日本的煤炭气化发电技术

2006年2月电力环境保护第22卷第1期日本的煤炭气化发电技术Current state of IGCC technique in Japan纪伟(山东省东岳能源有限责任公司白庄电厂山东肥城271613)摘要简述了日本的煤炭气化发电发展现状介绍了日本典型的实验电厂与示范电厂的技术参数。关键词GCC煤炭气化;发电;日本Abstract This paper introduces the development of the integrated coal gasification combined cycle( IGCC )in Japangives some typical data of pilot plant and demonstration plarKey words GCC power generation japan中图分类号:TM611文献标识码3文章编号:1009-403x20061-0025-04日本是世界第二大工业国,也是世界上最大的表1化石能源的世界蕴藏量能源消费国之一。日本是个国土狭小、资源贫乏的蕴藏量国家能源的80%以上依赖进囗,目前是次于美、中煤/t的世界第三位能源进口大国。在能源构成中50%石油/桶1.2×10以上依赖石油,石油中又有70%以上来自中东,因然气/m3此日本的能源结构过于单一,依赖的地区过于狭窄能源市场很容易受到世界形势的左右。1970年但煤也有缺点。首先它在化石燃料中碳含量最前后的石油危机使日本的经济遭受重创从此日本高燃烧时产生较多的CO2;其次它是一种固体燃结束了持续20年之久的经济高速增长,直在低迷料不如石油、天然气那样便于长途运输煤燃烧后的阴影下徘徊。确保能源的稳定供应成了日本政产生大量煤灰給环境造成很大负担泚外煤不能治、经济的战略课題。近年来,日本调整能源结构,用于大型燃气轮机发电。因此,人们想到了古老的方面把目光从石油的单一结构扩大到更加广阔的煤炭气化技术,它可以将煤变为清洁气体能源使煤领域如原子能、可再生的绿色能瀛包括太阳能、风炭发电在环境保护、热效率等方面达到天然气的水能、地热、生物质等)另一方面,重新估价传统能源平。煤的气化综合发电技术称为lCC( Integrated煤的作用加大对煤炭气化发电的研究力度。Coal gasification Combined cycle)是近年来世界热门1煤炭的特点以及气化历史研究课题,日本亦将它作为21世纪能源领域的重要发展方向2000年日本总发电量为9400亿kWh,其中煤炭气化技术是200多年前的1792年,由英国54%为火力发电,煤、石油、天然气分别占18%、马德克发明的。煤气诞生后不久,由于在取暖、照10%、26%。明、炊事等方面的广泛应用迅速在英美等国家得到煤炭是人类最早使用的化石能源,它的H:O:C普及。19世纪20年代,英美都建立了专业公司之比为0.8:0.15:l。在所有化石能源中,它的蕴藏到了20世纪20年代煤的气化技术进一步发展在量最为丰富并且地区的分布比较均衡不像石油、1930年前后,美国就已经拥有煤气公司1万家,每天然气那样集中在少数地区。煤的蕴藏遍及各大年转化煤炭1200万t。20世纪后期受天然气的竟洲尤其是北美、俄罗斯欧洲、中国最为丰富。这几争A中国煤化工个地区的蕴藏量占世界总蕴藏量的1/2以上。在所CNMHG首先是它的CO,排放有化石能源中煤的价格最低并且市场波动最小煤量较低按发岀kWh电量排放CO2量计算传统与其他化石能源全球藴藏量的比较见表1),可见煤的粉煤火力发电为964.7 g IGCC为779.2g重油为具有巨大的使用潜力。765.5g天然气为607.6g可见AGCC的CO2排放量2006年2月电力环境保护第22卷第1期比传统燃煤方法低20%,接近气体化石燃料水平,结构。这样就可以充分利用地球上最丰富的煤炭资源获煤气发热交换得天然气的效益。IGCC可以扩大煤的利用范围,能生鄗分使用粉煤灰熔点较低的煤。在环境保护方面JGCC水冷炉公公公态发电的SO、NO排放量低煤灰是熔融矿渣形式,体积较小。IGCC发电在价格上也具有优势。压力容器2煤炭气化技术的特点煤尘+空气煤炭气化发电的技术核心是在汽化炉中使煤炭发生部分氧化,产生主要成分为CO与H,的煤气经提纯后作为燃气轮机的发电燃料。煤气的成分因煤气化工艺不同而不同,如表2所示。