能源工程3讲（1）：常规能源高效利用-煤炭、石油、水力、电

第3讲

常规能源的高效利用1（1）煤炭、石油、水力、电第一节煤炭煤是古代的植物体因为地壳运动而埋没地下，在适宜的地质环境中经过漫长年代的演变而成的，含碳量一般为46%～97%。煤是重要的燃料和化学工业原料。煤在地球上的储量非常丰富。煤炭是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料。根据世界能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达4.84104亿吨标准煤，占世界化石燃料可采资源量的66.8％。2我国能源资源的基本特点是富煤、贫油、少气。这就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。统计表明，我国煤炭资源总量为5.6万亿吨，其中已探明储量为1万亿吨，占世界总储量的11％，而石油占2.4％，天然气仅占1.2％。

煤炭是主要的能源，但煤炭的开发利用也严重地污染了人们赖以生存的环境，因此煤炭的清洁开发和利用是摆在全人类面前的紧迫问题。

31.洁净煤技术涉及煤炭的开采、运输、加工、转换及利用等环节。我国80%煤炭作为燃料使用。我国煤炭含硫量高，高灰煤的比例大。直接燃烧产生大量有害气体，并伴有大量煤尘。洁净煤技术（cleancoaltechnology）是旨在减少污染和提高效益的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制等新技术的总称。它主要包括洁净生产技术、洁净加工技术、高效洁净转化技术、高效洁净燃烧与发电技术、燃煤污染排放治理技术等。4洁净煤技术分类：5洁净煤优先发展研究领域：6燃烧前的处理主要是选煤、型煤和水煤浆三项措施。选煤的目的是降低原煤中的灰分、硫分等杂质的含量，并将原煤加工成质量均匀、能适应用户需要的不同品种及规格的商品煤。为达到环保目的，工厂企业通常采用高烟囱排放：它是将燃烧装置产生的有害烟气排放到远离地面的大气层中，并通过大气的运动使污染物浓度降低，以改善污染源附近的大气质量，但这种方法并不能减少有害物的排放总量，因此燃烧过程中处理，即炉内脱硫、脱硝是十分重要的。

