火力发电技术发展

1、火力发电技术发展人类已进入21世纪，“能源、环境、发展”是新世纪人类所面临的三大主题。这三者之中， 能源的合理开发与利用将直接影响到环境的保护和人类社会的可持续发展。作为能源开发与 利用的电力工业正处在大发展的阶段，火力发电是电力工业的重要领域，环境保护和社会发 展要求火力发电技术不断发展、提髙。在已经开始的21世纪，火力发电技术发展趋势是我 们十分关注的问题，本文就此作一综述。1继续提高超临界火电机组效率就能量转换的形式而言，火力发电机组的作用是将燃料（煤、石汕、天然气）的化学能 经燃烧释放出热能，再进一步将热能转变为电能。其发电方式有汽轮机发电、燃气轮机发电 及内燃机发电三种。其中汽轮机发

2、电所占比例最大，燃气轮机发电近年来有所发展，内燃机 发电比例最小。汽轮机发电的理论基础是蒸汽的朗肯循环，按朗肯循环理论，蒸汽的初参数 （即熬汽的压力与温度）愈高，循环效率就愈髙。目前蒸汽压力已超过临界压力（大于 22. 2MPa）,即所谓的超临界机组。进一步提髙超临界机组的效率，主要从以下两方而入手。 1. 1提高初参数，采用超超临界初参数的提髙主要受金属材料在髙温下性能是否稳左的限制，目前，超临界机组初温可 达538C576C随着冶金技术的发展，耐高温性能材料的不断出现,初温可提髙到600C 70Oro如日本东芝公司1980年着手开发两台0型两段再热的700MW超超临界汽轮机，并 相继于19

3、89年和1990年投产，运行稳肚，达到提高发电端热效率5%的预期目标，即发电 端效率为41%,同时实现了在140分钟内启动的设计要求，且可在带10%额泄负荷运行。 在此基础上，该公司正推进 1 型（30. 99MPa、593 / 593 / 593C ）、2 型（34. 52MPa. 650 / 593 / 593C）机组的实用化研究。据推算，超超临界机组的供电煤耗可降低到279g / kWh。 1. 2采用高性能汽轮机汽轮机制造技术已很成熟，但仍有进一步提高其效率的空间，主要有以下三种途径：首先是进一步增加末级叶片的环形排汽面积，从而达到减小排汽损失的目的。末级叶片 的环形排汽面积取决于叶片

4、髙度，后者受制于材料的耐离心力强度。日本700MW机组已成 功采用钛制1. 016M的长叶片，它比目前通常采用的12Cr钢制的0. 842M的叶片增加了 离心力强度，排汽而积增加了 40%,由于降低了排汽损失，效率提高1. 6%O貝次是采用减少二次流损失的叶栅。叶栅汽道中的二次流会干扰工作的主汽流产生较大 的能量损失，要进一步研制新型叶栅，以减少二次流损失。最后是减少汽轮机内部漏汽损失。汽轮机隔板与轴间、动叶顶部与汽缸、动叶与隔板间 均有一左间隙。这些部位均装有汽封，以减少漏汽损失。要研制新型汽封件以减少漏汽损失。 2洁净煤技术火力发电发展至今，一次能源仍以煤为主。如我国煤炭在一次能源的生产和

5、消费中占 了大头，同时煤电在电力装机总容量中占了 75%,这种格局在21世纪中叶以前不会有大的 改变。众所周知，燃煤发电目前存在着两个突岀的问题：一是燃煤技术有待改善，煤的利用 率要进一步提髙；二是煤燃烧除放岀热量外，还会产生大量的烟尘、二氧化碳、二氧化硫、 氮氧化物等污染环境的排放物。我国烟尘排放量的70%、二氧化硫排放量的90%都来自燃 煤。如何提髙煤的利用效率和降低燃煤对大气的污染是我们迫切要解决的任务，为此，一个 新的技术领域即洁净煤技术应运而生了。所谓洁净煤技术是指煤炭从开发到利用全过程中，旨在减少污染排放和提高利用效率的 加工、转化、燃烧和污染控制等髙新技术的总称，按苴生产和利用过

