朱志劼，顧華年，范雪飛，陳 健，劉傳亮

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海200240）

中國(guó)未來(lái)能源系統(tǒng)的發(fā)展方向應(yīng)是實(shí)現(xiàn)資源多元化、產(chǎn)品多樣化、污染極小化和效益極大化［1］.以合成氣為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是代表這一方向的跨越式技術(shù)路線，是綜合解決能源與環(huán)境問(wèn)題的重要途徑和關(guān)鍵技術(shù)，特別是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）多聯(lián)產(chǎn)在電力和化工行業(yè)的應(yīng)用符合我國(guó)能源發(fā)展和溫室氣體減排的戰(zhàn)略要求.

根據(jù)2007年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，北美地區(qū)計(jì)劃在建IGCC項(xiàng)目55個(gè)，北美以外地區(qū)26個(gè)［2-5］.但2010年2月的數(shù)據(jù)表明，全球范圍內(nèi)擬建的IGCC 項(xiàng)目數(shù)量相比2007年下降，這是由于IGCC 電站建設(shè)具有不確定性，CO2捕捉法規(guī)、運(yùn)輸和封存的法律責(zé)任、CO2排放稅收等使IGCC 電站規(guī)劃者處于困境［6］.但對(duì)IGCC的推廣并未停滯，如美國(guó)裝機(jī)容量618 MW 的Edwardsport IGCC 電站將于今年投入商業(yè)運(yùn)行，美國(guó)Summit電力集團(tuán)的TCEP IGCC多聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目裝機(jī)容量為400 MW，目前進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)將在2015年投入商業(yè)運(yùn)行［7-8］.

IGCC的成本是困擾IGCC 技術(shù)推廣及示范電站建設(shè)的首要問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外IGCC 的建設(shè)成本居高不下.通過(guò)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將IGCC 發(fā)電與化工耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)能量流、物質(zhì)流總體優(yōu)化，并通過(guò)規(guī)模效應(yīng)及化工產(chǎn)品的生產(chǎn)降低單位投資成本，使各產(chǎn)品的工藝流程和設(shè)備得到簡(jiǎn)化，投資和運(yùn)行成本得以降低，將大大改善IGCC 的經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)IGCC這一先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展［9-10］.

1 IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的流程

甲醇的生產(chǎn)大部分依賴于天然氣，但由于我國(guó)天然氣價(jià)格和儲(chǔ)量因素使得煤炭成為我國(guó)進(jìn)行甲醇大規(guī)模生產(chǎn)的首選原料.為了滿足甲醇合成反應(yīng)對(duì)n（H2）／n（CO）為2～2.4的要求，合成氣需要經(jīng)過(guò)CO 轉(zhuǎn)化過(guò)程，調(diào)整n（H2）／n（CO），經(jīng)調(diào)整后的合成煤氣通過(guò)凈化過(guò)程將其中硫化物除去，并降低CO2含量.圖1和圖2分別給出了2種并聯(lián)型IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的示意圖.

圖1 并聯(lián)型IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of parallel type IGCC methanol-power poly-generation system

1.1 并聯(lián)型IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

圖2 串并聯(lián)型IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of series-parallel type IGCC methanolpower poly-generation system

圖1為并聯(lián)型IGCC 甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖.由圖1可知，煤氣化得到的合成氣被分成2股，一部分經(jīng)過(guò)凈化脫除絕大部分硫化物及灰塵、提取氫氣后，直接作為燃料進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電，其余作為甲醇合成的新鮮原料氣，經(jīng)過(guò)水煤氣變換得到甲醇合成所需要的富H2新鮮氣，凈化后進(jìn)入甲醇合成及精餾系統(tǒng)，在水煤氣變換及甲醇合成等過(guò)程中產(chǎn)生的富裕中壓蒸汽則匯入蒸汽系統(tǒng).

