整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)

1、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望摘要：隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)科技的迅速提高，人們對于能源的需求越來越大。其中對于電力資 源的需求增長尤為迅速。我國在不斷地努力滿足現(xiàn)代人民生活生產(chǎn)需求的同時(shí)也在不懈的尋 找最潔凈環(huán)保的發(fā)電方式。在此之中取得了一系列突破性的成果。我國是一個(gè)貧鈾國家大規(guī) 模發(fā)展核電受到制約，因此在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)還是要以煤發(fā)電為主。由此研究和改善現(xiàn) 有煤礦發(fā)電技術(shù)就顯得尤為重要。在諸多煤礦發(fā)電技術(shù)中整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)是我國也是全 世界立足研究的一個(gè)重要課題。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)既具有聯(lián)合循環(huán)的高效率，又 解決了燃煤發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題，以其高清潔的優(yōu)越性能受到普遍關(guān)注，成為新一

2、代燃 煤發(fā)電方式的首選技術(shù)之一。Abstract: with the rapid increase of domestic economy, science and technology, peoples energy needs more and more. Among them for power resource demand growth is particularly fast. Our country in constant efforts to meet the production requirements of the modern peoples life and also

3、 in unremitting find the most environmental clean way of generating. In a series of the achieved breakthrough results. Our country is a depleted uranium large scale development countries nuclear power be restricted, so in a long time or to give priority to coal to produce electricity. This study and

4、 improve current power generation technology coal mine are particularly important. In many coal mine in power generation technology integrated gasification combined cycle is our country also is the world based on an important task. Integrated gasification combined cycle power generation technology h

5、as both the combined cycle of high efficiency, and solves the coal-fired power brings pollution problems, with its GaoQingJie predominant performance been paid more attention to, as a new generation of coal-fired power the first selection of means technical one.關(guān)鍵字：空氣分離技術(shù)，煤的氣化技術(shù)，煤氣的凈化技術(shù)，燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)技術(shù)，

6、 系統(tǒng)的整體化技術(shù)Key word: air separation technology, coal gasification technology, gas purification technology, gas a steam combined cycle technology, system integration of technology正文：整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)是把高效的聯(lián)合循環(huán)和潔凈的燃煤技術(shù)結(jié)合起來的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)， 為當(dāng)今世界能源動力界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）是把高效的聯(lián)合循 環(huán)和潔凈的燃煤技術(shù)結(jié)合起來的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)，為當(dāng)今世界能源動力界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。中

7、 國煤炭和水力資源豐富：巳探明的煤炭儲量約10000Gt，占常規(guī)能源儲量的90%以上；可開 發(fā)的水能資源達(dá)379GW，居世界第一。石油、天然氣相對少：石油總資源量為94Gt，天然 氣資源為381TM3。農(nóng)村生活用能以生物質(zhì)能為主。表一：國內(nèi)一次能源供應(yīng)預(yù)測年份199020002010總量(Mtce)各 品 種 比 例煤炭石油天然氣其它1309. 9974.2518. 972. 011775.5471.2319.262.652308.1568.5319. 813.8920202111.8763.9119. 886.234.776.867.779.98現(xiàn)在，越來越多的人相信:IGCC是最有發(fā)展前景

8、的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。我們重視IGCC,整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)簡介整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（簡稱IGCO技術(shù)是將煤氣化技術(shù)和高效的蒸汽聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的 動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由兩大部分組成：第一部分為煤的氣化與凈化部分，第二部分為燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第一部分的設(shè)備主要包括：氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設(shè)備（包括硫的回收裝置）。第 二部分的設(shè)備主要有：燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。工藝流程：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣經(jīng)過凈化，除去煤中的硫化物、氮化物、粉塵等 污染物，變?yōu)闈崈舻臍怏w燃料然后送入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒,加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動燃?xì)廨?機(jī)作功燃?xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸

9、汽驅(qū)動蒸汽輪機(jī)作功。其流程見 圖1。IGCC優(yōu)點(diǎn)具有提高發(fā)電系統(tǒng)熱效率的最大潛在能力目前其供電效率可達(dá)40%46%,下世紀(jì) 有望突破50%;易大型化，裝機(jī)容量已能做到規(guī)模經(jīng)濟(jì)等級（300MW600MW）；優(yōu)良的環(huán)保性能，污染問題解決得最徹底，即使燃用高硫煤，也能滿足嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo) 準(zhǔn)的要求。脫硫率398%，廢物處理量最少，副產(chǎn)品有用；能充分綜合利用煤炭資源把它和煤化工結(jié)合成多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。能同時(shí)生產(chǎn)電、熱、燃料 氣和化工產(chǎn)品；耗水量比較少，比常規(guī)汽輪機(jī)電站少30%50%，這對許多缺水地區(qū)有利，也適于礦 區(qū)建設(shè)坑口電站；能最大程度沿用燒油氣聯(lián)合循環(huán)和化工部門煤氣化的現(xiàn)有技術(shù)。示范裝置運(yùn)行可用率 達(dá)到8

10、0%以上，能滿足商業(yè)化運(yùn)行的要求；能廣泛共享相關(guān)科技成果，有廣闊的高新科技產(chǎn)發(fā)展前景。亞臨界或超臨界蒸汽參數(shù) 的整體煤氣化濕空氣透平循環(huán)（IGHAT），整體煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)（IGFC-CC）等。便于分階段建設(shè)電站（燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組一燒油氣聯(lián)合循環(huán)一 IGCC）以較小投資和 風(fēng)險(xiǎn)滿足電力逐步增長的需要。IGCC之所以被稱為最環(huán)保的發(fā)電技術(shù)是因?yàn)樵诠ぷ髁鞒讨羞M(jìn)行了改進(jìn)，有別于傳統(tǒng)的 煤燃燒發(fā)電技術(shù)，它是空氣分離技術(shù)、煤的氣化技術(shù)、煤氣的凈化技術(shù)、高性能的燃?xì)庖徽?汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)以及系統(tǒng)的整體化技術(shù)等多種高新技術(shù)的集成體。其流程如下：將煤粉或水 煤漿、水蒸汽和經(jīng)空氣分離制得的純氧氣噴入氣化爐，

11、使煤氣化成為中熱值（熱值為104 6270KJ / m3）或低熱值（熱值為4 1 04 6 7 8 K J/m3）的煤氣，經(jīng)凈化系統(tǒng)，把煤氣中的 灰分、含硫化合物主要是h2s等有害物質(zhì)除凈，使之成為精煤氣，然后供到燃?xì)庖徽羝?聯(lián)合循環(huán)裝置中發(fā)電。IGCC主要特點(diǎn)是脫硫率高，脫硫成本低。當(dāng)前常規(guī)燃煤電站多采用煙氣脫硫（FGD） 有效控制SO2的排放，此技術(shù)中石灰石洗滌法脫硫效率最高，可達(dá)95%。而在IGCC電站 的氣化爐中，由于是還原性氣氛，煤中所含的硫大部分轉(zhuǎn)換成氣態(tài)H2S，小部分變SO2，煤 氣中的SO2經(jīng)水解后又可以轉(zhuǎn)化成h2s。由于H2S的反應(yīng)能力比SO2強(qiáng)，因此從煤氣產(chǎn)物中 脫除硫化物

12、比較容易而且脫除率高，IGCC電廠的脫硫率可達(dá)98%99%，這在使用含硫量 高于3%的高硫份煤時(shí)優(yōu)點(diǎn)更為突出。這也使得IGCC電站的燃料范圍更廣，可以燃用各種 品位的煤種，尤其適于燃燒劣質(zhì)煤。相比之下，由于燃煤電廠的煙氣量巨大，而煙氣中SO2濃度卻很低，因此常規(guī)燃煤電站 脫硫費(fèi)用較高。此外，在高壓氣化條件卜，煤氣的體積比小，因此IGCC煤氣脫硫裝置的尺 寸比燃煤電站的煙氣脫硫凈化裝置要小得多，煤氣脫硫成本也比煙氣脫硫的成本低1/3以 上。同時(shí)通過出售脫硫后生成的元素S或硫酸，既解決了常規(guī)煙氣脫硫的產(chǎn)物難以利用和 處置,形成二次污染的問題，又變廢為寶降低了發(fā)電成本。IGCC對NO2排放的控制效果

