2006年2月電力環(huán)境保護(hù)第22卷第1期日本的煤炭氣化發(fā)電技術(shù)Current state of IGCC technique in Japan紀(jì)偉(山東省東岳能源有限責(zé)任公司白莊電廠山東肥城271613)摘要簡(jiǎn)述了日本的煤炭氣化發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀介紹了日本典型的實(shí)驗(yàn)電廠與示范電廠的技術(shù)參數(shù)。關(guān)鍵詞GCC煤炭氣化;發(fā)電;日本Abstract This paper introduces the development of the integrated coal gasification combined cycle( IGCC )in Japangives some typical data of pilot plant and demonstration plarKey words GCC power generation japan中圖分類號(hào):TM611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼3文章編號(hào):1009-403x20061-0025-04日本是世界第二大工業(yè)國(guó),也是世界上最大的表1化石能源的世界蘊(yùn)藏量能源消費(fèi)國(guó)之一。日本是個(gè)國(guó)土狹小、資源貧乏的蘊(yùn)藏量國(guó)家能源的80%以上依賴進(jìn)囗,目前是次于美、中煤/t的世界第三位能源進(jìn)口大國(guó)。在能源構(gòu)成中50%石油/桶1.2×10以上依賴石油,石油中又有70%以上來自中東,因然氣/m3此日本的能源結(jié)構(gòu)過于單一,依賴的地區(qū)過于狹窄能源市場(chǎng)很容易受到世界形勢(shì)的左右。1970年但煤也有缺點(diǎn)。首先它在化石燃料中碳含量最前后的石油危機(jī)使日本的經(jīng)濟(jì)遭受重創(chuàng)從此日本高燃燒時(shí)產(chǎn)生較多的CO2;其次它是一種固體燃結(jié)束了持續(xù)20年之久的經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng),直在低迷料不如石油、天然氣那樣便于長(zhǎng)途運(yùn)輸煤燃燒后的陰影下徘徊。確保能源的穩(wěn)定供應(yīng)成了日本政產(chǎn)生大量煤灰給環(huán)境造成很大負(fù)擔(dān)泚外煤不能治、經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略課題。近年來,日本調(diào)整能源結(jié)構(gòu),用于大型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。因此,人們想到了古老的方面把目光從石油的單一結(jié)構(gòu)擴(kuò)大到更加廣闊的煤炭氣化技術(shù),它可以將煤變?yōu)榍鍧崥怏w能源使煤領(lǐng)域如原子能、可再生的綠色能瀛包括太陽能、風(fēng)炭發(fā)電在環(huán)境保護(hù)、熱效率等方面達(dá)到天然氣的水能、地?zé)?、生物質(zhì)等)另一方面,重新估價(jià)傳統(tǒng)能源平。煤的氣化綜合發(fā)電技術(shù)稱為lCC( Integrated煤的作用加大對(duì)煤炭氣化發(fā)電的研究力度。Coal gasification Combined cycle)是近年來世界熱門1煤炭的特點(diǎn)以及氣化歷史研究課題,日本亦將它作為21世紀(jì)能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向2000年日本總發(fā)電量為9400億kWh,其中煤炭氣化技術(shù)是200多年前的1792年,由英國(guó)54%為火力發(fā)電,煤、石油、天然氣分別占18%、馬德克發(fā)明的。