浅谈火力发电技术的发展趋势

摘要：随着经济的发展，社会的进步，人类已进入高速发展的21世纪，本世纪的三大主题就是“能源、环境与发展”。这三者之中，能源的合理开发与利用将会对环境保护与人类社会的可持续发展产生重要的影响。作为能源开发与利用的电力工业正处在全面发展的阶段，火力发电是电力工业重要的领域，而火力发电需要的一次能源以煤炭资源为主，燃煤不仅产生大量的烟尘，还会产生大量的二氧化碳、二氧化硫等气体，给大气带来了严重污染。因此，环境保护与人类发展要求火力发电技术不断发展、提高。本文就对火力发电技术中的超临界和超超临界机组、循环流化床锅炉和洁净煤技术做了探讨，这三种技术可以显著的提高煤炭资源在火力发电中的利用效率，降低对大气的污染，达到保护环境的目的。

关键词：火力发电；超临界；洁净煤技术

中图分类号：TM611 文献标识码：A

一、引言

电力工业是国民经济发展的先行部门，为工业和国民经济其他部门发展提供基本动力。电力工业是将煤炭、石油、天然气、核燃料、水能、海洋能、风能、太阳能、生物质能等一次能源经发电设施转换成电能，再通过输电、变电与配电系统供给用户作为能源的工业部门。从1949年新中国成立到现在的六十多年，我国的电力工业取得了可喜的成就。1956年2月19日，第一台国产6000千瓦机组在安徽淮南市田家庵电厂投入运营；1958年12月我国首创的1.2万千瓦双水内冷汽轮发电机组在上海南市电厂开始发电；1989年10月安徽省平圩发电厂第一台国产60万千瓦机组投产，成为我国电力工业更新换代的重要标志；1992年6月10日我国第一台从国外引进的60万千瓦超临界机组在华能上海石洞口第二电厂正式投产发电；2006年11月28日，首台100万千瓦超超临界机组在华能浙江玉环电厂投入运行。据中国电力工业协会统计显示，2013年一季度，全国规模以上电厂发电量1.18万亿千瓦时，同比增长2.9%；全社会用电量1.21万亿千瓦时，同比增长4.3%；全国基建新增发电装机容量1448万千瓦，截至3月底全国6000千瓦及以上电厂装机容量11.23亿千瓦、同比增长9.0%，火电新增装机容量926万千瓦，截至3月底全国6000千瓦及以上火电装机容量8.25亿千瓦。与电力工业飞速发展形成鲜明对比的是对环境的污染。

据《中国矿产资源报告（2013）》显示，我国已查明现有煤炭资源1.4万亿吨，是全球最大的煤炭生产国。在我国，煤炭占一次能源消耗量的70%，也是全球最大的煤炭消费国，其中约40%用于发电，我国80%以上的电厂都是以煤炭作为发电能源。由于煤炭中含有硫、碳、氮等物质，在燃烧过程中会产生二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等气体，二氧化碳会使空气的温度上升，产生温室效应；二氧化硫、二氧化氮在空气中遇到雨水易形成酸，具有腐蚀性，给建筑物等带来破坏。因此，在火力发电中，提高煤炭资源的利用效率，降低对环境的污染，已成为全世界电力工业研究的新课题，这也必将成为电力工业发展的新方向。

二、超临界与超超临界机组在火力发电中得到了广泛应用

火电厂超超临界机组和超临界机组指的是锅炉内工质的压力。锅炉内的工质都是水，水的临界压力是：22.115MP，临界温度是374.15℃ ；在这个压力和温度时，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的临界点，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，炉内蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31 MPa被称为超超临界。在工程上也常常将25MPa以上的称为超超临界。超临界、超超临界机组具有显著的节能和改善环境的效果，与同等容量的亚临界机组（600MW）相比，由于温度、压力的提高，超临界机组的效率可以提高2%，超超临界机组在此基础上还可以提高3%～4%的效率。超临界与超超临界机组具有明显的高效、节能和排放的优势，为全世界工业化国家广泛采用，已经是商业化的成熟技术，其可用率、可靠性、运行灵活性和机组的寿命等方面已经可以和亚临界机组相媲美。①我国已从国外进口了16台大容量超临界机组，90年代开始投入运营。根据国家计委的安排，河南沁北电厂2×600MW项目被确定为我国600MW超临界火力发电设备技术引进及国产化依托工程，以发展我国的超临界机组。2001年国家超临界火力发电技术攻关项目立项， 2002年完成了沁北600MW超临界机组的招投标。

