富氧燃烧条件下锅炉燃料燃烧计算研究_闫凯

第４４卷第１期２０１３年１月　

锅　炉　技　术

ＢＯＩＬＥＲ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．１

，２０１３Ｊａｎ．

【燃料与燃烧】

富氧燃烧条件下锅炉燃料燃烧计算研究

闫　凯，张建文

（）上海锅炉厂有限公司，上海２００２４５

摘　要：对富氧燃烧锅炉的燃料燃烧计算方法展开研究。通过将富　以常规锅炉燃料燃烧计算方法为基础，建立了进行富氧锅炉燃料燃烧计算的基本模型。在此基础上首先提氧锅炉与常规锅炉的热力系统进行比较，

随后进行了考虑烟气再循环和不考虑出了富氧燃烧条件下燃料所需理论助燃剂量和理论烟气量的计算方法，

烟气再循环２种条件下的实际烟气量的分析计算，其中包括各种烟气成分的体积量的计算，最后根据富氧燃烧锅炉热力系统的特点，推导出了富氧燃烧条件下烟气质量、烟气密度、飞灰质量浓度和烟气焓的计算公式。对富氧燃烧条件下锅炉的燃料燃烧计算进行了详细分析，为今后发展和完善富氧锅炉热力计算方法提供必要的理论基础。

关键词：　锅炉；富氧燃烧；燃料燃烧计算

（）中图分类号：ＴＫ２２２　　　文献标识码：Ｂ　　　文章编号：１６７２４７６３２０１３０１００３５０６－－－

０　前　言

全球环境　　气候恶化是全球面临的共同威胁，

问题日益受到重视。温室效应导致全球变暖是人类面临的一个重要而又棘手的热点问题，它直接关系到人类的生存和发展。大量科学研究已

］１－２

，经证实［温室效应是由于以ＣＯ２为代表的温

］３－４

，但整体仍处于探索性认识阶少前瞻性工作［

段。这些工作主要着眼于富氧燃烧条件下炉膛含高浓度ＣＯ２和Ｈ２Ｏ等辐射气体的辐射换热特

性，利用新的辐射特性计算方法来对富氧燃烧锅炉整体进行热力计算和分析。这些研究均假设在锅炉系统中无漏入空气，即以理想的富氧燃烧从国内外多个锅炉热力系统为研究对象。然而，

中试运行的富氧燃烧锅炉电站和中试试验系统的实际运行情况来看，由于富氧锅炉系统在平衡通风下运行，空气漏入锅炉是不可避免的。从今后发展３００ＭＷ及其以上等级的大中容量富氧锅炉的角度来看，漏入的空气量对锅炉热力计算的影响是不可忽略的。因此，在本文中，以常规锅炉热力计算中燃料燃烧计算公式为框架，结合富氧锅炉热力系统的特点，提出了适合富氧燃烧条件下锅炉热力计算的燃料燃烧计算方法，为今后发展和完善富氧锅炉热力计算提供必要的理论基础。

室气体的大量排放所导致的。ＣＯ２主要产生于化石燃料的燃烧过程。电力生产是ＣＯ２最大的／释放源。世界上１３的ＣＯ２是从燃煤电厂中排放出来的，故控制和减缓电力生产中ＣＯ２排放对于解决全球变暖和温室效应问题具有重要意义。／富氧燃烧技术（又称Ｏ以ＯＣＯ２２燃烧技术）２和

与ＣＯ２混合气体代替空气作为助燃剂送入炉膛，矿物燃料混合进行燃烧，是减少二氧化碳气体排放的一种行之有效的方法。在富氧燃烧产生的烟气中，可不需分离ＣＯ０％以上，２的浓度高达９而将大部分烟气中的Ｃ有效地Ｏ２直接液化回收，减少了温室气体的排放。同时，富氧燃烧技术还可以减少ＮＯＯｘ和Ｓｘ等污染物的排放。由于富氧燃烧方式与常规燃烧方式的差别，对富氧燃烧条件下锅炉热力计算进行相关研究是非常有必要的。国内一些学者在这一方向上已经做了不

