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电站锅炉富氧燃烧应用分析

2018-04-10 14:05:37来源:中国锅炉网浏览:评论:0

  富氧燃烧最早是用于窑炉,主要是高炉炼钢以及玻璃制造等高温生产中,近年来,随着电力行业的发展,电网容量不断扩大,继而电站锅炉也不断增加,随之而来的就是燃烧大量煤炭所带来的节能环保问题。

  采用高浓度的富氧燃烧,可以相对减少烟气中氮气的含量,同时富氧燃烧产生的烟气主要由水和二氧化碳组成,采用水分离技术在后端能比较容易地捕集到二氧化碳。富氧燃烧技术适用于新机组,也可应用于某些改造机组,对于脱氮以及二氧化碳捕集有着积极地作用。

  1富氧燃烧的发展过程富氧燃烧就是采用比空气中氧含量高的助燃空气来进行助燃,富氧的极限就是使用纯氧。由于传统富氧制备工艺复杂,投资大,能耗高,富氧燃烧的工业应用受到限制。随着新型富氧制备工艺的出现和发展,富氧燃烧逐渐应用于工业领域并受到越来越多的关注。东西方发达国家及前苏联早在20世纪60年代就开始研究这项技术,并在70年代末和80年代初取得了良好的效果,特别是日本,组织了旭硝子等七家公司和研究所参加的“膜法富氧燃烧技术研究组”。由于能源紧张,日本先后有近20家公司推出膜法富氧装置。该国曾在以气、油、煤为燃料的不同场合进行了富氧应用试验,并得出如下结论:用23%的富氧助燃可节能10%25%;用25%的富氧助燃可节能20°%40%;用27%的富氧助燃则节能高达30%50%等。此外前苏联、德国、英国、法国、捷克等国均有膜法富氧用于助燃的报道。

  我国的富氧燃烧技术起始于80年代末,主要应用领域为工业窑炉及小型工业锅炉。并开发出一系列局部增氧助燃技术,使用富氧量仅为所需空气量的1%3%,多年来的运行实践表明,其社会效益和经济效益十分显着,平均节约燃料11.8%,窑炉寿命也相应延长,由于燃料充分燃烧,环境状况也得到显着改善,而随着电站锅炉的大型化以及节能减排要求的提高,富氧燃烧用于电站锅炉已是指曰可待。

  2富氧燃烧的原理煤是复杂的固体碳氢燃料,除了水份和灰分等惰性杂质外,煤是由碳、氢、氧、氮和硫这些元素的有机聚合物组成的。这些有机聚合物就构成了煤的可燃质。煤在受热时,首先颗粒表面上和渗在缝隙中的水分蒸发出来,就变成干燥的煤。同时逐渐使最易断裂的链状和环形烃挥发出来,即析出挥发份。若外界温度较高,又有一定的氧,那么挥发出来的气态烃就会首先达到着火条件而燃烧起来。当温度继续升高而使煤中较难分解的的烃也析出而挥发掉以后,剩下的就是焦炭。挥发份在燃烧时,一方面可以供给热量将焦炭加热的炽热状态,另一方面暂时把氧都抢去燃烧掉了,所以焦炭要在大部分挥发份烧掉以后才开始燃烧。由此可见,煤的燃烧可粗略的分为着火和燃尽两部分,其着火过程主要取决于挥发份的析出及燃烧。而在挥发份大量析出的局部区域,通入富氧空气流,将有助于形成局部高温区,强化燃烧。我们通过分析一小团煤粉颗粒随一次风射流进人炉膛后的加热着火情况来进行说明。

  假设锅炉为四角切圆燃烧方式,一次风喷口为单纯直流喷口(无船体或钝体等稳燃装置),则风粉射流可简单地认为是自由射流。在稳定运行工况下,一次风射流进人炉膛后最先受到加热的是位于射流边界的风粉混合物。风粉混合物着火过程中所接受的热量来自炉内热烟气的辐射及对流热量,占主要部分的是对流热,辐射热只占10°%30°%.煤粉在进人炉膛受热后,短时问内快速升温,同时析出大部分挥发份,挥发份与一次风及烟气中的氧气混合燃烧。当环境中的氧含量较低时,挥发份的燃烧时间变长,局部放热强度降低。而此时如果提高局部的氧气浓度,则根据化学反应的质量作用定律,挥发份的燃烧速度将随氧气浓度的升高而增大,使该区域燃烧反应物的放热速率提高,从而形成局部高温区。局部的高温区又促使更多的挥发份析出并将焦炭更快地加热到炽热着火状态,使局部反应温度进一步提高,从而形成一次风射流边界着火燃烧的良性循环。

