本文介紹了富氧燃燒技術(shù)的特點(diǎn)、富氧燃燒技術(shù)的意義和必要性。對(duì)35MW富氧燃燒煤粉鍋爐的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，闡述了富氧燃燒鍋爐設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題，其中制粉系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，制粉系統(tǒng)乏氣經(jīng)過(guò)布袋除塵器收集煤粉后排入大氣。
1 前言
研究表明，人類活動(dòng)造成的CO2排放是造成氣候變暖的主要因素[1-3]，哥本哈根氣候變化大會(huì)之后，全球應(yīng)對(duì)氣候變化形勢(shì)更是對(duì)我國(guó)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在未來(lái)能源戰(zhàn)略中必須考慮減緩CO2排放。我國(guó)碳排放量的70%來(lái)自于燃煤，并且我國(guó)以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以煤為主[4]，因此控制煤炭燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO2是問(wèn)題的關(guān)鍵，研究CO2減排技術(shù)勢(shì)在必行。
富氧燃燒，是指一種在現(xiàn)有燃煤發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上，將空氣中的O2和N2分離，用高純度的氧氣與循環(huán)煙氣混合代替助燃空氣，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，并獲得高濃度CO2的煙氣，分離捕集煙氣中的CO2實(shí)現(xiàn)永久封存或資源化利用，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模化CO2富集和減排。該技術(shù)不僅便于回收煙氣中CO2，還能大幅度地減少NOx、SO2和顆粒物排放，實(shí)現(xiàn)污染物的一體化協(xié)同脫除，是一種近“零”排放的清潔燃煤利用技術(shù)。
國(guó)內(nèi)關(guān)于富氧燃燒的研究始于上世紀(jì)90年代末。為應(yīng)對(duì)氣候變化，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于富氧燃燒技術(shù)的研究開發(fā)呈現(xiàn)加速趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)部分高校都已開展了不少相關(guān)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)。
富氧燃燒條件下的產(chǎn)物和傳熱特性與常規(guī)的空氣燃燒條件有很大區(qū)別，因此開發(fā)適用于富氧燃燒的鍋爐是非常有必要的。
2 富氧燃燒技術(shù)簡(jiǎn)介
富氧燃燒技術(shù)的簡(jiǎn)易流程如下圖1所示，通過(guò)空氣分離設(shè)備分離出高純度的氧氣，將燃料、氧氣與經(jīng)過(guò)除塵、脫水后的煙氣一起送入爐膛組織燃燒，經(jīng)多次循環(huán)平衡之后，可以獲得高濃度二氧化碳的煙氣，燃燒干煙氣中CO2含量可達(dá)到80%以上，再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的壓縮純化過(guò)程即可達(dá)到95%以上，以滿足大規(guī)模管道輸送和存儲(chǔ)的需要。這種新型燃燒方式與現(xiàn)有電站燃燒方式在技術(shù)具有良好的承接性，可用于現(xiàn)有電廠改造和新建電廠。
與常規(guī)空氣燃燒系統(tǒng)相比，富氧燃燒系統(tǒng)需要增加空氣分離設(shè)備、煙氣冷凝器以及二氧化碳?jí)嚎s純化設(shè)備等?？諝夥蛛x設(shè)備的主要作用是將空氣中的O2、N2等進(jìn)行分離，從而獲得高純度的氧氣。煙氣冷凝器可以降低煙氣中的水分。二氧化碳?jí)嚎s純化設(shè)備是CO2收集利用的必需設(shè)備，煙氣經(jīng)二氧化碳?jí)嚎s純化設(shè)備處理之后，可以得到液化的二氧化碳，便于后續(xù)利用和處理。
