一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法与流程

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一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法与制造工艺

本发明涉及电站煤粉富氧燃烧领域,尤其涉及一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法。



背景技术:

目前针对燃煤电站锅炉CO2减排的技术路线主要分为三种:燃烧前捕集,在现有IGCC系统中的气化炉之后增加转化器,将气化气中的CO转化为CO2后进行捕集,剩余的低碳可燃气体可用于燃气轮机做功或用于化工原料。燃烧后捕集,对电站锅炉排放烟气中的CO2通过物理、化学或微生物吸收的方法进行捕集。燃烧中捕集,典型的技术是富氧燃烧技术。富氧燃烧的概念是1982年由Abraham提出的,当时的目的是为了捕集CO2用于提高原油产量。

富氧燃烧技术是一种较容易实现CO2富集及减排的技术。该技术是将纯氧与主要成分为CO2的再循环烟气以一定比例混合(混合后的气体称为助燃气或燃烧气)后送入炉膛与燃料混合燃烧。由于几乎杜绝了传统燃烧方式中的氮气,富氧燃烧产生烟气中的CO2浓度较高。燃烧产生的含高浓度CO2的烟气,一部分以再循环方式与纯氧混合后进入炉膛,用于干燥、输送燃料和控制炉膛燃烧温度;另一部分则经过相对简易的除杂处理后,如冷凝、干燥等,即可直接进入压缩设备进行CO2储存。该技术既适用于电厂旧锅炉改造,也可用于新建锅炉,具有成本低、可靠性高,与现有锅炉燃烧技术继承性好的优点,也是最容易被传统发电企业接受的CO2减排技术路线。

富氧燃烧技术特点

(1)烟气再循环方式

与常规空气燃烧锅炉相比,富氧燃烧锅炉需额外增加空气分离装置、再循环烟气系统、烟气冷凝脱水设备以及CO2压缩储存装置等。富氧燃烧技术使用烟气循环将O2浓度降低而不直接使用纯氧的原因是要控制炉膛火焰温度不至于太高。其中,再循环烟气系统存在两种再循环方式,即干烟气再循环和湿烟气再循环(也有文献称为冷循环和热循环)。无论是干烟气再循环方式还是湿烟气再循环方式,都需将再循环烟气分为两部分,即一次再循环烟气和二次再循环烟气。由于一次再循环烟气用于干燥与输送煤粉,因此,一次再循环烟气经过除尘器后必须经冷凝器脱除其中大部分的水分。然而,二次再循环烟气主要用于控制炉膛燃烧温度以及满足受热面的换热要求,它有两种循环方式。将二次再循环烟气经过除尘器后直接送入锅炉炉膛而不脱水的方式称为湿烟气循环;将二次循环烟气经过除尘器并且脱水后送入锅炉炉膛的方式称为干烟气循环。两种烟气再循环方式具有以下优缺点:

1)干烟气再循环方式的优点:二次再循环烟气中水蒸气容积份额小,锅炉燃烧产生的烟气中CO2纯度高,有利于CO2的富集;烟气中水蒸气份额小,有利于防止尾部低温受热面的低温腐蚀。干烟气循环方式的缺点:二次再循环烟气需经冷凝器冷却脱水,使得这部分烟气中的热量在冷凝器中释放而白白浪费,降低了能源利用效率;此外,冷凝器除需要冷凝一次再循环烟气之外,还需处理二次再循环烟气,增大了冷凝器的投资和运行成本。

2)湿烟气再循环方式的优点:与干烟气再循环方式相比,二次再循环烟气直接来源于除尘器出口,此时烟气温度较高,将高温二次再循环烟气送入锅炉有利于提高能源利用效率;二次再循环烟气不需要经过冷凝器冷凝脱水,冷凝器的烟气处理量减少(只需冷凝一次再循环烟气),冷凝器的投资和运行费用相对较低。湿烟气循环方式的缺点:二次再循环烟气中水蒸气容积份额大,锅炉燃烧产生的烟气中CO2纯度相对较低,不利于CO2的富集;烟气中水蒸气份额大,容易使尾部低温受热面产生低温腐蚀。

