CN105678051A - 一种富氧燃烧烟气辐射换热系数的计算方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种富氧燃烧烟气辐射换热系数的计算方法，本发明还涉及所述的方法在富氧燃烧换热计算中的应用。本发明在富氧燃烧条件下对WSGG模型进行了修正，因此，能够提高修正后的WSGG模型的准确性，进而提供一种能够准确计算富氧燃烧条件下烟气辐射换热系数的方法，将计算得到烟气辐射换热系数代入传热方程中，从而能够更准确地进行富氧燃烧传热计算。

Description

一种富氧燃烧烟气辐射换热系数的计算方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种富氧燃烧烟气辐射换热系数的计算方法及其应用。

背景技术

富氧燃烧是在现有电站锅炉系统基础上，用高纯度的氧气与CO₂烟气混合代替助燃空气，采用烟气循环调节炉膛内的介质流量和传热特性，在锅炉尾部可获得高浓度的CO₂烟气，经冷凝压缩后可实现CO₂的永久封存或资源化利用，较为容易实现大规模化CO₂捕集和减排。这种锅炉燃烧方式的主要特点是采用烟气再循环，以烟气中的CO₂替代助燃空气中的氮气，与氧气混合一起参与燃烧，这样可大幅度提高烟气中的CO₂浓度，便于CO₂利用和处理，对环境保护具有非常重要的意义。

工程中发射率的计算方法较为成熟，其中最有代表性的是由采用试验方法测量得出的Hottel线算图和源于经验公式的1973年前苏联锅炉热力计算标准，但其适用范围局限于常规空气燃烧氛围。

因此，现在急需一种在富氧燃烧条件下进行烟气辐射换热系数计算的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种在富氧燃烧条件下进行烟气辐射换热系数计算的方法，还提供了上述方法在富氧燃烧换热计算中的应用。

本发明的发明人在研究中发现，先进行传热辅助计算，再进行富氧燃烧WSGG模型修正，随后进行烟气中飞灰辐射减弱系数计算，最后在富氧燃烧条件下，进行烟气辐射换热系数计算，能够获得富氧燃烧条件下烟气辐射换热系数的准确的计算方法。

因此，为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种富氧燃烧烟气辐射换热系数的计算方法，该方法包括：

(1)进行传热辅助计算，得到辐射层有效厚度δ、烟气密度ρ_q、烟气质量G_q、烟气中灰粒质量浓度μ_h、三原子气体容积份额γ、烟气总容积V_q、水和二氧化碳的分压比φ、水和二氧化碳的总压P_s；

(2)利用测定的烟气平均温度T、参考温度T_ref、灰气体数J和步骤(1)计算得到的φ、P_s、δ进行富氧燃烧WSGG模型修正，得到k_q和修正后的发射率ε；

(3)利用测定的烟气平均温度T和测定的飞灰颗粒的平均直径d_h和步骤(1)计算得到的ρ_q、G_q、V_q进行烟气中飞灰辐射减弱系数计算，得到烟气中飞灰辐射减弱系数k_h；

(4)在富氧燃烧条件下，利用测定的烟气的绝对压力P、管壁灰污黑度a_b、灰污壁面温度T_b、烟气平均温度T、步骤(1)计算得到的δ、μ_h和γ以及步骤(2)得到的ε和k_q、步骤(3)计算得到的k_h进行烟气辐射换热系数计算。

另一方面，本发明提供了上述方法在富氧燃烧换热计算中的应用。

本发明在富氧燃烧下对WSGG模型进行了修正，因此，能够提高修正后的WSGG模型的准确性，进而提供一种能够准确计算烟气辐射换热系数的方法，将计算得到烟气辐射换热系数代入传热方程中，从而能够更准确地进行传热计算。

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

图1是本发明富氧燃烧烟气辐射换热系数的计算方法的流程图；

图2是本发明实施例和对比例干循环典型工况下计算得到发射率的相对误差对比图；

图3是本发明实施例和对比例湿循环典型工况下计算得到发射率的相对误差对比图。

具体实施方式

以下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。

如图1所示，一方面，本发明提供了一种富氧燃烧烟气辐射换热系数的计算方法，该方法包括：

(1)进行传热辅助计算，得到辐射层有效厚度δ、烟气密度ρ_q、烟气质量G_q、烟气中灰粒质量浓度μ_h、三原子气体容积份额γ、烟气总容积V_q、水和二氧化碳的分压比φ、水和二氧化碳的总压P_s；

