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1、煤气化联合循环发电煤气化联合循环发电与多联产技术与多联产技术第第7 7章章煤气化联合循环发电与多联产煤气化联合循环发电与多联产第一节 IGCC简介第二节 煤化工多联产v煤现在是、将来仍是我国能源的主力。煤炭是中国最重要的能源，生产和消费的数量大、比重高，短期内难以替代。v煤用于发电的比例将越来越大。从目前的50%上升到70%以上，绝对量的增加更大。v煤的直接燃烧已引起严重的环境污染。70%80%以上的SO2，NOX，汞，颗粒物，CO2等。v煤的直接燃烧很难解决温室气体减排问题。v车用液体燃料短缺根本上还得从煤基替代燃料上找出路。石油缺口：2007年1.79亿吨，2010年2.5亿吨粮食乙醇：生
2、物柴油和玉米等纤维素合成的乙醇只能解决一部分液体燃料短缺问题。 煤基替代燃料v煤炭对我国来说也是稀缺资源，但相对于其它能源资源仍可“忍受”，若每年将煤炭产量的1/8用于车用液体燃料的生产，生产几千万吨的替代燃料，从总的能源供应角度不会带来很大的不平衡。煤基醇醚燃料的替代成为我国能源发展的战略方向。 v再生能源在2020年前不可能解决主要问题风电：装机1亿kW，折合满负荷2500小时，约为火电的1/3太阳能：热发电最多几万kW示范，光伏发电，不会比风电多。生物质能：可利用的农作物秸秆3亿吨标煤，可利用的森林3亿吨标煤，总量相当有限。不同于国外大农场，绝大部分生物质资源是高度分散的(中国小农经济)
3、。人均耕地少，人均秸秆占有量少。绝对不能照搬外国的做法。由于我国能源消费总量的急剧增长，可再生能源在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，因此2020年以前可再生能源在份额上不能解决我国能源的主要问题。 资源和环保呼唤煤的现代化利用！出路何在？v除了加速发展核电和可再生能源以外；v煤炭利用的可持续发展或现代化的煤炭利用技术（非直接燃烧方式）； v通过煤（或石油焦）气化和化工反应一次通过方式实现电力、液体燃料、化工产品、供热、合成气等的联产 。 这就是: 多联产第一节 IGCC简介v整体煤气化联合循环( Integrated gasification combined cycle
4、, IGCC) 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v特点：不仅可以很大程度上解决目前燃煤电站效率低、污染大的问题,而且也克服了天然气供应不足和价格昂贵的问题。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。我国电力行业的特点及应对策略特点“富煤、少油、有气”在能源生产和消费中，煤炭能源占75 %全国装机容量中火电占74.94 %，发电容量中火电占80.93 %火电机组中，中小机组占相当大的比例，带来低效率、高污染、高能耗等一系列问题应对策略降耗减排IGCC的工程背景及发展现状(IGCC)
5、是20世纪70年代初西方国家爆发石油危机时期开始研究开发的一项洁净煤发电技术1972年在德国Lnen的斯蒂克电站投运了世界上第一台功率为160MW的IGCC示范装置1984年五月在美国加州Daggett建成了100MW的Coolwater(冷水)示范电站后,在美国Louisiana州Plaquemine的DOW化学工厂又建设了一座160MW左右的IGCC示范电站(LGTI)整体煤气化联合循环(IGCC)采用了燃气蒸汽联合循环，大大提高了能源的综合利用率，实现了能量的梯级利用，从而提高了整个发电系统的效率，更为重要的是它较好地解决了常规电站固有的污染问题。我国发展现况国家于1994年成立了IGC