富氧燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠提高煙氣中CO2的濃度，從而使得CO2更容易利用和處理，可以有效的減少燃煤電站的CO2排放，利于保護(hù)環(huán)境。
3 35MW富氧燃燒煤粉鍋爐設(shè)計(jì)方案
35MW富氧燃燒煤粉鍋爐的設(shè)計(jì)是屬于國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《35MW富氧燃燒碳捕獲關(guān)鍵技術(shù)、裝備研發(fā)及工程示范》項(xiàng)目中的子課題一：富氧燃燒關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)及示范。
鍋爐采用富氧燃燒方式，同時(shí)要求兼顧常規(guī)空氣燃燒方式。
3.1 設(shè)計(jì)煤質(zhì)
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)煤種具有不易結(jié)渣、輕微沾污、中等著火、中等燃盡，嚴(yán)重磨損的特性。
3.2 鍋爐主要參數(shù)
3.3 鍋爐設(shè)計(jì)方案
鍋爐為中壓參數(shù)、自然循環(huán)、單爐膛、前墻布置煤粉旋流燃燒器、微正壓燃燒、采用管式空氣預(yù)熱器、全鋼構(gòu)架、P型布置的汽包爐。鍋爐總體布置見下圖2。
水冷壁為膜式壁結(jié)構(gòu)，后墻水冷壁上部彎成折焰角，前后水冷壁下部形成55°冷灰斗，冷灰斗下面布置除渣裝置。由汽包引出4根集中下降管，再由下水連接管引出水冷壁下集箱組成水循環(huán)回路。高溫過(guò)熱器布置在爐膛折焰角上方，低溫過(guò)熱器布置在水平煙道，省煤器布置在尾部豎井，采用管式空氣預(yù)熱器，一、二次風(fēng)分開，并與省煤器交叉布置。
3.3.1 爐膛尺寸
鍋爐燃燒器為前墻布置，通過(guò)爐膛與燃燒器的布置配合、選取合適的爐膛熱力指標(biāo)，本鍋爐爐膛確定為長(zhǎng)方形布置，爐膛尺寸為4733x3533x15150mm(寬x深x高)，爐膛容積熱負(fù)荷為163.3 KW/m3，斷面熱負(fù)荷為1.996 MW/m2。爐膛設(shè)計(jì)瞬態(tài)壓力按照《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程DL/T435-2004》，不低于6.7KPa。
3.3.2 燃燒器布置
燃燒系統(tǒng)采用3只旋流煤粉燃燒器，前墻布置;燃燒器布置示意圖見下圖3：
1)富氧燃燒工況
制粉系統(tǒng)采用鋼球磨中倉(cāng)制熱風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng);磨煤機(jī)干燥劑采用鍋爐空氣預(yù)熱器熱一次風(fēng);制粉系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，制粉系統(tǒng)乏氣經(jīng)過(guò)布袋除塵器收集煤粉后排入大氣。
2)空氣燃燒工況
制粉系統(tǒng)采用鋼球磨中倉(cāng)制熱風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)，1臺(tái)磨煤機(jī);磨煤機(jī)干燥劑采用鍋爐空氣預(yù)熱器熱一次風(fēng);制粉系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，乏氣作為燃燒器三次風(fēng)送入爐膛;
3.3.3 水循環(huán)系統(tǒng)
鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)方式為自然循環(huán)，其水循環(huán)回路由鍋筒、集中下降管、下水連接管、水冷壁上升管、汽水引出管五個(gè)部分組成，水冷壁分成16個(gè)水循環(huán)回路。
鍋筒置于爐頂前側(cè)。鍋筒內(nèi)徑1400mm，材料Q245R。
3.3.4 過(guò)熱器系統(tǒng)