随着国家对环境保护的重视，这就迫使燃煤电厂要使用更高的参数来获得更高的效率，同时新材料的开发成功也使超临界机组具备了发展高参数的条件。20世纪90年代，超超临界机组获得了快速发展。目前超超临界技术发展领先的国家主要是日本以及西欧的德国和丹麦，世界上超超临界机组的最高热效率已达到47%。②我国超超临界机组的研制工作也已经开始，截至到2012年，我国已经投产的超超临界机组共有46台。国家计委在2002年的“863”项目中，已将超超临界机组的发展列为专项。

二、循环流化床锅炉

循环流化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术，这项技术已在电厂锅炉、工业锅炉及废弃物处理利用等领域得到了广泛的应用，目前正朝着几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉方向发展。

循环流化床锅炉采用单锅筒，自然循环方式，总体上分为前部及尾部两个竖井。前部竖井为总吊结构，四周有膜式水冷壁组成。自下而上，依次为一次风室、密相区、稀相区，尾部烟道自上而下依次为高温过热器、低温过热器及省煤器、空气预热器。尾部竖井采用支撑结构，两竖井之间由立式旋风分离器相连通，分离器下部联接回送装置及灰冷却器。燃烧室及分离器内部均设有防磨内衬，前部竖井用敖管炉墙，外置金属护板，尾部竖井用轻型炉墙，由八根钢柱承受锅炉全部重量。这种锅炉采用床下点火，分级燃烧，一次风比率占50—60%，飞灰循环为低倍率，中温分离灰渣排放采用干式，分别由水冷螺旋出渣机、灰冷却器及除尘器灰斗排出。炉膛是保证燃料充分燃烧的关键，采用湍流床，使得流化速度在3.5—4.5m/s，并设计适当的炉膛截面，在炉膛膜式壁管上铺设薄内衬，即使锅炉燃烧用不同燃料时，燃烧效率也可保持在98—99%以上。

保护环境，节约能源是各个国家长期发展首要考虑的问题，循环流化床锅炉正是基于这一点而发展起来，其高可靠性，高稳定性，高可利用率，最佳的环保特性以及广泛的燃料适应性，特别是对劣质燃料的适应性，越来越受到广泛关注，完全适合我国国情及发展优势。

三、洁净煤技术

在我国，火力发电需要的一次能源以煤炭资源为主，煤电在我国电力装机总容量中占了75%左右，这种格局在21世纪中叶新能源得到广泛应用之前是很难改变的。众所周知，用煤炭资源来发电存在着两个突出的问题，一是燃煤技术有待改善，煤炭的利用效率有待提高；二是燃煤不仅产生热量，还会产生大量的烟尘、二氧化碳、二氧化硫等危害气体，会给大气造成严重的污染。如何提高煤炭的利用效率，降低对大气的污染，是我们目前需要解决的重要问题。于是，一项新技术——洁净煤技术应用而生。

洁净煤技术是指从煤炭开发到利用的全过程中旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化及污染控制等新技术。③传统意义上的洁净煤技术主要是指煤炭的净化技术及一些加工转换技术，即煤炭的洗选、配煤、型煤以及粉煤灰的综合利用技术，国外煤炭的洗选及配煤技术相当成熟，已被广泛采用；目前意义上洁净煤技术是指高技术含量的洁净煤技术，发展的主要方向是煤炭的气化、液化、煤炭高效燃烧与发电技术等等。洁净煤技术是当前世界各国解决环境问题的主导技术之一，也是高新技术国际竞争的一个重要领域。由于洁净煤技术可以降低燃煤给环境带来的污染，达到保护环境的目的，已在世界各国得到广泛的应用。

