东北电力设计院高效褐煤发电技术研究取得重大突破

　　2013年8月20日，中国电力工程顾问集团东北电力设计院（以下简称“东北院”）联合上海机易电站设备有限公司和电力规划设计总院研发的重大科研课题——“煤中取水高效褐煤发电工程技术研究”在京通过专家评审。由中国工程院院士秦裕琨、国家级设计大师汤蕴琳、原东北电科院院长张经武等多位国内热能动力领域权威专家组成的评审委员会给出的评审结论指出：“该技术创新性地提出了采用炉烟干燥、乏气水回收、风扇磨仓储式制粉系统的高效褐煤发电技术方案，全部工艺在锅炉岛内完成，流程简洁清晰，国际首创，拥有整体自主知识产权。”

　　在三年多时间的艰苦攻关中，东北院与多家科研机构密切配合，依托在褐煤发电领域积累的技术和经验，经过大量计算、多项试验和深入论证，成功提出了采用炉烟干燥、煤中水分回收、风扇磨仓储制粉系统集成的高效褐煤发电技术方案，在世界范围内的褐煤发电领域取得重大突破。

　　源起——褐煤高效利用意义重大

　　截至1995年底，我国已探明褐煤保有储量1303亿吨，占全国煤炭储量的13%左右，在我国煤炭资源中占有重要地位。其中以内蒙古东北部地区最多，约占全国褐煤保有储量的3/4。

　　我国褐煤资源储量大、埋藏浅、开采成本低。由于褐煤水分高、热值低、易风化和自燃的特点，褐煤的大规模开发利用和作为原料转化利用都受到较大限制。对褐煤的高效开发利用的关键在于对褐煤进行提质加工。褐煤在脱水、成型和热分解等过程中，煤的组成和结构发生变化，能够转化成具有近似烟煤性质的提质煤，水分显著降低，发热量大幅度提高，利于发电、造气、化工等使用。

　　东北院以“技术报国、创新兴企”为发展理念，多年来一直从事褐煤电站的设计和研究工作，近年来开展的褐煤干燥提质研究工作，已经取得了多项成果和专利。经过对褐煤发电技术的长期深入研究和对褐煤干燥技术的分析比较，针对我国“富煤缺水”地区燃褐煤电厂，于2010年提出了“基于炉烟干燥及水回收风扇磨仓储式制粉系统的高效褐煤发电技术”的初步方案。

　　在东北院科研人员的设想中，通过风扇磨煤机系统同仓储式制粉系统的有机结合，提高褐煤的能量密度和锅炉效率，冷却干燥乏气回收水分和相应的汽化潜热，实现煤中取水，将褐煤预干燥及水回收技术与常规火力发电技术相耦合，创造出一种高效、清洁的褐煤发电系统。为实现这一设想，东北院与上海机易电站设备有限公司合作，共同踏上了技术攻关之路。

　　研发——多方合力攻克技术难关

　　在长期的褐煤电站设计实践中，东北院在风扇磨煤机、褐煤干燥等技术应用方面积累了丰富经验，在华能九台电厂，东北院设计完成了亚洲最大的褐煤塔式炉，印证了在褐煤发电领域的技术实力。

　　然而，要实现高效褐煤发电系统的集成创新，则需要进行大量的理论推导、数据建模、实地试验等诸多工作。为此，东北院邀请了清华大学、西安交通大学、东北电力大学、东北电科院、哈尔滨锅炉厂、国家消防工程技术研究中心共同参与专题研究、试验等工作，一些国内相关行业知名专家也给予了支持和帮助。

　　多家单位的密切配合攻克了一个又一个技术难题，项目不断取得进展。在2012年3月19日召开的“基于炉烟干燥及水回收风扇磨仓储式制粉系统的高效褐煤发电技术研究”专家评审会上，来自清华、浙大、哈工大的岑可法、岳光溪、秦裕坤三位院士及汤蕴琳设计大师等专家组成的评审委员会一致认为“该方案技术可行”，从技术层面上对方案予以肯定。专家们还建议东北院及相关合作方继续开展工程技术研究，对全系统进行安全和技术经济分析，为示范工程的开展做好准备。

　　2012年8月，东北院、电力规划设计总院和上海机易电站设备有限公司三方签订合作协议，共同开展“基于炉烟干燥及水回收风扇磨仓储式制粉系统的褐煤发电工程技术”研发工作，哈尔滨锅炉厂作为锅炉研发单位也参与到工程技术研发工作中。

　　突破——煤中取水实现高效发电

　　“煤中取水高效褐煤发电技术”是将煤的干燥系统、研磨系统，煤粉的分离系统、存储系统、输送系统和含尘含水烟气冷凝回收系统经巧妙组合为一体的集成创新技术，而上述各系统和设备均是国内外广泛应用的成熟产品和技术。应用这一技术的600兆瓦超临界机组每小时能回收水约140吨，可实现电厂的零补水，年回收煤中水154万吨以上，相当于一个中等城市的用水量。

