煤气发生炉在小型发电站的应用分析

煤气发生炉在小型发电站的应用分析1引言“煤气化燃气蒸汽联合循环发电”(即英文中的IntegratedGasificationCombinedCycle发电方式，简称IGCC)技术在美国和欧洲的成功应用，和日本的增压流化床燃气-蒸汽联合循环(PFBC－CC)技术的长足发展，带动了世界燃气发电技术的发展。目前，我国对IGCC技术的开发建设也提高到了一个崭新的历程，其中“十一五”863计划以煤气化为基础的多联产示范工程重大项目（国科发高字[2007]134号）中的16个项目，就有3项是关于IGCC的开发【1】。我国在发展大型IGCC技术的同时，也带动了其他以高炉煤气、焦炉煤气和发生炉煤气为燃料的煤气化发电技术的发展。近年来，高炉煤气发电技术的应用推广迅速，各大钢铁集团出于节能降耗、环境达标的目的，相继建成并投产了多个利用富余高炉煤气发电的企业电厂，有的甚至已经与国家电网并网，经济效益和社会效益极为显著。焦炉煤气发电站多集中于焦化产业较为发达的山西、陕西和内蒙地区，该地区的焦化企业以生产焦炭为主导产品，焦炉煤气为副产品，焦炉煤气发电技术的推广应用，即实现了焦化企业的节能减排，同时又缓解了全国性大范围电力和煤炭供应紧张的形势。发生炉煤气发电技术在我国应用较少，但随着电力供应的紧张，企业用电的供应限制和价格上涨等因素开始逐渐影响到企业的正常生产，自备电站逐渐成为多数企业的梦想，由于发生炉煤气站设备及基础设施投资少，建设周期短，在无其他气源的前提下，发生炉煤气无疑是企业自备电站的理想燃料，特别是目前已有煤气发生站的企业，更是如此。2发生炉煤气小型电站需求形势分析2.1国内需求形势我国电力供应不足的问题，历年来一直比较明显，2004年我国电力装机441GW，全社会用电量21761亿kW•h，电力供需指数为0.925，电力缺口7.5%，缺少发电装机33GW；2006年我国电力装机622GW，全社会用电量28248亿kW•h，电力供需指数为0.996，电力缺口0.4%，缺少发电装机3GW【2】；近两年，虽然电力工业发展迅速，但电力供需矛盾仍很明显，2008年第一季度，尽管电力新增装机1200多万千瓦，但全国仍然有20个省级电网电力供应出现了不同程度的紧张。特别是夏季用电高峰时，供需矛盾更为严重，一些企业不得不承受拉闸限电的痛苦，企业利益严重受损。在此形势下，小型自备电站的建设，逐渐提到了中小企业的议事日程，由于油价高涨、天然气供应不足及无高炉煤气和焦炉煤气气源等原因，发生炉煤气已经成为多数企业小型自备电站的优选燃料。2.2国外需求形势电力供需矛盾，不仅局限于中国，而是一个国际性的问题，目前，菲律宾用电普及率为80%，泰国为82%，越南为85.8%，中国为98.6%，而印尼只有56%。印尼是一个群岛国家，岛屿之间的电网连接不太方便，电网建设相对落后，全国2.17亿人口中的44%无电可用，近几年来，印尼每年约有30%以上新申请的用电客户被电力部门拒之门外。电力设施的严重缺乏，不同程度的影响了居民的正常生活，同时也严重制约印尼投资和经济增长。国际油价暴涨使印尼用石油、天然气为燃料的发电厂生产成本大幅上升，印尼煤炭资源丰富，许多电厂纷纷寻求以煤炭作为替代能源。受各岛屿用电量的限制，发电厂建设规模一般较小，另外考虑建设投资等因素，限制了直接燃煤的火力发电厂的发展。以发生炉煤气为燃料的小型发电厂，建设投资少，运行成本低，发电规模小，适合印尼岛屿用电要求，印尼有人居住的岛屿约6000多个，以小型岛屿居多，小型发生炉煤气发电厂的发展潜力巨大。