燃烧理论基础

烟气平均温度
空气下的对流换热系数 O2/CO2的对流换热系数
图4
BEA Confidential. | 21
可以得出结论：在相同条件下， O2/CO2气氛下的对流换热系数要明显高于 空气下的，增加的幅度在17%~30%之间。
BEA Confidential. | 22
主要内容
1 选题背景及论文的主要工作 2 高CO2浓度烟气的辐射换热特性 3 高CO2浓度烟气的对流换热特性 4 O2/CO2燃烧锅炉的整体布置 5 O2/CO2燃烧煤粉锅炉的热力计算 6 结论与展望
主要内容
1 选题背景及论文的主要工作 2 高CO2浓度烟气的辐射换热特性 3 高CO2浓度烟气的对流换热特性 4 O2/CO2燃烧锅炉的整体布置 5 O2/CO2燃烧煤粉锅炉的热力计算 6 结论与展望
BEA Confidential. | 7
2 高CO2浓度烟气的辐射换热特性
在O2/CO2燃烧气氛下，烟气中CO2的 体积份额达到百分之九十左右，辐射换热 的比例大大增加。国内外很多研究者对此 作了大量的工作，但还没有出现针对锅炉 进行具体计算分析的文献。考虑到三原子 气体对烟气辐射的重要影响以及试验、锅 炉设计等的需要，因此有必要对烟气的辐 射特性进行研究。
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
rCO2
1000K(1m) 1500K(1m) 2000K(1m) 1000K(10m) 1500K(10m) 2000K(10m)
图2-9 指数宽带模型计算结果
BEA Confidential. | 12
结论
利用灰气体加权和、Leckner数学式以及指数宽带模型， 通过对二氧化碳气体不同情况下的计算结果比较，可以得到 以下结论：
本论文做了以下几个方面的工作：
1. 高CO2浓度烟气的辐射特性研究 2. 高CO2浓度烟气的对流换热特性研究 3. O2/CO2燃烧锅炉的整体布置 4. O2/CO2燃烧锅炉的热力计算
通过热力计算，以期可以设计出合理的、满足要求的300 MW电 站煤粉锅炉。
BEA Confidential. | 6
混合气体的比热，决定于混合气体的组成成分和各成分气 体的比热。
cp
m1 m
c p1
m2 m
c p2
mn m
c pn
4. 烟气的密度ρ
气体的密度与压力成正比，与温度成反比。混合气体的密 度可由各相应组分的密度乘各组分的体积分数加和求得。
x11 x2 2 xn n
5. 烟气的普朗特数Pr
Pr
图2-6（S=10m T=2000K）
BEA Confidential. | 11
3.单个模型比较
eCO2 eCO2
eCO2
0.3 0.25
0.2 0.15
0.1 0.05
0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
rCO2
1000K(1m) 1500K(1m) 2000K(1m) 1000K(10m) 1500K(10m) 2000K(10m)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
烟气流速
空气下的对流换热系数
图2
O2/CO2的对流换热系数
BEA Confidential. | 20
3.烟气流速一定（8m/s）、进出口烟温变化，横向冲刷
顺列管束
60
对流换热系数
50
40
30
20
BEA Confidential. | 24
在O2/CO2燃烧气氛下，仅从烟气平均 温度和辐射传热的角度看，干烟气循环和 湿烟气循环对燃烧都是合适的，但综合锅 炉结渣、腐蚀和磨损等因素的影响，以干 烟气循环为佳。故在此选择干烟气循环， 烟气经过脱硫、除湿后进行再循环。
图2-7 WSGGM计算结果
0.2 0.15
0.1 0.05
0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 rCO2
1000K(1m) 1500K(1m) 2000K(1m) 1000K(10m) 1500K(10m) 2000K(10m)
图2-8 Leckner数学式计算结果
0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05
2.在大辐射层厚度（S=10m）
CO2的黑度
