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提高能源利用效率 推进二氧化碳减排——“富氧燃烧碳减排技术”

2017-11-16

2017年3月29日,第45届日内瓦国际发明展在瑞士日内瓦隆重举行,华中科技大学能源与动力工程学院郑楚光教授研究团队的“富氧燃烧碳减排技术”获得展览会金奖和中国发明协会颁发的大会特别奖(CAI Award)。CO2 引起的气候变化问题已成为国际社会普遍关心的重大全球性问题,正在对人类的生存与发展产生深刻影响。以煤为主的能源结构,是我国实现CO2减排的现实约束,预计到2030年,煤炭占一次能源的比例仍高于60%,“能源基石”的地位难以改变。不仅需要能源结构变化,还必须要有对现有传统化石能源利用技术的突破,实现煤炭的低碳高质利用,大力推进能源技术革命。“富氧燃烧碳减排技术”在现有电站锅炉系统基础上,用氧气代替助燃空气,同时结合烟气循环调节炉膛内的流动和传热特性,可获得富含高浓度CO2的烟气(高达90%),从而能以较小的代价冷凝压缩后实现CO2的永久封存或资源化利用。

一、“富氧燃烧碳减排技术”的研发历程

华中科技大学能源与动力工程学院郑楚光教授研究团队历经20年的研究与探索,完成了富氧燃烧碳捕集技术的基础理论、设计导则和计算方法以及富氧燃烧相关的锅炉、燃烧器和氧注入器、烟气冷凝器、低能耗三塔空分系统和压缩纯化系统等关键技术和装备的研发。从整体上看,研发可分为三个阶段。

(一)起步阶段(1997—2004年)

1998年,中国政府正式签署加入了《〈联合国气候变化框架公约〉京都议定书》。同年,郑楚光教授研究团队获得了国家自然科学基金项目“新型燃烧方式下污染排放综合控制机理研究”(59806005)的立项资助,正式启动了国内富氧燃烧领域的基础研究。在此阶段,主要关注富氧燃烧条件下污染物减排特性,如NOx生成和抑制特性、钙基吸收剂的固硫机理等,对富氧燃烧条件下的气体火焰特性也做了初步的研究,研究手段仅局限于实验室的微型反应器模拟实验和理论分析。

(二)技术探索阶段(2005—2010年)

郑楚光教授研究团队在国家863计划项目“煤燃烧的CO2减排技术与污染物协同脱除”(2005AA529330)和“新型O2/CO2循环燃烧设备研发及系统优化”(2009AA05Z315)、国家973计划项目“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下封存”(2006CB705800)和国家自然科学基金重点项目“实现氧燃烧富集CO2的新理念与新方法”(50936001)等的资助下,开始了系统性的富氧燃烧基础研究和小试。2006年底建成了300KW的富氧燃烧与污染物联合脱除的综合试验台,先后开展了空气燃烧、O2/CO2燃烧、冷烟气循环燃烧以及热烟气循环燃烧试验。同期,在富氧燃烧专用燃烧器设计原理、烟气循环燃烧切换控制等关键技术领域获得了突破,并在300KW装置上进行了验证,对50MWe等级富氧燃烧锅炉的设计计算方法也开展了初步的探讨。与此同时,系统地开展了O2/CO2燃烧气氛下的煤粉燃烧特性研究,为现有锅炉改造以及新建锅炉相关设计提供基础数据。

(三)技术突破阶段(2011—2017年)

