第十章－电力工业清洁生产

第十章电力工业清洁生产第一节电力工业概述随着人类社会的发展，人们越来越感到环境、资源和人口是日益突出的三大问题，它将决定着地球上人类生活的质量。而能源与三者之间有着密切的关系，能源的消耗取自于资源，服务于人类，因此如何更好、更合理地开发和利用能源对国民经济的发展和环境的改善具有重大意义。一．能源的分类能源，也就是“能量的源泉”，是指可以给我们提供大量能量的物质和自然过程，因此能源的种类是形形色色的。对能源进行分类，可以帮助我们了解各种能源的基本性质和它们之间的相互关系。（一）按来源进行分类，见表10－1。表10－1根据能源的来源分类表第一类能源（来自地球以外）太阳辐射级煤、石油、天然气、油页岩、草木燃料、沼气和其他由于光合作用而固定的太阳辐射能。风、流水、海流、波浪海洋热能直接的太阳辐射宇宙射线、流星和其它星际物质带进地球大气中的能量第二类能源（来自地球内部）地球热能地震、火山活动地下热水和地热蒸汽（包括温泉）热岩层原子核能铀、钍、氢等第三类能源（来自地球和其它天体的作用）潮汐能第一类是来自地球以外的天体的能量。其中最主要的是太阳辐射能，此外，还有其它恒星或天体发射到地球上的各种宇宙射线的能量。第二类是地球本身蕴藏的能量。如海洋和地壳中储存着的原子核能以及地球内部的热能。第三类是由于地球和其它天体相互作用而产生的能量，如潮汐能等。（二）按“一次能源”和“二次能源”进行分类，表10－2。

表10－2“一次能源”和“二次能源”一次能源再生能源风、流水、海流、海洋热能、潮汐能草木燃料、直接的太阳辐射、地震、火山活动地下热水、地热蒸汽（包括温泉）、热岩层非再生能源化石燃料（煤、石油、天然气、油页岩）核燃料（铀、钍、氢）二次能源电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、甲醇、丙烷、苯胺、硝化棉和硝化甘油等等以现成的形式存在于自然界中的能源一般称为“一次能源”，需要依靠其它的能源来制取或产生的能源则称为“二次能源”。对于“一次能源”而言，火电厂是消费者，但是，相对于其它能源使用部门来说，它又是一个能源的供应者，所以通常把电能列为“二次能源”。“一次能源”还可以按照能否“再生”而进一步分类。所谓“再生能源”就是不会随着它本身的转化或人类的利用而日益减少的能源。随着人类的利用逐渐减少的能源称为“非再生能源”。当然，“再生”和“非再生”之间的区别只是相对的。（三）按“含能体能源”和“过程性能源”分类，表10－3。表10－3“含能体能源”和“过程性能源”含能体能源草木燃料、化石燃料、核燃料、地下热水和地热蒸汽高水位水库氢能过程性能源风、流水、海流、潮汐地震直接的太阳辐射电能能量比较集中的“含能体”是“含能体能源”，能量比较集中的“能量过程”则是“过程性能源”。各种化石燃料（或矿化燃料）和核燃料、地下热水和蒸汽等都是“含能体能源”，风、流水和潮汐等则是“过程性能源”。从某种意义和角度来说，能源是人类生命之根本，是人类进行生产和生活赖以维持和发展的物质基础。纵观历史，人类学会和掌握了钻木取火技术，从而籍助火的作用驱除猛兽毒蛇，并从菇毛饮血向以熟食转化，这可以说是利用能源的起始，这大大加强了人类生存和延息的能力。人类对能源的认识和利用，经历了漫长的发展过程。每次新能源的开发利用和变革，不论从柴薪转向煤炭，还是由煤炭转向石油，可进行裂变和聚变反应的物质，都伴随着生产技术的重大突破，使生产力获得巨大发展。实践表明，人类对能源资源的开发利用的历史，也就是人类认识、改造和征服自然的历史。二．能源的发展与消耗随着科学技术的发展，以及能源状况的改变，世界能耗的结构特点也不断地发生变化。今天，石油、煤、天然气、水力和裂变原子能，构成了现代世界“一次能源”的五大支柱。展望未来，石油、煤、天然气相对来说将愈来愈少的用作能源，而愈来愈多的当作宝贵的化工原料来使用，地热能、裂变能以及太阳能等将构成未来世界新的能源支柱。地球上能量的储存是巨大的，但能量的消耗数字也是十分惊人的，而且能耗的增长，特别是近三十年来，极为迅速。按照目前的能耗水平，自然界几十亿年生成的矿化燃料——煤、石油、天然气，人类几个世纪就可以把它们消耗掉，因为消耗速度比大自然生长它们的速度要快千万倍。勘探资料表明，目前使用的核燃料的储存量也是很有限的。以上四种燃料现在约占界能源消费的94%。其中煤提供了27%，石油提供了45%。地球上能源的分布情况很不均匀，不同国家的人均能源消费的数量相差也很悬殊。目前占人口不到四分之一的工业发达国家消费的能源占全世界总能耗的80%，这种不公平的现象也加剧了南北国家之间矛盾。一些国际性机构指出，地球的总人口中尚有近三分之一的人没有使用电能，但是，西方工业化国家的人均能源消耗量却达到了很高的数值。如果所有国家的人均能源消耗量都像美国、加拿大、瑞典那样高，世界的能源早就枯竭了。印度需要新建数千座五百兆瓦的发电厂，其人均电能消耗量才能达到上述国家的水平。工业化国家大量地消耗地球上有限的能源，而产生有害物质的污染却远远超过其本国的范围，是极不合理和不道德的现象，现在已成为国际上一个非常严重的问题。我国能源消费总量（不包括农村非商品能源）1979年为5.86亿吨标准煤，居世界第三位，但平均到每个人的能源消费量只有1.14吨。这个数字是非常小的，仅为世界平均水平2.3吨的二分之一。同世界上发展中国家相比，属于中等偏低水平。一些工业发达国家1978年的相应数字（吨标准煤/人·年）是：美国苏联德国日本12.86.66.34.7四个现代化建设需要大量的能源，但我国目前的能源利用效率和取得的经济效果与国外相比尚有较大差距。以1980年为例，每创造一个美元国民生产总值，美国消费能源为零点九二吨标准煤，苏联消费一点二二吨标准煤，日本消费零点三五吨标准煤，印度消费零点七九吨标准煤，而我国则消费二吨左右标准煤，是世界平均消费水平零点八四吨标准煤二点五倍左右。这说明我国在节约能源方面有很大的潜力。当前，我国的能源问题：一是能源的开发，一是能源的节约。但是，由于能源开发受到多种因素的限制，在短期内不大可能大幅度增长。对我国能源供需进行预测，工农业生产（翻两番）所需能源有相当一部分须依靠节能解决。我国节能的途径应当是：将节能政策以法律形式固定下来，也就是制订相应的节能法，节能与当代最先进的科学技术结合起来，不断地探索和开发新能源，以满足国民经济发展的需要。三．电力工业在国民经济中的作用电能是能源中最主要的能源之一，它是一种极“灵活”的能，它可以很方便地转变成其它形式的能：如机械能、热能、光能、声能、化学能以及粒子的动能等等；而其它形式的能也可通过一定方式转变成电能。自然界中许多“含能体能源”和“过程性能源”都蕴藏着极为丰富的能量，这为电能的大量生产提供了充分的物质基础。电能便于传输，通过升压设备和输送线路可将强大的电源按照人们的要求送至数十公里、数百公里、甚至数千公里处的用户，而线路损失较小。此外，电能的生产，输送和使用能够进行有效而精确的控制。由于以上原因，电能已成为最广泛的一种能量。电能作用于一些物质所引起的效应，往往被认为是很奇妙和用其它方法所不能获得的。随着科学技术的发展和对电能本质的深入研究，电能的“奥秘”将愈来愈多地被提出。到目前为止，电能在机械加工、化学、生物农业、医疗和药物，以及国防等各方面的应用中，有的已显示出独特的优点，产生了巨大的效果，有的则展露出一些苗头，从发展上来看，其中某些方面将对科学研究和生产技术带来某些根本性的变革。因此，电能在人类社会的各个领域中必将发挥更大的作用。十八世纪中叶以前，人类对电还没有正确的认识。1752年7月，北美一个普通的印刷工人本杰明·富兰克林（1706—1790），在一个雷雨交加的荒野上，冒着生命危险，利用风筝做了一次震动世界的吸取“天电”的实验。他把闪电引到地上点燃了酒精，破除了对“天火”的迷信，打开了近代电学研究的大门。接着，由于库仑、法拉第、麦克斯韦尔、爱迪生等许许多多科学家的努力，多少年来一直捉摸不定、视若神鬼的电，终于成为人类手中驯服的动力。如果说，火是人类发展史上的一个路标，电则是人类征服自然的又一个里程碑。从火到电经历了五十万年的时间，然而从利用电能到现在的二百年多一点的时间内，则又开发和利用了许多新的能源，这标志着生产水平和科学技术前进的步伐由于电能的利用而大大地加快了。电能的应用，今天已深入到社会生产和人们生活的各个方面，与二百年前相比，今日的世界在生产水平、建设规模和科研成就，在社会的物质文化生活的各个方面，都发生了极大的变化，这是与电能日益广泛地被应用分不开的，电气化的程度已成为国民经济现代化的一个重要标志。电力工业是为国民经济各个领域提供电能的部门，它能否高速发展，对整个国民经济的发展有着直接的影响。世界各国发展国民经济正、反两方面的经验都证明了：电力工业必须以更快的速度向前发展，国民经济才有可能迅速的发展，也就是说电力应当先行。第二节火力发电厂的基本生产过程火力发电厂的主要生产系统包括汽水系统、燃烧系统及电气系统，其生产过程分述如下：一．汽水系统火力发电厂的汽水系统，如图10－1所示。图10－1汽水系统流程

