秦洪飛，王春波，鄭之民，劉慧敏

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

CO2是全球溫室效應(yīng)最主要的“貢獻者”，煤燃燒是CO2排放量的最主要來源，占了排放量的34%左右［1］。在控制燃煤CO2的排放技術(shù)中，富氧燃燒技術(shù)作為最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一，近些年已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和技術(shù)界的高度關(guān)注［2～4］。

在富氧燃燒產(chǎn)生的煙氣中，CO2的濃度可高達90%以上，這有利于CO2的壓縮冷凝捕獲［5］。同時，富氧燃燒還具有燃燒效率高，煙氣量少，NOX生成量少等優(yōu)點。對現(xiàn)役鍋爐改造的經(jīng)濟評估表明［6］，富氧燃燒技術(shù)不僅煙氣中捕獲CO2具有可行性，而且經(jīng)濟性較好。

為保證富氧燃煤鍋爐按常規(guī)鍋爐進行安全工作，需要大量的再循環(huán)煙氣以維持爐膛內(nèi)的火焰溫度接近常規(guī)空氣燃燒時的絕熱火焰溫度，也需維持鍋爐出口煙溫與排渣特性等基本不變，以保證鍋爐受熱面換熱與金屬的安全性。

類似于空氣燃燒，富氧燃燒煤粉鍋爐的再循環(huán)煙氣也分為兩部分［7］:一次循環(huán)煙氣用于干燥與輸送煤粉，二次循環(huán)煙氣主要是調(diào)節(jié)爐膛溫度。用于干燥與輸送煤粉的一次循環(huán)煙氣必須脫除其中的大部分水分，而二次循環(huán)煙氣可以選擇脫硫脫水后再循環(huán)回爐膛，也可以直接循環(huán)回爐膛。不同的再循環(huán)方式不僅對煙氣體積、鍋爐效率、燃煤量等鍋爐參數(shù)產(chǎn)生影響，還會影響鍋爐尾部設(shè)備(如氣－氣換熱器、脫硫塔、煙氣冷凝器等)的運行特性。

本文以某600 MW富氧燃煤鍋爐為例，對其3種再循環(huán)方式下的鍋爐效率、燃煤量等鍋爐主要參數(shù)進行了詳細計算，并對比分析了3種再循環(huán)方式對尾部設(shè)備運行特性的影響。希望能對富氧燃煤鍋爐的設(shè)計，提供一定的參考。

1 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)及鍋爐排煙熱損失計算方法

1.1 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

對采用富氧燃燒技術(shù)的煤粉鍋爐，為干燥與運輸煤粉，以及避免腐蝕性成分腐蝕管道，一次循環(huán)煙氣必須進行除塵、脫硫、脫水;而二次循環(huán)煙氣布置與處理則有多種選擇［7，8］。本文綜合目前這方面的研究成果，根據(jù)二次循環(huán)煙氣不同抽取位置，總結(jié)了3種方案，具體流程見圖1。

圖1 某600 MW富氧鍋爐煙氣再循環(huán)系統(tǒng)Fig.1 Flue gas recirculation system of 600 MW oxy－fuel boiler

循環(huán)方式被細分為兩類:(a)干煙氣循環(huán):其中煙氣中大部分H2O，SO2在循環(huán)之前被脫除(方式3);(b)濕煙氣循環(huán):循環(huán)煙氣不脫水(方式1，2)，其中，方式1不脫硫不脫水，方式2脫硫不脫水。

1.2 富氧鍋爐排煙熱損失的計算方法

空氣模式下，排煙熱損失是由于排出鍋爐時的煙氣焓高于進入鍋爐時的空氣焓而造成的熱損失，是煤粉爐各項熱損失中最主要的一項［9］。而在富氧模式下，進入鍋爐的空氣換成再循環(huán)煙氣與純氧，其溫度、體積、焓值等熱力參數(shù)均發(fā)生變化，需重新計算，計算公式如式(1):

式中:hpy為排煙焓，kJ/kg;hcy為純氧焓，kJ/kg;hxhy為再循環(huán)煙氣焓，kJ/kg;Qr為鍋爐輸入熱量，kJ/kg;q4為固體不完全熱損失，%。

