IGCC技术在我国发展前景.pdf

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1、燃气轮机发电技术 1999 年第三期 1IGCC 技术在我国发展前景 董卫国 危师让 国家电力公司热工研究院联合循环研究中心 【摘要】本文简要阐述了整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术的优势，介绍了国外 IGCC 发展概况和目前建成的几个大容量示范电站的调试运行情况。结合我国 IGCC 示范工程，介绍了前期研究工作的主要结论和在我国建设示范工程的技术路线及技术要求。一、引言 70 年代初期的石油危机，给世界带来巨大影响和冲击。西方主要工业国家政府从本国经济发展和国家安全的战略角度考虑，推行能源多样化的政策，并鼓励发电行业燃料多样化。根据对世界能源结构的分析，普遍认为煤的储量大、价格稳定、比较

2、容易获得，但煤在燃烧过程中对环境造成的影响是一个不容忽视的问题。因此，各国政府在考虑利用储量丰富的煤炭资源的同时，积极推动洁净煤技术的研究与开发工作。经过几十年的努力，不同形式的洁净煤发电技术得到了很大发展。整体煤气化联合循环（IGCCIntegrated Gasification Combined Cycle）发电技术由两大部分组成，即煤的气化和净化部分及燃气蒸汽联合循环发电部分。煤经过气化和净化后，除去煤气中的硫化氢、粉尘等污染物，将固体燃料转化成燃气轮机能燃用的清洁的气体燃料。由于采用了燃气蒸汽联合循环，大大提高了能源的综合利用效率。从 70 年代开始，一些工业发达国家就有计划地开展了

3、IGCC 发电技术的开发研究。第一个成功进行 IGCC 发电工业性示范的是 1984 年投运的美国 Cool Water 电站。这个示范电站的重要意义在于证明了 IGCC 发电技术的可行性，取得极好的环保性能，被称为“世界上最清洁的燃煤电站”。得益于近十余年来燃气轮机技术的迅速发展，目前燃气轮机单机功率超过 200MW，燃用天然气或油的联合循环发电净效率已超过 58。随着燃气温度的进一步提高和蒸汽循环的优化，下世纪初联合循环发电效率可望达到 60。因此，IGCC 发电技术已经大型化，正走向商业化应用。在目前技术水平下，IGCC 发电的净效率可达 4345，今后可能达到 52或更高，而污染物排放

4、量仅为目前发达国家先进环保标准的若干分之一。既有发电的高效率，又有极好的环保性能，因而成为世界瞩目的极有发展前途的一种洁净煤发电技术。二、国外 IGCC 示范电站 从 19931997 年，欧、美各国相继建成了 4 座 250300MW 的 IGCC 示范电站。美国能源部自 1986 年开始实施了一项清洁煤技术示范计划，经 5 轮招标，共选中 45 个项目，总投资 69.7 亿美元，能源部拨款占 34。其中 IGCC 项目 6 个，总投资 21.7 亿美元，占总投资的 31。美国 Wabash River IGCC 示范机组，是一个老厂改造项目，采用 Destec 气化炉，GE7FA 型燃气轮

5、机，利用原有 100MW 蒸汽轮机。电站净功率 262MW，设计净效率 40（LHV）。1993 年 9 月破土动工，1995 年 8 月完成电站各分系统调试，8 月底气化炉开始投煤，至 11 月中旬完成了整个电站的整体燃气轮机发电技术 1999 年第三期 2化试运行和初步试验。从 1995 年 12 月开始为期三年的示范运行，截止到 1998 年 6 月，气化炉累计运行 8658 小时，气化炉最长连续运行 514 小时，最长检修间隔 46 天，燃气轮机烧煤气累计运行 7972 小时，燃用煤气最长连续运行 476 小时。1998 年除带基本负荷外，有时也燃用燃油带尖峰负荷。在两种运行方式下燃气

6、轮机都能稳定运行，且对电网的适应性良好。系统经进一步优化，电站效率已超过设计值1.2 个百分点。美国 Tampa 电站 IGCC 机组采用 Texaco 气化炉和 GE7FA 燃气轮机。净功率为 250MW，设计净效率 41（LHV）。1994 年 10 月开始安装，1996 年 7 月首次投运煤气化炉，9 月首次燃用煤气发电，机组于 9 月底投入商业运行，开始为期 4 年的示范运行。至 1998 年 10 月底气化炉累计运行超过 10000 小时，燃气轮机燃用煤气累计运行 9000 多小时，最大出力达 250MW，燃气轮机燃用煤气最长连续运行时间 840 小时。在调试和运行过程中出现的两个主

