CN104504231A - 富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法，该确定方法包括：计算对流受热面的烟气流速；计算烟气再循环达到平衡状态的烟气各组分在所述对流受热面的体积量；建立所述烟气各组分的物性参数的拟合公式；根据所述烟气各组分的物性参数和体积量计算烟气物性参数；以及根据所述烟气物性参数和所述烟气流速确定对流换热系数。通过本发明所提供的方法能够确定较为准确的对流换热系数，从而有助于对流受热面的布置、位置、数量及结构的设计，进而实现稳定燃烧和最佳经济效益的目的。

Description

富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法

技术领域

本发明涉及一种富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法。

背景技术

富氧燃烧(O₂/CO₂循环燃烧)碳捕集是燃烧中碳捕集技术，其采用高纯度的氧或富氧气体混合物来代替助燃空气，同时采用烟气循环调节炉膛内的介质流量和传热特性，如此，可以获得高达95％以上体积浓度的富含CO₂的干烟气，从而以较小的代价对其压缩纯化后来实现CO₂的永久封存。这种新型燃烧方式与现有电站燃烧方式在技术具有良好的承接性，可用于现有电厂的改造和新建电厂，该技术还能大幅度地减少NO_x、SO₂和颗粒物排放，实现污染物的一体化协同脱除，是一种近“零”排放的清洁燃煤利用技术。

对流换热系数决定着锅炉受热面的布置、位置、数量与结构等。传统锅炉空气气氛下对流换热系数是以平均成分的烟气为基础计算的，该情况下烟气的导热系数及粘度等大部分物性参数主要取决于水蒸气的体积比。而在富氧燃烧方式下，烟气成分将发生改变，烟气的物性参数，如：热容、导热系数、运动粘度、普朗克数等都将发生很大的变化，烟气中水蒸气体积比比空气下要高很多，而且二氧化碳浓度剧增，同时烟气量的减少，也导致了锅炉各处受热面的烟气流速降低。这些都会使烟气的对流传热特性发生很大的变化，导致富氧再循环方式下烟气的传热与空气气氛下的传热有很大的差别。

因此，在富氧再循环方式下，仍然按照烟气中水蒸气体积比来确定对流换热系数，势必会导致很大的误差，这必然会影响锅炉对流受热面的布置、位置、数量与结构等，从而难以达到稳定燃烧和最佳经济效益的目的，甚至会出现受热面泄漏的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法，该方法确定较为准确的对流换热系数。

为了实现上述目的，本发明提供一种富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法，所述确定方法包括：计算对流受热面的烟气流速；计算烟气再循环达到平衡状态的烟气各组分在所述对流受热面的体积量；建立所述烟气各组分的物性参数的拟合公式；根据所述烟气各组分的物性参数和体积量计算烟气物性参数；以及根据所述烟气物性参数和所述烟气流速确定对流换热系数。

通过上述技术方案，建立所述烟气各组分的物性参数的拟合公式，根据所述烟气各组分的物性参数和体积量计算烟气物性参数，以及根据所述烟气物性参数和所述烟气流速确定对流换热系数，如此能够确定较为准确的对流换热系数，从而有助于对流受热面的布置、位置、数量及结构的设计，进而实现稳定燃烧和最佳经济效益的目的。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明提供的富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法的流程图；

图2为根据本发明建立的拟合公式所获得的烟气各组分的定压比热容的拟合曲线；以及

图3给出了根据本发明的CO₂和H₂O定压比热容拟合误差的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明提供的富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法的流程图。如图1所示，本发明提供的富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法可以包括：在步骤101处，计算对流受热面的烟气流速；在步骤102处，计算烟气再循环达到平衡状态的烟气各组分在所述对流受热面的体积量；在步骤103处，建立所述烟气各组分的物性参数的拟合公式；在步骤104处，根据所述烟气各组分的物性参数和体积量计算烟气物性参数；以及在步骤105处，根据所述烟气物性参数和所述烟气流速确定对流换热系数。通过上述方法，能够获得较为准确的对流换热系数。

