IGCC与未来煤电

第38卷第2期中国电力Vol. 38, No. 22005年2月ELECTRIC POWERFeb. 2005q 发电技术士IGCC与未来煤电许世森(西安热工研究院，陕西西安710032)摘要:我国以燃煤发电为主的格局和可持续发展的要求决定了在我国发展洁净煤发电具有重要意义。从我国电力工业的现状和面临的挑战出发，按可持续发展的观点和未来社会对燃煤发电的要求，分析了目前各种洁净煤发电技术的优点和存在的问题，得出ICCC具有可持续发展的诸多特性,是一种可实现高效低污染的先进燃煤发电技术。从美国、日本等国未来燃煤发电的发展计划可以看出:以IGCC为基础，将煤.制氢、燃料电池发电、液体燃料生产、CO2分离和处理等过程集成的能源系统是未来燃煤发电技术的重要发展方向，它可实现燃煤发电的高效率和近零排放，符合可持续发展的要求。关键词: ICCC; 煤电;洁净煤发电技术中图分类号: TK229文献标识码: B文章编号: 1004-9649(2005 )02-0013-05占80%;水电装机容量约占25%，发电量约占20%;1洁净煤发电技术是中国电力工业发展的核电和新能源发电所占比例很小。中国电力工业提战略选择高效率、降低污染的首要任务是如何提高燃煤发电的效率并降低污染排放,因此,洁净煤发电技术理应从我国的能源资源及技术经济发展水平看,煤炭是中国电力工业可持续发展的战略选择。在今后相当长的时期内仍将是我国的主要能源。到21世纪中叶，煤炭在我国--次能源中所占比例仍将2未来社会对煤电的要求在50%以上,但煤炭的大量开采和利用也带来了严重的环境问题.燃煤是SO2.NO, .CO2排放的主要来源。当今人类面临四大环境问题:大气烟尘、酸我国CO2排放量仅次于美国居世界第2位,而雨、温室效应和臭氧层破坏。未来社会对燃煤发电且不断增加，由温室气体引起的全球变暖是当前也技术的要求首先是控制主要污染,重点将控制SO2、是未来能源和环境问题中最引人关注的热点及难NO,、细微粉尘(PM10. PM2.5)和重金属(Hg等)的排点，对于能源结构以煤炭为主并且在相当长的时期放。燃煤发电CO2的控制将越来越受到重视,也是内难以根本改变的我国更是--种严峻挑战。未来燃煤发电面临的主要技术障碍。电力可实现一切能量形式的相互转换，是最清除各种污染物外，现有的燃煤发电过程还产生洁的能源。电力是现代社会使用最广、需求增长最快固体和液体副产物,提高副产物的利用率、实现水等的终端能源。工业化国家几+年的实践表明:电力增液体的零排放是燃煤发电技术可持续发展的主要内长越快,一次能源需求总量增长就越慢;温室气体和容之一。其他污染物的排放量也由此而降低。我国煤炭目前在化石能源中,煤炭的蕴藏量丰富,但按目前的约45%用于发电，而美国已达87%以上。由于治理开采速度,探明可采储量仅可开采100多年。因此，电力工业集中的污染源远较低效直接燃煤的分散源提高煤转化效率、节约煤炭资源,仍是未来煤转化领易于实施、更加经济，要解决我国燃煤污染并控制域最重要的主题。提高燃煤发电效率,不仅可节约煤CO2排放量的基本出发点应是:未来煤炭消费的.炭资源，而且也是减少单位发电量污染物排放的有70%~80%用于发电。效措施。如果要求把污染物和CO2排放量控制在现有目前在评价发电成本时，往往仅考虑发电过程的水平,而电力需求又不断增加,这就要求电力工业的内部成本，而未考虑外部成本-环境 修复和治理的效率更高,污染排放极低。目前我国电力工业以成本，推广应用的先决燃煤发电为主,火电装机容量约占75%,发电量约条件,中国煤化工飞乘，显然不能病FYHCNMHG收稿日期: 2004-11-08;修回日期: 200-11-17作者简介:许世森(1965-), 男,陕西韩城人,高级工程师(教授级),从事IGCC技术的研究。E-mail: xushisen@rpri.com.cn13|发电技术中国电力第38卷足未来社会对发电技术可持续发展要求。近几年，深度净化的技术难度很大,对可吸人颗粒物.