浅谈煤燃烧

浅谈煤燃烧的发展现状与趋势摘要：通过分析国内外煤燃烧研究的现状和趋势，指出煤燃烧过程中效率低、污染严重两大问题是制约我国经济、社会持续发展的关键因素。因此，近期积极开展煤的清洁燃烧、环境友好的多联产资源化利用、燃煤的近零排放技术、能源利用过程中的污染物生成、迁移及控制、新能源及低品位能源的高效清洁利用、热能转换系统监测、诊断和控制等方面的研究，对于促进我国可持续发展，具有十分重要的战略意义。关键词：煤燃烧污染发展趋势引言我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上为数不多的以煤炭为主要一次能源的国家之一。煤炭在我国能源消费结构中的比例一直很高，1959年是94．7％，1976年为最低点69．9％，自20世纪9o年代以来，一直在75％～76％之间。当前，煤炭为我国提供了70％以上的发电燃料，60％的化工原料和80％的民用燃料。根据预测，到2015年，煤炭还要占62．6％，即使到了2050年，煤炭仍占50％以上。因此，在相当长的一个时期内，我国以煤为主的能源消费结构将难以改变。但是，煤炭的利用效率不高和由燃烧造成的环境污染一直是制约我国可持续发展的最重要的因素之一。煤炭资源是大自然赋予人类的财富，它的总储量是有限的，在不断使用中逐渐减少。所以如何合理高效利用煤是当今我们所面对的非常紧迫的问题，如何提高燃煤机组效率成了解决这一问题的关键。同时，随着我国电力行业改革的不断深入，即厂网分开，竞价上网，要使发电企业在行业中立住足、立稳足，就必须大力降低发电成本。而发电成本的主要构成因素就是发电煤耗，所以降低火力发电厂的煤耗成了现代发电企业关注的问题。面对我国煤燃烧过程中效率低、污染严重两大难题，积极开展提高煤炭资源的利用效率、减轻环境污染两方面研究，对于提高人民生活的环境质量，促进我国可持续发展，均有十分重要的意义。为此，本文将详细分析国内外煤燃烧研究现状和趋势，进而指出了其今后的发展方向。1.国内外发展现状和趋势1.1煤的高效清洁利用针对现有燃煤电站效率低下、污染严重的现状，美国科学家最早提出了零排放的煤炭先进发电技术的概念。这种全新的技术对煤炭的利用方式进行了创新，它以煤炭加氢气化为基础，使燃料100％气化，并将其中引入的所有碳全部产生纯的cO2气流，然后进行处理，避免了与燃料燃烧过程相关的颗粒物和其它污染物的释放，从而实现煤炭的高效、清洁利用。以美国LDsAlamos国家实验室为倡导者的近20家科研机构和公司组成零排放煤炭发电技术联合组织，正在进行这方面的基础研究以及中试装置的方案设计等工作；国内在这方面还没有开展具体的研发工作。为了减少燃煤污染物排放和提高效率，目前发展迅猛的洁净煤技术有超临界压力锅炉加烟气脱硫技术(PC．FCD)、循环流化床锅炉技术(CFBC)和增压流化床锅炉联合循环技术(PFBc)、整体式煤气化联合循环发电技术(IGCC)。尽管世界上已建成多座PFBC和IGCC示范机组，但由于系统复杂，技术难点多等因素，热效率一般为42％左右，容量还不能和常规发电机组相比，发电成本目前IGCCPFBCPC+FGD，而PC+FGD和CFBC在我国仍是优先发展的技术。循环流化床技术是公认的清洁燃烧技术，与煤粉炉相比，具有热效率高、低NOx、SO2排放、燃料适应性广、灰渣活性好、脱硫脱硝成本低、负荷调节范围宽、投资少、适用热电和调峰机组等优势。目前世界上投运的最大CFBC锅炉容量为700t／h，锅炉热效率90．