其中，烟气组分可以包括二氧化碳CO₂、H₂O、氮气N₂和氧气O₂。物性参数可以包括动力粘度、导热系数、定压比热容、普朗特数和运动粘度。

以下将以具体实施方式来详细描述本发明的富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法。

在一种实施方式中，可以根据反平衡法锅炉热平衡计算出锅炉燃料消耗量，然后计算所述对流受热面的烟气流速；可以根据烟风迭代平衡计算富氧燃烧锅炉烟气再循环达到平衡状态的烟气各组分在各受热面的所述体积量。该烟气流速和烟气各组分在各受热面的体积量的获得方法是本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述。

对于烟气各组分的物性参数的拟合公式的建立，可以以NIST数据库为标准，对烟气组分二氧化碳CO₂、水H₂O、氮气N₂和氧气O₂的导热系数λ、动力粘度μ、定压比热容C_p进行拟合，获得以下拟合公式：

二氧化碳的定压比热容C_p、导热系数λ及为动力粘度μ的拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p=0.56171+0.00119\·T-6.44174E-7\·T^2+1.25474E-10\·T^3\\ \mathrm{\λ}=-0.01253+1.02533E-4\·T-2.2001E-8\·T^2+2.53457E-12\·T^3\\ \mathrm{\μ}=-5.01341E-7+5.79106E-8\·T-1.96681E-11\·T^2+3.55723E-15\·T^3\end{array}\right.---\left(1\right)$

所述水的定压比热容C_p、导热系数λ及为动力粘度μ的拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p=1.80955+1.14907E-4\·T+5.32054E-7\·T^2-1.67016E-10\·T^3\\ \mathrm{\λ}=-6.27575E-4+4.38006E-5\·T+6.70031E-8\·T^2-1.33864E-11\·T^3\\ \mathrm{\μ}=-4.10609E-6+4.3981E-8\·T-1.40929E-12\·T^2-9.66374E-16\·T^3\end{array}\right.---\left(2\right)$

所述氮气的定压比热容C_p、导热系数λ及为动力粘度μ的拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p=0.96911+1.53039E-4\·T+8.19653E-8\·T^2-4.06347E-11\·T^3\\ \mathrm{\λ}=0.00549+7.58036E-5\·T-1.97856E-8\·T^2+3.94079E-12\·T^3\\ \mathrm{\μ}=4.91367E-6+4.90753E-8\·T-1.53817E-11\·T^2+2.99781E-15\·T^3\end{array}\right.---\left(3\right)$

所述氧气的定压比热容C_p、导热系数λ及为动力粘度μ的拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p=0.75835+5.65916E-4\·T-2.93082E-7\·T^2+5.7924E-11\·T^3\\ \mathrm{\λ}=0.00355+8.3334E-5\·T-1.87933E-8\·T^2+3.52262E-12\·T^3\\ \mathrm{\μ}=4.88576E-6+5.95149E-8\·T-1.87808E-11\·T^2+3.56635E-15\·T^3\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，T为开尔文温度。作为拟合结果的示例，图2给出了各组分的定压比热容的拟合曲线，其中，横坐标为开尔文温度。

下面将详细介绍烟气物性参数的计算。

根据以下公式计算所述烟气的动力粘度μ_m：

${\mathrm{\μ}}_m=\mathrm{\Σ}{y}_i{\mathrm{\μ}}_i{M}_i^{1/2}/\mathrm{\Σ}{y}_i{M}_i^{1/2}---\left(5\right)$

根据以下公式计算所述烟气的导热系数λ_m：

${\mathrm{\λ}}_m=\mathrm{\Σ}{y}_i{\mathrm{\λ}}_i{M}_i^{1/3}/\mathrm{\Σ}{y}_i{M}_i^{1/3}---\left(6\right)$

根据以下公式计算所述烟气的普朗特数Pr_m：

${\mathrm{Rr}}_m=\frac{{\mathrm{\μ}}_m{c}_m}{{\mathrm{\λ}}_m}---\left(7\right)$

根据以下公式计算所述烟气的运动粘度υ_m：

${\mathrm{\υ}}_m=\frac{{\mathrm{\μ}}_m}{{\mathrm{\ρ}}_m}={\mathrm{\μ}}_m\frac{R_{g}T}{p}---\left(8\right)$

