富氧燃烧技术.ppt

富氧燃烧技术介绍,目录,NOx的析出特性,背景-能源利用现状,中国能源消费总量及煤炭比重趋势图,一、背景我国能源利用现状,一、背景我国能源利用现状,2012年底，全国发电总装机容量达到 11.4亿千瓦，同比增长 7.8%。其中煤电共 7.6亿千瓦， 2013年底，全国发电装机容量12.47亿千瓦，同比增长9.3%， 首次超越美国位居世界第一。其中火电8.6亿千瓦。 可预见的未来几十年内，煤炭仍将是我国主要的一次能源， 这决定了在我国的电力工业中，燃煤火力发电将长期占据主 导地位。,1990年全世界二氧化碳的排放量为206.88亿吨，到2005年这一数据增加至266.2亿吨。目前，世界二氧化碳排放总量仍在迅速上升，中国已成为世界第一碳排放国。 我国环境容量上限为二氧化硫1620 万吨,氮氧化物1880 万吨。如不采取有效措施, 预计到2020 年, SO2 和NOx 的排放量将分别达到4000 万吨和3500 万吨。 深入研究煤炭高效洁净化利用, 开发高效、洁净的燃煤发电技术, 是保障国民经济持续健康快速发展和保护环境的迫切需要。,一、背景我国能源利用现状,二、富氧燃烧技术概况,1富氧燃烧定义,富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）和工业锅炉均适用， 既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能，广 义上讲凡是用空气参与反应的均可用富氧代替。,燃烧是空气中的氧参与燃料氧化并同时发出光和热的过程。 富氧燃烧是指助燃用的氧化剂中的氧浓度高于空气中的氧浓度 （根据实际情况可采用局部富氧和整体富氧），直至纯氧燃烧。,二、富氧燃烧技术概况,2、富氧燃烧技术 富氧燃烧技术,又称为空气分离/烟气再循环技术或氧燃料燃烧技术。,采用烟气再循环的方式,使燃烧炉内CO2浓度提高。O2与烟气中CO2以一定比例混合,作为燃烧的氧化剂,使燃料燃烧可保持燃烧温度,最终得到了与空气燃烧方式一样的热能。,富氧燃烧技术主要由3 个基本步骤组成：空气分离、O2/ CO2 燃烧和烟气压缩与脱水。,二、富氧燃烧技术概况,CO2 concentration: 95%,NOx reduction: 30%-70%,SO2 removal by limestone: 40%-90%,Thermal efficiency increase: 3%,70%的CO2 其余为水,70% 75%烟 气,95% CO2,95%以上,Enhanced Coal Bed Methane.获取不可开采的煤层中的天然气。CBM应用广泛，而BCBM很少。,很有前景，储量丰富，靠近CO2产生地。但目前还未见大规模工程示范。,Enhanced Oil Recovery.美国应用最为广泛，2003年世界有84个工程应用项目。,海洋是一个自然的碳汇，存储量巨大。但CO2深海储藏的技术还未完全掌握。,CO2利用方式,EOR,BCBM,Ocean Storage,Deep Saline Aquifer,二、富氧燃烧技术概况,3、富氧燃烧技术研究热点,在相同绝热火焰温度情况下，辐射换热增强，对流换热减弱，需要对锅炉部分改造或操作条件优化，保证满意的能量平衡。,高CO2气氛下，char-CO2反应。低温下（如400-900，）可忽略，因其反应速率远低于char-O2反应；高温下，碳粒边界层存在明显的CO产物。,微重力设备中进行试验，保证煤粉均相布置，防止自然对流。CO2高热容，导致火焰传播速度慢，着火延迟，影响火焰稳定性。,CO2，NOx，SO2，亚微米级飞灰颗粒，痕量元素,二、富氧燃烧技术概况,11,CO2：试验室试验，烟气中CO2浓度可达95%；中试试验，浓度为80%-92%。,NOx：NOx排放较空气气氛下减少2/3以上：热力型NOx减少，循环烟气中NOx的还原。,SO2：试验表明，排放量减少，浓度增大，S转化率91%64%。,亚微米级颗粒：难熔氧化物气化，导致数量明显增加；高浓度CO2改变氧化物中CO/CO2比例，影响气化。,痕量元素：气相中，汞、硒、砷含量较空气下高。,二、富氧燃烧技术概况,一、富氧燃烧技术概况,4、富氧燃烧技术研究进展 富氧燃烧的概念在1981年由Home和Steinburg首次提出,并得到美国阿贡国家实验室的验证。