（动力工程及工程热物理专业论文）富氧燃煤锅炉设计研究及其技术经济性分析.pdf

j 一 1 j d e g r e e - c o n f e r r i n g - i n s t i t u t i o n ： n o r t h c h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y 一 一 一 一 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文富氧燃煤锅炉设计研究及其技术经济 性分析，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不 包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：勉亟 日 期：趔丘争 导师签名： 日期： k ll。0 一 一 一 r l l ， 华北电力人学博士学位论文 摘要 矿物燃料的大量使用所造成的地球温室效应日益显现。近年来在火力发电领域 c 0 2 的捕集、压缩液化与封存技术的研究与工程示范已经成为一项非常重要的任务。 富氧燃烧技术又称0 2 c 0 2 燃烧技术，或者空气分离烟气再循环技术，是一种既能 直接捕集高浓度c 0 2 ，又能综合控制燃煤污染物排放的新一代洁净煤发电技术。 以3 0 0 m w 燃煤锅炉为研究对象，燃高水分、低硫褐煤，从能量平衡的角度对 炉膛辐射、对流受热面、尾部受热面及制粉系统等方面进行了富氧燃烧锅炉系统的 概念设计，将空分制氧过程及c 0 2 压缩过程的系统能量进行了回收整合利用：建立 了一种改进的宽带关联k 模型对富氧燃烧方式下高浓度三原子混合气体的辐射特性 进行分析研究；通过数值模拟研究了初始氧浓度对n o 。排放量及燃尽率的影响规律； 从传热学的基本理论出发，研究了富氧燃烧方式下烟气的对流传热特性；对富氧燃 煤锅炉系统的整体经济性进行了分析，综合考虑受热面投资，提出了一项评价锅炉 对流受热面经济性的指标单位传热量的总费用，分析了在不同烟气流速下受热 面单位传热量总费用的变化规律，确定出富氧燃烧方式下锅炉受热面的合理布置方 式。 在3 0 0 2 7 0 c 0 2 混合气氛下，炉膛辐射换热量较空气燃烧增加约7 ，其中， 三原子气体对辐射换热的贡献由2 4 左右增加至4 0 左右；对流换热所占份额相对 于空气燃烧减少约9 ，锅炉烟气侧的运行阻力大幅减小。随着炉内压力的逐渐升 高，三原子气体的辐射强度和发射率均增大，但增大的幅度逐渐减小。 富氧燃烧方式下，初始高浓度c 0 2 的存在增加了c o 形成的机会，还原气氛的 形成使得产生的n o 被还原降解，3 0 0 2 7 0 c 0 2 工况下炉膛出口n o 排放量为 4 8 0 m g m 3 左右，较空气气氛降低约3 8 。 富氧燃烧方式下管壁表面换热系数较空气燃烧方式升高。随着烟气流速的增 大，换热器单位传热量的总费用先降低后增大；以单位传热量的总费用为目标函数 对富氧燃烧方式下锅炉受热面进行优化设计后，锅炉本体尺寸减小，部分过热受热 面需移入炉膛上部；数值模拟结果显示炉膛优化设计后，飞灰可燃物的含量较锅炉 原始尺寸在相同配风方式下的运行数据有所增大，但仍低于锅炉原始尺寸在空气燃 烧方式下的运行数据。 在我国目自订的市场经济条件下，基于当前的煤价，富氧燃烧方式下的脱碳费用 较m e a 化学吸附法降低约8 0 ，若计及空分制氧及c 0 2 压缩过程的能量整合利用， 则富氧燃烧电厂c 0 2 脱除费用进一步降低约2 3 。 关键词：富氧燃烧，锅炉设计，气体辐射，数值模拟，优化设计 一，_，1 华北电力人学博士学位论文 a b s t r a c t s l a t h e ru s i n go ft h ef o s s i lf u e lm a k e st h eg r e e n h o u s ee f f e c ti n c r e a s i n gg r e a t l y t h e r e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i o np r o j e c to ft h ec a r b o nc a p t u r ea n ds t o r a g e ( c o s ) h a v e b e c o m eav e r yi m p o r t a n tt a s ki nt h ef i e l do ft h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o n o x y f u e l c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi s a ls ok n o w na s0 2 c 0 2c o m b u s t i o n t e c h n o l o g y , o ra i r s e p a r a t i o n f l u eg a sr e c y c l i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a nt r a ph i g hc o n c e n t r a t i o nc 0 2d i r e c t l y w i t h o u t s e p a r a t i o n a n dc o n t r o l p o l l u t a n t e m i s s i o nc o m p r e h e n s i v e l y i ti san e w g e n e r a t i o no fc l e a nc o a lp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y i nt e r m so f e n e r g yb a l a n c e ，a3 0 0 m w b o i l e rw a st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c tf o rt h e c o n c e p t u a ld e s i g nu n d e ro x y f u e lc o m b u s t i o no nt h ea s p e c t ss u c ha sf u r n a c er a d i a t i o n ， c o n v e c t i o nh e a t i n gs u r f a c e s ，b a c k e n ds u r f a c e s ，c o a lp u l v e r i z i n gs y s t e ma n ds oo n t h e d e s i g n e dc o a lw a sl i g n i t ew i t hh i g hm o i s t u r ea n dl o ws u l f u r t h i ss y s t e mr e c y c l e dt h e s y s t e me n e r g yi nt h ec o u r s e so fg e n e r a t i n go x y g e nb ya i rs e p a r a t i o na n dc o m p r e s s i n g c 0 2 a ni m p r o v e dw i d e b a n dc o r r e l a t e d - kd i s t r i b u t i o nm o d e lw a sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t e t h er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r i a t o m i c g a s e sw i t hh i g h c o n c e n t r a t i o n su n d e r o x y - f u e lc o m b u s t i o n t h ei n f l u e n c er u l eo ft h ei n i t i a lo x y g e nc o n c e n t r a t i o nt on o x e m i s s i o na n db u r n - o u tr a t ew e r er e v e a l e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f r o mt h ev i e wo ft h e b a s i ct h e o r yo fh e a tt r a n s f e r , t h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co ff l u eg a su n d e r o x y - f u e lc o m b u s t i o nw a sa n a l y z e d t h ew h o l ee c o n o m yo ft h eo x y c o a lf i r e db o i l e r s y s t e mw a sa n a l y z e d b