摘 要

富氧燃烧技术一种控制CO₂排放的高效节能燃烧技术，其工作机理是将空气中的主要成分O₂和N₂分离，部分再循环烟气循环回炉膛用以调节燃烧温度并保证锅炉合理的换热效果，高浓度的O₂和部分循环烟气的混合气体采用不同的比率来代替空气作为燃烧燃料的介质，生成了以蒸汽和二氧化碳混合为主的烟道气体，经净化处理后，进入到压缩单元（CPU），最后分离出高纯度的液态二氧化碳，从而使二氧化碳的捕获效率得到了提高，有利于二氧化碳的进一步封存或利用。因此进行《加压富氧条件下煤粉燃烧特性的热力学分析》研究具有一定的理论意义和实际工程应用价值。

利用Aspen Plus工艺流程模拟软件对煤粉加压富氧燃烧的全过程进行模拟，并进行热力学分析研究，研究了压力对燃烧生成物的影响。结果表明：相较于常规富氧燃烧而言，加压富氧燃烧让产物中CO₂的质量流量急剧升高，在1MPa之后的加压过程中，上升速度逐渐趋于稳定；产物中CO的质量流量急剧降低，在1 MPa之后的加压过程中，下降速度趋于稳定。出现这种现象是由于碳燃烧的一次反应与二次反应。产物中SO₃的质量流量随压力的升高大幅度增大，并且上升幅度较为稳定， 产物中SO₂的质量流量随压力的增大而降低且降幅较小。

关键词：煤粉富氧燃烧；Aspen Plus；加压；热力学平衡

Abstract

Oxygen-enriched combustion technology is a highly efficient energy-efficient combustion technology that controls CO₂ emissions by separating O₂ and N₂ from the main components of the air. A portion of the recirculated flue gas is circulated back to the furnace to regulate the combustion temperature and ensure a reasonable heat transfer effect, high concentration of O₂ and part of the circulating gas mixture of gas using a different ratio to replace the air as a combustion fuel medium, resulting in a mixture of steam and carbon dioxide-based flue gas after purification into the compression unit (CPU), and finally the separation of high purity liquid carbon dioxide, so that the capture efficiency of carbon dioxide has been improved, is conducive to the further storage or use of carbon dioxide. Therefore, the study of "thermodynamic analysis of the combustion characteristics of pulverized coal under pressurized oxygen enrichment" has a certain theoretical significance and practical engineering application value.

The whole process of coal - enriched oxygen - enriched combustion was simulated by Aspen Plus process simulation software, and the influence of pressure on the combustion products was studied by thermodynamic analysis. The results show that the mass flow rate of CO₂ in the product increases sharply compared with the conventional oxygen-enriched combustion, and the ascending velocity gradually stabilizes during the pressurization process after 1MPa. The mass flow of CO in the product the flow rate drastically decreases, and the descending velocity tends to be stable during the pressurization process after 1 MPa. This phenomenon occurs due to the primary and secondary reactions of carbon combustion. The mass flow rate of SO₃ in the product increases with the increase of pressure, and the increase rate is stable. The mass flow rate of SO₂ in the product decreases with the increase of pressure and decreases.

Key Words：Oxy-fuel Combustion；Aspen Plus；Pressurized；Thermodynamic Balance

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究目的和意义 1

1.2富氧燃烧技术 3

1.3加压富氧燃烧技术 4

1.4国内外研究现状 5

1.4.1 富氧燃烧系统的研究 5

1.4.2加压富氧燃烧系统的研究 6

1.5 本文研究内容 7

第二章 基于热力学分析的流程模拟 8

2.1 加压富氧燃烧的热力学分析 8

2.1.1燃烧过程中的数学模型 8

2.1.2 煤粉燃烧过程的热力学计算 8

2.2 ASPEN PLUS简介 9

2.3建立加压富氧燃烧的热力学模型 10

2.4模拟煤粉加压富氧燃烧的模型描述 10

第三章 加压富氧燃烧模块设置及结果汇总 15

3.1系统各单元模拟物性方法介绍 15

3.2模块及物流 16

第四章 结论与展望 38

4.1结论 38

4.2工作展望 38

致谢 39

参考文献 40

第一章 绪论

1.1研究目的和意义

在社会的发展过程中，能源始终是不可或缺的一部分，在过去的几十年里，我国经济的高速发展导致对能源需求大量增加，如今中国已经是世界上最大的能源消费国和生产国。

图1. 1 2011至2015年全国主要能源消耗总量

如图1. 1所示，中国是以煤炭作为一次能源的国家，而且能源消费结构始终坚持以煤为主。在同等的发热量下，煤炭是化石燃料如石油和天然气总和的十几倍^[1]。以相同的发热量计算，煤炭的价格分别为石油和天然气价格的和。因此相比较而言，煤炭的成本价格是最为低廉的。并且伴随着其它化石燃料能源的枯竭，煤炭必将成为主要的能源资源。据有关数据显示，到2030年左右中国的煤炭产量将达到最大值，预计到2050年，煤炭所占比例也不会低于50%，因此可以预见，煤炭将在国民经济体系中扮演及其重要而又稳定的角色，具备不可替代性，以煤为主体、多个种类能源互补是由中国的基本国情和资源特点所决定的，可使中国经济建设有扎实的能源基础，并且易于向未来过渡^[2]。

煤炭的主要利用方式是发电，统计数据表明，截止至2016年底，中国火力发电设备利用时间达到了4165个小时、比上年降低了199个小时。火电装机功率达到了10.5亿千瓦、较去年同期增长了5.3%，发电量较去年同期增长了2.4%，自2013年以来第一次实现了正增长。全国范围内净增火电装机功率为53380MW，在这当中煤炭发电功率净增47530MW。正是因为有如此之大的电力需求，导致了我国的CO₂排放不断增长。据美国能源部预测，到2020年中国电力总装机容量预计将达到11.86亿千瓦，其中煤炭发电占比仍将达到60％以上。而且因为燃煤发电机组投资少、施工期短，所以未来长期以燃煤发电机组为基础的基本格局不变。与其他化石燃料比较而言，煤在燃烧过程中产生大量SO_x、NO_x、灰尘和灰分等污染物，并且能源产出量相同时，CO₂的排放总量大大超过其他化石燃料。以2017年3月为例来说明火力发电在各类发电形式中所占比重：2017年3月我国发电总量达5168.9亿千瓦时，较去年同比增长7.2%；其中，火力发电3960.8亿千瓦时，较去年同比增长7.7%，水力发电725.2亿千瓦时，较去年同比增长-1.3%，核能发电213.9亿千瓦时，较去年同比增长23%。图1.2是2017年3月各种形式发电量所占的比重。