（热能工程专业论文）apfbccc发电系统技术经济及环境综合性能分析研究.pdf

摘要 a p f b c - c c 发电系统技术经济及环境综合性能分析研究 摘要 a p f b c - - c c 发电系统是目前具有发展前景的洁净煤发电技术之一，论文对几种典型的系统方案 进行技术、经济和环境的综合性能分析研究，同时也研究了具有相同思想的天然气补燃p f b c - - c c 发电技术综合性能。以期为发展我国沽净煤发电技术的新方向提供参考依据。 本文在常规热经济和技术经济研究基础上，将生命周期评价( l c a ) 理论引入先进燃煤发电系统 的综合性能研究，形成能源利用效率一技术经济性能一环境影响评价相结合的综合评价方法，获得 了燃煤发电系统包含环境影响成本在内的真实成本，以此对a p f b c c c 发电系统进行了综合性能的 定量评价。 对a p f b c - - c c 发电系统目前世界上最具代表性的三大类系统：增压气化增压半焦燃烧系统 ( a p f b c - - c c 1 ) ；增压气化常压半焦燃烧系统( a p f b c - - c c i i ) ；常压气化常压半焦燃烧系统( a p f b c - - c c i i i ) 以及天然气补燃的p f b c c c 联合循环发电系统( n g s c p f b c c c ) 进行的热力性能、技 术经济性能及环境性能综合分析表明：( 1 ) 系统a p f b c c c i 和a p f b c c c i i 均具有优越的综合性 能，其中心f b c c c i 系统的综合性能最优，而a p f b c c c i i i 系统相比前两种较缺乏竞争性。基 于超临界和超超临界蒸汽参数的a p f b c - - c c 系统不仅系统净效率可得到更大的提高，而且环境性能 以及经济性能也得到很大改善，其综合性能更具优越性。( 2 ) 首次在a p f b c - - c c 系统中提出气化介 质高温预热的方法，不仅可增加煤部分气化的煤气热值，有助于低热值煤气在前置燃烧室的稳定燃 烧，对于劣质煤气化提高低热值燃气的热值具有更重要意义。而且可改善系统热力性能，为进一步 提高燃气轮机入口温度提供条件。( 3 ) 煤部分气化的碳转化率对于方案i 和方案i i 建议选用0 7 0 8 的碳转化率，而方案i i i 则建议选j i ；j0 5 5 o 6 的碳转化率。( 4 ) 在我国首次采用天然气补燃 p f b c c c 联合循环发电系统( n g s c p f b c c c ) 可在第一代p f b c - - c c 基础上提高燃机入口温度，其能 源综合效率要高于分别采用同样数量燃料的常规燃煤电站和天然气电站的综合发电净效率3 4 4 3 个百分点。但发电真实成本略高于a p f b c - - c c 发电技术，相比单纯天然气发电的真实成本则有明显 优势。( 5 ) 与常规的煤粉电站p c + f g d + s n c r 比较，不论是a p f b c - - c c 系统还是n g s c p f b c c c 系统 随着技术的逐步成熟，初投资将显著降低，而由丁i 能源紧缺的形势与日俱增。环境保护要求日益严 格，经济性能和环境性能优越性将更加显著，因此二者将具有良好的市场发展前景。 关键词：a p f b c - - c c 系统，生命周期评价，真实成本，天然气补燃p f b c ，技术经济，环境影响 综合性能分析 东南大学博上学位论文 i n t e g r a t e da n a l y s i so ft e c h n i c a l ，e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c ef o ra p f b c c cs y s t e m a b s t r a c t t h ea d v a n e e dp r e s s u r i z e df l u i d i z e db e dc o m b i n e dc y c l e ( a p f b c c oi so n eo ft h em o s tp r o m i s i n g c l e a nc o a lp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e s f o rd e v e l o p i n gt h ec l e a nc o a lt e c h n o l o g i e s ，i ti si m p o r t a n tt o s t u d yt l er e p r e s e n t a t i v es y s t e mo nt h et e c h n i c a l e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lp e r f o r m a n c e b a s e do nt h et h e o r yo f l i f ec y c l ea s s e s s m e n t t