5％，可用率达到电站常规煤粉锅炉水平。国内在这方面起步较晚但发展很快，目前投运的最大容量CFBC锅炉为内江高坝电厂从国外引进的410t／h锅炉，自行设计的CFBC锅炉最大容量已达220t／h。但循环流化床技术还不能说是一项非常成熟的技术，其还存在有待进一步研究解决的问题，如最佳的循环倍率、循环物料的高分离、受热面和炉墙的防磨措施、NO的控制、辅机电耗高、大型化后的脱硫性能等。1.2煤燃烧污染与控制有关煤燃烧污染物形成机理和控制的研究，国内外自20世纪70年代出现石油危机时就已经开始，但至今已有的控制途径多是对单一污染物进行控制，如FGD、SCR、SNCR等。近年来，污染物综合控制的研究已日益受到重视，如脱硫除尘一体化技术、脱硫脱硝一体化等，并在美国等发达国家得到应用。然而，这些方法往往投资运行成本高，有些方法还会带来一些其它问题，因此，发展符合中国国情的低成本的污染物综合控制方法势在必行。建立描述湍流多相燃烧过程的物理模型(兼顾计算的经济性和模型的精度)，以准确地预报各种工业燃烧和转化装置的内部过程，是国内外学者长期不懈努力的方向。近20年来，对湍流多相燃烧过程的物理模型的研究，体现的是一条应用一改进一创新的轨迹，已经不再局限于应用已有的经典模型，而更多的是寻求对模型的建模方法、封闭模型和计算方法等各方面进行改进；其研究手段也在从工程方法向科学方法转换，即从经验的、唯象的方法向机理性的、基础的方法转化。各种精细的湍流模拟和实验方法，如直接模拟、大涡模拟、激光粒子图像速度场仪(PⅣ)测量等，近年来被大量的引入到探索多相湍流燃烧的机理和获得模型封闭所需要的基本参数中来。同时，很多新的模型和模化方法也涌现出来，如格子一Boltzmann方法、概率密度函数(PDF)方法等，这些模型和模拟方法较传统的计算流体力学方法和湍流模式有着本质上的区别，具有良好的发展前景。就所关注的物理问题来看，也逐渐深入到颗粒对流体的反向耦合作用、颗粒壁面边界条件、颗粒一颗粒碰撞及其对颗粒曳力、流体湍流变动的影响、局部熄火及其对污染物生成的影响等。1.3热能转换安全问题发电系统“产、供、销、用”同时完成的特点，决定了系统必须长期、连续、安全、经济地运行，因此保证系统的健康和完好是根本前提。国外最新进展集中在建立预知维修体系和发展先进检测手段上，国内则正在引进国外体系的基础上进行摸索实施。到目前为止，世界上只有少数机构在系统研究发电设备预知维修系统，其中涉及到的大量科学和技术问题尚需要深入研究。而国内发电行业的需求和呼声日益高涨，研究结果具有广阔的应用前景。在国内发电系统中，主要热力设备的健康状态、性能、寿命，以及诸如炉内燃烧过程的实时监测和评价技术缺乏，是监控技术进一步提高的“瓶颈”，影响了机组运行。在燃烧监测方面，燃烧辐射成像将是三维燃烧可视化监测的有效途径。国内外在2O世纪后2O年开展了这方面的研究，但大多集中在二维火焰辐射图像的直接处理，限于理论研究的不足，很难深入到利用二维辐射图像重建三维燃烧温度分布的程度。2近期研究发展方向2.1化石燃料的高效清洁利用迄今为止，人类文明的发展主要是依赖无节制地开发和利用煤、石油、天然气等自然燃料资源。传统的资源、能源消耗方式给人类带来沉痛的教训：奢侈的资源浪费、过低的能源利用率和严重的环境污染。我国目前处于以煤为主要一次能源的发展阶段。为实现环境与资源的协调发展，合理、高效、清洁地利用煤炭应该是我国实现可持续发展的重要方向。目前循环流化床锅炉技术及超I临界压力锅炉是我国优先发展的技术。