余热锅炉与蒸汽轮机循环系统

IGCC系统内有许多热量可以利用，一般设置利用燃气轮机排烟余热的余热锅炉——蒸汽轮机循环系统。不同的IGCC系统在余热利用方面有较大差异，有的还设置冷却合成煤气的废热锅炉以及气化炉内的水冷却热力系统。

废热锅炉流程投资高，但从运行成本、能效指标分析，废热锅炉流程要比激冷流程好。特别在节能方面，废热锅炉流程的节能优势明显。

1）余热发电

余热锅炉是IGCC系统热能能级利用不可或缺的设备。设计性能良好的余热锅炉是提高系统效率的重要环节。例如宝钢150 MW高炉煤气燃气轮机联合循环热电机组余热锅炉（HRSG）采用川崎VOGT型、三压无补燃自然循环卧式布置余热锅炉。水循环系统由高压、中压、低压级水循环系统组成，炉管错列布置，不设置旁通烟道，回收大量热能。

2）余热锅炉参数

单压余热锅炉不能将排烟温度降到较低的水平，一般烟温仅能控制为160～200℃。采用双压或三压蒸汽系统，即在余热锅炉中除了产生高压过热蒸汽外，还产生中压或低压过热蒸汽，补入汽轮机的中、低压缸中做功。由于增加了产生低压蒸汽的系统，回收了更多的热量，同时也把烟囱的排烟温度降低到110～130℃。

研究表明，双压蒸汽系统的联合循环效率可比单压系统提高20%。采用三压蒸汽系统可使排烟温度降到80～90℃，联合循环的效率还将进一步提高（见图7-11）。

图7-11　V94.3供电效率与HRSG的高压蒸汽参数之间的变化关系

HRSG蒸汽侧的参数应直接与蒸汽轮机的参数相匹配，GE公司主要是根据燃气轮机的排气温度T4来选择蒸汽轮机中的蒸汽参数。当T4＜538℃时，不宜采用再热循环方案，但可以采用单压、双压或三压循环方式。当T4＞538℃时，则应考虑采用三压再热循环方案。当T4接近593℃，且蒸汽轮机功率较大时，才可考虑把汽轮机的主蒸汽参数提高到16.5 MPa/565℃的亚临界参数水平。

随着蒸汽循环由单压变为双压和三压，从无再热向再热发展，联合循环的效率都会有一定程度的提高。研究表明，三压级联合循环的效率比双压联合循环的效率大约提高1%；双压和三压采用再热后，联合循环效率均能再提高1.8%～1.9%［21］。

3）气化炉中压水冷系统水动力

研究者［22］以某IGCC气化炉（见图7-12）为例，通过数模进行计算与分析，可解决结构复杂的IGCC气化炉系统（见图7-13与图7-14）水流量、热量分配和阻力均衡的难题。结果表明，高循环倍率使足够的循环水量流过受热面，能确保受热面传热安全，并提出降低气化炉上段三组水冷壁管组在目标流量下的阻力的建议。

图7-12　气化炉结构示意图

图7-13　气化炉总体水循环系统特性曲线

图7-14　气化炉汽水系统流程示意图(www.xing528.com)

4）合成气显热回收

目前国内外运行的IGCC电站项目回收热量主要采用废热锅流程（全热回收型）、激冷流程（激冷型）回收和利用粗煤气显热。精心设计粗煤气显热的回收利用系统可回收相当于原料煤低位发热量中14%～18%的能量，可以使整体发电净效率提高4%～5%。

当然，辐射和对流废热锅炉设备比较复杂，对初始投资影响比较大［23］。

激冷流程（可分“低压激冷型”“高效高压激冷型”）与废热锅流程相比，激冷流程热煤气效率下降5%～8%（绝对值），联合循环发电的净效率降低4%～5%（绝对值）。Tampa IGCC电站配置一台与气化炉一体的辐射废热锅，外壳直径为5.18 m、高39 m，气化炉生成的高温煤气向下流动，进入辐射废热锅和对流废热锅，回收热量。由于对流废热锅的热交换管径偏小，气流速度慢，易发生积灰堵塞、腐蚀，导致多次停机。

Shell气化炉集成煤气化炉、粗煤气辐射废热锅为一体。它区别于Texaco气化炉（气化炉与辐射废锅各为独立单元）。显然Shell气化炉的结构要复杂，制造工艺要求严格。

IGCC系统中的废热锅炉是煤加压气化岛中的一个关键设备，它的运行操作直接影响整机的可用率及可靠性，既要满足其前置气化工艺和后续工艺的要求，又要承受高温、高压、高尘和高腐蚀性的环境。

因此，需要开展对废热锅炉内灰渣的积灰和熔融特性研究，确保IGCC系统中废热锅炉的连续稳定运行。

5）环保性

余热锅炉出口烟气排放的污染物中，NOx、CO主要反映燃气轮机燃烧室的环保特性，而SO2则表征煤气净化处理的效率。IGCC是目前最清洁的燃煤发电方式，其各项污染物的排放量远低于环保标准的限量。表7-15给出了“Cool Water”电站余热锅炉排气污染物的实测值。

表7-15　“Cool Water”电站IGCC中余热锅炉排气污染物实测值［4］

6）蒸汽轮机

余热蒸汽的蒸汽轮机与常规的汽机有较大差别，系统要求机组全周进汽、静动部件差胀小、汽缸热应力小；具有滑压运行、快速启动和多压力级补汽等特性。

在IGCC系统设计中存在专用燃气轮机联合循环的蒸汽轮机的选型问题。