Комбинированный цикл интегрированной газификации ( IGCC ) — это технология, использующая 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, можно превратить в побочные продукты, пригодные для повторного использования, с помощью процесса Клауса . Это приводит к снижению выбросов диоксида серы , твердых частиц, ртути и, в некоторых случаях, углекислого газа . При наличии дополнительного технологического оборудования реакция конверсии вода-газ может повысить эффективность газификации и снизить выбросы угарного газа за счет его преобразования в углекислый газ. Образовавшийся в результате реакции сдвига диоксид углерода можно отделить, сжать и сохранить путем секвестрации . Избыточное тепло от первичного сгорания и синтез-газа затем передается в паровой цикл , аналогичный газовой турбине с комбинированным циклом . Этот процесс приводит к повышению термодинамической эффективности по сравнению с традиционным сжиганием угольной пыли .
Уголь в изобилии можно найти в США и многих других странах, и его цена в последние годы остается относительно постоянной. 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 CO 2 становятся актуальной проблемой из-за неблагоприятных последствий изменения климата . В частности, уголь содержит больше CO 2 на БТЕ, чем нефть или природный газ, и на него приходится 43% выбросов CO 2 при сжигании топлива. Таким образом, снижение выбросов, которое позволяет технология IGCC за счет газификации и улавливания углерода перед сжиганием, обсуждается как способ решения вышеупомянутых проблем. [1]
Ниже представлена принципиальная схема установки IGCC:
В процессе газификации можно производить синтез-газ из широкого спектра углеродсодержащего сырья, такого как высокосернистый уголь, тяжелые нефтяные остатки и биомасса .
Установка называется интегрированной , потому что (1) синтез-газ, полученный в секции газификации, используется в качестве топлива для газовой турбины в комбинированном цикле и (2) пар, вырабатываемый охладителями синтез-газа в секции газификации, используется паровой турбиной в комбинированный цикл. В этом примере полученный синтез-газ используется в качестве топлива в газовой турбине, производящей электроэнергию. В обычном комбинированном цикле так называемое «отходящее тепло» выхлопных газов газовой турбины используется в парогенераторе-утилизаторе (HRSG) для производства пара для цикла паровой турбины. Установка IGCC повышает общую эффективность процесса за счет добавления в цикл паровой турбины пара более высокой температуры, получаемого в процессе газификации. Этот пар затем используется в паровых турбинах для производства дополнительной электроэнергии.
Установки IGCC имеют преимущества по сравнению с традиционными угольными электростанциями благодаря их высокому тепловому КПД , 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 CO 2 , выбрасываемого без улавливания перед сжиганием. [2]
Основным недостатком использования угля в качестве источника топлива являются выбросы 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 пропускает пар через турбину для выработки электроэнергии. Пылеугольные электростанции могут улавливать углекислый газ только после сгорания, когда он разбавлен и его труднее отделить. Для сравнения, газификация в IGCC позволяет отделять и улавливать концентрированный и находящийся под давлением диоксид углерода 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 газообразный водород, при сгорании которого не образуются вредные вещества. [4]
IGCC также потребляет меньше воды, чем традиционные пылеугольные электростанции. На пылеугольной электростанции уголь сжигается для производства пара, который затем используется для выработки электроэнергии с помощью паровой турбины. Затем выхлопной пар необходимо конденсировать с охлаждающей водой, а вода теряется за счет испарения. В IGCC потребление воды снижается за счет сгорания в газовой турбине, которая использует выделяемое тепло для расширения воздуха и привода турбины. Пар используется только для улавливания тепла из 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 экологически чистого угля Министерства энергетики [5] помог построить 3 электростанции IGCC: электростанцию Эдварспорт в Эдвардспорте, штат Индиана , электростанцию Полк в Тампе, Флорида (онлайн в 1996 году) и Пинон Пайн в Рино, Невада . В ходе демонстрационного проекта в Рено исследователи обнаружили, что существовавшая на тот момент технология IGCC не будет работать на высоте более 300 футов (100 м) над уровнем моря. [6] Однако в отчете Министерства энергетики в ссылке 3 не упоминается какой-либо эффект высоты, и большинство проблем было связано с системой удаления твердых отходов. Электростанции на реке Вабаш и в Полке в настоящее время работают после устранения проблем с демонстрационным запуском, но проект Пиньон-Пайн столкнулся с серьезными проблемами и был заброшен.
