雙碳背景下IGCC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及研究方法

張語(yǔ) ,?，鄭明輝 ，井璐瑤 ，肖思敏 ，楊浩冉 ，楊槐宇 ，范肖雅

（1.北京智慧能源研究院，北京 102209；2.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；3.河北師范大學(xué) 中燃工學(xué)院，河北 石家莊 050024）

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)下，煤氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)在低成方面具有較大的應(yīng)用潛力[1]，IGCC發(fā)電系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)煤炭資源清潔轉(zhuǎn)型的重要方式之一。研究表明，采用燃料調(diào)控和多能互補(bǔ)等方法構(gòu)筑新型IGCC發(fā)電系統(tǒng)可以進(jìn)一步降低IGCC發(fā)電系統(tǒng)的CO2排放。Carlos等[2]發(fā)現(xiàn)將氣體轉(zhuǎn)換燃燒與IGCC系統(tǒng)相結(jié)合能夠提高CO2捕獲率，并明顯改善系統(tǒng)效率。Ahme等[3]提出將甲烷重整技術(shù)與IGCC發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，將水煤漿氣化過(guò)程中的高焓值水蒸氣用于輔助重整過(guò)程制取氫氣。該集成系統(tǒng)為吸熱重整過(guò)程提供了熱量，同時(shí)提高了合成氣的熱值和系統(tǒng)的性能，減少了CO2排放。

然而，上述IGCC系統(tǒng)復(fù)雜性較高，實(shí)驗(yàn)測(cè)試成本高，直接增加了系統(tǒng)性能研究的難度。在此背景下，謝浩等[4]通過(guò)數(shù)值分析確定了IGCC系統(tǒng)中汽水配置方式對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，并基于相關(guān)部件組建了IGCC系統(tǒng)通用模型，進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了系統(tǒng)能量利用率。Kapetaki等[5]通過(guò)對(duì)比殼式氣化爐與通用電能氣化爐在配置和沒(méi)有配置碳捕集裝置情況下對(duì)IGCC系統(tǒng)性能的影響，研究表明當(dāng)系統(tǒng)配置碳捕集和通用電能氣化爐時(shí)凈效率損失較低。由此可見，采用數(shù)值模擬的研究手段對(duì)IGCC系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。

IGCC發(fā)電技術(shù)既有高發(fā)電效率，又有極好的環(huán)保性能，是一種有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。本文首先對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)開展的新型IGCC系統(tǒng)研究所取得的進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和歸納。進(jìn)一步地，基于此解析新型IGCC系統(tǒng)分別與煤氣化、風(fēng)電、光電等新能源系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)及其工作原理，并針對(duì)IGCC系統(tǒng)未來(lái)的研究方向進(jìn)行分析與展望。期望為后續(xù)構(gòu)建新型IGCC系統(tǒng)、對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考與解決思路。

1 IGCC 發(fā)電系統(tǒng)概述

IGCC系統(tǒng)是一個(gè)多設(shè)備集成的能源轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由空氣分離系統(tǒng)、煤氣化及煤氣凈化系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、余熱鍋爐驅(qū)動(dòng)的蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)四個(gè)常規(guī)部分組成。IGCC工藝流程可簡(jiǎn)單描述為：首先，在空分系統(tǒng)中進(jìn)行空氣分離，產(chǎn)生氮?dú)夂脱鯕?。然后，氣化爐中水煤漿或干粉與氣化介質(zhì)(蒸汽、氧或空氣)發(fā)生氣化反應(yīng)，生成煤氣(以CO、H2為主要成分)。隨后，煤氣進(jìn)入凈化系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)凈化裝置獲得潔凈的煤氣。理論上，提高氣化爐中氧氣濃度能夠提高煤氣化速率，實(shí)踐中可通過(guò)改變空分功率或增設(shè)氧氣儲(chǔ)罐等方法實(shí)現(xiàn)[6]，但由此會(huì)帶來(lái)CO2排放量增加。

