有關(guān)IGCC的一般性介紹

有關(guān)IGCC的一般性介紹IGCC的基本原理IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)）發(fā)電技術(shù)是“綠色煤電”技術(shù)的基礎(chǔ)，IGCC的基本原理可簡要概括如下：干煤粉和氣化劑（氧和水蒸汽），在氣化爐內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)，生成粗煤氣，粗煤氣經(jīng)過凈化（除塵、脫硫等）后生成潔凈的煤氣（CO+H2），大部分潔凈煤氣供給燃氣輪機燃燒發(fā)電，燃氣輪機的高溫排氣又供給蒸汽輪機系統(tǒng)發(fā)電；剩余一小部分潔凈煤氣供給多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行化工原料的生產(chǎn)，形成煤電化的綜合利用模式，以提高能源利用效率和經(jīng)濟效益。IGCC是目前在國際上被驗證的、能夠工業(yè)化的、大容量化的、最潔凈的高效煤炭發(fā)電技術(shù)。只有實現(xiàn)IGCC示范電站的成功，才能在此基礎(chǔ)上進行“綠色煤電”工程后續(xù)各階段的技術(shù)研發(fā)與集成示范。發(fā)展IGCC的意義及優(yōu)勢它與直接燃煤發(fā)電技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢和意義：1、污染物脫除的效率高、投資低IGCC的IG部分（IntegratedGasification—整體煤氣化），其最大的特點是在煤氣燃燒前就將污染物排除。煤在氣化爐中生成粗煤氣，粗煤氣可采用目前成熟的可資源化的化工凈化及回收工藝處理，能實現(xiàn)99%以上的污染物脫除效率，還能在比較容易地使NO排放控X制在較低水平。此外，煤氣凈化系統(tǒng)比煙氣凈化系統(tǒng)簡單、規(guī)模小，且投資成本相對較低。2、 發(fā)電效率提高（約提高到50%?60%）IGCC的CC部分（CombinedCycle聯(lián)合循環(huán)），指的是燃氣輪機和蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)。它結(jié)合了燃氣輪機平均吸熱溫度高（1300C?1500C）和蒸汽輪機平均放熱溫度低（32T左右）的優(yōu)點，增大了熱力系統(tǒng)平均吸熱溫度與平均放熱溫度之間的溫差，從而提高了發(fā)電的效率（熱力學(xué)原理）。3、 能實現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)和副產(chǎn)品的綜合利用氣化爐出來的煤氣，除了用于供給燃氣輪機發(fā)電外，還可以用于化工產(chǎn)品（例如合成胺、甲醇、二甲醚等）的生產(chǎn)。此外，氣化爐排除的灰渣可作為良好的建筑材料用，被脫出的硫可以被回收（回收率接近99.8%），這些都便于整個系統(tǒng)綜合利用效率的提高。4、 有助于CO2的處理IGCC為燃煤發(fā)電處理CO提供了一條可行的途徑，采取目前成熟的2工藝即可分離85%以上的CO2,可在不遠的將來實現(xiàn)包括CO2在內(nèi)的燃煤污染物的近零排放。5、IGCC還能與燃料電池、HAT（HumidAirTurbine濕空氣透平）循環(huán)等先進的發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，形成更高效率的發(fā)電方法。IGCC電站的空分系統(tǒng)空分系統(tǒng)是IGCC電站中一個重要的功能島，是電站中廠用電耗最高且最有優(yōu)化潛力的部分。通過優(yōu)化空分系統(tǒng)，廠用電可以顯著降低。IGCC電站中，按照空分系統(tǒng)壓縮空氣的提供方式，主要分為三種：1、獨立空分系統(tǒng)：即空分系統(tǒng)由專門配備的壓縮機提供壓縮空氣，由于這種方式與燃機沒有直接聯(lián)系，空分系統(tǒng)可以在燃機未啟動時提前啟動（一般空分系統(tǒng)的啟動在48小時以上），而對燃機工作沒有干擾；另外，獨立空分的IGCC系統(tǒng)調(diào)節(jié)比較簡單，變負荷時只需調(diào)節(jié)空分壓縮機進口導(dǎo)葉片即可，而且此時的壓縮機出口空氣壓力比較穩(wěn)定，不會造成氧氣濃度的波動；但這種系統(tǒng)的投資和廠用電耗都比較高。2、 完全整體空分系統(tǒng)：即空分系統(tǒng)所需的壓縮空氣，全部來自于燃機系統(tǒng)的壓氣機。由于燃機壓氣機具有更高的效率，而且減少了專門壓縮機的投資，所以，這種系統(tǒng)的投資和廠用電耗都較少；但其缺點是空分系統(tǒng)的啟動必須在燃機處于正常條件下才能啟動，且運行過程中燃機與空分系統(tǒng)相互影響，所以其啟動復(fù)雜，運行過程中調(diào)控困難，對負荷的變化非常敏感。3、 部分整體空分系統(tǒng)：即空分系統(tǒng)設(shè)一個30%?70%負荷的壓縮機，而剩下的部分則由燃機系統(tǒng)的壓氣機提供。這種技術(shù)的啟動和運行難度介于以上兩種系統(tǒng)之間，但系統(tǒng)更為復(fù)雜。