热能1101宋磊IGCC的研究与展望.docx

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热能1101宋磊IGCC的研究与展望

IGCC特点综述及产业化前景分析

宋磊

（太原理工大学电气与动力学院山西太原）

摘要：

文中对整体煤气化联合循环发电（IGCC）技术的概念、工艺流程、特点及环保效益等方面进行了分析,总结了目前世界上IGCC的发展水平和其未来的发展趋势,以揭示IGCC这

种洁净煤发电技术是一种适宜于电站锅炉的新技术,有待于我们做进一步的探讨在我国的应用。

关键词:

整体煤气化联合循环原理;发电技术;趋势，工程实例。

0前言

到2005年,世界上已经投入运行和正在建设的IGCC电站近30座,其中美国占了一半左右,装机容量超过800万千瓦[1]。

在约30座IGCC电站当中,有近20座是建在化工厂内部或附近的。

这类化工厂有2类:

一类是需要利用煤炭为原料的化工合成厂（例如化肥厂）,可以将多余的合成气以及化工合成的废热用来发电;另外一类是石油炼制厂,这类工厂拥有大量的石油焦、重渣油等,可以作为气化的原料,生产合成气用来发电,同时还能够联产石油炼制。

近阶段,随着我国经济的快速发展,使得电力的需求逐年增大,能源紧缺、环境污染日益严重,已经成为制约我国经济快速发展的最重要的原因。

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭在我国一次能源消费中占据完全的主导位置,2009年,我国电力煤耗15.6亿吨,约占煤炭总产量的50%。

但是我国在煤炭的综合利用方面,主要有着利用方法单一（84%用于直接燃烧）、利用效率低、污染严重等问题。

煤烟型污染是我国大气污染的主要污染组成部分,全国70%的烟尘/CO2、90%的SO2和67%的NOX来自于燃煤,其中CO2排放量仅次于美国,居世界第二位,并仍在迅速增加。

照此发展下去,估计到2020前后,我国C02排放将超越美国,居世界首位,环镜保护所面临的形势将会变的异常严峻。

所以,提高效率,减少污染,经济可行,是我国今后发展燃煤技术的主要发展方向，本文将从IGCC发展现状及未来发展趋势、关键技术及设备等方面对IGCC技术作一介绍,并对IGCC的产业化前景进行分析比较。

1.IGCC的特点

1、环境干净整体煤气化联合循环能够满足将来环境对电能生产的要求。

在整体煤气化联合循环系统中,”写的硫于燃烧前被除去,Nox减少了90%,CO:

减少了35%,该环境性能赶上甚至超过其它能源的环境性能。

2、热效率高整体煤气化联合循环电厂的热效率可达40%以上,到2010年,整体煤气化联合循环电厂的热效率将由42环提高到52写。

传统燃煤电厂的热效率目前最好为34%,从

1950年至今,传统燃煤电厂的热效率只是缓慢地从25%提高到目前的34写。

3、电费低到2010年,整体煤气化联合循环电厂的电费将降为现在的75%。

4、投资费低通过改进煤气发生器系统、煤气脱硫系统、煤气除尘系统、气/汽轮机系统四个主要模块的关键设备,到2010年,整体煤气化联合循环电厂的投资费将由现在的

$1500/千瓦降为$1050/千瓦。

5、老电厂改造整体煤气化联合循环技术可用于建新电厂,也可用于老电厂的改建。

将整体煤气化联合循环系统的第一循环设备配置到现有电厂中去（利用其蒸汽发生器）,可以改善其整体性能。

6、积木化组装整体煤气化联合循环系统可分为几个子系统循环,因此工程师们可以很方便地组装100~450MW的各种容量的机组。

7、瀚料弹性大整体煤气化联合循环电厂可以使用天然气、油或煤。

这有两层意思,一是当没有天然气或天然气很贵时,可使用煤;二是当燃料供应中断时,可用天然气或油。

另外,煤气发生器能够适应的煤种范围较广泛。

8、多重结构整体煤气化联合循环系统能以最经济的形式满足不同类型的需求。

一重结构可以只有燃气轮机,作纯天然气循环;增加蒸汽轮机,便可作联合循环;当煤价较低,天然气缺乏时,安装第三重结构—煤气发生器和煤气净化器,以作担当基本负荷的机组。

9、用水量少，整体煤气化联合循环电厂用水量只有煤粉炉电厂的50~70%。

10、CO:

排放里少由于热效率的提高,每千瓦时电需要嫩烧的煤减少,因此,每千瓦时电CO:

排放量减少。

11、副产品可出售硫酸或硫可制成可出售产品,熔渣经冷却后可用于水泥结构工业,煤的气化过程中,还可产生如甲醇或汽油、尿素、金属锭和化学产品等副产品。

12、示范电厂成功建示范电厂不仅可鼓励竞争和加速产品更新,而且还可取得运行和维护经验。

可示范的范围:

不同的煤气发生器、煤气净化器、各种老电厂的改造方案、各种煤种,以及这些方面的不同组合。

2.IGCC原理

图1IGCC原理示意图

1）气化炉

气化炉及其系统是IGCC系统的关键部件,它将煤炭、石油焦、生物质等转化为合成气。

在气化炉中的反应是部分氧化反应,投入气化炉中的气化剂只相当于完全燃烧所需量的1/5~1/3,生成的煤气主要成分是CO和H2。

图2是以氧气为气化剂的气化反应模型。

气化炉有很长的发展历史,技术比较成熟。

在已经进行的试验和示范电站研究当中,应用于IGCC电站的炉型有喷流床气化炉、流化床气化炉和固定床气化炉。

从目前的应用情况来看,普遍看好的气化炉主要是以氧气为气化剂的喷流床气化炉,包括Texaco、Shell、E-Gas、Prenflo、GSP。

其容量比较大,生成的煤气热值较高。

并且在已经进行的几个示范电站的运行过程中,都现出了较好的性能。

气化炉目前存在的不足:

一方面是可用率不高,维护费用比较高;另一方面,采用纯氧作气化剂,增加了整个系统的能耗和投资成本。

采用低浓度的富氧做气化剂（例如Prenflo采用85%的富氧）,或者采用空气作气化剂的气化炉是一个发展方向,但需要进一步研究和实践检验（三菱研发的以空气为气化剂的喷流床气化炉将于2007年应用到日本的IGCC示范电站中）。

结合IGCC示范电站的运行情况,下面详细介绍公认的在IGCC中最具前景的Texaco和Shell技术。

国产的多喷嘴对置式水煤浆气化炉、德国GSP气化炉近年来也发展迅速,需要关注。

但因其在IGCC电站应用方面经验不足,大规模用于IGCC还需时日,在此不做详细介绍。

2）制氧空分设备

空分设备主要包含O2制备和N2制备装置。

在IGCC系统中,通常需要制备高纯度的O2（一

般在95%以上）作为气化剂;对于干煤粉供料的气化装置,还需要制备高纯度的N2（纯度大于99.9%）用于煤粉的输送和飞灰再循环。

制氧技术可以分成两大类:

低温制氧,常温制氧。

前者主要是基于深冷法制氧,技术成熟可靠,生产能力大,所得氧气纯度高。

目前占整个制氧市场的85%。

常温制氧方法目前还不具备大规模提供高纯度氧气的能力。

深冷的空分设备比较成熟,但是投资比较高,尤其是耗能太大。

例如CoolWater,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%。

因此开发新的空分制氧设备对于降低IGCC电站单位千瓦造价和厂用电率非常关键。

目前在美国能源部资助下,AirProducts&Chemical公司和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800e~900e高温下将O2分离出来。

至今的研究表明,商业规模的陶瓷膜晶片模块能够在2.93MPa下可靠运行,示范工程已经在1.379MPa和800e~900e下运行了5000h。

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。

3）燃气轮机

IGCC电站中使用的燃气轮机由于其所用燃料的变化、需要同系统其他设备整合,与简单循环、天然气燃气）蒸汽联合循环中使用的燃气轮机都有很大的区别。

因而需要在原有的天然气燃气）蒸汽联合循环机组的基础上进行改造,甚至重新设计。

导致这种改造的原因有以下几方面:

（1）燃料热值的变化:

目前燃气轮机普遍使用天然气,其热值一般在35000kJ/Nm3左右;而IGCC中使用的是中、低热值煤气。

以氧气为气化剂生成的中热值合成气热值为10000kJ/Nm3左右,仅为天然气的1/3;以空气为气化剂生产的低热值合成气热值仅为4000kJ/Nm3~5000kJ/Nm3,为天然气的1/8左右。

热值的减小导致燃料流量的增大,一般来说天然气的流率仅为进入压缩机的空气流率的2%,而燃烧中热值煤气时该值为10%,低热值煤气为21%左右。

燃料流率的大幅度增加,必然需要对原本烧天然气的燃气轮机的燃烧室、流道等进行改造。

（2）燃料成分的变化:

天然气的主要成分是CH4,所含的杂质很少。

而合成气的主要成分为CO、H2,并且含有较多的N2、CO2、H2O等惰性气体。

这就使得着火点、火焰传播速度以及燃烧产物的组成等燃烧特性发生变化。

这就要求重新设计燃烧器,保证点火迅速、燃烧稳定,燃烧效率高。

另外,由于CO有毒且不容易完全燃烧,当燃气轮机负荷较低时,可能出现CO燃烧不完全的情况,从而导致排气中CO含量过高。

（3）整体化影响:

在IGCC电站中,空分系统、煤气化系统和动力系统之间往往耦合在一起,从而带来一些新的问题。

例如在整体化空分和部分整体化空分系统中,需要从燃气轮机的压气机抽取部分空气。

这样就需要合理设计抽气口。

4.）余热锅炉（HRSG）、汽轮机与热回收设备

IGCC使用的余热锅炉与NGCC使用的余热锅炉相比,其燃气的流率更大,可以产生更多的蒸汽;煤气冷却、除尘脱硫产生的水蒸气也可能需要到余热锅炉中过热,因此需要重新设计锅炉内部的过热面布置。

IGCC使用的汽轮机与NGCC的汽轮机的不同之处在于:

IGCC所采用的汽轮机相对较大。

这是因为NGCC中燃气轮机和蒸汽轮机的功率之比为2B1;而IGCC为（1.3~1.5）B1。

煤炭气化时,所产生的煤气温度高达1300e甚至更高。

如果这部分显热不回收将大大降低IGCC的效率。

此外,合成煤气洗涤除尘和脱硫过程中,也会产生一些热量,需要回收。

热回收设备包括辐射换热器、对流换热器、低温煤气冷却器等。

不同的IGCC工艺流程所采用的换热器也不一样。

Texaco气化炉冷煤气效率较低,热回收的负担比较重。

目前采用的Texaco气化炉的热回收系统有激冷式和全热回收式2种。

前者煤气通过水激冷,直接冷却到200e~300e,显热几乎全部损失,IGCC电站效率只有38%左右。

后者通过辐射换热器、对流换热器,使煤气温度逐渐降低到350e左右,效率可以达到43%。

不过全热回收方式的投资成本比直接激冷的IGCC电站高10%左右。

且由于系统复杂,可靠性相对下降,发电成本未必低于采用激冷气化炉的IGCC。

Shell气化炉冷煤气效率远远高于Texaco炉。

热回收的负担相对较轻。

Shell炉内部采用水冷壁,可以回收部分煤气显热。

气化炉产生的煤气经过与除尘后的冷煤气对冲之后（也称之为气体/激冷0）,温度降为900e左右。

然后通过煤气冷却器冷却到350e左右,IGCC系统的效率可以达到47%。

3.工程应用

2009年5月华能天津IGCC电站示范工程获得国家发改委核准，7月6日开工建设，计划2011年建成投产。

工程位于天津滨海新区的临港工业区，西侧紧邻天津碱厂搬迁项目区。

临港工业区位于天津市塘沽区，距天津市中心46km，天津滨海国际机场38km，塘沽地区中心10km，天津港2km。

本工程计划新建1×250MW级整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（IGCC）发电机组。

工程系统由空气分离系统、煤气化系统、煤气净化系统、联合循环发电系统组成。

气化装置采用西安热工研究院有限公司自主开发的国产2000t/d级气化炉，燃气轮机由上海电气集团股份有限公司/德国SIEMENS生产，燃气轮发电机、汽轮发电机组、气化炉由上海电气集团股份有限公司生产，余热锅炉由杭州锅炉集团有限公司生产，空分装置由开封空分集团设计生产。

2006年11月14日天津发改委批复项目开展前期工作，2008年10月21日国家能源局同意项目开展前期工作，2009年5月22日国家发改委核准同意项目建设，确定了主体设计方案，初步设计已完成，工程于2009年7月6日开工建设，已完成主设备招标，其他辅机设备招标正在进行。

我国的一次能源结构决定了一定时期内只能以燃煤发电为主，全国电力装机中约75％为燃煤发电，华能集团的发电机组中约93％为燃煤发电。

如何进一步提高燃煤发电效率，以及减少污染物排放两方面问题促使华能集团提出绿色煤电计划。

中国华能集团公司以科学发展观为指导，从未来经济社会发展对燃煤发电在效率和环保方面的更高要求出发，于2004年率先提出了“绿色煤电”计划。

绿色煤电计划的总体目标：

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CO2进行捕集和埋存（CCS）的煤基能源系统，以大幅度提高煤炭发电效率，达到污染物和CO2的近零排放，为应对气候变化作好技术储备，实现煤炭发电的可持续发展。

IGCC是把煤气化和燃气—蒸汽联合循环发电有机集成的一种洁净煤发电技术。

在IGCC系统中，煤经过气化产生合成煤气（主要成分为CO、H2），经除尘、水洗、脱硫等净化处理后，净煤气到燃气轮机燃烧驱动燃气轮机发电，燃机的高温排气在余热锅炉中产生蒸汽，驱动汽轮机发电。