h ee v a l u a t i n gm e t h o do fc o a l - f i r e dp o w e r g e n e r a t i o no nt e c h e c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n de n v i r o n m e n t a li m p a c ti se s t a b l i s h e d t h er e a l c o s to f c o a l f i r e dp o w e rg e n e r a t i o nc a l lb ec a l c u l a t e di n c l u d i n ge n v i r o n m e n t a li m p a c tf a c t o r t h et h r e er e p r e s e n t a t i v ek i n d so fa p f b c c cs y s t e m w h i c ha r ep r e s s u r i z e dg a s i f i c a t i o np r e s s u r i z e d c h a rc o m b u s t i o ns y s t e m ( a p f b c - c o i ) ，p r e s s u r i z e dg a s i f i c a t i o na t m o s p h e r i cc h a rc o m b u s t i o ns y s t e m ( a p f b c - c c i i ) ，a n da t m o s p h e r i cg a s i f i c a t i o na t m o s p h e r i cc h a rc o m b u s t i o ns y s t e m ( a p f b c c c i i i ) ，a n d p f b c c cs y s t e mu s e dn a t u r a lg a ss u p p l e m e n t a r yc o m b u s t i o n ( n g s c - p f b c c c ) a r ea n a l y z e da n d o p t i m i z e do nt h et h e r m o d y n a m i c ，t e c h - e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lp e r f o r m a n c e s o m ev a l u a b l er e s u l t s a r eo b t a l n e d ( 1 ) t h es y s t e mo fb o t ha p f b c c c ia n da p f b c c c h ip o s s e s se x c e l l e n ti n t e g r a t e d p e r f o r m a n c e a p f b c c c ，ii st h eb e s to fa 1 1 w h e r e a s t h ep e r f o r m a n c eo fa p f b c - c c l l l li s i n f e r i o r c o m p a r e dw i t ht h eo t h e r s b a s eo ns u p e r c r i t i c a la n du l t r a - c r i t i c a ls t e a mp a r a m e t e r , t h ea p f b c c cs y s t e m t h e r m a le 衔c i e n c y , e n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cp e r f o r m a n c ec a l lb ei m p r o v e dm o r e ( 2 ) t h em e t h o do f h i g ht e m p e r a t u r ep r e h e a t i n gg a s i f i c a t i o na i ra n ds t e a mi sf i r s tu s e di na p f b c - c cs y s t e m i ti sa v a i l a b l et o i m p r o v et h eh e a t i n gv a l u eo fs y n g a sa n ds y s t e me f f i c i e n c yb yh i 9 1 1t e m p e r a t u r ep r e h e a t i n gg a s i f i c a t i o na i r a n ds t e a m t h i sa p p r o a c ht op r o d u c eh