富氧燃烧锅炉辐射传热特性数值模拟研究

为研究富氧燃烧与空气燃烧锅炉之间的辐射传热特性差异,并为设计或改造新型富氧燃烧系统提供所需的理论指导,对2种燃烧方式下的炉膛流场与传热分布特性进行了数值模拟研究。首先对富氧燃烧数值模拟采用改进灰色气体加权和（WSGG）模型计算气体吸收系数的必要性进行了探讨,并将Johansson WSGG模型结合进入燃煤锅炉的CFD模型框架内,使CFD数值模型适用于富氧燃烧的辐射传热计算。在此基础上对某330 MW机组锅炉分别采用干、湿烟气再循环富氧燃烧方式及空气燃烧方式的炉膛流场与传热分布特性等进行了对比分析。结果表明:在锅炉煤量、入口气体质量流量和氧量皆相同情况下,不同燃烧方式间燃烧烟气成分及物性的差异使富氧燃烧与空气燃烧锅炉在流场、温度与炉膛传热分布等方面皆呈现出较明显的差异;富氧燃烧烟气中所富含的CO2和H2O的比热容高于N2,使采用湿烟气循环方式富氧燃烧锅炉炉膛的整体温度和吸热量明显低于空气燃烧;同时,由于CO2的密度高于N2,富氧燃烧锅炉的整体流速低于空气燃烧锅炉,并影响了炉内的温度与传热分布。在设计富氧燃烧系统或改造现有空气燃烧系统时应考虑富氧燃烧与空气燃烧锅炉在炉膛流场与传热方面的差异,合理安排锅炉的传热分布,避免或减少锅炉受热面的改动。     

富氧燃烧锅炉传热特征分析及设计优化

为了获得适用于富氧燃烧锅炉的设计方法,以200 MW 富氧燃烧锅炉为研究对象,通过理论计算得出：高烟温区段,富氧燃烧烟气中三原子气体浓度升高,导致辐射传热增强,受热面传热量要高于空气燃烧气氛。而在低烟温区段,烟气量减少导致流速降低,对流传热减弱,传热量小于空气燃烧气氛;在分析富氧燃烧锅炉传热特性基础上,提出了富氧燃烧锅炉烟气通流截面积、各换热面积的设计优化方法。相比空气气氛,在26%氧浓度条件下,富氧燃烧干循环锅炉各受热面烟气通流截面积减少15%～21%,湿循环减少13%～24%,干循环锅炉受热面减少9%～32%,湿循环减少7%～35%。富氧气氛燃烧条件下锅炉烟气流速能够达到锅炉设计规范要求,各受热面传热量与空气燃烧传热量基本保持一致。     

富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法研究进展与展望

开展富氧燃烧数值模拟需要解决的关键问题是辐射传热计算,针对此,就国内外辐射传热计算进行综述性研究,同时对富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法进行分析。研究结果表明:为改善富氧煤粉燃烧锅炉炉膛辐射换热的数值计算结果,应同时关注对气体辐射和颗粒辐射计算模型的修正。通过ANSYS Fluent数值模拟以及实炉试验数据进一步对富氧燃烧锅炉炉膛辐射传热计算方法进行修正和验证,同时提出下一步需要重点解决的关键学术问题和工程技术问题。     

增压富氧燃烧锅炉对流受热面换热特性研究

增压富氧燃烧是一项极具前景的减排CO2新技术。对增压富氧燃烧条件下,对流受热面换热特性进行研究具有重要的意义。该文以一台实际300MW等级机组煤粉锅炉为计算对象,采用维里方程及Chun等的计算方法计算确定增压富氧燃烧烟气物性,采用宽带关联k模型计算富氧燃烧烟气辐射特性。进行了常规空气燃烧以及φ(O2):φ(CO2)=21:79、φ(O2):φ(CO2)=30:70两种比例的0.1、0.5、1.0、1.5、6 MPa五种压力下增压富氧燃烧各对流受热面的热力计算,分析了增压富氧燃烧条件烟气压力变化对各受热面换热特性的影响。研究结果表明:随烟气压力的升高,烟气流速下降,但烟气的Re却基本保持不变,对流换热系数有所增加。增压富氧燃烧烟气的辐射换热系数比空气燃烧烟气辐射换热系数大。实现同样的换热量,增压富氧燃烧条件下(φ(O2):φ(CO2)=21:79、φ(O2):φ(CO2)=30:70)对流受热面所需换热面积比常规空气燃烧条件下少。     

