清洁煤发电技术求索——华能天津IGCC示范工程进展综述.doc

清洁煤发电技术求索华能天津IGCC示范工程进展综述刘 宇绿色煤电有限公司，北京市海淀区知春路甲48号盈都大厦A座21层 100098；Paving for Development of Clean Coal Technology: Progress Update of Huaneng Tianjin IGCC Demonstration ProjectLIU YuGreenGen Co., Ltd. Floor 21st, Yingdu Building A, Zhichunlu A48, Haidian District, Beijing, P.R. China 1000988ABSTRACT：The dominant role of coal in energy supply could not be changed in a long period in China, which requires power generation technologies by coal should be developed in clean and low-carbon mode for sustainable development in future. As the primary course of GreenGen Project initiated by China Huaneng Group, Tianjin IGCC power plant is a flag project in demonstration of clean coal power generation technologies in China, which is projected to be on stream by the end of 2011. Up to now, construction of the project is going smoothly after ground-breaking in Jul. 2009 and the commissioning has been started. Based on the engineering practice, IGCC power plant could achieve pollutant emissions level of natural gas power plant, due to its technical nature in pollutant management and it is an incomparable advantage when competing with conventional pulverized coal power plant. As a result, IGCC should be developed with priority in economic developed regions, where the limit on environmental protection is usually stricter than other areas.KEY WORD: IGCC, GreenGen, Environmental Protection, Clean Coal Technology摘要：中国的能源供应在很长时间内仍将以煤为主，未来的可持续发展要求煤炭发电要不断向清洁、低碳的方向转变。作为华能集团绿色煤电计划的重要组成部分，天津IGCC项目作为我国清洁煤发电的重要示范工程，自2009年7月开工建设后，各项工作平稳推进，目前已进入调试阶段，预计将于2011年底投产。从实践来看，IGCC电站的技术天性决定了其常规污染物排放可达天然气电站的水平，具有传统燃煤电站无可比拟的环保优势。这也决定了IGCC电站具备在环保要求高的经济发达地区优先发展的条件。关键词：IGCC；绿色煤电；环境保护；清洁煤1 绿色煤电计划1.1 清洁低碳是火电未来的发展方向2011年3月，十一届人大四次会议审查通过了国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要，其中明确提出我国的能源发展要“坚持节约优先、立足国内、多元发展、保护环境”。我国以煤炭为主体的一次能源结构导致煤炭在未来相当长的一段时期内仍将是我国能源供应的主体，这一点是不随任何人的意志而能发生改变的。“十一五”期间，全国电力装机已跨越9亿千瓦大关，年均增长13.22%，快速扭转了“十五”期间全国大范围缺电的局面。在此期间，电源结构调整效果开始显现，火电装机容量增速逐年下降。