畢業(yè)論文---1025th鍋爐爐膛變氣氛熱力計(jì)算

1、<p>　　1025t/h鍋爐爐膛變氣氛熱力計(jì)算</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　O2/CO2燃燒技術(shù)是減少二氧化碳排放的一種行之有效的方法。本文首先簡(jiǎn)單介紹了O2/CO2燃燒技術(shù)的特點(diǎn)，以及其國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。然后對(duì)某蒸發(fā)量為1025t/h的鍋爐在空氣和在不同比例下的O2/CO2氣氛中燃燒進(jìn)行了爐膛熱力計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了

2、比較。計(jì)算的結(jié)果表明，采用O2/CO2燃燒技術(shù)后，三原子氣體(主要是CO2)體積份額大幅度增加，使?fàn)t膛內(nèi)的輻射換熱有所增強(qiáng)；煤粉在O2/CO2為30/70的氣氛中燃燒時(shí)，其爐膛中的各項(xiàng)參數(shù)都與在空氣中燃燒時(shí)相近；煤粉在O2/CO2氣氛中燃燒能有效地提高鍋爐的熱效率；當(dāng)O2的比例大于30%時(shí)，理論燃燒溫度和爐內(nèi)總傳熱量都隨著O2份額的增加而升高；對(duì)常規(guī)空氣下燃燒的電站鍋爐進(jìn)行適當(dāng)整改后，可以適應(yīng)O2/CO2這種燃燒技術(shù)，如將尾部煙道的一部

3、分對(duì)流換熱面移到爐膛內(nèi)，增加爐膛內(nèi)的換熱面積，使其吸收所增加的爐內(nèi)傳熱量等。</p><p>　　關(guān)鍵詞：O2/CO2燃燒技術(shù)；煤粉燃燒；鍋爐；熱力計(jì)算</p><p>　　The thermal calculation of 1025 t/h boiler in changed atmosphere</p><p><b>　　Abstract</

4、b></p><p>　　Oxy-fuel combustion technology is an effective kind of method to reduce emissions of carbon dioxide.A brief introduction to the characteristics of O2/CO2 combustion technology a

5、nd the research at home and abroad.One evaporation capacity for 1025 t/h boiler under different O2/CO2 ratios have been calculated,and compared with that in air atmosphere condition. The calculation results show that the

6、 volume fraction of the triatomic gases (mainly CO2) significantly increased will enhance the radiation</p><p>　　Keywords：O2/CO2 combustion technology；pulverized coal combustion；boiler；thermal calculation<

7、;/p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題背景級(jí)意義</p><p>　　眾所周知，大氣層中溫室氣體含量的大幅度增加將會(huì)導(dǎo)致地表溫度的上升，形成溫室效應(yīng)，使得全球變暖，而致使氣候平衡和生態(tài)環(huán)境遭到破壞，影響到人類在未來(lái)的發(fā)展。在所有溫室氣體中，CO2由于其較長(zhǎng)的壽命年限及超高的排放量而對(duì)溫室效應(yīng)的影響最大。CO2

8、是造成全球變暖的主要因素，國(guó)際社會(huì)已經(jīng)對(duì)此形成共識(shí)，《京都議定書》也制定了2000年以后CO2限排、減排的明確時(shí)間表和任務(wù)量。減少溫室氣體的排放，已成為當(dāng)務(wù)之急。控制煤炭利用中溫室氣體CO2的排放對(duì)保護(hù)人類賴以生存的地球環(huán)境，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有重要意義[1]。</p><p>　　世界上1/3的CO2是從電廠排放出來(lái)的，可以肯定的是從煤中獲得能量在未來(lái)的電力生產(chǎn)中仍將占據(jù)很重要的角色。因此，現(xiàn)在面臨著一個(gè)很嚴(yán)

9、峻的挑戰(zhàn)就是如何從燃煤電廠中控制CO2的排放，減輕電廠的生產(chǎn)發(fā)展過(guò)程中對(duì)地球環(huán)境的影響。碳隔離處理被認(rèn)為是減少溫室氣體在大氣中聚積的最好辦法之一，因此獲得高濃度的CO2是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)碳隔離、減排CO2的前提。而電廠是單位時(shí)間單位面積排放CO2最高的企業(yè)，對(duì)其進(jìn)行減排是非常必要的，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所不可缺少的一部分[2]。而電廠生產(chǎn)過(guò)程中，煤粉在常規(guī)空氣燃燒方式產(chǎn)生的煙氣中CO2的濃度只有15％左右，在這么低的濃度條件下回收CO2是要付出高

10、昂的經(jīng)濟(jì)代價(jià)的，并且回收設(shè)備也很復(fù)雜，制造的費(fèi)用高，一次投資大，運(yùn)行的消耗高，維護(hù)成本大，其實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性不大。為了以較低費(fèi)用而在排煙中得到無(wú)需分離就可以直接收集的高濃度CO2，從燃燒的角度出發(fā)，發(fā)展出了一種新型燃燒方式，即O2/CO2燃燒技術(shù)[3-4]。</p><p>　　煙氣再循環(huán)的富氧燃燒技術(shù)是用空氣分離獲得的純氧和一部分鍋爐排煙以一定的比例進(jìn)行混合而構(gòu)成的混合氣代替空氣作為燃燒時(shí)的氧化劑，煤粉在爐膛燃燒后

11、，能提高排煙中的CO2濃度，因此富氧燃燒技術(shù)也稱為O2/CO2 燃燒技術(shù)，或空氣分離／煙氣再循環(huán)技術(shù)[5]。如下圖1-1所示。</p><p>　　O2/CO2燃燒技術(shù)是一種新型的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，已得到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。該技術(shù)在燃燒系統(tǒng)中使用O2/CO2混合氣體，可以把排煙中CO2濃度提升到了95％。此時(shí)對(duì)排煙中的CO2的收集就容易多了，只需要對(duì)其直接液化就可以實(shí)現(xiàn)回收處理。采用這種燃燒方式還能大幅度地減少S

12、O2和NOx的排放，實(shí)現(xiàn)污染物的一體化的協(xié)同脫除，減輕電廠排煙中的其他污染物對(duì)大氣以及環(huán)境的污染?，F(xiàn)有對(duì)O2/CO2燃燒技術(shù)的研究成果表明，這種燃燒方式不僅技術(shù)上可行，而且在運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)成本上也有著相當(dāng)優(yōu)勢(shì)[6]。對(duì)于電廠而言，采用O2/CO2循環(huán)燃燒技術(shù)來(lái)回收隔離CO2是相當(dāng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。對(duì)于發(fā)電廠來(lái)說(shuō)，由于在此燃燒方式中，有一部分煙氣會(huì)再循環(huán)進(jìn)入爐膛而不排人大氣，排煙的熱量得到一定量的回收，這將減小鍋爐排煙損失，進(jìn)而能提高鍋爐的熱

13、效率，因此研究O2/CO2氣氛下鍋爐的熱效率對(duì)評(píng)估富氧燃燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性也是具有重要意義的?；厥盏腃O2可儲(chǔ)存于地下、海底或廢棄的油井，甚至可注人低產(chǎn)油井以提高油井產(chǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)了CO2回收在經(jīng)濟(jì)上的價(jià)值[7]。</p><p>　　圖1-1 O2/CO2燃燒技術(shù)原理示意圖</p><p>　　1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　O2/CO2燃燒技術(shù)國(guó)內(nèi)外

14、已經(jīng)進(jìn)行了很多年的研究，并且已經(jīng)取得了一定的研究成果。O2/CO2燃燒技術(shù)首先是由Horne和Steinburg于1981年提出的，經(jīng)美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ANL)的研究證明只需要將常規(guī)鍋爐進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑炀涂梢圆捎么巳紵夹g(shù)。對(duì)O2/CO2氣氛下煤粉燃燒特性的研究主要集中在上個(gè)世紀(jì)90年代，包括著火特性、燃燒速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰溫度以及燃盡率等的研究。O2/CO2燃燒技術(shù)的研究是國(guó)際能源署(IEA)控制溫度氣體排放研究與開發(fā)計(jì)劃的主要

