CN103984868B - 一种富氧燃烧锅炉热力性能获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，包括步骤：燃料的燃烧计算、烟气和送风模拟、热平衡计算、炉膛热力计算和对流受热面热力计算，其中炉膛热力计算中的计算火焰黑度和炉膛黑度步骤，以及对流受热面热力计算中计算烟气黑度并确定烟气侧辐射放热系数步骤，其采用的三原子气体辐射减弱系数k_y按照计算，其中P_H2O为烟气中H₂O分压力；S为辐射层有效厚度；ε为三原子气体发射率。本发明提供的富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，针对富氧燃烧锅炉热力性能获取更准确，其精度能达到设计和校核富氧燃烧锅炉热力性能的需求。

Description

一种富氧燃烧锅炉热力性能获取方法

技术领域

本发明属于锅炉热力性能设计领域，更具体地，涉及一种富氧燃烧锅炉热力性能修正方法。

背景技术

锅炉的设计过程中，需要进行获取锅炉热力性能，从而进行水动力设计、受压元件强度设计、通风阻力设计、炉墙热力设计、管壁温度设计、制粉系统设计、空气动力设计等，锅炉的热力性能数据是锅炉整体设计的核心，是锅炉设计、校核、运行的基本依据。

锅炉性能获取过程通常是过对给定锅炉，从燃料的燃烧计算开始，对锅炉进行烟气和送风模拟，从而进行热平衡计算，根据热平衡计算结果对锅炉进行炉膛热力计算和对流受热面热力计算，从而获得个受热面的热力性能数据。现有的锅炉热力性能获取方法都是针对常规空气燃烧气氛制定的，包括前苏联1957年版标准和1973年版标准，以及美国的ASME标准等。

目前，已经发展出了一种新型燃烧方式的锅炉，即富氧燃烧气氛燃烧锅炉。现有锅炉热力计算方法不能针对这种新型的燃烧锅炉进行热力性能获取。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种热力性能获取方法，其目的在于针对富氧燃烧气氛的燃烧锅炉设计一套热力性能获取方法，由此解决目前的锅炉热力性能获取方法不能适应新型富氧燃烧锅炉的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，包括步骤燃料的燃烧计算、烟气和送风模拟、热平衡计算、炉膛热力计算和对流受热面热力计算。

其中，炉膛热力计算包括步骤：

(A1)计算炉膛结构尺寸及烟气有关辐射层厚度；

(A2)选取热风温度，并计算每千克燃料进入炉膛有效发热量；

(A3)根据燃料总类、燃烧设备形式和布置方式计算火焰中心位置系数；

(A4)估计炉膛出口烟温，计算炉膛烟气平均热容量；

(A5)计算炉膛受热面辐射换热特性参数；

(A6)根据燃料和燃烧方式计算火焰黑度和炉膛黑度；

(A7)计算并校核炉膛出口烟气温度；

(A8)校核炉膛出口烟温误差；

(A9)计算炉膛热力参数；

(A10)炉膛内其他辐射受热面的换热计算；

对流受热面热力计算包括步骤：

(B1)估计受热面出口烟气温度，查取相应焓值；

(B2)根据出口烟焓，计算对流传热量；

(B3)依据烟气侧放热量等于工质侧吸热量原理，求取工质出口焓值和相应温度；

(B4)计算平均对流传热温差；

(B5)计算烟气侧对流放热系数及管壁灰污系数；

(B6)计算工质侧对流放热系数；

(B7)计算管壁灰污层温度；

(B8)计算烟气黑度并确定烟气侧辐射放热系数；

(B9)计算总对流放热系数；

(B10)计算对流传热量。

步骤(A6)和(B8)中采用的三原子气体辐射减弱系数，用针对富氧环境的三原子气体辐射减弱系数k_y代替，按照如下公式计算：

$k_y=-\frac{\mathrm{Ln}(1-\mathrm{\ϵ})}{P_{H2O}S}$

其中，P_H2O为烟气中H₂O分压力；S为辐射层有效厚度；ε为三原子气体发射率。在一定温度T和辐射层有效厚度S条件下，三原子气体发射率，按照如下公式计算：

$\mathrm{\ϵ}(T,S)=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j\left(T\right)(1-e^{-(p_{\mathrm{co}2}+p_{H2o})k_j(T,\mathrm{\Φ})100S})$

