并聯型IGCC甲醇多聯產系統集成與性能指標研究

朱志劼，顧華年，范雪飛，陳 健，劉傳亮

（上海發電設備成套設計研究院，上海200240）

中國未來能源系統的發展方向應是實現資源多元化、產品多樣化、污染極小化和效益極大化［1］.以合成氣為核心的多聯產系統是代表這一方向的跨越式技術路線，是綜合解決能源與環境問題的重要途徑和關鍵技術，特別是整體煤氣化聯合循環（IGCC）多聯產在電力和化工行業的應用符合我國能源發展和溫室氣體減排的戰略要求.

根據2007年統計數據，北美地區計劃在建IGCC項目55個，北美以外地區26個［2-5］.但2010年2月的數據表明，全球范圍內擬建的IGCC 項目數量相比2007年下降，這是由于IGCC 電站建設具有不確定性，CO2捕捉法規、運輸和封存的法律責任、CO2排放稅收等使IGCC 電站規劃者處于困境［6］.但對IGCC的推廣并未停滯，如美國裝機容量618 MW 的Edwardsport IGCC 電站將于今年投入商業運行，美國Summit電力集團的TCEP IGCC多聯產項目裝機容量為400 MW，目前進展順利，預計將在2015年投入商業運行［7-8］.

IGCC的成本是困擾IGCC 技術推廣及示范電站建設的首要問題，國內外IGCC 的建設成本居高不下.通過多聯產系統將IGCC 發電與化工耦合來實現能量流、物質流總體優化，并通過規模效應及化工產品的生產降低單位投資成本，使各產品的工藝流程和設備得到簡化，投資和運行成本得以降低，將大大改善IGCC 的經濟性，增強市場競爭力，推動IGCC這一先進技術的發展［9-10］.

1 IGCC甲醇-電力多聯產系統的流程

甲醇的生產大部分依賴于天然氣，但由于我國天然氣價格和儲量因素使得煤炭成為我國進行甲醇大規模生產的首選原料.為了滿足甲醇合成反應對n（H2）／n（CO）為2～2.4的要求，合成氣需要經過CO 轉化過程，調整n（H2）／n（CO），經調整后的合成煤氣通過凈化過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種并聯型IGCC甲醇-電力多聯產系統的示意圖.

圖1 并聯型IGCC甲醇-電力多聯產系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of parallel type IGCC methanol-power poly-generation system

1.1 并聯型IGCC甲醇-電力多聯產系統

圖2 串并聯型IGCC甲醇-電力多聯產系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of series-parallel type IGCC methanolpower poly-generation system

圖1為并聯型IGCC 甲醇-電力多聯產系統示意圖.由圖1可知，煤氣化得到的合成氣被分成2股，一部分經過凈化脫除絕大部分硫化物及灰塵、提取氫氣后，直接作為燃料進入聯合循環系統發電，其余作為甲醇合成的新鮮原料氣，經過水煤氣變換得到甲醇合成所需要的富H2新鮮氣，凈化后進入甲醇合成及精餾系統，在水煤氣變換及甲醇合成等過程中產生的富裕中壓蒸汽則匯入蒸汽系統.

1.2 串并聯型IGCC甲醇-電力多聯產系統

圖2為串并聯型IGCC 甲醇-電力多聯產系統示意圖.由圖2可知，用于發電的潔凈合成氣經過膜分離后，一部分作為燃料氣進入聯合循環系統發電，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，進入甲醇合成及精餾系統進行甲醇產品的生產.在水煤氣變換及甲醇合成等過程中產生的富裕中壓蒸汽匯入蒸汽系統.如果將甲醇合成及精餾系統產生的馳放氣、閃蒸汽和不凝氣進一步有效利用，送入燃氣輪機燃燒室中參與燃燒及做功，此系統即為含尾氣利用的串并聯系統.

2 系統方案與計算評價指標

2.1 系統方案

對不同配置的IGCC甲醇多聯產系統方案進行了計算及分析.各方案的配置情況見表1.

