燃煤联合循环发电技术及其发展前景.pdf
引进与咨询 2 0 0 1年第 6期 1 3 燃煤联 合 循 环发 电技 术及 其发展 前 景 刘韶林阎安民 李冠华王宏 志刘耀新 王磊 河南电力试验研究所 4 5 0 0 5 2 河南省电力公司 4 5 0 0 5 2 河南省电力勘测设计院 4 5 0 0 5 2 1 发 展燃煤联 合循 环发 电技术的 必要性 世界一次能源的构成中,煤炭仍占很大比重 ,截止 1 9 9 6年底,按当年产量和已经证实的储量计算,全世 界煤、石油和天然气的开采年数分别为 2 2 4、4 2和 6 2年。煤炭 占世界化石燃料储量的 7 0 %。 目前煤炭约占 世界一次能源消费的 3 0 %。据世界能源会议预测 ,煤炭作为一次能源的重要组成部分的地位 ,将在相当长时 间内不会 改变 。预计 2 0 2 0年煤炭 将 占世 界一次 能源消费 的 3 3 . 7 % 。 我国拥有丰富的煤炭资源 。是世界上最大的煤炭生产国和消费国,也是能源以煤为主的国家。长期以 来 ,在我国能源生产和消费结构 中,煤炭一直 占主导地位。煤炭资源约占全国一次能源总产量的7 5 %。据预 测 。2 0 2 0年我国能源消耗将达 2 5 3 0亿吨标准煤 ,其中煤炭消耗仍 占7 0 %左右,即我国一次能源以煤为主 的局 面 。在 今后 2 0 3 0年 内不会 改变 。 我国电力工业以火电为主,水电为辅。1 9 9 9年全国装机容量 2 9 4 G W。其 中火电 2 2 1 . 5 G W,占 7 5 . 3 4 %。 所以。到目前为止 。我 国的电力仍然以煤炭为主。未来十几年内。我 国电力工业的发展对煤炭的消耗也将快 速增 长 ,其 所 占煤炭 总产量 的 比例 ,将从 1 9 9 5年的 3 3 . 1 5 %提高 到 2 0 1 0年的 4 4 . 8 % 。 我 国煤炭 的特 点是 难选 煤多 ,高 灰 、高硫煤 比重 大 。原煤 中含硫 量 超过 2 % 的 占 1 2 . 8 % ,原 煤人 洗 率仅 2 0 %左右。这些都是造成烟尘和二氧化硫污染的主要原因。酸雨覆盖面积 占国土面积的4 0 %。高硫煤的燃烧 是西 南和 中南地 区酸雨 污染 的主要原 因。 燃煤 电站带来 了严重的污染 问题。燃用 1吨标准煤 将产生 C O 排放 440 k g ,S O 排放 2 0 k g 、烟尘排放 1 5 k g 、灰渣排放 2 0 0 k g等 ,c 0 的产生使温室效应增高 ,s 0 ,N 0 的增加 ,使酸雨反应加剧。所有这些 污染 物 的排放不 仅破 坏 了环 境 。也破坏 了我 国电力工业 持续发 展 战略 。国家环保 局 1 9 9 6年 颁布 修订 的 火电厂 大 气污染物排放标准 G B 1 3 2 2 31 9 9 6 ,对 s 0 2 排放浓度及排放量提出了严格要求 ,1 9 9 8年国务院批文确 定 了酸雨 控制 区 和二氧 化硫 污染 控制 区 简称“ 两 控 区” 的划 定范 围及控 制 目标 ,并对 今后 新建 、改 造 电 厂的建设提出了明确要求。根据要求今后燃煤含硫量大于 1 %的新建 、改造 电厂 ,必须安装脱硫设施。现有 燃煤含硫量大于 1 %的电厂 ,要在 2 0 0 0年前采取减少排放 S O 的措施 ,在 2 0 1 0年前分期分批建成脱硫设施或 采取其它具有相应效果的减排 S O z 措施。因此 ,为了满足 日益严格的环保要求,使我 国经济和社会能实现可 持续发展,以燃煤火力发电为主的中国必须发展符合国情的洁净煤发电技术。 2 燃煤联合循环发电技术发展现状 2 . 1 I G C C发电技术 从 7 0年代初开始 ,一些工业发达 国家就有计划地开展了 I G C C技术的开发研究 。