1、富氧燃烧技术介绍富氧燃烧技术介绍目录富氧燃烧技术概况富氧燃烧技术概况二富氧燃烧技术节能机理富氧燃烧技术节能机理三 SOx的析出特性的析出特性四五NOx的析出特性的析出特性一背景背景-能源利用现状能源利用现状中国能源消费总量及煤炭比重趋势图 一、背景一、背景我国能源利用现状我国能源利用现状 一、背景一、背景我国能源利用现状我国能源利用现状20122012年底，全国发电总装机容量达到年底，全国发电总装机容量达到 11.411.4亿千瓦亿千瓦，同比增长，同比增长 7.8%7.8%。其中煤电共。其中煤电共 7.67.6亿亿千瓦，千瓦，20132013年底，全国发电装机容量年底，全国发电装机容量12.4
2、712.47亿千瓦亿千瓦，同比增长，同比增长9.3%9.3%，首次超越美国位居世界第一。其中火电首次超越美国位居世界第一。其中火电8.68.6亿千瓦。亿千瓦。可预见的未来几十年内，煤炭仍将是我国主要的一次能源，可预见的未来几十年内，煤炭仍将是我国主要的一次能源，这决定了在我国的电力工业中，燃煤火力发电将长期占据主这决定了在我国的电力工业中，燃煤火力发电将长期占据主导地位。导地位。19901990年全世界二氧化碳的排放量为年全世界二氧化碳的排放量为206.88206.88亿吨，到亿吨，到20052005年年这一数据增加至这一数据增加至266.2266.2亿吨。目前，亿吨。目前，世界二氧化碳排放总
3、世界二氧化碳排放总量仍在迅速上升，中国已成为世界第一碳排放国。量仍在迅速上升，中国已成为世界第一碳排放国。我国环境容量上限为二氧化硫我国环境容量上限为二氧化硫1620 1620 万吨万吨,氮氧化物氮氧化物1880 1880 万吨。如不采取有效措施万吨。如不采取有效措施,预计到预计到2020 2020 年年,SO,SO2 2 和和NONOx x 的排放量将分别达到的排放量将分别达到4000 4000 万吨和万吨和3500 3500 万吨万吨。深入研究煤炭高效洁净化利用深入研究煤炭高效洁净化利用,开发高效、洁净的燃煤发开发高效、洁净的燃煤发电技术电技术,是保障国民经济持续健康快速发展和保护环境的是
4、保障国民经济持续健康快速发展和保护环境的迫切需要。迫切需要。一、背景一、背景我国能源利用现状我国能源利用现状二、富氧燃烧技术概况1 1富氧燃烧定义富氧燃烧定义富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）和工业锅炉均适用，富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）和工业锅炉均适用，既能既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能，广，广义上讲凡是用空气参与反应的均可用富氧代替。义上讲凡是用空气参与反应的均可用富氧代替。燃烧是空气中的氧参与燃料氧化并同时发出光和热的过程。燃烧是空气中的氧参与燃料氧化并同时发出光和热的过程。富氧燃烧是指助燃用
5、的氧化剂中的氧浓度高于空气中的氧浓度富氧燃烧是指助燃用的氧化剂中的氧浓度高于空气中的氧浓度（根据实际情况可采用局部富氧和整体富氧），直至纯氧燃烧。（根据实际情况可采用局部富氧和整体富氧），直至纯氧燃烧。二、富氧燃烧技术概况2 2、富氧燃烧技术富氧燃烧技术富氧燃烧技术富氧燃烧技术,又称为又称为空气分离空气分离/烟气再循环技术烟气再循环技术或或氧燃料燃烧技氧燃料燃烧技术术。采用烟气再循环的方式采用烟气再循环的方式,使燃烧炉内使燃烧炉内COCO2 2浓度提高浓度提高。O O2 2与烟与烟气中气中COCO2 2以一定比例混合以一定比例混合,作为燃烧的氧化剂作为燃烧的氧化剂,使燃料燃烧可使燃料燃烧可保持
6、燃烧温度保持燃烧温度,最终得到了与空气燃烧方式一样的热能。最终得到了与空气燃烧方式一样的热能。富氧燃烧技术主要由富氧燃烧技术主要由3 3 个基本步骤组成：空气分离、个基本步骤组成：空气分离、O O2 2/COCO2 2 燃烧和烟气压缩与脱水。燃烧和烟气压缩与脱水。二、富氧燃烧技术概况CO2 concentration:95%NOx reduction:30%-70%SO2 removal by limestone:40%-90%Thermal efficiency increase:3%70%的CO2其余为水70%75%烟气95%CO295%以上Enhanced Coal Bed Methan
