21世纪发电新技术.doc

1、21 世纪发电新技术1 回顾与现状1831 年法拉弟发现电磁感应原理后，相继出现了三大发明：励磁电机、电灯、电话，从而引起电力技术革命。1882 年世界第一座较正规的发电厂建成，容量 6715 kW，到 1996 年末全世界电力装机容量 2773 TW，发电量达 11 601 TWh；我国1882 年在上海建成第一个 12 kW 发电厂，到 1998 年装机容量277 GW，发电量 1167 TWh。一个世纪以来，电力得到如此迅速的发展，是由于它在使用上的高效、清洁和方便，电不但给家庭带来光明、舒适，更是一个国家现代化、工业化的标志之一。 在经济发展、社会进步的同时，人们认识到了一个严峻的现实

2、：几亿年形成的矿物质燃料储量是有限的，地球自净化的环境容量也不是无限的，在经济高速发展进程中，人类过度消耗能源的同时，严重地污染了自己赖以生存的地球和空间，能源与环境是进入 21 世纪必须考虑的四大难题之首能源、环境、人口和粮食。节约能源，抑制化石燃料的过度消耗；保护环境，净化人类生存的有限空间；开发与利用再生能源与新能源，带来在环境及价格上均有竞争能力的能源革命。既满足人类当前发展的需要，又不对后代人满足其需求的能力构成危害，这一“持续发展”已成为人类当前和未来共同遵循的迫切问题。11 我国能源形势 我国是一次能源储量丰富的国家，但从可持续发展观点看，存在着十分严重的能源问题。111 人均能

3、源不足，人均能耗低而单位产值能耗高我国人均煤炭探明储量为世界均值的 513，石油仅为 113，天然气只有 378。1996 年，人均商品能源消费量为世界平均值的 55，为发达国家平均值的 16；家庭人均用电量只有美国的 24；单位国民生产总值能耗（能源消耗强度）高于发达国家和发展中国家平均值。112 一次能源分布不均 煤炭探明储量中，山西、内蒙古及陕西占 652；可开发水能资源中，近 678集中在西南地区；松辽、渤海湾、塔里木和准噶尔盆地的石油资源占全国的 526；天然气总储量中，23 分布在中西部，而经济发达的东南沿海地区则缺乏能源。113 我国是世界上少数几个以煤为主要一次能源的国家，是世

4、界最大煤炭生产国与消费国。煤炭提供了 70的工业燃料和动力、60的化工原料。80民用商品能源。由于煤炭耗量大，而烟气净化装置又不完善和低效，使得环境污染成为我国经济发展的一大拦路虎。114 发电用能源占一次能源比重低电是优质。高效、可靠、清洁的二次能源，世界各国电力增长速度始终高于经济增长速度，发电用能源占一次能源比重逐年增大。1992 年统计，这一比重为：加拿大 608、法国 536、英国 363、日本512、德国 369、意大利 322、美国 408；但我国目前只有 288左右。115 能源利用效率低 初步分析表明，到 2050 年我国煤炭供应能力的极限为 1857 Mtce、石油 143

5、Mtce、天然气 239 Mtce；经济可开发水能全部开发利用为 260 GW，年发电相当于 229 Mtce；再加上核电装机 200GW，年发电量相当于 360 Mtce；可再生能源 370 Mtce，于是一次能源总供应能力约 3200 Mtce。但如果按目前大量增加能源消耗来支撑经济的增长，则2050 年一次能源需求约为 6000Mtce。显然，这是不可能的，也是不应该的，必须靠节约能源这“第六能源”和新能源来解决可持续发展对能源的要求。 我国能源系统效率很低，以 1992年为例：能源系统的总效率32（开采效率）*70加工、贮运、转换效率）*41（终端利用效率）=9，2，不到发达国家的 1

