电力生产概论(二).ppt

第四节火电厂对环境的影响及防止措施火力发电采用的是化石燃料 其化学成分非常复杂 燃烧产物的排放不可避免会对环境造成污染 其中常规燃煤电厂的污染最为严重 按元素分析 煤的成分有碳 45 90 氢 1 5 6 氧 O 5 30 氮 O 3 一3 5 硫 O 5 一2 加上水分 2 一50 以及燃烧后剩下的不可燃灰分 10 一50 其中可燃成分是碳 氢 硫 相应的燃烧产物为二氧化碳 不完全燃烧时还有一氧化碳 水 二氧化硫 三氧化硫 同时在高温下氮与氧化合生成氮氧化物 主要是NO和NO2 而火电厂用的液体燃料 主要是重油 渣油 和气体燃料 天然气 高炉和焦炉煤气 合成煤气 的成分与煤相同 只不过水分 灰分低得多 因此 火电厂生产时的污染排放主要是烟气污染物排放 灰渣排放 废水排放 其中烟气中的粉尘 硫氧化物和氮氧化物通过烟囱排人大气 这些一次污染物通过在大气中的迁移 转化生成二次污染物 会给环境造成更大的危害 表1燃烧系统排放物及其对环境的影响 1 粉尘燃料在锅炉炉膛内燃烧后 其中所含的灰分一部分 细小颗粒 随烟气排出炉膛 称为飞灰 另一部分 较大颗粒 从炉膛下部排出 称为灰渣 国内大多采用固态排渣炉 飞灰占80 一90 飞灰表面带有硫酸盐 微量金属和有机化合物 有些是致癌的物质 增加了毒性 特别是粒径小于10 m的粉尘难以沉降 在大气中长时间漂浮 漂尘 可直接进入人体呼吸器官 造成更大的危害 目前国内粉尘的排放控制主要是通过除尘器除尘 大机组通常采用静电除尘 效率在99 以上 但老机组的水膜除尘效果差 只有95 以下 老机组容量不大 粉尘的排放量却很大 通过改装高效除尘器是减少粉尘的有效措施 2 硫氧化物 SO2 排烟中主要是SO2 和少量的SO3 它们对人的眼睛和肺以及植物的叶片带来损伤 浓度高的SO2造成呼吸系统疾病甚至死亡 使农作物减产或植被枯萎 在大气中与雾 飘尘等发生化学反应形成硫酸烟雾 其毒性比SO2大4 20倍 危害性特别大SO2氧化为SO3与水结合成硫酸雾 会造成酸雨 酸雨会对环境带来广泛的危害 造成巨大的经济损失 如 酸雨会严重破坏森林生态系统 土壤生态系统和水生生态系统 造成森林枯萎死亡 使森林面积减少 造成 土壤酸化 使土壤贫瘠 农作物减产 造成湖泊酸化 使水生生态系统紊乱 影响水生生物的生长和繁殖 酸雨还会腐蚀破坏建筑物和金属材料等 腐蚀建筑物和工业设备 破坏露天的文物古迹 损坏植物叶面 导致森林死亡 使湖泊中鱼虾死亡 破坏土壤成分 使农作物减产甚至死亡 目前 我国已成为世界三大酸雨区之一 SO2污染产生的酸雨危害面积已达国土总面积的30 全国70 6 的城市地区年均降水PH值低于5 6 中国二氧化硫排放量超过环境承载量的81 下图是我国酸雨两控区的示意图 两控区范围示意图 目前电厂主要采用烟气脱硫技术燃烧后烟气脱硫 其原理是将烟气排入大气前 用氢氧化物 氨 石灰石粉 活性炭 钒触煤等物质吸收或吸附烟气中的SOx 使之转化为石膏 硫酸铵 硫酸或硫 还有可在燃烧过程中加入适量的石灰石等碱性吸收剂 如炉内喷钙 流化床燃烧技术 来控制排烟中硫氧化物的含量 3 氮氧化物 NOx 排烟中的氮氧化物主要是NO 少量的N02和极少量N20 通常NOx是指NO和NO2 氮氧化物最重要的影响是它参与光化学反应 形成光化学烟雾和吸收电磁波 最后在大气中形成硝酸盐 降低天空的亮度以及远处物体的反差 并有害于人体身心健康 特别是呼吸系统 有时候 排入大气的NOx全部转化成硝酸或过氧酰荃硝酸盐 通过沉降进入生态系统 一氧化氮对酸雨的形成和生态系统的影响已日益显著 NOx是燃料中的有机氮化物和空气中的氮分子在火焰中及火焰周围的高温区形成的 前者称为 燃料型 NOx 后者称为 热力型 NOx 燃料型NOx的生成与燃料的含氮量和火焰中及其周围的氧浓度有关 热力型NOx的生成率与燃烧温度和燃烧区的氧浓度有关 因此 降低燃烧温度和欠氧燃烧 可以减少NOx的生成 目前采用低NOx燃烧技术 即低过剩空气量 分级送风 分段燃烧等方法以减少烟气中NOx的含量 或采用流化床燃烧技术 其燃烧温度低 850 900 左右 NOx的生成量比悬浮燃烧的锅炉低得多 4 二氧化碳 CO2 二氧化碳在大气中的寿命为50 200年 被认为是造成全球气温升高的 温室效应 气体中的主要气体 目前减少二氧化碳排放技术还处于研究试验阶段 根据京都议定书 我国温室气体 CO2 排放的形势是非常严峻的 因为 一方面 我国一次能源消费结构以煤炭为主 约占了全部能源消费的四分之三 与世界能源构成相比 我国煤炭的比重比世界平均水平高1倍以上 而且根据我国国情 我们在将来很长时间内还要坚持以煤炭为主的能源消费政策 众所周知 燃烧化石燃料特别是煤炭是增加大气中CO2浓度的最主要原因 另一方面 我国的能源利用率比较低 我国单位国民产值的能耗是发达国家的4 15倍 这意味着生产同样产值的东西 我们要比工业发达国家多耗费4 15倍的能源 而多耗费能源就意味着多增加CO2排放 另外 尽管目前我国人均CO2排放量比较低 但由于人口基数大 CO2的排放总量并不少 我国1995年的CO2排放总量已位居世界第2位 仅次于美国 况且我国目前的人均能源消费量少 仅是发达国家的1 5 1 12 随着我国经济的快速发展和城市化水平的提高 我国人均能源消费必将大幅度增长 CO2等温室气体排放也会大幅度增加 因此将面临CO2排减排的巨大压力 5 排水热污染凝汽器的冷却水量非常大 汽轮机的排汽的50 100倍 采用直流冷却系统时 冷却水直接取自江 河 湖 海 水库 排出的水温一般要升高8 10 会引起水体热污染 6 废水火电厂除冷却系统排水外 还有补给水化学除盐系统和凝结水处理系统的酸碱废水 煤场雨排水 灰场排水 锅炉启动和运行期的化学清洗废液等 废水含有废酸 废碱 悬浮物 油脂 有机污染物 富营养污染物 微量元素 排入水体均会造成不同程度的污染 目前 主要通过废水处理系统加以净化或回收再利用 7 灰渣燃煤电厂每天产生的大量灰渣 目前还不能全部加以综合利用 因此 必须有很大的储灰场 灰渣中含有硅 铝 铁 钙 镁等多量元素和砷 铬 镉 铅等微量元素 这些物质经水浸泡和雨淋 均会不同程度地溶入水中 灰水排入地表水体或渗入地下水均会污染水体 灰渣的利用方式很多 并有一定的经济效益 加大灰渣综合利用的力度是减少灰渣污染最有效的措施 8 噪声火电厂是一个噪声源相对集中 噪声辐射量大 噪声种类繁多的场所 如锅炉排汽噪声高达114 170dB 不过影响主要在厂区 可以通过对设备的运行管理 系统的改进 加装隔声罩等方法以降低噪声 9 放射性污染某些煤中含有少量的天然铀 钍以及它们衍生的放射性物质 通过烟气或废水排入环境 造成污染 这些放射性物质进入人体 会引起皮炎 白血病 再生障碍性贫血等严重疾病 减少火电厂排放污染物能减轻放射性污染的影响 例如一座2400MW燃煤电厂 每年需消耗约750万t煤 即使以煤中含硫量1 和除尘效率99 5 计 每年排放的SO2 也有14万t 飘尘0 68万t NO7万t 灰渣180万t左右 另外 还有约55 的热量 相当每年400多万t煤的燃烧热量 作为废热由循环冷却水带出排放 因此 常规火电厂对环境的污染相当严重 我国是以煤为主要一次能源的国家 并且煤炭资源相对丰富 已探明的煤炭保有储量10070 7亿t 占一次能源的90 以上 同时常规燃煤火力发电设备技术成熟 在今后几十年内以燃煤火力发电为主生产电能的方式不会有太明显的变化 因此 加快洁净煤技术在常规火电机组中的应用 减少对环境的污染 又符合我国自身能源结构的特点 第五节蒸汽一燃气联合循环一 燃气轮机基本原理及组成燃气轮机是以空气及燃气为工质将热能转换为机械能的旋转式动力机械 其原理类似古老的走马灯 依靠燃气带动纸人纸马旋转的装置 图1 27是一个单轴简单的开式循环燃气轮机的系统原理图 压气机1从大气吸入空气 将它压缩到规定的压力同时温度也升高 然后送入燃烧室4 燃料泵3将燃料送入喷嘴5并喷入燃烧室内 燃料和空气进行混合和燃烧 生成高温高压的燃气 高温燃气进入透平8膨胀做功 推动透平转子转动 做功后燃气的温度和压力降低 直接排入大气 如此 完成从燃料化学能到旋转机械能的能量转换全过程 燃气动力循环 布雷顿循环 由四个基本过程组成 空气在压气机内进行的绝热压缩过程 压缩空气在燃烧室内进行的等压加热 燃烧 过程 燃气在透平内进行的绝热膨胀过程 透平内排出的燃气在大气中进行的等压放热过程 需要指出的是 压气机出口的空气仅有20 一40 是被送入有效燃烧区6并参与燃烧过程 即一次空气 而其余的60 80 的空气是在燃烧有效区的后面才加入到燃气流中 这部分空气 称二次空气或冷却空气 和燃烧生成物相混合 使透平的进口温度降低到其规定值 这是因为要保证燃烧完善与可靠 在燃烧区温度必须保证在1800 20000C范围内 但涡轮叶片的耐热性又受金属材料的耐热性的限制 目前透平进口初温为1260 1427 透平发出的功率约有2 3要消耗在压气机对空气进行压缩上 只有余下的1 3成为燃气轮机输出的机械功 用来拖动发电机 压气机 燃烧室和透平是燃气轮机不可缺少的三大主要部件 1 压气机 利用旋转的动叶对空气做功 把输入转子的机械能转换为空气的压力势能和热能的叶轮机械 目前应用广泛的是轴流式压气机 由转子 主轴 叶轮和动叶 静子 气缸和静叶 气封和轴承等主要部件组成 2 燃烧室 装于压气机与燃气透平之间 结构非常紧凑 目前主要燃用液体燃料 煤油 柴油 重油 渣油和原油 或气体燃料 天然气 焦炉煤气 高炉煤气 液化石油气 炼油厂气和合成煤气 燃烧室有使用油或气单一燃料的 也有使用油和气双燃料的 后者既可以烧油 也可以烧气 或者油气混烧 3 燃气透平 用来驱动压气机和发电机的叶轮机械 工作原理与汽轮机相似 但工质是具有压力和温度不可凝结的气体 工质在燃气透平的叶栅中进行膨胀 将部分热能转换为动能 推动动叶和转子旋转做功 目前应用最广的是轴流式 单轴燃气轮机 透平既拖动压气机 同时又拖动外负荷 三者是共轴的 分轴燃气轮机 压气机由高压透平 又称压气机透平 拖动 发电机则由低压透平拖动 这两个转子是彼此独立的 与蒸汽轮机相比 燃气轮机具有重量轻 体积小 设备简单 启动快 自动化程度高 单机功率较大 可达300MW等级 热效率可达36 41 7 等特点 因此已大量应用在电力系统或热电联产电厂 燃气轮机燃气温度高 压力低 体积流量很大 单机功率比不上汽轮机 燃气透平的焓降小 级数比汽轮机少 燃气温度高且有腐蚀成分 叶片 转子和气缸需冷却并采用耐腐蚀材料 二 蒸汽一燃气联合循环第一章指出 工质的加热温度越高 放热温度越低 热效率就越高 目前 燃气轮机的燃气初温已达1260 14270C 但其放热温度也甚高 一般为425 6000C 致使大量热能随排气进入大气而损失掉 因而简单循环燃气轮机的净热效率只有35 一41 目前单纯用燃气轮机驱动发电机的发电装置主要用于电力调峰或紧急备用电源 而水蒸气动力循环的初温一般不超过6000C 放热温度在300C左右比较接近环境温度 若将燃气轮机的排气余热作为对蒸汽循环的加热 产生高温高压的蒸汽 送到汽轮机中去做功 这样 就可以在不多耗燃料的前提下 额外地获得一部分机械功 使热效率提高 这就构成蒸汽一燃气联合循环 既有燃气一蒸汽联合循环的净热效率已达56 58 本世纪初有望超过60 常规的联合循环机组主要有余热锅炉型 补燃余热锅炉型 增压锅炉型和排气助燃锅炉型4种基本形式 如图l一28所示 以上形式中余热锅炉型为主要的发展形式 余热锅炉型联合循环 图1 28 a 这是比较简单 用得最多而且早已成熟的方案 温度高达425 6000C的燃气轮机排气被引到装在其后的余热锅炉中去加热给水 使其产生蒸汽 送到汽轮机中去做功 这是以燃气轮机为主 汽轮机为辅的联合循环 机组的总功率约为燃气轮机功率的1 3 1 5倍 汽轮机功率和蒸汽参数取决于燃气轮机的功率和排气温度 在燃气透平的排气侧可设置旁通烟囱 这样就可使燃气轮机单独运行 余热锅炉没有安装补燃设备 无辐射受热面 有自然循环和控制循环两种型式 余热锅炉分卧式和立式布置 对流受热面对应作垂直布置和水平布置 使烟气横向冲刷管束 它的结构简单 造价也低 联合循环中的汽轮机不能单独工作 一般按滑压方式运行 其蒸汽参数和功率将随燃气轮机的功率而改变 下图为典型余热锅炉简图 目前 余热锅炉型联合循环的净热效率已达56 58 燃用重质液体燃料时 由于燃气轮机初温受到限制 一般为11000C左右 净热效率略低 约50 左右 这种联合循环还可用于对现有的蒸汽动力发电厂的改造 余热锅炉型联合循环的优缺点 净热效率很高 目前已达50 一58 最终有望达到70 单机容量已经达到350MW以上 若采用多台燃气轮机的联合循环 容量可增至1000MW左右 可与目前大容量的汽轮机抗衡 建设周期短 一年内可以建成功率为2 3总容量的燃气轮机发电机组 先行发电 两年内可建成整个联合循环 单位容量投资费用低 在国外工程的总投资费用只有同容量尾气带脱硫装置的燃煤电厂的l 2 2 3 采用清洁能源 同时用地和用水少 因此对环境污染的影响比较小 自动化程度高 运行维护人员少 可以每天起停 以适应电网负荷变化幅度大的需要 起动机功率较小 余热锅炉型联合循环的缺点主要是目前只能燃用气体燃料和液体燃料 发电成本比较高 另外在部分负荷运行时效率较低 天然气是较清洁的能源 与煤相比燃烧后烟气中粉尘几乎没有 SOx非常低 NOx含量只有燃煤的一半左右 随着国内天然气资源的开发利用和燃煤对环境的污染严重的压力 加上电网峰谷差越来越大 因此 以天然气为燃料的蒸汽一燃气联合循环发电 用作电网调峰 以及作为分布式电站小范围内进行热电联产或热 电 冷三联供 在经济发达的大城市有一定的发展空间和合理性 但是 我国天然气资源匮乏 大规模采用以天然气为燃料的联合循环发电方式终将受到限制 而以煤炭为燃料结合蒸汽一燃气联合循环的发电方式 IGCC 符合我国自身能源结构的特点 其前景更加广阔 第六节洁净煤发电技术简介一 洁净煤技术概念洁净煤技术是指煤炭从开发到利用全过程中 旨在减少污染排放与提高利用效率的加工 燃烧 转化及污染控制等高新技术的总称 它将经济效益 社会效益与环保效益结合为一体 成为能源工业中国际高新技术竞争的一个主要领域 洁净煤技术按其生产和利用的过程分类 大致可分为三类 第一类 指在燃烧前的煤炭加工和转化技术 包括煤炭的洗选和加工转化技术 如型煤 水煤浆 煤炭液化 煤炭气化等 第二类 指煤炭燃烧技术 主要是洁净煤发电技术 目前 国家确定的主要是循环流化床锅炉燃烧 CFBC 增压流化床燃气 蒸汽联合循环 PFBC CC 整体煤气化联合循环 IGCC 和超临界机组加脱硫脱硝装置等 本节内容主要就是介绍洁净煤发电技术 第三类 指燃烧后的烟气脱硫技术 FGD 主要有湿式石灰石 石膏法 炉内喷钙法 喷雾干燥法 电子束法 氨法 尾部烟气 海水脱硫等多种 目前石灰石 石膏湿法脱硫是目前世界上技术最为成熟 应用最多的脱硫工艺 二 洁净煤发电技术的分类及技术特点所谓 洁净煤发电技术 就是指 洁净煤技术 中与发电相关的技术项目 它的重点是为了提高发电机组的效率和控制因燃煤而引起的污染物的排放 目前 洁净煤发电技术 主要有以下几种 循环流化床燃烧技术 CFBC 整体煤气化燃气 蒸汽联合循环发电 IGCC 增压流化床燃气 蒸汽联合循环发电 PFBC CC 常规燃煤电站加脱硫 脱硝装置 PC FGD De NOx 1 循环流化床燃烧 CFBC 技术特点循环流化床燃烧 CFBC 技术系指小颗粒的煤与空气在炉膛内处于沸腾状态下 即高速气流与所携带的稠密悬浮煤颗粒充分接触燃烧的技术 循环流化床锅炉脱硫是一种炉内燃烧脱硫工艺 以石灰石为脱硫吸收剂 燃煤和石灰石自锅炉燃烧室下部送入 一次风从布风板下部送入 二次风从燃烧室中部送入 石灰石受热分解为氧化钙和二氧化碳 气流使燃煤 石灰颗粒在燃烧室内强烈扰动形成流化床 燃煤烟气中的SO2与氧化钙接触发生化学反应被脱除 为了提高吸收剂的利用率 将未反应的氧化钙 脱硫产物及飞灰送回燃烧室参与循环利用 钙硫比达到 左右时 脱硫率可达 以上 循环流化床锅炉的结构简图见图2 6 图1 3循环流化床锅炉系统 循环流化床燃烧方式的特点是 清洁燃烧 脱硫率可达 NOx排放可减少 煤种适应性强 特别适合中 低硫煤 燃烧效率高 可达 负荷适应性好 负荷调节范围为30 100 2 整体煤炭气化燃气 蒸汽联合循环发电 IGCC IGCC发电技术是煤气化和蒸汽联合循环的结合 是当今国际正在兴起的一种先进的洁净煤 CCT 发电技术 具有高效 低污染 节水 综合利用好等优点 它的原理是 煤经过气化和净化后 除去煤气中 以上的硫化氢和接近 的粉尘 将固体燃料转化成燃气轮机能燃用的清洁气体燃料 以驱动燃气轮机发电 使燃气发电与蒸汽发电联合起来 整体煤气化联合循环系统简图见图2 7 IGCC由两大部分组成 即煤的气化与净化部分和燃气 蒸汽联合循环发电部分 第一部分的主要设备有气化炉 空分装置 煤气净化设备 包括硫的回收装置 第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统 余热锅炉 蒸汽轮机发电系统 IGCC的工艺过程如下 煤经气化成为中低热值煤气 经过净化 除去煤气中的硫化物 氮化物 粉尘等污染物 变为清洁的气体燃料 然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧 加热气体工质以驱动燃气透平作功 燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水 产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机作功 IGCC技术把高效的燃气 蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来 既有高发电效率 又有极好的环保性能 是一种有发展前景的洁净煤发电技术 在目前技术水平下 IGCC发电的单机功率已达300MW以上 净效率可达43 45 今后可望达到更高 而污染物的排放量仅为常规燃煤电站的1 10 脱硫效率可达99 二氧化硫排放在25mg NM3左右 目前国家二氧化硫限额约为1200mg NM3 氮氧化物排放只有常规电站的15 20 耗水只有常规电站的1 2 1 3 有利于环境保护 3 增压流化床燃气 蒸汽联合循环发电 PFBC CC 增压流化床燃烧 PFBC 技术从原理上基本同常压流化床燃烧 FBC 大体一致 燃烧空气通过布风板进入燃烧室 加入的煤粒和脱硫剂 通常是石灰石或白云石 处于悬浮状态 形成一定高度的流态化 床 层 流化床中 脱硫剂在煤燃烧的同时脱除二氧化硫 再由于流化床燃烧温度控制在900 以下 抑制了燃烧过程中氮氧化物的生成 所以大大减少了污染物的排放 同FBC一样 PFBC的燃烧效率高 对煤种适应性强 该燃烧装置的示意图见 图2 8 增压流化床燃烧 PFBC 技术采用增压 6 20个大气压 燃烧 燃烧效率和脱硫效率可以得到进一步提高 燃烧室热负荷增大 改善了传热效率 锅炉容积紧凑 该技术除了可在流化床锅炉中产生蒸汽使汽轮机做功外 从PFBC燃烧室 也就是PFBC锅炉