1.2 串并聯(lián)型IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

圖2為串并聯(lián)型IGCC 甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖.由圖2可知，用于發(fā)電的潔凈合成氣經(jīng)過(guò)膜分離后，一部分作為燃料氣進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電，另一部分作為富H2氣體與甲醇合成段前的變換后氣體合流，進(jìn)入甲醇合成及精餾系統(tǒng)進(jìn)行甲醇產(chǎn)品的生產(chǎn).在水煤氣變換及甲醇合成等過(guò)程中產(chǎn)生的富裕中壓蒸汽匯入蒸汽系統(tǒng).如果將甲醇合成及精餾系統(tǒng)產(chǎn)生的馳放氣、閃蒸汽和不凝氣進(jìn)一步有效利用，送入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中參與燃燒及做功，此系統(tǒng)即為含尾氣利用的串并聯(lián)系統(tǒng).

2 系統(tǒng)方案與計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)方案

對(duì)不同配置的IGCC甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案進(jìn)行了計(jì)算及分析.各方案的配置情況見(jiàn)表1.

各方案均在相應(yīng)的純發(fā)電IGCC 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集成甲醇生產(chǎn)模塊，甲醇合成采用低壓法，壓力為5.3 MPa，溫度為255 ℃.甲醇生產(chǎn)能力均為6×105t／a，滿負(fù)荷發(fā)電.表2為純發(fā)電IGCC 系統(tǒng)的配置情況，以系統(tǒng)動(dòng)力島燃?xì)廨啓C(jī)等級(jí)命名，B、E、F 分別代表純發(fā)電IGCC方案，B-1和B-2方案基于B方案，E-1、E-2和E-3基于E 方案，F(xiàn)-1和F-2基于F方案；氣化爐采用水煤漿濕法氣化，氣化的壓力為3.8 MPa，溫度為1 370 ℃；燃?xì)廨啓C(jī)均采用GE 公司50Hz主流機(jī)型.煤種采用山西神府煤，煤質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表3和表4，低位發(fā)熱量為26 280kJ／kg.該煤在Texaco氣化爐中氣化后的粗煤氣成分如表5所示.

表1 IGCC甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案Tab.1 Configurations of different IGCC-methanol poly-generation systems

表2 純發(fā)電IGCC系統(tǒng)配置Tab.2 Configurations of the IGCC system for purely power generation

表3 神府煤的工業(yè)分析（空氣干燥基）Tab.3 Proximate analysis of Shenfu coal（air-dried basis） %

表4 神府煤的元素分析（干燥基）Tab.4 Ultimate analysis of Shenfu coal（dry basis） %

表5 神府煤氣化后粗煤氣成分Tab.5 Compositions of raw gas after gasification of Shenfu coal %

2.2 系統(tǒng)方案計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)

凈效率是IGCC 純發(fā)電系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，是系統(tǒng)總出力扣除空氣分離、電廠輔機(jī)耗功之后計(jì)算得到的供電效率，而對(duì)于煤氣化多聯(lián)產(chǎn)及IGCC系統(tǒng)而言，除了考慮IGCC本身的性能外，還要考慮化工部分的生產(chǎn)情況，評(píng)價(jià)煤氣化多聯(lián)產(chǎn)及IGCC系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要有碳利用率、甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電效率及系統(tǒng)能源利用效率等.

（1）碳利用率（Xc）

（2）系統(tǒng)能源利用效率（ηsys）

（3）IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)IGCC 凈效率（ηIGCC）

（4）IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電效率（ηe）

“系統(tǒng)能源利用效率”這一指標(biāo)從多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總體輸入輸出角度考慮建立了多聯(lián)產(chǎn)總體性能指標(biāo).此外，IGCC發(fā)電系統(tǒng)可以合理利用化工合成尾氣和余熱.在多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，甲醇生產(chǎn)線的馳放氣以及其他余熱回收蒸汽可以與IGCC 發(fā)電側(cè)有機(jī)結(jié)合，提高發(fā)電循環(huán)效率，從而提高了這部分熱能的利用率.而“甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)IGCC 凈效率”和“甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電效率”則反映了集成甲醇生產(chǎn)部分的余熱供氣及尾氣后，這部分熱量的有效利用情況和發(fā)電系統(tǒng)性能的變化情況，是衡量IGCC子系統(tǒng)性能的綜合指標(biāo).

