整体煤气化联合循环IGCC发电技术.pdf

综 述 整体煤气化联合循环 IGCC 发电技术 吕 晶1 孙福珠2 吕 华2 张宏炜1 董贵林3 1 1 黑龙江省电力职工大学 黑龙江 哈尔滨150030 21 黑龙江省电力科学研究院 黑龙江 哈尔滨 150030 31 牡丹江第二发电厂 黑龙江 牡丹江157015 摘 要 介绍了IGCC发电的优点及工作原理 IGCC电站的设备构成以及各种设备的性能比较 并介绍了 世界几大IGCC发电工程状况和我国在该领域的研究开发情况 环境保护对电力发展的要求 为IGCC发电 技术的发展 提供了广阔的发展前景和空间 洁净煤发电技术作为21世纪燃煤电厂的换代技术 是电力可 持续发展的重要选择 关键词 电力环保 IGCC发电 可持续发展 中图分类号 TK434 6 TK477 文献标识码 A 文章编号 1002 1663 2002 02 0132 04 Generation of Power by IGCC L Jing1 SUN Fu2zhu2 L Hua2 ZHANG Hong2wei1 DONG Gui2lin3 1 Heilongjiang Electric Power Science Research Institute Harbin 150030 China 2 Heilongjiang Electric Power Staff Uni2 versity Harbin 150030 China 3 Mudanjiang No 2 Power Plant Mudanjiang 157015 China Abstract Describes the advantages and theory behind generation of power by IGCC the structural break2 down of IGCC power station and the performance of equipment reguired the development status of world major generation of power by IGCC projects and R generation of power by IGCC sustained development 0 前 言 收稿日期 2002 02 05 作者简介 吕 晶 1960 男 1985年毕业于哈尔滨工业大学 电力系统自动化专业 副教授 我国是一个产煤大国 是世界上为数不多的 几个以煤为主要能源的国家之一 这使我国能源 有两个明显的特点 一是煤炭在一次能源的生产 和消费中占有很大比重 二是我国的发电机组以 燃煤机组为主 约占总装机容量的75 大量的 煤炭开采利用 导致严重的大气污染 我国SO2 的排放量居世界第一 CO2的排放量居世界第二 位 酸雨的覆盖面积已达国土面积的30 国家 环 保总局局长解振华指出 十五 期间 环境治理 要走市场化的路子 和电力系统有关的环保治 理 就是在SO2控制区和酸雨控制区 要减少 20 的SO2的排放量 因此 对电厂的排硫要采 取一些独立性的政策 对不脱硫的要采取一些惩 罚性的政策 因为我国一次能源主要以煤炭为主 煤炭在 一次能源结构中的主导地位 又决定了电力生产 中以煤为主的格局长期不会改变 因此 电力行 231 Vol 24 No 2 Heilongjiang Electric Power Apr 2002 业必须通过发展洁净煤技术 提高电厂的环保特 性 提高能源利用效率 整体煤气化联合循环 IGCC Integrated coal Gasification Combined Cy2 cle 发电技术 作为洁净煤发电技术之一 具有以 下优点 热效率高 目前有效率已达43 46 21世纪可达到50 52 节水性强 耗水量只 有常规燃煤电站的50 左右 燃料适应性广 可 以大量燃用常规机组无法燃用的高硫煤 环保性 能好 煤的脱硫率可达98 99 SO2排放量 只有常规燃煤机组的1 15 1 30 Nox排放量等 同于天然气 CO2的排放量很少 粉尘排放量几乎 为零 联合生产能力大 除发电外 还能生产硫磺 氩气等产品 使煤炭得到充分利用 有利于降低生 产成本 还可用于对燃油联合循环机组及老燃煤 电厂改造等 1 IGCC发电技术 IGCC是一种将煤在高温高压的气体炉内部 分氧化 变换成以CO H2为主要气体的气体燃料 后 经气体精制装置消除气化气体中硫和粉尘等 有害成分 将洁净的煤气供给燃气轮机发电 燃气 轮机的排热由回收炉回收 产生蒸汽 带动汽轮机 发电的联合发电技术 IGCC发电主系统主要由煤气化炉 气体精 制装置 联合发电设备等构成 1 1 煤气化技术 煤气化炉的种类及特点如表1所示 表1 煤气化炉的种类及特点 气化炉内煤气化的主要反应如下 煤的干熘 煤 CH4 H2 C 碳与氧之间的反应 C O2 CO2 发热反应 碳的燃烧反应 C 1 2O2 CO 发热反应 碳的不完全燃烧反应 C CO2 2CO 吸热反应 发生炉煤气反应 碳与水蒸汽之间的反应 C H2O H2 CO 吸热反应 水煤气化反应 碳与氢的反应 C 2H2 CH4 加氢甲烷气化反应 将煤气化的气化剂 一般使用空气或氧 由 于使用的气化剂不同 产生气体的组成 发热量也 不同 使用空气作为气化剂时 产生气体的发热 量比较低 为4 