潔凈煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展路線

《熱能動力工程前沿課》

潔凈煤發(fā)電

技術(shù)發(fā)展路線蔡寧生清華大學(xué)熱能工程系2005月9月主要內(nèi)容潔凈煤發(fā)電技術(shù)簡介研究開發(fā)需求發(fā)展路線圖2003年，中國的能源消費量占到全球消費量的12.1%，成為僅次于美國的第二大能源消費國2003年我國能源狀況環(huán)境污染嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展面臨巨大壓力飛灰:70%,SO2:90%,NOX:67%,酸雨:82%SO2

排放量超過2000萬噸/年,1/3的國土遭受酸雨影響.直接應(yīng)用效率很低污染嚴(yán)重煤炭CO2EmissionStatusinChinaCO2EmissionbySectorinChinaSource:IEA,WorldEnergyOutlook2002潔凈煤發(fā)電技術(shù)簡介超臨界/超超臨界粉煤燃燒（SupercriticalorUltraSupercriticalPCC）循環(huán)流化床燃燒(CFBC)增壓流化床燃燒（PFBC）整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）新型“零排放”或“近零排放”技術(shù)粉煤燃燒發(fā)電系統(tǒng)蒸汽參數(shù)與效率的關(guān)系30MPa600℃一次再熱0.0065MPa0.003MPa二次再熱25MPa540℃120℃130℃1.251.1546454443424140凈效率(%)空氣系數(shù)排煙溫度蒸汽參數(shù)再熱蒸汽壓力水臨界狀態(tài)點的參數(shù)是：壓力22.115MPa，溫度374.15℃低于22MPa稱為亞臨界，17—22MPa稱為亞臨界機組當(dāng)水蒸汽壓力大于臨界壓力，為超臨界機組。典型的超臨界參數(shù)為：24.2MPa/566℃/566℃當(dāng)某一機組的主蒸汽參數(shù)至少滿足下列條件之一時，可認(rèn)為該機組屬于“超超臨界”機組——主蒸汽壓力大于等于27MPa主蒸汽壓力大于等于24MPa，且主蒸汽溫度大于等于580℃（主蒸汽溫度大于等于580℃，或/和再熱蒸汽溫度大于等于580℃）超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)類別效率供電煤耗（g/kWh）年耗煤量（萬噸）亞臨界機組39-41%33015859.47超超臨界機組45-47%28013456.52年節(jié)約煤量（萬噸）2402.95年減少SO2排放量（噸）29604.3年減少NOx排放量（噸）57670.8年減少CO2排放量（萬噸）4908.9超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢以“十一五”投產(chǎn)8738萬千瓦煤電計對超臨界粉煤燃燒的評述成熟可靠效率有望50％SO2排放200-400mg/m3NOx排放100-200mg/m3(SCR),400-800mg/m3(低NOx燃燒)粉塵10-50mg/m3CO2排放問題對循環(huán)流化床燃燒的評述

小規(guī)模有優(yōu)勢(100-300MWe)大規(guī)模向高參數(shù)發(fā)展改進固體排放碳損失，燃料混燒旋風(fēng)分離器隔熱層熱裂問題SO2排放400mg/m3NOx排放400mg/m3粉塵50mg/m3CO排放135/GJN2O排放較高CO2排放問題蒸汽動力循環(huán)與燃?xì)廨啓C循環(huán)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC-CC)對PFBC的評述熱煙氣凈化&高蒸汽參數(shù)效率44％SO2排放217mg/m3NOx排放123mg/m3（SCR)粉塵30mg/m3(2級旋風(fēng)＋ESP）比PCC，CFBC復(fù)雜效率和環(huán)境潛力不如IGCC開發(fā)商調(diào)整了進一步的開發(fā)推廣Niche（特殊應(yīng)用）技術(shù)煤炭氣化技術(shù)煤炭氣化的原則流程第二代PFBC-CC空氣鼓風(fēng)氣化聯(lián)合循環(huán)(ABGC)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)IGCC的特點分析煤通過在氣化爐中氣化為中低熱值煤氣，再將粗煤氣中的灰分和其它有害化合物等加以凈化后，實現(xiàn)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電，既提高燃煤電站的發(fā)電效率，又解決燃煤所帶來的環(huán)境污染問題。具有提高發(fā)電效率的潛力，目前技術(shù)水平的凈發(fā)電效率已達到42－45％，通過進一步發(fā)展可提高到50％以上。目前單機容量已能達到300－400MW級，已經(jīng)具備轉(zhuǎn)入商業(yè)化運行的基礎(chǔ)。IGCC在目前潔凈煤發(fā)電技術(shù)中能夠解決污染問題最徹底，廢物處理量最少，特別適合高硫煤，且耗水量較常規(guī)粉煤電站少。

