闫亦成整体煤气化联合循环发电技术研究last100609Word文档格式.docx
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3.1IGCC在国外的发展及对我国的启示22
3.2IGCC在中国的发展23
3.2.1IGCC在中国的进展概述24
3.2.2我国IGCC发电技术应用现状及政策建议24
3.2.3我国发展IGCC的思考25
3.3IGCC技术发展的趋势分析26
3.3.1先进的关键技术27
3.3.2新的热力循环28
第四章IGCC的优势与对比分析32
4.1IGCC的优势32
4.2与其他燃煤发电技术的比较32
4.2.1性能对比33
4.2.2环境保护对比33
4.2.3经济性对比34
第五章IGCC发展前景展望与一些问题36
5.1IGCC发展会遇到的一些问题36
5.2IGCC发展的前景展望36
5.3结语37
致谢38
文献39
前言
“能源、环境、发展”是当今人类所面临的三大主题，随着世界经济的发展，各国对能源的需求不断增加。
为了解决这一矛盾，各国在不断探测和开发地下能源，发展替代传统能源的新能源的同时，也在努力解决传统能源利用率低的问题。
作为一种洁净煤发电技术，整体煤气化联合循环发电以其高效、低污染等优势，被认为是当今最具代表世纪发电技术发展方向的洁净煤发电技术。
基于这个背景，产生了《整体煤气化联合循环发电技术研究》这一毕业设计课题。
本课题于2009年12月份正式成立，由毕小龙老师任指导老师。
在课题成立初期，就制定了任务书，并严格按照老师布置的要求，认真完成每一阶段的任务。
在选题后，我查阅了大量的文献资料，对整体煤气化联合循环发电技术进行了详细的了解，经历过一个寒假，于2010年3月份正式进入课题的开发阶段，主要分成整体煤气化联合循环发电技术的系统介绍和原理流程，技术现状以及相关发展趋势。
在完成课题调查与资料收集过程后，主要任务就是毕业论文的写作。
在写作的过程中，严格按照论文写作规范要求来写，先列论文框架，然后在框架的基础上写论文初稿，再根据指导老师对初稿审阅后提出的修改意见，完成论文的修改稿，修改稿通过后还对论文中的各个细节进行适当的推敲修改，最后形成定稿。
在毕业设计期间毕小龙指导老师耐心的给我们讲解，并严格要求，认真审阅，给予了我大力的支持和帮助，在此我表示衷心的感谢。
不过本人水平有限，本设计还存在一些不足、错误和遗漏之处，衷心的希望各位领导、老师和同学给予批评、指正。
闫亦成
2010年6月
第一章绪论
1.1IGCC产生的背景
能源是人类赖以生存和发展的基本条件之一。
随着人类社会人口和世界经济的发展，各国对能源的需求不断增加，能源供应安全已经成为世界各国政府关注的焦点。
煤炭作为世界上最丰富的化石能源，在世界能源体系乃至全球经济和社会发展中扮演着重要角色。
可以说，能源关系到现代社会的方方面面。
没有充足的能源保证，社会发展和人类生活就无法保证。
一方面国民经济和工业的发展离不开能源的消耗，另一方面能源尤其是煤炭的使用带来了严重的环境问题。
整体煤气化联合循环技术IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来，既有极好的环保性能，又有高发电效率，是一种极具发展前景的洁净煤发电技术，被人们给予厚望，受到极大的青睐。
1.1.1我国的煤电工业的现状与问题
在我国国家各部门中，电力部门对于能源消费量占据首位。
其中主要消耗的能源便是煤。
2004年，全国超过80%的发电量来自火电，其中大部分为燃煤发电。
电力部门每年消费的煤炭量约占全国工业部门消费量的一半左右。
为此，我国电力部门就电力发展制定了如下的基本方针：
优化发展煤电，有序开发水电，积极发展核电，适当发展天然气发电，加快新能源开发，重视生态环境保护，提高能源效率[1]。
