对几种洁净煤发电技术及其经济性能的探讨

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收稿日期:20020427作者简介:曹文亮(1977),男,华北电力大学热能专业研究生,主要研究方向为火电厂机组仿真技术和综合自动化技术。文章编号:　CN311508(2003)03000704

对几种洁净煤发电技术及其经济性能的探讨

曹文亮,　高建强,　王兵树,　佟　鹏,　齐永霞

(华北电力大学仿真与控制技术研究所,河北保定071003)

关键词:　发电技术;洁净煤;性能摘　要:　在现有文献的基础上,介绍了目前最有发展前景和竞争力的4种洁净燃煤发电技术,即常压循环流化床燃烧(CFBC),增压流化床联合循环(PFBC-CC),整体煤气化联合循环(IGCC),加脱硫、脱硝装置的超临界机组(SPB+FGD),对它们的技术经济性能(如热效率、造价、环保性能、调峰性能、技术成熟程度等)进行了综合分析和比较,以便为我国发展洁净煤发电技术提供参考。中图分类号:　TM621 文献标识码:　B

1　前言

根据国际上高效、洁净燃煤发电技术的现状

和发展趋势,并结合我国的国情,我国现阶段洁净

煤发电技术的主要发展途径有常压循环流化床燃

烧(CirculatingFluidizedBedCombustion,简称CF2

BC),增压流化床燃烧(PressurizedFluidizedBed

CombustionCombinedCycle,简称PFBC-CC),整体煤气化联合循环(CombinedCirculationWithIntegral

Gasificaltion,简称IGCC),加脱硫、脱硝装置(SPB+

FGD)的超临界机组[1]。

我国目前仍然没有能力自主设计和制造大

型的洁净煤发电机组,多数设备需要引进,这

使我国洁净燃煤发电技术的快速推进存在不少

问题。现在建设的3个示范工程,在四川白马

电厂安装的1台300MW等级CFBC锅炉、在大

连台山电厂安装的2套P200的PFBC-CC机

组、在烟台电厂安装的1套300MW或400MW等级IGCC机组,都是世界上容量最大的机组之

一,但在技术上还存在许多不完善之处,这可

能会造成建设和试生产的周期拉长,影响投资

效益。此外,我国机械制造能力还有待进一步

提高,我国与世界先进水平的差距,阻碍了洁

净煤发电技术的推广和产业化的发展,因而有

必要对这些发电系统的技术性能、经济性和环

保等性能等做出一个全面评估,以便为我国发

展洁净煤发电技术提供参考。2　各种燃煤技术的工作原理

2.1循环流化床燃烧(CFBC)循环流化床锅炉是在鼓泡流化床锅炉的基

础上发展起来的,它的主要原理是床料在炉膛内

充分流化,通过旋风分离器和返料装置实现物料

循环,使燃料平均停留时间较煤粉炉增加几十

倍,达到充分燃烧的目的。同时,以石灰石等为

脱硫剂,燃煤烟气中的SO2与石灰石分解生成的氧

化钙接触,发生化学反应被脱除。图1为CFBC锅炉典型流程图。

2.2增压流化床联合循环(PFBC-CC)第一代PFBC-CC电站由燃气和蒸汽2部分

系统组成发电过程,燃气轮机出力占总输出功的

20%25%,其余为蒸汽轮机出力,形成“联合循环”的形式运行。它是用1台增压循环流化床锅炉作

为联合循环装置的组成部分,锅炉出口的高压热烟

气(850950℃)经除尘后进入燃气轮机发电,燃气轮

机出口烟气(400℃左右)经省煤器吸热后排出,其

蒸汽发电系统与常规电站机组相同。

由增压流化床和部分气化炉加顶置燃烧室

构成的第二代PFBC-CC,燃机入口烟温提高到第34卷第3期2003年5月　锅　炉　技　术BOILER　TECHNOLOGYVol.34,No.3May.,2003

两者某些优点的综合体。基本流程如下:原煤先

在气化炉中进行干馏,产生的低热值煤气经过高

温除尘进入前置燃烧室,生成高温燃气。半焦则

进入增压流化床进一步燃烧生成烟气,其烟气也

经高温除尘与前置燃烧室的高温燃气混合进入

燃气轮机,这样可大幅度提高联合循环效率。图

2是PFBC-CC发电站典型流程图。

2.3整体煤气化联合循环(IGCC)整体煤气化联合循环的工作原理是:先用氧

气或空气将煤全部气化和净化,产生的清洁煤气

作为燃气轮机的燃料,燃气在燃气轮机中做功后

进入余热锅炉,产生蒸汽带动蒸汽轮机,组成蒸

汽-燃气轮机联合循环。其典型流程图见图3。

2.4带脱硫、脱硝装置的超临界机组(SPB+FGD)带脱硫、脱硝装置的超临界机组(SPB+

FGD),仍为建立在郎肯循环基础上的单蒸汽循环发电,与带烟气脱硫装置的常规煤粉电站(PC+

FGD)相比没有大的差别。提高机组循环效率的主要途径是提高蒸汽参数、降低排汽参数,以及采用

合理的回热循环来实现。但降低排汽参数受到环

境的制约,提高蒸汽压力对效率的影响不如提高汽

温明显,反而使比投资增加。因此,在开发抗高温

腐蚀、抗氧化和热强度性能、加工性能优良的新钢

种基础上,努力去提高蒸汽的初温[2]。

3　各种燃煤技术经济技术性能比较

3.1热效率[12]

由于循环流化床仍是单纯汽轮机发电方式,在供电效率上并没有提高;PFBC除具有与CFB相似的优势外,流化床加压产生的高温烟气经过

除尘,可进入燃气轮机做功,联合循环的发电能

力比相同蒸汽的单汽轮机发电增加20%左右,效

率提高3%4%,第一代PFBC-CC系统的效率可比相同蒸汽参数的单一循环煤粉电站高3%5%,蒸汽循环采用超临界参数的第一代PFBC-CC,循环效率可达42%45%;由增压流化床和部分气

化炉加顶置燃烧室构成的第二代PFBC-CC,燃

机入口烟温提高到1200℃以上,其净效率可达

45%48%,甚至可达50%。

IGCC系统以燃气轮机发电为主,它可以通过提高燃机进口烟温来提高循环效率。在目前

的技术条件下,采用喷流富氧气化、干法给煤、煤

气湿法净化等技术,燃机入口烟温在1250℃以

上,系统净效率可达43%45%。随着先进的高温

燃气轮机及燃气高温干法净化技术的开发,IGCC的系统效率可超过50%。

目前,大量投运的一次再热超临界机组的主

汽压力为24.5MPa,一、二次汽温为538℃或

566℃,其供电效率为38%41%。投运的超超临界机组的主汽压力为2730MPa,一、二次汽温

580600℃,采用一次或二次再热,其供电效率可达42%44%。如将汽温提高到650℃,那么供电

效率可超过45%。

对郎肯循环而言,随着蒸汽初参数的继续提

高,其效率的提高将越来越缓慢,而付出的代价

越来越大,因此效率的提高是有限的。火力发电

技术必然要向效率更高的燃气-蒸汽联合循环

方向发展。

3.2电厂的造价由于目前国内对这几种先进发电技术的开

发尚处于起步阶段,需要引进国外先进技术,存

在技术引进费用和国产化程度不同等许多不确

定因素,且同一种技术因各个厂家不同的技术风

格以及材料价格、劳务费、税金等诸多因素的差

别而形成不同的造价。因此,对这几种先进发电

技术做出权威性的技术经济比较较为困难。表

1[3]所示的4种洁净煤技术的投资、电价、电站效

率之间的比较,都是以600MW规模电站为基准,它主要根据外商的进口设备报价、引进技术费和

国内传统电站的设计经验来作的估算。

我国正在筹建的亚临界300MWCFB电站,汽轮机采用国产机组,CFB锅炉为进口机组,国

内分包少量设备的制造。外商估算的单位造价

高达1600美元/kW,而根据国外的资料,CFB电

站的单位造价要比带烟气脱硫的煤粉锅炉机组

低8%10%[2]。

对于PFBC电站由于其体积比同等容量普通8锅　炉　技　术第34卷

有送、引、一次风机等设备,可减少厂用电和占地

面积。另外,主要部件可以做成模块结构,其中

绝大部分可以在工厂的车间内组装,这样可以降

低成本,使其相比其它几种洁净煤发电技术投资

最少,加上其发电效率较高,故其发电成本最低,电价最便宜。

对于IGCC电站,虽然其单位投资比常规电

站高,但随着其效率的提高和大部分设备的国产

化,其造价会有明显下降。国外资料报道,超临界比同容量亚临界机组

造价高5%20%[1]不等,特别是为满足环保要求,增设烟气脱硫、脱硝装置的代价是巨大的,湿法烟

气脱硫装置的附加投资约为电站总投资的20%,脱硝装置的价格比脱硫装置更高。此外,这些装置

占地很大,还要增加日常运行费用,电厂的效率也

略有下降。但是,随着机组容量增大和新一代低费

用的烟气处理新技术的发展,将会大幅度地降低造

价,电站投资增加可以控制在5%以内[4]。

表1　几种发电技术的投资、电价、电站效率比较

技术PC+FGDCFBC1stPFBC2stPFBC1stIGCC投资/%100105110<10080150(目前)110(将来)电价/%1001069284112效率/%3838404245474345

3.3环保性能流化床锅炉在环保性能上的优势比较突出,它通过向炉内添加吸附剂(如石灰石),在燃烧室

内可除去燃烧生成SO2的90%以上。同时,由于

床内燃烧温度较低,只有燃料中的氮转化成

NOx,空气中的氮很少转化生成NOx,排烟中的

NOx含量在100mg/Nm3300mg/Nm3之间变化。

在PFBC系统中,为了防止燃气轮机叶片磨损,在

锅炉的出口设置了二级串联的旋风分离器组,可

将10μm以上的粒子基本除掉,含尘量大大降低。

图4　发电技术的污染物排放情况

如图4所示[5],在这几种清洁燃煤发电技术中,IGCC的环保性能最好。因为它对污染物的

处理是在净化煤气的过程中进行的,由于流量小、浓度高,因而净化效果好,处理费用低。IGCC的排尘量为常规燃煤电厂的1/3左右,排气脱硫率可在98%以上,并可得到副产品单质硫,排气中NOx含量在200mg/Nm3以下。带脱硫、脱硝装置的超临界机组,由于效率

的提高和煤耗的降低,使其排放物减少,脱硫、脱硝装置和除尘设备的投运,其排放可以满足环保的要求。

3.4调峰的影响随着经济的发展和人民生活水平的提高,近几年电力负荷特性发生了较大变化。特别是随着空调拥有量的不断增加,气温对用电负荷的影响越来越大,部分省份全年最高负荷逐步由冬季向夏季转移,导致年最大负荷增长的波动性增大。今后调峰矛盾日趋突出,电网需要的调峰容量逐步增加[6]。对于循环流化床,只需调节给煤量和流化速

度来改变物料循环量,使锅炉有很好的负荷适应能力和良好的汽温调节性能.即使在低负荷时,也不需采用分床压火,也不需要像煤粉锅炉那样用油助燃。循环流化床锅炉的热负荷变化范围为100%25%,其变化率为5%10%[7]。这一优点使采用循环流化床锅炉的机组便于参加电网的调峰。研究表明,IGCC机组带部分负荷时,性能则要显著地降低[8]。

PFBC锅炉也有较好的负荷调节特性,负荷改变时,经短时间调整,既能带基本负荷,又能作为调峰机组使用。对于现代超临界机组,有较好的热机动性,通常采用复合变压运行方式,低负荷下机组仍能9第3期曹文亮,等:对几种洁净煤发电技术及其经济性能的探讨

洁净煤技术——直接液化技术

一、德国IGOR工艺

1981年, 德国鲁尔煤矿公司和费巴石油公司对最早开发的煤加氢裂解为液体燃料的柏吉斯法进行了改进, 建成日处理煤200吨的半工业试验装置, 操作压力由原来的70兆帕降至30兆帕, 反应温度450～480摄氏度；固液分离改过滤、离心为真空闪蒸方法, 将难以加氢

的沥青烯留在残渣中气化制氢, 轻油和中油产率可达50％。

原理图:

IGOR直接液化法工艺流程

工艺流程: 煤与循环溶剂、催化剂、氢气依次进入煤浆预热器和煤浆反应器, 反应后的物料进入高温分流器, 由高温分流器下部减压阀排出的重质物料经减压闪蒸, 分出残渣和闪蒸油, 闪蒸油又通过高压泵打入系统, 与高温分离器分出的气体及清油一起进入第一固定床反应器, 在此进一步加氢后进入分离器。中温分离器分出的重质油作为循环溶剂, 气体和轻质油气进入第二固定床反应器再次加氢, 通过低温分离器分离出提质后的轻质油品, 气体经循环氢压机压缩后循环使用。为了使循环气体中的氢气浓度保持在所需的水平, 要补充一定数量的新鲜氢气。

液化油经两步催化加氢，已完成提质加工过程。油中的氮和硫含量可降低到10－5数量级。此产品经直接蒸馏可得到直馏汽油和柴油，再经重整就可获得高辛烷值汽油。柴油只需加少量添加剂即可得到合格产品。与其他煤的直接液化工艺相比，IGOR工艺的煤处理能力最大，煤液化反应器的空速为0.36～0.50 t /( m3·h)。在反应器相同的条件下，IGOR工艺的生产能力可比其他煤液化工艺高出50%～100%。由于煤液化粗油的提质加工与煤的液化集为一体，IGOR煤液化工艺产出的煤液化油不仅收率高，而且油品质量好。

工艺特点: 把循环溶剂加氢和液化油提质加工与煤的直接液化串联在一套高压系统中,

避免了分立流程物料降温降压又升温升压带来的能量损失, 并在固定床催化剂上使二氧化碳

IGCC技术发展现状概述

第 1 页 IGCC技术发展现状概述

摘要：IGCC是一种新型、高效的洁净煤发电技术具有高效、洁净、节水、燃料适应性广等特点。本文对IGCC发电技术的特点、流程、关键设备与制约因素等进行了论述。

关键词：IGCC 煤气化联合循环发展概况

1. 概述

IGCC (Intergraded Gasification Combined Cycle)即整体煤气化联合循环发电,它是当今国际上最引人注目的新型、高效的洁净煤发电技术之一。IGCC发电系统把环境友好的煤气化技术与高效的燃气蒸汽联合循环发电技术相结合，实现了煤炭资源的高效、洁净利用，具有高效、洁净、节水、燃料适应性广、易于实现多联产等优点，并且与未来二氧化碳近零排放、氢能经济长远可持续发展目标相容，是21世纪洁净煤发电技术的重要发展方向之一。

它主要由煤的气化与净化部分(气化炉、空分装置、煤气净化设备)与燃气-蒸汽联合循环发电部分(燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统)组成。典型的IGCC发电系统如图第 2 页 1所示,IGCC的工艺过程如下:煤经气化成为中低热值煤气,经过净化,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,然后进入燃气轮机的燃烧室燃烧,加热气体工质以驱动燃气轮机作功,燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水,产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机作功的联合循环过程。

图1 典型IGCC发电系统图

2. IGCC技术优点

2.1 供电效率高

IGCC电厂将煤气化与高效的联合循环发电技术有机结合起来,实现了能量的梯级利用,极大地提高了燃煤技术的发电效气化岛动力岛

煤炭气化废净燃余蒸空煤

粗煤氧空氮燃机发汽蒸排氮气输出电力输第 3 页率。目前,国际上运行的商业化IGCC电站的供电净效率最高已达到43%,比常规亚临界燃煤电站效率高5%~7%,与超超临界机组供电效率相当。随着燃气轮机的发展,由G,H级组成的IGCC供电效率可以达到52%。

煤炭资源的清洁高效利用

煤炭是我国的主要能源之一，但是它的使用也带来了不少环境问题。为了解决这一问题，我们需要采取清洁高效利用煤炭资源的措施。

一、清洁利用煤炭资源

清洁利用煤炭资源主要指采用高效环保的技术将煤炭转化为能源。例如煤制油、煤制天然气、煤制甲醇等，这些清洁利用技术可以有效地减少煤炭的排放，提高能源利用效率。

其中，煤制油和煤制天然气的技术已经较为成熟。煤制油可以将煤转化为含量较高的合成油，而煤制天然气可以将煤转化为透明的天然气。这些技术可以使煤炭资源得到更加充分的利用，同时也能减少大气污染。

