35MW富氧燃烧煤粉锅炉开发与研究

本文介绍了富氧燃烧技术的特点、富氧燃烧技术的意义和必要性。对35MW富氧燃烧煤粉锅炉的设计方案进行了简要介绍，阐述了富氧燃烧锅炉设计中应注意的问题，其中制粉系统采用开式系统，制粉系统乏气经过布袋除尘器收集煤粉后排入大气。

1 前言

研究表明，人类活动造成的CO2排放是造成气候变暖的主要因素[1-3]，哥本哈根气候变化大会之后，全球应对气候变化形势更是对我国提出了严峻的挑战，在未来能源战略中必须考虑减缓CO2排放。我国碳排放量的70%来自于燃煤，并且我国以煤炭为主的能源消费结构长期以煤为主[4]，因此控制煤炭燃烧过程中产生的CO2是问题的关键，研究CO2减排技术势在必行。

富氧燃烧，是指一种在现有燃煤发电技术基础上，将空气中的O2和N2分离，用高纯度的氧气与循环烟气混合代替助燃空气，采用烟气循环调节炉膛内的介质流量和传热特性，并获得高浓度CO2的烟气，分离捕集烟气中的CO2实现永久封存或资源化利用，实现大规模化CO2富集和减排。该技术不仅便于回收烟气中CO2，还能大幅度地减少NOx、SO2和颗粒物排放，实现污染物的一体化协同脱除，是一种近“零”排放的清洁燃煤利用技术。

国内关于富氧燃烧的研究始于上世纪90年代末。为应对气候变化，近年来，国内关于富氧燃烧技术的研究开发呈现加速趋势。国内部分高校都已开展了不少相关的基础研究和技术开发。

富氧燃烧条件下的产物和传热特性与常规的空气燃烧条件有很大区别，因此开发适用于富氧燃烧的锅炉是非常有必要的。

2 富氧燃烧技术简介

富氧燃烧技术的简易流程如下图1所示，通过空气分离设备分离出高纯度的氧气，将燃料、氧气与经过除尘、脱水后的烟气一起送入炉膛组织燃烧，经多次循环平衡之后，可以获得高浓度二氧化碳的烟气，燃烧干烟气中CO2含量可达到80%以上，再经过简易的压缩纯化过程即可达到95%以上，以满足大规模管道输送和存储的需要。这种新型燃烧方式与现有电站燃烧方式在技术具有良好的承接性，可用于现有电厂改造和新建电厂。

与常规空气燃烧系统相比，富氧燃烧系统需要增加空气分离设备、烟气冷凝器以及二氧化碳压缩纯化设备等。空气分离设备的主要作用是将空气中的O2、N2等进行分离，从而获得高纯度的氧气。烟气冷凝器可以降低烟气中的水分。二氧化碳压缩纯化设备是CO2收集利用的必需设备，烟气经二氧化碳压缩纯化设备处理之后，可以得到液化的二氧化碳，便于后续利用和处理。

富氧燃烧技术的优点是能够提高烟气中CO2的浓度，从而使得CO2更容易利用和处理，可以有效的减少燃煤电站的CO2排放，利于保护环境。

3 35MW富氧燃烧煤粉锅炉设计方案

35MW富氧燃烧煤粉锅炉的设计是属于国家科技支撑计划项目《35MW富氧燃烧碳捕获关键技术、装备研发及工程示范》项目中的子课题一：富氧燃烧关键技术与装备研发及示范。

锅炉采用富氧燃烧方式，同时要求兼顾常规空气燃烧方式。

3.1 设计煤质

本项目设计煤种具有不易结渣、轻微沾污、中等着火、中等燃尽，严重磨损的特性。

3.2 锅炉主要参数

3.3 锅炉设计方案

锅炉为中压参数、自然循环、单炉膛、前墙布置煤粉旋流燃烧器、微正压燃烧、采用管式空气预热器、全钢构架、P型布置的汽包炉。锅炉总体布置见下图2。

水冷壁为膜式壁结构，后墙水冷壁上部弯成折焰角，前后水冷壁下部形成55°冷灰斗，冷灰斗下面布置除渣装置。由汽包引出4根集中下降管，再由下水连接管引出水冷壁下集箱组成水循环回路。高温过热器布置在炉膛折焰角上方，低温过热器布置在水平烟道，省煤器布置在尾部竖井，采用管式空气预热器，一、二次风分开，并与省煤器交叉布置。

