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富氧燃烧技术

前言

   气候变暖已经成为一项全球性的环境问题,受到了许多国家的关注。人类活动所释放的二氧化碳是导致全球变暖的最重要的温室气体。其中火电厂燃用矿物燃料所释放的CO2,是全球二氧化碳浓度增加的主要原因之一。国际权威机构预测,如果再不采取有效的措施,50年之后,图瓦卢至少将有60%的国土彻底沉入海中。因此,降低CO2排放是我们人类面临的重大课题。目前降低CO2排放的主要策略是控制CO2的产生和回收产生的CO2。富氧燃烧(也称为O2/CO2燃烧),由于其是利用空气分离获得的纯氧和部分锅炉排气构成的混合气代替空气做矿物燃料燃烧时的氧化剂,可以使锅炉燃烧产生的烟气中CO2的浓度高达90 %以上,进而可不必分离而将大部分的烟气中CO2直接液化回收处理,可以有效减少温室气体的排放,且同时可以减少NOxSO2等污染物的排放,因此,富氧燃烧技术是一项非常有效的降低CO2排放的技术路径。

1 富氧燃烧原理

   富氧燃烧是把含氧量大于21%的气体用于供给锅炉的强化燃烧。富氧燃烧技术首先是由HorneSteinburg1981年提出的,利用空气分离系统获得富氧甚至纯氧,与燃烧后产生的部分烟气混合后送入炉膛与燃料混合燃烧。

  由于在分离过程中除去了绝大部分的氮,就可以在排放气体中产生高浓度的CO2,通过烟气再循环装置与富氧气体混合,重新回注燃烧炉。含氧量很高的富氧燃烧反应燃烧比较完全,提高了理论燃烧温度,强化炉内热交换;同时大大降低了烟气黑度,又减少了排出炉外的烟气量,在同样的排烟温度条件下,烟气带走的热量也相应减少,从而减少了热损失,节约了燃料。锅炉效率较常规空气煤粉燃烧锅炉提高约3~4个百分点,有着很好的应用前景,被发达国家称之为“资源创造性技术”。在燃烧过程中,由于烟道产生CO2的浓度很高,这样就有利于对CO2进行捕获和封存,当浓度达到90 % ,甚至可以不用分离而直接用于工业生产和贮存。目前该技术的关键是氧的大规模制取及其投资和能耗问题。

2 氧的制取

    氧的获得由液化空气(深冷法)、变压吸附(PSA)、膜分离3种。

    空气分离设备采用低温精馏法的空气分离技术。将净化的空气压缩、冷却、液化,利用空气中氧、氮等气体的沸点不同,采用多次蒸发、多次冷凝的方法进行精馏分离而得到富氧,一般可以达到95 %以上,能满足电厂大规模发电的需求。低温蒸馏法虽技术水平日臻完善,但目前单位产量能耗还较高。

    变压吸附空分制氧技术是基于当两相组成一个体系时,两相界面处的成分与相内成分是不同的,在两相界面处会产生积蓄,这种现象称为吸附。以其能耗低、投资少、规模灵活等优点,在中小规模且用氧浓度要求不高的场合具有明显的优势,并逐步成为中小型空分制氧的主要方法。吸附剂的再生时间是决定其能否应用到大型工业化的关键因素。随着研究人员对吸附剂的开发试验研究,变压吸附技术很可能应用到中小型发电机组。操作一般在不太高的压力和常温下进行,比之于低温法具有流程简单、设备制造容易、操作和维修方便、占地面积小、投资少、启动快、可以随时停机等特点。而且有装置量逐年增长、能耗逐年下降、向大型化发展的趋势。但当前仍不能满足大规模发电行业的需求。

