超超临界机组设计技术发展战略研究.docx
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超超临界机组设计技术发展战略研究
超(超)临界机组设计技术发展战略研究
DevelopmentstrategystudyofUltrasupercriticalunitdesigntechnology
龙辉,赵鹏,陶叶
中国电力工程顾问集团公司研发中心,北京100120
LONGHui,ZhaoPeng,TaoYe
ChinaPowerEngineeringConsultingGroupCorporation,Beijing100120
ABSTRACT:
AccordingtothemainlayoutanalysisofChinesecoal-firedunit’sfuturedevelopment,thispapersummerizedthemainavailableenergyandenvironmenttechnologyforfutureultrasupercriticalunits,andproposedtheprocessrouteofintegrateddesigntechnologyandefficientfluegastreatmenttechnology.Inthispaper,theefficiencyoffutureultrasupercriticalunitandthedevelopmenttrendofefficientfluegastreatmenttechnologyforthenext10yearsinChinawerealsoanalyzed.Inaddition,thispapersuggestedthat,forultrasupercriticalunit,choosingprocessrouteofintegrateddesigntechnologyandefficientfluegastreatmenttechnolgoyshouldconsideringthedifferentcharacteristicsofdifferentregionsinChina.
KEYWORD:
ultrasupercritical;developmentstrategy;energysaving;environmentalprotection
摘要:
通过对我国燃煤火电机组未来发展主要布局的分析,总结了未来发展超(超)临界机组可采用的主要节能和环保技术,提出了超(超)临界机组设计技术集成及高效烟气处理工艺路线的的概念。
对我国未来10年超(超)临界机组发电效率技术走势及高效烟气处理技术发展趋势进行了分析。
结论是应该针对我国不同地区的特点,采用不同的超(超)临界机组设计集成技术及高效烟气处理工艺路线。
关键词:
超(超)临界;发展战略;节能;环保
0引言
经过近9年的火电机组技术发展,我国在火力发电领域取得了巨大的进步,表现在装机容量和机组容量构成,能源利用效率以及污染控制等诸多方面。
大型机组已占火电装机容量的50%以上,而且高效率的超临界、超超临界机组已成为近年来安装的主要机型,单机容量由300MW和600MW升级为600MW和1000MW。
600MW湿冷机组基本上采用了超临界或超超临界参数,1000MW机组全部采用了超超临界参数,并且都已积累了一定的商业运行经验。
截至至2010年末,我国已投运1000MW超超临界机组33台,其发展速度、装机容量和机组数量均已跃居世界首位。
全国运行火电机组的平均供电标准煤耗率已从2002年的383g/kWh降为2010年的333g/kWh。
1我国燃煤火电机组未来发展主要布局分析
从2002年以来我国燃煤火电机组迎来了高速发展的阶段,这一趋势应该不会改变。
按照目前的电力发展形势分析,到2020年,我国燃煤火电装机容量还将增加,在这样的前提下,我国超(超)临界机组将会促进煤炭行业的发展。
另一方面,我国提出2020年单位碳排放强度比2005年下降40%-45%的目标,火电机组是碳排放大户,因此摆在我们面前的主要难题是必须实现燃煤火电机组的节能减排和机组的同步发展。
促进大容量、高参数燃煤机组技术的进步,是我国未来10年节能减排、减少碳排放的重要渠道。