烟气循环倍率对煤粉富氧燃烧影响数值模拟

为了研究煤粉富氧燃烧方式下烟气循环倍率对燃烧和传热特性的影响,本文以某500k W燃烧测试炉为研究对象,采用数值模拟方法对空气燃烧以及不同循环倍率下的富氧燃烧进行了研究;采用化学渗透脱挥发分(CPD)模型模拟煤粉的脱挥发分过程,挥发分成分考虑为多种轻质气体,挥发分的燃烧采用详细化学反应机理,介质辐射特性模型均针对富氧燃烧进行了修正。研究结果表明:虽然富氧燃烧下二次风与一次风的动量比较空气燃烧下降了50%以上,但采用相同的旋流燃烧器仍可实现与空气燃烧相似的炉内流场特性;煤粉燃烧温度和着火位置均受循环倍率的影响,富氧燃烧下循环倍率为72%时,炉内平均温度分布以及着火位置与空气燃烧下较为接近,随着循环倍率增加,辐射传热量降低。     

炉膛辐射传热数学模型及其仿真

为了准确计算炉膛内的辐射传热量，以辐射传热计算的假想面模型为基础，把锅炉炉膛沿高度方向分区，以炉膛内的燃烧与辐射传热过程为研究对象，建立了比较精确的炉内传热一维集总参数模型，推导出计算真实壁面和假想壁面有效辐射力的矩阵表达式，然后通过求解介质的能量方程，获得了炉内的一维温度分布以及各区段水冷壁的吸热量和热流密度。模型可以实现传热与燃烧子模型间的耦合求解，只需根据锅炉运行的外部参数便可实现炉内传热的自动计算。计算结果与其它文献三维模型的预测值非常一致，但由于模型采用了一维简化处理，收敛较快，可以满足电站实时仿真计算的需要。     

600MW煤粉/生物质富氧燃烧锅炉热力特性分析及优化

富氧燃烧技术是燃煤CO2减排最有应用前景的技术之一。煤粉/生物质富氧下的混燃,不仅可以实现CO2的零排放,更是由于生物质的引入相当于实现大气中CO2的捕集而具有重要的应用价值。以某600MW煤粉炉为例,进行了煤粉/生物质富氧燃烧的热力特性分析和锅炉结构优化设计,并与空气燃烧下各性能参数进行了对比。结果表明:富氧燃烧下,烟气量、锅炉效率和燃煤量随着生物质输入热量的增加均略有降低;相比空气燃烧,富氧燃烧下单位时间烟气量减少,燃煤量减少,锅炉辐射换热增强,对流换热量降低。优化设计后富氧燃烧下锅炉主体尺寸减小,受热面布置发生较大变化。     

富氧煤粉燃烧锅炉概念设计研究

以亚临界300 MW机组锅炉为研究对象,构建了富氧燃烧锅炉原则性热力系统,并分别从炉膛辐射、对流受热面、尾部受热面、制粉系统及气体污染物的处理与回收等方面进行了富氧燃烧锅炉的概念设计。计算与分析表明,大约35%O2/65%CO2混合气氛下的富氧燃烧锅炉具有明显的优势,锅炉炉膛部分的辐射换热份额大大增加,炉膛辐射换热量较空气燃烧增加约15%;对流换热所占份额减少,相对于空气燃烧减少约19%;锅炉烟气侧的运行阻力大幅度减小;工质在炉膛内的辐射吸热将增加约42%,更多的过热受热面移入炉膛上部,锅炉总的受热面数量低于空气燃烧锅炉;制粉系统磨煤电耗显著降低,磨煤效率提高;锅炉制造成本与运行费用有望较大幅度降低,可部分地弥补由于制氧而增加的成本。     

O2／CO2燃烧产物辐射换热系数计算方法及影响因素分析

O2／CO2燃烧技术与常规空气燃烧技术相比,其燃烧产物的成分和辐射传热特性存在较大差异,其辐射传热特性也发生很大变化,常规辐射换热系数计算不再适用于O2／CO2燃烧计算。为此,综合纯试验法和光谱法建立了更适合O2／CO2燃烧时的辐射计算模型,以满足O2／CO2燃烧锅炉设计的需要,并将该模型应用于实践,分析辐射换热系数影响因素及其影响大小。结果表明：对辐射换热系数影响最大的是烟气中水蒸气含量的变化,CO2含量、压力和辐射层厚度的变化对其影响不大。     

