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前言

　  氣候變暖已經(jīng)成為一項(xiàng)全球性的環(huán)境問題，受到了許多國家的關(guān)注。人類活動所釋放的二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的最重要的溫室氣體。其中火電廠燃用礦物燃料所釋放的CO₂，是全球二氧化碳濃度增加的主要原因之一。國際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，如果再不采取有效的措施，50年之后，圖瓦盧至少將有60%的國土徹底沉入海中。因此，降低CO₂排放是我們?nèi)祟惷媾R的重大課題。目前降低CO₂排放的主要策略是控制CO₂的產(chǎn)生和回收產(chǎn)生的CO₂。富氧燃燒(也稱為O₂/CO₂燃燒)，由于其是利用空氣分離獲得的純氧和部分鍋爐排氣構(gòu)成的混合氣代替空氣做礦物燃料燃燒時(shí)的氧化劑，可以使鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣中CO₂的濃度高達(dá)90 %以上，進(jìn)而可不必分離而將大部分的煙氣中CO₂直接液化回收處理，可以有效減少溫室氣體的排放，且同時(shí)可以減少NOx和SO₂等污染物的排放，因此，富氧燃燒技術(shù)是一項(xiàng)非常有效的降低CO₂排放的技術(shù)路徑。

1　富氧燃燒原理

　  富氧燃燒是把含氧量大于21%的氣體用于供給鍋爐的強(qiáng)化燃燒。富氧燃燒技術(shù)首先是由Horne和Steinburg于1981年提出的，利用空氣分離系統(tǒng)獲得富氧甚至純氧，與燃燒后產(chǎn)生的部分煙氣混合后送入爐膛與燃料混合燃燒。

　　由于在分離過程中除去了絕大部分的氮，就可以在排放氣體中產(chǎn)生高濃度的CO2，通過煙氣再循環(huán)裝置與富氧氣體混合，重新回注燃燒爐。含氧量很高的富氧燃燒反應(yīng)燃燒比較完全，提高了理論燃燒溫度，強(qiáng)化爐內(nèi)熱交換;同時(shí)大大降低了煙氣黑度，又減少了排出爐外的煙氣量，在同樣的排煙溫度條件下，煙氣帶走的熱量也相應(yīng)減少，從而減少了熱損失，節(jié)約了燃料。鍋爐效率較常規(guī)空氣煤粉燃燒鍋爐提高約3~4個(gè)百分點(diǎn)，有著很好的應(yīng)用前景，被發(fā)達(dá)國家稱之為“資源創(chuàng)造性技術(shù)”。在燃燒過程中，由于煙道產(chǎn)生CO₂的濃度很高，這樣就有利于對CO₂進(jìn)行捕獲和封存，當(dāng)濃度達(dá)到90 % ，甚至可以不用分離而直接用于工業(yè)生產(chǎn)和貯存。目前該技術(shù)的關(guān)鍵是氧的大規(guī)模制取及其投資和能耗問題。

2　氧的制取

    氧的獲得由液化空氣(深冷法)、變壓吸附(PSA法)、膜分離3種。

    空氣分離設(shè)備采用低溫精餾法的空氣分離技術(shù)。將凈化的空氣壓縮、冷卻、液化，利用空氣中氧、氮等氣體的沸點(diǎn)不同，采用多次蒸發(fā)、多次冷凝的方法進(jìn)行精餾分離而得到富氧，一般可以達(dá)到95 %以上，能滿足電廠大規(guī)模發(fā)電的需求。低溫蒸餾法雖技術(shù)水平日臻完善，但目前單位產(chǎn)量能耗還較高。

    變壓吸附空分制氧技術(shù)是基于當(dāng)兩相組成一個(gè)體系時(shí)，兩相界面處的成分與相內(nèi)成分是不同的，在兩相界面處會產(chǎn)生積蓄，這種現(xiàn)象稱為吸附。以其能耗低、投資少、規(guī)模靈活等優(yōu)點(diǎn)，在中小規(guī)模且用氧濃度要求不高的場合具有明顯的優(yōu)勢，并逐步成為中小型空分制氧的主要方法。吸附劑的再生時(shí)間是決定其能否應(yīng)用到大型工業(yè)化的關(guān)鍵因素。隨著研究人員對吸附劑的開發(fā)試驗(yàn)研究，變壓吸附技術(shù)很可能應(yīng)用到中小型發(fā)電機(jī)組。操作一般在不太高的壓力和常溫下進(jìn)行，比之于低溫法具有流程簡單、設(shè)備制造容易、操作和維修方便、占地面積小、投資少、啟動快、可以隨時(shí)停機(jī)等特點(diǎn)。而且有裝置量逐年增長、能耗逐年下降、向大型化發(fā)展的趨勢。但當(dāng)前仍不能滿足大規(guī)模發(fā)電行業(yè)的需求。

