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【技術交流】遼寧煤粉:煤天然氣直接燃燒供熱是浪費-未來供熱是工業余熱

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【技術交流】遼寧煤粉:煤天然氣直接燃燒供熱是浪費-未來供熱是工業余熱

發布日期:2016-06-03 00:00 來源:http://www.0191958.live 點擊:

煤和天然氣,理論燃燒溫度在2000攝氏度左右。用于供熱,通常最高供水溫度在130攝氏度左右,如果把煤、天然氣拿來直接燃燒供熱,其溫差將在1800攝氏度左右,能源品位的損失,接近70%~80%。

      因此,把煤、天然氣直接燃燒供熱,是對能源的最大浪費,是最不經濟的。可是至今,這種狀況到處可見,不僅小型燃煤供熱遍地開花,就是新近“煤改氣”的大型燃氣供熱(鍋爐房總容量在幾百噸以上)依然如故。這種狀況不改變,我國供熱技術的落后面貌難以改觀。

      煤和天然氣,最合理的利用方式,是梯級利用,即電熱冷聯供或AGCC即整體煤氣化聯合循環發電。如前所述,煤和天然氣,理論燃燒溫度都在2000攝氏度左右,最理想的利用方式是高溫段發電,低溫段供熱、制冷。對于通常的發電廠,發電效率一般在30%~40%左右,汽輪機后的乏汽壓力為0.006兆帕,飽和溫度為36攝氏度,其能源品位值只有總能源品位值的2.5%~5.0%之間,即發電潛力很低,但按數量分析,約占總熱量的50%左右,目前大多數情況,向大氣中排放。如果用于供熱、制冷,實現電、熱、冷聯供,全系統的熱能利用系數可提高到70%~80%,因此,這種電、熱、冷的梯級利用是化石燃料的最佳利用方式。

      根據國家發改委的有關文件,我國正在大力推廣大型機組(容量在200兆瓦~300兆瓦以上)的電熱冷聯供系統,這對于我國大中城市來說,是非常正確的。在加速城鎮化的建設中,我國勢必會有大量小城鎮涌現,人口在幾萬至十幾萬之間,對于這樣的城鎮,比較合理的供熱方式應該是小型背壓機組(容量在25兆瓦以下)的電、熱、冷聯供。經專業人員測算,這種機組,即使冬天聯運,夏天停運,經濟上都是合算的。如果這種供熱方式,能夠取得共識,那么我國相當數量人口的供熱民生問題,就會得到解決。

      對于局部區域(如一定范圍的公共建筑或居民區),可以大力發展分布式能源系統。這種系統,利用小型燃氣發電機組(內燃機或小型燃氣輪機),一面發電,一面利用廢氣或冷卻熱量通過熱泵機組供熱供冷,解決本區域的電、熱、冷需求。以上不同方式的電、熱、冷聯供,既可以實現能源的梯級利用,又能夠覆蓋全社會的供熱需求。這種能源的梯級利用,應該作為國家的基本國策,用法律形式固定下來。

      在發電廠中,能源品位值的最大損失是在電站鍋爐,通常發電主蒸汽溫度為550攝氏度左右,在鍋爐內,換熱溫差有1500攝氏度,能源品位的損失近50%,因此,提高發電廠的發電效率的主要技術措施是提高發電主蒸汽的溫度,但超高臨界、超超臨界的發電機組其最高主蒸汽溫度也只有600攝氏度多度,發電效率也不能超過40%~45%,受限的主要因素是汽輪機材質的耐溫程度。發電效率的進一步提高,要有待于金屬材料工藝的更大革新。

