富氧燃燒技術(shù)

富氧燃燒技術(shù)第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日中國能源消費(fèi)總量及煤炭比重趨勢圖

一、背景——我國能源利用現(xiàn)狀第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日

一、背景——我國能源利用現(xiàn)狀2012年底，全國發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到11.4億千瓦，同比增長7.8%。其中煤電共7.6億千瓦，

2013年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量12.47億千瓦，同比增長9.3%，首次超越美國位居世界第一。其中火電8.6億千瓦。

可預(yù)見的未來幾十年內(nèi)，煤炭仍將是我國主要的一次能源，這決定了在我國的電力工業(yè)中，燃煤火力發(fā)電將長期占據(jù)主導(dǎo)地位。第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日1990年全世界二氧化碳的排放量為206.88億噸，到2005年這一數(shù)據(jù)增加至266.2億噸。目前，世界二氧化碳排放總量仍在迅速上升，中國已成為世界第一碳排放國。我國環(huán)境容量上限為二氧化硫1620萬噸,氮氧化物1880萬噸。如不采取有效措施,預(yù)計(jì)到2020年,SO2和NOx的排放量將分別達(dá)到4000萬噸和3500萬噸。深入研究煤炭高效潔凈化利用,開發(fā)高效、潔凈的燃煤發(fā)電技術(shù),是保障國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康快速發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的迫切需要。

一、背景——我國能源利用現(xiàn)狀第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日二、富氧燃燒技術(shù)概況1富氧燃燒定義富氧燃燒對所有燃料（包括氣體、液體和固體）和工業(yè)鍋爐均適用，既能提高劣質(zhì)燃料的應(yīng)用范圍，又能充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)燃料的性能，廣義上講凡是用空氣參與反應(yīng)的均可用富氧代替。

