（工商管理专业论文）我国igcc项目开发的影响因素及发展前景分析.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 整体煤气化联合循环( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ，i g c c ) 发电技 术是高效清洁燃煤发电可供选择的重要发展方向之一，越来越引起人们的高度关 注。鉴于我国以煤炭为主的能源消费格局很难迅速改变，研究和发展清洁煤发电技 术以提高燃煤电厂的热效率，是实现我国节能减排目标的必然选择。控制燃煤发电 引起的污染，以及进一步提高能源利用效率，已成为我国电力工业乃至整个国民经 济实施可持续发展战略的重要因素之一。这对于实现国民经济又好又快地发展，具 有重大的战略意义。 本文首先阐述了i g c c 的基础理论及特点，其中特别谈到了i g c c 的环保优势； 其次在对国外发展现状回顾的基础上探讨了对我国发展i g c c 的重要启示；再次运用 原理分析和实证论述相结合的方法深入研究了我国i g c c 项目开发的现状，得出影响 我国i g c c 开发的技术因素是发电核心技术的突破、设备国产化程度、i g c c 技术自 主研发及技术运行可靠性，影响我国i g c c 开发的经济因素是单位造价高和上网电价 缺乏竞争优势；最后通过案例研究论述了我国实施i g c c 的应对措施，指出国内发展 i g c c 发电的条件已经成熟，应通过加大核心技术研发力度实现设备国产化、推进示 范电站建设、优惠的电价政策、税收政策及环境政策等措施实现发展i g c c 的目标。 关键词：整体煤气化联合循环( i g c c ) ；影响因素；措施分析 华北电力大学硕十学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e d g a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ( i g c c )i so n eo ft h e i m p o r t a n t a l t e r n a t i v eo r i e n t a t i o n sf o rd e v e l o p m e n to f e n e r g y - e f f i c i e n ta n dc l e a nc o a l f i r e dg e n e r a t i o n ，h a sd r a w ni n c r e a s i n ga t t e n t i o n i nv i e w o fo u rc o u n t r yw i t hc o a ld o m i n a t i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o np a t t e r ni sd i f f i c u l tt oc h a n g e q u i c k l y , r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc l e a n - c o a lg e n e r a t i o nt e c h n i q u e st oi m p r o v et h e r m a l e f f i c i e n c yo fc o a l - f i r e dp o w e rp l a n t s ，i st h ei n e v i t a b l ec h o i c et or e a l i z et h ee n e r g ys a v i n g a n de m i s s i o nr e d u c t i o nt a r g e t si nc h i n a c o n t r o lo fp o l l u t i o nc a u s e db yc o a l - f i r e dp o w e r , a n df u r t h e ri m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yu t i l i z a t i o n ，a n dh a sb e c o m eo u rc o u n t r y e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r ya n de v e nt h ee n t i r en a t i o n a le c o n o m yi m p l e m e n tt h es t r a t e g yo f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r s i th a st h ei m p o r t a n ts t r a t e g i c s i g n i f i c a n c et or e a l i z et h en a t i o n a le c o n o m yt od e v e l o pq u i c k l ya n dw e l l t h i sa r t i c l ef i r s te l