流化床富氧燃烧技术的研究进展

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第2 3卷第 2期 20 0 7年 3月文章编号： 10 -0 X 2 0 )20 0 -4 0 50 6 (0 70 -0 40

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流化床富氧燃烧技术的研究进展重庆大学动力工程学院张清陈继辉卢啸风刘汉周

摘 要：流化床富氧燃烧技术可以更有效地收集 C 2 0-还能减少 N x o捧放-是一种很有潜力的综合控制燃烧污染物捧放的新型洁净燃烧技术。介绍了国内外对流化床富氧燃烧的燃烧机理、经济性以及氧气浓度对 C B锅炉设计影响的研究现状 .指出了存在的问题-并 F对下一步工作给出了建议.

关键词：流化床；富氧燃烧；O/ O 2 2 C中图分类号：T 6 KI文献标识码：A

Th eEvo v fRe e r h O CF Ox e e i he m bu to c no o y l eo s a c n B yg n- nr c d Co s i n Te h l g

Z HANG Qig CHE J—u, U iofn, I nz o n, N i iL X a -e g L U Ha -h u hAb t a t s r c:Ox g n e nc e y e - n h d CFB n to l n b e mo e e f in o c p u o n y e a l r f ce tt a t r C l e b taS a o rNOx e s i n u l h s a l we O miso, wh c 0 e t l e t p la o u t n tc n l g a a v r l c n r l o l tn se s i n. tito u e e ih i a p tn i w e c e n c mb si h o o y t t n o e al o to l a t mi o I r d c d t s an y o e h c p u n h c re t d v l p n f su y o o u to h r ce i is a d e o o c n e / u r n e eo me to t d n c mb si n c a a trs c n n mis u d r O2 t c CO2 a mo p e e o ic l i g t s h r n cr ua n t

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f fudz db d a dt ee e to x g n c n e tain o B olrd sg, ihp itdo t ee i e tp o lmso n h c e h t to y e -n c e x g n e r h dCF a dp e e t d s mea v c st u t e i Bn r s n e o d i e of r rwo k . h rs Ke ywo d: u d z d b d o y e - rc e mb s i n O2CO2 r s f i ie ; x g n e i h c l e n d o ut;/ o

为减轻化石燃料电站锅炉产生的C 2 O引起的温室效应， 可以对其排烟中的C 2 O进行分离收集处理。然而，在常规燃煤电站锅炉排烟中C 2 O浓度一般为3%~ 1%, 5在较低的压力下从以氮气为主要成分的混合气体中分离较低浓度的C O2气体难度较大，从而导致分离设备复杂，成本较高。富氧燃烧就是在这一背景下提出来的，它是以O/ O混合物为基本 2 2 C燃烧气体的燃烧过程。富氧燃烧技术 ( -rc Po s)又 N2f rc s e e

作费用就相对于煤粉炉富氧燃烧低叼 F还具有对燃料适；C B应性广的优势【。 4】国内外对富氧燃烧技术的研究主要集中在煤粉炉上，而目前仅有日本北海道工业研究所、荷兰D l科技大学、 ef t波兰 C c o h w科技大学、加拿大O t a zs co a t t w能源科技中心、芬兰 a L p cna t技大学、美国AL T a p erna科 S OM以及国内的浙江大学

等几个国家和机构对流化床富氧燃烧技术进行了相关的研究，究重点主要是流化床富氧燃烧的燃烧机理、 I O 研 No和S 2的排放特性以及氧气浓度对C B F锅炉设计的影响等。了推为广流化床富氧燃烧这一新技术在国内的研究应用，详细介绍了此项技术的国内外研究现状，指出了存在的问题，并给出

称od o2 c燃烧技术，或者空气分离/气再循环技术，其原烟理图见图 l。富氧燃烧技术的燃烧产物中C的含量达到 O2 9%,可不必分离而将大部分的烟气直接液化回收处理，从 5而达到了降低回收C成本的目的。该技术首先由Ho和 O2 me

S ib r e t n ug于 18年提出，经美国A曙0国家实验室的研究 91肌e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。

了下一步的工作建议。

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化床富氧燃烧的机理研究现状11结焦性的研究 .

