煤炭液化工艺学课程论文

煤炭液化工艺学课程论文

绿色煤电——IGCC技术简析

学院：应用技术学院

班级：化工09-1班16号

学生姓名：李茹莉

学号：21096566

指导老师：王月仑

时间：20120927

绿色煤电——IGCC技术简析

摘要：通过介绍世界先进国家在IGCC技术方面的研究与发展，说明IGCC是我国煤化工（尤其煤电行业）未来的绿色发展方向。本文简要介绍了IGCC工艺流程及其优势，并从气化炉的选型、燃气轮机功率提高、空分设备深冷方式三方面进行了简要技术分析。

关键词：IGCC 绿色煤炭发电

前言：自上世纪70年代以来，先进国家对IGCC技术进行了持续的研究和发展，国外IGCC技术已经取得了初步的成效，基本走过了商业示范阶段。面对全球气候变化的挑战，IGCC发电技术以其潜在的高效率和CO2减排优势受到了广泛关注。目前全球范围内正在建设或计划建设的IGCC电站共有50座，总装机容量25000MW，2008年处于积极推进状态的IGCC项目大部份都包含或者考虑了二氧化碳的捕集和处置问题[1]。这些项目呈现出来的发展趋势和特点，对于我国IGCC 示范电站的发展方向具有积极的借鉴意义。

IGCC是英文Integrated Gasification Combined Cycle的缩写，中文名字为“整体煤气化燃气-蒸汽联合循环”，它是将煤炭气化之后生成的合成煤气，经净化处理后，用于发电或化工生产的先进的动力与能源系统。

在国内已有华光股份、科达机电等多家IGCC上市股份公司。尤其山西潞安煤基合成油示范厂，该企业设计生产能力为16万t／a煤基合成油，联产18万t／a 合成氨、30万t／a尿素，同时利用系统排放的低热值尾气配1套11．5MWIGCC项目，是目前国内唯一一家真正实现基于煤的多联产示范项目[2]。

IGCC——整体煤气化燃气-蒸汽联合循环系统由以下几大部分构成，即：煤的气化系统；合成煤气的净化系统；空气制氧和制氮的分离系统以及燃气-蒸汽联合循环的发电系统。其工艺过程如下图所示：

煤经气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气透平作功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机作功。

图1：IGCC工艺流程

相对其他清洁煤发电技术来说，IGCC 具有以下一些突出优点：

（1）发电效率高，目前可达45%，继续提高的潜力大。

（2）与传统的燃煤方式不同。它能实现98%以上的污染物脱除效率，并可回收高纯度的硫、粉尘和其他污染物在此过程中一并被脱除。

（3）用水量小，约为同等容量常规火电机组的三分之一至二分之一。

（4）通过采用低成本的燃烧前碳捕捉技术可实现零碳排放。

（5）能与其他先进的发电技术如燃料电池等结合，并能形成制氢、化工等多联产系统。

IGCC 技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好的环保性能，是一种有发展前景的洁净煤发电技术。在目前技术水平下，IGCC 发电的净效率可达43%～45％，今后可望达到更高，而污染物的排放量仅为常规燃煤电站的1/10，脱硫效率可达99%，二氧化硫排放在25mg／Nm3左右。（目前国标二氧化硫为1200mg／Nm3），氮氧化物排放只有常规电站的15%--20%，耗水只有常规电站的1/3。

图2：二氧化碳排放比较、耗水量比较

通过对IGCC实际工艺生产的研究，气化炉、燃气轮机、空气分离装置是IGCC 技术高效实施的关键设备。

气化炉方面，壳牌气化炉具有产气热值高、煤种适应性广、停机维护时间短、负荷调节空间大、产气热值高，更适应IGCC电站采用。

（一）Shell气化炉的煤气中CO和H2含量远大于Texaco 煤气，而CO2和H2O却远小于Texaco 煤气。由于可燃气成分较高，其冷煤气效率较高(约80%～83%)，组

成的IGCC 电站发电效率也较高(43% LHV)。而水煤浆进料的冷煤气效率一般仅为74%～77%。组成的IGCC 效率也较低(41% LHV)。

图3：1、移动床技术；2、循环流化床技术；3、直接气化技术[3] （二）由于煤气中水分含量较少（2.0%），Shell气化炉组成的IGCC 因常温净化而损失的热煤气能量较小，而水煤浆进料的煤气中一般都含有16.8%左右的水分，那么当热煤气冷却到常温时，必然损失大量的显热和潜热。水煤浆进料气化工艺对高温净化的需求更迫切。

（三）Shell气化炉的喷嘴和水冷壁寿命较长，在Demkolec 电站累计运行10000h 以上未见损坏，气化炉的可用率已达到95%。

（四）由于采用干法进料，气化过程的氧耗比水煤浆进料少，煤气中的CO2 含量也远小于水煤浆进料的煤气。对于相同容量的气化炉，Shell气化所需的空分站可小于15%～25%。

（五）由于Shell气化炉采用4 个(或更多)喷嘴运行，易于在低负荷和高负荷下运行，操作的灵活性大，实现大型化的可能性大。Shell气化炉的最低负荷可达到25%，即一个喷嘴运行。气化炉的变负荷率每分钟大于5%，IGCC的变负荷率每分钟接近3%。

壳牌气化炉更适应IGCC电站采用。

燃气轮机方面，适应煤气的低热值的燃气轮机将成为首选机型。燃气轮机技术进步主要表现在单机容量增大、热效率提高与污染排放降低。目前燃气轮机功率已经超过300MW，简单循环热效率超过39%，联合循环热效率超过58%。干式低NOx 燃烧技术已使燃用天然气和蒸馏油时的NOx 排放量低于25ppm 和42ppm。大大提高了燃气轮机在能源与电力领域中的地位与作用。

对未来燃气轮机的构思将基于采用革命性新材料，燃烧器处于或接近理论燃

烧空气量条件下工作，t3将达1600℃～1800℃。现采用的熔点1200℃、密度为8g/cm3 的叶片超级合金将被淘汰，新的高级材料应是小密度（<5 g/cm3）的，有更好的综合高温性能，也许陶瓷材料是一种选择。

随着耐温材料的升级，燃气轮机的效率仍有可能进一步提高。

空分设备方面，目前仍以深冷技术为主，未来将有可能在PSA变压吸附空分技术方面有所突破。它的产氧能力决定了发电容量，而起停速度决定了电厂的变负荷能力。目前大容量空分主要是采用深冷方式，暂时无法采用PSA 变压吸附式方法和膜分离法，然而，采用深冷方式空分一方面耗能比较大（约占厂用电的10%-15%），另一方面起停需要若干小时，不利于调峰。而采用膜技术或者PSA 变压吸附方式电耗仅为深冷的三分之一，起停时间以秒计，若能够大型化，则将改善IGCC 电站的效率和调峰性能。

我认为，未来的空分设备将向膜技术和PSA 变压吸附方向发展。

总结：目前，在煤电行业中，IGCC技术在发电成本和系统运行的可用率等方面还略处劣势，但IGCC在实现煤炭的清洁利用和二氧化碳的减排方面却具有明显的优势。以1984年美国开发成功的IGCC冷水电站为例[4]，该系统污染物的排放量是美国当时制定的最先进的污染排放标准（NSPS）的1/10至1/3。

中国超过60%的能源来自于煤炭，超过70%的电力来自于燃煤发电，煤炭作为中国的主要能源的地位将难以发生根本性动摇。由于碳氢比高，煤炭燃烧将产生较多污染物以及碳排放，如果不能发展清洁煤技术，以煤为主的能源格局必将和低碳经济相抵触。

尽管目前国内还没有单独应用在发电领域的煤气化应用，我认为，绿色煤电项目将会获得国务院批准，成为政府大力推进的具有碳捕捉设施的IGCC 煤电站。

参考文献：

[1] 郑扬,曾妮.IGCC集高发电和环保于一体进入低碳经济快车道，经济日报. 2010,07,07

[2] 刘俊义,马军祥．煤制油多联产技术产品分布可控性探索[J]．煤化工,2011,39(3)

[3] 矫健.IGCC将成为未来煤电主流.清洁煤行业深度研究报告，2009,6,16.

[4] 冯文猛.IGCC技术和煤炭清洁利用.中国发展研究基金会研究参考，2010,8,（26）