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燃料电池与IGCC复合发电是未来煤电的发展方向

综 述

燃料电池与IGCC 复合发电是

未来煤电的发展方向

王佩璋

(山西省电力勘测设计院,山西太原030001)

摘 要:介绍了燃料电池与IG CC 复合发电的概念,并简述了国内外这一发电技术的进展。指出以煤制氢、燃料电池与IG CC 复合发电、液体燃料生产、C O 2分离等过程集成的能源系统是“绿色煤电”发展的重要方向。

关键词:能源与动力工程;复合发电;绿色煤电;燃料电池;IG CC

中图分类号:T M619;T 611.3 文献标识码:A 文章编号:16712086X (2006)0520305203

Fuel Cells ,I ntegrated with IGCC Pow er G eneration Systems ,R epresent the

Future Trend of Development of Coal Fired Pow er G eneration

W ANG Pei 2zhang

(Shanxi Province ’s P ower Surveying Institute ,T aiyuan 030001,China )

Abstract :The concept of fuel cells ,integrated with IG CC power generation systems ,is being explained ,and advances in the development of this technique within this country and abroad are being reviewed ,pointing out that hydrogen production from coal ,combined power generation by fuel cells and IG CC ,production of liquid fuel ,separation and disposal of C O 2,all put together ,make up an energy system that represents an im portant trend in the development of “G reen P ower from C oal ”endeav ors.

K eyw ords :energy and power engineering ;combined power generation ;green power from coal ;fuel cell ;IG CC

收稿日期:2006203220

作者简介:王佩璋(1932-),男,高级工程师,近期从事洁净煤发电技术研究。

我国是全球煤炭生产与消费的大国之一,今后几十年只有加强煤炭清洁利用,提高煤炭使用效率,才能有效减少燃煤带来的环境污染;因此,未来煤电的发展方向必然是高效、近零排放的环

保型绿色煤电。燃料电池与IG CC (整体煤气化联合循环)复合发电是一种“绿色煤电”系统,可从根本上解决煤炭发电的可持续发展等诸多问题,具有赶超国际先进技术水平的重大意义;其技术的基本内涵是以IG CC 为重要基础,以燃料电池发电为前置,以蒸汽发电为后续的高新技术。

我国近期组建绿色煤电公司,倡导和推动“绿

色煤电”计划,对于推进清洁能源技术,减少污染物排放是一次积极的探索。该计划预计用15年时间研发并建成一座400 

MW 级氢气轮机和燃料

电池发电的“绿色煤电”示范工程。该电站将分三

个阶段进行,总投资58亿元(1.45万元ΠkW ),第一阶段目标为“十一五”期间建成100 

MW 级具有

自主知识产权的IG CC 电站示范工程。

1 “绿色煤电”———未来煤电的发展

方向

据世界能源委员会最新预测,到2030年全球

?

503?燃料电池与IG CC 复合发电是未来煤电的发展方向发电设备(2006N o.5)

约72%的发电将使用洁净煤技术。目前,美国已有7座大规模的燃煤IG CC 电站在运行中,最近宣布将投资12亿美元在明尼苏达州建造一座531 

MW 燃煤IG CC 电站。该委员会还认为,对主要煤炭消费国来说,今后几十年内,从煤炭中提取的合成气体、液体和氢将是重要的长期能源供应来源,也是未来煤电的技术导向,因此,未来“绿色煤电”的基本特征是:各种污染物近零排放,副产品可利用,发电效率大幅度提高,发电成本可接

受。

1.1 复合发电技术 复合发电也称联合发电,该技术是指将煤炭经气化炉使之在高温、高压下与氧发生反应,然后把其中的可燃气体(煤气)经除硫和其它杂质后,充入陶瓷燃料电池,将其化学能直接变成电能,实现能量的第一轮转换;电池中未反应完的燃料进入燃烧器,经充分燃烧产生高温高压燃气流送到燃气轮机进行发电,实现能量的第二轮转换;燃气轮机做完功后排出的高温燃气进入省煤器、蒸发器及过热器,产生蒸汽推动汽轮机组发电,实现第三轮能量转换,其综合发电效率可达60%左右。据国外这类电厂经验表明,当燃料电池利用率为55%,该电厂运行处于最佳范围,此时,燃料电池、燃气轮机、汽轮机三者发电输出功率比例分别占电厂总输出功率的35%、47%和18%。由此可以看出,复合发电技术是以煤气化为基础的燃料电池氢能发电为前置,IG CC 发电为主体的煤电系统。

1.2 “绿色煤电”的进展1.

2.1 美国

美国是煤炭生产和消费大国,燃煤发电约占

50%,因此,美国高度重视洁净煤发电技术的研究,并列为国家能源可持续发展战略的重要组成部分。2003年,美国能源部正式启动了“Futuregen ”的重大示范项目,计划投资10亿美元,花10年时间,建成世界上第一座污染物(气体、液体、固体)近零排放的燃煤电站。该电站是在IG CC 系统基础上,将C O 2的分离与储存,以煤制氢及燃料电池与IG CC 复合发电集成的综合能源系统,发电功率为275 

MW ,包括C O 2在内所有

污染物达到近零排放,并可根据市场需求联产液体燃料和化工产品。

1.2.2 欧洲

欧洲的2座IG CC 示范电站,从技术角度看,

荷兰253 

MW 、西班牙300 

MW 所采用的技术更为先进。最近,欧盟正计划开发以煤气化为基础的近零排放的燃煤电站。1.2.3 日本

目前,日本正在建设1座250 

MW 的IG CC 示范电站,预计在2009年投入运行。面向未来,日本已建成以煤气化为基础的集发电、供气和供液体燃料于一体的IG CC 多联产半工业示范装置。1.2.4 我国启动计划