１　富氧燃烧原理

　　富氧燃烧技术又称空气分离／烟气再循环技

术。研究成果表明，这种燃烧方式不仅技术上可行，而且在运行的经济成本上还有着相当的优

收稿日期：２０１２８５０１

）；）基金项目：上海市科委项目（项目编号：上海市优秀技术带头人项目（项目编号：１１ｄｚ１２０３６００１１ＸＤ１４２１６００

，作者简介：闫凯（男，博士，主要从事多相流动、电站锅炉性能计算等方面的研究。１９８２）

３６

锅　炉　技　术　　第４４卷

势。对于大型电站而言，采用富氧燃烧技术，回

［５］

。收ＣＯ２是相当具有竞争力的技术

所示。气体通过３种途径进入富氧锅炉炉膛，即、助燃剂（主要是Ｏ再循环烟气（包括ＮＯ２）２、２、

和漏入的空气（包括ＮＣＯＳＯＯ２、２和Ｈ２Ｏ等）２、２。由于再循环烟气能够起到调节富氧和Ｈ２Ｏ等）

锅炉炉膛温度和蒸汽参数等的作用，在某一负荷条件下，通常会根据煤种特点以及炉膛温度要求来确定烟气的再循环量，即Ｏ２与其它非助燃剂气体的比例因煤种特点以及炉膛温度要求而不同。而在常规锅炉中，由于空气中Ｏ２和Ｎ２的比例固定，在某一负荷条件下，通常只能通过改变空气通入量来达到调整炉膛温度水平和蒸汽参数等的要求。这一区别是富氧锅炉与常规锅炉的一个显著不同点。一般来说，再循环烟气在进入富氧锅炉炉膛前通常会通过脱硝、除尘、脱硫，甚至除湿等工序。这将会造成再循环烟气中的灰含量和水蒸气含量与纯助燃剂与燃料燃烧后产生的灰含量和水蒸气含量有较大不同。而现有的锅炉燃料燃烧计算并未对再循环烟气与原始烟气中气体成分明显不同的情况进行仔细考虑

。

图１为富氧燃烧锅炉热力系统示意图。经空气分离得到的Ｏ与２与再循环烟气送入炉膛，

被携带进炉膛的煤粉充分混合、燃烧。燃烧产物沿尾部烟道依次经过过热器、再热器和省煤器等受热面进行冷却。随后烟气分为两部分，一部分另一部为用做调节炉内火焰温度的再循环烟气，冷凝处理，然后经气－气换热器加热分经除灰、

后进入制粉系统，与煤粉按一定混合比例进入炉膛进行燃烧反应。与常规空气燃烧系统相比，富氧燃烧系统增加了空气分离制氧装置、烟气再循环系统和排烟处理系统。系统中可根据流程要求在合理位置布置脱硝装置、除尘装置、脱硫装置、气－气换热器、除尘装置

。

图１　富氧燃烧锅炉热力系统示意图

２　燃料燃烧计算基本模型和假设

　　从目前已经运行的富氧燃烧锅炉中试电站和中试试验系统的运行、试验情况来看，空气的漏入现象是普遍存在的。沿袭常规锅炉的设计思路，为了防止燃烧产物外漏，目前富氧锅炉的烟道等均维持一定的负压，因而空气漏入炉膛、

炉膛几乎是不可避免的。空气一般通过穿墙管、入孔、看火孔、煤仓、制粉系统管道、烟道、再循环烟气烟道等漏入锅炉。对于富氧锅炉炉膛而言，漏入的空气（主要由Ｎ和助燃剂２和Ｏ２组成）（气体组成不同。这是造成进行富氧锅炉燃Ｏ２）料燃烧计算和常规锅炉相比具有根本性不同的助燃剂和漏入气体均主要原因。对于常规锅炉，

为空气，只需考虑过量空气系数α一个变量即可完成整个燃料燃烧计算。而在富氧锅炉中，过量空气系数α一个变量显然是不够的，它不能同时

“体现助燃剂和漏入空气的量的变化。同时，过这一概念亦无法体现在富氧锅炉中量空气系数”

纯氧作为助燃剂的特点。

进入富氧锅炉炉膛气体的途径和成分如图２

图２　进入富氧锅炉炉膛气体的途径和成分

燃料仍然需要在炉膛中完全　　对于富氧锅炉，

燃尽。影响燃料完全燃烧程度的因素很多。例如，助燃剂的供给量是否充足，燃料与助燃剂的混合是否有利于快速燃尽等。因此，在富氧锅炉炉膛中，为了保证燃料的完全燃烧，在良好组织燃烧条件的基础上，仍然需要通入过量的助燃剂。这一点与常规锅炉类似。

