第35卷第2期發(fā)電技術(shù)電力建設(shè)2014年2月400MW整體煤氣化聯(lián)合循環(huán).機(jī)組脫硝方案比較黃雪麗'，陳鴻偉'，孫永斌(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,河北省保定市071003;2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司,北京市100120)摘要:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( integrated gasification combined cycle , IGCC)電廠是我國(guó)潔凈煤發(fā)電的主要方向之一。為了合理選擇NO,排放方案,基于流程模擬軟件Thermolex建立了400 MW級(jí)IGCC系統(tǒng)模型,采用回注氮?dú)饣蛘羝ń档腿細(xì)廨啓C(jī)燃燒溫度以減少熱力型NO,排放，回注所需稀釋劑不足時(shí)結(jié)合余熱鍋爐+選擇性催化還原(selectivecatalytic redution, SCR)法,保證各脫硝方案下排煙中NO,含量均為50 mg/m' ;在燃?xì)廨啓C(jī)功率為286 MW工況下比較各系統(tǒng)的熱力性能,并結(jié)合工程實(shí)際計(jì)算各方案初始投資。結(jié)果表明:回注氮?dú)饷撓跣Ч蝗缱⒄羝?但回收利用來(lái)自氣化島氨氣可提高能量利用效率,增加燃?xì)廨啓C(jī)出力,系統(tǒng)效率有所提高;在目前IGCC電廠關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)水平下,增大SCR脫硝比例可改善IGCC系統(tǒng)熱力性能，而IGCC電廠單位投資和運(yùn)行成本也將增加。隨著I6CC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的提升,回注氮?dú)夥▽?huì)是最具環(huán)保節(jié)能潛力的脫硝方案。關(guān)鍵詞:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( IGCC) ;選擇性催化還原( SCR)法;回注氮?dú)夥?回注蒸汽法Comparison of Denitration Schemes in 400 MW IGCC PlantHUANG Xueli'，CHEN Hongwei'，SUN Yongbin'( 1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003 , Hebei Province, China;2. North China Power Engineering Co.，Lld. of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China)ABSTRACT: IGCC ( integrated gasification combined ccycle) plant is one of the main way of clean coal power generation inChina. In order to choose a reasonable NO, ermission control scheme, the model of 400 MW IGCC was constructed withusing process simulation software Thermoflex, in which nitrogen injection and steam injection were used to decrease theburmning temperature then reduce thermal NO, emissions, SCR ( selective catalytic reduction) in the HRSG ( heat recoverysteam generator) was adopted under the diulent inadequate condition to ensure that the NO, emission approached about 50mg/m' . The thermal performance of dfferent systems under 286 MW turbine power were studied, and the initial investmentof each scheme was calculated combined with practical engineering. The results show that the denitation effect of steaminjection is superior to the nitogen injection, however, the nitrogen injection scheme recycles the nitrogen from GasificationIsland, which can improve energy efficience, increase gas