低污染燃燒技術

低污染燃燒技術是一種降低污染物的排放的節能環保型燃燒技術。採用低污染燃燒技術有利於能源的節約，像減少CO的排放，減少粉塵的排放，在很大意義上說是靠提高燃燒效率取得，像降低NOX的排放在很大程式上要靠減少排煙中的O2——即減少排煙量來實現。詳細介紹了我國工業燃料燃燒的現狀、低污染燃燒的意義。並且介紹了低污染燃燒技術中主要的循環流化床燃燒技術、整體煤氣化聯合循環技術、燃氣-蒸汽聯合發電技術、水煤漿燃燒技術等。

基本介紹

• 中文名：低污染燃燒技術
• 外文名：Low pollution combustion technology
• 特點：節能、環保
• 類型：環保節能型燃燒結束
• 領域：能源
• 學科：熱力學

我國的工業燃料燃燒現狀

能源是當今世界經濟發展的重要基礎。如何節約日趨緊張的非再生能源—石油、煤炭以及降低石油、煤炭開發利用對人類生存環境造成的嚴重污染,已成為中國乃至全球急待解決的問題。
液體燃料作為石油化工工業的一種產品,由於其運輸和貯存方便,燃燒後殘留物少以及控制靈活,在我國的工業生產中得到了廣泛的套用。火力發電行業,在燃煤火力發電廠還廣泛使用柴油、重渣油等液體燃料作為鍋爐冷爐啟動、低負荷穩燃及煤質差時的輔助燃燒用燃料,對於燃油火力發電廠還廣泛使用柴油作點火助燃燃料,重渣油作為發電用燃料;在煉油化工行業的各種工藝加熱爐還廣泛使用重渣油作為燃料;在陶瓷行業的各種隧道窯、輥道窯、梭式窯、抽屜窯還廣泛使用柴油、重渣油作為陶瓷產品燒成用燃料;在玻璃行業還廣泛使用柴油、重渣油等液體燃料作為玻璃熔化及玻璃製品燒成用燃料;在冶金、機械及有色金屬行業,還廣泛套用柴油、重渣油等液體燃料作為金屬材料的熔煉、軋制、熱處理等工藝過程的加熱用燃料;在我國的工業及民用熱水鍋爐、採暖鍋爐、蒸汽鍋爐、中央空調、烘乾等領域還廣泛使用柴油、重渣油等液體燃料作為燃料;在我國的焚燒行業如火葬廠、垃圾處理廠還廣泛使用柴油等液體燃料作為助燃燃料。總之,我國每年在各種工業爐及鍋爐上消耗的燃料在5000萬t以上,約占我國每年原油開採量的一半。我國的輕質優質的燃料油價格昂貴,其燃料成本在企業生產成本中占有很高的比例,迫使工業企業不得不用價格較低的重質、劣質燃料油如重柴油、重渣油等作為燃料。但這些燃料由於其粘度高、質量難以保證、熱值不穩定等,導致燃料燃燒不完全,燃燒後產生大量污染物,能耗既高,又影響企業的產品質量、產量以及工業爐的壽命。為此很多企業已採用了一些節能措施,如採用油摻水(或乳化油)技術、燃油磁化技術等,但至今為止,均未見明顯成效。廣大企業迫切需要採用高效、節能、低污染燃油燃燒技術來改造傳統落後的液體燃
料燃燒設備。
氣體燃料(如液化石油氣、天然氣、瓦斯氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣、城市煤氣、混合煤氣、水煤氣、發生爐煤氣、高爐煤氣等)作為一種石油化工工業的產品,由於其運輸和貯存方便,燃燒後殘留物少以及控制靈活,在我國的工業生產及民用生活中得到了廣泛的使用。在我國鋼鐵行業的各種工業爐上廣泛使用焦爐煤氣、混合煤氣、轉爐煤氣和高爐煤氣作為燃料,在我國的煉油化工行業廣泛使用著煉油工藝中的副產品———瓦斯氣作為工藝加熱爐的燃料;在我國的石油開採業(即油田)及其周邊地區廣泛使用自產的天然氣作為各種鍋爐、加熱爐及工業爐的燃料;在我國的建材行業(即陶瓷、玻璃製造業)廣泛使用著液化石油氣、天然氣、發生爐煤氣等作為燃料;在我國的工業及民用熱水鍋爐、採暖鍋爐、蒸汽鍋爐、中央空調、烘乾、焚燒等行業也廣泛使用各種液化石油氣、天然氣、發生爐煤氣等作為燃料。一般來說,高熱值氣體燃料(如液化石油氣、天然氣等)熱值高,容易組織燃燒。而低熱值的氣體燃料(如城市煤氣、轉爐煤氣、發生爐煤氣、尤其是高爐煤氣)熱值低、著火難度大,容易造成熄火、燃燒不完全,甚至爆炸,因而對燃燒技術提出了更高的要求,否則就會產生以下問題:(1)燃燒不完全,能耗高;(2)影響企業的產品質量、產量;(3)燃燒產物中的污染物及有毒氣體的排放量增加;(4)燃燒過程中容易熄火、脫火,甚至造成爆炸事故。
煤炭作為一種最普遍最傳統的燃料,一直在工業生產中套用。工業上使用煤炭作為燃料主要有兩種方式:一種為塊狀煤、一種為煤粉。塊狀煤的燃燒效率低、能耗高、污染大、自動化控制難度大,目前正逐漸被淘汰。煤粉的燃燒效率較塊狀煤高得多,控制較靈活,目前在工業生產中套用較廣泛。我國的火力發電行業,還主要用煤粉作發電燃料;我國的水泥、有色金屬行業也主要以煤粉作為燃料;我國的鋼鐵冶金行業的全部高爐及部分軋鋼加熱爐、熱處理爐還廣泛使用煤粉作為燃料。長期以來,我國的煤炭資源來源廣、差別大、煤質又不穩定,給企業的正常使用造成了障礙。由於煤粉在冷態(常溫)情況下是不能直接著火燃燒的,必須用燃油或燃氣等作為點火起動燃料,再加上煤粉在低負荷或煤質差時也不容易著火燃燒,因此如果煤粉燃燒器技術水平低,一方面造成煤粉燃燒不充分、能耗高、污染物排放大,甚至出現爆炸等危險;另一方面容易造成企業燃油、燃氣(用來作為點火、助燃及低負荷穩燃)成本消耗大,影響企業的經濟效益。廣大企業迫切希望採用高效、節能、低污染的煤粉燃燒技術來改造傳統落後的煤粉燃燒設備。

