第49卷第12期 当 代 化 工 Vol.49，No.12
2020年12月 Contemporary Chemical Industry December，
2020
基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目（项目编号：2015KTZDGY05-01）；陕西延长石油重点研发计划项目（项目编号：ycsy2020ky -A -24）。 收稿日期：2020-10-22
作者简介：刘晓花（1989-），女，陕西省西安市人，工程师，硕士，2013年毕业于大连理工大学化学工程专业，研究方向：煤化工。E -mail：
*****************。
冰鞋座
刘晓花，姚晓虹，张健，韩磊，杜鹏鹏，黄勇
（陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，西安 710000）
摘 要：随着全国范围内雾霾天气的频发，国家对燃煤电厂的大气污染物排放指标提出了严格的要求。
基于褐煤气化的输运床气化（TRIG）技术为电力行业提供了高效清洁的整体煤气化联合循环发电（IGCC）方案。通过对TRIG 技术、F 级和H 级燃气轮机的分别阐述，分析了TRIG 技术的优势和进一步放大的可能性，对比了当前最先进的燃煤发电模式与TRIG -H 级燃机的经济性和环保性。结果表明：TRIG 技术放大至7 300 t ·d -1具备理论可行性，匹配H 级燃气轮机的供电效率为60%~61%，投资强度为6 500~8 500元·(kW) -1，供电标准煤耗为0.28~0.29 kg ·(kW ·h)-1。TRIG -H 级燃机IGCC 发电模式下，烟尘、SO 2和NO x 的排放质量浓度均低于超超临界燃煤发电，其设计值分别为4.15~4.79 mg ·m -3、2.26~2.62 mg ·m -3和13.22~15.27 mg ·m -3。此外，超临界燃煤发电模式的SO 2和NO x 减排成本相当于TRIG -H 级燃机IGCC 模式的3~4倍，而环保成本分别相当于10倍和4倍。 关 键 词：输运床气化技术；整体煤气化联合循环发电；燃气轮机；大气污染物；可行性；环保性 中图分类号：TQ530 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）12-2822-06 Study on Application of IGCC System Based on Lignite Gasification Technology
LIU Xiao-hua, YAO Xiao-hong, ZHANG Jian, HAN Lei, DU Peng-peng, HUANG Yong
（Hydrocarbon High-efficiency Utilization Technology Research Center of Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Co., Ltd.,
Xi’an 710000, China ）
Abstract : With the frequent occurrence of haze weather,it is significantly important to put forward strict requirement on the emission index of air pollutants from coal-fired power plant. The transport integrated gasification (TRIG) technology based on brown coal gasification provides an efficient and clean integrated gasification combined cycle (IGCC) program for power industry. In this paper, the advantages and the possibility of further amplification of TRIG technology based on the description of TRIG technology, F-class and H-class gas turbines were analyzed. Meanwhile, the economy and environment protection of the most advanced coal-fired power generation model and TRIG-H gas turbine were compared. The results showed that amplifying TRIG technology to 7 300 t·d -1 was of theoretical feasibility. In addition, the power supply efficiency matching with the H-class gas turbines was 60%~61%, the investment intensity was 6 500~8 500 Yuan·kW -1, and the standard coal consumption for power supply was 0.28~0.29 kg·(kW·h)-1. Under the IGCC power generation mode of TRIG-H gas turbine, the emission mass concentrations of smoke dust, SO 2 and NOx were lower than those under the ultra-supercritical coal fired power generation, and the design values were 4.15~4.79, 2.26~2.62 and 13.22~15.27 mg·m -3, respectively. Furthermore, the emission reduction costs of SO 2 and NO x under the ultra-supercritical coal fired power generation were equivalent to 3~4 times than that under the IGCC mode of TRIG-H. Moreover, the environmental protection costs of SO 2 and NO x were equivalent to 10 and 4 times, respectively.