　　煤中取水高效褐煤发电技术的工作原理是将抽取自锅炉炉膛上部的高温炉烟与取自锅炉尾部的低温炉烟混合成为干燥剂，经由膜式内冷高温炉烟管道输送至下行干燥管中与原煤混合，将原煤中的部分水分快速变成蒸气，然后进入风扇磨煤机磨制煤粉并将煤粉中部分剩余水分变成蒸气依次完成干燥；煤粉由煤粉收集器分离后落入粉仓，由给粉机送入炉膛燃烧。煤粉收集器排出的蒸气进入“节能水回收装置”，降温后成为凝结水，该凝结水的水质相当于蒸馏水，进入水处理系统实现回收利用。

　　煤中取水高效褐煤发电技术依托传统、成熟的制粉系统，集成创新后彰显诸多亮点。与传统褐煤电厂相比，该技术将带来显著的经济效益和环保效益。

　　指标——煤耗污染物排放显著降低

　　高效褐煤发电技术不仅实现了褐煤中所含水分的回收利用，同时还实现了褐煤高效燃烧，成功解决了燃褐煤发电机组能耗高、厂用电率大、供电煤耗高、污染物排放量大等难题。

　　高效褐煤发电技术能够适应目前各种容量、各种参数的燃煤机组，均可实现大幅度降低煤耗和以煤制水的目标。该技术由于大幅度提高燃料的能量密度，使大型锅炉体积和造价大幅度降低，特别适用于百万等级燃褐煤机组，将成为我国褐煤产地广泛应用超高参数、高效率机组的首选技术。同时，该技术主要应用在锅炉燃烧侧和制粉系统，与目前国内外超高参数、二次再热等新技术完全融合，可一并使用。

　　可见，该技术可使发电和供电标准煤耗大幅度降低，600兆瓦超临界机组主要技术经济指标可超过1000兆瓦超超临界烟煤机组水平，达到国际领先水平。锅炉效率可由原来的92%提高到95%以上，全年可节约标准煤6.6万吨，锅炉体积同时减少10％-15%。锅炉可参照烟煤标准设计，锅炉体积和造价大幅度降低，磨煤机同样减少了设计和制造的难度，使建设高水分褐煤1000兆瓦等级电站成为可能。

　　同时，应用该项技术还可明显减少发电过程中的主要污染物的产生量。据初步估算，单台600兆瓦机组每年可少排SO2约70吨、烟尘约20吨、NO2约70吨、CO2约32万吨，环保效益十分显著。

　　前景——技术应用将改变能源利用格局

　　我国是一个干旱缺水的国家，北方大部分地区缺水严重，其中内蒙古地区更是典型的富煤缺水区域。水资源的匮乏，极大地制约了燃煤发电厂的布局，限制了煤炭资源的优化利用，制约了煤电基地的建设。采用“基于炉烟干燥及水回收风扇磨仓储式制粉系统的高效褐煤发电技术”，可保证空冷机组在正常工况时无需外部补水，为燃用褐煤的火电项目在选址时拓宽了条件，使电厂布局摆脱依赖大型河流、水库及城市的困局，有利于优化电源布局，同时使接入电网更顺畅方便，有利于解决输电走廊用地紧张局面，改善电网结构。

　　目前全国已建和在建的燃褐煤大型火力发电厂的总装容量不超过1500万千瓦，仅占全国火力发电总装机容量的3％～5%左右，与我国褐煤总储量的占比很不相称。褐煤高参数、大容量1000兆瓦超超临界机组研究仍然是一个空白点。推广“基于炉烟干燥及水回收风扇磨仓储式制粉系统的高效褐煤发电技术”以提高燃褐煤电站热经济性，对充分利用我国的劣质煤资源，缓解优质煤资源紧张局面，优化煤炭能源产业的结构，具有重大意义。

　　同时，该技术可降低褐煤发电标准煤耗，降低单位发电量产生的污染物，电厂建设可远离城市，有利于改善区域环境质量。对于中等规模的地级城市，百万千瓦超超临界褐煤机组的建设，有利于从源头控制污染物的产生，进一步降低污染物的排放，可使当地的GDP能耗降低0.2％～0.5%左右。

　　该技术不仅完全适用于内蒙和东北地区褐煤，也完全适合我国云南地区、印尼等东南亚地区和土耳其、希腊、塞尔维亚等东欧地区的高水分褐煤，具有广泛的应用前景。

　　该技术研究成果的指标数据如下表：

　　编号    名称              单位       电厂1     电厂2

　　1       发电机功率        MW         600       600 

　　2       原煤水分          %          39.5      32.8

　　3       “煤中取水”量    t/h        144.20    89.62

　　4       锅炉计算效率      %          95.28     95.31

　　5       机组发电煤耗      g/kW·h    284.98    284.46

6       发电厂热效率      %          43.328    43.181