富氧燃烧技术在锅炉节能方面的应用探讨

介绍了富氧燃烧方式的技术特点,对其节能机理进行了较为详细的阐述,并以某电站300MW电站锅炉为例,采用ASMEPTC4-1998得出了空气和富氧（30%O2/70%CO2）2种气氛下锅炉的热效率,详细计算分析了煤粉在空气气氛和富氧气氛下锅炉各受热面的传热特性。计算结果表明：采用O2/CO2的富氧燃烧技术可大大提高锅炉热效率,且锅炉的辐射吸热量增加、对流吸热量降低,在炉内的辐射受热面积变化不大的情况下,锅炉的对流受热面积降低很多,同时烟气中高浓度的CO2将会降低分离回收CO2的成本。     

富氧燃烧技术在钢炉节能方面的应用探讨

介绍了富氧燃烧方式的技术特点,对其节能机理进行了较为详细的阐述,并以某电站300MW电站锅炉为例,采用ASME PTC 4-1998得出了空气和富氧(30%O2/70%CO2)2种气氛下锅炉的热效率,详细计算分析了煤粉在空气气氛和富氧气氛下锅炉各受热面的传热特性.计算结果表明:采用O2/CO2的富氧燃烧技术可大大提高锅炉热效率,且锅炉的辐射吸热量增加、对流吸热量降低,在炉内的辐射受热面积变化不大的情况下,锅炉的对流受热面积降低很多,同时烟气中高浓度的CO2将会降低分离回收CO2的成本.     

高温富氧燃烧过程中煤灰特征元素对煤粉成灰特性的影响

沾污结渣是富氧燃烧锅炉运行的主要问题之一,由于CO2和N2辐射传热和化学性质的差异,富氧锅炉内壁沾污结渣情况更加严重。近年来学者针对富氧情况下煤灰的沾污结渣情况进行了系统分析,得出了较为详实的结果,但仍缺乏富氧情况下基于煤灰内特征元素和气氛对于煤粉燃烧成灰的相关研究。选取煤粉结渣中的关键元素Ca、Na、Fe作为特征元素,选取特征元素的氧化物或氢氧化物作为添加剂,选取灰成分以Al、Si为主的山西无烟煤作为试验煤样,定量研究富氧情况下特征元素对于煤粉高温成灰特性的影响。结果表明,特征元素含量较高时,相比较空气气氛,富氧气氛下煤粉的反应时长减少20～50 min,且随氧气浓度增大,煤粉反应时长逐渐增加;高Fe煤和高Na煤的灰熔融温度比基准煤降低了150℃左右,但Ca对于煤灰的变形温度影响不明显;富氧情况下,高Ca煤中随着氧气浓度升高,出现钙硅铝酸盐和莫来石晶相,随温度升高,钙长石等硅铝酸盐生成,Na、Fe等元素非晶相化加强;高Fe煤中Fe随着氧气浓度升高从氧化物向硅铝酸铁转变,随温度升高,顽火辉石与磁铁矿含量升高,钙铁硅氧化物含量先增加后减少;高Na煤得到的低氧煤灰Na主要以霞石成分存在,氧气浓度升高导致其逐渐转化形成硅酸钠盐;随温度升高,Na的形态会从稳定的酸式盐向硅酸钠盐或其他稳定非晶体转变。     

