1、- 1 -发电厂动力部分结课论文 可燃冰发电与锅炉改造技术研究及在我国火力发电应用发展- 2 -摘 要 ： 可 燃 冰 （ 天 然 气 水 合 物 ） 是 20 世 纪 科 学 考 察 中 发 现 的 一 种 新 的 矿 产 资 源 。 天 然 气 水 合 物 使 用 方 便 ，燃 烧 值 高 ， 清 洁 无 污 染 。 随 着 世 界 能 源 紧 缺 ， 利 用 可 燃 冰 发 电 将 来 可 能 成 为 未 来 发 电 的 趋 势 ， 本 文 通 过 对 可燃 冰 简 绍 、 燃 气 锅 炉 与 燃 煤 锅 炉 对 比 、 可 燃 冰 技 术 发 电 技 术 论 述 、 小 型 燃 煤 锅
2、 炉 改 造 为 燃 气 锅 炉 几 个 方 面 对 可燃 冰 发 电 进 行 了 论 述 。 可 将 现 有 的 燃 煤 锅 炉 转 化 为 燃 冰 锅 炉 节 省 成 本 ， 可 实 现 环 境 保 护 与 能 源 的 合 理 利 用 。关 键 词 ： 无 污 染 效 率 高 储 量 丰 富 多 种 需 求Abstract： Combustible ice (natural gas hydrate ) in twentieth Century is the scientific research in the discovery of a new mineral resources. Na
3、tural gas hydrate is convenient to use, high combustion value, clean without pollution. Along with the world the sources of energy in short supply, utilization of combustible ice generating future may become the next generation of the trend, this article through to the combustible ice Jane Shao, gas
4、 fired boiler and coal fired boiler contrast, combustible ice technology power generation technology is discussed, and small transformation of coal-fired boiler to gas-fired boiler on several aspects of combustible ice generating are discussed. The existing coal-fired boiler into burning ice boiler
5、to save cost, can realize the environmental protection and rational use of energy.Keywords： Pollution-free Efficient Abundant reserves A variety of demand前 言天然气水合物是 20 世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、 “气冰”、 “固体瓦斯”之称，被誉为 21 世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分
6、与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。据 了 解 ， 全 球 天 然 气 水 合 物 的 储 量 是 现 有 天 然 气 、 石 油 储 量 的 两 倍 ，具 有 广 阔 的 开 发 前 据 测 算 ， 中 国 南 海 天 然 气 水 合 物 的 资 源 量 为 700 亿 吨 油 当 量 ， 约 相 当 中 国 目前 陆 上 石 油 、 天 然 气 资 源 量 总 数 的 二 分 之 一 。我 国 可 燃 冰 发 前 景 可 观 ， 可 以 说 是 天 时 地 利 人 和 ， 因 此 用 可 燃 冰 发 电 将 成
7、为 我 国 21 发 电重 要 支 柱 。- 3 -第一章 可燃冰简绍及在我国的发展前景1 可燃冰定义可燃冰是天然气和水结合在一起的固体化合物，外形晶莹剔透，与冰相似。天然气水合物是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰” 。2 可燃冰当代发展及我国的发展情况天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生 164 单位体积的甲烷气体，因