德 国于 1 9 7 2年在克尔曼 K e l l e r m a n 电厂建成 1 7 0 MW I G C C试验装置。 1 9 8 4年美国 C o o l Wa t e r 工程是世界上第一个正式运行成功的完整的 I G C C电站 ,采用 T e x a c o 气化技术 , G EI O 7 E型 燃气 轮机 ,总 容 量 I O O MW。 1 9 8 7年 由 D OC化 学公 司在 美 国路 易 斯 安 那 州 L G T I电 站 建 成 投 运 I G C C示范电站 ,采用 D e s t e c气化技术 ,西屋公司 WH5 0 1 D型燃气轮机。容量为 1 6 0 MW。这两个示 范电站的 试运成功,使发电业专家们相信煤经气化 、粗煤气净化后 ,作为先进的燃气一蒸汽联合循环发电中的洁净燃 料是 一 条有 一定 工业 规模 的 、可行 的 、高效低 污染 的燃 煤 发 电途 径 ,这 引起 了美 国能 源部 D O E 、欧 洲共 维普资讯 1 4 引进与咨询 2 0 0 1 年第 6期 同体能 源总部 的重 视 。 在 1 9 8 8~1 9 9 3年 的美 国燃 煤洁 净技 术 C C T 计 划 中列 入 了 6项 I G C C示范 工 程 。欧洲 也计 划几 年 内造 成 3项 3 0 0 M W 级的 I G C C示范电站。到 目前为止,世界上在建 、扩建 I G C C电站 2 4座 ,总容量 8 4 0 0 M W。荷 兰 2 5 3 MW、美 国 2 6 5 MW 和 2 6 0 M W 、西 班牙 3 0 0 MW 的 I G C C电站 已相继 投运 ,I G C C发 电技 术被 国外 认 为有 可能 成为 2 l世纪 主要 燃煤 发 电方 式之 一。 为了跟上国外 I G C C发展的步伐 ,也为了我国燃煤发电较大幅度地提高效率 ,并满足国内 日趋严格的烟气 排 放标 准 。 1 9 9 4年 成立 了国家 I G C C示范项 目领导小 组 ,有 计 划地安 排 了 I G C C研 究课 题 。 1 9 9 4~1 9 9 6年 华 北 电力设 计 院与美 国 T e x a c o和 G E公 司共 同完成 了 2 0 0 MW 级 和 4 0 0 MW 级湿法 加料 全热 回收 和激汽 流程 I G C C项 目初步可行性研究。1 9 9 7年华北电力设计院和西安热工研究院与荷兰 S h e l l 公司共同完成了 3 0 0 M W 和 4 0 0 MW 级 干法 加料 I GC C项 目初 步可行 性研究 。 为在 2 1 世纪推广应用先进的 I G C C技术 ,中国政府决定建设具有一定规模的 I C , C C示范电站。已经完成 了北京与山东烟台 I G C C工程的初步可行性研究。这两个地区都具备建立 I G C C示范工程的条件 ,国家电力公 司决定先上山东烟台的 I C . C C项 目,并已将项 目建议 书报国家计委 ,机组容量暂定 3 0 0 MW 级或 4 0 0 MW级 , 燃用山东兖州高硫烟煤 ,含硫量为 2 . 5~3 . 5 %。 近两年来 ,有关单位对示范电站气化工艺和系统的选择,主要设备的性能进行 了研究和调查 ,对 国外 已 建成的 5座 I G C C示范电站进行 了考察 ,为下一步选择技术合作伙伴打下了基础。 2 . 2 P F B C C C发电技 术 六 十年代 ,学 术 界就 提出 了增 压 流化床 燃烧联 合 循环 发电技 术 的构想 。从 七 十年代起 ,世界各 主 要工 业 国家先后 对此 进行 了大量 的理论 研究 和模 型试验研 究 。 1 9 7 8~1 9 8 6年 ,英 、美 、德 国和 瑞典 已建 立 了中试装 置 简介 见表 2 。 . 