煤氣誕生后不久,由于在取暖、照10%、26%。明、炊事等方面的廣泛應(yīng)用迅速在英美等國(guó)家得到煤炭是人類最早使用的化石能源,它的H:O:C普及。19世紀(jì)20年代,英美都建立了專業(yè)公司之比為0.8:0.15:l。在所有化石能源中,它的蘊(yùn)藏到了20世紀(jì)20年代煤的氣化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展在量最為豐富并且地區(qū)的分布比較均衡不像石油、1930年前后,美國(guó)就已經(jīng)擁有煤氣公司1萬家,每天然氣那樣集中在少數(shù)地區(qū)。煤的蘊(yùn)藏遍及各大年轉(zhuǎn)化煤炭1200萬t。20世紀(jì)后期受天然氣的竟洲尤其是北美、俄羅斯歐洲、中國(guó)最為豐富。這幾爭(zhēng)A中國(guó)煤化工個(gè)地區(qū)的蘊(yùn)藏量占世界總蘊(yùn)藏量的1/2以上。在所CNMHG首先是它的CO,排放有化石能源中煤的價(jià)格最低并且市場(chǎng)波動(dòng)最小煤量較低按發(fā)岀kWh電量排放CO2量計(jì)算傳統(tǒng)與其他化石能源全球藴藏量的比較見表1),可見煤的粉煤火力發(fā)電為964.7 g IGCC為779.2g重油為具有巨大的使用潛力。765.5g天然氣為607.6g可見AGCC的CO2排放量2006年2月電力環(huán)境保護(hù)第22卷第1期比傳統(tǒng)燃煤方法低20%,接近氣體化石燃料水平,結(jié)構(gòu)。這樣就可以充分利用地球上最豐富的煤炭資源獲煤氣發(fā)熱交換得天然氣的效益。IGCC可以擴(kuò)大煤的利用范圍,能生鄗分使用粉煤灰熔點(diǎn)較低的煤。在環(huán)境保護(hù)方面JGCC水冷爐公公公態(tài)發(fā)電的SO、NO排放量低煤灰是熔融礦渣形式,體積較小。IGCC發(fā)電在價(jià)格上也具有優(yōu)勢(shì)。壓力容器2煤炭氣化技術(shù)的特點(diǎn)煤塵+空氣煤炭氣化發(fā)電的技術(shù)核心是在汽化爐中使煤炭發(fā)生部分氧化,產(chǎn)生主要成分為CO與H,的煤氣經(jīng)提純后作為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電燃料。煤氣的成分因煤氣化工藝不同而不同,如表2所示。成分不同導(dǎo)致熱值也有所不同。通常把熱值在3360~6300kJ/圖2氣流床的結(jié)構(gòu)m3的煤氣稱為低熱值煤氣8400~18900kJ/m3的稱為中熱值煤氣,18900kJ/m3以上的稱為高熱值煤氣化劑有吹空氣和吹氧氣兩類。吹氧氣方式可氣。一般火力發(fā)電采用中低熱值煤氣。圖1概要地以獲得10500J/m2的中熱值煤氣優(yōu)點(diǎn)是煤氣成分顯示了煤炭氣化發(fā)電系統(tǒng)流程中可燃性氣體濃度高,在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的NO少缺點(diǎn)是由于需要空氣分離工藝所以從輸電煤氣輪機(jī)提純端來看熱效率略低于吹空氣方式。吹空氣方式可以獲得4200kJ/m3的低熱值煤氣為了提高煤氣發(fā)生爐的穩(wěn)定性和熱值有時(shí)采用富氧空氣。熱交換廢氣煤的供應(yīng)方式有氣流攜帶煤粉的干法和嘖射煤發(fā)生漿的濕法兩種。濕法容易對(duì)煤氣爐加壓,但水蒸發(fā)汽輪機(jī)會(huì)帶來一定的熱量損失。表3幾種煤氣化爐的特點(diǎn)圖1煤炭氣化發(fā)電的系統(tǒng)流程(吹空氣)項(xiàng)目固定床流化床氣流床中表2兩種吹氣工藝的煤氣成分灰渣排放千氣體吹空氣煤氣化吹氧氣煤氣化氣化溫度/℃450-1100450-1600850-11001200-1600適用煤炭非焦煤非焦煤任意微焦煤加煤方式干塊煤干粉煤千粉煤或濕煤漿煤粒度/mm微量2.8焦油等副產(chǎn)物少量微量量代表性廠家煤氣化的關(guān)鍵設(shè)備是氣化爐以及煤氣純化裝置。