发电燃煤带来的环境问题是最最不容忽视的问题。
其中最重要的就是因为燃煤排放出大量的CO2使全球气候变暖，产生温室效应等一系列的环境污染。
同时，气候的变暖还将在社会系统产生深层次的影响。
首先，气候变暖影响农业，突出的问题就是导致农作物减产。
其次，气候变暖将导致水资源的匮乏。
由于气候变暖，还可能将增加发生干旱、野火和森林消失的可能性并导致极端天气，如龙卷风、沙尘暴频繁发生。
此外，煤炭与其他能源（如石油、天然气）相比，在燃烧过程中会产生大量的粉尘、灰渣、废水等废弃物以及CO2、SO2等有害气体，造成酸雨污染、粉尘污染等等。
如果那些燃烧所产生的废弃物未能妥善处理，将严重干扰生态环境，造成永久性破坏。
随着世界经济一体化，以及世界范围内对温室效应的强烈关注，我国未来在政治和经济上都将承受很大的减排压力，发展低碳排放的能源系统势在必行。
而IGCC作为一种洁净煤发电技术，以其高效、低污染等优势，被认为是当今国际上最引人注目、最具发展潜力、代表世纪发电技术发展方向的洁净煤发电技术自然成为了首要考虑的目标。
1.1.2IGCC技术的应运而生
进入21世纪，许多国家都面临着电力需求持续增长、环保法规日益严格、资源越来越趋短缺的严峻挑战。
各国都在积极寻求高效率、低污染的发电系统与方式，以适应资源、环境和经济协调持续发展的需求。
上世纪70年代初期由中东战争引发的石油危机以及不断恶化的环境污染问题，给世界带来巨大影响和冲击。
人们对煤炭的重要性又有了新的认识。
储量大、价格低廉、供应稳定等特点使得煤炭发电势必成为一种主要的和长远的发电方式。
但是直接燃煤又会导致严重污染环境等一系列问题。
因此各国政府在考虑利用储量丰富的煤炭资源时，特别重视洁净煤发电技术的研究与开发工作。
美国、西欧、日本等国相继提出并推行洁净煤计划。
受到资源和环境的双重压力，发展电力工业，就必须探索新的发展模式。
经过几十年努力，各种形式的洁净煤发电技术已经得到很大的发展。
以燃气轮机为核心的联合循环发电系统越来越受到重视，其中尤其以整体煤气化联合循环（IGCC）最为人所知。
1.2IGCC的基本概念与原理
1.2.1IGCC系统的基本组成
整体煤气化联合循环发电系统，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。
它由两大部分组成，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有气化炉、空分装置、煤气净化设备（包括硫的回收装置），第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。
（1）气化和空气分离
煤气化技术有很多种，目前，适用于较大容量电厂的气化炉倾向于采用大容量的喷流床气化炉，以Shell干法进煤气化炉、GE（原ChevornTexaco）和ConocoPhillipsE-Gas水煤浆进煤气化炉为代表。
三者最大单炉容量均已达到2000t/d以上，国内已引进的Shell和GE气化炉的最大容量为2000t，用于生产合成氨和甲醇。
空分系统一般由空气压缩机、空气分离冷箱、低温热量回收换热器、氮气饱和器、氧气压缩机等组成。
空分装置所需的空气，部分或全部取自燃气轮机压气机出口高压空气它所产生的氧主要供煤气炉作氧化剂，而N2也得到充分利用，稀释合成煤气、输送干煤粉、回注到燃气轮机做功等。
空气分离技术目前主要采用深冷空分，主要供应商有AirProducts，AirLiquide，BOCGases，Praxair和Linde公司，国内主要有杭州制氧集团、沈阳鼓风机集团等[6]。
（2）煤气净化
目前的IGCC多采用冷煤气净化系统：
将来自煤气炉的热煤气冷却，接近大气温度，而湿煤气再通过再热，进入燃烧室。
冷煤气净化系统已商业化，但煤气需要冷却、净化再热、系统复杂。
