太阳能热发电地热生物质能发电系统ppt课件.ppt

1 第7章 可再生能源热电站 了解 参考教材 贺德馨等主编 中国电气工程大典第7卷 可再生能源发电工程 中国电力出版社 2010年 2 可再生能源 可再生能源是利用消耗后可以自然得到不断补充的再生能源 3 可再生能源包括 太阳能地热能生物质能水能海洋能风能 4 可再生能源热电站 7 1太阳能热发电系统7 2地热能发电系统7 3生物质能发电系统 光 热转换光 电转换光 化学转换 发电 5 7 1太阳能热发电系统 太阳能热发电是将太阳辐射能聚集起来加热工质 经热交换器产生过热蒸汽 再由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电 其原理与普通热电站相同 发展方向也是提高蒸汽温度与压力 以提高热电转换效率和增大单机组容量 改善经济性能 主要区别在于太阳辐射的热能替代化石燃料燃烧产生的热能来加热 6 国际上自20世纪70年代后期以来 开始进行了认真的研究发展工作 太阳能热发电的主要困难在于 太阳辐射功率密度低 1kW m2以下 及随季节 昼夜与气候条件的变化而变化 具有不连续性及不稳定性 因此 大规模发电应解决大面积能量的聚集 跟踪 长距离传输 转化与储存等一系列科学技术问题和相当大的资金投入 使得虽然太阳能资源不需付费 但是度电成本还不低 7 太阳能热发电系统 采用线聚焦抛物面镜的槽式采用众多定日镜阵列的塔式采用点聚焦旋转抛物面镜的碟式太阳池发电系统太阳能烟囱发电系统 太阳热气流发电 8 7 1 1槽式电站ParabolicTroughs 9 槽式发电系统的研究开发始于20世纪70年代末至80年代初 自1985年起在美国加州建成九座电站 所达到的水平是 总发电功率为35 4万kW 单机最大容量为8万kW 聚光效率为73 76 至换热器的热效率为43 最高工质温度为300 400 发电效率为30 37 总效率为13 16 每万千瓦发电功率的太阳场面积约为0 06 0 05km2 10 太阳场集热系统 热传输系统 蓄热与热交换蒸汽发生器系统 汽轮发电机系统 11 图1 1 5所示槽式太阳热发电系统 由太阳场集热系统 热传输系统 蓄热与热交换蒸汽发生器系统与汽轮发电机系统四部分组成 太阳场集热系统由槽式抛物面聚光镜与位于焦线的真空管集热器组成 聚光镜配有自动跟踪系统可跟踪太阳 集热管内有流动的工质 通常为油 吸收辐射能而被加热 被加热的工质经输运管道进入蒸汽发生器 通过热交换产生所需的高温高压蒸汽 再用蒸汽驱动汽轮发电机组发电 12 槽式聚光器Parabolictroughconcentrator 13 槽式电站集热器示意图 One axistrackingparabolictroughwithaxisorientedeast west 14 CollectorsinsouthernCA 15 16 槽型抛物面镜聚光集热器是一种线聚焦 一维聚光 集热器 其聚光比比点聚焦 二维聚光 的塔式系统低得多 且称为集热管的吸收器 其散热面积也较大 因而集热管所能达到的工质温度一般不超过400 属中温 分散性系统 这种系统具有模块化结构 不像塔式系统只有相当容量规模才有较好的技术经济性 其系统组成聚光集热等装置全都布置在地面上 安装和维护比较方便 特别地 全部聚光集热器可同步跟踪 从而使控制成本大为降低 但槽式热发电系统的主要缺点是能量聚集过程还要多用管道和泵 故致使热输送管路比塔式系统复杂 输热损失和流阻损失也较大 17 抛物面槽式太阳能发电站 20世纪80年代中期 以美国LUZ 鲁兹 公司为代表 研制出了抛物柱面集热式太阳能发电 如下图所示 这种集热方式是横向线性 被加热工质沿聚焦线流动 比塔式的定日聚焦简便 不要建高塔 可以平面布置 其经济性可以与普通热电竞争 如美国加利福尼亚新投入的2台8 104kW的太阳能发电机组 单机年发电量已达25MWh 发电成本每度约为8美分 因此已具有商业开发意义 若考虑社会效益 这种发电方式将优于消耗石化能源的电力生产 18 图片 抛物面槽式太阳能集热器 19 图片 LUZ公司的SEGS系统 20 SEGS系统介绍 SolarElectricGeneratorStationSEGS系列最后2个光热电厂的容量是80MW 他们都坐落在加利福尼亚的哈珀湖 为了得到这些输出的电力 他们需要更大的场地布置槽式集热器组件 每个组件长100m 传热流体被泵送过142个平行的回路 每一个回路包含串联的6个组件 这个系统在全日照下 可以将工质加热到410 可以产生过热蒸汽 而且适用于蒸汽轮机 21 7 1 2塔式电站PowerTowers 22 7 1 2塔式电站PowerTowers 塔式太阳热发电系统在太阳场内设置大量定日镜 它们由跟踪装置控制将太阳辐射聚集到位于塔顶的集热接收器 