加壓循環(huán)流化床富氧燃燒中試研究

孔潤娟，李 偉，任強(qiáng)強(qiáng)，劉志成

(1.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

隨著全球工業(yè)化進(jìn)程加劇，化石能源大規(guī)模開采和使用，導(dǎo)致溫室氣體在大氣中的含量急劇攀升，全球氣候變暖產(chǎn)生的氣候異常引起了嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)。在溫室氣體中，CO2以其較長的壽命年限及超高的排放量而對(duì)“溫室效應(yīng)”的貢獻(xiàn)最大。BP集團(tuán)首席執(zhí)行官戴德立指出，全球能源消費(fèi)和使用能源過程中產(chǎn)生的碳排放在2018年的增速達(dá)到自2010、2011年以來的最高水平，各國應(yīng)盡快做出改變[1]。2018年，我國CO2排放總量增長2.5%(2.3億t),達(dá)9.5 Gt，已超過美國成為世界碳排放第一大國[2]，面臨較大的CO2減排壓力。但目前我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)仍難以改變，因此要完成在《巴黎協(xié)定》中承諾的2030年碳強(qiáng)度下降60%～65%的目標(biāo)[3]，還需持續(xù)開展煤炭的清潔高效利用、節(jié)能減排[4]。

CO2捕集及封存利用(CCUS)技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)化石能源使用的CO2近零排放，是溫室氣體排放控制方案的重要組成部分[5]。其中，富氧燃燒技術(shù)具有較大的優(yōu)勢和可行性，其初投資和發(fā)電成本較低，可用于現(xiàn)有燃燒設(shè)備的改造，適合目前的工業(yè)和技術(shù)水平[6]。但常壓富氧燃燒存在高壓制氧和煙氣高壓壓縮導(dǎo)致的能量損失，發(fā)電凈效率相比傳統(tǒng)的空氣燃燒下降10%～12%，無法商業(yè)化應(yīng)用，因此，提高富氧燃燒的發(fā)電凈效率成為該技術(shù)能否應(yīng)用的關(guān)鍵。

常壓富氧燃燒技術(shù)的空分制氧和高濃度CO2煙氣壓縮過程均在高壓下進(jìn)行，而富氧燃燒在常壓下進(jìn)行，系統(tǒng)壓力經(jīng)歷升—降—升的過程，能量損失較嚴(yán)重[7]。加壓富氧燃燒技術(shù)從空分制氧、煤燃燒與鍋爐換熱，直到煙氣壓縮捕集CO2的全過程均維持在高壓下完成，避免了加壓、降壓產(chǎn)生的能耗。在高壓下鍋爐排煙中的水分凝結(jié)溫度大幅提高，使原本無法利用的水蒸汽汽化潛熱得到有效利用，降低了排煙損失，提高了鍋爐效率。此外，高壓設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)模較小，占地面積減少[8-11]；加壓富氧燃燒技術(shù)在提高煤的燃燒效率及控制污染物排放方面具有一定優(yōu)勢，因此逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。

1 加壓流化床富氧燃燒技術(shù)研究現(xiàn)狀

在富氧燃燒基礎(chǔ)上，美國 ThermoEnergy 公司在2000年提出了一種采用增壓流化床鍋爐的富氧燃煤整體化發(fā)電系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)方案[12]。加壓循環(huán)流化床富氧燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、燃燒工況改變、煙氣循環(huán)額外增添以及各子系統(tǒng)之間的耦合運(yùn)行相互作用等，導(dǎo)致其在啟動(dòng)、控制、運(yùn)行等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

盡管加壓循環(huán)流化床富氧燃燒在理論建模和分析上已進(jìn)行了很多研究，但目前國內(nèi)外對(duì)于加壓循環(huán)流化床富氧燃燒的試驗(yàn)研究很少，且大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。波蘭煤炭化學(xué)加工研究所[13-14]在一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的鼓泡床上研究發(fā)現(xiàn)，加壓富氧燃燒抑制NO和SO2的生成。2016 年底美國能源部(Department of Energy，DOE)和加拿大國家研究委員會(huì)(National Research Council，NRC)啟動(dòng)1 MW 加壓流化床富氧燃燒中試聯(lián)合項(xiàng)目，但至今未見進(jìn)一步的報(bào)道[15]。

