富氧煤粉燃烧锅炉概念设计研究阎维平，米翠丽

　　富氧燃烧；锅炉；概念设计；2浓度；2捕集基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）基金资助项目增压流化床富氧燃煤发电新技术（2009AA05Z310）技术经济综述热ns电二11炉煤粉燃烧技术和锅炉安全经济运行的教学和研究技术经济综述斑ns电二I国际组织预测111，如果不对CO2排放采取严格的控制措施，在50年以后，将不能在地球上继续使用矿物燃料，所以近年来在火力发电厂C02的捕集、压缩液化与封存（CCS）技术的研究已经成为一项非常重要的任务。压缩液化C2技术成熟且成本基本一定，而捕集CO2的技术是目前颇为关注的研究课题。

　　富氧燃烧技术又称O2/CO2燃烧技术或者空气分离/烟气再循环技术是一种不用分离就能直接捕集高浓度CO2，又能综合控制燃煤污染排放的新一代洁净煤发电技术IWSI.锅炉尾部排烟的一部分烟气再循环至炉前，与空气分离装置制取的氧气按一定的比例混合后送入炉膛，在炉内组织与常规燃烧方式类似的燃烧过程。由于锅炉排烟量减少，因此锅炉热效率可提高约5个百分点。但是，空气分离制氧使发电成本大大增加，电站循环效率降低约9个百分点。

　　富氧燃烧技术原理对常规空气燃烧锅炉实施烟气再循环O2/CO2燃烧改造，是研究早、实施难度相对较小的富氧燃烧技术。由于常规煤粉燃烧锅炉的设计均是基于空气燃烧，空气中的氧气与氮气比例固定不变，过量空气系数确定后，燃烧产物的量也相应确定，因此在进行锅炉燃烧与传热优化设计时从未将烟气量作为一个可变的因素加以考虑。采用O2/CO2燃烧方式时，由于燃烧中CO2再循环的比例及送入炉膛的氧气浓度在一定范围内是可变化的因素，即燃烧产物的量与炉膛的燃烧温度随O2/CO2比例而变化，因此该比例可作为优化设计的选择变量。所以，采用富氧燃烧的锅炉设备，可突破常规煤粉燃烧锅炉燃烧、辐射传热和对流传热等方面的设计限制，使煤粉的燃烧与燃尽、传热及阻力损失达到更合理的工况，降低锅炉制造成本与运行费用，部分地弥补由于制氧而增加的成本。同时，结合捕集CO2的烟气处理工艺，使常规燃烧锅炉需要花费高成本脱除的硫化物与氮氧化物等变为较低回收成本的可利用资源。

　　本文以300MW等级的煤粉燃烧锅炉为研究对象，分别从炉膛辐射、对流受热面、尾部受热面、制粉系统及气体污染物的处理与回收等方面对富氧燃烧锅炉进行概念设计，探讨其技术可行性与经济性。

　　1富氧燃烧锅炉系统为采用富氧燃烧技术且进行C02捕集的自然循环锅炉系统，与常规煤粉燃烧锅炉系统不同的是增加了空气分离制氧装置、烟气再循环系统和排烟处理系统。

　　1.1锅炉燃烧与烟风系统空气分离制取的氧气与再循环烟气及携带的煤粉送入炉膛燃烧，燃烧产物依次经过锅炉的各个受热面完成换热，燃低硫煤时不设脱硫装置。省煤器出口的烟气被除去大部分粉尘后分为两部分，一部分直接用做调节炉内火焰温度的再循环烟气，不脱除水分直接送入炉膛；另一部分经过气-气换热器放热，再经过冷凝器冷却并脱除大部分水分，然后将其中的一部分再循环回气-气换热器加热升温后作为制粉系统的干燥介质。这两部分再循环烟气的比例应首先满足制粉通风量的要求，其余部分直接送入炉膛。除再循环烟气外的烟气经压缩冷却后送入烟气回收处理系统。

　　由于炉膛采用液态排渣方式，烟气中的大部分飞灰在炉膛被捕集烟气中飞灰可燃物大大低于固态排渣炉。因此，省煤器出口烟气只需采用简单、阻力较低的离心式分离器，残余的少量灰分在后续烟气处理流程中脱除。

　　与常规空气燃烧锅炉类似，锅炉炉膛仍维持微负压燃烧，气-气换热器后设置锅炉引风机用于克服炉膛后所有受热面及除尘器的阻力，由于烟气量远小于空气燃烧，因此风机容量较小。再循环回炉膛的烟气与脱除水分并经加热升温后送入制粉系统的烟气需要烟气再循环风机提升压力以克服输送的阻力，早期的锅炉多有采用高温含尘烟气再循环风机的实例。