各方案均在相應的純發電IGCC 系統的基礎上集成甲醇生產模塊，甲醇合成采用低壓法，壓力為5.3 MPa，溫度為255 ℃.甲醇生產能力均為6×105t／a，滿負荷發電.表2為純發電IGCC 系統的配置情況，以系統動力島燃氣輪機等級命名，B、E、F 分別代表純發電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-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 ℃；燃氣輪機均采用GE 公司50Hz主流機型.煤種采用山西神府煤，煤質分析結果見表3和表4，低位發熱量為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甲醇多聯產系統方案Tab.1 Configurations of different IGCC-methanol poly-generation systems

表2 純發電IGCC系統配置Tab.2 Configurations of the IGCC system for purely power generation

表3 神府煤的工業分析（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 系統方案計算評價指標

凈效率是IGCC 純發電系統的評價指標之一，是系統總出力扣除空氣分離、電廠輔機耗功之后計算得到的供電效率，而對于煤氣化多聯產及IGCC系統而言，除了考慮IGCC本身的性能外，還要考慮化工部分的生產情況，評價煤氣化多聯產及IGCC系統的技術指標主要有碳利用率、甲醇-電力多聯產系統供電效率及系統能源利用效率等.

（1）碳利用率（Xc）

（2）系統能源利用效率（ηsys）

（3）IGCC甲醇-電力多聯產系統IGCC 凈效率（ηIGCC）

（4）IGCC甲醇-電力多聯產系統供電效率（ηe）

“系統能源利用效率”這一指標從多聯產系統的總體輸入輸出角度考慮建立了多聯產總體性能指標.此外，IGCC發電系統可以合理利用化工合成尾氣和余熱.在多聯產系統中，甲醇生產線的馳放氣以及其他余熱回收蒸汽可以與IGCC 發電側有機結合，提高發電循環效率，從而提高了這部分熱能的利用率.而“甲醇-電力多聯產系統IGCC 凈效率”和“甲醇-電力多聯產系統供電效率”則反映了集成甲醇生產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電系統性能的變化情況，是衡量IGCC子系統性能的綜合指標.

3 計算結果及分析

3.1 系統計算結果

以Aspen Plus及Gtpro為軟件平臺，對上述方案進行模擬和計算，計算結果見表6.其中化電比λ為甲醇產品能量與發電量之比，反映了化工生產占多聯產系統的比重.

表6 甲醇-電力多聯產系統性能指標參數Tab.6 Performance indexes of different methanol-power poly-generation systems

3.2 計算結果分析

3.2.1 發電容量

表7比較了IGCC 純發電系統及并聯型甲醇-電力多聯產系統的凈出力.由表7可知，在集成甲醇化工流程之后，各等級系統的凈出力增加，與純發電系統相比，B、E、F級并聯型甲醇-電力多聯產系統的凈出力分別提高37.7%、18.8%和11.8%.這是因為甲醇生產與IGCC結合后，在甲醇合成、氣體變換過程中產生的富余蒸汽進入到IGCC 側的蒸汽循環子系統，提高了該部分的蒸汽品質，增大了蒸汽流量，因此，IGCC系統總出力將增加.甲醇-電力多聯產系統的化工生產用電由IGCC 發電提供，廠總用電量必然比單獨生產甲醇和IGCC發電的功耗之和低，主要原因是化工系統和IGCC 發電系統集成之后，氣化爐和空氣分離部分為公用，規模效應突顯.

表7 并聯型甲醇-電力多聯產系統凈出力與IGCC純發電系統凈出力的比較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-電力多聯產系統 的IGCC 凈效率ηIGCC

圖3～圖5分別為B級、E 級、F級IGCC甲醇-電力多聯產系統的IGCC 凈效率示意圖，圖中直觀地顯示了集成甲醇生產模塊后IGCC 凈效率的變化.

圖3 B級甲醇-電力多聯產系統IGCC凈效率Fig.3 Net efficiency of B-class methanol-power poly-generation system

在未進行甲醇多聯產時，Texaco水煤漿氣化激冷流程組成的IGCC 發電系統凈效率都不高，采用F級燃氣輪機的系統凈效率也只達到38.73%，但加入化工流程后，兩部分存在物質與能量的交換，尤其是動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級甲醇-電力多聯產系統IGCC凈效率Fig.4 Net efficiency of E-class methanol-power poly-generation system

圖5 F級甲醇-電力多聯產系統IGCC凈效率Fig.5 Net efficiency of F-class methanol-power poly-generation system

3.2.3 IGCC甲醇-電力多聯產系統供電效率ηe

圖6給出了B級、E級、F級的IGCC甲醇-電力多聯產系統供電效率的變化規律.IGCC 系統與化工生產系統流程集成后，需向化工單元提供生產所需電力，系統供電效率即為扣除了化工用電后的系統凈效率.由圖6可以看出，B 級IGCC 系統增加化工流程后，多聯產系統供電效率降至30%以下；E級IGCC系統增加化工流程后，多聯產系統供電效率仍然維持在35%左右；F 級IGCC 系統增加化工流程后，多聯產系統供電效率比純IGCC 供電效率高，其效率約為40%.這是因為在甲醇生產能力一定的前提下，燃氣輪機等級越高，系統發電量越大，化工部分的廠耗電率也就越低.

圖6 IGCC甲醇-電力多聯產系統供電效率與IGCC純發電供電效率的比較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-電力多聯產系統能源利用效率ηsys

圖7給出了6×105t／a IGCC甲醇-電力多聯產系統的能源利用效率.由圖7可知，化工生產單元的加入使得多聯產系統能源的利用效率大大提高，達到52%以上，其中F級并聯型系統的能源利用效率最高，達到55.9%.

圖7 6×105 t／a IGCC甲醇-電力多聯產系統的能源利用效率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-電力多聯產系統碳利用率的比較

系統發電容量越大，碳利用率越低，因為碳利用率反映了煤炭轉化為甲醇產品的比重.在相同甲醇生產規模下，與并聯型系統相比，串并聯型系統的碳利用率較高，B級、E級和F級的串并聯多聯產系統的Xc均比并聯型系統高2%，這是由于串并聯系統的甲醇合成氣部分來自IGCC 凈化系統，減少了氣化爐出口去甲醇合成段的粗煤氣流股，因此節約了氣化用煤量，提高了煤炭轉化比率.

3.2.6 不同配置的IGCC 甲醇-電力多聯產系統總煤耗的比較

串并聯系統的總煤耗優于并聯系統的總煤耗，且燃氣輪機系統越先進，多聯產及IGCC 系統的節煤效應越明顯.圖8給出了不同形式的IGCC 甲醇-電力多聯產系統的總煤耗.由圖8可知，B級串并聯系統煤耗比并聯系統節約218t／d；E 級串并聯系統煤耗比并聯系統節約530t／d，而帶尾氣利用的E級串并聯系統煤耗比并聯系統節約628t／d；F 級串并聯系統煤耗比并聯系統節約994t／d.

圖8 不同形式IGCC甲醇-電力多聯產系統的總煤耗Fig.8 Total coal consumption of different IGCC methanolpower poly-generation systems

4 結 論

（1）IGCC甲醇-電力多聯產系統通過集成化工生產模塊，增加了中高品質蒸汽，提高了IGCC 發電系統的凈發電量.

（2）燃氣輪機聯合循環的配置對IGCC甲醇-電力多聯產系統的性能指標起著主導作用，燃氣輪機的配置越高，系統的凈發電量越大，系統的效率指標也越優異.

（3）不同形式的IGCC 甲醇-電力多聯產系統中，并聯型甲醇-電力多聯產系統具有較高的能源利用效率和供電效率，其中F 級的系統能源利用效率達到56%，供電效率達到40%，有利于降低系統的單位造價，實現規模經濟效應，符合大規模生產化工產品和電力的發展方向.

［1］倪維斗.論煤氣化多聯產及IGCC 發展的必要性和緊迫性［J］.化工技術經濟，2005，23（7）：7-8. NI Weidou.Discuss on necessity and urgency of coal gastification and IGCC development［J］.Chemical Techno-Economics，2005，23（7）：7-8.

［2］JAEGER H.Next generation IGCC projects and technologies［J］.GTW，2007（1／2）：20-28.

［3］JAEGER H.Operational IGCC plants［J］.GTW，2007（1／2）：12-13.

［4］JAEGER H.North America proposed projects［J］.GTW，2007（1／2）：14-16.

［5］JAEGER H.Projects outside North America［J］.GTW，2007（1／2）：17-18.

［6］JAEGER H.2010status of active IGCC projects under development［J］.GTW，2010（1／2）：18-25.

［7］JAEGER H.Commercial 50 Hz and 60 Hz IGCC plants［J］.GTW Handbook，2012，29：106-108.

［8］JAEGER H.IGCC power and gasification technology［J］.GTW，2011（11／12）：31.

［9］歐陽海瑛.IGCC多聯產項目的經濟性分析［J］.電力技術，2008，10（2）：36-39. OUYANG Haiying.Economic analysis on IGCC polygeneration project［J］.Electric Power Technology，2008，10（2）：36-39.

［10］馮靜.通過聯產甲醇提高整體煤氣化聯合循環系統的變負荷性能［J］.動力工程，2008，28（1）：157-162. FENG Jing.Improving load modulation capability of integrated gasification combined cycle systems by coproducing methanol［J］.Journal of Power Engineering，2008，28（1）：157-162.