高效清洁煤发电技术与多联产技术

低碳能源动力技术概论

大连理工大学尹洪超作者简介主讲人：尹洪超博士生导师

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E-mail：hcyin@大连理工大学能源与动力学院主讲内容

第一部分我国能源面临的挑战与对策第二部分清洁煤的高效发电与多联产技术

第三部分能源动力中的可再生能源技术第四部分能源动力领域的节能技术第二部分

清洁煤的高效发电与多联产技术讲课内容一、超临界发电技术二、热电联产技术三、燃气-蒸汽联合循环热电联产四、热+电+X多联产技术五、整体煤气化联合循环（IGCC）六、煤的多联产综合利用技术年份总装机容量（亿KW）火电%水电%核电%非水再生能源发电%2010975201515.365.920.91.7风8.5/太2.7/生0.9202015~1664.820.34.412.5203020~220.2205027~2831.616.414.537.5

到2050年，火电将下降到总容量的31.6%，核电占14.5%，水电占16.4%，非水再生能源将占37.5%

我国未来电力结构发展一、超临界发电技术

我国主要消费能源为煤炭占70%(66%)以上；火电占75%(65%)清洁煤技术将放在低碳经济与新能源产业领域最重要的位置。富煤贫油少气的资源条件，决定了火电为主体的能源格局短期内不会改变，发展无污染的清洁煤发电技术是我国实现低碳经济的关键。超临界发电技术是目前我国重要的清洁煤发电技术，发展超高参数大容量机组，逐步实行“上大关小”的强制性退出机制。700℃先进超超临界燃煤发电技术是目前欧洲、美国、日本等发达国家积极发展的商业化规模应用清洁燃煤发电技术。该技术将目前最先进的超超临界发电机组主蒸汽温度从600℃提高到700℃以上，发电效率接近甚至超过50%，耗煤量及碳排放量将减少约30%，NOx、SO2、粉尘等污染物的排放大幅减少。与同容量亚临界火电机组的热效率比，在理论上采用超临界参数可提高效率2～2.5%，采用更高参数可提高约4～5%。机组类型蒸汽压力MPa（22.1MPa）蒸汽温度℃（374.15℃

）电厂效率%供电煤耗g/kWh亚临界机组17.0540/54038324超临界机组25.5567/56741300高温超临界25.0600/60044278超超临界机组30.0600/600/60048256高温超超临界30.0/35.0700/76055/>57215/>200单套机组的容量不小于60万kW或100万kW一、超临界发电技术第三部分低碳新能源技术（1）超临界发电技术热力学第二定律：当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，其品位只可能降低或贬值，绝不可能提高。这样能量在数量的守恒性和质量上的贬值性，就构成了能量的全面本性。克劳修斯：传热；开尔文：单一热源；卡诺效率：η=1–T0/TA锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器1234郎肯循环（T-s图和h-s图）卡诺效率：η=1–T0/TA4321Th1324锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器12341