2 不同再循環(huán)方式下的鍋爐效率

為保持與空氣燃燒方式下近似的理論燃燒溫度，富氧燃燒方式下O2的體積分數(shù)一般約為30%。計算中采用O2和循環(huán)煙氣的體積分數(shù)的比例為3∶7，過量氧氣系數(shù)λ取為1.1，空分裝置制取的氧氣純度為95%［10］，剩余為N2。計算煤種選用煙煤，元素分析與工業(yè)分析見表1，鍋爐主要額定參數(shù)見表2。

表1 煤種元素分析與工業(yè)分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal

表2 鍋爐主要額定參數(shù)Tab.2 Main rated parameters of boiler

2.1 不同再循環(huán)方式下煙氣組分

為了比較不同再循環(huán)方式下的煙氣特性，假定煙氣冷凝器冷卻水進口溫度為25℃，脫硫塔出口煙氣溫度為50℃，一次循環(huán)煙氣量占總循環(huán)煙氣量的比例為25%，計算得出不同再循環(huán)方式下煙氣特性參數(shù)，見表3與表4。

表3 不同再循環(huán)方式下鍋爐出口煙氣參數(shù)Tab.3 Flue gas parameters after boiler at different recirculation modes

表4 不同再循環(huán)方式下再循環(huán)煙氣組分Tab.4 Flue gas recycle composition at different recirculation modes

從表3可見，再循環(huán)方式對鍋爐出口煙氣體積影響很小，但對煙氣成分的體積分數(shù)影響明顯，特別是CO2，H2O，SO2的體積分數(shù);與空氣模式相比，富氧模式下的爐內(nèi)煙氣量大幅度減少，煙氣成分變化顯著。

在3種再循環(huán)方式中，一次循環(huán)煙氣經(jīng)過脫水、脫硫處理后具有最低的H2O，SO2體積分數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表4;而二次循環(huán)煙氣則根據(jù)是否脫硫脫水，煙氣成分變化明顯，其變化趨勢類似于鍋爐出口煙氣，但變化幅度更大。

2.2 不同再循環(huán)方式下的鍋爐效率及燃煤量

富氧燃燒方式下保持鍋爐的排煙溫度與空氣模式下一致(160℃)，計算得出空氣模式與三種富氧模式下鍋爐效率等主要參數(shù)，見表5。

從5表可知，在幾項鍋爐熱損失中，再循環(huán)方式對鍋爐排煙熱損失影響較大，方式1的鍋爐排煙熱損失比方式3的值低2.31%，原因可推測為:方式1下的煙氣直接循環(huán)回爐膛，而方式3對二次循環(huán)煙氣進行了脫硫脫水處理，使再循環(huán)煙氣溫度、焓值等熱力參數(shù)降低;方式2中二次循環(huán)煙氣只做了脫硫處理，其排煙熱損失介于方式1和方式3之間。進一步分析可知，再循環(huán)方式將會影響鍋爐效率、燃煤量等鍋爐主要參數(shù)。在鍋爐額定負荷下，方式1的鍋爐效率最高(95.2%)，燃煤量最低(60.9 kg/s)，這表明對二次循環(huán)煙氣不脫水不脫硫的處理方式使鍋爐能耗最低。

表5 不同循環(huán)方式下鍋爐主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of boiler at different recirculation modes

此外，與空氣模式相比，富氧模式下的排煙熱損失顯著減低，降幅可高達4.61%，這是因為富氧燃燒鍋爐需要大量的再循環(huán)煙氣，鍋爐排煙體積大幅減小，使排煙熱損失下降明顯;富氧模式下的鍋爐效率比空氣模式下最多可提高4.6%，燃煤量可減少3.11 kg/s。

3 再循環(huán)方式對鍋爐尾部主要設(shè)備的影響

3.1 再循環(huán)方式對氣－氣換熱器影響

氣－氣換熱器(空氣模式下也稱空預(yù)器)是利用鍋爐尾部排氣加熱燃料燃燒所需空氣，可使排煙溫度降低，提高鍋爐效率;不同的是，富氧模式下加熱的是純氧與再循環(huán)煙氣。不同再循環(huán)方式會使二次循環(huán)煙氣的溫度、流量等參數(shù)發(fā)生變化，相應(yīng)地改變氣－氣換熱器的換熱量、傳熱面積等參數(shù)，詳見表6。

