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1、富氧燃烧技术内容提要4富氧燃烧技术简介1235富氧燃烧煤燃烧特性富氧燃烧污染物析出特性应用1 富氧燃烧技术简介1.1 背景 我国能源消费中占据最重要的位置是煤煤燃烧产生的有害排放物引起越来越多的重视酸雨、臭氧层、温室效应1.2 富氧技术简介 用比通常空气含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，称为富氧燃烧 。O2/CO2燃烧技术/空气分离/烟气再循环1981年Horne和Steinburg提出 美国阿贡国家实验室(ANL) 研究证明只需对常规锅炉进行适当 的改造就可以采用此技术。图1 富氧燃烧示意图富氧燃烧技术主要由3 个基本步骤组成：空气分离、O2/ CO2 燃烧和电力产生 、烟气压缩与脱水。优点：（
2、1）燃烧效率高；锅炉效率也提高了。（2）燃烧产物中CO2的含量将达到95%左右，回收的费用更 低。（3）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。（4）在O2/CO2的气氛下，NOx的生成将会减少，如果再结合 低NOx燃烧技术，则有可能不用或少用脱氮设备。（5）采用O2/CO2燃烧技术减少了烟气量，简化了烟气处理 系统。燃烧温度可以由再循环的烟气量来控制。存在问题：（1）氧气的生产设备以及CO2压缩设备增加了电耗。（2）空气分离产生的大量副产品氮气还需要找到合适的处理 利用途径。（3）循环烟气中CO2的比热容较空气高且水蒸汽的含量也高 ，使燃烧推迟，需要对燃
3、烧器进行改进研究。（4）其他待研究的内容（如灰渣、换热、除尘）。2 富氧燃烧煤燃烧特性张永春等用x 射线光电子能谱(XPS)研究发现大同煤中的碳主要以芳香碳和 脂肪碳的形式存在，燃烧气氛中CO2 的存在，加快了芳香碳和脂肪碳的减少， 促进了酚碳、羰基和羧基的形成。研究者对O2 /CO2 气氛下煤粉燃烧特性的研究主要包括：着火特性、燃烧速率、燃尽特性、火焰传播速率等2.1 富氧燃烧规律Kimura N用小型试验台研究发现O2/CO2气氛下煤粉火焰不稳定且颜色发黑。Kiga T在微重力燃烧试验台上进行了煤粉火焰传播速度的测试，发现O2/CO2气 氛下火焰的传播速度明显低于在 O2/N2、O2/Ar
4、 气氛下，提高O2浓度可使其有所 改善。Toshiyuki Suda等认为CO2的体积比热容较N2的高,造成O2/ CO2气氛中煤粉的火焰 传播速度比相同氧含量的O2/N2气氛中下降1/31/5左右。研究发现与空气气氛相同O2浓度的O2/CO2 气氛下煤粉着火及燃尽延迟，燃烧速 率较低，燃尽温度高。CO2直接取代N2不可行影响因素：（1）O2浓度：Liu H、Klas A等研究发现将氧体积浓度提高至30%左右可获得与空气气氛下相 当的燃烧特性。李庆钊等研究发现提高O2 浓度对O2/CO2 气氛下煤粉的燃烧特性的影响主要表 现在对残焦燃尽过程的改善。（2）煤粉密度：吴乐等研究发现在O2/CO2气
5、氛下，随煤粉密度增加，燃尽温度升高，燃尽时间 增加，煤样较难燃尽，提高氧气浓度可降低燃尽温度。（4）温度：（3）挥发份：段伦博等发现由于挥发分的脱除, 相同O2 浓度下煤焦的失重开始时间和失重终止 时间比烟煤滞后, 最大失重率小于烟煤。杨海平等研究发现CO2 对煤焦的气化反应是吸热反应, 随着温度的升高, 气化反 应的速率提高, 对煤焦的燃尽产生不利影响。但李庆钊等研究发现在高温条件下CO2 对煤焦的气化反应加剧，加快了煤粒的反 应速率，使得燃尽程度增加。42.2 富氧燃烧动力学特性李庆钊等研究发现煤粉在O2 / CO2 气氛下燃烧反应的动力学参数与空气气氛下燃 烧时有明显不同，随着煤质的提高
