日本迎来IGCC煤电新时代
2021-06-07
日本福岛县的一个备受关注的电力项目--Nakoso综合煤气化联合循环(IGCC)工厂，由于采用了先进的煤气化技术，于4月16日开始商业运营，此前由三菱电力牵头的财团将该项目移交给了业主Nakoso IGCC Power GK。
与所有IGCC发电厂一样，543兆瓦的Nakoso IGCC装置(图1)结合了气化炉内的煤气化--主要是氢和一氧化碳的混合物--以及燃气和蒸汽涡轮机来发电。但是在Nakoso IGCC工厂，气化炉使用鼓风技术，基本上依靠煤和空气之间的反应来产生可燃合成气。
根据制造鼓风IGCC系统的三菱电力公司的说法，气化炉是基于两级的反应床，下腔内是一个燃烧室，上腔中是一个还原反应室。“在燃烧室里，煤和焦炭燃烧，产生高温气体，”报告解释道。在还原反应室内，煤在高温气体中气化。为了保证燃气轮机燃烧所需的合成气热量，气化炉在燃烧阶段将灰分融化并顺利排放，“从而同时达到两个作用，”他们解释说。
发展历程
2013年，三菱电力公司在福岛市附近的Joban联合电力公司的Nakaso电厂10号机组的250兆瓦IGCC机组上成功地展示了鼓风气化炉技术，并宣布该装置可在商业上运行，Nakoso 10号机组“创造了3917小时连续运行的纪录”。
2014年9月，该公司及其合作伙伴三菱重工业工程有限公司、三菱电气公司和三菱电力环境解决方案公司，在Joban联合电力公司的Nakoso电厂以及东京电力公司位于Futaba的自己的Hirono发电厂建造两座500兆瓦级的IGCC电厂。三菱电力4月份表示，与规模较小的Nakoso 10号机组相比，Nakoso IGCC的效率“大幅提高”，在较低的热值(LHV)基础上达到48%的净热效率。原因之一是，该工厂采用了类似于Hirono工厂的配置，其中“燃气轮机与利用废气为燃料的余热回收锅炉产生的蒸汽运转的汽轮机组合在一起，”该公司指出。
对于三菱电力来说，Nakoso IGCC工厂的商业启动标志着一条实现“资源有效利用、环境保护和改善脱碳”的新途径。例如，他们解释说其先进的IGCC系统比600 C级超临界(USC)燃煤机组的效率高出10%至15%。
这些效率的提高转化为碳的削减。“而全球平均CO2燃煤发电厂的排放量为950克CO2/kwh在发电机终端，与IGCC一起，我们的目标是排放650克CO2/在发电机终端机，“他们说。为满足日益增长的燃料灵活性需求，气化炉气化工艺也比煤粉锅炉更适合各种类型的煤，特别是低熔点灰分的煤。
对IGCC的兴趣有增无减
Nakoso IGCC(以及Hirono公司，按计划在今年年底启动)是全球为数不多的几家商业规模的IGCC燃煤电厂之一。与Nakoso IGCC机组和Nakoso 10号机组一样，杜克能源公司继续在印第安纳州运营2013年建造的618兆瓦Edwardsport IGCC站。据报道，仍在运行的还有在捷克共和国的400兆瓦Vresová项目，以及韩国西部电力公司的300 MW泰安试点电厂.
由于成本压力和碳排放政策的不确定性，过去十年来，几个标志性的IGCC工厂已经关闭。其中包括西班牙的300 MW普埃尔托勒诺机组和荷兰的布格格纳姆的250兆瓦机组。6月1日，坦帕电气公司告诉《电力》其1996年完工的佛罗里达州波尔克发电厂的250兆瓦1号机组目前没有运行，但“它还没有退役，”一位发言人说。“这仍是我们长期计划的一部分。”与此同时，一名能源部官员在5月底告诉《电力》，关闭1995年完成的265兆瓦印第安纳州沃巴什IGCC的计划似乎已经被逆转，将工厂的气化炉转化为氢燃烧，并将其燃气轮机转化为氢燃烧。
正如国际能源署清洁煤中心(IEA CCC)高级分析师兼活动负责人托比·洛克伍德(Toby Lockwood)在以下文件中指出的那样2021年2月的报告对IGCC技术的兴趣起伏不定，主要受政策和经济因素的推动。20世纪90年代和21世纪初在美国、欧洲和日本部署了许多示范IGCC工厂，但由于“其中几个装置的成本出乎意料地高，操作复杂，以及煤粉厂效率的同时提高”，IGCC工厂未能得到普及。
21世纪末，由于其在二氧化碳预燃烧捕获方面的潜在应用，人们重新产生了兴趣，但之前几个燃烧示范项目--包括美国能源部(DoE)的未来发电(FutureGen)、澳大利亚的Zerogen和南方公司(Southern Co.)的Kemper县IGCC项目--最终被取消或重新使用。洛克伍德说，在中国，250兆瓦的绿色发电IGCC于2015年完工，但“引进CCUS[碳捕获、利用和储存]和建造更大规模机组的计划阶段显然已经停滞。”
但洛克伍德指出，在日本，研究、开发和示范(RD&D)继续采用先进的煤炭技术，以进一步提高煤炭能源的经济和环境性能。他说，中国大约43千兆瓦的煤炭船队中，超过80%目前使用超临界蒸汽条件(其中一半以上被归类为南加州大学)，而且它仍然与高效率低排放煤炭技术密切相关。
日本大力投资转型煤炭技术
日本在开发和部署HELE技术方面的领导作用最初是出于经济和供应安全方面的考虑，此前日本在福岛核事故后关闭了大部分核电站。但近年来，USC技术“已成为日本减少CO2排放战略的一个关键因素”，“他说。例如，该国2013年修订的“节能法”要求新的煤炭机组在总较高热值(HHV-或在较低的热值(LHV)基础上超过44%)达到42%以上的效率，除了一些例外。
与此同时，在20世纪20年代初，政府已经着手实现先进的USC和IGCC工厂的实际使用，并表示这些工厂的效率可以超过46%。值得注意的是，日本率先展示了综合气化燃料电池(IGFC)技术，洛克伍德将其描述为“IGCC工厂的一种创新变体”，在燃料电池中使用煤制氢。
在日本新能源和工业技术发展组织(NEDO)的支持下，166兆瓦Osaki CoolGen项目将一项已经证明的鼓氧气IGCC技术与碳捕获结合起来，然后将该系统与固体氧化物燃料电池集成起来。鼓氧气的IGCC技术，Osaki CoolGen说，本质上是以一氧化碳和氢为主要成分气化煤来产生合成气的过程。2018年的一次演示表明，该工艺可以实现“工业装置的净热效率约为46%，并有望降低CO2”Osaki CoolGen说，与南加州大学的一个项目相比，排放量约为15%。虽然该项目目前正在进行详细的设计和施工，但该实体预计将在2022年财政年度开始全面的IGFC示范活动。
洛克伍德说，由于日本希望向新兴经济体出口这些技术，至少在短期内，新的Nakoso和Hirono工厂的成功运营“可能会导致全球新一轮IGCC的部署”。然而，与此同时，人们对煤气化越来越感兴趣，将CCUS作为一种低成本的氢气来源，这也有助于推动世界各地的其他IGCC项目，他说。“在最近一轮美国能源部煤炭第一计划资助的项目中，有两个项目与煤气化有关，目的是同时生产低碳能源和氢气。”他说：“IGCC也有可能在印度目前扩大煤气化能力的努力中发挥作用，这种能力被称为‘甲醇经济’”。