链条炉

煤粉锅炉一、超临界发电技术美国能源部提出计划开发35MPa

/760℃/760℃/760℃的超超临界火电机组,使其热效率高于55%,污染物排放比亚临界机组减少30%。欧盟EuroStar启动700℃级超超临界参数的AD700计划，目标将供电效率提高到55％(深海水冷却)或52％(内陆电厂)缺点：将煤炭全部直接燃烧用于发电（USC等)，只是将煤单纯作为燃料，导致煤炭中高附加值成分的损失。超超临界燃煤发电机组气化燃气轮机燃料电池净化制氧煤电合成气液体燃料合成日本新能源EAGLE计划日本新能源EAGLE计划二、热电联产技术1、热电联产热电联产的概念动力设备同时供应电能和热能，而且供热是利用热转变为功的过程中工质的余热（或不可避免的冷源损失的能量）来进行的，这种能量生产方式成为热电联合生产，进行热电联合生产的火电厂成为热电厂。如利用汽轮机中做过功的蒸汽对外供热，它是将燃料的化学能转化为具有较高压力和温度的高品位的热能用以发电，同时将已在汽轮机中做了部分功后的低品位热能，对外供热，这种热电联合能量生产符合按质用能的原则，可提高电厂的经济效益。二、热电联产技术热电联产的意义节约能源热电联产利用发电后工作介质的热能，以蒸汽或热水的形式向热用户供热。热电联产的热能利用率非常高，理论上可达到100%，减少二氧化碳的排放量。保护环境中国城市大气污染的主要原因是燃煤生成的二氧化硫气体和烟煤粉尘。相对于分散小锅炉供热，热电联产、集中供热在降低污染，尤其是减少颗粒污染方面效果显著。最近几年推广使用的循环流化床电站锅炉可在炉内脱硫，利于环境保护。补充电源热电厂可以补充区域供电，减少电力传输损失，缓解目前电力供应紧张的局面。二、热电联产技术蒸汽轮机热电联产蒸汽轮机热电联产燃用的是化石燃料，通过较成熟完善的原动机——汽轮机把热能转换成电能并对外供热。目前这种形式的热电联产仍是国内外发展热化事业的基础，是联产集中供热的最主要形式。供热式汽轮机有背压式汽轮机、抽气式汽轮机和凝汽采暖两用机组等形式。二、热电联产技术蒸汽轮机热电联产背压式汽轮机（B型，CB型）B型汽轮机利用排汽向外供热，热用户作为它的冷源，是典型的热电联产机组。其优点是热能利用率高，结构简单，不需要凝汽器，投资少。但其运行按“以热定电”的方式进行，背压机电功率取决于热负荷，热和电不能独立调节，因此难以同时满足热负荷、电需求，必须有稳定可靠的热负荷时才能采用背压式汽轮机。CB型表示抽汽背压式汽轮机，其特点是在背压排汽供热的同时，还有一级较高压力的调节抽汽供热。二、热电联产技术蒸汽轮机热电联产抽汽式汽轮机（C型，CC型）C型表示汽轮机带有一级调整抽汽，抽汽可供工业用汽，压力调整范围一般为0.78-1.23MPa；也可供采暖用汽，压力调整范围一般为0.118-0.245MPa。CC型表示汽轮机带有两级调整抽汽，抽汽压力调整范围与C型形同。抽汽式汽轮机的特点是：①热电负荷可独立调节，运行灵活。②抽汽式汽轮机有最小凝汽流量，以保证低压缸有通风冷却蒸汽。③凝汽流绝对内效率比同参数的凝汽机组低，对该类机组的节能有不利影响。二、热电联产技术蒸汽轮机热电联产凝汽采暖两用机组（简称两用机）这是一种把大型凝汽机组改造为供热机组的形式。它是在中低压之间的导汽管上装了蝶阀以调节抽汽量，在采暖期供热，在非采暖期或暂无热负荷时仍以凝汽机组运行。凝汽采暖两用机的特点是：①由于两用机是将凝汽机改造为供热机，高压缸通流容积是按凝汽流设计的，所以当抽汽供热时，电功率减少，以牺牲电功率来增加供热。②由于在导汽管上装了蝶阀，有压损的影响，在非采暖期虽为凝汽机组，热经济性仍会下降约0.1%～0.5%。③在抽汽运行时具有抽汽式汽轮机的特点，但其设计、制造简单，成本低，是适应热电联产供事业迅速发展的有效措施。二、热电联产技术热电联产基础知识—郎肯循环锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器123412汽轮机s膨胀23凝汽器p放热34给水泵s压缩41

锅炉p吸热简化（理想化）：二、热电联产技术热电联产基础知识—郎肯循环1342pv12汽轮机s膨胀23凝汽器p放热34给水泵s压缩41

锅炉p吸热简化（理想化）：二、热电联产技术热电联产基础知识—郎肯循环郎肯循环（T-s图和h-s图）4321Th1324二、热电联产技术热电联产基础知识—郎肯循环郎肯循环热力计算汽轮机作功：凝汽器中的定压放热量：水泵绝热压缩耗功：锅炉中的定压吸热量：hs1324二、热电联产技术热电联产基础知识—郎肯循环郎肯循环的热效率计算hs1324一般很小，占0.8-1%，可忽略二、热电联产技术热电联产的应用类型大型热电厂区域性热电厂，一个热电厂向几十户以上的企业供热。企业建设的自备热电厂，为本企业或同时向周围企业供热。多功能热电厂，即热电厂供热、供电、供煤气、供冷的同时，还利用炉渣生产建筑材料和化肥，用循环水的余热养殖等，进一步提高热电厂的综合经济效益，让热电厂变得更清洁。二、热电联产技术热电联产在化工行业的应用以炼油厂为例，炼油厂能效的高低依赖于其电能的供应方式。与热能相比，电能由于质优价高，因而在能耗中所占的“分量”较重，炼油厂特别适合热电联产。循环发电需要一种受热体以吸收热力学上不能转化为电能的过剩热量，而炼油厂可以提供这种“有用的”受热体（即蒸汽），蒸汽吸热后可用于炼油厂工艺，而不必扔掉，这使得整个系统潜在效率很高。