汽水系统包括由锅炉、汽轮机、凝汽器及给水泵等组成的汽水循环和水处理系统、冷却水系统等。水在锅炉中加热后蒸发成蒸汽，经过热器进一步加热成为过热蒸汽，然后经管道送入汽轮机。在汽轮机中，蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽冲动汽轮机的转子，带动发电机发电。在膨胀过程中，蒸汽的压力和温度不断降低，最后排入凝汽器。在凝汽器中，汽轮机的乏汽被冷却水冷却，凝结成水。凝汽器下部的凝结水由凝结水泵升压后流经低压加热器和除氧器，提高水温并除去水中的氧（以防止腐蚀炉管等），再由给水泵进一步升压，然后经高压加热器打回锅炉（给水泵以后的凝结水称为给水）。汽水系统中的蒸汽和凝结水总有一些损失，必须不断向系统补充经过化学处理的水或蒸镏水。补给水通常加入除氧器中。二．燃烧系统锅炉的燃烧系统，如图10－2所示。图10－2燃烧系统流程（煤粉炉）燃烧系统包括锅炉的燃烧部分及输煤、除灰系统等。煤由皮带输送到锅炉房煤斗，进入磨煤机中磨成煤粉，然后和经过预热的空气一起喷入炉内燃烧，烟气经脱硫、除尘后由引风机抽出，经烟囱排入大气。炉渣和除尘器下部的细灰通常由灰渣泵排至灰场。三．电气系统电气系统，如图10－3所示。图10－3电器系统发电机发出的电除电厂自用部分外，一般由主变压器升高电压后，经高压配电装置和输电线路向外供电。电厂自用部分通常由电厂用变压器降低电压后，经厂用配电装置和电缆供厂内各种辅机及照明等用电。大、中型火电厂消耗的燃料和排出的灰渣等，数量相当大，一座20万瓩火电厂的一些主要生产数据，如表10－4所示。表10－420万瓩水电厂生产技术数据单位：项目高温高压电厂中温中压电厂说明烧煤量约110吨约140吨按发热量5000大卡/公斤的普通煤计算排灰量约15～20吨约20～25吨按煤的灰分为15～20%计算冷却水量3～4万吨（约9立方米/秒）4～5万吨（约12立方/秒）冬季用水量可以减少40～50%补给水量/h30～40吨35～50吨化学处理水或蒸馏水，补难率按5%计算（国外一般为1%左右）供电量/h约18.2万度约18.4万度发电20万度，电厂自用按8～9%计算（国外燃油电厂为4%左右，燃煤电厂为6%左右）。四．火力发电厂的效率火电厂生产过程中，各个环节都有能量损失。如果以电厂锅炉燃用煤的发热量作为100%，则各种参数电厂的能量损失和发电效率大致如表10－5所示。表10－5电厂的能量损失和发电效率项目中温中压电厂高温高压电厂超高压电厂（中间再热）超临界压力电厂（中间再热）说明锅炉热损失（%）汽轮机的机械损失（%）发电机损失（%）管道系统损失（%）11111100.50.51.090.50.50.580.50.50.5这四项损失主要与机组容量有关，较大的机组损失的百分数较小，表中所列数据为粗略的平均值汽轮机排汽热损失（%）61.557.552.550.5主要决定于蒸汽参数总损失（%）发电效率（%）75.524.569.530.563376040这里的汽轮机排汽热损失，就是排汽在凝汽器内凝结水时为冷却水所吸收并带走的潜热损失。以中温中压电厂为例，每公斤汽轮机进汽的含热量为790大卡，而每公斤排汽在凝汽器内损失的热量约500大卡。排汽凝结成水的损失如此大，但不凝结成水又无法送回锅炉支，这是火力发电厂效率低的主要原因。提高火电厂效率的办法除提高锅炉、汽轮机等设备的制造、运行水平外，主要是提高蒸汽参数和采用中间再热。进入汽轮机的蒸汽参数越高，它的含热量也越高，但排汽潜热损失变化不大。因此，当进汽参数提高时，转变为机械能的热量相对增加，从而提高了发电效率。我国目前已大量采用高温高压（90大气压、555℃）机组，比中温中压（35大气压、435℃）机组，平均可以节约燃料25%左右。近年来新建的大型电厂，大多采用超高压或临界压力机组，可以节约更多的燃料。进一步提高蒸汽参数会带来一些问题。一般当汽温提高到570℃以上时，需采用一种特殊的不锈钢（奥氏体钢），它的价格很贵，可靠性较差。如果只提高汽压而不提高汽温，则非但效率提高很有限，而且使汽压机低压部分蒸汽中的水分增多，影响安全运行。因此，超高压上的机组普遍采用中间再热。中间再热就是把在汽轮机内已经部分膨胀后降低了汽压、汽温的蒸汽，引入锅炉内的中间再热器中重新加热，如图10－4所示，一般使汽温提高到初蒸汽温度，然后再引回汽轮机中、低压部分继续做功。中间再热约可提高效率5～6%，同时可以降低汽轮机低压部分蒸汽机中的水分，有利于安全经济运行。我国已有一批12.5万、20万及30万瓩的中间再热式机组投入运行。图10－4中间再热系统目前国外大型机组的汽压一般采用160～170大气压或240～250大气压，汽温535～570℃，中间再热至535～570℃。过去曾经有少数大型机组采用两次中间再热，可以进一步提高效率2%左右，但系统过于复杂，近年来基本上已不采用。图10－5为热电厂生产工艺流程简图。

图10－5热电厂生产工艺流程图

第三节图10－5热电厂生产工艺流程图一．磨煤机磨煤机通常是靠击碎、压碎和研碎三种方式把煤磨制成煤粉，每一种磨煤机往往同时用上述两种甚至三种碎煤方式，但以一种方式为主。磨煤机的型式种类很多，按转速可以分为三类：低速磨煤机，如筒式钢球磨煤机；中速磨煤机，如平盘磨、碗式磨和E型磨等；高速磨煤机，如风扇磨、竖井磨等。其特点见表10－6。表10－6磨煤机种类及特点种类项目低速磨煤机中速磨煤机高速磨煤机常用型式钢球磨煤机球式和辊式中速磨煤机锤击式、竖井式、风扇式磨煤机转速15～25转/分80～100转/分600～1，500转/分特点结构简单，维护方便，但体积大笨重，用钢材多耗电也多。一般用于贮仓式系统体积小，用钢材少，耗电省（约为钢球磨煤机的60～75%），但结构较复杂。一般用于直吹式系统结构简单、轻巧，用电最省，但磨制的煤粉较粗，部件磨损较快。用于直吹式系统适用煤种各种煤都能磨，特别适用于较硬并要求磨得较细的煤（如无烟煤）除很硬和水分很高的煤种外都适用主要用于松软、水份较多、挥发物较高的煤种（如褐煤和泥煤）使用情况我国广泛采用，欧美各国主要用于磨制无烟煤我国用得较少，欧美各国广泛采用我国用得较少，德国和东欧各国用得较多筒式钢球磨煤机简称球磨机，是目前国内各电厂应有最广泛的一种磨煤机，它的主体是一个直径为2～4米，长3～8米的圆筒或锥形筒，其容积的20～35％装着直径为30～60毫米的钢球。筒身由两端空心轴颈支持在轴承上。电动机经减速装置以16～25转/分的转速带动筒体旋转。原煤和干燥剂（一般是热空气）从一端经过空心轴颈进入磨煤机，当筒体旋转时，钢球被提升到一定的高度，然后落下，煤在筒中一方面由于钢球的撞击，另一方面也受到钢球移动时的研磨被破碎成煤粉。在此过程中热空气对原煤及煤粉进行干燥，磨制成的煤粉靠干燥剂的流动从另一端空心轴颈带出，所以干燥剂也起着输送煤粉的作用，其流速的大小也影响着被带出的煤粉的细度。