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21世纪发电新技术1 回顾与现状1831年法拉弟发现电磁感应原理后，相继出现了三大发明：励磁电机、电灯、电话，从而引起电力技术革命。1882年世界第一座较正规的发电厂建成，容量6715 kW，到1996年末全世界电力装机容量2773 TW，发电量达11 601 TWh；我国1882年在上海建成第一个12 kW发电厂，到1998年装机容量277 GW，发电量1167 TWh。一个世纪以来，电力得到如此迅速的发展，是由于它在使用上的高效、清洁和方便，电不但给家庭带来光明、舒适，更是一个国家现代化、工业化的标志之一。 在经济发展、社会进步的同时，人们认识到了一个严峻的现实：几亿年形成的矿物质燃料储量是有限的，地球自净化的环境容量也不是无限的，在经济高速发展进程中，人类过度消耗能源的同时，严重地污染了自己赖以生存的地球和空间，能源与环境是进入21世纪必须考虑的四大难题之首能源、环境、人口和粮食。节约能源，抑制化石燃料的过度消耗；保护环境，净化人类生存的有限空间；开发与利用再生能源与新能源，带来在环境及价格上均有竞争能力的能源革命。既满足人类当前发展的需要，又不对后代人满足其需求的能力构成危害，这一“持续发展”已成为人类当前和未来共同遵循的迫切问题。 11我国能源形势 我国是一次能源储量丰富的国家，但从可持续发展观点看，存在着十分严重的能源问题。 111人均能源不足，人均能耗低而单位产值能耗高我国人均煤炭探明储量为世界均值的513，石油仅为113，天然气只有378。1996年，人均商品能源消费量为世界平均值的55，为发达国家平均值的16；家庭人均用电量只有美国的24；单位国民生产总值能耗（能源消耗强度）高于发达国家和发展中国家平均值。 112一次能源分布不均 煤炭探明储量中，山西、内蒙古及陕西占652；可开发水能资源中，近678集中在西南地区；松辽、渤海湾、塔里木和准噶尔盆地的石油资源占全国的526；天然气总储量中，23分布在中西部，而经济发达的东南沿海地区则缺乏能源。 113我国是世界上少数几个以煤为主要一次能源的国家，是世界最大煤炭生产国与消费国。煤炭提供了70的工业燃料和动力、60的化工原料。80民用商品能源。由于煤炭耗量大，而烟气净化装置又不完善和低效，使得环境污染成为我国经济发展的一大拦路虎。 114发电用能源占一次能源比重低电是优质。高效、可靠、清洁的二次能源，世界各国电力增长速度始终高于经济增长速度，发电用能源占一次能源比重逐年增大。1992年统计，这一比重为：加拿大608、法国536、英国363、日本512、德国369、意大利322、美国408；但我国目前只有288左右。 115能源利用效率低 初步分析表明，到2050年我国煤炭供应能力的极限为1857 Mtce、石油143Mtce、天然气239 Mtce；经济可开发水能全部开发利用为260 GW，年发电相当于229 Mtce；再加上核电装机200GW，年发电量相当于360 Mtce；可再生能源370 Mtce，于是一次能源总供应能力约3200 Mtce。但如果按目前大量增加能源消耗来支撑经济的增长，则2050年一次能源需求约为6000Mtce。显然，这是不可能的，也是不应该的，必须靠节约能源这“第六能源”和新能源来解决可持续发展对能源的要求。 我国能源系统效率很低，以1992年为例：能源系统的总效率32（开采效率）*70加工、贮运、转换效率）*41（终端利用效率）=9，2，不到发达国家的1/2。为此必须依靠科学技术大力提高能源利用效率。 1.2我国电力工业概况 我国电力工业，建国五十年来取得了举世瞩目的伟大成就。但是与国外电力工业相比有很大差距。 121电气化程度很低 1998年我国人均装机 0222 kW，人均发电量只有927 kWh，为世界平均值的13，为发达国家的16110，还有6000万人左右没有用上电；电能在终端能源消耗中的比例低，发电用煤炭消耗占煤类产量的比例远低于发达国家。 122单机容量小，供电煤耗高 我国200Mw以下机组占火电装机的58，1997年全国平均供电煤耗408g/kWh，比世界先进水平高7080g/kWh； 123电网薄弱，供电可靠性差 长期以来，投资结构不合理（表2），使主网尤其城网、农网薄弱，输配电容载比低、线路“瓶颈”处多；陈旧低效设备多，仅64、73型高耗能变压器全国有20GVA待更换；线损高，比先进国家高23个百分点。1995年全国电网线损率为877，其中110 kV及以下配网损失占60；供电可靠性与国际水平差距大（表3）。 表2主要国家发、输、配电工程投资比 国家 北美、英、日 法国EDF 中国“八五”期间 投资比例 1：（0.430.47）: (0.60.8) 1:0.67:1.6 1:0.23:0.2 表3各主要城市供电可靠性比较 国家（城市） 巴黎、伦敦 东京 英国 中国 大连、烟台 供电可靠性% 99.98999.99 99.997 99.97 99.724 99.85 年平均停电时间分钟 5058 10 157 1451 788 1.2.4实现可持续发展环境问题压力大 我国是世界上少有的几个以煤炭为主要一次能源的国家，动力煤灰份高（28%30%），含硫量大于）1的煤炭占40，发电能源构成中，煤电比例大，1995年为76.0，由于经济、技术及环境标准等多方面原因，烟气除尘效率低，SO2排放处失控状况，我国酸雨面积已占国土面积的13。1997年统计，6MW及以上火电厂SO2排放约683 Mt约占全国工业排放量的30。因此采取政策、技术、管理各方面的措施，实现防治结合、综合治理、提高能效、控制污染的目标，成为电力工业可持续发展的关键问题。 电力是通往强国富民、可持续发展的桥梁，虽然近几年，由于全国经济结构的调整，使电力供需矛盾得以缓和，但这是用电低水平下的暂时缓和，进入21世纪后，为满足新世纪国民经济发展的需要，电力工业必将较快发展。 江泽民同志在正确处理社会主义现代化建设中的若干重大关系19959.28）中指出：“在现代化建设中，必须把实现可持续发展作为一个重大战略。要把控制人口、节能资源、保护环境放到重要位置，使人口增长与社会生产力的发展相适应，使经济建设与资源、环境相协调，实现良性循环。”为实现这个目标，大力发展高效、洁净的“绿色电力”，必须成为下世纪我国电力工业发展的主旋律。 2 高效发电新技术 提高发电效率既节约能源，又减少污染，是新建火电机组，改造在运发电机组的头等大事。 21发展超临界参数的大容量火电机组 为提高热效率，各国火力发电机组都积极采用超临界参数的大容量机组。美国第一台试验性超临界（31MPa，621/566/566C）125MW机组于1957年投入运行，到80年代初期美国超临界机组投运了170套，占总装机容量25，单机最大容量为1300MW；原苏联到1985年投运了185台超临界机组，占当时原苏联火电装机的505；日本、德国及英国、意大利等国也不甘示弱，相继投入超临界机组，经近四十年努力，超临界技术日趋成熟，可靠性与亚临界机组等同，热效率明显提高。超临界汽轮机热耗比亚临界机组低192559 kJkWh，相对热效率改善约为25。特别是丹麦Vestkraft电厂1992年投运的407 MW机组（251Mk，560560），经优化设计和改进，供电效率达453（供电煤耗272g/kWh），为超临界机组树立了榜样。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，人们开始涉足超超临界机组（超超临界蒸汽参数界限规定为：24.1Mk，566）。缺乏能源及对超临界机组的设计与运行积累了一定经验的日本成为研究超超临界机组的开路先锋。日本川越电厂两台700 MW超超临界压力机组（31 MPa，566566566）分别于1989年和1990年投入运行，其热效率在100和50负荷下为419和40，比一般超临界机组（24MPa，538566）热效率相对提高5，最低稳定运行负荷为10，自动化程度高，两台机组仅需一名运行人员。由于耐高温金属材料的开发成功，初参数为24.1 MPa，566593的700 MW机组已在日本碧南电厂投运，初温为593593，649593机组的验证试验正在进行，超超临界机组最终目标拟达到343 MPa， 649593593，机组热效率可达44。 丹麦Nordjyllandsvaerket电厂3号机组， 1998年10月投运，蒸汽参数285 MPa，58058O580，燃用烟煤，由于采用一系列合理利用能源的技术，如13级抽汽回热、滑压运行、回收冷却器热量、调速马达、水充分利用、高度自动化等，使其在凝汽运行时热效率47，最大抽汽运行时热效率为90。它同时有良好的环保性能，采用低NOx燃烧器，在选择性脱硝（SCR）装置前后NOx分别为170200mg/MJ和99 循环倍率 10 50 脱硫效率% 90 90 90 9093 Ca/S 34 1.52 1.52 1.82.1 NOx mg/Nm3 300 200 99 Ca/S 3.8 2.83.0 2.8 西班牙Escatron mg/MJ 600 300450 150 脱硫率% 90 9193 97 Ca/S 1.8 1.82.1 2.1 美国Tidd mg/MJ 60 60 30 脱硫率% 90 90 95 Ca/S 2.0 1.8 NOx排放 Varton mg/MJ 50 1050 10(喷氨分层燃烧 Escatron mg/MJ 260 7590 70 Tidd mg/MJ 150 7590 70 我国自60年代初开始研究与应用FBC技术，目前国内FBC锅炉制造厂家有22家，有2130t/h的BFBC3000多台，1020t/h CFBC约300台，35220t/h CFBC约300多台，占40万台工业锅炉总蒸发量的1100，我国与国外公司（FW、Alsthom等）合作生产220 th出口巴基斯坦，410 th CFBC装于四川内江高霸电厂，燃用四川东部的南川无烟煤，含硫量为34，用当地的石灰石做脱硫剂，已于1996年投人生产，床温830870，不投油最低稳燃负荷为110130 th，SO2排放量648mg/Nm3设计值700mg/Nm3，脱硫率90以上，采用了分级送风，NOx排放为78mg/Nm3设计值200mg/Nm3，CO排放211mg/Nm3设计值250mg/Nm3，均达到了设计值。根据“十五”规划，在从100 MW CFBC锅炉机组起步国产化同时，国家电力公司拟在内江建设一座300 MW CFBC锅炉示范电站，示范成功将大力推广。并且，在江苏贾旺的15 MWe PFBC中间试验机组基础上，拟从ABB Carbon公司引进两套100MW等级的PFBC商业性试验机组P200，安装在辽宁省大连台山和江苏贾旺两电厂。在积累经验、技术进步和大型化的进程中，向第二代增压流化床2G-PFBC和300MW级P800发展。 324 FBC锅炉国产化、大型化的主要关键问题 （1）常压循环流化床锅炉 提高国产设备的设计水平，改善制造质量，提高可靠性，解决辅机及配套设备可靠性，以保证设备能长期、稳定运行； 高效低阻耐磨大型分离器，如新型水冷分离器； 循环灰返料系统、控制系统； 防磨工艺、材料选择及结构设计优化； 外置式热交换器与回料伐，快速控制负荷与床温； 燃料制备系统，灰渣冷却及除灰系统； 大型FBC燃烧系统工作过程的理论研究，如气固两相流动、燃烧过程特征、物料平衡及热平衡等。 （2）PFBC 进一步提高高温烟气除尘装置的除尘效率，减少燃机叶片磨损，如研制高效陶瓷过滤器； 第二代PFB以2G-PFBC）的开发：从部分气化炉产生的煤气与常规PFBC出口的燃气一起进入燃机人口的补燃室内燃烧，提高燃机入口燃气温度至11501200，焦碳则进入PFBC内燃烧（见图3）。 由于燃气温度的提高，与现行PFBC比较，2G-PFBC效率由42可提高到4548；它体积更小、投资更省，与250 MWe煤粉炉31米高相比，其高度仅为30 m左右；排放更清洁，脱硫率可达95，NOx排放值为43mg/MJ，固体颗粒几乎被完全除去；2G-PFBC发电成本预计比PC FGD低20。2G-PFBC的技术关键是高温除尘器和部分气化器等关键部件。 燃气轮机，自动控制装置及PFBC关键设备的国产化； 提高脱硫剂利用率，实现低CaS比下达到高脱硫效率的目的；脱硫、脱硝、床温及CaS间的最佳配合； 开发增压循环流化床PCFB的研究，它运行费用低，适于高硫煤，可降低CaS； PFBC大型化及CFBC-CC联合循环的研究； 湿式给料机和干渣排出装置的开发，保证最佳粒度匹配，减少渗水量；保证在炉内压力下灰渣的连续稳定排除。 325积极采用FBC技术的领域 （1）城市电站的建设与改造：效率高、环保好。占地少、灰渣易综合利用； （2）改造老电厂的；日锅炉、改造燃油炉，可分两步走，第一步可先保留原汽轮发电机组； （3）燃用低质煤（高硫煤、劣质无烟煤、贫煤等）及特种燃料、生物质燃料等；为充分利用煤矿选煤的尾煤和火电厂燃煤预处理（如摩擦除灰除硫、超细煤粉脱灰等）的尾煤，可在煤矿和多机组的火电厂，安装适当容量的FBC机组； （4）缺水地区，FBC与空冷机组相结合可以节水1/3 （5）城市热、电、煤气三联供项目，可在流化床中使煤部分气化，产生中热值煤气用于民用，气化后的半焦送FBC锅炉燃烧，产生蒸汽，用于发电、供热和制冷等多种用途。 我国政府在中国21世纪议程中，将“开发和引进大型循环流化床锅炉技术的研究”，列人清洁煤技术，国家电力公司将其作为电力工业可持续发展的一项战略措施。 33煤整体气化燃气蒸汽联合循环发电技术IGCC 联合循环具有效率高、环保性能好的优点，但其燃料为油或气，而我国是石油和天然气较为缺少的国家，1993年成为石油净进口国，1996年天然气仅占全国能源生产总量的16，因此，燃油或燃气的联合循环主要只能用于经济发达、缺少煤炭、环保要求高的沿海地区，我国长期以来以煤为主要的一次能源，发展以煤为燃料的联合循环，同时实现清洁、高效双重目的，与FBC燃烧技术一样，IGCC是首选的先进“绿色发电”方式。 331定义 先将煤在气化炉中气化成为中热值或低热值煤气，然后经过净化，把煤气中灰份、含硫化合物（如H2S)等杂质除掉，生成洁净煤气，供给燃气轮机做功，井与蒸汽轮机组合起来，形成联合循环发电。IGCC流程原理图见图4。 由图可见，IGCC发电系统由煤的前处理装置。气化装置、煤气净化装置、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机及相关的公用系统辅助设备组成，其中，除气化装置和煤气净化装置外，其余均是熟悉常用的设备，因此，气化炉是该系统的关键设备。 332 IGCC的特点 （1）热效率高，进一步提高效率的潜力大由于采用了联合循环，科学合理地使能源得到梯级利用，其效率比煤粉炉高10以上，可达4050。IGCC开发初期，因集成化不够，气化、净化及联合循环各环节能量损失较大，效率不高。如1984年投运的美国加州冷水（Cool Water）电站，其热效率仅312（高位发热量）。但由于采用于法供煤、干式高温净化烟气、提高燃气初温及采用新型燃气轮机等措施，十年来，IGCC效率提高了10以上。 1993年投运的荷兰Buggenum电站253 MW IGCC机组，供电效率达43（LHV），计划中，建在荷兰或美国的400 MW IGCC，供电效率46，可望2010年IGCC效率达到50（表14）。 表14 IGCC电站发电效率的变迁 年代 1984年 1987年 1989年 1993年 1995年 1998年 2000年 2010年 电站 Cool Water La Gas Ten Appalachian Buggenum WabasbRiver Tom Creek 效率% 31.2（HHV） 34.2（LHV） 38.8 43 41（LHV） 42.3 46 4650 （2）污染排放少，环保性能优良 气化中大部分S变成H2S，除去H2S较容易，并可得到固体硫副产品；在气化器中，煤中N以NH3、酚或其它有机物形式存在于废液中，故SO2、NOx排放大大减少，脱硫率9899以上，NOx排放值同天然气。即使燃用含7硫、3040灰的劣质煤，也能达到9798燃烧效率和85以上固硫率。由于提高了效率，也减少了CO2排放。被誉为“世界上最清洁的燃煤电站”的冷水电站，脱硫效率9697（可分离出986的H2S和262的COS），生产出纯度为9899的元素硫作为商品出售；气化炉燃烧生成的灰份被熔化成灰渣，作为磨料、绝缘材料或筑路材料出售，排水经澄清后一部分用于制备水煤浆，一部分排入蒸发池，处理后形成符合环保标准的废水，从而使冷水电站成了无废无害的清洁电站。英国对装有BLG气化炉IGCC电站进行可行性研究表明，脱硫率高于998，各种排放远低于英国标准。 （3）燃料适应性强，同一电站设备可燃用多种燃料，对高硫煤有独特的适应性。如褐煤、烟煤、无烟煤、高低硫煤、油渣、生物质燃料等均可使用，能满足环保要求，冷水电站采用喷流床式的德士古（Texaco）气化炉，曾用含硫量分别为048、3.1和29的煤做过试验，碳的转化率分别为983。972和978，当采用含硫31的煤做试验，气化炉负荷降到85和71时，碳的转化率仍高达967和944，而且均能满足环保要求。 （4）容量可大型化，单位造价不断降低。目前世界上已建、在建和拟建的IGCC电站近30座，己投运的IGCC容量在50250 MW，其中最大为美国FreeTown电站的440MW机组，拟建容量为300MW500MW的9座，计划或可研中的最大容量为德国VEW-KUT的900 MW和原苏联HoBoTY的1000 MW。 早期冷水电站单位造价2538美元kW，美国EPRI及生产厂家称，目前可降到1530美元/kW，再进一步努力可达1100-1300美元kW，可以与PC十FGD相竞争。 （5）调峰性能好，起停机时间短 IGCC与常规汽轮发电机组起停时间比较如表15。 表15 IGCC和汽轮发电机组起动时间的比较 至额定负荷的起动时间（分钟） CC机组 汽轮发电机组 热态启动（停机8小时） 55 100 温态启动（停机32小时以内） 8090 180 冷态启动（停机32小时以上） 120270 380 333 IGCC发展概况 1984年1月美国建成世界最早的商业验证电站一Cool Water电站，该电厂发电出力为120MW，耗资262亿美元。在以后5年的运行中进行了大量的验证试验，其结果充分肯定了IGCC电站的设计目标和各项性能，为后来的IGCC 工程的设计和开发积累了宝贵的经验。 以后，许多发达国家，如美、德、日、荷兰、西班牙等国都加入到IGCC的研究和开发的行列中， IGCC的技术也日臻成熟。现在已从第一代商业示范电站发展到第二代商业示范电站，并向商业化目标逼近。 第一代商业示范电站多采用湿式供煤，纯氧气化和湿式净化，但各系统间未形成整体化的格式，美国的La Gas Ten电站（发电出力161 MW，效率342，1987年投运）和Wabash River电站（发电出力270 MW，效率41，1995年投运）都属于此类电站。 第二代商业示范型电站多采用空气或富氧作气化剂，干式供煤，热煤气净化（或冷煤气净化），并进一步提高燃气轮机燃气初温，目标是将效率提高到4447（商业运行阶段）。其代表电站有美国的Pinon Pine电站（发电出力765 MW，干式净化，吹空气，KRW流化床式气化炉， 19961997年投运），美国的Hopkings电站（发电出力120 MW，吹空气，高温净化），美国Toms Greek电站（发电出力553 MW，空气作氧化剂，热煤气净化），和美国Camden电站（发电出力480 MW，效率46）。 商业型电站的代表工程是美国马萨诸塞州的Free town电站，发电出力440MW，采用德士古喷流床。该电站没有政府的财政资助，投运后（1995年）并入英格兰电网作商业运行。荷兰在Buggenum建立的250 MW电站也将在示范运行（19931996）后进入商业运行。 现在世界上已建、在建和拟建的IGCC电站近约30座，其中美国拥有15座，居世界之冠。一些发展中国家，如印度、中国也计划建立IGCC示范电站。 我国从1994年开始对IGCC示范工程进行预可行性研究，国家电力公司拟在山东烟台电厂建设一座容量为300400MW的IGCC示范电站，该厂拆掉三台小机组后，场地可装两台300 MW或400 MW等级的IGCC机组，计划先装一台，国家计委已批准了工程立项。争取通过引进技术、消化吸收、分步国产、降低造价，为下世纪的大量应用积累经验。除此以外，对燃油联合循环机组及老的燃煤电厂，分步骤地改造成IGCC机组，以节约用油和提高效率、改善环保，也将是我国应用IGCC的重要领域。 334煤气化炉的种类及特点 煤气化过程中，部分碳在燃烧区的氧化气氛下燃烧，产生的高温用来切断煤中高分子化学键，使其与气化剂反应，生成含有CO、H2、CH4等可燃气体的合成煤气。当气化剂是氧气时生成中热值煤气；气化剂是空气时，因含有大量N2，生成低热值煤气（表16）。 表16煤气热值与氧化剂的关系 氧化剂煤气热值 合成煤气热值kJ/Nm3 空气 33506280 氧气 837025120 催化剂（如氢）下甲烷化 3558041860 使用的气化炉有固定床、流化床、喷流床，开发中的有熔融床，为说明气化过程，给出固定式气化炉简图（图5），几种气化炉特点的比较见表17。 表17 煤气化炉的特点 固定床 流化床 喷流床 熔融床 气化过程 块煤炉顶供给与热空气逆流，依次通过干燥区、气化区、燃烧区、焦碳与O2、H2O作用生成煤气 中小颗粒煤粒在炉底供给高速气化剂和蒸汽带动下边流态翻滚、边在高温炉床内气化 小煤粒的干或湿态与气化剂高速从喷燃器喷入，在高温高压欠氧下完成气化 煤粉与氧一起从喷嘴喷进熔融金属表面，在高温下瞬时气化 气化温度C 4401400产生煤气温度较低400580 8001100 12001700 1500 优点 *低温煤气易于净化 *适于高灰熔点煤 *技术成熟，全世界煤气化装置容量占90% *操作简单，动力消耗少 *对耐火炉