    膜分离是利用气体对膜的渗透性能不同进行分离的方法。分离后一般得到富含氮气的空气和富含氧气浓度小于40 %,约为20 %~30 %的富氧空气。富氧空气流量小于6 000 Nm3/h,膜法更为经济性。当氧浓度在30 %左右,规模小于15 000 Nm3/h时,膜法投资、维修及操作费用之和仅是深冷法和PSA法的三分之二到四分之三。而且富氧燃烧规模越小,膜法越经济。膜法富氧技术在制备富氧方面的应用正在迅速增长。

    一座500 MW电厂如果采用纯氧燃烧,一天大约需要9000t氧气,现在最大的空气分离设备每天可以生产2000t氧气。其中空气压缩分离需要消耗的能量占燃煤能量的17 %。可以看出在未来几年,随着科技的不断发展和研究人员的不断研究,一定能制造出大型的能满足燃煤电厂需要的分离设备,实现大规模富氧燃烧不会太遥远。

3 富氧燃烧对运行的影响

    富氧燃烧下由于烟气量的减少以及锅炉热效率提高,引起的燃料量的减少使得烟气中的粉尘量得到一定的降低,一定程度上减小受热面的磨损,而且为电站锅炉水平烟道烟气流速的提高带来了可能。增加烟气的流速强化了传热,同时也增大了风机的电耗。但是流速超过一定范围之后带来的引风机耗电量的增加会超过了流速增加所带来的强化换热的收益,因此就不一定经济。烟速的大小还与受热面的可能的积灰与磨损有关,增加烟速,受热面的传热系数增大,金属消耗量可以减少,但会增加了运行时的风机电耗。

    利用O2/CO2的燃烧产物中CO2的含量达到90 %以上,甚至可以达到95 %,可以直接将大部分的烟气液化回收处理,少部分烟气再循环与氧气按一定的比例送入炉膛燃烧。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。CETC-O试验中发现:进行O2/CO2燃烧时,SO2的浓度比空气条件下增大了大约3~4倍,这主要由于烟气再循环使SO2堆积和烟气量大量减少造成的,虽然浓度增大,但排放的总量比空气条件下要少,SSO2的转化率从空气燃烧时的91 %降低到了富氧燃烧时的64 %。王宏等人利用孔隙结构分析及X射线衍射实验研究了O2/CO2方式下钙基吸收剂在脱硫过程中微观结构的变化,发现不同浓度的CO2对孔隙结构的影响不同,另外通过在卧式管状电加热炉上进行O2/CO2方式下钙基吸收剂的脱硫实验发现,在煅烧过程中低浓度CO2催化钙基吸收剂烧结,高浓度CO2下钙基吸收剂、孔容积随煅烧时间变化不大;高浓度CO2使钙基吸收剂的分解与脱硫伴随进行,不容易烧结,而且改善了脱硫产物CaCO3对孔的堵塞,更有利于脱硫的进行。提高温度也可以改善高浓度CO2气氛下钙基吸收剂煅烧后的孔隙结构,使高温下高浓度CO2气氛比空气气氛更有利于炉内喷钙脱硫,其中炉内喷钙脱硫率可达90 %

    利用O2/CO2燃烧对燃料N也有很大的影响,能一定程度上减少的NOx产生。T.Kiga等人通过实验发现在O2/CO2气氛下燃料N的转化增长率很小,循环CO2浓度的提高对NOx减少无明显作用。张庆丰等人对1个煤种在不同气氛和工况条件下NOx的生成过程进行了研究,实验发现O2/CO2气氛与温度、钙硫比等因子联合作用对煤燃烧过程中NOx的生成有抑制作用。与空气气氛下相比,O2/CO2的存在能使氧化性气氛下NO的削减;对于高挥发分煤,排放量可以降低50%左右,主要是由于CO2的存在使得CO的浓度升高,CO还原了一部分NO,另外,CO2的大量存在也使燃烧介质发生变化,对NO的还原起到了催化作用,所以NOx的生成相对减少。日本科学家对O2/CO2循环燃烧煤粉进行了较深入的实验研究工作,试验表明,如果用CO2参与煤粉的循环燃烧,NO的生成率接近于零排放,而且基本上不受氧过剩量的影响。另外Okazaki等人研究也发现再循环NOxNOx的减少起到了决定性作用,当再循环烟气量为80%时,再循环NOx的量将减少50 %