成分不同导致热值也有所不同。通常把热值在3360~6300kJ/图2气流床的结构m3的煤气称为低热值煤气8400~18900kJ/m3的称为中热值煤气,18900kJ/m3以上的称为高热值煤气化剂有吹空气和吹氧气两类。吹氧气方式可气。一般火力发电采用中低热值煤气。图1概要地以获得10500J/m2的中热值煤气优点是煤气成分显示了煤炭气化发电系统流程中可燃性气体浓度高,在燃气轮机发电时产生的NO少缺点是由于需要空气分离工艺所以从输电煤气轮机提纯端来看热效率略低于吹空气方式。吹空气方式可以获得4200kJ/m3的低热值煤气为了提高煤气发生炉的稳定性和热值有时采用富氧空气。热交换废气煤的供应方式有气流携带煤粉的干法和啧射煤发生浆的湿法两种。湿法容易对煤气炉加压,但水蒸发汽轮机会带来一定的热量损失。表3几种煤气化炉的特点图1煤炭气化发电的系统流程(吹空气)项目固定床流化床气流床中表2两种吹气工艺的煤气成分灰渣排放千气体吹空气煤气化吹氧气煤气化气化温度/℃450-1100450-1600850-11001200-1600适用煤炭非焦煤非焦煤任意微焦煤加煤方式干块煤干粉煤千粉煤或湿煤浆煤粒度/mm微量2.8焦油等副产物少量微量量代表性厂家煤气化的关键设备是气化炉以及煤气纯化装置。气化炉主要分为固定床气化炉、流化床气化炉煤气纯化有干法和湿法两种。干法采用陶瓷过和气流床气化炉这三类气化炉的特点见表3。气滤膜中国煤化工多动床或流化床脱硫。流床在大容量、负载跟踪性能等方面具有优越性成湿法CNMHG学吸附或直接氧化脱为国际上煤气发电的主要设备形式其基本结构见硫它的优点是去除煤气中的氨、碱金属比较彻底图2。加压气流有气流上升结构和气流下降结构;对燃气轮机的损坏较小缺点是热损失较大。兼顾从炉体形状可分为二室二段、一室二段、一室一段等两种方法的优点最近岀现了湿法脱硫与干法脱尘2006年纪伟:日本的煤炭气化发电技术第1期的综合净化工艺。转成功。该设备的特点是没有采用欧美各国的吹3日本煤气化技术的实施氧生成、湿法纯化系统而采用吹空气生成、干法净化。其优点一是节省了制氧设备,二是通过热交换3.1实施概况器之后温度大约400℃的煤气可以直接进入干法日本吸取石油危机的沉痛教训在1984年成立净化装置,不需要煤气冷却工艺,显著减小了热损新能源产业开发机构〔NEDO)设立了煤炭气化专门失。委员会(1986)火力发电新技术委员会(1981)火力该厂的主要技术指标为:煤炭日处理量200t发电新技术调查委员会(1982蓐等技术咨询部门。进煤气化炉内部压力约为2626kPa、采用干法纯化装行了技术调研开始了煤炭气化发电的实质性研究。置脱硫采用氧化铁流化床脱尘采用移动床。出力1986年在福岛县勿来建立了日本第一个实验电裝置采用12500kW、1260℃级的燃气轮机2001年建立了示范电厂。该设备采用了三种煤炭连续运行4770h,于依靠超临界压力蒸汽的工艺条件日本在微粉1996年结束实验拆除。该实验电厂主要进行了以煤火力发电方面已经达到了很高的热效率在这个下技术课题的研究高起点上对IGCC提出了更加苛刻的要求(1煤媒某气化炉的形状(炉内流动实验)(1)在发电效率、煤灰处理、废气排放等综合技(2)冰冷排渣孔术性能上应超过粉煤火力发电(3)电集尘器(2)使用煤炭的品种应该更广泛以适应多元大(4)煤媒某气化炉的材料量进口的现状5)生成煤气的传输(3)减小煤灰体积6微量煤气成分分析(4跟踪负荷能力、设备启停等操作性能良好(7)煤媒某炭品种的确认(5)河可靠性高8热交换器的传热特性(6造价以及维持费用低。9)阀门的可靠性煤气化发电技术分三个阶段。首先是建实验电(10矿渣冷却水的水质分析。厂,它的规模比较小,一般在几兆瓦,主要是摸索数据确定条件。实验电厂通过以后再建立示范电厂,表4实验电厂的成果功率约相当于实验工厂的4~10倍。