摘 要：空分(fen)(fen)(fen)設(she)(she)備是整(zheng)體煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)化(hua)聯(lian)合循環（IGCC）發(fa)電系統的(de)(de)(de)重(zhong)要組成部分(fen)(fen)(fen)。本文(wen)探討了不(bu)(bu)同(tong)空分(fen)(fen)(fen)工藝流程及其與IGCC 的(de)(de)(de)連接匹配對IGCC 整(zheng)體性(xing)能的(de)(de)(de)影響；并(bing)對與空分(fen)(fen)(fen)設(she)(she)備連接的(de)(de)(de)IGCC 的(de)(de)(de)煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)化(hua)部分(fen)(fen)(fen)進行(xing)了討論，通過分(fen)(fen)(fen)析(xi)現有工程上不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)化(hua)工藝，為IGCC 系統方案(an)的(de)(de)(de)優化(hua)選擇提(ti)供(gong)依(yi)據。

關鍵詞：IGCC,空分設備,煤氣化,優化,工程(cheng)

前 言

整體煤(mei)氣(qi)(qi)(qi)化聯(lian)合(he)(he)循環(huan)（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)系(xi)統以其高效、低污(wu)染(ran)等優勢，被認為(wei)是世界上最(zui)具發(fa)(fa)(fa)展前途(tu)的(de)(de)(de)潔凈(jing)煤(mei)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)技(ji)術(shu)之(zhi)一。它由(you)兩(liang)大部分(fen)(fen)(fen)(fen)組成：煤(mei)的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)化與凈(jing)化以及燃氣(qi)(qi)(qi)-蒸(zheng)汽聯(lian)合(he)(he)循環(huan)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)部分(fen)(fen)(fen)(fen)。煤(mei)的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)化與凈(jing)化部分(fen)(fen)(fen)(fen)主要(yao)有(you)氣(qi)(qi)(qi)化爐、空分(fen)(fen)(fen)(fen)裝置、煤(mei)氣(qi)(qi)(qi)凈(jing)化設(she)(she)(she)備(bei)，燃氣(qi)(qi)(qi)-蒸(zheng)汽聯(lian)合(he)(he)循環(huan)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)主要(yao)有(you)燃氣(qi)(qi)(qi)輪機發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)系(xi)統、余熱鍋(guo)爐、蒸(zheng)汽輪機發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)系(xi)統。經過幾十(shi)年(nian)研(yan)究(jiu)與發(fa)(fa)(fa)展，一些單項技(ji)術(shu)如(ru)氣(qi)(qi)(qi)化爐、空分(fen)(fen)(fen)(fen)設(she)(she)(she)備(bei)、燃氣(qi)(qi)(qi)輪機、蒸(zheng)汽輪機、煤(mei)氣(qi)(qi)(qi)脫硫、余熱鍋(guo)爐等有(you)一定的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)基(ji)礎，但設(she)(she)(she)備(bei)與設(she)(she)(she)備(bei)之(zhi)間關聯(lian)匹配的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)較少。空分(fen)(fen)(fen)(fen)設(she)(she)(she)備(bei)是IGCC 發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)系(xi)統的(de)(de)(de)一個重要(yao)組成部分(fen)(fen)(fen)(fen)，它為(wei)氣(qi)(qi)(qi)化爐提供助燃氧氣(qi)(qi)(qi)以及輸煤(mei)氮氣(qi)(qi)(qi)，保證IGCC 系(xi)統能夠長(chang)期、安(an)全可靠運行。因此，研(yan)究(jiu)空分(fen)(fen)(fen)(fen)工藝流(liu)程及其與IGCC的(de)(de)(de)結合(he)(he)，使得空分(fen)(fen)(fen)(fen)設(she)(she)(she)備(bei)作為(wei)IGCC的(de)(de)(de)子系(xi)統更(geng)加高效的(de)(de)(de)運行，對有(you)效的(de)(de)(de)提高IGCC 整體的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)效率具有(you)十(shi)分(fen)(fen)(fen)(fen)重要(yao)的(de)(de)(de)意(yi)義。

1．IGCC 系統對空分設備的要求

IGCC 的(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)藝(yi)過(guo)(guo)程：煤(mei)(mei)(mei)經氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)化成(cheng)為(wei)中(zhong)低(di)熱(re)值煤(mei)(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，經過(guo)(guo)凈化，除去煤(mei)(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)硫化物(wu)、氮(dan)化物(wu)、粉(fen)塵等污染物(wu)，變為(wei)清潔的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體燃(ran)料；然后送入燃(ran)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)燃(ran)燒(shao)室燃(ran)燒(shao)，加(jia)熱(re)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體工(gong)質以驅動(dong)燃(ran)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)透平作(zuo)功；燃(ran)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)排(pai)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)進入余熱(re)鍋爐加(jia)熱(re)給(gei)水，產生過(guo)(guo)熱(re)蒸汽(qi)驅動(dong)蒸汽(qi)輪(lun)機(ji)作(zuo)功。可見(jian)，煤(mei)(mei)(mei)的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)化工(gong)藝(yi)是(shi)(shi)IGCC 系(xi)統的(de)(de)(de)(de)(de)龍(long)頭，煤(mei)(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)化爐則是(shi)(shi)煤(mei)(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)化的(de)(de)(de)(de)(de)核心設備，需要空(kong)分設備提供(gong)氧氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，其中(zhong)氧氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)是(shi)(shi)媒的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)化劑，氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)或污氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)用于稀(xi)釋煤(mei)(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，降低(di)煤(mei)(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)閃點溫度以抑制NOx 的(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)，使廢(fei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)NOx 含量(liang)低(di)于排(pai)放標準(zhun)。

