（工程热物理专业论文）富氧环境下煤粉燃烧特性试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 氧气浓度的变化对煤粉燃烧产生很大的影晌，增加氧气浓度会降低着火热和 着火温度，增加反应速度、提高火焰温度、促进完全燃烧。目前，世界上火力发 电厂煤粉锅炉基本上都是用油点火或助燃，每年的耗油量是巨大的。如果可以利 用富氧空气( 高氧气浓度的空气) 助燃煤粉、替代电厂点火用油，其经济效益将 十分可观。 本文选用了从褐煤到贫煤的不同煤样，在沉降炉和热天平两种试验台上进行 了煤粉的富氧燃烧试验。 在沉降炉中，着火温度随氧气浓度的增加丽降低。低挥发分的贫煤对氧气浓 度变化最为敏感，氧浓度由1 6 增加到3 6 ，着火温度下降2 4 ，绝对值降低 1 4 7 ，而褐煤卡列那的着火温度随氧气浓度变化最小，仅下降3 6 c ，但由于其 本身的着火温度较低，所以降幅也达到1 2 。四种烟煤的趋势居于贫煤和褐煤 之间，着火温度下降1 5 左右，绝对值下降6 0 1 0 0 ，且烟煤的着火温度在氧 气浓度达到2 6 后，下降的速度降低。通过改变沉降炉内的煤粉浓度的实验， 我们可以发现：氧气浓度增加，消弱了煤粉浓度对着火温度的影响。同样不同氧 气浓度下煤粉细度对着火温度的影响很小，且基本相近。 在热天平中，不同的煤种随着氧浓度的增加最大燃烧速率对应温度t i m a x 降低约5 0 c 左右，下降比例在1 0 左右。氧气浓度增加后煤种的着火特性向好 的方面转变：t o 曲线左移，蓝线变得更加陡峭。 本文也分析了氧气浓度增加对反应速度、燃尽率和排放的影响，得出在两种 实验设备中煤粉燃烧速度与氧气浓度基本成指数关系，燃烧速度随氧浓度增加而 迅速增加；氧气浓度增加对燃尽有很大的促进，尤其对于难燃的煤种，氧气浓度 从2 1 提高到3 6 ，燃尽率可提高1 1 ；氧气浓度提高后并不一定增加二氧化 硫和氮氧化物的排放，在过量空气系数一定的条件下，增加氧气浓度，二氧化硫 和氮氧化物的生成量反而明显降低。 关键词：氧气浓度；煤粉；着火温度：反应速度；燃尽率；排放；沉降 炉；热天平 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 ev a r i e t yo f t h eo x y g e nc o n e e n t r e t i o nw i l lm a k et h eg r e a ti n f l u e n c et ot h ec o a l c o m b u s t i o n t h ee n h a n c eo ft h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni sa b l et or e d u c ei g n i t i o n h e a t 、i g n i t i o n - t e m p e r a t u r ea n d i n c r e a s er e a c t i o nv e l o c i t y 、f l a m et e m p e r a t u r ew h i c h w i l lp r o m o t ec o m b u s t i o nc o m p l e t e l y a tt h ep r e s e n tt i m e ，o i lw a su s e dt of i r e0 1 c o m b u s t i o ns u p p o r t i n gi nt h ep u l v e r i z e dc o a lf i r e db o i l e ro ff u e le l e c t r i cp l a n ti nt h e w o r l db ya n dl a r g e i f t b eo x y g e n e n r i c h e da i r ( h i g l lo x y g e nc o n c e n t r e t i o na i r ) b eu s e d t os u p p o r tc o m b u s t i o nc a ns t e a dt h eo i li nt h ep o w e rp l a n t s ，t h ee c o n o m i cb e n e f i t s w i l lb eq u i t eg o o d t h ep a p e rc h o o s et h ed i f f e r e n tc o a ls a m p l e sf r o mb r o w nc o a lt od r y b u r n i n gc o a l a n dm a k et h eo x y g e n e n r i c h m e n tc o m b u s t i o nt e s t si nt h ed r o pt u b ef u r n a c ea n dt h e t h e r m o g r a v i m e t r i ca p p a r a t u s d u r i n gd - f u r n