CO2燃烧方式的锅炉热效率计算与分析

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ０２／ｃ０２ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｅａｃｈ ｈｅａｔ ｌＯＳＳ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｂｏｉｌｅｒｓ ｆｏｒ ３００ ＭＷ ｕｎｉｔｓ ｉｎ ｏｎｅ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｕｎｄｅｒ ０２／ｃ０２ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｂｅ—
２．３ 采用不同燃料发热值计算出的各项热损失之间 的换算［８１ 由于ＡＳＭＥ标准与ＧＢ １０１８４—１９８８采用了不同
的燃料发热量，故计算得到的各项损失的相对值不同。 国内电厂一般对采用燃料低位发热量的ＧＢ １０１８４— １９８８比较熟悉，为适应比较上的习惯，本文将燃料高 位发热量的各项损失换算成燃料低位发热值的各项热 损失，换算公式见表１。
２．２锅炉各项热损失的计算方法
（１）干烟气损失Ｌ。：
Ｌ２—１００Ｍｄｆｇ×Ｈｄｆｇ，％
（２）
式中：Ｍｄｒ。为锅炉出口干烟气质量，ｋｇ／Ｊ；Ｈ。ｆｇ为对应于
离开锅炉系统边界温度的烟气焓，Ｊ／ｋｇ。
（２）燃料中Ｈ。燃烧生成水而造成的损失Ｌ。：
Ｌ６—１００ＭｗＨ。ｆ×（Ｈｓ。一ＨｗＲ。），％
（３）
式中：Ｍ。刚为燃料中氢燃烧产生的水，ｋｇ／Ｊ；Ｈ。。为锅 炉排烟温度及压力６．８９４ ８×ｌｏ ３ Ｐａ下的水蒸气焓（以
Ｉｎｉｃｕｉｌｉｌ９８２＠１６３．ｃｏｉｎ
ＣＯ。燃烧技术中烟气的多次循环使得ＮＯ。的排放大 大降低。从技术经济角度来看，在火电厂分离回收并 封存ＣＯ。的各种主要潜在技术中，Ｏ。／ｃｏ。燃烧技术 具有明显的优势口］。由于此燃烧方式有一部分烟气会 再循环进入炉膛而不排人大气，这将减小锅炉排烟损 失，进而影响锅炉的热效率，因此研究Ｏ。／ｃｏ。气氛下 锅炉的热效率对评估富氧燃烧技术的经济性具有重要 意义。
２锅炉热效率和各项热损失
２．１锅炉热效率计算方法Ｅ６］
ＡＳＭＥ ＰＴＣ ４ １９９８共定义了１７项热损失和７ 项外来热量，其中一些数值甚小且难于测量，所以，往 往采用简化试验方法。本文采用如下简化公式来计算 锅炉高位发热值效率：
哝ｌ一１００一Ｌ２一Ｌ６一Ｌ３一Ｌ７一Ｌ４一Ｌ５一Ｌ８ （１）
式中：叩ｇ，为锅炉效率，％；Ｌ。为干烟气损失，％；Ｌ。为 燃料中Ｈ。燃烧生成水而引起的损失，％；Ｌ。为固体或 液体燃料中的水分引起的损失，％；Ｌ，为空气中水分 引起的损失，％；Ｌ。为未燃尽碳引起的损失，％；Ｌ。为 表面辐射与对流引起的损失，％；Ｌ。为未计及热损失 （包括不能分类、难于测量和制造厂为达到所计算的效 率而留有的余量），％。
采用０２／Ｃ０２燃烧方式的锅炉
热效率计算与分析
阎维平，米翠丽，梁秀俊，李春燕
华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定０７１００３
［摘
要］ 介绍了Ｏ。／ｃｏ。燃烧方式的技术特点，采用ＡＳＭＥ Ｍｗ机组锅炉在Ｏ。／ｃｏ。和空气气氛下的各项热损失和锅炉热
效率进行了计算比较。结果表明，采用Ｏ。／ｃｏ。的富氧燃烧技术可明显提高锅炉热效
率，而且烟气中高浓度的ＣＯ。降低了分离回收ＣＯ。的成本。另外，通过对比不同氧气
浓度下的锅炉热效率，表明采用Ｏ。／ｃｏ。燃烧方式时，Ｏ。的容积百分数不宜大于３０％。
［关键 词］ ０。／ｃｏ。燃烧技术；富氧燃烧；锅炉热效率；热损失；ＡＳＭＥ标准 ［中图分类号］ ＴＫ２１２．＋４
表１燃料高位发热量损失与燃料低位发热量损失的转化
项目
干烟气热损失Ｌ。 燃料中水分引起的热 损失ｂ
燃料中氢燃烧生成的 水引起的热损失Ｌｓ 空气中水分引起的热 损失Ｌ，
未燃尽碳损失Ｌａ
表面辐射与对流引起 的损失Ｌ５
未计及热损失Ｌｓ
低位发热量热损失
Ｌ２·Ｑｇｗ，ｙ／Ｑｄ… （Ｌａ·Ｑｎｙ Ｍ。·２ ５８１．８７）／Ｑｄ。，ｙ
为基准），Ｊ／ｋｇ。
（５）灰渣中未燃碳引起的损失Ｌ。：
Ｌａ—ＭＵｕｃ丽／１ＵＣＲ，％ （６）
Ｍｕｂｃ一而Ａａｒ＝＊Ｃ瓦ＵＣＲ
（７）
式中：Ｍｍ。为灰渣中未燃碳的质量百分数，％；Ｈｕ。。为存
在于灰渣中碳的发热量，取为３３ ７２７ Ｊ／ｋｇ；ＨＨⅦ为