因此(ci)，煤氣(qi)化工(gong)藝決定(ding)了與之結合(he)的空分設(she)備的工(gong)藝參數(shu)，目(mu)前(qian)IGCC 各(ge)示范工(gong)程煤氣(qi)化爐主要包括：噴流床(chuang)、流化床(chuang)、固(gu)定(ding)床(chuang)氣(qi)化爐等。

固(gu)定(ding)床氣(qi)(qi)(qi)化(hua)(hua)爐(lu)開發最早，爐(lu)子下部(bu)為(wei)爐(lu)排，支承(cheng)爐(lu)體(ti)上部(bu)的(de)(de)煤層，工作(zuo)原理與燃(ran)煤的(de)(de)層燃(ran)爐(lu)相似(si)。煤從(cong)(cong)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)(hua)爐(lu)的(de)(de)頂(ding)部(bu)加入，作(zuo)為(wei)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)(hua)劑的(de)(de)壓(ya)力氧氣(qi)(qi)(qi)則從(cong)(cong)爐(lu)下部(bu)加入，氣(qi)(qi)(qi)固(gu)兩相逆(ni)向流動傳熱與傳質。固(gu)定(ding)床氣(qi)(qi)(qi)化(hua)(hua)爐(lu)設(she)計有兩個煤氣(qi)(qi)(qi)出(chu)口(kou)，從(cong)(cong)干(gan)燥區上部(bu)的(de)(de)出(chu)口(kou)引(yin)出(chu)一(yi)半的(de)(de)煤氣(qi)(qi)(qi)；另一(yi)半的(de)(de)煤氣(qi)(qi)(qi)則從(cong)(cong)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)(hua)區的(de)(de)頂(ding)部(bu)引(yin)出(chu)。

在(zai) IGCC 系統工程上應用(yong)的(de)固(gu)定(ding)床氣化(hua)爐是魯奇爐。最初使用(yong)的(de)魯奇固(gu)定(ding)床是單段(duan)固(gu)態排(pai)(pai)渣(zha)(zha)氣化(hua)爐，容(rong)易造成床體阻塞(sai)，煤(mei)氣質量不穩定(ding)。此后在(zai)固(gu)態排(pai)(pai)渣(zha)(zha)魯奇爐的(de)基礎上發展了(le)液(ye)態排(pai)(pai)渣(zha)(zha)魯奇爐，提高了(le)煤(mei)的(de)氧化(hua)速率和碳的(de)轉化(hua)率，對煤(mei)粒(li)直徑的(de)要(yao)求也(ye)比(bi)固(gu)態排(pai)(pai)渣(zha)(zha)爐的(de)要(yao)寬，但是液(ye)態排(pai)(pai)渣(zha)(zha)氣化(hua)爐排(pai)(pai)渣(zha)(zha)的(de)物理熱損失大，并且煤(mei)氣生產能力有限，限制了(le)其在(zai) IGCC 系統工程上的(de)應用(yong)。

流化(hua)(hua)(hua)床氣(qi)化(hua)(hua)(hua)爐(lu)(lu)(lu)改善(shan)了固(gu)定床氣(qi)化(hua)(hua)(hua)爐(lu)(lu)(lu)的(de)缺點，床內(nei)采用氣(qi)固(gu)兩相間的(de)高強(qiang)度的(de)傳熱(re)和傳質，用氧壓力一(yi)般在3~8MPa。同(tong)時，通過(guo)加入脫硫(liu)劑，脫除SO2 和H2S，進(jin)行初級的(de)凈化(hua)(hua)(hua)。但在工藝及輔機配套、連續(xu)運行時間、負(fu)荷、磨損、漏煙、脫硫(liu)等技術方面還有待完善(shan)，影(ying)響(xiang)了它的(de)工程(cheng)應(ying)用普及，目前市場上只有U－Gas 爐(lu)(lu)(lu)，KRW 爐(lu)(lu)(lu)、溫克勒爐(lu)(lu)(lu)。