煤在富氧流化床燃烧条件下汞的析出及形态分布

目前有关于富氧气氛下流化床燃烧汞的形态转化特性的报道还不是很多,因此本文开展了富氧气氛下煤种对汞形态转化特性的影响的实验研究。采用流化床作为实验设备,选用徐州烟煤和淮北烟煤作为实验燃料,研究了空气气氛下不同温度和不同煤种对汞析出规律的影响,富氧气氛下煤种对汞形态转化规律的影响,并深入分析了相应的汞氧化机理。研究结果表明：在空气气氛下,温度的增加会促进汞的氧化,煤中的含硫量对汞的氧化也有影响;在富氧气氛下,徐州烟煤燃烧产生的气态总汞浓度高于淮北烟煤燃烧产生的气态总汞浓度,徐州烟煤的Hg²⁺（g）的分布率也比淮北烟煤的Hg²⁺（g）的分布率高出16%左右,因为徐州烟煤中高含硫量会影响Hg²⁺（g）的分布率;富氧气氛下徐州烟煤的Hg²⁺的分布率低于空气气氛下的,而淮北烟煤的Hg²⁺（g）分布率则与之相反,这与两种煤中硫含量的不同有关。     

O_2/CO_2气氛下煤中汞的释放特性

在立式管式炉实验装置上研究了O_2/CO_2气氛下煤中汞释放特性,考察了21%O_2/79%N_2和21%O_2/79%CO_2两种气氛下Hg~0(g)的释放特性、富氧气氛下O_2和CO_2浓度对Hg~0(g)释放特性的影响。结果表明:汞质量平衡率为83.75%~114.1%,验证了实验结果的准确性。在250~400℃之间,O_2/N_2气氛中Hg~0(g)的释放浓度高于O_2/CO_2气氛;在400~600℃范围内,O_2/CO_2气氛中Hg~0(g)的释放浓度略高于O_2/N_2气氛;富氧气氛下O_2浓度越高,Hg~0(g)的释放浓度越低,O_2对Hg~0(g)的氧化具有促进作用;富氧气氛下CO_2浓度由0升至30%时,其浓度变化对Hg~0(g)氧化的影响不大,而由30%升至50%时,Hg~0(g)的释放浓度增加,高浓度的CO_2可能会抑制Hg~0(g)的氧化。     

专利文摘

正基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统授权公告号:CN208687697U授权公告日:2019.04.02申请号:2017215444555申请日:2017.11.18专利权人:长江大学摘要:本实用新型公开了一种基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统,该系统包括空气分离装置、换热器、燃气锅炉、循环水加热器、烟气冷凝器、压缩冷却装置、以及天然气水合物储藏系统;空气分离装置的富氧出口与换热器的富氧进口连接,换热器的高温氧气出口与燃气锅炉的高温氧气进口连接;燃气锅炉的烟气出口与换热器的高温烟气进口连接,换热器的低温烟气出口与烟气冷凝器的烟气进口连接,烟气冷凝器的气体出口与压缩冷却装置的气体进口连接。本实用新型的系统实现了电厂燃料"自给自足",且燃烧后不产生任何残渣和废气,降低了污染物的排放,减少了后续气体处理设备,节省了高昂的CO_2捕集成本,具有经济与环保双重价值。     

五彩湾煤在O2/CO2燃烧条件下的积灰特性

锅炉燃用准东煤极易发生严重的受热面积灰结渣等问题,制约了新疆准东地区煤炭资源的大规模利用。在一维沉降炉燃烧与积灰试验系统上,研究了准东五彩湾煤的积灰特性,分析了稀释气体种类、O_2/CO_2燃烧中氧浓度对飞灰沉积的影响。结果表明:在21%氧浓度下,与稀释气体为N_2相比,稀释气体为CO_2时得到的沉积灰颗粒之间黏连现象不明显,积灰倾向较弱; O_2/CO_2燃烧条件下,随着氧浓度提高,五彩湾煤的积灰倾向加重,细散灰颗粒减少,球形灰颗粒比例增加,灰颗粒的黏连现象加重。SEM-EDS分析结果表明:O_2/CO_2燃烧中随氧浓度的提高,沉积灰中的块状灰颗粒表面缩孔及凹坑增多,且灰颗粒表面黏附了白色细散絮状灰,Na和Cl的富集加重,这是造成高氧浓度燃烧受热面积灰加剧的重要原因;稀释气体种类对五彩湾煤积灰倾向的影响研究中,稀释气体为N_2(空气燃烧)时,Na和Cl含量明显高于稀释气体为CO_2(O_2/CO_2燃烧)时的含量。此外,燃烧稀释气体为N_2的沉积灰中还出现了Ca和S元素的富集,高温下CaO与硅铝酸盐发生反应生成低温共熔体,这也是空气燃烧时积灰较O_2/CO_2燃烧严重的重要原因。XRD分析结果在一定程度上佐证了EDS的分析结论,灰分中CaSO_4、NaCl等低熔点物质的富集导致了空气燃烧工况和O_2/CO_2高氧浓度燃烧工况积灰的加剧。燃烧的颗粒温度差异是导致O_2/CO_2燃烧和空气燃烧积灰特性不同的主要原因,也是造成不同氧浓度下O_2/CO_2燃烧积灰特性差异的主要原因。煤燃烧的颗粒温度较高时,煤粉着火、燃烧性能得到改善,更高的颗粒温度会导致烟气中出现更多的熔融灰,灰颗粒表面出现熔融相进而增强了灰表面的黏性,加剧积灰现象。     