为下文叙述方便，这里引入理论助燃剂量Ｖ０

和实际助燃剂量Ｖ２个概念。１ｋｇ燃料完全燃所需的助燃烧并且燃烧产物中无自由氧存在时，

剂量称为理论助燃剂量。为了保证燃料的完全燃烧，实际通入炉膛的助燃剂量为实际助燃剂量。显然，实际助燃剂量一般大于理论助燃剂量。

第１期闫凯，等：富氧燃烧条件下锅炉燃料燃烧计算研究３７

考虑到富氧燃烧锅炉热力系统的特点，在富氧锅炉燃料燃烧计算中，沿袭常规锅炉的习惯，采用α０来表示过量助燃剂系数。对于助燃剂为

纯Ｏαα２的情况，０也可简称为过氧量。０可按下式计算：

（）只有助燃剂中的Ｏ漏入４２参与燃烧反应，空气中的Ｏ２不参与燃烧反应。

３　燃料所需理论助燃剂量和理论烟气量

的计算

，燃料燃烧过程主要考虑３种６］　　根据文献［

反应。这３种反应以及１ｋｇ燃料发生燃烧反应时各种可燃成分燃烧所需的理论助燃剂量在表１中示出。

表１　各种可燃成分燃烧反应的

反应式及其所需理论助燃剂量

燃料中可燃成分的质量百分比／％

ＣａｒＨａｒＳａｒ

燃烧反应式

１ｋｇ燃料中发生以

下燃烧反应所需的理

３－１（·论氧气量／ｍｋｇ）

α０＝０

Ｖ

（）１

锅炉各换热部件处从外部漏入的空气量ΔＶ

与理论助燃剂量的比值Ｖ０，称为该换热部件的漏）风系数，用Δ计算：２αＡ来表示并按式（

（）２ΔαＡ＝

Ｖ０

在某个装置（如锅炉）中，累计从外部漏入的称为该装置（如空气量与理论助燃剂量的比值，

锅炉）的累计漏风系数，用αＡ表示，即

αＡ＝

αＡ。∑Δ

从图２可以看出，富氧锅炉燃料燃烧计算拟

Ｃ＋ＯＯ２＝Ｃ２

ａｒａｒ

＝１．８６６

１２１００１００Ｈａ２２．４Ｈａｒｒ

＝５．５６

４１００１００ＳＳａｒａｒ

＝０．７

３２１００１００

需解决多组分气体的物质平衡问题。为了获得更一般的结论，本文认为进入炉膛的助燃剂由…组成。其中ＲＮＯＲＯＨ２Ｏ、ＯＯ２、２、２、２为Ｃ２和

“…”表示其它不参与燃烧反应的ＳＯ２的统称，气体。

在不考虑烟气再循环的情况下，在进入炉膛的助燃剂中，ＮＯＲＯ２、２、２和Ｈ２Ｏ的体积百分比、、、。如果存在其它分别表示为Ｙ０Ｙ０Ｙ０Ｙ０ＮＯＲＯＨ２２２２Ｏ表示方法依次类推。气体，

在本文中，对于固体燃料燃料，按照收到基进行计算。收到基以下标ａｒ表示。煤中的成分表示：

ＣＳ１００ａｒ＋Ｈａｒ＋Ｏａｒ＋Ｎａｒ＋ａｒ＋Ａａｒ＋Ｍａｒ＝

其中，ＣＨａＯＮＳＡａａｒ、ｒ、ａｒ、ａｒ、ａｒ、ｒ和Ｍａｒ为燃料中各种成分的质量百分数。

综合上述对富氧锅炉和常规锅炉热力系统并考虑到计算方便和工程习惯等的对比和分析，

因素，本文所涉及的富氧锅炉燃料燃烧计算遵循以下假设和条件：

（）助燃剂和烟气均当作理想气体；１（液）体燃料，以１ｋ２）对固（ｇ质量燃料为基准；

（）计算中助燃剂量和烟气量所使用的体３

，积，均指标准状态（１ＭＰａｔ＝０℃，１ｍｏｌｐ≈０．气体的体积为２下的体积。对于任何非标２．４Ｌ）准状态下的助燃剂或烟气体积，则事先注明温度及压力条件；

２Ｈ２＋Ｏ２Ｈ２Ｏ２＝Ｓ＋ＯＯ２＝Ｓ２

１ｋ　　考虑到燃料本身含有一定的Ｏ元素，ｇ燃

料完全燃烧所需理论氧气量为

ＣＨａａｒｒ

Ｖ０＝１．８６６＋５．５６＋Ｏ２

１００１００

ＳＯａｒａｒ

（）０．７－０．７３

１００１００

因此，与其对应的燃料完全燃烧所需理论助燃剂量为

Ｖ０Ｏ２

Ｖ＝０

ＹＯ２

０

（）４

标准状态下，１ｋｇ燃料在含有理论助燃剂量的助燃剂环境中完全燃烧产生的气体体积量称为燃料的理论烟气量Ｖ０ｙ。理论烟气量主要包括前３种气体称为干烟气，ＮＣＯＳＯ２、２、２和Ｈ２Ｏ，包含Ｈ２Ｏ在内的烟气称为湿烟气。由于烟气中的Ｃ且化学反应形式ＯＯ２和Ｓ２同属三原子气体，类似，在本文中将二者统一用ＲＯ２表示。