  3富氧燃烧的分类富氧燃烧可以分为空气增氧、吹氧燃烧、纯氧燃烧以及空气-氧气双助燃剂等强化燃烧方式。

  空气增氧燃烧方法就是向助燃空气中掺入氧气,这是一种低浓度富氧的方法,一般常规空气助燃燃烧器都能适用。为确保充分混合,氧气经散流器注入到助燃空气中,这种低成本的改造方法可以缩短火焰长度并强化燃烧。但如果增氧过多,火焰长度会变得过短,温度升高后的火焰可能会损坏燃烧器。另外,如果氧气掺入量大,为保证安全,空气管道也可能需要改造。

  吹氧燃烧又叫氧气喷枪,即向空气助燃火焰中射人氧气。这也是一种低浓度的富氧燃烧方法。特点是不必改造现有空气助燃系统。它属于分段燃烧的一种形式。能降低氮氧化物排放。向火焰和物料之间吹氧能使火焰向指定方向靠近,有提高传热效率、减少燃烧器过热的可能性。

  纯氧燃烧,即采用高纯度的氧气替代空气进行助燃。但是采用高纯度氧气进行助燃时,由于反应速度加快,氧气与燃料混合时易发生爆燃。

  空气-氧气双助燃剂。实际上它是空气增氧的一种变化形式。相当于在常规燃烧器上增加一个全氧燃烧器。该方法的优点是比空气增氧燃烧和吹氧燃烧使用更高浓度的氧气,得到更高的效益。运行费用低于全氧燃烧,火焰形状和热释放也可以通过控制氧气量调节,同时改造费用也不高。

  烟气苒循环氧气、二氧化碳富氧燃烧技术原理4电厂用富氧燃烧流程富氧燃烧的技术原理见锅炉尾部排出的部分烟气经再循环系统送至炉前,与制氧设备制取的2(体积分数在95%以上)按一定比例混合后,携带燃料经燃烧器送入炉膛,在炉内燃烧。该方法用空气分离获得的2和部分锅炉烟气构成的混合气体代替空气作为燃烧时的氧化剂,烟气中CO2体积分数大于70%,其余为水。

  70%75%的烟气再循环使用,其余经干燥脱水后可得纯度为95°%的C2,压缩后回收利用。

  5富氧燃烧的节能作用5.1提高火焰中心温度大气中的氧气基本稳定在21%(高海拔区除外),其余大部分都是氮气,氧气的增多和氮气的减少使得燃烧消耗的空气量及产生的烟气量均减少,火焰温度提高,并且随着烟气浓度的提高,理论火焰温度提高的幅度渐渐变小。

  5.2加快燃烧速度,促进燃烧完全富氧燃烧气氛下,煤粉的着火温度和燃尽温度均降低,从而可以提高燃烧强度,加快燃烧速度,获得较好的热传导,对燃烧反应有利;而且能减小火焰尺寸,增加单位体积的热释放,因此富氧气氛下可以燃用劣质煤或低挥发分煤,有利于提高能源利用率,从而达到节能的效果。

  5.3增强换热富氧燃烧方式下高浓度C2和H2O的存在使得混合气体具有较高的比热和辐射特性,锅炉的辐射换热与空气气氛燃烧有较大的差异。火焰温度的提高强化了传热,使得相同受热面积传热量增大,从而可减少锅炉受热面使锅炉结构更加紧凑。

  5.4降低排烟损失排烟热损失是锅炉损失中最主要的一项,影响排烟损失的主要冈素为排烟温度和烟气容积,为了避免或减轻低温受热面的腐蚀,不能采用较低的排烟温度,因此目前电厂锅炉的排烟温度约在110160°C,目前要想减少排烟热损失只有从减少排烟容积着手。在富氧燃烧方式下,大比例的烟气再循环使得锅炉的排烟量减少75%左右,锅炉排烟热损失大大降低,同时这有利于回收C2综合利用或封存,实现清洁生产。

  6富氧燃烧的减排作用6.1对二氧化硫排放的影响采用富氧燃烧后,由于有效减少了烟气量,可以提高烟气中二氧化硫浓度,有利于二氧化硫的经济回收。因此,从减少烟气量和提高二氧化硫浓度的角度来说,采用富氧燃烧有益于保护环境。在富氧气氛下,煤燃烧高温下的脱硫效率要比空气气氛下高,这是因为高浓度的二氧化碳对CaC3分解有抑制作用。孔隙结构分析及x射线衍射试验表明:高温下,CaC3烧结情况得到明显改善,反应产物CaS4堵塞情况也很轻微;随着温度的提高,钙吸收剂的微观结构得到改善。

