CO2比例气氛下富氧燃烧锅炉热力计算对比分析VIP

第 4 4卷第 5期 2 01 3年 9月 锅 炉 技 术 B0I LER TECH N( ) I OGY V0 1 4 4，NO 5 S e p t ，2 O1 3 不同 02 c o2比例气氛下富氧燃烧锅炉热力计算对 比分析 肖卓楠 ( 内蒙古科技大学能源与环境 工程 学院，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 ) 摘 要 ： 采用 富氧燃烧 可以显著减少阻燃空气量 以及烟气中非可燃气体含 量 ， 使得锅 炉节能减 排更加有效 。 不 同的 ( ) 。 c o 气氛下 ， 富氧燃烧锅炉 的燃 烧状 况随之 变化 ， 随着 氧浓度 的升高 ， 炉膛 内燃烧强 度增 强 ， 理 论 燃烧温度 升高 ， 炉膛 内辐射 吸热量增加 。介绍 了富 氧燃烧技 术的基 本特点 ， 分析 了不 同 0 c o 比例气氛 下 富氧燃烧锅炉 结构的不 同， 通过计算找到合适 比例气 氛下 的富氧燃 烧锅炉 。 关键词 ： 富氧燃烧 ；燃烧 温度 ；锅炉效率 中图分类号 ： T K1 6 文 献标 识码 ： B 文章编号 ： 1 6 7 2 4 7 6 3 ( 2 O 1 3 ) 0 5 0 0 3 5 0 4 0 前 言 富氧燃 烧技 术 采 用 烟 气再 循 环 的方 式 ， 用 空 气分 离 获 得 的 纯 氧 和一 部 分 锅 炉 排 烟构 成 的混 合气代替空气作为燃烧时的氧化剂 ， 以提高燃烧 排烟 中的 C O 浓 度 。富 氧燃 烧 技 术 不 仅 能 使 分 离收 集 C O 和 处 理 S O 容 易 进 行 ， 还 能 减 少 NO 排放 ， 是一种能够综合控制燃煤 污染物排放 的新 型 洁 净 燃 烧 技 术 。富 氧 燃 烧 技 术 也 称 O。 C o。 燃烧 技 术 ， 或空 气分 离 烟气 再循 环技 术 。 既然 富氧 燃烧 锅 炉 的 前 景 非 常可 观 ， 那 么研 究富氧燃烧锅 炉就将会非常有 意义 ， 于是 o 与 C O 的 比 例 为 多 少 时 ， 富 氧 燃 烧 锅 炉 的 效 率 最 高 ， 设计 最优 将 是我 们 需要 关注 的 。 1 研 究对 象 选 用 西 山 贫 煤 作 为 煤 种 在 锅 炉 主 要 参 数 如表 1的 条件 下 进 行 了 O c O 分 别 为 2 6：7 4 ， 2 8： 7 2 ， 3 0：7 0 ， 3 2：6 8 4种 不 同 比例 的 燃 烧 试 验 研 究 。 表 1 锅炉 的主 要参 数 项 目 数 值 锅炉 最大连续蒸发量 ( t h ) 再热蒸汽 流量 ( t h ) 省煤器进 口给水 温度 “C 1 O2 5 8 46 1 26 O 项 目 数 值 省煤器设计压力 MP a 过热 器 出 口蒸 汽 温 度 过 热 器 出 口蒸 汽 压 力 MP a 再热蒸汽进 口蒸汽温度 再热蒸汽出 口蒸汽温度 再热蒸 汽进 口蒸 汽压 力 MP a 再热蒸 汽出口蒸 汽压力 MP a 1 9 4 5 4l 1 7 5 3 3O 3 541 3 9 2 3 3 7 2 3 2研 究 过 程 2 1燃 烧计 算 ( 1 )1 k g煤 粉完全 燃烧 所需 理论 0 ： c o ：量 V ( m。 k g ) V。 一 ( + + 一 Oa r )- 2 2 4( 1 ) 式 中 ： C 煤粉 中碳 的收 到基 ， H 煤粉 中氢 的收 到基 ， ； S 煤粉 中硫 的收 到基 ， ； O ， 煤 粉 中氧 的收 到基 ， ； ( 2 )I k g煤粉完全燃烧生成三原子气体体积 【 ) 的计算 ( m。 