100 kWth加壓循環(huán)流化床富氧燃燒試驗(yàn)研究

昝海峰，陳曉平，劉道銀，馬吉亮，鐘文琪，梁 財(cái)，耿鵬飛，徐勁松，劉 威，潘蘇陽(yáng)

(1.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)化及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量還將繼續(xù)增長(zhǎng)[1]，這與實(shí)現(xiàn)氣候變化目標(biāo)所需的發(fā)展軌跡相距甚遠(yuǎn)。盡管可再生能源技術(shù)日趨成熟，但發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)并沒(méi)有明顯優(yōu)化[2]。燃煤電站因其集中排碳的特點(diǎn)，在減排溫室氣體方面?zhèn)涫苌鐣?huì)關(guān)注。在眾多燃煤電站碳捕集技術(shù)中，富氧燃燒技術(shù)被認(rèn)為是最有前景的技術(shù)之一[3]。該技術(shù)使用純氧和再循環(huán)煙氣(RFG)替代空氣助燃，尾氣干基CO2體積分?jǐn)?shù)可達(dá)90%以上[4-6]。但傳統(tǒng)電站采用富氧燃燒技術(shù)后會(huì)大幅犧牲發(fā)電效率(10%～12%)[7]。導(dǎo)致凈效率損失較大的一個(gè)重要原因是空分裝置(ASU)(0.7～3.0 MPa)、燃燒裝置(微負(fù)壓)和壓縮純化裝置(CPU)(>8 MPa)工作壓力的不匹配。有研究表明[8]，系統(tǒng)運(yùn)行壓力優(yōu)化后，凈效率可提高至36.83%。采用加壓燃燒技術(shù)以提高全系統(tǒng)的最低壓力已成為富氧燃燒的發(fā)展新趨勢(shì)之一。

增壓燃燒技術(shù)除能有效降低系統(tǒng)壓力不匹配造成的損失外，還具有高燃燒效率、回收更多汽化潛熱、結(jié)構(gòu)緊湊、更小的占地面積以及更低的建造成本等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[9]。此外，由于具有燃料適應(yīng)性廣、熱質(zhì)傳遞速率快、床料適用粒徑寬以及污染物排放少等優(yōu)勢(shì)，加壓循環(huán)流化床(PCFB)技術(shù)還能應(yīng)用于固廢處理、流化催化裂化(FCC)、煤氣化及費(fèi)托合成等領(lǐng)域。

受限于燃燒壓力升高帶來(lái)的一系列問(wèn)題，現(xiàn)有關(guān)于加壓流化床富氧燃燒的研究多著重于理論建?；蚧谛⌒驮囼?yàn)臺(tái)的試驗(yàn)及機(jī)理研究。ZHU等[10]公開(kāi)了一個(gè)雙殼體結(jié)構(gòu)的加壓煤氣化熱態(tài)試驗(yàn)裝置(0.45 MPa)，并針對(duì)大同煙煤進(jìn)行了探索性煤氣化試驗(yàn)；通過(guò)冷態(tài)加壓試驗(yàn)臺(tái)研究顆粒的流動(dòng)特性，分析了臨界流化速度與壓力的關(guān)系，并提出了計(jì)算加壓條件下臨界流化風(fēng)速的半經(jīng)驗(yàn)公式。李皓宇等[11]利用80 mm內(nèi)徑的熱態(tài)加壓流化床試驗(yàn)臺(tái)，研究了壓力與熱態(tài)臨界流化風(fēng)速的關(guān)系。SONG等[12-13]利用二維冷態(tài)加壓床研究床層流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)臨界流化風(fēng)速、床層膨脹比、壓力波動(dòng)、氣泡尺寸及上升速度都隨壓力上升而下降，而固體流通量和混合速率均隨壓力升高而增加。LASEK等[14-15]采用具有連續(xù)投料功能的小型鼓泡床進(jìn)行了加壓富氧燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明壓力升高能夠顯著抑制NOx排放。DUAN等[16]利用小型加壓鼓泡床熱態(tài)試驗(yàn)裝置研究了煤熱解過(guò)程中壓力對(duì)燃料氮/硫遷移特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明含氮前體的生成量與壓力呈正相關(guān)，并且CO2分壓升高可加速煤中硫化合物分解。ZAN等[17]利用加壓管式爐研究了加壓環(huán)境下濕煙氣對(duì)NOx排放的影響機(jī)理?；糁炯t[18]研究了加壓傳熱模型及爐內(nèi)熱質(zhì)傳遞特性。SHI等[19]利用Aspen Plus模擬增壓富氧燃燒系統(tǒng)，并獲得了最佳運(yùn)行壓力區(qū)間(3.75～10.00 kPa)及發(fā)電效率等。文獻(xiàn)[20-21]分別報(bào)道了基于30 kWth增壓富氧流化床試驗(yàn)臺(tái)和10 kWth增壓富氧流化床試驗(yàn)臺(tái)的熱態(tài)試驗(yàn)研究結(jié)果，包括壓力對(duì)燃燒效率、飛灰構(gòu)成及氣態(tài)污染物排放等的影響。