6、C示范项目领导小组，有计划地安排了IGCC研究课题19941996年华北电力设计院与美国Texaco和GE公司共同完成了200MW级和400MW级湿法加料IGCC项目初步可行性研究1997年华北电力设计院和西安热工研究院与Shell公司共同完成了300MW级和400MW级干法加料IGCC项目初步可行性研究为了在21世纪推广和应用先进的IGCC技术，国家已经完成了北京和烟台IGCC示范项目的可行性研究，国家计委已经批准在山东烟台建立300MW或400MW等级的IGCC示范电站IGCC发电技术的基本原理系统组成工作过程典型整体煤气化联合循环发电系统简图整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC
7、)(IGCC)发电的工艺流程发电的工艺流程煤气炉以空气或纯氧气为气化剂，使煤气化为中低热值的煤气煤气除尘和净化产生洁净煤气进入燃气轮机燃烧室燃烧带动电机发出电功率排气用于加热余热锅炉给水，产生的过热蒸汽带动蒸汽轮机做功IGCC的特点v优点优点粉尘、NOx、SOx的排放量小，能满足严格的环境要求供电效率高，能达到42%45%，最终可达50%52%，有利于减少CO2的排放。燃煤后的副产品如熔渣和飞灰可作建筑水泥材料，煤脱硫后的副产品可制得单质硫或硫酸，对环境无害，可以实现零排放。煤种适应性强。气化的合成煤气，也可制取甲醇、汽油、尿素等化学品，使煤得以综合利用。v缺点缺点技术尚未成熟，正在投运的几台
8、IGCC机组效率不高，可靠性差，运行及投资费用高，机组容量不大。IGCC各分系统空分系统燃气轮机蒸汽轮机余热锅炉气化炉煤气净化系统 制氧空气分离系统v分类(1)独立的空分系统v空分设备所需的空气由单独的压缩机供给。(2)部分整体化的空分系统v空分系统的空气由燃气轮机压气机和空气压缩机共同供给。(3)完全整体化的空分系统v空分系统所需空气全部由压气机供给。独立的和部分整体化的空分系统的供电效率较低这是因为空气压缩机的效率较低，且要消耗一定的厂用电。这种方案的运行调节性能较好。如果空压机采用多级中间冷却方案，对供电效率的影响将很小。完全整体化的空分系统的IGCC机组的供电效率较高能避免由天然气改烧
9、低热值煤气时对燃气轮机做较大改动，比投资费用也较低，但在IGCC机组启动过程中将遇到很大困难。目前采用最多的为部分整体化的空分系统综合了独立空分系统和完全整体化空分系统的优点，其供电效率略低，但运行调节性能好，净输出功率较大，而且能在炎热的夏季保持满出力运行。空分耗能太大v例如Cool Water ,WabashRiver , Tampa 电站中,空分系统消耗的能量占总的厂用电的70. 1 % ,75. 5 % ,82. 19 %。vProxair 公司正联合开发一种膜分离技术。该技术采用陶瓷膜,能够在800 900 高温下将O2 分离出来。商业规模的陶瓷膜晶片模块能够在2. 93 MPa 下
10、可靠运行,示范工程已经在1. 379 MPa 和800 900 下运行了5 000 h 。采用这种膜分离技术, IGCC 电站的净功率可以增加7 %,制氧能耗降低37 % ,空分系统设备总投资降低35 % ,整个IGCC 电站的比投资费用能够降低7 %左右 。燃气轮机 气化炉将向燃气轮机燃烧室提供发热量低于6280 的低热值煤气，由于低热值煤气的燃烧性能较差，不易于稳燃流经燃气轮机的燃气质量流率将有相当程度的增大，为此必须对燃气轮机或压气机进行改造，否则易发生喘振。供气化炉用的压缩空气直接从燃气轮机的压气机抽取，即采用部分或完全整体化的空分系统。缩小压气机的尺寸或放大燃气轮机的尺寸改变燃气轮机