15、項(xiàng)目之一，并且投入了很大的研究力量，其實(shí)驗(yàn)的主要研究工作在加拿大政府的能源技術(shù)研究中(CANMETCETC)開展，在0.3MW 煤粉燃燒試驗(yàn)爐上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模化計(jì)算和工業(yè)示范性研究，并且取得了一定的研究成果。日本早期在這方面的研究是利用垂直電加熱反應(yīng)器的試驗(yàn)性質(zhì)的研究，然后在1．2 Mw水平圓柱式鍋爐上進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模的燃燒實(shí)驗(yàn)，并采用數(shù)值模擬對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究。</p><p>　　法國(guó)阿爾斯通(A

16、LSTOM)公司和瑞典的瓦滕法爾能源集團(tuán)(VATTENFALL)也在聯(lián)合進(jìn)行O2/CO2煤粉燃燒技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的研發(fā)工作。2008年，他們?cè)诘聡?guó)黑泵(Schwarze Pumpe)投資建造了世界上第一座基于O2/CO2煤粉燃燒技術(shù)的30MW試驗(yàn)裝置。</p><p>　　在國(guó)內(nèi)方面，清華大學(xué)有關(guān)方面的研究提供了大量的在氧氣/煙氣循環(huán)燃燒系統(tǒng)中的燃燒特性的數(shù)據(jù)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了在燃燒的過(guò)程中，燃點(diǎn)不確定、產(chǎn)生大量碳黑的

17、問題[8]。煤粉的著火特性較差，氮氧化物和二氧化硫從系統(tǒng)中的排放量，這種低發(fā)光度的火焰對(duì)蒸汽鍋爐的熱量吸收的影響，這都是要等待解決的問題。華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)近年來(lái)也開展了對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究，研究主要集中在該燃燒方式下煤的熱重分析、SO2和NOx的排放特性、循環(huán)流化床O2/CO2燃燒技術(shù)、以及煤粉的氣化燃燒等幾個(gè)方面。</p><p>　　現(xiàn)階段進(jìn)一步對(duì)O2/CO2循環(huán)燃燒技術(shù)的研究，

18、充分了解這種燃燒方式的特點(diǎn)，將可以提高該技術(shù)在實(shí)際電廠應(yīng)用的可行性。現(xiàn)在該技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室的階段，還沒有在商業(yè)中得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)有關(guān)研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)煤粉在O2/CO2 = 21 /79 氣氛下燃燒時(shí)，即直接用CO2代替空氣中的N2，這時(shí)火焰溫度較在空氣氣氛下燃燒有所下降，著火的穩(wěn)定性變差，未燃盡碳增加，鍋爐的效率有所下降。但如果采用合理的燃燒配風(fēng)技術(shù)，在O2/CO2 = 30 /70時(shí)就能獲得相對(duì)較高的碳燃盡率以及與空氣氣氛下相當(dāng)?shù)?/p>

19、煙氣溫度[9]，鍋爐的效率也要比在空氣氣氛下燃燒的效率高一些。由此可知，O2的容積百分?jǐn)?shù)應(yīng)在30%左右時(shí)比較合適。</p><p>　　O2/CO2燃燒技術(shù)以O(shè)2 和CO2 混合氣體代替空氣作為助燃劑送入爐膛，與煤粉混合進(jìn)行燃燒，與常規(guī)空氣燃燒相比， 煙氣組分有很大差別， 尤其二氧化碳的濃度大大增加。高濃度CO2的存在具有較高的比熱容和輻射特性，鍋爐的輻射換熱與空氣氣氛也有較大差異?？紤]到三原子氣體對(duì)煙氣輻射特性

20、的重要影響以及試驗(yàn)、鍋爐設(shè)計(jì)等的需要，因而，有必要研究高濃度二氧化碳煙氣給爐膛輻射換熱特性帶來(lái)的變化。國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)此作了大量的工作，指出在該氣氛下，煙氣的輻射換熱加強(qiáng)，但還沒有出現(xiàn)針對(duì)鍋爐進(jìn)行具體計(jì)算分析的相關(guān)文獻(xiàn)。</p><p>　　對(duì)O2/CO2燃燒傳熱性能的研究還非常少，尤其是輻射換熱。煤粉著火、燃燒性能、傳熱行為、污染物排放等方面將與常規(guī)煤空氣燃燒有所不同，CO2的熱效應(yīng)與N2不同，煤／煤焦氣化亦

21、不同。Klas Andersson等已經(jīng)對(duì)CH4在O2/CO2中燃燒的輻射特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究。</p><p>　　1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容及方法</p><p>　　本文主要研究?jī)?nèi)容是，通過(guò)對(duì)1025t/h的鍋爐爐膛在空氣和在不同的O2與CO2比例的氣氛下燃燒的爐膛熱力計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比與分析，從而得出煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒的特征及其優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，

22、找出該燃燒方式與煤粉在常規(guī)下的燃燒的不同點(diǎn)，從而對(duì)現(xiàn)有的鍋爐要采用O2/CO2的燃燒方式的整改提出一些合理的建議。</p><p>　　通過(guò)對(duì)給定的爐膛和煤種進(jìn)行爐膛熱力計(jì)算，以燃料完全燃燒得出理論空氣量、煙氣成分和煙氣的焓等，然后考慮燃料的化學(xué)不完全燃燒熱損失和機(jī)械不完全燃燒熱損失，在上述煙氣焓中，制作焓溫表，并查出理論燃燒溫度等。計(jì)算的結(jié)果有兩種燃料量，即實(shí)際燃料消耗量和不考慮機(jī)械不完全燃燒熱損失的計(jì)算燃料消

23、耗量。整個(gè)鍋爐的計(jì)算中，都以燃料完全燃燒后的產(chǎn)物來(lái)計(jì)算爐內(nèi)的輻射傳熱和對(duì)流放熱。熱力計(jì)算過(guò)程主要分為鍋爐的輔助計(jì)算、燃燒室設(shè)計(jì)和傳熱計(jì)算以及對(duì)流受熱面的換熱計(jì)算[10]。</p><p>　　本文采用的計(jì)算方法，也是我國(guó)目前鍋爐熱力計(jì)算中仍主要采用的原蘇聯(lián)1957年或1973年標(biāo)準(zhǔn)中輻射傳熱的計(jì)算方法。按A·M古爾維奇零維模型對(duì)鍋爐爐膛進(jìn)行計(jì)算[11]，得出其三原子氣體體積比、排煙損失、鍋爐效率、計(jì)算燃

24、料消耗量、理論燃燒溫度、爐膛出口煙氣溫度等參數(shù)。并對(duì)不同氣氛下計(jì)算出來(lái)的這些參數(shù)進(jìn)行比較，分析產(chǎn)生這些變化的原因和特點(diǎn)，從而得出結(jié)論。</p><p><b>　　2 輔助計(jì)算</b></p><p>　　2.1 研究對(duì)象與鍋爐基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　鍋爐的作用是使燃料燃燒放出熱量，并將熱量傳給工質(zhì)，以產(chǎn)生一定溫度和壓力的蒸氣。在電廠里，

25、鍋爐產(chǎn)生的蒸氣被引入汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能。鍋爐的形式及其布置方式，以及爐膛內(nèi)的結(jié)構(gòu)等，都會(huì)對(duì)后面的熱力計(jì)算產(chǎn)生很大的影響。而本計(jì)算所采用的鍋爐容量為300MW，該鍋爐為亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)汽包鍋爐，鍋爐額定蒸發(fā)量為1025t/h，過(guò)熱蒸汽壓力為16.8MPa，過(guò)熱蒸汽溫度為540。為單鍋筒П型布置，如圖2-1。爐膛寬為13.35m，深為12.3m，高為46.4m，管徑d為76mm，管距s

