IGCC多聯產技術發(fā)展現狀及應用前景分析

聶向鋒

中國石化集團煉化工程公司 北京 100029

IGCC多聯產技術發(fā)展現狀及應用前景分析

聶向鋒

中國石化集團煉化工程公司 北京 100029

概述了IGCC多聯產技術的背景、特點，介紹了國內外IGCC多聯產技術發(fā)展現狀，并對該技術的應用前景進行了分析，指出IGCC多聯產技術盡管仍存在造價高、技術有待完善等問題，但在國家大力調整能源結構、支持新興戰(zhàn)略產業(yè)的背景下，依據環(huán)保、節(jié)水、能源高效經濟利用等特點，該項技術仍然具有較為廣闊的應用前景和發(fā)展空間。

IGCC多聯產技術 發(fā)展現狀 前景分析

1 IGCC多聯產技術背景

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭在我國一次能源生產和消費結構中一直占70%以上，預計今后半個世紀內，煤炭仍將是我國的主要一次能源[1]。然而，傳統(tǒng)煤炭的直接燃燒模式導致發(fā)電效率低、資源綜合利用水平低、環(huán)境污染嚴重等問題，特別是產生大量CO2排放引起全球氣候變暖，成為我國溫室氣體減排的核心問題。因此，在我國以煤炭為主的能源格局在相當長的時期內難以根本改變的情況下，發(fā)展高效潔凈的綜合煤炭利用技術并建設相應生產能力具有重要戰(zhàn)略意義。

IGCC多聯產技術是以整體煤氣化聯合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC）技術為基礎，以氣化技術為源頭，將煤炭、生物質、石油焦、重渣油等多種含碳原料進行氣化，并與發(fā)電、供熱、化工產品生產等過程聯合起來的能源轉換綜合利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)保留了IGCC清潔、高效的特點，能夠滿足日益嚴格的環(huán)境排放要求，并具有延伸產業(yè)鏈、發(fā)展循環(huán)經濟的技術優(yōu)勢。通過與液體燃料、化工產品合成等過程相結合，能夠進一步提供多種化工產品，有利于資源綜合利用和降低發(fā)電成本，提高系統(tǒng)靈活性，大大提高了IGCC的經濟效益。

在IGCC多聯產技術中，合成氣可直接用作燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電的燃料及城市煤氣，還可作為生產氨的原料并且能進一步合成尿素、醋酸、胺鹽等產品；利用合成氣合成的甲醇、二甲醚既是重要化工產品的原料又是公認的清潔燃料；生產的F-T合成燃料是現有運輸燃料的有益補充。據統(tǒng)計，2007年直接用于發(fā)電的IGCC為10000MW，用于化工品的IGCC為24000MW，用于液體燃料的IGCC為16000MW，這表明IGCC多聯產方案生產燃料和化工產品具有較好的發(fā)展前景[2]。

2 IGCC多聯產技術特點分析

從工藝流程上來說，IGCC多聯產技術由煤的氣化凈化、燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電、液體燃料和化工產品合成三部分組成。IGCC多聯產系統(tǒng)（見圖1）。煤的氣化凈化部分包括煤氣化系統(tǒng)、煤氣凈化系統(tǒng)和空分系統(tǒng)，主要設備包括空分裝置、氣化爐、氣體冷卻器、氣體洗滌器、除硫及硫回收裝置等。聯合循環(huán)發(fā)電部分包括燃燒室、燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發(fā)電機等。主要工藝過程為：煤經過氣化成為中低熱值的煤氣，經過凈化除去煤氣中硫化物、氮化物、粉塵等污染物，使之變?yōu)榍鍧嵑铣蓺?，合成氣在燃氣輪機中充分燃燒以后，加熱氣體介質驅動燃氣透平做功，同時燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產生過熱蒸汽驅動蒸汽輪機做功。合成氣除直接用作燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電的燃料、城市煤氣，還可用于生產甲醇、二甲醚、合成液體燃料、氨、化肥等化工原料。利用最新的CO2捕集和存儲技術，還可將CO2存儲于地下或用于油田驅油提高采收率。IGCC多聯產技術具有如下特點：