13、好。目前采用的脫硝工藝脫硝率不高，一般在7 0%以下， 盡管歐洲和日本廣泛采用的SC煙氣脫硝法的脫硝率能達(dá)到70%90%,但是其成本是一般 脫硝工藝的310倍。由于煙氣脫硝技術(shù)的投資及運(yùn)行費(fèi)用居高不下，因此很難廣泛推廣。 相比較而言，IGCC電站脫硝率就比較高。在IGCC電站中，由于氣化爐內(nèi)采用富氧燃燒， 因此不存在隨空氣進(jìn)入的氮?dú)?，熱力型NOx生成量很少，同時(shí)生成的少量燃料型NOx在還 原性氣氛中也容易被還原。并且在燃燒室內(nèi)采用將氮?dú)饣刈⒌饺紵齾^(qū)、煤氣增濕、向燃燒室 噴水或蒸汽等措施來降低燃燒溫度以抑制生成熱力型NOx。這樣多種有效措施的實(shí)施，IGCC 電站的脫氮率一般可達(dá)90%。溫室氣體引

14、起的全球變暖是當(dāng)前也是未來能源和環(huán)境協(xié)調(diào)問題中最引人關(guān)注的熱點(diǎn)和難 點(diǎn)，世界各國都在致力于研究減少CO2排放的有效措施。盡管目前IGCC電站還不能大幅度 減少CO2排放，但其可以實(shí)現(xiàn)在燃料燃燒前將CO2分離和捕集。由于IGCC電站氣化爐內(nèi) 多采用氣體作為氣化介質(zhì)，煤氣化產(chǎn)物主要是CO和H2 （含碳量高的燃料，燃燒產(chǎn)物主要是 CO2）,經(jīng)進(jìn)一步的水煤氣化反應(yīng)后，容易轉(zhuǎn)化成CO2和氫氣。由于煤氣壓力及CO2濃度較高 （達(dá)35%45%）。因而脫除CO2比煙氣中更容易。另外煤氣凈化脫硫工中也可以同時(shí)分離 除去CO2。IGCC電站的熱效率高（當(dāng)今大型IGCC電站效率己達(dá)42%46%。有利于減少CO2 和

15、其他污染物的排放。比通常電站效率每提高1%，CO2排放將減少2%。相對常規(guī)電站而 言IGCC電站的CO2排放量減少了 1/5未來的IGCC電站將朝著實(shí)現(xiàn)CO2的零排放或微排 放方向發(fā)展。有效抑制有害金屬和其他微量元素的排放：煤的化學(xué)成分復(fù)雜多樣，含有多種有毒性或放射性的微量元素，如汞、鋇、鎘、銫等。 在常規(guī)電站中這些微量元素是很難除去的，而在IGCC電站中這些微量元素和灰熔融冷卻后 形成對環(huán)境無害的玻璃狀熔渣，避免了二次污染，熔渣還可作為水泥原料再利用。粉塵零排放：由于IGCC電站采用先將煤轉(zhuǎn)化為煤氣，煤氣凈化后再燃燒的方式，這樣就克服了由 于煤的直接燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染，其粉塵排放幾乎為零。高

16、效率：具有提高效率的最大潛力，相對于目前亞臨界參數(shù)電站供電效率為38%左右， 超臨界參數(shù)電站供電效率為40%左右。超超臨界參數(shù)電站供電效率也不超過46的現(xiàn)狀， IGCC電站的效率已經(jīng)達(dá)到42%46%。按當(dāng)前的技術(shù)水平和發(fā)展趨勢看，IGCC電站的凈 效率可以突破50%52%.這對于需要大幅度提高火電廠效率的我國來說，是很有戰(zhàn)略意義 的，這也是節(jié)約能源的必然要求和發(fā)展趨勢。耗水量少:一般情況下，IGCC電站比PC / FGD電站耗水量少30%50%。這對于我國 缺水地區(qū)很有利，因此特別適宜于在缺水的礦區(qū)建設(shè)坑口電站。緩解我國面臨的水資源緊張 的問題。煤的氣化除了用來發(fā)電外還以生產(chǎn)熱、甲醇、醋酸、合

17、成氣、尿素和化工產(chǎn)品，使煤得 以充分綜合利用，有利于降低生產(chǎn)成本，提高能源利用率。熱回收通過和其他發(fā)電方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較，由表2中數(shù)據(jù)可歸納出以下結(jié)論： IGCC環(huán)保和節(jié)水方面具有絕對優(yōu)勢，從可持續(xù)性發(fā)展方面考慮，IGCC是理想的發(fā)電方案; 目前IGCC發(fā)電效率超過常規(guī)PC和PFBC機(jī)組，與超臨界的PC-CC相當(dāng)，但I(xiàn)GCC熱力 性能上的優(yōu)勢還將繼續(xù)擴(kuò)大，這將大大緩解我們面臨的能源枯竭問題。表2幾種相發(fā)電方案防術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較PFBC-CCIGCC電站規(guī)模（MW）目前2010年3001300300 1300供電效率目前2010年363834.536.5（%）用水量比100100環(huán)保性能（