Инициатива «Чистая угольная энергетика» Министерства энергетики США (Фаза 2 CCPI) выбрала проект Кемпер в качестве одного из двух проектов, призванных продемонстрировать осуществимость угольных электростанций с низким уровнем выбросов. Компания Mississippi Power начала строительство проекта Кемпер в округе Кемпер, штат Миссисипи, в 2010 году и планирует начать эксплуатацию в 2016 году, хотя было много задержек. [7] В марте запланированная дата была перенесена с начала 2016 года на 31 августа 2016 года, что привело к увеличению общей суммы на 110 миллионов долларов и отставанию проекта на 3 года от графика. Электростанция является флагманским проектом по улавливанию и хранению углерода (CCS), который сжигает бурый уголь и использует технологию предварительного сжигания IGCC с прогнозируемой степенью улавливания выбросов 65%. [8]
Первое поколение электростанций IGCC загрязняло меньше, чем современные технологии, работающие на угле, но также загрязняло воду; например, завод на реке Вабаш не соблюдал разрешение на воду в 1998–2001 гг. [9] из-за выбросов мышьяка, селена и цианида. Электростанция на реке Вабаш теперь полностью принадлежит и управляется Энергетической ассоциацией реки Вабаш.
IGCC теперь рекламируется как готовый к улавливанию и потенциально может использоваться для улавливания и хранения углекислого газа. [10] [11] (См. FutureGen ) В польском Кендзежине скоро появится энергетический и химический завод с нулевым уровнем выбросов, который сочетает в себе технологию газификации угля с технологией улавливания и хранения углерода (CCS). Эта установка планировалась, но с 2009 года о ней не было никакой информации. Другими действующими заводами IGCC, существующими по всему миру, являются 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, использования и хранения углерода (CCUS). Этот проект должен был стать первой угольной электростанцией в Соединенных Штатах, сочетающей в себе IGCC и 90% улавливание и хранение углерода. Спонсор Summit Power подал заявление о банкротстве в 2017 году. [12]
Существует несколько преимуществ и недостатков по сравнению с традиционным улавливанием углерода после сжигания и различными его вариантами [13].
Ключевой проблемой при внедрении IGCC является его высокая капитальная стоимость, которая 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, которая может компенсировать высокие капитальные затраты . В модели 2007 года IGCC с CCS является самой дешевой системой во всех случаях. Эта модель сравнила оценки приведенной стоимости электроэнергии , показав, что IGCC с CCS будет стоить 71,9 долларов США в 2005 г./МВтч, пылевидный уголь с CCS будет стоить 88 долларов США 2005 г./МВтч, а комбинированный цикл природного газа с CCS будет стоить 80,6 долларов США 2005 г./МВтч. Нормированная стоимость электроэнергии была заметно чувствительна к цене природного газа и включению затрат 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 увеличилась на 19% с 2010 года. IGCC с CCS имеет однодневные капитальные затраты в размере 6 599 долларов США (доллары 2012 года)/кВт, а комбинированный цикл природного газа с CCS имеет ежедневные капитальные затраты в размере 2 095 долларов США (доллары 2012 года)/кВт. Затраты на пылевидный уголь и NGCC существенно не изменились с 2010 года. В отчете также сообщается, что увеличение стоимости IGCC на 19% связано с недавней информацией о проектах IGCC, которые превысили бюджет и стоили больше, чем ожидалось. [15]
Недавние показания в ходе регулирующих разбирательств показывают, что стоимость IGCC в два раза превышает прогноз Годделла: с 96 до 104 долларов за МВтч. [16] [17] Это до добавления улавливания и секвестрации углерода (секвестрация была зрелой технологией как в Вейберне в Канаде (для увеличения нефтеотдачи ), так и в Слейпнере в Северном море в коммерческих масштабах в течение последних десяти лет) — улавливание Ожидается, что при ставке 90% будут дополнительные затраты в размере 30 долларов США за МВтч. [18]
Река Вабаш неоднократно выходила из строя на длительные периоды времени из-за проблем с газификатором. Проблемы с газификатором не были решены - последующие проекты, такие как проект Excelsior в Месабе, включали в себя третий газификатор и технологическую линию. Однако в прошлом году река Вабаш работала надежно, с доступностью, сопоставимой или превосходящей другие технологии.