       進一步提高電熱冷聯供的發電方式還有燃氣—蒸汽聯合循環。通常以天然氣為燃料。壓縮空氣與天然氣在燃燒室燃燒形成的高溫煙氣(約1200攝氏度~1350攝氏度),進入渦輪機膨脹作功發電。在燃汽輪機中排出的尾氣進入余熱鍋爐,產生的蒸汽在汽輪機中進一步發電。如果燃料采用煤,則先經過增壓氣化裝置產生煤的裂化氣,再做適當處理,如同天然氣一樣,進入燃氣輪機燃燒發電。這種以煤為燃料的燃氣——蒸汽聯合循環稱為AGCC。無論以天然氣為燃料,還是以煤為燃料,其燃氣--蒸汽聯合循環的高溫煙氣可達1000攝氏度以上,因此,發電效率都能在40%~45%左右。對于我國,無論積極推廣燃氣的燃氣——蒸汽聯合循環還是大力研發燃煤的燃氣--蒸汽聯合循環,都有很大的現實意義。

大力研發煤、天然氣的清潔燃燒

      煤在燃燒過程中,要排放大量的煙塵和顆粒物。煤主要成分是碳,燃燒過程要生成2.1倍重量的二氧化碳。煤一般含有0.1%~2.0%的硫,燃燒過程要生成二氧化硫氣體排放至大氣,所有上述煙氣生成物,都是產生霧霾的重要因素。因此,燃煤將嚴重污染大氣。天然氣由于是氣體,容易與空氣混合,通常燃燒效率比較高。天然氣主要成分是甲烷,碳的含量遠比煤少,因此二氧化硫的生成量,只是燃煤的一半。因此,通常把天然氣稱作清潔燃料。但必須了解,天然氣的燃燒溫度常常在1300攝氏度以上,此時會產生大量的氮氧化物,這種氣體的排放,同樣是形成霧霾的重要因素,因此,無論燃氣還是燃煤,實現清潔燃燒都是非常重要的研發課題。

      上世紀初至50年代,英國倫敦、美國洛杉磯都相繼發生了嚴重的霧霾天氣。兩個城市都為此發生過數百人的死亡事故。但是,經過幾十年的大氣治污,又重新換回了藍天白云。他們治理霧霾的基本經驗:一是高污染的產業搬家(移向發展中國家);二是實行煤改氣。近年來,隨著我國經濟的高速發展,也同樣出現了嚴重的霧霾天氣。擺在我國面前的是如何正確借鑒國外的可行經驗?高污染企業向國外搬家,顯然不現實。目前我國主要采取的是“煤改氣”。但這幾年的實踐證明,我國在煤改氣的政策中,實際上存在兩個誤區:一是缺乏數量上的整體規劃。我國是個多煤少氣的國家,不可能全國的供熱都搞煤改氣。就算從國外進口天然氣,一年以4000億平方米計算,也只能滿足40個北京市(一年100億立方米用氣量)的用氣量。全國中小城鎮加起來,100個北京市都打不住。如果在全國范圍內,盲目推廣煤改氣,一但發生“氣荒”,就會犯下災難性的錯誤。二是沒有重視天然氣的清潔燃燒。有些決策者,以為只要煤改氣,大氣治污的問題就會迎刃而解,因此在執行中,放松了對燃氣的排放標準的嚴格控制(前些年,我國的排放標準始終≥100毫克3立方米)。結果,一個奇怪的現象,在北京出現了:2008年,北京首鋼尚未完全搬家,北京熱電廠仍然全部燒煤,但大氣仍然達到了二級標準,順利完成了奧運會的舉辦。但幾年以后的今天,首鋼完成了徹底搬遷,北京幾乎所有的供熱熱源全部實現了“煤改氣”,卻出現了史無前例的嚴重霧霾。這種沉痛的教訓,再次告訴我們,即使燒天然氣,也必須立足于清潔燃燒。