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组分的体积量，c_m为所述烟气的定压比热容，可以对各组分的定压比热容进行加权平均来获得c_m，ρ_m为烟气密度。

最后，根据以下公式来计算所述对流换热系数：

${\mathrm{\α}}_d=X\frac{{\mathrm{\λ}}_m}{d}{\left(\frac{\mathrm{\ωd}}{{\mathrm{\υ}}_m}\right)}^a{{\mathrm{Pr}}_m}^b---\left(9\right)$

其中，X为结构常量，d为管道直径，ω为烟气流速，a、b为指数常量。

本发明可以以NIST数据库数据为标准，对O₂/CO₂循环方式下烟气各组分的导热系数、运动粘度和定压比热容等物性参数进行拟合，拟合结果的误差<0.6％，例如，图3给出了CO₂和H₂O定压比热容拟合误差的曲线图。

本发明通过采取先组分后混合的方式对对流换热系数的确认进行了改进，使其适用于富氧燃烧方式。从而可用于富氧燃烧锅炉对流换热系数及对流受热面传热的确定，进而优化炉膛和尾部烟道设计，从而降低初投资，提高燃烧的稳定性，以实现最佳的经济效益。

以下将结合某200MW富氧燃烧锅炉干循环再热器侧省煤器的对流换热计算来对本发明进行进一步的描述，使本发明的目的和技术方案更加清楚，并使本发明的优点更加明确。

表1给出了烟风循环计算得到生成的总烟气各组分容积及容积比。

表1

成分	单位	容积	容积比
				CO2	Nm3/kg	4.49	74.77
H2O	Nm3/kg	0.74	12.29

O2	Nm3/kg	0.21	3.52
				N2	Nm3/kg	0.57	9.43
总烟气	Nm3/kg	6.01	100.00

假设再热器侧省煤器中平均烟气温度为656.6K，根据CO₂、H₂O、O₂、N₂物性参数的拟合公式，以及公式(5)、(6)、(7)、(8)可以得到各组分的物性参数的值，如表2所示。

表2

根据锅炉热平衡得出某200MW富氧燃烧锅炉计算燃料消耗量为B_j＝90143kg/h，再热器侧省煤器烟气总容积V_y＝1.935 Nm³/kg，烟气通流截面积F_y＝38.20m²，平均烟温为383.28℃，根据公式(10)计算得出烟气流速：ν_y＝3.05m/s。

${\mathrm{\&alpha;}}_d=0.2C_z{C}_s\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}{\left(\frac{\mathrm{\&omega;d}}{v}\right)}^{0.65}{\mathrm{Pr}}^{0.33}---\left(11\right)$

然后，计算烟气侧对流换热系数：

${\mathrm{\&alpha;}}_d=0.2C_z{C}_s\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}{\left(\frac{\mathrm{\&omega;d}}{v}\right)}^{0.65}{\mathrm{Pr}}^{0.33}---\left(11\right)$

C_z＝0.91+0.0125(Z₂-2)    (12)

其中，C_z管排数的修正系数，Z₂≥10时，C_z＝1，在Z₂<10时，将其代入公式(12)；C_s为管簇横向与纵向管相对节距(σ₁，σ₂)的修正系数，当σ₂≥2以及当σ₁≤1.5时，C_s＝1；当σ₂<2与σ₁>3时，把σ₁＝3代入公式(12)来计算C_z。

通过计算，得出对流换热系数α_d＝41.20W/㎡·℃，从而可以采用牛顿冷却公式Qd＝KAΔt/B_j进行富氧燃烧对流换热的计算，其中K为上述所得出的对流换热系数。牛顿冷却公式是本领域技术人员所公知的，因此，对于其它参数在此不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种富氧燃烧锅炉的对流换热系数的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：

计算对流受热面的烟气流速；

计算烟气再循环达到平衡状态的烟气各组分在所述对流受热面的体积量；

建立所述烟气各组分的物性参数的拟合公式；

根据所述烟气各组分的物性参数和体积量计算烟气物性参数；以及

根据所述烟气物性参数和所述烟气流速确定对流换热系数。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，根据反平衡法锅炉热平衡计算出锅炉燃料消耗量，以计算所述对流受热面的烟气流速。

