流化床富氧燃烧技术

流化床富氧燃烧技术摘要： 本文简要介绍了流化床富氧燃烧技术的国内外研究现状，总结了循环流化床富氧燃烧技术要商业化所要面对的问题。为循环流化床富氧燃烧技术在国内的研究应用做了基础和重要准备。关键词：富氧燃烧；循环流化床；O2/CO21、引言化石燃料电厂是二氧化碳最大的、最集中的排放源，回收利用烟气中的二氧化碳已经被认为是最重要的减少温室效应的方法。用氧气和再循环烟气（主要是二氧化碳）的混合物作为化石燃料的氧化剂可以从本质上排除烟气中氮气的存在。而最终烟气的主要成分是C02,少量的水蒸气、氮气、氧气，微量的S02和NOx。这样就大幅度的提高了燃烧产物中C02的浓度，这就使C02分离回收成本降低。富氧燃烧技术就是在这一背景下提出来的。富氧燃烧技术也称为O2/CO2燃烧技术，或者空气分离/烟气再循环技术，又被称为N2—freeRocess其原理示意图见图1图1富氧燃烧技术原理示意图富氧燃烧技术首先是由Horne和Steinburg与1981年提出，经美国阿贡国家实验室的研究证明只需要将常规锅炉进行适当的改造就可以采用此技术。美国、加拿大、日本、英国、荷兰、德国、法国、瑞典、挪威等许多国家都开展了富氧燃烧技术的试验或技术经济性比较研究。国内的浙江大学、华中科技大学、及华北电力大学等在进行积极的试验和理论研究。但只有日本、荷兰等少数几个国家对流化床富氧燃烧技术进行了研究，目前美国页正在进行相关研究。流化床富氧燃烧技术是将流化床洁净燃烧技术和富氧燃烧技术结合在一起的新型洁净燃烧技术，它可以充分发挥两者的优势。诸如：对燃料的适应性广，能燃用煤、石油焦、生物质、城市垃圾和沥青砂等;可以用循环砂来控制炉膛温度；对锅炉的改造也很简单；在石油开采市场上存在着巨大的市场。【4,6】2、国内外研究现状日本北海道工业研究所HokkaidoNationalIndustrialResearchInstitute(HNIRI)进行了先进的煤燃烧和排放控制技术“(AdvancedTechnologyforEmissionControlofSulfurandNitrogenOxidesfromCoalCombustors)”国际合作项目研究，部分研究成果见图2所示，时间从1995年至1998年，研究鼓泡流化床富氧燃烧反应机理和SO2、NOx排放。研究显示鼓泡流化床富氧燃烧系统能不用分离使CO2排放浓度达96%，燃料N转化生成的NOx和N2O是常规空气燃烧时的1/6。⑵荷兰Delft技术大学对一个1.6MW的加压流化床燃烧/气化联合循环装置进行了适当改造，对加压流化床燃烧部分进行了纯氧送风，燃气再循环的试验并与空气气氛下的试验进行了对比。DelftPFB/G试验装置简图如图3所示，DelftPFB/G试验系统图如图4所示。试验时流化风速为0.8m/s，运行床温为1123K，纯氧由带蒸发系统的低温储罐提供，系统全负荷运行时需要纯氧320kg/h。ALSTOMPower,Inc和USPowerPlantLaboratories联合进行“循环流化床锅炉纯氧燃烧温室气体排放控制项目（GreenhouseGasEmissionsControlbyOxygenFiringinCirculatingFluidizedBedBoilers）”。在这个项目中ALSTOM改进了它的9.9MM—Btu/hr测试装置。MTF（MultiuseTestFacility）pilotplant实验用氧气和二氧化碳的混合物（氧气的体积分数为70%）作为氧化剂，燃料是烟煤和石油焦，测定了氧燃烧对热交换器、基础动力学、结焦性、气体和固体颗粒排放的影响ALSTOM设计的循环流化床锅炉纯氧燃烧试验装置简图见图5图5ALSTOM循环流化床锅炉纯氧燃烧试验装置简图主要实验结果如下：⑶炉子操作性能和结渣性：总的来说，当用O2和CO2的混合物做为炉子的氧化剂时，炉子的可操作性比用空气好，并且没有发现颗粒结焦和流化停滞的现象再碳酸性：在此次实验中，炉膛温度一直保持在石灰石煅烧温度以上。炉膛固体颗粒样品中有1〜2%的CaCO3存在，飞灰固体颗粒样品中CaCO3的含量要高些气体排放物：因为这个炉子的操作温度高于脱硫的最佳温度，所以当燃用烟煤时硫化物排放量较空气燃烧要高些。对石油焦（petcoke）来说，它的脱硫最佳温度较烟煤高，所以，它的硫化物排放量就要低一些富氧燃烧的CO排放量较高，因为烟气中CO2的含量较高，它阻止了CO的氧化。