燃燒是空氣中的氧參與燃料氧化并同時(shí)發(fā)出光和熱的過程。富氧燃燒是指助燃用的氧化劑中的氧濃度高于空氣中的氧濃度（根據(jù)實(shí)際情況可采用局部富氧和整體富氧），直至純氧燃燒。第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日二、富氧燃燒技術(shù)概況2、富氧燃燒技術(shù)富氧燃燒技術(shù),又稱為空氣分離/煙氣再循環(huán)技術(shù)或氧燃料燃燒技術(shù)。采用煙氣再循環(huán)的方式,使燃燒爐內(nèi)CO2濃度提高。O2與煙氣中CO2以一定比例混合,作為燃燒的氧化劑,使燃料燃燒可保持燃燒溫度,最終得到了與空氣燃燒方式一樣的熱能。第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日富氧燃燒技術(shù)主要由3個(gè)基本步驟組成：空氣分離、O2/CO2燃燒和煙氣壓縮與脫水。二、富氧燃燒技術(shù)概況CO2concentration:95%NOxreduction:30%-70%SO2removalbylimestone:40%-90%Thermalefficiencyincrease:3%70%的CO2其余為水70%~75%煙氣95%CO295%以上第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日EnhancedCoalBedMethane.獲取不可開采的煤層中的天然氣。CBM應(yīng)用廣泛，而BCBM很少。很有前景，儲量豐富，靠近CO2產(chǎn)生地。但目前還未見大規(guī)模工程示范。EnhancedOilRecovery.美國應(yīng)用最為廣泛，2003年世界有84個(gè)工程應(yīng)用項(xiàng)目。海洋是一個(gè)自然的碳匯，存儲量巨大。但CO2深海儲藏的技術(shù)還未完全掌握。CO2利用方式EORBCBMOceanStorageDeepSalineAquifer二、富氧燃燒技術(shù)概況第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日3、富氧燃燒技術(shù)研究熱點(diǎn)熱傳遞評價(jià)焦炭燃盡率著火特性與火焰穩(wěn)定性氣體排放控制在相同絕熱火焰溫度情況下，輻射換熱增強(qiáng)，對流換熱減弱，需要對鍋爐部分改造或操作條件優(yōu)化，保證滿意的能量平衡。高CO2氣氛下，char-CO2反應(yīng)。低溫下（如400℃-900℃，）可忽略，因其反應(yīng)速率遠(yuǎn)低于char-O2反應(yīng)；高溫下，碳粒邊界層存在明顯的CO產(chǎn)物。微重力設(shè)備中進(jìn)行試驗(yàn)，保證煤粉均相布置，防止自然對流。CO2高熱容，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，著火延遲，影響火焰穩(wěn)定性。CO2，NOx，SO2，亞微米級飛灰顆粒，痕量元素二、富氧燃燒技術(shù)概況第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日氣體排放控制CO2：試驗(yàn)室試驗(yàn)，煙氣中CO2濃度可達(dá)95%；中試試驗(yàn)，濃度為80%-92%。NOx：NOx排放較空氣氣氛下減少2/3以上：熱力型NOx減少，循環(huán)煙氣中NOx的還原。SO2：試驗(yàn)表明，排放量減少，濃度增大，S轉(zhuǎn)化率91%→64%。亞微米級顆粒：難熔氧化物氣化，導(dǎo)致數(shù)量明顯增加；高濃度CO2改變氧化物中CO/CO2比例，影響氣化。痕量元素：氣相中，汞、硒、砷含量較空氣下高。二、富氧燃燒技術(shù)概況10第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日一、富氧燃燒技術(shù)概況4、富氧燃燒技術(shù)研究進(jìn)展富氧燃燒的概念在1981年由Home和Steinburg首次提出,并得到美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證。研究表明常規(guī)鍋爐進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旒纯刹捎么思夹g(shù)。隨著人們對全球氣候變化與溫室效應(yīng)的認(rèn)識,這項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用也得到了極大的重視和發(fā)展。美國、日本、加拿大、英國、德國、荷蘭、法國、瑞典、挪威、俄羅斯等國家都開展了富氧燃燒技術(shù)試驗(yàn)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究。國內(nèi)浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力大學(xué)和清華大學(xué)等高校的研究人員近年來也開展了對該項(xiàng)技術(shù)的積極研究，已逐漸在各領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用。第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日二、富氧燃燒技術(shù)概況5、富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)勢（1）燃燒效率高；鍋爐效率也提高了。當(dāng)前最容易為工業(yè)界所接受的co2減排技術(shù)（2）燃燒產(chǎn)物中CO2的含量將達(dá)到95%左右，回收的費(fèi)用更低。（3）在液化處理以CO2為主的煙氣時(shí)，SO2同時(shí)也被液化回收，可省去煙氣脫硫設(shè)備。（4）在O2/CO2的氣氛下，SOx、NOx的生成將會減少，如果再結(jié)合低NOx燃燒技術(shù)，則有可能不用或少用脫氮設(shè)備。（5）采用O2/CO2燃燒技術(shù)減少了煙氣量，簡化了煙氣處理系統(tǒng)。燃燒溫度可以由再循環(huán)的煙氣量來控制。第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日二、富氧燃燒技術(shù)概況6、富氧燃燒的瓶頸問題存在問題：（1）氧氣的生產(chǎn)設(shè)備以及CO2壓縮設(shè)備增加了電耗。（2）空氣分離產(chǎn)生的大量副產(chǎn)品氮?dú)膺€需要找到合適的處理利用途徑。（3）循環(huán)煙氣中CO2的比熱容較空氣高且水蒸汽的含量也高，使燃燒推遲，需要對燃燒器進(jìn)行改進(jìn)研究。（4）其他待研究的內(nèi)容（如灰渣、換熱、除塵）。第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、富氧燃燒技術(shù)節(jié)能機(jī)理火焰溫度燃燒速度燃燒特性12燃點(diǎn)溫度4煙氣量3第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、富氧燃燒技術(shù)節(jié)能機(jī)理1、提高火焰溫度城市煤氣理論火焰溫度與氧濃度關(guān)系圖常規(guī)燃燒中的空氣中僅有21%的氧氣參與燃燒過程,而近79%的氮?dú)獠粌H不參與燃燒而且還嚴(yán)重阻礙燃燒的進(jìn)行。一是會嚴(yán)重阻礙燃料和氧氣分子之間的接觸碰撞的機(jī)會,使燃燒速率降低;二是氮?dú)膺€會在高溫的條件下與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)吸收大量的熱量并從燃燒反應(yīng)中吸收熱量,降低理論燃燒溫度,作為煙氣排出,造成能源浪費(fèi)第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、富氧燃燒技術(shù)節(jié)能機(jī)理不同燃料及富氧率燃燒溫度估算對比第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、富氧燃燒技術(shù)節(jié)能機(jī)理2、加快燃燒速度，促進(jìn)煤粉燃燒完全同一種燃料在空氣和純氧中的燃燒速度相差甚大,如氫氣在空氣中的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲鬄?80cm/s,在純氧中則為1175cm/s,是在空氣中的4.2倍,天然氣則高達(dá)10.7倍;釋放出同樣的熱量,燃燒速度快的燃料(如乙塊)其火焰小而密實(shí),而燃燒速度慢的燃料(如天然氣)其火焰是大火焰層。燃燒燃燒速度加快的原因,基本上都是由于加入氧氣后火焰溫度得到了提高。第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、富氧燃燒技術(shù)節(jié)能機(jī)理3、降低過量空氣系數(shù)，減少燃燒后煙氣量使用含氧量為27%的富氧空氣燃燒與氧濃度為21%的空氣燃燒比較,過量空氣系數(shù)α=1時(shí),則煙氣體積減少20%,排煙熱損失也相應(yīng)減少而節(jié)能。煙氣量的減少會提高CO2、SO2、NOX等氣體的體積濃度，這就有利于它們的回收利用，減少它們對環(huán)境的污染。第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、富氧燃燒技術(shù)節(jié)能機(jī)理4、降低燃料燃點(diǎn)溫度，燃盡時(shí)間降低燃料的燃點(diǎn)溫度隨燃燒條件變化而變化。燃料的燃點(diǎn)溫度不是一個(gè)常數(shù)。如市政垃圾的燃點(diǎn)很高,普通空氣助燃下不易燃燒。將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于垃圾焚燒爐中,能收到可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日四、SOx的析出特性從已有的實(shí)驗(yàn)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)、92％（AIR）研究發(fā)現(xiàn)：在O2/CO2氣氛下，煙煤燃燒的SO2總生成量比在同等O2

