基于褐煤气化技术的IGCC电厂在中国的应用前景

基于褐煤气化技术的IGCC电厂在中国的应用前景

基于褐煤气化技术的基于褐煤气化技术的IGCCIGCC电厂电厂在中国的应用前景在中国的应用前景

东北电力设计院东北电力设计院谭红军谭红军2014年08月01日

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基于褐煤气化技术的基于褐煤气化技术的IGCCIGCC电厂在中国的应用前景电厂在中国的应用前景

褐煤气化技术褐煤气化技术2

概述概述1

褐煤气化技术褐煤气化技术IGCCIGCC电站电站整体技术经济指标及对比整体技术经济指标及对比4

基于基于TRIGTRIG褐煤气化技术的褐煤气化技术的IGCCIGCC电站设计方案电站设计方案3

褐煤气化技术褐煤气化技术IGCCIGCC电站应用前景电站应用前景5

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概述1

1.1 我国能源结构现状

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概述1

1.1 我国能源结构现状

5

概述1

1.2 褐煤资源与应用状况我国已探明的褐煤保有储量为1300多亿吨，占全国煤炭储量的13%。对于我国“富煤、缺油、少气”的能源结构，褐煤的综合利用及发展成为我国和世界能源专家高度重视的研究方向。

褐煤主要分布在我国的云南、内蒙古、新疆、东北等省区，其中以云南、内蒙古和黑龙江为最多。

褐煤主要用来直接燃烧发电或应用于煤化工领域。

实现褐煤的清洁、高效、经济和合理利用，具有重大的现实利益和长远的战略意义，但也面临着巨大的需求和挑战。

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概述1

1.3 IGCC系统研究的意义随着近年来雾霾天气的频繁出现，公众对于环境保护日益关注，而作为PM2.5的主要影响源之一的火力发电行业，正面临前所未有的调整压力。当前火力发电面临着环保、可再生能源利用、节能减排等多重压力和挑战，节能、节水、低污染将成为火电机组最迫切的发展要求。

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1.3 IGCC系统研究的意义2011年发布的《火电厂大气污染物排放标准》，燃煤电厂烟尘排放限值降低至30mg/Nm3，对于重点地区，其排放限值降低至20 mg/Nm3；

2012年发布的《环境空气质量标准》增设了颗粒物粒径小于等于2.5μm浓度限值；

2013年国务院出台《大气污染防治行动计划》，要求到2017年，全国地级及以上城市可吸入颗粒物浓度比2012年下降10%以上。

概述1

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1.3 IGCC系统研究的意义选择最佳污染物分离处理环节原则

传统燃煤系统为“先污染, 后治理”

伴随巨大能耗、处理成本高

应在污染物质产生前或过程中脱除

煤基动力系统解决污染最有效途径

IGCC污染控制在煤气化后、燃烧前煤气净化过程

燃料气还没被氮气所稀释

处理量小、效果好、能耗低、成本相对较低

概述1

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1.3 IGCC系统研究的意义

IGCC发电项目仍存在一定的局限性，主要体现在关键技术的缺失性和发电成本经济性上。

与目前流行的超超临界火电机组相比，IGCC电站造价为同容量超超临界机组的2~3倍，这也是对IGCC电站造价的巨大挑战。

概述1

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1.4 实现洁净煤技术整体化可持续发展

综合考虑经济发展、资源结构、环境问题、技术水平、能源安全等多方面因素，发展利用低质煤、特别是褐煤的高效、清洁的煤炭利用技术（IGCC）是全面解决资源、能源、环境整体化可持续发展问题的重要措施，可以解决能源行业尤其是电力行业面临的环境、效益、稳定供应和温室气体排放等综合性的问题。

概述1

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2.1 常规气化技术及煤种适应性

褐煤气化技术2

固定床气化－－Lurgi，UGI，BGL

流化床气化－－HTW，KRW，U-gas

喷流床气化

按炉型分类干法进料： Shell，GSP，

TPRI， MHI，

TRIG湿法进料： GE-Texaco

E-gas

ECUST

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2.2 TRIG气化技术干粉进料、干灰排放（非熔渣）、粗合成气废锅流程的输运床气化技术