      在國外,利用降氮燃燒技術,是使煤改氣政策獲得成功的關鍵技術,我國在推廣煤改氣的過程中,必須認真學習國外的先進經驗。研究表明,天然氣在預燃階段以及火焰的前、中段燃燒溫度一般在800攝氏度以下,氮氧化物生成量很少,只是在火焰的尾端,燃燒溫度在1300攝氏度以上,此時燃燒溫度愈高,氮氧化物的生成量呈指數形式直線上升。因此降低火焰尾部的燃燒溫度是降氮技術的關鍵。目前比較成熟的技術是分段燃燒或煙氣回抽。分段燃燒,是在火焰的前、中、尾端分別送入空氣過量系數為0.7、0.9和1.2,通過控制空氣量達到降低燃燒溫度進而減少氮氧化物生成量的目的。煙氣回抽是將降溫后的部分煙氣抽送入火焰尾部,其目的仍然是降低燃氣燃燒溫度,進而降低氮氧化物的生成量。為了提高降氮效果,常將兩種技術措施聯合使用。天然氣燃燒時,會有大量的水蒸汽產生(天然氣中的氫與氧化合生成)。一種新的建議,利用尾部蒸汽冷凝水,回抽送入火焰尾部,同樣可以達到降氮的目的。由于水的汽化潛熱比較大,降低燃燒溫度的效果會更顯著。有的單位在工程上采用了上述技術,氮氧化物的排放量達到了44毫克3立方米,可見,有很好的發展前景。

      我國是產煤大國,20年~30年內,要改變以煤為主的能源結構,是比較困難的。在供熱行業,希望100%的實現煤改氣也是難以想象的。因此,我國環境的改善在加大天然氣清潔燃燒的同時,還必須下決心進行煤的清潔燃燒技術的研發。過去我們對于煤的清潔燃燒,重點放在煙塵和二氧化硫的排放的限制上。現在看來是不夠的,燒煤也必須控制氮氧化物的排放(即脫硝)。對于脫硝技術,

       目前主要是在爐內噴入氨和尿素,通過催化或非催化還原反應,使氮氧化物還原為氮和水。對于煤的脫硫,目前已有多種方法,但還不盡如人意,必須繼續加大研發力度。爐內脫硫,多用于循環流化床鍋爐。實踐表明:在實驗研究階段效果較好,但在實際工程應用中,效果并不理想。主要原因是,在燃燒現場,煤粉與石灰粉難以混合均勻,進而影響了脫硫效果。在供熱行業,已經研制成功了煤粉鍋爐,燃燒效率可達92%,很有發展前途。如果在制粉工藝過程,加入石灰粉,就可在制粉的同時完成脫硫任務。由于在制粉過程中,煤粉與石灰粉能得到充分混合,其脫硫效率一定會明顯提高。目前,通行的脫硫方法是濕式脫硫法,為了提高脫硫效果,常常加大石灰水的循環量和噴淋強度,其結果是在煙氣的排放中增加了硫酸鈣的粉塵含量,使脫硫設備變成了新的霧霾發生器。所有這些問題,促使我們在煤、天然氣的清潔燃燒研發中,必須在技術上要有新思路、新創新。

      當前人們比較關注利用熱泵進行煙氣的余熱回收,并且取得了不錯的效果。如果我們大膽設想,利用化工行業的液態二氧化碳的低溫分離技術以及塔板設備,就可同時實現脫硫、脫硝以及余熱回收等多種功能,使鍋爐煙氣變成常溫空氣。這種清潔排放的新常態不是沒有可能。國家能源局印發了《關于促進煤炭安全綠色開發和清潔高效利用的意見》,這將預示著化石燃料的清潔燃燒,已成為國家的重大戰略舉措,從而增強了我們在這方面進行研發的信心與決心。

       必須承認,所謂新型清潔能源,應該是在其放能的全過程,實現污染物的零排放。因此,煤、天然氣只要真正實現了清潔燃燒,它們同樣可以躋身于清潔能源的行列。

未來供熱的主要熱源應是工業余熱

       我國工業能耗占全國總能耗的70%。如果按世界發達國家的能效50%考慮,我國工業余熱將是全國供熱能耗的3.5倍(供熱能耗按全國總能耗的10%計算)。如果全國的平均能效按30%考慮,則全國工業余熱也有全國供熱能耗的兩倍。因此,從數量上計算,未來供熱的主要熱源應由工業余熱來承擔是可能的。當然這還是一種設想,真正操作起來難度很大。排在首位的就是難在管理體制上,我國重要的工業企業,多數為央企。個個都是條塊分隔、“獨立王國”,要打破這種格局,有賴于全國的反腐、反壟斷以及體制的深化改革。

