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PAFC技術開發的現狀與動向:
日本自實施月光計劃以來,作為國家級項目,正在實施5000千瓦級加壓型和1000千瓦級常壓型電廠實證運行。目前,磷酸型燃料電池的發電效率為30%~40%,如果將熱利用考慮進去,綜合效率可高達60%~80%。
除日本外,目前世界約有60臺PAFC發電設備在運轉,總輸出功率約為4.1萬千瓦。按國別和地區劃分日本為2.9萬千瓦,美國8000千瓦,歐洲3000千瓦,亞洲900千瓦。運轉中的發電設備除3臺(日本2臺,意大利1臺)為加壓型外,其他均為常壓型。磷酸型燃料電池的制造廠家目前主要為日本和美國,設備主要銷往歐、亞。
美國已完成基礎研究,200千瓦級電廠用電池近期有望商品化,但大容量電廠用電池處于停滯狀態。德國已引進美國200千瓦級電廠用電池進行試驗運行。另外,瑞典、意大利、瑞士等國也引進日、美的電池進行試運行。
2.熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)
日本對MCFC發電系統的技術開發始于1981年度的月光計劃,該計劃圍繞開發1千瓦級發電機組這個目標展開了對MCFC燃料、電極等的開發。該開發研究進展順利,從1984年開始,進而對10千瓦級發電機組進行研究開發。1986年,日立、東芝、富士電機、三菱電機、IHI分別對5臺10千瓦級機組進行發電試驗,其結果是輸出功率為10千瓦,初期性能為電池電壓0.75伏,電流密度150毫安/平方厘米。
1987年起,日本在對1000千瓦級實驗電場(外部改質型)進行主要開發的同時,對100千瓦級發電機組以及1000千瓦級機組的設備的開發研究也取得了進展。1993年度,日立、IHI的2臺100千瓦級外部改質型機組和三菱電機的1臺30千瓦級內部改質型機組開始試驗發電運行。其試驗結果以及1994年度進行的5-25千瓦級機組的試驗結果表明,電池電壓0.8伏,電流密度達15毫安/平方厘米,單位時間內的劣化率小于1%。
在此基礎上,1994年度起開始著手開發1000千瓦級試驗工廠。1995年10月在中部電力(株)川越發電所開始建廠,確立了1000千瓦級實用化發電系統試驗工廠的基本系統,對現有的事業用燃料電池電廠的運行進行評價,計劃1999年開始試驗運行,其目標為:燃料利用率為80%,千小時電池的劣化率小于1%,初期性能為:電池電壓大于0.8伏,電流密度1500毫安/平方厘米,計劃試驗運行5000小時。
為使電池實用化,在上述研究開發的基礎上,還進行了機組長壽命化研究,計劃連續實驗運行4萬小時,每千小時單位劣化率小于0.25%。除此之外,還在開發200千瓦級內部改質型燃料電池發電系統。
美國能源部和美國電力研究所,正在積極開發MCFC。美國ERC公司開發的2兆瓦級內部改質型機組發電系統于1996年5月在圣克拉拉開始試驗運行。MC-power公司開發的250千瓦級外部改質型機組發電系統,1997年2月起在圣迭戈開始試運行。
在歐洲,MCFC作為共同項目正在研究開發,取得了一些進展,其主要項目如下:
①高級DIC-MCFC發展計劃(1996-1998年)。荷蘭、英、法、瑞典等國參加研究,歐洲在市場分析、系統開發以及內部改質型機組的開發等方面取得進展。
