400 MW整体煤气化联合循环机组脱硝方案比较

第35卷第2期发电技术电力建设2014年2月400MW整体煤气化联合循环.机组脱硝方案比较黄雪丽'，陈鸿伟'，孙永斌(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北省保定市071003;2.中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司,北京市100120)摘要:整体煤气化联合循环( integrated gasification combined cycle , IGCC)电厂是我国洁净煤发电的主要方向之一。为了合理选择NO,排放方案,基于流程模拟软件Thermolex建立了400 MW级IGCC系统模型,采用回注氮气或蒸汽法降低燃气轮机燃烧温度以减少热力型NO,排放，回注所需稀释剂不足时结合余热锅炉+选择性催化还原(selectivecatalytic redution, SCR)法,保证各脱硝方案下排烟中NO,含量均为50 mg/m' ;在燃气轮机功率为286 MW工况下比较各系统的热力性能,并结合工程实际计算各方案初始投资。结果表明:回注氮气脱硝效果不如注蒸汽,但回收利用来自气化岛氨气可提高能量利用效率,增加燃气轮机出力,系统效率有所提高;在目前IGCC电厂关键设备的技术水平下,增大SCR脱硝比例可改善IGCC系统热力性能，而IGCC电厂单位投资和运行成本也将增加。随着I6CC系统关键技术的提升,回注氮气法将会是最具环保节能潜力的脱硝方案。关键词:整体煤气化联合循环( IGCC) ;选择性催化还原( SCR)法;回注氮气法;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中圈分类号: TK 14文献标志码: A文章编号: 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显著增加,但一段时期内煤炭0引言资源仍然是我国最廉价且富足的化石燃料,煤炭在电电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源力工业的主中国煤化工炭发电方式产产业,是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。生了大量空MHCNMH固体颗粒及温室近年来,我国电力结构中核能、天然气以及风能、太阳气体等) ,生态环境问题愈加严峻,因此,大力发展清E 0Eletric Power Consiruction Vol 35, Na.2, Feh. . 2014第35卷第2期黄雪丽，等:400 MW整体煤气化联合循环机组脱硝方案比较发电技术I洁高效的煤炭利用技术具有重要意义。整体煤气化表2 IGCC 系统设计参数Tab, 2 Design parameters of IGCC system联合循环( integrated gasification combined cycle ,参数数值IGCC)发电系统具有高效率、优良的环保性能、灵活的燃料和产品的适用性、低水耗、大型化和多联产等大气温度/C5 |燃气轮机GE PG9351FA优势,且为未来CO2的零排放提供了可能21 ,在不大气压力/MPa0.1 余热锅炉三压再热.相对湿度/%高压蒸汽压力/MPa9.98断改善净效率、比投资费用、设备的可用率和生产成本后,21世纪初期有望被逐渐推广使用(3] ,将会是符空气分离装置压力/MPa 0.517 |高压蒸汽温度/C38空气分离装置温度/C 15 中 压蒸汽压力/MPa2.45合节能减排方针的最具潜力的洁净煤发电技术。IGCC电厂粗合成气净化系统中,除尘、脱硫、以氧气浓度/%中压蒸汽温度/C306气化压力/MPa3.544再热蒸汽压力/MPa2. 14及脱除HCN等含氮物质和燃料中的N的技术已趋于成熟,燃机排放污染物主要是热力型NO,对不同气化温度/C1370再热蒸汽温度/C机组制定经济、安全、高效的脱除热力型NO,方案成冷煤气效率/%69.9 | 低压蒸汽压力/MPa 0.571为亟待解决的问题。对于燃用煤气化中低热值合成辐射废锅出口合成s0| 低压蒸汽温度/C57气的ICCC电厂,火焰传播速度较快,采用预混燃烧气温度/C控制NO,有回火的危险,因此一般采用扩散燃烧方对流废锅出口合成355背 压/MPa0.49式4。本文基于热平衡软件Thermoflex搭建400 MWIGCC机组的数学模型,对目前应用较多的脱硝技术:燃烧天然气和重油的燃气轮机改烧中低热值合注氮气法、注蒸汽法、余热锅炉+选择性催化还原成气后,会导致燃料体积流量增大,需采取措施匹配燃( seletive catalytic reduction ,SCR) 法以及组合脱硝方机通流特性。GE公司的9FA燃气轮机是当今世界上法进行比较。正在商业应用的较大功率和高技术等级的燃气轮机机1 IGCC系统模型组之一,压气机有足够的喘振裕度,改烧合成气后有IGCC系统包括空气分离装置、Texaco气化炉及20%的过载能力,可直接向燃烧室注人蒸汽或氮气等煤气净化装置、GE 9351FA型燃气轮机、三压再热余稀释剂,12%透平通流面积裕度可匹配燃烧中低热值热回收锅炉和蒸汽轮机。