Key words : Transport integrated gasification; Integrated gasification combined cycle; Gas turbine; Air pollutant; Feasibility; Environmental friendliness
按照现行的中国煤炭分类法，褐煤属于煤化程度最低的煤种[1-3]，因其高水分、高灰分、低热值以及极易自燃等特性，使得褐煤一直以来都作为劣质燃料而存在，且利用率偏低[4-10]。但是，褐煤同时又具有高挥发分、化学反应活性好以及无黏结性的特征，表明了褐煤仍然具有较高的利用价值[11-16]。燃烧发电属于褐煤最直接的利用方式，但该过程中会产生大量的烟尘、二氧化硫和氮氧化物等导致严 重环境污染的物质，近年来全国范围内的雾霾天气让煤炭的燃烧利用方式受到社会各界的极大质疑，国家也颁布了《火电大气污染物排放标准》（GB13223—2011）等相关标准和法规，以达到严格控制以燃煤电厂为主的大气污染物排放的目 的[17-18]。虽然目前国内许多电厂已经完成了机组超低排放技术升级和改造[19]，但是使用的脱硫技术和设备大部分为国外进口，其价格高昂，而国内的脱
第49卷第12
硫技术没有以褐煤发电技术将环高效地结用以及尾气采用褐煤为Texaco、She 模的工业化上述技术存和工艺路线以空气（Transport 为主的气化为主的发电了高效清洁TRIG 技格∙布朗∙路特料、以空气技术在充分Cracking，简分别在位于中心的中试System Deve 上进行了超炉投煤量为密西西州的单台气化炉量小、废水点对输运床TRIG 技升管中的气速度。因此两相可以实2期 有形成完整的煤为原料的整将褐煤气化、煤结合起来，实气中污染物的为原料的IGC ell 和Lurgi，化应用，但相对存在投资强度线复杂等问题气为气化剂、Integrated Ga 化岛，以低热电岛，这两项洁利用褐煤的技术是由美国特公司（KBR 气或氧气为气分借鉴了流化简称FCC）技于美国北达科试装置和位于elopment Faci 超过20 000 h 为5 000 t ·d -1
的Kemper Cou 炉投煤量大、水零排放和发床气化技术匹技术气化炉的气相表观速度此，无论是沿
实现充分的混 产业链，体系整体煤气化联煤气净化与燃现了褐煤提质超低排放[21-C 气化岛关键这些技术已全对于最先进的高、装机容量题[27]。
褐煤为原料asification，简值合成气为燃技术的组合为IGCC 发电的国能源部、南R）共同开发化剂的清洁煤化催化裂化技术的工业化科达州立大学能于威尔逊维尔ility）项目的工试验研究后的TRIG 技术unty IGCC 项不须要建设空发电效率高等优配低热值合成的核心反应区远高于固体颗沿提升管径向还
混合。同时，刘晓花，等：基系还不够完善联合循环（IG 燃气-蒸汽联合质、能量梯级26]。目前，可键技术主要包全部实现了大的燃煤电厂而量小、耗水量料的输运床气简称TRIG）技燃料的重型燃为电力行业提的理想方案[2南方公司和凯的以低阶煤为煤转化技术。（Fluid Cata 化经验基础上能源和环境研的PSDF（Po 工业化试验装，开发出了单，并成功应用目。该技术具空分装置、耗优势。本文将成气重型燃气图1 T Fig.1 TRI 区为提升管，而颗粒的初始流还是轴向，气
固体颗粒在以基于褐煤气化技善[20]。 GCC）合循级利可以包括大规而言，量大气化技术燃机提供
28]。
凯洛为原。该alytic 上，研究ower 装置单台用于具有耗水将重气轮
机的1 1.1 力输制成入输化产后进气净艺流上27量在煤的术的TRIG 工艺流程IG process flow 而提
流化气固以高
倍率的传从而
于技术的IGCC 系统的IGCC 系统基于TR 气化岛
TRIG 技术输送的方式，成直径小于1输运床气化炉产生的粗合成进入颗粒物控净化系统后得流程示意图如TRIG 技术，该技术208 kJ ·kg -1
，在12%~22%的清洁利用提的典型煤种数表1 Table 1 Typ 项目 HHV/(kJ ·kg -1
)
水质量分数/%灰质量分数/%C 质量分数/%H 质量分数/%O 质量分数/%N 质量分数/%S 质量分数/%
