CN106934167A - 一种600mw富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置，通过根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率并以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型，从而对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率，通过修正的灰气体加权和模型解决了富氧燃烧条件下烟气辐射特性与传统燃烧存在明显差异，直接将目前的烟气辐射传热计算方法应用于富氧燃烧可能会引起很大偏差，难以实现富氧燃烧锅炉设计和校核热力计算的准确进行的技术问题。

Description

一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置

技术领域

本发明涉及富氧燃烧领域，尤其涉及一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置。

背景技术

用于CCS的富氧燃烧技术首先是由Horn和Steinburg于1981年提出的，经美国阿贡国家实验室(ANL)的研究证明只需将常规锅炉进行适当的改造就可以采用此技术。它是采用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排气构成的混和气代替空气作为燃料燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排放气中的CO2的浓度，从而便于从烟气中回收利用CO2。O2/CO2方式的煤粉燃烧过程中，通过分离空气制得的纯氧与再循环烟气混合形成O2/CO2混合气，然后提供给燃烧装置，燃烧后的产物基本上都是CO2和少量的水，烟气在经过干燥脱水后CO2的浓度能达到95％以上，而空气燃烧时仅能得到不到20％浓度的CO2尾气。O2/CO2燃烧方式下几乎不需要CO2的分离过程，回收利用十分方便。

对于着火及火焰传播特性，有研究结果表明，高浓度的CO2和较低浓度的O2将导致着火延迟。挥发分的析出在高浓度CO2下也被延迟。然而CO2的存在在测量精度范围内并未影响挥发分完成燃烧所需要的时间。颗粒的着火和挥发分析出的特性在氧气浓度为30％的O2/CO2气氛中和空气中非常相近。瑞典Chalmers理工大学Klas Andersson和FredrikNormann等在一个100kW的富氧燃烧装置上对真实烟气循环时的O2/CO2气氛下燃烧时的在火焰特性和NOx的生成和还原机理进行了研究。烟气的再循环回路包括一个单独的温控冷却器和一个可冷凝的干、湿烟气循环。研究发现，循环倍率减少时，着火提前，燃烧更剧烈，并伴随更高的峰值温度。这是由于给气中氧气浓度的提高，再循环的冷却效果减弱以及测试工况间不同的流动特性造成的。

煤焦动力学方面，结论表明挥发分的析出在氮气和二氧化碳两种气氛下并没有明显差异。1673K时两种气氛下所获得的焦的SEM电镜以及氮气比表面积测量亦无明显差异。这表明，这两种气氛的变化对烟煤的焦的性质并无影响。有研究表明，采用干烟气再循环可使燃烧器附近的温度提高150℃。所以用干循环的烟气作为煤粉输送介质可提高点火的稳定性。纯氧射流在燃烧器附近引起的髙温造成了挥发分析出的过程更加激烈。

污染物NOx生成方面，Okazaki等在小型甲烷平面火焰燃烧器的试验表明在富氧燃烧条件下NOx的排放不到常规空气燃烧的1/3；Croiset等在CANMET的0.3MW的试验炉上也发现再循环之后NOx的排放量要比配比气体下的排放量低40％-50％。Okazaki等认为富氧燃烧条件下NOx排放减少有三方面原因：(1)、环境气氛中高浓度的CO2产生的CO和煤焦还原了NOx；(2)、循环的NOx在挥发份燃烧区域被还原；(3)、循环的NOx与燃料氮的反应。

与常规燃烧方式不同，在O2/CO2方式中，由于烟气再循环中高浓度CO2气体的影响，使得在炉膛出口处高温烟气中CO2浓度与常规燃烧下相差巨大。对于高温烟气的辐射，主要的影响因素有红外气体的组分浓度，气体温度以及气体在实际炉膛内的辐射行程。富氧条件下，气体温度以及组分浓度都与常规燃烧相差较大，故气体辐射的特性也有不同。不过，由于背景的颗粒辐射，高浓度的CO2并没有造成在褐煤富氧燃烧时产生更多的气体辐射。只要温度相近，富氧燃烧和空气燃烧时的总辐射强度相当。因为即使燃料是气体(丙烷)，即使是在温度分布相似的条件下，富氧火焰中也会产生更多的炭黑，所以高CO2浓度也没有给富氧燃烧带来更多的气体辐射。此外，有研究发现，在实际的富氧燃烧过程中，通入锅炉内的氧气浓度应为保证和空气燃烧时相同的辐射换热特性而进行调节。在燃烧测试时，在炉内辐射换热区安装了模拟真实炉腔换热的模拟管，对其在富氧燃烧和空气燃烧时的热吸收量都进行了测量。测量的结果证明，湿再循环富氧燃烧烟气中的氧气浓度为27％时和空气燃烧时具有几乎一致的换热特性。