煤/生物质流态化富氧燃烧的CO_2富集特性

流化床富氧燃烧是具有重要应用前景的燃烧中碳捕集技术。为更深入认识固体燃料的流态化富氧燃烧行为,构建了微型流态化反应-质谱联用实验系统,反应器直径10 mm,燃烧温度700～900℃,探索了基于在线质谱分析的流态化燃烧过程特性表征方法,以烟煤和花梨木为对象,研究了煤、生物质及其混合物在富氧气氛和流态化条件下的燃烧行为,重点考察了氧浓度、燃烧温度、煤与生物质质量比对CO_2谱峰曲线形态、反应总时间、起始反应时刻、烟气中富集CO_2体积分数、颗粒燃烧产生CO_2量、CO_2相对生成率等特性的影响。结果表明,在O_2/CO_2燃烧气氛下,随着氧体积分数增加,燃烧总反应时间缩短,颗粒燃烧产生的CO_2量和生成速率均增加,但烟气中富集的CO_2体积分数减小;提高燃烧温度,缩短了燃烧过程所需的时间,可以促进CO_2的富集,烟气中CO_2浓度、颗粒燃烧产生的CO_2量和生成速率均增加;生物质比例增大,起始反应时间提前,燃烧反应所需总时间减少,烟气中富集的CO_2浓度和颗粒燃烧产生的CO_2均减少,但CO_2生成速率增加。     

富氧燃烧方式下煤中砷的挥发行为

选取SJS烟煤,利用高温管式炉模拟富氧燃烧,在600~1400℃温度范围内研究了O₂浓度、CO₂浓度及温度对砷挥发的影响,并进行了空气燃烧模式下的对比实验。对不同工况下的灰样进行FTIR表征并结合化学热力学软件模拟进行分析,结果表明:富氧气氛和空气气氛下煤中砷的挥发比例均随温度升高不断增大,并在低温区间(<900℃)和高温区间(>900℃)分别出现了砷的剧烈失重,但O₂浓度和CO₂浓度影响了不同气氛下砷的具体挥发行为。低温下(<900℃)O₂浓度是影响砷挥发的主要因素,O₂浓度越高,砷的挥发比例越大;相同O₂浓度下,CO₂浓度越高,砷的挥发比例越低,CO₂的存在抑制了煤中砷的挥发。高温下(>900℃)CO₂浓度是影响砷挥发的主要因素,富氧气氛下高CO₂浓度对热量的阻碍导致相同条件下砷酸盐发生分解需要更高的温度,因此富氧气氛下砷的挥发较空气模式滞后;此外CO₂在煤颗粒表面形成还原性气氛,高价态砷化合物向不稳定的低价态砷化合物转变,低价态砷化合物的快速分解导致高温下富氧气氛中砷的挥发速率较常规空气模式快。     