i g h e rh e a t i n gv a l u es y n g a sh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si nt h e l o w - q u a l i t yc o a l ( 3 ) t h es y s t e mi n t e g r a t e dp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el o w e s tr e a lc o s t o f a p 阳c - e c 舟a n da p f b c c c 厅ia r ea tc a r b o nc o n v e r s i o n0 7 0 8 h o w e v e ra p f b c - c c 疽i ii sa t0 5 5 0 6 ( 4 ) t h en g s c - p f b c c cs y s t e me a r li n c r e a s et h eg a st u r b i n ei n l e tt e m p e r a t u r e ，a n dg r e a t l yi n c r e a s en e t c y c l ee f n c i e n c ya n dr e d u c ee n v i r o n m e n t a le m i s s i o n t h en e te 塌c i e n c yo fn g s c p f b c - c cs y s t e mi s 3 4 - - 4 3p e r c e n tp o i n th i e h e rt h a nt h ec o m b i n a t i o ne 伍c i e n e yo ft h ec o n v e n t i o n a lc o a l f i r e dp l a n t ( p c + f g d + d e n o x ) a n dt h en a t u r a lg a sc o m b i n e dc y c l e ( n g c c ) ，c o n s u m e dt h es a m ea m o u n to ff u e l d u e t ot h ep r i c eo f n a t u r a lg a si sm o r ee x p e n s i v et h a nc o a l ，a n dt h er e a lc o s to f t h i ss y s t e mi sal i t t l eh i g h e rt h a n a p f b c c cs y s t e m t h en a t u r a lg a sc o n s u m e ds h o u l db ec o n t r o l l e dj nar e a s o n a b l e1 e v e l f 5 ) c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a lp c + f g d + d e n o xp l a n t , a p f b c c ca n dn g s c - p f b c - c cg r e a t l ys a v ee n e r g y c o n s u m p t i o n ，i m p r o v ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n dr e d u c ee n v i r o n m e n t a le m i s s i o n t h u sb o t ho f a l lp o s s e s s g r e a td e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：a p f b c c cs y s t e m ，l i f ec y c l ea s s e s s m e n t , r e a lc o s t ，n a t u r a lg a ss u p p l e m e n t a r yc o m b u s t i o n p f b c ，t e c h n o l o g ya n de c o n o m y , e n v i r o n m e n t a li m p a c t ，i n t e g r a t e dp e r f o r m a n c e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：耄k 导师签名： 日期：硼f 气 7 一 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 煤炭是世界上最丰富的化石燃料，据世界能源委员会的评估，2 0 0 2 年底世界煤炭探明储量为 9 8 4 4 5 3 亿吨“1 ，约占世界化石燃料可采储量的7 0 。