使在接收器内产生所需的蒸汽 再由蒸汽驱动汽轮发电机组发电 23 图片 塔式太阳能发电站系统图 1 24 20世纪80年代 世界上建成了七座塔式电站 均属于千千瓦级试验电站 产生了至520 100大气压的蒸汽 每万千瓦电输出的定日镜面积约为0 04 0 12km2 投资较高 在这些电站中 美国1万kW的 太阳一号 SolarOne 是性能发挥较好的系统 长期试验与运行表明其技术可靠 对环境影响小 能为公众所接受 也发现了一些需改进的问题 是第一代塔式电站的代表 与 太阳一号 试验运行的同时 还进行了 太阳二号 的研发与建设试验工作 它采用熔融硝酸盐作为传热介质 以提高接收器的热效率和使储热系统变得简单和高效 发电功率为1万kW的电站于1996年建成 1997 1999年成功运行 25 26 27 28 塔式电站用一个中心吸收器取代火力发电站的锅炉 吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质 如水 加热 并产生温度和压力都相当高的蒸汽 蒸汽驱动汽轮发电机组发电 塔式电站的聚光倍数高 1000 3000 其介质工作温度通常大于350 因此通常被称为高温太阳能热发电 塔式电站的优点是聚光倍数高 容易达到较高的工作温度 能量集中过程由反射光一次完成 方法简捷有效 吸收器散热器面积相对较小 光热转换效率高 但塔式电站建设费用高 其中反射镜的费用占50 以上 太阳能塔式电站的总体效率可以达到20 29 目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到104kW 太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔顶的中心吸收器上 计算机控制每块反射镜都能独立的根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角 这保障了每块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上 但这无疑增加了成本 塔式电站的致命缺点是太阳能电站规模越大 反射镜阵列的占的面积越大 吸收塔的高度也要提升 例如 一个计划中的1MW的塔式电站 要用2 93万块反射镜 单镜面积为30m2 这些反射镜布置在3km2的场地上 塔的高度为305m 30 100m2定日镜heliostat 31 32 Currentheliostatprices 125to 159m 2 33 定日镜群由许多平面反射镜组成 采用计算机控制 自动跟踪太阳 所有镜面都将太阳光反射到高塔的接收器 集热锅炉 上 它把收集的太阳能转变为热能 加热接收器内的工质 产生蒸汽送往汽轮机 由汽轮机带动发电机发电 此发电站的运行温度约为500 热效率在15 以上 这种发电站占地面积大 如美国加利福尼亚1号电站 功率为104KW 定日镜有1818块 每块为39 1 总面积达71084 塔高55m 十分壮观 34 PowertowerinBarstow California 35 PowertowerinBarstow California 36 7 1 3碟式电站Dishtechnology 采用碟状 也称盘状 抛物镜作集热器 Smallscaledistributedapplications 37 碟式太阳能热发电与塔式相似 二者都是使用点聚焦的聚光集热方式 聚光比可以达到1500 3000 工作温度可达到800 以上 近20年来它在西方发达国家得到了迅速地发展 单元系统从2kW发展到50kW 碟式聚光太阳能热电系统具有较高的光学效率 较低的跟踪误差以及采用了等效于卡诺循环的斯特林 stirling 循环或布雷顿 brayton 循环 从而使其系统有较高的热电转换效率 据报道 峰值太阳能转化为电能的净效率可以达到29 4 碟式系统是基于模块化的设计思想 使其既可以作为分布式发电系统在边远地区单独使用 也可以建成兆瓦级的电站并网发电 目前 美国 欧洲以及澳大利亚等国已经完成了系统的原型示范 正在向商业化方向发展 38 39 图1 1 7碟式太阳热发电系统 太阳能收集器由碟状抛物面聚光反射镜及位于焦点的吸收器组成 其聚光比可达数百到数千 从而可产生高温 吸收器将所吸收的太阳热能传给热机回路中的工质 由工质驱动热机与发电机组发电 整个系统配有微机控制系统 对反射镜精确跟踪太阳及发电机组进行控制 在美国与欧洲 已实现多个碟式发电的示范项目 由于镜子直径不宜太大 从而单个装置的电输出一般仅为几十千瓦 如光伏电源一样 可以作为离网的独立电源 用于边远无电地区分散供电 也可用于大量碟式集热器并联形成大功率电站 大批量生产造价会大大下降 但并联技术困难也很大 