3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，根据烟风迭代平衡计算富氧燃烧锅炉烟气再循环达到平衡状态的烟气各组分在各受热面的所述体积量。

4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，根据NIST数据库来建立所述烟气各组分的物性参数的拟合公式。

5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，烟气组分包括CO₂、H₂O、N₂和O₂。

6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的确定方法，其特征在于，所述物性参数包括动力粘度、导热系数、定压比热容、普朗特数和运动粘度。

7.根据权利要求6所述的确定方法，其特征在于，

所述二氧化碳的定压比热容C_p、导热系数λ及为动力粘度μ的拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p=0.56171+0.00119\&CenterDot;T-6.44174E-7\&CenterDot;T^2+1.25474E-10\&CenterDot;T^3\\ \mathrm{\&lambda;}=-0.01253+1.02533E-4\&CenterDot;T-2.2001E-8\&CenterDot;T^2+2.53457E-12\&CenterDot;T^3\\ \mathrm{\&mu;}=-5.01341E-7+5.79106E-8\&CenterDot;T-1.96681E-11\&CenterDot;T^2+3.55723E-15\&CenterDot;T^3\end{array}\right.;$

所述水的定压比热容C_p、导热系数λ及为动力粘度μ的拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p=1.80955+1.14907E-4\&CenterDot;T+5.32054E-7\&CenterDot;T^2-1.67016E-10\&CenterDot;T^3\\ \mathrm{\&lambda;}=-6.27575E-4+4.38006E-5\&CenterDot;T+6.70031E-8\&CenterDot;T^2-1.33864E-11\&CenterDot;T^3\\ \mathrm{\&mu;}=-4.10609E-6+4.3981E-8\&CenterDot;T-1.40929E-12\&CenterDot;T^2-9.66374E-16\&CenterDot;T^3\end{array}\right.;$

所述氮气的定压比热容C_p、导热系数λ及为动力粘度μ的拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p=0.96911+1.53039E-4\&CenterDot;T+8.19653E-8\&CenterDot;T^2-4.06347E-11\&CenterDot;T^3\\ \mathrm{\&lambda;}=0.00549+7.58036E-5\&CenterDot;T+1.97856E-8\&CenterDot;T^2-3.94079E-12\&CenterDot;T^3\\ \mathrm{\&mu;}=4.91367E-6+4.90753E-8\&CenterDot;T-1.53817E-11\&CenterDot;T^2-2.99781E-15T^3\end{array}\right.;$

所述氧气的定压比热容C_p、导热系数λ及为动力粘度μ的拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p=0.75835+5.65916E-4\&CenterDot;T+2.93082E-7\&CenterDot;T^2-5.7924E-11\&CenterDot;T^3\\ \mathrm{\&lambda;}=0.00355+8.3334E-5\&CenterDot;T+1.87933E-8\&CenterDot;T^2-3.52262E-12\&CenterDot;T^3\\ \mathrm{\&mu;}=4.88576E-6+5.95149E-8\&CenterDot;T-1.87808E-11\&CenterDot;T^2-3.56635E-15T^3\end{array}\right.$

其中，T为开尔文温度。

8.根据权利要求7所述的确定方法，其特征在于，

根据以下公式计算所述烟气的动力粘度μ_m：

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

根据以下公式计算所述烟气的导热系数λ_m：

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

根据以下公式计算所述烟气的普朗特数Pr_m：

${\mathrm{Pr}}_m=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_m{c}_m}{{\mathrm{\&lambda;}}_m};$

根据以下公式计算所述烟气的运动粘度υ_m：

${\mathrm{\&upsi;}}_m=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_m}{{\mathrm{\&rho;}}_m},$

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组分的体积量，c_m为所述烟气的定压比热容，对各组分的定压比热容进行加权平均来获得c_m，ρ_m为烟气密度。

9.根据权利要求8所述的确定方法，其特征在于，根据以下公式来计算所述对流换热系数：

${\mathrm{\&alpha;}}_d=X\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_m}{d}{\left(\frac{\mathrm{\&omega;d}}{{\mathrm{\&upsi;}}_m}\right)}^a{{\mathrm{Pr}}_n}^b$

其中，X为结构常量，d为管道直径，ω为烟气流速，a、b为指数常量。