重金属“绿色GDP”、“环境经济学”、“环境成本”、“循环经及CO2脱除的难度更大,实现可资源化净化的技术济”等概念越来越被公众所接受,各国的环保标准日经济性较差，未来将面临如何处理净化过程带来的趋严格。而燃煤发电技术受环境成本的影响较大。在固体和液体废料。提高燃煤发电效率、减少污染物排放的同时,不可避此外,传统的蒸汽循环发电方式耗水量巨大,而免地会增加燃煤发电成本。考虑环境成本后,如何控我国煤资源丰富的地区,水资源往往缺乏。目前,国制煤电的成本是未来电力工程师将面临的又--重要家鼓励在“三北”地区发展空冷发电机组，可节约课题。20%的水资源，但它会使发电效率降低6%-8%。因此,未来“绿色煤电”的基本特征1"是:各种污3.2 CFBC染物近零排放;副产品可利用;发电效率大幅度提CFBC能在燃烧过程中控制NO,并脱除SO2,属高;发电成本可接受。洁净煤发电技术,并能处理劣质煤,在我国已得到广泛应用,目前的容量已达到300MW级。但CFBC在3 IGCC是一种可持续发展的洁净煤发电未来发展中面临的主要问题是:如何提高燃烧效率;技术如何控制N2O(笑气)的生成;如何使容量进-步放大。随着环保标准的提高,目前CFBC仅采用床内脱正在研究和发展的主要洁净煤发电技术有:配硫和NO,控制的方式难以满足提高的环保标准。增备烟气脱硫和脱硝的超临界和超超临界发电技术设尾部脱硫脱硝工艺，将使CFBC的技术经济性受(SC/USC+FGD+SCR)、循环流化床锅炉(CFBC)、增到巨大挑战。CFBC仍是简单的蒸汽循环，发电效率压流化床联合循环(PFBC- CC)、 整体煤气化联合低的弱点将难以克服。循环(IGCC)等,它们都有各自的特点和适用范围。3.3 PFBC-CC从可持续发展的角度分析,这些技术具有以下特点。PFBC-CC是以燃气-蒸汽联合循环为基础3.1 SC/USC+FGD+SCR的。与常规蒸汽循环相比,发电效率较高,在20世纪它是在传统燃煤发电技术基础上提高温度和70.80年代是沽净煤发电技术研发的热点之一。但压力等参数以获得较高发电效率,与亚临界参数的该技术面临的高温烟气(800-900C)除尘问题是阻传统燃煤发电机组相比,它降低了单位发电量的污碍其发展的技术障碍,至今尚未突破,运行的可靠性染物排放量,单纯的超临界和超超临界发电机组不和可用率较低。另外,燃气温度较低,深度污染控制是严格意义的洁净煤发电技术,只有配备烟气脱硫的难度很大。面对这些问题，联合循环发电效率高的和脱硝装置的超临界和超超临界发电机组才能满优势未得到充分发挥。尽管日本等国家仍在继续研足日益严格的环保要求。目前,超临界和超超临界发第2代PFBC，但在欧美,PFBC的研发计划几乎发电技术成熟，易被电力行业所接受,最大容量可完全停滞。达到1000MW等级,当前的供电效率可达到45%，3.4 IGCC目前的建设成本为5000~6000元/kW,已成为近期相对于上述洁净煤发电技术,IGCC具有以下优世界许多国家燃煤发电的主要选择之一,我国正在点:(1)它采用燃气一蒸汽联合循环,发电效率高,目建设的燃煤机组大部分采用超临界和超超临界发前可达到45%，而且发电效率提高的潜力很大,预电技术。计在2010年,发电效率可达到50%-52%,2015年,然而，超临界和超超临界发电技术仍是简单的发电效率可达到55%~60%,是发电效率最高的燃煤朗肯循环,其发电效率提高的空间较小、难度很大。发电技术。(2)IGCC与传统的燃煤方式不同，它先将尽管欧洲正在开发高效的超超临界发电技术，计划煤气化，由于煤气的流量仅是相同容量机组烟气量到2015年左右使发电效率达到50%，此时的蒸汽的1/6,而且是加压状态,因此,可采用成熟的可再参数为37.5MPa700C/720C/720C,如此高的蒸汽生化工净化及回收工艺处理煤气,能实现98%以上参数导致镍基合金的大量采用，而镍基合金的价格的污染物脱除效率,并可回收高纯度的硫,粉尘和其分别是铁素体钢的8~12倍,是奥氏体钢的6~8倍，他污染物在此过程中一并被脱除。煤气化过程没有发电机组的造价将大幅度提高。.NO,生成，煤气在燃气轮机燃烧过程中采用低NO,超临界和超超临界发电仍是传统的煤燃烧过中国煤化工-水平较容易。