IGCC 与多联产

1. IGCC与多联产 王灵梅　教授　 2008年3月8日

2. IGCC • 　整体煤气化联合循环( Integrated gasifica2tion combined cycle , 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 • 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

5. 煤的气化 • 通常是指在气化剂的参与下,在一定的温度和压力条件下,把煤炭转化成可燃气体的过程。现IGCC 中有的采用空气或空气—水蒸气混合气体为气化剂,气化产物为低热值煤气;有的采用氧气或富氧气体为气化剂,气化产物为中热值煤气。煤在气化炉中燃烧,产生的高温用来切断煤中的高分子化学键,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。

10. 净化系统 • 气化炉的净化是将煤中的灰分转变成易清洁处理的玻璃态渣, 气化炉内温度维持在1 400 ～1 600 ℃,使煤中所含的大量矿物性的灰份被熔化成为灰渣,煤中约90 %的灰份变成渣,10 %的灰份成为飞灰。气化炉采用液态排渣,渣在水槽中淬冷成半径为5mm 左右的不可浸出的玻璃状颗粒渣,其主要成分是Si 、Al 、Fe 和Ca 等无害的惰性物质,无二次污染,是良好的建筑材料,亦可以作为磨料、绝缘材料或筑路材料出售

11. 除尘 • 常温煤气净化系统一般都采用文丘里湿法洗涤器除尘。粗煤气离开气化炉后,经过初步冷却,进入陶瓷管过滤器或旋风分离器进行初级除尘,粗颗粒循环回气化炉,粗煤气接着进入文氏洗涤器精除尘,把细颗粒的飞灰除净,使煤气的含尘浓度降至1～2mg/ Nm3 ,收集的飞灰可作水泥原料,对环境无害。

12. 脱硫 • 常温脱硫一般采用MDEA 脱硫工艺。煤中的硫份在气化炉中部分转化成硫化物(主要是H2S 和少量的COS) 留在粗煤气里。粗煤气逐步冷却至40 ℃左右进入常温脱硫装置,脱硫吸收剂尽可能地吸收煤气中的H2S 成为富液,富液经解吸释放H2S ,再生出的吸收剂循环使用,分离出的H2S 输送到其后的Claus 硫回收装置中生成元素硫,硫磺纯度在99 %以上。回收副产品硫磺可以提高综合利用效益。如果采用COS 水解装置把COS 转化成H2S ,脱硫率可进一步提高到98 %以上。

13. 粗煤气净化系统 • 粗煤气净化系统主要进行粗煤气的除尘和脱硫,可以分为常温净化和高温净化两种。目前,由于高温净化还不成熟,投入商业运行的IGCC 电站的净化措施都采用常温净化系统,同时采用显热回收系统,尽量减少粗煤气显热和潜热的损失。

14. 燃气轮机 • 进入燃气轮机燃烧室内燃烧,推动燃气轮机膨胀做功。燃气轮机出口的烟气温度约为560 ℃～600 ℃,为充分利用烟气余热和使汽轮机与燃气侧匹配,余热锅炉内布置有蒸发器、过热器、再热器。由于余热锅炉内的烟气流量非常大,在较低的烟气能级处只加热给水不能完全利用烟气的余热,不仅原来的300 MW 机组热力系统中的1 号、2 号、3 号高压加热器和5 号、6号低压加热器应该切除,而且在余热锅炉内产生部分低压蒸汽与再热蒸汽一道进入汽轮机中压缸内做功。

15. 制氧空分设备 • 　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O2 (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N2 (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,常温制氧。前者主要是基于深冷法制氧,技术成熟可靠,生产能力大,所得氧气纯度高。目前占整个制氧市场的85 %。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

16. 耗能太大。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 %。Proxair 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。至今的研究表明,商业规模的陶瓷膜晶片模块能够在2. 93 MPa 下可靠运行,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[13 ] 。

17. 理论基础 • 煤气化原理 • 蒸汽－燃气联合循环理论 • 系统集成优化理论

19. 系统集成优化理论 • 系统集成优化的范围包括不同尺度过程-企业-园区-区域，集成内容包括物质集成、能量集成、水集成、信息集成。集成的方法有直观判断法、热力学方法、人工智能法及数学规划法。 • 系统集成优化不仅考虑过程系统本身内部不同物理尺度的集成优化，还要充分考虑过程系统与生态系统之间的集成优化，这时就要将生态因子纳入过程系统的综合、设计、运行和控制中。这些生态因子包括可获取资源的特性、环境的迁移特征、生态承载力甚至生态美学观念等。系统集成优化要求在低水平层次上，要计算生态系统的环境容量和生态承载力；在高水平层次上，还要考虑美学、生态和谐等综合性抽象性的目标。