0.3 0.25
0.2 0.15
0.1 0.05
0
WSGGM Leckner EWBM
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 CO2的体积分数
CO2的黑度
0.3 0.25
0.2 0.15
0.1 0.05
0
WSGGM Leckner EWBM
BEA Confidential. | 15
这里以横向冲刷顺列管束为例，来说明对流换热的计 算。横向冲刷顺列管束的对流放热系数的计算公式如 下：
d
0.2CsCn
Re0.65 Pr0.33
d
式中Cs和Cn为结构修正系数，由换热器的形式和结构 决定，在换热器一定的情况下可视为不变；由计算公
式可以看出，对流放热系数与气体的导热系数λ、动力
1. 在一定压力和辐射层厚度下，温度升高，CO2的发射率 降低；
2. 在一定压力和温度下，辐射层厚度增加，CO2的发射率 增加；
3. 在一定压力、温度和辐射层厚度下，浓度增加，CO2的 发射率增加。
BEA Confidential. | 13
主要内容
1 选题背景及论文的主要工作 2 高CO2浓度烟气的辐射换热特性 3 高CO2浓度烟气的对流换热特性 4 O2/CO2燃烧锅炉的整体布置 5 O2/CO2燃烧煤粉锅炉的热力计算 6 结论与展望
BEA Confidential. | 14
3 高CO2浓度烟气的对流换热特性
在O2/CO2气氛下，烟气成分所占份额发生了很 大变化，对流放热系数不能采用常规方法按标准烟 气进行查图求值。根据烟气成分的物性按照公式进 行计算，就需要知道O2/CO2气氛下烟气的组分以及 各组分的物性参数。由于气氛的改变不会影响混合 烟气的组成，而只改变各气体所占份额，计算时烟 气成分按三原子气体、水蒸气、氮气（由燃料燃烧 产生）和氧气（过量助燃剂剩余氧量）计算。
1 选题背景及论文的主要工作
选题背景及其意义
全球 变暖
温室 效应
Biblioteka Baidu
CO2
燃煤电厂
化石燃 料燃 烧
BEA Confidential. | 3
碳的隔离处理被认为是减少温室气体在大 气中聚集的最好办法之一，从化石燃料的燃烧 过程中捕集并存储CO2成为备受关注的解决方 法，并且这项技术可以在不对能源供给结构作 大的改动的情况下广泛应用。有三种针对大容 量发电机组进行CO2捕捉的可行性方案，即燃 烧前碳氢化合物转化技术、O2/CO2燃烧技术、 燃烧后CO2化学吸收技术。三者都有其适用的 领域，但目前对于燃煤电厂大型锅炉而言， O2/CO2燃烧技术更具有优势。
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 CO2的体积分数
0.15 0.1 0.05
WSGGM Leckner EWBM
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 CO2的体积分数
0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
粘度μ、定压比热cp 、密度ρ和普朗特数Pr有直接关系。 烟气为混合气体，混合气体的物性数据可由各组成单
一气体的物性数据计算得到。下面就来计算相关参数：
BEA Confidential. | 16
1. 烟气的导热系数λ
气体的导热性主要是指分子运动时的能量传递，与粘度、热容有关。 迄今为止提出了许多关于低压下混合气体导热率的计算式，但其中多数 均可化成Wassiljewa方程的基本形式。1904年A. Wassiljewa提出如下形 式的混合气体导热率方程
BEA Confidential. | 8
气体辐射模型
光谱法 逐线计算法 谱带模型法
窄谱带模型法 宽谱带模型法——指数宽谱带模型 灰气体加权和模型 工程中二氧化碳、水蒸气辐射特性的计算 霍太尔线算图 三原子气体辐射减弱系数计算公式 莱克纳（Leckner）公式
BEA Confidential. | 9
n i1
Pri
cp c pi
M i M
0.81 xi
BEA Confidential. | 18
O2/CO2气氛下对流放热系数计算算例
表3-1 计算燃料成分
Car， Har， Oar， Nar， Sar， M， A， V， Qar,
%
%%
%
%
% % % kJ/kg
