积极发展燃煤的先进发电技术

燃煤的先进发电技术，目前具有发展前途的有循环流化床燃烧（CFBC）、增压流化床燃烧联合循环（PFBC－CC）、一体化煤气化联合循环（IGCC）、常规煤粉电站＋第二代洗涤器、低 NOx 燃烧及磁流体（MHD）发电技术等，这些先进的燃煤发电技术，都具有达到煤的清洁燃烧和高效率的特点。根据美国能源部资料，使用上述技术的电站排放物均能满足新资源性能标准（NSPS） 的要求，电站的系统效率也比现代燃煤电站的效率要高。

70 年代初石油危机以来，各工业化国家竞相研究发展各种燃煤发电新技术，以解决燃煤电站的排放污染和提高效率。其中燃煤联合循环发电 IGCC 和 PEBC－CC 最有发展前途。

一体化煤气化联合循环（IGCC）的发展近况

自美国加州洛杉矶附近的 Cool water IGCC 电站获得成功的运行之后， 鉴于 IGCC 电站的优越环境排放指标以及十分吸引人的潜在的高发电效率，发达国家正在兴建或计划兴建的 IGCC 商业示范电站和商用电站（其中有些不单是发电，而是与其他工业生产相结合）达十多个，采用当前世界先进的煤气

化工艺技术，具备代表性的有 Texaco，Dow，Shell， BGL， HTW， Prenflo， KRW， U－Gas 等，发电规模为 60～500 兆瓦不等。一类是商业示范电站，另一类是采用成熟技术的商用电站。

IGCC 商业示范电站的目标是明确的，它可分为第一代和第二代 IGCC 商业示范电站。

第一代 IGCC 电站的特点为：纯氧气化、湿法加料、空气分离装置产生的N2 未作动力回收。

该商业示范电站属美国洁净煤技术第四期计划——CCT－IV，于 1992 年

批准，计划 1995 年投产。

第二代 IGCC 电站的特征是：空气或富氧作为气化剂；热煤气除尘、除硫或者冷煤气除尘、除硫；空分后的 N2 回注到燃气轮机；于法加料；进一步提高燃气轮机的入口初温。

第二代 IGCC 商业示范电站的目标是使发电净效率将提高到 44％～47％

（商用阶段）。

其代表性的示范电站如 Pinon Pine 电站， 1992 年 8 月立项，属 CCT

－Ⅳ计划，1993 年开始实施，将在 1996～1997 年建成。

中国的 IGCC 开发，自 70 年代中在国家科委领导下就已经开始。太原重型机器厂 1986 年仿制成功直径 2.8 米鲁奇固定床气化炉，该炉日处理煤 120

吨，产气 1500 立方米/时。化工部临潼化肥研究所建成了日处理煤 36 吨的气流床水煤浆气化中试装置。鲁南化肥厂、首都钢铁厂、西安化肥厂和上海焦化厂“三联供”工程共引进 8 套德士古煤气化炉。兰州煤气公司引进捷克固定床加压气化炉，并在大连合作生产。上海发电设备成套设计研究所与美国GE 公司完成了燃气轮机燃用低热值煤气和双燃料调节系统的研究工作。

国内许多单位对 IGCC 用于发电、供热以及联产化工产品进行了许多可行性研究工作。

增压流化床燃烧联合循环（PFBC-CC）研究概况

PFBC 技术自 1969 年首先在英国开始实验室规模研究以来，以瑞典 ABB

carbon 公司开发提供的P200 型PFBC 模块为基础的三座PFBC-CC 电站已成功地建造在西班牙的 Escatron，瑞典的 Vartan 和美国的 Tidd。这三座商业示范电站已分别在 1990 年开始运行。其中瑞典 Vartan 电站到 1993 年 1 月已燃

