富氧燃燒;鍋爐;概念設(shè)計;2濃度;2捕集基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)基金資助項目增壓流化床富氧燃煤發(fā)電新技術(shù)(2009AA05Z310)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜述熱ns電二11爐煤粉燃燒技術(shù)和鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運行的教學(xué)和研究技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜述斑ns電二I國際權(quán)威組織預(yù)測111，如果不對CO2排放采取嚴(yán)格的控制措施，在50年以后，將不能在地球上繼續(xù)使用礦物燃料，所以近年來在火力發(fā)電廠C02的捕集、壓縮液化與封存(CCS)技術(shù)的研究已經(jīng)成為一項非常重要的任務(wù)。壓縮液化C2技術(shù)成熟且成本基本一定，而捕集CO2的技術(shù)是目前頗為關(guān)注的研究課題。
富氧燃燒技術(shù)又稱O2/CO2燃燒技術(shù)或者空氣分離/煙氣再循環(huán)技術(shù)是一種不用分離就能直接捕集高濃度CO2，又能綜合控制燃煤污染排放的新一代潔凈煤發(fā)電技術(shù)IWSI.鍋爐尾部排煙的一部分煙氣再循環(huán)至爐前，與空氣分離裝置制取的氧氣按一定的比例混合后送入爐膛，在爐內(nèi)組織與常規(guī)燃燒方式類似的燃燒過程。由于鍋爐排煙量減少，因此鍋爐熱效率可提高約5個百分點。但是，空氣分離制氧使發(fā)電成本大大增加，電站循環(huán)效率降低約9個百分點。
富氧燃燒技術(shù)原理對常規(guī)空氣燃燒鍋爐實施煙氣再循環(huán)O2/CO2燃燒改造，是研究最早、實施難度相對較小的富氧燃燒技術(shù)。由于常規(guī)煤粉燃燒鍋爐的設(shè)計均是基于空氣燃燒，空氣中的氧氣與氮氣比例固定不變，過量空氣系數(shù)確定后，燃燒產(chǎn)物的量也相應(yīng)確定，因此在進(jìn)行鍋爐燃燒與傳熱優(yōu)化設(shè)計時從未將煙氣量作為一個可變的因素加以考慮。采用O2/CO2燃燒方式時，由于燃燒中CO2再循環(huán)的比例及送入爐膛的氧氣濃度在一定范圍內(nèi)是可變化的因素，即燃燒產(chǎn)物的量與爐膛的燃燒溫度隨O2/CO2比例而變化，因此該比例可作為優(yōu)化設(shè)計的選擇變量。所以，采用富氧燃燒的鍋爐設(shè)備，可突破常規(guī)煤粉燃燒鍋爐燃燒、輻射傳熱和對流傳熱等方面的設(shè)計限制，使煤粉的燃燒與燃盡、傳熱及阻力損失達(dá)到更合理的工況，降低鍋爐制造成本與運行費用，部分地彌補(bǔ)由于制氧而增加的成本。同時，結(jié)合捕集CO2的煙氣處理工藝，使常規(guī)燃燒鍋爐需要花費高成本脫除的硫化物與氮氧化物等變?yōu)檩^低回收成本的可利用資源。
本文以300MW等級的煤粉燃燒鍋爐為研究對象，分別從爐膛輻射、對流受熱面、尾部受熱面、制粉系統(tǒng)及氣體污染物的處理與回收等方面對富氧燃燒鍋爐進(jìn)行概念設(shè)計，探討其技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)性。