閻維平等[16]提出了增壓鼓泡流燃煤發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)中，煤在增壓鼓泡流化床鍋爐中完成富氧燃燒與爐內(nèi)換熱，吸熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功。李皓宇等[17]構(gòu)建了增壓流化床富氧燃燒系統(tǒng)的流動(dòng)模型，分析了壓力對(duì)床料流化速度的影響，提出了流化速度的計(jì)算公式。霍志紅[18]建立了加壓循環(huán)流化床富氧燃燒傳熱模型，并與增壓循環(huán)流化床鍋爐的傳熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了模型的正確性。劉慧敏等[19-20]建立了增壓循環(huán)流化床富氧燃燒NOx生成模型和二維流動(dòng)模型。Shi等[21]建立了加壓循環(huán)流化床富氧燃燒系統(tǒng)(燃燒壓力為0.105 ～3.000 MPa)，研究結(jié)果表明隨著燃燒壓力的增加，空分系統(tǒng)能耗升高，CO2壓縮純化系統(tǒng)的能耗降低，在最佳壓力1.1 MPa 時(shí)，凈效率從27.2%提高到30.5%。

段倫博等[22-24]在微型加壓流化床和二維可視化加壓鼓泡流化床上研究了熱力狀態(tài)下加壓富氧流化床的流動(dòng)特性和鼓泡行為，并搭建了了10 kWth的連續(xù)加料加壓鼓泡流化床，研究了壓力、氣氛、溫度和燃料種類對(duì)富氧燃燒污染物排放的影響。鐘文琪等[25-26]建立了15 kW加壓流化床富氧燃燒試驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行0.1～0. 4 MPa下的富氧燃燒試驗(yàn)，研究了壓力、氧濃度對(duì)溫度分布、燃燒效率、未燃盡碳、飛灰成分和氮氧化物排放的影響。

目前國內(nèi)尚未有加壓循環(huán)流化床富氧燃燒中試平臺(tái)研究。中國科學(xué)院工程熱物理研究所搭建了15 kW-100 kW-1 MW系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，完成了常壓、高O2濃度(50%)富氧燃燒的小試試驗(yàn)研究和中試驗(yàn)證[27-31]。在此基礎(chǔ)上，在江蘇無錫搭建了MW級(jí)加壓循環(huán)流化床富氧燃燒中試試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)熱功率為0.8 MW。本文主要介紹中試平臺(tái)的運(yùn)行特性，旨在對(duì)加壓循環(huán)流化床富氧燃燒的發(fā)展起促進(jìn)作用。

2 MW級(jí)加壓循環(huán)流化床富氧燃燒中試平臺(tái)

MW級(jí)加壓循環(huán)流化床富氧燃燒中試平臺(tái)(以下簡稱“中試平臺(tái)”)如圖1所示，現(xiàn)場照片如圖2所示，該中試平臺(tái)可在空氣燃燒、常壓富氧燃燒和加壓富氧燃燒多種模式下運(yùn)行。中試平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，其主要由CFB燃燒系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、煙氣冷卻系統(tǒng)、給料系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等組成。

圖1 中試平臺(tái)工藝流程

圖2 現(xiàn)場照片

表1 中試平臺(tái)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

CFB燃燒系統(tǒng)由CFB爐膛、旋風(fēng)分離器、二級(jí)旋風(fēng)分離器以及返料器組成。爐膛橫截面為圓形，爐膛凈高16.5 m，爐膛側(cè)壁由耐火材料、保溫材料分層敷設(shè)，最外層為鋼護(hù)板，爐膛內(nèi)設(shè)一根長度為15 m的垂直水冷刺刀管受熱面。中試平臺(tái)采用油燃燒器點(diǎn)火升溫，在爐膛底部一次風(fēng)管和返料器風(fēng)管上共布置2臺(tái)30 kg/h的柴油點(diǎn)火燃燒器，用于爐膛、返料器和旋風(fēng)分離器預(yù)熱。點(diǎn)火結(jié)束后，返料器風(fēng)管的油燃燒器拆除，更換為返料風(fēng)管。