尽管如此，根据中国电力企业联合会发布的调查报告1，2010年，火电依然是我国能源供应体系的主力，在总装机9.62亿千瓦中，火电装机容量达7.07亿千瓦，火电占整个发电能力的73.44%、发电量的80.30%。根据测算，“十二五”期间，新开工建设的火电规模将达2.6亿至2.7亿千瓦，“十二五”末火电占比仍将保持60%以上。为应对全球气候变化，我国政府明确提出到2020年单位GDP碳排放比2005年降低40%-45%的目标。燃煤发电是我国最主要的CO2排放源，占总排放量的近50%，这种局面在未来相当长时期内难以改变。通过上大压小、节能减排和调整电源结构，我国“十一五”期间单位GDP能耗下降了19.1%2，在一定程度上减少了温室气体排放。但为了更有效地缓解CO2减排的压力，根据发达国家的发展经验，还需要研究开发安全可靠的碳捕集、利用与封存技术（CCS）。因此，就煤炭发电而言，“十二五”规划纲要中提到的立足国内以及保护环境这两点，实际上可以理解为优化发展火电，发展代表火电的主体地位，优化代表火电发展的多元化、清洁化、低碳化。1.2 绿色煤电计划的提出从煤炭发电可持续发展的角度出发，中国华能集团公司于2004年率先提出了绿色煤电计划，旨在研究开发、示范推广大幅提高发电效率，实现污染物和CO2近零排放的煤基发电系统。2005年底，华能联合大唐、华电、国电、中电投、神华、国开投和中煤等7家大型国有发电、煤炭和能源投资公司共同发起成立了绿色煤电有限公司，实施绿色煤电计划。2010年2月，国家商务部正式批准美国博地能源公司参股绿色煤电有限公司，成为公司第9家股东。1.3 绿色煤电计划解读作为华能集团绿色发展行动计划的重要组成部分，绿色煤电计划的总体目标是：研究开发、示范推广以煤气化制氢、氢气轮机联合循环发电和燃料电池发电为主、并对污染物和CO2进行高效处置的煤基能源系统；掌握核心技术、支撑技术和系统集成技术，形成具有自主知识产权的绿色煤电技术；并使其在经济上可接受，逐步推广应用。绿色煤电在发电过程中仅产生少量的NOX，产生的硫和烟尘等污染物将被高效脱除并综合利用。同时，由于氢气燃烧产生的是洁净的H2O，可使燃煤发电达到常规污染物和温室气体CO2的近零排放。绿色煤电的低污染符合煤炭发电可持续发展的要求，CO2的近零排放又使其成为我国实现低碳经济的重要战略选择。绿色煤电计划将分三个阶段开发出可推广的绿色煤电示范电站。第一阶段，建成25万千瓦级整体煤气化燃气-蒸汽联合循环（IGCC）示范电站，开发自主创新的2000吨/天两段式干煤粉加压气化炉。第二阶段，开展绿色煤电关键技术研发，适时建设245万千瓦级IGCC电站。第三阶段，实施绿色煤电示范工程，建成并运行45万千瓦级IGCC+CCS示范电站。2 天津IGCC示范工程2.1 概述华能绿色煤电天津IGCC示范工程是绿色煤电计划第一阶段的依托项目，也是国家“十一五”863计划重大项目的依托工程。项目位于天津市滨海新区临港工业区，于2009年5月正式获得国家发改委核准，7月开工建设，计划于2011年年底投产发电。天津IGCC示范工程在实施的过程中得到了包括国家发改委、能源局、科技部等各级政府部门以及亚洲开发银行等国际机构的大力支持。国家发改委除给予项目核准外，还批复同意给予该项目7000万元中央预算内投资补助。为支持清洁能源技术在中国的发展，亚洲开发银行向该项目提供了1.35亿美元主权贷款和500万美元赠款。2.2 工艺流程天津IGCC示范工程主要包括如下子系统：空气分离系统、煤气化系统、合成气净化系统及联合循环系统，原则性流程如图1所示。图1 天津IGCC示范工程流程示意图Fig 1 Flowsheet diagram of Tianjin IGCC demonstration projectIGCC系统的主要原理为，原煤经磨煤机研磨，通过粉煤加压密相输送系统进入气化炉，与空分产生的O2和来自余热锅炉的中压再热蒸汽在气化炉内发生气化反应，生成粗合成气，粗合成气经高温除尘、湿法洗涤、MDEA脱硫后，变成洁净的合成气，随后进入燃气轮机燃烧膨胀做功发电，燃气轮机的排气热量被余热锅炉吸收，产生的蒸汽再推动蒸汽轮机做功发电。2.3 主要系统概况该项目将依据国家发改委的批复要求，按照“自主开发、自主设计、自主制造、自主建设、自主运营”的原则实施，不仅填补了国内空白，而且将采用多项自主知识产权的技术：1）采用华能自主研发的具有自主知识产权的2000吨/天级两段式干煤粉气化炉，将进一步打破我国大型干煤粉气化炉市场被Shell等跨国公司垄断的局面；2）采用国内外企业联合供货的合成气燃机，并约定依托本项目实现技术转让，对于我国探索和掌握合成气燃机的设计和制造技术具有重要意义；3）空分、余热锅炉、汽轮机等主机设备完全实现国产化，对于带动我国电力、化工等行业的装备制造技术的发展具有积极的促进作用。1. 气化炉煤气化装置的作用是通过原料粉煤、氧气和蒸汽在气化炉内发生非催化部分氧化反应，产出粗合成气。本工程煤气化装置选用华能清洁能源研究院自主研发的“两段式干煤粉气化”技术，气化炉规模为2000吨/天，将在36吨/天中试装置上首次放大，得到了国家“863”项目支持。该技术的主要特征是气化炉上部增设二段粉煤喷嘴，通过二段的化学反应，使炉内高温煤气温度降低的同时提高了煤气的有效能，降低了能耗3。由华能清能院负责气化炉的工艺包（PDP）开发，宁波工程公司负责气化炉的工程设计，华能清能院和宁波工程公司合作完成气化炉壳体的详细设计和炉内换热器的基础设计，上海锅炉厂负责完成壳体和炉内换热器的设计和制造。该气化炉的原理和结构如图2所示。图2 两段式干煤粉加压气化炉Fig 2 Two-stage dry feed pressurized coal gasifier两段式干煤粉加压气化炉具有碳转化率高、比氧耗低、比煤耗低、煤种适应性强、冷煤气效率高等优势。对于天津IGCC示范工程所用的神华煤，该气化炉的主要参数见表1。表1 天津IGCC项目气化炉主要技术特性Tab 1 Parameter of gasifier in Tianjin IGCC project容量吨/天2000气化压力MPa (G)3.1冷煤气效率%84.22有效气成分（CO+H2） 85碳转化率%99.2燃料灰熔点1210-1280比氧耗Nm3/Nm3 CO+H2+CH40.3128比煤耗kg/Nm3 CO+H2+CH40.64182. 空分装置空分装置的作用是从原料空气中提取O2、N2，从增压机中部抽取仪表空气和工厂空气以全厂使用。本工程所配的空分属大型空分装置，O2、N2的产量都较大且纯度要求高，流程采用全低压、透平膨胀、氮水预冷、分子筛吸附、内压缩（液氧）的工艺流程。本项目空分装置规模为46000 Nm3/h产气量，由开封空分集团有限公司生产，配套的空压机由陕鼓制造，增压机和氮压机由沈鼓制造。类似大型空分装置已经在国内外的生产装置上应用多套。3. 净化装置合成气净化工艺的作用是脱除粗合成气中的硫化物，生产出净化合成气作为发电岛的燃料气，满足排放气中SO2浓度达到环保要求。根据本项目净化装置合成气压力高、硫含量高、处理气量大等特点，采用MDEA脱硫、LO-CAT硫回收技术。MDEA脱硫工艺采用物理化学吸收溶剂，在高压低温下选择性地吸收H2S，CO2等酸性气体。贫溶剂通过热再生得到，从而实现循环使用。MDEA脱硫技术所有设备设计和制造、COS水解催化剂和所有辅助用料等可完全实现国产化。LO-CAT为引进国外GTP公司开发的专利技术。4. 联合循环装置本工程建设规模1250MW级IGCC发电机组，机组在电网中带基本负荷，机组设备年利用小时数为6000小时。项目采用1套250MW级“一拖一”E系列多轴联合循环发电机组，每套机组包括：一台西门子SGT5-2000E型燃气轮机发电机组和相关的辅助设备；一台无补燃、三压再热、自除氧、自然循环卧式余热锅炉和相关的辅助设备；一台100MW级单缸、单轴、凝汽式蒸汽轮机发电机组和相关的辅助设备。本工程中燃气-蒸汽联合循环机组的配置型式为1+1+1，设计出力为26.5万千瓦。2.4 示范工程进展天津IGCC示范工程自2009年7月开工以来，工程建设的各项工作进展顺利。2010年11月5日，项目所用2000吨/天气化炉分三段吊装到位，标志着示范工程从此进入设备安装高峰。作为该项目的核心设备和主要示范内容，气化炉总重达1248吨，是电力行业最大的压力容器，由于体积和重量较大，实际分三段制造、运输和吊装。本次吊装采用了亚洲最大的1600吨级履带式吊车，历时近8天，既创造了我国火电建设史上单件设备吊装的新纪录，也创造了国内同类设备吊装的最快纪录4。目前，天津IGCC示范工程的建筑和安装工程已基本结束，调试工作正在逐步推进，预计于2011年底投产发电。截至2011年8月，空分装置整套启动一次成功，制出合格O2和N2产品；气化炉正在进行调试准备；净化和硫回收装置正在进行管道和内件安装；燃气轮机和汽轮机安装基本结束，燃机即将进行燃油工况调试。图3 安装完毕的天津IGCC项目气化炉Fig 3 The installed gasifier of Tianjin IGCC project3 IGCC电站的环保特性3.1 概述IGCC是目前世界上最环保的燃煤发电技术，但在国内尚无先例。天津IGCC示范工程建成后，将成为我国最环保的燃煤电厂，脱硫效率达99%以上（SO2排放为1.4mg/Nm3），且可回收高纯度的硫，并将氮氧化物的排放控制在较低水平（NOX排放为52mg/Nm3），使污染物排放指标达到天然气联合循环发电机组的水平。