可以预见到,未来10年,我国燃煤火电机组的发展重点主要是上大压小,热电联产和建设高效、节能、节水和环保型电厂,布局特点是燃煤火电机组有从沿海地区向内地煤炭基地发展的趋势。
煤炭基地的集约化开发将成为我国未来10年燃煤火电机组发展重点,并形成以煤炭基地为主的电站群建设。
以内蒙古、山西、陕西、新疆为代表,这些地区储存有我国最丰富的煤炭资源,除了为部分已建电厂提供煤源外,更重要的功能是,有可能将在未来10年或更长时间内形成几个燃煤火电机组电站群,这将对煤炭基地发展形成重要影响。
水资源的限制也将成为我国未来10年火电机组发展的主要矛盾。
根据预测,我国未来新建火电机组将主要集中在北方地区的煤炭基地,而这些地区属于高度缺水地区,因此必须采取高度节水措施,节水就需要消耗能源,同时应考虑采取包括空冷机组等节水措施所带来的机组效率降低等因素。
因此,如何在未来的燃煤火电机组设计中解决好碳排放控制和水资源制约之间的关系,应该是今后工作的重点。
这些地区新上火电机大体组可以归纳为2个部分:
燃烟煤或燃褐煤采用空冷等节水技术火电机组。
另一方面,我国沿海地区未来可能还会发展部分大容量超超临界海水直流湿冷机组,其燃煤特点主要是烟煤;我国部分内陆及边远地区地区,如:
安徽、河南、四川、云南、湖南、湖北、吉林、黑龙江地区还会上部分超(超)临界机组,燃煤主要是当地煤或外来煤为主。
可以预见,未来我国煤电基地新上燃煤火电机组的发展主要以超(超)临界机组为主。
2我国超(超)临界机组未来发展可采用的节能、环保技术
2.1我国超(超)临界机组未来发展可采用的节能设计技术
2.1.1采用更高参数超超临界机组
典型超临界循环的参数为:
24.1MPa/566C/566C,提高到超超临界参数:
25MPa/600℃/620℃,提高了电厂的热效率,可降低标煤耗59g/kWh。
2.1.2燃褐煤机组采用褐煤预干燥技术
利用蒸汽干燥可以使得设备体积减小,热效率提高,且安全可靠。
因此,国外近几年对高水分褐煤的干燥的研究大都是采用蒸汽干燥。
根据国际上的发展趋势,针对褐煤的先进干燥技术主要围绕以下几方面进行研究和应用:
水分蒸发废热可以循环利用;干燥强度大,以利于大型化;通过与电厂热力循环集成,提高电厂整体效率,可使机组煤耗下降6~13g/kWh之间。
2.1.3降低汽轮机背压
对于600MW级超超临界汽轮机来说,汽轮机背压下降0.5kPa、1kPa、2kPa,热耗分别降低13.9kJ/kWh、31kJ/kWh、65.3kJ/kWh左右,煤耗可降低0.45~2.4g/kWh之间。
2.1.4选用合适的汽轮机排气面积
600MW级机组汽轮机可以有三缸四排汽型式和两缸两排汽型式两种结构。
在相同的背压条件下,由于三缸四排汽型式汽轮机比两缸两排汽型式汽轮机排气面积大23%,机组标煤耗值降低约0.75g/kWh。
2.2我国超(超)临界机组未来发展可采用的环保工艺技术
2.2.1高效除尘器技术
2.2.1.1高效电除尘器
采用包括:
高频电源、控制、数模流场优化等措施,对电除尘器采取多项提效措施,根据目前国内除尘器制造技术发展水平,选择双室五电场静电除尘器。
当入口除尘器入口粉尘浓度20g/Nm3时,能使除尘器粉尘排放浓度控制在30mg/Nm3以下。
2.2.1.2移动极板电除尘器
移动极板系统,能够利用旋转刷和移动的收尘极板去除捕集的粉尘,从而防止电晕,移动极板系统能有效地收集高电阻率的粉尘。
该系统较之传统的固定电极系统更为紧凑,用电量也更小。
收尘极板通过顶部驱动轮的旋转,以极慢的速度进行上下移动,带电粉尘在集尘区域内被收集。
附着在极板上的的粉尘在非集尘区域内,被夹住收尘极板的两把旋转电刷刮落。
旋转电刷按照与收尘极板移动方向相反的方向旋转,防止粉尘的飞散,同时将粉尘刮落到料斗中。
使用移动极板电除尘器,四电场电除尘器能够达到五电场除尘效率,入口粉尘浓度5~30g/Nm3时,电除尘器出口粉尘浓度可达30mg/Nm3。
图1移动极板除尘原理
Fig1PrincipleofMovingElectrodetypeelectrostaticprecipitator
图2低温移动极板电除尘器高效烟气处理流程图
Fig2Flowchartoflowtemperaturemovingelectrodetypeelectrostaticprecipitator