a c ee x p e r i m e n t st h ei g n i t i o n - t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s w i t ht h e o x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g l o wv o l a t i l ed r y - b u r n i n gc o a li st h em o s ta c u t e s tt o t h eo x y g e nc o n c e n t r a t e o x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df r o m1 6 t o3 6 ，1 1 l c i g n i t i o n t e m p e r a t u r e d e c r e a s e d2 4 d e c r e a s i n gb y1 4 7 k a l i e n ac o a l s i g n i t i o n - t e m p e r e t u r eh a sal i t t l ec h a n g ew i t ho x y g e nc o n c e n t r a t e ，d e c r e a s i n gb y3 6 c b e c a u s eo fi t sl o wi g n i t i o n - t e m p e r a t u r e t h ed e c r e a s er e a c h1 2 n et r e n do f4 b i t u m i n i t e sa r eb e t w e e no n eo f b r o w nc o a la n dd r y - b u r n i n gc o a l ，i g n i t i o n t e m p e r a t u r e d e c r e a s e d1 5 o rs o 6 0 1 0 0 a n dt h ed e c r e a s i n gv e l o c i t yo ft h eb i t u m i n i t e s i g n i t i o n - t e m p e r a t u r eb e c o m el o w e ra f t e rt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nr e a c h2 6 t h e l i r l ed i f f e r e n c eo c c u ra m o n gb i t u m i n i t e s f o rc o a lc o n c e n t r a t ee x p e r i m e n t ，w ef i n d o x y g e n e n r i c h e dw e a k e nt h ee f f e c to fc o a lc o n c e n t r a t eo ni g n i t i o n - t e m p e r a t u r e c o a l d i m e n s i o nh a saw e a ke f f e c to ni g n i t i o n - t e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n to x y g e n c o n c e n t r a t e i nt h e r m o g r a v i m e t r i ca p p a r a t u s ，t h et i m a xo fa l lt h ec o a l sd e c r e a s ew k ho x y g e n c o n c e n t r a t e si n c r e a s i n g a b o u t5 0 。0 ，t h er a t ei s1 0 w i t ht h ei n c r e a s i n go fo x y g e n c o n c e n t r a t i o n ，t h ec h a r a c t e ro fi g n i t i o nt u r nb e r e r ：t gc u r v en l o v el e f ta n dt u r n s t e e p e r n 地p a p e ra l s oa n a l y s et h ee f f e c to fo x y g e nc o n c e n t r a t eo nr e a c t i o nv e l o c i t y ； b u r n o u te f f i c i e n c ya n dr e l e a s eo fs 0 2a n dn o x t h e r ei se x p o n e n t i a lr e l a t i o nb e t w e e n c o a lr e a c t i o nv e l o