${\mathrm{\α}}_j\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{j,i}{\left(\frac{T}{T_{\mathrm{ref}}}\right)}^{I-i}$

$k_j\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{\left(\frac{T}{T_{\mathrm{ref}}}\right)}^{I-i}$

其中，p_co2为二氧化碳气体分压，P_H2O为水蒸气分压；Φ是水蒸气和二氧化碳分压比，Φ＝P_H2O/P_CO2；T_ref＝1000K；T为烟气平均开尔文温度；j为整数，1≤j≤4。

优选地，所述富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，将现有的烟气和送风模拟，用富氧烟风平衡计算替代，富氧烟风平衡计算是根据选取的循环倍率、空分制氧纯度、过氧系数、漏风系数、冷凝后水蒸气含量、一次风份额、一次风中热风份额、一次风注氧比例，并根据燃料成分，设置初始化烟气量和迭代次数，采用迭代计算的方法，获得烟气量、排烟量、循环烟气量、助燃气一次风量、助燃气二次风量、空分装置供气量和漏风量，最后一次迭代计算获得的获得烟气量、排烟量、循环烟气量、助燃气一次风量、助燃气二次风量、空分装置供气量和漏风量为最终结果。

优选地，所述富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，第i次迭代计算过程如下：

循环烟气量V_ref：

V_ref＝V_i-1×R^r

其中，V_i-1是上一次迭代计算得到的烟气量，当i＝1时，V_i-1为初始化的烟气量；R^r为循环倍率；

烟气量V_i：

$V_i=(1+{\mathrm{\α}}_{1f})(V_{\mathrm{ll}}+V_{\mathrm{ref}}+V_{o2}^0)$

其中，α_lf为漏风系数，优选为小于0.02；V_ll为锅炉燃烧产生的理论烟气量，其计算方法参见《锅炉热力计算标准》1973年版；V_ref为循环烟气量；为理论需氧量，其计算方法如下：

$V_{o2}^0=1.866\frac{C_{\mathrm{ar}}}{100}+5.56\frac{H_y}{100}+0.7\frac{S_y}{100}-0.7\frac{O_y}{100}$

其中，Car、Har、Nar、Oar、Sar分别为燃料中各种元素的收到基成分；

排烟量V_py：

V_py＝V_i-V_ref-V_lns

其中，V_lns为冷凝后水蒸气含量；

助燃气一次风量V_zr1：

V_zr1＝β₁×V_ref

助燃气二次风量V_zr2：

V_zr2＝(1-β₁)×V_ref

其中，β₁为一次风份额；

空分装置供气量V_kf：

$V_{\mathrm{kf}}=(V_{o2}-V_{o2}^{\mathrm{zr}})/\mathrm{\γ}$

其中，V_o2为富氧燃烧锅炉需氧量；为助燃气中原来含有的氧气量；γ为空分制氧纯度；富氧燃烧锅炉需氧量V_o2的计算公式分别为：

富氧燃烧锅炉需氧量V_o2的计算公式如下：

$V_{o2}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{gy}}\×V_{o2}^0$

其中，α_gy为过氧系数；为理论需氧量；

漏风量V_lf的计算公式如下：

V_lf＝α_lf×V_o

其中，α_lf为漏风系数，取值小于0.02V_o为炉膛出口烟气量，计算方法如下：

$V_o=V_{\mathrm{ll}}+V_{\mathrm{zrl}}+V_{\mathrm{zr}2}-V_{O2}^0$

其中，V_ll为锅炉燃烧产生的理论烟气量，其计算方法参见《锅炉热力计算标准》1973年版；V_zr1为助燃气一次风量，V_zr2为助燃气二次风量，为理论需要量；

漏入炉膛的气体中包含N₂、O₂、H₂O，各成分含量计算如下：

$V_{N2}^{\mathrm{lf}}=0.79\×V_{\mathrm{lf}}$

$V_{O2}^{\mathrm{lf}}=0.21\×V_{\mathrm{lf}}$

$V_{N2o}^{\mathrm{lf}}=0.161\×V_{\mathrm{lf}}$

其中，分别为漏入炉膛的N₂、O₂、H₂O的体积；

优选地，所述富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，其中计算对流受热面传热量时，对流换热系数，按照以下公式计算：