3)此外,烟气再循环方式不同,使得燃烧产生的烟气成分不同,从而导致烟气的物性参数有所区别,进而导致烟气的辐射和对流换热特性不同。

(2)燃料燃烧及烟气特性

与常规空气燃烧方式不同,富氧燃烧方式下,送入炉膛的助燃气(燃烧气)由纯氧和再循环烟气混合而成。空气燃烧方式下的燃料燃烧计算方法、烟气焓值计算方法均不再适用于富氧燃烧方式下的燃料燃烧计算、烟气焓值计算。需对富氧燃烧锅炉燃料燃烧计算方法和烟气焓值计算方法展开研究。

空气燃烧条件下,实际烟气的物性参数是在采用水蒸气份额等参数对平均成分烟气的物性参数进行修正的基础上得到的。但是,富氧燃烧条件下,烟气的成分远偏离平均成分烟气(ωv=0.11,),此时,不能采用此方法计算烟气物性参数(运动粘度、导热系数和普朗特数等)。

(3)富氧燃烧锅炉热平衡计算

富氧燃烧锅炉热平衡计算方法与常规锅炉热平衡方法相似,存在同样的热损失项(排烟热损失、机械不完全燃烧热损失、化学不完全燃烧热损失、散热损失及其他热损失项),仅有部分细节方面存在不一样。例如,由于两种燃烧方式下氧化剂中的氧气浓度不一样,会导致机械不完全燃烧损失和化学不完全燃烧损失不同。

(4)烟气传热特性

富氧燃烧方式与空气燃烧方式下产生烟气的最大区别在于烟气中CO2和N2的含量不同,富氧燃烧锅炉中的烟气以CO2(一般高达80%以上)为主,空气燃烧锅炉中的烟气以N2为主。CO2与N2的主要区别:CO2分子密度大于N2分子密度,故富氧燃烧产生的烟气密度大于空气燃烧产生的烟气密度;CO2比热大于N2比热,1200K时CO2比热是N2比热的1.6倍;CO2是三原子气体,其辐射能力强于N2;O2在CO2气氛中的扩散系数小于其在N2气氛中的扩散系数。

由于富氧燃烧条件下三原子气体的浓度增加、烟气体积较小导致灰粒子浓度提高等原因,将使得富氧燃烧条件下炉内辐射能力大于空气燃烧条件下。由于辐射能力的增强,使富氧燃烧锅炉炉膛达到同样的辐射换热效果,其火焰温度可低于空气燃烧。此外,烟气具有更强的换热能力,对于对流受热面而言,在同样的受热面结构下,虽然烟气量减少流速降低,但是其传热系数仍增大,故受热面的传热量更大,受热面出口烟温减低。由以上分析可知,富氧燃烧锅炉中烟气的辐射和对流传热特性都与空气燃烧锅炉有一定的差别。

综上可知,富氧燃烧技术与常规空气燃烧技术存在着一定的差别,要实现富氧燃烧技术的大规模工业化应用,仍然面临着许多挑战,常规空气燃烧技术导致了富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算不够精确的技术问题。



技术实现要素:

本发明实施例提供了一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法,解决了目前由于富氧燃烧技术与常规空气燃烧技术存在着一定的差别,常规空气燃烧技术导致的富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算不够精确的技术问题。

本发明实施例提供了一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法,其特征在于,包括:

获取到炉膛进口1kg燃料输入锅炉的热量、炉内换热部件有效利用热量、排烟热损失、化学未完全燃烧热损失、机械未完全热损失、散热损失、灰渣热损失,通过预置的锅炉热平衡方程式进行富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算。