20. 燃气和蒸汽动力联合循环 • 把燃气轮机和蒸汽动力装置联合成为一个整体的装置。根据热力学第二定律,对任何一种热力发动机,循环工作介质的加热温度越高 放热温度越低,热效率就越高。20世纪70年代末,燃气轮机中的燃气初温已过1200℃,加热温度是很高的,但它的放热温度也高,约为450～550℃，不少热量随排气进入大气，故热效率最高只达38％。现代的大型蒸汽动力装置因受结构和材料的限制，新蒸汽温度一般不超过 600℃，但它的放热温度也较低，热效率最高只达38～39％。燃气-蒸汽联合循环装置(简称联合循环装置)能把两者的优点结合起来 它的循环既具有燃气轮机的加热高温，又具有蒸汽动力装置的放热低温，从而有较高的热效率。   联合循环装置的设想在燃气轮机发展早期就已经提出，大约在60年代初便有了较成熟的、利用排气余热的联合循环装置。此后以石油和天然气为燃料的联合循环装置得到了广泛的应用。以煤为燃料的“整体”联合循环发电装置正在兴起，许多国家都很重视燃煤联合循环装置的研究工作。联合循环装置的排气余热利用、煤气化和沸腾燃烧等几种主要形式。

22. 物质集成 • (1) 过程层次的物质集成 • 碳集成是煤利用过程中典型的物质集成，其目的是如何通过碳集成减少煤炭能源利用过程CO2排放。 • 图是一个考虑碳集成的能源系统示意图。这个能源系统能够控制燃煤发电厂的碳排放，采用这种能源系统利用煤不会对全球气候变化或其他环境问题产生大的影响。空分气化变换贮存利用GTCC净化电CO2硫煤 • 图考虑碳集成的能源系统示意图

23. CO2 煤 气化 净化 变换 贮存利用 硫 空分 GTCC 电

24. 系统集成优化理论 • 水系统集成技术是把企业或生态工业园的整个用水系统作为一个有机的整体来对待，考虑如何分配个用水单元的水量和水质，以使系统水的重复利用率达到最大，同时废水排放量达到最小。 • 图3-14为以电厂为核心的水资源综合利用示意图。它是一个包含了废水直接回用、废水再生回用和废水再生循环用水系统，在该系统内，水资源得到了分级利用。

25. 系统集成优化理论 • (1) 过程工业水集成 • 过程工业是用水大户，也是废水排放大户。因此，过程工业的节水减排具有重大的经济和环境需求。在实际生产过程中，有四种常用的节水方法： • ⅰ 改善工艺过程，减少过程的耗水量。 • ⅱ 废水直接回用，从某个用水单元出来的废水直接用于其他用水单元而不影响其操作。 • ⅲ 废水再生回用，从某个用水单元出来的废水经处理后用于其他用水单元。 • ⅳ 废水再生循环，从某个用水单元出来的废水经处理后回到原单元再用。

26. 地表水 水处理 循环冷却水 冷水塔 除尘用水 电厂水资源 景观生态用水 工业用水 工业废水 废水处理 水产用水 地下水 地表水 生活用水 生活污水 污水处理 其他用水 纯净水厂 锅炉用水 汽轮机 供汽 灌溉用水 供暖 外排

27. 能量集成 • 能量集成主要是从全局出发，对整个系统的能量需要、能源供给进行分析，合理调整供求关系，在保证能源供应的前提下，优化用能、梯级用能，并对高能耗企业通过联营机制，降低用能成本。能量集成可在过程-企业-区域-城市-全球不同尺度上实现。

28. 能量集成

29. 信息集成 • 生态工业园将利用先进的信息技术对园区内的各种信息整合和集成，其中包括各企业的生产信息、经营状况、市场信息、污染排放和环境影响以及技术信息、人才信息、法律和法规信息等。建立完善的信息数据采集系统、数据存储库、计算机网络和电子商务平台，并为园区管理者提供信息管理系统，为园区的发展、决策、管理和维护提供支持。信息集成将促进园区内的物质循环流动和能量高效利用，推动整个生态工业系统的演化与发展。

31. IGCC的特点 • 　我国以“煤为基础”的能源格局在未来几十 • 年里不会改变,我国电力的主要来源依然是煤 • 电。为了保证电力的高效、清洁生产和可持续供 • 应,需要发展高效的洁净煤发电技术。目前能够 • 满足这一要求的技术只有超超临界循环和 • IGCC。

