富氧燃烧锅炉初探

富氧燃烧锅炉的应用
大型纯氧燃烧捕获 CO2
垃圾 焚 烧 炉 降 低 二 恶 英 和 CO
富氧燃烧用以提高 锅炉效率
工程实例
IHI 在 澳 大 利 亚 300 M W 等级的示范工程
三菱 重 工 供 货 垃 圾 焚 烧 炉: 2004 年 奥地利 264 吨/ 天, 2005 年 日 本 3 台 250 吨/ 天
首先是各个燃烧产 物的计算公式 不同。理 论氮的计算公式原来为:
V 0 N 2 = 0. 79V 0 + 0. 8N ar / 100 N m3 / kg ( 3) 富氧条件下则应采用下式: V 0 N 2 f = ( 1- ) V 0 + 0. 8N ar / 100 N m3 / kg ( 4) 空气经过富氧装置后在氧富集的同时, 湿分 也增加。这是因为对于富氧膜来说, 湿分的渗透 速度是最快的( 见图 6) 。
式中各符号均为常用含义, 不再赘述。
在富氧条件下, 令氧的含量为 , 此时理论空
气量
V
f 0
可以按照下式计算:
V
f 0
=
V0(
0/
)
Nm3 / kg
( 2)
式中:
V
f 0
! !!
富氧条件下表示氧原子的理论空气
量, N m3 / kg ( 燃料) ;
V 0! ! ! 正常条件下表示氧原子的理论空气
量; N m3 / kg ( 燃料) ;
∀
富氧 30 % 2 534. 1 + 536. 4 1 040. 0 - 63. 7 1 797. 0 + 246. 3
由以上计算结果可以看出, 富氧条件对于理 论燃烧温度的影响的是很大的。
理论燃烧温度并 不是炉膛中真 实存在的温 度, 但是它和炉膛中间 的温度水平、温度分布以 及最高温度都是有密切关系的。 4. 5 炉膛出口温度
图 6 各种气体透过膜 的能力
在一些膜法富氧系统供货厂家配备有脱湿 装置。目前不了解脱湿之后水分的情况, 所以在 计算中暂时仍旧按照湿空气的标准湿分0. 016 1 N m3 / N m3 来计算。
由于以上基础数值发生变化, 其他诸如烟气 容积、空气和烟气的焓值均相应变化。
4. 4 理论燃烧温度 空气中的氮属于惰性物 质, 不参与 反应, 但
笔者以一台小型的煤粉锅炉为对象, 进行了 富氧条件下的计算( 见表 3) 。计算时假定燃料量 不变、热风温度不变、炉膛的沾污情况不变、火焰 中心高度不变。
由计算结果 可以发现, 随着富氧的 加深, 理 论燃烧温度大幅度上升, 而同时炉膛出口温度却 有所 下 降。这 主 要 是由 于 烟 气的 热 容 量降 低 所致。 4. 6 炉膛的传热量
是耗费了 热量。富氧 条件 下, 由于含 氮量 的降 低, 理论燃烧温度会增加。在计算中所反映出来 的是, 按照上述的原则计算的烟气焓值在相同温 度下有所降低。
还对一种典型的情况进行了计算, 其结果可 以作为了解富氧对于理论燃 烧温度影响的参考 数据( 见表 3) 。
计算条件: 烟煤、过量空气系数不变, 热风温 度不变。
富氧 Fra Baidu bibliotek3 91
富氧 25 84
富氧 27 78
富氧 29 72
%
富氧 30 70
4. 2 过量空气系数 完全可以沿用 原有的概念。但 是同样的数
值, 会有着不 同的作用。在富氧条件下, 由于氧 气浓度的升高, 一切其 他条件相同的情 况下, 同 样的锅炉空 气系数 对于燃 烧的 作用 肯定 不同。
膜分离法
利用膜 对 于特 定 气体 的 选择 渗透性能
技术阶段 装置规模 气体种类 产品气浓度 耗电 量 ( 按照 30 % 氧 气 浓度换算) kW h/ N m3
历史久, 技术成熟 大规模( 设备费用大) O2 , N 2 , A r , K r, Xe 等 纯度高( 99 % )
0. 04~ 0. 08
图 4 气体分离膜结构
这种高效复合膜既拥有了高的气体渗透性 和选择性, 又保证了好的机械强度和优异的化学 稳定性, 克服了传统膜的易结垢、易堵塞的缺点, 从而避免了不必要的停车和复杂的预处理, 在气 体分离的应用中开辟了许多新的领域。
目前, 应用在富氧助燃领域的膜分离器主要 元件的结构如图 5 所示。
图 3 膜法富氧装置系统图
3 气体分离方法和膜法富氧装置简介
