二氧化碳的排放問題

1、華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院煤燃燒國家重點實驗室煤燃燒國家重點實驗室CO2 concentration: 95%NOx reduction: 30%-70%SO2 removal by limestone: 40%-90%Thermal efficiency increase: 3% 煙氣富含煙氣富含co2（體積比達（體積比達90以上），易于分離或直接用于以上），易于分離或直接用于EOR 具有較低的污染物排放（尤其是具有較低的污染物排放（尤其是NOx）控制費用潛在優(yōu)勢。）控制費用潛在優(yōu)勢。 既可用于新建鍋爐，也可用于舊鍋爐改造，技術(shù)和經(jīng)濟的風(fēng)既可用于新建鍋爐，也

2、可用于舊鍋爐改造，技術(shù)和經(jīng)濟的風(fēng)險性較低險性較低O2/CO2循環(huán)燃燒主要特點循環(huán)燃燒主要特點當(dāng)前最容易為工業(yè)界所接受的當(dāng)前最容易為工業(yè)界所接受的co2減排技術(shù)減排技術(shù)阿貢阿貢(Argonne)國家實驗室國家實驗室 (美國美國)IFRF（international flame research foundation)IHI/CCUJ center for coal utilization(日本）日本）CANMET (加拿大）加拿大）Air liquide 液空公司（美國）液空公司（美國） 美國的阿貢國家實驗室（ANL) 在中試尺度上研究煤的oxyfuel燃燒的, 時間是1988年，在3MWt中試

3、臺上完成. IFRF 煙氣循環(huán)（RFG) 的中試實驗臺是從已有的2.5WM的鍋爐（2m2m6.3m）改造的（ IHI 的RFG的中試實驗臺是在1.2MWt(1.3m7.5m)測試鍋爐上進行。其初始目的是研究降低煤粉鍋爐NOX和SOX CAMET中試實驗臺是煤粉鍋爐(0.3MW0.6m6.7m） 空液公司目標(biāo)主要是多污染物控制，包括分級燃燒在1.5MWt；為了改型以有煤粉鍋爐 。煤粉OXY-FUEL燃燒是可行的在中試尺度上研究沒有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟障礙OXY-FUEL燃燒可以達到潔凈煤燃燒降低NOx增強SOx的脫除可能有較低的汞排放增加CO2濃度利于分離 煤粉Oxyfuel煙氣循環(huán)燃燒過程中的具體

4、燃燒和運行細節(jié)還不夠清晰 新型的Oxyfuel燃燒器、燃燒爐內(nèi)熱力計算、設(shè)計等方面內(nèi)容的研究尚未開展 OXY-FUEL煙氣循環(huán)燃燒過程中不同污染物脫除之間的競爭機理以及協(xié)同脫除機制的研究本實驗臺工藝流程圖本實驗臺工藝流程圖性能指標(biāo)：性能指標(biāo)：(1) 煤 35.550kg/h；(2) O2：60NM3/h；(3) CO2: 240NM3/h。O2/CO2循環(huán)燃燒實驗臺循環(huán)燃燒實驗臺占地面積:169.2M2臺架總高 12.5m總造價: 326萬元空氣助燃方式的燃燒空氣助燃方式的燃燒O2/CO2煙氣循環(huán)燃燒煙氣循環(huán)燃燒爐內(nèi)噴鈣增濕活化脫硫爐內(nèi)噴鈣增濕活化脫硫分級燃燒降低分級燃燒降低NOx多個除塵設(shè)備

5、利于灰分析采樣多個除塵設(shè)備利于灰分析采樣主要功能擬在此實驗臺上開展的實驗 不同不同O2/CO2比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、煤粉燃燼及配風(fēng)特性；煤粉燃燼及配風(fēng)特性； 不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中NOx的含量以及控制措施的含量以及控制措施 不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中SOx 的含量以及鈣基脫硫的含量以及鈣基脫硫技術(shù)措施技術(shù)措施 煤中礦物質(zhì)、重金屬在煤中礦物質(zhì)、重金屬在O2/CO2循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移 污染物協(xié)同脫除的技術(shù)機制污染物協(xié)同脫除的技術(shù)機制

