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摘要：本文從能源和環(huán)境的角度出發(fā)，介紹了提高能源利用效率和減少大氣污染物排放的未來(lái)鍋爐技術(shù)，討論了這些新技術(shù)賴(lài)以發(fā)展的新材料技術(shù)，設(shè)計(jì)技術(shù)，制造技術(shù)和控制技術(shù)。這些新技術(shù)的推廣應(yīng)用將極大地節(jié)約日益昂貴的能源，改善我們賴(lài)以生存的環(huán)境，促進(jìn)我國(guó)能源和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)鍵詞：高能效，低排放；電站鍋爐；工業(yè)鍋爐；生活鍋爐；可持續(xù)發(fā)展
中圖分類(lèi)號(hào)：TK229   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
New Boiler Technologies of High Energy Efficiency and Low Pollutants Emission
Zhao Qinxin
(Boiler Institute,Thermal Engineering, Xi’an Jiaotong University,Xi’an,710049)
Abstract:This paper introduced new boiler techonologies for improving energy efficiency and reducing pollutants emission, discussed new materials,designing,manufacturing and controlling technologies that stimulate their developments. All these applications would conserve energy significantly, improve the environment we live in and promote national economic sustainable developments. 
Key words:high energy efficiency;low pollutants emission;power boilers;Industrial Boilers;domestic boilers;
Sustainable development
1．概述
鍋爐是目前應(yīng)用最廣泛的能源終端利用技術(shù)，也是大氣中污染物排放的主要來(lái)源。燃燒過(guò)程中排放的污染物，如：二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)排入大氣后會(huì)引起局部地區(qū)酸雨；二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等溫室氣體的排放，將會(huì)引起全球氣候變暖。全球變暖引起的氣候變化是全世界面臨的重大挑戰(zhàn)，提高能源轉(zhuǎn)換和利用效率以及更好地控制燃燒過(guò)程是減少大氣排放物的主要措施。表1列出了燃燒過(guò)程中的排放物及其對(duì)環(huán)境的影響。
為控制全球氣候的繼續(xù)變暖，保護(hù)人類(lèi)的生存環(huán)境。1997年在日本京都召開(kāi)了聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約第三次締約方會(huì)議，通過(guò)了一項(xiàng)有法律約束力的“聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約京都議定書(shū)”。議定書(shū)對(duì)38個(gè)主要工業(yè)化國(guó)家的CO2等溫室氣體作了具體減排規(guī)定，以保證從整體上將溫室氣體排放量從1990年的水平上至少下降5.2%。
根據(jù)京都議定書(shū)，我國(guó)溫室氣體（CO2）排放的形勢(shì)是非常嚴(yán)峻的。因?yàn)�，一方面，我�?guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤炭為主，約占了全部能源消費(fèi)的四分之三；與世界能源構(gòu)成相比，我國(guó)煤炭的比重比世界平均水平高1倍以上。而且根據(jù)我國(guó)國(guó)情，我們?cè)趯��?lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)還要堅(jiān)持以煤炭為主的能源消費(fèi)政策。眾所周知，燃燒化石燃料特別是煤炭是增加大氣中CO2濃度的最主要原因。另一方面，我國(guó)的能源利用率比較低。我國(guó)單位國(guó)民產(chǎn)值的能耗是發(fā)達(dá)國(guó)家的4～15倍。這意味著生產(chǎn)同樣產(chǎn)值的東西，我們要比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家多耗費(fèi)4～15倍的能源。而多耗費(fèi)能源就意味著多增加CO2排放。另外，盡管目前我國(guó)人均CO2排放量比較低，但由于人口基數(shù)大，CO2的排放總量并不少。我國(guó)1995年的CO2排放總量已位居世界第2位，僅次于美國(guó)。況且，我國(guó)目前的人均能源消費(fèi)量少，僅是發(fā)達(dá)國(guó)家的1/5～1/12。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化水平的提高，我國(guó)人均能源消費(fèi)必將大幅度增長(zhǎng)，CO2等溫室氣體排放也會(huì)大幅度增加，因此將面臨CO2排減排的巨大壓力。