6、程，大致可分为三大类。2. 1燃烧前的煤炭加工和转化技术煤炭加工技术是指在煤炭燃烧之前，以物理方法为主对苴进行加工的各类技术，主要包 括洗选、型煤、水煤浆技术。煤炭转化技术是指在燃烧之前对煤进行改质反应，包括煤气化 和液化两种。2. 1. 1洗选处理洗选是用物理和机械加工方法，将煤中杂质除去并生产出不同质捲，不同规格产品的加 工过程。生产中应用最广泛的方法有重力选煤和浮法选煤两种。洗选可除去煤中60%的灰 份和40%50%的黄铁矿硫，并可回收黄铁矿。现阶段煤炭洗选加工已较成熟，发展的重 点已由过去的炼焦煤转为动力煤，由过去的注重除灰转为降灰与除硫并举。洗选加工技术是 洁净煤技术的源头技术，据预

7、测，到2010年，中国将使总入洗原煤达到8. 08亿吨，入洗 比例髙达40%。此技术未来发展重点是脱硫与排肝并举，提髙选煤厂自动化水平，发展深 度降灰脱硫技术及干洗或省水法脱硫。2. 1. 2型煤加工型煤加工是用机械方法，将煤制成一立粒度和形状的煤制品。高硫煤加工时可加入固硫 剂，以减少二氧化硫排放量。型煤多用于民用和工业。在工业型煤中，蒸汽机车试烧型煤与 烧大块煤相比,可节煤10%；与烧中块煤比,可节煤25%：与烧散块煤比,布煤高达30%。 同时机车效率可提高15%18%,二氧化硫排放疑可减少23%80%,二氧化碳排放量减 少 47%90%。工业型煤今后发展的重点是发展髙固硫率工业燃料和气化

8、型煤。2. 1. 3水煤浆水煤浆是一种煤基流体燃料，它是由一左比例的煤粉、水和少量化学添加剂加工而成, 具有一泄的流动性和稳立性的流体，且雾化性能好，可直接燃烧。水煤浆技术最重要的目的 是以煤代油，节省能源，减少环境污染。与烧原煤相比，电厂燃用水煤浆可降能耗2. 9%, 2吨水煤浆可替代1吨燃料油，而其价格不到燃料油的1/3。水煤浆按质量和用途可分为精 选水煤浆、超精细水煤浆和煤泥水煤浆。它的商业化市场潜力很大，该技术的发展以加快工 业推广为主。我国水煤浆的研制起步早，与国外同步，技术优于国外。2. 1. 4煤炭气化煤炭气化的一般方法是把经过适当处理的煤送入反应器，在一立的温度和压力下通过气

9、化剂（空气或氧气），以一泄的流动方式转化为气体。煤气化主要产生一氧化碳和氢气，灰 份形成废渣排出，气化后可脱除气态硫和氮的成分。经过净化和气化后的煤可代替天然气， 直接利用燃气轮机发电，既可提高煤炭利用率，又减少了环境污染。目前，煤炭气化的另一种方法是地下气化，它是煤炭开发利用的主要方向之一。地下气 化是对仍处于地下的煤炭进行可控燃烧，从而产生可燃气体引到地而利用。这一方式变常规 物理采煤为化学采煤，将地而的气化炉搬到地下，使建井、采煤、气化三大工艺合而为一。 世界上目前只有极少数几个国家掌握这一技术，中国是其中之一，山东新汶集团煤炭地下气 化已实现产业化。2. 1. 5煤炭液化煤炭液化分间接

10、液化和直接液化两种。间接液化是先将煤气化，经净化后再进行改质反 应成液态燃料。直接液化是把煤直接转化为液体产品，EDS法、SRC法、氢一煤法、煤一 油共炼法等都是采用某种方法将煤和氢混合，再在反应器中分解炼制成液体燃料。液化后的 煤可代替油直接喷入炉内燃烧，由于省去了煤粉制备装置，电厂系统大大简化，同时燃烧效 率提高，污染排放物大大减少。2. 2燃烧中净化技术燃烧中净化技术是指燃料在燃烧过程中提髙效率减少污染排放的技术,它是洁净煤技术 的重要组成部分，由五项技术组成。2. 2. 1先进的燃烧器改进锅炉设计，采用先进的燃烧器，以减少污染排放，提髙锅炉效率。目前，已有低 NOX燃烧器，其燃烧过程是

11、燃料和空气逐渐混合，以降低火焰温度，从而减少NoX生成： 或者调节燃料与空气的混合比，只提供够燃料燃烧的氧量，而不足和氮结合生成NOXO还 有喷石灰石多段燃烧器、加天然气再燃烧器以及炉内脱硫等技术。2. 2. 2循环流化床技术（CFBC）流化床炉，亦称沸腾炉，在化工、冶金工业中早有应用，但目前在电力工业中应用不多, 这是因为此种炉型还未大型化的原因。流化床炉，是利用风室中的空气将固左炉篦或链条炉 排上的灼热料层吹成如沸腾液体般流态化颗粒层状态，使其与预先制得的小颗粒煤粒一起 上、下翻滚燃烧的锅炉。炉中煤粒呈沸腾状燃烧，煤粒与空气的搅动和混合特别强烈，煤粒 加热及燃烧极好。彼称为第二代流化床燃烧