3.2 与国内燃煤电站排放标准的对比天津IGCC示范工程与国家燃煤电厂排放标准、部分经济发达省市排放标准以及天然气电站排放标准的对比如表2所示。从中可见，IGCC项目在干法+湿法洗涤除尘后，基本实现了粉尘的零排放；在采用燃烧前脱硫工艺后，基本实现了SO2的零排放；当采用同天然气发电机组类似的注N2和注蒸汽控制NOX措施后，可以达到与天然气电站相当的NOX排放水平。总体上，由于在IGCC电站中主要通过燃烧前净化的方式脱除污染物，需处理的合成气量远小于传统燃煤电站中锅炉的烟气量，相应的污染物浓度更高，更易处理7。当在余热锅炉后采用类似燃煤电站中的脱硝装置后，NOX排放还可进一步降低。正是因为IGCC电站的这种技术特点，使得其在未来脱除CO2、脱除汞等重金属方面具有传统燃煤电站无可比拟的优势。正是这种环保优势，使得IGCC电站在对发展的环境空间有限的经济发达地区具有更大的发展潜力。表2 天津IGCC项目与其他火电技术排放特性对比Tab 2 Comparison of main pollutions between Tianjin IGCC project and other thermal power generation technologies排放量 粉尘 （mg/Nm3） 氮氧化物/NOX （mg/Nm3） 二氧化硫SO2 （mg/Nm3） 国家燃煤电厂排放标准550100 4501100 4001200 部分经济发达省市排放标准630100 200 200240 天然气电站排放标准5-80-天津IGCC示范工程1 52 1.4 3.3 与国外IGCC电站的对比根据公开发布的文献整理出的国外IGCC电站与天津IGCC项目的污染物排放指标如表3所示8-12。从表中数据可见，与国外IGCC电站相比，天津IGCC项目的污染物排放总体上处于较好水平，其中，SO2排放最优，NOX排放处于中等，粉尘排放接近最优。值得注意的是，一方面，各电站所用煤种有所不同，气化后合成气的处理方式、控制NOX的方式等也有区别，这些因素均会导致各电站的排放水平有所差异；另一方面，日本勿来IGCC电站在余热锅炉后加装了SCR脱硝装置，大幅降低了总体排放水平。在天津IGCC示范工程投产后，将在首先达到设计指标的基础上，不断探索进一步降低IGCC系统污染物排放水平的改进措施，实现对煤炭的“最清洁利用”。表3 天津IGCC项目与国外IGCC电站排放特性对比Tab 2 Comparison of main pollutions between Tianjin IGCC project and other IGCC power plants国家荷兰西班牙美国美国日本中国电站名称BuggenumPuertollanoWabash RiverTampa勿来天津气化炉ShellPrenfloE-GasGEMHITPRI燃气轮机Siemens V94.2Siemens V94.3GE 7001FAGE 7001FAMHI M701DASiemensSGT5-2000E投产年份19931996199519972008预计2011污染物ppm(v)SO2368265510.5(2.3 kg/h)NOX257320251238( 88.76 kg/h)粉尘0.2 mg/Nm37.5 mg/Nm311.8 kg/h5.4 kg/h0.1 mg/Nm31 mg/Nm3(1.71 kg/h)4 小结“煤为基础”的能源结构在我国短时期内无法改变。从经济、社会、环境可持续发展的角度出发，清洁化、低碳化将成为未来火电技术的发展方向。在国内外相关机构和各股东单位的大力支持下，绿色煤电计划第一阶段天津IGCC示范工程目前正加紧推进，预计将于2011年底投产。IGCC电站的技术天性决定了其污染物排放远低于常规燃煤电站，可达到天然气电站的排放水平，具备在经济发达地区优先发展的条件。通过天津IGCC示范工程，对进一步推动我国清洁煤发电技术发展、促进电源结构优化、增强自主创新能力都具有深远意义，必将为我国电力工业发展史树立一座新的里程碑。参考文献1 中国电力企业联合会. 全国电力供需与经济运行形势分析预测报告 (2010-2011年度) R. 2011年2月.2 节能减排取得新成效“十一五”节能减排回顾之一. 中国政府网. /gzdt/2011-03/10/content_1821714.htm3 许世森, 李小宇, 任永强, 等. 两段式干煤粉加压气化技术中试研究J. 中国电力, 2007, 40(4): 4246.4 中国IGCC第一吊凌空高架 绿色煤电事业再谱新篇华能天津IGCC电站示范工程气化炉吊装纪实. 中国华能集团公司网站. /n31531/n507564/c507872/c