燃烧后处理主要是烟气净化和除尘。

由于炉内脱硫往往达不到环保要求，所以还需对燃烧后的烟气进行脱硫处理。

72.煤炭的转换利用技术（1）煤炭气化技术：焦炉、碳化炉、发生炉等。（2）煤炭液化技术：间接液化（先气化，再液化，如煤制甲醇）和直接液化（加氢直接转换为液体燃料或煤炭与渣油混合反应生成液体燃料）8（3）整体煤气化联合循环发电系统整体煤气化联合循环发电系统(IntegratedGasificationCombinedCycle，IGCC)是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。9在IGCC系统中，煤在气化炉中高温热解气化，生成的煤气经过滤净化后进入燃气轮机燃烧发电，燃气轮机的尾气进入余热锅炉，尾气热量被余热锅炉利用以产生蒸汽驱动汽轮机发电，这样燃气轮机和汽轮机联合运行，使高温热量输入过程与低温排放过程有机结合，可显著提升系统热力学效率。但煤气化产生的粗煤气中含有H2S、COS、CS2（其中90%为H2S）及HCl、HCN、NOx和碱金属等组分，这些组分高温进入燃气轮机内，会腐蚀叶片，降低燃气轮机使用寿命，排放废气也会污染环境。另外，粗煤气中还含有微量汞等重金属污染物，对生态环境及人体健康都会造成很大危害。因此，在进入燃气轮机前，必须对粗煤气进行净化处理。10位于天津滨海新区临港工业区的中国华能集团公司（以下简称，华能）整体煤气化联合循环（IGCC）示范电站，其IGCC两大核心设备中，气化炉由华能西安热工研究院自主研发，燃气轮机则采购自西门子公司。虽然西门子公司在西班牙和日本做过类似的IGCC项目，但国际经验到了中国并不一定都管用，系统匹配问题成为天津IGCC电站最为严峻的任务。该项目的气化炉作为自主研发的产品，产生的气体组分、压力、温度等参数和别的项目不同，没有可借鉴的经验，甚至各项参数的数值范围还在摸索总结中。而燃气轮机燃烧器的设计也需和气化炉一起在运行中逐步调试。两大核心设备都处于摸索调试阶段，且互相牵制。11国际上一般测算，IGCC发电每千瓦投资在8000元人民币左右，而华能IGCC电站的投资估计已经达到了每千瓦13000-14000元人民币。现在IGCC电站的上网电价每千瓦时约5毛，但电价成本接近9毛。目前IGCC电站不仅赔固定资产的折旧，也赔变动成本。有业内人士提出，要实现煤电清洁发展，与其搞IGCC还不如搞超超临界机组，常规燃煤电厂每千瓦时增加3分钱投入，污染物的控制效率就能实现和IGCC一样。煤电清洁发展的路线之争方兴未艾，如果不能解决成本和技术问题，IGCC的生命力堪忧。多家企业在酝酿申报IGCC项目，中电投上海电力就是其中之一。信心来自于选择更成熟的气化技术，以及IGCC和化工结合的多联产，通过提取工业气体向周边化工园区销售来贴补单纯发电的亏空。12（4）燃煤磁流体发电技术（等离子体发电技术）是一种将热能直接转换为电能的新型发电方式。煤粉、氧化剂和少量电离种子进入燃烧室，燃烧产物为高温导电气体，经喷管加速后，通过发电通道，切割磁力线，产生感应电势。所产生直流电经逆变器转换为交流电，输送到电网。磁流体的排气温度约为3000℃，经扩压器减速后进入锅炉，产生蒸汽供给常规蒸汽透平发电机组，向电网供电。锅炉出口烟气经除尘器回收种子再经烟囱排入大气。这样，组成磁流体一蒸汽联合循环，总的热效率可达50%~60%。可有效地脱硫，有效地控制NOx的产生，也是一种低污染的煤气化联合循环发电技术。13在磁流体发电技术中，高温陶瓷不仅关系到在2000~3000K磁流体温度能否正常工作，且涉及通道的寿命，亦即燃煤磁流体发电系统能否正常工作的关键，目前高温陶瓷的耐受温度最高已可达到3090K。为进行有效的电力生产，电离了的气体导电性能还不够，因此，还要在其中加入钾、铯等金属离子。但是，当这种含有金属离子的气流，高速通过强磁场中的发电通道，达到电极时，电极也随之遭到腐蚀。电极的迅速腐蚀是磁流体发电机面临的最大难题。另外，磁流体发电机需要一个强大的磁场，人们都认为，真正用于生产规模的发电机必须使用超导磁体来产生高强度的磁场，这当然也带来技术和设备上的难题。143.煤基多联产技术以煤为原料，集煤气化、化工合成、发电、供热、废弃物资源化利用等单元工艺构成的煤炭综合利用系统。154.超超临界发电技术朗肯循环：16即使是容量最大、采用朗肯循环的最新型的燃煤电厂，一般来说其循环效率都超不过35%。17超临界锅炉指锅炉内工质的压力在临界点以上的锅炉。锅炉内的工质都是水，水的临界点是：22.115MPA，374.15℃。在临界点时，在饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在，二者参数不再有分别，汽化潜热等于零。炉内工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉，大于这个压力就是超临界锅炉，一般将工质压力大于26MPa被称为超超临界锅炉。