40 Becausetheyworkbestunderdirectsunlight parabolicdishesmustbesteeredthroughoutthedayinthedirectionofthesun 41 42 由于系统使用点聚焦的聚光方式 因此系统的跟踪精度要求非常高 以便接受更多的太阳直射辐射 减少由于偏焦所引起的能量损失 在聚光器焦斑的位置上 可以放置斯特林机 stiringengine 布雷顿机 braytonengine 或者微型汽轮机等 其根本目的就是要将聚光器收集的高密度热流进行有效的利用 目前采用的是斯特林机 这主要是由于斯特林热循环本身的热效率高 斯特林机的热能向机械能的转换效率高 约40 能量密度高 40 70kW L 而且容易实现长期 低维护成本运行 43 碟式电站缺点 系统复杂 抛物镜如建立一个100MW的碟状抛物镜集热器分散布置的太阳能电站 约需要1 2万个直径为6m的抛物镜 高温接收器管路及绝热材料跟踪控制系统 44 槽式电站是线聚焦 聚光倍数小于100 但槽式电站跟踪精度低 导致控制代价小 同时采用管状吸收器 工作介质受热流动同时集中能量 槽式电站的总体代价相对小 经济效益相对提高 所以目前槽式电站发展迅速 塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为点聚焦 聚光倍数高达500以上 但塔式电站的跟踪代价高 碟式电站的能量集中代价大 二者受到了目前技术水准的限制 实现商业化尚需时日 槽式 塔式和碟式三种电站技术比较 45 最常见的太阳池装有浓缩的盐水 无论它是自然形成的还是人工建造的 保持池塘中盐浓度的梯度导致水温梯度的倒置是太阳池运行的基础 如果盐在接近池底的浓度高于表面 那么底部的水较重 具有较高的密度 在加热时将不会上升 对流 因此 当阳光透过池塘时 底部的水被加热且不会上升到表面以至于失去它的热量 通过这种方法 接近塘底的温度能升高到接近水的沸点 世界上有很多地区存在天然的这种池塘 也可以进行人造 盐梯度池塘也可以用太阳能凝胶池塘来代替 池塘表面漂浮的一层凝胶可以阻碍热对流 防止热量散失 7 1 4太阳池发电系统 46 太阳池热能收集发电系统 47 太阳池实质上式一种具有一定浓度梯度的盐水池 它具有太阳能集热器和储热器的双重功能 盐池里的水在垂直方向具有一定的盐度梯度 上部是新水 底部是较重的盐水 太阳光透过盐上部的水到达底部 加热底部的盐水 然后再不扰乱破坏太阳池水主体 维持池内所需密度梯度的情况下 用泵从池底抽出已被加热的盐水 通过热交换器换热后 再送回池底 48 太阳池热发电就是应用太阳池的特性 将天然盐水湖建成太阳池 如同一个巨大的平板集热器 利用它吸收太阳能 再通过热交换加热低沸点工质产生过热蒸汽 以驱动汽轮机发电机组发电 以色列于1975年在死海边建造了世界上第一座太阳池电站 49 太阳池的一般特性 由于水对长波辐射几乎是不透明的 因此当太阳辐射进入池内后 红外部分在水面以下几厘米的范围内就全部被吸收掉了 而可见光和紫外线则可穿透清水达数米的深度 并由涂黑的池底吸收 因为水是热的非良导体 所以池底所吸收的热量很少能通过传导散失到大气中去 同时 池水和池底作为辐射源 由于它们的温度都较低 100 因此辐射的波长多在远红外区 全部都被池水本身所吸收 因而辐射热损失也极小 所以 关键在于控制池内的盐水浓度 使得由浓度梯度所造成的正密度梯度 即池顶为清水 池底为饱和盐水溶液 池水密度自上而下越来越大 超过由温度梯度所造成的负密度梯度 即池顶温度与大气温度相同 池底由于不断吸收太阳能而温度逐渐升高 所以池水密度自上而下越来越小 使池水在竖直方向上不会发生对流 因此对流热损失也小 这样 太阳辐射除了在池水表面层发生反射损失外 进入池内的部分基本上全被池水和池底所吸收 只有少量热量通过四壁和底部散失给土壤 太阳池可视为一种水平放置的大型集热器 由于它的储热量较大 因此可作为跨季度蓄热器使用 50 7 1 5太阳能烟囱发电Solarthermalchimney 51 太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚 太阳能烟囱和涡轮机发电机组3个基本部分所构成 太阳能热风发电构想是由德国斯图加特大学的J Schlaich教授于1978年提出的 52 太阳能集热棚建在一块太阳辐照强 绝热性能比较好的土地上 集热棚和地面有一定间隙 可以让周围空气进入系统 集热棚中间离地面一定距离处安装烟囱 在烟囱底部装有涡轮机 太阳光照射集热棚 集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳能辐射能 并加热土地和集热棚覆盖层之间的空气使集热棚内空气温度升高 