Войти
Комбинированный цикл интегрированной газификации (IGCC ) - это технология, в которой используется газификатор высокого давления для превращения угля и других видов топлива на основе углерода в сжатый газ - синтез-газ (синтез-газ ). Затем он может удалять примеси из синтез-газа перед циклом выработки электроэнергии. Некоторые из этих загрязнителей, такие как сера, могут быть превращены в побочные продукты многократного использования в процессе процесса Клауса. Это приводит к снижению выбросов диоксида серы, твердых частиц, ртути и в некоторых случаях диоксида углерода. С дополнительным технологическим оборудованием реакция конверсии водяного газа может повысить эффективность газификации и снизить выбросы моноксида углерода за счет его преобразования в диоксид углерода. Полученный в результате реакции сдвига диоксид углерода можно отделить, сжать и хранить путем связывания. Избыточное тепло от первичного сжигания и выработки синтез-газа затем передается в паровой цикл, аналогичный газовой турбине с комбинированным циклом. Этот процесс приводит к повышению термодинамической эффективности по сравнению с обычным сжиганием пылевидного угля.
Уголь можно найти в изобилии в США и многие другие страны, и его цена в последние годы оставалась относительно постоянной. Из традиционных ископаемых видов топлива - нефть, уголь и природный газ - уголь используется в качестве сырья для производства 40% электроэнергии в мире. Потребление ископаемого топлива и его вклад в крупномасштабные пагубные изменения окружающей среды становится насущной проблемой, особенно в свете Парижского соглашения. В частности, уголь содержит больше CO 2 на BTU, чем нефть или природный газ, и на него приходится 43% выбросов CO 2 от сжигания топлива. Таким образом, снижение выбросов, обеспечиваемое технологией IGCC за счет газификации и улавливания углерода перед сжиганием, обсуждается как способ решения вышеупомянутых проблем.
Ниже представлена схематическая блок-схема завода IGCC. :
Блок-схема электростанции IGCC, на которой используется HRSG В процессе газификации можно производить синтез-газ из широкого разнообразия углеродсодержащего сырья, такого как уголь с высоким содержанием серы, тяжелые нефтяные остатки и биомасса.
Установка называется интегрированной, потому что (1) синтез-газ, производимый в секции газификации, используется в качестве топлива для газовой турбины в комбинированном цикле и (2) пар, производимый синтез-газом охладители в секции газификации используются паровой турбиной в комбинированном цикле. В этом примере полученный синтез-газ используется в качестве топлива в газовой турбине, вырабатывающей электроэнергию. В нормальном комбинированном цикле так называемое «отходящее тепло» от выхлопа газовой турбины используется в парогенераторе-утилизаторе (HRSG) для производства пара для цикла паровой турбины. Установка IGCC повышает общую эффективность процесса за счет добавления высокотемпературного пара, производимого в процессе газификации, в цикл паровой турбины. Затем этот пар используется в паровых турбинах для производства дополнительной электроэнергии.
Установки IGCC выгодны по сравнению с традиционными угольными электростанциями благодаря их высокой тепловой эффективности, низким выбросам неуглеродных парниковых газов и способности перерабатывать низкосортный уголь. К недостаткам относятся более высокие капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание, а также количество выделяемого CO2 без улавливания перед сжиганием.
CO2+ H 2. Это дает синтез-газ с более высоким составом водородного топлива, который более эффективен для последующего сжигания при горении.Основным недостатком использования угля в качестве источника топлива является выброс диоксида углерода и загрязняющих веществ, включая диоксид серы, оксид азота, ртуть и твердые частицы. Почти все угольные электростанции используют сжигание пылевидного угля, при котором уголь измельчается для увеличения площади поверхности, сжигается для получения пара и пропускается через турбину для выработки электроэнергии. Установки, работающие на пылевидном угле, могут улавливать углекислый газ после сжигания, только когда он разбавлен и его труднее отделить. Для сравнения, газификация в IGCC позволяет отделить и улавливать концентрированный и находящийся под давлением диоксид углерода перед сжиганием. Очистка синтез-газа включает фильтры для удаления твердых частиц, очистку для удаления мелких частиц и твердые адсорбенты для удаления ртути. Кроме того, в качестве топлива используется газообразный водород, который не производит загрязняющих веществ при сгорании.