    膜分離是利用氣體對膜的滲透性能不同進(jìn)行分離的方法。分離后一般得到富含氮?dú)獾目諝夂透缓鯕鉂舛刃∮?span lang="EN-US">40 %，約為20 %~30 %的富氧空氣。富氧空氣流量小于6 000 Nm3/h，膜法更為經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)氧濃度在30 %左右，規(guī)模小于15 000 Nm3/h時(shí)，膜法投資、維修及操作費(fèi)用之和僅是深冷法和PSA法的三分之二到四分之三。而且富氧燃燒規(guī)模越小，膜法越經(jīng)濟(jì)。膜法富氧技術(shù)在制備富氧方面的應(yīng)用正在迅速增長。

    一座500 MW電廠如果采用純氧燃燒，一天大約需要9000t氧氣，現(xiàn)在最大的空氣分離設(shè)備每天可以生產(chǎn)2000t氧氣。其中空氣壓縮分離需要消耗的能量占燃煤能量的17 %?？梢钥闯鲈谖磥韼啄?，隨著科技的不斷發(fā)展和研究人員的不斷研究，一定能制造出大型的能滿足燃煤電廠需要的分離設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模富氧燃燒不會太遙遠(yuǎn)。

3　富氧燃燒對運(yùn)行的影響

    富氧燃燒下由于煙氣量的減少以及鍋爐熱效率提高，引起的燃料量的減少使得煙氣中的粉塵量得到一定的降低，一定程度上減小受熱面的磨損，而且為電站鍋爐水平煙道煙氣流速的提高帶來了可能。增加煙氣的流速強(qiáng)化了傳熱，同時(shí)也增大了風(fēng)機(jī)的電耗。但是流速超過一定范圍之后帶來的引風(fēng)機(jī)耗電量的增加會超過了流速增加所帶來的強(qiáng)化換熱的收益，因此就不一定經(jīng)濟(jì)。煙速的大小還與受熱面的可能的積灰與磨損有關(guān)，增加煙速，受熱面的傳熱系數(shù)增大，金屬消耗量可以減少，但會增加了運(yùn)行時(shí)的風(fēng)機(jī)電耗。

    利用O₂/CO₂的燃燒產(chǎn)物中CO₂的含量達(dá)到90 %以上，甚至可以達(dá)到95 %，可以直接將大部分的煙氣液化回收處理，少部分煙氣再循環(huán)與氧氣按一定的比例送入爐膛燃燒。在液化處理以CO₂為主的煙氣時(shí)，SO₂同時(shí)也被液化回收，可省去煙氣脫硫設(shè)備。CETC-O試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):進(jìn)行O₂/CO₂燃燒時(shí)，SO₂的濃度比空氣條件下增大了大約3~4倍，這主要由于煙氣再循環(huán)使SO₂堆積和煙氣量大量減少造成的，雖然濃度增大，但排放的總量比空氣條件下要少，S向SO₂的轉(zhuǎn)化率從空氣燃燒時(shí)的91 %降低到了富氧燃燒時(shí)的64 %。王宏等人利用孔隙結(jié)構(gòu)分析及X射線衍射實(shí)驗(yàn)研究了O₂/CO₂方式下鈣基吸收劑在脫硫過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)不同濃度的CO₂對孔隙結(jié)構(gòu)的影響不同，另外通過在臥式管狀電加熱爐上進(jìn)行O₂/CO₂方式下鈣基吸收劑的脫硫?qū)嶒?yàn)發(fā)現(xiàn)，在煅燒過程中低濃度CO₂催化鈣基吸收劑燒結(jié)，高濃度CO₂下鈣基吸收劑、孔容積隨煅燒時(shí)間變化不大;高濃度CO₂使鈣基吸收劑的分解與脫硫伴隨進(jìn)行，不容易燒結(jié)，而且改善了脫硫產(chǎn)物CaCO₃對孔的堵塞，更有利于脫硫的進(jìn)行。提高溫度也可以改善高濃度CO₂氣氛下鈣基吸收劑煅燒后的孔隙結(jié)構(gòu)，使高溫下高濃度CO₂氣氛比空氣氣氛更有利于爐內(nèi)噴鈣脫硫，其中爐內(nèi)噴鈣脫硫率可達(dá)90 %。

    利用O₂/CO₂燃燒對燃料N也有很大的影響，能一定程度上減少的NOx產(chǎn)生。T.Kiga等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在O₂/CO₂氣氛下燃料N的轉(zhuǎn)化增長率很小，循環(huán)CO₂濃度的提高對NOx減少無明顯作用。張慶豐等人對1個(gè)煤種在不同氣氛和工況條件下NOx的生成過程進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)O₂/CO₂氣氛與溫度、鈣硫比等因子聯(lián)合作用對煤燃燒過程中NOx的生成有抑制作用。與空氣氣氛下相比，O₂/CO₂的存在能使氧化性氣氛下NO的削減;對于高揮發(fā)分煤，排放量可以降低50%左右，主要是由于CO₂的存在使得CO的濃度升高，CO還原了一部分NO，另外，CO₂的大量存在也使燃燒介質(zhì)發(fā)生變化，對NO的還原起到了催化作用，所以NOx的生成相對減少。日本科學(xué)家對O₂/CO₂循環(huán)燃燒煤粉進(jìn)行了較深入的實(shí)驗(yàn)研究工作，試驗(yàn)表明，如果用CO₂參與煤粉的循環(huán)燃燒，NO的生成率接近于零排放，而且基本上不受氧過剩量的影響。另外Okazaki等人研究也發(fā)現(xiàn)再循環(huán)NOx對NOx的減少起到了決定性作用，當(dāng)再循環(huán)煙氣量為80%時(shí)，再循環(huán)NOx的量將減少50 %。