为了制备并净化煤气，IGCC系统中设置了空气分离设备以生产氧气、氮气，系统还配置煤气除尘、脱硫设备。

IGCC具有高效、低污等特点，并在捕集二氧化碳方面具有成本优势，被公认为是未来最具发展前景的清洁煤发电技术之一。

绿色煤电计划得到了国家发改委、科技部和环保部等部委的大力支持。

天津IGCC电站已被列为国家“十一五”863计划重点项目，已获得国家环保总局批复，国家发改委将其列为洁净煤发电示范工程。

4.前景分析（多联产和综合利用IGCC系统）

目前,能源动力系统与其它工业部门（如化工、冶金等）的生产过程往往相互独立、各自发展,这在很大程度上制约了能源利用率的进一步提高和环保性能的改善,因此多功能综合利用的IGCC系统成为

图2　IGCC多联产（并联流程）系统

热门研究课题。

目前采用煤气化技术产生合成气,可以直接作为联合循环动力装置的燃料,组成常规的燃煤联合循环。

IGCC系统很容易实现热电联产,也可以做成同时生产多种化工产品和燃料气的多联产系统,还可做到废弃物资源化（如灰渣、高纯元素硫和硫酸的回收利用）,从而有利于煤炭资源的综合利用和降低发电成本。

它是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,它们对于提高能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,在完成发电供热等动力功能的同时,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。

例如生产甲醇的IGCC多联产系统能够比较好地解决IGCC系统与甲醇生产独立运行时能耗大、成本高等突出问题。

IGCC同其它动力系统一样,高品位区段可用能利用情况不好,燃烧过程火用损失大,是在当前的技术条件下热机提高热转功效率的主要障碍之一,且系统中煤气化与煤气净化过程能量损失比较大,变负荷适应性差。

而在化工领域,许多工艺流程为了提高反应单元的转化率,将未反应物料作为循环流重复参加反应,虽然转化率有一定程度的提高,但这一收益的代价是流程能耗的增加。

文献[32,33]借助动力系统与化工过程系统整合思路设计了如图3表示的IGCC多联产系统（并联流程）。

气化炉产生的粗煤气被分为两股,其中一股送往IGCC系统作为燃料,另一股合成气用来作为甲醇生产的原料气。

IGCC一侧,合成煤气净化后进入燃气轮机燃烧室燃烧;被送往甲醇合成系统的合成煤气要经过CO转化过程调整H2/CO比值再进入甲醇合成生产过程（一次通过甲醇合成工艺）。

联产系统使IGCC动力系统的热转功率提高约4个百分点（若化工过程能耗保持不变）。

通过分产与联产系统的比较可以看出,多联产系统具有高效、灵活、低污染等特点,具有广阔的发展前景。

5.小　结

当前IGCC技术的一个主要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。

新颖的热力循环是IGCC系统研究的另一个重要方向,其新重点是实现化学能与物理能的综合梯级利用,开拓各种形式的多重联合循环总能系统,如IGFC-CC与IGHAT等。

»IGCC系统与其它生产过程相互独立的局面制约了能源利用率的进一步提高和环保性能的改善。

因此,多功能综合利用的IGCC系统成为热门研究课题,它具有高效、灵活、低污染等特点,有着广阔的发展前景。

¼温室气体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,开拓无公害或准零排放的IGCC系统已成为另一个重要研究方向。

文中概述正在探索研究的控制CO2排放的五种可行途径:

在系统排烟中进行分离和回收CO2;在燃烧前对燃料气进行处理与分离;顶置化工生产过程;燃料气定向转移的多种热力循环联合;借助热力循环措施。

½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也属于IGCC研究范畴。

目前发展重点在两个方面:

¹石化企业中燃用化工生产过程得到的廉价的重质渣油、沥青、石油焦或Orimulsion油的IGCC系统;º生物质气化联合循环发电的IGCC系统。

参考文献:

1.《整体煤气化联合循环技术研究方向与进展》燃气轮机技术第15卷　第2期2002年6月

2.《整体煤气化联合循环技术在电厂中的应用前景》。

上海大学学报

3.《整体煤气化联合循环（IGCC）特点综述及产业化前景分析》。

锅炉技术第37卷第6期2006年11月

4.《整体煤气化联合循环发电技术分析》太原煤炭气化（集团）有限责任公司

5.Effectofsupplementarybiomassfiringontheperformanceofcombinedcyclepowergeneration:

comparisonbetweenIGCCandNGCCplants

感谢：

马素霞老师的指导，

太原理工大学CNKI,百链，sciencedirect，