富氧燃烧锅炉与常规空气燃烧锅炉相比其最大的特点在于增加了尾部再循环烟气和空气分离单元抽取的氧气^[1-3].此时, 进入气-气预热器的不再是冷空气, 而是上述循环烟气和分离氧气, 称为燃烧气.

常规空气燃烧锅炉是基于空气燃烧进行的, 而富氧燃烧锅炉是基于燃烧气进行的.常规空气燃烧锅炉焓温表的计算方法无法直接用于计算富氧燃烧锅炉烟气焓温表, 因此, 开展富氧燃烧锅炉烟气焓温特性研究非常必要.

本文根据常规空气燃烧锅炉烟气焓温表计算流程^[4-6], 进行了富氧燃烧锅炉烟气焓温特性计算模型研究, 并结合具体实例进行了分析比较, 所得研究结果可为富氧锅炉热力计算提供理论依据.

1 富氧燃烧锅炉烟气焓温特性 1.1 富氧燃烧锅炉烟气焓温特性计算

常规空气燃烧锅炉烟气焓由炉膛燃烧产物的理论烟气焓和过量冷空气焓计算而来, 即

(1)

式中:H_{y, cg}为常规空气燃烧锅炉实际烟气焓, kJ·kg^-1; H_y⁰为理论烟气焓, kJ·kg^-1; H_k⁰为理论空气焓, kJ·kg^-1; α_pj为计算区域平均过量空气系数.

理论烟气焓由燃烧产物中理论CO₂焓、理论N₂焓和理论水蒸气焓组成, 即

(2)

式中:V_CO2、V_N2⁰、V_H2O⁰分别为炉膛燃烧产物中理论CO₂体积、理论N₂体积、理论水蒸气体积, Nm³·kg^-1; (ct)_CO2、(ct)_N2、(ct)_H2O分别为指定烟气温度下1 Nm³ CO₂、N₂、H₂O的焓, kJ·Nm^-3.

理论空气焓计算式为

(3)

式中:(ct)_k为湿空气的焓, kJ·Nm^-3; V⁰为燃烧产物中理论空气体积, Nm³·kg^-1.

由于富氧燃烧条件下不存在理论烟气这一说法, 因此, 富氧燃烧锅炉烟气焓只能由炉膛燃烧产物下的实际烟气焓和漏入的空气焓来计算, 即

(4)

式中:H_{y, fy}为富氧燃烧锅炉烟气焓, kJ·kg^-1; H_{y, fy}^{lt, sj}为富氧燃烧锅炉炉膛燃烧产物下的实际烟气焓, kJ·kg^-1; ΔH_{k, fy}为从炉膛到计算受热面处漏入的空气焓, kJ·kg^-1.

炉膛燃烧产物下的实际烟气焓为

(5)

式中:V_CO2^lt、V_N2^lt、V_H2O^lt、V_O2^lt分别为富氧燃烧锅炉达到稳定循环状态后炉膛燃烧产物中CO₂、N₂、H₂O、O₂的体积, Nm³·kg^-1; (ct)_O2为指定烟气温度下1 Nm³ O₂的焓, kJ·Nm^-3.

从炉膛到计算受热面处漏入的冷空气焓为

(6)

式中:ΣΔα_i为从炉膛进口到计算受热面处漏风系数之和; (ct)_k为冷空气温度下1 Nm³湿空气的焓, kJ·Nm^-3, 此时冷空气的温度选为25 ℃.

1.2 循环烟气焓计算

富氧燃烧锅炉预热器进口再循环烟气具有一定的温度, 循环时会带入一部分热量进入炉内.再循环烟气由CO₂、N₂、H₂O、O₂四种成分组成, 若已知各组分的体积, 则预热器进口再循环烟气焓计算式为

(7)

式中:H_{xy, fy}为富氧燃烧锅炉预热器进口再循环烟气焓, kJ·kg^-1; V_{xy, CO2}、V_{xy, N2}、V_{xy, H2O}、V_{xy, O2}分别为富氧燃烧锅炉达到稳定循环状态后预热器进口再循环烟气中CO₂、N₂、H₂O、O₂体积, Nm³·kg^-1; (ct)_{xy, CO2}、(ct)_{xy, N2}、(ct)_{xy, H2O}、(ct)_{xy, O2}分别为再循环烟气温度下1 Nm³ CO₂、N₂、H₂O和O₂的焓, kJ·Nm^-3.

由于预热器进口再循环烟气中各组分的体积分数与脱水装置后烟气中各组分的体积分数对应相等, 因此预热器进口再循环烟气中各组分的体积为

(8)

式中:V_y^rec为富氧燃烧锅炉达到稳定循环状态后总的再循环烟气的体积, Nm³·kg^-1; r_CO2、r_N2、r_H2O、r_O2分别为富氧燃烧锅炉达到稳定循环状态后经脱水装置后烟气中CO₂、N₂、H₂O、O₂的体积分数, %.