总的来说，富氧燃烧具有如下优点：

1、尾气CO2浓度极高，不需要从排烟中分离CO2，烟气处理系统更加简单、紧凑，提高了电厂的热经济性和运行效率；

2、部分烟气再循环，使运行过程对温度的控制调节和煤种的选择更为灵活；

3、CO2的高辐射特性加强了传热、并且烟气循环的采用，大量减少了排烟热损失，使得锅炉效率提高；

4、实现了NOx、SOx等污染物的联合控制脱除。在液化处理CO2尾气时，SO2同时也被液化回收，省去了烟气脱硫设备。结合低NOx燃烧技术，还有可能不用或少用脱硝设备。整体上降低了电厂的建设费用。

上述的研究结果为富氧燃煤系统的工程实践提供了必要的基础。但是，由于富氧燃烧技术炉内火焰特征、燃烧产物以及换热情况与常规煤粉炉有较大差别，即富氧燃煤系统产生的烟气成分主要是CO2、O2和H2O，这将导致其传热性能(尤其是辐射换热)相差很大，因此锅炉结构和尺寸也将发生较大的变化。例如对于一台常规煤粉然燃烧锅炉，由于空气中O2/N2比例是一定的，当过量空气系数一定时，烟气量是确定的；对于富氧燃烧技术，O2/CO2比例是可以调节的，即使过量空气系数一定，烟气量也是可以调节的。因此，有可能在燃烧、辐射传热、对流传热等方面作进一步的优化设计，使煤粉的燃烧与燃尽，污染物的产生，传热及阻力损失，材料消耗，运行费用等方面达到最佳工况，使电站锅炉的设计上一个新的台阶。有文献认为富氧燃烧锅炉的燃烧产物容积要减少一半左右，所以其炉膛出口烟窗的流通截面也相应要缩小一半，同时炉膛出口后面的烟道，高温过热器、低温过热器、省煤器、空气预热器等对流受热面都应该布置得更紧。有研究表明对实际的燃烧设备来说，在确定的运行工况下，对于一定的燃料消耗量，提高助燃空气中的氧气体积比，即使只有百分之几，燃烧所需的理论空气量也会显著减少，这样就可以选用较小的风机，从除尘角度来说，在总尘量不变的情况下，由于空气量的减少导致烟气量减少，烟气中粉尘浓度增大，有利于除尘收集，同时除尘设备的体积可以相应减小。

和传统的空气燃烧相比，富氧燃烧条件下烟气气相辐射特性发生变化主要表现在两个方面。首先，在富氧燃烧条件下，由于采用再循环烟气与纯氧混合作为助燃气体，没有N2的引入，从而使得锅炉尾部烟气中三原子气体(主要为CO₂和H₂O)的体积份额远远高于传统的空气燃烧。在富氧燃烧条件下，烟气中三原子气体的体积份额高达0.75～0.95，而对于传统空气燃烧，三原子气体的体积份额一般仅为0.2～0.25。其次，富氧燃烧条件下，烟气中H₂O和CO₂比值的变化范围更大，若采用干循环，炉膛内烟气中H₂O和CO₂的比值会很小。

富氧燃烧条件下烟气辐射特性与传统燃烧存在明显差异，而目前锅炉炉膛烟气辐射传热的计算方法只针对传统的空气燃烧，三原子气体CO₂和H₂O的压力行程范围不能涵盖富氧燃烧，直接将目前的烟气辐射传热计算方法应用于富氧燃烧可能会引起很大偏差，难以实现富氧燃烧锅炉设计和校核热力计算的准确进行。因此，必须对目前的烟气辐射传热计算方法进行验证和修正，以便使其能应用于富氧燃烧锅炉的辐射传热计算。