研究表明常规锅炉进行适当的改造即可采用此技术。 随着人们对全球气候变化与温室效应的认识,这项技术的研究与应用也得到了极大的重视和发展。美国、日本、加拿大、英国、德国、荷兰、法国、瑞典、挪威、俄罗斯等国家都开展了富氧燃烧技术试验及技术经济性研究。 国内浙江大学、华中科技大学、东南大学、华北电力大学和清华大学等高校的研究人员近年来也开展了对该项技术的积极研究，已逐渐在各领域广泛推广应用。,二、富氧燃烧技术概况,5、富氧燃烧技术的应用及优势 （1）燃烧效率高；锅炉效率也提高了。,当前最容易为工业界所接受的co2减排技术,（2）燃烧产物中CO2的含量将达到95%左右，回收的费用更低。,（3）在液化处理以CO2为主的烟气时，SO2同时也被液化回收， 可省去烟气脱硫设备。,（4）在O2/CO2的气氛下，SOx、NOx的生成将会减少，如果再结 合低NOx燃烧技术，则有可能不用或少用脱氮设备。,（5）采用O2/CO2燃烧技术减少了烟气量，简化了烟气处理系统。 燃烧温度可以由再循环的烟气量来控制。,二、富氧燃烧技术概况,6、富氧燃烧的瓶颈问题存在问题： （1）氧气的生产设备以及CO2压缩设备增加了电耗。,（2）空气分离产生的大量副产品氮气还需要找到合适的 处理利用途径。,（3）循环烟气中CO2的比热容较空气高且水蒸汽的含量也高， 使燃烧推迟，需要对燃烧器进行改进研究。,（4）其他待研究的内容（如灰渣、换热、除尘）。,三、富氧燃烧技术节能机理,三、富氧燃烧技术节能机理,1、提高火焰温度,城市煤气理论火焰温度与氧浓度关系图,常规燃烧中的空气中仅有21%的氧气参与燃烧过程,而近79%的氮气不仅不参与燃烧而且还严重阻碍燃烧的进行。一是会严重阻碍燃料和氧气分子之间的接触碰撞的机会,使燃烧速率降低;二是氮气还会在高温的条件下与氧气发生化合反应吸收大量的热量并从燃烧反应中吸收热量,降低理论燃烧温度,作为烟气排出,造成能源浪费,三、富氧燃烧技术节能机理,不同燃料及富氧率燃烧温度估算对比,三、富氧燃烧技术节能机理,2、加快燃烧速度，促进煤粉燃烧完全 同一种燃料在空气和纯氧中的燃烧速度相差甚大,如氢气在空气中的层流火焰传播速度最大为280 cm/s,在纯氧中则为1175 cm/s,是在空气中的4.2倍,天然气则高达10.7倍;释放出同样的热量,燃烧速度快的燃料(如乙块)其火焰小而密实,而燃烧速度慢的燃料(如天然气)其火焰是大火焰层。燃烧燃烧速度加快的原因,基本上都是由于加入氧气后火焰温度得到了提高。,三、富氧燃烧技术节能机理,3、降低过量空气系数，减少燃烧后烟气量,使用含氧量为27%的富氧空气燃烧与氧浓度为21%的空气 燃烧比较,过量空气系数=1时,则烟气体积减少20%, 排烟热损失也相应减少而节能。,烟气量的减少会提高CO2、SO2、NOX等气体的体积浓度， 这就有利于它们的回收利用，减少它们对环境的污染。,三、富氧燃烧技术节能机理,4、降低燃料燃点温度，燃尽时间降低,四、SOx的析出特性,从已有的实验中，发现在高O2/CO2烟气循环方式下SOx的排放量比空气助燃要低，燃料中的硫转化为SO2的比率分别是64（O2/CO2)、92（AIR）,研究发现：在O2/CO2气氛下，烟煤燃烧的SO2总生成量比在同等O2 浓度的空气气氛下小。,四、SOx的析出特性,2）一部分的硫被固定到灰中。,1）均相反应。炉内在高CO2 气氛下产生的较高浓度的CO，进而产生较高的COS，在煤中氧化铝的催化作用下COS 与SO2 发生反应生成单质硫：,有研究表明在O2/CO2方式下，采用炉内脱硫可以提高脱硫效率4到8倍。,四、SOx的析出特性,3）烟气循环会增加SO2 停留时间，提高SO2的浓度，从而提高了脱硫效率。,1）非均相反应。炉内高浓度的CO2 抑制了碳酸钙的分解，导致了碳酸钙的直接脱硫反应，使得脱硫剂不易烧结。,2）分解的碳酸钙在高CO2 气氛下，再次生成碳酸钙，具有很好的空隙结构，更容易脱硫。,Kimura N发现O2 / CO2 燃烧方式下NOx的排放大约只有常规燃烧方式下的1/ 3 左右。,五、NOx的析出特性,NOx排放较空气气氛下减少2/3以上。 1）热力型NOx减少。 2）循环烟气中NOx的还原。,3）烟气循环，导致NO 在炉膛中的停留时间