1富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)為采用富氧燃燒技術(shù)且進(jìn)行C02捕集的自然循環(huán)鍋爐系統(tǒng)，與常規(guī)煤粉燃燒鍋爐系統(tǒng)不同的是增加了空氣分離制氧裝置、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)和排煙處理系統(tǒng)。
1.1鍋爐燃燒與煙風(fēng)系統(tǒng)空氣分離制取的氧氣與再循環(huán)煙氣及攜帶的煤粉送入爐膛燃燒，燃燒產(chǎn)物依次經(jīng)過鍋爐的各個受熱面完成換熱，燃低硫煤時不設(shè)脫硫裝置。省煤器出口的煙氣被除去大部分粉塵后分為兩部分，一部分直接用做調(diào)節(jié)爐內(nèi)火焰溫度的再循環(huán)煙氣，不脫除水分直接送入爐膛;另一部分經(jīng)過氣-氣換熱器放熱，再經(jīng)過冷凝器冷卻并脫除大部分水分，然后將其中的一部分再循環(huán)回氣-氣換熱器加熱升溫后作為制粉系統(tǒng)的干燥介質(zhì)。這兩部分再循環(huán)煙氣的比例應(yīng)首先滿足制粉通風(fēng)量的要求，其余部分直接送入爐膛。除再循環(huán)煙氣外的煙氣經(jīng)壓縮冷卻后送入煙氣回收處理系統(tǒng)。
由于爐膛采用液態(tài)排渣方式，煙氣中的大部分飛灰在爐膛被捕集煙氣中飛灰可燃物大大低于固態(tài)排渣爐。因此，省煤器出口煙氣只需采用簡單、阻力較低的離心式分離器，殘余的少量灰分在后續(xù)煙氣處理流程中脫除。
與常規(guī)空氣燃燒鍋爐類似，鍋爐爐膛仍維持微負(fù)壓燃燒，氣-氣換熱器后設(shè)置鍋爐引風(fēng)機(jī)用于克服爐膛后所有受熱面及除塵器的阻力，由于煙氣量遠(yuǎn)小于空氣燃燒，因此風(fēng)機(jī)容量較小。再循環(huán)回爐膛的煙氣與脫除水分并經(jīng)加熱升溫后送入制粉系統(tǒng)的煙氣需要煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)提升壓力以克服輸送的阻力，早期的鍋爐多有采用高溫含塵煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)的實例。
1.2制粉系統(tǒng)經(jīng)脫水并經(jīng)過氣-氣換熱器加熱升溫的再循環(huán)煙氣，送入制粉系統(tǒng)做為干燥劑，隨后輸送煤粉至爐前與氧氣混合后進(jìn)入爐膛燃燒。
1.熱量回收利用系統(tǒng)省煤器后設(shè)置類似于空氣預(yù)熱器的氣-氣熱交換器，既可回收煙氣熱量，又可預(yù)熱制粉系統(tǒng)干燥所需的再循環(huán)煙氣及送入爐膛的氧氣。氣-氣熱交換器下游為煙氣冷凝脫水裝置，煙氣冷凝脫水過程中將先達(dá)到煙氣酸露點溫度，因此需考慮受熱面的防腐?？諝夥蛛x后的氮氣和氧氣溫度低于20°C，可以分別用于煙氣冷凝脫水裝置和煙氣一級壓縮后的冷卻介質(zhì)，電廠的循環(huán)冷卻水也可以作為冷卻介質(zhì)。
1.4煙氣處理與污染物回收系統(tǒng)煙氣冷凝脫水后不參與再循環(huán)的煙氣繼續(xù)逐級加壓、冷卻，完成煙氣液化回收過程。在對煙氣進(jìn)行CO2液化回收后，煙氣中S2的分壓力會大大提高，從而具有進(jìn)一步回收利用的可能性，煙氣中NO的濃度也會提高，可采用類似濕法脫除NO的成熟工藝，使NO強(qiáng)制氧化成為N2，NO2溶于水形成稀硝酸溶液直接回收。