上述文獻(xiàn)報(bào)道的有關(guān)加壓流化床研究均屬于鼓泡流化床范疇，但加壓循環(huán)流化床富氧燃燒試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。文獻(xiàn)[22]報(bào)道了中試規(guī)模加壓循環(huán)流化床熱態(tài)試驗(yàn)研究，介紹了該中試裝置以及裝置的啟爐及工況切換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了0.3 MPa壓力下循環(huán)流化床富氧燃燒，但缺乏相關(guān)工況下燃燒及污染物排放等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

筆者主要介紹東南大學(xué)研發(fā)的100 kWth增壓循環(huán)流化床富氧燃燒熱態(tài)試驗(yàn)裝置和相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果，可為加壓循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)的深入研究和工業(yè)規(guī)模應(yīng)用提供借鑒和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 100 kWth加壓循環(huán)流化床熱態(tài)試驗(yàn)裝置

100 kWth加壓循環(huán)流化床富氧燃燒(PCFB-OFC)試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包括風(fēng)室及布風(fēng)板、爐膛、高溫旋風(fēng)分離器及返料裝置、煙氣冷卻及除塵裝置、給料單元、配風(fēng)單元、煙氣分析及飛灰采樣裝置、測(cè)量控制系統(tǒng)等。

圖1 PCFB-OFC試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of PCFB-OFC experimental system

1.1 爐膛結(jié)構(gòu)

對(duì)于加壓燃燒裝置，采用雙殼體結(jié)構(gòu)安全性更高，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)備的安裝和維護(hù)比較困難。綜合考慮，本試驗(yàn)裝置的爐本體選用單殼體外保溫結(jié)構(gòu)。爐體設(shè)計(jì)溫度和壓力分別為1 000 ℃和1.0 MPa，針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有耐熱不銹鋼的性能，并考慮磨損和腐蝕等因素，選擇壁厚10 mm的310S不銹鋼作為爐體材料。爐膛設(shè)計(jì)總高6 m，其中，密相區(qū)高0.85 m，內(nèi)徑75 mm；稀相區(qū)高5.15 m，內(nèi)徑90 mm。爐膛采用外保溫結(jié)構(gòu)存在爐體有較大的軸向熱膨脹(爐膛最大計(jì)算膨脹量為89 mm)問(wèn)題。結(jié)合爐膛整體布置方案，確定將爐膛的固定支撐設(shè)置在管路連接最密集的密相區(qū)加料口附近，以確保密相區(qū)各管路連接結(jié)構(gòu)的安全性。在爐膛上部靠近煙氣出口處布置活動(dòng)支撐，確保承壓爐膛在垂直方向能自由膨脹且不發(fā)生橫向位移。高溫旋風(fēng)分離器的返料管內(nèi)徑為28 mm，由于國(guó)內(nèi)缺乏耐高溫、耐高壓的膨脹節(jié)，為吸收爐膛和返料管的軸向脹差，在返料管上安裝特制的耐高溫承壓金屬軟管。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，過(guò)氧系數(shù)β的設(shè)計(jì)范圍為1.1～1.3。熱負(fù)荷需匹配工作壓力，0.6 MPa時(shí)的額定熱輸入量是常壓下的3倍多，需要試驗(yàn)初期補(bǔ)充熱量提升爐溫，后期要強(qiáng)化散熱控制爐溫。由于爐膛內(nèi)部空間有限，嚴(yán)重制約水冷管道的內(nèi)部布置及維護(hù)。綜合上述問(wèn)題，爐膛外側(cè)間隔布置4組電熱管和5組水冷套管。低負(fù)荷時(shí)利用電熱管彌補(bǔ)爐體散熱損失，高負(fù)荷時(shí)可通過(guò)水冷套管通水或空氣強(qiáng)化散熱控制床溫。