圖1 IGCC系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of IGCC system

在增設(shè)碳捕集的需求下，學(xué)者對(duì)原有的IGCC系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。例如，Descamps等[7]在基礎(chǔ)IGCC系統(tǒng)氣化流程的下游添加了轉(zhuǎn)換裝置，將凈化后的燃料氣送入了該轉(zhuǎn)換裝置(主要為在水蒸氣的作用下將含碳?xì)怏w更高比例地轉(zhuǎn)化為CO2)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃燒前碳捕集，同時(shí)將轉(zhuǎn)化過(guò)程所釋放的能量以水/水蒸汽為載體送入余熱鍋爐。

除了對(duì)IGCC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之外，改變IGCC發(fā)電系統(tǒng)的燃料也能夠?qū)崿F(xiàn)CO2減排效果。IGCC發(fā)電系統(tǒng)的常規(guī)燃料主要包含塊煤、焦炭、干煤粉等，見表1。為了實(shí)現(xiàn)CO2減排和固廢處置，還可以采用摻燒碎木、樹皮、城市可燃垃圾等。在煤與生物質(zhì)共氣化的過(guò)程中，提高生物質(zhì)的比例可以提高煤的反應(yīng)活性，且由于碳中性的生物質(zhì)加入，能夠?qū)崿F(xiàn)降低發(fā)電過(guò)程中的CO2排放[8]。

表1 IGCC固體燃料多樣性Tab.1 IGCC solid fuel diversity

2 新型 IGCC 發(fā)電系統(tǒng)

IGCC發(fā)電作為一種超潔、高效的發(fā)電技術(shù)，在碳減排方面具有極大的應(yīng)用潛力。主要體現(xiàn)在以下兩方面：一方面由于IGCC發(fā)電系統(tǒng)采用富氧或純氧加壓氣化技術(shù)，這使得所分離的氣體體積大幅度減小、CO2濃度顯著增大，從而大大降低了分離過(guò)程的能耗和設(shè)備投資，成為低成本燃燒前CO2補(bǔ)集技術(shù)的首選；另一方面IGCC發(fā)電系統(tǒng)具有極大的靈活性和可擴(kuò)充性，可以與其他清潔、可再生能源進(jìn)行耦合，現(xiàn)多能互補(bǔ)與平衡、提高能源資源利用率。

2.1 IGCC 多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)

IGCC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是指將IGCC發(fā)電和煤化工、熱泵等技術(shù)耦合的能源系統(tǒng)，這樣的能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、壓力、物質(zhì)成分的梯級(jí)利用，進(jìn)而達(dá)到提高效率、減少污染物排放的目的。

IGCC系統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)排汽部分與常規(guī)燃煤機(jī)組一樣，直接通入凝汽器會(huì)造成較大的冷端余能損失。采用抽汽的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)吸收式熱泵回收乏汽余能，不僅能夠保留其靈活性，還可大大降低冷端余能損失，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用[14]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 回收乏汽余熱的IGCC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)Fig.2 IGCC cogeneration system for recovery of waste-heat from steam exhaust

李召召等[15]提出煤氣化產(chǎn)物中，部分高氫產(chǎn)物除供給煤化工使用以外，還可在需要時(shí)用以制備甲醇或電力。IGCC-甲醇系統(tǒng)也是一種IGCC多聯(lián)產(chǎn)能源利用系統(tǒng)，過(guò)程中可以獲得氧氣和氮?dú)飧碑a(chǎn)品。由此可見，IGCC發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性使其具備了空氣分離、煤氣化以及高參數(shù)蒸汽等多種能量載體，根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品需要，優(yōu)化各單體的運(yùn)行參數(shù)具有進(jìn)一步提效的潛質(zhì)。

2.2 多能耦合 IGCC 發(fā)電系統(tǒng)