分离气体的方法大致可以分为深冷分离法、 变压吸附( PSA) 法和膜分离法 3 种( 见表 1) 。
表 1 各种富氧制备方法的比较
原理
深冷分离法
利用液化后 各组 分沸 点差 异来精馏分离
变压吸附( PSA ) 法
利用吸附 剂对 特定 气体 的 吸附和脱吸附能力
第 39 卷第 1 期 2008 年 1 月
锅炉技术 BOIL ER T ECH NO L OGY
文章编号: CN31- 1508( 2008) 01- 0025- 07
富氧燃烧锅炉初探
V ol. 39, N o. 1 Jan . , 2008
牛天况
( 上海锅炉 厂有限公司, 上海 200245)
关键词: 富氧; 膜法富氧; 富氧燃烧; 锅炉 摘 要: 介绍了不同目的的锅炉富氧燃烧技术 , 重点 分析了 膜法富 氧对于 锅炉性能 所带来 的影响, 对于 进 一步发展膜法富氧锅炉技术和扩大应用提出了建议。
后者会激化燃烧过程, 所以可以采用较低的锅炉 空气系数。由于目前富氧燃烧的经验太少, 所以 对于这个降低量尚不能给出推荐意见。 4. 3 空气和燃烧产物焓值
由于过量空气量的变化以及成分的变化, 以
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锅炉技术
第 39 卷
燃料单位重量 所计算 的空 气焓 值, 肯 定也 不一 样, 需要按照各个气体成分重新进行计算。
收稿日期: 2007- 08- 08 作者简介: 牛天况( 1940- ) , 男, 工学博士, 教授级高级工程师。
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锅炉技术
第 39 卷
炉膛促使完全燃烧, 并且降低 CO 和二恶英的产 生, 从而炉膛的温度水平提高, 烟气量减少, 烟气 处理设备尺寸减小, 锅 炉效率改善, 有害气体排 放降低, 同时底灰的质量也有所改善。 2. 3 提高锅炉效率为目的的富氧燃烧
出膜分离器, 成为富氧空气。 用于富氧燃烧 锅炉的国产富氧 螺旋卷负压
式组件的规格是 200 mm 1 000 mm, 产出富氧 空气 10~ 15 m3 / h( O 2= 28 % ~ 30 % ) 。实际应 用时, 将若干螺旋卷 组件并联, 以获 得所需要的 富氧空气流量。
4 富氧燃烧对于锅炉性能影响的分析
0 ! ! ! 大气中氧的含量, 20. 93 % ;
! ! ! 富氧空气的氧的含量, 一般为 27 %
~ 30 % 。
理论空气量和富氧浓度的关系见表 2。当富
氧空气中氧的含量 为 27 % 时, 理论空气量减少
到原来的 78 % 。
项目 相对理论空气量
表2
正常大气 1 00
理论空气量和富氧浓度的关系
图 5 螺旋卷式富氧膜组件
原料气流过膜的外表面, 容易渗透的氧气优 先透过膜富集在膜的渗透侧, 通过中心多孔管流
锅炉内部基本的过程包括锅内过程和炉内过
程。炉内过程的基础物质就是空气和燃料。锅炉
是以空气为燃烧介质, 如果空气的成分发生变化, 那么对于锅炉内部的燃烧、传热和其他过程的影
响是根本性的, 从而也影响了锅炉的各项性能。 4. 1 理论空气量
根据富氧燃烧的目的不同, 大体可以分作以 下 3 类: 2. 1 捕获 CO2 为目的的富氧燃烧
现在气候变暖、降低 CO 2 的排放已经成为家 喻户晓的国际性的 重大课题。解决 方案中的一 个措施是, 将锅炉排出的含有 CO 2 的烟气深埋在 地下。普通锅炉采用空气为介质进行燃烧, 其中 大量的是氮气, 这样对 于深埋的方案来 说, 必须 先除去氮气。目前, 国外正在实施中的 300 M W 等级的项目中, 采用空气分离系统向锅炉供给纯 氧。锅炉设有烟 气再循环, 用燃 烧产物( 主要是 CO 2) 来稀释供给锅炉的纯氧, 使得用于燃烧气体 ( O2 + CO 2 ) 中氧的浓度大约在 27 % 上下。使用 这类工艺的发电厂示意图见图 1。 2. 2 降低有害气体的排放为目的的富氧燃烧
另外一类富氧燃烧的目的是为了降低有害 物质的排放。
图 1 捕获 CO 2 的富氧燃烧发电厂系统
三菱重工的富氧燃烧垃圾焚烧炉就是一个 例子, 见图 2。