理论烟气量Ｖ０ｙ可用下式表示：

Ｖ０Ｖ０＋Ｖ０＋Ｖ０ＲＯＮＨｙ＝２２２Ｏ

（）５

３

———标准状态下Ｒ／式中：Ｖ０ＯｍＲＯ２的理论体积，２

；ｋｇ

３

———标准状态下Ｎ／；Ｖ０ｍｋｇＮ２的理论体积，２

———标准状态下Ｈ２Ｏ的理论体积，Ｖ０Ｈ２Ｏ

３

／。ｍｋｇ

３８

锅　炉　技　术　　第４４卷

（）三原子气体理论体积Ｖ０１ＲＯ２

三原子气体理论体积Ｖ０由Ｖ０和Ｖ０两ＲＯＣＯＳＯ２２２

部分组成。其中，

ａｒａｒ

＝１．８６６Ｖ０＝ＣＯ２

１２１００１００ＳＳａｒａｒ

Ｖ０＝＝０．７ＳＯ２

３２１００１００则

＝Ｖ＋Ｖ＝（０．０１８６７Ｃ０．３７５Ｓ＝ａｒ＋ａｒ）

０．０１８６７Ｋ　ａｒ

（）氮气理论体积Ｖ０２Ｎ２

０

ＶＮ２由两部分组成：

ａｒ

）燃料本身包含的氮，（其体积为ａ＝

２９１００

０．００８Ｎａｒ；

（其体积为ｂ）理论助燃剂量包含的氮，

Ｖ０＝０．１１１Ｈａ０．０１２４Ｍａ　Ｈｒ＋ｒ＋２Ｏ

０．００１２４ｄＶ０ｈρ（）理论烟气量４

综合上述计算，理论烟气量为

Ｖ０Ｖ０＋Ｖ０＋Ｖ０＋ＲＯＮＨｙ＝２２２Ｏ

（）１－Ｙ０－Ｙ０－Ｙ０－Ｙ０Ｖ０ＲＯＮＯＨ２２２２Ｏ

式中最后一项当助燃剂中含有除ＲＯＮ２、２、Ｏ２和Ｈ２Ｏ以外其它不参与燃烧反应的气体时才

使用。

Ｖ

０ＲＯ２０

ＣＯ２０

ＳＯ２

４　烟气量的计算

实际的燃烧反应是在过量助　　在富氧锅炉中，

燃剂系数（和空气从外部漏入锅炉（０）α＞１）αＡ＞的条件下进行的，因此在实际烟气体积中除理论还包含过量的干助燃剂气体、漏入的烟气量外，

空气以及携带进入的水蒸气。

根据前面的分析，烟气主要由ＮＯＲＯ２、２、２和Ｈ２Ｏ等成分气体组成。因而只需分析这四种气体的体积变化量即可。

漏入的空气未对Ｒ而过量助燃Ｏ２造成影响，

０

（则剂对ＲＯ１）Ｖ０，αＯ２体积增加的贡献为ＹＲ０－２

Ｙ０Ｖ０。Ｎ２

则

Ｖ０＝０．００８ＮＹ０Ｖ０Ｎａｒ＋Ｎ２２

（）水蒸气理论体积Ｖ０３Ｈ２Ｏ

水蒸气理论体积Ｖ０由３个部分组成：Ｈ２Ｏ

（）燃料中氢元素的燃烧所产生的水蒸气，ａ

Ｈａｒ

其体积为＝０．１１１Ｈａｒ；

２１００（）燃料本身带入的水分蒸发后形成的水蒸ｂＭａｒ

气，其体积为Ｍａ＝０．０１２４　ｒ；

１８１００

）随理论助燃剂带入的水蒸气。（ｃ

随理论助燃剂带入的水蒸气量可根据工程热力学中的绝对湿度ｄ计算得到。设１ｋｇ干助燃剂，气体中含有的水蒸气质量为ｄ，干助燃剂气体密ｇ

３３

／，度为ρ则标准状态下１ｍ干助燃剂气体ｋｍｇｈ，

ｄｈ３

。则１ｍ干助燃中含有的水蒸气质量为ｋｇ

１０００　

实际烟气量中ＲＯ２的体积为

（）ＶＲＯ２＝Ｖ０＋Ｙ０１Ｖ０αＲＯＲＯ０－２２

过量助燃剂中的Ｎ２能够增加Ｎ２的体积为（），如锅炉）累计漏入Ｙ０１Ｖ０。对于某装置（αＮ０－２

的空气对Ｎ故实．７９Ｖ０，α２体积增加的贡献为０Ａ际烟气量中Ｎ２的体积为

（）ＶＮ２＝Ｖ０＋Ｙ０１Ｖ０＋０．７９Ｖ０ααＮＮ０－Ａ２２

过量助燃剂中的Ｏ２能够增加Ｏ２的体积为（），如锅炉）累计漏入Ｙ０１Ｖ０。对于某装置（αＯ０－２

的空气能够增加Ｏ故实际．２１Ｖ０，α２的体积为０Ａ烟气量中Ｏ２的体积为

（）ＶＯ２＝Ｖ０１Ｖ０＋０．２１Ｖ０ααＯ０－Ａ２

过量干助燃剂所包含的水蒸气体积为０．００１２４　）ｄ１Ｖ０。αｈ（０－ρ