从磨煤机被干燥剂带出的煤粉颗粒是不均匀的，其中含有一部分不合格的粗粉和煤粒，所以在磨煤机出口处装有粗粉分离器，把不合格的粗粉和煤粒分离出来，经回粉管送入磨煤机再行磨碎。这种磨煤机的圆筒是由厚18～25毫米的钢板制成，筒内衬有护板，护板由锰钢铸成，以增强其抗磨性，护板的表面呈波浪形或锯齿形，其作用是使钢球易于被带到一定高度，并可保护筒身，磨损后可以更换，护板用螺栓固定在筒身上，两者之间有10～15毫米厚的绝缘石棉衬垫，筒身外包有40～70毫米厚的毛毡，起隔音作用，最外层是2毫米的钢板做成的保护壳。磨煤机的轴承用水冷却、润滑油由单独的油系统供给，该系统包括油箱、油泵和冷油器等设备。二．锅炉设备锅炉是生产蒸汽的设备。燃料在锅炉内燃烧，将化学能转变为热能，使水变成蒸汽、经管道送到汽轮机。锅炉的容量和锅炉设备的组成1．锅炉的容量锅炉的容量也叫蒸发量，单位是吨/时。锅炉的蒸汽参数就是锅炉出口处过热蒸汽的汽压和汽温。我国目前系列生产的锅炉，如表10－7所示（不包括低温低压锅炉）。表10－7我国目前系列生产的锅炉蒸发量（t/h）汽压（大气压）汽温（℃）配汽轮机容量（万瓩）炉型3565751202402204104006709354040404040100100140140170450450450450450540540555/555*540/540555/5550.61.21.22.5551012.52030链条炉、煤粉炉链条炉煤粉炉煤粉炉煤粉炉煤粉炉煤粉炉煤粉炉煤粉炉煤粉炉＊斜线前为过热蒸汽温度，斜线后为中间再热蒸汽系统。国外已运行的最大锅炉是美国的4220吨/时锅炉，汽压247大气压、汽温538.538°C，配130万瓩汽轮机。2、锅炉设备的组成锅炉设备的组成，如图10－6所示。

图10－6自然循环锅炉

锅炉设备由锅炉的汽水部分、燃烧部分，锅炉附件和锅炉辅机组成，如表10－8所示。表10－8锅炉设备的组成部分包括的部件或设备汽水部分燃烧部分锅炉附件锅炉辅机包括水冰壁、汽包、过热器和省煤器包括炉膛、燃烧设备和空气预热器水位计安全门、吹灰器及防爆门等给水泵、制粉设备（磨煤机等）、通风设备（送风机及引风机和除尘器等）水冷壁、过热器、省煤器和空气预热器统称为锅炉的受热面。其中布置在锅炉尾部烟道中的省煤器和空气预热器，又称为尾部受热面。三．汽轮机汽轮机设备包括汽轮机本体、调速系统、油系统及附属设备（凝汽设备、回热系统设备等）。（一）汽轮机的容量和种类汽轮机的容量是以它的发电能力来表示的，单位是瓩。由于蒸汽流经管道产生压降和热损失，汽轮机的蒸汽参数（进口的汽压和汽温）比锅炉出口处的低一些。发电厂用的汽轮机主要有凝汽式和供热式两种。供热式又分为抽汽式和背压式两种。凝汽式汽轮机是专门用来发电的，做完功的蒸汽全部排入凝汽器凝结成水，重新打回锅炉。供热式汽轮机既发电又供热，效率较高。在抽汽式汽轮中，部分膨胀做功后的蒸汽被抽出来向外供热。在背压式汽轮机中，全部排汽都供给工厂生产用，不需要凝汽设备。我国目前系列生产的中温中压以上的汽轮机见表10－9。表10－9我国目前系列生产的中温中压以上的汽轮机容量（万瓩）汽压（大气压）汽温（℃）类型0.61.22.55.02.55.010.012.520.030.035353535909090135135165435435435435535535535553/550535/535550/550凝汽式、抽汽式、背压式凝汽式、抽汽式、背压式凝汽式凝汽式抽汽式、背压式凝汽式凝汽式凝汽式凝汽式凝汽式国外近年来已大量采用亚临界或超临界压力的30万至60万瓩的汽轮机。多数为一次中间再热，少数为两次中间再热。目前世界上最大的汽轮机是美国的130万瓩机组。（二）汽轮机的原理和结构1．原理汽轮机中能量转换的主要部件是喷嘴（静叶片）和叶片（动叶片）。蒸汽流过固定的喷嘴如图10－7所示，压力、温度降低，体积膨胀，流速增高，热能转变为动能；高速蒸汽冲动装在叶轮上的叶片，使转子转动，蒸汽流速降低，动能又变成机械能，这就是冲动式汽轮机的基本原理。图10－7冲动式汽轮机原理还有一种汽轮机称为反动式汽轮机，它的能量转换部件也是静叶片和动叶片。在这种汽轮机中，蒸汽既在静叶片中又在动叶片中降低压力和温度，将热能变为动能，依靠汽流喷出产生的反作用力，推动叶轮旋转，与喷气式飞机的原理相似，如图10－8所示。图10－8反动式汽轮机原理除了容量很小、蒸汽参数较低的汽轮机只有一级喷嘴和叶片外，一般汽轮机都是多级式的，有许多级喷嘴和叶片。例如，国产高温高压50，000瓩汽轮机有18级喷嘴和叶片。蒸汽逐级流过喷嘴和叶片，从每级喷嘴出来的高速蒸汽都冲动叶片使转子转动，最后一级叶片出口处的蒸汽压力、温度、流速均很低。2．结构汽轮机本体是由静止部分（汽缸、喷嘴、隔板等）和转动部分即转子（大轴、叶轮、叶片等）组成的，如图10－９所示。图10－９汽轮机部件四．汽轮发电机现代汽轮发电机都是三相交流发电机，它的转速大多为3,000转/分，应用电磁感应原理，把机械能转变为电能，下面将介绍汽轮发电机的原理和结构。（一）基本原理天然磁铁都有南极和北极，磁铁周围有磁力（对铁类金属有吸力和排斥力）的地方称为磁场。通常用磁力线来表示磁场的存在和强度，如图10－10所示。图10－10天然磁铁如将导线绕在铁棒上，通以直流电，铁棒即成为电磁铁，它同天然磁铁具有同样的特性，如图10－11所示。图10－11电磁铁当导线在磁场中移动，“切割”磁力线时（或磁场移动，磁力线切割导线时），在导线中就产生电压，称为感应电压，此时如将导线两端连通，就会有电流通过，称为感应电流，如图10－12所示。图10－12导线切割磁力线汽轮发电机即按照上述原理制成，它包括转子和静子两部分，分别绕有导线制成的线圈。转子线圈内通以直流电，产生磁场，并形成一对南北磁极。静子线圈分成三组（即三相），沿圆周相隔120º布置，如图10－13所示。图10－13三相交流发电机原理转子转动时，磁场随着旋转，每转动一圈，磁力线顺次切割静子的每相线圈，产生电压。当北极磁场经过线圈时，产生正电压，当南极磁场经过线圈时，产生负电压。因此，转子每转一圈，静子每相线圈的电压方向变化一次，即从零增加到正的最大值，再从正的最大值减到零，然后改变方向，再从零增加到负的最大值，又从负的最大值减到零，如图10－14所示。这样的变化每秒50次，在三相线圈中，即产生周率为50Hz的三相交流电。图10－14静子线圈中电压的变化（二）结构1．转子转子由整块的优质合金钢制成，具有良好的导磁性，其上开有齿槽，放置转子线圈，线圈是由带有绝缘的铜线绕制成的。绝缘是为了把带电的铜线与齿槽及其它部分隔离用的，用云母等材料制成。绝缘耐受的温度有一定的限制，长期运行后，将逐步老化（即绝缘性能逐渐变坏）。转子两端轴上装有风扇，以加强发电机的通风冷却。2．静子静子由铁芯、线圈及外壳等组成。铁芯由环形硅钢片叠压而成，其内圆开有齿槽，安放静子线圈。第四节电力工业的清洁生产一．改变燃料种类达到清洁生产每年世界上用于发电的能量消耗是十分巨大的，在总能耗中所占的比例越来越高，尤其在我国燃煤火电厂占总发电量的79.6%，以煤为原料生产电力排放大量的污染物——粉煤灰、废水、废气等，对环境造成严重的污染，它是燃煤型污染区域的主要污染源之一，另外由于煤资源是一次性资源不可再生，这样就需要开发应用新的清洁能源代替煤以保护环境和资源。（一）水力发电水从高处流下，具有能量。能量之大小，由水量和水头决定。水电站是将水能转变为电厂的工厂，它的生产流程大致如下，在河川的上游筑坝，提高水位，以造成较大的水头；水经引水机构进入电站，驱使水轮机旋转；水轮机直接拖动发电机，使后者发出电来。按照水轮机的工作原理，可将国内外水电站采用的水轮机概括地分成冲击式和反击式两种。在冲击式轮机工作轮的进口前，水流所具有的总能量，基本上可认为是动能的形态。而在反击式水轮机工作轮的进口前，水流的总能量中仅有一部分为动能形态，其余部分则为压能形态。两类水轮机的这种差别，使它们结构具有许多不同之处。河水的基本来源是陆地降水。在全球范围内，每年降至陆地的水量约为9.9×104立方公里，相当于我国渤海蓄水量的数十倍。