第九章--洁净煤发电新技术

第九章洁净煤发电新技术第一节燃料电池一、概述背景：目前人类使用的能源是以石油、煤炭等为代表的化石燃料为主。然而大家都知道：第一，化石能源是一种有限的、不可再生的资源；第二，化石燃料的使用带来了严重的环境问题，威胁人类的健康和生存；第三，国际石油争夺越来越激烈。因此，开发和利用来源更为广泛、清洁、高效的新能源刻不容缓。“氢经济”：氢以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体，氢能和可再生能源结合成一个完整的可再生的能源系统，基于这个系统的经济活动称为“氢经济”。第一节燃料电池二、燃料电池的定义及特点历史：简单地说，燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。第一节燃料电池第一节燃料电池二、燃料电池的定义及特点概念：在内部发生与水（H2O）电解相反的反应、将此时产生的电流输出到外部使用的电池。与普通电池不同，无需更换电池及充电。不过，需要供给氢气及甲醇等燃料。通过这些燃料中含有的氢（H）在燃料电池内部与空气中的氧（O）发生反应，在生成H2O的同时产生电流。与其说是电池，倒不如说是发电机。第一节燃料电池第一节燃料电池二、燃料电池的定义及特点燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：（1）能量转化效率高他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。（2）有害气体ＳＯx、ＮＯx及噪音低,ＣＯ2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。（3）燃料适用范围广。第一节燃料电池二、燃料电池的定义及特点（4）积木化强规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适（5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。第一节燃料电池三、燃料电池发电基本原理燃料电池（FuelCell），是一种发电装置，但不像一般非充电电池一样用完就丢弃，也不像充电电池一样，用完须继续充电，燃料电池正如其名，是继续添加燃料以维持其电力，所需的燃料是「氢」，其之所以被归类为新能源，原因就在此。燃料电池的运作原理（如图1），也就是电池含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。第一节燃料电池三、燃料电池发电基本原理氢气由燃料电池的阳极进入，氧气（或空气）则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成两个氢质子（proton）与两个电子（electron），其中质子被氧『吸引』到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子，因此水可说是燃料电池唯一的排放物。第一节燃料电池三、燃料电池发电基本原理燃料电池所使用的「氢」燃料可以来自于任何的碳氢化合物，例如天然气、甲醇、乙醇(酒精)、水的电解、沼气…等等。由于燃料电池是经由利用氢及氧的化学反应，产生电流及水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电耗时的问题，是目前最具发展前景的新能源方式，如能普及的应用在车辆及其他高污染之发电工具上，将能显著改善空气污染及温室效应。第一节燃料电池第一节燃料电池第一节燃料电池三、燃料电池发电基本原理同化学电池在结构上相似的是：燃料电池也是由阳极（又称燃料电极）、阴极（氧化电极）和电解质构成。电池的两个电极通过外接线路提供了电子转移的场所，电解质则构成了电池的内回路。以H2为燃料的反应过程：燃料和氧化剂分别在电池的阳极和阴极借助催化剂的作用电离成离子，并通过电解质在电极间发生迁移形成电势差，从而使电子经外电路发生从阳极向阴极转移，完成回路并产生电流。第一节燃料电池三、燃料电池发电基本原理燃料电池电解反应过程表示为：燃料电池不是储藏而是连续输出电能，只要燃料和氧化剂源源不断地供给电极，就可在排除反应产物和热量的过程中连续输出电能。OHOHOHOHeHeH22222222:244:442:总反应阴极阳极第一节燃料电池三、燃料电池发电基本原理这个反映是电解水的逆过程。电极应为：阳极：H2+2OH-→2H2O+2e-阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-电池反应：H2+1/2O2==H2O第一节燃料电池三、燃料电池发电基本原理另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。第一节燃料电池三、燃料电池发电基本原理燃料电池克服了普通热机所不可避免的热力学损失，从而超越了卡诺循环的限制，理论上可以实现80%的转化效率，虽然实际运行的燃料电池总的效率在45%~60%之间，如果能充分利用反应过程中的生成热，其综合利用效率仍可接近80%，远远超过常规燃煤电站（35%左右）以及先进的燃气-蒸气联合循环（50%左右）的发电效率。第一节燃料电池图9-2第一节燃料电池四、燃料电池的类型根据所采用电解质不同,燃料电池分为5种类型。（1）碱性燃料电池（AFC）——采用氢氧化钾溶液作为电解液。这种电解液效率很高（可达60一90％），但对影响纯度的杂质，如二氧化碳很敏感。因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。（2）质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。这种电解质具有高功率一重量比和低工作温度。是适用于固定和移动装置的理想材料。