，可以滿足 IGCC 系統(tǒng)對(duì)用氧、用氮壓力和純度的要求。外壓縮流程通過生產(chǎn)低壓氧氣，再經(jīng)過氧壓機(jī)增壓后供給用戶。內(nèi)壓縮流程則取消了氧壓機(jī)，直接從冷凝-蒸發(fā)器抽取液氧，由液氧泵加壓，復(fù)熱后供給用戶。增壓空壓機(jī)或增壓氮壓機(jī)（氮?dú)庋h(huán)流程）在內(nèi)壓縮流程中代替了氧壓機(jī)，在國內(nèi)、外均有大量運(yùn)行業(yè)績；同時(shí)內(nèi)壓縮流程成熟可靠的，安全性好。外壓縮流程對(duì)氧壓機(jī)安全要求較高，但適用于用氧量變化頻繁的情況。
由于 IGCC 系統(tǒng)中煤氣透平的部分空氣可以利用，這部分空氣的壓力通常高于全低壓空分流程的空氣壓力；同時(shí)空分的污氮產(chǎn)品可以噴入煤氣透平的燃燒器以稀釋煤氣，這部分污氮的量可以變化而且必須加壓；IGCC 對(duì)空分設(shè)備變負(fù)荷的要求。這就造成空分流程有諸多可變因素。應(yīng)當(dāng)綜合考慮以上因素，確定合適與優(yōu)化的空分流程。
3.2 空分裝置與IGCC 的結(jié)合方式
空分設(shè)備與 IGCC 結(jié)合的目的是降低設(shè)備投資與生產(chǎn)成本，提高由煤轉(zhuǎn)化為電的熱效率，控制NOx 含量在可接受的水平。燃?xì)馔钙皆谑褂玫蜔嶂档娜細(xì)鈺r(shí)，為保持平衡通常要排放一部分的空氣，IGCC 空分設(shè)備的流程選擇應(yīng)考慮合理利用這部分空氣，作為加工空氣，因此空分設(shè)備與IGCC 結(jié)合方式主要有：獨(dú)立空分、完全整體化、部分整體化方式，如圖1～ 3 所示。
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如圖1 所示，獨(dú)立空分不抽取帶壓空氣，這種形式，原料空氣壓縮機(jī)的投資較高，廠用電率較大，但它運(yùn)行靈活，且此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的效率較高；如圖2 所示，完全整體化空分則全部采用帶壓空氣，原料空氣壓縮機(jī)的投資較低，廠用電率較低，但運(yùn)行不夠靈活，燃?xì)廨啓C(jī)的效率較低；如圖3 所示，部分整體化方式采用煤氣透平來的帶壓空氣，可以提高壓力操作使氧、氮產(chǎn)品的出口壓力提高，原料空壓機(jī)壓縮比下降，這種變化帶來的好處是空分設(shè)備的壓力損失和外形尺寸大大減少，產(chǎn)品氧、氮壓縮機(jī)的能耗下降，總能耗下降。但壓力升高后氧、氮、氬之間的相對(duì)揮發(fā)度也相應(yīng)減少，相同的純度和回收率時(shí)需要更多的理論塔板數(shù)。需要對(duì)此方案優(yōu)弊進(jìn)行比較，使投資及運(yùn)行成本達(dá)到一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。
3．IGCC 系統(tǒng)空分流程的工程設(shè)計(jì)
3.1 空分流程方案的提出
華電半山電廠將新建一套200MW 級(jí)IGCC 發(fā)電示范工程，以下以該工程為例分析一下 IGCC 系統(tǒng)中空分設(shè)備流程的選擇。
該項(xiàng)目經(jīng)過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平衡計(jì)算，對(duì)氧氣產(chǎn)品的產(chǎn)量要求為48,000 Nm3/h、壓力要求為出冷箱壓力為56bar、純度為99%的氧；因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的采取了水蒸氣回注的方式，則不需要空分設(shè)備提供帶壓氮?dú)；同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)可以提供流量為20,900 Nm3/h、壓力為6～7bar、溫度為50℃的帶壓空氣。
根據(jù)上述條件，經(jīng)過初步選擇，提出了以下三個(gè)流程方案進(jìn)行比較。
方案一：常規(guī)外壓縮+氧氣壓縮機(jī)空分流程
