日本迎來IGCC煤電新時代
2021-06-07
日本福島縣的一個備受關注的電力項目--Nakoso綜合煤氣化聯合循環(huán)(IGCC)工廠，由于采用了先進的煤氣化技術，于4月16日開始商業(yè)運營，此前由三菱電力牽頭的財團將該項目移交給了業(yè)主Nakoso IGCC Power GK。
與所有IGCC發(fā)電廠一樣，543兆瓦的Nakoso IGCC裝置(圖1)結合了氣化爐內的煤氣化--主要是氫和一氧化碳的混合物--以及燃氣和蒸汽渦輪機來發(fā)電。但是在Nakoso IGCC工廠，氣化爐使用鼓風技術，基本上依靠煤和空氣之間的反應來產生可燃合成氣。
根據制造鼓風IGCC系統的三菱電力公司的說法，氣化爐是基于兩級的反應床，下腔內是一個燃燒室，上腔中是一個還原反應室。“在燃燒室里，煤和焦炭燃燒，產生高溫氣體，”報告解釋道。在還原反應室內，煤在高溫氣體中氣化。為了保證燃氣輪機燃燒所需的合成氣熱量，氣化爐在燃燒階段將灰分融化并順利排放，“從而同時達到兩個作用，”他們解釋說。
發(fā)展歷程
2013年，三菱電力公司在福島市附近的Joban聯合電力公司的Nakaso電廠10號機組的250兆瓦IGCC機組上成功地展示了鼓風氣化爐技術，并宣布該裝置可在商業(yè)上運行，Nakoso 10號機組“創(chuàng)造了3917小時連續(xù)運行的紀錄”。
2014年9月，該公司及其合作伙伴三菱重工業(yè)工程有限公司、三菱電氣公司和三菱電力環(huán)境解決方案公司，在Joban聯合電力公司的Nakoso電廠以及東京電力公司位于Futaba的自己的Hirono發(fā)電廠建造兩座500兆瓦級的IGCC電廠。三菱電力4月份表示，與規(guī)模較小的Nakoso 10號機組相比，Nakoso IGCC的效率“大幅提高”，在較低的熱值(LHV)基礎上達到48%的凈熱效率。原因之一是，該工廠采用了類似于Hirono工廠的配置，其中“燃氣輪機與利用廢氣為燃料的余熱回收鍋爐產生的蒸汽運轉的汽輪機組合在一起，”該公司指出。
對于三菱電力來說，Nakoso IGCC工廠的商業(yè)啟動標志著一條實現“資源有效利用、環(huán)境保護和改善脫碳”的新途徑。例如，他們解釋說其先進的IGCC系統比600 C級超臨界(USC)燃煤機組的效率高出10%至15%。
這些效率的提高轉化為碳的削減。“而全球平均CO2燃煤發(fā)電廠的排放量為950克CO2/kwh在發(fā)電機終端，與IGCC一起，我們的目標是排放650克CO2/在發(fā)電機終端機，“他們說。為滿足日益增長的燃料靈活性需求，氣化爐氣化工藝也比煤粉鍋爐更適合各種類型的煤，特別是低熔點灰分的煤。
對IGCC的興趣有增無減
Nakoso IGCC(以及Hirono公司，按計劃在今年年底啟動)是全球為數不多的幾家商業(yè)規(guī)模的IGCC燃煤電廠之一。與Nakoso IGCC機組和Nakoso 10號機組一樣，杜克能源公司繼續(xù)在印第安納州運營2013年建造的618兆瓦Edwardsport IGCC站。據報道，仍在運行的還有在捷克共和國的400兆瓦Vresová項目，以及韓國西部電力公司的300 MW泰安試點電廠.