向装置（如锅炉）累计漏入的空气对Ｈ２Ｏ体

·积增加的贡献为０．令ρ００１６１ｄＶ０（１．２９３　αｈ０ｈ＝ρ

３３

／／。则即可得，为空气的密度）ｋｍ１．２９３ｋｍｇｇ实际烟气中Ｈ２Ｏ的体积为

ｈ３。

剂气体中含有的水蒸气体积为ｍ理论助燃剂

８０４ｄｈ０

··量Ｖ带入的水蒸气体积为＝０．００１２４ｄ　　ｈρ８０４

／。一般可取Ｖ０。在缺乏资料的情况下，ｄ＝１０ｇｋｇ

０

干助燃剂气体密度ρｈ可从常用气体的物性中查得或按下式计算：

Ｙ０＋Ｙ０＋Ｙ０＋ｈ＝ＯＯＣＯＣＯＨＨρρρρ２２２２２Ｏ２Ｏ

Ｙ０＋…ＮＮρ２２

依次类推。式中各个单质气体的密度可根据相应的物性数据查得。

因此，水蒸气理论体积Ｖ０为Ｈ２Ｏ

ＶＨ２Ｏ＝Ｖ０＋０．００１２４ｄ　Ｈ２Ｏ

）１Ｖ０＋０．００１６１ｄＶ０α　αｈ（０－Ａρ如果助燃剂中除ＮＯＲＯ２、２、２和Ｈ２Ｏ外还

含有其他不参与反应的气体，这部分气体对实际烟气量体积的增加可表示为：

第１期闫凯，等：富氧燃烧条件下锅炉燃料燃烧计算研究３９

（）（）１－Ｙ０－Ｙ０－Ｙ０－Ｙ０１Ｖ０αＲＯＮＯＨ０－２２２２Ｏ将上述各个部分相加可写为

（（ｎ）ｎ）

（再循环烟气通道中循环烟气的体积为ＶｙＶｙ

应折算到与１ｋｇ燃料完全燃烧产生的烟气量相，对应的值）则原始烟气与再循环烟气混合后烟气总体积为

Ｍ

０

Ｖｙ＝ＶＲＯ２＋ＶＮ２＋ＶＯ２＋ＶＨ２Ｏ＋

（）１－Ｙ０－Ｙ０－Ｙ０－Ｙ０Ｖ０αＲＯＮＯＨ０２２２２Ｏ化简后得到

（）Ｖｙ＝Ｖ＋（１＋０．００１２４ｄ１Ｖ＋　αｈ）０－ρ（１＋０．００１６１ｄ）Ｖ０　αＡ

０ｙ

Ｖ＝Ｖｙ＋ｒ

ｙ

ｎ＝１

∑Ｖ

（ｎ）ｙ（）７

原始烟气与再循环烟气混合后主要成分气体的体积Ｖｒｘ可表示为

Ｍ

以上是从单个成分气体的角度分析计算的。如果从过量助燃剂整体体积的角度来考虑，仍能够得到同样的结果，且分析更为简单。

首先，在不考虑换热部分漏风的情况下，过量的干助燃剂所包含的水蒸气体积为０．００１２４ｄ　　）１Ｖ０。考虑到过量干助燃剂气体及其携αｈ（０－ρ

带的水蒸气，此时实际烟气体积可表示为

（）Ｖｙ＝Ｖ＋（１＋０．００１２４ｄ１Ｖ　αｈ）０－ρ

在此基础上，如果外界向换热部件漏入一定

０

ｙ

０

Ｖ＝ＶＸ＋ｒ

ｙ

ｎ＝１

ｎｎ

∑ＹＸＶｙ

（）（）

（）８

——某种成分气体。式中：Ｘ—

ｒ

混合后三原子气体的容积份额ｒ和水蒸气ＲＯ２

ｒ

的容积份额ｒ可分别表示为Ｈ２Ｏ

ｒ

ｒ

ＲＯ２

ＶｒＲＯ２

＝ｒ

Ｖｙ

（）９

量的空气，且携带有一定的水蒸气，则实际烟气体积为

·（）Ｖｙ＝Ｖ＋（１＋０．００１２４ｄ１Ｖ＋　αｈ）０－ρ

（（）１＋０．００１６１ｄ）Ｖ０６　αＡ

为了便于理解上述分析，装置（如锅炉）实际

０

ｙ

０

ＶｒＨ２Ｏ

（）ｒ＝ｒ１０

Ｖｙ

２种气体相应的气体分压可分别表示为

ｒＨ２Ｏ

ｒｐＲＯ２＝ｐＲＯ２

ｒｐＨ２Ｏ＝ｐＨ２Ｏ

——烟气总压力，。式中：一般可取０．１ＭＰａｐ—

若令再循环烟气体积为０，则可得到不考虑烟气再循环时的三原子气体的容积份额ｒ和水ＲＯ２。蒸气的容积份额ｒＨＯ２值得注意的是，在目前的富氧燃烧锅炉热力系统中，循环烟气从烟道尾部出来后，一般都要经过除尘、甚至除水等处理后才重新进入炉膛。这些处理均可以通过烟气抽取点处不同的烟气

