煤氣發(fā)生爐在小型發(fā)電站的應(yīng)用分析

1、煤氣發(fā)生爐在小型發(fā)電站的應(yīng)用分析1 引言“煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電”(即英文中的Integrated Gasification Combined Cycle發(fā)電方式，簡(jiǎn)稱IGCC)技術(shù)在美國和歐洲的成功應(yīng)用，和日本的增壓流化床燃?xì)? 蒸汽聯(lián)合循環(huán)(PFBCCC)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，帶動(dòng)了世界燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)的發(fā)展。目前，我國對(duì)IGCC技術(shù)的開發(fā)建設(shè)也提高到了一個(gè)嶄新的歷程，其中“十一五”863計(jì)劃以煤氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)示范工程重大項(xiàng)目（國科發(fā)高字2007134號(hào)）中的16個(gè)項(xiàng)目，就有3項(xiàng)是關(guān)于IGCC的開發(fā)【1】。我國在發(fā)展大型IGCC技術(shù)的同時(shí)，也帶動(dòng)了其他以高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和發(fā)生爐煤氣為燃料的

2、煤氣化發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。近年來，高爐煤氣發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用推廣迅速，各大鋼鐵集團(tuán)出于節(jié)能降耗、環(huán)境達(dá)標(biāo)的目的，相繼建成并投產(chǎn)了多個(gè)利用富余高爐煤氣發(fā)電的企業(yè)電廠，有的甚至已經(jīng)與國家電網(wǎng)并網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益極為顯著。焦?fàn)t煤氣發(fā)電站多集中于焦化產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)的山西、陜西和內(nèi)蒙地區(qū)，該地區(qū)的焦化企業(yè)以生產(chǎn)焦炭為主導(dǎo)產(chǎn)品，焦?fàn)t煤氣為副產(chǎn)品，焦?fàn)t煤氣發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用，即實(shí)現(xiàn)了焦化企業(yè)的節(jié)能減排，同時(shí)又緩解了全國性大范圍電力和煤炭供應(yīng)緊張的形勢(shì)。發(fā)生爐煤氣發(fā)電技術(shù)在我國應(yīng)用較少，但隨著電力供應(yīng)的緊張，企業(yè)用電的供應(yīng)限制和價(jià)格上漲等因素開始逐漸影響到企業(yè)的正常生產(chǎn)，自備電站逐漸成為多數(shù)企業(yè)的夢(mèng)想，由于發(fā)生爐煤

3、氣站設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施投資少，建設(shè)周期短，在無其他氣源的前提下，發(fā)生爐煤氣無疑是企業(yè)自備電站的理想燃料，特別是目前已有煤氣發(fā)生站的企業(yè)，更是如此。2 發(fā)生爐煤氣小型電站需求形勢(shì)分析2.1 國內(nèi)需求形勢(shì) 我國電力供應(yīng)不足的問題，歷年來一直比較明顯，2004年我國電力裝機(jī)441GW，全社會(huì)用電量21761億kWh，電力供需指數(shù)為0.925，電力缺口7.5%，缺少發(fā)電裝機(jī)33GW；2006年我國電力裝機(jī)622GW，全社會(huì)用電量28248億kWh，電力供需指數(shù)為0.996，電力缺口0.4%，缺少發(fā)電裝機(jī)3GW【2】；近兩年，雖然電力工業(yè)發(fā)展迅速，但電力供需矛盾仍很明顯，2008年第一季度，盡管電力新增裝機(jī)

4、1200多萬千瓦，但全國仍然有20個(gè)省級(jí)電網(wǎng)電力供應(yīng)出現(xiàn)了不同程度的緊張。特別是夏季用電高峰時(shí)，供需矛盾更為嚴(yán)重，一些企業(yè)不得不承受拉閘限電的痛苦，企業(yè)利益嚴(yán)重受損。在此形勢(shì)下，小型自備電站的建設(shè)，逐漸提到了中小企業(yè)的議事日程，由于油價(jià)高漲、天然氣供應(yīng)不足及無高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣氣源等原因，發(fā)生爐煤氣已經(jīng)成為多數(shù)企業(yè)小型自備電站的優(yōu)選燃料。2.2 國外需求形勢(shì) 電力供需矛盾，不僅局限于中國，而是一個(gè)國際性的問題，目前，菲律賓用電普及率為80%，泰國為82%，越南為85.8%，中國為98.6%，而印尼只有56%。印尼是一個(gè)群島國家，島嶼之間的電網(wǎng)連接不太方便，電網(wǎng)建設(shè)相對(duì)落后，全國2.17億人口中