因此，程,无法在燃烧过程中较好地处理各种污染物,只能Fi净煤发电技术中最进行尾部处理。由于烟气中有大量惰性气体存在,尾青洁YHcNMH&物只有美国国家环部烟气处理工艺的体积庞大，脱除效率--般只能达保(NSPS)标准的10%-50%， 可在较长时间内满足到90%~95%,几乎不可能达到99%以上,sO,和NO,日益严格的环保要求，而且在污染物控制方面还有4|第2期许世森: IGCC 与未来煤电发电技术工很大的发展潜力。(3)IGCC机组用水量小,约为同等运,净效率达到43%(HHV),采用Shell干法供料煤容量常规火电机组的1/3~1/2;灰渣可综合利用;可气化工艺。1995 年美国W abash River 265 MW IGCC回收元素硫，有利于降低发电成本。(4)IGCC为燃煤示范电站投运,采用Destec水煤浆气化工艺。1996发电技术处理CO2提供了一条可行的途径，采取目.年,美国Tampa 260 MW IGCC示范电站投运,采用前成熟的工艺即可分离85%以上的CO2，可实现包Texaco水煤浆气化工艺。1997 年，西班牙Puertol-括CO2在内的燃煤污染物的近零排放(气体、固体、lano 300 MW IGCC电站投人运行，净效率达到45%液体),美国能源部的研究表明,若考虑CO2的分离，(HHV),采用Prenflo 干法供料煤气化工艺。1997ICCC将是最经济的燃煤发电方式。(5)ICCC能与其年,美国Pinon Pine 100 MW IGCC电站投运,采用美他先进的发电技术结合，形成效率更高的煤气化燃国KRW流化床气化工艺和高温煤气净化工艺。此料电池(IGFC)、煤气化哈特循环(IC-HAT)等发电外,意大利在1999年建成了Sarlux550MW渣油气方式,具有广阔的发展前景。(6)IGCC可燃用多种燃化IGCC电站,采用Texaco气化工艺。.料,并能与煤制氢、煤制油等组成更先进的能源多元目前已进人300MW级大容量机组的商业化阶化生产系统。以1CCC系统为基础的发电、化工产段。世界上主要的煤气化工艺和燃气轮机技术均进品、制氢等多联产系统被视为21世纪煤转化工业的行了示范,煤气化、石油焦气化和焦煤混合气化及重要方向。多种燃料供给方式都有示范经验。20世纪90年代，同任何技术一样,ICC技术也存在不足。与常.ICCC得到了空前的发展。规发电技术相比,IGCC系统复杂,不易被电力行业目前，中国、韩国、日本、美国、德国、意大利、印所接受，技术尚处于发展期，目前的成本相对较度、苏格兰、法国、捷克、新加坡等国家正在筹建以高。在中国建--台300~400MWIGCC电站,造价约煤或渣油(或垃圾)气化的IGCC电站几十座,总容8000~9000元/kW，比不带烟气脱硝的超超临界发量已达到8 GW。电机组造价高30%-40%。国际上IGCC的造价约为从技术发展的角度，可将IGCC技术的发展划1200美元/kW,比超超临界发电机组高15%~20%。分为3个阶段,即第1代、第2代和第3代1GCC。各预计到2010年左右,2者将接近，若在相同的排放阶段的主要技术特征列于表1。指标下比较,IGCC的造价将低于常规发电机组。表1 IGCC 技术的发展阶段综上所述，配备烟气脱硫和脱硝的超临界和超Tab.1 Developmental stages of IGCC technology超临界发电技术、循环流化床锅炉发电技术和整体阶段年代谋方式实现气化炉供煤气净化蒸汽燃气供电效率1%”煤气化联合循环发电技术都是可供选择的洁净煤发方法循环轮机HVLHV电技术,它们都有各自的特点和适用范围。SC/USC+第1代20世纪水煤浆常温湿法 单压106630-3580年代FGD+SCR是近中期(5~15a)我国大容量燃煤发电技术的主要技术选择;CFBC是近中期(5~20a)我国第2代90年代干粉20世纪水煤浆或干或湿法再执1288 40-45 42-47劣质煤和高硫煤发电的主要技术选择;IGCC是真正第3代-2010干煤粉 高温干法 工执1427 50-53 52-55热‘意义的可持续发展的沽净煤发电技术，将在我国中远期(15-50a)的燃煤发电中扮演重要角色.1GCC4.2 IGCC的发展趋势也是未来煤基能源多元化近零排放系统的核心技术IGCC正逐步从商业示范阶段向商业应用阶段及重要基础。