18、排放量比）SO21006 12NOx10018 90粉塵10025固態(tài)廢料10012 200CO2100107單位造價(jià)美元/ kw發(fā)電成本mills / k116048 57140056 6680350 和 50036 394550（第二代）70 8051017 482495 600981300 140054 66200 600 和 100040 4650 5450 701517 32250 95951400 170049 63IGCC廣泛應(yīng)用的技術(shù)可行性我國研究和建設(shè)IGCC示范工程項(xiàng)目的技術(shù)方面己經(jīng)具備了基本條件。設(shè)計(jì)方面：國內(nèi) 電力設(shè)計(jì)院已基本具備項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)能力，可承擔(dān)聯(lián)合循環(huán)島、全廠

19、BOP和控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)；化工設(shè)計(jì)院已基本可以完成煤氣化、凈化和空分系統(tǒng)設(shè)計(jì)；中國五環(huán)化學(xué)工程公司可以 完成氣化爐外殼的詳細(xì)設(shè)計(jì)。制造方面：上海鍋爐廠和大連金州重型機(jī)器有限公司等制造廠 均能完成氣化爐外殼的制造，氣化爐內(nèi)件需要國外生產(chǎn)，可以在國內(nèi)組裝，若能得到內(nèi)件設(shè) 計(jì)方的制造圖，內(nèi)件也可以在國內(nèi)制造。從2003年開始，我國已經(jīng)從GE、MHI、SIEMENS 公司引進(jìn)了 F級燃機(jī)和E級燃機(jī)制造技術(shù)，國內(nèi)目前正在開展低熱值燃?xì)廨啓C(jī)的自主研發(fā) 計(jì)劃；已經(jīng)可以生產(chǎn)容量為5X104NM3 / h等級的空分裝置，正在設(shè)計(jì)制造容量為6XI04NM3 /h等級的空分裝置，對于配套400MW級IGCC的容量為

20、8X104-10X104的空分裝置，國 內(nèi)在設(shè)計(jì)制造上也沒有問題。研發(fā)方面：華東理工大學(xué)已經(jīng)成功開發(fā)出“多噴嘴撞擊流水煤漿氣化爐”，容量為1 150t / d的氣化爐已經(jīng)于2005年10月投產(chǎn)；西安熱工研究院已建成36t / d的兩段式干煤粉加 壓氣化中試裝置，并完成了 1 000t/d氣化爐的初步設(shè)計(jì)。IGCC運(yùn)行技術(shù)運(yùn)行可靠性IGCC是由多種設(shè)備、多項(xiàng)技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng)，一個(gè)最顯著特點(diǎn)是整體化，這種整體 化提高了能量利用效率，但也使系統(tǒng)復(fù)雜化，增加了運(yùn)行難度，降低了可靠性。因此，整體 系統(tǒng)的性能取決于子系統(tǒng)的性能及各子系統(tǒng)間的匹配，根據(jù)幾個(gè)示范國外電廠強(qiáng)迫停運(yùn)率的 統(tǒng)計(jì)，來自氣化系統(tǒng)的故障

21、是造成整套系統(tǒng)被迫停運(yùn)的主要原因，主要包括氣化工藝流程設(shè) 計(jì)、控制、燃料輸送和給料、除渣等方面的問題。IGCC面臨的問題及挑戰(zhàn)比投資費(fèi)用和發(fā)電成本較高其單位造價(jià)和運(yùn)行成本比常規(guī)電站高許多，據(jù)中美專家關(guān)于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC 技術(shù)報(bào)告提供的幾種發(fā)電方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較數(shù)據(jù)，IGCC單位造價(jià)為1401700美元/ kw - h，發(fā)電成本僅為1961美分/ kw h，但是隨著IGCC技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是達(dá) 到規(guī)模經(jīng)濟(jì)容量水平和批量生產(chǎn)后，其單位造價(jià)會大幅度下降。當(dāng)前降低IGCC電站比投資 費(fèi)用和發(fā)電成本的途徑主要有：繼續(xù)改進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備，優(yōu)化和簡化系統(tǒng)；增大IGCC電站的總 容量，使其達(dá)到規(guī)模經(jīng)