因此，富氧燃烧条件下烟气辐射特性与传统燃烧存在明显差异，直接将目前的烟气辐射传热计算方法应用于富氧燃烧可能会引起很大偏差，难以实现富氧燃烧锅炉设计和校核热力计算的准确进行是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置，用于解决富氧燃烧条件下烟气辐射特性与传统燃烧存在明显差异，直接将目前的烟气辐射传热计算方法应用于富氧燃烧可能会引起很大偏差，难以实现富氧燃烧锅炉设计和校核热力计算的准确进行的技术问题。

本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，包括：

S1：根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率；

S2：以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型；

S3：对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率。

优选地，所述步骤S2具体包括：

S201：在预设的灰气体加权和模型设置第四个灰体；

S202：对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、3次温度多项式拟合，同时对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、4次温度多项式拟合，获得修正灰气体加权和模型。

优选地，所述步骤S202具体包括：

S202001：设置温度T的参数优化范围，每隔预设温度段设置一个温度点，设置几何行程L的参数优化范围，对所述几何行程L进行非等间距取点，获得不同间距的几何行程数据点；

S202002：根据所述温度点和所述几何行程数据点对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况和所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得修正灰气体加权和模型。

优选地，所述步骤S3具体包括：

检测实际烟气中CO₂和H₂O浓度及浓度比，并根据所述CO₂和H₂O浓度及浓度比获取所述修正灰气体加权和模型中对应的模型参数；

根据获取的模型参数进行求解，获得锅炉烟气发射率。

优选地，所述步骤S2之后还包括：

通过修正后的四步反应机理修正挥发分均相燃烧模型并模拟出H₂浓度和火焰温度；

根据所述模拟出的H₂浓度和火焰温度更新所述修正灰气体加权和模型；

所述修正后的四步反应机理为：

CH_yO_x+(0.5+0.25y-0.5x)O₂→CO+0.5yH₂O

CO+0.5O₂→CO₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

H₂+0.5O₂→H₂O。

优选地，所述步骤S2之后还包括：

通过三个焦炭表面反应公式设置焦炭燃烧模型并模拟出焦炭燃烧动力学参数；

根据所述模拟出的焦炭燃烧动力学参数更新所述修正灰气体加权和模型；

所述三个焦炭表面反应公式为：

C(s)+O₂→2CO

C(s)+CO₂→2CO

C(s)+H₂O→CO+H₂。

本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算装置，包括：

混合气体发射率计算模块，用于根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率；

修正灰气体加权和模型模块，用于以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型；

锅炉烟气发射率计算模块，用于对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率。

优选地，所述修正灰气体加权和模型模块具体包括：

第四灰体设置单元，用于在预设的灰气体加权和模型设置第四个灰体；

数据优化拟合单元，用于对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、3次温度多项式拟合，同时对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、4次温度多项式拟合，获得修正灰气体加权和模型。

优选地，所述数据优化拟合单元具体包括：

温度点及几何行程数据点设置子单元，用于设置温度T的参数优化范围，每隔预设温度段设置一个温度点，设置几何行程L的参数优化范围，对所述几何行程L进行非等间距取点，获得不同间距的几何行程数据点；

优化拟合子单元，用于根据所述温度点和所述几何行程数据点对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况和所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得修正灰气体加权和模型。

优选地，所述锅炉烟气发射率计算模块具体包括：

CO₂和H₂O浓度及浓度比检测单元，用于检测实际烟气中CO₂和H₂O浓度及浓度比；

模型参数获取单元，用于根据所述CO₂和H₂O浓度及浓度比获取所述修正灰气体加权和模型中对应的模型参数；

锅炉烟气发射率求解单元，用于根据获取的模型参数进行求解，获得锅炉烟气发射率。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置，通过根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率并以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型，从而对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率，通过修正的灰气体加权和模型解决了富氧燃烧条件下烟气辐射特性与传统燃烧存在明显差异，直接将目前的烟气辐射传热计算方法应用于富氧燃烧可能会引起很大偏差，难以实现富氧燃烧锅炉设计和校核热力计算的准确进行的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法的一个实施例的示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置，用于解决富氧燃烧条件下烟气辐射特性与传统燃烧存在明显差异，直接将目前的烟气辐射传热计算方法应用于富氧燃烧可能会引起很大偏差，难以实现富氧燃烧锅炉设计和校核热力计算的准确进行的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的计算富氧燃烧的模型包括气体辐射传热计算模型。

