空分設備在新型發電系統IGCC 的工程應用
摘 要：空分設備是整體煤氣化聯合循環（IGCC）發電系統的重要組成部分。本文探討了不同空分工藝流程及其與IGCC 的連接匹配對IGCC 整體性能的影響；并對與空分設備連接的IGCC 的煤氣化部分進行了討論，通過分析現有工程上不同的煤氣化工藝，為IGCC 系統方案的優化選擇提供依據。
關鍵詞：IGCC,空分設備,煤氣化,優化,工程
前 言
整體煤氣化聯合循環（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）發電系統以其高效、低污染等優勢，被認為是世界上最具發展前途的潔凈煤發電技術之一。它由兩大部分組成：煤的氣化與凈化以及燃氣-蒸汽聯合循環發電部分。煤的氣化與凈化部分主要有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設備，燃氣-蒸汽聯合循環發電主要有燃氣輪機發電系統、余熱鍋爐、蒸汽輪機發電系統。經過幾十年研究與發展，一些單項技術如氣化爐、空分設備、燃氣輪機、蒸汽輪機、煤氣脫硫、余熱鍋爐等有一定的技術基礎，但設備與設備之間關聯匹配的研究較少。空分設備是IGCC 發電系統的一個重要組成部分，它為氣化爐提供助燃氧氣以及輸煤氮氣，保證IGCC 系統能夠長期、安全可靠運行。因此，研究空分工藝流程及其與IGCC的結合，使得空分設備作為IGCC的子系統更加高效的運行，對有效的提高IGCC 整體的發電效率具有十分重要的意義。
1．IGCC 系統對空分設備的要求
IGCC 的工藝過程：煤經氣化成為中低熱值煤氣，經過凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變為清潔的氣體燃料；然后送入燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工質以驅動燃氣透平作功；燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產生過熱蒸汽驅動蒸汽輪機作功。可見，煤的氣化工藝是IGCC 系統的龍頭，煤氣化爐則是煤氣化的核心設備，需要空分設備提供氧氣和氮氣，其中氧氣是媒的氣化劑，氮氣或污氮氣用于稀釋煤氣，降低煤氣的閃點溫度以抑制NOx 的形成，使廢氣中的NOx 含量低于排放標準。
因此，煤氣化工藝決定了與之結合的空分設備的工藝參數，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，氣固兩相逆向流動傳熱與傳質。固定床氣化爐設計有兩個煤氣出口，從干燥區上部的出口引出一半的煤氣；另一半的煤氣則從氣化區的頂部引出。
在 IGCC 系統工程上應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排渣氣化爐，容易造成床體阻塞，煤氣質量不穩定。此后在固態排渣魯奇爐的基礎上發展了液態排渣魯奇爐，提高了煤的氧化速率和碳的轉化率，對煤粒直徑的要求也比固態排渣爐的要寬，但是液態排渣氣化爐排渣的物理熱損失大，并且煤氣生產能力有限，限制了其在 IGCC 系統工程上的應用。
流化床氣化爐改善了固定床氣化爐的缺點，床內采用氣固兩相間的高強度的傳熱和傳質，用氧壓力一般在3~8MPa。同時，通過加入脫硫劑，脫除SO2 和H2S，進行初級的凈化。但在工藝及輔機配套、連續運行時間、負荷、磨損、漏煙、脫硫等技術方面還有待完善，影響了它的工程應用普及，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 是干法進煤的氣化爐；DEXCO、GE 和CE 屬于水煤漿進煤的氣化爐。近年來，華電半山電廠、兗礦分別與華東理工大學對水煤漿進煤的噴流床氣化爐進行了聯合研制。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％；稀釋煤氣的氮氣或污氮純度為96％~99.9％。由于噴流床氣化爐的優點，其在今后發展大容量高效率的IGCC 電站中具有強有力的競爭地位。
3．空分裝置流程的選擇與IGCC 的結合方式
3.1 基于IGCC 的空分流程形式
