整体煤气化联合循环(IGCC).doc

整体煤气化联合循环技术发展现状及展望摘要：随着国内经济科技的迅速提高，人们对于能源的需求越来越大。其中对于电力资源的需求增长尤为迅速。我国在不断地努力满足现代人民生活生产需求的同时也在不懈的寻找最洁净环保的发电方式。在此之中取得了一系列突破性的成果。我国是一个贫铀国家大规模发展核电受到制约，因此在相当长的一段时间内还是要以煤发电为主。由此研究和改善现有煤矿发电技术就显得尤为重要。在诸多煤矿发电技术中整体煤气化联合循环是我国也是全世界立足研究的一个重要课题。整体煤气化联合循环发电技术既具有联合循环的高效率，又解决了燃煤发电带来的环境污染问题，以其高清洁的优越性能受到普遍关注，成为新一代燃煤发电方式的首选技术之一。Abstract: with the rapid increase of domestic economy, science and technology, peoples energy needs more and more. Among them for power resource demand growth is particularly fast. Our country in constant efforts to meet the production requirements of the modern peoples life and also in unremitting find the most environmental clean way of generating. In a series of the achieved breakthrough results. Our country is a depleted uranium large scale development countries nuclear power be restricted, so in a long time or to give priority to coal to produce electricity. This study and improve current power generation technology coal mine are particularly important. In many coal mine in power generation technology integrated gasification combined cycle is our country also is the world based on an important task. Integrated gasification combined cycle power generation technology has both the combined cycle of high efficiency, and solves the coal-fired power brings pollution problems, with its GaoQingJie predominant performance been paid more attention to, as a new generation of coal-fired power the first selection of means technical one.关键字：空气分离技术，煤的气化技术，煤气的净化技术，燃气一蒸汽联合循环技术，系统的整体化技术Key word: air separation technology, coal gasification technology, gas purification technology, gas a steam combined cycle technology, system integration of technology正文：整体煤气化联合循环是把高效的联合循环和洁净的燃煤技术结合起来的先进发电技术，为当今世界能源动力界关注的一个热点。整体煤气化联合循环（IGCC）是把高效的联合循环和洁净的燃煤技术结合起来的先进发电技术，为当今世界能源动力界关注的一个热点。中国煤炭和水力资源丰富：巳探明的煤炭储量约10000Gt，占常规能源储量的90%以上；可开发的水能资源达379GW，居世界第一。