　　1.2制粉系统经脱水并经过气-气换热器加热升温的再循环烟气，送入制粉系统做为干燥剂，随后输送煤粉至炉前与氧气混合后进入炉膛燃烧。

　　1.热量回收利用系统省煤器后设置类似于空气预热器的气-气热交换器，既可回收烟气热量，又可预热制粉系统干燥所需的再循环烟气及送入炉膛的氧气。气-气热交换器下游为烟气冷凝脱水装置，烟气冷凝脱水过程中将先达到烟气酸露点温度，因此需考虑受热面的防腐。空气分离后的氮气和氧气温度低于20°C，可以分别用于烟气冷凝脱水装置和烟气一级压缩后的冷却介质，电厂的循环冷却水也可以作为冷却介质。

　　1.4烟气处理与污染物回收系统烟气冷凝脱水后不参与再循环的烟气继续逐级加压、冷却，完成烟气液化回收过程。在对烟气进行CO2液化回收后，烟气中S2的分压力会大大提高，从而具有进一步回收利用的可能性，烟气中NO的浓度也会提高，可采用类似湿法脱除NO的成熟工艺，使NO强制氧化成为N2，NO2溶于水形成稀硝酸溶液直接回收。

　　2受热面与制粉系统概念设计2.煤粉燃烧煤粉的纯氧燃烧具有提高燃烧效率的突出优点，因此只要合理地考虑系统的防爆合理设计氧气送入的位置，在一定范围内提高燃烧介质的氧气浓度是有利的。掺入再循环烟气的主要目的是调节炉膛的烟气温度。

　　2.2炉膛的辐射换热技术经济综述热ns电二I亚临界300 MW级富氧燃烧锅炉系统目前所开展的富氧燃烧研究均局限于现有空气煤粉燃烧锅炉的改造，从满足空气燃烧炉膛的温度来选择2/C2的比例。试验与理论计算均表明，2比例约为25~27时，可以使炉膛燃烧平均温度与空气燃烧基本一致。煤在空气条件下的理论燃烧温度是一定的，因此炉膛的辐射换热是有上限的。当氧气比例增加时，煤的理论燃烧温度升高，存在提高炉膛内辐射换热强度的可能性。

　　氧气比例增加时，火焰温度提高，炉膛辐射换热增强，所需要的炉膛受热面积减小，炉膛容积也应相应减少，炉膛容积热负荷与截面热负荷增大。为了克服随之而来的炉膛壁面结渣问题，锅炉宜采用液态排渣方式，液态排渣炉中的灰渣被大量捕集使飞灰份额大大减少，也降低了省煤器后烟气除尘的负担。另外，炉膛热负荷值的选择可以国内已经运行的300MW机组液态排胗炉的运行参数。

　　氧浓度增加、炉膛燃烧温度升高及采用液态排渣等，均会造成NO大幅度增加，但是C2冷凝液化后烟气中NO气体浓度越高，越有利于回收。

　　在维持炉膛出口烟气温度不变的条件下，锅炉的辐射换热所占的份额将会增加，需将更多的过热器受热面移入炉膛。而且，氧浓度增加将使SO2向SO3的转化率不同程度的提高，以及采用液态排渣增加了炉膛水冷壁金属腐蚀的可能性。

　　2.3对流受热面的换热炉膛平均温度提高，在维持炉膛出口烟气温度基本不变的条件下，锅炉的辐射换热所占的份额将会增加，对流换热份额相应减少，对流受热面相对减少，烟气对流换热是以消耗烟气流动阻力为代价的，因此对减少流动阻力较为有利。另外，由于炉膛采用液态排渣方式，飞灰被大量捕集烟气中的飞灰浓度减小，使尾部受热面烟气流速提高。

　　2.4制粉系统的运行优化由于采用以CO2气体为主的再循环烟气来干燥与磨制煤粉，而CO2是惰性气体，磨煤机出口的温度可以突破现有热空气制粉系统的限制得以提高。这样，一方面可以使干燥介质温度提高，从而提高磨煤出力，降低制粉电耗，另一方面用于干燥的再循环烟气可以大限度地回收省煤器后的烟气热量，完全避免常规锅炉制粉系统掺混冷风而降低锅炉效率的问题。