${\mathrm{\α}}_d=0.2C_z{C}_s\frac{\mathrm{\λ}}{d}{\left(\frac{\mathrm{\ωd}}{v}\right)}^{0.65}{P_r}^{0.33}$

其中，C_z、C_s为修正系数，计算方法参照《锅炉热力计算标准》(1973年版)，λ为烟气的导热系数；d为管径；ω为烟气流速；v为运动粘度；Pr为普朗特数。

优选地，所述富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，运动粘度v、普朗特数Pr，按照以下公式计算：

$v=\mathrm{\μ}\frac{R_{g}T}{p}$

$P_r=\frac{\mathrm{\μ}{C}_p}{\mathrm{\λ}}$

其中，μ为烟气动力粘度，R_g为气体常数，T为开尔文温度，p为烟气压力，C_p为烟气定压比热容，λ为烟气的导热系数。

优选地，所述富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，所述烟气动力粘度μ、烟气定压比热容C_p、烟气的导热系数λ，拟合方法如下：

烟气动力粘度μ：

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\Σ}{y}_i{\mathrm{\μ}}_i{M}_i^{\frac{1}{2}}}{\mathrm{\Σ}{y}_i{M}_i^{\frac{1}{2}}}$

烟气定压比热容C_p：

烟气的导热系数λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\Σ}{y}_i{\mathrm{\λ}}_i{M}_i^{\frac{1}{3}}}{\mathrm{\Σ}{y}_i{M}_i^{\frac{1}{3}}}$

其中，μ_i为常压下纯i组分的动力粘度；λ_i为常压下纯i组分的导热系数；M_i为混合物中i组分的摩尔质量；y_i为混合物中i组分的摩尔分数或体积分数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明提供的富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，针对富氧燃烧气氛，重新设计了三原子气体辐射减弱系数、对流换热系数及富氧烟风平衡计算，因此针对富氧燃烧锅炉热力性能获取更准确，其精度能达到设计和校核富氧燃烧锅炉热力性能的需求。

附图说明

图1是本发明提供的富氧燃烧锅炉热力性能获取方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，如图1所示，将现有的烟气和送风模拟，用富氧烟风平衡计算替代；按照现有的锅炉热平衡计算获得锅炉热效率、锅炉工质有效利用热量即锅炉燃料消耗量；按照现有的步骤进行炉膛热力计算和对流受热面热力计算，其中三原子气体辐射减弱系数，用针对富氧环境的三原子气体辐射减弱系数代替；对流换热系数，用针对富氧燃烧环境的对流换热系数替代。

富氧燃烧锅炉包括冷干循环性、冷湿循环型和热循环三种，三种富氧燃烧锅炉都采用平衡通风方式，富氧烟风平衡计算是根据选取的循环倍率、空分制氧纯度、过氧系数、漏风系数、冷凝后水蒸气含量、一次风份额、一次风中热风份额、一次风注氧比例，并根据燃料成分，设置初始化烟气量和迭代次数，采用迭代计算的方法，获得烟气量、排烟量、循环烟气量、助燃气一次风量、助燃气二次风量、空分装置供气量和漏风量。所述迭代次数优选为100至1000次，最后一次迭代计算获得的获得烟气量、排烟量、循环烟气量、助燃气一次风量、助燃气二次风量、空分装置供气量和漏风量为最终结果。循环倍率；空分制氧纯度，优选范围97％至99％；过氧系数，优选范围1.05至1.3；泄露系数，优选不超过0.02；冷凝后水蒸气含量3％至5％，优选范围3％至5％；一次风份额；一次风中热风份额；使得一次风注氧比例<21％。

第i次迭代计算过程如下：

循环烟气量V_ref：

V_ref＝V_i-1×R^r

其中，V_i-1是上一次迭代计算得到的烟气量，当i＝1时，V_i-1为初始化的烟气量；R^r为循环倍率

烟气量V_i：

$V_i=(1+{\mathrm{\&alpha;}}_{1f})(V_{\mathrm{ll}}+V_{\mathrm{ref}}+V_{o2}^0)$

其中，α_lf为漏风系数，优选为小于0.02；V_ll为锅炉燃烧产生的理论烟气量，其计算方法参见《锅炉热力计算标准》1973年版；V_ref为循环烟气量；为理论需氧量，其计算方法如下：