1.3 分离氧气焓计算

由于空气分离单元抽取的氧气是燃烧气的一部分, 进入预热器时带入一部分热量, 因此在已知空气分离单元总分离氧气的体积分数时, 预热器进口总分离氧气焓计算式为

(9)

式中:H_{f, O2, fy}为富氧燃烧锅炉预热器进口分离氧气焓, kJ·kg^-1; V_O2^ASU为富氧燃烧锅炉达到稳定循环状态后从空气分离单元抽取的总氧气体积, Nm³·kg^-1; (ct)_{f, O2}为分离氧气温度下1 Nm³ O₂的焓, kJ·Nm^-3.

1.4 总燃烧气焓计算

燃烧所需的助燃剂在进入炉膛前已通过气气预热器预热到一定的温度, 因此具有一定的热量.热燃烧气由部分尾部再循环烟气和空气分离单元抽取的氧气组成, 主要成分是CO₂、N₂、H₂O和O₂.进入炉膛时带入的热量的计算式为

(10)

式中:Q_z为富氧燃烧锅炉每kg燃料燃烧所需要的热燃烧气带入炉内的热量, kJ·kg^-1; V_CO2^r、V_N2^r、V_H2O^r、V_O2^r分别为富氧燃烧锅炉达到稳定循环状态后炉膛进口总燃烧气中各组分的体积, Nm³·kg^-1; (ct)_{r, CO2}、(ct)_{r, N2}、(ct)_{r, H2O}、(ct)_{r, O2}分别为热燃烧气温度下1 Nm³ CO₂、N₂、H₂O和O₂的焓, kJ·Nm^-3.

2 计算实例与分析 2.1 焓温表计算结果

由于富氧锅炉和常规空气燃烧锅炉的燃烧组织方式差别很大, 因此两种燃烧方式的烟气焓温表计算内容也不相同.表 1给出了某富氧燃烧锅炉在氧气的体积分数为27%时的焓温表.

计算中采用炉膛进口总燃烧气中O₂和CO₂体积分数比为27: 73, 且循环过程中保持该比例不变.过氧量系数α_O2与常规空气燃烧方式下炉膛进口过量空气系数相同, 即α_O2=1.2, 计算得到炉膛进口总燃烧气中过量氧气体积ΔV_O2=0.259 Nm³·kg^-1.由于常规空气燃烧和富氧燃烧时炉膛进口总燃烧气中过量氧气体积相同, 参考文献[7]选取锅炉排烟温度, 尾部脱水装置拟采用直接接触式脱水装置(DCC), 选取前后脱水比例k_n=0.65, 该脱水装置下尾部再循环烟气的温度约为35 ℃.

由表 1可知, 富氧燃烧锅炉与常规空气燃烧锅炉焓温表之间的区别主要有三点:首先, 受热面处烟气焓计算方法不同, 常规空气燃烧锅炉烟气焓是由相同温度时炉膛燃烧产物下的理论烟气焓和实际空气焓组成, 而富氧燃烧锅炉烟气焓是由相同温度时炉膛燃烧产物下的实际烟气焓和从炉膛到指定受热面处漏风焓组成; 其次, 富氧燃烧锅炉炉膛进口助燃剂不再是空气, 而是循环烟气和分离氧气组成的燃烧气, 因此焓温表中增加了总燃烧气的焓, 用以计算富氧条件下锅炉炉内有效热量; 最后, 富氧燃烧锅炉排烟焓的计算不同于常规燃烧锅炉, 排烟中会有一部分热量重新被利用, 因此焓温表中需要增加再循环烟气焓和分离氧气焓.

2.2 氧气的体积分数不同时富氧燃烧烟气焓温特性

改变炉膛进口总燃烧气中O₂和CO₂的体积比, 比较不同工况下富氧燃烧锅炉焓温表计算结果, 氧气的体积分数为22%~30%.计算时选用不同工况下炉膛进口过氧量系数α_O2=1.2, 进而保证炉膛进口过量氧气体积ΔV_O2=0.259 Nm³·kg^-1.表 2为氧气的体积分数不同时富氧燃烧锅炉循环烟气焓、分离氧气焓和炉膛进口热燃烧气焓.

由表 2可知, 循环烟气温度和分离氧气温度相同时, 若总燃烧气中氧气的体积分数增加, 则循环烟气焓减小, 分离氧气焓增大, 热燃烧气焓减小.

3 结论

富氧燃烧受热面处烟气焓由相同温度时炉膛燃烧产物下的实际烟气焓和从炉膛到指定受热面处漏风焓组成; 富氧燃烧时排烟焓的计算方法不同于常规燃烧, 焓温表计算时增加了总燃烧气焓、再循环烟气焓和分离氧气焓.

富氧燃烧时, 当燃烧气中氧气的体积分数由22%增加到30%时, 循环烟气焓减小, 分离氧气焓增大, 热燃烧气焓减小, 锅炉的排烟体积、排烟焓均减小.