【观察】二氧化碳减排的一种更优技术：加压富氧燃烧

煤炭为社会发展带来了巨大效益，并且因为其价廉量大、便于运输和储存等优点，将继续成为主要发电能源。同时，燃煤发电站也是二氧化碳排放的部分来源，而最有希望减少二氧化碳排放的技术之一就是富氧燃烧。然而，初代富氧燃烧技术需要在大气压下操作，而空气分离装置（ASU）、烟气再循环（FGR）和气体处理装置（GPU）都需要消耗大量能源，这些都会导致净发电效率直接降低1/10乃至更多。

加压富氧燃烧是一种很有前景的新技术，它能通过回收烟道气中水分的潜热，并将其耦合到蒸汽循环系统来提升发电站的效率。目前，华盛顿大学圣路易斯分校正在研发一种先进的加压富氧燃烧技术。这种技术可以将净发电效率在初代富氧燃烧的基础上提升至少6%，这种技术也为低成本碳捕集铺平了道路。

技术背景

简单来说，加压富氧燃烧就是在下游安装了冷凝换热器的加压容器里发生的富氧燃烧。为什么要增加这样一个复杂的环节，有如下几方面的考虑：首先，从下图可以看出，从发电厂烟囱里排出的巨大烟柱里含有大量水汽。一旦这些水汽在空气里遇冷凝结，释放出的热就完全浪费了，无益于动力循环系统；其次，从另一个角度考虑，要想形成下图中的烟柱，需要巨大的能量才能蒸发出这么多水汽，这些能量最终都被发电站浪费了。而加压富氧燃烧正好可以利用这些能量。

从烟囱排出的大量水汽在空中形成汽柱是发电站的常见情景

 

由于碳捕集和封存技术也需要对二氧化碳加压，因此对燃烧过程加压，从根本上讲不会造成效率低下。不仅如此，当燃烧产生的烟气处于高压环境时，水汽的冷凝温度将变得足够高，在水汽凝结前收集潜热并将其送入蒸汽循环系统，可以提升发电效率。虽然1000～1600kPa 的压力就足够收集大部分潜热了，但是我们仍建议提高到8000kPa，效果会更佳。

加压富氧燃烧的基本流程与初代富氧燃烧相似，也有空气分离装置（ASU）、烟气再循环（FGR）和气体处理装置（GPU），只是多了一个收集蒸汽潜热的冷凝换热器。

空气分离装置为锅炉输送纯度为95%左右的氧气，烟气再循环系统则被广泛用来降低富氧燃烧过程中产生的燃烧温度、减少炉壁热流量，气体处理装置用作向锅炉输送煤粉的气体载体。虽然人们一直提议使用水煤浆来传送加压煤炭，但是干煤粉能够获得更高的锅炉效率，并且在4000kPa的气化炉中得到了广泛应用。在热烟气离开锅炉后，其中的微粒被过滤器滤掉了。这些无颗粒的温热气体随后进入冷凝换热器，烟气水分中的潜热在这里被收集起来并送入蒸汽循环系统。事实上，在压缩烟气的同时，我们能在这个容器里除掉硫氧化物和氮氧化物，还能收集潜热。二氧化碳在从管道排出之前还能在气体处理装置中被进一步压缩和提纯。

加压富氧燃烧的优势

（1）对冷凝过程中的潜热进行捕集，并用于提高循环效率；

（2）降低使用高水分燃料带来的副作用，回收潜热可以提高低阶煤的价值；

（3）因为加压条件下能够在简易水洗塔里同时捕集硫氧化物和氮氧化物这些污染物，因而简化了捕集过程；

（4）大大减小了气体体积，从而降低了设备尺寸和成本；

（5）全程避免空气进入，从而降低了气体处理装置的提纯成本；

（6）增加了锅炉的光学厚度，优化了辐射热传导，减少了烟道气再循环。

从烟气中回收潜热提高发电效率：

 

选择加压富氧燃烧而不是初代富氧燃烧，在于能够利用从烟气中回收的潜热来补偿碳捕集时消耗的额外能量。此阶段产生的温度在很大程度上取决于操作时的压力。例如，在大气压下烟气中的水汽凝结温度为50～55℃，而当压力为8000kPa时，水汽凝结温度就陡升到150～200℃。凝结温度的剧增使得这些潜热能够被利用起来。直接接触式和非接触式热交换器都能用来回收潜热。

