富氧燃烧技术在钢炉节能方面的应用探讨

介绍了富氧燃烧方式的技术特点,对其节能机理进行了较为详细的阐述,并以某电站300MW电站锅炉为例,采用ASME PTC 4-1998得出了空气和富氧(30%O2/70%CO2)2种气氛下锅炉的热效率,详细计算分析了煤粉在空气气氛和富氧气氛下锅炉各受热面的传热特性.计算结果表明:采用O2/CO2的富氧燃烧技术可大大提高锅炉热效率,且锅炉的辐射吸热量增加、对流吸热量降低,在炉内的辐射受热面积变化不大的情况下,锅炉的对流受热面积降低很多,同时烟气中高浓度的CO2将会降低分离回收CO2的成本.     

富氧燃烧技术对轧钢加热炉热效率的影响与研究

轧钢加热炉通过采用富氧燃烧技术,降低了过剩空气系数提高了热效率,减少了烟气排放量以及增加了烟气中CO2浓度。     

O2/CO2气氛下烟气物性参数对燃煤锅炉对流传热影响的模拟研究

新疆准东煤作为一种可开发利用前景广阔的高碱金属煤种,易沾污结渣特性极大限制了其高效利用。前人大量研究了准东煤在常规气氛下的燃烧特性,但鲜见其在富氧气氛下的燃烧和传热特性研究。为了研究富氧气氛下燃用准东煤对碱金属释放及换热器传热性能的影响,运用化工流程分析软件Aspen Plus建立空气和富氧气氛下准东煤燃烧工艺流程模型并进行反应模拟。通过控制氧燃比恒定并调节O_2/CO_2配比进行变工况分析,使准东煤燃烧绝热火焰温度与空气气氛下较为接近,对应工况下锅炉内具有相似的温度分布。借助吉布斯反应器模拟得出反应物系在满足相平衡和化学平衡的条件下所得产物组分及状态参数、Na元素的赋存与转化规律,为预测Na元素释放形式提供参考。由于富氧燃烧烟气富含高浓度CO_2且水蒸气含量增加,富氧燃烧方式下燃煤烟气的传热特性将发生显著差异。运用带有Boston-Mathiasα函数的Peng-Robinson立方状态方程(PR-BM物性方法)对准东煤在空气和富氧气氛下燃烧产生的烟气进行物性估算,对比分析不同气氛下烟气密度、比热容、导热系数、黏度随温度的变化规律,为分析空气及富氧气氛下准东煤燃烧烟气的对流传热特性差异提供更为准确的参数。采用外掠管束强制对流传热修正计算方法分析了不同燃烧气氛下锅炉烟道内各对流受热面的传热性能。并采用CFD软件对一束高温再热器管屏进行"烟气-管壁-蒸汽"流固耦合传热数值模拟,对比空气及富氧气氛下燃煤烟气物性参数对换热器传热系数的影响。结果表明:40%O_2/60%CO_2气氛下,Na元素释放规律与21%O_2/79%N_2基本一致。随着烟温的降低,Na存在形式逐渐由NaCl和NaOH向Na2SO_4转变。但烟气再循环的富集作用会加剧准东煤灰沾污结渣。由于富氧燃煤烟气中三原子气体浓度增加,物性参数发生变化使得对流传热性能增强,各对流受热面传热系数为常规工况的1. 24～1. 27倍。在换热器结构和烟气及蒸汽入口流速、温度相同时,富氧工况下再热器各管圈对流传热系数较常规工况增加约21. 43 W/(m~2·K),出口蒸汽平均温度提高约11. 32 K。     

富氧燃烧条件下锅炉燃料燃烧影响因素研究

以他人建立的富氧燃烧条件下锅炉燃料燃烧计算为框架,结合富氧锅炉热力系统的特点,运用Visual Basic 6.0开发了富氧燃烧条件下燃料燃烧计算软件,分析了锅炉操作参数中氧气浓度对锅炉效率、空气量、烟气量的影响;分析了富氧燃烧条件下排烟温度、过量氧气系数对锅炉热效率的影响。结果显示:理论空气量和理论干烟气量随着氧气浓度的增加而减少;锅炉热效率随着氧气浓度的增加和过量氧气系数的减小呈上升趋势,而且排烟温度越高,锅炉热效率上升越慢;低氧气浓度下,氧气浓度的变化对锅炉燃烧用空气量、烟气量、锅炉热效率、燃料消耗量的影响较为显著;高氧气浓度下,影响相对减弱。     