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如圖 4 所示，凈化后的加工空氣分為三股：一小股被抽出作為儀表空氣；一股空氣進(jìn)入主換熱器，被返流氣體冷卻至飽和溫度進(jìn)入下塔。另一股相當(dāng)于膨脹量的空氣進(jìn)入增壓機(jī)增壓，冷卻后進(jìn)入主換熱器，從中部抽出進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹后的大部分空氣送入上塔，其余進(jìn)入污氮管道？諝饨(jīng)下塔初步精餾后，在下塔底部獲得液空，在頂部獲得純液氮。下塔抽取的液空和液氮進(jìn)入液空液氮過冷器過冷后送入上塔進(jìn)一步精餾，液氧從冷凝蒸發(fā)器底部抽出送入貯存系統(tǒng)，在上塔底部獲得產(chǎn)品氧氣由氧氣透平壓縮機(jī)壓縮至所需壓力進(jìn)入氧氣管網(wǎng)。從下塔頂部抽出的壓力氮?dú)饨?jīng)主換熱器復(fù)熱后作為氧透的密封氣及其它用途。從下塔頂部抽取部分液氮經(jīng)液空液氮過冷器過冷后送入貯存系統(tǒng)。
方案二：膨脹空氣進(jìn)下塔內(nèi)壓縮空分流程
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如圖 5 所示，凈化后的空氣分成三股：第一股進(jìn)入低壓板式換熱器，出換熱器底部后進(jìn)入下塔；第二股進(jìn)入膨脹機(jī)的增壓風(fēng)機(jī)中增壓，然后被冷卻器冷卻至常溫后進(jìn)入低壓板式換熱器，再從換熱器中部抽出進(jìn)入膨脹機(jī)去膨脹。膨脹后的空氣進(jìn)入上塔；第三股空氣經(jīng)增壓空壓機(jī)的增壓后過冷器冷卻至常溫后進(jìn)入高壓板式換熱器，與高壓液氧及返流污氮?dú)怏w換熱。這部分高壓空氣從換熱器底部抽出經(jīng)節(jié)流進(jìn)入下塔？諝饨(jīng)下塔初步精餾后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流進(jìn)入上塔進(jìn)一步精餾，在上塔底部獲得液氧，并經(jīng)液氧泵壓縮后進(jìn)入高壓板式換熱器，復(fù)熱后出冷箱，進(jìn)入氧氣管網(wǎng)。
AF—空氣過濾器，ATC1—原料空壓機(jī)，ATC2—增壓空壓機(jī)，AC—空冷塔
WC—水冷塔，SH—蒸汽加熱器，ET—膨脹機(jī)，MS——分子篩吸附器
BT—膨脹機(jī)增壓端，E1—板式換熱器，E3—過冷器，WP—水泵，OP—液氧泵
C1—下塔，C2—上塔，K1—主冷凝蒸發(fā)器，C701—增效塔
方案三：膨脹空氣進(jìn)上塔內(nèi)壓縮空分流程
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如圖 6 所示，凈化后的空氣分成三股：第一股進(jìn)入低壓板式換熱器，出換熱器底部后進(jìn)入下塔；第二股進(jìn)入膨脹機(jī)的增壓風(fēng)機(jī)中增壓，然后被冷卻器冷卻至常溫后進(jìn)入低壓板式換熱器，再從換熱器中部抽出進(jìn)入膨脹機(jī)去膨脹。膨脹后的空氣進(jìn)入上塔；第三股空氣經(jīng)增壓空壓機(jī)的增壓后過冷器冷卻至常溫后進(jìn)入高壓板式換熱器，與高壓液氧及返流污氮?dú)怏w換熱。這部分高壓空氣從換熱器底部抽出經(jīng)節(jié)流進(jìn)入下塔？諝饨(jīng)下塔初步精餾后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流進(jìn)入上塔進(jìn)一步精餾，在上塔底部獲得液氧，并經(jīng)液氧泵壓縮后進(jìn)入高壓板式換熱器，復(fù)熱后出冷箱，進(jìn)入氧氣管網(wǎng)。
3.2 空分流程方案的比較與優(yōu)化
針對(duì)上述流程方案，對(duì)能耗、機(jī)器設(shè)備以及投資等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算和比較，具體計(jì)算如表1 所示。
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內(nèi)壓縮流程按膨脹空氣進(jìn)行入精餾塔的位置不同可以分為膨脹后空氣進(jìn)上塔和膨脹后空氣進(jìn)下塔兩種方式。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以看出，膨脹進(jìn)下塔的流程的能耗最高，外壓縮＋氧壓機(jī)流程的能耗低于膨脹進(jìn)下塔的流程，而膨脹后進(jìn)上塔流程的能耗最低。原因是膨脹進(jìn)上塔采用低壓增壓透平膨脹機(jī)，中壓增壓空壓機(jī)，設(shè)備效率更高。同時(shí)膨脹進(jìn)下塔流程的空分操作靈活性、設(shè)備投資比較、循環(huán)壓縮機(jī)制造難度在上述方案中最低。因此對(duì)此IGCC 發(fā)電示范工程優(yōu)選方案三——膨脹后進(jìn)上塔流程。