IGCC также потребляет меньше воды, чем традиционные угольные электростанции. На угольной электростанции уголь сжигается для производства пара, который затем используется для выработки электроэнергии с помощью паровой турбины. Затем отработанный пар должен конденсироваться охлаждающей водой, и вода теряется при испарении. В IGCC потребление воды снижается за счет сжигания в газовой турбине, которая использует генерируемое тепло для расширения воздуха и привода турбины. Пар используется только для захвата тепла выхлопных газов турбины внутреннего сгорания для использования во вторичной паровой турбине. В настоящее время основным недостатком является высокая капитальная стоимость по сравнению с другими формами производства электроэнергии.
Демонстрационный проект по очистке угля Министерства энергетики США помог построить 3 электростанции IGCC: электростанцию Эдварспорт в Эдвардспорте, Индиана, электростанцию Полк в Тампе, Флорида (онлайн 1996) и Пинон Пайн в Рино, Невада. В демонстрационном проекте в Рино исследователи обнаружили, что нынешняя технология IGCC не будет работать на высоте более 300 футов (100 м) над уровнем моря. Однако в отчете Министерства энергетики в ссылке 3 не упоминается какой-либо эффект высоты, и большинство проблем было связано с системой извлечения твердых отходов. Электростанции Wabash River и Polk в настоящее время работают после решения проблем демонстрационного запуска, но проект Piñon Pine столкнулся с серьезными проблемами и был заброшен.
Инициатива по экологически чистой угольной энергии Министерства энергетики США (CCPI Phase 2) выбрала проект Кемпер в качестве одного из двух проектов, демонстрирующих осуществимость угольных электростанций с низким уровнем выбросов. Компания Mississippi Power начала строительство объекта Kemper Project в округе Кемпер, штат Миссисипи, в 2010 году и готовится начать работу в 2016 году, хотя было много задержек. В марте запланированная дата была перенесена с начала 2016 года на 31 августа 2016 года, в результате чего общая сумма увеличилась на 110 миллионов долларов, что привело к отставанию проекта от графика на 3 года. Электростанция является флагманским проектом улавливания и хранения углерода (CCS), который сжигает бурый уголь и использует технологию IGCC с предварительным сжиганием с прогнозируемым уровнем улавливания 65% выбросов.
Первое поколение станций IGCC загрязняло меньше, чем современные угольные технологии, но также загрязняло воду; например, завод на реке Вабаш не соответствовал разрешению на водопользование в 1998–2001 годах из-за выбросов мышьяка, селена и цианида. Речная генерирующая станция Вабаш теперь полностью принадлежит и управляется Ассоциацией энергетики реки Вабаш.
IGCC теперь рекламируется как готовый к улавливанию и потенциально может использоваться для улавливания и хранения углекислого газа. (См. FutureGen ) В польском городе Кендзежин скоро появится энергетический и химический завод с нулевым уровнем выбросов, который сочетает в себе технологию газификации угля с улавливанием и хранением углерода (CCS). Эта установка была запланирована, но информации о ней не поступало с 2009 года. Другие действующие заводы IGCC, существующие по всему миру, - это Alexander (ранее Buggenum) в Нидерландах, Puertollano в Испании и JGC в Японии.
В рамках проекта Texas Clean Energy планируется построить объект IGCC мощностью 400 МВт, который будет включать технологию улавливания, использования и хранения углерода (CCUS). Этот проект станет первой угольной электростанцией в Соединенных Штатах, сочетающей IGCC и 90% улавливание и хранение углерода. Коммерческая эксплуатация должна начаться в 2018 году.
По сравнению с традиционным улавливанием углерода после сжигания и различными вариантами существует несколько преимуществ и недостатков
.
