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05年3月 本文为《基石》杂志2014年第4期文章 郑楚光 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室教授 富氧燃烧技术采用纯氧或富氧气体混合物替代助燃空气，实现化石燃料燃烧利用，燃料燃烧后将形成高CO2浓度的烟气，易于CO2 捕集和处理。该技术最早是由Abraham 于1982 年提出，目的是为了产生CO2 用来提高石油采收率（Enhanced Oil Recovery，EOR）。随着全球变暖的加剧以及气候的变化，作为主要的温室气体CO2排放问题逐渐引起了人们的关注。富氧燃烧技术作为最具潜力的CO2 减排的新型燃烧技术之一，成为全球研究者关注的热点。
国际富氧燃烧技术发展现状
目前，富氧燃烧技术在许多国家都已得到重视和发展，主要的研究机构和公司包括：美国的能源与环境研究中心（EERC）和阿贡国家实验室（ANL），巴布科克·威尔科克斯有限公司（Babcock & Wilcox）和空气产品公司（Air Products），日本的IHI、日立（Hitachi），加拿大的矿产能源技术中心（Canmet），荷兰的IFRF，澳大利亚的必和必拓（BHP Billiton）和纽卡斯尔（Newcastle）大学、CS Energy，西班牙的德拉城基金会能源公司（CIUDEN），法国的阿尔斯通（Alstom）公司，英国的斗山巴布科克（Doosan Babcock）以及德国的瓦腾福（Vattenfall）电力公司等。
工业示范
2005 年以来，富氧燃烧的工业示范取得了突出的进展，其中，瑞典Vattenfall 公司2008 年在德国黑泵建成了世界上第一套全流程的10MWe 富氧燃烧试验装置，澳大利亚CS Energy 公司2011 年在Callide 建成了目前世界上第一套也是容量最大的30MWe 富氧燃烧发电示范电厂，西班牙CIUDEN 技术研发中心2012 年建成了一套7MWe 的富氧燃烧煤粉锅炉和世界上第一套10MWe 富氧流化床试验装置。在中国，第一套12MWe 富氧燃烧发电装置也将在2014 年底建成。
大型示范
在哥本哈根会议前夕，欧盟、美国、英国等相继宣布将在2015 年前后对多座电厂进行富氧燃烧商业示范。2003 年美国政府曾宣布实施一个基于煤直接气化制氢的零排放计划（FutureGen）， 历时7 年后这一研发方向发生了改变。2010 年8 月，美国能源部宣布启动基于富氧燃烧实现碳捕集的FutureGen2.0 计划，资助10 亿美元（ 项目总预算为13 亿美元） 建设200MWe（ 现调整为168MWe）商业规模的富氧燃烧电站，其目标是实现90% 的碳捕集率，并将脱除绝大部分的SOx、NOx、Hg和颗粒物等污染物。英国的Drax 电力公司也宣布进行426MWe 富氧燃烧碳捕集大型示范项目，位于约克郡的该项目于2013 年12 月正式获得英国能源与气候变化部支持，目前正在进行前端工程研究（FEED）。韩国目前也在积极开展富氧燃煤电站的示范工作，计划在2015 年前建设100MWe 等级示范电站。西班牙的Compostilla 项目OXY-CFB300 旨在开展基于CO2 捕集、运输和封存的可行性技术的示范工程。这项工程是基于商业化规模的化石能源热电厂，并采用循环流化床技术和富氧燃烧捕集技术。该项目将这项技术规模提升到300MWe，将新建一个接近Compostilla 电站规模的新电站，并包括必要的运输和埋存设施。在中国，也有多个富氧燃烧大型示范项目在进行预可研或者可行性研究，如神华集团神木电厂200MWe、山西阳光热电350MWe、大唐集团大庆电厂350MWe 和新疆广汇能源170MWe 等。
在前述工业示范装置上，一批厂商的富氧燃烧关键装置得到了验证，如：Alstom、IHI、Doosan Babcock、Hitachi、Babcock&Wilcox 等主要动力设备商完成了可用于大型示范的单只10MWe 富氧旋流燃烧器的考核试验；Alstom 完成了15MWth 级富氧切圆燃烧系统验证试验；Foster Wheeler 完成了10MWe 富氧CFB 的半工业验证；Air Products、林德（Linde） 及液化空气（Air Liquid）等气体分离设备供应商完成了10~30MWth 级别的压缩纯化系统考核试验。这些试验的成功，为下一步大型示范工程奠定了基础。
富氧燃烧技术在中国的发展现状
中国关于富氧燃烧的基础研究始于20 世纪90 年代中期，华中科技大学、东南大学等在国内最早开始关注富氧燃烧的脱硫机理、燃烧特性等；2006 年，华中科技大学获得了国内碳减排相关的第一个国家高技术研究发展计划项目和第一个国家重点基础研究发展规划项目的支持，全面启动了国内对于CO2 捕集的系统研发和试验工作。
