Интегрированный комбинированный цикл газификации ( IGCC ) — это технология, использующая газификатор высокого давления для превращения угля и других видов углеродного топлива в сжатый газ — синтез-газ ( синтез-газ ). Затем он может удалять примеси из синтез-газа до цикла выработки электроэнергии . Некоторые из этих загрязняющих веществ, такие как сера, могут быть превращены в повторно используемые побочные продукты с помощью процесса Клауса . Это приводит к снижению выбросов диоксида серы , твердых частиц, ртути и, в некоторых случаях, диоксида углерода . При использовании дополнительного технологического оборудования реакция конверсии водяного газа может повысить эффективность газификации и сократить выбросы оксида углерода за счет его преобразования в диоксид углерода. Полученный диоксид углерода из реакции конверсии может быть отделен, сжат и сохранен путем секвестрации . Избыточное тепло от первичного сгорания 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 многих других странах, и его цена оставалась относительно постоянной в последние годы. Из традиционных углеводородных видов топлива - нефти , угля и природного газа - уголь используется в качестве сырья для 40% мирового производства электроэнергии. Потребление ископаемого топлива и его вклад в крупномасштабные выбросы CO2 становится насущной проблемой из-за неблагоприятных последствий изменения климата . В частности, уголь содержит больше CO2 на БТЕ, чем нефть или природный газ, и отвечает за 43% выбросов CO2 от сжигания топлива. Таким образом, более низкие выбросы, которые технология IGCC допускает за счет газификации и улавливания углерода до сжигания, обсуждаются как способ решения вышеупомянутых проблем. [1]
Ниже представлена принципиальная схема установки IGCC:
Процесс газификации позволяет производить синтез-газ из широкого спектра углеродсодержащего сырья, такого как уголь с высоким содержанием серы, тяжелые нефтяные остатки и биомасса .
Установка называется интегрированной, потому что (1) синтез-газ, произведенный в секции газификации, используется в качестве топлива для газовой турбины в комбинированном цикле и (2) пар, произведенный охладителями синтез-газа в секции газификации, используется паровой турбиной в комбинированном цикле. В этом примере произведенный синтез-газ используется в качестве топлива в газовой турбине, которая вырабатывает электроэнергию. В обычном 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, добавляя пар с более высокой температурой, произведенный в процессе газификации, в цикл паровой турбины. Затем этот пар используется в паровых турбинах для производства дополнительной электроэнергии.
Установки IGCC имеют преимущества по сравнению с обычными угольными электростанциями благодаря своей высокой тепловой эффективности , низким выбросам неуглеродных парниковых газов и возможности переработки низкосортного угля. К недостаткам можно отнести более высокие капитальные и эксплуатационные расходы, а также количество CO 2, выделяемого без улавливания перед сжиганием. [2]
Основным недостатком использования угля в качестве источника топлива является выброс углекислого газа 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. Пылевидные угольные электростанции могут улавливать углекислый газ только после сгорания, когда он разбавлен и его сложнее отделить. Для сравнения, газификация в IGCC позволяет разделять и улавливать концентрированный и сжатый углекислый газ перед сжиганием. Очистка синтез-газа включает фильтры для удаления крупных частиц, очистку для удаления мелких частиц и твердые адсорбенты для удаления ртути. Кроме того, в качестве топлива используется водородный газ, который не производит загрязняющих веществ при сгорании. [4]
IGCC также потребляет меньше воды, чем традиционные угольные электростанции. На пылеугольной электростанции уголь сжигается для получения пара, который затем используется для выработки электроэнергии с помощью паровой турбины. Затем выхлоп пара должен быть конденсирован с охлаждающей водой, а вода теряется из-за испарения. В IGCC потребление воды сокращается за счет сжигания в газовой турбине, которая использует вырабатываемое тепло для расширения воздуха и приведения в действие турбины. Пар используется только для улавливания тепла из выхлопа турбины сгорания для использования во вторичной паровой турбине. В настоящее время основным недостатком являются высокие капитальные затраты по сравнению с другими формами производства электроэнергии.
