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 ICCC 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:CCC ;煤炭氣化;發(fā)電;日本Abstract :This paper introduces the development of the integrated coal gasification combined cycle ( IGCC ) in Japan ,gives some typical data of pilot plant and demonstration plant.Key words :1GCC ; power generation Japan中圖分類號(hào):TM611 .文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1009- 403X 2006 01- 0025 - 04日本是世界第二大工業(yè)國,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)國之一。日本是個(gè)國土狹小、資源貧乏的項(xiàng)目蘊(yùn)藏量國家能源的80%以上依賴進(jìn)口,目前是次于美、中煤/t1.3x 1012的世界第三位能源進(jìn)口大國。在能源構(gòu)成中,50%石油/桶.1.2x 1012以上依賴石油,石油中又有70%以上來自中東,因天然氣/m'1.44x 10' .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,-直在低迷料不如石油、天然氣那樣便于長途運(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);此外煤不能治、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,人們想到了古老的一方面把目光從石油的單-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、可再生的綠色能源(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ICCC 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 )是近年來世界熱門研究課題,日本亦將它作為21世紀(jì)能源領(lǐng)域的重要1煤炭的特 點(diǎn)以及氣化歷史發(fā)展方向。2000年,日本總發(fā)電量為9400億kWw h ,其中煤炭氣化技術(shù)是200多年前的1792年,由英國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0.8:0.15:1。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to 20世紀(jì)后期受天然氣的競(jìng)洲，尤其是北美、俄羅斯、歐洲、中國最為豐富。這幾爭煤氣的應(yīng)用領(lǐng)域日漸萎縮。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IGCC技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。首先是它的CO2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)出1kW h電量排放CO2量計(jì)算,傳統(tǒng)與其他化石能源全球蘊(yùn)藏量的比較見表1 ),可見煤的粉煤火力發(fā)電為964.7g ,IGCC為779.2g重油為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,能生那分使用粉煤灰熔點(diǎn)較低的煤。在環(huán)境保護(hù)方面,ICGCC發(fā)電的S0,、NO,排放量低煤灰是熔融礦渣形式,水冷爐體積較小。IGCC 發(fā)電在價(jià)格上也具有優(yōu)勢(shì)。用川容器十2煤炭氣化技術(shù)的特點(diǎn)煤炭氣化發(fā)電的技術(shù)核心是在汽化爐中使煤炭煤+窄氣發(fā)生部分氧化,產(chǎn)生主要成分為CO與H2的煤氣,經(jīng)提純后作為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電燃料。煤氣的成分因爐渣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,8 400~ 18 900kJ/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10500kJ/m3的中熱值煤氣優(yōu)點(diǎn)是煤氣成分中可燃性氣體濃度高,在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的顯示了煤炭氣化發(fā)電系統(tǒng)流程。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)端來看熱效率略低于吹空氣方式。吹空氣方式可提純以獲得4 200 kJ/m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。>廢氣煤氣煤的供應(yīng)方式有氣流攜帶煤粉的干法和噴射煤發(fā)生漿的濕法兩種。濕法容易對(duì)煤氣爐加壓,但 水蒸發(fā)|燈會(huì)帶來一定的熱量損失。汽輪機(jī)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容量小大中表2兩種吹氣工藝的煤氣成分灰渣排放干灰氣化溫度/心450-1 100 450- 1600 850-1 100 1 200- 1600氣體吹空氣煤氣化吹氧氣煤氣化適用煤炭非焦煤任意H210.129.6微焦煤:026.340.4加煤方式干塊煤干粉煤干粉煤或023.110.6濕煤漿煤粒度/mm50.1~3<0.1N256.16.6焦油等副產(chǎn)物少量微量少量H202.811.8代表性廠家Lurgi :BCC-LungiWinkerShell ,電中研煤氣化的關(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。氣濾膜或金屬過濾膜脫塵,用移動(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,成濕法采用濕法除塵,物理、化學(xué)吸附或直接氧化脫為國際上煤氣發(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:沒有采用歐美各國的吹氧生成、濕法純化系統(tǒng),而采用吹空氣生成、干法凈3日本煤氣化技術(shù)的實(shí)施化。其優(yōu)點(diǎn)-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 C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入火力發(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 )等技術(shù)咨詢部門。