氧燃烧方式下煤粉锅炉辐射传热特性分析_王小华
第24卷第1期
2009年1月热能动力工程J OURNAL OF E NGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER Vol 124, No 11Jan 1, 2009
文章编号:1001-2060(2009) 01-0085-04
氧燃烧方式下煤粉锅炉辐射传热特性分析
王小华1, 刘 豪1, 邱建荣1, 盛昌栋2
(11华中科技大学煤燃烧国家重点实验室, 湖北武汉430074; 21东南大学能源与环境学院, 江苏南京210096)
摘 要:氧燃烧方式是一种能综合控制燃煤污染物排放的新
型洁净燃烧技术, 有关该方式下煤粉锅炉传热特性的研究对
于老机组改造及新机组的重建具有非常重要的意义。以某电
厂300MW 燃煤锅炉为例, 针对氧燃烧方式下燃烧介质的物理
特性发生变化, 通过引入循环率的概念, 提出并发现了氧燃烧
方式下必须考虑CO 2、H 2O 、O 2、H 2的5种高温分解反应, 在此
基础上修正并发展了新的适用于氧燃烧方式下绝热火焰温
度、锅炉辐射传热的计算方法。结果表明, 修正后的辐射传热
计算公式在氧燃烧方式下具有良好的通用性, 在干、湿两种烟
气循环方式下, 绝热火焰温度随循环率的增加非线性降低; 当
干烟气、湿烟气的循环率分别在0171和0167附近时, 获得与
常规燃烧方式相同的烟气平均温度和辐射传热量。
关键词:燃煤锅炉; 氧燃烧; 绝热火焰温度; 辐射传热; 传
热特性; 循环率
中图分类号:TQ534 文献标识码:A C ar /%56144H ar /%2179O ar /%31301 计算过程及方法111 计算条件计算所选电厂的锅炉炉膛参数和煤质分析如表1和表2所示。表1 锅炉炉膛参数额定蒸发量/t #h -1给煤量/t#h -1炉膛容积/m 3炉膛表面积/m 2一次风温一次风率/e /%[***********]212316表2 煤质分析N ar /%0154S ar /%0147A ar /%26176M ar /%9170低位发热量/kJ #kg -121744在氧燃烧方式下, 循环率定义为循环率等于循
环的烟气质量流量与总质量流量的比值[5], 如图1
所示。
其值计算表达式为:
m Ûc f (1) f +m Ûf
式中:m Ûc f ) 循环的烟
气质量流量, kg/s; R rec y cl e =
m Ûf ) 排放的烟气质量
流量, kg/s 。在计算过
程中, 为方便计算, 在
图1 氧燃烧方式循环示意图不影响结果的前提
下, 做出如下假设:
(1) 各种情况下, 送入炉膛的气体温度与空气
气氛下相同, 即风粉混合温度515K;
(2) 煤粉完全燃烧;
(3) 循环烟气:干烟气为CO 2和O 2, 湿烟气为
CO 2、H 2O 和O 2;
(4) 煤粉燃烧产生的NO x 、N 2忽略不计, SO 2计
入CO 2中; 引 言燃煤C O 2的排放导致全球气候变暖已成为国际社会关注的一个焦点。氧燃烧方式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。它是将O 2与循环烟气混合代替空气作为介质参与燃烧, 烟气中CO 2浓度升高使得CO 2回收成本降低, 而且还能够同时减少SO x 、NO x 的排放[1]。与常规燃烧方式相比, 由于气体产物的辐射性质和气体热容量发生了变化, 导致氧燃烧方式下燃煤锅炉的传热特性有较大不同。国内外学者对氧燃烧方式下煤的燃烧特性开展了大量的实验研究[2~5], 但是在利用常规燃烧方式下的辐射传热计算公式进行氧燃烧方式下辐射传热计算所开展的工作尚不多见。本文以某电厂300MW 燃煤锅炉为例, 在常规燃烧方式下计算辐射传热的基础上, 进行公式修正, 修正后的公式可用于对锅炉氧燃烧方式改造的辐射传热计算。
收稿日期:2008-04-01; 修订日期:2008-11-28
基金项目:国家重点基础研究专项经费基金资助项目(2006CB705807); 国家杰出青年基金资助项目(50525619) ; 教育部科学研究重大基金资助
项目(306012) (,
#86 #热能动力工程2009年
(5) 烟气中的氧气浓度控制与常规燃烧方式相
同, 为313(V%) ;
(6) 不考虑炉膛漏风的影响。
112 常规燃烧方式下辐射传热计算
火焰与炉壁之间的换热可简化成为两个互相平
行的无限大平面间的辐射换热
程为:
A b 7a l R 0T 4hy =U B j Vc p j (T ll -T d l ) (2)
11[6]焰辐射减弱系数, (m#MPa) -1, 可认为是各辐射成份减弱系数的代数和:k =(k q -$k) r +k h L h +k j x 1x 2(9) 式中:k q ) 三原子气体的辐射减弱系数, (m #MPa) -1; r ) 三原子气体总容积分数; k h ) 火焰中悬。炉膛传热基本方浮灰粒的辐射减弱系数, (m #MPa) -1; L h ) 飞灰浓度, kg/kg; k j ) 火焰中焦炭颗粒的辐射减弱系数, 取10(m #MPa) ; x 1、x 2) 煤种、燃烧方式对焦炭浓度的影响系数。
