潘艷男，張　民

(國(guó)家電投吉電股份白城發(fā)電公司，吉林 白城 137000)

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淺談煤炭富氧燃燒減排的技術(shù)發(fā)展

潘艷男，張民

(國(guó)家電投吉電股份白城發(fā)電公司，吉林 白城 137000)

摘要：大量使用礦物燃料所造成的地球溫室效應(yīng)現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。近年來(lái)，火力發(fā)電領(lǐng)域CO2的捕集、壓縮液化及封存技術(shù)的研究與工程師范等已成為至關(guān)重要的任務(wù)。富氧燃燒減排技術(shù)是一種既能直接捕集高濃度CO2，又可以綜合控制燃煤污染物排放的新一代潔凈煤發(fā)電技術(shù)。它又被稱(chēng)為O2/CO2燃燒技術(shù)，或者空氣分離/煙氣再循環(huán)技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外把它作為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ奶紲p排技術(shù)研究對(duì)象之一。未來(lái)將會(huì)加快對(duì)其研究步伐，圍繞富氧燃燒鍋爐本體、燃燒器技術(shù)、空分系統(tǒng)合理配置和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性、煙氣凈化技術(shù)來(lái)進(jìn)行鉆研。

關(guān)鍵詞：煤炭；富氧燃燒；減排

0引言

目前較容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的CO2富集和減排的技術(shù)之一是煤炭富氧燃燒。以火力發(fā)電為主的電力生產(chǎn)，CO2是主要溫室氣體和燃煤電站的重要排放源，因此減少溫室氣體排放是當(dāng)務(wù)之急。為盡可能的減少CO2的排放，當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題主要是對(duì)燃煤發(fā)電過(guò)程中CO2的捕集和封存。基于燃燒前、中、后的碳捕集技術(shù)的方法的不同都在研發(fā)和示范中。

1煤炭富氧燃燒技術(shù)初步研究

富氧燃燒技術(shù)最早是由Abraham于1982年提出的。目的是為了產(chǎn)生CO2來(lái)提高石油采收率(EOR)。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，富氧燃燒技術(shù)的研究經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)室研究、為溫室氣體主要因素的CO2排放問(wèn)題越來(lái)越受到全球的關(guān)注。研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)便是富氧燃燒技術(shù)的有效減排。

2富氧燃燒技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)

富氧燃燒技術(shù)是一項(xiàng)高效的節(jié)能燃燒技術(shù)。指在現(xiàn)有電站鍋爐系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用高純度的O2代替助燃空氣。同時(shí)采用煙氣循環(huán)調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)的介質(zhì)流量和傳熱特性，可獲得高達(dá)90%～95%體積濃度(干基)的富含CO2的煙氣，從而以較小的代價(jià)冷凝壓縮純化后實(shí)現(xiàn)CO2的永久封存或資源化利用。

富氧燃燒技術(shù)具有燃燒效率高、相對(duì)成本低、易規(guī)?；?、可改造存量機(jī)組等諸多優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)燃燒產(chǎn)物中CO2的濃度高達(dá)90%以上，無(wú)需進(jìn)行分離就可直接進(jìn)行液化回收。使得鍋爐效率提高。

(2)由于SO2的沸點(diǎn)-10.02 ℃高于CO2的三相點(diǎn)溫度-78.5 ℃，在壓縮冷凝液化回收CO2的過(guò)程中，煙氣中的SO2首先被液化回收，省去了復(fù)雜且昂貴的煙氣脫硫設(shè)備，并得到資源化利用。

(3)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在O2/CO2燃燒環(huán)境下，NOx的生產(chǎn)量顯著減少。一方面。由于燃燒中不存在大量隨空氣帶入的氮?dú)?，熱力型NOx生成量很少；另一方面，由于煙氣再循環(huán)燃燒，可能使已生成的NOx在爐膛內(nèi)發(fā)生還原反應(yīng)。如果在結(jié)合低NOx燃燒技術(shù)，則有可能不用或者少用脫氮設(shè)，減少運(yùn)行費(fèi)用。

(4)煙氣中高濃度CO2和H2O的混合氣體導(dǎo)致更強(qiáng)的氣體輻射，爐膛輻射換熱量會(huì)有所增加。

(5)由于相當(dāng)一部分氣體參與再循環(huán)，鍋爐的排煙量大幅度減小，使得鍋爐排煙損失減小，鍋爐的熱效應(yīng)較空氣的燃燒方式提高；此外，鍋爐引風(fēng)機(jī)、防塵設(shè)備及脫硫設(shè)備的容量及電耗也相應(yīng)下降，同時(shí)也節(jié)約了廠用電。