12、锅炉的循环流化床炉，采用了飞灰复燃装置，它将被烟气带走 的小煤粒经髙/中温除尘器分离后送回燃饶室循环（二次）燃烧，燃烧效率提髙。这为大型 化创造了条件，便于在电力工业中推广。此技术可进行炉内脱硫，在燃烧室中加入石灰石为 脱硫吸附剂，烟气中二氧化硫与石灰石受热后分解出的氧化钙反应生产硫酸钙而被脱掉。循环流化床技术特点：淸洁燃烧，脱硫率可达80%95%, NOX排放可减少50%,这 是它最大的优点；对燃料适应性强，可烧劣质煤、煤肝石；燃烧效率髙，可达95%99%； 负荷适应性好，可在30%100%额定负荷内稳定调节。自徳国1954年建成第一台工业沸腾炉后，务国迅速发展应用，上世纪80年代中期，美、

13、英、 徳各国都投运了 130T/H炉（配30MW机组）。之后，又进行了配600IOOoMW大容量沸 腾炉的设计研究。我国四川白马电厂300MW循环流化床示范工程今年年底将开工，此为引 进技术。我国首台国产化410T / H循环流化床炉已在江西分宜电厂动工兴建。2. 2. 3增压流化床联合循环技术（PFBCCC）上节所述循环流化床炉，炉膛内为常压，炉温为850CIOOOoCO所谓增压，是指在压 力为1016个大气压的燃烧室中，床温控制在850C900C范用内，煤粒与空气进行激烈 的燃烧反应，生成髙温高压烟气，即燃气。燃气先进入燃气轮机发电（出力占总岀力20% 25%）,排出的烟气进入另一台锅炉，

14、利用产生的蒸汽再带动汽轮机发电，形成燃气和蒸汽 两部分发电的联合循环，故称为增压流化床联合循环。此项技术可进行炉内脱硫脱氮，炉内 燃烧生成的二氧化硫与加入的石灰石反应生成硫酸钙被脱掉，NOX排放量大大减少。增压流化床联合循环技术具有适合新建电站和旧电站改造、占地而积少、可用系数高、 灰渣综合利用100%,系统相对简单等优点。我国江苏贾汪电厂将建设两台200MWPFBC- CC示范工程。2. 2. 4整体煤气化联合循环技术（IGCC）整体煤气化联合循环技术是当今国际上正在兴起的一种先进的洁净煤技术，是目前已进入商 业化运行的洁净煤发电技术中发电效率和环保性能最好的技术。发电效率可达45%以上，

15、二氧化硫排放可控制在10毫克/标准立方米左右。IGCC的原理是：煤经过气化和净化后，固体燃料已转化成涓洁气体燃料，以此驱动燃 气轮机发电，再用排岀的高温燃气进入锅炉，产生蒸汽带动汽轮机发电，形成燃气与蒸汽联 合循环发电。现在，全世界已建、在建和拟建的IGCC电站近30套，最大的为美国的440MW 机组，计划或可研中容量为徳国900MW和前苏联1OOOMW机组。目前我国正在山东烟台 筹建IGCC电站示范工程，一期建设规模为一台300IVlW或400MW机组，并留有扩建余地。IGCC电站优点:热效率髙，目前已达43%46%,计划在2010年达到50%；环保性能好, 脫硫率98%99%, NoX及C

16、O2排放减少：燃料适应性强，对高硫煤有独特的适应性：可 用于老机组的改造。2. 2. 5直接燃用超净煤粉的燃气蒸汽联合循环技术（CEN-CC）CEN-CC是一种正在开发之中的洁净煤发电方式。现在人们已经掌握相对价廉地制取 含灰量仅为0. 2%超净煤粉的制备技术，超净煤粉可在燃气轮机中直接燃饶发电，然后再 与蒸汽轮机组成联合循环”发电。资料显示：此技术单机功率已达3MW,供电效率为 44%46%,环保性能好，投资费用低。2. 3燃烧后净化技术燃烧后净化技术是指燃烧后烟气的脱硫技术。目前，一般火电厂，特别是发展中国家火 电厂对待烟气排放处理，仅限于除尘，而不注意脱硫，这与环保要求相差甚远。按可持续

