基于煤制氫項目的鍋爐方案與整體煤氣化聯合循環方案的比較

唐鳳金，張宗飛，姜賽紅，游　偉，章衛星，居　偉，劉春艷，白保明

(中國五環工程有限公司　湖北武漢　430223)

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基于煤制氫項目的鍋爐方案與整體煤氣化聯合循環方案的比較

唐鳳金，張宗飛，姜賽紅，游偉，章衛星，居偉，劉春艷，白保明

(中國五環工程有限公司湖北武漢430223)

摘要介紹了整體煤氣化聯合循環(IGCC)技術的工藝流程與優點。針對與國內某15 000 kt/a油品項目配套的制氫裝置，對鍋爐方案與IGCC方案的工藝裝置規模、原料煤和燃料煤用量、用電負荷、廢水和廢氣排放量、裝置投資、財務評價指標等進行了全面比較。比較結果表明，該項目選擇鍋爐方案較為適宜。

關鍵詞煤化工IGCC方案比較

Comparison of Boiler Project and IGCC Project Based on Hydrogen Preparation Technology from Coal

Tang Fengjin, Zhang Zongfei, Jiang Seihong, You Wei, Zhang Weixing, Ju Wei, Liu Chunyan, Bai Baoming

(Wuhuan Engineering Co., Ltd.Hbei Wuhan430223)

AbstractThe process flow and advantages of integrated gasification combined cycle (IGCC) is introduced. In connection with the hydrogen preparation unit, which is supporting facility of a domestic 15 000 kt/a oil product project, a comprehensive comparison is carried out of unit scale, quantities of feed coal and bunker coal, electrical load, discharge of waste water and exhaust gas, unit investment and financial evaluating indices of boiler project and IGCC project. The results of comparison show that the boiler project is a suitable choice for this project.

Keywordscoal chemical industryIGCCscheme comparison

對于煤化工項目全廠動力站的配置，根據全系統熱負荷、動力負荷平衡要求，既可以采用傳統的鍋爐方案(動力站配置鍋爐)，也可采用整體煤氣化聯合(IGCC)方案(動力站配置燃氣輪機-蒸汽輪機)。針對與國內某15 000 kt/a油品項目配套的制氫裝置，以專利商提供的氣化與燃氣輪機工藝技術信息包為基礎，對動力站分別采用鍋爐方案與IGCC方案的工藝裝置規模、原料煤和燃料煤用量、用電負荷、廢水和廢氣排放量、裝置投資、財務評價指標等進行了全面比較。

1IGCC簡介

IGCC是將潔凈的煤氣化技術和高效的燃氣-蒸汽聯合循環發電技術相結合的先進供能系統，具有發電效率高、用水量少、CO2捕集更具優勢、生產的廢渣易處理以及極好的環保性能等優點，是一種有發展前景的潔凈煤發電技術。該系統由兩部分組成，即煤的氣化與凈化部分(第1部分)和燃氣-蒸汽聯合循環發電部分(第2部分)，第1部分主要包括空分裝置、氣化裝置和凈化裝置(包括硫回收裝置)，第2部分主要系統包括燃氣輪機系統和余熱鍋爐系統[1]。

IGCC工藝流程：以煤為原料，通過氣化爐將煤轉變成中低熱值煤氣，經凈化除去煤氣中的氮化物、硫化物、粉塵等雜質，使之成為清潔的煤氣；凈化后的煤氣被送入燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工作介質以驅動燃氣透平做功；燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱鍋爐給水，產生的過熱蒸汽帶動蒸汽輪機進行發電，從而實現燃氣-蒸汽聯合循環發電，并通過聯合循環實現能量的高效梯級利用[2]。

2鍋爐方案與IGCC方案的比較

制氫裝置的制氫能力為15億m3/a(標態)，采用鍋爐方案與IGCC方案的對比范圍：鍋爐方案的空分裝置、造氣制氫裝置(包括煤氣化裝置與凈化裝置)及熱電站；IGCC方案的空分裝置、造氣制氫裝置及IGCC島。根據IGCC規模與全系統熱電規模相匹配的原則，為更好地優化IGCC方案，對IGCC方案進一步細化了3種方案，即4臺9E燃氣輪機方案(IGCC方案一)、2臺9F燃氣輪機方案(IGCC方案二)和3臺9E燃氣輪機方案(IGCC方案三)。