IGCC的特點分析（續(xù)）煤經(jīng)氣化后，不僅可用于發(fā)電，還可生產(chǎn)煤基液體燃料和高附加值化學(xué)品，實現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)綜合利用，有利于降低生產(chǎn)成本。對目前使用油氣的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機組，當(dāng)油氣資源枯竭或價格高昂時，IGCC是改造的最佳方案，且便于現(xiàn)有蒸汽電站的增容改造。IGCC系統(tǒng)較為復(fù)雜，目前電站投資和發(fā)電成本較高，對制造工藝要求較高，特別是依賴于高效率、大容量的煤氣化及凈化設(shè)備和燃?xì)廨啓C的設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)展IGCC技術(shù)的意義帶有脫硫/脫硝的超臨界/超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是未來20年內(nèi)的主流技術(shù)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）和多聯(lián)產(chǎn)以及煤氣化燃料電池發(fā)電技術(shù)是10年以后的主要技術(shù)選擇之一

IGCC減排CO2的成本低，在CO2列入發(fā)電成本時，具有商業(yè)竟?fàn)幜Πl(fā)展IGCC包含系統(tǒng)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，可以促進其它能源技術(shù)的進步IGFC(EAGLE)IntegratedCoalGasificationFuelCellCombinedCycle(coalEnergyApplicationforGas,LiquidandElectricity)潔凈煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢

多聯(lián)產(chǎn)空氣分離氣化高溫凈化空氣煤石油焦生物質(zhì)O2N2,Ar天然氣熱/電/冷聯(lián)產(chǎn)

IGCC

orGCC化工產(chǎn)品液體燃料其他合成氣變換反應(yīng)蒸汽氣體分離熱/電/冷聯(lián)產(chǎn)燃料電池大規(guī)模發(fā)電埋存干冰化工藻類生長強化石油和煤層氣開采CO2+H2CO2H2商業(yè)樓宇住宅多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品：1、城市煤氣2、電力3、供熱/冷4、液體燃料5、化工產(chǎn)品6、二甲醚7、氫氣8、純CO2資源/能源/環(huán)境一體化能源系統(tǒng)以煤氣化為核心的多種CCT模式氣、油、萘等煤、生物質(zhì)、廢塑料等的混合氣化生物質(zhì)煤廢塑料氣化渣精煉鐵聯(lián)合生產(chǎn)化工原料聯(lián)合生產(chǎn)鋼合成氣制氫CO2分離/回收消費者使用/運輸氫站固定式燃料電池H2儲存氣化爐有效利用甲醇、乙酸等化學(xué)油鐵礦石精煉鐵鼓風(fēng)爐CO2電力IGCC/IGFCDME,GTL鍋爐電廠、車輛等燃料電池車輛燃料電池：工作原理及方式

發(fā)電原理：電化學(xué)方式——等溫的將貯存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能

工作方式：內(nèi)燃機方式——只要供給燃料和氧化劑，就可以連續(xù)輸出電能SOFC技術(shù)：管型電堆結(jié)構(gòu)Source:SiemensWestinghousePowerCorporation,2001西門子西屋公司研制的