表1燃燒系統(tǒng)排放物及其對(duì)環(huán)境的影響

排放物	形成原因	環(huán)境影響
二氧化碳(CO2)	碳的完全燃燒產(chǎn)物	全球變暖
一氧化碳(CO)	碳的不完全燃燒產(chǎn)物	煙霧
二氧化硫(SO2)	硫的燃燒產(chǎn)物	酸雨，煙霧
氧化氮(NO2,NO)	燃燒過(guò)程的副產(chǎn)品	酸雨
一氧化二氮(N2O)	燃燒過(guò)程的副產(chǎn)品	全球變暖
揮發(fā)有機(jī)物(VOCs)	液體燃料的泄漏和蒸發(fā)	煙霧
甲烷(CH4)	分配系統(tǒng)的泄漏，燃燒系統(tǒng)的未燃物	全球變暖
水汽(H2O)	氫的燃燒產(chǎn)物	汽霧
粒子塵、煙灰	未燃或部分燃燒的碳或碳?xì)浠�合�?/FONT>	煙霧
微量元素	雜質(zhì)	潛在的致癌物
鹵代化合物	鹵族化合物(氯，氟，溴，碘的化合物)	潛在致癌物，全球變暖

   根據(jù)我國(guó)的能源消費(fèi)特點(diǎn)和減排要求，提高能源的轉(zhuǎn)換和利用效率是我國(guó)長(zhǎng)期的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具體來(lái)講可以分成三個(gè)層次：即能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及能源轉(zhuǎn)換技術(shù)；提高能源利用效率，減少能源消耗量；大力開(kāi)發(fā)和利用可再生能源技術(shù)。初看起來(lái)，只有第二個(gè)層次涉及到鍋爐新技術(shù)，實(shí)際上第一、第三個(gè)層是影響鍋爐技術(shù)發(fā)展的重要前提，是大的政策框架。而高能效低排放鍋爐技術(shù)僅僅是重要的能源利用技術(shù)。
2．能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及能源轉(zhuǎn)換技術(shù)
以煤為主的能源資源結(jié)構(gòu)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，是我國(guó)能源發(fā)展的重要特點(diǎn)。為了優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減少煤炭消費(fèi)比重，從60年代開(kāi)始，不合理地增加了石油消費(fèi)比重，一直到1976年，石油消費(fèi)比重達(dá)到歷史最高點(diǎn)(23%)，煤炭消費(fèi)比重降到歷史最低點(diǎn)(70%)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和石油需求的增長(zhǎng)，石油進(jìn)口量增加，使我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)有所改善。
氣體燃料主要是指天然氣，其次是煤層氣和屬于可再生能源范疇的垃圾掩埋氣（沼氣）等。近年來(lái)，氣體燃料在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重不斷增加。其中西方工業(yè)國(guó)家的天然氣消費(fèi)量以每10年平均增加500Gm3的速度在增長(zhǎng)。50年來(lái),固體燃料在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重下降了50%；而氣體燃料的比重則上升了近60%。
與煤和石油等化石燃料相比，天然氣具有明顯的優(yōu)勢(shì)。常態(tài)下它是氣體，易于實(shí)現(xiàn)與空氣充分均勻混合而實(shí)現(xiàn)完全燃燒。這使得它一方面可避免燃燒時(shí)出現(xiàn)碳?xì)浠�合物未燃盡的現(xiàn)象；另一方面也可避免因不完全燃燒而產(chǎn)生的固體顆粒排放；且單位重量的天然氣中碳?xì)錈岙?dāng)量之比低于煤炭和燃料油；這些因素使得天然氣具有較高的能源利用率，單位發(fā)電量的CO2及其它有害物質(zhì)排放也相應(yīng)大大地低于其它化石燃料。不同燃料燃燒時(shí)釋放出的二氧化碳(CO2)的排放量是有很大差別的，由表2可見(jiàn)，天然氣產(chǎn)生1GJ的熱量所產(chǎn)生的CO2最少，一般僅為褐煤燃燒時(shí)所產(chǎn)生量的一半，天然氣是公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)潔凈燃料。
除了調(diào)整能源資源結(jié)構(gòu)，增加天然氣在一次能源中的消費(fèi)比例外，另外一個(gè)關(guān)鍵的措施是發(fā)展新型的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。這些技術(shù)包括：煤炭液化技術(shù)和煤炭氣化技術(shù)。說(shuō)到底，煤炭是一次能源的終結(jié)者，實(shí)際上，全世界探明儲(chǔ)量最多的礦物燃料能源仍然是煤炭。但直接使用煤炭是造成能源生產(chǎn)和利用技術(shù)落后以及能源效率較低的主要原因，降低了能源終端利用效率。能源轉(zhuǎn)化使用后將會(huì)提高能源利用效率并改善環(huán)境。