表 2 1 9 7 8 -- 1 9 8 6年 P F B C中试装 置简介 国 名 建 址 规模及主要参数 建成时间及试验情况 热输入 6 0 MW, 1 9 7 7 设计 , 1 9 8 0 运行 英 国 G r i m e t h o r p e 压力 1 . 2 MP a , 运行时间 4 1 4 0 h 床面积 2 m x 2 m 电输出 1 3 M W, 1 9 8 3 年底建成, 美 国 Wo o dR i d g e 压力 0 . 7 MP a , 未运行 床温 8 9 9 E 热输入 1 5 MW, 压力 1 . 2 1 . 6 M P a , 1 9 8 3 年运行 , 瑞 典 Ma l mo e和 tr i n s p o n g 床温 8 5 0 C, 运行时间 6 0 0 0 h 床面积 l m x1 . 2 5 m Aa c h e n T e c h n i c a l 热输入 2 0 4 6 MW, 1 9 8 4年运行, 德 国 压力 0 . 3 7 MP a, U n i v e r s i t y 、 运行时间 8 0 0 h 床面积 3 . 4 6 m x 3 . 4 6 m 热输入 1 5 MW, 压力 1 . 6 M P a , 1 9 8 9年开始 德 国 B a b c o c k 床温 8 5 0 E, 热态试验 床面积 1 . 2 m x1 . 2 m 维普资讯 引进与咨询 2 0 0 1年第 6期 1 5 经 过 1 0多 年 的试验 研究 ,8 0年代 中期开始 进入 建设 示范 电站 阶段 ,瑞典 A B B C a r b o n公 司在商业 化过 程 中处 于 领先 地 位 。 1 9 8 6年首 先 开发 了 P 2 0 0型 1 0 0 MW 级 P F B CC C装 置 ,安装 于瑞 典 、美 国和 西 班 牙,并 于 1 9 9 0年前 后投入 调试和试运 。表 3是 P 2 0 0型 P F B CC C电站 的技术参 数 。 表 3 国外已建成 的 P 2 0 0型 P F B CC C电站技 术参数 4座 P F B CC C示范 电站 的成功 投运 ,使 各 国看 到 P F B CC C的技 术前 景 . A B BC a r b o n最 近又在 德 国取 得了热电联产电厂采用 4 x P 2 0 o型的订货。目前,亚洲的 日本、韩国和中国台湾省 、欧洲的捷克、西班牙以 及美国已有 l 0个 P F B C C C电站项 目正在进行可行性研究或工程评估实施。 A B BC a r b o n公 司在 P 2 0 0型 P F B CC C装 置成功 的 基础 上 ,又推 出 了 P 8 o o型 P F B C装 置 。组 成 3 0 0 M W 级 P F B CC C电站。首台 P 8 0 o型装置正在 日本安装 。其发电效率可望达到 4 2 %。 为使 P F B C技术更具竞争力 ,瑞典、英国、美国先后提出开发第二代 P F B C技术的设想,将第一代 P F B C 锅炉产生的 8 5 09 0 0 C的燃气温度提高至 1 1 0 01 2 5 0 C,使联合循环净发电效率提高至 4 4 4 6 %。 目前, 第二代 P F B C C C已进人中试阶段,预计今后 l O a内可进入商业示范阶段。 . 我国在 8 0年代初期开始进行 P F B CC C试验研究 ,1 9 8 1年国家科委立项在东南大学建立 1 M W 试验装 维普资讯 l 6 引进与咨询 2 0 0 1 年第 6期 蒸 汽 8 6 1 一压气机 ; 2一燃烧 室; 3一燃气透平 ; 4一汽轮机 ; 5一凝汽 嚣 ; 6一给 水泵 ; 7一余热锅 炉 ; 8一发 电机 ; 9一给 水加 热嚣 ; l O一煤 气发 生嚣 ; 1 1 一煤气净化 装置 图 1 I G C C装置 系统示意 图 置 , “ 七五 ”期间完 成 了累计 7 0 0多小 时的考核 性试验 ,初 步掌握 了锅炉设 计 、运行 的关键技 术 。