（环境工程专业论文）区域热电联产与环境质量改善的研究.pdf

哈尔滨t 业大学工程硕士学位论文 摘要 对于一个能源消费以煤为主的发展中国家，在有条件的地区发展热电联产 集中供热，是节约能源、改善环境和提高人们生活质量的有效措施，符合国家 的节能和环保政策，是国家鼓励发展的产业。 本论文对牡丹江第二发电厂的污染源和周围区域环境污染进行了调查，表 明如果该厂由单一的发电改为热电联产，并对周围三个区域实行集中供热，工 厂不仪提高热能效率，而且可撤除供热区内1 7 7 台燃煤锅炉和1 7 3 座烟囱。按 照目前供热面积4 2 0 8 5 x 1 0 4 肝计算，三个区域可减少燃煤量3 6 x 1 0 4 t a ，考虑未 来几年三个区域建筑面积将增大到8 0 0 x 1 0 4m 2 ，则可减少燃煤量6 8 4 x 1 0 。所 带来的整个区域污染物排放量大大减少，其中，就现状而言，烟尘排放量可减 少1 3 6 0 t a 、s 0 2 排放量可减少1 9 2 0 t a 、n o x 排放量可减少1 3 0 0 t a 、坎渣量可减 少1 1 0 0 0 t a 。考虑供热区的供暖面积规划增加到8 0 0 x 1 0 4m 2 ，上述污染物可分别 削减2 5 8 4t a 、3 6 4 8t a 、2 4 7 0t a 和2 0 9 0 0 0t a ，这将导致周围的环境质量有较大 的改善。 本文对牡丹江第二发电厂实现热电联产的方案进行了优化研究，即对电厂4 台1 0 0 m w 机组进行再造，实行热电联产，在原n 1 0 0 9 0 5 3 5 型汽轮机基础上， 改为双抽机，通流部分采用全三维流场设计，以0 8 - 1 3 m p a 抽汽为非调整抽汽， 0 2 4 5 m p a 抽汽为调整抽汽，采用回转隔板用来调节抽汽压力和流量。对其实行 热电联产后产生的节能效益、环保效益进行详细的分析论证，可以看到将这些 老机组改造为集中热的热电联产机组，可以扩大电厂的功能，提高电厂的经济 效益，按照集中供热三个区域规划的采暖面积来计算，电厂年节约标准煤 2 8 5 x 1 0 4 t a 。 本文还对牡丹江第二发电厂生产现状及实行热电联产后进行了清洁生产评 价，建立了清洁生产评价指标，将清洁生产水平分为三级( 分别为国际先进水 平、国内先进水平和国内一般清洁水平) ，研究表明，牡丹江第二发电厂目前清 洁生产水平为介于二三级之间，处于国内先进和国内一般清洁生产水平之间。 其中，在生产工艺与装备要求方面，基本介于国内一般水平。在资源利用指标 情况方面，基本介于二三级之间的水平。在污染物产生指标情况方面，介于二 哈尔演t 业大学工程硕士学位论文 三级水平。在综合利用指标情况方面，属于一二级水平。在环境管理要求指 标情况方面，介于清洁生产标准的二三级之间的水平。牡丹江第二发电厂实 行热电联产，厂内清洁生产水平没有显著提高，其整体水平没有升级。 关键词牡丹江第二发电厂；区域热电联产：集中供热：环境保护；清洁生产 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a ne f f e c t i v em e a s u r eo fs a v i n ge n e r g yr e s o u r c e sf o rad e v e l o p i n gc o u n t r yi n w h i c hc o a li ss t i l lm a i ne n e r g yc o n s u m p t i o ni sd e v e l o p i n gc o g e n e r a t i o no fh e a ta n d p o w e rc e n t r a lh e a t i n gi na n yc o n d i t i o n e dr e g i o n s t h ep r i m a r yb e n e f i t si n c l u d e i m p r o v i n ge n v i r o n m e n tq u a l i t ya n dp e o p l e sl i f el e v e l i t sc o m p l y i n gw i t hc o u n t r y s e n e r g ye f f i c i e n c ya n d e n v i r o n m e n t a lp o l i c i e s i ti st h ei n d u s t r yt h a ti se n c o u r a g e dt o b ed e v e l o p e db yo u rc o u n t r y t h ed i s s e r t a t i o ns u r v e y e da n da n a l y z e dt h ec o n d i t i o n so f t h ep o l l u t i o nr e s o u r c e s a n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni ns u r r o u n d i n go fs e c o n dp o w e rp l a n to fm u d a n j i a n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh e a te f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o ni sn o to n l yi n c r e a s e d ，b u t a l s oo r i g i n a l1 7 7c o a lf i r e db o i l e r sa n d1 7 3c h i m n e y si nt h r e ec e n t r a lh e a t i n gd i s t r i c t s c a nb ed i s m a n t l e d b a s e do np r e s e n ts u p p l y i n gh e a ta r e ao f 4 2 0 8 5 x 1 0 4 m 2 ，t h e3 6 x 1 0 4 t a o f c o a lc o n s u m ec a nb er e d u c e di nt h r e ec e n t r a lh e a t i n gd i s t r i c t s i nt h es e v e r a ly e a rf u t u r e ， t h e 6 8 4 x 1 0 4 t ao f c o a lc o n s u m ec a n b e r e d u c e d ，p m f i d i n gs u p p l y i n g h e a ta r e a o f 8 0 0 x 1 0 4 m 2 a tp r e s e n t ，t h ep o l l u t a n t sd i s c h a r g ec a l lb ec o n s i d e r a b l yr e d u c e di nt h r e ec e n t r a lh e a t i n g d i s t r i c t s ，e s p e c i a l l y , s m o k ed u s t ，s o x ，n o xa n dl i m e - a s hc a nr e d u c e d13 6 0 t a ， 1 9 2 0 “a ，1 3 0 0 “aa n d1 1 0 0 0t ar e s p e c t i v e l y a b o v e t h ed i s c h a r g ep o l l u t a n t sc a nr e d u c e d 2 5 8 4 t a ，3 6 4 8 f f a ，2 4 7 0 “aa n d2 0 9 0 0 0v ar e s p e c t i v e l y , w h e ns u p p l y i n gh e a ta r e ai s i n c r e a s e dt o8 0 0 x1 0 4m 2 s ot h a t ，a i rq u a l i t yi nc i r c u m s t a n c ed i s t r i c to fs e c o n dp o w e r p l a n to f m u d a n j i a n gc a nb eg r e a t l yi m p r o v e d t h ed i s s e r t a t i o no p t i m i z e dt h es c h e m eo f c o g e n e r a t i o no f h e a ta n dp o w e r , t h a ti s ， t h ef o u r1 0 0 m w g e n e r a t i n gu n i t sa r eu s e dt oc a r r yo u tt h ec o g e n e r a t i o no fh e a ta n d p o w e r , a n do r i g i n a ln 1 0 0 9 0 5 3 5t y p es t e a mt u r b i n ei s s u b s t i t u t e d b y d o u b l e w h i p m a c h i n e l i n k - c u r r e n tp a r ti sd e s i g n e db yt h r e e - d i m e n s i o n a lf l o wf i e l d t h e t a k i n go u tg a s e s i sn o n a d j u s to n eb e t w e e no 8t o1 3 m p aa n da d j u s to n eo f 0 2 4 5 m p a r e s p e c t i v e l y t h ep r e s s u r ea n df l u xo ft a k i n go u tg a s e sa r ea d j u s t e db y g y r a t i o nb a f f l ep l a t e b ya n a l y z i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o nb e n e f i ta n de n v i r o n m e n t a l 1 i i b e n e f i to fc o g e n e r a t i o no fh e a ta n dp o w e r ，c e n t r a lh e a t i n gb o t he n l a r g ep o w e rp l a n t s e r v i c ef i m c t i o na n de c o n o m i c a lb e n e f i t ，a n dp o w e rp l a n ec a r ls a v e2 8 5 x 1 0 4 t ao f c o a l ，a c c o r d i n gt op l a n n i n gs u p p l y i n gh e a ta r e a t h ed i s s e r t a t i o na s s e s s e dc l e a np r o d u c t i o nl e v e lo fc u r r e n tp r o d u c t i o n s i t u a t i o na n dc o g e n e r a t i o no fh e a ta n dp o w e ro ft h es e c o n dp o w e rp l a n to f m u d a n j i a n g t h ea s s e s s m e n ti n d i c e so fc l e a np r o d u c t i o ni se s t a b l i s h e d ，t h a ti s ， c l e a np r o d u c t i o nl e v e li sd i v i d e dt h r e eg r a d e so fi n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l ， d o m e s t i ca d v a n c e dl e v e la n dd o m e s t i cg e n e r a lc l e a nl e v e l t h ea s s e s s m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a tc l e a np r o d u c t i o nl e v e lo fc u r r e n tp r o d u c t i o ns i t u a t i o ni nt h e s e c o n dp o w e rp l a n to fm u d a n j i a n gi sb e t w e e nd o m e s t i ca d v a n c e dl e v e la n d d o m e s t i cg e n e r a lc l e a nl e v e l t h ec o n c r e t ed e t a i l s ，t h ei n d i c e so fp r o d u c t i o n p r o c e s sa n de q u i p m e n t s ，r e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，d i s c h a r g eo fp o l l u t a n t s a n d e n v i r o n m e n t a la d m i n i s t r a t i o na r er e s p e c t i v e l yb e t w e e nd o m e s t i ca d v a n c e dl e v e l a n dd o m e s t i cg e n e r a lc l e a nl e v e l ，a n di n d e xo fc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o ni s b e t w e e ni n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e la n dd o m e s t i ca d v a n c e ec l e a nl e v e l h o w e v e r ，c l e a np r o d u c t i o nl e v e la f t e rc o g e n e r a t i o no fh e a ta n dp o w e ro ft h e s e c o n dp o w e rp l a n to fm u d a n j i a n gi sn o tc o n s i d e r a b l yi n c r e a s e d ，a n di n t e g r a l l e v e lg r a d ec a r ln o tb ei n c r e a s e d k e y w o r d s t h es e c o n dp o w e rp l a n to fm u d a n j i a n g ；c o g e n e m t i o no fh e a ta n d p o w e r ；c e n t r a lh e a t i n g ；e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ；c l e a np r o d u c t i o n i v 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 人类社会的生产和生活实践证明，社会的发展就只能走可持续发展的战 略。其中能源、水源和环境是可持续发展战略的三大支柱。热电联产是解决 这三大问题的关键技术之一，因而在实施可持续发展战略中有其特殊的重要 性。 从能源的角度来看，文明用能是新世纪用能战略的基本原则。能源的损 失与浪费的原因很多，但其本质原因只有一个，那就是不可逆性。不可逆性 的定量表示，就是熵增。熵增降低了在给定环境下能源的可用性，其所降低 的值称为火用耗损。因此，在技术、经济与环境的客观制约下，与不可逆性 斗争减少熵增，减少火用耗损，就是文明用能的指南【lj 。 文明用能的一个最重要方面就是对热能的文明利用，因为近三分之二的 一次能源在终端利用中以热能的形式被消耗。热能属于低品位能量，又常以 高品位的化石燃料来供应，由于品位的严重失配，不可逆性极高，是社会能 源利用效率低下的量重要根源，所以要提高热能利用效率就必须发展“可逆 型供热系统”，可逆型供热可以有不同的实现方式，但只要是从化石燃料或 核燃料取得热能，则任何可逆型供热的实质必然是热电联产1 2 j 。 从生产者的角度，节能历来是降低成本，提高市场竞争能力获取经济效 益的基本手段之一，当节能对经济收益的效果不明显示时，节能就失去了动 力。另外，在一个高消费社会中的用户看来，他们主要关心的倒不是经济上 的花费，而是生活上的方便和舒适，所以单纯从经济收益和生活质量角度， 热电联产技术不一定是最好的选择，更不会是唯一的选择。然而如果把热电 联产与可持续发展战略联系起来，把热电联产与全求性的“环境与发展”问题 联系起来就有了全然不同的涵义。可持续发展战略赋与了热电联产以全新的 使命。因为在使用化石燃料供热的情况下要大幅降低c 0 2 等温室气体和其 它对环境有害的物质的排放量，基于热电联产的节能技术乃是唯一的选择。 因此，研究热电联产技术，发挥其巨大的节能潜力，大幅度地提高其资源效 益、环境效益和经济效益并与消费者生活质量有机地结合起来，对于实施可 持续发展具有战略的重要性。 随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，人们对热能的需求量越来 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 越大，对居住环境和周围环境的要求也越来越高，最大限度地减少烟尘对环 境的污染是治理和改善环境污染的重要手段之一。在城市环境实施可持续发 展的战略中，取消小锅炉房供热和一家一户的原始落后的小煤炉供热，大力 发展集中供热的优越性越发突现出来，成为现代化城市的重要基础设施的组 成部分，其发展核心体现了社会、经济、资源和环境之间的协调发展。集中 供热能从节约能源、改善环境质量、降低生产成本、提高供汽质量等各个方 面满足可持续性发展的要求。 1 2 热电联产集中供热的必要性 现代人的日常生活和大部分生产活动都是离不开热与电的。电，除极少 数自发自用外，绝大部分来源于电厂；热，除小部分来自热电厂外，大部分 来自锅炉房。锅炉产生的蒸汽参数决定于用户需要的蒸汽参数和管道输送所 产生的蒸汽压力损失，这种蒸汽一般为压力不高的饱和蒸汽。根据原机械工 业部1 9 9 5 年的统计资料，我国工业锅炉4 9 9 万台，容量总计1 1 9 8 x 1 0 4 t h ， 还有数不清的采暖小火炉。这不仅消耗了我国煤炭生产量的大部分，而且造 成环境污染。下面主要针对这两方面加以说明。 1 2 1 我国的能源消费情况 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭在我国一次能源的生产消 费中约占7 5 ，从煤炭、石油、天然气等矿物燃料的储量和开采量来看，我 国将在较长时间内保持以煤炭为主的能源结构形式，多年来，我国被燃用的 原煤占煤炭总产量的8 0 以上。据专家估计，到2 0 1 0 年，煤炭在我国一次 能源中仍将占6 0 ”j 。 当前我国的能源形势十分严峻，主要表现在能源年增长率约4 ，不能 满足国民经济年增长率8 1 0 的要求，能源缺口大。为了实现可持续性发 展，煤炭作为能源的利用方式必须改变，我们知道，不论工业生产热负荷还 是生活取暖热负荷，现在主要是利用锅炉燃烧煤实现的，在供热行业中提高 供热系统能效，降低能耗，降低造价是当前的主要任务。城镇范围建筑快速 发展，建筑能源消费增长迅速，1 9 9 6 年至2 0 0 0 年间，全国城镇新建住宅面 积共1 2 亿平方米，年均2 4 亿平方米。2 0 0 0 年至2 0 1 0 年，预计新建住宅面 积将达3 3 5 亿平方米。而采暖能耗约占总能耗的1 3 ，我国的能源结构又 决定了供热以燃煤为主。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 我国原煤的灰分较高，难选煤多，国有重点煤矿灰分平均在2 5 - 2 6 左右，入选原煤灰分约3 0 左右，随着采煤机械化程度的提高，原煤灰分、 矸石含量及粉末煤含量将进一步增加。我国原煤的高硫煤比例高，全国原煤 的平均硫分高达1 7 2 ，约有2 7 的原煤含硫量大于2 5 ，由于距离和运 输等问题，高硫低质的地方煤炭被广泛使用，多数被直接燃烧【4 】，而燃煤供 热方式中，较经济节能、环境效益较好的方式就是采用集中供热方式。目前， 许多城市为适应工业与民用热负荷的增长，寻求新的方式来改变区域锅炉房 的单机容量偏低、能源利用率低、热能浪费严重、供热成本高、环境恶化等 与可持续发展极不相称的境况。只有贯彻执行可持续发展的重大战略，才能 济建设、人口、资源、环境相协调，才能实现良性循环。 1 2 2 燃煤与大气污染 空气是维持生命存在的重要因素，在对流层大气中，正常人吸入的空气， 氧含量为2 0 9 3 2 0 9 4 ，二氧化碳为o 0 3 0 0 4 。而且每人每天大约呼 吸2 0 0 0 0 次左右，要吸入1 0 1 2 m 3 的空气，可见空气与生命的关系何等密切 s l 。从人类健康的角度评价大气污染物危害人类赖以生存的大气环境时，空 气污染是指当大气中的污染物含量所占百分比足以对健康舒适性、安全性， 或是对充分享有的环境特性产生干扰危害时的现象。空气污染物主要通过呼 吸、皮肤接触和消化道进入人体，对人体的免疫功能、呼吸道、心血管和中 枢神经系统等产生危害，还可能存在许多潜在和不可预测的后果。可以这样 说，如果人类居住的环境造成不可逆的破坏，我们就不可能在此环境中生活 下去【6 1 。我国长期以来能源保持以煤炭为主，致使大气环境呈现以烟尘、s 0 2 、 n o x 为主要特征的煤烟型污染，其中以烟尘和s 0 2 为主要污染物，它们的 排放量都超过了国家规定的排放标准。其中我国北方城市大气污染程度比南 方城市严重，冬季比夏季严重【”。同时由s 0 2 和c 0 2 产生的酸雨和温室效应 也不容忽视【引。由燃煤烟尘引起的大气污染，在全国的全年的时间里都处于 很高的水平，据统计，由生产和生活活动排入大气环境的烟尘有8 0 左右来 自燃煤，在燃煤排放的烟尘中，有8 0 是由燃煤工业锅炉排放的。排入大气 的s 0 2 ，其年增长率约为5 ，其中9 0 来自燃煤，由s 0 2 产生的酸雨面积 也在逐年扩大。 随着国民经济建设的迅速发展，我国的电力事业蒸蒸日上。目前，我国 的年发电量已跃居第二位，仅次于美国，其中火力发电量占总发电量的8 0 左右。在火电机组的燃料中，煤炭占9 5 ，这种状况在今后的十几年内不会 有大的变化，因为在已探明的一次能源储备中，煤炭仍是主要能源，这就决 定了发电能源以煤为主的格局。燃煤排入大气的n o x 约占各类污染源总排 放量的7 0 左右，占燃料燃烧总排放量的8 0 左右，燃煤排放的c o 占各类 污染源总排放量的7 0 以下，点燃料燃烧总排放量的9 5 以上pj 。火电厂大 气污染的排放对环境的污染日益严重，1 9 9 7 年，全国烟尘排放总量为1 8 7 3 万吨，s 0 2 排放总量为2 3 4 6 万吨，而其中主要来源于锅炉内煤的燃烧( 约 占3 1 ) 。 大气中总悬浮颗粒物( t s p ) 浓度的增加可导致大气能见度明显示下降， 太阳辐射损失明显增加，并影响人体呼吸系统。全国城市空气中t s p 普遍 超标，1 9 9 7 年全国城市t p s 年平均浓度为0 2 9 1 m g m 3 ，北方城市为 0 3 8 l m g m 3 ，南方城市为0 2 0 m g m 3 ，全国7 2 的城市超过环境空气质量二 级标准( 0 0 6 m g m 。) 。 大气中的n o x 浓度的增加会刺激人体呼吸系统、中枢神经系统，导致 肺气肿、麻痹和痉挛，使植物生长缓慢，叶面损伤。另外n o x 也是形成酸 雨的主要物质i l o 。1 9 9 7 年全国城市n o x 年平均0 0 4 5 m g m 3 ，北方城市为 o 0 4 9 m g m 3 ，南方城市为o 0 4 1 m g m 3 ，全国3 6 2 的城市超过环境空气质量 二级标准( 0 0 5 m g m 。) 。 由此可见，我国的空气污染仍以煤烟型为主，城市空气质量仍处在较重 的污染水平。显然，工业大气污染是国大气环境污染的主要原因，而工业锅 炉燃煤又是大气污染的重要组成部分。 1 2 3 工业锅炉燃煤 工业锅炉是我国重要的热能动力设备( 包括工业用蒸汽锅炉、采暖热水 锅炉、民用生活锅炉、自备热电联产锅炉、特种用途锅炉等) ，占锅炉总容 量的6 0 以上，其燃煤量占全国燃煤量的1 3 ，且工业锅炉主要集中在城市 和经济发达地区。工业锅炉的使用特点如下： 1 ) 数量多，分布广，使用分散，容量小，大多位于城市工业区和居民 区。如北京市在用工业锅炉4 t h 以下锅炉占总量的7 8 ，市区占全市工业 锅炉总量的8 l ； 2 ) 与人民生活息息相关。因工业锅炉大多在城市中，噪声、废气( 烟 尘、s 0 2 、c o 、n o x ) 、废渣等严重影响周围单位和居民的工作和生活，危 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 害群众身体健康及生活环境； 3 ) 烟囱低空排放，烟尘扩散能力差； 4 ) 燃煤以原煤为主，7 6 以上为原煤，燃油、燃气工业锅炉仅占工业 锅炉总容量的5 。燃煤供应品种变化大，煤质参差不齐； 5 ) 运行管理水平低，运行负荷低，排烟温度高，实际运行效率比鉴定 效率低1 0 左右，冒黑烟现象较普遍。 工业锅炉因燃煤对大气环境造成的污染是不容忽视的，其主要原因有以 下几点： 1 ) 锅炉设计水平偏低。国家环保局颁布的锅炉大气污染物排放标准 规定，将锅炉烟尘排放浓度由原来的l 、2 、3 类地区的2 0 0 m g m 3 、4 0 0 m g m 3 、 6 0 0 m g m 3 改变为1 0 0 m g m 3 、2 0 0 m g m 3 、3 5 0 m g m 3 ，层燃炉原始排尘浓度不 得大于1 8 0 0 2 2 0 0 m g m 3 。据调查国内近几年开发的工业锅炉，其排烟过剩 空气系数a = 1 8 时原始排尘浓度最高的产品达3 0 0 0 m g m 3 ，平均原始排尘浓 度也在2 2 0 0 m g m 3 ，与国家标准有一定差距； 2 ) 锅炉烟尘排放浓度偏高。目前国外工业锅炉层燃烟尘排放浓度在 5 0 1 0 0 m g m 3 ，而我国大多在1 5 0 4 0 0 m g m 3 ，离国外先进水平和国家标准 均有不小的距离。究其原因，除应提高锅炉设计水平，采用炉内强化燃烧， 炉内降尘等技术措施。国外工业锅炉保证热效率，保证除尘器除尘效率，也 是减少大气污染的重要措施。国外工业锅炉保证热效率为7 0 8 5 ，而据 广州、兰州、上海等城市运行锅炉随机测试，平均效率仅为5 0 5 7 7 6 ， 比其产品鉴定热效率降低5 1 0 以上，这一现象十分普遍。因为正常运行 时很难达到鉴定时的比较理想的状态，因而实际运行热效率和环保指标应是 真正反映该锅炉产品性能的指标； 3 ) 工业型煤和炉前成型煤技术研究进展缓慢。试验证明，用型煤代原 煤燃烧可使工业锅炉提高热效率5 ，节煤7 ，降低烟尘5 0 6 0 ，还可 部分脱硫。但由于集中供应工业型煤将加大用户成本，生产企业一次性投资 较大等问题，多年来难以推广。炉前自成型煤使用方便，成本低廉，推广应 用价值较大，但目前尚难见到在生产中得到推广应用； 4 ) 集中供热、热电联产普及率太低。全国工业锅炉的1 ，3 为热水采暖 锅炉，平均容量仅为1 8 8 吨，使用非常分散。由此带来大面积烟尘污染， 难以集中治理。1 9 9 1 年全国集中供热面积仅2 7 6 x 1 0 8m 2 ，热电联产供热中， 生活和采暖用热仅占1 5 。 在世界各地，尤其是在亚太地区的工业和民用供热中，分散供热方式占 尔滨工业大学工程硕士学位论文 有很大比例。如在中国，目前用于分散供热的工业锅炉和采暖锅炉就有5 0 多万台，每年消耗煤炭4 亿多吨。这种落后的供热方式给环境造成了极大的 污染，并加剧了地球的温室效应。解决问题的途径就是用集中供热的形式取 代多个小的供热锅炉。为了合理利用能源，人们在集中供热的同时，大多同 时生产电能，这种生产方式就是热电联产。 1 3 热电关产概述 热电联产是热介质先实现做功发电，再对外供热的生产方式，是火力发 电厂将汽轮机中做完一部分功的蒸汽抽出而供给用户，使本应排至凝汽嚣的 蒸汽凝结热得以利用，使火力发电厂的全厂热效率可以大大提高。火力发电 厂和原予能电厂是以水蒸气作热介质的，热电联产则是指蒸汽在供热式汽轮 机内膨胀做功后对外供热的生产方式。对外供热这一定义表明了这种供出热 量的作用与效益是与热用户联系在一起的，反之，也说明了凡参与电厂热力 过程的回热抽汽与前置汽轮机的排汽都不能作为热电联产方式看待，因为这 部分蒸汽的效益是在电厂自身发电的热力过程中体现的，所以这部分蒸汽不 能算作对外供热。 热电联产凡在热能可以梯级开发利用的地方都能采取，有广阔的应用前 景。单个热用户进行差压发电也是热电联产，但是热电联产是集中供热的最 有效方式。 装有供热机组的电厂并使供出的热量达到一定的程度，使年平均热效率 达到一定的标准，就可以称之为热电厂。热电厂有产品销售，一种是热， 一 种是电，这两种产品在一定程度上可以互补。 热电厂供热，减少了发电的冷源损失，可以节能。采用高参数、大容量 的凝汽式发电机组也可以节能。是否可用建大型凝汽式电厂加集中供热锅炉 房供热的方案来取代区域性的集中供热呢? 这是不可能的，否则热电厂就没 有生命力了。实际情况是，建设太型凝汽式电厂，加上输电线路的投资，造 价也是很高的：而且输电的线损与变损也较大；燃煤大型凝汽式电厂的运行 全年平均效率也难超过4 0 ；集中供热锅炉房，面对变动的热负荷，没有可 调整的手段，运行的锅炉效率也是不会高的，远比区域性热电厂的运行锅炉 效率低，节能是有限的；集中供热锅炉房产品单一、设备利用率低、经济效 益也是不好的；这就是为什么区域性热电厂有生命力的原因。按照一定供电 量与供热量，燃料性质等同，环保条件等同的前提下进行技术经济分析比较， 哈尔滨工业大学一程硕士学位论文 采用大型凝汽式电厂加集中供热锅炉房的方式比不过区域性热电厂这热 电联产集中供热方式。 1 4 热电联产的优越性 根据热力学第二定律，在热力发电的生产过程中是存在冷源损失的，发 电效率不高。若将在汽轮机中作过功的蒸汽，抽排出来供热，这股蒸汽在发 电过程中不存在损失，因而发电煤耗率降低，所以热电联产节省煤。 采用热电联产方式实现集中供热，可以在供热区内取消分散的小锅炉 房，煤集中运输、贮存，灰渣集中处理，可以改善城市环境。对外供热的蒸 汽在生产过程中只与锅炉效率和管道效率有关。由于电站锅炉容量大、运行 工况较稳定、自动化程度与运行工人的操作技术水平高，电厂锅炉的效率比 供热锅炉效率高，因而供热标准煤耗率很低，不但供热省煤量大，而且由于 电厂锅炉效率提高，供同等热量所消耗的燃料减少，减少了污染物的排放量。 另外电厂锅炉可以采用高效除尘设备，减少粉尘排放量。因而供热区内的环 境得到改善【12 1 。热电联产方式可以提高锅炉房设备的利用率，提高劳动生 产率，减轻劳动强度。这一点对集中供热的热电联产体现的效果更为明显f 1 引。 1 5 热电联产的环境效益 相对于分散小锅炉供热而言，热电联产对环境的保护，首先源于其对能 源的节约。据测，在生产过每节约1 吨标准煤，则减少2 0 k g s 0 2 、4 4 0 k g c 0 2 ( 以碳基计算) 、1 5 k g 烟尘及2 6 0 k g 灰渣的排放。据统计，目前我国新建的 热电机组，每年每1 m w 可节约标准煤2 5 0 0 - - 4 0 0 0 吨。因此在伴随节能的同 时，热电联产也有效地保护了环境。另一方面，由于热电联产相对于分散供 热具有较高的技术含量，因而其技术水平的提高，对控制环境污染也起到了 重要的作用。热电联产对环境的贡献可简述如下： 1 5 1 控制粉尘污染 分散供热的小锅炉运行工况较差，一般采用人工除灰渣方式，致使锅炉 房内外充满了灰尘。在热电厂中，一般采用机械除渣或水力除渣方式，这样， 就大大减少了灰渣的飞散对锅炉房周围环境和工人工作环境的污染。 分散供热锅炉加装的除尘器的除尘效率通常较低，仅达6 0 7 0 ，而 有些单位为了节电或不愿投资维修，干脆就不对烟气进行除尘，任其排放到 大气中。在热电厂中，除尘器的除尘效率一般为9 5 9 8 ，这样，便可以 有效地控制进入大气的粉尘量。统计资料表明，仅在1 9 8 0 1 9 8 8 年间，由于 我国新增热电装机3 1 6 0 m w 而减少的粉尘排放量就达2 3 8 吨i “j 。 分散供热的锅炉烟囱一般较低矮，灰尘得不到及时播散，致使锅炉房附 近的粉尘浓度远远高于国家环保标准。而热电厂中的高烟囱将种情况大为改 善。由于分散供热的锅炉房一般处于城市的居民区及工业区内，因此，它的 粉尘污染直接关系到生产及人民的生活。综上所述，热电联产恰是解决这一 污染的主要途径。 1 5 2 控制灰渣污染 分散供热锅炉的燃烧效率较低，大多小于6 0 ，而热电联产锅炉的燃烧 效率一般都大于8 5 。这样，分散供热的灰渣量远比热电联产的高。 如前所述，由于供热单位一般都位于城市内部，所以，供热产生的灰渣 处理一直是环境保护专家致力研究的问题。分散供热产生的灰渣，尤其是渣， 很难得到综合利用，一般被运至贮灰场。在热电厂中，尤其是近年所建的热 电厂，大多采用循环流化床( c f b c ) ，所产生的灰是制水泥的良好原料，渣 可以用于制砖，因此这些电厂中的灰渣都得到了良好的综合利用，减少了环 境容纳灰渣的负担。 1 5 3 控制有害气体的污染 在燃料燃烧过程中，排入大气中的c o 、n 0 2 、n 2 0 、s 0 2 等气体，是造 成地球污染的气体的重要成分。其中s 0 2 是形成酸的主要物质；n 2 0 是破坏 大气臭氧层的气体；n 0 2 、n 2 0 除有毒性外，还是一种温室效应气体。据测， 若大气中的n 2 0 以目前年增0 1 8 - - 4 ) 2 6 的浓度排放的话( 现大气中n 2 0 含量为2 3 4 m g n m 3 ) ，由于它吸收红外线的能力为c 0 2 的1 0 0 多倍，则5 0 年后，n 2 0 的温室效应将和c 0 2 气体的相等“。分散供热方式对于控制c o 、 s 0 2 、n o x 和n 2 0 的排放是无能为力的。而在热电厂中，则可以很好地控制 c o 的排放。同时，由于近年新建的热电厂大多采用了c f b c 的燃烧技术， 这就使得n o x 和s 0 2 的排放也能得到有效的控制。在如何控制n 2 0 方面， 热电厂亦取得了突破性的进展。下面，分别简述一下上述问题。 ( 1 ) 在分散供热中，由于其燃烧效率低，所以大量的c o 气体未经燃 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 烧就进入大气。在热电联产中，由于燃烧效率较高，且其广泛使用的c f b c 循环燃烧方式，大大提高了c o 的燃尽度，因而也就降低了燃烧过程中c o 的排放量。 ( 2 ) 在控制s 0 2 的排放方面，c f b c 技术独有的工艺使得人们可在燃 烧过程中添加石灰石来进行锅炉内脱硫【1 6 】。这种方法系统简单，造价低廉， 且平均脱硫率均能达到9 0 以上。统计资料表明，仅在1 9 8 0 1 9 8 8 年间， 我国热电装机3 1 6 0 m w ，所减少的s 0 2 的排放量就达1 6 万吨。 ( 3 ) 控制n o x 方面，由于c f b c 所特有的低温燃烧、分段燃烧等技术， 使得国内热电厂中的n o x 排放量得到了良好的控制。经检测1 9 9 0 年国内外 c f b c 的n o x 的排放量大部分都已低于1 0 0 m g 蚝，达到了发达国家的环保 标准( 原西德电站的n o x 排放标准为小于1 0 0 m g 蚝) 1 1 7 o 在c f b c 技术不 断完善的今天，其n o x 的排放量已得到了进一步的降低。 