整体煤气化联合循环(IGCC)技术的发展和应用

第16卷(总第96期)热动力工程2001年11月专题综述文章编号:1001- 2060[ 2001 )6 - 0575 -05整体煤气化联合循环(IGCC)技术的发展和应用李现勇,肖云汉蔡睿贤(中国科学院工程热物理研究所北京100080 )摘要:针对整体煤气化联合循环的容量比较大,-般可达到300的合成气净化技术造成了能源利(IGCC系统商业化过程中所遇到的主~600 MW ;耗水量比较少,比常用的浪费;IGCC实现了对原料的要问题,作者阐述了目前世界上为解规汽轮机电站少30% ~50%这初步综合利用但综合利用的程决这些问题在降低成本和关键技术的发展方面所采取的主要手段及其进.对广大缺水地区十分有利，,也适度不高尤其是电力市场的自由展同时还分析了IGCC在我国可能应用于坑口电站的建设,有助于实化、相对廉价的燃气蒸汽联合循现能源生产布局的合理优化。因环以及相对低的CO2排放,导致用的具体途径。关. 键词:整体煤气化联合循环此ICCC技术发展很快,现在世了IGCC技术商业化步伐的缓( ICCC);降低成本;关键界上有70多座ICCC电站计划在慢。建或已成功运行,-批IGCC示技术的发展范电站的建设和成功运行,验证2 ICCC 技术的发展中图分类号:TIM611.3了IGCC技术上的可行性、环保文献标识码A性能的优越性和能量利用的高效世界各国的能源生产厂商和性增强了人们对IcCC技术的研究机构以降低运行成本、满足1概述信心和期望。日益苛刻的环境法规的排放要我国能源可持续发展将长期理论上IGCC系统可以分为求、增强ICCC的市场竞争力、加.表现为能源供应安全、环境保护三个相对独立的部分(1 )煤气速IGCC的商业化进程为目的和经济发展的同时实现,这就意(或合成气制备子系统(2 )联合在解决阻碍IGCC商业化进展的味着高效、洁净、经济的能源系统循环子系统ζ 3)空气分离子系上述关键问题方面取得了不同程是我国能源的重大需求。整体煤统。组成IGCC各个子系统的技度的进展。气化联合循环( Integrated Gasifica-术均有成熟技术,但是第一座现在降低投资和运行成本增tion Combined Cycle简称IGCC )作代中试型ICCC电站-美国的冷强IGCC技术的市场竞争力方为一种清洁、高效的洁净煤发电水Cool Water )电站直到1987年面:技术,受到了普遍重视。同其它才开始成功运转这主要是因为2.1 与其它多联产技术相结合,能源利用技术相比较,ICCC具有IGCC存在着以下需要解决的关扩展IGCC技术的应用空间以下特点:效率比较高,目前键问题(1)IGCC技术的投资成随着运行经验的不断积累和ICCC系统的效率已经达到42%本过高 ,这也是影响IGCC技术改进以及大多数示范项目的良~45% ,将会突破 50% ;具有良在我国应用的主要障碍( 2影响好运营,进一步推动了ICCC的好的环保性能能够满足日益严IGCC系统性能的关键技术尚不广泛应用。建设商业化电站在经格的污染物排放指标要求;ICCC过关。 例如尽管可供选用的气济方面的考虑逐渐地从单一的动实现了对原料煤炭初步的综合化技术种类繁多,但 是中国煤化工虑燃料成本比价”和利用为实现对原料的有效利用成熟的气化技术仍无定MHCNMHG这使得ICCC的运行提供了大的发展空间;ICCC机组气的净化技术还有待改进现有和设计经验不断地扩展到其它领收稿日期2001-02- 16;修订日期2001-04-20基金项目国家重点基础研究发展规划基金资助项目( 199902301 )作者简介李现勇( 1975 - )男河南长葛人中科院工程热物理研究所博士研究生.576●热能动力工程2001年域和多联产技术相结合，从而逐新的空分技术提高空分系统等运用 超结构理论等并和先进的优步提高对原料的综合利用度,有耗能 部件的效率,简化IGCC系化算法等手段相结合采用流程效地提高经济效益,降低投资和运行成本,使得IGCC的成本问co,重质油合成陂租器」题不是特别突出。