噴(pen)(pen)流(liu)床(chuang)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)爐(lu)(lu)單爐(lu)(lu)生產(chan)能力(li)大(da)，在(zai)目前 IGCC 各示(shi)范工程中(zhong)采用(yong)最多(duo)，主要(yao)(yao)有美(mei)國(guo)的(de)(de)(de)(de) DEXCO 爐(lu)(lu)、GE 爐(lu)(lu)，荷蘭的(de)(de)(de)(de)Shell 爐(lu)(lu)，德國(guo)的(de)(de)(de)(de)Prenflo 爐(lu)(lu)等。其(qi)中(zhong)Shell 和(he)Prenflo 是干法進(jin)煤(mei)(mei)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)爐(lu)(lu)；DEXCO、GE 和(he)CE 屬于(yu)水煤(mei)(mei)漿(jiang)(jiang)進(jin)煤(mei)(mei)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)爐(lu)(lu)。近年來，華(hua)電(dian)半山電(dian)廠(chang)、兗礦分別與華(hua)東理工大(da)學對水煤(mei)(mei)漿(jiang)(jiang)進(jin)煤(mei)(mei)的(de)(de)(de)(de)噴(pen)(pen)流(liu)床(chuang)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)爐(lu)(lu)進(jin)行(xing)了(le)聯合研制。噴(pen)(pen)流(liu)床(chuang)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)爐(lu)(lu)用(yong)氧(yang)壓(ya)力(li)一般(ban)在(zai)3~8 MPa，每公(gong)斤煤(mei)(mei)需要(yao)(yao)消耗0.82~1.0kg 的(de)(de)(de)(de)氧(yang)氣(qi)(qi)(qi)。氧(yang)氣(qi)(qi)(qi)純度(du)為90％~99％；稀釋煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)或污氮(dan)純度(du)為96％~99.9％。由于(yu)噴(pen)(pen)流(liu)床(chuang)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)爐(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)優點，其(qi)在(zai)今(jin)后發展大(da)容量(liang)高(gao)效率的(de)(de)(de)(de)IGCC 電(dian)站中(zhong)具有強有力(li)的(de)(de)(de)(de)競(jing)爭地位。

3．空分裝置流程的選擇與IGCC 的結合方式

3.1 基于IGCC 的空分流程形式

IGCC 系(xi)統(tong)用(yong)氧(yang)(yang)(yang)量(liang)氣(qi)一般在4~6 萬(wan)立(li)方米(mi)氧(yang)(yang)(yang)氣(qi)范圍，只有(you)低溫精餾法才能滿足(zu)IGCC 系(xi)統(tong)大量(liang)的工(gong)業化用(yong)氧(yang)(yang)(yang)。目前單套空(kong)分設備(bei)已(yi)達到制備(bei)6 萬(wan)標(biao)準立(li)方米(mi)氧(yang)(yang)(yang)氣(qi)以(yi)上的水平。空(kong)分流(liu)程一般分為外壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)、內(nei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)流(liu)程，可以(yi)滿足(zu) IGCC 系(xi)統(tong)對(dui)用(yong)氧(yang)(yang)(yang)、用(yong)氮(dan)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)和純度的要(yao)求(qiu)。外壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)流(liu)程通過生產低壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氧(yang)(yang)(yang)氣(qi)，再經過氧(yang)(yang)(yang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)機增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)后供給用(yong)戶(hu)。內(nei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)流(liu)程則取(qu)消了氧(yang)(yang)(yang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)機，直(zhi)接從冷(leng)凝-蒸發器抽取(qu)液(ye)(ye)氧(yang)(yang)(yang)，由(you)液(ye)(ye)氧(yang)(yang)(yang)泵加壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)，復熱后供給用(yong)戶(hu)。增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)空(kong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)機或(huo)增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氮(dan)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)機（氮(dan)氣(qi)循環流(liu)程）在內(nei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)流(liu)程中代替了氧(yang)(yang)(yang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)機，在國內(nei)、外均(jun)有(you)大量(liang)運(yun)行(xing)業績；同時內(nei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)流(liu)程成熟可靠的，安全性好(hao)。外壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)流(liu)程對(dui)氧(yang)(yang)(yang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)機安全要(yao)求(qiu)較高，但適用(yong)于用(yong)氧(yang)(yang)(yang)量(liang)變化頻繁的情況。

由于 IGCC 系統中煤(mei)氣透平的(de)(de)(de)部分(fen)空(kong)(kong)氣可以(yi)(yi)(yi)利用(yong)，這部分(fen)空(kong)(kong)氣的(de)(de)(de)壓力通常高于全(quan)低(di)壓空(kong)(kong)分(fen)流(liu)(liu)程(cheng)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)氣壓力；同時(shi)空(kong)(kong)分(fen)的(de)(de)(de)污(wu)氮產品可以(yi)(yi)(yi)噴入煤(mei)氣透平的(de)(de)(de)燃(ran)燒器以(yi)(yi)(yi)稀釋煤(mei)氣，這部分(fen)污(wu)氮的(de)(de)(de)量可以(yi)(yi)(yi)變化而且(qie)必須加壓；IGCC 對空(kong)(kong)分(fen)設(she)備變負荷的(de)(de)(de)要求。這就(jiu)造成空(kong)(kong)分(fen)流(liu)(liu)程(cheng)有諸多可變因素。應(ying)當綜合考慮以(yi)(yi)(yi)上因素，確定合適與優化的(de)(de)(de)空(kong)(kong)分(fen)流(liu)(liu)程(cheng)。