二次再热塔式锅炉烟气再循环对炉膛高度方向换热影响

探讨了二次再热机组烟气再循环对二次再热塔式锅炉炉膛沿高度换热的影响,通过编程实现了某超超临界1 000 MW二次再热塔式锅炉在不同的烟气再循环方案下的炉膛分区段热力计算。结果表明:烟气再循环会使炉膛各区段出口烟温降低,随着负荷的升高和再循环率的增加,烟温下降幅度增加;当烟气引入炉膛底部时,燃烧器区域烟温下降幅度最大,随炉膛高度升高,各区段出口烟温下降幅度减小,炉膛出口烟温略微下降,炉膛辐射换热量减少明显,可改变烟气对流和辐射换热比例,调节再热汽温;烟气引入炉膛上部时,烟气引入点区段烟温下降幅度最大,炉膛出口烟温下降明显,炉膛辐射换热量减少不明显,有利于减轻炉膛出口处结渣,但不能调节再热汽温。     

四分仓回转式空气预热器动态特性仿真研究

以300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组为研究对象,建立了四分仓回转式空气预热器的数学模型,并基于一体化仿真平台,建立了仿真模型。通过漏风扰动试验,分析了B-MCR工况下锅炉主要运行参数的变化规律。结果表明:随着四分仓回转式空气预热器漏风率的增大,四分仓出口排烟温度下降,一次再循环烟气和氧气温度上升;炉内绝热燃烧温度升高和三原子气体发射率增大,使水冷壁辐射换热量增多;主蒸汽量增多,主汽压力升高,主汽温度下降,不但影响机组的经济性,也威胁着机组的安全稳定运行。因此,减小四分仓回转式空气预热器漏风对于富氧煤粉燃烧锅炉具有重要意义。     

增压富氧燃烧烟气辐射特性宽带关联k模型

针对增压富氧燃烧方式下烟气中高浓度H2O和CO2混合气体的辐射换热问题,以改进的宽带关联k分布模型为基础,建立了CO2气体4.3μm多谱带合并带的分段处理模型,并与逐线计算和简化模型的计算结果进行对比,结果表明,随着压力的增大,该分段模型与逐线计算结果吻合较好,与简化模型相比,计算精度大大提高。针对电站燃煤锅炉采用富氧燃烧方式炉内H2O和CO2的生成状况,基于以上模型计算得出不同压力下H2O和CO2各谱带的吸收系数,并计算了不同温度和压力下混合气体的辐射强度和发射率,结果显示:在相同的压力下,混合气体的辐射强度和发射率随着温度的升高而升高;当压力由0.1MPa逐渐升至1.5MPa时,辐射强度和发射率逐渐增大,但二者的相对变化却逐渐减小。     

富氧燃烧方式下烟气对受热面传热特性影响的数值研究

富氧燃烧方式下,烟气中70%以上均为CO2,这与常规锅炉燃烧产生的以N2为主的平均烟气成分有很大差异。为了研究烟气成分变化带来的换热系数的变化规律,采用数值模拟的方法对富氧燃烧方式下烟气的传热特性进行了研究,并与空气气氛下进行对比。结果表明,富氧气氛下换热系数较空气气氛下有显著提高。     

富氧燃烧循环流化床锅炉炉内传热特性

针对富氧燃烧循环流化床锅炉(circulating fluidized bed boiler,CFBB)炉内传热特性进行了研究。考虑气体辐射对传热系数的影响,建立了CFBB富氧燃烧下的传热模型。以一台440t/h循环流化床锅炉为例,通过模型分析了炉内传热情况,并和空气燃烧模式下的传热特性进行比较。进行了氧气浓度在30％、50％、70％气氛下的CFBB炉膛概念性设计。在循环流化床锅炉炉内传热中,灰占主导作用,烟气成分变化对传热系数影响不大。氧气浓度越高,越有必要设置外置换热器来维持炉膛正常运行。     

富氧燃烧下循环流化床锅炉稀相区传热模型研究

参考国内外相关循环流化床锅炉的传热模型,建立了富氧燃烧条件下循环流化床锅炉稀相区传热模型,对影响传热系数的主要参数进行研究,发现富氧条件下循环流化床锅炉稀相区的传热系数并没有明显变化,烟气成分变化对传热系数的变化影响不大,影响传热的主要因素为循环灰和炉温,并通过试验进行验证。本模型能够较好地反映循环流化床锅炉的传热过程,为富氧燃烧下循环流化床的设计提供参考。     