密度下降 并沿着烟囱上升 集热棚周围的冷空气进入系统 从而形成空气循环流动 由于集热棚内的空间足够大 当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候 在烟囱内将形成强大的气流 利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机 带动发电机发电 太阳能热气流发电技术原理 53 太阳能热气流 热风 发电技术优点 太阳能几乎是取之不尽 用之不竭的清洁能源 太阳能热风发电对环境无污染 太阳能热风电厂通过设置蓄热系统 可实现全天候运行 太阳能热风电厂设备简单 透平发电机组是唯一的运动部件 维护费用低 不需冷却水 不产生二氧化碳气体 对缓解全球变暖有积极作用 但占地面积很大 发电效率约为1 从而限制了它的发展 目前仍处于探索试验阶段 54 7 1 6太阳能集热吸收器 太阳能发电站与火力发电站之间的最重要的区别是用集热器取代锅炉 集热器的功用是有效的吸收太阳能而又不向外扩散 以槽式电站为例 集热器的主要类型有 真空管吸收器和腔体式吸收器 55 真空管吸收器的结构图 1 真空管式吸收器 56 真空管吸收器的优缺点 真空管吸收器的优点是金属管与玻璃管之间不存在对流热损 玻璃管外径较小且透明 从而既减少了对阳光的遮影 也通过增大热阻降低了外表面的对流热损 有选择性涂层的金属管壁对阳光的吸收率很高 但发射率却非常低 真空管吸收器的缺点是由于玻璃和金属的热膨胀系数不同 玻璃管与金属管之间存在温差 造成中温时 略低于350 真空封口处的玻璃容易脆裂 从而难以在室外环境下长期维持真空度 在中温时光学选择性涂层容易老化和脱落 难以长期维持大规模光学选择性吸收表面的热稳定性 57 2 腔体式吸收器 腔体式吸收器的结构为一柱形腔体 外表面覆隔热材料 由于腔体的黑体效应 使其能充分吸收聚焦后的阳光 腔体式吸收器主要适用于长焦聚光器 图2 4为腔体式吸收器集热器剖面图 腔体式吸收器集热器剖面图 58 腔体式吸收器的优点 吸热过程不是发生在最强聚焦区 而是在聚焦过后和发射时 并以较大的内表面积向工作流体传热 致使和真空管吸收器相比具有较低的投射辐射能流密度 腔体壁温较均匀 可减小与流体之间的温差 使开口的有效温度降低 从而最终使热损降低 经优化设计的腔体式吸收器 热性能比真空管吸收器稳定 在同样情况下 工作介质平均温度大于230 时 腔体式吸收器既不需要抽真空 也不需要涂光学选择性涂层 仅采用传统的材料和制造工艺 成本低和便于维护也是腔体式吸收器的特性 腔体式吸收器的集热效率大于真空管吸收器 这使它成为槽形抛物镜集热器的吸收器 腔体式吸收器的发展已受到重视 59 地热能是指贮存在地球内部的可再生热能 一般集中分布在构造板块边缘一带 起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变 全球地热能的储量与资源潜量十分巨大 7 2地热能发电系统 60 国际上地热能发电发展较快 目前全世界已有24个国家建成了地热发电站 总装机容量达800万kW以上 利用程度较高的国家有美国 菲律宾 意大利 日本 墨西哥 新西兰等 据2005年土耳其世界地热大会发表的报告 目前从事地热发电的国家已有24个 总装机容量为8912MW 年发电量56798GWh 在世界地热发电总装机容量中 以美国居首位 为2544MW 占28 5 我国为28MW 排名第15位 61 新西兰和日本的地热电站 62 中国地热发电的历史和现状 我国进行地热发电研究工作起步较晚 始于六十年代末期 1970年5月首次在广东丰顺建成第一座设计容量为86千瓦的扩容法地热发电试验装置 地热水温度91 厂用电率为56 随后又相继建成江西温汤 山东招远 辽宁营口 北京怀柔等地热试验电站共11座 容量大多为几十至一两百千瓦 采用的热力系统有扩容法和中间介质法种 均属于中低温地热田 我国地热可采储量约相当于4626 5亿TCE 近几年我国地热开采利用量每年以7 的速度增长 现在我国西藏已建成3座地热电站 全国总装机容量达29MW 到目前为止 除西藏八井地热电站是我国最大的地热电站且一直在全稳定发电外 其他11座地热电站都相继停其原因主要是 地热水温度较低 多在65 91 热效率低 1 5 4 左右 厂用电率高 40 60 左右 没有工业开发利用价值 63 西藏羊八井地热发电厂 64 目前世界上实际能利用的地热资源则很少 主要限于蒸汽田和热水田 这两者统称为地热田 地热能实质上是一种以流体为载体的热能 地热发电属于热能发电 根据地热资源所产生的工作物质状态的不同 地热电站分为干蒸汽电站 湿蒸汽电站 热水电站三种主要形式 65 此时地下热储的是干蒸汽 来自地热生产井的干蒸汽1进入凝汽式汽轮机发电机组 