②ARGE項目(1990年起計劃10年內完成)。德、丹麥參加,并在內部改質型發電系統的開發上取得進展。
③MOLCARE。由意、西班牙參加,并在外部改質型發電系統開發上取得進展。
韓國從1993年起開始開發MCFC,1997年以開發100千瓦外部改質型發電系統為目標,開始了第二階段研究開發工作。
3.固體電解質型燃料電池(SOFC)
作為SOFC開發的基礎科學離子學,其開發歷史很長,日、美、德等國已有30多年的開發史。日本工業技術院電子技術綜合研究所從1974年起就開始研究SOFC,1984年進行了500瓦發電試驗(最大輸出功率為1.2千瓦)。美國西屋公司從1960年起開始開發SOFC,1987年該公司與日本東京煤氣、大阪煤氣共同開發出3千瓦熱自立型電池模塊,在國內外掀起了開發SOFC的。
日本新陽光計劃中,以產業技術綜合開發機構(NEDO),為首,從1989年起開始開發基礎制造技術,對數百千瓦級發電機組進行測試。1992年起,富士電機綜合研究所和三洋電機在共同研究開發數千瓦級平板型模塊基礎上,還組織了7個研究機構積極開發高性能、長壽命的SOFC材料及其基礎技術。
除此之外,三菱重工神戶造船所與中部電力合作,共同開發平板型SOFC,1996年創造了5千瓦級模塊成功運行的先例。同時,在圓筒橫縞型電池領域中,1995年三菱重工長崎造船所在電源開發共同研究中,采用圓筒橫縞型電池,開發出10千瓦級模塊,成功地進行了500小時試運行,之后又于1996年開發了2.5千瓦模塊,并試運行1000小時。TOTO與九州電力共同開發全濕式圓筒縱縞型電池,1996年起,開始開發1千瓦級模塊。同時,在日本以大學與國立研究所為首的許多研究機構在積極開發SOFC。
美國西屋公司在能源部的支持下,開始開發圓筒縱縞型電池。東京煤氣和大阪煤氣對25千瓦級發電及余熱供暖系統進行的共同測試表明,截至1997年3月,已成功運行了約1.3萬小時,其間已經過11次啟動與停機,千小時單位電池的劣化率小于0.1%,可見其技術已非常成熟。西屋公司除計劃在1998年與荷蘭、丹麥共同進行100千瓦級模塊運行外,為降低制造成本,還在研究開發濕式電池制造技術。美國Allied-signal、SOFCo、Z-tek等公司在開發平板型SOFC上取得進展,目前正對1千瓦級模塊進行試運行。
在歐洲,德國西門子公司在開發采用合金系列分離器的平板型SOFC,1995年開發出10千瓦(利用氧化劑中的氧,若在空氣中則為5千瓦)模塊,1996年開發出7.2千瓦模塊(利用氧化劑中的空氣)。
奔馳汽車制造公司在開發陶瓷系列分離器式平板型SOFC上取得進展,1996年對2.2千瓦模塊試運行6000小時。瑞士的薩爾澤爾公司在積極開發家庭用SOFC,目前已開發出1千瓦級模塊。今后,德國還計劃在特蒙德市進行7千瓦級發電及余熱供暖系統現場測試。
在此基礎研究上,以英、法、荷等國的大學和國立研究所為中心的研究機構,正在積極研究開發低溫型(小于800℃)SOFC材料。
4.固體高分子型燃料電池(PEFC)
日本開發固體高分子膜的單位有旭化成、旭哨子、Japangore-tex等,開發改質器以及電極催化媒體的機構有田中貴金屬、大阪煤氣等。在開發汽車燃料電池方面,豐田制造出甲醇改質型燃料電池汽車(1997年),同時三菱電機、馬自達也在著手開發汽車燃料電池。
