两种适用于IGCC项目的中低热值燃机比较

陈 博 倪施峰 史哲浩 宣瀛栋 孙海荣

上海上电漕泾发电有限公司

1 IGCC技术

整体煤气化联合循环发电（Integrated Gasification Combined Cycle，简称IGCC）是目前世界上高效的洁净煤发电技术之一[1]。该技术以煤为原料，通过气化炉将煤转化为主要成分为H2和CO的合成气，经过除尘、脱硫等净化工艺，产生洁净的燃料气供给燃气轮机做功。燃气轮机尾气通过余热锅炉加热给水，产生蒸汽，与气化为副产蒸汽混合后共同推动汽轮机做功，从而实现煤气化燃气蒸汽联合循环发电过程，可以通过增加化工设备，生产H2、CO、硫磺等化工产品，以提高项目经济性[2,3]如图1所示。

图1 IGCC纯发电项目示意图

2 煤气化合成气

气化反应器（气化炉）是煤气化的核心设备，依据气化炉的操作状态不同，煤气化可以划分为固定床、流化床和气流床三种主要类型。其中气流床操作温度高，反应效率高，适合用于IGCC项目。

气流床又分为水煤浆气化和粉煤气化，原料煤以粉煤或水煤浆的形式与气化剂（纯氧、蒸汽）并流进入气化炉，原料与气化剂在气化炉内1200～1400℃的高温环境下发生气化反应，生成的主要成分为CO和H2的合成气[2]，其中还含有少量CO2、H2O、COS、H2S等气体成分。主要反应式如下：

对于燃机而言，H2O及CO2无害，而COS、H2S等酸性气体则需通过后续的净化工艺完全去除，从而得到净合成气，热值在2000～2500 kCal/Nm3，远低于天然气热值，因此需要进入专门设计的中低热值燃机燃烧。天津IGCC机组配置的燃机是西门子公司SGT5-2000E（LC）型，该机型在原有天然气机型的设计上将压气机级数由16级改为17级，同时改进燃烧器的燃料管路分布以及喷嘴出口，使空气和燃料气更好地混合，达到低NOX排放并稳定燃烧的目的[3]。

煤气化工艺的不同，会导致产生的净合成气的H2和CO的比例有所差异，见表1。

表1 典型合成气成分表

由表1可见，两种常用气化技术产生的合成气中H2的含量均在25%以上，而H2有以下特点：密度小、易聚集、可燃范围广（4%～75%）、燃烧速度快（是天然气的八倍）、易点火、点火能量低、淬熄距离短、高扩散性。低热值燃气中的H2反应特点：短而快、简单链式反应、高回火风险、火焰温度比天然气高约150℃。H2燃烧产物含水量高，影响透平膨胀、热传递及部件寿命，需要成熟可靠的燃烧技术。而合成气热值低，输入燃机相同热量需要更大的体积流量，导致压气机压比升高，更接近喘振线。因此，IGCC项目配套燃机的主要挑战在于H2燃烧和系统匹配[4]。

3 燃机

目前E级中低热值燃气蒸汽联合循环机组较为成熟，已有应用实绩。全球范围内能提供燃烧低热值燃气的E级燃气轮机厂商主要有GE、西门子、ANSALDO等。其中西门子和上海电气-ANSALDO属于同一技术流派，而三菱公司适用于IGCC项目的E级燃机均只能匹配三菱公司的气化岛装置，其现有设计属于特殊机型，因此本文仅对GE和上海电气-ANSALDO两家公司的中低热值燃机进行比较。

3.1 上海电气-ANSALDO

ANSALDO公司是意大利最大的电力设备制造及服务企业，是世界顶级燃气轮机设计和制造商之一。2014年，上海电气购入ANSALDO 40%的股份，并组建了两家合资企业：上海电气燃气轮机有限公司（SGC）和上海安萨尔多燃气轮机科技有限公司（AGT）。公司旗下AE94.2K机型适用于IGCC项目。

AE94.2K系列燃气轮机采用筒形燃烧室，垂直布置在燃气轮机的两侧，通过侧向法兰连接到燃气轮机外缸上。此筒形燃烧室具有便于检修，容易装配和拆卸的特点。见图2和图3。