$V_{o2}^0=1.866\frac{C_{\mathrm{ar}}}{100}+5.56\frac{H_y}{100}+0.7\frac{S_y}{100}-0.7\frac{O_y}{100}$

其中，Car、Har、Nar、Oar、Sar分别为燃料中各种元素的收到基成分。

排烟量V_py：

V_py＝V_i-V_ref-V_lns

其中，V_lns为冷凝后水蒸气含量。

助燃气一次风量V_zr1：

V_zr1＝β₁×V_ref

助燃气二次风量V_zr2：

V_zr2＝(1-β₁)×V_ref

其中，β₁为一次风份额。

空分装置供气量V_kf：

$V_{\mathrm{kf}}=(V_{o2}-V_{o2}^{\mathrm{zr}})/\mathrm{\&gamma;}$

其中，V_o2为富氧燃烧锅炉需氧量；为助燃气中原来含有的氧气量；γ为空分制氧纯度，取值在90％至99.9％之间，氧气中杂质气体为氩气和氮气；助燃气中原来含有的氧气量富氧燃烧锅炉需氧量V_o2的计算公式分别为：

富氧燃烧锅炉需氧量V_o2的计算公式如下：

$V_{o2}={\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{gy}}\&times;V_{o2}^0$

其中，α_gy为过氧系数，过氧系数不同于空气气氛下的过量空气系数，过量氧气系数的选取，既要保证炉膛内煤粉完全燃烧，又要兼顾经济性，过量氧气系数的取值范围为1.05～1.3；为理论需氧量。

漏风量V_lf的计算公式如下：

V_lf＝α_lf×V_o

其中，α_lf为漏风系数，取值小于0.02；V_o为炉膛出口烟气量，计算方法如下：

$V_o=V_{\mathrm{ll}}+V_{\mathrm{zrl}}+V_{\mathrm{zr}2}-V_{O2}^0$

其中，V_ll为锅炉燃烧产生的理论烟气量，其计算方法参见《锅炉热力计算标准》1973年版；V_zr1为助燃气一次风量，V_zr2为助燃气二次风量，为理论需要量。

漏入炉膛的气体中包含N₂、O₂、H₂O，各成分含量计算如下：

$V_{N2}^{\mathrm{lf}}=0.79\&times;V_{\mathrm{lf}}$

$V_{O2}^{\mathrm{lf}}=0.21\&times;V_{\mathrm{lf}}$

$V_{N2o}^{\mathrm{lf}}=0.161\&times;V_{\mathrm{lf}}$

其中，分别为漏入炉膛的N₂、O₂、H₂O的体积。

炉膛热力计算是根据炉膛结构数据、燃烧设备形式和布置方式、选取的热风温度、燃料成分，计算炉膛出口烟温。计算方法参见《锅炉热力计算标准》(1973年版)，包括如下步骤：

(A1)计算炉膛结构尺寸及烟气有关辐射层厚度；

(A2)选取热风温度，并计算每千克燃料进入炉膛有效发热量；

(A3)根据燃料总类、燃烧设备形式和布置方式计算火焰中心位置系数；

(A4)估计炉膛出口烟温，计算炉膛烟气平均热容量；

(A5)计算炉膛受热面辐射换热特性参数；

(A6)根据燃料和燃烧方式计算火焰黑度和炉膛黑度；

(A7)计算并校核炉膛出口烟气温度；

(A8)校核炉膛出口烟温误差；

(A9)计算炉膛热力参数；

(A10)炉膛内其他辐射受热面的换热计算。

其中步骤(A6)计算火焰黑度和炉膛黑度时，用针对富氧环境的三原子气体辐射减弱系数k_y，代替目前已有的根据《锅炉热力计算标准》所提供的的三原子气体辐射减弱系数计算方法，其计算方法如下：

$k_y=-\frac{\mathrm{Ln}(1-\mathrm{\&epsiv;})}{P_{H2O}S}$

其中，P_H2O为烟气中H₂O分压力；S为辐射层有效厚度；ε为三原子气体发射率。在一定温度T和辐射层有效厚度S条件下，三原子气体发射率，按照如下公式计算：

$\mathrm{\&epsiv;}(T,S)=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_j\left(T\right)(1-e^{-(p_{\mathrm{co}2}+p_{H2o})k_j(T,\mathrm{\&Phi;})100S})$

