大力发展洁净煤技术的多联供电厂.doc

全国化工热工设计技术中心站年会论文集 255.大力发展洁净煤技术的多联供电厂许 寿 渡（机械工业部第四设计研究院）内容摘要 论述了从政策和形势的要求对洁净煤技术的多联供电厂的迫切性，介绍了各种工艺方案，作者提出自己的结论意见。能源和环境问题是全人类生存的重大问题。能源工业是国民经济的基础，对社会、经济的发展和人民生活具有极其重要的作用。虽然，我国是能源大国，储量和产量在世界上均占有重要位置，但是，按人均占有量来说水平还是比较低的，而单位产值能耗却很高，约为其他发展中国家平均值的2倍。能源低水平、无节制的消费导致一系列严重的环境问题和安全问题。因此，必须走节约能源、保护环境之路，它已成为我国经济可持续发展的重大举措。我国政府已把实现人口、资源与环境协调发展作为二十一世纪的发展目标。我国能源资源结构，以煤炭为主，目前约占一次能源的73.4%，到2050年煤炭仍将占一次能源的47.7%，也就是在未来相当长时期内，煤炭在我国一次能源生产和消费中仍将处于主导地位。我国大气环境以煤烟型污染为特征，SO2排放由燃煤排放的占90%以上，烟尘排放，燃煤占80%。高硫煤燃烧是我国许多城市和地区形成酸雨的主要原因。我国用于发电的煤炭约占全部煤炭消费量的三分之一，发电煤耗高，能源利用率低，SO2、NOx排放比发达国家高出几倍，因此，发展高效洁净的发电技术是我国目前急待解决的问题。1 洁净煤技术中华人民共和国节约能源法第39条规定：“国家鼓励发展和推广热电联产、集中供热、提高热电机组的利用率，发展热能梯级利用技术，热、电、冷联产技术和热、电、煤气三联供技术，提高热能综合利用率；鼓励发展和推广适合国内煤种的流化床燃烧，无烟燃烧和气化、液化等洁净煤技术，提高煤炭利用效率。”根据经国务院批准的中国洁净煤技术“九五”计划和2010年发展纲要明确洁净煤技术包括4个领域、14个方面的技术，归结起来为：a. 煤炭加工：洗选、型煤、水煤浆；b. 煤炭高效洁净燃烧：循环流化床发电技术，增压流化床发电技术、整体煤气化联合循环发电技术；c. 煤炭转化：气化、液化、燃料电池；d. 污染排放控制与废弃物处理：烟气净化、电厂粉煤灰综合利用、煤层气的开发利用、煤矸石和煤泥水的综合利用，关于工业锅炉和窑炉。我们在鲁山多联供电厂和新安电厂环保综合改造工程中采用了以下几项洁净煤技术：a. 循环流化床发电技术；b. 气化 固体热载体炉前快速干馏技术；c. 煤矸石综合利用技术；d. 灰渣综合利用技术；e. 炉内脱硫和烟气净化技术。2 关于煤的低温快速热解技术煤炭能源转换的主要方式就是煤的气化和液化。液化分为直接液化和间接液化。虽然间接液化具有适用性好的优点，但初投资及生产成本较高，故直接液化一直为各国所重视。煤的直接液化有高压直接加氢、煤油共处理、超临界抽提及低温快速热解等工艺方案，前三种直接液化法的生产条件要求比较苛刻，设备初投资及生产成本相对要高，而低温快速热解的初投资少，操作费用也低。如与煤耗大户火力发电厂相结合，实行燃煤动力 化学工艺综合利用，可大大提高煤的利用率，从中可获得中热值煤气和优质焦油。煤的低温快速热解，也称为煤的低温干馏。热解过程只是一个换热过程，不用加氢，不用氧气，即可得到煤气和低温焦油，工艺简单，建设投资少，生产成本低，转换效率高，因此，得到世界各国广泛采用。前苏联开发的TX-175技术、美国的Toscoal技术和德国的LR技术采用固体热载体快速热解技术，产品质量好，设备和生产能力大，合乎现代化技术要求。我国对快速热解技术的研究、开发起步较早，中国科学院煤炭化学研究所在1958年与大连第一发电厂合作建立了日处理原料煤175t与电厂35t/h中压煤粉锅炉相配合的半工业试验装置。