IGCC发电技术.doc

IGCC发电技术赵树男（吉林大学 汽车工程学院，长春 130000）摘要：整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术是煤气化和蒸汽联合循环的结合, 是当今国际正在兴起的一种先进的洁净煤(CCT)发电技术, 具有高效、低污染、节水、综合利用好等优点。它的原理是: 煤经过气化和净化后, 除去煤气中99%以上的硫化氢和接近100%的粉尘, 将固体燃料转化成燃气轮机能燃用的清洁气体燃料, 以驱动燃气轮机发电, 再使燃气发电与蒸汽发电联合起来。关键词: 整体煤气化联合循环；发电；燃气轮机Power Generation Technology for Integrated Coal Gasification Combined CycleZhao Shunan（College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130000）Abstract: The electricity or power generation technology for Integrated Coal Gasification Combined Cycle is combined cycle for coal gasification and steam, and it is a kind of clean coal power generation technology in world these days, and its advantage is high efficiency, low pollution, sparing water and integrated using etc. The theory: after coal is gasified and cleaned, 99% H2S and near100% dust in syngas is removed, and so lid fuel is changed into clean syngas for gas turbine, and the gas turbine is drove to generate electricity, and at last gas and steam electricity generation is combined.Key words: integrated coal gasification combined cycle；electricity or power generation；gas turbine0.引言整体煤气化联合循环(IGCC)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。IGCC被称作“世界上最洁净燃煤电站”。IGCC具有以下优点: 高效率, 且具有提高效率的潜力, 目前IGCC供电效率可达42%-46% , 随着燃气初温的进一步提高和有关的技术进步, IGCC的净效率能达到52%或更高。易大型化, 单机功率可达到300MW-600MW以上。煤的洁净转化与非直接燃煤技术使它有极好的环保性能, 其NOX 和SO2 的排放远低于环境污染排放标准, 脱硫率98%, 除氮率可达90% , 燃煤后的废物处理量最少。耗水量少, 比常规汽轮机电站少30%-50% , 示范装置运行可用率达到85%以上, 可满足商业化运行的要求。能充分综合利用煤炭资源, 适用煤种广。能和煤化工结合成多联产系统,同时生产电、热、燃料气和化工产品。如与生产甲醇、醋酸、合成氨、尿素等化工过程相结合, 有利于降低生产成本。IGCC把高效、大容量、清洁、节水和综合利用结合在一起, 是满足我国21世纪电力可持续发展的重要发电技术, 有光辉的发展前景。1.IGCC系统的组成IGCC由两大部分组成, 即煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备包括: 煤气化系统、煤净化系统(包括硫的回收装置)和空分系统等; 第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉和蒸汽轮机发电系统。典型的IGCC发电系统工艺过程如下: 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。1.1煤气化系统利用高压煤气化技术生产合成煤气, 以取代天然气作为燃料, 是发展IGCC技术的一个重要内容。目前IGCC采用的气化炉主要有三种型式: 喷流床、流化床和固定床。它们各有优缺点。对发电用途的气化炉, 主要要求是高的碳转化率c和冷煤气效率l、大容量(尽可能做到单炉电站)以及与发电设备运行的匹配性好等。