6、在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上：在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上： 總高總高8.738米，內(nèi)直徑米，內(nèi)直徑600mm，外徑外徑1830mm； 同有同有7段，主體段，主體5段（燃燒段，段（燃燒段，分級燃燒段、噴鈣段、水冷一分級燃燒段、噴鈣段、水冷一段、水冷二段）每段段、水冷二段）每段1米。米。 保溫耐火材料為：硅酸鋁纖維保溫耐火材料為：硅酸鋁纖維氈、輕質(zhì)黏土磚、輕質(zhì)高鋁磚氈、輕質(zhì)黏土磚、輕質(zhì)高鋁磚和耐火澆注料。厚度共為和耐火澆注料。厚度共為315mm。垂直燃燒爐垂直燃燒爐在五個主體段上分別設(shè)有檢測控用以氣體取樣。在五個主體段上分別設(shè)有檢測控用以氣體取樣。在五個主體段上均設(shè)有溫度探頭。在五個主體段上均設(shè)

7、有溫度探頭。進入燃燒爐的各種氣體均通過自動調(diào)節(jié)閥來控制，進入燃燒爐的各種氣體均通過自動調(diào)節(jié)閥來控制，以滿足不同比例氣氛的要求。以滿足不同比例氣氛的要求。分級燃燒設(shè)置主要是為了降低分級燃燒設(shè)置主要是為了降低NOx垂直燃燒爐垂直燃燒爐擬此實驗臺上開展的實驗 不同不同O2/CO2比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、煤粉燃燼及配風(fēng)特性；煤粉燃燼及配風(fēng)特性； 不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中NOx的含量以及控制措施的含量以及控制措施 不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中SOx 的含量以及鈣基脫硫的含量以及

8、鈣基脫硫技術(shù)措施技術(shù)措施 煤中礦物質(zhì)、重金屬在煤中礦物質(zhì)、重金屬在O2/CO2循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移 污染物協(xié)同脫除的技術(shù)機制污染物協(xié)同脫除的技術(shù)機制在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上：在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上： 循環(huán)循環(huán)NOx在揮發(fā)分的析出段被還原是在揮發(fā)分的析出段被還原是NOx降低的主要原降低的主要原因，還原主要是由于因，還原主要是由于CO的存在。而的存在。而CO除了來自揮發(fā)分除了來自揮發(fā)分之外，主要是由焦炭的氣化反應(yīng)產(chǎn)生。因此之外，主要是由焦炭的氣化反應(yīng)產(chǎn)生。因此NOx的降低的降低與焦炭的氣化反應(yīng)之間存在著相當(dāng)程度的耦合關(guān)聯(lián)。與焦炭的氣化反應(yīng)之間存在著相當(dāng)程度

9、的耦合關(guān)聯(lián)。但目前尚沒有相關(guān)的工作開展。但目前尚沒有相關(guān)的工作開展。 宏觀上，還發(fā)現(xiàn)燃燒溫度、氧氣供應(yīng)比率對宏觀上，還發(fā)現(xiàn)燃燒溫度、氧氣供應(yīng)比率對NOx的產(chǎn)生的產(chǎn)生有很大影響；燃料的等值比、煙氣循環(huán)率都對有很大影響；燃料的等值比、煙氣循環(huán)率都對NOx排放排放產(chǎn)生影響。產(chǎn)生影響。NOX的脫除機理富氧燃燒器富氧燃燒器噴口流經(jīng)物質(zhì)一層油、天然氣二層空氣、CO2、N2三層氧氣四層煤粉、空氣、CO2五層煙氣、CO2、O2、空氣擬此實驗臺上開展的實驗 不同不同O2/CO2比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、煤粉燃燼及配風(fēng)特性；煤粉燃燼及配風(fēng)特性； 不同煙氣循