（（（（（ｎ）ｎ）ｎ）ｎ）ｎ）

、、、即ＹＯ和Ｙｙ等，来考虑。组分，ＹＲＹＨＹＮＯ２２２Ｏ２

ｒ

ｒ

ｒｒ

烟气量及其各个组成部分由表２示出。

表２　实际烟气量及其组成部分

气体ＲＯ２Ｎ２Ｏ２

理论

烟气量

过量助燃剂

装置（如锅炉）

共计

漏风

０

Ｖ０ＲＯ２Ｖ０Ｎ

２０

（）Ｙ０１Ｖ０αＲＯ０－２ＶＲＯ

２ＶＮ２ＶＯ

２

）Ｙ０１Ｖ００．αＮ（０－７９Ｖ０αＡ２）Ｙ０１Ｖ００．αＯ（０－２１Ｖ０αＡ２

０

Ｈ２Ｏ　ＶＨ２Ｏ

·０．·０．００１２４ｄ００１６１ｄ　　

ＶＨ２Ｏ

００）１ＶＶααｈ（０－Ａρ（１－Ｙ

０

Ｏ２

０ＲＯ２

烟气密度和飞灰质量浓度的６　烟气质量、

计算

即燃料非灰分部分　　烟气质量分为３个部分，

、的质量、助燃剂质量（包括其中带入的水分）累、包括其中带入的水分）再循计漏入空气的质量（

环烟气的质量。这里要注意的是烟气质量是不计入灰分的。

燃料非灰分部分的质量为

（１－Ｙ０ＲＯ

２

其它气体

－Ｙ０－Ｎ

２

－Ｙ

０Ｎ２

（１－Ｙ０ＲＯ

２

０

－Ｙ０－Ｎ

２

－Ｙ－Ｙ

Ｙ０－Ｏ

２

（）１Ｖ０α０－０

）Ｙ０ＶＨＯ２

０

Ｈ２Ｏ

）

Ｙ０－Ｏ

２）Ｙ０Ｖ０αＨ０２Ｏ

Ｖｙ

共计Ｖ０

ｙ

（１＋·１＋（０．００１２４ｄ　

０．００１６１　·（）１Ｖ０αｈ）０－０ρｄ）ＶαＡ

考虑烟气再循环）５　实际烟气量的计算（

ＮＯＲＯ　　在再循环烟气中，２、２、２和Ｈ２Ｏ的体

（（（（ｎ）ｎ）ｎ）ｎ）

、、、。如果积百分比分别表示为ＹＮＹＯＹＲＹＨＯ２２２２Ｏ

存在其它气体，表示方法依次类推。其中（表ｎ）示第ｎ条烟气循环回路。

假设共有Ｍ条再循环烟气通道，其中第ｎ条

量为

Ａａｒ

１－

１００

助燃剂（包括其中的水分）的质量为

·Ｖ０＋０．８０４×０．００１２４ｄＶ０＝α　α０ｈ０ρρ

（１＋０．００１ｄ）Ｖ０αｈ０ρ

累计漏入空气（包括其中带入的水分）的质

４０

锅　炉　技　术　　第４４卷

·１．２９３Ｖ０＋０．８０４×０．００１６１ｄＶ０＝α　αＡＡ

（１．２９３＋０．００１２９ｄ）Ｖ０　αＡ

３

——空气的密度，／；式中：１．２９３—ｋｍｇ

体这一特点，烟气的焓值由理论燃烧烟气焓、过量部分助燃剂的焓、累计漏入空气的焓、飞灰焓以及再循环烟气中气体部分的焓５个部分组成。其中，过量部分助燃剂的焓和漏入空气的焓均包括其中随其带入的水蒸气部分。

理论燃烧烟气焓是１ｋｇ固体或液体燃料与理论助燃剂量混合并完全燃烧后产生烟气的焓可按下式表示：值，

（（（０ｎ）ｎ）ｎ）

ＩＶＲｃ＋Ｖｃ＋Ｖｃ２＋…）θＯＲＯＨＯＨＯＮｙ＝（２２２２２Ｎ

、———分别为θ℃时Ｒ式中：和ｃｃｃＯＲＯＨＮ２、２２Ｏ２Ｈ２Ｏ和Ｎ２气体的平均体积定压比热

３

／（·℃）。容，ｋＪｍ

——标准状态下水蒸气的密度，０．８０４—

３／。ｋｍｇ

进入某换热部分的再循环烟气的质量为

ｎ＝１

ｎｎ

ρｈＶｙＭ

（）

（）

式中：ρ

（ｎ）

ｈ———第ｎ条进入某换热部分的再循环

３

／；烟气的密度，ｋｍｇ

——再循环烟气通道的数目。Ｍ—

（ｎ）

的计算方法与ρ可表示为ｈｈ类似，ρ

Ｙρ＋Ｙρ＋ρ＝（ｎ）（ｎ）ＹＨ＋Ｙρ＋…Ｈρ２Ｏ２Ｏ

这样，烟气质量Ｇｙ由下式表示

Ａａｒ

＋（１＋０．００１ｄ）Ｖ０＋（１．２９３＋　Ｇｙ＝１－αｈ０ρ１００

Ｍ

（ｎ）

ｈ

（ｎ）（ｎ）Ｏ２Ｏ２

（ｎ）（ｎ）

ＲＯＯ２Ｒ２

（ｎ）（ｎ）Ｎ２Ｎ２

由于烟气中ＳＯＯ２的含量较Ｃ２的含量少得。后面的“…”一般在计算中可取ｃ多，＝ｃＲＯＣＯ２２当助燃剂中含有除ＯＲＯＨ２Ｏ和Ｎ２、２、２以外的、不参与燃烧反应的其它气体时才使用。