3.2 空分裝置與IGCC 的結合方式

空(kong)分設(she)備與 IGCC 結合(he)的目的是降低(di)設(she)備投資與生(sheng)產成本，提高由煤轉化(hua)為電的熱(re)效率，控(kong)制(zhi)NOx 含量在(zai)可接受的水平(ping)。燃(ran)氣透(tou)平(ping)在(zai)使用(yong)低(di)熱(re)值的燃(ran)氣時，為保持平(ping)衡通常(chang)要排(pai)放一部分的空(kong)氣，IGCC 空(kong)分設(she)備的流(liu)程選擇應考慮合(he)理利(li)用(yong)這部分空(kong)氣，作為加工(gong)空(kong)氣，因此空(kong)分設(she)備與IGCC 結合(he)方(fang)式(shi)主要有：獨(du)立空(kong)分、完(wan)全整體化(hua)、部分整體化(hua)方(fang)式(shi)，如圖1～ 3 所示。

如圖(tu)1 所(suo)示(shi)，獨立(li)空(kong)分(fen)不(bu)抽取帶(dai)壓(ya)空(kong)氣(qi)(qi)，這種(zhong)形式(shi)，原料(liao)空(kong)氣(qi)(qi)壓(ya)縮(suo)機(ji)的(de)(de)(de)(de)投(tou)(tou)資較(jiao)(jiao)高，廠用電率(lv)(lv)(lv)較(jiao)(jiao)大(da)，但(dan)(dan)它運行靈活，且此(ci)時燃氣(qi)(qi)輪機(ji)的(de)(de)(de)(de)效率(lv)(lv)(lv)較(jiao)(jiao)高；如圖(tu)2 所(suo)示(shi)，完全整(zheng)體化空(kong)分(fen)則(ze)全部采用帶(dai)壓(ya)空(kong)氣(qi)(qi)，原料(liao)空(kong)氣(qi)(qi)壓(ya)縮(suo)機(ji)的(de)(de)(de)(de)投(tou)(tou)資較(jiao)(jiao)低(di)，廠用電率(lv)(lv)(lv)較(jiao)(jiao)低(di)，但(dan)(dan)運行不(bu)夠靈活，燃氣(qi)(qi)輪機(ji)的(de)(de)(de)(de)效率(lv)(lv)(lv)較(jiao)(jiao)低(di)；如圖(tu)3 所(suo)示(shi)，部分(fen)整(zheng)體化方式(shi)采用煤氣(qi)(qi)透平(ping)(ping)來的(de)(de)(de)(de)帶(dai)壓(ya)空(kong)氣(qi)(qi)，可以提高壓(ya)力操(cao)作使(shi)氧(yang)、氮產品(pin)的(de)(de)(de)(de)出口壓(ya)力提高，原料(liao)空(kong)壓(ya)機(ji)壓(ya)縮(suo)比(bi)下(xia)降，這種(zhong)變化帶(dai)來的(de)(de)(de)(de)好(hao)處是(shi)空(kong)分(fen)設備的(de)(de)(de)(de)壓(ya)力損(sun)失和外(wai)形尺寸大(da)大(da)減少，產品(pin)氧(yang)、氮壓(ya)縮(suo)機(ji)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)耗(hao)下(xia)降，總(zong)能(neng)(neng)耗(hao)下(xia)降。但(dan)(dan)壓(ya)力升高后氧(yang)、氮、氬(ya)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)相對揮(hui)發度也相應減少，相同的(de)(de)(de)(de)純度和回(hui)收率(lv)(lv)(lv)時需(xu)要(yao)更(geng)多的(de)(de)(de)(de)理論塔板(ban)數(shu)。需(xu)要(yao)對此(ci)方案(an)優弊進行比(bi)較(jiao)(jiao)，使(shi)投(tou)(tou)資及運行成本達到一個(ge)較(jiao)(jiao)好(hao)的(de)(de)(de)(de)平(ping)(ping)衡點。

3．IGCC 系統空分流程的工程設計

3.1 空分流程方案的提出

華電(dian)半山(shan)電(dian)廠將新建(jian)一套200MW 級IGCC 發電(dian)示(shi)范工(gong)程(cheng)，以(yi)下以(yi)該(gai)工(gong)程(cheng)為例分(fen)析一下 IGCC 系(xi)統中空分(fen)設備流程(cheng)的(de)選擇。

該項目經(jing)過對整個(ge)系統的(de)平衡計(ji)算(suan)，對氧氣(qi)(qi)產(chan)品的(de)產(chan)量要求(qiu)為48,000 Nm3/h、壓力(li)要求(qiu)為出冷箱(xiang)壓力(li)為56bar、純度為99%的(de)氧；因為燃氣(qi)(qi)輪(lun)(lun)機(ji)的(de)采取(qu)了水蒸氣(qi)(qi)回注(zhu)的(de)方式，則不(bu)需要空分(fen)設備提供帶(dai)壓氮氣(qi)(qi)；同時，燃氣(qi)(qi)輪(lun)(lun)機(ji)可以提供流量為20,900 Nm3/h、壓力(li)為6～7bar、溫度為50℃的(de)帶(dai)壓空氣(qi)(qi)。