yc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fh e a t i n gs u r f a c ei n v e s t m e n t ，a n i n d e xw a sp r o p o s e dt oe v a l u a t et h ee c o n o m yo ft h eb o i l e rc o n v e c t i v eh e a t i n gs u r f a c e s ， d e f i n e da st h et o t a lc o s tp e ru n i tq u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e r r e d v a r i a t i o no ft h et o t a lc o s t p e r u n i tq u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e r r e da td i f f e r e n tg a sv e l o c i t yw a so b t a i n e d t h e r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to ft h eb o i l e rh e a t i n gs u r f a c e su n d e ro x y f u e lc o m b u s t i o nw a s d e t e r m i n e d c o m p a r e dw i t ha i rc o m b u s t i o n ，t h er a d i a t i v eh e a tt r a n s f e ri nt h ef u r n a c ei n c r e a s e d b ya b o u t7 i n3 0 0 2 7 0 c 0 2a t m o s p h e r e a m o n gw h i c ht h ec o n t r i b u t i o no ft r i a t o m i c g a s e s t or a d i a t i v eh e a tt r a n s f e ri n c r e a s e df r o m2 4 t o4 0 a p p r o x i m a t e l y t h e c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rd e c r e a s e db y9 c o m p a r e dw i t ha i rc o m b u s t i o n t h eo p e r a t i o n r e s i s t a n c eo ff l u eg a ss i d ed e c r e a s e sl a r g e l y w i t ht h eg r a d u a lr i s i n go ft h ep r e s s u r ei nt h e f u r n a c e ，t h er a d i a t i o ni n t e n s i t ya n de m i s s i v i t yo ft r i a t o m i cg a s e si n c r e a s e ，b u tt h e i n c r e a s i n gr a n g ed e d u c e u n d e ro x y f u e lc o m b u s t i o n ，t h ee x i s t e n c eo fc 0 2w i t hh i g hc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e l l l l，0 t h ef o r m a t i o no fc o ，w h i c hp r o m o t e st h er e d u c t i v ed e g r a d a t i o no fn o t h ef u m a c e o u t l e tn oc o n c e n t r a t i o ni sa b o u t 4 8 0 m g m 3u n d e rt h e3 0 0 2 7 0 c 0 2o p e r a t i n g c o n d i t i o n ，d e c r e a s e db ya b o u t38 c o m p a r e dw i t ha i ra t m o s p h e r e c o m p a r e dw i t ha i rc o m b u s t i o n ，t h ew a l ls u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e d u n d e ro x y 。