目前煤炭约占世界一次能源消费的3 0 ， 随着能源危机日益严峻，世界油价持续高涨，煤炭作为一次能源重要组成部分的地位将在相当长的 时间内不会改变，预计2 0 2 0 年煤炭仍将占世界一次能源消费的3 3 7 。中国煤炭资源丰富，而油 气资源相对匮乏，截至2 0 0 2 年底，中国探明可采的煤炭储量1 1 4 5 亿吨“1 ，占我国一次能源的7 5 左右。虽然对能源的需求量不断增长，对能源的质晕要求越来越高，但以煤炭为主要一次能源的国 情，短期内难以改变，至2 0 5 0 年预计煤炭仍将占我国一次能源消费总量的5 0 。也决定了我国电 力工业中燃煤火力发电占有主导地位。统计数据表明2 0 0 2 年燃煤发电机组占全国总装机容量的7 8 ”1 ，预计到2 0 3 0 年煤电机组的比重仍将高达6 0 以上。 丰富的煤炭资源一方面是中国经济可持续发展的基础，但是另一方面煤炭燃烧生成大量对大气 产生严重危害的大气污染物，如粉尘、s 0 2 、n o 。等，同时还将排放大量的温室气体c ( h 。中国工程院 的研究报告显示，我国二氧化硫、二氧化碳排放量的8 5 ，烟尘的7 0 均来自于燃煤。据统计，大 气污染造成的经济损失占g d p 的3 7 ，如不能得到有效控制。至0 2 0 2 0 年，仅燃煤污染导致的疾病 需付出的经济代价将达3 9 0 0 亿美元，已成为我国大气污染的主要来源。如果再不进行煤炭清洁利埘， 将使我国区域性污染日益加重，生态环境持续遭到严重破坏，在国际上也将承担越来越大的环境压 力。2 0 0 5 年2 月1 6 日，作为联合国历史上首个具有法律约束力的温室气体减排协议“京都议定书” 正式生效，该议定书中规定所有发达国家将在2 0 0 8 到2 0 1 2 年间，使他们的全部温室气体排放量比1 9 9 0 年减少5 2 ，限排的温室气体包括二氧化碳( c o , ) 、甲烷( c 儿) 、氧化亚氮( n 2 0 ) 、氢氟碳化物( h f c s ) 、 全氟化碳( p f c s ) 、六氟化硫( s f 6 ) ，虽然中国目前没有减排的义务，但中国的温室气体排放量仅次 于美国已经居于世界第二“，当前经济又在快速发展，中国的c o z 排放量也将快速增长，面临全球 减排温室气体呼声的压力也将越来越大，而煤炭燃烧是c 0 2 排放的主要来源。我国能源中长期发展规 划指出的能源发展战略( 2 0 0 4 2 0 2 0 年) ( 草案) 是：“坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新 能源全面发展的战略”，其中“煤炭合理高效经济清洁技术”被列为七个能源科技优先发展主题之 一，因此开展煤的高效、清洁利用是解决我国大气污染问题的重要途径。事实上，大规模的燃煤发 电有利于煤炭的高效和清洁利用。2 0 0 0 年我国发电用煤量占煤炭产量的5 2 9 ，2 0 0 2 年为5 3 5 ， 而2 0 0 2 年美国发电用煤占煤炭消费的9 1 8 ”1 ，根据国民经济发展对电力需求的总目标以及煤电占 这个能源结构比例的变化预测，至2 0 3 0 年我国发电用煤比例将占全国煤炭产量的6 8 4 i s t 仍然低 于发达国家7 0 - 8 0 的比例。目前我国发电煤耗高出发达国家1 5 2 0 ，燃煤发电引起的环境污染s 0 2 和n o , 的排放占总排放量的4 0 5 0 ，导致环境污染严重，可持续发展面临较大压力。如果说2 0 0 2 年 有7 5 亿吨煤用于发电，至2 0 3 0 年则至少有1 8 亿吨煤用于发电，由此可见大力发展高效率、低污染的 洁净煤发电技术对于我国的迫切性远大于其他国家。 1 2 洁净煤发电技术国内外研究发展状况 随着世界石油价格的不断上涨，能源危机日益严峻，煤炭清洁合理利用再次引起人们的普遍关 注，近年来世界各国都在竞相发展各种高效率、低污染的洁净煤发电技术。近期世界上正在大力发 展的洁净煤发电技术( 指正在应用或近期有望实现较大规模商业应用的) 主要有：常规燃煤电站加 尾部脱硫脱硝( p c + f g d + d e n o x ) 、循环流化床技术( c f b ) 、增压流化床技术( p f b c - - c c ) 、整体煤 气化化i g c c 技术、部分煤气化技术( a p f b c - - c c ) 技术等”。 东南大学博士学位论文 1 2 1 燃煤蒸汽循环发电系统 为了实现煤炭高效、清洁利用，简单的蒸汽循环燃煤发电系统主要通过提高电站的工作参数， 发展超临界、超超临界参数的大容量机组提高热效率。对于常规煤粉电站采用石灰石一石膏湿法脱 硫为主的尾部脱硫技术( f g d ) 以及低n o x 燃烧和催化、非催化烟气脱硝技术( d e n o x ) 实现沽净化 发电，另外通过开发循环流化床( c f b c ) 发电技术实现清洁燃烧、低污染排放。 1 2 i 1 超临界常规燃煤电站加尾部脱硫脱硝( p c + f g d + d e n o x ) 经过近四十年努力，超临界技术日趋成熟，可靠性与亚临界机组基本等同，热效率明显提高， 可达到4 1 以上。