（3）燃气轮机
在IGCC中,除了煤气化装置外，与常规燃煤发电机组不同的是，燃气轮机是组成IGCC系统的核心之一。
IGCC的热力性能主要依赖于燃气轮机技术的发展,而燃气轮机的初温和效率提高很快（平均每年提高约10℃），所以IGCC的效率提高潜力很大[6]。
（4）余热锅炉
余热锅炉（HeatRecoverySteamGenerator），简称HRSG。
由省煤器、蒸发器、过热器以及联箱及汽包等换热管簇和容器等组成。
按结构分为卧式和立式两种，前者为自然循环而后者为强制循环，从IGCC联合循环中HRSG应用特点出发，卧式自然循环HRSG将会得到更广泛应用。
按蒸汽参数来分的话，有单压、双压再热、双压无再热、三压再热、三压无再热等等。
（5）汽轮机
IGCC中的汽轮机采用全周进汽、多压补汽的设计，在滑压（或复合）方式下运行，与常规火力发电使用的汽轮机原理相同，构造也基本相同，但由于要与IGCC中其它主要设备有良好的匹配关系，因此与一般常规电厂中的汽轮机还是有一定的差别的，而与常规的燃气——蒸汽联合循环中的汽轮机也有差别。
1.2.2IGCC系统的典型工艺流程
IGCC的工艺过程如下：
煤（以水煤浆或干煤粉的形式）进入气化装置，在气化装置中与气化介质（蒸汽、氧或空气）发生气化过程，成为中低热值煤气（以CO、H2为主要成分）。
生成的煤气进入净化系统，煤气中的颗粒、硫、汞等杂质成分的污染物被分离出来。
净化后的煤气进入燃气轮机的燃烧室中燃烧并做功，拖动发电机；
从燃气轮机排出的高温气体进入余热锅炉，产生的蒸汽推动汽轮发电机组，形成联合循环发电系统。
其原理流程图如图1-1。
图1-1典型IGCC系统
1.3研究的内容和意义
本文研究的是IGCC系统的组成部分及热力系统，热力系统的性能对整个IGCC机组性能的好坏起着至关重要的作用。
煤电在二十一世纪，甚至更长期时间内在我国电力工业中仍将起重要作用。
但目前燃煤发电机组存在着供电煤耗高和污染严重等问题，不能满足我国新世纪电力工业发展的需要。
面向新世纪，必须依靠科技进步，开发和采用高效洁净煤发电技术，促进我国资源、经济和环境的协调可持续发展。
整体煤气化燃气——蒸汽联合循环是把洁净的煤气化和净化技术和高效的燃气——蒸汽联合循环发电结合在一起，既有很高的供电效率，又有极好的环保性能，因而成为世界瞩目的极有发展前途的一种燃煤发电技术。
本文的研究，可为电站方案设计、分系统工艺选择、设备选型提供重要参考资料对相关设备的研制也有一定的参考价值。
第二章IGCC的系统组成
2.1煤气化系统
煤炭气化是指用煤炭作原料来生产工业燃料气，煤气化技术是煤炭洁净、高效和综合利用的基础技术和关键技术之一，其应用领域极为广泛，具有悠久的历史。
尤其自20世纪70年代石油危机的出现，世界各国广泛开展了煤炭气化系统的研究。
所有气化炉都有一个共同的特征（即煤在气化炉中），在高温条件下与气化剂反应，使固体燃料转化成气体燃料，只剩下含灰的残渣。
通常气化剂为水蒸气、氧（空气）和氢，粗煤气中的产物是CO、H2和CH4，伴生气体是CO2、H2O等。
各种煤气组成取决于煤的种类、气化工艺、气化剂的组成，影响气化反应的热力学和动力学条件。
2.1.1煤的气化基本原理
煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下各种煤（焦）与载氧的气化剂（CO、H2O、CO2）之间的一种不完全反应，最终生成由CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS等组成的煤气。
如图2-1所示。
图2-1煤炭气化示意图
气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。
煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。
煤的气化和燃烧反应则包括非均相气——固反应和均相的气相反应。
不同的气化工艺对原料的性质要求不同，选择煤气化工艺时，要考虑到气化用煤的特性及其影响。
气化用煤的性质主要包括煤的反应性、粘结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。
2.1.2各种煤气化的简介
（1）固定床气化炉
属于这类型的气化炉有鲁奇炉（Lurgi）和液态排渣鲁奇炉（BGL）等。
1973年德国在Lü
nen市的Kellerman电厂建设的世界上第一座IGCC示范电站就采用了鲁奇干灰式气化炉。
它是上世纪30年代由联邦德国鲁奇公司开发的第一代煤气化技术，是目前世界上建厂数目最多的煤气化技术。
BGL（BritishGasLurgi）气化炉是长期以来技术已成熟的鲁奇干灰式气化炉的排渣式改型。
在这种装置中，煤从上部，气化剂从下部彼此逆向流动的。
在进入气化炉之前，煤需要经过破碎和筛选，除去直径小于3.175mm的细煤块。
通常煤块的尺寸控制在6.35~38mm之间[1]。
通常煤从气化炉的炉顶加入，进入的煤在固定床内要经历几个温度逐渐升高的区域，完成不同的反应过程。
鲁奇炉气化压力2.5~4.0MPa，气化反应温度800~900℃[1]。
适宜生产城市煤气，生产能力较大。
但结构复杂，制造维修费用大。
煤质和煤种要求高，只能使用弱粘结烟煤和褐煤，灰熔点大于1500℃。
且入炉煤必须是块煤，原料来源受限。
BGL气化炉是1984年鲁奇公司和英国煤气公司联合开发的BGL液态排渣鲁奇炉。
操作压力2.5~3.0MPa，气化温度在1400~1600℃，超过了灰渣流动温度，灰渣呈液态形式排出[1]。
与传统的鲁奇炉相比，BGL炉结构简单，煤种适应性加强，可以将块径小于6mm的粉煤喷入炉内，气化蒸汽耗量很少，气化能力是干灰炉的3~4倍，碳的转化率、气化效率和热效率均有提高。
液态排渣的BGL气化炉的缺点是煤气中含有焦油等有机化合物，虽然其煤气含水量较干灰Lurgi炉少得多，但也必须设置焦油分离及针对NH3和酚的水处理装置。
其环保状况不如气流床气化法，这是BGL气化法至今没有大规模应用于工业的原因之一。
（2）流化床气化炉
为了提高生产强度，并能够利用反应活性较好的褐煤资源,德国在上个20世纪年代开发了温克勒（Winkler）炉。
经过多年的发展，形成不少炉型。
在德国有温克勒（Winkler）、高温温克勒（HTW）和Lurgi公司开发的循环流化床气化炉CFBC（CirculatingFluidizedBedCombustion）；
在美国有U-Gas、KRW（Kellogg-Rust-Westinghouse）、HY-Gas、CO-Gas、CO2-Acceptor、Exxon催化气化等；
在加拿大有喷射床气化（spoutbedgasifier）；
在日本有旋流板式的JSW、喷射床气化炉；
在中国有灰熔聚气化、双器流化床、分区流化床、循环制气流化床水煤气炉及加压流化床等。
KRW气化炉最早由美国西屋电气公司燃料部开发。
美国芝加哥煤气工艺研究所（IGT）开发的U-Gas气化炉的结构和工作原理与KRW气化炉是基本相同的。
该工艺借鉴了移动床液态排渣气化炉的优点，采用灰团聚技术将流化床中的灰渣富集起来排出气化炉，从而实现了流化床选择性的排灰。
流化床的基本原理是颗粒（煤和石灰石）在流动气体中悬浮在炉内，由于它们的重量和大小的限制，使得它们能够停留在炉内而不被吹走，直到大部分的碳被燃烧。
由于煤粒在煤层中会发生类似于布朗运动那样的不规则运动，在床层中还有许多气泡涌出，犹如液体中发生的沸腾现象一样，故称流化床。
KRW的气化炉温度大约为982℃，这样低的温度避免了炉渣的形成以及煤气净化前冷却煤气导致的低效率和高成本。