根据早期实验显示，富氧燃烧的NOx排放量较空气燃烧的NOx排放量要低，但是并不清楚减少的部分是热力型NOx、快速型NOx还是燃料型NOx不完全燃烧损失：与空气燃烧相比，同等条件下氧燃烧的飞灰含碳量要低；而氧燃烧石油焦（petcoke）的飞灰含碳量又比燃烧烟煤的飞灰含碳量要低传热：在炉膛水冷壁的导热性测试中发现，CFB氧燃烧和空气燃烧的炉膛水冷壁的导热性没有太大差别，因为导热性只于固体颗粒有关而不是取决于气体成分浙江大学的循环流化床富氧燃烧试验系统结构如图6所示，流化床反应器由内径为77mm、高为2.8m的耐高温不锈钢管制成，布风装置采用倒锥形多孔结构，两级高温旋风分离器，独立的外置式加热方式。在O2/N2气氛与O2/CO2气氛下，对氧浓度为21%〜35%的循环流化床进行了煤燃烧的试验研究，比较了不同气氛下的煤燃烧特性和炉内温度分布以及NOx的排放规律和脱硫效率。试验显示随着氧含量的增加，燃烧效率逐渐增高，SO2的排放略有减少，石灰石脱硫效率略有提高。【5】I一尚如水精；2-惆二在成却析；3—方哗臬坐糟；4布鸵除尘装瓦i5皿用0诲我i«高岗琲i-夸E加科：M『立管：。一坦娇可：1(1-U-引度阻土流宣卷料V自动盅控系笑；I卫一切％哒他；13-ai;I*弋体Bl热推；15-弋体混合君；K5—布昆旅；I：-电鬲此IW-石女石*l¥- -览比依区阪器;21 22111*1|火23岷槊街iM葬度同极图6、浙江大学流化床富氧燃烧系统图3、流化床富氧燃烧技术要商业化仍然有以下几个问题有待于进一步研究：1.移动床热交换器在避免再碳酸化时的操作和性能，以及如何降低相对于标准流化床热交换器的费用在高CO2和潮湿的烟气环境下，在FDA(flashdryerabsorber气体干燥吸收器)末端的脱硫性能测定对流通道中结垢再碳酸化的影响评估富氧燃烧对汞、微量元素和VOC排放的影响富氧循环流化床燃烧技术和它的经济性4、结论富氧燃烧在循环流化床上的应用研究表明，其经济性比在煤粉炉和stokerfiring中应用的经济性高。这是因为再循环烟气通道能大大地简化，富氧燃烧煤粉炉和stokerunits则需要大量的再循环烟道来利用从炉膛出来的高温烟气。对于富氧燃烧循环流化床来说，就可以用附加的循环固体颗粒冷却器来利用炉膛的高温烟气。因为氧燃烧CFB大大简化了再循环烟道，故其经济性又有了提高富氧CFB燃烧技术不仅可以便于脱除CO2，而且可以改善整个系统的热效率，还可以使系统结构紧凑，降低CFB锅炉的建设费用。参考文献J.Andries,J.GM.Becht，P.D.J..Hoppesteyn.Pressurizedfluidizedbedcombustionandgasificationofcoalusingfluegasrecirculationandoxygeninjection.EnergyConvers.Mgmt.1997，38：s117〜s122HirmaT,H.Hosoda,N.Azuma,etal.DrasticReductionofNOxandN2OemissionsfromBFBCofcoalbymeansofCO2/O2combustion:effectsoffuelgasrecycleandcoaltype.InternationalSymposiumofEngineeringFoundationFLUIDIZATIONIX,USA,1998NsakalayaNsakala，GregoryNLiljedahl，DavidG.Turek.PHASEII_PILOTSCALETESTINGANDUPDATEDPERFORMANCEANDECONOMICSFOROXYGENFIREDCFBWITHCO92CAPTURE.GreenhouseGasEmissionsControlbyOxygenFiringinCirculatingFluidizedBedBoilers.October27，2004.4〜7CarlBozzuto，EnvironmentallyAdvancedCleanCoalPlants.ALSTOM7thSept，2004毛玉如，导师骆仲泱，岑可法。循环流化床富氧燃烧技术的试验和理论研究。2003年6月。79页〜94卢啸风。大型循