清理煤炭:坎普

2018-04-07 20:07:02

作者:张拿

伦敦(路透社) - 根据流行的叙述,煤炭与天然气和可再生能源的死亡斗争,以提供清洁的电能。

2013年11月9日,绿色和平组织活动人士在Belchatow的Belchatow电站冷却塔上预计了一个口号,该电站位于Belchatow。REUTERS / Tomasz Stanczak / Agencja Gazeta

天然气,风能和太阳能的推动者经常谈论煤炭,好像它不仅仅是竞争对手而是敌人。 环保人士希望逐步淘汰燃煤发电厂,并将世界上大部分的煤炭储量留在地下。

燃煤电厂产生的二氧化碳(CO2)排放量高得多,是全球变暖的最大单一因素,因此冲突具有道德层面。

就煤炭生产商而言,他们正在与新的环境法规作斗争,他们认为这些法规对其公司和社区的生存构成了威胁。

各方都采取对抗性言论。

然而,在实践中,没有办法满足日益增长的全球电力需求,而这种需求在可预见的未来不依赖于大量的燃煤发电。

廉价,丰富和广泛分布的煤炭储量仍将是未来50年全球能源结构的重要组成部分。

面临的挑战是更清洁地燃烧煤炭,以更少的二氧化碳和其他有害污染物排放产生更多的电力。

使用当前的技术,这种结果是可能的,但它将是昂贵的并且需要大量的资本投资。

清理选项

从长远来看,目标是使燃煤电厂配备碳捕集与封存(CCS)系统,将几乎所有的二氧化碳从废气中分离出来并将其置于盐水含水层和枯竭油田的地下。

虽然CCS已经在各种设施中成功地进行了小规模的展示,但它却没有在大型公用事业规模的发电厂实施。 工程和商业挑战很重要。 CCS距离成熟的商业技术至少有十年,甚至两年。

气化是另一项可以从根本上减少排放的技术。 通过将煤转化为氢气和一氧化碳,而不是直接燃烧,并使用这些气体首先驱动喷气涡轮机然后驱动蒸汽涡轮机,可以极大地提高过程的效率。

煤气化的副产物是浓缩的二氧化碳流,更容易捕获和储存。

煤气化技术已有一个多世纪的历史。 然而,将气化与联合循环涡轮机技术相结合的现代工厂的建造成本高且难以操作。

但是,已经有其他技术可以减少多达40%的排放 - 主要是通过提高煤转化为蒸汽的效率。

提升蒸汽

在传统的燃煤电厂中,燃料中仅包含三分之一的能量转化为电能。

其余部分(主要是热量)从蒸汽发生器,涡轮机和排气系统以及冷却水中流失。 浪费能源是惊人的。

但是,使用相当完善的技术,可以将燃煤电厂的热效率从大约33-37%提高到40%甚至45%。

通过从相同数量的煤中挤出更多的电能,更高效的发电厂可以减少碳排放。 热效率每提高1个百分点,相当于每千瓦时二氧化碳减少2-3%。

主要的效率增益来自在较高温度和压力下操作蒸汽发生器和涡轮机。

在传统的亚临界发电厂中,首先将水煮沸然后变成蒸汽,并且在过热器中进一步升高蒸汽的温度。

但是在超临界电厂中,水直接转化为蒸汽而不经过沸腾阶段,这样效率更高。

托马斯爱迪生的第一座电厂,位于纽约的珍珠街站,使用的压力仅为每平方英寸60-160磅(psi),最高温度为185摄氏度。

珍珠街站的效率仅为2.5%。 从那时起,蒸汽发生技术得到了极大的改善。

在现代的亚临界电厂中,蒸汽压力低于3,200 psi,温度低于550摄氏度。

然而,在超临界设备中,压力升高到超过3,500 psi,温度升高到约565度。

到2011年,全球有200多个超临界机组在运营。

甚至更高的压力和温度也是可能的。 已安装超超临界(USC)工厂,工作压力为4,600 psi和600度。

例如,西门子自世纪之交以来在日本,中国,德国和荷兰安装了大型超超临界蒸汽装置。

电厂设计人员现在的目标是建造先进的超超临界(A-USC)工厂,工厂压力为700-730度。

先进材料

通过使用超临界或超超临界技术提高电厂效率并不是一个新想法。

第一座超临界发电厂由美国电力公司,巴布科克和威尔考克斯公司以及通用电气公司在俄亥俄州Zanesville附近建造。 Philo Unit 6于1957年开始运营,直到1975年(“Philo Unit 6:Technology of a Technology”,2003年8月)。

第二家超临界工厂于1959年至1960年在宾夕法尼亚州埃迪斯通建立,现在是西门子,ABB和Exelon公司的一部分。

超临界蒸汽发生器的想法早已存在了几十年。 然而在20世纪60年代,70年代和80年代,在美国和世界各地建造的大多数燃煤发电厂仍安装了亚临界锅炉。

对超临界,超超临界和现在先进的超超临界系统的限制一直是技术和材料成本的状态。

为了承受巨大的压力和温度,蒸汽发生器,涡轮机和管道系统需要极强的金属,这些金属具有高度耐腐蚀性。

所需类型的超强度钢和合金含有大量昂贵的金属,例如镍,铬和钴,这大大降低了成本。

例如,在未来的先进超超临界蒸汽发生器中,电厂设计者正在考虑使用名为INCO 740的超合金。

INCO 740几乎全部由镍(48%),铬(25%)和钴(20%)组成,添加了少量的碳,钼,铝,钛,铌,锰,铁和硅。

INCO 740由Special Metals Corp开发,是Precision Castparts的一部分,价格昂贵。 精炼镍目前每吨成本约为20,000美元。 钴每吨30,000美元。 铬每吨近9,000美元。

面临的挑战是如何使用尽可能少的昂贵合金建造发电厂。

设计师必须解决的其他问题包括如何将涡轮机移近蒸汽发生器,以最大限度地减少在两者之间运输蒸汽所需的昂贵管道数量(“印度煤炭的先进超超临界电厂设计”,2012年10月) 。

FLEET UPGRADE

随着材料科学和成本的允许,蒸汽发生器的效率逐渐提高。

面临的挑战是如何用最现代,最高效的超超临界机组取代世界上老旧的低效亚临界发电厂。

例如,美国几乎一半的燃煤发电能力可追溯到1973年以前。这些发电厂中的大多数是次临界的。 平均容量仅为172兆瓦。 效率通常低于35%。

一般认为,最高效率要求欧洲的发电厂大约为800兆瓦,中国的发电厂大概为1,000兆瓦。

Trianel位于德国Lunen的超超临界发电厂于2013年12月开始运营,其额定功率为750兆瓦,效率接近46%,是欧洲最高效的发电厂。

如果煤炭在未来发电中发挥有用作用,同时限制排放,全球煤炭船队必须升级到超临界和超超临界标准,旧的亚临界机组必须关闭,最终机队必须与CCS结合。

未来的燃煤电厂将不得不与天然气,核电和日益高效的风能和太阳能竞争。

现代化的燃煤电厂建设成本很高,虽然可以节省能源,但煤炭相对便宜。

一些评论员暗示煤炭不会发挥作用。 然而,从成本,安全和环境的角度来看,最佳组合不太可能没有煤炭份额。

煤炭仍将供应大量电力。 但未来的发电厂将进行彻底的重新设计,以提高效率和清洁度。

Dale Hudson编辑

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