6、/2。为此必须依靠科学技术大力提高能源利用效率。1.2 我国电力工业概况 我国电力工业，建国五十年来取得了举世瞩目的伟大成就。但是与国外电力工业相比有很大差距。121 电气化程度很低 1998 年我国人均装机 0222 kW，人均发电量只有 927 kWh，为世界平均值的 13，为发达国家的 16110，还有 6000 万人左右没有用上电；电能在终端能源消耗中的比例低，发电用煤炭消耗占煤类产量的比例远低于发达国家。122 单机容量小，供电煤耗高 我国 200Mw 以下机组占火电装机的 58，1997 年全国平均供电煤耗 408g/kWh，比世界先进水平高 7080g/kWh；123 电网薄弱，

7、供电可靠性差 长期以来，投资结构不合理（表 2） ，使主网尤其城网、农网薄弱，输配电容载比低、线路“瓶颈”处多；陈旧低效设备多，仅 64、73 型高耗能变压器全国有 20GVA 待更换；线损高，比先进国家高 23 个百分点。1995 年全国电网线损率为 877，其中 110 kV 及以下配网损失占 60；供电可靠性与国际水平差距大（表 3） 。 表 2 主要国家发、输、配电工程投资比 国家 北美、英、日 法国 EDF 中国“八五”期间 投资比例 1：（0.430.47）: (0.60.8) 1:0.67:1.6 1:0.23:0.2 表 3 各主要城市供电可靠性比较 国家（城市） 巴黎、伦敦

8、东京 英国 中国 大连、烟台 供电可靠性% 99.98999.99 99.997 99.97 99.724 99.85 年平均停电时间分钟 5058 10 157 1451 788 1.2.4 实现可持续发展环境问题压力大 我国是世界上少有的几个以煤炭为主要一次能源的国家，动力煤灰份高（28%30%） ，含硫量大于）1的煤炭占 40，发电能源构成中，煤电比例大，1995 年为 76.0，由于经济、技术及环境标准等多方面原因，烟气除尘效率低，SO2 排放处失控状况，我国酸雨面积已占国土面积的 13。1997 年统计，6MW 及以上火电厂 SO2 排放约 683 Mt 约占全国工业排放量的 30。

9、因此采取政策、技术、管理各方面的措施，实现防治结合、综合治理、提高能效、控制污染的目标，成为电力工业可持续发展的关键问题。 电力是通往强国富民、可持续发展的桥梁，虽然近几年，由于全国经济结构的调整，使电力供需矛盾得以缓和，但这是用电低水平下的暂时缓和，进入 21 世纪后，为满足新世纪国民经济发展的需要，电力工业必将较快发展。 江泽民同志在正确处理社会主义现代化建设中的若干重大关系19959.28）中指出：“在现代化建设中，必须把实现可持续发展作为一个重大战略。要把控制人口、节能资源、保护环境放到重要位置，使人口增长与社会生产力的发展相适应，使经济建设与资源、环境相协调，实现良性循环。 ”为实现

10、这个目标，大力发展高效、洁净的“绿色电力” ，必须成为下世纪我国电力工业发展的主旋律。 2 高效发电新技术 提高发电效率既节约能源，又减少污染，是新建火电机组，改造在运发电机组的头等大事。21 发展超临界参数的大容量火电机组 为提高热效率，各国火力发电机组都积极采用超临界参数的大容量机组。美国第一台试验性超临界（31MPa，621/566/566C）125MW 机组于1957 年投入运行，到 80 年代初期美国超临界机组投运了 170套，占总装机容量 25，单机最大容量为 1300MW；原苏联到1985 年投运了 185 台超临界机组，占当时原苏联火电装机的505；日本、德国及英国、意大利等国

11、也不甘示弱，相继投入超临界机组，经近四十年努力，超临界技术日趋成熟，可靠性与亚临界机组等同，热效率明显提高。超临界汽轮机热耗比亚临界机组低 192559 kJkWh ，相对热效率改善约为25。特别是丹麦 Vestkraft 电厂 1992 年投运的 407 MW 机组（251Mk，560560） ，经优化设计和改进，供电效率达453（供电煤耗 272g/kWh） ，为超临界机组树立了榜样。随着超临界机组技术的成熟、可用率提高及耐热材料研制成功，人们开始涉足超超临界机组（超超临界蒸汽参数界限规定为：24.1Mk，566） 。缺乏能源及对超临界机组的设计与运行积累了一定经验的日本成为研究超超临界机

