燃煤磁流体发电研究的现状与前景.pdf

第 卷第期 年月 东南 大学学 报 叨 丫 一 燃煤磁流体发电研究的现状与前景 徐益谦蔡奢赵以枉 热能工程研究 所 摘要托要介绍了开展燃煤磁流体发电研究 的各主要国家的研究现状 , 和燃谋 滋流体发电装 的各主要部件研究的进展 根据已经取得的研究结果 , 对这项 技术的实用化进程 , 提出了展望 关键词磁流体发电 , 煤 , 发展展望 磁流体发电是一门综合性学科 , 又是一项高效率 、 低污染 、 将热能直接转换为电能的先 进的发电技术 它和常规蒸汽发电装置组成联合循环电站后 , 可将现代大型电站的热效率由 提高到 以上 , 并可免除燃气排放的硫污染 除了用于新一代的联合循环大 型电站以外 , 它还可用作短时间大功率特种电源 , 用于 国防 、 地质勘探和地震预报等 年来 , 随着低温等离子体物理 、 材料科学 、 高温技术 、 超导技术以及计算机技术的 发展 , 磁流体发电经过应用基础和小型实验研究阶段 , 过渡到 年代的半工业性研究 , 研 究内容亦由改进部件性能转向提高使用寿命 、 系统设计分析和电站的工程开发 在苏联 , 已 开始建设燃用 天然气的大型商业示范电站 〔’ , 〕 目前 , 从事这项研究 规模较大的国家有苏 联 、 美国 、 日木 、 中国和印度 , 此外还有澳大利亚 、 荷兰 、 意大利和波兰等共 个国家 ‘ 从用途分 , 磁流休发电有大型电站和特种电源二类 从循环方式分 , 则有开环与闭环磁 流体发电之别 木文将着重介绍开环燃煤磁流体蒸汽联合垢环电站的研究与开发 世界各主要国家研究概况 在开环磁流体发电的研究方面 , 苏联 〔〕 和关国 无论在研究规模和投人力量上 , 或 在技术水平上 , 都是领先的 日木 “〕 、 中国 、 澳大利亚 和印度卿也取得了重要的成 就 根据各白的资源情况 , 各国开发磁流休发电的技术路线也各具特色 苏联 苏联的研究可分为两个阶段 由于苏联天然气资源居世界首位 , 而这种 “干净” 燃料在燃 烧后不存在燃煤情况 下产生煤渣带来的麻烦 , 因此 , 苏联以燃用天然气的磁流体发电站作为 第一阶段的研究目标 从 年代起 , 以苏联科学 院高温研究所为主体 , 集 中人力和物力 , 在低温等离子体物理 、 热能电能直接转换过程 、 高温材料等基础研究和发电设备的结构与性 能的工程试验研究方面都取得了重大进展 年代建造了一座有代表性的燃用天然气的半 工业性磁流体发电试验电站 一 装置 , 其最高输出功率达 年代 , 苏联在莫 本文于年 月日收到 第期 徐益谦等 然煤磁流体发电研究的现状与前景 斯科郊区开始建设总输出功率为 的天然气磁流体蒸汽联合循环示范商业电站 其中磁流体部分发电为 , 常规蒸汽电站部分为 图 为 一 的热力系统示意 。 认 二卜禹由 由 日日 曰曰日 日曰曰日日 卜卜 巍豁豁豁 几几 匡匡 冲冲冲门门门门门门门门门门门门门 〕〕 称称称称称称称称称称称称称称称称称称 百百百百百百百百百百百百百百百百 两两百百 限限限 一一一一一一一一全三干干干干干干干干干干干干干 , , , , , , , , , , , , , , ,七 七七 , ,〔 广 一一 一 之之 一 一匕 匕 母母 图 港烧室 苏联 磁流体蒸汽联合循环电站 热力系统示意 西 电除尘 器 发电机 空气预热器 了 泵 水冷却段与响瓷扩压器 锅炉 , 压气机组 落汽枪机发电机组 苏联的煤资源也居世界前列 作为第二阶段的开发计划 , 苏联同时重视燃煤磁流体发电 研究 年代后期 , 动力研究所建设了一台热功率为 的燃煤试验机组 , 用不同的煤 种进行了长期的研究 在此基础上 , 目前正在建造一座热功率为的燃煤磁流体蒸 汽联合循环试验电站 , 总投资为 亿卢布 美国 美国一开始就确定以燃煤磁流体发电电站为研究目标 这项国家计划由能源部匹兹堡研 究中心负责管理和执行 〔, 从 年开始 , 经过应用基础研究阶段 , 美国在 年代确定了一些中心研究单位 , 分 别承担不同的研究任务 这些单位是 蒙太拿 公司 在它 的部 件研制综合装置 上 , 研究燃烧室 、 磁流休发 电机等 “上 游 ’ 