煤炭氣化是指用煤炭作為原料來(lái)生產(chǎn)工業(yè)燃料氣、民用煤氣和化工原料氣，它是潔凈、高效利用煤炭的最主要途徑之一，是許多能源利用高新技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，如燃料電池、整體或部分煤氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)等。煤炭的氣化也是煤炭間接液化的一條途徑。
煤液化技術(shù)主要是指煤炭轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴的技術(shù)，俗稱(chēng)煤變油，它包括直接液化技術(shù)和間接液化技術(shù)，可將煤轉(zhuǎn)化為汽油、甲醇、柴油等產(chǎn)品。我國(guó)富煤少油，石油供需矛盾日趨突出，2000年我國(guó)原油進(jìn)口接近8000萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)到2010年將達(dá)到1.6億噸�？窟M(jìn)口石油填補(bǔ)如此大的缺口顯然不現(xiàn)實(shí)，為此只能通過(guò)非石油路線合成液體燃料解決液體燃料的供需問(wèn)題。在替代石油的化石資源中，煤炭在近中期內(nèi)可以滿(mǎn)足與千萬(wàn)噸數(shù)量級(jí)的油品缺口相匹配的需要，即通過(guò)煤液化合成油實(shí)現(xiàn)我國(guó)油品基本自給，是目前最現(xiàn)實(shí)可行的途徑之一。
3．提高能源效率的新技術(shù)與新能源的開(kāi)發(fā)利用   
溫室氣體排放主要是化石燃料燃燒的產(chǎn)物。提高化石燃料的能源利用效率就等于是減少了化石燃料使用，能有效減緩溫室氣體的排放。目前，發(fā)電與供熱是我國(guó)化石燃料利用的主要形式，電力生產(chǎn)是CO2的排放大戶(hù)，因此，采用先進(jìn)的發(fā)電和供熱技術(shù)對(duì)減少溫室氣體排放有著重要意義。另一方面新能源發(fā)電和供熱技術(shù)的推廣也會(huì)大大減少化石燃料的消費(fèi)，減少排放，具有重大的戰(zhàn)略意義。
3.1高能效的發(fā)電技術(shù)
2000年，世界范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)的總裝機(jī)容量為3 507GW,其中煤電占51%，水電占19%，核電占10%，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電占8%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電占10%，其他2%�？梢�(jiàn)世界范圍內(nèi)以煤為能源的發(fā)電量仍占50%以上。
中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，也是當(dāng)今世界上幾乎唯一以煤為主的能源消費(fèi)大國(guó)，原煤占能源消費(fèi)總量的比例高達(dá)70%左右，用于發(fā)電的煤炭約占煤炭總產(chǎn)量的40%。我國(guó)現(xiàn)有火電機(jī)組設(shè)備總體技術(shù)水平落后，性能與世界先進(jìn)水平相比有較大差距，發(fā)電煤耗高；能源利用率低，進(jìn)一步加劇了煤炭燃燒造成的氣體排放及環(huán)境污染。因此以煤為主要能源的清潔煤發(fā)電技術(shù)在我國(guó)的推廣具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
發(fā)電減排溫室氣體主要是提高發(fā)電裝置的能源轉(zhuǎn)換效率，發(fā)展新型高效率的清潔能源發(fā)電技術(shù)。如發(fā)展基于常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組(PC)的更高壓力和更高蒸汽溫度的超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)和加壓循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)(PFBC)。超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)可以顯著提高機(jī)組熱效率，但必須采用先進(jìn)的煙氣污染控制技術(shù)(FGD-煙氣脫硫,SCR-選擇性催化還原法脫氮技術(shù))才能減少SOx和NOx的排放。除潔凈煤發(fā)電技術(shù)外，國(guó)家也正有計(jì)劃地發(fā)展以天然氣為能源的高能效發(fā)電技術(shù)。目前國(guó)家正在推進(jìn)的高效發(fā)電技術(shù)有：超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)(USC)，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(IGCC)；燃?xì)庹羝��?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(ACC)等。表3示出了以煤為能源的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)的熱效率及環(huán)境影響(按1997年的數(shù)值計(jì)算)。

