洁净煤发电技术发展路线

《热能动力工程前沿课》

洁净煤发电

技术发展路线蔡宁生清华大学热能工程系2005月9月主要内容洁净煤发电技术简介研究开发需求发展路线图2003年，中国的能源消费量占到全球消费量的12.1%，成为仅次于美国的第二大能源消费国2003年我国能源状况环境污染严重，可持续发展面临巨大压力飞灰:70%,SO2:90%,NOX:67%,酸雨:82%SO2

排放量超过2000万吨/年,1/3的国土遭受酸雨影响.直接应用效率很低污染严重煤炭CO2EmissionStatusinChinaCO2EmissionbySectorinChinaSource:IEA,WorldEnergyOutlook2002洁净煤发电技术简介超临界/超超临界粉煤燃烧（SupercriticalorUltraSupercriticalPCC）循环流化床燃烧(CFBC)增压流化床燃烧（PFBC）整体煤气化联合循环（IGCC）新型“零排放”或“近零排放”技术粉煤燃烧发电系统蒸汽参数与效率的关系30MPa600℃一次再热0.0065MPa0.003MPa二次再热25MPa540℃120℃130℃1.251.1546454443424140净效率(%)空气系数排烟温度蒸汽参数再热蒸汽压力水临界状态点的参数是：压力22.115MPa，温度374.15℃低于22MPa称为亚临界，17—22MPa称为亚临界机组当水蒸汽压力大于临界压力，为超临界机组。典型的超临界参数为：24.2MPa/566℃/566℃当某一机组的主蒸汽参数至少满足下列条件之一时，可认为该机组属于“超超临界”机组——主蒸汽压力大于等于27MPa主蒸汽压力大于等于24MPa，且主蒸汽温度大于等于580℃（主蒸汽温度大于等于580℃，或/和再热蒸汽温度大于等于580℃）超超临界燃煤发电技术类别效率供电煤耗（g/kWh）年耗煤量（万吨）亚临界机组39-41%33015859.47超超临界机组45-47%28013456.52年节约煤量（万吨）2402.95年减少SO2排放量（吨）29604.3年减少NOx排放量（吨）57670.8年减少CO2排放量（万吨）4908.9超超临界燃煤发电技术优势以“十一五”投产8738万千瓦煤电计对超临界粉煤燃烧的评述成熟可靠效率有望50％SO2排放200-400mg/m3NOx排放100-200mg/m3(SCR),400-800mg/m3(低NOx燃烧)粉尘10-50mg/m3CO2排放问题对循环流化床燃烧的评述

小规模有优势(100-300MWe)大规模向高参数发展改进固体排放碳损失，燃料混烧旋风分离器隔热层热裂问题SO2排放400mg/m3NOx排放400mg/m3粉尘50mg/m3CO排放135/GJN2O排放较高CO2排放问题蒸汽动力循环与燃气轮机循环燃气－蒸汽联合循环增压流化床联合循环(PFBC-CC)对PFBC的评述热烟气净化&高蒸汽参数效率44％SO2排放217mg/m3NOx排放123mg/m3（SCR)粉尘30mg/m3(2级旋风＋ESP）比PCC，CFBC复杂效率和环境潜力不如IGCC开发商调整了进一步的开发推广Niche（特殊应用）技术煤炭气化技术煤炭气化的原则流程第二代PFBC-CC空气鼓风气化联合循环(ABGC)整体煤气化联合循环(IGCC)IGCC的特点分析煤通过在气化炉中气化为中低热值煤气，再将粗煤气中的灰分和其它有害化合物等加以净化后，实现燃气蒸汽联合循环发电，既提高燃煤电站的发电效率，又解决燃煤所带来的环境污染问题。具有提高发电效率的潜力，目前技术水平的净发电效率已达到42－45％，通过进一步发展可提高到50％以上。目前单机容量已能达到300－400MW级，已经具备转入商业化运行的基础。IGCC在目前洁净煤发电技术中能够解决污染问题最彻底，废物处理量最少，特别适合高硫煤，且耗水量较常规粉煤电站少。

IGCC的特点分析（续）煤经气化后，不仅可用于发电，还可生产煤基液体燃料和高附加值化学品，实现多联产综合利用，有利于降低生产成本。对目前使用油气的燃气蒸汽联合循环发电机组，当油气资源枯竭或价格高昂时，IGCC是改造的最佳方案，且便于现有蒸汽电站的增容改造。IGCC系统较为复杂，目前电站投资和发电成本较高，对制造工艺要求较高，特别是依赖于高效率、大容量的煤气化及净化设备和燃气轮机的设计和制造技术的发展。

