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中国科学院战略性先导科技专项课题“循环流化床富氧燃烧技术”介绍与研究进展
发稿时间:2015-02-19         作者:李皓宇          来源:循环流化床实验室     【字号:

  一、研究背景 

  燃煤生成的CO2对环境的危害已经引起了各国的关注。目前捕集煤燃烧生成CO2的技术主要有三种:燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧(O2/CO2)燃烧。采用富氧燃烧技术有利于捕集、储存和利用煤燃烧生成的CO2,被认为是当前减缓CO2排放较为可行的措施与技术。国内外学者分别对煤粉炉和循环流化床富氧燃烧进行了深入研究。循环流化床富氧燃烧技术将循环流化床技术与富氧燃烧技术结合,在捕集CO2方面具有其独特的优势。除了循环流化床在燃料适应性和环保性能方面的优势之外,由于循环流化床内存有大量的惰性循环物料,炉内特殊的传热方式能够实现高氧气浓度的燃烧,有利于加快燃烧速度、提高燃烧效率、减少再循环烟气量,同时还能提高系统热效率和降低锅炉制造成本;此外,排放烟气量的减少也有效降低了CO2净化、封存及利用成本。 

  工程热物理研究所承担了中国科学院先导专项低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范中的 循环流化床富氧燃烧技术课题,该课题为应对CO2排放控制这一全球性难题,开展燃烧过程中捕集CO2的循环流化床富氧燃烧研究,发展适用于我国能源基本国情和技术水平的循环流化床富氧燃烧技术,将为推进我国的低碳经济发展,实现既定的CO2减排蓝图,提供强有力的技术储备。    

  二、研究目标 

  建立MW级循环流化床富氧燃烧热态中试装置,研究高氧气浓度(50%)下的燃烧特性、换热特性、排放特性和温度控制技术,从而获得高氧气浓度下的燃烧速率和温度控制技术以及低污染排放技术,建立循环流化床高氧气浓度燃烧锅炉设计准则。在此基础上,形成25MWe工程规模的循环流化床富氧燃烧示范装置的技术方案。 

  三、研究进展 

  根据研究内容和总体目标,研究所循环流化床实验室成立了项目组,进行了详细的科研策划和任务分解,保证课题的高效实施和顺利完成。课题自2013年启动两年来,进展顺利,获得的主要阶段性成果如下: 

  1.完善改造现有100kW循环流化床富氧燃烧系统,完成循环流化床高氧气浓度燃烧小试研究 

  原有试验系统的改造和完善主要包括两个部分,一是改造炉膛传热系统,实现该试验系统能够在较宽氧气浓度下(35%-50%)进行试验研究;二是增加烟气再循环系统,改进配风系统。在完善后的100kW循环流化床试验系统上,进行了一系列半焦和煤在O2/CO2配气气氛和实际烟气再循环O2/CO2气氛下富氧燃烧特性的试验研究,获得如下主要进展: 

  (1)掌握了富氧供风直接启动的操作方法以及烟气再循环气体混合的切换方法,获得了煤和半焦循环流化床高氧气浓度O2/CO2O2/N2以及实际烟气再循环O2/CO2气氛下燃烧炉膛传热特性、燃烧特性、SO2排放特性、NOx排放特性,以及实际烟气再循环O2/CO2气氛下燃烧与O2/CO2配气和O2/N2的差异,校核验证了一/二次风中氧气浓度和整体氧气浓度的测量误差,以及烟气再循环率的计算方法; 

  (2)开发了适合循环流化床富氧燃烧的烟气再循环关键技术,不仅可以将再循环回路中的水蒸气降低到10%以内,还具有良好的密封性,可以使得尾部烟气CO2浓度富集到90%以上(干烟气),通过多次改造完善和热态试验证明,该烟气再循环系统达到了试验的要求,可以直接应用至1MW循环流化床富氧燃烧中试装置。 

  3)获得了100kW1MW循环流化床富氧燃烧实验系统核心结构的放大准则,根据100kW循环流化床富氧燃烧试验平台上的试验结果,并参考常规空气燃烧1MW规模的循环流化床燃烧锅炉设计准则,获得了1MW循环流化床高氧气浓度燃烧锅炉的提升管截面流化速度、旋风分离器进出口速度以及炉膛传热系数等关键设计参数,以及整个试验系统的工艺流程。 

  2.研发1MW循环流化床富氧燃烧中试装置,完成部分循环流化床高氧气浓度富氧燃烧中试研究 

  根据100kW试验结果和MW级中试装置核心结构放大准则,设计了1MW循环流化床富氧燃烧中试装置,该装置可达以下指标:输入热功率达到1MW、整体氧气浓度不低于50%、烟气中CO2浓度不低于90%、燃烧效率大于97% 

  中试装置为自主研制,20134月完成概念设计,5月完成基本设计,10月在所廊坊研发中心开工建设, 20144月完成中试平台钢架、本体和辅机设备、管道、测控系统等全部建设安装任务,2014726日完成了连续48小时热态调试。 

  随后,项目组研发人员在该中试装置上进行了一次连续运行87小时的热态试验。试验结果表明:在实际烟气再循环O2/CO2燃烧方式下,中试装置的热输入功率最大达到1.2MW,供风氧气浓度可在21%~50%范围内调节,尾部烟气中CO2浓度最大可达到90%,均达到或超过了设计指标。试验研究结果还表现在以下几方面。 

  (1)获得了空气和不同整体氧气浓度实际烟气再循环O2/CO2燃烧方式下燃烧、SO2NOx排放特性,进一步验证了100kW循环流化床富氧燃烧系统上的试验结果,证明了循环流化床煤燃烧可以在较高的氧气浓度(>50%)下稳定运行。与空气燃烧相比,高氧气浓度实际烟气再循环O2/CO2燃烧方式燃烧效率较高,NO排放较低。 

  2)研究了中试装置部分关键部件的工作特性,获得了烟气再循环系统、气体混合系统以及外置换热器的工作特性,基本掌握了烟气再循环系统、气体混合系统和外置换热器的运行调节方法。通过对比100kW循环流化床富氧燃烧系统和1MW循环流化床富氧燃烧中试装置的试验结果,初步获得了适用于循环流化床高浓度富氧燃烧的炉膛温度控制技术、烟气再循环技术以及气体混合技术。 

  3)根据100kW循环流化床富氧燃烧系统和1MW循环流化床富氧燃烧中试装置的试验结果,并结合相关的理论分析,提出了循环流化床高氧气浓度下的燃烧速率和温度控制技术、循环流化床富氧燃烧的低污染燃烧技术和高CO2浓度下的炉内脱硫技术,外置式换热器热量分配和换热等技术。 

  相关研究成果已发表期刊论文8篇,其中SCIEI收录7篇,申请国家发明专利一项,在国际会议作口头报告3次。 

  四、下阶段工作计划 

  循环流化床高氧气浓度富氧燃烧技术是最具应用前景的燃煤电站CO2捕集方法之一,研究具有市场竞争力的CO2捕集技术是先导专项赋予我们的责任。因此,下一步将在目前研究的基础上,继续对现有的1MW循环流化床富氧燃烧装置进行完善,完成高氧气浓度下的燃烧、传热传质、流动、排放等研究,拓宽和深入解决循环流化床高氧气浓度燃烧过程中的核心问题,争取早日形成经济性较优的25MWe循环流化床富氧燃烧工业装置技术方案。 

 
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