　　3热力计算以300MW等级燃用低硫褐煤的煤粉锅炉为概念设计研究对象，其燃煤工业分析和元素分析见表1，锅炉主要额定参数见表2.表1煤工业分析和元素分析技术经济综述斑ns电二11表2锅炉主要额定参数项目数值大连续蒸发量/t过热器出口蒸汽温度/°c过热器出口蒸汽压力/MPa再热蒸汽流量/t再热蒸汽进/出口汽温/°c再热蒸汽进/出口压力/MPa省煤器进口给水温度/°c省煤器进口给水压力/MPa炉膛辐射受热面换热量炉膛出口温度由煤的结渣温度控制，本文按常规方法取1100当炉膛出口温度与O2/CO2比例确定后，根据双灰体零维模型l1M0炉膛的辐射换热量IO；s，Fi分别为炉膛系统黑度与炉膛换热壁面积；Thy，Tb分别为炉膛内烟气的平均温度和炉膛辐射壁面温度，K表3为空气和富氧燃烧方式下炉内理论燃烧温度与辐射换热量的计算值。与空气燃烧方式相比，2/CO2比例大于30时，理论燃烧温度升高，火焰平均温度升高，以CO2为主的烟气辐射强度也增加，因此，炉膛辐射换热量增加，则需要的炉膛辐射受热面积相应减少。譬如，在352/65C2条件下，理论燃烧温度比空气燃烧时高283°C，炉膛辐射换热量增加约15.表3炉膛理论燃烧温度和辐射吸热量对比工况理论燃烧温度/c炉膛辐射吸热量/k.kg炉膛辐射换热量/k相对于空气燃烧方式的增加/空气气氛3.2对流受热面换热量锅炉对流受热面烟气侧热平衡方程与工质侧热平衡方程分别为式（3）与式（4）：漏入的冷空气焓值，l/kg；Aa为对流受热面漏风系数；i，i"分别为受热面进、出口处蒸汽（或水）的焓值，kAg；为受热面的蒸汽（或水）的流量，kg/s.随着O2/CO2比例提高，炉膛的辐射换热量增加；与空气燃烧时相比，总烟气量减少，对流换热总量减少。空气以及各种O2/CO2比例下总烟气量与锅炉对流吸热量的对比见表4.由表4可见，O2/CO2比例大于30时，炉膛出口后的对流换热量较空气燃烧时减少。

　　表4对流吸热量对比工况总烟气量（标准状态）相对于空气燃烧方式下烟气量的减少/对流吸热量/kkg1对流吸热量/k°s1相对于空气燃烧减少/空气气氛3.3烟气侧与工质侧热量匹配和蒸汽过热到一定温度（辐射与半辐射过热器）。本文3.3.1炉膛辐射放热量与工质吸热量计算未布置炉膛辐射再热器，各种燃烧工况下热量的在自然循环锅炉中，炉膛烟气辐射放热量用于将比较见表5.省煤器出口的欠焓水加热至饱和蒸汽（水冷壁），将饱表5烟气辐射放热量与工质吸热的匹配工况炉膛总辐射换欠焓水加热至饱和蒸汽炉膛内辐射过热器富氧燃烧方式炉膛内辐射过热器热量/ ks1的吸热量/k.s1吸热量/ks1吸热量较空气燃烧方式的增加/技术经济综述锅炉蒸汽参数一定，则欠焓水加热至饱和蒸汽的吸热量一定。对亚临界压力参数锅炉，烟气在炉膛的总换热量明显大于欠焓水加热至饱和蒸汽的吸热量。

　　在空气燃烧的条件下，需要在炉膛上部布置一定数量的屏式过热器或壁式过热器，以满足炉膛辐射换热量的要求；在富氧燃烧条件下，由于炉膛总辐射换热量增力口，炉膛内辐射过热器吸热量也增加，因此需要将更多的过热受热面移入炉膛。352/65C2富氧燃烧乏与空气燃烧比较，炉膛内的辐射过热受热面增加约3.3.2炉膛出口后的烟气对流放热量与工质吸热量―炉膛出口后直至省煤器出口的烟气对流放热量为炉膛出口烟温对应的热量与省煤器出口烟温（给水温度+小传热温差100°c）对应的热量之差，由3部分受热面所吸收热量之和匹配：（1）部分过热蒸汽吸热；（2）全部再热蒸汽吸热（本文假设再热器全部为对流式受热面）（3）省煤器吸热。

　　炉膛出口后的烟气对流放热量与工质吸热量的匹配见表6.由表6可知，在省煤器出口烟温由传热约束而取为定值的条件下，炉膛出口至省煤器出口烟气放热量也相应确定。在满足部分过热与全部再热吸热后，将省煤器出口水温加热至约300°C.在富氧燃烧条件下，炉膛出口至省煤器出口烟气放热量减少，需要的过热吸热也减少，再热吸热不变，而省煤器吸热也相应降低。

　　表6炉膛出口后的烟气对流放热量与工质吸热量的匹配工况炉膛出口烟温，C炉膛出口烟气携带热量/k省煤器后烟气携带热量/k炉膛出口至省煤器出口烟气放热量富氧燃烧较空气燃烧的烟气放热减少/对流吸热量/kDS 1过热再热省煤器空气气氛注：省煤器后烟温为390°C，省煤器出口水温为300°C左右。