低污染燃燒的意義

1972年聯合國召開的“人類環境會議”明確指出環境問題不僅是個工程技術問題，等重要的是社會經濟問題，不是局部問題，而是全球性問題。要正確處理髮展經濟和環境保護關係。

1.根據前面分析，燃燒（尤其是煤的燃燒）造成嚴重的環境污染，因此，必須研究燃燒時，大氣污染物的生成理論，然後採用低污染的燃燒技術，來降低污染物的排放。

採用低污染燃燒的意義在於，有利於保護環境，生態平衡，人類和動物、植物界的健康，促進社會經濟發展。

2.符合電力工業發展的需要

1）前面談到，硫的排放靠提高煙囪高度的方向不是根本的方法，若不採用其它有效方法，最終將制約電力工業的發展。

2）節約能源

採用低污染燃燒技術有利於能源的節約，像減少CO的排放，減少粉塵的排放，在很大意義上說是靠提高燃燒效率取得，像降低NOX的排放在很大程式上要靠減少排煙中的O2——即減少排煙量來實現。

循環流化床燃燒

簡介

流化床燃燒是一種燃燒化石燃料、廢物和各種生物質燃燒的燃燒技術，它的基本原理是燃料顆粒在流態化（流化）狀態下進行燃燒。一般粗粒子在燃燒室下部燃燒，細粒子在燃燒室上部燃燒，被吹出燃燒室的細粒子採用各種分離器收集下來之後，送回床內循環燃燒。

流化床燃燒技術是一種介於層燃和懸浮燃燒之間的燃燒方式，而流化床燃燒技術又可分為鼓泡流化床燃燒技術和循環流化床燃燒技術。

循環流化床燃燒技術

優點

整個燃燒室的顆粒濃度都比較高，而且下部密相區和稀相區的之間存在一個過渡區域，在這個區域內顆粒濃度從密相區的高濃度逐漸降低到稀相區內的一個較低的濃度。 燃燒室內顆粒的橫向混合更加劇烈，燃料加入點數可以大大減少。 爐膛上部稀相區存在著強烈的物料返混。顆粒在燃燒室上部稀相區的中心區域隨氣體向上流動，而在邊壁區域記憶體在著大量向下流動的顆粒。同時，稀相區記憶體在著大量的由細灰顆粒聚集或團聚而成的顆粒團，這些顆粒不斷形成和解體，並且向各個方向運動。