IGCC 系統用氧量氣一般在4~6 萬立方米氧氣范圍，只有低溫精餾法才能滿足IGCC 系統大量的工業化用氧。目前單套空分設備已達到制備6 萬標準立方米氧氣以上的水平。空分流程一般分為外壓縮、內壓縮流程，可以滿足 IGCC 系統對用氧、用氮壓力和純度的要求。外壓縮流程通過生產低壓氧氣，再經過氧壓機增壓后供給用戶。內壓縮流程則取消了氧壓機，直接從冷凝-蒸發器抽取液氧，由液氧泵加壓，復熱后供給用戶。增壓空壓機或增壓氮壓機（氮氣循環流程）在內壓縮流程中代替了氧壓機，在國內、外均有大量運行業績；同時內壓縮流程成熟可靠的，安全性好。外壓縮流程對氧壓機安全要求較高，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；同時空分的污氮產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 對空分設備變負荷的要求。這就造成空分流程有諸多可變因素。應當綜合考慮以上因素，確定合適與優化的空分流程。
3.2 空分裝置與IGCC 的結合方式
空分設備與 IGCC 結合的目的是降低設備投資與生產成本，提高由煤轉化為電的熱效率，控制NOx 含量在可接受的水平。燃氣透平在使用低熱值的燃氣時，為保持平衡通常要排放一部分的空氣，IGCC 空分設備的流程選擇應考慮合理利用這部分空氣，作為加工空氣，因此空分設備與IGCC 結合方式主要有：獨立空分、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，獨立空分不抽取帶壓空氣，這種形式，原料空氣壓縮機的投資較高，廠用電率較大，但它運行靈活，且此時燃氣輪機的效率較高；如圖2 所示，完全整體化空分則全部采用帶壓空氣，原料空氣壓縮機的投資較低，廠用電率較低，但運行不夠靈活，燃氣輪機的效率較低；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、氮產品的出口壓力提高，原料空壓機壓縮比下降，這種變化帶來的好處是空分設備的壓力損失和外形尺寸大大減少，產品氧、氮壓縮機的能耗下降，總能耗下降。但壓力升高后氧、氮、氬之間的相對揮發度也相應減少，相同的純度和回收率時需要更多的理論塔板數。需要對此方案優弊進行比較，使投資及運行成本達到一個較好的平衡點。
3．IGCC 系統空分流程的工程設計
3.1 空分流程方案的提出
華電半山電廠將新建一套200MW 級IGCC 發電示范工程，以下以該工程為例分析一下 IGCC 系統中空分設備流程的選擇。
該項目經過對整個系統的平衡計算，對氧氣產品的產量要求為48,000 Nm3/h、壓力要求為出冷箱壓力為56bar、純度為99%的氧；因為燃氣輪機的采取了水蒸氣回注的方式，則不需要空分設備提供帶壓氮氣；同時，燃氣輪機可以提供流量為20,900 Nm3/h、壓力為6～7bar、溫度為50℃的帶壓空氣。
根據上述條件，經過初步選擇，提出了以下三個流程方案進行比較。
方案一：常規外壓縮+氧氣壓縮機空分流程
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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；一股空氣進入主換熱器，被返流氣體冷卻至飽和溫度進入下塔。另一股相當于膨脹量的空氣進入增壓機增壓，冷卻后進入主換熱器，從中部抽出進入膨脹機，膨脹后的大部分空氣送入上塔，其余進入污氮管道。空氣經下塔初步精餾后，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入液空液氮過冷器過冷后送入上塔進一步精餾，液氧從冷凝蒸發器底部抽出送入貯存系統，在上塔底部獲得產品氧氣由氧氣透平壓縮機壓縮至所需壓力進入氧氣管網。從下塔頂部抽出的壓力氮氣經主換熱器復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液空液氮過冷器過冷后送入貯存系統。
方案二：膨脹空氣進下塔內壓縮空分流程
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如圖 5 所示，凈化后的空氣分成三股：第一股進入低壓板式換熱器，出換熱器底部后進入下塔；第二股進入膨脹機的增壓風機中增壓，然后被冷卻器冷卻至常溫后進入低壓板式換熱器，再從換熱器中部抽出進入膨脹機去膨脹。膨脹后的空氣進入上塔；第三股空氣經增壓空壓機的增壓后過冷器冷卻至常溫后進入高壓板式換熱器，與高壓液氧及返流污氮氣體換熱。這部分高壓空氣從換熱器底部抽出經節流進入下塔。空氣經下塔初步精餾后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經過冷器過冷后節流進入上塔進一步精餾，在上塔底部獲得液氧，并經液氧泵壓縮后進入高壓板式換熱器，復熱后出冷箱，進入氧氣管網。
AF—空氣過濾器，ATC1—原料空壓機，ATC2—增壓空壓機，AC—空冷塔
