燃煤发电锅炉富氧燃烧节能环保改造
秦荣云
[摘 要]作为世界上少有的以煤炭为主的能源消费大国，我国煤炭消费量达到能源消费总量的70%左右（发电煤耗法），而煤炭的燃烧却会产生大量的CO2，我国的碳排放情况不容乐观，故富氧燃烧技术在电厂锅炉的影响具有十分重要的现实意义。电厂锅炉采用富氧燃烧，不仅能够减少燃料消耗量，减少排烟量与空气量，还能够提高锅炉热效率，但不能够通过一味提高氧气浓度来达到提高锅炉热效率的目的，要综合考虑增加富氧系统的成本与获取收益之间的平衡关系。
[关键词]电厂；锅炉；富氧燃烧；碳排放
中图分类号：TM621.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）24-0086-01
1.富氧燃烧技术的概述
富氧燃烧技术是指在氧化燃烧过程中，从空气设备中直接分离出O2送入能量转化单元（如锅炉），与富含O2的循环烟气相混合，整个炉内燃烧过程是在充满O2/CO2的混合气氛中完成，最终生成的烟气含有高浓度的CO2，其基本原理如图1所示。尾部烟气采用通用技术除去烟气中的硫化物和颗粒，再脱硫去除SO2后，烟气中的CO2占体积容量的90%以上，此时不需要对CO2进行分离就可以直接压缩存储或运输。
富氧燃烧具有不少技术优势，主要体现在：在燃煤电厂的碳捕集和封存方面具有能效相对高和环境友好的前景，能够实现包括SOx、NOx、CO2以及重金属等在内的污染物的协同脱除，达到煤清洁利用和近零排放；不同的富氧燃烧循环，烟气成分略有差距，但其中CO2的体积比例超过85%，热循环时可以更高，这意味着烟气分离CO2的成本较低，很容易展开工业化应用；大约70%的烟气参与再循环燃烧，锅炉排烟损失急剧减少，使得锅炉的热效率与空气气氛相比提高2%～4%不等。
2.富氧燃烧对电厂锅炉的影响
2.1 富氧燃烧对理论燃烧温度、热风温度和排烟温度的影响
（1）富氧燃烧对理论燃烧温度的影响
随着氧浓度的升高，理论燃烧温度是不断升高的。由于氧浓度的增加，使得燃料的燃烧更加剧烈，燃料能够更加充分的燃烧，燃烧速度加快，则使得燃烧温度提高。但需要注意的是，受到材料的限制，现阶段氧氣浓度不可能一直增加（目前的材料不能承受过高的温度），而且理论燃烧温度过高也会影响锅炉的安全运行。
（2）富氧燃烧对热风温度的影响
空气工况下，热风温度保持在300℃左右，稳定的温度范围基本能满足锅炉制粉系统对一次风以及炉内燃烧器对于二次风的温度要求。但富氧循环的计算则并不乐观，首先每种浓度下的热风温度均低于空气工况的270℃，且当含氧浓度为31%时，甚至只有240℃。这种较大的温度差异对同一套锅炉系统是很难适应的，必须通过结构的调整来尽力提高富氧工况下的热风温度，以减小两种工况下的温度差距。
更重要的，在此种结构下，同一路助燃气的预热远远不能满足热风温度对后续系统如制粉系统、燃烧器等对一、二、三次风的要求。富氧工况下，热风从空预器输出后一部分作为一次风来运送煤粉进入炉膛进行燃烧。此时，一次风中氧气的浓度达到24%甚至更高，而温度也往往在200℃左右，局部情况可能更严重。此种高氧浓度、高温度、多煤粉混合在一起很容易引起一次风在未进炉膛前局部自燃，影响制粉系统的安全。而对于直接进入炉膛的二次风来说，空气工况与富氧工况下二者差距在30℃以上，在同一个燃烧器系统接收运行，对燃烧器的破坏也较大，不利于长久的两种工况切换或安全运行。
