高能效低排放锅炉技术哪些？

【专家解说】：高能效低排放锅炉技术哪些？ 1．概述 锅炉是目前应用最广泛的能源终端利用技术，也是大气中污染物排放的主要来源。燃烧过程中排放的污染物，如：二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)排入大气后会引起局部地区酸雨；二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等温室气体的排放，将会引起全球气候变暖。全球变暖引起的气候变化是全世界面临的重大挑战，提高能源转换和利用效率以及更好地控制燃烧过程是减少大气排放物的主要措施。表1列出了燃烧过程中的排放物及其对环境的影响。 为控制全球气候的继续变暖，保护人类的生存环境。1997年在日本京都召开了联合国气候变化框架公约第三次缔约方会议，通过了一项有法律约束力的“联合国气候变化框架公约京都议定书”。议定书对38个主要工业化国家的CO2等温室气体作了具体减排规定，以保证从整体上将温室气体排放量从1990年的水平上至少下降5.2%。 1.1 超超临界燃煤发电技术(USC) 由于超超临界燃煤发电技术(USC)仍是基于常规发电系统的渐进技术，所以发展USC技术是最具有现实意义的，而且和其它技术相比极具竞争力，目前一些经济发达国家都开始采用USC发电机组。日本已经投运了16台蒸汽参数为593°C，单机容量700～1050MW级的超超临界发电机组，已投运的超超临界发电机组的效率都达到43%以上。丹麦已于1992年在VEST电厂投运一台407MW,参数为25.1 MPa,560/560°C的超临界机组，其供电净效率达到45.3%。丹麦的Nordjyllandsvaerket电厂建有两台412MW的超临界机组，分别燃用煤和天然气，蒸汽参数为28.5MPa，580/580/580°C，其中3号机组热效率可达47%。目前正在进行的EC Joule-THERMIE 计划将发展蒸汽压力为37.5MPa，蒸汽温度为 700 °C的更先进的超超临界机组，其发电效率将超过50%。 面临这种紧迫形势，我国国家电力公司也及时提出了发展超超临界并建立示范电厂的863高技术发展计划，目前该计划的第一子课题“超超临界发电机组技术选型”已经完成，经过专家论证，并结合我国动力制造业发展的前提条件，认为我国发展容量为700～1000MW，蒸汽参数为：25MPa，593/593°C(或600/600°C)的超超临界发电机组是合适的。 表4示出了超超临界发电机组和常规发电机组相比热效率提高的幅度、燃料节约量、温室气体减少的排放量的数据对比，可以看到，超超临界发电机组具有无可比拟的优越性。 表4 超超临界发电机组和常规发电机组节能和减排潜力对比 1000 MW机组容量 常规对比机组 第一阶段 第二阶段 第三阶段 蒸汽条件 压力(MPa) 24.1 31.4 30.0 34.3 温度(℃) 538/566 593/593/593 630/630 649/593/593 热效率增加值(%) 基准值 5.0 4.8 6.5 年节煤量(t) 基准值 96 000 95000 13400 CO2年减排量(106Nm3) 基准值 117 112 152 3.1.2 整体煤气化联合循环发电技术(IGCC) IGCC发电技术通过将煤气化生成燃料气、驱动燃气轮机发电、其尾气通过余热锅炉生产蒸汽驱动汽轮机发电，使燃气与蒸汽联合发电，有较好环境效果并提高发电效率。IGCC技术具有系统效率高、环保性能好、易大型化、燃料适应性好等特点，但其投资也较一般燃煤电站高。科技部于“九五”期间组织进行了煤气化、热煤气净化、燃气轮机等关键技术研究；国家计委已批准在山东烟台采用引进方式建设一座400MW等级IGCC示范电站的立项报告。 IGCC由于系统技术的复杂和较高的运行成本(表3)，使其在商业化运行的可靠性和经济竞争力上都存在问题，因此近年来单一发展IGCC的进展缓慢，其发展速度明显滞后于超超临界燃煤发电技术，但开发者们提出将IGCC技术与化学产品制造、热力供应等联合建设形成多联产系统概念，使化学品的合成和电、热生产形成最优化的技术组合，同时最终还致力于包括CO2在内的各种污染物的治理和零排放，是未来煤化工－能源技术发展的方向。 