turbine power, and enhance system efficiency. The thermalperformance of IGCC can be improved by using SCR under the curent technology level of key equipments in IGCC unitsexcept the highest invstment and operation cost. After all, the nitogen injection scheme will be the most potential denitrationscheme with environment protection and energy saving, along with the promotion of key tchnology for IFCC.KEYWORDS: integrated gasification combined cycle ( IGCC); selective catalytic reduction ( SCR); nitrogen injection;steam injection中圈分類號(hào): TK 14文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào): 1000 -7229(2014)02 -0080 -06DOI: 10. 3969/j. issn. 1000 -7229. 2014. 02. 016能等可再生能源的比例顯著增加,但一段時(shí)期內(nèi)煤炭0引言資源仍然是我國(guó)最廉價(jià)且富足的化石燃料,煤炭在電電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)能源力工業(yè)的主中國(guó)煤化工炭發(fā)電方式產(chǎn)產(chǎn)業(yè),是世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中的優(yōu)先發(fā)展重點(diǎn)。生了大量空MHCNMH固體顆粒及溫室近年來(lái),我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中核能、天然氣以及風(fēng)能、太陽(yáng)氣體等) ,生態(tài)環(huán)境問(wèn)題愈加嚴(yán)峻,因此,大力發(fā)展清E 0Eletric Power Consiruction Vol 35, Na.2, Feh. . 2014第35卷第2期黃雪麗，等:400 MW整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)機(jī)組脫硝方案比較發(fā)電技術(shù)I潔高效的煤炭利用技術(shù)具有重要意義。整體煤氣化表2 IGCC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab, 2 Design parameters of IGCC system聯(lián)合循環(huán)( integrated gasification combined cycle ,參數(shù)數(shù)值IGCC)發(fā)電系統(tǒng)具有高效率、優(yōu)良的環(huán)保性能、靈活的燃料和產(chǎn)品的適用性、低水耗、大型化和多聯(lián)產(chǎn)等大氣溫度/C5 |燃?xì)廨啓C(jī)GE PG9351FA優(yōu)勢(shì),且為未來(lái)CO2的零排放提供了可能21 ,在不大氣壓力/MPa0.1 余熱鍋爐三壓再熱.相對(duì)濕度/%高壓蒸汽壓力/MPa9.98斷改善凈效率、比投資費(fèi)用、設(shè)備的可用率和生產(chǎn)成本后,21世紀(jì)初期有望被逐漸推廣使用(3] ,將會(huì)是符空氣分離裝置壓力/MPa 0.517 |高壓蒸汽溫度/C38空氣分離裝置溫度/C 15 中 壓蒸汽壓力/MPa2.45合節(jié)能減排方針的最具潛力的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。IGCC電廠粗合成氣凈化系統(tǒng)中,除塵、脫硫、以氧氣濃度/%中壓蒸汽溫度/C306氣化壓力/MPa3.544再熱蒸汽壓力/MPa2. 14及脫除HCN等含氮物質(zhì)和燃料中的N的技術(shù)已趨于成熟,燃機(jī)排放污染物主要是熱力型NO,對(duì)不同氣化溫度/C1370再熱蒸汽溫度/C機(jī)組制定經(jīng)濟(jì)、安全、高效的脫除熱力型NO,方案成冷煤氣效率/%69.9 | 低壓蒸汽壓力/MPa 0.571為亟待解決的問(wèn)題。對(duì)于燃用煤氣化中低熱值合成輻射廢鍋出口合成s0| 低壓蒸汽溫度/C57氣的ICCC電廠,火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快,采用預(yù)混燃燒氣溫度/C控制NO,有回火的危險(xiǎn),因此一般采用擴(kuò)散燃燒方對(duì)流廢鍋出口合成355背 壓/MPa0.49式4。