此外，从烟风系统中的送风机的选型角度考虑，空气工况下一二次风的风温风压相差不多，可以统一调配；而对于富氧工况下，一二次风的风压相差也较大（～2000Pa），风机在调整压力，输送风量时将难达到要求，有必要分开配型。
（3）富氧燃烧对排烟温度的影响
空气工况下随着结构的微调，排烟温度始终保持在140～150℃的范围。而富氧工况中，各循环下的排烟温度一直在125℃以下，且随着助燃气中含氧浓度的升高，有逐渐降低的趋势。
过低的排烟温度对受热面的危害是显而易见的。烟气中不可避免的含有SO2等酸性气体，在这种较低的烟温之下，一旦达到酸性露点，在受热面的壁面很容易凝结成硫酸蒸汽。当酸性腐蚀越来越严重时，往往会导致受热面的泄漏，增加风机的运行负荷，尤其破坏烟道里的富氧气氛。并且有时会引起低温粘结性积灰，增大引风阻力，使锅炉出力下降，严重时必须被迫停机清理积灰。
其次，尾部烟气除尘器、双碱法脱硫系统以及冷凝器等烟气处理设备都有各自稳定的温度运行区间，相较空气工况较低的烟温，也使得这些设备很难在实际运行中自如切换和兼容调度。
因此，必须改善富氧工况下的低排烟温度的问题，使其尽量提升，以减小尾部烟道酸性腐蚀的可能和后续设备运行的稳定。根据尾部烟气的特点考虑在烟气循环的某处添加一个GGH或者其他热力设备，以提升循环烟气的进气温度，减小尾部换热的温差，减小换热量，提升排烟温度。同时，较高的进气温度对于热风温度的提高也有一定的促进作用。
2.2 富氧燃烧对锅炉热效率和燃料消耗量的影响
（1）富氧燃烧对锅炉热效率的影响
首先，不同排烟温度下氧气浓度对锅炉热效率的影响。研究表明，在不同排烟温度下，锅炉热效率随着氧气浓度的增加呈上升趋势：氧气浓度越高，锅炉热效率越高；在低氧气浓度下，氧气浓度对锅炉热效率的影响较为显著，高氧气浓度下（>35%），锅炉热效率随着氧气浓度的增加而增加，但增加缓慢。
其次，不同过量氧气系数下氧气浓度对锅炉热效率的影响。在过量氧气系数一定的情况下，随着氧气浓度增大，锅炉热效率增大。在同一氧气浓度下，过量氧气系数越小，锅炉热效率越高；氧气浓度低于35%时，锅炉热效率随着氧气浓度的增大上升速度加快，氧气浓度高于35%以后上升速度变缓。
（2）富氧燃烧对锅炉燃料消耗量的影响
研究表明，在温度一定的情况下，随着氧气浓度的增加，所需要的燃料消耗量越少。氧气浓度在35%以下时燃料消耗量变化的快，氧气浓度在35%以后，燃料消耗量变化的缓慢。同一氧气浓度下，排烟温度越高，燃料消耗量越多，由此可知富氧燃烧优越于常规燃烧。
2.3 富氧燃烧对过热蒸汽温度的影响
随着氧浓度的升高，过热蒸汽的温度逐渐降低，由于采用富氧燃烧导致烟气量降低，过热蒸汽温度也随着降低，此时过热蒸汽的温度有可能达不到所需的温度，在此时可以采用富氧燃烧和烟气再循环相结合，以提高烟气量，使得过热蒸汽的温度达到所需的要求。
3.结语
富氧燃烧在电厂中的应用，可以在中短期内形成规模化减排，并且相对其他技术较容易开展和进行。但需要注意的是提供助燃氧气的空分系统、增加的烟气处理设备以及随之增加的经济运行成本而导致的发电经济性浮动的问题，当然，这一增加的成本随着整个电站系统效率的提升，以及碳资产的减排收入等等将会逐步的改善。
参考文献
[1] 郑楚光，赵永椿，郭欣.中国富氧燃烧技术研究进展[J].中国电机工程学报，2014（8）.
[2] 阎维平，米翠丽.300MW富氧燃烧电站锅炉的经济性分析[J].动力工程学报，2010（3）.