(2)利用测定的烟气平均温度T、参考温度T_ref、灰气体数J和步骤(1)计算得到的φ、P_s、δ进行富氧燃烧WSGG模型修正，得到k_q和修正后的发射率ε；

(3)利用测定的烟气平均温度T和测定的飞灰颗粒的平均直径d_h和步骤(1)计算得到的ρ_q、G_q、V_q进行烟气中飞灰辐射减弱系数计算，得到烟气中飞灰辐射减弱系数k_h；

(4)在富氧燃烧条件下，利用测定的烟气的绝对压力P、管壁灰污黑度a_b、灰污壁面温度T_b、烟气平均温度T、步骤(1)计算得到的δ、μ_h和γ以及步骤(2)得到的ε和k_q、步骤(3)计算得到的k_h进行烟气辐射换热系数计算。

根据本发明所述的方法，其中，步骤(1)中，传热辅助计算可以为本领域常规的传热辅助计算方法，例如可以包括：进行辐射层有效厚度δ的计算，在富氧燃烧锅炉烟气再循环达到平衡状态下，分别进行烟气密度ρ_q、烟气质量G_q、烟气中灰粒质量浓度μ_h、三原子气体容积份额γ、烟气总容积V_q、水和二氧化碳的分压比φ、水和二氧化碳的总压P_s的计算。

根据本发明所述的方法，步骤(2)中，优选地，富氧燃烧WSGG模型修正的方法包括：采用HITEMP2010光谱数据库，在水和二氧化碳的分压比0.05≤φ≤2，分压比步长为0.2；水和二氧化碳的总压P_s为0.88atm，烟气平均温度600K≤T≤2500K，温度步长为50K；参考温度T_ref为1000K，灰气体数J为4的条件下，拟合相对于烟气平均温度T和分压比φ的曲线，该曲线的表达式为式(3)，当M＝3时，采用式(4)计算b_j,i，将计算得到的b_j,i代入式(3)中求得将常数c_j,i代入公式(2)中，得到a_j(T)，再将a_j(T)、和P_s代入式(1)中，计算得到修正后的发射率ε，从而能够更准确地计算富氧燃烧换热条件下的发射率ε，

$\mathrm{\ϵ}(T,\mathrm{\φ})=\underset{j=0}{\overset{J}{\Σ}}{a}_j\left(T\right)(1-e^{-P_s{k}_{qj}(T,\mathrm{\φ})\mathrm{\δ}})$ 式(1)

$a_j\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{c}_{j,i}{\left(\frac{T}{T_{ref}}\right)}^{I-i}$ 式(2)

$k_{q_j}(T,\mathrm{\φ})=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{b}_{j,i}{\left(\frac{T}{T_{ref}}\right)}^{I-i}$ 式(3)

$b_{j,i}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{d}_{i,m}{\mathrm{\φ}}^{M-m}$ 式(4)。

上述公式中，T的单位为K，P_s的单位为atm，δ的单位为m。

在上述优选实施方式中，当采用式(2)计算时，其中的常数权重多项式系数c_j,i可以查阅下表1，另外，当采用式(4)计算时，其中的吸收系数多项式系数d_i,m可以查阅下表2。

表1c_j,i权重多项式系数

j	1	2	3	4
					cj,1	0.0052777	0.0127396	0.0106085	-0.0286258
cj,2	0.0587741	-0.2107950	-0.0498803	0.2019010
					cj,3	-0.0022132	0.6406980	-0.0751580	-0.5633270
cj,4	0.0336798	-0.2072980	0.5145090	0.6591090

表2d_i,m吸收系数多项式系数

根据本发明所述的方法，优选地，步骤(3)中，烟气中飞灰辐射减弱系数k_h的计算方法包括：将烟气密度ρ_q、烟气质量G_q、烟气总容积V_q、测得的烟气平均温度T和测得的飞灰颗粒的平均直径d_h代入式(5)计算，从而能够准确计算烟气中飞灰辐射减弱系数k_h，

$k_h=\frac{43850{\mathrm{\ρ}}_q}{\sqrt[3]{{(T+273)}^2{d}_h^2}}=\frac{43850G_q}{V_q\sqrt[3]{{(T+273)}^2{d}_h^2}}$ 式(5)