f u e lc o m b u s t i o n a st h e g a sv e l o c i t yi n c r e a s i n g ，t h et o t a lc o s tp e ru n i t q u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e r r e dd e c r e a s e sf i r s ta n dt h e ni n c r e a s e s t h et o t a lc o s tp e rl l l l i t q u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e r r e di sr e g a r d e da st h eo b j e c t i v ef u n c t i o nt oe x e r c i s eo p t i m i z a t i o n d e s i g n a sar e s u l t ，b o i l e rb o d ys i z ei sr e d u c e da n dp a r to ft h es u p e r h e a t e r ss h o u l db e m o v e dt ot h eu p p e r p a r to ft h ef u r n a c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec a r b o ni nf l ya s h i n c r e a s e ss l i g h t l yu n d e rt h i ss m a l l e rc a v i t yo p e r a t i o nc o m p a r e dw i t ht h a to f p r i m a r ys i z e ， w h i c hi ss t i l ll o w e rt h a nt h eo p e r a t i n gd a t ao fa i rc o m b u s t i o nw i t h p r i m a r yb o i l e rs i z e u n d e ro u rc o u n t r y sp r e s e n tm a r k e te c o n o m yc o n d i t i o n ，o nt h eb a s i so ft h ep r e s e n t c o a lp r i c e ，t h ec o s to fc 0 2r e m o v a lu n d e ro x y f u e lc o m b u s t i o nd e c r e s e db ya b o u t8 0 c o m p a r e dw i t hm e ac h e m i c a la b s o r p t i o n w h e nt h es y s t e me n e r g yu t i l i z a t i o ni nt h e c o u r s e so fg e n e r a t i n go x y g e na n dc o m p r e s s i n gc 0 2i s t a k e ni n t oa c c o u n t ，t h ec o s to f c 0 2r e m o v a lc a nb er e d u c e db ya b o u t2 3 f u r t h e ru n d e ro x y f u e lc o m b u s t i o n k e yw o r d s ：o x y - f u e lc o m b u s t i o n ，b o i l e rd e s i g n ，g a s e sr a d i a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o p t i m i z a t i o nd e s i g n i l i i k - i i 华北电力大学博士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 主要符号表 第一章绪论l 1 1 研究富氧燃烧技术的背景和意义1 1 2 富氧燃烧技术简介4 1 2 1 富氧燃烧技术的基本原理及特点4 1 2 2 空气分离制氧5 