igcc的技術現狀和發展趨勢概述-全文預覽

　　

【正文】 十年代初、中期建成的美國Tampa電站和荷蘭Buggenum電站為代表。因而開發和采用潔凈煤發電技術已經成為共識，IGCC既可以不斷提高發電效率，又有極好的環保性能，特別是低成本解決CO2的減排，達到污染物的近零排放，是最有發展前途的潔凈煤發電技術。為未來杭州市的城市交通提供清潔、廉價的氫源，具有良好的社會效益和環保效益。相比常規燃煤機組的CO2捕捉，成本低廉，可以說是目前最具競爭力的CO2捕捉技術。作為發展中國家，中國現階段沒有CO2等6種溫室氣體的減排任務。對煤種有較強的適應性。從表中還可以看出，當采用F級燃機的IGCC機組（容量為400MW）時，其發電效率約為52%，%，高于1000MW超超臨界機組的供電效率。(1) 高效率發電目前，%，%；%，%。世界能源委員會的研究報告指出，對于主要煤炭消費國來說，今后幾十年內，從煤炭中提取的合成氣體、液體和氫將是重要的長期能源，預計到2030年，全球約72%的發電將使用潔凈煤技術。與美國的兩個IGCC電站不同，Buggenum和Puertollano電站沒有對壓氣機或者透平進行調整，而是通過系統集成，即完全整體空分來適應燃氣流量的增加，同時通過空分整體化提高了系統效率。Buggenum電站和Puertollano電站都采取了燃料濕化和氮氣回注相結合的方法。同時通過關小壓氣機進口導葉、調整透平靜葉安裝角和適當降低燃氣輪機初溫等方式提高燃氣輪機的通流能力。從國外IGCC電站的經驗來看，燃料濕化和氮氣回注是IGCC電站中使用最為廣泛的兩種成熟的降NOX方式，通過這兩種方式能夠將NOX降低到10mg/Nm3（%O2，以下同）以下，遠低于常規天然氣聯合循環的排放標準。燃料注蒸汽的降NOX效果與燃料加濕類似，但是注蒸汽需要消耗較高壓力的蒸汽，會在一定程度上降低系統效率。但是，通過膨脹透平回收部分壓縮功能夠減小這種損失，所以在空分整體化率不太大的時候，可結合燃機通流和降NOX方式以及系統可靠性等因素綜合考慮采用低壓空分還是高壓空分。低壓空分一般也不宜與空分整體化同時采用。在燃機抽氣量較小的時候，燃機出力維持在其最大限制值而不隨抽氣量的增加而減小，相反，系統凈出力會隨著抽氣量的增加有所增加，這是由于空分整體化率的提高使得系統效率有所提高，當燃機抽氣量增加到一定程度以后，燃機不再需要通過調整IGV改善通流，這種情況下，燃機輸出功和系統凈輸出功都會隨燃機抽氣量的增加而減少。但是，系統凈出力的變化還受到其他因素的影響，如燃氣輪機通流能力和軸系強度的限制。現在國際上普遍認為，空分整體化率在30%50%之間是比較合理的選擇[8]。而空分整體化可以減少燃氣輪機的燃氣流量，從而改善燃機通流。同時，空分整體化降低了空分的空壓機投資，從而降低了整個IGCC的投資。介于完全整體化空分和完全獨立空分之間的形式稱為部分整體空分，即空分所需的壓縮空氣部分從燃氣輪機抽取，部分由獨立的空壓機提供。國外四個典型的IGCC電站都將燃燒室進口合成氣溫度提高到了約300℃。總之，通過飽和器加濕合成氣并提高合成氣溫度，以及提高進入燃氣輪機的合成氣溫度是IGCC系統中最為常用的兩種低品位熱量利用方式。兩個系統在低品位熱利用方式上有很多類似的地方，如都采用了燃料加濕以降低NOX排放并回收低品位熱量。Buggenum電站的供電效率達到了43%，該電站主要采用了低品位熱量利用方式1）和2）。