t氧气华干也化隆着一以ICCC技术为基础并结合日氧化剂制联合循环相应的独特处理过程,IGCC技术备可以衍生出许多不同的新型整体“灰渣动力自过程/动力工厂解决方案。这些IRCC:减少C02样放IGFT/Methanol:强化IGOC的经济性新的方案可以采用不同的原料( -般都是低价燃料),并生产不图1 IRCC 和IGFT/Methanol方案同产品产生良好的经济效益和环境效益和传统的技术相比具煤一-预处理]t气化过程一--- 嫩料气调}- - - +C 动力有明显的成本优势和特殊的技术+[预处理合成气净化/用途。图1是用于减少CO2排放生物质热解与您油合成气化入加压的IRCC方案8]和增强ICCC经→[预处理-气化过程]济性的ICFT/Methanol方案8。在未来-段时间内能源生图2IGCC联合气化概念简单流程图产和供应方面可以预见的主要变化是环境问题(如酸雨、腐蚀和统,使系统结构紧凑,比投资费用和结构参数同步优化的方法,才全球气候的异常变化)成为可再低。能取得良好的优化效果并能对生能源利用的主要推动力。特别增大IGCC电站的装机容系统的设计运行起到指导作用。是京都会议更加促进了这种变量使之达到规模经济的水平。早期冷水电站单位造价化。因此西方发达国家大力研究并尽可能地采用大容量的气化炉2 538美元/kW美国EPRI及生产大规模高效利用这些环境友好性和燃气轮机，取消备用炉。研究厂家称,目前可降到1 530美元/可再生能源。其中，发展各种生表明若机组规模每翻一翻单位kW再进一步努力可达1 100~物质气化技术和其它可再生能源造价将会降低10% ~ 20%。1 300美元/kW ,可以与PC + FGD与IGCC的集成技术,替代部分2.3 ICGCC系统的优化综合与系相竞争。如果某些设备能够实现化石燃料的使用,成为-种重要统集成在国内生产造价还会有更明显的选择。为了解决生物质能在电实践表明系统的综合集成的降低。力生产中大规模应用的效率问优化对改善 系统的性能、降低系在影响ICC系统性能的关题,一般采用联合燃烧或联合气统的投 资和运行成本具有重要的键技术的研究方面:化的方案。研究和示范项目都表作用。IGCC 是一个涉及能源、化2.3.1 煤气(或合成气)制备子明在和煤联合转换的情况下生工、环境等学科的复杂系统。复系统物质能至少可以替代10%的煤杂系统的研究方法必须将所要研与常规的燃气蒸汽联合循环炭的热值,在技术上可行，环境究的单元置于它所处的复杂系统相比,ICCC系统所不同的主要是经济方面也有利。图2为先进的里面从系统整体出发、应用系统煤气(或合成气)制备子系统,即ICCC联合气化概念简单流程工程手段来研究单元、中国煤化工净化系统及其附属设图4。单元和系统间的相互作MHCNMHG能量转换效率高的灵2.2 简化系统,实现IGCC系统关系。IGCC 系统由于存在着气活气化技术和合适的粗煤气净化化过程、联合循环以及空分过程技术是IGCC技术的关键。的规模化应用的耦合,因此比常规的联合循环煤的气化床的形式有四种基发展适用的高温净化技术和高效灵活的辣塑气化技术,研发系统优化要复杂得多。必须综合本的气化炉装置:喷流床气化炉第6期李现勇等整体煤气化联合循环( IGCC )技术的发展和应用577.(如美国的Texaco 炉、荷兰的以金属氧化物为吸收剂氧化铁、单元模块的综合优化提供了更有Shell炉和德国的Prenflo炉入流氧化锌、钛酸锌等)的尾部反应床利的条件6。化床气化炉(如美国的KRW炉、( 固定床、流化床、喷流床)内进一2.3.3空气分离子系统( ASU)U-Gas炉和Winkler炉)固定床步脱硫,可避免冷烟气净化或湿经过冷却和净化的压缩空气气化炉(如英国的BG/L炉)和熔式脱硫过程所造成的显热损失。经过空气分离单元分离为02、融床气化炉(如ATGAS炉)这2.3.2联合循环子系统.N2同时生成蒸汽。空气分离技四种气化工艺都能在不同的燃气轮机是ICCC系统中联术只能从气化单元提供所需021ICCC系统中找到各自的适用场合循环子系统的关键部件燃气的传统低压独立式分离技术向可合。