1 2 3 富氧燃烧技术的可行性分析6 1 3 富氧燃烧技术的研究动态7 1 3 1 国外富氧燃烧技术的研究动态一7 1 3 2 国内富氧燃烧技术的研究动态9 1 4 本文的研究内容与目的1 2 第二章富氧煤粉燃烧电站锅炉系统设计研究1 4 2 1 引言1 4 2 2 富氧燃烧锅炉系统描述1 5 2 2 1 锅炉燃烧与烟风系统1 5 2 2 2 制粉系统1 6 2 2 3 热量回收利用系统1 6 2 2 4 烟气处理与污染物回收系统一1 6 2 3 锅炉受热面与制粉系统概念设计分析1 6 2 3 1 炉膛煤粉燃烧设计16 2 3 2 炉膛辐射换热设计1 7 2 3 3 对流受热面的换热设计18 2 3 4 制粉系统的运行优化1 8 2 4 富氧燃烧锅炉整体热力计算分析1 8 2 4 1 富氧燃烧锅炉热效率的计算1 9 2 4 2 炉膛辐射受热面换热量2 l 2 。4 3 锅炉对流受热面换热量2 3 2 4 4 烟气侧与工质侧热量匹配计算2 3 2 5 本章小结2 5 i 华北电力人学博士学位论文目录 第三章富氧燃烧炉内烟气辐射特性的研究2 6 3 1 引。言2 6 3 2 富氧燃烧烟气辐射特性的宽带关联k 模型2 7 3 2 1 宽带关联k 分布模型一2 7 3 2 2 累积分布函数g ( 妨2 9 3 2 3 发射率的求取3 0 3 2 4 水蒸汽和二氧化碳混合气体谱带重叠的影响3 l 3 2 5 模型检验与分析3 2 3 2 6 压力对混合气体辐射强度和发射率的影响3 4 3 3 基于宽带关联k 模型的炉内气体辐射特性分析与分区段计算3 5 3 3 1 三原子气体传统计算模型3 5 3 3 2 研究对象及初始条件3 6 3 3 3 计算结果与分析3 7 3 4 本章小结3 9 第四章初始氧浓度影响锅炉燃烧和n o 排放的数值模拟研究4 l 4 1 引。言4 1 4 2 炉内燃烧数值模拟模型。4 2 4 2 1 湍流气相流动模型4 2 4 2 2 气固两相流模型4 3 4 2 3 炉内燃烧反应模型4 4 4 2 4 辐射换热模型4 6 4 2 5n o 生成模型4 8 4 3 数值模拟工况介绍4 9 4 3 1 锅炉主要结构参数4 9 4 3 2 数值模拟边界条件设定5 0 4 3 3 数值模拟工况5 2 4 4 数值模拟结果及分析5 2 4 4 1 空气燃烧方式下计算结果与实测数据比较5 2 4 4 2 初始氧浓度对温度场的影响规律5 3 4 4 3 初始氧浓度对n o 排放的影响规律5 4 4 4 3 初始氧浓度对飞灰可燃物的影响规律5 6 4 5 本章小结5 7 5 4 本章小结7 2 第六章富氧煤粉燃烧电站锅炉经济性分析7 4 6 i 引言7 4 6 2 富氧燃烧方式下锅炉整体经济性分析7 4 6 2 1 不同脱碳技术的系统描述7 5 6 2 2 不同脱碳技术的经济性分析7 8 6 3 基于熵产分析的富氧燃烧锅炉对流受热面的优化设计8 2 6 3 1 熵和熵产理论8 2 6 3 2 对流受热面熵产计算模型8 4 6 3 3 受热面性能评价指标8 8 6 3 4 实例计算与分析8 9 6 4 本章小结9 5 第七章结论与展望9 7 7 1 结论9 7 7 2 下一阶段工作的展望9 9 参考文献10 1 致谢114 个人简历、攻读博士学位期间发表的学术论文1 15 攻读博士学位期间参加的科研工作1 1 7 一一i_一jr11 辐射减弱系数，1 ( m m p a ) 湍流脉动动能，r n 2 s 2 燃料t 业分析水分， 质量含量， 质量流量，k g s 燃料含氮量， 熵产数 燃料含氧量， 压力，m p a 发热量，k j k g 换热量，k j k g 最大线强与最小线强之比 通刖气体常数，k j ( m o l - k ) 气体容积份额， 燃料含硫量， 熵，k w k 炉膛辐射层有效厚度，m m 肘研n o p q r 厂s s s 华北电力人学博士学位论文主要符号表 线强与线宽之比，1 1 1 2 g r 温度，k “ 质量行程长度，g m 2 速度，m s v 燃料t 业分析挥发分， v 体积流量，i n 3 s w 权重 二、希腊符号 口 漏风系数 艿 克罗内克函数 占 发射率 湍流耗散项，m 2 s 3 f 阻力系数 r l 效率， 波数，1 c m a r 谱带上下限之差，1 c m r 无量纲吸收系数 五热导率，w ( m ) 口 动力粘度，p a s p 密度，k g m 3 仃 黑体辐射常数，5 6 7 1 0 。