根據上述(shu)條件，經過初步選擇，提(ti)出了以(yi)下三(san)個流(liu)程方(fang)案(an)進行(xing)比較。

方案(an)一：常規(gui)外壓縮(suo)+氧(yang)氣(qi)壓縮(suo)機空(kong)分流程

如圖 4 所示，凈化后(hou)(hou)的加工空氣(qi)分(fen)為三(san)股：一(yi)小股被抽(chou)出(chu)作(zuo)為儀表(biao)空氣(qi)；一(yi)股空氣(qi)進(jin)入(ru)(ru)主(zhu)換(huan)熱(re)器(qi)，被返流氣(qi)體(ti)冷(leng)(leng)(leng)卻至飽和溫度進(jin)入(ru)(ru)下(xia)塔(ta)。另一(yi)股相當于膨脹(zhang)量的空氣(qi)進(jin)入(ru)(ru)增(zeng)壓(ya)(ya)機(ji)增(zeng)壓(ya)(ya)，冷(leng)(leng)(leng)卻后(hou)(hou)進(jin)入(ru)(ru)主(zhu)換(huan)熱(re)器(qi)，從中部(bu)(bu)(bu)(bu)抽(chou)出(chu)進(jin)入(ru)(ru)膨脹(zhang)機(ji)，膨脹(zhang)后(hou)(hou)的大部(bu)(bu)(bu)(bu)分(fen)空氣(qi)送(song)入(ru)(ru)上(shang)(shang)塔(ta)，其(qi)余(yu)進(jin)入(ru)(ru)污氮(dan)管(guan)道。空氣(qi)經(jing)(jing)下(xia)塔(ta)初步精餾后(hou)(hou)，在下(xia)塔(ta)底部(bu)(bu)(bu)(bu)獲(huo)得液(ye)(ye)(ye)(ye)空，在頂(ding)部(bu)(bu)(bu)(bu)獲(huo)得純液(ye)(ye)(ye)(ye)氮(dan)。下(xia)塔(ta)抽(chou)取(qu)的液(ye)(ye)(ye)(ye)空和液(ye)(ye)(ye)(ye)氮(dan)進(jin)入(ru)(ru)液(ye)(ye)(ye)(ye)空液(ye)(ye)(ye)(ye)氮(dan)過冷(leng)(leng)(leng)器(qi)過冷(leng)(leng)(leng)后(hou)(hou)送(song)入(ru)(ru)上(shang)(shang)塔(ta)進(jin)一(yi)步精餾，液(ye)(ye)(ye)(ye)氧(yang)(yang)從冷(leng)(leng)(leng)凝蒸發器(qi)底部(bu)(bu)(bu)(bu)抽(chou)出(chu)送(song)入(ru)(ru)貯(zhu)存(cun)系統，在上(shang)(shang)塔(ta)底部(bu)(bu)(bu)(bu)獲(huo)得產品氧(yang)(yang)氣(qi)由(you)氧(yang)(yang)氣(qi)透(tou)平壓(ya)(ya)縮機(ji)壓(ya)(ya)縮至所需壓(ya)(ya)力(li)進(jin)入(ru)(ru)氧(yang)(yang)氣(qi)管(guan)網(wang)。從下(xia)塔(ta)頂(ding)部(bu)(bu)(bu)(bu)抽(chou)出(chu)的壓(ya)(ya)力(li)氮(dan)氣(qi)經(jing)(jing)主(zhu)換(huan)熱(re)器(qi)復熱(re)后(hou)(hou)作(zuo)為氧(yang)(yang)透(tou)的密封氣(qi)及其(qi)它用途。從下(xia)塔(ta)頂(ding)部(bu)(bu)(bu)(bu)抽(chou)取(qu)部(bu)(bu)(bu)(bu)分(fen)液(ye)(ye)(ye)(ye)氮(dan)經(jing)(jing)液(ye)(ye)(ye)(ye)空液(ye)(ye)(ye)(ye)氮(dan)過冷(leng)(leng)(leng)器(qi)過冷(leng)(leng)(leng)后(hou)(hou)送(song)入(ru)(ru)貯(zhu)存(cun)系統。