程示意图
w diagram
率进行循环的传质和传热过而使得煤粉在
97%的气化反统应用研究 统的应用进行RIG 的IGC 术的加煤和排原料煤经备1 000 μm 的颗炉与空气、水成气经合成气控制系统进行得到合格的合如图1所示。术适用于褐煤入炉煤的固定碳质量的范围内均可提供了有效的数据如表1所 TRIG 技术的pical coal data 原料12 304511.31.1.97.50.40.9的条件下，极过程，确保反在极短的时间
反应，获得合 行分析。
yig滤波器
CC 系统配排灰系统均采备煤系统进行颗粒后，通过水蒸气发生气气冷却系统冷行细灰脱除，合成气产品[29
煤和部分次烟高位发热量分数小于60可。因此，该的技术支持[3所示。
的典型煤种数据a of TRIG tech 料煤 06.4 5.5 .95 .53 98 57 48 99
极大地促进了反应区内温度间内即可实现合格的合成气 2823配置
采用了干法气行干燥、研磨过加煤系统进气化反应，气冷却至350 最终经合成9]
。TRIG 烟煤[30]。原则量应低于0%，而含水该技术为低阶1]。TRIG 据
hnology
入炉煤粉 19 192.1 16.15 18.38 48.51 3.05 11.65 0.74 1.52
了气化反应时度分布均匀，现碳转化率大气[32]。TRIG 3
气磨进气℃成
工则于
水阶技时
大G
2824
技术空气气表2 T Table 2 Typi 组分 体积分数/%
1.2 发电岛作为发决定了整个技术的商业步提高，而气轮机上的天然气燃机也彻底实现气为主燃料活性具体表1）主燃2）各种3）缺少力；
4）主燃目前，机为E 级，但E 级燃气轮的F 级，甚F 级和H 级值合成气为参数。
Tab 燃燃机燃机热耗排气流排气注：燃机功体简单循环出力2 基于分析
2.1 气化岛2.1.1 TRIG 美国南将以低热值实现商业化 气化的典型粗TRIG 技术空气ical crude syng TRIG CH 4 CO 2.6
18.1
11岛
发电岛的核心个IGCC 工厂的业化，燃气轮而辅助燃料和的商业化应用机设备的可靠现了燃料的灵料，以天然气表现如下：
燃料和备用燃种燃料之间可少主燃料或备燃料和备用燃商业化程度但从技术发展轮机将逐渐被甚至H 级燃气级燃气轮机作为值班燃料的表3 燃
ble 3 Main par 项目 燃机型号 机功率/ MW 耗/[kJ ·(kW ∙h)-1
]
流量/(kg ·s -1
)
空气过滤材料气温度/℃
功率为ISO 条件下力。
TRIG 技术岛与发电岛技G -F 级燃机I 南方公司的K 值合成气为值化应用[31]。该 粗合成气指标如气气化的典型粗gas indexes for G technology
H 2 CO 2 N 2 1.5
8.5
50.2
心设备，燃气轮的运行情况。轮机的燃烧技术低热值合成气，使得IGCC 性、可用性和灵活性[33]。假设或轻油为备用燃料可以混烧可以自动切换备用燃料时具燃料都能实现度最高、技术最展和装置规模被市场淘汰，进气轮机代替。作为研究对象F 级和H 级燃燃机主要参数 rameters of gas F 级 329 9 730 724 599
，以天然气为值班术的IGCC 技术匹配 GCC
emper County 值班燃料的F 级该项目配有2套 当 如表2所示。粗合成气指标air gasificatio H 2O H 2S 7.9
0.3
轮机的实际工随着IGCC 发术也得到了进气燃烧技术在C 具有了等效和标准化，同设以低热值合用燃料，燃料烧； 换； 具备燃烧控制现超低排放。最成熟的燃气模化的角度来进而被更加先因此，本文仅。表3为以低燃气轮机的主s turbine
参数
H 级4508 780935630
班燃料工况下的燃系统经济y IGCC 项目首级燃气轮机成套以空气为气
麂子养殖代 化。
on of
其他0.9
工况发电进一在燃效于同时合成料灵制能 气轮来讲，先进仅以低热主要 0 燃机本
济性
首次成功气化
剂的燃气总体投煤此外同时料的脱碳SGT 本文准进2中采用值班IGC 益平F 产生为5如表机本约为Ta 2.1.