气体辐射传热的计算主要是求取气体发射率或吸收系数。三原子气体CO2和H2O混合气体的发射率主要与温度、气体组分和有效辐射层厚度有关。由于气体辐射对波长有强烈的选择性，只在某些波长区段内具有辐射能力和吸收能力。通常把这种有辐射能力的波长区段称为光带，在光带以外，气体既不辐射也不吸收，对于热辐射呈现透明体的性质。气体辐射的强选择性使得气体辐射特性的实验研究和理论计算都比较困难。目前针对气体辐射传热计算的模型通常可以分为四类：逐线计算模型，窄谱带模型，宽谱带模型和总体模型。下面对这四类模型加以简要介绍。

(1)逐线计算模型(Line-By-Line Calculation)

逐线计算模型的原理是：如果已知谱线的中心波数，线型函数，板宽度，线强等谱线参数，就能计算出所有谱线的吸收系数。如要求气体某一波数σ处的吸收系数，只要将对该波数处有贡献的所有谱线，在σ处的谱线光谱吸收系数叠加。逐线计算模型是准确的，目前该计算模型已在火箭、宇航等领域得到成功应用。但是，逐线计算模型的计算工作量极为巨大，而且温度和压力对谱线的影响也十分复杂，不能够简单地由室温条件下的数据外推到高温。因此。逐线计算方法的结果只作为其他计算方法结果和准确度的标准。

近年来国内外研究者对逐线计算CO2和H2O的辐射特性的方法进行了一定程度的简化，只计算主要辐射谱带内的辐射特性，虽然进行了简化但其计算量仍很大，并且不利于在数值模拟中实现。逐线计算模型目前尚未在锅炉炉膛烟气辐射传热计算中应用，考虑到其计算工作量的巨大和气体辐射传热计算准确性对锅炉热力结果的影响程度，逐线计算模型并不适用于锅炉炉膛烟气辐射传热的计算。

(2)窄谱带模型(Narrow Band Models)

窄谱带模型是将某波数间隔Δη内光谱线的重叠、排列性质与单条谱线的性质联系起来，不需要详细知道每条谱线的谱线位置、谱线强度和形状，而是假定谱线位置、谱线强度和形状分布符合一定的规律，并用数学函数表示出这种分布规律。窄谱带模型中的谱带参数是通过实验数据拟合确定，其波数间隔一般为5～50cm-1。

窄谱带模型的主要不足是不能够计算非均温气体。典型的窄谱带模型有Elsasser模型、统计窄谱带模型、统计窄谱带k关联分布模型等。

(3)宽谱带模型(Wide Band Models)

工程研究人员通常对整个谱带的热流情况更为关心，因此，需要建立模型可以很快的计算出整个谱带的总体发射率或吸收系数。黑体在整个振动—旋转波带上的强度变化不是很强烈，由此可以建立宽谱带模型。宽带模型的修正系数是窄带模型在整个波谱上的积分结果。宽带模型较前面的模型相对简单，因此该模型的使用较为广泛。相对于窄谱带模型而言，宽谱带模型可包括整个振动－旋转谱带。

宽谱带模型具有计算时间相对较少且相对易于求解等特点，该模型已成为工程实践中应用最为广泛的模型之一。目前已有的宽谱带模型主要包括箱体模型、指数宽带模型、宽带k分布模型等。

(4)总体模型(Global Models)

辐射热流分布情况是热力计算中最为关心的问题，可以用整体光谱辐射特性来计算整个热流，由此得到气体辐射传热计算的总体模型。

典型的总体模型为Hottel提出来的CO2和H2O的全光谱总发射率的线算图，全光谱总发射率线算图表达了气体总的发射率和气体分压、几何行程、总压和温度的曲线关系。Hottel线算图是由纯试验法得出的结果，就是通过试验测出气体黑度与辐射层厚度、总压、温度等的关系。由于试验设备的限制，烟气温度不能太高、辐射层厚度不能太大。所以高温、大辐射层厚度时的数据都是由低温、小辐射层厚度区域的数据外推得到，偏差比较大。对于未经精确计算的几何形状，当计算整个容积的介质对整个边界的辐射能力时，Hottel线算图采用方程的近似计算有效辐射层厚度：

