PDF《IGCC's Development and Technology》

IGCC'

s Development and Technology ---Review the Global IGCC Technology Development and Outlook the Market Jin Hao, Guoqi Chen North China Electric Power University Pinggu Power Supply Bureau Abstraction:While more and more IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) power plants start building around the world, common people are interested to know what IGCC is.

This article is trying to in- troduce IGCC'

s theory, process, technology, and market, and give readers a general view of this industry. Keywords:IGCC, CCS, Gas Turbine IGCC 的发展与技术 ----回顾国际 IGCC 技术发展及市场展望 郝进,陈国旗 华北电力大学 平谷供电公司 摘要:随着世界上越来越多的 IGCC 电厂开工或计划开工建设,普通群众希望了解什么是 IGCC. 本文正是想通过介绍 IGCC 的原理、流程、技术、以及相关技术和设备市场,给予读者对 IGCC 这 个行业有一个整体认识. 关键词:IGCC,整体煤气化联合循环电厂,碳捕捉,CCS,燃气轮机

1 简介 而今,在一些学术文章和论坛中,IGCC 这个词 被越来越多地提及,吸引了众多政治家、学者、专业 人士、投资者和供应商的注意.那么,什么是IGCC,为什么它具有如此的吸引力呢? 1.1 原理 IGCC 是英文 Integrated Gasification Combined Cycle 的首字母缩写,直译就是集成气化的联合循环 电厂.被认为是一种从可以燃料中最大化提取能量的 技术. 简单来看,IGCC 厂可以看作是气化厂与联合循 环电厂的结合. 1.2 过程 通过 IGCC 的名称和以上的简单介绍,我们可以 大致了解到其生产的基本过程包含了燃料气化、燃气-蒸汽联合循环发电两大部分,分别由气化厂和联 合循环电厂实现. 煤的气化是煤化工的重要过程之一. 在气化厂中,含碳的原料在高温常压或加压条件 下,与气化剂反应,转化为气体产物和少量残渣.气 化反应是在气化炉中发生的,所需要的气化剂,例如 氧气由氧气厂制造,通过压缩机吹入气化炉中.通过 控制和调整煤、空气或者氧气的比例实现不同的气化 产品-合成气(syngas). 气化厂产生的气体经过调整净化等处理,成为适 合燃烧的类天然气.类天然气通过在燃气轮机中燃烧 做功,带动发电机.燃烧后的高温尾气用于加热循环 水,产生的蒸汽带动蒸汽轮机发电. 相比传统电厂或者化工厂,IGCC 增加了若干生 产环节,工艺相应复杂了许多,导致单位建造成本和 运营成本比传统电厂高很多. 1.3 设备 在IGCC 中,关键的技术和设备是 气化剂的制备->