1959年当时作为长春第一汽车厂动力分厂厂长的江泽民同志，以战略家的眼光、胆识和魄力，同中国科学院煤炭化学研究所、电力部长春电力设计院技术合作，在一汽热电厂建立日处理370t与电厂75t/h煤粉锅炉相配合的粉煤炉前固体热载体快速干馏工业试验装置，到1962年试验取得阶段成果，70年代初成功地应用于砂子炉原油裂解制取乙烯的装置上。由于煤粉作为热载体给运行带来许多困难，故快速热解技术与火力发电厂相结合未能广泛推广。随着循环流化床锅炉的逐步大型化，给电厂燃煤采用固体热载体炉前干馏回收煤气和优质焦油，以及燃煤炉前、炉内脱硫，创造了很好的技术条件。90年代，大连理工大学、清华大学、浙江大学、电力部北京动能经济研究所等大学、科研院所与有关锅炉制造厂及有关单位均有“三联产”技术取得了成果。目前，由浙江大学、无锡锅炉厂、江苏扬中长旺热电厂合作设计了75t/h循环流化床锅炉与快速干馏装置相结合，采用双循环回路结构，每套装置煤气产量为3500m3/h，煤气热值为12000 14000KJ/m3。这次我们与中国科学院煤炭化学研究所、北京锅炉厂、B & W公司合作，建立与130t/h、420t/h循环流化床锅炉相结合的快速干馏装置，将对我国采用快速热解技术回收燃煤的煤气和焦油的事业起到促进推动作用。3 煤综合利用多联供电厂的主要工艺方案3.1 煤热解半焦气化联合循环发电方案工艺方案见图1。 煤气 焦油 粗煤气 煤气 煤快速热解 煤气分离 燃气轮机 发电机 电 半焦 蒸汽 煤锅炉蒸汽轮机发电机 电 蒸汽图 1这个工艺方案产生的煤气主要用于燃气轮机发电，采用燃气蒸汽联合循环的方式，实现供电、供热、供煤气、供焦油的多联供要求，但外供煤气量较少，煤气主要供燃气轮机发电。3.2 煤热解半焦燃烧循环流化床锅炉蒸汽轮机发电方案工艺方案见图2。煤 热煤气 煤气 中热值城市煤气快速热解冷凝回收煤气净化 轻油 半焦 焦油化工产品煤循环流化床 焦油加工动力燃料 锅 炉炭素材料蒸汽 蒸汽轮机发电机 电蒸汽（供热）图 2这个工艺方案是快速热解装置与循环流化床锅炉相结合，产生的煤气主要是供城市民用和工业用，实现供电、供热、供煤气、供焦油的多联供要求。3.3 “三联产”方案工艺方案见图3。外 蒸汽供 蒸汽 蒸汽煤 煤 电 高温灰 粗煤气 净 化 发 蒸汽轮机循环流化床锅炉干馏气化炉 装 置 电 半焦、灰煤气 机灰渣图 3这个工艺方案的循环流化床锅炉必须是高温分离，干馏气化炉为常压流化床，用水蒸汽和再循环煤气作气化剂，气化炉形成的是水煤气（这是浙江大学的工艺方案）。3.4 煤热解半焦循环流化床锅炉燃烧综合利用发电方案这个工艺方案见图4。 煤气中热值城市煤气冷凝回收煤气净化轻油焦油 热煤气煤化工产品快速热解焦油加工动力燃料炭素材料 热灰 半焦或热灰煤循环流化床干灰渣灰渣综合利用建材制品煤矸石 锅 炉水泥 蒸汽蒸汽轮机发电机 电 蒸汽（供热）图 4这个工艺方案的快速干馏装置与循环流化床锅炉可以联合运行，锅炉也可独立运行。采用中温分离的循环流化床锅炉时，锅炉不向快速热解装置提供热灰，高温分离的循环流化床锅炉可以提供热灰，也可以不提供热灰。产生的煤气主要供城市用气，也可将多余的送至燃气轮机发电，也可送至循环流化床燃烧。进锅炉的燃料，增加煤矸石；锅炉送出的是干灰渣，进行综合利用。我们在鲁山、新安两工程采用的就是这个工艺方案。4 洁净煤技术的多联供电厂的各种效益4.1 环保效益多联供电厂必须采用循环流化床锅炉与快速热解装置相结合的方案。循环流化床锅炉本身就是一项洁净煤技术，由于它在环保方面有独特的好处，故在全世界得到了迅速发展。循环流化床是在流化床基础上发展起来的。循环流化床炉膛和流化床的燃烧温度在800 900，属于低温燃烧，产生的NOx很少，还可掺烧CaCO3，进行炉内脱硫（目前有的循环流化床锅炉的脱硫率已达95%以上）。炉前快速干馏装置将大部分煤所含的硫从煤气中提取出来，煤气净化时将硫除去，这样进入锅炉炉膛燃烧的硫或硫化物大大减少，这就是炉前脱硫。煤气洗涤水含有酚，但该系统是亏水系统，故废水不外排，无污染。