部件的结构与性能以及电站的系统 目前 正在进行热功率为 装置的长时间运行考核试验 田纳西 大学空间研究 所 川 在一台热功率为 的燃煤流动装置 上 , 研制 “下 游 ’ 热量回收和种子回 收 部件 , 以及尾气的净化 阿夫柯公司 研制并为 提供高性能磁 流体发电通道 公司 研制并为 提供燃煤排渣燃烧室 密西西比大学 研究和提供磁流体发 电用的特种测量仪器 阿贡国家实验室 以研制超导磁体为主要任 在 年胡于印度举行的第 届国际磁流体发电会议上 , 苏联代表宜称 , 由于资金原因 , 一 现已决定缓建 东南 大 学学报第 卷 务 西屋公司 参加逆变系统的研制 在上述分工合作研究的基础上 , 美国还完成了两个旧电站改造的方案设计 , ’。〕 计划 于 年在犯热功率装置上完成 发电试验后 , 着手建设磁流休部分的发电功 率达 的燃煤磁流休蒸汽联合循环中间试验的改造电站 迄今美国投于磁流休发电 研究的总经费达 亿美元 日 本 在电子技术综合研究所 , 曾经建造了燃油磁流休发电机组在翰人功率为巧 的条件下 , 对发电特性和电极寿命进行过长达 的试 验研究 以后 , 又在同一装置上用 在油中加灰的办法 、 模拟燃煤的条件进行性能试验 目前 由于电力过剩 , 而煤资源又依靠进 口 , 开环磁流体发电规模有所缩小 日本东京工业大学正在和美国合作 , 开展闭环磁流体发 电的研究 〔 〕 中 国 我国于 年代初开始燃煤磁流休发电的研究 从 年开始 , 这项研究列人了国家计 划 , 由中国科学院电工所 、 机械电子部上海发电设备成套设计研究所 、 东南大学热能所 和有关材料研制单位联合分工 , 对燃煤燃烧室 、 发电通道 、 超导磁体 、 逆变器 、 特种锅炉 、 种子回收与再生 、 中试电站的系统分析与概念设计以及电极与绝缘材料进行研究 , 计划于 知年代中期 , 在北京 附近将一座电厂的旧机组改建为一座 级磁流休蒸汽联合循环 中间试验电站 主要部件研究的进展 炸 声 某 嫩烧室 燃煤磁流休发电燃烧室的研究围绕以下几个方面进行 提高碳的燃尽率 磁流休燃烧室通常采用高沮预热空气或富氧空气作为氧化剂 , 以 获得 以上的高温 为了既使煤粒有足够的停 留时间 , 在燃烧室 内燃尽 , 又要使其液 态涟依靠离心力抛到壁面上 , 再从法口排出 , 必须有效地组织燃烧过程 目前 , 这类燃烧室 的燃尽率一般都达到 以上 提高排法率 通常认为燃烧室内产生的煤渣 , 不仅影响电极的性能和寿命 , 而且使 下游锅炉受热面受到腐蚀 , 甚至还引起通路阻塞 同时 , 混在气态和液态渣中的种子 , 在回 收和再生过程中 , 亦将产生一定的损失 , 通常 , 排渣燃烧室一般设计为两级圆柱形结构 , 氧 化剂部分或全部由切向吹人 , 而燃气轴向流出 煤渣在第一级燃烧室内因受气体的剪切作 用 , 被离心力抛 向壁面 , 并从布置在第一二级燃烧室之间的挡渣板前的渣 口排出 嫩气则从 挡涟板中间的洞口进人第二级 当前采用这种结构的最大的两个姗烧室 , 是 公司的热 功率分别为 和 的排渣型燃烧室 经过其几百次点火实验 , 最高排渣率分别 达到 和 另一种看法认为 , 让全渣通过发电通道对发电性能影响不大 , 因此燃烧 室可以不考虑排渣 但从种子回收和对 ‘下游’ 受热面的影响考虑则是不利 的 提高燃气的电导率 电导率和燃气沮度有关 在一定的燃气温度下 , 电导率取决于种 子的电离程度 通常采用在第一级燃烧室排渣后 , 从第二级进口向燃气加人电离添加剂或 称种子 燃煤燃烧室多半采用碳酸钾干粉作种子 采用适 当措施 , 使种子和燃气得到良好混 合 , 并有足够的停留时间电离 同时 , 将第二级燃烧室的空气过剩系数维持在 左右 , 以 第期 徐益谦等 燃煤磁流体发电研究的现状与前景 减小捕捉电子的氧原子 , 有利于提高电导率以及降低下游的 二 排放量 降低热损失 热损失和燃烧室的尺寸有关 由于尚未研制出能在上述高温下经受液态 渣冲刷与腐蚀的高温炉衬材料 , 因此燃煤燃烧室都采用水冷金属壁结构 采取机械措施 , 使 贴着在金属表而上的渣层得以加厚 , 以增加绝热作用 同时 , 适当降低第一级燃烧室内氧化 剂的过剩系数 , 以降低第一级燃烧温度 , 使热损失进一步减小 根据现有实验数据估算 , 大 型商用规模的燃煤燃烧室的热损失约为输人功率的一 燃烧产物性质的计算与诊断技术 美国近年开发的燃烧计算程序可 以完善地给出添加 或不添加种子时燃煤化学反应产物所含有的 余种有效组份 、 燃气温度 、 燃气的热物理性 质和电导率 , 为燃烧室的设计提供可靠的依据 此外 , 美国密西西比大学测试仪器与分析实 验室研制的燃气温度 、 燃气电子浓度和流速等测试仪器 , 有良好的应用效果 , 反映了磁流体 发电工程测量技术的新水平 目前 , 世界各国研制的直接燃煤的磁流体发电燃烧室有 余 个之多 表 给出其 中有代表性的燃烧室 的主要参数与性能 表 世界各国主要燃煤烧烧室的性能 研制单位 型式 热功率富氧率 重量 氧化剂预 热溢度 氧化剂过 剩系数 比 姗气流率 燃气温度散热权失排渣率 美 卧式双级 卧式双级 立式单级 立式单级 立式双级 东大热能所 卧式双级 核研究所 卧式单级 机械工程 研究所 加 美 污浊式 “一“ “ 最高 ∀∃ 种子的 回收;硫化物和氮化物的降低;颗粒的行为及其净化;下游系统的整体化等 , 这一装置模拟 锅炉各部分的受热面 , 由工作在不同温度下的过热器 、 水加热器和中低温空气预热器等串联 组成 . 可 以根据设计需要 和试验情况 , 对各区段 的受热面位置作灵活调整 . 到 198 9 年为 止 , 该装置上燃煤试验累计已超过 150 0h , 获得了为放大设计和工业技术上所需要的大量 数据和运行经验 . 试验表明 , 合理安排一次和二次燃烧 , 控制最佳工况 , 可使N O 和 s认 等污染气体排放低于美国国家电站排放标准. 在模拟锅炉出口处 , 布置了并联的静电除尘器和布袋除尘器 . 试验也表明 , 这两种工业 上常用的除尘设备都能满足使出口含尘量符合美国国家环保的要求. 把从飞灰中收集下来的K Zso; 和从炉内液态排出的熔渣中的钾成份通过化学处理 , 转 换为K ZC O, , 从而恢复其脱硫能力 , 再添加到燃烧室内重新使用 , 称为种子再生循环 . 种子 再生是减少其损失 、 提高电站经济性的重要措施 . 近年来 , 这一问题已引起足够的重视 . 美 国能源部于两年前委托T RW公司 、 B 2 . 2一1一2 . 2一2 7 M e ss erle HK . M HDinA ustra lia . In B auer J M . P ro e in2 7t hS EAM , R e no , N e v a d a , USA , 1989 8S r i dh a r a n S , I n d i an M HD P r o g r a m . S t a t u s R e v iew . I n B auer J M . P ro e in 27t h SEA M , R en o , N e v a d a , USA , 1989 2 . 1一l一 2 .1一 5 9C o n c c p tu al Dc sig no r AC o a l一n r c d M H p R ctro ntorthcJ E , C o r c ttcp l a n t R c p o r t , M DC , US A , 1988 10C on ee P t u a lD es ig n o fAC o a l一F ired M HDR etro ntP la n t S e h o l zPla n t一S n ea d s , FL . R e P o r t , W es t i n g h o use , U SA , 1989 11R os a R . B o un d a r y l a y erare b e h e v ie r T h eo 叮8 6 266273 17A t t igRC . S ta t us o fPOC te s ti n g at t h e CFFF . I n B a u e r J M . 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