这样的温度也足够高，使得反应迅速进行并且减少煤焦油和酚类的产生。
流化床气化炉共同的缺点是要求煤的焦结性低，携带固体物质较多，碳的转化率较低。
（3）气流床气化炉
气流床气化，就是在气化过程中，气化剂（蒸汽与氧气）将煤粉夹带入气化炉进行并流气化。
微小的煤粉颗粒在火焰中经过部分氧化而进行并流式燃烧和气化反应，反应时间很短（1~10s）。
气化机理与移动床或流化床工艺是不同的。
为弥补反应时间短的缺陷，要求入炉煤粒度很小（<
0.1mm），保证足够的反应面积。
为增加反应推动力，提高反应速率，必须提高反应温度（火焰中心温度在2000℃以上）。
煤粉与气化剂均匀混合，通过特殊喷嘴进入炉内瞬间着火，直接发生火焰反应，温度高达1400~1600℃以上。
煤粉和气化剂在火焰中作并流流动，可以认为放热反应和吸热反应是同时进行的。
因此，在火焰端部，即煤气离开气化炉之前，碳几乎全部消耗尽。
在气化炉的高温条件下（1400℃以上），干馏产物迅速分解，转变为均相水煤气反应的组分，因而生成的煤气中只含有很少量的CH4，煤气中主要含有CO、H2、CO2及H20共4种组分。
已工业化的并流气化气流床的炉型有最早实现工业化的气流床一常压气流床粉煤气化炉（即Koppers-Toyzek，简称K-T）；
水煤浆加压气化炉，即Texaco（德士古）炉和Destec（现E-Gas）炉；
粉煤加压气化，即SCGP（Shell煤气化工艺）和Prenflo（加压气流床）等炉型。
2.1.3气化系统对IGCC电站的影响
气化炉及其系统是IGCC装置中制备合成煤气的关键部件，包括冷煤气效率（气化生成煤气的化学能与气化用煤的化学能之比）、碳转化率（将煤炭转化成为清洁煤气的转化程度）、热煤气效率、氧气的消耗率、高温耐火材料和原料喷嘴的使用寿命、合成煤气的成份、热值与产气率，以及单台气化炉的容量等在内的特性指标，对整个IGCC的热效率、可用率和比投资费用都有重要影响。
气化炉冷煤气效率是气化炉的一个非常重要的性能指标，对IGCC电站热效率有直接影响。
提高气化炉冷煤气效率可以把煤中所蕴储的化学能更多份额地转化成为合成煤气的化学能。
电厂利用的能量除了煤气的化学能以外，还有煤气的显热。
如果气化炉冷煤气效率低下，就要通过改善热回收装置，提高显热回收率来保证获得较高的效率。
但这会导致热回收装置复杂以及一些低位能量无法回收，造成能量损失。
一般而言，冷煤气效率高，IGCC电厂效率也高。
进料方式也对IGCC系统效率和单位造价影响很大。
水煤浆进料方式成本低，但冷煤气效率不高，另外它产生的煤气中CO2含量高于干法进料方式，这对燃气轮机的运行并无害处，可作为稀释气体降低NOX的生成，但其对酸气去除装置却有影响，必须使用一种溶剂使CO2和煤气一起通过而避免和S一起被去除。
除此之外，冷却方式的选择、选择氧气或空气作为气化剂、气化温度、气化炉容量、负荷跟踪能力、炉膛结构的冷却方式对系统性能也起着重要影响。
2.2空分系统
为了提高气化炉的单炉产气率并获得较高的富氧作为气化剂，在IGCC电站中要设置制氧空气分离系统及其设备。
空分系统对整个IGCC有着重要影响。
首先，空分系统与电站其它系统的藕合，特别是与气化岛及动力岛的燃气轮机间发生物质和能能的交换（如图2-2所示），因此制氧空分设备的选择，特别是空分系统与燃气轮机系统的合理配合关系，对IGCC的供电效率、比投资费用以及电站系统运行灵活性和可靠性都有很大影响。
其次，对于深冷空分来说，不同压力类型对厂用电消耗的影响是不一样的，因此选择合适的ASU（AirSeparationUnit）空气分离装置（空分装置就是以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备）设计对整个IGCC的优化运行十分重要。
图2-2空分系统与其他系统物质能量交换图
2.2.1空气分离的几种主要技术
