洁净煤燃烧与发电

12024/2/4洁净煤燃烧与发电22024/2/4洁净煤技术的定义：在煤炭开发和利用的过程中,旨在减少污染并提高其利用率的加工、燃烧、转化及污染控制技术。是使煤的潜能得到最大限度的利用，而释放的污染物被控制在最低水平的一种高效、清洁利用的技术。32024/2/4我国以煤为主要能源的格局将长期存在，其中发电行业煤炭消耗所占比重最大。

2000年，我国约50％的产煤用于发电，据预测，2030年，我国发电用煤量将达到煤产量的70％左右。煤炭在发达国家也主要用于发电：美国煤产量的90％用来发电，燃煤发电至今仍占美国发电总量的55％；英国则有约80％的煤用于发电。

煤炭与电力的关系：42024/2/4

煤

油

气

铀澳大利亚/新西兰非洲欧洲俄罗斯中东中国其它亚洲/太平洋地区北美南美除中东和南美外，中国和世界上其它国家和地区的化石能源最终只能以煤为主。全球化石燃料和铀资源分布－2004年52024/2/4中国和世界的能源消费结构比较(2005)项目煤%油%天然气和可再生能源%中国68.902110.10世界27.8036.4035.8062024/2/4中国的能源供应－2007年煤:25亿吨，增长7.5%国产原油:1.87亿吨，增长1.0%国产天然气:666亿立方米，增长14.8%发电装机容量：713,000MWe,增长14％发电量：3277.7TWh，增长14.4%进口原油：1.63亿吨，增长12.4%进口油产品：3380万吨，减少7.1%出口油产品：1550万吨，增长25.6%资料来源:国家发改委能源研究所，200872024/2/4中国的煤炭产量不断增长资料来源:国家发改委能源研究所，200882024/2/4中国电力装机容量稳定快速增长资料来源:国家发改委能源研究所，200892024/2/4中国电力安装容量快速增长1949年1850MWe到2007年717000MWe,58年增长了388倍。102024/2/4中国电力装机容量增长预测年200620102020发电量

(亿kwh)283,44376,40607,00

水电

(亿kwh)4,1676,27010,000

火电

(亿kwh)23,57329,58244,870

核电

(亿kwh)5437883,080

其它

(亿kwh)272001,000总装机容量

(MWe)622,000840,0001,340,000

水电

(MWe)12,857190,000300,000

火电

(MWe)484,050610,000910,000

核电

(MWe)6,85010,50040,000

其它

(MWe)1,87010,00040,000112024/2/4煤炭在我国能源消费中占很大比重，煤烟型污染是我国生态环境破坏的首要因素。在我国大气中，约60％的总悬浮颗粒物、87％的SO2、67％的NOx和71％的CO2均来自煤炭的燃烧。燃煤排放的大量SO2和NOx也是我国酸雨形成的主要原因。继欧洲、北美之后，我国己成为世界上第三大酸雨区。1995年，我国由酸雨和SO2污染造成的农作物、森林和人体健康这三方面的经济损失达1100亿元。122024/2/4中国CO2的排放状况来源:IEA,WorldEnergyOutlook2002中国火力发电是CO2的重要排放源，排放量占到总排放量的50%以上，还将进一步增长，电厂将会面临越来越大的CO2减排压力。132024/2/4中国的CO2排放量迅速增长FromORNLHomePageCoalOilGasSteelCementTotal年千吨碳142024/2/4资料来源：IEACleanCoalCentre .uk中国即将成为世界CO2第一排放大国IEA预计中国将在2010年前取代美国成为世界最大的CO2排放国(荷兰宣布中国的CO2排放量在2007年已超过美国).但中国人均CO2排放仅为发达国家(OECD)2030年时人均CO2排放量的60%。

0

3

6

9

12

1519902000201020202030GigatonnesofCO2美国中国其它非OECD国家其它OECD国家（经济合作发展组织）IEAWorldEnergyOutlook2006OECD：152024/2/4常规煤粉锅炉＋烟气脱硫+脱氮（PC+FGD＋DeNOx）循环流化床锅炉（CFBC（CirculationFluidizedBedCombustion））；增压流化床联合循环（PFBC-CC（PressurizedFluidizedBedCombustion-CombinedCycle））；整体煤气化联合循环（IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle））；传统而言发展最快、最具应用前景的洁净煤发电技术主要有以下四种：162024/2/4在未来的洁净煤发电技术的发展中，即要提高能源的转换效率、减排常规污染物，也必须整合CO2的减排、捕集与封存，需要考虑减排污染物、汞与CO2的经济性协调配合，有望形成以控制CO2排放为基本出发点的未来洁净煤发电技术，以此为特征的新一代洁净煤发电技术意味着将来巨大的技术与商业市场。172024/2/4洁净煤发电技术新趋势：