2.2.1.3低温电除尘器
这一技术的关键是低温电除尘器工艺,日本新上500MW1050MW火电机组基本全部采用低温电除尘器工艺。
将MGGH的降温换热器安装在电除尘器(ESP)之前,主要工艺流程见工艺流程图3。
按此流程,烟气经过MGGH的放热换热器后,温度从120-130℃降到90℃。
由于粉尘的比电阻降低,使所有煤种条件下电除尘效率都有提高,即使采用以前同等集尘面积,也能使电除尘器出口的粉尘浓度降低到几十mg/Nm3,另外烟气量的降低使粉尘浓度大幅度降低,因而仅采用3电场除尘器就满足五电场才能达到的99.85%的高除尘率要求。
然后通过脱硫装置保证出口粉尘浓度为10mg/Nm3(高浓度粉尘方案),由于烟气温度降低,SO3会雾化(结露)而吸附在大量的粉尘上而带走,所以不会附在MGGH上,不会引起腐蚀情况发生。
图3低温电除尘器工艺流程图
Fig3Flowchartoflowtemperatureelectrostaticprecipitatorprocess
使用低温电除尘器,四电场电除尘器能够达到五电场除尘效率,入口粉尘浓度20g/Nm3时,电除尘器出口粉尘浓度可达30mg/Nm3。
2.2.1.4布袋除尘器
火电厂可考虑布袋除尘器进行除尘。
根据目前国内外布袋除尘器制造技术发展水平,选择布袋除尘器除尘效率可达99.95%。
控制除尘器出口粉尘排放浓度在1020mg/Nm3之间。
2.2.2烟气脱硫工艺
2.2.2.1石灰石-石膏、海水、氨法等湿法烟气脱硫工艺
火电机组采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺,是目前脱硫效率最高且可靠性最高的脱硫工艺之一。
近年来,国内、外在石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺脱硫效率提高方面又有很多进展,包括采用双托盘技术、吸收塔喷淋系统优化等一系列技术的采用对于我国火电机组烟气脱硫装置(特别是高硫煤地区烟气脱硫装置)增容改造起到重要作用,海水烟气脱硫已在我国华能海门电厂1000MW机组得到应用,氨法烟气脱硫装置也已在我国火电机组脱硫装置得到应用。
2.2.2.2烟气循环流化床半干法烟气脱硫工艺
烟气循环流化床半干法烟气脱硫工艺是一种气--液和气--固反应的烟气脱硫工艺。
在脱硫塔内,一方面进行气相向液相的传质过程,烟气中的气态污染物不断进入溶液中,同时与脱硫吸收剂中的钙离子发生反应,另外一方面进行蒸发干燥的传热过程,颗粒上的液相水分受烟气加热影响不断在塔内蒸发干燥;最后再生成固体干态的脱硫灰渣。
烟气循环流化床电厂干法脱硫工艺有大量的业绩,技术成熟,且已经在300MW及600MW级机组得到商业运行。
当燃煤含硫量为1~2%左右,钙硫比不大于1.3时,脱硫率可达90%以上,排烟温度在70℃以上。
图4低温烟气循环流化床脱硫技术流程示意图
Fig4Flowchartoflowtemperaturefluegascirculatedfluidizedbeddesulfurization
2.2.2.3活性焦干法烟气脱硫工艺
该工艺是一种以物理—化学吸附原理为基础的硫资源可回收的干法烟气脱硫工艺。
它利用以煤为原料制造为脱除烟气中SO2、SO3、汞等的可复原再生的吸附剂。
活性焦通过吸附塔中吸附烟气中的SO2,吸附SO2的活性焦通过活性焦输送系统进入解析塔,用烟气将其加热到420℃左右完成解析。
解析塔排出的活性焦经筛分后,由链斗刮板输送机送回吸附塔,脱硫获得的高浓度二氧化硫的气体由高温离心风机抽出,送入工业硫酸生产装置。
该工艺脱硫效率95%,脱硫、脱硝的同时能够脱除其它有害物质,并且重要的是同时该工艺在脱硫的同时几乎不用耗水,对我国富煤缺水地区新上机组可作为重要的参考工艺。
活性焦干法烟气脱硫工艺流程图见下图5。
图5活性焦干法烟气脱硫工艺流程图
Fig5Flowchartofactivatedcokefluegasdesulfurizationprocess
图6矶子电厂1600MW机组(SCR+电除尘器+活性焦烟气脱硫、脱硝+除尘)
Fig61600MWunitofIsogopowerplant(SCR+ESP+activatedcokefluegastreatment)