随着超临界机组技术的成熟、可用率提高及耐热材料研制成功，近十几年来世 界发达国家开始研制更高参数的发电机组，即超超临界( u s c ) 机组，其热效率超过4 3 “，世界 范围内投产的u s c 机组约有6 0 余台。目前超超临界机组的单机容量可达到1 0 0 0 m w 以上，与其它洁 净煤发电技术相比技术上较成熟，可大大降低机组的单位造价。而且为了达到环保要求，则采用高 效烟气脱硫脱硝( f g d + d e n o x ) 和除尘技术来降低污染物排放，其环保性能可达到第一代c f b c 和 p f b c - - c c 的水平。当前我国己投入运行和在建的超临界机组有6 0 0 0 删，均为进口机组，并已选定河 南沁北电厂2 6 0 0m w 作为超临界机组国产化的示范项目。而且近年来我国也在大力发展超超临界 u s c 机组，目前华能玉环电厂、华电邹县电厂正在进行工程建设，到2 0 1 0 年我国将有近l o 台1 0 0 0 删 超超临界u s c 燃煤机组投产。 i 2 1 2 常压循环流化床( c f b ) 发电技术 流化床燃烧技术具有清洁燃烧、低污染排放，燃料适应性强，燃烧效率高和负荷适应性好的技 术特点“”，常压循环流化床( c f b ) 发电技术由于仍然是单纯的蒸汽循环发电，因此供电效率与常规 煤粉电站相比并没有明显的优势，而且低于增压流化床联合循环( p f b c - - c c ) 发电，但是其技术成熟 度高，世界上已实现商业化和大型化，其中2 0 万k w 级的c f b 锅炉总装机容量已达到5 0 0 0 m w “”， a l s t o m 公司制造的g a r d a n n e 电厂2 5 0 m wc f b 锅炉已于1 9 9 5 年投运，美国、韩国等国家的2 0 0 m w 等级的c f b 锅炉相继投运，f w 公司为美国j a c k s o n v i l i e 电厂制造的3 0 0 m wc f b 锅炉也在2 0 0 2 年 投运。随着循环流化床的大型化和2 5 0 m w 再热循环流化床的顺利运行，国内外开始进行超临界循环 流化床锅炉的研究。我国从“八五”计划期问开始研究c f b 发电技术，在引进中小型c f b 锅炉制造 技术和消化吸收的基础上，目前已经实现i o o m w 级c f b 锅炉国产化。国家“十五”攻关项目“大型 循环流化床锅炉产业化技术开发”正致力于1 3 5 t 唧等级的c f b 锅炉的研究开发及产业化当前我国 正引进设计制造技术，在四川白马建设3 0 0 m w 等级循环流化床示范电站。 1 2 2 燃煤的燃气一蒸汽联合循环发电系统 提高蒸汽初参数可较大幅度提高蒸汽循环发电的系统效率，但是由于一方面蒸汽初参数仍然受 材料性能限制，而背压受到环境温度的限制，发电热效率提高受到朗肯( r a n k i n e ) 循环晟大热效率 的限制。为了能进一步提高燃煤发电系统的能源利用率世界发达国家竞相在蒸汽循环发电基础上 开展燃煤的燃气一蒸汽联合循环发电技术。众所周知，燃气一蒸汽联合循环是朗肯( r a n k i n e ) 循环 和布雷登( b r a y t o n ) 循环的叠置，从而可获得较高的循环效率。目前最具发展前景的燃煤的燃气一 蒸汽联合循环发电技术包括整体煤气化化联合循环( i g c c ) 发电技术，增压流化床联合循环( p f b c c c ) 发电技术，燃煤部分气化联合循环( a p f b c - - c c ) 发电技术等。 i 2 2 i 整体煤气化化联合循环( i g c c ) 发电技术 整体煤气化联合循环( i g c c ) 发电技术已经有三十多年的发展历史“”1 ，世界上实际建成纯粹 以发电为目的并在运行和调试的i g c c 电站有5 座，实际运行的供电效率最高达到4 2 4 3 。 运行可用率达到8 0 左右，脱硫效率可达到9 8 以上，污染物排放远远低于n s p s 标准。第二代商 业示范型电站特点是采用空气或富氧作气化荆，干式供煤，热煤气净化( 或冷煤气净化) ，并进一步 2 第一章绪论 提高燃气轮机燃气初温，目标是将效率提高到4 4 4 7 ，我国从1 9 9 4 年开始对i g c c 示范工程进 行预可行性研究。国家电力公司也计划在山东烟台电厂建设一座容量为3 0 0 4 0 0 姗的i g c c 示范电 站。 当前i g c c 电站主要缺点是电站的比投资费用高，最低为$ 1 5 1 1 k w ，发电成本较大，供电效率还 有待进一步提高。由于i g c c 作为纯粹的发电站具有一定的局限性，因此近年来世界各国正积极开展 i g c c 技术与化工工业流程相结合的生产研究。形成一个以煤气化为核心的多联产的能源系统，同 时实现进一步降低化工产品和电能的成本。据文献报道”，在西班牙正在建设一座发电功率为 8 0 0 m w 的i g c c 多联产联合体；在意大利的s a n a z z a m 和美国的l a k ec h a r l e s 炼油厂内也分别将建设 一座多联产联合体，由此可见i g c c 技术已经在化工工业联合体中逐渐进入大型商业化的道路，井显 示出比单纯作为发电具有更大的优越性。 l - 2 2 2 增压流化床联合循环( p f b c c c ) 发电技术 在常压流化床基础上发展起来的增压流化床联合循环( p f b c - c c ) 发电技术是煤在增压的流化床 锅炉( p f b ) 内燃烧，产生的高温高压烟气经除尘直接进入燃气轮机发电，燃气轮机排气进入余热锅 炉和p f b 锅炉，产生的蒸汽推动汽轮机发电，从而组成联合循环发电系统 1 7 - 1 a 2 0 1 2 1 op f b c - - c c 发电技 术的特点是p f b 锅炉燃烧效率高，具有很强的燃料适应性，炉内加入石灰石可实现炉内脱硫，脱硫效 率可达9 0 以上，而且由于p f b 采用低温燃烧技术( 8 5 0 - - 9 0 0 ) 可有效抑s u n o x 生成，具有较好 的环境性能。系统结构紧凑。在相同的蒸汽参数条件下，与常规煤粉电站和常压循环流化床锅炉电 站相比，可提高发电效率3 4 个百分点。增压流化床燃烧技术于二十世纪六十年代末在英国开创 ”，经过2 0 多年的研究和发展，二十世纪九十年代初，瑞典a b bc a r b o n 公司在世界上率先推出了 p f b c - c c 商业示范装置- - p 2 0 0 ，目前已有6 套p 2 0 0 型p f b c c c 机组正式投运“。1 9 9 9 年1 0 月，世界上 最大的p f l 3 c - c c 发电机组由a b bc a r b o n 公司生产的p 8 0 0 型，总功率3 6 0 m w 机组在日本的k a r i t a 电 站正式投运。，2 0 0 0 年7 月转入商业运行，实现了p f b c - c c 的大型化及长时间无故障满负荷运行。我 国于二十世纪八十年代初由国家科委立项，在东南大学也开始了实验室规模的p f b c - - c c 技术研究。 二十世纪九十年代初，在十年的实验室研究基础上，开展了中试规模的p f b c - c c 电站技术研究，并被 列为国家“八五”、“九五”重点科技攻关项目，在徐州贾汪发电厂建成了一套总发电量1 5 m w e 的p f b c c c 中试机组。2 0 0 0 年1 2 月实现了整套机组7 2 d , 时连续稳定运行，并累计运行约1 0 0 0 d , 时。 第一代p f b c - c c 发电技术的最大弱点是其流化床内的燃烧温度在9 0 0 左右，这从根本上限制 了燃气透平的入口温度，使燃气透平的进口温度不能大于8 7 0 ，从而阻碍了燃气布雷登循环效率 的进一步提高，以致整个p f b c c c 发电净效率难以超过4 2 。为了进一步提高系统效率，近年来在 第一代p f b c - c c 基础上，世界各国竞相开展了第二代p f b c - - c c 发电技术( a p f b c - - c c ) 研究，也称 为燃煤部分气化联合循环发电技术。 1 2 2 3 第二代p p b c c c 联合循环发电技术 第二代p f b c - - c c 联合循环发电技术( 2 gp f b c - - c c 或a p f b c - - c c ) ，也称为煤增压部分气化联合 循环发电技术( p g f b c - - c c ) ，其概念最早是由英国c r e ( c o a lr e s e a r c he s t a b l i s h m e n t ) 提出的，称 之为t o p p i n gc y c l e 。基本思想是煤首先在碳化炉或部分气化炉内干馏或部分气化为低热值煤气， 经高温过滤式除尘器净化后进入燃气透平前的前置燃烧室进行燃烧，产生高温燃气。在碳化炉或部 分气化炉中未气化的半焦有两种方案：进入增压流化床( p f b ) 燃烧室或常压循环流化床( c f b ) 进一步 燃烧，半焦在c f b 燃烧室中产生的燃气直接排入大气，而半焦在p f b 燃烧室中产生的烟气经过过滤 式除尘器后，和前置燃烧室产生的高温燃气混合进入燃气透平，这使得燃气透平前的温度可提高剑 1 1 5 0 c 以上，从丽较大幅度提高了联合循环中燃气的布雷登循环部分的循环效率，使得煤部分气化 联合循环发电系统净效率可达到4 5 4 8 ”1 。近年各国研究者在此基本思想上发展了各具特色的 煤部分气化技术路线。 3 东南大学博士学位论文 图l l 空气鼓风气化循环系统a b g c 流程图 英国g r i m e t h o r p e 展早在二十世纪九十年代初完成了实验室规模顶置循环( t o p p i n gc y c l e ) 项目 研究，1 9 9 3 年4 月成立了洁净煤发电集团公司( c c p g g ) ，由通用电气a l s t o m 、欧洲燃气轮机有 限公司，斯坦因工业股份公司以及英国煤炭技术开发部和发电公司联合开发空气鼓风气化循环 ( a b g c ) 发电技术“”，在9 0 年代中后期已完成中试研究。其系统特点是气化工艺为鼓风加压 喷射床部分气化，产生的低热值煤气冷却至4 0 0 过滤；气态污染物可用相适宜的吸收剂及催 化剂脱除至最低。半焦在常压循环流化床中燃烧产生蒸汽，系统流程如图l l 所示”。 