5、的44%無電可用，近幾年來，印尼每年約有30%以上新申請(qǐng)的用電客戶被電力部門拒之門外。電力設(shè)施的嚴(yán)重缺乏，不同程度的影響了居民的正常生活，同時(shí)也嚴(yán)重制約印尼投資和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。 國際油價(jià)暴漲使印尼用石油、天然氣為燃料的發(fā)電廠生產(chǎn)成本大幅上升，印尼煤炭資源豐富，許多電廠紛紛尋求以煤炭作為替代能源。受各島嶼用電量的限制，發(fā)電廠建設(shè)規(guī)模一般較小，另外考慮建設(shè)投資等因素，限制了直接燃煤的火力發(fā)電廠的發(fā)展。以發(fā)生爐煤氣為燃料的小型發(fā)電廠，建設(shè)投資少，運(yùn)行成本低，發(fā)電規(guī)模小，適合印尼島嶼用電要求，印尼有人居住的島嶼約6000多個(gè)，以小型島嶼居多，小型發(fā)生爐煤氣發(fā)電廠的發(fā)展?jié)摿薮蟆? 小型電站應(yīng)用發(fā)生爐煤氣技

6、術(shù)分析3.1 目前技術(shù)狀況 目前，發(fā)生爐煤氣發(fā)電采取的技術(shù)有兩種，第一種：蒸汽發(fā)電，即利用燃?xì)忮仩t和蒸汽輪機(jī)的技術(shù)組合進(jìn)行發(fā)電；第二種：燃?xì)獍l(fā)電，即以發(fā)生爐煤氣為燃料的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電。 蒸汽發(fā)電，就是采用鍋爐直接燃燒發(fā)生爐煤氣，將發(fā)生爐煤氣燃燒產(chǎn)生的熱能通過鍋爐內(nèi)的管束傳遞給鍋膽內(nèi)的水，將水汽化為蒸汽，利用蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。該工藝的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于煤氣的熱值、壓力和潔凈度等要求較低，煤氣凈化和加壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資較少；其缺點(diǎn)是，系統(tǒng)工藝復(fù)雜，建設(shè)周期較長(zhǎng)，消耗水量較大，占地面積大，發(fā)電效率較低，通常不足20【3】。 燃?xì)獍l(fā)電，即利用發(fā)生爐煤氣為燃料驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的工作原

7、理與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相同，其發(fā)電效率一般可以達(dá)到35左右。該發(fā)電工藝的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電效率較高，系統(tǒng)基本不需要水，設(shè)備集成度高，安裝快捷方便，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)煤氣中的粉塵要求不高，整體設(shè)備單位千瓦造價(jià)較低。但是其缺點(diǎn)也較為明顯，第一，由于發(fā)生爐煤氣熱值較低，機(jī)組出力下降明顯，需采用多臺(tái)發(fā)電機(jī)組以消除利用率低的影響。第二，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)需要頻繁更換機(jī)油和火花塞，設(shè)備運(yùn)行消耗較大，第三，內(nèi)燃機(jī)設(shè)備對(duì)發(fā)生爐煤氣中的水和硫化氫含量比較敏感，需要保證發(fā)生爐煤氣含有盡量少的水和硫化氫，避免設(shè)備腐蝕受損。3.2 技術(shù)發(fā)展方向3.2.1 采用IGCC技術(shù)優(yōu)化發(fā)生爐煤氣發(fā)電系統(tǒng)目前發(fā)生爐煤氣發(fā)電采取的技術(shù)，普遍存在效率不高的問題，