26、為174mm，水冷壁管中心到爐墻的距離e為60.8。燃燒方式采用四角布置的直流燃燒器，并選用中速磨煤機(jī)的負(fù)壓直吹系統(tǒng)。爐膛出口處過(guò)量空氣系數(shù)按文獻(xiàn)[12]表4-2取得=1.2。采用不同的煤種成分會(huì)得到不同的計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)選用的煤種成分?jǐn)?shù)據(jù)如表2-1所示。</p><p>　　表2-1 某1025t/h鍋爐設(shè)計(jì)煤種收到基成分</p><p>　　圖2-1 П型鍋爐示意圖</p>

27、<p>　　2.2 燃料的燃燒計(jì)算方法</p><p>　　2.2.1 理論空氣量和理論煙氣量的計(jì)算</p><p>　　理論空氣量就是假定1kg煤完全燃燒，空氣中的氧和煤中能參加燃燒的的氧(固有氧)全部被消耗盡，此時(shí)所需要的空氣量稱為理論空氣量。理論煙氣量是指單位燃料與理論空氣進(jìn)行完全燃燒生成的煙氣量。下面將詳細(xì)地介紹理論空氣量和理論煙氣量等參數(shù)的計(jì)算方法和步驟。</

28、p><p>　　2.2.1.1 煤粉在空氣中燃燒的理論空氣量的計(jì)算</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　在=1.0時(shí)，每1kg燃料燃燒后的燃燒產(chǎn)物中各成分的計(jì)算將在下文進(jìn)行討論。</p><p>　　2.2.1.2 理論水蒸氣體積的計(jì)算</p><p>　　理論水蒸氣體

29、積包括以下三個(gè)部分：</p><p>　　(1)燃料中氫完全燃燒生成的水蒸氣</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　(2)燃料中水分形成的水蒸氣</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　(3)理論空氣量帶入的水蒸氣&l

30、t;/p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　所以理論水蒸氣的體積為：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　2.2.1.3 理論氮?dú)怏w積的計(jì)算</p><p>　　理論氮?dú)怏w積包括以下兩個(gè)部分：</p><

31、;p>　　(1)理論空氣量含有的氮?dú)?lt;/p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　(2)燃料本身含有的氮</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　所以理論氮?dú)怏w積為：</p><p><b>　　(2-8)&

32、lt;/b></p><p>　　2.2.1.4 煙氣中的RO2(即)的計(jì)算</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　因此在時(shí)，煙氣的體積為：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　在時(shí)，煙氣體積中水蒸氣的體積

33、為：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　所以，煙氣的體積為：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　2.2.1.5 其他煙氣特性的計(jì)算</p><p>　　RO2、H2O的容積份額分別按下式(2-13)和式(

34、2-14)進(jìn)行計(jì)算：</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　所以三原子氣體的容積份額按下式計(jì)算：</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　每1

35、kg燃料中灰分重量為(kg)。如飛灰的份額為，則每1kg燃料的煙氣中飛灰的重量為</p><p>　　(kg) (2-16)</p><p>　　現(xiàn)已知每1kg干空氣會(huì)有10g水蒸氣伴隨它而來(lái)。每1干空氣重1.293kg，因此隨每1干空氣來(lái)的水蒸氣的質(zhì)量將大約為13g。因此每1干空氣和伴隨它而來(lái)的水蒸氣的總質(zhì)量將為</p><p>　　(kg)

36、 (2-17)</p><p>　　現(xiàn)在燃料燃燒所產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量為(不包括飛灰在內(nèi))，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，將是燃料的水分及可燃成分質(zhì)量與空氣質(zhì)量之和，因此煙氣的質(zhì)量應(yīng)該按下面公式(2-18)來(lái)計(jì)算：</p><p>　　(kg) (2-18)</p><p>　　飛灰濃度的計(jì)算式為：</p&

37、gt;<p><b>　　(2-19)</b></p><p>　　2.2.2 煙氣和空氣焓的計(jì)算</p><p>　　編寫焓-溫表時(shí)，首先須計(jì)算時(shí)的空氣及煙氣的焓(、)的數(shù)值。這些數(shù)值用式(2-20)和式(2-21)計(jì)算：</p><p>　　(kJ/kg) (2-20)</p

38、><p>　　(kJ/kg) (2-21)</p><p>　　式(2-20)和式(2-21)中：</p><p><b>　　—理論空氣量，；</b></p><p>　　、、—在時(shí)煙氣中RO2、H2O、N2的容積，；</p><p>　　—空氣在0t的平均比熱，；</p&

39、gt;<p>　　、、—在0t的RO2、H2O、N2的平均比熱，；</p><p>　　t、—空氣與煙氣的溫度，。</p><p>　　在與已知以后，當(dāng)時(shí)，煙氣在時(shí)的焓是理論煙氣量的焓與過(guò)量空氣在同溫度下的焓之和，即</p><p>　　(kJ/kg) (2-22)</p><p>　　不燃料灰

40、分多時(shí)，煙氣中飛灰含量較大，當(dāng)灰的含量滿足式(2-23)</p><p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　時(shí)，須計(jì)入飛灰的焓，而在本文中，由于飛灰量未能滿足式(2-23)，因此不必計(jì)入。</p><p>　　上述計(jì)算結(jié)果為了便于接下來(lái)后面爐膛計(jì)算時(shí)查閱，將爐膛受熱面的煙氣溫度范圍內(nèi)的數(shù)值列成表格形式，即所謂的煙氣焓-溫表。

41、下面的表格只將本設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)所用到的一些溫度下的煙氣性質(zhì)參數(shù)列出來(lái)，其他的溫度下的參數(shù)，其計(jì)算及處理方法和步驟是一樣的，由于在本計(jì)算中沒有用到，故對(duì)其進(jìn)行略簡(jiǎn)。</p><p><b>　　表2-2 、計(jì)算表</b></p><p>　　由表2-2進(jìn)一步整理而得出空氣下的焓-溫表，如表2-3。</p><p>　　2.3 鍋爐熱平衡計(jì)算</

42、p><p>　　在確定了上述設(shè)計(jì)參數(shù)后可以計(jì)算出鍋爐的熱損失，并確定了鍋爐的設(shè)計(jì)熱效率。這個(gè)效率并不一定就是實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果，它與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)水平有關(guān)，即需要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)。在此，可先對(duì)鍋爐效率進(jìn)行估計(jì)，在鍋爐的設(shè)計(jì)效率確定了以后可按下式得到鍋爐的燃料消耗量。</p><p>　　(kg/s) (2-24)</p><p>　　由

43、于存在不完全燃燒熱損失，進(jìn)入爐膛的燃料有一部分未參加燃燒而隨灰渣排掉。這部分燃料不但沒有參加燃燒放出熱量而且也沒有燃燒產(chǎn)生煙氣，不參與鍋爐各受熱面的熱交換。在計(jì)算過(guò)程中采用的是另一個(gè)燃料消耗參數(shù)，對(duì)于實(shí)際發(fā)生燃燒而放出燃燒熱和生成煙氣的燃料量稱為計(jì)算燃料消耗量。</p><p>　　(kg/s) (2-25)</p><p>　　它才是鍋爐熱力計(jì)算

44、的基礎(chǔ)，無(wú)論水、蒸汽還是空氣的焓值都是相對(duì)于1kg計(jì)算燃料消耗量而言的。</p><p>　　表2-3 空氣焓-溫表</p><p>　　鍋爐的效率不能直接計(jì)算得出準(zhǔn)確值，但是可以對(duì)其進(jìn)行估算，鍋爐效率可以按下面的方法進(jìn)行估算。</p><p>　　(1)根據(jù)燃料性質(zhì)、燃燒方法估計(jì)固體及氣體未完全燃燒損失。</p><p>　　煤粉在O2/C