第一节燃料电池四、燃料电池的类型（3）磷酸燃料电池（PAFC）采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。很适合用于分散式的热电联产系统。（4）熔融碳酸燃料电池（MCFC）的工作温度可达650℃。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。（5）固态氧燃料电池（SOFC）采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。他们需要采用相应的材料和过程处理技术，因为电池的工作温度约为1000℃。第一节燃料电池再生氢氧燃料电池再生氢氧燃料电池将水电解技术(电能+2H2O→2H2+O2)与氢氧燃料电池技术(2H2+O2→H2O+电能)相结合,氢氧燃料电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”,起到蓄能作用。可以用作空间站电源。第一节燃料电池第一节燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。反应原理示意图如下：阴极：O2+2CO2+4e-→2CO32-阳极：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e–总反应：O2＋2H2→2H2O第一节燃料电池第一节燃料电池第一节燃料电池第一节燃料电池第一节燃料电池第一节燃料电池安装在美国Cinergy的Ballard燃料电池装置第一节燃料电池安装在柏林的250kWPEMFC燃料电池电站第二节整体煤气化联合循环发电技术整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术整体煤气化联合循环（IGCC-IntegratedGasificationCombinedCycle）发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备（包括硫的回收装置），第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。第二节整体煤气化联合循环发电技术整体煤气化联合循环（IGCC）发电过程向气化炉中喷入煤粉或水煤浆、水蒸气和来自空气分离器的富氧化剂，在高压（2~3MPa）的条件下产生中低热值的合成粗煤气（CO+H2);经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，生成的高温高压的烟气进入燃气轮机中膨胀做功，发电并驱动压缩空气机。空压机输出的压缩空气一部分燃气轮机的燃烧室，一部分经空气分离器制的富氧。燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功发电。整体煤气化联合循环系统简图第二节整体煤气化联合循环发电技术整体煤气化联合循环（IGCC）发电原理IGCC的原理是：煤经过气化和净化后，除去煤气中99％以上的硫化氢和接近100％的粉尘，将固体燃料转化成燃气轮机能燃用的清洁气体燃料，以驱动燃气轮机发电，再利用燃气轮机高温排气经余热锅炉产生的蒸气推动蒸汽轮机做功发电，即使得燃气发电与蒸汽发电联合起来。第二节整体煤气化联合循环发电技术整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术从总体上讲，一套完整的IGCC系统应该包括以下三个部分：①气化部分：包括气化炉、进料系统、粗煤气显热回收系统和净化系统。②动力部分：包括燃用清洁煤气的燃气-蒸汽联合循环发电机组。③空分部分：在需要纯氧做气化剂时的深冻制氧空气分离系统。第二节整体煤气化联合循环发电技术从联合循环的形式上看，IGCC属于非补燃余热锅炉型联合循环，简单地说，它是利用煤的气化和净化设备，将煤转化为干净的可燃煤气，从而在高效且比较成熟的燃气-蒸汽联合循环中使用，以实现煤的洁净发电。总体上看，IGCC较好地实现了煤中化学能的洁净转化，并通过联合循环实现了能量的高效梯级利用。第二节整体煤气化联合循环发电技术整体煤气化联合循环发电技术主要优点1．热效率高，目前已达43％～46％，计划2010年可达到50%。2．环保性能好。脱硫率98％～99％以上，NOx排放等同于天然气，CO2排放也较少。3．燃料适应性强，对高硫煤有独特的适应性。4．可用于对燃油联合循环机组及老燃煤电厂改造，达到提高效率、改善环保、延长寿命的重种目的。第三节燃煤增压流化床锅炉联合循环发电技术增压流化床锅炉联合循环（PFBC）是将增压流化床燃烧技术与高效的燃气-蒸汽联合循环相结合发展起来的一项洁净煤发电技术。工作原理：将煤等燃料和脱硫剂一起送入压力为1.0~1.6MPa的增压流化床锅炉中，在其中完成燃烧和脱硫过程；流化床锅炉生成的高温烟气（900ºC左右）经高温除尘后直接送入燃气轮机做功发电，并驱动压气机。蒸汽动力循环所需的主蒸汽则来自流化床锅炉受热面蒸汽侧。第三节燃煤增压流化床锅炉联合循环发电技术增压流化床锅炉联合循环（PFBC）分为第一代和第二代技术。第一代PFBC：分别采用过鼓泡流化床和循环流化床锅炉，都实现了商业运行。然而流化床属于低温燃烧方式，其燃气轮机入口温度偏低，循环发电的整体效率不高，一般在41~%43%左右。第三节燃煤增压流化床锅炉联合循环发电技术第二代PFBC：在增压流化床锅炉前增加一个炭化炉，在燃气轮机之前增加一个顶置燃烧室，煤在炭化炉内发生部分气化，生成低热值煤气和焦炭，其中焦炭送入增压流化床锅炉中燃烧，生成主燃气以及蒸汽动力循环所需的主蒸汽；低热值煤气则经过除尘后送到顶置燃烧室，与从锅炉中出来的同样经过除尘的主燃气混合燃烧，使进入燃气轮机时的燃气初温提高到1100~1300ºC，从而将循环的总体效率提高到45%~50%左右。第三节燃煤增压流化床锅炉联合循环发电技术增压流化床循环（PFBC）的特点及影响因素特点：低污染、高效率。适合于改造已有旧的蒸气电站，即使新建电站，也由于PFBC的锅炉压力高、体积小