3小型电站应用发生炉煤气技术分析3.1目前技术状况目前，发生炉煤气发电采取的技术有两种，第一种：蒸汽发电，即利用燃气锅炉和蒸汽轮机的技术组合进行发电；第二种：燃气发电，即以发生炉煤气为燃料的燃气内燃机发电。蒸汽发电，就是采用锅炉直接燃烧发生炉煤气，将发生炉煤气燃烧产生的热能通过锅炉内的管束传递给锅胆内的水，将水汽化为蒸汽，利用蒸汽推动蒸汽轮机再驱动发电机发电。该工艺的优点，对于煤气的热值、压力和洁净度等要求较低，煤气净化和加压系统简单，投资较少；其缺点是，系统工艺复杂，建设周期较长，消耗水量较大，占地面积大，发电效率较低，通常不足20％【3】。燃气发电，即利用发生炉煤气为燃料驱动燃气内燃机发电，燃气内燃机的工作原理与汽车发动机相同，其发电效率一般可以达到35％左右。该发电工艺的优点是发电效率较高，系统基本不需要水，设备集成度高，安装快捷方便，燃气内燃机对煤气中的粉尘要求不高，整体设备单位千瓦造价较低。但是其缺点也较为明显，第一，由于发生炉煤气热值较低，机组出力下降明显，需采用多台发电机组以消除利用率低的影响。第二，燃气内燃机需要频繁更换机油和火花塞，设备运行消耗较大，第三，内燃机设备对发生炉煤气中的水和硫化氢含量比较敏感，需要保证发生炉煤气含有尽量少的水和硫化氢，避免设备腐蚀受损。3.2技术发展方向3.2.1采用IGCC技术优化发生炉煤气发电系统目前发生炉煤气发电采取的技术，普遍存在效率不高的问题，究其原因，主要是因为能源利用不彻底。故此，我们可以借鉴成熟的IGCC发电技术，对现在采用的发生炉煤气发电技术进行进一步完善，有效提高其发电效率。IGCC即“煤气化燃气蒸汽联合循环发电”技术，由煤制气净化、燃气发电、蒸汽发电三部分组成。IGCC技术是利用燃料的动能和热能发电，即包括燃气发电和蒸汽发电两个阶段。第一阶段，煤气燃烧发电是利用燃烧后气体膨胀所产生的动能发电，第二阶段，回收燃烧发电后排除的高温烟气，生产蒸汽发电，则是利用热能。目前采用的发生炉煤气发电系统，只利用了IGCC的第一阶段或第二阶段，补充进所欠缺的发电阶段，便成为IGCC小型发电站，发电效率明显提高。就IGCC技术本身而言，对煤气化炉、燃气发电和蒸汽发电设备的形式无固定选择要求，要根据电站装机规模、投资状况等进行选择，例如欧美国家、日本和现在中国所建电站规模较大，一般都在250MW以上，在选择煤气炉时，就不能选择产气量较小的常压固定床煤气发生炉，因为需要选择上百台发生炉，所以一般选择纯氧加压气化炉，而对于30MW以下的发电站而言，考虑气化炉产能和投资问题，常压固定床煤气发生炉是最佳选择。例如小时发电量为10MW发生炉煤气燃气发电站，需设置500千瓦级燃气内燃发电机组18台套，每台发电机可排出500-600℃烟气12000m3/h，所产蒸汽全部用于蒸汽轮机发电，每小时可发电2-3MW。即采用IGCC技术后，发生炉煤气发电系统效率是原来的1.2—1.3倍。3.2.2采用燃气轮机替代燃气内燃机燃气轮机是通过压气机涡轮压缩空气，高压空气在燃烧室内与燃料混合燃烧，使空气急剧膨胀做功，推动动力涡轮旋转做功驱动发电机发电，燃气轮机采用旋转持续做功的形式，适于利用热值较低的发生炉煤气为燃料。燃气轮机与燃气内燃机相比，具有以下优点：第一，燃气轮机更加适于应用高含氢低热值煤气；第二，，对煤气洁净度要求不高，煤气杂质含量略高，不会影响正常生产；第三，燃气轮机不会因为煤气热值低而影响发电出力。其缺点是燃气轮机的发电效率通常不高，一般在30％～35％左右，但是可以利用IGCC技术，通过余热锅炉回收燃气轮机高温烟气的热能生产高压水蒸汽，驱动蒸汽轮机二次发电，从而提高系统发电效率.目前，国内生产的燃气轮机，主要是航空改型机组和引进技术组装生产的机组两种，但无论在国内还是国外，燃气轮机普遍存在装机功率较大的问题，使燃气轮机在小型燃气发电站的应用受到一定程度的限制。