國外四個典型的IGCC電站為空分系統(tǒng)的運行積累了豐富經(jīng)驗。其中美國WabashRiver電站采用低壓獨立空分，三級水冷離心壓縮機，氮氣不回注方案，使得電站的廠用電率僅為12.25%;而美國另一個IGCC電站Tampa采用高壓獨立空分，高壓氮氣增壓回注的方案，雖然廠用電率仍維持在較高的21.19%（空壓機為產(chǎn)生高壓氣體耗功較多），但由于壓縮氣體壓力能得到回收，電廠凈效率達到了42%。在歐洲，荷蘭Buggenum電站和西班牙Puertollano電站都采用了完全整體高壓空分和高壓氮氣增壓回注方案，其廠用電率分別降低到10.92%和10.45%。但由于完全整體空分啟動方式以及運行調(diào)控復(fù)雜，使得兩個電站出現(xiàn)了啟動時間長、全廠跳閘幾率高、負荷變化率受限等問題，最后只能增加50%負荷的獨立空壓機輔助啟動，等到運行穩(wěn)定后，再切換為燃機壓氣機提供全部的壓縮氣體進行正常工作。IGCC電站發(fā)展正面臨著投資和運行成本高的瓶頸，通過空分系統(tǒng)的優(yōu)化以降低系統(tǒng)的投資和運行成本，是提高IGCC電站的經(jīng)濟性的重要途徑。集成技術(shù)兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)西安熱工研究院于1997年提出了兩段式干煤粉加壓氣流床氣化技術(shù)。兩段式干煤粉加壓氣化爐分為上爐膛和下爐膛兩段，爐內(nèi)壁是水冷壁式。下爐膛是第一段，占總煤量約80%的煤粉噴入下爐膛，與同時噴入的水蒸氣和氧氣發(fā)生氣化與不完全氧化反應(yīng)，使爐膛內(nèi)溫度維持在1300一1600。，生成高溫煤氣。高溫煤氣進入上爐膛，熔融渣沿水冷壁面流至氣化爐底部水浴凝結(jié)成固狀顆粒。上爐膛為第二段，占總煤量約20%的煤粉被噴入該反應(yīng)區(qū)，同時也噴入過熱蒸汽，利用一段爐膛生成的高溫煤氣的顯熱進行熱裂解和部分氣化（未氣化的煤粉經(jīng)過除塵收集后返回到磨煤機）。由于沒有注入氧氣，本段發(fā)生的是吸熱反應(yīng)，降低了爐內(nèi)的高溫煤氣溫度。在水冷壁的作用下，氣化爐出口的高溫煤氣溫度進一步降低到約9000（灰熔點以下），這樣就避免了高溫煤氣中攜帶的灰渣在廢熱鍋爐中凝結(jié)堵塞管道。第二段爐膛的設(shè)置省去了冷煤氣循環(huán)流程，降低了廢熱鍋爐與除塵器內(nèi)的煤氣流量，從而減小了其尺寸；利用下爐膛的煤氣顯熱進行煤的熱裂解和部分氣化，較大幅度地提高了總的冷煤氣效率和熱效率，其中冷煤氣效率比Shell氣化工藝提高了2~3個百分點。

具有自主知識產(chǎn)權(quán)的兩段式干煤粉加壓氣化爐，其核心技術(shù)和整體工藝已獲得國家發(fā)明專利。該技術(shù)于2000年完成了700kg/d的小試研究。在此基礎(chǔ)上，在國內(nèi)首次建成日處理煤量進行了36t/d（10MWth）水冷壁式干煤粉加兩段式干煤粉加壓氣化爐壓氣化中試裝置，并于2006年通過了168連續(xù)運行測試，通過科技兩段式干煤粉加壓氣化爐部組織的項目驗收，現(xiàn)已連續(xù)運行2000小時以上。通過中試的研究，積累了大量的實驗數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗，驗收結(jié)論認為此技術(shù)已具備的工業(yè)放大的條件。驗收達到了如下技術(shù)指標：碳轉(zhuǎn)化率：98.9%比氧耗：298.6Nm302/1000Nm3（CO+H2）比煤耗：518.2kg/1000Nm3（CO+H2）冷煤氣效率：83.2%有效氣成份（CO+H2）：91.74%另外，國內(nèi)化工設(shè)計建設(shè)單位已具有設(shè)計建設(shè)國際先進水平的大容量煤氣化爐的經(jīng)驗?；ぴO(shè)計院已對兩段式干煤粉加壓氣化爐做出初步論證，認為該技術(shù)已具備放大到2000噸/天的能力。國外未來煤電的發(fā)展動態(tài)簡述美國、日本和歐盟等國家和地區(qū)關(guān)于IGCC及未來煤電的最新發(fā)展計劃，從中可以看出國際上未來煤電的發(fā)展趨勢。一、美國的計劃美國十分重視潔凈煤發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)，將潔凈煤發(fā)電技術(shù)列為國家能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和國家能源安全戰(zhàn)略的重要組成部分。關(guān)于未來煤炭發(fā)電的技術(shù)路線，美國在超超臨界發(fā)電技術(shù)和IGCC之間選擇了IGCC。從1985年到2000年期間，美國先后部署了5輪“清潔煤發(fā)展計劃(CCT)”，先后建成了CoolWater(100MW,1984年)、LGTI(160MW,1987年)、WabashiRiver(260MW,1995年)、Tampa(250MW,1996年)和PinonPine(100MW，1997年)等5座IGCC示范電站。美國能源部對IGCC示范電站的資助比例均在50%以上，有的高達80%以上。