此后，對(duì)空分流程進(jìn)行了優(yōu)化，考慮到空分需要的原料空氣量約為 227,000 Nm3/h，要求壓力6.05 bar，IGCC 系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)可以提供約9.2％的帶壓空氣（6.05 bar），這樣可以將這股帶壓空氣送入空氣冷卻塔的中部，和經(jīng)原料空壓機(jī)增壓后的氣體混合、冷卻、純化后送入冷箱參與精餾。這樣可以大大降低原料空壓機(jī)的排量，節(jié)省能耗。
另外針對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)整較為頻繁及要求負(fù)荷調(diào)整速度較快，下塔采用規(guī)整填料來滿足整體變負(fù)荷的要求。一方面可以滿足工程的要求，另外也可以有效的降低整體運(yùn)行能耗。該 IGCC 項(xiàng)目對(duì)于氮?dú)鉀]有要求，則可以利用出空分冷箱的多余部分污氮?dú)，在水冷塔中就可將常溫水冷卻下來，供空氣冷卻塔上部用。這是因?yàn)樗透稍镂鄣獨(dú)庵苯咏佑|的過程中，由于水的蒸發(fā)吸收大量蒸發(fā)潛熱，從而使水獲得了降溫效應(yīng)。這樣可以取消冷凍機(jī)組，從而減少廠房面積、投資及維修費(fèi)用和放寬系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的要求。
由于IGCC 系統(tǒng)對(duì)于氧氣的需求量會(huì)根據(jù)外部溫度及負(fù)荷等參數(shù)的影響變化，由于空分設(shè)備變負(fù)荷相對(duì)系統(tǒng)的要求較慢，考慮設(shè)置液氧后備汽化系統(tǒng)。平時(shí)產(chǎn)出一定的液氧送入液氧儲(chǔ)罐以低溫液體的形式儲(chǔ)存，當(dāng)需求量上升時(shí)，抽取貯罐中的液氧經(jīng)液氧泵增壓后再經(jīng)液氧汽化器汽化后并入氧氣管網(wǎng)，起一定的平衡作用。
空分裝置產(chǎn)出的高純度氮?dú)饪捎米鳒缁鸷拖到y(tǒng)清掃等作用。由于該股氣體非常用氣體，一般可以采取由空分裝置生產(chǎn)液氮進(jìn)入低溫貯罐后氣化的方式得到。在使用時(shí)，從低溫貯罐抽取液氮經(jīng)過低溫液體泵增壓后得到高壓液氮，進(jìn)入汽化器汽化后得到高壓氮?dú)馑腿隝GCC 管網(wǎng)。
4．小結(jié)
隨著近年來石油和天然氣價(jià)格的飛漲，各國政策將發(fā)電技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)倒向了環(huán)保性能優(yōu)異的IGCC 發(fā)電技術(shù)，特別是在以煤為主要一次能源的我國，IGCC 發(fā)電技術(shù)將具有更加廣闊的發(fā)展前景。
本文對(duì)基于 IGCC 的空分流程形式進(jìn)行了介紹；對(duì)空分裝置與IGCC 的結(jié)合方式進(jìn)行了初步探討；并結(jié)合華電半山電廠一套200MW 級(jí)IGCC 發(fā)電示范工程，對(duì)該IGCC 系統(tǒng)中空分流程進(jìn)行了比較和優(yōu)化，為實(shí)際工程提供依據(jù)。
由于 IGCC 系統(tǒng)復(fù)雜，不同的IGCC 項(xiàng)目對(duì)于空分裝置的產(chǎn)品需求也不盡相同，所以在總體流程設(shè)計(jì)中應(yīng)注重整體流程的匹配及優(yōu)化，使得從投資及運(yùn)行能耗上達(dá)到最佳平衡點(diǎn)。同時(shí)，IGCC 系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，影響到空分設(shè)備的動(dòng)態(tài)負(fù)荷變化，考察基于IGCC 系統(tǒng)的空分設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性是IGCC 工程應(yīng)用的一個(gè)重要的研究方向。
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