以热平衡角度浅析注汽锅炉富氧燃烧节能效率

简要介绍了富氧燃烧技术在油田注气锅炉上的应用及其制取方法;根据已知锅炉参数和燃料特性计算出正常空气和富氧空气燃烧两种情况下的助燃剂量与烟气量;从热平衡角度对富氧燃烧节能效率和燃料节约率进行了理论计算。由计算可知应用富氧燃烧后助燃剂量、烟气量、燃料消耗量、排烟热损失均有不同程度的降低;排烟热损失是影响富氧燃烧节能效率的主要因素,由此提出降低排烟热损失进而提高节能效率的措施,从而为富氧燃烧技术的应用提供参考意见。     

四角切圆锅炉富氧燃烧对NO_x生成影响的数值模拟

采用RFG富氧燃烧方法在新疆某电厂350 MW机组锅炉上进行数值模拟,对燃烧时炉内温度场、CO与O2及NOx排放进行分析。结果表明:在21%、25%、29%富氧燃烧工况下,NOx排放浓度均低于空气燃烧时的浓度;四角切圆燃烧煤粉锅炉采用富氧燃烧后,炉膛出口NOx浓度由空气燃烧时的359 mg/m3分别降低到235 mg/m3、272 mg/m3、305 mg/m3;高浓度的CO2与煤粉反应生成CO,形成还原性氛围,有助于抑制NOx生成以及增大对已生成NOx还原的概率;在氧气含量为21%的浓度下,通过增加循环烟气中NO含量可以减少NOx的生成和排放。     

基于最小二乘支持向量机的电站锅炉吸热面积灰监测研究

基于最小二乘支持向量机和粒子群算法,实现了对电站锅炉低温过热器灰污状态的在线监测。首先,定义清洁系数表征锅炉受热面的灰污状况,利用电站数据采集系统采集到机组实际运行数据,采用最小二乘支持向量机建立锅炉低温过热器系统的清洁吸热量模型;其次,选取机组正常运行工况下的数据,采用该模型预测出受热面的清洁吸热量;再次,根据热力学平衡计算出受热面的实际吸热量和清洁系数,从而实现了对锅炉受热面积灰状况的在线监测。以某电站300MW机组锅炉实际生产数据进行仿真验证,结果表明:所提方法能够对锅炉主要对流受热面的灰污状况进行有效的监测,模型预测精度较高、鲁棒性较强。     

基于热重-质谱联用的煤粉富氧燃烧动力学及污染物生成特性

富氧燃烧是最具工业化前景的燃烧中碳捕集技术之一,为更深入掌握煤粉富氧燃烧的着火模式和污染物生成特性,本文构建了热重-质谱联用实验系统,以烟煤和无烟煤标准煤样为对象,针对3个不同的氧气体积分数:21%、30%和50%,研究了O_2/Ar和O_2/CO_2气氛下煤粉的富氧燃烧特性。结果表明,O_2/CO_2气氛下煤粉着火温度和燃尽温度均降低,燃烧速率提高,燃烧时间缩短;两种煤粉在O_2/Ar气氛下的燃烧都属于非均相着火,而富氧燃烧都属于均相着火模式;氧气体积分数在30%以上时,无烟煤O_2/CO_2燃烧的表观活化能明显低于O_2/Ar气氛,在相同工况下烟煤的表观活化能均低于无烟煤;O_2/CO_2气氛促进了CO和挥发分NO的逸出,生成温度均低于O_2/Ar气氛,CO会对NO起到还原作用。     