O_2/CO_2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性的影响

近年在新疆准东地区探明了储量巨大的准东煤,而O_2/CO_2燃烧技术被认为是最有前景的碳捕集技术之一,因此研究准东煤的O_2/CO_2燃烧技术对中国煤炭的大规模高效清洁安全利用具有重要意义。然而目前鲜有O_2/CO_2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性影响的相关研究。因此针对准东煤,利用灰熔点测定仪、SEM-EDS分析开展相关研究。实验结果表明:空气气氛、CO_2气氛及O_2/CO_2气氛的转变对准东煤灰熔融温度的影响可以忽略不计,但会在一定程度上改变煤灰的微观理化特性。O_2/CO_2气氛主要影响到煤灰表面Ba、Na和Ca元素的分布,而O_2浓度是影响准东煤灰表面微观形貌的主要因素。     

煤粉流态化预热气态组分CO/CO2生成转化特性研究

基于循环流化床预热的燃烧系统是一种新型的清洁燃烧技术,其流态化预热后煤气中CO/CO_2比值对后续燃烧和排放影响较大,研究正确反映CO/CO_2比值的焦炭燃烧模型有助于进一步了解该流态化预热过程。笔者基于燃料流态化预热转化过程,研究典型的预热空气富氧气氛(O_2/N2)、富氧气氛(O_2/CO_2)以及燃料种类变化对预热后气态组分中CO/CO_2生成转化特性的影响,分析现有焦炭燃烧模型与流态化预热过程的匹配程度。试验数据和模型预测对比分析表明,空气富氧气氛下,氧气浓度从21%增至28.2%的过程中,神木半焦流态化预热过程产生的预热气体中CO_2占比减少,CO占比增多,CO/CO_2比值从0.81增至1.45;神木烟煤在该气氛预热时,各参数与神木半焦呈现同样的变化趋势,且随氧气浓度从21.0%增至24.4%,CO/CO_2比值从0.51增至0.76。富氧气氛时神木半焦预热产生的CO与神木烟煤相比产量更高,CO/CO_2比值随氧气浓度增大而增大,但与空气富氧气氛下相比递增幅度较小。神木烟煤预热气体组分CO/CO_2的试验数据与Tognotti提出的焦炭燃烧模型预测值吻合度最高,富氧气氛下试验与预测结果误差在9%以内。     

O2/CO2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性的影响

近年在新疆准东地区探明了储量巨大的准东煤,而O₂/CO₂燃烧技术被认为是最有前景的碳捕集技术之一,因此研究准东煤的O₂/CO₂燃烧技术对中国煤炭的大规模高效清洁安全利用具有重要意义。然而目前鲜有O₂/CO₂气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性影响的相关研究。因此针对准东煤,利用灰熔点测定仪、SEM-EDS分析开展相关研究。实验结果表明：空气气氛、CO₂气氛及O₂/CO₂气氛的转变对准东煤灰熔融温度的影响可以忽略不计,但会在一定程度上改变煤灰的微观理化特性。O₂/CO₂气氛主要影响到煤灰表面Ba、Na和Ca元素的分布,而O₂浓度是影响准东煤灰表面微观形貌的主要因素。     

煤/生物质流态化富氧燃烧的CO2富集特性

流化床富氧燃烧是具有重要应用前景的燃烧中碳捕集技术。为更深入认识固体燃料的流态化富氧燃烧行为,构建了微型流态化反应-质谱联用实验系统,反应器直径10 mm,燃烧温度700～900℃,探索了基于在线质谱分析的流态化燃烧过程特性表征方法,以烟煤和花梨木为对象,研究了煤、生物质及其混合物在富氧气氛和流态化条件下的燃烧行为,重点考察了氧浓度、燃烧温度、煤与生物质质量比对CO₂谱峰曲线形态、反应总时间、起始反应时刻、烟气中富集CO₂体积分数、颗粒燃烧产生CO₂量、CO₂相对生成率等特性的影响。结果表明,在O₂/CO₂燃烧气氛下,随着氧体积分数增加,燃烧总反应时间缩短,颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加,但烟气中富集的CO₂体积分数减小;提高燃烧温度,缩短了燃烧过程所需的时间,可以促进CO₂的富集,烟气中CO₂浓度、颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加;生物质比例增大,起始反应时间提前,燃烧反应所需总时间减少,烟气中富集的CO₂浓度和颗粒燃烧产生的CO₂均减少,但CO₂生成速率增加。     

