日本迎來(lái)IGCC煤電新時(shí)代
2021-06-07
日本福島縣的一個(gè)備受關(guān)注的電力項(xiàng)目--Nakoso綜合煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)工廠，由于采用了先進(jìn)的煤氣化技術(shù)，于4月16日開(kāi)始商業(yè)運(yùn)營(yíng)，此前由三菱電力牽頭的財(cái)團(tuán)將該項(xiàng)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(jié)合了氣化爐內(nèi)的煤氣化--主要是氫和一氧化碳的混合物--以及燃?xì)夂驼羝麥u輪機(jī)來(lái)發(fā)電。但是在Nakoso IGCC工廠，氣化爐使用鼓風(fēng)技術(shù)，基本上依靠煤和空氣之間的反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生可燃合成氣。
根據(jù)制造鼓風(fēng)IGCC系統(tǒng)的三菱電力公司的說(shuō)法，氣化爐是基于兩級(jí)的反應(yīng)床，下腔內(nèi)是一個(gè)燃燒室，上腔中是一個(gè)還原反應(yīng)室。“在燃燒室里，煤和焦炭燃燒，產(chǎn)生高溫氣體，”報(bào)告解釋道。在還原反應(yīng)室內(nèi)，煤在高溫氣體中氣化。為了保證燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)達(dá)到兩個(gè)作用，”他們解釋說(shuō)。
發(fā)展歷程
2013年，三菱電力公司在福島市附近的Joban聯(lián)合電力公司的Nakaso電廠10號(hào)機(jī)組的250兆瓦IGCC機(jī)組上成功地展示了鼓風(fēng)氣化爐技術(shù)，并宣布該裝置可在商業(yè)上運(yùn)行，Nakoso 10號(hào)機(jī)組“創(chuàng)造了3917小時(shí)連續(xù)運(yùn)行的紀(jì)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(lián)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(jí)的IGCC電廠。三菱電力4月份表示，與規(guī)模較小的Nakoso 10號(hào)機(jī)組相比，Nakoso IGCC的效率“大幅提高”，在較低的熱值(LHV)基礎(chǔ)上達(dá)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?xì)廨啓C(jī)與利用廢氣為燃料的余熱回收鍋爐產(chǎn)生的蒸汽運(yùn)轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)組合在一起，”該公司指出。
對(duì)于三菱電力來(lái)說(shuō)，Nakoso IGCC工廠的商業(yè)啟動(dòng)標(biāo)志著一條實(shí)現(xiàn)“資源有效利用、環(huán)境保護(hù)和改善脫碳”的新途徑。例如，他們解釋說(shuō)其先進(jìn)的IGCC系統(tǒng)比600 C級(jí)超臨界(USC)燃煤機(jī)組的效率高出10%至15%。
這些效率的提高轉(zhuǎn)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(jī)終端，與IGCC一起，我們的目標(biāo)是排放650克CO2/在發(fā)電機(jī)終端機(jī)，“他們說(shuō)。為滿足日益增長(zhǎng)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(diǎn)灰分的煤。
對(duì)IGCC的興趣有增無(wú)減
Nakoso IGCC(以及Hirono公司，按計(jì)劃在今年年底啟動(dòng))是全球?yàn)閿?shù)不多的幾家商業(yè)規(guī)模的IGCC燃煤電廠之一。與Nakoso IGCC機(jī)組和Nakoso 10號(hào)機(jī)組一樣，杜克能源公司繼續(xù)在印第安納州運(yùn)營(yíng)2013年建造的618兆瓦Edwardsport IGCC站。據(jù)報(bào)道，仍在運(yùn)行的還有在捷克共和國(guó)的400兆瓦Vresová項(xiàng)目，以及韓國(guó)西部電力公司的300 MW泰安試點(diǎn)電廠.
