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 ICCC 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:CCC ;煤炭气化;发电;日本Abstract :This paper introduces the development of the integrated coal gasification combined cycle ( IGCC ) in Japan ,gives some typical data of pilot plant and demonstration plant.Key words :1GCC ; power generation Japan中图分类号:TM611 .文献标识码:B文章编号:1009- 403X 2006 01- 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、资源贫乏的项目蘊藏量国家能源的80%以上依赖进口,目前是次于美、中煤/t1.3x 1012的世界第三位能源进口大国。在能源构成中,50%石油/桶.1.2x 1012以上依赖石油,石油中又有70%以上来自中东,因天然气/m'1.44x 10' .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给环境造成很大负担;此外煤不能治、经济的战略课题。近年来,日本调整能源结构,用于大型燃气轮机发电。因此,人们想到了古老的一方面把目光从石油的单-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、可再生的绿色能源(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ICCC Integrated煤的作用加大对煤炭气化发电的研究力度。Coal Gasification Combined Cycle )是近年来世界热门研究课题,日本亦将它作为21世纪能源领域的重要1煤炭的特 点以及气化历史发展方向。2000年,日本总发电量为9400亿kWw h ,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0.8:0.15:1。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to 20世纪后期受天然气的竞洲，尤其是北美、俄罗斯、欧洲、中国最为丰富。这几争煤气的应用领域日渐萎缩。个地区的蕴藏量占世界总蕴藏量的1/2以上。在所IGCC技术有很多优点。首先是它的CO2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出1kW h电量排放CO2量计算,传统与其他化石能源全球蕴藏量的比较见表1 ),可见煤的粉煤火力发电为964.7g ,IGCC为779.2g重油为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,能生那分使用粉煤灰熔点较低的煤。在环境保护方面,ICGCC发电的S0,、NO,排放量低煤灰是熔融矿渣形式,水冷炉体积较小。IGCC 发电在价格上也具有优势。用川容器十2煤炭气化技术的特点煤炭气化发电的技术核心是在汽化炉中使煤炭煤+窄气发生部分氧化,产生主要成分为CO与H2的煤气,经提纯后作为燃气轮机的发电燃料。煤气的成分因炉渣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,8 400~ 18 900kJ/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10500kJ/m3的中热值煤气优点是煤气成分中可燃性气体浓度高,在燃气轮机发电时产生的显示了煤炭气化发电系统流程。NO,少缺点是由于需要空气分离工艺所以从输电煤气轮机端来看热效率略低于吹空气方式。吹空气方式可提纯以获得4 200 kJ/m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。>废气煤气煤的供应方式有气流携带煤粉的干法和喷射煤发生浆的湿法两种。湿法容易对煤气炉加压,但 水蒸发|灯会带来一定的热量损失。汽轮机表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容量小大中表2两种吹气工艺的煤气成分灰渣排放干灰气化温度/心450-1 100 450- 1600 850-1 100 1 200- 1600气体吹空气煤气化吹氧气煤气化适用煤炭非焦煤任意H210.129.6微焦煤:026.340.4加煤方式干块煤干粉煤干粉煤或023.110.6湿煤浆煤粒度/mm50.1~3<0.1N256.16.6焦油等副产物少量微量少量H202.811.8代表性厂家Lurgi :BCC-LungiWinkerShell ,电中研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。气滤膜或金属过滤膜脱尘,用移动床或流化床脱硫。流床在大容量、负载跟踪性能等方面具有优越性,成湿法采用湿法除尘,物理、化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氧生成、湿法纯化系统,而采用吹空气生成、干法净3日本煤气化技术的实施化。其优点-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 C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入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 )等技术咨询部门。进煤气化炉内部压力约为2 626 kPa、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装置采用12500kW.1260C级的燃气轮机。;厂2001年建立了示范电厂。该设备采用了三种煤炭,连续运行4 770h ,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 )水冷排渣孔;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)>煤炭品种的确认;(5 )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,-般在几兆瓦，主要是摸索数表4实验电厂的成果据确定条件。实验电厂通过以后再建立示范电厂,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成果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。扩大的数据方法热效率采用1300燃气轮机,得到43%的送电端效率商业电厂4 000经济性成本高于微粉煤灰火力发电,应该进一步500 MW)降低成本路3000示范电厂环保特性实现排放so, 0.002%以下、NO, 0.002%以250Mw下、排尘10mg/m'以下出2:000-实验电约2倍适用煤炭品种试用了包括高熔点等3种煤炭30MwI 000运转特性冷启动一天之内,负载跟踪达到微粉煤的约8倍水平⊥可靠性累计4770h连续运转,得到了煤气对于材150300450600料的腐蚀磨耗数据确立了材料选择基准出力/MW图3日本煤气化的参数按比例扩大关系煤气化炉为三菱重工生产为空气喷流床结构。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IGCC 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4。4结语3.3 250MW 示范电厂( PLC)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250 MW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1 300 C级燃气轮机,ICCC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,1 500 C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,具有明显优势。在环境保护方面,CO2 排放量与炉项目示范电厂实测结果商业电厂预期结果渣量的减少也具有很大的魅力。估计2010年以后可靠性年利用率70%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)53% 48%( 干法)1500级燃气轮机,HHV[1]梁木.日本火力发电的动向J]中国电业1999 (2)44-46.环境特性so, 8x10-*so, 8x10-9[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,NO，5x 10-6NO, 5x 10-62002 (24)15- 19.烟尘4 mg/m'排尘4 m/m[3]高田英章.碳夕入化復合癸電( IcCC )0開癸動向[ J].電氣評适用煤炭使用灰熔点低(低于除了烟煤以外,还能論1990(6)484 - 487.1400C)的煤使用灰熔点低的劣质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煤发电作者简介纪傲( 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 ,示范电业，业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业(上接第2页)5结语4.3评价与建议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220kV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2.721 kV/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2.774x 10-3 mT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,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栀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;尽[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2000 16( 1 ):45 -48.尽可能采用倒三角形和三角形架线方式,充分利用[3]梁保英.高升宇.尤一安.高压输变电设备电磁辐射环境影响分析[J]电力保护20000 16(3)57- 59.三相电的特性将其各相产生的电磁场相互抵消，以[4]张洪.刘小平.王红海等.高压输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问题的探讨J1环境保护2003 (9)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2005-12-27作者简介:吴红泉( 1969- ),男江苏吴江人高级工程师,主要