在此 基础 上 ,1 9 9 1 年国家计委决定开展 P F B CC C技术中试规模的研究 ,并列入 “ 八五”重点科技攻关项 目,由东南 大学设计 ,在徐州贾汪电厂建设 1 5 MW 容量的 P F B CC C中试装置,1 9 9 9年进行整套机组试运。国家现已批 准在大连台山电厂和徐州贾汪电厂各引进 2套 P 2 0 o型 P F B CC C机组 ,并作为 P F B C C C机组示范电站。 3 燃煤联 合循环技 术特点 3、l I GCC 3 . 1 . 1 装置 简介 如 图 1所示 。该 装置 以煤 为原料 ,煤先 在高 压 2~3 MP a 的气化 装置 中气化 为粗煤 气 ,气 化用 的压缩 空气 引 自燃 气轮 机压 气 机 ,气化 用 的蒸 汽从 汽轮机 抽 汽 而来 。粗煤 气经 净 化后 作 为燃 气轮 机燃 料 进入 燃烧 室 ,高温高压 燃气进 入燃 气轮机 作功发 电 ,其 排气进余 热 锅炉产 生蒸汽进 入汽 轮机 ;并且把 煤 的气化 过程 和 蒸 汽 、燃 气的发 电过程 ,按优 化方式组 成整体 ,故称 为整 体煤气化联合 循环 简称 I G C C 。 I G C C发电技术的难点在于煤的气化技术。目前国外开发的煤气化技术有十余种,按炉型可分为固定床 、 流化床和气流床三大类。在此三大类气化技术中,气流床气化工艺相对成熟,单炉容量大 ,运行经验较多 , 有较 好的煤种 适应性 和变负荷 能力 ,适 合于大容量 的 I G C C发 电工程 。 3 、 1 . 2 I G C C技术特 点 3 、 1 . 2 , 1 系统效率 高 目前其供电效率可达 4 0~ 4 6 %,下世纪可望达到 5 0 %以上。 3 、 1 . 2 、 2- 环 保性 能好 I G C C可以满足将来任何对发电系统环保的要求 ,脱硫率 39 8 % ,N 0 排放量 只有常规 电站的 1 5 % ~ 3 0 %,C O 2 排放量减少 3 5 %以上 ,这一环保性能可与洁净的新能源相媲美。 3 、 1 、 2 . 3 易大型化 ,装机容量 已能做到 3 0 0 MW 级。 3 . 1 , 2 、 4 能充分综合利用煤炭资源,把它和煤炭化工结合成多联产系统,能同时生产电、热、燃料气和 维普资讯 弓 l 进与咨询 2 0 0 1 年第 6期 1 7 化工产 品。 3 . 1 . 2 . 5 燃料 适应性好 大多数煤气 化装置可适应 不同 的煤种 。 3 . 1 . 2 . 6 耗水量 比较少 。 比常规汽 轮机电站少 3 0 % 5 0 % ,这对许多缺水 地区有利 ,也适 于矿 区建设 坑 口电站 。 3 . 1 . 2 . 7 可用 于改造现有 电厂 I G C C系统 中的各部分可逐 步加入现有 的汽轮机发 电厂 ,改造的 电厂最终 出力可 达到原来 的 2 . 5倍 。 3 . 1 . 2 . 8 电厂可分步建设 I G C C系统 的模块 化特性 ,使 电厂可 分步 建设 .第 一阶段 可 以安 装 一台燃 气轮 机组 ,燃用 天然 气 ,提 供 2 / 3额 定负 荷 生产能 力 。第二 阶 段投入 汽轮机组 ,达到 最终 设计 能力 。第 三 阶段投 入 煤气 化 和煤 气净 化装 置 ,完成整个 I C . C C系统 的建 设。 3 . 1 . 2 . 9 废弃 物的再利用 I C , CC系统 的废弃 物处理 量少 ,还可 生产硫酸 、元 素硫 、甲醇燃 料 、汽油 、尿素等 副产 品 ,灰和灰渣 也可 用 于建 筑业和水 泥业 。 3 .2 PFBC CC 3 . 2 . 