其中，T的单位为K，ρ_q的单位为kg/Nm³，G_q的单位为kg/kg，V_q的单位为Nm³，d_h的单位μm。

根据本发明所述的方法，优选地，步骤(4)中，烟气辐射换热系数α_f计算的方法包括：将步骤(2)中得到的修正后的发射率ε进行加和，得到总发射率ε’，将总发射率ε’代入式(6)中，计算得三原子气体减弱系数k_q，然后将三原子气体减弱系数k_q，烟气的绝对压力P，步骤(3)中得到的烟气中飞灰辐射减弱系数k_h，步骤(1)中计算得到的辐射层有效厚度δ、气中灰粒质量浓度μ_h和三原子气体容积份额γ代入式(7)中计算得燃烧产物总吸引力kPδ，然后将kPδ代入式(8)中计算得烟气黑度a，将烟气黑度a、斯特潘-波尔兹曼常数σ₀、测得的管壁灰污黑度a_b、灰污壁面温度T_b、烟气平均温度T代入式(9)中，计算得到烟气辐射换热系数α_f，

$k_q=\frac{ln(1-{\mathrm{\ϵ}}^{\′})}{\mathrm{\δ}}$ 式(6)

kPδ＝(k_qγ+k_hμ_h)Pδ式(7)

a＝1-e^kPδ式(8)

${\mathrm{\α}}_f={\mathrm{\σ}}_0\left(\frac{a_b+1}{2}\right){\mathrm{aT}}^3\frac{1-{\left(\frac{T_b}{T}\right)}^4}{1-\frac{T_b}{T}}$ 式(9)

其中，δ的单位为m，P的单位为MPa，μ_h的单位为kg/kg，T_b的单位为K，T的单位为K。

上述优选实施方式中，将步骤(2)中得到的修正后的发射率ε进行加和的方式为：采用式(10)进行加和。

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\underset{j}{\Σ}\mathrm{\ϵ}$ 式(10)

本发明所述的方法适用于富氧燃烧典型工况下的烟气辐射换热系数α_f的计算，其中，富氧燃烧典型工况包括湿循环典型工况和干循环典型工况，湿循环典型工况和干循环典型工况均为本领域公知，在此不再赘述，湿循环典型工况和干循环典型工况计算过程的区别仅在于三原子份额不同以及分压比不同，其它的计算过程均相同，且本发明的计算方法在湿循环典型工况和干循环典型工况下所计算结果的准确度相同。

另一方面，本发明还提供了上述方法在富氧燃烧换热计算中的应用。

根据上述应用，其中，该应用包括将计算得到的烟气辐射换热系数α_f代入传热方程中进行应用。

本发明中，传热方程的表达式为本领域的技术人员公知技术。

本发明计算得到的烟气辐射换热系数α_f更准确，采用本发明的方法能够在富氧燃烧条件下准确地计算烟气辐射换热系数，从而能够提高将烟气辐射换热系数用于传热方程计算的准确性。

实施例

本实施例用于说明本发明的富氧燃烧烟气辐射换热系数的计算方法及其应用。

(1)湿循环典型工况下，根据受热面结构、烟风循环计算得辐射层有效厚度δ＝0.82m，在富氧燃烧锅炉烟气再循环达到平衡状态下，计算烟气密度ρ_q＝1.667kg/Nm³、烟气质量G_q＝9.054kg/kg、烟气中灰粒质量浓度μ_h＝0.017kg/kg、三原子气体容积份额γ＝0.88、烟气总容积V_q＝5.432Nm³、水和二氧化碳的分压比φ＝0.271、水和二氧化碳的总压P_s＝1；

(2)测得厚屏过热器中平均温度T为1400K，烟气的绝对压力P为0.105MPa；

采用HITEMP2010光谱数据库，在水和二氧化碳的分压比0.05≤φ≤2，分压比步长为0.2；水和二氧化碳的总压P_s为0.88atm，烟气平均温度600K≤T≤2500K，温度步长为50K；参考温度T_ref为1000K，灰气体数J为4的条件下，拟合相对于烟气平均温度T和分压比φ的曲线，该曲线的表达式为式(3)，当M＝3时，采用式(4)计算b_j,i，将计算得到的b_j,i代入式(3)中求得将常数c_j,i代入公式(2)中，得到a_j(T)，再将a_j(T)、和P_s代入式(1)中，计算得到修正后的发射率ε，

$\mathrm{\ϵ}(T,\mathrm{\φ})=\underset{j=0}{\overset{J}{\Σ}}{a}_j\left(T\right)(1-e^{-P_s{k}_{qj}(T,\mathrm{\φ})\mathrm{\δ}})$ 式(1)

$a_j\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{c}_{j,i}{\left(\frac{T}{T_{ref}}\right)}^{I-i}$ 式(2)

$k_{q_j}(T,\mathrm{\φ})=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{b}_{j,i}{\left(\frac{T}{T_{ref}}\right)}^{I-i}$ 式(3)

