日本整体煤气化联合循环发电的研究近况.pdf

上 海 电力 2 0 O 8 年第4 期 日本整体煤气化联合循环发电的研究近况 杨钦 慧 ( 上 海 第 二 工 业 大 学 ， 上 海2 0 1 2 0 9 ) 摘要： 整体煤气化联合循 环( I G C C ) 发 电是将煤气化技术 与高效 的联合循环相结合构成先进 的动力系统 ， 具 有高效 率、 低污染的特点 ， 近年来发展迅速 。文章介绍 了日本开发的空气喷吹 I G C C系统的构成 和技 术特点 ， 以 及 I GCC实 证 机 的 发 展 近况 。 关键词： I G C C机组 ； 气化炉 ； 热效率 中图分类号： T KO 1 文献标识码 ： B l 引言 整 体 煤 气 化 联 合 循 环 发 电 ( I n t e g r a t e d c o a l Ga s t i f i c a t i o n C o mb i e n e d C y c l e ， I GC C) 的开 发 ， 在 欧 、 美 已商 业运转 ， 但 煤炭气 化通 常采 用 的是耗 氧 的氧气喷 吹法 。由于 制 氧 需要 消耗 大 量 动力 ， 缺 点 明显 。 日本 则不 同 ， 开 发 的是适 合 于 在 送 电端 将 效 率提高的“ 空气喷吹气化方式” ； 与现有的煤粉火 力发电方式 比较 ， I GC C在 商用阶段的发 电效率 能提 高 2成 ， 有效 提 高 了煤 炭利 用 。 2 日本开发空气喷吹 I G C C历程 1 9 8 6 1 9 9 6年 期 间 ，日本 国 内 9家 电 力 公 司 、 电源 开发公 司及 电力 中央 研 究所 共 同成 立 了 煤 炭气化 复合 发 电技 术 研 究组 ， 接 受新 能 源 与 工 业技术综合研究机构的委托 ， 进行 2 5 Mw 空气 喷 吹 I GC C示 范设备 的试 验 。 虽 然经历 了示 范设备 中瓦斯化 炉渣 故障等 的 困扰 ， 最 后还 是 以成 功 完 成 7 8 9 h的连 续 稳 定 运 转 而告 终 。 但 为 了将 I G C C技 术 商 用 化 ， 利 用 根 据 商 用 化 设备 规模试 制 的 实用 机 进 行 了运转 试 验 ， 因 为 需 要对 可靠性 、 运用 性 、 维护性 、 安全 性 、 经济性 等 做 验证 ， 作 为 I GC C 开 发 的最 终 阶 段 ， 在 2 0 0 1年 ( 6 1 5 ) 日本 国 内 9家 电力公 司和 电源开 发公 司共 同出资成立了“ 清洁煤电力研究所” ， 2 0 0 6 年起在 福 岛县 长盘 共 同火 力公 司 的物来发 电站 结构 范 围 内建设 I GC C的实 证机 ， 计划 于 2 0 0 8年开 始运 转 试 验 ， 围绕 商用机 进 行 的实证 试 验 中 的任务 目标 如 表 1所示 。 一 41 4一 表 1 实 证 设 备 任 务 的 最 终 目标 指标 目 标 可靠性 预料达到年利用率在 7 O 以上 热效 率 送电端效率约 4 2 左右 ( LHV) S Ox： 8 mg L ( 1 6 氧换算) 环境性 NOx： 5 mg L( 1 6 氧换算) 灰尘 ： 4 mg m N( 1 6 氧换算) 煤 炭种 类 使 用 对 煤 粉 火 力 不 适 合 的 低 灰 融 点 煤 炭 ， 能 稳 定 运 适合性 转 。 经济性 发电原价预料能取得 和煤粉发电同样的水平 以下 3 I G C C设备构成 I GC C是 将煤炭 部 分气 化转 化为 主 成分 是一 氧化 碳及 氢 的可燃 性 混 合气 体 ， 再 精 制 成 燃 料驱 动燃 气涡 轮机 ， 利 用 涡轮 轮 排 热 产 生蒸 汽 来 驱 动 蒸汽涡轮机的复合发 电系统 。由于 L NG涡轮机 高 温化技 术 的应 用 ， 在商用 化 阶段 ， 能 使热效 率达 到 4 8 5 0 ( L HV， 送 电端) ， 故期望可把 目前 热效率只有 4 0 4 3 的火 力发电的这个指标 大 大提 高 。 3 1 I G C C的特点 I G C C与煤粉火力发 电相 比， 具 有下面诸多 优 点 ： ( 1 )效率提 高 与煤 粉 火力发 电相 比， 在 商用 阶段 ， 能将发 电 效 率提 高约 2成 。 ( 2 )使 用炭 种 扩 大 在 I GC C中能使用灰融点低的煤炭 ， 由于该 炭 种产 生渣 块 ， 难 于 在煤 粉 火 力 中使 用 。