所有美國的IGCC示范項目均采用美國本土的技術(shù)，通過政府的支持和示范項目的帶動實現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展。進入21世紀，美國基于其IGCC的技術(shù)基礎(chǔ)，開發(fā)未來近零排放的煤基能源系統(tǒng)。2002年，美國能源部部署了新一輪清潔煤創(chuàng)新發(fā)展計劃(CCPI)，2004年美國能源部正式啟動了“未來電力”(FutureGen)項目。計劃投資10億美元，花十年時間，建成世界上第一座近零排放的煤炭發(fā)電廠，該電廠的折合功率為275MW,可同時生產(chǎn)電力和氫，并進行二氧化碳的分離和儲存，發(fā)電效率達到50%-60%，實現(xiàn)包括二氧化碳在內(nèi)的污染物近零排放，并可根據(jù)市場需求調(diào)節(jié)發(fā)電和制氫的比例。該系統(tǒng)的流程如圖1所示。二、 歐盟的計劃在歐盟的支持下，荷蘭的Buggenum(253MW)和西班牙的Puertollano(300MW)兩座IGCC電站分別于1994年和1997年建成并投入運行，參與的國家有荷蘭、德國、西班牙、法國等，IGCC示范電站所采用的技術(shù)也全部來自歐盟國家。從技術(shù)的角度看，歐洲的IGCC示范電站技術(shù)更先進，這些示范電站使歐洲的煤氣化技術(shù)和燃氣輪機技術(shù)得到了巨大的發(fā)展。2004年，歐盟在其“第六框架計劃(FP6)”中，啟動了名為HYPOGEN的計劃，其目標是開發(fā)以煤氣化為基礎(chǔ)的發(fā)電、制氫、以及二氧化碳分離和處理的煤基發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)煤炭發(fā)電的近零排放。三、 日本的計劃日本非常重視IGCC的研究開發(fā)，走的是一條自主開發(fā)的道路。從煤氣化技術(shù)到燃氣輪機技術(shù)，在政府和企業(yè)的共同努力下，取得了較大的進展。目前，日本正在建設(shè)一座250MW空氣氣化的IGCC示范電站，預(yù)計2009年投入運行。面向未來，日本新能源開發(fā)機構(gòu)（NEDO）于1998年在“新陽光計劃”中，提出了名為EAGLE（CoalEnergyApplicationforGas,Liquid&Electricity）的計劃。該計劃以煤氣化為核心，以煤氣凈化、燃氣輪機和燃料電池發(fā)電、交通用液體燃料為主要內(nèi)容，目標是實現(xiàn)煤潔凈高效地轉(zhuǎn)化為電力及液體和氣體燃料的技術(shù)和工藝。EAGLE計劃的流程圖如圖2所示，目前，日本已在若松建成8MW中試廠。2004年，日本在“煤炭清潔能源循環(huán)體系（C3）”中，提出了以煤炭氣化為核心、同時生產(chǎn)電力、氫和液體燃料等多種產(chǎn)品、并對二氧化碳進行分離和封存的煤基能源系統(tǒng)，并在“面向2030年的新日本煤炭政策”中明確將此技術(shù)作為未來煤基近零排放的戰(zhàn)略技術(shù)，以及實現(xiàn)循環(huán)型社會和氫能經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)技術(shù)。四、其他國家的計劃澳大利亞制定了Coal21計劃，其路線圖也是將基于煤氣化的發(fā)電、制氫、合成氣生產(chǎn)及二氧化碳分離和處理系統(tǒng)作為未來近零排放的發(fā)展方向。加拿大制定了2020年潔凈煤技術(shù)路線圖，并開始執(zhí)行ZECA計劃，目標是開發(fā)先進的煤制氫和二氧化碳分離和儲存技術(shù)。2004年國際能源署（IEA）開始研究未來煤電的路線圖，主要技術(shù)方向也是基于煤氣化的發(fā)電、制氫及二氧化碳分離和處理。燃料電池發(fā)電技術(shù)1839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了“燃料電池”這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機和電極過程動力學(xué)的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀50年代才有了實質(zhì)性的進展，英國劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應(yīng)用于阿波羅（Apollo）登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時，兆瓦級的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領(lǐng)域中得到應(yīng)用。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)從外部源源不斷地向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極（負極即燃料電極和正極即氧化劑電極）以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應(yīng)。原則上只要