（1）發(fā)電效率高，污染物排放量低。IGCC是集成煤氣化與燃氣輪機聯合循環(huán)的超清潔、高效發(fā)電技術，供電效率比同等規(guī)模的常規(guī)煤粉電站高6至8個百分點，脫硫率可達98%以上，排煙中的氮氧化物大大降低，污染物排放僅為常規(guī)燃煤電站的1/10，同時回收硫磺，有效解決我國硫磺資源的短缺。

（2）用水量少。與同等規(guī)模的燃煤電站相比，IGCC冷卻水用量減少33%左右。

（3）燃料適應性廣。幾乎所有含碳固體或液體燃料均可以氣化，即使高硫分、高灰分、低熱值的低品位煤也可以得到利用。

（4）方便組成多聯產系統(tǒng)。通過IGCC與其它化工過程相結合，IGCC除了發(fā)電，還可以聯產化工、燃料等多種產品，包括氧氣、氫氣、水蒸氣、化肥飼料、費托燃料、化學產品等。

（5）便于進一步利用副產物。IGCC產生的灰渣可用于生產水泥、屋面瓦、瀝青填縫料等，同時具有容易輸送、儲存和運輸等優(yōu)點。

（6）具有碳捕集優(yōu)勢。通過燃燒前置CO2捕集技術，能在足夠高的壓力下生成濃縮CO2氣流，便于管道輸送，將CO2深埋或用于提高油田石油采收率。

IGCC多聯產目標產品方案主要包括汽電聯產、氫氣和汽電聯產、合成氣和汽電多聯產三種。其中，汽電聯產對合成氣組分要求不高，重點考慮熱效率高、能量利用效率高的粉煤氣化技術。氫氣和汽電聯產、合成氣和汽電多聯產對H/C比有要求，而且要求惰性氣體含量低，水煤漿氣化技術和采用CO2輸送的粉煤氣化技術均符合要求。

根據原料-工藝匹配、造價優(yōu)化的原則，常見多聯產技術適宜配置方案、技術要求及特點總結（見表1）。

表1 常見多聯產技術適宜配置方案、技術要求及特點

3 國內外IGCC多聯產技術發(fā)展現狀

3.1 國外IGCC多聯產技術發(fā)展現狀

IGCC在國外已有30多年的研究和試運行經驗，IGCC多聯產項目的研發(fā)和建設始于上世界末。

美國將以煤炭氣化為基礎的多聯產系統(tǒng)作為其未來能源技術的重要方向之一。美國2000年提出2001-2005年能源發(fā)展計劃，稱為“Vision21”計劃，其核心內容就是發(fā)展以煤的氣化為基礎的多聯產技術。該計劃的目標是將各種高效電力生產技術和排放控制技術組合起來，成為新一代靈活高效的發(fā)電設施并實現多聯產，在發(fā)電的同時，根據需要生產煤氣、蒸汽、清潔原料及其他化學品。2003年初，，美國政府開始執(zhí)行FutureGen項目，投入10億美元，建造世界上第一座以煤為燃料、既能發(fā)電又能制氫、排放為零的電站。FutureGen電站的裝機容量為2.75x106kW，電站在生產電能和H2產品的同時，能捕獲和收集CO2并深埋地下，實現碳封存。這一計劃的實施將每年減少1.0x106t CO2排放，實現能源和環(huán)境的雙重效益[3]。2008年初，該項目進行了重組，將重點支持多座IGCC或其他先進燃煤電站示范CO2捕集及封存技術。另外，美國政府還制定了稅收優(yōu)惠和貸款保證政策，支持IGCC及多聯產技術發(fā)展。

歐洲殼牌公司提出的合成氣科技園（Syngas Park）多聯產系統(tǒng)是利用煤氣化生產氫能等多聯產的典型示例。系統(tǒng)源頭是殼牌公司的干粉加壓氣化裝置，合成煤氣通過轉化反應分離出的氫氣可作為燃料電池、火箭發(fā)射、發(fā)電等裝置的重要清潔燃料。合成氣園的概念比一般的多聯產系統(tǒng)更為廣泛，更接近工業(yè)生態(tài)科技園工業(yè)模式[4]。

