流化床富氧燃燒技術(shù)

流化床富氧燃燒技術(shù)摘要： 本文簡(jiǎn)要介紹了流化床富氧燃燒技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)要商業(yè)化所要面對(duì)的問題。為循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)在國內(nèi)的研究應(yīng)用做了基礎(chǔ)和重要準(zhǔn)備。關(guān)鍵詞：富氧燃燒；循環(huán)流化床；O2/CO21、引言化石燃料電廠是二氧化碳最大的、最集中的排放源，回收利用煙氣中的二氧化碳已經(jīng)被認(rèn)為是最重要的減少溫室效應(yīng)的方法。用氧氣和再循環(huán)煙氣（主要是二氧化碳）的混合物作為化石燃料的氧化劑可以從本質(zhì)上排除煙氣中氮?dú)獾拇嬖?。而最終煙氣的主要成分是C02,少量的水蒸氣、氮?dú)?、氧氣，微量的S02和NOx。這樣就大幅度的提高了燃燒產(chǎn)物中C02的濃度，這就使C02分離回收成本降低。富氧燃燒技術(shù)就是在這一背景下提出來的。富氧燃燒技術(shù)也稱為O2/CO2燃燒技術(shù)，或者空氣分離/煙氣再循環(huán)技術(shù)，又被稱為N2—freeRocess其原理示意圖見圖1圖1富氧燃燒技術(shù)原理示意圖富氧燃燒技術(shù)首先是由Horne和Steinburg與1981年提出，經(jīng)美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究證明只需要將常規(guī)鍋爐進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑炀涂梢圆捎么思夹g(shù)。美國、加拿大、日本、英國、荷蘭、德國、法國、瑞典、挪威等許多國家都開展了富氧燃燒技術(shù)的試驗(yàn)或技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較研究。國內(nèi)的浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、及華北電力大學(xué)等在進(jìn)行積極的試驗(yàn)和理論研究。但只有日本、荷蘭等少數(shù)幾個(gè)國家對(duì)流化床富氧燃燒技術(shù)進(jìn)行了研究，目前美國頁正在進(jìn)行相關(guān)研究。流化床富氧燃燒技術(shù)是將流化床潔凈燃燒技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)結(jié)合在一起的新型潔凈燃燒技術(shù)，它可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。諸如：對(duì)燃料的適應(yīng)性廣，能燃用煤、石油焦、生物質(zhì)、城市垃圾和瀝青砂等;可以用循環(huán)砂來控制爐膛溫度；對(duì)鍋爐的改造也很簡(jiǎn)單；在石油開采市場(chǎng)上存在著巨大的市場(chǎng)?！?,6】2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀日本北海道工業(yè)研究所HokkaidoNationalIndustrialResearchInstitute(HNIRI)進(jìn)行了先進(jìn)的煤燃燒和排放控制技術(shù)“(AdvancedTechnologyforEmissionControlofSulfurandNitrogenOxidesfromCoalCombustors)”國際合作項(xiàng)目研究，部分研究成果見圖2所示，時(shí)間從1995年至1998年，研究鼓泡流化床富氧燃燒反應(yīng)機(jī)理和SO2、NOx排放。研究顯示鼓泡流化床富氧燃燒系統(tǒng)能不用分離使CO2排放濃度達(dá)96%，燃料N轉(zhuǎn)化生成的NOx和N2O是常規(guī)空氣燃燒時(shí)的1/6。⑵荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)對(duì)一個(gè)1.6MW的加壓流化床燃燒/氣化聯(lián)合循環(huán)裝置進(jìn)行了適當(dāng)改造，對(duì)加壓流化床燃燒部分進(jìn)行了純氧送風(fēng)，燃?xì)庠傺h(huán)的試驗(yàn)并與空氣氣氛下的試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。DelftPFB/G試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖3所示，DelftPFB/G試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖4所示。試驗(yàn)時(shí)流化風(fēng)速為0.8m/s，運(yùn)行床溫為1123K，純氧由帶蒸發(fā)系統(tǒng)的低溫儲(chǔ)罐提供，系統(tǒng)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需要純氧320kg/h。ALSTOMPower,Inc和USPowerPlantLaboratories聯(lián)合進(jìn)行“循環(huán)流化床鍋爐純氧燃燒溫室氣體排放控制項(xiàng)目（GreenhouseGasEmissionsControlbyOxygenFiringinCirculatingFluidizedBedBoilers）”。在這個(gè)項(xiàng)目中ALSTOM改進(jìn)了它的9.9MM—Btu/hr測(cè)試裝置。