進(jìn)煤氣化爐內(nèi)部壓力約為2 626 kPa、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.1260C級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)。;廠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4 770h ,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 )水冷排渣孔;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)>煤炭品種的確認(rèn);(5 )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,-般在幾兆瓦，主要是摸索數(shù)表4實(shí)驗(yàn)電廠的成果據(jù)確定條件。實(shí)驗(yàn)電廠通過以后再建立示范電廠,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)成果數(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)方法熱效率采用1300燃?xì)廨啓C(jī),得到43%的送電端效率商業(yè)電廠4 000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500 MW)降低成本路3000示范電廠環(huán)保特性實(shí)現(xiàn)排放so, 0.002%以下、NO, 0.002%以250Mw下、排塵10mg/m'以下出2:000-實(shí)驗(yàn)電約2倍適用煤炭品種試用了包括高熔點(diǎn)等3種煤炭30MwI 000運(yùn)轉(zhuǎn)特性冷啟動(dòng)一天之內(nèi),負(fù)載跟蹤達(dá)到微粉煤的約8倍水平⊥可靠性累計(jì)4770h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),得到了煤氣對(duì)于材150300450600料的腐蝕磨耗數(shù)據(jù)確立了材料選擇基準(zhǔn)出力/MW圖3日本煤氣化的參數(shù)按比例擴(kuò)大關(guān)系煤氣化爐為三菱重工生產(chǎn)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IGCC 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)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4。4結(jié)語3.3 250MW 示范電廠( PLC)2001年6月潔凈煤電力研究所接受國家資助煤炭氣化發(fā)電是一種綜合利用煤炭的新技術(shù),開始了250 MW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1 300 C級(jí)燃?xì)廨啓C(jī),ICCC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,1 500 C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,具有明顯優(yōu)勢(shì)。在環(huán)境保護(hù)方面,CO2 排放量與爐項(xiàng)目示范電廠實(shí)測(cè)結(jié)果商業(yè)電廠預(yù)期結(jié)果渣量的減少也具有很大的魅力。估計(jì)2010年以后可靠性年利用率70%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)53% 48%( 干法)1500級(jí)燃?xì)廨啓C(jī),HHV[1]梁木.日本火力發(fā)電的動(dòng)向J]中國電業(yè)1999 (2)44-46.環(huán)境特性so, 8x10-*so, 8x10-9[2]陳鵬先進(jìn)的煤炭氣化與液化技術(shù)新進(jìn)展[J]中國科技成果,NO，5x 10-6NO, 5x 10-62002 (24)15- 19.煙塵4 mg/m'排塵4 m/m[3]高田英章.碳夕入化復(fù)合癸電( IcCC )0開癸動(dòng)向[ J].電氣評(píng)適用煤炭使用灰熔點(diǎn)低(低于除了煙煤以外,還能論1990(6)484 - 487.1400C)的煤使用灰熔點(diǎn)低的劣質(zhì)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)電作者簡介紀(jì)傲( 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 ,示范電業(yè)，業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)(上接第2頁)5結(jié)語4.3評(píng)價(jià)與建議從測(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220kV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2.721 kV/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2.774x 10-3 mT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,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梔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);盡[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)2000 16( 1 ):45 -48.盡可能采用倒三角形和三角形架線方式,充分利用[3]梁保英.高升宇.尤一安.高壓輸變電設(shè)備電磁輻射環(huán)境影響分析[J]電力保護(hù)20000 16(3)57- 59.三相電的特性將其各相產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互抵消，以[4]張洪.劉小平.王紅海等.高壓輸變電站環(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)問題的探討J1環(huán)境保護(hù)2003 (9)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2005-12-27作者簡介:吳紅泉( 1969- ),男江蘇吳江人高級(jí)工程師,主要