发展IGCC技术的意义带有脱硫/脱硝的超临界/超超临界燃煤发电技术是未来20年内的主流技术整体煤气化联合循环（IGCC）和多联产以及煤气化燃料电池发电技术是10年以后的主要技术选择之一

IGCC减排CO2的成本低，在CO2列入发电成本时，具有商业竟争力发展IGCC包含系统技术和关键技术，可以促进其它能源技术的进步IGFC(EAGLE)IntegratedCoalGasificationFuelCellCombinedCycle(coalEnergyApplicationforGas,LiquidandElectricity)洁净煤发电技术的发展趋势

多联产空气分离气化高温净化空气煤石油焦生物质O2N2,Ar天然气热/电/冷联产

IGCC

orGCC化工产品液体燃料其他合成气变换反应蒸汽气体分离热/电/冷联产燃料电池大规模发电埋存干冰化工藻类生长强化石油和煤层气开采CO2+H2CO2H2商业楼宇住宅多联产产品：1、城市煤气2、电力3、供热/冷4、液体燃料5、化工产品6、二甲醚7、氢气8、纯CO2资源/能源/环境一体化能源系统以煤气化为核心的多种CCT模式气、油、萘等煤、生物质、废塑料等的混合气化生物质煤废塑料气化渣精炼铁联合生产化工原料联合生产钢合成气制氢CO2分离/回收消费者使用/运输氢站固定式燃料电池H2储存气化炉有效利用甲醇、乙酸等化学油铁矿石精炼铁鼓风炉CO2电力IGCC/IGFCDME,GTL锅炉电厂、车辆等燃料电池车辆燃料电池：工作原理及方式

发电原理：电化学方式——等温的将贮存在燃料中的化学能直接转化为电能

工作方式：内燃机方式——只要供给燃料和氧化剂，就可以连续输出电能SOFC技术：管型电堆结构Source:SiemensWestinghousePowerCorporation,2001西门子西屋公司研制的

SOFC/燃气轮机混合系统Source:SiemensWestinghousePowerCorporation,2001SOFC/gasturbinehybridsystemof300-kW-classSOFC/gasturbinehybridsystemof220kWFutureGen零排放煤制氢ZECA

R&D3科学技术示范推广基础理论关键技术装备工程政策法规洁净煤发电技术研究开发需求PCC,CFBC:低NOx燃烧;改进FGD;低成本烟气de-NOx;SO2/Nox联合脱除;改进ESPs;降低辅助功耗;混烧;超临界CFBC;CFBC副产品利用;CFBC隔热层材料开发PFBC:特殊应用(混烧,劣质煤);混合气化燃烧示范研究开发需求(续)USCPCC:新型高温合金材料开发;镍基合金部件的制造工艺;降低使用贵重合金材料的设计;示范运行IGCC:可靠性,可用率;隔热层材料;合成气冷却器材料及防沉积;给煤;转换效率;混合气化;干法气体净化;燃用合成气的燃气轮机;规模放大研究开发需求(续)Fuelcells:SOFC制造及材料;规模放大;合成气的应用降低投资和运行成本改善环境性能近零排放研发需求以燃烧为基础的发电系统:采用化学吸收剂剂（新型反应剂）洗涤烟气CO2的大规模工业示范;采用物理吸收剂洗涤CO2;采用吸附剂的CO2

分离方法的开发;开发CO2

分离膜;

近零排放研发需求(续)以燃烧为基础的发电系统:采用氧气燃烧的粉煤，循环流化床锅炉的材料开发;煤－氧气燃烧工业示范;开发空分离子交换膜;采用离子交换膜制氧的工业示范;合成气的O2

燃烧;用于合成气O2

燃烧的CO2/蒸汽透平的开发;采用改进系统显著降低常规污染物的排放AirAirSeparationN2,ArFuelCombustionO2Oxy-fuelCombustion:OverallConcept“Capture-Ready”PlantESPFGRFlueGasRe-circulationsystemafterESPforreturnofCO2richgastoburnersincludesfansStackCO2H2OO2MostlyFor“Capture-Ready”PlantcostofASUoffsetagainstDe-NOxplantnotrequiredLowerDe-SOxplantinvestmentandO&Mcostsasonly~1/3fluegasrequirestobetreatedFGD近零排放研发需求(续)以气化为基础的发电系统:开发从变换合成气中分离CO2

的膜技术;其它从变换合成气中分离CO2

的方法;

制氧用离子交换膜;采用离子交换膜制氧与以气化为基础的发电系统的集成;近零排放研发需求(续)以气化为基础的发电系统:燃料电池的开发;氢气轮机的工业示范(性能,寿命);灵活的液体燃料、氢和电力的联产;与相关的行业物流/能量流的集成;与CO2

埋存结合的工业示范近零排放研发需求(续)降低CO2

捕集和常规污染物排放的成本

洁净煤