能源與環(huán)境

1、化石燃料電站5.1引言在第二章中我們了解到，在全球范圍內(nèi)，每年化石燃料發(fā)電廠消耗了55.5%的化石燃料供給，這其中最重要的燃料形式是燃煤。因此，化石燃料電廠是大氣中人類污染物排放主要的承擔(dān)者，包括CO2和其他污染物，諸如不完全燃燒導(dǎo)致的生成物SO2，NOX和顆粒物。出于對電廠經(jīng)濟(jì)因素的考慮，電站通常建成大容量，高度集成化的機(jī)組，典型的一般提供電力容量在500—1000MW的范圍內(nèi)，也因此我們投入了很大的努力來改善效率和環(huán)境控制，因?yàn)檫@些

2、努力最終能為我們帶來了全球范圍內(nèi)很明顯的污染排放的減少和化石燃料的節(jié)約。幾乎所有的化石燃料電站都遵循這樣的工作原則，那就是在熱量和內(nèi)燃機(jī)引擎內(nèi)實(shí)現(xiàn)化石燃料化學(xué)能到機(jī)械能（通過蒸汽或者燃?xì)廨啓C(jī)）再到電能的轉(zhuǎn)換，這些在三四章中已經(jīng)介紹了。大部分大容量的電站使用的的是rankine蒸汽循環(huán)，在這種蒸汽循環(huán)中，蒸汽由在鍋爐內(nèi)燃燒的氣體加熱生成，然后蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。通常情況下，蒸汽輪發(fā)電站連同核電站給區(qū)域供電提供了基本的載荷，另

3、一方面，高峰期的載荷有時(shí)要由遵循Brayton循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)電站提供。在這些電站中，燃燒的天然氣生成物直接推動(dòng)汽輪機(jī)，進(jìn)而推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。最好的燃?xì)庋h(huán)電站能實(shí)現(xiàn)超過40%的熱效率；美國的平均利用效率在36%，全球的平均值是33%.燃?xì)廨啓C(jī)電站能實(shí)現(xiàn)25%30%范圍內(nèi)的熱效率?，F(xiàn)在運(yùn)行的先進(jìn)電站更多的同時(shí)采用rankine和Brayton循環(huán)。這種采用混合循環(huán)的電站能實(shí)現(xiàn)45%的熱效率。電站低效率的原因可以歸結(jié)為兩個(gè)方面，第一，這是熱力

4、學(xué)第二定律的結(jié)果，因此，在熱量循環(huán)的過程中，當(dāng)完成了有用的做功后，剩余的燃料熱能被排放到冷卻裝置中，通常為地表水（河流，湖泊和海洋）或者通過冷卻塔到空氣中。第二方面的因素歸結(jié)為無法挽回的熱量損失，如爐膛，管道和摩擦損失等，還有跟隨尾部煙氣排放的剩余熱量。因此可以說，對于電力生產(chǎn)來說這是一個(gè)不幸的事實(shí)，因?yàn)殡娬局焕昧溯斎牖剂匣瘜W(xué)能的2550%來生產(chǎn)電能，而剩余的被排放到河流和高空中成為廢棄的。在本章中，我們將介紹化石燃料電站的工作原

5、理和組成部分：燃料儲(chǔ)存和準(zhǔn)備，燃燒室，鍋爐，汽輪機(jī)，冷凝器和發(fā)電機(jī)組，我們重點(diǎn)關(guān)注排放物的控制技術(shù)，這正是在法律上大多數(shù)國家需要的，以此來保證大眾的健康和環(huán)境，同時(shí)我們也要簡要的探討旨在增加熱效率和降低污染的先進(jìn)的循環(huán)電站技術(shù)。5.2化石燃料電廠組件在化石燃料電廠中，燃料固有的化學(xué)能的轉(zhuǎn)化首先為提高燃燒氣體的焓值焓值通過對流和輻射的形式傳遞到一個(gè)工作的流體(通常是水蒸汽)工作的流體介質(zhì)的焓值轉(zhuǎn)化為機(jī)械能最終渦輪機(jī)軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)

6、的電能?；剂想姀S的主要部件：?燃料的貯存和準(zhǔn)備?燃燒器?鍋爐?汽輪機(jī)?燃?xì)廨啓C(jī)?冷凝器?冷卻塔?發(fā)電機(jī)在旋風(fēng)爐中，燃燒是在水冷的臥式汽缸內(nèi)完成的，這個(gè)圓柱體的缸體主要布置在鍋爐外面的壁面上，熾熱的燃燒氣體從傳送旋風(fēng)爐的主要的鍋爐。旋風(fēng)爐的優(yōu)勢大多數(shù)的礦物質(zhì)形可融化的積灰，叫做熔渣，并且可以排入鍋爐的底部，只有一少部分的存積在鍋爐內(nèi)形成飛灰，這樣以來，體積小價(jià)格便宜的粒子收集器就成了必須的了，缺點(diǎn)是高于經(jīng)驗(yàn)溫度后，旋風(fēng)爐內(nèi)大量的NOx