11、第一级静叶的安装角，使其流通面积适当增大。同时适当关小压气机的进口导叶，以减少进入压气机的空气流率。采用这种方法时燃气轮机应有较大的喘振裕度。余热锅 炉v在采用单压汽水系统时，余热锅炉的排气温度仅能降低到160200左右v采用双压或三压的汽水系统，可以把排气温度降低到110120v余热锅炉的排气温度应比烟气的酸露点温度高10左右，可降低到8090，但增加锅炉的投资费用v余热锅炉能够快速启动，很快达到满负荷。设计余热锅 炉时采取以下措施v采用强制循环，加强快速启动时水循环的可靠性，同时可增大换热系数，减小锅炉的体积和重量，降低系统的热惯性。v锅炉运行中的升负荷速率主要受限于汽包的膨胀，因而应减薄
12、汽包壁，不应采取象常规电站那么高的蒸汽压力。典型IGCC电站v美国冷水电站美国加州冷水电站的IGCC机组为世界上第一台运行成功的IGCC机组，运行费用和比投资费用都很高，供电效率较低，仅为31.2%( HHV)。v美国Tampa电站目前Tampa电站暂时停运了洁净煤气加热器和回注N2气加热器，致使电站的供电效率从原设计值42%(LHV)降为37.8%(LHV)。v西班牙Puetollano IGCC 电站冷水电站IGCC机组工作系统Tampa电站的系统图Puetollano IGCC 电站示意图整体煤气化联合循环的关键技术v在IGCC发电系统中，燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和空分系统都是成熟技
13、术，所需解决的只是煤的大规模气化和煤气的净化问题。煤炭气化技术煤炭气化技术煤气净化技术煤气净化技术煤气气化技术v气化原理v气化过程煤中可燃物质煤中可燃物质（碳、氢碳、氢）气态形式存在的气态形式存在的CO、H2和碳氢化合物和碳氢化合物煤干燥煤干燥（失去外部、（失去外部、内部水分）内部水分）析出挥发份析出挥发份生成煤焦油、生成煤焦油、酚和某些气相的酚和某些气相的碳氢化合物固定碳固定碳加加粗煤气粗煤气氧气、氧气、水蒸气水蒸气和氢气和氢气生成生成CO、CO2和和CH4煤气净化技术v粗煤气(烟气)在进入燃气轮机前，必须经过除尘净化以达到其叶片保护标准v目的：燃气轮机安全可靠运行延长其经济寿命v根据煤气(
14、烟气)净化温度的不同，分类热态净化冷态净化热态煤气(烟气)净化同冷态净化相比，由于煤气(烟气)显热损失小，相应提高了煤气化热效率和IGCC系统的总效率。对IGCC来说，系统效率可以提高2 %3 %。煤气除尘技术v高温除尘技术高温除尘技术目前国际上运行的IGCC系统的典型除尘温度大致有250 C、371 C、593 C三种，其温度较低IGCC系统煤气为还原性气氛，除尘难度较高国际上IGCC系统除尘的基本路线：v第一级除尘以旋风除尘器分离掉10 m或15 m以上的灰尘颗粒；v第二级除尘进行更精细的气固分离，使煤气中颗粒粒度小于5 m。第二级除尘分为湿法除尘和干法除尘或综合湿法除尘和干法除尘。干法除
15、尘多选用刚性烛状陶瓷过滤器。煤气脱硫技术v按照温度来划分，煤气脱硫技术可以分为：常温脱硫技术(120 C左右)高温脱硫技术(600 C左右)常温脱硫技术比较成熟，含尘煤气首先经过文丘里湿式除尘器进行除尘和降温，再进行常温脱硫v主要包括以下几种主要技术：石灰和石灰石法氨水吸收法碱金属法其他方法整体煤气化联合循环的发展方向整体煤气化联合循环的发展方向 v当前IGCC技术一个研究热点是继续沿着传统研究方向延伸：一方面继续积极发展关键集成技术、以寻求新突破；另一方面深入研究各设备间的匹配与综合规律、以寻求系统整体综合优化。下一步的研究重点 v1)高性能的燃气轮机高性能的燃气轮机v2)适用于发电用途的大