IGC 工 的TRIG 技术气轮机，2台余体铭牌装机容煤量为5 000 外，为了配合时确保燃机的的标准，该项碳。
按照国内T6-5000F 燃气文以适合国内进行分析讨论中的净化合成用天然气或轻班燃料的不稳CC 电厂可以平稳运行。
图2 燃Fig. 2 Schemati 单套投煤量生的经脱硫、54.4 万Nm ³·表4所示。TR 本体简单循环为397 MW。表4 TRIG able 4 The synt 项CH 4体积CO 体积H 2体积CO 2体积N 2体积分其他气体体HHV/(M LHV/(M .2 TRIG -H 级由表4数据CC
发电模式 术气化炉，2余热锅炉以及容量为830 M t ·d -1
，
Siemens CO 2捕集以提的碳排放指标项目对进燃气电力行业标气轮机并不适内标准的50 H 论，具体流程成气来自单套轻油。设计备稳定性对整体以根据燃料供燃气-蒸汽联合ic diagram of c proce 量为5 000 t ·d 除氨和脱汞·h -1，热值为RIG -F 级燃机环出力约为2
G 空气气化技术thetic gas puri gasification te 目 积分数/% 积分数/% 分数/% 积分数/% 分数/% 体积分数/% MJ ·Nm -3
) MJ ·Nm -3)
级燃机IGCC 据指标计算可
切筋
式下，燃机本 台Siemens 及1台共用的MW。其中，s SGT6-5000提高原油采收标达到以天然气轮机前的合准，60Hz 适用于国内市Hz 的F 级燃程示意图如图套TRIG 技术，备用燃料的目体系统运行的供需情况实现合循环流程示意combined gas-ess
-1
的TRIG 空汞等工序后的4.87 MJ ·Nm -机IGCC 发电272 MW，联术的净化合成ification index echnology
C
可知，在TRI
本体简单循环 2020年12月SGT6-5000F 的蒸汽轮机，单台气化炉F 为60 Hz。收率的项目、然气为值班燃合成气进行了的Siemens 市场。因此，燃气轮机为基图2所示。图，备用燃料可目的在于消除的影响，确保现全厂的高效
意图
steam cycle
空气气化技术的净化合成气-3，具体指标电模式下，联合循环出力气指标 of TRIG air
指标 2.80 19.80 12.60 9.30 54.90 0.60 5.22 4.87
IG -H 级燃机
环出力约为
F 炉燃了s 基图可除保效术
气
标
燃力机为
第49卷第12期 刘晓花，等：基于褐煤气化技术的IGCC 系统应用研究 2825
300 MW，联合循环出力约为456 MW。由于H 级燃
气轮机的铭牌计算出力为450 MW，现有单套 5 000 t ·d -1投煤量的TRIG 技术产生的经脱硫、除氨和脱汞等工序后的净化合成气只能保证H 级燃机以67%的负荷运行，这显然无法达到最优的经济效益。因此，为了确保单台H 机燃机能够满负荷运行，有以下两种方案： 1）设计2套单台气化炉投煤量为3 650 t ·d -1的TRIG 技术； 2）设计1套单台气化炉投煤量为7 300 t ·d -1
的TRIG 技术。
第一种方案从技术角度而言不存在任何问题，
而从装置规模和运行维护的角度来看，必然会提高项目的总成本，因而在此不再讨论。
第二种方案从装置规模和运行维护角度都具有较高的经济性，但需要将投煤负荷的设计值在已成功商业化应用的单台气化炉设计投煤负荷的基础
上继续提高1.46倍。如前所示，TRIG 技术气化炉
充分吸收了FCC 技术优势，而目前最大的商业化运
制作简单机械行的FCC 装置设计规模为10 Mt ·a -1，其提升管内径
为2 700 mm，再生器直径为16 300 mm [34]。同时，现有高循环倍率的循环流化床锅炉的循环倍率一般
为40~80，而TRIG 气化炉的循环倍率可高达
100~150，这主要归因于提升管和立管都具有极大
的高径比以及输运床流态化技术。
目前，5 000 t ·d -1
投煤量的TRIG 气化炉提升管
内径为1 800~2 000 mm，提升管固体流通量为
1 900 kg ∙m -2∙s -1
，循环倍率为103，即在提升管的任
意截面内，单个煤粉颗粒周围都至少包围着103个
