超临界机组节能减排技术分析

买宏伟

摘要：伴随着科学技术的不断进步，我国经济得到持续发展，人们物质生活水平得到显著提升，但同时环境污染问题也日益严重。作为污染大户和大气污染主要来源的燃煤电厂亟待对自身的相关技术进行改进和升级，如何实现超临界燃煤机组的节能环保设计，实现排放烟气的高效处理不仅是电机组未来发展的主要趋势，同时更是确保燃煤电厂长期可持续发展的关键。文章将结合多年从事电厂热机、环保技术的实践工作经验，围绕超临界机组节能减排技术展开分析，首先阐述了超临界机组的基本定义与特性，然后分析了超临界燃煤机组节能环保设计技术，接着重点探讨了超临界机组与亚临界机组的比较及优势，最后分析了超临界机组研制发展可能采取的节能、环保设计技术及其发展趋势。

关键词：超临界；节能减排；电力设计

引言

近年来，随着能源需求量的持续增加，超临界燃煤机组在各种火电装机中得到广泛应用，超临界机组成为在建或计划建设电厂的主要机型，发展至今，其已占火电装机总容量的50%以上。调查显示，在科学技术的有力支持下，我国在火力发电技术在装机容量、机组容量构成、能源利用效率等方面取得了巨大进步，但同时要注意到，超临界燃煤机组造成的污染却未能得到很好控制，为此，现阶段各大电力企业的首要任务应当是加强对于超临界燃煤机组节能环保设计技术的研究，以节能减排为目标，在保证装机容量有效扩大的同时，尽可能减少机组对环境的污染。

超临界火电机组具有显著的节能和改善环境的效果，我国将主要发展高效率高参数的超临界火电机组。世界上超临界机组发电热效率最高可达50%，供电煤耗远低于亚临界压力机组；采用低氮燃烧技术，可在燃烧过程中减少65%的氮氧化物及其它有害物质的形成，脱硫效率高于98%，大大提高机组节能降耗水平。为了减少二氧化硫、NOx等污染物的排放，目前各国都在争先研究更高参数的超临界机组，努力研发节能减排技术，进一步提高机组热效率。

1超临界机组的定义

超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129MPa的机组。目前我国运行的超临界机组运行压力在24～25MPa之间。从理论上来说，当水的状态参数达到临界点时（压力22.115MPa，温度374℃），水的汽化会在一瞬间完成。因为在临界参数下汽水密度相等，所以在超临界压力下汽水无法维持正常循环，即不能再使用汽包锅炉，而是改为用直流锅炉。2006年我国平均供电煤耗达到366g/（kW/h），比国外高出50～60g/（kW/h），比率达到25%以上。与国外相比较，我国的火电机组资源浪费严重，废气排放量严重超标。而超临界机组和超临界机组是提高煤炭利用率，降低环境污染有效而经济的途径之一。

2超临界机组的特性—以600MW超临界机组为例

2.1非线性特性强

超临界机组采用的是超临界参数的蒸汽，机组的运行方式是滑参数运行方式，超临界机组是在亚临界和超临界两种工况下进行实际运行的。在亚临界运行工况下，给水需要经过加热段、蒸发段与过热段三个部分；而在超临界运行工况下，因为汽水的密度相同，水在一瞬间就转化成蒸汽。由于亚临界和超临界区工质物性存在巨大差异，以及不同燃烧率下的锅炉蒸发段（或相变点）位置的迁移等因素的影响，机组的动态特性参数也发生大幅度变化，使超临界机组呈现很强的变参数特性和非线性特性。所以在亚临界运行方式和超临界运行方式间，机组具有不同的控制特性。超临界机组是复杂多变的被控对象，比常规的亚临界机组更难控制。

2.2燃水比难于控制

超临界机组控制的难点在于锅炉的燃水比调节。因为燃水比变化时，出口汽温的响应迟延很大，所以不可以拿出口汽温当做燃水比调节的反馈量。和汽包锅炉机组的调节系统相比较，超临界机组的给水调节系统类型有很多，但现有控制方案仍存在不足，还不能够满足变压运行与大范围负荷变化的要求。目前很多电厂采用协调逻辑优化，在负荷变化时，控制燃料、给水的变化幅度，可有效降低燃水比变化幅度。

3我国超临界燃煤机组节能环保设计技术

3.1高效除尘器技术

通过控制优化、高频电源优化、数模流场优化等措施全面提高电除尘器效率可显著提升超临界燃煤机组的环保性。目前，我国常用的高效除尘器包括移动极板电除尘器、低温除尘器以及布袋除尘器三类，其中，移动极板电除尘器可有效防止电晕，主要利用自带的旋转刷和移动的收尘极板实现对于粉尘的捕集，相较于传统的固定电极系统，移动极板电除尘器具有系统紧凑、能耗低、清扫干净的优势，能够以有限的资源带来尽可能多的效益。低温电除尘器在日本等发达国家使用较广，目前国内多家电厂也通过设备改造在尾部烟道增加了低温省煤器，通过在电除尘器安装之前优先安装降温换热器的方式，能够有效降低烟气排放温度，提高除尘效率。相较于其余两种除尘器，布袋除尘器的生产制造难度更低，同时除尘率可达99.95%，但布袋除尘器定期维护要求较高，当除尘器阻力达一定值后，需要及时清灰，否则会使效率下降。