s＝0.9s_b＝3.6V/A_V；

式中：

s——有效辐射层厚度/m；

s_b——当介质光学厚度很薄时的有效辐射层厚度/m；

V——气体容积/m3；

AV——包壁面积/m2。

Leckner等人根据统计窄谱带模型得到了CO2和H2O的全光谱总发射率新的线算图。这种方法的主要优点是：有理论指导，可以有根据的将较低温度、较小行程压力的试验结果，外推到高温、大压力行程长度区域，外推部分的结果比纯试验法外推的结果可靠性强。Leckner根据光谱积分线算图的结果推到得到了关于CO2和H2O发射率计算的简化计算式。当温度高于400K时，他推到得到的简化计算式与其光谱积分结果的偏差小于10％(对于H2O的最大偏差是5％，对于CO2的最大偏差是10％)。Leckner假设有热辐射的气体组分只有CO2和H2O，其余是N2，忽略气体成分的影响，包括CO2和H2O的互相影响也忽略，而气体光谱重叠参考Hottel的修正方法。由于Leckner根据光谱积分得到的线算图的也只涵盖了传统空气燃烧中CO2和H2O压力行程范围，难以直接应用于富氧燃烧条件下气体辐射传热计算。

Smith等人提出了一种总体模型——灰气体加权和模型(Weighted Sum of GrayGases Model，WSGGM)，将非灰性气体的辐射特性用等效灰气体来代替。对每种气体的辐射特性单独计算，乘以相适应的加权因子得到总气体的辐射特性，由于其用吸收系数表示辐射特性，避免了谱带模型的缺陷，可以和任意辐射传递方程求解方法结合，所以在工程上有广泛应用，尤其在数值模拟软件(例如Fluent)中得到了很好应用。

关于采用灰气体加权和模型计算气体发射率的具体方法将在下面予以具体介绍。

灰气体加权和模型由Smith等人于1982年提出，该模型的核心思想为将实际气体这种非灰气体等效为几种灰气体和一种不参与辐射换热的透明气体来替代，对每种气体的辐射特性单独计算，乘以相适应的加权因子得到总气体的辐射特性。灰气体加权和模型求解气体总发射率的计算方法如下：

式中：

a_ε,i(T_g)——第i种灰体的发射率的加权系数；

T_g——气体温度；

PL——压力行程，根据实际问题确定；

k_i——第i种灰体的吸收系数；

b_ε,i,j——第i种灰体的温度多项式系数；

I——假设的灰气体个数；

J——温度多项式个数；

近年来的研究表明，通过引入参考温度Tref(一般取1200K)将气体温度无量纲化，能极大简化该模型中相关参数的优化过程并提高模型参数的精度。引入参考温度Tref后，灰气体加权和模型求解气体总发射率的计算方法为：

通过以上的分析讨论可知，富氧燃烧烟气辐射传热特性与传统空气燃烧存在明显差异，目前已有的锅炉烟气辐射传热计算方法并不能直接适用于富氧燃烧锅炉，并且目前数值模拟中所用的WSGGM模型应用于求解富氧燃烧传热过程可能引起很大偏差。因此，有必要对目前的燃烧气态产物(主要是CO2和H2O)的辐射传热计算进行适当修正，以便使其能够更加准确的求解富氧燃烧炉膛烟气辐射传热。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法的一个实施例，包括：

101：根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率；

102：以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型；

103：对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率。

本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，通过根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率并以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型，从而对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率，通过修正的灰气体加权和模型解决了富氧燃烧条件下烟气辐射特性与传统燃烧存在明显差异，直接将目前的烟气辐射传热计算方法应用于富氧燃烧可能会引起很大偏差，难以实现富氧燃烧锅炉设计和校核热力计算的准确进行的技术问题。

本发明实施例根据目前应用最为广泛成功的指数宽谱模型(Exponential WideBandModel，EWBM)理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧可能涉及到的任意工况下CO₂+H₂O混合气体的气体发射率；然后，以指数宽谱模型求取的气体发射率数据为原始数据，根据灰气体加权和模型(Weighted Sum ofGray Gases Model，WSGGM)理论，对目前的灰气体加权和模型的模型参数进行修正和适当拓展，得到能够同时适用于传统空气燃烧和富氧燃烧的修正灰气体加权和模型参数。最后，对指数宽谱模型、修正灰气体加权和模型和Smith等人提出的WSGGM模型求解的锅炉烟气发射率进行对比分析。