k g ) Vc o 一 2 2 4 I a r 一 1 8 66 C ( 2 ) Vs o = 2 2 4 一 0 7 s Vc ( ) 一 0 7V0 ( 3 ) 燃料完全燃烧时生成的总的 R O 2 气体体积为： 收稿 日期 ： 2 0 1 21 02 0 ； 修回 日期 ： 2 0 1 3 0 4 1 0 基金项 目： 国家 自然科学基金( No 5 1 1 0 6 0 6 8 ) ； 内蒙古 自t( 2 O l 1 B S 0 7 1 0 ) ； 内蒙古教育厅 自然科学基金( N J Z Yl 1 1 5 ) 资助 内蒙古科技大学创新 基金( 2 0 1 2 NC I 0 2 8 ) 作者简介 ： 肖卓楠 ( 1 9 8 0一 ) ， 男 ， 主要 从事煤的洁净燃烧 方向的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉 技 术 第 4 4卷 VR ( ) 一Vs ( ) +Vs ( ) + 0 7 Vo 一 1 8 6 6 C + 0 7 S + 0 7 V。 ( 4 ) ( 3 )1 k g煤 粉 完全燃 烧 生成氮 气体 积 V 的 计 算 ( m。 k g ) V 一 2 2 4 0 8 ( 5 ) 式 中 ： N 煤粉 中氮 的收到基 ， 。 ( 4 )1 k g煤粉 完全 燃烧 生成 理论水 蒸 气容 积 VH n ( 】 的计 算 ( m。 k g ) 烟气 中水 蒸气 应包 括 两 部 分 ： 一 是 煤 粉 完 全 燃烧 生成 的水 蒸气 容积 ： vo ， 一 2 2 4 + 2 2 4 一 l 1 2 H + 1 2 4 W ( 6 ) 式 中 ： w 煤 粉 中水分 的收 到基 ， 。 二 是理论 O c o 量所 带入 的水 蒸气 。计 算 中设 1 k g O c o。中含有水 蒸 气 为 d克 ( 一般 取 一 1 0 g k g ) ， 干 富氧 气 密度 为 P ， 水 蒸气 密度 为 0 8 0 4 k g m。 ( 1 8 2 4 ) ， 则 1 I T I 。 干 02 c o2 含水 蒸 气 的容 积为 ： 一 r 啬 丽 1 0 。 1 2 P ( 7 ) 其 中 ， P 计算 如 下 ： X 0 3+ O 7 8 0 4( 8) 则理论 0 2 C ( ) 2 量 所带人的水 蒸气 的量为 ： v h ( ) = n ( 】 V。 一 0 0 1 2 1 80 4 V。 一 0 0 22 V。 所 以总 的理论 水蒸 气 的容积 为 ： VH =vo + l1 ( 】 一 11 2 H + 1 2 4 W ， + 0 02 2 V。 ( 9) ( 5 )理 论烟 气量 V 的计算 ( I T I 。 k g ) ： V ； 一VH +VR ( ) + N 。 ( 1 0 ) ( 6 )0 c o。 气 氛下 ： 实 际烟 气 量 的计 算 ( m。 k g ) ： V 一V： +( O t 一1 ) V。 +0 0 2 2 ( a 一1 ) V。( 1 1 ) 式中： a 过量空气系数。 ( 7 )三原子气体 容积份额 r的计算 R O 的 容积 份额 为 ： 一 1 一 一 ( 1 2 )f R O 0 0 Y o 2 一 广 l L H。 O 的容 积份 额为 ： r H一 i 00 ( 1 3)O UU7 O H 2 一 入 总 的三原 子气体 容 积份额 为 ： r FRO 2 + H 2 ( 1 4) G 一 1一 A + 1 82 2 0 4 a Vo ( 1 5) 式 中 ： G 单 位 燃 料 产 生 烟 气 质 量 ， k g k g 。 是 指 1 k g计 算 燃 料 扣 除 灰 的 重 量 后 ， 再 加 上 湿 O c o 的 质 量 ( 因为 供燃 料 燃 烧 的 是 常 温 常 压 下 的 O c o。 ， 含 有一 定 的湿度 ) 。 1 8 2 2 0 卜1 8 0 4与 0 0 1 8 0 4两数 的 和 ； 1 8 0 4 标 况 下 干 0 c o 密度 ( 单 位 ： k g m。 ) 。一 般假定 在室温 、 常压下 1 r n 。 干 0 c o2中水 分含 量 为 0 0 1 8 0 4 k g ， 故 1 8 2 2 0 4实 际为 1 m。 湿 O C O 。的 质量 ( 认 为水 在 常 温 常压 下 尚未蒸 发为水 蒸汽 ) 通过 计算 4种 不 同 O c o 比 例下 的烟 气 主要参 数见 表 2 。 表 2 不 同 0 2 c o z比例 下的计 算烟 气主 要 参数 项目 些 2 6： 7 4 28： 7 2 3 0： 70 3 2： 68 v 理 o 论 ( m 空 3 气 kg 量 ) 5 8 6 6 6 5 0 28 5 4 6 93 3 4 39 9 9 坪 i A氖 容 积 VN 。 ( k g ) O O 0 7 2 O O O 7 2 O O O 7 2 0 O 0 7 2 RO，容 积 VR ( m3 k g 一 ) 6 6 2 O 8 5 - 6 1 5 1 5 2 1 2 9 4 8 6 0 9 理 V G 论 y 干 ( m 烟 a 气 kg 容积 )6 6 28。 5 62 2 3 5 2 20 1 4 8 6 8 1 王 单论 7 k蒸 汽 容 积 V ( ) ( r n 3 k g ) O 3 7 4 1 O 3 7 4 1 O 3 7 4 1 O 3 7 4 1 烟气密度 ( k g 1T I ) 干烟气质量 ( k g k g ) 2 2 炉膛 辐射 受热 面换 热量 炉膛 出 口温度 由煤 的结 渣 温 度 控 制 ， 按 常 规 方法 取 1 1 0 0 ， 当 炉膛 出 口烟 温 与 0。 c o 的 比例确定后 ， 炉膛的辐射换热量 B Q【 由辐射换热 方 程确定 ， 如下式 ： B Qf 一 。 O t F1 ( Tb , 一丁b 4 ) ( 1 6 ) 炉膛的辐射换热量 即为燃烧 产物在炉膛 内 的放热 量 ： B Qf 一 B ( Q 一 ) 一 B V ( T。 一 ) ( 1 7 ) 式 中 ： B 计 算燃 烧 消耗 量 ， k g s ； Qf l k g计 算 燃 料 为 基 准 的 炉 内换 热 量 ， k J k g 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 肖卓楠 ： 不 同 O c o 比例 气氛下富氧燃烧锅炉热力计算对 比分析 3 7 不 同 O ： c o 。比例 下炉膛 黑 度 与炉膛 出 口烟 温 、 炉膛 介 质辐射 特 性见 表 3 。 2 3 锅 炉效 率计 算 方法 AS ME P TC 4 - 1 9 9 8共 定 义 了 1 7项 热 损 失 和 7项 外 来 热 量 。本 文 采 用 如 下 简 化 公 式 来 计 算 富氧 燃烧 锅炉 效率 ： 7 1 0 0一 g g y q h 一 q M 一 q k q q g t qf h - qw j ( 1 8) 式 中 ： 7 7 锅 炉效 率 ， ； q 一 千 烟气 损失 ， ； q 燃 料 中 氢 燃 烧 生 成 水 而 引 起 的 损 失 ， ； q 燃 料 中的水 分 引起 的损 失 ， ； q k 一 空 气 中水 分引起 的损失 ， ； q 未 燃尽 固体 引起 的损失 ， ； q 一 表面辐射与对流引起的损失 ， ； g 未 计及 热 损 失 ( 包 括 不 能 分 类 、 难 于 测 量和 制 造 厂 为 达 到 所 计 算 的 效 率 而 留有 的余 量 ) ， 。 锅 炉各 项热 损失 的计 算 方法 ( 1 )干烟 气损 失 的计算 干烟气损失 q 采用下式计算 ： q 一 1 0 0M g I ( 1 9) 式 中 ： 锅炉 出 口干 烟气 质量 ， k g k J ； 对应 于 离 开 锅 炉 系 统 边 界 温 度 的 烟气 焓 ， k g k J 。 ( 2 )因燃 料 中水分 引起 的各 项 损失 的计 算 燃 料 中氢燃 烧 生成水 而 造成 的损 失 q H o r 采用 下式 计 算 ： q H 一 1 0 0 M w h 2 f ( i 一 i ) ( 2 0) 式 中 ： M 燃料 中氢燃烧 生 成 的水 ， k g k J ； i 锅炉 排 烟 温 度 急 压 力 6 8 9 4 8 1 0 。 P a下 的 水 蒸 汽 焓 ( 以 0 液 态 水 为基 准 ) ， k J k g ； i 基 准温 度 T Re ( 2 5 ) 下 的 水 焓 ， k J k g。 燃 料 中水分 造成 的损 失 q M - u 采 用下式 计算 ： q M I O O M M ( i 。 一 i ) ( 2 1 ) 式 中 ： M 燃 料 中 的水 分 ， k g k J 。 ( 3 )因空气 中水 分 引起 的损失 q qk 口 一 1 0 0 dk M g k i 式 中 ： d k 空气 湿 度 ， k g k g干 空气 ； M 干 空气 质量 ， k g k J ； i 锅 炉排 烟 温 度 下 的水 蒸 汽 焓 ( 以 2 5 为基 准) k J k g 。 ( 4 )灰渣 中未 然 固体 引起 的损 失 q qg t 一 t ( 2 2) Mg 一而a r C g t 式 中 ：M 灰 渣 中 未 燃 固 体 的 质 量 百 分 数 ， ； Q 存 在 于灰 渣 中碳 的发 热 量 ， 取 为 3 3 7 2 7 J k g ； HHV 燃料 的高位发 热量 ， J k g ； A 燃料 中灰分质量百分数 ， ； C 灰 渣平 均可燃 物含 量 ， 。 ( 5 )表 面辐射 和对 流 引起 的热 损失 q 表面 辐射 和 对 流 引 起 的热 损 失 是 锅 炉 的散 热损 失 ， AS ME P TC 4 - 1 9 9 8根 据 传 热 学 的 原 理 规定了比较准确 、 但 也很繁琐 的方法 ， 要 求测量 锅炉 性能 试 验 边 界 内所 有 向 外 散 热 的 外 表 面 的 实 际面积 、 个 表 面 积 局 部 的 壁 面 温 度 、 环 境 温 度 和环境空气流速 ， 并计算 局部辐射、 对 流放热系 数 。因此 ， 实施 AS ME P TC 4 - 1 9 9 8时 ， 确定 锅 炉 散热损失是最复杂、 工作量 最大的一项 内容 ， 本 文对散热损失的计算将直接采用锅炉 出厂时的 设计值 ， 4种不 同 0 C O 比例下 的计算结果见 表 4 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 锅炉技术 第 4 4卷 干烟气热损失 q 燃料 中水分 引起 的热 损失 q 未燃尽 固体损失 q 表面辐射与对流引起 的热损失 q 燃料 中氢燃烧 生成水 引起的热损失 q 空气 中水 分引起的热损失 q 未计及热损失 q 锅 炉效 率 7 7 3 86 6 8 O 1 45 3 0 39 1 O O 2 O8 3 O 72 5 8 O1 O5 2 O 76 9 3 93 78 8 2 3 59 8 5 O 1 45 3 O 3 89 6 0 2 O8 3 O 72 5 8 O 1 O5 2 0 76 9 3 9 4 O5 7 9 3 61 2 6 0 1 45 3 0 3 88 1 0 2 08 3 0 7 25 8 O 1 O5 2 O 7 69 3 9 4 04 5 2 3 6 27 3 01 4 5 3 03 8 8 2 O2 O 8 3 07 2 5 8 O1 O5 2 07 69 3 94 0 30 6 3 结 语 ( 1 ) 当 0 z c o z的 比例 约 为 3 0 ： 7 0的 时候 理 论燃 烧 温度显 著 增加 ， 而在 2 6 ： 7 4的 时候 炉 膛 内 的理 论燃 烧 温度较 低 ， 如 图 1 所 示 ， 这 是 因为 2 6 ： 7 4气氛下的燃烧速率较低， 导致煤粉在炉 内有 限 的停 留时 间内不 能 完全 燃 烧 ， 燃 烧 放 出 的热 量 减 少 ， 飞 灰 含 碳 量 增 加 。而 且 由 于 回 收 的 烟 气 中 C O 份 额 比例 很 大 ， 且 C o 属 于 三 原 子 气 体 ， 具 有 辐射 特性 ， 所 以会 使 烟气 发 射 率 增 加 ， 炉 膛 黑 度 增加 ， 辐 射 层 厚 度 增 加 ， 使 得 烟 气 升 温 的热 量 减 少 ， 所 以随着 O。 浓度 的增 加 ， 使得 烟 气 升 温 的 热 量逐 渐 增 多 ， 炉 内 放 出 的 热 量 增 大 ， 自然 所 需 要 消耗 的燃 料量 减少 ， 理 论燃 烧温 度增 加 。 l 5 o0 1 o 00 5 oo 0 2 6： 7 4 2 8： 72 30： 7 0 3 2： 6 8 02 C 02 理论燃烧 温度 炉膛 出 口烟温 图 1 不 同 0。 c o 比例下 炉 膛 出 口烟 温 及 理 论 燃 烧 温 度 ( 2 )由表 4的结 果 可 以看 出 ， 引起 锅 炉 热 损 失的原因有燃料 中水分引起 的损失 ， 未燃尽 固体 损失 ， 表 面 辐 射 与 对 流 引 起 的热 损 失 ， 燃 料 中 氢 燃烧 生成 水 引起 的热 损 失 ， 空 气 中水 分 引起 的热 损 失 ， 其 中 对 于 富 氧 燃 烧 锅 炉 来 讲 ， 空 气 中 水 分 引起的热损失是相同的， 而其损失主要是由干烟 气热损失决定的。