Alo t s m在内径为 l . m的鼓泡床上进行了空气和不 O1 c 6图 l富氧燃烧技术原理示意图 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，包括鼓泡床、循环床和加压流化床，它可以充分发挥两者的优势，是近期内 控制由CO引起的温室效应的有效途径之一，它所运用的技 2术都已商业化 (如利用低温空气分离技术生产氧气和气体的

同氧气浓度的 O2 O2/的对比燃烧试验。试验发现当氧气浓 C度超过 3%时，床层颜色从桔黄色变为亮白色。 0在氧气含量在 5%,正常的流化风风速为 05/ 0在 .2m s时发现了结焦。当风速增加为 08 s .5 m/时，结焦现象消失【。C B富氧燃烧的 I F】流化风量和燃烧用风量与常规 C B空气燃烧必然会有所不 F同。

处理)【】 l。与煤粉炉富氧燃烧技术相比，流化床富氧燃烧技 2术在C 2 O分离收集的某些方面更有优势。比如在一定高的氧气浓度下， F富氧燃烧的烟气再循环系统的建设费用和操 CB收稿日期：0 60 -3 2 0 -91张清(9 1) 18-.男 .硕士研究生 .重庆 .4 0 3 00 0 庆市自然科学基金计划项￣(06 B 2 4重 20B 62)

12传热 .

富氧燃烧系统的烟气流量比空气燃烧的烟气流量小，并且锅炉结构更加紧凑，所以在炉膛内部和对流烟道中传递的热量更少。这就要求外置式换热器所吸收的热量必须在整个热负荷中占有更大的比例，如图 2所示，空气燃烧系统和 O含量为 7%的富氧燃烧系统热负荷分配图。 2 0

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第 2期

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清等：流化床富氧燃烧技术的研究进展

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在空气燃烧时，烟气中 C 2 O的浓度一般低于 2%,石 0灰石将在 ( 6℃)左右发生煅烧反应，这个温度刚好低于 70 C B常规燃烧温度约 8 5 0 F 1￣9 0℃。然而，在富氧燃烧中， c 2 o浓度一般高于 7%,为了保证煅烧反应的顺利进行，这 0

就要求炉膛温度在约 9 0℃以上。这样就有两个问题必须 0注意：

()对某些燃料而言， 1在如此高的操作温度下就必须考虑灰

熔点和脱硫效率。空嗽 嗽

()当灰冷却到煅烧温度以下时，如果 C O暴露在高 2 a C浓度下，再碳酸化反应就会发生，l: O2 l pC O+ O2" a O3Q a C -CC+ -

图 2空气燃烧系统和 O含量为 7%的 2 0

富氧燃烧系统热负荷分配图除了热负荷分配的不同，在 C B富氧燃烧锅炉设计时 F

在那些温度低于煅烧温度的地方，诸如，外置式换热器和烟道，就必须考虑再碳酸化反应对传热的影响了。 AL T M和 C ai SO zk￣m都发现 C O颗粒的表面积和孔隙 a率取决于它的煅烧条件。C O的脱硫效率随着 Co浓度的 a 2增加而增加。

还必须考虑不同的传热系数。因为 C和 0浓度增加提高 O2 2了气体的辐射换热，以对流烟道的传热系数比常规燃烧的所传热系数高 l D【。 Oo /” 1炉内温度分布 . 3 S atmon n】一维的 C B设计模型上通过空气燃烧 as a ie[ 在 F

T mazC ai发现随着燃烧温度的不断升高，煤在 o s zke

和 O浓度为 6%的富氧燃烧两种方案对比分析了氧气浓度 2 0对 C B炉内温度分布的影响。究发现：在 O2 F研浓度为 6% 0的富氧燃烧时锅炉内温度梯度比空气燃烧时要大 (图 3所如

富氧的气体环境量的燃烧会使 r 2 s的排放量增加。G J O .Zj[】 ima发现 S 2 l“ 0生成量在刚开始的 250 S取决于氧气浓 0

度，当氧气浓度减少时，s生成量减少的趋势增大，s 2 o2 O生成量在长的反应时间里就不仅仅却决于氧气浓度了，还与其在固相中的扩散速率有关。15 N )的排放特性 . (x Hie oo a】 H R鼓泡流化床进行的富氧燃烧试 doH sd[在 NI I’:

示)。这是因为总的烟气流量下降导致了炉膛内固体颗粒均衡混合率的减小和氧气浓度上升所致。一

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验发现系统能在不用烟气分离技术的条件下， c排放浓使 02度达 9%

, 6燃料氮转化生成的 NO是常规空气燃烧时的 l。, 6 J A di在一个加压流化床燃烧， . nr￣ e气化联合循环装置上进行了烟气再循环的试验并与空气气氛下的试验进行了对比。 结果发现：燃料中氮的含量和出口烟气中 O的浓度决定了 2 NO的排放量，而再循环烟气中 NO的量和入口 O浓度对它 2

