基于煤制氢项目的锅炉方案与整体煤气化联合循环方案的比较

唐凤金，张宗飞，姜赛红，游　伟，章卫星，居　伟，刘春艳，白保明

(中国五环工程有限公司　湖北武汉　430223)



基于煤制氢项目的锅炉方案与整体煤气化联合循环方案的比较

唐凤金，张宗飞，姜赛红，游伟，章卫星，居伟，刘春艳，白保明

(中国五环工程有限公司湖北武汉430223)

摘要介绍了整体煤气化联合循环(IGCC)技术的工艺流程与优点。针对与国内某15 000 kt/a油品项目配套的制氢装置，对锅炉方案与IGCC方案的工艺装置规模、原料煤和燃料煤用量、用电负荷、废水和废气排放量、装置投资、财务评价指标等进行了全面比较。比较结果表明，该项目选择锅炉方案较为适宜。

关键词煤化工IGCC方案比较

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

对于煤化工项目全厂动力站的配置，根据全系统热负荷、动力负荷平衡要求，既可以采用传统的锅炉方案(动力站配置锅炉)，也可采用整体煤气化联合(IGCC)方案(动力站配置燃气轮机-蒸汽轮机)。针对与国内某15 000 kt/a油品项目配套的制氢装置，以专利商提供的气化与燃气轮机工艺技术信息包为基础，对动力站分别采用锅炉方案与IGCC方案的工艺装置规模、原料煤和燃料煤用量、用电负荷、废水和废气排放量、装置投资、财务评价指标等进行了全面比较。

1IGCC简介

IGCC是将洁净的煤气化技术和高效的燃气-蒸汽联合循环发电技术相结合的先进供能系统，具有发电效率高、用水量少、CO2捕集更具优势、生产的废渣易处理以及极好的环保性能等优点，是一种有发展前景的洁净煤发电技术。该系统由两部分组成，即煤的气化与净化部分(第1部分)和燃气-蒸汽联合循环发电部分(第2部分)，第1部分主要包括空分装置、气化装置和净化装置(包括硫回收装置)，第2部分主要系统包括燃气轮机系统和余热锅炉系统[1]。

IGCC工艺流程：以煤为原料，通过气化炉将煤转变成中低热值煤气，经净化除去煤气中的氮化物、硫化物、粉尘等杂质，使之成为清洁的煤气；净化后的煤气被送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工作介质以驱动燃气透平做功；燃气轮机排气进入余热锅炉加热锅炉给水，产生的过热蒸汽带动蒸汽轮机进行发电，从而实现燃气-蒸汽联合循环发电，并通过联合循环实现能量的高效梯级利用[2]。

2锅炉方案与IGCC方案的比较

制氢装置的制氢能力为15亿m3/a(标态)，采用锅炉方案与IGCC方案的对比范围：锅炉方案的空分装置、造气制氢装置(包括煤气化装置与净化装置)及热电站；IGCC方案的空分装置、造气制氢装置及IGCC岛。根据IGCC规模与全系统热电规模相匹配的原则，为更好地优化IGCC方案，对IGCC方案进一步细化了3种方案，即4台9E燃气轮机方案(IGCC方案一)、2台9F燃气轮机方案(IGCC方案二)和3台9E燃气轮机方案(IGCC方案三)。

2.1 工艺装置规模

根据全系统物料平衡与蒸汽平衡，锅炉方案与IGCC方案工艺装置规模对比见表1。

表1锅炉方案与IGCC方案工艺装置规模对比

项 目锅炉方案IGCC方案一IGCC方案二IGCC方案三空分装置2×82000m3/h(汽驱)2×82000m3/h(汽驱)2×100000m3/h(电驱)2×82000m3/h(汽驱)2×100000m3/h(电驱)4×75000m3/h(电驱)煤气化装置激冷流程气化炉,3开1备废热锅炉流程气化炉,4开2备废热锅炉流程气化炉,4开2备废热锅炉流程气化炉,4开2备净化装置CO+H2流量345000m3/h(标态)CO+H2流量789374m3/h(标态)CO+H2流量824033m3/h(标态)CO+H2流量669926m3/h(标态)动力站3×25MW超高压抽背式发电机组,6×450t/h循环流化床锅炉4台9E燃气轮机,4台余热锅炉2台9F燃气轮机,2台余热锅炉3台9E燃气轮机,3台余热锅炉

由表1可知：采用IGCC方案时，由于造气制氢装置需要提供燃料气供IGCC岛燃气轮机用，造气制氢装置中煤气化装置规模相应变大，故其空分装置规模基本为锅炉方案的2倍左右；根据产氢量、IGCC岛所需燃料气量与全厂蒸汽需求用量，煤气化装置由锅炉方案的3开1备激冷流程气化炉优化为IGCC方案时的4开2备废热锅炉流程气化炉；净化装置按煤气化装置相应配置，动力站按照4台9E燃气轮机方案、2台9F燃气轮机方案和3台9E燃气轮机方案分别考虑。