由于烟气损失计算知 ， 是由于 烟气 质量 和 回收烟 气 的 比例 决 定 的 ， 虽 然 烟 气 的 质 量 随 C O 比例 的增 加 而减少 如表 2可 知 ， 但 随 着 回收 C O。比例 的增 加 ， 干烟 气 损失 却 不 一定 在 增加 ， 正是 由于这 两个 因素 ， 使得在 0 c o 为 2 8 ： 7 2时干 烟气 损失 最小 ， 锅炉 效率 最 高 。 ( 3 )虽然 由图 2我 们 可 以看 出 随着 ( ) 。 浓 度 的增加理论燃烧温度 会逐渐增加 ， 但 ， 理论燃烧 温度 不是 越高 越 好 ， 它会 使 炉 内水冷 壁 等 钢 结 构 的要求更加严格 ， 成本增大 ， 一个恰 当的理论燃 烧才 能使 得 富氧 燃烧 锅 炉 设 计 最优 ， 所 以从 锅 炉 的效率上看 ， 效率最高的时候才应该是我们所追 求 的 ， 当 0 。 c 0 比例 为 2 8 ： 7 2时 干 烟气 损 失 最 小 ， 锅炉 效率 最高 ， 所 以本 文认 为 0 c o 比例 为 2 8 ： 7 2的时候 最优 。 2 6 ： 7 4 2 8 ：7 2 3 0 ： 7 0 3 2 ： 6 8 02 C 02 图 2 不 同 0 c o 比例下锅炉干烟气损失 参 考 文献 ： 1 刘宏卫0z C Oz 气 氛下炉膛 改造 的热力计算 J 电力科学 与工程 ， 2 0 1 2 ， 2 8 ( 2 ) ： 7 5 7 8 2 樊 泉 贵 ， 阎 维 平锅 炉 原 理 M 北 京 ： 中 国 电 力 出 版 社 ， 2 0 0 4 E 3 3李庆钊 ， 赵长遂空气分离 烟气 再循环 技术基 础研究 进展 E J 3 热能动力工程 ， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 3 ) ： 2 3 1 2 3 6 ( 下转 第 4 3页 ) =2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 王金星 ， 等 ： 煤粉 生物质恒温混燃过程 中 S O。 排放特性 4 3 c on c e nt r a t i on c ha n ge o f e x ha us t ga s c ont i nuo us l y The e f f e c t s o f b l e nd i ng r a t i o， c o a l ， b i o m a s s a nd t e m p e r a t u r e o n t he SO2 e mi s s i on c h a r a c t e r i s t i c s we r e s t u di e d A n d， t he or y a na l ys i s a n d s o m e c o nc l u s i on s we r e do ne t hr ou gh c u r ve s of SO2 e mi s s i o nAt t he i ni t i a 1 s t a g e， t h e f a s t e r s a m p l e s c o m bu s t i on t h e m o r e SO2 e mi s s i o n r a t e Al o ng wi t h t h e c ombu s t i on D r oc e e d，t h e mor e bi o m a s s bl e nd i n g r at i os t he l e s s S O2 e mi s s i o n r a t e；Th e e f f e c t o f b i o ma s s t h a t r e du c e s SO，e m i s s i o n i s ob vi ous wi t h t he c o a l t h a t owns hi gh SO2 e m i s s i o n r a t e；The r e du c t i o n o f s a mpl