循环固体颗粒。据估算，若将投煤量从5 000 t ·d -1
提高至7 300 t ·d -1
，需要将TRIG 气化炉提升管的内
径增大至2 200 mm，在不改变提升管和立管高径比的前提下，理论上可以实现上述固体流通量和高循
环倍率等煤粉气化所需的工况。因此，7 300 t ·d -1
投煤量的TRIG 气化技术理论上具有可行性。
2.2 技术经济分析 由于TRIG -F 级燃气轮机IGCC 项目已有现成的
商业化项目供参考，在技术经济方面将不再赘述。本文主要将当前最先进的燃煤电厂与TRIG -H 级燃气轮机的IGCC 发电模式进行技术经济对比，详见表5。为统一下文中各项指标的基准，所有发电模
式的装机容量和全年发电小时均以600 MW 和
8 000 h 考虑，即年发电量为4.8×109 kW ∙h。
由表5可知，以相同的褐煤为原料，超临界燃
煤发电模式投资强度最低，为3 500~4 000元·kW -1，
但供电标准煤耗最高且供电效率最低，分别为
0.3~0.31 kg ·(kW ·h)-1
和40%~41%。超超临界燃煤发电模式的供电效率为42%~43%，投资强度为
3 600~
4 200 元·kW -1
，供电标准煤耗为
0.28~0.29 kg ·(kW ·h)-1
。相对于超临界而言，超超临界的供电效率和供电标准煤耗都有所优化，且投资强度并没有明显升高。TRIG -H 级燃机IGCC 的供电
效率为60%~61%，投资强度是6 500~8 500 元·kW -1
，
供电标准煤耗为0.28~0.29 kg ·(kW ·h)-1
。相对于超超临界而言，TRIG -H 级燃机IGCC 的供电效率提高了
约1.4倍，但同时投资强度也提高了约2倍，而供
电标准煤耗基本一致。 表5 不同发电模式的技术经济对比
Table 5 Technological and economic comparison of
different power generation modes 项目 超临界燃 煤发电 超超临界燃煤发电 TRIG -H 级
燃机IGCC
原料 褐煤 褐煤 褐煤
收到基水分质量分数/% 35~45 35~45 35~45 入炉煤水分质量分数/% 6~8 15~25 12~22 供电效率/% 40~41 42~43 60~61 投资强度/(元·kW -1
)
3 500~
4 0003 600~4 200 6 500~8 000供电标准煤耗/ [kg ·(kW ·h) -1
] 0.3~0.31 0.28~0.29 0.28~0.29
3 基于TRIG 的IGCC 环保性分析 《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—
2011）对电力行业的大气污染物排放浓度提出了具体的要求。同时，《煤电节能减排升级与改造行动计
划（2014—2020年）》也有力推动了燃煤电厂全面实施超低排放和节能改造，利用超低排放技术将烟
气二氧化硫、氮氧化物和烟尘的排放质量浓度分别降至35、50、5 mg ·m -3
以下[35]。表6为不同发电模式下的大气污染物排放标准和设计值。
表6 不同发电模式的大气污染物排放标准和设计值 Table 6 Emission standards and design values of air
pollutant under different power generation modes 污染物项目
超超临界燃煤发电 TRIG -H 级燃机IGCC GB13223设计值超低排放 GB13223 设计值
烟尘/(mg ·m -3
)30(20)25~293~4.6 10(5) 4.15~4.79
SO 2
/(mg ·m -3
)100(50)90~9518~23 100(35) 2.26~2.62 NO x
/(mg ·m -3
)100(100)70~7530~35 120(50) 13.22~15.27注：括弧内数值为重点地区的大气污染物特别排放限值。 由表6可知，超超临界在未实施超低排放和节能改造的条件下，烟尘的排放质量浓度为 25~29 mg·m -3，SO 2的排放质量浓度为90~95 mg·m -3
，NO x 的排放质量浓度为70~75 mg·m -3
