电和循环流化床发电技术

作者：Foster Wheeler Power Group Robert Giglio和Justin Wehrenberg

电是一种奇妙的东西

回顾过去150年左右的时间，不难看见电一直是人类发展成的主要动力。它已成为我们工业革命中一个基本的组成部分，同时可以改进我们的农场、工厂、医院、办公室和家庭内的生产效率及工作和生活条件。

今天，电已经成为我们日常生活和未来的一个十分重要的部分。我们的经济需要利用它来增长，我们的科学家需要它来发现，我们的医生需要它为我们保健，的我们的国家需要它保证安全和国防。

令人惊讶的事情在于，我们不断发现新方法使我们的生活变得更加安全、舒适和有效。它是人类聪明才智、成就和发展的一个非常成功故事。

我们对电能的欲望

电的方便性和价值尚未引起消费者的注意。美国能源部（DOE）指出，电是全球增长较快的能源形式，而未来20年全球将很可能消耗今天两倍的能源。

2008年，全球消耗了近20,000太瓦小时的电能。这足够点亮200万个棒球场，或为110亿台计算机连续供电一整年。无论你如何看待，我们消耗了令人难以置信的电量。

美国拥有全球较大的耗电设备，有足够的电力向每个美国人提供超过3千瓦的电能——大约是欧洲现有可用电能的两倍、中国的8倍和印度的25倍。

然而，美国的人口只不到全球的5%。此外，令人震惊的16亿人（全球人口的25%）根本没有电可以使用。

全球其余地方要赶上美国还有很长的距离，如果他们都这样做，我们可能需要比我们当前全球多5倍的发电厂。

电和环境

电本身不是一种能源；它产生自一次能源：矿物燃料、核及可再生能源。今天，我们大多数的电，大约67%产生自矿物燃料（煤、天然气和石油），而煤是较大的贡献者，产生全球总发电量的大约43%。

展望未来，为了供给我们极度短缺的电能，我们需要深入挖掘我们所有的全球一次能源。大多数预测显示，煤将在生产全球用电方面保持其领先角色，图1是美国DOE的预测。

图1. 全球发电量（太瓦/小时）

煤在我们的发电中起这样大的作用有充足的理由。它是全球较丰富的一次能源，按照我们当前的使用速度，可以支持我们的能源需求超过300年，石油或天然气预计大约30-50年耗尽。煤位于或接近美国、英国、德国、中国和印度等较大的人口中心和我们较大的工业化国家。今天，煤还很容易运输和生产较可靠和价格实惠的电力。

不过，煤的使用也带来了显著的环境成本。煤燃烧发电时会以硫、氮和碳的氧化物的形式造成空气污染。硫和氮氧化物可能导致酸雨和烟雾。二氧化碳形式的碳氧化物是一种温室气体，可能导致全球变暖。

蒸汽发生器技术——关键组件

所有燃煤发电厂的核心都是蒸汽发生器，它将存储在煤中能源转换成驱动气轮机发生器的高质量蒸汽，以有效地产生电能。

蒸汽发生器对我们未来的能源是较重要的元件，因为它有助于我们中打开煤的能源价值，而且还决定着对环境的影响或我们为该价值付出的代价。改进其环保性能是我们可以为了我们自己和环境做的较重要的事情。

Foster Wheeler的方法——CFB技术

Foster Wheeler开发了一种截然不同的蒸汽发生器技术，叫做循环流化床（CFB），如图2所示。不同于传统的蒸汽发生器是用大量高温火焰燃烧煤，CFB技术的反应炉内没有燃烧器或火焰。它利用流化技术将燃料颗粒与石灰石混合和循环，使它们在一个低温燃烧过程中燃烧。

石灰石可以捕捉在在燃烧过程中形成的硫氧化物污染物，同时低燃烧温度可较大限度地减少氮氧化物污染物的形成。

燃料和石灰石颗粒可反复回到该过程重复使用，这实现了高效的燃料燃烧、捕捉污染物和将燃料的热能变为用于发电的高质量蒸汽。

由于强有力的混合，长燃烧时间及其低温燃烧过程，CFB能清洁地燃烧几乎任何可燃材料；大大超过了传统燃烧过程的燃料限制。不同于传统蒸汽发生器，CFB可在燃烧过程中采集并控制有害污染物，而不需要依赖于附加的污染控制设备。

为了进一步改进CFB的环境成绩单，我们在实用规模的CFB设计中采用了非常高效的垂直管、超临界蒸汽技术。超临界蒸汽技术可以将更多燃料能量转变为蒸汽。这改善了发电厂效率，减少了发电所需的燃料总量，进一步降低了空气排放。

碳问题

全球变暖和二氧化碳等温室气体的大气排放是一个全球关注的新问题。显著减少我们的二氧化碳排放，同时保持或改善我们的生活水平，或许是人类曾经面对的较大挑战，因为我们做的几乎所有事情，从我们的家庭取暖、烹调食物将食物、为我们的业务提供电力、旅行，以及呼吸，都会排放二氧化碳。