a b o r a t e st h eb a s i ct h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fi g c c ，s p e c i a l l y t a l k e da b o u tt h ee n v i r o n m e n t a la d v a n t a g eo fi g c c ；s e c o n d l yo nt h eo v e r s e a s d e v e l o p m e n ts i t u a t i o nb a s e do nar e v i e wo ft h ed e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r yd i s c u s s e dt h e i m p o r t a n te n l i g h t e n m e n to fi g c c ；t h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n de m p i r i c a la g a i nd i s c u s s e d u s i n gt h e m e t h o do fc o m b i n i n gad e e pr e s e a r c ho nt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h e d e v e l o p m e n to fo b rc o u n t r y , i ti sc o n c l u d e dt h a ti n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g i c a lf a c t o r sa r ee l e c t r i c i t yc o r et e c h n i c a lb r e a k t h r o u g h s ，h o m e - m a n u f a c t u r e d e q u i p m e n td e g r e e ， i g c ct e c h n o l o g yi n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dt e c h n i c a lo p e r a t i o n r e l i a b i l i t y , e f f e c to no u rc o u n t r y se c o n o m i cf a c t o ri st h ed e v e l o p m e n to fi g c ch i g h l y u n i tc o s ta n dl a c ko fp o w e rt a r i f ft oc o m p e t i t i v ea d v a n t a g e ；t h r o u g ht h ec a s es t u d y d i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no fl g c cm e a s u r e s ，p o i n t i n go u tt h a td o m e s t i cd e v e l o p m e n t o fi g c cp o w e r , s h o u l dp a s sc o n d i t i o n sr i p ec o r et e c h n o l o g yr & ds t r e n g t hi n c r e a s i n g r e a l i z a t i o no fh o m e - m a n u f a c t u r e de q u i p m e n t ，p r o m o t i n gd e m o n s t r a t i o np o w e rs t a t i o n c o n s t r u c t i o n ，p r e f e r e n t i a le l e c t r o v a l e n c e ，t a xp o l i c ya n de n v i r o n m e n t a lp o l i c i e s k e y w o r d s ：i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ( i g c c ) ，i n f l u e n c ef a c t o r s ，m e a s u r e s a n a l y s i s 华北电力大学硕十学位论文 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，随着我国经济的持续高速发展，对电力的需求越来越大。环境污染问 题，已成为制约我国经济可持续发展的主要因素。随着国家一系列宏观调控政策的 实行以及人们对环境保护认知程度的提高，环境与经济可持续发展的关系越来越引 起人们的高度重视，节能和减排这两个约束性指标带给中国的将是一场经济发展与 环境保护的新革命。