基于热重-质谱联用的煤粉富氧燃烧动力学及污染物生成特性

富氧燃烧是最具工业化前景的燃烧中碳捕集技术之一,为更深入掌握煤粉富氧燃烧的着火模式和污染物生成特性,本文构建了热重-质谱联用实验系统,以烟煤和无烟煤标准煤样为对象,针对3个不同的氧气体积分数：21%、30%和50%,研究了O₂/Ar和O₂/CO₂气氛下煤粉的富氧燃烧特性。结果表明,O₂/CO₂气氛下煤粉着火温度和燃尽温度均降低,燃烧速率提高,燃烧时间缩短;两种煤粉在O₂/Ar气氛下的燃烧都属于非均相着火,而富氧燃烧都属于均相着火模式;氧气体积分数在30%以上时,无烟煤O₂/CO₂燃烧的表观活化能明显低于O₂/Ar气氛,在相同工况下烟煤的表观活化能均低于无烟煤;O₂/CO₂气氛促进了CO和挥发分NO的逸出,生成温度均低于O₂/Ar气氛,CO会对NO起到还原作用。     

水泥工业煤粉富氧燃烧NO释放特性实验研究

在回转炉实验台架上,分别研究了掺石灰石及掺CaO的情况下,N2/O2、CO2/O2气氛及氧浓度对典型煤种在富氧燃烧条件下燃烧释放NO的影响规律.研究结果表明:CO2/O2气氛下煤粉燃烧NO释放总量较N2/O2气氛下少;CO2/O2气氛下氧浓度的增加对煤粉燃烧NO释放有促进作用;石灰石及CaO对煤粉燃烧NO的生成均具有催化作用,且CaO的催化作用更强.     

煤粉无焰富氧燃烧的数值模拟方法进展

无焰富氧燃烧是煤粉清洁燃烧技术的前沿发展方向之一,可在捕集高浓度CO₂的同时显著降低NOx排放,并提升富氧燃烧稳定性和热力性能。计算流体力学(CFD)作为燃烧研究的重要手段之一,具有快捷、成本低和数据丰富等优点,有效促进了无焰富氧燃烧技术发展。基于笔者团队对煤粉富氧燃烧和无焰燃烧的多年研究积累,对近十几年来煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法和模拟研究进展进行了总结:首先强调了煤粉无焰燃烧的试验和数学定义,其由于存在非均相反应而区别于气体燃料无焰燃烧;然后详述了煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法进展,包括模拟流动、传热、燃烧和污染物生成方面的子模型和机理,其中考虑强烈烟气卷吸的可实现k-ε湍流模型、P1或DO辐射模型及针对富氧气氛修正的WSGG气体辐射模型、CPD挥发分析出模型、考虑湍流与化学反应交互的有限速率EDC均相燃烧模型、针对无焰及富氧燃烧开发验证的均相反应机理、考虑气化反应的多步表面焦炭非均相燃尽模型、含氮化学详细反应机理氮转化模拟、动态自适应反应机理加速算法等可显著提高煤粉无焰富氧燃烧的模拟精度和计算效率。总结了煤粉无焰富氧燃烧在基准对照试验、微观反应区域分析、宏观反应特征、污染物生成及大型化锅炉概念设计方面的模拟研究情况;最后以大涡模拟、燃烧模型、高精度反应机理及动态自适应反应机理、工业应用优化等角度展望了煤粉无焰富氧燃烧CFD研究的发展方向。     

O2/CO2气氛中水蒸气预混CH4燃烧特性与烟气余热梯级利用方案

对O2/CO2气氛中甲烷预混水蒸气燃烧特性及主要污染物生成进行了数值模拟研究,在加湿燃烧的基础上提出一种全新的清洁燃烧方式,即在保证甲烷流量一定时,通过改变入口处水蒸气的质量分数,研究水蒸气预混比Rf(0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4和0.5)对燃烧流场、燃烧组分和污染物浓度的影响。结果表明,随Rf增大,燃烧反应速率上升、燃烧效率提高且污染物排放量降低。模拟所得甲烷预混水蒸气的最优气氛为81%CH4/19%H2O,提出了一种高效节能的O2/CO2气氛下水蒸气预混CH4燃烧与烟气余热梯级利用方案。     

O2／CO2燃烧技术研究进展

O2／CO2燃烧技术不仅有效收集烟气中的CO2,还能减少NOx和SO2的排放,是一种新型的洁净煤燃烧技术。介绍了其应用、发展历程以及在燃烧、传热和污染物排放的研究进展,指出了这一技术领域中存在的问题,并对下一步的研究方向给出了建议。     