  富氧燃烧系统直接脱硫效率可以达到70% 80%,是常规煤粉燃烧的46倍。其主要原因是:烟气再循环,使S02的实际停留时间延长,SO2在炉内富集浓度增大;在高浓度C02条件下,石灰石的直接硫化作用。

  就脱硫效率的贡献而言,在1170°C以下原因1的贡献在2/3以上,而超过1250°C时原因2的贡献在2/3以上。在较高的温度和较大的停留时间范围内,富氧燃烧系统可保持较高的直接脱硫效率6.2对氮氧化物排放的影响烟气中的氮氧化物一般是指N0和N2,统称N0X.燃烧过程中产生的N0X主要是NO,其在大气中很快被氧化为N02.与常规空气燃烧相比,煤在富氧气氛中燃烧时,N0X的排放量少,是常规空气燃烧的25%,其中循环的N0减少量占总量的50%80%.这是由于燃烧中不存在大量N2,且烟气再循环燃烧,可能使已生成的N02在炉膛内发生还原反应。如果再结合低N0X燃烧技术,则有可能不用或少用脱氮设备,减少费用。在富氧燃烧方式下,温度、02浓度以及烟气中的C0浓度对N0X的生成都有很大影响。

  采用烟气再循环实现煤粉富氧燃烧,循环烟气的体积分数大约为60%,煤的燃烧与空气气氛同样剧烈,N0被进一步减少,仅为常规燃烧的1/7.其主要原因是:在富氧气氛下,高浓度的C02与煤或煤焦发生还原反应生成大量的C0,在煤焦表面发生N0/C0/炭的反应,促进了N0的降解;N0X在随C02再循环的过程中发生分解;燃烧区域循环的N0X减少,循环N0X与燃料的相互作用对减少富氧燃烧技术中的N0X均有一定的作用。

  6.3对二氧化碳排放的影响由于富氧燃烧采用高浓度纯氧进行助燃,烟气最终排放时其中大部分为较高浓度的C02,在经过除灰后,可直接通过二氧化碳捕集系统进行回收。6.4对粉尘排放的影响采用富氧燃烧后,氮气在烟气中大大减少,从而减少最终烟气量,进而在燃料量不变的情况下,烟气中粉尘浓度升高,有利于除尘设备进行高效率的收集,同时引风机选型也可相对减小。

  7富氧燃烧的实际应用富氧燃烧技术从20世纪80年代提出时,主要是运用在冶金、玻璃制备等工业锅炉上,随着氧气制备技术日趋成熟,富氧燃烧技术也随之发展很快。

  加拿大能源技术中心于94年建成了一个0.3MW的煤粉炉富氧燃烧试验系统,用于煤粉燃烧的火焰、传热与污染物的排放等特性研究。

  日本石川岛播磨公司在100丽示范电站中使用了富氧燃烧技术,该系统还采用了排烟热交换器,试验结果显示脱硝和脱硫效率分别达到了70%和90%以上,占地面积也只有原来的约50%.德国勃兰登堡州的斯普莱贝格试验电厂是全球首个演示富氧燃烧技术捕捉和储存二氧化碳的试验电厂。这个由阿尔斯通提供富氧燃烧锅炉技术的30丽粉煤示范电厂,配备了从氧气生产一直到二氧化碳提纯与压缩在内的完整富氧燃烧链所需的全部组件。2008年9月9日,试验电厂正式投产,启动深入的测试程序,包括主要试验使用褐煤和烟煤两个测试阶段。这些试验将提供传热、燃烧效率、排放、动态特性、电厂设计、能效、成本和经济效益方面的关键数据。根据合作协议,电厂在三年试运行期间所捕获的二氧化碳将用于增强欧洲第二大陆地气田的天然气采收和储存能力。这些二氧化碳将被注入地下3000m,试验永久储存二氧化碳延长气田自然寿命的各种方法。这个30MW的试验电厂将为2015年建设的200300丽演示电厂奠定很好的技术基础。

  8结论综上所述,富氧燃烧可以大幅度提高理论燃烧温度,同时燃烧更加完全,达到节能的效果;富氧燃烧可以减少烟气排放量,降低N0X排放量,同时便于C02以及S02的回收捕集,提高烟气排放质量以达到减排的效果。

 

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