二氧化碳在一般情况下对任何生命形式无害。事实上，它是自然界生命周期的重要组成部分。人类和动物吸进氧气呼出二氧化碳，而植物生命正好相反。在我们的电力、运输和工业领域燃烧大量矿物燃料（煤、天然气、石油）破坏了自然界二氧化碳的平衡，造成地球大气二氧化碳水平的增加。由于二氧化碳是一种温室气体，使太阳的热量保留在地球大气以内，带来了全球变暖，这是今天全球的重要关注。

如图3所示，发电是温室气体排放的一个重要来源，大约占了排放到大气的温室气体总量的21%。不同于其他污染物，二氧化碳是矿物燃料燃烧过程的重要副产品，而且只能通过燃烧更少矿物燃料来减少。

用CFB燃料灵活性解决碳问题

由于其能够燃烧碳中性燃料如生物质，CFB技术提供了解决二氧化碳问题的一个唯一的解决方案。生物质是指碳中性，因为它可在其生长周期过程中通过自然光合作用过程吸收和存储来自大气的碳。当燃烧生物质时，它可释放相同的碳回到大气当中，因此几乎没有净碳排放到大气中（如图所示4）。

不过，由于全球的限制和不发达的生物质供应链，生物质发电厂发电量实际上仅有大约25-50MWe。发电厂规模小，加上其燃料供应限制意味着电力成本的大约20-30%以上来自传统矿物发电厂。

CFB再次提供了一个解决方案。由于其燃料的灵活性，可以建造一个大规模（300MWe或更大）CFB发电厂来燃烧组合的煤和几种类型生物质。这个解决方案集中了减少二氧化碳排放的环境优势，以及提供价格实惠的电的经济利益。在其可供使用时，它还可以足够灵活地利用更多生物质，而在无法满足消费需求时，可以依靠煤来发电。

这一设计思路可以使二氧化碳排放呈现实质性减少。如图5所示，据估计一座燃烧20%生物质的超临界600MWe CFB发电厂产生的二氧化碳排放比普通燃煤发电厂低32%。令人欣喜的是，在发出价格实惠的电的现在就可以这样做。

用Flexi-Burn™ 技术解决碳问题

虽然减少30%二氧化碳排放是在正确方向迈出了一大步，预测显示我们还需要做更多以大幅度减少全球变暖的风险，完成这个任务的巨大挑战性在于，我们的二氧化碳排放与我们的能源消费和实现所有二氧化碳的减少密切相关，我们必须首先消除与我们的能源消费增长有关的所有新的排放。

为了把碳减少推进到更高的水平，Foster Wheeler正在开发Flexi-Burn™ CFB技术。Flexi-Burn™ 将有助于CFB产生富含二氧化碳的烟气，并作为实际碳捕获和存储解决方案（CCS）的一部分。该技术有可能将排放到大气的二氧化碳减少超过90%，同时较大限度地减少客户的成本影响和技术风险。

如图6所示，CFB燃烧过程不使用空气，Flexi-Burn™ 技术采用氧和重复循环的CFB 烟气的混合气。通过这样做，烟气变得富含二氧化碳（折干计算包含超过90%的二氧化碳），而不是像在使用空气时富含氮。由于其烟气几乎都是二氧化碳，Flexi-Burn™ CFB技术不需要昂贵和能源密集型设备从消除其烟气中的二氧化碳，而且还有可能以比其他技术极低的成本进行无碳发电。

但是，挑战远远超过了从燃煤发电厂捕捉二氧化碳。在地下位置运输和存储二氧化碳，如盐碱含水层，没有被证明，而且需要多年的研究来了解这样做的成本和风险。而且，任何人都无法真正知道消费者愿意为无碳发电付出（或能担负得起）多少。由于碳条例的不确定性、CCS技术的成本及风险和消费者行为，几乎不可预测何时CCS发电厂才能得到大规模市场接受。

为了应付来自技术方面的市场不确定性，Flexi-Burn™ 已具备了市场灵活性。发电厂要么在经济空气模式（像今天所有燃煤发电厂那样）下运行，为今天的市场提供了价格实惠的和具有竞争性的，要么采用CCS模式而无需对发电厂进行任何重大改变。这为电力生产商提供了根据变化和不确定的无碳发电市场调节发电厂运行的灵活性，这将很有可能加快CCS技术的采用。

Flexi-Burn™ 还可通过按实用阶段进行发电厂建设实现投资的灵活性。发电厂可以首先以经济空气模式建设全部功能，使电力生产商延缓发电厂对CCS部分的资本投入，直到它被市场和政策条件证明。这种灵活性将有助于对发电能力的投资，以满足我们日益增长的需求，同时在面对不确定的碳市场时，为投资者带来他们需要的灵活性。

正如我们今天看到的那样，这种包围碳问题的不确定性正在妨碍我们的发电基础设施所需的投资。这种伤害不仅是对消费者也是对环境。如果没有进入电网的新型现代发电厂，电力生产商不得不继续依赖于老

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