对气体辐射减弱系数的修正方法采用Lechner
:
10142176-01089F K $k =1017+101#F
P H 2O 式中:F =P H 2O +P CO 2
K =log((P H 2O +P C O 2) D ) [10]-1式中:R 0) 绝对黑体辐射常数, 其值:5167@10-kW/(m 2#K 4) ; A b ) 炉壁面积, m 2; 7) 热有效系数, 可通过试验确定; T hy ) 火焰的平均温度, K; U ) 保热系数; B j ) 计算燃料消耗量, kg/h; Vc p j ) 烟气的平均比热容, kJ/(kg #K) ; T ll ) 绝热火焰温度, 亦称绝热燃烧温度, K; T d l ) 炉膛出口温度, K; a 1) 炉膛黑度, 其计算式为:a hy a 1=a hy +(1-a hy ) 7
式中:a hy ) 火焰黑度。
式(2) 两边同时除以T ll , 并令:
U B j Vc p j Bo =R 07A b T 3ll
可以得到:
4n (d l =4(10) (11) (12) (3) 式中:P H 2O ) 水蒸气的分压, MPa; P CO 2) 二氧化碳的分压, MPa; D ) 有效辐射层厚度, c m; 对炉膛来说, 可表示为:(4) V l A b 式中:V l ) 炉膛容积, m 3。D =31611312 绝热火焰温度计算的修正方法(13) (1-(d l ) (5) a l
式中:(=T /T ll ) 无因次温度, 表示火焰温度与绝
热火焰的比值。通过大量试验研究, 经整理得出半
经验计算式[6]:
016) /[M +() 016]a l a l
最后得到炉膛出口烟温的表达式:(d l =(
T ll -273M(a l /Bo ) +1
式中:M ) 考虑燃烧条件影响的参数。H d l =
113 常规燃烧方式下辐射传热计算的修正
氧燃烧方式下, 由于烟气中CO 2浓度发生了变
化, 在计算火焰黑度时必须考虑由H 2O 和C O 2光带
部分重叠而引入的修正量[7~8]氧燃烧方式下绝热火焰温度的计算, 主要是考虑高温下气体分解的影响[9]。即Q LJ X 0; 计算绝热火焰温度的表达式为:Q dw +I rk -Q LJ T l l =(14) (1+A L ) #C yq 式中:Q dw ) 燃料的低位发热量, kJ/kg; I rk ) 燃料及供给燃烧用空气在供给温度时的热焓, 即显热, kJ/kg; Q LJ ) 燃烧产物由于离解而吸收的热量, kJ/kg; T ll ) 烟气的温度, 即燃料的燃烧温度, e ; C yq ) 烟气的比热, 取决于烟气的组成, kJ/(kg #e ) ; 1+A L 0) 烟气的质量, kg; 当完全燃烧时A =1。常规绝热火焰温度的计算中, 气体产物分解率的数据目前还不完整, 因此采用F*A*C*T 软件包完成热力学平衡计算, 它是一种基于系统总吉布
斯自由能最小化原理的热力学计算程序, 由于其
整合了大量纯物相的热力学特性数据库, 这使得在
计算平衡产物时较为有利。热力学平衡计算以煤作
为计算的初始成份, 为简化计算, 仅考虑C 、H 、O 、N 、
S 等物质的反应。计算以1kg 煤为基准, 理论氧气
量按V 0=0101866[C]+01007[S]+01055[H ]-
01007[O]得到, 氧气过量系数为实际氧气量与理论
:[10](6) (7) ; 此外, 常规燃烧方式下由于绝热火焰温度较低; 即使考虑分解时, 主要的烟气产物C O 2、H 2O 的分解率较低, 因此可以忽略不计; 而氧燃烧方式下, 循环率较低时, 燃烧温度高, 气体产物的分解率高, 必须考虑气体产物的分解。11311 火焰黑度计算修正方法火焰黑度的计算式为a hy =1-e -kp D [6]:(8) :0k
第1期王小华, 等:氧燃烧方式下煤粉锅炉辐射传热特性分析# 87# 1101@105Pa; 温度:风粉混合温度, 515K 。可以看出:在两种方法下, 得到的结果是吻合的。说
明在循环中只考虑上述5个分解反应是认可的。2 计算结果及分析
211 气体产物分解对绝热火焰温度的影响
根据计算得到的产物组分及浓度结果, 并参考
高温下气体分解反应[9], 发现在高温下气体产物分
解主要是5个化学反应:
2CO 2y 2C O+O 2
2H 2O+O 2y 4OH
2H 2O y 2H 2+O 2
O 2y 2O
H 2y 2H (15) (16) (17) (18) (19) 图3 不同计算方法的绝热火焰温度的对比
212 不同循环方式下绝热火焰温度、炉膛出口温
度、传热量的计算结果分析
图4为不同循环率下绝热火焰温度的计算结
果。图中表明, 随着循环率的增加, 绝热火焰温度逐