12、组的开路先锋。日本川越电厂两台 700 MW 超超临界压力机组（31 MPa，566566566）分别于 1989 年和 1990 年投入运行，其热效率在 100和 50负荷下为 419和 40，比一般超临界机组（24MPa，538566）热效率相对提高 5，最低稳定运行负荷为 10，自动化程度高，两台机组仅需一名运行人员。由于耐高温金属材料的开发成功，初参数为 24.1 MPa，566593的 700 MW 机组已在日本碧南电厂投运，初温为 593593，649593机组的验证试验正在进行，超超临界机组最终目标拟达到 343 MPa， 649593593，机组热效率可达 44。 丹麦 Nor

13、djyllandsvaerket 电厂 3 号机组， 1998 年 10 月投运，蒸汽参数 285 MPa，58058O580，燃用烟煤，由于采用一系列合理利用能源的技术，如 13 级抽汽回热、滑压运行、回收冷却器热量、调速马达、水充分利用、高度自动化等，使其在凝汽运行时热效率 47，最大抽汽运行时热效率为 90。它同时有良好的环保性能，采用低 NOx 燃烧器，在选择性脱硝（SCR）装置前后 NOx 分别为170200mg/MJ 和99 循环倍率 99 Ca/S 3.8 2.83.0 2.8 西班牙 Escatron mg/MJ 600 300450 150 脱硫率% 90 9193 97 C

14、a/S 1.8 1.82.1 2.1 美国 Tidd mg/MJ 60 60 30 脱硫率% 90 90 95 Ca/S 2.0 1.8 NOx 排放 Varton mg/MJ 50 1050 提高国产设备的设计水平，改善制造质量，提高可靠性，解决辅机及配套设备可靠性，以保证设备能长期、稳定运行； 高效低阻耐磨大型分离器，如新型水冷分离器； 循环灰返料系统、控制系统； 防磨工艺、材料选择及结构设计优化； 外置式热交换器与回料伐，快速控制负荷与床温； 燃料制备系统，灰渣冷却及除灰系统； 大型 FBC 燃烧系统工作过程的理论研究，如气固两相流动、燃烧过程特征、物料平衡及热平衡等。 （2）PFBC

15、进一步提高高温烟气除尘装置的除尘效率，减少燃机叶片磨损，如研制高效陶瓷过滤器； 第二代 PFB 以 2G-PFBC）的开发：从部分气化炉产生的煤气与常规 PFBC 出口的燃气一起进入燃机人口的补燃室内燃烧，提高燃机入口燃气温度至 11501200，焦碳则进入 PFBC 内燃烧（见图 3） 。 由于燃气温度的提高，与现行 PFBC 比较，2G-PFBC 效率由 42可提高到 4548；它体积更小、投资更省，与 250 MWe 煤粉炉 31 米高相比，其高度仅为 30 m 左右；排放更清洁，脱硫率可达 95，NOx 排放值为 43mg/MJ，固体颗粒几乎被完全除去；2G-PFBC 发电成本预计比

16、PC FGD低 20。2G-PFBC 的技术关键是高温除尘器和部分气化器等关键部件。 燃气轮机，自动控制装置及 PFBC 关键设备的国产化； 提高脱硫剂利用率，实现低 CaS 比下达到高脱硫效率的目的；脱硫、脱硝、床温及 CaS 间的最佳配合； 开发增压循环流化床 PCFB 的研究，它运行费用低，适于高硫煤，可降低 Ca S； PFBC 大型化及 CFBC-CC 联合循环的研究； 湿式给料机和干渣排出装置的开发，保证最佳粒度匹配，减少渗水量；保证在炉内压力下灰渣的连续稳定排除。325 积极采用 FBC 技术的领域 （1）城市电站的建设与改造：效率高、环保好。占地少、灰渣易综合利用； （2）改造