2受熱面與制粉系統(tǒng)概念設(shè)計2.煤粉燃燒煤粉的純氧燃燒具有提高燃燒效率的突出優(yōu)點，因此只要合理地考慮系統(tǒng)的防爆合理設(shè)計氧氣送入的位置，在一定范圍內(nèi)提高燃燒介質(zhì)的氧氣濃度是有利的。摻入再循環(huán)煙氣的主要目的是調(diào)節(jié)爐膛的煙氣溫度。
2.2爐膛的輻射換熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜述熱ns電二I亞臨界300
MW級富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)目前所開展的富氧燃燒研究均局限于現(xiàn)有空氣煤粉燃燒鍋爐的改造，從滿足空氣燃燒爐膛的溫度來選擇2/C2的比例。試驗與理論計算均表明，2比例約為25%~27%時，可以使?fàn)t膛燃燒平均溫度與空氣燃燒基本一致。煤在空氣條件下的理論燃燒溫度是一定的，因此爐膛的輻射換熱是有上限的。當(dāng)氧氣比例增加時，煤的理論燃燒溫度升高，存在提高爐膛內(nèi)輻射換熱強(qiáng)度的可能性。
氧氣比例增加時，火焰溫度提高，爐膛輻射換熱增強(qiáng)，所需要的爐膛受熱面積減小，爐膛容積也應(yīng)相應(yīng)減少，爐膛容積熱負(fù)荷與截面熱負(fù)荷增大。為了克服隨之而來的爐膛壁面結(jié)渣問題，鍋爐宜采用液態(tài)排渣方式，液態(tài)排渣爐中的灰渣被大量捕集使飛灰份額大大減少，也降低了省煤器后煙氣除塵的負(fù)擔(dān)。另外，爐膛熱負(fù)荷值的選擇可以國內(nèi)已經(jīng)運行的300MW機(jī)組液態(tài)排胗爐的運行參數(shù)。
氧濃度增加、爐膛燃燒溫度升高及采用液態(tài)排渣等，均會造成NO大幅度增加，但是C2冷凝液化后煙氣中NO氣體濃度越高，越有利于回收。
在維持爐膛出口煙氣溫度不變的條件下，鍋爐的輻射換熱所占的份額將會增加，需將更多的過熱器受熱面移入爐膛。而且，氧濃度增加將使SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率不同程度的提高，以及采用液態(tài)排渣增加了爐膛水冷壁金屬腐蝕的可能性。
2.3對流受熱面的換熱爐膛平均溫度提高，在維持爐膛出口煙氣溫度基本不變的條件下，鍋爐的輻射換熱所占的份額將會增加，對流換熱份額相應(yīng)減少，對流受熱面相對減少，煙氣對流換熱是以消耗煙氣流動阻力為代價的，因此對減少流動阻力較為有利。另外，由于爐膛采用液態(tài)排渣方式，飛灰被大量捕集煙氣中的飛灰濃度減小，使尾部受熱面煙氣流速提高。
2.4制粉系統(tǒng)的運行優(yōu)化由于采用以CO2氣體為主的再循環(huán)煙氣來干燥與磨制煤粉，而CO2是惰性氣體，磨煤機(jī)出口的溫度可以突破現(xiàn)有熱空氣制粉系統(tǒng)的限制得以提高。這樣，一方面可以使干燥介質(zhì)溫度提高，從而提高磨煤出力，降低制粉電耗，另一方面用于干燥的再循環(huán)煙氣可以最大限度地回收省煤器后的煙氣熱量，完全避免常規(guī)鍋爐制粉系統(tǒng)摻混冷風(fēng)而降低鍋爐效率的問題。