2005年5月,华能集团公司率先在国内提出以煤气化为基础的煤炭高效发电,污染物(气体、液体、固体)近零排放的“绿色煤电”计划。

“绿色煤电”计划的总体目标是:研究开发、示范推广以煤气化制氢和氢能发电为前置循环,以煤气化的IG CC 发电为后置循环,并对C O 2进行

分离和处理的煤基能源系统,不仅可大幅度提高煤炭发电效率(55%~60%),还可使煤炭发电系统达到包括C O 2在内的污染物近零排放。“绿色煤电”计划第一阶段(2005~2010年)的任务是对华能汕头燃气轮机电厂进行技术改造,使之成为100 

MW 级具有自主知识产权的煤气化联合循环示范电站;然后,在此基础上建设“绿色煤电”试验基地,完成煤制氢、燃料电池发电、C O 2

分离等技术的实验研究和验证。

“绿色煤电”计划与现行洁净煤发电技术相比更上一层楼,它计划的目标是以煤气化制氢及氢能发电为第一轮能量转换,并有步骤分阶段地发展燃料电池和C O 2分离和储存技术,把C O 2作为可利用的产品,同时也考虑合成液体燃料等多联产,更符合我国的国情。

该计划得到国家科技部的关注和支持,并将在《国家中长期科学技术发展规划》和“十一五”规划中统筹考虑支持“绿色煤电”有关的研究领域。

2 燃料电池发电技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电,其电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。据业内人士指出,燃料电池是惟一能同时兼备无

?

603?发电设备(2006N o.5)燃料电池与IG CC 复合发电是未来煤电的发展方向

污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作能力的动力装置。2.1 美国的进展 美国于2000年研制出220 

kW 高效低污染燃

料电池2燃气轮机联合发电装置,其发电效率达到55%,远高于常规燃煤电厂效率(35%),也高于燃气轮机发电效率(约40%)。该燃料电池由1 

152个陶瓷管构成,每个陶瓷管就像1块电池。电池以天然气为燃料,能产生高温高压燃气流,推动燃

气轮机发出第二轮电力。由于燃料电池没有燃烧过程,只是通过化学分解天然气燃料产生第一轮电力,因此,可大幅度减少污染。2.2 日本的进展 在日本新能源产业技术综合机构的扶持下,由电力中央研究所和电源开发公司联合研发的300 

kW 级碳酸锂(MCFC )燃料电池和陶瓷(S OFC )

燃料电池、燃气轮机、汽轮机的复合发电装置已于

2003年开始试运。日本政府预测,到2006年将投入实际生产,到2020年家用燃料电池将达10000 

MW 。

3 燃煤IG CC 发电技术

燃煤IG CC 发电技术经历了3个发展阶段,即从20世纪80年代的第一代,到20世纪90年代的第二代,再到2010年的第三代。第三代的技术特点是:采用干煤粉供气化炉用煤,采用高温干法净化煤气,燃气轮机进气温度高达1427 

°C ,采用三压再热的蒸汽循环,供电净效率约50%~53%,毛效率约52%~55%。

IG CC 的近期目标是:采用更先进的燃气轮机(H 级),IG CC 机组容量可达500 

MW 级,净效率可

达50%或更高。力争在2010年,使IG CC 造价降到900~1000美元ΠkW ,发电成本小于0.05美元Π(kW ?h ),污染物排放是美国国家环保标准(NSPS )的1Π10。

IG CC 的远期目标是:以煤气化为基础的高效

清洁的能量综合转换系统。在2020年,IG CC 系

统的发电效率将达到60%,使投资降为800~900

美元ΠkW ,发电成本小于0.04美元Π(kW ?h ),污染物和温室气体达到零排放。

我国已确定在山东烟台电厂建设2座350 

MW 燃煤IG CC 示范性电站。通过IG CC 示范电站建设和围绕示范电站进行的消化吸收及自主开发,将成为我国IG CC 技术发展的基础。

4 结 语

纵观全球煤电的发展趋势和环保的严格要求,燃煤IG CC 发电技术是一种被验证了的先进的洁净煤发电技术,能初步解决燃煤发电效率与污染的矛盾,是未来煤电的主体。在此基础上,以煤制氢、燃料电池与IG CC 复合发电、液体燃料生产、C O 2分离和处理等过程集成的能源系统,是“绿色煤电”发展的重要方向,它可实现煤电的高效和近零排放,完全符合可持续发展的要求。

如果说,配备烟气脱硫和脱硝的超临界和超超临界发电技术(SC ΠUSC +FG D +SCR )是近中期(5~15年)我国大容量燃煤发电技术的主要技术选择,循环流化床(CF B )锅炉是近中期(5~20年)我国低热值煤和高硫煤发电的主要技术选择,IG CC 则是真正意义的可持续发展的洁净煤发电技术,将在我国中远期(15~50年)的燃煤发电中扮演重要角色,IG CC 也是未来煤基能源多元化近零排放系统的核心技术及重要基础,进而可实现“绿色煤电”。参考文献:

[1] 许世林.IG CC 与未来煤电[J ].中国电力,2005(2),13217.[2] 王佩璋.洁净煤发电技术综述[C].洁净煤发电技术文集,

1999,11:27251.

发展绿色煤电 减少环境污染

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703?燃料电池与IG CC 复合发电是未来煤电的发展方向发电设备(2006N o.5)