华中科技大学在富氧燃烧基础研究、技术开发和工程示范上业已开展了大量有成效的研发工作，推动了中国富氧燃烧技术的发展。2006 年建成了300kWth 规模的富氧燃烧与污染物联合脱除的综合试验台，是中国第一套富氧燃烧研究系统。2011 年底已建成投运3MWth 全流程试验平台，12MWe 富氧燃烧示范装置也预计将于2014年底建成，200MWe 等级的大规模示范正在进行可行性研究。以此为基础，华中科技大学拟定了中国的富氧燃烧技术研发路线图。
实验室和小试研究
根据中国已经建成和计划建造的富氧燃烧小试试验系统（>10kWth）的概况，总体而言，围绕煤燃烧的两种主要方式（煤粉燃烧和流化床燃烧），所开展的富氧燃烧方向的研究活动和平台建设都十分活跃。
2006 年华中科技大学建成了国内首套300kWth 规模的富氧燃烧与污染物联合脱除的小试试验台，实现了CO2的高浓度（95％）富集、脱除85% NOx 和脱除90% SO2的目标。
2011 年， 华中科技大学在武汉建成国内第一套3MWth 富氧燃烧全流程试验平台，该平台为中国目前最大容量的富氧燃烧试验平台，热输入为3MWth，年捕集CO2 量可达7000 吨。该系统从空气分离制氧开始，到CO2 富集、压缩、纯化，涵盖富氧燃烧技术全流程，系统设计按照工业标准，因此具有可工业放大功能。在该系统设计、建设和调试运行中，实现了许多关键技术突破。
结合循环流化床的优势和特点，中国东南大学对循环流化床富氧燃烧技术进行了较为系统的研究，率先建造了国内首台可真正实现烟气循环、国际上首台可实现湿烟气循环的循环流化床富氧燃烧中试试验装置（50kWth）。目前东南大学与Babcock&Wilcox 合作的建设2.5MWth 循环流化床富氧燃烧实验系统已初步建成，正在进行调试。这些研究工作让富氧燃烧技术在未来电厂的商业化应用又进了一大步。
工业示范
2011 年5 月，华中科技大学启动了12MWe 富氧燃烧工业示范项目，该项目由中国国家科技部和东方锅炉（集团）股份有限公司、四川空分设备（集团）有限责任公司和久大（应城）制盐有限责任公司共同投资建设，在盐业公司的自备电厂中重建一台12MWe 的富氧燃烧锅炉。系统采用前墙布置的旋流燃烧系统，配备深冷空气分离制氧系统，锅炉和系统采用空气燃烧—富氧燃烧兼容设计，可开展空气燃烧/ 干循环/ 湿循环富氧燃烧考核试验。预期项目建成后，能实现烟气中CO2 浓度高于80%、CO2 捕集率高于90%，年CO2 捕集能力十万吨，CO2 可储存于废弃的盐矿矿井中，部分CO2 还可用于制盐工艺的钙、镁成分的脱除。该项目预计于2014 年底建成并开展调试运行工作。不同于国际上同规模的实验台架，该示范项目是一台具有工业运行和放大功能的发电装置，二期建成后能集CO2 捕集、利用和封存（CCUS）于一身。
大规模示范
中国企业也在积极准备开展富氧燃烧技术相关的大型示范。神华集团于2012 年3 月启动了“百万等级富氧燃烧碳捕集燃煤电厂系统集成及设计技术研究”项目（投入资金7000 余万元），旨在开展百万等级富氧燃烧碳捕集燃煤电厂系统集成及设计技术研究，为自主设计、建造和运营百万等级富氧燃烧示范项目提供相应的设计技术保障。华中科技大学、东方锅炉集团有限公司、西南电力设计院等单位联合参与了该项目的研究。该项目于2012 年11 月正式启动，内容包括对新建、改造多种方案进行比较，技术经济性评价，对锅炉、燃烧器、烟冷器等关键设备进行预研等。
山西国际能源集团有限公司（SIEG）宣布已与Air Products 签署合作协议，对SIEG 的350MWe 富氧燃烧发电示范项目应用Air Products 专有富氧燃烧二氧化碳纯化技术，进行可行性研究和示范装置概念设计。该示范项目位于SIEG 在山西太原的发电厂内，用于对二氧化碳进行纯化，以供利用和封存。
大唐集团于2011 年9 月21 日与法国阿尔斯通签署了谅解备忘录，结成长期战略伙伴并携手在中国开发二氧化碳捕集与封存示范项目。根据谅解备忘录，阿尔斯通将与大唐共同合作开发两座燃煤电厂CCS 示范项目，其中位于大庆的350MWe 燃煤电厂将采用阿尔斯通的富氧燃烧技术，正在进行可行性论证。
新疆广汇新能源公司也与美国朱庇特氧气公司签订了碳捕集节能减排项目战略合作协议。美国朱庇特氧气公司计划投资2 亿美元与广汇新能源公司合作建造和发展二氧化碳捕集及相关锅炉改造项目。通过此项技术的合作，广汇新能源公司在年产120 万吨甲醇/80 万吨二甲醚工程中，每年可望减少240 万吨左右的二氧化碳排放。
展望
经过三十余年的发展，富氧燃烧技术已经逐步走向成熟，初步具备了商业化应用的条件；相较于其他碳捕集技术，富氧燃烧技术成本更低，与现存大型燃煤机组有良好的承接性。对于我国以煤电为主的能源结构，要想达到温室气体减排目标，必须尽快启动该技术的大型示范，为富氧燃烧技术的商业化推广创造良好的条件。目前，我国先后发布了多项CCUS 相关的专项规划，国家发改委、科技部、能源局、环境部、国土资源部等多个部委正在分别从工程示范、技术研发、环保监察、埋存利用、政策法规和国际合作等多个环节促进CCUS 的研发和示范，未来五至十年将迎来CCUS 技术尤其是富氧燃烧技术发展的黄金时期。
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