本文基于熱平衡軟件Thermoflex搭建400 MWIGCC機(jī)組的數(shù)學(xué)模型,對(duì)目前應(yīng)用較多的脫硝技術(shù):燃燒天然氣和重油的燃?xì)廨啓C(jī)改燒中低熱值合注氮?dú)夥?、注蒸汽法、余熱鍋爐+選擇性催化還原成氣后,會(huì)導(dǎo)致燃料體積流量增大,需采取措施匹配燃( seletive catalytic reduction ,SCR) 法以及組合脫硝方機(jī)通流特性。GE公司的9FA燃?xì)廨啓C(jī)是當(dāng)今世界上法進(jìn)行比較。正在商業(yè)應(yīng)用的較大功率和高技術(shù)等級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)1 IGCC系統(tǒng)模型組之一,壓氣機(jī)有足夠的喘振裕度,改燒合成氣后有IGCC系統(tǒng)包括空氣分離裝置、Texaco氣化爐及20%的過(guò)載能力,可直接向燃燒室注人蒸汽或氮?dú)獾让簹鈨艋b置、GE 9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)、三壓再熱余稀釋劑,12%透平通流面積裕度可匹配燃燒中低熱值熱回收鍋爐和蒸汽輪機(jī)。在基本IGCC系統(tǒng)的基礎(chǔ)合成氣時(shí)的通流特性(56)。針對(duì)-一個(gè)給定的系統(tǒng)設(shè)計(jì),.上,設(shè)計(jì)了回注氮?dú)?、回注蒸汽、余熱鍋爐+SCR、回氣體燃料的互換性測(cè)量采用修正華白指數(shù)( modifiedWobbe index, MWI)[7] ,IGCC系統(tǒng)流程如圖1所示。注氮?dú)? SCR和回注蒸汽+SCR這5種脫硝方案。IGCC系統(tǒng)中,雖然多壓余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)比煤質(zhì)數(shù)據(jù)和IGCC系統(tǒng)參數(shù)如表1、2所示。單壓要復(fù)雜,但由于增加了余熱鍋爐的受熱面積,燃表1煤質(zhì)資料氣輪機(jī)的排氣余熱得到充分的回收利用,電廠的總體Tab.1 Coal analysis性能提高了。余熱鍋爐汽水傳質(zhì)傳熱過(guò)程較為復(fù)雜，比較參數(shù)參數(shù)值不僅要利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱,還需要考慮回收氣C.s/%66. 15化工藝中廢鍋流程的顯熱和合成氣凈化流程中的熱Hs/% .3.64量[8)。對(duì)不同蒸汽匯合方式進(jìn)行匹配優(yōu)化,結(jié)果表元素分析0./%8.61明由中壓省煤器( intermediate pressure economizer,Ns/%0.8IPE)和高壓省煤器( high pressure economizer , HPE)S2s/%0.67抽出的飽和水分別進(jìn)入輻射廢鍋(radiantsyngasMg/%6.29cooler , RSC)和對(duì)流廢鍋( convective syngas cooler,A/%13. 84CSC)回收熱量的汽水系統(tǒng)整體效率較高。工業(yè)分析.x/%27.262 IGCC 機(jī)組脫硝方案56.21煤粉收到基低位發(fā)熱量/ (kJ.kg-')23 135合成氣燃燒生成的NO,可分成:燃料型、熱力型可磨系數(shù)和快速型。對(duì)于燃用天然氣、合成氣和低質(zhì)油的燃機(jī)水煤漿濃度/%63設(shè)備,燃料中中國(guó)煤化工放主要是熱力注:Ca .Hs .0s .Nas Ss .Ms .As、V.分別為空氣干燥基碳、氫.氧、型。熱力型I:MYHCN MH G在燃燒室中分氮硫、水分、灰分揮發(fā)分質(zhì)量百分?jǐn)?shù);Fcs為千燥基固定碳質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。解再結(jié)合而成,且隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律增加(9]。Elecric Power Construction VoL 35, Na. 2, Feb.，20141 80第35卷第2期黃雪麗,等:400 MW整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)機(jī)組脫硝方案比較發(fā)電技術(shù)點(diǎn)計(jì)算公式為1 =20 lg(Vso3) +a,其中a與煙氣中保持MWI不變,回注稀釋劑+ SCR方案的MWI隨水體積有關(guān)"，Vso3為IGCC系統(tǒng)煙氣中SO,的體回注稀釋劑量減少而變小，完全回注氮?dú)夥桨窶WI積分?jǐn)?shù),cm'/m。由計(jì)算出的酸露點(diǎn)溫度合理設(shè)置變化最大,為滿足燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)允許的熱值波動(dòng)余熱鍋爐的節(jié)點(diǎn)溫差和端點(diǎn)溫差,保證排煙溫度高于范圍,燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴設(shè)計(jì)面積變化最大。