过渡。这一进程的快慢不仅取决于IGCC发电技术本身的发展，而且与国家的环保标准有关,也受国际.4 IGCC现状和发展趋势天然气、石油和煤的价格的影响。但从总的趋势看，在未来10a内1GCC将进入商业化，并逐渐具有竞.1 IGCC现状争力。目前,IGCC价格高的主要原因是:核心技术被世界上第1个工业规模的IGCC于1972年在少数国外公司垄断,缺乏有效的竞争;关键设备尚未德国Linen市克尔曼电厂内建成.容量为170MW,批:量生产;未在相同的环保条件下比较。采用Lurgi气化工艺、正压锅炉型联合循环。1984煤气化炉和燃气轮机是ICCC的核心技术，只有年，关国加州的CoolWater100MWIGCC示范机组少数二三个国家掌握。目前只有美国的TEXACO和是世界上第1个完整进行ICCC示范的装置，它采E-GAS.煤气化工艺有大用Texaco气化工艺、余热锅炉型联合循环。1987年，型化(2中国煤化工:煤气的燃气轮机美国的LGTI IGCC热电联产机组投运，折算功率为仅有美MHCNMHG有200MW级的160 MW ,采用Destee煤气化工艺。商业经验。这些都是通过IGCC示范电站实现技术1994年，荷兰Buggenum 253 MW IGCC电站投上的跨越,达到了新的高度,出于战略考虑,这些公15巨发电技术.中国电力第38卷司不会在短时间内降低价格或转让技术。尽管我国目依托,走引进和自主开发相结合的发展道路,有利前尚不具备大型煤气化技术和大型燃气轮机技术,但于发挥后发优势，通过IGCC示范电站的建设及围在国家的支持下,大型煤气化技术和燃气轮机技术的绕示范电站进行的消化吸收及自主开发,将成为我研发取得了可喜进展,随着这些技术的竞争和我国自国IGCC技术发展的基础。主技术的发展,IGCC的造价将会大幅度降低。随着社会进步,环境保护变得越来越重要。以前5从IGCC到未来煤电人们把环境看成有无穷大的容量，但现在环境被看成一种资源,不能无偿占有和使用。随着环保标准日美国、欧洲和日本在IGCC技术的开发示范方趋严格及环境经济学的发展和逐步应用，同常规燃面处于世界领先地位。从其发展IGCC的历程和最煤发电技术相比,IGCC在竞争力上将被加上一个越新的发展计划中可看出未来煤电的轮廓。来越重的砝码。5.1 美国IGCC的近期目标是:采用更先进的燃气轮机。美国的电力结构中也是以火电为主(约占采用H级水平的燃气轮机,IGCC机组的容量可达69%)，其中燃煤发电约占50%，天然气发电约占500MW级，净效率可达50%或更高。力争在201016%,石油发电约占2%。美国十分重视洁净煤发电年，使IGCC的比投资降到900~1 000美元/kW;发技术的研究开发,将沽净煤发电技术列为国家能源电成本小于0.05美元/(kW.h),污染物排放是NSPS可持续发展战略的重要组成部分。从1985年到标准的1/10。IGCC机组的经济性、可靠性将进一步2000年期间,美国先后部署了5轮“清洁煤发展计提高。划”(CCT),其中先后资助建成了4座IGCC示范电.IGCC的远期目标是:以气化为基础的高效清洁站，美国能源部对IGCC示范电站的资助比例均在的能量综合转换系统。它可将煤炭转化为电力、蒸50%以上,有的高达80%以上。所有美国的IGCC示汽、煤气、化工产品和氢气等,不再是单一的发电系范项目均采用美国本土的技术,通过国家的支持和.统。通过多联产和综合利用使IGCC具有无比广阔示范项目的带动实现技术的跨越。的，应用前景和无与伦比的能量转换效率。在20202002年,美国能源部部署了新一轮清洁煤创新年,该系统的发电效率将达到60%,使比投资降发展计划(CCPI), 2003年美国能源部正式启动了名到800~900美元/kW;发电成本小于0.04美元/为FutureGen的重大示范项目。