石油、天然气相对少：石油总资源量为94Gt，天然气资源为381TM3。农村生活用能以生物质能为主。表一：国内一次能源供应预测年份1990200020102020总量(Mtce)1309. 991775. 542308.152111.87各品种比例煤炭74.2571.2368.5363.91石油18. 9719.2619. 8119. 88天然气2. 012.653.896.23其它4.776.867.779.98现在，越来越多的人相信:IGCC是最有发展前景的洁净煤发电技术。我们重视IGCC，整体煤气化联合循环简介整体煤气化联合循环（简称IGCC）技术是将煤气化技术和高效的蒸汽联合循环相结合的动力系统。该系统主要由两大部分组成:第一部分为煤的气化与净化部分,第二部分为燃气-蒸汽联合循环发电部分。第一部分的设备主要包括：气化炉、空分装置、煤气净化设备(包括硫的回收装置)。第二部分的设备主要有：燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。 工艺流程：煤经气化成为中低热值煤气经过净化，除去煤中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物,变为洁净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轮机作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作功。其流程见图1。 图一IGCC优点:具有提高发电系统热效率的最大潜在能力目前其供电效率可达4046，下世纪有望突破50;易大型化,装机容量已能做到规模经济等级（300MW600MW）；优良的环保性能，污染问题解决得最彻底，即使燃用髙硫煤，也能满足严格的环保标准的要求。脱硫率98，废物处理量最少，副产品有用；能充分综合利用煤炭资源把它和煤化工结合成多联产系统。能同时生产电、热、燃料气和化工产品；耗水量比较少，比常规汽轮机电站少3050，这对许多缺水地区有利，也适于矿区建设坑口电站；能最大程度沿用烧油气联合循环和化工部门煤气化的现有技术。示范装置运行可用率达到80以上，能满足商业化运行的要求；能广泛共享相关科技成果，有广阔的髙新科技产发展前景。亚临界或超临界蒸汽参数的整体煤气化湿空气透平循环（IGHAT），整体煤气化燃料电池联合循环(IGFC-CC)等。便于分阶段建设电站（燃气轮机发电机组一烧油气联合循环一IGCC）以较小投资和风险满足电力逐步增长的需要。IGCC之所以被称为最环保的发电技术是因为在工作流程中进行了改进，有别于传统的煤燃烧发电技术，它是空气分离技术、煤的气化技术、煤气的净化技术、高性能的燃气一蒸汽联合循环技术以及系统的整体化技术等多种高新技术的集成体。其流程如下：将煤粉或水煤浆、水蒸汽和经空气分离制得的纯氧气喷入气化炉，使煤气化成为中热值(热值为1046270KJm3)或低热值（热值为4 1 0 4 6 7 8 KJm3）的煤气，经净化系统，把煤气中的灰分、含硫化合物主要是H2S等有害物质除净，使之成为精煤气，然后供到燃气一蒸汽联合循环装置中发电。IGCC主要特点是脱硫率高，脱硫成本低。当前常规燃煤电站多采用烟气脱硫（FGD）有效控制SO2的排放，此技术中石灰石洗涤法脱硫效率最高，可达95。而在IGCC电站的气化炉中，由于是还原性气氛，煤中所含的硫大部分转换成气态H2S，小部分变SO2，煤气中的SO2经水解后又可以转化成H2S。由于H2S的反应能力比SO2强，因此从煤气产物中脱除硫化物比较容易而且脱除率高，IGCC电厂的脱硫率可达9899，这在使用含硫量高于3的高硫份煤时优点更为突出。这也使得IGCC电站的燃料范围更广，可以燃用各种品位的煤种，尤其适于燃烧劣质煤。相比之下，由于燃煤电厂的烟气量巨大，而烟气中SO2浓度却很低，因此常规燃煤电站脱硫费用较高。此外,在高压气化条件卜，煤气的体积比小，因此IGCC煤气脱硫装置的尺寸比燃煤电站的烟气脱硫净化装置要小得多,煤气脱硫成本也比烟气脱硫的成本低13以上。同时通过出售脱硫后生成的元素S或硫酸，既解决了常规烟气脱硫的产物难以利用和处置,形成二次污染的问题，又变废为宝降低了发电成本。IGCC对NO2排放的控制效果好。