富氧燃烧高效低成本运行关键技术与示范

【研究背景】

我国以煤为主的能源禀赋决定了煤电将会在未来一段时间内充当托底角色，燃煤发电过程中产生的CO₂作为主要碳排放源，成为了“2030碳达峰、2060碳中和”愿景目标的现实约束。开发具有大规模CO₂捕集功能的新型低碳燃烧技术是实现“双碳”目标的关键。其中，富氧燃烧技术采用空分系统所产生的氧气(纯度>95%)代替助燃空气，同时采用烟气再循环调节炉膛内的介质温度和传热特性，实现烟气中CO₂高浓度富集，便于CO₂的分离与捕集，是最具发展前景的规模化碳捕集技术。

【成果介绍】

本成果提出了一种富氧燃烧高效低成本运行关键技术与其对应示范装置。着眼于发展经济、安全和可靠的富氧燃烧技术需求，本成果重点围绕两个关键科学技术问题：

(1)基于氧/燃料双向分级的富氧燃烧火焰组织、传热调控与污染抑制原理；

(2)基于静/动态仿真的富氧燃烧系统集成优化和控制技术，组织共性技术研发和工程示范。

本成果建立了常压与加压富氧燃烧条件下的分级燃烧、传热和污染物控制理论，开发了常压富氧燃烧的分级燃烧系统，研制了加压富氧燃烧的燃烧、换热及返料等关键装备，突破了酸性气体共压缩纯化等共性关键技术，掌握了常压富氧燃烧的系统集成、优化与控制方法，并提升富氧燃烧大型化设计能力。

其中，运用富氧压缩S/N/Hg一体化脱除技术，SO₂/NO_x/Hg脱除率分别达到99%，93%和98%；35MW_th富氧燃烧工业示范连续运行168h，锅炉燃烧效率90.68%，烟气中CO₂浓度71-82%，NO_x浓度（等效空气燃烧）110mg/Nm³。相比空气工况，富氧工况下脱汞效率（以ESP前为基准）和ESP除尘效率进一步提升。

图2 应城35MW_th富氧燃烧工业示范系统及现场实时运行

【技术优势】

与现有的其它碳捕集技术，包括燃烧前、燃烧后碳捕集技术，富氧燃烧碳捕集技术的改造成本更低，系统效率更高、生成成本更低、投资与碳减排成本更低。

【技术指标】

【资质荣誉】

获日内瓦国际发明展金奖(2017)、国际自动化学会电力工业设施奖(2017)、湖北省技术发明一等奖(2018)。

本项目的部分关键成果，已在电力行业和空分行业实现了单体或成套技术推广应用。如兼顾型富氧燃烧器已被合作企业东方电气集团东方锅炉股份有限公司成功应用于多个电厂的燃烧器改造项目；烟冷器技术已成功应该用于多个低低温余热利用项目；四川空分设备（集团）有限责任公司将新型径向流纯化器应用于常规深冷空分，近三年新增产值10.5亿元；已将新型三塔空分成果投入市场。

本项目成果研究目前已完成35MW_th富氧燃烧工业示范以及350MW_e超临界富氧燃烧锅炉设计方案。

本成果主要包括35MW_th富氧燃烧示范试验，该装置是当前全球四套富氧燃烧示范装置中唯一运行的装置，项目执行期间一直国内相关行业的高度关注，国家能源、广东能源、、江西电建、中石化、中国建材、吉利、哈尔滨锅炉、中钢武汉安环院等均来校或35MW_th基地开展技术交流。

研发团队正在与多家发电企业合作，拟在现有成果基础上进行工业化放大，致力于富氧燃烧技术在200-600MW_e规模电厂上的应用，致力于实现中国富氧燃烧CO₂大规模减排及资源化利用，预估市场规模在百亿级别。

此外，本成果不仅可应用于火力发电厂，也可应用于钢铁厂、水泥厂等大型CO₂排放源的碳排放控制，实现高碳能源的低碳利用。项目团队正在与钢铁和建材行业领军企业开展合作，如武钢、中钢天澄、华新水泥等，将富氧燃烧碳捕集技术应用于高炉低碳炼铁工艺以及水泥窑炉的碳捕集。