033.美国燃煤电厂的技术进展

第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup.2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct.2005397美国燃煤电厂的技术进展肖立川 1, 陈 宏 1, 薛国新 2（ 1 江苏工业学院机械工程系，常州 213016, 2江苏工业学院计算机科学与工程系，常州 213016 ）摘 要 ： 美国燃煤发电厂发展的总体目标是提高效率、环境友好和降低成本。电厂效率要达到 55~ 60%； SO2、 NOx 及固体颗粒的排放降低到现有标准的 1/10 以下，二氧化碳及温室气体排放降低 50% 以上；发电成本在现有基础上减低 10~20%。为实现这些目标，主要是发展先进的低排放锅炉系统(LEBS) 、高性能动力系统 (HIPPS) 、压力流化床燃烧 (PFBC)、整体气化联合循环 (IGCC) 以及先进的环境控制技术。关键词 ： 燃煤电厂；发电效率；发电成本；排放；温室气体Advanced Coal-Fired Power Generation Technology Development in the US. Xiao Lichuan 1 ,Chenhong1,Xue Guoxin2 (1Department of Mechanics Engineering, Jiangsu Polytechnic University, 2Department of Computer Science and Engineering, Jiangsu Polytechnic University) Abstract : The US is working to develop coal-fired power generation systems that will have significantly higher thermal efficiency, superior environmental performance, and a lower cost of electricity than current coal-fired power plants. The plant thermal efficiency will reach to 55~60% and the emissions of sulfur dioxide, nitrogen oxides, and particulates will reduce to less than one tenth of the current Federal standards. Emissions of carbon dioxide, a greenhouse gas, will also be reduced by up to 50% and the cost of electricity will be 10~20% lower then the cost of today ’ s plant. Advanced systems include low emission boiler systems(LEBS),high performance power systems (HIPPS), pressurized fluidized bed combustion(PFBC) ， integrated gasification combined cycles(IGCC), and Advanced environmental control technologies.Key words: coal-fired power plant; plant thermal efficiency; cost of electricity ； emissions; greenhouse gas 1 概 述燃煤电站仍是当今世界最主要的电力来源。据统计，燃煤电站提供世界 31%的电力，随着世界人口的增长，到 2015 年这个比例会增长到 41%[1]。在美国煤也是最充足的能源， 提供的电力超过了全国的一半。按现在的使用速度，估计煤还可以使用 500年左右。 因此更为清洁、 经济和高效率地利用煤是美作者简介： 肖立川 (1946~) ，男，汉族，江苏靖江人，教授。国当前的目标。具体的目标是：发电效率将提高到55%~60% ， 发 电 成 本 要 在 现 有 的 基 础 上 降 低10~20%，在向环境排放方面， SO2 的排放从现有的520g/GJ 降到 43g/GJ 以下， NO x 的排放从现有的260g/GJ 降至 43g/GJ 以下，颗粒的排放从现有的13g/GJ 降至 4g/GJ 以下， CO2的排放则在现有的基础上降低 17%~52%。