从以上不难看出，热电联产集中供热最突出的优点是节约了能源，改善 了环境。这对于以燃煤为主的地区，利用这一优点是最为重要，是改善环境 的重要手段和主要途径。 1 6 国内外热电联产发展动态 1 6 1 国外热电联产发展动态 从上个世纪二十年代前苏联率先进行热电联产以来，热电联产在全世 界，尤其在前苏联、丹麦、芬兰、瑞典、德国等国家得到长足的发展，从设 备、技术、管理等诸方面都居世界水平。如前苏联热电联产产生的热电占全 国总需量的3 5 l 搏l 。在亚太地区，澳大利亚、日本、南韩、菲律宾、中国、 中国台北等国家和地区热电联产也有了一定的发展。 丹麦、芬兰等北欧国家的集中供热发展居世界领先水平。例如，丹麦几 十年来一直不遗余力地发展热电联产集中供热，每个大城市都建有热电厂和 垃圾焚烧炉用于集中供热。热电联产、天然气和再生能源满足丹麦全国3 4 的热负荷需求。自1 9 7 0 年来，丹麦经济增长了7 0 ，但能源消耗量却仍保 持在七十年代的水平，这归功于能源利用的高效率和建筑保温技术的改善。 世界各国几十年来的供热发展证明热电联产是最有效的生活用能供应方式 1 ”。 丹麦集中供热占总需求热量的5 0 ，其中热电联产占3 0 ，在丹麦集 中供热作为城市基础设施的组成部分，与电力、电话、燃气、给排水系统等 同等重视和发展1 2 0 1 。1 9 7 9 年丹麦会议通过了“供热法”，浚法要求各城市政 府在分析本市能源供应的基础上制定了供热总规划，积极推进集中供热，并 最大可能地发展热电联产。他们按大、小城市不同规模因地制宜，大城市建 设了世界上大型高效热电联产、集中供热系统，首都哥本哈根有四座热电厂， 装机容量达7 6 4 m w ，总供热能力为3 5 8 2 g j h ；在小城市懂事发展小型热电 联产、区域供热系统，这些小型热电厂的燃料为天然气、垃圾、稻草、沼气 等，技术方案在燃气发动机、燃气轮机的蒸汽轮机等联合循环，小型热电联 产成为丹麦能源政策的重要组成部分1 2 “。 芬兰集中供热占全国总需求热量的3 4 ，集中供热热力网总长6 5 0 0 k m ， 1 6 0 0 万栋公寓和1 1 万小型建筑与集中供热热力网相连，说明集中供热在芬 兰的城市和人口密集区己广泛使用【2 ”。德国集中供热总热量为1 9 6 1 1 0 4 g j ， 其中西德地区热电联产占6 7 ，原东德地区热电联产占4 l 【2 。因此，德 国也是集中供热发展较好的国家之一。 北欧诸国从二十世纪七十年代末开始，热用户均按热量计量收费1 2 “， 发展到现在技术与设备水平十分先进。欧洲各国继续开展热电联产研究，由 欧洲委员会能源规划署、欧洲各国政府和热电联产企业联合进行的“欧洲热 电联产研究”项目将首次对欧盟及其主要邻邦等3 9 个国家的热电联产市场 做深度分析。其主要课题为：研究在各种条件下热电联产未来市场渗透的实 际计划；确定热电联产的效益和成本，尤其在环保方面效益；在欧洲热电联 产主要股东之间建立交流，以达成共识；向欧盟组织成员国宣传研究成果。 热电联产被认为是目前最有效利用燃料的方法。欧盟国家计划到2 0 1 0 年热 电联产占总发电量的份额将翻一番，占总发电量的1 5 ，热电联产在改善欧 洲环境状态方面将起关键作用【2 卯。该研究项目将为各国政策制定者和企业 领导者提供有关热电联产的明确而可靠的信息，如热电联产的适用规模、节 能和环保数据、市场增长预测及影响因素、各种的风险和机会等等，以期为 国家决策者和热电联产投资者提供有效的决策支持【2 。 英国热电联产的发电量只占总发电量的5 6 左右，但热电联产的前景 却比较光明。英国是实行自由化最早的国家，它在实现电力市场后充分认识 到热电联产的好处并给予了积极支持。英国政府计划到2 0 1 0 年热电联产装 机容量达到1 0 g w ，1 9 9 9 年热电联产的新增装机容量3 5 4 m w ，2 0 0 1 年英国 的热电联产总装机容量达到5 0 0 0 m w l 2 “。 俄罗斯也是世界上集中供热比较发达的国家之一，自1 9 2 4 年开始集中 供热至今已有近八十年的历史。目前俄罗斯城市集中供热占总热量需求的 8 6 ，其中热电厂供热占3 6 ，大型及超大型锅炉房占4 6 ，二次能源占 4 ，其余为分散小锅炉【2 8 】。全俄动力设计院是俄罗斯最大的热电联产设计 研究部门，负责全国各城市热力规划、设计及新技术、新产品研究开发皿。 韩国集中供热的与中国相当，基本上都是始于二十世纪七十年代，八十 年代中期进入快速发展阶段，经十几年的发展，韩国供热发展速度之快、规 模之大以及技术之先进均使人刮目相看。韩国集中供热的规划、设计、施工、 监理，全面引进芬兰的供热先进技术和经验，扬长避短，达到了技术先进、 投资效率高、施工运行管理方便、安全的目的p o j 。 1 6 2 国内热电联产发展动态 我国集中供热起步晚，目前仍处于数量扩张阶段。如何从政策上和体制 上引导集中供热既注重数量扩张，又注重质量和效率的提高，实现集中供热 发展由数量型到效益型的转变，北欧国家的经验值得我们借鉴。 由于热电联产不仅可以节约能源，保护环境的重要途径，因此，近年来 我国一直大力推广这项技术。国务院所属一些部门先后颁发了一系列鼓励进 行该技术建设的批示、通知和规