优选地,所述炉膛进口1kg燃料输入锅炉的热量Qr的计算公式为:

式中,为固体(液体)燃料应用基低位发热量,单位为kJ·kg-1或气体燃料干燥基低位发热量,单位为kJ·m-3;ir为燃料的物理热,单位为kJ·kg-1

优选地,所述排烟热损失的百分比计算公式为:

式中,Q2为排烟热损失;Ig,py为空气预热器出口处、烟气温度为θpy时的烟气焓值,单位为kJ·kg-1;为空气预热器进口还未被预热的氧气焓值,单位为kJ·kg-1;Ig,rec为空气预热器进口还未被预热的再循环烟气焓值,单位为kJ·kg-1;IA为漏人锅炉的冷空气焓值,单位为kJ·kg-1;q4为机械未完全燃烧热损失百分比。

优选地,所述化学未完全燃烧热损失的百分比计算公式为:

式中,Q3为化学未完全燃烧热损失。

优选地,所述机械未完全燃烧热损失的百分比计算公式为:

式中,Q4为机械未完全燃烧热损失。

优选地,所述散热损失的百分比计算公式为:

式中,Q5为散热损失。

优选地,所述灰渣损失的百分比计算公式为:

式中,Q6为灰渣损失。

优选地,所述炉内换热部件有效利用热量的计算公式为:

Q1=(Dgq-Djw)(igq″-igs)+Djw(igq″-ijw)+Dps(ips-igs)

+(Dzq-Dzjw)(izq″-izq′)+Dzjw(izq″-izjw)+Qql

式中,Dgq为生产出的过热蒸汽的流量,单位为kg/s;Djw为过热蒸汽减温水的流量,单位为kg/s;Dps为锅炉排污水的流量,单位为kg/s,当排污量小于2%时,排污水热量可不必考虑;Dzq为再热蒸汽的流量,单位为kg/s;Dzjw为再热蒸汽减温水的流量,单位为kg/s;igq″为过热蒸汽焓,单位为kJ/kg;igs为给水焓,单位为kJ/kg;ijw为过热蒸汽减温水的焓,单位为kJ/kg;ips为排污水焓,单位为锅筒压力下的饱和水焓,kJ/kg;izq″为再热蒸汽出口焓,单位为kJ/kg;izq′为再热蒸汽入口焓,单位为kJ/kg;izjw为再热蒸汽减温水的焓,单位为kJ/kg;Qql为其它利用的总热量,如由锅炉加热送往用户的热水或蒸汽带走的热量,单位为kW。

优选地,本发明实施例提供的一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法还包括引入保热系数,所述保热系数的计算公式为:

式中,η为锅炉效率。

优选地,所述锅炉效率的计算公式为:

从以上技术方案可以看出,本发明实施例具有以下优点:

本发明实施例提供了一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法,包括:获取到炉膛进口1kg燃料输入锅炉的热量、炉内换热部件有效利用热量、排烟热损失、化学未完全燃烧热损失、机械未完全热损失、散热损失、灰渣热损失,通过预置的锅炉热平衡方程式进行富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算。本实施例解决了目前由于富氧燃烧技术与常规空气燃烧技术存在着一定的差别,常规空气燃烧技术导致的富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算不够精确的技术问题。

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富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法,解决了目前由于富氧燃烧技术与常规空气燃烧技术存在着一定的差别,常规空气燃烧技术导致的富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算不够精确的技术问题。

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。

请参阅图1,本发明实施例提供了一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法,包括:

101、获取到炉膛进口1kg燃料输入锅炉的热量、炉内换热部件有效利用热量、排烟热损失、化学未完全燃烧热损失、机械未完全热损失、散热损失、灰渣热损失,通过预置的锅炉热平衡方程式进行富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算。

在本实施例中,锅炉热平衡是指其输入热量与输出热量之间的平衡。输入锅炉的热量是指伴随燃料送入锅炉的热量,主要源于燃料燃烧放出的热量。锅炉输出热量主要分为两部分,一部分是生产蒸汽或热水的有效利用热量,另外一部分为各项热损失。