7、要问题是：气/气热交换器的堵塞、腐蚀和泄漏；细渣分离系统不能满足运行要求。最终拆除了气/气热交换器，虽然采取了一定措施机组效率仍比设计值低约 1.5 个百分点。分别气化 Pittsburgh8 煤和 Kentucky11 煤并进行了试验。Tampa 电站今后将提高可用率，降低运行成本；改善机组热效率；高温煤气净化系统的投运；不同煤种试验等方面进一步做工作。荷兰Buggenum电站IGCC示范机组净功率253MW，采用Shell气化炉和西门子V94.2燃气轮机，1990年开始建设，1994年4月正式用煤气发电。气化炉运行正常，但由于采用完全整体化空分系统，机组启动困难，后改用蒸汽注入方法解决启动

8、问题。燃气轮机在燃用合成煤气时曾经发生振荡燃烧，1996年更换改进的燃烧室后已基本解决。1996年9月继续执行示范计划，到1998年8月已经在40%到100%负荷之间进行了十个煤种试验，机组累计运行超过10500小时，最长连续运行800小时，机组净效率达到设计值，全厂可用率达到85%，气化炉可用率达到95%，1999年1月正式转入商业运行。西班牙的Puertollano IGCC示范电站采用Prenflo气化炉，西门子公司的V94.3型燃气轮机，净输出功率300MW，气化炉气化能力为2640 t/d，是目前世界上最大的燃煤IGCC电站，净效率45（LHV）。1994年4月动工建设，1996年4

9、月燃气轮机开始燃用天然气调试，1998年4月开始燃煤进行整体调试，到1998年8月机组燃用煤气累计运行198小时，机组燃用煤气最长连续运行25小时。由于燃气轮机在燃用合成煤气时存在与Buggenum电站相似的振荡燃烧问题，现正由西门子公司进行改造。美国另一个 IGCC 示范电站也已在 Pinon Pine 建成。采用 KRW 增压流化床空气气化技术，并示范高温陶瓷过滤器和移动床高温脱硫技术。气化煤能力 881t/d，联合循环发电系统由一台 MS6001FA 型燃气轮机发电机组，一台双压余热锅炉及其汽轮机发电机组组成。机组净出力 99.7MW，机组净效率42%(LHV)。该电站于 1995 年

10、2 月开始动工建设，1996 年 9 月 18 日联合循环装置首次燃用天然气运行，1998 年 1 月开始燃用煤气进行调试。此外，在欧美和日本等地，还有多座已建成或在建的以石油焦或渣油为燃料的 IGCC 电站。下表汇总了国外部分 IGCC 电站的主要特性。燃气轮机发电技术 1999 年第三期 3国外已建成的主要 IGCC 电站 国 家 美 国 美 国 荷 兰 美 国 美 国 美 国 西班牙 电厂 Cool Water LGTI Buggenum Wabash ReverTampa Pinon Pine Puertollano投运时间 1984 1987 1994 1995 1996 1997

11、1997 净功率，MW 96 161 253 265 250 100 300 净效率，%31.2(HHV)34.2(HHV)43(LHV)40(LHV)42(LHV)42(LHV)45(LHV)气化炉型 Texaco Destec Shell Destec Texaco KRW Prenflo 气化炉容量 t/d 1000 2200 2000 2500 2000 880 2640 气化炉台数 2 台 一开一备 1 台 1 台 2 台 一开一备 1 台 1 台 1 台 燃机型号 GE-7E WH-510D V94.2 GE-7FA GE-7FA GE-6FA V94.3 燃机功率，MW 65 1

12、05 156 198 192 61 190 燃机初温，1085 1090 1105 1260 1260 1288 1250 净化方式 湿 式 湿 式 湿 式 干式除灰 湿式脱硫 湿式10干式示范 干 式 干湿式除灰湿式脱硫 汽机功率，MW 55 128 104 121 46 145 主蒸汽参数 MPa/8.6/510 12.1/2.9/0.5/511 10.3/3.1/510/510 9.9/538/538 6.363/510 12.7/3.7 总投资亿美元 2.63 4.62 3.58 5.06 2.32 6.91 三、中国 IGCC 示范项目 自改革开放以来，我国电力工业取得了举世瞩目的成