45、O2=21/79的氣氛下燃燒的鍋爐效率的估算及，這可以從表2-4中的數(shù)據(jù)選取。</p><p>　　表2-4 固態(tài)排渣煤粉爐的爐膛熱負(fù)荷及其他有關(guān)數(shù)據(jù)</p><p>　　(2)根據(jù)鍋爐蒸汽產(chǎn)量、有無(wú)省煤器、空氣預(yù)熱器等，從文獻(xiàn)[12]中圖3-3中的曲線決定鍋爐外部冷卻損失。</p><p>　　(3)當(dāng)燃料中灰分時(shí)，必須計(jì)入灰渣物理熱損失，可用式(2-26)來(lái)計(jì)算

46、：</p><p>　　(%) (2-26)</p><p>　　式中：—灰渣所占燃料中灰分的份額，其值用式(2-27)計(jì)算：</p><p><b>　　(2-27)</b></p><p>　　—灰渣在溫度時(shí)的熱容量，和飛灰相同，其值見文獻(xiàn)[12]中表3-2。</p&

47、gt;<p>　　(4)排煙熱損失可根據(jù)排煙過(guò)量空氣系數(shù)(由空氣平衡得到)、排煙溫度(設(shè)計(jì)任務(wù)書給定)及冷空氣溫度來(lái)計(jì)算：</p><p>　　(%) (2-28)</p><p>　　式中：—排煙的焓，可根據(jù)排煙的過(guò)量空氣系數(shù)及溫度從焓-溫表中查出(kJ/kg)；</p><p>　　—排煙中的過(guò)量空氣系數(shù)，

48、由空氣平衡得到；</p><p>　　—時(shí)每1kg燃料所需空氣的冷空氣溫度下的焓(一般取冷空氣溫度為20)可從焓-溫表2-3中查出。</p><p>　　(5)在各種損失的數(shù)值已知后，就可以算出鍋爐效率，如下式(2-29)。</p><p>　　(%) (2-29)</p><p><b>

49、;　　式中：</b></p><p>　　(%) (2-30)</p><p>　　下面對(duì)鍋爐效率進(jìn)行估算，并計(jì)算鍋爐熱平衡及燃料消耗量，過(guò)程及結(jié)果見表2-5。</p><p>　　表2-5 鍋爐效率的估算</p><p>　　以上為輔助計(jì)算的所要計(jì)算的參數(shù)，通過(guò)對(duì)鍋爐進(jìn)行輔助計(jì)算，將為下面鍋爐爐膛的熱力

50、計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，輔助計(jì)算在鍋爐熱力計(jì)算中是不可缺少的一個(gè)部分，其計(jì)算的數(shù)據(jù)將直接影響到爐膛部分的計(jì)算結(jié)果。</p><p><b>　　3 爐膛熱力計(jì)算</b></p><p>　　3.1 爐膛熱力計(jì)算的主要任務(wù)及步驟</p><p>　　爐膛是蒸汽鍋爐最重要的一個(gè)部分，在鍋爐爐膛中進(jìn)行著燃料的燃燒過(guò)程，送入爐膛的燃料放出近乎全部的熱量。在爐

51、膛內(nèi)，燃燒和傳熱過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，參與燃燒和傳熱過(guò)程的各因素互相影響，使?fàn)t膛內(nèi)發(fā)生的過(guò)程十分復(fù)雜，其中包括燃料的燃燒、火焰對(duì)水冷壁的傳熱、火焰與煙氣的流動(dòng)以及水冷壁表面的污染等這樣一些物理化學(xué)過(guò)程。其復(fù)雜性在于同時(shí)存在燃燒和傳熱的過(guò)程，而燃燒本身就對(duì)傳熱有很大的影響。另外，燃燒產(chǎn)生的灰分對(duì)受熱面的污染程度的不同也會(huì)使?fàn)t膛的吸熱量發(fā)生變化。反過(guò)來(lái)，傳熱過(guò)程的強(qiáng)弱又會(huì)影響燃料的著火和燃盡。由于影響因素眾多，而且關(guān)系復(fù)雜，基于純數(shù)學(xué)方法描述物理化

52、學(xué)過(guò)程的爐膛換熱計(jì)算方法尚未進(jìn)入工程實(shí)用階段，因此，依賴大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法在工程實(shí)際中仍起著不可替代的作用[13]。</p><p>　　從傳熱的角度來(lái)說(shuō)，爐膛內(nèi)必須布置足夠的受熱面，以便能夠在爐膛的出口處將高溫?zé)煔饫鋮s到合適的溫度，使煙氣在進(jìn)入爐膛后的密集對(duì)流管束時(shí)的溫度已經(jīng)降低到低于灰的熔融溫度，避免受熱面結(jié)渣。傳熱計(jì)算的任務(wù)是確定爐膛輻射受熱面的吸熱量及爐膛出口煙溫。</p><p&

53、gt;　　從爐膛的傳熱過(guò)程看來(lái)，進(jìn)入爐子的燃料與空氣混合燃燒后生成高溫的火焰與煙氣，形成溫度最大值所在的火焰中心，通過(guò)以輻射傳熱為主、對(duì)流換熱為輔，把熱量傳給四周水冷壁，到爐膛出口處，煙氣溫度冷卻到某一數(shù)值，然后接著進(jìn)入對(duì)流煙道。爐膛傳熱的過(guò)程與許多因素有關(guān)，在一定條件下，爐內(nèi)輻射受熱面積越大，則傳熱量越多，因此爐膛出口煙溫就越低；反之，爐內(nèi)輻射受熱面積越小，則傳熱量越少，爐膛出口煙溫就越高[14]。爐膛的熱力計(jì)算是在布置好爐膛的幾何形

54、狀、受熱面的結(jié)構(gòu)和面積后進(jìn)行的，爐膛熱力計(jì)算的目的是校核所設(shè)計(jì)的爐膛能否將火焰冷卻到預(yù)期的爐膛出口溫度，即爐膛內(nèi)布置的受熱面能否預(yù)先分配的輻射吸熱量。下面將對(duì)爐膛進(jìn)行熱力計(jì)算，方法和步驟將在下面進(jìn)行介紹。</p><p>　　3.1.1 燃燒室爐墻面積的確定</p><p>　　爐壁面積按包覆爐膛容積的表面積計(jì)算。將爐壁的投影面作為火焰的輻射表面，也是爐壁受熱面接受火焰輻射的表面積，稱為爐

55、壁面積。本爐采用單鍋筒П型布置，四角布置的直流燃燒器，爐膛寬a為13.35m，深b為12.3m，高h(yuǎn)為46.4m。爐膛容積為7057，對(duì)爐墻面積為給定值，本文對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單的處理，其計(jì)算方法如下式(3-1)所示。</p><p>　　() (3-1)</p><p>　　3.1.2 燃燒室水冷壁的布置</p><p>　　本計(jì)算

56、所采用的鍋爐水冷壁為單排光管水冷壁，管徑d為76mm，管距s為174mm，水冷壁管中心到爐墻的距離為60.8。為水冷壁的角系數(shù)，與水冷壁的相對(duì)管距—管距，—管徑)及水冷壁管距的相對(duì)距離有關(guān)(—水冷壁管中心到爐墻的距離)，查文獻(xiàn)[12]圖11-10，得水冷壁的角系數(shù)=0.81。</p><p>　　在已知燃燒室水冷壁布置的各個(gè)參數(shù)后，下面將對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，計(jì)算的具體過(guò)程及步驟見下表3-1。</