水流是一种“过程性能源”，可以循环使用。水力发电不污染环境，运行灵活，发供电成本低，发展水电还具有防洪、灌溉、航运、水产养殖和供应城市用水等综合效益。建设水电站虽然需要的投资较多和时间较长，但建成投产后，资金的回收是比较快的。我国河流年径流量达二万七千多亿立方米。主要的大江大河多发源于西部高原，奔腾于高山峡谷之间，上下游往往形成了上千米以至几千米的落差。我国的水力资源居于世界各国的首位，但目前已开发利用的比例仍然很小，只占总蕴藏量的百分之五多一点。水力资源在世界各地的分布以及各国利用的情况，存在着很大的差异。在开发利用程度方面，欧洲居于领先的地位，有几乎百分之六十的水能潜力在发挥作用。在亚洲，情况就差得多，尽管水能储量比欧洲多三倍，而水电站发电量却比欧洲少百分之五十。在非洲，只利用了水能的极小一部分——百分之五左右，而其中一半是由在东非、埃及和加纳的几个电站使用的。目前世界上水力发电较多的国家有三十几个。按水力发电量占全国总发电量比例的顺序排列，挪威处于领先地位——99%，其它依次是：巴西——87%；瑞士——74%；加拿大——67%。水力发电的基本生产过程水力发电是利用江河水流在高处与低处之间存在的位能进行发电。它的基本生产过程是：从河流较高处或水库内引水，利用水的压力或流速冲动水轮机旋转，将水能转变成机械能，通过水轮机的水流到河流较低处或水库下游；水轮机再带动发电机旋转，将机构能变成电能，然后经升压变压器和送电线，将电能送到负荷中心，降压后供给工农业和居民用电需要。械成水能的基本条件，是河水的流量和落差。流量是河流中指定地点每秒时间内流过的水量，单位为秒立米。流量和落差的大小决定水能的大小。水电站所发电力（瓩），约为利用流量（秒立米）与利用水头（米）的乘积的8倍。水力发电的特点1．水能是循环不息的能源一般江河的水流川流不息，经过支流干流汇流入海后，在海洋内受太阳辐射能而蒸发成水汽，被大气吹向大陆形成雨雪降至地面，又流入江河。利用循环不息的水能发电，与水电厂相比，可以节省大量的煤、石油或天然气等燃料资源，而且没有污染。2．投资较大，工期较长，效率较高，成本较低水电的土建工程较大，造价比火电高，建设周期比火电长，但水电生产效率较高（大、中型水电站的发电效率约为80～90%，小水电站约为60～70%，而火电效率一般为30%左右），发电成本较低（约为火电的1/3～1/4）。3．机组起动快，宜于担任调峰、备用水电机组从静止状态起动到满负荷运行，正常情况下只要4～5分钟，事故情况下还缩短到1分钟左右，而火电机组需要数小时，故水电机组能适应负荷的急剧变化，宜于承担系统的峰荷及备用，而高温高压大型火电机组和原子能发电机组适宜于承担稳定的基荷，两者可相互配合。4．受自然条件影响较大河流中的天然流量，随着各个时期的降水量而变化。我国河流在夏秋季节流量较大，冬春季节流量较小。利用天然径流发电，丰水期可以多发电，而枯水期受到限制。发电不均衡是利用水能发电的一个问题。利用水库调节径流，可以把丰水期的多余水量蓄存起来，以补充枯水期的不足，缩小洪枯的差别，使天然水能得到更多更好的利用。在电力系统中，水火电可配合供电；丰水期多发水电，以便节省火电厂的燃料消耗；枯水期多发火电，以弥补水电的不足。坝库式水电站（或称堤坝式、蓄水式），如图10－15所示。10－15坝库式水电站这种形式的水电站比较普遍。在河道中拦河筑坝建水库，有两个作用：一是拥高水位，集中落差；二是形成水库，调节径流，使其适应用电要求，并取得防洪、灌溉、航运、给水、渔业、游览等综合利用效益。发电厂房一般设在坝体的下游，有的设在坝内。（二）原子能发电1．原子能发电的原理原子能有两种，一种是一些重金属元素如铀、钚等的原子核发生分裂放出巨大能量，这就是裂变反应，原子弹就是根据这个原理制造出来的。另一种是一些轻元素如氢的同位素氘和氚等原子核聚合成较重的原子核如氦，放出巨大的能量，这就是聚变反应（又称热核反应），氢弹就是根据这个原理制造出来的。以U235为例，当一个U235受到中子轰击产生裂变，释放能量的同时可以放出2～3个新中子，而这些新中子又去轰击周围其它的U235核，发生链式裂变反应，人们通常采用镉棒作为中子吸收剂来控制其反应速度。这个过程释放出的能量是巨大的，每千克铀含有8.3×1013KJ的热量，而烧去1KJ优质煤共放出29.4×106KJ热量，由此可见，每千克铀核所释放的核能相当于燃烧2700T优质煤所释放的能量。原子能发电就是利用这些能量将水加热为蒸汽，然后同一般火力发电厂一样，用蒸汽冲动汽轮机，带动发电机发电。原子能发电厂与火电厂在构成上的最主要区别是前者用核蒸汽发生系统（反应堆、蒸汽发生器、泵和管道等）代替后者的蒸汽锅炉。2．原子能发电的反应堆类型国外用于原子能发电厂的反应堆主要有气冷堆、改进型气冷堆、轻水堆（沸水堆和压水准）和重水堆等，正在试验和发展的有快中子增殖堆。（1）气冷堆（GCR）这种反应堆用石墨作慢化剂，用气体（二氧化碳或氦）作冷却剂，原理流程如图10－16所示。这种反应堆用天然铀作燃料，一次装入燃料多，反应堆体积大、造价高。燃料元件（装天然铀的元件）的覆盖材料是铝镁合金，蒸汽参数为25大气压、410°C，热效率低。图10－16气冷堆原理流程图过去，英国首先采用这种堆型，法国也采用过。（2）改进型气冷堆（AGR）这种反应堆的原理流程与上述气冷堆基本相同，所不同者是用2.5～3%的低浓缩铀作燃料，一次装入燃料量只有天然铀的1/5至1/4（重量计），因而体积小，更换燃料元件也简单，可以在较高的温度下运行，热交率也较高。近年美国、德国还建设了实验性高温气冷堆。蒸汽参数可达180大气压、530/530°C。（3）轻水堆（LWR）这种反应堆慢化剂和冷却剂都用水。水在反应堆中直接变成蒸汽的称为沸水堆（BWR），经过蒸汽发生器变成蒸汽的称为压水堆（PWR）其原理流程如图10－17和图10－18所示。由于用2～3%低浓缩铀作燃料及水的传热效率较高，所以反应堆体积小，造价低，技术上也较易掌握。图10－17沸水堆原理流程图图10－18压水堆原理流程图3．原子能发电厂建设造价、发电成本和运行国外原子能发电厂的造价约比燃煤火电厂的高50～60%，比燃油火电厂的高一倍左右；发电成本与燃煤火电厂相差不多，比燃油火电厂低很多。原子能发电厂的运行可靠性逐年增高，设备可用率已与一般电厂接近。4．受控核聚变发电核聚变反应要在极高温度（例如摄氏一亿度）下才能发生，因此也叫“热核反应”。氢弹爆炸的核聚变反应是在一瞬间产生的，释能过程无法控制，其能量一般在生产上无法利用。20多年来，一些国家一直在努力探索实现“受控热核聚变”的方法，以便利用它产生的热能来发电。现有的托卡马克等装置都是为了研究人工控制热核反应而设计制造的。此外，还在研究用激光、电子束来引发核聚变。受控热核反应成功后，就可以利用无穷无尽的聚变能来发电。（三）风力发电风力发电装置主要包括转子（回转叶片等）、升速装置、发电机、控制装置、调速系统以及支撑铁塔等，如图10－19所示。当风力发电装置作为稳定电源经常供电时，还必须装设储电装置（如蓄电池）。转子上的回转片受风力冲动，将风力转变为回转的机构力，通过升速装置驱动发电机发电。转子一般为立式，叶片数一般为2～3片，而以2片的效率最高，叶片的方向与风向垂直，转速只有40～50转/分，而发电机的转速较高（例如1500转/分，50周/秒的发电机），必须装设升速装置（齿轮、链条和皮带等）。控制装置包括定向装置（将转子调整对准风向）、起动和停机装置、调整风机装置（调整叶片角度以调整接受的风力）和保护装置（在过高风速时停机以及发电机保护等）。调整装置用来维持发电机定速回转，支撑铁塔用来支撑和提高转子位置，使回转叶片能接受较大风速，因风速随高度而升高。图10－19风力发电装置示意图风力发电装置分为小型（9瓩以下）、中型（10到99瓩）和大型（100到3000瓩）三类。风力发电装置适于供一个小地区（如农村的居民）用电之用。利用风力发电在本世纪初即已开始，迄今为止，单位容量一般仅限几个瓩到几十瓩。