日本空氣氣化IGCC示範電廠

日本空氣氣化IGCC示範電廠是一項國家性的工程。該示範工程在Joban聯合電力有限公司的Nako so電廠內建設, 位於Iw aki 市的Fukushima縣,在東京以北200km。工程於2001年財政年度開始,並且計畫於2009 年結束。這9 年分為3個主要階段實施:設計、建設和運行。由於每個階段耗時3年, 2001～2003年作環境影響評估,建設和運行分別始於2004年和2007年。

基本介紹

• 中文名：日本空氣氣化IGCC示範電廠
• 外文名：Japan air gasification IGCC demonstration plant
• 學科：能源工程
• 領域：新能源
• 地址：東京以北200km
• 作用：空氣氣化

簡介

在日本, 幾乎所有化石燃料和核燃料都是進口的, 利用進口燃料發電的比例超過85 %(天然氣:26 %;油:10 %;到2000 年, 煤:18 %;核電:34 %;水電:10 %)。為了確保穩定的電力供應, 日本政府推行能源多元化的政策。在各種燃料中,尤其是化石燃料, 由於煤巨大的儲量和穩定的價格, 被認為是一種重要的燃料。然而, 與油和天然氣相比, 在二氧化碳排放方面, 煤有不足之處。因此, 下一代燃煤電廠就需要有高的效率和低的SO2 、NOX 、顆粒物的排放。在日本, 通常採用超超臨界蒸汽參數(比如24.1 MPa 和600/600°C)來實現。

目前,常規燃煤電廠熱效率大約為42 %(淨效率、低熱值LHV)。由於常規燃煤電廠不可能再取得較大的提高,因此整體煤氣化聯合循環(IGCC)被寄望在下一代燃煤發電技術中扮演重要角色。為此,在1986 到1996 年間,日本經貿和工業省(METI)和11家相關電力公司,進行了200 t/d 規模的帶空氣氣化爐的整體煤氣化聯合循環試驗性電站項目。現在,在政府的支持下,這11家公司正參與建設250MW空氣氣化IGCC示範工程。

IGCC 示範工程

1 　工程目的和範圍

該示範工程是為了驗證IGCC電廠的可靠性、運行特性和收益性,以便將來電力公司可以確信建造商業性的IGCC電廠。機組容量250MW,是在考慮了擴大2～3倍商業運行電廠後選定的,所期望的商業運行電廠的燃機透平進口溫度為1350～1500℃ ,系50Hz和60Hz該示範工程包括電廠的設計、建造和運行,IGCC電廠運行人員的教育和培訓也在考慮之內。在設計階段,同時通過24t/d小型的完全模化的驗證性試驗電廠,進行一些基礎性、支持性的研究。設計的同時,完成了環境影響評估(EIA),要求與日本政府對商業運行電廠的規定保持一致。

2 　工程組織

在2001年, 9家日本公司和日本電源開發公司(EPDC)組建“ 潔淨煤電力研究開發公司(CCP)”來進行該示範工程。這10家電力公司又與日本電力中央研究所(CRIEPI)簽署聯合示範工程協定。由這11家企業在財政上支持該示範工程,提供人員到潔淨煤電力研究開發公司,並且從各個方面支持該示範工程。由於這是一項國家性的工程, 日本METI 提供該工程費用的30%,作為補助金給潔淨煤電力研究開發公司,剩餘的70%費用由這11家企業分攤。

3 　工程地點和進度

該示範工程在Joban聯合電力有限公司的Nako so電廠內建設, 位於Iw aki 市的Fukushima縣,在東京以北200km。工程於2001年財政年度開始,並且計畫於2009 年結束。這9 年分為3個主要階段實施:設計、建設和運行。由於每個階段耗時3年, 2001～2003年作環境影響評估,建設和運行分別始於2004年和2007年。

IGCC 示範電廠

1 　Nakoso 電廠概況

該示範電廠由空氣氣化爐、低溫氣體淨化單元(CGCU)和燃機聯合循環組成。事實上,與任何其它情況相比,集成了乾式給煤空氣氣化爐和高溫氣體淨化單元(HGCU)的系統,能夠獲得更高的綜合性能,也是IGCC 的根本特徵。在1986～1996年的試驗性電站項目中,HGCU系統曾經被證明是成功的。但是, HGCU作為商業套用還不成熟,因此,在該示範工程中使用的仍然是常規的CGCU。