4发生炉煤气发电成本分析4.1建设投资分析4.1.1燃气发电发生炉煤气电站建设投资燃气发电发生炉煤气电站的建设成本主要包括设备投资和基础建设投资两部分，其中设备投资主要包括煤气发生炉及其净化和脱硫设备、发电机主要包括内燃机和发电机及其配套控制系统；基础建设部分包括所有设备的基础、配套水池及厂房的建设。受发生炉煤气低热值和煤气成分等特点的影响，目前，以发生炉煤气为燃料的内燃机单机装机还不能做到很大功率，单机最大额定功率500KW，使用功率400KW，短时最大使用功率450KW，能耗为11MJ/KW•h。以10MW燃气发电发生炉煤气电站为例，需选择KM3Q3.2型煤气发生炉及净化设备四台套，其中一台套为备用设备；选择煤气脱硫站一台套；选择选择额定功率为500KW的内燃机和发电机27台套，其中二台套为备用设备；配套土建及基础设施若干。发电站总体投资参见表1。表110MW燃气发电发生炉煤气电站建设投资一览表Table1listoftheconstructinginvestmentofthe10MWgaspowerplantwithcoalgasasfuel项目分项投资额（万元RMB）煤气发生站1200煤气脱硫站200内燃机和发电机2700土建及基础设施1000合计51004.1.2IGCC发生炉煤气电站建设成本IGCC发生炉煤气发电站就由于充分利用了燃气内燃机的废热，可以适当减少煤气发生炉、煤气净化脱硫设备、燃气内燃机及其配套发电机的数量配置。以10MWIGCC发生炉煤气发电站为例，需选择煤气发生炉及煤气净化设备三台套，其中一台套备用；选择煤气脱硫站规模可适当减小；根据燃气内燃机的排烟温度及烟气量和余热锅炉的蒸汽产量综合计算，实际需要燃气发电机十八台，考虑二台备用，共计二十台；需要增加余热锅炉、蒸汽轮机及配套发电机。发电站总体投资参见表2。表210MWIGCC发生炉煤气发电站建设投资一览表Table2listoftheconstructinginvestmentofthe10MWIGCCpowerplantwithcoalgasasfuel项目分项投资额（万元RMB）煤气发生站900煤气脱硫站180内燃机和发电机2000余热锅炉350蒸汽轮机及配套发电机800土建及基础设施1100合计53304.2运行成本分析以10MW发生炉煤气发电站为例，对燃气发电发生炉煤气电站与IGCC发生炉煤气电站的发电成本进行对比分析，电站发电成本对比基础数据参见表3，经计算，电站发电运行成本对比结果参见表4，结果表明，每发1度电，IGCC发生炉煤气电站较燃气发电发生炉煤气电站节省0.137元RMB,每年可节省发电成本998万元RMB左右。表3发生炉煤气电站发电成本对比基础数据Table3Basicdataofcostcontrastofthepowerplantwithcoalgasasfuel装机总容量10MW设备使用寿命20年年运行时数7920h煤炭价格0.9元/kg煤炭产气率3.3Nm3/kg煤煤气热值6070KJ/Nm3表4发生炉煤气电站发电成本对比Table4Costcontrastofthepowerplantwithcoalgasasfuel电站类别发电成本（元RMB/KW•h）燃气发电发生炉煤气电站0.526IGCC发生炉煤气电站0.3895结论随着世界能源的日趋紧张和用电需求的不断扩大，由于投资小、建设周期短、运行成本低等的优势，发生炉煤气发电站在特定的市场环境下，具有相当的发展潜力。但是，只有进一步优化发生炉煤气发电站的工艺配置及设备选择，减少能源浪费，降低发电成本，才能保持其在特定市场环境下的生命力。