表6 氣－氣換熱器主要參數(shù)Tab.6 Main parameters of gas to gas exchanger

由表6可知，富氧模式下氣－氣換熱器的換熱量比空氣模式下的換熱量下降了約26%，再循環(huán)方式對氣－氣換熱量影響很小。換熱器中的氣－氣換熱屬于典型的強制對流換熱，傳熱系數(shù)大致在10 ～35 W/(m2·℃)范圍內(nèi)［11］，本文選取 30 W/(m2·℃)來估算傳熱面積。與空氣模式相比，方式1下的傳熱面積變化最大，增幅達93%，氣－氣換熱器結(jié)構(gòu)改造較大，而其余兩種方式下的傳熱面積變化較小，無需較大改動。

3.2 再循環(huán)方式對煙氣凈化設(shè)備的影響

鍋爐煙氣從氣－氣換熱器排出之后，需要進行煙氣凈化處理。煙氣凈化設(shè)備主要包括除塵器、脫硫塔、冷凝器，圖2顯示了4種模式下煙氣凈化設(shè)備的煙氣處理量，空氣模式下的煙氣無需脫水，只需除塵、脫硫，但煙氣處理量均超過各富氧模式下的處理量;3種再循環(huán)方式下的煙氣處理量大小依次是方式3＞方式2＞方式1，這主要是對二次循環(huán)煙氣采取不同的處理方式造成的。

煙氣凈化設(shè)備的運行指標不僅取決于煙氣處理量，還依賴于處理煙氣時原材料消耗量，主要包括石灰石消耗量和冷卻水消耗量，計算結(jié)果見表7。

表7 煙氣凈化設(shè)備主要運行參數(shù)Tab.7 Main operating parameters of flue gas cleaning units

從表7中發(fā)現(xiàn)，4種模式下的石灰石消耗量變化不大，變化幅度最大僅為10%;其中，方式1中循環(huán)煙氣未脫硫的處理方式使得鍋爐出口煙氣中SO2濃度很高，但脫硫塔處理的煙氣量較小，導(dǎo)致脫硫塔中石灰石消耗量(5.04t/h)略低于與其他工況的消耗量。脫硫塔的下游設(shè)備是煙氣冷凝器，煙氣脫水所需的冷卻水量主要取決于處理的煙氣量。由于方式3下的鍋爐出口煙氣全部進行了脫水處理，而方式1、方式2的鍋爐出口煙氣只進行了部分脫水處理，故冷卻水消耗量的大小依次為方式3＞方式2＞方式1，變化幅度較大。

圖2 煙氣凈化設(shè)備的煙氣處理量Fig.2 Load of flue gas cleaning units

總體來說，再循環(huán)方式對煙氣凈化設(shè)備的運行參數(shù)影響很大，二次循環(huán)煙氣脫硫脫水的處理方式(方式3)造成其運行參數(shù)大幅度增加，大大增加了煙氣凈化設(shè)備的運行與維護費用。

4 結(jié)論

(1)富氧燃燒下的煙氣成分、煙氣體積與空氣狀況相比有顯著變化;再循環(huán)方式中脫硫脫水過程對鍋爐出口煙氣成分影響明顯，特別是對CO2，SO2，H2O的體積分數(shù)。

(2)再循環(huán)方式影響鍋爐效率、燃煤量等鍋爐主要參數(shù)，在鍋爐額定負荷下，方式1的鍋爐效率最高(95.2%)，燃煤量最低(60.9 kg/s)，這表明對二次循環(huán)煙氣不脫水不脫硫的處理方式使鍋爐能耗最低;富氧工況下的鍋爐效率比空氣模式下平均高3.18%，燃煤量低2.16 kg/s。

(3)富氧模式下氣－氣換熱器的換熱量比空氣模式下的換熱量減少了約26%;再循環(huán)方式對氣－氣換熱器的換熱量影響很小，但方式1下的傳熱面積變化較大，需對其結(jié)構(gòu)做較大改動。

(4)再循環(huán)方式對煙氣凈化設(shè)備的運行參數(shù)(煙氣處理量、石灰石消耗量、冷卻水流量等)影響很大，二次循環(huán)煙氣脫硫脫水的處理方式(方式3)造成其運行參數(shù)大幅度增加，大大增加了煙氣凈化設(shè)備的運行與維護費用。

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