中国的PFBC-CC研究起步较早,20世纪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(SEUPFBC),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。
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-蒸气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-蒸气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-蒸气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,所以磁流体发电同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。
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20世纪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20世纪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,下表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50年代未至80年代初开环磁流体发电的重大进展年份内容实验室国别
1959Ar-K碰流体发电首次成功AVCO美国
1960燃烧产物磁流体发电首次成功Westinghou
se美国
1962首次提出斜连接发电通道概念法国
1963水冷组块型绝缘壁长时间试验AVCO美国
1965短时(≈间1分)3.2万千瓦发电成功AVEOMKV美国1966短时间(≈1分)1.8万千瓦发电成功AEDCLORHO美国1971U-25装置建成高温所前苏联
1975U-25发电2.04万千瓦,≈1小时成
功高温所前苏联
1975具有4.2万高斯超导磁体在2.5万千瓦
(热输入)下发电482千瓦,3小时ETLMEV日本
1977U-25发电1.17万千瓦.持续250
小时高温所前苏联
19782.0万千瓦(热),发电500千瓦
持续时间250小时AVCOMKV:美国
19795万高斯鞍形超导磁体,3万千瓦
(热),发电1500千瓦,10小时高温所J-25B美苏合作1980CDIF装置建成上游基地美国
1981CFFF装置建成UTSI美国
19811.5万千瓦(热)100千瓦连续430
小时,电量40800千瓦小时EILMKVIⅡ日本
19822万千瓦(热),发电55千瓦,1000
小时HVCOMKVⅡ美国
1982白金护帽电极试验1300小时AVC0美国
1982HDDE装置,燃甲烷+富氧,32.5
万千瓦(热),发电3.55万千瓦,10秒AEDC美国除高温所外,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(MarkI-MarkⅥ)进行了长期试验。一些试验装置的参数与性能见下表。
美国,是磁流体发电研究的发源地。20世纪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,MKⅥ,MKⅦ,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。
表日本工业技术院磁流体发电计划试验装置的参数与性能参数热输入(WW)
名称
流量(kg/s)电输出(kW)发电时间磁场(T)备注ETLMARKⅠ1.20.14210分2.2基础研究
ETLMARKⅡ25311801分3.5有1320℃空气预热器ETLMARKⅢ3.60.35-0.452140小时1.9最长连续运行200小时ETLMARKⅣ20.190.0251分2世界首次用超导磁体的实验ETLMARKⅤ2534823小时4.5具有超导磁体与氦液化器ETLMARKⅥ2.50.341合计470小时1.9有空气预热器及种子回收装置ETLMARKⅦ152100合计430小时2.5通道寿命显示CDIF装置是美国磁流体发电的上游主试验装置,占地约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)。