所提 煤 炭 大都 产地 分散 在各产 煤 国 ， 缺煤 炭 的 日本 ， 在利 用 煤炭 上无 疑扩 大 了品种 。 ( 3 )低 污 染 2 0 0 8 年第4 期 上 海 电力 单位 发 电量 的 S O 、 NO x及 灰 尘 的 排 出量 随 发电效率提高而降低 。而且 ， 因为是复合发电， 与 煤粉火力发电相 比， 能降低排水量 3成左右 。 ( 4 )煤 灰 处 理 的 优 点 煤 粉火 力发 电以飘尘 状 团粉 或渣 块形 式产 生 大量的灰， 但 I GC C的煤炭灰则以溶渣排 出， 容积 大 约减 少 1 2 ， 有 利 于延 长处 理 灰 场 的 寿命 。 同 时 ， 渣块 能 代替水 泥 用 的骨材 及作 为路 基 材料 ， 实 现再利用 。在填埋处理场合 ， 不会有杂物溶解排 到 外部 。 ( 5 )降低 用水 量 如所周知， 煤粉火力发 电的烟气脱硫装 置要 用大量的水 ， 但 I G C C在燃料 瓦斯 阶段 处理用的 水量却大幅降低 。 3 2 1 G C C系统 的构成 日本 开 发 的 I GC C设 备 基 本 系 统 如 图 1所 示 ， 主要参 数 则见表 2 。 煤 炭供给 煤炭 图 1 日本 I GC C机组的基本系统图 表 2 I aC C试验 设备概 要 煤炭使用量 2 5 0 MW( 1 7 0 0 t d ) 设 气化炉 空气吹喷 ， 二段喷流床干式给炭 备 煤气精制 MDE A化学吸收石膏 回收 规 格 煤气涡轮机 1 2 0 0 。 C级 此系统主要 由气化设备 、 煤气精制设备及复 合发 电设 备构成 。 3种设备 不 是 单 个 独 立 存 在 ， 利 用 在 气 化 炉 内发生 的蒸汽 驱 动蒸 汽涡 轮 机 ； 从 涡轮 机 抽 气 充 作气化所需要的空气等 ； 利用 3个设备 的结合使 能 高效 率 的发 电 。 各设备进行简单说明如下 ： ( 1 )气化 炉设备 把煤炭粉碎后 ， 供给施有压力 3 MP a 左 右的 气化 炉 ； 此 时为 防止煤 粉 自然 氧化 而升 温 ， 在 输送 煤粉 中使 用 氮 ， 借 助封 闭装 料斗 系统 向炉 内投 入 。 在空 气 吹 喷 I GC C关 键 技 术 的空 气 吹 喷 气 化 炉 中， 采用 了干式给炭空气 吹喷二段二室喷流床气 化方式 ， 在图 2中展示其原理 ； 煤炭供给燃烧器与 减压 器 双方 。 生成气 煤渣 低一 一高 气化炉内温度 图 2 空 气 吹 喷 气 化 炉 原 理 在燃烧器内 ， 煤炭与木炭在高温下燃烧 ， 减压 器则既对煤炭气化产生必要 的高温热源 ， 又具有 将煤灰 以熔融 的渣排 出的功能 。一方 面， 通过减 压器向来 自燃烧器正上升的高温气 吹人煤炭 ， 使 其气化的同时 ， 利用气化的吸热反应 降低气体 的 温度 。具有防止后部传热面的灰附着 的功能。通 过 二 段 的 气 化 ， 能 达 到 熔 渣 良好 地 排 出及 高 效 气化 。 利用 气化 炉 后 的 热 交 换 器 ， 将 气 化 炉 产 生 的 气 体 冷却 至 所 定 温 度 ； 产 生 的气 体 和 木 炭 ( 活 性 炭) 的明显热 ， 以高温蒸气 回收。 煤气 中的活性炭( 木炭) 用旋风器( 除尘器) 及 多 孑 L 滤净 器分 离 ， 回收 的 木 炭 ( 活 性 炭 ) 在 气 化炉 内的燃 烧器 中重新燃 烧 。 ( 2 )煤 气精制 设备 煤气精制设备 由 C OS ( 硫化力， L ， 术二， L ， ) 变 换 器 、 冷 却 塔 、 洗 净 塔 、 硫 化 氢 吸 收塔 、 再 生 塔 、 硫 磺成 分 回收 设备 等构 成 。 煤 炭 中 的硫 磺成 分 是 以硫 化 氢 、 C oS等形 态 存在 ， 但 C OS用硫化氢 吸收塔不能 除去 ， 为 了脱 硫效率 的提高 ， 用 C OS变换器将 c OS预先变换 为硫化氢 。 然后 ， 通过冷却 塔、 洗 净塔将 用水洗 净 的氨 ( NH。 ) 、 卤素除去 ， 最后用硫化氢吸收塔把利用胺 ( MD EA) 溶 液 的硫磺 成分 除 去 。 