循环流化床锅炉富氧燃烧技术应用的研究

2009年 37卷第5期 广州化工 ·29· 循环流化床锅炉富氧燃烧技术应用的研究 刘光春 ，赵 地 (1成都华西化工科技股份有限公司，四川 成都 610031； 2中海石油炼化有限责任公司惠州炼油分公司，广东 惠州 516086) 摘 要：富氧燃烧应用于循环流化床锅炉是一种创新型节能技术，CFB锅炉富氧助燃结合了CFB锅炉和富氧燃烧技术共同的 优点。本文主要介绍了当前富氧燃烧应用于循环流化床的研究进展和成果，讨论了富氧燃烧技术应用于 CFB锅炉的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 实施 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 关键词：富氧燃烧；CFB锅炉；热效率；变压吸附 Study of the Application of Oxygen——enriched Combustion Technology in CFB Boiler L／U Guang—chun ，ZHAO Di (1 Huaxi Chemical Technology Co．，Ltd．，Sichuan Chengdu 61003 1； 2 CNOOC Oil and Petro—ehemicM Co．，Ltd．，Guangdong Huizhou 516086，China) Abstract：The Oxygen—enriched combustion was a creative energy saving technology ，which was applied in CFB boiler and this kind of technology combined the both advantages of CFB boiler and Oxygen—enriched combustion．Th e re— search of the technology and its fruits were concentrated in the paper，and the model for resolving the application of this new technology was discussed． Key words：Oxygen—enriched combustion；CFB boiler；thermal efficiency；pressure swing adsorption(PSA) 循环流化床燃烧技术是近二十年发展起来清洁燃煤技术， 也是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术之一，在当前和今 后一段时期将有着很强的生命力。我国已经有 15个左右的锅 炉厂可以提供容量等级为480t／h以下容量的循环流化床锅炉， 据不完全统计我国目前有约 1100台容量不等循环流化床锅炉 在运行调试、安装 、制造当中，其中 220t／h以上容量的高压和中 压锅炉达 300台。所以循环流化床富氧燃烧技术有相当大的潜 在市场。当前国内外对煤粉锅炉的富氧燃烧技术研究得 比较 多，并且已经成功用于工业实践。而对于循环流化床富氧燃烧 技术的研究目前多停留在实验室探索和模拟阶段。目前文献报 道的关于流化床富氧燃烧的研究主要在燃烧机理、氮氧化物和 二氧化硫的排放特性做 了实验室的研究和阐述，但是这些研究 都在高氧浓度环境下，采用烟气再循环的模式来做的实验 ，即在 0 ／CO 或 O：／N 气氛下的研究成果，本文着重讨论了CFB锅炉 二次风氧浓度提高到 26％ ～30％局部增氧助燃的情况。 