郑楚光教授研究团队获得了包括国家科技支撑计划项目“35MWth富氧燃烧碳捕获关键技术、装备研发及工程示范”(2011BAC05B00)、国家能源局重大科技项目“富氧燃烧富集CO2技术研究”(NYZD201306)等项目的持续资助,在富氧燃烧关键技术研发、工业示范和大型化等方面全面取得了突破性进展。2012年初建成了3MW富氧燃烧全流程试验平台,2015年建成了35MW富氧燃烧工业示范平台(见图1)并分别完成了考核试验,同年完成了200MWe富氧燃烧燃煤电厂碳捕集利用与封存全流程大型示范的预可行性研究,并完成了中国富氧燃烧技术路线图研究(见图2)。其中,35MW富氧燃烧示范平台包括一台38t/h蒸发量的中温中压富氧燃烧锅炉、一套6 500m3/h空分系统及配套的烟气净化系统,年CO2捕集能力十万余吨。在该示范装置上,成功开展了空气燃烧、富氧燃烧干循环和富氧燃烧湿循环等工况的调试和性能考核试验。围绕3MW、35MW示范装置研发和200MWe预可行性研究,研发团队不仅突破了富氧燃烧器、锅炉和三塔空分装置等关键技术和装备研发,而且在系统集成设计和运行上实现了四个突破:按照空气-富氧燃烧兼容方案设计,兼具有干烟气和湿烟气循环能力,配备了低能耗的三塔空分系统,实现了82.7%的烟气CO2高浓度富集。

二、“富氧燃烧碳减排技术”的主要成果

华中科技大学所研发的“富氧燃烧碳捕集基础理论、技术装备及工程示范”项目于2017年1月21日通过了中国动力工程学会组织的成果鉴定,专家们一致认为该项目“基础扎实、工艺可靠、性能先进、实用性强,综合技术水平达到了国际领先水平”。

(一)基础研究引领了国际研究前沿

对新型燃烧方式下的燃烧原理、多种污染物的生成机理和协同脱除原理,进行了较为深入的揭示,发展和完善了新型燃烧方式下的热力计算原理和方法,发表重要影响力的SCI收录论文100余篇,应邀在国际煤燃烧会议、IEA国际富氧燃烧会议、国际动力工程会议等国际会议上做大会报告、特邀报告30余次。

(二)形成了完整的富氧燃烧碳捕集技术体系

在新型燃烧器、锅炉、氧气注入器、烟气冷凝器、低能耗空分系统、烟气压缩纯化系统等富氧燃烧关键技术和装备的设计、制造、建设、调试和运行等方面积累了成套的丰富经验,并完成了技术放大,为富氧燃烧技术的工业化应用奠定了良好的基础。

(三)示范基地建设

建成3MW富氧燃烧全流程中试系统和35MW富氧燃烧工业示范系统。其中,35MW富氧燃烧工业示范系统,年碳捕集能力10万吨/年,锅炉排烟CO2浓度达到82.7%,进一步验证了富氧燃烧锅炉、燃烧系统等关键装备的设计方案和运行性能,初步形成了富氧燃烧的运行规程、操作规范,实现了空气燃烧-富氧燃烧平稳切换和连续运行考核。

(四)基地人才队伍建设效果显著

牵头组建了中美清洁能源研究中心、国家能源煤炭清洁低碳发电技术研发(试验)中心、湖北省(国际)碳捕集利用与封存研发和产业促进中心等研发机构,并牵头组建了富氧燃烧产业创新战略联盟,极大促进了该领域的产学研合作和国际合作。研发团队成员柳朝晖教授于2012年入选“国家高层次人才特殊支持计划(万人计划)中青年科技创新领军人才,郭照立教授于2011年获得国家杰出青年科学基金资助,于2014年成为长江学者特聘教授,赵海波教授2015年获国家基金委优青和青年拔尖人才计划资助,郑楚光、郭照立和柳朝晖等教授于2014年获得了国家自然科学二等奖。

 专家简介

郑楚光,工学博士,教授,博士生导师。现任华中科技大学学术委员会副主任、中美清洁能源研究中心清洁煤技术联盟中方主任、国家能源煤炭清洁低碳发电技术研发(实验)中心副主任、湖北省气候变化专家委员会主任,主要从事煤的高效清洁低碳利用的基础理论和关键技术的研发,在燃烧与污染的基础研究、富氧燃烧碳捕集技术、煤燃烧非常规污染物排放与控制、燃煤高效利用等方面取得了多项创新性的重要成果,实现了理论创新-技术突破-工程示范的跨越。发表SCI论文200余篇(SCI他引4 000多次),出版著作10部,获得2项国家自然科学二等奖和6项省部级科技一等奖,两度受聘为国家973计划项目首席科学家。