22、濟(jì)水平；燃用廉價(jià)的高硫煤；采用多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等。系統(tǒng)復(fù)雜對制造工藝要求很高。由于IGCC電站非常依仗于高效率、大功率的燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)和 制造技術(shù)的發(fā)展。而目前我國燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)還比較落后，所以IGCC在中國的發(fā)展還有很長 一段路要走。廠用電高IGCC電站采用的氣化爐類型有噴流床氣化爐,固定床氣化爐（包括魯奇爐及液態(tài)排渣魯 奇爐等）和流化床氣化爐。三種氣化爐各有利弊，都正在發(fā)展中。另外，為提高氣化爐產(chǎn)氣 率，IGCC電站還專門設(shè)置制氧空氣分離系統(tǒng)，以提供純氧或富氧作為氣化劑。這樣，廠用電率就高達(dá)10%13%。目前解決IGCC電站廠用電率高的辦法一般是采用壓縮空氣作氣化劑或部分整體化的空分系統(tǒng)，這樣廠用

23、電率可降至5%。IGCC技術(shù)研究進(jìn)展針對制約化商業(yè)化發(fā)展的發(fā)電成本和運(yùn)行可用率問題，提高熱力性能依然是研究的重 點(diǎn)。目前在關(guān)鍵集成技術(shù)或子系統(tǒng)的研究方面主要體現(xiàn)在研制高性能的燃?xì)廨啓C(jī)適用于發(fā) 電用途的大容量、高性能煤氣化與煤氣凈化系統(tǒng)優(yōu)化的高效余熱鍋爐及蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)；新 型空氣分離技術(shù)。同時(shí)針對IGCC是一多種設(shè)備、多項(xiàng)技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)，對其各 關(guān)鍵技術(shù)以及子系統(tǒng)進(jìn)行組合與綜合優(yōu)化，也將有利于解決IGCC的成本高的問題。目前傳 統(tǒng)的研究方向與目標(biāo)開始多樣化，以提高熱力學(xué)性能為主導(dǎo)，同時(shí)重視經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性IGCC的新型研究方向如下。新穎的IGCC熱力循環(huán)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的熱力循環(huán)改進(jìn)都是 朝著

24、提高循環(huán)溫比和改善部件性能的方向進(jìn)行，并廣泛采用聯(lián)合循環(huán)熱力措施，這些都局 限于物理能轉(zhuǎn)換利用的研究范疇。與傳統(tǒng)研究方向不同，新型的熱力循環(huán)系統(tǒng)的改進(jìn)側(cè)重 于將梯級利用的概念引入化學(xué)能及化學(xué)能向物理能的綜合梯級利用，如采用新穎的濕空氣 透平循環(huán)原理來改造IGCC循環(huán)系統(tǒng)。多聯(lián)產(chǎn)和綜合利用IGCC系統(tǒng)。采用多聯(lián)產(chǎn)和綜合利用的IGCC系統(tǒng)在完成發(fā)電供熱等 動力循環(huán)的同時(shí)，利用化石燃料生產(chǎn)出甲醇、二甲醚和理想的清潔燃料氫氣等產(chǎn)品，具有 高效、靈活、低污染的特點(diǎn)。無公害、零排放的IGCC系統(tǒng)。IGCC對SO2 NOx灰塵，及有害金屬的排放起到了很好 的控制作用，但是對控制CO2的排放還不力，研究CO2零排放的系統(tǒng)是當(dāng)前一大課題。燃料多樣化的IGCC系統(tǒng)。此系統(tǒng)在石化企業(yè)推廣有其必要性。石化企業(yè)生產(chǎn)過程中 出產(chǎn)的廉價(jià)渣油可作為燃料，變廢為寶；石化企業(yè)是用電大戶，在廠內(nèi)建立電站有利于節(jié) 省電網(wǎng)輸電損耗。這類IGCC系統(tǒng)能使電能、熱能的生產(chǎn)過程與化工過程有機(jī)地結(jié)合起來， 既能簡化系統(tǒng)，又能降低燃料的費(fèi)用，更能從綜合生產(chǎn)的角度來降低全廠的生產(chǎn)成本，同 時(shí)也解決了化工企業(yè)污染排放問題。結(jié)束語：隨著IGCC示范電廠及“綠色煤電”計(jì)劃的