富氧燃煤鍋爐再循環(huán)方式對鍋爐效率及尾部設(shè)備的影響研究

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(jī)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(xiàn)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(dá)90%以上，這有利于CO2的壓縮冷凝捕獲［5］。同時(shí)，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(diǎn)。對現(xiàn)役鍋爐改造的經(jīng)濟(jì)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(jì)性較好。

為保證富氧燃煤鍋爐按常規(guī)鍋爐進(jìn)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(shí)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(yùn)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(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，并對比分析了3種再循環(huán)方式對尾部設(shè)備運(yùn)行特性的影響。希望能對富氧燃煤鍋爐的設(shè)計(jì)，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(jì)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(yùn)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(jìn)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(xì)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(jì)算方法

空氣模式下，排煙熱損失是由于排出鍋爐時(shí)的煙氣焓高于進(jìn)入鍋爐時(shí)的空氣焓而造成的熱損失，是煤粉爐各項(xiàng)熱損失中最主要的一項(xiàng)［9］。而在富氧模式下，進(jìn)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(jì)算，計(jì)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?jǐn)?shù)一般約為30%。計(jì)算中采用O2和循環(huán)煙氣的體積分?jǐn)?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(jì)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(jìn)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(jì)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?jǐn)?shù)影響明顯，特別是CO2，H2O，SO2的體積分?jǐn)?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?jǐn)?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(jì)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(xiàng)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(dá)4.61%，這是因?yàn)楦谎跞紵仩t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(qiáng)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(dá)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(jìn)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(yùn)行指標(biāo)不僅取決于煙氣處理量，還依賴于處理煙氣時(shí)原材料消耗量，主要包括石灰石消耗量和冷卻水消耗量，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 煙氣凈化設(shè)備主要運(yùn)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(jìn)行了脫水處理，而方式1、方式2的鍋爐出口煙氣只進(jìn)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(yùn)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(yùn)行參數(shù)大幅度增加，大大增加了煙氣凈化設(shè)備的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)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?jǐn)?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(fù)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(yùn)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(yùn)行參數(shù)大幅度增加，大大增加了煙氣凈化設(shè)備的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用。

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