富氧燃烧锅炉中输入锅炉的热量具体可以分为3部分:炉膛进口1kg燃料输入锅炉的热量,用Qr表示;空气预热器进口还未被预热的再循环烟气(包括依次循环烟气和二次循环烟气)的焓值,用Ig,rec表示;空气预热器进口还未被预热的氧气焓值

富氧燃烧锅炉输出热量分成6个部分:炉内换热部件有效利用热量Q1,包括省煤器、水冷壁、过热器、再热器内工质(水或蒸汽)的吸热量;空气预热器出口锅炉排烟热量,即排烟热损失Q2;CO、H2这类可燃气体未完全燃烧造成的化学未完全燃烧热损失Q3;固体燃料未完全燃烧造成的机械未完全热损失Q4;锅炉机组整体温度高于外界而造成的热量损失,即散热损失Q5;锅炉排渣带出炉外的一部分热量,即灰渣损失Q6

一般的热平衡方程式具有如下形式:

Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

若以送入锅炉热量的百分数来表示,则为:

100=q1+q2+q3+q4+q5+q6

…………

炉膛进口1kg燃料输入锅炉的热量Qr的计算公式为:

式中,为固体(液体)燃料应用基低位发热量,单位为kJ·kg-1或气体燃料干燥基低位发热量,单位为kJ·m-3;ir为燃料的物理热,单位为kJ·kg-1

在本实施例中,虽然把再循环烟气焓和分离氧气焓作为输入系统热量的一部分,但是这两部分的热量最终还是通过排烟离开系统。因此,热平衡计算中应以这两部分热量为基准,实际计算送入锅炉热量时,不计入这2项带入的热量;实际排烟热损失Q2计算时,需要从排烟热量中扣除这2项。

排烟热损失是由于排出锅炉的烟气焓高于进入锅炉时的氧气焓和再循环烟气焓而造成的热损失。它锅炉热损失中最主要的一项,排烟热损失的百分比计算公式为:

式中,Q2为排烟热损失;Ig,py为空气预热器出口处、烟气温度为θpy时的烟气焓值,单位为kJ·kg-1;为空气预热器进口还未被预热的氧气焓值,单位为kJ·kg-1;Ig,rec为空气预热器进口还未被预热的再循环烟气焓值,单位为kJ·kg-1;IA为漏人锅炉的冷空气焓值,单位为kJ·kg-1;q4为机械未完全燃烧热损失百分比。

当锅炉装有内置式除尘器时,内置式除尘器将带走飞灰中的热量,这也是热损失的一部分,因此排烟热损失中应增加该项热损失。

化学未完全燃烧热损失的百分比计算公式为:

式中,Q3为化学未完全燃烧热损失。

化学未完全燃烧热损失的大小至于排烟成分有关。若已知富氧燃烧锅炉尾部烟气成分,则可以采用常规燃烧锅炉化学未完全燃烧热损失的计算方法求解富氧燃烧锅炉的q3

常规锅炉设计时是通过经验数据选取得到q3的值,其与燃料种类、燃烧方式和炉膛过量空气系数等有关参数有关,一般常规燃烧煤粉锅炉在完全燃烧的条件下取q3=0。因此,对于富氧燃烧锅炉,如果炉内燃烧工况良好、燃料燃烧完全,可近似选取富氧燃烧锅炉化学不完全燃烧热损失q3=0。

机械未完全燃烧热损失由以下三部分组成:

(1)灰渣损失是由灰渣中未燃烧或未燃尽碳粒引起的损失;

(2)飞灰损失是因未燃尽碳粒随烟气排出炉外而引起的损失;

(3)漏煤损失是由部分燃料经炉排落入灰坑引起的损失,它只存在于层燃炉中。

机械未完全燃烧热损失的百分比计算公式为:

式中,Q4为机械未完全燃烧热损失。

常规空气燃烧锅炉设计时,q4的值通常是按照手册中的经验推荐系数来选取的。如燃用烟煤的固态排渣煤粉锅炉的机械不完全燃烧热损失q4=0.05~0.08之间,锅炉的燃烧方式、燃料种类、过量空气系数等是影响q4的主要因素。在其他条件相同的情况下,考虑到富氧燃烧锅炉比常规锅炉更能保证煤粉的充分燃尽,富氧燃烧锅炉的q4要小于常规锅炉的q4。故在进行富氧燃烧锅炉设计时,可按常规空气燃烧锅炉q4的经验数据作为参考值,对q4进行合理的选取。

散热损失是由于锅炉炉墙、锅筒、集箱、汽水管道、烟风管道等部件的温度高于周围大气而向四周环境所散失的热量。散热损失的百分比计算公式为:

式中,Q5为散热损失。

锅炉的散热损失通过试验测定比较困难,目前常规空气燃烧锅炉q5常用的计算方法是按锅炉的额定容量选一经验值。一般而言,相同容量的富氧燃烧锅炉与常规空气燃烧锅炉在相同工况下的散热损失近似相等。因此,可按照常规锅炉q5的计算方法来计算富氧燃烧锅炉的q5。当锅炉容量大于900t/h时,取q5=0.2。当运行负荷与额定负荷相差大于25%时,q5值应按下式换算:

式中:为额定负荷下的散热损失,单位为%;De为额定负荷的工质流量,t/h;D为运行负荷的工质流量,t/h。

散热损失按各段烟道不管怎样选取划分,实际上并不影响计算结果。为方便起见,各段烟道所占散热损失的份额可认为与该烟道中烟气放热量成正比。因此在计算烟气放给受热面的热量时,引入一个保热系数来考虑:

式中,η为锅炉效率,锅炉效率的计算公式为:

锅炉的热损失中,除了上述损失外主要还有灰渣热损失,它是灰渣排出炉外时带走的热量。灰渣损失的百分比计算公式为:

式中,Q6为灰渣损失。

优选地,炉内换热部件有效利用热量的计算公式为:

Q1=(Dgq-Djw)(igq″-igs)+Djw(igq″-ijw)+Dps(ips-igs)

+(Dzq-Dzjw)(izq″-izq′)+Dzjw(izq″-izjw)+Qql

式中,Dgq为生产出的过热蒸汽的流量,单位为kg/s;Djw为过热蒸汽减温水的流量,单位为kg/s;Dps为锅炉排污水的流量,单位为kg/s,当排污量小于2%时,排污水热量可不必考虑;Dzq为再热蒸汽的流量,单位为kg/s;Dzjw为再热蒸汽减温水的流量,单位为kg/s;igq″为过热蒸汽焓,单位为kJ/kg;igs为给水焓,单位为kJ/kg;ijw为过热蒸汽减温水的焓,单位为kJ/kg;ips为排污水焓,单位为锅筒压力下的饱和水焓,kJ/kg;izq″为再热蒸汽出口焓,单位为kJ/kg;izq′为再热蒸汽入口焓,单位为kJ/kg;izjw为再热蒸汽减温水的焓,单位为kJ/kg;Qql为其它利用的总热量,如由锅炉加热送往用户的热水或蒸汽带走的热量,单位为kW。

送入锅炉的燃料量:

为了计算燃烧产物、空气的容积以及烟气对受热面的放热量,引入计算燃料消耗量,它考虑了机械未完全燃烧热损失,按下式计算:

本发明实施例提供了一种富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算方法,解决了目前由于富氧燃烧技术与常规空气燃烧技术存在着一定的差别,常规空气燃烧技术导致的富氧燃烧煤粉锅炉热平衡计算不够精确的技术问题。

以上所述,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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