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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)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(duì)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?？拷紵鞯牡胤剑瑥娜紵龤怏w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(duì)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(duì)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)