目前采用的脱硝工艺脱硝率不高，一般在7 0以下，尽管欧洲和日本广泛采用的SC烟气脱硝法的脱硝率能达到7090,但是其成本是一般脱硝工艺的310倍。由于烟气脱硝技术的投资及运行费用居高不下，因此很难广泛推广。相比较而言，IGCC电站脱硝率就比较高。在IGCC电站中，由于气化炉内采用富氧燃烧，因此不存在随空气进入的氮气，热力型NOx生成量很少，同时生成的少量燃料型NOx在还原性气氛中也容易被还原。并且在燃烧室内采用将氮气回注到燃烧区、煤气增湿、向燃烧室喷水或蒸汽等措施来降低燃烧温度以抑制生成热力型NOx。这样多种有效措施的实施，IGCC电站的脱氮率一般可达90。 温室气体引起的全球变暖是当前也是未来能源和环境协调问题中最引人关注的热点和难点，世界各国都在致力于研究减少CO2排放的有效措施。尽管目前IGCC电站还不能大幅度减少CO2排放，但其可以实现在燃料燃烧前将CO2分离和捕集。由于IGCC电站气化炉内多采用气体作为气化介质，煤气化产物主要是CO和H2 (含碳量高的燃料,燃烧产物主要是CO2),经进一步的水煤气化反应后，容易转化成CO2和氢气。由于煤气压力及CO2浓度较高（达3545）。因而脱除CO2比烟气中更容易。另外煤气净化脱硫工中也可以同时分离除去CO2。IGCC电站的热效率高（当今大型IGCC电站效率己达4246。有利于减少CO2和其他污染物的排放。比通常电站效率每提高1，CO2排放将减少2。相对常规电站而言IGCC电站的CO2排放量减少了15未来的IGCC电站将朝着实现CO2的零排放或微排放方向发展。有效抑制有害金属和其他微量元素的排放：煤的化学成分复杂多样，含有多种有毒性或放射性的微量元素，如汞、钡、镉、铯等。在常规电站中这些微量元素是很难除去的，而在IGCC电站中这些微量元素和灰熔融冷却后形成对环境无害的玻璃状熔渣，避免了二次污染，熔渣还可作为水泥原料再利用。粉尘零排放：由于IGCC电站采用先将煤转化为煤气，煤气净化后再燃烧的方式，这样就克服了由于煤的直接燃烧产生的环境污染,其粉尘排放几乎为零。高效率：具有提高效率的最大潜力，相对于目前亚临界参数电站供电效率为38左右，超临界参数电站供电效率为40左右。超超临界参数电站供电效率也不超过46的现状，IGCC电站的效率已经达到4246。按当前的技术水平和发展趋势看，IGCC电站的净效率可以突破5052.这对于需要大幅度提高火电厂效率的我国来说，是很有战略意义的，这也是节约能源的必然要求和发展趋势。耗氷量少:一般情况下，IGCC电站比PCFGD电站耗水量少3050。这对于我国缺水地区很有利，因此特别适宜于在缺水的矿区建设坑口电站。缓解我国面临的水资源紧张的问题。煤的气化除了用来发电外还以生产热、甲醇、醋酸、合成气、尿素和化工产品，使煤得以充分综合利用，有利于降低生产成本，提高能源利用率。图二通过和其他发电方案的技术经济指标进行比较，由表2中数据可归纳出以下结论：IGCC环保和节水方面具有绝对优势，从可持续性发展方面考虑，IGCC是理想的发电方案；目前IGCC发电效率超过常规PC和PFBC机组，与超临界的PC-CC相当，但IGCC热力性能上的优势还将继续扩大，这将大大缓解我们面临的能源枯竭问题。表2几种不同发电方案的技术经济指标比较电站类型比较项目PCPFBC-CCIGCC常规 带FGD电站规模（MW）目前2010年3001300300130080350和 500200600和1000供电效率()目前2010年363834.536.53639 4550(第二代）40465054用水量比10010070805070环保性能 (排放量比）SO2NOX粉尘固态废料CO2100100 1001001006121890 25122001075101748 24 95600981517322509595单位造价美元kw116014001300140014001700发电成本 millsk4857566654664963IGCC广泛应用的技术可行性我国研究和建设IGCC示范工程项目的技术方面己经具备了基本条件。设计方面：国内电力设计院已基本具备项目总体设计能力，可承担联合循环岛、全厂BOP和控制系统的设计；化工设计院已基本可以完成煤气化、净化和空分系统设计；中国五环化学工程公司可以完成气化炉外壳的详细设计。制造方面：上海锅炉厂和大连金州重型机器有限公司等制造厂均能完成气化炉外壳的制造，气化炉内件需要国外生产，可以在国内组装，若能得到内件设计方的制造图，内件也可以在国内制造。