6、,反应活化能均明显增加。唐强等研究发现煤粉燃烧反应低温段的活化能和频率因子较高温段低,反应级数较 小。但骆仲泱等研究发现CO2 的存在没有构成对煤焦反应动力学的影响。3 富氧燃烧污染物析出特性 3.1 SOx的析出特性 3.1.1 SOx的析出过程 段伦博等在常压热重分析 仪上进行了烟煤在模拟空气和 不同O2/CO2 浓度下的燃烧试验 并通过傅里叶变换红外光谱仪 对S的释放进行测量。Croiset E等研究发现在O2 / CO2 气氛下SO2 的转化率由空气气氛下的91% 下 降为约64%。53.1.2 SOx的析出规律研究发现：在O2/CO2气氛下，烟煤燃烧的SO2总生成量比在同等O2 浓度
7、的空 气气氛下小。原因：1）气氛中增加的CO造成的还原性气氛2）煤灰自脱硫3.2 喷钙脱硫特性 陈传敏等研究发现O2/CO2气氛下的硫化速度高于空气气氛。原因：（1）高CO2浓度使石灰石燃烧反应减慢 （2）在CaO/CaCO3界面上CO2的产生使CaSO4产物层扩散阻力降低研究发现O2/CO2气氛下CaO孔结构受烧结影响的程度要比空气气氛下轻微。6影响喷钙脱硫因素：（1）温度（2）停留时间（3）CO2浓度 刘现卓和陈传敏等研究发现CaO的比孔容积和比表面积均随着气氛中CO2 浓度的增加而下降。炉内喷钙能够具有高脱硫效率的机理是： 1）均相反应。炉内在高CO2 气氛下产生的较高浓度的CO，进而产
8、生较高的COS ，在煤中氧化铝的催化作用下COS 与SO2 发生反应生成单质硫：2）非均相反应。炉内高浓度的CO2 抑制了碳酸钙的分解，导致了碳酸钙的直接脱 硫反应，使得脱硫剂不易烧结：3）分解的碳酸钙在高CO2 气氛下，再次生成碳酸钙，具有很好的空隙结构，更容 易脱硫。 4）烟气循环会增加SO2 停留时间，提高SO2的浓度，从而提高了脱硫效率。3.3 NO的析出特性 3.3.1 NO的析出规律 Kimura N发现O2 / CO2 燃烧方式下NOx的排放大约只有常规燃烧方式下的1/ 3 左右。陈传敏等研究发现O2 /CO2 气氛下NOx 的生成量均小于空气气氛下，原因如下 ：1）避免了热力型
9、NOx 和快速型NOx 的生成 2）燃料N向NO的转化率降低 3）还原气氛下已生成的NOx 被还原为N2 ；另一方面，由于再循环烟气致使 NOx的停留时间大为增加3.3.2 影响NO的析出因素1）CO2的含量2）温度但增加缓慢3）燃料/氧气化学当量李庆钊等于岩等研究发现真实烟气循环时，O2/CO2 燃烧技术中挥发分还原再循环的NOx 是NOx 减少的最主要原因。在O2/CO2 循环燃烧过程中，NOx 显著降低的主要原因为：1）由于O2/CO2 循环燃烧，杜绝了空气，这样就消除了热力型和快速型NOx。 2）高浓度CO2 气氛下，产生较多的CO；在高温下，焦炭表面CO 与NO 进行催化 反应，将N
10、O还原为N2：3）烟气循环，导致NO 在炉膛中的停留时间增加，增强了NO 与燃料N 之间以及 焦炭表面NO与CO 的还原反应，从而提高了脱硝效率。结论：O2/CO2 循环燃烧过程中，采用炉内喷钙，能够有效达到SO2 和NOx 协 同脱除。3.4 污染物脱除的中试研究段伦博等研究发现O2 / CO2 气氛下, 石灰石添加对燃煤NO排放有一定的减排 作用, 且在试验温度范围内, 随着温度的升高, 其减排作用增强。日本的Kimura 于1995 年在1.2 MW 中型试验台上研究了煤O2/ CO2 循环燃 烧过程中NOx 的排放特性。加拿大Croiset在0.21 MW 的中型试验台上研究了28%、35%和42%的氧气供 给浓度下NOx 和SO2 的排放特性。华科建成了国内第1 个0.3 MW 的中型O2/CO2循环燃烧实验台，进行了在 O2/CO2 循环燃烧方式下燃煤污染物协同脱除的实验研究。（1）建立在常规煤粉炉基础上的O2/CO2煤粉燃烧系统（2） IGCC系统（3）新型的化石燃料驱动的燃料电池（4）燃煤的磁流体发电技术MHD4 应用谢谢!