二次世界大战期间，美国曾安装过一台1250瓩的风力的发电机（风速为13.4/秒），但运行不久，因机件损坏而终止试验。法国有一台8000瓩的风力发电机，总共（1958～1960年）运行18个月，因叶片损坏而停送。风力发电的主要问题是造价太高和蓄能问题。美、加、法等国仍在继续研究目标为几千瓩级的风力发电装置。（四）太阳能发电太阳能发电系统可分为太阳热发电和太阳光发电两类。前一类是将太阳热能传递给介质，由介质热能变为电能；后一类是由太阳能直接转换为电能，现在已广泛应用于人造地球卫星和宇航设备的太阳能电池上。太阳热发电的研究正在进行，目前还只有一些小型试验性电站。建设太阳能电站，技术上虽已可能，但占地大，造价高，受气候、纬度、昼夜的影响很大，需要庞大的蓄能设备，因而用于供电在近期尚难实现。现在国外除法国已建成一座100瓩的太阳能电站并已试运行外，美国能源桑迪亚研究所正在大西洋城建设一座400瓩的太阳能电站，在加利福尼亚州计划建设一座一万瓩的太阳能站，现已正常运行。1．太阳热发电太阳热发电方式有直接转换和间接转换两种。如温差发电、热离子发电、磁流体发电等，均属于热电直接转换，而集中型和分散型太阳热发电站均属于间接转换，即将太阳热能聚集起来，通过热交换器加热工质，驱动汽轮发电机组发电，与火电厂的发电原理相同。（1）集中型太阳能电站塔式太阳站集中型的一种，这种电站的全貌，如图10－19所示。即地面上敷设大量的定日镜（即反光镜）陈列，在陈列中适当地点建一高塔，在塔顶设置吸热器（即锅炉），从定日镜（图10－20）来的阳光热聚到吸热器上，使器内的传热介质达到高温，变成蒸汽，通过管道送到地面上的汽轮发电机组发电。其热力系统，如图10－21所示。图10－20塔式太阳能电站全貌

图10－21定日镜图10－22塔式太阳能电站热力系统图塔式太阳能电站电容量与定日镜所占场地面积的关系，如表10－10所示。10－10塔式太阳能电站电容量与定日镜所占场地面积的关系发电容量（kw）场地面积（m2）1.00010.000100.000500.000110×110350×350950×9502100×2100（2）分散型太阳能电站分散型太阳能电站的集热装置的特点是以一个镜体配合一个吸热器组成一个独立单元。根据发电容量的设计要求，串、并联若干单元组成电站。这种电站的热力系统，如图10－23所示。集热装置的结构型式很多，常见的有柱形抛物镜的集热装置、曲面镜的集热装置、平面抛物镜的集热装置等。图10－23分散型太阳能电站热力系统2．太阳光发电太阳光发电又称太阳电池或太阳能光状技术，随着世界能源的日益短缺和宇宙飞行的需要，从1954年第一个太阳电池问世到1983年兆瓦级太阳电池发电站的落成，经历三十多年的研究、生产和应用的历程，特别是1973年两次石油危机的冲击，利用光伏技术发电受到世界各国和光伏专家们的高度重视，制订发展规划，投资逐年增加，建立相应的管理机构和学术团体，利用太阳电池发电系统已在航天站]、人造卫星以及微波通信、灯塔、铁路信号及家用电器等方面得到广泛地应用。其应用领域包括从空间到地面、从工业从农业、从国防到人民生活，全世界至今已发射3960多颗飞行器其中90%是以光伏发电系统作为电源。发电系统价格，单晶硅已降到8-20美元/瓦，2-硅电池降到6～12美元/瓦。现已形成一门新的光伏科学，作为新兴能源已初具规模。中国是一个太阳能资源丰富，应用市场潜力很大发展中国家。从1958年开始研究，四十多年来，特别是近20年来，中国光伏技术的研究、生产和应用得到很大发展。卫星能源用的太阳电池方阵已达到国际同类卫生方阵的水平，现已形成一支从事研究和生产的技术队伍。（1）太阳电池原理当太阳光（或其它光）照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光生电子－空穴对。在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，光电池的两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流旱灾，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就能直接变成了电能。（2）太阳电池的分类太阳电池按结构分类，可以分为四类。a同质结电池由同一种半导体材料构成一个或多个p-n结的电池。如硅太阳电池、砷化镓太阳电池等。b异质结电池用两种不同的半导体材料，在相接的界面上构成一个异质结的太阳电池。如氧化铟锡/硅电池、硫化亚铜/硫化镉电池等。如果两种异质材料晶格结构相近，界面处的晶格匹配较好，则称为异质面电池，如砷化铝镓/砷化镓电池。c肖特基结电池用金属和半导体接触组成一个“肖特基热垒”的电池，也称MS电池。目前已发展成金属-氧化物-半导体电池（MOS）和金属-绝缘体-半导体电池（MIS）。这些又总称为导体-绝缘体-半导体（CIS）电池。d光电化学电池用浸于电解质中的半导体电极构成的电池，又称液结电池。太阳电池按材料分类也可以分为四类。a硅太阳电池以硅材料为基体的太阳电池，包括单晶、多晶电池。b硫化镉太阳电池以硫化镉单晶或多晶为基体材料的电池，如硫化亚铜/硫化镉、碲化镉/硫化镉电池等。c砷化镓太阳电池d无定形材料太阳电池如以无定形硅为基体的MIS太阳电池、pin太阳电池等。以上材料可以是元素半导体、化合物半导体或有机半导体等。（3）太阳电池发电系统太阳电池发电系统主要由太阳电池方阵，蓄电池组（贮能装置），调节控制装置，以及阻塞二极管所组成，如图10－24虚线左边部分所示。现将各部分功能分述如下：阻塞二级管调节控制器阻塞二级管调节控制器用电负载太阳用电负载太阳电池方阵蓄电池组蓄电池组图10－24太阳电池发电系统方框图=1\*GB3①太阳电池方阵太阳电池方阵将太阳辐射能直接转换成电能，按要求它应有足够的输出功率和输出电压。单体太阳电池是将太阳辐射能直接转换成电能的最小单元，一般不能单独作为电源使用。作电源用时应按用户使用要求和单体电池的电性能将几片或几十片单体电池串、并联连接，经封装，组成一个可以单独作为电源使用的最小单元，即太阳电池组件（或称太阳电池组合板）。太阳电池方阵则是由若干个太阳电池组件串、并联连接构成的陈列。在有阳光照射时，太阳电池方阵对负载供电，同时提供一引起电能贮存在蓄电池中。太阳电池方阵的功率，需根据使用现场的太阳总辐射量、太阳电池组件的光电转换效率以及所用电器装置的耗功情况来确定。=2\*GB3②蓄电池组蓄电池组是太阳电池方阵的贮能装置。在无日照的夜间或阴雨天气时，它对负载供电。另外，当负载有短时间脉冲功耗时，即使有很强的太阳光照射，太阳电池方阵也不能满足负载所需的全部电能，这时，蓄电池也将给以补充。如果负载对电源电压要求的漂动范围较宽，电源系统中可以不附设稳压装置，蓄电池将能起到一定的稳定电压作用和确定太阳电池方阵工作点的作用。但是，太阳电池方阵的贮能装置不仅是蓄电池，还有其他贮能方式。例如用太阳电池方阵的电能来驱动电动机和水泵，以提供灌溉或饮用水，那末，建造有一定高度的蓄水池就是它的贮能装置。=3\*GB3③调节控制器调节控制器往往由电子线路和继电器（或无触点的电子继电器）等组成的。它的作用、线路形式其复杂程度，应按发电系统的功率要求和重要程度来确定。最简单的太阳电池/蓄电池电源系统可不用调节控制器。如果是太阳电池发电站，其电力是并入电网使用，那末控制、调节、转换等装置必须设置。调节控制器采用不同的线路形式可以起到如下几个作用：a当蓄电池过充电或过放电时，可以报警或自动切断线路，保护蓄电池；b按需要给出高精度的恒电压或电流；c当蓄电池有故障时，可以自动切换，接通备用蓄电池，以保证负载正常用电；d当负载发生短路时，可以自动断开。阻塞二级管的作用是避免太阳电池方阵不发电或出现短路故障时蓄电池通过太阳电池放电。它串接在太阳电池方阵电路中起单向导通的作用。要求它能承受足够大的电流，而且正向电压降要小，反向饱和电池要小，因此，应选择合适的整流二级管。