整体煤气化联合循环(ICCC)发电技术发展与前景
吕玉坤,豆中州,赵错
(华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定,071000)
等方面进行了分析,总结了目前世界上ICCC的发展水平和其未来的发展超势,以揭示ICCC这 摘要:文中对整体煤气化联合播环发电(ICCC)技术的概念、工艺流程、特点及环保效益种活净煤发电技术是一种适宜于电站锅炉的新技术,有待子我们微进一步的探讨及应用.
关键词:整体煤气化联合循环:发电技术;超势
中国分类号:TK229.4文献标志码:B文章编号:1009-3230(2010)10-0036-04
IGCC Power Plant with Energy Conservation
LV Yu-kun DOU Zhong-thou ZHAO Kai
(The Colege Of Power Of North China Electric Power University Baoding 07100o China)
Abstract:This paper deseribes concep proces characteristics and envirmental aspets of effectiveness of integrated gasification bined cycle ( 1GCC) power generatioe and sum up thedevelopment of IGCC and its future developing trends to show IGC what is clean coal povergenerstin technology is & suitable new boiler technology we do need to be further explored and applied.
Key words: IGCC; Power Generation; Tendency
0前言
所以,提高效率,减少污染,经济可行,是我国今后发展燃煤技术的主要发展方向.
近阶段,随着我国经济的快速发展,使得电力已经成为制约我国经济快速发展的最重要的原 因.我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭在我国一次能源消费中占据完全的主导位总产量的50%.但是我国在煤炭的综合利用 置,2009年,我国电力煤耗15.6亿吨,约占煤炭方面,主要有着利用方法单一(84%用于直接燃烧)、利用效率低、污染严重等问题.煤烟型污染的细尘/C0、90%的S0和67%的NO来自于 是我国大气污染的主要污染组成部分,全国70%燃媒,其中CO排放量仅次于美国,居世界第二位,并仍在迅速增加.照此发展下去,估计到2020前后,我国00排放将超越美国,居世界首位,环镜保护所面临的形势将会变的异常严.
的需求逐年增大,能源紧缺、环境污染日益严重,1ICCC技术概述及特点分析
CorbinedCyele,ICCC)发电技术是通过把煤炭、 整体煤气化联合循环(IntegratedGasifcation生物质、重渣油等多种含碳物质进行气化,然后把的发电技术.如图1所示,两个部分将其组成, 得到的生成气体净化再用于燃气一蒸汽联合循环即煤的气化及煤气净化系统部分和燃气一蒸汽联合循环发电系统部分.气化炉、空分装置、煤气冷却净化系统是第一部分的主要设备;而燃气轮机发电系统、余热锅炉、汽轮机发电系统则是后一部 分的主要设备.
ICCC的工艺过程是:煤在气化后变为中低热值煤气,在净化后,通过除掉煤气所含有的硫化物、 氨化物、粉尘等污桑物质,变成干净的气体燃料,再选人燃气轮机中,在燃烧室里选行燃烧,然后燃气工质推动燃气透平做功,燃气轮机排气进人余热锅炉加热给水,产生过热蒸汽推动汽轮机做功.
图!典型IGCC流程图
在世界范围内,ICCC技术的发展共经过概念性验证阶段和商业示范阶段,正在走向商业化应用.在近阶段各国学术带头人和工业领域的工程 人员都尝试着在ICCC中加人更加超前的技术和设备改养它流程,从而更好的提高它的热力性能,减少污染物排,降低投资.ICCC系统所具有的优点如下:
电站在调试过程中都遇到许多技术问题,经不断改进取得以下主要进展:供电效率达到42%-43%500-2200$/kW;污染物排放远远低于NSPS标 (设计效率为43%-45%):比投资费用降低到1准,完全能够满足21世纪初、中期的需要.
目前IGCC正逐步从商业示范向商业应用阶段过渡,到2005年,世界上已投人运行和正在建 设的IGOC电站近30座,其中美国占了一半,装机容量超过800万千瓦.随着煤气化技术和燃机技术的不断发展和进步,ICCC将朝着大容量、 高效率、低排放发展,气化炉容量达到2500-3000vd,采用C型或H型高性能大容量燃汽轮率超过55% 机联合循环,功率可达400-600MW,联合循环效
(1)IGCC既发挥了Brayton循环高温热源特点,又保留了Rankine循环低温热源优势,很好地到了最大限度的提升. 实现了媒化学能洁净与高效梯级利用,总效率得
(2)极佳的环保优势:高硫煤的燃烧也能很好的达到高标准的环保要求,脱硫效率高达98%.
(3)在燃油、气联合循环和化工部门煤气化与净化技术上能得到最大限度的沿用.