由示范电厂的技术开发目标数据大体上可以推算出商业电厂的性能,商业电厂系统验证确定了吹空气的煤气化基本技术,掌握了IGCC系统的各种临界条件功率约相当于示范电厂的2倍这个数据的推理过确认等比例规模掌握了煤气化和净化的等比例规模扩大的程叫做按比例扩大如图3所示扩大的数据热效率采用1300℃燃气轮机得到43%的送电端商业电厂效率400经济性成本高于微粉煤灰火力发电,应该进一步降低成本示范电环保特性实现排放S0.0.002%以下、NO.0.002%以250MW下、排尘10mg/m3以下约2倍适用煤炭品种试用了包括高熔点等3种煤炭30 MW转特性冷启动一天之内,负载跟踪达到微粉煤的可靠性累计4770h连续运转得到了煤气对于材150料的腐蚀曆耗数据确立了材料选择基准出力/MWYH中国煤化工图3日本煤气化的参数按比例扩大关系CNMH∝为空气喷流床结构3.2典型实验电厂与吹氧相比温度上升不剧烈不容易产生煤粉渣熔日本最早的lGCC实验电厂为日本通商产业部融现象。燃烧炉分为上下两段,下段主要是氧化发的资助项目,19年在福岛县建成,1995年连续运热过程投入大量空气产生高温气体,上段主要是2006年2月电力环境保护第22卷第1期生成煤气的过程。脱硫装置由石川岛播磨重工业公厂与商业电厂的扩大倍数为2所以从该示范电厂司开发除尘装置由川崎重工业公司开发。该实验可以得到发电功率为500MW的商业电厂的预期数电厂经过8年运行取得了必要的数据和预期的成据采取的是空气煤气化炉和湿式煤气精制系统。果,为随后的示范电厂打下基础详见表43.3250MW示范电厂(PLC)4结语2001年6月洁净煤电力研究所接受国家资助煤炭气化发电是一种综合利用煤炭的新技术,开始了250MW示范电厂的研究。由示范电厂的技它在提高热效率、环境保护等方面有重要意义。对术数据可以按照比例扩大原则推算出商业电厂的于1300℃级燃气轮机,GCC的发电效率(发电端技术指标详见表5。高位基准)将达到44%左右,1500℃级燃气轮机将表5示范电厂以及商业电厂的技术指标达到48%左右,与超临界压力粉煤发电40%相比示范电厂实测结果商业电厂预期结果具有明显优势。在环境保护方面,CO,排放量与炉可靠性年利用率70%年利用率70%渣量的减少也具有很大的魅力。估计2010年以后热效率送电端发电端送电端将迎来IGCC实验电厂、示范电厂建设高峰。40.5%(HHV)51%46%(湿法)参考文献42%(LHV)1500级燃气轮机HV[1]梁木,日本火力发电的动向J].中国电业1999(2)4-46不境特性[2]陈鹏,先进的煤炭气化与液化技术新进展[J].中国科技成果2002(24):15-19烟尘斗mg/m3排尘4mg/m[3]高田英章碳匀又化復合癸電(IGC)O開癸動向J電氣評适用煤炭使用灰烙点低低于除了烟煤以外,还能1400℃的煤使用灰熔点低的劣质論,1990(6)484-487经济型发电价格不高于微粉发电价格不高于微粉收稿日期2005-11-25修回日期2005-12-02煤发电煤发电作者简介紀伟1966-)男山东淄博市人工程师,从事低热值煤炭发电研究。实验电厂到示范电厂的扩大倍数为8,示范电旦只(上接第2页4.3评价与建议5结语从测量结果可见苏州地区典型220kV变电站通过对苏州地区典型输变电工程分析可以得和220kV输电线路附近地面环境的工频感应电磁出正常运行工况下20kV变电站界外和输电线路辐射强度均较低,电磁辐射水平均小于HJ/T24走廊下附近环境工频感应电场强度小于2.721kV/1998中居民区工频电场评价标准和公众全天辐射m工频感应磁场强度小于2.774×10-3mT二者均时的工频磁感应强度评价标准低于相关标准限值符合国家有关环保要求。尽管如此在220kV输变电工程设计和运行中参考文献预防电磁辐射仍是不可忽略的问题,应确保把电磁[1]曾挺健110kV户内变电所对环境电磁和天线电干扰影响的评辐射降低到尽可能低的水平,确保公众不受辐射影机J].华东电力2002(2):16-18响。在变电站和线路的选址时尽量远离敏感区;[2]朱林.高压输变电工程的电磁辐射及环境影响评价J]电力环量减少分相设备的使用多采用三相设备线路架设境保护2000161)45-48尽可能采用倒三角形和三角形架线方式充分利用[31菜保英高升宇尤一安,高压输变电设备电磁辐射环境影响护2000.16(3)57-59相电的特性将其各相产生的电磁场相互抵消,以[4]引中国煤化工俞变电站环境影响评价中若干降低总辐射水平;严格按规范设计施工保证高压构CNMHG)40-41架和线路架设高度增大导线与地面的距离降低地面感应辐射强度。收稿日期2005-12-23修回日期2005-12作者简介淏红泉(1969-)男,江苏吴江人,高级工程师主要从事输、送变电线路的施工、维护及管理工作。