7、e.获取不可开采的煤层中的天然气。CBM应用广泛，而BCBM很少。很有前景，储量丰富，靠近CO2产生地。但目前还未见大规模工程示范。Enhanced Oil Recovery.美国应用最为广泛，2003年世界有84个工程应用项目。海洋是一个自然的碳汇，存储量巨大。但CO2深海储藏的技术还未完全掌握。COCO2 2利用方式利用方式EORBCBMOceanStorageDeep SalineAquifer二、富氧燃烧技术概况3 3、富氧燃烧技术富氧燃烧技术研究热点研究热点热传递评价热传递评价焦炭燃尽率焦炭燃尽率着火特性与着火特性与火焰稳定性火焰稳定性气体排放控制气体排放控制在相同绝热火焰温度情况下
8、，在相同绝热火焰温度情况下，辐射换热增强，对流换热辐射换热增强，对流换热减弱，需要对锅炉部分改造或操作条件优化减弱，需要对锅炉部分改造或操作条件优化，保证满意，保证满意的能量平衡。的能量平衡。高高COCO2 2气氛下，气氛下，char-COchar-CO2 2反应。低温下（如反应。低温下（如400400-900-900，），）可忽略，因其反应速率远低于可忽略，因其反应速率远低于char-Ochar-O2 2反应；反应；高温下，碳高温下，碳粒边界层存在明显的粒边界层存在明显的COCO产物。产物。微重力设备中进行试验，保证煤粉均相布置，防止自然微重力设备中进行试验，保证煤粉均相布置，防止自然对流。
9、对流。COCO2 2高热容，导致火焰传播速度慢，着火延迟，影高热容，导致火焰传播速度慢，着火延迟，影响火焰稳定性。响火焰稳定性。COCO2 2，NOxNOx，SOSO2 2，亚微米级飞灰颗粒，痕量元素，亚微米级飞灰颗粒，痕量元素二、富氧燃烧技术概况11气气体体排排放放控控制制COCO2 2：试验室试验，：试验室试验，烟气中烟气中COCO2 2浓度可达浓度可达95%95%；中试试验，浓度；中试试验，浓度为为80%-92%80%-92%。NOxNOx：NOxNOx排放较空气气氛下减少排放较空气气氛下减少2/32/3以上以上：热力型：热力型NOxNOx减少，减少，循环烟气中循环烟气中NOxNOx的还
10、原。的还原。SOSO2 2：试验表明，：试验表明，排放量减少，浓度增大，排放量减少，浓度增大，S S转化率转化率91%91%64%64%。亚微米级颗粒：难熔氧化物气化，导致数量明显增加亚微米级颗粒：难熔氧化物气化，导致数量明显增加；高浓；高浓度度COCO2 2改变氧化物中改变氧化物中CO/COCO/CO2 2比例，影响气化。比例，影响气化。痕量元素：气相中，汞、硒、砷含量较空气下高。痕量元素：气相中，汞、硒、砷含量较空气下高。二、富氧燃烧技术概况一、富氧燃烧技术概况4 4、富氧燃烧技术研究进展、富氧燃烧技术研究进展富氧燃烧的概念在富氧燃烧的概念在19811981年由年由HomeHome和和St
11、einburgSteinburg首次提出首次提出,并得到并得到美国阿贡国家实验室的验证。美国阿贡国家实验室的验证。研究表明常规锅炉进行适当的改造研究表明常规锅炉进行适当的改造即可采用此技术。即可采用此技术。随着随着人们对全球气候变化与温室效应的认识人们对全球气候变化与温室效应的认识,这项技术的研究与这项技术的研究与应用也得到了极大的重视和发展。美国、日本、加拿大、英国、应用也得到了极大的重视和发展。美国、日本、加拿大、英国、德国、荷兰、法国、瑞典、挪威、俄罗斯等国家都开展了富氧燃德国、荷兰、法国、瑞典、挪威、俄罗斯等国家都开展了富氧燃烧技术试验及技术经济性研究。烧技术试验及技术经济性研究。国内