然后汽轮机的排汽2则进入混合式冷凝器 向冷却水放热 并凝结成水3 冷却所需冷却水源可由冷却塔或江河等冷却水源所提供 凝结水3经凝结水泵压缩升压后 一部分送入冷却塔 在塔内 地热凝结水4被空气冷却后作为冷凝器的冷却水源 而另一部分凝结水4则回灌地下 并被地下热储所加热 完成一个循环 如此周而复始 连续完成热功转化过程 7 2 1干蒸汽电站 66 可以看出 地热发电与燃烧化石燃料的热电站原理相同 都用水和水蒸气为载体 利用凝汽式汽轮机组进行热能 机械能 电能转换 两者之间的区别主要在于 地热电站对工质的加热是在地下热储中进行的 而热发电厂则是在锅炉中进行 因此地热发电不需要庞大的锅炉及其辅助设备 也不需要消耗化石燃料 因此地热发电设备简单 运行费用也很低 在地热发电系统中 由于不需回收凝结水 一般都采用冷却效率高及造价低的混合式或直接接触式冷凝器 只当为了环保 对硫化氢 H2S 进行处理 及从H2S中回收硫磺时 才需采用表面式冷凝器 由于进入汽轮机的地热蒸汽参数 温度 压力 低 质量体积大 且焓降小 为了达到一定规模的发电量 就需要较大的蒸汽质量流量 因此汽轮机的体积及进汽管道都相对较大 由于地热流体中溶有一些矿物质和不凝气体 因此地热电站要解决防腐 防垢和环境保护等方面的问题 67 7 2 2湿蒸汽电站 与干蒸汽电站不同 湿蒸汽电站使用来自地下热储的过热水 引至地面过程中压力要降低 部分热水变成蒸汽 因而排出井口时形成湿蒸汽 利用湿蒸汽发电 先要通过汽水分离器将蒸汽分离出来 同时将剩余的热水经闪蒸器减压扩容 产生另一部分低压蒸汽 然后将两种压力不同的蒸汽分别送入汽轮机的高压段和低压段做功发电 68 系统原理 地热井中的蒸汽经过分离器除去地热蒸汽中的杂质后直接引入普通汽轮机做功发电 系统原理见右图 适用范围 适用于高温 160 以上 地热田的发电 系统简单 热效率为10 15 厂用电率12 左右 69 7 2 3热水电站 热水电站又分闪蒸法地热电站和双循环地热电站两类 闪蒸法地热电站的工作原理 来自热储的热水经闪蒸器减压扩容产生低压蒸汽送入汽轮发电机做功发电 若扩容后排水温度尚高 还可再次进行闪蒸 双循环地热电站的工作原理 地热水通过间壁式蒸发器 加热器内某种低沸点介质 如氟利昂 异丁烷等 使其产生低压蒸汽 推动低沸点介质汽轮机做功发电 排气在冷凝器内被冷却水冷凝后用泵打回蒸发器重新加热 循环使用 双循环热水电站的地热水温度越低 发电效率也越低 经济性就越差 因此 建这类电站应根据水温和其他条件 因地制宜地作具体的技术经济分析 此外 尚有干热岩地热发电 地压地热发电等方式 目前均处于试验研究阶段 70 1 闪蒸法 扩容法 地热水发电 根据水的沸点和压力之间的关系 把地热水送到一个密闭的容器中降压扩容 使温度不太高的地热水因气压降低而沸腾 变成蒸汽 由于地热水降压蒸发的速度很快 是一种闪急蒸发过程 同时地热水蒸发产生蒸汽时它的体积要迅速扩大 所以这个容器叫做 扩容器 或 闪蒸器 用这种方法产生蒸汽来发电就叫扩容法地热水发电 这是利用地热田热水发电的主要方式之一 该方式分单级扩容法系统和双级 或多级 扩容法系统 系统原理 扩容法是将地热井口来的中温地热汽水混合物 先送到扩容器中进行降压扩容 又称闪蒸 使其产生部分蒸汽 再引到常规汽轮机做功发电 扩容后的地热水回灌地下或作其他方面用途 71 单级扩容法系统 单级扩容法系统简单 投资低 但热效率较低 一般比双级扩容法系统低20 左右 厂用电率较高 适用于中温 90 160 地热田发电 单级扩容法地热发电原则热力系统原理见右图 72 双级扩容法系统 双级扩容法系统热效率较高 一般比单级扩容法系统高20 厂用电率较低 但系统复杂 投资较高 适用于中温 90 160 地热田发电 双级扩容法地热水发电原则热力系统见右图 73 2 中间介质法地热水发电 中间介质法地热水发电又叫热交换法地热发电 这种发电方式不是直接利用地下热水所产生的蒸汽进入汽轮机做功 而是通过热交换器利用地下热水来加热某种低沸点介质 使之变为汽体去推动汽轮机发电 这是利用地热水发电的另一种主要方式 该方式分单级中间介质法系统和双级 或多级 中间介质法系统 系统原理 在蒸发器中的地热水先将低沸点介质 如氟里昂 异戊烷 异丁烷 正丁烷 氯丁烷 加热使之蒸发为气体 然后引到普通汽轮机做功发电 排气经冷凝后重新送到蒸发器中反复循环使用 有的教科书又将此系统称为双流体地热发电系统 74 单级中间介质法系统 单级中间介质法系统简单 投资少 但热率低 比双级低20 左右 对蒸发器及整个路系统严密性要求较高 不能发生较大的泄漏还要经常补充少量中间介质 一旦发生泄漏对体及环境将会产生危害和污染 适用于中低 50 100 地热田发电 单级中间介质法地水发电原则性热力系统见右图 75 双级 或多级 中间介质法系统 