过量部分助燃剂的焓可表示为

０

）（Ｉ＝（１ＹＯ２ｃ＋ＹＲＯ２ｃ＋０．００１２４　α　０－ＯＲＯα０－１２２

··ｄｃ＋ＹＮ２ｃ＋…）Ｖ０θｈＨＮρ２Ｏ２

０．００１２９ｄ）Ｖ０＋　αＡ

ｎ＝１

ｎｎ

∑ρｈＶｙ

（）（）

（）１１

烟气的密度ρｙ可表示为

Ｇｙｙ＝ｒρＶｙ

烟气中的飞灰质量分为２个部分：燃料中携带的飞灰和再循环烟气中携带的飞灰。

对于某一级换热部件，若累计漏入空气的体积为α故累计漏入空气的焓可表示为Ｖ０，Ａ

Ａｒ

。单位质量燃料中携带的灰的质量为ａｋｇ

１００

如果存在再循环烟气，则再循环烟气中携带的灰

ｎ

ａｒ（（ｎ）ｎ）

的质量为Ａ００ｋｇ燃料ａｒ为１ｙ。其中，∑００ｎ＝１１

对应的第ｎ条再循环烟气通道中飞灰的质量。

Ｍ

（）

ＩＶ０ｃｔαｋ＝Ａｋｋ

——湿空气的平均体积定压比热容，／式中：ｃｋＪｋ—

３（·℃）；ｍ

——空气温度，ｔ℃。ｋ—

烟气中的飞灰焓可表示为

（ｎ）（ｎ）

ａＡａｆｈ（ｒ＋∑ＡａｒＶｙ）

ｎ＝１

（）Ｉ１３θｆｈ＝ｈ

１００

——飞灰的平均质量定压比热式中：ｃｈ—

Ｍ

因此，烟气中的飞灰质量浓度μｆｈ为

（ｎ）（ｎ）

ａＡａｆｈ（ｒ＋∑ＡａｒＶｙ）

ｎ＝１

ｆｈ＝μ１００Ｇｙ

Ｍ

／（·℃）；容，ｋＪｋｇ

（）１２

　

——为烟气中携带的灰分份额，式中：即烟气ａｆｈ—

中灰分的质量与总灰量的比值。

它与燃料和炉型有关，具体可参见《实用锅炉手册》中的表２１。７

［７］

ａＡａｆｈｒ

———１ｋ。ｋｇ燃料中的飞灰质量，ｇ１００

如果有部分尾部烟气通过Ｍ条烟气通道经

再循环进入炉膛，则进入炉膛的再循环烟气的焓可表示为

Ｍ

（（ｎ）ｎ）

Ｉ＝∑（ＹＯＣ＋ＹＲＣ＋ＯＯＲＯ２２２２０ｒｙ

７　燃烧产物焓的计算

烟气的焓是指将１ｋ　　在本文中，ｇ燃料与含有

助燃剂的其它气体混合后，经完全燃烧所产生的烟气量从０℃加热到一定温度所需的热量，单位／。为ｋＪｋｇ

结合富氧锅炉的特点，考虑到进入炉膛的助燃剂气体与漏入炉膛的空气具有不同的成分气

ｎｎ

（）ＹＣＨ２Ｏ＋ＹＮＣＮ２＋…）Ｖｙ１４θ２

烟气的焓值可表示为上述五个部分的和，即

０

ＩＩＩ＋ＩＩＩｋ＋ｆｈ＋ｒαｙ＝ｙｙ＋０－１

ｎ＝１（ｎ）Ｈ２Ｏ

（）（）

（）１５

８　结　语

　　本文通过将常规锅炉与富氧锅炉的热力系

（下转第４７页）　　

第１期王振，等：全尺寸燃煤锅炉ＮＯｘ排放多影响因素的数值模拟分析４７

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｓｉｓｏｎｔｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎＦａｃｔｏｒｓ　　　　　　ｙｇ　

ｏｆＮＯｍｉｓｓｉｏｎｉｎＦｕｌｌＳｃａｌｅＣｏａｌＦｉｒｅｄＵｔｉｌｉｔＢｏｉｌｅｒｓ　　　　　　　ｘＥｙ　

，ｕａｎ，ＷＡＮＧＺｈｅｎＬｉＵＯ　Ｙｏｎｈａｏ　　ＨＵ　－ｙ　Ｌ－ｇ

（，，ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｈｅｒｍａｌＥｎｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｈａｎｈａｉＪｉａｏｔｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔ　　　　　ｇｙｇｇｇｇｙ　　

）Ｓｈａｎｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ　ｇ

：ＮｒｏｄｕｃｅｄｏｌｉｔｒｏｅｎｏｘｉｄｅｓｂｃｏａｌｆｉｒｅｄｂｏｉｌｅｒｓｌｅａｄｓｔｏｓｅｒｉｏｕｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＡｂｓｔｒａｃｔ　　　－　　　　　　－ｐｐｇｙ　