(1)喷流床汽化炉 a、采用高压纯氧和富氧氧化的喷流床气化炉, 单炉容量最大(2000 3000t/d), 且由于反应温度高达1500 2000e, 碳的转化率很高( 97% 以上) , 特别是干法供煤并采用未反应炭粒再循环措施时, 如西班牙Puerto llano电站采用的Prenfb气化炉和Buggenum电站的Shell气化炉的c 都达到99% , l 达到80%左右。b、采用水煤浆供料喷流床的气化炉, c和l都要低些,Tex-aco气化炉c 一般只有96% - 98% , l 只有69% 75%。因此, Destec气化炉采用两段气化方式, 把提高到80% 82% 。(2)固定床气化炉, 由于煤在炉内停留时间很长, 反应温度也高,因而碳的转化率最高, 可达99. 5% , 但煤气的生产能力最低, 不能满足电站大型化需要, 且含焦油、酚类数量多, 难以处理。(3)流化床气化炉,如KRW和U - Gas来说, 碳的转化率仅91% 97%, 比前两种要低很多。另外, 以空气做为气化剂时, 可省去复杂空分系统, 但煤气热值低, 不利于燃烧, 且气化炉容量小, 不利于电站大型化；而采用纯度高的氧气要比用空气为气化剂时冷煤气效率高, 但却增大了厂用电率, 这要综合考虑。1.2煤气净化系统从气化炉产生的粗煤气含有大量有害杂质,无法满足燃气轮机安全可靠运行和环保法规的要求, 必须预先净化处理, 以除去粗煤气中的硫化物、粉尘、氮化物以及碱金属与卤化物等有害物质。现多采用常温湿法除尘脱硫工艺, 相对成熟。由于在净化前, 先要将高温煤气冷却降温, 虽然可以回收部分煤气显热, 但由于能量的品位降低, 必将影响到IGCC整体的效率。因此, 人们正致力于研究开发高温干法脱硫技术, 它与煤气低温净化技术相比能使IGCC的净效率提高0.7 2.0个百分点。目前Tampa电站采用常温湿法的煤气净化工艺再配合10%干法净化方式, 不过高温干法净化还处于试验阶段。1.3空分系统为了供给气化炉所需的纯氧或高浓度富氧的气化剂, 需设置制氧空分系统。对于不同空分系统利用不同的压力等级(高压或低压), 但目前对各种压力等级空分系统大多采用深度冷冻方法分离空气以制取氧气。如对独立空分系统, 常用低压(0.6MPa)流程, 一般需把空气冷却到- 172左右才能进入制氧过程。由于空分系统中氧气和氮气的压缩耗功很大, 采用上述常规空分工艺流程的IGCC的厂用电耗率较高, 因此人们正在研究使液氮和液氧先增压, 后气化的空分制氧流程。IGCC中空分系统和燃气轮机系统组成的空气侧系统的整体综合优化对IGCC系统的热力性能、投资费用以及运行可靠性等都有很大影响。从空分系统的空气来源看, 空气侧整体化有独立空分、完全整体化和部分整体化三种一体化方式。独立空分会使厂用电率增大, 但它运行灵活; 完全整体化方式的厂用电率低, 但运行不灵活。比如荷兰Bugge- num 电站采用完全整体化, 厂用电率仅10.92%； 部分整体化可兼顾两方面的优点。随着IGCC空分整体化程度的提高, IGCC的经济性也灵活性却受到限制。因此, 目前IGCC电站较多倾向于采用部分整体化方式。1.4余热锅炉及蒸汽轮机系统性能先进的IGCC离不开高效率的蒸汽底循环, 余热锅炉和蒸汽轮机系统不可避免要与煤气化、净化系统等进行质量、能量交换, 因此IGCC蒸汽系统的联结、匹配与优化要比一般的联合循环复杂得多、也重要得多。为了充分地吸收各子系统的余热、废热, 目前IGCC系统中, 一般根据燃气轮机排气温度, 合理地选择蒸汽循环流程, 当燃气轮机排气温度T4低于538时, 不采用再热循环方案； 当高于580时, 采用多压再热方案。另外, 一般不从汽轮机排汽加热给水, 同时尽可能提高蒸汽初温和初压, 如Buuggenum电站采用双压再热方案(12.9MPa/511, 2. 9 MPa/511)。随着燃气轮机初温的提高, IGCC中蒸汽循环完全有可能采用更高蒸汽参数, 现在有学者在研究设计亚临界、甚至超临界的IGCC蒸汽系统。2.IGCC发电技术的主要优势IGCC之所以受到重视, 是因为它有以下技术优势:(l) 效率高, 且进一步提高效率的潜力大。IGCC的高效率主要来自联合循环, 联合循环燃气侧参数对循环性能的影响较大。随着嫩气初温的进一步提高和其他有关的技术进步,IGCC的净效率很快能达到50%或更高。(2) 煤的洁净转化使它具有极好的环保性能。先将煤转化为煤气, 净化后燃烧, 克服了由于煤的直接燃烧造成的环境污染问题。粉尘排放几乎为零,NOx和SO2的排放也远低于环境污染排放标准,脱硫率98% , 能更好地适应下世纪火电发展的需要。(3) 耗水量少, 比常规汽轮机电站少30%一50%, 这使它更有利于在水资源紧缺的地区发挥优势, 也适于矿区建设矿口电站。(4) 易大型化, 目前单机功率可达到400MW以上。(5) IGCC是一个由多种技术集成的系统, 煤的气化、净化技术、燃气轮机技术以及汽轮机技术等的发展都为它的发展提供了强有力的支撑。(6) 能充分综合利用煤炭资源, 适用煤种广。能和煤化工业结合成多联产系统, 能同时生产电、热、燃料气和化工产品。