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的排放没有影响。 H g et发现控制一次风的比例也可以 R. u h s] s减少 N O,的排放。A S O L T MI还发现 N】 Ox的排放量随着炉膛底部平均温度升高而升高。T mazC a i t认为在氮的 o s zke m- r释放和转化之间、挥发性气体的释放和燃烧之间都存在着时间周期。以，所煤在 C B富氧气氛下的燃烧限制了氮向 N l F 0 x的转化。

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图 3 C B空气燃烧和 0浓度为 6%的 F 2 0 C B富氩燃烧炉膛内部温度分布图 F

I高 c对石灰石的影响 A O2流化床富氧燃烧技术的一大优势是可以通过在炉膛内 添加石灰石来脱硫。脱硫有两个步骤：石灰石的煅烧反应和氧化钙的硫酸盐化反应。 S OMt发现石灰石发生煅烧反 AL T 】应的温度取决于 C分压的高低，其关系如图 4所示。 O2,

1其它排放物的特性 . 6 C的排放主要取决于燃料类型和炉膛温度。燃烧石油 O焦的C O排放量就比燃烧烟煤的 C O排放量低。许多研究人员( .

都发现富氧燃烧比空气燃烧所排放的 C I6 A】 O要多，原因

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是高浓度的 C+ O阻碍了 C 2 O的氧化。 同时，N2富氧燃烧时的排放也应该引起注意。N2 0在 0也是一种温室气体，虽然它的排放量比 C 2 O+少得多，但是它的温室效应是 C 2 3 0倍。 2 O的 0 N O的排放主要受炉膛温度的影响。煤粉炉 N O的排放量通常小于 1p m ( 3 2 0 p以%的出口 氧气浓度为标准 ),而 C B炉因为炉膛温度较低，它的排放 F

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量就达到了5~l p” o o￣。 o常规商业 C B的不完全燃烧碳的热值占整个锅炉输入 F热量的 1%~2%。高反应活性燃料和低反应活性燃料可能

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图 4石灰石煅烧反应

背离这个范围，除了燃料反应活性，锅炉温度、过剩空气系

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数、旋风分离器的效率也对不完全燃烧碳有重大影响。 AL T S OM在对烟煤进行的氧气浓度为 2%￣3%的 C B富 1 0 F氧燃烧试验中发现未燃尽碳热量损失和 C B空气燃烧测试 F结果相当，然而当氧气浓度增加时，未燃尽碳热量损失减小， 这可能是因为在炉膛底部氧气的局部浓度增高的原因。 T maz C a i t,】 o s zke Il发现碳转化率随着氧气浓度的增加 r90

到最佳的情况下，惰性气体速率必然会降低。气体流速降低的主要影响是绝热燃烧温度的上升。在C B F锅炉的热循环内

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部，燃烧温度将被控制以维持一个较好的燃烧特性及避免固体颗粒结焦。Sat ie[在一维的C B as mon n】 a s F设计模型上通过空气燃烧和o浓度为6￣的富氧燃烧两种方案对比分析了 2 06,

氧气浓度对C B F锅炉结构影响 (如图6所示 )。在这两种方案中锅炉热负荷都是6 0Mw,燃料也相同。研究发现：在氧 0气体积含量占6￣的方案中流化气体速度的降低有着重要 06,意义，这就使得导致锅炉尺寸减小和建设费用降低。在锅炉出力相同的情况下，C B富氧燃烧锅炉体积只有C B F F空气燃烧

锅炉体积的3%, 8炉墙面积减少了3%, 6整个受热面积从7 4 0m2少到了55 0m2 0减 0。- g气

而增加，与炉膛温度没有太大关系，根据燃烧动力学原理，这是氧气分压提高的结果。而且，碳的转化率随着燃料消耗量的增加而不断降低，这一点当所输入的混合气体中氧气的浓度越高时就越明显。把与氧气混合的气体由 N变成 C 2 2 O时，发现碳的转化率从 2 o混合气体中氧气的含量为 2%)∞, ( 1 降到 1% ( 0混合气体中氧气的含量为 6%) O。这可能是由于反应是在较高的 C的浓度而降低了反应的动力。 O2