3熱力計算以300MW等級燃用低硫褐煤的煤粉鍋爐為概念設(shè)計研究對象，其燃煤工業(yè)分析和元素分析見表1，鍋爐主要額定參數(shù)見表2.表1煤工業(yè)分析和元素分析技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜述斑ns電二11表2鍋爐主要額定參數(shù)項目數(shù)值最大連續(xù)蒸發(fā)量/t過熱器出口蒸汽溫度/°c過熱器出口蒸汽壓力/MPa再熱蒸汽流量/t再熱蒸汽進(jìn)/出口汽溫/°c再熱蒸汽進(jìn)/出口壓力/MPa省煤器進(jìn)口給水溫度/°c省煤器進(jìn)口給水壓力/MPa爐膛輻射受熱面換熱量爐膛出口溫度由煤的結(jié)渣溫度控制，本文按常規(guī)方法取1100當(dāng)爐膛出口溫度與O2/CO2比例確定后，根據(jù)雙灰體零維模型l1M0爐膛的輻射換熱量IO;s，F(xiàn)i分別為爐膛系統(tǒng)黑度與爐膛換熱壁面積;Thy，Tb分別為爐膛內(nèi)煙氣的平均溫度和爐膛輻射壁面溫度，K表3為空氣和富氧燃燒方式下爐內(nèi)理論燃燒溫度與輻射換熱量的計算值。與空氣燃燒方式相比，2/CO2比例大于30%時，理論燃燒溫度升高，火焰平均溫度升高，以CO2為主的煙氣輻射強(qiáng)度也增加，因此，爐膛輻射換熱量增加，則需要的爐膛輻射受熱面積相應(yīng)減少。譬如，在35%2/65%C2條件下，理論燃燒溫度比空氣燃燒時高283°C，爐膛輻射換熱量增加約15%.表3爐膛理論燃燒溫度和輻射吸熱量對比工況理論燃燒溫度/c爐膛輻射吸熱量/k.kg爐膛輻射換熱量/k相對于空氣燃燒方式的增加/%空氣氣氛3.2對流受熱面換熱量鍋爐對流受熱面煙氣側(cè)熱平衡方程與工質(zhì)側(cè)熱平衡方程分別為式(3)與式(4)：漏入的冷空氣焓值，l/kg;Aa為對流受熱面漏風(fēng)系數(shù);i，i"分別為受熱面進(jìn)、出口處蒸汽(或水)的焓值，kAg;為受熱面的蒸汽(或水)的流量，kg/s.隨著O2/CO2比例提高，爐膛的輻射換熱量增加;與空氣燃燒時相比，總煙氣量減少，對流換熱總量減少?？諝庖约案鞣NO2/CO2比例下總煙氣量與鍋爐對流吸熱量的對比見表4.由表4可見，O2/CO2比例大于30%時，爐膛出口后的對流換熱量較空氣燃燒時減少。
表4對流吸熱量對比工況總煙氣量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))相對于空氣燃燒方式下煙氣量的減少/%對流吸熱量/kkg1對流吸熱量/k°s1相對于空氣燃燒減少/%空氣氣氛3.3煙氣側(cè)與工質(zhì)側(cè)熱量匹配和蒸汽過熱到一定溫度(輻射與半輻射過熱器)。本文3.3.1爐膛輻射放熱量與工質(zhì)吸熱量計算未布置爐膛輻射再熱器，各種燃燒工況下熱量的在自然循環(huán)鍋爐中，爐膛煙氣輻射放熱量用于將比較見表5.省煤器出口的欠焓水加熱至飽和蒸汽(水冷壁)，將飽表5煙氣輻射放熱量與工質(zhì)吸熱的匹配工況爐膛總輻射換欠焓水加熱至飽和蒸汽爐膛內(nèi)輻射過熱器富氧燃燒方式爐膛內(nèi)輻射過熱器熱量/
ks1的吸熱量/k.s1吸熱量/ks1吸熱量較空氣燃燒方式的增加/技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜述鍋爐蒸汽參數(shù)一定，則欠焓水加熱至飽和蒸汽的吸熱量一定。對亞臨界壓力參數(shù)鍋爐，煙氣在爐膛的總換熱量明顯大于欠焓水加熱至飽和蒸汽的吸熱量。