k w ( m 2 k 4 1 f 松弛时间，s 应力张量，n m 2 矿 保热系数 三、下角标 收到基 壁面 黑体 冷流体 对流 流体 流动 辐射 产生 高位 同体 干烟气 热流体 火焰 积分点 内部 进入 计算 盯b c d f 斛g鲈昏影h时； i i i ，- l r 1irr1】11 h l ， r l 华北电力人学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究富氧燃烧技术的背景和意义 地球气候变化正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化，近百年来，我国 的平均气温上升了o 4 o 5 ，以冬季和西北、华北、东北地区最为明显。而全球 变暖是由于以c 0 2 为代表的温室气体的大量排放导致的温室效应的加剧而造成的。 在各种温室气体中，c 0 2 以其较长的寿命年限及超高的排放量而对温室效应的贡献 最大【1 。6 1 。温室效应将是2 l 世纪人类面临的最大规模的环境问题。由于温室效应影 响范围大、时间长，再加上有许多科学的不确定性，因此问题的解决非常困难。未 来2 0 年内，气温平均每1 0 年气候上升0 2 。c 。即使将所有温室气体和气溶胶的浓 度控制在2 0 0 0 年的水平，仍然可以预期到未来气温每1 0 年会上升0 1 左右。 近年来全球二氧化碳的排放量逐年增加，尤其是发展中国家的排放量增加的幅 度很大。中国以煤炭为中心( 约占能源总需求的3 4 ) 的能源结构将对地球环境造 成极大的负担，2 0 0 7 年，我国的c 0 2 排放总量已经超过美国，位列全球第一【7 喝j ， 这势必会给我国乃至全球带来更加严重的气候和生态的负面效应，因此必须采取有 效措施控制c 0 2 的排放，减缓温室效应的加剧。 中国是世界最大煤炭生产国和消费国，2 0 0 3 年煤产量达1 6 6 7 m t ，占世界煤炭 总产量的3 3 5 ，占中国一次能源产量的7 4 2 ，煤炭在中国经济社会发展中占有 重要地位。2 0 0 3 年，7 8 的发电能源、6 0 的化工原料、3 6 的民用商品能源是煤 炭提供的【9 1 。专家预测，到2 0 5 0 年中国的煤在一次能源中所占比重仍在5 0 以上。 由于火力发电厂具有投资少、建设周期短等优点，所以今后相当长的时间内以燃煤 发电机组为主的基本格局不会改变。但是长期以来，我们在享有煤炭为我们带来的 能量的同时，也极大地影响和破坏了人类赖以生存的环境，造成了一系列严重的污 染，如：s o 。、n o 。、c 0 2 、粉尘以及一些有机污染物等。其中，c 0 2 是造成温室效 应的主要因素。 1 9 9 7 年京都议定书的生效标志着人类在保护地球家园方面迈出了重要的一 大步。京都议定书规定：到2 0 1 0 年，所有发达国家排放的c 0 2 等6 种温室气体 的数量要比1 9 9 0 年减少5 2 t l o 】，发展中国家则没有减排义务。中国是以发展中国 家的身份加入京都议定书的，并且在2 0 1 2 年以前没有减排指标，但2 0 年后中 国将要面临巨大的减排压力。在2 0 0 9 年的哥本哈根世界气候大会上，中国提出2 0 2 0 年全国单位国内生产总值二氧化碳排放比2 0 0 5 年下降4 0 - - - 4 5 。 当前，全球发电所排放的二氧化碳占全球二氧化碳总排放量的4 0 。到2 0 3 0 年，全球的发电量将比现在增加一倍，若不采取有效措施，二氧化碳排放量也将随 1 第一章绪论 之增加2 3 。由于化石燃料仍将在能源结构中占据重要部分，特别是在中国，火力 发电在全国发电总量所占的比例将在2 0 3 0 年保持在7 8 的水平，因此，碳捕获和 储存( c c s ) 技术在实现全球二氧化碳减排中起着至关重要的作用。国际能源署最 近发布了一份( ( c c s 路线图，提出到2 0 5 0 年前，全球在这一领域投入约3 力亿美 元，促进c c s 技术的发展，帮助应对气候变化。有关专家估计，到2 0 5 0 年，c c s 技术将在温室气体减排领域扮演非常重要的角色。 控制包括c 0 2 在内的各种污染物的释放、发展先进的洁净煤利用技术将是今后 很长一段时间内的工作重点【1 1 】。由于c 0 2 主要产生于矿物燃料的燃烧过程，所以在 降低c 0 2 排放所带来影响的策略上，主要是控制c 0 2 的产生和回收处理c 0 2 两种策 略，研究表吲1 2 - 1 3 ，主要的措施有如下三个方面： 提高能源转换效率：通过技术改造，提高现有电站的发电效率。更多的采用超 超临界机组、整体煤气化联合循环( i g c c ) 0 4 、增压流化床联合循环( p f b c ) 等高效的发电技术。由于能量转化效率的提高，在获得同样多能量的情况下， 人类对现有能源( 尤其是化石燃料) 的使用量自然会下降，从而减少使用过程 中所排放的c 0 2 。 促进能源替代：大力发展以水能、风能、核能、地热能、生物能等为一次能源 的无污染发电技术。 c 0 2 的收集、存储：对烟气中的c 0 2 进行收集，然后加以存储或利用。