在供電及余熱供暖系統方面,PEFC排熱溫度較低,為70℃左右,在熱利用上有所限制,與其他類型燃料電池相比,目前只開發小型系統。東芝(30千瓦)、三洋電機(數千瓦)、三菱重工和東京煤氣(5千瓦)、富士電機和關西電力(5千瓦)等公司在開發以天然氣和甲醇為燃料的電池系統,同時,三洋電機在開發1千瓦級氫燃料便攜式商品化電源,三菱重工在開發特殊用途(無人潛水艇用)燃料電池。
PEFC主要作為汽車動力電源在開發。但在汽車上燃料的搭載方式各種各樣,有高壓氫、液化氫和甲醇等。這些燃料各具長短,目前還未能確定最適方式。
德國奔馳與加拿大BPS在進行共同開發,它們開發的搭載氫燃料、小底盤汽車在試運行。除此之外它們還共同開發甲醇燃料電池汽車。若在降低成本、提高運行性能等方面再取得一些進展,電池汽車就有望走向市場。
美國克萊斯勒、通用、福特三公司協力合作,計劃到2000年開發出輸出50千瓦、輸出密度1千瓦/公斤的燃料電池。另外,BMW、Rover和西門子三家公司也在開展共同開發。
當今世界,環境污染日益加劇,環境保護已成為國民經濟可持續發展的重要組成部分。臨沂市是魯西南重要的商貿樞紐,近幾年來,隨著商貿批發市場規模的發展,城市人口迅速增加。相應的城市生活垃圾的數量也在急劇增加,據統計,現在每天產生城市生活垃圾約600噸左右,并以每年平均10%增長率遞增。臨沂市政府把垃圾處理列為99年度市政府“為民十大工程”之一,決定投資5000萬元,在臨沂市城西北36公里處征地1500畝,用于城市生活垃圾的填埋。一期工程先征地500畝,現在正在進行勘探、水文調查、基礎處理等前期工作。
城市生活垃圾的處理方法主要有填埋、堆肥、焚燒等。填埋法方便易行,處理量大,是現在城市垃圾處理的一種主要方法,但是易造成二次污染,特別是垃圾中的一些有毒有害物質填埋腐爛后,滲透到地下,引起地下水的污染;同時產生的一些有害氣體
造成環境的二次污染,并且需占用大量的土地。焚燒法是最有效的方法,使城市垃圾處理基本上達到了減容化、無害化和能源化的目的。垃圾焚燒后,一般體積可減少90%以上,重量減輕80%以上;高溫焚燒后還能消除垃圾中大量有害病菌和有毒物質,可有效地控制二次污染。垃圾焚燒后產生的熱能可用于發電供熱,實現了能源的綜合利用。
2垃圾發電供熱技術的可行性分析
城市生活垃圾焚燒發電技術在國外已有四十多年的歷史,最先利用垃圾發電的是德國和法國,近幾十年來,美國和日本在垃圾發電方面的發展也相當迅速。目前,日本擁有垃圾發電廠一百多座,發電總容量在320MW以上,單臺設備最大處理垃圾能力為552噸/日。
我國垃圾焚燒發電供熱技術起步較晚,現在還處于研究開發階段。現已建立的部分垃圾發電站,基本上是引進國外的設備和技術。我國第一座垃圾發電站是在深圳,引進的是日本三菱重工生產的兩臺爐排式垃圾焚燒爐,日處理垃圾150噸,配置500kW的汽輪發電機組來發電供熱。1992年又上了一臺杭州鍋爐廠(引進日本三菱重工技術)制造的垃圾焚燒爐,日處理垃圾150噸,配置1500kW汽輪發電機組。在上海、天津等城市也相繼與法國、澳大利亞等國家合作建設垃圾發電廠。引進的這些垃圾鍋爐基本上都是爐排爐,價格昂貴,而且在燃用低熱值、高水份的垃圾時,為了保證鍋爐的正常燃燒,達到需要的工藝參數,必須添加燃料油,運行成本較高,經濟效益差。發展適合我國國情的垃圾焚燒爐,實現設備國產化,達到低污染和高效燃燒是眾多科研單位和生產廠家正在研究開發的課題。