方案二(er)：膨脹空氣進下塔內壓縮(suo)空分流(liu)程

如圖 5 所(suo)示，凈(jing)化后(hou)(hou)(hou)的(de)空氣(qi)(qi)(qi)分成三股(gu)：第(di)一(yi)股(gu)進(jin)(jin)入(ru)(ru)低壓(ya)(ya)(ya)(ya)板式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)，出(chu)(chu)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)底(di)部后(hou)(hou)(hou)進(jin)(jin)入(ru)(ru)下(xia)塔(ta)(ta)(ta)；第(di)二(er)股(gu)進(jin)(jin)入(ru)(ru)膨脹(zhang)(zhang)機的(de)增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)風(feng)機中增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)，然后(hou)(hou)(hou)被冷(leng)(leng)卻(que)器(qi)(qi)冷(leng)(leng)卻(que)至(zhi)常溫后(hou)(hou)(hou)進(jin)(jin)入(ru)(ru)低壓(ya)(ya)(ya)(ya)板式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)，再從換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)中部抽出(chu)(chu)進(jin)(jin)入(ru)(ru)膨脹(zhang)(zhang)機去(qu)膨脹(zhang)(zhang)。膨脹(zhang)(zhang)后(hou)(hou)(hou)的(de)空氣(qi)(qi)(qi)進(jin)(jin)入(ru)(ru)上(shang)塔(ta)(ta)(ta)；第(di)三股(gu)空氣(qi)(qi)(qi)經增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)空壓(ya)(ya)(ya)(ya)機的(de)增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)后(hou)(hou)(hou)過冷(leng)(leng)器(qi)(qi)冷(leng)(leng)卻(que)至(zhi)常溫后(hou)(hou)(hou)進(jin)(jin)入(ru)(ru)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)板式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)，與高(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)液氧及返流污(wu)氮氣(qi)(qi)(qi)體換(huan)熱(re)(re)。這(zhe)部分高(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)空氣(qi)(qi)(qi)從換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)底(di)部抽出(chu)(chu)經節(jie)流進(jin)(jin)入(ru)(ru)下(xia)塔(ta)(ta)(ta)。空氣(qi)(qi)(qi)經下(xia)塔(ta)(ta)(ta)初(chu)步精(jing)餾后(hou)(hou)(hou)，獲得(de)液空、純液氮和污(wu)液氮，并經過冷(leng)(leng)器(qi)(qi)過冷(leng)(leng)后(hou)(hou)(hou)節(jie)流進(jin)(jin)入(ru)(ru)上(shang)塔(ta)(ta)(ta)進(jin)(jin)一(yi)步精(jing)餾，在上(shang)塔(ta)(ta)(ta)底(di)部獲得(de)液氧，并經液氧泵壓(ya)(ya)(ya)(ya)縮后(hou)(hou)(hou)進(jin)(jin)入(ru)(ru)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)板式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)，復(fu)熱(re)(re)后(hou)(hou)(hou)出(chu)(chu)冷(leng)(leng)箱(xiang)，進(jin)(jin)入(ru)(ru)氧氣(qi)(qi)(qi)管網。

AF—空(kong)氣過濾器(qi)，ATC1—原料空(kong)壓機，ATC2—增壓空(kong)壓機，AC—空(kong)冷塔

WC—水冷塔，SH—蒸汽加熱器，ET—膨脹(zhang)機(ji)，MS——分子(zi)篩吸附(fu)器

BT—膨脹機增壓端，E1—板式換熱器，E3—過冷器，WP—水泵，OP—液氧泵

C1—下塔，C2—上塔，K1—主冷凝蒸發器(qi)，C701—增(zeng)效塔

方案三：膨脹空(kong)(kong)氣(qi)進上塔內(nei)壓(ya)縮空(kong)(kong)分(fen)流程

如(ru)圖 6 所示，凈(jing)化后(hou)(hou)的(de)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)分成(cheng)三股：第一股進(jin)(jin)入(ru)低(di)壓(ya)(ya)(ya)板式(shi)換熱(re)(re)器(qi)(qi)，出換熱(re)(re)器(qi)(qi)底(di)部后(hou)(hou)進(jin)(jin)入(ru)下塔(ta)；第二(er)股進(jin)(jin)入(ru)膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)機的(de)增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)風機中增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)，然后(hou)(hou)被冷(leng)卻器(qi)(qi)冷(leng)卻至常溫(wen)后(hou)(hou)進(jin)(jin)入(ru)低(di)壓(ya)(ya)(ya)板式(shi)換熱(re)(re)器(qi)(qi)，再從換熱(re)(re)器(qi)(qi)中部抽出進(jin)(jin)入(ru)膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)機去(qu)膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)。膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)后(hou)(hou)的(de)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)進(jin)(jin)入(ru)上(shang)塔(ta)；第三股空(kong)(kong)氣(qi)(qi)經增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)空(kong)(kong)壓(ya)(ya)(ya)機的(de)增(zeng)壓(ya)(ya)(ya)后(hou)(hou)過(guo)冷(leng)器(qi)(qi)冷(leng)卻至常溫(wen)后(hou)(hou)進(jin)(jin)入(ru)高壓(ya)(ya)(ya)板式(shi)換熱(re)(re)器(qi)(qi)，與高壓(ya)(ya)(ya)液(ye)(ye)氧(yang)及返流污氮氣(qi)(qi)體(ti)換熱(re)(re)。這部分高壓(ya)(ya)(ya)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)從換熱(re)(re)器(qi)(qi)底(di)部抽出經節流進(jin)(jin)入(ru)下塔(ta)。空(kong)(kong)氣(qi)(qi)經下塔(ta)初(chu)步精(jing)餾后(hou)(hou)，獲(huo)得(de)液(ye)(ye)空(kong)(kong)、純液(ye)(ye)氮和(he)污液(ye)(ye)氮，并經過(guo)冷(leng)器(qi)(qi)過(guo)冷(leng)后(hou)(hou)節流進(jin)(jin)入(ru)上(shang)塔(ta)進(jin)(jin)一步精(jing)餾，在上(shang)塔(ta)底(di)部獲(huo)得(de)液(ye)(ye)氧(yang)，并經液(ye)(ye)氧(yang)泵(beng)壓(ya)(ya)(ya)縮后(hou)(hou)進(jin)(jin)入(ru)高壓(ya)(ya)(ya)板式(shi)換熱(re)(re)器(qi)(qi)，復熱(re)(re)后(hou)(hou)出冷(leng)箱，進(jin)(jin)入(ru)氧(yang)氣(qi)(qi)管網。