图2 安萨尔多筒形燃烧室

图3 安萨尔多燃烧室检修

火焰筒内部，燃气温度高，火焰热辐射大，燃烧筒内壁采用陶瓷隔热瓦块进行隔热。AE94.2K的特点在于筒形燃烧室设计，相对于其他厂家的环管形燃烧室以及环形燃烧室具有以下优势：

1）筒形燃烧室燃烧稳定性更强、燃料适应性更好[5.6]；

2）燃烧筒结构简单，力学性能好，采用厚重的陶瓷瓦块隔热，进一步降低冷却空气量，提高了机组性能[7]；

3）燃烧筒热声性能好，对类似环形燃烧室中沿周向传递的热声振荡具有很强的抑制作用；

4）燃烧筒中燃烧器分布紧凑，点火性能好。相对于环管形燃烧室需要采用联焰管点燃周围燃烧管的点火方式，以及环形燃烧室中火焰沿周向传递的点火方式，燃烧筒的点火成功率更高。对于很容易熄火的极低热值燃料而言，此点火优势成功率更高；

5）双筒形燃烧室检修更方便。由于上海电气的筒形燃烧室空间较大，并开有人孔门，使检修工程师能够在现场深入燃烧室内部，按照检修标准快速检查燃烧室筒壁瓦块和燃烧器，对有需要更换的瓦块和燃烧器进行分别更换。

AE94.2K机型需掺混蒸汽运行，因此联合循环总热效率会因此稍有降低。

3.2 GE

美国GE公司是燃气轮机的主要供应商之一，其主要生产基地在美国的格林威尔和法国的贝尔福特。GE的低热值燃机基于最小化修改9E天然气燃机的理念，既解决了低热值燃机的挑战，同时也继承了9E的高可靠性。燃烧器采用已经研发和应用30年的用于燃烧低热值高氢燃料的MNQC多喷嘴静音燃烧器，同时优化燃烧温度和增加喉部面积，减少大流量对燃机的影响，见图4。

图4 适应高氢燃料的MNQC多喷嘴静音燃烧器

适用IGCC项目的9E燃气轮机型号为9E.03 MS，采用传统电机启动，燃烧器采用轻油或者天然气点火方式。燃气轮机启动时，先采用点火燃料注入点火。燃气轮机的燃烧器采用圆周上多筒布置，其点火过程为：首先用轻油或者天然气点燃一个或两个燃烧器，当燃烧室温度升高到一定温度时，其余燃烧器依次按圆周方向通过连焰管点燃。9E.03 MS型燃机需要回注氮气，可由空分系统提供[8]，注氮量约为23 kg/s。

3.3 联合循环性能参数比较

若以国内电厂常用煤种神木煤为燃料，煤质主要参数见表2。经计算可得热值约为2666 kCal/Nm3的净合成气，两种机型的参数见表3。

表2 神木煤煤质分析

表3 两种机型主要参数表

由表3可见，GE机型的耗气量小于上海电气机型，因此其输出功率也较低，排气流量较低。由于GE机型掺混燃烧的是氮气，导致其出口NOx明显高于上海电气机型。GE机型的气耗略高于上海电气机型。

4 结论

近年来国内能源政策的方向总体平稳，我国的资源禀赋决定了在建设社会主义现代化国家的道路上离不开煤炭，IGCC技术作为煤炭清洁高效利用的典型技术应该受到各方面的关注与重视。随着煤气化技术、中低热值燃机技术等关键设备制造和运行水平的不断进步，IGCC项目的可靠性和经济性已有很大程度的提高。

通过GE 9E.03 MS型燃机与上海电气AE94.2K型燃机的参数对比，可知GE机型的耗气量小于上海电气机型，且输出功率与排气流量较低；GE机型掺混燃烧的是氮气，其出口NOx高于上海电气机型；从热耗率看，GE机型略高于上海电气机型。综上所述，两种机型在主要参数上不分伯仲，在实际的IGCC工程应用中还需结合项目实际的经济性测算，确定选用何种合适的中低热值燃机，及其联合循环其他主机的选型。