c i t ya n do x y g e nc o n c e n t r a t e t h eh i g h e ro x y g e nc o n c e n w a t e p r o m o t e sb u r n o u te f f i c i e n c ye s p e c i a l l yf o rt h ec o a l s w h i c hi s d i f f i c u l tt ob u r n , i n c r e a s i n g11 i nb u r n o u te f f i c i e n c y h i g h e ro x y g e nc o n c e n t r a t em u s tn o ti n c r e a s e t h er e l e a s eo fs 0 2a n dn o x ，u n d e raa p p r o p r i a t ee x c e s sa i rr a t e ，t h e r eb e i n gl o w r e l e a s eo fs c ha n dn o x k e yw o r d s ：o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ；c o a lp u l v e r i z e d ；i g n i t i o n - t e m p e r a t u r e ； r e a c t i o n v e l o c i t y ；b u m o u te f f i c i e n c y ；d i s c h a r g e ；d r o p t u b e f u r n a c e ； t h c r m o g r a v i m c t r i ca p p a r a t u s 2 学号趁塑翌兰生圭 独创性声明 r y9 9 9 7 7 7 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： v 1 滩畛签字日期：耐年 弓月弓目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：矗、1 谛畛 导师签名 签字日期：h 衫年弓月弓日签字目期：沙。缉享月于日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节世界能源概况 1 1 国际能源概况1 1 1 化石燃料一煤炭、石油与天然气，合计占全球现在使用能源总量的8 5 以 上。1 9 世纪7 0 年代的产业革命以来，化石燃料的消费急剧增大。初期主要以煤炭 为主，进入2 0 世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油以及天然气的开采与 消费开始大幅度地增加，并以每年2 亿t 的速度持续增长。虽然经历了上世纪7 0 年 代的两次石油危机，石油价格高涨，但石油的消费量却不见有丝毫减少的趋势。 据估算与推测，2 1 世纪化石燃料中有的将被开采殆尽，有的因开采成本高以及开 发使用导致的一系列环境问题而失去开采价值。地质学家早已明确指出：石油耗 竭之日为期不远了。现在，尽管地质学家和经济学家们在激烈地争论石油开始匮 乏的时间，但无论如何，化石燃料终将耗尽却是无可争辩的事实( 参见表1 1 ) 。 表1 1 非可再生能源占全球能耗比例及可用年限 全球能源需求的高度成长。国际能源机构( i e a ) 正式公布了新版世界能源 预测，对2 0 3 0 年前的能源需求、使用进行了预测，指出未来能源需求将继续保 持增长，化石类燃料及将占主导，发展中国家需求增幅较快。该报告称2 0 0 0 - - 2 0 3 0 年间，全球一次能源每年需求增幅为1 7 ，至1 j 2 0 3 0 年时年需求将达到1 5 3 亿t 原油 ( 折合) ，而目前全球能源消费总量为9 0 亿t 原油( 折合) 。能源需求增长的9 0 为化 石类燃料。未来全球石油每年需求增幅为1 6 ，将由2 0 0 0 年的7 5 0 0 万桶d 增至 2 0 3 0 年的1 2 亿桶d ，其中的3 4 将用于满足交通运输需求。天然气需求增长最快， 在未来2 8 年中天然气需求将翻一番，在能源需求中的份额将从目前的2 3 增至 2 8 ，未来将有大量的电厂使用天然气作燃料。煤炭需求也会增加，但比石油和 天然气的增幅要小，煤炭需求增长的2 3 将分布在中国和印度，可再生能源如水、 电等的作用将不断增强。 在2 0 0 0 至2 0 3 0 年间，一次能源需求增加量的6 0 将用于发展中国家，特别是 亚洲，这些国家在世界能源需求中所占的份额将由目前的3 0 增至4 3 。中国已 成为世界上的第二大一次能源消费国。随着经济的不断发展，能源需求将继续增 长，且需进口大量石油和天然气资源。 1 2 中国能源现状1 1 1 1 2 1 1 1 1 i 浙江大学硕士学位论文 中国是一个世界人口最多的国家，也是世界上能源生产和能源消费大国之 一。据统计，2 0 0 1 年中国能源生产量为8 3 9 7 亿t 标准油，占世界总量的2 1 6 ，居 世界第三位，排在美国、俄罗斯之后。