以下将对本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法的另一个实施例进行描述：

本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法的另一个实施例，包括：

第一步：根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率；

第二步：以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型；

第三步：对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率。

第二步具体包括：

S201：在预设的灰气体加权和模型设置第四个灰体；

S202：对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、3次温度多项式拟合，同时对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、4次温度多项式拟合，获得修正灰气体加权和模型。

本发明实施例提供的修正的WSGGM中在Smith模型的基础上引入第4个灰体，分别对I＝4、J＝4和I＝4、J＝45的情况进行数据优化拟合，分别得到4灰体、3次温度多项式拟合和4灰体、4次温度多项式拟合。对于4灰体、3次温度多项式拟合而言，需要优化拟合的参数有16个；对于4灰体、4次温度多项式拟合而言，需要优化拟合的参数有20个。这些参数需要同时拟合优化，使得修正的WSGGM模型得到的气体发射率与EWBM模型原始数据的偏差最小。

步骤S202具体包括：

S202001：设置温度T的参数优化范围，每隔预设温度段设置一个温度点，设置几何行程L的参数优化范围，对所述几何行程L进行非等间距取点，获得不同间距的几何行程数据点；

例如：温度T的参数优化范围为500～3000K，每50K一个温度点，合计51个温度点；几何行程L的参数优化范围为0.001～60m，为了考虑不同几何行程数据点的合理分布，几何行程L的并非等间距取点，而是采用了以下的取点方式，当L≤0.001时，L＝L+0.04-0.001；当0.001<L<1时，L＝L+0.04；当L≥1时，L＝L+1；合计85个几何行程数据点。因此，优化参数数据总点数为51×85＝4335。

本发明实施例参数优化求解过程中采用数学优化分析软件1stOpt进行，进行多参数优化求解，将自编程序嵌入1stOpt中，利用程序本身的通用全局优化算法进行参数优化。

S202002：根据所述温度点和所述几何行程数据点对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况和所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得修正灰气体加权和模型。

以下将根据本发明实施例对某锅炉数值进行模拟计算的结果对本发明实施例的具体实施方式和达到的有益效果进行描述：

本发明实施例通过指数宽谱模型(EWBM)得到CO₂和H₂O气体发射率的原始数据，根据这些原始数据对已有的加权灰体模型进行修正拓展，得到4灰体，3次温度多项式的加权灰体模型和4灰体，4次温度多项式的加权灰体模型，模型参数分别如表1和表2所示。

表1

表2

表1表2中的模型参数即本发明实施例中修正灰气体加权和模型中的模型参数的其中一个例子。

第三步具体包括：

检测实际烟气中CO₂和H₂O浓度及浓度比，并根据所述CO₂和H₂O浓度及浓度比获取所述修正灰气体加权和模型中对应的模型参数；

根据获取的模型参数进行求解，获得锅炉烟气发射率。

具体地，修正模型中仅求取了有限的几种CO₂和H₂O浓度比工况下的模型参数，在实际计算中可能遇到不同于表1和表2的CO₂和H₂O浓度比的情况，此时该修正模型中模型参数的选取方法需具体限定，即根据实际烟气中CO2和H2O浓度及浓度比进行判断，从而选取与实际烟气最为接近的修正模型中特性工况的模型参数进行计算。

根据表1和2中所求取的模型参数及表3中列出的在实际计算时模型参数的选取方法，从而可以编制适用于富氧燃烧气相辐射传热计算的修正WSGGM模型的代码，并借助商用计算软件FLUENT的用户自定义接口(User defined function,UDF)将修正的WSGGM模型植入FLUENT平台，替代传统空气煤粉燃烧时使用的Smith的WSGGM模型，进行富氧燃烧条件下炉内辐射传热的计算，所编写的修正WSGGM模型代码为预设的代码。