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

以Aspen Plus及Gtpro為軟件平臺(tái)，對(duì)上述方案進(jìn)行模擬和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6.其中化電比λ為甲醇產(chǎn)品能量與發(fā)電量之比，反映了化工生產(chǎn)占多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比重.

表6 甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能指標(biāo)參數(shù)Tab.6 Performance indexes of different methanol-power poly-generation systems

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 發(fā)電容量

表7比較了IGCC 純發(fā)電系統(tǒng)及并聯(lián)型甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的凈出力.由表7可知，在集成甲醇化工流程之后，各等級(jí)系統(tǒng)的凈出力增加，與純發(fā)電系統(tǒng)相比，B、E、F級(jí)并聯(lián)型甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的凈出力分別提高37.7%、18.8%和11.8%.這是因?yàn)榧状忌a(chǎn)與IGCC結(jié)合后，在甲醇合成、氣體變換過(guò)程中產(chǎn)生的富余蒸汽進(jìn)入到IGCC 側(cè)的蒸汽循環(huán)子系統(tǒng)，提高了該部分的蒸汽品質(zhì)，增大了蒸汽流量，因此，IGCC系統(tǒng)總出力將增加.甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的化工生產(chǎn)用電由IGCC 發(fā)電提供，廠總用電量必然比單獨(dú)生產(chǎn)甲醇和IGCC發(fā)電的功耗之和低，主要原因是化工系統(tǒng)和IGCC 發(fā)電系統(tǒng)集成之后，氣化爐和空氣分離部分為公用，規(guī)模效應(yīng)突顯.

表7 并聯(lián)型甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)凈出力與IGCC純發(fā)電系統(tǒng)凈出力的比較Tab.7 Comparison of net output between parallel type methanol-power poly-generation system and IGCC pure power system

3.2.2 IGCC 甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng) 的IGCC 凈效率ηIGCC

圖3～圖5分別為B級(jí)、E 級(jí)、F級(jí)IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的IGCC 凈效率示意圖，圖中直觀地顯示了集成甲醇生產(chǎn)模塊后IGCC 凈效率的變化.

圖3 B級(jí)甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)IGCC凈效率Fig.3 Net efficiency of B-class methanol-power poly-generation system

在未進(jìn)行甲醇多聯(lián)產(chǎn)時(shí)，Texaco水煤漿氣化激冷流程組成的IGCC 發(fā)電系統(tǒng)凈效率都不高，采用F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的系統(tǒng)凈效率也只達(dá)到38.73%，但加入化工流程后，兩部分存在物質(zhì)與能量的交換，尤其是動(dòng)力島吸收了化工流程部分的富余蒸汽，使得IGCC凈效率顯著提高.

圖4 E級(jí)甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)IGCC凈效率Fig.4 Net efficiency of E-class methanol-power poly-generation system

圖5 F級(jí)甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)IGCC凈效率Fig.5 Net efficiency of F-class methanol-power poly-generation system

3.2.3 IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電效率ηe

圖6給出了B級(jí)、E級(jí)、F級(jí)的IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電效率的變化規(guī)律.IGCC 系統(tǒng)與化工生產(chǎn)系統(tǒng)流程集成后，需向化工單元提供生產(chǎn)所需電力，系統(tǒng)供電效率即為扣除了化工用電后的系統(tǒng)凈效率.由圖6可以看出，B 級(jí)IGCC 系統(tǒng)增加化工流程后，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電效率降至30%以下；E級(jí)IGCC系統(tǒng)增加化工流程后，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電效率仍然維持在35%左右；F 級(jí)IGCC 系統(tǒng)增加化工流程后，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電效率比純IGCC 供電效率高，其效率約為40%.這是因?yàn)樵诩状忌a(chǎn)能力一定的前提下，燃?xì)廨啓C(jī)等級(jí)越高，系統(tǒng)發(fā)電量越大，化工部分的廠耗電率也就越低.