流化床燃燒技術是本世紀六十年代迅速發展起來的一種新型清潔燃燒技術。他利用爐內燃料的充分流動、混合,達到高效燃燒。我國在利用流化床燃燒技術燃用低熱值燃料方面處于國際領先水平。特別是浙江大學熱能工程研究所多年來進行廢棄物(如洗煤泥、煤矸石、城市生活垃圾等)的研究開發和應用。成功開發出異重流化床城市生活垃圾焚燒技術,可實現高效清潔燃燒。采用流化燃燒技術焚燒垃圾的優點主要表現在以下幾個方面:
a操作方便,運行穩定。由于流化床床料為石英沙或爐渣,蓄熱量大,因而避免了床的急冷急熱現象,燃燒穩定。垃圾的干燥、著火、燃燒幾乎同時進行,無需復雜的調整,燃燒控制容易,易于實現自動化和連續燃燒。
b設備壽命長。爐內沒有機械運動部件,使用壽命長。
c可采用全面的防二次污染的措施。對焚燒時產生的有害物質進行處理,在不增加太多投資的前提下,可將NOX、SO2等氣體排放控制在國家標準以下,爐渣呈干態排出,便于爐渣的綜合利用。
d流化床焚燒爐由于爐內燃燒強度和傳熱強度高,相同垃圾處理量的流化床焚燒爐和爐排爐相比體積要小,故而投資小,適應于大型化發展。
e燃料適應性廣,可燃燒高水分、低熱值、高灰分的垃圾,床內混合均勻,燃盡度高,使垃圾容積大大減少,特別適應于垃圾熱值隨季節變化很大的特點。
因此,流化床垃圾焚燒是一種綜合性能優越的焚燒方式,尤其適合我國垃圾熱值低、成分比較復雜的國情。隨著我國人民生活水平的提高,城市生活垃圾中無機物含量將大幅度下降,有機物、紙、塑料等高熱值廢棄物成份逐漸上升,使之具備了能源化利用的可能。當城市生活垃圾隨著季節變化或影響過低時,為保證供電或供熱,可將垃圾與輔助燃料(如原煤、廢油等)在同一爐內混燒。
目前,城市生活垃圾流化床焚燒發電新技術已應用到商業化運營的熱電項目上。1998年浙江大學熱能研究所與杭州錦江集團將聯合開發的此項技術應用到余杭熱電廠,把余杭熱電廠原有的一臺35t/h鏈條鍋爐改造為垃圾流化床焚燒爐,燃用杭州市部分地區的城市生活垃圾。鍋爐經改造后,單臺爐日處理垃圾150~250噸,同時補充部分輔助燃料--原煤,以保證熱電廠的正常供熱和發電。
余杭熱電廠的垃圾焚燒爐至今已運行十個月,運行狀況良好。其運行情況如下:垃圾焚燒爐運行穩定,各項技術參數和指標均達到了設計要求,保證了發電機組的正常運行;最長連續運行時間超過一個月;平均每小時焚燒垃圾約7噸,最大量可達到11噸/小時;對垃圾成分、熱值隨季節性變化和適應性好。
通過以上的分析說明,在我國發展垃圾發電,在技術上已經有了很大的突破,特別是近幾年來循環流化床燃燒技術發展迅速,為垃圾焚燒技術的發展創造了有利的條件。目前,我國各地熱電廠循環流化床鍋爐的數量正在大幅度上升,并向大型化發展,運行操作和管理水平在不斷提高,并趨于成熟,對垃圾流化床焚燒爐的推廣應用又創造了較好的環境。
3方案的選擇
垃圾焚燒發電項目建設方案的確定,應從本地的實際情況出發,結合城市發展水平而定。國外的技術比較成熟,但設備的價格昂貴,投資太大,一般中小城市難以承受。采用國內的技術和設備,投資小,很適合我國的國情。一般來說,在一個城市是新建一座垃圾焚燒發電廠,還是利用現有的熱電廠進行改造,應進行可靠的分析和研究。筆者認為,利用現有的小熱電廠進行改造將比新建一座更有利,分析如下:
王云翠等:開發垃圾發電技術實現熱電持續發展
熱電技術2000年第1期(總第65期)
a新建一座垃圾發電廠,在整體布局和結構上可能合理些,但投資較大,如新建一座日處理垃圾300~500噸中型垃圾發電廠,要建3×35t/h鍋爐+2×6MW汽輪發電機組,需投資1.4~1.5億元。投資大,產出低,項目經濟效益低下。
b熱電廠在現有的基礎上進行改造,可以利用原有的生活辦公設施及生產廠區和配套設備,節省投資,見效快。同時,進行改造也可以有兩個方案;一是在熱電廠廠地允許的情況下,建新的垃圾焚燒爐和發電機組,那樣機組分布較合理,但在目前電力需求趨于飽和的情況下,新機組發電并網比較困難;原有的鍋爐進行改造,配套熱電廠現有的機組,比較容易操作,可以節省大量的投資,實施容易,能起到事半功倍的效果。
臨沂熱電廠位于臨沂市西南部的工業區內。現有3×35t/h鏈條鍋爐+1×75t/h循環流化床鍋爐和1×C6+1×B6+1×C12中溫中壓汽輪發電機組。供熱主管線長20余公里,主要為50余家工業生產用戶和機關賓館居民采暖供熱。現有的兩臺35t/h鏈條爐需要燃用優質煙煤,雖經幾次改造,但是效果不大。鍋爐效率低,經測試鍋爐熱效率為78%,面臨著被淘汰的可能。如果把鏈條爐改造成流化床垃圾焚燒爐,可以解決臨沂市的垃圾處理問題,同時提高鍋爐的熱效率,適應時代的發展,對我廠經濟效益將有很大的改觀。因此,我們選擇了利用原有鍋爐進行改造的方案。
4鍋爐改造方案
4.1鍋爐本體改造
鍋爐改造維持原爐膛中上部及尾部煙道不變,將爐膛下部爐排及渣斗拆除,使爐下部改為流化床密相燃燒區,密相區內布置傾斜埋管。埋管采用加裝鰭片和噴涂方式防止磨損。爐體水冷壁內側敷有耐火層,防止磨損。鍋爐本體外部的汽水管道系統不變。增加了流化風室及布風板、風帽,阻力大大增加,原有風機壓頭不能滿足要求,所以選用高壓頭送風機。引風機也需改型。在爐膛出口設置分離器和返料器,經分離器分離下的顆粒可實現爐內循環,增加其停留時間,這樣大大提高燃燒效率,且尾部受熱面的磨損程序大大減輕。
4.2垃圾處理系統
生活垃圾由汽車運至廠內垃圾儲存倉,在廠內渣場位置建一座半地下的全密封的垃圾庫。
與現在的輸煤棧橋并行建一條密封的耐腐蝕的垃圾輸送皮帶。垃圾儲存倉內設有破碎機,單梁吊車。并設有電磁去鐵器、污水泵等。垃圾運至庫內,經垃圾爐前處理系統送入爐內。預處理系統一方面可打碎特大垃圾及塑料袋、木板、玻璃瓶、磚塊石塊等雜物,同時也可使垃圾均勻入爐,破碎后的垃圾用吊車抓到輸送帶上,送到爐前,經往復式給料機送入爐內。
采用吸風管將垃圾坑內散發的臭氣吸至爐內,進行燃燒脫臭,不讓垃圾臭氣彌散。垃圾中的污水收集在坑底廢液池內,然后經泵噴射至爐內流化床段上方焚燒,使其充分裂解,減少污染。
4.3焚燒系統
因垃圾焚燒爐是鏈條爐改造的,用石英砂或爐渣作床料。每小時燃燒垃圾6~9噸。垃圾進入焚燒爐后,與熾熱的床料混合焚燒,由于流化床良好的橫向混合特性,可確保床內焚燒能保持穩定運行。焚燒爐內設計溫度和煙氣停留時間分別為850℃和3秒左右,并保持強烈混合,使有害成分在爐膛內充分裂解和破壞。高溫煙氣從爐膛出口至過熱器、省煤器、空氣預熱器、煙氣處理裝置和電除塵器,最后經煙囪排入大氣。