10、環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中NOx的含量以及控制措施的含量以及控制措施 不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中SOx 的含量以及鈣基脫硫的含量以及鈣基脫硫技術(shù)措施技術(shù)措施 煤中礦物質(zhì)、重金屬在煤中礦物質(zhì)、重金屬在O2/CO2循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移 污染物協(xié)同脫除的技術(shù)機制污染物協(xié)同脫除的技術(shù)機制在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上：在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上：從已有的實驗中，發(fā)現(xiàn)在高O2/CO2煙氣循環(huán)方式下SOx的排放量比空氣助燃要低，燃料中的硫轉(zhuǎn)化為SO2的比率分別是64（O2/CO2+RFG)、92（AIR）可能的原因一

11、部分的硫被固定到灰中，一部分的SO2進一步被氧化成SO3O2/CO2煙氣循環(huán)燃燒中硫在爐膛內(nèi)氣相化合物的鑒別有待研究。SOx的脫除機理有研究表明在O2/CO2方式下，采用爐內(nèi)脫硫可以提高脫硫效率4到8倍。其可能的原因較長的脫硫劑停留時間煙氣中較高的SO2濃度高SO2濃度對CaSO4分解的抑制石灰石在O2/CO2燃燒中因為高濃度CO2而展現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致在石灰石內(nèi)硫的直接硫酸鹽化。SOx的脫除機理脫硫塔脫硫塔 噴鈣方式為對沖，噴鈣量噴鈣方式為對沖，噴鈣量3.5kg/h，Ca/S2，鈣粉，鈣粉純度純度95，鈣粉粒度，鈣粉粒度200目左右。目左右。 塔的高度為塔的高度為3m，直徑，直徑0.5m

12、，增濕介質(zhì)為水，用，增濕介質(zhì)為水，用量量10-25kg/h，水的噴射角，水的噴射角取取60，煙氣入口溫度，煙氣入口溫度200，出口煙溫大于絕，出口煙溫大于絕熱飽和溫度熱飽和溫度12以上。以上。擬此實驗臺上開展的實驗 不同不同O2/CO2比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、煤粉燃燼及配風(fēng)特性；煤粉燃燼及配風(fēng)特性； 不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中NOx的含量以及控制措施的含量以及控制措施 不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中SOx 的含量以及鈣基脫硫的含量以及鈣基脫硫技術(shù)措施技術(shù)措施 煤中礦物質(zhì)、

13、重金屬在煤中礦物質(zhì)、重金屬在O2/CO2循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移 污染物協(xié)同脫除的技術(shù)機制污染物協(xié)同脫除的技術(shù)機制在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上：在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上：旋風(fēng)除塵器旋風(fēng)除塵器布袋除塵器布袋除塵器靜電除塵器靜電除塵器多個除塵器多個除塵器擬此實驗臺上開展的實驗 不同不同O2/CO2比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、比例氣氛下，煤粉燃燒爐內(nèi)的溫度、輻射性能、煤粉燃燼及配風(fēng)特性；煤粉燃燼及配風(fēng)特性； 不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中NOx的含量以及控制措施的含量以及控制措施 不同煙氣循環(huán)比例調(diào)節(jié)下，煙氣中不同煙氣循環(huán)比

14、例調(diào)節(jié)下，煙氣中SOx的含量以及鈣基脫硫的含量以及鈣基脫硫技術(shù)措施技術(shù)措施 煤中礦物質(zhì)、重金屬在煤中礦物質(zhì)、重金屬在O2/CO2循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移循環(huán)燃燒過程中的沉積與遷移 多種污染物協(xié)同脫除機制多種污染物協(xié)同脫除機制在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上：在實驗室尺度機理研究的基礎(chǔ)上：O2/CO2煙氣循環(huán)方式下多種污染物聯(lián)合脫除反應(yīng)競爭機制 根據(jù)我們的研究發(fā)現(xiàn)，在根據(jù)我們的研究發(fā)現(xiàn)，在O2/CO2煙氣循環(huán)方式下煙氣循環(huán)方式下Ca基基加入對于加入對于NOx的排放量有著明顯的影響。在的排放量有著明顯的影響。在700900時，時，NOx的排放量增大；而溫度升高到的排放量增大；而溫度升高到1000以以