17、老电厂的；日锅炉、改造燃油炉，可分两步走，第一步可先保留原汽轮发电机组； （3）燃用低质煤（高硫煤、劣质无烟煤、贫煤等）及特种燃料、生物质燃料等；为充分利用煤矿选煤的尾煤和火电厂燃煤预处理（如摩擦除灰除硫、超细煤粉脱灰等）的尾煤，可在煤矿和多机组的火电厂，安装适当容量的FBC 机组； （4）缺水地区，FBC 与空冷机组相结合可以节水1/3 （5）城市热、电、煤气三联供项目，可在流化床中使煤部分气化，产生中热值煤气用于民用，气化后的半焦送 FBC 锅炉燃烧，产生蒸汽，用于发电、供热和制冷等多种用途。 我国政府在中国 21 世纪议程中，将“开发和引进大型循环流化床锅炉技术的研究” ，列人清洁煤技术

18、，国家电力公司将其作为电力工业可持续发展的一项战略措施。33 煤整体气化燃气蒸汽联合循环发电技术 IGCC 联合循环具有效率高、环保性能好的优点，但其燃料为油或气，而我国是石油和天然气较为缺少的国家，1993 年成为石油净进口国，1996 年天然气仅占全国能源生产总量的 16，因此，燃油或燃气的联合循环主要只能用于经济发达、缺少煤炭、环保要求高的沿海地区，我国长期以来以煤为主要的一次能源，发展以煤为燃料的联合循环，同时实现清洁、高效双重目的，与 FBC燃烧技术一样，IGCC 是首选的先进“绿色发电 ”方式。 331 定义 先将煤在气化炉中气化成为中热值或低热值煤气，然后经过净化，把煤气中灰份、

19、含硫化合物（如 H2S)等杂质除掉，生成洁净煤气，供给燃气轮机做功，井与蒸汽轮机组合起来，形成联合循环发电。IGCC 流程原理图见图 4。 由图可见，IGCC 发电系统由煤的前处理装置。气化装置、煤气净化装置、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机及相关的公用系统辅助设备组成，其中，除气化装置和煤气净化装置外，其余均是熟悉常用的设备，因此，气化炉是该系统的关键设备。 332 IGCC的特点 （1）热效率高，进一步提高效率的潜力大由于采用了联合循环，科学合理地使能源得到梯级利用，其效率比煤粉炉高 10以上，可达 4050。IGCC 开发初期，因集成化不够，气化、净化及联合循环各环节能量损失较大，效率不高。

20、如 1984 年投运的美国加州冷水（Cool Water）电站，其热效率仅 312（高位发热量） 。但由于采用于法供煤、干式高温净化烟气、提高燃气初温及采用新型燃气轮机等措施，十年来，IGCC 效率提高了 10以上。 1993 年投运的荷兰 Buggenum电站 253 MW IGCC 机组，供电效率达 43（LHV） ，计划中，建在荷兰或美国的 400 MW IGCC，供电效率 46，可望 2010年 IGCC 效率达到 50（表 14） 。 表 14 IGCC 电站发电效率的变迁 年代 1984 年 1987 年 1989 年 1993 年 1995 年 1998年 2000 年 2010

21、 年 电站 Cool Water La Gas Ten Appalachian Buggenum WabasbRiver Tom Creek 效率% 31.2（HHV） 34.2（LHV ） 38.8 43 41（LHV） 42.3 46 4650 （2）污染排放少，环保性能优良 气化中大部分 S 变成 H2S，除去 H2S 较容易，并可得到固体硫副产品；在气化器中，煤中 N 以 NH3、酚或其它有机物形式存在于废液中，故 SO2、NOx 排放大大减少，脱硫率 9899以上，NOx 排放值同天然气。即使燃用含 7硫、3040灰的劣质煤，也能达到 9798燃烧效率和 85以上固硫率。由于提高了效

22、率，也减少了 CO2 排放。被誉为“世界上最清洁的燃煤电站”的冷水电站，脱硫效率 9697（可分离出 986的 H2S 和 262的 COS） ，生产出纯度为 9899的元素硫作为商品出售；气化炉燃烧生成的灰份被熔化成灰渣，作为磨料、绝缘材料或筑路材料出售，排水经澄清后一部分用于制备水煤浆，一部分排入蒸发池，处理后形成符合环保标准的废水，从而使冷水电站成了无废无害的清洁电站。英国对装有 BLG 气化炉 IGCC 电站进行可行性研究表明，脱硫率高于 998，各种排放远低于英国标准。（3）燃料适应性强，同一电站设备可燃用多种燃料，对高硫煤有独特的适应性。如褐煤、烟煤、无烟煤、高低硫煤、油渣、生物质