在“雙碳”目標(biāo)之下，將IGCC與其他清潔、可再生能源進(jìn)行耦合應(yīng)用是IGCC系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。IGCC多能耦合發(fā)電系統(tǒng)主要包括將新能源電力嵌入、新能源熱嵌入以及儲(chǔ)能技術(shù)嵌入。IGCC系統(tǒng)與多種能源耦合的形式可歸納如圖3所示。

圖3 多能耦合IGCC發(fā)電系統(tǒng)Fig.3 Multi-energy coupled IGCC power generation system

新能源電力嵌入主要是指將波動(dòng)性的新能源電力用于空氣分離裝置，利用氣體儲(chǔ)罐來(lái)平抑新能源電力出力的波動(dòng)性，同時(shí)還可以降低IGCC系統(tǒng)能耗。袁鐵江等[16]構(gòu)建了風(fēng)電-氫儲(chǔ)與煤化工多能耦合系統(tǒng)的基本架構(gòu)，使電網(wǎng)不能消納的富裕風(fēng)電通過(guò)電解水制氫、儲(chǔ)氫得到了有效利用，儲(chǔ)存的氫氣可在需要時(shí)用于發(fā)電以平抑風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的掣肘。美國(guó)能源部[17]使用間接加熱熱管驅(qū)動(dòng)的氣化反應(yīng)器與塔式聚光太陽(yáng)能相結(jié)合，有效減少了當(dāng)前氣化過(guò)程中的碳排放。楊承等[18]通過(guò)對(duì)IGCC中燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析建模，將太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)與IGCC系統(tǒng)進(jìn)行耦合，結(jié)果指出該方法能夠有效改善系統(tǒng)運(yùn)行性能。

綜上所述，IGCC多能耦合發(fā)電系統(tǒng)可將多元化的能源載體實(shí)施有機(jī)結(jié)合，從發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)多途徑提高能源系統(tǒng)的靈活性與效率。

3 IGCC 發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值建模

數(shù)值模擬在IGCC系統(tǒng)的理論研究中發(fā)揮了重要作用，常見的仿真工具包括Aspen Plus、Ebsilon、Thermoflow-GTPRO等軟件，各軟件的應(yīng)用特點(diǎn)見表2。各個(gè)軟件對(duì)IGCC系統(tǒng)建模的側(cè)重性各有不同。Aspen具有較為完備的物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，比較擅長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)可以反映氣化過(guò)程的物質(zhì)變化；但對(duì)于系統(tǒng)分組件的功率值測(cè)定卻顯得捉襟見肘。通過(guò)該軟件可對(duì)整個(gè)煤氣化過(guò)程進(jìn)行分析，尋找最優(yōu)操作點(diǎn)，提高整個(gè)過(guò)程的熱效率，達(dá)到過(guò)程優(yōu)化的目的。Ebslion軟件可以通過(guò)建立穩(wěn)態(tài)變工況模型來(lái)計(jì)算能量的傳遞情況，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)組的在線檢測(cè)。通過(guò)該軟件可計(jì)算得到機(jī)組變工況特性曲線和熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的熱電負(fù)荷特性等參數(shù)。GTPRO在系統(tǒng)搭建和全流程模擬方面具有更易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但其所建立的氣化爐模型較為簡(jiǎn)單，模型的精確度不高。通過(guò)該軟件可實(shí)現(xiàn)IGCC熱力系統(tǒng)性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)優(yōu)化分析。Matlab求解模型靈活實(shí)用，可以獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，具有較高的精確度，同時(shí)可以在其他編程語(yǔ)言的環(huán)境下進(jìn)行二次開發(fā)，但求解過(guò)程極其復(fù)雜繁瑣。通過(guò)該軟件綜合考慮物料平衡和熱量平衡，較為精準(zhǔn)地模擬了氣化爐內(nèi)氣化特性。

表2 各軟件在IGCC應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Advantages and disadvantages of each software in IGCC application field