在基本IGCC系统的基础合成气时的通流特性(56)。针对-一个给定的系统设计,.上,设计了回注氮气、回注蒸汽、余热锅炉+SCR、回气体燃料的互换性测量采用修正华白指数( modifiedWobbe index, MWI)[7] ,IGCC系统流程如图1所示。注氮气+ SCR和回注蒸汽+SCR这5种脱硝方案。IGCC系统中,虽然多压余热锅炉的汽水系统比煤质数据和IGCC系统参数如表1、2所示。单压要复杂,但由于增加了余热锅炉的受热面积,燃表1煤质资料气轮机的排气余热得到充分的回收利用,电厂的总体Tab.1 Coal analysis性能提高了。余热锅炉汽水传质传热过程较为复杂，比较参数参数值不仅要利用燃气轮机的排气余热,还需要考虑回收气C.s/%66. 15化工艺中废锅流程的显热和合成气净化流程中的热Hs/% .3.64量[8)。对不同蒸汽汇合方式进行匹配优化,结果表元素分析0./%8.61明由中压省煤器( intermediate pressure economizer,Ns/%0.8IPE)和高压省煤器( high pressure economizer , HPE)S2s/%0.67抽出的饱和水分别进入辐射废锅(radiantsyngasMg/%6.29cooler , RSC)和对流废锅( convective syngas cooler,A/%13. 84CSC)回收热量的汽水系统整体效率较高。工业分析.x/%27.262 IGCC 机组脱硝方案56.21煤粉收到基低位发热量/ (kJ.kg-')23 135合成气燃烧生成的NO,可分成:燃料型、热力型可磨系数和快速型。对于燃用天然气、合成气和低质油的燃机水煤浆浓度/%63设备,燃料中中国煤化工放主要是热力注:Ca .Hs .0s .Nas Ss .Ms .As、V.分别为空气干燥基碳、氢.氧、型。热力型I:MYHCN MH G在燃烧室中分氮硫、水分、灰分挥发分质量百分数;Fcs为千燥基固定碳质量百分数。解再结合而成,且随温度升高呈指数规律增加(9]。Elecric Power Construction VoL 35, Na. 2, Feb.，20141 80第35卷第2期黄雪丽,等:400 MW整体煤气化联合循环机组脱硝方案比较发电技术点计算公式为1 =20 lg(Vso3) +a,其中a与烟气中保持MWI不变,回注稀释剂+ SCR方案的MWI随水体积有关"，Vso3为IGCC系统烟气中SO,的体回注稀释剂量减少而变小，完全回注氮气方案MWI积分数,cm'/m。由计算出的酸露点温度合理设置变化最大,为满足燃气轮机燃烧系统允许的热值波动余热锅炉的节点温差和端点温差,保证排烟温度高于范围,燃气轮机喷嘴设计面积变化最大。酸露点20 C左右。(3)完全回注氮气方案的烟气酸露点略有降低，3.1不同脱硝方案的燃料特性比较完全回注蒸汽方案的烟气酸露点增大了16. 88% ,余基于稀释剂回注量公式和SCR脱硝效率公式，热锅炉+ SCR方案的烟气酸露点增加了1.87% ,注结合流程模拟软件Thermoflex可得不同脱硝方案的氨气 +SCR方案的烟气酸露点随氮气量减少和SCR燃料特性曲线如图2所示。脱硝效率增加而增大2.13% ~1. 82% ,注蒸汽+ SCR方案的烟气酸露点随蒸汽量减小和SCR脱硝效率增N.+90%SCRN+0%SCR加而增大11. 87% ~6.22%。 烟气中水含量对酸露蒸汽+90%SCR蒸汽+0%SCR点影响最大,烟气中的SO2在SCR催化剂活性钒的68作用下转化为so,18),-般工程计算中估计SCR设65备使得so,转化为so,的转化率由5%.上升到6%。，162|因此,完全注蒸汽方案的酸露点温度最高,其次是注蒸汽+SCR方案,注氮气方案使得排烟温度较低，可提高IGCC系统热效率。56 t3.2 IGCC电厂不同脱硝方案技术经济比较153 t★90%SCRIGCC电厂的主要运行成本为煤耗、除盐水和氨150σ 50100150200 250 300等化学试剂费用,如表3所示。回注蒸汽和回注蒸稀释剂/(thr')汽+SCR法需从蒸汽轮机系统中抽出部分高压蒸汽，(a)煤耗量15. N.+90%SCR因此汽水系统中需补充大量除盐水,且汽轮机出力大.14蒸汽+90%SCR蒸汽+0%SCR大减少;采用回注氮气和余热锅炉+ SCR法脱除13 t七N. MWI+105_ +蒸汽MWINO,时IGCC系统补水量很少。常规燃天然气联合k 90% SCR MWI+100循环中燃气轮机功率与汽轮机功率的比值为2:1,由.豆109s5 g图3可知,400 MW级1GCC联合循环中该比值为(1.28~1. 59):1,回注蒸汽方案燃气轮机功率与汽轮机功率比值最大。