過(guò)熱器系統(tǒng)由頂棚過(guò)熱器，后包墻過(guò)熱器，側(cè)包墻過(guò)熱器，底包墻過(guò)熱器，二級(jí)(低溫)過(guò)熱器，一級(jí)(高溫)過(guò)熱器，噴水減溫器，蒸汽連接管組成。整個(gè)過(guò)熱器系統(tǒng)中，過(guò)熱器受熱面為對(duì)流型，過(guò)熱蒸汽進(jìn)行了一次左右交叉，一次混合。一級(jí)(高溫)過(guò)熱器和二級(jí)(低溫)過(guò)熱器之間布置有噴水減溫器用于調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽溫度。減溫水為鍋爐給水。
過(guò)熱器系統(tǒng)蒸汽流程為：鍋筒→頂棚過(guò)熱器→后包墻過(guò)熱器→側(cè)包墻過(guò)熱器上行→側(cè)包墻過(guò)熱器下行→底包墻過(guò)熱器→二級(jí)(低溫)過(guò)熱器(交叉)→噴水減溫器(混合)→ 一級(jí)(高溫)過(guò)熱器→集汽集箱。
低溫過(guò)熱器為垂直蛇形管式，雙管圈繞，布置在水平煙道內(nèi)，蒸汽與煙氣按逆流方式進(jìn)行對(duì)流換熱。
高溫過(guò)熱器為垂直蛇形管式，單管圈繞，布置折焰角的上方，蒸汽與煙氣按逆順流(混流)方式進(jìn)行換熱。
3.3.5 省煤器
由于空氣預(yù)熱器需要分成一、二次風(fēng)布置，同時(shí)為了提高空氣預(yù)熱器出口熱風(fēng)溫度，滿足制粉系統(tǒng)需要，因此省煤器分為上、下級(jí)，與空預(yù)器交叉布置。上級(jí)省煤器布置于轉(zhuǎn)向室下部，管束錯(cuò)列布置。下級(jí)省煤器位于上級(jí)空氣預(yù)熱器一、二次風(fēng)側(cè)下部，管束錯(cuò)列布置。
3.3.6 空氣預(yù)熱器
空氣預(yù)熱器采用管式預(yù)熱器，兩級(jí)布置，支撐在鍋爐尾部鋼結(jié)構(gòu)上，同時(shí)因一、二次風(fēng)系統(tǒng)壓力差別較大(～2000Pa)，以及富氧燃燒工況時(shí)用于制粉的一部分一次風(fēng)會(huì)漏入部分空氣，為了保證煙氣CO2的濃度，需要將制粉后的乏氣排空。避免注入氧氣的浪費(fèi)，因此將空預(yù)器分成一、二次風(fēng)、與省煤器交叉布置的型式。
空預(yù)器采用螺旋槽管。煙氣在管內(nèi)做縱向沖刷，空氣在管外做橫向沖刷。
3.3.7 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)
鍋爐采用鋼結(jié)構(gòu)骨架。柱腳處，通過(guò)柱腳錨固件與基礎(chǔ)相連，柱與柱之間有橫梁和垂直支撐。
鍋爐的主要受壓件(如爐膛水冷壁、尾部豎井煙道等)均由吊桿懸掛于頂板上，而其它部件空氣預(yù)熱器等均采用支撐結(jié)構(gòu)支撐在橫梁或地面上。
4 富氧燃燒煤粉鍋爐設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題
4.1 熱力計(jì)算
鍋爐空氣燃燒工況熱力計(jì)算按照熱力計(jì)算方法，鍋爐富氧燃燒工況時(shí)，在不同含氧濃度下的煙氣成分彼此間差距較大，與鍋爐空氣燃燒工況的差距更是明顯，突出的差異就是CO2達(dá)到80%甚至更高的濃度，這種變化影響了煙氣的換熱性能。助燃?xì)庖惨驗(yàn)檠h(huán)煙氣的影響也具有類似的性質(zhì)。多種的差異性決定了鍋爐富氧燃燒時(shí)的傳熱計(jì)算需要在鍋爐空氣燃燒時(shí)傳熱基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)地修正。修正除了在氣體組分及物量方面的平衡，更主要的體現(xiàn)在各處輻射與對(duì)流換熱系數(shù)的變化，鍋爐富氧燃燒工況主要對(duì)煙氣密度、三原子氣體輻射減弱系數(shù)、灰粒輻射減弱系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行修正[5]，其余計(jì)算仍參考鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。
4.2 循環(huán)煙氣中的氧濃度與爐內(nèi)輻射傳熱