作为传统的高耗能及高污染的电力行业，节能减排潜力巨大。 我国是世界第二大能源生产和第二大能源消费国。2 0 0 9 年，我国一次能源消费 总量达n 3 0 5 亿吨，其中煤炭占7 0 1 ，石油占1 8 7 ，天然气占3 8 5 。我国确立 的2 0 2 0 年社会经济发展目标是实现全面小康，届时的g d p 将匕t 2 0 0 0 年翻两番。实现 这一目标显然需要充足的能源保证。专家估计，即便积极地提高能源利用效率和开 展节能，至f 2 0 2 0 年，我国一次能源的需求仍将达至1 4 3 亿吨标准煤左右，是2 0 0 9 年的 1 4 倍，预计2 0 3 0 年我国能源消费总量要在目前的基础上再增长近l 倍( 见图1 1 ) ， 与欧美等发达国家相比，我国发展的任务十分繁重，如何在保障能源供应的同时保 护好环境将是我国能源面i 临的最大挑战。 蝼 蜷 訾 8 v 啦l 枢 涎 熙 涩 怒 l 7 0 o 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 o 1 0 0 o o 荚凼口日木l - h 1 9 9 0 2 0 0 62 0 1 0 图1 - 1 中国一次能源消费预测 2 0 3 0 华北电力大学硕十学位论文 煤炭在我国化石能源剩余可采总储量中比例达9 2 6 ，占绝对优势地位。因此， 尽管政府已经开始采取非常积极的措施，争取在今后3 0 5 0 年内逐步降低煤炭在生产 和消费结构中的比例，增加非化石能源的开发利用，但我国的煤炭消费总量还将增 长，以煤为主的能源格局在本世纪前半叶很难改变。 资源状况决定了煤炭在能源结构中的主导地位。我国一次能源消费中煤炭占 7 0 ( 见图1 2 ) ，煤电在全国发电装机容量和发电量中比重一直维持在较高水平。 在未来相当长时期内，以煤为主的能源结构不会改变。专家预测，n 2 0 5 0 年煤炭消 耗所占的比例仍将在5 0 左右，煤炭的年产量将达到3 0 亿吨以上。 乡电霹 唇：l 秘，? 图l - 2 中国一次能源消费的基本结构 鉴于我国以煤炭为主的能源消费格局短期内难以改变，研究和发展i g c c 发电技 术以提高燃煤电厂的热效率、减少污染物排放，是实现国民经济又好又快发展的必 由之路。根据中国电力企业联合会的数据，2 0 0 8 年，全国电力总装机达容量达到7 9 2 亿千瓦，其中火电约6 亿千瓦，占总容量近7 6 。2 0 0 8 年全国煤产量达到2 7 亿吨，全 国发电生产耗用原煤1 3 4 亿吨，约占全国煤炭产量的5 0 ，据预测至2 0 3 0 年将达到 7 0 。2 0 0 8 年年底，全国的平均供电煤耗为3 4 9 9 ( k w h ) ，火电机组生产中的s 0 2 、 n o x 等有害气体以及可吸入颗粒物的排放总量依然很大。火力发电厂锅炉的煤炭高 效清洁燃烧技术对节约煤炭资源、缓解环境恶化趋势具有重要意义。 整体煤气化联合循环( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ，i g c c ) 发电技 术可以提高煤炭的综合利用效率，系统总效率可达5 5 - - 6 0 ；降低煤炭发电对环 境的影响，可实现包括二氧化碳在内的各种污染物的近零排放，解决煤炭发电的可 持续发展等诸多问题，加快资源节约型社会、环境友好型社会的建设。因此，i g c c 发电正以其高清洁的优越性能受到国际社会的普遍关注，成为新一代燃煤发电方式 的首选技术之一。 我国自上世纪7 0 年代开始i g c c 的技术研究，并曾于2 0 0 3 年计划在山东烟台 开工建设首个i g c c 示范电站，但由于种种原因，该项目搁浅【1 1 。随着环境形势的 日益严峻和节能减排任务的不断加大，i g c c 技术日渐受到重视。就目前而言，i g c c 华北电力大学硕十学位论文 洁净煤发电技术在我国的发展已走到了一个转折点，在政策、资金、行业壁垒、运 营成本等方面面临着一定的瓶颈和困难。如何更好地解决这些问题，对于今后i g c c 项目在我国的发展有着至关重要的意义。 1 1 2 研究意义 目前，虽然i g c c 在我国刚刚处于起步阶段，但是其未来发展的潜力不可小觑。 、控制燃煤发电引起的污染，以及进一步提高能源利用效率，已成为我国电力工业乃 至整个国民经济实施可持续发展战略的重要因素之一。因此近年来我国正加大力度 采取控制燃煤电站污染物排放以及提高发电效率的措施，发展洁净煤发电技术对我 国的迫切性大于世界上任何国家。 ( 1 ) 推动节能优先与环境发展并举 i g c c 发电具有超低的硫、氮排放，并有发电效率高、水耗小等优点，与未来 二氧化碳近零排放、氢能经济等长远发展目标相容，成为最受关注的洁净煤电技术 发展方向之一。常规燃煤发电产生大量的二氧化碳排放，如果按照现有火电发展趋 势，将使我国在未来面临碳排放的巨大压力。同时，我国富煤缺油少气的资源禀赋 特点又决定了煤炭在能源中的重要地位。因此，大力推广洁净煤技术在电力和化工 行业的应用，应该成为我国能源根本战略之一。i g c c 是最典型的可以进行燃烧前 脱碳的系统。一般来说，i g c c 系统中的气化炉都采取富氧或纯氧加压气化技术， 这使得所需分离的气体体积大幅度减小，c 0 2 浓度显著增大，从而大大降低了分离 过程的能耗和设备投资，成为未来电力行业捕集c 0 2 的优选。 ( 2 ) 为优化我国能源消费结构提供借鉴 天然气作为一种高效、优质、清洁燃料，与煤相比，使用天然气可大幅度减少 硫、氮和粉尘的排放。虽然使用天然气比使用煤更清洁，但我国天然气资源短缺的 现状使我国的天然气应用受到限制。除了加大天然气进口力度，发展i g c c 多联产， 实现煤制天然气也将是我国天然气的重要来源，有助于我国优化能源消费结构。根 据目前国际上大宗能源商品的发展趋势，一旦中国对某种商品大量进口，则其价格 必将飙升。利用我国较为丰富的煤炭资源，发展煤制合成天然气，将有效地压制我 国天然气的进口价格，降低天然气用户的成本。 ( 3 ) 促进我国能源的可持续发展和有效利用 我国大中城市一直高度重视推进煤电的“绿色化 ，但前几年的更换优质煤、 上大压小的措施，都只是阶段性的措施。煤电的清洁性要长期得到保障，必须依赖 可持续的绿色新技术。伴随着经济的持续增长，我国的能源消费与石油对外依存度 不断上升。自1 9 9 3 年起，我国的石油进口量首次超过了出口量，成为石油净进口 国。到2 0 0 9 年，我国原油进口超过2 亿吨，对外依存度超过5 0 。国家能源局预计， 华北电力大学硕士学位论文 到2 0 2 0 年我国石油需求量将达到6 亿吨，其中国内产量将保持在2 亿吨左右，进 口量将达到4 亿吨，对外依存度约6 7 。 要实现经济的持续稳定增长，确保稳定的能源供应是最为重要的前提条件。 i g c c 是以先进的煤气化技术为龙头的清洁煤基发电项目，是基于中国油气匮乏、煤 炭相对丰富的资源禀赋特点，并依靠技术革新的力量，实现对石油和天然气资源的 补充和部分替代。到2 0 1 5 年，我国煤制油年产能将达到1 2 0 0 万吨年，煤制天然气 年产能将超过2 0 0 亿立方米。i g c c 通过煤炭的清洁高效转化，实现油气资源的补 充和部分替代，成为“第五条油气通道，为我国的能源安全做出贡献。 1 2i g c c 的国内外研究现状 1 2 1 国外i g c c 研究现状 ( 1 ) i g c c 发电技术发展及应用情况 国外对i g c c 发电技术的开发和研究始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 2 年在德国建成的l t l n e ni g c c 电厂和1 9 8 4 年在美国建成的c o o lw a t e r 电厂是2 座成功利用煤作为燃料、 气化后发电的实验电厂。2 0 世纪9 0 年代，在世界范围内先后建成了l o 余座i g c c 电厂。 比较典型的4 座以煤为燃料具有一定规模( 2 5 0 - - - 3 0 0 m w ) 的i g c c 电厂分别是：荷兰 b u g g e n u m 电厂，1 9 9 4 年建成的总功率为2 8 5 m w i g c c 机组；美国w a b a s h r i v e r 电厂， 1 9 9 5 年建成总功率为2 9 7 m w i g c c 机组；美国p o l k 电厂，1 9 9 6 年建成总功率为 3 1 3 m w l g c c 机组；西班牙p u e r t o l l a n o 电厂，1 9 9 7 年建成总功率为3 3 5 m w i g c c 机组。 以上电厂投入运行后的十几年中经过不断的调试、试验和改进，目前均已趋于成熟， 各项技术指标逐年提高，发电效率已达到设计值4 3 ，可用率达到8 5 【2 j 。 目前，i g c c 正逐步从商业示范向商业应用阶段过渡，虽然这一进程取决于i g c c 技术的发展、环保标准的提高和石油、天然气等能源价格走势等多重因素，但从总 的趋势看，大多数专家认为未来1 0 年内i g c c 将进入商业化。面对全球气候变化的挑 战，i g c c 发电技术以其潜在的高效率和减排优势受到了广泛关注。 ( 2 ) i g c c 电厂建设情况及发展趋势 据统计，全球已经建成投运i g c c 电站约3 0 余座，总装机约1 0 0 0 万千瓦，在 建和拟建i g c c 电站约4 0 余座，总装机约2 0 0 0 万千瓦。这些电站主要分布在美国、 欧洲、日本等发达国家和地区，澳大利亚、韩国、印度等国家也在积极推动i g c c 的发展。当前国际上i g c c 发电技术正朝着高效、机组容量大型化发展，技术指标 将更为先进。美国2 0 0 3 年制定的未来电力计划目标是于2 0 1 2 年建设一个发电效 率达6 0 ，实现零排放的商业运行i g c c 电厂。在亚洲，日本三菱公司也在加紧独 立开发空气气化的i g c c 机组。印度已于2 0 0 1 年建造1 座i g c c 示范电厂，发展i g c c 华北电力大学硕十学位论文 是印度能源发展的重要方向。2 0 0 8 年7 月8 日，美、日、英、法、德、加、意、俄 罗斯八国集团就2 0 5 0 年前将二氧化碳等温室气体排放量比现状减少一半定为“世 界整体目标”，作为最具二氧化碳减排潜力的技术，必将面临更加广阔的发展空间f 4 】。 近几年，世界范围内加快了i g c c 技术的研究和发展步伐，每年召开一次i g c c 技术国际研讨会。近年来以石油焦或渣油为燃料的i g c c 发电技术商业应用迅速，且 整套机组容量达5 0 0 m w 级规模。