煤运行 10500 小时，PFB 锅炉最长连续运转时间为 740 小时，累计发电量

125974 兆瓦时。

上述 PFBC－CC 商业示范电站投运几年来表明，它的实际运行情况已经基本达到和接近设计数据。电站发电输出功率达到原设计值 97％，燃烧效率高达 99％，脱硫效率＞90％，NOx 的排放量只有原设计值的 1/3。第一代的PFBC-CC 电站发电效率比相同参数的常规蒸汽电站效率高 3％～5％，供电效率达 39％～41％（亚临界或超临界蒸汽参数），节约煤炭 10％～15％。ABB carbon 公司正准备在 P200 型 PFBC 装置成功基础上，推出 P800 型 PFBC 装置， 组成 350 规模的 PFBC－CC 电站与相应规模的 IGCC 电站的性能比较。如果以带烟气脱硫的常规燃煤电站（PC＋FGD）的投资、燃料、运行维修及发电成本为 100，并与 PFBC－CC，IGCC 作相应比较。

目前，国外在大力发展第一代 PFBC－CC 发电技术的基础上，进一步开发第二代 PFBC－CC 发电技术。第二代 PFBC－CC 采用部分气化及前置燃烧的方法使燃机进口温度可以提高到 1200℃左右，从而使联合循环效率达到 45％～ 48％，其经济性可以和煤气化联合循环相比。美国 FosterWheeler 等公司开发的典型的第二代 PFBC－CC 方案，已进入中试阶段，预计今后十年内第二代PFBC－CC 将可能进入商业示范。

中国的 PFBC－CC 研究起步较早，80 年代初期由东南大学（原南京工学院）开始进行较全面的试验研究工作。1984 年建成热输入为 1 兆瓦的实验室规模试验装置（SEU PFBC），1986 年至 1990 年完成了 PFBC 的试验室试验阶段，进行了累计 700 多小时的长期考核性试验。为此，1991 年国家计委正式将 PFBC－CC 列为我国“八五”攻关的重点科研项目之一，由东南大学协同江苏省电力局下属徐州贾汪电厂、哈尔滨锅炉厂、兰州炼油机械厂、中国石化总公司北京设计院、西安热工所、石油大学等二十多个单位协作，在贾汪电厂建造一座发电功率为 15 兆瓦的 PFBC－CC 中试电站。计划于 1995 年进行调试、试验，为我国“九五”进入商业示范电站规模作准备。

对于第二代 PFBC 技术，东南大学、上海发电设备成套设计研究所和中国煤炭科学研究院也已进入实验室研究阶段。

热电直接转换的磁流体发电新技术

磁流体发电也叫等离子体发电，它的基本原理是，使高温高速燃料气流通过磁场，气体由于高温电离变成等离子导电流体，切割磁力线而产生感应电势，这样热能就直接转变成电能。由于磁流体发电的排气温度很高，如与常规汽轮发电厂联合循环发电，可将火电站的热效率从 40％提高到 60％。而且可减少废热的排放量，减轻热污染。

为了使气体电离成为导电流体，通常在燃气中加入少量碱金属化合物作为“种子物质”。这样在 3000℃左右，气体就可电离为等离子体。由于引入的燃气种子必须回收重复利用，因而在回收种子的同时，在很大程度上降低了排入大气中的粉尘和二氧化硫等有害气体，另外由于较高的火焰温度及对气体成分的准确控制，能够减少对大气的污染，因此磁流体发电能大大减轻对大气的污染。

磁流体发电作为一种新型的热能直接发电的方式，自 50 年代末期原理性

实验成功以来，以其高效、低污染的显著优越性，引起了科技界与产业界广泛重视，十多个国家开始了开发研究工作。

我国的磁流体发电研究也有了 30 年的历史，取得了一定的成果，在国际

上居第四位。自 1987 年以来，燃煤磁流体发电技术列入了国家高技术研究发展计划（863 计划）。为了拟定一个深思熟虑、现实可行的战略，近年来， 组织进行了燃煤磁流体发电在我国电力发展中的战略地位的软课题研究和编写了燃煤磁流体发电技术项目可行性研究报告，与国内各方面的专家、领导进行了多次研究讨论，并访问了美国、前苏联、日本等国，参观了他们主要的研究基地，结识了国际上的一些主要专家，了解了他们的经验、教训与看法。此外，还参加了 1991 年美国第 29 届工程磁流体会议，1992 年在北京组织召开了第十一届国际磁流体发电会议，与磁流体专家们又进行了广泛的讨论，逐步形成了关于我国磁流体发展战略的一些想法。