2.2 原料煤和燃料煤用量对比

锅炉方案与IGCC方案的原料煤和燃料煤用量对比见表2。

表2锅炉方案与IGCC方案的原料煤和燃料煤用量对比(kt·a-1)

项 目锅炉方案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：锅炉方案原料煤量消耗量最少，但燃料煤消耗量为2 560 kt/a；IGCC方案均需消耗大量的原料煤供气化炉生产合成气。

2.3 用电负荷对比

锅炉方案与IGCC方案用电负荷对比见表3。

表3　锅炉方案与IGCC方案用电负荷对比　MW

由表3可知：锅炉方案虽然发电量为54 MW，但由于动力站自用电量为64 MW，超过其发电量，故无电量上网；IGCC方案在满足IGCC岛用电负荷外均有一定电量上网，其中IGCC方案二外供电量最多，IGCC方案三由于空分装置空压机、增压机均采用电机驱动，故上网电量最少。

2.4 废水和废气排放量对比

锅炉方案与IGCC方案废水和废气排放量对比见表4。

由表4可知：锅炉方案废水排放量均比IGCC方案少，这是由于IGCC方案造气制氢装置规模是锅炉方案的2倍以上，造成IGCC方案产生的废水量较大；锅炉方案采用循环流化床锅炉，正常工况下5台运行、1台备用，燃煤锅炉同步配套建

表4锅炉方案与IGCC方案废水和废气排放量对比

项 目锅炉方案IGCC方案一IGCC方案二IGCC方案三废水排放量/(kt·a-1)446.5125813131068NOx排放量/(t·a-1)1764151016141151SO2排放量/(t·a-1)1296604646460

设脱硫脱硝设施，其中NOx和SO2排放量分别为1 764 t/a和1 296 t/a，污染物排放量可以满足环保要求；采用IGCC方案后，尽管NOx和SO2排放量明显减少，但由于IGCC的运行可靠性比预想的要低，造成事故排放量增多，增大了环保与次生灾害的风险。

2.5 投资对比

锅炉方案与IGCC方案投资估算根据专利商报价在同一基准条件下进行编制，2种方案对比范围内投资对比见表5。

表5　锅炉方案与IGCC方案投资对比　万元

由表5可看出，IGCC方案的总投资比锅炉方案多50～70亿元，在总投资方面锅炉方案优势较大。

2.6 财务评价指标对比

锅炉方案与IGCC方案投资估算在同一基准条件下进行编制，2种方案对比范围内主要财务评价指标对比见表6。

表6锅炉方案与IGCC方案主要财务评价指标对比

项 目锅炉方案IGCC方案一IGCC方案二IGCC方案三年均销售收入/万元511360511360511360511360年均销售税金/万元1087590177213716年均总成本费用/万元507302514463496425519423年均利润总额/万元2971-90037215-11778年均所得税/万元16337362933328年均税后利润/万元1338-97394281-12106全投资财务净现值 (税前)/万元-219489-488478-426807-433246全投资财务内部收益率 (税前)/%4.23.04.22.7

由表6可看出，锅炉方案优于IGCC方案。

3IGCC用于该煤制氢装置的局限性

在该煤制氢装置的锅炉方案中，空分装置、造气制氢装置及锅炉房总投资约49亿元；而IGCC方案为提供这部分燃料气，空分装置、煤气化装置及净化装置的规模需扩大1倍左右，加上燃气轮机费用，增加投资约50亿元，基本是锅炉方案中空分装置、造气制氢装置及锅炉房总投资的2倍，这与用低热值气作燃料的燃气轮机价格昂贵(需进口)有关。笔者对IGCC能否在该煤制氢装置中应用进行了认真分析和研究，认为采用IGCC方案存在一定的局限性。

(1)IGCC的定位与该煤制氢装置的需求存在根本不同

IGCC可以实现多联产，即利用气化炉产生的合成气(主要成分是CO和H2)生产多种具有高附加值的化工产品和液体燃料，但其最大的优势及定位还是在高效发电上，其发电机包括燃气轮机和蒸汽轮机两大部分，即IGCC的主要产品是电力。由于IGCC装置一般有10多个独立单元相互集成为一个整体，如果其中某一个单元出现故障，整个装置的运行将受到影响，由此会危及到全系统的运行，造成较大的经济损失。另外，采用IGCC技术如不补充燃料，在燃气轮机下游的余热锅炉中难以产生超高压蒸汽，而产生4.2 MPa压力等级的蒸汽较适宜，但产汽量偏少。如该煤制氢装置采用IGCC技术，以IGCC方案一为例，需提供1 500 t/h蒸汽，发电量为518 MW，此时新增的2套制氧量为100 000 m3/h(标态)的空分装置的空压机及增压机采用电驱才能满足供电平衡，否则会导致IGCC岛发电量过大而全系统蒸汽量不足的局面。但此安排与IGCC的定位相矛盾，也不再具有比较优势。