同时气化技术的可靠性不断提高，i g c c 电厂的单 位投资不断降低( 目前国际上单位投资可达1 0 0 0 美元k w ) ，建设周期缩短为两三年。 目前全球范围内正在建设或计划建设的电站共有5 0 座，总装机容量2 5 0 0 0 m w ，2 0 0 8 年处于积极推进状态的i g c c 项目大部份都包含或者考虑了二氧化碳的捕集和处置 问题。这些项目呈现出来的发展趋势和特点，对于我国示范电站的发展方向具有积 极的借鉴意义，在世界范围内i g c c 发电技术正有着越来越广泛的应用前景。 1 2 2 国内i g c c 研究现状 ( 1 ) i g c c 发电技术发展及应用情况 我国自1 9 7 8 年开始i g c c 技术的研究，并将其列入国家重点科技发展项目。在 “八五 、“九五”、“十五”、“十一五 计划中，国家对i g c c 系统方案分析及系统 优化都进行了支持。1 9 9 9 年国家批准了烟台i g c c 示范电站项目建议书，但由于烟 台i g c c 示范电站全套引进国外技术和设备，造价较高，约是常规煤粉电站的2 倍， 至今未能开工建设。 经过国家“八五”和“九五 科技攻关及“十五 8 6 3 课题“i g c c 设计集成和 动态特性 的研究，我国一些科研单位在i g c c 系统设计优化和一些关键技术开发 方面取得了长足的进步，对i g c c 技术的现状和趋势及国外i g c c 电站存在的问题 有了深刻的认识，己形成了较强的技术支持力量。我国8 6 3 计划“十一五 期间在 洁净煤技术主题部署了围绕i g c c 发展需要的单项技术研发和前沿课题，为“十二 五 发展i g c c 示范工程奠定了技术基础。经过3 0 年的发展，i g c c 技术完成了概 念验证，目前在我国已进入工业规模示范阶段，近期i g c c 示范电站的建设，将会 推动i g c c 技术的进一步发展，缓解电力发展与环境保护日益加重的矛盾。 ( 2 ) i g c c 电厂建设情况及发展趋势 “十五 期间，兖矿集团有限公司、中科院工程热物理研究所经过多年自主研 发，建成的高效洁净煤基甲醇联产电示范系统，开创了我国i g c c 发电与联产系统研 发与示范的先河。2 0 0 5 年1 2 月，五大电力集团联合成立绿色煤电有限公司，我国i g c c 进入规模性发展阶段。2 0 0 9 年7 月6 日，我国首座自主开发、设计、制造并建设的i g c c 示范工程项目一华能天津i g c c 示范电站在天津临港工业区正式开工，标志着具有我 国自主知识产权的“绿色煤电 计划取得了实质性进展，开启了我国清洁煤发电技 华北电力大学硕士学位论文 术的新纪元。 ( 3 ) 国内专家学者的观点 目前，国内对i g c c 的研究尚属于理论研究阶段，研究方法也主要以案例研究和 定性描述为主。 清华大学教授、工程院院士倪维斗认为，煤现在是、将来仍是我国能源的主力， 其用于发电的比例将越来越大。煤的直接燃烧已引起严重的环境污染，且很难解决 温室气体减排问题，车用液体燃料的短缺根本上还得从煤基替代燃料上找出路，再 生能源在2 0 2 0 年前不可能解决主要问题。他表示，i g c c 通过煤炭或石油焦的气化 和化工反应，能够同时实现电力、液体燃料、化工产品、供热、合成气等的多联产， 在经济上具有可行性，多联产是当下i g c c 的发展方向。而且，i g c c 可以使二氧 化碳在发电环节之前即释放和富集，便于二氧化碳的捕捉和封存，对全球温室气体 减排具有战略意义。他呼吁先建设几个示范项目，积累经验教训。 中科院高技术研究与发展局副局长肖云汉认为，由于煤炭能源利用系统，特别 是i g c c 和联产系统，投资巨大，生命周期长，升级换代不易，因而确保近期、中 期、长期发展目标相容变得尤为重要。清洁煤能源技术研发投资大、周期长、系统 性工程化强，但市场大而稳定。我国战略上需要坚持自主创新，建立研发、中试、 装备、工程示范、工程应用、学习提升一体化创新价值链，创出符合我国自身需求 的洁净煤利用道路。中国不能被动等待国外i g c c 技术和空谈，而应支持自主研发 技术的i g c c 示范项目，并提供合理上网电价等政策。煤炭资源的高效、环境友好 利用，不仅要重视生产，而且要重视利用。让i g c c 和联产系统跨越行业界限，实 现资源整体利用最优。 中国工程院翁史烈院士提倡将煤气化工程和热能电气工程强强结合，在比较成 熟的煤化工多联产系统中建设i g c c 发电系统，走有特色的煤基多联产i g c c 技术 路线。i g c c 多联产作为综合解决我国能源问题的重要方案，要做好充分的技术准 备，对关键技术组织联合攻关，并进一步明确煤气化联产技术路线图。 中国电机工程学会理事长陆延昌认为，我国i g c c 技术研究工作和工程建设的 前期工作已经具备了工程化条件，但现状是还缺乏大胆的工程实践。他呼吁国家主 管能源的政府机构加快核准符合条件的具有代表性的i g c c 项目，推进不同技术路 线的示范工程的建设。通过示范工程的建设，可以促进设备和工程造价的明显下降， 并可提高国产化、自主化程度，更有效地推动技术创新和装备完善。 从上述论述中可以看出，国内的专家学者大多主张i g c c 拉长产业链，实现多 联产，同时走自主创新的道路，加快核心设备的国产化进程。