8、而其是一种重要的潜在未来资源。 天然气水合物是 20 世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、 “气冰”、 “固体瓦斯”之称，被誉为 21 世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。 2007 年 5 月 1 日凌晨，中国在南海北部的首次采样成功，证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着中国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。
9、可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在 0和 30 个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。 “冰块”里甲烷占 80%99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。1 立方米可燃冰可转化为 164 立方米的天然气和 0.8 立方米的水。目前，全世界拥有的常规石油天然气资源，将在 40 年或 50 年后逐渐枯竭。而科学家估计，海底可燃冰分布的范围约 4000 万平方公里，占海洋总面积的 10%，海底可燃冰的储量够人类使用 1000 年，因而被科学家誉为“未来能源”、 “21 世纪能源” 。 据悉，迄今为止，全球至少有 30 多个国家和地区在进行可燃冰的研究与
10、调查勘探。 可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的这套灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。作 为 世 界 上 最 大 的 发 展 中 的 海 洋 大 国 ， 中 国 能 源 短 缺 十 分 突 出 。 中 国 的 油 气 资 源 供 需 差 距很 大 ， 1993 年 中 国 已 从 油 气 输 出 国 转 变 为 净 进 口 国 ， 1999 年 进 口 石 油 4000 多 万 吨 ， 2000 年 进 口 石 油 近 7000 万 吨 ， 预 计 2
11、010 石 油 缺 口 可 达 2 亿 吨 。 因 此 急 需 开 发 新 能 源 以 满足 中 国 经 济 的 高 速 发 展 。 海 底 天 然 气 水 合 物 资 源 丰 富 ， 其 上 游 的 勘 探 开 采 技 术 可 借 鉴 常 规 油 气 ，下 游 的 天 然 气 运 输 、 使 用 等 技 术 都 很 成 熟 。 因 此 ， 加 强 天 然 气 水 合 物 调 查 评 价 是 贯 彻 实 施 党 中 央 、- 4 -国 务 院 确 定 的 可 持 续 发 展 战 略 的 重 要 措 施 ， 也 是 开 发 中 国 二 十 一 世 纪 新 能 源 、 改 善 能 源 结 构 、增
12、 强 综 合 国 力 及 国 际 竞 争 力 、 保 证 经 济 安 全 的 重 要 途 径 。 2005 年 4 月 14 日 ， 中 国 在 北 京 举 行 中国地质博物馆收 藏 中 国 首 次 发 现 的 天 然 气 水 合 物 碳 酸盐 岩 标 本 仪 式 。 宣 布 中 国 首 次 发 现 世 界 上 规 模 最 大 被 作 为 “可 燃 冰 ”即 天 然 气 水 合 物 存 在 重 要 证 据 的 “冷泉” 碳 酸 盐 岩 分 布 区 ， 其 面 积 约 为 430 平 方 公 里 。青 藏 高 原 发 现 新 能 源 可 燃 冰 至 少 350 亿 吨 油 当 量 中 国 国 土
13、 资 源 部 总 工 程 师 张洪涛先 生 09 年 9 月 25 日 在 北 京 介 绍 ， 中 国 地 质 部 门 在 青 藏 高 原发 现 了 一 种 名 为 可 燃 冰 (又 称 天 然 气 水 合 物 )的 环 保 新 能 源 ， 预 计 十 年 左 右 能 投 入 使 用 。 在 当 天 的 新 闻 发 布 会 上 ， 张 洪 涛 说 ， 这 是 中 国 首 次 在 陆 域 上 发 现 可 燃 冰 ， 使 中 国 成 为 加 拿 大 、美 国 之 后 ， 在 陆 域 上 通 过 国 家 计 划 钻 探 发 现 可 燃 冰 的 第 三 个 国 家 。 3 可燃冰发电可满足用户多种需求
14、的能源梯级利用- 5 -第二章可燃冰燃气锅炉与燃煤锅炉相比优越性1 燃气锅炉与燃煤锅炉相比具有非常明显的优越性1.1 由于燃气中的灰分、含硫量和含氮量均比煤中的含量低，燃烧后产生的烟气中粉尘量极少，排放出的烟气比较容易达到国家对燃烧设备所要求的标准。使用燃气锅炉可以大大减轻对环境的污染。1.2 燃气锅炉的炉膛容积热强度较高；由于烟气污染小，对流管束不受腐蚀和结渣，传热效果好，燃气燃烧产生大量三原子气体(二氧化碳、水蒸气等) 的辐射能力较强，而且排烟温度低，使其热效率明显提高。1.3 在节约锅炉设备投资方面；1）燃气锅炉可选用较高的炉膛热负荷，从而缩小炉膛体积。因不存在受热面污染、结渣、磨损等问