　　3.3.3省煤器出口后的烟气对流放热量与工质吸热量省煤器出口烟气经高温除尘，一部分直接送回炉膛作为调节炉膛烟气温度的介质，另一部分烟气将继续放热至排烟温度，在炉外冷凝除湿。由于烟气中水蒸气的分压力很低，需要将烟气冷却至水露点以下（一般为50~60C）以除去大部分烟气的水分。空分装置出口的气体均具有较低的温度，可以作为冷却介质，或采用电厂的循环冷却水。除湿后烟气温度较低（低于50―部分作为制粉系统干燥介质被预热至较高的温度，该部分烟气的量由制粉系统干燥通风量及一次风率确定；预热热量来自省煤器出口的烟气余热，同时也需要利用烟气余热将送入炉膛燃烧的氧气预热到较高的温度。省煤器出口至排烟的余热回收均由气-气换热器完成。加热氧气热量的吸热量、再循环烟气的吸热量与烟气放热量的热量平衡计算结果对比见表7.技术经济综述ns电二表7气T气换热器中烟气放热量与再循环烟气和氧气吸热量的匹配工况排烟温度/C烟气放热量/ks1氧气吸热量/k°s1进口再循环烟气温度/C出口再循环烟气温度/C再循环烟气吸热量作为制粉系统干燥介质的烟气预热至375C（保持与气-气换热器进口烟温390C的小温差15C）再加上氧气预热吸热，可以将锅炉排烟温度降至约140°C.尽管排烟温度与空气燃烧时相当，但由于锅炉排烟量大大减少，因此锅炉的排烟损失仍大大低于空气燃烧方式。如果采用烟气余热加热汽轮机凝结水替代部分低压加热器，还可以进一步降低锅炉排烟损4制粉系统设计富氧煤粉燃烧也需要制粉系统干燥与输送煤粉的介质为以CO2为主的再循环烟气。干燥介质首先经过除湿并加热，然后送入磨煤机。干燥介质中再循环烟气中氧气浓度很低，大大降低了因温度过高而造成制粉系统爆炸的可能性，制粉系统出口风粉混合物的温度可以大大高于空气制粉工况。因此，在采技术经济综述热ns电二I用直吹式制粉系统时，在满足磨煤机通风量的条件下，一次风温度可以大幅度提高。表7中计算的干燥介质的预热温度高可达到375°C，一方面弥补了预热器冷却风量偏少的问题，维持较低的锅炉排烟温度，另一方面提高制粉系统的工作温度可以大大降低磨煤电耗，提高磨煤效率和煤粉细度。

　　5结语本文以亚临界参数300MW机组燃煤锅炉为研究对象，构建了富氧燃烧锅炉原则性热力系统。以送入炉膛的氧气比例作为锅炉优化设计的变量，分别从炉膛辐射、对流受热面、尾部受热面、制粉系统及气体污染物的处理与回收等方面，尝试进行了富氧燃烧锅炉的概念设计。计算与分析表明，大约352/65CO2混合气氛下的富氧燃烧锅炉具有明显优势，锅炉炉膛部分的辐射换热份额大大增加，炉膛辐射换热量较空气燃烧增加约15；对流换热所占份额减少，相对于空气燃烧减少约19，锅炉烟气侧的运行阻力大幅度减小；工质在炉膛内的辐射吸热将增加约42，更多的过热受热面将移入炉膛上部，锅炉总的受热面数量将低于空气燃烧锅炉；制粉系统磨煤电耗显著降低，磨煤效率提高，锅炉制造成本与运行费用有望较大幅度降低，可部分地弥补由于制氧而增加的成本。

　　阎维平。温室气体的排放以及烟气再循环煤粉燃烧技术的研究阎维平。洁净煤发电技术。北京：中国电力出版社，2001.李庆钊，赵长遂，武卫芳，等。O2/CO2气氛下煤粉燃烧反应动力学的试验研究动力工程，2008，刘彦，周俊虎，方磊，等。O2/CO2气氛煤粉燃烧及固硫特性研究中国电机工程学报，2004，姜秀民，杨海平，刘辉，等。煤粉颗粒粒度对燃烧特性影响热分析中国电机工程学报，2002，22（姜秀民，李巨斌，邱健荣。超细化煤粉燃烧特性的研究。Fuel200786（5-6）李庆钊，赵长遂。O2/CO2气氛煤粉燃烧特性试验研究中国电机工程学报，2007，锅炉机组热力计算标准方法。北京锅炉厂，译。北京：机械工业出版社，1976.。北京：科学出版社，2003.