${\mathrm{\&alpha;}}_j\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{j,i}{\left(\frac{T}{T_{\mathrm{ref}}}\right)}^{I-i}$

$k_j\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i{\left(\frac{T}{T_{\mathrm{ref}}}\right)}^{I-i}$

其中，p_co2为二氧化碳气体分压，P_H2O为水蒸气分压，本发明优选的P_H2O+P_CO2＝1；Φ是水蒸气和二氧化碳分压比，Φ＝P_H2O/P_CO2，0.125≤Φ≤1；T_ref＝1000K；T为烟气平均开尔文温度；j为自变量，1≤j≤4。

对流受热面热力计算包括：屏式过热器、对流过热器、再热器、省煤器、助燃气预热器以及对流管束。对流受热面热力计算，是根据进出口烟气温度和对流受热面结构数据，计算对流受热面传热量，包括以下步骤：

(B1)估计受热面出口烟气温度，查取相应焓值；

(B2)根据出口烟焓，计算对流传热量；

(B3)依据烟气侧放热量等于工质侧吸热量原理，求取工质出口焓值和相应温度；

(B4)计算平均对流传热温差；

(B5)计算烟气侧对流放热系数及管壁灰污系数；

(B6)计算工质侧对流放热系数；

(B7)计算管壁灰污层温度；

(B8)计算烟气黑度并确定烟气侧辐射放热系数；

(B9)计算总对流放热系数；

(B10)计算对流传热量；

其中步骤(B5)计算对流受热面传热量时，对流换热系数，按照以下公式计算：

${\mathrm{\&alpha;}}_d=0.2C_z{C}_s\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}{\left(\frac{\mathrm{\&omega;d}}{v}\right)}^{0.65}{P_r}^{0.33}$

其中，C_z、C_s为修正系数，计算方法参照《锅炉热力计算标准》(1973年版)，λ为烟气的导热系数；d为管径；ω为烟气流速；v为运动粘度；Pr为普朗特数。运动粘度v、普朗特数Pr，按照以下公式计算：

$v=\mathrm{\&mu;}\frac{R_{g}T}{p}$

$P_r=\frac{\mathrm{\&mu;}{C}_p}{\mathrm{\&lambda;}}$

其中，μ为烟气动力粘度，R_g为气体常数，T为开尔文温度，p为烟气压力，C_p为烟气定压比热容，λ为烟气的导热系数。由于烟气成分变化较大，导致烟气性质变化剧烈，目前认为烟气成分不变的计算方法，计算误差大，不能满足计算精度要求。本发明提供了一种根据烟气成分，拟合烟气物性参数的方法，计算结果在工程误差允许范围内。具体过程如下：

烟气动力粘度μ：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{\mathrm{\&Sigma;}{y}_i{\mathrm{\&mu;}}_i{M}_i^{\frac{1}{2}}}{\mathrm{\&Sigma;}{y}_i{M}_i^{\frac{1}{2}}}$

烟气定压比热容C_p：

C_p＝y_iC_pi

烟气的导热系数λ：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{\mathrm{\&Sigma;}{y}_i{\mathrm{\&lambda;}}_i{M}_i^{\frac{1}{3}}}{\mathrm{\&Sigma;}{y}_i{M}_i^{\frac{1}{3}}}$

其中，μ_i为常压下纯i组分的动力粘度；λ_i为常压下纯i组分的导热系数；M_i为混合物中i组分的摩尔质量；y_i为混合物中i组分的摩尔分数或体积分数。

烟气各组分物性参数：烟气各组分的导热系数λ_i、烟气各组分的气体动力粘度μ_i、烟气各组分的定压比热容C_pi，根据NIST数据库拟合。

其中步骤(B8)采用的三原子气体辐射减弱系数，同步骤(A6)中采用的三原子气体辐射减弱系数，为针对富氧环境的三原子气体辐射减弱系数k_y。

以下为实施例：

实施例1

本发明提供的富氧燃烧锅炉热力性能校核方法校核冷干循环型富氧燃烧锅炉：

待校核锅炉为冷干循环型富氧燃烧锅炉。设计要求：参见《锅炉热力计算标准》(1973年版)