23、燃料等均可使用，能满足环保要求，冷水电站采用喷流床式的德士古（Texaco）气化炉，曾用含硫量分别为048、3.1和 29的煤做过试验，碳的转化率分别为983。972和 978，当采用含硫 31的煤做试验，气化炉负荷降到 85和 71时，碳的转化率仍高达 967和944，而且均能满足环保要求。 （4）容量可大型化，单位造价不断降低。目前世界上已建、在建和拟建的 IGCC 电站近30 座，己投运的 IGCC 容量在 50250 MW，其中最大为美国FreeTown 电站的 440MW 机组，拟建容量为300MW 500MW 的 9 座，计划或可研中的最大容量为德国VEW-KUT 的 900 MW

24、 和原苏联 HoBoTY 的 1000 MW。 早期冷水电站单位造价 2538 美元kW，美国 EPRI 及生产厂家称，目前可降到 1530 美元/kW，再进一步努力可达 1100-1300 美元kW，可以与 PC 十 FGD 相竞争。 （5）调峰性能好，起停机时间短 IGCC 与常规汽轮发电机组起停时间比较如表 15。 表 15 IGCC 和汽轮发电机组起动时间的比较 至额定负荷的起动时间（分钟） CC 机组 汽轮发电机组 热态启动（停机 8 小时） 55 100 温态启动（停机 32 小时以内） 8090 180 冷态启动（停机 32 小时以上） 120270 380 333 IGCC 发

25、展概况 1984 年 1 月美国建成世界最早的商业验证电站一 Cool Water 电站，该电厂发电出力为 120MW，耗资 262 亿美元。在以后 5 年的运行中进行了大量的验证试验，其结果充分肯定了 IGCC 电站的设计目标和各项性能，为后来的 IGCC 工程的设计和开发积累了宝贵的经验。 以后，许多发达国家，如美、德、日、荷兰、西班牙等国都加入到IGCC 的研究和开发的行列中， IGCC 的技术也日臻成熟。现在已从第一代商业示范电站发展到第二代商业示范电站，并向商业化目标逼近。 第一代商业示范电站多采用湿式供煤，纯氧气化和湿式净化，但各系统间未形成整体化的格式，美国的 La Gas Te

26、n 电站（发电出力 161 MW，效率 342，1987 年投运）和 Wabash River 电站（发电出力 270 MW，效率41，1995 年投运）都属于此类电站。 第二代商业示范型电站多采用空气或富氧作气化剂，干式供煤，热煤气净化（或冷煤气净化） ，并进一步提高燃气轮机燃气初温，目标是将效率提高到 4447（商业运行阶段） 。其代表电站有美国的 Pinon Pine 电站（发电出力 765 MW，干式净化，吹空气，KRW流化床式气化炉， 19961997 年投运） ，美国的 Hopkings 电站（发电出力 120 MW，吹空气，高温净化） ，美国 Toms Greek 电站（发电出力

27、 553 MW，空气作氧化剂，热煤气净化） ，和美国 Camden 电站（发电出力 480 MW，效率 46） 。 商业型电站的代表工程是美国马萨诸塞州的 Free town 电站，发电出力 440MW，采用德士古喷流床。该电站没有政府的财政资助，投运后（1995 年）并入英格兰电网作商业运行。荷兰在 Buggenum 建立的 250 MW 电站也将在示范运行（19931996）后进入商业运行。 现在世界上已建、在建和拟建的 IGCC 电站近约 30 座，其中美国拥有 15 座，居世界之冠。一些发展中国家，如印度、中国也计划建立 IGCC 示范电站。 我国从 1994 年开始对 IGCC 示范