8、究其原因，主要是因?yàn)槟茉蠢貌粡氐?。故此，我們可以借鑒成熟的IGCC發(fā)電技術(shù)，對(duì)現(xiàn)在采用的發(fā)生爐煤氣發(fā)電技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步完善，有效提高其發(fā)電效率。IGCC即“煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電”技術(shù)，由煤制氣凈化、燃?xì)獍l(fā)電、蒸汽發(fā)電三部分組成。IGCC技術(shù)是利用燃料的動(dòng)能和熱能發(fā)電，即包括燃?xì)獍l(fā)電和蒸汽發(fā)電兩個(gè)階段。第一階段，煤氣燃燒發(fā)電是利用燃燒后氣體膨脹所產(chǎn)生的動(dòng)能發(fā)電，第二階段，回收燃燒發(fā)電后排除的高溫?zé)煔?，生產(chǎn)蒸汽發(fā)電，則是利用熱能。目前采用的發(fā)生爐煤氣發(fā)電系統(tǒng)，只利用了IGCC的第一階段或第二階段，補(bǔ)充進(jìn)所欠缺的發(fā)電階段，便成為IGCC小型發(fā)電站，發(fā)電效率明顯提高。就IGCC技術(shù)本身而言，對(duì)煤

9、氣化爐、燃?xì)獍l(fā)電和蒸汽發(fā)電設(shè)備的形式無固定選擇要求，要根據(jù)電站裝機(jī)規(guī)模、投資狀況等進(jìn)行選擇，例如歐美國家、日本和現(xiàn)在中國所建電站規(guī)模較大，一般都在250MW以上，在選擇煤氣爐時(shí)，就不能選擇產(chǎn)氣量較小的常壓固定床煤氣發(fā)生爐，因?yàn)樾枰x擇上百臺(tái)發(fā)生爐，所以一般選擇純氧加壓氣化爐，而對(duì)于30MW以下的發(fā)電站而言，考慮氣化爐產(chǎn)能和投資問題，常壓固定床煤氣發(fā)生爐是最佳選擇。例如小時(shí)發(fā)電量為10MW發(fā)生爐煤氣燃?xì)獍l(fā)電站，需設(shè)置500千瓦級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組18臺(tái)套，每臺(tái)發(fā)電機(jī)可排出500-600煙氣12000m3/h，所產(chǎn)蒸汽全部用于蒸汽輪機(jī)發(fā)電，每小時(shí)可發(fā)電2-3MW。即采用IGCC技術(shù)后，發(fā)生爐煤氣發(fā)電

10、系統(tǒng)效率是原來的1.21.3倍。3.2.2 采用燃?xì)廨啓C(jī)替代燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī) 燃?xì)廨啓C(jī)是通過壓氣機(jī)渦輪壓縮空氣，高壓空氣在燃燒室內(nèi)與燃料混合燃燒，使空氣急劇膨脹做功，推動(dòng)動(dòng)力渦輪旋轉(zhuǎn)做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)采用旋轉(zhuǎn)持續(xù)做功的形式，適于利用熱值較低的發(fā)生爐煤氣為燃料。燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，燃?xì)廨啓C(jī)更加適于應(yīng)用高含氫低熱值煤氣；第二，對(duì)煤氣潔凈度要求不高，煤氣雜質(zhì)含量略高，不會(huì)影響正常生產(chǎn)；第三，燃?xì)廨啓C(jī)不會(huì)因?yàn)槊簹鉄嶂档投绊懓l(fā)電出力。其缺點(diǎn)是燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率通常不高，一般在3035左右，但是可以利用IGCC技術(shù)，通過余熱鍋爐回收燃?xì)廨啓C(jī)高溫?zé)煔獾臒崮苌a(chǎn)高壓水

11、蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)二次發(fā)電，從而提高系統(tǒng)發(fā)電效率.目前，國內(nèi)生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)，主要是航空改型機(jī)組和引進(jìn)技術(shù)組裝生產(chǎn)的機(jī)組兩種，但無論在國內(nèi)還是國外，燃?xì)廨啓C(jī)普遍存在裝機(jī)功率較大的問題，使燃?xì)廨啓C(jī)在小型燃?xì)獍l(fā)電站的應(yīng)用受到一定程度的限制。4 發(fā)生爐煤氣發(fā)電成本分析4.1 建設(shè)投資分析4.1.1 燃?xì)獍l(fā)電發(fā)生爐煤氣電站建設(shè)投資燃?xì)獍l(fā)電發(fā)生爐煤氣電站的建設(shè)成本主要包括設(shè)備投資和基礎(chǔ)建設(shè)投資兩部分，其中設(shè)備投資主要包括煤氣發(fā)生爐及其凈化和脫硫設(shè)備、發(fā)電機(jī)主要包括內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)及其配套控制系統(tǒng)；基礎(chǔ)建設(shè)部分包括所有設(shè)備的基礎(chǔ)、配套水池及廠房的建設(shè)。受發(fā)生爐煤氣低熱值和煤氣成分等特點(diǎn)的影響，目前，以發(fā)生爐煤