      只就技術層面分析,主要的困難是兩點,一是遠離城市中心;二是多數品位較低(溫度在30攝氏度~40攝氏度),難以直接利用。因此,要使工業余熱應用于供熱工程成為可能,必須在技術上要有重大革新。www.china-heating.com最容易想到的是長輸供熱管線的技術研發問題。目前,我國正在山西、河北和山東等省市進行試點研究,如果單從技術角度考慮,是完全可行的。現在須要著重進行經濟效益的研究,除了考慮工業余熱費用的提高外,還應計算大氣治理的成本,這樣分析才是合理的。

      要徹底解決遠距離輸送和低品位的問題,最根本的技術措施是對熱泵進行工藝上的重大革新。通常的熱泵,無論是電熱泵還是熱熱泵(溴化鋰吸收式制冷機),都存在某些局限性,無法同時承擔能量遠距離輸送以及品位提升的功能。從工藝上說,現在熱泵的四個熱力過程,即蒸發、冷凝、壓縮和節流,是作為一個整體,組裝成一臺機器,難以實現遠距離蓄熱(冷)、放熱(冷)功能。對于電熱泵,現在的制冷工質—氟里昂以及無氯的替代制冷工質,或者破壞臭氧層,成為淘汰物質;或者是溫室氣體,都不是理想產品。對于熱熱泵,溴化鋰溶液濃度在56%~62%之間,否則結晶,難以工作。由于濃度變化范圍過窄,導致發生器的加熱溫度必須在90攝氏度以上,直接影響了制冷效率。

      為克服現有熱泵的上述缺陷,選擇更理想的制冷工質就顯得尤為重要。經過反復比較,筆者認為采用液態二氧化碳作為新的制冷工質,將有很大的發展前途。提起二氧化碳作為制冷工質,其實并不是新的創想,早在利用氟里昂之前,前人就已研究過了。由于二氧化碳的臨界(在臨界點汽相、液相合一)壓力過高(大于7.2兆帕),臨界溫度過低(31.1攝氏度),整個制冷過程是在跨臨界循環下運行,因此制冷機組的工作壓力過高,從安全角度考慮,后來被氟里昂等制冷工質代替。近年來,環保要求將處于更重要的地位,因此,重新起用如二氧化碳一類的天然制冷工質,已被愈來愈多的業內人員所關注。

      二氧化碳作制冷工質具有獨特的優點:首先,它是地球生物圈的組成物質之一,具有無毒、無臭、無污染、不爆、不燃、不腐蝕,對大氣臭氧無損害(ODP=0),溫室氣體指數只有GWP=1(氟里昂及其替代物GWP都在93~1900),它還具有優良的熱物理性質:容積制冷能力qv=15429.2千焦3立方米,是氟里昂R22的7.4倍;在零下40攝氏度下,其液態黏度是5攝氏度水的138,即使在較低的流速下,也可形成湍流流動,提高了傳熱性能。根據上述二氧化碳的基本特性,我們應該按照揚長避短的原則,盡量發揮其制冷能力強、蓄熱能力大、傳熱性能高、輸送成本低的優勢,將熱泵的四個熱力過程,拆散了應用。

      在利用二氧化碳作熱泵工質進行工業余熱供熱供冷過程中,回避了二氧化碳在氣態下壓力過高、溫度過低(臨界溫度為31.1攝氏度,臨界壓力為7.2兆帕)弱點,著重利用其氣化潛熱大、制冷能力強、蓄熱能力多、黏滯系數小、傳熱性能高等特點。例如,一臺300兆帕的發電機組,冷卻汽輪機乏汽汽量560噸3小時,需要冷卻循環水量為6.2萬噸3小時(溫差從25攝氏度升為30攝氏度),如果采用液態二氧化碳,只需5100噸3小時(溫度從零下46.5攝氏度提升至14.2攝氏度,溫升60.7攝氏度)即可。

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