15、上，則顯著降低。上，則顯著降低。 焦炭的氣化反應(yīng)、焦炭的氣化反應(yīng)、NOx降低的還原反應(yīng)、亞微顆粒的形降低的還原反應(yīng)、亞微顆粒的形成之間也存在著相互作用，并且與溫度、氧氣供應(yīng)量、成之間也存在著相互作用，并且與溫度、氧氣供應(yīng)量、煙氣循環(huán)比等宏觀量也有著緊密的關(guān)系。煙氣循環(huán)比等宏觀量也有著緊密的關(guān)系。煙氣中煙氣中CO2濃度達濃度達95%以上以上在不采用任何措施時脫硝率可高達在不采用任何措施時脫硝率可高達80% 噴鈣脫硫效率可達噴鈣脫硫效率可達90%以上以上 煙氣中的汞等痕量元素有顯著地降低煙氣中的汞等痕量元素有顯著地降低化學(xué)鏈燃燒 傳統(tǒng)的先污染后治理、先能源過程后環(huán)境過程的思路致使額外地消費能源和增

16、加污染物的產(chǎn)生, 也就是說, 傳統(tǒng)的解決能源和環(huán)境問題的思路還局限在各自學(xué)科范圍, 未能突破學(xué)科之間的界限. 直接燃燒由于CO2濃度低，因此CO2處理困難，代價大。 化學(xué)鏈燃燒 能源利用過程與CO2分離過程并非相互獨立, 其間存在密切聯(lián)系。 目前動力系統(tǒng)中可用能的損失最大部分并非熱轉(zhuǎn)功過程, 而來源于燃料化學(xué)能向物理能轉(zhuǎn)化的燃燒過程, 即燃料所含有的化學(xué)能作功能力有近1/3在燃燒過程中損失。 同時, 從溫室氣體控制角度看, 燃料直接燃燒過程又是CO2發(fā)生地和產(chǎn)生CO2分離能耗高的根源. 因此, 燃燒過程在同時解決能源與環(huán)境問題上具有很大潛力, 很可能成為有效回收CO2的一個突破口化學(xué)鏈燃燒技術(shù)

17、（Chemical-Looping Combustion，CLC）在20世紀(jì)80年代就被提出來作為常規(guī)燃料的替代?；瘜W(xué)鏈燃燒技術(shù)原理如圖?；瘜W(xué)鏈燃燒技術(shù)的能量釋放機理是通過燃料與空氣不直接接觸的無火焰化學(xué)反應(yīng)，打破了自古以來的火焰燃燒概念。這種新的能力釋放方法是新一代的能源環(huán)境系統(tǒng)，它開拓了根除NOx產(chǎn)生與回收CO2的新途徑。日本、韓國、瑞典、挪威和中國等很多國家和機構(gòu)都在進行探索性的研究。化學(xué)鏈燃燒化學(xué)鏈燃燒 燃料MO（金屬氧化物）CO2+H2OM（金屬） M（金屬）O2（空氣）MO（金屬氧化物）化學(xué)鏈燃燒 金屬氧化物（MO）與金屬（M）在兩個反應(yīng)之間循環(huán)使用，一方面分離空氣中的氧，另一方面

18、傳遞氧，這樣，燃料從MO獲取氧，無需與空氣接觸避免了被N2稀釋。燃料側(cè)的氣體生成物為高濃度的CO2和水蒸氣，采用物理冷凝法即可分離回收CO2，燃燒分離一體化節(jié)省了大量能源。為燃料反應(yīng)器的吸熱反應(yīng)提供低溫?zé)?，因而提高高溫空氣反?yīng)器產(chǎn)生的熱量。 由于化學(xué)鏈燃燒中燃料與空氣不直接接觸，空氣側(cè)反應(yīng)不產(chǎn)生燃料型NOx。另外，由于無火焰的氣固反應(yīng)溫度遠遠低于常規(guī)的燃燒溫度因而可以控制熱力型NOx的生成。這種根除NOx的生成（而不是某種程度的減少），對解決環(huán)境污染問題是一個重大突破?；瘜W(xué)鏈燃燒化學(xué)鏈燃燒化學(xué)鏈燃燒化學(xué)鏈燃燒 2008年8月美國能源部宣稱又將投入36億美元資助15個溫室氣體控制研究計劃, 以提