1.2 返料系統(tǒng)

高溫旋風(fēng)分離器分離灰穩(wěn)定可靠回送爐膛，確保物料循環(huán)的正常運(yùn)行也是增壓循環(huán)流化床設(shè)計(jì)和運(yùn)行中面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。常壓循環(huán)流化床上普遍采用U型返料器，但在加壓運(yùn)行時(shí)，爐膛壓力的波動(dòng)往往導(dǎo)致U型返料器松動(dòng)風(fēng)量和返料風(fēng)量的波動(dòng)，進(jìn)而影響返料的穩(wěn)定性。為克服此問(wèn)題，本試驗(yàn)臺(tái)采用“固體控料閥+松動(dòng)風(fēng)+立管差壓檢測(cè)”的返料方案，通過(guò)控制立管差壓、恒定立管料位，保證返料量的穩(wěn)定性。圖2為返料系統(tǒng)的工作性能。

圖2 返料系統(tǒng)的工作性能Fig.2 Working performance chart of the return system

1.3 供料系統(tǒng)

供料系統(tǒng)由主副料罐(分別儲(chǔ)存試驗(yàn)用煤和石英砂)、充放壓管、星型給料器和溜煤管組成，向床內(nèi)穩(wěn)定可控加煤和在需要時(shí)添加石英砂床料。加煤口中心線距布風(fēng)板0.7 m，溜煤管與垂線夾角30°。為防止高溫?zé)煔夥创?，需密切監(jiān)視和控制料罐和爐膛的差壓，確保料罐壓力略高于爐膛壓力(約0.05 MPa)。

1.4 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)主要是為本體系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供穩(wěn)定可調(diào)的各路配氣。配氣系統(tǒng)需滿足常壓/加壓富氧燃燒和空氣燃燒的需要，并能適應(yīng)負(fù)荷變化。高壓空氣由空壓機(jī)提供，富氧燃燒模式下，CO2和O2用鋼瓶供氣，過(guò)熱蒸氣由直流鍋爐提供(模擬濕循環(huán)煙氣)，蒸汽量由柱塞泵調(diào)節(jié)。配氣系統(tǒng)示意如圖3所示。

1.5 測(cè)量控制系統(tǒng)

爐膛內(nèi)間隔布置12個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，精度±0.5%FS，2套熱電偶分別用于溫控儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)布置8個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，壓力變送器選用羅斯蒙特3051TG，精度±0.2%FS，由DCS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并記錄。為防止煙氣反串，需密切監(jiān)視并及時(shí)調(diào)控風(fēng)室、密相區(qū)、稀相區(qū)、旋風(fēng)分離器、煙氣冷卻器等的工作狀態(tài)。

圖3 配氣系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of gas distribution system

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)物料

床料選用粒徑0.4～0.8 mm的石英砂。試驗(yàn)用煤選用典型的中國(guó)煙煤，其工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1，該煤種具有高揮發(fā)分、高熱值、高灰熔融性等特點(diǎn)。

入爐煤的粒度分布如圖4所示，前期調(diào)試表明，0.35 mm以下的細(xì)煤粉極易造成星型加料器堵塞，因此試驗(yàn)時(shí)講入爐煤的粒徑控制在0.35～6.00 mm。

表1 煙煤煤質(zhì)分析

圖4 入爐煤粒徑分布Fig.4 Coal particle size distribution

2.2 試驗(yàn)工況

表2為不同壓力下PCFB-OFC試驗(yàn)工況參數(shù)。富氧燃燒試驗(yàn)中，爐膛入口O2體積分?jǐn)?shù)控制在26%～30%，爐膛出口的過(guò)氧系數(shù)控制在1.1～1.3。