4　燃燒產(chǎn)物CO₂的運(yùn)輸與封存

    電廠捕集大量的CO₂經(jīng)過壓縮干燥后，長距離輸運(yùn)到目的地。輸運(yùn)方式一般根據(jù)距離、輸運(yùn)量以及封存地來進(jìn)行選擇。管道和輪船輸運(yùn)一般成本較低，在輸運(yùn)量很大的情況下比較適合;公路和鐵路的輸運(yùn)更為靈活，但成本卻比管道和輪船貴，大致來說，鐵路運(yùn)輸是水運(yùn)和管道輸運(yùn)的2~5倍，而公路的運(yùn)輸成本達(dá)到了火車運(yùn)輸?shù)?span lang="EN-US">3~4倍。輸運(yùn)要求的壓力一般在10~15 MPa;輸運(yùn)對氣體成分的要求(IPCC)CO₂含量不小于95 %、總硫含量的體積分?jǐn)?shù)<1 500×106、N2<4%、CH化合物不超過5 %、露點(diǎn)低于-30℃。

    電廠捕集的CO₂量是非常大的，而化工、食品和材料等行業(yè)的需求有限，一般可以應(yīng)用于碳酸飲料生產(chǎn)和合成尿素生產(chǎn)碳銨，而大量的氣體可以通過海洋封存和地質(zhì)封存來處理。海洋封存通過海上管道或者輪船輸送到封存地，然后經(jīng)過高壓注入到海洋中。海洋封存主要有淺海溶解封存、深?；\形包合物封存、深?；\形水合物封存。

    地質(zhì)封存是利用類似自然界中地質(zhì)封存天然氣等氣體的原理對CO₂進(jìn)行封存，主要有鹽水層封存、增強(qiáng)石油開采封存和增強(qiáng)煤層氣開采封存。在這方面，阿爾斯通走在了前列。通過壓縮液化，再就地埋存或以類似輸油管線的方式運(yùn)輸?shù)揭粋€(gè)穩(wěn)定的地層中埋存。歐洲和美國將其商業(yè)應(yīng)用于廢棄的油田和氣田中，將二氧化碳埋存在油或氣就很難再打出來油田或氣田可以提高石油或天然氣的采油率(EOR)或采收率(EGR)。Sleipner公司在將二氧化碳埋存方面富有經(jīng)驗(yàn)，自1996年以來，每年可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的埋存達(dá)到1Gt，BP英國石油公司自2004年以來，在非洲中部的阿爾及利亞，每年二氧化碳的埋存達(dá)到1.1Gt。在美國也有若干個(gè)公司將二氧化碳用于提高石油采收的項(xiàng)目。北海油田從1996年開始，每年將超過100萬t的提純天然氣產(chǎn)生的CO₂封存在近海的鹽水沙地田中，加拿大的Weyburn每年將氣化產(chǎn)生的170萬t的CO₂進(jìn)行油田驅(qū)油。而雪弗龍計(jì)劃在澳大利亞進(jìn)行的項(xiàng)目，每年將進(jìn)行400萬t的CO₂封存。此外，全球富含的一種地層叫鹽水層，在地下1000m深處富含這種鹽水，這種鹽水可以很好地儲藏二氧化碳。全球各地的鹽水層提供了充足的埋存能力，從長期考慮，這是已知的可以處理巨大二氧化碳的主要可靠解決方案，全世界都必須盡早關(guān)注，在未來幾年可以完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

    富氧燃燒(也稱為O₂/CO₂燃燒)，利用空氣分離獲得的純氧和部分鍋爐排氣構(gòu)成的混合氣代替空氣做礦物燃料燃燒時(shí)的氧化劑，可以使鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣中CO₂的濃度高達(dá)90 %以上，可以有效減少溫室氣體的排放，且同時(shí)可以減少NOx和SO₂等污染物的排放，因此，富氧燃燒技術(shù)是一項(xiàng)非常有效的降低CO₂排放的技術(shù)路徑。富氧的制取主要由液化空氣(深冷法)、變壓吸附(PSA法)、膜分離等技術(shù)，這些技術(shù)具有不同的特點(diǎn)。富氧燃燒技術(shù)不僅能有效地提高煙氣中CO₂濃度，還可以有效地改善鍋爐受熱面的傳熱，減少NOx、SO₂、SO₃的排放。電廠捕集的CO₂一部分可以應(yīng)用于碳酸飲料生產(chǎn)和合成尿素生產(chǎn)碳銨等領(lǐng)域，而大部分則可以通過海洋封存和地質(zhì)封存來處理。在未來潔凈煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展中，燃煤發(fā)電系統(tǒng)與CO₂捕集與封存相整合的技術(shù)將成為未來潔凈煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢。