整体煤气化联合循环

1、煤气化联合循环发电与多联产技术,第7章煤气化联合循环发电与多联产,第一节 IGCC简介 第二节 煤化工多联产,煤现在是、将来仍是我国能源的主力。 煤炭是中国最重要的能源，生产和消费的数量大、比重高，短期内难以替代。 煤用于发电的比例将越来越大。 从目前的50%上升到70%以上，绝对量的增加更大。 煤的直接燃烧已引起严重的环境污染。 70%80%以上的SO2，NOX，汞，颗粒物，CO2等。 煤的直接燃烧很难解决温室气体减排问题。,车用液体燃料短缺根本上还得从煤基替代燃料上找出路。 石油缺口：2007年1.79亿吨，2010年2.5亿吨 粮食乙醇：生物柴油和玉米等纤维素合成的乙醇只能解决一部分液体

2、燃料短缺问题。 煤基替代燃料 煤炭对我国来说也是稀缺资源，但相对于其它能源资源仍可“忍受”，若每年将煤炭产量的1/8用于车用液体燃料的生产，生产几千万吨的替代燃料，从总的能源供应角度不会带来很大的不平衡。 煤基醇醚燃料的替代成为我国能源发展的战略方向。,再生能源在2020年前不可能解决主要问题 风电：装机1亿kW，折合满负荷2500小时，约为火电的1/3太阳能：热发电最多几万kW示范，光伏发电，不会比风电多。 生物质能：可利用的农作物秸秆3亿吨标煤，可利用的森林3亿吨标煤，总量相当有限。不同于国外大农场，绝大部分生物质资源是高度分散的(中国小农经济)。人均耕地少，人均秸秆占有量少。绝对不能照搬

3、外国的做法。 由于我国能源消费总量的急剧增长，可再生能源在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，因此2020年以前可再生能源在份额上不能解决我国能源的主要问题。,资源和环保呼唤煤的现代化利用！,出路何在？,除了加速发展核电和可再生能源以外； 煤炭利用的可持续发展或现代化的煤炭利用技术（非直接燃烧方式）； 通过煤（或石油焦）气化和化工反应一次通过方式实现电力、液体燃料、化工产品、供热、合成气等的联产 。 这就是: 多联产,第一节 IGCC简介,整体煤气化联合循环( Integrated gasification combined cycle , IGCC) 是指将煤炭、生物质、石油

4、焦、重渣油等多种含碳燃料进行气化,将得到的合成气净化后用于燃气蒸汽联合循环的发电技术 特点：不仅可以很大程度上解决目前燃煤电站效率低、污染大的问题,而且也克服了天然气供应不足和价格昂贵的问题。从系统构成及设备制造的角度来看,这种系统继承和发展了当前热力发电系统几乎所有技术。,我国电力行业的特点及应对策略 特点 “富煤、少油、有气” 在能源生产和消费中，煤炭能源占75 % 全国装机容量中火电占74.94 %，发电容量中火电占80.93 % 火电机组中，中小机组占相当大的比例，带来低效率、高污染、高能耗等一系列问题 应对策略 降耗 减排,IGCC的工程背景及发展现状,(IGCC)是20世纪70年代

5、初西方国家爆发石油危机时期开始研究开发的一项洁净煤发电技术 1972年在德国Lnen的斯蒂克电站投运了世界上第一台功率为160MW的IGCC示范装置 1984年五月在美国加州Daggett建成了100MW的Coolwater(冷水)示范电站后,在美国Louisiana州Plaquemine的DOW化学工厂又建设了一座160MW左右的IGCC示范电站(LGTI) 整体煤气化联合循环(IGCC)采用了燃气蒸汽联合循环，大大提高了能源的综合利用率，实现了能量的梯级利用，从而提高了整个发电系统的效率，更为重要的是它较好地解决了常规电站固有的污染问题。,我国发展现况,国家于1994年成立了IGCC示范项

6、目领导小组，有计划地安排了IGCC研究课题 19941996年华北电力设计院与美国Texaco和GE公司共同完成了200MW级和400MW级湿法加料IGCC项目初步可行性研究 1997年华北电力设计院和西安热工研究院与Shell公司共同完成了300MW级和400MW级干法加料IGCC项目初步可行性研究 为了在21世纪推广和应用先进的IGCC技术，国家已经完成了北京和烟台IGCC示范项目的可行性研究，国家计委已经批准在山东烟台建立300MW或400MW等级的IGCC示范电站,IGCC发电技术的基本原理,系统组成 工作过程,典型整体煤气化联合循环发电系统简图,整体煤气化联合循环(IGCC)发电的工

7、艺流程,煤气炉 以空气或纯氧气 为气化剂，使 煤气化为 中低热值的煤气,煤气除尘和净化,产生洁净煤气,进入燃气轮机 燃烧室燃烧,带动电机 发出电功率,排气用于加热余热锅炉 给水，产生的过热蒸汽 带动蒸汽轮机做功,IGCC的特点,优点 粉尘、NOx、SOx的排放量小，能满足严格的环境要求 供电效率高，能达到42%45%，最终可达50%52%，有利于减少CO2的排放。 燃煤后的副产品如熔渣和飞灰可作建筑水泥材料，煤脱硫后的副产品可制得单质硫或硫酸，对环境无害，可以实现零排放。 煤种适应性强。 气化的合成煤气，也可制取甲醇、汽油、尿素等化学品，使煤得以综合利用。 缺点 技术尚未成熟，正在投运的几台I

8、GCC机组效率不高，可靠性差，运行及投资费用高，机组容量不大。,IGCC各分系统,空分系统 燃气轮机 蒸汽轮机 余热锅炉 气化炉 煤气净化系统,制氧空气分离系统,分类 (1)独立的空分系统 空分设备所需的空气由单独的压缩机供给。 (2)部分整体化的空分系统 空分系统的空气由燃气轮机压气机和空气压缩机共同供给。 (3)完全整体化的空分系统 空分系统所需空气全部由压气机供给。,独立的和部分整体化的空分系统的供电效率较低 这是因为空气压缩机的效率较低，且要消耗一定的厂用电。 这种方案的运行调节性能较好。如果空压机采用多级中间冷却方案，对供电效率的影响将很小。 完全整体化的空分系统的IGCC机组的供电

9、效率较高 能避免由天然气改烧低热值煤气时对燃气轮机做较大改动，比投资费用也较低，但在IGCC机组启动过程中将遇到很大困难。 目前采用最多的为部分整体化的空分系统 综合了独立空分系统和完全整体化空分系统的优点，其供电效率略低，但运行调节性能好，净输出功率较大，而且能在炎热的夏季保持满出力运行。,空分耗能太大,例如Cool Water ,WabashRiver , Tampa 电站中,空分系统消耗的能量占总的厂用电的70. 1 % ,75. 5 % ,82. 19 %。 Proxair 公司正联合开发一种膜分离技术。该技术采用陶瓷膜,能够在800 900 高温下将O2 分离出来。商业规模的陶瓷膜晶

10、片模块能够在2. 93 MPa 下可靠运行,示范工程已经在1. 379 MPa 和800 900 下运行了5 000 h 。采用这种膜分离技术, IGCC 电站的净功率可以增加7 %,制氧能耗降低37 % ,空分系统设备总投资降低35 % ,整个IGCC 电站的比投资费用能够降低7 %左右 。,燃气轮机,气化炉将向燃气轮机燃烧室提供发热量低于6280 的低热值煤气，由于低热值煤气的燃烧性能较差，不易于稳燃 流经燃气轮机的燃气质量流率将有相当程度的增大，为此必须对燃气轮机或压气机进行改造，否则易发生喘振。 供气化炉用的压缩空气直接从燃气轮机的压气机抽取，即采用部分或完全整体化的空分系统。 缩小压

11、气机的尺寸或放大燃气轮机的尺寸 改变燃气轮机第一级静叶的安装角，使其流通面积适当增大。同时适当关小压气机的进口导叶，以减少进入压气机的空气流率。采用这种方法时燃气轮机应有较大的喘振裕度。,余热锅 炉,在采用单压汽水系统时，余热锅炉的排气温度仅能降低到160200左右 采用双压或三压的汽水系统，可以把排气温度降低到110120 余热锅炉的排气温度应比烟气的酸露点温度高10左右，可降低到8090，但增加锅炉的投资费用 余热锅炉能够快速启动，很快达到满负荷。,设计余热锅 炉时采取以下措施,采用强制循环，加强快速启动时水循环的可靠性，同时可增大换热系数，减小锅炉的体积和重量，降低系统的热惯性。 锅炉运

12、行中的升负荷速率主要受限于汽包的膨胀，因而应减薄汽包壁，不应采取象常规电站那么高的蒸汽压力。,典型IGCC电站,美国冷水电站 美国加州冷水电站的IGCC机组为世界上第一台运行成功的IGCC机组，运行费用和比投资费用都很高，供电效率较低，仅为31.2%( HHV)。 美国Tampa电站 目前Tampa电站暂时停运了洁净煤气加热器和回注N2气加热器，致使电站的供电效率从原设计值42%(LHV)降为37.8%(LHV)。 西班牙Puetollano IGCC 电站,冷水电站IGCC机组工作系统,Tampa电站的系统图,Puetollano IGCC 电站示意图,整体煤气化联合循环的关键技术,在IGC

13、C发电系统中，燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和空分系统都是成熟技术，所需解决的只是煤的大规模气化和煤气的净化问题。,煤炭气化技术,煤气净化技术,煤气气化技术,气化原理 气化过程,煤气净化技术,粗煤气(烟气)在进入燃气轮机前，必须经过除尘净化以达到其叶片保护标准 目的： 燃气轮机安全可靠运行 延长其经济寿命 根据煤气(烟气)净化温度的不同，分类 热态净化 冷态净化 热态煤气(烟气)净化同冷态净化相比，由于煤气(烟气)显热损失小，相应提高了煤气化热效率和IGCC系统的总效率。对IGCC来说，系统效率可以提高2 %3 %。,煤气除尘技术,高温除尘技术 目前国际上运行的IGCC系统的典型除尘温度大致有2

14、50 C、371 C、593 C三种，其温度较低 IGCC系统煤气为还原性气氛，除尘难度较高 国际上IGCC系统除尘的基本路线： 第一级除尘以旋风除尘器分离掉10 m或15 m以上的灰尘颗粒； 第二级除尘进行更精细的气固分离，使煤气中颗粒粒度小于5 m。第二级除尘分为湿法除尘和干法除尘或综合湿法除尘和干法除尘。干法除尘多选用刚性烛状陶瓷过滤器。,煤气脱硫技术,按照温度来划分，煤气脱硫技术可以分为： 常温脱硫技术(120 C左右) 高温脱硫技术(600 C左右) 常温脱硫技术比较成熟，含尘煤气首先经过文丘里湿式除尘器进行除尘和降温，再进行常温脱硫 主要包括以下几种主要技术： 石灰和石灰石法 氨水

15、吸收法 碱金属法 其他方法,整体煤气化联合循环的发展方向,当前IGCC技术一个研究热点是继续沿着传统研究方向延伸： 一方面继续积极发展关键集成技术、以寻求新突破； 另一方面深入研究各设备间的匹配与综合规律、以寻求系统整体综合优化。,下一步的研究重点,1)高性能的燃气轮机 2)适用于发电用途的大容量、高性能煤气化与煤气净化系统 3)新型空分技术 深冷法、变压吸附分离(PSA)法和膜分离法 4)优化的高效余热锅炉及蒸汽轮机系统,第二节 煤化工多联产,煤化工多联产系统的特点,以煤基清洁燃料和化工产品为主； 通过单元技术耦合简化流程； 通过资源优化配置、公用工程共享减少建设投入； 通过调整合成气循环比

16、提高单元设备的效率； 灵活调整产品品种和产量； 尾气、废渣循环利用； 以减少投入（降低折旧）、提高效率（单台设备产量提高）、废弃物利用达到经济效益最优化。,整体煤气化联合循环（IGCC）,多联产系统的简单阐释：煤气化发电联产甲醇,特点： 1、动力/化工过程耦合 2、两个过程均简化 3、经济性/可靠性提高 原因：联产高附加值液体燃料，降低了产品成本，可以简化系统，降低投资和运行成本，提高系统可靠性,多联产是推动IGCC发展的重要途径,IGCC发展了几十年，虽然技术在不断的成熟，系统的可靠性在不断增强，但是还有很多问题存在，其自身的一些缺陷仍然是阻碍其发展的关键。 投资费用高，经济上仍然无法与常规

17、燃煤电站相竞争； 系统还不够成熟，运行经验不够，可靠性、可用率有待进一步提高； 操作不够灵活，一般只能用作基本负荷电站。 基于煤气化的多联产系统是将IGCC和煤化工技术耦合的能源系统，具有包括电力和化工产品的多种产品输出。,多联产：资源/能源/环境一体化能源系统,多联产产品： 1、城市煤气 2、电力 3、热/冷 4、液体燃料 5、化工产品 6、氢气 7、纯CO2,多联产具有捕捉CO2 的天性,多联产是 可持续发展的, 技术上有良好继承性和可行性, 有良好经济效益 和 环保性能，是实现未来CO2捕捉和埋存的途径，它对于中国乃至世界都具有非常重要的战略意义。 不需要特殊的技术突破, 同现有技术是连

18、贯一致的。 富集的 CO2 容易捕捉和分离，易与天然气化工过程衔接, 即多联产具有捕捉CO2 的天性。 这是中国CO2 减排的战略方向。,天然气、煤单产和联产制甲醇,CO2减排,CO2排放和温室效应 每年全球250多亿吨，中国已达60多亿吨CO2排放，位居世界第一。 工业化150年来空气中CO2280ppm380ppm，目前仍在增加，3ppm/年，20世纪地表温升0.6 联合国气候变化框架协议UNFCCC 京都议定书。我国2002年加入，第37个签约国。2005年2月16日，正式生效。 作为一个负责任的大国，我国在不远的将来必然要承担一定量甚至大幅度的CO2减排国际义务，因此我国现代化的能源发

19、展战略必须从现在开始考虑将来中国分阶段减排CO2的问题。,多联产:综合解决我国能源问题的重要方案,有助于缓解能源总量要求 联合生产多种产品，效率提高可以减少总量需求；采用高硫煤拓展了煤炭资源的利用。 有助于缓解液体燃料短缺 可以大规模地生产甲醇、二甲醚、F-T合成油和氢等替代燃料，缓解石油进口压力。 彻底解决燃煤污染问题 完全消除常规燃煤污染物排放，重金属等痕量污染物脱除更经济。,多联产:综合解决我国能源问题的重要方案,有助于解决快速城市化引起的小城镇和农村洁净能源问题： 为具有天然气管道的城镇提供城市煤气 煤制DME可以作为LPG的补充或替代物，很可能是小城镇，尤其是住宅高度分散的农村地区的

20、最终能源解决方案 满足未来减排CO2的需要 煤气化系统可以以较小的成本捕捉CO2,多联产系统主要关键技术,大型煤气化技术,系统优化集成 及控制技术,大型煤气净化技术,大型空分技术,燃气轮机技术,燃气轮机是多联产系统中的核心技术,国家重大装备先进制造水平的标志 21世纪乃至更长时期内能源高效转化与洁净利用系统中的核心动力 以燃气轮机为基础的先进动力循环系统在能源与电力工业可持续发展中有长远的、全局性的、不可替代的战略地位。 多联产中采用的燃气轮机主要问题在于： 原本设计适用于燃用天然气的燃气轮机 燃烧组分复杂的低热值合成气产生时的特殊情况适应燃料组分各异的燃气轮机。,例1 能源化工联产,备 煤,联 合 发 电,合成气 生 产,FT 合成,空 分,甲 醇 合 成,锅 炉,灰渣 利用,氮气等,燃油 化工品,热,硫磺,甲醇,电,建材,例 2 间接液化多联产,备煤,合成气 生 产,低温 FT,空 分,甲 醇 合 成,锅炉,焦油 回收,油品 加工,石脑油,甲醇,柴油,甲醇精馏,含氧物,硫磺,杂醇油,LPG,焦油,煤化工联产项目1,CO分离,气化,低温 甲醇洗,甲 醇 合 成,燃气 轮机,醋酸合成,发电机,醋酸,甲醇,电,煤