煙氣冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水冷卻。整個(gè)中試平臺(tái)冷卻水分為4路：爐膛內(nèi)的垂直水冷刺刀管、立管內(nèi)水冷埋管、尾部煙氣冷卻器、再循環(huán)煙氣冷凝器和煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)冷卻。

供風(fēng)系統(tǒng)包括空氣、氧氣、再循環(huán)煙氣和CO2。空氣由空壓機(jī)提供，壓力為1.0 MPa，分別供應(yīng)一次風(fēng)空氣、二次風(fēng)空氣和返料風(fēng)。O2由氧氣槽車提供，分別供應(yīng)一次風(fēng)氧氣和二次風(fēng)氧氣，壓力為1.0 MPa。再循環(huán)煙氣的抽氣口位于布袋除塵器后管道上，再循環(huán)煙氣首先經(jīng)過再循環(huán)煙氣冷凝器和汽水分離器冷凝除水，最后通過2個(gè)再循環(huán)風(fēng)機(jī)，分別供應(yīng)一次風(fēng)再循環(huán)煙氣和二次風(fēng)再循環(huán)煙氣。由于再循環(huán)風(fēng)機(jī)的最小氣量大于工況試驗(yàn)所需的最大風(fēng)量，因此在再循環(huán)風(fēng)機(jī)出口管道布置了回流管道，將多余的煙氣回流到煙氣冷凝器前。CO2由二氧化碳槽車提供，供應(yīng)返料風(fēng)，壓力為1.0 MPa。中試平臺(tái)爐膛布置一次風(fēng)和二次風(fēng)，二次風(fēng)高度為1 000 mm，一次風(fēng)和二次風(fēng)均為O2/再循環(huán)煙氣混合氣或空氣，O2和再循環(huán)煙氣的混合通過靜態(tài)混合器混合。返料風(fēng)在啟動(dòng)過程中采用空氣，切入富氧氣氛后采用CO2。

給料系統(tǒng)為一套加壓進(jìn)料系統(tǒng)，在爐膛不同高度上布置2個(gè)給料點(diǎn)，給料高度分別為700 mm和3 700 mm，給料量為0～200 kg/h。

中試平臺(tái)的整個(gè)系統(tǒng)采用PLC控制，系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度、壓力、流量、氣體成分分析等均實(shí)時(shí)以列表和曲線形式顯示并保存。管道上的電動(dòng)閥門、各輔機(jī)設(shè)備的開關(guān)及調(diào)節(jié)均可遠(yuǎn)程控制。

3 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)中所用物料包括石英砂、輕柴油、蒙煤，蒙煤的煤質(zhì)分析見表2，粒徑為0～2 mm。

石英砂包括：0.125～0.212 mm 和0.212～0.428 mm的混合砂子，作為循環(huán)床料；0.212～0.428 mm 和0.428～0.655 mm的混合砂子，作為密相區(qū)床料。

表2 蒙煤煤質(zhì)分析

4 中試平臺(tái)運(yùn)行模式

圖3、4分別為中試平臺(tái)運(yùn)行過程爐膛和返料器溫度、一二次風(fēng)量、給煤量等的變化趨勢。可以看出，整個(gè)過程需經(jīng)歷啟動(dòng)階段、常壓O2/N2燃燒階段、常壓富氧燃燒、加壓富氧燃燒階段。

1)啟動(dòng)階段。該階段主要是建立循環(huán)，保證中試平臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過油燃燒器將爐膛溫度升至高于燃料燃點(diǎn)(600 ℃)，再通過間斷給煤將爐膛溫度升至800 ℃以上，停燃燒器后連續(xù)給煤，通過給入0.125～0.212 mm 和0.212～0.428 mm的混合砂子作為循環(huán)床料，直至物料循環(huán)建立。