3發(fā)展富氧燃燒的意義

目前，引起全世界關(guān)注的問(wèn)題是化石燃料燃燒排放的CO2加速了全球氣候變暖。從理論上講，富氧可代替任何需要空氣燃燒燃料的場(chǎng)合，富氧燃燒技術(shù)在鋼鐵冶金行業(yè)中早有應(yīng)用，在煉鐵的過(guò)程中，向高爐內(nèi)噴入各種燃料(天然氣、焦?fàn)t煤氣、煤粉等)的同時(shí)吹入工業(yè)純氧或提高空氣中的氧含量進(jìn)行富氧燃燒，以強(qiáng)化燃燒、促進(jìn)雜質(zhì)氧化和強(qiáng)化熔煉?；鹆Πl(fā)電領(lǐng)域利用富氧燃燒技術(shù)的目的和重大意義是大規(guī)模捕集與封存CO2，通常需要將富氧燃燒、CO2捕集與封存有效的整合在電站的熱力系統(tǒng)中，以彌補(bǔ)其成本增加，提高發(fā)電的整體經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)前針對(duì)燃煤電廠的碳捕集技術(shù)主要有3種：燃燒前捕集、燃燒后捕集及富氧燃燒?；诨瘜W(xué)吸收法的燃燒后碳捕集技術(shù)的應(yīng)用，不需要改變電廠原有設(shè)備和布局，只需要增加一套CO2分離裝置，其技術(shù)相對(duì)成熟，已在國(guó)內(nèi)外示范項(xiàng)目中得到應(yīng)用。但投資和運(yùn)行成本高昂，吸收液降解和吸收塔腐蝕阻礙了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。富氧燃燒被認(rèn)為是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ奶紲p排技術(shù)。該技術(shù)是在電站鍋爐系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用高純度的O2代替助燃空氣實(shí)現(xiàn)煤粉燃燒的技術(shù)。鍋爐及其燃燒系統(tǒng)可以在現(xiàn)有鍋爐燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上改造獲得，技術(shù)適應(yīng)性比較廣，煙氣中CO2的濃度比較高，較為容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；疌O2富集和減排。因此，富氧燃燒技術(shù)是一種能夠綜合控制燃煤污染物排放的新型潔凈煤燃燒技術(shù)，在火電廠的各種CO2減排控制方法中應(yīng)用潛力比較大。

4富氧燃燒技術(shù)的發(fā)展歷程

1982年，Abraham 提出了采用O2/CO2燃燒方式，生成純度較高的CO2用于提高石油開(kāi)采率(EOR)。1988年，Wang C.S.首次將O2/CO2燃燒的概念應(yīng)用于600 mm×2134 mm非旋流燃燒室進(jìn)行O2/CO2煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)研究。目前，美、加、日、澳、德、英、韓等10多個(gè)國(guó)家的大學(xué)、大型發(fā)電企業(yè)和大型設(shè)備供應(yīng)商，紛紛加快富氧燃燒技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)研究和中試研究，并制定了中等規(guī)模富氧燃燒項(xiàng)目的研究和示范計(jì)劃。富氧燃燒技術(shù)在一些國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入工程示范階段，商業(yè)規(guī)模(300~600 MWe)的富氧燃燒工業(yè)示范也已提上日程。國(guó)內(nèi)早在20世紀(jì)90年代中期就開(kāi)始了關(guān)于富氧燃燒的基礎(chǔ)研究。華中科技大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力大學(xué)、浙江大學(xué)等在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始關(guān)注富氧燃燒的燃燒特性、污染物排放和脫除機(jī)制等。2010年，由浙江大學(xué)和法國(guó)液化空氣集團(tuán)(AIRLIQUIDE S.A)聯(lián)合共建富氧燃燒實(shí)驗(yàn)室，也對(duì)富氧燃燒特性與控制以及其他污染物排放進(jìn)行了一系列的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。

5未來(lái)研究的主要方向

5.1富氧燃燒鍋爐本體及燃燒器技術(shù)