eS SO2 e mi s s i o n r a t e i s s i g ni f i c a nt wh e n c o a l bl e nd s wi t h hi g h s u l f u r c on t e nt bi o ma s s a t t he i n i t i a l s t a g e A l on g wi t h t he c o c o m b us t i o n p r o c e e d， t h e e f f e c t o f bi oma s s wi t h h i g h a s h c on t e n t t ha t r e du c e s SO2 e mi s s i on i nc r e a s e s o bv i ou s l y The h i gh e r a s h c on t e nt t h e l e s s S O2 e m i s s i on r a t e；The i nc r e a s e of t e mpe r a t ur e a l wa y s ma ke f o r i n c r e a s i ng t he SO2 e m i s s i o n r a t e o f s a mpl e， whi c h i s m o r e o bv i ous whe n du r i ng t h e hi g he r t e mpe r a t ur e r ange Ke y wor ds： pu l v e r i z e d c o a l ； bi o m a s s； c o ns t a nt t e m p e r a t u r e； S O2 e m i s s i o n ( 上 接 第 3 8页) 4 骆仲泱 ， 毛玉 如， 等o2 C 02气氛下煤燃烧特性试 验研究 与 分析E J 热 力发 电， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 1 4 1 7 E s 朱路平o2 c ( ) 2燃烧技 术应用 的经济可 行性 分析 D 保 定 ： 华 北 电力 大 学 ， 2 0 1 1 E 6 米翠丽富氧燃烧 锅炉设计 研究及其 技术经济性 分析 D 保定 ： 华北电力大学， 2 0 1 0 E 7 刘彦丰， 薛宪阔o z c o2 燃烧方式的锅炉热力计算方法研究 与分析E D 保定 ： 华北电力 大学 ， 2 0 0 8 Di f f e r e n t O2 c o2 Co n c e n t r a t i o n o f Ox y g e n E n r i c h e d Co mb u s t i o n Bo i l e t Th e r mo d yr a m i c Ca l cu l at i o n Co m p a r i s o n a n d E c o n o my An a l y s i s XI AO Zhu o n a n ( Ene r gy a nd Env i r on me nt of I n ne r M o ng ol i a Uni v e r s i t y of Sc i e n c e a nd Te c hno l og y，Ba o t uo 01 4 01 0，Chi na ) Ab s t r a ct： Us e s t he o xyg e n b o os t i ng c o m b us t i o n t o be p os s i b l e ob v i o us l y t o r e du c e t h e be i ng f l a m e r e s i s t a nt a i r v o l ume a s we l l a s t h e ha z e c e nt r a l a f r i c a f l a mma bl e g a s c o nt e nt ，c a us e s t he b oi l e r e n e r gy c on s e r v a t i on t o r e du c e t h e pl a t o o n t