氣化爐主要分為固定床氣化爐、流化床氣化爐煤氣純化有干法和濕法兩種。干法采用陶瓷過和氣流床氣化爐這三類氣化爐的特點(diǎn)見表3。氣濾膜中國(guó)煤化工多動(dòng)床或流化床脫硫。流床在大容量、負(fù)載跟蹤性能等方面具有優(yōu)越性成濕法CNMHG學(xué)吸附或直接氧化脫為國(guó)際上煤氣發(fā)電的主要設(shè)備形式其基本結(jié)構(gòu)見硫它的優(yōu)點(diǎn)是去除煤氣中的氨、堿金屬比較徹底圖2。加壓氣流有氣流上升結(jié)構(gòu)和氣流下降結(jié)構(gòu);對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的損壞較小缺點(diǎn)是熱損失較大。兼顧從爐體形狀可分為二室二段、一室二段、一室一段等兩種方法的優(yōu)點(diǎn)最近岀現(xiàn)了濕法脫硫與干法脫塵2006年紀(jì)偉:日本的煤炭氣化發(fā)電技術(shù)第1期的綜合凈化工藝。轉(zhuǎn)成功。該設(shè)備的特點(diǎn)是沒有采用歐美各國(guó)的吹3日本煤氣化技術(shù)的實(shí)施氧生成、濕法純化系統(tǒng)而采用吹空氣生成、干法凈化。其優(yōu)點(diǎn)一是節(jié)省了制氧設(shè)備,二是通過熱交換3.1實(shí)施概況器之后溫度大約400℃的煤氣可以直接進(jìn)入干法日本吸取石油危機(jī)的沉痛教訓(xùn)在1984年成立凈化裝置,不需要煤氣冷卻工藝,顯著減小了熱損新能源產(chǎn)業(yè)開發(fā)機(jī)構(gòu)〔NEDO)設(shè)立了煤炭氣化專門失。委員會(huì)(1986)火力發(fā)電新技術(shù)委員會(huì)(1981)火力該廠的主要技術(shù)指標(biāo)為:煤炭日處理量200t發(fā)電新技術(shù)調(diào)查委員會(huì)(1982蓐等技術(shù)咨詢部門。進(jìn)煤氣化爐內(nèi)部壓力約為2626kPa、采用干法純化裝行了技術(shù)調(diào)研開始了煤炭氣化發(fā)電的實(shí)質(zhì)性研究。置脫硫采用氧化鐵流化床脫塵采用移動(dòng)床。出力1986年在福島縣勿來建立了日本第一個(gè)實(shí)驗(yàn)電裝置采用12500kW、1260℃級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)2001年建立了示范電廠。該設(shè)備采用了三種煤炭連續(xù)運(yùn)行4770h,于依靠超臨界壓力蒸汽的工藝條件日本在微粉1996年結(jié)束實(shí)驗(yàn)拆除。該實(shí)驗(yàn)電廠主要進(jìn)行了以煤火力發(fā)電方面已經(jīng)達(dá)到了很高的熱效率在這個(gè)下技術(shù)課題的研究高起點(diǎn)上對(duì)IGCC提出了更加苛刻的要求(1煤媒某氣化爐的形狀(爐內(nèi)流動(dòng)實(shí)驗(yàn))(1)在發(fā)電效率、煤灰處理、廢氣排放等綜合技(2)冰冷排渣孔術(shù)性能上應(yīng)超過粉煤火力發(fā)電(3)電集塵器(2)使用煤炭的品種應(yīng)該更廣泛以適應(yīng)多元大(4)煤媒某氣化爐的材料量進(jìn)口的現(xiàn)狀5)生成煤氣的傳輸(3)減小煤灰體積6微量煤氣成分分析(4跟蹤負(fù)荷能力、設(shè)備啟停等操作性能良好(7)煤媒某炭品種的確認(rèn)(5)河可靠性高8熱交換器的傳熱特性(6造價(jià)以及維持費(fèi)用低。9)閥門的可靠性煤氣化發(fā)電技術(shù)分三個(gè)階段。首先是建實(shí)驗(yàn)電(10礦渣冷卻水的水質(zhì)分析。廠,它的規(guī)模比較小,一般在幾兆瓦,主要是摸索數(shù)據(jù)確定條件。實(shí)驗(yàn)電廠通過以后再建立示范電廠,表4實(shí)驗(yàn)電廠的成果功率約相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)工廠的4~10倍。由示范電廠的技術(shù)開發(fā)目標(biāo)數(shù)據(jù)大體上可以推算出商業(yè)電廠的性能,商業(yè)電廠系統(tǒng)驗(yàn)證確定了吹空氣的煤氣化基本技術(shù),掌握了IGCC系統(tǒng)的各種臨界條件功率約相當(dāng)于示范電廠的2倍這個(gè)數(shù)據(jù)的推理過確認(rèn)等比例規(guī)模掌握了煤氣化和凈化的等比例規(guī)模擴(kuò)大的程叫做按比例擴(kuò)大如圖3所示擴(kuò)大的數(shù)據(jù)熱效率采用1300℃燃?xì)廨啓C(jī)得到43%的送電端商業(yè)電廠效率400經(jīng)濟(jì)性成本高于微粉煤灰火力發(fā)電,應(yīng)該進(jìn)一步降低成本示范電環(huán)保特性實(shí)現(xiàn)排放S0.0.002%以下、NO.0.002%以250MW下、排塵10mg/m3以下約2倍適用煤炭品種試用了包括高熔點(diǎn)等3種煤炭30 MW轉(zhuǎn)特性冷啟動(dòng)一天之內(nèi),負(fù)載跟蹤達(dá)到微粉煤的可靠性累計(jì)4770h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)得到了煤氣對(duì)于材150料的腐蝕曆耗數(shù)據(jù)確立了材料選擇基準(zhǔn)出力/MWYH中國(guó)煤化工圖3日本煤氣化的參數(shù)按比例擴(kuò)大關(guān)系CNMH∝為空氣噴流床結(jié)構(gòu)3.2典型實(shí)驗(yàn)電廠與吹氧相比溫度上升不劇烈不容易產(chǎn)生煤粉渣熔日本最早的lGCC實(shí)驗(yàn)電廠為日本通商產(chǎn)業(yè)部融現(xiàn)象。燃燒爐分為上下兩段,下段主要是氧化發(fā)的資助項(xiàng)目,19年在福島縣建成,1995年連續(xù)運(yùn)熱過程投入大量空氣產(chǎn)生高溫氣體,上段主要是2006年2月電力環(huán)境保護(hù)第22卷第1期生成煤氣的過程。脫硫裝置由石川島播磨重工業(yè)公廠與商業(yè)電廠的擴(kuò)大倍數(shù)為2所以從該示范電廠司開發(fā)除塵裝置由川崎重工業(yè)公司開發(fā)。該實(shí)驗(yàn)可以得到發(fā)電功率為500MW的商業(yè)電廠的預(yù)期數(shù)電廠經(jīng)過8年運(yùn)行取得了必要的數(shù)據(jù)和預(yù)期的成據(jù)采取的是空氣煤氣化爐和濕式煤氣精制系統(tǒng)。果,為隨后的示范電廠打下基礎(chǔ)詳見表43.3250MW示范電廠(PLC)4結(jié)語2001年6月潔凈煤電力研究所接受國(guó)家資助煤炭氣化發(fā)電是一種綜合利用煤炭的新技術(shù),開始了250MW示范電廠的研究。由示范電廠的技它在提高熱效率、環(huán)境保護(hù)等方面有重要意義。對(duì)術(shù)數(shù)據(jù)可以按照比例擴(kuò)大原則推算出商業(yè)電廠的于1300℃級(jí)燃?xì)廨啓C(jī),GCC的發(fā)電效率(發(fā)電端技術(shù)指標(biāo)詳見表5。高位基準(zhǔn))將達(dá)到44%左右,1500℃級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)將表5示范電廠以及商業(yè)電廠的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到48%左右,與超臨界壓力粉煤發(fā)電40%相比示范電廠實(shí)測(cè)結(jié)果商業(yè)電廠預(yù)期結(jié)果具有明顯優(yōu)勢(shì)。在環(huán)境保護(hù)方面,CO,排放量與爐可靠性年利用率70%年利用率70%渣量的減少也具有很大的魅力。估計(jì)2010年以后熱效率送電端發(fā)電端送電端將迎來IGCC實(shí)驗(yàn)電廠、示范電廠建設(shè)高峰。