57、p><p>　　表3-1 燃燒室結(jié)構(gòu)特性計(jì)算</p><p>　　爐膛內(nèi)火焰平均溫度的假設(shè)與實(shí)際的差別很大，尤其沿爐膛高度溫度變化顯著，對(duì)傳熱影響很大，系數(shù)M是考慮爐內(nèi)火焰最高溫度相對(duì)位置的重要修正系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中：A、B—與燃料種類和爐膛結(jié)構(gòu)有關(guān)

58、的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其值見表3-2；</p><p>　　—燃燒器的相對(duì)高度，，見表3-3；</p><p>　　—火焰最高溫度點(diǎn)的相對(duì)位置修正值，其值見表3-3；</p><p>　　—爐膛高度，即從爐底或冷灰斗中間平面至爐膛出口煙窗中部的高度，；</p><p>　　—燃燒器的布置高度，即從爐底(平爐底的爐膛)或冷灰斗中間平面(爐底為冷灰斗的爐膛

59、)至燃燒器軸線的高度，。</p><p>　　表3-2 M計(jì)算關(guān)聯(lián)式中的A、B值</p><p>　　表3-3 M計(jì)算關(guān)聯(lián)式中的值</p><p>　　結(jié)合該鍋爐設(shè)計(jì)煤種收到基成分，如表2-1，以及本爐膛的結(jié)構(gòu)形式，可得到A=0.59，B=0.5，。</p><p>　　爐膛傳熱計(jì)算，須先假定爐膛出口煙氣溫度，然后與計(jì)算出的爐膛出口煙氣溫度進(jìn)

60、行比較。如果>，則表明所布置的爐膛受熱面的傳熱能力比假定爐膛出口煙氣溫度條件下的小，這時(shí)若計(jì)算出的爐膛出口煙氣溫度超過(guò)了爐膛安全運(yùn)行的要求，則應(yīng)重新布置輻射受熱面，增加水冷壁的有效輻射面積，然后再根據(jù)重新假定的爐膛出口煙氣溫度，確定火焰黑度和燃燒產(chǎn)物的平均比熱容值，考核再次計(jì)算出的爐膛出口煙氣溫度是否滿足鍋爐安全運(yùn)行的要求。如果滿足要求并且與重新假定的爐膛出口煙氣溫度相差小于100℃，則認(rèn)為爐膛受熱面的布置達(dá)到了預(yù)期的傳熱要求，爐

61、膛的熱力計(jì)算可告結(jié)束，以傳熱計(jì)算的結(jié)果作為爐膛的實(shí)際出口煙氣溫度的值[15]。</p><p>　　爐膛熱力計(jì)算是一逐步逼近的計(jì)算過(guò)程。之所以規(guī)定計(jì)算的爐膛出口煙氣溫度與假定值相差在100℃范圍內(nèi)就可以終止計(jì)算，是由于℃的溫差變化對(duì)和的影響很小，相差100℃的兩個(gè)和值反映在爐膛出口煙氣溫度的計(jì)算結(jié)果上只有10℃以下的變化。更為重要的是爐膛熱力計(jì)算公式本身統(tǒng)計(jì)的局限和試驗(yàn)的誤差，其精度平均水平約為10%左右。因此，

62、即使假定值與計(jì)算結(jié)果完全相等，并不能肯定計(jì)算出的爐膛出口煙氣溫度就等于實(shí)際的測(cè)量溫度結(jié)果。對(duì)于手工計(jì)算，如果規(guī)定兩者的允許誤差范圍越小，計(jì)算工作量就越大，這是不必要的。</p><p>　　需要說(shuō)明的是在計(jì)算過(guò)程中兩次假定的爐膛出口煙溫可以是同一個(gè)值，也可以是不同的值。</p><p>　　下面將對(duì)爐膛的傳熱進(jìn)行計(jì)算，爐膛傳熱計(jì)算這一部分的內(nèi)容是本文的核心，為了使得計(jì)算過(guò)程及結(jié)果方便簡(jiǎn)明，

63、將計(jì)算過(guò)程及步驟做成表格的形式，其具體的計(jì)算過(guò)程及步驟見下表3-4。</p><p>　　表3-4 爐膛的傳熱計(jì)算</p><p><b>　　續(xù)表3-4</b></p><p>　　3.2 爐內(nèi)理論燃燒溫度及輻射放熱量</p><p>　　理論燃燒溫度指在絕熱的條件下，燃料完全燃燒時(shí)達(dá)到的溫度。燃料燃燒計(jì)算是根據(jù)燃料在

64、燃燒過(guò)程中的物質(zhì)平衡的原理進(jìn)行的。它是熱工計(jì)算的重要組成部分。燃燒需要的空氣量，是保證燃料完全燃燒，選擇風(fēng)機(jī)和設(shè)計(jì)空氣管道必不可少的數(shù)據(jù)。燃燒產(chǎn)物的生成量及煙氣成分，是計(jì)算爐氣黑度所必需的。燃燒溫度，是正確選擇鍋爐所用燃料、合理組織燃燒過(guò)程和能否滿足爐膛出口煙溫要求的重要依據(jù)。</p><p>　　對(duì)給定的爐膛和煤種進(jìn)行爐膛熱力計(jì)算，以燃料完全燃燒得出理論空氣量、煙氣成分和煙氣的焓等，然后考慮燃料的化學(xué)不完全燃燒

65、熱損失和機(jī)械不完全燃燒熱損失，由上述煙氣焓，查焓-溫表，得出理論燃燒溫度。</p><p>　　爐內(nèi)理論燃燒溫度及輻射放熱量的具體計(jì)算過(guò)程和結(jié)果見表3-4。</p><p>　　3.3 爐膛出口煙氣溫度的計(jì)算</p><p>　　爐膛出口煙氣溫度是非常關(guān)鍵的一個(gè)數(shù)據(jù)，是爐膛傳熱計(jì)算的核心，計(jì)算爐膛出口煙溫一個(gè)比較經(jīng)典的公式，如下式(3-3)，該計(jì)算式為原蘇聯(lián)“鍋爐機(jī)

66、組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法”(1973年)推薦。</p><p>　　() (3-3)</p><p>　　式中：—爐膛出口煙氣溫度；</p><p><b>　　理論燃燒溫度；</b></p><p>　　M—爐膛火焰中心位置系數(shù)；</p><p><b>

67、;　　爐膛黑度；</b></p><p><b>　　平均熱有效系數(shù)；</b></p><p><b>　　爐墻總面積；</b></p><p><b>　　計(jì)算燃料消耗量；</b></p><p><b>　　—平均熱容量；</b></

68、p><p><b>　　—保溫系數(shù)。</b></p><p>　　爐膛出口煙溫的具體計(jì)算過(guò)程及結(jié)果見表3-4。</p><p><b>　　4 變氣氛熱力計(jì)算</b></p><p>　　所謂變氣氛，就是用空氣分離獲得的純氧和一部分鍋爐排煙構(gòu)成的混合氣代替空氣作為燃燒時(shí)的氧化劑。由于空氣中的N2被鍋爐排

69、煙所代替，而在排煙中CO2占主要成份，在爐膛燃燒后，能提高煙氣中的CO2濃度，從而有利于對(duì)CO2的回收，減少CO2的排放，與此同時(shí)，NOx的生成及排放量也得到很大程度的減少。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，在火電廠分離回收并封存CO2的各種主要潛在技術(shù)中，O2/CO2燃燒技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，回收后的CO2可以用于其他的商業(yè)用途上，產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)利益。變氣氛熱力計(jì)算所要計(jì)算的內(nèi)容與煤粉在空氣中燃燒時(shí)熱力計(jì)算的內(nèi)容是一樣的，但計(jì)算的方法需要進(jìn)行一定的改變