目前， 除了化学或物理的吸收、分离c 0 2 以外，还可以采用等离子化学气体放电 的方法分离脱除c 0 2 。 无论在目前和将来，以上第一个方面的技术都应是首选的，它既降低了发电的 成本，提高了能源的使用效率，同时也有效减少了c 0 2 的排放量，综合效益最好。 但是，由于资源蕴藏量和公共意识等诸多因素的限制，在今后的几十年内，世界范 围内的能源结构还不会有太大的变化，因此，若需要更进一步的降低温室气体c 0 2 的排放量，就只能从第三个方面寻求方法和改进技术，大力推进二氧化碳的捕集、 封存和资源化利用。 近年来，世界上已有许多的研究机构和研究者开始对电站锅炉煤粉燃烧烟气中 c 0 2 的收集和储存技术进行研究【1 5 - 3 0 。在常规空气燃烧方式下，烟气中的c 0 2 含量 一般为1 2 - - 、一16 ，其余绝大部分为空气带入的大量氮气。为了从锅炉燃烧烟气中 捕集浓度较低的c 0 2 ，首先要采用有效的方法将c 0 2 从烟气中分离出来，然后才能 进行回收。由于烟气中c 0 2 浓度过低，无论是采用化学或物理的分离方法，均存在 成本很高、工艺复杂及经济性较差的问题，发电成本增加2 0 - - 一5 0 ，因此，限制 了其大规模应用。如果能在组织燃烧的过程中，采用纯氧代替空气，则燃烧产物中 c 0 2 的含量将达到9 0 ( 体积比) 以上，可不必分离而将大部分的烟气直接液化处 2 与 华北电力人学博士学位论文 理，即使需要分离，其分离成本也大大降低。组织燃料在氧气和二氧化碳混合气体 中燃烧的所谓富氧燃烧技术就是在这一背景下提出来的。富氧燃烧技术也称为 0 2 c 0 2 燃烧技术，或空气分离烟气再循环技术。该方法用空气分离获得的氧气和 一部分锅炉排烟构成的混合气代替空气作为化石燃料燃烧时的氧化剂，以提高烟气 中的c 0 2 浓度。若用煤时，烟气中含大于7 0 的c 0 2 ( 其余大部分为h 2 0 ) ，经干 燥脱水后可得浓度约9 5 的c 0 2 ，因此c 0 2 无需分离即可利用和处理。在这个过程 中，烟气经冷凝脱水后，其量的7 0 - 7 5 循环使用，余下的烟气中的c 0 2 经压缩 脱水后用管道输送。 从理论上来讲，凡需要空气燃烧燃料的场合均可用富氧来代替。富氧燃烧技术 在钢铁冶金行业早有应用，在炼铁的过程中，向高炉内喷入各种燃料( 天然气、焦 炉煤气、煤粉等) 的同时吹入工业纯氧或提高空气中的氧含量进行富氧燃烧，以强 化燃烧、促进杂质氧化及强化熔炼。在其他工业炉窑的强化燃烧中也有采用。但是， 只有在火力发电大规模捕集c 0 2 的前提下，富氧燃烧方式才具备其实际应用意义， 同时也可以大幅度减少甚至消除燃煤产生的其它污染物的排放。近年来，世界各国 已经进行了大量实验室研究与小规模工业示范，被认为是一种可以实现燃烧污染物 近零排放的新型洁净煤发电技术。 火力发电领域应用富氧燃烧技术的目的与重大意义是大规模捕集与封存c 0 2 ， 通常需要将富氧燃烧、c 0 2 捕集与封存有效地整合在电站的热力系统中，以弥补其 成本增加，提高发电的整体经济性。 对不同种类的燃料，采取富氧燃烧方式的经济性也不同，对氢碳比值较高的燃 料，如天然气，其中氢的燃烧也需要氧气，制备这部分额外的氧气与捕集c 0 2 无关， 相对于c 0 2 的捕集量来说，氧气用量较氢碳比值很低的煤相对要多。因此，从经济 上讲，以捕集c 0 2 为目的的富氧燃烧方式更适合用于燃煤发电锅炉。 富氧燃烧技术首先是由h o r n e 和s t e i n b u r g 于1 9 8 1 年提出的，经美国阿贡国家 实验室( a n l ) 的研究证明只需将常规煤粉燃烧锅炉进行适当的改造就可以采用此 技术。美国能源部资助a n l 进行富氧燃烧技术的研究【3 卜3 3 1 。该技术主要由3 个步 骤组成：空气压缩分离、燃烧和电力产生、烟气压缩和脱水等。采用此燃烧方式可 以将燃烧产物中c 0 2 的含量提高至9 0 以上，可不必分离而将大部分的烟气直接液 化回收处理，燃烧产生的一部分烟气再循环与空气分离制取的氧气按一定的比例送 入炉膛组织与常规空气燃烧方式类似的燃烧过程，余下的排气中的c 0 2 经压缩脱水 后得到高浓度c 0 2 ，进步经过有害气体脱除之后有很好的商业用途，可以作为化 工产品的原料、植物的催肥剂、中草药及啤酒花的超临界萃取、冷藏保鲜、保护焊 等，或者直接将其直接注入海底，使其与海水中的矿物质发生反应生成稳定的化合 物，实现c 0 2 的固化。富氧燃烧技术不但可以有效控制电站锅炉c 0 2 的排放，而且 图1 - 1 富氧燃烧技术原理图 富氧燃烧技术目前的主要研究应用领域有电站锅炉、燃料电池、i g c c 及联合 能源生产系统等。