超超临界蒸汽参数煤粉锅炉蒸汽参数25～30MPa/600℃/600℃或以上。当前中国和世界新建火电厂的主要方向。蒸汽参数达32MPa、600/610℃的超超临界发电机组技术已趋成熟，发电效率可达42%～44%。对蒸汽温度760℃,压力35MPa的750MW燃煤超超临界发电机组的技术经济可行性研究表明,电厂净效率将达到45%(基于HHV),如果采用两次再热方式,效率可达到47%,气体与固体污染物排放将减少约1/4。据估算,发电厂效率每提高10个百分点,就可减少约24%的气体与固体污染物排放。

182024/2/4但是,采用煤粉燃烧技术的锅炉在减少污染物排放方面,只能对烟气进行处理,尤其是分离与捕集CO2,其技术经济劣势是显而易见的。超超临界机组面临着进一步提高蒸汽参数以大幅降低排放的挑战。192024/2/4

超临界蒸汽参数循环流化床锅炉

300MW亚临界参数CFB机组整体技术已趋成熟。与超超临界煤粉燃烧锅炉类似,CFB锅炉在分离与捕集CO2方面的技术经济劣势同样显而易见。CFB锅炉面临着进一步提高发电效率的挑战，发展更大容量和超临界蒸汽参数的CFB锅炉技术将成为下一步发展的主要目标。202024/2/4

新型整体煤气化联合循环（IntegratedGasificationCombinedCycle－IGCC）

IGCC技术：采用煤（或渣油、石油焦等）作为燃料，经过气化炉将其转化为合成气，并经除尘、脱硫等净化工艺，使之成为洁净的气体燃料供燃气轮机燃烧做功，气化岛显热经过废热锅炉，燃气轮机排气显热经过余热锅炉加热给水产生过热蒸汽，带动蒸汽轮机做功，从而实现双循环发电过程。先进IGCC技术在能源转化效率、常规污染物脱除与分离CO2方面独具整体技术、经济与环保优势,是一种很有前途的发展中的高新技术。212024/2/4目前，IGCC的热效率可达43％～45％（LHV）。随着燃气轮机叶片冷却技术的进一步发展，以及采用高温净化技术，IGCC的热效率将来能达到50％。

NOx、SOx与颗粒物的排放均低于煤粉炉，煤中硫分的99.5%以元素硫回收，可以达到大于95%的汞脱除率。可以以比较小的费用获得比煤粉锅炉低一个数量级的排放值，相当于燃用天然气的燃烧设备的排放水平，而且进一步降低排放的潜力很大。相对于煤粉锅炉机组要净化处理巨大容积的低压烟气的现状,合成煤气的压力高、未被燃烧空气稀释，因此，污染物排放控制难度较小。222024/2/4IGCC的类型(1)单纯发电的IGCC电站(2)多联产IGCC系统生产合成氨、液体燃料(甲醇、二甲醚等)、H2、城市煤气等都是以煤(或石油焦)的大规模气化、生产合成煤气为基础，它既是上述多种产品的原料，也是IGCC电站的燃料。将化工、石油等产品生产和电能生产过程结合的多联产系统，能同时降低石化等产品和电能的生产成本。以煤气化为核心的多联产系统是可持续能源发展战略的重要组成部分。