洁净煤技术包括两个方面，一是直接烧煤洁净技术，二是煤转化为结晶燃料技术。

1.直接烧煤洁净技术

这是在直接烧煤的情况下需要洁净的技术，其技术措施有：（1）燃烧前的净化加工技术，主要是洗选、型煤加工和水煤浆技术。原煤洗选采用筛分、物理选煤、化学选煤和细菌脱硫方法，可以除去或减少灰分、矸石、硫等杂质；型煤加工是把散煤加工成型煤，由于成型时加入石灰固硫剂，可减少二氧化硫排放，减少烟尘，还可节煤；水煤浆是先用优质低灰原煤制成，可以代替石油。（2）燃烧中的净化燃烧技术，主要是流化床燃烧技术和先进燃烧器技术。流化床又叫沸腾床，有泡床和循环床两种，由于燃烧温度低可减少氮氧化物排放量，煤中添加石灰可减少二氧化硫排放量，炉渣可以综合利用，能烧劣质煤，这些都是它的优点；先进燃烧器技术是指改进锅炉、窑炉结构与燃烧技术，减少二氧化硫和氮氧化物的排放技术。（3）燃烧后的净化处理技术，主要是消烟除尘和脱硫脱氮技术。消烟除尘技术很多，静电除尘器效率最高，可达99%以上，电厂一般都采用这种静电除尘器来消除燃煤产生的烟尘。脱硫有干法和湿法两种，干法是用浆状石灰喷雾与烟气中二氧化硫反应，生成干燥颗粒硫酸钙，用集尘器收集；湿法是用石灰水淋洗烟尘，生成浆状亚硫酸排放。它们脱硫效率可达90%。

2.煤转化为洁净燃料技术

煤转化为洁净燃料技术就是将煤炭资源转化为清洁能源用来发电，这主要有以下四种：（1）煤的气化技术，有常压气化和加压气化两种，它是在常压或加压条件下，保持一定温度，通过气化剂（空气、氧气和蒸汽）与煤炭反应生成煤气，煤气中主要成分是一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体。用空气和蒸汽做气化剂，煤气热值低；用氧气做气化剂，煤气热值高。④煤在气化中可脱硫除氮，排去灰渣，因此，煤气就是洁净燃料了。（2）煤的液化技术，有间接液化和直接液化两种。间接液化是先将煤气化，然后再把煤气液化，如煤制甲醇，可替代汽油，我国已有应用。直接液化是把煤直接转化成液体燃料，比如直接加氢将煤转化成液体燃料，或煤炭与渣油混合成油煤浆反应生成液体燃料，我国已开展研究。（3）气化联合循环发电技术，先把煤制成煤气，再用燃气轮机发电，排出高温废气烧锅炉，再用蒸汽轮机发电，整个发电效率可达45%。这项技术，我国正在开发研究中。（4）燃煤磁流体发电技术，当燃煤得到的高温等离子气体高速切割强磁场，就直接产生直流电，然后把直流电转换成交流电。发电效率可过50%～60%。此项技术，我国已经开始研究。

四、结语

电力工业是国民经济发展的先行部门，为工业和国民经济其他部门提供基本动力。火力发电是电力工业重要的领域，在保护生态环境日益引起人们重视的今天，提高煤炭资源在火力发电中的利用效率，降低燃煤给环境带来的污染成为人们思考的重要问题。超临界和超超临界机组、循环硫化床锅炉以及洁净煤技术，可以有效的提高煤炭资源的利用效率，降低燃煤带来的大气污染，已成为火力发电技术的重要发展趋势。在未来，高效无污染的新能源利用技术必将成为火力发电技术研究的重要方向。

参考文献：

①戴佩琨，程钧培：《火力发电新技术发展》，《发电设备》，2004年第01期

②危师让：《火力发电技术的发展与展望》，《中国电力》，1996年第11期

③马兆纬：《火力发电技术发展趋势》，《江西电力职业技术学院学报》，2003年第04期

④钱海平：《火力发电技术的发展方向和设计优化》，《浙江电力》，2006年第03期