，，ｌｕｔｉｏｎｗｈｉｃｈｈａｖｅｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄｕｒｅｎｔｌ．ＢａｓｅｄｏｎｃｏｍｍｅｒｃｉａｌＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅａｎｕｍｅｒｉｃａｌ　　　　　　　　　　ｇｙｍｏｄｅｌｏｆａｕｔｉｌｉｔｂｏｉｌｅｒｗａｓｓｅｔｕｔｏｓｔｕｄｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｏｌｌｕｔａｎｔｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆ　　　　　　　　　　　　　ｙｐｙｐ　　　

，ｃｏａｌｂｌｅｎｄｓ．Ｔｈｅｏｒｔｈｏｏｎａｌｄｅｓｉｎｗａｓａｌｉｅｄｔｏｃｈｏｏｓｅｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　ｇｇｐｐａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎＮＯｍｉｓｓｉｏｎｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．　　　　　ｇｘｅ　

；；；；：ｃｏａｌｆｉｒｅｄｂｏｉｌｅｒｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｉｓｓｉｏｎｎｆｌｕｅｎｃｉｎｆａｃｔｏｒＫｅｗｏｒｄｓ－　　ｎ　　ＮＯ　ｉｇｘｅ　ｙ　ｏｒｔｈｏｏｎａｌｄｅｓｉｎ　ｇｇ（上接第４０页）

统进行比较，建立了富氧锅炉燃料燃烧计算的提出了富氧燃烧基本模型。在该模型基础上，

条件下燃料所需理论助燃剂量和理论烟气量的计算方法，进行了考虑烟气再循环和不考虑烟气再循环２种条件下的实际烟气量的分析计算。最后在常规锅炉相关计算的基础上，对富烟气密度和飞灰质量氧燃烧条件下烟气质量、

浓度的计算公式进行了扩展。本文对富氧燃烧条件下锅炉的燃料燃烧计算进行了详细分析，为今后发展和完善富氧锅炉热力计算方法提供必要的理论基础。

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ＦｕｅｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｓｉｓｏｆＯｘｆｕｅｌＢｏｉｌｅｒｓ　　　　　－　ｙｙ

，ＹＡＮ　ＫａｉＨＡＮＧＪｉａｎｅｎ　Ｚ　－ｗ

（，，）ＳｈａｎｈａｉＢｏｉｌｅｒＷｏｒｋｓＣｏ．Ｌｔｄ．Ｓｈａｎｈａｉ２００２４５，Ｃｈｉｎａ　　　　ｇｇ

，：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｕｅｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆａｉｒｆｕｅｌｂｏｉｌｅｒｓｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄＡｂｓｔｒａｃｔ　　　　　　　　－　　ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｆｕｅｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｆｕｅｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｘｆｕｅｌ　　　　　　　　　　　　－ｙｂｏｉｌｅｒｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｂａｓｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｒｅｕｉｒｅｄｈｏｔｈｅｓｉｓａｒｅｒｏｏｓｅｄ　　　　　　　　　　　　ｑｙｐｐｐｔｈｒｏｕｈｔｈｅｃｏｍａｒｉｓｏｎｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｓｔｅｍｂｅｔｗｅｅｎａｉｒｆｕｅｌｂｏｉｌｅｒｓａｎｄｏｘｆｕｅｌｂｏｉｌｅｒｓ．Ｔｈｅ　　　　　　　－　　　－　ｇｐｙｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｍｒｏｖｅｒｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｏｆｆｌｕｅａｒｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｕａｎｔｉｔａｓｒｏ　　　　　　　　　　　－ｐｑｑｙｇｐ　

，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｏｆｆｌｕｅａｎｄｔｈｅｔｏｔａｌｏｎｅｉｎｃｌｕｄｉｎｔｈｅｏｓｅｄ．Ｔｈｅｕａｎｔｉｔａｓ　　　　　　　　　　　ｇｐｑｙｇ　　，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｉｎｆｌｕｅａｒｅａｎａｌｚｅｄｉｎｔｈｅｃａｓｅｓｏｆｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔａｓｅｓａｓ　　　　　　　　　　　　　　　ｙｇｇ

，ｆｌｕｅａｓｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｕａｌｉｔｏｆｆｌｕｅａｓｔｈｅｄｅｎｓｉｔｏｆｆｌｕｅ　　　　　　　　　　　ｇｑｙｇｙ　　，ａｓｔｈｅｍａｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｆｌａｓｈａｎｄｔｈｅｅｎｔｈａｌｏｆｆｌｕｅａｓｆｏｒｏｘｆｕｅｌｂｏｉｌｅｒｓａｒｅａｌｓｏ　　　　　　　　　　　－　　　ｇｙｐｙｇｙ　　ｒｏｏｓｅｄｔｈｒｏｕｈｔｈｅｅｘｔｅｎｓｉｏｎｆｒｏｍａｉｒｆｕｅｌｂｏｉｌｅｒｓ．　　　　　－　ｐｐｇ

；；：ｂｏｉｌｅｒｘｆｕｅｌｆｕｅｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎＫｅｗｏｒｄｓ　ｏ－　　　ｙｙ