后來，Tampa電站取消了高溫氣/氣換熱器[5]。Wabash River電站采用了上述低品位熱量利用方式1）和2），即粗合成氣低品位熱用于加熱飽和器所需的熱水并通過直接氣/氣換熱的方式加熱凈合成氣，以提高進入燃氣輪機的燃料溫度[3]。特別需要指出的是，水煤漿給料的氣化爐產生的粗合成氣中含有大量的潛熱。可見，在IGCC技術的發展中，本土化是決定關鍵技術選擇的重要因素。在IGCC系統中，最為關鍵、造價最高的兩個部件是氣化爐和燃氣輪機。目前我國燃機發電技術的發展主要是采用中外合資、合作和引進技術消化吸收方式，基本目標是形成國產燃機生產能力，掌握E級特別是F級燃機的制造技術。3) 90年代是我國燃機發電的第4階段。天然氣發電在我國尚處于起步階段，建議國家通過稅收政策給予必要的扶持。但由于國家經濟狀況及燃料政策等緣故使其一直發展較慢。隨著大型先進燃機技術的發展和應用，燃氣蒸汽聯合循環機組的容量和效率得到了較大的發展。3) 發展機組。這些機組在國際上已經較普及，目前在我國也已有10多臺投入發電運行。目前世界上主要燃機制造廠家有100多家。特別是近幾年來，燃機的初溫已經達到了1500℃，從而使燃氣輪機的發展進入一個新時代。2) 70年代燃機初溫提高到1000℃左右，聯合循環效率達到40％～45％，已接近甚至超過大型汽輪發電機組的效率。設備數量的減少有利于機組可靠性的提高。燃氣輪機主要燃料為天然氣和低合成氣，此類氣屬于清潔能源，對環境污染少，機組排放NOX低。3) 運行靈活性好。由于綜合了燃氣輪機、汽輪機和余熱鍋爐的特點，燃氣－蒸汽聯合循環機組具有以下特點：1) 機組效率高。汽輪機一般采用閥門全開狀態，隨余熱鍋爐滑壓運行。在501G型燃機中就采用了定向結晶合金，在美國ATS計劃中F/G系列燃機則采用了單晶鑄造葉片等技術。燃機葉片一般采用空心結構，實現葉片內部對流冷卻和葉片表面氣膜冷卻相結合，達到降低葉片表面溫度的目的。燃氣輪機技術[70]從上個世紀20年代開始進去工業應用以來，已經相當成熟。概括地講，國內已運行的大型煤氣化裝置均為引進技術，而且引進的勢頭還在繼續。這四套裝置均用于生產合成氣，三套制氨，一套制甲醇。本成果正在兗礦魯南化肥廠建設日處理1150噸煤的新型氣化爐商業示范裝置（）和山東華魯恒升集團公司建設日處理750噸煤商業裝置（）。正在建設中的還有浩良河、金陵石化（棲霞山化肥廠）兩套Texaco裝置；此外，洞氮、柳州、應城三套Shell裝置正在建設中。技術特點是干粉煤進料、常壓、方形爐、水冷壁爐襯，在同一水平面上布置8個噴嘴，煤氣向上流動，熔渣由爐底排出。采用干煤粉進料，1982年在黑水泵市Laubag建設130MW商業裝置，日處理720噸煤，爐襯采用水冷壁。Prenflo與Shell氣化爐的相同點：干粉煤加料，氮為載氣的密相輸送。Puertollano IGCC 發電裝置為單爐，日處理2600噸混合燃料（煤與石油焦各半）煙煤粉要求75%，含水量為2%；褐煤粒徑也要求75%，但含水量約為6%；凈發電能力為300MW，產煤氣量為180000Nm3/h，氧濃度為95%，溫度為～1700℃。(4) Prenflo氣化爐Prenflo取自英文Pressurized EntrainedFlow Gasification 相關字頭。冷煤氣效率為～81%；原料煤熱值的～13%轉化為蒸汽；～6%由設備和出冷卻器的煤氣顯熱損失于大氣和冷卻水。