70、才能使其適用于O2/CO2燃燒技術(shù)[16]。</p><p>　　以O(shè)2/CO2氣氛代替空氣，讓煤粉在爐膛中燃燒，對(duì)煤粉燃燒的性質(zhì)以及對(duì)燃燒產(chǎn)物的性質(zhì)特性、理論燃燒溫度、爐膛出口煙氣溫度、鍋爐的熱效率等參數(shù)進(jìn)行分析。不同的O2與CO2比例，將得到不同的結(jié)果。對(duì)于不同O2與CO2比例的富氧氣的計(jì)算，只要對(duì)相應(yīng)的公式中的系數(shù)進(jìn)行改變就可以了。下面以煤粉在O2/CO2=21/79的氣氛下燃燒，對(duì)爐膛進(jìn)行各參數(shù)的計(jì)算，以

71、下稱O2和CO2混合氣體為富氧氣。</p><p>　　4.1 燃料的燃燒計(jì)算方法</p><p>　　4.1.1 理論富氧氣量和理論煙氣量的計(jì)算</p><p>　　4.1.1.1 煤粉在富氧氣中燃燒的理論富氧氣量的計(jì)算</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　在α=

72、1.0時(shí)，每1kg燃料燃燒后的燃燒產(chǎn)物的計(jì)算將在下文進(jìn)行討論。</p><p>　　4.1.1.2 理論水蒸氣體積的計(jì)算</p><p>　　理論水蒸氣體積包括以下三個(gè)部分：</p><p>　　(1)燃料中氫完全燃燒生成的水蒸氣</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　

73、　(2)燃料中水分形成的水蒸氣</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　(3)理論富氧氣量帶入的水蒸氣</p><p>　　對(duì)比空氣中燃燒，計(jì)算理論富氧氣帶入的水蒸汽的容積。標(biāo)況下富氧氣的密度為：</p><p><b>　　(4-4)</b></p>&l

74、t;p>　　則理論富氧氣帶入的水蒸汽容積為：</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p>　　式中，，為1 kg富氧氣中所含的水蒸汽的質(zhì)量。</p><p><b>　　所以得到：</b></p><p><b>　　(4-6)</b></p&g

75、t;<p>　　從而得到理論水蒸氣的體積為：</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　4.1.1.3 理論氮?dú)怏w積的計(jì)算</p><p>　　理論氮?dú)怏w積只包括一個(gè)部分，即燃料本身含有的氮：</p><p><b>　　(4-8)</b></p>

76、<p>　　4.1.1.4 煙氣中的(即)的計(jì)算</p><p>　　煙氣中的RO2包括兩個(gè)部分：</p><p>　　(1)燃料燃燒所產(chǎn)生的RO2</p><p><b>　　(4-9)</b></p><p>　　(2)由富氧氣帶入的部分</p><p><b>　　(

77、4-10)</b></p><p>　　所以煙氣中的RO2為：</p><p><b>　　(4-11)</b></p><p>　　因此在時(shí)，煙氣的體積為：</p><p><b>　　(4-12)</b></p><p>　　在時(shí)，煙氣體積中水蒸氣的體積為：&

78、lt;/p><p><b>　　(4-13)</b></p><p><b>　　煙氣的體積為：</b></p><p><b>　　(4-14)</b></p><p>　　4.1.1.5 其他煙氣特性的計(jì)算</p><p>　　RO2、H2O的容積份額分

79、別按下式(4-15)和(4-16)計(jì)算：</p><p><b>　　(4-15)</b></p><p><b>　　(4-16)</b></p><p>　　所以三原子氣體的容積份額按下式(4-17)計(jì)算：</p><p><b>　　(4-17)</b></p>

80、;<p>　　飛灰濃度按下式計(jì)算：</p><p><b>　　(4-18)</b></p><p>　　4.1.1.6 煙氣質(zhì)量的計(jì)算</p><p>　　煙氣質(zhì)量是指1kg計(jì)算燃料扣除灰重后再加上濕富氧氣的質(zhì)量(因?yàn)楣┤剂先紵氖浅爻合碌母谎鯕夂幸欢ǖ臐穸?。與空氣中燃燒相比，計(jì)算煙氣質(zhì)量關(guān)聯(lián)式有所改變，其表達(dá)式(4-1

81、9)如下：</p><p><b>　　(4-19)</b></p><p>　　式中，為煤粉中灰分的收到基量，1.871是1.852與0.01852兩數(shù)的和，1.852是標(biāo)況下干富氧氣的密度(單位：) 。一般假定在室溫常壓下1kg干富氧氣中含水0. 01852kg，所以干富氧氣中含水為0.01852kg。故1.871實(shí)為濕富氧氣質(zhì)量(認(rèn)為水在常溫下尚未蒸發(fā)為水蒸汽)

82、。</p><p>　　4.1.2 煙氣焓和富氧氣焓的計(jì)算</p><p>　　編寫焓-溫表時(shí)，首先須計(jì)算時(shí)的富氧氣及煙氣的焓(、)的數(shù)值。這些數(shù)值用式(4-20)和式(4-21)計(jì)算：</p><p>　　(kJ/kg) (4-20)</p><p>　　(kJ/kg) (4-21)&

83、lt;/p><p>　　式(4-20)和式(4-21)中：</p><p><b>　　—理論富氧氣量，；</b></p><p>　　、、—在時(shí)煙氣中RO2、H2O、N2的容積，；</p><p>　　—富氧氣在0t的平均比熱，；</p><p>　　、、—在0t的RO2、H2O、N2的平均比熱，；

84、</p><p>　　t、—富氧氣與煙氣的溫度，。</p><p>　　在與已知以后，當(dāng)時(shí)，煙氣在時(shí)的焓是理論煙氣量的焓與過(guò)量富氧氣在同溫度下的焓之和，即</p><p>　　(kJ/kg) (4-22)</p><p>　　不燃料灰分多時(shí)，煙氣中飛灰含量較大，當(dāng)灰的含量滿足式(4-23)</p

85、><p><b>　　(4-23)</b></p><p>　　時(shí)，須計(jì)入飛灰的焓，而本文由于飛灰量未滿足式(4-23)因此不必計(jì)入。</p><p>　　由上面所述可知，溫焓表中RO2、H2O、N2的計(jì)算與在空氣氣氛中燃燒的計(jì)算方法相同。由于富氧氣中只含有O2和CO2這兩種氣體，其平均比熱容可以用下面式(4-24)的方法計(jì)算：</p>

86、<p><b>　　(4-24)</b></p><p>　　所以，只要知道O2和CO2的平均比熱容，通才改變公式(4-24)中的系數(shù)，就可以進(jìn)一步求出任何比例下的富氧氣的平均比熱容，結(jié)合理論富氧氣量，就可以計(jì)算得出富氧氣的焓值。</p><p>　　上述煙氣性質(zhì)的計(jì)算的結(jié)果為了便于在后面計(jì)算中的查閱，將爐膛受熱面的煙氣溫度范圍內(nèi)的值整理并且列成表格形式

87、，即所謂的煙氣焓-溫表，對(duì)于不同的O2和CO2比例的富氧氣，其有相應(yīng)的不同的焓-溫表，如下表4-2為煤粉在O2/CO2=21/79氣氛下燃燒時(shí)的煙氣焓-溫表。</p><p><b>　　表4-1 、計(jì)算表</b></p><p>　　表4-2 富氧氣焓-溫表</p><p>　　通過(guò)、計(jì)算，如表2-1所示，而進(jìn)一步整理出煤粉在相應(yīng)比例富氧氣下

88、燃燒的煙氣焓-溫表，表4-2中給出項(xiàng)是溫度差100時(shí)的焓差值，可供在用插入法決定煙氣的焓時(shí)應(yīng)用。此焓-溫表可以查出在不同溫度、不同過(guò)量空氣系數(shù)下煙氣的焓。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，由于只對(duì)爐膛進(jìn)行熱力計(jì)算，所以只用到爐膛過(guò)量空氣系數(shù)以及排煙過(guò)量空氣系數(shù)，為了簡(jiǎn)明起見，在制表時(shí)，只計(jì)算了爐膛部分和出口部分的煙氣焓值和其焓差值，其余部分將從略。由于不同的煤種的燃燒所得到的煙氣成分是不一樣的，而其對(duì)應(yīng)的煙氣性質(zhì)