16、容量、高性能适用于发电用途的大容量、高性能煤气化与煤气净化系统煤气化与煤气净化系统v3)新型空分技术新型空分技术 深冷法、变压吸附分离(PSA)法和膜分离法v4)优化的高效余热锅炉及蒸汽轮机系优化的高效余热锅炉及蒸汽轮机系统统第二节 煤化工多联产煤化工多联产系统的特点v以煤基清洁燃料和化工产品为主；以煤基清洁燃料和化工产品为主；v通过单元技术耦合简化流程；通过单元技术耦合简化流程；v通过资源优化配置、公用工程共享减少建设投入；通过资源优化配置、公用工程共享减少建设投入；v通过调整合成气循环比提高单元设备的效率；通过调整合成气循环比提高单元设备的效率；v灵活调整产品品种和产量；灵活调整产品品种和
17、产量；v尾气、废渣循环利用；尾气、废渣循环利用；v以减少投入（降低折旧）、提高效率（单台设备产以减少投入（降低折旧）、提高效率（单台设备产量提高）、废弃物利用达到经济效益最优化量提高）、废弃物利用达到经济效益最优化。整体煤气化联合循环（IGCC）多联产系统的简单阐释：煤气化发电联产甲醇Slurry Bed SynthesisMeOH/DME特点：特点：1 1、动力、动力/ /化工过程耦合化工过程耦合2 2、两个过程均简化、两个过程均简化3 3、经济性、经济性/ /可靠性提高可靠性提高原因：原因：联产高附加值液体燃料，降低了产品成本，联产高附加值液体燃料，降低了产品成本，可以简化系统，降低投资和
18、运行成本，提高系统可以简化系统，降低投资和运行成本，提高系统可靠性可靠性多联产是推动IGCC发展的重要途径vIGCC发展了几十年，虽然技术在不断的成熟，系统的可靠发展了几十年，虽然技术在不断的成熟，系统的可靠性在不断增强，但是还有很多问题存在，其自身的一些缺性在不断增强，但是还有很多问题存在，其自身的一些缺陷仍然是阻碍其发展的关键。陷仍然是阻碍其发展的关键。投资费用高投资费用高，经济上仍然无法与常规燃煤电站相竞争；，经济上仍然无法与常规燃煤电站相竞争；系统还不够成熟，运行经验不够，系统还不够成熟，运行经验不够，可靠性、可用率有待可靠性、可用率有待进一步提高进一步提高；操作不够灵活，一般操作不够
19、灵活，一般只能用作基本负荷电站只能用作基本负荷电站。v基于煤气化的多联产系统是将基于煤气化的多联产系统是将IGCC和煤化工技术耦合的能和煤化工技术耦合的能源系统，具有包括电力和化工产品的多种产品输出。源系统，具有包括电力和化工产品的多种产品输出。多联产：资源/能源/环境一体化能源系统多联产产品：1、城市煤气2、电力3、热/冷4、液体燃料5、化工产品6、氢气7、纯CO2多联产具有捕捉CO2 的天性v多联产是 可持续发展的, 技术上有良好继承性和可行性, 有良好经济效益 和 环保性能，是实现未来CO2捕捉和埋存的途径，它对于中国乃至世界都具有非常重要的战略意义。不需要特殊的技术突破, 同现有技术是
20、连贯一致的。富集的 CO2 容易捕捉和分离，易与天然气化工过程天然气化工过程衔接, 即多联产具有捕捉CO2 的天性。这是中国CO2 减排的战略方向。天然气、煤单产和联产制甲醇天然气、煤单产和联产制甲醇单产/联产天然气制甲醇煤制甲醇天然气和煤联产制甲醇天然气和煤联产制甲醇工艺天然气部分氧化重整水煤浆气化水煤浆气化+天然气部分氧化重整干煤粉气化+天然气部分氧化重整甲醇 万t/a50505050天然气耗量亿Nm3/a4.33 -3.32 2.74 煤耗量 万t/a-70.33 20.56 30.04 CO2排放排放量量万万t/a7.48 99.67 24.70 39.07 煤与天然气热值比-0.50