目前国内已有多个i g c c 项目在进行前期工作，同时国家对各种煤气化技术的引进以及对燃气轮机的打捆招 标都为i g c c 电厂在我国的建设奠定了基础，目前正在兴起i g c c 的发展热潮。 华北电力大学硕十学位论文 1 3 论文研究的主要内容 关于i g c c 的理论研究已经有很多，本文在前人研究基础上，通过研究国外 i g c c 项目的进展情况以及国内i g c c 发展的现状，提出了在我国影响i g c c 项目 发展的几点因素，并分析i g c c 项目未来在国内的发展前景。本文的研究内容主要 包括以下几方面： 第一部分，i g c c 的基本理论概述。着重阐述i g c c 发电技术的概念、特点， 重点论述其环保优势。 第二部分，国际i g c c 发电动态及对我国启示分析。通过查阅有关资料，收集、 分析i g c c 在美国、欧洲、亚洲的有关国家发展状况，通过分析i g c c 项目在不同 国家的研究及发展现状，从中获得有益的启示。 第三部分，对我国开发i g c c 项目的影响因素进行分析。介绍i g c c 在国内的 发展现状，根据我国对i g c c 发电核心技术研究的突破、i g c c 设备国内制造、i g c c 发电技术在我国电力市场的应用潜力等方面的情况，对我国建设i g c c 电厂的基础 条件进行全面分析。通过对i g c c 发电项目的技术经济的定性和定量分析，得出在 我国开发i g c c 项目的主要影响因素。 第四部分，我国开发i g c c 项目的产业方向及相应的政策措施分析。根据我国 国情及节能减排的远景目标，提出在我国发展i g c c 的产业方向，指出国内发展 i g c c 发电的条件已经成熟，通过优惠的电价政策、税收政策、环境政策及加大核 心技术研发力度实现设备国产化等措施实现发展i g c c 的技术目标。 7 华北电力大学硕士学位论文 第2 章i g c c 的基础理论 2 1i g c c 的基础理论 整体煤气化联合循环( i g c c i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ) 发电技术 是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统，属于新型、高效的洁净 煤发电技术之一。它由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气一蒸汽联合循 环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备( 包括硫的 回收装置) ，第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电 系统。典型的i g c c 发电系统如图2 1 ，i g c c 的工艺过程如下：煤经气化成为中低热 值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气 体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气透平做功，燃 气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功【5 l 。 由于它采用了燃气一蒸汽联合循环，大大地提高了能源的综合利用率，实现了 能量的梯级利用，提高了整个发电系统的效率。更重要的是它充分体现了清洁生产 的要求，从源头上控制和生产过程中的控制达到减少污染排放的目的，较好地解决 了常规燃煤电站固有的污染环境问题。 图2 1i g c c 发电系统示意图 华北电力大学硕十学位论文 2 2i g c c 的特点 二十世纪八十年代以来，从能源发展的长远利益以及基于国家经济发展的战略 和国际竞争的需要，先进的洁净煤发电技术成为世界各国在能源领域的主要竞争热 点。整体煤气化联合循环发电( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ，简称i g c c ) 是当今国际上最引人注目的新型、高效的洁净煤发电技术之一。 i g c c 是把高效的燃气蒸汽联合循环发电技术和环境友好的煤气化、气体净化技 术结合起来的先进发电系统，其基本工艺过程为：煤( 或者其他含碳燃料，如石油 焦、生物质等) 经气化生成中低热值合成气，经过除尘、脱硫等净化工艺成为洁净 的合成气供给燃气轮机燃烧做功，燃气轮机排气余热和气化岛显热回收热量经余热 锅炉加热给水产生过热蒸汽，带动蒸汽轮机发电，从而实现了煤气化燃气蒸汽联合 循环发电过程。 i g c c 具有高效率、清洁、节水、适应燃料性广、易于实现多联产等优点，并且 与未来二氧化碳零排放、氢能经济长远可持续发展目标相容，是二十一世纪洁净煤 发电技术发展的重要方向之一1 6 j 。 ( 1 ) 热效率高 i g c c 采用高效的无补燃余热锅炉型的联合循环技术，目前i g c c 电厂的供电效 率可达4 3 - - 4 5 ，比常规燃煤电站效率高5 , - - 7 。随着技术的发展，i g c c 净效率 可达5 0 或更高。采用i g c c 技术对于节约煤炭资源意义重大。i g c c 具有联合循环 的特点，因此具有较高的循环热效率。但由于在气化和净化过程中能量转换所造成 的损失，使其热效率低于燃气联合循环机组的热效率。