收集来的潜热可用于蒸汽动力循环系统中，给锅炉供水加热。这样可以让涡轮机少提取一半左右的蒸汽。提取的蒸汽越少，流过涡轮机的蒸汽流就越多，由此提高了总功率。

 

去除多种污染物：

 

高压使得多种污染物的控制成为可能，甚至可以取代传统且昂贵的排放控制设备，如处理氮氧化物的选择性催化反应设备和处理硫氧化物的烟气脱硫设备。

之前的研究已经表明，当烟道气在有水的条件下被压缩时，硫化物和氮化物之间的相互化学反应能够促进气体污染物转化为弱硫酸和硝酸。这种情况只会在高压下发生，而非标准大气压下。虽然压力下发生的化学反应原理还有待研究，但是这个过程也被粗略称作“铅室法”。众所周知，“铅室法”是工业生产硫酸的一种常见方法。实验结果表明，在1500kPa下，几乎所有的硫氧化物和大约80%的氮氧化物都可以除去。另一组实验表明，在3000kPa下，氮氧化物可以被清除得更彻底。该过程的关键在于：氮氧化物与硫氧化物之比要大于0.5，压力要高于1500kPa，并且需要在有液态水存在的环境下。

直接接触式冷凝管（DCC），用于同时冷却烟道气、收集潜热、捕获硫氧化物和氮氧化物

 

如上图所示，排放物捕获、烟气凝结和潜热收集这3个过程都可以在同一逆流水洗塔中完成。当湿的烟道气的温度高于酸气的露点（≥300℃）时，烟道气会从底部流向气液反应器。如果烟道气在流动过程中遇到一股冷却水，其温度会下降。当气体温度降低到露点，烟道气中的水分就会凝结，释放出的潜热可以被冷却水收集。露点随着气压的增加而升高，因此离开气液反应器的水温也会随着压力的增加而升高。在1500kPa的压力下，水温能够达到165℃，这已经足够为锅炉供水加热了。

当将此方法用于加压富氧燃烧系统时，优点非常突出：

（1）与大气压下富氧燃烧系统不同，由于压力已经升高了，所以不再需要压缩烟道气，也避免了压缩酸性气体可能带来的腐蚀问题；

（2）收集潜热的同时还能捕获硫氧化物和氮氧化物，这比起单独的捕获系统更具经济性；

（3）酸性气体的凝结发生在一个独立设备中，因此降低了腐蚀系统其他部件的可能；

（4）因为在进入直接接触式冷凝管（DCC）之前烟道气不需要冷却，从而实现了整个系统的总体效率最大化。

分阶段加压富氧燃烧

加压富氧燃烧的一种扩展技术——分阶段加压富氧燃烧，可将燃煤电厂碳捕集的效率损失降低一半以上。这种分阶段加压富氧燃烧采用了独特的锅炉结构，用强压（约1500kPa）使煤粉在最少的烟道气循环中充分燃烧。

 

特征：

 
分阶段加压富氧燃烧过程的气体和蒸汽流程图

分阶段加压富氧燃烧如上图所示。与传统的富氧燃烧方法相比，分阶段加压富氧燃烧的关键在于有两个或多个加压锅炉串联在气体一侧。除了减少烟气再循环，多锅炉模块的使用也可以使可变负荷下的工厂设计和操作更具灵活性。虽然上图中有4个锅炉或分为4个阶段，但是如果增加烟道气的循环次数，需要的锅炉可以更少一些。分阶段加压富氧燃烧的最佳压力大约为1500kPa。煤从每一个锅炉的顶部中心线送入，流经每个锅炉时燃烧。上游锅炉的产物，包括过量的氧气，都会被传输到下一阶段，在那里会遇到更多的煤。这些过程会不断重复，直到所有的氧气都在最后一个环节被消耗掉。而产物的温度会在对流式换热器中进一步降低，紧接着是除灰。当烟道气到达直接接触式冷凝管时，烟道气冷却、水分凝结、潜热收集都会同步发生，硫氧化物和氮氧化物也会在这里去除。之后，大部分烟道气进入气体处理装置进一步提纯，以满足存储或强化回收的严格要求。