7、就會(huì)生成，如今配備有旋風(fēng)爐的電站需要安裝煙氣脫氮設(shè)備，以減少NOx煙氣濃度，考慮到煤質(zhì)和灰分，這大大破壞了旋風(fēng)爐的成本節(jié)約。一些舊發(fā)電廠和小規(guī)模工業(yè)鍋爐采用鏈條爐來燃燒，在鏈條燃燒鍋爐中碎煤被放在傾斜的移動(dòng)的柵格上送進(jìn)鍋爐內(nèi)。一次風(fēng)從柵格下面吹上，二次風(fēng)從上往下吹。等到柵格橫貫在鍋爐中時(shí)，煤粉顆粒就會(huì)燃燒完全，剩下的灰粒掉進(jìn)了一個(gè)漏斗中。鏈條爐中碳燃燒完全的效率要比煤粉燃燒器中的要低，原因是在鏈條爐中，空氣和煤的混合不能很好的，因此和煤

8、粉爐相比，鏈條爐的熱效率要低一些。5.2.3鍋爐鍋爐鍋爐是化石燃料蒸汽發(fā)電廠的中央組成部分，大部分的鍋爐采用水冷壁鍋爐，它主要是由垂直放置的管子組成，這些管子可以給鍋爐給水，同時(shí)可以從鍋爐內(nèi)帶出蒸汽。最初的水冷壁鍋爐是由喬治巴布科克和斯蒂芬威爾科克斯于1867年發(fā)展出來的，最早的水冷壁鍋爐被用在往復(fù)式蒸汽活塞引擎，例如老式的火車機(jī)頭。只有在20世紀(jì)隨著汽輪機(jī)的到來和它對大容量蒸汽壓力和流動(dòng)的需求，水冷壁鍋爐猜得到了全面的發(fā)展。在現(xiàn)代的水

9、冷壁鍋爐中，爐膛和多種多樣的鍋爐組成部分都得到了升級(jí)。圖5.2顯示的是一個(gè)普通的水冷壁鍋爐的原理流程圖，從高壓給水加熱器中溫度在230260?C的水進(jìn)一步在鍋爐的省煤器中加熱，溫度達(dá)到315?C，然后流到汽包中。通常汽包放在鍋爐的頂部，有30米長直徑達(dá)5米。在汽包中由于重力作用，實(shí)現(xiàn)液態(tài)水和蒸汽的脫離。從汽包，液態(tài)水從下水管流到再熱器中。在那里，高溫壓縮水通過上升管向上流動(dòng)（因?yàn)橐粋€(gè)負(fù)面的密度梯度），并且水沸騰為蒸汽再次發(fā)生，通過分離的

10、蒸汽流到鍋爐的另一處叫做過熱器，在這里溫度被加熱到565?C，壓力達(dá)到24Mpa。在這一點(diǎn)上，溫度和壓力超過了水的臨界溫度(Tc=374?C)和壓力(pc=22MPa)，超臨界蒸汽驅(qū)動(dòng)高壓汽輪機(jī)。廢氣從高壓渦輪中流入到鍋爐的再熱器部分，溫度再次升高大約500?C，壓力為370mpa，這些蒸汽用來驅(qū)動(dòng)低壓汽輪機(jī)。鍋爐的過熱器、再熱器部分過去通常位于鍋爐屈服的地反叫做脖頸。為了優(yōu)化熱效率燃燒空氣在鍋爐的空氣預(yù)熱器中被預(yù)熱到溫度250—350

11、?C。靠近燃燒器的地方，從燃燒氣體到鍋爐管道的熱量傳遞是通過輻射的形式，離開燃燒器時(shí)，熱量傳遞主要通過對流作用。煤和石油的火焰由于未燃燒的碳和灰粒的存在，在可見光譜中屬于高度發(fā)光的，而天然氣火焰亮度少是因?yàn)樵诨鹧嬷腥狈︻w粒。然而多數(shù)輻射傳輸?shù)臒崃渴菑墓庾V中不可見的紅外部分產(chǎn)生的。（卡諾)熱力學(xué)理論描述的溫差在838K(565?C)到298K(25?C)的—也就是過熱器中的溫度與冷凝器中水的冷卻溫度之間的溫差熱機(jī)的效率是η=(TH?TL)

12、TH=64%.然而就像以上面介紹中提到的那樣蒸汽發(fā)電廠的典型效率在3340%的范圍內(nèi)。因?yàn)闊岜惶砑拥剿推性谶@些限制下所以朗肯循環(huán)效率一定是低于卡諾循環(huán)。因此熱效率出現(xiàn)退化，原因就在于通過水冷壁、通風(fēng)管道、渦輪葉片的熱損失和摩擦熱損失。5.2.4汽輪機(jī)5.2.4.1沖擊式汽輪機(jī)在沖擊式汽輪機(jī)中，一股蒸汽撞擊渦輪機(jī)的葉片。葉片是對稱安置的，有相同的等的進(jìn)口角和出口角通常是20?。來自過熱器，溫度在565?C和壓力超過20MPa的蒸汽當(dāng)擴(kuò)