187 kJ m3 LHV 使用氧作为气 化剂时 产生气体的发热量比较高 为10 468 kJ m3 LHV 另外 气化剂不同 产生气体的成分 和发热量要随气化炉的形式 气化温度以及压力 原料煤的性质 灰的流动特性 熔融温度 气化剂 的种类 产生气体的用途等不同而不同 1 2 煤气精制技术 煤气精制装置要求的产品规范必须满足作为 燃气轮机燃料的入口条件限制和环境排放要求 煤气精制装置由除去有害成分的煤气精制装置和 除去粉尘的除尘装置构成 在气体精制方法中有 湿式法和干式法两种 湿式法是已经实用化的气 体精制技术由于能除去碱性金属和氨 对保证燃 气轮机运行的可靠性和环境保护方面有利 但 是 由于该法存在着煤气的显热损失 热效率不 高 而干式法由于是在高温下处理 煤气显热损 失少 有利于效率的提高 目前正处于技术开发阶 段 各种湿式脱硫处理的性能比较如表2所示 日本及美国正在进行干式脱硫法的研究开 发 表3所示为干式脱硫实验设备的开发状况 331 第24卷 第2期 黑龙江电力 2002年4月 干式脱硫法吸收剂大致分为铁 锌 铜等金属 氧化物和锂 钠 钾等碱性碳酸盐及锡等熔融金 属 目前各国正在对金属氧化物 碱性碳酸盐进 行研究 脱硫方式有流化床式 固定床式和移动 床式 表2 各种湿式脱硫处理的性能比较 项 目Generic MDEAUCARSOLGas SpecAMDEASulfinol2MSelexolSulferex 方 式化学吸收化学吸收化学吸收化学吸收 化学 物理 吸 收 物理吸收直接氧化 主 成 分MDEAMDEAMDEAMDEA MDEA Sulfolane 聚丙稀二 甲 醚 亚铁氢盐 溶 液 技术输出方UCC Dow Chemical BASFShellUop Dow Chemical 精制气体中的 H2S COS 10 4 40 40 40 40 40 40 99 98 98 98 98 CO2消除率 25 10 10 99 40 20 酸性气体 再生塔出 口气体 量比 1006356333100107107 酸性气体中H2S浓 度 mol 26424782624 溶剂循环量比10087101294没发表1 170358 实用消费量比蒸10010060240180450 冷 却 水1001105026020055010 动 力100100100没发表没发表440154 吸收塔塔径比100100999879113171 再生塔塔径比1009893141138206376 表3 干式脱硫实验设备的开发状况 名 称方 式吸 收 剂规 模开 发 状 况 石川岛播磨重工业炉外脱硫 氧化铁系 流化床式 煤处理量 200 t d 46 300 m3 N h 1992 02 1996 02 运行 累积2 981 h 三菱重工业炉外脱硫 氧化铁系 蜂巢格子状 煤处理量 20 t d 4 290 m3 N h 1993 1995年运行研究 累积1 586 h DOE MET炉内脱硫 TiO2 ZnO 流化床方式 煤处理量 200 t d 破碎机功率250 MW 送电端 安装1 10容量的试验装置 KRW炉内脱硫ZnO NiO系煤处理量 880 t d预计从1998年开始实证运行 1 3 燃气轮机技术 IGCC中所用的燃气轮机是以燃LNG等已 开发的高温燃气轮机技术为基础 在应用中必须 考虑到煤气燃料的特殊性 煤气与轻油及LNG 相比 发热量仅为其1 10 1 3 因此 必须开发 专用的燃烧器 并且 由于煤气中含有腐蚀性成 分和粉尘等杂质 粉尘易造成冷却空气孔堵塞及 碱金属化合物在表面的附着造成腐蚀等 因此 必须检验煤气对燃气轮机叶片腐蚀等的影响 目 前各国正在对作为叶片耐蚀镀层的各种合金镀层 及作为隔断涂层的陶瓷涂层进行研究 2 国际上IGGC发电开发状况 2 1 欧美国家的开发状况 在欧美国家中 IGCC作为新一代燃煤火电 设备 250 300 MW级的实证机组正处于试运行 阶段或商用运转阶段 主要工程开发状况如表4 所示 2 2 日本的开发状况 200 t d喷流床煤气化发电实验项目是日本 煤气化联合发电技术研究组合 受日本通产省资 源厅 新能源产业技术综合开发机构的委托 历时 11 a进行的研究项目 在该项试验中 气化剂使用的是空气 气化炉 使用的是可以降低厂用动力的送空气气化炉 气 体精制由于是在400 的高温状态下处理 所以 该试验设备由降低了热损失的干式气体精制装置 构成 此项试验以实现高效率为目的 其技术在 431 Vol 24 No 2 Heilongjiang Electric Power Apr 2002 世界具有领先水平 试验设备由煤处理量200 t d 干式煤供给方 式 由空气氧化加压二级喷流床气化炉 使用氧化 铁脱硫剂的流化床脱硫装置 由颗粒碰撞方式吸 尘机产生高温干式气体精制装置 输出12 500 kW的1 260 级开放单纯循环单轴型燃气轮机 以及实证机用大型燃气轮机 燃烧器等构成 该 试验取得的成果如表5所示 表4 国际IGCC机组开发状况 工程名称布胡纳姆普韦托利亚诺瓦巴施利瓦坦 巴比尼安派因 发电厂地址荷 兰西班牙美 国美 国美 国 机组容量 MW284 253335 300296 262322 250107 100 送电端 发电端 煤处理量 t d 1 2 0002 5702 5442 300880 