日本新能源開發(fā)機構于1998年提出以煤氣化凈化、燃氣輪機發(fā)電和燃料電池發(fā)電、液體燃料合成為主要內容的CEAGLE（Coal Energy Application for Gas,Liquid&Electricity）多聯產計劃。該計劃主要發(fā)展噴流床氣化爐和適合燃料電池應用的合成氣凈化技術，并建成了煤處理量為150t/d的中試裝置，獲得了下一階段系統(tǒng)放大所需的數據。

此外，澳大利亞制訂了Coal121計劃，其路線圖也是將基于煤氣化的發(fā)電、制氫、合成氣生產及CO2分離和處理系統(tǒng)作為未來近零排放的發(fā)展方向；加拿大2003年開始制定2020年潔凈煤技術路線圖，將聯產作為潔凈煤技術的戰(zhàn)略選擇[4]。

3.2 國內IGCC多聯產技術發(fā)展現狀

21世紀以來，隨著我國IGCC技術開發(fā)的逐漸成熟，IGCC多聯產技術取得了飛快的發(fā)展，并在工業(yè)化方面走在了世界的前列。據2010中國IGCC多聯產峰會官方網站的統(tǒng)計，目前中國在華北、華東和華南地區(qū)已經擁有12個IGCC發(fā)電及多聯產項目[5]。

中國石化福建煉油乙烯項目IGCC裝置在國內首先采用了IGCC多聯產技術，該裝置是整個項目的公用工程核心島，分別由空分、POX（部分氧化）和COGEN（汽電聯產）三部分構成，包括氧化、酸洗、制氫、汽電聯產、空分等6個單元，裝置原料為上游煉油裝置產生的脫油瀝青，供給整個公司電力、所有等級蒸汽和40%的氫氣（8萬m3(標)/h），同時供給整個公司的氮氣，外售惰性氣體氬氣。福煉IGCC裝置是我國建成投產的第一套集供氫、供熱和發(fā)電的多聯產IGCC裝置，具有重要的示范意義。該裝置不但解決了瀝青的出路，解決了公司的用氫平衡、蒸汽平衡，同時裝置的環(huán)保效益、經濟效益客觀，實現了裝置的低耗高效運行[6]。

由兗礦集團、中科院工程熱物理研究所自主研發(fā)建成的高效潔凈煤基甲醇聯產電示范系統(tǒng)，使用兩臺日處理1150t煤的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐，配套生產24萬t/a甲醇，20萬t/a醋酸和80MW發(fā)電，是我國首座煤氣化發(fā)電與聯產示范工程。該項目在工程實踐上第一次使兩個運行特性差別較大的煤氣化聯合循環(huán)發(fā)電（IGCC）與甲醇生產子系統(tǒng)進行了工業(yè)化設計整合，通過整體優(yōu)化設計使兩子系統(tǒng)在運行上相互動態(tài)融合，使聯產系統(tǒng)的運行可用率和可靠性達到并超過相似工業(yè)生產系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿負荷運轉時，聯產系統(tǒng)能量利用率達到57.16%，聯產后甲醇日產能從700t提高到900t，生產能耗降低5%，系統(tǒng)年可用率達到85%，可靠性達到97.07%。該工程已成功運行4年多，并得到良好的經濟效果和環(huán)境效果。該項目與同規(guī)模常規(guī)蒸汽輪機電站相比，供電標準煤耗降低25.06%、二氧化硫排放量降低83.82%、氮氧化物排放量降低45.08%、二氧化碳排放量降低13.73%[7]。這個自主創(chuàng)新建成的首座煤氣化聯合循環(huán)發(fā)電與甲醇聯產電示范工程，標志著我國先于國外實現了工業(yè)應用。目前，兗礦集團已經完成二期30萬t醋酸、10萬t醋酸乙酯項目建設，并開始三期35萬t甲醇、40萬t醋酸的聯產系統(tǒng)的擴產項目的建設。項目所開發(fā)技術及積累的經驗成為“十一五”期間我國煤氣化多聯產系統(tǒng)研發(fā)與示范的基礎，并成為我國醇醚行業(yè)發(fā)展的重要借鑒。