从2003年开始，我国已经从GE、MHI、SIEMENS公司引进了F级燃机和E级燃机制造技术，国内目前正在开展低热值燃气轮机的自主研发计划；已经可以生产容量为5X104NM3h等级的空分装置，正在设计制造容量为6XI04NM3h等级的空分装置，对于配套400MW级IGCC的容量为810410104的空分装置，国内在设计制造上也没有问题。研发方面：华东理工大学已经成功开发出“多喷嘴撞击流水煤浆气化炉”，容量为1 150td的气化炉已经于2005年10月投产；西安热工研究院已建成36td的两段式干煤粉加压气化中试装置，并完成了 1 000td气化炉的初步设计。IGCC运行技术运行可靠性IGCC是由多种设备、多项技术集成的复杂系统，一个最显著特点是整体化，这种整体化提高了能量利用效率，但也使系统复杂化，增加了运行难度，降低了可靠性。因此，整体系统的性能取决于子系统的性能及各子系统间的匹配，根据几个示范国外电厂强迫停运率的统计，来自气化系统的故障是造成整套系统被迫停运的主要原因，主要包括气化工艺流程设计、控制、燃料输送和给料、除渣等方面的问题。IGCC面临的问题及挑战比投资费用和发电成本较高其单位造价和运行成本比常规电站高许多，据中美专家关于整体煤气化联合循环IGCC技术报告提供的几种发电方案的技术经济比较数据，IGCC单位造价为1401700美元kwh，发电成本仅为1961美分kwh，但是随着IGCC技术的进一步发展，特别是达到规模经济容量水平和批量生产后，其单位造价会大幅度下降。当前降低IGCC电站比投资费用和发电成本的途径主要有：继续改进关键设备，优化和简化系统；增大IGCC电站的总容量，使其达到规模经济水平；燃用廉价的高硫煤；采用多联产系统等。系统复杂对制造工艺要求很高。由于IGCC电站非常依仗于高效率、大功率的燃气轮机的设计和制造技术的发展。而目前我国燃气轮机技术还比较落后，所以IGCC在中国的发展还有很长一段路要走。厂用电高IGCC电站采用的气化炉类型有喷流床气化炉,固定床气化炉(包括鲁奇炉及液态排渣鲁奇炉等)和流化床气化炉。三种气化炉各有利弊，都正在发展中。另外，为提高气化炉产气 率，IGCC电站还专门设置制氧空气分离系统，以提供纯氧或富氧作为气化剂。这样，厂用电率就高达10 13。目前解决IGCC电站厂用电率高的办法一般是采用压缩空气作气化剂或部分整体化的空分系统，这样厂用电率可降至5。IGCC技术研究进展针对制约化商业化发展的发电成本和运行可用率问题，提高热力性能依然是研究的重点。目前在关键集成技术或子系统的研究方面主要体现在研制高性能的燃气轮机适用于发电用途的大容量、 高性能煤气化与煤气净化系统优化的高效余热锅炉及蒸汽轮机系统；新型空气分离技术。同时针对IGCC是一多种设备、多项技术集成的复杂系统的特点，对其各关键技术以及子系统进行组合与综合优化，也将有利于解决IGCC的成本高的问题。目前传统的研究方向与目标开始多样化，以提高热力学性能为主导，同时重视经济性与环保性能。 IGCC的新型研究方向如下。 新颖的IGCC热力循环系统。传统的热力循环改进都是朝着提高循环温比和改善部件性能的方向进行，并广泛采用联合循环热力措施，这些都局限于物理能转换利用的研究范畴。与传统研究方向不同，新型的热力循环系统的改进侧重于将梯级利用的概念引入化学能及化学能向物理能的综合梯级利用，如采用新颖的湿空气透平循环原理来改造IGCC循环系统。多联产和综合利用IGCC系统。采用多联产和综合利用的IGCC系统在完成发电供热等动力循环的同时，利用化石燃料生产出甲醇、二甲醚和理想的清洁燃料氢气等产品，具有高效、灵活、低污染的特点。无公害、零排放的IGCC系统。IGCC对SO2 NOX灰尘，及有害金属的排放起到了很好的控制作用，但是对控制CO2的排放还不力，研究CO2零排放的系统是当前一大课题。燃料多样化的IGCC系统。此系统在石化企业推广有其必要性。石化企业生产过程中出产的廉价渣油可作为燃料，变废为宝；石化企业是用电大户，在厂内建立电站有利于节省电网输电损耗。这类IGCC系统能使电能、热能的生产过程与化工过程有机地结合起来，既能简化系统，又能降低燃料的费用，更能从综合生产的角度来降低全厂的生产成本，同时也解决了化工企业污染排放问题。结束语：随着IGCC示范电厂及“绿色煤电”计划的实施，将为我国IGCC发电技术的推广和应用积累宝贵的经验。IGC