双级 或多级 中间介质法热力系统热效率高 比单级高20 左右 但系统复杂 投资高 对蒸发器及整个管路系统严密性要求较高 也存在防泄漏和经常需补充中间介质的问题 适用于充分利用低温 50 100 地热田发电 双级中间介质法地热水发电原则性热力系统见右图 76 从理论上讲中间介质法适用中低温地热田的发电 但造价一般是扩容法的1 5倍以上 中间介质都存在易燃易爆 需要专门运输和储存设备等不利因素 所以 目前世界上在进行工业开发利用的地热电站中采用中间介质法系统的较少 77 地热发电的特殊问题 结垢与腐蚀是地热发电特有的重要问题 扩容发电所使用的地热水是天然的 未加任何处理 具有很高的含盐量 78 至今 由于西藏现有的3座地热电站所用的均为重碳酸型水 生产井内结垢 主要成份为CaCO3 都很严重 采取的处理方法 在羊八井和朗久是每天操作机械捅井装置 再加上定期酸洗井筒 井口管段使用敲击法除垢 而在扩容器和汽轮机通流部分的结垢 只能在大修中清除 在汽轮机动 静叶片上的结垢也相当严重 厚度约每年2mm 最大5mm 结垢不仅降低汽轮机出力 而且使轴向推力增加 影响机组安全运行 机组必须每年大修人工除垢 79 由于地热蒸汽中含有CI S等腐蚀介质 以及没有长期停机的保护措施 羊八井3MW地热机组的铸铁隔板 轮盘表面 35CrMoA 均遭受不同程度的腐蚀 叶片的损伤尤为严重 国产3MW地热机组的第3级在投运后 普遍发生了叶片断裂 经仔细分析 叶片损坏的原因是腐蚀疲劳 防止该级叶片断裂的主要措施有 提高分离器的性能 长时间停机时要充氮保护 不超负荷 特别是二级扩容器不超压运行 80 7 3生物质能发电系统 生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体 包括所有的动植物和微生物 它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用 可转化为常规的固态 液态和气态燃料 取之不尽 用之不竭 是一种可再生资源 生物质资源种类繁多 主要有农作物和农业有机剩余物 林业剩余物 农副产品的有机废物和废水 动物排泄物和城市污水及垃圾 此外 还有水生植物 藻类和能进行光合作用能源植物 微生物等 依据来源的不同 将可以能源化利用的生物质分为农业秸秆类资源 林业资源 畜禽粪便 生活污水和工业有机废水 城市固体废物等五大类 这五类都属现有的 废弃型的生物质资源 可成为再利用型生物质资源 把专门中指 用于能源转化的植物称为能源植物 81 非粮的传统生物质资源 农作物秸秆 能源作物 畜禽粪便 农 林 产品加工副产品及废弃物和城市垃圾 我国生物质资源量 林业及木材加工废弃物约2 7亿吨 30 可开发利用 约0 5亿吨标准煤 农业秸秆总量6 5亿吨 其中50 可作开发利用 约2 1亿吨标准煤 畜禽粪便及污水资源可转化沼气约1 0亿吨标准煤 城市生活垃圾清运量约1 55亿吨 可用量约0 25亿吨标准煤 目前可用生物质资源当量约4 0亿吨标煤 一 我国生物质能资源 河南 河北 山东 四川 湖北 湖南黑龙江等产粮大省 我国秸秆资源分布 82 生物质发电的意义 与化石类燃料相比 生物质发电对环境污染小 生物质的含硫量比煤少 煤的含硫量一般为0 5 1 5 而生物质的含硫量一般少于0 2 生物质的灰分含量低于煤 含氮量通常比煤少 燃用生物质产生的CO2又可被等量生长的植物光合作用所吸收 实现CO2零排放发展接近终端用户的分布式电力系统发展农业生产和农村经济 有效缓解酸雨问题 降低 温室效应 NOx和烟尘排放比煤少 83 生物质发电技术在世界各国已收到广泛重视 目前已经应用的生物质发电技术包括 1 直接燃烧发电 2 混合燃烧发电 3 气化发电 4 沼气发电 84 7 3 1生物质直接燃烧发电 直接燃烧发电是指把生物质原料送入适合生物质燃烧的特定蒸汽锅炉中 生产蒸汽 驱动蒸汽轮机 从而带动发电机发电 欧美等国的生物质直接燃烧发电技术成熟 生物质废弃物发电利用率高 由丹麦研发的秸秆燃烧发电技术的广泛应用可见 直接燃烧发电在生物质发电技术中占有重要地位 城市生活垃圾 MSW 燃烧发电是生物质直接燃烧发电的另外一种主要形式 最先利用生活垃圾发电的是德国和美国 自20世纪70年代以来 垃圾焚烧技术在发达国家得到较快发展 目前以欧美 日本等发达国家最具代表性 主要焚烧炉型有机械炉排炉 流化床炉 回转窑炉 模组式炉 其中机械炉排焚烧炉是目前大型生活垃圾焚烧炉的主流设备 但流化床焚烧炉具有较好的潜在应用特性 85 生物质干基低位热值除家禽粪便比较低外 其余地位热值均介于17 23MJ kg 可以达到比较高的理论燃烧温度 获得高的循环效率 因此 热值并不是生物质燃烧系统高效发电的限制 生物质矿物质的结渣 积灰和腐蚀特性限制了燃烧与受热面的温度 从而限制了发电效率的提高 在燃烧过程中 钾元素更容易在相对较低的温度下进行迁移 然后沉积于受热面上 使受热面热阻增加 或者造成受热面腐蚀 钾元素也可能对燃烧器或燃气轮机等耐高温的高性能金属材料造成腐蚀 积灰主要是由生物质中的钾等碱金属元素造成 温度小于800 时 KOH KCl和硫酸盐是钾元素输运的关键组分 低温时 从生物质可燃组分碳和氢中将矿物质分离出来 可以避免碱金属输运的发生 从而提高燃烧器 燃气轮机和柴油机中生物质的高效燃烧 对于燃用非木料的锅炉 运行的困难在于锅炉管束 过热器和水冷壁等受热面上的矿物质沉积 以及惰性床料和生物质灰的结块 随着燃用生物质设备运行时间的延长 需要对受热面管壁进行间断性清洁和维护 否则将影响生物质燃料燃烧发电和液化的大规模长期应用与发展 86 生物质直接燃烧发电过程中 受热面腐蚀直接影响着发电效率的提高 生物质飞灰中的成分迥然不同 如稻草与麦秆灰中含有较高的硅 氯及钾 钠等金属 这种灰熔点较低 容易在炉膛内结渣 结焦或沉积于受热面 严重影响燃烧生物质锅炉的换热 甚至造成腐蚀 将严重制约燃烧生物质锅炉的长期正常运行 不同的生物质燃烧过程中生成的灰成分完全不同 对受热面的腐蚀程度也不同 如何控制生物质燃烧过程中的结焦 结渣 从而减少运行过程的腐蚀程度显得尤为重要 另外 如何控制灰的形成特性或抑制灰腐蚀 以及选择与改进现有的受热面清灰措施 对系统运行的可靠性至关重要 对受热面腐蚀产生严重影响的主要因素是烟气中的碱金属含量和氯含量 试验表明 氯的沉积程度受烟气中氯和碱金属含量的影响而直接取决于硫含量与前两者中含量值最大的相对比值 87 一 生物质直接燃烧锅炉 1 往复炉排炉给料系统能否均匀进料显得非常重要 炉排炉是木粉 森林废物和农业废弃物优先选择的燃烧方式之一 其燃烧方式控制炉排和空间悬浮燃烧同时存在 燃烧效率仅为68 80 2 生物质火室燃烧设备一般地 设备要求相对湿度不超过15 燃料粒径小于6mm 燃烧效率达80 以上 且负荷变化快 颗粒排放控制难度大 燃料停留时间不足 将造成不完全燃烧损失 3 生物质流化床燃烧设备流化床燃烧方式可以燃用森林废物 城市污泥 城市垃圾和农业废物等 流化床燃用燃料的水分可以在15 65 内变化 但建设费用比炉排炉更加昂贵 4 生物质旋风燃烧设备燃料给进比较重要 燃料供给需要持续不断 以保持正常稳定燃烧 另外还需要安装点火器 88 EHN公司锅炉 89 EHN公司在西班牙Navarra区建造了以麦秆为主要燃料的27 5MW蒸汽发电厂 厂用电为2 5MW 其系统流程如图5 3 16所示 该技术基于新颖的生物质锅炉 核心技术是采用炉内悬挂屏式高温过热器 过热器采用特殊材料和特殊的结构设计 以解决燃用麦秆带来的结渣和腐蚀问题 采用避免高温的给料系统和液压振动炉排 炉排采用丹麦FLS公司的改进炉排设计 设计燃料为100 的麦秆或混合总热量相当于50 的木粉量 年消耗燃料量为16万t麦秆 需要建造一座专用燃料备用仓 为了满足燃料的不间断供应 公司于农场主和服务公司签订了长期合约 以解决燃料的收集 处理 运输和储存等配套管理问题 电厂与2002年6月开始并网发电 2003年初达到满负荷 2003年秋季进入商业运行 在一年的试运行过程中 共燃用相当于含水量11 的99124t麦秆 输出电量1 1894亿kWh 90 1 锅炉 麦秆通过四个机械给料装置进入锅炉 炉排每5分钟振动几秒钟 燃料随炉排振动经干燥段 挥发分析出段 燃料燃烧段和燃尽段 燃尽灰最后进入除灰系统 锅炉运行时 炉排的振动与停止间隔可以调节 以适应麦秆的燃烧特性 炉排由开孔钢板构成 燃烧所需的空气通过炉排上开孔供给 该炉排的维护费用较低 可靠性高 从炉排漏下去的灰和布袋除尘器收集的灰运输到灰仓 均可作为肥料使用 锅炉与麦秆预处理系统技术由FLS公司提供 91 2 受热面 烟气先流经炉膛顶部悬挂的屏式过热器 然后经过给水省煤器和空气预热器 待温度冷却至130 后 再经烟囱排放于大气 3 蒸汽循环 麦秆燃烧后的烟气可以将屏式过热器内蒸汽加热至540 麦秆灰中的碱金属含量高 碱金属可以使过热器产生快速的高温腐蚀 因此过热器需要特殊设计 包括采用防腐蚀材料 受热面余量设计等 过热器材料的使用性能有待进一步运行考验和测试分析 92 二 垃圾发电 垃圾焚烧发电的原理利用垃圾起重机等设备将垃圾送入焚烧炉中燃烧 将垃圾的化学能转换成高温烟气的热能 然后在余热锅炉中 经化学处理和热力除氧后的水吸收烟气热能 产生水蒸气 将烟气的热能转换成水蒸气的热能 水蒸气被送入汽轮机 在汽轮机中膨胀做功 驱动汽轮机转子高速旋转 又将水蒸气的热能转换成汽轮机转子的机械能 而后由汽轮机转子带动发电机转子旋转 从而使发电机中转子的机械能转换成电能 93 94 焚烧炉及余热锅炉高温腐蚀 1 