美国f o s t e rw h e e l e r 公司在8 0 年代末提出了煤的增压部分气化和增压半焦燃烧的a p f b c - - c c 技术系统“”“”，在a l a b m a 州w i l s o n v i l l e 建立了工程试验规模装置( p s d f ) ，其系统特点是经 过空气压缩机增压的空气直接分别进入部分气化炉和p f b 半焦燃烧锅炉，部分气化炉和p f b 出 口分别设置高温过滤式除尘器净化煤气和燃气，系统流程如图1 2 所示。此外，美国c c t 计划 安排将佛罗里达州l a k e l a n dm o i n t o s h 电站的4 # 机组改造成a p f b c - - c c 商业示范项目，电站 设计净发电量为2 4 0 m w e ，原计划于2 0 0 5 年7 月投运，2 0 0 7 年完成验证计划。由于美国p s d fi = 程试验装置未能够全系统运行，遇到的最大困难是部分气化炉出口的煤气进入陶瓷过滤器的设 计温度过高( 达到9 7 0 c ) ，引起严重堵塞。为了解决此问题，计划将进入过滤式除尘器的温度 降至7 6 0 。c 或5 4 0 c ，商业验证计划也因此搁浅。二十世纪九十年代末至本世纪前两年石油和天 然气价格低，美国等发达国家新上电站大多采用天然气发电，部分气化联合循环a p f b c - - c c 洁 净煤发电技术发展势头曾受到很大遏制，然而近两年石油和天然气价格大幅上涨，因此煤炭开 采和煤炭发电又呈现上升趋势。美国能源部矿物能办公室在2 0 0 4 年8 月发布将a p f b c - c c 开发 计划“”列入2 l 世纪电站候选核心技术，提出在2 0 1 5 年将开发完成发电效率达到5 0 ，投资成 本每千瓦低于$ 1 0 0 0 的发电系统。 4 第一章绪论 图1 - - 2 美国f o s t e rw h e e l e ra p f b c - - c c 发电系统流程图 与此同时，日本也在积极开展a p f b c 研究，且属于日本正在实施的六种煤的洁净利用计划之一。 由日本通产省资助，日本煤炭利用中心( c c u j ) 牵头，联合e p d c 以及c e p c o 等单位联合于1 9 9 6 年开始a p f b c 中试试验研究“”，在九州若松( w a k a m a t s u ) 研究所建成一套输入为5 m w t 等级的 a p f b c 中试研究系统。该研究项目2 0 0 1 年开始投入试验运行，到2 0 0 2 年底共进行了1 4 次试验， 目前该试验装置已能够正常运行。日本提出的a p f b c 系统也采用煤的增压部分气化和增压半焦 燃烧技术，该系统流程如图1 - 3 所示。其最大的特点是空气经压缩机后首先全部进入p f b 半焦 燃烧锅炉，出口的高温高压燃气再进入部分气化炉，利用过剩空气和过热蒸汽实现煤的气化， 该系统因此可减少一套高温过滤式除尘器，简化了系统，而且高温烟气给气化炉带入大量显热， 减少了气化空气量，但是烟气中含有较大比例的c 0 2 和，因此将导致煤气热值降低。c c u j 在 对总发电量为4 7 0 m w 的商业验证电站的概念设计中预测，该电站系统的净发电效率可达到4 6 ， 具有诱人的商业应用前景。 图1 - - 3 日本a p f b c - - c c 发电系统流程示意图 我国在“八五”期间就开始开展实验室规模的煤部分气化研究，在国家科委支持下，上海成套 所和北京煤化所合作在3 0 0 m m 直径的增压部分气化炉上试验取得4 m j n i l l 3 低热值煤气，并在燃烧 室中燃烧煤气达1 1 0 0 ( 2 。1 9 9 9 年，煤的部分气化联合循环发电技术研究列入国家重点基础发展 规划项目“煤的热解、气化、高温除尘过程关键问题基础性研究”，其中二级课题“煤转化 东南人学博士学位论文 新过程概念验证及过程的优化集成”是对a p f b c - - c c 核心技术之一的煤部分气化技术进行实验 室规模的试验研究和验证。由浙江大学、中科院山西煤化所、东南大学分别对常压部分气化 常压半焦燃烧、增压部分气化常压半焦燃烧和增压部分气化增压半焦燃烧进行实验室规模验 证试验，验证结果均达到预期目标。在东南大学建成了2 1 1 ；r t 的煤增压部分气化试验装置，气 化炉内径4 5 0 r a m ，床高1 0 2 m ，试验压力0 5 m p a ，煤处理量3 5 0 k g h ，气化温度9 5 0 9 8 0 ， 在该试验装置上成功完成了煤部分气化验证试验，碳转化率达到7 0 ，煤气高热值为4 5 2 4 6 7m j n m 3 。山西煤化所在中2 0 0 m m ，床高4 7 2 m ，试验压力1 0 m p a ，煤处理量1 0 0 k g h 的增 压部分气化炉研究了压力、温度、气氛等对气化特性影响，取得了预期的规律性结果”。 此外，g l o z z a ”“，韩安沛。1 等人也提出了具有各自特点的增压部分气化常压流化床半焦燃烧的 联合循环发电系统，但由于一种是燃气透平的排气全部进入a f b 锅炉”，一种是采用空气一蒸 汽双工质锅炉”，二者均造成锅炉体积庞大，系统阻力增加，降低了系统净效率，不利了：系统 的经济性能提高。 