У IGCC округа Полк есть проблемы с проектированием. Во-первых, проект был первоначально остановлен из-за коррозии шламопровода, по которому шламовый уголь из железнодорожных вагонов подавался в газификатор. Разработано новое покрытие для трубы. Во-вторых, термопара была заменена менее чем за два года; указание на то, что у газификатора возникли проблемы с различным сырьем; от битуминозного до полубитуминозного угля. Газификатор был спроектирован для переработки бурого угля более низкого качества. В-третьих, незапланированные простои газификатора из-за проблем с огнеупорной футеровкой, ремонт которых стоил дорого. Первоначально газификатор был спроектирован в Италии и был вдвое меньше того, что было построено в Полке. Новые керамические материалы могут помочь улучшить производительность и долговечность газификатора. Понимание эксплуатационных проблем нынешнего завода IGCC необходимо для улучшения конструкции завода IGCC будущего. (Электростанция Polk IGCC, https://web.archive.org/web/20151228085513/http://www.clean-energy.us/projects/polk_florida.html.) Кейм, К., 2009, Проект IGCC по Системы управления устойчивым развитием для модернизации и реконструкции предприятий. Это неопубликованная статья Гарвардского университета)
General Electric в настоящее время разрабатывает модель установки IGCC, которая должна обеспечить большую надежность. Модель GE оснащена усовершенствованными турбинами, оптимизированными для угольного синтез-газа. Завод по промышленной газификации компании Eastman в Кингспорте, штат Теннесси, использует газификатор с твердой подачей GE Energy. Eastman, компания из списка Fortune 500, построила объект в 1983 году без каких-либо государственных или федеральных субсидий и получила прибыль. [19] [20]
В Европе есть несколько заводов IGCC на базе нефтеперерабатывающих заводов, которые продемонстрировали хорошую эксплуатационную готовность (90-95%) после первоначальных периодов простоя. Этой производительности способствуют несколько факторов:
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] имела хорошую доступность. Эта угольная электростанция IGCC изначально была спроектирована для использования до 30% биомассы в качестве дополнительного сырья. Владельцу, NUON, правительство заплатило поощрительный взнос за использование биомассы. NUON построила электростанцию IGCC мощностью 1311 МВт в Нидерландах, состоящую из трех блоков ПГУ 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] По соглашению с экологическими организациями компании 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 энергоблоков в настоящее время отключены от сети, а третий агрегат видит только низкие уровни использования. Относительно низкий КПД электростанции Magnum (59%) означает, что для обеспечения (резервного) электроснабжения предпочтительнее более эффективные электростанции с ПГУ (такие как электростанция Hemweg 9).
Было предложено новое поколение угольных электростанций на базе IGCC, хотя ни одна из них еще не строится. Проекты разрабатывают компании 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 Министерства торговли штата показал, что IGCC имеет самую высокую стоимость, а профиль выбросов не намного лучше, чем у пылевидного угля. В Делавэре анализ Дельмарвы и консультантов штата дал по существу одинаковые результаты.
Высокая стоимость IGCC является самым большим препятствием для его интеграции на энергетический рынок; однако большинство руководителей энергетических компаний признают, что регулирование выбросов углекислого газа скоро будет введено. Законопроекты, требующие сокращения выбросов углерода, снова предлагаются как Палатой представителей, так и Сенатом, и, учитывая демократическое большинство, кажется вероятным, что при следующем президенте регулирование выбросов углерода будет усилено. 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 в будущем регулирование выбросов углекислого газа будет введено скорее раньше, чем позже. При улавливании углерода стоимость электроэнергии на электростанции IGCC увеличится примерно на 33%. Для CC на природном газе увеличение составляет примерно 46%. Для пылеугольной электростанции увеличение составляет примерно 57%. [23] Этот потенциал менее затратного улавливания углерода делает IGCC привлекательным выбором для сохранения дешевого угля в качестве доступного источника топлива в мире с ограниченным выбросом углерода. Однако отрасли необходимо гораздо больше опыта, чтобы снизить премию за риск. IGCC с CCS требует какого-то мандата, более высокой рыночной цены на выбросы углерода или нормативной базы для надлежащего стимулирования отрасли. [24]
В Японии электроэнергетические компании совместно с Mitsubishi Heavy Industries с начала 90-х годов эксплуатируют пилотную установку IGCC мощностью 200 т/сут. В сентябре 2007 года они запустили демонстрационную электростанцию мощностью 250 МВт в Накосо. Он работает только на сухом угле, продуваемом воздухом (не на кислороде). Он сжигает уголь PRB с содержанием несгоревшего углерода <0,1% и не обнаруживает выщелачивания микроэлементов. Здесь используются турбины не только типа F , но и типа G. (см. ссылку на gasification.org ниже)
Ожидается, что установки IGCC следующего поколения с технологией улавливания CO 2 будут иметь более высокий тепловой КПД и снизить затраты благодаря упрощенным системам по сравнению с традиционными IGCC. Главная особенность в том, что вместо кислорода и азота для газификации угля используют кислород и CO 2 . Основное преимущество заключается в том, что можно улучшить эффективность холодного газа и уменьшить количество несгоревшего углерода (кокса).