二、热电联产技术热电联产发展趋势1.增大大型供热机组的比重30万kW以上机组2.推广循环流化床锅炉3.城市发展热电冷三联产4.发展多联产能源系统5.有条件的地区利用现有的工业锅炉发展热电联产6.现有中低压凝汽机组改造为热电联产机组7.积极发展燃气轮机热电联产三、燃气-蒸汽联合循环热电联产燃气轮机热电联产燃气轮机热电联产是利用燃气轮机发电后的排气进入余热锅炉产生蒸汽，蒸汽作为供热热源。燃气轮机热电联产系统如图所示：三、燃气-蒸汽联合循环热电联产燃气轮机热电联产燃气轮机热电联产可以有效配置资源，稳定、持续地利用天然气、煤气等资源，减少燃气的调节，降低因燃气调峰导致的储采比下降、地下储气库损失等不必要的资源浪费，减少燃气管网的建设投资，提高设备运行效率，从而降低燃气利用成本，提高用气企业的竞争能力。如果燃气轮机系统再增加一个蒸汽轮机，即余热锅炉出来的水蒸汽进入蒸汽轮机膨胀做功，就组成了燃气—蒸汽联合循环，机组的热效率还可以进一步提高。三、燃气-蒸汽联合循环热电联产燃气轮机热电联产流程图四、热+电+X的多联产技术热电联产—集中供暖系统热电冷三联产—集中空调系统热电气三联产—城市煤气系统热电水三联产—海水淡化系统热-电-气-冷-水多联产系统液化天然气联合循环热电气冷水多联产系统煤的气化（热电冷气甲醇化工焦油建材稀有金属）联产系统锅炉汽轮机发电机给水泵集中供热1234四、热+电+X的多联产技术热冷电三联产1.热冷电三联产的主要形式

基于热电厂的热电冷三联产锅炉+背压式汽轮机+吸收式制冷机锅炉+抽汽式汽轮机+吸收式制冷机锅炉+抽背式汽轮机+吸收式制冷机燃气轮机+余热锅炉+汽轮机+吸收式制冷机

楼宇热电冷三联产楼宇热电冷三联产，即为建筑物提供热、电、冷的现场能源系统，通常也称为小型热电冷三联产。基于热电厂余热回收的水热电联产

—海水淡化锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器1234四、热+电+X的多联产技术水热电联产基于热电厂余热回收的水热电联产

—海水淡化MED（多效蒸馏）海水淡化

多效蒸馏方法又可以分为浸没管单效和多效蒸发（STE或ST）、竖管多效蒸发（VTE）、水平管多效蒸发（HTE），其中当前研究最热点的低温多效蒸馏（MED）隶属于后者。MED盐水的最高蒸发温度一般低于７０℃的淡化技术，其特征是将一系列蒸发器串联起来，用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。多效蒸馏是让加热后的海水在多个串（并）联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一效蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。MED海水淡化的特点对盐浓度不敏感,对海水的适应性好，预处理要求低；热耗相对较少（与MSF相比），电耗低，盐水最高温度65-85℃；以低温热源为海水淡化能量来源，可利用工业余热、电厂机组抽汽或背压排汽，经济性好。淡水品质好，特别适用于对水质要求高的锅炉用水、工艺用水场合。造水负荷变化范围宽，操作简单，可靠性高。国产万吨级MED海水淡化装置我国首台自主台研发的1.25万吨/日MED海水淡化装置(河北沧州黄骅电厂）五、整体煤气化联合循环（IGCC）

未来国内的发电技术将以IGCC为主，特别是在循环效率、废物利用、碳减排、节水等方面，IGCC具有明显优势。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。

IGCC的基本路线是，使煤在气化炉中气化成为中低热值的粗煤气，粗煤气经过净化系统成为洁净的煤气，然后供给燃气蒸汽联合循环燃用，从而达到了以煤代油或天然气的目的，间接地实现了燃气蒸汽联合循环燃用固体燃料煤的愿望。整体煤气化联合循环发电技术流程图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。（目前国家二氧化硫为1200mg／Nm3）在目前技术水平下，IGCC发电的净效率可达43%～45％，今后可望达到更高。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，利于环境保护。

五、整体煤气化联合循环（IGCC）华能绿色煤电IGCC示范工程电站在天津开工建设，25万千瓦，2000吨/天级两段式干煤粉气化炉，预计投资21亿元人民币，首台机组计划2011年建成。发电效率：48%，脱硫效率：99%以上，可回收高纯度的硫，并将氮氧化物排放量控制在较低水平。

六、煤的多联产综合利用技术3.多联产技术多联产就是把用相同原料加工的单一产品变成多种产品综合加工的创新性工厂路线和工艺流程来进行跨行业、跨部门的综合生产，以得到多种具有高附加值的多种产品。即用一个加工工厂代替多个加工工厂