太阳电池作为新洁净能源，它的使用范围将越来越广，就其如何延长使用寿命、减少投资和提高光电转化率进行了大量研究，目前几种主要太阳电池效率见表10－11。表10－11几种主要太阳电池效率电池类型电池效率研究%生产%MgPVSC电池20.5单品硅太阳电池15.610－13BSFR太阳电池13－14多晶硅太阳电池139－11砷化镓GaSIAs/GaAS电池18－19硫化镉太阳电池8－9a-Si太阳电池9.8－105CdSCulnSe电池5.4Ge/GaAs/EnSe电池30%表中由河北科技大学李国昌教授研究的Ge/GaAs/EnSe复合太阳电池，拓宽了光电响应，将光电效率提高到30%，该技术为太阳电池的广泛应用创造了有利条件。二．改革工艺达到清洁生产目的（一）改革除灰方式火力发电厂燃煤机组的除灰方式有机械、水力、气力三种。大多数电厂以水力除灰为主，近年来，有部分厂家烟道的除灰已采用气力除灰。在我国现有电厂的水力除灰系统中，尤其是南方，水源充足，多数采用灰水比为1∶15的低浓底输灰系统。北方由于水资源缺乏，为减少水的用量及废水排放，目前一些发电厂采用灰水比1∶15～1∶2.5的高浓度输灰系统。油隔离泵、水隔离泵和柱塞泵为高浓度输灰系统的主要设备。为了节约用水，许多缺水地区的电厂还采用浓缩池，将回收的废水用在除尘器中，使除灰系耗水量大大降低。图10－25为水力除灰系统流程图。水力除灰系统的主要设备有：捞渣机（或刮板机）、碎渣机、灰浆泵、轴封水泵、冲灰水泵、浓缩机、容积泵、箱式冲灰器、搅拌器等。图10－25水力除灰系统流程图在水力除灰系统中，低浓度水力除灰系统比较简单，设备少。高浓度水力除灰系统设备较多，相对复杂些。图10－26为低浓度水力除灰流程示意图，图10－27为高浓度水力除灰示意图。图10－26低浓度水力除灰流程示意图图10－27高浓度水利除灰流程示意图在图10－26和图10－27可以看出：高、低浓度的水力除灰系统均有废水回收的功效。低浓度水力除灰系统的废水从灰场回收，管线较长，但系统设备简单。高浓度水力除灰系统的废水回收管线短，距离近，但系统设备复杂，一次性投资大。干式排灰系统干式排灰系统又称气力除灰系统，它可分为负压系统和正压系统两种。在负压气力除灰系统中，用蒸汽喷嘴或水喷嘴在灰管中产生负压，将锅炉除尘器下边灰斗中的细灰回收，存于中间贮灰斗中，就地使用或装车运走，送灰距离一般不超过150米。在正压力气除灰系统中，先将细灰从除尘器下面放到灰仓（称为仓式泵，如图10－28所示）中，然后通入2～3个大气压的压缩空气将灰经灰管吹送至综合利用加工厂，吹送距离可达1,000米左右。图10－28仓式泵该种输送方式完全避免了废水的排放，节约了水资源，而且有利于粉煤灰的利用，但它可输送的距离较短，易造成二次扬尘污染，车运输任务大等缺点，在我国火电厂采用较少。（二）改进除尘设备，增加脱硫装置在锅炉的燃烧过程中，要产生大量飞灰和灰，两者的比例由于燃烧形式不同往往相差很大，对煤粉炉来讲，飞灰占绝大部分约为90%左右，另外烟气中还有大量的SO2、NO等有害气体，这些物质若不进行治理将对环境造成严重污染。如某热电厂每年向大气中排放粉尘10231吨，SO24014吨，对周围环境造成污染。因此，对烟气必须进行处理。烟尘的去除通常可以采施风除尘，水膜除尘，电除尘等方式。施风除尘较适用于捕捉粒经较大的飞灰效率一般为70～85%，七十年代前我国多采用该种方式。水膜除尘器是一个具有立式的、带有锥底的中空园筒（或锥形体），由溢流槽或环形喷嘴形成水膜沿园筒内壁自上而下均匀流动，烟气以切线方向进入园筒底部，旋转上升与液体接触，灰粒与水一道流入灰斗。水膜除尘效率一般为85～95%，若在水中加入一定的碱性物质，该装置可具有一定的脱硫作用。电除尘器是一种较理想的除尘设备。它具有以下几个特点：（1）除尘效率高，可以达到99%以上。（2）阻力小，一般在150～300pa之间。（3）能耗低，处理1000m3烟气大约需要0.2～0.6KW。（4）处理烟气量大，单台电除尘器的烟气处理量可达106m3／h。它还有以下几条缺点：（1）钢材消耗量大，建造时的投资大。（2）占地面积大。（3）对制造、安装、运行的要求比较严格。（4）对烟气特性反应敏感。其装置如图10－29所示，目前大中型电厂多采用电除尘装置。图10－29电除尘器总图1—阳极板排；2—芒刺阴极线；3—扶梯平台；4—阴极振打装置；5—进气烟箱；6—顶盖；7—阴极振打传动装置；8—出气烟箱；9—星形阴极线；10—阴极振打装置；11—阳极振打装置；12—阳极振打传动装置；13—底盘；14—灰斗；15—卸灰装置三．加强粉煤灰综合利用能源结构决定了我国发电量主要是以燃煤电厂为主，占总发电量的80%左右，一年烧煤近3亿吨，排放粉粉灰7000多万吨。粉煤灰是电厂的主要废物，它即占良田，又污染环境，全国累计已堆存5亿多吨，占地18万多亩，而且现在每年仍以4000～5000万吨的数量递增，因此大力开展粉煤灰综合利用，将有重大的社会经济效益和环境效益。粉煤灰的综合利用方式主要分为：粉煤灰中漂珠等有用物质的选取及应用，粉煤灰在建才工业中的应用，粉煤灰在水利、交通工程中的应用，粉煤灰在农业方面的应用及其它方面的应用。（一）粉煤灰蒸养砖我国蒸制粉煤灰砖始于1958年，现在已经建成一批粉煤灰砖厂，每年可“吃掉”废渣100万吨。起初认为这种砖不宜用于基础、外墙、承重墙和两层以上的建筑物。经过不断实验、革新，近年来逐步解决了生产技术上的几个关键问题，已使砖的质量日趋稳定，产量大大提高。研究和实验都已证明，粉煤灰硅酸盐混凝土是一种水硬性材料使用这种材料并采用蒸汽养护制成的粉煤灰砖，在大气或有水的介质中使用，其后期强度不但不会下降，反而有所提高，粉煤灰砖可以用于基础、外墙，以及建造二层以上建筑物。目前我国蒸制粉煤灰砖的生产和应用有了很大发展，生产规模逐年扩大，产品质量稳步上升。生产的机械化程度逐步提高，使用范围也进一步扩大。现在有些地区不仅将其用于五层楼的建筑和工业厂房，而且还用于基础、人防、水塔等工程，效果都很好。1．蒸制粉灰砖的意义随着我国四化建设的高速发展，对墙体和屋面材料要求将越来越高。如果仍然沿用旧法生产粘土砖瓦，往往需要毁田取土。影响农业发展。而发展蒸制粉煤灰砖等墙体材料，可以解决毁田制砖这一矛盾。随着我国电力事业的发展，粉煤灰等工业废渣的排出量将日益增多。而发展蒸制粉煤灰砖，可以大量利用粉煤灰，既能节省堆渣用地和废渣处理费用，又有利于保护环境。目前我国已颁布相关法规推动粉煤灰及固体废物的综合利用。生产粉煤灰砖较生产普通粘土砖具有下列优点：（1）为电厂处理了大量废料，为建材工业生产开辟了新资源；（2）节约大量农田。北京地区每生产一亿块粘土砖则要开挖良田100亩，在银川地区每生产1亿块粘土砖则要开挖良田1000亩。而建设一个年产54万块砖的粉煤灰砖厂，每年可节约农田五十亩，增产粮食约四万斤：（3）节省资金。生产粘土砖，往往需要买田烧砖，而采用粉煤灰代替粘土，就可以节省大批资金；（4）燃料消耗低，因为无需焙烧仅需要提供蒸汽；（5）工厂布置紧凑，生产周期短；（6）机械化程度比较高，劳动生产率高；（7）产品容量轻，导热系数小，对改善建筑性能，降低建筑成本有利。2．蒸制粉煤砖基本工艺流程粉煤砖的生产，一般包括原料处理搅拌消化、轮辗、成型、养护和成品堆等工艺过程。图10－30是生产粉煤灰砖的基本工艺流程：