3.2 空分流程方案的比較與優化

針對上述(shu)流程方案，對能耗、機器設(she)備以及投資(zi)等關鍵指標進(jin)行了計算和比(bi)較，具體(ti)計算如表1 所示。

內壓(ya)(ya)縮流程按膨(peng)脹(zhang)(zhang)空氣(qi)進(jin)(jin)行入精餾塔(ta)(ta)(ta)的位置不(bu)同(tong)可以分為膨(peng)脹(zhang)(zhang)后空氣(qi)進(jin)(jin)上塔(ta)(ta)(ta)和(he)膨(peng)脹(zhang)(zhang)后空氣(qi)進(jin)(jin)下(xia)塔(ta)(ta)(ta)兩種(zhong)方(fang)式。根據上述(shu)計(ji)算結(jie)果可以看(kan)出，膨(peng)脹(zhang)(zhang)進(jin)(jin)下(xia)塔(ta)(ta)(ta)的流程的能耗最高，外(wai)壓(ya)(ya)縮＋氧(yang)壓(ya)(ya)機(ji)(ji)流程的能耗低(di)(di)于膨(peng)脹(zhang)(zhang)進(jin)(jin)下(xia)塔(ta)(ta)(ta)的流程，而(er)膨(peng)脹(zhang)(zhang)后進(jin)(jin)上塔(ta)(ta)(ta)流程的能耗最低(di)(di)。原因(yin)是(shi)膨(peng)脹(zhang)(zhang)進(jin)(jin)上塔(ta)(ta)(ta)采用低(di)(di)壓(ya)(ya)增壓(ya)(ya)透(tou)平(ping)膨(peng)脹(zhang)(zhang)機(ji)(ji)，中(zhong)壓(ya)(ya)增壓(ya)(ya)空壓(ya)(ya)機(ji)(ji)，設備(bei)效率更高。同(tong)時膨(peng)脹(zhang)(zhang)進(jin)(jin)下(xia)塔(ta)(ta)(ta)流程的空分操(cao)作靈活性、設備(bei)投資比較、循環(huan)壓(ya)(ya)縮機(ji)(ji)制造(zao)難度在上述(shu)方(fang)案中(zhong)最低(di)(di)。因(yin)此對此IGCC 發電示(shi)范工程優選方(fang)案三——膨(peng)脹(zhang)(zhang)后進(jin)(jin)上塔(ta)(ta)(ta)流程。

此后(hou)，對空(kong)(kong)分流程進(jin)行了優化，考慮(lv)到空(kong)(kong)分需要(yao)的原料空(kong)(kong)氣量約為 227,000 Nm3/h，要(yao)求壓(ya)力(li)6.05 bar，IGCC 系統(tong)的燃氣輪機可以提(ti)供約9.2％的帶壓(ya)空(kong)(kong)氣（6.05 bar），這樣可以將這股帶壓(ya)空(kong)(kong)氣送入(ru)空(kong)(kong)氣冷卻塔的中部，和經原料空(kong)(kong)壓(ya)機增壓(ya)后(hou)的氣體混合、冷卻、純(chun)化后(hou)送入(ru)冷箱參與精餾。這樣可以大(da)大(da)降低原料空(kong)(kong)壓(ya)機的排(pai)量，節省能耗。