1 2 2 4 第二代a f b c c c 联合循环发电技术 相似于煤增压部分气化联合循环发电技术的另一技术途径是第二代a f b c - - c c 联合循环发电技 术，即采用煤常压部分气化，生成的低热值煤气，经低温除尘净化后需增压进入前置燃烧室燃烧， 产生高温燃气推动燃气轮机发电，而产生的半焦则进入常压流化床燃烧，产生蒸汽发电。目前我国 浙江大学对煤的常压气化常压燃烧技术开展了较多的研究”“。该系统的优点是可回避高温过滤器 的困难，常压流化床技术较成熟，但是由于煤气需低温冷却，损失了热能，而且煤气增压系统将增 加厂用电耗能，因而系统效率必然降低，有碍系统的经济性能提高。 由上述对几种煤的洁净、高效发电技术的概要介绍和分析可见：( 1 ) 超超临界常规煤粉 ( p c + f g d + d e n o x ) 仍将是当前适合发展的主流技术，短期以内具有其它技术难以替代的地位，但其 终究受到蒸汽参数的限制，获得超过4 5 的发电净效率有相当的难度。常压c f b 电站是燃煤蒸汽循 环电站的一种补充，要达到更高的发电效率同样受到限制。若要取得更高的发电净效率和洁净程度， 大力发展燃煤联合循环发电技术是必然趋势。( 2 ) 1 g c c 发电技术，对于环境污染程度可达到很低限 度，发电净效率也己达到4 2 4 3 。目前由于它的投资和运行费用偏高，厂用电大，发电净效率 要达到4 5 也存在很大困难，作为独立电站尚缺乏明显优势。但是i g c c 与化工工业联合构建多联 产系统，可更大的发挥i g c c 系统特有的优越性，实现与多联产结合的煤气化联合循环发电却是最佳 途径，因而是当前世界上煤的高效洁净利用技术的重要发展方向。( 3 ) p f b c - - c c 联合循环发电技 术由于受到燃气轮机入口温度的限制，提高发电净效率相比同参数常规煤粉电站难以超过3 个自分 点，使得市场发展前景受到一定的影响。( 4 ) a p f b c - - c c 发电技术是发电净效率能接近5 0 ，投 资运行费用和环境综合指标具有竞争力的燃煤发电新技术，虽然目前尚未实现a p f b c - - c c 发电系 统的商业运行，但在技术上已不存在实质性障碍，因此对a p f b c - - c c 发电系统进行关键技术研究的 同时也亟需对多种技术方案进行技术经济及环境影响的综合性能分析与评价。 1 3 系统综合性能评价方法 二十世纪九十年代之前，人们对发电系统的性能评价主要通过“热平衡法”从热力学角度进行 热力性能分析，和通过发电成本以及投资同收期为核心进行经济性能分析，因此对发电系统的评价 仅限于能源的开发、利用效率以及单纯的经济成本，很少注重发电系统从燃料开采到电力获取整个 过程对环境产生的不良影响。进入上世纪9 0 年代后，环境污染日益严重，环境保护已成为世界普遍 关注的问题，对发电系统的评价不再只满足于热力性能和技术经济性能分析，迫切需要将环境影响 分析引入其中，以建立环境友好的发电系统”。因此环境影响指标是综合性能评价的重要指标之 6 第一章绪论 在环境影响评价中，1 9 9 0 年首次提出的生命周期评价法( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，日p l c a ) 已 成为环境经济学环境影响分析的有效工具，其含义是：通过对能源、原材料消耗及污染排放的识 别与量化，来评估有关一个产品的过程或活动的环境负荷的客观方法，该方法对“产品”( 产品、生 产和服务) “从摇篮到坟墓”的整个生命过程造成的所有环境影响进行分析评估。近年来国内外学者 逐渐引入生命周期评价法( l c a ) 进行发电系统性能综合评价1 。对发电系统进行l c a 评价，不仅 考虑发电过程污染物排放的环境影响，而且还需考虑发电上游燃料开采过程，甚至电力输送以及电 站建设原材料消耗造成的环境影响，因此对发电系统的环境影响因素考虑的更加全面。但是目前电 站系统生命评价方法通常没有将污染损失货币化，往往独立于经济成本进行分析比较，而难以直接 反映到发电成本中。目前采用l c a 评价方法将环境影响成本货币化，并与内部成本相结合从而获得发 电真实成本的综合评价则少有报道。 1 4 课题主要研究内容 本所长期从事p f b c - - c c 发电技术的开发研究，从上世纪九十年代起就已关注a p f b c - - c c 技术的 发展，并在九十年代后期建立了a p f b c - - c c 技术中的关键设备之一的煤部分气化试验装置及系统 ( 2 m w t 热输入) ，1 9 9 9 2 0 0 4 年，承担了国家9 7 3 项目“煤转化新过程概念验证及过程的优化集成” ( 项目编号g 1 9 9 9 0 2 2 1 0 5 ) ，开展了“煤转化新过程的环境影响和技术经济分析”专题研究。 鉴于上述的技术和项目背景，确立了本论文的选题方向：研究a p f b c - - c c 联合循环发电系统的 技术经济和环境综合性能，以期为我国发展洁净煤发电技术的新方向提供参考依据。 论文主要研究内容包括： ( 1 ) 基于总能系统概念，根据系统