IGCC 电厂供电效率为表3不同脱硝方案静 态投资及运行成本0 50 100150 200 250 300稀释剂/(th")Tab. 3 Static investment and operation cost in(b)MWI和酸躇点different denitration schemes静态单位除盐水 SCR还 SCR催化运图2不同脱硝方案的煤耗量、MWI和酸露点脱硝方案投资/耗量/ 原剂 剂耗量/ 成本/Fig2 Coal consumption, MWI and acid dew(元kW") (th")(th)万元point in different denitration schemesN27505.83 8. 87424. 40由图2可知，与无脱硝措施的IGCC系统相比:N2 + 50% SCR7392.63 7.775 0.051 4229. 53 542. 52(1)完全回注氮气方案煤耗量减少了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热锅炉+ SCR方案的N, +70% SCR7465.47 9.9270.1107 390.82 767. 26煤耗量有微量增加,注氮气+ SCR方案的煤耗量随N2 +80% SCR7473.09 10.6900.1797 454.24 959.62氮气量减少和SCR脱硝效率增加而增多0.61% ~蒸汽7 802.93 134. 100368.782.08%,注蒸汽+SCR方案的煤耗量随蒸汽量减小燕汽+50%SCR 7607.98 86.960 0.042 1296.06 742.27和SCR脱硝效率增加而增多1. 23% ~1. 96% ,完全蒸汽+60%SCR 7 609.36 73. 06C0.0626 332.74 787.40回注氮气时煤耗量最少。蒸汽+ 70% SCRs7 3250 ∩00K9 390.81 878.69(2)完全回注氮气方案的MWI减小了46. 9%，蒸汽+ 80% sCR中国煤化工，2 453.821 011.65完全回注蒸汽方案的MWI减小了37. 33% ,余热锅90% SCRYHCNMHG,777. 431 658.41炉+SCR方案由于进入燃烧室合成气的热值不变而Elecrie Power Consrcion Vol 35, Na2, Feb. , 2014| 3.发电技术电力建设2014年2月Ng +Na表4所示。由不同脱硝方案下烟气成分及流量可得所(1 -n。) x 100%(3)需催化剂量,SCR还原剂和催化剂参考市场价格分别式中:Ng为燃气轮机出力,kW;Nx为蒸汽轮机出力,为500元/和5万元/m'。结果表明回注氮气结合.kW;Gca为煤耗量,kg/s;n。为用电率, %。50%SCR的IGCC脱硝方案静态单位投资最低,静态单位投资最高的完全采用SCR方案比前者高了N:+90%SCRN+0%SCR2. 84% ,运行成本比完全回注氮气方案高了1 634. 01蒸汽+906SCR蒸汽+0%SCR万元。.1000+燃气轮机出力o -蒸汽方案燃气轮机出力蒸汽轮机出力蒸汽方案蒸汽轮机出力表4 IGCC 电厂基本系统初始投资广用电Tab. 4 Fundamental system initial investment of- >蒸汽方案净燃料消耗IGCC plant万元ξ 600十净燃料消耗比较参数参数值主辅生产工程295 158单项工程13 013200其他费用3 627050 100 150 200 250 300编制年价差2 985稀释剂/(th")基本预备费16 122合计363 554图3不同脱硝方案下系统出力Fig 3 System output in different denitration schemes4结论由Thermoflex 模拟结果计算可得各脱硝方案供(1)在满足大气污染排放标准中NO,排放量要电效率,如图4所示。定燃机出力工况下，回注.求的前提下,所需回注蒸汽量少于回注氮气量。但.71.8 th氮气结合脱硝效率为80% SCR时,IGCC系由于回注蒸汽法需从汽轮机高压缸抽取部分蒸汽,统全厂出力最大,但燃料耗量也最高;随着燃气轮机大大影响了汽轮机出力,导致IGCC系统效率较低。回注稀释剂量减少，需增大SCR脱硝效率,且IGCC汽水系统中的大量补水增加了运行成本,另外合成电厂净效率随SCR脱硝比例的增加而增大;完全回气中水分的增加也将缩短设备的寿命。因此,回注注氮气时氮气压缩机耗功很大,厂用电率高达蒸汽方案在新建的IGCC机组中较少使用。注除盐17. 77%。因此完全回注氮气脱硝方案全厂效率最高水与注蒸汽的脱硝效果相差不大,因此,水资源丰(48. 06%),净效率比完全采用SCR( 脱硝效率富地区的IGCC机组可以考虑设置独立回注水系统90% )方案低2.03%。脱除NO,。N+90%SCRN,+0%SCR(2)回注氮气脱硝方案的全厂出力最大,但由于0r 燕汽+90%SCR 蒸汽+O%SCR目前我国空分系统和氮气压缩机工艺仍处于起步阶段,厂用电耗较高,完全回注氮气方案的净效率并不理想。回注氮气结合SCR法的净效率随着SCR脱st女发电效率。 蒸汽方案发电效事◆供电效率o蒸汽方案供电效率硝效率的增加有所增大。a蒸汽方案净效率(3)余热锅炉加SCR方案的厂用电率相对较低，士厂用电率★90% SCR20f此方案下IGCC系统的净效率最高,但相对于回注氮气时直接利用空分系统来的氮气,SCR方案静态单位投资较高,且需不断补充还原剂和更换催化剂,额0 50100 150 200 250 300外运行成本增加。