3.1.3 燃气蒸汽联合循环发电技术 燃气蒸汽联合循环电站具有能源利用率高、占地面积少、造价低、建设周期短、运行和维修成本低、以及能适应于缺水地区等优点。2001年投入运行的由日本东芝公司和美国通用电气公司共同开发的新一代H型联合循环机组，其高温燃气轮机入口温度高达1500℃，热效率达60%以上。随着天然气资源的进一步开发和引进，以及西气东送工程的建设，发展一定数量的燃气蒸汽联合循环电站可以减少以燃煤为主的火力发电。采用燃气蒸汽联合循环发电不仅可提高能源利用率，更重要的是能有效地减少温室气体及其它有害物质排放。以德国Nosener Brucke的一个265MW的原燃煤热电厂为例，改为以天然气为燃料的燃气蒸汽联合循环发电厂后，单位发电量所产生的温室气体CO2排放减少了50%；与此同时，其他有害物质排放如SO2减少了99%，NOx减少了75%，悬浮颗粒减小了97%。 3.2提高能效的工业及民用供热技术 近年来工业及民用供热技术得到了较快的发展，这一方面是为了满足广大人民群众对生活质量提高的不断要求；另一方面，为了节约日渐减少、日益昂贵的能源和减少污染物排放，保护环境，必须研究和开发高效能的新型能源供热技术。目前已经被实践证明了的先进供热技术主要是常规的热电联产技术(Conventional CHP)和区域供热(District Heating,简称DH)；在国外已经占领市场而在我国尚开始研究开发的冷凝式锅炉(condensing boiler，简称CB)供热技术；多年前已经开始研究开发且目前正在继续完善的，估计2005年能够投入规模商业化运行的家庭微型热电联产 (Micro CHP) 技术、光电(Photo-voltaic,简称PV)转换技术和燃料电池(Fuel Cell)供热技术，还有将会获得日益发展的再生能源供热技术，如太阳能供热(Solar Heating，简称SH)技术，生物质供热(Biomass Heating，简称BH)技术等。 热电联产的类型较多，凡是能够发电的技术都适合热电联产，目前我国主要采用小热电厂进行热电联产改造，对于热负荷比较稳定，一天内波动较小的热电厂，可全部采用背压式或抽汽背压式供热机组，将来会得到发展的还有：燃气轮机热电联产技术，燃气—蒸汽联合循环热电联产技术，燃气—蒸汽联合循环热电联产技术的过程框图如图1所示。图中示出了三种热电联产的方式，其热效率分列如下： A.燃气轮机发电+余热锅炉发电=40%～50%效率 B.燃气轮机发电+余热锅炉发电+供热=50%～85%的系统效率 C.燃气轮机发电+余热锅炉直接供热=80%～85%的系统效 HRSG GT C 燃料 发电 A 发电+供热 B 直接供热 B 图1 燃气—蒸汽联合循环热电联产技术过程框图和热效率 前苏联区域供热占总供 热 量的70%，其中一半来自热电联产；丹麦目前区域供热占总供热量的50%，其中30%来自热电联产；芬兰区域供热占总供热量的45%，其中70%来自热电联产，热电联产发电占全国总发电量的32%；荷兰热电联产总装机800万千瓦，占全国总装机的40%；一直以分散供热为主的英国，现在热电联产装机容量也接近400万千瓦了。近年来，随着国际电力市场的自由化，电力供应正在向小规模和非集中化转变，这将给城市小型燃气热电联产带来光明的前景。 3.2.1常规热电联产技术 热电联产(Combined and Heat Power，CHP)是指单一机组能够同时提供电力和供热的高能效(higher Energy Efficiency)能源利用方式。纯凝汽式电站机组在生产电力的同时向环境排放热能，而热电联产机组则利用这部分热能满足供热的要求。能源利用效率超过纯凝汽式电站机组40%以上；热和电生产成本低；电力生产是热电联产最有价值的产品，但热电联产需要有基本的热负荷来维持，电力生产才能继续。大多数的热电联产机组采用典型的设计方案，冬天满足采暖供热的需要，在夏天满足热水供应，一些辅助的供热则由备用锅炉满足。丹麦和英国的热电联产技术的推广经验表明： 高效、清洁、节能、低排放 ，CHP已经成为公认的具有高能效和环保效益的技术，图2示出了常规超临界电厂、区域供热热电厂、热电联产电厂热效率的比较。 