同年中国能源消耗量占世界总量的9 3 ， 居世界第二位。2 0 0 1 年中国煤炭产量居世界第一位，占世界总量的2 4 4 ；中国 发电量居世界第二，占世晃总量的9 4 ；中国石油产量居世界第六位，占世界总 量的4 6 ( 见表1 2 ) 。 表1 2 各国能源生产量和消费量占世界总数比重( 2 0 0 1 年) 表1 3 中国近年来能源生产总量和构成 中国能源消费量大，除总人口规模大之外，主要是经济持续高速增长、中国 g d p 占世界总量的比重不断上升的必然结果。据国际能源署( i e ai n t e r n a t i o n f l e n e r g ya g e n c y ) 估计，按汇率方法计算，中国g d p 总量占世界总量比重1 9 8 3 年为 2 ，1 9 9 3 年上升为3 。我国人均能源消费和储量大大低于世界人均水平。据统 计，1 9 8 0 年，我国人均能源量相当于世界人均水平的3 0 ，1 9 9 4 年上升为4 6 。 而美国1 9 9 4 年人均能源消费量相当于世界人均水平的5 4 6 倍，日本相当于2 6 9 倍， 高收入国家相当于3 4 5 倍，中等收入国家在1 倍左右。从各类主要能源储量看， 中国人均原煤储量相当于世界人均水平的4 5 ，人均水电资源储量相当于世界人 均水平的5 5 ，人均原油储量相当于世界人均水平的1 1 ，人均天然气储量仅相 当于世界人均水平的5 。按人均能源消费量和储量看，中国又是能源“小国”， 即远低于世界人均水平 表1 3 是列出了近几年我国历史能源生产总量和构成，从表中可以看出，煤 2 浙江大学硕士学位论文 炭在我国能源中占有重要的地位。我国煤炭资源储量丰富，居世界第三位，与其 他能源相比，煤炭具有明显的成本优势。在所有化石能源中，煤炭是最便宜的一 种能源，同等的发热量，用煤的成本只相当于用油的3 0 ，天然气的4 0 。专 家预测，到2 0 1 0 年，使用石油、天然气的成本将是煤炭的8 倍，甚至更高。目 前，煤消耗占世界一次能源消耗的2 7 ，世界发电量的4 5 ，随着其它一次性 资源的枯竭，煤在一次性能源结构中的比重将进一步提高，从表1 3 中也可以看 到，进入2 1 世纪后，我国的能源生产中煤炭的比重越来越大，原油的比重逐渐 下滑。据有关专家预测到2 0 1 0 年煤炭在世界一次性能源消费量的比重将超过三 分之一，而消费量则将由2 0 0 0 年的4 3 亿吨增长到2 0 2 0 年的5 8 亿吨。在最近完 成的中国可持续能源发展战略研究报告中，2 0 多位中科院和工程院院士一 致认为，到2 0 1 0 年煤炭在一次性能源生产和消费中将占6 0 左右；到2 0 5 0 年， 煤炭所占比例不会低于5 0 。可以预见，在未来几十年内煤炭仍将是我国的主要 能源和重要的战略物资，具有不可替代性。煤炭工业在国民经济中的基础地位， 将是长期的和稳固的。我国人均能源可采储量远低于世界平均水平，2 0 0 0 年人 均石油开采储量只有2 6 吨，人均天然气可采储量1 0 7 4 立方米，人均煤炭可采 储量9 0 吨，分别为世界平均值的1 1 1 、4 3 和5 5 4 。我国石油产量不可能 大幅增长，2 0 2 0 年预计为1 8 也0 亿吨，然后将逐渐下降。 我国煤炭资源虽然比较丰富，但探明程度很低。从种类看，经济可采储量少， 优质资源少；从布局看，我国尚未利用的煤炭精查储量大多分布在自然条件恶劣、 生态环境十分脆弱的区域，尚未利用的经济精查储量中8 6 分布在于早缺水、远 离消费中心的中、西部地区，开发、运输和利用的难度势必加大制约着开发建设； 从开采条件看，煤田构造复杂，适宜露天开采的煤炭资源少；从利用水平看，资 源消耗高，小型煤矿矿井资源回采率仅为1 0 1 5 。有关专家按照各类煤矿产 量加权平均的方法，对煤矿的矿井回采率进行了估算，目前全国煤矿矿井回采率 仅在3 0 左右1 1 1 ，资源破坏和浪费问题非常突出。同时，煤炭资源开发中造成的 生态环境破坏，带来了大量社会问题。 第二节研究富氧燃烧的背景及意义 2 1 国内外研究状况1 6 1 富氧助燃在国内外都有很大的发展，就目前的资料显示：在富氧助燃方面的 应用，都以膜法富氧助燃为最多。早在八十年代初。许多发达国家都投入了大量 人力物力来研究膜法富氧技术，特别是日本，该国曾在以气、油，煤为燃料的不 同场合进行了富氧应用试验，得出如下结论：用2 3 的富氧助燃可节能1 0 2 5 ； 用2 5 的富氧助燃可节能2 0 4 0 ，用2 7 的富氧助燃则节能高达3 0 一5 0 等。 因此日本早在十几年前就决定：工业用大型锅炉的2 6 6 、工业用中型锅炉的 3 1 7 、取暖用锅炉的1 5 、船舶动力装置的3 3 1 3 ，不得用普通空气，而要使 浙江大学硕士学位论文 用富氧空气助燃。此外美国、德国、前苏联、英国、法国、捷克等均有膜法富氧 用于助燃的报导。值得一提的是国外绝大部分用的是整体增氧，即所需空气全用 富氧来代替，所以投资非常大，只有当氧燃料价格比小于某值时，富氧助燃才 有实际意义。同时，国外也出现了使用全氧来助燃，目的是消除n o x 。 1 9 8 9 年我国科学家开发的局部增氧助燃技术，使用富氧量仅为所需空气量 的l 3 。