煤从空气注入点的上方进料, 在提升管中系统的热量使煤干燥、脱挥发份和裂解。

灰（和残留的碳）在立管和二级旋风分离器中被捕获，并送回系统

气化炉运行温度低于灰熔点温度（950-1050℃）

褐煤气化技术2

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2.2 TRIG气化技术——适用煤种

褐煤气化技术2

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2.2 TRIG气化技术——技术特点

1）原料优势处理低阶煤

能够处理大颗粒

进料煤中水含量高(高达20%)

不排斥细灰–煤利用率高

单套能力高

单炉能力5,000吨/天

不需要备用炉

褐煤气化技术2

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2）高效率煤只需要部分干燥

进料中水含量最高可以达到20%

在灰熔点以下操作

煤不需要细磨– 可以处理大的煤颗粒

在合成气冷却器中回收废热

生产高压蒸汽

合成气洗涤系统规模小

大多数的颗粒物在飞灰处理装置被除去

褐煤气化技术2

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3）环境影响小

水耗低

不需要水煤浆进料

颗粒控制单元减小了水洗塔的负荷

不产生“黑水”

最少量的焦油形成

更小的废水处理系统

褐煤气化技术2

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4）操作可靠没有烧嘴

气力输送进料系统

没有可移动部件

固体循环采用气力输送系统

没有熔渣

温和的操作温度(1000°C) 使灰处于固态–减少腐蚀和堵塞的可能性

褐煤气化技术2

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2.2 TRIG气化技术——PSDF

气化炉处理能力为50吨/天

累计运行20000小时以上

对多种煤种进行了测试

褐煤气化技术2

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2.2 TRIG气化技术——KEMPER 582MW IGCC项目

褐煤气化技术2

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2.2 TRIG气化技术——KEMPER 582MW IGCC项目

坑口电站密西西比州本地褐煤，收到基热值约为2300~2900kcal/kg，水份为40%~50%。配置2台TRIG气化炉，2台西门子高氢燃料汽轮机和1台蒸汽轮机。单台气化炉处理能力约为4650吨/天，入炉煤粉水份约为20%。配备65%的CO2捕集装置全厂“零污水排放”预计在2014年第四季度实现100%合成气发电商业化运行

褐煤气化技术2

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3.1 背景推动TRIG褐煤气化技术在我国尽快与工程建设实际结合，TRIG褐煤气化技术IGCC电站方案设计开工会于2013年7月29日召开，确定本项目由美国KBR公司、美国南方公司（SGT）、中国五环工程有限公司（WUHUAN）和中国电力顾问集团东北电力设计院（NEPDI）共同参与设计，根据各合作单位的资质和专业特长进行了分工，确定了各自负责的范围。

本项目设计原始条件基于内蒙古东部某煤矿建设坑口IGCC电站进行设计。

项目方案设计于2013年12月初完成。

基于TRIG褐煤气化技术的IGCC电站设计方案3

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3.2 设计范围和设计分工气化岛——化工院范围

制氮系统

空气压缩系统

煤气化系统

合成气净化系统

酸气脱除系统

硫回收系统

酸性水汽提系统

火炬系统

气化岛投资估算


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3.2 设计范围和设计分工动力岛——电力院范围

燃煤干燥系统

燃机本体及前置系统

汽轮机本体及其辅机系统

发电机本体及其辅机系统

余热锅炉本体及其辅机系统

全厂厂用电系统

全厂DCS系统协调

全厂汽水系统

动力岛投资估算


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3.2 设计范围和设计分工BOP——电力院 & 化工院

厂内循环水供水系统 —电力院

软化水处理系统 —电力院

全厂污水处理系统 —电力院

全厂消防工程系统 —电力院/化工院

燃煤贮运系统 —电力院

灰渣贮运系统 —电力院

全厂通信系统 —电力院

全厂给排水系统 —电力院

全厂照明系统 —电力院


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3.3 设计原始条件发电厂煤源、煤质

发电厂运输方式

发电厂水源、水质

工程地质、抗震等级

水文气象

发电厂接入系统

机组冷却方式


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3.4 电站设计方案1套褐煤TRIG气化技术为基础的处理能力为492t/h的气化、净化装置