32. IGCC的特点 • IGCC 具有燃料适应性广的特点,特别适合 • 利用我国的高硫煤。此外,随着国内对石油燃料 • 的需求越来越大,国际油价持续走高,液体燃料 • 的安全供应已经成为影响国家安全的一个重要

33. 可持续发展的原则必然会使电力行业及电力设备制造行业面临除尘、脱硫、脱硝的问题,此后还会面临脱汞,减排二氧化碳的问题。作为全球第二大CO2 排放国,我国已经面临减排的压力,2012 年以后,很可能要承担减排义务。这对于我国的火力发电行业来说是个巨大的负担。IGCC 系统能够以较低的成本富集和减排CO2 ,实现CO2 的利用。据文献[ 15 ] ,减排CO2 时,IGCC 需要减少5 %的出力,增加30 %的投资,发电成本提高25 %;超超临界则会减少28 %的 • 出力,投资增加73 % ,发电成本上升66 %。由此可见,相对超超临界循环, IGCC 应对CO2 减排具有很大的优势

34. 多联产: 具有发展前途的综合解决方案

35. 多联产 • 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；利用高硫煤扩展了煤炭资源 • 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柴油，氢等替代燃料，缓解和缓冲石油进口压力 • 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 • 有助于解决快速城市化引起的小城镇和农村洁净能源需求： • 为不同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 • 满足未来减排二氧化碳的需要 • 煤气化系统可以以较小的增加成本捕捉二氧化碳 • 很容易为未来氢能经济提供氢能

36. cc—E cc—E 气化炉 G 煤 液体燃料L cc—E 氧 储、运 交通运输 燃料电池发电 水、煤气 变换及分离 cc—E 氢气 三、IGCC多联产 • 原理图 两种匹配方案： A：G≈E+L， E≈L B：G≈E≈L，以电定液

37. 资源/能源/环境一体化系统

38. 多联产系统的简单图例

39. 因素。基于煤气化的合成液体燃料(如甲醇、 • DME) 被认为是替代石油燃料的重要物质。目 • 前,众多企业(主要是煤炭企业) 纷纷上马煤化工 • 项目,生产合成油。IGCC 同这些化工合成都是 • 基于煤气化的,它们能够很好地耦合,形成电化 • 多联产系统,降低生产成本,同时确保我国能源、 • 电力的安全供应。从这一角度来讲, IGCC 符合 • 国家安全的需要,必然引起重视。

40. 电-甲醇多联产—串联/一次通过/不设变换 Conc. CO2 out: 13% dilu. CO2 out: 87% 201 g /MJ (MeOH+elec) Pure elec_CO2=235g/MJ CO2_reduction=15% h=47.2%

41. 煤气化系统具有方便捕捉二氧化碳的“天性” CO2 concentrated Carbon CMeOH Polygeration CO2 in flue gas

42. 电-甲醇多联产—串联/一次通过/设变换 Conc. CO2 out: 65% SHIFT dilu. CO2 out: 35% 74 g/MJ (MeOH+elec) CO2_reduction=69% Assume MeOH_CO2=10g/MJ Elec_CO2=107g/MJ Elec_CO_recover rate=55% h=39.1%

43. 中国能源科技发展路线图 • 包括近期（至２０２０年）重点发展节能和清洁能源技术，提高能源效率，力争突破新一代零排放、多联产整体煤气化联合循环、增压流化床联合循环技术等，解决ＣＯ２捕捉、储存与利用的关键技术并进行技术示范，推进煤炭高效液化技术、煤基醇醚和烯烃代油技术进入工程示范和大规模应用阶段，积极发展安全清洁核能技术和非水能的可再生能源技术，前瞻部署非传统化石能源技术。

44. 中国能源科技发展路线图 • 中期（２０３０年前后）重点推动核能和可再生能源向主力能源发展。突破快中子堆技术并实现其核电机组商业示范发电，核乏料有效利用和安全处置技术等。突破太阳能高效转化技术及太阳能电热集成应用系统，突破光合作用机理并筛选或创造高效光生物质转换物种，实现农业废弃物、纤维素、半纤维素高效物化／生化转化技术的工业示范和规模产业化，突破智能能源网格和发展氢能体系。

45. 中国能源科技发展路线图 • 远期（２０５０年前后）建成中国可持续能源体系，总量上基本满足中国经济社会发展的能源需求，结构上对化石能源的依赖度降低到６０％以下，可再生能源成为主导能源之一。重点发展可再生能源技术规模化应用和商业化，力争突破核聚变能技术。

46. 谢谢！