4 IGCC 發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)IGCC系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)如圖4所示。未來(lái)煤炭仍將在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里占據(jù)我國(guó)生產(chǎn)生活主要能源的地位。隨著制造工藝和技術(shù)的發(fā)展改革，煤炭發(fā)電技術(shù)也快速向更高效、更環(huán)保的目標(biāo)發(fā)展。

圖4 近年IGCC系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)Fig.4 Research focus of IGCC system in recent years

對(duì)于IGCC系統(tǒng)的發(fā)展，一方面，學(xué)者們對(duì)如何提高IGCC系統(tǒng)的效率做了大量的研究，通過(guò)采用高壓空分設(shè)備與燃?xì)廨啓C(jī)一體化[25]和對(duì)合成氣預(yù)處理[26]等方法都能夠顯著地提高IGCC系統(tǒng)的凈效率，另一方面，也在積極地探尋IGCC系統(tǒng)與多種技術(shù)耦合實(shí)現(xiàn)多元聯(lián)產(chǎn)的生產(chǎn)過(guò)程。通過(guò)IGCC系統(tǒng)與固廢摻混燃燒技術(shù)[27]、太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)[28]以及甲醇制備系統(tǒng)[29]進(jìn)行耦合生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的多元利用的同時(shí)，擴(kuò)寬電廠的工業(yè)生產(chǎn)銷售渠道，提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)，在“雙碳”目標(biāo)的指引下，如何降低IGCC發(fā)電系統(tǒng)的污染也成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前的熱點(diǎn)主要集中于如何提高CO2的捕集率。主要方法主要有使用化學(xué)鏈空分裝置[30]、制氧預(yù)燃[31]、水煤氣轉(zhuǎn)換[32]和鈣環(huán)氣化(CLG)[33]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)CO2的超低排放。

除此之外，以煤氣化為基礎(chǔ)、以電力生產(chǎn)為核心，將IGCC與煤化工、熱泵等技術(shù)耦合的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將是我國(guó)以煤為基礎(chǔ)的新型能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。而通過(guò)數(shù)值模擬的方法，可以對(duì)IGCC系統(tǒng)的固廢摻混的燃燒模擬和碳捕集等方面繼續(xù)開展深入研究，為其進(jìn)行工程應(yīng)用提供理論支撐。我國(guó)IGCC及其多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該主要集中在提高機(jī)組循環(huán)效率和工作可靠性，以及與多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步融合和控制CO2減排三個(gè)方面。實(shí)施多聯(lián)產(chǎn)示范工程，帶動(dòng)我國(guó)潔凈煤關(guān)鍵技術(shù)和裝備的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)煤炭潔凈、高效利用升級(jí)提供技術(shù)支撐，形成可持續(xù)發(fā)展的新型能源轉(zhuǎn)化技術(shù)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

隨著未來(lái)能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求與標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，新型IGCC發(fā)電系統(tǒng)由于借其自身的高效性和對(duì)固體燃料多樣性的適應(yīng)能力，或通過(guò)耦合多能（可再生能）系統(tǒng)、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，必將擁有更廣闊的應(yīng)用空間。本文從IGCC系統(tǒng)的燃料的多樣性、系統(tǒng)耦合多能聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、系統(tǒng)仿真模擬的軟件要總結(jié)歸納如下：

1） IGCC發(fā)電系統(tǒng)適用于多種不同燃料的氣化應(yīng)用，通過(guò)添加調(diào)控燃料可以實(shí)現(xiàn)CO2排放、發(fā)電效能的提高，且該方案在實(shí)際實(shí)踐中最為簡(jiǎn)便。

2） 通過(guò)耦合煤化工藝工、儲(chǔ)能技術(shù)等工藝，引入風(fēng)電、光電等構(gòu)筑新型IGCC發(fā)電系統(tǒng)，由此帶來(lái)更可觀的經(jīng)濟(jì)和功能上的附加值，包括產(chǎn)氫、碳捕集、儲(chǔ)能調(diào)峰等。

3） 通過(guò)采用數(shù)值模擬的方法可以為IGCC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與多能耦合提供理論支撐。