i g c c 热效率的高低主要取决 于燃气轮机的燃烧温度、气化显热的回收利用程度和整体化程度。目前商业化的先 进的燃机组成的燃气联合循环机组的热效率可达5 5 ，i g c c 的热效率可达4 3 4 5 ( 低位热值，以下同) 。随着燃气轮机叶片冷却技术的不断开发和应用，新型燃 机( 如g e 公司的h 型燃机) 组成的联合循环热效率将达到6 0 ，相应的i g c c 的热 效率也将达到5 0 ；若同时采用高温净化技术( 热量损失减少) ，i g c c 的热效率将 可望达到5 4 。 ( 2 ) 环保性能好 i g c c 电厂的脱硫效率可达9 9 ，s 0 2 扫f 放浓度2 5 m g n m 3 ，n o x e 放浓度低于 5 0 m g n m 3 ，粉尘排放量基本为零，污染物排放浓度远低于最苛刻的环保标准。如 果对合成煤气进行蒸汽重整，可实现c 0 2 近零排放，是目前所有燃煤发电技术中减 排温室气体最可行、最经济的一种方法。 ( 3 ) 燃料适应性广 褐煤、烟煤、贫煤、高低硫煤都可适应于i g c c 发电，不过一旦气化炉型选定， 华北电力大学硕士学位论文 就只能采用适用于该炉型的燃料。i g c c 对燃料的适应性主要取决于所采用的气化 炉型式及给料方式，对于干粉加料系统，可以适合从无烟煤到褐煤的所有煤种；对 湿法加料的气化工艺，则适合灰份较低和固有水份较低的煤；对高灰熔点的煤种， 应加助熔剂( 如石灰石) 。对现已投运的i g c c 电站和试验装置的调查来看，燃料的 适应性是比较广的。目前，i g c c 电厂的燃料已经扩展为石油焦、泥煤等。此类i g c c 技术发展迅速，运行良好，极具商业竞争力。应该指出的是，针对某一种燃料所设 计的气化炉，其燃料适应性是有限制的。为了保护环境，目前我国限制高硫煤的开 采，采用i g c c 发电技术，可以燃用我国储量丰富、限制开采的高硫煤，因此，燃 料成本可大大降低。 ( 4 ) 节水 i g c c 电厂中的燃气轮机发电机组和气化岛耗水都很少，由于i g c c 机组中蒸汽 循环部分占总发电量约1 3 ，使i g c c 机组比常规火力发电机组的发电水耗大大降低， 约为同容量常规燃煤机组的1 2 - - 2 3 左右。 ( 5 ) 调峰能力强 常规电厂可以在5 0 - - 1 0 0 负荷条件下运行，而i g c c 电厂可以在3 5 1 0 0 负 荷条件下运行，负荷变化率可达7 1 5 r a i n ，而常规燃煤电厂则为2 , 一5 0 d m i n 。 ( 6 ) 可以综合利用煤炭资源，实现多联供 i g c c 项目可以拓展为供电、供热、供煤气和提供化工原料的多联产生产方式。 i g c c 项目本身就是煤化工与发电的结合体，通过煤的气化，使煤得以充分综合利 用，实现电、热、甲醇或其他化工产品、液体燃料、城市煤气等多联供。从而使i g c c 项目具有延伸产业链、发展循环经济的技术优势。 i g c c 与化工相结合，可以实现i g c c 代替原化工常规燃煤炉向化工区供汽供电， 达到减排的目的。二者的结合也可以满足化工稳定生产和电力调峰的要求。 ( 7 ) 具有实现c 0 2 零排放的技术潜力 温室气体效应引起的全球变暖是当前也是未来能源与环境协调问题中引人关 注的热点和难点。目前，世界上绝大多数化石能源动力系统为碳基能源系统，通过 长期不懈的努力，现可以通过各种洁净技术把有害的s 0 2 和n o x 等排放量减少 8 0 9 0 以上，但对大幅度减少c 0 2 排放大都无能为力。 i g c c 技术是最重要的洁净煤发电技术，其s 0 2 、n o x 以及固体粉尘等有害物 质的排放量比常规燃煤电站低的多，而且具有脱除c 0 2 ，实现零排放的技术潜力。 在i g c c 发电系统中，对合成煤气进行变换生成h 2 和c 0 2 ，h 2 可以作为最清洁的 燃料( 如燃料电池) 使用，c 0 2 可以进行分离、脱除、填埋回注，以实现c t h 零排 放，是现有发电技术减排温室气体最可行、最经济的一种方法。 2 0 0 5 年2 月1 6 日， 京都议定书开始生效，中国政府承诺履行联合国气候 乍北电力大学硕十学位论文 变化框架公约和京都议定书中规定的义务。作为发展中国家，中国现阶段没 有c 0 2 等6 种温室气体的减排任务。但是，我国目前温室气体c 0 2 排放量已经居世 界第二，预测表明，到2 0 2 0 年前后，我国c 0 2 排放量将超过美国，居世界第一。 届时我国将会承受外部要求减排的巨大压力，势必会影响我国燃煤电厂的发展和经 济效益。 现阶段，中国i g c c 项目投产后，即可以根据京都议定书所规定的发达国家 和发展中国家之间的排放指标交易机制( 清洁发展机制c d m ) ，就所能减排的c 0 2 量进行交易( 目前c 0 2 的交易价格约5 5 元屯) 。 ( 8 ) 燃煤后的废物处理量最少 脱硫后生产的元素硫或硫酸可以出售。灰溶融冷却后形成玻璃状渣，能固化碱 金属等有害物质，大大减轻环境污染，而且可用作建筑材料。 2 3i g c c 的环保优势 i g c c 的环保性能可以说非常卓越。燃煤发电造成的污染主要是s 0 2 、n o x 粉尘。 i g c c 电厂对合成气采用“燃烧前脱除污染物”技术，合成气气流量小( 大约是常 规燃煤火电尾部烟气量的1 1 0 ) ，便于处理。