在空氣燃燒的條件下，需要在爐膛上部布置一定數(shù)量的屏式過熱器或壁式過熱器，以滿足爐膛輻射換熱量的要求;在富氧燃燒條件下，由于爐膛總輻射換熱量增力口，爐膛內(nèi)輻射過熱器吸熱量也增加，因此需要將更多的過熱受熱面移入爐膛。35%2/65%C2富氧燃燒乏與空氣燃燒比較，爐膛內(nèi)的輻射過熱受熱面增加約3.3.2爐膛出口后的煙氣對流放熱量與工質(zhì)吸熱量―爐膛出口后直至省煤器出口的煙氣對流放熱量為爐膛出口煙溫對應(yīng)的熱量與省煤器出口煙溫(給水溫度+最小傳熱溫差100°c)對應(yīng)的熱量之差，由3部分受熱面所吸收熱量之和匹配：(1)部分過熱蒸汽吸熱;(2)全部再熱蒸汽吸熱(本文假設(shè)再熱器全部為對流式受熱面)(3)省煤器吸熱。
爐膛出口后的煙氣對流放熱量與工質(zhì)吸熱量的匹配見表6.由表6可知，在省煤器出口煙溫由傳熱約束而取為定值的條件下，爐膛出口至省煤器出口煙氣放熱量也相應(yīng)確定。在滿足部分過熱與全部再熱吸熱后，將省煤器出口水溫加熱至約300°C.在富氧燃燒條件下，爐膛出口至省煤器出口煙氣放熱量減少，需要的過熱吸熱也減少，再熱吸熱不變，而省煤器吸熱也相應(yīng)降低。
表6爐膛出口后的煙氣對流放熱量與工質(zhì)吸熱量的匹配工況爐膛出口煙溫，C爐膛出口煙氣攜帶熱量/k省煤器后煙氣攜帶熱量/k爐膛出口至省煤器出口煙氣放熱量富氧燃燒較空氣燃燒的煙氣放熱減少/%對流吸熱量/kDS
1過熱再熱省煤器空氣氣氛注：省煤器后煙溫為390°C，省煤器出口水溫為300°C左右。
3.3.3省煤器出口后的煙氣對流放熱量與工質(zhì)吸熱量省煤器出口煙氣經(jīng)高溫除塵，一部分直接送回爐膛作為調(diào)節(jié)爐膛煙氣溫度的介質(zhì)，另一部分煙氣將繼續(xù)放熱至排煙溫度，在爐外冷凝除濕。由于煙氣中水蒸氣的分壓力很低，需要將煙氣冷卻至水露點以下(一般為50~60C)以除去大部分煙氣的水分。空分裝置出口的氣體均具有較低的溫度，可以作為冷卻介質(zhì)，或采用電廠的循環(huán)冷卻水。除濕后煙氣溫度較低(低于50―部分作為制粉系統(tǒng)干燥介質(zhì)被預(yù)熱至較高的溫度，該部分煙氣的量由制粉系統(tǒng)干燥通風(fēng)量及一次風(fēng)率確定;預(yù)熱熱量來自省煤器出口的煙氣余熱，同時也需要利用煙氣余熱將送入爐膛燃燒的氧氣預(yù)熱到較高的溫度。省煤器出口至排煙的余熱回收均由氣-氣換熱器完成。加熱氧氣熱量的吸熱量、再循環(huán)煙氣的吸熱量與煙氣放熱量的熱量平衡計算結(jié)果對比見表7.技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜述ns電二表7氣T氣換熱器中煙氣放熱量與再循環(huán)煙氣和氧氣吸熱量的匹配工況排煙溫度/C煙氣放熱量/ks1氧氣吸熱量/k°s1進(jìn)口再循環(huán)煙氣溫度/C出口再循環(huán)煙氣溫度/C再循環(huán)煙氣吸熱量作為制粉系統(tǒng)干燥介質(zhì)的煙氣預(yù)熱至375C(保持與氣-氣換熱器進(jìn)口煙溫390C的最小溫差15C)再加上氧氣預(yù)熱吸熱，可以將鍋爐排煙溫度降至約140°C.盡管排煙溫度與空氣燃燒時相當(dāng)，但由于鍋爐排煙量大大減少，因此鍋爐的排煙損失仍大大低于空氣燃燒方式。