稀释剂/(th'")(4)在目前IGCC关键设备的技术水平下,增大SCR脱硝比例可以提高IGCC系统热力性能,但会增图4不同脱硝方案 下系统效率Fig.4 System efficiency in different denitration schemes加IGCC电厂初始投资,另外SCR运行成本大大增加。随着IGC中国煤化工路体化研究和参考中电投某IGCC电厂投资估算,可得到氮气压缩机等MYHCNMHG注氮气法将会1 x400 MW级IGCC电厂初始投资为363 554万元,由是最 具环保节能潜力的脱硝方式。Elecric Power Construction Vol 35, Na. 2, Feb. , 2014第35卷第2期黄雪丽,等:400 MW整体煤气化联合循环机组脱硝方案比较发电技术I5参考文献[12] SCchwerdt C. Modelig NOx fomaion in combustion proess[R].Lund: Deparment of automatic control,lund university ,2006.[1]谢秋野,姜士宏赵敏,等我国火力发电新技术应用与展望[J].[13] Rik N K, Mongia H C. NO, model for lean combustion conce电力建设2006,27(12):1-5.[小] Joumal of Propulsion and Power, 195.11(1)1 : 161-169.[2] Ola M. An overview of coal based integraled gasicaion combined[4]陈晓丽,祁海鹰,谢刚，等DLN燃烧室污染物排放估算方法分析cycle( 1CCC) technology[ R]. Masachuets: MTT laboraoy for[]热能与动力工程,2010,25(6) :599-604.energy and the envionment,2005.[I5]林清华,张哲顺,肖云汉.合成气燃烧室NO,排放估算方法分析[3]焦树建. IGCC技术发展的回顾和展望[J].电力建设, 209.30[小].燃气轮机技术. 2013,26(1):9-14.26.(1):1-7.[16] Brdar RD, Jones M R. GE ICCC technology and expeience with[4]毕映会. IGCC 系统低NO,排放方法的比较和分析[J].华电技advanced gas turbines[ R]. GE Power Systems, GER-4207.术.2008 ,3(1):25-27.[17]唐志水,金保升,孙克勤,等湿法脱硫后净烟气酸露点计算公式[5]焦树建1GCC 某些关键技术的发展和展望[J].动力工程.2006,的比较和评估[].动力工程,2005 ,25(S) :18-21.26(2):153-165.[18]单建明,王利宏,宋彦君，等. SCR法烟气脱硝装置在联合循环余[6] Frank J B. GE gas turbine performance caraceristic [R].热锅炉中的应用[].发电设备.2011.5)-374-377.NewYork: GE Power Systems, GER-3567H.[7] GE energy. Seificaion for fuel gases for combustion in heavy-duty收稿日期:2013-08-02修回 日期:2013- 10-09gas turbines[R]. NewYork: GEI 41040i, 2005.作者简介: .[8]潜纪儒,吴强,李硕平.200 MW级lcCC电厂动力岛主机特性分黄雪丽(1989),女,硕士研究生,主要从事洁净煤燃烧技术及电站析及参数优化[].燃气轮机技术202(11)11-15.系统技术经济分析等研究工作,E-mail: wonderfulhuang@ 126. com;[9] EPA-453/R-93 -007 Altemaive control techniques document.No,陈鸿伟( 1965) ,男,博士,教授,主要从事洁净煤技术电站锅炉热emissions from stationary gas turbines[ R].力过程污染物控制及其仿真、可再生能源技术等研究工作:[10] GB 13233 -2011 火电厂大气污染物排放标准[S].北京:中国标.孙永斌(1970),男,教授级高级工程师，主要从事联合循环发电.准出版社2011.多联产及脱硫、脱硝、脱碳等的研究工作，Email: sunyb@ ncpe.[]黄索华,苏保兴，华字东,等燃气轮机NO,排放控制技术[J].中.国电力,2012 ,45(6) :101-103.(编辑:蒋毅恒)中国煤化工MYHCNMHGElecric Power Construction Vol 35, Na2, Feb. , 2014| s