21、 0.89 热效率 %59.33 45.93 54.83 53.01 CO2减排vCO2排放和温室效应每年全球250多亿吨，中国已达60多亿吨CO2排放，位居世界第一。工业化150年来空气中CO2280ppm380ppm，目前仍在增加，3ppm/年，20世纪地表温升0.6v联合国气候变化框架协议UNFCCC京都议定书。我国2002年加入，第37个签约国。2005年2月16日，正式生效。作为一个负责任的大国，我国在不远的将来必然要承担一定量甚至大幅度的CO2减排国际义务，因此我国现我国现代化的能源发展战略必须从现在开始考虑将来中国代化的能源发展战略必须从现在开始考虑将来中国分阶段减排分阶段减排C
22、OCO2 2的问题的问题。 多联产:综合解决我国能源问题的重要方案v有助于缓解能源总量要求联合生产多种产品，效率提高可以减少总量需求；采用高硫煤拓展了煤炭资源的利用。v有助于缓解液体燃料短缺可以大规模地生产甲醇、二甲醚、F-T合成油和氢等替代燃料，缓解石油进口压力。v彻底解决燃煤污染问题完全消除常规燃煤污染物排放，重金属等痕量污染物脱除更经济。多联产:综合解决我国能源问题的重要方案v有助于解决快速城市化引起的小城镇和农村洁净能源问题：为具有天然气管道的城镇提供城市煤气煤制DME可以作为LPG的补充或替代物，很可能是小城镇，尤其是住宅高度分散的农村地区的最终能源解决方案v满足未来减排CO2的需要
23、煤气化系统可以以较小的成本捕捉CO2多联产系统主要关键技术大型煤气化技术系统优化集成及控制技术大型煤气净化技术大型空分技术燃气轮机技术燃气轮机是多联产系统中的核心技术燃气轮机是多联产系统中的核心技术v国家重大装备先进制造水平的标志v21世纪乃至更长时期内能源高效转化与洁净利用系统中的核心动力v以燃气轮机为基础的先进动力循环系统在能源与电力工业可持续发展中有长远的、全局性的、不可替代的战略地位。v多联产中采用的燃气轮机主要问题在于：原本设计适用于燃用天然气的燃气轮机燃烧组分复杂的低热值合成气产生时的特殊情况适应燃料组分各异的燃气轮机。例例1 1 能源化工联产能源化工联产 备备 煤煤 联联 合合
24、发发 电电合成气合成气生生 产产 FT合成合成 空空 分分甲甲 醇醇合合 成成 锅锅 炉炉 灰渣灰渣 利用利用氮气等氮气等 燃油燃油化工品化工品 热热 硫磺硫磺 甲醇甲醇 电电 建材建材例 2 间接液化多联产 备煤备煤合成气合成气生生 产产低温低温 F FT T 空空 分分甲甲 醇醇合合 成成锅炉锅炉 焦油焦油 回收回收 油品油品 加工加工石脑油石脑油 甲醇甲醇 柴油柴油甲醇甲醇精馏精馏含氧物含氧物 硫磺硫磺杂醇油杂醇油 LPG 焦油焦油 煤化工联产项目煤化工联产项目煤化工联产项目煤化工联产项目1 1 1 1 CO分离分离 气化气化 低温低温甲醇洗甲醇洗甲甲 醇醇合合 成成 燃气燃气 轮机轮机
25、醋酸醋酸合成合成 发电机发电机 醋酸醋酸 甲醇甲醇 电电煤煤 脱硫脱硫 蒸气蒸气 轮机轮机 废热废热 锅炉锅炉蒸气蒸气 氧气氧气 蒸气蒸气煤化工联产项目煤化工联产项目煤化工联产项目煤化工联产项目2 2 2 2 备煤备煤 联联 合合 发发 电电合成气合成气 生生 产产 FT合成合成 空空 分分甲甲 醇醇合合 成成氮气等氮气等燃油及燃油及化工品化工品 硫磺硫磺 甲醇甲醇电、热电、热锅炉锅炉特点：特点： 1 F-T合成、甲醇合成、发电串联设置；合成、甲醇合成、发电串联设置； 2 调整调整F-T合成循环比，提高设备能力，尾气合成甲醇；合成循环比，提高设备能力，尾气合成甲醇； 3 甲醇合成尾气发电，电力