 

更高的净发电效率：

 

分阶段加压富氧燃烧还有其他优点，能够提高效率、降低成本和操作费用，分别为：

（1）烟气再循环最小化，使烟道气体积、设备尺寸、附加泵送负荷同样最小化，提升了锅炉效率；

（2）持续的高温气体保证了辐射传热总量的最大化，与对流相比，最大限度减少了热传导面积，也减少了锅炉的能量损耗；

（3）水分凝结和排放物移除都在一个紧凑的直接接触式冷凝管中完成，在收集潜热时去除了硫氧化物和氮氧化物，最大限度减小了设备尺寸，降低了成本。

如表1a所示，分阶段加压富氧燃烧方法产生的净发电效率比初代大气压富氧燃烧高6%。而与传统的空气燃煤发电站相比，分阶段加压富氧燃烧将碳捕集时损失的净发电效率降到了3%。因此，若以大气压富氧燃烧作为参照，其净发电效率提高了很多，这源于多种原因，但主要源于分阶段加压富氧燃烧。

空气燃烧、大气压富氧燃烧和加压富氧燃烧情景中发电站的净发电效率对比

分阶段加压富氧燃烧的净发电效率比大气压富氧燃烧的效率高，直接接触式冷凝管中收集的潜热发挥了重要的作用，这些潜热为蒸汽循环增加了10%的热量。效率的提升和设备成本的降低都使碳捕集时额外消耗的电能大幅降低。可以看出，分阶段加压富氧燃烧技术能够满足美国能源部的要求，即消耗的电力低于35%的目标。法国电力公司对分阶段加压富氧燃烧方法和另一种可供选择的加压富氧燃烧方法以及大气压富氧燃烧和空气燃烧的情形分别进行了比较（表1b），其评估的目的是为了分别从发电和用电的角度了解不同方法在加压富氧燃烧中的优缺点。这项研究表明，提高辐射传热相对于分阶段加压富氧燃烧的对流传热，更能提升从烟道气到蒸汽循环的整体能量传导，从而提高发电效率。此外，由于分阶段加压富氧燃烧要求减少烟气再循环，因此辅助负载也更低，进一步提高了净发电效率。

 

可控辐射传热：

 

燃烧过程中加压使得操作发生在较高的燃烧温度下，因此烟气再循环减少了，这在大气压下是不可能做到的。因为在足够高的气体下，辐射传热因燃烧气体里的碳和灰尘微粒发生了巨变，光密度增加。认识到这一点后，通过CFD辅助设计和基础研究，研究团队研发了一种独特的方法来提高锅炉压力，在高燃烧温度下控制炉壁热流量。这种方法也被称作“辐射捕获”，因为它利用了光学稠密介质来捕获反应堆芯内高温火焰所发射的辐射能，并控制传导到锅炉管表面的热。分阶段加压富氧燃烧锅炉为了确保水冷壁免受火焰冲击，添加了其他设计特点。灰尘沉积率比传统锅炉降低了很多，灰尘的结垢和结渣都降到了最小。

分阶段加压富氧燃烧锅炉“辐射捕获”示意图

研究设施

华盛顿大学圣路易斯分校最近架构了实验室规模（约100kWth）的加压燃烧设备，如下图所示。该设备用来演示分阶段富氧燃烧的过程，并将获得的关键实验数据用于验证计算流体动力学结果。

华盛顿大学圣路易斯分校实验室规模的分阶段加压富氧燃烧设施（100kWth）

加压富氧燃烧能够高效低成本地捕获超过90%的二氧化碳，该技术有可能使燃煤发电发生整体改观。通过收集烟道气中的水分潜热和使烟道气再循环最小化，分阶段加压富氧燃烧有可能将净发电效率提升到36.7%（HHV，超临界条件下），同时将净发电效率的损耗控制在3%。鉴于空气分离装置和二氧化碳提纯技术已经得到了改善，而用于给煤炭燃烧过程加压的锅炉也取得了长足进展，未来加压富氧燃烧技术将得到更大提升。

（内容来源：《基石》杂志