58.68 2.90 3.64 1.18 1.08 6.81 25.71 11.20 22434
n
xi i
n
i1
x j Aij
j 1
2.烟气的动力粘度μ
在0.1bar<p<10bar的压力范围内，气体混合物的粘度可据“平方根 法则”，从其混合组分粘度值中求得：
1x1 M1 2 x2 M 2 x1 M1 x2 M 2
BEA Confidential. | 17
3. 烟气的定压比热cp （这里是定压质量比热）
BEA Confidential. | 4
图1-1 O2/CO2燃烧电厂原理图
BEA Confidential. | 5
国内外研究者对该气氛下煤的燃烧特性特性、火焰辐射特性、 现有锅炉改造技术等等作了大量的研究工作。诸多研究表明 O2/CO2技术是可行的，并且很多国家都建立了O2/CO2燃烧示范 电站，也有筹建中的商业化电站。但目前还没有具体锅炉改造数 据出现。
0
WSGGM Leckner EWBM
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 CO2的体积分数
图2-1（S=1m T=1000K） 图2-2（S=1m T=1500K） 图2-3（S=1m T=2000K）
CO2的黑度 CO2的黑度 CO2的黑度
BEA Confidential. | 10
90 80 70 60 50 40 30 20 10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
烟气流速
空气下的对流换热系数 O2/CO2的对流换热系数
图1
2. 进出口烟温一定、流速变化，横向冲刷错列管束
对流换热系数
140 120 100
80 60 40 20
表3-2为算例的换热器结构参数及运行工况
管子直径，
管子横向 节距，
mm
mm
管子纵向 节距， mm
管子纵向 排数
烟气入口 温度， ℃
烟气出口 温度， ℃
51
600
65
28
1200
1100
BEA Confidential. | 19
计算结果及讨论
对流换热系数
1. 进出口烟温一定、流速变化，横向冲刷顺列管束
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 CO2的体积分数
图2-4（S=10m T=1000K）
0.25
图2-5（S=10m T=1500K）
0.2
CO2的黑度
0.15
0.1 0.05
0
WSGGM Leckner EWBM
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 CO2的体积分数
BEA Confidential. | 23
4 O2/CO2燃烧锅炉的整体布置
O2/CO2燃烧煤粉锅炉系统由四部分组成：空 气分离装置，O2/CO2燃烧锅炉本体，烟气再循 环系统和CO2回收/处理系统。与常规燃烧锅炉 最大的区别就在于增加了空气分离装置、烟气 再循环系统及CO2的捕集和存储装置；并且由于 烟气组分发生很大改变，因此燃烧特性、传热 特性等将随之发生改变，锅炉效率和能量消耗 随再循环烟气的抽取位置及组件配置的不同而 有所不同。
高CO2浓度烟气辐射特性的计算结果及分析
出于对计算的繁琐性和准确性的综合考虑，这里选用 灰气体加权和、莱克纳公式和指数宽谱带三种模型，来讨 论二氧化碳的浓度变化在不同情况下对二氧化碳气体发射 率的影响。
1.在小辐射层厚度（S=1m）情况下
0.2
0.2
0.15
0.1 0.05
WSGGM Leckner EWBM
硕士学位论文答辩
O2/CO2燃烧方式下 300MW煤粉锅炉设计
主要内容
1 选题背景及论文的主要工作 2 高CO2浓度烟气的辐射换热特性 3 高CO2浓度烟气的对流换热特性 4 O2/CO2燃烧锅炉的整体布置 5 O2/CO2燃烧煤粉锅炉的热力计算 6 结论与展望
BEA Confidential. | 2
10
0
350 450 550 650 750 850 950 1050 1150
烟气平均温度
空气下的对流换热系数 O2/CO2的对流换热系数
图3
4.烟气流速一定（8m/s）、进出口烟温变化，横向冲刷
错列管束
100
80
对流换热系数
60
40
20
0 350 450 550 650 750 850 950 1050 1150