MTF（MultiuseTestFacility）pilotplant實(shí)驗(yàn)用氧氣和二氧化碳的混合物（氧氣的體積分?jǐn)?shù)為70%）作為氧化劑，燃料是煙煤和石油焦，測(cè)定了氧燃燒對(duì)熱交換器、基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)、結(jié)焦性、氣體和固體顆粒排放的影響ALSTOM設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床鍋爐純氧燃燒試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖見圖5圖5ALSTOM循環(huán)流化床鍋爐純氧燃燒試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：⑶爐子操作性能和結(jié)渣性：總的來說，當(dāng)用O2和CO2的混合物做為爐子的氧化劑時(shí)，爐子的可操作性比用空氣好，并且沒有發(fā)現(xiàn)顆粒結(jié)焦和流化停滯的現(xiàn)象再碳酸性：在此次實(shí)驗(yàn)中，爐膛溫度一直保持在石灰石煅燒溫度以上。爐膛固體顆粒樣品中有1?2%的CaCO3存在，飛灰固體顆粒樣品中CaCO3的含量要高些氣體排放物：因?yàn)檫@個(gè)爐子的操作溫度高于脫硫的最佳溫度，所以當(dāng)燃用煙煤時(shí)硫化物排放量較空氣燃燒要高些。對(duì)石油焦（petcoke）來說，它的脫硫最佳溫度較煙煤高，所以，它的硫化物排放量就要低一些富氧燃燒的CO排放量較高，因?yàn)闊煔庵蠧O2的含量較高，它阻止了CO的氧化。根據(jù)早期實(shí)驗(yàn)顯示，富氧燃燒的NOx排放量較空氣燃燒的NOx排放量要低，但是并不清楚減少的部分是熱力型NOx、快速型NOx還是燃料型NOx不完全燃燒損失：與空氣燃燒相比，同等條件下氧燃燒的飛灰含碳量要低；而氧燃燒石油焦（petcoke）的飛灰含碳量又比燃燒煙煤的飛灰含碳量要低傳熱：在爐膛水冷壁的導(dǎo)熱性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，CFB氧燃燒和空氣燃燒的爐膛水冷壁的導(dǎo)熱性沒有太大差別，因?yàn)閷?dǎo)熱性只于固體顆粒有關(guān)而不是取決于氣體成分浙江大學(xué)的循環(huán)流化床富氧燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，流化床反應(yīng)器由內(nèi)徑為77mm、高為2.8m的耐高溫不銹鋼管制成，布風(fēng)裝置采用倒錐形多孔結(jié)構(gòu)，兩級(jí)高溫旋風(fēng)分離器，獨(dú)立的外置式加熱方式。在O2/N2氣氛與O2/CO2氣氛下，對(duì)氧濃度為21%?35%的循環(huán)流化床進(jìn)行了煤燃燒的試驗(yàn)研究，比較了不同氣氛下的煤燃燒特性和爐內(nèi)溫度分布以及NOx的排放規(guī)律和脫硫效率。試驗(yàn)顯示隨著氧含量的增加，燃燒效率逐漸增高，SO2的排放略有減少，石灰石脫硫效率略有提高?！?】I一尚如水精；2-惆二在成卻析；3—方嘩臬坐糟；4布鴕除塵裝瓦i5皿用0誨我i?高崗琲i-夸E加科：M『立管：。一坦嬌可：1(1-U-引度阻土流宣卷料V自動(dòng)盅控系笑；I衛(wèi)一切％噠他；13-ai;I*弋體Bl熱推；15-弋體混合君；K5—布昆旅；I：-電鬲此IW-石女石*l￥- -覽比依區(qū)阪器;21 22111*1|火23岷槊街iM葬度同極圖6、浙江大學(xué)流化床富氧燃燒系統(tǒng)圖3、流化床富氧燃燒技術(shù)要商業(yè)化仍然有以下幾個(gè)問題有待于進(jìn)一步研究：1.移動(dòng)床熱交換器在避免再碳酸化時(shí)的操作和性能，以及如何降低相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)流化床熱交換器的費(fèi)用在高CO2和潮濕的煙氣環(huán)境下，在FDA(flashdryerabsorber氣體干燥吸收器)末端的脫硫性能測(cè)定對(duì)流通道中結(jié)垢再碳酸化的影響評(píng)估富氧燃燒對(duì)汞、微量元素和VOC排放的影響富氧循環(huán)流化床燃燒技術(shù)和它的經(jīng)濟(jì)性4、結(jié)論富氧燃燒在循環(huán)流化床上的應(yīng)用研究表明，其經(jīng)濟(jì)性比在煤粉爐和stokerfiring中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性高。這是因?yàn)樵傺h(huán)煙氣通道能大大地簡(jiǎn)化，富氧燃燒煤粉爐和stokerunits則需要大量的再循環(huán)煙道來利用從爐膛出來的高溫?zé)煔?。?duì)于富氧燃燒循環(huán)流化床來說，就可以用附加的循環(huán)固體顆粒冷卻器來利用爐膛的高溫?zé)煔?。因?yàn)檠跞紵鼵FB大大簡(jiǎn)化了再循環(huán)煙道，故其經(jīng)濟(jì)性又有了提高富氧CFB燃燒技術(shù)不僅可以便于脫除CO2，而且可以改善整個(gè)系統(tǒng)的熱效率，還可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，降低CFB鍋爐的建設(shè)費(fèi)用。參考文獻(xiàn)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，導(dǎo)師駱仲泱，岑可法。循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)的試驗(yàn)和理論研究。2003年6月。79頁?94盧嘯風(fēng)。大型循