富氧燃烧技术从20世纪80年代提出时,主要运用在冶金､玻璃制备等工业锅炉上,随着氧气制备技术的日趋成熟,富氧燃烧技术也随之得以快速发展｡

美国阿贡国家实验室(ANL)研究证明只需对常规锅炉进行适当的改造就可以采用此技术｡Alstom公司于2004年在美国康涅狄格研究中心成功地进行了CFBC中试规模的富氧燃烧试验｡FosterWheeler公司设计的热功率30MW的富氧燃烧CFB锅炉于2012年成功投入运行｡目前,国外一些著名的科研单位和公司(如Alstom､FosterWheeler等)正在大力研发大型超临界机组富氧燃烧技术,2015年后进入示范工程调试阶段,2022年后陆续进入商业运行阶段｡

2.1 传热特性

由于富氧燃烧系统燃烧的是高浓度的氧气,同等机组下的烟气流量比空气燃烧的烟气流量要小,要达到足够的流化风速,炉膛结构要紧凑,所以炉膛内部的传热量就变小｡Alstom公司通过对210MW富氧燃烧CFB锅炉与同功率的空气CFB锅炉研究对比发现:富氧燃烧锅炉炉膛和尾部对流受热面的吸热量只有空气燃烧的40%左右｡这就造成在大机组中要增加外置换热器来吸收烟气的热量,且机组越大,外置换热器吸热比例越大｡

2.2 结构尺寸

由于富氧燃烧传热特性的变化,锅炉设备尺寸要比空气燃烧小许多｡根据Alstom公司对210MWCFB锅炉的研究对比:富氧燃烧锅炉岛占地面积只有空气燃烧的51%,锅炉重量只有空气燃烧的65%｡

2.3 污染物排放

富氧燃烧时,由于CO2被捕捉了90%,CO2排放量明显减少,根据Alstom公司对210MWCFB锅炉的研究对比:富氧燃烧每度电减少0.83kgCO2的排放量｡

富氧燃烧时,由于烟气在循环和烟气量的明显减少,虽然NOX的排放浓度增大了,但是其绝对排放总量是减少的,富氧燃烧中NOX的排放量比空气中燃烧所产生的要减少1/3到一半之间｡

关于SO2排放总量的看法,业界观点还未完全统一｡一些研究者认为富氧燃烧时SO2排放总量比空气燃烧时少;一些研究者认为SO2排放总量与空气燃烧时相当,没有明显的减少｡具体情况有待进一步验证｡

富氧燃烧时,可能受烟气中高浓度CO2的影响,CO的排放量比空气燃烧时要多｡

2.4 热效率

由于采用烟气再循环,烟气流量减小,所以排烟损失减小,锅炉效率较常规空气燃烧锅炉有所提高,初步估算约3~5个百分点,具体数据需根据燃料､氧浓度等因素确定｡

2.5 炉内温度

根据研究资料表明,富氧燃烧时(氧浓27%~45%)炉膛温度较用空气燃烧升高30℃~50℃左右｡对于CFB炉型而言,该温度场仍在炉内脱硫､脱硝反应区,循环流化床脱硫脱硝技术优势仍然存在｡

3.1 经济性

虽然富氧燃烧技术提高了锅炉热效率,但由于氧气制备和CO2回收消耗了大量的电力,厂用电明显上升,造成电厂总发电效率反而下降了7~9个百分点,使得富氧燃烧发电功率的投资成本相比空气燃烧增加了30%左右(未考虑CO2和N2作为副产品的附加值)｡在国家CO2减排法规颁布和碳市场形成前,富氧燃烧技术的经济性明显不具备竞争优势,如何降低氧气制备和CO2回收处理技术的成本和能耗是富氧燃烧技术面临的主要技术挑战｡

3.2 制氧技术

目前制氧技术主要有低温精馏､变压吸附和膜式分离三种,虽然制氧方法不少,但每种方法都有缺陷:低温精馏法虽然生产量大,但其电耗大､维护技术难度和成本高;变压吸附法过于依赖洁净的大气环境,使用寿命短;膜式分离法受规模限制,可靠性较低且得到的氧气浓度比较低｡制氧技术有待进一步发展完善,以提高其市场竞争力｡

3.3 CO2回收技术

锅炉烟气中除了主要的CO2外,还包含一些不纯物(Ar､O2､N2､NOX､H2O､SO2),这些不纯物将影响CO2混合物的焓､熵､热容,而焓､熵的变化将影响压缩和冷凝液化系统的能源消耗｡此外,不纯物浓度的变化将影响CO2有效容积,从而影响CO2的传输､存储效率和经济性｡了解富氧燃烧锅炉CO2烟气流不纯物浓度分布特性,对CO2回收技术至关重要｡

3.4 SOX富集的酸腐蚀问题

烟气再循环使富氧燃烧锅炉内的SO2浓度比传统空气燃烧中高出很多｡一方面,高SO2浓度直接影响CO2的压缩效率和安全输运,CO2烟气中每增加1%SO2的摩尔分数,压缩功提高0.18kW,造成明显的经济和安全隐患;另一方面,高SO2浓度与较高灰尘负荷的联手,加重结渣和高温腐蚀对锅炉造成的影响｡烟气进入压缩之前必须去除其中高浓度的水,从而导致烟气冷却至酸露点以下,SO3低温腐蚀问题亦不可忽视｡

虽然富氧燃烧技术目前在经济性上还不具备竞争力,但鉴于富氧燃烧降低污染､节约能源及CO2捕集等效益,国内外主要科研单位和公司均在进行富氧燃烧技术的开发和试验工作,随着进一步降低富氧燃烧的成本和相关技术的成熟,在环境污染和温室效应日益严重的未来,富氧燃烧必然会有很好的发展前景｡