由于垃圾熱值受來源、氣候、季節等因素的影響很大,為達到高效低污染焚燒的目的,用煤充當輔助燃料。
點火采用床下自動點火系統,經預燃室進入風室,關入爐膛。
整個除灰系統處于干式密封狀態,因此避免了廠區內粉塵污染和污水污染,排出的灰渣可綜合利用。
4.4熱工控制系統
焚燒爐采集了較全面的運行參數,供垃圾焚燒爐運行調節、操作與檢測,主要參數有各主要部分的溫度顯示與記錄,各主要部分的壓力顯示,主要管路的流量,爐膛含氧量。另外控制系統除含有常規溫度、壓力、流量、遠控、報警等功能外,還配套垃圾預處理及焚燒爐內重要部位的實時工業電視監視。考慮到垃圾的臟臭等特殊性,絕大多數的調節手段均集中于主控室內,使運行人員工作強度降低,提高了工作效率。
4.5鍋爐廠用電系統
本期工程廠用電采用380伏電壓,利用原有的廠用電系統。本期工程不再增加低壓廠用變壓器。
4.6環保措施
垃圾流化床鍋爐是城市解決環保問題的重要設施,對保護環境、減少污染起到了很大的作用。垃圾處理實現了減量化、資源化、無害化,解決了困擾城市發展的一大難題,保護了人民身心健康,美化了城市環境,提高了人民的生活質量。垃圾流化床鍋爐本身亦采取了一系列措施來解決產生的污染問題。
4.6.1建立全密封的垃圾庫。將垃圾存放在垃圾庫中,并用吸風管將垃圾坑內散發的惡氣送入爐內做二次風,運行燃燒脫臭;垃圾底部設有一廢液池,收集污水,當達到一定量后,把污水噴射到爐內流化床段上方焚燒,使用充分分解,減少污染。
4.6.2垃圾在垃圾庫中經簡單破碎后,經一條全密封的皮帶送入爐內。爐內設計溫度為850℃左右,煙氣停留時間為3秒左右,爐內床料并保持充分混合,使有害成分在爐膛內充分裂解、破壞、焚燒。
4.6.3采取較全面的防止二次污染的措施,對焚燒時產生的有害的物質進行了處理,可將NOX、SO2及HCl等氣體控制在國家標準之下。為進一步凈化尾氣,在尾部安裝了脫除有害氣體的煙氣處理裝置。爐渣呈干態排出,無渣坑廢水,亦不需處理重金屬污水的設備。
當處理含硫或含氯高的垃圾時,基于流化床燃燒方式的優點,采用爐內加石灰石可脫除SO2和HCl。
4.6.4由焚燒爐尾部排出的飛灰經過電除塵器,飛灰濃度低于國家標準,排出煙囪。整個系統處于干式密閉狀況,因此避免了廠區內的粉塵污染和污水污染,排出的灰渣可綜合利用。
5垃圾焚燒發電項目的經濟性分析
熱電廠現有的三臺35t/h鏈條爐改造為流化床垃圾焚燒爐后,日處理垃圾能達到600噸,配置一臺C12MW的汽輪發電機組,原熱力系統、汽水系統、輸煤系統不變,新建垃圾處理系統。項目經濟性分析如下:
整個改造工程需要投資4800萬元左右;
銷售收入按設備的容量計算,銷售電、汽年收入約5360萬元;
年運行費用約4100萬元;
年銷售稅金及附加費約350萬元;
年獲利潤約900萬元(包括所得稅);
項目投資回收期約5.5年;
總投資利率約18.8%;
總投資利稅率約26.2%;
該項目在財務上是可行的。
垃圾焚燒發電供熱項目是一項社會公益事業,主要體現了社會效益。同時熱電廠通過技術改造,設備更新換代,取得了一定的經濟效益,找到了新的經濟增長點,實現了熱電廠的可持續發展。
6結束語
6.1結論
6.1.1城市生活垃圾焚燒發電供熱屬一項新興的產業,它解決了城市垃圾造成的污染。與填埋、堆肥相比節省了大量土地,減少了二次污染,同時充分利用了再生能源,達到了對垃圾處理的減容化、無害化、資源化的目的,社會效益顯著。