气化炉型式Shell炉Prenflo炉Dow炉Fexaco炉KRW炉 加压1段喷流床加压1段喷流床加压2段喷流床加压1段喷流床加压流化床 气化剂送氧送氧送氧送氧送风 给煤方式干给煤干给煤浆给煤浆给煤干给煤 脱硫方式湿式法湿式法湿式法 湿式法 干式可移床 干式流化床 除尘方式陶瓷过滤器陶瓷过滤器金属过滤器湿式煤气洗涤器陶瓷过滤器 燃气轮机型式西门子公司V94 2西门子公司V94 4GE公司7FAGE公司7FAGE公司7FA 实证试验开始年1994 011996 091995 081999 071996 08 现在状况商业运行中实证运行中实证运行中实证运行中试运行中 表5 200 日喷流床煤气化发电试验成果 技 术 开 发 目 标取 得 的 成 果 系统验证 作为送空气系统气化系统 确认基本技术成立 作为IGCC系统 掌握了各种临界条件 燃料发热量等 确认按比例扩大的数据掌握了按比例扩大气化炉以及气体精制的方法 热效率 根据试验结果 确认在概念设计上 使用1 300 级燃气轮 机的IGCC送电端效率在43 以上 经济性估计比煤粉炉火电机组贵 必须对削减建设费用进行研究 环保特性 取得了SO220 uL L以下 NOX20 uL L以下 粉尘10 mg m3 以下的成果 煤种适合性进行了包括高灰融点煤在内的3种煤的气化试验 运行特性 冷态启动时间为1 d左右 负荷跟踪性能比煤粉炉火电机组好 可靠性 累计运行4 770 h 取得了在实际气化氛围下材料的腐蚀 磨损数据 确立了选 择材料的方法 3 我国的IGCC发电技术研究 IGCC发电技术是一项新兴技术 我国在 IGCC技术方面的基础很薄弱 在个别领域几乎 是空白 在国家 九五 重点科技攻关计划中 在 围绕电力工业重点突出环保 节能和可持续发展 的前提下 对IGCC发电技术进行了全面和深入 的研究 九五 攻关的研究成果 使我国IGCC 的总体技术水平跃上一个新台阶 IGCC热力系 统特性的研究取得了显著成果 提出流程与参数 同步优化的新思路 开发出适合工程实际分析和 评价的软件 具有对IGCC系统方案的优化和评 价能力 IGCC关键部件的研究开发取得突破 为 我国发展IGCC技术打下了良好的基础 对IGCC 示范电站的支撑技术进行了比较系统的研究 研 究成果将直接为示范工程项目提供技术支持 对 某些具有发展促进作用的IGCC技术进行了前瞻 性研究 使我国在煤气的高温净化技术领域能够 跟踪国际最新发展动向 增强了创新能力 同时建 下转第138页 531 第24卷 第2期 黑龙江电力 2002年4月 图1 混合型能量变换器铁心横截面和电路图 2 Roger G lawrence David Finney David F Davidson the construction Testing and Installationof a 6500 r min 150002hp Adjustable2speed Electric Drive for a Centrifugal Aas Compressor J IEEE Transactionson Industry Applications 1988 24 4 6202627 3 Lurong Ye Longya Xu Analysis of a Novel Stator Winding Structure Minimizing Harmonic Current and Torque Ripple for Dual Six2Step Converter2Fed High Power AC Machines J Conference Record2IAS An2 nual Meeting v1 Oct 328 1993 1972202 4 R H Nelson P C Krause Induction Machine Analysis for Arbitrary Displacement between Multiple Winding Sets J IEEE Transaction On PAS 1974 93 3 8412848 5 Alfredo Thomas A Lipo Dual Stator Winding In2 duction Machine Drive J Conference Record IAS Annual Meeting V1 Oct 12215 1998 6012608 6 Ahmed Alaa Mahfouz O P Malik Unity Power Factor Operation for 32Phase Induction Motors J IECON Proceedings Industrial Electronics Confer2 ence V1 Nov 6210 1995 3002305 7 D Levy Analysis of a Double2Stator Induction Ma2 chine used for a variable2Speed Constant2Frequency Small2ScaleHydro WindElectricPowerGenerator J Electric Power Systems Research 1986 11 3 2052223 8 Takashi Yano Eiichi Mukai Hybrid Type Ener