2.3 試驗(yàn)流程

啟爐預(yù)熱前，首先分別通入一、二次風(fēng)，一次風(fēng)設(shè)定為3倍流化數(shù)(實(shí)際風(fēng)速與臨界流化數(shù)的比值)，確保床料能正常流化。再將4 kg床料(石英砂)加入爐內(nèi)，床層高度控制在300～400 mm。利用高溫預(yù)熱的一次風(fēng)和爐膛底部的電加熱器將密相區(qū)溫度逐步加熱至投煤溫度400 ℃(耗時(shí)約2 h)。然后開(kāi)始向爐內(nèi)少量送煤，在爐膛加煤升溫過(guò)程中密切監(jiān)視煙氣中的O2,CO和CO2體積分?jǐn)?shù)，及時(shí)調(diào)整風(fēng)量，并確保正常流化，防止發(fā)生低溫結(jié)焦。緩慢提升給煤量及一、二次風(fēng)量，將密相區(qū)溫度逐漸提升至800 ℃，該過(guò)程耗時(shí)約1 h。達(dá)到工況設(shè)定的目標(biāo)溫度后開(kāi)始建立物料循環(huán)，并進(jìn)一步將熱負(fù)荷提升至常壓下的設(shè)定值，然后在常壓下維持一定時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，并獲取常壓下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。升壓試驗(yàn)前需要完成富氧氣氛的切換。為平穩(wěn)過(guò)渡至富氧燃燒，根據(jù)工況設(shè)定值先緩慢切換二次風(fēng)，進(jìn)而切換一次風(fēng)。

表2 不同爐膛絕壓下PCFB-OFC試驗(yàn)工況參數(shù)

加壓燃燒系統(tǒng)的平穩(wěn)建立需要同時(shí)調(diào)節(jié)背壓閥、配風(fēng)系統(tǒng)和給煤系統(tǒng)。升壓過(guò)程中，首先提升氣源壓力，進(jìn)而緩慢調(diào)節(jié)背壓閥提升爐膛壓力，同時(shí)需要根據(jù)爐溫及尾氣成分調(diào)節(jié)給煤量。升壓過(guò)程及高壓維持期間均存在壓力波動(dòng)的隱患，需要時(shí)刻關(guān)注料罐壓力并協(xié)同料罐補(bǔ)氣升壓，使料罐壓力略高于爐膛壓力，確保供煤順暢并防止高溫?zé)煔夥创?。達(dá)到目標(biāo)工況并穩(wěn)定燃燒15～30 min后進(jìn)行下一階段升壓操作。煙氣分析儀抽取少量背壓閥后經(jīng)無(wú)水氯化鈣除濕的煙氣進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 整體試驗(yàn)進(jìn)程

圖5分別為增壓循環(huán)流化床富氧燃燒試驗(yàn)中的溫度分布及壓力變化。受限于電熱爐性能，爐膛的密相區(qū)預(yù)熱溫度最高僅能維持在400～450 ℃，因此在燃料準(zhǔn)備方面選擇了一種高揮發(fā)分、高熱量的煙煤。投煤預(yù)熱階段的主要目標(biāo)是將爐膛的主燃區(qū)溫度提升至800 ℃。之后進(jìn)行富氧氣氛切換，并逐漸將負(fù)荷調(diào)整到常壓下的目標(biāo)工況，穩(wěn)定維持一段時(shí)間使?fàn)t膛獲得充分預(yù)熱后進(jìn)行升壓試驗(yàn)。如圖5(a)所示，加壓試驗(yàn)期間，爐膛主燃燒區(qū)的溫度能穩(wěn)定在800～850 ℃。如圖5(b)所示，爐膛壓力依據(jù)工況設(shè)計(jì)分段、穩(wěn)定提升。壓力升高由常壓開(kāi)始間隔100 kPa逐步提升，各階段試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定工況后維持10～20 min，最高試驗(yàn)壓力達(dá)到600 kPa。整體試驗(yàn)期間壓力過(guò)渡平穩(wěn)、安全，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖5 POFC-CFB試驗(yàn)過(guò)程中的溫度和壓力變化Fig.5 Temperature and pressure changes during the POFC-CFB experiment