煤灰總量的70～80%以熔融態流入氣化爐底部，激冷凝固，自爐底排出。，高約30m，4個噴嘴位于爐子下部同一水平面上，沿圓周均勻布置，借助撞擊流以強化熱質傳遞過程，使爐內橫截面氣速相對趨于均勻。該兩點與Eastman（TEC）的Texaco氣化爐相比，占有優勢。采用水煤漿冷激及其配套的火管鍋爐是一種技術進步，冷煤氣效率高于Texaco，但并不完善。爐型類似于KT，分第一段（水平段）與第二段（垂直段），在第一段中，兩個噴嘴呈180度對置，最高反應溫度約1400℃。主要缺點：褐煤的制漿濃度約59～61%；煙煤的制漿濃度為65～69%，冷煤氣效率比干煤粉進料低5～6個百分點左右；噴嘴約2個月更換一次，費時4～6小時；國產耐火磚壽命約一年，更換耐火磚費時40天左右；該爐型通過單噴嘴受限射流實現混合，但噴嘴與出渣口在同一爐體軸線上，爐內流型趨近全返混，有部分物料短路，使單程碳轉化率僅為～95%。具體情況如下：(1) Texaco氣化爐Texaco 水煤漿最大商業裝置是Tampa Electric Company (Tampa)電站，屬于DOE的CCT3，1989年立項，1996年7月投運，12月宣布進入驗證運行。氣流床氣化爐從從工業化裝置數量上講，氣流床氣化爐要比固定床和流化床氣化爐少，但是世界上已商業化的Integrated Gasification Combined－Cycle Technology（IGCC）大型（250MW以上）電站都是采用氣流床煤氣化爐，可見其技術上具有優勢。迄今HTW單爐最大煤處理容量為720t/d；U－Gas為120t/d（建于上海吳涇焦化廠，1994年11月投運，至今尚未正常運行）。圖21 典型IGCC發電機組的原則性系統圖 煤氣化技術的發展 煤氣化技術發展的過程 固定床氣化爐早期的煤氣化技術采用固定床，最有代表性的是1933年Lurgi Oil，Gas and Chemicals Company（Lurgi）開發的加壓氣化爐，幾經修改完善，沿用至今。IGCC結合多聯產綜合技術，能夠生產甲醇等燃料或化工原料，發電和多聯產的氣化共用，便于電網峰谷調整負荷和提高可用率，降低發電成本。氣化爐產生的合成氣可用于發電、合成氨、合成甲醇、制氫等，也可供城市居民生活用氣。氣化爐的排渣可用于筑路、制磚等，進行綜合利用。IGCC技術是在合成氣進入燃氣輪機之前進行脫硫和除塵。② 具有較高的熱效率。39 / 392 IGCC的技術現狀及發展趨勢 IGCC的技術現狀整體煤氣化聯合循環（Integrated Gasification Combined Cycle），簡稱IGCC發電技術是將固體煤氣化、凈化與燃氣—蒸汽聯合循環發電相結合的一種潔凈煤發電技術。燃機島內主要設備包括：燃氣輪機和余熱鍋爐等。 “十一五”863示范項目浙江半山IGCC發電示范工程本工程是國家“十一五”863重大項目“200MW級IGCC關鍵技術研究開發與工業示范”研究課題的依托項目。IGCC作為燃煤發電或結合多聯產，具有效率高、環境友好等諸多優勢，代表未來電力技術的發展方向，成為世界上極有發展前途的一種潔凈煤發電技術。氣化島內主要設備包括：空分裝置、氣化原料制備裝置、氣化爐、輻射和對流廢鍋、凈化裝置等。在此基礎上完成系統的整體配置及參數優化，實現IGCC發電機組的可靠、經濟運行。