另外(wai)針對(dui)電力系統(tong)負(fu)荷調(diao)整(zheng)較為(wei)頻繁(fan)及要求(qiu)負(fu)荷調(diao)整(zheng)速度(du)較快(kuai)，下塔采(cai)用規整(zheng)填料來(lai)滿足整(zheng)體變負(fu)荷的(de)要求(qiu)。一方面(mian)可以滿足工程的(de)要求(qiu)，另外(wai)也可以有效(xiao)(xiao)的(de)降低整(zheng)體運行(xing)能耗。該(gai) IGCC 項目(mu)對(dui)于氮(dan)氣(qi)(qi)沒有要求(qiu)，則可以利用出空分冷箱的(de)多余部分污(wu)氮(dan)氣(qi)(qi)，在水(shui)(shui)冷塔中(zhong)(zhong)就可將(jiang)常溫水(shui)(shui)冷卻下來(lai)，供(gong)空氣(qi)(qi)冷卻塔上部用。這是因為(wei)水(shui)(shui)和干(gan)燥污(wu)氮(dan)氣(qi)(qi)直接(jie)接(jie)觸(chu)的(de)過程中(zhong)(zhong)，由于水(shui)(shui)的(de)蒸發吸收大量蒸發潛熱，從(cong)(cong)而使水(shui)(shui)獲得了降溫效(xiao)(xiao)應。這樣可以取消冷凍機(ji)組，從(cong)(cong)而減少廠房面(mian)積、投資及維修費用和放寬系統(tong)對(dui)水(shui)(shui)質的(de)要求(qiu)。

由(you)于IGCC 系(xi)(xi)統(tong)對(dui)于氧(yang)(yang)氣的(de)(de)需求(qiu)量會根據外部溫(wen)度及負(fu)荷(he)等參數的(de)(de)影響變(bian)化(hua)，由(you)于空分(fen)設備變(bian)負(fu)荷(he)相對(dui)系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)要(yao)求(qiu)較慢，考(kao)慮(lv)設置液(ye)氧(yang)(yang)后備汽化(hua)系(xi)(xi)統(tong)。平(ping)時(shi)產(chan)出(chu)一定(ding)的(de)(de)液(ye)氧(yang)(yang)送入液(ye)氧(yang)(yang)儲罐以低(di)溫(wen)液(ye)體的(de)(de)形式儲存(cun)，當需求(qiu)量上升時(shi)，抽取貯罐中的(de)(de)液(ye)氧(yang)(yang)經(jing)液(ye)氧(yang)(yang)泵增壓(ya)后再經(jing)液(ye)氧(yang)(yang)汽化(hua)器汽化(hua)后并入氧(yang)(yang)氣管網，起(qi)一定(ding)的(de)(de)平(ping)衡作用。

空(kong)分裝(zhuang)置產出的(de)高純度氮氣(qi)(qi)可用作(zuo)滅火和系統清掃等作(zuo)用。由于(yu)該股(gu)氣(qi)(qi)體(ti)非常(chang)用氣(qi)(qi)體(ti)，一般可以采(cai)取由空(kong)分裝(zhuang)置生產液(ye)氮進(jin)入低(di)溫(wen)貯罐(guan)后氣(qi)(qi)化(hua)的(de)方(fang)式得(de)到(dao)。在使(shi)用時，從低(di)溫(wen)貯罐(guan)抽取液(ye)氮經過低(di)溫(wen)液(ye)體(ti)泵增壓后得(de)到(dao)高壓液(ye)氮，進(jin)入汽化(hua)器汽化(hua)后得(de)到(dao)高壓氮氣(qi)(qi)送入IGCC 管(guan)網。

4．小結

隨(sui)著近年來石油和天(tian)然氣價格的(de)(de)飛漲，各(ge)國政(zheng)策將發電(dian)技術的(de)(de)研發經費倒向了(le)環保性能優異(yi)的(de)(de)IGCC 發電(dian)技術，特別是在以(yi)煤為(wei)主要一次能源的(de)(de)我國，IGCC 發電(dian)技術將具(ju)有更(geng)加廣闊的(de)(de)發展前景。

本文對(dui)基(ji)于 IGCC 的空(kong)(kong)分(fen)(fen)流程(cheng)(cheng)(cheng)形式進行了介(jie)紹(shao)；對(dui)空(kong)(kong)分(fen)(fen)裝置與IGCC 的結合(he)方式進行了初步(bu)探(tan)討；并結合(he)華電(dian)半山電(dian)廠一套(tao)200MW 級IGCC 發電(dian)示范工程(cheng)(cheng)(cheng)，對(dui)該IGCC 系(xi)統(tong)中(zhong)空(kong)(kong)分(fen)(fen)流程(cheng)(cheng)(cheng)進行了比較和(he)優化，為實(shi)際工程(cheng)(cheng)(cheng)提供依據。

由于 IGCC 系(xi)統復雜，不(bu)同的IGCC 項目對于空分(fen)(fen)裝置的產品需(xu)求也不(bu)盡相同，所以在總體(ti)流程設計中應注重整體(ti)流程的匹配及(ji)優化，使得從投資及(ji)運行能(neng)耗上達到最佳平衡點。同時，IGCC 系(xi)統是一個動態(tai)(tai)(tai)系(xi)統，影響到空分(fen)(fen)設備的動態(tai)(tai)(tai)負荷變化，考察基(ji)于IGCC 系(xi)統的空分(fen)(fen)設備的動態(tai)(tai)(tai)特性是IGCC 工程應用(yong)的一個重要的研究方向。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”

相關文章