待校核锅炉的运行参数，见表1；煤质参数，见表2。

表1锅炉运行参数

最大连续蒸发量	t/h	695
			过热器出口蒸汽压力	MPa.(a)	13.4
过热器出口蒸汽温度	℃	538
			再热蒸汽流量	t/h	595
再热器进口蒸汽压力	MPa.(a)	3
			再热器进口蒸汽温度	℃	331
再热器出口蒸汽压力	MPa.(a)	2.85
			再热器出口蒸汽温度	℃	538
给水温度	℃	255

表2煤质参数

选取锅炉设计参数。

富氧燃烧冷干循环气氛下，循环倍率取值0.697；空分制氧气纯度为97％；过氧系数1.15；泄露系数0.02；冷凝后水蒸气含量5％；一次风份额；一次风中热风份额；一次风注氧比例为18％。

烟风平衡计算：初始化烟气量：7.613Nm³/kg，迭代次数：500；迭代计算结果：烟气量V₁：6.011Nm³/kg；排烟量1.363Nm³/kg；循环烟气量4.187Nm³/kg；助燃气一次风量1.325Nm³/kg；助燃气二次风量4.171Nm³/kg；空分装置供气量V_kf：1.309Nm³/kg。

各受热面热力计算：屏式过热器：误差为-0.79％；对流过热器：误差为0.03％；再热器：误差为-0.43％；省煤器：误差为0.23％；对流管束：误差为1.05％；总传热量：误差为-0.13％。

均满足设计要求。

实施例2：

所述冷干循环型富氧燃烧锅炉设计要求，见步骤(1)；计算结果如下，

富氧燃烧冷湿循环气氛下，循环倍率取值0.710；空分制氧气纯度为98％；过氧系数1.2；泄露系数0.015；冷凝后水蒸气含量4％；一次风份额，0.233；一次风中热风份额0.7；一次风注氧比例为18％。

初始化烟气量：7.613Nm³/kg，迭代次数：500；计算结果：烟气量V₁：6.223Nm³/kg；排烟量1.331Nm³/kg；循环烟气量4.417Nm³/kg；助燃气一次风量1.336Nm³/kg；助燃气二次风量4.399Nm³/kg；空分装置供气量V_kf：1.318Nm³/kg

实施例3：

富氧燃烧热循环气氛下，循环倍率取值0.678；空分制氧气纯度为97.5％；过氧系数1.05；泄露系数0.01；冷凝后水蒸气含量3％；一次风份额，0.266；一次风中热风份额0.7；一次风注氧比例为18％。

初始化烟气量：7.613Nm³/kg，迭代次数：500；计算结果：烟气量V₁：5.523Nm³/kg；排烟量1.291Nm³/kg；循环烟气量3.742Nm³/kg；助燃气一次风量1.337Nm³/kg；助燃气二次风量3.681Nm³/kg；空分装置供气量V_kf的：1.276Nm³/kg。

各受热面热力计算情况如下：屏式过热器：误差为-1.02％；对流过热器：误差为-0.34％；再热器：误差为0.25％；省煤器：误差为-0.79％；对流管束：误差为-0.96％；总传热量：误差为-0.04％。

均满足设计要求。

实施例4

富氧燃烧冷干循环气氛下，取氧气纯度为97％，过氧系数1.15，泄露系数0.02，一次风注氧比例为18％，当循环倍率取值0.697时，送入炉膛总气体中氧分压为26％，此时计算结果，计入漏风后的总气体中，CO₂含量为74.6％，水蒸气含量为12.3％，O₂含量为3.5％，氮含量为9.4％，SO₂含量为0.251％，脱水后，CO₂浓度为80.8％，高温过热器三原子气体发射率为0.276，三原子气体辐射减弱系数为4.9，烟气黑度为0.35，烟气辐射传热系数为105.6w/m²·℃。

实施例5

富氧燃烧冷湿循环气氛下，取氧气纯度为97％，过氧系数1.15，泄露系数0.02，一次风注氧比例为18％，当循环倍率取值0.664时，送入炉膛总气体中氧分压为29％，此时计算结果，计入漏风后的总气体中，CO₂含量为68.2％，水蒸气含量为19.7％，氧含量为3.8％，氮含量为8％，SO₂含量为0.23％，脱水后，CO₂浓度为81％，高温过热器三原子气体发射率为0.301，三原子气体辐射减弱系数为5.37，烟气黑度为0.38，烟气辐射传热系数为110.5w/m²·℃。

