淺談煤炭富氧燃燒減排的技術發展

潘艷男，張　民

(國家電投吉電股份白城發電公司，吉林 白城 137000)

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淺談煤炭富氧燃燒減排的技術發展

潘艷男，張民

(國家電投吉電股份白城發電公司，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現象越來越嚴重。近年來，火力發電領域CO2的捕集、壓縮液化及封存技術的研究與工程師范等已成為至關重要的任務。富氧燃燒減排技術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電技術。它又被稱為O2/CO2燃燒技術，或者空氣分離/煙氣再循環技術。目前，國內外把它作為一種具有發展潛力的碳減排技術研究對象之一。未來將會加快對其研究步伐，圍繞富氧燃燒鍋爐本體、燃燒器技術、空分系統合理配置和動態調節特性、煙氣凈化技術來進行鉆研。

關鍵詞：煤炭；富氧燃燒；減排

0引言

目前較容易實現大規模的CO2富集和減排的技術之一是煤炭富氧燃燒。以火力發電為主的電力生產，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務之急。為盡可能的減少CO2的排放，當前研究的熱點問題主要是對燃煤發電過程中CO2的捕集和封存。基于燃燒前、中、后的碳捕集技術的方法的不同都在研發和示范中。

1煤炭富氧燃燒技術初步研究

富氧燃燒技術最早是由Abraham于1982年提出的。目的是為了產生CO2來提高石油采收率(EOR)。從20世紀80年代開始，富氧燃燒技術的研究經歷了實驗室研究、為溫室氣體主要因素的CO2排放問題越來越受到全球的關注。研究者們關注的熱點便是富氧燃燒技術的有效減排。

2富氧燃燒技術的基本原理和特點

富氧燃燒技術是一項高效的節能燃燒技術。指在現有電站鍋爐系統基礎上，用高純度的O2代替助燃空氣。同時采用煙氣循環調節爐膛內的介質流量和傳熱特性，可獲得高達90%～95%體積濃度(干基)的富含CO2的煙氣，從而以較小的代價冷凝壓縮純化后實現CO2的永久封存或資源化利用。

富氧燃燒技術具有燃燒效率高、相對成本低、易規模化、可改造存量機組等諸多優勢，其優越性主要體現在以下幾個方面：

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

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

(3)經實驗證明，在O2/CO2燃燒環境下，NOx的生產量顯著減少。一方面。由于燃燒中不存在大量隨空氣帶入的氮氣，熱力型NOx生成量很少；另一方面，由于煙氣再循環燃燒，可能使已生成的NOx在爐膛內發生還原反應。如果在結合低NOx燃燒技術，則有可能不用或者少用脫氮設，減少運行費用。

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

(5)由于相當一部分氣體參與再循環，鍋爐的排煙量大幅度減小，使得鍋爐排煙損失減小，鍋爐的熱效應較空氣的燃燒方式提高；此外，鍋爐引風機、防塵設備及脫硫設備的容量及電耗也相應下降，同時也節約了廠用電。

3發展富氧燃燒的意義

目前，引起全世界關注的問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合，富氧燃燒技術在鋼鐵冶金行業中早有應用，在煉鐵的過程中，向高爐內噴入各種燃料(天然氣、焦爐煤氣、煤粉等)的同時吹入工業純氧或提高空氣中的氧含量進行富氧燃燒，以強化燃燒、促進雜質氧化和強化熔煉。火力發電領域利用富氧燃燒技術的目的和重大意義是大規模捕集與封存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中，以彌補其成本增加，提高發電的整體經濟性。