为达到这些目标所发展的先进发电系统有：低污染锅炉系统（ LEBS） 、高性能动力系统（ HIPPS） 、压力流化床燃烧（ PFBC）和整体煤气第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup.2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct.2005398化联合循环 （ IGCC ） 。 本文对这些先进的燃煤电站系统的关键技术及环境技术进行介绍， 希望能对我国燃煤电厂技术的发展有所借鉴。2 低污染锅炉系统（ LEBS）美国早在 1992 年就开始研究 LEBS 技术，经历了基础研究、 模型试验、 初步设计、 规模实验电站的建立等过程， 并于 2001 年在 Illinois 州的 Turris 煤矿建立了容量为 80MW 的示范电厂，并作为 400MW机组的试验设备 [2]，其系统如图 1 所示。 LEBS 锅炉采用了低 NOx 燃烧器、分级供给空气、再燃烧等措施，使 NOx 排放大大降低。根据 DB Riley 研究中心的试验， 在燃烧 Illinois 的高硫煤和 Appalachian 的中硫煤时，其 NO x 排放降到 86g/GJ[2]。而一般液态排渣炉 NOx 排放一般在 340~770g/G 。同时 LEBS 锅炉采用 U~型燃烧室， 可燃烧劣质煤 ,并可产生玻璃颗粒低温热回收冷凝加热器CuO4烟囱纤维过滤器飞灰再循环再生器CH玻璃化炉渣型燃烧室U硫的副产品克劳斯脱硫器图 1 低污染锅炉系统（ LEBS）示意图Fig1 LEBS Commercial generation unit 状熔渣，其体积大大缩小，仅为飞灰的 1/3，是非常有用的副产品。据统计，美国 1996 年炉渣利用率达93.3%，而飞灰的利用率只有 27.4%[3]。为了提高发电厂热效率， LEBS 采用了超临界蒸汽循环，主蒸汽压力为 31MPa，温度为 594/594/594℃， 二级再热。 超临界蒸汽循环将电厂热效率从目前常规电厂平均的 33%~35% 上升到 42%~45%， 如将蒸汽温度从 704℃上升到 815℃，则循环效率就可以从45%提高到 47%。LEBS 采用氧化铜吸附剂的移动床可以同时从烟气中除去 SO2 和 NOx[4]， 氧化铜灌注在铝层上 , SO2与氧化铜反应生成硫化铜， 应用天然气作为还原剂在430~450℃下对含硫的吸附剂进行再生，形成铜和高浓度 SO2 气体。高浓度 SO2 气体可以转化为元素硫、硫酸或肥料， 而铜再次氧化为氧化铜。 另外， 在硫化铜作为催化剂的作用下，应用氨可以除去烟气中的NOx。试验表明，烟气的脱 SO2 效率为 96%~99.8% ，脱 NO x 效率超过 99%。3 高性能动力系统 (HIPPS) 高性能发电系统是应用燃气和蒸汽的间接燃烧循环，加热的压缩空气作为燃气轮机的工质 ,如图 2所示。系统由空气压缩机、补燃室、燃气透平发电机组、高温空气炉（ HITAF ） 、余热锅炉、蒸汽发电机组等设备组成。压缩空气在 HITAF 中被加热后进入燃用天然气或煤气补燃室中燃烧， 再进入燃气透平膨胀作功， 产生系统一半以上的电能。 燃气透平的部分排气以及从高温空气炉（ HITAF ）出来的烟气在余热锅炉中加热水产生高温高压蒸汽进入蒸汽透平中膨胀产生另一半的电能。 燃气透平的另一部分排气用来预热空气。 HIPPS 循环效率在 1260℃时为 47%，在1371℃可达 49%。 因为加热空气的温度较高， 所以本系统的关键设备是 HITAF 。 其中应用了相互串联的辐射式与对流式空气加热器。 首先由燃气透平的排气用辐射的方式加热空气， 然后再进入三组对流式空预器管束。管子和有腐蚀性的燃烧烟气由陶瓷板隔开。HITAF 已在 1092℃下安全运行了 1000 小时， 证明它是可靠的 [5]。蒸 汽 轮 机冷 却 水燃 气 轮 机煤 燃 气天 然 气烟 囱低 压 蒸 气空 气余 热锅 炉压 气机凝 汽 器除 尘器图 2 高性能动力系统 (HIPPS) 示意图Fig2 High performance power system 福斯特—惠勒发展合作部（ FWDC ）的方案是首先将煤干馏转化成燃气和焦碳。 在干馏器中加入吸收剂除硫，避免了硫对透平的腐蚀 [6] 。焦碳在 HITAF中燃烧， 空气被加热到 760℃后进入燃气透平燃烧室，同时蒸汽也被加热进行蒸汽透平循环。 从干馏器中出来的燃气经冷却后进入透平的燃烧室，与从 HITAF中出来的高温空气混合燃烧产生 1288℃的燃气进入燃气轮机膨胀产生接近系统一半的输出功。 