3.3.1 炉膛尺寸

锅炉燃烧器为前墙布置，通过炉膛与燃烧器的布置配合、选取合适的炉膛热力指标，本锅炉炉膛确定为长方形布置，炉膛尺寸为4733x3533x15150mm(宽x深x高)，炉膛容积热负荷为163.3 KW/m3，断面热负荷为1.996 MW/m2。炉膛设计瞬态压力按照《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程DL/T435-2004》，不低于6.7KPa。

3.3.2 燃烧器布置

燃烧系统采用3只旋流煤粉燃烧器，前墙布置;燃烧器布置示意图见下图3：

1)富氧燃烧工况

制粉系统采用钢球磨中仓制热风送风系统;磨煤机干燥剂采用锅炉空气预热器热一次风;制粉系统采用开式系统，制粉系统乏气经过布袋除尘器收集煤粉后排入大气。

2)空气燃烧工况

制粉系统采用钢球磨中仓制热风送风系统，1台磨煤机;磨煤机干燥剂采用锅炉空气预热器热一次风;制粉系统采用闭式系统，乏气作为燃烧器三次风送入炉膛;

3.3.3 水循环系统

锅炉水循环系统循环方式为自然循环，其水循环回路由锅筒、集中下降管、下水连接管、水冷壁上升管、汽水引出管五个部分组成，水冷壁分成16个水循环回路。

锅筒置于炉顶前侧。锅筒内径1400mm，材料Q245R。

3.3.4 过热器系统

过热器系统由顶棚过热器，后包墙过热器，侧包墙过热器，底包墙过热器，二级(低温)过热器，一级(高温)过热器，喷水减温器，蒸汽连接管组成。整个过热器系统中，过热器受热面为对流型，过热蒸汽进行了一次左右交叉，一次混合。一级(高温)过热器和二级(低温)过热器之间布置有喷水减温器用于调节过热蒸汽温度。减温水为锅炉给水。

过热器系统蒸汽流程为：锅筒→顶棚过热器→后包墙过热器→侧包墙过热器上行→侧包墙过热器下行→底包墙过热器→二级(低温)过热器(交叉)→喷水减温器(混合)→ 一级(高温)过热器→集汽集箱。

低温过热器为垂直蛇形管式，双管圈绕，布置在水平烟道内，蒸汽与烟气按逆流方式进行对流换热。

高温过热器为垂直蛇形管式，单管圈绕，布置折焰角的上方，蒸汽与烟气按逆顺流(混流)方式进行换热。

3.3.5 省煤器

由于空气预热器需要分成一、二次风布置，同时为了提高空气预热器出口热风温度，满足制粉系统需要，因此省煤器分为上、下级，与空预器交叉布置。上级省煤器布置于转向室下部，管束错列布置。下级省煤器位于上级空气预热器一、二次风侧下部，管束错列布置。

3.3.6 空气预热器

空气预热器采用管式预热器，两级布置，支撑在锅炉尾部钢结构上，同时因一、二次风系统压力差别较大(～2000Pa)，以及富氧燃烧工况时用于制粉的一部分一次风会漏入部分空气，为了保证烟气CO2的浓度，需要将制粉后的乏气排空。避免注入氧气的浪费，因此将空预器分成一、二次风、与省煤器交叉布置的型式。