17、发 展要求，烟气脱硫是一项重要任务。目前，广泛使用及开发研究的脱硫工艺有以下几种。 2. 3. 1石灰石（石灰）石膏湿法脱硫工艺此法用价廉易得的石灰石（CaCO3）或石灰作脱硫吸收剂，石灰石经破碎研磨成粉状与 水混合搅拌成吸收浆液，采用石灰为吸收剂时，仃灰粉经消化后制成吸收浆液，此法又称钙 法。在吸收塔内，吸收浆液与烟气接触混合，烟气中的SO2与浆液中的石灰石及鼓入的氧 化空气进行化学反应，生成石膏被脫除。脱硫后的烟气经除雾器除去带出的细小液滴，经加 热器加热升温后排入烟囱。脱硫石膏浆液经脱水装置脫水后回收成副产品石膏，吸收浆液可 循环使用。此法是目前世界上应用最广、规模最大的脱硫方式，脱硫效

18、率可达95%以上， 吸收剂利用率达90%以上。若副产品石膏得不到利用，又会造成新的污染（即石膏堆积污 染），这是此法的不足之处。2. 3. 2炉内喷钙加尾部烟气增湿活化脱硫工艺该工艺分两段进行，第一段是炉内喷石灰石粉脱硫，第二段是尾部烟道增设增湿段，以 提高脱硫效率。将石灰石粉喷入炉膛850C1150C的温度区内，石灰石受热分解出氧化钙, 氧化钙与烟气中的二氧化硫反应生成硫酸钙，从而达到部分脱硫。由于反应在气固两相之间 进行，受到传质过程的影响，反应速度较慢，吸收剂利用率低。在尾部增湿活化反应区内， 增湿水雾状喷入，与未反应的氧化钙接触生成氢氧化钙，再与烟气中的二氧化硫反应，达到 进一步脱硫的

19、效果。该脱硫工艺在芬兰、美国、加拿大、法国等国家得到一左应用，采用这 一工艺的最大单机容量已达3001VlW。我国南京下关电厂已引进这一工艺。2. 3. 3电子束法脱硫工艺该工艺由排烟预除尘、烟气冷却、氨的加入、电子束照射和副产品捕集等工序组成。锅 炉排岀的烟气,经过除尘器的粗滤处理得到预除尘后进入冷却塔,在喷射入的冷却水冷却下, 烟气温度降到适合于脱硫脱氮的温度（约70oC）o经过冷却后的烟气流进反应器，在反应器 进口处将一泄的氨气、圧缩空气混合物喷入，经电子束照射后，烟气中的SoX、NOX在自 由基作用下与氨进行中和反应生成硫酸鞍和硝酸彼的混合粉体，这一副产品为化肥。这些粉 状微粒一部分沉

20、淀到反应器底部排岀，英余部分被除尘器捕集，净化后烟气经脱硫风机由烟 囱排入大气。此工艺仅在日本、美国进行过一些小型工业试验，尚无大型机组的应用业绩。 我国成都热电厂一台200MW机组上，中日合作电子束脱硫工艺装宜已投运。2. 3. 4 NADS 氨一肥法这是我国学者近期提出的一种新的脱硫方法，它以化肥工业为基础，以氨（NH3）作为 脱硫剂，将烟气中的二氧化硫回收，生产出髙效农用化肥。此法在25MW机组中型试验已 获成功。目前，研究者正进行200MW机组的放大示范研究。NADS氨一肥法在工艺上的重 要创新是，不仅可生产硫酸彼，还可生产磷酸讓和硝酸彼，同时联产髙浓度（9& 3%）硫 酸。结合不同条

21、件，生产不同化肥，灵活性较大，因此称为氨一肥法。与前述钙法相比，NADS氨一肥法的副产品是作为农业大国的中国所必需的化肥，而不 是我国蕴藏屋大且质优的石膏，所以NADS技术将对我国的电力工作和煤炭工业、化肥工 业和农业生产产生积极、深远的影响。2. 3. 5喷雾干燥法脱硫工艺此工艺以石灰为脱硫吸收剂，石灰经消化并加水制成消石灰乳，消石灰乳由泵打入位于 吸收塔内的雾化装置。在吸收塔内，被雾化成细小液滴的吸收剂与烟气混合接触，与烟气中 的二氧化硫反应生成硫酸钙，从而达到脱硫目的。与此同时，吸收剂带入的水分迅速被蒸发 而T燥，烟气温度随之下降。脱硫反应产物及未被利用的吸收剂以T燥的颗粒状物质随烟气