40.5%(HHV)51%46%(濕法)參考文獻(xiàn)42%(LHV)1500級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)HV[1]梁木,日本火力發(fā)電的動(dòng)向J].中國(guó)電業(yè)1999(2)4-46不境特性[2]陳鵬,先進(jìn)的煤炭氣化與液化技術(shù)新進(jìn)展[J].中國(guó)科技成果2002(24):15-19煙塵斗mg/m3排塵4mg/m[3]高田英章碳勻又化復(fù)合癸電(IGC)O開癸動(dòng)向J電氣評(píng)適用煤炭使用灰烙點(diǎn)低低于除了煙煤以外,還能1400℃的煤使用灰熔點(diǎn)低的劣質(zhì)論,1990(6)484-487經(jīng)濟(jì)型發(fā)電價(jià)格不高于微粉發(fā)電價(jià)格不高于微粉收稿日期2005-11-25修回日期2005-12-02煤發(fā)電煤發(fā)電作者簡(jiǎn)介紀(jì)偉1966-)男山東淄博市人工程師,從事低熱值煤炭發(fā)電研究。實(shí)驗(yàn)電廠到示范電廠的擴(kuò)大倍數(shù)為8,示范電旦只(上接第2頁4.3評(píng)價(jià)與建議5結(jié)語從測(cè)量結(jié)果可見蘇州地區(qū)典型220kV變電站通過對(duì)蘇州地區(qū)典型輸變電工程分析可以得和220kV輸電線路附近地面環(huán)境的工頻感應(yīng)電磁出正常運(yùn)行工況下20kV變電站界外和輸電線路輻射強(qiáng)度均較低,電磁輻射水平均小于HJ/T24走廊下附近環(huán)境工頻感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于2.721kV/1998中居民區(qū)工頻電場(chǎng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和公眾全天輻射m工頻感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度小于2.774×10-3mT二者均時(shí)的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值符合國(guó)家有關(guān)環(huán)保要求。盡管如此在220kV輸變電工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行中參考文獻(xiàn)預(yù)防電磁輻射仍是不可忽略的問題,應(yīng)確保把電磁[1]曾挺健110kV戶內(nèi)變電所對(duì)環(huán)境電磁和天線電干擾影響的評(píng)輻射降低到盡可能低的水平,確保公眾不受輻射影機(jī)J].華東電力2002(2):16-18響。在變電站和線路的選址時(shí)盡量遠(yuǎn)離敏感區(qū);[2]朱林.高壓輸變電工程的電磁輻射及環(huán)境影響評(píng)價(jià)J]電力環(huán)量減少分相設(shè)備的使用多采用三相設(shè)備線路架設(shè)境保護(hù)2000161)45-48盡可能采用倒三角形和三角形架線方式充分利用[31菜保英高升宇尤一安,高壓輸變電設(shè)備電磁輻射環(huán)境影響護(hù)2000.16(3)57-59相電的特性將其各相產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互抵消,以[4]引中國(guó)煤化工俞變電站環(huán)境影響評(píng)價(jià)中若干降低總輻射水平;嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計(jì)施工保證高壓構(gòu)CNMHG)40-41架和線路架設(shè)高度增大導(dǎo)線與地面的距離降低地面感應(yīng)輻射強(qiáng)度。收稿日期2005-12-23修回日期2005-12作者簡(jiǎn)介淏紅泉(1969-)男,江蘇吳江人,高級(jí)工程師主要從事輸、送變電線路的施工、維護(hù)及管理工作。