表3

第二步之后，第三步之前还包括：

通过修正后的四步反应机理修正挥发分均相燃烧模型并模拟出H₂浓度和火焰温度；

根据所述模拟出的H₂浓度和火焰温度更新所述修正灰气体加权和模型；

所述修正后的四步反应机理为：

CH_yO_x+(0.5+0.25y-0.5x)O₂→CO+0.5yH₂O

CO+0.5O₂→CO₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

H₂+0.5O₂→H₂O。

对于煤粉颗粒的燃烧，挥发分的气相燃烧通常会释放煤粉燃烧总热量的50％左右，因此挥发分的均相燃烧对于煤粉颗粒的着火、火焰的稳定性以及污染物的排放都起着重要作用。在大型电站锅炉数值模拟中，出于计算时间方面的考虑，通常采用简单的总包反应机理来表示挥发分的具体燃烧过程，如在空气燃烧数值模拟中广泛采用Westbrook和Dryer提出的两步反应机理(简称WD两步反应机理)来模拟挥发分的燃烧，WD两步反应机理及动力学参数见表4。最近的研究表明，富氧燃烧条件下烟气中高浓度的CO2会直接参与气相的化学反应，若采用WD两步反应机理计算富氧条件下挥发分的燃烧，不仅会过高预测火焰温度，而且会过低预测燃烧器区域CO的浓度。

表4

表5

针对WD两步反应机理所存在的问题，Andersen采用详细的气相化学反应机理作为参比模型，对富氧燃烧条件下的WD两步反应机理进行修正，修正后的两步反应机理见表5。在丙烷富氧燃烧火焰的数值模拟中发现，对WD两步反应机理进行修正后，预测得到的温度场及火焰锋面区域的CO浓度场与实验结果更为接近。

对比WD两步反应机理，修正的WD两步反应机理以及修正的JL四步反应机理对模拟结果的影响。结果表明，在富氧燃烧条件下，传统的两步反应机理会过高预测火焰温度，而且会大幅过低预测燃烧器区域CO的浓度。修正的WD两步反应机理和修正的JL四步反应机理都能很好预测富氧燃烧条件下相对较高的CO浓度，并且修正的JL四步反应机理能更好预测H₂浓度和火焰温度。

因此本发明实施例中所采用的挥发分氧化机理为一修正后的4步反应机理，各反应的动力学参数见表6。

表6

第二步之后，第三步之前还包括：

通过三个焦炭表面反应公式设置焦炭燃烧模型并模拟出焦炭燃烧动力学参数；

根据所述模拟出的焦炭燃烧动力学参数更新所述修正灰气体加权和模型；

所述三个焦炭表面反应公式为：

C(s)+O₂→2CO

C(s)+CO₂→2CO

C(s)+H₂O→CO+H₂。

关于焦炭在富氧条件下的燃烧特性，目前不同学者得到的结论不尽相同。部分学者在滴管炉中的实验表明，和空气条件下相比，富氧燃烧条件下焦炭的燃尽率升高，并将焦炭的燃尽率提高归因于富氧条件下高浓度的CO2增强了焦炭的气化反应。然而，也有报道指出，富氧条件下由于O2在焦炭表面的扩散率降低从而降低了焦炭的反应活性。Dhaneswar的实验研究也表明富氧燃烧条件是否有利于焦炭的燃尽取决于燃用的煤种以及燃烧温度。

不同学者对不同尺寸的富氧燃烧装置中得到的焦炭燃尽特性不尽相同，这主要是由于和空气条件下相比，富氧气氛对于焦炭燃尽的影响是多方面的。一方面，富氧燃烧条件下更高氧浓度、更长的停留时间以及更剧烈的焦炭气化反应是有利于焦炭燃尽的因素；另一方面，富氧燃烧条件下燃烧器区域更低的温度水平、焦炭表面更低的O2扩散率及更低的焦炭表面温度都是不利于焦炭燃尽的因素。

对于富氧燃烧数值模拟中焦炭燃烧模型的选取，本发明实施例采用多表面反应模型来预测焦炭的燃烧过程，从而总体的焦炭消耗速率为3个焦炭表面反应的速率之和。以上3个反应的动力学参数可参考文献中的取值，详见表7。

表7

以下将对本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算装置进行描述。

本发明实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算装置，包括：

混合气体发射率计算模块，用于根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率；

修正灰气体加权和模型模块，用于以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型；

锅炉烟气发射率计算模块，用于对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率。

修正灰气体加权和模型模块具体包括：

第四灰体设置单元，用于在预设的灰气体加权和模型设置第四个灰体；

数据优化拟合单元，用于对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、3次温度多项式拟合，同时对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、4次温度多项式拟合，获得修正灰气体加权和模型。