В качестве эталона эффективности силовой установки:
В этой системе используется CO 2 , извлеченный из выхлопных газов газовой турбины. Использование закрытой газотурбинной системы, способной улавливать CO 2 путем прямого сжатия и сжижения, устраняет необходимость в системе разделения и улавливания. [26]
Удаление CO 2 перед сжиганием намного проще, чем удаление CO 2 из дымовых газов при улавливании после сжигания, из-за высокой концентрации CO 2 после реакции конверсии водяного газа и высокого давления синтез-газа. Во время предварительного сгорания в IGCC парциальное давление CO 2 почти в 1000 раз выше, чем в дымовых газах после сгорания. [27] Из-за высокой концентрации CO 2 перед сжиганием 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 аминов. Затем растворитель можно регенерировать, а CO 2 десорбировать путем снижения давления. Самым большим препятствием при использовании физических растворителей является необходимость охлаждения синтез-газа перед разделением и последующего нагревания для сжигания. Это требует энергии и снижает общую эффективность установки. [27]
Национальные и международные правила испытаний используются для стандартизации процедур и определений, используемых для испытаний электростанций IGCC. Выбор используемого тестового кода является соглашением между покупателем и производителем и имеет определенное значение для проектирования установки и связанных с ней систем. В Соединенных Штатах Американское общество инженеров-механиков в 2006 году опубликовало Правила испытаний производительности электростанций IGCC (PTC 47), которые предусматривают процедуры определения количества и качества топливного газа по его расходу, температуре, давлению и составу. , теплотворная способность и содержание примесей. [28]
В 2007 году Генеральная прокуратура штата Нью-Йорк потребовала полного раскрытия «финансовых рисков, связанных с парниковыми газами» акционерам электроэнергетических компаний, предлагающих развитие угольных электростанций IGCC. «Любая из нескольких новых или возможных инициатив по регулированию выбросов CO 2 на электростанциях, включая государственный контроль выбросов углекислого газа, правила Агентства по охране окружающей среды в соответствии с Законом о чистом воздухе или принятие федерального законодательства о глобальном потеплении, приведет к значительным затратам на углеродоемкие технологии. угольная генерация»; [29] Сенатор США Хиллари Клинтон от Нью-Йорка предложила потребовать от всех публично торгуемых энергетических компаний по всей стране требовать полного раскрытия информации о рисках. [30] Это честное раскрытие информации начало снижать интерес инвесторов ко всем типам существующих технологий развития угольных электростанций, включая IGCC.
Сенатор Гарри Рид (лидер большинства в Сенате США в 2007/2008 годах) заявил на Саммите по чистой энергетике 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. По его словам , долгосрочные затраты на здравоохранение будут слишком высокими (источник не указан). «Я сделаю все возможное, чтобы остановить эти растения», - сказал он. «Не существует чистой технологии использования угля . Есть более чистая технология использования угля, но не существует чистой технологии использования угля». [31]
Одним из наиболее эффективных способов очистки газообразного H 2 S на установке IGCC является его преобразование в серную кислоту в процессе серной кислоты с мокрым газом . Процесс WSA . Однако большинство установок по переработке H 2 S используют модифицированный процесс Клауса, поскольку инфраструктура рынка серы и затраты на транспортировку серной кислоты по сравнению с серой благоприятствуют производству серы.
В результате технологические сточные воды, образующиеся в результате использования текущего сырья, по-прежнему не соответствуют требованиям разрешений из-за повышенного содержания мышьяка, селена и цианида. Чтобы устранить эти опасения, персонал станции работал над несколькими потенциальными модификациями оборудования и альтернативами очистки, чтобы вернуть сбросы в соответствие с требованиями. В настоящее время Вабаш Ривер обязан решить этот вопрос к сентябрю 2001 года. [стр. ES-6] Повышенные уровни селена, цианида и мышьяка в сточных водах привели к тому, что технологические сточные воды вышли за пределы разрешенных разрешений. Ежедневные максимальные значения, хотя и не указанные в таблице выше, регулярно превышались по селену и цианиду и лишь изредка по мышьяку. [п. 6-14, таблица 6.1L]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)