具有很高的爐內脫硫效率和脫硫劑利用率。由於停留時間長，氣固兩相混合好、燃燒室溫度分布均勻以及顆粒磨損大等特點，使得脫硫劑顆粒能充分燃燒，在與煙氣SO2良好接觸狀態下，在合適的溫度下長時間反應，而且顆粒磨損可及時剝落顆粒表面的反應產物而進入顆粒內部反應。這些使得循環流化床鍋爐內脫硫過程可以獲得比鼓泡流化床燃燒過程高得多的脫硫效率，而且脫硫劑利用率高，通常情況下，在鈣與燃料中的硫摩爾比Ca/S為1.5-2.5的情況下可以達到90%以上的脫硫效率。

由於運行速度的提高，燃燒室截面小，循環流化床燃燒室的單位截面的熱負荷較高，約為3.5-4.5MW/m2，與煤粉燃燒相當。

燃燒設備的負荷調節範圍大，負荷調節速度快，循環流化床調節比可以達（3-4）:1，負荷調節速度可以達到每分鐘5%左右。

整體煤氣化聯合循環

簡介

整體煤氣化聯合循環(IGCC—Integrated Gasification Combined Cycle)，是把高效的聯合循環總能系統和潔淨的燃煤技術結合起來的先進發電系統，為當今世界能源界關注的一個熱點。它由兩大部分組成， 即煤的氣化與淨化部分和燃氣一蒸汽聯合循環發電部分。第一部分的主要設備有氣化爐、空分裝置、煤氣淨化設備(包括硫的回收裝置)，第二部分的主要設備有燃氣輪機發電系統、餘熱鍋爐、蒸汽輪機發電系統。IGCC的工藝過程如下：煤經氣化成為中低熱值煤氣，經過淨化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變為清潔的氣體燃料，然後送入燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工質以驅動燃氣透平作功，燃氣輪機排氣進入餘熱鍋爐加熱給水，產生過熱蒸汽驅動蒸汽輪機作功。

整體煤氣化聯合循環技術

優點

1. 發電熱效率高 氣化爐的碳轉化率可達96 ～99 ，動力島中，由於燃氣一蒸汽聯合循環發電技術的快速發展，其熱效率已達到6O ，與其相關的GCC發電效率已有可能從目前的43 ～45提高到5O 以上。
   
2. 環保性能好 由於煤氣在送入燃機燃燒之前， 已在壓力狀態下高效淨化，IGCC電廠污染物的排放量僅為常規燃煤電站的10 ， 其脫硫效率可達99 ，SO 排放濃度在25mg/Nm。左右， (目前國家二氧化硫排放濃度為12OOmg/Nm。)，NO排放濃度是常規燃煤電站的15 9/5～20 ，耗水指標是常規燃煤電站的30 ～50 ，其環保性能是其他燃燒發電技術所不能媲美的。
   
3. 負荷適用性好。調峰能力強 IGCC電廠可在35 ～100 負荷條件下平穩運行(常規燃煤電站為50 ～100 )，負荷變化率可達7 9/5～15 /min (常規燃煤電站為 2 ～5 )，具有很好的調峰效果。
   
4. 燃料適用性廣 從一般高硫煤種到低品位的劣質煤，甚至生物廢料，對IGCC氣化爐的性能影響不大，具有良好的煤種適應性，進料價格遠低於天然氣價格。 5.可實現多聯產。提高經濟效益 合成氣中主要成分為H 和CO，可大量生產氫氣等清潔能源，為今後進入氫能經濟時代創造條件。此外，還可生產硫酸等副產品。
   

國際IGCC現狀

IGCC發電是20世紀70年代西方國家在石油危機時期開始研究和發展的一種新技術。1972年在德國建成的I unen電廠和1985年在美國建成的Cool Water電廠，是兩座成功的利用煤作為進料，經氣化後發電的里程碑式IGCC實驗電廠。由於20世紀90年代世界上研製出一批高性能的燃氣輪機，IGCC機組的效率達到45 9/5以上，從而使得IGCC可以和傳統的燃煤發電機組相競爭，加之IGCC機組污染物排放要比傳統燃煤電廠低得多，故90年代在世界範圍內先後建成了10餘座IGCC電廠，其中4台大容量(250MW 以上)、比較有代表性的以煤為進料的IGCC電廠簡況如表1。這四台機組分別採用了四種不同的氣流床工藝，反映了當今世界不同的IGCC發電技術水平。它們的成功運行為IGCC技術的發展奠定了良好的基礎並提供了寶貴的經驗。