2.2国内ICCC的发展现状
成功独立运行. (4)易大型化:300-600MW的机组已经能够
在上世纪80年代我国开始紧密关注ICCC技术,并并使之成为国家重点科技发展项目.在 过去的二十多年尤其是通过”八五”、“九五”科技攻关计划中有关ICCC技术的研究,使ICCC的总体技术水平有了很大的提高,并在系统特性研究、 关键部件开发、示范项目支撑技术掌提和创新技术开拓研究等方面都取得了一定的成果.在1999年9月23日我国第一套ICCC示范电站-烟台ICCC示范工程通过国家计委批复,规划建 设300MW~400MW级的ICCC发电机组.
(5)煤种多元化:各种煤种能充分都能得到充分高效率的利用.
50%. (6)耗水量比常规蒸汽轮机电站少30%一
(7)生产成本有效降低:方便与尿素,甲醇等化工过程结合从而使产品多样化.
(8)前景发展广阔:能很好的融合到高新科技行业中.
2国内外IGCC的发展现状
目前,ICCC电站关键设备在我国已经步入研发行列,其中低热值燃气轮机、大型探冷空分设备 等关键设备已经开始实现国产化,而关键技术煤气化炉的国产化进程也在加快.随着国内示范性IGCC电站的建设,电站设备的国产化率将稳步提 高,电站建设成本将下降到1000美元以下(目前建造成本在8000-10000元/千瓦),并低于目前超超临界机组的造价,ICCC将获得政策扶持及较大的发展空间.
2.1国外ICCC的发展现状
ICCC始于20世纪70年代,世界上第一台160MW的IGCC示范装置成功在1972年于德国lunen的斯带克电站投运.20世纪90年代.1CCC 开始进人商业示范阶段,最为典型的是美国的TampaWabssh River 电站,荷兰Bupgenum 电站和西班牙Puertollano电站,它们是纯粹以发电为目的的200-300MW等级燃煤ICCC示范电站.这些
3IGCC环保性能
由于世界范围内温室气体排放量日益严重,在2009年联合国气候变化峰会上,对世界范围内 温室气体的减排目标和时间进行了进一步的确认,对全球低碳行业的发展起到了很好的推动作用.ICCC发电技术把高效的燃气一蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术有机结合起来, 既提高了发电效率,又具有极好的环保性能,是一种极具发展前景的洁净煤发电技术.
为43%-45%,随着技术的发展效率会有更大的 在当前发展形势下,ICCC发电的净效率最高提升:同时发电所造成的污染物仅为火电站的1/10.还可以达到9%的脱硫效率,二氧化硫排放 在25mg/m左右.氮氧化物排放只有火电站的15%-20%,耗水只有火的1/2-1/3,在环保上是很优秀的.表1给出了ICCC发电技术与超超临界,CFB在环保性能方面的比较.从表1中数 据可以看出:与其它传统燃煤机组相比具有优越的环保性能,在SO、NOX和CO 排放上都远远低于其它整煤发电技术.
表1KCOC与几解波净属发电技术在环保性能方医的比较门
技术 超蹈临界 CFB ICCC耗水 (FGD/SCR)(加仓/MWh) 600 660 570 -625 360-540D/HBu 粉尘 0.07 0.07 0.011 /NBu 90 0.18 0.18 0.061 /MSu NOx 0.08 0.08 0.0121 w/MBu CO 0.12 0.12 0.05
挂:Bo:英制热量单位,1Bu=1.0551;1 b=0.454kg还原装置 1加仑=3.785升:FGD:尾气脱硫装置;SCR:选择性催化
4 4ICCC发展趋向
随着科技水平的日益提高,IGCC技术也在人们的不断努力下得到了显著的发展,主要体现在以下几个方面.
4.1传统研究方向的新发展
IGCC电站的供电效率、单位造价、发电成本和运行可用率存在着包大的改进潜力,因此将继续沿着传统研究方向,不断地改进ICCC技术中 各主要部套和系统的性能、提高其可用率、降低其成本,对ICCC电站系统进行优化.这方面的具体方向和措施主要有以下几个方面,即
(1)发展单机功率更大、燃气初温更高、热耗率更低的燃气轮机.ICCC系统中联合以燃气轮机为主,燃气轮机是ICCC系统中最关键的技术,依靠 高温材料和冷却技术的改进不断提高透平初温T3仍然是燃气轮机发展的主要趋势.众所周知:根据美国ATS计划,目前世界上已经制造成功G型和 H型燃气轮机,它们的燃气初湿均为14270C.当C型和H型燃气轮机分别组成烧天然气的联合循环时,它们的供电效率分别能达到58%和60%.
可靠性.目前,ICCC电站的运行可用率在很大程 (2)提高增压煤气化炉的性能和运行可用率和度上取决于气化炉的可用率.在改善气化炉的性能方面应特别侧重于提高碳的转化率和冷煤气效 率.单护3000t/d以上的气化炉提高碳转化率(达99%)和冷煤气效率(达80%-88%)以及减少相应的能量提失,是值得研究的课题.