循环流化床技术是公认的清洁燃烧技术，国内在这方面起步较晚，还存在有待进一步研究解决的问题，如最佳的循环倍率、循环物料的高效分离、受热面和炉墙的防磨措施、N20的控制、辅机电耗高、密封、出力不足、床内煤的成灰特性、床内物料浓度分布、床下排灰特性、大型化后的脱硫性能等。而对于超临界机组，我国目前投入运行仅有1O余台，电力部门已确定超临界机组为今后一个时期火电机组建设的重点之一，但目前我国该项技术主要是从国外引进，相应的研究在国内还很薄弱。因此，我国目前应该加强以下研究：煤粉的高效清洁燃烧、循环流化床燃烧理论及技术、超临界机组运行中的关键技术、多种不同品位煤的非线性配制及催化燃烧、代油燃料的高效燃烧机理和污染排放控制方法、浆体燃料的气化与综合利用、气体燃料微燃烧基础研究和气体燃料在新型渐变型多孔介质中高效高强度燃烧与污染物生成特性等。2.2环境友好的多联产资源化利用环境友好的多联产资源化系统是将煤炭或油渣(主要是煤炭)作为资源，跨越了行业界限，寻求整体最优利用的一种高度灵活的资源、能源、环境一体化的能源利用系统。所谓多联产系统是指利用从单一的设备(气化炉)中产生的“合成气”(主要成分为CO+H2)来进行跨行业、跨部门的联合生产，以得到多种具有高附加值的化工产品、液体燃料(如甲醇、F-T合成燃料、城市煤气、氢气)，以及供热制冷、产气发电、煤渣利用等。多联产系统能够从系统的高度出发，结合各种生产技术路线的优越性，使生产过程耦合到一起，彼此取长补短，从而达到能源的最高利用效率，最低的能耗，以及最少的污染物排放。以煤气化为核心的多联产系统在我国的发展尚处于第二代起步阶段，与发达国家相比有一代的差距。通过多年的积累，我国的煤多联产技术已取得了长足进步，但要实现我国煤炭高效洁净利用技术的跨越式发展，还必须进一步加强多联产综合利用的基础研究，以及煤气化的超洁净技术、煤液化技术、燃料电池发电系统等开发。2.3零排放燃煤发电技术LANL最先提出了一种零排放的煤制氢／发电技术(ZECA)，其技术路线如下：将高温蒸汽和煤反应生成H2和C02，其中H2即被用作高温固体一氧化剂燃料电池的燃料用于产生电力，CO，则和CaO反应生成CaC03，然后CaC03在高温煅烧为高纯度的CO2，而CaO则被过程回收利用。释放出来的CO2则和MgSi04反应生成稳定的可储存的MgC03矿物引。该技术投入生产运行之后，可使煤的利用效率达到70％，是目前的两倍。目前，该技术正在联合开发中，参加单位包括8个美国煤相关公司和LANL，还有加拿大的8个公司和机构。同时，由于氢气燃烧生成水，无任何污染，是未来最理想的清洁能源，所以世界各国都以氢能的研究为长远的战备课题，我国应及时地抓住机遇大力发展这方面的研究。近期应开展煤气化加氢、二氧化碳碳酸化及重整过程等研究。3结论我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭的利用效率不高以及燃烧造成的环境污染，一直是制约我国可持续发展的最重要的因素之一。面对燃煤利用过程中效率低、污染严重两大难题，我国应积极开展煤的清洁燃烧、环境友好的多联产资源化利用、燃煤的近零排放技术、能源利用过程中的污染物生成、迁移及控制、新能源及低品位能源的高效清洁利用、热能转换系统监测、诊断和控制等方面的研究，这对于我国提高煤炭资源的利用效率、减轻环境污染、提高人民生活的环境质量、促进社会可持续发展，均有十分重要的战略意义。