目前气化技术的研究重点是扩大气化原料的适应性提高原轮机与蒸汽轮机出功比一般为从燃气轮机抽取空气或者向燃气1.3~ 2.0 ,因此燃气轮机对整个轮机加注分离N2的整体式高压料的综合利用度,根据不同的IGCC系统的经济性和实用性有ICCC特定系统的要求，开发出高表1 C系列燃气轮机典型参数( M501G)效灵活的气化技术。简单循环联合循环煤在气化炉中气化成为粗煤透平前输出功热效率转速空气流量功率热效率温度/C压比气时原煤中所含的相当-部分率/MW /MW/t min-1 /kg s-' /MW/%M501G1 50025438.7203 60056737158.0灰分、硫、氮以及碱金属盐和卤化物都会转移到并以不同的形式存着重要的影响。燃用低热值合成分离技术发展。空分系统近期的在于粗煤气中。这些有害物质如气等对燃气轮机的性能提出了更发展动向主要是增大机组规模、果不脱除干净,会导致燃气透平.高的要求,要求必须对现有的燃进行过程优化,从而增进其与新的腐蚀、磨蚀和结垢严重影响燃天然气的燃气轮机进行改进。而一代大容量、高压比的燃气轮机机的使用寿命和工作安全还会先进燃 气轮机技术的发展，,也可的系统整合。对周围的环境带来不良影响。因进-步改善联合循环子系统系统由于空气分离单元与气化单此在ICCC系统中,应该在粗煤的性能。如提高透平入口温度至元、燃气轮机单元的耦合,对于气进入燃气轮机之前，对气化炉.1500C以上采用先进的燃气轮IGCC系统的性能有着重要的影供来的粗煤气进行净化处理。在机和余热锅炉发电效率已经达响。这种耦合为IGCC系统性能IGCC系统中使用的粗煤气净化到60%。如果采用湿空气透平的改善提供了新的优化点。仅空系统有所谓的常温湿法净化系统循环( IGHAT ) ,使用热水来湿化气分离 单元和燃气轮机的整体化(即把煤气先冷却,后净化)和高空气湿空气通过回热器与煤气而言,有图fS]所示的四种可能的温干法净化系统之分。前者属于-起送入燃气轮机燃烧室并进入优化选择(1空气全部或部分提比较成熟的技术,但 是在煤气的透平膨胀做功。由于压气机压缩供给空气分离单元(2增压N2作冷却和除灰脱硫过程中,显热损功的减少以及避免了朗肯循环的为燃烧稀释剂、透平冷却剂，或为失比较大,对IGCC系统的效率影响系统效率可望在原来的基增大出功供给燃气轮机( 3 )低压会产生不利的影响,并且还需要础上提高2% ~3% ,同时由于没N2用于燃气轮机进口气流冷却或建立复杂的废水处理系统。而高有蒸汽轮机可使比投资费用降加热用于增加HRSG蒸汽产量;温干法净化技术由于可以有效利低(4冷水用于燃气轮机透平冷却，用粗煤气净化过程中的显热提G与H系列先进燃气轮机或加热后用于HRSG给水。高IGCC系统的效率简化系统，采用了 先进的压气机系统(最新作为-种高效的02、动力和降低IGCC 的比投资费用,成为的全三维叶型设计)低NO.冷墓汽联产技术，西方发达国家正第二代IGCC系统的关键技术之却式燃烧室、具有超级TYH中国煤化工换膜空气分离技术进一受到了普遍关注。目前高温的高温透平( H系列用CNMH G没有泄漏的情况这除尘多处在实验室规模与中试规却)在材料方面选用了具有良好种技术的02分离效率可以达到模进入示范应用的有陶瓷过滤的抗热蠕变、氧化和腐蚀性能的很高水平。这是一种很有前途的器和陶瓷阻隔过滤器而高温干镍基超级合金透平前温度可达空气分离技术,但需解决降低阻式脱硫采用两喷钙脱硫,加上1 500 C。这同时也为其它子系统力和增大流量的问题。578●热能动力工程2001年2000年到2010年期间规划新增安全、环境保护、经济发展目标的3IGCC技术在我国可能应火电机组15万MW以上年新增同时实现。用的趋势用煤约4 000万吨。随着各项关键技术的成熟和运行经验的不断参考文献:目前中国能源主要面临以下积累,IGCC作为一种高效的清洁[1]焦树建.整体煤气化燃气-蒸汽联合几个难题能源资源匮乏人均煤煤利用技术,在电网主力机组方循环( ICCCI M].