加压富氧条件下煤粉燃烧燃尽特性及CO2分离流程研究

加压富氧燃烧技术是在常压富氧燃烧技术的基础上提出的一种新型富氧燃烧技术。与常压富氧燃烧技术相比，加压富氧燃烧技术既避免了系统内压力大幅度变化而导致的损失，也大大提高了烟气中水蒸气的凝结温度，使得从锅炉排烟中回收水蒸气的气化潜热成为可能，锅炉效率可提高约3-4个百分点，具有很好的经济性和应用前景。本项目主要通过理论分析及数值模拟手段，结合在热重分析仪及小型加压富氧燃烧实验系统中的实验研究，探索煤粉在不同压力、不同O2/CO2比例气氛下，煤粉的热解、燃烧、燃尽特性与主要污染物SO2及NOx的生成排放特性，在此基础上定量分析典型电站锅炉炉内煤粉加压富氧燃烧的辐射和对流换热特征以及烟气的气体成分构成与燃烧条件的关系，进而试图确定有利的电站煤粉锅炉加压富氧燃烧条件，并完善与优化典型燃煤电站高CO2浓度烟气中CO2的分离流程和捕集工艺，为传统化石能源的大规模低碳利用探索新的途径。

近年来，煤粉的富氧燃烧技术越来越受到国内外学者的关注。燃煤电站采用富氧燃烧技术后，烟气中CO2的浓度可以达到90%以上，可直接进行压缩固定，因此，富氧燃烧技术被认为是目前最有希望实现火电站CO2近零排放的技术之一。但是，现有的富氧燃烧技术空分系统和烟气压缩系统均在高压下进行，而富氧燃烧系统在常压下进行，必然会造成系统能量损失，经济性不高。加压富氧燃烧技术是在富氧燃烧技术的基础上提出的，一方面，由于高压下水蒸气的凝结温度升高，从烟气中回收的潜热可以用来凝结换热，降低了再热系统的热负荷，从而可以部分弥补系统高压运行损失的循环效率；另一方面，由于加压富氧燃烧运行压力较高，在烟气压缩环节只需较低的能耗便可实现CO2的液化。国内外相关研究表明，煤粉加压富氧燃烧系统相对常压系统具有更高的循环效率。本项目采用基础理论、数值模拟和具体试验相结合的方法，深入研究加压富氧条件下煤粉的燃烧燃尽特性以及烟气中的CO2分离与压缩流程。基础理论方面，基于K分布模型，对富氧气氛下的辐射换热进行了研究，构建了包括CO2、H2O和CO 三种气体的全光谱数据库模型。数值模拟方面，利用ASPEN PLUS 软件，对煤粉加压富氧燃烧系统进行了全流程模拟，包括不同压力条件下的烟气成分以及各个系统的能耗分析。实验方面，应用固定床实验台，分析了不同压力条件下，煤粉富氧燃烧的烟气成分；利用高压TGA设备，研究了0.1MPa、1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa六种工况下煤粉的燃烧燃尽特性，包括着火温度、燃尽温度以及综合燃烧指数等。结果显示，随着压力的升高，有利于煤粉的燃烧与燃尽，3 MPa时煤粉的综合燃烧指数达到最大值，而过高的压力反而不利于煤粉的着火与燃尽。通过以上研究成果，可以进一步完善煤粉加压富氧燃烧课题的研究，为煤炭资源的低碳利用提供新的方法与路径。