燃料的高位发热量，Ｊ／ｋｇ；Ａ。，为燃料中灰分含量，％； Ｃｕ。Ｒ为灰渣平均可燃物含量，％。
图１ ０：／ｃｏ：燃烧技术原理
目前国内外对富氧燃烧技术的研究主要集中在燃 烧机理以及污染物的排放特性上，而对其对锅炉经济 性的影响主要侧重于考虑制氧成本。按照国际动力行 业的惯例，锅炉热效率评定均采用美国机械工程师协 会（ＡＳＭＥ）１９９８年颁布的《锅炉性能试验规程》，该规 程较我国１９８８年颁布的《电站锅炉性能试验规程》 （ＧＢ １０１８４—１９８８）［５１更细致、全面、合理。本文采用 ＡＳＭＥ ＰＴＣ ４ １９９８中的热损失法计算并分析空气 和富氧２种气氛下锅炉的各项热损失及锅炉热效率， 为评估该燃烧技术经济性提供依据。
（４）化学未完全燃烧损失ＡＳＭＥ标准中的碳氢 化合物的热值系数是经过实时分析测定的，所以 ＡＳＭＥ标准更加精确可靠。
ＡＳＭＥ标准锅炉热效率计算方法细致、全面，在 实际试验中，可以通过协商引入不可计算损失，把燃料 低位发热量作为输入热等方法，从而实现快速、准确计 算；而ＧＢ １０１８４—１９８８计算方法简单、明了。
（２）烟气量ＡＳＭＥ标准的烟气量主要是基于烟 气分析，计算公式简洁，但需使用精度等级较高的奥氏 仪测得排烟出口的烟气各成分含量；ＧＢ １０１８４—１９８８ 基于煤质分析，从成因方面间接考虑，一般使用便携式 氧量仪和一氧化碳测量仪即可，但是需要逐一计算许 多中间量。
（３）干烟气损失 ＡＳＭＥ标准和ＧＢ １０１８４—１９８８ 的干烟气损失计算式的形式相同，但式中所用的基准 温度不同，前者将暖风器出口温度作为基准温度，而后 者选取冷空气温度作为基准温度。ＡＳＭＥ标准规定， 与排烟损失有关的干烟气量取为锅炉出口（省煤器出 口）处的烟气量，而温度则为空气预热器出口烟温，ＧＢ １０１８４—１９８８定义的排烟损失直接由实际测量的排烟 温度与实际烟气量计算。比较而言，ＡＳＭＥ ＰＴＣ ４ １９９８的定义更合理些，因为空气预热器内的漏风是外 界空气直接漏到烟气侧，除了降低排烟温度外，不起任 何作用。
（Ｌ６·Ｑｇｗ，ｙ Ｈ。，·２２ ６０８．７２）／Ｑｄ，，．，
Ｌ７·Ｑ㈣ｙ／Ｑｄ。，ｙ Ｌ４·Ｑｇｗ，ｙ／Ｑｄ… Ｌ５·Ｑｇｗ，ｙ／Ｑｄ… Ｌ８·Ｑｇｗ，ｙ／Ｑｄ…
３ ＧＢ １０１８４—１９８８Ｅ５３与ＡＳＭＥ标准‘６］
执
的比较
（１）燃料发热量 ＡＳＭＥ标准锅炉的热损失法热 效率计算采用高位发热量作为燃料的输入热量；ＧＢ １０１８４—１９８８沿用前苏联的模式，采用低位发热量计 算锅炉热效率。
４ 计算实例
对某电厂１台１ ０２５ ｔ／ｈ锅炉，采用ＡＳＭＥ ＰＴＣ ４一１９９８分别计算其在空气气氛和Ｏ。／ｃｏ。气氛下 （Ｏ。与ＣＯ。容积配比为３０％／７０％）的锅炉热效率，同 时还计算出了Ｏ。容积百分比为２１％和４０％两种情况 下的锅炉热效率，并对计算结果进行了分析。
两种气氛下选用相同的煤种，煤种成分为：Ｃ。。一 ３６．２８％，Ｓ。，一０．３５％，Ｈ。。一２．６４％，Ｏ。，一１０．１１％， Ｎ。，一０．６３％，Ａ。，一１７．８９％，Ｍａ，一３２．１％，Ｑ ｄｗ＇，一 １３ ２９０ ｌ【Ｊ／ｋｇ，Ｑ。，一１４ ５７２．１４ ｋＪ／ｋｇ。两种气氛下 测试的原始数据如表２所示。
ｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｓｔｉｐｌａｔｅｄ ｉｎ ＡＳＭＥ ＰＴＣ４—１ ９ ９ ８，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｉｎ ａｉｒ ａｔ
ｍｏｓｐｈｅｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｂｏｉｌｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ０２／ｃ０２ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ Ｃ０２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｆｌｕｅ ｇａｓ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｆｏｒ
［文献标识码］ Ａ
［文章编号］ １００２—３３６４（２００９）０６—００２０～０４
ＥＤＯＩ编号］ １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—３３６４．２００９．０６．０２０