28、工程进行预可行性研究，国家电力公司拟在山东烟台电厂建设一座容量为 300400MW 的IGCC 示范电站，该厂拆掉三台小机组后，场地可装两台 300 MW 或 400 MW 等级的 IGCC 机组，计划先装一台，国家计委已批准了工程立项。争取通过引进技术、消化吸收、分步国产、降低造价，为下世纪的大量应用积累经验。除此以外，对燃油联合循环机组及老的燃煤电厂，分步骤地改造成 IGCC 机组，以节约用油和提高效率、改善环保，也将是我国应用 IGCC 的重要领域。 334 煤气化炉的种类及特点 煤气化过程中，部分碳在燃烧区的氧化气氛下燃烧，产生的高温用来切断煤中高分子化学键，使其与气化剂反应，生成含有

29、 CO、H2、CH4等可燃气体的合成煤气。当气化剂是氧气时生成中热值煤气；气化剂是空气时，因含有大量 N2，生成低热值煤气（表 16） 。 表 16 煤气热值与氧化剂的关系 氧化剂 煤气热值 合成煤气热值 kJ/Nm3 空气 33506280 氧气 837025120 催化剂（如氢）下甲烷化 3558041860 使用的气化炉有固定床、流化床、喷流床，开发中的有熔融床，为说明气化过程，给出固定式气化炉简图（图 5） ，几种气化炉特点的比较见表 17。 表 17 煤气化炉的特点 固定床 流化床 喷流床 熔融床 气化过程 块煤炉顶供给与热空气逆流，依次通过干燥区、气化区、燃烧区、焦碳与 O2、H2

30、O 作用生成煤气 中小颗粒煤粒在炉底供给高速气化剂和蒸汽带动下边流态翻滚、边在高温炉床内气化 小煤粒的干或湿态与气化剂高速从喷燃器喷入，在高温高压欠氧下完成气化 煤粉与氧一起从喷嘴喷进熔融金属表面，在高温下瞬时气化 气化温度C 4401400 产生煤气温度较低 400580 8001100 12001700 1500 优点 *低温煤气易于净化 *适于高灰熔点煤 *技术成熟，全世界煤气化装置容量占 90% *操作简单，动力消耗少 *对耐火炉衬要求低 *适于高灰熔点的煤 *碳转化率高 *液态灰渣易排出 *易大容量：5000 吨/日 *负荷跟踪好（50%） *煤种适应性广 *煤种适应性广 *气化效率

31、高 缺点 *不适于焦结性强的煤 *低温干馏产生煤焦油、沥青等 *单段炉不易大型化，1200 吨/ 日 *容量较小 1500 吨/日 *飞灰中未燃尽碳多（第二代利用灰团聚功能） *对耐火炉衬要求高（第二代用水冷套） *适于低灰熔点煤 *适于低灰熔点煤 世界 32座 IGCC 电站中应用比例（%） 22 25 53 开发研究中 实用例 第一代 第二代 第一代 第二代 第一代 第二代 Lurgi#鲁奇炉 BGL#（液态排渣鲁奇炉） Winker(温克勒炉) #KRW（西屋法）U-GAS2 段流化床#HVW #Texaco,CE,dow,#shell K-T 炉 #Prenflo 碳转化率（%） 99

32、 95 9799 #用处较广 气化过程的主要反应式如下： 煤干馏反应：煤H2+CmHn+焦碳 C -Q 水煤气反应：C+H2OCO+H2 -Q 副水煤气反应：C+2H2O CO2+2H2 -Q 甲烷化反应：C+2H2CH4 +Q 气化反应：C+CO2 2CO -Q 氧化反应：C+O2CO2 +Q 2C+O22CO +Q CO+H2OCO2+H2 +Q 在气化过程的还原性条件下，煤中硫大部转化成 H2S，大约有 5%-15%的硫转化成 COS。部分 N则转化成 NH3。 气化炉的主要技术特性指标 （1）碳的转化率：指煤中所含碳元素在气化炉中转化成为煤气成分中含碳量的百分数。对于性能良好的气化炉，采用干法供煤、氧气气化，可使煤的转化率达 99以上； （2）冷煤气效率 1： 1= 生成煤气的化学能/气化用煤的化学能 显然，提高 1 就是把煤中的化学能，更多地变成煤气的化学能，去燃气轮机系统做功。用干法供煤、提高气化过程温度，采用两段气化炉等，均