圖6 IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電效率與IGCC純發(fā)電供電效率的比較Fig.6 Comparison of net efficiency between IGCC methanol-power poly-generation system and IGCC pure power generation system

3.2.4 IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源利用效率ηsys

圖7給出了6×105t／a IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率.由圖7可知，化工生產(chǎn)單元的加入使得多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源的利用效率大大提高，達(dá)到52%以上，其中F級(jí)并聯(lián)型系統(tǒng)的能源利用效率最高，達(dá)到55.9%.

圖7 6×105 t／a IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率Fig.7 Energy utilization efficiency of a 6×105 t／a IGCC methanolpower poly-generation system

3.2.5 不同配置的IGCC 甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)碳利用率的比較

系統(tǒng)發(fā)電容量越大，碳利用率越低，因?yàn)樘祭寐史从沉嗣禾哭D(zhuǎn)化為甲醇產(chǎn)品的比重.在相同甲醇生產(chǎn)規(guī)模下，與并聯(lián)型系統(tǒng)相比，串并聯(lián)型系統(tǒng)的碳利用率較高，B級(jí)、E級(jí)和F級(jí)的串并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的Xc均比并聯(lián)型系統(tǒng)高2%，這是由于串并聯(lián)系統(tǒng)的甲醇合成氣部分來(lái)自IGCC 凈化系統(tǒng)，減少了氣化爐出口去甲醇合成段的粗煤氣流股，因此節(jié)約了氣化用煤量，提高了煤炭轉(zhuǎn)化比率.

3.2.6 不同配置的IGCC 甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總煤耗的比較

串并聯(lián)系統(tǒng)的總煤耗優(yōu)于并聯(lián)系統(tǒng)的總煤耗，且燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)越先進(jìn)，多聯(lián)產(chǎn)及IGCC 系統(tǒng)的節(jié)煤效應(yīng)越明顯.圖8給出了不同形式的IGCC 甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總煤耗.由圖8可知，B級(jí)串并聯(lián)系統(tǒng)煤耗比并聯(lián)系統(tǒng)節(jié)約218t／d；E 級(jí)串并聯(lián)系統(tǒng)煤耗比并聯(lián)系統(tǒng)節(jié)約530t／d，而帶尾氣利用的E級(jí)串并聯(lián)系統(tǒng)煤耗比并聯(lián)系統(tǒng)節(jié)約628t／d；F 級(jí)串并聯(lián)系統(tǒng)煤耗比并聯(lián)系統(tǒng)節(jié)約994t／d.

圖8 不同形式IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總煤耗Fig.8 Total coal consumption of different IGCC methanolpower poly-generation systems

4 結(jié) 論

（1）IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)集成化工生產(chǎn)模塊，增加了中高品質(zhì)蒸汽，提高了IGCC 發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量.

（2）燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的配置對(duì)IGCC甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)起著主導(dǎo)作用，燃?xì)廨啓C(jī)的配置越高，系統(tǒng)的凈發(fā)電量越大，系統(tǒng)的效率指標(biāo)也越優(yōu)異.

（3）不同形式的IGCC 甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，并聯(lián)型甲醇-電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有較高的能源利用效率和供電效率，其中F 級(jí)的系統(tǒng)能源利用效率達(dá)到56%，供電效率達(dá)到40%，有利于降低系統(tǒng)的單位造價(jià)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，符合大規(guī)模生產(chǎn)化工產(chǎn)品和電力的發(fā)展方向.

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