如便于与生产甲醇、醋酸、合成氨、尿素等化工过程相结合, 使煤得以充分综合利用, 有利于降低生产成本。(7) 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。(8) 当天然气和石油枯竭时, 可用IGCC改造现有燃油气的联合循环。IGCC也可用于对现有蒸汽电站的增容改造, 又便于实施电站的“分阶段建设”, 能最有效地利用建设资金。3.IGCC发展趋向随着科技水平的日益提高, IGCC技术也在人们的不断努力下得到了显著的发展, 主要体现在以下几个方面。3.1传统研究方向的新发展IGCC电站的供电效率、单位造价、发电成本和运行可用率存在着巨大的改进潜力, 因此将继续沿着传统研究方向, 不断地改进IGCC技术中各主要部套和系统的性能、提高其可用率、降低其成本, 对IGCC电站系统进行优化。这方面的具体方向和措施主要有以下几个方面, 即（1）发展单机功率更大、燃气初温更高、热耗率更低的燃气轮机。IGCC系统中联合以燃气轮机为主, 燃气轮机是IGCC系统中最关键的技术, 依靠高温材料和冷却技术的改进不断提高透平初温T3仍然是燃气轮机发展的主要趋势。众所周知:根据美国ATS计划, 目前世界上已经制造成功G型和H型燃气轮机, 它们的燃气初温均为14270。当G型和H型燃气轮机分别组成烧天然气的联合循环时, 它们的供电效率分别能达到58%和60%。（2）提高增压煤气化炉的性能和运行可用率和可靠性。目前, IGCC电站的运行可用率在很大程度上取决于气化炉的可用率。在改善气化炉的性能方面应特别侧重于提高碳的转化率和冷煤气效率。单炉3000t/d以上的气化炉提高碳转化率(达99%)和冷煤气效率(达80%88%)以及减少相应的能量损失, 是值得研究的课题。（3）高温煤气净化技术。煤气在500600的高温下除尘和脱硫, 可简化IGCC系统, 降低造价, 并提高热效率。高温净化技术的突破主要取决于长寿命的陶瓷过滤器和高重复性的脱硫剂的开发。（4）新型制氧空分系统。目前在IGCC电站中都采用深冷法制氧设备, 这种设备的价格高, 制氧所耗的能量又多, 为了降低电站的厂用电耗率, 以便提高IGCC的供电效率, 人们正在研究一种离子转移膜式的制氧新设备。（5）高参数的蒸汽循环。高参数的蒸汽循环与高温燃气轮机的联合应用是保证IGCC系统高性能的关键, 在有条件的基础上, 蒸汽轮机的主蒸汽参数向亚临界参数方向发展, 是IGCC技术发展的一个趋势。3.2新型IGCC系统的开拓基于IGCC系统具有高热效率、好环境性能、多功能以及好经济性, 许多国家都制定了未来IGCC发展的宏伟目标, 其中最有代表性是美国2003年提出未来电力计划(FumreGen)。各国学者不断提出新概念、新循环及新技术, 致力于新型IGCC系统的开拓与创新, 主要有以下几个方面, 即（1）整体煤气化燃料电池联合循环系统( IGFC-CC)。IGFC-CC 系统是由燃料电池、燃气轮机和汽轮机组成的三重联合循环系统, 是燃料电池通过电化学反应把燃料化学能直接转化为电能的非热力学过程和热力学循环有机结合的动力系统, 即先通过非热力学循环实现了化学能与物理能的综合梯级利用, 摆脱了热力学卡诺循环效率制约, 有很高的热效率, 其煤基循环系统热效率可突破60% , 并实现SO2、NOX以及粉尘等的零排放。（2）IGCC多联产系统。目前, IGCC技术与化工工业流程相结合, 形成一个以煤气化为核心的多联产的能源系统, 这种系统既能使用煤作为制气的原料, 也能使用石化企业中原有的廉价的重质渣油、沥青和石油焦等作为制气的原料, 进一步降低生产化工产品和电能的成本。这种生产组合模式就是当今已被广泛使用的以“合成气园”为基础的多联产技术的生产概念。多联产和综合利用IGCC系统将合成煤气通过转化反应使其中CO气体转化为CO2和氢气。分离回收的氢气既可作为清洁能源输出, 也可作为先进动力循环的优质燃料, 因此, 它们对于提高源利用率和减少环境影响的潜力不容忽视。多功能的IGCC系统综合了热转功循环和化学反应过程, 在发电供热的同时, 还利用化石燃料生产出甲醇、二甲醚及理想的清洁燃料氢气等。（3）CO2零排放的IGCC系统。温室气体控制问题是当前也是未来能源和环境领域中最引人关注的热点与难点, 而IGCC系统研究的另一个重要方向是开拓无公害或CO2零排放的能源动力系统。该系统应用先进的膜分离技术和采用膜分离与深冷结合的制氧法, 由氢燃料热力系统(氢氧联合循环)和含碳燃料热力系统并联组成新颖的CO2 零排放双循环IGCC 系统(简DC-IGCC)。（4）燃料多样化的IGCC系统。开拓采用各种廉价、废弃的或专有的燃料能源的IGCC系统也是一个重要发展方向, 包括采用劣质油与生物质燃料等气化装置和联合循环组合的动力系统, 它们都有自己的特殊问题。目前发展的重点在两个方面:石化企业中独立的IGCC 装置(独立电站IPP)。即燃用化工生产过程得到的廉价的重质渣油、沥