图 2 应用 PSA ( 变压吸附法) 富氧装置的垃圾焚烧炉
氧气由 PSA( 变压吸附法) 装置产生, 作为一 次风送入炉排下面; 再循环烟气作为二次风送入
处于技术革新 中、小规模 O2 , N2 , H2 , CO 2 , CO 等 中纯度( 90 % ~ 95 % )
0. 05~ 0. 15
处于技术开发和市 场开发 小规模或超小型 O 2 , N 2 , H 2 , CO2 , Co 等 O 2 浓度( 25 % ~ 40 % )
0. 06~ 0. 12
其他特征
适用于大 规模 生产, 低 温, 产品气为干气
产品 气 处 于 加 压 状 态, 塔 阀自 动 切 换 可 无 人 运 行, 吸附剂寿 命 10 年 以 上, 产 品为干气
可间歇或连续 操作, 操作简单 可无 人 运 行, 膜 寿 命 可 达 数 年, 无 噪声 清 洁生 产, 产 品为 干气或湿润气体
1 103. 7
1 096. 5
1 083. 3
1 068. 4
#0
- 7. 2
- 20. 4
- 35. 3
1 550. 7
1 610. 0
1 664. 3
1 715. 9
#0
+ 59. 3
+ 113. 6
+ 165. 2
富氧 29 % 2 478. 1 + 480. 4 1 050. 0 - 53. 7 1 764. 0 + 213. 3
1998 年 在 江苏 省阜 宁 化肥 厂 20 t/ h 燃 煤 锅 炉应 用 富 氧 燃 烧; 1996~ 2000 年在江苏、大港 和胜利油田的 2~ 4 t/ h 的燃气 和燃油锅炉应用富氧燃烧
第1期
牛天况: 富氧燃烧锅炉初探
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膜法富氧是利用空气中各组分透过高分子有 机膜时的渗透速率不同, 在压力差驱动下, 空气中 氧气优先通 过膜而得到富氧 空气。膜由 3 层 构 成, 第 1 层是无纺布层, 是整个膜的支撑层; 第 2 层是结实、耐用并且抗溶解的多孔支撑层, 对传质 的阻力很小; 第 3 层是将聚砜/ 硅橡胶涂层, 形成 超薄、无孔和高选择性的分离层( 参见图 4) 。
目前锅炉理论空气量计算的基础是以空气
中氧含量为 20. 93 % 作为前提的。在富氧条件 下, 一般氧含量会上升到 27 % ~ 30 % 。
在自然大气条件下, 理论空气量按照下式计算:
V 0 = 0. 088 9( Car + 0. 375St ar ) + 0. 265H ar - 0. 033 3O ar N m3 / kg ( 1)
中图分类号: T K 227. 1
文献标识码: B
1前言
近年来, 富氧燃烧出现在各类刊物的场合逐 渐增多。可是时至今日, 国内主流的专业刊物还 是缺少由锅炉专业的视角来分 析探讨这个新出 现的技术。笔者根据近几年以来所 接触的有关 信息, 在这里做个初步 的探讨, 希望 能起抛砖引 玉的作用。
2 富氧燃烧的分类
这类富氧燃烧的主要目的是为了提高锅炉 的经济性, 也是本文所要讨论的主要对象。
与前 2 类的氧气来源不同, 第一类的来源是 空气压缩深冷分离系统, 第二类是变压吸附系统 ( PSA) , 而本类使用的是膜法富氧装置。
图 3 就是膜法富氧燃烧锅炉的系统示意图。 通过膜法富氧装置的富氧空气, 其中的氧气含量 由原始大气的 20. 93 % 提高到 27 % ~ 30 % 左 右, 然后送入炉膛进行燃烧。
炉内传热是 个很复杂的过程。富氧条件下 炉内温度场不同、火 焰形状不同, 这 些都会影响 炉内传热。如果只是考虑理论燃烧 温度和烟气 热容量的影响, 而不 考虑燃料量的变化, 炉膛传 热变化的计算结果见表 4。
项目 炉膛吸热/ kJ kg - 1 炉膛吸热变化/ %
表 4 富氧条件下炉内传热量的变化
项目 理论燃烧温度 !a
温度升高 !a 炉膛出口温度 !∃
温度变化 !∃ 炉膛算术平均温度
平均温度的变化
表 3 富氧条件下的炉内各有关温度的变化
正常大气 富氧 23 % 富氧 25 % 富氧 27 %
1 997. 7
2 123. 4
2 245. 3
2 363. 4
#0
+ 25. 7
+ 247. 6
+ 365. 7