19、高CO2捕獲技術(shù)的快速發(fā)展(/programs/sequestration/cslf/index.html). 該計劃包括5個方向, 其中化學(xué)鏈燃燒得到首要支持, 將在ALSTOM公司研制的煤氣化化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展, 其宗旨將實現(xiàn)化學(xué)鏈燃燒的工業(yè)化. 化學(xué)鏈燃燒 圖5所示為2003年美國國家能源技術(shù)實驗室與ALSTOM合作研制的煤氣化的化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)采用CaS/CaSO4化學(xué)鏈對煤進行氣化, 通過變換反應(yīng)制得H2, CO2混合氣體, CO2經(jīng)CaO/CaCO3化學(xué)鏈吸收去除, 得到較純凈H2. CaO再生反應(yīng)所

20、需熱量由作為傳熱媒介的礬土形成的熱鏈循環(huán)提供. 這種煤基化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)為避免碳進入空氣反應(yīng)器和灰分對系統(tǒng)的影響, 必須進行氧載體顆粒與未燃碳粒和灰分的分離, 化學(xué)鏈燃燒 化學(xué)鏈燃燒能量釋放機理研究 化學(xué)鏈燃燒能量釋放機理研究 氧載體材料 化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)器 研究熱點化學(xué)鏈燃燒 化學(xué)鏈燃燒能量釋放機理研究 化學(xué)鏈燃燒 化學(xué)鏈燃燒能量釋放機理研究 化學(xué)鏈燃燒 氧載體材料 尋找具有高反應(yīng)性能、徹底避免炭沉積和良好再生性能的氧載體循環(huán)材料是化學(xué)鏈燃燒熱力循環(huán)的關(guān)鍵核心技術(shù). 目前氧載體的研究主要集中在Ni基、Cu基、Fe基等。 Ni基、Cu基、Co基、Mn基氧載體在實際應(yīng)用中會有少量的金屬氧化物進入

21、大氣, 造成新的污染, 一些學(xué)者開始探索、尋找新型無污染氧載體的研究, CaSO4逐漸為一些研究者所關(guān)注. 華中科技大學(xué)、東南大學(xué)以及加拿大CANMET能源技術(shù)中心對基于CaSO4為氧載體的化學(xué)鏈燃燒進行了相關(guān)研究?；瘜W(xué)鏈燃燒 化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)器 化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)要求反應(yīng)器的設(shè)計要使得運行過程中氣體與固體氧載體能夠很好接觸, 燃料反應(yīng)器與空氣反應(yīng)器間循環(huán)良好, 且盡可能地避免反應(yīng)器漏氣, 因為漏氣不僅會稀釋CO2的濃度, 同時會降低CO2的捕集率. 固定床小型流化床串行流化床化學(xué)鏈燃燒化學(xué)鏈燃燒化學(xué)鏈燃燒化學(xué)鏈燃燒的發(fā)展方向-化學(xué)鏈燃燒與溫室氣體控制一體化的能源環(huán)境系統(tǒng)集成 1.煤氣化化學(xué)鏈濕空氣透平動力系統(tǒng)2.新穎氫基化學(xué)鏈燃燒熱力循環(huán) 3.太陽能與化石燃料互補的新型化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng) 化學(xué)鏈燃燒1.煤氣化化學(xué)鏈濕空氣透平動力系統(tǒng) 日本東京工業(yè)大學(xué)Ishida教授與金紅光教授在以CH4 (H2O/CH4=2.0)、煤氣(CO和H2)為燃料, NiO為氧載體的化學(xué)鏈燃燒固定床實驗研究的過程中發(fā)現(xiàn): 由于NiO和煤氣反應(yīng)是強放熱反應(yīng), 而和天然氣(CH4)的還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng), 后者反應(yīng)推動力小, 因此NiO和煤氣的反應(yīng)性能要