数据优化拟合单元具体包括：

温度点及几何行程数据点设置子单元，用于设置温度T的参数优化范围，每隔预设温度段设置一个温度点，设置几何行程L的参数优化范围，对所述几何行程L进行非等间距取点，获得不同间距的几何行程数据点；

优化拟合子单元，用于根据所述温度点和所述几何行程数据点对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况和所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得修正灰气体加权和模型。

锅炉烟气发射率计算模块具体包括：

CO₂和H₂O浓度及浓度比检测单元，用于检测实际烟气中CO₂和H₂O浓度及浓度比；

模型参数获取单元，用于根据所述CO₂和H₂O浓度及浓度比获取所述修正灰气体加权和模型中对应的模型参数；

锅炉烟气发射率求解单元，用于根据获取的模型参数进行求解，获得锅炉烟气发射率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，包括：

S1：根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率；

S2：以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型；

S3：对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率。

2.根据权利要求1所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S201：在预设的灰气体加权和模型设置第四个灰体；

S202：对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、3次温度多项式拟合，同时对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、4次温度多项式拟合，获得修正灰气体加权和模型。

3.根据权利要求2所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S202具体包括：

S202001：设置温度T的参数优化范围，每隔预设温度段设置一个温度点，设置几何行程L的参数优化范围，对所述几何行程L进行非等间距取点，获得不同间距的几何行程数据点；

S202002：根据所述温度点和所述几何行程数据点对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况和所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得修正灰气体加权和模型。

4.根据权利要求1所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

检测实际烟气中CO₂和H₂O浓度及浓度比，并根据所述CO₂和H₂O浓度及浓度比获取所述修正灰气体加权和模型中对应的模型参数；

根据获取的模型参数进行求解，获得锅炉烟气发射率。

5.根据权利要求1所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括：

通过修正后的四步反应机理修正挥发分均相燃烧模型并模拟出H₂浓度和火焰温度；

根据所述模拟出的H₂浓度和火焰温度更新所述修正灰气体加权和模型；

所述修正后的四步反应机理为：

CH_yO_x+(0.5+0.25y-0.5x)O₂→CO+0.5yH₂O

CO+0.5O₂→CO₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

H₂+0.5O₂→H₂O。

6.根据权利要求1所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括：

通过三个焦炭表面反应公式设置焦炭燃烧模型并模拟出焦炭燃烧动力学参数；

根据所述模拟出的焦炭燃烧动力学参数更新所述修正灰气体加权和模型；

所述三个焦炭表面反应公式为：

C(s)+O₂→2CO

C(s)+CO₂→2CO

C(s)+H₂O→CO+H₂。

7.一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算装置，其特征在于，包括：

混合气体发射率计算模块，用于根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO₂+H₂O混合气体的气体发射率；

修正灰气体加权和模型模块，用于以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型；

锅炉烟气发射率计算模块，用于对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率。

8.根据权利要求7所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算装置，其特征在于，所述修正灰气体加权和模型模块具体包括：

第四灰体设置单元，用于在预设的灰气体加权和模型设置第四个灰体；

数据优化拟合单元，用于对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、3次温度多项式拟合，同时对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、4次温度多项式拟合，获得修正灰气体加权和模型。

9.根据权利要求7所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算装置，其特征在于，所述数据优化拟合单元具体包括：

温度点及几何行程数据点设置子单元，用于设置温度T的参数优化范围，每隔预设温度段设置一个温度点，设置几何行程L的参数优化范围，对所述几何行程L进行非等间距取点，获得不同间距的几何行程数据点；

优化拟合子单元，用于根据所述温度点和所述几何行程数据点对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况和所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得修正灰气体加权和模型。

10.根据权利要求7所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算装置，其特征在于，所述锅炉烟气发射率计算模块具体包括：

CO₂和H₂O浓度及浓度比检测单元，用于检测实际烟气中CO₂和H₂O浓度及浓度比；

模型参数获取单元，用于根据所述CO₂和H₂O浓度及浓度比获取所述修正灰气体加权和模型中对应的模型参数；

锅炉烟气发射率求解单元，用于根据获取的模型参数进行求解，获得锅炉烟气发射率。