232024/2/4(3)IGCC-燃料电池联合循环发电系统IGCC-燃料电池联合循环发电，其本质上是用煤作原料制H2，以氢作为燃料电池的燃料，通过燃料电池发电，组成联合循环发电系统。该系统能比较好的体现化学能和物理能梯级综合利用的概念，有很高的热效率和环保特性，系统热效率可突破60%。(4)有CO2分离的IGCC系统(a)在IGCC系统排烟中进行CO2分离和回收在传统的IGCC系统上增加在排烟中分离和回收CO2的措施。－从能源系统效率与经济性来看,可行性不大。242024/2/4(b)在燃烧前对燃料气进行处理与分离煤气化产生的合成煤气的主要可燃气成分为CO和H2,一条可行途径是将合成煤气通过转化反应把CO气体转化为CO2和氢气,再通过较低成本的物理吸附系统把CO2分离掉,剩下的大部分为理想的富氢燃料气燃料。由于分离与吸附CO2在未被氮气稀释的合成煤气中进行，相应的能耗减少许多，系统净效率要比前一个途径高1％～2％。但它也有不理想之处，增加燃料气转化反应环节会使总的燃料气化学能转换效率降低6％～7％。252024/2/4IGCC示范电站的部分结论：(1)IGCC电站目前供电效率仅能达到42%-43%，未能达到45%的预期目标。如美国Tampa电站，其热煤气显热回收系统设计不完善，供电效率只达37%左右;(2)电站运行的可用率一般只能达80%左右。主要的停运原因来自气化炉;(3)单位投资费用比较高。(4)发电成本目前还不能和燃煤超临界常规电站竞争;(5)改烧低热值合成煤气时，燃气轮机的燃烧室需作较大的改动，并要相应修改压气机和燃气透平的通流部分;(6)必需要慎重选择燃气轮机的型号;262024/2/4(7)以纯发电为目的的IGCC电站，宜采用气流床气化炉、以氧为气化剂，有利于提高碳转化率，并提高电站的单机容量;干法供煤的气流床气化炉由于其冷煤气效率(78%-84%)高于水煤浆供煤的气流床气化炉(70%-74%),更有利于改善电站的供电效率。(8)目前以空气为气化剂的大规模流化床气化炉以及干法除灰、脱硫系统还未试验成功，尚待进一步验证试验;(9)目前采用的深冷法制氧装置的功耗较大，是IGCC电站厂用电率高达10%-12%的主要原因，也是电站的供电效率不够高的主要原因，探索新的制氧方法十分重要;(10)IGCC的污染物排放远低于NSPS标准（Newsourceperformancestandard－新污染源实施标准），从CO2减排角度，IGCC比其它洁净煤发电技术处于更有利的地位。272024/2/4大规模高效煤气化技术大规模高效煤气化技术（日处理煤量达～3000吨以上）是发展煤基化学品生产、煤基液体燃料（合成油品、甲醇、二甲醚等）、先进的IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础，是这些行业的公共技术、关键技术和龙头技术。282024/2/4Prenflo和Shell气化工艺十分相似，都是下置多喷嘴式干煤粉气化。采用再循环冷煤气淬冷，使煤气温度从1350～1600℃降至800-900℃。主要差别：Shell技术在气化炉侧面设置余热锅炉，而PRENFLO气化炉的余热锅炉设置在气化炉顶部，形成一个整体。煤气化商业装置的规模及特点炉型代表性专利商规模(t/d)特点移动床(固定床)Lurgi500煤种要求高、气化温度低、气体处理困难流化床HTW840煤种要求高、气化温度不够高、碳转化率低气流床TexacoShellPrenflo200020002600高温、高压、碳转化率比较高（95％左右）292024/2/4国内气流床气化技术与国外典型技术的比较Texaco技术Shell技术多喷嘴对置新型气化炉射流型式单喷嘴多喷嘴（有偏角）多喷嘴对置压力/MPa3.03.0～6.53.0～6.5(长远目标8.5)温度/℃1400～16001300～14501300～1450(长远目标1700)混合状况差一般好碳转化率/%9595（无飞灰循环）98装置运转率/%85有待继续验证有待验证（目标90％以上）投资比11.50.9国内其它单位开发的煤气化技术：中科院山西煤化所、东南大学、清华大学、西安热工院等。302024/2/4

O2/CO2循环燃烧（Oxy-FuelCombustion）如燃烧时采用纯氧，理论燃烧温度可达3500℃左右，一般材料无法承受，需要烟气再循环来冷却火焰温度。312024/2/4可用于现有燃煤锅炉的改造或新建燃煤电厂。其发电成本和IGCC相同或更低，而比IGCC的可靠性高。优点：降低NOx排放、增强SOx脱除、较低的汞排放、增加CO2浓度。322024/2/4

化学链燃烧（ChemicalLoopingCombustion-CLC）Theprincipleofchemicalloopingcombustion332024/2/4一、指定题目1、超临界、超超临界蒸汽参数煤粉锅炉国内外现状、发展趋势及主要技术瓶颈分析2、大容量、高参数循环流化床锅炉国内外发展现状及趋势以及研究热点分析3、整体煤气化联合循环发电技术的现状、发展趋势及主要技术瓶颈分析4、国内外大规模煤气化技术的现状、发展趋势及主要技术瓶颈分析5、O2/CO2循环燃烧（Oxy-F