北京:中国电力出.版社, 1996.储量仅为世界平均水平的1/2,面将具有更强的竞争力;[2]肖云汉.21世纪的E能源利用系统人均石油储量仅为世界平均水平现有电站的更新改造:我国[J]华北电力大学学报,2000 ,27(增的1/10 ,并且分布与结构不合现有火电网中存在着数千万千瓦刊)20- 23.[3]曾汉才. 燃煤发电新技术的现状与发展J]华中电力,1998 ,11(5)5-9.联合循环[4] 林汝谋,蔡睿贤.整体煤气化联合循“注N2环发电技术的研究[J].发电设备,注N氽热回收1998(2)31-37.水/N抽取空气toI[5] HUBERT J VERINGA, H DEN UIL,MOZAFFARIAN H. Biomass and co-gen-空分单元b0N:Oeration[ A]. ECOS 2000[ C]. Neder-land : Universiteit Twente , 2000. 1799 -181图3燃气轮机/空分 系统优化选择[6] ALLAM R J, CASTLE-SMITH H. Airseparation units , design and future devel-理能源资源的地理分布与经济技术落后、 能量转换效率低、污染opmen[ A ] ECOS 200[ C ] Nederland :Universteit Twente , 2000.1877 - 1888.地理呈反向分布终端能源质量严重的中小汽轮机机组急需改[7] MURASE T ,TSUKUDA Y. Current opera-低能源消费强度高能源生产效造。对于这些落后机组的更新改tion status of m50lC gas turbin[ A] E-率低能源利用过程中的浪费污造以节约资源和提高效率、改善COS 2000[ C ] Nedeland :Unvrsiteit染严重;- -次能源以煤为主并且环保,IGCC 技术可能是一种合适Twente , 2000.1857- 1868.短期内这种格局不会发生根本性的选择。[8] WILEBOER w. Biomass gaification in的变化。这就决定了中国能源在我国从1994年开始对IGCCgeertruidenberg , the netherlands[ A ]. E-COS 2000[ C ] Nederland : Universiteit相当长-段时期内仍必须以化石示范工程进行可行性研究,国家Twente , 2000.1869- 1875.燃料煤炭)为主要的一次能源 ，电力公 司拟在山东烟台电厂建设[9] T0DD D M , MCMURDO G. ICCC eperi-实现煤炭高效、清洁利用。一座容量为300~ 400 MW的ence and technology improvements spread-由于ICCC在实现煤的高IGCC示范电站国家计委已批准ing to other process/power plant[ A] E-效、清洁利用方面具有的优越性。了工程立项。通过引进技术、消COS 2000 Additional Papen[ C ]. Neder-land :Universiteit Tivente ,2000.5 - 21.因此可以以多种形式应用于我国化吸收再创新、分步国产、降低造[ 10] BLOEMENDAL C , KERKHOFFPJM.的能源工业中。例如:价为21世纪我国IGCC技术的Gas t; treating techmology , design and de-多联产的IGCC :煤通过气大范围应用积累 经验。velopmenC A ]. ECOS 2000 Additional化不仅提供燃料气给动力系统Papers[ C ]. Nederland : Universiteit发电,同时还可以提供甲醇、尿4结论Twente ,2000. 157- 174.素、酚类等化工产品和城市煤气。