13、就。到 1998 年底，全国装机容量已达 2.77 亿千瓦，发电量达到 11577 亿千瓦时，均居世界第二位。1996 年我国 6MW 以上机组共燃煤 360.05Mt/a,，排放粉尘 3.95 Mt/a，SO2 6.0 Mt/a，我国燃煤电厂NOx 排放浓度一般为 600-1500 mg/m3。从长远看，我国能源以煤为主的格局难以在短期内改变，但目前燃煤发电机组存在污染严重、发电效率低等问题，不能满足我国下世纪电力工业发展的需要。面向 21世纪，必须依靠科技进步促进我国资源、经济和环境协调可持续发展。开发和采用洁净煤发电技术是这一发展的必由之路。在环保要求日益严格的情况下，对IGCC机组有极

14、大的市场需求。我国已将发展IGCC发电技术列入国家洁净煤发展计划、国家科技攻关计划和电力工业发展计划。（一）前期研究工作概况 1994 年 5 月国家计委、科委、经贸委及电力部、机械部、煤炭部联合组成中国 IGCC 示范项目领导小组，下设专家组及课题组。课题组于 1994 年至 1995 年进行了“IGCC 发电示范项目前期可行性研究”的专题研究（列为国家科委“八五”攻关专题）。在前期可行性研究期间组织了一系列考察、调研、学术交流和研讨会。课题组提出了“在我国发展整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术的论证与分析”、“我国整体煤气化联合循环（IGCC）示范电站初步方案分析”等技术报告。专题的研

15、究结果，充分肯定这一新技术在中国开发、推广的可行性、必要性和迫切性，其研究成果为我国有关主管部门进行科学决策，早下决心，建设一座 IGCC 示范电站提供了充分的依据，并为下一步工作奠定了良好的基础。（二）主要研究结论 1关于在我国发展 IGCC 发电技术的技术可行性 (1)在相当长的时期内煤电在我国电力工业中仍将起主导作用，但目前燃煤发电存在污染严重、效燃气轮机发电技术 1999 年第三期 4率低等问题，不能满足我国下世纪电力工业发展的需要。面向 21 世纪，必须依靠科技进步促进我国资源、经济和环境协调可持续发展。开发和采用洁净煤技术是这一发展的必然要求。(2)CFBC、PFBC、IGCC、超

16、临界技术等发展中的洁净煤发电技术，各有特点，在不同时间和条件下可以找到适合各自应用的场所。(3)IGCC 发电技术把高效、清洁、废物利用、多联产和节水等特点有机地结合起来，更符合 21 世纪发电技术的发展方向，同时能带动一批新技术和产业的发展。使用现有技术，IGCC 供电效率可达 45%左右，污染物排放水平最低。IGCC 发电技术已能大型化并已走向商业化应用，且在发展中不存在重大技术障碍。开发和采用 IGCC 发电技术对我国电力工业的发展具有重要意义。2关于在我国建设 IGCC 示范电站的技术路线和性能要求 (1)在我国建设 IGCC 示范电站，一方面是对新型发电技术的示范，另一方面要有商业运

17、行价值，在进行了一段时间的试验和示范运行后能转入正常的商业化运行。所以，在工艺技术、系统方案和设备的选择上既要考虑到一定的先进性，又要注意到成熟性和可靠性。(2)容量选择应适合我国电网容量的需要，有较好的实用和推广前途，并且具有较好的技术经济性能。按目前可用的燃气轮机组成 200MW400MW 等级的 IGCC 电站比较合适。在我国建设第一座示范电站的关键设备应以引进为主，采用技贸结合的方式，在高起点上发展我国 IGCC 发电技术，并为国产化创造条件。(3)应安排一定的示范期，通过示范期的试验、完善和优化最终对 IGCC 示范电站进行总体分析和评价，为今后发展和应用 IGCC 发电技术提供有益

18、的经验。(4)国外开发的煤气化技术有固定床、流化床和气流床三大类十余种炉型。根据 IGCC 发电的要求，对上述气化工艺的技术成熟性、单炉容量等级、技术性能等方面进行综合分析比较，目前几种气流床气化工艺适合于大容量 IGCC 发电工程。(5)煤气净化同时要满足燃气轮机对燃料的要求和环保标准对大气排放的限制。高温煤气净化可充分利用煤气显热，有助于提高 IGCC 效率，并可简化煤气冷却和净化系统，降低造价，但至今尚处于研究和工业性试验阶段，离商业化应用还有一定距离。现阶段在我国建设 IGCC 示范电站，还只能采用常温煤气净化工艺。(6)采用完全整体化的空分系统有利于提高机组的效率，但是会给电站的启动