2)常壓O2/N2燃燒階段。該階段主要提高爐膛和返料器溫度。爐膛內(nèi)布置長為15 m的豎直刺刀管，使空氣無法升高爐膛頂部溫度。此階段需加入O2，在O2/N2氣氛下運(yùn)行，O2體積分?jǐn)?shù)為35%左右。

3)常壓富氧燃燒。該階段主要進(jìn)行常壓O2/N2燃燒向富氧燃燒切換，測試再循環(huán)風(fēng)機(jī)和冷凝器等再循環(huán)煙氣回路的運(yùn)行狀況，為加壓富氧燃燒試驗(yàn)做準(zhǔn)備。主要操作是緩慢停止空氣，并置換成再循環(huán)煙氣和O2。

4)加壓富氧燃燒階段。該階段主要進(jìn)行加壓富氧燃燒試驗(yàn)，緩慢升壓至設(shè)計(jì)壓力，由于加壓富氧燃燒過程中O2濃度較低，再循環(huán)煙氣比例大，導(dǎo)致系統(tǒng)的升壓較緩慢。中試平臺(tái)從常壓升至0.3 MPa，用時(shí)3 h。在升壓過程中，需根據(jù)系統(tǒng)壓力變化，同步提高一次風(fēng)和二次風(fēng)的進(jìn)氣量，保證爐膛內(nèi)的流化風(fēng)速不低于3 m/s。待壓力達(dá)到運(yùn)行設(shè)定值，中試平臺(tái)進(jìn)行加壓富氧燃燒工況的運(yùn)行。

圖3 啟動(dòng)曲線-溫度、壓力和給煤量曲線

圖4 啟動(dòng)曲線-風(fēng)量曲線

5 加壓富氧燃燒運(yùn)行

中試平臺(tái)成功啟動(dòng)并切入常壓富氧燃燒后開始加壓，系統(tǒng)壓力達(dá)0.3 MPa后，進(jìn)入加壓富氧燃燒工況，工況穩(wěn)定時(shí)間為4 h，驗(yàn)證了加壓富氧燃燒的可行性，運(yùn)行參數(shù)見表3。加壓富氧燃燒工況下，給煤量為136 kg/h，功率為0.84 MW，一次風(fēng)再循環(huán)煙氣為212 Nm3/h，一次風(fēng)氧氣為72 Nm3/h，一次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為26%；二次風(fēng)再循環(huán)煙氣為251 Nm3/h，二次風(fēng)氧氣為120 Nm3/h，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為32%；整體氧氣體積分?jǐn)?shù)為29 %，爐膛底部溫度為836 ℃。

表3 運(yùn)行參數(shù)

圖5為加壓富氧燃燒運(yùn)行下系統(tǒng)壓力曲線，加壓富氧燃燒工況連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，系統(tǒng)壓力大于0.3 MPa。

圖5 系統(tǒng)壓力曲線

在加壓富氧運(yùn)行狀態(tài)下，采用Testo煙氣分析儀測定尾部煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)91%。由于加壓富氧燃燒過程中，整個(gè)系統(tǒng)的壓力高于大氣壓力，煙氣管道中并無常壓富氧燃燒過程中的空氣滲入，因此尾部煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)比常壓富氧燃燒高。

6 結(jié) 論

1)試驗(yàn)驗(yàn)證了加壓循環(huán)流化床富氧燃燒的可行性，獲得了加壓循環(huán)流化床燃燒的運(yùn)行模式，其主要流程為：啟動(dòng)階段—常壓O2/N2燃燒階段—常壓富氧燃燒—加壓富氧燃燒階段，各階段切換平穩(wěn)。

2)在加壓富氧燃燒試驗(yàn)過程中，平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定。工況運(yùn)行中壓力為0.30 MPa，功率為0.84 MW，尾部煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)超過90%，為91%，可較好地實(shí)現(xiàn)CO2產(chǎn)品的捕集和壓縮純化。