富氧燃烧中气体辐射模型对燃烧与换热数值模拟的影响

富氧燃烧过程中,由于使用再循环烟气代替空气中N₂作为稀释剂,烟气中存在大量CO₂和H₂O。CO₂和H₂O作为非极性三原子分子,具有N₂没有的辐射能力,导致富氧燃烧中气体辐射特性发生变化。在数值模拟过程中,气体辐射模型是一个重要的子模型。前人提出多种修改后适用于富氧燃烧的气体辐射模型,但不同气体辐射模型在不同富氧燃烧工况数值模拟中的影响尚未有统一研究。为了研究不同炉型下,气体燃烧和煤粉燃烧中气体辐射模型对燃烧换热模拟结果的影响,通过编程,将一种考虑CO影响的气体辐射模型以及文献中的6种典型气体辐射模型耦合入数值模拟计算。结果表明,在气体富氧燃烧中,气体辐射模型影响了火焰结构。同时,燃烧温度分布有所变化,不同模型结果之间差别最高可到500 K。气体与壁面之间的辐射换热受到影响。气体辐射模型对炉膛中心火焰区域影响较大,而对非火焰区域影响较小。在煤粉富氧燃烧过程中,当有效辐射层厚度在0.3 m左右时,如在100 kW下行炉中,气体辐射模型对煤粉燃烧数值模拟结果几乎没有影响。这可能是由于颗粒辐射在辐射换热计算中占主导地位。而当有效辐射层厚度在16 m左右时,如1000 MW塔式炉中,气体辐射模型对炉内切圆燃烧火焰温度以及组分浓度影响较大,温度差别可到100 K左右。而气体辐射模型对炉膛中心模拟结果没有影响。     

Principles of optimization of combustion by radiant energy signal and its application in a 660 MWe down- and coal-fired boiler

For the optimization of combustion in utility coal-fired boilers, a simple analytic model was set up to relate the radiant energy signal (RES) with the combustion rate (heat release rate) based on the heat transfer equation inside a boiler furnace. It was pointed out that as the air flow rate into the furnace changes, the highest RES corresponds to the highest efficiency, making RES a sensitive quantity for optimization of combustion in boilers. Experiments carried out in a 660 MW down- and coal-fired utility boiler confirmed the characteristics of RES as an indicator of combustion rate inside the furnace and its ability to reflect the boiler thermal efficiency varied with the air flow rate. The utilization of RES in the optimization of combustion can generally improve the boiler thermal efficiency at different unit loads, and the efficiency was raised about 1.0% especially at the rated and lower unit loads. It should be stated that except the lower unit load, the NOx emission from the boiler after optimization of combustion by RES would increase due to the limitation in supply of adequate air flow rate into the boiler, and some new combustion technologies are now available to solve the contradiction.     

抛煤机锅炉增拱前后炉内传热对比研究

分别对增设前拱的某35t／h和增设双拱的某10t／h抛煤机锅炉的炉内燃烧与传热特性进行了分析研究。分析发现增拱后有助于强化炉内燃烧,并减少锅炉的化学和机械未完全燃烧热损失,提高了抛煤机锅炉的炉膛出口烟温和热效率。     

Chemistry and radiation in oxy-fuel combustion: A computational fluid dynamics modeling study

In order to investigate the role of combustion chemistry and radiation heat transfer in oxy-fuel combustion modeling, a computational fluid dynamics (CFD) modeling study has been performed for two different oxy-fuel furnaces. One is a lab-scale 0.8 MW oxy-natural gas flame furnace whose detailed in-flame measurement data are available; the other is a conventional 609 MW utility boiler which is assumed to be operating under oxy-fuel combustion condition with dry flue gas recycle. A new model for gaseous radiative properties is developed, validated, and then implemented in the CFD simulations. The CFD results are compared to those based on the widely used model in literature, as well as the in-flame measurement data. The importance and advantage of the new model for gaseous radiative properties have been well demonstrated. Different combustion mechanisms are also implemented and compared in the CFD simulations, from which significant difference in the predicted flame temperature and species is observed. This difference is consistent with those expected from the equilibrium calculation results. As a conclusion, the appropriate combustion mechanisms applicable to oxy-fuel combustion modeling are identified. Among the key issues in combustion modeling, e.g., mixing, radiation and chemistry, this paper derives useful guidelines on radiation and chemistry implementation for reliable CFD analyses of oxy-fuel combustion, particularly for industrial applications.     

燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,sCO2)布雷顿循环作为动力循环的主要优势是效率高、结构简单、系统紧凑、热源适应性广,有望在下一代核反应堆、燃煤电站、余热回收及可再生能源(太阳能、地热能等)领域得到大规模应用。作为新型动力循环工质的sCO2具有温和的临界点条件(31.1℃/7.38 MPa),同时在临界点附近物性变化剧烈。鉴于我国以煤为主的能源结构及严峻气候挑战,sCO2动力循环与富氧燃烧、流化床锅炉、煤气化等技术结合为实现煤炭的清洁高效低碳利用提供了新的思路。笔者分析了sCO2工质的性质,介绍了间接加热式和直接加热式两类sCO2布雷顿循环的基本原理,总结了sCO2动力循环应用于燃煤电站的研究进展。sCO2循环燃煤电站的发展可分为以下2条路径:①间接加热式sCO2循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站,可与煤粉锅炉、循环流化床锅炉、富氧燃烧等技术相结合;②发展更加高效且固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤电站技术,与带有碳捕捉(carbon capture and storage,CCS)的整体煤气化联合循环(IGCC)电站竞争。分析了sCO2动力循环与燃煤电站结合的多种技术方案,讨论不同方案的优势、技术挑战与发展方向。在此基础上,重点阐述了sCO2作为工质在常规管径圆管、细管道圆管、微细管道圆管及印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)中的传热试验研究和传热特性,总结了sCO2工质在圆管内和PCHE内流动传热经验关联式并进行分析比较,同时介绍了sCO2工质流动传热的数值模拟研究。最后,从基础理论、系统设计、设备研发层面指出了现有研究的不足和对未来研究的展望。CO2减排在未来几十年将是燃煤发电的主要研究方向,具有更大效率优势和固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤发电技术将引起更多关注。在我国将sCO2布雷顿循环应用于燃煤电站更具现实意义,目前我国关于sCO2循环发电技术的研究与国外仍存在相当差距,应依托超超临界燃煤发电机组和IGCC电站的技术积累,快速推动燃煤sCO2循环发电技术的研发进展。     

On the effects of firing semi-anthracite and bituminous coal under oxy-fuel firing conditions

Traditional wisdom has lead to the design of a boiler being dictated by its fuel. Typically, lignite requires a large boiler to accommodate the moisture content and ash behaviour and anthracite needs a design with a long residence time to allow for complete combustion. Thus the result is that different boiler designs are required for different fuel types. This work demonstrates that it is possible to fire under oxy-fuel firing conditions different fuels in potentially a single combustion environment. In the present work a short series of scoping tests firing Russian semi-anthracite under air and oxy-fuel firing conditions on the RWEnpower Combustion Test Facility (CTF) have been performed and result compared to firing a South African bituminous coal. An IFRF swirl burner was used. The purpose behind this work was to determine whether oxy-fuel firing offered the potential for firing a wider range of coal qualities on a swirl stabilised burner than is conventional showing that stable combustion can be achieved with semi-anthracite as with bituminous coal. In this short communication, it is shown that this is possible. Flame photographs of the Russian semi-anthracite coal fired on air and under oxy-fuel firing conditions at recycle ratios of 75%, 72% and 68% were taken. The air firing condition produced a non-luminous flame in the near burner region. For oxy-fuel firing at 75% recycle ratio, the flame is also non-luminous and more so that the air firing case. When the recycle ratio is reduced from 75% to 68% the flame becomes increasingly luminous and at 68% an intense flame was observed well anchored into the burner quarl. Radiative heat flux measurements were taken with the Russian semi-anthracite coal at 68% recycle ratio and compared to the South African bituminous coal at 68% recycle ratio and on air. In general the peak in radiative heat flux for the Russian semi-anthracite at 68% recycle ratio compared to the South African bituminous coal on air is slightly higher reflecting the effect of oxygen enrichment and the higher calorific value of the semi-anthracite. It can also be observed that the location of the peak in radiative heat flux with Russian semi-anthracite coal at 68% recycle is displaced downstream. In the near burner region, the radiation intensity is lower for the Russian semi-anthracite at 68% recycle ratio compare to South African bituminous coal at 68% recycle ratio and on air reflecting the lower (but not insignificant) intensity of combustion in this region for the Russian semi-anthracite coal.