Демонстрационный проект DOE Clean Coal [5] помог построить 3 электростанции IGCC: Edwarsport Power Station в Эдвардспорте, штат Индиана , Polk Power Station в Тампе, штат Флорида (онлайн 1996) и Pinon Pine в Рино, штат Невада . В демонстрационном проекте Рино исследователи обнаружили, что тогдашняя технология IGCC не будет работать на высоте более 300 футов (100 м) над уровнем моря. [6] Однако в отчете DOE в ссылке 3 не упоминается какой-либо эффект высоты, и большинство проблем было связано с системой извлечения твердых отходов. Электростанции Wabash River и Polk Power в настоящее время работают после решения проблем демонстрационного запуска, но проект Piñon Pine столкнулся с серьезными проблемами и был заброшен.
Инициатива по чистой угольной энергетике (CCPI Phase 2) Министерства энергетики США выбрала проект Кемпер в качестве одного из двух проектов для демонстрации осуществимости угольных электростанций с низким уровнем выбросов. Mississippi Power начала строительство проекта Кемпер в округе Кемпер, штат Миссисипи, в 2010 году и готова начать эксплуатацию в 2016 году, хотя было много задержек. [7] В марте предполагаемая дата была еще больше перенесена с начала 2016 года на 31 августа 2016 года, что добавило 110 миллионов долларов к общей сумме и отстало проект на 3 года от графика. Электростанция является флагманским проектом по улавливанию и хранению углерода (CCS), который сжигает лигнитовый уголь и использует технологию IGCC до сжигания с прогнозируемым уровнем улавливания выбросов 65%. [8]
Первое поколение электростанций IGCC загрязняло меньше, чем современная угольная технология, но также загрязняло воду; например, электростанция Wabash River не соответствовала своему разрешению на воду в 1998–2001 годах [9], поскольку она выбрасывала мышьяк, селен и цианид. Электростанция Wabash River Generating Station теперь полностью принадлежит и управляется Ассоциацией Wabash River Power.
IGCC теперь рекламируется как готовый к улавливанию и потенциально может использоваться для улавливания и хранения углекислого газа. [10] [11] (См. FutureGen ) В польском Кендзежине вскоре появится электростанция и химическая установка с нулевым уровнем выбросов , которая сочетает технологию газификации угля с улавливанием и хранением углерода (CCS). Эта установка была запланирована, но с 2009 года о ней не было никакой информации. Другие действующие установки IGCC, существующие по всему миру, — это Alexander (ранее Buggenum) в Нидерландах, Puertollano в Испании и JGC в Японии.
Проект Texas Clean Energy планировал построить установку IGCC мощностью 400 МВт, которая будет включать технологию улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS). Проект должен был стать первой угольной электростанцией в Соединенных Штатах, которая объединит IGCC и 90% улавливания и хранения углерода. Спонсор Summit Power подал заявление о банкротстве в 2017 году. [12]
Существует ряд преимуществ и недостатков по сравнению с традиционным улавливанием углерода после сжигания и различными вариациями [13]
Ключевой проблемой внедрения IGCC является его высокая капитальная стоимость, что не позволяет ему конкурировать с другими технологиями электростанций. В настоящее время обычные пылеугольные электростанции являются самым дешевым вариантом электростанции. Преимущество IGCC заключается в простоте модернизации существующих электростанций, что может компенсировать высокие капитальные затраты . В модели 2007 года IGCC с CCS является самой дешевой системой во всех случаях. Эта модель сравнивала оценки нормированной стоимости электроэнергии , показывая, что IGCC с CCS стоит 71,9 $2005/МВт·ч, пылеугольный с CCS стоит 88 $2005/МВт·ч и комбинированный цикл природного газа с CCS стоит 80,6 $2005/МВт·ч. Нормированная стоимость электроэнергии была заметно чувствительна к цене природного газа и включению расходов на хранение и транспортировку углерода. [14]
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 стоимость IGCC с CCS за ночь выросла на 19% с 2010 года. Среди трех типов электростанций пылеугольный с CCS имеет стоимость капитала за ночь в размере 5227 долларов США (2012 долларов США)/кВт, IGCC с CCS имеет стоимость капитала за ночь в размере 6599 долларов США (2012 долларов США)/кВт, а комбинированный цикл природного газа с CCS имеет стоимость капитала за ночь в размере 2095 долларов США (2012 долларов США)/кВт. Стоимость пылеугольного и NGCC существенно не изменилась с 2010 года. В отчете также говорится, что 19%-ное увеличение стоимости IGCC связано с недавней информацией о проектах IGCC, которые вышли за рамки бюджета и стоили больше, чем ожидалось. [15]