對于干粉加料系統，可以適合從無煙煤到褐煤的所有煤種；對濕法加料的氣化工藝，則適合灰份較低和固有水分較低的煤。③ 對環境污染小，廢物回收利用的條件好。IGCC的粉塵排放濃度一般低于10mg/Nm3。⑤ 可實現多聯產與多聯供。在世界范圍內，燃煤電站排放的SOX、NOX和粉塵造成的污染問題可以通過現有技術進行解決，CO2減排的問題，尚無其它商業技術，IGCC發電技術是可實現CO2的近零排放的重要技術。典型IGCC發電機組的原則性系統圖見圖21。流化床氣化爐流化床氣化爐1922年始于Winkler（德國專利437970），此后High Temperature Winkler（HTW）、U－Gas（Institute of Gas Technology技術）、KRW（）等技術相繼問世。人們正期待著其驗證結果。為提高冷煤氣效率（用于IGCC發電）、降低氧耗、提高煤氣顯熱回收、目前本領域中國際上研究的熱點有：將水煤漿進料改為液體CO2煤漿進料；研究煤泵以取代干粉煤鎖斗加料；研究煤氣化動力學、停留時間、氣化爐最佳高徑比設計；采用連續排渣系統取代鎖斗式排渣系統；高溫脫硫、除塵技術；先進的耐火磚材料；新型過程測量儀器；運用數值模擬方法進行氣化爐的工程放大；系統分析與技術集成；采用二段爐方案回收煤氣顯熱等。 主要優點：水煤漿制備輸送與計量控制簡單、安全、可靠；裝置的開車率可達85%～90%（有備用爐時）；設備國產化率高，投資較干煤粉原料低。）。Destec采用水煤漿加料，該點與Texaco相同，具有該種進料形態的優缺點。采用耐火磚為爐襯，其壽命已達到3年；噴嘴壽命為3～6個月。單爐日處理煤2000噸，250MW，%（LHV）。煤氣攜帶煤灰總量的20～30%沿氣化爐軸線向上運動，在接近爐頂處通入循環煤氣激冷，激冷煤氣量約占生成煤氣量的60～80%，煤氣降溫至900℃，熔渣凝固，出氣化爐，沿斜管道向上進余熱鍋爐。氣化溫度為1500～1700℃。主要缺點：設備投資大于水煤漿氣化技術，估計高20%；氣化爐結構過于復雜，加工難度大；工程經驗還不夠豐富，世界上目前只有Buggneum的示范裝置在運轉。1992年西班牙ELCOGAS（由西班牙、法國、葡萄牙的6家能源工程公司組成）采用Prenflo氣化技術在西班牙Puertollano建設IGCC電站，這也是Prenflo的第一個商業化裝置。相應的，Prenflo冷激循環煤氣在氣化爐中下部加入，而Shell爐則在上部加入。(5) GSP與Advanced Coal gasification Process (ACGP)GSP由原東德的燃料研究所（German Fuel Institute）開發，爐型與Texaco激冷室氣化爐酷似。 Wilcox）氣化系統公司合作開發，尚未建商業裝置。近四十年來在原國家科委、計委、教委和各工業部的支持下，在研究與開發、消化引進技術方面進行了大量工作，有代表性的是：50年代末到80年代初的仿K—T氣化技術研究與開發，曾于60年代中期和70年代末期在新疆蘆草溝和山東黃縣建設中試裝置，由于基礎理論研究不透以及材料等原因而終止；70年代起西北化工研究院研究開發水煤漿氣化技術并建設了中試裝置，為此后4家廠引進Texaco水煤漿氣化技術提供了豐富的經驗；“九五”期間還就“整體煤氣化聯合循環（IGCC）關鍵技術（含高溫凈化）”立項，有十余個單位參加攻關；1999年科技部立項“煤的熱解、氣化及高溫凈化過程的基礎研究”正在進