酸露點(diǎn)20 C左右。(3)完全回注氮?dú)夥桨傅臒煔馑崧饵c(diǎn)略有降低，3.1不同脫硝方案的燃料特性比較完全回注蒸汽方案的煙氣酸露點(diǎn)增大了16. 88% ,余基于稀釋劑回注量公式和SCR脫硝效率公式，熱鍋爐+ SCR方案的煙氣酸露點(diǎn)增加了1.87% ,注結(jié)合流程模擬軟件Thermoflex可得不同脫硝方案的氨氣 +SCR方案的煙氣酸露點(diǎn)隨氮?dú)饬繙p少和SCR燃料特性曲線如圖2所示。脫硝效率增加而增大2.13% ~1. 82% ,注蒸汽+ SCR方案的煙氣酸露點(diǎn)隨蒸汽量減小和SCR脫硝效率增N.+90%SCRN+0%SCR加而增大11. 87% ~6.22%。 煙氣中水含量對(duì)酸露蒸汽+90%SCR蒸汽+0%SCR點(diǎn)影響最大,煙氣中的SO2在SCR催化劑活性釩的68作用下轉(zhuǎn)化為so,18),-般工程計(jì)算中估計(jì)SCR設(shè)65備使得so,轉(zhuǎn)化為so,的轉(zhuǎn)化率由5%.上升到6%。，162|因此,完全注蒸汽方案的酸露點(diǎn)溫度最高,其次是注蒸汽+SCR方案,注氮?dú)夥桨甘沟门艧煖囟容^低，可提高IGCC系統(tǒng)熱效率。56 t3.2 IGCC電廠不同脫硝方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較153 t★90%SCRIGCC電廠的主要運(yùn)行成本為煤耗、除鹽水和氨150σ 50100150200 250 300等化學(xué)試劑費(fèi)用,如表3所示?；刈⒄羝突刈⒄粝♂寗?(thr')汽+SCR法需從蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)中抽出部分高壓蒸汽，(a)煤耗量15. N.+90%SCR因此汽水系統(tǒng)中需補(bǔ)充大量除鹽水,且汽輪機(jī)出力大.14蒸汽+90%SCR蒸汽+0%SCR大減少;采用回注氮?dú)夂陀酂徨仩t+ SCR法脫除13 t七N. MWI+105_ +蒸汽MWINO,時(shí)IGCC系統(tǒng)補(bǔ)水量很少。常規(guī)燃天然氣聯(lián)合k 90% SCR MWI+100循環(huán)中燃?xì)廨啓C(jī)功率與汽輪機(jī)功率的比值為2:1,由.豆109s5 g圖3可知,400 MW級(jí)1GCC聯(lián)合循環(huán)中該比值為(1.28~1. 59):1,回注蒸汽方案燃?xì)廨啓C(jī)功率與汽輪機(jī)功率比值最大。IGCC 電廠供電效率為表3不同脫硝方案靜 態(tài)投資及運(yùn)行成本0 50 100150 200 250 300稀釋劑/(th")Tab. 3 Static investment and operation cost in(b)MWI和酸躇點(diǎn)different denitration schemes靜態(tài)單位除鹽水 SCR還 SCR催化運(yùn)圖2不同脫硝方案的煤耗量、MWI和酸露點(diǎn)脫硝方案投資/耗量/ 原劑 劑耗量/ 成本/Fig2 Coal consumption, MWI and acid dew(元kW") (th")(th)萬(wàn)元point in different denitration schemesN27505.83 8. 87424. 40由圖2可知，與無(wú)脫硝措施的IGCC系統(tǒng)相比:N2 + 50% SCR7392.63 7.775 0.051 4229. 53 542. 52(1)完全回注氮?dú)夥桨该汉牧繙p少了2. 45%,完N2 +60%SCR 7453.36 9.181 0.0743 335.41 631.83全回注蒸汽方案和完全采用余熱鍋爐+ SCR方案的N, +70% SCR7465.47 9.9270.1107 390.82 767. 26煤耗量有微量增加,注氮?dú)? SCR方案的煤耗量隨N2 +80% SCR7473.09 10.6900.1797 454.24 959.62氮?dú)饬繙p少和SCR脫硝效率增加而增多0.61% ~蒸汽7 802.93 134. 100368.782.08%,注蒸汽+SCR方案的煤耗量隨蒸汽量減小燕汽+50%SCR 7607.98 86.960 0.042 1296.06 742.27和SCR脫硝效率增加而增多1. 23% ~1. 96% ,完全蒸汽+60%SCR 7 609.36 73. 06C0.0626 332.74 787.40回注氮?dú)鈺r(shí)煤耗量最少。蒸汽+ 70% SCRs7 3250 ∩00K9 390.81 878.69(2)完全回注氮?dú)夥桨傅腗WI減小了46. 9%，蒸汽+ 80% sCR中國(guó)煤化工，2 453.821 011.65完全回注蒸汽方案的MWI減小了37. 33% ,余熱鍋90% SCRYHCNMHG,777. 431 658.41爐+SCR方案由于進(jìn)入燃燒室合成氣的熱值不變而Elecrie Power Consrcion Vol 35, Na2, Feb. , 2014| 3.發(fā)電技術(shù)電力建設(shè)2014年2月Ng +Na表4所示。