當前針對燃煤電廠的碳捕集技術主要有3種：燃燒前捕集、燃燒后捕集及富氧燃燒。基于化學吸收法的燃燒后碳捕集技術的應用，不需要改變電廠原有設備和布局，只需要增加一套CO2分離裝置，其技術相對成熟，已在國內外示范項目中得到應用。但投資和運行成本高昂，吸收液降解和吸收塔腐蝕阻礙了該技術的大規模應用。富氧燃燒被認為是一種具有發展潛力的碳減排技術。該技術是在電站鍋爐系統基礎上，用高純度的O2代替助燃空氣實現煤粉燃燒的技術。鍋爐及其燃燒系統可以在現有鍋爐燃燒技術基礎上改造獲得，技術適應性比較廣，煙氣中CO2的濃度比較高，較為容易實現大規模化CO2富集和減排。因此，富氧燃燒技術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，在火電廠的各種CO2減排控制方法中應用潛力比較大。

4富氧燃燒技術的發展歷程

1982年，Abraham 提出了采用O2/CO2燃燒方式，生成純度較高的CO2用于提高石油開采率(EOR)。1988年，Wang C.S.首次將O2/CO2燃燒的概念應用于600 mm×2134 mm非旋流燃燒室進行O2/CO2煤粉燃燒實驗研究。目前，美、加、日、澳、德、英、韓等10多個國家的大學、大型發電企業和大型設備供應商，紛紛加快富氧燃燒技術相關基礎研究和中試研究，并制定了中等規模富氧燃燒項目的研究和示范計劃。富氧燃燒技術在一些國家已經進入工程示范階段，商業規模(300~600 MWe)的富氧燃燒工業示范也已提上日程。國內早在20世紀90年代中期就開始了關于富氧燃燒的基礎研究。華中科技大學、東南大學、華北電力大學、浙江大學等在國內最早開始關注富氧燃燒的燃燒特性、污染物排放和脫除機制等。2010年，由浙江大學和法國液化空氣集團(AIRLIQUIDE S.A)聯合共建富氧燃燒實驗室，也對富氧燃燒特性與控制以及其他污染物排放進行了一系列的基礎及應用研究。

5未來研究的主要方向

5.1富氧燃燒鍋爐本體及燃燒器技術

在富氧燃燒鍋爐O2/CO2環境下，由于CO2比熱、擴散系數與N2的差異，煤粉的燃燒特性、污染物的生成特性等，都與空氣燃燒時產生了明顯的變異。由于CO2的強輻射吸收性，爐膛內的輻射傳熱特性也和空氣條件下不同。其爐膛的熱負荷特性及運行參數的優化必須通過試驗重新獲得，而不能簡單地照搬傳統鍋爐的設計經驗。由于用純O2或者O2、CO2的混合氣替代空氣，燃燒器一、二、三次風的動量比發生了顯著的變化，燃燒器的穩燃和燃盡特性需要專門研究。

5.2煙氣凈化技術

富氧燃燒最大的特點是以煙氣循環代替空氣助燃時的N2。在煙氣循環過程中，煙氣中CO2濃度升高的同時，SOx、NOx、粉塵等的含量也都將會有所提高。其中SOx的濃度可提高到原來的3倍，因此對煙氣管路的腐蝕是需要預防的問題。現有電除塵器在高CO2濃度的煙氣環境中的除塵效果，現有煙氣脫硫裝置是否適用富氧燃燒系統，都是富氧燃燒在電廠應用過程中尚不可掌握的問題，需要建立試驗系統來加以檢驗和驗證。

6結束語

火電行業是CO2排放量的主體。燃煤電廠實施碳減排和碳零排放，是走向清潔能源必經之路。富氧燃燒被認為是一種具有發展潛力的碳減排技術，是目前國內外研究的主要碳減排技術之一。未來我國將加快富氧燃燒技術的研發步伐，圍繞富氧燃燒鍋爐本體和燃燒器技術、煙氣凈化技術、煙氣冷凝技術及系統集成等方面展開研究，以逐步掌握該技術。

參考文獻

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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

中圖分類號：TK16

文獻標志碼：B

文章編號：1009-3230(2016)03-0044-03

作者簡介：潘艷男(1987-)，女，環境工程碩士，國家電投吉電股份白城發電公司。

收稿日期：2016-01-15

修訂日期：2016-02-29

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.03.011