因此i g c c 系统中脱硫、脱硝和粉 尘净化效率较高，大大降低了污染物的排放浓度，其各种污染排放量都远远低于国 内外先进的环保标准，可以与燃烧天然气的联合循环电厂相媲美。国内外排放标准、 国外实际运行的i g c c 电厂的排放指标以及i g c c 的未来排放期望值见表2 1 。 常规燃煤电厂的脱硫主要采用尾部脱硫的方法，对燃烧以后的大量烟气进行处 理，脱硫效率可达9 5 ，脱硫所产出的副产品是石膏，若市场需求有问题时还需择 地堆放。i g c c 电厂一般采用燃烧前脱硫方式，其脱硫效率可达9 9 ，s o z 排放浓度 约4 5 m g n n l 3 ( 火电厂大气污染物排放标准 g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 规定第3 时段机组最严格 的为4 0 0 m g n m ，) ，并可回收单质硫( 硫磺可以市场销售，市场价格约为6 0 0 1 0 0 0 元 吨) ，使资源的利用更加充分。s o ：的排放指标主要取决于燃气轮机的要求，采用其 它的化学脱硫工艺，如低温甲醇洗的脱硫工艺，可以进一步降低s o ：的排放，可达 o 1 p p m 。 常规燃煤电厂的脱硝主要采用尾部脱硝的方法，采用s c r 的方法对燃烧以后的 大量烟气进行处理。而i g c c 脱硝主要采用n 2 回注( 来自空分装置) 或其他方式， 用合成气氮气饱和、喷注蒸汽和水的方法控制n o x 的产生，在不增j n s c r 的情况下 就可以将n o x 控制在1 3 0 m g n r m 以内，增j n s c r 的情况下可以将n o x 控制在 8 0 m g n m 3 以内( 火电厂大气污染物排放标准 g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 1 规定第3 时段机组最高 为4 5 0 m g n r m 。北京市地方标准d b l l l l 3 9 2 0 0 7 锅炉大气污染物排放标准规定新 建燃煤锅炉最高为1 0 0 m g n m 3 ) 。 华北电力大学硕士学位论文 燃气轮机对入口的含尘量和含尘浓度有很严格的限制，比排放标准的要求要高 很多，一般i g c c 的粉尘排放低予1 0 m g n m 3 。常规燃煤电厂的除尘主要采用静电除 尘器和布袋除尘器，因为机组容量越来越大，很少采用湿式洗涤的方式，可以达到 5 0 m g n r m 的排放要求。而i g c c 除尘针对合成气进行，采用陶瓷过滤和湿法除尘， 粉尘排放约为l m g n r m ( 火电厂大气污染物排放标准 g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 规定第3 时段机 组最高为5 0 m g n n f l 3 ) 。 i g c c 与常规的燃煤电站相比，其脱除重金属h g 的潜力大。常规燃煤电站一般 脱除汞的能力为5 0 7 0 ，i g c c 脱除汞的能力可达9 0 。 气化炉的排渣( 占灰渣总量的9 0 左右) 是以液态方式经水冷却后排出的，属 惰性无析出渣，可出售用于筑路、制砖等，可进行综合利用。由于i g c c 电站的热效 率高，与同容量常规火力发电厂相比可减少耗煤量，因而可减少对大气中c 0 2 的排 放。在i g c c 系统中，煤气化生成的合成气通过净化系统，得到的合成气无粉尘，脱 硫、脱硝率都很高。其s o x 、n o x 和粉尘的排放量分别是欧盟污染物排放限制的1 8 、 6 5 和2 。可以说i g c c 系统中的除尘脱硫系统是目前世界上最清洁的煤利用技术， 能够满足我国今后的环保要求，解决能源利用和可持续发展的矛盾。另外，煤气化 技术可根据不同需要使用不同的煤种或其他低热值燃料，特别是高硫和高灰分煤对 我国来说具有特殊意义，因为高硫、高灰分煤占我国煤炭储量的三分之一，目前除 了在环保要求上比较严格的地区已停止使用高硫煤，其它地区还在继续使用。我国 的中高硫煤基本上都是直接燃烧，把c 0 2 排放到大气中，造成严重的大气污染。利 用i g c c 中的煤气化和净化技术，可以高效、清洁地使用我国的高硫、高灰分煤，而 且可以回收单质硫磺，又避免了其它脱硫方式所副产的低质量石膏的白色污染。 华北电力大学硕十学位论文 表2 1 国内外环保标准及i g c c 与不同电站的排放比较表 结论 - 1 3 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) i g c c 电站的污染物( n 魄、s 0 2 和粉尘) 排放可以满足现有国内外最严格的大 气污染物排放标准。如欧洲、美国标准和北京市地方标准。 ( 2 ) i g c c 电站的排放数值与燃用天然气的联合循环电站相当。 ( 3 ) 与常规燃煤电站( 满足国家环保标准) 相比，i g c c 电站粉尘排放可减少9 5 以上，n 0 。排放可减少约7 0 ，s 0 2 排放可减少9 0 9 6 以上( 见图2 2 ) 。此外，i g c c 电 站还具有脱出c o ：的潜力，减少温室效应。 ( 4 ) i g c c 电站将煤中的硫转换成硫磺或硫酸( 常规燃煤机组产生的是硫化物) ， 是化工原料，在资源利用方面，符合循环经济的理念。 图中： i g c 卜整体煤