Ключевой вопрос при внедрении IGCC высокая капитальная стоимость, которая не позволяет ему конкурировать с другими технологиями электростанций. В настоящее время электростанции с обычным пылеугольным топливом являются самым дешевым вариантом электростанций. Преимущество IGCC заключается в простоте модернизации существующих электростанций, которая может компенсировать высокие капитальные затраты. В модели 2007 года IGCC с CCS является самой дешевой системой во всех случаях. В этой модели сравниваются оценки приведенной стоимости электроэнергии, показывающей, что IGCC с CCS стоит 71,9 долларов США на 2005 год / МВтч, пылевидный уголь с CCS стоит 88 долларов США на 2005 год / МВтч, а комбинированный цикл природного газа с CCS стоит 80,6 долларов США на 2005 год / МВтч. Нормированная стоимость электроэнергии была заметно чувствительна к цене на природный газ и включению затрат на хранение и транспортировку углерода.
Потенциальная выгода от модернизации до сих пор не компенсировала стоимость IGCC с технологией улавливания углерода. Отчет Управления энергетической информации США за 2013 год показывает, что суточные затраты на IGCC с CCS увеличились на 19% с 2010 года. Среди трех типов электростанций пылеугольный уголь с CCS имеет суточные капитальные затраты в размере 5 227 долларов (2012 долларов США) / кВт. IGCC с CCS имеет овернайтные капитальные затраты в размере 6 599 долларов (2012 долларов) / кВт, а комбинированный цикл природного газа с CCS имеет овернайтные капитальные затраты в размере 2095 долларов (2012 долларов) / кВт. Затраты на пылевидный уголь и NGCC существенно не изменились с 2010 года. В отчете также говорится, что увеличение стоимости IGCC на 19% связано с недавней информацией о проектах IGCC, которые вышли за рамки бюджета и стоят больше, чем ожидалось.
Недавние свидетельские показания в ходе регулирующих разбирательств показывают, что стоимость IGCC в два раза выше, чем прогнозировал Годделл, с 96 до 104 долларов за МВтч. Это до добавления улавливания и связывания углерода (улавливание было зрелой технологией как в Вейберне в Канаде (для увеличения нефтеотдачи ), так и в Слейпнер в Северном море в промышленных масштабах для за последние десять лет) - ожидается, что улавливание по ставке 90% потребует дополнительных затрат в размере 30 долл. США / МВт-ч.
Река Вабаш неоднократно понижалась на длительных участках из-за проблем с газогенератором. Проблемы с газификатором не были устранены - в последующих проектах, таких как проект Excelsior в Месабе, были встроены третий газификатор и линия. Однако в прошлом году река Вабаш работала надежно, с доступностью, сравнимой с другими технологиями или лучше.
IGCC округа Полк имеет проблемы с проектированием. Во-первых, проект был первоначально остановлен из-за коррозии шламового трубопровода, по которому шламовый уголь подавался из вагонов в газогенератор. Разработано новое покрытие для трубы. Во-вторых, менее чем за два года была заменена термопара; указание на то, что газификатор имел проблемы с разнообразным сырьем; от битуминозного до полубитуминозного угля. Газогенератор был разработан также для работы с лигнитом более низкого сорта. В-третьих, незапланированное время вниз на газогенераторе из-за проблем тугоплавких вкладышем, и эти проблемы были дорогими в ремонте. Газификатор был первоначально разработан в Италии, чтобы быть в два раза меньше того, что было построено в Полке. Новые керамические материалы могут помочь улучшить характеристики газификатора и увеличить срок его службы. Понимание эксплуатационных проблем существующей установки IGCC необходимо для улучшения конструкции установки IGCC в будущем. (Электростанция Polk IGCC, https://web.archive.org/web/20151228085513/http://www.clean-energy.us/projects/polk_florida.html.) Кейм, К., 2009 г., IGCC, проект по системам управления устойчивым развитием для перепроектирования и переоформления завода. Это неопубликованная статья Гарвардского университета)
General Electric в настоящее время проектирует типовой завод IGCC, который должен обеспечить большую надежность. Модель GE оснащена усовершенствованными турбинами, оптимизированными для угольного синтез-газа. На заводе промышленной газификации Eastman в Кингспорте, штат Теннесси, используется газификатор с твердой подачей газа GE Energy. Компания Eastman, входящая в список Fortune 500, построила предприятие в 1983 году без каких-либо государственных или федеральных субсидий и приносит прибыль.