从燃气轮机出来的空气混合物一部分进入 HITAF 作为燃烧空气，其余部分在通过热量回收装置（ HRSG）以加热蒸汽，产生 580℃及 18Mpa的蒸汽送入蒸汽轮机，在那里产生系统其余一半的功。第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup.2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct.20053994 压力流化床燃烧（ PFBC）压力流化床是清洁而高效地利用煤或其他固体燃料的先进联合循环发电技术。 煤连同石灰石或白云石作为硫吸附剂一起进入压力流化床燃烧室中， 燃烧室由透平压缩机维持在 1.2~1.6Mpa 。与常规煤粉燃烧电站相比， 压力流化床燃烧效率较高， 同时使用燃气透平和蒸汽透平进行联合循环， 因此提高了电厂的整体效率， 另外 PFBC 燃料适应性广， 可以燃烧轮胎、城市垃圾以及动物尸体等， 此外由于 PFBC 相对尺寸紧凑，因而建设费较小。第一代压力流化床是鼓泡床， 已在美国和其他国家商业化运行。 美国能源部的一个试验项目位于世界五大电厂之一的 Tidd 电厂，容量为 70MW ，燃烧室压力为 1.2Mpa，温度为 900℃ [7] 。运行结果表明：在石灰石与硫的比例为 1.1 时，除硫效率达 90%， NOx排放为 64~142g/GJ。 因其规模较小， 效率仅为 33.2%。第二代压力流化床装置的燃烧室带有燃料碳化炉，如图 3 所示。示范电厂在 Florida 的 Lakeland ，容量为 157MW ， 燃气轮机入口温度为 1094℃。 联合循环的效率可以超过 50%。蒸汽 轮机前置燃 烧器碳化炉空气煤烟 囱煤 气净化器余热锅炉燃气 轮机燃 气空气蒸汽煤 吸附剂燃 气增压 流化床压气机图 3 第二代 PFBC 示意图Fig3 Second generation PFBC system 压力流化床燃烧的主要技术难点是在高温高压状态下的煤气净化器，其运行温度达 650~815℃。目前有 B&W 、 Dupont Lanxide 、 Pall Aeropower 和Westinghouse 等四大公司在研究第二代高温煤气净化器。 B&W 应用的是铝基连续纤维陶瓷组合结构；Dupont 公司发展了微缝隙的氧化材料，具有良好的抗热胀性能； Pall 发展了为 IGCC 应用的离子铝耐硫多孔金属过滤器； Westinghouse 与 Techniweave 合作， 发展了应用了三维工艺的多基过滤材料， 具有良好的机械特性和耐热应力特性。 应用较成功的是 Tidd电站和芬兰 Karhula 电站。 Tidd 电站的装置已示范运行了 5854 小时 [8]。5 整体气化联合循环（ IGCC）在 IGCC 系统中，煤通常在 2~3Mpa 的压力下气化产生燃料气，并在高温状态下经除尘和脱硫处理后，在燃气透平中燃烧发电，然后再采用蒸汽循环，如图 4 所示。 IGCC 电厂的优点是对环境非常友好、燃料适应性广、 能源转换效率高。 随着市场发展和思路的开阔， IGCC 将更为多样化地面向能源和化工市场，即在生产电和蒸汽的同时还可以生产氢、甲醇、烯烃、氨等化工产品，以获得最大的综合利益。美国能源部对 IGCC 投入了大量的资金， 不但建立了示范项目 ,还支持了一些长期的小型研究与发展项目。已建成示范项目的规模为 99~262MW 。因为IGCC 系统的下游设备如燃气轮机等对硫、氮、灰、碱及氯等含量的要求很高， 所以需要对 IGCC 的高温煤气进行高效和低成本地进行除尘和脱硫 (主要是硫化氢 )处理，目前已针对不同吸附剂和不同的反应方法进行了试验。 Triangle 研究所为 Sierra~Pacific 电厂发展了 Ex~SO3 和 MRCH-67 两种吸附剂。 Ex~SO 3是一种喷雾高耐磨的吸附剂 [9]，可除去 99.7%的硫，使 H 2S 的含量在 20mg/l 以下。此吸附剂在 537 J 下可再生 50 次以上； MRCH~67 是目前最广泛使用的锌基吸附剂，在 40~150 微米的尺寸范围，其磨损较小，在低于 4500C 使用时有高的脱硫效率，出口 H 2S浓度 <10mg/l 。补给水燃烧室分离器颗粒空气分离器氧气空气硫副产品氢气燃料电池学制品燃料和化合成气转化转移反应器颗粒回收器凝汽器余热锅炉煤气净化器燃气轮机蒸汽轮机蒸汽固体废物气化炉煤、石油焦、生物质、垃圾等烟囱空气蒸汽图 4 整体气化联合循环（ IGCC ）示意图Fig4 Integrated Gasification Combined Cycle 反应器可以是移动床、流化床或鼓泡床反应器。