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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(wèn)題，受到了許多國(guó)家的關(guān)注。人類(lèi)活動(dòng)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(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，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(guó)土徹底沉入海中。因此，降低CO₂排放是我們?nèi)祟?lèi)面臨的重大課題。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(chēng)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(guò)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(guò)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(guó)家稱(chēng)之為“資源創(chuàng)造性技術(shù)”。在燃燒過(guò)程中，由于煙道產(chǎn)生CO₂的濃度很高，這樣就有利于對(duì)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(wèn)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(huì)產(chǎn)生積蓄，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(chǎng)合具有明顯的優(yōu)勢(shì)，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(duì)吸附劑的開(kāi)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(jiǎn)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(dòng)快、可以隨時(shí)停機(jī)等特點(diǎn)。而且有裝置量逐年增長(zhǎng)、能耗逐年下降、向大型化發(fā)展的趨勢(shì)。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(duì)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(zhǎng)。

    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?lái)幾年，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(huì)太遙遠(yuǎn)。

3　富氧燃燒對(duì)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(lái)了可能。增加煙氣的流速?gòu)?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(guò)一定范圍之后帶來(lái)的引風(fēng)機(jī)耗電量的增加會(huì)超過(guò)了流速增加所帶來(lái)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(huì)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(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)不同濃度的CO₂對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響不同，另外通過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在O₂/CO₂氣氛下燃料N的轉(zhuǎn)化增長(zhǎng)率很小，循環(huán)CO₂濃度的提高對(duì)NOx減少無(wú)明顯作用。張慶豐等人對(duì)1個(gè)煤種在不同氣氛和工況條件下NOx的生成過(guò)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(duì)煤燃燒過(guò)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(duì)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(duì)NO的還原起到了催化作用，所以NOx的生成相對(duì)減少。日本科學(xué)家對(duì)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(guò)剩量的影響。另外Okazaki等人研究也發(fā)現(xiàn)再循環(huán)NOx對(duì)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(guò)壓縮干燥后，長(zhǎng)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(chē)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(duì)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(guò)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(guò)海洋封存和地質(zhì)封存來(lái)處理。海洋封存通過(guò)海上管道或者輪船輸送到封存地，然后經(jīng)過(guò)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(lèi)似自然界中地質(zhì)封存天然氣等氣體的原理對(duì)CO₂進(jìn)行封存，主要有鹽水層封存、增強(qiáng)石油開(kāi)采封存和增強(qiáng)煤層氣開(kāi)采封存。在這方面，阿爾斯通走在了前列。通過(guò)壓縮液化，再就地埋存或以類(lèi)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(guó)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(lái)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(lái)，每年可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的埋存達(dá)到1Gt，BP英國(guó)石油公司自2004年以來(lái)，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(guó)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(kāi)始，每年將超過(guò)100萬(wàn)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(wàn)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(wàn)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(chǔ)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(zhǎng)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(lái)幾年可以完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

    富氧燃燒(也稱(chēng)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(guò)海洋封存和地質(zhì)封存來(lái)處理。在未來(lái)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(lái)潔凈煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。