2.1 工藝裝置規模

根據全系統物料平衡與蒸汽平衡，鍋爐方案與IGCC方案工藝裝置規模對比見表1。

表1鍋爐方案與IGCC方案工藝裝置規模對比

項 目鍋爐方案IGCC方案一IGCC方案二IGCC方案三空分裝置2×82000m3/h(汽驅)2×82000m3/h(汽驅)2×100000m3/h(電驅)2×82000m3/h(汽驅)2×100000m3/h(電驅)4×75000m3/h(電驅)煤氣化裝置激冷流程氣化爐,3開1備廢熱鍋爐流程氣化爐,4開2備廢熱鍋爐流程氣化爐,4開2備廢熱鍋爐流程氣化爐,4開2備凈化裝置CO+H2流量345000m3/h(標態)CO+H2流量789374m3/h(標態)CO+H2流量824033m3/h(標態)CO+H2流量669926m3/h(標態)動力站3×25MW超高壓抽背式發電機組,6×450t/h循環流化床鍋爐4臺9E燃氣輪機,4臺余熱鍋爐2臺9F燃氣輪機,2臺余熱鍋爐3臺9E燃氣輪機,3臺余熱鍋爐

由表1可知：采用IGCC方案時，由于造氣制氫裝置需要提供燃料氣供IGCC島燃氣輪機用，造氣制氫裝置中煤氣化裝置規模相應變大，故其空分裝置規模基本為鍋爐方案的2倍左右；根據產氫量、IGCC島所需燃料氣量與全廠蒸汽需求用量，煤氣化裝置由鍋爐方案的3開1備激冷流程氣化爐優化為IGCC方案時的4開2備廢熱鍋爐流程氣化爐；凈化裝置按煤氣化裝置相應配置，動力站按照4臺9E燃氣輪機方案、2臺9F燃氣輪機方案和3臺9E燃氣輪機方案分別考慮。

2.2 原料煤和燃料煤用量對比

鍋爐方案與IGCC方案的原料煤和燃料煤用量對比見表2。

表2鍋爐方案與IGCC方案的原料煤和燃料煤用量對比(kt·a-1)

項 目鍋爐方案IGCC方案一IGCC方案二IGCC方案三石油焦用量546546546546原料煤用量787340635552890燃料煤用量2560000

由表2可知：鍋爐方案原料煤量消耗量最少，但燃料煤消耗量為2 560 kt/a；IGCC方案均需消耗大量的原料煤供氣化爐生產合成氣。

2.3 用電負荷對比

鍋爐方案與IGCC方案用電負荷對比見表3。

表3　鍋爐方案與IGCC方案用電負荷對比　MW

由表3可知：鍋爐方案雖然發電量為54 MW，但由于動力站自用電量為64 MW，超過其發電量，故無電量上網；IGCC方案在滿足IGCC島用電負荷外均有一定電量上網，其中IGCC方案二外供電量最多，IGCC方案三由于空分裝置空壓機、增壓機均采用電機驅動，故上網電量最少。

2.4 廢水和廢氣排放量對比

鍋爐方案與IGCC方案廢水和廢氣排放量對比見表4。

由表4可知：鍋爐方案廢水排放量均比IGCC方案少，這是由于IGCC方案造氣制氫裝置規模是鍋爐方案的2倍以上，造成IGCC方案產生的廢水量較大；鍋爐方案采用循環流化床鍋爐，正常工況下5臺運行、1臺備用，燃煤鍋爐同步配套建

表4鍋爐方案與IGCC方案廢水和廢氣排放量對比

項 目鍋爐方案IGCC方案一IGCC方案二IGCC方案三廢水排放量/(kt·a-1)446.5125813131068NOx排放量/(t·a-1)1764151016141151SO2排放量/(t·a-1)1296604646460

設脫硫脫硝設施，其中NOx和SO2排放量分別為1 764 t/a和1 296 t/a，污染物排放量可以滿足環保要求；采用IGCC方案后，盡管NOx和SO2排放量明顯減少，但由于IGCC的運行可靠性比預想的要低，造成事故排放量增多，增大了環保與次生災害的風險。

2.5 投資對比

鍋爐方案與IGCC方案投資估算根據專利商報價在同一基準條件下進行編制，2種方案對比范圍內投資對比見表5。

表5　鍋爐方案與IGCC方案投資對比　萬元

由表5可看出，IGCC方案的總投資比鍋爐方案多50～70億元，在總投資方面鍋爐方案優勢較大。

2.6 財務評價指標對比

鍋爐方案與IGCC方案投資估算在同一基準條件下進行編制，2種方案對比范圍內主要財務評價指標對比見表6。

表6鍋爐方案與IGCC方案主要財務評價指標對比

項 目鍋爐方案IGCC方案一IGCC方案二IGCC方案三年均銷售收入/萬元511360511360511360511360年均銷售稅金/萬元1087590177213716年均總成本費用/萬元507302514463496425519423年均利潤總額/萬元2971-90037215-11778年均所得稅/萬元16337362933328年均稅后利潤/萬元1338-97394281-12106全投資財務凈現值 (稅前)/萬元-219489-488478-426807-433246全投資財務內部收益率 (稅前)/%4.23.04.22.7

由表6可看出，鍋爐方案優于IGCC方案。

3IGCC用于該煤制氫裝置的局限性

在該煤制氫裝置的鍋爐方案中，空分裝置、造氣制氫裝置及鍋爐房總投資約49億元；而IGCC方案為提供這部分燃料氣，空分裝置、煤氣化裝置及凈化裝置的規模需擴大1倍左右，加上燃氣輪機費用，增加投資約50億元，基本是鍋爐方案中空分裝置、造氣制氫裝置及鍋爐房總投資的2倍，這與用低熱值氣作燃料的燃氣輪機價格昂貴(需進口)有關。筆者對IGCC能否在該煤制氫裝置中應用進行了認真分析和研究，認為采用IGCC方案存在一定的局限性。

(1)IGCC的定位與該煤制氫裝置的需求存在根本不同

IGCC可以實現多聯產，即利用氣化爐產生的合成氣(主要成分是CO和H2)生產多種具有高附加值的化工產品和液體燃料，但其最大的優勢及定位還是在高效發電上，其發電機包括燃氣輪機和蒸汽輪機兩大部分，即IGCC的主要產品是電力。由于IGCC裝置一般有10多個獨立單元相互集成為一個整體，如果其中某一個單元出現故障，整個裝置的運行將受到影響，由此會危及到全系統的運行，造成較大的經濟損失。另外，采用IGCC技術如不補充燃料，在燃氣輪機下游的余熱鍋爐中難以產生超高壓蒸汽，而產生4.2 MPa壓力等級的蒸汽較適宜，但產汽量偏少。如該煤制氫裝置采用IGCC技術，以IGCC方案一為例，需提供1 500 t/h蒸汽，發電量為518 MW，此時新增的2套制氧量為100 000 m3/h(標態)的空分裝置的空壓機及增壓機采用電驅才能滿足供電平衡，否則會導致IGCC島發電量過大而全系統蒸汽量不足的局面。但此安排與IGCC的定位相矛盾，也不再具有比較優勢。

(2)煤氣化產物的用途不同

在IGCC方案中，煤氣化裝置制取的合成氣主要用作燃料以推動燃氣輪機發電和產生蒸汽推動蒸汽輪機發電。而在該煤制氫裝置中，煤氣化裝置制取的合成氣除用于生產IGCC島所需的燃料氣外，還需從中得到氫氣作為生產清潔燃料和油品的原料。因此，由于煤氣化產物用途的不同，也導致凈化裝置的配置相對要復雜得多，間接增加了IGCC方案的投資成本。

(3)采用IGCC方案的技術經濟性不佳

由于IGCC技術復雜，關鍵設備需要進口，設備制造和項目建設周期長，因此項目投資較高。鍋爐燃料煤可采用褐煤，價格較低；而選用IGCC方案后，氣化爐需采用品質較好的原料煤，其價格相應較高，總投資及用煤方面導致IGCC島的運行成本顯著增加，但IGCC方案在發電方面占有一定的優勢。對于該煤制氫裝置，以基準收益率12%測算，鍋爐方案的全投資財務內部收益率為4.2%，全投資財務凈現值為-21.9億元；IGCC方案的全投資財務內部收益率為2.7%～4.2%，全投資財務凈現值為-48.8～-42.7億元，從技術經濟性角度考慮，鍋爐方案優于IGCC方案。

(4)IGCC島的可靠性問題

對該煤制氫裝置而言，IGCC島以供熱為核心，系統耦合度高。當1臺燃氣輪機發生故障時，盡管設置有燃氣啟動鍋爐，但燃氣啟動鍋爐為冷備，需要1～2 h的啟動時間。在這段啟動時間內，會對用汽大戶的化工裝置產生嚴重威脅，可能造成非正常排放量增多，增加了環保風險和次生災害。而鍋爐方案的動力站設置6臺450 t/h循環流化床鍋爐，全系統用汽量約為1 500 t/h。在保證機組供熱的前提下，正常情況下5臺鍋爐運行，1臺鍋爐檢修備用。如果1臺鍋爐計劃內停運，可以投運備用鍋爐；如果1臺鍋爐出現故障而緊急跳車，其他4臺鍋爐滿負荷運行仍可保證全系統供汽。若采用IGCC方案，為了保證IGCC島的可靠性，需采用設備備用的方式，而IGCC島的設備投資巨大，對項目的經濟性影響較大。因此，從全系統供熱可靠性方面考慮，鍋爐方案優勢更大。

(5)目前實際應用的IGCC裝置尚處于試生產的磨合完善階段

據中國機電工程協會介紹，研究和建設IGCC的目的是為了追求成套設備的效率，并要求有較高的可靠性和可用率。從歐美已建成的若干套IGCC示范工程來看，其實際效率明顯優于超臨界機組，但在運行中也暴露出一些不可忽

視的問題，如實際效率達不到設計要求、大多數IGCC裝置的可用率仍低于傳統的燃煤機組等，對整體優化與局部優化問題、氣化爐對不同煤種的適應性問題、煤氣的高溫潔凈處理問題以及不同氣化方式的技術經濟比較問題等仍需進一步研究。

4結語

IGCC裝置一般由多個單元相互集成為一個整體，系統依賴度高，其運行情況將成為影響裝置運轉率的一個新的制約因素。IGCC裝置中的燃氣輪機調試過程較長，且費用較高。IGCC通常用高熱值的天然氣作燃料，用低熱值的煤氣化合成氣作燃料的裝置在國外為數不多，國內也僅有華能綠色煤電IGCC工程1項，目前仍處于運行磨合期。據悉，目前大多數IGCC裝置的可用率仍處低于傳統的燃煤機組，對此類風險因素需要重視。化工裝置與IGCC裝置的結合是新生事物，目前尚未有工程應用實例，更無使用經驗，如何將兩者完善結合，對設計和操作均是新的課題。

由于動力站是大型聯合化工裝置穩定運行的重要基礎裝置，具有重要的地位。鑒于IGCC技術自身存在的問題和不足，目前國內外還沒有將IGCC技術與大型聯合化工裝置的多聯產系統耦合在一起可供借鑒的成功范例，對集成后系統的性能還有待于更加深入的認識，許多問題有待進一步研究。

綜合以上因素，筆者認為雖然IGCC具有發電效率高、環保性能好等優勢，但化工裝置在選擇結合IGCC時仍需慎重，對化工裝置與IGCC的耦合必須從經濟性、可靠性、技術成熟度、長周期運行等多角度進行充分深入的調查與研究。

參考文獻

[1]林發現，張宗飛.基于IGCC電站空分系統的選型與配置[J].化肥設計，2011(3)：22- 24.

[2]鄧春麗.淺談IGCC技術在西部的發展[J].煤炭科技，2013(4)：69- 70.

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(收稿日期2014- 03- 25)

中圖分類號：TK08

文獻標識碼:A

文章編號：1006- 7779(2016)02- 0057- 04

作者簡介：唐鳳金，助理工程師，碩士，從事化工工程設計工作；tangfengjin@cwcec.com。