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煤气化联合循环发电使煤炭实现高效利用
http://cn.newmaker.com 11/2/2011 10:36:00 AM  《日经环保》
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发电站设备展厅
电力锅炉, 汽轮机, 水轮机, 燃气轮机, 核电设备...
核电站的未来无法预料,目前火力发电仍然是供电的主角。使用供应稳定的煤炭的火力发电正在全面提高效率。

在日本,核电、天然气火力发电及煤炭火力发电三足鼎立,共占总供电能力的约85%。在今年夏季,通过提高石油火力发电的运转率,被核电事故打破的平衡得到了弥补。

日本政府将在今年秋季全面重审能源战略。中期汇总显示,除了节能、可再生能源、核电站之外,提高火力发电效率和二氧化碳减排技术也将成为支柱。

但石油火力的燃料采购容易依赖中东,国际能源机构(IEA)也禁止新建。在目前,使用天然气和煤炭虽然是现实的方法,但天然气市场容易受到主要产地俄罗斯形势的影响。就这一点而言,煤炭的产地分散,价格也比较稳定。虽然单位发电量的二氧化碳排放量大,但只要提高发电效率抑制排放,就能够为电力的稳定供应出一把力。因此,煤气化联合循环发电(IGCC)成为了关注的焦点。

发电效率50%也有望实现

煤气化联合循环发电是把粉碎成微细颗粒的煤炭在高温锅炉中与氢气和一氧化碳一同气化,使其燃烧带动燃气轮机。利用废热制备蒸汽,带动蒸汽涡轮进行发电的方式。

日本传统煤炭火力的发电效率为41~43%,如果采用IGCC,50%以上也有望实现。接近利用天然气带动燃气轮机和蒸汽涡轮的燃气轮机联合循环(GTCC)的约60%。

传统的煤炭火力为了提高发电效率,提高了涡轮入口的蒸汽温度和压力,但在三菱重工业公司从事IGCC开发的东京大学尖端技术研究所特聘教授金子祥三表示:“涡轮材料的开发已经接近极限。没有超越现状的眉目。”而IGCC能够通过结合燃气轮机提高效率。

在欧美,IGCC从1990年代起投入商用运营。在日本,最初的IGCC已于2007年在福岛县IWAKI市投入运转。那是9家电力公司与电源开发公司(J-POWER)出资成立的洁净煤发电(CCP)研究所开发的输出功率为25万千瓦的实证机。

该IGCC使用1200℃级燃气轮机,发电效率为42.9%(发电电力减去发电站使用部分后的供电端效率)。二氧化碳可以比传统煤炭火力减排10~15%。金子特聘教授指出:“欧美的设备故障频发,效率达不到设计值。”由此可见,虽然开发起步晚,但日本在发电效率等实际成果上反而领先。

利用最先进涡轮实现高效率

CCP研社长渡边勉表示,发电效率之所以仅为约43%,“原因是实证机缩小了输出功率,只采用了1200℃级燃气轮机”。参与开发的三菱重工表示,只要使用该公司生产的“J型”1600℃级燃气轮机,设备的发电效率就可以飙升到54%(发电端),输出功能也能增加。

实证机燃烧煤炭采用的是向气化炉吹入空气的“吹气”方式。还有一种方式是分离出空气中的氮气,向气化炉吹送氧气的“吹氧”方式,但空气分离装置(ASU)会消耗产生的电力。吹送空气抑制供电端发电效率损失的效果更好。

实证机虽然使用ASU制备氮气向气化炉吹送煤炭,但与吹氧相比规模较小,耗电量只有3成左右。发电效率的损失可以控制在2~3%。

吹氧也有其优点。去除硫等杂质之后,提纯的气体成分是氢气和一氧化碳。因为不含氮气,所以可以高效生成副产品氨气和二甲醚(DME)等化学原料和合成燃料,或是提取氢气。如果投入商用,气化炉恐怕也要根据用途选择。

即便如此,IGCC单位发电量的二氧化碳排放量也只是略低于石油火力。要想进一步实现低碳化,就必须结合二氧化碳捕获与封存技术(CCS)。

结合CCS实现低碳化

着眼于与IGCC的结合,日立制作所对CCS技术进行了钻研。9月,该公司发布了提高二氧化碳捕获技术效率的新催化剂“化学吸收法”。据说能够把发电效率的损失减少2%。

化学吸收法的原理如下:在一氧化碳与氢气组成的煤炭气体中加入蒸汽,利用催化剂使其反应,生成二氧化碳和氢气。在名为吸收塔的装置中,让吸收液单独吸收二氧化碳,与氢气分离后,在再生塔中加热吸收液,释放出二氧化碳并回收。

因为蒸汽涡轮使用的蒸汽需要部分专用于加热再生塔,因此有看法指出这样会导致发电效率下降。因此,激活反应的钼要在催化剂中以最佳配比添加。通过加入促进反应的成分,蒸汽消耗量成功减少了约3成。这项技术的目标是在2018年投入实用。

日立将选择J-POWER设在北九州市的试验工厂“EAGLE”,与J-POWER合作验证吹氧煤炭气化炉和二氧化碳捕获。该公司通过采用名为“加热快速再生”的方法,遏制了化学吸收法的热损失。通过向装置投放吸收了二氧化碳的吸收液。在加温并减压后,可以省去在再生塔中加热的环节。这样可以减少约3成的蒸汽消耗量,改善供电端的效率。如果结合新催化剂,损失还能进一步减少。除此之外,因为吹氧炉中没有混入氮气,所以回收效率有所提高。

日立电力系统社技术开发中心中心长长﨑伸男表示:“为保障能源安全,煤炭火力需求还会继续增加。(日立)将磨练兼顾提高效率和减少二氧化碳排放的技术,对IGCC与CCS的结合进行验证,争取使其成为一项业务。”

在2016年度之前,(日本)中国电力公司与J-POWER为验证吹氧IGCC和CCS而成立的大崎CoolGen(广岛市)将开发出在广岛县长岛设置的输出功率为17万千瓦的实证机。接着,争取在2025年度,把使用1500℃级燃气轮机、输出功率为37万千瓦的型号投入商用,并向1700℃级60万千瓦型号发起挑战。

新兴市场国家的发展带来更广阔的市场

市场也在向全球延伸。三菱重工正在调查在海外开展业务的可行性。如果商洽成立,45万~90万千瓦型号有可能从2016~2017年度投入使用。

三菱重工原动机事业本部IGCC进程组首席技师石井弘实称:“如果让日本的IGCC和CCS在美国和澳大利亚等大量使用煤炭火力的国家实现普及,就能为减排做出贡献。”日立也将研究在印度尼西亚和东欧实施商业化。

IEA表示,全球二氧化碳排放源约3成来自煤炭火力。在主要排放国中国、美国和印度,煤炭火力在电源结构中所占的比例高达50~80%。特聘教授金子表示,如果在美中印采用日本的技术,减排量有望达到14.5亿吨。

美国和欧盟正将通过政策大力推动IGCC和CCS引进。随着产炭国中印和东欧等新兴市场国家电力需求的激增,能够利用廉价的煤炭兼顾电力稳定供应和二氧化碳减排的IGCC的需求的增加在今后也值得期待。日本政府正在通过2国间信用制度和基础设施出口政策推动IGCC向海外发展。如今正是向世界展示久经磨练的日本技术的绝佳时机。记者:马场未希

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