300MW富氧燃烧循环流化床炉内燃烧及传热特性研究

对富氧燃烧循环流化床锅炉炉内燃烧及传热特性进行了研究.考虑了气体辐射对传热系数的影响,建立了循环流化床锅炉在富氧燃烧下的燃烧及传热模型.在不同氧气浓度(如30％,50％,70％氧气浓度)下,分析了颗粒粒径、空隙率等对炉内传热的影响,得到各参数对富氧条件下的循环流化床传热参数影响曲线.以某300 MW循环流化床锅炉机组为...     

烟气再循环对1 000MW二次再热锅炉汽温的影响

基于锅炉热力计算,探究了烟气再循环率对某1 000 MW机组二次再热锅炉的炉膛温度、辐射对流传热量分配、蒸汽参数的影响。结果表明:随着再循环率的提高,炉膛理论燃烧温度显著下降,屏底温度变化较小;辐射传热面吸热量下降明显,对流传热面吸热量显著增长;对流传热面的位置越靠近烟道尾部,对再循环率变化的响应越敏感;再循环率提高1%,主蒸汽温度降低3.20K,一次再热蒸汽温度提高2.44K,二次再热蒸汽温度提高2.72K。通过调整再循环率可有效控制再热汽温。     

循环流化床锅炉富氧燃烧与CO_2捕集发电机组运行能耗影响因素分析

在干、湿烟气再循环方式下,建立采用空气启动方式的富氧燃烧循环流化床锅炉助燃气体动态计算模型和烟气成分动态变化计算模型。基于实际气体的P-R状态方程,采用偏离函数法建立空气分离单元和CO_2压缩纯化单元运行能耗计算模型。在此基础上,对循环流化床锅炉富氧燃烧与CO_2捕集发电机组的运行能耗影响因素进行定量分析计算,得到氧气纯度、氧气浓度、过量氧气系数、锅炉漏风系数及不同烟气再循环方式对发电机组运行能耗的影响。     

300MW富氧煤粉锅炉烟气冷却换热特性分析

富氧煤粉燃烧锅炉回收烟气在多级压缩和冷凝过程,其热物性参数的变化较为复杂,分析不同压力条件下烟气与冷却器对流受热面间的换热特性,对烟气冷却器的设计和运行优化有重要的意义。以某300 MW机组富氧煤粉燃烧锅炉烟气冷却器为研究对象,通过热力计算分析不同压力条件下烟气水蒸汽摩尔份额和烟气温度变化对对流受热面换热特性的影响,该过程充分考虑烟气的辐射放热计算。结果表明:当烟气的压力增大时,烟气的对流放热系数、辐射放热系数和凝结放热系数明显增大,总的放热系数增大,烟气冷却器对流受热面的换热能力增强;水蒸汽摩尔份额越少,烟气的对流放热系数、辐射放热系数和凝结放热系数越小,总的放热系数越小,烟气冷却器对流受热面的换热能力明显减弱;入口烟气温度升高使烟气的辐射放热系数增大。但是烟气的凝结放热系数明显减小,是使烟气总的放热系数减小的主要因素。     

燃煤锅炉不同氧分压富氧燃烧过程数值模拟

采用CFD软件,结合改进的辐射特性模型以及化学反应机理,对3MW富氧燃煤锅炉进行数值模拟,计算空气燃烧工况以及氧分压分别为23%、26%和29%下的富氧循环工况,对炉内速度、温度、组分场进行分析,结果表明:富氧燃烧工况与空气工况相比,速度场、温度场相对保持不变。富氧燃烧绝热火焰温度总体低于空气燃烧工况,26%氧分压条件下比空气工况低200 K;入炉氧分压对炉内温度水平具有一定的调节作用,随氧分压提高,火焰最高温度也提高;富氧燃烧条件下燃烧器区域烟气CO浓度较高,锅炉主燃烧区域的水冷壁区域的结渣和高温腐蚀倾向有所加剧。随着氧分压的提高,CO浓度峰值也增加达到了3%~4%,但是在炉膛出口烟气中,CO浓度则稍微低于空气燃烧工况,燃尽度得到改善。