1套由2台GE公司生产的9FA.03燃气轮机、2台卧式自然循环余热锅炉、1台凝汽式蒸汽轮发电机组，构成“2+2+1”的燃气-蒸汽联合循环机组

1000MW级IGCC 电站


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3.4 电站设计方案—全厂物料平衡方框图


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3.4 电站设计方案—原则性热力系统图


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3.4 电站设计方案—化工岛设计方案

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3.4 电站设计方案—动力岛设计方案3.4.1 燃气轮机入口合成气分析

项目含量CH4 3.50CO2 6.25CO 22.52H2 11.80

H2O 0.22N2 55.07

NH3 0.00HCN 0.00H2S < 5 ppmCOS < 1 ppmAR 0.63

TOTAL 100.0

项目数值Flow, kg/h 1139121

Temperature, °C 204Pressure, kPa 3110LHV, kcal/kg 1124.11


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3.4 电站设计方案—动力岛设计方案3.4.2 合成气燃气轮机

项目单位参数

燃机型号 — 9FA

燃机功率 MW 295

燃机热耗（LHV） kJ/kW.h 9083

燃机排气流量 t/h 2687

燃机排气温度 ℃ 580


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3.4 电站设计方案—动力岛设计方案3.4.3 余热锅炉—卧式、自然循环、三压、无补燃

项目单位参数

燃机排烟温度 ℃ 580

燃机排烟流量 t/h 2687

高压蒸汽压力 MPa 12.6

高压蒸汽温度 ℃ 542

高压最大连续蒸发量 t/h 251

余热炉排烟温度 ℃ 118


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3.4 电站设计方案—动力岛设计方案3.4.4 蒸汽轮机—双缸、双压、一级再热、凝汽式

项目单位参数

汽机出力 MW 409

高压蒸汽压力 MPa 12.41

高压蒸汽温度 ℃ 540

中压蒸汽压力 MPa 3.793

中压蒸汽温度 ℃ 540

背压 kPa 5.9


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3.4 电站设计方案—BOP部分设计方案1) 干燥系统

序号项目名称单位设计工况

1 系统处理能力 t/h 489

2 单台设备处理量 t/h 82

3 干燥蒸汽温度 ℃ 250

4 干燥蒸汽压力 MPa(G) 0.5

5 干燥蒸汽量 t/h 85

6 蒸发总水量 t/h 88.9

7 水回收总量 t/h85（蒸馏洁净部分）

4.9（含杂质部分）

8 洁净水回收率 % ≥95.00


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3.4 电站设计方案—BOP部分设计方案2）燃煤贮运系统

厂内设置2座条形煤场，贮量为5×104t

3）厂内循环水供水系统动力岛和气化岛循环水系统共配一座逆流式自然通风冷却塔

夏季用水量为1208m3/h，冬季用水量为683m3/h

4）化学水处理系统二级反渗透+EDI

5）全厂污水处理系统新建工业废水处理站、含煤废水处理站和生活污水处理站


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3.5 物料消耗及产出

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3.5 物料消耗及产出—全厂水平衡图


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3.6 厂用电和蒸汽消耗

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3.7 投资估算本工程静态投资为2012年价格水平。

工程静态投资708111万元, 单位造价7088元/kW

气化岛单位造价 3237元/kW

动力岛+BOP单位造价 3851元/kW

工程动态投资741838万元, 单位造价7426元/kW

建设期贷款利息33727万元

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4.1 褐煤气化技术IGCC电站整体技术经济指标表

褐煤气化技术IGCC电站整体技术经济指标及对比4

序号名称单位数据

1 燃气轮机出力/台 MW 295

2 蒸汽轮机出力 MW 409

3 联合循环发电量 MW 999

4 全厂年发电量 kW.h 7.49x109

5 厂用电耗量 MW 157

6 全厂水耗指标 m3/s·GW夏季0.337冬季0.191

7 年平均发电标准煤耗率 kg/kW.h 0.239

8 年平均供电标准煤耗率 kg/kW.h 0.284

9 全厂净热耗率 kJ/kWh 8360

10 全厂净热效率 % 43.06

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4.2 IGCC电站技术经济指标对比表(1)