氯及其化合物的影响 1 氯气腐蚀 壁温在380 以下 湿氯气的腐蚀能力大于干氯气的腐蚀能力 且温度越低 湿氯气的腐蚀能力越强 垃圾焚烧炉烟气中含较多水分 氯气腐蚀容易发生 2 氯化氢腐蚀 氯化氢对Fe FeO Fe2O3 Fe3O4 Cr2O3均由腐蚀作用 3 氯 硫化合物的共同作用 当氯化物与硫的氧化物共存时 在有H2O O2存在的条件下 可加速腐蚀性物质 硫酸盐 HCl Cl2 的生成 从而加重高温腐蚀 95 2 硫及其化合物的腐蚀 1 还原性气氛下H2S腐蚀 在还原性气氛下 宜生成H2S 而不是SO2 H2S能与C CO等一起侵蚀致密的Fe2O3保护膜 并能与表面析铁进行氧的获夺 研究表明 12Cr1MoV的钢的腐蚀速度与H2S气体的容积百分数呈线性关系递增 2 硫酸盐腐蚀 Na K类硫酸盐破坏保护膜以黏态积于管壁 并捕获烟气成分 3 硫氧化物腐蚀 SO3的高温腐蚀除了上述与硫酸盐类的共同作用 SO2 SO3还能产生电化学腐蚀 4 硫化物腐蚀 当含硫量较高时 Na2S K2S FeS等较多地存在于金属表面灰层 产生腐蚀 5 还原性气氛的影响 在还原性气氛下 S易生成H2S 同时C的氧化也易较多地生成CO 除了上述H2S的高温腐蚀 CO在400 600 下 与Fe2O3保护膜起还原反应 96 垃圾焚烧排放的主要污染物 97 二恶英 二恶英类物质 Dioxin 属于痕量有机物 二恶英的分子结构为1个或2个氧原子联结2个被氧取代的苯环 1个氧原子的称为多氯二苯并呋喃 Polycholorodibenzo furan PCDF 2个氧原子联结的称为多氯二苯并二恶英 Polycholorodibenzo p dioxin PCDD 每个苯环上可以取代1 4个氯原子 所以共有75种PCDD异构体和135中PCDF异构体 统称二恶英 Dioxin 二恶英有剧毒 其毒性因各种异构体的不同而不同 其中毒性最强的是2 3 7 8 四氯二苯并二恶英 2 3 7 8 PCDD 其毒性相当于氰化钾的1000倍 二恶英以气体和固体形态存在 熔点高 难溶于水易溶于脂肪 易在生物体内积聚 能引发皮肤痤疮 头痛 失聪 忧郁 失眠等症状 即使是在很微量的情况下 长期摄取也会引起癌症 畸形等 因此 被成为世界上最毒的物质 98 二恶英的产生与控制原理 垃圾焚烧过程中形成二恶英的必要条件可归纳如下 存在聚氯乙烯PVC 氯气 HCl等 燃烧过程以及低温烟气段中催化介质 如Cu及其金属氧化物 的存在 不良的燃烧工况 未采取严格有效的尾气净化措施 99 从二恶英的分子结构可知 氯元素存在和二恶英前驱物产生是二恶英生成的基本条件 二恶英产生主要有以下两种情况 1 燃烧过程中生成 层燃炉中 炉排前段的垃圾处于低温 潮湿 缺氧状态 在固定炉排的控制氧量燃烧系统中 有两个炉室 一燃室中也有部分垃圾处于低温 潮湿 缺氧 不完全燃烧状态 垃圾挥发份中含大量烃类物质 烃类物质在低温 潮湿 缺氧状态下 可生成二恶英的前驱物 而且 垃圾中含氯元素燃烧时可生成HCl 前驱物与HCl O2反应 就可能生成二恶英 可燃气进入气相燃烧区后 再通入空气组织燃烧 若混合不好 或燃烧工况不稳定 则不利于PCDD PCDF的完全分解 2 燃烧后生成 不完全燃烧产生的二恶英前驱物以及垃圾中未燃尽的环烃物质 在烟尘中的Cu Ni Fe等金属颗粒的催化作用下 与烟气中的氯化物和O2发生反应 生成二恶英类物质 催化反应温度在200 500 内 在300 附近生成速率最高 由于静电除尘器中含有较多的Cu Ni Fe颗粒 因此二恶英类物质易生成 所以 近年来优先采用袋式除尘器代替静电除尘器 100 7 3 2生物质混合发电 混合燃烧发电是指以生物质燃料部分替代常规电厂中燃用的化石燃料 使生物质与煤等化石燃料混合燃烧进行发电 其主要有两种方式 一种是将生物质原料直接送入燃煤锅炉 与煤共同燃烧 生产蒸汽 带动蒸汽轮机发电 另一种是先将生物质原料在气化炉中气化生成可燃气体 再通入燃煤锅炉 可燃气体与煤共同燃烧生产蒸汽 带动蒸汽轮机发电 无论哪种方式 生物质原料预处理技术都非常关键 要将生物质原料处理达到燃煤锅炉或气化炉的要求 101 1 生物质直接混合燃烧发电的工艺流程 在原有电厂锅炉设备基础上附加生物质接收 储存和预处理设备 使生物质燃料在粒度等性质上适于在锅炉内与煤粉混合燃烧 同时 原有燃料入炉输送系统及锅炉煤粉燃烧器需根据生物质燃料特性作相应的局部改造 直接混合燃烧方式中 生物质以固态相与矿物燃料混合燃烧 1 生物质与煤预先混合粉碎后再进入锅炉燃烧 此类混合方式对生物质种类有一定限制 如纤维质树皮会引起磨煤机研磨问题 25 50mm粒度的秸秆或柳枝稷即使在5 的质量混合比例下也会在煤仓内产生 搭桥现象 导致堵塞 这种混燃方式在木质废弃物与煤粉混燃的情况下能实现的生物