超临界机组与亚临界机组的最大区别在于锅炉的汽包已不复存在，这是因为超临界锅炉已经没有汽水分离的过程。18锅炉按照蒸汽参数分为低压锅炉（出口蒸汽压力≤2.45MPa）、中压锅炉（2.94～4.90MPa）、高压锅炉（7.8～10.8MPa）、超高压锅炉（11.8～14.7MPa）、亚临界压力锅炉（15.7～19.6MPa）、超临界压力锅炉（>22.1MPa）和超超临界压力锅炉（>27MPa）。超临界、超超临界火电机组具有显著的节能和改善环境的效果。目前国内亚临界参数燃煤电厂的循环效率已达38%，超临界和超超临界参数的燃煤电厂的循环效率分别可达40%和43%左右。我国发展超超临界起步参数25MPa/600℃，期望达到35MP/760℃。195.流化床联合循环发电技术20风从炉底吹入并透过堆放有煤粉及石灰石粉的料床的空洞进入炉膛，煤粉和石灰石粉被吹得在炉膛中翻腾和流动。其中石灰石粉与煤粉充分接触，以中和煤粉中的硫份。而流化状态的燃料也能够燃烧的比较充分。优点：燃料适应性好；燃烧效率高；有利于控制SO2和NOx的排放；符合调节性能良好；灰渣综合利用性能好。缺点：锅炉部件易磨损和腐蚀；N2O生成量大；设备结构复杂，造价高。21第二节石油石油是仅次于煤的化石燃料，它是一种天然的黄色、褐色或黑色的流动或半流动的黏稠的可燃液体烃类混合物。石油只是有机物在地球演化过程中的一种中间产物。石油主要是由烷烃、环烷烃、芳香烃等烃类化合物组成。由于石油是一种由多种化合物组成的复杂的混合物，因此其成分随产地的不同而变化很大。22由于石油资源日益匮乏，人们开始把眼光投向另一类烃类资源：油页岩和油砂。油页岩是埋藏于沉积岩中，和矿物水成岩一层层地交错沉积。油砂也称沥青砂，是一种含有很黏沥青油的砂石，其中80%~90%为无机质，3%~6%为水，6%~20%为沥青油。油田开发包括石油勘探、钻井和油田的开采。23开采出来的石油（原油）可以直接作燃料用，且价格便宜；若在炼油厂中进行深加工，则经济效益可增加许多倍，而且飞机、汽车、拖拉机等也不能直接燃用原油，必须把原油炼制成燃料油才能使用。因此，石油的加工是石油利用中非常重要的一环。燃料型：以汽油、煤油、柴油等燃料油为主要产品。燃料－润滑油型：除生产燃料油外，还生产各种润滑油。石油化工类：它是提供石脑油、轻油、渣油用作生产石油化工产品的原料。24石油由许多组分组成，每一组分都各有其沸点。通过炼制加工，可以把石油分成几种不同沸点范围的组分：40~205℃的组分作为汽油；180~300℃的组分作为煤油；250~350℃的组分作为柴油；350~520℃的组分作为润滑油（或重柴油）；高于520℃的渣油作为重质燃料油；第三节水力资源水能是自然界广泛存在的一次能源。它可以通过水力发电站方便地转换为优质的二次能源——电能。通常所说的“水电”既是被广泛利用的常规能源，又是可再生能源。而且水力发电对环境无污染，因此水能是世界上众多能源中永不枯竭的优质能源。252627水电站内部结构示意图28广州抽水蓄能电站小水电是指容量为12～0.5MW的小水电站，容量小于0.5MW的水电站又称农村小水电。运行寿命长，坚固耐用，价格稳定，并且水资源是可再生的。对于用电规模较小的边远地区来说，所有这些优点使水力电站成为最具有吸引力的选择对象。拥有连接电厂和用电中心的输电网的地区并不多。许多地区，特别是在发展中国家，还必须依赖就地的小型电厂供电。几乎处处都有可以用来发电的小河流。29第四节电电能是由其他一次能源转换而来的二次能源。由于电能输送、控制、转换和使用都非常方便，又不污染环境，因此是一种非常优质的二次能源。30电力是非化石能源开发利用的最主要途径。非化石能源除了少部分用于直接供热、制气、生产燃料外，主要通过发电实现其终端利用，主要发达国家非化石能源用于发电的比重均超过80%。我国水电、核电、风电等非化石能源将迎来快速发展期，水电新增装机规模或将达到1.2亿~1.6亿千瓦，核电新增装机规模将达到0.6亿~0.7亿千瓦，风电新增装机规模将达到1.2亿~1.6亿千瓦。到2020年，非化石能源利用总量约7.7亿吨，占一次能源消费比重达15.0%，其中，转化为电力的非化石能源占84%。电力在非化石能源开发利用中居于中心地位。2011年我国发电用煤占煤炭消费总量的比重约53%，同期世界平均水平为65%，美国等发达国家电煤比重达80%以上甚至超过90%。我国发电用煤占比明显偏低，未来仍有较大的提升空间。加快煤炭消费结构的调整，到2020年，我国发电用煤占煤炭消费比重预计将达到63%。31燃气发电是促进天然气加快发展和高效利用的合理选择。天然气是相对清洁的化石能源，目前我国约1/5的天然气转化为电力利用。未来，随着天然气勘探开发、页岩气等非常规天然气的突破以及海外引进步伐的加快，天然气供应能力大幅提高，在我国一次能源消费结构中的比例将逐步提高。作为天然气消费的重要组成部分，适度发展天然气发电和分布式能源系统，有利于改善电源结构和能源结构。未来我国将优先发展天然气发电替代燃煤