濃度的空氣氣氛下小。第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日四、SOx的析出特性2）一部分的硫被固定到灰中。1）均相反應(yīng)。爐內(nèi)在高CO2

氣氛下產(chǎn)生的較高濃度的CO，進(jìn)而產(chǎn)生較高的COS，在煤中氧化鋁的催化作用下COS與SO2發(fā)生反應(yīng)生成單質(zhì)硫：第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日有研究表明在O2/CO2方式下，采用爐內(nèi)脫硫可以提高脫硫效率4到8倍。四、SOx的析出特性3）煙氣循環(huán)會增加SO2停留時(shí)間，提高SO2的濃度，從而提高了脫硫效率。1）非均相反應(yīng)。爐內(nèi)高濃度的CO2抑制了碳酸鈣的分解，導(dǎo)致了碳酸鈣的直接脫硫反應(yīng)，使得脫硫劑不易燒結(jié)。2）分解的碳酸鈣在高CO2氣氛下，再次生成碳酸鈣，具有很好的空隙結(jié)構(gòu)，更容易脫硫。第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日

KimuraN發(fā)現(xiàn)O2/CO2

燃燒方式下NOx的排放大約只有常規(guī)燃燒方式下的1/3左右。五、NOx的析出特性NOx排放較空氣氣氛下減少2/3以上。1）熱力型NOx減少。2）循環(huán)煙氣中NOx的還原。第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日3）煙氣循環(huán)，導(dǎo)致NO在爐膛中的停留時(shí)間增加，增強(qiáng)了NO與燃料N之間以及焦炭表面NO與CO的還原反應(yīng)，從而提高了脫硝效率。五、NOx的析出特性在O