开发磁流体发电技术是发电技术的重大革命

磁流体发电的重大意义在于它提供了一种高效、低污染的热能直接发电方法，为电力工业的发展与更新改造开辟了重大革新的道路，与此同时，它还有力地推动着工程电磁流体力学这门新兴的学科和一系列新技术的发展。磁流体发电-蒸汽联合循环的总效率可达 50％～60％，而当前燃煤电站

的发电效率最高仅 36％，相对我国燃煤电站平均仅为 29％来说，无疑将是一个重大革新性进展。近年来，使用干净燃料（油、气）的燃气-蒸汽联合循环取得了最高效率近 50％的良好进展。各种燃煤的燃气-蒸汽联合循环也在积极进行试验，期望能达到 40％～45％的热效率。磁流体发电可用控制燃烧的方法来有效地控制 NOx 的产生，作为添加剂所用的钾盐可有效地脱硫，所以磁流体发电伺时又是一低污染燃煤发电的良好方法。有关资料表明，燃煤磁流体发电的 SO2 与 NOx 的排放量低于标准要求 3～7 倍，而烟尘排放量也明显低于标准。

作为一种高技术，磁流体发电推动着工程电磁流体力学这门新兴学科和高温燃烧、氧化剂预热、高温材料、超导磁体、大功率变流技术、高温诊断和降低工业动力装置有害排放物的先进方法等一系列新技术的发展。这些科学成果和技术成就可以得到其他方面的应用，并有着美好的发展前景。

综上所述，从高效率、低污染、高技术的考虑，使得磁流体发电从其原理性实验成功开始，就迅速得到了全世界的重视，许多国家都给予了持续稳定的支持。

各国的政策与各自的一次能源和电力发展的情况有着紧密的联系。按照1988～2050 年我国电力发展的估计和我国发电能源构成的情况，可以明显看出，我国的特点是：第一，从当前直至 2050 年，我国燃煤发电量将占全国总电量的 75％左右，是世界各国中比重最高的。第二，我国属于电力超速发展的国家，当前电站总装机容量的增长已达每年 1300 万千瓦，2000～2020 年间将达 2000 万千瓦，2020～2050 年间估计将达 3000～4000 万千瓦，主要靠煤电解决。第三，我国的煤电技术落后，当前全国燃煤电站平均效率为 29％， 比发达国家低 3.5％～7％。这些特点决定着我国必须对燃煤磁流体发电给予特别的重视。

世界磁流体发电技术的开发研究阶段取得重大进展

1959 年美国首次磁流体发电原理实验成功后，立即引起了全世界的注

意。前苏联、美、日等国在 60 年代初开始组织研究队伍，投入可观的经费，

积极认真地开展了实验室的研究发展工作，至 80 年代初取得了多方面的显著进展。至 80 年代初实验室研究发展工作取得重大进展，表 3－6 中列出了按时间顺序有代表性的重大进展情况。

前苏联科学院高温所是磁流体发电研究与开展的主要单位，在世界磁流体发电研究发展中也有着重要地位。工作由 1962 年开始，至 80 年代初先后建成了 Y－02、Y－25 与 Y－25.6 三个装置，进行了大量试验。

表 3 － 6 50 年代末至 80 年代初开环磁流体发电的重大进展

除高温所外，前苏联科学院动力所，乌克兰科学院节能所等单位也开展了一定规模的研究发展工作。

日本的磁流体发电研究开始于 60 年代初期，自 1966 年开始就由通产省支持实施了国家磁流体发电研究计划，由工业技术院的电子技术综合研究所负责。1966～1975 年为第一阶段，总投资 64 亿日元，先后建立了 6 个实验装置（Mark I-Mark Ⅵ）进行了长期试验。一些试验装置的参数与性能见表3—7。

美国，是磁流体发电研究的发源地。60 年代以发展军用短时间发电为主，研制成电功率分别为 3.2 万千瓦和 1.8 万千瓦，工作时间约 1 分钟的机组，证实了大功率发电可行性。在油氧燃烧的长时间发电方面，阿芙柯实验室进行了长期、有成效的研究发展工作，先后建成了 MKⅠ， MKⅡ， MKⅤ， MK Ⅵ，MK Ⅶ，LDTE，VIKING 装置。1977 年美国能源部将磁流体发电列为主要国家工艺计划之一，该计划支持建立两个主试验装置，即位于蒙大拿州的部件发展与集成上游试验装置 CDIF 及位于田纳西州的燃煤流动下游试验装置 CFFF。

CDIF 装置是美国磁流体发电的上游主试验装置，占地

表 3 － 7 日本工业技术院磁流体发电计划试验装置的参数与性能

约 300 亩（20 万米 2），由 MSE 公司负责运行。装置于 1976 年开始建造，1980年建成，建造费 5000 万美元（1976 年价），其中 3200 万美元用于土建及水、

气系统；装置的热输入功率为 5 万千瓦。装置于 1981 年开始了油加灰燃烧试验，1985 年开始了燃烧试验，发出约 0.15 万千瓦的电功率。1981～1987 年的年运行经费约为 900 万美元。

CFFF 装置是美国能源部投资的磁流体发电下游主试验装置，该所于 1965 年开始就从事燃煤磁流体发电研究，装置于 1976 年开始建造，1981 年完成， 投资 1880 万美元（1980 年价）。热输入功率 2.8 万千瓦，有 4.6 吨/时的完善的煤粉制备与供应系统，不排渣燃烧室，油、水、气与液氧供应系统，可

以连续运行 250 小时以上。总占地约 14000 米 2，总建筑面积约为 4000 米 2。为进行研究，装置配备了良好的气体分析（NO/NOx，SO2，O2，N2，H2，CO2 ， CO，CH4）及 NOx、SO2、CO 环境监测和数据处理系统，还有电子显微镜、化学与样品准备三个服务实验室。整个实验室有工作人员约 130 人，1976～1987

年总经费由能源部提供约 6000 万美元（平均约 500 万美元/年）。

总的来说，经过 20 年的持续努力，进展是十分显著与可喜的，主要表现在：第一，在多个实验室内已达到最高发电万千瓦、持续时间最长几百小时的良好结果。第二，建成了 Y－25，CDIF，CFFF 三个大型试验基地，积累了一定的工程经验。第三，在各主要国家中均锻炼形成了具有相当经验的研制队伍。在这样的条件下，整个磁流体发电界带着各种建造试验电站的计划进入了 80 年代。

80 年代世界上着重研制试验电站

在实验室研究发展取得前述重大进展基础上，大家比较一致地认识到， 下一阶段主要任务应是研制与建造试验电站，进而可以期望在本世纪末、下世纪初实现商业化。80 年代初各主要国家都提出了自己的计划。

走在最前面的是前苏联，国家在 80 年代初就批准了设计、研制、建造梁赞电站的 Y－500 装置计划。Y－500 的技术经济方案比较工作开始于 1978 年，至 1988 年对 Y－500 的建设进行了重新审议决定：

暂缓磁流体发电部分的工程建设；完善 Y－25 装置（Y－25M），继续进行有关研究；加强超导磁体与电极材料的技术研究。

在 Y－500 装置暂缓建设后，1987 年高温所在前苏联科学院支持下，决定充分利用已有工程系统，将 Y－25 装置改成完整的工作试验电站，称 Y－ 25M，为梁赞电站的继续建造打下可靠基础。

美国于 1984 年提出，决定在建造试验电站以前，充分利用已有条件，进行集成分系统的长时间试验，1987 年批准了 POC（Proof-of-Concept）概念经验计划。其目的是为企业界推进磁流体工艺向商业化发展做出判断经济与技术效益和风险所需的工程数据（表 3－8）。该计划于 1987 年开始执行， 预期 1993 年完成，年经费为 3500～4000 万美元，参加工作的人员有 300 多人，取得了良好进展（见表 3－9）。目前两种煤 4000 小时的下游试验已接近完成，上游累计 1000 小时的试验

表 3 — 8CFFF 装置试验简况

表 3 — 9 CDIF 装置试验简况

说明：1.1981 年 4 月开始燃油加灰试验，共发电 23 小时 37 分，最大功

率 0.212 万千瓦。

2.1984 年燃煤燃烧室调试，燃烧时间 33 小时 43 分。

3.1985 年 8 月开始燃煤发电试验。装备已到现场，开始了试验，1994 年初完成。

日本在进行国家第二阶段磁流体发电计划同时，还进行了电站系统研究和拟定进一步计划，提出了建造连续运行的、磁流体-蒸汽联合发电的 Mark Ⅶ试验机组，它有超导磁体，各种空气预热器和锅炉。工业技术院 1984～1988 年共投资 4 亿日元转入支持小规模的燃煤磁流体发电基础研究。而文部省仍然继续支持有关大学的研究，一些企业与电力部门，仍给予一定支持，使全日本的研究发展工作仍以年总经费 2～3 百万美元、30～40 名工作人员的规模持续进行，工作重心转为东京工业大学的闭环磁流体研究，几年来也做出了优异的成绩。

总起来说，80 年代以来全世界的磁流体发电界都在积极推进试验电站计划，向产业化的方向迈进。实际上遇到的困难比设想的大，这是因为试验电站的建设与产业化需要得到电力部门的有力支持，而电力部门由于其电力生产的严格要求对此采取了比较谨慎的态度，主要的担心是从一次能源看应考虑燃煤发电，而实验室的研究工作用天然气和油的较多，直接燃煤的还不够多，另方面感到对部件与系统的长时间考验还不够。前苏联采用燃天然气， 企图先冲上去，没有能够成功。美国则安排了燃煤的长时间试验工作，作为设计、研制试验电站的可靠准备，却取得了稳步的进展。这十年的经验与教训是值得重视的。

世界磁流体发电产业化展望

当前，美国正在筹划 POC 计划完成的下一步计划，提出了建造比林斯

（Bilings）燃煤磁流体发电示范电站的建议，该电站热输入功率 25 万千瓦，

发电 8 万千瓦，磁流体部分发电 2.8 万千瓦，总投资 6.5 亿美元，美国能源部由洁净煤计划

表 3 — 10 MHD 商业化框架(摘自 1992 年 10 月美国能源部发表的资料)

*只有 MHD 上游，无下游循环。

中支持 2.2 亿美元，蒙大拿州支援 0.25 亿美元，其他靠集资与贷款。如

该计划获得批准，将于 1995 年 6 月开始建造，1997 年 6 月建成并开始试验， 2000 年完成示范试验并投入运行。商业电站目前估计要有 50～100 万千瓦发电功率的规模，美国已经提出了商业化的框架设想（见表 3－10），则可望在 2010～2020 年间实现产业化。

日本在坚持开环研究的同时，正在积极争取批准富士-2（Fuji-2）闭环磁流体发电装置的计划。该装置考虑前期暂做缓冲式试验，在 10 万千瓦热输

入功率下，发出 3 万千瓦的磁流体发电功率，持续时间 1 分钟。然后转入闭

环磁流体发电长期运行，在热输入功率 1 万千瓦下，发电 0.2 万千瓦，持续

100 小时，在富士-2 计划成功实现的基础上，可在下世纪初建造试验电站， 进而在 2020～2030 年间实现产业化。应该说明，日本的已有工作基础和产业实力，在美国示范电站成功基础上，也能迅速组织起来，在 2010～2020 年间实现开环磁流体发电的商用电站。