SOFC/燃?xì)廨啓C混合系統(tǒng)Source:SiemensWestinghousePowerCorporation,2001SOFC/gasturbinehybridsystemof300-kW-classSOFC/gasturbinehybridsystemof220kWFutureGen零排放煤制氫ZECA

R&D3科學(xué)技術(shù)示范推廣基礎(chǔ)理論關(guān)鍵技術(shù)裝備工程政策法規(guī)潔凈煤發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)需求PCC,CFBC:低NOx燃燒;改進FGD;低成本煙氣de-NOx;SO2/Nox聯(lián)合脫除;改進ESPs;降低輔助功耗;混燒;超臨界CFBC;CFBC副產(chǎn)品利用;CFBC隔熱層材料開發(fā)PFBC:特殊應(yīng)用(混燒,劣質(zhì)煤);混合氣化燃燒示范研究開發(fā)需求(續(xù))USCPCC:新型高溫合金材料開發(fā);鎳基合金部件的制造工藝;降低使用貴重合金材料的設(shè)計;示范運行IGCC:可靠性,可用率;隔熱層材料;合成氣冷卻器材料及防沉積;給煤;轉(zhuǎn)換效率;混合氣化;干法氣體凈化;燃用合成氣的燃?xì)廨啓C;規(guī)模放大研究開發(fā)需求(續(xù))Fuelcells:SOFC制造及材料;規(guī)模放大;合成氣的應(yīng)用降低投資和運行成本改善環(huán)境性能近零排放研發(fā)需求以燃燒為基礎(chǔ)的發(fā)電系統(tǒng):采用化學(xué)吸收劑劑（新型反應(yīng)劑）洗滌煙氣CO2的大規(guī)模工業(yè)示范;采用物理吸收劑洗滌CO2;采用吸附劑的CO2

分離方法的開發(fā);開發(fā)CO2

分離膜;

近零排放研發(fā)需求(續(xù))以燃燒為基礎(chǔ)的發(fā)電系統(tǒng):采用氧氣燃燒的粉煤，循環(huán)流化床鍋爐的材料開發(fā);煤－氧氣燃燒工業(yè)示范;開發(fā)空分離子交換膜;采用離子交換膜制氧的工業(yè)示范;合成氣的O2

燃燒;用于合成氣O2

燃燒的CO2/蒸汽透平的開發(fā);采用改進系統(tǒng)顯著降低常規(guī)污染物的排放AirAirSeparationN2,ArFuelCombustionO2Oxy-fuelCombustion:OverallConcept“Capture-Ready”PlantESPFGRFlueGasRe-circulationsystemafterESPforreturnofCO2richgastoburnersincludesfansStackCO2H2OO2MostlyFor“Capture-Ready”PlantcostofASUoffsetagainstDe-NOxplantnotrequiredLowerDe-SOxplantinvestmentandO&Mcostsasonly~1/3fluegasrequirestobetreatedFGD近零排放研發(fā)需求(續(xù))以氣化為基礎(chǔ)的發(fā)電系統(tǒng):開發(fā)從變換合成氣中分離CO2

的膜技術(shù);其它從變換合成氣中分離CO2

的方法;

制氧用離子交換膜;采用離子交換膜制氧與以氣化為基礎(chǔ)的發(fā)電系統(tǒng)的集成;近零排放研發(fā)需求(續(xù))以氣化為基礎(chǔ)的發(fā)電系統(tǒng):燃料電池的開發(fā);氫氣輪機的工業(yè)示范(性能,壽命);靈活的液體燃料、氫和電力的聯(lián)產(chǎn);與相關(guān)的行業(yè)物流/能量流的集成;與CO2

埋存結(jié)合的工業(yè)示范近零排放研發(fā)需求(續(xù))降低CO2

捕集和常規(guī)污染物排放的成本

潔凈煤