除 去 的 硫 化 氢最 终 以石 膏 而 回收 ， 进 行 有效 一 4】5一 上 海 电力 2 0 0 8 年第4 期 表 3 日本 I G C C机组 和国外同类比较 布夫纳穆 普厄鲁特亚尔诺 乌八秀利巴 坦巴 实证设备 课题 ( 荷 兰 ) ( 西 班 牙) ( 美 国 ) ( 美 国 ) ( 日本 ) 气化炉方式 氧气吹喷 ( 于送料) 氧气吹喷 ( 于送料) 氧气吹喷( 送浆料 ) 氧气吹喷( 送浆料) 空气吹喷( 干送料 ) 2 8 4 M W 3 3 5 M W 2 9 6 MW 3 2 2 M W 2 5 O M W 出力 ( 适 用 GT) ( 1 1 0 0 级 GT) ( 1 3 0 0 级 GT) ( 1 3 0 0 级 GT ) ( 1 3 0 0 级 GT) ( 1 2 0 0 级 GT) 8 家 电力公 司 清 洁 煤 电 力 研 究 所 实施主体 独立公司 NUON 能源公司与电力公 司 单独电力公司 与 3家制造商公司 ( 公司) 1 9 9 4年 1月1 9 9 7年 1 9 9 5年 1 O月 2 0 0 0 1 9 9 6年 9月2 0 0 1年 2 0 0 7年度 2 0 0 9年 实际试验期间 1 9 9 7年 1 1 月 1 2月 年 1月 1 0月 度 本 国炭 ( 高硫 黄) 豪州 炭等数 种 天 本 国炭 石油 焦炭 石油焦炭天然气 石油 焦炭 天 然气 低灰熔点炭 使用燃料 然气 鸡粪 下水 污 天然气 泥木屑 生物质 利用 。 5 I GCC实 证 机 项 目 5 1 实证 机规 模和体 制 表 3 所示为 日本 I GC C和国外同类机组 的比 较 情况 。 日本 实 证机 的计划 规 模 在表 4中示 出 ： 实证试验是为时 9年 的课 题， 由 2 0 0 1年 开始到 2 0 0 9年 ， 其 中设计 与环 境评 估 、 建 设 、 运 转是 各 用 3年 。 该 项 目从 国家 得到 3 O 的补 助 ， 由投资 者 与 中央 电力研 究 所 筹措 7 0 的 分 担 金 并 招 聘 研 究 人员 ， 通过“ 清洁煤 电力 研究 所” 推 进课题 。 表 3实 证 机试 验 规 模 年 份 19 9 9 2 0 o 0 2 o o 1 12 o o 2 12 o o 3 2 O O 4 2 0 o 5 2 O 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 12 0 0 9 1 f I设计 I I L 环境评估 j I 5 2建 设工 程的展 开 I GC C实 证 机 的 兴建 是 先 从 环 境 评 估 着 手 ， 由 2 0 0 2年 1 o月开始 ， 此工作完 成于 2 0 0 4年 8 月 。 同月启 动 I G C C实证 机 的兴 建 ， 在 2 0 0 5年 3 月内基本结束工程的打桩工作。建设工程的进展 率 约为 4 9 6 。 当年 5 月气化炉的选址与兴建工程开始。接 着 ， 正规的安装机械设备的工程也会启动。2 0 0 8 年 是该 工程完 工 的年限 。 参考文献 ： 1 杨钦慧编译 新 一代燃煤 发电机组 的进展与课题 J 国外 电力选译 2 0 0 2 ， 2 ： 1 - 3 2 杨 钦 慧编 译 火力 发 电及 今 后展 望 J 国外 电力 选译 ， 2 0 0 3， 3： l - 4 ， 3 2 3 高 宙英章 石炭 叉化梭合凳露( I G C C) 网凳勤向 J 鼋氯秤谕 ， 2 0 0 5 ， 6 收稿 日期 ： 2 0 0 8 0 8 2 1 作者简介 ： 杨钦 慧 ( 1 9 3 4 一 ) ， 男， 山西 人 ， 从 事科 技 情报 工 作 。 ( 责任编 辑 ： 吕 斌) 编者与读者 s 气 体具有优 异的绝缘性能 和灭弧能力 ， 已在国内外广泛 地用于断路器 、 变 压器、 互感 器、 充气 电缆 、 电容器 、 避雷 器等各种 电气设备 ， 在高压、 超高压及特高压领域的开关 电气设 备中 ， S F s 气体 目前几 乎 占有无 可替代 的地位 。国家 电 网公 司从企业社会责任 出发 ， 高度重视 S F 气体 回收处理及再 利用工作 ， 国家 电网公 司及下属 S F 6 气体 实验 室， 在 S F s 气体 监督 、 回收 、 处理及再利用方 面已取得 了明显的成果与实效 。 本期“ 电气设备 S F 。 气体 的特性及其 回收” 专题 旨在介绍电气设 备 S F s气体的应用 特性 ， 以及 S F 6气体 回收处理 工 作的基本 思路 和实现“ 循环经济” 理念 的一些前瞻性建议 。本专题 承国家 电网公 司科技部李 睿、 安徽 省 电力 科学研究 院 苏镇西等专家的支持并亲 自撰稿 。华东 电网公 司周建 国高工从“ 企业 产品责任” 角度 出发 ， 推荐 了 s