图10－30蒸制粉煤灰砖生产工艺流程3．蒸制粉煤灰砖原材料介绍：（1）粉煤灰=1\*GB3①活性前已述及，在式中，h越大，粉煤灰的活性越高。为了保证砖的强度，生产中要求粉煤灰中应含氧化铝15%以上，含二氧化硅40%以上。=2\*GB3②未燃炭粉煤灰的未燃炭的根据微镜下观察。多数是以多数以多孔焦炭或半焦炭与煤的混合体存在。这种颗粒表面比较暗，颜色由浅到深不一，含炭量越高。色度越深，这种颗料粒有大的吸水性，这就增加了砖坯成型时的加水量。成型水分的增大，使砖坯在蒸制过程中容易发生激烈的湿热交换破坏力，脱水后又会使砖内部不密实而降低强度。此外，由于未燃炭能在大气作用下氧化形成孔隙，吸水后又会显著软化，造成体胀，降低砖的强度，影响砖的耐久性能，因此对未燃炭含量要求控制在15%以下。=3\*GB3③可溶性盐粉煤灰中的可溶性盐是指碱金属（钾、钠）的硫酸盐以及硫酸镁等。过量的可溶性盐的存在会导致砖的严重盐析现象，由此会使砖的体积发生变化，结构受到破坏，影响砖的耐久性能。生产中要求三氧化硫含量在4%以下，氧化钾和氧化钠在2.5%以下。=4\*GB3④硫化物粉煤灰中的硫化物主要是硫化亚铁及硫化钙，是原煤中的硫铁矿和石膏经煅烧得到的产物，在常温和有水分存在的条件下，它们很不稳定，极易水解。水解伴随着体积的膨胀，有损于砖的耐久性。CaS+2H2O＝Ca（OH）2+H2SFeS+2H2O＝Fe（OH）2+H2S干容重和细度：生产中通常用干容重及细度评定粉煤灰的物理性能，生产中要求松散干容重应大于600公斤/米3，粉煤灰的颗粒以粗些为好。（2）骨料骨料在蒸制粉煤灰砖中的主要作用是改善混合料颗粒的级配、成型性能及增加密实度，从而达到提高强度减少收缩的目的。颗粒细而均一的粉煤灰物料，在成型时容易产生层裂，砖的强度特别是抗折强度偏低，在用颗粒细而均一的粉煤灰生产砖时，应掺入一定量的粗颗粒含硅材料，使混合料具有适宜的颗粒级配，以改善砖坯的成型性能。（3）生石灰生石灰在蒸制粉灰砖中起激发粉煤灰活性的作用，使粉煤灰中的活性氧化铝与活性氧化硅跟消化后的石灰产生水化反应，生成物中的有效氧化钙不能低于60%，其中的氧化镁须在5%以下。（4）石膏石膏在蒸制粉灰砖的生产中，起加速水化反应、提高水化物结晶度，提高砖的早期强度，特别是抗折强度等作用。制砖工艺要求石膏中含有硫酸钙量不少于65%，当采用磷石膏时，其五氧化二磷含量不应大于3%。4．消化、碾练和成型（1）消化在采用生石灰配制混合料时，需进行消化处理，使砖坯在蒸制前，其中的生石灰基本消化完成，消化的时间长短与生石灰的质量、粉磨细度，以及气温变化等因素有关，也与消化方式有关。（2）碾练消化后的混合料要用轮碾机进行碾练处理，以便使混合料压实，排除料中的部分空气，并使混合料中的活性物质的活性得以充分发挥。因为辗轮与碾盘间的重力和剪力作用，会不断地把物料破碎碾磨，使原材料的微粒之间，以及这些微粒与水之间发生强烈的相互作用，活性的二氧化硅和三氧化二铝与氢氧化钙起化学反应形成新的胶凝物质，这些物质仅容易产生于微粒表面，而在辗过程中，这些物质不断被挤擦，微粒表面一直在剥落，从而出现新鲜表面，使微粒的水化深度增加，反应过程得以继续进行，粉料中的潜在活性得以大量发挥出来，也就是大大提高了制品的强度。（3）成型采用机械外力的作用，把松散的混合料加工成具有一定规格形状和初始强度的砖坯，叫做成型，粉煤灰砖的极限成型压力为60公斤/厘米2～120公斤/厘米2左右。5．蒸汽养护蒸制粉煤灰砖成型后的一个重要工序便是对砖坯进行湿热处理，通常是在饱和蒸汽的湿热介质中进行处理。一般称为蒸汽养护。蒸汽养护的目的，在于加速成型坯体中胶结料的凝结硬化过程，也就是加速粉煤灰中的活性成分（SiO2和Al2O3）和石灰（Ca（OH）2）之间的水化和水热合成反应，以生成具有强度的水化产物，增加制品的结晶度，缩短硬化时间，使砖坯在较短的时间内达到预期的产品机械强度和其它物理力学性能指标。生产中采用的养护方式有常压养护和高太蒸汽养护两种，常压养护用的饱和蒸汽表压力为零，温度95～100°C，高压蒸汽养护用的蒸汽表压力8～15个大气压，温度174～200°C。常压养护用砖或钢筋混凝土构筑的蒸汽养护室，高压养护则用密闭的园形金属高压容量——高压釜（也称蒸压釜）。在蒸汽养护过程中，由于温度和湿度作用，使砖坯发生一系列复杂的物理化学变化。氢氧化钙和可溶性的二氧化硅、可溶性的三氧化二铝通过液相相互作用而使制品硬化。高压蒸汽养护能加速水热合反应，增加制品中水化产物数量，提高水化产物结晶度，因此，在配合比相同时，高压养护粉煤灰砖的强度比常压养护粉煤灰砖高。当粉煤灰砖强度要求一定时，高压养护的石灰掺量低，可使成本下降。同时，在干燥收缩、抗干湿循环和抗冻性方面，高压养护粉煤灰砖要比常压养护煤灰砖优越，其它性能同无多大差别。但高压养护需配置高压釜，耗费钢材量较大（每台高压釜耗350吨），基建投资大。目前国内多数厂采用常压养护，少数厂采用高压养护。6．蒸制粉煤灰砖性能目前我国各粉煤灰砖厂的制品强度大都波动在75～150公斤/厘米2之间，其抗冻性能一般都能经受15～25次冻融循环，高压养护粉煤灰砖的抗炭化性能优于常压养护煤灰砖，当粉煤掺用量为40%左右时，砖的吸水率为22%。（二）粉煤灰硅酸盐砌块当前墙体材料的发展方向是轻质、高强、空心和大块。以粉煤灰作原料可以制成具有这些特点的大型硅酸盐砌块。这是一种新型墙体材料，与砖相比它具有工效高，投资省，减轻劳动强度等优点。蒸养粉煤灰硅酸盐砌块主要原料是粉煤灰，再掺入少量的石灰、石膏作为胶凝材料，并用煤渣作粗骨料。为了提高砌块的质量和强度，要求采用细度好，活性三氧化二铝和二氧化硅的含量高，含碳量低的粉煤灰。胶结材料中有效氧化钙含量要求在15～20%范围内，石膏的掺入量占胶凝材料的2～5%比较适且。粗骨料煤渣的粒径不大于40毫米，生产流程，如图10－31所示。图10－31粉煤灰硅酸盐水泥生产流程二十多年的实践表明，蒸养硅酸盐砌块在我国东北或南方使用都具有良好的耐久性，经大气中的二氧化碳和冻融交替作用，不会引起酥松和粉化。（三）粉煤灰硅酸盐水泥和粉煤灰无熟水泥粉煤灰的又一条途径是生产水泥。它可与水泥熟料混合细磨制成粉煤灰硅酸盐水泥，也可以不在加熟料的情况下生产无熟料水泥。1．粉煤灰硅酸盐水泥在生产硅酸盐水泥时加入30%或15%的粉煤灰和15%的液态炉渣制成粉煤灰硅酸盐水泥，流程如图10－32所示。图10－32粉煤灰硅酸盐水泥生产流程因为一般电厂的粉煤灰是采用湿法排出的，所以需要先行烘干，使水份降至6～８%后，与水泥熟料及石膏混合，送入球磨机进行粉磨。这样可制得400～500号粉煤灰硅酸盐水泥。永登水泥厂利用西固电厂的粉煤灰生产出粉煤灰大坝水泥，供刘家峡水电工程浇筑大坝使用。我国在1977年8月将粉煤灰硅酸水泥列为国家水泥标准（GB-1344-77）。标准规定粉煤灰作水泥混合料掺入量为20～40%。粉煤灰硅酸盐水泥具有水化热低，抗掺性和抗热性好，后期强度高、抗拉强度高、抗硫酸盐性能好等优点。它比普通硅酸盐水泥多掺15%的混合材料，相应地节约了15%的水泥熟料，也相应节约了一部分用煤。利用粉煤灰生产粉煤灰硅酸盐，工艺设备简单，扩大了水泥原料的来源，并能利用工业废料，降低水泥成本和增加水泥产量。2．粉煤灰无熟料水泥粉煤灰中的大量活性AL2O3和SiO2与水拌合时在生石灰的作用下具有水硬性，特别是当AL2O3含量较高时，水化更快，早期强度较高，因而可以用来生产无熟料水泥。根据粉煤灰含氧化钙40%左右的特点，在粉煤灰中加入适量外加剂，磨细至比表面积500厘米2/克以上，制得400号纯粉煤灰水泥。粉煤灰水泥可以用于一般工业的民用建筑，如予制板、梁、基础、地面及农田水利等。粉煤灰水泥用量大、生产工艺简单、便于推广。四．火电厂煤清洁燃烧脱硫技术燃煤火力电厂是排放二氧化硫的主要污染源之一，目前我国SO2污染较为严重，全国被统计的280个城市中SO2超过国家环境空气质量二级标准的城市达149个，超标率53.2%。对人类健康和环境造成严重的危害，因此，煤的清洁燃烧技术引起广大学者的重视和研究，而且我国对SO2的控制有了严格的规定和措施。火电厂的清洁燃烧脱硫技术主要分为燃烧前脱硫，燃烧中固硫和烟气的脱硫。1．燃烧前脱硫a浮选脱硫浮选是在气-液-固三相界面的分选过程，它包括在水中的矿粒粘附到气泡上，然后上浮到煤浆液面并被收入泡沫产品的过程。硫粒能否粘附到气泡上取决于水对该矿粒的润湿性。当水对矿粒表面只有很小的润湿性，该表面称为疏水表面，这时气泡能粘附到该表面上。反之，润湿性强的表面，称为亲水表面，气泡就难以或甚至不粘附在其上面。煤是具有天然可浮性的矿物之一，但是煤的结构复杂，包含着非极性、杂极性和极性的物质，因而各处的极性或疏水性不同，在曝露出芳香网面上，特别是各种碳氢化合物的部位，水化作用弱，疏水性强。