6.1.2城市生活垃圾焚燒技術已日漸成熟,已實現了垃圾焚燒爐設備全部國產化,并有示范工程,而且已顯示出它的可靠性、穩定性。我國的垃圾焚燒發電供熱事業已初露端倪,并已納入產業化軌道,其發展勢頭迅猛。據有關部門資料介紹,北京、天津、武漢、長沙、南京、溫州、汕頭、珠海、中山等城市都有發展規劃。至2000年,全國將建有大中型垃圾發電廠3~5座,小型工廠10~15座,至2010年,各地將建有各類垃圾能源工廠150~200座。我省已有荷澤、平度、棗莊等市垃圾發電廠已立項及設備訂貨。
6.1.3熱電廠的原有鍋爐設備特別是35t/h鏈條爐效率低,要求煤種好,需要進行更新改造。改為垃圾焚燒鍋爐后,技術水平高,是一條優化組合資產,節能降耗,提高經濟效益的開拓之路。
6.2建議
城市生活垃圾焚燒發電供熱工程是一個社會公益和環保事業,它體現出巨大的社會環保效益,并且又是一個投資高,技術密集型的企業。就其性質來講,它屬于綜合利用高新技術產業項目。它的發展需得到各級政府及有關行業的支持配合,國家應加大力度,研究落實扶持政策,促進該項目順利運行。它應該享受有關的優惠政策。
6.2.1按照國家有關規定,該項目銀行應優先安排基本建設貸款,并給予一定比例的財政貼息。
6.2.2垃圾發電的電量應全部上網,電力主管部門不安排該項目機組作調峰運行。
6.2.3垃圾發電供熱機組的并網運行電價、供熱熱價在還款期內應實行“生產成本+本付息+合理利潤”的定價原則。
6.2.4該項目企業所得稅、增值稅要按照資源綜合利用企業和高新技術企業的規定執行。
人口是影響能耗的重要因素,全球人口的增加將造成能耗增加,導致大氣層中二氧化碳濃度上升,使氣溫上升,全球變暖。
在發電領域減少二氧化碳產生的途徑包括:提高發電效率減少燃耗;采用原子能發電;使用再生(天然)能源。每單位發電量二氧化碳的產生,以礦物燃料發電最高,特別是燒煤電廠。再生能源發電雖然設施的建造會產生二氧化碳,但發電本身不會產生二氧化碳。因此,增加使用再生能源發電和有效使用礦物燃料,是抑制產生二氧化碳的有效方法。
再生能源發電技術可分為水力發電;風力發電;太陽能發電(太陽─熱發電和光伏發電);海洋發電(海洋-熱能轉換、潮汐、洋流、海波);地熱發電。
水力發電
水力發電是目前發電技術中每單位發電量產生二氧化碳最低的。它不會產生破壞環境的物質;在徑流式水電站的情況下,也不需要水庫,對保護環境最為有利。在水庫型和抽水儲能型電站情況下,必須考慮水庫建造對環境的影響。
風力發電
歐洲和美洲在風力渦輪的發展上處于領先地位,隨著在美國公用事業管理政策條例(PURPA)的制定和加州減免賦稅,它們的實際應用迅速取得進展。三菱重工(MHI)已在美國加州安裝了660臺275千瓦級的風力渦輪。實際應用的這些渦輪機,其輸出功率范圍從100千瓦到600千瓦,而兆瓦級的風力渦輪目前正處于中試階段。在日本,迄今輸出功率最高為300-400千瓦,但MHI開發的500千瓦級的渦輪在1996年10月已成功運轉。
太陽-熱發電