$b_{j,i}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{d}_{i,m}{\mathrm{\φ}}^{M-m}$ 式(4)，

当采用式(2)计算时，其中的常数权重多项式系数c_j,i可以查阅上述表1，另外，当采用式(4)计算时，其中的吸收系数多项式系数d_i,m可以查阅上述表2，修正辐射模型计算结果见下表3，发射率的相对误差参见图3。

表3

(3)将烟气密度ρ_q＝1.667kg/Nm³、烟气质量G_q＝9.054kg/kg、烟气总容积V_q＝5.432Nm³、测得的烟气平均温度T＝1400K和测得的飞灰颗粒的平均直径d_h＝16μm代入式(5)计算，计算出烟气中飞灰辐射减弱系数k_h＝94.271/(MPa·m)，

$k_h=\frac{43850{\mathrm{\ρ}}_q}{\sqrt[3]{{(T+273)}^2{d}_h^2}}=\frac{43850G_q}{V_q\sqrt[3]{{(T+273)}^2{d}_h^2}}$ 式(5)。

(4)按照式(10)将步骤(2)中得到的修正后的发射率ε进行加和，得到总发射率ε’＝0.27，将总发射率ε’代入式(6)中，计算得三原子气体减弱系数k_q＝4.11/(MPa·m)，然后将三原子气体减弱系数k_q＝4.11/(MPa·m)，烟气的绝对压力P＝0.105MPa，步骤(3)中得到的烟气中飞灰辐射减弱系数k_h＝94.271/(MPa·m)，步骤(1)中计算得到的辐射层有效厚度δ＝0.82m、气中灰粒质量浓度μ_h＝0.017kg/kg和三原子气体容积份额γ＝0.88代入式(7)中计算得燃烧产物总吸引力kPδ＝0.42，然后将kPδ＝0.42代入式(8)中计算得烟气黑度a＝0.35，将烟气黑度a＝0.35、斯特潘-波尔兹曼常数σ₀＝5.67032×10^-8W/(m²·K⁴)、测得的管壁灰污黑度a_b＝0.8、灰污壁面温度T_b＝1041.71K、烟气平均温度T＝1400K代入式(9)中，计算得到烟气辐射换热系数α_f＝131.09W/(m²·℃)，

$k_q=\frac{ln(1-{\mathrm{\ϵ}}^{\′})}{\mathrm{\δ}}$ 式(6)

kPδ＝(k_qγ+k_hμ_h)Pδ式(7)

a＝1-e^kPδ式(8)

${\mathrm{\α}}_f={\mathrm{\σ}}_0\left(\frac{a_b+1}{2}\right){\mathrm{aT}}^3\frac{1-{\left(\frac{T_b}{T}\right)}^4}{1-\frac{T_b}{T}}$ 式(9)

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\underset{j}{\Σ}\mathrm{\ϵ}$ 式(10)。

(5)将烟气辐射换热系数α_f＝131.09W/(m²·℃)代入传热方程中进行计算。

干循环典型工况(T＝1400K，φ＝0.164)下的计算过程同上，计算得到的发射率相对误差参见图2。

对比例

按照实施例的方式，不同的是，步骤(2)中，不进行富氧燃烧WSGG模型修正，而是采用传统的WSGG模型，干循环典型工况(T＝1400K，φ＝0.164)计算得到的发射率相对误差参见图2，湿循环典型工况(T＝1400K，φ＝0.271)计算得到的发射率相对误差参见图3。

将实施例和对比例比较可以看出，本发明在富氧燃烧下对WSGG模型进行了修正，因此，能够提高修正后的WSGG模型的准确性，进而提供一种能够准确计算富氧燃烧烟气辐射换热系数的方法，将计算得到烟气辐射换热系数代入传热方程中，从而能够更准确地进行富氧燃烧传热计算。

以上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 (7)

1.一种富氧燃烧烟气辐射换热系数的计算方法，其特征在于，该方法包括：

(1)进行传热辅助计算，得到辐射层有效厚度δ、烟气密度ρ_q、烟气质量G_q、烟气中灰粒质量浓度μ_h、三原子气体容积份额γ、烟气总容积V_q、水和二氧化碳的分压比φ、水和二氧化碳的总压P_s；

(2)利用测定的烟气平均温度T、参考温度T_ref、灰气体数J和步骤(1)计算得到的φ、P_s、δ进行富氧燃烧WSGG模型修正，得到k_q和修正后的发射率ε；

(3)利用测定的烟气平均温度T和测定的飞灰颗粒的平均直径d_h和步骤(1)计算得到的ρ_q、G_q、V_q进行烟气中飞灰辐射减弱系数计算，得到烟气中飞灰辐射减弱系数k_h；