在有各种含氧官能团的地方（如—OH—COOH等）水化作用强，是亲水部位。微细地嵌布于有机质中的无机矿物，如石英、石灰石或粘土之类，水化作用很强，也是亲水的。煤中的黄铁矿，其水化程度比其他成灰矿物弱，历而具有一定的疏水性。利用其疏水性不同选用不同的捕收剂，用浮选的方法将煤中黄铁矿脱除。b磁性分选脱硫煤的磁性分选脱硫技术，在国外于20世纪70年代就已开始研究应用，并取得了一定的成果。煤中的硫一般可分为有机硫和无机硫，有机硫即与有机物以化不键结合的硫，为逆磁性；无机硫包括黄铁矿（FeSO4）或白铁矿、硫酸盐等，它们都有较强的磁性，为顺磁性物质。我国高硫煤中的硫大多以黄铁矿的形式存在，硫酸盐硫含量极少。磁性分选脱硫可分为干法和湿法两种形式。干法脱硫就是以空气为载流体，使煤粉均匀分散于空气中，然后使其通过高梯度强磁分离区。在该区域内，顺磁性黄铁矿等矿物质被聚磁基质捕获，其他有机物通过分离区后成为精煤新产品。湿法脱硫是以水（油、甲醇）等作为载流体，基本方法同干法分选。由于湿法脱硫具有流程简单，脱硫效果好等优点，因而多采用以水煤浆为原料的脱硫工艺。磁性分选煤脱硫是在磁场中进行的。当被分离的物质颗粒（黄铁矿）进入磁场的有效分选空间后，将受到磁场力Fm和F∑（包括Fg，流体拖电力Fd，摩擦力Ff以及静电力等）的作用。不同磁性产品的颗粒受到不同的磁力，从而导致它们运动路径的不同，产生磁性产品和非磁性产品。对于某一个磁性颗粒，在磁分离过程中能否成为磁性产品，是由其所受磁力Fm和机械合力F∑的比值决定的。为保证磁性颗粒的有效分离，必须要求磁力Fm＞F∑。c微波辐射法脱硫微波能照射煤时，煤中黄铁矿中的硫最容易吸收微波，有机硫次之，煤基质基本上不吸收微波，量子物理学观点认为：物质受到微波能电子作用后，分子受到一定程度的激发，发生一系列微效应，如电子自旋共振、核自旋、大分子结构的转动和振动等，其总的结果是使分子具有较大的化学活性，有利于化学反应的进行。煤微波脱硫的原理是煤和浸提剂组成的试样在微波电磁场作用下，产生极化效应，从而削弱煤中硫原子和其他原子之间的化学亲和力，促进煤中硫与浸提剂发生化学反应生成可溶性硫化物，通过洗涤从煤中除去。浸提剂可以是酸或者是碱，此法可以脱去煤中无机硫、有机硫，其中无机硫去除率＞90%，有机硫去除率＞20%，据报告该法总脱硫率可达50%以上。d微生物法脱硫煤炭中的硫分为无机硫和有机硫两大类，两者的比例视煤炭种类而异。无机硫以矿物质态存在，其中大部分是黄铁矿（FeS2）形态存在，还会有少量的硫酸盐和单质硫。有机硫在煤中与碳原子以共价键相结合，以噻吩型、硫化物型和硫醇型等形态存在；其中又以噻吩型为主。煤炭中无机硫大多以黄铁矿（FeS2）的形态存在。在微生物的作用下，无机硫被氧化、溶解而脱硫，该过程涉及两个方面的作用：一是微生物的直接作用，一是中间产物引起的纯粹化学作用。无机硫的部除机理：首先是微生物附着在黄铁矿（FeS2）表面发生氧化溶解作用，生成硫酸和Fe2+；而且Fe2+被氧化为Fe3+；由于Fe3+具氧化性，又与其他的黄铁矿发生化学氧化作用，自身被还原成Fe2+，同时生成单质硫；单质硫在微生物作用下被氧化成硫酸而除去，显见，在这一循环氧化还原反应过程中，铁离子是中介价，由于微生物、氧化相互作用，加速了黄铁矿（FeS2）的溶解，微生物的重要作用在于使Fe2+变成Fe3+的铁氧化作用以及使单体硫变成硫酸的硫氧化作用。而中间产物（Fe2+和单质硫）又能被微生物用作能源，促进微生物繁衍。目前已知能脱除无机硫的微生物有氧化亚铁硫杆菌（Thiobacil-lusferrooridans）、氧化硫硫杆菌（Thiobacillrethiooxidans）以及能在（Srlfolobrsacidocardarius,Acid-ianusbrierleyi）。这些细菌自铁和硫等无机物氧化中获取能量，并能固定空气中SO2而繁殖，属自养菌。有机硫脱除机理煤中有机硫煤中是以与碳原子键合存在，比无机硫难脱除，而且脱硫机理无亦全然不同。根据二苯并噻吩（DBT）的分解研究结果推测，脱硫微生物具有酶的作用，使C—S键断裂。在微生物的作用下DBT分解主要途径：该分解途径不破坏骨架，将硫变成硫酸而脱除。已知经人工变异遗传因子的假单胞菌属能按此途径分解DBT。此类细菌不能以硫为能源，而以分解的有机物为源能而繁殖，属异养菌。有机硫的最大脱除率为57%（12h）或91%（212d）。通过上述煤的燃烧前清洁脱硫技术可将煤中硫含量降低50%以上，为我国高硫煤的利用创造了良好的条件，减少了后工序的脱硫负荷，具有显著的社会环境效益。2．燃烧中固硫煤在燃烧过程中固硫通常采用石灰/石灰石直接喷射法和型煤固硫法，对于火电厂适用石灰/石灰石直接喷射法，该方法是将磨细的石灰/石灰石在混煤时或炉炉膛中加入，使发生如下反应过到脱硫目的。CaCO3=CaO+CO2CaO+SO2=CaSO3CaCO3+SO2=CaSO3+CO2CaSO3+0.5O2=CaSO4CaO+SO2+0.5O2=CaSO4CaCO3+SO2+0.5O2=CaSO4+CO24CaSO3=3CaSO4+CaS当采用白云石或石灰石中含有碳酸镁时还会发生下列反应：MgCO3=MgO+CO2MgO+SO2+0.5O2=MgSO4石灰石喷入锅炉高温区时，首先进行煅烧。CaCO3的分解温度与平衡浓度有一定的关系。烟气中SO2高时，CaCO3的分解温度相应升高，例如烟雾气中CO2浓度为10%、温度在750℃以上，CaCO3才能分解。一般锅炉烟气中CO2浓度在14%左右，CaCO3的分解温度约为765℃，低于此温度，CaO会吸收CO2再度变为CaCO3。白云石或云石灰岩则不同，MgCO3分解，其分解温度远较CaCO3为低，仅约344℃。在锅炉温度下，CaCO3+SO2===CaSO3+CO2推动力（负自由能变化）很低，可不考虑。CaO与烟气中SO2和O2反应，并生成CaSO3或CaSO4。但是，反应式CaO+SO2===CaSO3在大约1038℃时逆向，而且温度必须低于650℃左右，气相中SO2平衡浓度才能低到满足烟气脱硫要求。因此在锅炉内烟气脱硫主要按反应式CaO+SO2+0.5O2=CaSO4进行。反应式的平衡常数K可按下式计算。LnK=–△G0/RT式中△G0——标准自由能，cal/mol；R——气体常数1.99，cal,mol；T——绝对温度，K。K可按下式表示。式中（CaSO4）、（CaO）——CaSO4、CaO固体浓度；Cso2、Co2——SO2、O2的摩尔百分数。常压时P=1atm，（CaSO4）=（CaO）=1，上式简化为：CaO、MgO、Ca（OH）2与SO2反应时的SO2平衡浓度如表10－12所示。从表中可以看出，在石灰石的场合下，O2浓度2.7%，温度1160℃左右，SO2平衡浓度达1000×10-6，因此烟气温度超过1160℃就不能发生脱硫反应。从表10－12中还可以看出，在理论上温度低时，脱硫反应率高，但温度低反应速度太慢，实际反应是在较高温度下进行的，一般CaO的有效反应温度为950～1,100℃。表10－12CaO、MgO、Ca（OH）2与SO2反应时的SO2平衡浓度反应式O2浓度%温度℃平衡常数K/atm-3/2SO2平衡浓度×10-6CaO+SO2+0.5O2=CaSO42.78709259801040109013702.61×1082.54×1073.12×1064.62×1058.15×10497.050.020.242.01375630001.087098010901370043.21201000005.0870980109013700.021.45546000MgO+CO2+0.5O2=MgSO42.75906507007608158701.33×1085.96×1063.81×1053.34×1043.78×1035.40×1020.051.016180160011000Ca（OH）2+SO2=CaSO4+h2O*2.71502603704257.7×10-181.1×10-8