计划投资10亿美(kw.h),污染物和温室气体达到“零”排放。元,花10a时间,建成世界上第1座近零排放的燃煤4.3国内 IGCC的基础电厂,该电厂是在IGCC系统基础上,将COz的分离从20世纪90年代初开始,国家科技部、国家电和储存、煤制氢及燃料电池发电等与IGCC集成的力公司(原电力工业部)等部门组织全国的技术力综合能源系统,发电功率为275MW,包括CO2在内量，对我国发展IGCC发电技术进行了充分的可行的所有污染物达到近零排放,并可根据市场需求联产性研究，认为在我国发展ICCC发电技术是必要的液体燃料和化工产品。图1为该系统的流程示意。和迫切的。在“九五”国家科技攻关计划中又进行了FutureGeri SystemsIGCC关键技术的研究。在此基础上,1999年国家批|空分煤气化煤气净化准了IGCC示范电站项目建议书,IGCC示范项目正.式立项，示范电站功率为300MW或400 Mw,目前,该项目已完成主设备的评标工作。经过10a的.准备，我国第1座IGCC示范电站已具备了建设的各项准备条件,建议尽快开工建设。国内研究单位经过国家“八五”和“九五”科技攻煤副产品利用”CO2分离关，在IGCC系统设计优化和一些关键技术开发方Co,处理和埋存2品二C液体燃料和化学品面取得了长足的进步，已形成了较强的技术支持力量。“IGCC设计集成和动态特性”、“干煤粉加压气化围1美国 FutureGen系统示意技术”、“多喷嘴水煤浆加压气化技术”和“煤气高温Fig.1 FutureGen systemofUSA净化技术”等被列人国家“十五”“863"计划予以支中国煤化工现电站的可吸人颗粒持。这些研究为IGCC示范电站的建设及我国IGCC部分资金将支持基于技术的发展奠定了良好的基础。G(MYHCNMHG煤制氢及IcCC与燃我国目前尚不具备向ICCC电站提供关键技术料电池发电的复合等技术的开发,2004年美国与的能力,与国外还有较大差距。以IGCC示范电站为IGCC有关的研究经费占煤基研究经费的70%左右。16|第2期许世森: IGCC 与未来煤电发电技术I进入新世纪,美国又基于IGCC的技术基础,开发未液来近零排放的煤基能源系统。5.2 欧洲合成欧洲各国的能源结构有较大差异。从能源结构GT+C电力分析,欧盟国家总的能源结构中仍以煤为主,因此，欧盟也十分重视IGCC,欧洲的2座ICCC示范电站▲FC都得到了欧盟的支持,参与的国家有荷兰.德国、西氢班牙、法国等,IGCC示范电站所采用的技术也全部L HC02来自欧盟国家。从技术角度看，荷兰和西班牙的[空[Co.利的开储存IGCC示范电站技术更先进.这些示范电站使欧洲的煤气化技术和燃气轮机技术得到了巨大的跨越。近目2 未来煤电系统几年，意大利率先以炼油厂的底料和石油焦为原料Fig.2 The future coal- fired power system建成了一批具有商业竞争力的IGCC电站。尽管欧会改变，新世纪新阶段煤电应走出--条新型工业化盟也在支持THERMIE700的超超临界发电技术的道路。先进的洁净煤发电技术是我国电力工业可持研究开发计划，但欧盟最近正计划开发以煤气化为续发展的必然选择,I6CC是一种被验证的先进的沽基础的近零排放的燃煤电站。净煤发电技术，能同时较好地解决燃煤发电效率和5.3日本污染的矛盾，是近零排放煤基能源多元化系统的重日本非常重视ICCC的研究开发，走的是一条要基础。以IGCC为基础,将煤制氢、燃料电池发电、自主开发的道路。从煤气化技术到燃气轮机技术,在液体燃料生产.CO2分离和处理等过程集成的能源政府和企业的共同努力下,取得了较大进展。目前，系统是未来燃煤发电技术的重要方向，它可实现煤日本正在建设--座250MW空气鼓风的IGCC示范电的高效和近零排放,符合可持续发展的要求,也是电站,预计2009年投人运行。面向未来，日本已建成未来燃煤发电技术的方向。以煤气化为基础的集发电、供气和供液体燃料于-体的IGCC多联产半工业示范装置。这些行动表明，参考 文献:以IGCC为基础的燃煤发电技术是日本未来燃煤发电的重要技术方向之一。