12、浙江大学、华中科技大学、东南大学、华北电力大学和清国内浙江大学、华中科技大学、东南大学、华北电力大学和清华大学等高校的研究人员近年来也开展了对该项技术的积极研究，华大学等高校的研究人员近年来也开展了对该项技术的积极研究，已逐渐在各领域广泛推广应用。已逐渐在各领域广泛推广应用。二、富氧燃烧技术概况5 5、富氧燃烧技术的应用及优势、富氧燃烧技术的应用及优势（1 1）燃烧效率高；锅炉效率也提高了。）燃烧效率高；锅炉效率也提高了。当前最容易为工业界所接受的当前最容易为工业界所接受的co2减排技术减排技术（2 2）燃烧产物中）燃烧产物中COCO2 2的含量将达到的含量将达到95%95%左右，回收的费用更
13、低。左右，回收的费用更低。（3 3）在液化处理以）在液化处理以COCO2 2为主的烟气时，为主的烟气时，SOSO2 2同时也被液化回收，同时也被液化回收，可省去烟气脱硫设备。可省去烟气脱硫设备。（4 4）在）在O O2 2/CO/CO2 2的气氛下，的气氛下，SOSOx x、NOxNOx的生成将会减少，如果再结的生成将会减少，如果再结合低合低NOxNOx燃烧技术，则有可能不用或少用脱氮设备。燃烧技术，则有可能不用或少用脱氮设备。（5 5）采用）采用O O2 2/CO/CO2 2燃烧技术减少了烟气量，简化了烟气处理系统。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
14、。燃烧温度可以由再循环的烟气量来控制。二、富氧燃烧技术概况 6 6、富氧燃烧的瓶颈问题、富氧燃烧的瓶颈问题存在问题：存在问题：（1 1）氧气的生产设备以及）氧气的生产设备以及COCO2 2压缩设备增加了电耗。压缩设备增加了电耗。（2 2）空气分离产生的大量副产品氮气还需要找到合适的）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。处理利用途径。（3 3）循环烟气中）循环烟气中CO2CO2的比热容较空气高且水蒸汽的含量也高，的比热容较空气高且水蒸汽的含量也高，使燃烧推迟，需要对燃烧器进行改进研究。使燃烧推迟，需要对燃烧器进行改进研究。（4 4）其他待研究的内容（如灰渣、换热、除尘）。）
15、其他待研究的内容（如灰渣、换热、除尘）。三、富氧燃烧技术节能机理火焰温度火焰温度燃烧速度燃烧速度燃烧特性燃烧特性12燃点温度燃点温度4烟气量烟气量3三、富氧燃烧技术节能机理1 1、提高火焰温度、提高火焰温度城市煤气理论火焰温度与氧浓度关系图常规燃烧中的空气中仅有常规燃烧中的空气中仅有21%21%的氧气参与燃的氧气参与燃烧过程烧过程,而近而近79%79%的氮气不仅不参与燃烧而且的氮气不仅不参与燃烧而且还严重阻碍燃烧的进行。一是会严重阻碍燃还严重阻碍燃烧的进行。一是会严重阻碍燃料和氧气分子之间的接触碰撞的机会料和氧气分子之间的接触碰撞的机会,使燃使燃烧速率降低烧速率降低;二是氮气还会在高温的条件下
16、二是氮气还会在高温的条件下与氧气发生化合反应吸收大量的热量并从燃与氧气发生化合反应吸收大量的热量并从燃烧反应中吸收热量烧反应中吸收热量,降低理论燃烧温度降低理论燃烧温度,作为作为烟气排出烟气排出,造成能源浪费造成能源浪费三、富氧燃烧技术节能机理不同燃料及富氧率燃烧温度估算对比三、富氧燃烧技术节能机理2 2、加快燃烧速度，促进煤粉燃烧完全、加快燃烧速度，促进煤粉燃烧完全 同一种燃料在空气和纯氧中的燃烧速度相差甚大同一种燃料在空气和纯氧中的燃烧速度相差甚大,如氢气在空气中的如氢气在空气中的层流火焰传播速度最大为层流火焰传播速度最大为280 cm/s280 cm/s,在纯氧中则为在纯氧中则为1175
17、 cm/s1175 cm/s,是在空气是在空气中的中的4.24.2倍倍,天然气则高达天然气则高达10.710.7倍倍;释放出同样的热量释放出同样的热量,燃烧速度快的燃料燃烧速度快的燃料(如乙块如乙块)其火焰小而密实其火焰小而密实,而燃烧速度慢的燃料而燃烧速度慢的燃料(如天然气如天然气)其火焰是大火其火焰是大火焰层焰层。燃烧燃烧速度加快的原因。燃烧燃烧速度加快的原因,基本上都是由于加入基本上都是由于加入氧气后火焰温度得氧气后火焰温度得到了提高到了提高。三、富氧燃烧技术节能机理3 3、降低过量空气系数，减少燃烧后烟气量、降低过量空气系数，减少燃烧后烟气量使用含氧量为使用含氧量为27%27%的富氧空