常规超临界电厂 区域供热 热电联产电厂 图2 热电联产电厂和其他电厂及供热热效率的比较 热电联产是公认的提高燃料能源利用率的重要手段。近年来，人们又把溴化锂吸收式制冷引入热电联产，结合形成了热电冷三联产。这些联产机组的综合热效率可达60%～85%。实践证明，热电联产比热电分离生产要节约20%的能源，与此同时可减少30%～44%的CO2排放。 发达国家十分重视热电联产技术的应用。德国1995年就已拥有了255台燃气透平的热电联产机组，共发电3 152MW；此外，还有发动机驱动的联产机组28700台，总共发电1 450MW。 3.2.2 家庭微热电联产技术 微型热电联产(Micro CHP)或家用热电联产(Domestic CHP)供热技术是指能在一个独立住宅中同时供应电力和热能的技术，它不只是比常规热电联产机组小，更重要的是它在技术原理、运行和经济性方面具有本质的区别。 家庭微型热电联产(Micro CHP)供热技术具有以下优势： 它是家庭用独立热电联产生产单元；易于对常规锅炉实施更换；每年3500小时免维护运行；电力生产可以取代家庭中的部分网电消耗；提供更大的能源和环保收益。 家庭微型热电联产供热机组在一般情况下可将70%-80%的燃料高位发热值转换成采暖或热水的热能供应，其中的10%-25%转换成电力。其余的10%-15%为烟气损失，在冷凝状态下的高位发热值的热效率可达90%，能够达到冷凝式锅炉的热效率，因此，在目前状况下，家庭微型热电联产供热机组还替代不了冷凝式锅炉，但可以替代常规的供热锅炉。估计在英国，5年后，家庭微型热电联产供热机组会和冷凝式锅炉平分家用供热市场，每年消费约100，000台，当然，这仅仅是一个市场预测。 民用住宅供热技术目前在欧洲发展迅速，过去一直采用常规锅炉技术，目前可以取代 常规锅炉实施供热的技术主要有：冷凝式锅炉(CB)供热技术，Micro CHP供热技术、(CB-PV)供热技术和Fuel Cell供热技术，太阳能供热(SH)技术以及生物质供热(BH)技术等。图3示出了其中某些新型供热技术对二氧化碳减缓的巨大潜力。可见，既能发电又能供热的家庭微型热电联产 (Micro CHP) 技术更具市场潜力。 和常规电厂、常规热电联产电厂相比，家庭微型热电联产 (Miro CHP) 技术由于不需要电力传输和分配，转换效率高，将会具有更大的市场份额。表5示出了燃气的常规电厂、常规的热电联产电厂家庭微型热电联产技术的有效能量比较。 图 3 新型供热技术对二氧化碳减缓的巨大潜力 表5三种燃气电厂生产有效能量的比较 3.2.3 区域供热技术 3.2.4 冷凝式锅炉技术 冷凝式锅炉是指能够从锅炉排放的烟气中吸收水蒸气所含的汽化潜热的锅炉。常规锅炉将烟气中大部分显热传递给水或蒸汽，而冷凝式锅炉不仅将更大一部分显热传递给水或蒸汽，而且还吸收了部分烟气中的水蒸气冷凝后释放的汽化潜热。冷凝式锅炉这一概念的实现必须具有冷凝式热交换受热面，当然这种热交换可以是间壁式、再生式，也可以是直接接触热交换的结构形式。实际应用中要达到烟气中水蒸气的冷凝，系统回水温度一般要低于50～55℃。按照是否利用烟气中水蒸气的汽化潜热可以将锅炉分成二类： (1)冷凝式锅炉 冷凝式锅炉因为吸收了烟气中大部分的物理显热和水蒸气的汽化潜热而具有较高的热效率，即使在低负荷运行时也是如此，冷凝式锅炉的排烟温度一般低于75℃。 (2)非冷凝式锅炉 或称常规锅炉，一直以来，避免尾部受热面产生冷凝是设计常规锅炉时努力坚持的基本原则。设计时要使尾部受热面壁温高于水露点和酸露点，排烟温度一般在170℃以上。烟气中水蒸气所含的汽化潜热随烟气通过烟囱排入大气。 图4示出了冷凝式锅炉(右)和常规锅炉(左)的主要结构差异。可以看出，冷凝式锅炉必须具有冷凝式热交换受热面，采用高性能的外壳保温和密封材料，锅炉本体和烟囱必须设置冷凝水排放装置，一般要增设引风机以克服冷凝式热交换受热面的阻力以及低排烟温度引起的自然通风力的下降。 图4常规锅炉和冷凝式锅炉的主要差别 锅炉负荷、系统回水温度、过量空气系数都直接影响冷凝式锅炉的热效率。图5和图6分别示出了系统回水温度冷凝式锅炉热效率的影响趋向。 