Недавние показания в регулирующих разбирательствах показывают, что стоимость IGCC в два раза превышает прогноз Годделла, с 96 до 104 долларов США за МВт-ч. [16] [17] Это без учета улавливания и секвестрации углерода (улавливание было отработанной технологией как в Вейберне в Канаде (для повышения нефтеотдачи ), так и в Слейпнере в Северном море в коммерческих масштабах в течение последних десяти лет) — улавливание при ставке 90%, как ожидается, будет иметь дополнительные расходы в размере 30 долларов США за МВт-ч. [18]
Wabash River неоднократно останавливалась на длительные периоды из-за проблем с газификатором. Проблемы с газификатором не были устранены — последующие проекты, такие как проект Mesaba компании Excelsior, имеют третий газификатор и встроенный поезд. Однако в прошлом году Wabash River работала надежно, с доступностью, сопоставимой или лучшей, чем у других технологий.
У IGCC округа Полк есть проблемы с проектированием. Во-первых, проект был изначально закрыт из-за коррозии пульпопровода, который подавал уголь из железнодорожных вагонов в газификатор. Было разработано новое покрытие для трубы. Во-вторых, термопара была заменена менее чем за два года; это указывает на то, что у газификатора были проблемы с различным сырьем: от битуминозного до полубитуминозного угля. Газификатор был спроектирован также для работы с лигнитами более низкого сорта. В-третьих, незапланированное время простоя газификатора из-за проблем с огнеупорной футеровкой, и эти проблемы были дорогими в ремонте. Газификатор был изначально спроектирован в Италии и должен был быть вдвое меньше того, что было построено в Полке. Новые керамические материалы могут помочь улучшить производительность и долговечность газификатора. Понимание эксплуатационных проблем текущего завода IGCC необходимо для улучшения проекта завода IGCC будущего. (Электростанция Polk IGCC, https://web.archive.org/web/20151228085513/http://www.clean-energy.us/projects/polk_florida.html.) Кейм, К., 2009, IGCC Проект по системам управления устойчивостью для перепроектирования и переосмысления завода. Это неопубликованная статья Гарвардского университета)
General Electric в настоящее время разрабатывает модель завода IGCC, которая должна обеспечить большую надежность. Модель GE оснащена усовершенствованными турбинами, оптимизированными для угольного синтез-газа. Промышленный завод по газификации Eastman в Кингспорте, штат Теннесси, использует твердотопливный газификатор GE Energy. Eastman, компания из списка Fortune 500, построила объект в 1983 году без каких-либо государственных или федеральных субсидий и получает прибыль. [19] [20]
В Европе есть несколько установок IGCC на базе НПЗ, которые продемонстрировали хорошую доступность (90-95%) после начальных периодов адаптации. Несколько факторов способствуют этой производительности:
Еще одной историей успеха IGCC стала электростанция Buggenum мощностью 250 МВт в Нидерландах, которая была введена в эксплуатацию в 1994 году и закрыта в 2013 году [21] , имевшая хорошую доступность. Эта угольная электростанция IGCC изначально была спроектирована для использования до 30% биомассы в качестве дополнительного сырья. Владелец, NUON, получил поощрительный сбор от правительства за использование биомассы. NUON построила электростанцию IGCC мощностью 1311 МВт в Нидерландах, состоящую из трех блоков CCGT мощностью 437 МВт. Электростанция Nuon Magnum IGCC была введена в эксплуатацию в 2011 году и официально открыта в июне 2013 года. Компания Mitsubishi Heavy Industries получила контракт на строительство электростанции. [22] После заключения сделки с экологическими организациями NUON запретили 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 использует лишь незначительные объемы энергии. Относительно низкая эффективность установки Magnum в 59% означает, что более эффективные установки CCGT (такие как установка Hemweg 9) являются предпочтительными для обеспечения (резервной) мощности.