18、气燃烧与氧浓度为的富氧空气燃烧与氧浓度为21%21%的空气的空气燃烧比较燃烧比较,过量空气系数过量空气系数=1=1时时,则烟气体积减少则烟气体积减少20%,20%,排烟热损失也相应减少而节能。排烟热损失也相应减少而节能。烟气量的减少会提高烟气量的减少会提高COCO2 2、SOSO2 2、NONOX X等气体的体积浓度，等气体的体积浓度，这就有利于它们的回收利用，减少它们对环境的污染。这就有利于它们的回收利用，减少它们对环境的污染。三、富氧燃烧技术节能机理4 4、降低燃料燃点温度，燃尽时间降低、降低燃料燃点温度，燃尽时间降低燃料的燃料的燃点温度燃点温度随燃烧条件变化而变化。燃料的燃点温度随燃烧条
19、件变化而变化。燃料的燃点温度不是一个不是一个常数。常数。如市政垃圾的燃点很高如市政垃圾的燃点很高,普通空气助燃下不易燃烧。将富氧燃烧技普通空气助燃下不易燃烧。将富氧燃烧技术应用于垃圾焚烧炉中术应用于垃圾焚烧炉中,能收到可观的经济和环保效益。能收到可观的经济和环保效益。四、四、SOx的析出特性的析出特性从已有的实验中，发现在高从已有的实验中，发现在高O O2 2/CO/CO2 2烟气循环方式下烟气循环方式下SOxSOx的排放量的排放量比空气助燃要低，比空气助燃要低，燃料中的硫转化为燃料中的硫转化为SOSO2 2的比率分别是的比率分别是6464（O O2 2/CO/CO2 2)、9292（AIRA
20、IR）研究发现：在研究发现：在O O2 2/CO/CO2 2气氛下，烟煤燃烧的气氛下，烟煤燃烧的SOSO2 2总生成量比在同总生成量比在同等等O O2 2 浓度的空气气氛下小。浓度的空气气氛下小。四、四、SOx的析出特性的析出特性2 2）一部分的硫被固定到灰中。）一部分的硫被固定到灰中。1 1）均相反应。炉内在高）均相反应。炉内在高COCO2 2 气氛下产生的较高浓度的气氛下产生的较高浓度的COCO，进而，进而产生较高的产生较高的COSCOS，在煤中氧化铝的催化作用下，在煤中氧化铝的催化作用下COS COS 与与SOSO2 2 发生反发生反应生成单质硫：应生成单质硫：有研究表明在有研究表明在O
21、 O2 2/CO/CO2 2方式下，采用炉内脱硫可以方式下，采用炉内脱硫可以提高脱硫效率提高脱硫效率4 4到到8 8倍。倍。四、四、SOx的析出特性的析出特性3 3）烟气循环会增加）烟气循环会增加SOSO2 2 停留时间，提高停留时间，提高SOSO2 2的浓度，从而提高了脱硫效率。的浓度，从而提高了脱硫效率。1 1）非均相反应。炉内高浓度的）非均相反应。炉内高浓度的COCO2 2 抑制了碳酸钙的分解，导致了碳酸钙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。的直接脱硫反应，使得脱硫剂不易烧结。2 2）分解的碳酸钙在高）分解的碳酸钙在高COCO2 2 气氛下，再次生成碳酸钙
22、，具有很好的空气氛下，再次生成碳酸钙，具有很好的空隙结构，更容易脱硫。隙结构，更容易脱硫。Kimura N发现发现O2/CO2 燃烧方式下燃烧方式下NOx的排放大约只有常规燃烧方的排放大约只有常规燃烧方式下的式下的1/3 左右。左右。五、五、NOx的析出特性的析出特性NOx排放较空气气氛下减少排放较空气气氛下减少2/3以上。以上。1）热力型）热力型NOx减少。减少。2）循环烟气中）循环烟气中NOx的还原。的还原。3）烟气循环，导致）烟气循环，导致NO 在炉膛中的停留时间增加，增强了在炉膛中的停留时间增加，增强了NO 与燃料与燃料N 之间以及焦炭表面之间以及焦炭表面NO与与CO 的还原反应，从而提高了脱硝效率。的还原反应，从而提高了脱硝效率。五、五、NOx的析出特性的析出特性在在O2/CO2 循环燃烧过程中，循环燃烧过程中，NOx 显著降低的主要原因为：显著降低的主要原因为：1）由于）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循环燃烧，杜绝了空气，这样就消除了热力型和快速型型NOx。2）高浓度）高浓度CO2 气氛下，产生较多的气氛下，产生较多的CO；在高温下，焦炭表面；在高温下，焦炭表面CO 与与NO 进行催化反应，将进行催化反应，将NO还原为还原为N2：谢谢！谢谢！
