清洁煤发电的CCS和IGCC联产技术

专家论述清洁煤发电的CCS和IGCC联产技术屈伟平(解放军76410部队，广西桂林541001)摘要:煤气化联合循环(IGCC)发电技术是煤气化和燃气——蒸汽联合循环的结合，是当今国际新兴的一种先进的清洁煤发电技术，其具有高效、低污染、节水、综合利用好等优点。碳捕捉及封存技术(CCS)和整体煤气化联合循环技术(IGCC)被认为是最有潜力的技术。文中简要介绍了整体煤气化联合循环(IGCC)系统、构成及发展现状，总结了二氧化碳的收集方式和封存方法。指出了成本问题是困扰CCS和IGCC的联产应用的主要障碍，并提出了几点发展措施。关键词:IGCC；CCS；洁净煤发电技术；可持续发展QUWeiping(PLADivision7640,Guilin5400,China)收稿日期:2009-12-02中图分类号:TM923.34文献标识码:C文章编号:029-273(200)04-000-080引言随着国家对能源需求的不断扩大，主要提供能量的化石燃料资源正在迅速地减少，而化石能源的过度开发、利用带来环境污染和全球气候异常的问题更加突出。煤的高效、清洁利用，是我国经济和社会可持续发展的战略选择，是保证我国能源稳定可靠供应以及可持续发展的重要基础。因此，发展高效、洁净煤发电技术迫在眉睫。整体煤气化联合循环(IntegratedGasificationCombinedCycle，IGCC)发电技术是新一代先进的燃煤发电技术，它既提高了发电效率，又提出了解决环境问题的途径，为燃煤发电带来了光明，其发展令人瞩目。从大型化和商业化的发展方向来看，IGCC把高效、清洁、废物利用、多联产和节水等特点有机地结合起来，被认为是21世纪最有发展前途的洁净煤发电技术。2009年11月25日，国务院总理温家宝主持召Abstract:TheIntegratedGasificationCombinedCycle(IGCC)powergenerationtechnologyisanintegrationofgasificationandgas-steamcombinedcycle.ItisoneoftheadvancedCleanCoal(CCT)powergenerationtechnologiesemergingintheworldnowadays.IGCChashighefficiency,lowpollution,lesswaterconsumption,andgoodcomprehensiveutilization.CarbonCaptureandSequestration(CCS)technologyandIGCCtechnologyareconsideredtobethemostpromisingtechnologies.ThispaperbrieflyintroducestheIGCCsystem,itscompositionanddevelopment,andsummarizesthewaysofcollectingandsealingcarbondioxides.Also,itpointsoutthatthecostisthemainobstacletoapplicationsoftheCCSandIGCCcogenerationandthenproposesseveraldevelopmentmeasures.Keywords:IGCC;CCS;CleanCoalPowerGenerationTechnology;SustainableDevelopmentCCSandIGCCCogenerationTechnologyofCleanCoalPowerGenerationPOWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS2开国务院常务会议，研究决定到2020年我国控制温室气体排放的行动目标。会议决定，到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。目前，全球普遍公认的降低二氧化碳排放方法是CCS(碳捕捉及封存技术)。该技术要求首先对燃煤发电中产生的二氧化碳进行捕捉和收集，然后将收集到的二氧化碳必须运送到一个合适的场所进行封存。CCS和IGCC被认为是最有潜力的技术，二者结合，将能实现二氧化碳的零排放，大大提高燃煤效率。2009年11月，奥巴马访华带来的第一个实质性的合作项目：GE与神华集团于11月17日签署协议,将开展战略合作以进一步提高IGCC技术商业,合作扩大煤气化技术在中国工业领域的应用并共同推动和促进带有CCS技术的IGCC商业应用。化石能源的碳排放系数都很高,其中煤炭的排放系数最高。目前美国等发达国家和地区在探索的清洁煤技术主要就是CCS和IGCC发电联产技术。1IGCC技术1）IGCC系统及构成IGCC发电技术是指将煤炭、生物质、石油焦、重渣油等多种含碳燃料进行气化，将得到的合成气净化后用于燃气-蒸汽联合循环的发电技术(图1为典型的IGCC原理示意图)。整体煤气化联合循环系统(IGCC)主要由两部分组成，煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、煤气净化设备、空分装置。第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。系统流程为：使煤在气化炉中气化成为中热值煤气或低热值煤气，然后经过处理，把粗煤气中的灰分、含硫化合物等有害物质除净，供到燃气-蒸汽联合循环中去燃烧做功，借以达到以煤代油(或天然气)的目的。从系统构成及设备制造的角度来看，这种系统继承和发展了当前热力发电系统几乎所有技术，将空气分离技术、煤的气化技术、煤气净化技术、燃气轮机联合循环技术以及系统的整体化技术有机集成，综合利用了煤的气化和净化技术，较好地实现了煤化学能的梯级利用，使其成为高效和环保的发电技术，被公认为是世界上最清洁的燃煤发电技术，从根本上解决我国现有燃煤电站效率低下和污染严重的主要问题。(1)气化炉气化炉是IGCC系统的关键设备之一，在煤气化过程中，部分碳在燃烧区的氧化气氛下燃烧，产生的高温用来切断煤中高分子化学键，使其与气化剂反应，生成含有CO、H2、CH4等可燃气体的合成煤气。当气化剂是氧气时生成中热值煤气；当气化剂是空气时，因其含有大量氮气，生成低热值煤气。气化炉的发展已有很长的历史，技术也比较成熟。应用于IGCC气化站的炉型有喷流床气化炉、流化床气化炉和固定床气化炉。通常，用以图1典型的IGCC原理示意图3下一些技术指标来衡量气化炉工作性能的好坏：①碳的转化率：即煤中所含的碳元素在气化炉中转化成为煤气成分中含碳量的百分数。②冷煤气效率：即气化生成的煤气的化学能与气化用煤的化学能的比值。③热煤气效率：即气化生成的煤气的化学能与煤气中回收的热能之和除以气化用煤的化学能。此外，还有煤气化炉的负荷跟踪能力、产气能力、煤气热值及其可靠性等指标。目前，普遍看好的气化炉主要是以氧气为气化剂的喷流床气化炉。主要包括：TEX-ACO炉、E-GAS炉、PRENFLO炉和SHELL炉。前两者为水煤浆供料方式，后两者为干粉供料方式。气化炉仍存在着不足，研究和开发大容量和能量转化率很高的气化炉是最终试验IGCC发电方案的关键所在。(2)煤气的净化设备煤在IGCC的气化炉中气化成为粗煤气时，原煤中所含的相当一部分灰分、硫分、氮分以及碱金属盐和卤化物等都会转移到粗煤气中去，它们将以不同尺寸的尘粒、H2S+CO2、NH3+HCN、钠盐和钾盐的蒸汽以及氯化氢+氟化氢等形式存在于粗煤气中。这些有害物质若未除尽，不仅会导致燃气炉的腐蚀、磨蚀和结垢，影响其使用寿命和工作可靠性，还会影响周围环境，同样会造成因烧煤而带来的污染问题。因此，要实现IGCC的安全可靠、清洁发电，必须在进入发电设备之前将杂质脱除。目前，在IGCC中使用的粗煤气净化系统有“常温湿法的净化系统”和“高温干法的净化系统”。当前所应用的气体净化系统以湿法除尘常温脱硫的净化技术较为成熟。它先用水洗除灰和杂质，然后煤气进入脱硫装置脱硫，净化效果好。由于在净化前，先要将高温煤气冷却降温，虽然可以回收部分煤气显热，但由于能量的品位降低，会对IGCC的供电效率产生不利的影响。因此，人们希望在IGCC中改用高温干法的净化系统和设备，力求充分利用粗煤气的显热，以提高能量转换效率，降低能量分配系数值，使粗煤气的净化系统得以简化。相对于常温湿法的除灰脱硫方案来说，在改用高温干法脱硫方案后，供电效率有望提高0.7%～2％，但是高温干法净化系统目前还在试验阶段。(3)制氧空气分离设备为了提高气化炉的单炉产气率并获得高热值煤气，要求供给气化炉所需的纯氧或高浓度的富氧气化剂，需设置制氧空分设备及其系统。空分设备主要包含O2制备和N2制备装置。在IGCC系统中，通常需要制备高纯度的(一般在95％以上)作为气化剂；对于干煤粉供料的气化装置，还需要制备高纯度的(纯度大于99.9％)用于煤粉的输送和飞灰再循环。制氧技术可以分成两大类：低温制氧和常温制氧。前者主要是基于深冷法制氧，一般需把空气冷却到-172℃左右才进入制氧过程，目前占整个制氧市场的85％。深冷的空分设备比较成熟，但是投资比较高，尤其是耗能太大。常温制氧方法目前还不具备大规模提供高纯度氧气的能力。目前正在研究使液氮和液氧，先增压后气化的空分和基于离子转移膜技术的空分等低能耗、低投资的新型空分制氧技术，将有效降低IGCC电站厂用电率，提高净效率。(4)燃气轮机IGCC是以燃气轮机为主的联合循环，其热功转换利用的核心部件是燃气轮机，加入系统的全部或大部分热量先在高温区段借助燃气轮机实现高效热功转换，输出有效功，然后充分回收燃气轮机排热产生蒸汽，再在中、低温区段通过汽轮机实现热功转换、输出有效功。燃气轮机性能的提高是发展IGCC的前提。IGCC电站中使用的燃气轮机由于其所用燃料的变化、需要同系统其他设备整合，与简单循环、天然气燃气-蒸汽联合循环中使用的燃气轮机都有很大的区别。因而需要在原有的天然气燃气-蒸汽联合循环机组的基础上进行改造，甚至重新设计：①提高燃气轮机的初温、热效率和单机容量并降低其比投资费用；②改烧合成煤气，使同一台机组有混烧或单独燃烧多种燃料的问题；专家论述POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS4③燃气透平与压气机工质流量的匹配问题；④燃气轮机功率增大极限的控制问题；⑤改进燃气透平叶高温热障涂层的材料与运行状态的监护。(5)余热锅炉一蒸汽轮机性能先进的IGCC离不开高效率的蒸汽底循环，余热锅炉和蒸汽轮机系统不可避免要与煤气化、净化系统等进行质量、能量交换，因此IGCC蒸汽系统的连接、匹配与优化要比一般的联合循环复杂得多，也重要得多。为了充分地吸收各子系统的余热、废热，目前IGCC系统中，一般根据燃气轮机排气温度，合理地选择蒸汽循环流程，当燃气轮机排气温度T4低于538℃时，不采用再热循环方案；当高于580℃时，采用多压再热方案。另外，一般不从汽轮机排汽加热给水，同时尽可能提高蒸汽初温和初压，如Buuggenum电站采用双压再热方案(12.9MPa/511℃，2.9MPa/511℃)。随着燃气轮机初温的提高，IGCC中蒸汽循环完全有可能采用更高蒸汽参数，现在有学者在研究设计亚临界、甚至超临界的IGCC蒸汽系统。2）国际IGCC发电进展IGCC是在70年代初西方国家石油危机时期开始研究的。第一座IGCC示范装置是1972年在西德Lǔnen的Kellerman电厂建立的，功率为160MW，最终因气化炉不能很好地正常运行和生产的煤气中含有大量的煤焦油和酚，甚难处理，致使示范工程被迫停运。1984年5月，世界上第一座真正试运行成功的美国CoolWaterIGCC电站成功地验证了IGCC的可行性，该电站采用以水煤浆进料的Texaco气流床气化技术，净功率为93MW，累计运行25000h，供电效率为31.2％(HHV)。该电站的成功运行，彻底地解决了燃煤电站固有的污染物排放严重的问题，被誉为当时最清洁的燃煤电站。此后，在美国的Loui