太陽能發電技術可分為太陽-熱發電和光伏發電。在前一種情況下,通過搜集的太陽熱能,用水或低沸點流體直接或間接產生的蒸汽驅動汽輪發電機;在后一種情況下,通過p-型和n-型半導體的組合,將陽光直接轉換為電。太陽-熱發電又分為直接和間接(二元循環)型發電系統。在前一種情況下,使用一臺冷凝器,通過直接產生的蒸汽驅動汽輪機;而在后一種情況下,是在主系統使用一種沸點高于水的熔鹽或液態鈉,通過熱交換加熱輔助系統內的工作流體-水或低沸點流體產生蒸汽。雖然前一種系統簡單,但熱效率低于后者,難以在高溫下取得蒸汽,需要輔助燃料點火。
在日本已建成輸出功率1000千瓦的中試裝置,應用了塔型和曲線-直線型冷凝器,用熱水蓄熱設施予以補充。美國在1982年開始對10兆瓦級的發電機進行研究,隨后建成了實際應用輸出功率超過30兆瓦的裝置。
再生能源發電尚有一些問題需研究解決:
(1)由于日光能量密度低(在白天,最高每平方米1千瓦),要放置太陽熱能收集器需要巨大的空間。
(2)太陽輻射的強度變化大,因發電取決于時間和天氣,所以不能實現穩定發電。
(3)由于難以通過熱積累把蒸汽的溫度提高到一個高水平,所以不能實現高效率的蘭金循環(總效率10%~15%)。
為減少成本,實現電力的穩定供應和提高效率,要解決的問題(1)必須改善拋物面反向鏡型和定日鏡塔型系統的熱收集效率;(2)必須應用一補充鍋爐或蓄熱系統;(3)需使用一個二元循環提高溫度,并通過應用低沸點混合液體改善蘭金循環。
光伏發電
應用光伏發電所產生的二氧化碳量僅次于水力發電技術,也不會產生污染環境的物質,是一種理想的干凈發電技術。為發電提供能量的日光是無限的。假定在白天太陽輻射的最高強度是每平方米1千瓦,發電效率為10%,整個地面上每年可能的發電量為1.4億億度,大約相當于全世界能耗量的100倍。這意味著如果把太陽電池放置于不到全球陸地面積的1/100,或其沙漠面積的1/20,所發電量就足以滿足全世界能量的需求。
這種再生能源每單位面積的輸出功率密度低,所需要的面積大約為燒煤電站的20倍。在美國和印度,沙漠面積巨大,目前正在進行的計劃是建造188兆瓦(美國)或50兆瓦(印度)的光伏發電廠。由于世界上有許多地區適用于大規模光伏發電,作為新日照計劃的一部分,發展一種全球性的干凈能源系統,即世界能源網(WENET)正在進行中,該計劃的目的是,在這些地區實現中央光伏發電,用所發出的電使水分解產生氫,氫既可用做能源,又可用做蓄能和輸能介質。從保護全球環境和能量生產角度看,實現這一計劃很重要。
地熱發電
可供發電的地熱資源可粗分為蒸汽、蒸汽和熱水二相流、熱水。地熱蒸汽可不加處理直接引入汽輪機;而二相流被分為熱水和蒸汽,熱水通過閃蒸器變為蒸汽,引入汽輪機的低壓側。在熱水情況下,可采用上述的二元系統(通過使用主系統一側的熱水使輔助側的低沸點液體蒸發,并通過低沸點液體驅動渦輪)。
自從1966和1967年9.5兆瓦、11兆瓦的電站(由日本三菱重工安裝)分別投入運行以來,目前在日本正在運行的裝置有18臺,約生產530兆瓦的電。以間歇泉電站的容量最高,為151兆瓦。美國目前正在運行的間歇泉電站,功率在100萬千瓦以上。
日本三菱重工的技術得到高度評價,它通過單級或雙級閃蒸系統,將熱水變為蒸汽并將蒸汽引入渦輪的中壓或低壓段,這樣,雙相流熱資源就得到了有效應用。
這種雙級閃蒸系統于1977年投入商用,目前用在60多臺發電裝置。
從有效使用小規模地熱資源觀點看,預計未來會發展小型(便攜式)發熱發電裝置。
洋能發電