常規(guī)鍋爐空氣燃燒時(shí)，空氣中的氧濃度約21%(O2/N2=21/79)，鍋爐富氧燃燒工況若采用同比例的CO2替代N2，使得送入爐膛的循環(huán)煙氣中的氧濃度為21%(O2/CO2=21/79)時(shí)，煤粉理論燃燒溫度與常規(guī)空氣燃燒工況相差較大，對(duì)爐內(nèi)輻射傳熱會(huì)造成影響。通過(guò)計(jì)算，認(rèn)為送入爐膛的循環(huán)煙氣中氧濃度在26%～29%時(shí)，煤粉理論燃燒溫度與空氣燃燒工況比較接近，可以使得爐內(nèi)輻射傳熱與常規(guī)空氣燃燒工況相當(dāng)，使得鍋爐設(shè)計(jì)不至于有較大的變化。
4.3 對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
采用同一爐型，以高溫過(guò)熱器為例，計(jì)算傳熱系數(shù)，循環(huán)煙氣中氧濃度越高，富氧工況傳熱系數(shù)越低，主要是由于氧濃度增加后，循環(huán)煙氣量減少，受熱面煙氣速度降低，其傳熱系數(shù)降低，在氧濃度為27～24%時(shí)，富氧工況傳熱系數(shù)與空氣工況接近。
若富氧工況與空氣工況受熱面煙氣速度在同一水平，富氧工況傳熱系數(shù)與空氣工況傳熱系數(shù)(常規(guī)爐型)比較，富氧工況比空氣工況傳熱系數(shù)高，因此，富氧鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，若受熱面布置主要參數(shù)，如煙氣流速、工質(zhì)流速與常規(guī)空氣工況相當(dāng)時(shí)，在溫壓相當(dāng)?shù)那闆r下，富氧工況受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于空氣工況，可提高受熱面的吸熱能力，節(jié)省受熱面積，降低鍋爐造價(jià)。
4.4 過(guò)剩氧量系數(shù)
為保證煤粉的充分燃燒，需要提供足夠的空氣(氧氣)量，鍋爐富氧燃燒采用過(guò)氧系數(shù)來(lái)表征爐內(nèi)燃燒供氧量是否充足，類似于鍋爐空氣燃燒時(shí)的過(guò)?？諝庀禂?shù)，對(duì)于煙煤，雖然理論上過(guò)氧系數(shù)可低至1.05，以獲得盡量高的煙氣CO2濃度;但在工程上，考慮到燃燒器配風(fēng)的不均勻性，可選取過(guò)氧系數(shù)1.15進(jìn)行設(shè)計(jì);在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，則以爐膛出口氧分壓2～3%為控制參量，此時(shí)實(shí)際過(guò)氧系數(shù)略低于1.15。
4.5 鍋爐密封
富氧燃燒煤粉鍋爐，為了保證煙氣中的CO2濃度，需嚴(yán)格控制漏風(fēng)(漏入空氣)，因此，需要重點(diǎn)考慮鍋爐的密封措施。
鍋爐的密封按微正壓設(shè)計(jì)，高溫?zé)煔鈪^(qū)的爐壁，都做成氣密式焊接膜式壁。低溫?zé)煹酪酁楹附幼o(hù)板結(jié)構(gòu)，在膜式管壁上的所有開孔都采取密封措施，各熱工測(cè)點(diǎn)開孔穿墻以及各種開孔都有起密封和固定用的孔座裝置。
為達(dá)到良好的密封效果，在水冷壁穿頂棚處，包墻管與側(cè)墻連接等處均用鋼板進(jìn)行一次密封后再用密封裝置進(jìn)行二次密封，所有膜式壁上開孔均設(shè)置有墻箱，為便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，管子端部用法蘭連接。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了富氧燃燒的技術(shù)特點(diǎn)依托國(guó)家科技支撐項(xiàng)目開發(fā)的35MW富氧燃燒煤粉鍋爐的設(shè)計(jì)方案，對(duì)富氧燃燒鍋爐設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了闡述。鍋爐設(shè)計(jì)能滿足富氧燃燒的需求，通過(guò)對(duì)富氧燃燒傳熱特性的研究和鍋爐方案的設(shè)計(jì)，掌握富氧燃燒煤粉鍋爐關(guān)鍵技術(shù)，提升我國(guó)在富氧燃燒技術(shù)和相關(guān)裝備制造領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。