空预器采用螺旋槽管。烟气在管内做纵向冲刷，空气在管外做横向冲刷。

3.3.7 锅炉钢结构

锅炉采用钢结构骨架。柱脚处，通过柱脚锚固件与基础相连，柱与柱之间有横梁和垂直支撑。

锅炉的主要受压件(如炉膛水冷壁、尾部竖井烟道等)均由吊杆悬挂于顶板上，而其它部件空气预热器等均采用支撑结构支撑在横梁或地面上。

4 富氧燃烧煤粉锅炉设计中应注意的问题

4.1 热力计算

锅炉空气燃烧工况热力计算按照热力计算方法，锅炉富氧燃烧工况时，在不同含氧浓度下的烟气成分彼此间差距较大，与锅炉空气燃烧工况的差距更是明显，突出的差异就是CO2达到80%甚至更高的浓度，这种变化影响了烟气的换热性能。助燃气也因为循环烟气的影响也具有类似的性质。多种的差异性决定了锅炉富氧燃烧时的传热计算需要在锅炉空气燃烧时传热基础上进行相应地修正。修正除了在气体组分及物量方面的平衡，更主要的体现在各处辐射与对流换热系数的变化，锅炉富氧燃烧工况主要对烟气密度、三原子气体辐射减弱系数、灰粒辐射减弱系数、对流换热系数进行修正[5]，其余计算仍参考锅炉热力计算标准。

4.2 循环烟气中的氧浓度与炉内辐射传热

常规锅炉空气燃烧时，空气中的氧浓度约21%(O2/N2=21/79)，锅炉富氧燃烧工况若采用同比例的CO2替代N2，使得送入炉膛的循环烟气中的氧浓度为21%(O2/CO2=21/79)时，煤粉理论燃烧温度与常规空气燃烧工况相差较大，对炉内辐射传热会造成影响。通过计算，认为送入炉膛的循环烟气中氧浓度在26%～29%时，煤粉理论燃烧温度与空气燃烧工况比较接近，可以使得炉内辐射传热与常规空气燃烧工况相当，使得锅炉设计不至于有较大的变化。

4.3 对流受热面传热系数

采用同一炉型，以高温过热器为例，计算传热系数，循环烟气中氧浓度越高，富氧工况传热系数越低，主要是由于氧浓度增加后，循环烟气量减少，受热面烟气速度降低，其传热系数降低，在氧浓度为27～24%时，富氧工况传热系数与空气工况接近。

若富氧工况与空气工况受热面烟气速度在同一水平，富氧工况传热系数与空气工况传热系数(常规炉型)比较，富氧工况比空气工况传热系数高，因此，富氧锅炉设计时，若受热面布置主要参数，如烟气流速、工质流速与常规空气工况相当时，在温压相当的情况下，富氧工况受热面传热系数高于空气工况，可提高受热面的吸热能力，节省受热面积，降低锅炉造价。

4.4 过剩氧量系数

为保证煤粉的充分燃烧，需要提供足够的空气(氧气)量，锅炉富氧燃烧采用过氧系数来表征炉内燃烧供氧量是否充足，类似于锅炉空气燃烧时的过剩空气系数，对于烟煤，虽然理论上过氧系数可低至1.05，以获得尽量高的烟气CO2浓度;但在工程上，考虑到燃烧器配风的不均匀性，可选取过氧系数1.15进行设计;在实际运行时，则以炉膛出口氧分压2～3%为控制参量，此时实际过氧系数略低于1.15。

4.5 锅炉密封

富氧燃烧煤粉锅炉，为了保证烟气中的CO2浓度，需严格控制漏风(漏入空气)，因此，需要重点考虑锅炉的密封措施。

锅炉的密封按微正压设计，高温烟气区的炉壁，都做成气密式焊接膜式壁。低温烟道亦为焊接护板结构，在膜式管壁上的所有开孔都采取密封措施，各热工测点开孔穿墙以及各种开孔都有起密封和固定用的孔座装置。

为达到良好的密封效果，在水冷壁穿顶棚处，包墙管与侧墙连接等处均用钢板进行一次密封后再用密封装置进行二次密封，所有膜式壁上开孔均设置有墙箱，为便于现场测量，管子端部用法兰连接。

5 结束语

本文介绍了富氧燃烧的技术特点依托国家科技支撑项目开发的35MW富氧燃烧煤粉锅炉的设计方案，对富氧燃烧锅炉设计中需要注意的问题进行了阐述。锅炉设计能满足富氧燃烧的需求，通过对富氧燃烧传热特性的研究和锅炉方案的设计，掌握富氧燃烧煤粉锅炉关键技术，提升我国在富氧燃烧技术和相关装备制造领域的自主创新能力。