在富氧燃燒鍋爐O2/CO2環(huán)境下，由于CO2比熱、擴(kuò)散系數(shù)與N2的差異，煤粉的燃燒特性、污染物的生成特性等，都與空氣燃燒時(shí)產(chǎn)生了明顯的變異。由于CO2的強(qiáng)輻射吸收性，爐膛內(nèi)的輻射傳熱特性也和空氣條件下不同。其爐膛的熱負(fù)荷特性及運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化必須通過(guò)試驗(yàn)重新獲得，而不能簡(jiǎn)單地照搬傳統(tǒng)鍋爐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。由于用純O2或者O2、CO2的混合氣替代空氣，燃燒器一、二、三次風(fēng)的動(dòng)量比發(fā)生了顯著的變化，燃燒器的穩(wěn)燃和燃盡特性需要專(zhuān)門(mén)研究。

5.2煙氣凈化技術(shù)

富氧燃燒最大的特點(diǎn)是以煙氣循環(huán)代替空氣助燃時(shí)的N2。在煙氣循環(huán)過(guò)程中，煙氣中CO2濃度升高的同時(shí)，SOx、NOx、粉塵等的含量也都將會(huì)有所提高。其中SOx的濃度可提高到原來(lái)的3倍，因此對(duì)煙氣管路的腐蝕是需要預(yù)防的問(wèn)題?，F(xiàn)有電除塵器在高CO2濃度的煙氣環(huán)境中的除塵效果，現(xiàn)有煙氣脫硫裝置是否適用富氧燃燒系統(tǒng)，都是富氧燃燒在電廠應(yīng)用過(guò)程中尚不可掌握的問(wèn)題，需要建立試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)加以檢驗(yàn)和驗(yàn)證。

6結(jié)束語(yǔ)

火電行業(yè)是CO2排放量的主體。燃煤電廠實(shí)施碳減排和碳零排放，是走向清潔能源必經(jīng)之路。富氧燃燒被認(rèn)為是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ奶紲p排技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)外研究的主要碳減排技術(shù)之一。未來(lái)我國(guó)將加快富氧燃燒技術(shù)的研發(fā)步伐，圍繞富氧燃燒鍋爐本體和燃燒器技術(shù)、煙氣凈化技術(shù)、煙氣冷凝技術(shù)及系統(tǒng)集成等方面展開(kāi)研究，以逐步掌握該技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Chen L,Yong SZ,Ghoniem A F.Oxy-fuel combustion of pulverized coal:characterization,fundamentals,stabilization and CFD modeling[J].Progress in Energy and Combustion Science,2012,38(2):156-214.

[2]閻維平.溫室氣體的排放以及煙氣再循環(huán)煤粉燃燒技術(shù)的研究[J]．中國(guó)電力，1997，30 ( 6):59-62.

[3]閻維平.潔凈煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展前景分析[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35 (6):67-71.

[4]安麗娜，劉彥豐.O2/ CO2燃燒氣氛下鍋爐爐膛的熱力計(jì)算分析[J].電力科學(xué)與工程，2010，26(4):49-52.

Brief Discussion on Technical Development of Coal Oxy-fuel Combustion Emission

PAN Yan-nan, ZHANG Min

(National Power Investment Kyrgyzstan Shares of Baicheng Power Company, Baicheng 137000,Jilin Province, China)

Abstract:Extensive use of fossil fuels caused by global warming increasingly apparent. In recent years, the field of thermal power generation CO2 capture, compression and storage liquefaction technology research and demonstration projects to become an extremely important task. Oxy-fuel abatement technology, also known as O2/CO2 combustion technology, or air separation / Flue Gas Recycling Technology is a high concentration of both direct capture CO2, but also the integrated control emissions of coal-fired a new generation of clean coal power generation technology. Oxy-fuel combustion is one of the most potential carbon reduction technologies for large scale coal-fired power plant. The future will accelerate the pace of oxy-fuel technology development, around oxy-fuel combustion boiler and reasonable allocation burner technology, air separation and dynamic regulation characteristics, a study of flue gas purification technology.

Key words:Coal; Oxy-fuel combustion; Emission

中圖分類(lèi)號(hào)：TK16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1009-3230(2016)03-0044-03

作者簡(jiǎn)介：潘艷男(1987-)，女，環(huán)境工程碩士，國(guó)家電投吉電股份白城發(fā)電公司。

收稿日期：2016-01-15

修訂日期：2016-02-29

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.03.011