总起来说，当前估计，世界上第一个商用磁流体发电站将在 21 世纪前期

出现，该技术将成为 21 世纪前、中期燃煤电站新建与改造的重要的高效、低

污染方法。

我国磁流体发电技术研究开发情况及其发展战略

我国中科院电工所于 1962 年，上海发电设备成套所于 1966 年，东南大

学热能所于 1969 年分别开始了磁流体发电研究，先后建造了 10 台试验装置

（表 3－11），成为继前苏联、美国、日本后，世界上第四个从事较大规模研究试验工作的国家。最初主要从事短时间发电的研究，取得了油氧燃烧发电近 600 千瓦的良好成绩。70 年代前期开始油与高温（1400℃）预热空气燃烧的长时间发电试验，至 80 年代初，达到了几十千瓦输出，持续时间长达

200 小时的水平。80 年代初开始，由于我国能源资源的特点又转而进行燃煤

发电的研究，达到了持续 5 小时，输出 16 千瓦的水平。

1986 年燃煤磁流体发电技术，作为一个主题被列入国家高技术研究发展计划（即八六三计划），使我国的磁流体发电研究有了统一的国家计划。该计划根据我国以煤电为主的能源结构，以往的工作基础和“有限目标，突出重点，立足于 21 世纪上半叶”的精神，选定了燃煤磁流体-蒸汽联合循环电站作为研究目标。

1988 年，在八六三计划燃煤磁流体发电项目主题开始执行时，整个工作分为八个方面进行研究，即高温燃煤燃烧室，磁流体发电通道，余热锅炉， 逆变系统，超导磁体，电离种子回收，电离种子再生和磁流体发电改造已有电站的概念设计。在中科院电工所，建立热输入功率 2.5 万千瓦的上游循环

装置。在上海成套所，建立输入功率 5000 千瓦的下游循环装置。按照计划， 对全国磁流体发电工作进行了合理的安排与分工，积极开展了工作，向着研制试验电站的方向取得了稳步的进展。

在认真分析研究磁流体发电的国际进展、主要的经验与教训，以及我国的实际情况基础上，经多次讨论，建议我国燃煤磁流体发电计划 2000 年的战略目标为：

在 2000 年前建成热输入功率 2.5 万千瓦的燃煤磁流体-蒸汽联合循环试

验站，并完成累计 1000 小时的长时间试验。该站的主要部件有：高温燃煤燃烧室、加速喷管、发电通道、超导磁体、扩压器、直流/交流变换装置、锅炉、种子回收、测控系统和工程支撑系统。建设该试验站的目的是：

验证磁流体-蒸汽联合循环的工程技术可行性和现实性； 进行磁流体-蒸汽循环各部件和系统的长时间综合试验；

掌握磁流体发电各重要部件总体的工程设计和建造技术，为示范电站作好准备；

培养我国磁流体发电电站工程技术和操作人员。

在上述目的达到之后，将在电力部门支持下，争取在 2010～2020 年与世界先进国家大体同步进入商业化，为我国电力工业现代化作出贡献。

鉴于燃煤磁流体发电具有高效、低污染的明显优越性和我国燃煤发电在全国电力生产中的重大比重，为了大幅度提高电站效率，节省煤炭资源，燃用我国丰产的中等热值煤和高硫煤，减少燃煤发电带来的运输和污染问题， 坚持以实现产业化为目标的研究发展工作有着特别重要的意义。燃煤磁流体发电，作为一种新兴的高技术，产业化的实现是一个相当艰难的任务，需要长期持续的分阶段的努力和大量的资金投入，从而制定正确的战略显得特别重要。

在总结国际 30 年研究发展工作经验和教训基础上，根据我国的实际情

况，经过反复的论证、讨论和可行性研究，提出我国在 2000 年建成热输入功

率 2.5 万千瓦的磁流体-蒸汽

表 3 — 11 我国磁流体发电装置简况

联合循环试验站并完成长时间的部件与系统试验，在下世纪初可建设示范电站，并与世界大体同步地进入商业化，是一种正确和可行的抉择。