В Европе есть несколько заводов IGCC на базе нефтеперерабатывающих заводов, которые продемонстрировали хорошую готовность (90-95%) после начальных периодов вытеснения. Этой производительности способствуют несколько факторов:
Еще одна история успеха IGCC - это завод Buggenum мощностью 250 МВт в Нидерландах, который был введен в эксплуатацию в 1994 году и закрыт в 2013 году и имел хорошую готовность. Эта угольная установка IGCC изначально была спроектирована для использования до 30% биомассы в качестве дополнительного сырья. Владельцу, NUON, правительство выплатило стимулирующий взнос за использование биомассы. Компания NUON построила в Нидерландах электростанцию IGCC мощностью 1311 МВт, включающую три блока ПГУ мощностью 437 МВт. Электростанция Nuon Magnum IGCC была введена в эксплуатацию в 2011 году и была официально открыта в июне 2013 года. Mitsubishi Heavy Industries получила заказ на строительство электростанции. В соответствии с соглашением с экологическими организациями NUON было запрещено использовать установку Magnum для сжигания угля и биомассы до 2020 года. Из-за высоких цен на газ в Нидерландах два из трех блоков в настоящее время отключены, в то время как третий блок работает только с низким уровни использования. Относительно низкий КПД установки Magnum (59%) означает, что более эффективные установки CCGT (такие как установка Hemweg 9) предпочтительны для обеспечения (резервного) питания.
Было предложено новое поколение угольных электростанций на базе IGCC, но ни одна из них еще не строится. Проекты разрабатываются AEP, Duke Energy и Southern Company в США, а в Европе - ZAK / PKE, Centrica (Великобритания), E.ON и RWE (обе Германия) и NUON (Нидерланды). В Миннесоте анализ Департамента торговли штата показал, что IGCC имеет самую высокую стоимость, а профиль выбросов не намного лучше, чем у пылевидного угля. В Делавэре анализ Делмарвы и консультанта штата дал практически одинаковые результаты.
Высокая стоимость IGCC является самым большим препятствием для ее интеграции на рынке электроэнергии; тем не менее, большинство руководителей энергетических компаний осознают, что скоро произойдет регулирование выбросов углерода. Законопроекты, требующие сокращения выбросов углерода, снова предлагаются как Палатой представителей, так и Сенатом, и при наличии демократического большинства кажется вероятным, что со следующим президентом будет более сильный толчок к регулированию выбросов углерода. Решение Верховного суда, требующее от EPA регулировать углерод (Содружество Массачусетса и др. Против Агентства по охране окружающей среды и др.) [20], также говорит о вероятности того, что будущие нормы по выбросам углерода будут приняты раньше, чем позже. При улавливании углерода стоимость электроэнергии на заводе IGCC увеличится примерно на 33%. Для КЦ природного газа увеличение составляет примерно 46%. Для пылеугольной электростанции рост составляет примерно 57%. Этот потенциал для менее дорогостоящего улавливания углерода делает IGCC привлекательным выбором для сохранения дешевого угля в качестве доступного источника топлива в мире с ограниченным углеродом. Однако отрасли требуется гораздо больше опыта, чтобы снизить премию за риск. IGCC с CCS требует определенного мандата, более высокой рыночной цены углерода или нормативной базы, чтобы должным образом стимулировать отрасль.
В Японии электроэнергетические компании совместно с Mitsubishi Heavy Industries были с начала 90-х годов эксплуатирует пилотную установку IGCC мощностью 200 т / сут. В сентябре 2007 года они запустили демонстрационную станцию мощностью 250 МВт в Накосо. Он работает только на угле с воздушной продувкой (не кислородом). Он сжигает уголь PRB с коэффициентом содержания несгоревшего углерода <0.1% and no detected leaching of trace elements. It employs not only F type turbines but G type as well. (see gasification.org link below)
. Ожидается, что установки IGCC следующего поколения с технологией улавливания CO 2 будут иметь более высокий тепловой КПД и снизить стоимость из-за упрощенных систем. по сравнению с обычным IGCC. Основная особенность заключается в том, что вместо кислорода и азота для газификации угля они используют кислород и CO 2. Основное преимущество заключается в том, что можно повысить эффективность использования холодного газа и уменьшить количество несгоревшего углерода (полукокса).