实施例6

富氧燃烧热循环气氛下，取氧气纯度为97％，过氧系数1.15，泄露系数0.02，一次风注氧比例为18％，当循环倍率取值0.696时，送入炉膛总气体中氧分压为26％，此时计算结果，计入漏风后的总气体中，CO₂含量为68％，水蒸气含量为19.7％，氧含量为3.5％，氮含量为8.5％，SO₂含量为0.23％，脱水后，CO₂浓度为81％，高温过热器三原子气体发射率为0.297，三原子气体辐射减弱系数为5.31，烟气黑度为0.37，烟气辐射传热系数为111.4w/m²·℃。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，包括步骤：燃料的燃烧计算、烟气和送风模拟、热平衡计算、炉膛热力计算和对流受热面热力计算，

其中所述炉膛热力计算包括步骤：

(A1)计算炉膛结构尺寸及烟气有关辐射层厚度；

(A2)选取热风温度，并计算每千克燃料进入炉膛有效发热量；

(A3)根据燃料总类、燃烧设备形式和布置方式计算火焰中心位置系数；

(A4)估计炉膛出口烟温，计算炉膛烟气平均热容量；

(A5)计算炉膛受热面辐射换热特性参数；

(A6)根据燃料和燃烧方式计算火焰黑度和炉膛黑度；

(A7)计算并校核炉膛出口烟气温度；

(A8)校核炉膛出口烟温误差；

(A9)计算炉膛热力参数；

(A10)炉膛内其他辐射受热面的换热计算；

所述对流受热面热力计算包括步骤：

(B1)估计受热面出口烟气温度，查取相应焓值；

(B2)根据出口烟焓，计算对流传热量；

(B3)依据烟气侧放热量等于工质侧吸热量原理，求取工质出口焓值和相应温度；

(B4)计算平均对流传热温差；

(B5)计算烟气侧对流放热系数及管壁灰污系数；

(B6)计算工质侧对流放热系数；

(B7)计算管壁灰污层温度；

(B8)计算烟气黑度并确定烟气侧辐射放热系数；

(B9)计算总对流放热系数；

(B10)计算对流传热量；

其特征在于，步骤(A6)和(B8)中采用的三原子气体辐射减弱系数，用针对富氧环境的三原子气体辐射减弱系数k_y代替，按照如下公式计算：

$k_y=-\frac{Ln(1-\mathrm{\&epsiv;})}{P_{H2O}S}$

其中，P_H2O为烟气中H₂O分压力；S为辐射层有效厚度；ε为三原子气体发射率；在一定温度T和辐射层有效厚度S条件下，三原子气体发射率，按照如下公式计算：

$\mathrm{\&epsiv;}(T,S)=\underset{j=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_j\left(T\right)(1-e^{-(p_{co2}+p_{H2o})k_j(T,\mathrm{\&Phi;})100S})$

${\mathrm{\&alpha;}}_j\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}{c}_{j,i}{\left(\frac{T}{T_{ref}}\right)}^{I-i}$

$k_j\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}{b}_i{\left(\frac{T}{T_{ref}}\right)}^{I-i}$

其中，p_co2为二氧化碳气体分压，p_H2O为水蒸气分压；Ф是水蒸气和二氧化碳分压比，Ф＝P_H2O/P_CO2；T_ref＝1000K；T为烟气平均开尔文温度；j为整数，1≤j≤4；

将现有的烟气和送风模拟，用富氧烟风平衡计算替代，富氧烟风平衡计算是根据选取的循环倍率、空分制氧纯度、过氧系数、漏风系数、冷凝后水蒸气含量、一次风份额、一次风中热风份额、一次风注氧比例，并根据燃料成分，设置初始化烟气量和迭代次数，采用迭代计算的方法，获得烟气量、排烟量、循环烟气量、助燃气一次风量、助燃气二次风量、空分装置供气量和漏风量，最后一次迭代计算获得的获得烟气量、排烟量、循环烟气量、助燃气一次风量、助燃气二次风量、空分装置供气量和漏风量为最终结果；