Было предложено новое поколение угольных электростанций на основе IGCC, хотя ни одна из них пока не строится. Проекты разрабатываются компаниями AEP , Duke Energy и Southern Company в США, а в Европе — ZAK/PKE , Centrica (Великобритания), E.ON и RWE (обе из Германии) 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 Delmarva и государственного консультанта дал по сути одинаковые результаты.
Высокая стоимость IGCC является самым большим препятствием для его интеграции на рынке электроэнергии; однако большинство руководителей энергетических компаний признают, что регулирование выбросов углерода начнется скоро. Законопроекты, требующие сокращения выбросов углерода, снова предлагаются как в Палате представителей, так и в Сенате, и с демократическим большинством кажется вероятным, что со следующим президентом будет больше усилий по регулированию выбросов углерода. Решение Верховного суда, требующее от Агентства по охране окружающей среды регулировать выбросы углерода (Содружество Массачусетса и др. против Агентства по охране окружающей среды и др.)[20], также говорит о вероятности того, что будущие нормативные акты по выбросам углерода появятся раньше, а не позже. С улавливанием углерода стоимость электроэнергии на заводе IGCC увеличится примерно на 33%. Для газового CC увеличение составит примерно 46%. Для пылеугольного завода увеличение составит примерно 57%. [23] Этот потенциал для менее дорогостоящего улавливания углерода делает IGCC привлекательным выбором для сохранения дешевого угля в качестве доступного источника топлива в мире с ограниченным выбросом углерода. Однако отрасли нужно гораздо больше опыта, чтобы снизить премию за риск. IGCC с CCS требует определенного рода мандата, более высокой рыночной цены на углерод или нормативной базы для надлежащего стимулирования отрасли. [24]
В Японии электроэнергетические компании совместно с Mitsubishi Heavy Industries эксплуатируют пилотную установку IGCC производительностью 200 т/д с начала 90-х годов. В сентябре 2007 года они запустили демонстрационную установку мощностью 250 МВт в Накосо. Она работает только на сухом угле, подаваемом воздухом (не кислородом). Она сжигает уголь PRB с содержанием несгоревшего углерода <0,1% и без обнаруженного выщелачивания микроэлементов. Она использует не только турбины типа F , но и типа G. (см. ссылку gasification.org ниже)
Ожидается, что установки IGCC следующего поколения с технологией улавливания CO 2 будут иметь более высокую тепловую эффективность и сдерживать расходы за счет упрощенных систем по сравнению с обычными IGCC. Главной особенностью является то, что вместо использования кислорода и азота для газификации угля они используют кислород и CO 2 . Главным преимуществом является возможность улучшения производительности эффективности холодного газа и снижения несгоревшего углерода (угля).