26、供工厂自用。甲醇合成尾气发电，电力供工厂自用。煤化工联产项目煤化工联产项目煤化工联产项目煤化工联产项目3 3 3 3液化备煤液化备煤焦化化产焦化化产 炼炼 焦焦 膜分离膜分离煤气压缩煤气压缩直接液化直接液化 氢压缩氢压缩提质加工提质加工残渣热解残渣热解联合发电联合发电 油品油品 电力电力 化产化产 焦炭焦炭炼焦备煤炼焦备煤气化气化蒸汽轮机蒸汽轮机燃气轮机燃气轮机净化净化燃料合成燃料合成制氧制氧合成气合成气尾气尾气煤煤电电液体燃料液体燃料化学品化学品国际发展趋势国际发展趋势 美国近期多联产过程（美国近期多联产过程（EECP）示意图）示意图系统特征系统特征气化为中心，发电、合成燃料和化学品为重要内
27、容气化为中心，发电、合成燃料和化学品为重要内容Early Entrance Coproduction Plant欧洲欧洲Shell公司公司Syngas Park（合成气园）（合成气园）气化气化蒸汽轮机蒸汽轮机燃气轮机燃气轮机气体转化气体转化甲醇系列甲醇系列产品合成产品合成尾气尾气煤煤电电工业用气工业用气城市煤气城市煤气甲醇系列甲醇系列化学品化学品化肥化肥化肥合成化肥合成气体制备气体制备国际发展趋势国际发展趋势 欧洲欧洲Shell公司公司Syngas Park 概念概念系统特征系统特征从气化出发，发电、合成甲醇系列产品、化肥、气体制备从气化出发，发电、合成甲醇系列产品、化肥、气体制备国内多联产过
28、程示意图国内多联产过程示意图燃烧燃烧热解热解半焦半焦煤煤电电蒸汽蒸汽城市煤气城市煤气焦油焦油系统特征系统特征从热解出发，发电、蒸汽、煤气、从热解出发，发电、蒸汽、煤气、 焦油焦油国内发展状况国内发展状况 热解热解- 燃烧燃烧未来中国的煤多联产宏观系统举例未来中国的煤多联产宏观系统举例净净化化氢氢分分离离马达燃料等马达燃料等分精分精离制离制马达燃料马达燃料城市煤气城市煤气焦油焦油燃蒸燃蒸气汽气汽轮轮轮轮机机机机燃料电池燃料电池燃气燃气化学品化学品调调配配尾气尾气电电热热O2气气化化热热解解合合成成氢氢集成优化集成优化CO2吸收吸收化学品化学品煤煤污染控制污染控制多联产优越性的原理：在更大的尺度上
29、解决问题多联产优越性的原理：在更大的尺度上解决问题多联产优越性的原理：在更大的尺度上解决问题多联产优越性的原理：在更大的尺度上解决问题原料原料100%的转化的转化目标产物目标产物100%的收率的收率污染物排放控制污染物排放控制最经济的转化过程最经济的转化过程热力学限制热力学限制动力学限制动力学限制化学反应计量限制化学反应计量限制过程经济的限制过程经济的限制 现有状况：现有状况： 单一过程，原料在单一过程中单一过程，原料在单一过程中“吃干榨尽吃干榨尽”各方面的限制，难以实现理想目标各方面的限制，难以实现理想目标 多联产：多联产：多过程耦合、多产物制备，总体实现多过程耦合、多产物制备，总体实现“吃干榨尽吃干榨尽” 在大尺度层面解决效率、环境、效益问题在大尺度层面解决效率、环境、效益问题 任何任何化工化工过程过程原料原料产品产品原料原料副产品副产品污染污染理想：理想： 实际：实际：多联产原理：煤组成的复杂性及反应性的差异多联产原理：煤组成的复杂性及反应性的差异多联产原理：煤组成的复杂性及反应性的差异多联产原理：煤组成的复杂性及反应性的差异富氢部分富氢部分富富碳碳部部分分污染元素污染元素 易挥发富氢组份、难挥发富碳组份易挥发富氢组份、难挥发富碳组份 与易挥发、难挥发组份相结合的与易挥发、难挥发组份相结合的S、N谢 谢