4 燃烧产物CO2的运输与封存

    电厂捕集大量的CO2经过压缩干燥后,长距离输运到目的地。输运方式一般根据距离、输运量以及封存地来进行选择。管道和轮船输运一般成本较低,在输运量很大的情况下比较适合;公路和铁路的输运更为灵活,但成本却比管道和轮船贵,大致来说,铁路运输是水运和管道输运的2~5倍,而公路的运输成本达到了火车运输的3~4倍。输运要求的压力一般在10~15 MPa;输运对气体成分的要求(IPCC)CO2含量不小于95 %、总硫含量的体积分数<1 500×106N2<4%CH化合物不超过5 %、露点低于-30℃。

    电厂捕集的CO2量是非常大的,而化工、食品和材料等行业的需求有限,一般可以应用于碳酸饮料生产和合成尿素生产碳铵,而大量的气体可以通过海洋封存和地质封存来处理。海洋封存通过海上管道或者轮船输送到封存地,然后经过高压注入到海洋中。海洋封存主要有浅海溶解封存、深海笼形包合物封存、深海笼形水合物封存。

    地质封存是利用类似自然界中地质封存天然气等气体的原理对CO2进行封存,主要有盐水层封存、增强石油开采封存和增强煤层气开采封存。在这方面,阿尔斯通走在了前列。通过压缩液化,再就地埋存或以类似输油管线的方式运输到一个稳定的地层中埋存。欧洲和美国将其商业应用于废弃的油田和气田中,将二氧化碳埋存在油或气就很难再打出来油田或气田可以提高石油或天然气的采油率(EOR)或采收率(EGR)Sleipner公司在将二氧化碳埋存方面富有经验,自1996年以来,每年可以实现二氧化碳的埋存达到1GtBP英国石油公司自2004年以来,在非洲中部的阿尔及利亚,每年二氧化碳的埋存达到1.1Gt。在美国也有若干个公司将二氧化碳用于提高石油采收的项目。北海油田从1996年开始,每年将超过100t的提纯天然气产生的CO2封存在近海的盐水沙地田中,加拿大的Weyburn每年将气化产生的170tCO2进行油田驱油。而雪弗龙计划在澳大利亚进行的项目,每年将进行400tCO2封存。此外,全球富含的一种地层叫盐水层,在地下1000m深处富含这种盐水,这种盐水可以很好地储藏二氧化碳。全球各地的盐水层提供了充足的埋存能力,从长期考虑,这是已知的可以处理巨大二氧化碳的主要可靠解决方案,全世界都必须尽早关注,在未来几年可以完全实现商业化。

    富氧燃烧(也称为O2/CO2燃烧),利用空气分离获得的纯氧和部分锅炉排气构成的混合气代替空气做矿物燃料燃烧时的氧化剂,可以使锅炉燃烧产生的烟气中CO2的浓度高达90 %以上,可以有效减少温室气体的排放,且同时可以减少NOxSO2等污染物的排放,因此,富氧燃烧技术是一项非常有效的降低CO2排放的技术路径。富氧的制取主要由液化空气(深冷法)、变压吸附(PSA)、膜分离等技术,这些技术具有不同的特点。富氧燃烧技术不仅能有效地提高烟气中CO2浓度,还可以有效地改善锅炉受热面的传热,减少NOxSO2SO3的排放。电厂捕集的CO2一部分可以应用于碳酸饮料生产和合成尿素生产碳铵等领域,而大部分则可以通过海洋封存和地质封存来处理。在未来洁净煤发电技术的发展中,燃煤发电系统与CO2捕集与封存相整合的技术将成为未来洁净煤发电技术发展的趋势。

 

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