Для справки по эффективности силовой установки:
В этой системе используется CO 2 , извлеченный из выхлопных газов газовой турбины. Использование закрытой системы газовой турбины, способной улавливать CO 2 путем прямого сжатия и сжижения, устраняет необходимость в системе разделения и улавливания. [26]
Удаление CO 2 до сжигания намного проще, чем удаление CO 2 из дымового газа при улавливании после сжигания из-за высокой концентрации CO 2 после реакции конверсии воды в газ и высокого давления синтез-газа. Во время предварительного сжигания в IGCC парциальное давление CO 2 почти в 1000 раз выше, чем в дымовом газе после сжигания. [27] Из-за высокой концентрации CO 2 до сжигания физические растворители, такие как Selexol и Rectisol , являются предпочтительными для удаления CO 2 по сравнению с химическими растворителями. Физические растворители работают, поглощая кислые газы без необходимости химической реакции, как в традиционных растворителях на основе амина. Затем растворитель можно регенерировать, а CO 2 десорбировать, снизив давление. Самым большим препятствием при использовании физических растворителей является необходимость охлаждения синтез-газа перед разделением и последующего повторного нагрева для сжигания. Это требует энергии и снижает общую эффективность установки. [27]
Национальные и международные коды испытаний используются для стандартизации процедур и определений, используемых для испытаний электростанций IGCC. Выбор кода испытаний, который будет использоваться, является соглашением между покупателем и производителем и имеет некоторое значение для проектирования установки и связанных с ней систем. В Соединенных Штатах Американское общество инженеров-механиков опубликовало Код испытаний производительности для электростанций IGCC (PTC 47) в 2006 году, который содержит процедуры для определения количества и качества топливного газа по его расходу, температуре, давлению, составу, теплотворной способности и содержанию в нем загрязняющих веществ. [28]
В 2007 году Генеральная прокуратура штата Нью-Йорк потребовала полного раскрытия «финансовых рисков, связанных с парниковыми газами» акционерам электроэнергетических компаний, предлагающих разработку угольных электростанций IGCC. «Любая из нескольких новых или вероятных нормативных инициатив по выбросам CO2 электростанциями — включая государственный контроль за выбросами углерода, постановления Агентства по охране окружающей среды в рамках Закона о чистом воздухе или принятие федерального законодательства о глобальном потеплении — значительно увеличит стоимость угольной генерации с интенсивным использованием углерода »; [29] Сенатор США Хиллари Клинтон из Нью-Йорка предложила, чтобы такое полное раскрытие рисков было обязательным для всех публичных энергетических компаний по всей стране. [30] Это честное раскрытие информации начало снижать интерес инвесторов ко всем типам разработки угольных электростанций с существующими технологиями, включая IGCC.
Сенатор Гарри Рид (лидер большинства в Сенате США 2007/2008) заявил на Саммите по чистой энергии 2007 года, что он сделает все возможное, чтобы остановить строительство предлагаемых новых угольных электростанций IGCC в Неваде. Рид хочет, чтобы коммунальные компании Невады инвестировали в солнечную энергию , энергию ветра и геотермальную энергию вместо угольных технологий. Рид заявил, что глобальное потепление — это реальность, и всего одна предлагаемая угольная электростанция будет способствовать этому, сжигая семь миллионов тонн угля в год. Долгосрочные расходы на здравоохранение будут слишком высоки, заявил он (источник не указан). «Я собираюсь сделать все возможное, чтобы остановить эти станции», — сказал он. «Нет чистой угольной технологии . Есть более чистая угольная технология, но нет чистой угольной технологии». [31]
Одним из наиболее эффективных способов очистки газа H 2 S с завода IGCC является его преобразование в серную кислоту в процессе получения серной кислоты мокрого газа ( WSA) . Однако большинство заводов по очистке H 2 S используют модифицированный процесс Клауса, поскольку инфраструктура рынка серы и транспортные расходы серной кислоты по сравнению с серой благоприятствуют производству серы.
В результате этого технологические сточные воды, образующиеся при использовании текущего сырья, не соответствуют требованиям из-за повышенного содержания мышьяка, селена и цианида. Чтобы устранить эти опасения, персонал завода работал над несколькими потенциальными модификациями оборудования и альтернативными вариантами очистки, чтобы привести сбросы в соответствие с требованиями. В настоящее время Wabash River обязана решить эту проблему к сентябрю 2001 г. [стр. ES-6] Повышенные уровни селена, цианида и мышьяка в сточных водах привели к тому, что технологические сточные воды не соответствуют разрешению. Максимальные ежедневные значения, хотя и не указаны в таблице выше, регулярно превышались для селена и цианида, и только изредка для мышьяка. [стр. 6-14, таблица 6.1L]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)