通用电气环境公司发展了一种移动床高温除硫系统，逆流吸收，试验中应用 5443kg 混合金属氧化物吸附第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup.2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct.2005400剂， 成功地处理了 2Mpa 、 537￠J 燃气中的 H2S。 外部吸收剂再生器产生的 SO2 可以用来生产硫酸， 这项技术已在 3MW 规模的装置中试验了 1000 多小时。由于氯会伤害除硫吸附剂， 并导致气管道结渣， 所以还安装了应用 NaHCO 3 的循环流化床除氯系统， 可以除去 95%的氯。6 环境控制为了减少随着燃煤量的增加而导致对环境的污染， 美国新规定了燃煤电站新的排放标准， 其中 SO2全年的总排放量要从 1990 年的 1450 万吨降到 890万吨；工业灰尘排放 1970 年的 300 万吨 /年降到 45万吨以下 （对应年燃煤量接近 7750 万吨） ， 同样 NO x排放量也要降低。6.1 消除 SO2 ， NOx通常除 SO2 采用基于钾、 钠和镁吸附剂的湿式洗涤系统，其效率可达 98%。美国能源部发展了干式再生剂回收系统，可以减少吸收剂的浪费，并可从SO2 生产出一些副产品，如硫酸、元素硫或硫酸盐肥料等。 除 NO X 技术在燃烧调整方面有低 NOX 燃烧器、分级燃烧和再燃烧技术； 在尾部烟道处理有选择性催化剂 (SCR)和选择性非催化剂法（ SNCR ） 。6.2 空气动力级颗粒（ PM2.5）的控制当前美国 1200 个燃煤电厂中 76%以上是采用的静电除尘技术， 9%左右的电厂是采用布袋除尘，它们的除尘的效率已分别达到 99.8%和 99.6%以上，相应的成本也较适中。然而根据美国环保部（ EPA）公布新的国家环境空气质量标准中对颗粒的控制标准，需要消除颗粒尺寸在 2.5μ m 以下的特别小尺寸的灰尘。 PM2.5 被认为是损伤健康最重要原因之一， 一般认为是由于气体燃烧化学反应的产物，如 SO2、 NOx等。 它可能以两种形式生成， 一种是污染源直接向大气排放，另一种是气体或蒸汽在大气中反应而形成的。新标准规定 PM2.5 年平均极限为 15μ g/m 3， 24小时极限为 65μ g/m 3。6.3 空气中的有毒物的控制1990 年美国指定了 189 种对空气有害的物质，主要是重金属和有机化合物，其中至少有 37 种是通过煤燃烧而形成的， 但由于煤种及燃烧情况不同， 因此产生的污染也不相同。 在这些毒性成分中， 水银的毒性最大，被引起较大的重视。水银排向空气或水中的排放可能是自然的， 但人类的活动是主要原因。 水银向大气中的排放大部分是来自公用电厂、 城市垃圾燃烧、 工业锅炉、 医疗废物焚 烧 炉 以 及 氯 碱 厂 。 根 据 美 国 污 染 资 料 表 明 ，1994~1995 年全球的水银排放约为 5000 吨，美国排放约为 158 吨，其中燃煤电站的排放约为 51 吨。近期美国已对市政废物燃烧炉和医疗废物焚烧炉的污染进行了限制，要在 1990 年的基础上下降 90%。尽管燃煤电站是美国水银主要的污染源， 但是由于水银在燃煤中的含量极低， 其处理成本很高， 目前仍在研究阶段，所以暂时还没有对水银污染进行限制。6.4 CO2 排放的缓解化石燃料燃烧产生 CO2 是温室气体的主要来源，煤、石油和天然气每产生 1MJ 的热量相应平均产生86、 77 和 52 克的 CO2 。其中煤因所含碳元素较多，因而产生的 CO2 最多。如采用其他再生能源如氢能、生物能发电，可以减少 CO2 的排放。改善燃烧及循环效率是降低 CO2 排放的有效方法， 积极的办法是对产生的 CO2 进行的收集、 处理和利用。 例如可以将发电厂的 CO2 浓缩并输送到废弃的油井、气井、煤井或含盐蓄水层、深海中。 1997 年DOE 选定了 12 个关于降低 CO2 排放的研究项目， 例如将 CO2 引到深海中让海藻吸收。 但这些研究是否切合实际，仍处于探索阶段。7 总结在世界上有限的化石燃料中， 煤是上最丰富的资源， 加强对先进燃煤发电技术的研究和实践是全球性的战略目标， 这些发电技术不但生产能量， 还可产生化学品。先进的燃煤发电技术及环境技术将为 21 世纪提供清洁、高效、低成本的能源。目前我国经济和科技正处于高速发展时期， 加强对这些先进技术的研究具有极大的战略意义。参考文献 :[ 1] Energy Information Administration, US DOE, Annual Energy Review , 1998. 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