國內IGCC現狀

我國在1992年就開展了IGCC示範項目的前期工作，經過數年的工作，最終決定在煙臺發電廠內規劃2套300MW 級或400MW 級IGCC機組，作為我國IGCC技術發電的示範工程，一期先建設1套， 目前該項目合作方案答詢書綜合評審報告已編制完成並上報國家發改委待批。我國正在規劃建設的項目還有：上海2×400MW 級IGCC發電項目，廣東汕頭電廠燃機套用煤氣化技術改造成IGCC項目，河北超化3×120MWIGCC電廠，遼寧阜新以IGCC為基礎的熱、電、煤氣三聯供項目。

IGCC技術發展的障礙

目前聯合循環動力系統、煤氣化系統和高溫淨化等系統的設備和關鍵技術尚需從已開發國家引進。表是國內某燃煤熱電廠和IGCC示範電廠的對比表，從表中可以看出IGCC示範電廠單位造價約是國內燃煤電廠的單位造價的2倍，測算出的其上網電價、熱價也尚不具備市場競爭力。

燃氣－蒸汽聯合發電

燃氣－蒸汽聯合循環發電是指燃氣輪機運行的高溫發電循環系統和蒸汽輪機循環運行的低溫發電循環系統的組合。這樣不僅可以提高發電效率，而且由於氣化爐所產生的煤氣在燃燒前必須通過各種淨化措施，因此能夠滿足非常嚴格的污染控制指標。不足之處在於投資大，運行費用高，商業競爭力不足。 聯合循環的基本方案

餘熱鍋爐型聯合循環

將燃氣輪機的排氣通至餘熱鍋爐中，加熱鍋爐中的水產生蒸汽驅動汽輪機作功。

餘熱鍋爐型燃氣一蒸汽聯合循環的主要性能指標

（一）燃氣蒸汽聯合循環的功率

鑒於聯合循環由燃氣輪機循環與朗肯循環所組成，故聯合循環功率為燃氣、蒸汽兩部分輸出淨功率之和，

（二）燃氣一蒸汽聯合循環的比功

由於聯合循環中有不止一種工質，流量也各異，聯合循環比功是以燃氣輪機壓氣機進口的空氣單位流量為基準折算的總功率，

（三）燃氣蒸汽聯合循環的效率

水煤漿燃燒技術

水煤漿是一種煤基的液體燃料，一般是指由60－70%的煤粉、40－30%的水和少量的化學添加劑組成的混合物。它是20世紀70年代世界範圍內出現石油危機的時候，人們在尋找以煤代油的過程中發展起來的石油替代技術。水煤漿既保持了煤炭原有的物理化學特性，又具有和石油類似的流動性和穩定性，而且工藝過程簡單，投資少，燃燒產物污染較小，具有很強的實用性和商業推廣價值。 水煤漿的用途十分廣泛，它可以像油一樣的管運、儲存、泵送、霧化和穩定著火燃燒，其熱值相當於燃料油的一半，因而可直接替代燃煤、燃油最為工業鍋爐或電站的直接燃料；水煤漿還是理想的氣化原料，產生的煤氣化可以用於煤化工或用於聯合循環發電；對於特製的精細水煤漿，還可以作為燃氣輪機的燃料使用；可見，水煤漿技術是潔淨煤技術的一個重要組成部分，發展水煤漿技術具有十分重要的意義。

1. 替代石油，合理利用我國能源資源 由於水煤漿具有同石油一樣的流動和霧化特性，因此，以水煤漿替代石油可以利用原有設備，改動工作量很小，投資小。
   
2. 解決煤炭運輸問題 我國煤炭資源豐富，但地區分布極不平均，北煤南運和西煤東運的局面將長期存在。靠鐵路運輸既增加了鐵路的負擔，又對沿途環境造成了污染。發展水煤漿進行管道運輸將在很大程度上緩解能源運輸的壓力和污染問題。
   
3. 降低煤利用過程中的污染 製備水煤漿的原料煤是經過洗選的，含灰量和含硫量都大為降低，燃燒後產生的飛灰和SO2都比一般的燃煤鍋爐低。同時由於水煤漿中的水分在燃燒時具有還原作用，理論燃燒溫度也比相同煤質的煤粉燃燒低200℃左右，因此可以在一定程度上降低NOX的排放量。