1 装置 简介 增 压流化 床燃烧 联合 循环 图 2 的特点是 ,从压 气机 出来的 压缩空气 通 向增压流 化床 锅炉 ,同时 将煤 和脱硫 剂送入增 压流 化床燃烧室 内燃烧 和脱硫 ,燃烧 后排 出温 度为 8 5 0 9 0 0 % 的烟气经 除尘除 杂后进入 燃气 轮机作功,燃气轮机排气经省煤器排至烟囱人大气 ,增压流化床锅炉产生的过热蒸汽引向蒸汽轮机 ,带动发 电机发 电。 l一压 气机 ; 2一燃气透平 ; 3一汽轮机 ; 4一凝汽嚣 ; 5一给水泵 6一增 压流化床锅炉 ; 7一发电机 ; 8一省 煤器 ; 9一分离器 图 2 增压流化床燃 烧联合循环筒 图 为 了提 高 P F B CC C装 置 的热效率 ,近年来 又开 发 了第 二代 增压 流化床 联合循 环 系统 见 图 3 。它是 将煤先送入一个加压的气化炉;用以产生低热值煤气 ,剩余的焦炭和另一些煤一起送入 P F B C锅炉内流化燃 烧 。以产生 蒸汽 和燃气 ,其燃气 经除尘后 被送到前 置燃烧 室 中 ,与炭化 炉中输来 的经过 除尘 的低 热值 煤气 混 合燃烧 ,这 样把燃气 轮机前 的燃气温度提 高到 1 l 0 o ℃ 1 2 5 0 ,使联 合循环发 电效率可达 4 4 % 4 6 % 。 维普资讯 1 8 引进 与咨询 2 0 0 1年第 6期 l一燃 气轮机 ; 2一空压机 ; 3一分离器 ; 4一增压 流化床 锅炉 ; 5一冷 渣器 ; 6一汽 包; 7一蒸汽轮机 8一冷凝 器; 9一水 泵; 1 0一省煤 器; l l一烟 囱; 1 2一气化 炉 ; 1 3一前 王燃烧 室 图 3 第 二代 增压流化床 联合循 环简图 3 . 2 . 2 P F B C C C技术特 点 3 . 2 . 2 . 1 循环效 率高 ,燃料 削毛 降低 。 因采 用联合 循环 ,使 整个机组 效率 提高 ,比常规参数蒸 汽循环 机组效 率提 高 3 % 4 % ,相 当于节 约燃料 1 O%一 1 5% 。 3 . 2 . 2 . 2 脱硫效 率可达 9 0 % 以上 ,环保效益好 。 增压 流化床燃 烧是 在 比常压高 6 1 6倍 压力下运 行 。在 较高 压力下 运行使 得床 内流化 速度可 以较 低 ,约 为 l m/ s ,这样减轻了床内水蒸汽埋管的腐蚀危险。较高的压力也允许床高较深,低速和深床的综合效应使得 气体 在床 内的停 留时 间大大加长 ,同时流 化床燃烧 温度控制 在 8 5 0~ 9 O O ℃ ,这样 的温度 有利 于脱硫 、脱硝 。 因此 P F B C装置不仅提高了燃烧效率,也进一步降低了S O 、N O 排放。其脱硫效率可达 9 0 %以上,NO 排放 小 于 2 0 0 m g / m 。 3 . 2 . 2 . 3 结 构紧凑 ,占地小 ,适 合老厂改造 。 采用增压流化床燃烧方式 ,床内埋管受热面的传热强度 比煤粉炉中的对流受热面高 4倍 ,承压受热面的 金属 耗量 大大减 小 ,且 在较低 的燃烧 温度下 可得到较 高的蒸 汽温度 。增 压燃烧 和强化 传热使 锅炉 结构 十分 紧 凑 ,有利 于降低造 价 ,并且有 利于老 的燃油或 燃煤 电厂进行 技术 改造 。改造后 的 P F B C电厂 出力增 加 2 0 %左 右 ,可 保 留 1 / 3原有设 备 ,相 对新建机组 投资可节省 2 0 % 4 0 % 。 3 . 2 . 2 . 4 燃料 适应范 围广 采 用硫 化床燃烧 方式 ,床 内密相 区内充满 床料 ,新 人炉 的燃料 占的 比例很 小 ,因此 ,煤 种适应 性强 ,甚 至可烧油 页岩 。 3 . 2 . 2 . 5 与传统燃煤电厂系统相似 ,技术易掌握。 在联 合循环 中 ,蒸汽 轮机作功 占 8 0 % 左右 ,燃气轮 机功率仅 占 2 0 %左右 ,整个系统 仍 以蒸 汽循环为 主 , 同传统燃煤电厂系统相似 ,运行方式接近,技术易掌握。 