WC—水冷塔，SH—蒸汽加熱器，ET—膨脹機，MS——分子篩吸附器
BT—膨脹機增壓端，E1—板式換熱器，E3—過冷器，WP—水泵，OP—液氧泵
C1—下塔，C2—上塔，K1—主冷凝蒸發器，C701—增效塔
方案三：膨脹空氣進上塔內壓縮空分流程
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如圖 6 所示，凈化后的空氣分成三股：第一股進入低壓板式換熱器，出換熱器底部后進入下塔；第二股進入膨脹機的增壓風機中增壓，然后被冷卻器冷卻至常溫后進入低壓板式換熱器，再從換熱器中部抽出進入膨脹機去膨脹。膨脹后的空氣進入上塔；第三股空氣經增壓空壓機的增壓后過冷器冷卻至常溫后進入高壓板式換熱器，與高壓液氧及返流污氮氣體換熱。這部分高壓空氣從換熱器底部抽出經節流進入下塔。空氣經下塔初步精餾后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經過冷器過冷后節流進入上塔進一步精餾，在上塔底部獲得液氧，并經液氧泵壓縮后進入高壓板式換熱器，復熱后出冷箱，進入氧氣管網。
3.2 空分流程方案的比較與優化
針對上述流程方案，對能耗、機器設備以及投資等關鍵指標進行了計算和比較，具體計算如表1 所示。
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內壓縮流程按膨脹空氣進行入精餾塔的位置不同可以分為膨脹后空氣進上塔和膨脹后空氣進下塔兩種方式。根據上述計算結果可以看出，膨脹進下塔的流程的能耗最高，外壓縮＋氧壓機流程的能耗低于膨脹進下塔的流程，而膨脹后進上塔流程的能耗最低。原因是膨脹進上塔采用低壓增壓透平膨脹機，中壓增壓空壓機，設備效率更高。同時膨脹進下塔流程的空分操作靈活性、設備投資比較、循環壓縮機制造難度在上述方案中最低。因此對此IGCC 發電示范工程優選方案三——膨脹后進上塔流程。
此后，對空分流程進行了優化，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 系統的燃氣輪機可以提供約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，和經原料空壓機增壓后的氣體混合、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的排量，節省能耗。
另外針對電力系統負荷調整較為頻繁及要求負荷調整速度較快，下塔采用規整填料來滿足整體變負荷的要求。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行能耗。該 IGCC 項目對于氮氣沒有要求，則可以利用出空分冷箱的多余部分污氮氣，在水冷塔中就可將常溫水冷卻下來，供空氣冷卻塔上部用。這是因為水和干燥污氮氣直接接觸的過程中，由于水的蒸發吸收大量蒸發潛熱，從而使水獲得了降溫效應。這樣可以取消冷凍機組，從而減少廠房面積、投資及維修費用和放寬系統對水質的要求。
由于IGCC 系統對于氧氣的需求量會根據外部溫度及負荷等參數的影響變化，由于空分設備變負荷相對系統的要求較慢，考慮設置液氧后備汽化系統。平時產出一定的液氧送入液氧儲罐以低溫液體的形式儲存，當需求量上升時，抽取貯罐中的液氧經液氧泵增壓后再經液氧汽化器汽化后并入氧氣管網，起一定的平衡作用。
空分裝置產出的高純度氮氣可用作滅火和系統清掃等作用。由于該股氣體非常用氣體，一般可以采取由空分裝置生產液氮進入低溫貯罐后氣化的方式得到。在使用時，從低溫貯罐抽取液氮經過低溫液體泵增壓后得到高壓液氮，進入汽化器汽化后得到高壓氮氣送入IGCC 管網。
4．小結
隨著近年來石油和天然氣價格的飛漲，各國政策將發電技術的研發經費倒向了環保性能優異的IGCC 發電技術，特別是在以煤為主要一次能源的我國，IGCC 發電技術將具有更加廣闊的發展前景。
本文對基于 IGCC 的空分流程形式進行了介紹；對空分裝置與IGCC 的結合方式進行了初步探討；并結合華電半山電廠一套200MW 級IGCC 發電示范工程，對該IGCC 系統中空分流程進行了比較和優化，為實際工程提供依據。
由于 IGCC 系統復雜，不同的IGCC 項目對于空分裝置的產品需求也不盡相同，所以在總體流程設計中應注重整體流程的匹配及優化，使得從投資及運行能耗上達到最佳平衡點。同時，IGCC 系統是一個動態系統，影響到空分設備的動態負荷變化，考察基于IGCC 系統的空分設備的動態特性是IGCC 工程應用的一個重要的研究方向。
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