气化炉 Gasifier ->

合成气处理 Syngas Treatment ->

燃气轮机 Gas Turbine ->

蒸汽轮机 Steam Turbine ->

发电机 Generator

2 Gasification Technology 气化技术 按照气化的原料形式的不同,气化可分为固体材 料气化、轻质燃料气化和重油的气化. 以煤气化为例,整个气化过程基本包括:煤料加 工、气化反应和煤气净化处理几个部分. 煤或焦炭、半焦等固体燃料,在高温常压或加压 条件下,与气化剂反应,转化为气体产物和少量残渣 的过程.煤气化过程可用于生产燃料煤气,作为工业 窑炉用气和城市煤气,也用于制造合成气,作为合成 氨、合成甲醇和合成液体燃料的原料.是煤化工的重 要过程之一. 气化过程将含碳物质转化为以一氧化碳和氢气为 主的合成气,具有成为用做发电供热的燃料或基本化 学材料等众多用途.通过气化技术,低价值甚至负价 值的原料转化为具有商业意义的燃料和产品. 根据不同的给料形式,气化可以分为气态或液体 燃料气化、重油及残油气化、以及固体燃料气化.显然,煤的气化属于最后者. 根据氧化方式的不同,气化又可以分为吹氧和吹 气两种气化方式. 目前有几种吹氧气化技术得到广泛的应用,分别 是固定床式、流化床式、气流床式气化系统. ? 固定床(又称为移动床)气化炉:是最早 开发出的气化炉,它和燃煤的层燃炉类 似,炉子下部为炉排,用以支承上面的煤 层.通常,煤从气化炉的顶部加入,而气 化剂(氧或空气和水蒸气)则从炉子的下 部供入,因而气固间是逆向流动的.这种 气化炉和燃煤的层燃炉一样,对煤的粒径 有一定的要求.卢奇(Lurgi)固态排渣气化炉 和BGL 气化炉都应用了这种技术. ? 流化床由固态颗粒构成,通常是惰性材 料.当气体或其它介质以一定的速度(该能 维持流化床颗粒悬浮在气化炉中)穿过这些 流化床时,颗粒被剧烈搅拌,并发生反 应.流化床气化炉可以充分利用床内气固 两相间的高强度的传热和传质,使整个床 层内温度分布均匀,混合条件好,有利于 气化反应的进行.同时,可以利用流化床 低温燃烧,在燃烧和气化过程中加入脱硫 剂(石灰石或白云石),将产生的大部分 SO2 和H2S 脱除.由于流化床气化炉内的 反应温度一般控制在 850-1000℃,因此,它产生的焦油、烃、酚、苯和萘等大 分子有机物基本上都能被裂解为简单的双 原子或三原子气体,煤气的主要成本是 CO 和H2,CH4 的含量一般少于 2%.HTW 和KRW 使用了这种设计. 氧化反应或者气化反应的实现是通过 将床加热至超过煤的燃烧点或气化点时加 入燃料.被点燃后,燃料的能量被释放, 进而燃烧或气化反应得以持续.通常这个 反应在加压(超过 10bar 或10kg/平方厘 米)条件下进行,因此这个反应装置又被 称为加压流化床气化炉(PFBG, Pressurised Fluidized-Bed Gasifier). ? 气流床系统运行在高温条件下,粉煤与氧气和 蒸汽反应.这种系统的优点是可以气化各种品 质的煤.根据所用燃料形式的不同(例如干粉 煤或水煤浆)以及热回收系统的不同,可以设 计不同的气流床系统. ? 气流床气化炉中,由于是煤粉高温高压气化, 因此煤种适应性广,碳转化率高,能达到 99% 以上. ? 由于喷流床气化炉的单炉生产能力大,并且具 有较高的效率,燃料适应性广,因而在今后发 展大容量高效率的 IGCC 电站中具有强有力的 竞争地位.目前全球已经投入运行或正在建设 的IGCC 电厂中,约有 70%使用气流床式气化 装置.提供气流床气化装置产品的厂家有:通 用电气(GE),康菲石油(ConocoPhillips),壳牌石油 (Shell),普伦弗洛(Prenflo) 和德国 Noell.西安热 工院开发的两段式干煤粉加压气化技术也属于 气流床气化技术. ? 空气气化产生的低热值气体(LBG)包含约 50% 的氮气且热值低于 170btu/scf.由于这种气体的 低热值和高含氮量,使之较难做为燃气应用. 它也不适于取代天然气通过管道传输.同时, 不适于化学合成反应,应为这些反应需要浓缩 的由一氧化碳和氢气组成的合成气.到目前为 止,只有三菱在 Nasoko 的IGCC 电厂正在尝试 使用空气气化反应.

3 空气分离装置 ASU 空分装置是 IGCC 的耗能大户,空分装置的工艺 流程及其与 IGCC 的匹配对 IGCC 的整体性能影响较 大.当氧气产量大于 2500Nm3/h 时,工业上一般采 用深度冷冻法来制取氧气,简称深冷法.它是空气液 化后根据氧、氮沸点差精馏,从而实现气体分离的. 其技术比较成熟,效率高且成本低,被广泛用于化工 行业中,适合于大规模生产且所得的氧气纯度高可达 99%以上.这种空气分离方法从

1902 年德国林德公 司制造出第一台 10Nm3/h 的制氧设备以来至今已有

90 多年的历史,流程经历了高压、中压到全低压的 变革,能耗不断降低.近二十年来深冷法制氧的工艺 和设备都取得了长足的进步,氧的提取率提高了 10% 能耗下降近 20%.目前全低压空分系统的单位 制氧能耗已降到大约 0.35kWh/Nm3-O2.但是,目前 全低压空分在流程上的改进余地非常有限,于是人们 的注意力开始移向空分产品的应用领域,即生产综合 型的空分设备,使包括用户在内的综合能耗最低,投 资最省.IGCC 电站就是热能设备与化工设备成功结 合的产物. 目前,在IGCC 系统设计中主要有两种典型的空 分系统工艺流程方案,一种是低压独立空分系统,一 种是高压完全整体化系统. 独立空分系统具有以下特点:(1)空分压缩机 与燃气轮机无直接联系 因而在燃气轮机尚未工作 时,可以提前启动,一般启动全过程需 2~3 天,对燃 气轮机的工作毫无干扰;

(2)变负荷时空分压缩机 的出口空气压力较稳定 即空分系统中精馏塔压力变 化不大,O2 浓度稳定;

(3)变负荷时,只需调节空 分压缩机的进口可转导叶,对燃气轮机的工作也无干 扰;

(4)调节系统较简单;

(5)IGCC 电站负荷的 跟踪性能不受空分系统延迟特性的影响,仅受限于余 热锅炉的热惯性.高压完全整体化系统具有以下特 点:(1)电厂自用电消耗小;

(2)由于空分系统的 启动过程长,而空分系统所需的空气必须完全从燃气 轮机中抽取,燃气轮机的正常运行也离不开空分系 统,因此,完全整体化 IGCC 电站的启动过程复杂;

(3)电厂........