渐降低。因为循环率增加时, 氧气浓度降低, 可能导
致燃烧速率、燃尽率的降低; 同时烟气量增加, 烟气
比热容亦增大, 绝热火焰温度降低。在考虑上述气体产物分解后, 计算得到的不同循环率下绝热火焰温度的变化曲线, 并与不考虑气体产物分解时的计算结果作比较, 如图2
所示。
图2 考虑气体产物分解前后绝热火焰温度的比较
从图2可以看出:在干循环方式下, 随着循环率
的增加, 绝热火焰温度存在递减的趋势, Zheng
Changhao 等人认为:在低循环率下, 氧气浓度随之
升高, 从而可能导致燃烧速率、燃烧效率升高; 同时
气体产物的烟气质量流量降低, 从而使绝热火焰温
度升高。Khare S P 等人通过对绝热火焰温度的研
究认为[4]:绝热火焰温度随着氧气浓度的增加呈线
性关系变化。图中所示的趋势与Zheng Changhao 等
人的计算结果较为吻合。且二者之间的温差呈增大
的趋势, 这是因为在不同的绝热火焰温度下气体的
分解存在差异:在高温条件下, 分解反应为吸热反
应, 根据吕#查德里反抗规则, 平衡向吸热的方向移
动以抑制温度升高的影响, 分解率会增加。绝热
火焰温度随循环率的变化不是一个单值函数, 需要
综合考虑氧气、二氧化碳浓度和烟气比热容的影响。
考虑式(15) ~式(19) 这5个分解反应, 应用常
规计算方法计算的结果与F*A*C*T 软件包E -
[9][5]图4 不同循环率下的绝热火焰温度计算结果 图5为炉膛出口温度变化曲线。图中表明, 随着循环率增加, 炉膛出口温度亦逐渐降低。以T ll 为变量, 式(7) 对T ll 求导数, 得到表达式:189H d l 1-018AT 1ll =182ll (1+AT 1ll ) (20) 式中:A ) 变化不大的量, 可表示为:R 07A b a l 016) (21) U B j Vc p j 18从式(20) 可以看出:当1-018AT 1ll 0, 即绝热火焰温度小时, 炉膛出口温度随绝热火焰的增加而增加; 在计算中18T ll 是一个较小的量, 1-018AT 1ll >0, 则炉膛出口温118
#88 #热能动力工程2009年
烟气:2814%; 这一结论与Thambijuthu Kelly V 和
Wang C S 等人实验结论是一致的。仅从烟气平
均温度和辐射传热的角度看, 干烟气循环和湿烟气
循环对氧燃烧方式都是合适的, 但综合锅炉结渣、腐
蚀和磨损等因素的影响, 以干烟气循环为佳。[2~3]
3 结 论
(1) 氧燃烧方式下, 绝热火焰温度的计算时, 需
要考虑高温下气体产物的分解, 结合F*A*C*T
软件包对其燃烧产物分析, 发现了气体产物中需要
考虑的5个主要分解反应, 在考虑气体分解后, 绝热
火焰温度随循环率的增加呈非线性变化;
(2) 烟气循环时, 干烟气、湿烟气的循环率分别
为0171、0167时, 获得与常规燃烧方式相同的辐射
传热性能;
(3) 仅从烟气平均温度和辐射传热的角度看,
干烟气循环和湿烟气循环对氧燃烧方式都是合适
的, 但综合锅炉结渣、腐蚀、磨损等因素的影响, 以干
烟气循环为佳。
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(22) 绝热火焰温度、炉膛出口温度随循环率的增大而降低
, 则气流平均温度也是降低的。
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图7 不同循环率下炉膛辐射传热量的计算结果
图7为传热量的变化曲线。图中表明, 随着循
环率的增大, 传热量是逐渐降低的。因为随着循环
率的增加, 炉膛绝热火焰温度是降低的, 而烟气平均
比热容的升高比绝热火焰温度的降低慢, 炉膛传热
量随循环率的增加而降低。要达到与空气气氛下相
同的辐射传热性能, 干、湿烟气循环率分别为0171、
0167, 此时入口处氧气的浓度为:干烟气:2912%, 湿[7] 杨世铭, 陶文铨1传热学[M]1(第三版) 1北京:高等教育出版社, 19981[8] LECKNER B 1Spectral and total e missi vity of water vapor and carbon dioxide[J]1Combus ti on &Flame, 1972, 19(1) :33-481[9] 张松寿1工程燃烧学[M]1上海:上海交通大学出版社, 19871[10] BALE C W, PEL TO N A D, THO MPSO N W T 1F*A*C*T211-user manual[EB]1http:M www. crc t. pol ymtl. ca, 19961[11] 陈春元1大型煤粉锅炉燃烧设备性能设计方法[M]1哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 20021
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