目前主要有三种空气分离技术：
深冷空分（cryogenicseparation）、变压吸附空分PSA（pressureswingabsorption）和高分子膜分离（polymericmembranes）。
如图2-3所示，空分系统一般分成三个部分：
空气预处理系统、制氧系统与产品气体处理系统。
图2-3空分系统示意图
（1）深冷空气分离技术
深度冷冻法分离空气是将空气液化后，再利用氧、氮的沸点不同将它们分离。
这种空气分离方法从1902年德国林德公司制造出第一台10Nm3/h的制氧设备以来至今，已有100多年的历史，该技术最为成熟，效率高、成本低，被广泛应用于中、大型的高纯度的制氧空分设备上。
它制造的氧气纯度高达99.5%以上，产量在600吨/天~8000吨/天[1]。
因此，目前IGCC的电站广泛采用此技术。
其缺点是建设投资大、能耗高、开停车时间长。
典型的深冷空分工艺流程主要有两种方案：
低压空分和升压空分。
前者的空分装置的空气来自独立的空气压气机，产品气体接近常压，污氮不回注，直接排放大气，氧气压缩机的压比比后者高，并采用间冷方式。
后者的空分装置的空气来自燃气轮机中的压气机，空气压缩机的压比与压气机相当，产品气体具有一定压力（0.5~0.6MPa），污氮全部回注掺混。
（2）变压吸附法
1970年美国UCC公司（联合碳化物公司）首先实现了变压吸附法工业化。
经过多年的发展，变压吸附技术己基本成熟，现己应用于各种气体的分离和回收，广泛应用于石油、化工、冶金等领域，是一种有效的气体分离提纯方法。
变压吸附法（PSA、VPSA）工艺是以空气为原料、以分子筛为吸附剂，在一定的压力下，利用空气中氧、氮分子在不同分子筛表面的吸附量的差异，在一定时间内氮（氧）在吸附相富集，氧（氮）在气体相富集，实现氧、氮分离;
而卸压后分子筛吸附剂解析再生，循环使用。
目前变压吸附制气工艺采用双吸附塔，通过顺序控制系统，两塔交替循环吸附、解吸，从而得到连续的氧、氮产品。
目前，变压吸附法制氧的发展主要是沿着两个方向进行的，一是PSA工艺过程的优化，使PSA制氧过程更加节能高效;
一是制氧吸附剂的性能的提高，使吸附剂具有更高的氧氮分离性能。
当氧的生产能力<
100t/d时，PSA技术与深冷技术相比具有能耗低、自动化程度高、弹性大、随时随地进行开/停操作、安全可靠等优越性。
但PSA技术比较适合生产高纯度（大约90%）的产量在40t/d，因此它不太适合应用在IGCC中，而深冷空分技术仍然是IGCC空分系统的主导选择。
2.2.2ASU与IGCC结合的方式及其影响
完全整体化IGCC系统供电效率高于采用独立空分的IGCC系统供电效率；
完全整体化的调节性能差,安全性和灵活性不够；
采用部分整体化的IGCC系统能够保持系统的安全性和灵活性，有较大的净输出功率，供电效率也不低；
完全整体化空分及N2回注方案对燃气轮机的做功能力影响不大，与燃烧天然气相比大约增加4%，部分整体化及N2回注方案做功能力增加20%，独立空分方案及N2回注方案的做功能力增加约为25%~35%[16]；
部分整体化的IGCC中，存在一个能使其供电效率达到最佳的整体化程度系数。
2.3净化系统
2.3.1煤气化系统的存在的原因
通常气化炉产生的粗煤气中除CO、H2、CO2、CH4和其他碳氢化合物CHX从外，还含有尘粒、H2S+COS、HCN+NH3、HCL+HF、焦油蒸汽及气态碱金属等污染物，如果不把这些污染物，会污染环境，并对燃气轮机、余热锅炉等下游设备造成破坏，影响寿命。
如：
粉尘会磨蚀透平叶片，沉积在叶片上的粉尘会影响透平动平衡并使效率下降，含SO2的气体会对余热锅炉造成严重腐蚀。
因此，IGCC系统必须设置煤气净化装置。
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