89、也不一樣，所以，表4-2中所用煙氣和空氣的成分和體積僅適用于本設(shè)計(jì)所采用的煤種，O2/CO2=21/79氣氛下的煙氣性質(zhì)的具體數(shù)值見表4-2。</p><p>　　鍋爐效率的估算與在空氣氣氛下的計(jì)算步驟相同，在估算出鍋爐效率后，可以進(jìn)一步對(duì)燃料消耗量以及計(jì)算燃料消耗量進(jìn)行計(jì)算，其具體計(jì)算過(guò)程及結(jié)果見下表4-3。</p><p>　　表4-3 鍋爐效率的估算</p><p

90、>　　4.2 變氣氛下的爐膛熱力計(jì)算</p><p>　　煤粉在O2/CO2=21/79的氣氛下燃燒時(shí)，計(jì)算煤粉的理論燃燒溫度和爐膛出口煙氣溫度等參數(shù)，所要計(jì)算的參數(shù)、計(jì)算的方法步驟和煤粉在空氣中燃燒的計(jì)算相似，由于煙氣性質(zhì)的不同，所以O(shè)2/CO2氣氛下的爐膛熱力計(jì)算的結(jié)果也有所不同，其具體的計(jì)算步驟、計(jì)算過(guò)程及結(jié)果如下表4-4所示。</p><p>　　表4-4 煤粉在O2/CO2

91、=21/79的氣氛下燃燒的爐膛的傳熱計(jì)算</p><p><b>　　續(xù)表4-4</b></p><p>　　4.3 計(jì)算結(jié)果與分析</p><p>　　以上為變氣氛熱力計(jì)算所要計(jì)算的內(nèi)容，本文還計(jì)算了富氧氣O2/CO2=30/70，O2/CO2=33/65，O2/CO2=40/60比例氣氛下燃燒的相關(guān)參數(shù)，其計(jì)算方法與步驟與O2/CO2=21

92、/79的計(jì)算相似，對(duì)不同的比例，只要對(duì)各公式中相應(yīng)的系數(shù)進(jìn)行改變即可。在此，將不對(duì)計(jì)算的詳細(xì)過(guò)程進(jìn)行列出來(lái)，僅對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比比較及分析，分析的參數(shù)及其結(jié)果見表4-5。</p><p>　　表4-5 不同比例O2/CO2氣氛下燃燒與空氣中燃燒計(jì)算結(jié)果的比較</p><p>　　4.3.1計(jì)算結(jié)果對(duì)比及原因分析</p><p>　　從表4-5中可看出：當(dāng)O2/CO2

93、=21/79時(shí)理論燃燒溫度比在空氣氣氛下燃燒減少了503.1℃，排煙損失、燃煤消耗量都有所增加。不同研究者認(rèn)為，由于CO2具有較高的比熱，若僅用相同體積的CO2代替N2，致使燃燒產(chǎn)物平均比熱容大大增加，所以其理論燃燒溫度減小。也有研究者認(rèn)為由于煤粉O2/CO2=21/79氣氛下的燃燒速率低于空氣氣氛下的燃燒速率[17]，導(dǎo)致煤粉在爐內(nèi)有限的停留時(shí)間內(nèi)，不能完全燃燒，發(fā)熱量減少，飛灰含碳量增加，所以燃燒產(chǎn)物的理論燃燒溫度將減少，排煙損失增

94、加；另一個(gè)造成理論燃燒溫度減少的可能原因是由于CO2份額的增加，增加了煙氣的發(fā)射率致使輻射損失增加，所以使煙氣升溫的熱量減少，為了達(dá)到所要求的熱量，必須增加送煤量，致使燃煤消耗量增加。</p><p>　　當(dāng)提高送風(fēng)氧含量使O2/CO2 = 30/70時(shí)，理論燃燒溫度及爐膛出口煙氣溫度都與空氣氣氛下燃燒相差不多，排煙損失及燃煤消耗量有所減少，鍋爐效率增加。原因在于煤粉在富氧的氣氛下燃燒時(shí)，能夠獲得相對(duì)較高燃燒速率

95、和碳燃盡率[18-19]，并且煙氣中CO2 份額較O2/CO2 = 21 /79氣氛下燃燒時(shí)小，輻射損失也將減小，所以其理論燃燒溫度會(huì)增加，排煙損失會(huì)減小，其燃煤消耗量也必將減少，并且比在空氣氣氛下燃燒也略有降低，鍋爐的效率有所增高。表中所計(jì)算結(jié)果均與文獻(xiàn)[18]～文獻(xiàn)[20]實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符。</p><p>　　O2/CO2氣氛下燃燒煙氣中三原子氣體含量增加最為顯著，約是空氣氣氛下燃燒的4倍，煙氣經(jīng)脫水除塵后可使

96、排煙中CO2濃度達(dá)95% ，使分離CO2簡(jiǎn)單易行，并且成本大大降低，分離出的CO2可用于商業(yè)用途或者進(jìn)行強(qiáng)化石油回收或進(jìn)行深海儲(chǔ)存，必將大幅度減少溫室氣體的排放[21]。從表4-5中還可看出：在O2 /CO2氣氛下燃燒時(shí)，爐膛黑度隨著O2 /CO2的比例增加而增加。考慮到N2基本不具有輻射特性，在常規(guī)鍋爐熱力計(jì)算中其輻射特性都被忽略，三原子氣體(主要是H2O和CO2 )是煙氣輻射的主要來(lái)源之一，在O2/CO2氣氛下燃燒時(shí)煙氣中CO2 份

97、額大幅度增加，所以爐膛黑度增加。從光譜學(xué)角度來(lái)考慮[22]，H2O的吸收光帶較CO2寬很多，所以H2O會(huì)在較大程度上影響到氣體的發(fā)射率，雖然CO2量增加很多，但對(duì)總的氣體發(fā)射率影響并不大。</p><p>　　有文獻(xiàn)分析認(rèn)為，在分析熱損失、燃燒效率與氣氛中氧含量的關(guān)系后可見，隨著氧含量的增大，氣體不完全燃燒損失減少，氣體燃燒更加充分，O2/CO2氣氛與O2/N2氣氛下的差別非常??；固體不完全燃燒損失也隨著氧含量的

98、增大而減少，O2/CO2氣氛較O2/N2氣氛下的略大；燃燒效率隨著氧含量的增大而逐漸增大，O2/CO2氣氛下的燃燒效率略低于相同氧含量的O2/N2氣氛；氧含量在21%～29%變化的過(guò)程中燃燒效率增大較多，而再增大到35%時(shí)，燃燒效率增大并不多。必須指出的是，隨著氧含量的增大而減小風(fēng)量有可能使流化狀況變差，所以一味提高氧含量并無(wú)益處[23-24]。實(shí)施煙氣再循環(huán)時(shí)排出系統(tǒng)的煙氣量將有較大減少，這樣排煙熱損失也會(huì)減少。</p>

99、<p>　　由表4-5還可以看出，隨著O2/CO2的比例增大，煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒時(shí)，其排煙損失不斷變小，從而鍋爐的效率也得到增大。可能由于燃燒氣氛中的氧氣濃度較高，煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒更完全，發(fā)出的熱量更多。當(dāng)O2/CO2大于30/70后，爐內(nèi)總傳熱量隨著氧氣的含量增高而增大。隨著富氧氣中的CO2比例的增高，煙氣的平均比熱容在減小，并且爐膛的理論燃燒溫度在增高。雖然如此，但是爐內(nèi)總傳熱量的增大，同時(shí)參加燃燒的理論富氧