15、题，可选用较高的烟速，减小对流受热面的尺寸。通过合理布置对流管束，使燃气锅炉较同容量燃煤锅炉结构紧凑、尺寸小、重量轻，设备投资明显减少；2）燃气锅炉不需要配置吹灰器、除尘器、出渣设备和燃料烘干器等附属设备；3）燃气锅炉使用管道输送的燃气为燃料，无需燃料储存设备。在供给燃烧前也无需燃料加工制备设备，使系统大为简化；4）由于无需燃料储存，节省运输费用、场地及劳动力。1.4 在运行、调节及降低供热成本方面；1) 燃气锅炉的供热负荷适应性强，在系统内调节灵活。2) 系统启动快，减少预备工作带来的各种消耗。3) 由于附属设备少，又无燃料制备系统，因而用电量较燃煤锅炉要低。4) 不需要加热燃料及燃料烘干所
16、用的蒸汽，蒸汽消耗较少。5) 燃气内杂质较少，锅炉不会发生高、低温受热面的腐蚀，也不存在结渣的问题，锅炉的连续运行周期长。6) 燃气计量简单准确，便于燃气供应量的调节。- 6 -1.5 在减少设备维修、保养方面；1) 燃气锅炉燃烧系统设备简单，因而需要维修保养的项目少。2) 由于不存在结渣及高低温受热面腐蚀，因而不需要由此而更换受热面的管件及空气预热器的元件。根据以上叙述不难看出：燃气锅炉必将以绝对优势把燃煤锅炉赶下历史的舞台。但丛国内外燃气锅炉的具体使用情况来看，还存在一定的问题，必须引起我们高度重视。其中最重要的就是燃气锅炉的防爆问题。燃气是一种易燃、易爆、有毒性气体，它没有颜色，虽有一定
17、的气味却难以凭嗅觉及时发现。如果燃气漏入停运的炉膛或空气中会引起爆炸。所以燃气管路必须严格捡漏，炉膛内要有必要的联锁保护控制系统，锅炉房要有燃气泄漏监测报警装置和通风设备，采用防爆电器。锅炉应有严格的启动顺序控制系统，燃气锅炉在点火之前必须仔细吹扫炉膛和烟道，排除炉内可能积存的可燃气体。锅炉燃烧器必须安装熄火安全保护装置，一但出现熄火现象，二次点火前也必须进行吹扫并按正常点火程序进行。另外，燃气采用管道输送，无备用燃料，一旦发生燃气管道破裂等问题或燃气压力过低，便会造成停炉事故。随着燃气锅炉的广泛应用和技术设备的日益完善，事故隐患正在逐渐降低，各种安全保护手段已能保证燃气锅炉的运行非常可靠。燃
18、气锅炉在我国作为一种新生事物正在蓬勃发展，并已显示出极其广阔的发展前景，它将使我们的环境更优美、空气更新鲜、生活更美好。- 7 -第三章 可燃冰发电技术论证1 可燃冰发电分为集中式和分布式1.1 可燃冰发电分为集中式和分布式，前者是传统的发电方式，后者采用完全 不同于集中式供电的方式，被称为“第二代能源系统” 。集中式供电是以大容量、高参数机组发电，超高压、远距离输电，机 组互联、形成大电网供电的模式，是目前中国主流的天然气发电模 式。1.2 分布式能源是将规模不一的天然气发电和供热制冷等设备加以集成,分 散式的方式布置在用户附近的能源系统。天然气集中式发电效率高，适用于以发电为主要目的调峰/
19、基荷电厂；分布 式发电效率低，但热电综合效率高，适用于小区域内的工商业和居民能源 供应。集中式发电启停速度快，大型机组度电成本约为 0.7 元（3 元/立方米 气价） ，用于调峰用途经济性好。分布式发电度电成本约为 1 元，远远高于上网电价，以自用为主；由 于靠近用户便于提供热气，通过热电联供提高机组的经济性。2 分布式能源系统的应用分布式能源系统的应用范围很广，包括工业园区、学校、机场、居民区、 商场、办公楼，都主要使用天然气作为燃料，根据不同的场合使用不同配 置。2.1 工业园区生产型企业居多，一般都具有稳定的电、蒸汽、热和冷负 荷，各项负荷都比较大，可使用热电联产联合循环机组，建设分布式
20、 能源站将有较好的经济性。图表 ： 工业园区分布式能源示意图办公大楼各种负荷相对较小，而且随时间变- 8 -化较大，一般采用微型燃 气轮机或燃气内燃机。一般根据“优先满足冷、热负荷”或“满足一 级电负荷”原则配置设备。9图表：公楼燃气内燃机三联供系统流程图2.2 居民社区通常选择燃气内燃机作为动力设备。作为分布式能源站应用 的一种建筑类型，其最大特点就是负荷需求的不定时性。所以，居民社区的分布式能源站需要增加设计蓄能装置。10第四章 小型燃煤锅炉改燃气锅炉分析1 锅炉热力计算燃气锅炉热力计算的主要目的是确定足够的受热面,以保证锅炉合理的出力和热效率。燃气锅炉的热力计算主要包括锅炉的热平衡计算、
21、炉膛受热面计算以及对流受热面计算。1.1 锅炉热平衡计算 锅炉系统的热平衡计算是为了保证送入锅炉机组的热量与有效利用热及各项热损失的总相衡,并在此基础上计算出锅炉机组的热效率和燃料消耗量。对燃气锅炉,一般以 1Nm3 气体燃料为基础计算。锅炉机组热平衡方程：Qr =Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q式中 Qr 送入锅炉系统的热量 ;Q1 锅炉系统的有效热量 ;Q2 、Q3 、Q4 、Q5 、Q6 锅炉各项损失。则锅炉效率gl =Q1/Qr100%锅炉的燃料消耗量B=Q1 /(glQr)100%1.2 炉膛的传热计算炉膛传热过程主要是高温火焰和水冷壁之间的辐射换热,由于烟气流速较小,因而对流换热可忽略。炉膛传热计算的任务是要确定炉膛辐射受热面( 水冷壁) 的吸热量和炉膛出口烟气温度。炉膛布置位置变化较多,考虑到水循环的可靠性,可采用偏置炉膛。但偏置炉膛会产生不均匀的烟气流动,造成对流受热面的浪费,因此小型燃气锅炉多采用轴对称布置结构。目前推荐的炉膛换热计算公式多系建立在相似理论基础上的半经验公式或建立在实验基础上的经验公式。对于单室炉,炉膛出口烟温
