煤粉加压富氧燃烧特性及系统能耗分析

摘要

煤粉富氧燃烧在CO2分离和固定领域中具有明显的优势，但由于空分系统和CO2净化压缩系统能耗巨大，造成系统的经济性较差，加压富氧燃烧技术是在富氧燃烧技术的基础上提出来的，基于加压富氧燃烧技术的发电系统具有更高的发电效率，本文对0.1～5MPa条件下煤粉的燃烧特性和加压富氧燃烧系统的能耗进行了分析。
　　本文构建了加压富氧近零排放发电系统，空分制氧、煤粉燃烧、烟气中CO2分离压缩过程均在高压下进行，利用高压烟气冷凝器回收锅炉排烟中水蒸气的气化潜热，提高了发电系统效率;同时，用多级压缩加中冷的方法液化回收烟气中的CO2。
　　在加压气氛下，煤粉的燃烧特性与常压气氛下存在很大的差别。本文应用高压TGA设备，研究了不同压力(0.1MPa，1MPa，2MPa，3MPa，4MPa、5MPa等6种压力条件)、不同氧气和二氧化碳比例(21％O2/79％CO2、30％O2/70％CO2、40％O2/60％CO2等3种体积比)、不同煤种（烟煤、褐煤）条件下煤粉的燃烧和燃尽特性，获得了燃烧动力学参数。结果显示:相对于常压富氧气氛，加压富氧气氛下煤粉的着火温度更低，综合燃烧性能更好;在相同O2/CO2比例条件下，随着压力的逐渐增大，煤粉的着火温度先逐渐降低再逐渐增大，3MPa时着火点最低，综合燃烧性能最好;在同一压力条件下，随着氧气浓度的提高，煤粉的失重提前，氧气浓度越高，反应越剧烈;烟煤和褐煤TG曲线和DTG曲线随压力变化的规律是一致的，但由于两个煤种挥发分含量的差异，在相同压力条件下，褐煤燃烧反应速度更快;指数为1的随机成核和随后生长函数可以较好地表征加压富氧条件下煤粉燃烧的动力学过程。
　　煤粉燃烧的烟气成分在不同的压力条件下存在一定的区别，本文利用搭建的加压富氧固定床试验台分析了不同压力条件下煤粉燃烧烟气成分的变化情况。结果表明:在加压富氧条件下，煤粉的着火时间均小于常压气氛，燃尽时间普遍高于常压气氛;对于褐煤和烟煤而言，煤粉燃烧的平均温度均高于常压气氛，这说明提升压力，可以提高煤粉的燃烧强度;不论烟煤还是褐煤，各个压力条件下氧气浓度随时间变化的规律是一致的，烟煤由于挥发分含量较低，初始阶段不同压力条件下O2浓度变化不明显;适当提高反应压力(＜2MPa)，烟气中的CH4含量会提高，当压力进一步提高，CH4的生成量会降低;烟气中CO和CO2的生成规律正好相反，在低压条件下，由于烟气流速较快，不利于煤粉颗粒和氧气混合燃烧，造成低压条件下烟气中CO的浓度较高，高压条件下，由于烟气流速较慢，有利于煤粉完全燃烧，CO2浓度较高，实验条件下CO2的最高体积浓度接近90％。
　　以某300MW燃煤锅炉为研究对象，利用ASPEN PLUS软件建立了加压条件下煤粉富氧燃烧发电系统模型，研究了不同压力条件下系统的能耗。随着压力的上升，空分制氧能耗逐渐增大，当压力从0.1MPa到5MPa，制氧能耗从64.862MW上升到115.025MW，单位制氧能耗也从0.309kWh/m3上升到0.548kWh/m3;烟气压缩系统的能耗随着压力的升高而逐渐降低，0.1MPa时，烟气压缩系统能耗最大，为41.325MW;随着压力的升高，可以从烟气中回收水蒸气的气化潜热，部分补偿了空分系统能耗;加压富氧燃烧系统相对于常压富氧燃烧系统，电厂净效率更高。当压力从0.1MPa提升到2MPa时，发电系统的净效率从27.73％提高到29.28％，2MPa条件下电厂净效率最高。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 降低CO2排放的主要措施与方法

1．3 富氧燃烧技术简介

1．3．1 富氧燃烧技术的工作原理和技术特点

1．3．2 富氧燃烧技术可行性分析

1．4 加压富氧燃烧技术

1．5 富氧燃烧与加压富氧燃烧技术国内外研究现状

1．5．1 富氧燃烧技术国内外研究现状

1．5．2 加压富氧燃烧技术国内外研究现状

1．6 论文的主要研究内容、研究目标及拟解决的科学问题

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究目标

1．6．3 拟解决的关键科学问题

2 加压富氧CO2近零排放发电系统

2．1 概述

2．2 加压富氧CO2近零排放发电系统布置方案

2．2．1 加压富氧燃烧锅炉系统

2．2．2 空分系统

2．2．3 CO2净化压缩单元

2．2．4 烟气再循环系统

2．2．5 带烟气冷凝器的给水回热系统

2．3 小结

3 煤粉加压富氧燃烧特性及动力学分析

3．1 实验装置及实验方法

3．1．1 实验装置简介

3．1．2 实验条件及方法

3．1．3 TGA特征温度确定

3．2 实验结果与分析

3．2．1 不同压力条件下煤粉的燃烧特性

3．2．2 压力条件下不同O2／CO2比例煤粉燃烧特性

3．2．3 压力条件下不同煤种的燃烧特性

3．2．4 压力对煤粉着火特性和燃尽特性的影响

3．2．5 压力对煤粉综合燃烧性能的影响

3．3 煤粉燃烧动力学分析

3．3．1 煤粉燃烧动力学参数计算

3．3．2 煤粉燃烧过程的动力学补偿效应分析

3．4 本章小结

4 煤粉加压固定床实验

4．1 实验设备与实验方法

4．1．1 固定床实验台的设计与搭建

4．1．2 固定床实验台的调试与气密性检测

4．1．3 实验方法与实验工况

4．2 实验结果与分析

4．2．1 不同压力条件对煤粉富氧燃烧特性的影响

4．2．2 压力对煤粉富氧燃烧烟气成分的影响

4．3 本章小结

5 加压富氧燃烧系统流程模拟及能耗分析

5．1 加压富氧煤燃烧系统流程模拟

5．1．1 空气分离系统

5．1．2 煤粉加压富氧燃烧发电系统

5．1．3 CO2分离与压缩系统

5．2 加压富氧条件下各个系统能耗分析

5．2．1 空气分离系统能耗分析

5．2．2 烟气分离压缩系统能耗分析

5．2．3 烟气冷凝回收热量分析

5．2．4 加压富氧发电系统的净发电效率

5．3 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 下一阶段工作展望

参考文献

作者简历

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