19、和调节带来很大的困难。我国 IGCC 示范电站应在系统优化的前提下选择独立空分或部分整体化空分系统，不宜采用完全整体化的空分系统。(7)燃气轮机在 IGCC 电站中占有很重要的地位，用于 IGCC 的燃气轮机还必须具备燃用中热值或低热值煤气的能力和经验。余热锅炉和蒸汽轮机系统应与气化部分的蒸汽系统进行整体化设计，为充分利用燃气轮机排气的余热，余热锅炉和蒸汽轮机应尽可能采用有再热的三压或双压系统。(8)IGCC 整体系统的优化，包括流程与参数优化和系统的合理简化。（三）示范项目现状 燃气轮机发电技术 1999 年第三期 5华北电力设计院已完成北京三热和烟台电厂两个点的 IGCC 示范工程初步可行

20、性研究，并已于今年3 月分别由各自的主管部门审查通过。1997 年 12 月以山东烟台电厂为厂址的立项建议书已上报国家计委，正在审批中。在对外合作方面，希望形成竞争态势。近几年，电力部与欧、美有关政府机构和公司进行了广泛接触和交流，努力拓展合作与融资渠道。美国能源部、Texaco 公司、GE 公司、Shell 公司、亚洲开发银行等对我国 IGCC 示范项目都表示了极大的兴趣。四、IGCC 关键技术研究 由原国家科委主持并由原电力部作为项目组织部门，组织了“九五”国家科技攻关项目“IGCC 关键技术研究”项目和全部五个课题的论证。目前，项目和课题已由国家科委批准。该项目包括了五个课题共十七个专题

21、，有八个部委所属的十六个单位参加这个项目的研究工作。项目研究内容包括：1.IGCC 发电系统总体特性及运行、自控技术研究。主要研究 IGCC 发电机组热力系统及其特性；IGCC 发电系统经济性分析；启动运行方式和技术；自动控制技术。2.气化炉工程化关键技术研究与开发。主要内容有气化炉关键部件研究与开发（水煤浆喷嘴、炉内测温系统等）；气化炉工艺过程的数学模型的开发；气化岛系统工艺及设备优选。3.高温煤气除尘脱硫技术研究与开发。主要研究开发高温煤气除尘工艺和设备（金属烧结网过滤技术，移动颗粒层过滤技术）；高温煤气脱硫剂及脱硫和再生工艺；煤气净化工艺及设备优选。4.燃气轮机关键技术的研究。主要包括我

22、国燃气轮机发展战略研究；IGCC 电站燃气轮机选型原则和技术规范研究；燃用中、低热值煤气的燃烧室注水、蒸汽和回注氮的燃烧特性研究；压气机、透平通流部分设计计算方法及叶片研究分析。5.余热锅炉和蒸汽轮机技术及设计方法的研究。主要研究内容有余热锅炉和汽轮机组合的蒸汽系统优化设计；余热锅炉优化设计和结构分析；汽轮机通流部分优化设计。其中关于热力系统性能分析和系统及参数优化、IGCC 经济性分析等课题已开展工作，并取得了一定成绩，应用在与国外公司合作进行的初步可行性研究中，获得很好的效果。参 考 文 献 1 The U.S.Department of Energy and Tampa Electric

23、 Company,“The Tmapa Electric Integrated Gasification Combined Cycle Project,”Clean Coal Technology Topical Report Number 6,October 1996.2 McDaniel,John E.et al,“Tampa Electric Company Polk Power Station IGCC ProjectProject Status,”Presented at 1997 Gasification Technology Conference(San Francisco,Ca

24、lifornia),October 5-8,1997.3 The U.S.Department of Energy and Wabash River Coal Gasification Project Joint Venture,“The Wabash River Coal Gasification Repowering Project,”Clean Coal Technology Topical Report Number 7,November 1996.燃气轮机发电技术 1999 年第三期 64 Payonk,Richard J.and Stultz,Jack,“Operation Exp

25、erience at The Wabash River Coal Gasification Repowering Project,”Presented at 1997 Gasification Technology Conference(San Francisco,California),October 5-8,1997.5 The U.S.Department of Energy and Sierra Pacific Power Company,“The Pinon Pine Power Project,”Clean Coal Technology Topical Report Number 8,December 1996.6 Clean Coal Today,“Second Generation Coal Gasification Technology-Startup and Operation Phase in Pinon Pine IGCC Project,”Summer/Fall,1997.7 Maarten van der Burgt,“San Francisco Gasification Conference Now Addresses Real Issues,”Modern Power System,November,1997.。