[11] GRAAF J D DE, BERG R VAN DEN,ZUIDEVELD P L. Shell gasification pro-实现电化气多联产,不仅使煤炭随着相关技术的成孰和商业中国煤化工] BECOS 2000 Aditional P2.得到了充分的综合利用，降低污化程度的提高,JCCC的] Nederland : Universiteit染物的排放水平，还能够明显地行成本将会进-步降低CNMH G0010降低系统的运行成本。这种形式会得到进-步的提升。IGCC 技[12] EURLINCS J TH G M. The demkolec的应用在我国具有重要的现实意术有望和其它高效洁净煤利用技IGCC A]. ECOS 2000 Additional Pa-pers [ C ] Nederland : Universiteit义;术一起,成为火电动力的主要发Twente ,2000. 153.电网中字墓本负荷机组:展方向最终实现我国能源供应第16卷(总第96期)热能动力工程2001年11月文章编号:1001 - 2060 2001 )06 -0579-03燃煤催化剂的研究与应用马振兴郭举修李京韩爱岭(山东大学动力工程系山东济南250061)摘要综合论述了国内外对燃煤催这个链锁反应使C+ 0=(3)碱金属、碱土金属和过化剂的理论和应用研究,说明其在节CO2的反应变得容易进行1。渡元素的氧化物、氢氧化物及其能和环保两个方面的效果指出在研究和应用工作中存在的问题及解决的电子转移理论认为在气固两盐类可用作燃煤催化剂;谋些工措施。相反应物接触界面各点上存在两业废物也是廉价的燃煤催化剂,关键词催化剂;煤;燃烧相间的电动势燃烧反应的难易例如造纸黑液、电石渣、铁渣、糠取决于该电动势的大小。加入催醛渣等4-5。中图分类号:TQ038.1文献标识码A化剂后在两相间产生了极性相(4 )煤中灰分是内在的催化反的离子化电位差,从而减弱了剂灰分对外加催化剂的作用具1引言原有的电动势降低了燃烧反应有明显影响6-7。活化能,使煤或焦炭的燃烧变得国内外对燃煤催化剂进行了容易进行2-30。两种理论从不同3 燃煤催化剂的应 用效果长期广泛的研究,部分燃煤催化角度解释了煤催化燃烧现象。剂已作为商品在-定的范围内得国内外许多学者对燃煤催化国内外已有不少商业化燃煤到应用其节能和环保效果较为剂进行了大量实验研究。综合分催化剂试验证明确有一定效果。明显,值得进一步推广。 但是在析这些研究可得出下列结论:例如，美国有人采用FST- 6000研究和应用过程中也发现不少存(1)燃煤催化剂提高了煤的催化剂在工业锅炉上进行应用试在的问题有必要进-步改进。挥发分析出速率降低了煤的着验8]实验结果如表1所示。火温度缩短了点火延迟时间加由表1可见,加入催化剂2燃煤催化剂的研究快了焦炭燃尽速率,并具有脱硫FST- 6000后,锅炉燃烧趋于完脱氮的明显作用4~7。全在锅炉蒸发量略有增大的情关于燃煤催化剂的作用机(2)不同催化剂的催化作用况下煤耗量有所降低汽煤比相理目前存在氧传递和电子转移是不同的。当阴离子一定时不对提高6.02%。尽管变化幅度.两种理论解释。氧传递理论认为同阳离子的催化活性顺序是Cs.不大却说明催化剂能够改善锅通过催化剂对气态反应物的作用> Rb>K>Na> Ba>li>Sr> Ca炉燃烧工况提高了锅炉热效率。能够促进燃烧。例如,在煤中加>Mg> Be另有Cr> Mn、Fe> Ni、前苏联曾在催化剂热发生炉入CuSO4 ,在加热条件下CuSO4 Co> Ca.Zn> AI、Cu>K等;当阳(流化床锅炉)上进行应用试验。分解生成Cu分子导致下列不分离子-定时不同阴离子的催化催化剂为粒状随固体燃料一起枝链锁反应:活性顺序是0H- >CO32- > c1-在炉内流化燃烧,料层温度为2Cu + O2= 2CuO>S042- ,另外Ac-的活性常在800C~850C炉膛容积热强度2CuO+ C= 2Cu+ CO2OH-和CO3?-上下46-7。为4.1868x10k