C的高温下除尘和脱硫,可简化ICCC系统,降低 (3)高温煤气净化技术.煤气在500℃-600造价,并提高热效率.高温净化技术的突破主要取决于长寿命的陶瓷过就器和高重复性的脱硫剂 的开发.
(4)新型制氧空分系统.目前在IGCC电站中都采用深冷法制氧设备,这种设备的价格高,制氧所耗的能量又多,为了降低电站的厂用电耗率,以 便提高ICCC的供电效率,人们正在研究一种离子转移膜式的制氧新设备".
高温燃气轮机的联合应用是保证IGCC系统高性 (5)高参数的蒸汽循环.高参数的蒸汽循环与能的关键,在有条件的基础上,蒸汽轮机的主蒸汽的一个趋势. 参数向亚临界参数方向发展,是ICCC技术发展
4.2新型ICCC系统的开拓
基于ICCC系统具有高热效率、好环境性能、多功能以及好经济性,许多国家都制定了未来 ICCC发展的宏伟目标,其中最有代表性是美国2003年提出未来电力计划(FumreCen).各国学者不断提出新极念、新循环及新技术,致力于新型ICCC系统的开拓与创薪,主要有以下几个方面,即
(1)整体煤气化燃料电池联合循环系统(IC-FCCC)).ICFC-CC系统是由燃料电池、燃气轮机和汽轮机组成的三重联合循环系统,是 燃料电池通过电化学反应把燃料化学能直接转化为电能的非热力学过程和热力学循环有机结合的动力系统,即先通过非热力学循环实现了化学能
环效率制约,有很高的热效率,其煤基循环系统热零排放. 效率可突破60%,并实现SO、NO以及粉尘等的
与物理能的综合梯级利用,摆脱了热力学卡诺循5结论
从目前量界上IGCC技术的发展水平与前景展望中,我们可以获得以下一些有益的启示:
(1)本文指出ICCC固有的效率高、环保性能优以及最具发展潜力等特点,以揭示IGCC发电技术是满足我国21世纪电力可持续发展的重要发电技术.
(2)ICCC多联产系统.目前,ICCC技术与化工工业流程相结合,形成一个以煤气化为核心的 多联产的能源系统,这种系统既能使用煤作为制气的原料,也能使用石化企业中原有的廉价的重质渣油、沥青和石油焦等作为制气的原料,进一步 降低生产化工产品和电能的成本.这种生产组合模式就是当今已被广泛使用的以“合成气园”为基础的多联产技术的生产概念.
(2)总结论述了为实现更高的热效率、更好的环境性能、更多功能以及更好的经济性的目标面确立的新型ICCC系统的研究方向.
(3)针对我国燃气轮机制造业的情况,建立一支从事ICCC技术的设计、研究和开发工作的专业队伍,加强国际交流与合作,以促进ICCC技术 在我国的应用和发展.
过转化反应使其中CO气体转化为CO和氢气. 多联产和综合利用IGCC系统将合成煤气通分离回收的氢气既可作为清洁能源输出,也可作源利用率和减少环境影响的潜力不容忽视.多功 为先进动力循环的优质燃料,因此,它们对于提高能的ICCC系统综合了热转功循环和化学反应过程,在发电供热的同时,还利用化石燃料生产出甲醇、二甲醚及理想的清洁燃料氢气等.
步考文联
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(3)CO零排放的ICCC系统.温室气体控制问题是当前也是未来能源和环境领域中最引人关注的热点与难点,面ICCC系统研究的另一个重 要方向是开拓无公害或CO,零排放的能源动力系统.该系统应用先进的膜分离技术和采用膜分离与深冷结合的制氧法,由氢燃料热力系统(氢 氧联合循环)和含碳燃料热力系统并联组或新颖的CO零排放双循环IGCC系统(简DC-IGCC)
廉价、废弃的或的燃料能源的ICCC系统也 (4)燃料多样化的IGCC系统.开拓采用各种是一个重要发展方向,包括采用劣质油与生物质燃料等气化装置和联合循环组合的动力系统,它 们都有自己的特殊问题.目前发展的重点在两个方面:①石化企业中独立的ICCC装置(独立电站IPP).即燃用化工生产过程得到的廉价的重质渣油、洒青、石油焦或Orimulsion油的ICCC系统. ②生物质(如枯秆)气化联合循环发电的ICCC系统.
种燃料的IGCC技术决不会停步不前,在天然气资 总之,燃气轮机及其联合循环以及燃烧煤或各源短缺或价格品贵的地方,燃煤的ICCC电站必将成为取代或改造燃烧天然气的联合循环的最佳选 择,并与常规的燃煤蒸汽轮机电站并驾齐驱.
万方数据