華能綠色煤電——天津IGCC示范電站項目是“綠色煤電”計劃第一階段的依托項目，也是國家“十一五”863計劃重大項目。華能集團于2004年率先提出具有我國自主知識產權、代表世界清潔煤技術前沿水平的“綠色煤電”計劃，該計劃的關鍵技術已被列入《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》。2009年7月6日，華能綠色煤電天津IGCC示范電站正式開工，建設我國第一臺25萬kW等級整體煤氣化燃氣——蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組，采用華能自主研發(fā)的具有自主知識產權的2000t/d級兩段式干煤粉氣化爐。華能綠色煤電天津IGCC示范電站工程電站建成后，發(fā)電效率達48%，脫硫效率達99%以上，可回收高純度的硫，并將NOx的排放控制在較低水平，使污染物排放指標達到燃氣輪機發(fā)電機組的水平[8]。

山西潞安煤基合成油聯產發(fā)電項目是國家863先進能源技術領域的重大項目，配套的煤基合成油尾氣綜合利用 IGCC發(fā)電裝置已于2010年底建成投產。潞安煤基合成油聯產發(fā)電項目由2套不同技術路線的規(guī)模分別為16萬t/a和100萬t/a煤間接液化油電聯產裝置組成，通過對煤基合成油尾氣進行綜合利用發(fā)電，提高煤炭集成轉化利用效能，實現油電潔凈生產。煤基合成油聯產發(fā)電項目主要包括燃氣輪機機組、余熱回收鍋爐、配套發(fā)電裝置及接入系統(tǒng)。煤基合成油聯產發(fā)電項目建成后，潞安屯留循環(huán)經濟園區(qū)內將實現煤、油、電、化各產業(yè)集群發(fā)展[8]。

此外，國內已經報批和進行可行性研究的IGCC項目（見表 2）。

4 應用前景分析

研究表明，未來50年，中國能源依靠煤的事實很難發(fā)生質的改變，煤的低碳化利用是發(fā)展低碳經濟必經的重要途徑之一。IGCC與多聯產技術以煤為原料，符合我國能源結構的國情，能實現煤的經濟、高效、清潔利用，生產清潔液體燃料及化工品，緩解石油進口壓力。同時，IGCC多聯產技術具有環(huán)保和節(jié)水的根本優(yōu)勢，其發(fā)電成本接近帶脫硫裝置的燃煤蒸汽電站，污染物排放水平卻接近天然氣聯合循環(huán)排放水平，滿足我國目前最嚴格的環(huán)保要求，在經濟效益和社會效益上具有雙重競爭力。此外，煤的清潔、低碳利用成為我國溫室氣體減排的核心問題。IGCC多聯產技術作為新一代煤炭清潔、低碳利用技術，是實現煤炭發(fā)電包括CO2在內污染物近零排放的重要基礎，其捕集CO2能力比煙氣捕集CO2的末端治理潛力要大得多，其技術研發(fā)和應用具有重大意義，是未來發(fā)電行業(yè)、煤炭利用領域溫室氣體減排必不可少的重要技術措施。CO2捕獲與封存(CCS)被認為是最具潛力的潔凈煤發(fā)電方向，若能解決技術和工程問題，盡快實現與煤化工的多聯產，將進一步提升IGCC項目的經濟性。綜上所述，IGCC多聯產技術在我國未來能源領域具有廣闊的應用前景和發(fā)展空間。

但是，IGCC多聯產技術的應用和推廣同樣也面臨著一些難題，從而限制了該技術得到進一步應用和推廣：

（1）投資造價仍然較高。IGCC多聯產項目的投資費用與常規(guī)燃煤電站相比仍然較高，較大限制了IGCC多聯產項目的推廣應用。為此，應積極研究降低投資的有效途徑和方法，打破技術壟斷，開發(fā)高效低成本的關鍵技術，加快自主技術工程化，實現關鍵設備的國產化，提高IGCC多聯產的技術經濟競爭力，是降低IGCC多聯產項目投資造價的有效手段。