22、带出吸收塔，进入除尘器被收集。脱硫后烟气经除尘器后排放。此法在美国、西欧一些国家 有一左应用，最大单机520MW,该法技术成熟、工艺流程较为简单、系统可靠性髙。2. 3. 6海水脱硫工艺海水脱硫工艺是利用海水碱度达到脱除烟气中的二氧化硫的目的。在脱硫吸收塔内，大 量海水喷淋洗涤进入塔内的烟气，烟气中二氧化硫被海水吸收而除去，净化后烟气经除雾器 除雾，经烟气加热器加热后排放。吸收二氧化硫的海水与大量未脱硫海水混合后，经曝气池 曝气处理，使其中的三氧化硫被氧化成四氧化硫，并使海水的PH值和CoD凋整达到排放 标准后排入大海。此工艺一般适用于靠海、扩散条件较好的电厂，继印度TATA电厂在500MW机

23、组上安 装两台海水脱硫装置之后，英国、印度尼西亚也相继采用。我国深圳西部电厂一台300MW 机组海水脱硫试验示范项目已付实施。3燃气一蒸汽联合循环发电技术上世纪四十年代出现燃气一蒸汽联合循环试验电厂，自此之后，经过多年的改进，技术 已经成熟。英工作原理是：石汕（天然气）燃烧生成的高温高压燃气首先推动燃气轮机发电, 燃气轮机排出的烟气（温度通常为400C600C）进入余热锅炉作为燃料，余热锅炉产生 的蒸汽推动汽轮机发电，形成燃气一蒸汽联合循环发电。随着石油、天然气产量的不断增长, 特別是由于天然气储量大大高于石汕，此类发电技术日益得到重视。随着洁净煤技术的不断 完善，燃气轮机的燃料已不再局限于石

24、油及天然气，前文所述的增压流化床产生的髙温高压 烟气、整体煤气化得到的气态煤以及超净煤粉均可成为其主要成员，此联合循环发电大有可 为。燃气轮机的技术尚有一沱发展空间：采用提高压缩空气温度以及多喷嘴的燃烧技术。可 以预测，联合循环效率可由目前 的50%提髙到60%。这一发电方式优点：效率高；投资与发电成本低：可靠性高：灵活性高，启动快，整套 机组冷态启动不过3小时，热态只需1小时：占地少，节水。4燃煤磁流体发电技术磁流体发电原理是：髙温导电气体（等离子体）高速切割磁力线产生感应电动势。燃煤 磁流体发电是在煤燃烧产生的髙温烟气中添加电离种子钾，然后通过磁流体发电机发出直流 电，再逆变成交流电；排岀

25、的烟气温度仍很高，进入下游余热锅炉，产生蒸汽推动汽轮机发 电。我国是较早开发此技术的国家之一，该技术1986年列入国家髙技术计划，目前已有 25MW试验基地。这一发电方式优点：联合循环发电热效率高，可达55%：由于添加的电 离种子钾与硫反应生成钾的硫化物，回收种子时起到了自动脱硫的作用：磁流体发电部分无 旋转部件，髙温设备可通水冷却，机械强度易得到保证：磁流体发电不象汽轮机发电那样需 要冷凝排汽的冷却水，因而可节约大虽用水。5空冷发电技术一般汽轮机的排汽进入凝汽器，由循环冷却水对排汽进行冷却，使英凝结成水。这种冷 却方式需要大量循环水，一个IOOOMW大型火电厂每天用水量约500万吨，耗水量约

26、10万 吨，相当于一座中等城市的日用水量。在缺水和少水地区，这一水冷方式难以实现。而汽轮 机排汽采用冷却这一新技术已得到广泛应用。它有直接空冷与间接空冷两种：所谓直接空冷 是汽轮机排汽进入空冷散热器,用空气直接冷却排汽；间接冷却是用空气来冷却循环凝结水, 再用冷却后的循环凝结水与排汽直接接触冷凝排汽。我国已能自行制造2MW间接空冷机 组，并于1993年在内蒙古丰镇电厂投运4台。配合西部大开发战略，这一技术的优点将更 为突出。6火电厂计算机控制技术火电厂发岀的电量时刻都要满足外界用户负荷的需要，其生产过程的变化是十分复杂、 迅速和连续不断的，且产、供、销瞬间同时完成。为保证火电厂设备的安全、经济运行，火 电厂自动化水平目前已达到相当高的程度。随着髙参数、大容量机组的出现以