ＣＡＬＣＵＬＡＴＩｏＮ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ０Ｆ ＴＨＥＲＭＡＬ ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ ＦＯＲ ＢＯＩＬＥＲＳ ＡＤＯＰＴＩＮＧ ０２／ｃ０２ ＣｏＭＢＵＳＴＩｏＮ ＭＯＤＥ
０℃液态水为基准），Ｊ／ｋｇ；ＨｗＲ。为基准温度ＴＲ。（２５
。Ｃ）下的水焓，Ｊ／ｋｇ。
（３）燃料中水分造成的损失Ｌ。：
Ｌ３—１００Ｍｗ×（Ｈｓ．一ＨｗＲ。），％
（４）
式中：Ｍｗ为燃料中的水分质量百分数，％。
（４）空气中水分引起的损失Ｌ，：
Ｌ７—１００ｄｋ×Ｌ。×Ｈｗ，％
式中：ｄｔ为空气湿度，ｋｇ／ｋｇ干空气；Ｌ。为干空气质 热 量，ｋｇ／Ｊ；Ｈｗ为锅炉排烟温度下的水蒸气焓（以２５。Ｃ
３０％ｉｎ ｕｓｉ’ｎｇ ｔｈｅ ０２／ｃ０２ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：０２／ｃ０２ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｏｘｙｇｅｎ—ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；ｈｅａｔ ｌｏｓｓ；ＡＳＭＥ ｓｔａｎｄａｒｄ
烟气再循环的富氧燃烧技术是用空气分离获得的 纯氧和一部分锅炉排烟构成的混合气代替空气作为燃 烧时的氧化剂，以提高排烟中的ＣＯ。浓度，因此富氧 燃烧技术也称为Ｏ。／ｃｏ。燃烧技术，或空气分离／烟气
ＹＡＮ Ｗｅｉ—ｐｉｎｇ，ＭＩ Ｃｕｉ—ｌｉ，ＬＩＡＮＧ Ｘｕ—ｊｔｉｎ，ＬＩ Ｃｈｕｎ—ｙａｎ
Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｈｅｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ＰＲＣ
（６）表面辐射和对流引起的热损失Ｌ。。表面辐射
万方数据
和对流引起的热损失是锅炉的散热损失，ＡＳＭＥ ＰＴＣ ４—１９９８根据传热学的原理规定了比较准确、但也很 繁琐的方法，要求测量锅炉性能试验边界内所有向外 散热的外表面的实际面积、各表面积局部的壁面温度、 环境温度和环境空气流速，并计算局部辐射对流放热 系数［７］。因此，实施ＡＳＭＥ ＰＴＣ ４—１９９８时，确定锅 炉散热损失是最复杂、工作量最大的一项内容，本文对 散热损失的计算将直接采用锅炉出厂时的设计值。
执
ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ Ｃ０２．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｂｏｉｌｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆ—
ｆｅｒｅｎｔ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ ｓｈｏｕｌｄ ｎｏｔ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ
再循环技术。Ｏ。／ｃｏ。燃烧方式更适合于煤的燃烧。 经干燥脱水后烟气中ＣＯ。的浓度可达９５％以上，在液 化处理以ＣＯ。为主的烟气时，ＳＯ。同时也被液化回 收，可省去烟气脱硫设备Ｅｌ ２］。与空气气氛相比，Ｏ。／
能基础研究～热麴耀避。二Ｏ
作者简介
Ｏ九
寨繁豢鬻蓁冀心 Ｅ—ｍａｉｌ ； 万方数据
阎维平（１９５５一），男，汉族，北京人，１９９２年西安交通大学热能工程专业博士研究生毕业，工学博士，现为华北电力大学教授，博士生导 师，从事高效低污染煤燃烧理论、新能源开发与利用、电站锅炉煤粉燃烧技术和锅炉安全经济运行方面的教学与研究。
１ Ｏ：／ｃｏ：燃烧方式的技术特点
０。／ｃｏ。燃烧方式通过循环烟气来调节燃烧温 度，同时循环烟气又替代空气中的Ｎ。来携带热量以 保持锅炉的传热和热效率，其原理如图１所示。与传 统燃烧方式不同，Ｏ。／ｃｏ。燃烧技术具有以下特点［４］： （１）在０。／ｃｏ。气氛下，为了获得与空气气氛相似的绝 热火焰温度，气氛中的氧浓度需高达３０％；（２）高浓度 ＣＯ。的存在具有较高的比热容和辐射特性，锅炉的辐 射换热与空气气氛有较大差异；（３）大比例的烟气循环 使得锅炉的排烟量减少７５％左右，锅炉排烟热损失大 大降低。