3我国超(超)临界机组节能、环保设计技术发展趋势分析
3.1我国超(超)临界机组节能技术发展趋势分析
我国超(超)临界机组节能主要技术发展趋势是机组参数的提高、褐煤干燥技术的应用、通过烟气余热的回收等技术的应用,使我国超(超)临界机组技术发展针对沿海地区、内陆地区,针对燃烟煤湿冷机组、燃褐煤空冷机组、燃烟煤空冷机组采取不同的设计集成技术进行优化,使我国未来火电机组发电效率更高。
图7是我国未来超(超)临界机组发电效率技术走势分析图。
图7我国未来超(超)临界机组发电效率技术走势分析图
Fig7efficiencytrendoffutureultrasupercriticalunitinChina
3.2我国超(超)临界机组环保设计技术发展趋势分析
3.2.1针对不同地区采取不同的高效烟气处理工艺
《火电厂大气污染物排放标准》(二次征求意见稿)正在征求意见过程中,新的标准将更加严格,必须采取高效烟气处理技术的体系,使环保工艺效率不断提高,污染物排放控制指标不断降低。
主要采用高效电除尘器、布袋除尘器、低低温电除尘器、移动极板电除尘器等技术,使除尘器出口粉尘浓度控制在20~30mg/Nm3。
利用低NOX燃烧器及SCR烟气脱硝技术,使火电机组NOX排放控制在100mg/Nm3以下。
利用烟气循环流化床半干法烟气脱硫技术、高效湿法烟气脱硫工艺和活性焦干法烟气脱硫技术,使火电机组SO2排放浓度低于100mg/Nm3。
我国未来10d火电机组的发展重点是超(超)临界机组,以适应未来CO2减排的需求。
根据这些机组的特点,完成采取不同高效烟气处理系统技术的集成研究,就掌握了未来环保技术发展的精髓,针对我国不同地区,如:
中心城市、沿海地区、内陆地区、缺水地区等,分别采用不同的节能或节水型高效烟气处理技术集成,才能实现我国超超临界机组高效烟气处理技术的自主化发展,因此对我国未来不同地区超超临界机组高效烟气处理技术特点及采取的工艺路线建议见下表1。
表1我国不同地区超(超)临界机组采取的高效烟气处理工艺路线建议
Table1SuggestionforchoosingefficientfluegastreatmentprocessrouteindifferentChineseregion
项目
地区特点及超超临界机组燃用煤质特点
采取的高效烟气处理工艺路线建议
中心城市地区
综合环保标准要求高,地区环保排放控制标准高于目前的国家环保标准。
燃煤为优质烟煤,煤质具有高热值、中灰、低硫等特点。
a.低NOX燃烧器+SCR+高效电除尘器、低温电除尘器、移动极板电除尘器或布袋除尘器+湿法烟气脱硫工艺。
b.低NOX燃烧器+SCR+高效电除尘器+活性焦干法烟气脱硫、脱硝、脱重金属工艺。
沿海地区
综合环保标准要求高,地区环保排放控制标准高于目前的国家环保标准。
燃用煤质一般为我国优质烟煤或进口烟煤,煤质具有高热值、低灰、低硫等特点。
低NOX燃烧器+SCR+高效电除尘器、低温电除尘器、移动极板电除尘器或布袋除尘器+湿法烟气脱硫工艺。
内陆、边远地区
不在国家电源中心,机组排放需满足国家环保排放控制标准要求,煤质具有低热值、高灰、低硫或中等热值、高硫等特点。
燃高灰分、低硫煤火电机组机组,需要重点解决煤质中的灰分高问题:
a.低NOX燃烧器+SCR+高效电除尘器、移动极板电除尘器或布袋除尘器+湿法烟气脱硫工艺。
b.低NOX燃烧器+SCR+烟气循环流化床脱硫半干法烟气脱硫工艺+布袋除尘器。
燃高硫煤火电机组,需要重点解决煤质中的硫分高问题:
低NOX燃烧器+SCR+高效电除尘器、移动极板电除尘器或布袋除尘器+湿法烟气脱硫工艺。
缺水地区
地区特点富煤缺水,机组排放需满足国家环保排放控制标准要求,煤质具有低热值、高灰、低硫或高热值、高灰、中、低硫特点。
需要采取节水型高效烟气处理工艺:
a.低NOX燃烧器+SCR+高效电除尘器+活性焦干法烟气脱硫工艺。
b.低NOX燃烧器+SCR+烟气循环流化床半干法烟气脱硫工艺+布袋除尘器。
作者简介:
龙辉(1960~),现为中国电力工程顾问集团公司研发中心副主任,高级工程师(教授级),主要研究火电厂超超临界技术、环保技术、生物质混烧技术发展方向。
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