用于燃烧的富氧工艺

利用热天平研究了煤在不同的氧气浓度条件下的燃烧行为,利用中空纤维膜组件进行了氧气富集试验,研究了操作工况对富氧空气通量和氧气浓度的影响。结果表明随着氧气浓度的增加,煤的着火温度及燃烬温度提前,燃烧速度增大,富氧空气的体积分数为30%左右较为合适。用于燃烧的富氧工艺的温度为20 ℃,压力为0.9 MPa,回收率应控制在90%左右。     

流化床富氧气氛对SO2排放特性的影响

为了研究富氧燃烧气氛下煤在流化床中燃烧SO2排放特性,利用小型流化床反应器,以褐煤和无烟煤为试验原料,分别在21%、29%、42%和56%O2/CO2气氛下进行了燃烧试验,探究了燃烧气氛对流化床煤燃烧中SO2排放的影响。结果表明,在O2/CO2气氛下,随着氧气浓度的提高,2种不同类型的煤在770℃燃烧后,SO2排放量逐渐升高,褐煤SO2排放量从925×10-6增加到6 526×10-6,无烟煤的SO2排放量从1 310×10-6增加到5 357×10-6。与无烟煤相比,褐煤升高趋势更为明显。氧气浓度对SO2析出速率的影响显著,在15 s甚至更短时间使得SO2析出达到更高的峰值。氧气浓度从21%增至29%时,转化S显著增加,之后随着氧浓度增加,转化S增长趋缓。从机理上解释,高氧浓度为硫化物析出提供了更充足的氧气,促进了SO2的生成,同时高氧浓度加速了挥发分和焦炭的燃烧速度,改善了煤的燃烧和燃尽特性。通过增强煤本身的自热效应,煤燃烧过程加快,促进煤中硫元素的释放,SO2排放量也相应增加。随着氧浓度的增加,褐煤的CO保持在相对稳定的水平,说明氧浓度的变化对此影响较小。褐煤挥发分高,容易出现停留时间不足,导致不充分燃烧,烟气中含有一定量CO等气体。SO2的排放除了与氧气浓度有关外,主要还与煤中含硫量有关,通常含硫量越高,煤燃烧产生的SO2越多。由于试验煤种含硫量均较高,因此SO2排放量处于较高水平,在富氧燃烧过程中,针对含硫量较高的煤种,应充分考虑SO2排放控制问题。灰分也会影响SO2排放量,SiO2和Al2O3对SO2转化为SO3的影响较小,而CaO和MgO作用明显,煤灰中Fe2O3、K2O等含量对此转化过程也有一定影响。     

热重法研究褐煤的富氧燃烧特性

采用热重法(TG)研究了富氧条件下三种褐煤的燃烧特性。富氧气氛采用O2与N2混合气体,氧气体积百分含量分别为21%,30%,40%,80%。根据实验数据确定氧浓度对挥发份初析点、着火点、燃尽点及最大失重速率点的影响。结果表明,富氧气氛可改善褐煤的燃烧特性,使煤粉着火点、燃尽点、最大失重速率点提前,燃烧速度加快。     