除此之外，目前新型节能技术是电袋复合除尘器，采用高频电压电源供电、整体式布局，电、袋区过度结构等多项特色技术，充分发挥静电除尘器和布袋除尘器的优点，有效的弥补了两者的缺点，有除尘效率高、设备阻力低和滤袋寿命长等优点，具有运行维护费用低、占地面积小等节能和高可靠性特点。

3.2烟气脱硫技术

目前，我国常用的烟气脱硫技术包括湿法烟气脱硫、烟气循环流化床半干法烟气脱硫以及活性焦干法烟气脱硫三种，具体而言：首先，湿法烟气脱硫技术是目前应用最广，脱硫效率最高、最可靠的一种脱硫工艺，其中包含的吸收塔喷淋系统优化以及双托盘技术等技术对于我国火电机组烟气脱硫装置的增容改造有着重要的启发作用；其次，烟气循环流化床半干法烟气脱硫技术，该技术主要通过气-液以及气一固之间的反应来完成脱硫，目前我国煤电厂中的应用量较大且技术基本成熟，研究证实，当燃煤含硫量在2%以内且钙硫比在1.3以下时，烟气循环流化床半干法烟气脱硫技术的脱硫率可达90%以上；最后，活性焦干法烟气脱硫技术，该技术主要通过理化吸附硫资源并回收来实现脱硫目的，相较于烟气循环流化床半干法烟气脱硫技术，工艺脱硫效率更高，通常脱硫率在95%以上，且脱硫过程中几乎不会对水资源形成消耗，尤其适用于富煤缺水地区的机组建设。

3.3节能设计技术

一般情况下，超临界机组的参数为25MPa/600℃/600℃，研究指出，通过提升机组参数，不仅可有效提高电厂热效率，同时可显著降低煤耗。在提升机组参数时，可采用褐煤预干燥技术，通过蒸汽干燥减小设备体积，进而全面提高设备热效率；此外，还可采用降低汽轮机背压、动态分离器燃烟煤机组磨煤机等方式。

4超临界机组与亚临界机组的比较及优势

4.1碳排放量更少，能耗率更低

蒸汽参数很大程度上会影响火电厂的热效率，超超临界机组相比同容量的超临界机组在二氧化碳排放量方面会减少7%，煤耗降低3.8%；超临界机组相比同容量的亚临界机组在二氧化碳排放量方面会减少10%，煤耗降低5.9%。其中，600MW的超超临界机组发电煤耗为285g/kW•h，供电煤耗为299g/kW•h；600MW的超临界机组发电煤耗为292g/kW•h，供电煤耗为306g/kW•h；而600MW的亚临界机组发电煤耗达到每度301g，供电煤耗达到318g/kW•h。节能减排方面，超临界机组比亚临界机组具有很大优势。

4.2需要更高等级的金属材料

根据目前的市场价格，超临界机组的锅炉造价比亚临界机组的锅炉造价会高出5%，加上一些汽轮机的价格变动，建设一个超临界机组的投资费用大概会上涨2%左右。综合考虑电煤价格和超临界机组供电效率高的因素，超临界机组综合经济效益还是高于投资亚临界机组。

4.3动态特征更加复杂

超临界机组蓄质量、蓄热量相对较小，在外界存在较大的扰动影响时，会引起超临界机组内部的温度波动，严重时会出现爆管现象；超临界机组一般采用变压运行，使得该机组具有很强的变参数和非线性特性，较亚临界机组难以控制；超临界机组一般采用直流锅炉，因为缺少汽包的缓和，像负载控制回路、气温以及给水之间都存在很强的非线性耦合。由于上述特点，目前一些超临界机组采取了更多的高性能的自动控制系统。

4.4具有更好的负载调节能力

因为超临界机组锅炉无汽包，因此变负荷性能较好，具有复合变压运行能力，可以适应电网调峰的要求。在低负荷时蒸汽比容大，运行良好，但要防止因为压力过低引起的流动不稳现象；在中间负荷范围内采取变压运行，可以保证较小的汽机热应力和较高的汽机内效率；在高负载运行时采用额定压力，这样就可以使机组具有良好的循环效率。因此超临界机组就能无论在高负荷状态还是低负荷状态都能保持较高的效率。当然，若亚临界机组配备热工自动控制系统，也会具有较好的负载调节能力。