3.2 煙氣成分

圖6為增壓循環(huán)流化床富氧燃燒試驗(yàn)中尾氣中O2及CO2體積分?jǐn)?shù)。富氧燃燒試驗(yàn)中過(guò)氧系數(shù)β在1.1～1.3，隨爐膛熱負(fù)荷的升高，氧體積分?jǐn)?shù)變化平穩(wěn)并始終維持在較低水平。在切換富氧氣氛后，干煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)顯著上升并能夠長(zhǎng)時(shí)間維持在90%以上。傳統(tǒng)富氧燃燒均為常壓或微負(fù)壓運(yùn)行，正壓爐膛結(jié)合富氧氣氛能有效避免空氣向爐內(nèi)漏氣，這對(duì)于維持高體積分?jǐn)?shù)CO2尾氣具有積極作用[23-25]。

圖6 干煙氣中O2和CO2體積分?jǐn)?shù)Fig.6 Dry flue gas O2 and CO2 concentration

圖7為CO和CH4體積分?jǐn)?shù)隨運(yùn)行壓力的變化。試驗(yàn)中30%氧體積分?jǐn)?shù)和充足的過(guò)氧系數(shù)保證了燃料能夠充分燃燒。由圖7可以看出，常壓燃燒階段CO體積分?jǐn)?shù)雖逐漸降低，但總體維持在較高體積分?jǐn)?shù)，并且曲線的波動(dòng)幅度較大。隨運(yùn)行壓力的升高，CO體積分?jǐn)?shù)由15 383×10-6下降至912×10-6,波動(dòng)幅度降低，在0.4 MPa后CO排放體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定。此外，CH4體積分?jǐn)?shù)在0.2 MPa時(shí)降低到1 001×10-6，后續(xù)升壓試驗(yàn)中CH4體積分?jǐn)?shù)略有降低但變化不明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明較高壓力提升了CO和CH4的燃燒效率。壓力升高可加速可燃?xì)怏w與氧氣的反應(yīng)速率[26]，同時(shí)降低氣體分子的擴(kuò)散系數(shù)[27]。在0.6 MPa內(nèi)壓力升高均表現(xiàn)出促進(jìn)消耗的作用，這與YING等[28]的研究結(jié)論一致。

圖7 煙氣中CO及CH4體積分?jǐn)?shù)變化Fig.7 CO and CH4 concentration changes in flue gas

干煙氣中NO及N2O排放曲線如圖8所示。受運(yùn)行壓力的影響，NO和N2O排放量均降低，NO體積分?jǐn)?shù)由307×10-6下降至102×10-6，N2O體積分?jǐn)?shù)由73×10-6降低至26×10-6，是由于壓力升高降低了氣體擴(kuò)散系數(shù)，NOx和NOx前驅(qū)物的停留時(shí)間延長(zhǎng)并獲得更多反應(yīng)機(jī)會(huì)。分壓的增加會(huì)加快化學(xué)反應(yīng)速率。此外，有研究表明，高壓促進(jìn)吡啶及吡咯熱解并釋放更多的NOx前體NH3和HCN[29]。NH3和HCN能夠?qū)Ox還原為N2[30]。以上因素共同促進(jìn)燃料氮在經(jīng)過(guò)還原區(qū)(密相區(qū))的過(guò)程中更多地轉(zhuǎn)化為N2。結(jié)合圖7中CO的排放，與傳統(tǒng)De-NOx燃燒方法不同，PCFB-OFC可以同時(shí)減少NOx和CO，在保證高燃燒效率的同時(shí)減少污染物排放。

圖8 煙氣中NO及N2O的體積分?jǐn)?shù)變化Fig.8 Changes in the concentration of NO and N2O

4 結(jié) 論

(1)獲得了加壓循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程解決了富氧氣氛切換，正壓循環(huán)系統(tǒng)維持及可靠進(jìn)料的難題，實(shí)現(xiàn)了從常壓?jiǎn)?dòng)到0.6 MPa富氧循環(huán)的操控，最大熱輸入功率達(dá)到100 kW，各工況切換平穩(wěn)、安全。

(2)增壓富氧模式燃燒試驗(yàn)過(guò)程中，干煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在90%以上，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

(3)增壓富氧燃燒運(yùn)行模式能夠有效降低氣體不完全燃燒熱損失，有助于提高燃燒效率。壓力升高，NO及N2O排放量降低，對(duì)NO減排作用更明顯。