O2/CO2气氛下不同煤质NO排放规律及燃烧特性李超

为减少电厂锅炉燃煤燃烧带来的NO等有害气体排放,结合华电节能减排目标与要求,在模拟实际燃煤燃烧环境的情况下,设置燃煤燃烧试验装置,并以无烟煤(SH)和烟煤(DT)作为研究对象,分别探讨上述两种燃煤在不同气氛、不同氧气浓度、不同温度下的NO排放特性,并分析两种燃煤在不同气氛下燃烧的着火温度和燃烧特性指数等。结果表明,在O2/CO2气氛下SH的NO排放浓度要整体小于DT,但SH的整体燃烧特性指数要小于DT,且通过燃煤燃烧特性指数看出,氧气浓度30%～40%燃烧特性最高。同时结果表明,在O2/CO2气氛下燃烧燃煤的着火温度要明显高于O2/N2,说明CO2直接取代N2不利于燃煤的燃烧。     

基于热重-质谱联用的煤粉富氧燃烧动力学及污染物生成特性

富氧燃烧是最具工业化前景的燃烧中碳捕集技术之一,为更深入掌握煤粉富氧燃烧的着火模式和污染物生成特性,本文构建了热重-质谱联用实验系统,以烟煤和无烟煤标准煤样为对象,针对3个不同的氧气体积分数:21%、30%和50%,研究了O_2/Ar和O_2/CO_2气氛下煤粉的富氧燃烧特性。结果表明,O_2/CO_2气氛下煤粉着火温度和燃尽温度均降低,燃烧速率提高,燃烧时间缩短;两种煤粉在O_2/Ar气氛下的燃烧都属于非均相着火,而富氧燃烧都属于均相着火模式;氧气体积分数在30%以上时,无烟煤O_2/CO_2燃烧的表观活化能明显低于O_2/Ar气氛,在相同工况下烟煤的表观活化能均低于无烟煤;O_2/CO_2气氛促进了CO和挥发分NO的逸出,生成温度均低于O_2/Ar气氛,CO会对NO起到还原作用。     

O_2/CO_2煤粉燃烧及NO_x污染排放的数值模拟

为了进一步全面评价O2/CO2煤粉燃烧特性,在前期实验基础上,通过数值模拟方法对空气、O2/CO2两种气氛下煤粉燃烧及污染物形成特性进行数值模拟,从而更充分了解O2/CO2燃煤过程火焰形成、传热和污染物形成特性,以便为合理组织流场、控制温度、获取合理的燃料和氧浓度分布状态及O2/CO2燃烧过程新燃烧器的设计提供必要的指导。     

煤矸石及煤泥燃烧过程重金属排放特性

煤矸石和煤泥是煤炭分选和开采过程中产生的固体废弃物,大量煤矸石、煤泥的堆存会产生一系列的环境和生态问题。燃烧发电是煤矸石、煤泥资源化利用的主要途径之一。煤矸石和煤泥中均含有一定量的重金属元素,如Hg、As、Pb等。在燃烧过程中这些有害元素的释放造成严重环境危害,因此研究煤矸石及煤泥燃烧过程重金属的排放特性意义重大。为考察煤矸石及煤泥在富氧气氛和空气气氛下燃烧时重金属的排放特性,研究了不同温度下平朔煤矸石和煤泥在O_2/CO_2气氛和空气气氛下燃烧时,As、Hg、Pb和Se的排放特性。采用Hydra-II测汞仪测量煤矸石、煤泥和灰中的Hg含量,采用ICP-AES测量煤矸石、煤泥和灰中的As、Pb和Se含量。研究结果表明,煤矸石及煤泥燃烧过程中,燃烧温度在500～1 000℃、O_2体积分数在20%～40%时,随着温度和O_2体积分数升高,煤矸石、煤泥的成灰比例降低。此外,煤矸石在O_2/CO_2气氛下燃烧时,随温度和O_2体积分数提高,As、Hg、Pb和Se在燃烧烟气中的占比升高,燃烧后所得灰占比降低。煤泥在O_2/CO_2气氛下燃烧时,随燃烧温度的升高,As、Hg、Pb更容易挥发到气相中;煤泥在空气气氛下燃烧时,As、Hg、Pb在烟气中的占比略高于相同温度、O_2/CO_2气氛下O_2体积分数为20%时的比例。