表2 國內已經報批和進行可行性研究的IGCC項目

（2）部分技術難點尚未突破。IGCC多聯產技術的開發(fā)和應用仍然存在一些技術難點，亟待突破和完善，如氣體分離技術的開發(fā)、高溫除塵脫硫技術的開發(fā)、先進高溫和高效燃氣輪機的開發(fā)、煤氣化技術與原料的優(yōu)化配置、多聯產系統(tǒng)的設計與優(yōu)化等，這些關鍵技術的突破，將進一步提高系統(tǒng)的運行效率、穩(wěn)定性和工藝靈活性，積累工程運行經驗，從而進一步增強系統(tǒng)的適應性和經濟性。

（3）有待于我國環(huán)保標準進一步的提高。隨著國家“十一五”期間電力負荷增長趨緩，常規(guī)燃煤機組建設將會受到明顯限制，特別是天然氣資源日趨緊張和氣價偏高的壓力，為建設IGCC電站提供了一個難得的發(fā)展機遇。然而我國目前的生產行業(yè)環(huán)保指標還不夠嚴格，歐、美、日本等國家比中國有著更為嚴苛的環(huán)保標準和懲罰措施，從而不斷促使企業(yè)采用更清潔的生產方式，加大技術升級力度。如果我國能夠盡快制定出臺更為嚴苛的企業(yè)生產環(huán)保標準，IGCC與多聯產項目的推廣必能打破行業(yè)界限，使發(fā)電、燃料、化工產品等生產系統(tǒng)進一步達到優(yōu)化集成，真正實現煤炭的高效潔凈利用。

（4）需要國家電力供應結構的調整和升級支持。國家電力系統(tǒng)調整后，電力行業(yè)的主管單位由國家電力公司變成了國家電網公司，電網公司對一時見不到經濟效益的新技術的研發(fā)和應用支持力度不夠，致使化工行業(yè)等其他行業(yè)參與發(fā)電、并入電網等機制受到限制。目前，IGCC聯產項目的發(fā)電成本仍然較高，與常規(guī)火力發(fā)電成本相比仍不具競爭力，必須以更高的價格購買電力用以生產。此外，在發(fā)電技術方面，電網進行調峰的時候，會對非傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)有一些不平等對待，經常受到發(fā)電時間、發(fā)電范圍上的限制。

4 結論

（1）IGCC多聯產技術以煤氣化和IGCC技術為龍頭，并與其他化學工業(yè)流程相結合，形成一個以煤氣化為核心的多聯產的能源系統(tǒng)，能提供電力、熱力、液體燃料、氫氣及其它多種化工產品等，是21世紀煤基能源的重要發(fā)展方向。

（2）21世紀以來，我國IGCC多聯產技術取得了飛速發(fā)展，并在工業(yè)化方面走在了世界的前列。目前，IGCC多聯產技術發(fā)展和應用的主要障礙在于：建設成本仍然較高，關鍵技術仍有待突破和完善，系統(tǒng)不夠成熟，運行經驗不足，仍需國家環(huán)保標準、國家電力系統(tǒng)的有力支持。

（3）在國家大力調整能源結構、大力支持新興戰(zhàn)略產業(yè)的背景下，IGCC多聯產技術依據環(huán)保、節(jié)水、能源高效經濟利用等根本優(yōu)點，仍然具有較為廣闊的應用前景和發(fā)展空間。

1國內外IGCC技術現狀和發(fā)展動向.鄭建濤等.石油化工建設.2010(6):20-21.

2整體煤氣化聯合循環(huán)（IGCC）現狀及發(fā)展趨勢.宋鴻.競爭情報.2010(1):46-53.

3煤氣化及其多聯產系統(tǒng)技術的發(fā)展現狀.冷雪峰等.上海電力學院學報.2009,Vol.25,No.2:117-121.

4以煤氣化技術為基礎的多聯產技術創(chuàng)新.肖云漢.中國煤炭.2008(11):11-15.

5 2010中國IGCC多聯產峰會官方網站.http://www.igvision.com/igcc/index_c.html.

6國內首套IGCC汽電聯產裝置：中國石化制造.朱勤等.石油化工建設.2010(1):10-14.

7IGCC與多聯產技術條件已成熟.2010年3月8日，第06版.

8我國已建成與在建的IGCC多聯產項目.中國能源報，2010年3月8日，第06版.

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1672-9323（2012）02-0043-04

(2011-12-13)