富氧燃烧技术及其对环境的影响概述

富氧燃烧技术及其对环境的影响概述摘要：本文简要介绍了富氧燃烧技术的基础知识，阐述了富氧技术关键因素之一是富氧空气的制取方法，并对运用富氧技术对环境造成的影响作了简要分析，得出富氧燃烧技术是一项非常有效的降低CO2排放的技术路径。最后我们对富氧技术提出了新的问题，即如何降低氧气制备和CO2回收处理技术的成本。关键词：富氧燃烧；CO2排放；环境保护Abstract：Thispaperbrieflyintroducesthebasicknowledgeofoxygen-enrichedcombustiontechnology，elaboratesthatoneofthedecisivefactorsofoxygen-enrichedcombustiontechnologyisthepreparationmethodforoxygen-enrichedair,andsimplyanalyzestheimpactonenvironmentifweappliedtheoxygen-enrichmenttechnology,drawingtheconclusionthattheoxygen-enrichedcombustiontechnologyisaveryeffectivewaytoreducetheemissionofCO2.Additionally,weputsforwardsomenewquestions：howtoreducethecostofoxygenpreparationandCO2recyclingtechnology.Keywords:oxygen-enrichedcombustion；CO2emissions；environmentalprotection1.前言燃烧是能源利用的一种主要形式。随着经济的日益发展，社会对能源的需求日益加剧。但大量燃烧导致能源利用过程中存在严重的环境问题［1］。其中温室气体CO2导致的气候变暖已经成为一项全球性的环境问题。降低CO2排放是我们人类面临的重大课题。在燃料能量转化过程中，主要有3种方法可减少CO2排放［2］：提高电站能量转化的效率，如利用超临界或超临界发电技术；利用可再生能源或核能代替常规的化石燃料，如生物质能、风能和核能;通过CO2捕集封存技术进行碳排放管理，例如富氧燃烧技术。由于在未来很长一段时间内化石燃料燃烧的发电量仍将占全球发电量的主要份额，因此有必要针对化石燃料燃烧的CO2减排技术开展深入研究。富氧燃烧技术不仅能实现CO2的大规模捕集和SO2的方便处理，而且能大幅度降低NOx排放,是一种清洁的燃煤发电技术，具有广阔的发展前景。富氧燃烧技术理论基础富氧燃烧（简称OEC,Oxygen-EnhancedCom-bustion）是通过提高助燃空气中的氧气比例强化燃烧，达到高效节能的目的。富氧燃烧是把含氧量大于21%的气体用于供给锅炉的强化燃烧。富氧燃烧技术首先是由Horne和Steinburg于1981年提出的［3］，利用空气分离系统获得富氧甚至纯氧，与燃烧后产生的部分烟气混合后送入炉膛与燃料混合燃烧（如图1）。在采用富氧燃烧技术的电站系统中，通过空气分离制得的氧气与再循环的烟气混合形成的O2/CO2混合气作为助燃气体进入锅炉炉膛,最后对燃烧后烟气中的CO2进行液化处理，以便进行利用或封存。其燃烧系统的主要特点：（1）通过空气分离器制取氧气，目前也有研究者提出利用膜分离的方法［4］制取氧气，以降低氧气制备的成本；（2）采用烟气再循环,以烟气中的CO2来代替助燃空气中的N2与O2一起参与燃烧，中和炉内高温,避免水冷壁膜态沸腾。燃烧过程中可以通过调整再循环烟气的比例来调整炉膛内的氧气浓度,形成富氧燃烧。燃烧过程中可以通过调整再循环烟气的比例来调整炉膛内的氧气浓度，形成富氧燃烧。传统燃煤过程中的CO2排放浓度基本在15%以内，回收分离的费用很高。O2/CO2燃烧过程中，CO2排放浓度可以达到90%以上［5-6］，脱水后甚至到95%以上［7-9］，不必分离即可将大部分烟气直接液化处理，方便了CO2的回收利用。图1富氧燃烧技术原理图富氧助燃是近代燃烧的节能技术之一。富氧助燃技术能够降低燃料的燃点，加快燃烧速度、促进燃烧完全、提高火焰温度、减少燃烧后的烟气量、提高热量利用率和降低过量空气系数，被发达国家称为“资源创造性技术”。国内外对富氧助燃技术的机理都有一定的认识，在实际工程中也进行了一定的实践研究。富氧助燃技术在应用过程中关键因素之一是富氧空气的制取，这是国内外研究的主要课题。富氧空气的制取方法目前，氧气制备主要有液化空气的精馏（深冷法）、使用各种吸附剂进行变压吸附（PSA法）和利用气体对膜的渗透性能不同进行分离（膜法）等方法。3.1深冷法空气分离设备采用低温精馏法的空气分离技术。将净化的空气压缩、冷却、液化,利用空气中氧、氮等气体的沸点不同,采用多次蒸发、多次冷凝的方法进行精馏分离而得到富氧，一般可以达到95%以上，能满足电厂大规模发电的需求。低温蒸馏法虽技术水平日臻完善，但目前单位产量能耗还较高。3.2变压吸附法变压吸附空分制氧技术是基于当两相组成一个体系时，两相界面处的成分与相内成分是不同的，在两相界面处会产生积蓄，这种现象称为吸附。以其能耗低、投资少、规模灵活等优点，在中小规模且用氧浓度要求不高的场合具有明显的优势，并逐步成为中小型空分制氧的主要方法。吸附剂的再生时间是决定其能否应用到大型工业化的关键因素。随着研究人员对吸附剂的开发试验研究，变压吸附技术很可能应用到中小型发电机组。操作一般在不太高的压力和常温下进行上匕之于低温法具有流程简单、设备制造容易、操作和维修方便、占地面积小、投资少、启动快、可以随时停机等特点。而且有装置量逐年增长、能耗逐年下降、向大型化发展的趋势。但当前仍不能满足大规模发电行业的需求。3.3膜法膜分离是利用气体对膜的渗透性能不同进行分离的方法。分离后一般得到富含氮气的空气和富含氧气浓度小于40%，约为20%〜30%的富氧空气。富氧空气流量小于6000Nm3/h，膜法更为经济性。当氧浓度在30%左右，规模小于15000Nm3/h时，膜法投资、维修及操作费用之和仅是深冷法和PSA法的三分之二到四分之三。而且富氧燃烧规模越小，膜法越经济。膜法富氧技术在制备富氧方面的应用正在迅速增长。近年来膜法富氧已引起国内外的广泛关注。膜法富氧技术在制备富氧方面的应用正在迅速增长，并正在取代其它高成本且操作不方便的分离技术。其基本工艺过程如图2。图2生产富氧空气的膜分离