3 . 2 . 2 . 6 灰渣可综 合利用 在增 压下燃 烧 ,脱硫剂 中的碳 酸钙与 s O 直 接反应 生成 硫酸钙 ,因不 存在 石灰石 煅烧 过程 ,故灰 渣 中游 离 氧化钙 含量甚 微 。灰渣掺水 后 自结 性较 强 ,渗蚀 率低 ,有利 于灰 、渣综合 利用 ,可用作 建筑材 料 、人造 砾 石 和密封材料 等 。 4 燃煤联合循 环发 电技术经济评 价 目前正 在发展 的 洁净燃 煤发 电技 术有 常规 煤粉 燃烧 加烟 气脱 硫 、脱硝 P CF G BD e N O ,常 压 循 环 流化 床燃 烧 A F B C 、增 压流 化床燃 烧 P F B C 及整体 煤 气化联 合循 环 i c , c c等 。各种 洁净 燃煤 发 电 维普资讯 引进与咨询 2 0 0 1年第 6期 1 9 技术 目前 处 于不 同发展 阶段 ,对 其技术 经 济评价 的 比较应 尽可 能 以相 同基 准进 行 。较 为合 理的 是 ,每种 技术 在与 其 它技 术 相 比时 ,应是 可具商 业应 用规模 下 的成 熟 技术 。美 国 电力 研究 院 E P R I 最新 完成 的各 种 型式 发电机组发电成本对 比研究结果表明,与其它洁净煤发电技术相比,P F B C技术的单位投资和发电成本最低。 E P R I 对各种洁净煤发电技术成本的研究结果列于表 4 。表中 P C F W/ L N B为带有湿法洗涤和低 N O x 燃烧器的 煤粉 电站 ;F G D为烟气脱 硫 ;AF B C为常压循 环流 化床燃 烧 。 表 4 各种洁净燃煤发电技术的经济性比较 以 1 9 9 3年货币为基础 P C F w / L N B 第 1 代 第 1 代 第 2代 分 类 A F B C I OCC PFBC PFBC FGD 总投 资需求 / 美元 K W 1 3 8 0 1 4 0 0 1 4 7 0 1 3 2 0 1 3 1 0 平均发电成本 / 美厘 K W h 8 2 . 5 5 8 4 . 7 5 8 5 . 9 4 7 9 . 6 2 7 5 . 7 6 5 燃 煤联合循 环发 电技术前 景展望 安全 、经济和环保是未来电力的三个基本要求。随着世界人 口的增长和对电力需求的增加以及由此引起 的气候变化 ,未来对发电采用适合于保护环境的技术的呼声将 日益增高。对于燃煤电站 ,目前世界上的共识 是除进一步提高常规电站的蒸汽参数 如向超高临界发展 ,和采用先进的脱硫脱硝装置以外 ,要进一步 提高发电效率和解决环境污染问题 ,必须走发展燃煤联合循环的道路 。当前国际公认的最有前途的两种燃煤 联合循环发电技术是增压流化床燃烧联合循环 P F B CC C 和整体煤气化联合循环 I GC C。 尽管目前 I G CC和 P F B CC C发电技术还处于示范性阶段 ,其技术复杂 ,整体性技术难点多 ,比投资费用 高。但是 ,它的效率增长和成本降低,都可能随着机组 出力的提高 ,设备的批量生产以及燃气轮机的改进和 煤气净化装置的开发等因素而逐步实现 ,从效益,费用和环保的综合评价来看,I G C C和 P F B CC C发电技术 是很有 发展前 景的技 术之 一 ,可 望成为 2 1 世纪 燃煤发 电 的主导技 术 。 参 考文献 1 .傅 文玲气化联合 循环发 电现状 及发展 前景中国 电力1 9 9 9 . 1 2 2 .于涌年 等 展望 2 1 世纪 中国洁净煤技术洁净煤技术 1 9 9 9 . 5 I 2 l 3 .岑 可 法、池 涌 洁净煤技 术 的研 究和进展 动 力工程 1 9 9 7 . 1 0 4 .蔡宁生等 1 5 0 M W P F B CC C商业示范电站的初步概念设计 动力工程 1 9 9 5 . 1 2 维普资讯