[1] 危师让.新型工业化与ICCC技术发展[A].世界工程师大会电5.4 未来煤电力论文集[C].2004.以IGCC为基础,将煤制氢、燃料电池发电、液WEIShi-rang New idutrializaion and the development oflCCC[A].体燃料生产.CO2分离和处理等过程集成的能源系Sympasium oElerie Power, World Engineeroference[C].2004.统是未来燃煤发电技术的重要方向，它可实现煤电[2] XU Shi-sen. The research and developnent of ICCC in China[A].的高效和近零排放。图2为未来煤电的系统示意。The Joint Eighth APEC Clean Fossil Energy Technical Seminar andSeventh APEC Coal Flow Seminar[C].20006结语[31 Albraham. FutureCen-A prolotype torow 8 coal fueled power plan[UJ] MPS, 203<1);: 16-18.我国电力以煤电为主的格局在很长--段时间不(责任编辑孙家振)IGCC and future coal-fired electric powerXU Shi-sen(Thermal Power Research Institute, Xi' an 710032 , China)Abstract:The pttlemn of cal-ired power generation as dominant and the requirements of sustainable development determine thal developingclean coal power generation technology in China is of great significance. Based on the present situation of Chinese power industry and thefaced callnges, and from the point of view of sustainable development and future demands for cal-ired etrie power, this paper analyesthe advantages and disadvantages of various kinds of clean coal power generation lechnologies, and concludes that IGCC features sustainablein many aspects and is an advanced power generation technology of high eficienc中国煤化工- from the development=ng pocesses includingplans of future coal-fired power generation of US and Japan etc. that the energy syshydrogen preparation from coal, fuel cell power generatin, liquid fuel productionMYHCNMHGibethemaintrendinthe future. It can meet the requirements of sustainable development with high eficiency and next to zero discharge.Key words: IGCC; coal-ired etrie power; clean coal power generation technology17