(2)煤气化产物的用途不同

在IGCC方案中，煤气化装置制取的合成气主要用作燃料以推动燃气轮机发电和产生蒸汽推动蒸汽轮机发电。而在该煤制氢装置中，煤气化装置制取的合成气除用于生产IGCC岛所需的燃料气外，还需从中得到氢气作为生产清洁燃料和油品的原料。因此，由于煤气化产物用途的不同，也导致净化装置的配置相对要复杂得多，间接增加了IGCC方案的投资成本。

(3)采用IGCC方案的技术经济性不佳

由于IGCC技术复杂，关键设备需要进口，设备制造和项目建设周期长，因此项目投资较高。锅炉燃料煤可采用褐煤，价格较低；而选用IGCC方案后，气化炉需采用品质较好的原料煤，其价格相应较高，总投资及用煤方面导致IGCC岛的运行成本显著增加，但IGCC方案在发电方面占有一定的优势。对于该煤制氢装置，以基准收益率12%测算，锅炉方案的全投资财务内部收益率为4.2%，全投资财务净现值为-21.9亿元；IGCC方案的全投资财务内部收益率为2.7%～4.2%，全投资财务净现值为-48.8～-42.7亿元，从技术经济性角度考虑，锅炉方案优于IGCC方案。

(4)IGCC岛的可靠性问题

对该煤制氢装置而言，IGCC岛以供热为核心，系统耦合度高。当1台燃气轮机发生故障时，尽管设置有燃气启动锅炉，但燃气启动锅炉为冷备，需要1～2 h的启动时间。在这段启动时间内，会对用汽大户的化工装置产生严重威胁，可能造成非正常排放量增多，增加了环保风险和次生灾害。而锅炉方案的动力站设置6台450 t/h循环流化床锅炉，全系统用汽量约为1 500 t/h。在保证机组供热的前提下，正常情况下5台锅炉运行，1台锅炉检修备用。如果1台锅炉计划内停运，可以投运备用锅炉；如果1台锅炉出现故障而紧急跳车，其他4台锅炉满负荷运行仍可保证全系统供汽。若采用IGCC方案，为了保证IGCC岛的可靠性，需采用设备备用的方式，而IGCC岛的设备投资巨大，对项目的经济性影响较大。因此，从全系统供热可靠性方面考虑，锅炉方案优势更大。

(5)目前实际应用的IGCC装置尚处于试生产的磨合完善阶段

据中国机电工程协会介绍，研究和建设IGCC的目的是为了追求成套设备的效率，并要求有较高的可靠性和可用率。从欧美已建成的若干套IGCC示范工程来看，其实际效率明显优于超临界机组，但在运行中也暴露出一些不可忽

视的问题，如实际效率达不到设计要求、大多数IGCC装置的可用率仍低于传统的燃煤机组等，对整体优化与局部优化问题、气化炉对不同煤种的适应性问题、煤气的高温洁净处理问题以及不同气化方式的技术经济比较问题等仍需进一步研究。

4结语

IGCC装置一般由多个单元相互集成为一个整体，系统依赖度高，其运行情况将成为影响装置运转率的一个新的制约因素。IGCC装置中的燃气轮机调试过程较长，且费用较高。IGCC通常用高热值的天然气作燃料，用低热值的煤气化合成气作燃料的装置在国外为数不多，国内也仅有华能绿色煤电IGCC工程1项，目前仍处于运行磨合期。据悉，目前大多数IGCC装置的可用率仍处低于传统的燃煤机组，对此类风险因素需要重视。化工装置与IGCC装置的结合是新生事物，目前尚未有工程应用实例，更无使用经验，如何将两者完善结合，对设计和操作均是新的课题。

由于动力站是大型联合化工装置稳定运行的重要基础装置，具有重要的地位。鉴于IGCC技术自身存在的问题和不足，目前国内外还没有将IGCC技术与大型联合化工装置的多联产系统耦合在一起可供借鉴的成功范例，对集成后系统的性能还有待于更加深入的认识，许多问题有待进一步研究。

综合以上因素，笔者认为虽然IGCC具有发电效率高、环保性能好等优势，但化工装置在选择结合IGCC时仍需慎重，对化工装置与IGCC的耦合必须从经济性、可靠性、技术成熟度、长周期运行等多角度进行充分深入的调查与研究。

参考文献

[1]林发现，张宗飞.基于IGCC电站空分系统的选型与配置[J].化肥设计，2011(3)：22- 24.

[2]邓春丽.浅谈IGCC技术在西部的发展[J].煤炭科技，2013(4)：69- 70.

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(收稿日期2014- 03- 25)

中图分类号：TK08

文献标识码:A

文章编号：1006- 7779(2016)02- 0057- 04

作者简介：唐凤金，助理工程师，硕士，从事化工工程设计工作；tangfengjin@cwcec.com。