。上述设计值均能达到GB13223的要求，但无法满足超低排放的
2826 当 代 化 工 2020年12月
要求。经超低排放和节能改造后，超超临界的烟尘排放质量浓度降至3~4.6 mg·m -3
，SO 2排放质量浓度降至18~23 mg·m -3
，NO x 排放质量浓度降至 30~35 mg·m -3
。TRIG -H 级燃机IGCC 大气污染物排
放质量浓度的设计值不仅满足上述标准要求且远低于超超临界，其中烟尘、SO 2和NO x 的排放质量浓度设计值分别为4.15~4.79 mg·m -3、2.26~2.62 mg·m
-3
和13.22~15.27 mg·m -3
。《中华人民共和国环境保护
税法》自2018年1月1日起开始施行，并开始全面
征收环境保护税。表7为不同发电模式的大气污染
物治理成本，其中烟尘、SO 2和NO x 的应税额分别按3.66、8.42、8.42元·kg -1
考虑[36]，减排成本表示达到排放标准所需要的费用，环保成本表示大气污染物
排放税额。 表7 不同发电模式的大气污染物治理成本
Table 7 Governance cost of air pollutant under different power generation modes
污染物项目 超超临界燃煤发电
TRIG -H 级燃机IGCC
设计值 超低排放 设计值 烟尘
绩效/[mg ·(kW ·h)-1
]
82~96 9~16 8~10 减排成本/(元·t -1) 50~60 115~120 30~40 环保成本/(万元·a -1) 150~170 15~29 14~18 SO 2
绩效/[mg ·(kW ·h)-1]
298~315 59~76 4~6 减排成本/(元·t -1) 1 800~1 900 2 300~2 400 600~700 环保成本/(万元·a -1) 1 200~1 280 240~310 16~25 NO x
绩效/[mg ·(kW ·h)-1]
232~248 99~116 26~31 减排成本/(元·t -1) 9 800~10 000 11 000~12 000 3 000~3 500 环保成本/(万元·a -1)
930~1 000
400~470
110~130
由表7可知，TRIG -H 级燃机IGCC 烟尘、SO 2
和NO x 排放绩效远低于超超临界的常规设计值和超低排放值。此外，由于TRIG -H 级燃机IGCC 大气污染物减排方式属于前端治理方式，其净化合成气的处理量远低后端治理方式的超超临界的烟气。因此，超超临界的减排成本也高于TRIG -H 级燃机IGCC，其中，前者的SO 2和NO x 减排成本相当于后者的3~4倍。尽管超超临界实现了超低排放，烟尘的环保成
本降至15~29万元·a -1
，与TRIG -H 级燃气IGCC 的
14~18万元·a -1
基本一致，但前者SO 2和NO x 环保成本分别约等于后者的10倍和4倍。随着国内大部分区域出现雾霾天气，大气污染物排放和环境容量极限问题日益严峻，TRIG -H 级燃机IGCC 发电模式由此显现出了极大的环境友好特性。
4 结 论
1）以空气为气化剂、褐煤为原料的TRIG 技术
和以低热值合成气为燃料的重型燃机的组合为电力行业提供了高效清洁利用褐煤的IGCC 发电的理想方案。其中，TRIG -F 级燃气轮机的IGCC 系统已实现商业化应用。
2）7 300 t ·d -1
投煤量的TRIG 气化技术理论上具有可行性。相对于超超临界燃煤发电模式而言，TRIG -H 级燃气轮机IGCC 系统的供电效率提高了约1.4倍，但同时投资强度也提高了约2倍，而供电标
准煤耗基本一致。
3）TRIG -H 级燃机IGCC 发电模式下的大气污染物排放质量浓度的设计值不仅满足《火电厂大气污染物排放标准》的要求，且实际排放指标远低于超超临界燃煤发电模式。同时，超超临界燃煤发电的SO 2和NO x 减排成本相当于TRIG -H 级燃机IGCC 的3~4倍，且环保成本分别约为10倍和4倍。因此，TRIG -H 级燃机IGCC 发电模式具备了极大的环境友好特性。
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（下转第2839页）