图5 满负荷时热效率和回水温度的关系 图6 热效率随负荷的变动关系 3.2.5新能源的开发利用 新能源泛指可再生能源及其他不同于常规的能源，可再生能源主要是指太阳能、风能、生物质能、地热能和水能等能源。它们具有资源丰富、无环境污染、清洁安全、资源不枯竭等优点，是实施可持续发展战略的重要组成部分。总体上来讲，我国可再生能源利用比重低，可再生能源资源丰富 ,但开发程度低，发展潜力巨大。估计在21世纪中叶前，我国可再生能源可采集量也仅为4～5亿tce，占一次能源总供应的比重不到10%。 PV模块 集热板 图7水泵由PV电源支持的常用的太阳能热水系统示意图 Solar Panel—集热板；Hot Water to Taps—送水龙头的热水；Mains Water in—进水； Boiler—锅炉；Solar Controller and Pump Unit—太阳能控制器和泵；Solar Hot Water Cylinder—太阳能储水容器 燃料电池技术是未来新兴的绿色能源技术，是具有能源革命意义的新一代能源动力系统，被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。 将来可以实现燃料电池的热电联产技术有：质子交换膜燃料电池(PEFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等4种燃料电池技术，科学家们已经研究了这些燃料电池技术的工艺、性能、使用条件、制造材料、系统集成、示范工程、商业化项目以及燃料电池系统用于冷热电联产的评估方法等诸多问题。国际能源界普遍认为氢能是一种可持续发展的能源，氢燃料电池对解决“能源短缺”和“环境污染”有重要意义。表6示出了基于燃料低位发热值的各种能源转换技术的热效率。 富氧燃烧是通过使用比空气含氧多的氧化剂完成燃烧过程，也称增氧燃烧，简称OEC。OEC技术能提高生产热负荷，提高热效率，降低废气及NOx排放，提高传热效率。将来很多燃烧过程都可以采用OEC技术，如整体煤气化联合循环中的煤气燃烧反应均采用富氧燃烧技术，氧气含量为85%～95%；即使采用空气分级燃烧技术，也可以采用富氧技术。另外，富氧技术还被用于固体垃圾焚化炉的焚烧，减少污染物的排放。 3.4污染物减排技术 提高电厂热效率，减少燃料消耗量是污染物减排的首要措施；改善燃烧技术，合理有效地组织燃烧过程，在燃烧过程中减排也是重要的减排技术，可以大幅度降低污染物排放，但当排放的限制更严格，而且靠炉内燃烧减排不能满足要求时，仍然需要采取烟气脱硫脱氮技术措施。烟气脱硫技术(FGD)经历了30多年的发展过程,主要有湿法脱硫、干法脱硫和半干法脱硫，其中一些已进入商业化应用。烟气脱氮技术大致可归纳为干法和湿法烟气脱氮两大类，干法主要有选择性催化还原法(SCR)，非选择性催化还原法(NSCR)和选择性无催化还原法(SNCR)。湿法脱氮的工艺过程包括氧化和吸收，湿法脱氮一般同时具有脱硫的效果。因此未来污染物减排技术的发展方向是脱硫脱氮装置一体化与脱硫脱氮资源化。 4．锅炉材料、设计、制造和控制技术进展 先进的材料，设计以及制造和控制技术是未来锅炉技术取得更大进步必须具有的技术储备和基础，这些技术的综合运用将会使高能效低排放的锅炉技术进入一个崭新的阶段。 4.1先进锅炉材料 4.1.1超超临界锅炉材料 发展高蒸汽参数的超超临界的机组已经成为近20年全世界动力工程行业为之奋斗的目标。世界发达国家投入了大量的人力物力研究开发新型的耐热材料，这些材料主要分为铁素体钢、奥氏体钢及高镍铬合金，对于600℃的主蒸汽条件，在不考虑燃料强腐蚀性的前提下，一般不会用到高镍铬合金。因此，用于600℃的主蒸汽条件的耐热材料主要是铁素体钢和奥氏体钢。其中铁素体钢为：T23/P23，T91/P91，T92/P92，E911，T122/P122；奥氏体钢为：TP347HFG，Super304H，TP347H，TP321H等，若考虑中等程度以上的燃料腐蚀性时，还要增加使用20%Cr的TP310,HR3C和NF709。表7示出了600℃主蒸汽温度下侯选耐热材料的名义化学成份。 