100、氣量也在減少，從而燃燒產(chǎn)生的煙氣總量也相應(yīng)地減少了，所以使得爐膛出口煙氣溫度有所降低，但是并沒有發(fā)生多大的變化。</p><p>　　隨著富氧氣中的CO2比例的增高，爐內(nèi)總傳熱量增大，這使得現(xiàn)有的鍋爐爐膛并不能直接適合使用O2/CO2這種燃燒技術(shù)，而是要對(duì)其進(jìn)行一定的改造才行。由于煙氣在爐膛部分的放熱量提高，要保持一定的爐膛出口煙氣溫度和尾部排煙溫度，對(duì)于有限的燃煤發(fā)熱量，這就一定會(huì)使得鍋爐尾部煙氣道的吸熱量減少

101、[25]。因此，對(duì)于現(xiàn)有的鍋爐，尾部煙道的受熱面就會(huì)顯得過(guò)多，而爐膛中的換熱面又變得相對(duì)過(guò)少，不能滿足爐膛內(nèi)較高的放熱量對(duì)換熱面的要求。所以，現(xiàn)有的鍋爐里，要采用O2/CO2這種燃燒技術(shù)，就可以把一部分尾部的對(duì)流受熱面向前移動(dòng)到爐膛內(nèi)，吸收部分輻射熱，減少對(duì)流受熱面積，這就要增加爐膛的高度；在保證傳熱和金屬可以承受的范圍內(nèi)，可以適當(dāng)提高爐膛出口煙溫，考慮減小爐膛尺寸。</p><p><b>　　4.3

102、.2討論</b></p><p>　　綜合目前研究成果可以認(rèn)為現(xiàn)有電廠采用O2/CO2燃燒技術(shù)是可行的。國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定的成果，對(duì)煤粉在O2/CO2氣氛中燃燒時(shí)的性質(zhì)有一進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，但仍有以下幾個(gè)問題需更進(jìn)一步的研究，這些問題可能對(duì)O2/CO2燃燒技術(shù)在實(shí)際中應(yīng)用有著不可忽視的影響。</p><p>　　(1) O2/CO2燃燒煙氣中將含有大量

103、的CO2，純的CO2在某一個(gè)壓力、溫度下很容易冷卻、回收，而在含有水和其它成分的煙氣的這種混合氣體中則不一定，很多研究者在此犯錯(cuò)誤，認(rèn)為CO2在煙氣中也會(huì)和純CO2一樣易于處理。這種差異性對(duì)CO2回收的影響有待于進(jìn)一步研究。</p><p>　　(2)雖然空氣壓縮和分離中獲得O2在當(dāng)今工業(yè)發(fā)展中是很普遍的工業(yè)方法，但需要研制大型的空氣分離設(shè)備，使之能適應(yīng)電站鍋爐的容量所需要的O2量，應(yīng)用O2/CO2燃燒技術(shù)以及空

104、氣分離產(chǎn)生的副產(chǎn)品N2的處理及利用還需要做進(jìn)一步的工作。</p><p>　　(3)采用O2/CO2燃燒技術(shù)，煤粉顆粒的熱解與燃燒動(dòng)力學(xué)特性、分級(jí)配風(fēng)、風(fēng)粉配比、燃燒效率、鍋爐效率隨再循環(huán)煙氣量的變化將發(fā)生怎樣的變化，變化規(guī)律如何等都有待深入研究。</p><p>　　(4)在循環(huán)煙氣中CO2的比熱較空氣高，并且水蒸氣的含量也高，致使燃燒推遲、火焰溫度提高，這就需要對(duì)燃燒器進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)。

105、目前，許多現(xiàn)有鍋爐沒有設(shè)計(jì)防止漏氣裝置，O2/CO2燃燒這可能需要重新設(shè)計(jì)鍋爐，或者要對(duì)鍋爐的一些輔助設(shè)備進(jìn)行整改，才有使其適合O2/CO2這種燃燒技術(shù)。</p><p>　　(5)煤粉在合適的O2/CO2比例的富氧氣中燃燒時(shí)，其鍋爐效率比在空氣中燃燒時(shí)有所提高，但提高O2量到一定比例后，鍋爐效率的提高就會(huì)變緩，而為了提高O2量所消耗的制氧經(jīng)費(fèi)，將會(huì)抵消掉一部分鍋爐效率。電站鍋爐采用O2/CO2燃燒技術(shù)后其熱效率

106、隨氧量的增加可以提高多少、鍋爐內(nèi)輻射換熱與對(duì)流換熱會(huì)發(fā)生什么變化、如何定量去分析、受熱面的積灰結(jié)渣情況、煙氣中雜質(zhì)的去除、對(duì)除塵設(shè)備的影響、經(jīng)濟(jì)性分析、整體優(yōu)化設(shè)計(jì)、傳熱傳質(zhì)機(jī)理及數(shù)學(xué)模型的建立、模擬計(jì)算、燃燒機(jī)理及腐蝕以及更大規(guī)模的工業(yè)化實(shí)驗(yàn)等都還需要做更深入的研究。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　煤粉在空氣中和在O2/CO2氣氛中的

107、爐膛熱力計(jì)算結(jié)果表明了O2/CO2燃燒技術(shù)是具有很大優(yōu)勢(shì)的煤粉燃燒技術(shù)，與空氣相比，O2/CO2燃燒方式表現(xiàn)出了以下的幾個(gè)特點(diǎn)。</p><p>　　(1) 應(yīng)用改變后的方法對(duì)某一鍋爐進(jìn)行熱力計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與其他研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)論吻合，由于各參數(shù)改變有嚴(yán)格的理論指導(dǎo)，可以參考使用該方法進(jìn)行O2/CO2燃燒方式的熱力計(jì)算。</p><p>　　(2) 將空氣改為O2/CO2氣氛后，三原子氣體

108、(主要是CO2)體積份額大幅度增加，使?fàn)t膛內(nèi)的輻射換熱有所增強(qiáng)。O2/CO2=21/79時(shí)，理論燃燒溫度、爐膛出口煙氣溫度較空氣氣氛下燃燒降低，排煙損失、燃煤消耗量都有所增加，當(dāng)O2/CO2 =30/70時(shí)計(jì)算所得各參數(shù)與空氣氣氛下燃燒時(shí)相似，并且煙氣中CO2份額大幅升高，利于回收排煙中CO2。在保證傳熱和金屬可以承受的范圍內(nèi)，可以適當(dāng)提高爐膛出口煙溫，考慮減小爐膛尺寸；也可以考慮將部分對(duì)流受熱面移至爐膛內(nèi)，吸收部分輻射熱，縮小對(duì)流受熱

109、面積。</p><p>　　(3) O2 /CO2 = 21/79時(shí)理論燃燒溫度降低，排煙損失增加，有研究者認(rèn)為原因在于該氣氛下的燃燒速率低于空氣氣氛下的燃燒速率，導(dǎo)致煤粉在爐內(nèi)有限的停留時(shí)間內(nèi)，不能完全燃燒，發(fā)熱量減少，飛灰含碳量增加；另一個(gè)造成理論燃燒溫度降低的原因可能是由于CO2份額大幅升高，煙氣發(fā)射率增加，導(dǎo)致輻射損失增加，使煙氣升溫的熱量減少，隨著循環(huán)煙氣中O2量的增加各參數(shù)得到改善。</p>

110、;<p>　　(4) 當(dāng)O2容積小于30%時(shí)，隨著氧氣濃度的增大鍋爐熱效率提高較快；但當(dāng)O2容積大于30%時(shí)，鍋爐熱效率的增大趨勢(shì)變緩，因此，從提高鍋爐熱效率角度考慮，當(dāng)采用O2 /CO2燃燒方式時(shí)，O2的容積百分?jǐn)?shù)不宜大于30 。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 毛玉如，方夢(mèng)祥，王樹榮，駱仲泱．空氣分離/煙氣再

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