(4)在富氧燃烧条件下，利用测定的烟气的绝对压力P、管壁灰污黑度a_b、灰污壁面温度T_b、烟气平均温度T、步骤(1)计算得到的δ、μ_h和γ以及步骤(2)得到的ε和k_q、步骤(3)计算得到的k_h进行烟气辐射换热系数计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中，所述传热辅助计算的方法包括：进行辐射层有效厚度δ的计算，在富氧燃烧锅炉烟气再循环达到平衡状态下，分别进行烟气密度ρ_q、烟气质量G_q、烟气中灰粒质量浓度μ_h、三原子气体容积份额γ、烟气总容积V_q、水和二氧化碳的分压比φ、水和二氧化碳的总压P_s的计算。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤(2)中，富氧燃烧WSGG模型修正的方法包括：采用HITEMP2010光谱数据库，在水和二氧化碳的分压比0.05≤φ≤2，分压比步长为0.2；水和二氧化碳的总压P_s为0.88atm，烟气平均温度600K≤T≤2500K，温度步长为50K；参考温度T_ref为1000K，灰气体数J为4的条件下，拟合相对于烟气平均温度T和分压比φ的曲线，该曲线的表达式为式(3)，当M＝3时，采用式(4)计算b_j,i，将计算得到的b_j,i代入式(3)中求得将常数c_j,i代入公式(2)中，得到a_j(T)，再将a_j(T)、和P_s代入式(1)中，计算得到修正后的发射率ε，

$\mathrm{\ϵ}(T,\mathrm{\φ})=\underset{j=0}{\overset{J}{\Σ}}{a}_j\left(T\right)(1-e^{-P_s{k}_{qj}(T,\mathrm{\φ})\mathrm{\δ}})$ 式(1)

$a_j\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{c}_{j,i}{\left(\frac{T}{T_{ref}}\right)}^{I-i}$ 式(2)

$k_{q_j}(T,\mathrm{\φ})=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{b}_{j,i}{\left(\frac{T}{T_{ref}}\right)}^{I-i}$ 式(3)

$b_{j,i}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{d}_{i,m}{\mathrm{\φ}}^{M-m}$ 式(4)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤(3)中，烟气中飞灰辐射减弱系数k_h的计算方法包括：将烟气密度ρ_q、烟气质量G_q、烟气总容积V_q、测得的烟气平均温度T和测得的飞灰颗粒的平均直径d_h代入式(5)计算，

$k_h=\frac{43850{\mathrm{\ρ}}_q}{\sqrt[3]{{(T+273)}^2{d}_h^2}}=\frac{43850G_q}{V_q\sqrt[3]{{(T+273)}^2{d}_h^2}}$ 式(5)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤(4)中，烟气辐射换热系数α_f计算的方法包括：将步骤(2)中得到的修正后的发射率ε进行加和，得到总发射率ε’，将总发射率ε’代入式(6)中，计算得三原子气体减弱系数k_q，然后将三原子气体减弱系数k_q，烟气的绝对压力P，步骤(3)中得到的烟气中飞灰辐射减弱系数k_h，步骤(1)中计算得到的辐射层有效厚度δ、气中灰粒质量浓度μ_h和三原子气体容积份额γ代入式(7)中计算得燃烧产物总吸引力kPδ，然后将kPδ代入式(8)中计算得烟气黑度a，将烟气黑度a、斯特潘-波尔兹曼常数σ₀、测得的管壁灰污黑度a_b、灰污壁面温度T_b、烟气平均温度T代入式(9)中，计算得到烟气辐射换热系数α_f，

$k_q=\frac{ln(1-{\mathrm{\ϵ}}^{\′})}{\mathrm{\δ}}$ 式(6)

kPδ＝(k_qγ+k_hμ_h)Pδ式(7)

a＝1-e^kPδ式(8)

${\mathrm{\α}}_f={\mathrm{\σ}}_0\left(\frac{a_b+1}{2}\right){\mathrm{aT}}^3\frac{1-{\left(\frac{T_b}{T}\right)}^4}{1-\frac{T_b}{T}}$ 式(9)。

6.权利要求1-5中任意一项所述的方法在富氧燃烧换热计算中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其中，将权利要求1-5中任意一项所述的方法计算得到的烟气辐射换热系数α_f代入传热方程中进行应用。