2 F富氧燃烧电厂的成本分析 C BC B富氧燃烧电厂的费用主要包括设计、 F采购和建设费用，简称 ( P。E C的费用主要包括所有必要的设备如： E C) P 锅炉、汽轮机、冷凝器、给水泵、引风系统、气体净化系统、 冷却系统、电气设备、控制仪表等。另外，还包括为了分离处理 C 2 O而特别配置的 C压缩、液化设备，以及空气分 O2离设备。 AL T S OM[把C B富氧燃烧电厂和没有带C 2 I F】 O处理系统的常规C B空气燃烧电厂的总建设成本主要分为三部分进 F行了对比 (如图5所示 )。从图中可以看出富氧燃烧系统常规电厂设备费用只有空气燃烧系统常规电厂设备的8%左右。 O 这是因为总的烟气流量的减少使得常规电厂设备 (炉膛、分4 .× 2 . nX 9 4矗×谭×寞 4 . mX 1 . nX6 3 0铀 03 .I 5O 26 .n

图6空气燃烧和宣氧燃烧的锅炉结构对比图

4讨

论

流化床富氧燃烧技术充分发挥了流化床洁净燃烧技术和富氧燃烧技术的各自优点，不仅可以提高烟气中 C浓度 O2以便于分离，而且还可以提高锅炉的热效率、使系统结构紧凑、降低 C B锅炉的建设费用和减少 NO排放等，是一种 F x能够综合控制燃煤污染物排放的新型洁净燃烧技术。 尽管如此，从国内外对流化床富氧燃烧技术的研究可以看出，流化床富氧燃烧技术试验研究和应用领域仍然有如下

离器、空预器、风机、管道系统等 )费用降低。烟气处理系统和空气分离设备的费用占了C B富氧燃烧电厂总成本的 F3%左右。 7

几个问题有待于进一步研究：()入炉氧气浓度升高， 1惰性气体减少，会使入炉的流a

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化风量在流化用风和燃烧用风的配合上出现差异，这个差异对炉膛内固体颗粒的流化特性以及对燃烧特性的影响有待于进一步研究； () C B在富氧燃烧时炉膛内部温度梯度较大，这将 2 F导致炉膛内部蒸发面受热不均：氧气浓度对 C B富氧燃烧 F的点火、燃烧效率以及燃烧稳定性的影响仍有待进行深入研究； ()富氧燃烧技术在 C B上的运用，将会使炉膛结构 3 F

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空蠢 豢警曩 气烧嘉蓑鐾图5 F C B空气燃烧电厂与C B F富氧燃烧电厂的总成本对比空气分离设备 ( U)和气体处理系统 ( S AS GP )分别消耗了发电量的l%和 l】 8 2。这就是C B富氧燃烧电厂整体 F

更加紧凑，烟气量大大减少，这就会使换热面的布置问题非常突出，如何在有限的空间里布置足够的受热面将有待于进一

效率降低的主要原因。薄膜分离技术、高温氧气吸附技术和改良后的低温蒸馏技术在氧气生产上的应用有望提高电厂整体效 J。

步的研究； () C B富氧燃烧时外置式换热器和对流烟道中的烟 4 F

气温度和 C浓度决定了再碳酸化反应在此发生的几率很 O2高，这将严重影响换热器和对流烟道的传热效率，这个问题

3富氧燃烧对 C B锅炉结构的影响 F富氧燃烧技术对C B F锅炉的设计影响很大，特别是在O2 含量远高于空气中o含量时。锅炉效率、尺寸及建设费用达 2

仍有待于进一步研究。 ()目前 C 2 5 O回收处理技术在成本和能耗上都非常高， 如何降低 CO 2回收处理技术的成本和能耗是其面临的主要

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第 2期挑战【.。 l 4

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C rua n li z d B d C mb s r【 . h 9h It n t a i l ig Fu ic e o ut A1 T e 1 t ne ai l c t d u r o n

参

考

文

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【】卢啸风.大型循环流化床锅炉设备与运行【 I 4 M= .中国电力出版社，2 0. O 6

【3 Anee r, a iyn, e metD n rgnt g rt n l】 hdnMai Y J i D S d. eioeai o￣ i e n n g t n o mo

【】 Sat ie J T uo e八 Pk aa e 5 as mo n, o r n a n n ikri n n Fudzd e I ie B d i C mbso g oc t t n f02adC【 . h 9 o ul ni Hi C e r i so n 02A】T e1 i n h n n ao It mi a C neec nFu i dB dC mbso【】Ven: n m t l o f neo liz n o r d e e o ut c . i a i n nAu ti. O 6 srs 2 0 .

