IGCC技术发展现状概述

1 IGCCIGCC 技术发展现状概述技术发展现状概述 摘要 摘要 IGCC 是一种新型 高效的洁净煤发电技术具有高效 洁净 节水 燃料适应 性广等特点 本文对 IGCC 发电技术的特点 流程 关键设备和制约因素等进行了论 述 关键词 关键词 IGCC 煤气化 联合循环 发展概况 1 概述概述 IGCC Intergraded Gasification Combined Cycle 即整体煤气化联合循环发 电 它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 IGCC 发电系 统把环境友好的煤气化技术和高效的燃气蒸汽联合循环发电技术相结合 实现了煤 炭资源的高效 洁净利用 具有高效 洁净 节水 燃料适应性广 易于实现多联 产等优点 并且与未来二氧化碳近零排放 氢能经济长远可持续发展目标相容 是 21 世纪洁净煤发电技术的重要发展方向之一 它主要由煤的气化与净化部分 气化炉 空分装置 煤气净化设备 和燃气 蒸汽 联合循环发电部分 燃气轮机发电系统 余热锅炉 蒸汽轮机发电系统 组成 典型 的 IGCC 发电系统如图 1 所示 IGCC 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 然后进 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的联合循环过程 2 气化岛动力岛 煤炭 预处理 气化炉废热 锅炉 净化 装置 燃气 轮机 余热 锅炉 蒸汽 轮机 空分 装置 煤 粗煤气 氧气 空气 氮气 燃机发电 汽机 发电 蒸汽 排 气 氮气输出 电力输出 图 1 典型 IGCC 发电系统图 2 IGCC 技术优点技术优点 2 1 供电效率高 IGCC 电厂将煤气化和高效的联合循环发电技术有机结合起来 实现了能量的梯 级利用 极大地提高了燃煤技术的发电效率 目前 国际上运行的商业化 IGCC 电站的 供电净效率最高已达到 43 比常规亚临界燃煤电站效率高 5 7 与超超临界机组供 电效率相当 随着燃气轮机的发展 由 G H 级组成的 IGCC 供电效率可以达到 52 2 2 环保特性好 IGCC 电厂对合成煤气采用 燃烧前脱除污染物 技术 合成煤气气流量小 大 约是常规燃煤火电尾部烟气量的 1 10 便于处理 IGCC 系统脱硫 脱硝和粉尘净化 设备的造价较低 效率较高 大大降低了污染物的排放浓度 其各种污染物排放量都远 3 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 IGCC 电厂一般采用 MDEA 等脱硫方式 其脱硫效率可达 99 SO2排放质量浓度约 45mg m3 并可回收单质硫 使资源的利用更加充分 采用其他的化学脱硫工艺 如低 温甲醇洗的脱硫工艺 可以进一步降低 SO2 的排放 可达 0 1 10 6 IGCC 脱硝主要 采用燃机的 de NOX 燃烧技术 用预混燃料 控制燃烧 喷注蒸汽和水的方法控制 NOX 的产生 在不增加 SCR 的情况下就可以将 NOX 控制在 130mg m3以内 IGCC 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 1mg m3 IGCC 由于机组效 率的提高 可以在一定程度上减少 CO2的排放量 同时具有实现 CO2零排放的技术潜力 在 IGCC 系统中可以对 CO 进行变换生成 H2和 CO2 H2可以作为最清洁的燃料 如燃料 电池 使用 CO2可以进行分离 脱除 填埋回注 油田助采 以实现 CO2零排放 IGCC 脱除重金属 Hg 可达 90 常规燃煤电站脱除汞的能力一般为 50 70 2 3 燃料适应性好 IGCC 电厂的煤种适应性非常广泛 褐煤 烟煤 贫煤 高低硫煤 炼油渣 生 物废料等都适应 对干粉进料 可以使用无烟煤 但已经设计完成的气化炉对燃料有 一定的选择性 目前 IGCC 电厂的燃料已经扩展为石油焦 泥煤等 IGCC 技术发展 迅速 运行良好 极具商业竞争力 2 4 节水 由于 IGCC 机组中蒸汽循环部分占总发电量约 1 3 使 IGCC 机组比常规火力发电 机组的发电水耗大大降低 约为同容量同种冷却方式常规燃煤机组的 1 2 2 3 2 5 具有实现多联产和资源综合利用的前景 IGCC 项目可以拓展为供电 供热 供煤气 供气和提供化工原料的多联产生产 4 方式 IGCC 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 液体燃料 城市煤气 化工品等多联供 从而使 IGCC 项目具有 延伸产业链 发展循环经济的技术优势 3 IGCC 关键技术及设备关键技术及设备 3 1 空分装置与空气侧系统整体化 为了供给气化炉所需的纯氧或高浓度富氧的气化剂 需设置制氧空分设备及其系 统 对不同空分系统利用不同的压力等级 高压或低压 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 上述常规空分工艺流程厂用电耗率 较高 因此人们正在研究使液 N2和液 O2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 比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 如荷兰 Buggenum 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 目前 IGCC 电站较多倾向于采用部分整体化方式 3 2 气化炉 IGCC 系统是各种技术的有机集成 系统复杂 其中气化炉 燃气轮机以及合成气 净化设备是 IGCC 系统的重大关键设备 对整个系统的发电效率及环保性能影响较大 目前 适合 250 MW 以上 IGCC 系统 单机容量较大的气化炉技术主要是气流床气 化技术 其中以 Texaco 气化炉和 Shell 气化炉最为成熟 前者采用水煤浆气化 后者 则是干煤粉气化 且二者在 IGCC 电站中均有实践经验 如 美国 Tampa 250 MW 5 IGCC 电站采用 Texaco 气化炉 给煤量为 2250 t d 以 O2 为气化剂 气化室采用耐火 砖结构 气化炉压力为 2 8 3 0 MPa 荷兰 Buggenum 250 MW IGCC 电站采用 Shell 气化炉 给煤量 2 000 t d 以 O2为气化剂 气化室为水冷壁结构 气化压力为 2 6 2 8 MPa Texaco 与 Shell 都具有各自的优缺点 如 Texaco 气化炉由于采用水 煤浆气化 其运行压力可以高达 10 MPa 这样有利于与需要高压合成气的化工过程连 接 现场环境条件好 易于操控 但与 Shell 相比 其碳转化率和冷煤气效率相对较低 氧耗则相对较高 但造价较 Shell 气化炉要低 Shell 气化炉由于采用干法进料 煤 粉制备 存储运输系统复杂 气化炉结构复杂 投资成本较高 相同条件下 IGCC 发 电干粉进料比湿法进料的净发电效率高 2 4 3 3 燃气轮机 进入 IGCC 系统燃气轮机的合成气在燃料热值和燃料成分上与天然气有很大不同 如 合成气热值一般在 10000 kJ Nm3左右 仅为天然气的 1 3 1 4 热值的减小将导致燃 料流量增大 燃气轮机的燃烧室 流道等都需要改进 合成气主要成分为 H2 CO 还 有少量的 CO2和 N2 而天然气主要成分为 CH4 且所含杂质很少 因此 在燃料燃烧过程 中 由于合成气中含有大量的 H2以及 H2组分的波动 若采用 DLN 燃烧技术会带来回火 及燃烧不稳定等问题 IGCC 系统中使用的燃气轮机由于需要燃烧气化炉出来经过净 化的合成气 以 H2和 CO 为主 且同系统中其他设备整合 因此 IGCC 系统中的燃气轮 机与简单的天然气 蒸汽联合循环中使用的燃气轮机有很大的区别 需要进行很大的 改进 以适合 IGCC 系统的需要 目前 IGCC 系统燃气轮机主要采用 SIEMENS 或 GE 这 两大公司生产的燃气轮机 3 4 合成气净化系统 为了使进入燃气轮机的合成气达到燃气轮机所需的要求以及从环保角度出发 必 6 须对气化炉出口合成气进行净化 除尘和脱硫 粗煤气净化系统可分为 常温湿法 净化系统 和 高温干法净化系统 湿法净化系统由于比较成熟 目前 商业运行的 IGCC 系统均采用该工艺进行煤气 净化 首先采用旋风分离器和 250 的陶瓷过滤器进行初级除尘 然后经过湿法洗涤 器 使煤气粉尘浓度降至 1 ppm 以下 此后 除尘后的煤气经过 HCN COS 水解器 将 COS 转为 H2S 将 HCN 转化为 NH3 进而进入 MDEA 脱硫装置和 Claus 硫回收装置中脱硫 并 回收元素硫 脱硫率达 94 最后经 SCOT 装置的进一步使用 可使脱硫效率提高到 97 85 以上 高温干法净化系统 可充分利用粗煤气的显热 使 IGCC 供电效率提高 0 7 2 但目前该方法还处在研究开发阶段 尚不成熟 距离商业化运行还有一定距 离 3 5 余热锅炉及蒸汽轮机系统 为充分地吸收各子系统的余热 废热 目前在 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 一般不从汽轮机抽汽加热给 水 同时尽可能提高蒸汽初温和初压 如 Buggenum 电站采用双压再热方案 12 9 MPa 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 4 IGCC 的发展制约因素的发展制约因素 IGCC 发电技术的发展是未来煤炭能源系统的基础 应用前景广泛 市场潜力巨大 加 快 IGCC 发电技术的应用和推广具有战略意义 但目前 IGCC 技术的发展仍受一下 几点原因的制约 1 比投资高 比常规燃煤电厂的比投资的造价高 20 以上 目前 国外 IGCC 电 7 站造价为 1200 1600 美元 kW 2 操作灵活性低和变负荷性能差 首先气化装置只能在负荷范围 50 100 运 行 造成了 IGCC 电站的变负荷范围窄 其次 IGCC 电站的变负荷速率不可以太高 一般认为调解负荷率为 3 min 左右 常规燃煤电厂 8 min 再次 IGCC 启动时间 长 热启动需要 1 5 h 2 d 冷启动大概需要 2 3 d 最后 受燃气轮机部分负荷效率 低的影响 IGCC 部分负荷时效率降低大 3 可用率低 目前世界示范 IGCC 电厂的可用率在 70 85 5 结束语结束语 自 20 世纪 70 年代以来 先进国家对 IGCC 技术进行了持续的研究和发展 国外 IGCC 技术已经取得了初步的成效 基本走过了商业示范阶段 面对全球气候变化的挑战 IGCC 发电技术以其潜在的高效率和 CO2减排优势受 到了广泛关注 随着煤气化技术及燃机技术的发展和进步 IGCC 将朝着大容量 高 效率 低排放的方向发展 目前存在的制约因素逐渐可以得到解决 其市场潜力巨 大 有着极为广阔的发展空间 必将在未来的能源市场领域里占有越来越重要的地位 参考文献参考文献 1 段立强等 整体煤气化联合循环 IGCC 技术进展 J 燃气轮机技术 2003 3 9 17 2 焦树建 关于目前世界上 IGCC 发展情况与趋势的评论 J 燃气轮机技术 2004 9 1 5 3 赵洁等 国内外整体煤气化联合循环电厂发展概况及我国建设条件分析 J 中国电力 2006 4 43 46 4 徐祥 IGCC 和联产的系统研究 D 北京 中国科学院研究生院 2007 5 吴枫 闫文艳 闫承信 关于开发 IGCC 煤气化装置的探讨 J 燃气轮机技术 2005 18 2 13 17 6 施强 乌晓江 徐雪元 刘建斌 整体煤气化联合循环 IGCC 发电技术与节能减排 J 节能技术 8 2009 01 7 白慧峰 徐越 危师让 孙成