如果采用煙氣余熱加熱汽輪機(jī)凝結(jié)水替代部分低壓加熱器，還可以進(jìn)一步降低鍋爐排煙損4制粉系統(tǒng)設(shè)計富氧煤粉燃燒也需要制粉系統(tǒng)干燥與輸送煤粉的介質(zhì)為以CO2為主的再循環(huán)煙氣。干燥介質(zhì)首先經(jīng)過除濕并加熱，然后送入磨煤機(jī)。干燥介質(zhì)中再循環(huán)煙氣中氧氣濃度很低，大大降低了因溫度過高而造成制粉系統(tǒng)爆炸的可能性，制粉系統(tǒng)出口風(fēng)粉混合物的溫度可以大大高于空氣制粉工況。因此，在采技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜述熱ns電二I用直吹式制粉系統(tǒng)時，在滿足磨煤機(jī)通風(fēng)量的條件下，一次風(fēng)溫度可以大幅度提高。表7中計算的干燥介質(zhì)的預(yù)熱溫度最高可達(dá)到375°C，一方面彌補(bǔ)了預(yù)熱器冷卻風(fēng)量偏少的問題，維持較低的鍋爐排煙溫度，另一方面提高制粉系統(tǒng)的工作溫度可以大大降低磨煤電耗，提高磨煤效率和煤粉細(xì)度。
5結(jié)語本文以亞臨界參數(shù)300MW機(jī)組燃煤鍋爐為研究對象，構(gòu)建了富氧燃燒鍋爐原則性熱力系統(tǒng)。以送入爐膛的氧氣比例作為鍋爐優(yōu)化設(shè)計的變量，分別從爐膛輻射、對流受熱面、尾部受熱面、制粉系統(tǒng)及氣體污染物的處理與回收等方面，嘗試進(jìn)行了富氧燃燒鍋爐的概念設(shè)計。計算與分析表明，大約35%2/65%CO2混合氣氛下的富氧燃燒鍋爐具有明顯優(yōu)勢，鍋爐爐膛部分的輻射換熱份額大大增加，爐膛輻射換熱量較空氣燃燒增加約15%;對流換熱所占份額減少，相對于空氣燃燒減少約19%，鍋爐煙氣側(cè)的運行阻力大幅度減小;工質(zhì)在爐膛內(nèi)的輻射吸熱將增加約42%，更多的過熱受熱面將移入爐膛上部，鍋爐總的受熱面數(shù)量將低于空氣燃燒鍋爐;制粉系統(tǒng)磨煤電耗顯著降低，磨煤效率提高，鍋爐制造成本與運行費用有望較大幅度降低，可部分地彌補(bǔ)由于制氧而增加的成本。
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)的研究閻維平。潔凈煤發(fā)電技術(shù)。北京：中國電力出版社，2001.李慶釗，趙長遂，武衛(wèi)芳，等。O2/CO2氣氛下煤粉燃燒反應(yīng)動力學(xué)的試驗研究動力工程，2008，劉彥，周俊虎，方磊，等。O2/CO2氣氛煤粉燃燒及固硫特性研究中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，姜秀民，楊海平，劉輝，等。煤粉顆粒粒度對燃燒特性影響熱分析中國電機(jī)工程學(xué)報，2002，22(姜秀民，李巨斌，邱健榮。超細(xì)化煤粉燃燒特性的研究。Fuel200786(5-6)李慶釗，趙長遂。O2/CO2氣氛煤粉燃燒特性試驗研究中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，鍋爐機(jī)組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法。北京鍋爐廠，譯。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976.。北京：科學(xué)出版社，2003.
上一篇： 黑龍江大慶通報鍋爐淘汰情況