3.1.1 超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)(USC)
由于超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)(USC)仍是基于常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的漸進(jìn)技術(shù)，所以發(fā)展USC技術(shù)是最具有現(xiàn)實(shí)意義的，而且和其它技術(shù)相比極具競(jìng)爭(zhēng)力，目前一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家都開(kāi)始采用USC發(fā)電機(jī)組。日本已經(jīng)投運(yùn)了16臺(tái)蒸汽參數(shù)為593°C，單機(jī)容量700～1050MW級(jí)的超超臨界發(fā)電機(jī)組，已投運(yùn)的超超臨界發(fā)電機(jī)組的效率都達(dá)到43%以上。丹麥已于1992年在VEST電廠投運(yùn)一臺(tái)407MW,參數(shù)為25.1 MPa,560/560°C的超臨界機(jī)組，其供電凈效率達(dá)到45.3%。丹麥的Nordjyllandsvaerket電廠建有兩臺(tái)412MW的超臨界機(jī)組，分別燃用煤和天然氣，蒸汽參數(shù)為28.5MPa，580/580/580°C，其中3號(hào)機(jī)組熱效率可達(dá)47%。目前正在進(jìn)行的EC Joule-THERMIE 計(jì)劃將發(fā)展蒸汽壓力為37.5MPa，蒸汽溫度為 700 °C的更先進(jìn)的超超臨界機(jī)組，其發(fā)電效率將超過(guò)50%。
面臨這種緊迫形勢(shì)，我國(guó)國(guó)家電力公司也及時(shí)提出了發(fā)展超超臨界并建立示范電廠的863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，目前該計(jì)劃的第一子課題“超超臨界發(fā)電機(jī)組技術(shù)選型”已經(jīng)完成，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家論證，并結(jié)合我國(guó)動(dòng)力制造業(yè)發(fā)展的前提條件，認(rèn)為我國(guó)發(fā)展容量為700～1000MW，蒸汽參數(shù)為：25MPa，593/593°C(或600/600°C)的超超臨界發(fā)電機(jī)組是合適的。
表4示出了超超臨界發(fā)電機(jī)組和常規(guī)發(fā)電機(jī)組相比熱效率提高的幅度、燃料節(jié)約量、溫室氣體減少的排放量的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看到，超超臨界發(fā)電機(jī)組具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。
3.1.2 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(IGCC)
IGCC發(fā)電技術(shù)通過(guò)將煤氣化生成燃料氣、驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、其尾氣通過(guò)余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，使燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合發(fā)電，有較好環(huán)境效果并提高發(fā)電效率。IGCC技術(shù)具有系統(tǒng)效率高、環(huán)保性能好、易大型化、燃料適應(yīng)性好等特點(diǎn)，但其投資也較一般燃煤電站高�？萍疾坑凇熬盼濉逼陂g組織進(jìn)行了煤氣化、熱煤氣凈化、燃?xì)廨啓C(jī)等關(guān)鍵技術(shù)研究；國(guó)家計(jì)委已批準(zhǔn)在山東煙臺(tái)采用引進(jìn)方式建設(shè)一座400MW等級(jí)IGCC示范電站的立項(xiàng)報(bào)告。
IGCC由于系統(tǒng)技術(shù)的復(fù)雜和較高的運(yùn)行成本(表3)，使其在商業(yè)化運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力上都存在問(wèn)題，因此近年來(lái)單一發(fā)展IGCC的進(jìn)展緩慢，其發(fā)展速度明顯滯后于超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，但開(kāi)發(fā)者們提出將IGCC技術(shù)與化學(xué)產(chǎn)品制造、熱力供應(yīng)等聯(lián)合建設(shè)形成多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)概念，使化學(xué)品的合成和電、熱生產(chǎn)形成最優(yōu)化的技術(shù)組合，同時(shí)最終還致力于包括CO2在內(nèi)的各種污染物的治理和零排放，是未來(lái)煤化工－能源技術(shù)發(fā)展的方向。