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8 44 5 【】 Ho ad H o C 2 atr, R ue ad￣qet t n l 4 w r J mz& 0 C pue es, n usri ao T cnlge rMigt gGoa l t C ag【 . d acd eh o i f t a n lbl i e h e A】A vne o so i i C ma nc a-a。 o ra d e vt o I s d p we n i b n oPi s u g Un td S a e .1 9 . t b r h: i t ts 9 7 t e

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编辑：巨川长和燃烧的过程能实现 C:总量上的零排放和零增长的独 O特优点。 ()燃烧产生的 No污染已成为全球性的难题。利用 2 x

(上接第 3页 )C H基团的浓度越大，NO还原反应的效果 越好。在工程应用中，由于再燃区是在主燃烧区的上方，燃烧的空间和时间都要比主燃烧区小，如果投入过多的再燃燃料，很容易燃烧不完全，造成不完全燃烧热损失的增加，降

生物质再燃来控制 N O

的排放，对于开辟能源新领域，调整能源结构，促进环保效益，加快国民经济持续稳定发展有其重要的意义。

低锅炉效率。因此，实际应用中要选择合适的再燃燃料量。()再燃区的停留时间 6原则上，在再燃区内的温度越高、停留时间越长，则还

()生物质再燃还原 NO能取得比较好的效果， NO 3 其还原率可达 5%￣7%,如再燃过程中再喷入 NH催化剂， 0 0 3 其脱硝率就可达 8%以上。 5 ()生物质燃烧后产生的灰分中含有较高浓度 Na 4、K等碱金属元素，会形成附加组分，强 NO的还原反应。口增

原反应越充分，No的降低率就越大。但由图 2所知，再燃 I区位于再燃燃料喷口和“火上风喷口之间，因此再燃区的长度 (停留时间)实际上由再燃燃料喷口和“火上风喷口 间距离确定，再燃燃料喷口的位置还影响主燃烧区的停留而时间。如果为了增加再燃区的停留时间而减少主燃烧区的停留时间，将再燃燃料喷口布置在靠近主燃区燃烧器喷口位置，不仅降低生物质燃料的燃尽率，而且还会使较多的过量

参

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文

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【】王金南，陈罕立 .关于全国氮氧化物捧放总量控制的若干思考【 2 Al

氧进入再燃区而减弱 N被还原的效果。试验表明，再燃 O区内烟气和燃料的停留时间应该在 04 . s。 .~05 I另外，生物 们质燃料在再燃区停留时间过长，燃烧产生的 CH基团浓度下

20年全国氮氧化物污染控制研讨会【】36 6 . 03 c .5 43 1 【】何息忠.氮氧化物危害及其防治措施初探【 .云南环境科学，19, 3 J】 96l ()3 44 . 52: 8 0

降，原 NO的反应又朝着 NoI还生成的途径进行，在炉膛的出口逐渐达到平衡。因此，选择再燃燃料在炉内的停留时间也非常重要。 ()烟气中 No初始浓度 7 x

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uh r mig【】 l r b .P o rs n rya dC mb t nS i c, 9 8 2 () 3 5 0 . rge s nE eg o u i ce e 1 9, 4 5: 8 44 8 i n s o n

【】徐华东，罗永浩，王恩禄，等 . 6 再燃烧技术及其在我国的应用前景

【 .动力工程，0 12 ()12 412 . J】 2 0, 14:3 0 3 3【】 Ptr M, a i r Z L c e a. l rai fe b mig J 7 eeM Vl miM, o t 1At nt e leu n【】 d e vu r .F e.1 9, 8 3 7 3 4. u1 99 7: 2 4 3

NO￣始浓度越高，NO的还原效率也越高，这主要与 x- J

C基团和No反应方程的化学动力学特性有关， O初始 H x当N x浓度高时，反应进行的速率就快。由此，对于较高的NOI i农度，生物质燃料再燃将会有非常好的还原效果【】 l。 l

【】宋永利，杨丽华.工业锅炉生物质燃烧技术【 .节能技术， 0 3 8 J】 2 0,2 () 4 44 . l:4 5 3

4结

论

(). 1生物质燃料是可再生的清洁能源，它取之不尽、用之不竭，具有含碳量高，含氮和氢较少，几乎不含硫，其生

【】肖波，郭勇，杨家宽. 9等.生物质粉体燃烧技术的初步研究【 . J能】源技术，0 4 2()17 19 20, 55:9 4 9 . 【O张强，李彦鹏，徐益谦 .生物质能再燃烧还原氮氧化物 (的探 l】 N0讨叨 .能源研究与利用， 0 11: l 3 . 2 0 ()3 4 2 【l李戈，池作和 .东坡，等.生物质废弃物再燃降低N莩的试 I】斯 放验研究【 .热力发电， 04 ()4 44 . J】 20,2: 1 4

编辑：闻

彰

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