第i次迭代计算过程如下：

循环烟气量V_ref：

V_ref＝V_i-1×R^r

其中，V_i-1是上一次迭代计算得到的烟气量，当i＝1时，V_i-1为初始化的烟气量；R^r为循环倍率；

烟气量V_i：

$V_i=(1+{\mathrm{\&alpha;}}_{lf})(V_{ll}+V_{ref}+V_{o2}^0)$

其中：α_lf为漏风系数；V_ll为锅炉燃烧产生的理论烟气量；V_ref为循环烟气量；为理论需氧量，其计算方法如下：

$V_{o2}^0=1.866\frac{C_{ar}}{100}+5.56\frac{H_y}{100}+0.7\frac{S_y}{100}-0.7\frac{O_y}{100}$

其中，Car、Har、Nar、Oar、Sar分别为燃料中各种元素的收到基成分；

排烟量V_py：

V_py＝V_i-V_ref-V_lns

其中，V_lns为冷凝后水蒸气含量；

助燃气一次风量V_zr1：

V_zr1＝β₁×V_ref

助燃气二次风量V_zr2：

V_zr2＝(1-β₁)×V_ref

其中，β₁为一次风份额；

空分装置供气量V_kf：

$V_{kf}=(V_{o2}-V_{o2}^{zr})/\mathrm{\&gamma;}$

其中，V_o2为富氧燃烧锅炉需氧量；为助燃气中原来含有的氧气量；γ为空分制氧纯度；富氧燃烧锅炉需氧量V_o2的计算公式为：

$V_{o2}={\mathrm{\&alpha;}}_{gy}\&times;V_{o2}^0$

其中，α_gy为过氧系数；为理论需氧量；

漏风量V_lf的计算公式如下：

V_lf＝α_lf×V_O

其中，α_lf为漏风系数，取值小于0.02，V_O为炉膛出口烟气量，计算方法如下：

$V_o=V_{ll}+V_{zr1}+V_{zr2}-V_{O2}^0$

其中，V_ll为锅炉燃烧产生的理论烟气量，V_zr1为助燃气一次风量，V_zr2为助燃气二次风量，为理论需要量；

漏入炉膛的气体中包含N₂、O₂、H₂O，各成分含量计算如下：

$V_{N2}^{lf}=0.79\&times;V_{lf}$

$V_{O2}^{lf}=0.21\&times;V_{lf}$

$V_{H2o}^{lf}=0.161\&times;V_{lf}$

其中，分别为漏入炉膛的N₂、O₂、H₂O的体积。

2.如权利要求1所述的富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，其特征在于，其中步骤(B5)计算对流受热面传热量时，对流换热系数，按照以下公式计算：

${\mathrm{\&alpha;}}_d=0.2C_z{C}_s\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}{\left(\frac{\mathrm{\&omega;}d}{v}\right)}^{0.65}{P_r}^{0.33}$

其中，C_z、C_s为修正系数，λ为烟气的导热系数；d为管径；ω为烟气流速；υ为运动粘度；Pr为普朗特数。

3.如权利要求2所述的富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，其特征在于，运动粘度υ、普朗特数Pr，按照以下公式计算：

$\mathrm{\&upsi;}=\mathrm{\&mu;}\frac{R_{g}T}{p}$

$P_r=\frac{\mathrm{\&mu;}Cp}{\mathrm{\&lambda;}}$

其中，μ为烟气动力粘度，R_g为气体常数，T为开尔文温度，p为烟气压力，C_p为烟气定压比热容，λ为烟气的导热系数。

4.如权利要求3所述的富氧燃烧锅炉热力性能获取方法，其特征在于，所述烟气动力粘度μ、烟气定压比热容C_p、烟气的导热系数λ，拟合方法如下：

烟气动力粘度μ：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{{\mathrm{\&Sigma;y}}_i{\mathrm{\&mu;}}_i{M}_i^{\frac{1}{2}}}{{\mathrm{\&Sigma;y}}_i{M}_1^{\frac{1}{2}}}$

烟气定压比热容C_p：

C_p＝y_iC_pi

烟气的导热系数λ：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{{\mathrm{\&Sigma;y}}_1{\mathrm{\&lambda;}}_i{M}_i^{\frac{1}{3}}}{{\mathrm{\&Sigma;y}}_i{M}_i^{\frac{1}{3}}}$

其中，μ_i为常压下纯i组分的动力粘度；λ_i为常压下纯i组分的导热系数；M_i为混合物中i组分的摩尔质量；y_i为混合物中i组分的摩尔分数或体积分数，C_pi为混合物中i组分的定压比热容。