12、氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)單機(jī)裝機(jī)還不能做到很大功率，單機(jī)最大額定功率500KW，使用功率400KW，短時(shí)最大使用功率450KW，能耗為11MJ/KWh。以10MW燃?xì)獍l(fā)電發(fā)生爐煤氣電站為例，需選擇KM3Q3.2型煤氣發(fā)生爐及凈化設(shè)備四臺(tái)套，其中一臺(tái)套為備用設(shè)備；選擇煤氣脫硫站一臺(tái)套；選擇選擇額定功率為500KW的內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)27臺(tái)套，其中二臺(tái)套為備用設(shè)備；配套土建及基礎(chǔ)設(shè)施若干。發(fā)電站總體投資參見表1。 表1 10MW燃?xì)獍l(fā)電發(fā)生爐煤氣電站建設(shè)投資一覽表Table 1  list of the constructing investment of the 10 MW gas power p

13、lant with coal gas as fuel項(xiàng)目分項(xiàng) 投資額（萬元RMB）煤氣發(fā)生站 1200煤氣脫硫站 200內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī) 2700土建及基礎(chǔ)設(shè)施 1000合計(jì) 51004.1.2 IGCC發(fā)生爐煤氣電站建設(shè)成本IGCC發(fā)生爐煤氣發(fā)電站就由于充分利用了燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的廢熱，可以適當(dāng)減少煤氣發(fā)生爐、煤氣凈化脫硫設(shè)備、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)及其配套發(fā)電機(jī)的數(shù)量配置。以10MW IGCC發(fā)生爐煤氣發(fā)電站為例，需選擇煤氣發(fā)生爐及煤氣凈化設(shè)備三臺(tái)套，其中一臺(tái)套備用；選擇煤氣脫硫站規(guī)模可適當(dāng)減??；根據(jù)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的排煙溫度及煙氣量和余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量綜

14、合計(jì)算，實(shí)際需要燃?xì)獍l(fā)電機(jī)十八臺(tái)，考慮二臺(tái)備用，共計(jì)二十臺(tái)；需要增加余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)及配套發(fā)電機(jī)。發(fā)電站總體投資參見表2。表2 10MW IGCC發(fā)生爐煤氣發(fā)電站建設(shè)投資一覽表Table 2  list of the constructing investment of the 10 MW IGCC power plant with coal gas as fuel項(xiàng)目分項(xiàng) 投資額（萬元RMB）煤氣發(fā)生站 900煤氣脫硫站 180內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī) 2000余熱鍋爐 350蒸汽輪機(jī)及配套發(fā)電機(jī) 800土建及基礎(chǔ)設(shè)施 

15、1100合計(jì) 53304.2 運(yùn)行成本分析以10MW發(fā)生爐煤氣發(fā)電站為例，對(duì)燃?xì)獍l(fā)電發(fā)生爐煤氣電站與IGCC發(fā)生爐煤氣電站的發(fā)電成本進(jìn)行對(duì)比分析，電站發(fā)電成本對(duì)比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參見表3，經(jīng)計(jì)算，電站發(fā)電運(yùn)行成本對(duì)比結(jié)果參見表4，結(jié)果表明，每發(fā)1度電，IGCC發(fā)生爐煤氣電站較燃?xì)獍l(fā)電發(fā)生爐煤氣電站節(jié)省0.137元RMB,每年可節(jié)省發(fā)電成本998萬元RMB左右。表3 發(fā)生爐煤氣電站發(fā)電成本對(duì)比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 3  Basic data of cost contrast of the power plant with coal gas as fuel裝機(jī)總?cè)萘?#160;10MW設(shè)備使用壽命 20年年運(yùn)行時(shí)數(shù) 7920h煤炭?jī)r(jià)格 0.9元/kg煤炭產(chǎn)氣率 3.3Nm3/kg煤煤氣熱值 6070KJ/ Nm3表4 發(fā)生爐煤氣電站發(fā)電成本對(duì)比Table 4  Cost contrast of