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洁净煤发电技术的前沿

  目前较有发展前景的洁净煤发电技术之一就是整体煤气化联合循环技术(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC),这种技术的好处是既能保证极好的环保性能又能达到较高的发电效率。在目前技术水平下,IGCC的发电效率已超过了百万千瓦超超临界机组,达到45%—48%(百万千瓦超超临界机组的发电效率一般为44%左右),今后有望达到更高。美国1998年4月推出的“综合国家能源战略”要求,2012年IGCC的发电效率要提高到60%以上。华能绿色煤电天津IGCC示范电站建成后,发电效率就可达到48%。
  IGCC电站的耗水只有常规电站的1/2—1/3,氮氧化物排放只有常规电站的15%—20%,污染物排放量仅为常规燃煤电站的1/10,脱硫效率可达99%,对于环境保护具有重大意义。
  发电系统和煤气化、净化系统是组成IGCC发电系统的两大分系统。
  发电系统的主要设备有燃气轮机发电机组、余热锅炉、蒸汽轮机发电机组。通过燃气轮机将气体燃料燃烧,以驱动燃气透平发电。接着,燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水,从而产生蒸汽,驱动蒸汽轮机,再一次发电。煤气化、净化系统的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备。煤炭在这一环节被气化成为中低热值煤气,再除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物,变为清洁的气体燃料,进入到发电系统。
  IGCC的历史
  常规燃煤发电技术虽然有很长的历史,发展非常成熟,但它的发电效率在现有的、可以商业化应用的材料条件下难以进一步大幅提高。在环保方面,常规燃煤技术排放的污染物成份复杂,利用现有技术脱除污染的效率能达到90%—95%,但如果想进一步提高到99%以上的深度净化,在经济上要付出更大的代价,技术上也面临很大的挑战。
  天然气发电技术相对成熟,通过燃气—蒸汽联合循环发电,比同等条件下传统燃煤发电技术的发电效率高。由于天然气本身属于清洁能源,所以几乎不排放污染物。所以IGCC技术起源于天然气发电。
  第一代IGCC的概念是鉴于上世纪70年代世界油气资源供应紧张,一些欧美国家开始把目光投向了煤气化领域,希望用煤气替代天然气,继续利用燃气—蒸汽联合循环系统这种高效率的发电方式。1972年西德建立了第一座IGCC装置;而世界上真正试运成功的第一座IGCC电站是1984年启动的美国加州Cool Water电站,美国紧接着兴建了另一座IGCC示范电站,并于1987年启运。到上个世纪90年代初,欧美国家以及印度都开始建设商业化示范电厂。经过了10几年的摸索,IGCC技术已经走过了示范阶段,开始向商业化建设前进。所以,虽然IGCC技术已经走过30多年的发展历程,但仍然是一项比较新的技术。
  气化技术的分类
  煤气化技术主要可以分为三种:
  1、固定床气化炉
  固定床气化炉主要燃烧块煤,不需要制粉、加压输送装置。是较早开发出的气化炉,这项技术也是目前技术较成熟、造价较低、操作较简单的煤气化技术。但是固定床气化炉的煤种适应性较差、单炉容量小、温度低、效率也不高。
  2、流化床气化炉
  流化床气化炉以碎煤为原料,通过向炉内鼓风,使煤炭以硫化态的形式同空气反应。它介于固定床气化炉和气流床气化炉之间,但与固定床气化炉一样,由于都是利用空气进行气化,其所产生的气体燃料成份复杂,而且发电效率也较低。
3、气流床气化炉
  气流床气化炉具有煤种适应性广、单炉容量大、发电效率高、污染物排放少等优势,而且大都利用纯氧进行气化,所产生的气体燃料成份更简单。然而,由于业界对这项技术在运行中的规律、特点还未完全掌握,仍有不少问题需要在实践中解决。另外,气流床气化炉在系统的配置上比其他两种要复杂得多,这也使其具有造价高、维护成本高、操作困难等缺点。气流床气化炉正在成为煤气化技术路线的主流,逐渐替代了固定床气化炉和流化床汽化炉。
  气流床气化炉又可以分成两大类:一类是以欧洲壳牌公司为代表的干煤粉气化炉,还有一类是以美国GE公司为代表的水煤浆气化炉。前者的煤种适应性广、效率高,但系统更复杂、造价更高。后者具有压力高、造价相对低、炉型结构简单等特点,但煤种适应性不强、温度低。
  干煤粉气化炉为一段式干煤粉气化炉是由壳牌公司开发的,这种炉能耗很高因为这种技术路线的缺点在于需要采用大量净化气体循环冷却。
  而我国华能绿色煤电天津IGCC示范电站采用自主开发的两段式干煤粉气化炉技术,即在完成一段气化后,在气化炉二段投入一定量的煤粉,这样就降低了气体的温度,而回收的热量又可以提高能量转化效率,从而有助于提高发电效率。随着示范项目的建成,这项新技术在运行当中将可能暴露出某些尚未发现的问题,但总体上看,两段式干煤粉气化炉技术已经走在了IGCC技术的前沿。

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