5超临界机组研制发展可能采取的节能、环保设计技术

超临界机组研制发展可能采取的节能技术包括：其一，采用低温高效烟气处理系统或者烟气余热回收技术，据相关实验验证，采用上述技术可以使煤耗降低1～3g/kW•h；其二，加大超临界机组汽轮机排汽面积。例如600MW超临界机组汽轮机有两缸两排汽和三缸四排汽两种结构，背压相同情况下，前者比后者的排汽面积小约23%，机组煤耗值增加约0.75g/kW•h；其三，降低超临界机组排汽背压。相关资料显示，降低600MW级超（超）临界汽轮机排汽背压0.5kPa，热耗降低约65.3kJ/kW•h，煤耗可以降低2g/kW•h左右；其四，采用褐煤预干燥技术，可以再保证安全可靠的前提下，提高热效率，同时减小设备体积，国外相关的褐煤干燥技术的发展趋势可以围绕大型化干燥系统、水分蒸发废热循环利用等方面进行研究与应用；其五，相比与超临界机组，超超临界机组在提高电厂的热效率和降低煤耗等方面具有更大的优势。

超临界机组研制发展可能采取的减排技术包括：其一，采用高效除尘器技术，移动极板电除尘器与相比传统的固定电机系统，耗电量更少，系统更加紧凑，且具有更加高效的收集高电阻率粉尘的功能，其工作原理主要是利用移动的收尘极板和旋转刷去除捕集的粉尘，并且可以防止电晕；高效电除尘器类型中，国内应用最为广泛的是双室五电厂静电除尘器，为了提高电除尘器的工作效率，目前一般采用数模流场优化、控制优化、高频电源优化等措施，同时通过设备改造在尾部烟道增加低温省煤器，在电除尘器安装之前优先安装降温换热器的方式，能够有效降低烟气排放温度，提高除尘效率，达到超低排放的目的。其二，烟气脱硫技术，目前常用的烟气脱硫技术又可以分为活性焦干法烟气脱硫技术、烟气循环流化床半干法烟气脱硫技术和氨气、海水、石灰石等湿法烟气脱硫技术。活性焦干法烟气脱硫技术的脱硫效率可以达到95%，以理化吸收的原理进行可回收的干法烟气脱硫，其不仅能够脱硫和脱硝，还能够脱出其他有害物质，该技术常用于一些多煤少水的地区，因为该技术在脱硫、脱硝时几乎不耗水；烟气循环流化床半干法烟气脱硫技术，该技术相对比较成熟，脱硫率可以达到90%。其脱硫过程主要是在脱硫塔内进行，烟气进入化学反应液中，会与其中的钙离子发生反应，在蒸发过程中，烟气会不断的加热颗粒中的液相水分，相关颗粒会最终生成固体干态的脱硫灰渣。海水、石灰石等湿法烟气脱硫技术是目前可靠性最高并且脱硫效率最高的一门脱硫技术，国内有关专家讲吸收塔喷淋系统优化技术、双托盘等技术增加到海水、石灰石等湿法烟气脱硫技术中，进一步增强了其脱硫率。

6超临界机组节能环保设计的发展趋势

近年来，我国陆续在新疆、陕西、内蒙古等地区规划很多超临界机组，上述地区煤炭资源丰富，但水资源严重不足。针对上述地区特有环境条件，将重点建设燃烟煤空冷机组、燃褐煤空冷机组和燃烟煤湿冷机组等，采用不同的设计集成技术，优化方案从而提高机组综合效率。根据上文有关超临界机组节能减排、环保设计技术分析，结合各地区分布特点，提出提高机组节能减排能力的建议：

（1）缺水地区最主要的特点就是煤多水少，煤质具有中低硫、高灰、高热值或者低硫、高灰、低热值的特点。针对上述特点可建设节水型高效烟气处理技术的超临界机组，采用循环流化床锅炉，布袋除烟气技术、烟气循环流化床半干法烟气脱硫技术、SCR脱硝技术的优化组合或者活性焦干法烟气脱硫技术、高效除尘器、SCR脱硝技术、低一氧化氮、二氧化氮燃烧器的优化组合。

（2）内陆偏远地区最主要的特点是远离国家能源中心，且煤质具有高硫、中等热值或者高硫、高灰、低热值的特点，可以采用燃低硫煤、高灰份的超临界机组。具体可以采用循环流化床锅炉，布袋除尘器、烟气循环流化床半干法烟气脱硫技术的优化组合，或者湿法烟气脱硫技术、布袋除尘器或者移动板极电除尘器或者高效电除尘器、SCR脱硝技术、低一氧化氮、二氧化氮燃烧器的优化组合。

（3）沿海地区最主要的特点是环保标准相对较高，且煤质具有低硫、低灰、高热值的特点，且燃煤主要靠进口。针对上述特点可以采用超临界机组。具体可以采用湿法烟气脱硫技术、布袋除尘器或者移动板极电除尘器、低温电除尘器、高效电除尘器、SCR脱硝技术、低一氧化氮、二氧化氮燃烧器的优化组合。

7结论

通过上文分析可知，超超临界机组节能减排技术是未来几年的发展重点，针对不同的地区，采用不同的技术优化组合，才能真正达到机组节能减排的目的。我们应该认识到节能减排工作是需要长期坚持不懈努力的，我们需要进一步加大加快新技术的投资应用，技术上持续改进，管理上进一步精细化，为节能减排工作进一步创新，共同促进我国节能减排水平的持续提升，为电力事业的发展和国家的经济建设做出积极的贡献。

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