二、高效利用煤炭资源

高效利用煤炭资源主要是指采用高效的技术和设备，将煤炭的能量尽量发挥出来。例如，对于工业炉燃用煤炭的情况，可以采用先进的燃烧技术，使得燃烧效率更高，同时减少污染物的排放。

此外，煤的利用还可以与风能和太阳能等可再生能源相结合。例如，煤炭和风能组合发电站、光伏发电和热电联产等技术，可以提高能源利用效率，同时也可以减少碳排放。

三、推动清洁高效利用煤炭资源的发展

推动清洁高效利用煤炭资源的发展，需要政策的支持和科技的进步。政府可以加大力度推广清洁能源和清洁技术，鼓励企业在生产中采用清洁煤炭技术，并对采用先进技术的企业进行奖励。

同时，科技的进步也是推动煤炭资源清洁高效利用的关键。研究和开发更加先进的清洁技术、高效技术和新能源，可以更好地满足人们的能源需求，减少环境污染。

总之，清洁高效利用煤炭资源是我国绿色发展的关键之一，需要政府、企业和科研机构的共同努力。只有这样，才能保证我们的能源供应安全，并且保护环境，实现可持续发展。

煤炭行业的低碳发展探索减少碳排放和提高清洁能源比例的方法

随着人们对环境保护意识的觉醒和能源结构调整的需要，煤炭行业正面临着巨大的挑战和压力。如何实现煤炭行业的低碳发展，减少碳排放并提高清洁能源比例，成为了摆在我们面前的重要课题。在这篇文章中，我们将探索一些煤炭行业低碳发展的方法。

一、推进煤矿安全生产

首先，推进煤矿安全生产是实现煤炭行业低碳发展的基础。煤矿作为煤炭资源的主要开采地，其生产过程也是煤炭行业碳排放的重要环节。因此，加强煤矿安全生产，降低矿井事故发生率，减少煤矿瓦斯等有害气体的泄漏，对于减少碳排放具有重要意义。

二、提高煤炭利用效率

其次，提高煤炭利用效率是降低碳排放的关键。传统的燃煤发电等方式存在能源利用效率低、碳排放高等问题。因此，需要引进先进的煤炭利用技术，如煤炭气化、燃料电池等技术，提高煤炭利用效率，减少碳排放。

三、推广清洁能源替代煤炭

同时，推广清洁能源也是实现低碳发展的重要途径。清洁能源包括风能、太阳能、水能等，其能源利用过程中不会产生大量的碳排放。因此，推动清洁能源替代煤炭的应用，增加清洁能源在能源结构中的比例，是实现煤炭行业低碳发展的重要手段。四、开展碳捕集与储存技术研究

另外，开展碳捕集与储存技术的研究也是减少碳排放的有效途径。碳捕集与储存技术是指通过各种手段将煤炭等传统能源燃烧所产生的二氧化碳气体捕集，并将其储存于地下或其他容器中，避免其直接释放到大气中。这项技术的推广应用，可以将煤炭燃烧过程中产生的二氧化碳气体大幅减少，从而减少碳排放。

五、加强煤炭行业减排政策的制定与执行

最后，加强煤炭行业减排政策的制定与执行同样重要。政府在减少碳排放、促进低碳发展方面应该发挥重要作用，加大对煤炭行业的监管力度，制定更加严格的减排政策，并加强对政策执行情况的监督与检查，确保政策的有效落地。

总结起来，实现煤炭行业的低碳发展，减少碳排放并提高清洁能源比例，需要从推进煤矿安全生产、提高煤炭利用效率、推广清洁能源替代煤炭、开展碳捕集与储存技术研究、加强煤炭行业减排政策的制定与执行等多个方面入手。只有综合考虑、全面推进，才能推动煤炭行业实现低碳发展，为环境保护和可持续发展作出贡献。

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洁净煤技术——直接液化技术

IGCC技术发展现状概述

煤炭资源的清洁高效利用

煤炭行业的低碳发展探索减少碳排放和提高清洁能源比例的方法

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