由不同脫硝方案下煙氣成分及流量可得所(1 -n。) x 100%(3)需催化劑量,SCR還原劑和催化劑參考市場(chǎng)價(jià)格分別式中:Ng為燃?xì)廨啓C(jī)出力,kW;Nx為蒸汽輪機(jī)出力,為500元/和5萬(wàn)元/m'。結(jié)果表明回注氮?dú)饨Y(jié)合.kW;Gca為煤耗量,kg/s;n。為用電率, %。50%SCR的IGCC脫硝方案靜態(tài)單位投資最低,靜態(tài)單位投資最高的完全采用SCR方案比前者高了N:+90%SCRN+0%SCR2. 84% ,運(yùn)行成本比完全回注氮?dú)夥桨父吡? 634. 01蒸汽+906SCR蒸汽+0%SCR萬(wàn)元。.1000+燃?xì)廨啓C(jī)出力o -蒸汽方案燃?xì)廨啓C(jī)出力蒸汽輪機(jī)出力蒸汽方案蒸汽輪機(jī)出力表4 IGCC 電廠基本系統(tǒng)初始投資廣用電Tab. 4 Fundamental system initial investment of- >蒸汽方案凈燃料消耗IGCC plant萬(wàn)元ξ 600十凈燃料消耗比較參數(shù)參數(shù)值主輔生產(chǎn)工程295 158單項(xiàng)工程13 013200其他費(fèi)用3 627050 100 150 200 250 300編制年價(jià)差2 985稀釋劑/(th")基本預(yù)備費(fèi)16 122合計(jì)363 554圖3不同脫硝方案下系統(tǒng)出力Fig 3 System output in different denitration schemes4結(jié)論由Thermoflex 模擬結(jié)果計(jì)算可得各脫硝方案供(1)在滿足大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)中NO,排放量要電效率,如圖4所示。定燃機(jī)出力工況下，回注.求的前提下,所需回注蒸汽量少于回注氮?dú)饬?。?71.8 th氮?dú)饨Y(jié)合脫硝效率為80% SCR時(shí),IGCC系由于回注蒸汽法需從汽輪機(jī)高壓缸抽取部分蒸汽,統(tǒng)全廠出力最大,但燃料耗量也最高;隨著燃?xì)廨啓C(jī)大大影響了汽輪機(jī)出力,導(dǎo)致IGCC系統(tǒng)效率較低?；刈⑾♂寗┝繙p少，需增大SCR脫硝效率,且IGCC汽水系統(tǒng)中的大量補(bǔ)水增加了運(yùn)行成本,另外合成電廠凈效率隨SCR脫硝比例的增加而增大;完全回氣中水分的增加也將縮短設(shè)備的壽命。因此,回注注氮?dú)鈺r(shí)氮?dú)鈮嚎s機(jī)耗功很大,廠用電率高達(dá)蒸汽方案在新建的IGCC機(jī)組中較少使用。注除鹽17. 77%。因此完全回注氮?dú)饷撓醴桨溉珡S效率最高水與注蒸汽的脫硝效果相差不大,因此,水資源豐(48. 06%),凈效率比完全采用SCR( 脫硝效率富地區(qū)的IGCC機(jī)組可以考慮設(shè)置獨(dú)立回注水系統(tǒng)90% )方案低2.03%。脫除NO,。N+90%SCRN,+0%SCR(2)回注氮?dú)饷撓醴桨傅娜珡S出力最大,但由于0r 燕汽+90%SCR 蒸汽+O%SCR目前我國(guó)空分系統(tǒng)和氮?dú)鈮嚎s機(jī)工藝仍處于起步階段,廠用電耗較高,完全回注氮?dú)夥桨傅膬粜什⒉焕硐搿；刈⒌獨(dú)饨Y(jié)合SCR法的凈效率隨著SCR脫st女發(fā)電效率。 蒸汽方案發(fā)電效事◆供電效率o蒸汽方案供電效率硝效率的增加有所增大。a蒸汽方案凈效率(3)余熱鍋爐加SCR方案的廠用電率相對(duì)較低，士廠用電率★90% SCR20f此方案下IGCC系統(tǒng)的凈效率最高,但相對(duì)于回注氮?dú)鈺r(shí)直接利用空分系統(tǒng)來(lái)的氮?dú)?SCR方案靜態(tài)單位投資較高,且需不斷補(bǔ)充還原劑和更換催化劑,額0 50100 150 200 250 300外運(yùn)行成本增加。稀釋劑/(th'")(4)在目前IGCC關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)水平下,增大SCR脫硝比例可以提高IGCC系統(tǒng)熱力性能,但會(huì)增圖4不同脫硝方案 下系統(tǒng)效率Fig.4 System efficiency in different denitration schemes加IGCC電廠初始投資,另外SCR運(yùn)行成本大大增加。隨著IGC中國(guó)煤化工路體化研究和參考中電投某IGCC電廠投資估算,可得到氮?dú)鈮嚎s機(jī)等MYHCNMHG注氮?dú)夥▽?huì)1 x400 MW級(jí)IGCC電廠初始投資為363 554萬(wàn)元,由是最 具環(huán)保節(jié)能潛力的脫硝方式。Elecric Power Construction Vol 35, Na. 2, Feb. , 2014第35卷第2期黃雪麗,等:400 MW整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)機(jī)組脫硝方案比較發(fā)電技術(shù)I5參考文獻(xiàn)[12] SCchwerdt C. 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