由于成本壓力和碳排放政策的不確定性，過去十年來，幾個標志性的IGCC工廠已經關閉。其中包括西班牙的300 MW普埃爾托勒諾機組和荷蘭的布格格納姆的250兆瓦機組。6月1日，坦帕電氣公司告訴《電力》其1996年完工的佛羅里達州波爾克發(fā)電廠的250兆瓦1號機組目前沒有運行，但“它還沒有退役，”一位發(fā)言人說。“這仍是我們長期計劃的一部分。”與此同時，一名能源部官員在5月底告訴《電力》，關閉1995年完成的265兆瓦印第安納州沃巴什IGCC的計劃似乎已經被逆轉，將工廠的氣化爐轉化為氫燃燒，并將其燃氣輪機轉化為氫燃燒。
正如國際能源署清潔煤中心(IEA CCC)高級分析師兼活動負責人托比·洛克伍德(Toby Lockwood)在以下文件中指出的那樣2021年2月的報告對IGCC技術的興趣起伏不定，主要受政策和經濟因素的推動。20世紀90年代和21世紀初在美國、歐洲和日本部署了許多示范IGCC工廠，但由于“其中幾個裝置的成本出乎意料地高，操作復雜，以及煤粉廠效率的同時提高”，IGCC工廠未能得到普及。
21世紀末，由于其在二氧化碳預燃燒捕獲方面的潛在應用，人們重新產生了興趣，但之前幾個燃燒示范項目--包括美國能源部(DoE)的未來發(fā)電(FutureGen)、澳大利亞的Zerogen和南方公司(Southern Co.)的Kemper縣IGCC項目--最終被取消或重新使用。洛克伍德說，在中國，250兆瓦的綠色發(fā)電IGCC于2015年完工，但“引進CCUS[碳捕獲、利用和儲存]和建造更大規(guī)模機組的計劃階段顯然已經停滯。”
但洛克伍德指出，在日本，研究、開發(fā)和示范(RD&D)繼續(xù)采用先進的煤炭技術，以進一步提高煤炭能源的經濟和環(huán)境性能。他說，中國大約43千兆瓦的煤炭船隊中，超過80%目前使用超臨界蒸汽條件(其中一半以上被歸類為南加州大學)，而且它仍然與高效率低排放煤炭技術密切相關。
日本大力投資轉型煤炭技術
日本在開發(fā)和部署HELE技術方面的領導作用最初是出于經濟和供應安全方面的考慮，此前日本在福島核事故后關閉了大部分核電站。但近年來，USC技術“已成為日本減少CO2排放戰(zhàn)略的一個關鍵因素”，“他說。例如，該國2013年修訂的“節(jié)能法”要求新的煤炭機組在總較高熱值(HHV-或在較低的熱值(LHV)基礎上超過44%)達到42%以上的效率，除了一些例外。
與此同時，在20世紀20年代初，政府已經著手實現先進的USC和IGCC工廠的實際使用，并表示這些工廠的效率可以超過46%。值得注意的是，日本率先展示了綜合氣化燃料電池(IGFC)技術，洛克伍德將其描述為“IGCC工廠的一種創(chuàng)新變體”，在燃料電池中使用煤制氫。
在日本新能源和工業(yè)技術發(fā)展組織(NEDO)的支持下，166兆瓦Osaki CoolGen項目將一項已經證明的鼓氧氣IGCC技術與碳捕獲結合起來，然后將該系統與固體氧化物燃料電池集成起來。鼓氧氣的IGCC技術，Osaki CoolGen說，本質上是以一氧化碳和氫為主要成分氣化煤來產生合成氣的過程。2018年的一次演示表明，該工藝可以實現“工業(yè)裝置的凈熱效率約為46%，并有望降低CO2”Osaki CoolGen說，與南加州大學的一個項目相比，排放量約為15%。雖然該項目目前正在進行詳細的設計和施工，但該實體預計將在2022年財政年度開始全面的IGFC示范活動。
洛克伍德說，由于日本希望向新興經濟體出口這些技術，至少在短期內，新的Nakoso和Hirono工廠的成功運營“可能會導致全球新一輪IGCC的部署”。然而，與此同時，人們對煤氣化越來越感興趣，將CCUS作為一種低成本的氫氣來源，這也有助于推動世界各地的其他IGCC項目，他說。“在最近一輪美國能源部煤炭第一計劃資助的項目中，有兩個項目與煤氣化有關，目的是同時生產低碳能源和氫氣。”他說：“IGCC也有可能在印度目前擴大煤氣化能力的努力中發(fā)揮作用，這種能力被稱為‘甲醇經濟’”。