由于成本壓力和碳排放政策的不確定性，過(guò)去十年來(lái)，幾個(gè)標(biāo)志性的IGCC工廠已經(jīng)關(guān)閉。其中包括西班牙的300 MW普埃爾托勒諾機(jī)組和荷蘭的布格格納姆的250兆瓦機(jī)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(dá)州波爾克發(fā)電廠的250兆瓦1號(hào)機(jī)組目前沒(méi)有運(yùn)行，但“它還沒(méi)有退役，”一位發(fā)言人說(shuō)。“這仍是我們長(zhǎng)期計(jì)劃的一部分。”與此同時(shí)，一名能源部官員在5月底告訴《電力》，關(guān)閉1995年完成的265兆瓦印第安納州沃巴什IGCC的計(jì)劃似乎已經(jīng)被逆轉(zhuǎn)，將工廠的氣化爐轉(zhuǎn)化為氫燃燒，并將其燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)化為氫燃燒。
正如國(guó)際能源署清潔煤中心(IEA CCC)高級(jí)分析師兼活動(dòng)負(fù)責(zé)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(bào)告對(duì)IGCC技術(shù)的興趣起伏不定，主要受政策和經(jīng)濟(jì)因素的推動(dòng)。20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初在美國(guó)、歐洲和日本部署了許多示范IGCC工廠，但由于“其中幾個(gè)裝置的成本出乎意料地高，操作復(fù)雜，以及煤粉廠效率的同時(shí)提高”，IGCC工廠未能得到普及。
21世紀(jì)末，由于其在二氧化碳預(yù)燃燒捕獲方面的潛在應(yīng)用，人們重新產(chǎn)生了興趣，但之前幾個(gè)燃燒示范項(xiàng)目--包括美國(guó)能源部(DoE)的未來(lái)發(fā)電(FutureGen)、澳大利亞的Zerogen和南方公司(Southern Co.)的Kemper縣IGCC項(xiàng)目--最終被取消或重新使用。洛克伍德說(shuō)，在中國(guó)，250兆瓦的綠色發(fā)電IGCC于2015年完工，但“引進(jìn)CCUS[碳捕獲、利用和儲(chǔ)存]和建造更大規(guī)模機(jī)組的計(jì)劃階段顯然已經(jīng)停滯。”
但洛克伍德指出，在日本，研究、開(kāi)發(fā)和示范(RD&D)繼續(xù)采用先進(jìn)的煤炭技術(shù)，以進(jìn)一步提高煤炭能源的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境性能。他說(shuō)，中國(guó)大約43千兆瓦的煤炭船隊(duì)中，超過(guò)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(xué))，而且它仍然與高效率低排放煤炭技術(shù)密切相關(guān)。
日本大力投資轉(zhuǎn)型煤炭技術(shù)
日本在開(kāi)發(fā)和部署HELE技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)作用最初是出于經(jīng)濟(jì)和供應(yīng)安全方面的考慮，此前日本在福島核事故后關(guān)閉了大部分核電站。但近年來(lái)，USC技術(shù)“已成為日本減少CO2排放戰(zhàn)略的一個(gè)關(guān)鍵因素”，“他說(shuō)。例如，該國(guó)2013年修訂的“節(jié)能法”要求新的煤炭機(jī)組在總較高熱值(HHV-或在較低的熱值(LHV)基礎(chǔ)上超過(guò)44%)達(dá)到42%以上的效率，除了一些例外。
與此同時(shí)，在20世紀(jì)20年代初，政府已經(jīng)著手實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的USC和IGCC工廠的實(shí)際使用，并表示這些工廠的效率可以超過(guò)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(shù)，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(shù)發(fā)展組織(NEDO)的支持下，166兆瓦Osaki CoolGen項(xiàng)目將一項(xiàng)已經(jīng)證明的鼓氧氣IGCC技術(shù)與碳捕獲結(jié)合起來(lái)，然后將該系統(tǒng)與固體氧化物燃料電池集成起來(lái)。鼓氧氣的IGCC技術(shù)，Osaki CoolGen說(shuō)，本質(zhì)上是以一氧化碳和氫為主要成分氣化煤來(lái)產(chǎn)生合成氣的過(guò)程。2018年的一次演示表明，該工藝可以實(shí)現(xiàn)“工業(yè)裝置的凈熱效率約為46%，并有望降低CO2”Osaki CoolGen說(shuō)，與南加州大學(xué)的一個(gè)項(xiàng)目相比，排放量約為15%。雖然該項(xiàng)目目前正在進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和施工，但該實(shí)體預(yù)計(jì)將在2022年財(cái)政年度開(kāi)始全面的IGFC示范活動(dòng)。
洛克伍德說(shuō)，由于日本希望向新興經(jīng)濟(jì)體出口這些技術(shù)，至少在短期內(nèi)，新的Nakoso和Hirono工廠的成功運(yùn)營(yíng)“可能會(huì)導(dǎo)致全球新一輪IGCC的部署”。然而，與此同時(shí)，人們對(duì)煤氣化越來(lái)越感興趣，將CCUS作為一種低成本的氫氣來(lái)源，這也有助于推動(dòng)世界各地的其他IGCC項(xiàng)目，他說(shuō)。“在最近一輪美國(guó)能源部煤炭第一計(jì)劃資助的項(xiàng)目中，有兩個(gè)項(xiàng)目與煤氣化有關(guān)，目的是同時(shí)生產(chǎn)低碳能源和氫氣。”他說(shuō)：“IGCC也有可能在印度目前擴(kuò)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(jīng)濟(jì)’”。