4.1.2冷凝热交换器耐腐蚀材料 DOE/GRI联合对普通的低碳奥氏体不锈钢如304L生产的冷凝式热交换器发生的点蚀(PC)、间隙腐蚀(CC)和应力腐蚀开裂(SCC)进了研究，发现腐蚀起源于氯离子腐蚀机理。经过试验认证，含有高铬和高钼的铁素体不锈钢,如AL29-4C，还有镍基合金，如Hastelloy C27，以及高钼含量的奥氏体不锈钢，如AL-6XN、254SMO和654SMO（城市垃圾焚烧锅炉的烟气冷凝）可以成功地抵抗冷凝水的腐蚀。钢中添加铬含量能抵抗冷凝水的一般腐蚀（如SO4-, NO2-, NO3-,等），高钼含量能抵抗不锈钢的PC，CC及SCC(C1-)。表8列出了几种常用材料的化学成分，表中实际烟气中折算的腐蚀速率单位为mm/年。 4.2 先进的CFD计算机模拟设计技术 传统锅炉的经验设计方法存在很多的问题，设计本身依赖于经验，但是经验的可靠性一般无法验证，一般企业不可能制造一个1：1的模型进行测试，代价太大，先进的CFD计算机模拟设计技术就可以解决这个问题。 目前先进的设计人员广泛使用CFD计算流体动力学方法分析炉内流体的流动工况，使研究开发成本大为降低，而且获得了大量的有益的分析数据。如对于圆柱形结构的有机热载体炉，CFD计算机数值模拟的结果表明：炉膛中央的回流区将火焰压向炉管，造成火焰强烈地掠过炉管。通过分析，我们可以改变燃烧器出口的火焰形状，分解中心的回流区，使火焰和烟气不直接接触炉管表面，可以避免炉管过热。 除了模拟火焰的流场和速度场，也可以采用CFD计算流体动力学计算方法优化炉体的结构，采用CFD的预处理软件，自动将研究区域划分成含有500，000个网格的划分结构，对多数的模化区域使用六面体网格划分单元，炉管周围复杂的区域使用六面体网格划分单元，计算机模拟可以让我们尝试一系列不同的结构组合并对其结果进行比较，获得优化的结论。通过这种优化，可以使加热炉提高20%的出力，而不使炉管发生过热。 (1)蛇行管束直管接长的全自动TIG/MIG、TIG/MAG、热丝TIG焊接技术，大大提高了焊接速度和焊接质量； (2)锅筒大口径管接头角焊缝的半自动药芯焊丝二氧化碳气体保护焊接技术，大大提高了劳动生产率和接头焊接质量，焊缝外观质量和焊缝高度、连接强度大大改善； (3)未来大型的高效发电机组将更会更多地采用铁素体钢和奥氏体不锈钢的焊接，如：TP347H，TP347HFG，Super304H等的焊接以及它们和相关铁素体钢的焊接；目前这些焊接多采用手工焊接，今后也要发展自动焊接技术； (4)厚板的窄间隙焊道溶敷技术； (5)工业和生活锅炉的管板和烟管焊接的全自动全位置氩弧焊焊接技术，大大提高了劳动生产率和接头焊接质量，焊缝外观质量和焊缝高度、连接强度大大改善； (6)工业锅炉将来焊接技术的发展方向主要是全自动焊接技术以及气体保护焊接技术；逐渐减少手工电弧焊的使用； 4.4先进控制技术 发电设备制造行业的控制技术所指的内容非常广泛，包括物料控制，产品质量控制，管理控制等。本文所谈的先进控制技术主要是指锅炉产品本身的性能控制技术，控制技术是保证锅炉产品最完美体现其性能的可靠保障。 以循环流化床锅炉(CFB锅炉)为例，由于其燃烧效率高，燃料适应性广，低污染排放等优点而受到广泛的重视，在世界各国得到迅速的发展。但CFB锅炉在理论和实践方面仍有许多不完善之处，尤其是在控制与优化运行方面，大多数的CFB锅炉的自动化水平不高,有的至今仍采用手动操作,有的甚至曾出现过因控制系统设计不当而导致的事故。造成这一局面的原因是因为CFB锅炉是一个多参数、非线性、时变及多变量紧密耦合的复杂系统。因此，一方面应继续对CFB锅炉的各变量之间的参数进行理论方面的研究；另一方面应采用人工智能和计算机科学的最新进展，发展专家系统，神经网络，模糊控制等技术不断完善锅炉控制技术。 新型的冷凝式锅炉具有可变出力调节(VCO,Variable Controlled Output)控制功能，VCO是冷凝式锅炉最新的控制技术，可调负荷从30%~100%，如典型的家用联合供热冷凝式锅炉负荷变动范围为5kW~24kW。该功能同时具有天气补偿的作用，当用于加热建筑物的热量随着天气条件的变化升高或降低时，该功能能在确保锅炉高效运行的基础上自动调节锅炉的出力，一般要采用比例调节的燃烧器才能达到。 参考资料： 江苏海国节能审计事务有限公司