这其中，建立在常规煤粉炉上的0 2 c 0 2 煤粉燃烧系统既可以是新 建的煤粉锅炉，也可以是对现行老电厂的改造。 富氧燃烧方式的主要优越性体现在以下若干方面： 1 ) 燃烧产物中c 0 2 的浓度达9 0 以上，无需进行分离就可以直接进行液化回收。 2 ) 由于s 0 2 的沸点1 0 0 2 。c 高于c 0 2 的三相点温度7 8 5 。c ，在压缩冷凝液化回收 c 0 2 的过程中，烟气中的s 0 2 首先被液化并回收，有可能省去复杂昂贵的烟气 脱硫设备，并得到资源化利用。 3 ) 实验已证明，在0 2 c 0 2 燃烧环境下，n o 。的生成量显著减少。一方面，由于 燃烧中不存在大量随空气带入的氮气，热力型n o 。生成量很少；另一方面， 由于烟气再循环燃烧，可能使已生成的n o 。在炉膛内发生还原反应。如果再 结合低n o 。燃烧技术，则有可能不用或少用脱氮设备，减少运行费用。 4 一 一 j1卅_ 华北电力人学博士学位论文 4 ) 实验己证明，当0 2 含量相同时，在0 2 c 0 2 燃烧气氛下，煤粉燃烧的火焰传播 速度较空气燃烧气氛下低，这主要是由于c 0 2 的比热容较n 2 大，另外还有气 体辐射特性的差别。但是，在组织0 2 c 0 2 燃烧中，送入炉膛的氧气浓度可以 突破空气中氧气含量2 1 的限制，因此可以适当提高氧浓度，提高炉膛温度， 强化炉内传热，促进燃料的完全燃烧，减小飞灰可燃物量，提高燃料的燃烧 效率，减少烟气排放量和排烟损失，同时也使燃煤的适应范围扩大。 5 ) 烟气中高浓度c 0 2 和h 2 0 的混合气体导致更强的气体辐射，炉膛辐射换热量 会有所增加。 6 ) 由于相当一部分烟气参与再循环，锅炉的排烟量大幅度减小，使得锅炉排烟 损失减小，锅炉的热效率较空气燃烧方式显著提高；另外，锅炉引风机、除 尘设备及脱硫设备的容量及电耗也相应下降，同时也节约了厂用电。 在工程实践中实施富氧燃烧技术，还有许多有待于研究和解决的问题，比如， 煤在0 2 c 0 2 环境下的热解、燃烧、燃尽及污染物生成的反应动力学特性，煤粉燃烧 器的改进，0 2 c 0 2 气氛下灰渣特性及对受热面污染的影响等方面。 1 2 2 空气分离制氧 目前，从空气中分离出氧气是大规模获取氧气的唯一来源，全世界各行各业的 氧气耗量仅次于硫酸，为世界上第二大化学制品。空气分离制氧设备是富氧燃烧系 统中所增加的主要设备，也是影响系统经济性和增加发电成本的主要因素【3 4 1 。 目前，工业制造氧气的方法大致分为深冷法、变压吸附法( p s a ) 和膜法富氧 技术，其基本特点如下： 1 ) 深冷分离法 深冷分离法制氧是以空气为原料，利用氧气和氮气临界温度的差异，用深度冷 冻的方法将空气冷凝后使氧气与氮气分离，得到液态氧气，技术成熟、可靠。除可 获得高纯度的氧气外，还可获得氮、氩等副产品气体。由于深冷制氧的冷量是由压 缩至0 6 m p a 以上的原料空气节流或膨胀而获得，因而电耗相对较高，设备多、流 程复杂、占地面积大等。该方法适用于大规模生产，产品气体为干气，且生产的0 2 浓度在9 9 以上。 2 ) 变压吸附法 利用分子筛吸附剂在常温下处于不同工况时，对不同气体组分具有不同的吸附 能力的特性，通过变压吸附剂完成空气分离。常用p s a ( 超大气压吸附常压解吸) 和v p s a ( 常压吸附真空解吸) 两种方法。该技术处于技术革新阶段，适用于中、 小规模生产，产品气处于加压状态，塔阀自动切换可无人运行，吸附剂寿命在十年 以上，产品办为干气，且生产的0 2 浓度在9 0 - 9 5 之间。 s 第一章绪论 和深冷法相比，变压吸附法具有流程简单、能耗低、可快速便捷获得氧气且占 地面积小等优点。但制氧规模偏小，对设备质量要求高。 3 ) 膜法富氧技术 膜法富氧技术系指利用空气中各组分通过高分子膜的渗透速率不同，在压力差 驱使下，将空气中的氧气富集而获得富氧空气的技术。该技术尚处于技术开发和市 场开发阶段，适用于小规模或超小型生产，可间歇或连续操作，操作简单，可无人 运行，膜的寿命可达数年，无噪声清洁生产，产品为干气或湿润气体。 膜法富氧可使富氧空气中的氧浓度达到2 8 - - 4 5 ，设备简单，操作方便和安 全、较深冷法和变压吸附法经济。 1 2 3 富氧燃烧技术的可行性分析 富氧燃烧技术主要从正反两个方面影响火力发电的效率。一方面，由于采用了 部分烟气再循环，排烟体积减小，所以排烟损失减小，锅炉效率较常规空气燃烧锅 炉提高；但另一方面，空气分离制氧与c 0 2 压缩需要消耗大量的电力。后者显著大 于前者，因此，整体燃煤发电机组的经济性必然下降。但与使用空气燃烧系统同时 加装喷氨脱硫设备的机组相比，使用0 2 c 0 2 燃烧系统的电站效率更高。 以燃烧煤粉的超临界发电机组为例【35 1 ，在空气燃煤时，其整体发电效率为3 8 5