1 循环硫化床锅炉(CFB)的燃烧特点⋯ ① 由于热容量较大且床料混合作用，可以燃烧多种低级别 的燃料。如煤，石油焦，油页岩等。 ② 由于在循环床中的扰动混合及较长的停留时间，提高了 燃烧效率。 ③ 由于在理想温度下使用石灰石很容易脱除硫，降低了 SO 的排放量。 ④ 由于操作温度较低(低于920。C)及分段燃烧，降低了 NOx的排放量。 ⑤ 由于分离器中的扰动条件，较长的停留时间及混合过程， 降低了CO及 CxHy的排放量。 这些燃烧特点正是循环流化床锅炉在众多大型电站工业锅 炉中有着显著的竞争优势， 2 循环流化床富氧燃烧的研究成果 J 目前日本、荷兰、美国以及我国浙江大学都进行过流化床富 氧燃烧的的研究。这些研究都基于O：／CO 或 O ／N：气氛下，采用 烟气再循环模式下进行的(见图 1)。实验主要针对炉膛温度分 布、燃烧特性、氮氧化物和二氧化硫排放特性等作了深入的阐述。 图1 富氧燃烧技术原理示意图 二氧化 碳处理 2．1 炉膛温度分布 炉膛温度都沿床高方向先达到最大值后逐渐减小。相同给 煤量的情况下 ，送风氧含量增大炉膛温度升高。氧浓度在 29％ 作者简介：刘光春(1980一)，男，助理工程师，2004年毕业于西南石油学院化学工程与工艺专业，工学学士，曾在茂名石化炼油分部制氢装置工作，现工 作于成都华西化工科技股份有限公司。E—mail：liugcc3@126．corn · 30· 广0q＼144~工 2009年 37卷第5期 时，炉膛最高温度940~C。 2．2 传热效率 富氧燃烧时，火焰温度升高，炉膛内传热效率增大，主要是 co2 浓度增大后，强化了辐射传热。烟气量减少，排烟损失明显减少。 2．3 氮氧化物和二氧化硫的排放 富氧燃烧时炉膛温度升高，使得热力型 NO 的生成量增加， 但是如果将炉膛温度控制在950~C 以下，氮氧化物和二氧化硫 的量不会增加太多，反而是因烟气量减少后提高了氮氧化物和 二氧化硫的浓度，更加易于捕捉。 3 CFB锅炉局部富氧燃烧技术的讨论 当前制氧成本已经不再是限制富氧燃烧技术推广的瓶颈， 而是在炉子设计初期考虑到炉温的控制、有害气体的排放 以及 热量平衡和物料平衡等工程上的问题。 3．1 富氧燃烧技术概述 氧浓度大于空气中氧的浓度(21．o9％)的空气称富氧空气， 富氧空气在燃烧过程中提供了更富丰的氧元素，使可燃物燃烧 更充分，减少了固体不完全燃烧的排放，减少了氮和其他惰性气 体随烟气带走的热能，其具有明显的节能和环保效应。富氧燃 烧的特点是火焰温度高、降低燃料燃点、提高热效率 、减少烟气 排放量等。 3．2 制氧方式——变压吸附制氧技术 富氧燃烧的应用离不开制氧技术的进步和发展 ，目前常用 的制富氧技术包括膜分离技术和变压吸附技术。膜分离技术富 氧浓度在 30％ 一40％，规模在 500—5000Nm ，制氧能力超过 10000Nm 的目前只有变压吸附制氧装置。随着高性能制氧吸 附剂(锂分子筛)的研究不断深入，大型变压吸附制氧技术也取 得了突破，已经投用生产的制氧量可达 10000～15000Nm ／h的 范围，纯度在85％一95％能耗在0．3KW／Nm (纯氧)，可以说廉 价的富氧已经进入工业化生产阶段。 变压吸附制氧是利用吸附剂的选择性吸附特性和吸附剂吸 附容量随压力变化的性质，同时设计适当的工艺过程，使氮和氧 分离制得氧气。一套大型的变压吸附装置的技术核心包括：吸 附容量大，易解析的高性能吸附剂；需要配有密封性好 ，寿命长 的程控阀门；先进稳定的自动控制技术和最合理的工艺等。正 是这些核心技术使得大型变压吸附制氧得以实现工业化生产， 使其应用的范围更加广阔。 3．3 CFB局部富氧燃烧模型 CFB锅炉与富氧燃烧技术结合要分全氧燃烧和部分富氧燃 烧两种。采用全氧燃烧就需要 CFB锅炉在设计上做很大的改 动。