序号项目单位 TRIG IGCC800MW工程

内蒙古某1000MW超超临界工程

山东某1000MW超超临界工程

1 主要设计参数1.1 燃料 - 褐煤褐煤褐煤1.2 全水分 % 34.1 31.3 41.06

1.3 干燥后水分 %19.5

（蒸汽滚筒干燥机出口）

23（蒸汽滚筒干燥

机出口）

19.5（蒸汽滚筒干燥

机出口）

1.4 收到基低位发热量 kJ/kg 14312 16245 14010

2 技术经济指标

2.1 全厂净热耗 kJ/kWh 8360 8384 8510

2.2 全厂热效率 % 43.06 42.94 42.3

2.3 供电标准煤耗 kg/kWh 0.284 0.286 0.291


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4.2 IGCC电站技术经济指标对比表(2)

序号项目单位 TRIG IGCC800MW工程

内蒙古某660MW超临界工程

内蒙古某660MW超临界工程

1 主要设计参数1.1 燃料 - 褐煤褐煤褐煤1.2 全水分 % 34.1 32.11 30.3

1.3 干燥后水分 %19.5


7.98(高温炉烟方案磨

煤机出口)

7.90(高温炉烟方案磨

煤机出口)

1.4 收到基低位发热量 kJ/kg 14312 14083 16258


2.1 全厂净热耗 kJ/kWh 8360 9086 8818

2.2 全厂热效率 % 43.06 39.6 40.8

2.3 供电标准煤耗 kg/kWh 0.284 0.310 0.301


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4.2 IGCC电站技术经济指标对比表(3)序号项目单位 TRIG IGCC

800MW工程 209FA联合循环

1 主要设计参数1.1 燃料 - 褐煤天然气1.2 全水分 % 34.1 /

1.3 干燥后水分 %19.5


/

1.4 收到基低位发热量 kJ/kg 14312 34000


2.1 全厂净热耗 kJ/kWh 8360 6436

2.2 全厂热效率 % 43.06 55.9

2.3 供电标准煤耗 kg/kWh 0.284 0.220


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4.3 烟气污染物排放量对比表

污染物项目单位 TRIG IGCC800MW工程

1000MW燃煤机组

天然气9F机组

GB13223要求

SO2

mg/m3 2.95 97.1 ~ 035 1

100 2

t/h 0.0114 0.322 — —

NOx

mg/m3 47 80 ~3050 1

100 2

t/h 0.1857 0.265 0.1033 —

烟尘mg/m3 — 29.31 —

5 1

30 2

t/h — 0.097 — —

汞 mg/m3 0.001 — — 0.03


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1）技术先进性——基于“低阶煤+低排放+高效”的理念进行设计，集合了针对低阶煤进行专门设计的气化技术、燃煤干燥干燥技术、先进的燃气—蒸汽联合循环等先进技术。

2）洁净环保——机组污染物排放指标远远低于常规燃煤机组，与燃天然气联合循环机组相当。

3）指标优良——机组热耗、机组效率、煤耗等技术指标均优于1000MW燃褐煤机组。

褐煤气化技术IGCC电站应用前景5

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4）投资高的问题——千瓦造价低于8000元；气化部分主设备的量产化和国产化；国家政策层面；投资商信心。

5）适应性强——褐煤TRIG气化技术IGCC项目适应性强，除发电外，还可供热、联产化工产品、CCS

等；小型化（6B、6F级别）；气化、动力分开设置。

褐煤气化技术IGCC电站应用前景5

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在中国的应用前景：

在环境问题日益突出的今天，长远考虑子孙万代的幸福生活，在牺牲一定经济利益的前提下，采用低质煤气化技术的IGCC电站在能源转化利用上可实现高效率并且能解决中国乃至世界日益严峻的经济发展与环境污染相对立的问题，是富有生命力的先进发电技术。

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