而原来鼓风量和引风量均要下降5 5 0 ，主要应用于玻璃窑炉，燃 油、燃煤、燃气等小型的工业锅炉，社会效益和经济效益均比较好。平均节约燃 料1 1 8 ，增产1 0 2 ，产品质量亦有提高，炉窑寿命亦相应延长，且富氧后烟 气排放全部低于国家环保标准，一般几个月就能收回全部投资。 图1 1 是锅炉助燃的典型流程1 3 1 ： 图1 1 锅炉助燃的典型流程 2 2 研究煤粉富氧燃烧的意义 目前，世界上火力发电厂煤粉锅炉基本上都是用油点火或助燃，只有少数国 家使用气体燃料。在我国，电厂的燃煤锅炉很大一部分用油进行点火或助燃。在 用油点燃时，一般是用油将炉膛烧热，以保证煤粉在喷入炉膛时稳定燃烧。同时， 在运行中，由于负荷的变化，在低负荷下燃烧可能不稳定，因此需要油助燃。这 种点火方式耗油量很大。据统计5 0 m w 机组锅炉启动一次需要耗油5 吨，1 2 5 m w 机组锅炉启动一次需耗油1 5 吨，而2 0 0 m w 机组锅炉启动一次需耗油5 0 吨：一 台3 0 0 m w 机组锅炉每年需点火用油4 0 0 吨、稳燃用油1 5 0 0 0 吨。2 0 0 2 年我国用 于锅炉点火和助燃的燃料油超过六百万吨，直接费用高达1 6 0 亿元人民币p j 。面 对如此严峻的形势，国家明文规定了电厂锅炉的点火和助燃用油量，发布了节约 和替代燃料的“十五钡划：“十五 期阎，节约和替代燃料油1 6 0 0 万吨，其中电 力行业要节约和替代7 5 5 万吨。随着能源供应的日趋紧张，开发无油点火与稳燃 新技术，降低点火助燃用油，研究节能高效燃烧有着重要的意义。如果可以利用 富氧空气助燃达到点火时不用油或者少用油以及在低负荷时候仅用富氧空气助 燃，其效益将是巨大的。 使用富氧空气助燃，在国内外都有很大的发展。众所周知氧气浓度的变化对 燃烧产生很大的影响，增加氧气浓度会降低着火热和着火温度、增加反应速度、 4 浙江大学硕士学位论文 提高火焰温度、促进完全燃烧。而且在纯氧中燃烧，可以避免由于n 2 对燃烧产 生的影响，如：n o x 的生成，0 2 向可燃物的扩散等。一般情况下的燃烧，使用 的助燃物都是大自然中的空气。空气中的氧的含量大约为2 0 9 ，而有时候的燃 烧，需要富氧助燃，所以有必要研究在不同氧浓度下的煤粉燃烧特性。 第三节本文研究的内容及方法 3 1 富氧助燃的经济性以及影响煤粉着火特性的因素 此部分为文献综述，本文在查阅大量文献的基础上，对制氧类型和制氧成本 进行介绍，简单计算了富氧点火的经济性，对国内外富氧燃烧的发展状况等方面 也进行了介绍，同时对影响煤粉着火特性的因素进行了研究，找出了影响煤粉着 火特性的各种因素，为进一步确定试验方案提供理论依据。 3 2 试验设备与装置的介绍 研究氧浓度的变化对煤粉气流着火特性的影响时，主要采用沉降炉系统。在 试验台的改进等方面进行了大量的工作，为试验的顺利进行提供了必要的保证。 同时在研究了氧浓度对不同煤种的煤粉燃烧特性的影响时，利用了热分析仪进行 研究。对热分析仪的工作原理、结构等方面进行了一定的介绍。 3 3 研究氧气浓度变化对煤粉着火温度的影响 通过着火温度指数这一指标来反映氧气浓度对煤粉的着火特性的影响。利用 沉降炉系统在变氧气浓度下进行不同的煤种、不同煤粉浓度、不同煤粉流速以及 相同煤种的不同粒径下的试验。利用热天平进行不同煤种的实验，通过试验求得 的最大燃烧速率对应温度t l m a x 来考察氧浓度对不同煤种着火特性的影响程度。 3 4 研究氧气浓度变化对煤粉燃烧速率、燃尽和排放的影响 利用沉降炉系统与热分析仪，在变氧气浓度下对不同的煤种进行试验，求取 反应速度，分析氧气浓度对燃烧速率的影响。同时利用沉降炉系统对煤粉的燃尽 和排放进行实验，分析富氧后对这些方面的影响，为富氧燃烧的实施提供理论支 持。 参考文献 【l 】李敏，浅谈中国能源现状及未来，山西电力，2 0 0 4 6 【2 】濮洪九，煤炭资源我国经济可持续发展的物质保障，煤炭经济研究，2 0 0 3 4 【3 】沈光林，膜法富氧的应用研究，工厂动力，1 9 9 9 4 【4 】陈武，唐辛，张希诚，我国煤炭资源及其开发利用研究，煤炭经济研究，2 0 0 3 7 f 5 】袁德。李明，高温空气无油点火技术研究与应用，中国科协2 0 0 4 年学术年会电力分会 场暨中国电机工程学会2 0 0 4 年学术年会论文集。2 0 0 4 【6 1 沈光林，膜法富氧的应用研究，低温与特气2 0 0 0 _ 3 浙江大学硕士学位论文 阴沈光林，聂通元等，局部增氧助燃技术及应用，节能与环保。2 0 0 2 【8 】孙学信，燃煤锅炉燃烧试验技术与方法，中国电力出版社，2 0 0 2 【9 1 方寿奇，膜法富氧技术在燃煤锅炉上的应用，膜科学与技术，2 0 0 1 【l o 】熊友辉，孙学信，动力用煤及燃烧特性的研究手段和方法，煤质技术，1 9 9 8 9 【i l 】国家统计局，中国统计年鉴m 】，北京：中国统计出版社，2 0 0 5 6 浙江大学硕士学位论文 第二章富氧的经济性及影响煤粉着火特性的因素 第一节富氧燃烧的经济性 富氧助燃和点火，会消耗的大量的氧气，氧气的制各需要一定的费用和可用 的设备，所以富氧点火和助燃的经济性以及氧气的来源都是需要认真考虑。