В качестве эталона эффективности силовой установки:
В этой системе используется CO 2, извлеченный из выхлопного газа газовой турбины. Использование закрытой газотурбинной системы, способной улавливать CO 2 путем прямого сжатия и сжижения, устраняет необходимость в системе разделения и улавливания.
CO до сжигания <Удаление 121>2 намного проще, чем удаление CO 2 из дымового газа при улавливании дожигания из-за высокой концентрации CO 2 после реакции конверсии водяного газа и высокое давление синтез-газа. Во время предварительного сжигания в IGCC парциальное давление CO 2 почти в 1000 раз выше, чем в дымовых газах после сжигания. Из-за высокой концентрации CO 2 перед сгоранием для удаления CO 2 предпочтительны физические растворители, такие как Selexol и Rectisol. по сравнению с химическими растворителями. Физические растворители работают путем абсорбции кислых газов без необходимости химической реакции, как в традиционных растворителях на основе амина. Затем можно регенерировать растворитель и десорбировать CO 2 за счет снижения давления. Самым большим препятствием для физических растворителей является необходимость охлаждения синтез-газа перед разделением и последующего нагрева для сжигания. Это требует энергии и снижает общую эффективность установки.
Национальные и международные коды испытаний используются для стандартизации процедур и определений, используемых для испытаний электростанций IGCC. Выбор используемого кода испытаний является соглашением между покупателем и производителем и имеет некоторое значение для проектирования установки и связанных систем. В Соединенных Штатах Американское общество инженеров-механиков опубликовало в 2006 году Кодекс эксплуатационных испытаний для электростанций IGCC (PTC 47), в котором предусмотрены процедуры определения количества и качества топливного газа по его скорости потока., температура, давление, состав, теплотворная способность и содержание загрязняющих веществ.
В 2007 году офис генерального прокурора штата Нью-Йорк потребовал полного раскрытия «финансовых рисков, связанных с теплицей. газы »акционерам электроэнергетических компаний, предлагающих развитие угольных электростанций МГХК. «Любая из нескольких новых или возможных нормативных инициатив по выбросам CO 2 электростанциями, включая контроль штата за выбросы углерода, постановления EPA в соответствии с Законом о чистом воздухе или принятие федерального законодательства о глобальном потеплении, - добавит значительные затраты на углеродоемкую угольную генерацию »; Сенатор США Хиллари Клинтон из Нью-Йорка предложила, чтобы это полное раскрытие рисков требовалось от всех публично торгуемых энергетических компаний по всей стране. Такое честное раскрытие информации начало снижать интерес инвесторов ко всем типам развития угольных электростанций с существующими технологиями, включая IGCC.
Сенатор Гарри Рид (лидер большинства в Сенате США 2007/2008 гг.) Сказал участникам Саммита по чистой энергии 2007 г., что он сделает все возможное, чтобы остановить строительство предлагаемой новой электростанции, работающей на угле. электростанции в Неваде. Рейд хочет, чтобы коммунальные предприятия Невады инвестировали в солнечную энергию, энергию ветра и геотермальную энергию вместо угольных технологий. Рид заявил, что глобальное потепление - это реальность, и только одна предлагаемая угольная электростанция внесет свой вклад в это, сжигая семь миллионов тонн угля в год. Он утверждал, что долгосрочные расходы на здравоохранение будут слишком высокими (источник не указан). «Я сделаю все возможное, чтобы остановить эти заводы», - сказал он. «Не существует чистой угольной технологии. Есть более чистая угольная технология, но нет чистой угольной технологии».
Один из наиболее эффективных способов обработки H 2 S-газ с завода IGCC превращается в серную кислоту в процессе влажного газа с серной кислотой процесс WSA. Однако на большинстве установок по обработке H 2 S используется модифицированный процесс Клауса, поскольку инфраструктура рынка серы и транспортные расходы серной кислоты по сравнению с серой говорят в пользу производства серы.