機組的額定出力為250 MW ,主要是考慮了下一階段按比例放大為商業性電廠、工程投資和燃機型號系列。在設計煤種和額定工況點,氣化爐大約消耗1700t/d的煤。計畫採用的燃機其透平進口初溫約在1200℃。目標淨效率為42%(低熱值),與最近700～1000MW等級常規燃煤機組效率一樣高。在商業運行階段,採用透平進口初溫在1500℃的燃機,估計機組出力分別為600/500MW, 對應於50Hz/60Hz,機組淨效率將超過48%(低熱值)。

2 　空氣氣化爐的概念

空氣氣化爐是空氣氣化IGCC的關鍵技術。其主要目的是減少用於空氣分離單元(ASU)的輔助電力消耗和空氣分離單元的初投資。低灰熔點的煤可以方便地用於該氣化爐,而由於爐膛結焦問題,這種煤很難在常規燃煤鍋爐中燃燒。選用兩級氣化結構,使得熔化的爐渣可以順暢地排出,同時獲得較高的碳轉化率氣化爐產生的合成煤氣含有一定數量的焦,這些焦通過旋風分離器和多孔過濾器捕獲後,又送回氣化爐,然後轉化為合成煤氣或爐渣。這樣,該系統從煤到合成煤氣的碳轉化率總是高於99.8%,儘管合成煤氣中含有大量的氮氣, 其熱值還是足夠的高,以滿足燃氣輪機的穩定燃燒。至於氣化爐的爐渣,沒有發現碳和微量元素的瀝濾。任何其它物質,比如飛灰或混有碳的水,都不會排出。

最初的概念是由CRIEPI和三菱重工有限公司提出的,並且在20世紀80年代聯合進行了2t/d的處理單元試驗。該系統被套用於IGCC試驗電廠,並且按比例放大到200t/d的規模。

3 　IGCC系統的特徵

除了使用空氣氣化爐外,該系統的其它特徵為:系統的集成類似於氧氣氣化系統的“部分集成”,也就是說,氣化爐所使用的氧化劑(空氣)部分取自於燃機壓氣機。該系統也具有空氣分離單元,並且其容量比較小,產生的過程性氮氣僅滿足於密封、顆粒輸送、充惰性氣體等,其容量遠小於氧氣氣化爐的空氣分離單元。副產品氧氣(不必很純)也不會浪費,可以使氣化空氣的氧濃度增加,從而使氣化爐的運行具有更大的裕度。由於ASU 可以在固定負荷運行而不必考慮電廠負荷,這種“獨立”的ASU設計,使得電廠的負荷調節相當方便。

為了達到嚴格的NOX 排放目標, 在餘熱鍋爐(HRSG)裝有選擇性催化還原脫氮系統。硫通過形成石膏來回收, 其廣泛套用於建築材料, 而且石膏比硫更容易回收。IGCC產生的石膏,比常規火電廠煙氣脫硫產生的石膏質量更高。這種選擇,不僅減少了SOx的排放,也降低了煙塵的排放。為了回收石膏,該系統還安裝了H2S爐膛和高性能石灰石-石膏吸收器。

4 　獲得成果用於設計

示範電廠的設計完成,不僅反映了中試電廠項目的成果,也體現了1997～1998年間, 由11家電力公司完成的可行性研究工作的成果。因此,與中試電廠相比,該系統的許多方面進行了設計改進。除了這些改進外, 還建造了24t/d的驗證性試驗電廠,並且已經有了超過700h的試運行經驗。這一系列試驗運行和其它附加的基礎性實驗獲得的成果, 都被套用到今後設計中。

結論

為了在“潔淨煤電力”技術方面取得重大進展,日本開始實施IGCC示範工程, 該示範工程顯示了1986～ 1996年間建造的中試電廠所取得的成果。CCP負責整個工程:包括250MW空氣氣化IGCC示範電廠的設計、建造和運行。CCP決心為日本公司和海外電力公司期待的商業性IGCC電廠做出貢獻。