本节 将介绍工业制氧的情况和以及富氧助燃的经济性。 1 1 工业制氧的情况 对于这种大规模的使用氧气，氧气的来源也是一个重要内容，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 ) ，膜法富氧，其特点如下： i i 1 深冷法 深冷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精馏，将氧气与氮气分离。液态氧气可以在中心厂生产，然 后用槽车或输配管道输送，或者液态氧气直接在现场生产。深冷制氧法技术成熟、 可靠，其优点是：除可获得高纯度的氧气外，还可获得氮、氩等附产品气体：其 缺点在于设备多、流程复杂、占地面积大等。 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，特别是中、小型的深冷制氧装置，因原料空气需压缩到 更高的压力，单位氧气电耗更高，随着技术的不断发展，该法制氧所需的能耗也 在降低。 目前常用的空分装置是将深冷法和变压吸附法结合起来，这样能耗将大为降 低，每吨氧气电耗大约为4 9 0 k w h ( 注：以1 8 0 n m 3 h 的产气量为例) ，大型设备 能耗应小于此数字。而且制氧规模很大，可达5 0 0 0 0 m 3 h 以上，能满足各种大量 需氧的情况。( 注：参考成都深冷空分设备工程有限公司1 8 0 m 3 l l 空分设备和杭 州制氧机厂的产品) 1 1 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而研制的。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。 和深冷法相比，变压吸附法具有一次性投资少、流程简单、操作方便、自动 化程度高、劳动定员少、能耗低、开停车方便、可快速便捷获得氧且占地面积小 等优点。制氧规模受技术限制，其经济规模为2 0 0 0 3 0 0 0 n m 3 h t 2 “，由于设备切 换工作频繁，致使该工艺对设备质量要求非常高。随着技术发展，经济规模将提 高，制氧成本会下降，目前可查得：每吨氧气电耗小于2 8 0 k w h ：氧气纯度高达 9 5 ；制氧规模达到5 0 0 0n o h 。 7 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 膜法富氧技术 膜法富氧技术，系指利用空气中各组分透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。 膜法富氧可使富氧空气中氧浓度达到2 8 4 5 。在规模小于1 5 0 0 0 n m h 时，膜法富氧投资、维修及操作费用较深冷法和p a s 法经济。此外膜法设备简 单，操作方便和安全、启动快、规模可中可小、不污染环境、投资少、节能效果 显著等优点。有关性能指标( 注：参考火星8 6 3 网站公布的技术信息) ：产品氧 浓度2 7 3 1 ，流量根据用户需要选配，最大可达每小时一万五千立方米( 能配 一台一千喃a 4 , 时蒸汽发电锅炉富氧助燃) 。电耗约o 0 8 , 4 3 1 2 k w h m 3 富氧空气， 占地0 0 2 o 0 6 m j 富氧空气。 1 1 4 制氧设备选取参考 在文中讨论氧气的价格是比较困难的，因为氧气的价格受许多因素的影响， 例如设备利用率，初投资，金融利率，折旧，电费和地理位置等。所以，我们只 能作一些简单的判断： ( 1 ) 容量大且设备利用率为1 0 0 时，就地深冷制氧可能是最低廉的。 ( 2 ) 当负荷不断变动且容量较小时，用槽车运输液态氧气是适宜的。 ( 3 ) 在小容量、中等容量且设备利用系数高时，p s a v s a 可能是最适合。 ( 4 ) 在小容量且需要的氧气浓度较低时，薄膜法可能最具竞争力。 1 2 富氧点火经济性估算 设想将锅炉的下层一次风由普通空气换成高氧气浓度的气体，锅炉启动时直 接点燃富氧的一次风煤粉气流。此种点火方式所需要的改造费用很低，其经济性 主要考虑氧气的来源及费用即可。另外，如果采用局部富氧，即采用少量高浓度 氧气在一次风喷日附近吹入，形成一个稳定的点火源，由局部引燃整个一次风， 这样需要的氧气量更少，其经济性非常高。所有设想的可行性还在实验中，本节 仅讨论底层一次风全部富氧的经济性。 1 2 1 一次风用氧量估算 在一次风中加入部分氧气或者使用富氧空气作为一次风输送煤粉，这样可在 燃烧前，使煤粉和富氧空气预混，达到较好的燃烧状况，只需对设备稍作改造。 由前面的叙述可以知道，目前氧气的制备有三种主要的方法：深冷法、变压吸附 法、膜法。由于这三种制氧方法得到的氧气浓度依次为约1 0 0 、9 5 、3 5 ， 各不相同，所以下面分别对这三种浓度的富氧空气掺入量作简单的估算。表2 1 计算了1 2 5 m w 机组点火时，一层一次风喷嘴，风管内风速( 空气与煤粉混合后) 假设为3 0 m s ，一次风温度( 煤粉，富氧，空气混合后) 分别为2 0 、8 0 、1 6 0 ， 掺后氧浓度3 0 时，需掺入不同舍氧量富氧空气的体积流量。 表2 13 0 富氧浓度下不同一次风温度需要的富氧空气量( n m 3 h ) 8 浙江大学硕士学位论文 表2 t 2 计算了一次风温度为8 0 c 时，不同富氧浓度下，需要的不同制氧方式 的富氧空气量。 表2 28 0 时不同富氧浓度下需要的富氧空气量( n m 3 h ) 从上表中可知用变压吸附法和深冷法富氧技术得到的富氧空气掺入量约为 2 5 0 0 5 8 0 0 n m 3 h 。用膜法富氧技术得到的富氧空气掺入量约1 4 0 0 0 3 0 0 0 0 n m 3 h ，无论是用那种方式的富氧空气，所需的富氧空气量都非常大。 从目前查到的资料来看，用变压吸附法和深冷法即时供应氧气都能满足需 要，而膜法富氧需要至少2 台制氧设备同时运转才能满足即时供应的需要。但是 考虑到氧气或者说富氧空气可以储存，以及氧气的使用是间断的( 仅点火和低负 荷时使用氧气) ，则对制氧设备的制氧能力要求会降低。具体需要的制氧能力可 根据锅炉台数、实际年点火次数和运行状况来确定。 1 2 2 供氧方案分析 氧气来源可以有两种主要的方法，一是外部运输液氧，二是自备制氧机，有 大致如下三种方案： 方案一：在厂内建液氧贮槽，通过槽车从外面运输液氧 此种方法初投资较少，仅需要建一个能存储满足一次点火需要的氧气量的液 氧贮槽即可。通过槽车运输液氧，装入液氧贮槽，为点火备用。液氧贮槽的容积 可以根据一次点火的需氧量确定。以1 2 5 m w 机组为例，一次点火需要的液氧大 致为5 0 0 0n m 3 h * 6 h = 3 0 0 0 0n m 3 ，换算成液氧接近4 0 m 3 。 方案二：自备小型制氧机，在厂内建液氧贮槽 此种方案需要自备一台小型制氧机，小型制氧机连续工作，生产的氧气存储 在液氧贮槽，供点火时使用，比购买氧气价格便宜，其经济性要比方案一高，但 初投资要比方案一高出一个小型制氧机的价格。 此种方案中生产的氧气需要存储在液氧贮槽，所以适合用空分制氧方式的小 型制氧机，而变压吸附( p s a ) 和膜法制氧的出口压力低，而且制氧纯度较低， 需要浪费较大的能耗将氧气液化存储。 方案三：建大型制氧设备，即时供氧，剩余时间的氧气及附属产品出售。 建大型空分设备，生产的产品纯度和种类多( 纯氧、纯氮、氩、氖、氪、氙 等) ，如果有好的销售路径，其经济效益将是三种方案中最高的，但是所需要的 初投资很高，一般一台6 0 0 0 n m 3 h 的空分制氧设备，其初投资超过4 0 0 0 万，变 9 浙江大学硕士学位论文 压吸附制氧也在3 0 0 0 万左右，而单套膜法富氧制氧规模无法达到这个用气量。 1 2 3 富氧点火成本估算 因为加入氧气仅需要很小的改造，故改造费用忽略不算。 方案一的初投资仅为建一液氧贮槽，容积为4 0 m 3 造价在5 0 w 左右， 方案二的初投资比方案一增加一个小型制氧机，台小型制氧机2 0 0 m 3 h 的 制氧能力能满足每6 天点火一次的氧气使用量，造价在l o o w 左右，加上液氧贮 槽总投资约1 5 0 w 。此方案中不采用变压吸附和膜法制氧，原因主要在于难于储 存制备的氧气。 方案三的初投资取决于采用何种方法制氧，采用深冷空分法制氧，初投资大 约为4 0 0 0 多万元，采用变压吸附法，投资大约为3 0 0 0 万左右。对于膜法富氧的 投资还不确定。 下面对从不同制氧方式、制氧能力等方面分析各种方案，以一次风温度8 0 ， 富氧后一次风富氧浓度3 0 计算，点火时间按照8 小时计算，则一次点火需要的 纯氧量为4 4 9 3 1 4 2 9 8 1 0 0 0 = 5 1 3 6 t ，用电价格0 3f r d k w h ，表2 3 分析了各种 方案的运行成本。 表2 3 富氧3 0 的不同方案对比 制氧供氧类制氧规 制氧电耗运行成本备注 类型 型 模n m 3 1 1 方案一外部存储后 ，4 1 万次 液氧参考价8 0 0 元t 外运 运输 供应 方案二 深冷 存储后 0 7 5 5 万， 空分 2 0 04 9 0 k w h t 存储供应次 深冷即时供 o 4 4 k w h n m 0 4 7 5 万，附加产品种类多可对外 空分 应 4 5 0 0 0 2次 销售 方寰三 变压即时供 4 8 0 0 0 3 8 k w h m 3 0 4 3 8 了j f 起停方便，可即开即用 即时供吸附应 o ， 次 氧 0 0 8 o 1 2 膜法 即时供 2 5 4 0 0 k w h m 3 富 0 6 1 万次至少两台同时供氧 应 氧空气 将一次风的富氧浓度降低到2 6 重新分析，其他相同：一次风温度8 0 ， 每次点火时间s 小时，用电价格0 3 元k w h 计算，则一次点火需要的纯氧量为 2 4 9 6 1 4 2 9 8 1 0 0 0 = 2 8 5 t ，各方案的制氧成本如表2 4 表2 4 富氧2 6 时的备方案的制氧成本 制氧 供氧类 制氧规 制氧电耗运行成本备注 类型 型 模n m 3 h 方案一外部存储后 ， 2 2 8 万，次液氧参考价8 0 0 元，t 外运运输 供应 方案二深冷存储后 2 0 0 4 9 0 k w h t 0 4 2 万次 存储空分供应 方案三深冷即时供 2 4 9 6 0 4 4 k w h n m 30 2 6 4 万， 附加产品种类多，可对外 即时供空分应 0 2 次销售 1 0 浙江大学硬士学位论文 氧 变压即时供 0 3 8 k w l d m 0 2 4 3 万， 吸附应 2 6 6 5起停方便，可即开即用 0 2次 即时供 0 0 8 - - 0 1 2 膜法1 4 0 8 6k w l l m 3 富 0 3 3 8 万 应 次 单台容量可以达到 氧空气 注：制氧规模下降，制氧电耗会有所上升。