循环流化床锅炉排出的干灰渣活性好，利于灰渣综合利用，可作建筑材料或作生产水泥的掺和料，甚至直接生产水泥。至于城市居民采用管道煤气后，居民燃煤造成的污染（主要有烟尘、SO2及灰渣的排放）将得到根本的改善，城市的环境条件可得到很大改善。可见，采用洁净煤技术的多联供电厂，环保效益是十分显著的。4.2 社会效益多联供电厂的炉前快速干馏装置在制取煤气、焦油后，半焦进循环流化床锅炉继续燃烧，由于煤干馏得焦率约为70%，因此，多联供电厂比同容量发电所需的煤量要增加。而增加的煤量，转换成煤气、焦油，转换效率可按下式计算：多联供电厂总的能源利用率总可按下式计算：式中，电 单发电电厂的能源利用率（）。我们在鲁山多联供电厂工程中采用50%的燃煤是经炉前干馏的，原单一发电电厂的能源利用率为35.5%，多联供后总提高到43.64%。燃煤进行炉前干馏的煤的比例越大，总就越高，据计算，全部燃煤进行炉前干馏时，总可达57.07%。过去，提高电厂能源利用率的主要措施是提高蒸汽参数，加大机组容量。为了提高全国电厂的能源利用率，故要限制中小凝汽发电机组的运行数量。另外一个措施是进行集中供热、实行热电联产，以减少汽机凝汽时被冷却水带走的热量。这两个措施都是在热力系统内采取的。而多联供却是在燃烧系统中采取的提高能源利用率的有力措施。多联供电厂的另一个社会效益是：地球上油资源越来越紧缺，能源消耗是不能再生的。从煤制气中提取油，虽然，量还不够大，但毕竟是对油源的一个补充。4.3 经济效益由于炉前快速干馏装置设在炉前，不增加建筑物面积，初投资省是显而易见的。但经济性涉及各个方面，为了说明问题，以鲁山多联供电厂为例：在2125MW多联供电厂内年产煤气5415万m3/a（热值21MJ/m3），合城市标准煤气7762.1万m3/a（热值14.65MJ/m3），日产25.87万m3，投资估算为3720万元，为同等规模、同热值的城市燃气气源厂单独建厂投资的20 30%。年产焦油31584t。煤气售价（14.65MJ/m3）0.8元/m3（比液化石油气价低20%）。焦油售价：1200元/t煤气、焦油销售收入9999.76万元/a耗煤（干馏增加用煤量）：19.52万t/a煤到厂价：100元/t原料煤支出：1952万元/a毛利：8047.76万元/a扣除管理费、水、电、汽消耗、设备折旧、大修基金及税收后，按50%计，税后利润为4023.9万元/a，投资利润率为108.17%，也就是说当年即可收回投资款，可见其经济效益之好。5 结语a. 综上所述，采用炉前快速干馏技术的多联供电厂是节能好、环保条件好、投资少、利润高、效益佳的三E能源新工艺，值得大力发展。多联供电厂特别适用于中小城市（城镇）没有天然气源，而又十分需要城市管道煤气的地方。b. 多联供电厂虽然各方面俱佳，但炉前快速干馏装置需与循环流化床锅炉相结合，才能发挥出其优越性。由于目前世界上循环流化床锅炉最大容量为500t/h，故还不能推广到125MW以上的机组。随着循环流化床锅炉的进一步大型化，多联供电厂的规模也将进一步扩大。c. 在炉前快速干馏装置与循环流化床锅炉结合过程中，还存在不少需解决的难点，特别是在高温分离型循环流化床锅炉需利用其循环热灰时，不仅要考虑热灰的热量不能满足全部燃煤量干馏时的热管需要，而且要考虑在低负荷时热灰量急剧减少，给炉前快速干馏带来的许多困难。还有，火力发电厂的年利用小时往往只有5500 6000h，而供城市民用的煤气必须满足城市居民365天，每天都要使用这个问题。d. 为了能尽快发展洁净煤技术的多联供电厂，除了政府有关部门应大力支持，并提供各项优惠条件外，有关设计、科研、制造及使用单位，应密切配合，解决各个难点，使洁净煤技术的多联供电厂能在我国得到很快的发展。（下转第248页）（上接第254页）参考文献1. 冯长暄、曹立仁、刘东勋，“城市（城镇）燃气气源新途径的探讨 动力 化学工艺综合利用（电、油、煤气、热）多联供电厂的开发（第二版）”，1994.5。2. 朱