因为全氧燃烧对炉子的传热、脱硫、以及烟道系统等对产生 根本性的影响。因此本文主要讨论在现有 CFB锅炉的基础上通 过变压吸附技术将氧含量控制在 25％ 一30％的范围是否可以实 现其经济效益和环保效益。 4 应用 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 将富氧助燃技术应用到 CFB锅炉，就需要把 CFB锅炉的优 势和富氧燃烧的优点结合起来。即：在富氧的燃烧 的状态下依 然保持炉膛内脱硫，控制较少氮氧化物生成 ，同时把富氧燃烧的 传热效率高、燃烧完全、烟气排放量低的优点结合起来。要达到 这样的效果，就需要将膛炉温控制在原来空气燃烧时炉膛所适 应的范围 870~C～950~C。 一 一 赠 CFB锅炉膛温度分布图对比图 炉膛高度 (米) 一 空气燃烧 氧含量60％ 图2 CFB锅炉炉膛温度分布对比图 据文献资料显示(见上图)60％富氧燃烧时炉膛最高温度为 95O℃ _2 J ，炉膛温度较用空气燃烧升高 30~C～50~C左右，正常情 况下 CFB锅炉的最佳运行温度为870oC～920oC ，那么采用30％ 富氧燃烧，可以推断在燃料量不变的情况下炉膛温度会稍低于 950~C，这个温度是在 CFB锅炉的运行温度范围(燃烧温度在氧 浓度大于 30％时变化不大 )。 4．1 CFB锅炉供风系统试探性改造 要将变压吸附制氧与CFB锅炉结合，关键是选择采取什么 样的燃烧形式，燃烧形式决定工艺路线。因锅炉一次风的主要 目的是为流化燃料提供动力，同时提供 65％左右的燃烧空气；二 次风的主要目的是对二段燃烧提供富余氧同时起到调节炉膛温 度的作用。基于供风目的可以采取两种燃烧方式： (1)采用空气和富氧混合燃烧形式(见附页图2)。即采取 把变压吸附出来的富氧通人到二次风系统里混合后通入炉膛 ， 提供足够的氧使燃料充分燃烧；整个炉膛温度则通过燃料量的 调节控制，使炉膛温度不超标，控制 NO 的生成。 (2)采用富氧喷枪直接注入炉膛。即，将富氧通过喷枪直接 在二次供风的位置喷入炉膛。该方式要特别注意注氧点的布 置，防止炉膛局部温度偏高。 两种燃烧形式(试探性工艺)的目的都是期望燃料在富氧的 状态下燃烧，达到提高热效率和环保的效果。前者可以较为精 确的控制二次风入炉的氧含量。后者可以调整富氧分布，使炉 膛温度均匀。 变压吸附制氧的负荷则根据二次风量的大小和要控制入炉 膛的富氧含量来确定。表 2是以茂名石化公司乙烯厂 CFB锅炉 提供的数据来计算变压吸附制氧的负荷 J。 表 1 茂名石化公司 CFB锅炉供风系统的主要参数 表2 经根据氧的浓度和配氧方式计算出不同的富氧耗量 二次风配氧量(局部富氧)一次 +二次风配氧量(整体富氧) 氧含量控制 需氧量(90％的富氧)／NIll。 需氧量(90％的富氧)／Nrn3 26％ 30％ 5629 10842 2lO56 32853 从数据显示 ，如果将整个燃烧空气的氧含量提高到30％，需 要的变压吸附制氧量是非常大(32ooo Nm。左右)，这样很难实现 2009年37卷第5期 广州化工 ·31· 在现有锅炉上的改造，同时制氧投资非常大。采取局部增氧比 较合理且容易实现，即只对二次风采取增氧的方式。 4．2 讨论 (1)炉膛温度分布控制 增氧后的二次风通过二次风管或注氧点从不同高度送人炉膛， 这样会使稀相区的燃烧份额增大(在密相区未燃烧完全的在这里基 本燃尽，导致稀相区的燃烧份额增大)，同时燃烧温度升高。 解决办法 ：只要合理布置注氧点完全可以将炉膛的温度控 制在 950℃以下，同时保证温度梯度不超标。但是如果二次风配 人不合理，可能会使炉膛的温度分布不均，温度梯度达不到允许 范围，造成因局部超温 ，而限制负荷的提升。 (2)物料循环和热平衡的控制 循环流化床锅炉运行的关键在于建立稳定的物料循环，大量 的循环物料起着传质和传热作用，使得整个炉膛的温度梯度不 大。采用富氧燃烧后，燃料相应减少，同时反回料也因燃烧完全而 减少，整个循环量也就减少。但是富氧燃烧后三原子分子浓度增 大(CO：浓度增加)，多原子分子的辐射传热要比单分子要强，这 样炉膛的辐射传热就增强，可以弥补因循环量小的热量传递。 (3)氮氧化物和二氧化硫的控制 局部富氧燃烧在局部会产生高温，同时热力型的 NO 生成 量因此而增加。但是炉膛的温度还是在最佳脱硫温度范围，所 以脱硫效果差别不大。另外由于烟气量的减少，使得氮氧化物 和二氧化硫的浓度提高，这样更有利于收集和捕捉。 (4)富氧燃烧对锅炉材质的影响 富氧燃烧会产生局部高温，会对炉底的开工火咀的寿命带 来影响；同时对炉膛的耐火材料也是一个考验 ，所以富氧燃烧也 会带来材质升级的问题。 5 结 语 循环流化床锅采用 富氧燃烧技术能提高锅炉的运行效率： 固体燃料燃烧更加充分，增加传热效率；减小CFB锅炉旋风分离 器的负荷；烟气量减小，排烟损失减小；有害气体浓度升高便于 NO 和 C0 的捕捉；另外 ，物料的充分燃烧减小了固体颗粒对系 统的磨损，延长锅炉耐火材料寿命。 富氧燃烧在 CFB锅炉的工程应用才刚刚开始 ，尽管 CFB锅 炉有自身不可比拟的优势，但是富氧燃烧技术的应用可以使其 更加完美 ，所以开发应用这一技术对节约煤炭资源，提高能源利 用率和环境保护都有重要意义。需要广大工程技术人员和相关 设计人员的共同努力来实现。 新增变压吸附工段 图3 CFB锅炉供风系统与变压吸附工段工艺结合示意图 注：实线(右)示意混合注氧燃烧形式；虚线(左)示意喷入式 注氧燃烧形式 参考文献： [1] 沈光林．膜法富氧燃烧技术在工业锅炉中的应用[J]．工业锅炉， 2002，(6)：22—25． [2] 张清，陈继辉，卢啸风 ，刘汉周．流化床富氧燃烧技术的研究进展 [J]．电站系统工程，2007，(23)：4—6． [3] 茂名石化乙烯厂 CFB锅炉内部资料． [4] 苏俊林，潘亮，朱长明．富氧燃烧技术研究现状及发展[J]．研究与 开发，2o08，(3)：1—4． (上接第28页) 5 结 论 轻度污染且易于处理的洁净煤气化技术。 通过对煤质因素，气化指标因素和下游工序产品需求因素 的综合考虑 ，给出如下建议： (1)当原料煤为：A褐煤时，选择 Lu哂 炉或者干煤粉气化工 艺较为适宜； B烟煤或者变质程度较高、成浆性适中的煤种时，目前选择 成熟可靠且投资较少的湿法气化工艺较为适宜 (2)当生产 下游产品为：A燃料气或者还原气时，选择 Lurgi炉或者干煤粉 气化工艺较为适宜； B合成氨、甲醇、合成油等时，目前选择湿法气化工艺较为适宜。 煤气化是发展煤化工的重要核心技术，在工艺技术方案选 择上必须选择经过大量试验、工业性示范和工业生产实践 的工 艺、要择优选用节能、投资省、成本低、效率高、对环境无污染或 参考文献 [1] 李大尚．GSP技术是煤制合成气(或 H2)工艺的最佳选择[J]，煤化 工，2005，1l8(3)：1—6． [2] 李仲来．煤气化技术综述[J]．小氮肥设计技术，2OO2，23(3)：7—17． [3] 贺永德主编 ．现代煤化工技术手册[M]．北京：化学工业出版社， 2003：459—461． [4] 门长贵，贺根良．煤炭高效清洁利用的关键技术：煤气化[c]．陕 西省煤转化研究会第三次学术研讨会，2004：l一5． [5] 章荣林 ．基于煤气化工艺技术的选择与评述[J]．化肥设计，2008： 46(2)：3—8． [6] 许祥静，刘军．煤炭气化工艺[M]．北京：化学工业出版社，2008：24—29． [7] 徐振刚，步学朋主编．煤炭气化工艺知识问答[M]．北京：化学工 业出版社 ，2008：289．