表格中仍按原有的电耗数据计算，其中深冷空分 的制氧电耗按照6 0 0 0 n m 3 1 1 的大型设各计算，实际会比0 4 4 0 4 4 k w h n m j 高出一些，另外不 同厂家的产品制氧电耗有一定差别 1 2 4 对比投油点火和等离子点火 电厂锅炉目前常用的点火方式主要为投油和等离子点火，下面简单的计算一 下各自的点火成本。按投油量3 2 0 0 k g h ，油价3 5 0 0 元，吨计算，等离子点火的初 投资大致在5 0 0 w 左右，运行费用主要在电耗和电极损耗，按照下表计算 表2 5 等离子点火的运行费用 富氧点火的成本可参照表2 4 ，对比等离子点火和投油点火，各自的点火费 用汇总如表2 6 。 表2 6 等离子点火和富氧点火的经济性对比 从表2 6 的分析中可以看出，如果按照上述一次风富氧2 6 计算，富氧点火 运行成本比投油点火低很多，略高于等离子点火，但考虑到从技术角度可以进一 步降低氧气的用量。如采用上面提到的局部点火，富氧点火的经济性将很有市场 竞争力，且富氧点火的初投资要低很多。 第二节富氧燃烧的优越性和应用实例 2 1 富氧燃烧的优越性 2 1 1 富氧对着火的影响 降低着火热： q 。= b r ( v 。口, g k c l t 警坞1 0 0 瑚- w y l 佤一t o ) + 叫罴【2 5 1 0 + e q ( 。o ) 】一而仟t r y - - w m f1 0 2 5 1 0 + c q ( 。0 ) 】 ( 1 ) 式( 1 ) 中着火热是针对整个燃烧系统而言，对于煤粉气流着火来说，影响 着火燃烧过程的因素是一次风气流。在炉内空气动力结构，负荷、煤种、煤粉特 浙江大学硕士学位论文 性、热风温度均相同时，式( 1 ) 可改写为： 如彳( 职。4 - 砂c + d ( 2 ) 式( 2 ) 中，a 、b 、c 、d 为条件相同时系数。由式( 2 ) ，煤粉的着火热q z n 在其它条件相同时取决于一次风风率r l k 。即决定于一次风量r l k v o ，假设一次风 中所提供的氧量为一定值，则氧气浓度提高，必然降低一次风量的体积总量。 2 1 2 富氧对燃烧的影响 2 1 2 1 加快反应速度、提高火焰温度 针对一定的化学反应a a + b b - - - c c + d d ，化学反应速度为w2k c ：c ：，在温度 一定时k 是一定的，化学反应速度仅与反应物a 、b 的浓度相关。增加氧气浓度 势必会加快反应速度。同时，反应速度提高后，反应放热速度增加，火焰温度也 必然提高，对于稳燃非常有利。 2 1 2 2 加快火焰传播速度 近似计算火焰传播速度的公式为： “，2 w 卜燃烧反应速度，g 户k 0 e x p l 一寿) + g ，从上面得知，提高氧气浓度， 即提高了燃烧反应速度w m ，同时也降低了t z h ，因而可使火焰传播速度增加。 火焰传播速度也可称为燃烧速度，在保证喷口不被烧坏的前提下，提高火焰 传播速度总是可以增强火焰稳定性的。 2 1 3 减少排烟量 这一点对整体富氧尤显突出，采用富氧空气，比起2 1 的空气，当所需的氧 气量一定的时候，排烟量将有很大的降低。对于电站锅炉，q 2 为主要热损失，如 用富氧燃烧，锅炉效率的提高是显而易见。 2 1 4 降低过量空气系数 由于空气中含7 9 氮，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表 面的气体边界层排出，且氮分子不可能与燃料中可燃物反应。以及空气通过燃料 层阻力等诸多因素因此，必须以过剩空气使燃料燃烧获得足够的氧量，而使煤 充分燃烧。采用富氧燃烧后，氮气的浓度降低，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩 散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出的能力必然减弱，所以所需得过量空气 必然减少，因而降低过量空气系数。 2 2 富氧助燃的应用实例 富氧助燃在国内外都有很大的发展，但对于大型锅炉富氧助燃应用较少。对 于小型锅炉或者窑炉，大部分使用膜法富氧助燃，也有使用高浓度氧气的。下面 简单介绍几个富氧助燃应用的实例 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 焚烧垃圾电厂 富氧助燃在国外亦有较多应用，图2 1 是德国w t e ( w a s t e - t o - e n e r g y ) 电厂 应用的s y n c o m 过程【m ，在国外的应用超过2 0 0 家。 图2 i w t e 电厂的s y n c o m 过程 此过程包含：m a r t i n 反转炉排、红外热温燃烧控制系统、烟气再循环系统 和底风富氧。 此类富